JPS6331088B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、永久磁石の作用により２つの安定
位置にプランジヤを保持でき、単一領域の巻線に
通電する事により、プランジヤを進退させる事の
できる双安定キープソレノイドに関する。

永久磁石の磁力により、プランジヤを一定の位
置に保持できる直流ソレノイドをキープソレノイ
ドと呼ぶ。

ソレノイドは、プランジヤを少くとも２つの位
置に進退運動させる事により、何らかの機構部品
にプランジヤと同方向の運動を起させるものであ
る。

永久磁石を用いて、双安定形の直流ソレノイド
を構成する事ができる。第９図は公知の双安定直
流ソレノイドの一例を示す断面図である。

このソレノイドは、左右対称のブラケツト１の
真中に、永久磁石３２，３２…を同極が対向する
よう設け、その左右に同等の巻数のＡコイル３３
及びＢコイル３４を配置してある。強磁性体のプ
ランジヤ３５は、ブラケツト３２の左右端のＡス
トツパー３６、Ｂストツパー３７の間の空間を左
右に摺動する。

Ａコイル、Ｂコイルには、同時に同方向のパル
ス電圧を印加して、プランジヤを変位させる。印
加電圧の向きを逆にすれば、プランジヤの運動を
逆にする事ができる。

Ａ、Ｂコイルは１巻線又は２巻線であるが、全
く同等の巻数よりなるコイルである。

従つて、この双安定ソレノイドは、左右いずれ
の方向に関しても力の大きさは等しい。保持力は
同じであるし、吸引推力も等しい。

これは、２つの安定位置間をプランジヤが同一
推力で変位するため、いかなる用途にも適する。

しかし、同等の巻線領域を２つ必要とするか
ら、ソレノイドの寸法が制限される時、十分な推
力を得るのが難しい。

多くの機構部品は、ソレノイドのプランジヤに
より前後に運動する時、対称の推力を必要としな
い。前進だけ、或は後退だけにより大きな推力を
要求し、反対方向には僅かな推力で運動する場合
が多い。つまり、多くの場合、ソレノイドには非
対称の推力が要求される。前後方向の所要推力が
非対称の機構部品を進退運動させる為、第９図の
ような双安定ソレノイドを使用するのは無駄であ
る。

さらにプランジヤを一定位置に静止させる力、
すなわち保持力にしても、多くの場合、非対称で
ある。より強い推力の作用で遷移した状態は、よ
り強い保持力によつて維持されなければならな
い。

もちろん、推力、保持力の非対称な単安定キー
プソレノイドは既に存在する。これは、スプリン
グを用いる。吸引はコイルの磁力で行うが、復帰
推力はスプリングの弾性力による。復帰状態はス
プリングの力によつて維持する。

このようなキープソレノイドは、スプリングを
取付けなければならないから、余分な空間を必要
とする。内部にスプリングを取付けると、巻線ス
ペースが少くなる。外部に取付けると、かさ高い
ものになる。

本発明者は、このような問題について熟考し
た。そして、スプリング等を必要とせず、巻線領
域は単一で済む、自己保持型ソレノイドを発明し
た（特願昭55−112005）。第１０図に断面図を示
す。

このキープソレノイドは、四方及び後方を囲む
強磁性体のブラケツト４１の中に、同極が対向す
る永久磁石４２と、単一領域にコイル４３とを設
けている。プランジヤ４４は、中心軸線方向に摺
動可能に設けられる。ストツパー４５はプランジ
ヤ４４の後端を吸引保持する。永久磁石４２の前
方には非磁性のスペーサ４６をへだてて強磁性体
のフロントヨーク４７がブラケツト４１に固着し
てある。

コイル４３は永久磁石４２の片側だけにある。
しかし、コイル４３にパルス電流を流すと、プラ
ンジヤ４４を前後に摺動させる事ができる。たと
えば、吸引状態において、磁石４２からの磁束
は、プランジヤ４４の全体、ストツパー４５、ブ
ラケツト４１を巡つて永久磁石４２に戻る閉磁路
にある。

コイル４３にパルス電流を流し、反対方向に磁
束を生じさせると、フロントヨーク４７とプラン
ジヤ前端面４８との間に吸引力が生じ、プランジ
ヤ後端とストツパー４５との間の吸引力が減少す
る。この為、プランジヤ４４はフロントヨーク４
７の近傍へ引寄せられる。コイル電流を切つて
も、この状態（復帰状態）を維持する。磁束は、
永久磁石４２から逆にプランジヤ４４の前端、フ
ロントヨーク４７、ブラケツト４１の前端、永久
磁石４２と続く小さい閉磁路を巡る。プランジヤ
４４はフロントヨーク４７に引寄せられたまま静
止する。

