JP2021132079A - ソレノイド - Google Patents

Abstract

【課題】可動鉄心の直進性が高いソレノイドを提供する。【解決手段】コイル２に通電したときの磁気作用によってスプリング５の付勢力に抗して可動鉄心３を固定鉄心４に向けて駆動するソレノイド１であって、可動鉄心３は、軸方向に突出する軸部３１を有しており、固定鉄心４には、軸部３１が挿通される軸孔４ａが形成されており、スプリング５は、軸孔４ａに挿通された軸部３１に当接配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、コイルに通電したときの磁気作用によってスプリングの付勢力に抗して可動鉄心を固定鉄心に向けて駆動するソレノイドに関する。

ソレノイドの使用例として、可動鉄心に軸と共に移動する弁体の一部を流体通路内に形成された弁座に接離させることで、流体通路を開閉できるようにしたソレノイドバルブが知られている（特許文献１参照）。

従来のソレノイドは、流体通路内の弁体とソレノイドケースとの間に復帰用のスプリングが配置されており、ソレノイドの非通電時にはスプリングの付勢力により可動鉄心を固定鉄心から離間させるとともに、通電時にはスプリングの付勢力に抗して可動鉄心を固定鉄心に吸引させるようになっている。しかしながら、スプリングがソレノイドケースの外部に配置されることにより、ソレノイドが大型化するだけでなく、スプリングが流体通路を流れる流体等の外的要因の影響を受けることにより、ソレノイドの動作に影響を与える虞があった。

特許文献１におけるソレノイドは、可動鉄心と固定鉄心との間に復帰用のスプリングが配置されることにより、ソレノイドを小型化しつつソレノイドの動作に対する外的要因の影響が抑えられている。

実願平１−９８３５（実開平２−１０２０８２号）のマイクロフィルム（第２頁〜第１５頁、第１図、第３図）

特許文献１におけるソレノイドは、通電時において固定鉄心のテーパ状の吸引部と可動鉄心のテーパ状の吸引部同士を近接させる構造となっており、多くの磁束を通過させやすくし、ソレノイドの吸引特性に優れるものの、復帰用のスプリングは固定鉄心と可動鉄心にそれぞれ当接し、かつ両吸引部よりも内径側に配置されることから、使用できるスプリングの径に制約があり、スプリングが力を受けたときに屈曲しやすくなり、スプリング反力の方向が軸心から傾くことで可動鉄心の直進性が低くなってしまう虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、可動鉄心の直進性が高いソレノイドを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のソレノイドは、
コイルに通電したときの磁気作用によってスプリングの付勢力に抗して可動鉄心を固定鉄心に向けて駆動するソレノイドであって、
前記可動鉄心は、軸方向に突出する軸部を有しており、
前記固定鉄心には、前記軸部が挿通される軸孔が形成されており、
前記スプリングは、前記軸孔に挿通された前記軸部に当接配置されている。
これによれば、固定鉄心の軸孔に挿通される可動鉄心の軸部にスプリングが当接配置されることにより、吸引部となる固定鉄心と可動鉄心との間にスプリングが介在せず、径の大きいスプリングを使用することができるため、スプリングが屈曲し難く、可動鉄心の直進性を高めることができる。

前記スプリングは、前記固定鉄心の内側に形成されるスプリング穴に配置されていてもよい。
これによれば、スプリング穴の内周面によりスプリングの外径がガイドされるため、可動鉄心の直進性を高めることができる。

前記軸孔は、前記スプリング穴よりも径が小さくてもよい。
これによれば、固定鉄心と可動鉄心との間の吸引部を確保しつつ、径の大きなスプリングを用いることができる。

前記可動鉄心は、軸方向両側に突出する軸部を有し、各軸部が軸受により軸支されていてもよい。
これによれば、可動鉄心の直進性を高めることができる。

前記可動鉄心の外周側には、自己保持用の永久磁石が設けられていてもよい。
これによれば、固定鉄心と可動鉄心との間にスプリングが介在しないため、固定鉄心と可動鉄心との間の吸引部を大きく確保することができ、永久磁石によるソレノイドの自己保持性能を高めることができる。

