JP2020170778A - ソレノイド - Google Patents

Abstract

【課題】従来のソレノイドよりも推力をより大きいものにするために、大きいコントロールストローク領域を得るソレノイドを提供する。【解決手段】ソレノイド１において、固定磁極３は、可動磁極２に対向する側に環状に形成された平坦面と、平坦面に囲まれた領域内に形成された複数段の同一高さ階段状凸部及び凹陥部２２を備える。可動磁極２は、固定磁極３に対向する側に環状に形成された平坦面と、この平坦面に囲まれた領域内に形成された複数段の階段状同一深さ凹陥部２２及び凸部を備え、中心軸に沿って貫通孔が形成されると共に、貫通孔の一端が開口している。コイルへの通電時に可動磁極の複数段の階段状凹陥部２２は、固定磁極３の複数段の階段状凸部に挿入嵌合され、可動磁極２の凹陥部２２は固定磁極３の凸部が挿入嵌合されたシャフトを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ソレノイドに関するもので、特に可動磁極の位置の所定範囲において、任意に制御できる構造を有するソレノイドに関するものである。

従来から、可動磁極の位置を所定範囲おいて任意に制御できる構造を有する、いわゆる比例ソレノイドは、コイルの電流の大きさによって可動磁極の位置を任意に制御できるコントロールストローク領域と、位置を制御できないアプローチストローク領域とを持っている。このコントロールストローク領域ではストローク（可動磁極の吸着点からの距離）に関係なく推力（吸引力）がほぼ一定であるが、アプローチストローク領域では推力は大きく変化する。一般的な比例ソレノイドでは、コントロールストローク領域のみを利用している。そこで、推力がほぼ一定となるストロークを大きくできれば、または、コントロールストローク領域における推力を大きくできれば、そのソレノイドの利用範囲が拡がるので、これらの向上に関して様々な改良がなされている。
例えば、コイルと、このコイルの近傍に設けられた固定磁極と、摺動可能に設けられると共に前記コイルへの通電時に前記固定磁極に吸着されるように設けられた可動磁極とを有するソレノイドにおいて、前記固定磁極は、前記可動磁極に対向する側に、環状又はほぼ環状に形成された平坦面と、この平坦面に囲まれた領域内に形成された凹陥部及び凸部を備え、中心軸に沿って貫通孔が形成されると共に、前記凹陥部の中心及びその近傍に前記凸部が形成され、前記凸部の中心及びその近傍に前記貫通孔の一端が開口しており、前記可動磁極は、前記固定磁極に対向する側に、環状又はほぼ環状に形成された平坦面と、この平坦面に囲まれた領域内に形成された凹陥部及び凸部を備え、中心軸に沿って貫通孔が形成されると共に、前記凸部の中心及びその近傍に前記凹陥部が形成され、前記凹陥部の中心及びその近傍に前記貫通孔の一端が開口しており、前記コイルへの通電時に、前記可動磁極の前記凸部は前記固定磁極の前記凹陥部に挿入され、前記可動磁極の前記凹陥部は前記固定磁極の前記凸部が挿入されるようになされ、さらに、前記固定磁極の前記貫通孔に嵌合された軸受と、前記可動磁極の貫通孔に嵌合されると共に、前記軸受に摺動可能に支持されたシャフトとを有するソレノイド（例えば、特許文献１を参照）が存在している。

特許第５６４４００２号公報(特許請求の範囲の欄、発明の詳細な説明の欄、及び図１〜図６、図９〜図２１を参照)

従来技術のソレノイドは、コイルと、このコイルの近傍に設けられた固定磁極と、摺動可能に設けられると共に、前記コイルの通電時に前記固定磁極に吸着される可動磁極を有し、環状に形成された平坦面と、この平坦面に囲まれた領域内に形成された凹陥部、及び凸部を備え、中心軸に沿って貫通孔が形成されると共に、前記凸部の中心部に前記凹陥部が形成されている。これにより、可動磁極の位置を任意に制御できるソレノイドにおいて、従来のソレノイドよりも相対的に推力が大きいコントロールストローク領域が得られる構造であるが、これでもまだ推力が足りない場合が発生する。この推力をより大きいものにするために、大きいコントロールストローク領域を得るソレノイドを提供することを目的とする。さらに、係合する凹陥部と凸部の高い加工精度が必要なため、至難の業である係合精度を高めた構造のソレノイドを提供することを目的としている。

