JPH0522366B2

JPH0522366B2 -

Info

Publication number: JPH0522366B2
Application number: JP1174828A
Authority: JP
Inventors: Yoshiteru Koyama
Original assignee: Shima Seiki Mfg Ltd
Current assignee: Shima Seiki Mfg Ltd
Priority date: 1989-07-05
Filing date: 1989-07-05
Publication date: 1993-03-29
Also published as: JPH0338805A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

この発明は自己保持型ソレノイドに関する。ソ
レノイドのプランジヤは吸引位置と復帰位置の間
を動く。自己保持型というのは磁気回路の中に永
久磁石を持ち、永久磁石の磁束の作用で吸引、復
帰位置のいずれに於てもプランジヤが安定に保持
されるものをいう。この発明は、とくに復帰位置での安定性を増大
させた自己保持型直流ソレノイドに関する。

【従来の技術】

自己保持型直流ソレノイドは、磁気回路の中に
永久磁石を有し、この作用により、プランジヤを
ひとつ或はふたつの位置に安定に保持するもので
ある。プランジヤが進退する摺動筒のまわりに於て、
中央に永久磁石、前後にひとつづつのコイルを巻
き回した双安定自己保持型ソレノイドがある。こ
れは前後にストツパがあり対称な動きをする。これは前後でストツパに衝突するので、プラケ
ツトから、フロントヨークが外れやすいという欠
点がある。たとえば実公昭59−23371号はこのカテゴリー
に属する。本出願人は、コイルがひとつで永久磁石をブラ
ケツトの前方に設けた２安定型直流ソレノイドを
開発した。たとえば第７図に示すようなものであ
る。特公昭59−29127（S59.7.18）、特公昭63−
15727（S63.4.6）、特公昭63−31088（S63.6.22）な
どがこれに属する。永久磁石２は同極が対向している。第７図はプランジヤ７が、フロントヨーク１０
の前方に突出た復帰状態を示している。フロント
ヨーク１０と永久磁石２の間に空隙がある。復帰
状態では、この空隙のまわりに、永久磁石２、ブ
ラケツト１、フロントヨーク１０、プランジヤ７
を通る閉じられた磁気回路が生ずる。このため復
帰状態が安定に保たれる。プランジヤが後退した状態（破線で示す）を吸
引状態という。第７図のものは吸引状態の方が、
復帰状態よりもずつと安定である。吸引状態のと
き、プランジヤ７が後方のストツパ６に吸引され
ており、リラクタンスの低い磁気回路が形成され
るからである。ついで本出願人は、第８図に示すような２安定
自己保持型直流ソレノイドを開発した。ブラケツト１と摺動筒３の間の空間に、前から
後へ順に復帰側コイル４、永久磁石２、吸引側コ
イル５が並んでいる。これは復帰状態を示している。磁束は永久磁石
２、ブラケツト１、フロントヨーク１０、プラン
ジヤ７の前半部を巡回する。プランジヤ７の前端
がフロントヨーク１０の最近接位置にある。吸引側コイル５に瞬間的に電流を長し、プラン
ジヤ前半部の磁束を打消す方向に新たな磁束を加
えると、プランジヤ７が後退して、吸引状態（破
線）になる。これは、第７図のものよりも動作が対称に近
い。つまり復帰状態がより安定である。しかしそ
