JP5704115B2 - 電磁アクチュエータ - Google Patents
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Description
また、2つの規制ピンを備える電磁アクチュエータに特許文献1の構成を適用しようとすると、2つのコイルが必要となる。
また、作動側規制ピンが最後退位置に戻りつつあることを示す後退信号を外部の検出装置に出力する後退信号出力手段を備えることを特徴とする。これにより、電磁アクチュエータの作動状態を監視し、異常検出や周辺システムの制御等に利用することができる。
プランジャが永久磁石又はアダプタと離れた状態では間に存在する空気層が磁気抵抗となるため、磁束が流れにくい。それに対し、一般に軟磁性体の透磁率は、空気の透磁率の数千〜数万倍である。したがって、軟磁性体であるプランジャと永久磁石又はアダプタとの距離がゼロ、又はゼロに近い微小距離になるまで近接すると、プランジャと永久磁石又はアダプタとの間を流れる磁束が急激に増加するため、それによりコイルに発生する誘導起電圧を後退信号として出力することができる。この後退信号は急峻であるため、検出装置におけるSN比が向上する。
(一実施形態)
本発明の一実施形態による電磁アクチュエータは、内燃機関の吸気バルブのリフト量を調整するバルブリフト調整装置に適用される。
図1〜図6に示すように、バルブリフト調整装置10は、カムシャフト11と共に回転するスライダ21に一体に設けられたカムによって、ローラ31、32及びスイングアーム33、34を介してリンクされた吸気バルブ91、92のリフト量を調整する。
図2等に示すように、カムシャフト11は、スライダ21が嵌合する部分の外面にスプライン外歯が形成されている。なお、図1等ではスプライン外歯の図示を省略している。
筒状のスライダ21は、内面に形成されたスプライン内歯がカムシャフト11のスプライン外歯と噛み合うことにより、カムシャフト11と共に回転しつつカムシャフト11に対し軸方向に相対移動可能に設けられている。すなわち、スライダ21は、カムシャフト11に鍔状に固定された2つのスライダリミッタ12、22の間を軸方向に往復移動可能に設けられている。
切替部20は、前段部15、移行部16、後段部17からなる第1係合溝14と、前段部25、移行部26、後段部27からなる第2係合溝24とが図1等において左右対称に形成されている。2つの係合溝14、24は、後段部17、27同士が重なり、図1等の視方向で「Y字」を呈するように形成されている。
第2係合溝24についても同様である。
電磁アクチュエータ40がカムシャフト11の回転タイミングに同期して第1規制ピン601を前進させ、第1係合溝14に係合させたとき、スライダ21は、カムシャフト11の回転に伴ってスライダリミッタ12側へ移動する。一方、電磁アクチュエータ40がカムシャフト11の回転タイミングに同期して第2規制ピン602を前進させ、第2係合溝24に係合させたとき、スライダ21は、カムシャフト11の回転に伴ってスライダリミッタ22側へ移動する。この詳しい動作に関しては後述する。
ローラ31、32は、小リフト用カム18、28及び大リフト用カム19、29と、スイングアーム33、34の中央部との間に介在されている。
図1、図2に示すように、スライダ21がスライダリミッタ22側にあるとき、ローラ31は、小リフト用カム18の偏心部の外周面に当接し、スイングアーム33を押し下げる。これにより、シリンダヘッド90の吸気バルブ91は、相対的に小さなリフト量L1だけ開弁する。また、ローラ32は、ローラ31と約180°ずれた位相で小リフト用カム28の偏心部の外周面に当接し、スイングアーム34を押し下げる。これにより、吸気バルブ92は、リフト量L1だけ開弁する。
以下、バルブリフト調整装置10のこの状態を「小リフト状態」という。これに対し、ローラ31が大リフト用カム19の偏心部の外周面に当接する状態を「大リフト状態」という。
第1規制ピン601が第1係合溝14に嵌合した状態でスライダ21がカムシャフト11と共に回転すると、第1規制ピン601の嵌合する溝の位置が前段部15から移行部16を経て後段部17に移るとともに、スライダ21は、図1に矢印X1で示すようにスライダリミッタ12側へ移動する。
また、位置P3を過ぎた回転位置では、後段部17の溝の深さが浅くなり、後段部17の底壁が電磁アクチュエータ40の第1規制ピン601を押し戻す。
第2規制ピン602が第2係合溝24に嵌合した状態でスライダ21がカムシャフト11と共に回転すると、第2規制ピン602の嵌合する溝の位置が前段部25から移行部26を経て後段部27に移るとともに、スライダ21は、図5に矢印X2で示すようにスライダリミッタ22側へ移動する。
具体的には、内燃機関の回転数や負荷に応じてバルブリフト量を調整することで、運転条件を適切に改善することができる。
