JP2019207914A - 永久磁石内蔵型ソレノイド - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な構造とすることなく永久磁石の保持力低下を防止できる永久磁石内蔵型ソレノイドを提供する。【解決手段】永久磁石内蔵型ロックソレノイド１０のボディ１１の一端側端面に永久磁石１２を設置する。永久磁石１２は、磁石磁路形成用ストッパ１５によって、コイル軸方向の移動を規制されている。磁石磁路形成用ストッパ１５は、コイル軸方向に断面凸部形状で、突出した部分の内側は非通電時において可動鉄心１４が内包される内包空間となっている。内包空間を有することで、可動鉄心１４の移動距離を長くできるメリットがある上、ボディ１１と磁石磁路形成用ストッパ１５の近接部に磁気ギャップを設けることで通電時、非通電時に磁石磁路が変更される構造とした。【選択図】図１

Description

本発明は、ソレノイドに係り、さらに詳細には永久磁石を付設した永久磁石内蔵型ソレノイドに関する。

従来から、ソレノイドは、ソレノイド内のコイルに通電することで電磁力を発生させ、コイル内側の可動鉄心（プランジャ）を吸引し移動させることができる。このようなソレノイドは、一般的にコイルが一つ（単コイル）の場合、コイルの通電によりコイルの動作方向一端の可動鉄心吸着面で可動鉄心を保持している。この可動鉄心吸着面でのコイル保持を維持するためには、コイルの通電をし続ける必要があるため、コイルの発熱や消費電力の増大などの問題があった。

そこで、消費電力を低減しながら可動鉄心の自己保持やコイルの動作方向両端の可動鉄心吸着面で可動鉄心の保持を行う手段として、永久磁石を用いた自己保持型の単コイルソレノイド（例として特許文献１）や双方向性アシスト機能を備えた永久磁石を含んだ単コイルソレノイドが開示されている（例として特許文献２）。

特許文献１には、コイル通電状態から非通電にした時に可動鉄心をスプリングの付勢力に抗して永久磁石にて固定鉄心へ吸着保持させ、コイルに最初の通電方向とは逆方向の電流を通電することで永久磁石の吸着保持を解除している、プランジャ型電磁石が開示されている。

特許文献２には、単コイルが脱エネルギー状態にあるとき永久磁石に引き寄せられて保持ポジションを維持し、単コイルが有エネルギー状態にあるとき永久磁石と反発して押し引き力を発生させる磁極性を有する可動鉄心を含み、可動鉄心を保持するだけでなく、単コイルに通電されると可動鉄心を移動させる双方向性アシスト機能を備える永久磁石を有した単コイルソレノイドが開示されている。

特開平０２−１６５６０６ 特開２００５−０６４４９１

しかしながら、特許文献１のプランジャ型電磁石では、永久磁石の自己保持を解除するためにコイルに最初の通電方向と逆方向の電流を流すため、ソレノイド制御が複雑化し、コストがアップする。

また、特許文献２の双方向性アシスト機能を備え、永久磁石を有した単コイルソレノイドでは、永久磁石は、非磁性スペーサを介して可動鉄心を引き寄せる必要があり、且つコイル通電時に可動鉄心を反発させることができる磁力を有する必要があるので、磁石を大型化させて保持力を高める必要がある。

さらに、コイルの磁路の磁束量が、永久磁石の磁路より過大となった場合、永久磁石に逆磁界がかかることで減磁して保持力が低下してしまう。そのため、減磁しないようにするには磁石の磁力およびコイルの磁路設計に大きな制限がかかる。つまりは、コイル通電時の電磁力を上げて可動鉄心の強制開放動作速度を上げようとしても磁石の劣化、保持力低下に係る影響を鑑みた設計を都度行う必要があり、設計工数の増加が問題となる。

