JP2012094558A

JP2012094558A - 自己保持型ソレノイド

Info

Publication number: JP2012094558A
Application number: JP2010237881A
Authority: JP
Inventors: Tsuneki Maruta; 恒樹丸田; Naoya Akiyama; 直也秋山
Original assignee: Sanmei Electric Co Ltd
Current assignee: Sanmei Electric Co Ltd
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-05-17
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: JP5400014B2

Abstract

【課題】コイル励磁後通電を終了しても可動鉄芯を強力に保持できる、自己保持型ソレノイドを提供する。
【解決手段】自己保持型ソレノイド１を、コイル２と、コイル２が内蔵されるケース３と、コイル２の内周側に配設された固定鉄心４と固定鉄心４に対向して配設されコイル２内を摺動する可動鉄心５と、コイル２下側に配設された永久磁石６と、コイル２と永久磁石６との間に配設された第一のヨーク７と、第一のヨーク７との間に永久磁石６を介して配設された第二のヨーク８と、で構成する。第二のヨーク８の外周縁８１と、ケース３の周壁３３との間の距離Ｄ２を、第一のヨーク７の外周縁７１と、ケース３の周壁３３との距離Ｄ１より大きく形成して、ケース３から第二のヨーク８に流れる、永久磁石６の磁束を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コイル励磁なしで可動鉄芯を保持できる自己保持型ソレノイドに関するものである。

従来の自己保持型ソレノイドとして、特許文献１に記載されるものがあった。

特許文献１において、自己保持型ソレノイドは、ソレノイドコイルと、ソレノイドコイルの内周側に配置されたセンターポストと、センターポストの軸方向一端側に配置され、センターポストに向けて進退するプランジャと、ソレノイドコイルの軸方向一端側に配置されたプランジャ保持用のマグネットと、マグネットの軸方向一端側に配置されたヨークと、を有して構成されていた。

マグネットは、ソレノイドコイルが巻きつけられるボビンとヨークと、に挟み込まれて配置され、コイルを励磁して、引き寄せられたプランジャをマグネットの磁力で保持して、通電を終了しても保持状態を維持するものであった。

実開平４−５９１０６号公報

一般的に自己保持型ソレノイドでは、コイルに通電したときに発生する磁束の流れと、永久磁石（マグネット）により発生する磁束とは、同じ向きに設定される。

しかし、上述した自己保持型ソレノイドのマグネットとヨークとの配置では、マグネットの磁束が、ヨークで二方向に分かれて流れ、図３に参照するように、コイルに通電したときと、逆方向の磁束の流れＭＸが発生してしまう。これにより、磁束の流れが分散して、マグネットの吸着力が弱まり、振動や外力等によってプランジャが離脱してしまうおそれがあった。

本発明は、上記事情に鑑み、コイル励磁後通電を終了しても可動鉄芯（プランジャ）を強力に保持できる、自己保持型ソレノイドを提供するものである。

請求項１記載の発明では、コイルと永久磁石との間に第一のヨークを配設して、第一のヨークとの間に永久磁石を介してコイルとは反対側に第二のヨークを配設して、第二のヨークの外周縁とケースの周壁との距離を、第一のヨークの外周縁とケースの周壁との距離とは異なるように形成している。

これにより、第一のヨークの外周縁とケースとの距離と、第二のヨークの外周縁とケースとの距離と、で差が生じるので、いずれか一方の距離の差が大きい部分では、大きな磁気的空隙が生じ、磁気抵抗が大きくなり漏洩磁束も大きくなるので、永久磁石によって生じる、コイルに通電したときと逆方向の磁束の流れが、抑制される。よって、コイル励磁後通電を終了しても、永久磁石の磁束による吸着力がばねの付勢力を上回り、可動鉄心を強力に保持できる。

