JP2005519465A - 制御された誘引力を用いた電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 制御された誘引力を用いた電磁アクチュエータを提案しようとするものである。
【解決手段】 電機子（８）の面と対向する面を有するコア（２）内に磁束を生成する少なくとも１つのコイル（１）を備える駆動部材による駆動の下で移動可能な電機子（８）に接続されたアクチュエータ部材（６）を備える電磁アクチュエータであって、該対向面のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つのセットバック部（１０）を含むアクチュエータであって、電機子（８）及びコア（２）が、電機子（８）がコア（２）を圧迫したときに、セットバック部（１０）のセットバック以上の空隙によって遮られる第１の磁気経路を形成するために、前記セットバック部を含む、電機子（８）及びコア（２）の第１の領域（１２）と、電機子（８）がコア（２）を圧迫したときに、残りの空隙によってのみ遮られる第２の磁気経路を形成するために、前記セットバック部を除く、電機子（８）及びコア（２）の第２の領域（１３）とに配置されており、前記セットバック部の総面積が、前記電機子の第２の領域において磁束を飽和させる面積以下である電磁アクチュエータである。

Description

本発明は、電磁アクチュエータ、特に、エンジンバルブを作動させる直流（ＤＣ）電磁アクチュエータに関する。

電磁アクチュエータは、可動アセンブリを一端部位置から他方へ推進する駆動部材に関連する該可動アセンブリを形成する電機子に接続されたアクチュエータロッドを備え、該一端部位置が、その開位置及び閉位置にあるバルブに対応することが知られている。

上記駆動部材は、コアを備える少なくとも１つのコイルを備え、上記電機子の一面は、上記バルブが、その開位置または閉位置のうちの一方にある場合に、該コイルのコアの一面と接触するようになっている。該コイルは、該電機子を移動させ、かつ上記可動アセンブリを対応する一端部位置に保持するように該電機子を保持するように作用する。このため、該コイルは、ＤＣ電源回路に接続されている。

上記アクチュエータが作動している間、上記コイルは作動され、それにより、上記電機子を介して閉ループを形成する磁束を生成する。それに伴って、該コイルは、誘引力を該電機子に作用させる。

上記電機子が、まだ上記コイルのコアから離れている間は、磁束が、それを介して該電機子と該コアとの間を通過する必要がある全体の空隙は大きい。その後、該コイルには、発生する誘引力が、上記可動アセンブリが受ける反対の力に勝ることを確実にするために、高電流を供給する必要がある。

しかし、上記電機子が上記コアに近づくと、該電機子と該コアとの間の全体の空隙は急速に減少し、上記電源電子装置は、一般に、該空隙が小さくなる速さに比例して供給する電流の大きさを低減するのに十分な速さではない。

上記コイルによりそのストロークの端部において上記電機子に作用する上記誘引力は、上記可動アセンブリに作用する反対の力を大きく超える。それに伴って、該電機子は、上記コアに高速で衝突し、それにより、好ましくないクラッタリングノイズを生じ、上記バルブの閉位置における位置に対するドッキング速度に対する正しい制御を妨げる。

上記電機子に設定することができる磁束の強度を制限することにより、上記ストロークの端部における誘引力を低減する試みが行われてきた。

あいにく、上記電機子は、一般に、該電機子が上記コアから離れているときに生じるように、上記コイルが生成することができる最大磁束に対応する磁気飽和限度で作動するような大きさになっている。磁束を制限することは、上記ストロークの端部における誘引力を低減することを実際に可能にするが、これは、該電機子が該コアから離れているときの上記アクチュエータの性能を劣化させる。

本発明は、上記電機子が上記コアから離れているときに、上記アクチュエータの目標の性能を劣化させることなく、そのストロークの端部における該電機子に対する、上記コイルの誘引力を適応させる手段を提案しようとするものである。

このため、電機子の１つの面に対向する面を有するコアに磁束を生成する少なくとも１つのコイルを備える駆動部材による駆動の下で移動可能な電機子に接続されたアクチュエータ部材を備える電磁アクチュエータが提供され、該対向する面のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのセットバック位置を含み、また、本発明によれば、該電機子及び該コアは、該電機子が該コアを圧迫したときに、該セットバック部のセットバック以上の空隙によって遮られる第１の磁気経路を形成するように、該セットバック部を含む該電機子及び該コアの第１の領域に、および該電機子が該コアを圧迫したときに、残りの空隙によってのみ遮られる第２の磁気経路を形成するように、該セットバック部を除く該電機子及び該コアの第２の領域に配置され、該セットバック部の総面積は、該電機子の第２の領域で、磁束を飽和させる面積以下である。

