JP2000306724A - 電磁式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 消費電力を低減させることができる電磁式ア
クチュエータを提供する。 【解決手段】 電磁式アクチュエータ１は、互いの間に
コイル室１７を画成するインナーヨーク１２およびアウ
ターヨーク１３を有するヨーク１１と、コイル室１７に
収容されたコイル１６とを備えた電磁石１０と、電磁石
１０の励磁によってヨーク１１に吸引されることにより
ヨーク１１に接触するとともに、電磁石１０の励磁の中
止によってヨーク１１から離れるように往復動すること
により駆動を行うためのアーマチュア５と、を備えてい
る。コイル溝１７の幅Ｄと高さＬとの比Ｄ／Ｌは、電磁
石１０の渦電流損および／または漏れ磁束の比Ｄ／Ｌに
対する減少度合が漸減するような所定値（図６の値
「０．３」）以上の値に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁力によって被
駆動体を駆動する電磁式アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の電磁式アクチュエータと
して、例えば特開平９−２５６８２６号公報に記載され
たものが知られている。この電磁式アクチュエータは、
内燃機関の吸気弁や排気弁などを開閉駆動するためのも
のであり、シリンダヘッド内に収容された複数のアクチ
ュエータケーシングと、磁性体で構成され、各アクチュ
エータケーシング内の摺動路に摺動自在に収容されると
ともに、吸排気弁に連結されたアーマチュアと、このア
ーマチュアを上下方向に吸引するための上下の電磁石
と、を備えている。電磁式アクチュエータの動作時に
は、アーマチュアが上下の電磁石によって吸引され、摺
動路内を上下方向に往復摺動することによって、吸排気
弁が開閉駆動される。

【０００３】また、アーマチュアは、その横断面が同心
の２つの円弧部の両端を互いに平行な２つの直線部で結
んだような形状であり（同公報の図６参照）、アクチュ
エータケーシングの内周面および外周面は、アーマチュ
アの外周面とほぼ相似の断面形状に形成されている。ま
た、電磁石は、ともに磁性体で構成されたインナーヨー
クおよびアウターヨークから成るヨークと、インナーヨ
ークおよびアウターヨークの間に収容され、インナーヨ
ークに巻かれたコイルとを備えている。インナーヨーク
は、アクチュエータケーシングとほぼ相似の断面形状を
有し、アウターヨークは、アーマチュアとほぼ相似の断
面形状を有している。

【０００４】この電磁式アクチュエータでは、上記のよ
うな断面形状を備えた各２つのアクチュエータケーシン
グが、外周面の平面部で互いに接するように配置されて
いる。以上のような構成によって、この電磁式アクチュ
エータでは、複数のアクチュエータケーシングをシリン
ダヘッド内の狭い空間に並べて収容した場合でも、アク
チュエータケーシング内に可能な限り大きな空間を確保
することによって、可能な限り大きな電磁石のコイルの
寸法およびアーマチュアの断面積を得ている。このよう
にする理由は、吸排気弁を駆動する際に非常に大きな駆
動力が必要とされるので、電磁式アクチュエータを狭い
シリンダヘッド内に収納したときでも、吸排気弁を駆動
するのに十分な電磁石によるアーマチュアの吸引力を確
保するためである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、上記のよう
な電磁式アクチュエータにおいては、動作時に電磁石に
供給される電気エネルギは、その一部がコイル抵抗によ
る損失である銅損や、磁性体内部で発生した渦電流によ
る損失である渦電流損や、磁性体内部で発生するヒステ
リシス特性であるヒステリシス損失などとして消費され
るとともに、漏れ磁束などによって電磁石近傍のあらゆ
る領域に単に蓄積され、機械仕事に変化しない磁気エネ
ルギとなり、その後、渦電流損や銅損として消費され、
一部が回生される。さらに、以上を除いた残りの電気エ
ネルギが、アーマチュアを介して吸排気弁などの被駆動
体を吸引するための機械仕事に変換される。したがっ
て、機械仕事を除いた損失分を低減すれば、電気エネル
ギが機械仕事に効果的に変換されることによって、消費
電力を低減することが可能である。しかし、上記従来の
電磁式アクチュエータにおいては、アーマチュアの断面
積やコイルの寸法を単純に大きくすることによって、電
磁石の吸引力を確保しているので、ヨークやアーマチュ
アの形状や寸法の関係などによっては、上記のような各
損失分が逆に増大することにより、消費電力が増大して
しまうことがある。