本発明の実施例におけるソレノイドの非通電状態を示す断面図である。 実施例におけるソレノイドの通電状態を示す断面図である。

本発明に係るソレノイドを実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例に係るソレノイドにつき、図１および図２を参照して説明する。以下、図１を正面から軸方向右側を一方側、軸方向左側を他方側として説明する。

図１および図２に示されるように、ソレノイド１は、コイル２と、可動鉄心としてのプランジャ３と、固定鉄心としてのセンタポスト４と、復帰用のスプリング５と、自己保持用の磁石ユニットＭと、これらの部材を収容するソレノイドケース６と、から主に構成されている。

尚、本実施例のソレノイド１は、プランジャ３の外周側において、永久磁石７が鉄等の磁性体から形成されるスペーサ７０に径方向に挟まれることにより環状に構成された磁石ユニットＭが配置される自己保持型ソレノイドとして構成されている。また、磁石ユニットＭにおける永久磁石は、円環状に構成されるものであってもよいし、直線状のものを組み合わせて環状に構成されるものであってもよい。

コイル２は、絶縁体から形成される鍔付き略円筒形状のボビン２０と、ボビン２０の外周に所定回数巻き回される導線２１と、から主に構成されている。導線２１の端部は、リード線２２に接続され、図示しない電源から電力が供給されることにより、コイル２は磁束を発生する。

また、コイル２は、磁石ユニットＭの軸方向他方側に隣接して配置され、内径が略同一に構成されている。

プランジャ３は、鉄等の磁性体から形成される略円筒形状の本体部３０と、アルミ合金等の非磁性体から形成されプランジャ３の軸方向（以下、単に「軸方向」と表記する。）に突出する軸部としての軸３１と、を有している。尚、プランジャは、本体部と軸部が一体に構成されていてもよい。

また、プランジャ３は、コイル２および磁石ユニットＭの内径側に配置される。尚、本体部３０の外周面とコイル２のボビン２０および磁石ユニットＭのスペーサ７０の内周面との間は、径方向に僅かに離間することにより微小な隙間が形成されており、本体部３０は、コイル２および磁石ユニットＭに対して軸方向に円滑に相対移動可能となっている。

また、本体部３０には、径方向中央に軸方向に貫通する貫通孔３０ａが設けられている。貫通孔３０ａには、軸３１が挿通され溶接，圧入等により一体に固定されている。すなわち、本体部３０と軸３１は、軸方向に共に移動可能となっている。

また、本体部３０の軸方向他方側の端部には、内径側が軸方向一方側へ向けて凹む吸引部３２が形成されている。吸引部３２は、貫通孔３０ａの外径側から径方向に延びる平坦面３２ａと、平坦面３２ａの外径側からセンタポスト４側、すなわち軸方向他方側に向けて漸次径が大きくなるように傾斜して延びるテーパ面３２ｂと、テーパ面３２ｂの外径側から径方向に延びる平坦面３２ｃとから形成されている。

軸３１は、その軸方向他方側の端部に小径の取付部３１ａを有し、取付部３１ａには円板状のリテーナ３３が圧入固定されている。尚、軸３１の軸方向一方側の端部は、図示しない開閉弁等の負荷に対して接続されている。

センタポスト４は、鉄等の磁性体から形成され、円筒部４０と、円筒部４０の軸方向他方側の端部から外径方向に延出するフランジ部４１と、円筒部４０の軸方向一方側の内径側が軸方向一方側へ向けて突出する吸引部４２と、を有している。

また、センタポスト４は、コイル２の内周に軸方向他方側から挿入されている。このとき、フランジ部４１の軸方向一方側の側面がコイル２の軸方向他方側の端に当接するようになっている。すなわち、コイル２に対するセンタポスト４の挿入進度をフランジ部４１との当接によって規定することができる。そのため、ソレノイド１の組立作業性が高い。

吸引部４２は、軸孔４ａの外径側から径方向に延びる平坦面４２ａと、平坦面４２ａの外径側から軸方向他方側に向けて漸次径が大きくなるように傾斜して延びるテーパ面４２ｂと、テーパ面４２ｂの外径側から径方向に延びる平坦面４２ｃとから形成されている。