請求項２記載の発明のように、第一のヨークの外径を、第二のヨークの外径より大径に形成することによって、可動鉄心の吸着力を高めることができる。

また、請求項３記載の発明のように、第二のヨークの外径を、第一のヨークの外径の５０〜８０％の範囲にすれば、より好適に可動鉄心の吸着力を高めることができる。

請求項４記載の発明のように、第二のヨークの外径を、第一のヨークの外径より大径に形成することによっても、可動鉄心の吸着力を高めることができる。

また、請求項５記載の発明のように、第一のヨークの外径を、第二のヨークの外径の４５〜７５％の範囲にしても、好適に可動鉄心の吸着力を高めることができる。

請求項６記載の発明のように、請求項２記載の発明において永久磁石の外径を、第一のヨークの外径より小径に形成することによっても、可動鉄心の吸着力を高めることができる。

また、請求項７記載の発明のように、永久磁石の外径を、第一のヨークの外径の６１〜９６％の範囲にしても好適に可動鉄心の吸着力を高めることができる。

本発明では、コイル励磁後通電を終了しても可動鉄芯を強力に保持できる。

本発明における自己保持型ソレノイドの第一の実施形態の断面図である。本発明における自己保持型ソレノイドの第二の実施形態の断面図である。従来の自己保持型ソレノイドと同様な配置にした場合の磁束の流れを表した断面図である。本発明における第三の実施形態の断面図である。第二のヨークの外径を変化させた場合の永久磁石が可動鉄心を吸引する吸引力のグラフである。第一のヨークの外径を変化させた場合の永久磁石が可動鉄心を吸引する吸引力のグラフである。永久磁石の外径を変化させた場合の永久磁石が可動鉄心を吸引する吸引力のグラフである。永久磁石の外径を４５ｍｍにして第二のヨークの外径を変化させた場合の永久磁石が可動鉄心を吸引する吸引力のグラフである。ケースの外径を７０ｍｍにして第二のヨークの外径を変化させた場合の永久磁石が可動鉄心を吸引する吸引力のグラフである。ケースの外径を５０ｍｍにして第二のヨークの外径を変化させた場合の永久磁石が可動鉄心を吸引する吸引力のグラフである。ケースの高さを３５ｍｍにして第二のヨークの外径を変化させた場合の永久磁石が可動鉄心を吸引する吸引力のグラフである。（ａ）ケースを円形箱状にした時、（ｂ）ケースを四角筒箱状にした時、（ｃ）ケースを六角筒箱状にした時、の第二のヨークの外周縁と、ケースの周壁との間と、第一のヨークの外周縁と、ケースの周壁との間の「距離」の定義を表した図である。

本発明における自己保持型ソレノイドの第一の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明において、図１における上下を、上下方向とし、左右を左右方向とする。

図１に示すように、自己保持型ソレノイド（以下、「ソレノイド」という。）１は、コイル２と、コイル２が内蔵されるケース３と、コイル２の内周側に配設された固定鉄心４と、固定鉄心４に対向して配設されコイル２内を摺動する可動鉄心５と、可動鉄心５内に配設され可動鉄心５を固定鉄心４から離脱する側に付勢するばね１０と、コイル２下側に配設された永久磁石６と、コイル２と永久磁石６との間に配設された第一のヨーク７と、第一のヨーク７との間に永久磁石６を介して配設された第二のヨーク８と、を備えている。

ケース３は、磁性体で周壁３３を有した下側が開口した略円筒箱状に形成され、天井壁３１の中央部には、後述する固定鉄心４の凸部４１が挿入される挿入口３２が形成されている。

コイル２は、導線をボビン９に巻き付けて形成され、上側に吸着用コイル２１、下側に離脱用コイル２２を、有している。ボビン９は合成樹脂で形成され、第三のヨーク１１を介して、ケース３内に配設されている。第三のヨーク１１は、磁性体で中央部に挿通孔を有し円盤状に形成されている。

固定鉄心４は、磁性体で上部に凸部４１を有して円柱状に形成され、ボビン９の中空部９１の上部に嵌入されている。凸部４１は、第三のヨーク１１及びケース３を挿通して、ケース３の外側に突出するように配設され、図示しないナットが螺合可能に形成されている。固定鉄心４の下部において、パイプ１２が嵌入されている。パイプ１２は金属製で、ボビン９の中空部９１を通るとともに、ボビン９の下側に突出するように配設されている。