上記目的を達成することができる本発明の第１発明は、請求項１に記載されたソレノイドであり、次のようなものである。
コイルと、このコイルの近傍に設けられた固定磁極と、摺動可能に設けられると共に、前記コイルへの通電時に、前記固定磁極に吸着されるように設けられた可動磁極とを有するソレノイドにおいて、前記固定磁極は、前記可動磁極に対向する側に、環状に形成された平坦面と、この平坦面に囲まれた領域内に形成された複数段の同一高さ階段状凹陥部、及び凸部を備え、中心軸に沿って貫通孔が形成されると共に、前記貫通孔の一端が開口しており、前記可動磁極は、前記固定磁極に対向する側に、環状に形成された平坦面と、この平坦面に囲まれた領域内に形成された複数段の階段状同一深さ凹陥部、及び凸部を備え、中心軸に沿って貫通孔が形成されると共に、前記貫通孔の一端が開口しており、前記コイルへの通電時に、前記可動磁極の前記複数段の階段状凹陥部は、前記固定磁極の前記複数段の階段状凸部に挿入嵌合され、前記可動磁極の前記凹陥部は、前記固定磁極の前記凸部が挿入嵌合されるようになされ、さらに前記固定磁極の前記貫通孔に嵌合された軸受と、前記可動磁極の貫通孔に嵌合されると共に、前記軸受に摺動可能に支持されたシャフトとを有する構成である。

上記目的を達成することができる本発明の第２発明は、請求項２に記載されたソレノイドであり、次のようなものである。
請求項１に記載の発明に加えて、前記固定磁極は、その中心軸方向において、前記複数段の階段状凸部の底面から平坦面までの距離と、前記凸部の底面から前記可動磁極の複数段の階段状凹陥部の先端部までの距離とが等しい構成である。

本発明に係るソレノイドは、上記説明のような構成を有するので、以下に記載する効果を奏する。
（１）請求項１に記載の発明によれば、コイルに通電して可動磁極が作動し、可動磁極の複数段の同一深さの階段状凹陥部が、固定磁極の複数段の同一高さの階段状凸部に挿入され、または固定磁極の複数段の階段状凸部が可動磁極の複数段の階段状凹陥部に挿入されるところまで２つの磁極が接近すると、可動磁極の複数段の階段状凹陥部の複数段の内側面と、固定磁極の複数段の階段状凸部の外側面とに向かう磁束の流れが発生する。この磁束の流れは、可動磁極の作動方向に直交する方向、またはこの方向に近い方向への流れであり、２つの磁極の複数段の階段状凸部が相手側の複数段の階段状の凹陥部に深く挿入されて行くにつれて、これらの流れは大きくなる。従って、２つの磁極の複数段の階段状凸部が相手側の複数段の階段状凹陥部に挿入され始めてから、固定磁極の平坦面に可動磁極の平坦面が吸着されるまでの過程において、２つの磁束の流れは、２つの磁極が近づくに従って急増する推力を減殺してほぼ一定にする。一方、一般的なソレノイドでは、実現できなかった領域において、推力をほぼ一定にでき、複数段にしたことにより従来よりも推力が大きい領域をコントロールストローク領域とすることができる。
（２）従来のものは環状の凹陥部と凸部を形成するのに比べ、単に複数段の階段状段部を切削するだけで良く、さらに環状の凹陥部と凸部が可動磁極の摺動で、固定磁極と係合する際、平面上で２ヶ所が同時に同位置で係合するので、極めて精密に加工されていないと、スムーズに係合が難しいものであるのに対して、本発明は階段状になっているので、極めてスムーズに可動磁極と固定磁極が係合できるものである。
（３）可動磁極が固定磁極に吸着されるまでの過程のほぼ全体にわたって、可動磁極の複数段の階段状凹陥部の各段部の内側面と、固定磁極の複数段の階段状凸部の外側面とに向かう磁束の流れが推力を減殺し続け、推力をさらに一定にすることができる。
（４）複数段の凹陥部と凸部で、可動磁極と固定磁極の摺動を案内するので、コントロールストローク領域となるストロークの調整や、特定ストロークにおける推力の調整が可能になる。

