JP2020092115A - 電磁ソレノイド - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成の固定子に対して可動子が安定的に直線作動を行うことができる電磁ソレノイドを提供する。【解決手段】励磁コイルＡと、固定子Ｂと、磁性体からなる円柱状の可動子１１と、可動子１１の軸芯と同軸芯で可動子１１に設けられ、可動子１１と一体的に固定子Ｂの軸芯Ｘ方向の一方側に突出作動し固定子Ｂの軸芯Ｘ方向の他方側に後退作動するシャフト１２と、固定子Ｂの軸芯Ｘ方向の他方側の端部から固定子Ｂの軸芯Ｘ方向の中途部１５に向けて固定子Ｂの内周面６Ｓに固定されて配置され、可動子１１の外周面１１ｓを支持するブッシュ７と、を備え、固定子Ｂの内周面５Ｓのうち、中途部１５よりも固定子Ｂの軸芯Ｘ方向の一方側であって可動子１１の一方側の端面１１ｆが作動する範囲において、固定子Ｂの軸芯Ｘ方向の一方側に向かうにつれて内径が大きくなるよう形成されたテーパ部５Ｓａが設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、励磁コイルの通電時に固定子から作用する電磁力によって可動子を直線的に作動させる電磁ソレノイドに関する。

上記構成の電磁ソレノイドとして、特許文献１及び２には、シャフト及びシャフトを固定する可動子を取り囲む位置に固定子が備えられ、当該固定子としてシャフトの移動方向において前側に第１固定子コアを設け後側に第２固定子コアを設ける技術が記載されている。特許文献１及び２に記載の技術では、第１固定子コアと第２固定子コアとは離間して配置され、第１固定子コアと第２固定子コアとの間に軸方向で挟み込まれる筒状のカラー（特許文献２ではスリーブ）が設けられている。第１固定子コア及び第２固定子コアは、カラーが介在することで軸方向及び径方向に相対移動しないよう構成されている。

特開２０１４−２７２０２号公報 米国特許出願公開第２０１１／０２８５４８４号明細書

上述の通り、電磁ソレノイドでは、可動子に電磁力を作用させる２つの固定子コアの同軸性を保持するために筒状のカラーが用いられることがある。しかし、このように構成された固定子は部品点数が増す関係で、それぞれの公差の影響を受けて第１固定子コア及び第２固定子コアにおいて軸芯のずれが生じるおそれがある。そのため、こうした公差を考慮して可動子やシャフトの外径の設定が必要となる場合がある。

そこで、固定子を第１固定子コアと第２固定子コアとを一体化して一部材とする構成が考えられる。こうすると、固定子は一部材であるので精度よく軸芯を設定することができる。ただし、その場合には、固定子の内周側において軸芯方向の中途部に軸受としてのブッシュを配置することは困難であり、通常、ブッシュは固定子においてシャフトが突出作動される側とは反対の後端側に組付けられる。このように構成された電磁ソレノイドでは、可動子が最後端にある初期位置（非作動位置）ではブッシュの軸芯方向の全体によって可動子が支持される。ただし、可動子がシャフトとともに突出作動されると、可動子に対するブッシュの軸芯方向のかかり代は短くなる。そのため、可動子は軸芯方向に対して斜めに傾き易くなる。そうなると、可動子が固定子に近付いて可動子に対して電磁力の横向きの力が作用し易くなり、その結果として、電磁ソレノイドの作動効率が低下して吸引力のヒステリシスが悪くなる。また、最悪の場合は、固定子と可動子が接触して磁気短絡が発生するおそれがある。可動子のこうした傾きを抑制するために、可動子とブッシュとの間のクリアランスを小さくする対応が考えられる。しかし、その場合には可動子の外周面とブッシュとの間に潤滑用オイルが行き渡らずに油膜切れが発生する可能性があり、可動子及びブッシュの耐摩耗性が低下する。このように、電磁ソレノイドは、固定子を一部材で構成する上で改善の余地があった。

