JP6631435B2 - 電磁アクチュエータ - Google Patents
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Description
また、本発明の電磁アクチュエータは、フロントプレート(44)、固定部材(46、146)、コイル(31)、エンドプレート(48、148、248)およびヨーク(35、135、235、335、435)を備える。
電機子は、磁性体で形成されており、出力ピンの基端部(61)に接合されている接合部(71)を有し、出力ピンとともに前進後退可能に設けられている。
リアプレートは、電機子に対し接合部とは反対側に設けられている。
永久磁石は、板状で、リアプレートに対し接合部側で接合され、軸方向の両端が互いに異なる極性となるように着磁されている。
固定部材は、非磁性体で形成されており、電機子の対向部(72)と対向する端面(461)が露出するように、リア挿入穴に挿入され、出力ピンおよび電機子に対し永久磁石が静止するように、リアプレート、永久磁石およびフロントプレートを固定する。
コイルは、通電時、永久磁石の磁界と逆方向の磁界を生成し、電機子と永久磁石との間に反発力を発生させる。
ヨークは、筒状に形成されており、リアプレートの外壁(453)またはエンドプレートの外壁(482)に対向する内壁(351)を有し、電機子、リアプレートおよびエンドプレートを経由する磁気回路を形成する。
電機子は、対向部において外径が最大であり、電機子の対向部の外径(D A )は、リアプレートの外径(D R )よりも小さく、且つフロントプレートの外径(D F )よりも大きい。
図1および図2に示すように、バルブリフト調整装置50は、スライダ51、カムシャフト94、吸気バルブリフト52、電磁アクチュエータ101を備える。
電磁アクチュエータ101は、一体となったスライダ51とカムシャフト94と当接されており、電磁アクチュエータ101の出力ピン60が、係合溝511の直上に位置している。
吸気バルブリフト52に接触する小リフトカム58または大リフトカム59のトルクによって、吸気バルブリフト52を押し下げる。これにより、シリンダヘッド53の吸気バルブ91がリフト量L1またはリフト量L2だけ開弁する。
電磁アクチュエータ101の構成について、図3から図6を参照して説明する。
図3および図4に示すように、電磁アクチュエータ101は、軸方向に往復移動する可動部14とエンジンヘッド90に固定される静止部13とで構成されている。可動部14および静止部13は、中心軸Oに対して同軸に設けられている。
出力ピン60は、非磁性体で形成され、スリーブ80のスリーブ穴85内を出力ピン60の摺動部65が摺動可能に設けられており、基端部61から先端部64に向かう軸方向に前進後退可能に設けられている。出力ピン60に用いられる非磁性体は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼である。
接合部71は、軸方向に延びる有底穴711を含む。有底穴711に基端部61が挿入されて、接合部71と基端部61とが嵌合され接合されている。磁性体は、例えば、高炭素クロム軸受が用いられる。高炭素クロム軸受鋼等を用いることで、熱処理により高い強度が得られる。
電機子70の大部分は、コイル31の径方向内側に位置している。接合部71とは反対側における電機子70の端部に、外径が比較的大きく、可動部14のフロントプレート44と広い面積で対向する対向部72が形成されている。
コイル31は、ボビン30の外周に巻線が巻回されており、図示しない外部電源から通電されることによって、磁界を生成可能である。
ボビン30は、電機子70に外挿され、樹脂で形成されており、コイル31の巻線と電機子70とを絶縁する。
ヨーク35は、電機子70と接触または近接する部位において、相互に磁気が伝達され、電機子70、リアプレート45およびエンドプレート48を経由する磁気回路を形成する。
鍔部39は、電磁アクチュエータ101の径方向内側から径方向外側に向かって突出しており、エンジンヘッド90への取り付けに用いられる