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、構成の複雑化および大型化を伴うことなく、コイル通電時の電磁力を大きくした場合にも永久磁石の保持力が低下しない永久磁石内蔵型ソレノイドを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る永久磁石内蔵型ソレノイドは、
円筒軸方向に開口部を有する円筒状のボディと、前記ボディの一端側端面に配置された永久磁石と、前記ボディ内に配置されるコイルと、前記コイルに内挿される可動鉄心と、前記永久磁石をコイル軸方向に規制して磁路を形成する磁石磁路形成用ストッパと、を備える永久磁石内蔵型ソレノイドであって、
前記磁石磁路形成用ストッパは、コイル軸方向に断面凸部形状を有し、
前記断面凸部形状の突出部の内側には前記可動鉄心の移動を規制および吸着する可動鉄心吸着面を有し、
前記可動鉄心吸着面は前記一端側端面よりも前記ボディの外部方向に延出し、
前記ボディと前記磁石磁路形成用ストッパが近接する部分に磁気ギャップを有することを特徴としている。

本発明に係る永久磁石内蔵型ソレノイドによれば、コイル通電時と非通電時とで永久磁石の磁路が切り替わる構造により複雑な構造にすることなく永久磁石の保持力低下を防止できる。

コイル非通電時の本実施形態の永久磁石内蔵型ロックソレノイドの断面図である。 コイル通電開始時の図１に示す永久磁石内蔵型ロックソレノイドの磁路の変化を示す拡大図である。 コイル通電時可動鉄心フルストローク状態の図１および図２の永久磁石内蔵型ロックソレノイドの断面図である。

以下に、図１から図３を用いて、本発明の一実施形態に係る永久磁石内蔵型ロックソレノイドについて説明する。図１は、本実施形態のコイル非通電時の永久磁石内蔵型ロックソレノイドの断面図である。図２は、コイル通電開始時の永久磁石内蔵型ロックソレノイドの磁路の変化を示す拡大図である。図３は、コイル通電時可動鉄心がフルストロークしている状態の永久磁石内蔵型ロックソレノイドの断面図である。

図１および図２に示すように、本実施形態に係る永久磁石内蔵型ロックソレノイド１０は、円筒軸方向に開口部を有する円筒状のボディ１１内に永久磁石１２およびコイル１３が配置されている。ボディ１１の一端側端面１１ａに永久磁石１２を設置し、磁石磁路形成用ストッパ１５の磁石軸方向規制面１５ｂによって、永久磁石１２はコイル軸方向の移動が規制されている。

ボディ１１と磁石磁路形成用ストッパ１５の勘合部２０ａには非磁性体のカバー２０が介在している。このカバー２０の鍔部２０ｂによって永久磁石１２のコイル径方向の固定がされ、永久磁石１２はボディ１１の内径とコイル１３内径に対して同心となるように位置決めされている。

ボディ１１には段付部１１ｂが設けられており、ガイド１６を介してコイル１３を勘合する。ガイド着座面１６ａと磁石磁路形成用ストッパ１５との間にはエアギャップの役割を果たす空間３０が形成されている。また、ボディ１１と磁石磁路形成用ストッパ１５との間にはエアギャップ形成のために空間３０ａが形成されている。

本実施形態は空間３０、３０ａにて磁石磁路形成用ストッパ１５とボディ１１、磁石磁路形成用ストッパ１５とガイド１６の間にエアギャップを形成しているが、空間３０、３０ａに非磁性体を詰めてもよい。また非磁性体を詰めることで永久磁石１２や磁石磁路形成用ストッパ１５の固定および段付部１１ｂの代替としてガイド着座面１６ａの着座位置としてもよい。

ガイド１６の内径には可動鉄心１４が摺動自在に嵌挿されており、可動鉄心１４はコイル１３の励磁の電磁力によりコイル１３に内挿され、コイル軸方向に移動するようになっている。磁石磁路形成用ストッパ１５の可動鉄心吸着面１５ａは、可動鉄心１４の動作方向の一端を保持しており、且つボディ１１の一端側端面１１ａよりもボディ１１の外部方向に延出している。

コイル１３の一方の端部はガイド１６と係合しており、他方の端部は固定鉄心１７と係合されている。固定鉄心１７にはエンドプレート１８が係合され、固定鉄心１７とエンドプレート１８はボディ１１でカシメ固定されている。ボディ１１外周にはフランジ２４を溶接や圧入等で固着し、永久磁石内蔵型ロックソレノイド１０はフランジ２４によって図示しない被固定対象物に固定される。