図7〜図12に示すように、電磁アクチュエータ40は、2つの規制ピン601、602を並設しており、そのうちいずれか一方を「作動側規制ピン」として択一的に作動させる。電磁アクチュエータ40は、2つの規制ピン601、602に対応して、プランジャ651、652、スプリング751、752、永久磁石501、502、及び、アダプタ551、552を各2つ備える。
ここで、3桁符号の末尾が「1」の部材同士が対応し、3桁符号の末尾が「2」の部材同士が対応する。以下、適宜、3桁符号末尾が「1」の部材の名称の前に「第1」を付け、3桁符号末尾が「2」の部材の名称の前に「第2」を付けて区別する。
以下、静止部の構成について順に説明した後、可動部の構成について説明する。
本実施形態では、図8、図9に示すように、ヨーク41の径方向の断面形状は、ピン軸O1を中心とする半円と、ピン軸O2を中心とする半円とを共通の接線でつないだ長円形状を呈している。また、ヨーク41は、ピン軸O1とピン軸O2とを含む仮想平面Vに対して対称に形成される。なお、以下の説明で単に「断面形状」という場合、径方向の断面形状を意味し、また「断面積」という場合、径方向の断面積を意味するものとする。
ヨーク41の外筒部42は、後方に開口421が形成され、前方に底壁422が設けられる。ヨーク41の内筒部43は、図9に示すように、2つのプランジャ穴431、432が隔壁433を挟んで形成される。
ホルダ45は、ヨーク41内の後方であって、ボビン46とステータ44との間に支持される。ホルダ45は、図8に示すように、永久磁石501、502をそれぞれ収容する2つの収容部451、452が隔壁453を挟んで形成される。
軸方向のボビン46の後端面とステータ44との間は、Oリング491によってシールされる。径方向のボビン46の外壁とヨーク外筒部42の内壁との間は、Oリング492によってシールされる。
図8に示すように、本実施形態では永久磁石501、502の断面形状は円形である。永久磁石501、502の直径は、対応するプランジャ651、652の直径よりも大きく設定される。永久磁石501、502の磁石軸Q1、Q2は、仮想平面上において、ピン軸O1、O2の両外側に配置される。また、図8、図9に示すように、永久磁石501、502間の距離dmは、プランジャ651、652間の距離dpと同等に設定される。言い換えれば、ホルダ45の隔壁453の最小幅は、ヨーク内筒部43の隔壁433の最小幅と同等に設定される。
図12に示すように、アダプタ551、552の後方の端面56は、永久磁石501、502の前方の端面53に当接し、或いは微小隙間を介して近接している。また、アダプタ551、552の前方の端面58には、非通電時、プランジャ651、652の後方の端面66が当接する。
アダプタ551、552の側壁57は、互いに離隔する側が斜面で形成され、互いに近接する側がピン軸O1、O2と平行な面で形成されている。すなわち、アダプタ551、552は、ほぼ斜円錐台状に形成されている。
また、仮にアダプタ551、552を設けない場合、永久磁石501、502がプランジャ651、652を吸引したとき、プランジャ651、652の衝突によって永久磁石501、502が割れ、アクチュエータが作動不能となるおそれがある。そこで間にアダプタ551、552を設けることで、プランジャ651、652が永久磁石501、502に吸着されるときの衝撃を緩和する。すなわち、アダプタ551、552は、「緩衝部材」としても機能する。
フランジ部71は、ヨーク41の前方の底壁422に接合されている。フランジ部71と底壁422との間は、Oリング493によってシールされる。
本体部72は、規制ピン601、602及びスプリング751、752を収容する収容穴721、722が形成されている。収容穴721、722は、ヨーク内筒部43のプランジャ穴431、432に連通する。ブッシュ731、732は、収容穴721、722に規制ピン601、602の鍔部631、632が収容された後、収容穴721、722の後方開口部に挿入される。また、収容穴721、722の穴底741、742には、摺動穴751、752が形成されている。
第1規制ピン601は、軸本体611に対し、第1プランジャ651に連結される連結部621、及び、第1スプリング751の座面を構成する鍔部631がピン軸O1上に同軸に形成されている。鍔部631は、例えば、軸本体611と別体のカラーを圧入して形成してもよく、或いは、軸本体611と一体で製作してもよい。
ここで、第1プランジャ651の最後退位置で、第1プランジャ651の外壁とヨーク内筒部43の第1プランジャ穴431の内壁とは軸方向、すなわち第1プランジャ651の作動方向において、少なくとも一部がオーバーラップする。このオーバーラップ部分は、ヨーク41から第1プランジャ651への磁束伝達経路を構成する。
