JP2006512039A - 永久磁石を具備した二重コイル付きの電磁バルブアクチュエータ - Google Patents

Abstract

１個の永久磁石と、弾性部材と２個の電磁石との作用によって２箇所の端部間を移動するアクチュエータ部材と、２個の電磁石とを有する、永久磁石を具備した二重コイル付きの電磁バルブアクチュエータにおいて、各々の電磁石は１つのコア部分を有する。前記コア部分は１個のＴ型形状の第一のコア部分と１個のＵ型形状の第二のコア部分とを含み、第一のコア部分はその周囲に１個のコイルが配置される中央部分と中央部分と接続している底部とを有し、第二のコア部分の内側に設けられる。また、第二のコア部分は、底部と第一のコア部分の中央部分に平行に延びる外側のブランチとをもつ。また一方で、永久磁石は第一のコア部分と第二のコア部分との底部の間に挿入される。上記電磁石の少なくとも一方で、第一のコア部分を延ばし、第二のコア部分の外側部分と協働させ、第一のコア部分と第二のコア部分との底部間距離よりもはるかに小さなエアーギャップを形成する。

Description

本発明は、永久磁石を具備した二重コイル付きの電磁バルブアクチュエータに関する発明である。

永久磁石を具備した二重コイル付きの電磁バルブアクチュエータは、すでに公知の技術で、例えば特開２００２−１３０５１０号公報（出願人：トヨタ自動車（株)）の先行技術資料においては、１個の弾性部材と２個の電磁石との作用を受けて、一方の端部と他方の端部との間を移動するアクチュエータ部材を有するような永久磁石を具備した二重コイル付き電磁バルブアクチュエータの例が開示されている。各々の電磁石は、１つのコア部を備えている。さらに、１つのコア部は、１個のＴ型形状の第一のコア部分と、１個のＵ型形状の第二のコア部分とを含む。ここで、第一のコア部分は、その周囲に１個のコイルが配置されている中央部分に接続されている底部を有しており、第二のコア部分の内側に設けられている。この第二のコア部分は、底部とＴ型形状の第一のコア部分の中央部分と平行に延びる外側のブランチとを有している。また一方で、永久磁石は、第一のコア部分の底部と第二のコア部分の底部との間に挿入されている。

バルブアクチュエータは、おおよそ１００℃から２００℃までの温度範囲内で動作する必要がある。このようなオーダーの温度範囲のために、永久磁石の磁化・減磁のサイクルは、大きなヒステリシスを有する状況となり、さらに、上記の温度範囲のもとでは、永久磁石を減磁するのに必要な磁束は、永久磁石を磁化するのに必要な磁束よりも少なくてすむことになる。

このような条件下では、以下のような危険性が存在する。電磁石によって発生し、かつ永久磁石を通過する交流磁束の大きさが、永久磁石の減磁の閾値を超えてしまうことがあり、また一方で、永久磁石の磁化の閾値より低い状態にとどまることがあるので、アクチュエータが作動している間は、永久磁石は減磁の方向に徐々に導かれることになる。このような減磁は、アーマチャを端の位置に保持するための永久磁石の能力を低下させ、電磁石の電気的消費量を増大させていくことになる。なぜならば、減磁前に永久磁石が作用していた力の損失を補償するために、より多くの電磁石の電気的消費量が必要となるからである。

上記の危険性を回避するための提案がなされている。例えば、特開平８−００４５４６号公報（出願人：（株）いすゞセラミック研究所）では、二つのコア部分の間にバイパスを設け、コイルの磁束のために磁路を規定し、これによって、コイルの磁束が、永久磁石の外側を通過するようにしている。上記のバイパスは、永久磁石の磁化方向に対して、平行に延びたコア部分の突起部分によって構成される。この突起部分は、コア部の他の部分と協働して、永久磁石の厚さよりはるかに小さい寸法のエアーギャップを形成するようになっている。それゆえに、コイルからの磁束の大部分が、バイパスを経由して伝えられることになるので、残りの僅かな磁束のみが永久磁石を通過することとなり、これによって、減磁の危険性から永久磁石を保護することが可能になる。

