JP2004253418A - 電磁ソレノイド - Google Patents
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Abstract
【目的】三つの定位置であるポジションを得ることができるコンパクトな電磁ソレノイドを提供する。
【構成】ケース６の軸方向へ直列内蔵した二つのコイル１ａ，１ｂと、その二つのコイル１ａ，１ｂの間に位置させた共通磁極５と、前記ケース６に固定される二つの固定磁極４ａ，４ｂと、前記ケース６の内部及び固定磁極４ａ，４ｂの中央を貫通し、軸方向を進退する円軸状のシャフト３と、そのシャフト３に固定され、コイル１ａ，１ｂによって発生する磁界によってシャフト３と共に所定の可動域を進退する可動磁極２と、その可動磁極２を非通電時に所定位置へ復帰させるための復帰機構とを備える。その復帰機構は、非通電時に可動磁極２を所定位置へ停止するように縮装される二つの復帰スプリング８ａ，８ｂと、その作動範囲を限定するスペーサ９ａ，９ｂとを備えて形成する。
【選択図】 図１
【構成】ケース６の軸方向へ直列内蔵した二つのコイル１ａ，１ｂと、その二つのコイル１ａ，１ｂの間に位置させた共通磁極５と、前記ケース６に固定される二つの固定磁極４ａ，４ｂと、前記ケース６の内部及び固定磁極４ａ，４ｂの中央を貫通し、軸方向を進退する円軸状のシャフト３と、そのシャフト３に固定され、コイル１ａ，１ｂによって発生する磁界によってシャフト３と共に所定の可動域を進退する可動磁極２と、その可動磁極２を非通電時に所定位置へ復帰させるための復帰機構とを備える。その復帰機構は、非通電時に可動磁極２を所定位置へ停止するように縮装される二つの復帰スプリング８ａ，８ｂと、その作動範囲を限定するスペーサ９ａ，９ｂとを備えて形成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、三つの停止位置を得ることができる電磁ソレノイドの技術に関するものである。
【０００２】
【先行技術】
本発明の従来技術の説明に当たり、本出願人は、三つの停止位置を得ることができる電磁ソレノイドに関する特許出願を調査し、関連技術として次の技術を抽出した。その関連技術は、特開２０００−１７３８２１号（電磁式加振装置等）、及び特開２０００−３０６７２３号（プッシュプル型ソレノイド）の２件である。
【０００３】
複数のコイル素子を備えてそれぞれ独立に通電させることによって二つのポジションを得るソレノイドは、特開２０００−３０６７２３号において開示されているように、プッシュプル型ソレノイドという。プッシュプル型ソレノイドには、二つのポジション間に位置する第三のポジションは存在しない。
【０００４】
また、特開２０００−３０６７２３号に開示されている「アクチュエータ機構部Ｃ」には、独立して通電可能な複数のコイル素子を備えると共に通電時に得るプランジャ（可動磁極）の力方向に抗するスプリングを備えている。そして、各コイル素子への同時又は選択的な通電を制御することによってアクチュエータ機構部Ｃのポジションを連続的に変化させられるように構成している。
【０００５】
一方、コイル素子によって発生する推力と対抗させたスプリングとを備える「比例ソレノイド」では、駆動用の電流を制御することで様々なポジションを取ることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１７３８２１号
【特許文献２】
特開２０００−３０６７２３号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
さて、電磁ソレノイドを用いて三つのポジションを得るための構造は、先行技術の調査によっては発見できなかった。
【０００８】
また、比例ソレノイドは、周囲温度などの外的要因や、コイル素子の巻き数などの誤差など内的要因が存在するため、中間的なポジションについて正確さを求められる部位において、定常状態を保ったり、個体差をなくしたりすることは困難であった。
【０００９】
本発明が解決すべき課題は、三つの停止位置を得ることができるコンパクトな電磁ソレノイドの構造に関する技術を提供することにある。
【００１０】
更に、別の解決すべき課題として、三つの停止位置のうち中間的な第２の停止位置へ復帰する際に、第１の停止位置から復帰するときと、第２の停止位置から復帰するときとで復帰動作を異ならせることができる電磁ソレノイドの構造に関する技術を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した目的を達成するためのものであり、可動磁極（プランジャ）が正方向通電時、逆方向通電時及び非通電時においてそれぞれ三つの停止位置を取ることができる電磁ソレノイドに係る。
【００１２】
そこで、請求項１記載の発明は、往復動するシャフトを３段階の停止位置で停止させることが可能な電磁ソレノイドであって、ケースと、そのケースに固定されるとともに、前記シャフトの軸方向に間隙をおいて並べられた第１の固定磁極及び第２の固定磁極と、それらの固定磁極の間に、かつ、前記シャフトの軸方向に間隙をおいて並べられた第１のコイル及び第２のコイルと、［新電元工業株式会社１］それらのコイルの間に位置させた共通磁極と、前記シャフトが固定されるとともに、前記第１の固定磁極と前記第２の固定磁極の間に、前記シャフトの軸方向に往復動可能な状態で位置させた可動磁極と、前記第１のコイル及び前記第２のコイルのいずれにも通電していないときには、前記シャフトを前記３段階の停止位置のうち中間的な第２段階の停止位置へ復帰させるべく前記可動磁極を押圧して、前記シャフトがその第２段階の停止位置に達するまで前記可動磁極を移動させるようになされた復帰機構を備え、前記第１のコイルに通電したときには、前記第１の固定磁極、前記ケース及び前記共通磁極に磁気回路が生成されて、前記可動磁極が前記第１の固定磁極に吸着されることによって、前記シャフトが、前記復帰機構からの押圧力に逆らって、その第１の先端部が前進するように移動して第１段階の停止位置まで至り、前記第２のコイルに通電したときには、前記第２の固定磁極、前記ケース及び前記共通磁極に磁気回路が生成されて、前記可動磁極が前記第２の固定磁極に吸着されることによって、前記シャフトが、前記復帰機構からの押圧力に逆らって、その第２の先端部が前進するように移動して第３段階の停止位置まで至るようになされたことを特徴とするものとした。
【００１３】
以上の構成によれば、第１のコイルに通電すると、第１の固定磁極、ケース及び共通磁極に磁気回路が生成されて、第１の固定磁極と可動磁極の間に間隙を埋めるべく、可動磁極が移動して第１の固定磁極に吸着される。シャフトは可動磁極に固定されているので、シャフトもこれに応じて移動する。逆に、第２のコイルに通電すると、第２の固定磁極、ケース及び共通磁極に磁気回路が生成されて、第２の固定磁極と可動磁極の間に間隙を埋めるべく、可動磁極が移動して第２の固定磁極に吸着される。シャフトは、今度は逆の方向に移動する。また、これらのコイルに通電していないときには、復帰機構が可動磁極を押圧して移動させ、シャフトを第２段階の停止位置へ復帰させる。言い換えるならば、二つある固定磁極は、シャフトの推力発生機構となる可動磁極を間に挟んで対向配置されている。これにより、これらの固定磁極が発生する推力の方向は正反対の関係となる２方向となり、シャフトをこれらの方向に対応する第１段階または第３段階の停止位置に移動させる。また、二つあるコイルに通電していないときには、復帰機構が可動磁極を中間的な第２段階の停止位置に保持する。したがって、電磁ソレノイドにおいて、三つの停止位置を得ることが容易に実現できる。
【００１４】
なお、上記の課題を解決するための手段において、「共通磁極」とは、二つのコイルで発生する磁束の双方が透過する部品を意味する。また、「第２段階の停止位置」とは、第１のコイル及び第２のコイルに通電していないときにおけるシャフトの停止位置であり、通常、第１の第１の停止位置と第２の停止位置の中間点となる。ただし、各磁極の形状、大きさなどを異ならせることで、中間点でない位置を第２の停止位置とすることもできる。
【００１５】
請求項２に記載のものは、請求項１に記載の電磁ソレノイドにおいて、前記ケースは、筒状に形成され、前記第１の固定磁極及び前記第２の固定磁極は、前記ケースの二つの開口部をそれぞれ塞ぐように形成され、前記シャフトは、前記可動磁極に形成された貫通孔に挿通状態で前記可動磁極に固定されると共に、前記第１の先端部側が前記第１の固定磁極に形成された貫通孔に挿通され、前記第２の先端部側が前記第２の固定磁極に形成された貫通孔に挿通され、前記共通磁極、前記第１のコイル及び前記第２のコイルは、前記可動磁極を取り巻くように環状に形成したものとしている。
【００１６】