上記実情に鑑み、簡素な構成の固定子に対して可動子が安定的に直線作動を行うことができる電磁ソレノイドが求められている。

本発明に係る電磁ソレノイドの特徴構成は、通電により磁束を発生させる励磁コイルと、前記励磁コイルの内周側に配置され、軸芯を中心とした円筒状で磁性体からなり、前記磁束の磁路となる固定子と、前記固定子の内部空間において、前記磁束により発生する電磁力によって前記軸芯に沿って移動可能に収容され、磁性体からなる円柱状の可動子と、前記可動子の軸芯と同軸芯で前記可動子に設けられ、前記可動子と一体的に前記固定子の軸芯方向の一方側に突出作動し前記固定子の軸芯方向の他方側に後退作動するシャフトと、前記固定子の軸芯方向の他方側の端部から前記固定子の軸芯方向の中途部に向けて前記固定子の内周面に固定されて配置され、前記可動子の外周面を支持するブッシュと、を備え、前記固定子の内周面のうち、前記中途部よりも前記固定子の軸芯方向の一方側であって前記可動子の一方側の端面が作動する範囲において、前記固定子の軸芯方向の一方側に向かうにつれて内径が大きくなるよう形成されたテーパ部が設けられている点にある。

本構成によれば、固定子の内周面に、可動子が固定子の軸芯方向の一方側に向かうにつれて内径が大きくなるよう形成されたテーパ部が設けられているため、可動子が一方側に突出作動した際に軸芯に対して傾斜したとしても、可動子の外周面は固定子の内周面に対して近付け過ぎることなく、両者の間に所定の距離を確保することができる。これにより、可動子に対する電磁力による横方向の力の発生を防止することができ、励磁コイルからの電磁力を可動子に有効に作用させることができる。また、可動子と固定子の接触による磁気短絡を防止することができる。その結果、可動子の円滑な作動を実現することができ、電磁ソレノイドの作動効率の低下を抑制することができる。

また、固定子の内周面にテーパ部を設けることで、可動子とブッシュとの間のクリアランスを小さくする必要がなくなるので、両者の間にオイル潤滑が可能なクリアランスを確実に確保することができる。これにより、可動子の外周面の油膜切れを抑制することができるので、可動子及びブッシュの耐摩耗性の低下を抑制することができる。

他の特徴構成は、前記可動子の前記固定子の軸芯方向の一方側への移動に伴い、前記可動子が前記固定子の軸芯に対して傾斜する場合に、前記テーパ部は前記可動子の外周面との距離が一定になるよう前記固定子の軸芯に対して所定の傾斜角度を有して形成されている点にある。

本構成によると、テーパ部は可動子の外周面との距離が一定になるよう固定子の軸芯に対して所定の傾斜角度を有して形成されている。これにより、可動子が軸芯に対して傾斜することがあっても可動子の外面と固定子の内周面との距離が安定的に維持される。その結果、可動子の突出作動時の突出量に関係なく可動子に作用する電磁力をほぼ一定にすることができる。

プランジャが非作動位置にある電磁ソレノイドの断面図である。 プランジャが作動状態にある電磁ソレノイドの断面図である。 電磁ソレノイドの要部拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

〔基本構成〕
図１〜図２に示すように、電磁ソレノイド１００は、通電により磁束を発生させる励磁コイルＡと、磁束の磁路となるヨーク部Ｂ（固定子の一例）と、これら励磁コイルＡとヨーク部Ｂとを一体化する樹脂材８とで成るハウジングＣとを備えて構成される。電磁ソレノイド１００では、ヨーク部Ｂの内側の内部空間に、プランジャ１１（可動子の一例）と、プランジャ１１に支持されるシャフト１２とを備える。プランジャ１１は、ヨーク部Ｂの内部空間において、磁束により発生する電磁力によってヨーク部Ｂの軸芯Ｘに沿って移動可能に収容される。

電磁ソレノイド１００においては、プランジャ１１は円柱状に成形され、プランジャ軸芯が軸芯Ｘと一致するようにヨーク部Ｂの内部空間に収容されている。そして、プランジャ１１の嵌合孔１１ａに、軸状のシャフト１２がプランジャ軸芯と同軸芯になるように嵌合連結される。これにより、プランジャ１１とシャフト１２とが軸芯Ｘと同軸芯で配置される。