基部81は、エンジンヘッド90の取り付穴92に挿入されている。取り付穴92の内周との間のシールを確保するシールリング83が基部81の外周に設けられている。
筒部84は、カムシャフト94と対向するように基部81から先端面が突出しており、筒部84の軸に沿って、出力ピン60が挿通されるスリーブ穴85が形成されている。
筒部84は、軸受部844を含み、出力ピン60が前進するとき、出力ピン60をカムシャフト94に案内する。
軸受部844は、基端部61側および先端部64側に1つずつ形成されており、出力ピン60に接触し、基端部61側および先端部64側で出力ピン60を保持する。
永久磁石40は、永久磁石40における軸方向に対し、フロントプレート44側がN極に着磁され、リアプレート45側がS極に着磁されている。なお、N極およびS極の配置は逆であってもよい。また、永久磁石40は、中心軸Oに沿って、ストッパ46が挿入される磁石挿入穴401を有する。
リアプレート45は、磁性体で、径方向の断面が円環形状に形成され、永久磁石40に対し先端部64側で永久磁石40に接合されている。リアプレート45の外壁453は、ヨーク35の内側壁351と対向して接触しており、圧入または溶接によってリアプレート45はヨーク35と嵌合され固定されている。
また、リアプレート45は、ストッパ46が挿入されるリア挿入穴451を有する。
また、ストッパ46は、可動部14に対し永久磁石40、フロントプレート44およびリアプレート45が静止するように、永久磁石40、フロントプレート44およびリアプレート45を固定する。なお、ストッパ46が挿入されるときに永久磁石が破損しないように、ストッパ46と永久磁石40との間に隙間が設けられていてもよい。
ストッパ46の端面461は対向部端面721に対向しており、端面461が露出するようにストッパ46は設けられている。ストッパ46に用いられる非磁性体は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼等の金属、樹脂またはゴムである。
また、エンドプレート48は、コイル31に対し接合部71側に設けられており、接合部71側のボビン30に接合されている。
さらに、エンドプレート48の外面482が基部81側のヨーク35の内面352と対向して接触しており、エンドプレート48はヨーク35と嵌合され固定されている。
ヨーク35、フロントプレート44、リアプレート45およびエンドプレート48に用いられる磁性体は、電機子70と同様に、高炭素クロム軸受が用いられる。
フロントプレート44およびエンドプレート48は、エンド厚みTEがフロント厚みTFよりも大きくなるように、すなわち、TE>TF となるように形成されている。
フロントプレート44およびリアプレート45は、リア径DRがフロント径DFよりも大きくなるように、すなわち、DR>DF となるように形成されている。
また、電機子70およびリアプレート45は、リア径DRがアーマチャ径DAよりも大きくなるように、すなわち、DR>DA となるように形成されている。
電磁アクチュエータ101は、エンジンヘッド90の取り付穴92に取り付けられ、バルブリフト調整装置50のカムシャフト94に対して出力ピン60が作動する。以下、出力ピン60がカムシャフト94に近づく方向に作動することを「前進する」といい、出力ピン60がカムシャフト94から離れる方向に作動することを「後退する」という。
コイル31が非通電状態のとき、フロント前端面443と対向部端面721との間における永久磁石40の磁気吸引力により、可動部14は後退限に保持される。この磁気吸引力は、少なくとも、引込みストロークLuに対応する引込み位置から後退限まで可動部14を吸引可能となるように設定されている。
磁気回路ΦMは、「永久磁石40のN極→フロントプレート44→電機子70→エンドプレート48→ヨーク35→リアプレート45→永久磁石40のS極」というルートで生成される。
永久磁石40の磁界と逆方向の磁界が生成されるとき、フロントプレート44と対向部72とが同極になる。このため、フロント前端面443と対向部端面721との間に電磁力としての反発力が発生する。この反発力によって、可動部14は後退限から前進する。
