JP2004153063A - ソレノイド - Google Patents
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Abstract
【課題】小型で且つ制御可能な範囲での推力を大きくすることができるソレノイドを提供する。
【解決手段】非磁性体により形成された軸受４０が設けられ、第１のヨーク部５４ａの対向面５２に、ｎ個（ｎは０以上の正の整数）の溝部５６と、溝部５６に隣接して磁極として機能するｎ＋１個の歯部５８とが設けられ、第２のヨーク部５４ｂの対向面５５に、ｍ個（ｍは０以上の正の整数）の溝部７０と、溝部７０に隣接して磁極として機能するｍ＋１個の歯部７２，７４とが設けられ、可動子３６の第１のヨーク部５４ａとの対向面５２に、ｎ＋１個の溝部５６と、溝部５６に隣接して磁極として機能するｎ＋１個の歯部５８，５９とが設けられ、可動子３６の第２のヨーク５４ｂとの対向面５５に、ｍ個の溝部７６と、溝部７６に隣接して磁極として機能するｍ個の歯部７８とが設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図３
【解決手段】非磁性体により形成された軸受４０が設けられ、第１のヨーク部５４ａの対向面５２に、ｎ個（ｎは０以上の正の整数）の溝部５６と、溝部５６に隣接して磁極として機能するｎ＋１個の歯部５８とが設けられ、第２のヨーク部５４ｂの対向面５５に、ｍ個（ｍは０以上の正の整数）の溝部７０と、溝部７０に隣接して磁極として機能するｍ＋１個の歯部７２，７４とが設けられ、可動子３６の第１のヨーク部５４ａとの対向面５２に、ｎ＋１個の溝部５６と、溝部５６に隣接して磁極として機能するｎ＋１個の歯部５８，５９とが設けられ、可動子３６の第２のヨーク５４ｂとの対向面５５に、ｍ個の溝部７６と、溝部７６に隣接して磁極として機能するｍ個の歯部７８とが設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータとしてのソレノイドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から一般的に知られているソレノイドの構成を図５および図６に示す。
ソレノイド１０は、励磁コイル１２と、励磁コイル１２を囲んで組付けられたヨーク１４と、励磁コイル１２の中心部分に配置された軸受１５と、軸受１５によって摺動自在に保持される可動子１６（可動鉄心：プランジャ）とを具備している（例えば、特許文献１参照）。
ヨーク１４は、少なくとも上ヨーク１４ａと下ヨーク１４ｂの２つの部材から構成されており、上ヨーク１４ａが一方側に配置され、下ヨーク１４ｂは可動子１６の他方方向Ａへの移動を規制するように、可動子１６の収納部１９の他方側端部を閉塞して設けられている。
この下ヨーク１４ｂの中でも、可動子１６の他方側端部１６ａに対向する面１４ｃが固定鉄心として機能する。
【０００３】
図５のソレノイド１０において励磁コイル１２に通電すると、例えば破線で示すような磁路ａが形成される。なお、ここで示される磁路ａの向きはあくまで一例である。
磁路ａは、ヨーク１４の内部を通り、上ヨーク１４ａから可動子１６内に入り、可動子１６を軸線方向に沿って下ヨーク１４ｂ側へ移動し、可動子１６の一方側の端面１６ａから空気中を介して下ヨーク１４ｂの固定鉄心部分１４ｃへ抜ける。そして、下ヨーク１４ｂから上ヨーク１４ａへ抜けて環流するように形成される。
【０００４】
可動子１６は、可動子１６の他方側端面１６ａと下ヨークの固定鉄心部分１４ｃとの間のギャップＢによって生じる磁気力によって固定鉄心部分１４ｃに引きつけられる。これがソレノイドとしての推力となる。
このソレノイド１０における推力は、ギャップＢの距離（すなわちストローク）に対して指数関数的に減少する。
【０００５】
従来の他のソレノイドとして図６に示したような構造のものもある。ここで、図５で示したソレノイドの構造と同一の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
このソレノイド２０でも下ヨーク１４ｂが可動子１６の収納部１９の他方側端部を閉塞するように設けられている。この下ヨーク１４ｂにおける固定鉄心１４ｃは、可動子１６の収納部１９内方に突出するように設けられており、さらにこの固定鉄心１４ｃの先端部が可動子１６の他方側端面１６ａの形状に合わせて凹設された凹部１７に形成されている。
また、可動子１６の他方側端面１６ａは、固定鉄心１４ｃの先端部に形成された凹部１７に収納可能となるよう、他方側に向かって徐々に小径となるような先端尖鋭状に形成されている（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
このようなソレノイド２０における磁路も図５に示したソレノイド１０における磁路と同一のルートを形成するので、ここでは図示しないが、ソレノイド２０の推力は、固定鉄心１４ｃと可動子１６の他方側端面１６ａとのギャップによって生じる。また、ソレノイド２０の可動子１６の他方側端面１６ａのテーパ角度によって、推力―変位特性が変化することが知られている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−２１１７４４号公報（第１図、第２図等）
【特許文献２】
特開平７−３３６９４３号公報（第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ソレノイドの推力は固定鉄心を可動子との間に生じているギャップに蓄えられる磁気エネルギーの大きさで決まる。すなわち、推力は固定鉄心と可動子の距離によって決まる。
ここで、従来のソレノイドにける可動子のストローク（変位量）と発生する推力との関係を図７に示す。ここに示されているように、従来のソレノイドにおいては、可動子が最も固定鉄心から離れた位置で推力が最小となり、可動子が固定鉄心に近づくにつれて推力が増大することとなる。
【０００９】
ところで、ソレノイドの実可動範囲と制御範囲とが図７に示すような関係にある場合には、実際に制御したい制御範囲では大きな推力を得ることができない。また、推力特性も非線形であるため制御性も悪い。
