JP6220127B2 - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、ソレノイドでシャフトを往復動作させて各種の部材を駆動するために用いる電磁アクチュエータに関する。

このような電磁アクチュエータは、ソレノイドコイルによって形成される磁路に沿って配置された固定鉄心と可動鉄心との間に働く電磁力を吸引力として利用する。初動時の吸引力と必要ストロークを確保するために、固定鉄心の端部を筒状とし、可動鉄心をその内側に配置して端部同士に作用する磁力で可動鉄心を固定鉄心内に吸引する構造が採用されている。

ところで、近年の利用分野の拡大とともに、より大きな吸引力とより長い動作ストロークが、これらと本質的に相反する小型化やさらにはコスト低下とともに求められている。また、ストロークの範囲において吸引力が一定であるという特性（リニア吸引力特性）も被駆動部材の位置制御を容易にするために重要な因子として求められている。

これらの性能要求に対応するには、固定鉄心と可動鉄心によって形成される磁路の構成を両者の相対移動を踏まえて設計する必要がある。そのような試みとして、特許文献１では、吸引側の固定鉄心と可動鉄心の対向する端部に互いに対応する形状の円錐台面（傾斜面）を形成している。これは、基本形である筒状体同士の場合、可動鉄心が外側から接近している状態では吸引力が働くが、一旦吸引されると円筒面同士の対向となるため、軸方向の分力が大きく減少する点に鑑みてなされている。この技術では、吸引後も傾斜面の間に所定の軸方向分力が作用するので、ストローク移動距離に対する吸引力の減少を抑制してフラットな特性を得ることができたとしている。

一方、特許文献２は特許文献１の技術をさらに改良したもので、固定鉄心と可動鉄心の対向する部分に筒状面を残しつつ、傾斜面を補助的な吸引面として形成している。この技術では、ストローク移動の前半は円筒面同士の間の吸引力が作用し、後半は傾斜面同士の間の吸引力が作用する。したがって、特許文献１の技術におけるコイルの通電量に対する吸引効率が低い欠点を回避しつつフラットな吸引力特性を得ることができたとしている。

さらに、特許文献３では、図６（ａ）に示すように、吸引側の固定鉄心１００の端面に先端側が薄肉となる周壁状の突起１０２を形成しており、磁束をこの先端部に集中させることで、特に初期移動の際にコイル１０４の通電時に可動鉄心１０６を吸引する効率が低い欠点を回避することができる。

特開平４−２８２８０４号公報 特開２０００−２７７３２７号公報 特開２００６−１５３２８３号公報

しかしながら、上述した従来技術ではいずれも近年の電磁アクチュエータに要求される性能を充足することは困難である。すなわち、特許文献１の技術においては、上述したようにコイルの通電量に対する吸引効率が低いので大きな吸引力を得るには不利である上、可動鉄心と吸引側固定鉄心との隙間（エアギャップ）が大きい時、すなわち初動時に吸引力が低いので応答性が悪く、またフラットな吸引力特性も得られない。

また、特許文献２の技術においては、ストロークの後半における吸引力の低下を傾斜面同士の吸引力で補うことで吸引効率を高め、フラットな吸引力特性を確保するようにしている。しかしながら、これらの傾斜面は筒状の固定鉄心の内側の狭い空間に形成されており、軸方向の投影断面積も小さいため、充分に吸引力の低下を補うことはできない。したがって、大きな吸引力やフラットな吸引力特性を得るのは難しかった。さらに、特許文献３の技術においては、ストローク初期の吸引力向上は図れているものの充分ではない。