本発明の一実施例における実施の形態に係るソレノイドの切断面であり、（ａ）は可動磁極が固定磁極から離隔した状態、（ｂ）は可動磁極が固定磁極に吸着された状態を示す。 本発明の一実施例の実施の形態に係るソレノイドの可動磁極の概略断面斜視図である。 本発明の一実施例における実施の形態に係るソレノイドの固定磁極の概略断面斜視図である。 磁束の流れを示す概略断面図であり、（ａ）は可動磁極が固定磁極から最も遠い状態、（ｂ）は可動磁極が固定磁極に接近した状態、（ｃ）は通電を停止した状態を示す。 本発明の他の実施例における形態に係るソレノイドの概略切断面であり、（ａ）は可動磁極が固定磁極から離隔した状態、（ｂ）は可動磁極が固定磁極に吸着された状態を示す。 本発明の他の実施例の実施の形態に係るソレノイドの可動磁極の概略断面斜視図である。 本発明の他の実施例の実施の形態に係るソレノイドの固定磁極の概略断面斜視図である。

コイルと、このコイルの近傍に設けられた固定磁極と、摺動可能に設けられると共に、前記コイルへの通電時に、前記固定磁極に吸着されるように設けられた可動磁極とを有するソレノイドにおいて、前記固定磁極は、前記可動磁極に対向する側に、環状に形成された平坦面と、この平坦面に囲まれた領域内に形成された複数段の同一高さ階段状凸部、及び凹陥部を備え、中心軸に沿って貫通孔が形成されると共に、前記貫通孔の一端が開口しており、前記可動磁極は、前記固定磁極に対向する側に、環状に形成された平坦面と、この平坦面に囲まれた領域内に形成された複数段の階段状同一深さ凹陥部、及び凸部を備え、中心軸に沿って貫通孔が形成されると共に、前記貫通孔の一端が開口しており、前記コイルへの通電時に、前記可動磁極の前記複数段の階段状凹陥部は、前記固定磁極の前記複数段の階段状凸部に挿入嵌合され、前記可動磁極の前記凹陥部は、前記固定磁極の前記凸部が挿入嵌合されるようになされ、さらに前記固定磁極の前記貫通孔に嵌合された軸受と、前記可動磁極の貫通孔に嵌合されると共に、前記軸受に摺動可能に支持されたシャフトとを有するソレノイドである。

以下、本発明の一実施例の形態に係るソレノイドを図面に基づいて説明する。
なお、実施例の形態では、ソレノイドが独立した構造に基づいて説明するが、本発明は、ソレノイド弁にも好ましく適用できるものである。
図１に示したものは、本発明の一実施の形態に係るソレノイドの断面図であり、（ａ）は可動磁極が固定磁極から離隔した状態を示し、（ｂ）は可動磁極が固定磁極に吸着された状態を示すもので、１はソレノイド、２は可動磁極、２２は複数段（段数は必要となる推力特性に応じて適宜増減できる。但し、最低でも２段は必要である。）の階段状凹陥部、３は固定磁極、３２は複数段（段数は必要となる推力特性に応じて適宜増減できる。但し、最低でも２段は必要である。）の階段状凸部、４は蓋部、５及び６はネジ孔、７はケース、７ａは対向部、８はシャフト、９はコイルボビン、１０はコイル、１１はリード線、１２は絶縁被覆、１３はスリーブである。
この図１〜図４に示されている実施例は、可動磁極２は複数段（図面に示したものは２段）の階段状同一深さ凹陥部２２が形成されたもので、固定磁極３は、複数段（図面に示したものは２段）の階段状同一高さ凸部３２が形成されたものを示している。
しかし、図５〜図７に示すように、可動磁極２の凹陥部２２と固定磁極３の凸部３２を対称に変更する、すなわち可動磁極２は階段状同一高さ凸部に、固定磁極３は階段状同一深さ凹陥部に形成することで同一の機能を奏するものであることは言うまでもない。
なお、図１のソレノイド及びその各構成部品を記載した図面については、図面の右側をソレノイドの先端側とし、左側をソレノイドの基端側と称して説明する。

