JP2019071378A - ソレノイド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸引力を損なうことなくオーバーシュート等の発生を抑制するソレノイド装置を提供する。【解決手段】ソレノイド装置は、コア２０の主吸引部２４において、薄肉部２２から厚肉部２５に向かって外径が多段のテーパ状に拡大する径拡大部４０１が形成されている。薄肉部２２の外径面と第１角度部４２との交点をテーパ起点であるＡ点、厚肉部２５の外径面と第３角度部４６との交点をテーパ終点であるＢ点と定義し、Ａ点とＢ点とを結ぶ直線を中心軸の周りに回転して得られる仮想円錐面を基準円錐面Ｓｒｅｆと定義する。径拡大部４０１は、Ａ点からＢ点までの全域において、第１角度部４２、第２角度部４４及び第３角度部４４の外径面が基準円錐面Ｓｒｅｆよりも径方向外側に位置する（領域条件）。また、第１角度α、第２角度β、第３角度γ及び基準角度θは、「α≧θ、θ≧γ、θ＞β」、「α≧γ＞β」の関係を満たす（角度条件）。【選択図】図３

Description

本発明は、流体制御弁等に用いられるソレノイド装置に関する。

従来、ソレノイドへの通電により、プランジャが円筒状のステータコアの内壁を軸方向に移動するソレノイド装置において、コアの円筒形状を調整することで、ストローク位置に応じた吸引力の変化を調整する技術が知られている。

例えば特許文献１に開示されたソレノイド駆動装置では、ソレノイドのコア主吸引部において、磁気遮断用薄肉部からのテーパの起点、及び、プランジャのＯＮ位置に対応する外径円筒部上のテーパの終点の２点を通る円錐面が基準の仮想円錐面と定義される。この仮想円錐面の径方向内側を凹部とし、径方向外側を凸部とすると、コア主吸引部は、仮想円錐面をまたぎ凹部及び凸部を有したテーパ形状をなしている。

また、特許文献２に開示された電磁弁装置では、ソレノイドのコア主吸引部において、テーパ部の径又は角度の増加率がＯＮ側移動方向に向かって減少している。或いは、ＯＮ側移動方向に向けて角度が小さくなる多段又は凸曲面のテーパ形状をなしている。

特許第６０９４３０９号公報 特許第３７５７８１７号公報

流体制御弁に適用されるソレノイド装置を例として説明する。従来技術によるコア主吸引部形状では、ストロークのｏｆｆ端からＯＮ側に向かう中央域の付近、すなわちバルブが流体を制御する領域で高い吸引力が得られ、全ストローク域において「山なり」となる吸引力特性となっている。また、特許文献２の技術では、ｏｆｆ端及びＯＮ端側の吸引力を上げることで比較的フラットな吸引力特性が得られる。プランジャのストローク移動に対する吸引力の変化量が小さくなるという点では、流体制御において有益であると考えられる。なお、本明細書では、「ｏｆｆ端」はアルファベットの小文字で表記し、「ＯＮ端」は大文字で表記することとする。

しかしながら、従来技術では、ストロークのｏｆｆ端から中央域にかけて吸引力が漸増する特性となる。この漸増する吸引力特性では、ソレノイドにＯＮのステップ電流、例えばインダクタンスや駆動回路のフィードバックにより一次遅れ特性を示す応答電流を印加した時にｏｆｆ端の吸引力が小さい。そのため、スプリングの付勢荷重に打ち勝ってプランジャがｏｆｆ端から動作を開始する時刻が遅れる。ｏｆｆ端から離れて流体を制御開始する時刻との時間差が小さくなることから、流体制御開始時、すなわち、出力する特性が変化開始する時におけるプランジャやバルブ等の質量を有する可動部材の移動速度が非常に高くなる。そのため、付勢された高い慣性力によって、安定的に制御されるべき圧力や流量の所定の目標値に直ちに収束せず、過渡特性としてオーバーシュートやチャタリングが発生する、或いは連続脈動の起点となる等の不具合が発生する。

本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、吸引力を損なうことなくオーバーシュート等の発生を抑制するソレノイド装置を提供することにある。

本発明のソレノイド装置は、筒状のコイル（１２）と、コア（２０）と、プランジャ（６０）と、を備える。コアは、コイルの径方向内側に配置され、中心軸に沿って有底のプランジャ収容穴（３０）が形成され、コイルへの通電により吸引力を発生する。プランジャは、コアへの通電により発生した吸引力によって、コアの非通電時に位置するｏｆｆ端から、プランジャ収容穴の底面（３２）に設けられたストッパ（３７）に当接するＯＮ端まで、ＯＮ側移動方向に移動可能である。

コアは、肉厚が相対的に厚く磁気吸引力を発生する主吸引部（２４）と、プランジャの摺動を支持するプランジャ支持部（２１）との間に、肉厚が相対的に薄く磁気を遮断可能な薄肉部（２２）、又は、主吸引部とプランジャ支持部とを分断する分断部（２３）を有する。主吸引部の薄肉部又は分断部側の端部において、薄肉部又は分断部から主吸引部の厚肉部（２５、２６）に向かって外径が多段のテーパ状に拡大する径拡大部（４０１−４１０）が形成されている。

径拡大部は、薄肉部又は分断部側のテーパ起点を含む第１角度部（４２）、厚肉部側のテーパ終点を含む第３角度部（４６）、及び、第１角度部と第３角度部との間に設けられる第２角度部（４４）の少なくとも３つの角度部を含む。

径拡大部の軸方向断面において、主吸引部とプランジャ支持部との間に薄肉部を有する場合、薄肉部の外径面と第１角度部との交点をテーパ起点であるＡ点と定義する。又は、主吸引部とプランジャ支持部との間に分断部を有する場合、プランジャ収容穴の内周面（３１）と第１角度部との交点をテーパ起点であるＡ点と定義する。