従って、上記電機子の上記面が、上記セットバック部のセットバックと比較して大きい距離だけ、上記コアの面から離れている場合に、該コアにおける磁束の値は、主に、該電機子とコアとの間の距離によって決まり、その結果、該セットバック部は、上記アクチュエータの性能に対してごくわずかの影響のみを有する。該電機子が該コアに近づくと、該セットバック部のセットバックは、上記対向面の間に残っている残りの空間と比較して大きくなる。それに伴って、磁束が上記第１の領域を横切る必要がある上記全体の空隙は、増加する。従って、所定の電流の場合、上記コイルによって作用される該電機子に対する誘引力は、減少する。

従って、同じ給電を有する電源電子装置の場合、本発明は、ストロークの端部における誘引力を低減することを可能にし、その結果、上記電機子が、よりゆっくりと上記コアに近づき、上記クラッタリングノイズは、それによりなくなる。すなわち、本発明は、所定の電流の変化に対して、誘引力が変化する範囲を拡げることができる。

上記セットバック部の存在が、上記コアに対して上記電機子を保持するのに要する保持電流の対応する増加につながることを認識すべきである。従って、上記第１及び第２の領域の関連する面積に作用させることにより、ストロークの端部における期待する力の低減と、該コアに対して該電機子を保持する電流の対応する増加との折衷を実現することが可能である。

この点で、上記アクチュエータの性能を劣化させるため、上記第２の領域における磁束が、飽和値を越えないことを保障することが重要である。

上記コアが、中央分岐部と、該コアの上記面を形成する端部を有する２つの側方分岐部とを備えるアクチュエータの場合、上記セットバック部は、該コアの分岐部の少なくとも１つに対向する上記電機子の面上に有利に広がる。

本発明の第１の実施の形態においては、上記電機子は、セットバック部を有し、各セットバック部は、好ましくは、上記アクチュエータ部材に対して対称に、上記コアの側方分岐部の１つに対向して広がっている。

好ましくは、上記セットバック部は、上記電機子の上記面に対して、該セットバック部のセットバック以上の距離だけ、上記対向する分岐部を横方向に越えて広がる。

本発明の第２の実施の形態においては、上記セットバック部は、３つの分岐部の各々に対向して、３つ全ての分岐部をまたいで広がる。

本発明の特定の態様によれば、上記第１の領域と上記第２の領域は、磁気的に絶縁されている。

この配置は、より容易に設定することができる上記第２の領域への磁束の拡散を回避し、それにより、上記セットバック部の有効性を低減する。

上記コアは、好ましくは、上記第１の領域を構成する積層体を、該コアの第２の領域を構成する積層体から分離するために、少なくとも１つの磁気バリアを該積層体に挿入した状態の積層体で形成される。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の特定かつ非限定である実施形態の以下の説明からより明白になる。

本発明の理解を容易にするために、図の縮尺は正確ではない。

図１Ａ及び１Ｂについて説明すると、図示のアクチュエータは、従来のように、互いに対向して配置された２つのコイルを備える。図を簡明化するために、一方のコイル１のみを示す。コイル１は、中央分岐部３と２つの側方分岐部４とを呈するコア２を有する。その巻線を断面で見ることができる導体５は、コア２の中央分岐部３に巻回されている。アクチュエータロッド６は、中央分岐部３及び側方分岐部４の端部によって形成される、コア２の面７と直角な方向に移動するように、中央分岐部３の穴部に滑動可能に設けられている。アクチュエータロッド６は、コア２の面７に平行な面９を有し、かつコイル間の移動を妨げられている電機子８に固着されている。

電子ＤＣ電源（図示せず）は、誘引力を電機子８に作用させるようにコア２と電機子８との間に磁束１１を形成するために、導体５に直流を供給する。磁束１１は、中央分岐部３及び側方分岐部４の各々を通ってコア２の中を循環する。磁束１１は、電機子８内に閉ループを形成し、中央分岐部３に対向する、電機子８とコア２との間の空間に、各側方分岐部４に対向する、電機子８とコア２との間の空間を加えたものに等しい全体の空隙を横切る。

