WO2017183132A1 - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

鍔部（４ａ）が、分割コア（４）の一端部から径方向外側に平坦に広がって可動部（７）に対向する平坦部（４ａ－１）と、平坦部（４ａ－１）から可動部（７）の移動方向Ａに垂直な面に対して傾斜する面を有した傾斜部（４ａ－２）とを有する。

Description

電磁アクチュエータ

　この発明は、コイルへの通電により発生するコアと永久磁石との反発力を駆動源として可動部が直動する電磁アクチュエータに関する。

　特許文献１に記載される電磁アクチュエータは、ケース、ケース内に配置されたコア、コア外周に配置されたボビンおよびボビンに巻回されたコイルを有する固定部と、２つのプレートおよびこれらプレートに挟まれた永久磁石を有する可動部とを備える。ケース、コアおよびプレートは、磁性体から構成されている。

　コイルに通電されていない初期位置では、可動部が、永久磁石とコアとの吸着力でコアに吸着して固定部に保持される。この状態からコイルに通電することで、可動部は、固定部にあるコイルとコアからの磁束に永久磁石の磁束が反発して、固定部から離れる方向に移動する推力を得る。なお、可動部は、コイルへの通電が切断された後、固定部側へ押し戻す外力を加えることで初期位置に戻る。

国際公開第２０１４／０８６３４５号

　特許文献１に代表される電磁アクチュエータは、コイルへの通電によりコアに発生する磁束をケース側に流すために、コアにおける可動部に対向する端部が径方向に拡径された鍔部を有する。この鍔部の厚みを薄くすると、コイルへの通電によってコアと可動部との間のギャップに漏れる磁束が増加して、可動部の推力が大きくなる傾向にある。

　しかしながら、鍔部の厚みを薄くすると、鍔部における部品保持強度が低下するため、鍔部で他の部品を保持することが困難になる。
　このように、従来の電磁アクチュエータにおいては、可動部の推力の向上と鍔部の部品保持強度とが相反関係にある。

　なお、特許文献１に記載される電磁アクチュエータでは、鍔部のボビン側の全面が径方向外側に傾斜しており、鍔部の厚みが薄くなっている。
　ただし、電磁アクチュエータの中には、コイルが巻回されたボビンやコアを鍔部で保持するものがある。このような電磁アクチュエータでは、鍔部の部品保持強度が要求されるので、特許文献１に記載される電磁アクチュエータのように、鍔部全体の厚みを薄くすることはできない。

　この発明は上記課題を解決するもので、鍔部の部品保持強度を確保しつつ可動部の推力を向上させることができる電磁アクチュエータを得ることを目的とする。

　この発明に係る電磁アクチュエータは、固定部および可動部を備えている。
　固定部は、磁性体で構成されて、中心軸を有するケースと、ケースの内部に配置され、一端部に鍔部が設けられたコアと、コアに磁束を発生させるコイルとを有する。
　可動部は、永久磁石を有して構成され、コアと永久磁石との吸着力でコアに吸着して保持され、コイルへの通電によって発生するコアと永久磁石とを反発させる反発力で鍔部から遠ざかる方向へ中心軸に沿って移動する。
　鍔部は、コアの一端部から径方向外側に平坦に広がって可動部に対向する平坦部と、当該平坦部から径方向外側に平坦部よりも薄い厚みで広がって可動部に対向する薄厚部とを有する。

　この発明によれば、鍔部の肉厚が厚い部分で部品保持強度を確保し、肉厚が薄い部分で可動部の推力を向上させることができる。

この発明に係る実施の形態１である電磁アクチュエータの構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る電磁アクチュエータにおける鍔部およびその周辺構成を示す拡大断面図である。 平坦部の長さと反発力との関係を示すグラフである。 分割コアの平均磁束密度を示すグラフである。 図５ＡはＬｈ／Ｌａｌｌ＝０のコア形状に対する磁束密度の分布を示す図である。図５ＢはＬｈ／Ｌａｌｌ＝１のコア形状に対する磁束密度の分布を示す図である。 実施の形態１に係る電磁アクチュエータにおける鍔部の別の態様を示す拡大断面図である。 分割コアにおける筒状部の壁の厚みと平坦部の厚みとの関係を示す拡大断面図である。 図８Ａは平坦な薄厚部を有する分割コアを示す断面斜視図である。図８Ｂは、階段状に薄厚にされた薄厚部を有する分割コアを示す断面斜視図である。