また、センタポスト４には、径方向中央に軸方向に貫通する軸孔４ａおよびスプリング穴４ｂが設けられている。軸孔４ａとスプリング穴４ｂは、連通しており、スプリング穴４ｂの径Ｄ_１よりも軸孔４ａの径Ｄ_２が小さく（Ｄ_１＞Ｄ_２）構成されている（図１参照）。

軸孔４ａには、軸３１が挿通され、軸３１は軸孔４ａの内周に設けられる軸受４３により軸支されている。

スプリング穴４ｂには、軸孔４ａに挿通される軸３１の取付部３１ａおよびリテーナ３３が配置される。また、スプリング穴４ｂには、軸方向他方側からスプリング５が挿入される。

スプリング５は、圧縮バネであり、その軸方向一方側の端は軸３１の取付部３１ａに固定されるリテーナ３３の軸方向他方側の端面に当接し、軸方向他方側の端はソレノイドケース６を構成するボトムキャップ６０の軸方向一方側の端面に当接している。

ソレノイドケース６は、鉄等の磁性体から形成されるボトムキャップ６０および非磁性材から形成されるトップキャップ６１と、鉄等の磁性体から形成される略円筒形状のケース本体６２と、から構成されている。

ボトムキャップ６０は、その軸方向一方側の端面にセンタポスト４のフランジ部４１を挿嵌可能な凹部６０ａが設けられている。

トップキャップ６１は、その軸方向他方側の端面にプランジャ３の本体部３０を挿入可能な凹部６１ａが設けられている。また、トップキャップ６１には、径方向中央に軸方向に貫通する軸孔６１ｂが設けられている。軸孔６１ｂには、軸３１が挿通され、軸３１は軸孔６１ｂの内周に設けられる軸受６３により軸支されている。

ケース本体６２は、孔付きの断面Ｕ字状を成しで、軸方向他方側の端部の内径側には段部６２ａが設けられている。

ここで、ソレノイド１の組み立て手順の例を説明する。まず、ケース本体６２に軸方向他方側からトップキャップ６１、磁石ユニットＭ、コイル２の順に挿入する。次に、コイル２の内周に軸方向他方側からプランジャ３、センタポスト４、スプリング５を組み立てた状態で挿入する。最後に、ボトムキャップ６０の凹部６０ａにセンタポスト４のフランジ部４１を挿嵌し、ボトムキャップ６０の外周部の面取り部分にケース本体６２の軸方向他方側の端部をカシメ固定する。このとき、ケース本体６２の段部６２ａは、カシメ固定時における軸方向の荷重を受ける荷重受け部として機能している。

次いで、ソレノイド１の動作および自己保持機能について説明する。

先ず、ソレノイド１の非通電状態について説明する。図１に示されるように、ソレノイド１は、非通電状態において、プランジャ３がスプリング５の付勢力により軸方向一方側へと押圧されることで、プランジャ３が軸方向一方側へ移動し、プランジャ３の本体部３０の軸方向一方側の端面がトップキャップ６１の凹部６１ａの底面に当接している。

このとき、プランジャ３には、軸方向一方側に向けてスプリング５の付勢力（Ｆ_ｓｐ）が作用し、軸方向他方側に向けて永久磁石７による磁力（Ｆ_Ｍ１）が作用している。すなわち、軸方向一方側の向きを正として、プランジャ３には、力Ｆ_ｐｌｕ１＝Ｆ_ｓｐ−Ｆ_Ｍ１が作用している。尚、センタポスト４の吸引部４２とプランジャ３の吸引部３２とが離間している状態では、スプリング５の付勢力（Ｆ_ｓｐ）が永久磁石７による磁力（Ｆ_Ｍ１）よりも大きくなっている（Ｆ_ｓｐ＞Ｆ_Ｍ１）。

次に、ソレノイド１の通電状態について図２を参照して概略的に説明する。図２に示されるように、ソレノイド１は、通電状態において、コイル２に電流が印加されることにより発生する電磁力（Ｆ_ｓｏｌ１）が力Ｆ_ｐｌｕ１を上回る（Ｆ_ｓｏｌ１＞Ｆ_ｐｌｕ１）と、プランジャ３がセンタポスト４へ向けて引き寄せられることで、プランジャ３が軸方向他方側へ移動し、プランジャ３の吸引部３２における平坦面３２ｃがセンタポスト４の吸引部４２における平坦面４２ｃに当接する。また、吸引部４２の平坦面４２ａおよびテーパ面４２ｂと吸引部３２の平坦面３２ａおよびテーパ面３２ｂとは、僅かに離間した状態となっている。