厚肉部（２５）の外径面が中心軸に平行な場合、厚肉部の外径面と第３角度部との交点をテーパ終点であるＢ点と定義する。又は、厚肉部（２６）の外径面が中心軸に非平行であり、第３角度部がプランジャのＯＮ端における先端面の位置よりもＯＮ側移動方向に延長している場合、プランジャのＯＮ端における先端面の延長線と第３角度部との交点をテーパ終点であるＢ点と定義する。そして、Ａ点とＢ点とを結ぶ直線を中心軸の周りに回転して得られる仮想円錐面を基準円錐面（Ｓｒｅｆ）と定義する。

径拡大部は、以下の領域条件及び角度条件を満たすように構成されている。領域条件とは、Ａ点からＢ点までの全域において、第１角度部、第２角度部及び第３角度部の外径面が基準円錐面に対し面上、又は、基準円錐面よりも径方向外側に位置することをいう。

第１角度部の勾配角度である第１角度をα、第２角度部の勾配角度である第２角度をβ、第３角度部の勾配角度である第３角度をγ、基準円錐面Ｓｒｅｆの勾配角度である基準角度をθと表し、ＯＮ側移動方向の勾配角度を０°とし、ＯＮ側移動方向から径方向外側に傾く勾配角度を正値と定義する。角度条件とは、以下の関係式を満たすことをいう。
α≧θ、θ≧γ、θ＞β
α≧γ＞β

本発明の作用効果について、課題の説明と同様に、流体制御弁に適用される場合を例として説明する。本発明では、コア主吸引部の径拡大部は、上記の領域条件及び角度条件を満たすように、少なくとも３つの角度部を有するテーパ形状で構成される。３つの角度部の角度のうち最大の第１角度αを有する第１角度部では、小ストローク域でのｏｆｆ端での吸引力が高められる。

最小の第２角度βを有する第２角度部では、ｏｆｆ端から流体を制御開始する領域までの空走範囲において、磁束エネルギーの増加を抑制し、損失を低減する。その結果、吸引力特性は、小ストローク域で漸減する傾向となる。２番目に大きい第３角度γを有する第３角度部では、流体を制御する中間から終端に至る領域において、節約されていた磁束エネルギーを大きく使用できることから高い吸引力を生み出す効果が得られる。

特許文献１、２の従来技術で提示されているような「基準の円錐面から径方向内側に凹む凹部形状を有する構成」では、ｏｆｆ端域でα角度部に供給されるべき磁束エネルギーが凹部で絞られてしまう。したがって、本発明によるｏｆｆ端の領域における高い吸引力を生み出す効果は得られない。

それに対し本発明のソレノイド装置は、径拡大部の複合テーパ形状により、流体を制御するストローク領域での吸引力を損なうことなく、オーバーシュート等の発生を抑制することができる。

第１実施形態のソレノイド装置が適用される油圧制御弁の軸方向断面図。 第１実施形態のソレノイド装置の全体構成を示す軸方向断面図。 （ａ）図２のＩＩＩａ部に相当するソレノイド装置の部分拡大図、（ｂ）図３（ａ）における径拡大部の各勾配角度等を説明する模式図。 第１実施形態による吸引力特性図。 第１実施形態による（ａ）電流、（ｂ）ストローク、（ｃ）制御出力量の応答特性図。 第１実施形態による吸引力特性を示すイメージ図。 モード１での作用を示す部分拡大図。 モード２での作用を示す部分拡大図。 モード３での作用を示す部分拡大図。 モード４での作用を示す部分拡大図。 第２実施形態のソレノイド装置の部分拡大図。 第３実施形態のソレノイド装置の部分拡大図。 第４実施形態のソレノイド装置の部分拡大図。 第５実施形態のソレノイド装置の部分拡大図。 第６実施形態のソレノイド装置の部分拡大図。 第７実施形態のソレノイド装置の部分拡大図。 第８実施形態のソレノイド装置の部分拡大図。 第９実施形態のソレノイド装置の部分拡大図。 第１０実施形態のソレノイド装置の部分拡大図。 従来技術１のソレノイド装置の部分拡大図。 従来技術１による吸引力特性図。 従来技術１による（ａ）電流、（ｂ）ストローク、（ｃ）制御出力量の応答特性図。 従来技術２のソレノイド装置の部分拡大図。 従来技術２による吸引力特性図。

以下、ソレノイド装置の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態のソレノイド装置は、例えば自動変速機の油圧システムに適用される油圧制御弁においてスプール弁式の制御弁を駆動し、作動油の流量や圧力を制御するアクチュエータである。また、他の実施形態として、このソレノイド装置は、作動油に限らず、流体一般の流量や圧力を制御する流体制御弁等に適用可能である。

（第１実施形態）
第１実施形態について図１〜図１０を参照して説明する。最初に図１を参照し、油圧制御弁１００の全体構造を説明する。油圧制御弁１００は、スプール弁式の制御弁９０と、この制御弁９０を駆動するソレノイド装置１０とが中心軸Ｚ上に同軸に配置されて構成されている。制御弁９０は、筒状のスリーブ９１の内側をバルブ９６が摺動する。スリーブ９１は、筒の外壁と内壁とを貫通するドレインポート９２、出力ポート９３、入力ポート９４及びフィードバックポート９５が軸方向に配置されている。スリーブ９１内部を摺動するバルブ９６の位置に応じて、バルブ９６の外壁に設けられたランド及び溝によって、各ポートの開閉が選択される。

バルブ９６の一端にはソレノイド装置１０により駆動されるシャフト８０の先端が当接している。バルブ９６の他端は、エンドプレート９７に支持されたスプリング９８の荷重が付勢されている。ソレノイド装置１０が発生する磁気吸引力がスプリング９８の付勢荷重を上回ると、バルブ９６は、エンドプレート９７側に向かって移動する。

