JP4858284B2 - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、軸方向へ摺動自在に支持されたシャフトにプランジャが結合され、シャフトを介してプランジャが摺動自在に支持される電磁アクチュエータに関する。

シャフトを介してプランジャが摺動自在に支持される電磁アクチュエータの一例を図６を参照して説明する。
図６に示す電磁アクチュエータＪ１は、三方弁構造を有するスプール弁（バルブ）Ｊ２を駆動するものであり、コイルＪ３、プランジャ（磁気可動子）Ｊ４、磁気固定子Ｊ５で構成される。
磁気固定子Ｊ５は、コイルＪ３の周囲に閉磁路を形成する部品であり、磁力によってプランジャＪ４を軸方向へ吸引する磁気吸引部Ｊ６を備える第１コアステータＪ７と、プランジャＪ４の周囲を覆う筒形状を呈した磁気受渡部を備える第２コアステータＪ８とで構成される。
第１コアステータＪ７は、プランジャＪ４と結合されたシャフトＪ９を軸方向へ摺動自在に支持するシャフト摺動部（軸受部品）Ｊ１０を備える。これによって、プランジャＪ４がシャフトＪ９を介して摺動自在に支持される。

従来技術における電磁アクチュエータＪ１の要部（磁気吸引力発生部）を、図７を参照して説明する。
（ａ）磁気吸引力発生部の基本構造は、図７（ａ）に示すように、磁気吸引部Ｊ６とプランジャＪ４との対向面が平行なものである。このタイプは、構造がシンプルで製造が容易という利点がある。しかし、磁気吸引部Ｊ６にプランジャＪ４が接近すると、急激にプランジャＪ４の吸引力が大きくなってしまう。
（ｂ）そこで、図７（ｂ）に示すように、磁気吸引部Ｊ６の一部にプランジャＪ４の端部が侵入可能な吸引凹部Ｊ１１を形成して、吸引凹部Ｊ１１の底面による第１吸引部と、吸引凹部Ｊ１１の筒部による第２吸引部を設け、プランジャＪ４のストローク量に対して磁気吸引力が急激に変化する不具合を緩和した技術が知られている。

（ｃ）さらに、図７（ｃ）に示すように、プランジャＪ４における磁気吸引部Ｊ６に近い側の外周面に、磁気吸引部Ｊ６側（図示左側）に向けて小径となるテーパ部Ｊ１２を設けて、プランジャＪ４のストローク量に対して磁気吸引力が変化しない特性に設ける技術も知られている。
（ｄ）あるいは、図７（ｄ）に示すように、吸引凹部Ｊ１１の筒部におけるプランジャＪ４に近い側の外周面に、プランジャＪ４側（図示右側）に向けて小径となるテーパ部Ｊ１３を設けて、プランジャＪ４のストローク量に対して磁気吸引力が変化しない特性に設ける技術も知られている。

しかし、上記（ｂ）〜（ｄ）で示す技術は、プランジャＪ４から磁気吸引部Ｊ６の底部に向かう「軸方向磁束流α」の他に、吸引凹部Ｊ１１の筒部（外径方向）に向かう「外径方向磁束流β」が生じる。この「外径方向磁束流β」による磁気吸引力は、プランジャＪ４に対して径方向外向きの力として作用するため、シャフトＪ９には軸方向に対して直角方向の力が作用する。
これにより、シャフトＪ９がシャフト摺動部Ｊ１０に強く擦れることになり、シャフトＪ９の摺動抵抗が大きくなってしまう。

特に、後述する参考例１で示すように、シャフトＪ９が磁気吸引部Ｊ６側のみで摺動支持されるタイプ（プランジャＪ４の片側だけで支持される片持支持タイプ）の場合は、シャフトＪ９のシャフト摺動部Ｊ１０から離れたプランジャＪ４に径方向外向きの力が作用することで、シャフトＪ９がシャフト摺動部Ｊ１０に対してテコの原理で傾き力を与え、その結果、シャフトＪ９がシャフト摺動部Ｊ１０に強く擦られることになり、シャフトＪ９に大きな摺動抵抗が作用してしまう。
このように、シャフトＪ９の摺動抵抗が大きくなることにより、プランジャＪ４の応答性の劣化を招くとともに、ヒステリシスの増加を招いてしまう。
あるいは、長期の使用によりシャフトＪ９とシャフト摺動部Ｊ１０の間に摩耗が生じ、プランジャＪ４の傾きや性能低下の要因になる可能性がある。