このように、スプリングの力を借りる事なく、
コイルの起磁力だけで吸引、復帰の２動作を行う
事ができる。この発明の新規な着想は、双安定ソ
レノイドからコイルをひとつ取除いても双方向の
動作を実行できる、という点にある。

従来、第９図の双安定ソレノイドで、プランジ
ヤをＡからＢへ移動させる時、Ｂコイルに多くの
電流を流し、Ａコイルにはより少く電流を流すの
が望ましいと、されていた。Ａコイルに過大電流
を流すと、Ａストツパー、プランジヤ間で過大吸
引力が生じてしまい、かえつて動かなくなるから
である。

この為、プランジヤの接近する方向のコイルに
より大くの電流を流す工夫がなされてきた。特公
昭56−927号の発明は、このような要請に応える
もので、２つのコイルの起磁力を、プランジヤの
接近する方を大に、離隔する方を小になるように
している。

このような常識のため、プランジヤを双方向へ
移動させるには、磁石の両側に必ずコイルが、少
くともひとつずつなければならない、と考えられ
たわけである。

しかし、本発明者は、必ずしも２コイルなくて
も良い事に気づいた。第１０図のソレノイドは永
久磁石４２の前方はスペーサ４６、フロントヨー
ク４７があるだけで、コイルが無い。それにも拘
ず、プランジヤを前方へ運動させる事ができたの
である。

第１０図のソレノイドは、優れた着想に基づく
ものであるが、復帰時の状態が安定でない、とい
う欠点があつた。

フロントヨーク４７と、プランジヤ４４の前端
は、プランジヤの運動方向に対し、直角に対向し
て、静止する（復帰状態）。ヨーク、プランジヤ
間の吸引力は軸と直角であるから、軸方向移動を
禁止する作用が弱い。外的な衝撃力で、プランジ
ヤが後退し、ストツパー４５に吸引されてしまう
可能性があつた。

本発明は、フロントヨークを延長し、プランジ
ヤ端面に接触させるよう構成する事により、復帰
状態でも安定な双安定キープソレノイドを与え
る。

以下、実施例を示す図面によつて、本発明の構
成、作用及び効果を詳細に説明する。

第１図は本発明の実施例に係る双安定キープソ
レノイドの全体斜視図。第２図はその横断面図で
ある。第３図は第２図中の−断面図。第４図
は−断面図である。

ブラケツト１は強磁性体で５面を囲む外殻をな
す。この例では、軟鋼板を十文字型に打抜き、四
片を折曲げたものとなつている。この中に同極が
対向するよう、永久磁石２，２，…が前方に配置
されている。

永久磁石２と、ブラケツト１の後面との間に
は、ボビン３に巻回わされたコイル４が設けられ
る。コイルは１巻線で、電流の向きを、吸引、復
帰動作で切換えるようにしても良い。２巻線とし
て、吸引、復帰動作をいずれか一方のコイルのみ
を使つて行うようにしても良い。巻線領域が単一
だというのが、重要である。

ブラケツト後面の中心には、強磁性体のストツ
パー５が固着してある。ソレノイドの中心軸方向
には強磁性体のプランジヤ６が進退自在に設けら
れる。

プランジヤ６の後端には、非磁性体のプツシユ
ロツド７が固着される。プツシユロツド７はスト
ツパー５の穴を貫き、外部に突出する。これは、
対象となる機器の部材を押し、或は引く為の出力
端となる。

ボビン３は巻線の軸体としての機能の他、この
実施例では、プランジヤ６の案内摺動筒としての
機能を兼ねる。さらに、前方では、スペーサ板部
８が形成してあり、永久磁石２と一定間隔を隔て
て、強磁性体の第１フロントヨーク９、第２フロ
ントヨーク１０が取付けられるようになつてい
る。非磁性のスペーサ部があつて、永久磁石とフ
ロントヨークの間を離隔している、という構成
が、重要である。

