(57)【要約】【課題】双方向性アシストを備えた永久磁石を含んだ単コイルソレノイドを提供すること。【解決手段】単コイルソレノイドは双方向性アシストを備えた永久磁石を含んでいる。ソレノイドは単コイルが脱エネルギー状態にあるとき永久磁石に引き寄せられて保持ポジションを維持し、単コイルが有エネルギー状態にあるとき永久磁石と反発して押し引き力を発生させる磁極性を有するプランジャを含んでいる。永久磁石はプランジャを保持するだけでなく、単コイルに通電されるとプランジャを移動させる作用をも有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソレノイドであって、
導線が巻かれた単コイルを有した導磁性殻体と、
該単コイルの空洞内に提供されており、該単コイルに通電されると磁力を受けるように設計されている可動磁性体と、
固定磁極を有しており、前記単コイルに通電されたときに前記可動磁性体を反発し、該単コイルに通電されていないときに該可動磁性体を引寄せる永久磁石と、
を含んで構成されていることを特徴とするソレノイド。
【請求項２】
前記可動磁性体はプランジャを含んでいることを特徴とする請求項１記載のソレノイド。
【請求項３】
前記永久磁石と可動磁性体との間に非磁性スペーサをさらに含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のソレノイド。
【請求項４】
前記単コイルに通電されていないときに可動磁性体を前記非磁性スペーサに対抗して戻りポジションに戻す圧力を提供する戻りバネをさらに含んでいることを特徴とする請求項３記載のソレノイド。
【請求項５】
前記戻りバネの反対側に提供されたエンドプレートと、該エンドプレートに接続された引寄スタッドとをさらに含んでおり、該引寄スタッドは単コイルに通電されたときに可動磁性体が有する磁極性と反対の磁極性を有することを特徴とする請求項４記載のソレノイド。
【請求項６】
前記単コイル、プランジャ、スペーサ、及びボビンを収容した容器をさらに含んでいることを特徴とする請求項５記載のソレノイド。
【請求項７】
前記単コイルはボビンの周囲に提供されていることを特徴とする請求項６記載のソレノイド。
【請求項８】
前記ボビンに接続した複数のシャント部材をさらに含んでいることを特徴とする請求項７記載のソレノイド。
【請求項９】
前記シャント部材は永久磁石からのシャント部材の距離が増加するとプランジャと永久磁石との間の保持力が減少するように設計されていることを特徴とする請求項８記載のソレノイド。
【請求項１０】
前記シャント部材と容器との間に空隙をさらに含んでいることを特徴とする請求項８記載のソレノイド。
【請求項１１】
電磁式スイッチ装置であって、
導線が巻かれた単コイルを有したボビンと、
単コイル内に提供された可動プランジャと、
非磁性スペーサで該プランジャから分離されている永久磁石と、
を含んで構成されており、前記永久磁石は前記単コイルが脱エネルギー状態となったときに前記プランジャを引寄せ、該単コイルが有エネルギー状態となったときに該プランジャを反発することを特徴とする電磁スイッチ装置。
【請求項１２】
前記エンドプレートとボビンの１端に接続された引寄スタッドとをさらに含んでおり、単コイルが有エネルギー状態となると該引寄スタッドはプランジャを引き寄せることを特徴とする請求項１１記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１３】
前記単コイルが脱エネルギー状態となるとプランジャにスペーサに対抗する圧力を付与するように設計された戻りバネをさらに含んでいることを特徴とする請求項１２記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１４】
前記プランジャは単コイルが脱エネルギー状態になると第１磁極性を有し、該単コイルが有エネルギー状態となると第２磁極性を有することを特徴とする請求項１３記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１５】
前記第２磁極性は永久磁石に磁極性と合致することを特徴とする請求項１４記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１６】
前記第２磁極性はエンドプレートの磁極性とは反対であることを特徴とする請求項１４記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１７】
前記単コイルと永久磁石との間でプランジャ周囲に放射状に提供された複数のシャント部材をさらに含んでいることを特徴とする請求項１１記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１８】
永久磁石の双方向性アシストを有した単コイルソレノイドの製造方法であって、
１本の導電線をボビンの周囲に巻き付けるステップと、
該ボビンの空洞部内にプランジャを設置するステップと、
該プランジャの１端側にスペーサと永久磁石とを設置するステップと、
該スペーサに対抗して該プランジャを第１ポジションに移動させる圧力を付与するステップと、
前記永久磁石の反対側に引寄スタッドを有したエンドプレートを提供するステップと、
を含んで成ることを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記戻りバネをプランジャに作動式に接続し、導電線に通電されていないときにスペーサに対抗して該戻りバネで該プランジャに圧力をかけるステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記プランジャに導電線に通電されていないときに永久磁石と同じ磁極性を持たせ、該導電線に通電されているときに該永久磁石とは反対の磁極性を持たせるように設計するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
永久磁石と導電線との間でプランジャ周囲に放射状に複数のシャント部材を提供するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２２】
単コイルソレノイドであって、
導電線の単コイルが脱エネルギー状態にあるときに提供される第１電磁状態にある、プランジャと、該プランジャとは離れている永久磁石との間の第１磁力回路と、
導電線の該単コイルが有エネルギー状態にあるときに提供される第２電磁状態にある、該プランジャと引寄部材との間の第２磁力回路と、
を含んで構成されていることを特徴とするソレノイド。
【請求項２３】
ソレノイドキットであって、
導電線の単コイルを受領するように設計されたボビンと、
固定磁極を有した永久磁石と、
前記ボビンの空洞部内を直線的に移動するように設計されたプランジャと、
前記永久磁石と該プランジャとの間に提供される非磁性スペーサと、
を含んで構成されていることを特徴とするソレノイドキット。
【請求項２４】
前記容器と、該容器に接続されたエンドプレートとをさらに含んでおり、該エンドプレートは永久磁石と反対である磁極性を有した引寄スタッドを含んでいることを特徴とする請求項２３記載のソレノイドキット。
【請求項２５】
前記プランジャは単コイルに通電されていないときに永久磁石に引き寄せられるように設計されていることを特徴とする請求項２３記載のソレノイドキット。
【請求項２６】
前記プランジャに接続可能な戻りバネをさらに含んでいることを特徴とする請求項２３記載のソレノイドキット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁石スイッチ装置に関する。特には双方向性アシストを備え、永久磁石を有した単コイルソレノイドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ソレノイド等の電磁式スイッチ装置は燃料遮断装置や他形態の流体ポンプ遮断装置等に普通に用いられている。ソレノイドはスロットル、チョーク、バルブ、クラッチ、過速度防止装置等のエンジン系統にも頻用されている。従ってソレノイドはボート、芝刈り機、自動車、発電機等のエンジン駆動式装置に多く利用されている。
【０００３】