　以下、この発明をより詳細に説明するため、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
　図１は、この発明に係る実施の形態１である電磁アクチュエータ１の構成を示す断面図である。図２は、電磁アクチュエータ１における鍔部４ａおよびその周辺構成を示す拡大断面図である。電磁アクチュエータ１は、図１に示すように、固定部に対して、矢印Ａの方向（以下、移動方向Ａと記載する）に可動部７を移動させるアクチュエータであって、ケース２、分割コア３，４、コイル５、ブッシュ６および可動部７を備えている。
　ケース２は、磁性体のケース部材２ａ，２ｂ，２ｃから構成されて、中心軸を有する。可動部７は、ケース２の内部で、この中心軸に沿って移動する。

　固定部は、ケース２、分割コア３，４およびコイル５を備えて構成される。
　分割コア３，４は、ケース２の内部で可動部７の移動方向Ａに並んで配置されており、分割コア３は、コイル５の内周側に配置され、分割コア４は、可動部７側に配置される。
　ブッシュ６は、分割コア３と分割コア４とが対向している部分に装着されて、分割コア３を保持するリング状の部材である。すなわち、分割コア３は、図１に示すように、分割コア４との間に隙間が空いた状態で、ブッシュ６を介して鍔部４ａ上に保持される。
　なお、分割コア３と分割コア４との間に隙間を空けることで、分割コア３と分割コア４は磁気的に分割されている。

　分割コア３は、磁性体で構成された筒状の部材であり、中心軸に沿って分割コア４側に開口した孔部３ａを有する。また、分割コア４は、鍔部４ａと、鍔部４ａにおける可動部７に対向する面とは反対側の面から突出した筒状部４ａ－３とを有する。
　このように、分割コア４は、筒状部４ａ－３の一端部に鍔部４ａを設けた構造であるので、鋼板に筒状部４ａ－３を絞り加工して作成することができる。すなわち、分割コア４は、鋼板から一体製品として安価に作成することが可能である。

　可動部７は、永久磁石８およびプレート９，１０を有し、分割コア４とケース部材２ｃとの間を往復移動する。図１では、可動部７が分割コア４に吸着した初期位置にある。
　永久磁石８は、分割コア４に近い側がＮ極、遠い側がＳ極に着磁されているディスク状の磁石である。また、永久磁石８は、プレート９とプレート１０との間に挟まれており、永久磁石８における分割コア４に近い側の面にはプレート９が固定され、遠い側の面にはプレート１０が固定される。

　プレート９は、磁性体で構成された部材であり、板部９ａおよび筒状部９ｂを有する。
　筒状部９ｂは、板部９ａにおける分割コア４に対向する面から突出している筒状部材である。また、筒状部９ｂの中心孔は、板部９ａも貫通している。さらに、筒状部９ｂは、分割コア３，４と同軸に配置されており、分割コア４における筒状部４ａ－３の貫通孔部４ｂを通って分割コア３，４の内部へ入ることができる。プレート１０は、磁性体で構成された板状の部材である。

　コイル５への通電がない場合、図１に示すように、永久磁石８が分割コア４に吸着することで、可動部７が初期位置に保持される。コイル５への通電があると、分割コア３，４に発生した磁束は、分割コア３、分割コア４、ケース２へと流れる。一方、永久磁石８の磁束は、プレート１０、永久磁石８、プレート９へと流れている。そのため、通電開始直後に、分割コア４の鍔部４ａと可動部７のプレート９の板部９ａとの間に最大の反発力が発生して可動部７がケース部材２ｃ側へ移動する。そして、永久磁石８がケース部材２ｃに吸着することで、可動部７が動作位置に保持される。コイル５への通電を切断してから可動部７に対して固定部側に図示しないバネ等によって押し戻す力を加えると、可動部７は、初期位置まで押し戻される。このとき、可動部７は、分割コア４と永久磁石８との吸着力によって分割コア４の鍔部４ａに吸着して保持される。

　次に、分割コア４の鍔部４ａについて詳細に説明する。
　図２に示すように、鍔部４ａは、平坦部４ａ－１および傾斜部４ａ－２を有している。
　平坦部４ａ－１は、分割コア４における、可動部７に対向する一端部から径方向外側に平坦に広がった部分である。また、平坦部４ａ－１は、他の部品を保持することが可能な厚みで形成されている。例えば、平坦部４ａ－１はブッシュ６を介して分割コア３を保持している。