【０００６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、消費電力を低減させることができる電磁式
アクチュエータを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の電磁式アクチ
ュエータ１は、互いの間にコイル室１７を画成するイン
ナーヨーク１２およびアウターヨーク１３を有するヨー
ク１１と、コイル室１７に収容されたコイル１６とを備
えた電磁石１０と、磁性体で構成され、電磁石１０の励
磁によってヨーク１１に吸引されることによりヨーク１
１に接触するとともに、電磁石１０の励磁の中止によっ
てヨーク１１から離れるように往復動することにより駆
動を行うためのアーマチュア５と、を備え、インナーヨ
ーク１２およびアウターヨーク１３の間の間隔であるコ
イル室１７の幅Ｄと、ヨーク１１に接触したときのアー
マチュア５の内面とコイル室１７の底面との間のアーマ
チュア５の往復動の方向に沿う間隔であるコイル室１７
の高さＬとの比（例えば実施形態における縦横比Ｄ／
Ｌ）が、電磁石１０の渦電流損および漏れ磁束の少なく
とも一方の比（縦横比Ｄ／Ｌ）に対する減少度合が漸減
するような所定値（例えば実施形態における図６の値
「０．３」）以上の値（値「０．４」）に設定されてい
ることを特徴とする。

【０００８】この電磁式アクチュエータによれば、アー
マチュアは、電磁石の励磁によって電磁石に吸引されて
ヨークに接触し、励磁の中止によって電磁石から離れる
ように往復動する（なお、ここで言う「接触」とは、機
械的な接触のみならず、電気的な吸引によりアーマチュ
アがヨークに対してある微少な間隔を保ちながら停止し
ている状態を含むものである。また、「励磁」は、電磁
石のコイルへの通電の実施を意味し、「励磁の中止」
は、通電の中止を意味する）。このアーマチュアの往復
動によって、例えばこれに連結された被駆動体の駆動が
行われる。このような電磁石の励磁時において、電磁石
に発生する渦電流損および漏れ磁束の値は一般的に、コ
イル室の幅と高さの比、すなわちインナーヨークおよび
アウターヨークの間の間隔と、ヨークに接触したアーマ
チュアの内面とコイル室の底面との間のアーマチュアの
往復動の方向に沿う間隔との比の変化に従って増減す
る。具体的には、渦電流損および漏れ磁束は、上記比が
所定値になるまでは比の変化に対して急激に減少し、比
が所定値以上になると、その減少度合が漸減する特性を
有している。したがって、本発明では、コイル室の幅と
高さの比が渦電流損および／または漏れ磁束の減少度合
が漸減するような所定値以上の値に設定されているの
で、発生する渦電流損および／または漏れ磁束を効果的
に抑制することができる。これによって、電磁石の励磁
時の電気エネルギを、被駆動体を駆動するための機械仕
事に効率よく変換することができ、それゆえ、消費電力
を低減させることができる。

【０００９】請求項２の電磁式アクチュエータ１は、ヨ
ーク１１およびコイル１６を有する電磁石１０と、磁性
体で構成され、電磁石１０の励磁によってヨーク１１に
吸引されることにより端部がヨーク１１の端部に接触し
且つ吸引保持されるとともに、電磁石１０の励磁の中止
によってヨーク１１から離れるように往復動することに
より駆動を行うためのアーマチュア５と、を備え、ヨー
ク１１およびアーマチュア５の端部はそれぞれ絞られて
いることを特徴とする。

【００１０】この電磁式アクチュエータによれば、上記
と同様に、電磁石の励磁および励磁の中止によりアーマ
チュアが往復動し、これによって、被駆動体が駆動され
る。また、電磁石の励磁時にアーマチュアがヨークに吸
引保持されることにより、被駆動体が電磁石によって吸
引保持される。このような電磁石の吸引保持状態での励
磁時において、一般的にアーマチュアを吸引保持すると
きの電磁石の吸引保持力Ｆは、［Ｆ＝φ／（２μ０
Ｓ）］（ただしφは磁束、μ０は真空の透磁率、Ｓはヨ
ークの接触面（吸引面）の面積）の式で表される。した
がって、本発明の電磁式アクチュエータにおいて、磁束
φが低減しない程度に、アーマチュアとヨークが接触す
る端部の接触面の面積Ｓを小さく絞ることによって、吸
引保持力Ｆを向上させることができる。その結果、同じ
吸引保持力Ｆを発生する電磁石と比べると、より小さな
値の励磁電流で同じ吸引保持力Ｆを発生させることがで
きるので、消費電力を低減させることができる。