一般に、永久磁石は結晶粒から形成されており、結晶の滑りが少ないため脆性材料である。このため、従来の電磁アクチュエータ900では、永久磁石902を含む可動部903が移動したときの衝撃力によって永久磁石902が割れる虞がある。
そこで、本実施形態の電磁アクチュエータは、簡易な構成で、耐衝撃性が向上し、小型化可能にする。
[1]電磁アクチュエータ101は、可動部14が出力ピン60および電機子70のみで構成されており、可動部14に対し静止している静止部13に永久磁石40が含まれている。永久磁石40は移動することがないため、可動部14が移動するときに生じる衝撃力によって永久磁石40が割れることを防ぎ、耐衝撃性が向上する。また、衝撃吸収材を設ける必要がなくなるため、部品点数を削減でき、電磁アクチュエータ101を小型または低コストにできる。
図6において、横軸のストロークL0[mm]は後退限を示し、ストロークLmaxは前進限を示す。縦軸は、吸引力[N]がゼロの線を基準として、正方向に大きいほど後退方向への吸引力が大きく、負方向に大きいほど前進方向への吸引力が大きいことを意味する。
特性AOFFと参照特性AREFとを比較すると、L0の位置での吸引力(保持力)は同等である。ここで、「同等」は、常識的な誤差範囲を含む。以下、「同等」は拡大解釈するものとして記載する。
このように、電磁アクチュエータ101は、コイル31への通電または非通電によって、参照特性AREFと同等の特性を得ることができる。
エンド厚みTEがリア厚みTRよりも大きくなっているため、フロントプレート44での磁気短絡が抑制される。
リアプレート45の外壁453がヨーク35の内側壁351と接触しているため、リアプレート45とヨーク35との間の磁気抵抗が低下し、磁気回路ΦMが通りやすくなる。
ストッパ46が非磁性体で形成されていることによって、ストッパ46およびフロントプレート44内での磁気短絡が抑制される。
このような構成により、磁気回路ΦMの短絡が抑制され、電磁アクチュエータ101の磁気特性が向上する。
第2実施形態では、電機子保持磁石がヨークの内面に追加して設けられている点を除き、第1実施形態と同様である。
図7に示すように、第2実施形態の電磁アクチュエータ102は、電機子170の接合部71に対向するヨーク35の内面352に電機子保持磁石41が設けられている。
電機子保持磁石41は、軸方向の両端が互いに異なる極性となるように着磁されている。なお、N極およびS極の配置は逆であってもよい。電機子保持磁石41は、永久磁石40と同様に、ネオジウム磁石が用いられている。
電機子保持磁石41は、径方向の断面が円環状に形成されている。
電機子溝713は、電機子保持磁石41と同形状に形成される溝である。
図8に示すように、電機子170および出力ピン60が前進したとき、電機子保持磁石41と電機子溝713とが係合される。双方が係合し、コイル31が非通電状態になったとき、電機子170および出力ピン60が前進した状態が電機子保持磁石41の吸引力によって保持される。
図9に示すように、非通電時における第2実施形態の電磁アクチュエータ102の特性AOFFでは、ストロークがL3以上の位置で負方向の吸引力が増加するため、負方向の吸引力により、コイル31へ通電する電力量を削減できる。
図10に示すように、第3実施形態では、ヨークの筒部に付勢部材が追加して設けられている点を除き、第1実施形態と同様である。
第3実施形態の電磁アクチュエータ103は、ヨーク135の筒部84の内側面841に筒部溝842が形成されており、筒部溝842の位置に付勢部材36が設けられている。
接触部37は、出力ピン160の軸方向の断面が円形形状で湾曲して形成されている。
スプリング38は、一端が筒部84に接続され、他端が接触部37に接続されている。
ピン溝161は、出力ピン160の軸方向の断面が長方形形状であり、付勢部材36が収まる大きさで凹むように形成されている。
付勢部材36は、電機子70および出力ピン160が前進限まで前進したときピン溝161に係合する。
第3実施形態において、第1実施形態と同様の効果を奏する。また、第3実施形態では、付勢部材36によって、電機子70および出力ピン160が前進した状態が保持されやすくなり、第2実施形態と同様の効果を奏する。