ソレノイドは電気エネルギーを機械作用に変換するように設計されている。典型的には、外側コイルに電流が流されるとプランジャ（棒ピストン）が直線式に往復運動するようになっている。コイルに流される電流はプランジャ周囲にプランジャを１方向に移動させる電界を発生させる。この作用を活用るため、プランジャは対象装置を選択的にＯＮ状態またはＯＦＦ状態とするように利用できる。
【０００４】
典型的にはソレノイドは銅線の単コイルまたは双コイルを含んでいる。単コイルソレノイドの場合には電流が流されると磁界が発生してプランジャを動かす。典型的にはこの磁界はプランジャを内側（引込）方向に移動させて有エネルギーポジションとする。単コイルソレノイドでは磁界を発生させるように流された電流はプランジャを動かすだけでなく、動かされたプランジャをその有エネルギーポジションに保持させなければならない。単コイルソレノイドの弱点はコイルが有エネルギー状態に長時間置かれるとコイルはオーバーヒートし、ソレノイドを故障させることである。この弱点を克服するため、長時間にわたってプランジャを有エネルギー状態に保持させる必要がある装置では双コイルソレノイドが一般的に使用されている。
【０００５】
典型的な双コイルソレノイドは図１で示されている。ソレノイド１０は第１（引）コイル１２と第２（保持）コイル１４を含む。一般的に、第１巻コイルにはプランジャ１６に最大の引力または押力を提供するために高電流が流される。第２巻コイルはプランジャが移動した後にプランジャを保持するだけのものであり、必要エネルギーは小さい。コイル１２、１４は典型的には銅線であり、プランジャは磨耗、摩擦、腐蝕に対して抵抗性を有するようにコーティングされた磁石材料である。プランジャを保持させるのに必要な電流量はプランジャ移動のための電流量よりも少ないのが普通である。よって双コイルソレノイドにはオーバーヒートすることなく継続的にエネルギーを与えられる。
【０００６】
コイル１２、１４とプランジャ１６は典型的には鋼製容器１８に収容されている。容器１８はソレノイドをフレーム等に搭載させる搭載ブラケット２０を含むことができる。ソレノイドの種類によってはプランジャ１６を脱エネルギーポジションに戻す力を与える戻りバネ２２がさらに提供されている。よってコイル１２の高電流によりプランジャに作用する磁力はバネ２２の戻し力に打ち克たなければならない。戻りバネ２２を含んだソレノイドではフレキシブルなダストカバー２４が一般的に使用され、戻りバネ２２を包んで容器１８に連結されている。
【０００７】
一般的に、容器１８の反対側には双ブレークスイッチ２６が提供されており、一方のコイルに選択的にエネルギーを付与する。すなわちスイッチ２６は引押コイル１２あるいは保持コイル１４に流される電流の力学的制御が維持されるように作用する。双ブレークスイッチ２６は典型的には埃や湿気に対して保護状態であり、保護容器２８は容器１８に固定されている。保護容器２８内には複数の端子が提供され、リード線をソレノイドに接続させている。
【０００８】
図１で示すように典型的なソレノイドはコイル構造体を提供する不導電性で非磁性であるボビンに巻き付けられた銅線を含んでいる。コイル構造体は導磁気殻体に構成され、導磁気殻体にエネルギーが与えられると電磁石となってプランジャのごとき可動磁性体に力を発生させる。プランジャに付与される力はボビンの巻線を流れる電流強度と巻数とに比例する。すなわち、電流と巻数が大きければ与えられる力は大きくなる。この比例関係によって銅線巻数を増やすか電流を増やせば力の大きさが増加する。大きさが限定されているソレノイドによってはボビンに２つの別々のコイルを使用する。これらコイルは典型的には引（押）コイルと保持コイルとである。
【０００９】
当初、引コイルには非常に大きな電流が流され、プランジャに大きな力を与える。典型的にはこの大きな力作用は短時間であり、電流は直ちに停止されてコイルのオーバーヒートが回避される。保持コイルにはそれよりも大幅に少ない電流が流される。引コイルは様々な方法でＯＦＦ状態とすることができるが、普通は力学的あるいは電気的に操作される。すなわち、力学的スイッチ手段においてはプランジャはソレノイドの一部である一連のスイッチ接点を開くことでゼロストロークまたはその近辺にて磁力回路を妨害する。これら接点の配置は高電流を扱う性能と同様に非常に重要である。このスイッチ設計はソレノイド全体の設計において考慮されなければならず、ソレノイドをさらに複雑化し、製造コストを高め、信頼性の問題も発生させる。
【００１０】
一方、電気制御式ソレノイドではスイッチ機能を提供するために一般的にリレー式またはソリッド式スイッチ装置が利用される。これら電機部品はソレノイド製造コストを押し上げる。電子部品を利用する別なスイッチ形態は引コイルと類似した巻線の単コイルを利用し、高当初力を発生させるために高電流を流すものである。電子部品は当初においてコイルに全パワーを供給する。プランジャが所定時間後にフルストロークに達すると、電子部品は比較的に高周波で電流のＯＮ・ＯＦＦ切替えを開始する。このプロセスは一般的にパルス幅変調と呼ばれ、高電流引コイルと低電流保持コイルの効率を高める。しかし、電子部品はソレノイドの製造コストを高めるだけでなく、機構を複雑化する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
よって、追加的な製造コストや、力学的あるいは電子式スイッチ構造体の複雑性を増大させることなく押し引き機能及び保持機能を達成させる単コイルを有したソレノイドが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は前述の弱点を克服する双方向性アシストを備えた永久磁石を有した単コイルソレノイドに関する。
【００１３】
ソレノイドは単コイルの巻き銅線と、その空洞部内に挿入されたプランジャを含んでいる。プランジャは電流が単コイルに流されるとソレノイドの空洞部内を直線状に移動するように設計されている。脱エネルギー状態ではプランジャはプランジャと永久磁石との間に提供された非磁性材料で成るスペーサに対抗したポジションとなる。すなわち、単コイルにエネルギーが付与されていないときにはプランジャは永久磁石に引き寄せられ、プランジャと永久磁石との間で相互引力を発生させ、プランジャを非磁性スペーサに対抗したポジションで保持される。電流が単コイルに流されると電磁状態が発生し、プランジャに永久磁石と同じ磁極性を持たせる。その結果、反発力がプランジャと永久磁石のとの間で発生し、プランジャをスペーサから直線的に離れさせる。ソレノイドはさらに引寄スタッドを有したエンドプレートを含んでおり、電流が単コイルに流されるとプランジャの磁極性は引寄スタッドに引き寄せされる。すなわち引寄スタッドはエネルギーを与えられたプランジャとは反対の磁極性を有する。オプションでソレノイドは単コイルの脱エネルギー中にスペーサに対抗したプランジャに戻り力を与える戻りバネを含むことができる。この点で単コイルに流される電流量はプランジャの磁極性を反対にするだけでなく、戻りバネのバネ力に打ち克つ力をプランジャに与えるものでなければならない。
【００１４】
従って本発明の１特徴によればソレノイドは巻線の単コイルを有した導磁性殻体を有している。ソレノイドは単コイルの空洞部に提供された可動磁性体も有している。この磁性体は電流が単コイルに流されたときに磁力を受け取るように提供される。ソレノイドは固定磁極性である永久磁石も含んでいる。この磁石は電流が単コイルに流されると可動磁性体を排斥し、電流が流されていないときに可動磁性体の片側端部を引き寄せる。
【００１５】
本発明の別の特徴によれば電磁スイッチ装置は銅線が巻かれた単コイルを有したボビンを含んでいる。可動プランジャは永久磁石と同様に単コイル内に提供されている。永久磁石は非磁性スペーサによりプランジャから分離されており、単コイルが脱エネルギー状態にあるときプランジャを引き寄せ、有エネルギー状態にあるときプランジャを排斥する。
【００１６】
本発明のさらに別な特徴によれば永久磁石の双方向性アシストを有した単コイルソレノイドを製造する方法が提供される。この方法はボビン周囲に１本の導電線を巻き付け、ボビンの空洞部内にプランジャを可動状態に設置するステップを含んでいる。この製造法はプランジャの１端側にスペーサと永久磁石とを配置し、プランジャをスペーサに対抗したポジションに押し付けるステップをさらに含んでいる。永久磁石とは反対側のボビンの端部に引寄スタッドを有したエンドプレートも提供される。