先ず、この実施例の形態に係るソレノイドの全体構造の概略について述べる。
図１に示すようにソレノイド１は、短い略円筒形状のケース７の内部に、可動磁極２、固定磁極３、シャフト８、コイルボビン９、コイル１０及びスリーブ１３を収納した構造をしている。さらに可動磁極２及びシャフト８の一部がケース７の外に露出している。ケース７は、磁性体で形成されており、またその基端側に対向部７ａを設けている。対向部７ａは、中央に開口部を有する円形板状に形成されている。なお、可動磁極２の中心軸とシャフト８の中心軸とは一致している。
また、対向部７ａの中央の開口部には可動磁極２が挿入されており、対向部７ａの端部は可動磁極２に非常に接近した状態になっている。さらにケース７の先端部の端部には、固定磁極３の蓋部４が嵌合されている。なお、ケース７の外形は、楕円筒状、四角筒状、六角筒状等に形成しても良い。さらに固定磁極３に蓋を形成したい場合は、蓋を別途設けても良い。
図２に示したものは、本発明の実施の形態に係るソレノイドの可動磁極の概略断面斜視図で、図中２１は、上面平坦部、２２は複数段の階段状凹陥部、２３は貫通孔、２４は大径部を示す。
図３に示したものは、本発明の実施例の形態に係るソレノイドの固定磁極の概略断面斜視図で、図中３１は上面平坦部、３２は複数段の階段状凸部、３３は胴体部、３４は貫通孔、３５はネジ孔を示す。

可動磁極２は、図２に示すように全体形状を短い円筒状に形成された磁性の構成部品である。大径部２４は、ケース７の対向部７ａ中央に形成した開口部の径よりも若干小さい径としてあり、可動磁極２の動きが開口部で妨げられないように設定してある。なお、可動磁極２の全体形状は、短い楕円筒状、六角筒状、八角筒状等、他の形状に形成しても良い。さらにソレノイド弁に適用する場合には、例えば可動磁極２の一部を弁体として形成することもできるし、可動磁極２の先端側に非磁性材料から形成した弁体を固定することもできる。

また、可動磁極２は、中心とその近傍は中心軸に沿って貫通孔２３を形成している。貫通孔２３は、シャフト８を嵌合する孔であり、シャフト８の径を考慮した大きさに形成されている。なお、シャフト８は軸受であるスリーブ１３に支持されているので、可動磁極２はスリーブ１３に間接的に支持されていることになる。
複数段の階段状凹陥部２２は、円環状に形成してあり、上面平坦面２１の中心及びその近傍には、貫通孔２３の開口部が露出している。
上面平坦面２１と複数段の階段状凹陥部２２とは、シャフト８の中心軸と直交する同一の仮想的平面上に配置されており、また後述する固定磁極３の上面平坦面３１、及び複数段の階段状凸部３２とそれぞれ正対している。
複数段の階段状凹陥部２２は、従来構造よりも、相対的に推力が大きいコントロールストローク領域を得るために形成したものであり、後述する固定磁極３の複数段の階段状凸部３２と対向するように形成されており、固定磁極３の複数段の階段状凸部３２との間に流れる磁束によってコントロールストローク領域における推力の調整を図っている。
また、複数段の階段状凹陥部２２の上面平坦面２１は、円環状の平坦面として形成されており、シャフト８の中心軸と直交するように形成されている。上面平坦面２１は、固定磁極３の複数段の階段状凸部３２と正対しており、コイル１０への通電時に複数段の階段状凹陥部２２を複数段の階段状凸部３に吸着させる磁束、すなわち可動磁極２を固定磁極３に吸着させるように作用する磁束の経路となる。
固定磁極３の複数段の階段状凸部３２の各階段状部の上面平坦面３６と各内側面２６とは、それぞれシャフト８の中心軸と平行な面として形成されている。また、複数段の階段状凸部３２の階段状部の上面平坦面３６と各外側面３７とは、複数段の階段状凸部３２が、可動磁石２の複数段の階段状凹陥部２２に入り込んだ時には、固定磁極３の複数段の階段状凸部３２の外側面３７と可動磁極２の内側面２６とに対して、それぞれ正対し、コイル１０への通電時には、これらの間にも磁束が流れる。これらの間を流れる磁束は正対している。これらの面同士を吸着させようとする力を生成するので、ソレノイド１の推力としては寄与しない。可動磁極２の内側面と固定磁極３の外側面３７とは、各段の長さを同じものにしている。すなわち、可動磁極２及びシャフト８の中心軸方向に対する長さを同じものとしている。