続いて図１、図２を参照し、ソレノイド装置１０の構成を説明する。ソレノイド装置１０は、ケース１１、コイル１２、コア２０、プランジャ６０、シャフト８０等を備える。コイル１２は、樹脂製のボビン１３の周囲に、絶縁被膜を施した導線が巻回されている。ケース１１、コア２０及びプランジャ６０は磁性材料で形成されており、外部の電源からコネクタ部１６を経由してコイル１２に通電されると、ケース１１、コア２０及びプランジャ６０を通る磁気回路に磁束が流れる。

コア２０は、コイル１２の径方向内側に配置され、中心軸Ｚに沿って有底のプランジャ収容穴３０が形成され、コイル１２への通電により磁気吸引力を発生する。コア２０は、肉厚が相対的に厚く磁気吸引力を発生する主吸引部２４と、プランジャ６０の摺動を支持するプランジャ支持部２１との間に、肉厚が相対的に薄く磁気を遮断可能な薄肉部２２を有している。

主吸引部２４は、径拡大部４０１、厚肉部２５及びフランジ部２８を有する。径拡大部４０１は、主吸引部２４の薄肉部２２側の端部において、薄肉部２２から厚肉部２５に向かって外径がテーパ状に拡大する。径拡大部４０１の詳細な形状については図３を参照して後述する。フランジ部２８は、制御弁９０のスリーブ９１の端面とボビン１３の端面との間に挟持される。

プランジャ６０は、プランジャ収容穴３０に収容される。プランジャ６０は、コア２０の磁気吸引力によって、コア２０の非通電時に位置するｏｆｆ端から、プランジャ収容穴３０の底面３２に設けられたストッパ３７に当接するＯＮ端まで、磁気吸引力の方向であるＯＮ側移動方向に移動可能である。

シャフト８０は、コア２０の中心軸Ｚ上に形成されたシャフト挿通孔２９に摺動可能に収容される。シャフト８０の一端はプランジャ６０の先端面に当接し、他端はバルブ９６の端面に当接する。制御弁９０のスプリング９８の荷重、バルブ９６のフィードバック圧による力、バルブ９６に掛かる流体力等の制御対象からの付勢荷重、言い換えれば制御対象からの反力は、シャフト８０を介してプランジャ６０に伝達される。磁気吸引力によってプランジャ６０がＯＮ側移動方向に移動すると、プランジャ６０の駆動力は、シャフト８０を介してバルブ９６に伝達される。

次に図３を参照し、プランジャ６０の先端部、及び、コア２０の主吸引部２４、特に径拡大部４０１の詳細な構成を説明する。第１〜第１０実施形態の径拡大部の符号は、実施形態の番号に対応して４０１〜４１０とする。また、以下の説明において、「非通電時、通電時」とは「コイル１２への非通電時、通電時」を意味する。図３には、非通電時におけるプランジャ６０の「ｏｆｆ端」の位置を示す。非通電時には制御対象からの付勢荷重（すなわち反力）により、プランジャ６０はｏｆｆ端に戻される。

プランジャ収容穴３０の底面３２には、非磁性材で形成されたリング状のストッパ３７が設けられている。通電時に発生する磁気吸引力により、プランジャ６０は、先端面６２がストッパ３７に当接する「ＯＮ端」まで、外周面６１がプランジャ収容穴３０の内周面３１に沿って移動する。ｏｆｆ端におけるプランジャ６０の先端面６２の位置Ｚｃから、ＯＮ端におけるプランジャ６０の先端面６２の位置Ｚｄまでがフルストロークとなる。

プランジャ６０のｏｆｆ端からＯＮ端に向かう方向、すなわち図３の右側から左側に向かう方向を「ＯＮ側移動方向」という。ここで、「ＯＮ側移動方向」の用語は、ストッパ３７の端面位置を超えてソレノイド装置１０の制御対象に向かう方向にまで拡張して用いられるものとする。以下の勾配角度は、中心軸Ｚに沿ったＯＮ側移動方向の角度を０°とし、ＯＮ側移動方向から径方向外側に傾く勾配角度を正値として定義される。

続いて、第１実施形態の径拡大部４０１の形状について説明する。径拡大部４０１は、ＯＮ側移動方向の視点で、薄肉部２２側の起点から厚肉部２５側の終点に向かって外径が多段のテーパ状に拡大する。第１実施形態では、厚肉部２５の外径面は中心軸Ｚに平行である。また、径拡大部４０１は中心軸Ｚを中心とする回転体であることを前提とし、軸方向断面における二次元形状に基づいて三次元形状が特定される。

径拡大部４０１は、起点側から順に第１角度部４２、第２角度部４４、第３角度部４６の３つの角度部を有する。第１角度部４２はテーパ起点を含み、第３角度部４６はテーパ終点を含む。第２角度部４４は、第１角度部４２と第３角度部４６との間に設けられる。図３（ｂ）に示すように、第１角度部４２、第２角度部４４、第３角度部４６の勾配角度を、それぞれ第１角度α、第２角度β、第３角度γとする。

また、第１実施形態では、第２角度βは０°である。すなわち、第２角度部４４の外径面は中心軸Ｚと平行となっている。なお、「０°」又は「平行」は厳密なものではなく、当該技術分野において通常に想定される誤差範囲を含むように解釈される。このように、「角度部」は「テーパ部」とほぼ同義であるが、通常の円錐形状に加え、勾配角度が０°である円筒面、又は、勾配角度が９０°である中心軸Ｚに直交する平面で構成される形状が含まれる。