可動鉄心１４にはシャフト部材１４ａが延接されており、シャフト部材１４ａの外周部には可動鉄心１４を非通電時の配置に戻す方向に弾発するリターンスプリング２２が介在している。リターンスプリング２２はスプリングガイド２３で保持されており、シャフト部材１４ａの先端にはロック部材２１を有し、ロック対象物の固定が可能である。

本実施形態に係る永久磁石内蔵型ロックソレノイド１０は、以上のように構成されるものであり、次にその動作ならびに作用効果について説明する。

図１は、コイル１３に通電がされていない状態であり、可動鉄心１４は、リターンスプリング２２と永久磁石１２によって可動鉄心吸着面１５ａに固定され、保持されている。このとき永久磁石内蔵型ロックソレノイド１０に発生する永久磁石１２の磁束流れはボディ１１とガイド１６と可動鉄心１３と可動鉄心吸着面１５ａと磁石磁路形成用ストッパ１５との間の形成される第１磁路４０となる。

本来コイル１３に通電がされていない状態では永久磁石１２の磁束が発生しやすいのは、磁石磁路形成用ストッパ１５と、磁石磁路形成用ストッパ１５とボディ１１の近接する嵌合部２０ａと、ボディ１１間の、第１磁路４０よりも磁路距離が短い図２に示すような第２磁路４１である。しかし、本実施形態では、本来磁束が発生しやすい嵌合部２０ａに非磁性体のカバー２０が介していることで０．１〜０．３ｍｍの磁気ギャップＧを設けている。この磁気ギャップＧにより、コイル１３に通電がされていない状態では磁気ギャップが生じない磁性体間の第１磁路４０が優先的に形成されている。

本実施形態の永久磁石１２は、引用文献２のようにコイル１３が通電されていない状態で非磁性スペーサを介した可動鉄心１４の吸着をする必要が無い。そのため、非磁性体を介するゆえに必要である永久磁石１２の大型化、すなわち磁力低下を見越した保持力増加が不要となる。

コイル１３を励磁し電磁力が発生すると図２および図３に示すようにコイル１３とガイド１６と可動鉄心１４と固定鉄心１７とボディ１１の間に形成されるコイル磁路４２が形成される。このコイル磁路４２が形成されると、コイル磁路４２と永久磁石１２の第１磁路４０の共有磁路となるガイド１６にはコイル１３の磁束で磁束飽和が発生するので、第１磁路４０はコイル通電時においては対向した磁路方向となり通りにくくなる。そのため、永久磁石１２の磁路は、ガイド１６を通過しない磁路として、コイル通電時においては、永久磁石１２と磁石磁路形成用ストッパ１５とボディ１１との間に形成される第１磁路４０よりも磁路距離が短い第２磁路４１を優先的に形成する。

第２磁路４１は可動鉄心吸着面１５ａを磁路としていない。そのため、コイル非通電時に可動鉄心１４に働いていた永久磁石１２による保持力が無くなるので、可動鉄心１４はリターンスプリング２２の弾発力に打ち勝つだけのコイル１３の電磁力で移動を行うことができ、消費電力を抑えて可動鉄心１４の固定鉄心１７側への吸引・移動が可能となる。消費電力を抑えることができるということはコイル１３の小型化にも寄与することとなる。

さらに、コイル通電時にコイル１３の磁束はガイド１６を通り、永久磁石１２を通過しない構造であるため、永久磁石１２のパーミアンス係数の低下を抑制でき、永久磁石１２の劣化、すなわち保持力の低減を防ぐことができる。

また、コイル磁路４２が永久磁石１２を通過しない構造であるため、コイル１３の電磁力を上げて、可動鉄心１４の強制開放速度を上げても永久磁石１２に逆磁界がかかりにくい構造となる。そのため、コイル１３の通電量を上げる際に永久磁石１２の劣化、保持力低下に係る影響を鑑みた設計が必要なく設計変更も容易となり、設計工数の低減を図ることが出来る。

図１と図３を対比すると分かるように磁石磁路形成用ストッパ１５がコイル軸方向に断面凸部形状を有し、断面凸部形状の突出部の内側には可動鉄心１４の移動を規制および吸着する可動鉄心吸着面１５ａを有することで、非通電時において可動鉄心１４が内包される内包空間１９となっている。内包空間１９を有することで、可動鉄心１４の移動距離を長くできるメリットがある。さらに、先述した磁気ギャップＧを設けることで通電時、非通電時に磁路を変更される構造となっている。