【００１７】
本発明の別な特徴によれば単コイルソレノイドはプランジャとプランジャから離れた永久磁石との間で単コイル線にエネルギーが付与されていないときに提供される第１電磁状態の第１磁力回路と、プランジャと引寄部材との間で単コイル線にエネルギーが付与されているときに提供される第２電磁状態の第２磁力回路とを含む。
【００１８】
本発明のさらに別な特徴ではソレノイドキットは銅線で巻かれた単コイルを受領するボビンと固定磁極性を有した永久磁石とを含んでいる。ソレノイドはボビンの空洞を直線的に移動するプランジャと、永久磁石とプランジャとの間に提供された非磁性スペーサをも含んでいる。
【００１９】
以下において本発明の他の目的や利点を図面を利用して詳細に解説する。
【発明の効果】
【００２０】
従って本発明の１特徴によればソレノイドは巻線の単コイルを有した導磁性殻体を有している。ソレノイドは単コイルの空洞部に提供された可動磁性体も有している。この磁性体は電流が単コイルに流されたときに磁力を受け取るように提供される。ソレノイドは固定磁極性である永久磁石も含んでいる。この磁石は電流が単コイルに流されると可動磁性体を排斥し、電流が流されていないときに可動磁性体の片側端部を引き寄せる。
【００２１】
本発明の別の特徴によれば電磁スイッチ装置は銅線が巻かれた単コイルを有したボビンを含んでいる。可動プランジャは永久磁石と同様に単コイル内に提供されている。永久磁石は非磁性スペーサによりプランジャから分離されており、単コイルが脱エネルギー状態にあるときプランジャを引き寄せ、有エネルギー状態にあるときプランジャを排斥する。
【００２２】
本発明のさらに別な特徴によれば永久磁石の双方向性アシストを有した単コイルソレノイドを製造する方法が提供される。この方法はボビン周囲に１本の導電線を巻き付け、ボビンの空洞部内にプランジャを可動状態に設置するステップを含んでいる。この製造法はプランジャの１端側にスペーサと永久磁石とを配置し、プランジャをスペーサに対抗したポジションに押し付けるステップをさらに含んでいる。永久磁石とは反対側のボビンの端部に引寄スタッドを有したエンドプレートも提供される。
【００２３】
本発明の別な特徴によれば単コイルソレノイドはプランジャとプランジャから離れた永久磁石との間で単コイル線にエネルギーが付与されていないときに提供される第１電磁状態の第１磁力回路と、プランジャと引寄部材との間で単コイル線にエネルギーが付与されているときに提供される第２電磁状態の第２磁力回路とを含む。
【００２４】
本発明のさらに別な特徴ではソレノイドキットは銅線で巻かれた単コイルを受領するボビンと固定磁極性を有した永久磁石とを含んでいる。ソレノイドはボビンの空洞を直線的に移動するプランジャと、永久磁石とプランジャとの間に提供された非磁性スペーサをも含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図２に示す単コイルソレノイドは双方向性アシストを有した永久磁石を含んでいる。ソレノイド３２は銅線を巻いた単コイル３６を有したボビン３４を含んでいる。ボビン３４はソレノイド３２の１端の固定位置で永久磁石３８を保持する。ボビンと一体的に複数のシャント部材４０が提供されている。好適にはボビン３４は永久磁石３８に隣接した非磁性スペーサ４２も含んでおり、ソレノイドが脱エネルギーポジションにあるときにプランジャ４４と永久磁石３８との間で固定空間を提供する。
【００２６】
図２で示すソレノイド３２は脱エネルギーポジションである。このポジションではプランジャ４４は非磁性スペーサによって永久磁石３８から分離されている。脱エネルギーポジションにあるとき、すなわちコイル３６にゼロまたは非常に少ない電流が流されると、プランジャ４４は磁極性を持たず、永久磁石３８に引き寄せられる。この状態にあるときプランジャと永久磁石との間で発生する引力はプランジャ４４を非磁性スペーサ４２に対抗して保持させる。スペーサ４２の厚みを望む保持力を達成するように調整し、エネルギー付与時にプランジャをスペーサから開放させるのに必要なエネルギーを特定の作用のために制御することは可能である。戻りバネ４６をオプションで使用し、スペーサ４２に対抗してプランジャに対してさらに力をかけるようにプランジャ４４に作用させることができる。この点で、プランジャ４４に与えられる力はバネ力と磁石力との合算である。これで脱エネルギー状態のソレノイドからさらなる力が与えられる。コイルにエネルギーが与えられるとプランジャ４４は磁石３８と類似したシャント部材を介して磁極性が与えられる。その結果、磁石３８とプランジャ４４との間の反発力は引寄スタッド５６とプランジャ４４との間の引き寄せ力に加えられ、戻りバネ４６の力に打ち克つ強度でなければならない。
【００２７】
ソレノイド３２の内部部品は比較的に堅牢で耐久性がある容器５０内に収容されている。永久磁石３８の端部とは反対側の容器端部５２にはエンドプレート５４が提供されている。エンドプレート５４には引寄スタッド５６が接続されている。電流が単コイル３６に流されていないときには引寄スタッド５６とプランジャ４４は磁極性を有しない。すなわち引寄スタッド５６とスタッド側のプランジャ端部には相互引力が作用しない。この際に磁石の磁力とバネ力はプランジャが引寄スタッド５６から引き離されるように作用する。従って磁石３８、プランジャ４４、シャント部材４０及びソレノイド容器５０は磁石３８により発生されるプランジャに対する比較的に大きな引寄せ力を提供する完全で効率的な磁力回路を創出する。磁石３８のプランジャ４４に対する作用はスペーサ４２に対抗する脱エネルギーポジションに対する比較的に大きな戻り力を提供する戻りバネ４６の力に加えられる。
【００２８】
ソレノイド３２は単コイル３６の脱エネルギー状態時にプランジャに対して比較的に大きな保持力を作用させるシャント部材４０を含んでいる。これら部材が存在しなければ磁力通路の効率は落ち、磁束の大部分はプランジャ４４を通過し、プランジャと引寄スタッド５６との間の比較的に大きなギャップを“跳躍”するであろう。加えて磁力通路は延長され、磁石３８からさらに強力な磁力を必要とするであろう。結果的に磁石３８の負担は小さくなり、磁石に対抗するプランジャの保持力の軽減が図られるであろう。シャント部材４０の作用力はシャント部材４０と容器５０との間の空気間隙を変更することで変化させられる。この間隙は脱エネルギー状態であるプランジャに作用する保持力に影響を及ぼすだけでなく、電流が単コイル３６に流されたときにプランジャを開放するのに必要なエネルギー量にも影響を及ぼす。さらに磁石３８に対するシャント部材４０の軸方向位置はプランジャ４４に対する保持力と、単コイル３６にエネルギーが付与されたときの保持位置からプランジャを開放するのに必要とされるエネルギー量にも影響を及ぼす。すなわち磁石３８からのシャント部材４０の距離が増加すると、プランジャ４４と磁石３８の間の保持力は低下する。従って磁石、ソレノイド容器及びプランジャに対してシャント部材を配置させることは磁力回路の効率を増加させ、脱エネルギー状態ポジションでの保持力の増加と、単コイルへのエネルギー付与によるプランジャの開放に必要なエネルギーの低減をもたらす。
【００２９】
前述のように、ボビン周囲に巻き付けられた単コイルに全く、あるいはほとんど電流が流されていないときにはソレノイドは脱エネルギー状態またはポジションであると考えられる。このポジションで磁石はプランジャとの間に引寄せ力を発生させる。戻りバネ力と合体されて磁力はプランジャ４４に対して比較的に大きな保持力を発生させ、図２で示すように対象装置に対抗してプランジャを固定させる。よってプランジャを休止状態あるいはポジションに維持させるための単コイル内の電流は不要である。
【００３０】
図３で示すソレノイド３２は有エネルギーポジションにある。電流はコイル３６に流れている。コイルの磁極性はシャント部材４０をプランジャの近辺あるいは接触する磁石と同じ磁極性とするものである。コイル３６に通電すると磁石とプランジャ４４の磁極性は同じになる。従ってプランジャ４４と磁石３８との間には反発力が発生する。コイル３６に通電されると引寄スタッド５６側のプランジャの磁極性も反転され、引寄スタッド５６とプランジャ４４との間に引力が提供される。単コイル３６に流される電流が充分なものであれば、引寄スタッド５６とプランジャ４４との間の引力はプランジャ４４と磁石３８との間の反発力と一緒になって戻りバネ４６の力に打ち克ち、ボビン３４の空洞内のプランジャをエンドプレート５４側へ直線運動させる。従って、戻りバネ４６は圧縮され、コイルの脱エネルギー状態時にプランジャ４４は対象装置から引き離される。