　傾斜部４ａ－２は、この発明における薄厚部を具体化したものであり、平坦部４ａ－１から径方向外側に平坦部４ａ－１よりも薄い厚みで広がって可動部に対向する部分である。図１および図２では、傾斜部４ａ－２は、可動部７に対向する面とは反対側の面が可動部７の移動方向に垂直な面に対して傾斜している。このような薄厚部を形成することで、ケース２との磁気抵抗が増加して、コイル５で発生して分割コア４からケース２へ流れる磁束のうち、鍔部４ａとプレート９とのギャップに漏れる磁束が増加する。これにより、可動部７の推力となる反発力を大きくすることができる。

　図３は平坦部４ａ－１の長さＬｈと反発力との関係を示すグラフであり、図２に示した鍔部４ａにおける平坦部４ａ－１の径方向の長さＬｈと反発力との関係を有限要素法によって計算した結果を示している。縦軸の反発力は、平坦部４ａ－１の径方向の長さＬｈがほぼ０、すなわち平坦部４ａ－１がない場合の反発力で正規化した値である。なお、平坦部４ａ－１の径方向の長さＬｈは、図２に示すように、筒状部４ａ－３の厚みを含まない長さである。

　また、図４は、分割コア４の平均磁束密度を規格化した値を示すグラフである。図４の縦軸は分割コア４の平均磁束密度、横軸はＬｈ／Ｌａｌｌを示している。なお、Ｌａｌｌは、Ｌｈと傾斜部４ａ－２の径方向の長さＬｔとを加算した長さである。
　図５ＡはＬｈ／Ｌａｌｌ＝０のコア形状に対する磁束密度の分布を示す図であり、図５ＢはＬｈ／Ｌａｌｌ＝１のコア形状に対する磁束密度の分布を示す図である。ここで、分割コア４Ａは鍔部４ａ１を有する分割コアである。分割コア４Ｂは鍔部４ａ２を有する分割コアである。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、磁束密度が増大するにつれて鍔部の断面の色が濃くなるように記載している。

　図４に示すように、分割コア４の平均磁束密度は、Ｌｈ／Ｌａｌｌが０．７５で極小値を取る。Ｌｈ／Ｌａｌｌが０．７５より大きい場合は、分割コア４の鍔部の磁路断面積が増加することで磁気抵抗が低下し、コイル電流により発生する磁束が増加して磁束密度が増大する。図５Ｂは、Ｌｈ／Ｌａｌｌ＝１となる鍔部４ａ２における磁束密度を示している。
　また、Ｌｈ／Ｌａｌｌが小さくなると、分割コア４の鍔部の磁路断面積が低下することで磁気抵抗が増大し、コイル電流により発生する磁束は減少し、磁束密度は小さくなることが自然だが、Ｌｈ／Ｌａｌｌが０．７５以下の場合、分割コア４の鍔部における磁束密度は高くなる。これは、分割コア４が磁気飽和していることを示し、磁束密度が高くなるほど分割コア４の磁気飽和の度合いが強くなり、分割コア４から可動部７側の空隙へ磁束が漏れやすくなり、反発力が増大する。図５Ａは、Ｌｈ／Ｌａｌｌ＝０となる鍔部４ａ１において、磁気飽和によって磁束密度が高くなった様子を示している。

　以上からＬｈ／Ｌａｌｌが０．７５以下であれば、反発力の低下の度合いを抑えた範囲でＬｈを長くすることができる。そのため、Ｌｈ／Ｌａｌｌを０より大きく０．７５以下とすることで、鍔部４ａの部品保持強度を最大限に確保しつつ、可動部７の推力を向上させることが可能となる。

　図６は、電磁アクチュエータ１における鍔部４ａの別の態様を示す拡大断面図である。図６に示すように、鍔部４ａを構成する薄厚部は、可動部７に対向する面が傾斜した傾斜部４ａ－４であってもよい。この場合、傾斜部４ａ－４と可動部７のプレート９との間のギャップが広がるため、反発力は、傾斜部４ａ－２に比べて低下する。

　ただし、図６に示す鍔部４ａは、図１および図２で示した鍔部４ａよりも平坦面が大きくなる。これにより、例えば、固定部を組み立てるときに、部品を平坦面に保持することができ、電磁アクチュエータ１の組み立て性が向上する。
　なお、傾斜部４ａ－４は平坦部４ａ－１よりも部品保持強度が劣るので、部品は、平坦部４ａ－１側の平坦面に保持することが望ましい。

　また、ケース２内の固定部を樹脂モールドする場合、傾斜部４ａ－４では、図６に示すように、樹脂１１が、傾斜部４ａ－４において可動部７側に形成される空間、すなわち、傾斜部４ａ－４の傾斜面により形成される空間にも充填される。これにより、樹脂１１が分割コア４を保持することになるため、鍔部４ａにおける部品保持強度も向上する。