次に、径拡大部４０１の軸方向断面において、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点及びＤ点を定義する。薄肉部２２の外径面と第１角度部４２との交点は、テーパ起点であるＡ点と定義される。厚肉部２５の外径面と第３角度部４６との交点は、テーパ終点であるＢ点と定義される。また、薄肉部２２の外径面の延長線とｏｆｆ端における先端面６２の延長線との交点は、Ｃ点と定義され、厚肉部２５の外径面とＯＮ端における先端面６２の延長線との交点は、Ｄ点と定義される。各実施形態に共通に、Ｃ点はＡ点に対しＯＮ端側の近接した位置にあり、Ｄ点はＢ点と同一、又は前後の近接した位置にある。図３（ａ）の第１実施形態では、Ｄ点はＢ点と重なっている。

さらに、Ａ点とＢ点とを結ぶ直線を中心軸の周りに回転して得られる仮想円錐面を基準円錐面Ｓｒｅｆと定義し、基準円錐面Ｓｒｅｆの勾配角度を基準角度θとする。本実施形態のソレノイド装置１０は、径拡大部４０１の形状に関し、次の「領域条件」及び「角度条件」を満たすように構成される。

Ａ点からＢ点までの全域において、第１角度部４２、第２角度部４４、第３角度部４６の外径面は、基準円錐面Ｓｒｅｆの面上、又は、基準円錐面Ｓｒｅｆよりも径方向外側に位置する。この条件を「領域条件」という。領域条件を簡単に言い換えると、「径拡大部４０１の全域が基準円錐面Ｓｒｅｆに対して凸である」と表現される。

第１角度α、第２角度β、第３角度γと基準角度θとの関係は式(１)で規定される。また、第１角度α、第２角度β、第３角度γの序列は、式（２）で規定される。この２つの不等式で表される条件を「角度条件」という。なお、図３に示す第１実施形態では、式（１）、（２）の「≧」について「＝」の場合は含まれず、「α＞θ＞γ＞β」の序列となっている。「≧」について「＝」となる場合は後述の第８、第９実施形態に示される。
α≧θ、θ≧γ、θ＞β ・・・（１）
α≧γ＞β ・・・（２）

また、プランジャ６０の先端面６２及び外周面６１の角部には角丸め部６３が形成されている。角丸め部６３と、プランジャ６０の外周面６１において外径が一定であるストレート部６４との交点をストレート臨界点と定義し、Ｑ点と記す。ここで、角丸め部６３は面取り部に置き換えられてもよい。

図３（ｂ）に示すように、プランジャ６０のｏｆｆ端において、Ｑ点は、薄肉部２２の軸方向の中心位置Ｚｍに対し先端面６２側、さらにＡ点の軸方向位置Ｚａに対しても先端面６２側に位置している。また、破線で示すような面取り部が形成される他の実施形態では、Ｑ点は、Ａ点の軸方向位置Ｚａに対しては先端面６２と反対側であるが、薄肉部２２の軸方向の中心位置Ｚｍに対しては先端面６２側に位置している。これにより、図７〜図１０に示すように、主吸引部２４とプランジャ６０とのラップ長Ｌｌａｐを適切に確保することができるため、後述する本実施形態の作用効果が好適に得られる。

次に、上記の領域条件及び角度条件を満たす第１実施形態の吸引力特性について、特許文献１（特許第６０９４３０９号公報）に開示された従来技術１と対比しつつ説明する。図２０に、従来技術１に基づく径拡大部４９１の形状を示し、図２１、図２２に、この形状による吸引力特性を示す。

特許文献１の図２等に示されるように、従来技術１の径拡大部において径拡大基準線Ｌｒｅｆの両端をなす第一基準点Ｑ１及び第二基準点Ｑ２は、第１実施形態で定義されたＣ点及びＤ点に対応する。従来技術１の径拡大部は、径拡大基準線Ｌｒｅｆに対し凸の部分と、径拡大基準線Ｌｒｅｆに対し凹の部分とが併存する。図２０に示すように、Ｂ点がＤ点よりＯＮ側にある場合、Ａ点とＢ点とを直線で結んだ単一テーパ形状の角度部４７からなる径拡大部４９１の形状は、径拡大基準線Ｌｒｅｆに対し凸部及び凹部を有する。よって、径拡大部４９１の形状は従来技術１に該当する。

また、図２０において、プランジャ６０の面取り部６９とストレート部６４との交点であるストレート臨界点（Ｑ点）は、薄肉部２２の軸方向の中心位置Ｚｍに対し先端面６２と反対側に位置する。したがって、主吸引部２４とプランジャ６０とのラップ長Ｌｌａｐが十分に確保されない。

図２１に、ストロークに対する電流値毎の磁気吸引力特性を示す。通電時、プランジャ６０は、図の右側に記されたｏｆｆ端から、図の左側に記されたＯＮ端に向かって移動する。ｏｆｆ端からストロークＳｔｆまでの区間は、通電開始後、制御開始するまでの空走範囲であり、ストロークＳｔｆからストロークｓｔｈまでの区間は、制御弁９０により圧力又は流量を制御する制御領域である。通電される電流値について「ｉ」は任意の電流単位であり、「２ｉ」は「１ｉ」の２倍の電流、「５ｉ」は「１ｉ」の５倍の電流であることを示す。「４ｉ」と「５ｉ」との間には「０．２ｉ」単位の特性線が細線で示される。Ｔａｒｇｅｔは制御目標電流の例であり、最大電流よりやや低く設定されている。

一点鎖線のＬｄは、制御側から受けるスプリング荷重や油圧フィードバック力等の付勢荷重を示す。破線のＬｐは、プランジャ６０が付勢荷重との釣り合いを保ちつつ移動する軌跡を示す。軌跡Ｌｐ上にて、ｏｆｆ端に五角の星印で示す点をＥ点、ストロークＳｔｆの位置に四角の星印で示す点をＦ点、制御目標電流との交点をＧ点とする。通電が開始されるとｏｆｆ端の磁気吸引力は０からＥ点の値まで増加し、その後、プランジャ６０の移動に伴って、電流が増加すると共に磁気吸引力がＥ点からＦ点、Ｇ点へと移行する。制御領域においてＧ点に到達するときのストロークをＳｔｇと記す。Ｇ点では電流が制御目標電流に到達し、発生する磁気吸引力が付勢荷重Ｌｄと釣り合う。