【００１１】請求項３の電磁式アクチュエータ１は、ヨ
ーク１１およびコイル１６を有する電磁石１０と、磁性
体で構成され、電磁石１０の励磁によってヨーク１１側
に吸引されることによりヨーク１１に接触し且つ吸引保
持されるとともに、電磁石１０の励磁の中止によってヨ
ーク１１から離れるように往復動することにより駆動を
行うためのアーマチュア５と、を備え、アーマチュア５
の最小磁路面積Ｓ５とヨーク１１の平均磁路面積Ｓ６と
面積比Ｓ５／Ｓ６が、電磁石１０の保持銅損が面積比Ｓ
５／Ｓ６に対して極小値を示す値（例えば実施形態にお
ける図１０の値「０．９」）を含む、その近傍の所定領
域（例えば実施形態における値「０．８５〜０．９５」
の所定領域）内の値になるように設定されていることを
特徴とする。

【００１２】この電磁式アクチュエータによれば、上記
と同様に、電磁石の励磁および励磁の中止によってアー
マチュアが往復動し、これによって、被駆動体が駆動さ
れる。また、電磁石の励磁時にアーマチュアがヨークに
吸引保持されることにより、被駆動体が電磁石によって
吸引保持される。この場合、アーマチュアの最小磁路面
積と、ヨークの平均磁路面積との面積比は、励磁時に電
磁石の保持銅損が極小値を示す値を含む、その近傍の所
定領域内の値になるように設定されているので、励磁時
にヨークがアーマチュアを吸引保持するときの保持銅損
を極小値またはそれに近い値に低減できることによっ
て、電磁石の励磁時の電気エネルギを被駆動体を駆動す
るための機械仕事に効率よく変換することができ、それ
ゆえ、消費電力を低減させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の第１実施形態に係る内燃機関の電磁式アクチュエー
タについて説明する。図１に示すように、本実施形態の
電磁式アクチュエータ１は、内燃機関である自動車用エ
ンジン（図示せず）の動弁装置に適用したものであり、
このエンジンのシリンダヘッド２に取り付けられている
とともに、エンジンの運転時に、１つの吸気弁（または
排気弁）３を駆動することによって、図示しない吸気ポ
ート（または排気ポート）の開閉動作を実行するもので
ある。吸気弁３は、シリンダヘッド２内のガイド筒２ａ
によって、上下方向に摺動自在に支持されている。

【００１４】電磁式アクチュエータ１は、ケーシング４
と、このケーシング４内に上下方向に摺動自在に設けら
れたアーマチュア５と、励磁時にアーマチュア５を上下
方向にそれぞれ吸引する上下の電磁石１０，１０と、ア
ーマチュア５を下方および上方に常時、付勢する上下の
コイルばね６，６とを備えている。

【００１５】ケーシング４は、上下の蓋部４ａ，４ａ
と、これら蓋部４ａ，４ａの間に設けられたケース部４
ｂとを備えている。図４に示すように、ケース部４ｂの
外周面は、同心の２つの円弧部の両端を互いに平行な２
つの直線部で結んだような断面形状を有し、これら２つ
の直線部は平面部を構成している。隣り合う２つの電磁
式アクチュエータ１，１は、ケース部４ｂの平面部で互
いに接するように配置されている。ケース部４ｂの内周
面は、その外周面の円弧部と同心でより径の小さい２つ
の円弧部の両端を互いに平行な２つの直線部で結んだ断
面形状になっており、電磁石１０は、ケース部４ｂの内
周面に接した状態でこれに内蔵されている。また、上下
の蓋部４ａ，４ａも、図示しないがケース部４ｂの外周
面と同様の断面形状を有し、上下の電磁石１０，１０お
よびアーマチュア５を間にして互いに対向するように上
下に配置されている。

【００１６】上下の電磁石１０，１０は、上下方向に所
定距離、間隔を存して配置され、互いの間にアーマチュ
ア５の可動空間を画成している。上下の電磁石１０，１
０は、アーマチュア５を間にして上下対称に構成されて
おり、以下、下電磁石１０の構成について説明する。図
１〜図３に示すように、下電磁石１０は、ヨーク１１
と、このヨーク１１のインナーヨーク１２に嵌合したボ
ビン１５と、ボビン１５の外周面に巻かれたコイル１６
とを備えている。

