JP2001230115A - リニアソレノイド及びソレノイドポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大きさや電流値を変えることなく、推力を上
げ、有効ストローク長を十分長くとることができるリニ
アソレノイドと、そのソレノイドを使用したソレノイド
ポンプとを提供する。 【解決手段】 エアーギャップ２ａを有する円筒形状の
ヨーク２と、該ヨークに巻装されたコイル１と、上記エ
アーギャップ２ａ内に設けられた磁石１０と、上記ヨー
ク２の中空部に進退自在に設けられたプランジャ３と、
該プランジャ３を一方向に付勢するバネ手段７と、を有
する。磁石１０を設けることにより、磁束漏れを減少
し、推力を向上させ、有効ストローク長を大きくするこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、ＤＣリニアソレノ
イドと、これを用いたソレノイドポンプに関し、特に、
ソレノイドを大型化したり、コイルに大電流を流さなく
てもプランジャの推力を上げ、有効ストローク長を長く
することができるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車の排気ガス規制は、四輪車
ばかりでなく、二輪車や汎用エンジンにも適用されつつ
ある。そのため、これら二輪車や汎用エンジンでも排気
ガス規制をクリアするために、これまでの気化器から燃
料噴射システムへと移行する傾向になっている。

【０００３】しかし、これらの内燃機関の主流は小排気
量であり、燃料噴射量の少なさや、エンジンが小型であ
ることから四輪車の燃料噴射システムをそのまま流用す
ることはできない。たとえば、システムの１つである燃
料ポンプは、発電容量やバッテリー容量が四輪車のよう
に大きくできないこと、及びスペースにも余裕が無いこ
とから、小型で消費電力が小さく、廉価なポンプが要請
されている。

【０００４】このような要請に応えるものとして、ＤＣ
ソレノイドを用いたプランジャポンプが提案されてい
る。図４は、このようなソレノイドポンプの従来例を示
す図である。同図において、コイル１は円筒形状に巻か
れており、外側をヨーク２に囲われている。

【０００５】ヨーク２はコイル１と同じく円筒形状で、
半径方向の断面形状がＣ字型をしており、Ｃ字の開口部
が円筒の内側にあって、長さＬのエアーギャップ２ａと
なっている。エアーギャップ２ａの両側のヨーク２先端
が磁極片である。

【０００６】円筒状をしたヨーク２の中空部には、中空
円筒形状のプランジャ３が中心軸ａ方向に進退自在に設
けられ、ヨーク２の両端には、フランジ状の入口部材４
と出口部材５とが固定され、入口部材４の中心には入口
管４ａと入口４ｂが、出口部材の中心には出口管５ａと
出口５ｂが形成されている。プランジャ３は、入口部材
４と出口部材５との間に形成された空間内を進退自在で
ある。

【０００７】プランジャ３の中空部には逆止弁６が設け
られている。この逆止弁６はプランジャの中空部にある
段差のところに形成された弁座６ａと、この弁座６ａに
接離する弁体６ｂと、弁体６ｂを出口側から入口側に向
けて付勢するバネ６ｃとから構成される。また、プラン
ジャ３は、入口部材４との間に嵌装されたバネ手段７に
よって、常時出口５ｂ側に付勢された状態である。

【０００８】出口部材５内にもボール弁からなる逆止弁
８がある。この逆止弁８は、段付きで中空円筒状の管体
８ａと、この管体８ａ内の段差部に形成された弁座８ｂ
と、この弁座８ｂに接離するボール弁体８ｃと、ボール
弁体８ｃを弁座８ｂに向けて付勢するバネ８ｄとから構
成される。逆止弁８は、管体８ａが出口部材５に螺合す
ることで固定されている。

【０００９】コイル１に電流が流れていない状態では、
プランジャ３はバネ手段７の付勢力で押され、図に示す
ようにバネ手段７の自然長の先端位置に静止している。
この状態でコイル１に通電されると、ヨーク２が磁化さ
れ、プランジャ３を入口４ｂ側に吸引する。この吸引力
がバネ手段７の力に打ち勝ってプランジャは入口４ｂに
向かって移動する。

【００１０】入口管４ａは図示しない燃料パイプに接続
され、プランジャ３の内部空間における逆止弁６のとこ
ろまで燃料の液体が充填されている。プランジャ３が入
口４ｂ側に移動すると、弁体６ｂが液体の圧力を受けて
弁座６ａから離れ、開弁して液体はプランジャ３と逆止
弁８との間の空間に送り込まれる。