以上のものによれば、第１の固定磁極及び第２の固定磁極がケースの蓋を兼ねて、さらに第１のコイル、第２のコイル、共通磁極及び可動磁極を第１の固定磁極と第２の固定磁極との間に収まるように構成できるので、シャフトを３段階の停止位置で停止させることが可能な電磁ソレノイドをコンパクトに形成することが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載のものは、請求項１に記載の電磁ソレノイドにおいて、前記復帰機構は、前記シャフトが前記第１段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには、その弾発力によって前記可動磁極を第１のスペーサを介して前記シャフトの第２の先端部側に向けて押圧し、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第３段階の停止位置側にあるときには、前記可動磁極を押圧しない第１の弾性体と、前記シャフトが前記第３段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには、その弾発力によって前記可動磁極を第２のスペーサを介して前記シャフトの第１の先端部側に向けて押圧し、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第１段階の停止位置側にあるときには、前記可動磁極を押圧しない第２の弾性体を備えるようになしている。
【００１８】
以上のものによれば、シャフトがちょうど第２段階の停止位置にあるときには、第１の弾性体と第２の弾性体とが可動磁極を正反対の方向から、すなわち可動磁極を挟みつけるように押圧するので、第１のコイル及び第２のコイルに通電していないときには、シャフトが第２段階の停止位置に安定的に保持される。また、この状態のときに、シャフトに加わる外力によってシャフトが第２段階の停止位置からいずれかの方向に動かされた場合には、いずれか一方の弾性体のみがシャフトを第２段階の停止位置に押し戻すように押圧するので、外力に対する復元力を有するものとなる。
【００１９】
なお、上記の課題を解決するための手段において、「弾性体」は、シャフトの三つの停止位置において、それぞれ一定の弾発力を発生するものである。また、この弾性体としては、一般的には金属製コイルスプリングを用いるが、エアスプリングなども利用可能である。
【００２０】
請求項４に記載のものは、請求項３に記載の電磁ソレノイドにおいて、前記第１のスペーサは、前記第１の弾性体からの押圧力によって、前記シャフトが前記第１段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには前記シャフトに設けられた第１の当接部に押しつけられ、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第３段階の停止位置側にあるときには前記第１の固定磁極に設けられた第２の当接部に押しつけられると同時に前記第１の当接部からは離隔するようになされ、前記第２のスペーサは、前記第２の弾性体からの押圧力によって、前記シャフトが前記第３段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには前記シャフトに設けられた第３の当接部に押しつけられ、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第１段階の停止位置側にあるときには前記第２の固定磁極に設けられた第４の当接部に押しつけられると同時に前記第２の当接部からは離隔するようになしている。
【００２１】
以上のものによれば、シャフトが第２段階の停止位置を越えて移動するときに、二つのスペーサに対して押しつけられるものが切り替わるようにし、かつ、二つのスペーサに対して押しつけられるものの一方を固定物としているので、第２段階の停止位置を境界として可動磁極、ひいてはシャフトを移動させる押圧力の向きを正反対に切り替える構成を簡単な構成で実現できる。さらに、シャフトが第２段階の停止位置に停止している状態は、二つの弾性体の弾発力の釣合いに関係なく、二つのスペーサと二つの固定磁極が互いに押し合うことによって実現されているので、シャフトを安定的に停止させることができる。
【００２２】
請求項５に記載のものは、請求項４に記載の電磁ソレノイドにおいて、前記第１の当接部は、前記シャフトの、前記第１の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、前記第２の当接部は、前記第１の固定磁極の、前記貫通孔の前記可動磁極側の径を他の部分の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、前記第３の当接部は、前記シャフトの、前記第２の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、前記第４の当接部は、前記第２の固定磁極の、前記貫通孔の前記可動磁極側の径を他の部分の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であるようにしている。
【００２３】
以上のものによれば、シャフト、第１の固定磁極及び第２の固定磁極に対して他の部材を追加することなく、これらに対する付加的な加工だけで第１の当接部、第２の当接部、第３の当接部及び第４の当接部を形成することができるので、復帰機構を単純で、かつ、コンパクトに構成することができる。さらに、シャフトが第２段階の停止位置に停止している状態は、二つの弾性体の弾発力の釣合いに関係なく、二つのスペーサと二つの固定磁極が互いに押し合うことによって実現されているので、シャフトを安定的に停止させることができる。
【００２４】
請求項６のものは、請求項４に記載の電磁ソレノイドにおいて、第１の弾性体、第２の弾性体、第１のスペーサ及び第２のスペーサは、前記ケース、前記第１の固定磁極及び前記第２の固定磁極によって構成される閉空間の外部に設けられ、前記第１の当接部は、前記シャフトの、前記第１の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、前記第２の当接部は、前記第１の固定磁極の、前記貫通孔の外側の開口部の周囲に形成された平坦面であり、前記第３の当接部は、前記シャフトの、前記第２の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、前記第４の当接部は、前記第２の固定磁極の、前記貫通孔の外側の開口部の周囲に形成された平坦面であるようにしている。
【００２５】
以上のものによれば、シャフト、第１の固定磁極及び第２の固定磁極に対して他の部材を追加することなく、シャフト、第１の固定磁極及び第２の固定磁極の付加的な加工だけで第１の当接部、第２の当接部、第３の当接部及び第４の当接部を形成することができるので、復帰機構を単純で、かつ、コンパクトに構成することができる。
【００２６】
請求項７に記載のものは、請求項３から請求項６のいずれかに記載の電磁ソレノイドにおいて、前記第１の弾性体と前記第２の弾性体は、それぞれの弾発力に係る特性が異なるようにしている。
【００２７】
この請求項において、弾発力に係る特性が異なるとは、バネ定数や空気圧、周囲からの与圧によって発生する弾発力、すなわち可動磁極を異ならせることを意味する。具体的には、弾性体としてコイルスプリングを用いる場合には、コイルスプリングのコイル長を異ならせることによって与圧を変更したり、材質を変更することによってバネ定数を異ならせることを意味する。したがって、これらが異なっていると、第１段階の停止位置または第３段階の停止位置から第２段階の停止位置に復帰する際の状況を異ならせることができる。例えば、第１段階の停止位置から第２段階の停止位置への復帰スピードを第３段階の停止位置から第２段階の停止位置への復帰スピードよりも遅くする、といったことが可能になる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態及び図面に基づいて、更に詳しく説明する。ここで使用する図面は、図１乃至図１０である。図１から図５は第一の実施形態の構造を示す斜視図又は断面図であり、図６及び図７は原理説明のための図である。図８乃至図１０は他の実施形態を示す断面図である。
【００２９】
第一の実施形態に係る電磁ソレノイドは、円筒状のケース６と、前記ケース６の軸方向へ直列に内蔵した二つのコイル１ａ，１ｂと、その二つのコイル１ａ，１ｂの間に位置させた共通磁極５と、前記ケース６に固定されるベース（固定磁極）４ａ，４ｂと、前記ケース６の筒内部及びベース４ａ，４ｂの中央を貫通し、軸方向を進退する断面円形の長軸状シャフト３と、そのシャフト３の軸方向中央に固定され、コイル１ａ，１ｂによって発生する磁界によってシャフト３と共に所定の可動域を進退するプランジャ（可動磁極）２と、その可動磁極２を非通電時に、第２ポジション、すなわち図１に示すシャフト３の位置へ復帰させるための復帰機構とを備える。
【００３０】
ベース４ａ，４ｂは、ケース６の内径寸法を外径とするフランジ部と、シャフト３を内装するための筒部を中央に備えており、筒部は反フランジ部側に連続して先細りした形状（いわゆる「コニカル型」）をなしている。ただし、本ソレノイドの用途に応じては、いわゆるフラット型を採用してもよい。
【００３１】