【００１７】ヨーク１１は、インナーヨーク１２とアウ
ターヨーク１３をヨーク連結ボルト１４によって一体に
連結したものであり、インナーヨーク１２およびアウタ
ーヨーク１３は例えばＦｅなどの磁性体で構成され、ヨ
ーク連結ボルト１４は合成樹脂などの非磁性体で構成さ
れている。インナーヨーク１２は、円板状のターミナル
部１２ａと、このターミナル部１２ａから上方に延びる
円筒部１２ｂとを備え、これらターミナル部１２ａおよ
び円筒部１２ｂの内部には、上下方向に貫通する断面円
形の孔１２ｃが円筒部１２ｂと同心に形成されている。
また、インナーヨーク１２の円筒部１２ｂの上面は、ア
ーマチュア５の吸引時にこれに接触する接触面１２ｄに
なっている。

【００１８】アウターヨーク１３の内周面１３ａは、上
記円筒部１２ｂおよび孔１２ｃと同心に断面円形に形成
され、外周面１３ｂは、内周面の円と同心の２つの円弧
部の両端を互いに平行に左右方向に延びる直線で結んだ
断面形状に形成されている。すなわち、アウターヨーク
１３は、電磁式アクチュエータ１，１の並び方向と直交
する方向に厚さが厚くなっており、これによって、図４
に示すように、電磁式動弁装置１，１同士を狭い間隔で
配置した場合でも、アウターヨークが円筒形状であると
きと比べて、アウターヨーク１３の外周をアーマチュア
５の外径以上に大きく設定しながら、アウターヨーク１
３の断面積、コイル１６のスペースおよびインナーヨー
ク１２の断面積を、可能な限り大きく確保できる。ま
た、アウターヨーク１３は底壁１３ｃを有しており、こ
の底壁１３ｃには、内周面１３ａと同心の孔が形成され
ている。

【００１９】ヨーク連結ボルト１４の外周面には、図示
しない雄ねじが形成されており、インナーヨーク１２の
孔１２ｃの下部には、ヨーク連結ボルト１４の雄ねじに
螺合する図示しない雌ねじが形成されている。ヨーク連
結ボルト１４をアウターヨーク１３の底壁１３ｃの孔に
下方から通し、その雄ねじをインナーヨーク１２の雌ね
じに螺合させることよって、インナーヨーク１２とアウ
ターヨーク１３は一体に連結されている。このように連
結したインナーヨーク１２の円筒部１２ｂとアウターヨ
ーク１３との間には、上方に開口する横断面円環状のコ
イル室１７が画成されており、このコイル室１７には、
ボビン１５およびコイル１６が収容されている。

【００２０】図５に示すように、コイル室１７の幅Ｄ
は、インナーヨーク１２とアウターヨーク１３の間の間
隔であり、高さＬは、アーマチュア５がヨーク１１に接
触したときの、アーマチュア５の大径部５ａの下面（内
面）とコイル室１７の底面との間隔である。本実施形態
では、上記コイル室１７の幅Ｄと高さＬの比である縦横
比Ｄ／Ｌは、後述する理由により「０．４」に設定され
ている。

【００２１】また、ボビン１５は、合成樹脂などの非磁
性体で構成され、肉厚の小さい円筒状に形成されている
とともに、その上縁部は外方に水平に拡がり、丸いつば
状になっている。また、ボビン１５は、その内孔でイン
ナーヨーク１２の円筒部１２ｂに嵌合しており、コイル
１６は、ボビン１５の外周面に周方向に巻かれている。
以上のように、下電磁石１０は構成されており、上電磁
石１０も同様に上下対称に構成されている。

【００２２】一方、アーマチュア５は、断面円形に形成
された中央の大径部５ａと、この大径部５ａの上下面の
中央部から上下方向に突出する上下の小径部５ｂ，５ｂ
と、これら上下の小径部５ｂ，５ｂにそれぞれ形成され
た断面円形の上下の凹部５ｃ，５ｃと、を備えている。
図２および図５に示すように、大径部５ａの外径は、ア
ウターヨーク１３の内周面１３ａよりも大きく形成され
ており、これによって、後述するようにアーマチュア５
が電磁石１０に吸引された際、大径部５ａはアウターヨ
ーク１３に対して図２の点描部分で接触する。また、小
径部５ｂの外径は、インナーヨーク１２の外径よりも小
さくなっており、上小径部５ｂの上面５ｄ（または下小
径部５ｂの下面５ｄ）は、インナーヨーク１２に対して
その面５ｄ全体で接触する。