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、小型であっても大きな吸引力とリニアな吸引力特性を有するような高い性能を持つ電磁アクチュエータを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の電磁アクチュエータは、軸線方向に所定のギャップを介して対向配置された第１および第２の固定鉄心と、前記ギャップ近傍を前記軸線に沿って移動自在に配置された可動鉄心と、前記２つの固定鉄心および前記可動鉄心に磁界を及ぼしてこれらに磁路を形成し、前記可動鉄心を前記第１の固定鉄心に向けて駆動させるコイルとを備えた電磁アクチュエータにおいて、
前記可動鉄心は、中実柱状の前記第２の固定鉄心の外周面に、内周面を平行に対面させて軸線方向に延びる筒状の磁束誘導部と、前記ギャップを横切って筒状の前記磁束誘導部の前記ギャップ側の開口を塞ぐ磁束作用部とを有することにより、前記第1の固定鉄心の前記ギャップ側の端部と前記第2の固定鉄心の前記ギャップ側の端部とで直接対向する部分がないように、前記第2の固定鉄心の前記ギャップ側の端部を覆う有底筒状に設けられ、
前記第１の固定鉄心の前記ギャップに臨む端部には、テーパ状の凹部または凸部が形成されることにより環状のテーパ面が形成され、
前記第２の固定鉄心の前記ギャップに臨む端部には、前記第１の固定鉄心の前記環状のテーパ面に沿う形状の環状のテーパ面が形成され、
前記可動鉄心の前記磁束作用部は、二つの前記環状のテーパ面の間で、外周側が一方の前記環状のテーパ面に沿って対向し、内周側が他方の前記環状のテーパ面に沿って対向する円錐台筒状となっていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明においては、第１および第２の固定鉄心の間のギャップを可動鉄心の磁束作用部が横切るように構成されているので、ギャップを通過する磁束が他へ漏れることなく磁束作用部を通過して電磁力を発生させることになり、吸引力発生効率が向上し、大きな吸引力を得ることができる。また、第１および第２の固定鉄心が磁束作用部に互いに反対側から面することになり、互いの干渉を排して広い受け渡し面を確保でき、そ
の点からも吸引力発生効率が向上する。さらに、磁束線受け渡し面の形状変更が容易であり、磁束および力のバランスを調整する等の目的の達成が容易となる。
また、第２の固定鉄心の内側に磁束誘導部を収容するための空間を設ける必要がなく、複雑な加工を省いて製造コストを下げるとともに、可動鉄心を薄肉のカップ状とすることで軽量化が図られ、板状部材からのプレス成形による製造への道を開くとともに、初期位置へ戻すためのスプリングの荷重の軽減による小型化や、フリクションの軽減による負荷自体の軽減が図られ、さらに耐振性向上（チャタリング防止）にも有効である。

請求項２に記載の電磁アクチュエータは、請求項１に記載の発明において、前記可動鉄心は、前記第１の固定鉄心を挿通するとともに該第１の固定鉄心内部の少なくとも２点で軸受支持されたシャフトの先端に取り付けられていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明においては、シャフトを支持する構造が簡略化されるとともに、吸引側のクリアランスすなわち第１の固定鉄心と可動鉄心との間の径方向のクリアランスを小さくすることができ、ストロークの初期から中期までの広い範囲において吸引力を向上させることができる。

本発明によれば、固定鉄心と可動鉄心において磁束漏れの少ない磁路を形成することにより、小型で低コストでありながら大きな吸引力を生成する電磁アクチュエータを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電磁アクチュエータを示す概略図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る電磁アクチュエータを示す概略図である。 図１Ａの電磁アクチュエータの作用を示す磁束線図である。 図１Ａの電磁アクチュエータの作用を示す磁束線図である。 図１Ａの電磁アクチュエータの作用を示す磁束線図である。 本発明の実施形態に係る電磁アクチュエータの効果を従来例と比較して示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る電磁アクチュエータの効果を変形例と比較して示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る電磁アクチュエータを示す概略図である。 図４の電磁アクチュエータの作用を示す磁束線図である。 図４の電磁アクチュエータの作用を示す磁束線図である。 図４の電磁アクチュエータの作用を示す磁束線図である。 従来の電磁アクチュエータの一例を示す概略断面図である。 図６の電磁アクチュエータの作用を示す磁束線図である。 図６の電磁アクチュエータの作用を示す磁束線図である。 図６の電磁アクチュエータの作用を示す磁束線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１Ａの（ａ）に示す、この発明の第１の実施形態の電磁アクチュエータは、例えば、ディーゼル内燃機関の燃料レバーを停止方向に作動させ、機関を自動停止させるために、または４輪のマニュアルトランスミッション車においてリバースセレクトロックを自動的に行なわせるために用いられるものである。なお、図１Ａの（ｂ）は後述するようにコンピュータによる磁路解析を行う際に用いた簡略化モデルである。