　図７は、分割コア４における、筒状部４ａ－３の壁の厚みＴｉと平坦部４ａ－１の厚みＴｈとの関係を示す拡大断面図である。これまで説明したように、可動部７の推力となる反発力は、鍔部４ａとプレート９とのギャップに漏れた磁束Ｂと永久磁石８の磁束Ｃとにより発生する。

　しかしながら、分割コア４の筒状部４ａ－３の内周とプレート９の筒状部９ｂの外周との間隔Ｇａｐが狭い場合、コイル５で発生した磁束の一部が、プレート９の筒状部９ｂへ流れる。このようにしてプレート９の筒状部９ｂへ流れた磁束Ｄは、筒状部４ａ－３と筒状部９ｂとの間に径方向の吸引力を発生させ、この吸引力によって可動部７の運動が妨げられる。

　そこで、図７に示す分割コア４では、筒状部４ａ－３の壁の厚みＴｉを平坦部４ａ－１の厚みＴｈよりも薄くしている。このように構成することで、鍔部４ａの部品保持強度を確保しつつ、筒状部４ａ－３の内周と筒状部９ｂの外周との間隔Ｇａｐを広げることができる。これにより、可動部７の運動を妨げる上記吸引力を小さくすることが可能となる。

　次に、薄厚部の態様について詳細に説明する。
　図８Ａは、平坦な薄厚部４ａ－５を有する分割コア４を示す断面斜視図である。図８Ｂは、階段状に薄厚にされた薄厚部４ａ－６を有する分割コア４を示す断面斜視図である。
　薄厚部４ａ－５は、図８Ａに示すように、平坦部４ａ－１から径方向外側に傾斜しておらず、平坦部４ａ－１よりも薄い一定の厚みで径方向に平坦に広がっている。
　このように構成しても、鍔部４ａに厚みが薄い部分が形成されるので、可動部７の推力を向上させることができる。

　薄厚部４ａ－６は、図８Ｂに示すように、階段状に薄厚になっている。このように構成しても、鍔部４ａに厚みが薄い部分が形成されるので、可動部７の推力を向上させることができる。なお、薄厚部４ａ－５または薄厚部４ａ－６を有した分割コア４は、滑らかな傾斜部が不要であり、鋼板のプレス加工のみで容易に作成することができる。このため、安価な分割コア４を実現できる。

　図８Ａおよび図８Ｂでは、可動部７に対向する面とは反対側が階段状に薄厚な薄厚部４ａ－５，４ａ－６を示したが、可動部７に対向する側を階段状の薄厚にした薄厚部を設けてもよい。
　このように構成しても、図６に示した傾斜部４ａ－４と同様の効果が得られ、さらに、プレス加工により安価に作成することが可能である。

　以上のように、実施の形態１に係る電磁アクチュエータ１において、鍔部４ａが、平坦部４ａ－１と薄厚部とを有する。平坦部４ａ－１は、分割コア４の一端部から径方向外側に平坦に広がって可動部７に対向する。薄厚部は、平坦部４ａ－１から径方向外側に平坦部４ａ－１よりも薄い厚みで広がって可動部７に対向する。薄厚部には、傾斜部４ａ－２，４ａ－４，薄厚部４ａ－５，４ａ－６のいずれかがある。
　このように構成することで、平坦部４ａ－１で鍔部４ａの部品保持強度を確保しつつ、薄厚部によって可動部７の推力を向上させることができる。

　また、実施の形態１に係る電磁アクチュエータ１において、傾斜部４ａ－４は、可動部７に対向する面が可動部７の移動方向Ａに垂直な面に対して傾斜している。
　このように構成することでも、鍔部４ａに厚みが薄い部分が形成されるので、可動部７の推力を向上させることができる。
　さらに、ブッシュ６などの部品を載置することができる平坦面が大きくなるため、電磁アクチュエータ１の組み立て性が向上する。この際、平坦面はブッシュの肉厚よりも長くなる構造が好適である。
　なお、ケース２内の固定部を樹脂モールドする場合、樹脂１１が、傾斜部４ａ－４の傾斜面により形成される空間にも充填されるので、鍔部４ａの部品保持強度も向上する。

　さらに、実施の形態１に係る電磁アクチュエータ１において、傾斜部４ａ－２は、可動部７に対向する面とは反対側の面が可動部７の移動方向Ａに垂直な面に対して傾斜している。このように構成しても、鍔部４ａに厚みが薄い部分が形成されるので、可動部７の推力を向上させることができる。