【００２３】さらに、上下の小径部５ｂ，５ｂにはそれ
ぞれ、上下方向に延びる上下のシャフト７，７が、その
一端部が上下の凹部５ｃ，５ｃに嵌合した状態で固定さ
れている。この電磁式アクチュエータ１は、アーマチュ
ア５を間にして一部を除き上下対称に構成されており、
まず、上側の構成について説明する。上シャフト７は、
断面円形であり、上電磁石１０のインナーヨーク１２の
孔１２ｃを通って、上蓋部４ａ内の上ばね室４ｃまで延
びている。

【００２４】この上ばね室４ｃ内には、前記上コイルば
ね６および上下のばね座８ａ，８ｂが収容されていると
ともに、ばね圧調整ねじ８ｃが上方から突出している。
上コイルばね６の上下端部はそれぞれ、上下のばね座８
ａ，８ｂに常時、当接しており、上ばね座８ａは、ばね
圧調整ねじ８ｃの下端部に下方から常時、当接してい
る。また、下ばね座８ｂは、上シャフト７の上端部に固
定されており、以上の構成によって、上シャフト７は、
上コイルばね６により下方に常時、付勢されている。さ
らに、上蓋部４ａ内には、円筒状の上ガイド９が設けら
れており、この上ガイド９は、上下方向に貫通する断面
円形の内孔を有している。上シャフト７は、上ガイド９
の内孔に遊嵌されており、これによって、上下方向に摺
動自在に支持されている。

【００２５】一方、下シャフト７も、上シャフト７と同
様に断面円形であり、下電磁石１０のインナーヨーク１
２の孔１２ｃを通って、下蓋部４ａ内の下ばね室４ｃま
で延びている。下シャフト７の下端部には、ばね座８ｄ
が取り付けられており、このばね座８ｄには、吸気弁３
の上端部が連結されている。また、下ばね室４ｃ内に
は、前記下コイルばね６が収容されており、下コイルば
ね６は、その下端部が下ばね室４ｃの底壁に上方から当
接し、上端部がばね座８ｄに下方から当接している。以
上の構成によって、下シャフト７は、下コイルばね６に
より上方に常時、付勢されている。一方、下蓋部４ａに
は、上ガイド９と同様の下ガイド９が設けられており、
下シャフト７は、この下ガイド９によって上下方向に摺
動自在に支持されている。以上のように、上下のシャフ
ト７，７がそれぞれ上下のコイルばね６，６によって下
方および上方に付勢されていることにより、アーマチュ
ア５は、上下の電磁石１０，１０がともに励磁されてい
ないときに、電磁石１０，１０間の中立位置に保持され
る（図示せず）。

【００２６】以上のように構成された電磁式アクチュエ
ータ１の動作について説明すると、上下の電磁石１０，
１０が励磁されていない場合、アーマチュア５は、上下
のコイルばね６，６によって、上下の電磁石１０，１０
の間の中立位置に保持され、それに伴い、吸気弁３も開
閉の途中の位置に位置している（図示せず）。この状態
から例えば下電磁石１０が励磁されると、アーマチュア
５は、下電磁石１０に吸引されることによって、下コイ
ルばね６の付勢力に抗しながら下電磁石１０のヨーク１
１に当接する位置まで下方に移動する（図１参照）。こ
のとき、上下のシャフト７，７は、上下のガイド９，９
にそれぞれ案内されながら下方に摺動する。このアーマ
チュア５の下方への移動により、吸気弁３が吸気ポート
を開放する。

【００２７】この後、下電磁石１０の励磁が中止される
と、アーマチュア５は、下コイルばね６の付勢力によっ
て上方に移動する。さらに、下電磁石１０の励磁の中止
後に、上電磁石１０が所定のタイミングで励磁される
と、アーマチュア５は、上電磁石１０に吸引されること
によって、上コイルばね６の付勢力に抗しながら上電磁
石１０のヨーク１１に当接する位置まで上方に移動する
（図示せず）。このアーマチュア５の上方への移動によ
り、吸気弁３が吸気ポートを閉鎖する。次いで、上電磁
石１０の励磁が中止された後、下電磁石１０が所定のタ
イミングで励磁されることにより、上記と同様に、吸気
弁３が吸気ポートを開放する。以上の動作が繰り返し実
行されることによって、アーマチュア５は上下の電磁石
１０，１０の間を上下方向に往復動し、吸気弁３を開閉
駆動する。

【００２８】次に、電磁式アクチュエータ１が吸気弁３
を開閉駆動する際に、電磁石１０において発生する渦電
流損および漏れ磁束について、図６を参照しながら説明
する。同図は、前述したコイル室１７の縦横比Ｄ／Ｌを
変化させながら、電磁石１０の渦電流損（単位：Ｊ）お
よび漏れ磁束（単位：Ｗｂ）を測定した結果の一例を示
している。