以上の構成は、第2規制ピン602及び第2プランジャ652についても同様である。第2規制ピン602の先端部642は、前進時、バルブリフト調整装置10の第2係合溝24に係合する。
電源81は、接続配線84がコネクタ48に接続されることで、コイル47に駆動電流を供給する。
通電方向切替手段82は、電源81からコイル47へ供給される電流の通電の方向を切り替え、或いは通電を遮断する。
電圧検出装置83は、プランジャ651、652が最後退位置に戻りつつあるとき電磁アクチュエータ40から出力される誘導起電圧を検出する。
(非通電時)
図7に示す非通電時には、第1規制ピン601及び第2規制ピン602は、共に最後退位置に保持される。ここでは、第1規制ピン601を例として説明する。
磁石吸着力は、第1プランジャ651を後退させる方向に作用し、ストロークが増すにつれ減少する。スプリング力は、第1プランジャ651を前進させる方向に作用し、ストロークが増すにつれ直線的に減少する。ゼロストロークS0では磁石吸着力がスプリング力を上回るため、第1プランジャ651は第1永久磁石501に吸着保持される。
これにより、第1規制ピン601及び第2規制ピン602の先端部641、642は、非通電時にいずれも最後退位置に維持され、バルブリフト調整装置10において係合溝14、24から離間する。
図10に示すようにコイル47に第1方向の電流を通電すると、コイル47は、第1永久磁石501の磁束Φm1と逆向きのコイル磁束Φsol1を生成する。すなわち、第1永久磁石501の磁束Φm1がN極からS極に向かって図の上向きに貫くのに対し、コイル磁束Φsol1は、第1永久磁石501を図の下向きに貫く。このように、第1方向の通電は、第1永久磁石501にとって、「磁石の磁束と逆方向のコイル磁束を発生させる通電」(以下、「逆方向通電」という。)となる。
これにより、第1規制ピン601の先端部641は、バルブリフト調整装置10の係合溝14に係合する。そして、カムシャフト11の回転によってスライダ21を図1の矢印X1の方向に移動させ、バルブリフト量をリフト量L1からリフト量L2に切り替える。
一般に軟磁性体の透磁率は、空気の透磁率の数千〜数万倍である。そのため、共に軟磁性体である第1プランジャ651と第1アダプタ551との距離がゼロ、又はゼロに近い微小距離になるまで近接すると、第1プランジャ651と第1アダプタ551との間を流れる磁束が急激に増加する。その結果、時刻t15から時刻t16の間に、急激な磁束変化による誘導起電圧Vi1がコイル47に発生する。コイル47は、誘導起電圧Vi1を電圧検出装置83に出力する。電圧検出装置83は、誘導起電圧Vi1を、第1規制ピン601がゼロストロークS0すなわち最後退位置に戻りつつあることを示す「後退信号」として検出する。このように、コイル47は、「後退信号出力手段」として機能する。
同方向通電で生成されたコイル磁束Φsol1により、第2永久磁石502を貫く磁束が重畳されるため、第2永久磁石502の磁石吸着力は増加する。そのため、第2プランジャ652は、非通電時よりも大きな力で第2永久磁石502に吸着保持される。したがって、第2規制ピン602は、非通電時と同様に最後退位置に維持される。
図11に示すように、コイル47に第2方向の電流を通電すると、コイル47は、第1永久磁石501の磁束Φm1と同じ向きであって第2永久磁石502の磁束Φm2と逆向きのコイル磁束Φsol2を生成する。すなわち、第2方向の通電は、第2永久磁石502にとって逆方向通電となる。したがって、第2方向通電時には、第1方向通電時とは逆に第2永久磁石502が減磁され、第2プランジャ652を吸引する磁石吸着力が減少する。そして、第2スプリング752のスプリング力によって第2規制ピン602が「作動側規制ピン」として作動する。
スライダ21の移動に続き、切替部20の回転によって第2規制ピン602の先端部642が押し戻され、さらに第2永久磁石502の吸着力によって、第2プランジャ652は、第2アダプタ552に当接するまで後退方向に吸引される。
具体的には、後退信号出力手段としてのコイル47は、プランジャ651、652が最後退位置に戻りつつあることを示す後退信号として、コイル47に発生する誘導起電圧Vi1、Vi2を外部の電圧検出装置83に出力する。さらに詳しくは、コイル47は、第1プランジャ651、第2プランジャ652のいずれが最後退位置に戻りつつあるかによって、正負が反対の誘導起電圧Vi1、Vi2を外部の電圧検出装置83に出力する。
本実施形態の電磁アクチュエータ40の効果について説明する。
(1)本実施形態の電磁アクチュエータ40は、プランジャ651、652を後退方向に吸引する2つの永久磁石501、502が、磁極の向きが互いに反対となるように、静止部であるホルダ45に固定される。また、コイル47の通電方向を切り替えることで、2つの永久磁石501、502の一方に対して逆方向のコイル磁束を発生させ、吸着力を低下させる。そして、永久磁石501、502の吸着力が低下した側の規制ピン601、602をスプリング751、752の付勢力によって前進方向に作動させる。