一方、上記（ａ）で示す技術は、通常、図７（ａ）に示すように、磁気吸引部Ｊ６の外径寸法がプランジャＪ４の外径寸法より大きく設けられる。すると、磁気吸引部Ｊ６の大径側に向かう「外径方向磁束流β」が生じることになり、上記（ｂ）〜（ｄ）と同様の不具合が生じてしまう。
また、上記（ａ）で示す技術において、磁気吸引部Ｊ６の外径寸法がプランジャＪ４の外径寸法と同じであれば、「外径方向磁束流β」は生じない。即ち、プランジャＪ４から磁気吸引部Ｊ６に向かう「軸方向磁束流α」のみが発生することとなる。そのため、発生磁力によるシャフトＪ９の調芯作用は生じず、発生磁力によってシャフトＪ９の摺動抵抗を低減する作用は生じない。
特開平９−１６６２３８号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、発生磁力を利用してシャフトに調芯作用を生じさせて、シャフトの摺動抵抗を減らすことのできる電磁アクチュエータの提供にある。
具体的には、例えば「外径方向磁束流β」が生じるものであっても、発生磁力を利用してシャフトに調芯作用を生じさせることで「外径方向磁束流β」による摺動抵抗の増加を抑えることのできる電磁アクチュエータの提供にある。

本発明の電磁アクチュエータは、プランジャにおいて磁気吸引部と軸方向に対向する箇所に、プランジャと磁気吸引部との間で発生する磁束の流れ向きを、シャフト摺動部側の軸中心へ向ける磁束レンズ手段を設けたものである。磁束レンズ手段は、プランジャに形成され、磁気吸引部とは異なった側へ窪む凹部である。この凹部は、円弧状の球曲面を呈するものであり、円弧状の球曲面の中心部がシャフト摺動部の軸中心にある。
シャフト摺動部の軸中心へ向かう「内径方向磁束流γ（符号、図１参照）」による磁気吸引力は、磁気吸引部側においてシャフトをシャフト摺動部側の軸中心へと調芯させる調芯力として作用する。
この調芯作用により、シャフトの摺動抵抗を小さくすることができ、プランジャの応答性を向上させることができるとともに、ヒステリシスを減少させることができる。また、長期に使用されても、シャフトとシャフト摺動部の間の摩耗が抑えられることになるため、プランジャの傾きやガタツキの発生を抑えることができる。即ち、電磁アクチュエータの性能を高めることができるとともに、信頼性を高めることができる。

本発明の電磁アクチュエータは、例えば、電磁弁等のアクチュエータとして広く適用可能なものであり、棒状を呈する非磁性体製のシャフトと、このシャフトに結合された磁性体製のプランジャと、シャフトを軸方向へ摺動自在に支持するシャフト摺動部を備えるとともに、磁力によりプランジャを軸方向へ磁気吸引する磁気吸引部を備える磁性体製のコアステータとを具備する。
そして、プランジャと磁気吸引部との軸方向の対向部分には、プランジャと磁気吸引部との間で発生する磁束の流れ向きを、シャフト摺動部側の軸中心へ向ける磁束レンズ手段が設けられている。
この磁束レンズ手段は、プランジャに形成され、磁気吸引部とは異なった側へ窪む凹部である。この凹部は、円弧状の球曲面を呈し、この円弧状の球曲面の中心部がシャフト摺動部の軸中心にある。

参考例１

図１を参照して、プランジャ４に磁束レンズ手段１４を設けた参考例１を説明する。
この参考例１に示す電磁アクチュエータ１は、例えば「ＶＶＴ（バルブ可変タイミング装置）のＯＣＶ（オイルフローコントロールバルブ）」、「自動変速機の油圧制御弁」などに用いられる電磁弁の駆動手段であり、電磁弁はバルブ｛図１中、バルブハウジング２（例えば、スリーブ等）のみを開示する｝と電磁アクチュエータ１とを一体化して設けられる。

ここでバルブは、種々の構造を採用可能なものである。即ち、バルブは、スプール弁、ボール弁などを種々適用可能なものであるとともに、二方弁（開閉弁）、三方弁、四方弁などを種々適用可能なものである。もちろん、Ｎ／Ｌ（ノーマリ・ロー）タイプ、Ｎ／Ｈ（ノーマリ・ハイ）タイプ、Ｎ／Ｃ（ノーマリ・クローズ）タイプ、Ｎ／Ｏ（ノーマリ・オープン）タイプなど、どのようなタイプを採用するものであっても良い。

電磁アクチュエータ１は、コイル３、プランジャ４、磁気固定子５、コネクタ（図示しない）を備える。
コイル３は、通電されると磁力を発生して、プランジャ４と磁気固定子５を通る磁束ループを形成させるものであり、樹脂製のボビンの周囲に、絶縁被覆が施された導線（エナメル線等）を多数巻回したものである。