【００３１】
第２磁力回路は単コイル３６に通電されたとき容器５０、エンドプレート５４、引寄スタッド５６、プランジャ４４、及びシャント部材５０で提供される。この電磁状態はプランジャ４４を磁石３８の磁極性と反対の磁極性を有した磁石とし、両者間で反発させる。この反発力は引寄スタッド５６とプランジャ４４との間の引力と一緒になり、戻りバネ４６に対抗して電磁コイル単独の場合よりも大きい引寄せ力をプランジャ４４に提供する。コイルの脱エネルギー時に戻りバネ４６はプランジャ４４をスペーサ４２と隣接するまで引き戻す。プランジャ４４が磁石に接近すると電磁界が存在しなくなるため、磁石３８はプランジャ４４に作用する戻りバネ４６の力と共にプランジャ４４を引き寄せる。よって磁石に保存されたエネルギーはプランジャストロークの両方向にてプランジャ４４の作用力を増加させるのに利用される。
【００３２】
別実施例においては第２永久磁石が引寄スタッド５６とエンドプレート５４との間に適した配向性にて設置される。第２磁石の提供によってプランジャ４４に作用する望む総合力を達成させるための磁力の調整ができる。すなわち第２磁石は引寄スタッド５６によりプランジャ４４に作用する力を増強させるように配向される。さらに第２シャント部材をコイル内に提供して磁力を調整し、プランジャ４４に作用する望む総合力を提供することもできる。
【００３３】
従って本発明の１実施例においてはソレノイドは単コイルを有した導磁性殻体を有している。ソレノイドは単コイルの空洞部に提供された可動磁性体も有している。この磁性体は電流が単コイルに流されると磁力を受領するように提供されている。ソレノイドはさらに固定磁極性を有した永久磁石を含んでいる。磁石は電流が単コイルに流されると可動磁性体を反発し、単コイルに電流が流されていないときには可動磁性体の端部を引き寄せる。
【００３４】
本発明の別実施例においては電磁スイッチ装置は単コイルを有したボビンを含んでいる。可動プランジャは永久磁石と同様に単コイル内に収容されている。磁石は非磁性スペーサでプランジャと分離されており、単コイルが脱エネルギー状態時に磁石はプランジャを引き寄せ、単コイルが有エネルギー状態時にプランジャを反発する。
【００３５】
本発明の別実施例においては永久磁石の双方向性アシストを有した単コイルソレノイドの製造方法が提供される。この方法はロビン周囲に１本の導電線を巻き付け、ボビンの空洞部にプランジャを挿入するステップを含んでいる。さらにスペーサと永久磁石をプランジャの１端側に配置し、スペーサに対してプランジャを第１ポジションに押し付けるステップを含む。永久磁石の反対側にはボビンの１端に引寄スタッドを有したエンドプレートも配置される。
【００３６】
本発明の別な特徴によれば、単コイルソレノイドは単コイルにエネルギーが付与されていないときにプランジャとプランジャから離れた永久磁石との間に提供される第１電磁状態の第１磁力回路と、単コイルにエネルギーが付与されているときにプランジャと引寄部材との間で提供される第２電磁状態の第２磁力回路とを含んでいる。
【００３７】
本発明のさらに別な特徴ではソレノイドキットは導電線で巻かれた単コイルを受領するボビンと固定磁極性の永久磁石とを含んでいる。ソレノイドはボビンの空洞を直線的に移動するプランジャと、永久磁石とプランジャとの間に提供された非磁性スペーサとをさらに含んでいる。
【００３８】
以上、本発明を好適実施例を利用して解説した。本発明の範囲内でのその変更や改良は可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来技術のソレノイドの断面図である。
【図２】本発明のソレノイドの断面図であり、その脱エネルギーポジションを示す。
【図３】図２で示す本発明のソレノイドの断面図であり、有エネルギーポジションを示す。
【符号の説明】
【００４０】
１０    ソレノイド
１２    第１コイル
１４    第２コイル
１６    プランジャ
１８    鋼製容器
２０    搭載ブラケット
２２    戻りバネ
２４    ダストカバー
２６    双ブレークスイッチ
２８    保護容器
３２    ソレノイド
３４    ボビン
３６    単コイル
３８    永久磁石
４０    シャント部材
４２    非磁性スペーサ
４４    プランジャ
４６    戻りバネ
５０    容器
５２    容器端部
５４    エンドプレート
５６    引寄スタッド
【誤訳訂正書】
【提出日】平成16年10月13日(2004.10.13)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】００３９
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【００３９】
図１は、従来技術のソレノイドの断面図であり、図２は、本発明のソレノイドの断面図であり、その脱エネルギーポジションを示すものであり、図３は、図２で示す本発明のソレノイドの断面図であり、有エネルギーポジションを示す。
【誤訳訂正２】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】００４０
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【００４０】
１０    ソレノイド
１２    第１コイル
１４    第２コイル
１６    プランジャ
１８    鋼製容器
２０    搭載ブラケット
２２    戻りバネ
２４    ダストカバー
２６    双ブレークスイッチ
２８    保護容器
３２    ソレノイド
３４    ボビン
３６    単コイル
３８    永久磁石
４０    シャント部材
４２    非磁性スペーサ
４４    プランジャ
４６    戻りバネ
５０    容器
【誤訳訂正３】
【訂正対象書類名】図面
【訂正対象項目名】全図
【訂正方法】追加
【訂正の内容】
【図１】
2005064491.tif 000003
【図２】
2005064491.tif 000004
【図３】
2005064491.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成16年10月13日(2004.10.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月26日(2004.11.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソレノイドであって、
導線が巻かれた単コイルを有した導磁性殻体と、
該単コイルの空洞内に提供されており、該単コイルに通電されると磁力を受けるように設計されている可動磁性体と、
固定磁極を有しており、前記単コイルに通電されたときに前記可動磁性体を反発し、該単コイルに通電されていないときに該可動磁性体を引寄せる永久磁石と、
この永久磁石と可動磁性体との間の非磁性スペーサと、
を含んで構成されていることを特徴とするソレノイド。
【請求項２】
前記可動磁性体はプランジャを含んでいることを特徴とする請求項１記載のソレノイド。
【請求項３】
前記単コイルに通電されていないときに可動磁性体を前記非磁性スペーサに対抗して戻りポジションに戻す圧力を提供する戻りバネをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載のソレノイド。
【請求項４】
前記戻りバネの反対側に提供されたエンドプレートと、該エンドプレートに接続された引寄スタッドとをさらに含んでおり、該引寄スタッドは単コイルに通電されたときに可動磁性体が有する磁極性と反対の磁極性を有することを特徴とする請求項３記載のソレノイド。
【請求項５】
前記単コイル、プランジャ、スペーサ、及びボビンを収容した容器をさらに含んでいることを特徴とする請求項４記載のソレノイド。