このとき、センタポスト４とプランジャ３とが初期状態（図１参照）よりも近づくことにより、永久磁石７による磁力（Ｆ_Ｍ２）がスプリング５の付勢力（Ｆ_ｓｐ）よりも大きくなっている（Ｆ_ｓｐ＜Ｆ_Ｍ２）。

そのため、コイル２への通電を停止して非通電状態としても永久磁石７による磁力（Ｆ_Ｍ２）によって、センタポスト４の吸引部４２にプランジャ３の吸引部３２が吸着された状態が保持される。すなわち、軸方向一方側の向きを正として、プランジャ３には、力Ｆ_ｐｌｕ２＝Ｆ_ｓｐ−Ｆ_Ｍ２が作用している。

尚、ソレノイド１の自己保持機能を解除する際には、コイル２に逆方向電流が印加されることにより発生する電磁力（Ｆ_ｓｏｌ２）が力Ｆ_ｐｌｕ２を上回る（Ｆ_ｓｏｌ２＞Ｆ_ｐｌｕ２）と、プランジャ３がセンタポスト４から離間することで、プランジャ３が軸方向一方側へ移動し、プランジャ３を元の位置（図１参照）に戻すことができる。

以上説明したように、本実施例のソレノイド１は、センタポスト４の軸孔４ａに挿通されるプランジャ３の軸３１にスプリング５が当接配置されることにより、センタポスト４の吸引部４２とプランジャ３の吸引部３２との間に復帰用のスプリングが介在せず、径の大きいスプリング５を使用することができるため、可動鉄心の直進性を高めることができる。詳しくは、コイル２への通電によりセンタポスト４にプランジャ３が引き寄せられ、スプリング５が圧縮される方向に力を受けたときにスプリング５の径が大きいことにより屈曲し難くなり、スプリング反力の方向が軸心と平行に揃いやすくなるため、可動鉄心の直進性を高めることができる。

また、スプリング５とプランジャ３の本体部３０が接触しないため、直接的な摩耗の発生がなく、永久磁石７により磁化されているセンタポスト４およびプランジャ３の吸引部３２，４２に摩耗粉が磁気吸着されることを防止できる。

また、スプリング５は、センタポスト４の内側に形成されるスプリング穴４ｂに配置されている。これによれば、スプリング穴４ｂの内周面によりスプリング５の外径がガイドされるため、スプリング５がさらに屈曲し難くなり、可動鉄心の直進性を高めることができる。

また、軸孔４ａの径Ｄ_２は、スプリング穴４ｂの径Ｄ_１よりも小さく構成されている。これによれば、センタポスト４の吸引部４２を軸孔４ａが形成される内径側まで大きく確保することができる。さらに、センタポスト４の吸引部４２とプランジャ３の吸引部３２との間に復帰用のスプリング５が介在しないため、センタポスト４とプランジャ３との間の吸引部３２，４２を大きく確保することができ、永久磁石７によるソレノイド１の自己保持性能を高めることができる。

また、軸３１は、プランジャ３の軸方向両側に突出し、センタポスト４の軸孔４ａおよびトップキャップ６１の軸孔６１ｂに設けられる軸受４３，６３により軸支されている。これによれば、プランジャ３の直進性を高めることができる。

また、スプリング穴４ｂ内の流体はスプリング穴４ｂとリテーナ３３との間を通って行き来する。

また、プランジャ３は、本体部３０と軸３１とが別体であり、軸３１が非磁性体から形成されているため、センタポスト４とプランジャ３の外径側において磁束がまとまりやすくなり、ソレノイド１の吸引特性を安定させることができる。