可動鉄心５は、磁性体でパイプ１２内を摺動可能な円柱状に形成され、上面５３から下側に凹んだ収納凹部５１を有するとともに、下部に図示しない弁部材と係合する係合凹部５２が形成されている。ばね１０は、収納凹部５１に配設され、固定鉄心４の下面と当接して、可動鉄心５を下側に付勢している。

永久磁石６は、中央部に挿通孔を有した円盤状に形成され、外径が、第一のヨーク７よりも小さく、かつ、第二のヨーク８より大きく形成されている。

第一のヨーク７は、磁性体で中央部に挿通孔を有した円盤状に形成され、外径が、永久磁石６及び第二のヨーク８より大きく形成されている。

第二のヨーク８は、磁性体で中央部に挿通孔を有した円盤状に形成され、外径が、永久磁石６及び第一のヨーク７より小さく形成されている。

図１に示すように、上からボビン９、第一のヨーク７、永久磁石６、第二のヨーク８の順に配設され、第二のヨーク８の外周縁８１と、ケース３の周壁３３との間の距離Ｄ２を、第一のヨーク７の外周縁７１と、ケース３の周壁３３との距離Ｄ１より大きく形成されている。ここで、「距離」とは、図１２（ａ）に参照するように、第二のヨーク８の外周縁８１と、ケース３の周壁３３との間の及び、第一のヨーク７の外周縁７１と、ケース３の周壁３３との間が、最短距離となる場合をいう。例えば、本実施形態では、ケース３、第一のヨーク７、第二のヨーク８は、ケース３を下側からみた時に同心円形なので、その中心Ｏからケース３の周壁３３に向かって任意の直線をひいたときのその直線上の、第二のヨーク８の外周縁８１と、ケース３の周壁３３との間の距離Ｄ２及び第一のヨーク７の外周縁７１と、ケース３の周壁３３との距離Ｄ１をいう。

第二のヨーク８、永久磁石６、第一のヨーク７、ボビン９、及び第三のヨーク１１は、パイプ１２の下端で、固定部材１３により、下側からケース３の天井壁３１に押圧された状態で固定されている。

ソレノイド１の作用について説明する。吸着用コイル２１に通電すると、図１の右側部分に示すように、第一のヨーク７、ケース３、第三のヨーク１１、固定鉄心４、可動鉄心５、パイプ１２間をループする、固定鉄心４側に可動鉄心５を吸引する方向の磁束の流れＫが発生する。この時、第二のヨーク８、永久磁石６、第一のヨーク７、ケース３、第三のヨーク１１、固定鉄心４、可動鉄心５、パイプ１２間をループする、永久磁石６の磁束の流れＭも合わせて可動鉄心５に作用する。可動鉄心５が固定鉄心４に吸着されると、吸着用コイル２１への通電を切る。可動鉄心５は、ばね１０により下側に付勢されているが、永久磁石６の磁束の流れＭは、ばね１０の付勢力を上回るので、可動鉄心５の吸着は維持される。

可動鉄心５の吸着を解除するには、離脱用コイル２２に通電する。すると、図１の左側部分に示すように、第一のヨーク７、パイプ１２、可動鉄心５、固定鉄心４、第三のヨーク１１、ケース３間をループする、永久磁石６の磁束の流れＭと逆方向の磁束の流れＧが発生し、互いに相殺してばね１０の付勢力が上回り、可動鉄心５が下側に戻される。

ソレノイド１では、コイル２と永久磁石６との間に第一のヨーク７を配設して、第一のヨーク７と異径に形成された第二のヨーク８を、第一のヨーク７との間に永久磁石６を介して配設して、第一のヨーク７の外径を、第二のヨーク８より大径に形成して、第二のヨーク８の外周縁８１と、ケース３の周壁３３との間の距離Ｄ２を、第一のヨーク７の外周縁７１と、ケース３の周壁３３との間の距離Ｄ１より大きく形成している。

これにより、ケース３の周壁３３から第二のヨーク８に流れる永久磁石６の磁束は、大きな磁気的空隙が生じ、磁気抵抗が大きくなり漏洩磁束も大きくなるので、弱められる。したがって、第二のヨーク８とケース３との隙間では、コイル２に通電したときと逆方向の磁束の流れが抑制される。よって、コイル２励磁後通電を終了しても永久磁石６の磁束による吸着力がばねの付勢力を上回り、可動鉄心５を強力に保持できる。それに伴い、可動鉄心５吸着時の消費電力を削減できる。

