Electromagnetic actuator

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電磁アクチュエータに関し、そして特に高い引込み力を生成するために細長い固定子を有する電磁アクチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】運動を与える何らかの方法の中で、磁気的に作動するヒンジ留めの電機子を引きつけるために、
鉄心または固定子によって局所化された電磁力を生成するため、ワイヤのコイルに通電させて用いることは公知のことである。 従来より、このコイルは円筒形をなしており、そして固定子の一方の脚の上に取り付けられる。
この特定の構造は多くの応用例において満足すべきもであることが判明している。 しかし、アクチュエータが様々な作業を実施できるように可動電機子における引込み力を増大させるには、様々な形状のコイルと固定子とを使用することが望ましいであろう。 従来技術では、接続又は遮断に比較的に小さな力しか必要としない１つ以上の電気接点に電機子が接続されている、磁気組立体と電機子とでリレーが形成されていた。 しかし、円筒形のリレー以外の他の応用に使用するには、必要な動作を行なうために、さらに高水準の力および／または長い動きが要求される。

【０００３】当明細書に特に参考のために挿入されている、米国特許第４，０９９，１５１号に記載されている電磁アクチュエータは、固定子の一方の側を囲む単一の電線コイルによって電機子が固定子に向かって引きつけらるようになっている、静止固定子構造と可動電機子構造とを開示している。 このコイルは、支持構造の上に電機子のヒンジ点を有する円筒形状になっている。 同様な方法で、米国特許第４，４４７，７９４号には、第１の脚と第２の脚を結んで一つの電磁誘電路を形成するように、コイルが第１の脚の周りに巻かれている電磁アクチュエータの固定子の第２の脚の上で、電機子が回動するようにヒンジ留めされている固定子構造が開示されている。 この米国特許第４，４４７，７９４号は参考のために当明細書に挿入されている。 コイルと固定子のこうした特定の構造は、アクチュエータに大きな力と長い動きを必要とするある種の応用には適していない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の電磁アクチュエータのうち、円筒形の形状をなすものは、可動電機子の大きな引込み力および／または長い動きの要求に対して対応できない欠点があり、また上述の二つの米国特許に開示されている電磁アクチュエータであっても、アクチュエータに大きな力と長い動きを必要とするある種の用途に対して適していないとい欠点がある。

【０００５】本発明の目的は、高水準の力とより長い行程を有する電磁アクチュエータを提供することである。

【０００６】本発明のもう１つの側面は、その長さが少なくともその幅の寸法の１．６倍である固定子要素を利用する、高水準の力とより長い行程とを有する電磁アクチュエータを提供することである。

【０００７】本発明の更にもう１つの側面は、その幅が少なくともその高さの２倍である高水準の力とより長い行程を有する電磁アクチュエータを提供することである。

【０００８】本発明のまたもう１つの側面は、その固定子内に電磁コイルを保持するために形成されている２本の平行な通路を有する、高水準の力とより長い行程を有する電磁アクチュエータを提供することである。

【０００９】本発明の更にまたもう１つの側面は、電機子の運動が固定子に向かうこともこれから離れることもできる構造を有する、固定子にヒンジ留めされている電機子を用いる、高水準の力とより長い行程を有する電磁アクチュエータを提供することである。

【００１０】そしてまた、本発明のもう１つの側面は、
内燃機関に使用される掛外し可能のロッカーアームの起動のための、高水準の力とより長い行程を有する電磁アクチュエータを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による電磁アクチュエータにおいては、固定子はコイルの取付けのためにその長手方向にそって１対の平行な溝を有し、固定子の長さはその幅の少なくとも１．６倍であり、そしてその幅はその高さの少なくとも２倍である（すなわち、小さい縦横比）。 電機子は固定子の一方の側において両端で枢支されており、そして固定子の面を横切って延びて、
コイルの両脚にわたって動作空隙ギャップを形成し、さらに電機子のヒンジ支持のために用いられる側と反対の側の第１と第２の極の双方を横切って延びている。 この固定子の特殊な構造によって、従来の装置に比較して、
選択された特定の応用に対してパッケージング上の利点があり、また更に重要なことは、コイルへのある一定水準の入力電流に対してより高い水準の作動力が得られ、
そして起動時間も減少させることができることである。
エンジンのロッカーアームを作動させたり非作動化させたりして、これによってエンジンの弁を作動させたり非作動化させたりするには、こうした装置全てにおいて比較的に高水準の力と行程とを必要とする、代理人の文書番号９４−ＲＥＣＤ−０２４、９４−ＲＥＣＤ−０３８
１および９４−ＲＥＣＤ−４５０の特許出願に開示されているような、掛外し可能のロッカーアームの作動に使用するのに、この種のアクチュエータは特に適している。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下の説明において幾つかの用語が説明のためにのみ便宜上用いられているが、それに限定されるものではない。 「上方に」、「下方に」、「右に」および「左に」という言葉は、説明されている図面における方向を指す。 上記の用語には、特に上に挙げられている言葉と、その派生語および同様な意味を持つ言葉も含まれる。