ここで、ｏｆｆ端からの移動開始直後の磁気吸引力の変化に注目すると、吸引力はストロークに対し漸増している。また、空走範囲における電流の変化に注目し、Ｅ点での電流値をＸ２＿（Ａ）、空走範囲から制御領域に移行するＦ点での電流値をＸ２＋ΔＸ（Ａ）とする。Ｘ２＿（Ａ）は約４．４ｉ、Ｘ２＋ΔＸ（Ａ）は約４．６ｉである。その電流差ΔＸはわずか０．２ｉ程度であり、ほぼ０に等しい。

図２２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）には、通電開始からの応答時間に対する電流、ストローク、及び、制御弁９０により制御される圧力や流量等の制御出力量の応答カーブを示す。電流は、駆動回路のフィードバック制御による一次遅れカーブを描いて増加し、制御目標電流に収束する。応答時間のｔｅ及びｔｆは、それぞれ、図２１のＥ点及びＦ点に対応する。応答時間ｔｅにてｏｆｆ端からの移動が開始され、応答時間ｔｆにて圧力又は流量の制御が開始される。後述する第１実施形態に比べ、従来技術１では、応答時間ｔｅとｔｆとの時間差Δｔが極めて短時間である。ストローク応答カーブに実線のブロック矢印で示すように、応答時間ｔｅからｔｆまでの期間での移動速度が高く、応答時間ｔｆにて制御領域に入ったとき、プランジャ６０は慣性で飛び出す。その結果、ストローク及び制御出力量は、オーバーシュートを繰り返しながら目標値Ｔａｒｇｅｔに向かって振幅が減衰する。

従来技術１の特性によりオーバーシュート等の不具合が発生するメカニズムは、以下のように考えられる。従来技術１では、ストロークのｏｆｆ端から中央域、すなわち制御弁９０の制御開始域にかけて吸引力が漸増する特性となる。この漸増する吸引力特性では、ソレノイドにＯＮのステップ電流、例えばインダクタンスや駆動回路のフィードバックにより一次遅れ特性を示す応答電流を印加した時にｏｆｆ端の吸引力が小さい。そのため、スプリングの付勢荷重に打ち勝ってプランジャがｏｆｆ端から動作を開始する時刻が遅れる。ｏｆｆ端から離れて流体を制御開始する時刻との時間差が小さくなることから、流体制御開始時、すなわち、出力する特性が変化開始する時におけるプランジャやバルブ等の質量を有する可動部材の移動速度が非常に高くなる。そのため、付勢された高い慣性力によって、安定的に制御されるべき圧力や流量の所定の目標値に直ちに収束せず、過渡特性としてオーバーシュートやチャタリングが発生する、或いは連続脈動の起点となる等の不具合が発生する。

次に図４、図５を参照し、第１実施形態による吸引力特性について説明する。図示の内容は図２１、図２２と同様である。図４において通電が開始されると、図２１と同様に、磁気吸引力は軌跡Ｌｐに沿って０からＥ点、Ｆ点、Ｇ点へと移行する。ここで、ｏｆｆ端からの移動開始直後の磁気吸引力の変化に注目すると、第１実施形態ではｏｆｆ端で高い吸引力が得られるため、ストロークに対して吸引力が漸減する。また、空走範囲における電流の変化に注目し、Ｅ点での電流値をＸ１＿（Ａ）、空走範囲から制御領域に移行するＦ点での電流値をＸ１＋ΔＸ（Ａ）とする。Ｘ１＿（Ａ）は約３．４ｉ、Ｘ１＋ΔＸ（Ａ）は約４．６ｉであり、電流差ΔＸは１．２ｉ程度であって従来技術１に比べて大きい。

図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）には、通電開始からの応答時間に対する電流、ストローク及び制御出力量の応答カーブを示す。電流カーブにおける電流差ΔＸが従来技術１に比べ大きいことに対応し、第１実施形態では、応答時間ｔｅとｔｆとの時間差Δｔが大きくなる。つまり、ｏｆｆ端の吸引力が高く低電流の早い時期に動作開始できるため、駆動開始のタイミングである応答時間ｔｅが早くなり、その結果、時間差Δｔが大きくなる。これにより、ストローク応答カーブに破線のブロック矢印で示すように、応答時間ｔｅからｔｆまで期間での移動速度が低くなり、応答時間ｔｆにて制御領域に入ったときの慣性が低く、プランジャ６０の飛び出しが抑制される。したがって、ストローク及び制御出力量のオーバーシュート量が小さくなり、安定した制御が可能となる。

次に、特許文献２（特許第３７５７８１７号公報）に開示された従来技術２との対比を説明する。図２３に、特許文献２の図２に対しプランジャがＯＮ端に移動した状態におけるコア主吸引部の径拡大部４９２の形状を示す。図２４に、この形状による吸引力特性を示す。

従来技術２の径拡大部４９２は、第１実施形態と対照すると、第１角度部４２及び第２角度部４４を有し、第３角度部４６を有しない形状である。第２角度部４４の第２角度βは、第１角度部４２の第１角度αより小さく、プランジャのＯＮ側移動方向に向けて勾配角度が減少するようにした形状となっている。また、薄肉部２２の外径面におけるテーパ起点をＡ点とし、厚肉部２５の外径面とプランジャ６０のＯＮ端での先端面６２の延長線との交点をＤ点として、Ａ点及びＤ点を結ぶ仮想の円錐面を基準円錐面Ｓｒｅｆと定義する。第２角度部４４は基準円錐面Ｓｒｅｆに対して凹形状となっている。