【００２９】同図に示すように、縦横比Ｄ／Ｌの値を増
大させると、これに伴って、電磁石１０の漏れ磁束およ
び渦電流損は減少するとともに、以下に述べるように互
いにほぼ同じ減少特性を示す。これは、渦電流損の発生
要因の１つが、漏れ磁束の発生であることによる。具体
的には、縦横比Ｄ／Ｌが「０」に近い値と「０．３」未
満の値の間の領域では、縦横比Ｄ／Ｌが増大するのに伴
い、漏れ磁束および渦電流損が急激に減少する特性を示
し、その減少度合が大きいのに対して、縦横比Ｄ／Ｌが
「０．３」以上の所定領域では、漏れ磁束および渦電流
損が漸減する特性を示し、その減少度合が小さくなって
いる。すなわち、縦横比Ｄ／Ｌを「０．３」以上の所定
領域の値に設定すれば、漏れ磁束および渦電流損を効果
的に抑制できることがわかる。

【００３０】前述したように、本実施形態の電磁石１０
においては、縦横比Ｄ／Ｌが「０．４」に設定されてい
るので、漏れ磁束および渦電流損を効果的に抑制できる
ことによって、電磁石１０の励磁時の電気エネルギを、
吸気弁３を駆動するための機械仕事に効率よく変換する
ことができる。これによって、電磁石１０の消費電力を
低減することができる。

【００３１】さらに、アーマチュア５が上下方向に往復
動する場合に、断面円形の上下のシャフト７，７がそれ
ぞれ、上下のガイド９，９の断面円形の孔に案内されな
がら摺動するので、従来のアーマチュアの平面部がケー
シングの内面を摺動するものと比べて、アーマチュア５
の往復動時の摺動抵抗を減らすことによって、これを往
復動させるのに必要な機械仕事も減少させることができ
る。これによって、消費電力をさらに低減することがで
きる。

【００３２】次に、本発明の第２実施形態に係る電磁式
アクチュエータについて説明する。図７に示すように、
本実施形態の電磁式アクチュエータ１は、上記第１実施
形態の電磁式アクチュエータ１と比べて、インナーヨー
ク１２の先端部、および吸引時にこれに接触するアーマ
チュア５の小径部５ｂの先端部がそれぞれ絞られている
点のみが異なり、その他は同様に構成されている。同図
に示すように、下電磁石１０のインナーヨーク１２の上
端部（端部）は周方向に連続して絞られており、その絞
りの角度は、外側の方が内側よりも小さくなっている。
また、インナーヨーク１２の接触面１２ｄの面積Ｓ１
は、絞られていない部分の断面積である磁路面積Ｓ２よ
りも小さくなっている（Ｓ１＜Ｓ２）とともに、その面
積比Ｓ１／Ｓ２は、後述する理由により「０．７９５」
に設定されている。また、絞り部分の絞り高さＨは、所
定値に設定されている。

【００３３】インナーヨーク１２の上端部に接触するア
ーマチュア５の下小径部５ｂの下端部（端部）も周方向
に連続して絞られており、接触面１２ｄと接触する接触
面５ｄの面積Ｓ３は、接触面１２ｄと同一で（Ｓ３＝Ｓ
１）、絞られていない部分の断面積Ｓ４よりも小さくな
っている（Ｓ３＜Ｓ４）。以上のように、下電磁石１０
のインナーヨーク１２およびアーマチュア５の下小径部
５ｂは構成されており、上電磁石１０のインナーヨーク
１２およびアーマチュア５の上小径部５ｂも同様に構成
されている。

【００３４】上記のように、インナーヨーク１２の先端
部およびこれに吸引保持される小径部５ｂの先端部を絞
った理由は、以下による。一般的に、電磁石１０の励磁
時において、アーマチュア５を吸引保持するときの電磁
石１０の吸引保持力Ｆは、［Ｆ＝φ／（２μ０Ｓ）］
（ただしφは磁束、μ０は真空の透磁率、Ｓはヨークの
接触面の面積）の式で表される。それゆえ、磁束φが低
減しない程度にインナーヨーク１２の接触面１２ｄの面
積Ｓ１およびアーマチュア５の接触面５ｄの面積Ｓ３を
上述したように小さく絞れば、吸引保持力Ｆが向上す
る。