【請求項６】
前記単コイルはボビンの周囲に提供されていることを特徴とする請求項５記載のソレノイド。
【請求項７】
前記ボビンに接続した複数のシャント部材をさらに含んでいることを特徴とする請求項６記載のソレノイド。
【請求項８】
前記シャント部材は永久磁石からのシャント部材の距離が増加するとプランジャと永久磁石との間の保持力が減少するように設計されていることを特徴とする請求項７記載のソレノイド。
【請求項９】
前記シャント部材と容器との間に空隙をさらに含んでいることを特徴とする請求項７記載のソレノイド。
【請求項１０】
電磁式スイッチ装置であって、
導線が巻かれた単コイルを有したボビンと、
単コイル内に提供された可動プランジャと、
非磁性スペーサで該プランジャから分離されている永久磁石と、
を含んで構成されており、前記永久磁石は前記単コイルが脱エネルギー状態となったときに前記プランジャを引寄せ、該単コイルが有エネルギー状態となったときに該プランジャを反発することを特徴とする電磁スイッチ装置。
【請求項１１】
前記エンドプレートとボビンの１端に接続された引寄スタッドとをさらに含んでおり、単コイルが有エネルギー状態となると該引寄スタッドはプランジャを引き寄せることを特徴とする請求項１０記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１２】
前記単コイルが脱エネルギー状態となるとプランジャにスペーサに対抗する圧力を付与するように設計された戻りバネをさらに含んでいることを特徴とする請求項１１記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１３】
前記プランジャは単コイルが脱エネルギー状態になると第１磁極性を有し、該単コイルが有エネルギー状態となると第２磁極性を有することを特徴とする請求項１２記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１４】
前記第２磁極性は永久磁石に磁極性と合致することを特徴とする請求項１３記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１５】
前記第２磁極性はエンドプレートの磁極性とは反対であることを特徴とする請求項１３記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１６】
前記単コイルと永久磁石との間でプランジャ周囲に放射状に提供された複数のシャント部材をさらに含んでいることを特徴とする請求項１０記載の電磁スイッチ装置。
【請求項１７】
永久磁石の双方向性アシストを有した単コイルソレノイドの製造方法であって、
１本の導電線をボビンの周囲に巻き付けるステップと、
該ボビンの空洞部内にプランジャを設置するステップと、
該プランジャの１端側にスペーサと永久磁石とを設置するステップと、
該スペーサに対抗して該プランジャを第１ポジションに移動させる圧力を付与するステップと、
前記永久磁石の反対側に引寄スタッドを有したエンドプレートを提供するステップと、を含んで成ることを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記戻りバネをプランジャに作動式に接続し、導電線に通電されていないときにスペーサに対抗して該戻りバネで該プランジャに圧力をかけるステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記プランジャに導電線に通電されていないときに永久磁石と同じ磁極性を持たせ、該導電線に通電されているときに該永久磁石とは反対の磁極性を持たせるように設計するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
永久磁石と導電線との間でプランジャ周囲に放射状に複数のシャント部材を提供するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
単コイルソレノイドであって、
導電線の単コイルが脱エネルギー状態にあるときに提供される第１電磁状態において、非磁性スペーサによってプランジャから離されている永久磁石と、プランジャとの間の第１磁力回路と、
導電線の該単コイルが有エネルギー状態にあるときに提供される第２電磁状態にある、該プランジャと引寄部材との間の第２磁力回路と、
を含んで構成されていることを特徴とするソレノイド。
【請求項２２】
ソレノイドキットであって、
導電線の単コイルを受領するように設計されたボビンと、
固定磁極を有した永久磁石と、
前記ボビンの空洞部内を直線的に移動するように設計されたプランジャと、
前記永久磁石と該プランジャとの間に提供される非磁性スペーサと、
を含んで構成されていることを特徴とするソレノイドキット。
【請求項２３】
前記容器と、該容器に接続されたエンドプレートとをさらに含んでおり、該エンドプレートは永久磁石と反対である磁極性を有した引寄スタッドを含んでいることを特徴とする請求項２２記載のソレノイドキット。
【請求項２４】
前記プランジャは単コイルに通電されていないときに永久磁石に引き寄せられるように設計されていることを特徴とする請求項２２記載のソレノイドキット。
【請求項２５】
前記プランジャに接続可能な戻りバネをさらに含んでいることを特徴とする請求項２２記載のソレノイドキット。
【外国語明細書】
１．SINGLE COIL SOLENOID HAVING A PERMANENT MAGNET WITH  BI-DIRECTIONAL AS  SIST
２．  BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to electromagnet switching devices and, more particularly, to a single coil solenoid having a permanent magnet with bi-directional assist.
Electromagnet switching devices such as solenoids are commonly used in a number of applications such as shut-off devices for fuel or other types of fluid pumps.  Solenoids are frequently used in engine applications in the throttle, choke, valve, clutch, and overspeed protection assemblies.  As such, solenoids are typically found in engine driven products such as boats, lawn equipment, automobiles, generators, and the like.
Solenoids are designed to convert electrical energy into mechanical work.  Typically, a movable armature or plunger reciprocates linearly from a first to a second position when current is induced in coil(s) in which the armature sits.  The current induced in the coil(s) creates a magnetic field about the armature that induces movement in the actuator along one direction.  In this regard, the armature may be connected to a device or piece of equipment such that when current is induced in the coil(s), the armature is caused to turn ON, turn OFF, open, or close the device.