プランジャ４は、略円柱形状を呈した磁性体金属（例えば、鉄などの強磁性材料）である。このプランジャ４は、軸方向へ摺動自在に支持されるシャフト６と圧入等によって結合（一体化）されており、シャフト６を介して摺動自在に支持される。
シャフト６は、円柱棒状を呈する非磁性体金属であり、シャフト６の図１（ａ）左端は、弁体（例えば、スプール等：図示しない）に当接する。このため、プランジャ４の軸方向の駆動力（プランジャ４に作用する磁気吸引力）がシャフト６を介して弁体に伝達される。
一方、バルブの内部には、弁体を図１（ａ）右側へ押し戻すリターンスプリング（図示しない）が配置されており、弁体に伝わるリターンスプリングの付勢力によって弁体とともにプランジャ４も図１右側（プランジャ４と後述する磁気吸引部９とが離間する方向）へ付勢される。

磁気固定子５は、プランジャ４を軸方向へ磁気吸引するコアステータ７と、コイル３の外周を覆う略カップ形状のヨーク８とを組み合わせたものである。
コアステータ７は、ヨーク８の開口端と磁気的に結合された磁性体金属（例えば、鉄などの強磁性材料）であり、プランジャ４と軸方向に対向する位置に磁気吸引部９が設けられ、磁気吸引部９とプランジャ４との間に磁気吸引力発生部（メイン磁気ギャップ）が形成される。
コアステータ７の中心部には、軸方向に貫通したシャフト挿通穴１１が形成されている。このシャフト挿通穴１１の内部には、シャフト６を軸方向へ摺動自在に支持するシャフト摺動部が設けられている。このシャフト摺動部は、シャフト挿通穴１１の内部に固定された軸受部品（メタルベアリング等の摺動性を高める部材）であっても良いし、シャフト挿通穴１１の内周面であっても良い。

ヨーク８は、２重筒のカップ形状を呈する磁性体金属（例えば、鉄などの強磁性材料）であり、コイル３の周囲を覆う大径円筒形状の筒ヨーク１２と、プランジャ４の周囲を覆う小径円筒形状の磁気受渡筒１３とが、図１（ａ）右側の環状部で結合された形状を呈する。
ヨーク８のカップ開口部には、薄肉の爪部が形成されており、ヨーク８の内部に電磁アクチュエータ１の構成部品（コアステータ７、コイル３が樹脂モールドされた部品等）を組み込んだ後、爪部をカシメることで、電磁アクチュエータ１とバルブとが強固に結合される。
磁気受渡筒１３は、プランジャ４の周囲を非接触で覆い、プランジャ４との間において径方向の磁気の受け渡しを行うものである。

この参考例１における磁気吸引部９には、図１（ｂ）に示すように、プランジャ４と軸方向に対向する部位に、プランジャ４と磁気吸引部９との間で発生する磁束の流れ向きを、シャフト摺動部の軸中心へ向ける磁束レンズ手段１４が設けられている。
この磁束レンズ手段１４は、磁気吸引部９の軸心部がプランジャ４側へ膨出する凸部であり、この凸部におけるプランジャ４との対向面は、円弧状の球曲面を呈する。

コイル３が通電されると、磁気吸引部９とプランジャ４との対向面には磁束が流れる。この磁束の流れ方向は、磁束レンズ手段１４によってシャフト摺動部の軸中心へ向けられる。具体的に磁束の流れ方向は、図１（ｂ）に示すように、磁束レンズ手段１４を構成する円弧の中心部に向かって収束する。
このように、この参考例１では、コイル３が通電されると、プランジャ４からシャフト摺動部の軸中心に向かう「内径方向磁束流γ」が生じる。

図２を参照して実施例１を説明する。なお、以下において、上記参考例１と同一符号は同一機能物を示すものである。
上記の参考例１では、コアステータ７の磁気吸引部９に磁束レンズ手段１４を設ける例を示した。
これに対し、この実施例１は、プランジャ４側に磁束レンズ手段１４を設けたものである。
この実施例１に示すようにプランジャ４側に磁束レンズ手段１４を設ける場合、プランジャ４と磁気吸引部９との間で発生する磁束の流れ向きを、磁気吸引部９側におけるシャフト６の軸中心（シャフト摺動部の軸中心と同じ）へ向けるものであり、磁束レンズ手段１４は磁気吸引部９とは異なった側へ窪む凹部として設けられる。具体的にこの実施例１の凹部における磁気吸引部９との対向面は、円弧状の球曲面に設けられるものであり、この円弧状の球曲面の中心部がャフト摺動部の軸中心に設けられる。