この電磁アクチュエータは、軸線Ｏの方向に所定のギャップ１０を介して対向配置された第１の固定鉄心１２および第２の固定鉄心１４と、このギャップ１０の近傍において軸線Ｏに沿って移動自在に配置された可動鉄心１６と、２つの固定鉄心１２、１４および前記可動鉄心１６に磁界を及ぼしてこれらに磁路を形成し、可動鉄心１６を軸線Ｏに沿って移動させるコイル１８とを備えている。これらの各部材は基本的に回転対称に、すなわち断面が円形状に形成され、円筒形のハウジング２０の中に収容されている。

２つの固定鉄心１２、１４はそれぞれ上下の端面側に鍔状部２２、２４を有しており、コイル１８によって発生した磁界をこの鍔状部２２、２４を経由して誘導し、ギャップ１０に密度の高い磁束を形成する。コイル１８に通電すると２つの固定鉄心１２、１４から可動鉄心１６に対してそれぞれ吸引力が発生するが、後述するように、第１の固定鉄心１２の吸引力の方が大きいので、通電時には可動鉄心１６は第１の固定鉄心１２に向けて移動する。つまり、第１の固定鉄心１２は主に吸引作用を行うものであり、第２の固定鉄心１４は磁束誘導作用を行なうものである。第１の固定鉄心１２には軸線Ｏに沿って貫通孔２６が形成され、ここには２つの軸受２８、２８を介してシャフト３０が移動自在に設置され、このシャフト３０の先端は可動鉄心１６に固定されている。第２の固定鉄心１４の外径は第１の固定鉄心１２のそれよりも小さくなっており、それによってコイル１８内面との間に、後述する可動鉄心１６の磁束誘導部３２を配置する空間が形成されている。

可動鉄心１６は、軸線Ｏ方向に沿って延びる筒状の磁束誘導部３２と、ギャップ１０を横切るように軸線Ｏに交差する方向に延びる磁束作用部３４とから、カップ状（有底円筒状）に形成され、磁束作用部３４の中央に形成された貫通孔３６にシャフト３０の先端が挿入され、固定されている。磁束誘導部３２の内面は第２の固定鉄心１４の外面と小さい隙間をもって対面しており、第２の固定鉄心１４と可動鉄心１６の間の磁束の大部分がこれらの面にほぼ垂直な向き、すなわち、軸線Ｏに垂直な向きに沿ってここを通過することになる。したがって、第２の固定鉄心１４と可動鉄心１６の間では軸線Ｏ方向の力はほとんど発生しない。一方、第１の固定鉄心１２は可動鉄心１６の磁束作用部３４のみに面しており、ここに生成する磁束は軸線Ｏ方向成分を持つから、軸線Ｏ方向の吸引力が発生する。したがって、可動鉄心１６には第１の固定鉄心１２に向かう吸引力が作用する。

なお、この例では、第１の固定鉄心１２のギャップ１０側の端面には側面が開口部側に広がるテーパ面３８である凹部４０が形成されており、可動鉄心１６のこれに対向する部分である磁束作用部３４もこの凹部４０に対応する形状に形成されている。すなわち、この例の磁束作用部３４は、凹部４０のテーパ面３８に対応するテーパ面４２を持つ第１の作用部４４と、凹部４０の底面４６に対応する平面４８を持つ第２の作用部５０とを有している。このような構成により、後に詳しく述べるように、可動鉄心１６の変位に対する軸線Ｏ方向の吸引力の変化を小さくして、ストロークの範囲での吸引力の変化を抑制し、リニアな吸引力特性を得ることができる。