しかしながら、上記のような考えを従来技術のアクチュエータ（永久磁石を具備した二重コイル付きの電磁バルブアクチュエータ）に適用しようとすると、Ｔ型形状のコア部分の底部の端に突起部分を形成することが必要となる。そして、上記の突起部分は、永久磁石の磁化方向に対して平行に延びるようにし、すなわち底面の方向に向かうことになるので、上記のＵ型形状の第二のコア部分の底部の方向に向かうことになる。そこで、第二のコア部分と協働して小さなエアーギャップを形成することになる。上記のようなＴ型形状のコア部分の形状変更は、Ｔ型形状のコア部分の底部の形状を複雑にする問題点を有している。さらに、上記突起部分に関して、充分な空間を確保するためには、上記突起部分から一定の間隔をおいてＵ型形状の第二のコア部分の外側のブランチを配置することが必要となり、これによってアクチュエータの寸法が大きいものとなってしまう。

本発明の目的は、永久磁石を保護するためにコイルからの磁束に対処するバイパスを組み込んでいる、永久磁石を具備するアクチュエータを提供することで、前述の（株）いすゞセラミック研究所の公開公報における問題点を回避することである。

本発明に従えば、上記のような特徴を有するタイプのアクチュエータが提供できる。このようなタイプのアクチュエータでは、２個の電磁石うち少なくとも一方において、Ｔ型形状の第一のコア部分の底部を延ばし、Ｕ型形状の第二のコア部分の外側のブランチと協働させ、これによって、Ｔ型形状の第一コア部分の底部とＵ型形状の第二のコア部分の底部との間の距離よりもはるかに小さな寸法のエアーギャップを形成することが可能となる。

上記のような手法により提供されたエアーギャップによるバイパスは、もはや永久磁石の磁化方向に対して、平行には延びておらず、これに関連して、永久磁石に対して、垂直方向にも延びていない。このような配置関係により、Ｔ型形状の第一コア部分の底部を延ばすことのみによってバイパスが形成されることが可能になる。これによって、アクチュエータ製作が特に簡単になり、アクチュエータの寸法が増大することはなくなる。

以下、添付の図面を参照にしながら、本発明を説明することによって、本発明に関する理解がより深まるであろう。

図１に関連していえば、二重コイル付きの電磁アクチュエータ１０は、公知の構成として、非磁性体のハウジング１６を有している。このハウジング１６は、エンジンのシリンダヘッド４の上に搭載され、バルブ１を作動させるために使用される。バルブ１のステム３は、シリンダヘッド４のベアリング５内で滑動可能に設置されている。

アクチュエータ１０はプッシャー１１を有しており、そのプッシャー１１は、バルブ１のステムと同一の軸方向に滑動する。バルブ１のステム３の端部とプッシャー１１の端部とは、互いに相反する方向の２個のバネ１２および１３によって押圧される。これらのバネ１２、１３は、プッシャー１１とバルブ１のステム３とにそれぞれ作用する。バネ１２、１３は、プッシャー１１に対して１つの平衡点を規定しており、この平衡点に相当する位置では、バルブが半分開いた状態になる。

プッシャー１１はアーマチャ１４に固定されている。このアーマチャ１１は、２個の電磁石１５（詳細は、後述する）の間を上下に移動するように設置されている。それゆえに、プッシャー１１のストロークは、アーマチャ１４が上部の電磁石１５のコア部に接するようになる上側の端部と、アーマチャ１４が下部の電磁石１５のコア部に接するようになる下側の端部との間で規定されており、上記アーマチャ１４の下側の端部または上部の端部の位置は、バルブ１が開いた状態の位置または閉じた状態の位置にそれぞれ対応している。

アクチュエータ１０が作動している間、プッシャー１１は、一方の端部から他方の端部まで移動するが、このプッシャー１１の移動は、バネ１２、１３とアーマチャ１４を引き付ける電磁石１５との組み合わせによる作用が、交互に行われることによって実現される。

図１に示す本発明の実施例では、各々の電磁石１５は１個の第一のコア部分１８を有しており、この第一のコア部分１８は、概してＴ型形状になっている。さらに、上記第一のコア部分１８は、１つの底部１９とその周囲にコイル２１が配置されている1つの中央部分２０とを有している。