固定磁極３は、磁性の構成部品であり、図３に示すように全体構造を肉厚の略円筒状の胴体部３３の端部に略円形板状の蓋部４を設けたものとしている。また、固定磁極３は、中心は中心軸に沿って貫通孔３４を形成している。
貫通孔３４は、スリーブ１３を嵌合するための孔であり、スリーブ１３の外径を考慮した大きさに形成されている。なお、固定磁極３の全体形状は、可動磁極２と同様に、短い楕円筒状や、六角筒状、八角筒状等、他の形状に形成しても良い。さらにソレノイド弁に適用する場合には、例えば固定磁極３の一部を弁座として形成することもできるし、固定磁極３の先端側に非磁性材料から形成した弁座を固定することもできる。また、蓋部４を別体のものとしても良い。

胴体部３３は、磁気回路を構成する主要部であり、上面を円環状の上面平坦面３１を形成している。固定磁極３の上面平坦面３１は、シャフト８の中心軸と直交するように形成されており、可動磁極２の複数段の階段状凹陥部２２の底面平坦面２５と正対している。固定磁極３の上面平坦面３１と、階段状部の上面平坦面３６に囲まれた領域は、円環状に形成している。また、上面平坦面３１と階段状部の上面平坦面３６とは、シャフト８の中心軸と直交する同一の仮想的平面上に配置されており、また可動磁極２の上面平坦面２１と底面平坦面と、それぞれ正対している。

固定磁極３の上面平坦面３１と、階段状部の上面平坦面３６に囲まれた領域は、円環状に形成している。また、上面平坦面３１と階段状部の上面平坦面３６しは、シャフト８の中心軸と直交する同一の仮想的平面上に配置されており、また可動磁極２の上面平坦面２１と底面平坦面２５と、それぞれ正対している。

可動磁極２の複数段の階段状凹陥部２２と、固定磁極３の複数段の階段状凸部３２は、従来構造よりも相対的に推力が大きいコントロールストローク領域を得るために形成したものであり、本発明の中核となる部分である。

さらに、可動磁極２の複数段の階段状凹陥部２２の内側面２６と、固定磁極３の複数段の階段状凸部３２の外側面３７とは、それぞれのシャフト８の中心軸と平行な垂直面として形成されている。
また、固定磁極３の複数段の階段状凸部３２が可動磁極２の複数段の階段状凹陥部２２に入り込んだ時には、固定磁極３の外側面３７と可動磁極２の内側面２６は、それぞれ非常に接近した状態で正対する。特に凹陥部２２の底面平坦面２５と凸部３２の階段状部の上面平坦面３６との距離よりも、これら内・外側面の間に流れる磁束は正対している。これらの面同士を吸着させようとする力を生成するので、ソレノイド１の推力としては寄与しないので、推力を一定に保つ効果が大きいと言える。

コイルボビン９は、ケース７の内部に収納され、固定磁極３に接している。またコイル１０は、コイルボビン９に巻回されている。なお、コイルボビン９及びコイル１０の大きさや細部の形状は、磁気回路を生成するものであれば、どのようなものであっても良い。
また、スリーブ１３は、固定磁極３の貫通孔３４に嵌合されている。なお、スリーブ１３に代えて、リニアブッシュ等、他種の軸受を設けても良い。シャフト８は、先端側において、スリーブ１３に支持されており、また基端側に可動磁極２を支持している。