れでも、吸引状態に比べれば不安定である。本発明は第８図のものの復帰状態の安定性を増
大させることを目的とする。本発明について述べる前にもうひとつの従来技
術である実開昭63−188910（S63.12.5）について
説明しよう。第９図はこの考案のソレノイド縦断面図であ
る。このソレノイドは、プランジヤの前後に長い第
１小径部２１、第２小径部２２を設けたところに
特徴がある。異形のプランジヤを持つのでここで説明するの
である。第１小径部２１の前には第１拡径部３１を有す
る。第２小径部２２の後には第２拡径部３２を有
する。第１小径部２１、第２小径部２２の間には
第３拡径部３３がある。第１拡径部３１の幅をT₁、フロントヨーク１
０の幅をU₁とすると T₁＝U₁ (1) である。第２拡径部３２の幅をT₂、ブラケツト後端板
部２４の幅をU₂とすると、 T₂＝U₂ (2) である。ストロークをＳとする。中央の磁石の幅をＤと
する。中央の第３拡径部３３の幅をT₃とすると、 T₃＝Ｄ＋Ｓ (3) である。第９図はプランジヤ７が前位置にある状態を示
す。第１拡径部３１がフロントヨーク１０と同じ
軸方向位置にある。第３拡径部３３は永久磁石２
に対向している。前位置に於て、永久磁石２の後端と第３拡径部
３３の後端とが軸方向に同じ位置にある。ここで
永久磁石２、第３拡径部３３、プランジヤ前半
部、第１拡径部３１、フロントヨーク１０、ブラ
ケツト１を巡る閉磁路が生ずる。プランジヤは後位置を取る事もできる。これ
は、第２拡径部３２がブラケツト１の後端板部２
４と同じ位置に並ぶような位置である。第１、第２小径部２１，２２がある理由は、前
位置、後位置にプランジヤが安定に自己保持され
るためである。第９図の前位置に於て説明しよう。もしもプラジヤ７に左向き（後方向）の力が働
いたとする。これに対して、第１拡径部３１とフ
ロントヨーク１０が引き合うのでこの力に抵抗で
きる。プランジヤ７に右向き（前方向）の力が働いた
とする。これに対し第１拡径部３１とフロントヨ
ーク１０が引き合う力と、永久磁石２と第３拡径
部３３が引き合う力とによつて、さきほどの力に
抵抗できる。このように、第１拡径部３１の幅
T₁がフロントヨークの幅U₁に等しいことで、前
位置におけるプランジヤに安定に保つことができ
る。第３拡径部３３の後端もこれに協力する。後位置におけるプランジヤを安定に保つことも
同様である。第２拡径部３２とプラケツト後端板
２４（T₂＝U₂）とが引き合い、永久磁石２と第
３拡径部３３が引き合う力により、後位置が安定
に保たれる。つまり、(1)〜(3)式で決まる関係の幅を持つ第１
〜第３拡径部３１，３２，３３があるから、前位
置、後位置をプランジヤが取ることできる。もし
第１〜第３拡径部３１〜３３がなければ、２つの
定位置をとることができない。３つの拡径部がどうしても必要である。３つの
拡径部があればその間に２つの小径部２１，２２
が生ずる。これは当りまえのことである。小径部
２１，２２が存在するのは以上の理由による。拡径部３１〜３３を作るために小径部２１，２
２が必要なのである。小径部の長さＣはかなり長くなる。コイルボビ
ンの長さからストロークＳを引いたものになる。前コイル、後コイルのボビンの長さをB₁，B₂
とすると、第１小径部の長さC₁、第２小径部の長さC₂は C₁＝B₁−Ｓ (4) C₂＝B₂−Ｓ (5) である。実開昭63−188910は本発明と目的が異なるし、
形式もちがうのであるが、異形のプランジヤを持
つので詳しく説明した。