【００３５】図８は、吸引保持力Ｆを同一に保ちかつ上
記面積比Ｓ１／Ｓ２を変化させながら、電磁石１０の保
持銅損（単位：Ｗ）を測定した結果の一例を示してお
り、図中の３つの曲線は、絞り部分の絞り高さＨを３つ
の異なる所定値Ｈ１〜Ｈ３（Ｈ１＞Ｈ２＞Ｈ３）に設定
した場合をそれぞれ示している。同図を参照すると、保
持銅損は、面積比Ｓ１／Ｓ２が「０．７９５」のときに
極小値を示し、「０．７７」以下では急激に増大すると
ともに、面積比Ｓ１／Ｓ２が「１」に近づくにつれて、
すなわち接触面１２ｄの絞りの度合が小さくなるにつれ
て漸増する特性を示している。

【００３６】このような面積比Ｓ１／Ｓ２と保持銅損の
関係は、絞り高さＨが所定値Ｈ１〜Ｈ３のいずれのとき
でも同様に得られ、絞り高さＨに依存しないことがわか
る。上述したように、本実施形態の電磁式アクチュエー
タ１では、面積比Ｓ１／Ｓ２を「０．７９５」に設定し
たので、保持銅損を極小値にすることができる。すなわ
ち、接触面１２ｄの面積Ｓ１を磁束φが低減しない程度
に適切に絞ることによって、保持銅損を極小値まで効果
的に減らしたので、吸引保持力Ｆを効果的に向上させる
ことができる。その結果、同じ吸引保持力Ｆを発生する
電磁石と比べると、より小さな値の励磁電流で同じ吸引
保持力Ｆを発生させることができるので、消費電力を効
果的に低減させることができる。また、吸引保持力Ｆが
ある程度の値でよい場合には、面積比Ｓ１／Ｓ２を
「０．７７〜０．９」の領域内に設定すれば、保持銅損
を極小値を含む、それに近い値に減少させることがで
き、上記と同様に消費電力を低減することができる。

【００３７】次に、本発明の第３実施形態に係る電磁式
アクチュエータについて説明する。図９に示すように、
本実施形態の電磁式アクチュエータ１は、前述した第１
および第２実施形態の電磁式アクチュエータ１と基本的
な構成は同じであり、アーマチュア５の最小磁路面積Ｓ
５とヨーク１１の平均磁路面積Ｓ６との面積比Ｓ５／Ｓ
６が、後述する理由により「０．９」に設定されている
点のみが異なっている。なお、アーマチュア５の最小磁
路面積Ｓ５は、大径部５ａの小径部５ｂに連なる部分の
断面積を表し、ヨーク１１の平均磁路面積Ｓ６は、イン
ナーヨーク１２の平均断面積を表す。

【００３８】図１０は、ヨーク１１の平均磁路面積Ｓ６
を一定としてアーマチュア５の最小磁路面積Ｓ５を変化
させたときの、面積比Ｓ５／Ｓ６に対する必要保持荷重
（単位：Ｎ）および保持銅損（単位：Ｗ）の一例を示し
ている。ここで、必要保持荷重は、ヨーク１１がアーマ
チュア５を吸引保持するのに必要な保持荷重（吸引保持
力）である。同図に示すように、保持銅損は、面積比Ｓ
５／Ｓ６が「０．９」のときに極小値を示し、面積比Ｓ
５／Ｓ６が「０．９５」以上のときに漸増するととも
に、「０．８５」以下では、急激に増大する特性を有し
ている。また、必要保持荷重は、面積比Ｓ５／Ｓ６の減
少に伴って、すなわちアーマチュア５の質量の低下に伴
ってリニアに低下している。

【００３９】上述したように、本実施形態の電磁式アク
チュエータ１では、面積比Ｓ５／Ｓ６が「０．９」に設
定されているので、保持銅損を極小値にすることができ
る。その結果、電気エネルギが吸引保持力に効率よく変
換されることによって、消費電力を効果的に低減するこ
とができる。また、面積比Ｓ５／Ｓ６を「０．９」と
し、アーマチュア５の質量を小さくしたので、必要保持
荷重を小さくすることができる。さらに、平均磁路面積
Ｓ６を一定として最小磁路面積Ｓ５を変化させることに
よって、アーマチュア５の平面寸法を変えることなく、
言い換えれば電磁石１０の平面寸法を変えることなく、
上記効果を得ることができる。また、吸引保持力がある
程度の値でよい場合には、面積比Ｓ５／Ｓ６を「０．８
５〜０．９５」の所定領域内の値に設定すれば、保持銅
損を極小値を含む、それに近い値に減少させることがで
き、上記と同様に消費電力を低減することができる。