前述した「復帰機構」とは、相対向する方向から押圧し合うことによって非通電時に可動磁極２を第２ポジションに停止するように縮装される二つの復帰スプリング８ａ，８ｂと、その縮装された復帰スプリング８ａ，８ｂの縮み状態を確保すると共にベース４ａ，４ｂへ固定されてシャフト３を支持する軸受け７ａ，７ｂと備える。図５に示すように、シャフト３とベース４ａ，４ｂとの間にはスプリング格納部４３を備え、復帰スプリング８ａ，８ｂはそのスプリング格納部４２へ格納される。シャフト３には、その中央部よりも細くなるような段差部３１ａ，３１ｂを設ける。換言すれば、段差部３１ａ，３１ｂは、シャフト３が固定磁極に設けた軸受けによって支持される部分と、中央付近の可動磁極を固定する部分において、中央側が太くなるようにその径を異ならせることによるその外形差によってできる段差である。
【００３２】
また、復帰スプリング８ａ，８ｂのそれぞれにおける可動磁極２側には、スペーサ９ａ，９ｂを備える。このスペーサ９ａ，９ｂは、シャフト３における細くなった部位の外径よりも大きく段差部３１ａ，３１ｂの外径よりも小さな内径をなすリング状であり、スプリング格納部４２において摺動可能であるように組み込まれる。そして、縮装される復帰スプリング８ａ，８ｂの端部に当接する。可動磁極２が第２ポジション（非通電時）に存在するときには、復帰スプリング８ａ，８ｂに与えられた縮装による与圧力で、シャフト３の段差部３１とベース４ａ，４ｂのスプリング格納部４２の端部面４１とが当接するように押圧している。復帰スプリング８ａ，８ｂの端部は、スペーサ９ａ，９ｂにも軸受け７ａ，７ｂにも固定しておらず、自由端としている。
【００３３】
所定位置（非通電時）においては、シャフト３の各端部にある段差部３１と、ベース４ａ，４ｂにおけるスプリング格納部４２の端部面とは、二つの復帰スプリング８ａ，８ｂの与圧力によって、スペーサ９ａ，９ｂを介して両側から押しつけられることによって同一面となるように位置決めされる。復帰スプリング８ａ，８ｂに与えられた縮装による与圧力によって直接釣り合っているのではないため、復帰スプリング８ａ，８ｂの与圧力が異なっていても、停止すべき位置が変化することはない。
【００３４】
また、前述した「共通磁極５」は、いずれのコイルで発生した磁束も共通して経由する部品である。二つの復帰スプリング８ａ，８ｂは、シャフト３の外周とベース４ａ，４ｂの内周面との間に位置させ、シャフト３の外周に設置する。なお、二つの復帰スプリング８ａ，８ｂは、一般的にはコイルスプリングである。双方とも「縮装」されることによって可動磁極２を両側から押している。その結果、非通電時には、通電時に抗した一のコイルスプリングの反発力によって可動磁極２を第２ポジションへ復帰させる。
【００３５】
そして、一方のコイル１に通電すると、通電された側のベース４と、可動磁極２との間に吸着力が発生して可動磁極２とこれに固定されたシャフト３は可動磁極２側に移動する。このとき、シャフト３の段差によってスペーサ９を介して復帰スプリング８を圧縮する。
【００３６】
同時に、他の復帰スプリング８は、シャフト３の段差が復帰スプリング８から遠ざかる方向に移動することになる。このとき、当該スプリング８の与圧力は、スペーサ９を介してベースの段差によって受け止められ、シャフト３には影響を与えない。すなわち、通電時には通電された側の復帰スプリング８のみが圧縮され、通電されない側の復帰スプリング８は変化しない。このため、可動磁極２は通電時には必ず一方からのみ反発力を受ける。
【００３７】
図２はいずれのコイルにも通電されていない状態を、図３にはコイル１ａに通電された状態を、図４にはコイル１ｂに通電された状態を、それぞれ示している。ここで、図２に示す可動磁極の位置を第２ポジション、図３に示す可動磁極の位置を第１ポジション、図４に示す可動磁極の位置を第３ポジションとする。すなわち、これらのポジションを一直線状に並べると、第１ポジション、第２ポジション、第３ポジションの順に並ぶ。
【００３８】
図３に示される状態は、コイル１ａに通電され、発生した磁界によって復帰スプリング８ａの反発力に抗して、可動磁極２及びシャフト３が移動する。移動後に停止する位置は第１ポジションであり、ベース４ａと可動磁極２とが当接する位置である。この後、通電状態が解除された際には、復帰スプリング８ａの反発力がスペーサ９ａを介して可動磁極２を押し戻す。第２ポジションを超過して移動しようとしたときには、復帰スプリング８ｂが第２ポジションの方向へ押し戻すこととなり、最終的には第２ポジションに落ち着く。
【００３９】
図４に示される状態は、コイル１ｂに通電され、発生した磁界によって復帰スプリング８ｂの反発力に抗して、可動磁極２及びシャフト３が移動する。移動後に停止する位置は第３ポジションであり、ベース４ｂと可動磁極２とが当接する位置である。この後、通電状態が解除された際には、復帰スプリング８ｂの反発力がスペーサ９ｂを介して可動磁極２を押し戻す。第２ポジションを超過して移動しようとしたときには、復帰スプリング８ａが第２ポジションの方向へ押し戻すこととなり、最終的には第２ポジションに落ち着く。
【００４０】
以下、主な寸法やスプリングの性状を記載するが、本発明がこれらに限られないことは言うまでもない。
【００４１】
ケースは、その軸方向寸法が５６ｍｍ、外径が３１．８ｍｍである。また、各コイルの大きさは、２２ｍｍ、シャフトの外径は３．９７ｍｍである。ストロークは、約１０ｍｍ（片側５ｍｍ）確保できる。非常にコンパクトでありながら、三つのポジションを得ることができる電磁ソレノイドである。
【００４２】
スプリングは、外径５．０ｍｍ、素線径０．５ｍｍ、バネ定数１．０Ｎ／ｍｍ、縮装の際に予め与える与圧力は２．５Ｎ／ｍｍとしている。
【００４３】
図６［Ａ］は、バネ（復帰スプリング）とソレノイドの推力との関係を、力とストロークとの関係において図示したものである。バネの復帰力とソレノイドの推力とが一致する点が静止位置となる。図６［Ｂ］は、両側からバネα、βという対抗する二つのバネを配置した場合を示している。バネα、βによって復帰する点は、両バネがバランスした位置となる。
【００４４】
電磁ソレノイドに対して三つのポジションを得るために、二つのバネα、βを両側に位置させ、その二つのバネα、βの復帰力の釣り合う位置を復帰位置としたとする。すると、一方のバネがヘタってしまったら、復帰位置が異なってしまうこととなる。
【００４５】
図７［Ａ］は、本願発明の原理を示す。非通電時の静止位置は、二つのバネ（復帰スプリング）α、βを直接対抗させてバランスさせるのではなく、シャフト３における段差部３１，３１やスペーサ９ａ，９ｂによってバネの反発力の有効範囲を限定し、その有効範囲の端部を静止位置として共通させることとしている。このため、静止位置は機械加工精度によって決定されるため、図７［Ｂ］に示すように、一方のバネαがヘタってしまっても、所定の位置に復帰することができる。
【００４６】
さらに、本発明の産業上の利用可能性について述べる。二つの流路を備える流体における流れを、いずれか一方の流路又は遮断という三つのポジション制御するバルブは、色々な場所で使われている。現在、このバルブの制御は、例えば、二つのソレノイドで挟むようにして配置されたバルブ構造体を用いている。図示は省略するが、何れか一方のソレノイドへ通電すると共に他方を断電することによって流体の流路選択を行い、両方のソレノイドへの通電を停止することによっていずれの流路をも遮断するのである。しかし、上記した実施形態に係る電磁ソレノイドの機構を採用すれば、一つのソレノイドを片側に配置するだけで流路の選択及び遮断が行えることとなり、流体制御システムをコンパクトにしたり、設計自由度を高めたりすることに多大な貢献をする。
【００４７】
次に、第二の実施形態について述べる。図８に示す第二の実施形態は、第一の実施形態よりも寸法比として長いシャフト１０３ａを採用し、そのシャフト１０３ａにおける可動磁極１０２の一方側に段差を設ける。そして、二つの復帰スプリング１０８ａ，１０８ｂは、前記段差のないシャフト１０３ｂの端部外側及びシャフト１０３ａの段差よりも軸方向外側に、スペーサ１０９ａ，１０９ｂを介して位置させる。二つの復帰スプリング１０８ａ，１０８ｂは、スプリングケース１１１ａ，１１１ｂに収納する。シャフト１０３ａに対応するスプリングケース１１１ａには、シャフト１０３ａを貫通させる貫通孔を備えている。
【００４８】
可動磁極１０２が無通電時における第一ポジションにあるときに、一方のシャフト１０３ｂはその外面端部がベース１０４ｂの外面端部と同一面となるようにする。そして、スプリングケース１１１ｂに格納された復帰スプリング１０８ｂの反発力は、スペーサ１０９ｂを介してシャフト１０３ｂとベース１０４ｂの外面端部に作用させる。
【００４９】
一方、シャフト１０３ａは、可動磁極１０２がコイル１０１ａ，１０１ｂの無通電時における第一ポジションにあるときにおけるベース１０４ａの外面端部と同一位置に、外径差に基づく段差を設けている。
【００５０】
スプリングケース１１１ａに格納された復帰スプリング１０８ａの反発力は、スペーサ１０９ａを介してシャフト１０３ａの段差部とベース１０４ａの外面端部に作用させる。
【００５１】
なお、この実施形態の変形例として、両側に段差シャフトを用いても、段差なしのシャフトを用いても同様に機能する。
【００５２】