本発明における自己保持型ソレノイドの第二の実施形態について説明する。以下の説明において、第一の実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し説明を省略する。

ソレノイド１Ａでは、図２に示すように、第一のヨーク７Ａが、磁性体で中央部に挿通孔を有した円盤状に形成され、外径が、永久磁石６及び第二のヨーク８Ａより小さく形成されている。

第二のヨーク８Ａは、磁性体で中央部に挿通孔を有した円盤状に形成され、外径が、永久磁石６及び第一のヨーク７Ａより大きく形成されている。

第一のヨーク７Ａの外周縁７１と、ケース３の周壁３３との間の距離Ｄ１を、第二のヨーク８Ａの外周縁８１と、ケース３の周壁３３との間の距離Ｄ２より大きく形成している。

ソレノイド１Ａでは、吸着用コイル２１に通電すると、図２の右側部分に示すように、第一の実施形態と同様に磁束の流れＫが発生し、この時、第二のヨーク８Ａ、パイプ１２、可動鉄心５、固定鉄心４、第三のヨーク１１、ケース３間をループする。永久磁石６の磁束の流れＭ２も、永久磁石６、第一のヨーク７Ａ、パイプ１２、可動鉄心５、固定鉄心４、第三のヨーク１１、ケース３、第二のヨーク８Ａ間をループして、吸着用コイル２１による磁束の流れＫと合わせて可動鉄心５に作用する。

ソレノイド１Ａでは、第二のヨーク８Ａの外径を、第一のヨーク７Ａの外径より大径に形成することによっても、ケース３から第一のヨーク７Ａに流れる永久磁石６の磁束は、磁気的空隙が生じ、磁気抵抗が大きくなり漏洩磁束も大きくなるので、弱められる。よって、可動鉄心５の吸着力を高めることができる。それに伴い、可動鉄心５吸着時の消費電力を削減できる。

本発明における自己保持型ソレノイドの第三の実施形態について説明する。

ソレノイド１Ｂでは、図４に示すように、ケース３Ｂを、上下方向において上述した実施形態よりも短く形成して、第二のヨーク８Ｂの外径を、ケース３Ｂの外径と同一にして、第二のヨーク８Ｂをケース３Ｂと一体化させて形成している。

これにより、第一のヨーク７Ｂの外周縁７１とケース３Ｂの周壁３３との距離Ｄ１と、第二のヨーク８Ｂの外周縁８１とケース３Ｂの周壁３３との距離Ｄ２（この場合は０となる）と、で差が生じるので、距離が大きい第一のヨーク７Ｂの外周縁７１とケース３Ｂの周壁３３との間では、吸着用コイル２１に通電したときと、逆方向の磁束の流れが抑制される。よって、吸着用コイル２１励磁後通電を終了しても永久磁石６の磁束による吸着力のみで可動鉄心５を強力に保持できる。それに伴い、可動鉄心５吸着時の消費電力を削減できる。

また、第二のヨーク８Ｂをケース３Ｂと一体化することで、塵芥、油分、水分の侵入を防ぐことができ、ソレノイド１Ｂの耐候性を高めることができる。

図５〜１１において、具体的な実験結果をグラフにして示す。

図５では、基本形としてケースの外径を６０ｍｍ（図５中φ６０で表わしている。以下同様とする。）、第一のヨークの外径を５７ｍｍ、永久磁石{残留磁束密度Ｂｒ０．４Ｔ、保持力ｂＨｃ２５３ｋＡ／ｍ、保持力ｉＨｃ２６３ｋＡ／ｍ、最大エネルギー積ＢＨｍａｘ３０ｋＪ／ｍ^３}、外径を４１．８ｍｍ、固定鉄心から可動鉄心が離脱する時の、ばねの付勢力を４．２Ｎに設定して、第二のヨークの外径を変化させて、可動鉄心を吸引する吸引力をニュートン（Ｎ）で表わしている。少なくとも、第二のヨークの外径が、２５ｍｍ〜５０ｍｍの間（第一のヨークの外径に対して約４４％〜約８７％）にあれば、ばねの付勢力４．２Ｎを上回り可動鉄心の吸着を維持できることがわかる。