この実施例１のように設けても、コイル３が通電されると、磁束の流れ方向が磁束レンズ手段１４によって磁気吸引部９側におけるシャフト６の軸中心へ向けられる。具体的に磁束の流れ方向は、磁束レンズ手段１４を構成する円弧の中心部に向かって収束するものであり、参考例１と同様、「内径方向磁束流γ」が生じる。

この「内径方向磁束流γ」による磁気吸引力は、シャフト６をシャフト摺動部の中心へと調芯させる調芯力として作用する。このため、シャフト６の摺動抵抗を小さくでき、プランジャ４の滑らかな動きを実現することができる。これにより、プランジャ４の応答性を向上させることができるとともに、ヒステリシスを減少させることができる。
また、シャフト６の摺動抵抗を小さくできるため、シャフト６とシャフト摺動部との間の摩耗を抑えることができ、長期に亘って繰り返し作動を行っても、シャフト６のガタや傾きの発生を抑えることができる。
即ち、電磁アクチュエータ１の性能および信頼性を高め、電磁弁の性能および信頼性を高めることができる。
さらに、磁束レンズ手段１４を磁気吸引部９の一部によって設けたため、部品点数の増加を招くことがなく、コストの増加を抑えることができる。

〔変形例〕
上記の実施例１では、［背景技術］の項において説明した（ａ）のタイプの磁気吸引力発生部に本発明を適用する例を示したが、（ｂ）〜（ｄ）のタイプの磁気吸引力発生部に本発明を適用しても良い。
具体的に、（ｂ）のタイプに本発明を適用した一例を図３に示し、（ｃ）のタイプに本発明を適用した一例を図４に示し、（ｄ）のタイプに本発明を適用した一例を図５に示す。この図３〜図５に示すものは、前述したように「外径方向磁束流β」によってシャフト６に対して軸方向の直角方向の力が作用するが、磁束レンズ手段１４を設けたことで、「内径方向磁束流γ」によってシャフト６に調芯作用が加わることになり、「外径方向磁束流β」による摺動抵抗の増加を抑えることができる。

磁気吸引部９とプランジャ４の両方に磁束レンズ手段１４を設けても良い。このように磁気吸引部９とプランジャ４の両方に磁束レンズ手段１４を設ける場合、凸部と凹部が軸方向で重なることができ、プランジャ４のストローク幅の低下を抑えることができる。
上記の実施例では、磁束レンズ手段１４をプランジャ４に形成する例を示したが、磁束レンズ手段１４を別体に設けても良い。このように磁束レンズ手段１４を別体に設けることで、既存の電磁アクチュエータ１に対して本発明を適用することが可能になる。

上記の実施例に示す磁気固定子５の構成は、具体的な一例を示すものであって、他の構成を採用するものであっても良い。
上記の実施例では、バルブを駆動する電磁アクチュエータ１に本発明を適用する例を示したが、バルブ以外の被駆動体をシャフト６を介して駆動する電磁アクチュエータ１に本発明を適用しても良い。

電磁アクチュエータの軸方向に沿う概略断面図、磁気吸引力発生部の要部断面図である（参考例１）。 磁気吸引力発生部の要部断面図である（実施例１）。 磁気吸引力発生部の要部断面図である（変形例）。 磁気吸引力発生部の要部断面図である（変形例）。 磁気吸引力発生部の要部断面図である（変形例）。 電磁弁の軸方向に沿う断面図である（従来例）。 磁気吸引力発生部の要部断面図である（従来例）。

１ 電磁アクチュエータ
４ プランジャ
６ シャフト
７ コアステータ
９ 磁気吸引部
１４ 磁束レンズ手段

Claims (1)

1. 棒状を呈する非磁性体製のシャフトと、
   このシャフトに結合された磁性体製のプランジャと、
   前記シャフトを軸方向へ摺動自在に支持するシャフト摺動部を備えるとともに、磁力により前記プランジャを軸方向へ磁気吸引する磁気吸引部を備える磁性体製のコアステータと、
   を具備する電磁アクチュエータにおいて、
   前記プランジャと前記磁気吸引部との軸方向の対向部分には、前記プランジャと前記磁気吸引部との間で発生する磁束の流れ向きを、前記シャフト摺動部側の軸中心へ向ける磁束レンズ手段が設けられ、
   この磁束レンズ手段は、前記プランジャに形成され、前記磁気吸引部とは異なった側へ窪む凹部であり、
   この凹部は、円弧状の球曲面を呈し、この円弧状の球曲面の中心部が前記シャフト摺動部の軸中心にあることを特徴とする電磁アクチュエータ。

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