また、この例では磁束誘導部３２を第２の固定鉄心１４の外周側に配置したので、これを内側に配置する場合に比べて第２の固定鉄心１４を筒状に加工する必要がなく、製造コストを低下させることができる。シャフト３０は第１の固定鉄心１２の貫通孔２６の内部に設けた一対の軸受２８、２８により、片持ち状態で支持されるので、軸受のスペースが節約される。また、一対の軸受２８、２８が両方とも第１の固定鉄心１２の貫通孔２６に設置されているので、すなわち、２つの軸受２８、２８が両方とも１つの貫通孔２６に設置されているので、２つの軸受２８、２８の間の軸ずれが減少するため、シャフト３０に固定された可動鉄心１６と第１の固定鉄心１２との間の径方向のクリアランス（隙間）を小さくすることができ、これにより吸引力を向上させることができる。なお、この場合、可動鉄心１６と第２の固定鉄心１４との間の径方向のクリアランスを少し広げる必要があるが、それを考慮しても吸引力を向上させることができる。
なお、シャフト３０は、使用される状況に応じて第２の固定鉄心１４に挿入するようにしてもよいし、場合によっては従来の場合のように両方の固定鉄心１２、１４に設置した軸受により支持するようにしてもよい。図１Ａに示す第１の実施の形態の変形例として、両方の固定鉄心１２、１４に一対の軸受２８、２８を設置した場合を、図１Ｂに示す。
また、図６に示す従来例のように、磁束誘導部３２を第２の固定鉄心１４の内周側に配置してもよい。その場合は、磁束作用部３４は磁束誘導部３２の外側に張り出すことによりギャップ１０を横切ることになる。

次に、上記のように構成された電磁アクチュエータの作用について、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）による磁路解析結果である図２Ａ〜図２Ｃを参照しつつ説明する。なお、図６（ａ）に示す従来の電磁アクチュエータを、本実施形態の電磁アクチュエータと、鉄心重量、印加電流、コイル１８仕様等の条件を揃え、図６（ｂ）に示すようにモデル化したものの解析結果を、比較例として図７Ａ〜図７Ｂに示す。

図２Ａおよび図７Ａは初期状態での磁束線図を示し、可動鉄心１６と第１の固定鉄心１２の平坦面同士の距離（エアギャップ）が2.8mmである。図２Ｂおよび図７Ｂはストロークの途中でエアギャップが1.4mmの状態を、図２Ｃおよび図７Ｃはストロークの終了時でエアギャップが0.4mmの状態をそれぞれ示している。初期状態ではいずれも第１の固定鉄心１２の周壁状の先端と可動鉄心１６の先端部の間の磁束密度が大きく、この部分で作用する力が主に吸引作用を担っており、途中の状態では互いの平坦面同士の磁束が増えて、この部分で作用する吸引力が所定の割合を占め、最終状態では平坦面同士の間で作用する吸引力が主となっている。

以上は本実施形態と比較例に共通する事項であるが、以下に相違点を述べる。まず第１に、本実施形態では可動鉄心１６がギャップ１０を横切るように配置され、第１および第２の固定鉄心１４の間に生成される磁束のほとんど全てが可動鉄心１６を通過しているので磁束利用効率が非常に高い。一方、従来技術の構成ではギャップ１０において固定鉄心同士が直接対向する領域があり、ここにおいて吸引に寄与しない磁束が発生して効率の低下を招いている。したがって、本実施形態では従来に比べて同じ大きさや通電量であっても大きな吸引力が得られる。図３Ａは磁路解析によって得られたエアギャップ（ストローク）と吸引力の関係を示すが、本実施形態の方が特にストロークの初期の範囲において大きな吸引力を得ていることが分かる。
また、図３Ｂは、図１Ａの第１の実施形態と図１Ｂの変形例とを比較して示すグラフであって、磁路解析によって得られたエアギャップ（ストローク）と吸引力の関係を示す。同図から分かるように、一対の軸受２８、２８を両方とも第１の固定鉄心１２の貫通孔２６に設置した場合の方が、一対の軸受２８、２８を第１および第２の固定鉄心１２、１４に設置した場合よりも、ストロークの初期（エアギャップ2.8mm）から中期（エアギャップ1.4mm付近）までの広い範囲において、約１０％の大きな吸引力を得ていることが分かる。