以上のような構成による電磁ソレノイドでは、電磁ソレノイドの軸方向へ復帰スプリング１０８ａ，１０８ｂを備えることとしたので、電磁ソレノイドの外径方向寸法を抑えたり、復帰スプリング１０８ａ，１０８ｂの反発力の選択における自由度を高めたりすることができる。
【００５３】
さらに、第三の実施形態について述べる。図９に示す第三の実施形態は、第一の実施形態とは復帰スプリングの収納位置を異ならせている。すなわち、二つの復帰スプリング２０８ａ，２０８ｂは、ベース２０４ａ，２０４ｂの外周とコイル２０１ａ，２０１ｂの内側との間に位置させて格納したコイルスプリングとしている。
【００５４】
可動磁極２０２は、先端外周部を平坦としている。また、可動磁極２０２の外側には、パイプ状のストッパ２１０ａ，２１０ｂを、共通磁極２０５に固定すると共に、反対側の端面は、可動磁極２０２が両コイル２０１ａ，２０１ｂの無通電時である第一ポジションにあるときに可動磁極２０２に設けた平坦部と同一面となるようにしている。ストッパの内径は可動磁極の移動に影響を及ぼさないような寸法とする。
【００５５】
可動磁極２０２と２０８ａ，２０８ｂとの間には、スペーサ２０９ａ，２０９ｂを備えている。このスペーサ２０９ａ，２０９ｂは、その内側端面が可動磁極２０２の平坦部と当接し、外側端面がストッパ２１０ａ，２１０ｂに当接する寸法とし、スペーサ２０９ａ，２０９自身及び可動磁極２０２の移動に影響を及ぼさないような寸法とする。
【００５６】
復帰スプリング２０８ａ，２０８ｂからの反発力は、スペーサ２０９ａ，２０９ｂを介して、可動磁極２０２の平坦部とストッパ２１０ａ，２１０ｂの端部に作用させている。
【００５７】
この第三の実施形態に係る電磁ソレノイドは、第一の実施形態に係る電磁ソレノイドと比較して、復帰スプリングの外径を大きく取れるので、反発力の選択における自由度を高めたりすることができる。
【００５８】
図１０に示す実施形態は、図９に示した実施形態の変形例である。図９に示した実施形態では、可動磁極２０２の外縁部を平坦としてこの部分にスペーサ２０９ａ，２０９ｂを介して復帰スプリング２０８ａ，２０８ｂの反発力を作用させているが、図１０に示す実施形態では、可動磁極３０２の外周において軸方向の中央部分よりも両側を細くする段差を備え、可動磁極３０２が両コイル３０１ａ，３０１ｂの無通電時である第一ポジションにあるときに、段差部と同一面となる位置にストッパ３１０ａ，３１０ｂを配している。ストッパ３１０ａ，３１０ｂは可動磁極の移動に影響を及ぼさないようなような寸法とし、中央寄り端面は共通磁極に当接している。
【００５９】
二つの復帰スプリング３０８ａ，３０８ｂは、前記段差における小径部分の外周及びベース３０４ａ，３０４ｂの外周と両コイル３０１ａ，３０１ｂの内側との間に位置させたコイルスプリングとし、その反発力はスペーサ３０９ａ，３０９ｂに作用する。
【００６０】
スペーサ３０９ａ，３０９ｂは内周部付近が可動磁極３０２の段差と、外周部付近がストッパ３１０ａ，３１０ｂにそれぞれ当接し、復帰スプリング３０８ａ，３０８ｂからの反発力を伝達する。
【００６１】
なお、この例では、ストッパ３１０ａ，３１０ｂは他の部材へ固定されておらず、自由に移動可能としているが、共通磁極３０５に固定してもいいし、スペーサ３０９ａ，３０９ｂに固定されていてもよい。また、ストッパ３１０ａ，３１０ｂを廃止してスペーサ３０９ａ，３０９ｂを変形し、内周部付近が可動磁極３０２の段差に当たると共に外周部付近が共通磁極３０５に当たるようにしてもよい。
【００６２】
図９に示す実施形態と同じように、復帰スプリング３０８ａ，３０８ｂについて比較的大径のものを採用することができることで反発力の選択における自由度を高めると共に、軸方向寸法を抑えた電磁ソレノイドを設計することができる。
【００６３】
なお、以上の各実施形態においては、復帰スプリングとして、電磁ソレノイドに幅広く利用されているコイルスプリングを用いるものとして説明したが、プランジャ（可動磁極）を第二ポジションに復帰させる機構として他の手段を用いても良い。例えば、用途に応じてエアースプリングやゴムなどを用いることも可能である。また、復帰スプリングに関連して設けられるスペーサをシャフトで支持（保持）する手段は、段差に限られるものではない。例えば、シャフトの周面に切欠き、溝、凹部、または凸部を形成する、あるいは他の部材をシャフトに固着し、これらのものをスペーサやストッパを支持（保持）する手段としても良い。要するに、スペーサを一定位置から先に移動しないように支持（保持）することができればどのような手段でも良く、その電磁ソレノイドに対して求められる設計上の要求に応じて適宜選択すれば良い。また、シャフトにこのような手段を設けるのでなく、プランジャ（可動磁極）や、ベース（固定磁極）、共通磁極に設けることも可能である。さらに、ストッパを支持（保持）することについても、スペーサと同様に、多様な手段を採用することが可能である。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１から請求項３記載の発明によれば、３段階の停止位置を得ることができるコンパクトな電磁ソレノイドの構造に関する技術を提供することができた。また、請求項４記載の発明によれば、中間のポジションへ復帰する特性を異ならせることができる電磁ソレノイドの構造に関する技術を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の第一の実施形態を示す断面図であり、可動鉄心が第二ポジションのときを示す。
【図３】本発明の第一の実施形態を示す断面図であり、可動鉄心が第一ポジションのときを示す。
【図４】本発明の第一の実施形態を示す断面図であり、可動鉄心が第三ポジションのときを示す。
【図５】本発明の第一の実施形態における主要部の拡大断面図であり、可動鉄心が第二ポジションのときを示す。
【図６】本実施形態の原理を説明するための図である。
【図７】本実施形態の原理を説明するための図である。
【図８】本発明の第二の実施形態を示す断面図である。
【図９】本発明の第三の実施形態を示す断面図である。
【図１０】本発明の第四の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２０１，３０１ コイル
２，２０２，３０２ プランジャ（可動磁極）
３，２０３，３０３ シャフト
３１ 段差部
４，２０４，３０４ ベース（固定磁極）
４１ 端部面
４２ スプリング格納部
５，２０５，３０５ 共通磁極
６，２０６，３０６ ケース
７、２０７，３０７ 軸受け
８，２０８，３０８ 復帰スプリング
９，２０９，３０９ スペーサ
１１１ スプリングケース
２１０，３１０ ストッパ
【発明が属する技術分野】
この発明は、三つの停止位置を得ることができる電磁ソレノイドの技術に関するものである。
【０００２】
【先行技術】
本発明の従来技術の説明に当たり、本出願人は、三つの停止位置を得ることができる電磁ソレノイドに関する特許出願を調査し、関連技術として次の技術を抽出した。その関連技術は、特開２０００−１７３８２１号（電磁式加振装置等）、及び特開２０００−３０６７２３号（プッシュプル型ソレノイド）の２件である。
【０００３】
複数のコイル素子を備えてそれぞれ独立に通電させることによって二つのポジションを得るソレノイドは、特開２０００−３０６７２３号において開示されているように、プッシュプル型ソレノイドという。プッシュプル型ソレノイドには、二つのポジション間に位置する第三のポジションは存在しない。
【０００４】
また、特開２０００−３０６７２３号に開示されている「アクチュエータ機構部Ｃ」には、独立して通電可能な複数のコイル素子を備えると共に通電時に得るプランジャ（可動磁極）の力方向に抗するスプリングを備えている。そして、各コイル素子への同時又は選択的な通電を制御することによってアクチュエータ機構部Ｃのポジションを連続的に変化させられるように構成している。
【０００５】
一方、コイル素子によって発生する推力と対抗させたスプリングとを備える「比例ソレノイド」では、駆動用の電流を制御することで様々なポジションを取ることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１７３８２１号
【特許文献２】
特開２０００−３０６７２３号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
さて、電磁ソレノイドを用いて三つのポジションを得るための構造は、先行技術の調査によっては発見できなかった。
【０００８】
また、比例ソレノイドは、周囲温度などの外的要因や、コイル素子の巻き数などの誤差など内的要因が存在するため、中間的なポジションについて正確さを求められる部位において、定常状態を保ったり、個体差をなくしたりすることは困難であった。
【０００９】
本発明が解決すべき課題は、三つの停止位置を得ることができるコンパクトな電磁ソレノイドの構造に関する技術を提供することにある。
【００１０】