【発明が解決しようとする課題】

本発明は第８図に示すソレノイドの改良を目的
とする。第８図のソレノイドは本出願人の開発し
たもので、多くの長所を持つている。しかし、使用目的によつては欠点となりうるこ
ともある。第８図は復帰状態を実線で示している
が、この復帰状態の安定性が不十分であるという
事である。復帰状態はフロントヨーク１０とプランジヤ７
の前端との引力によつて保たれるが、引力の方向
とプランジヤの動きの方向がほぼ直交するため、
磁気的な引力の効きが悪い。小さな衝撃力がプラ
ンジヤ前端に加わつただけでプランジヤ７が後退
しポテンシヤルの山をこえて、吸引状態になる。
こういう誤動作が、極めて少ない確率であるが、
起こりうる。吸引状態は極めて安定である。復帰
状態はそれに比べれば不安定である。使用目的、
環境によつては、より強力な復帰状態が望まれ
る。本発明は第８図のように前後にコイル、中央に
磁石、後端にストツパを有するソレノイドで、復
帰状態の自己保持力を高め、復帰状態をより安定
にしたものを与える事を目的とする。

【課題を解決するための手段】

本発明の自己保持型直流ソレノイドは、有底筒形の外殻をなす磁性体のブラケツト
と、ブラケツトの中に軸方向に設けられる摺動筒
と、摺動筒の中に進退自在に設けられる棒状の磁
性体のプランジヤと、プランジヤの通る通し穴を有しブラケツトの
前端部を連結する磁性体のフロントヨークと、摺動筒とブラケツトの間の前方の空間にあり
摺動筒を囲むように設けられる復帰側コイル４
と、摺動筒とブラケツトの間の後方の空間であつ
て摺動筒を囲むように設けられる吸引側コイル
５と、ブラケツトと摺動筒の間であつて復帰側コイ
ルと吸引側コイルの中間にあり同極が対向する
ように設けられる永久磁石と、ブラケツトの後方にあつてプランジヤの背面
を吸引するための磁性体のストツパよりなり、復帰側コイル又は吸引側コイルの通電するこ
とにより、プランジヤの後端がストツパに吸引
されている吸引状態と、プランジヤの前端がフ
ロントヨークより前方にある復帰状態との間を
プランジヤが進退するようにしてあり、プランジヤの途中で、プランジヤ前端がフロ
ントヨークに最近接位置にあるときに復帰側コ
イルの後端から永久磁石の前半に至る領域に対
向する位置にプランジヤ小径部があり、プランジヤ小径部の幅ｗは永久磁石の幅Ｄよ
りも小さくなつている、ようにしたものである。

【作用】

復帰状態が問題である。復帰状態というのは、
プランジヤが前方のある定位置にある状態であ
る。プランジヤのポテンシヤルエネルギーが極小
である状態である。したがつて安定な状態であ
る。復帰状態であるときプランジヤの前端はフロン
トヨークと面一（つらいち）であるか、やや前方
へ突出した位置にある。後端はストツパから離れ
ている。プランジヤ側周と永久磁石の距離（間隙）をｇ
とする。永久磁石によつて生じた磁束は、間隙ｇを経て
プランジヤのやや後方からプランジヤ内に入り、
プランジヤ小径部からプランジヤ前半部を貫流し
て間隙ｇを経てフロントヨークに入る。これから
ブラケツトの前半部を通り、永久磁石の反対側の
極に戻る。この閉磁路によりプランジヤは安定に保たれ
る。もしも、プランジヤに、後方に向う力Ｆが加わ
つたとする。プランジヤは後方へ変位する。後方
変位すると、プランジヤ小径部が永久磁石の対向
面の間に入つてくる。プランジヤ小径部の深さをｄとする。プランジ
ヤ小径部と永久磁石対面の間の空隙をｈとする
と、ｈ＝ｇ＋ｄ (4) である。ｈはｇより広いわけである。すると急に磁気回路のリラクタンスが空隙ｈの
ために増加する。つまりプランジヤのポテンシヤ
ルが増加する。ポテンシヤルが増加するというこ
とは、これが反対方向の力を発生するということ
である。ポテンシヤルをＵとし、プランジヤの前
から後に向う座標をｘとすると、dxの後方変位
に対し力−dU／dxが生ずる。これが大きい空隙ｈのために大きい値になる。
大きい反力Ｒ＝−dU／dxを生ずるということで
ある。復帰状態は大きい反力Ｒのため、より安定に保
たれる。「より」というのは第８図に示すような
プランジヤ小径部を欠くソレノイドに対してとい
うことである。このように復帰状態の安定性が高まる。復帰状
態にあつたものが偶然的な外部衝撃によつて誤動
作して吸引状態に遷移するといつた事故を防ぐこ
とができる。これは本発明の利点である。もちろん新たな欠点も生ずる。プランジヤが一部分であるにせよ細くなるわけ
である。磁性体材料の体積が減少するのである。
このため、復帰側コイルや吸引側コイルに通電し
た時に誘起される磁束の量が減る。コイル電流が
同一であつても全磁束量は減少する。このためコ
イル通電によつて生ずる推力が僅かであるが減少
する。もしも、同じ推力を得たいとすればコイル電流
も増強しなければならない。さらに、吸引状態の安定性が減少する。復帰状
態の安定性が増えるのだから、これは当然のこと
である。しかし、吸引状態の安定性は、ストツパとプラ
ンジヤの強力な吸引のためもともと極めて大き
い。吸引力が多少減つても、これは問題ではな
い。復帰、吸引２状態の静的安定性の著しい非対称
が軽減されたということである。