図２４に、従来技術２による吸引力特性と第１実施形態による吸引力特性とを対比して示す。電流毎の特性については、簡単に低電流時、中電流時、高電流時の３パターンのみを示す。図２０に示す単一テーパ形状の従来技術１による特性に比べると、従来技術２による吸引力特性では、矢印＃１に示すように、ｏｆｆ端及びストロークの中央域の磁気吸引力がアップしている。また、矢印＃２に示すように、制御領域のＯＮ端側からＯＮ端にかけて磁気吸引力の減少が抑制されている。その結果、ストロークに対し比較的フラットな特性を生み出す効果が生じている。

しかし、ｏｆｆ端側領域でのストローク増加に対する吸引力の傾きは、第１実施形態が漸減するのに対し、従来技術２では従来技術１と同様に漸増する特性となっている。そのため、従来技術２によっても、図２４に示すオーバーシュートや脈動等の不具合を抑制する効果は得られない。

また、従来技術２の形状では、第１角度部４２の第１角度αを大きくしｏｆｆ端側の吸引力をアップさせる狙いがあるものの、第２角度部４４が基準円錐面Ｓｒｅｆに対し凹の形状にあるため、磁気絞り部（或いは磁気抵抗部）が存在することになる。すると、第１角度部４２の方へ供給される磁束量が絞られてしまうため、ｏｆｆ端での磁気吸引力をアップさせる効果は小さい。したがって、第１実施形態のように磁気吸引力が漸減する傾きを持った吸引力特性を得ることはできない。

次に図６〜図１０を参照し、第１実施形態による吸引力発生のメカニズムを説明する。図６に、ストロークに対する吸引力特性の変化イメージを示す。ｏｆｆ端からＯＮ端までの４つのモード１〜４について、各モードにおける磁束エネルギーＥφ及び吸引力ベクトルＦｓの作用を図７〜図１０に示す。図中のＦｓ＿ｚは、吸引力ベクトルＦｓの中心軸Ｚ方向の成分を表す。コア２０の主吸引部２４とプランジャ６０とのラップ長Ｌｌａｐは、Ａ点とＱ点との軸方向距離に相当する。

図７に、ストロークのｏｆｆ端位置でのモード１を示す。磁束エネルギーＥφは、厚肉部２５から径拡大部４０１の肉厚中心を通る磁力線φに沿って発生する。コア２０とプランジャ６０とのラップ長Ｌｌａｐが短いため、磁束エネルギーＥφは比較的小さい。しかし、第１角度αが比較的大きく、第１角度部４２のボリュームが大きいため、吸引力ベクトルＦｓは、勾配角度が小さく抑えられる。そのため、吸引力ベクトルＦｓの軸方向成分Ｆｓ＿ｚが大きく確保され、ＯＮ側移動方向に向かって大きな吸引力が得られる。

図８に、ｏｆｆ端から流体制御領域までの空走範囲でのモード２を示す。モード２では、モード１に比べてストローク及びラップ長Ｌｌａｐが増加するものの、第２角度部４４の第２角度βが小さいため節約効果により磁束エネルギーＥφは増加しない。また、吸引力ベクトルＦｓは、勾配角度が大きくなる、すなわち、径方向外側に向かって立ち上がるため、モード１に比べて軸方向成分Ｆｓ＿ｚが小さくなる。したがって、磁気吸引力はモード１から漸減する。

図９に、流体の圧力や流量が制御される制御領域でのモード３を示し、図１０に、ストロークのＯＮ端位置でのモード４を示す。モード３、４では、コア２０とプランジャ６０とのラップ長Ｌｌａｐがストロークに従って大きくなる。また、第３角度部４６には基準円錐面Ｓｒｅｆに対して磁気絞りになるような凹形状部が無いため、磁束エネルギーＥφが適切に増加し、吸引力ベクトルの軸方向成分Ｆｓ＿ｚは大きな値が得られる。さらに、第３角度部４６はＯＮ端付近の厚肉部２５まで概ね一定の勾配角度で延びるため、ストローク中央域からＯＮ端までの領域での磁気吸引力の低下量は小さい。

このように第１実施形態のソレノイド装置１０では、径拡大部４０を構成する第１角度部４２、第２角度部４４及び第３角度部４６は、上記の領域条件及び角度条件を満たすように構成される。すなわち、径拡大部４０１の全域が基準円錐面Ｓｒｅｆに対して凸であり、テーパ起点側の第１角度αは基準角度より大きく且つ３つの角度の中で最大であり、テーパ終点側の第３角度γは２番目に大きく、中間の第２角度βは最も小さい。この構成により、第１実施形態は、従来技術１、２に対し、吸引力を損なうことなくオーバーシュート等の発生を好適に抑制することができる。

次に径拡大部の形状のバリエーションとして、第２〜第１０実施形態について図１１〜図１９を参照して説明する。各実施形態の径拡大部は、いずれも上記の領域条件及び角度条件を満たすように構成されている。

（第２実施形態）
図１１に示す第２実施形態の径拡大部４０２は、第１実施形態の径拡大部４０１に対し第２角度部４４の第２角度βが正の値であり、第２角度部４４は、ＯＮ側移動方向に向かって外径がやや増加している。また、Ｂ点は、Ｄ点よりもややｏｆｆ端にオフセットしている。第２実施形態の径拡大部４０２は、第１実施形態の径拡大部４０１の形状を微修正したものであり、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

（第３実施形態）
図１２に示す第３実施形態では、コア２０の主吸引部２４は厚肉部２６が中心軸Ｚに非平行であり、第３角度部４６がプランジャ６０のＯＮ端における先端面６２の位置よりもＯＮ側移動方向に延長している。第３実施形態の径拡大部４０３の軸方向断面において、テーパ終点であるＢ点は、プランジャ６０のＯＮ端における先端面６２の延長線と第３角度部４６との交点として定義される。すなわちＢ点はＤ点と一致する。このように厚肉部２６が中心軸Ｚに非平行な形態においても、Ｂ点の定義を読み替えることにより、本実施形態の技術的思想を共通に適用可能である。