【００１１】コイル１への通電が停止されると、ヨーク
２は消磁し、プランジャ３はバネ手段７の付勢力により
出口５ｂに向かって移動する。このとき、逆止弁６の弁
体６ｂは弁座６ａに密着するので液体の入口側への戻り
が阻止される。逆止弁６と逆止弁８との間にある液体
は、プランジャ３の移動により押されて逆止弁８の弁体
８ｃを弁座８ｂから離反させて開弁させ、出口側へと流
れ出す。プランジャ３は、バネ手段７に押されて図４に
示す位置に戻るが、このときの速度は０ではないので、
さらに、出口５ｂ側へと移動し、逆止弁８に衝突する。
この衝突の衝撃を和らげるために、逆止弁８とプランジ
ャ３の間にバネ９を設け、緩衝させる。

【００１２】次にコイル１に通電されると、プランジャ
３は再び入口４ｂ側に移動し、新たな液体がプランジャ
３と逆止弁８との間に供給され、通電が切れると、プラ
ンジャ３は出口５ｂ側に移動し、この液体を逆止弁８を
通過させて出口へと押し出す。上記のように、コイル１
への通電、停止を繰り返すことによりプランジャ３は中
心軸ａ方向に往復移動し、液体を入口から出口へと送る
ことになる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このようなＤＣソレノ
イドタイプのプランジャポンプは、構造が簡単なことか
ら小型で安価にできる、という優れた特徴を備える。し
かし、このポンプは、プランジャの有効ストローク長が
短いという問題があった。

【００１４】図５は、図４に示すプランジャ３の有効ス
トローク長と推力との関係を示す線図である。横軸に有
効ストローク長（ｍｍ）、縦軸に推力（Ｎ）を示す。プ
ランジャポンプでは、この推力と有効ストローク長がポ
ンプ吐出量を決定する重要な要素である。なお、ストロ
ーク０ｍｍの位置は、プランジャ３の先端がヨーク２の
磁極片に最も近づいた位置で、プラス側が出口５ｂ側へ
の変位量、マイナス側が入口側への変位量を示す。な
お、コイルの起磁力（ＡＴ）は、一定である。

【００１５】この図における実線の曲線に示すように、
プランジャの推力は、ストローク０を頂点とし、＋側は
急激に低下し、−側も＋側よりは緩やかであるが低下す
る。ここで、小排気量の内燃機関が必要とするポンプ吐
出量を供給可能な電力から推定すると、本装置では、プ
ランジャ３の推力が３０Ｎ以上で、かつ、有効ストロー
ク長が１０ｍｍ必要とされる。しかし、実際には、有効
ストローク長は図に示すＳ１で、約７ｍｍしかなく、こ
の有効ストローク長では、十分な量の燃料を供給するこ
とはできなかった。

【００１６】これに対し、コイル１の巻数を増加すれ
ば、図５の曲線が点線に示すように、上方に移動するの
で、推力を上げ、有効ストローク長を増加することが可
能である。しかし、コイルの巻数を増加すると、ソレノ
イドが大型になり、設置スペースの確保が困難になって
しまう。

【００１７】また、コイルに流す電流を大きくすれば、
上記と同様に特性曲線が点線の位置になり、推力と有効
ストローク長とを確保できる。しかし、小型の内燃機関
では、大電流を流すのに限度があり、効率も悪い。

【００１８】本発明は、このような事実から考えられた
もので、従来の大きさや電流のままで、必要な推力と有
効ストローク長を長くとることができるリニアソレノイ
ドと、そのソレノイドを使用したソレノイドポンプとを
提供することを目的としている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明のリニアソレノイドは、エアーギャップを有するヨ
ークと、該ヨークに巻装されたコイルと、上記エアーギ
ャップ内に固定された磁石と、上記ヨークに対向配置さ
れるとともに進退自在に設けられたプランジャと、該プ
ランジャを一方向に付勢するバネ手段と、を有し、上記
磁石がプランジャの進退方向と直交する方向に着磁され
ていることを特徴としている。

【００２０】また、上記磁石が、上記エアーギャップの
上記プランジャが移動する方向に片寄せられて設けられ
ている構成としたり、上記コイルとヨークとが共に中空
の筒形状であり、上記プランジャがヨークの中空部内に
設けられている構成としたり、上記磁石が、上記筒形状
と同心の環状である構成としたり、上記磁石が、希土類
磁石である構成とすることができる。

【００２１】また、本発明のソレノイドポンプは、上記
いずれかのリニアソレノイドの両端に入口部材と出口部
材とを設け、入口部材には入口を出口部材には出口を形
成するとともに、入口から出口までの空間に上記プラン
ジャを収容し、上記プランジャに上記入口側から出口側
に連通する流路を形成し、該流路内と上記出口部材とに
逆止弁を設けたことを特徴としている。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面によ
って説明する。図１は、本発明のソレノイドポンプの構
成を示す図である。殆どの構成が従来例で説明したのと
同じなので、同じ構成については、同一の符号を付して
説明を省略する。本発明では、エアーギャップ２ａを
Ｌ’と大きくし、エアーギャップ２ａの図の左端近くに
磁石１０を設けたことに特徴がある。