図１には、車両のエンジンの吸気バルブや排気バルブの開閉時期（バルブタイミング）を油圧によって制御する弁開閉時期制御装置（図示せず）のスプールＳを操作する電磁ソレノイド１００が示されている。

スプールＳは突出方向（同図で左方向）にスプリング（図示せず）により付勢されている。スプールＳが軸芯Ｘと同軸芯で配置され、その突出端の被操作面にシャフト１２の突出端を当接させている。これにより、電磁ソレノイド１００が作動していない（励磁コイルＡに通電されていない）状態ではスプールＳからの押圧力によりプランジャ１１は図１に示す非作動位置（プランジャ１１の作動方向と逆側の移動端）に保持される。

これに対し、電磁ソレノイド１００が作動（励磁コイルＡに通電）された場合には図２に示すように、スプールＳからの押圧力に抗して、励磁コイルＡに供給される電流値に対応した量だけシャフト１２が突出作動する。これにより、目標とする位置にポジションにスプールＳが操作され、弁開閉時期制御装置が作動油を制御してバルブの開閉時期の設定が実現する。

以下の説明では、電磁ソレノイド１００のうち、電磁ソレノイド１００の作動時に、プランジャ１１の作動方向（図１，２で右側）の下流側（一方側の一例）の面（図１，２で右側の面）を前面と称し、この反対側であって作動方向の上流側（他方側の一例）の面を後面と称する。

〔電磁ソレノイドの詳細〕
励磁コイルＡは、非磁性体材料で絶縁性の樹脂製のボビン１に、銅合金等の良導体で成る線材を巻回したコイル２により構成されている。コイル２を構成する線材はハウジングＣに一体形成されたコネクタ部Ｃａの内部の端子３に導通している。励磁コイルＡは鉄材等の磁性体からなるケース９によって前面側及び外周側がカバーされている。プランジャ１１の後面側端部の外周側には中央部に開口を有する鉄材等の磁性体からなるプレート１０が配置されている。励磁コイルＡは、ヨーク部Ｂとケース９とプレート１０とに囲まれて形成された内部空間に収容されている。

図１に示すように、ヨーク部Ｂは鉄材等の磁性体からなる円筒形状を有しており、ボビン１の円状筒の内周側の空間に軸芯Ｘと同軸芯に配置されている。ヨーク部Ｂは、軸芯Ｘ方向の中央部分であって外周面の全周に、径方向内側に向かう窪みである狭窄部１４が形成されている。狭窄部１４のうち最も外径の小さい部分、すなわち、ヨーク部Ｂの径方向の肉厚が最も薄い部分が薄肉部１５（中途部の一例）である。狭窄部１４はコイル２への通電により発生した磁束をプランジャ１１に導くために設けられている。

ここで、ヨーク部Ｂのうち、軸芯Ｘに沿う方向において薄肉部１５を基準として、薄肉部１５よりも前面側を第１ヨーク５と定義し、薄肉部１５よりも後面側を第２ヨーク６と定義する。

図１に示すように、第１ヨーク５は、軸芯Ｘを中心とする筒状の第１筒状部５ａと、電磁ソレノイド１００の前面側に配置される側壁部５ｂとを有しており、第１筒状部５ａには軸芯Ｘを中心とする内周面５Ｓが形成されている。第２ヨーク６は、軸芯Ｘを中心とする筒状の第２筒状部６ａを有し、第２筒状部６ａには軸芯Ｘを中心とする内周面６Ｓが形成されている。

ヨーク部Ｂの径方向内側には、軸芯Ｘを中心として断面形状が円形となる内部空間が形成されている。また、第２筒状部６ａの内周面６Ｓには、非磁性体でリング状のブッシュ７が嵌め込まれている。ブッシュ７は、後述する第２軸受Ｅを構成するものであり、第２筒状部６ａのうち後面側の領域に配置されている。