【００１３】まず図１には、本発明の電磁アクチュエータ１０の立面図が示されている。 固定子１２は鉄のような磁性体から作られており、この磁性体は導線１５を通じてコイル１４に流される電流により形成される電磁界の力を伝導しかつ集中させる役割を果たし、コイル１４
は多数回の絶縁電線の巻回によって作られ、そして固定子１２内に形成されている２本の平行な溝１３Ａと１３
Ｂの中にエポキシ系接着剤を用いて固定されている。 固定子１２は、低コストと高い生産性の故に押出し成形のような公知の生産工程を用いて作られる。 もし押出し成形が用いられなければ、固定子１２の端末は、コイル１
４の端末を覆うための金属断片を用いて閉じることができる。 電機子１６は、図２を参照すればより明瞭に判るように、固定子１２の電磁気的に活性な面に近づいたり離れたりするように旋回できるように、旋回ピン１８Ａ
と１８Ｂにより回動可能に固定子１２に連結されている。 電機子の延長部２０は、電機子１６の一部として形成され、そして例えばドアロックや掛外し自在なロッカーアームのような、本発明の電磁アクチュエータ１０によって動かされる他の装置と接触をとるために用いられる。 コイルタイプにすることができる戻しばね１１は、
電磁アクチュエータ１０が電圧を印加されていないとき、電機子１６を固定子１２から引き離すように伸長して電機子１６に接触して固定子１２の中に取り付けられている。 このばね１１はまた、振動がある場合に電機子１６がガタガタと音を発しないようにする役割も果たしている。

【００１４】図２には、図１の線ＩＩ−ＩＩにそって切断された電磁アクチュエータ１０の横断面図が示されている。 この図２では、コイル１４を挿入するために備えられている溝１３Ａと１３Ｂがより明確に示されている。 この図面では溝１３Ａと１３Ｂは直方形の横断面で図示されているが、例えば円形の横断面を有するコイル１４を提供するために、どのような形状も選択することができる。 延長部２０を有する電機子１６は、電流がコイル１４に流れているときに生成される電磁力に対応して、固定子１２に向かって移動しそしてそれに接触するように、旋回ピン１８Ａと１８Ｂを中心に回転可能に、
旋回ピン１８Ａと１８Ｂのところで固定子１２とヒンジ留めされていることが図示されている。 このようにして図２に示されているように、電圧が印加されていない状態で、電機子１６は、電磁アクチュエータ１０によって移動させられる装置に設けられている戻しばね、および／もしくは、電機子１６を固定子１２から離す作用をする戻しばね１１を用いることによって、固定子の極２
４、２６そして２８から離れるように動かされる。 電流がコイル１４に流されると、電磁界が固定子１２にそして特に固定子の極２４、２６および２８に発生し、これらの極は磁力によって電機子１６を引きつけ、そしてこれを急速に移動させて固定子１２に接触させる。 この電機子延長部２０は、ベルクランクのような運動伝達装置を起動させるために用いることができ、もしくは内燃機関における掛外し可能のロッカーアームのような、他の装置に対して直接的に作用することができる。

【００１５】好ましいこの実施例では、電機子延長部２
０の耐磨耗性を改善するために、そしてより重要なことであるが、電磁アクチュエータ１０に電圧が印加されているときに、電機子１６と固定子１２とが直接に磁性接触しないように電機子１６の表面に非磁性体のコーティングを行うために、電機子１６は厚さ約０．１２７ｍｍ
（０．００５インチ）のクロームメッキがほどこされる。 電機子１６と固定子１２間のこうした小さな空隙ギャップによって、コイル１４への電流が断たれたときに電磁アクチュエータ１０の開口を遅らせる渦電流力の発生が防止される。 電機子１６と固定子１２間のこうした最小の空隙ギャップを作るために、非磁性体シムのような別の従来技術を利用することもできる。