【００２３】この磁石１０は、コイル１に接着等の手段
で固定され、ラジアル方向に磁極を有する。たとえば、
プランジャ３側（内側）がＮ極で、コイル側（外側）が
Ｓ極、という具合である。また、図示の実施例では、磁
石１０は、環状であるが、複数の磁石を円周に沿って相
互に離間した状態で配置してもよい。

【００２４】図２は、本願のソレノイドを使用した場合
にプランジャに加わる推力と、有効ストローク長との関
係を示す線図で、従来例と比較したものである。曲線Ａ
が磁石１０を付加した本発明のソレノイドを用いた場合
である。曲線Ｂは、図５の実線で示す曲線と同じもので
ある。

【００２５】本発明のソレノイドによれば、推力が増加
するだけでなく、推力の変化もなだらかになり、推力が
３０Ｎ以上となる有効ストローク長は、従来のＳ１より
Ｓ’増加し、Ｓ２になっていることが分かる。Ｓ’は４
ｍｍ近く、Ｓ１の６０〜７０％程度に達し、従来７ｍｍ
程度の有効ストローク長が、１１〜１２ｍｍ程度までに
なった。勿論、電流も、コイルの大きさも従来と同じ条
件下である。もし、本発明が有するこのような推力と有
効ストローク長との効果を、コイルの巻数の増加で得る
こととすれば、巻数を約３５％も増加する必要があり、
コイルが大型化してしまう。

【００２６】本発明のソレノイドでは、上記のように推
力も有効ストローク長も増加するが、このような結果
は、有限要素法を用いた磁場解析から得られたものであ
る。

【００２７】図３は、上記解析により、ソレノイドの磁
束線の分布状態を示した図である。（ａ）は本発明のソ
レノイドの場合で、（ｂ）は従来のソレノイドの場合を
示す。実際には、（ｂ）の本発明のソレノイドの方が従
来のソレノイドよりエアーギャップが大きいのである
が、比較のために同じエアーギャップとしている。従来
のソレノイドでは、エアーギャップ２ａの部分でプラン
ジャ３を通過しない漏れ磁束が多い。これに比べて、本
発明のソレノイドでは、磁束線が磁石１０を経由してプ
ランジャ３を通過し、漏れ磁束が少ない。したがって、
磁石１０を設けたことにより、漏れ磁束が引き戻され、
磁界分布の変化率を大きくし、エアーギャップ部にエネ
ルギーを集中させ、高い推力を得ることができるのであ
る。また、エアーギャップを大きくしても、推力の減少
を少なくできるのである。

【００２８】本発明による推力の増加や有効ストローク
長の増加は、磁石１０の磁力による吸引力によるもので
はなく、磁石１０により漏れ磁束を減少させたことによ
るものである。このような観点からすれば、磁石１０
は、通常のフェライト磁石でもよいが、電流の増加に伴
い磁束密度の高い希土類磁石の方が、より漏れ磁束を減
らすことができる。

【００２９】磁石１０の大きさと位置については、エア
ーギャップ２ａにおける両端の磁極片のいずれにも接触
しない大きさが必要である。また、プランジャ３の推力
が増加する有効ストローク長は、ヨーク２の一方の磁極
片から磁石１０までの距離となるので、この距離が大き
くなるように、エアーギャップ２ａを大きくし、かつ、
磁石１０をストロークが長くなる方向、すなわち、プラ
ンジャの移動方向、さらに具体的に言えば図１のエアー
ギャップ２ａの左方に片寄せて設けるのが望ましい。

【００３０】このような構成により、従来と同じ大きさ
の小型のポンプで、電流を大きくすることもなく、有効
ストローク長の大きいポンプを得ることができる。した
がって、小型のポンプでも所望の流量を得ることができ
る。

【００３１】なお、上記の実施例では、コイル１やヨー
ク２はＣ字形状の断面形状であったが、Ｕ字形状であっ
てもエアーギャップの両側に磁極片がある構成は共通し
ており、適用可能である。さらに、コイルやヨークは円
筒形に限定されるものではなく、多様な形状とすること
ができる。

【００３２】また、磁石１０の取り付け位置について
は、プランジャ３に取り付ける構成が考えられる。プラ
ンジャに磁石を取り付けた場合、磁石の無いソレノイド
に比べて有効ストローク長は長くなる。しかし、磁石の
可動領域と有効ストローク長とを確保するため、装置が
大型化してしまう。また、プランジャの慣性重量が増加
するので、これを供給電力で補うことになり、消費電力
が増加する。したがって、プランジャに磁石１０を取り
付ける構成では、本発明の目的を達成することはできな
い。