（第４実施形態）
図１３に示す第４実施形態の径拡大部４０４は、第１実施形態の径拡大部４０１に対し第２角度部４４の第２角度βが負の値であり、第２角度部４４は、ＯＮ側移動方向に向かって外径が減少している。また、Ｂ点は、Ｄ点よりもややＯＮ側にオフセットしている。第２角度βを負の値とすることで、空走範囲における磁束エネルギーの増加抑制の効果がより顕著となる。

（第５実施形態）
図１４に示す第５実施形態の径拡大部４０５は、第１角度部４２と第２角度部４４との境界部、及び、第２角度部４４と第３角度部４６との境界部がいずれも軸方向断面において曲線で接続されている。図１４の例では、各境界部は、仮想線で示すように、第１角度部４２及び第２角度部４４に接する円弧、並びに、第２角度部４４及び第３角度部４６に接する円弧で接続されている。境界部のエッジを無くすことにより応力集中が低減し強度が確保されるとともに、吸引力特性が滑らかに変化する。また、内側コーナーとなる第２角度部４４と第３角度部４６との境界部は、切削加工において通常に工具のノーズＲ相当の円弧形状となる。

なお、図１４の例では第２角度４４の第２角度βは負の値であり、また、Ｂ点は、Ｄ点よりもややｏｆｆ端側にオフセットしているが、第５実施形態による「境界部が曲線で接続される構成」は、各角度の値や各点の位置によらず、どの径拡大部について適用されてもよい。また、径拡大部における各角度部の境界部のうち少なくとも一つについて、曲線で接続される構成が適用されてもよい。

（第６実施形態）
図１５に示す第６実施形態では、コア２０は、上記実施形態の薄肉部２２に代えて、主吸引部２４とプランジャ支持部２１とを分断する分断部２３を有している。第６実施形態の径拡大部４０６の軸方向断面において、テーパ起点であるＡ点は、プランジャ収容穴３０の内周面３１と第１角度部４２との交点として定義される。このＡ点とＢ点とを結ぶ直線に基づいて上記実施形態と同様に基準円錐面Ｓｒｅｆが定義される。図１５の例では、第１角度部４２は、Ａ点から第１角度αが立ち上がっている。また、Ｃ点は、プランジャ収容穴３０の内周面３１と、ｏｆｆ端におけるプランジャ６０の先端面６２の延長線との交点として定義される。このようにコア２０が分断部２３を有する形態においても、Ａ点の定義を読み替えることにより、本実施形態の技術的思想を共通に適用可能である。

（第７実施形態）
図１６に示す第７実施形態は、第６実施形態と同様に、コア２０が分断部２３を有している。第７実施形態の径拡大部４０７では、第１角度部４２の第１角度αが９０°に設定されている。すなわち、分断部２３に面する主吸引部２４の端面は中心軸Ｚに直交する。また、図１６の例では、第１角度αが９０°の第１角度部４２と第２角度βが０°の第２角度部４４との間に、面取り相当の準第１角度α⁺を有する準第１角度部４３が形成されている。或いは、第１角度αは９０°より大きく設定されてもよい。このように径拡大部４０７は、第１角度部４２、第２角度部４４及び第３角度部４６に加えて４番目の角度部を有してもよい。その場合でも、径拡大部４０７の形状は、領域条件及び角度条件を満たすように規定される。なお、準第１角度α⁺には角度条件は適用されない。

（第８、第９実施形態）
図１７、図１８に示す第８、第９実施形態の径拡大部４０８、４０９は、いずれも第１実施形態の径拡大部４０１に対し、第１角度部４２と第２角度部４４との間に４番目の角度部として準第１角度部４３が形成されている。準第１角度α⁺は第１角度αよりも大きく設定されており、且つ、第１角度αは基準円錐面Ｓｒｅｆの基準角度θと同一に設定されている。第１〜第７実施形態では「α＞θ」の関係であるのに対し、第８、第９実施形態では「α＝θ」の関係となる。したがって、径拡大部４０８、４０９は、Ａ点からＢ点までの領域のうち第１角度部４２が基準円錐面Ｓｒｅｆ上に存在することになる。

さらに、第８実施形態では第３角度γが基準角度θより小さい「θ＞γ」の関係であるのに対し、第９実施形態では第３角度γが基準角度θに等しい「θ＝γ」の関係にある。そのため、第９実施形態の径拡大部４０９は、Ａ点からＢ点までの領域のうち第１角度部４２及び第３角度部４６が基準円錐面Ｓｒｅｆ上に存在することになる。また、「α＝γ＝θ」の関係が成り立つ。したがって、第８実施形態では「（θ＝）α＞γ＞β」、第９実施形態では「（θ＝）α＝γ＞β」の角度条件を満たす。このような第８、第９実施形態によっても第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

（第１０実施形態）
図１９に示す第１０実施形態の径拡大部４１０は、第１実施形態の径拡大部４０１に対し、第２角度部４４と第３角度部４６との間に４番目の角度部として準第３角度部４５が形成されている。準第３角度γ^-は第３角度γよりも大きく設定されており、且つ、第３角度γは第２角度βより大きく設定されている。したがって、「α＞γ＞β」の角度条件を満たす。なお、準第３角度γ^-には角度条件は適用されない。

（その他の実施形態）
（ａ）第７〜第１０実施形態では、径拡大部において基本となる３つの角度α、β、γに加え、４番目の角度α⁺又はγ^-を有する例が示されている。これに準じて、第１角度αと第２角度βとの間、又は、第２角度βと第３角度γとの間に、さらに５番目以上の角度を有するように径拡大部が構成されてもよい。その場合、第１角度αと第３角度γとの間にある角度のうち最小の角度を第２角度βと解釈すればよい。