このように従来のソレノイドでは、可動子の移動範囲の端面と固定鉄心間で推力を発生させているため、可動範囲が広くなるにつれ制御範囲をソレノイドの推力特性の最適範囲へ設定することができないという課題があった。
【００１０】
また、実可動範囲が広く、且つ制御範囲における要求推力が大きい場合には、ソレノイド自体を大型にして推力を発生せざるを得ないという課題もあった。
【００１１】
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、小型で且つ制御可能な範囲での推力を大きくすることができるソレノイドを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明にかかるソレノイドによれば、励磁コイルと、該励磁コイルの中心部分に配置される可動子と、前記励磁コイルの一方の端面側を覆い、可動子外周面と対向する対向面を有する第１のヨーク部、前記励磁コイルの他方の端面側を覆い、可動子外周面と対向する対向面を有する第２のヨーク部、該第１および第２のヨーク部を連結してコイルの外周部を覆う連結部とを有し、前記可動子との間で閉磁路を形成するヨークとを具備するソレノイドにおいて、前記第１のヨーク部の対向面と、前記第２のヨーク部の対向面とによって挟み込まれるようにして前記可動子の外周に配置されて可動子を移動自在に支持し、非磁性体により形成された軸受が設けられ、前記第１のヨーク部の対向面に、内周に沿って凹設されたｎ個（ｎは０以上の正の整数）の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｎ＋１個の歯部とが設けられ、前記第２のヨーク部の対向面に、内周に沿って凹設されたｍ個（ｍは０以上の正の整数）の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｍ＋１個の歯部とが設けられ、前記可動子の前記第１のヨーク部との対向面に、外周に沿って凹設されたｎ＋１個の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｎ＋１個の歯部とが設けられ、前記可動子の前記第２のヨーク部との対向面に、外周に沿って凹設されたｍ個の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｍ個の歯部とが設けられていることを特徴としている。
【００１３】
この構成による作用は以下の通りである。
すなわち、可動子の外周面に対向する第１のヨーク部と第２のヨーク部を通して可動子内に磁路が形成され、従来のように可動子の端面と、該端面に対向する固定鉄心との間で推力を生じさせないので、従来よりも全体を小型化できる。
また、推力の発生に、可動子の移動方向の端面と、この端面に対向する位置に固定鉄心とを設ける必要がないため、移動方向に関して可動子の動きは制限されない。これにより、可動子の実可動範囲の広さとは関係無く、制御範囲を推力特性の最適範囲に合わせるようにソレノイドが設計できる。
また、第１のヨーク部と第２のヨーク部の２箇所で推力を生じさせているので、単純にストロークが徐々に０に近づいている場合であっても従来のように推力が指数関数的に減少するのではなく、推力の安定領域を広げて制御性を良くすることができる。
またこのとき、たとえヨークに磁極としての対向面を設けたとしても、可動子側に溝部が無いと（すなわち磁極として形成される歯部が無いと）、可動子と対向面との間での磁路は、可動子の外周面に垂直な方向になるので、これでは何ら推力に寄与する磁路が得られない。なお、推力はｄＰ／ｄｘに比例することが知られている（Ｐはパーミアンス（磁気抵抗の逆数）、ｘは可動子の変位である）ので、推力を得るためには、可動子の移動に対してパーミアンスが変化するような構造を設けることが必要となる。そこで可動子に溝部を設け、可動子の移動に対してパーミアンスが変化するようにして推力を得るようにしたのである。
さらに、軸受を基準として第１のヨーク部と第２のヨーク部の組付けを行なうことにより、第１のヨーク部の対向面および第２のヨーク部の対向面と、可動子との間の空隙を高い精度で極めて小さくすることができる。このため、励磁コイルへ通電した電気エネルギーの磁気エネルギーへの変換効率を上げることとなり、より高い推力を得ることができる。
【００１４】
また、前記第１のヨーク部および前記第２のヨーク部に形成された対向面は、同一の内径を有することにより、上記のように、励磁コイルへ通電した電気エネルギーの磁気エネルギーへの変換効率を上げることとなり、より高い推力を得ることができる。
【００１５】
また、前記溝部および前記歯部の形状は断面視矩形または台形に形成されていることを特徴としてもよい。
【００１６】
なお、前記可動子に設けられた溝部の上端縁部であって、前記軸受に対して軸線方向に離間する方向側に位置する部位が、前記可動子の可動範囲において軸受と接触しない位置に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、溝部の上端縁部が軸受に当接して軸受を傷つけるのを防止している。このためソレノイドの長寿命化を図ることができる。
【００１７】
さらに、前記可動子に設けられた溝部の上端縁部であって、前記軸受に対して軸線方向に離間する方向側に位置する部位が、前記可動子の可動範囲において軸受と接触しないように、前記軸受には、逃げ部が形成されていることを特徴としても、溝部の上端縁部が軸受に当接して軸受を傷つけるのを防止できる。このためソレノイドの長寿命化を図ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本実施形態は特許請求の範囲でのパラメータｎ，ｍが、ｎ＝０，ｍ＝０の場合である。この実施形態を図１に基づいて説明する。
ソレノイド３０は、励磁コイル３２と、ヨーク３４と、可動子３６を具備している。
励磁コイル３２は、ボビン３１にコイルが巻き付けられて筒状に形成されている。筒状の励磁コイル３２の中心には、可動子３６を収納可能な収納部３３が形成されている。