なお、以上説明した実施例の発明において、固定磁極３と可動磁極２との階段状凸部３２、及び階段状凹陥部２２は互いに逆に配置することも可能であることは言うまでもない。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係るソレノイド１においては、可動磁極２に複数段の同一深さ階段状凹陥部２２を設け、固定磁極３に複数段の同一高さ階段状凸部３２を設けることによって、シャフト８の進む方向、つまり推力の作用方向と直交する方向に作用する磁束の流れ、つまり推力には寄与しない力を生成する磁束の流れによって可動磁極２が固定磁極３に接近するに従って、急増する推力の抑制を図っている。
従って、本発明に係るソレノイド１は、従来のソレノイドよりも推力が大きい領域をコントロールストローク領域とすることができる。従来の凹陥部と凸部を対向させて摺動させる場合、精度の高いものでないと同時に同位置で２ヶ所の部分で、衝突しない精度が必要であり、加工費が高くなるものに対して、本発明のものは階段状凹陥部２２と階段状凸部３２を対向させて摺動させた場合、同時に各段部の凹陥部、凸部が接して係合するのは１ヶ所のみであるので、より加工はし易く、加工費も少なくてすむものである。従って、製造コストも廉価で行うことができるものである。

電磁弁を始め、各種駆動手段を有する装置に利用することができるものである。

１・・・・ソレノイド
２・・・・可動磁極
３・・・・固定磁極
４・・・・蓋部
５・・・・ネジ孔
６・・・・ネジ孔
７・・・・ケース
７ａ・・・・対向部
８・・・・シャフト
９・・・・コイルボビン
１０・・・・コイル
１１・・・・リード線
１２・・・・絶縁被覆
１３・・・・スリーブ
２１・・・・上面平坦面
２２・・・・複数段の同一深さ階段状凹陥部
２３・・・・貫通孔
２４・・・・大径部
２５・・・・底面平坦面
２６・・・・内側面
３１・・・・上面平坦面
３２・・・・複数段の同一高さ階段状凸部
３３・・・・胴体部
３４・・・・貫通孔
３５・・・・ネジ孔
３６・・・・階段状部の上面平坦面
３７・・・・外側面

Claims (2)

1. コイルと、このコイルの近傍に設けられた固定磁極と、摺動可能に設けられると共に、前記コイルへの通電時に、前記固定磁極に吸着されるように設けられた可動磁極とを有するソレノイドにおいて、前記固定磁極は、前記可動磁極に対向する側に、環状に形成された平坦面と、この平坦面に囲まれた領域内に形成された複数段の同一高さ階段状凸部、及び凹陥部を備え、中心軸に沿って貫通孔が形成されると共に、前記貫通孔の一端が開口しており、前記可動磁極は、前記固定磁極に対向する側に、環状に形成された平坦面と、この平坦面に囲まれた領域内に形成された複数段の階段状同一深さ凹陥部、及び凸部を備え、中心軸に沿って貫通孔が形成されると共に、前記貫通孔の一端が開口しており、前記コイルへの通電時に、前記可動磁極の前記複数段の階段状凹陥部は、前記固定磁極の前記複数段の階段状凸部に挿入嵌合され、前記可動磁極の前記凹陥部は、前記固定磁極の前記凸部が挿入嵌合されるようになされ、さらに前記固定磁極の前記貫通孔に嵌合された軸受と、前記可動磁極の貫通孔に嵌合されると共に、前記軸受に摺動可能に支持されたシャフトとを有することを特徴とするソレノイド
2. 前記固定磁極は、その中心軸方向において、前記複数段の階段状の凸部の底面から平坦面までの距離と、前記凸部の底面から前記可動磁極の複数段の階段状の凹陥部の先端部までの距離とが等しいことを特徴とする請求項に記載のソレノイド
   

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