【００１６】図３には、本発明の電磁アクチュエータ１
０の側面を示す立面図が示されている。 様々な電磁性体の材料から作ることができる固定子１２が、同様に電磁性体の材料から作られる電機子１６を、固定子１２の両端に一つずつある旋回ピン１８Ａと１８Ｂによって、回動可能に支持するために用いられる。 コイル１４は、上述の図１と２に記載されているように、溝１３Ａと１３
Ｂの中に収められて、固定子１２の中央に配置されている。 電機子の延長部２０は、この電機子１６の長手方向にそって間隔を置いて配置されており、そしてただ１個のコイル１４を用いて内燃機関内の２つの掛外し可能のローカーアーム（図６参照）を起動させるのに必要な構造をなしている。 この種のコイル１４と固定子１２とそして電機子１６の構造は、強い力と速い応答を備えた電磁アクチュエータのためのものであり、このようなアクチュエータは、内燃機関に取り付けられているとき（図６参照）、２つの掛外し可能のロッカーアームを起動させるのに便利なパッケージングを可能にするのに必要な構造を有する。 こうした特殊な構造は、入力電流１アンペアごとの引込み力と、小さい保持電流と、エネルギー効率および速い応答とを最適化するために、固定子の極２８の方にバイアスしている鉄の回路を有している。 また、平行な２重の溝１３Ａと１３Ｂを備えていて開放端を有する設計が、固定子１２の押出し成形を容易にしているので、この特殊な構造は低コストの製造に有利である。

【００１７】固定子１２の長さＬは、図２と３に示されているように、固定子１２の幅Ｗの少なくとも１．６倍である。 更に、この固定子１２の幅Ｗはその高さＨの少なくとも２倍である。 こうした特殊な構造は、コイル１
４に電流が流されているとき、電機子１６を固定子１２
に向かって引き寄せる極めて大きな引込み力を生じさせる。 同様に、電機子１６はその長さがその幅の少なくとも１．６倍になるように設計される。

【００１８】図４は、電機子のヒンジ１７のもう１つの実施例が示されている図２に類似の横断面図である。 電機子１６'の一部として形成されている突出部２１を受けるために、固定子１２'の長手方向にそって同軸に、
半円形の溝２３が固定子１２'の第１の端末に作られている。 この電機子のヒンジ１７は、旋回ピン１８Ａと１
８Ｂに代わるものであり、そして電機子１６'が固定子１２'に接近したり離れたりして動くときに、電磁アクチュエータ１０'の磁気抵抗の全体的水準と変動を減少させることによって、磁気性能を改善する。 また、電機子のヒンジ１７は、内燃機関に取り付けられたときに経験するような高水準の振動に耐えることができるという点において、より頑丈である。 この電機子のヒンジ１７
の欠点は、固定子１２'と電機子１６'の長手方向にそってそれぞれが共に延びている溝２３と突出部２１とを形成するのに必要な機械加工を増やさなければならないために、製造コストが増大することである。

【００１９】ここで図５を参照すると、この図には電機子１６と固定子１２との間の様々な空隙ギャップにおける、コイル１４への入力電流に対するアクチュエータの電機子１６の引離し力を表すグラフが示されている。 試験したアクチュエータは、アメリカンワイヤゲージ２３
番の電線を１９０回巻いたコイル１４を用いた、長さ９
５ｍｍ、幅５０ｍｍそして高さ１６ｍｍのものであった。 図５には、コイル１４に横座標に示されている選択された水準のアンペア数の電流が通電されており、そしてポンド単位の引離し力が縦座標に示されている本発明の電磁アクチュエータ１０の性能が示されている。 曲線３０は、電機子１６が固定子１２と接触しているときのコイル電流と引離し力との関係を示す。 １４９℃（３０
０°Ｆ）における最大のコイル電流は１２ボルトにおいて３．３７アンペアである。 曲線３２には、電機子１６
と固定子１２間の電機子空隙ギャップが０．７６２ｍｍ
（０．０３０インチ）である時の様々な電流における、
電磁アクチュエータ１０の電機子１６の引離し力が示されている。 曲線３４は、電機子１６と固定子１２間の作動空隙ギャップが２．１５９ｍｍ（０．０８５インチ）
の時の、コイル電流に対する引離し力を示している。

【００２０】これらの性能曲線３０、３２および３４によって、ある一定のコイル回路で従来技術のアクチュエータに比較して有意義な程度に、より高い引離し力が生成されている点において、本発明の電磁アクチュエータ１０の動作上の利点が明瞭に示されている。

【００２１】この電磁アクチュエータの特殊な構造では、幅Ｗは高さＨの約３倍であり、そして長さＬは幅の約１．９倍である。 長さＬが幅Ｗの１．６倍そして幅Ｗ
が高さＨの２倍であっても同様な動作上の利点を実現できる。