【００１９】
ヨーク３４は、磁性体材料から構成され、励磁コイル３２の周囲を覆って形成される。ヨーク３４は、励磁コイル３２の一方側に配置された上ヨーク３４ａと、他方側に配置された下ヨーク３４ｂとから構成されている。
なお、特許請求の範囲で言う第１のヨーク部が上ヨーク３４ａ、第２のヨーク部が下ヨーク３４ｂに該当する。なお、特許請求の範囲の連結部は、本実施形態中の下ヨーク３４ｂが該当し、第２のヨーク部と一体となった構成である。
【００２０】
可動子３６は、磁性体から構成された部材であって、励磁コイル３２の中心部分の収納部３３内に配置される。可動子３６は、励磁コイル３２が生じる磁気エネルギーによって吸引される方向に動作する。
なお、可動子３６の突出方向への移動はバネ（図示せず）等によって行なわれる。
【００２１】
励磁コイル３２の中心部分に形成される収納部３３の内壁には、可動子３６の外周面を囲むように軸受４０が配置されている。軸受４０は非磁性体によって構成されている。軸受４０は、軸線方向の両端部において上ヨーク３４ａおよび下ヨーク３４ｂによって挟み込まれている。
なお、下ヨーク３４ｂには、収納部３３の他方側の開口端部を閉塞するようにカバー３７が設けられている。
【００２２】
上ヨーク３４ａの収納部３３の内方へ突出する内壁面側が対向面４２である。対向面４２は、可動子３６の外周面に対向して配置され、可動子３６の外周面３６ｂおよび端面３６ａに対して磁極となるように配置されている。
すなわち、本実施形態では、この対向面４２が歯部である。
対向面４２は、可動子３６の外周面３６ｂに対して接触しない程度のわずかな隙間を空けて配置される。
【００２３】
下ヨーク３４ｂの収納部３３の内方へ突出する内壁面側が対向面４４である。この対向面４４も、上記対向面４２と同様に可動子３６の外周面３６ｂに対向して配置され、可動子３６の外周面３６ｂおよび端面３６ａに対して磁極となるように配置されている。
すなわち、本実施形態では、この対向面４４も歯部である。
対向面４４は、可動子３６の外周面３６ｂに対して接触しない程度のわずかな隙間を空けて配置される。
【００２４】
なお、この隙間の幅は、対向面４２と可動子３６の外周面３６ｂとの間に生じている隙間の幅と同一である。
そして、このように各対向面４２，４４における隙間が同一であって且つ極めて微小な幅となるように製造できるのは、ソレノイド３０の製造段階において、軸受４０を基準に上ヨーク３４ａと下ヨーク３４ｂとを組付けることによって、正確な組付けが達成できたためである。
【００２５】
本実施形態における可動子３６の外周面３６ｂにおいて、上ヨーク３４ａの対向面４２に対向する部分には溝部４６が形成されている。
溝部４６は、対向面４２に対して凹む方向に凹設されており、可動子３６の外周に沿って環状に形成されている。
溝部４６の一方側（軸受４０から離間する側）が、歯部４８として上ヨーク３４ａの対向面４２に対向する位置にあり、磁極としての機能を果たす。
【００２６】
また、ここに示す溝部４６の形成位置は、可動子３６の他方側の端部から対向面４２の幅と同じ長さだけ一方側に移動した位置に形成される。すなわち、対向する対向面４２の幅とほぼ同じ幅に歯部４８が形成される。
【００２７】
軸受４０の上ヨーク３４ａ側の端部には、可動子３６の可動範囲において、溝部４６の軸受４０から離間する方向側の上端縁部４５（すなわち歯部４８の端部）が当接しないように、他の部分よりも大径に形成された逃げ部４９が形成されている。
【００２８】
なお、可動子３６の可動範囲は、軸受４０に、溝部４６の軸受４０から離間する方向側の上端縁部４５（すなわち歯部４８の端部）が当接しないように設定してもよい。
すなわち、図１に示すように、可動子３６の可動範囲として、可動子３６が最もソレノイド内部に吸引された状態で上端縁部４５の位置が、軸受４０の端部の位置ｘよりも一方方向側に位置するように設けるのである。
このように構成しても軸受４０の破損を防止できるので、かかる構成の場合には、軸受４０に逃げ部４９を形成しなくともよい。
【００２９】
続いて、本実施形態のソレノイドの磁路について説明する。
ソレノイド３０において励磁コイル３２に所定の電流を通電すると、破線に示すような磁路ｂが生ずる。なお、この磁路ｂの磁界の方向については、一例として示している。また、図１では上側に図示されている励磁コイル３２の周囲の磁路は省略して図示している。
【００３０】
磁路ｂは、ヨーク３４と可動子３６の間を環流して閉磁路として構成される。つまり、磁路ｂは、下ヨーク３４ｂから下ヨーク３４ｂの対向面４４の内周面４４ａから空気中を経て可動子３６の端面３６ａから可動子３６内に至り（矢印Ｄ）、可動子３６内を軸線方向に沿って上ヨーク３４ａの対向面４２へ至る。そして、可動子３６の外周面３６ｂから空気中を経て対向面４２の端面４２ａへ至り（矢印Ｅ）、さらに上ヨーク３４ａから下ヨーク３４ｂへ到達することで環流される。
また、推力に関係する磁路としては、可動子３６の歯部４８から溝部４６内を経て対向面４２の内周面４２ｂへ至る磁路（矢印Ｆ）や、対向面４４から軸受４０を介して可動子３６の外周面３６ｂに至る磁路（矢印Ｇ）も形成される。
【００３１】
このように、可動子３６に溝部４６を設けたことにより、可動子３６に磁極となる歯部が形成され、推力に寄与する磁路の形成を図ることができる。
言い換えると、推力は可動子の移動量に対するパーミアンスの変化量の大きさによって決定される（上述した式ｄＰ／ｄｘに基づく）ので、可動子３６に溝部４６を設けたことによって、可動子３６が移動すれば、移動に伴ってパーミアンスを変化させることができ、推力を発生させることができるのである。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、溝部および歯部の形成箇所を、上述した第１の実施形態とは変えた第２の実施形態について、図２に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
本実施形態は、特許請求の範囲でのパラメータｎ，ｍが、ｎ＝１，ｍ＝０の場合である。