さらに、コア部は第二のコア部分２２も有しており、このコア部分２２は概してＵ型形状になっている。さらに、上記第二のコア部分２２は、１つの底部２３と２つの外側のブランチ２４を有している。これらの外側のブランチ２４は、第一のコア部分１８の中央部分２０の両側にて互いに平行に延びている。

第一のコア部分１８は、第二のコア部分２２の内側に配置される。また一方で、永久磁石２５は、第一のコア部分１８の底部１９と第二のコア部分２２の底部２３との間に挿入される。

第一のコア部分１８の底部１９は、第二のコア部分２２の外側のブランチ２４と協働することによって、エアーギャップｅを規定している。このエアーギャップｅは、第一のコア部分の底部１９と第二のコア部分の底部２３との間の距離よりもはるかにに小さな寸法に設定されている。

第二のコア部分２２の外側のブランチ２４の端部、および第一のコア部分１８の中央部分２０は、アーマチャ１４に接するように構成される電磁石のコア部分において、活性化面２６となる部分を形成する。

以下、上部の電磁石１５のみを図示した図２から図４までを参照にしながら、本発明のアクチュエータの動作について説明する。

図２に示すように、電磁石１５のコア部における活性化面２６の方向に、アーマチャ１４を引き付ける目的で、コイル２１に電力が供給され、この結果として、永久磁石２５の磁束２７と同一の方向に磁束２９が発生することになる。コイル２１によって発生する磁束２９は、第一のコア部分の中央部分２０を経由して、第二のコア部分の外側のブランチ２４に向かって移動する。さらに、上記磁束２９は、この磁束２９により引き付けられているアーマチャ１４を通過し、第一のコア部分の底部１９を経由してループを形成する。特に、磁束の全てがエアーギャップｅを通過していくようにするために、エアーギャップは、第一のコア部分の底部１９と第二のコア部分の底部２３との間の距離に比較して、はるかに小さな寸法が付与されている。磁束２９の損失分のみが、第二のコア部分の底部２３を通過し、永久磁石２５を経由して、第一のコア部分における中央部分２０まで戻ることになる。したがって、エアーギャップは、コイル２１で発生した磁路を形成することになる。

コイル２１により発生した磁束２９は、この磁束２９による作用が永久磁石２５からの磁束２７による作用に加算された状態で、アーマチャ１４を活性化面２６の方向に引き付けるように作用する。

アーマチャ１４のストローク運動の最後の部分において、アーマチャ１４が活性化面２６に近づいたときには、コイル２１により発生する磁束２９は、アーマチャ１４が活性化面２６にて停止するよう速度を制御するために、逆方向に反転することになる。

図３からわかるように、アーマチャ１４が電磁石のコア部分に運ばれて到着した後は、コイルに供給される電流は遮断されることになる。そのとき、永久磁石２５によって発生する磁束２７は、第二のコア部分２２の底部２３と外側のブランチ２４とを通過し、さらに、第一のコア部分１８の中央部分２０を経由し、アーマチャ１４を通過してループを形成する。このとき、永久磁石２５からの磁束２７は、バネ１２（図３に表示無いが、図１に表示）に対抗して、アーマチャ１４が電磁石１５のコア部に接した状態でアーマチャ１４を保持できる程度に、充分強い力となっている。

永久磁石２５からの磁束がコア部からアーマチャ１４を通過していくときに、上記コア部により提供される断面積は永久磁石２５の表面積より少ない。したがって、アーマチャ１４の部分では、永久磁石２５によって磁束が集中し、吸引力は増加する傾向となる。

図４に示すように、アーマチャ１４を電磁石１５のコア部から離す目的で、コイル２１に電力が供給され、この結果として、永久磁石２５からの磁束２７に対抗する磁束２８を発生させることができる。コイル２１によって発生した磁束２８は、前述の図２に示している磁束とは反対方向にループを形成する。そして、永久磁石２５からの磁束２７の少なくとも一部が相殺され、これによって、アーマチャ１４が作用していた吸引力は、もはやバネ１２からの力に打ち勝つために充分な吸引力ではなくなってくる。そして、アーマチャ１４は、電磁石１５のコアにある活性面２６から離れることになる。