【００２２】ここで図６に言及すると、これには内燃機関の弁列の一部として設置されている本発明の電磁アクチュエータ１０を備えたエンジンポペット弁制御システム１０２の断面が示されている。 オーバーヘッドカムタイプの内燃機関のエンジンのシリンダーヘッド１００の一部が、カム軸１０４、液圧式すき間アジャスタ１０
５、エンジンポペット弁１０６、弁ばね１０７および弁カバー１０８と共に示されている。 『掛外し可能のロッカーアームを用いたエンジン制御システム』と題された、１９９５年１０月６日提出の特許出願ＵＳＳＮ：０
８／５４０，２８０号を参照して、その開示された内容が参考のためにここに組み入れらている。

【００２３】図示されているように、このエンジンポペット弁制御システム１０２は、特にエンジンポペット弁１０６の作動または非作動を選択するようになっているタイプのシステムであり、そしてこれには、エンジンポペット弁１０６を開にするように作用する作動モードと、弁が開かない非作動モードとのいずれかに切り換えることができるロッカーアーム組立体１１４と、電磁アクチュエータ１０の作動と非作動とによって、ロッカーアーム組立体１１４をその作動モードと非作動モードのいずれかに切り換えるように作動する、アクチュエータ組立体１１６とが含まれている。

【００２４】ロッカーアーム組立体１１４は、カムベース軸１２３とエンジンのシリンダーヘッド１００とに支持されている弁作動カム軸１０４に、カムローブ１２０
において係合するようになっている内側のロッカーアーム１１８と、弁ばね１０７によって通常は閉じられているエンジンポペット弁１０６と係合するようになっている外側のロッカーアーム１２２と、内側のロッカーアーム１１８を、ローラ従動輪１２４を介してカム軸１０４
と係合させるように偏倚させ、そして外側のロッカーアーム１２２を、すき間アジャスタ１０５の本体１３２に乗っているプランジャ１３０と係合させるように偏倚させるために、内側と外側のロッカーアーム１１８および１２２の間で作動する偏倚ばね１２６とを備えている。
すき間アジャスタ１０５の構造と機能は従来技術において公知であり、ここでは詳細に説明しない。 すき間アジャスタ１０５が常にその正規の動作範囲で作動するように、偏倚ばね１２６はプランジャ１３０に充分な力を与えている。

【００２５】ラッチ部材１２８は、外側のロッカーアーム１２２の上で滑動するように受けられ、かつラッチばね１２９によって「掛けられた」状態に偏倚しており、
電磁アクチュエータ１０に電圧が印加されていないときには、内側と外側のロッカーアーム１１８と１２２とを連結して、本発明のエンジンポペット弁制御システムの作動モードを確定するために一緒に回動させるが、電磁アクチュエータ１０に電圧が印加されているときは、非作動モードを確定するために、内側と外側のロッカーアーム１１８と１２２とが互いに独立して自由に回動するように、この両ロッカーアームの連結を解くように作用する。 連結ピン１３３は、内側と外側のロッカーアーム１１８および１２２に形成されている同軸の各孔と、ラッチ部材１２８に形成されている細長い孔とに差し込まれており、そして外側のロッカーアーム１２２を枢軸支持し、そこで内側のロッカーアーム１１８はすき間アジャスタ１０５上で旋回する。 本発明のこの好ましい実施例では、内側のロッカーアーム１１８はプランジャ１３
０上で枢動するように取り付けられており、そして外側のロッカーアーム１２２は、内側のロッカーアーム１１
８により支持されかつすき間アジャスタ１０５のプランジャ１３０によっても間接的に支持されている、連結ピン１３３の上で枢動するように取り付けられている。

【００２６】本発明の電圧を印加されていない電磁アクチュエータ組立体１０は、ラッチばね１２９をして、ラッチ部材１２８を作動モードとして知られている位置に押し進めて、その結果ロッカーアーム組立体１１４を介してカム軸１０４によりエンジンポペット弁１０６を作動させる。 電磁アクチュエータ１０に電圧が印加されているときは、電機子の延長部２０がラッチシュー１３１
を押圧し、そうすることによって、ラチェット部材１２
８を、内側と外側のロッカーアーム１１８と１２２との間の無負荷動作のための位置へ押し進めて、その結果図５に示されている非作動モードのような、カム軸１０４
によるエンジンポペット弁１０６の機械的な作動が行われないようにする。