次に、本実施形態では可動鉄心１６がギャップ１０を横切るように配置されている結果として、第１の固定鉄心１２と第２の固定鉄心１４が互いに可動鉄心１６の反対側の面に面することになる。したがって、第１の固定鉄心１２と第２の固定鉄心１４が同じ面を取り合うことなく、それぞれ広い面積を磁束線の受け渡しに利用でき、その点からも吸引力の向上がなされている。また、このように磁束線受け渡し面同士の干渉が無いことから、これらの面の形状変更が容易であり、本実施形態では磁束作用部３４にテーパ面を有する第１の作用部を形成したことで、径方向と軸方向の磁束および力のバランスを調整し、図３Ａに示すように、結果としてフラットな吸引力特性が得られている。なお、上記実施形態の可動鉄心１６は比較的薄肉のカップ状であるので、通常のような切削加工のほか、板状部材をプレス成形することにより製造することができる。また、本実施形態では可動鉄心１６がカップ状であり、これが移動する際に内側圧力が高まり抵抗となることが考えられる。その場合は、適当な箇所に空気抜き穴を設ければよい。

図４（ａ）は、この発明の第２の実施形態の電磁アクチュエータであり、図４（ｂ）はその簡略化モデルである。この実施形態では、第１の固定鉄心１２のギャップ１０側の面に、凹部ではなく凸部５２を設けている。そして、可動鉄心１６の対向面にはこの凸部５２と対応する形状の凹部５４が形成されている。先の実施形態と同様にこれらの凸部５２と凹部５４の側面は所定角度のテーパ面５６、５８となっている。この実施形態の作用を示す磁束線図を図５Ａ〜図５Ｃに示す。また、エアギャップ（ストローク）と吸引力の関係は図３Ａに示している。

これらの図から分かるように、この実施形態の電磁アクチュエータも第１の実施形態と同様の高い磁束利用効率を示し、従来例に比較して大きな吸引力とフラットなストローク−吸引力特性を示した。なお、この主の電磁アクチュエータにおいて最も吸引力が弱い移動初期における吸引力は、従来例に比べて第１の実施形態で約２０％、第２の実施形態で約１０％の向上が見られた。したがって、もし従来例と同等の吸引力を得たい場合は、可動鉄心の重量を約４０％低減する事が可能となる。このような可動鉄心の軽量化は、耐振性の向上および戻しバネの荷重低減等のメリットにつながるものである。

Ｏ 軸線
１０ ギャップ
１２ 第１の固定鉄心
１４ 第２の固定鉄心
１６ 可動鉄心
１８ コイル
３２ 磁束誘導部
３４ 磁束作用部

Claims (2)

1. 軸線方向に所定のギャップを介して対向配置された第１および第２の固定鉄心と、前記ギャップ近傍を前記軸線に沿って移動自在に配置された可動鉄心と、前記２つの固定鉄心および前記可動鉄心に磁界を及ぼしてこれらに磁路を形成し、前記可動鉄心を前記第１の固定鉄心に向けて駆動させるコイルとを備えた電磁アクチュエータにおいて、
   前記可動鉄心は、中実柱状の前記第２の固定鉄心の外周面に、内周面を平行に対面させて軸線方向に延びる筒状の磁束誘導部と、前記ギャップを横切って筒状の前記磁束誘導部の前記ギャップ側の開口を塞ぐ磁束作用部とを有することにより、前記第1の固定鉄心の前記ギャップ側の端部と前記第2の固定鉄心の前記ギャップ側の端部とで直接対向する部分がないように、前記第2の固定鉄心の前記ギャップ側の端部を覆う有底筒状に設けられ、
   前記第１の固定鉄心の前記ギャップに臨む端部には、テーパ状の凹部または凸部が形成されることにより環状のテーパ面が形成され、
   前記第２の固定鉄心の前記ギャップに臨む端部には、前記第１の固定鉄心の前記環状のテーパ面に沿う形状の環状のテーパ面が形成され、
   前記可動鉄心の前記磁束作用部は、二つの前記環状のテーパ面の間で、外周側が一方の前記環状のテーパ面に沿って対向し、内周側が他方の前記環状のテーパ面に沿って対向する円錐台筒状となっていることを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記可動鉄心は、前記第１の固定鉄心を挿通するとともに該第１の固定鉄心内部の少なくとも２点で軸受支持されたシャフトの先端に取り付けられてい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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