更に、別の解決すべき課題として、三つの停止位置のうち中間的な第２の停止位置へ復帰する際に、第１の停止位置から復帰するときと、第２の停止位置から復帰するときとで復帰動作を異ならせることができる電磁ソレノイドの構造に関する技術を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した目的を達成するためのものであり、可動磁極（プランジャ）が正方向通電時、逆方向通電時及び非通電時においてそれぞれ三つの停止位置を取ることができる電磁ソレノイドに係る。
【００１２】
そこで、請求項１記載の発明は、往復動するシャフトを３段階の停止位置で停止させることが可能な電磁ソレノイドであって、ケースと、そのケースに固定されるとともに、前記シャフトの軸方向に間隙をおいて並べられた第１の固定磁極及び第２の固定磁極と、それらの固定磁極の間に、かつ、前記シャフトの軸方向に間隙をおいて並べられた第１のコイル及び第２のコイルと、［新電元工業株式会社１］それらのコイルの間に位置させた共通磁極と、前記シャフトが固定されるとともに、前記第１の固定磁極と前記第２の固定磁極の間に、前記シャフトの軸方向に往復動可能な状態で位置させた可動磁極と、前記第１のコイル及び前記第２のコイルのいずれにも通電していないときには、前記シャフトを前記３段階の停止位置のうち中間的な第２段階の停止位置へ復帰させるべく前記可動磁極を押圧して、前記シャフトがその第２段階の停止位置に達するまで前記可動磁極を移動させるようになされた復帰機構を備え、前記第１のコイルに通電したときには、前記第１の固定磁極、前記ケース及び前記共通磁極に磁気回路が生成されて、前記可動磁極が前記第１の固定磁極に吸着されることによって、前記シャフトが、前記復帰機構からの押圧力に逆らって、その第１の先端部が前進するように移動して第１段階の停止位置まで至り、前記第２のコイルに通電したときには、前記第２の固定磁極、前記ケース及び前記共通磁極に磁気回路が生成されて、前記可動磁極が前記第２の固定磁極に吸着されることによって、前記シャフトが、前記復帰機構からの押圧力に逆らって、その第２の先端部が前進するように移動して第３段階の停止位置まで至るようになされたことを特徴とするものとした。
【００１３】
以上の構成によれば、第１のコイルに通電すると、第１の固定磁極、ケース及び共通磁極に磁気回路が生成されて、第１の固定磁極と可動磁極の間に間隙を埋めるべく、可動磁極が移動して第１の固定磁極に吸着される。シャフトは可動磁極に固定されているので、シャフトもこれに応じて移動する。逆に、第２のコイルに通電すると、第２の固定磁極、ケース及び共通磁極に磁気回路が生成されて、第２の固定磁極と可動磁極の間に間隙を埋めるべく、可動磁極が移動して第２の固定磁極に吸着される。シャフトは、今度は逆の方向に移動する。また、これらのコイルに通電していないときには、復帰機構が可動磁極を押圧して移動させ、シャフトを第２段階の停止位置へ復帰させる。言い換えるならば、二つある固定磁極は、シャフトの推力発生機構となる可動磁極を間に挟んで対向配置されている。これにより、これらの固定磁極が発生する推力の方向は正反対の関係となる２方向となり、シャフトをこれらの方向に対応する第１段階または第３段階の停止位置に移動させる。また、二つあるコイルに通電していないときには、復帰機構が可動磁極を中間的な第２段階の停止位置に保持する。したがって、電磁ソレノイドにおいて、三つの停止位置を得ることが容易に実現できる。
【００１４】
なお、上記の課題を解決するための手段において、「共通磁極」とは、二つのコイルで発生する磁束の双方が透過する部品を意味する。また、「第２段階の停止位置」とは、第１のコイル及び第２のコイルに通電していないときにおけるシャフトの停止位置であり、通常、第１の第１の停止位置と第２の停止位置の中間点となる。ただし、各磁極の形状、大きさなどを異ならせることで、中間点でない位置を第２の停止位置とすることもできる。
【００１５】
請求項２に記載のものは、請求項１に記載の電磁ソレノイドにおいて、前記ケースは、筒状に形成され、前記第１の固定磁極及び前記第２の固定磁極は、前記ケースの二つの開口部をそれぞれ塞ぐように形成され、前記シャフトは、前記可動磁極に形成された貫通孔に挿通状態で前記可動磁極に固定されると共に、前記第１の先端部側が前記第１の固定磁極に形成された貫通孔に挿通され、前記第２の先端部側が前記第２の固定磁極に形成された貫通孔に挿通され、前記共通磁極、前記第１のコイル及び前記第２のコイルは、前記可動磁極を取り巻くように環状に形成したものとしている。
【００１６】
以上のものによれば、第１の固定磁極及び第２の固定磁極がケースの蓋を兼ねて、さらに第１のコイル、第２のコイル、共通磁極及び可動磁極を第１の固定磁極と第２の固定磁極との間に収まるように構成できるので、シャフトを３段階の停止位置で停止させることが可能な電磁ソレノイドをコンパクトに形成することが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載のものは、請求項１に記載の電磁ソレノイドにおいて、前記復帰機構は、前記シャフトが前記第１段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには、その弾発力によって前記可動磁極を第１のスペーサを介して前記シャフトの第２の先端部側に向けて押圧し、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第３段階の停止位置側にあるときには、前記可動磁極を押圧しない第１の弾性体と、前記シャフトが前記第３段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには、その弾発力によって前記可動磁極を第２のスペーサを介して前記シャフトの第１の先端部側に向けて押圧し、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第１段階の停止位置側にあるときには、前記可動磁極を押圧しない第２の弾性体を備えるようになしている。
【００１８】
以上のものによれば、シャフトがちょうど第２段階の停止位置にあるときには、第１の弾性体と第２の弾性体とが可動磁極を正反対の方向から、すなわち可動磁極を挟みつけるように押圧するので、第１のコイル及び第２のコイルに通電していないときには、シャフトが第２段階の停止位置に安定的に保持される。また、この状態のときに、シャフトに加わる外力によってシャフトが第２段階の停止位置からいずれかの方向に動かされた場合には、いずれか一方の弾性体のみがシャフトを第２段階の停止位置に押し戻すように押圧するので、外力に対する復元力を有するものとなる。
【００１９】
なお、上記の課題を解決するための手段において、「弾性体」は、シャフトの三つの停止位置において、それぞれ一定の弾発力を発生するものである。また、この弾性体としては、一般的には金属製コイルスプリングを用いるが、エアスプリングなども利用可能である。
【００２０】
請求項４に記載のものは、請求項３に記載の電磁ソレノイドにおいて、前記第１のスペーサは、前記第１の弾性体からの押圧力によって、前記シャフトが前記第１段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには前記シャフトに設けられた第１の当接部に押しつけられ、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第３段階の停止位置側にあるときには前記第１の固定磁極に設けられた第２の当接部に押しつけられると同時に前記第１の当接部からは離隔するようになされ、前記第２のスペーサは、前記第２の弾性体からの押圧力によって、前記シャフトが前記第３段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには前記シャフトに設けられた第３の当接部に押しつけられ、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第１段階の停止位置側にあるときには前記第２の固定磁極に設けられた第４の当接部に押しつけられると同時に前記第２の当接部からは離隔するようになしている。
【００２１】
以上のものによれば、シャフトが第２段階の停止位置を越えて移動するときに、二つのスペーサに対して押しつけられるものが切り替わるようにし、かつ、二つのスペーサに対して押しつけられるものの一方を固定物としているので、第２段階の停止位置を境界として可動磁極、ひいてはシャフトを移動させる押圧力の向きを正反対に切り替える構成を簡単な構成で実現できる。さらに、シャフトが第２段階の停止位置に停止している状態は、二つの弾性体の弾発力の釣合いに関係なく、二つのスペーサと二つの固定磁極が互いに押し合うことによって実現されているので、シャフトを安定的に停止させることができる。
【００２２】
請求項５に記載のものは、請求項４に記載の電磁ソレノイドにおいて、前記第１の当接部は、前記シャフトの、前記第１の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、前記第２の当接部は、前記第１の固定磁極の、前記貫通孔の前記可動磁極側の径を他の部分の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、前記第３の当接部は、前記シャフトの、前記第２の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、前記第４の当接部は、前記第２の固定磁極の、前記貫通孔の前記可動磁極側の径を他の部分の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であるようにしている。