Typically, solenoids include either a single coil of copper wire or a pair of coils of copper wire.  In a single coil solenoid, when electric current is introduced, a magnetic field forms which causes movement of a plunger or armature.  Typically, the magnetic field draws the plunger inward to a retracted or energized position.  In a single coil solenoid, the current induced to create the magnetic field to cause movement of the armature or plunger must not only be sufficient to pull or push the plunger but also be sufficient to maintain the plunger in the energized position.  A drawback of a single coil solenoid, however, is that when the coil is energized for long periods of time, the coil may overheat thereby rendering the solenoid inoperable.  To overcome this drawback, dual coil solenoids are typically used for applications in which the plunger or armature may need to be maintained in an energized position for long periods of time.
A typical dual coil solenoid is shown in Fig. 1.  Solenoid 10 includes a first or pull coil 12 and a second or hold coil 14.  Generally, the first wound coil operates at a high current level to provide a maximum pull or push on plunger 16.  The second wound coil is used to simply hold the plunger in place after the plunger has completed its stroke and requires less energy.  The coils 12, 14 are typically fabricated from copper wire and the plunger is magnetic material with a coating or plating to resist wear, friction and corrosion.  The amount of current required to maintain the plunger in a hold position is typically less than that needed to push or pull the plunger and, as such, a dual coil solenoid may be energized continuously without overheating.  The coils 12, 14 as well as plunger 16 are typically positioned within a steel housing 18 that may include mounting brackets 20 for mounting the solenoid to a frame or other piece of equipment.  Some solenoids further include a return spring 22 that is used to bias the plunger 16 in a de-energized position.  As such, the magnetic force placed on the plunger through high current in coil 12 must be sufficient to overcome the bias of spring 22.  For those solenoids incorporating a return spring 22, a flexible dust boot 24 is commonly used to enclose return spring 22 and is mounted or connected to the housing 18.  At an opposite end of housing 18 is typically a double break switch 26 that is controlled to regulate which coil is energized.  As such, switch 26 may be actuated such that dynamic control of current inducement in either the pull or push coil 12 or hold coil 14 is maintained.  The double break switch 26 is typically sealed against dirt and moisture, and a housing or cover 28 secured to housing 18.  Extending through cover 28 is a number of terminals 30 for connecting electrical leads to the solenoid.
As illustrated in Fig. 1, a typical solenoid is constructed with copper wire on a non-conductive, non-magnetic bobbin that creates a coil assembly.  The coil assembly is assembled into a magnetically conductive shell that becomes an electromagnet when energized that may create a force on a movable magnetic object such as a plunger or armature.  The force exerted on the plunger is directly proportional to the electrical current and the number of turns of wire on the bobbin.  That is, the higher the number of ampere-turns, the greater the force imparted.  From this proportional relationship, increasing the number of turns or increasing the current may increase the amount of force imparted.  Some solenoids, which are particularly used in space constrained applications, utilize two separate coils on the same bobbin.  As discussed above, these coils are typically referred to as a "pull" coil and a "hold" coil.
The pull coil, as described above, is designed to carry a very high current generate relatively high forces on the plunger or armature initially.  Typically, this high amount of force is for a short period of time at which point the current is switched off to prevent the coil from overheating.  The hold coil usually operates with a much lower current and takes advantage of the fact that the plunger requires much less energy to maintain the "pull" force exerted on the plunger or armature.  Typically, the pull coils are switched off in different ways but two of the most common ways are either mechanically or electronically.  That is, the mechanical switching method usually implements the plunger to interrupt the circuit at or near a zero stroke by opening a set of switch contacts that is a part of the solenoid.  The placement of these contacts is critical as is their ability to handle high currents.  Switch design has its own unique requirements that must be considered in the overall solenoid design further complicating the solenoid as well as adding cost and potential reliability concerns.  On the other hand, electronically controlled solenoids may use relays or solid state switching devices to accommodate switching functionality.  These electronic components, however, add costs to the solenoid.  Another switching method that uses electronics implements a single coil of wound wire which is similar to a pull coil in that it uses high current to create a high initial force.  The electronics therefore supply full power to the coil initially.  When the plunger has reached full stroke, typically after a specified time period, the electronics start switching the current on and off at a relatively high frequency to reduce the effective current.  This process is typically referred to as pulse width modulation and makes the single high current pull coil effectively also the low current hold coil.  However, electronics not only add to the manufacturing cost of the solenoid but also increase the complexity of the solenoid.
It would therefore be desirable to design a solenoid having a single coil of wire that achieves both push/pull and hold functions without the additional cost and complexity of mechanical or electronic switch assemblies.
BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is directed to a single coil solenoid having a permanent magnet with bi-directional assist overcoming the aforementioned drawbacks.
The solenoid includes a single coil of wound copper wire and a plunger or armature disposed in a bore therein.  The plunger is designed to move linearly within the bore of the solenoid when current is induced in the single coil.  In a de-energized condition, the plunger is positioned against a spacer comprised of non-magnetic material that is positioned between the plunger and a permanent magnet.  When the single coil is not energized, the plunger is attracted to the permanent magnet thereby creating an attractive force between the plunger and the permanent magnet to hold the plunger against the non-magnetic spacer.  When the current is induced in the single coil, an electromagnetic condition is created that causes the plunger to have a magnetic polarity that matches the polarity of the permanent magnet.  As a result, a repelling force is created or generated between the plunger and the permanent magnet causing the plunger to linearly move away from the spacer.  The solenoid further includes an end plate having an attracting stud that when current is induced in the single coil, the polarity of the plunger is attracted to the attracting stud.  That is, the attracting stud has a polarity opposite that of the energized plunger.  Optionally, the solenoid may include a return spring that biases the plunger against the spacer during de-energization of the single coil.  In this regard, the amount of current induced in the single coil must be sufficient to not only reverse the polarity of the plunger, but must also be sufficient to create a force upon the plunger that overcomes the bias of the return spring.
Therefore, in accordance with one aspect of the present invention, a solenoid has a magnetically conductive shell having a single coil of wound wire.  The solenoid also has a movable magnetic object disposed within a bore of the single coil, the object configured to receive a magnetic force when current is induced in the single coil.  The solenoid also includes a permanent magnet having a fixed polarity that repels the moveable magnetic object when current is induced in the single coil and attracts an end of the movable magnetic object when no current is induced in the single coil.
According to another aspect of the present invention, an electromagnetic switching apparatus includes a bobbin having a single coil of wire wrapped therearound.  A movable armature is disposed within the single coil as is a permanent magnet.  The permanent magnet is separated from the actuator by a non-magnetic spacer such that the permanent magnet attracts the actuator when the single coil is de-energized and repels the actuator when the single coil is energized.
In accordance with yet another aspect of the present invention, a method of manufacturing a single coil solenoid with permanent magnet bi-directional assist includes the steps of wrapping a single electro-conductive wire around a bobbin and securing a plunger within a bore of the bobbin.  The manufacturing process further includes the step of disposing a spacer and a permanent magnet at one end of the plunger and biasing the plunger in a first position against the spacer.  An end plate having an attracting stud at an end of the bobbin opposite to that of the permanent magnet is also put in place.
In accordance with a further aspect of the present invention, a single coil solenoid includes a first magnetic circuit between a plunger and a permanent magnet spaced from the plunger at a first electromagnetic condition created when a single coil wire is not energized as well as a second magnetic circuit between a plunger and an attracting member at a second electromagnetic condition created when the single coil of wire is energized.