また、図６では、基本形と、ケースの外径、永久磁石及びばねの設定を変えずに、第二のヨークの外径を５７ｍｍに設定し、第一のヨークの外径を変化させたものを表している。少なくとも、第一のヨークの外径が２５ｍｍ〜４５ｍｍの間（第二のヨークの外径に対して約４４％〜約７９％）にあれば、ばねの付勢力４．２Ｎを上回り可動鉄心の吸着を維持できることがわかる。

また、図７では、基本形と、ケースの外径、及びばねの設定を変えずに、第一のヨークの外径を５７ｍｍ、第二のヨークの外径３７ｍｍに設定し、永久磁石の外径を変化させたものを表している。少なくとも、永久磁石の外径が３５ｍｍ〜５５ｍｍの間（第一のヨークの外径に対して約６１〜約９６％）にあれば、ばねの付勢力４．２Ｎを上回り可動鉄心の吸着を維持できることがわかる。

また、図８では、基本形と、ばねの設定を変えずに、第一のヨークの外径を５７ｍｍ、永久磁石の外径を４５ｍｍに設定し、第二のヨークの外径を変化させたものを表している。少なくとも、第二のヨークの外径が、２５ｍｍ〜５０ｍｍの間（第一のヨークの外径に対して約４４％〜約８７％）にあれば、ばねの付勢力４．２Ｎを上回り可動鉄心の吸着を維持できることがわかる。

また、図９では、ケースの外径を７０ｍｍ、第一のヨークの外径を６６．５ｍｍ、永久磁石の外径４１．８ｍｍ、に設定し、第二のヨークの外径を変化させたものを表している。少なくとも、第二のヨークの外径が、２５ｍｍ〜５５ｍｍの間（第一のヨークの外径に対して約３８％〜約８３％）にあれば、ばねの付勢力４．２Ｎを上回り可動鉄心の吸着を維持できることがわかる。

また、図１０では、ケースの外径を５０ｍｍ、第一のヨークの外径を４８ｍｍ、永久磁石の外径４１．８ｍｍ、に設定し、第二のヨークの外径を変化させたものを表している。少なくとも、第二のヨークの外径が、２５ｍｍ〜５５ｍの間（第一のヨークの外径に対して約５２％〜約９４％）にあれば、ばねの付勢力４．２Ｎを上回り可動鉄心の吸着を維持できることがわかる。

また、図１１では、基本形と、ケースの外径、第一のヨークの外径、永久磁石の外径を同じにし、ケースの高さを基本形の４１ｍｍから３５ｍｍに変更して、第二のヨークの外径を変化させたものを表している。少なくとも、第二のヨークの外径が、２５ｍｍ〜５５ｍｍの間（第一のヨークの外径に対して約４４％〜約９６％）にあれば、ばねの付勢力４．２Ｎを上回り可動鉄心の吸着を維持できることがわかる。第二のヨークの外径をケースの外径の６０ｍｍと同じにしても、ばねの付勢力４．２Ｎと同等で可動鉄心の吸着を維持できることがわかる。

以上の結果から、第二のヨークの外径を、第一のヨークの外径の５０〜８０％の範囲にすれば、より好適に可動鉄心の吸着力を高めることができる。また、第一のヨークの外径を、第二のヨークの外径の４５〜７５％の範囲にしても、好適に可動鉄心５の吸着力を高めることができる。また、永久磁石の外径を、第一のヨークの外径の６１〜９６％の範囲にしても、好適に可動鉄心５の吸着力を高めることができる。

なお、コイル２は、吸着用コイル２１と、離脱用コイル２２とに分割して構成したが、導線の巻き方向、電流の流れを切り替えるようにして、単独で構成してもよい。

また、第一の実施形態において、第一のヨーク７及び第二のヨーク８と、ケース３との間、第二の実施形態において、第一のヨーク７Ａ及び第二のヨーク８Ａと、ケース３との間に隙間を設けているが、外径が大きい側の、第一の実施形態において、第一のヨーク７と、ケース３との間、第二の実施形態において、第二のヨーク８Ａと、ケース３との間に隙間を設けない形態にしてもよい。