また、センタポスト４の吸引部４２とプランジャ３の吸引部３２は、互いにテーパ面３２ｂ，４２ｂを有しているため、径方向面同士の組み合わせに比べて、径方向に重複する位置にテーパ面３２ｂ，４２ｂが存在し、センタポスト４とプランジャ３との間における最短距離を短くすることができ、センタポスト４からプランジャ３が離間した状態でもソレノイド１の推力を得やすくすることができる。

また、センタポスト４の吸引部４２とプランジャ３の吸引部３２は、互いにテーパ面３２ｂ，４２ｂの外径側に径方向に延びる平坦面３２ｃ，４２ｃを有しているため、プランジャ３の吸引時に平坦面３２ｃ，４２ｃ同士を当接させることにより、センタポスト４の吸引部４２にプランジャ３の吸引部３２が嵌り込むことがなくなり、自己保持機能を解除する際にセンタポスト４からプランジャ３を離間させやすくすることができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、復帰用のスプリング５がセンタポスト４の内側に形成されるスプリング穴４ｂに配置されるものとして説明したが、これに限らず、スプリングは、センタポストの軸孔に挿通されるプランジャの軸部に当接配置されるものであれば、センタポストの外部に配置されていてもよい。例えば、スプリングは、ボトムキャップから延出する円筒部の内側に配置されてもよい。

また、スプリングは、外径を周方向に亘ってガイドされていなくてもよく、外径の一部がガイドされていればよい。

また、スプリングは、外径をガイドされていなくてもよい。

また、前記実施例では、センタポスト４に設けられるスプリング穴４ｂの径Ｄ_１よりも軸孔４ａの径Ｄ_２が小さく構成されるものとして説明したが、これに限らず、軸孔とスプリング穴は同一径であってもよい。

また、前記実施例では、スプリング５の軸方向一方側の端が当接するリテーナ３３と軸３１とが別体に構成されるものとして説明したが、これに限らず、スプリングの軸方向一方側の端が当接するバネ受け部分が軸と一体に構成されてもよい。

また、前記実施例では、センタポスト４の軸孔４ａの内周に設けられる軸受４３により軸３１が軸支されるものとして説明したが、これに限らず、センタポストの軸孔には軸受が設けられなくてもよい。また、トップキャップの軸孔にも軸受が設けられなくてもよい。

また、センタポストやプランジャの吸引部は、テーパ面を有するものに限らず、形状は自由に構成されてよい。

また、プランジャの本体部は、周方向に分割されていてもよい。

また、永久磁石は、プランジャの外周側に配置されていなくてもよい。

また、ソレノイドは、永久磁石が設けられる自己保持型ソレノイドに限らない。

１ ソレノイド
２ コイル
３ プランジャ（可動鉄心）
４ センタポスト（固定鉄心）
４ａ 軸孔
４ｂ スプリング穴
５ スプリング
６ ソレノイドケース
７ 永久磁石
３０ 本体部
３１ 軸（軸部）
３２ 吸引部
３２ａ 平坦面
３２ｂ テーパ面
３２ｃ 平坦面
３３ リテーナ
４２ 吸引部
４２ａ 平坦面
４２ｂ テーパ面
４２ｃ 平坦面
４３，６３ 軸受
６０ ボトムキャップ
６１ トップキャップ
６１ｂ 軸孔
６２ ケース本体
６２ａ 段部
７０ スペーサ
Ｍ 磁石ユニット

Claims (5)

1. コイルに通電したときの磁気作用によってスプリングの付勢力に抗して可動鉄心を固定鉄心に向けて駆動するソレノイドであって、
   前記可動鉄心は、軸方向に突出する軸部を有しており、
   前記固定鉄心には、前記軸部が挿通される軸孔が形成されており、
   前記スプリングは、前記軸孔に挿通された前記軸部に当接配置されているソレノイド。
2. 前記スプリングは、前記固定鉄心の内側に形成されるスプリング穴に配置されている請求項１に記載のソレノイド。
3. 前記軸孔は、前記スプリング穴よりも径が小さい請求項２に記載のソレノイド。
4. 前記可動鉄心は、軸方向両側に突出する軸部を有し、各軸部が軸受により軸支されている請求項１ないし３のいずれかに記載のソレノイド。
5. 前記可動鉄心の外周側には、自己保持用の永久磁石が設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載のソレノイド。

Images