【００３３】
ヨーク５４は、上ヨーク５４ａと下ヨーク５４ｂを有している。
上ヨーク５４ａの収納部３３の内方へ突出する内壁面側の対向面５２には、溝部５６が形成される。
溝部５６は、可動子３６の外周面３６ｂに対して凹む方向に凹設されており、対向面５２の内周に沿って環状に形成されている。
そして溝部５６の両端部が、歯部５８および歯部５９として形成される。両歯部５８，５９は可動子３６の外周面３６ｂの溝部および歯部（後述する）に対して対向する位置にあり、磁極としての機能を果たす。
上ヨーク５４ａの対向面５２は、可動子３６の外周面３６ｂに対して接触しない程度のわずかな隙間を空けて配置される。
【００３４】
下ヨーク５４ｂの収納部３３の内方へ突出する内壁面側が対向面５５である。この対向面５５も、上記対向面５２と同様に可動子３６の外周面３６ｂに対向して配置され、可動子３６の外周面３６ｂおよび端面３６ａに対して磁極となるように配置されている。すなわち、この対向面５５も歯部である。
対向面５５は、可動子３６の外周面３６ｂに対して接触しない程度のわずかな隙間を空けて配置される。
【００３５】
なお、可動子３６の外周面３６ｂにおいて、上ヨーク３４ａの対向面４２に対向する部分には２個の溝部６０と溝部６２とが形成されている。
両溝部６０，６２は、対向面５２に対して凹む方向に凹設されており、可動子３６の外周に沿って環状に形成されている。
【００３６】
溝部６２の一方側（軸受４０から離間する側）が、歯部６６として上ヨーク５４ａの対向面５２に対向する位置にあり、磁極としての機能を果たす。
さらに、溝部６０と溝部６２に挟まれた部位も、磁極としての機能を有する歯部６４として形成される。
すなわち、本実施形態では、上ヨーク５４ａに１個の溝部５６と２個の歯部５８，５９が設けられ、可動子３６の上ヨーク５４ａに対向する位置に２個の溝部６０，６２と２個の歯部６４，６６が設けられている点が特徴である。
【００３７】
このように第１の実施形態よりも磁極となる歯部の数を増やしたことにより、第１の実施形態よりもパーミアンスは増加するので、さらに高い推力を実現できる。
【００３８】
（第３の実施形態）
次に、溝部および歯部の形成箇所を、上述した第１および第２の実施形態とは変えた第３の実施形態について、図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
本実施形態は、特許請求の範囲でのパラメータｎ，ｍが、ｎ＝１，ｍ＝１の場合である。
【００３９】
本実施形態は、第２の実施形態に加え、さらに下ヨーク５４ｂの対向面５５にも溝部７０を形成し、溝部７０の両端部を磁極として機能する歯部７２および歯部７４として設けている。
【００４０】
また、可動子３６の外周面３６ｂにおいて、下ヨーク５４ｂの対向面５５に対向する位置に溝部７６が形成されている。
溝部７６の他方側には、歯部７８が設けられている。歯部７８は、下ヨーク５４ｂの対向面５５の歯部７２に対向する位置にあり、磁極としての機能を果たす。
【００４１】
本実施形態では、第２の実施形態よりも磁極となる歯部の数を増やしたことにより、第２の実施形態よりもさらにパーミアンスは増加するので、さらに高い推力を実現できる。
【００４２】
なお、溝部および歯部の形成箇所は、上述してきた各実施形態に限定されることはなく、形成箇所や形成数を特許請求の範囲に記載したような状態を満たす範囲内で様々に変更することができる。
また、上述してきた実施形態では、各溝部および各歯部の断面形状が矩形のものを図示してきた。しかし、溝部および歯部の断面形状としてはこのようなものに限定されることはなく、台形状であってもよい。台形状とすることで矩形状の場合とは異なる推力を大きさとすることができる。
【００４３】
【実施例】
図４に、上述した第２の実施形態のソレノイドの可動子のストローク（変位量）と発生する推力との関係を示す。なお、本グラフには比較のため図７で示した従来のソレノイドの推力―変位特性も一緒に図示している。
これによると、本発明のソレノイドによれば、励磁コイル３２へ通電する電流量によって決まる制御範囲では、推力をほぼフラットな特性とすることができ、且つ従来のソレノイドと比較して平均して２倍以上の推力を得ることができた。このため極めて制御性の良好なソレノイドを提供可能である。
【００４４】
以上本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【００４５】
【発明の効果】
本発明に係るソレノイドによれば、従来よりも全体を小型化でき、推力の安定領域を広げて制御性を良くすることができる。さらに従来よりも高い推力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるソレノイドの第１の実施形態を示す側面から見た断面図である。
【図２】本発明にかかるソレノイドの第２の実施形態を示す側面から見た断面図である。
【図３】本発明にかかるソレノイドの第３の実施形態を示す側面から見た断面図である。
【図４】第２の実施形態におけるソレノイドの推力―変位特性を示すグラフである。
【図５】従来のソレノイドを示す側面から見た断面図である。
【図６】従来のソレノイドの他の形態を示す側面から見た断面図である。
【図７】従来のソレノイドの推力―変位特性を示すグラフである。
【符号の説明】
３０ ソレノイド
３１ ボビン
３２ 励磁コイル
３３ 収納部
３４，５４ ヨーク
３４ａ，５４ａ 上ヨーク
３４ｂ，５４ｂ 下ヨーク
３６ 可動子
３７ カバー
４０ 軸受
４２，４４，５２，５５ 対向面
４５ 上端縁部
４６，５６，６０，６２，７０，７６ 溝部
４８，５８，５９，６４，６６，７２，７４，７８ 歯部
４９ 逃げ部
５２，５５ 対向面
ａ，ｂ 磁路
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータとしてのソレノイドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から一般的に知られているソレノイドの構成を図５および図６に示す。