また、作動側規制ピンが最後退位置に戻りつつあることを示す後退信号を出力する後退信号出力手段を備えることで、電磁アクチュエータ40の作動状態を監視し、異常検出や周辺システムの制御等に利用することができる。
(4)後退信号出力手段として機能するコイル47は、電磁アクチュエータ40の駆動に不可欠な部材であるため、電磁アクチュエータ40の作動状態の検出のみを目的とした専用の部材を設ける必要がない。
(ア)後退信号出力手段は、上記実施形態のように誘導起電圧を後退信号として出力するコイル47に限らない。例えば、プランジャと永久磁石又はアダプタとの電気的又は機械的な接触を検出するスイッチや、プランジャと永久磁石又はアダプタとの隙間の大きさを検出するセンサ等を後退信号出力手段として設けてもよい。
或いは、後退信号出力手段として専用の磁気検出素子をプランジャに埋め込み、この磁気検出素子によってプランジャと永久磁石又はアダプタとの接近を検出し、信号を出力してもよい。この場合も、2つの永久磁石は磁極の向きが互いに反対であるため、どちらのプランジャの検出信号であるか区別することができる。
アダプタを設けない場合、上記実施形態でのプランジャ651、652の後退時におけるプランジャ651、652とアダプタ551、552との磁気的な関係は、プランジャと永久磁石との関係に置き換えて説明することができる。
(オ)バルブリフト調整装置のカム、スライダ等の構成は、上記実施形態に例示したものに限らず、電磁アクチュエータの規制ピンの前進後退によって切替可能なものであればどのような構成であってもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
11 ・・・カムシャフト、 14、24 ・・・係合溝、
21 ・・・スライダ、
40 ・・・電磁アクチュエータ 47 ・・・コイル(後退信号出力手段)、
501、502 ・・・永久磁石、
551、552 ・・・アダプタ、
601、602 ・・・規制ピン、 641、642 ・・・先端部、
651、652 ・・・プランジャ、
751、752 ・・・スプリング、
91、92 ・・・吸気バルブ。
Claims (2)
- 内燃機関の吸気バルブ(91、92)又は排気バルブのリフト量を調整するバルブリフト調整装置(10)に適用され、前記バルブリフト調整装置のカムシャフト(11)と共に回転しつつ前記カムシャフトに対し軸方向に相対移動可能なスライダ(21)に形成された係合溝(14、24)に2つの規制ピン(601、602)のうちいずれか一方である作動側規制ピンの先端部(641、642)を係合させるとき前記作動側規制ピンを前進させ、前記作動側規制ピンの先端部を前記係合溝から離間させるとき前記カムシャフトのトルクによって前記作動側規制ピンが押し戻される電磁アクチュエータ(40)であって、
前記係合溝に対し前進可能に並設される第1規制ピン(601)及び第2規制ピン(602)と、
軟磁性体で形成され、一方の端部に前記第1規制ピンが連結される第1プランジャ(651)、及び、一方の端部に前記第2規制ピンが連結される第2プランジャ(652)と、
前記第1プランジャ及び前記第2プランジャに対して静止した静止部に磁極の向きが互いに反対となるように固定され、前記第1プランジャを後退方向に吸引する第1永久磁石(501)、及び、前記第2プランジャを後退方向に吸引する第2永久磁石(502)と、
通電方向を切り替えることで、前記第1永久磁石及び前記第2永久磁石の一方に対して逆方向の磁束を発生させ、対応する前記プランジャを吸引する吸着力を低下させるコイル(47)と、
前記第1規制ピン及び前記第2規制ピンを前進方向に付勢し、前記コイルへの通電によって前記永久磁石の吸着力が低下した側の前記規制ピンを付勢力によって前進方向に作動させる第1スプリング(751)及び第2スプリング(752)と、
前記作動側規制ピンが前進位置から最後退位置に戻りつつあることを示す後退信号を外部の検出装置(83)に出力する後退信号出力手段と、
を備え、
前記後退信号出力手段は前記コイルであり、
前記作動側規制ピンに連結された前記プランジャが対応する前記永久磁石に近接するとき前記コイルに発生する誘導起電圧を前記後退信号として出力し、
前記第1規制ピンが前記作動側規制ピンであるとき出力される前記後退信号と、前記第2規制ピンが前記作動側規制ピンであるとき出力される前記後退信号とは、誘導起電圧の正負が反対であることを特徴とする電磁アクチュエータ。 - 軟磁性体で形成され、前記コイル、前記永久磁石、及び前記プランジャの間で磁気回路を構成するヨーク(41)を備えることを特徴とする請求項1に記載の電磁アクチュエータ。
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