本発明のバルブアクチュエータにおいては、コイル２１によって発生した磁束は、永久磁石２５の磁束２７に対して同一方向であるかまたは逆方向であるかにかかわらず、第一のコア部分および第二のコア部分を経由し、永久磁石２５を通過することがないので、損失を無視することができる。

永久磁石２５は、最悪でも、コイル２１によって発生した磁束の周縁部分にしか晒されない。この周縁部分は、いずれにしても、大きなレベルの高電流でもってコイル２１に電力を供給した場合であっても、永久磁石２５を減磁するために必要な磁束よりはるかに小さな磁束しか発生しない。

永久磁石２５からの磁束が、アーマチャ１４を通過することなく、第一のコア部分１８の底部１９を経由してループを形成するのを阻止するためには、エアーギャップｅは充分大きくすることが必要であることがわかる。しかしながら、コイル２１によって発生した磁束の損失分を最小にするためには、あまり大きくすることはできない。

本発明は、これまで説明した発明の特定な実施例に限定されるものではなく、それどころか、特許請求の範囲の請求項にて定義された発明の範囲内において、可能な限りの変形例を包含することが可能である。

特に、本発明は、バルブを各々の端部の位置に保持するために、２個の電磁石１５の各々を永久磁石２５に取り付けた構成について説明しているが、１個の電磁石を１個の永久磁石に取り付けた構成の発明を実施することも可能である。

ここでは、主たる方向（図面の垂直方向）に延びている複数の電磁石を備えたアクチュエータに関連して、本発明を説明しているが、本発明は、軸方向に対して対称になっている形状の複数の電磁石にも、適用することができる。軸方向に対称になっている形状の複数の電磁石に関しても、本発明のＵ型形状およびＴ型形状のコア部分を考慮することによって、軸の部分に見られるコア部分の形状として、上記のＵ型形状およびＴ型形状を採用することができる。

アクチュエータがニュートラルの位置にある場合に、エンジンシリンダーの頭部に搭載されている本発明のアクチュエータを断面で示す図である。 アーマチャがコア側に引き付けられる状態において、磁束がアクチュエータ内を移動するようすを示している本発明のアクチュエータの一部を断面で模式的に示す図である。 アーマチャがコア側に保持されている状態において、磁束がアクチュエータ内を移動するようすを示している本発明のアクチュエータの一部を、図２の場合と同様に断面で示す図である。 アーマチャがコアから離れた状態において、磁束がアクチュエータ内を移動するようすを示している本発明のアクチュエータを、図２の場合と同様に断面で示す図である。

Claims (1)

1. １個の永久磁石と、弾性部材と２個の電磁石との作用によって一方の端部から他方の端部の２箇所の間を移動するアクチュエータ部材（１１）とを具備し、
   前記電磁石の各々は１つのコア部を備えており、前記１つのコア部は１個のＴ型形状の第一のコア部分（１８）と１個のＵ型形状の第二のコア部分（２２）とを含み、前記第一のコア部分（１８）は、その周囲にコイル（２１）が配置されている中央部分（２０）と前記中央部分に接続される底部（１９）とを有し、さらに、前記第一のコア部分（１８）はＵ型形状の第二のコア部分（２２）の内側に設けられ、また一方で、前記第二のコア部分（２２）は前記第一のコア部分（１８）の中央部分（２０）に平行に延びている外側のブランチ（２４）に接続されている底部（２３）を有し、また一方で、前記永久磁石（２５）が前記第一のコア部分（１８）の底部と前記第二のコア部分（２２）の底部との間に挿入される、永久磁石を具備した二重コイル付きの電磁バルブアクチュエータにおいて、前記２個の電磁石の少なくとも一方において、Ｔ型形状の前記第一のコア部分（１８）の底部（１９）を延ばし、Ｕ型形状の前記第二のコア部分（２２）の外側のブランチ（２４）と協働させ、これによって、Ｔ型形状の前記第一のコア部分（１８）の前記底部（１９）とＵ型形状の前記第二のコア部分（２２）の前記底部（２３）との間の距離よりもはるかに小さな寸法のエアーギャップ（ｅ）が形成されることを特徴とする永久磁石を具備した二重コイル付きの電磁バルブアクチュエータ。

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