ソレノイド１０は、励磁コイル１２と、励磁コイル１２を囲んで組付けられたヨーク１４と、励磁コイル１２の中心部分に配置された軸受１５と、軸受１５によって摺動自在に保持される可動子１６（可動鉄心：プランジャ）とを具備している（例えば、特許文献１参照）。
ヨーク１４は、少なくとも上ヨーク１４ａと下ヨーク１４ｂの２つの部材から構成されており、上ヨーク１４ａが一方側に配置され、下ヨーク１４ｂは可動子１６の他方方向Ａへの移動を規制するように、可動子１６の収納部１９の他方側端部を閉塞して設けられている。
この下ヨーク１４ｂの中でも、可動子１６の他方側端部１６ａに対向する面１４ｃが固定鉄心として機能する。
【０００３】
図５のソレノイド１０において励磁コイル１２に通電すると、例えば破線で示すような磁路ａが形成される。なお、ここで示される磁路ａの向きはあくまで一例である。
磁路ａは、ヨーク１４の内部を通り、上ヨーク１４ａから可動子１６内に入り、可動子１６を軸線方向に沿って下ヨーク１４ｂ側へ移動し、可動子１６の一方側の端面１６ａから空気中を介して下ヨーク１４ｂの固定鉄心部分１４ｃへ抜ける。そして、下ヨーク１４ｂから上ヨーク１４ａへ抜けて環流するように形成される。
【０００４】
可動子１６は、可動子１６の他方側端面１６ａと下ヨークの固定鉄心部分１４ｃとの間のギャップＢによって生じる磁気力によって固定鉄心部分１４ｃに引きつけられる。これがソレノイドとしての推力となる。
このソレノイド１０における推力は、ギャップＢの距離（すなわちストローク）に対して指数関数的に減少する。
【０００５】
従来の他のソレノイドとして図６に示したような構造のものもある。ここで、図５で示したソレノイドの構造と同一の構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
このソレノイド２０でも下ヨーク１４ｂが可動子１６の収納部１９の他方側端部を閉塞するように設けられている。この下ヨーク１４ｂにおける固定鉄心１４ｃは、可動子１６の収納部１９内方に突出するように設けられており、さらにこの固定鉄心１４ｃの先端部が可動子１６の他方側端面１６ａの形状に合わせて凹設された凹部１７に形成されている。
また、可動子１６の他方側端面１６ａは、固定鉄心１４ｃの先端部に形成された凹部１７に収納可能となるよう、他方側に向かって徐々に小径となるような先端尖鋭状に形成されている（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
このようなソレノイド２０における磁路も図５に示したソレノイド１０における磁路と同一のルートを形成するので、ここでは図示しないが、ソレノイド２０の推力は、固定鉄心１４ｃと可動子１６の他方側端面１６ａとのギャップによって生じる。また、ソレノイド２０の可動子１６の他方側端面１６ａのテーパ角度によって、推力―変位特性が変化することが知られている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−２１１７４４号公報（第１図、第２図等）
【特許文献２】
特開平７−３３６９４３号公報（第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ソレノイドの推力は固定鉄心を可動子との間に生じているギャップに蓄えられる磁気エネルギーの大きさで決まる。すなわち、推力は固定鉄心と可動子の距離によって決まる。
ここで、従来のソレノイドにける可動子のストローク（変位量）と発生する推力との関係を図７に示す。ここに示されているように、従来のソレノイドにおいては、可動子が最も固定鉄心から離れた位置で推力が最小となり、可動子が固定鉄心に近づくにつれて推力が増大することとなる。
【０００９】
ところで、ソレノイドの実可動範囲と制御範囲とが図７に示すような関係にある場合には、実際に制御したい制御範囲では大きな推力を得ることができない。また、推力特性も非線形であるため制御性も悪い。
このように従来のソレノイドでは、可動子の移動範囲の端面と固定鉄心間で推力を発生させているため、可動範囲が広くなるにつれ制御範囲をソレノイドの推力特性の最適範囲へ設定することができないという課題があった。
【００１０】
また、実可動範囲が広く、且つ制御範囲における要求推力が大きい場合には、ソレノイド自体を大型にして推力を発生せざるを得ないという課題もあった。
【００１１】
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、小型で且つ制御可能な範囲での推力を大きくすることができるソレノイドを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明にかかるソレノイドによれば、励磁コイルと、該励磁コイルの中心部分に配置される可動子と、前記励磁コイルの一方の端面側を覆い、可動子外周面と対向する対向面を有する第１のヨーク部、前記励磁コイルの他方の端面側を覆い、可動子外周面と対向する対向面を有する第２のヨーク部、該第１および第２のヨーク部を連結してコイルの外周部を覆う連結部とを有し、前記可動子との間で閉磁路を形成するヨークとを具備するソレノイドにおいて、前記第１のヨーク部の対向面と、前記第２のヨーク部の対向面とによって挟み込まれるようにして前記可動子の外周に配置されて可動子を移動自在に支持し、非磁性体により形成された軸受が設けられ、前記第１のヨーク部の対向面に、内周に沿って凹設されたｎ個（ｎは０以上の正の整数）の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｎ＋１個の歯部とが設けられ、前記第２のヨーク部の対向面に、内周に沿って凹設されたｍ個（ｍは０以上の正の整数）の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｍ＋１個の歯部とが設けられ、前記可動子の前記第１のヨーク部との対向面に、外周に沿って凹設されたｎ＋１個の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｎ＋１個の歯部とが設けられ、前記可動子の前記第２のヨーク部との対向面に、外周に沿って凹設されたｍ個の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｍ個の歯部とが設けられていることを特徴としている。