フロントヨーク９，１０は四辺が２箇所ずつ切
欠かれ、ブラケツト四辺から延長された２箇ずつ
のかしめ片１１を切片きに通し、これをかしめる
ようになつている。

ブラケツト１とフロントヨーク９，１０、スト
ツパー５により、ソレノイド外殻部は強磁性体で
構成される事になる。

コイル４からリード線１２が取り出される。こ
の例では、吸引、復帰にひとつずつ巻線を対応さ
せ、共通端子を取出すこととしているから、リー
ド線は３本になる。もちろん１巻線としてもよ
く、この場合、リード線は２本となる。

プランジヤ６の後端は円錐面１３となり、スト
ツパー５の対向部分も円錐面１４となつている。
これは、吸引時の磁力の及ぶ範囲を拡大する為
で、周知の構成である。

ボビン内面１５がプランジヤ６の摺動面を兼ね
るが、ボビンとは別に金属製、プラスチツク製の
摺動筒を設けてもよい。

このボビン３の後端には巻線鍔板部１６、中間
にも巻線鍔板部１７があり、この間に巻線がなさ
れる。巻線鍔板部１７とスペーサ板部８の間は四
角筒状となり、ここに角形で、対向面を45゜で隅
取りした永久磁石２が、４個嵌込まれる。つま
り、ボビンに磁石保持空間が設けられている。

ボビン３の先端は薄い周回凸縁１８となつてお
り、第１フロントヨーク９のヨーク穴１９に挿通
される。

第２フロントヨーク１０は、中央近傍で前方へ
膨出するよう変形しており、フロントヨーク口縁
部２０の中央には小さいヨーク穴２１が穿孔され
ている。

プランジヤ６の前端面２３の周縁部はヨーク口
縁部２０の裏面に接触する。このようにするた
め、プランジヤ直径Ｄより、ヨーク穴２１の直径
ｄは小さい。

プランジヤ６の前端面の中央には、プランジヤ
突部２２がある。その内面にプランジヤ螺部２４
があつて、これを出力端に用いることも可能であ
る。また突部２２は、復帰動作時の、磁気抵抗を
下げ、コイル起磁力の及ぶ範囲を拡大する効果が
ある。

しかし、突部２２を省く事も差支えない。

以上の構成に於て、その作用を説明する。

第５図は、復帰状態にあつて、コイルにパルス
電圧を印加した瞬間の磁束の分布を略示する図で
ある。

プランジヤ６にフロントヨーク１０に接触して
おり、永久磁石からの磁束Φfは、プランジヤ前
端部、フロントヨーク、ブラケツト前端部を巡る
小さい閉磁路を形成する。特にフロントヨーク口
縁部２０とプランジヤ前端面２３が軸方向に接触
（第２図）しているから、プランジヤはフロント
ヨークに強く引寄せられる。この状態は安定であ
る。これが、本発明の最大の特徴である。

さて、コイルにパルス電流を流すと、プランジ
ヤ、ブラケツト内にコイルによる磁束Ψrが生ず
る。二部Ψr1は永久磁石を通り、残りのΨr2はフ
ロントヨークからプランジヤ前端部へと巡回す
る。これは永久磁石の磁束を打消すよう作用す
る。一方、ストツパーとプランジヤ後端との間に
磁束Ψrによる吸引力が生じる。このためプラン
ジヤは後退し、ストツパーに吸引される。

第６図は吸引状態の磁束分布図である。プラン
ジヤはストツパーに接触しており、フロントヨー
クから離れている。永久磁石の磁束Φg（実線）は
プランジヤ６、ストツパー５、ブラケツト１を巡
つて永久磁石２へ戻る。磁束Φgの力により、プ
ランジヤはストツパーに吸引されており、最も安
定な状態である。

ここで、コイルに、先程とは反対方向に電流を
流すと、磁束Ψq（破線）が生ずる。

コイル起磁力による磁束の一部Ψq1は永久磁石
２を通り、この磁荷による吸引力を打消す。スト
ツパー５とプランジヤ６の間の吸引力が減少す
る。逆に、フロントヨーク９，１０とプランジヤ
６との間に、新しく吸引力が生じ、プランジヤ６
は前進する。そして、プランジヤ６前端がフロン
トヨーク１０に接触して停止する。

効果を述べる。

本発明のキープソレノイドは、第９図の双安定
ソレノイドに比して、コイルはひとつで足りるか
ら、限られたソレノイド内空間により数多くの巻
線を収納する事ができる。双安定ソレノイドは左
右どちらの方向へ向つても、保持力、推力ともに
等しい。対象となる機構部品は多くの場合、必要
とされる推力、保持力は非対称である。本発明の
ソレノイドは、吸引推力、吸引保持力が大きく、
復帰保持力、復帰推力は小さい。ゆえに、大きい
力を要する方を吸引側の運動に対応させれば良
い。同一対象の機構部品に対し、より寸法の小さ
いキープソレノイドを用いる事ができるので、極
めて経済的である。