（ｂ）本発明のソレノイド装置は、自動変速機の油圧制御弁やその他の流体制御弁に限らず、出力シャフトの移動量に応じて圧力、流量等の制御出力量が制御されるどのような装置に適用されてもよい。また、本発明のソレノイド装置は、プランジャの移動により、単純に開、閉の２モードを切り替えるロッキング機構等のアクチュエータに使用されてもよい。その場合でも、ｏｆｆ端で静止摩擦状態にある可動部材に印加された電流応答波形に対し、低電流にある早い時刻からスプリング等の付勢荷重に打ち勝って起動開始できるため、応答の反応時間が早くなり、さらに作動後の速度及び慣性力が適切に抑制される。したがって、ストッパ部材の耐久性を向上させ、可動部材がストッパ部材に当接する時の打撃音が低く抑えられるといった効果が得られる。

以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０・・・ソレノイド装置、 １２・・・コイル、 ２０・・・コア、
２１・・・プランジャ支持部、 ２２・・・薄肉部、 ２３・・・分断部、
２４・・・主吸引部、 ２５、２６・・・厚肉部、
３０・・・プランジャ収容穴、 ３２・・・底面、 ３７・・・ストッパ、
４０１−４１０・・・径拡大部、
４２・・・第１角度部、 ４４・・・第２角度部、 ４６・・・第３角度部、
６０・・・プランジャ。

Claims (6)

1. コイル（１２）と、
   前記コイルの径方向内側に配置され、中心軸に沿って有底のプランジャ収容穴（３０）が形成され、前記コイルへの通電により磁気吸引力を発生するコア（２０）と、
   前記プランジャ収容穴に収容され、前記コアの磁気吸引力によって、前記コアの非通電時に位置するｏｆｆ端から、前記プランジャ収容穴の底面（３２）に設けられたストッパ（３７）に当接するＯＮ端まで、ＯＮ側移動方向に移動可能なプランジャ（６０）と、
   を備え、
   前記コアは、肉厚が相対的に厚く磁気吸引力を発生する主吸引部（２４）と、前記プランジャの摺動を支持するプランジャ支持部（２１）との間に、肉厚が相対的に薄く磁気を遮断可能な薄肉部（２２）、又は、前記主吸引部と前記プランジャ支持部とを分断する分断部（２３）を有し、前記主吸引部の前記薄肉部又は前記分断部側の端部において、前記薄肉部又は前記分断部から前記主吸引部の厚肉部（２５、２６）に向かって外径が多段のテーパ状に拡大する径拡大部（４０１−４１０）が形成されており、
   前記径拡大部は、前記薄肉部又は前記分断部側のテーパ起点を含む第１角度部（４２）、前記厚肉部側のテーパ終点を含む第３角度部（４６）、及び、前記第１角度部と前記第３角度部との間に設けられる第２角度部（４４）の少なくとも３つの角度部を含み、
   前記径拡大部の軸方向断面において、
   前記主吸引部と前記プランジャ支持部との間に前記薄肉部を有する場合、前記薄肉部の外径面と前記第１角度部との交点をテーパ起点であるＡ点と定義し、又は、前記主吸引部と前記プランジャ支持部との間に前記分断部を有する場合、前記プランジャ収容穴の内周面（３１）と前記第１角度部との交点をテーパ起点であるＡ点と定義し、
   前記厚肉部（２５）の外径面が中心軸に平行な場合、前記厚肉部の外径面と前記第３角度部との交点をテーパ終点であるＢ点と定義し、又は、前記厚肉部（２６）の外径面が中心軸に非平行であり、前記第３角度部が前記プランジャのＯＮ端における先端面の位置よりも前記ＯＮ側移動方向に延長している場合、前記プランジャのＯＮ端における先端面の延長線と前記第３角度部との交点をテーパ終点であるＢ点と定義し、
   前記Ａ点と前記Ｂ点とを結ぶ直線を中心軸の周りに回転して得られる仮想円錐面を基準円錐面（Ｓｒｅｆ）と定義すると、
   前記径拡大部は、
   前記Ａ点から前記Ｂ点までの全域において、前記第１角度部、前記第２角度部及び前記第３角度部の外径面が前記基準円錐面に対し面上、又は、前記基準円錐面よりも径方向外側に位置する領域条件、並びに、
   前記第１角度部の勾配角度である第１角度をα、前記第２角度部の勾配角度である第２角度をβ、前記第３角度部の勾配角度である第３角度をγ、前記基準円錐面Ｓｒｅｆの勾配角度である基準角度をθと表し、前記ＯＮ側移動方向の勾配角度を０°とし、前記ＯＮ側移動方向から径方向外側に傾く勾配角度を正値と定義したとき、
   α≧θ、θ≧γ、θ＞β
   α≧γ＞β
   となる角度条件、
   を満たすように構成されているソレノイド装置。
2. 前記プランジャの先端面（６２）及び外周面（６１）の角部に形成された角丸め部（６３）又は面取り部と、前記プランジャの外周面において外径が一定であるストレート部（６４）との交点であるストレート臨界点は、前記プランジャのｏｆｆ端において、前記薄肉部又は前記分断部の軸方向の中心位置（Ｚｍ）に対し前記プランジャの先端面側に位置する請求項１に記載のソレノイド装置。
3. 前記ストレート臨界点は、前記プランジャのｏｆｆ端において、前記Ａ点の軸方向位置に対し前記プランジャの先端面側に位置する請求項２に記載のソレノイド装置。
4. 前記第２角度（β）は０°である請求項１〜３のいずれか一項に記載のソレノイド装置。
5. 前記第１角度（α）は９０°以上である請求項１〜４のいずれか一項に記載のソレノイド装置。
6. 前記第１角度部、前記第２角度部及び前記第３角度部のうち少なくとも一つは、隣接する角度部との境界部が軸方向断面において曲線で接続されている１〜５のいずれか一項に記載のソレノイド装置。

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