固定鉄心１７には空洞１７ａを設けており、空洞１７ａ部分を利用し組立時に可動鉄心１４の移動距離（ストローク）測定および調整をすることができ、さらに位置検出を行うためのセンサを設置することも可能である。

本実施形態において、リターンスプリング２２はボディ１１外部に露出した構造となっているがボディ１１内部に内包する構造であってもよい。

シャフト部材１４ａを実施形態では永久磁石１２設置側外部方向に延出する設計としたが、固定鉄心１７に設けた空洞部１７ａを介してボディ１１外部にシャフト部材１４ａを延出する設計としてもよい。その場合は、コイル１３通電時に対象物をロックする構造となる。

磁気ギャップＧを形成する、カバー２０の形状は、本実施形態の形状に限定されるものではなく、磁石磁路形成用ストッパ１５の外周円筒部とボディ１１の間に磁気ギャップＧを設けられればよく、例えば単純な円筒形状でもよい。その場合、例えば空間３０ａに非磁性体を詰めることで永久磁石１２のコイル径方向の固定等を行えばよい。

なお、本実施形態では永久磁石内蔵型ロックソレノイド１０の電磁力をリターンスプリング２２の弾発力に打ち勝ち、コイル通電によって可動鉄心１４が強制的に移動（ロックを解除）する想定で説明を行ったが、リターンスプリング２２の弾発力と同等の電磁力をコイル通電によってかけることで、ロック部材２１にかかる荷重によって可動鉄心１４が動作する状態にすることも可能である。

１０ 永久磁石内蔵型ロックソレノイド
１１ ボディ
１２ 永久磁石
１３ コイル
１４ 可動鉄心
１５ 磁石磁路形成用ストッパ
１６ ガイド
１７ 固定鉄心
２０ カバー
２２ リターンスプリング
２４ フランジ
４０ 第１磁路
４１ 第２磁路
４２ コイル磁路
Ｇ 磁気ギャップ

Claims (4)

1. 円筒軸方向に開口部を有する円筒状のボディと、前記ボディの一端側端面に配置された永久磁石と、前記ボディ内に配置されるコイルと、前記コイルに内挿される可動鉄心と、前記永久磁石をコイル軸方向に規制して磁路を形成する磁石磁路形成用ストッパと、を備える永久磁石内蔵型ソレノイドであって、
   前記磁石磁路形成用ストッパは、コイル軸方向に断面凸部形状を有し、
   前記断面凸部形状の突出部の内側には前記可動鉄心の移動を規制および吸着する可動鉄心吸着面を有し、
   前記可動鉄心吸着面は前記一端側端面よりも前記ボディの外部方向に延出し、
   前記ボディと前記磁石磁路形成用ストッパが近接する部分に磁気ギャップを有することを特徴とする永久磁石内蔵型ソレノイド。
2. 前記コイルの非通電時に前記永久磁石と前記ボディとガイドと前記可動鉄心と前記可動鉄心吸着面と前記磁石磁路形成用ストッパとの間の形成される第１磁路と、
   前記コイルの通電時に前記永久磁石と前記磁石磁路形成用ストッパと前記ボディとの間に形成される前記第１磁路よりも磁路距離が短い第２磁路と、
   前記コイル通電時のコイルとガイドと可動鉄心と固定鉄心とボディの間に形成されるコイル磁路と、
   前記可動鉄心を非通電時の配置に戻す方向に弾発するリターンスプリングと、
   を有した請求項１に記載の永久磁石内蔵型ソレノイド。
3. 前記ボディと前記磁石磁路形成用ストッパはカバーを介して勘合されており、当該カバーにより前記磁気キャップが設けられている請求項１または２に記載の永久磁石内蔵型ソレノイド。
4. 前記可動鉄心に延接されたシャフト部材とロック部材を有し、ロック対象物をロック部材により固定することができる請求項１から３のいずれか１項に記載の永久磁石内蔵型ソレノイド。

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