【００２３】
以上のものによれば、シャフト、第１の固定磁極及び第２の固定磁極に対して他の部材を追加することなく、これらに対する付加的な加工だけで第１の当接部、第２の当接部、第３の当接部及び第４の当接部を形成することができるので、復帰機構を単純で、かつ、コンパクトに構成することができる。さらに、シャフトが第２段階の停止位置に停止している状態は、二つの弾性体の弾発力の釣合いに関係なく、二つのスペーサと二つの固定磁極が互いに押し合うことによって実現されているので、シャフトを安定的に停止させることができる。
【００２４】
請求項６のものは、請求項４に記載の電磁ソレノイドにおいて、第１の弾性体、第２の弾性体、第１のスペーサ及び第２のスペーサは、前記ケース、前記第１の固定磁極及び前記第２の固定磁極によって構成される閉空間の外部に設けられ、前記第１の当接部は、前記シャフトの、前記第１の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、前記第２の当接部は、前記第１の固定磁極の、前記貫通孔の外側の開口部の周囲に形成された平坦面であり、前記第３の当接部は、前記シャフトの、前記第２の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、前記第４の当接部は、前記第２の固定磁極の、前記貫通孔の外側の開口部の周囲に形成された平坦面であるようにしている。
【００２５】
以上のものによれば、シャフト、第１の固定磁極及び第２の固定磁極に対して他の部材を追加することなく、シャフト、第１の固定磁極及び第２の固定磁極の付加的な加工だけで第１の当接部、第２の当接部、第３の当接部及び第４の当接部を形成することができるので、復帰機構を単純で、かつ、コンパクトに構成することができる。
【００２６】
請求項７に記載のものは、請求項３から請求項６のいずれかに記載の電磁ソレノイドにおいて、前記第１の弾性体と前記第２の弾性体は、それぞれの弾発力に係る特性が異なるようにしている。
【００２７】
この請求項において、弾発力に係る特性が異なるとは、バネ定数や空気圧、周囲からの与圧によって発生する弾発力、すなわち可動磁極を異ならせることを意味する。具体的には、弾性体としてコイルスプリングを用いる場合には、コイルスプリングのコイル長を異ならせることによって与圧を変更したり、材質を変更することによってバネ定数を異ならせることを意味する。したがって、これらが異なっていると、第１段階の停止位置または第３段階の停止位置から第２段階の停止位置に復帰する際の状況を異ならせることができる。例えば、第１段階の停止位置から第２段階の停止位置への復帰スピードを第３段階の停止位置から第２段階の停止位置への復帰スピードよりも遅くする、といったことが可能になる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態及び図面に基づいて、更に詳しく説明する。ここで使用する図面は、図１乃至図１０である。図１から図５は第一の実施形態の構造を示す斜視図又は断面図であり、図６及び図７は原理説明のための図である。図８乃至図１０は他の実施形態を示す断面図である。
【００２９】
第一の実施形態に係る電磁ソレノイドは、円筒状のケース６と、前記ケース６の軸方向へ直列に内蔵した二つのコイル１ａ，１ｂと、その二つのコイル１ａ，１ｂの間に位置させた共通磁極５と、前記ケース６に固定されるベース（固定磁極）４ａ，４ｂと、前記ケース６の筒内部及びベース４ａ，４ｂの中央を貫通し、軸方向を進退する断面円形の長軸状シャフト３と、そのシャフト３の軸方向中央に固定され、コイル１ａ，１ｂによって発生する磁界によってシャフト３と共に所定の可動域を進退するプランジャ（可動磁極）２と、その可動磁極２を非通電時に、第２ポジション、すなわち図１に示すシャフト３の位置へ復帰させるための復帰機構とを備える。
【００３０】
ベース４ａ，４ｂは、ケース６の内径寸法を外径とするフランジ部と、シャフト３を内装するための筒部を中央に備えており、筒部は反フランジ部側に連続して先細りした形状（いわゆる「コニカル型」）をなしている。ただし、本ソレノイドの用途に応じては、いわゆるフラット型を採用してもよい。
【００３１】
前述した「復帰機構」とは、相対向する方向から押圧し合うことによって非通電時に可動磁極２を第２ポジションに停止するように縮装される二つの復帰スプリング８ａ，８ｂと、その縮装された復帰スプリング８ａ，８ｂの縮み状態を確保すると共にベース４ａ，４ｂへ固定されてシャフト３を支持する軸受け７ａ，７ｂと備える。図５に示すように、シャフト３とベース４ａ，４ｂとの間にはスプリング格納部４３を備え、復帰スプリング８ａ，８ｂはそのスプリング格納部４２へ格納される。シャフト３には、その中央部よりも細くなるような段差部３１ａ，３１ｂを設ける。換言すれば、段差部３１ａ，３１ｂは、シャフト３が固定磁極に設けた軸受けによって支持される部分と、中央付近の可動磁極を固定する部分において、中央側が太くなるようにその径を異ならせることによるその外形差によってできる段差である。
【００３２】
また、復帰スプリング８ａ，８ｂのそれぞれにおける可動磁極２側には、スペーサ９ａ，９ｂを備える。このスペーサ９ａ，９ｂは、シャフト３における細くなった部位の外径よりも大きく段差部３１ａ，３１ｂの外径よりも小さな内径をなすリング状であり、スプリング格納部４２において摺動可能であるように組み込まれる。そして、縮装される復帰スプリング８ａ，８ｂの端部に当接する。可動磁極２が第２ポジション（非通電時）に存在するときには、復帰スプリング８ａ，８ｂに与えられた縮装による与圧力で、シャフト３の段差部３１とベース４ａ，４ｂのスプリング格納部４２の端部面４１とが当接するように押圧している。復帰スプリング８ａ，８ｂの端部は、スペーサ９ａ，９ｂにも軸受け７ａ，７ｂにも固定しておらず、自由端としている。
【００３３】
所定位置（非通電時）においては、シャフト３の各端部にある段差部３１と、ベース４ａ，４ｂにおけるスプリング格納部４２の端部面とは、二つの復帰スプリング８ａ，８ｂの与圧力によって、スペーサ９ａ，９ｂを介して両側から押しつけられることによって同一面となるように位置決めされる。復帰スプリング８ａ，８ｂに与えられた縮装による与圧力によって直接釣り合っているのではないため、復帰スプリング８ａ，８ｂの与圧力が異なっていても、停止すべき位置が変化することはない。
【００３４】
また、前述した「共通磁極５」は、いずれのコイルで発生した磁束も共通して経由する部品である。二つの復帰スプリング８ａ，８ｂは、シャフト３の外周とベース４ａ，４ｂの内周面との間に位置させ、シャフト３の外周に設置する。なお、二つの復帰スプリング８ａ，８ｂは、一般的にはコイルスプリングである。双方とも「縮装」されることによって可動磁極２を両側から押している。その結果、非通電時には、通電時に抗した一のコイルスプリングの反発力によって可動磁極２を第２ポジションへ復帰させる。
【００３５】
そして、一方のコイル１に通電すると、通電された側のベース４と、可動磁極２との間に吸着力が発生して可動磁極２とこれに固定されたシャフト３は可動磁極２側に移動する。このとき、シャフト３の段差によってスペーサ９を介して復帰スプリング８を圧縮する。
【００３６】
同時に、他の復帰スプリング８は、シャフト３の段差が復帰スプリング８から遠ざかる方向に移動することになる。このとき、当該スプリング８の与圧力は、スペーサ９を介してベースの段差によって受け止められ、シャフト３には影響を与えない。すなわち、通電時には通電された側の復帰スプリング８のみが圧縮され、通電されない側の復帰スプリング８は変化しない。このため、可動磁極２は通電時には必ず一方からのみ反発力を受ける。
【００３７】
図２はいずれのコイルにも通電されていない状態を、図３にはコイル１ａに通電された状態を、図４にはコイル１ｂに通電された状態を、それぞれ示している。ここで、図２に示す可動磁極の位置を第２ポジション、図３に示す可動磁極の位置を第１ポジション、図４に示す可動磁極の位置を第３ポジションとする。すなわち、これらのポジションを一直線状に並べると、第１ポジション、第２ポジション、第３ポジションの順に並ぶ。
【００３８】
図３に示される状態は、コイル１ａに通電され、発生した磁界によって復帰スプリング８ａの反発力に抗して、可動磁極２及びシャフト３が移動する。移動後に停止する位置は第１ポジションであり、ベース４ａと可動磁極２とが当接する位置である。この後、通電状態が解除された際には、復帰スプリング８ａの反発力がスペーサ９ａを介して可動磁極２を押し戻す。第２ポジションを超過して移動しようとしたときには、復帰スプリング８ｂが第２ポジションの方向へ押し戻すこととなり、最終的には第２ポジションに落ち着く。
【００３９】