本発明の第１の実施の形態においては、電機子８の上記面の各々は、それぞれが、問題のセットバック部１０を含む該面からセットバック距離ｒだけセットバックする、４つの調節部１０を呈する。セットバック部１０の各々は、コア２の側方分岐部４の１つに対向して位置し、該セットバック部は、アクチュエータロッド６の周りに対称的に配置されている。

図において、セットバック部１０は、電機子８が、電機子８の他方の面に対向して広がる別のコイル（図示せず）と同様に協働するため、電機子８の両面に図示されている。説明のため、上記コアに対向する面９に形成されたセットバック部１０のみを考慮する。

図１Ａに示す位置において、電機子８は、コア２から離れており、セットバック部１０のセットバックｒは、距離ｄと比較して、および電機子８の面９とコア２の面７との間で測定して、ごくわずかである。従って、磁束が横切る上記全体の空隙は、ごくわずかな影響を有するセットバック部１０が存在する場合、距離ｄの２倍に実質的に等しい。

実施例として、セットバックｒは、約８ｍｍの最大距離ｄの場合、約０．２ｍｍである。

そのため、コイル１によって作用される誘引力は、セットバック部１０の存在によって乱されず、電機子８は、いまだコア２から離れている。

図１Ｂに示す位置においては、電機子８の面９と、コア２の面７は、接触している。表面の欠陥のため、該コア上及び該電機子上において、該２つの面の間には、まだ、残りの空間εが残存しており、該残りの空間は、セットバック部１０のセットバックよりもかなり小さい。従って、磁束が横切る上記全体の空隙は、セットバック部１０に対向するセットバック距離ｒにほぼ等しく、それに対して、セットバック部１０がない場合には、残りの空間εの２倍に等しくなるであろう。

所定の電流の場合、コイル１により電機子８に対して作用する誘引力は、上記空隙の二乗に逆比例する。該電機子がコア２に近づくと、該誘引力は、それに伴って著しく減少して上記セットバック部に対向し、そのため、所定の電流低減速度の場合、本発明は、該電機子が、該コアにドッキングするときの該電機子の速度をより迅速に低減することを可能にする。上記の追加的な空隙に加えて、該セットバック部も該電機子のコイル１に対する誘導効果を低減し、それにより、該コイルの電流をその速度で低減することができる該速度を改善する。

図２Ａ及び２Ｂに示すような本発明の第１の実施の形態において、セットバック部１０は、側方分岐部４の全長を占めないが、その数分の一のみを占める。

セットバック部１０は、磁束が横切る上記全体の空隙が、セットバック部１０のセットバックｒに実質的に等しい、電機子８及びコア２の第１の領域１２、および、上記全体の空隙が、面７と面９との間の残りの空間εの２倍に等しい、電機子８及びコア２の第２の領域１３の長手方向端部を形成する。

上記電機子が上記コアに接触した後、該電機子を該コアに対して保持するには、上記コイルに保持電流を供給する必要があり、セットバックｒが大きくなりかつ該セットバック部の面積が大きくなると、該保持電流の大きさが大きくなることに留意されたい。従って、該セットバック部に与えられる面積は、誘引力の変化を増すために期待される力の低減と、該保持電流の妥当な増加との折衷の結果になる。実際には、０．２ｍｍに等しいセットバック距離の場合、該コアの側方分岐部の面積の３分の１に等しい面積を有するセットバック部が、十分な折衷をもたらすことが分かっている。

領域１２と領域１３の相対的な長さを変更することにより、上記ストロークの端部における誘引力を弱めることを調整することが可能である。しかし、この調整は、上記セットバック部の面積の過剰な増加が、第２の領域１３を飽和させるというリスクを内在するという事実によって限定される。

このような飽和は、上記アクチュエータの性能の劣化につながる可能性がある。

実際には、上記セットバック部の総面積は、上記電機子及びコアの対向面の総面積の５０％に制限すべきである。

本発明の特定の態様によれば、セットバック部１０は、該セットバック部のセットバックｒ以上の距離ｌだけ上記対向する側方分岐部を越えて横方向に広がっている。図示の実施例においては、セットバック部１０は、電機子８がコア２と接触しているときに、フィレット１４の中心を、側方分岐部４の内縁部１５に実質的に配置させた状態で、セットバック部１０のセットバックｒと等しい半径のフィレット１４によって横方向に形成されている。