【実施例】

図面によつて本発明の実施例にかかる自己保持
型直流ソレノイドを説明する。第１図は復帰状態にある実施例のソレノイドの
横断平面図である。第２図は吸引状態の横断平面
図である。第３図は全体の斜視図である。第４図は最大復
帰力を生ずるプランジヤ位置にあるソレノイドの
横断平面図である。ブラケツト１は十字型の軟鋼板を折りまげて有
底筒体形状としたものである。ブラケツト１の筒体としての軸方向に円筒形状
の摺動筒３が固定される。摺動筒３の材料は摺動
特性の優れたプラスチツクや金属とすることがで
きる。たとえばポリテトラフルオルエチレン
（PTFE）で作ることができる。合成樹脂製の場
合は、この例のようにコイルボビンと一体になる
ように摺動筒３を作ることができる。この例では
前後にボビン部があり、前方には復帰側コイル４
が巻回わされている。後方には吸引側コイル５が
巻回わされている。復帰側コイル４と吸引側コイル５の中間には、
同極が対向するよう４つの永久磁石が摺動筒３を
囲んで設けられる。摺動筒３の中には、進退自在に磁性体のプラン
ジヤ７が設けられる。棒状の磁性体であり、摺動
筒３の中を円滑に動きうるものとする。プランジヤ７の後端には円錐部１５が形成され
ている。ここに細い棒状の非磁性体であるプツシ
ユロツド９が固着される。ブラケツト１の前端には、４つのブラケツト片
を互に統合するため、磁性体の板であるフロント
ヨーク１０が固着される。フロントヨーク１０は略正方形状の軟鉄の板で
あつて、中心にプランジヤ７を通す通し穴１３が
穿たれている。フロントヨーク１０の四周の切欠き１６に、ブ
ラケツト１前端の突片１７を入れ、かしめる事に
よつてブラケツト１とフロントヨーク１０が結合
される。復帰側コイル４、吸引側コイル５につながるリ
ード線１８が３本出ている。これはグランドを共
通にしたからである。もちろんリード線は４本で
あつてもよい。さて重要な事は、プランジヤ７の途中に半径が
少なくなつたプランジヤ小径部８を設けたという
ことである。本発明の特徴はここにある。小径部の位置、幅ｗ、深さｄなどは重要なパラ
メータである。小径部の位置についてまず説明す
る。復帰状態（第１図）において、小径部８と後太
径部１２の境界が、永久磁石２と復帰側コイル４
と後端との境界にほぼ等しくなるような位置にあ
る。つまり、プランジヤ小径部８は復帰側コイル４
の後端に対向している。さらにいいかえると、後
太径部１２の前端が永久磁石２に対向している。第１図が復帰状態であるが、復帰状態というの
は単一の位置で定義できない。この点第２図に示
す吸引状態が単一の位置として定義できるのと異
なつている。プランジヤ７と摺動筒の間には摩擦力が働いて
いる。このため、プランジヤ７は第１図に示す位
置から前後に僅かに異なつた位置にも静止しう
る。プランジヤ７を後方へ押す力Ｆを加えると、反
力Ｒ＝−dU／dxが生ずる。しかし、摩擦力Ｗが
Ｒより大きいと、その位置で止まることができ
る。第４図はプランジヤ７を押してゆき、反力Ｒが
最大になつた状態を示す。これも復帰状態のひと
つである。復帰状態というのは、第１図で示すも
のから、第４図に示すものまでかなりの幅があ
る。これは摩擦力Ｗにもよる。それゆえ復帰状態でのプランジヤ小径部８の位
置を定義するのは容易ではない。たとえば次のように定義するのがよいであろ
う。「復帰状態において、復帰側コイル４の後端から
永久磁石２の前半に至る領域に、プランジヤ小径
部８が対向する。」これは復帰状態を定義しているのではない。そ
うではなくプランジヤ小径部８のプランジヤにお
ける位置を定義しているからである。プランジヤの後太径部１２によつて定義するこ
ともできる。この方がより簡単である。すなわ
ち、「復帰状態においては、後太径部１２の前端が必
ず永久磁石２に対向するようにする。」という事である。プランジヤ太径部の表面と永久磁石端面のギヤ
ツプをｇとする。この例でｇ＝0.6〜0.8mmであ
る。なかばは摺動筒の厚みである。プランジヤ小径部８の幅ｗはｇ＜ｗ＜Ｄ (5) という範囲になければならない。Ｄは永久磁石２
の幅である。ｗが大きいと、プランジヤの磁気抵
抗の低下が著しく望ましくない。ｗ＝Ｄ／２程度
が最適である。この例ではＤ＝５mm、ｗ＝３mmとしている。またプランジヤ小径部の位置は、前端から15.8
mm〜18.8mmである。さらに小径部の深さｄはこの
例で0.5mmである。小径部深さｄは、一般に１／２ｇ≦ｄ＜１／４φ (6) 程度でよい。ただしφはプランジヤ太径部の直径
である。ｄがあまりに大きいと、プランジヤの磁
気抵抗が増えるので望ましくない。またｄがギヤ
ツプｇの半分より小さいと、復帰状態を安定させ
るという作用に乏しい。この例では、φ＝９mm、ｄ＝0.5mm、ｇ＝0.6〜
0.8mmである。ｄはがたつきの部分があるので幅
をもつ。さらに、ブラケツトの長さは52.3mm、フロント
ヨークの一辺は25mmである。永久磁石（Ｄ＝５
mm）はサマリウムコバルト系である。吸引状態では第２図に示すように、ストツパ６
にプランジヤ後端が吸引されている。プランジヤ
小径部８は永久磁石２に対向している。この状態
は極めて安定である。