In accordance with a further aspect of the present invention, a solenoid kit includes a bobbin configured to receive a single coil of wire wrapped therearound as well as a permanent magnet having a fixed polarity.  The kit also includes an armature configured to move linearly through a bore of the bobbin as well as a non-magnetic spacer to be disposed between the permanent magnet and the armature.
Various other features, objects and advantages of the present invention will be made apparent from the following detailed description and the drawings.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
Referring now to Fig. 2, a single coil solenoid having a permanent magnet with bi-directional assist is shown.  The solenoid 32 includes a bobbin 34 designed to have a single coil of wire 36 wrapped therearound.  Bobbin 34 is also configured to hold a permanent magnet 38 in a fixed position at one end of solenoid 32.  Integrated with the bobbin is a plurality of shunt components 40 which will be described in greater detail below.  Preferably, the bobbin 34 also includes a non-magnetic spacer 42 positioned adjacent to the permanent magnet 38 and, as will be described in greater detail below, creates a fixed space or distance between an armature 44  and the permanent magnet 38 when the solenoid is in a de-energized position.
Fig. 2 illustrates solenoid 32 in a de-energized position.  In this position, a movable magnetic object such as an armature 44 or plunger is separated from permanent magnet 38 by the non-magnetic spacer 42.  When in a de-energized position, i.e., zero or very little current induced in coil 36, armature 44 has no polarity and is therefore attracted to and takes on the characteristics of  the permanent magnet 38.  In this regard, the attractive force created between the armature and the permanent magnet is such to hold the armature 44 against the non-magnetic spacer 42.  One skilled in the art will appreciate that the thickness of spacer 42 may be varied to achieve a desired holding force such that the amount of energy or force required to release the armature upon energization may be regulated for a particular application.  A return spring 46 may optionally be used and connected to armature 44 to further bias the actuator against spacer 42.  In this regard, the force imposed on the armature 44 is additive between the spring and the magnet. This allows for a higher force to be available out of the solenoid in the at-rest or de-energized position. When the coil is energized, however, the armature 44 is magnetically polarized via shunt components similar to the magnet 38.  As a result, the repulsive force between the magnet 38 and the armature 44 adds to the attracting force between the attracting stud 56 and the armature 44 and must be sufficient to overcome the bias of return spring 46.
The internal components of solenoid 32 are housed within a relatively rigid and durable housing 50.  Connected at an end 52 of the housing opposite that of the permanent magnet 38 is an end plate 54.  Connected to end plate 54 is an attracting stud 56.  When current is not induced in the single coil 36, the attracting stud 56 and the armature 44 have no real magnetic polarity.  That is, the attracting stud 56 and the end of the armature proximate of the attracting stud have no attractive force between them.  In this regard, the attracting force of the magnet and the spring force is generated therebetween such that the armature is pushed away from attracting stud 56.    Accordingly, the permanent magnet 38, the armature 44, shunt components 40, and solenoid housing 50 create a complete and efficient magnetic circuit that has a relatively high attractive force on the plunger caused by the permanent magnet 38.  The influence of magnet 38 on armature 44 adds to the force of return spring 46 which ensures a relatively high return force to the de-energized position against spacer 42.
Solenoid 32 includes shunt components 40 which assist in creating a relatively high holding force on the armature during de-energization of the single coil 36.  Absent these components, the magnetic path would be less efficient and, as such, much of the magnetic flux would be forced to travel through the armature 44 and "jump" a relatively large air gap between the armature and attracting stud 56.  In addition, the length of the magnetic path would be much greater thereby requiring more coercive force from permanent magnet 38.  The result would therefore be a much lower operating point of the permanent magnet 38 thus reducing the holding force of the armature against the permanent magnet.  The effectiveness of shunt components 40 may be varied by changing the air gap between the shunt components 40 and housing 50.  This gap not only influences the hold force placed on the armature when de-energized, but also affects the amount of energy required to release the armature when current is induced in the single coil 36.  Additionally, the axial location of shunt components 40 relative to magnet 38 also influences the hold force placed on the armature 44 and the amount of energy required to release the armature from a hold position upon energization of the single coil 36.  That is, as the distance of the shunt components 40 from the permanent magnet 38 increases, the hold force between the armature 44 and the permanent magnet 38 decreases.  Accordingly, placement of the shunt components relative to the permanent magnet, the solenoid housing, and the armature increases the efficiency of the magnetic circuit thereby resulting in an increased hold force in the de-energized position and a reduced energy requirement to release the armature upon energization of the single coil.
As stated above, when zero or little current is induced in the single coil of wire wrapped around the bobbin, the solenoid is considered to be in a de-energized state or position.  In this position, the polarity of the armature takes on the polarity of the permanent magnet.  The permanent magnet creates an attractive force between the armature and  itself   The force of the magnet coupled with the bias of the return spring create the relatively large holding force on the armature 44 that, as illustrated in Fig. 2, maintains a seating of the armature against the device or equipment in which the armature is engaged.  As such, current in the single coil is not needed to maintain the armature in an at-rest state or position.
Referring now to Fig. 3, solenoid 32 is shown in an energized position.  In this regard, current is induced in coil 36. The polarity of the coil must be such that the shunt components 40 have the same polarity as the permanent magnet face that is in close proximity or in contact with the armature.  The inducement of current through coil 36 causes the polarity of armature 44 with respect to the magnet to be the same.    As such, a repellent force is created between the armature 44 and permanent magnet 38.  Further, upon current inducement in coil 36, the polarity of the armature at the poles proximate to the attracting stud 56 is also reversed thereby creating an attractive force between attracting stud 56 and armature 44.  When the current induced in single coil 36 is of sufficient amplitude, the attractive force created between attracting stud 56 and armature 44 coupled with the repellent force created between armature 44 and permanent magnet 38 will be sufficient to overcome the bias of spring 46 thereby causing a linear movement of armature 44 in the bore of bobbin 34 toward end plate 54.  As such, the return spring 46 is compressed and engaged such that armature 44 is pulled from the device or equipment that in which it was engaged during the non-energization of the coil.
A second magnetic circuit is created by housing 50, end plate 54, attracting stud 56, plunger 44, and shunt components 40 when current is induced in the single coil 36.  The electromagnetic condition causes the armature 44 to become a magnet with poles opposing the poles of permanent magnet 38 thereby creating a repulsive force therebetween.  This repulsive force in combination with the attractive force created between attracting stud 56 and armature 44, minus the mechanical or biasing force of spring 46, produces or creates a higher net pulling force on armature 44 than is possible from the electromagnetic coil alone.  Upon de-energization of the coil, return spring 46 returns armature 44 until the armature abuts spacer 42.  Since there is no longer an electromagnetic field, as the armature 44 approaches magnet 38, the magnet 38 attracts the armature 44 thereby adding to the force of return spring 46 exerted on the armature 44.  Thus, the energy stored in the permanent magnet is utilized to increase the operating force of the armature 44 in both directions of armature stroke.
In an alternate embodiment, a second permanent magnet may be placed with proper orientation between the attracting stud 56 and end plate 54.  Placement of a second permanent magnet assists in the magnetic tuning to achieve the desired net forces that are exerted on armature 44.  That is, the second permanent magnet may be oriented such that it enhances the force placed on armature 44 by attracting stud 56.  Additionally, secondary shunt components may be placed within the coil windings to assist in magnetic tuning to also achieve the desired net forces exerted on armature 44.