この配置は、セットバック部１０の有効性を低下させるため、内縁部１５の近傍の領域１３の方へ、該セットバック部のセットバック距離よりも小さい横切るべき距離を越える磁束の通過を最少化する。

さらに、コア２は、磁束の長手方向の移動を制限するために、切り抜き状の積層体で有利に形成される。この配置は、通常、領域１２内に設定すべきである磁束が、全体の空隙がより小さい領域１３の方へ移動する性質を無効にする。この移動をさらに制限するために、磁気バリア１６、例えば、該コアを形成する積層体と同じ形状を有する非磁性体を、領域１３に対応する該コアの部分から領域１２に対応する該コアの部分を磁気的に絶縁するために、該積層体に挿入することができる。

図３Ａ及び３Ｂに示すような本発明の第２の実施の形態においては、上記セットバック部は、中央分岐部３及びコア２の側方分岐部４に対向して横方向に広がる段差部１７によって形成されている。この場合、該セットバック部のセットバックは、磁束が、側方分岐部と上記電機子との間を通過する場合だけでなく、磁束が、上記中央分岐部と該電機子との間を通過する場合にも、該磁束に対する効果を有する。

段差部１７は、図２Ａ及び２Ｂに示すセットバック部１０よりも機械加工が容易であり、また該段差部は、磁束が、好ましくない方法で、側方分岐部４の内縁部を介して通過するいかなるリスクも避ける。

段差部１７は、上記の実施の形態と同じ方法で、２つの領域１２及び１３を形成する。段差部１７に対応する領域１２において、および閉ループを形成するために、磁束は、中央分岐部３に対応する空隙において一度、および上記側方分岐部の一方または他方を有する空隙において一度、段差部１７のセットバックｒを横切る必要がある。従って、上記第１の実施の形態と同じ誘引力の低減の場合、段差部１７のセットバックｒは、セットバック部１０のセットバック距離の半分に等しくするだけで十分である。

図４に示すようなこの実施の形態の変形例においては、段差部１７は、面取り部１８と置き換えられる。コア２の面７と面取り部１８との間の距離は一定ではないが、電機子８の中心からの距離が増すにつれて増加する。面取り部１８は、段差部１７と同様の効果を有するが、該面取り部は、段差部１７の縁部に沿って発生する可能性がある好ましくない縁部効果を避けることができる。

図５は、上記アクチュエータのアセンブリ隙間を考慮すれば、段差部１７を有する電機子８が、コア２に対して詰めることができる位置を、誇張して示す。コア２の面７と、段差部１７の底部との間の距離が、電機子８の端部に向かうにつれて小さくなり、その結果、磁束が、電機子８の縁部１９の近傍に集中する傾向があり、それによって該アクチュエータの性能を悪くすることが分かる。

図６は、図５と同様の構造の面取り部１８を有する電機子８を示す。コア２の面７と、面取り部１８との間の距離が、該電機子の端部に向かって増加していくため、磁束が電機子８の縁部２０に集中するリスクが避けられることが分かる。

上記電機子の位置決めにおける不均衡のこのリスクは、アクチュエータ部材６の周りに対称的に配置される上記セットバック部によってさらに最少化される。本発明は、上述した特定の実施の形態に限定されるものではなく、請求項によって定義されるような本発明の範囲内に入るいかなる変形例もカバーするようにその範囲が及ぶ。＋
上記セットバック部は、段差部または面取り部の形で示されているが、より一般的に、該セットバック部は、上記２つの面が接触したときに、該セットバック部と上記対向面との間に空間を形成するのに適したいかなる形状も、例えば、ひと続きの溝の形状を呈することができる。

本発明は、上記セットバック部を上記電機子に形成した状態で示しているが、該セットバック部は、上記コアの面内に同様に形成することができ、あるいは、該電機子及び該コアに同時に形成することができ、ただし、該解決法は、該電機子のセットバック部よりも実施するのがより煩雑であるように思われる。

上記電機子及びコアの面は、平坦に図示されているが、該面は、上記セットバック部から離れて接触できるようにするのに適したいかなる相補的な形状も有することができる。

上記セットバック部は、フィレットによって横方向に形成されていると述べられているが、該横方向部分は、該セットバック部が上記セットバック距離以上の距離だけ、上記対向する側方分岐部を越えて横方向に広がるのであれば、いかなる形状によっても形成することができる。