図４に示される状態は、コイル１ｂに通電され、発生した磁界によって復帰スプリング８ｂの反発力に抗して、可動磁極２及びシャフト３が移動する。移動後に停止する位置は第３ポジションであり、ベース４ｂと可動磁極２とが当接する位置である。この後、通電状態が解除された際には、復帰スプリング８ｂの反発力がスペーサ９ｂを介して可動磁極２を押し戻す。第２ポジションを超過して移動しようとしたときには、復帰スプリング８ａが第２ポジションの方向へ押し戻すこととなり、最終的には第２ポジションに落ち着く。
【００４０】
以下、主な寸法やスプリングの性状を記載するが、本発明がこれらに限られないことは言うまでもない。
【００４１】
ケースは、その軸方向寸法が５６ｍｍ、外径が３１．８ｍｍである。また、各コイルの大きさは、２２ｍｍ、シャフトの外径は３．９７ｍｍである。ストロークは、約１０ｍｍ（片側５ｍｍ）確保できる。非常にコンパクトでありながら、三つのポジションを得ることができる電磁ソレノイドである。
【００４２】
スプリングは、外径５．０ｍｍ、素線径０．５ｍｍ、バネ定数１．０Ｎ／ｍｍ、縮装の際に予め与える与圧力は２．５Ｎ／ｍｍとしている。
【００４３】
図６［Ａ］は、バネ（復帰スプリング）とソレノイドの推力との関係を、力とストロークとの関係において図示したものである。バネの復帰力とソレノイドの推力とが一致する点が静止位置となる。図６［Ｂ］は、両側からバネα、βという対抗する二つのバネを配置した場合を示している。バネα、βによって復帰する点は、両バネがバランスした位置となる。
【００４４】
電磁ソレノイドに対して三つのポジションを得るために、二つのバネα、βを両側に位置させ、その二つのバネα、βの復帰力の釣り合う位置を復帰位置としたとする。すると、一方のバネがヘタってしまったら、復帰位置が異なってしまうこととなる。
【００４５】
図７［Ａ］は、本願発明の原理を示す。非通電時の静止位置は、二つのバネ（復帰スプリング）α、βを直接対抗させてバランスさせるのではなく、シャフト３における段差部３１，３１やスペーサ９ａ，９ｂによってバネの反発力の有効範囲を限定し、その有効範囲の端部を静止位置として共通させることとしている。このため、静止位置は機械加工精度によって決定されるため、図７［Ｂ］に示すように、一方のバネαがヘタってしまっても、所定の位置に復帰することができる。
【００４６】
さらに、本発明の産業上の利用可能性について述べる。二つの流路を備える流体における流れを、いずれか一方の流路又は遮断という三つのポジション制御するバルブは、色々な場所で使われている。現在、このバルブの制御は、例えば、二つのソレノイドで挟むようにして配置されたバルブ構造体を用いている。図示は省略するが、何れか一方のソレノイドへ通電すると共に他方を断電することによって流体の流路選択を行い、両方のソレノイドへの通電を停止することによっていずれの流路をも遮断するのである。しかし、上記した実施形態に係る電磁ソレノイドの機構を採用すれば、一つのソレノイドを片側に配置するだけで流路の選択及び遮断が行えることとなり、流体制御システムをコンパクトにしたり、設計自由度を高めたりすることに多大な貢献をする。
【００４７】
次に、第二の実施形態について述べる。図８に示す第二の実施形態は、第一の実施形態よりも寸法比として長いシャフト１０３ａを採用し、そのシャフト１０３ａにおける可動磁極１０２の一方側に段差を設ける。そして、二つの復帰スプリング１０８ａ，１０８ｂは、前記段差のないシャフト１０３ｂの端部外側及びシャフト１０３ａの段差よりも軸方向外側に、スペーサ１０９ａ，１０９ｂを介して位置させる。二つの復帰スプリング１０８ａ，１０８ｂは、スプリングケース１１１ａ，１１１ｂに収納する。シャフト１０３ａに対応するスプリングケース１１１ａには、シャフト１０３ａを貫通させる貫通孔を備えている。
【００４８】
可動磁極１０２が無通電時における第一ポジションにあるときに、一方のシャフト１０３ｂはその外面端部がベース１０４ｂの外面端部と同一面となるようにする。そして、スプリングケース１１１ｂに格納された復帰スプリング１０８ｂの反発力は、スペーサ１０９ｂを介してシャフト１０３ｂとベース１０４ｂの外面端部に作用させる。
【００４９】
一方、シャフト１０３ａは、可動磁極１０２がコイル１０１ａ，１０１ｂの無通電時における第一ポジションにあるときにおけるベース１０４ａの外面端部と同一位置に、外径差に基づく段差を設けている。
【００５０】
スプリングケース１１１ａに格納された復帰スプリング１０８ａの反発力は、スペーサ１０９ａを介してシャフト１０３ａの段差部とベース１０４ａの外面端部に作用させる。
【００５１】
なお、この実施形態の変形例として、両側に段差シャフトを用いても、段差なしのシャフトを用いても同様に機能する。
【００５２】
以上のような構成による電磁ソレノイドでは、電磁ソレノイドの軸方向へ復帰スプリング１０８ａ，１０８ｂを備えることとしたので、電磁ソレノイドの外径方向寸法を抑えたり、復帰スプリング１０８ａ，１０８ｂの反発力の選択における自由度を高めたりすることができる。
【００５３】
さらに、第三の実施形態について述べる。図９に示す第三の実施形態は、第一の実施形態とは復帰スプリングの収納位置を異ならせている。すなわち、二つの復帰スプリング２０８ａ，２０８ｂは、ベース２０４ａ，２０４ｂの外周とコイル２０１ａ，２０１ｂの内側との間に位置させて格納したコイルスプリングとしている。
【００５４】
可動磁極２０２は、先端外周部を平坦としている。また、可動磁極２０２の外側には、パイプ状のストッパ２１０ａ，２１０ｂを、共通磁極２０５に固定すると共に、反対側の端面は、可動磁極２０２が両コイル２０１ａ，２０１ｂの無通電時である第一ポジションにあるときに可動磁極２０２に設けた平坦部と同一面となるようにしている。ストッパの内径は可動磁極の移動に影響を及ぼさないような寸法とする。
【００５５】
可動磁極２０２と２０８ａ，２０８ｂとの間には、スペーサ２０９ａ，２０９ｂを備えている。このスペーサ２０９ａ，２０９ｂは、その内側端面が可動磁極２０２の平坦部と当接し、外側端面がストッパ２１０ａ，２１０ｂに当接する寸法とし、スペーサ２０９ａ，２０９自身及び可動磁極２０２の移動に影響を及ぼさないような寸法とする。
【００５６】
復帰スプリング２０８ａ，２０８ｂからの反発力は、スペーサ２０９ａ，２０９ｂを介して、可動磁極２０２の平坦部とストッパ２１０ａ，２１０ｂの端部に作用させている。
【００５７】
この第三の実施形態に係る電磁ソレノイドは、第一の実施形態に係る電磁ソレノイドと比較して、復帰スプリングの外径を大きく取れるので、反発力の選択における自由度を高めたりすることができる。
【００５８】
図１０に示す実施形態は、図９に示した実施形態の変形例である。図９に示した実施形態では、可動磁極２０２の外縁部を平坦としてこの部分にスペーサ２０９ａ，２０９ｂを介して復帰スプリング２０８ａ，２０８ｂの反発力を作用させているが、図１０に示す実施形態では、可動磁極３０２の外周において軸方向の中央部分よりも両側を細くする段差を備え、可動磁極３０２が両コイル３０１ａ，３０１ｂの無通電時である第一ポジションにあるときに、段差部と同一面となる位置にストッパ３１０ａ，３１０ｂを配している。ストッパ３１０ａ，３１０ｂは可動磁極の移動に影響を及ぼさないようなような寸法とし、中央寄り端面は共通磁極に当接している。
【００５９】
二つの復帰スプリング３０８ａ，３０８ｂは、前記段差における小径部分の外周及びベース３０４ａ，３０４ｂの外周と両コイル３０１ａ，３０１ｂの内側との間に位置させたコイルスプリングとし、その反発力はスペーサ３０９ａ，３０９ｂに作用する。
【００６０】
スペーサ３０９ａ，３０９ｂは内周部付近が可動磁極３０２の段差と、外周部付近がストッパ３１０ａ，３１０ｂにそれぞれ当接し、復帰スプリング３０８ａ，３０８ｂからの反発力を伝達する。
【００６１】
なお、この例では、ストッパ３１０ａ，３１０ｂは他の部材へ固定されておらず、自由に移動可能としているが、共通磁極３０５に固定してもいいし、スペーサ３０９ａ，３０９ｂに固定されていてもよい。また、ストッパ３１０ａ，３１０ｂを廃止してスペーサ３０９ａ，３０９ｂを変形し、内周部付近が可動磁極３０２の段差に当たると共に外周部付近が共通磁極３０５に当たるようにしてもよい。
【００６２】
図９に示す実施形態と同じように、復帰スプリング３０８ａ，３０８ｂについて比較的大径のものを採用することができることで反発力の選択における自由度を高めると共に、軸方向寸法を抑えた電磁ソレノイドを設計することができる。
【００６３】