　さらに、実施の形態１に係る電磁アクチュエータ１では、平坦部４ａ－１の径方向の長さＬｈと傾斜部４ａ－２の径方向の長さＬｔとを加算した長さＬａｌｌに対する平坦部４ａ－１の径方向の長さＬｈの比を０より大きく０．７５以下とする。
　このように構成することで、鍔部４ａの部品保持強度を最大限に確保しつつ、可動部７の推力を向上させることが可能となる。
　なお、薄厚部が傾斜部４ａ－４の場合であっても、上記寸法関係にあれば同様の効果が得られる。

　さらに、実施の形態１に係る電磁アクチュエータ１において、分割コア４が、鍔部４ａと、鍔部４ａにおける可動部７に対向する面とは反対側の面から突出した筒状部４ａ－３とを有している。そして、筒状部４ａ－３の壁の厚みＴｉは、平坦部４ａ－１における可動部７の移動方向の厚みＴｈよりも薄い。
　このように構成することで、筒状部４ａ－３の内周と筒状部９ｂの外周との間隔Ｇａｐが広がって、筒状部４ａ－３と筒状部９ｂとの間の径方向の吸引力が小さくなる。これにより、可動部７の運動が阻害されにくくなる。

　さらに、実施の形態１に係る電磁アクチュエータ１において、薄厚部４ａ－６は、階段状に薄厚になっている。このように構成しても、鍔部４ａに厚みが薄い部分が形成されるので、可動部７の推力の向上を図ることができる。また、プレス加工で容易に作成可能であることから、安価な分割コア４を実現できる。

　これまでの説明では、コアが分割コア３，４である場合を示したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、３以上に分割されたコアであってもよく、１つのコアであっても適用することができる。

　なお、本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

　この発明に係る電磁アクチュエータは、鍔部の部品保持強度を確保しつつ可動部の推力を向上させることができるので、例えば、内燃機関のバルブリフト量を調整するカム切り替え機構に好適である。

　１　電磁アクチュエータ、２　ケース、２ａ～２ｃ　ケース部材、３，４，４Ａ，４Ｂ　分割コア、３ａ　孔部、４ａ，４ａ１，４ａ２　鍔部、４ａ－１　平坦部、４ａ－２，４ａ－４　傾斜部、４ａ－３，９ｂ　筒状部、４ａ－５，４ａ－６　薄厚部、４ｂ　貫通孔部、５　コイル、６　ブッシュ、７　可動部、８　永久磁石、９，１０　プレート、９ａ　板部。

Claims (7)

1. 　磁性体で構成されて、中心軸を有するケースと、前記ケースの内部に配置され、一端部に鍔部が設けられたコアと、前記コアに磁束を発生させるコイルとを有する固定部と、
   　永久磁石を有して構成され、前記コアと前記永久磁石との吸着力で前記コアに吸着して保持され、前記コイルへの通電によって発生する前記コアと前記永久磁石とを反発させる反発力で前記鍔部から遠ざかる方向へ前記中心軸に沿って移動する可動部とを備え、
   　前記鍔部は、前記コアの一端部から径方向外側に平坦に広がって前記可動部に対向する平坦部と、当該平坦部から径方向外側に前記平坦部よりも薄い厚みで広がって前記可動部に対向する薄厚部とを有することを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 　前記薄厚部は、前記平坦部から前記可動部の移動方向に垂直な面に対して傾斜する面を有した傾斜部であることを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。
3. 　前記平坦部の径方向の長さと前記傾斜部の径方向の長さとを加算した長さに対する前記平坦部の径方向の長さの比が０より大きく０．７５以下であることを特徴とする請求項２記載の電磁アクチュエータ。
4. 　前記傾斜部は、前記可動部に対向する面が前記可動部の移動方向に垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする請求項２記載の電磁アクチュエータ。
5. 　前記傾斜部は、前記可動部に対向する面とは反対側の面が前記可動部の移動方向に垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする請求項２記載の電磁アクチュエータ。
6. 　前記薄厚部は、階段状に薄厚になっていることを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。
7. 　前記コアは、前記可動部の移動方向に並んだ複数の分割コアであり、
   　前記複数の分割コアのうち、前記可動部に対向する分割コアは、前記鍔部と、前記鍔部における前記可動部に対向する面とは反対側の面から突出した筒状部とを有し、
   　前記筒状部の壁の厚みは、前記平坦部における前記可動部の移動方向の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータ。

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