【００１３】
この構成による作用は以下の通りである。
すなわち、可動子の外周面に対向する第１のヨーク部と第２のヨーク部を通して可動子内に磁路が形成され、従来のように可動子の端面と、該端面に対向する固定鉄心との間で推力を生じさせないので、従来よりも全体を小型化できる。
また、推力の発生に、可動子の移動方向の端面と、この端面に対向する位置に固定鉄心とを設ける必要がないため、移動方向に関して可動子の動きは制限されない。これにより、可動子の実可動範囲の広さとは関係無く、制御範囲を推力特性の最適範囲に合わせるようにソレノイドが設計できる。
また、第１のヨーク部と第２のヨーク部の２箇所で推力を生じさせているので、単純にストロークが徐々に０に近づいている場合であっても従来のように推力が指数関数的に減少するのではなく、推力の安定領域を広げて制御性を良くすることができる。
またこのとき、たとえヨークに磁極としての対向面を設けたとしても、可動子側に溝部が無いと（すなわち磁極として形成される歯部が無いと）、可動子と対向面との間での磁路は、可動子の外周面に垂直な方向になるので、これでは何ら推力に寄与する磁路が得られない。なお、推力はｄＰ／ｄｘに比例することが知られている（Ｐはパーミアンス（磁気抵抗の逆数）、ｘは可動子の変位である）ので、推力を得るためには、可動子の移動に対してパーミアンスが変化するような構造を設けることが必要となる。そこで可動子に溝部を設け、可動子の移動に対してパーミアンスが変化するようにして推力を得るようにしたのである。
さらに、軸受を基準として第１のヨーク部と第２のヨーク部の組付けを行なうことにより、第１のヨーク部の対向面および第２のヨーク部の対向面と、可動子との間の空隙を高い精度で極めて小さくすることができる。このため、励磁コイルへ通電した電気エネルギーの磁気エネルギーへの変換効率を上げることとなり、より高い推力を得ることができる。
【００１４】
また、前記第１のヨーク部および前記第２のヨーク部に形成された対向面は、同一の内径を有することにより、上記のように、励磁コイルへ通電した電気エネルギーの磁気エネルギーへの変換効率を上げることとなり、より高い推力を得ることができる。
【００１５】
また、前記溝部および前記歯部の形状は断面視矩形または台形に形成されていることを特徴としてもよい。
【００１６】
なお、前記可動子に設けられた溝部の上端縁部であって、前記軸受に対して軸線方向に離間する方向側に位置する部位が、前記可動子の可動範囲において軸受と接触しない位置に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、溝部の上端縁部が軸受に当接して軸受を傷つけるのを防止している。このためソレノイドの長寿命化を図ることができる。
【００１７】
さらに、前記可動子に設けられた溝部の上端縁部であって、前記軸受に対して軸線方向に離間する方向側に位置する部位が、前記可動子の可動範囲において軸受と接触しないように、前記軸受には、逃げ部が形成されていることを特徴としても、溝部の上端縁部が軸受に当接して軸受を傷つけるのを防止できる。このためソレノイドの長寿命化を図ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本実施形態は特許請求の範囲でのパラメータｎ，ｍが、ｎ＝０，ｍ＝０の場合である。この実施形態を図１に基づいて説明する。
ソレノイド３０は、励磁コイル３２と、ヨーク３４と、可動子３６を具備している。
励磁コイル３２は、ボビン３１にコイルが巻き付けられて筒状に形成されている。筒状の励磁コイル３２の中心には、可動子３６を収納可能な収納部３３が形成されている。
【００１９】
ヨーク３４は、磁性体材料から構成され、励磁コイル３２の周囲を覆って形成される。ヨーク３４は、励磁コイル３２の一方側に配置された上ヨーク３４ａと、他方側に配置された下ヨーク３４ｂとから構成されている。
なお、特許請求の範囲で言う第１のヨーク部が上ヨーク３４ａ、第２のヨーク部が下ヨーク３４ｂに該当する。なお、特許請求の範囲の連結部は、本実施形態中の下ヨーク３４ｂが該当し、第２のヨーク部と一体となった構成である。
【００２０】
可動子３６は、磁性体から構成された部材であって、励磁コイル３２の中心部分の収納部３３内に配置される。可動子３６は、励磁コイル３２が生じる磁気エネルギーによって吸引される方向に動作する。
なお、可動子３６の突出方向への移動はバネ（図示せず）等によって行なわれる。
【００２１】
励磁コイル３２の中心部分に形成される収納部３３の内壁には、可動子３６の外周面を囲むように軸受４０が配置されている。軸受４０は非磁性体によって構成されている。軸受４０は、軸線方向の両端部において上ヨーク３４ａおよび下ヨーク３４ｂによって挟み込まれている。
なお、下ヨーク３４ｂには、収納部３３の他方側の開口端部を閉塞するようにカバー３７が設けられている。
【００２２】
上ヨーク３４ａの収納部３３の内方へ突出する内壁面側が対向面４２である。対向面４２は、可動子３６の外周面に対向して配置され、可動子３６の外周面３６ｂおよび端面３６ａに対して磁極となるように配置されている。
すなわち、本実施形態では、この対向面４２が歯部である。
対向面４２は、可動子３６の外周面３６ｂに対して接触しない程度のわずかな隙間を空けて配置される。
【００２３】
下ヨーク３４ｂの収納部３３の内方へ突出する内壁面側が対向面４４である。この対向面４４も、上記対向面４２と同様に可動子３６の外周面３６ｂに対向して配置され、可動子３６の外周面３６ｂおよび端面３６ａに対して磁極となるように配置されている。
すなわち、本実施形態では、この対向面４４も歯部である。
対向面４４は、可動子３６の外周面３６ｂに対して接触しない程度のわずかな隙間を空けて配置される。
【００２４】
なお、この隙間の幅は、対向面４２と可動子３６の外周面３６ｂとの間に生じている隙間の幅と同一である。