上記セットバック部は、上記側方分岐部に対向して広がり、または上記中央分岐部及び側方分岐部にまたがっていると述べられているが、該中央分岐部のみに対向して広がるセットバック部を設けることも可能である。

本発明は、２つのコイルを有するアクチュエータという状況で記載されているが、本発明は、電機子の両面に対向するアクティブ端部を有するコアを備えた単一のコイルを有するアクチュエータにも同様に適用できる。

電機子がコアから離れて図示されている、本発明のアクチュエータを示す、図２Ａの平面ＩＡに対する概略断面図である。 電機子がコアと接触して図示されている、図２Ｂの平面ＩＶに対する概略断面図である。 電機子がコアから離れて図示され、かつコイルの導体が省略されている、本発明の第１の実施の形態の断片的な斜視図である。 電機子がコアと接触して図示されている、図２Ａと同様の断片的な図である。 電機子がコアから離れて図示され、かつコイルの導体が省略されている、本発明の第２の実施の形態の断片的な斜視図である。 電機子がコアと接触して図示されている、図３Ａと同様の断片的な図である。 本発明の第２の実施の形態の変形例を構成するアクチュエータの断片的な斜視図である。 図３Ａ及び３Ｂに示すアクチュエータの概略側面図である。 図４に示すアクチュエータの概略側面図である。

符号の説明

１ コイル
２ コア
６ アクチュエータ部材
８ 電機子
１０ セットバック部
１２ 第１の領域
１３ 第２の領域

Claims (10)

1. 電機子（８）の面と対向する面を有するコア（２）内に磁束を生成する少なくとも１つのコイル（１）を備える駆動部材による駆動の下で移動可能な電機子（８）に接続されたアクチュエータ部材（６）を備える電磁アクチュエータであって、該対向面のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つのセットバック部（１０、１７、１８）を含むアクチュエータにおいて、
   前記電機子（８）及び前記コア（２）が、前記電機子（８）が前記コア（２）を圧迫したときに、前記セットバック部（１０、１７、１８）のセットバック以上の空隙によって遮られる第１の磁気経路を形成するために、前記セットバック部を含む、前記電機子（８）及び前記コア（２）の第１の領域（１２）と、前記電機子（８）が前記コア（２）を圧迫したときに、残りの空隙によってのみ遮られる第２の磁気経路を形成するために、前記セットバック部を除く、前記電機子（８）及び前記コア（２）の第２の領域（１３）とに配置されており、前記セットバック部の総面積が、前記電機子の第２の領域において磁束を飽和させる面積以下である
   ことを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記セットバック部の総面積は、前記対向面の総面積の５０％よりも小さい
   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。
3. 前記コア（２）は、中央分岐部（３）と、コア（２）の面（７）を形成する端部を有する２つの側方分岐部（４）とを備え、
   かつ前記セットバック部（１０、１７、１８）は、前記コアの分岐部の少なくとも１つに対向して、電機子（９）の面上に広がる
   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。
4. 前記電機子（８）は、前記コアの側方分岐部（４）に対向して広がるセットバック部（１０）を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記セットバック部は、前記アクチュエータ部材に対して対称である
   ことを特徴とする請求項３に記載の電磁アクチュエータ。
6. 前記セットバック部（１０）は、前記アクチュエータ部材に対して、前記セットバック部（１０）のセットバック（ｒ）より少ない距離（ｌ）だけ前記対向する分岐部を越えて横方向に広がる
   ことを特徴とする請求項３に記載の電磁アクチュエータ。
7. 前記セットバック部（１７、１８）は、３つ全ての分岐部（４、３、４）に対してそれらの各々に対向して横方向に広がる
   ことを特徴とする請求項３に記載の電磁アクチュエータ。
8. 前記セットバック部（１７）は、面取り部の形状である
   ことを特徴とする請求項７に記載の電磁アクチュエータ。
9. 前記コア（２）の前記第１の領域（１２）及び前記第２の領域（１３）は、互いに磁気的に絶縁されている
   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。
10. 前記コアは積層体で形成され、前記コア（２）の前記第１及び第２の領域（１２及び１３）を形成する前記積層体を分離するために、少なくとも１つの磁気バリア（１６）が前記積層体に挿入される
    ことを特徴とする請求項９に記載の電磁アクチュエータ。

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