Therefore, in accordance with one embodiment of the present invention, a solenoid has a magnetically conductive shell having a single coil of wound wire.  The solenoid also has a movable magnetic object disposed within a bore of the single coil, the object configured to receive a magnetic force when current is induced in the single coil.  The solenoid also includes a permanent magnet having a fixed polarity that repels the moveable magnetic object when current is induced in the single coil and attracts the end of the movable magnetic object when no current is induced in the single coil.
According to another embodiment of the present invention, an electromagnetic switching apparatus includes a bobbin having a single coil of wire wrapped therearound.  A movable armature is disposed within the single coil as is a permanent magnet.  The permanent magnet is separated from the armature by a non-magnetic spacer such that the permanent magnet attracts the armature when the single coil is de-energized and repels the armature when the single coil is energized.
In accordance with yet another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a single coil solenoid with permanent magnet bi-directional assist includes the steps of wrapping a single electro-conductive wire around a bobbin and securing a plunger within a bore of the bobbin.  The manufacturing process further includes the step of disposing a spacer and a permanent magnet at one end of the plunger and biasing the plunger in a first position against the spacer.  An end plate having an attracting stud at an end of the bobbin opposite to that of the permanent magnet is also put in place.
In accordance with a further embodiment of the present invention, a single coil solenoid includes a first magnetic circuit between a plunger and a permanent magnet spaced from the plunger at a first electromagnetic condition created when a single coil winding is not energized as well as a second magnetic circuit between a plunger and an attracting member at a second electromagnetic condition created when the single coil winding is energized.
In accordance with a further embodiment of the present invention, a solenoid kit includes a bobbin configured to receive a single coil of wire wrapped therearound as well as a permanent magnet having a fixed polarity.  The kit also includes an armature configured to move linearly through a bore of the bobbin as well as a non-magnetic spacer to be disposed between the permanent magnet and the armature.
The present invention has been described in terms of the preferred embodiment, and it is recognized that equivalents, alternatives, and modifications, aside from those expressly stated, are possible and within the scope of the appending claims.
３．  BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
The drawings illustrate one preferred embodiment presently contemplated for carrying out the invention.
In the drawings:
Fig. 1 is a cross-sectional view of a prior art solenoid.
Fig. 2 is a cross-sectional view of a solenoid in a de-energized position.
Fig. 3 is a cross-sectional view of that shown in Fig. 2 in an energized position.
What is claimed is:
1.      A solenoid comprising:
a magnetically conductive shell having a single coil of wound wire;
a movable magnetic object disposed within a bore of the single coil, the object configured to receive a magnetic force when current is induced in the single coil; and
a permanent magnet having a fixed polarity that repels the moveable magnetic object when current is induced in the single coil and attracts an end of the movable magnetic object when no current is induced in the single coil.
2.      The solenoid of claim 1 wherein the moveable magnetic object includes one of a plunger or an armature.
3.      The solenoid of claim 1 further comprising a non-magnetic spacer disposed between the permanent magnet and the movable magnetic object.
4.      The solenoid of claim 3 further comprising a return spring operationally connected to bias the movable magnetic object in a return position against the spacer when no current is induced in the single coil.
5.      The solenoid of claim 4 further comprising an end plate connected to an end opposite to that of the return spring and an attracting stud connected to the end plate, the attracting stud having a polarity opposite to that of the movable magnetic object when current is induced with a specific electrical polarity in the single coil.
6.      The solenoid of claim 5 further comprising a housing having the single coil, the plunger, the spacer, and a bobbin disposed therein.
7.      The solenoid of claim 6 wherein the single coil is wrapped around the bobbin.
8.      The solenoid of claim 7 further comprising a number of shunt components connected to the bobbin.
9.      The solenoid of claim 8 wherein the number of shunt components is configured such that as distance of the shunt components from the permanent magnet increases a hold force between the plunger and permanent magnet decreases.
10.     The solenoid of claim 8 further comprising an air gap between the number of shunt components and the housing.
11.     An electromagnetic switching apparatus comprising:
a bobbin having a single coil of wire wrapped therearound;
a movable armature disposed within the single coil; and
a permanent magnetic separated from the armature by a non-magnetic spacer wherein the permanent magnet attracts the armature when the single coil is de-energized and repels the armature when the single coil is energized.
12.     The apparatus of claim 11 further comprising an end plate and attracting stud connected to one end of the bobbin wherein the attracting stud attracts the armature when the single coil is energized.
13.     The apparatus of claim 12 further comprising a return spring configured to bias the armature against the spacer when the single coil is de-energized.
14.     The apparatus of claim 13 wherein the armature is further configured to have a first polarity when the single coil is de-energized and a second polarity when the single coil is energized.
15.     The apparatus of claim 14 wherein the second polarity matches a plurality of the permanent magnet.
16.     The apparatus of claim 14 wherein the second polarity is opposite to a polarity of the end plate.
17.     The apparatus of claim 11 further comprising a plurality of shunt components disposed radially around the actuator between the single coil and the permanent magnet.
18.     A method of manufacturing a single coil solenoid with permanent magnet bi-directional assist comprising the steps of:
wrapping a single electro-conductive wire around a bobbin;
securing a plunger within a bore of the bobbin;
disposing a spacer and a permanent magnet at one end of the 
plunger;
biasing the plunger in a first position against the spacer; and
placing an end plate having an attracting stud at an end of the bobbin opposite to that of the permanent magnet.
19.     The method of claim 18 further comprising the step of securing a return spring to be operationally connected to the plunger such that the return spring biases the plunger against the spacer when current is not induced in the wire.
20.      The method of claim 18 further comprising the step of configuring the plunger to have a polarity similar to that of the permanent magnet when current is not induced in the wire and to have a polarity opposing that of the permanent magnet when current is induced in the wire.
21.     The method of claim 18 further comprising the step of placing a set of shunt components radially around the plunger between the permanent magnet and the wire.
22.     A single coil solenoid comprising:
a first magnetic circuit between a plunger and a permanent magnet spaced from the plunger at a first electromagnetic condition created when a single coil of wire is not energized; and
a second magnetic circuit between the plunger and an attracting member at a second electromagnetic condition created when the single coil of wire is energized.
23.     A solenoid kit comprising:
a bobbin configured to receive a single coil of wire wrapped
therearound;
a permanent magnet having a fixed polarity;
an armature configured to move linearly through a bore of the bobbin; 
and
a non-magnetic spacer to be disposed between the permanent magnet and the armature.
24.     The kit of claim 23 further comprising a housing and an end plate connected to the housing, the end plate including an attracting stud having a polarity opposite to that of the permanent magnet.
25.     The kit of claim 23 wherein the armature is configured to have an attraction to the permanent magnet when no current is induced in the single coil.
26.     The kit of claim 23 further comprising a return spring connectable to the armature.
１．ABSTRACT
A single coil solenoid includes a permanent magnet with bi-directional assist capabilities.  The solenoid includes an armature that during de-energization of a single coil of wire is attracted to the permanent magnet thereby maintaining a hold position and during energization of the single coil has a polarity that repels the permanent magnet thereby creating a push/pull force.  In this regard, the permanent magnet operates to not only hold the armature but also is used to push the armature when current is induced in the single coil.
２．REPRESENTATIVE DRAWING
Fig.1
【図１】
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【図２】
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【図３】
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