第4実施形態では、可動部14および静止部13を2組備えており、電機子と出力ピンとの接合位置が異なる点を除き、第1実施形態と同様である。
図12に示すように、第4実施形態の電磁アクチュエータ104は、第1実施形態の電磁アクチュエータ101を2組並べて一体化されている。2つの永久磁石40は、軸方向に対し、フロントプレート44側がN極に着磁され、リアプレート45側がS極に着磁されており、互いに同一に着磁されている。
中心軸O1と中心軸O2との距離を第1軸間距離D1とし、中心軸P1と中心軸P2との距離を第2軸間距離D2とする。
第2軸間距離D2が第1軸間距離D1よりも小さくなるように、電機子270および出力ピン260は接合されている。
電機子270は、突起714が接合部71に形成されている。
突起714は、電機子270と別部材で形成されており、有底穴711に接合されて、接合穴613と係合するように径方向外側から径方向内側に延びる。突起714と接合穴613とが係合することによって、電機子270および出力ピン260の軸ズレを抑制する。
スリーブ80の筒部184は、ヨーク35と別部材で形成されており、可動部14を組付け後、ヨーク35に挿入される。
(i)本実施形態の電磁アクチュエータに用いられる永久磁石は、ネオジウム磁石に限らず、アルニコ磁石、フェライト磁石、柔軟磁石、サマコバ磁石、鉄クロムコバルト磁石等が永久磁石に用いられてもよい。
図13に示すように、電磁アクチュエータ105の出力ピン360と電機子370とが一体に形成されていてもよい。第1実施形態と同様の効果を奏する。さらに、出力ピン360と電機子370とが一体に形成されているため、接合する工数および部品点数が削減され、電磁アクチュエータ105への組付け性が向上する。
図15に示すように、電磁アクチュエータ107のヨーク335とリアプレート145とが一体に形成されていてもよい。この場合、ヨーク335の内径がリア径DRに相当する。また、スリーブ80はヨーク35と別部材で形成されており、組立時に挿入される。
このような構成において、第1実施形態と同様の効果を奏する。
図18に示すように、電磁アクチュエータ110のリアプレート45を保護するために、リアプレート45およびヨーク35を覆うようにヨーク35を樹脂モールドして保護体49を形成してもよい。
図20に示すように、本実施形態の電磁アクチュエータ112は、筒部および鍔部に相当するものがなくてもよい。この構成において、第1実施形態の効果[1]、[2]、[3]を奏する。
対向部溝722が形成されていることによって、フロントプレート44と電機子70とが対向する面積が小さくなる。このため、オイル等が用いられる場合、電機子70の動きだし時にオイルによるフロントプレート44と電機子70との張り付き力が低減され、電機子70の始動が滑らかになる。
また、電機子70に、軸方向に延びる穴715を設けてもよい。穴715によって、電機子70が前進後退するときの空気抵抗が減少し、電機子70の前進後退が滑らかになる。対向部溝722は、径方向または軸方向の断面が円形形状もしくは多角形形状であってもよい。対向部溝722の形状を問わず、上記の効果を奏する。
図22に示すように、電磁アクチュエータ114は、エンドプレート48とは反対側のボビン30の外表面301に電機子保持磁石141が設けられてもよい。
電機子保持磁石141は、ヨーク35の内側壁351と接触している。図21において、電機子70が前進したときの対向部72が2点鎖線で示されている。
このような構成において、第2実施形態と同様の効果を奏する。この場合、電機子溝713を設ける必要がなくなる。
図23に示すように、電磁アクチュエータ115では、第1実施形態の電磁アクチュエータ101を2組並べて、第2軸間距離D2を広くして一体化してもよい。この場合、電磁アクチュエータ114の電機子470の中心軸P1、P2と出力ピン460の中心軸O1、O2とは同軸である。
図25に示すように、電磁アクチュエータ117の電機子保持磁石241および電機子溝713は円柱形状であってもよい。電機子保持磁石241および電機子溝713は、多角柱形状であってもよく、形状を問わず、第2実施形態と同様の効果を奏する。また、電機子溝713に連通する穴715を電機子270および突起部714に設けてもよい。