【００２７】電機子１６は固定子１２に接触するために移動し、そして電機子の延長部２０は、ラッチシュー１
３１に力をかけるように移動する。 ラッチ部材１２８が無荷重になると、電磁アクチュエータ１０はこのラッチ部材１２８を、ロッカーアーム組立体１１４の非作動位置に移動させる。 電機子の延長部２０は、ラッチ部材１
２８の一部として形成されているラッチシュー１３１においてラッチ部材１２８に接触し、この時、ラッチシュー１３１に作用しかつ連結ピン１３３に作られた孔に一方の端を差し込んでいるラッチばね１２９によって、接触機構はエンジンポペット弁１０６を活動化する（作動モード）位置に偏倚される。

【００２８】すき間アジャスタ１０５をその調整の正規範囲で作動するよう維持するのに充分な、ローラピン１
２５を中心に回転するローラ従動輪１２４とカム軸１０
４との間の荷重を保つために、偏倚ばね１２６が予め荷重されている。 偏倚ばね１２６の予荷重の変更は、予荷重アジャスタ１４７の位置を変えることによって行うことができる。

【００２９】図６には、電磁アクチュエータ組立体１０
が電圧を印加され、そして電機子１６が電磁力によって引きつけられて固定子１２に接触するように動いている非作動位置にある弁制御システム１０２が示されている。 カムローブ１２０がベースサークル上でローラ従動輪１２４に接触している無荷重状態に、ロッカーアーム組立体があれば、ラッチ部材１２８はラッチばね１２９
に逆らって移動し、その結果、内側のロッカーアーム１
１８は外側のロッカーアーム１２２との接続を断ち、そのためにエンジンポペット弁１０６は閉じたままになる。 （すなわち、非作動状態になる）。

【００３０】本発明はある程度の特殊性を有するその好ましい形態で説明されたが、この好ましい形態の開示は１つの例証に過ぎず、上に請求されている本発明の範囲とその精神から逸脱しない限り、各部分の構造、組み合わせおよび部品の配置の詳細の変更は様々にあり得ることは、理解されるであろう。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、長さが幅の少なくとも１．６倍で、幅が高さの少なくとも２倍の形状の固定子の、長手方向に設けた一対の平行な溝の中にコイルを収容し、さらに電機子を固定子の両端で回動可能に枢支し、電機子が固定子の面を横切って延び、コイルとの間にギャップを設けたため、パッケージング上の利点があるほか、コイルへの入力電流に対してより高い水準での作動力と長い行程が得られ、かつ起動時間も短縮できるので、エンジンの弁を作動と非作動にさせるのに適した電磁アクチュエータが得られるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電磁アクチュエータの立面図である。

【図２】図１において線ＩＩ−ＩＩにそって切断された本発明による電磁アクチュエータの電圧を印加されていない状態における断面図である。

【図３】本発明の電磁アクチュエータの側面を示す立面図である。

【図４】電機子のヒンジの別の実施例を有する本発明の電磁アクチュエータの部分的な断面図を示す。

【図５】本発明の電磁アクチュエータのためのコイル電流に対する引離し力のグラフを示す。

【図６】エンジンの掛外し自在のロッカーアーム組立体に取り付けられている本発明の電磁アクチュエータの横断面図である。

【符号の説明】

１０、１０' 電磁アクチュエータ １１ 戻しばね １２、１２' 固定子 １３Ａ、１３Ｂ 溝 １４ コイル １５ 導線 １６、１６' 電機子 １７ ヒンジ １８Ａ、１８Ｂ 旋回ピン／ヒンジピン ２０ 延長部 ２１ 突出部 ２３ 半円形の溝 ２４、２６、２８ 固定子の極 １００ シリンダヘッド １０２ 弁制御システム １０４ カム軸 １０５ 液圧式すき間アジャスタ １０６ ポペット弁 １０７ 弁ばね １１４ ロッカーアーム組立体 １１８ 内側のロッカーアーム １２０ カムローブ １２２ 外側のロッカーアーム １２３ カムベース軸 １２４ ローラ従動輪 １２５ ローラピン １２６ 偏倚ばね １２８ ラッチ部材 １２９ ラッチばね １３０ プランジャ １３１ ラッチシュー １３２ 本体 １３３ 連結ピン １４７ 予荷重アジャスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 390033020 Ｅａｔｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｌｅｖｅｌ ａｎｄ，Ｏｈｉｏ 44114，Ｕ． Ｓ． Ａ. (72)発明者 ウォルター ケニス オニール アメリカ合衆国 48025 ミシガン州 バ ーミンガム エバーグリーン ロード 32501 (72)発明者 ブライス アレン ブーク アメリカ合衆国 49021 ミシガン州 ベ ルビュー ジャンクション ロード 22684