プランジャ１１は、前述したように円柱状であり、軸芯Ｘに沿う方向でハウジングＣの前面に近い側の端部に前側端面１１ｆが形成され、他方の端部に後側端面１１ｒが形成されている。

プランジャ１１には、前側端面１１ｆから後側端面１１ｒに亘ってプランジャ軸芯と同軸芯に嵌合孔１１ａが形成されている。嵌合孔１１ａにはシャフト１２が圧入や接着等の方法により固定されている。これにより、シャフト１２は、プランジャ１１と一体的に軸芯Ｘ方向の前面側に突出作動し軸芯Ｘ方向の後面側に後退作動する。

電磁ソレノイド１００が非作動状態（励磁コイルＡに通電しない状態）にある場合には、図１に示すように薄肉部１５にプランジャ１１の前側端面１１ｆが並列する位置関係となる。電磁ソレノイド１００が作動状態（励磁コイルＡが通電状態）になると、シャフト１２は、プランジャ１１と一体的に軸芯Ｘ方向の前面側に突出作動する。その後、電磁ソレノイド１００が非作動状態になると、シャフト１２は、プランジャ１１と一体的に軸芯Ｘ方向の後面側に後退作動する。

〔軸受構造〕
図１及び図２に示すように、電磁ソレノイド１００は、シャフト１２の突出側の端部を軸芯Ｘに沿う方向にスライド移動可能に支持する第１軸受Ｄを備えると共に、プランジャ１１の外周部分を軸芯Ｘに沿う方向にスライド移動可能に支持する第２軸受Ｅを備えている。これにより、電磁ソレノイド１００の作動時等には、プランジャ１１とシャフト１２とは一体的に軸芯Ｘに沿って案内される。

第１ヨーク５の前面側の側壁部５ｂにはシャフト１２が貫通する貫通孔５ｃが設けられている。第１軸受Ｄは、ハウジングＣの前面側で第１ヨーク５の貫通孔５ｃに圧入保持される軸受体１６で構成されている。

軸受体１６はシャフト１２の外端側に外嵌する位置に配置され、耐摩耗性の高いリング状の材料で形成されている。

第２軸受Ｅは、ブッシュ７によって形成されている。ブッシュ７は、ヨーク部Ｂの軸芯Ｘ方向の後面側の端部６ｂからヨーク部Ｂの軸芯Ｘ方向の薄肉部１５に向けて第２ヨーク６の内周面６Ｓに軸芯Ｘと同軸芯になるように固定されて配置され、プランジャ１１の外周面１１ｓを支持する。第２ヨーク６の内周面６Ｓのうちブッシュ７が固定されている箇所は拡径されている。具体的には、図１及び図２に示すように、ブッシュ７はヨーク部Ｂの端部６ｂから狭窄部１４までの領域に配置されている。これにより、プランジャ１１が軸芯Ｘから離間する方向への変位を規制する状態で、プランジャ１１が軸芯Ｘに沿って作動する際の移動が許容される。ブッシュ７の内径は狭窄部１４における内周面６Ｓの内径よりもやや小さく（図３参照）、プランジャ１１がブッシュ７に支持された状態では、プランジャ１１とヨーク部Ｂの内周面６Ｓとの間には間隙が生じる。

第２軸受Ｅのブッシュ７は、第２ヨーク６の後面側の部位に配置されているため、プランジャ１１が突出方向（前面側）に移動するにつれて、プランジャ１１に対してブッシュ７の軸芯Ｘ方向のかかり代が小さくなる。そのため、プランジャ１１は軸芯Ｘ方向に対して傾き易くなる。プランジャ１１が軸芯Ｘ方向に対して傾くと、プランジャ１１の外周面１１ｓと、前側端面１１ｆとが交差する角部１１ｃがヨーク部Ｂの第１ヨーク５の内周面５Ｓに近付くため、プランジャ１１に対して励磁コイルＡによる電磁力の横向きの力が作用し易くなる。その結果、電磁ソレノイド１００は作動効率が低下して吸引力のヒステリシスが悪くなる。また、最悪の場合は、ヨーク部Ｂとプランジャ１１が接触して磁気短絡が発生するおそれがある。