そして、このように各対向面４２，４４における隙間が同一であって且つ極めて微小な幅となるように製造できるのは、ソレノイド３０の製造段階において、軸受４０を基準に上ヨーク３４ａと下ヨーク３４ｂとを組付けることによって、正確な組付けが達成できたためである。
【００２５】
本実施形態における可動子３６の外周面３６ｂにおいて、上ヨーク３４ａの対向面４２に対向する部分には溝部４６が形成されている。
溝部４６は、対向面４２に対して凹む方向に凹設されており、可動子３６の外周に沿って環状に形成されている。
溝部４６の一方側（軸受４０から離間する側）が、歯部４８として上ヨーク３４ａの対向面４２に対向する位置にあり、磁極としての機能を果たす。
【００２６】
また、ここに示す溝部４６の形成位置は、可動子３６の他方側の端部から対向面４２の幅と同じ長さだけ一方側に移動した位置に形成される。すなわち、対向する対向面４２の幅とほぼ同じ幅に歯部４８が形成される。
【００２７】
軸受４０の上ヨーク３４ａ側の端部には、可動子３６の可動範囲において、溝部４６の軸受４０から離間する方向側の上端縁部４５（すなわち歯部４８の端部）が当接しないように、他の部分よりも大径に形成された逃げ部４９が形成されている。
【００２８】
なお、可動子３６の可動範囲は、軸受４０に、溝部４６の軸受４０から離間する方向側の上端縁部４５（すなわち歯部４８の端部）が当接しないように設定してもよい。
すなわち、図１に示すように、可動子３６の可動範囲として、可動子３６が最もソレノイド内部に吸引された状態で上端縁部４５の位置が、軸受４０の端部の位置ｘよりも一方方向側に位置するように設けるのである。
このように構成しても軸受４０の破損を防止できるので、かかる構成の場合には、軸受４０に逃げ部４９を形成しなくともよい。
【００２９】
続いて、本実施形態のソレノイドの磁路について説明する。
ソレノイド３０において励磁コイル３２に所定の電流を通電すると、破線に示すような磁路ｂが生ずる。なお、この磁路ｂの磁界の方向については、一例として示している。また、図１では上側に図示されている励磁コイル３２の周囲の磁路は省略して図示している。
【００３０】
磁路ｂは、ヨーク３４と可動子３６の間を環流して閉磁路として構成される。つまり、磁路ｂは、下ヨーク３４ｂから下ヨーク３４ｂの対向面４４の内周面４４ａから空気中を経て可動子３６の端面３６ａから可動子３６内に至り（矢印Ｄ）、可動子３６内を軸線方向に沿って上ヨーク３４ａの対向面４２へ至る。そして、可動子３６の外周面３６ｂから空気中を経て対向面４２の端面４２ａへ至り（矢印Ｅ）、さらに上ヨーク３４ａから下ヨーク３４ｂへ到達することで環流される。
また、推力に関係する磁路としては、可動子３６の歯部４８から溝部４６内を経て対向面４２の内周面４２ｂへ至る磁路（矢印Ｆ）や、対向面４４から軸受４０を介して可動子３６の外周面３６ｂに至る磁路（矢印Ｇ）も形成される。
【００３１】
このように、可動子３６に溝部４６を設けたことにより、可動子３６に磁極となる歯部が形成され、推力に寄与する磁路の形成を図ることができる。
言い換えると、推力は可動子の移動量に対するパーミアンスの変化量の大きさによって決定される（上述した式ｄＰ／ｄｘに基づく）ので、可動子３６に溝部４６を設けたことによって、可動子３６が移動すれば、移動に伴ってパーミアンスを変化させることができ、推力を発生させることができるのである。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、溝部および歯部の形成箇所を、上述した第１の実施形態とは変えた第２の実施形態について、図２に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
本実施形態は、特許請求の範囲でのパラメータｎ，ｍが、ｎ＝１，ｍ＝０の場合である。
【００３３】
ヨーク５４は、上ヨーク５４ａと下ヨーク５４ｂを有している。
上ヨーク５４ａの収納部３３の内方へ突出する内壁面側の対向面５２には、溝部５６が形成される。
溝部５６は、可動子３６の外周面３６ｂに対して凹む方向に凹設されており、対向面５２の内周に沿って環状に形成されている。
そして溝部５６の両端部が、歯部５８および歯部５９として形成される。両歯部５８，５９は可動子３６の外周面３６ｂの溝部および歯部（後述する）に対して対向する位置にあり、磁極としての機能を果たす。
上ヨーク５４ａの対向面５２は、可動子３６の外周面３６ｂに対して接触しない程度のわずかな隙間を空けて配置される。
【００３４】
下ヨーク５４ｂの収納部３３の内方へ突出する内壁面側が対向面５５である。この対向面５５も、上記対向面５２と同様に可動子３６の外周面３６ｂに対向して配置され、可動子３６の外周面３６ｂおよび端面３６ａに対して磁極となるように配置されている。すなわち、この対向面５５も歯部である。
対向面５５は、可動子３６の外周面３６ｂに対して接触しない程度のわずかな隙間を空けて配置される。
【００３５】
なお、可動子３６の外周面３６ｂにおいて、上ヨーク３４ａの対向面４２に対向する部分には２個の溝部６０と溝部６２とが形成されている。
両溝部６０，６２は、対向面５２に対して凹む方向に凹設されており、可動子３６の外周に沿って環状に形成されている。
【００３６】
溝部６２の一方側（軸受４０から離間する側）が、歯部６６として上ヨーク５４ａの対向面５２に対向する位置にあり、磁極としての機能を果たす。
さらに、溝部６０と溝部６２に挟まれた部位も、磁極としての機能を有する歯部６４として形成される。
すなわち、本実施形態では、上ヨーク５４ａに１個の溝部５６と２個の歯部５８，５９が設けられ、可動子３６の上ヨーク５４ａに対向する位置に２個の溝部６０，６２と２個の歯部６４，６６が設けられている点が特徴である。
【００３７】
このように第１の実施形態よりも磁極となる歯部の数を増やしたことにより、第１の実施形態よりもパーミアンスは増加するので、さらに高い推力を実現できる。
【００３８】
（第３の実施形態）