【効果】

本発明のソレノイドの長所は、復帰状態がより
安定だという事である。これは、第１図の状態か
ら、プランジヤを後へ押してゆくときに、プラン
ジヤ小系部８が永久磁石２と対向するようにな
り、急激に磁気抵抗が上り、ポテンシヤルＵが高
まる事による。Ｕの高まりが大きいので、反力Ｒ
＝−dU／dxが大きい。これを確かめるため実施例に示したソレノイド
（第１図〜第４図）と、従来例のソレノイド（第
８図）において、復帰状態のプランジヤの反力を
測定した。第４図に測定結果を示す。横軸は、プランジヤ
がストツパから離れている距離（ストロークＳ）
である。Ｓ＝０が吸引状態である。プランジヤが
復帰状態から中へ進入する方向にとつた座標ｘと
は方向が逆である。縦軸が反力Ｒである。プランジヤにフオースゲ
ージを押しあてて反力を測定した。実線が実施例を、破線が従来例（第８図）を示
す。Ｓ＝５の位置からプランジヤを押しこんでゆ
く。実施例の場合は反力が大きく、押しこんでゆく
に従い反力がさらに大きくなつてゆく。そしてＳ
＝３mmで最大値270gfとなる。この後Ｒが減少し、
Ｓ＝1.4でＲ＝０となる。つまりＳが、1.4より大
きい領域が広義の復帰状態といえるが、Ｓ＝３で
最高の値をとる。Ｓ＞３で停止している場合、極
めて安定だということである。従来例の場合、最大反力が80gf程度である。このため本発明のソレノイドは復帰状態が安定
である。従来のソレノイドでは、スプリングで引
つぱつて復帰状態を安定化させる必要があつた
が、本発明では、スプリングは不要である。誤動
作も少なくなる。しかし、反面、プランジヤの磁気抵抗が増える
ため、コイルに同じパルス電流を流しても、これ
によつて生ずる推力は従来のものよりも弱くな
る。第６図はこれを示している。吸引側コイル５は、コイル直流抵抗が12.4Ω、
巻き数1030である。復帰側コイル４は、コイル直流抵抗が12.4Ω、
巻き数750である。パルス電流をコイルに流すが、パルス幅はいず
れも38msecである。第６図において横軸はパルス電圧〓である。左縦軸は吸引推力である。単位はgfであり、か
つこ内にはnewton単位の値が示される。右縦軸
は復帰推力である。単位は同様にgf（newton）で
ある。吸引推力というのは、復帰状態にあるものを吸
引状態に遷移させるための推力である。これは吸
引側コイルに通電することによつてなされる。復帰推力というのは、吸引状態にあるものを復
帰状態に遷移させるための推力である。これは復
帰側コイルに通電することによつてなされる。実線が実施例における推力であり、破線が従来
例における推力である。多くの場合、従来例のソ
レノイドの方が推力が大きい。実施例の場合、プランジヤーの一部を切欠くの