そこで、本実施形態では、内周面５Ｓのうち、薄肉部１５よりも前面側であってプランジャ１１の前側端面１１ｆが作動する範囲において、前面側（図１，２で右側）に向かうにつれて内周面５Ｓの内径が拡大するように形成されているテーパ部５Ｓａが設けられている。

ヨーク部Ｂの第１ヨーク５の具体構造を図３に拡大して示している。同図では内周面５Ｓの傾斜及びプランジャ１１の傾斜を誇張して示している。ヨーク部Ｂの内周側においてブッシュ７の内径が内周面６Ｓの内径よりも小さく、この内径がプランジャ１１（可動子）の外径より僅かに大きく設定されている。図１〜図３では、ブッシュ７の内周にプランジャ１１の外周面１１ｓが接するように描かれているが、実際には、これらの間には僅かな間隙が形成される。このような間隙により、プランジャ１１は軸芯Ｘ方向に対して傾くおそれがあり、その場合には、プランジャ１１が前面側に移動するにつれてブッシュ７の軸芯Ｘ方向の掛かり代が小さくなるので傾きが大きくなる。なお、図３では、軸芯Ｘは示されておらず、軸芯Ｘの代わりに、軸芯Ｘに平行であって第２ヨーク６の内周面６Ｓに沿う仮想線Ｘ´を一点鎖線で示している。

図３に示すように、内周面５Ｓにおいて、プランジャ１１が仮想線Ｘ´（軸芯Ｘ）の方向の前面側に向かうにつれて内径が大きくなるよう形成されたテーパ部５Ｓａが設けられている。具体的には、第２ヨーク６の内周面６Ｓの内径を基準にしてテーパ部５Ｓａでは内径が徐々に大きくなるように形成されている。上述したように、プランジャ１１が前面側に移動するにつれて軸芯Ｘ方向（仮想線Ｘ´）対する傾きが大きくなるので、本実施形態では、テーパ部５Ｓａは、プランジャ１１の外周面１１ｓと前側端面１１ｆとが交差する角部１１ｃとの距離Ｌが一定になるようヨーク部Ｂの仮想線Ｘ´（軸芯Ｘ）に対して所定の傾斜角度θを有して形成されている。

なお、ブッシュ７の内周面と、ヨーク部Ｂの内周面５Ｓ，６Ｓとにニッケル燐メッキ等の硬質層を形成することや、フッ素樹脂（例えば、テフロン樹脂〔商品名〕）等、耐熱性が高く化学的に安定で摩擦係数が低い樹脂被膜を形成しても良い。

〔実施形態の作用効果〕
このように、本実施形態では、第１ヨーク５の内周面５Ｓに、プランジャ１１が軸芯Ｘ方向の前面側に向かうにつれて内径が大きくなるよう形成されたテーパ部５Ｓａが設けられている。このため、プランジャ１１が突出作動した際に軸芯Ｘに対して傾斜しても、プランジャ１１の外周面１１ｓは第１ヨーク５の内周面５Ｓに対して近付き過ぎることなく、外周面１１ｓと内周面５Ｓとの間には所定の距離Ｌを確保することができる。これにより、プランジャ１１に対する電磁力による横方向の力の発生を抑制することができる。その結果、励磁コイルＡからの電磁力をプランジャ１１の軸芯Ｘ方向への移動に有効に作用させることができ、プランジャ１１の円滑な作動を実現することができる。