次に、溝部および歯部の形成箇所を、上述した第１および第２の実施形態とは変えた第３の実施形態について、図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
本実施形態は、特許請求の範囲でのパラメータｎ，ｍが、ｎ＝１，ｍ＝１の場合である。
【００３９】
本実施形態は、第２の実施形態に加え、さらに下ヨーク５４ｂの対向面５５にも溝部７０を形成し、溝部７０の両端部を磁極として機能する歯部７２および歯部７４として設けている。
【００４０】
また、可動子３６の外周面３６ｂにおいて、下ヨーク５４ｂの対向面５５に対向する位置に溝部７６が形成されている。
溝部７６の他方側には、歯部７８が設けられている。歯部７８は、下ヨーク５４ｂの対向面５５の歯部７２に対向する位置にあり、磁極としての機能を果たす。
【００４１】
本実施形態では、第２の実施形態よりも磁極となる歯部の数を増やしたことにより、第２の実施形態よりもさらにパーミアンスは増加するので、さらに高い推力を実現できる。
【００４２】
なお、溝部および歯部の形成箇所は、上述してきた各実施形態に限定されることはなく、形成箇所や形成数を特許請求の範囲に記載したような状態を満たす範囲内で様々に変更することができる。
また、上述してきた実施形態では、各溝部および各歯部の断面形状が矩形のものを図示してきた。しかし、溝部および歯部の断面形状としてはこのようなものに限定されることはなく、台形状であってもよい。台形状とすることで矩形状の場合とは異なる推力を大きさとすることができる。
【００４３】
【実施例】
図４に、上述した第２の実施形態のソレノイドの可動子のストローク（変位量）と発生する推力との関係を示す。なお、本グラフには比較のため図７で示した従来のソレノイドの推力―変位特性も一緒に図示している。
これによると、本発明のソレノイドによれば、励磁コイル３２へ通電する電流量によって決まる制御範囲では、推力をほぼフラットな特性とすることができ、且つ従来のソレノイドと比較して平均して２倍以上の推力を得ることができた。このため極めて制御性の良好なソレノイドを提供可能である。
【００４４】
以上本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【００４５】
【発明の効果】
本発明に係るソレノイドによれば、従来よりも全体を小型化でき、推力の安定領域を広げて制御性を良くすることができる。さらに従来よりも高い推力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるソレノイドの第１の実施形態を示す側面から見た断面図である。
【図２】本発明にかかるソレノイドの第２の実施形態を示す側面から見た断面図である。
【図３】本発明にかかるソレノイドの第３の実施形態を示す側面から見た断面図である。
【図４】第２の実施形態におけるソレノイドの推力―変位特性を示すグラフである。
【図５】従来のソレノイドを示す側面から見た断面図である。
【図６】従来のソレノイドの他の形態を示す側面から見た断面図である。
【図７】従来のソレノイドの推力―変位特性を示すグラフである。
【符号の説明】
３０ ソレノイド
３１ ボビン
３２ 励磁コイル
３３ 収納部
３４，５４ ヨーク
３４ａ，５４ａ 上ヨーク
３４ｂ，５４ｂ 下ヨーク
３６ 可動子
３７ カバー
４０ 軸受
４２，４４，５２，５５ 対向面
４５ 上端縁部
４６，５６，６０，６２，７０，７６ 溝部
４８，５８，５９，６４，６６，７２，７４，７８ 歯部
４９ 逃げ部
５２，５５ 対向面
ａ，ｂ 磁路
Claims (5)
- 励磁コイルと、
該励磁コイルの中心部分に配置される可動子と、
前記励磁コイルの一方の端面側を覆い、可動子外周面と対向する対向面を有する第１のヨーク部、前記励磁コイルの他方の端面側を覆い、可動子外周面と対向する対向面を有する第２のヨーク部、該第１および第２のヨーク部を連結してコイルの外周部を覆う連結部とを有し、前記可動子との間で閉磁路を形成するヨークとを具備するソレノイドにおいて、
前記第１のヨーク部と、前記第２のヨーク部とによって挟み込まれるようにして前記可動子の外周に配置されて可動子を移動自在に支持し、非磁性体により形成された軸受が設けられ、
前記第１のヨーク部の対向面に、内周に沿って凹設されたｎ個（ｎは０以上の正の整数）の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｎ＋１個の歯部とが設けられ、
前記第２のヨーク部の対向面に、内周に沿って凹設されたｍ個（ｍは０以上の正の整数）の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｍ＋１個の歯部とが設けられ、
前記可動子の前記第１のヨーク部との対向面に、外周に沿って凹設されたｎ＋１個の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｎ＋１個の歯部とが設けられ、
前記可動子の前記第２のヨーク部との対向面に、外周に沿って凹設されたｍ個の溝部と、該溝部に隣接して磁極として機能するｍ個の歯部とが設けられていることを特徴とするソレノイド。 - 前記第１のヨーク部および前記第２のヨーク部に形成された対向面は、同一の内径を有することを特徴とする請求項１記載のソレノイド。
- 前記溝部および前記歯部の形状は断面視矩形または台形に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のソレノイド。
- 前記可動子に設けられた溝部の上端縁部であって、前記軸受に対して軸線方向に離間する方向側に位置する部位が、
前記可動子の可動範囲において軸受と接触しない位置に形成されていることを特徴とする請求項１，２または３記載のソレノイド。 - 前記可動子に設けられた溝部の上端縁部であって、前記軸受に対して軸線方向に離間する方向側に位置する部位が、前記可動子の可動範囲において軸受と接触しないように、
前記軸受には、逃げ部が形成されていることを特徴とする請求項１，２または３記載のソレノイド。
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