また、ケース３、３Ｂを円筒箱状のものを用いているが、それらの形状には、こだわらない。例えば、多角筒箱状のものに用いることができる。それに伴い、第一のヨーク、第二のヨーク等をケースの形状に対応した板状に形成してもよい。この場合の「距離」は、図１２（ｂ）に参照するように、第二のヨーク８Ｙの外周縁８１と、ケース３Ｙの周壁３３との間の及び、第一のヨーク７Ｙの外周縁７１と、ケース３Ｙの周壁３３との間が、最短距離となる場合をいう。

例えば、ケース３、３Ｂを四角筒箱状にすれば、ケース３Ｙ、第一のヨーク７Ｙ、第二のヨーク８Ｙは、ケース３Ｙを下側からみた時に相似な四角形となるのでそれぞれの、任意の一辺を直交する直線をひいたときのその直線上の、第二のヨーク８Ｙの外周縁８１と、ケース３Ｙの周壁３３との間の距離Ｄ２及び第一のヨーク７Ｙの外周縁７１と、ケース３Ｙの周壁３３との距離Ｄ１をいう。

また、例えば、ケース３、３Ｂを六角筒箱状にすれば、ケース３Ｚ、第一のヨーク７Ｚ、第二のヨーク８Ｚは、ケース３Ｚを下側からみた時に相似な六角形となるので、それぞれの任意の一辺を直交する直線をひいたときのその直線上の、第二のヨーク８Ｚの外周縁８１と、ケース３Ｚの周壁３３との間の距離Ｄ２及び第一のヨーク７Ｚの外周縁７１と、ケース３Ｚの周壁３３との距離Ｄ１をいう。

１、１Ａ、１Ｂ自己保持型ソレノイド
２コイル
２１吸着用コイル
２２離脱用コイル
３、３Ｂ、３Ｙ、３Ｚケース
３３周壁
４固定鉄心
５可動鉄心
６永久磁石
７、７Ａ、７Ｙ、７Ｚ第一のヨーク
７１外周縁
８、８Ａ、８Ｙ８Ｚ第二のヨーク
８１外周縁
Ｄ１距離
Ｄ２距離
Ｏ中心

Claims

コイルと、該コイルが内蔵される筒状で周壁を有した磁性体のケースと、前記コイルの内周側に配設された固定鉄心と、該固定鉄心に対向して配設され前記コイル内を摺動する可動鉄心と、該可動鉄心を前記固定鉄心から離脱する側に付勢するばねと、前記コイルの前記可動鉄心が配設される側に配設された永久磁石と、を備えた自己保持型ソレノイドであって、
前記コイルと前記永久磁石との間に第一のヨークが配設され、
前記第一のヨークとの間に前記永久磁石を介して前記コイルとは反対側に第二のヨークが配設され、
該第二のヨークの外周縁と前記ケースの周壁との距離が、前記第一のヨークの外周縁と前記ケースの周壁との距離とは異なるように形成されていることを特徴とする自己保持型ソレノイド。
前記第一のヨークの外径が、前記第二のヨークの外径より大径に形成されていることを特徴とする請求項１記載の自己保持型ソレノイド。
前記第二のヨークの外径が、前記第一のヨークの外径の５０〜８０％の範囲であることを特徴とする請求項２記載の自己保持型ソレノイド。
前記第二のヨークの外径が、前記第一のヨークの外径より大径に形成されていることを特徴とする請求項１記載の自己保持型ソレノイド。
前記第一のヨークの外径が、前記第二のヨークの外径の４５〜７５％の範囲であることを特徴とする請求項４記載の自己保持型ソレノイド。
前記永久磁石の外径が、前記第一のヨークの外径より小径に形成されていることを特徴とする請求項２記載の自己保持型ソレノイド。
前記永久磁石の外径が、前記第一のヨークの外径の６１〜９６％の範囲であることを特徴とする請求項６記載の自己保持型ソレノイド。