また、内周面５Ｓにテーパ部５Ｓａを設けることで、プランジャ１１とブッシュ７との間のクリアランスを小さくする必要がなくなるので、両者の間にオイル潤滑が可能なクリアランスを確実に確保することができる。これにより、プランジャ１１の外周面１１ｓの油膜切れを抑制することができ、プランジャ１１及びブッシュ７の耐摩耗性の低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、テーパ部５Ｓａはヨーク部Ｂの軸芯Ｘに対して所定の傾斜角度θを有して形成されている。これにより、プランジャ１１が軸芯Ｘに対して傾斜しても、プランジャ１１の外周面１１ｓと前側端面１１ｆとが交差する角部１１ｃと、ヨーク部Ｂの内周面５Ｓ（テーパ部５Ｓａ）との距離Ｌが安定的に維持される。その結果、プランジャ１１の突出作動時の突出量に関係なくプランジャ１１に作用する電磁力をほぼ一定にすることができる。こしして、プランジャ１１の軸芯Ｘ方向への移動に対してより有効に電磁力を作用させることができ、電磁ソレノイド１００の作動効率の低下を抑制することができる。また、テーパ部５Ｓａは内周面５Ｓを滑らかに傾斜する傾斜面として構成することができるので、ヨーク部Ｂの製造も容易となる。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（１）ヨーク部Ｂの内周面５Ｓの内径が、プランジャ１１の作動方向の下流側ほど段階的、あるいは、非直線的に拡大する形状でも良い。つまり、上記の実施形態のように、電磁ソレノイド１００が非作動時において第２ヨーク６の第２筒状部６ａがプランジャ１１の外周位置にある場合に、内周面５Ｓが前面側に向かうにつれて階段状に拡径するように変化するものや、内周面５Ｓが径外方向に向けて径内方向が凸になるように湾曲する形状でも良い。

このように構成されたものであっても、プランジャ１１の外面が内周面５Ｓに密着させることがなく、磁気短絡を抑制し、励磁コイルＡからの電磁力をプランジャ１１の軸芯Ｘ方向への移動に有効に作用させることが可能となる。

（２）電磁ソレノイド１００を、例えば、機器の位置決めを行うアクチュエータとして用いても良い。

本発明は、励磁コイルの通電時にヨークから作用する電磁力によって可動子を直線的に作動させる電磁ソレノイドに利用することができる。

５ ：第１ヨーク
５Ｓ ：第１内周面
５Ｓａ ：テーパ部
５ａ ：第１筒状部
６ ：第２ヨーク
６Ｓ ：第２内周面
６ａ ：第２筒状部
７ ：ブッシュ
１１ ：プランジャ（可動子）
１１ｃ ：角部
１１ｓ ：外周面
１１ｆ ：前側端面
１１ｒ ：後側端面
１２ ：シャフト
１４ ：狭窄部
１５ ：薄肉部（中途部）
１００ ：電磁ソレノイド
Ａ ：励磁コイル
Ｂ ：ヨーク部（固定子）
Ｃ ：ハウジング
Ｌ ：距離
Ｓ ：スプール
Ｘ ：軸芯
Ｘ´ ：仮想線
θ ：傾斜角度

Claims (2)

1. 通電により磁束を発生させる励磁コイルと、
   前記励磁コイルの内周側に配置され、軸芯を中心とした円筒状で磁性体からなり、前記磁束の磁路となる固定子と、
   前記固定子の内部空間において、前記磁束により発生する電磁力によって前記軸芯に沿って移動可能に収容され、磁性体からなる円柱状の可動子と、
   前記可動子の軸芯と同軸芯で前記可動子に設けられ、前記可動子と一体的に前記固定子の軸芯方向の一方側に突出作動し前記固定子の軸芯方向の他方側に後退作動するシャフトと、
   前記固定子の軸芯方向の他方側の端部から前記固定子の軸芯方向の中途部に向けて前記固定子の内周面に固定されて配置され、前記可動子の外周面を支持するブッシュと、を備え、
   前記固定子の内周面のうち、前記中途部よりも前記固定子の軸芯方向の一方側であって前記可動子の一方側の端面が作動する範囲において、前記固定子の軸芯方向の一方側に向かうにつれて内径が大きくなるよう形成されたテーパ部が設けられている電磁ソレノイド。
2. 前記可動子の前記固定子の軸芯方向の一方側への移動に伴い、前記可動子が前記固定子の軸芯に対して傾斜する場合に、前記テーパ部は前記可動子の外周面との距離が一定になるよう前記固定子の軸芯に対して所定の傾斜角度を有して形成されている請求項１に記載の電磁ソレノイド。

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