で磁気抵抗が大きくなり、推力が小さくなるので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例にかかるソレノイドの
復帰状態における横断平面図。第２図は同じソレ
ノドの吸引状態における横断平面図。第３図はソ
レノイドの斜視図。第４図はプランジヤが最大復
帰保持力を受ける位置にあるときのソレノイドの
横断平面図。第５図は本発明と従来例のソレノイ
ドに於てプランジヤが復帰状態にあるとき、プラ
ンジヤに生ずる反力の測定結果をストロークＳの
函数として示すグラフ。第６図は本発明と従来例
のソレノイドに於て。コイルにパルス電流を流し
たときの吸引推力、復帰推力の測定結果を示すグ
ラフ、第７図は本出願人による特公昭59−29127
号などの直流ソレノイド横断平面図、第８図は本
出願人による従来例である直流ソレノイドの横断
平面図。第９図は実開昭63−188910のソレノイド
断面図。１……ブラケツト、２……永久磁石、３……摺
動筒、４……復帰側コイル、５……吸引側コイ
ル、６……ストツパ、７……プランジヤ、８……
プランジヤ小径部、９……ブツシユロツド、１０
……フロントヨーク、１１……前太径部、１２…
…後太径部、１３……通し穴、１４……後端板、
１５……円錐部、１６……切欠き、１７……突
片、１８……リード線。

Claims

【特許請求の範囲】

１有底筒形の外殻をなす磁性体のブラケツト１
と、ブラケツト１の中に軸方向に設けられる摺動
筒３と、摺動筒３の中に進退自在に設けられる棒
状の磁性体のプランジヤ７と、プランジヤ７の通
る通し穴１３を有しブラケツト１の前端部を連結
する磁性体のフロントヨーク１０と、摺動筒３と
ブラケツト１の間の前方の空間にあり摺動筒３を
囲むように設けられる復帰側コイル４と、摺動筒
３とブラケツト１の間の後方の空間であつて摺動
筒３を囲むように設けられる吸引側コイル５と、
ブラケツト１と摺動筒３の間であつて復帰側コイ
ル４と吸引側コイル５の中間にあり同極が対向す
るように設けられる永久磁石２と、ブラケツト１
の後方にあつてプランジヤ７の背面を吸引するた
めの磁性体のストツパ６とよりなり、復帰側コイ
ル４又は吸引側コイル５に通電することにより、
プランジヤの後端がストツパ６に吸引されている
吸引状態と、プランジヤの前端がフロントヨーク
１０より前方にある復帰状態との間をプランジヤ
７が後退するようにしてあり、プランジヤ７の途
中で、プランジヤ前端がフロントヨーク１０に最
近接位置にあるときに、復帰側コイル４の後端か
ら永久磁石２の前半に至る領域に対向する位置に
プランジヤ小径部８があり、プランジヤ小径部８
の幅ｗは永久磁石２の幅Ｄよりも小さくなつてい
ることを特徴とする自己保持型直流ソレノイド。