【００３３】さらに、磁石１０の着磁方向についてであ
るが、本発明では、上述したようにラジアル方向に着磁
されている。もし、これと直交するプランジャの進退方
向に着磁した場合、或いは、少なくとも１つの磁極片に
対して着磁面が向かい合う方向に着磁されている場合
は、プランジャの進退において、ラッチングを起こすた
め、本願のようなリニアソレノイドには不適切である。

【００３４】上記実施例では、プランジャポンプについ
て説明したが、本発明は、プランジャポンプに限定され
るものではなく、ダイヤフラムポンプでも同様に流量の
増加を得られる。また、電磁弁に使用すれば、流量や圧
力に対して利用できる許容範囲が広がる。つまり、本発
明のようにエアギャップに磁石を固定配置するリニアソ
レノイド構造であれば、これを利用する製品の性能が向
上するのである。

【００３５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のリニア
ソレノイドは、エアーギャップを有するヨークと、該ヨ
ークに巻装されたコイルと、上記エアーギャップ内に固
定された磁石と、上記ヨークに対向配置されるとともに
進退自在に設けられたプランジャと、該プランジャを一
方向に付勢するバネ手段と、を有する構成なので、コイ
ルを大きくしたり、電流を大きくすることなく、プラン
ジャの推力を増加させたり、有効ストローク長を伸ばす
ことができる。上記磁石が、上記エアーギャップの上記
プランジャが移動する方向に片寄せられて設けられてい
る構成とすれば、プランジャの有効ストローク長を大き
くすることができる。ヨークやコイルを筒形状にし、プ
ランジャを筒の中空部に配置する構成とすれば、効率の
良いソレノイドとなる。

【００３６】また、上記のリニアソレノイドを用いてソ
レノイドポンプを作れば、プランジャの有効ストローク
長が大きくなるので、小型で吐出量の大きいポンプを得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のソレノイドポンプの構成を示す断面図
である。

【図２】本発明のソレノイドを使用した場合に、プラン
ジャに加わる推力と、有効ストローク長との関係を示す
線図である。

【図３】ソレノイドの磁束線の分布状態を示した図であ
る。（ａ）は本発明のソレノイドで、（ｂ）は従来のソ
レノイドである。

【図４】ソレノイドポンプの従来例を示す図である。

【図５】図４に示すプランジャの有効ストローク長と推
力との関係を示す線図である。

【符号の説明】

１ コイル ２ ヨーク ２ａ エアーギャップ ３ プランジャ ４ 入口部材 ４ｂ 入口 ５ 出口部材 ５ｂ 出口 ６ 逆止弁 ７ バネ ８ 逆止弁 １０ 磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江原 亮二 神奈川県小田原市久野2480番地 株式会社 ミクニ小田原事業所内 Ｆターム(参考） 3H069 AA06 BB02 CC04 DD01 EE02 EE07 EE37 EE45 5E048 AB02 AC08 AD02 CA04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エアーギャップを有するヨークと、該ヨ
   ークに巻装されたコイルと、上記エアーギャップ内に固
   定された磁石と、上記ヨークに対向配置されるとともに
   進退自在に設けられたプランジャと、該プランジャを一
   方向に付勢するバネ手段と、を有し、上記磁石がプラン
   ジャの進退方向と直交する方向に着磁されていることを
   特徴とするリニアソレノイド。
2. 【請求項２】 上記磁石が、上記エアーギャップの上記
   プランジャが移動する方向に片寄せられて設けられてい
   ることを特徴とする請求項１記載のリニアソレノイド。
3. 【請求項３】 上記コイルとヨークとが共に中空の筒形
   状であり、上記プランジャがヨークの中空部内に設けら
   れ、上記磁石が筒形状の半径方向に着磁されていること
   を特徴とする請求項１又は２記載のリニアソレノイド。
4. 【請求項４】 上記磁石が、上記筒形状と同心の環状で
   あることを特徴とする請求項３記載のリニアソレノイ
   ド。
5. 【請求項５】 上記磁石が、希土類磁石であることを特
   徴とする請求項１から４のいずれかに記載のリニアソレ
   ノイド。
6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれかに記載のリニ
   アソレノイドの両端に入口部材と出口部材とを設け、入
   口部材には入口を出口部材には出口を形成するととも
   に、入口から出口までの空間に上記プランジャを収容
   し、上記プランジャに上記入口側から出口側に連通する
   流路を形成し、該流路内と上記出口部材とに逆止弁を設
   けたことを特徴とするソレノイドポンプ。