また、従来の単安定ソレノイドのようにスプリ
ングを必要としないから、スプリング収納スペー
スを省く事ができる。この分、巻線スペース、永
久磁石スペースを拡げる事ができ、同一外形寸法
でも、より強力なソレノイドを構成する事ができ
る。

吸引、復帰方向の力についての非対称性を第７
図によつて説明する。これは、横軸にコイルへ印
加する電圧（Ｖ）を取り、左縦軸に吸引推力
（SF）を、右縦軸に復帰推力（RF）をｇ（グラ
ム）単位で目盛つてある。

実線はパルス幅が40ｍsec、破線は80ｍsecのパ
ルス電圧に対するデータを示す。

この実験に使うキープソレノイドは、２巻線を
有し、吸引側コイルの直流抵抗は10.8Ω、復帰側
コイルの直流抵抗は14.5Ωであつた。プランジヤ
ストロークは5.54mmである。

保持力は吸引状態の時2.4Kgであつた。復帰状
態の時1.5Kgであつた。

動特性は、グラフに示すとおりである。

ここで推力というのは、或る方向へプランジヤ
が移動する時の最大力を意味する。測定方法は、
移動方向とは逆に働くよう錘りをプランジヤに載
せて、錘りが持ち上らなくなる最小の錘り質量を
推力とした。

吸引推力は大きい。しかも、コイル電圧を増加
すると、吸引推力（SF）も増大する。

パルス幅を増すと吸引推力（SF）も増加する。
しかし、比例するわけではない。

復帰推力（RF）は小さい。しかも、ある電圧
の値で、最大となり、それ以上電圧を増すと、か
えつて復帰推力は減退する。これは、プランジヤ
とストツパとの間に、過大磁束による吸引力が生
ずる為である。

しかし、例えば24Vで40ｍsecのパルス電圧を
印加するとき、復帰推力は、60ｇ程度である。復
帰方向に関し、負荷（機構部品）が重くなけれ
ば、これで十分動作する。多くの場合、復帰方向
には、負荷自体にスプリング等が附設されている
から、心配はない。

このような動特性は、第１０図に示すソレノイ
ドと大差ない。大きく異なるところは、復帰状態
での保持力の大きさである。この例では1.5Kgで
あるが、同一外形、寸法の第１０図の様式のソレ
ノイドの場合、復帰状態保持力は50〜100ｇ程度
にすぎない。フロントヨークとプランジヤは接触
していないからである。

本発明のソレノイドでは、フロントヨーク１０
とプランジヤ６の先端とは軸方向に垂直な面同志
で接触しているから、磁気的吸引力が大きい。つ
まり、復帰状態は安定な状態となる。安定である
から、外的な衝撃によつて誤動作する可能性も無
くなる。これが、本発明の最大の効果である。

副次的な効果もある。吸引推力（SF）が僅か
であるが、増大する、という事である。

第８図は、横軸に印加電圧（Ｖ）を、縦軸に吸
引推力（SF）を取り、本発明のキープソレノイ
ド（破線）と、第１０図のキープソレノイド（実
線）との吸引推力（SF）を比較するグラフであ
る。

外形、寸法は同じである。ブラケツト寸法は52
mm×30mm×30mm（かしめ片まで含む）で、プラン
ジヤ直径は11mm、コイル有効長は30mm、スペーサ
部厚み３mm、永久磁石の軸方向厚みが10mmであ
る。ストロークは本発明のソレノイドの場合５mm
とした。

このグラフで分るように、吸引推力（SF）は、
本発明のソレノイドの方が第１０図のものより僅
かであるが大きい。

これは、第１０図のソレノイドの場合、復帰状
態での停止位置は、復帰推力（RF）が０になる
点であり、比較的前方にあるからであろう。本発
明の場合、復帰推力（RF）の残つている点にフ
ロントヨークで停止させてしまうから、ストロー
クが短くなつているわけである。ストロークが短
いから吸引推力（SF）が増大すると考えられる。