【００４０】なお、前述した各実施形態においては、ア
ーマチュア５を上下の電磁石１０，１０で交互に吸引す
ることにより、これを往復動させる例について説明した
が、アーマチュアを往復動させる構成は、これに限ら
ず、例えば１つの電磁石とコイルばねを用いたものでも
よい。また、電磁式アクチュエータ１を自動車用エンジ
ンの動弁装置に適用した例について説明したが、電磁式
アクチュエータ１はこれに限らず、例えばエンジンのＥ
ＧＲ管を開閉する弁や燃料噴射弁などはもとより、様々
な被駆動体を駆動するための駆動装置として用いること
が可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明の電磁式アクチュ
エータによれば、消費電力を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の電磁式
アクチュエータを示す断面図である。

【図２】（ａ）図１の電磁式アクチュエータの電磁石の
横断面図と（ｂ）アーマチュアの平面図である。

【図３】アーマチュアおよび電磁石の分解斜視図であ
る。

【図４】電磁式アクチュエータの平面的な配置を示す図
である。

【図５】ヨークのコイル室の幅および高さの寸法を示す
断面図である。

【図６】電磁石の漏れ磁束および渦電流損と、コイル室
の幅および高さの比との関係の一例を示すグラフであ
る。

【図７】本発明の第２実施形態に係る電磁式アクチュエ
ータのインナーヨークの先端部およびアーマチュアの小
径部の先端部の絞られた形状を示す断面図である。

【図８】電磁石の保持銅損と、面積比Ｓ１／Ｓ２との関
係の一例を示すグラフである。

【図９】本発明の第３実施形態に係る電磁式アクチュエ
ータのヨークおよびアーマチュアの関係を示す断面図で
ある。

【図１０】電磁石の必要保持荷重および保持銅損の、ア
ーマチュアの最小磁路面積Ｓ５とヨークの平均磁路面積
Ｓ６との面積比Ｓ５／Ｓ６に対する関係の一例を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１ 電磁式アクチュエータ ３ 吸気弁 ５ アーマチュア １０ 電磁石 １１ ヨーク １２ インナーヨーク １３ アウターヨーク １６ コイル １７ コイル室 Ｄ コイル室の幅 Ｌ コイル室の高さ Ｄ／Ｌ 縦横比（比） Ｓ５ アーマチュアの最小磁路面積 Ｓ６ ヨークの平均磁路面積 Ｓ５／Ｓ６ 面積比

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いの間にコイル室を画成するインナー
   ヨークおよびアウターヨークを有するヨークと、前記コ
   イル室に収容されたコイルとを備えた電磁石と、 磁性体で構成され、前記電磁石の励磁によって前記ヨー
   クに吸引されることにより前記ヨークに接触するととも
   に、前記電磁石の励磁の中止によって前記ヨークから離
   れるように往復動することにより駆動を行うためのアー
   マチュアと、を備え、 前記インナーヨークおよび前記アウターヨークの間の間
   隔である前記コイル室の幅と、前記ヨークに接触したと
   きの前記アーマチュアの内面と前記コイル室の底面との
   間の前記アーマチュアの往復動の方向に沿う間隔である
   前記コイル室の高さとの比が、前記電磁石の渦電流損お
   よび漏れ磁束の少なくとも一方の前記比に対する減少度
   合が漸減するような所定値以上の値に設定されているこ
   とを特徴とする電磁式アクチュエータ。
2. 【請求項２】 ヨークおよびコイルを有する電磁石と、 磁性体で構成され、前記電磁石の励磁によって前記ヨー
   クに吸引されることにより端部が前記ヨークの端部に接
   触し且つ吸引保持されるとともに、前記電磁石の励磁の
   中止によって前記ヨークから離れるように往復動するこ
   とにより駆動を行うためのアーマチュアと、を備え、 前記ヨークおよび前記アーマチュアの前記端部はそれぞ
   れ絞られていることを特徴とする電磁式アクチュエー
   タ。
3. 【請求項３】 ヨークおよびコイルを有する電磁石と、 磁性体で構成され、前記電磁石の励磁によって前記ヨー
   ク側に吸引されることにより前記ヨークに接触し且つ吸
   引保持されるとともに、前記電磁石の励磁の中止によっ
   て前記ヨークから離れるように往復動することにより駆
   動を行うためのアーマチュアと、を備え、 前記アーマチュアの最小磁路面積と前記ヨークの平均磁
   路面積との面積比が、前記電磁石の保持銅損が当該面積
   比に対して極小値を示す値を含む、その近傍の所定領域
   内の値になるように設定されていることを特徴とする電
   磁式アクチュエータ。