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。
35、135、235、335、435 ・・・ヨーク、
351 ・・・内壁(内側壁)、
40、140 ・・・永久磁石、
44 ・・・フロントプレート 、
441 ・・・リア挿入穴
45、145、245、345、445 ・・・リアプレート、
453 ・・・外壁、
46、146 ・・・固定部材、
461 ・・・端面、
48、148、248 ・・・エンドプレート、
481 ・・・電機子挿入穴、
60、160、260、360、460 ・・・出力ピン、
61 ・・・基端部、
70、170、270、370、470 ・・・電機子、
71 ・・・接合部。
Claims (5)
- 軸方向に前進後退可能に設けられている出力ピン(60、160、260、360、460)と、
磁性体で形成されており、前記出力ピンの基端部(61)に接合されている接合部(71)を有し、前記出力ピンとともに前進後退可能に設けられている電機子(70、170、270、370、470)と、
前記電機子に対し前記接合部とは反対側に設けられているリアプレート(45、145、245、345、445)と、
前記リアプレートに対し前記接合部側で接合され、軸方向の両端が互いに異なる極性となるように着磁された板状の永久磁石(40、140)と、
前記電機子と前記永久磁石との間であって、前記永久磁石に接合されており、フロント挿入穴(441)を有するフロントプレート(44)と、
非磁性体で形成されており、前記電機子の対向部(72)と対向する端面(461)が露出するように、前記フロント挿入穴に挿入され、前記出力ピンおよび前記電機子に対し前記永久磁石が静止するように、前記リアプレート、前記永久磁石および前記フロントプレートを固定する固定部材(46、146)と、
通電時、前記永久磁石の磁界と逆方向の磁界を生成し、前記電機子と前記永久磁石との間に反発力を発生させるコイル(31)と、
コイルに対し前記接合部側に設けられ、前記電機子の前記対向部とは反対側の端部が挿入される電機子挿入穴(481)を有するエンドプレート(48、148、248)と、
筒状に形成されており、前記リアプレートの外壁(453)または前記エンドプレートの外壁(482)に対向する内壁(351)を有し、前記電機子、前記リアプレートおよび前記エンドプレートを経由する磁気回路を形成するヨーク(35、135、235、335、435)と、
を備え、
前記電機子は、前記対向部において外径が最大であり、前記電機子の前記対向部の外径(D A )は、前記リアプレートの外径(D R )よりも小さく、且つ前記フロントプレートの外径(D F )よりも大きい電磁アクチュエータ。 - 前記フロントプレート、前記リアプレート、前記エンドプレートおよび前記ヨークは、磁性体で形成されている請求項1に記載の電磁アクチュエータ。
- 前記エンドプレートの厚み(TE)は前記フロントプレートの厚み(TF)よりも大きい請求項1または2に記載の電磁アクチュエータ。
- 前記電機子(170)に対向する位置に設けられる電機子保持磁石(41)をさらに備え、
前記電機子保持磁石は、前記電機子および前記出力ピンが前進したとき、前記電機子に接触し前記電機子および前記出力ピンが前進した状態を保持する請求項1から3のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記出力ピンの外側面(612)に接触し、前記出力ピンの径方向外側から径方向内側に向かって付勢する付勢部材(36)をさらに備え、
前記出力ピンは、前記出力ピンの径方向外側から径方向内側に凹む溝であるピン溝(161)を前記外側面に有し、
前記出力ピンが軸方向に前進したとき、前記付勢部材は前記ピン溝に係合し、前記出力ピンが前進した状態を保持する請求項1から4のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
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