また第１０図のキープソレノイドは、フロント
ヨークがストツパーの役割を持たないので、復帰
時の停止位置が厳密には一定しない。用途によ
り、これでは困る事もある。本発明は停止位置が
明確に定まるという長所がある。

第２図の実施例ではプランジヤ端面２３と、フ
ロントヨーク口縁部２０とは、軸方向と垂直な面
として接触する。しかし、これに限らず、両者が
傾斜面同志で接触しても良い。

プランジヤ後端の円錐面１３とストツパー５の
円錐面１４との対応関係のように円錐傾斜面にし
ても良いわけである。

また、フロントヨークは２枚なくても良く、１
枚でも差支えない。

要するに、フロントヨークと、プランジヤ前端
とが軸方向と垂直な成分を有する面で接触すれば
良いのである。この為には、プランジヤ直径Ｄ
が、フロントヨーク穴の直径ｄより大きければよ
いわけである。

つまり ０≦ｄ＜Ｄ であればよい。ｄ＝０というのはヨーク穴が無い
極限で、これも含まれる。

ここでヨーク穴直径ｄというのは、２以上穴が
あれば、その最小のものを指す。傾斜のある穴で
あれば最小径を意味する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る双安定キープソ
レノイドの全体斜視図。第２図は同じものの横断
面図。第３図は第２図中の−断面図。第４図
は第２図中の−断面図。第５図は復帰状態に
あつて、吸引動作を開始する直前のソレノイド内
磁束の分布略図。細実線は永久磁石による磁束
Φfを示す。破線は印加パルス電圧によるコイル
起磁力で生じる磁束Ψr（吸引方向）を示す。第６
図は吸引状態にあつて、復帰動作を開始する直前
のソレノイド内磁束の分布略図。細実線は永久磁
石による磁束Φgを示す。破線は印加パルス電圧
によるコイル起磁力で生じる磁束Ψq（復帰方向）
を示す。第７図はソレノイドに印加したパルス電
圧（Ｖ）と、吸引推力（SF）及び復帰推力
（RF）との関係の１例を示すグラフ。実線、破線
はそれぞれパルス幅が40ｍsec、80ｍsecのパルス
電圧に対応する。吸引推力（SF）は左縦軸、復
帰推力（RF）は右縦軸に目盛りがある。単位は
ｇ（グラム）。第８図は本発明の実施例に係る双
安定キープソレノイド（破線）と、同寸法の第１
０図に示す単安定キープソレノイド（実線）の、
印加電圧（Ｖ）に対する吸引推力（SF）の比較
グラフ。ストロークは５mmで、パルス幅が40ｍ
secのパルス電圧を印加した。第９図は公知の双
安定キープソレノイドの一例を示す断面図。第１
０図は本発明者が先に発明した単安定キープソレ
ノイドの１例を示す断面図。 １……ブラケツト、２……永久磁石、３……ボ
ビン、４……コイル、５……ストツパー、６……
プランジヤ、７……プツシユロツド、８……スペ
ーサ板部、９……第１フロントヨーク、１０……
第２フロントヨーク、１１……かしめ片、１９…
…ヨーク穴、２０……ヨーク口縁部、２１……ヨ
ーク穴、２２……プランジヤ突部、２３……プラ
ンジヤ端面、Ｄ……プランジヤ直径、ｄ……ヨー
ク穴直径。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁性体の外殻をなすブラケツト１と、ブラケ
   ツト１の中で前方位置に同極が対向するよう設け
   られた永久磁石２と、永久磁石２とブラケツト１
   の後端面との間に設けられるコイル４と、ブラケ
   ツト中心で進退可能に設けられた磁性体のプラン
   ジヤ６と、永久磁石２の前方に非磁性のスペーサ
   部をへだてて設けられブラケツト１に固着された
   磁性体のフロントヨーク１０とより成り、プラン
   ジヤ直径Ｄとフロントヨーク穴２１の直径ｄとが ０≦ｄ＜Ｄ の関係にある事を特徴とする双安定キープソレノ
   トド。 ２ スペーサ部がボビン３の前端に形成した円板
   状のスペーサ板部８である特許請求の範囲第１項
   記載の双安定キープソレノイド。 ３ プランジヤ６の前端面２３に、ヨーク穴２１
   より直径の小さいプランジヤ突部２２を設けた特
   許請求の範囲第１項記載の双安定キープソレノイ
   ド。 ４ ボビン３が永久磁石保持空間を備えている特
   許請求の範囲第１項記載の双安定キープソレノイ
   ド。