なお、以上の各実施形態においては、復帰スプリングとして、電磁ソレノイドに幅広く利用されているコイルスプリングを用いるものとして説明したが、プランジャ（可動磁極）を第二ポジションに復帰させる機構として他の手段を用いても良い。例えば、用途に応じてエアースプリングやゴムなどを用いることも可能である。また、復帰スプリングに関連して設けられるスペーサをシャフトで支持（保持）する手段は、段差に限られるものではない。例えば、シャフトの周面に切欠き、溝、凹部、または凸部を形成する、あるいは他の部材をシャフトに固着し、これらのものをスペーサやストッパを支持（保持）する手段としても良い。要するに、スペーサを一定位置から先に移動しないように支持（保持）することができればどのような手段でも良く、その電磁ソレノイドに対して求められる設計上の要求に応じて適宜選択すれば良い。また、シャフトにこのような手段を設けるのでなく、プランジャ（可動磁極）や、ベース（固定磁極）、共通磁極に設けることも可能である。さらに、ストッパを支持（保持）することについても、スペーサと同様に、多様な手段を採用することが可能である。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１から請求項３記載の発明によれば、３段階の停止位置を得ることができるコンパクトな電磁ソレノイドの構造に関する技術を提供することができた。また、請求項４記載の発明によれば、中間のポジションへ復帰する特性を異ならせることができる電磁ソレノイドの構造に関する技術を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の第一の実施形態を示す断面図であり、可動鉄心が第二ポジションのときを示す。
【図３】本発明の第一の実施形態を示す断面図であり、可動鉄心が第一ポジションのときを示す。
【図４】本発明の第一の実施形態を示す断面図であり、可動鉄心が第三ポジションのときを示す。
【図５】本発明の第一の実施形態における主要部の拡大断面図であり、可動鉄心が第二ポジションのときを示す。
【図６】本実施形態の原理を説明するための図である。
【図７】本実施形態の原理を説明するための図である。
【図８】本発明の第二の実施形態を示す断面図である。
【図９】本発明の第三の実施形態を示す断面図である。
【図１０】本発明の第四の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２０１，３０１ コイル
２，２０２，３０２ プランジャ（可動磁極）
３，２０３，３０３ シャフト
３１ 段差部
４，２０４，３０４ ベース（固定磁極）
４１ 端部面
４２ スプリング格納部
５，２０５，３０５ 共通磁極
６，２０６，３０６ ケース
７、２０７，３０７ 軸受け
８，２０８，３０８ 復帰スプリング
９，２０９，３０９ スペーサ
１１１ スプリングケース
２１０，３１０ ストッパ
Claims (7)
- 往復動するシャフトを３段階の停止位置で停止させることが可能な電磁ソレノイドであって、
ケースと、
そのケースに固定されるとともに、前記シャフトの軸方向に間隙をおいて並べられた第１の固定磁極及び第２の固定磁極と、
それらの固定磁極の間に、かつ、前記シャフトの軸方向に間隙をおいて並べられた第１のコイル及び第２のコイルと、
それらのコイルの間に位置させた共通磁極と、
前記シャフトが固定されるとともに、前記第１の固定磁極と前記第２の固定磁極の間に、前記シャフトの軸方向に往復動可能な状態で位置させた可動磁極と、
前記第１のコイル及び前記第２のコイルのいずれにも通電していないときには、前記シャフトを前記３段階の停止位置のうち中間的な第２段階の停止位置へ復帰させるべく前記可動磁極を押圧して、前記シャフトがその第２段階の停止位置に達するまで前記可動磁極を移動させるようになされた復帰機構を備え、
前記第１のコイルに通電したときには、前記第１の固定磁極、前記ケース及び前記共通磁極に磁気回路が生成されて、前記可動磁極が前記第１の固定磁極に吸着されることによって、前記シャフトが、前記復帰機構からの押圧力に逆らって、その第１の先端部が前進するように移動して第１段階の停止位置まで至り、
前記第２のコイルに通電したときには、前記第２の固定磁極、前記ケース及び前記共通磁極に磁気回路が生成されて、前記可動磁極が前記第２の固定磁極に吸着されることによって、前記シャフトが、前記復帰機構からの押圧力に逆らって、その第２の先端部が前進するように移動して第３段階の停止位置まで至るようになされたことを特徴とする電磁ソレノイド。 - 請求項１に記載の電磁ソレノイドにおいて、
前記ケースは、筒状に形成され、
前記第１の固定磁極及び前記第２の固定磁極は、前記ケースの二つの開口部をそれぞれ塞ぐように形成され、
前記シャフトは、前記可動磁極に形成された貫通孔に挿通状態で前記可動磁極に固定されると共に、前記第１の先端部側が前記第１の固定磁極に形成された貫通孔に挿通され、前記第２の先端部側が前記第２の固定磁極に形成された貫通孔に挿通され、
前記共通磁極、前記第１のコイル及び前記第２のコイルは、前記可動磁極を取り巻くように環状に形成されていることを特徴とする電磁ソレノイド。 - 請求項１に記載の電磁ソレノイドにおいて、
前記復帰機構は、前記シャフトが前記第１段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには、その弾発力によって前記可動磁極を第１のスペーサを介して前記シャフトの第２の先端部側に向けて押圧し、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第３段階の停止位置側にあるときには、前記可動磁極を押圧しない第１の弾性体と、
前記シャフトが前記第３段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには、その弾発力によって前記可動磁極を第２のスペーサを介して前記シャフトの第１の先端部側に向けて押圧し、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第１段階の停止位置側にあるときには、前記可動磁極を押圧しない第２の弾性体を備えていることを特徴とする電磁ソレノイド。 - 請求項３に記載の電磁ソレノイドにおいて、
前記第１のスペーサは、前記第１の弾性体からの押圧力によって、前記シャフトが前記第１段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには前記シャフトに設けられた第１の当接部に押しつけられ、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第３段階の停止位置側にあるときには前記第１の固定磁極に設けられた第２の当接部に押しつけられると同時に前記第１の当接部からは離隔するようになされ、
前記第２のスペーサは、前記第２の弾性体からの押圧力によって、前記シャフトが前記第３段階の停止位置から前記第２段階の停止位置までの範囲にあるときには前記シャフトに設けられた第３の当接部に押しつけられ、前記シャフトが前記第２段階の停止位置を越えて前記第１段階の停止位置側にあるときには前記第２の固定磁極に設けられた第４の当接部に押しつけられると同時に前記第２の当接部からは離隔するようになされていることを特徴とする電磁ソレノイド。 - 請求項４に記載の電磁ソレノイドにおいて、
前記第１の当接部は、前記シャフトの、前記第１の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、
前記第２の当接部は、前記第１の固定磁極の、前記貫通孔の前記可動磁極側の径を他の部分の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、
前記第３の当接部は、前記シャフトの、前記第２の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、
前記第４の当接部は、前記第２の固定磁極の、前記貫通孔の前記可動磁極側の径を他の部分の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であることを特徴とする電磁ソレノイド。 - 請求項４に記載の電磁ソレノイドにおいて、
第１の弾性体、第２の弾性体、第１のスペーサ及び第２のスペーサは、前記ケース、前記第１の固定磁極及び前記第２の固定磁極によって構成される閉空間の外部に設けられ、
前記第１の当接部は、前記シャフトの、前記第１の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、
前記第２の当接部は、前記第１の固定磁極の、前記貫通孔の外側の開口部の周囲に形成された平坦面であり、
前記第３の当接部は、前記シャフトの、前記第２の先端部側の径をその中央付近の径よりも小さくなるようにして形成された段差部であり、
前記第４の当接部は、前記第２の固定磁極の、前記貫通孔の外側の開口部の周囲に形成された平坦面であることを特徴とする電磁ソレノイド。 - 前記第１の弾性体と前記第２の弾性体は、それぞれの弾発力に係る特性が異なることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の電磁ソレノイド。
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|---|---|---|---|---|
| JP2007103887A (ja) * | 2005-09-30 | 2007-04-19 | Toshiaki Miyasaka | プランジャー型ソレノイド |
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-
2003
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