(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に移動する可動鉄心の磁極面が固定鉄心の磁極面に接離する電磁石において、一方の磁極面の中心部及び外周部を除く磁極面に軸方向凹部を設けるとともに、該中心部の軸方向長さを該外周部の軸方向長さより短く設定し、他方の磁極面に該凹部に進入する突起部を突出したことを特徴とする電磁石。
【請求項２】
前記凹部は、前記磁極面の中心点に関して点対称、又は該中心点を通る軸に関して軸対称の位置に配置されている任意の断面形状であることを特徴とする請求項１記載の電磁石。
【請求項３】
前記凹部は、１又は複数の円環形断面としたことを特徴とする請求項１又は２記載の電磁石。
【請求項４】
前記凹部の側面に対して前記突起部側面が傾斜角度を有する形状としたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電磁石。
【請求項５】
前記他方の磁極面の突起部の軸方向に同軸の貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の電磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通電によって機械力を発生し、特に微小電気入力で強力な吸引力を発生すると共に、小型軽量化を可能とする電磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図１２の従来技術電磁石模式断面図に掲げるように、コイル１１のボビン１２の貫通孔の一方端に固定する固定磁極面１４と、ボビン１２の貫通孔の他方端から摺動自在に挿通し、該固定磁極面１４に接離する可動磁極面２５を備えたプランジャ型電磁石１０がある。
【０００３】
このような電磁石１０の固定磁極面１４と可動磁極面２５の形状の改善に関する従来技術として、例えば、特公昭６１−４１１２３号公報には、固定部材先端における円柱状可動鉄心との対向面に凹所を設け、前記固定部材の外周部に位置する部材は、自体の外周面にテーパー部が形成されて先細り状となるように構成した電磁石が開示されている。この電磁石は固定部材に対して可動鉄心が進退移動する場合、特にその吸引動作において大きな吸引力が維持できるようにしたものである。その添付第４図、第５図には通常知られているテーパプランジャを備えたソレノイドの吸引特性を比較したグラフが示されており、ストローク端（可動磁極面が固定磁極面から最も遠い位置）における吸引特性が著しく改善されていることが示されている。
【０００４】
また、特開昭５９−１７７９０４号公報には、固定鉄心と可動鉄心（プランジャ）との接触面をそれぞれ螺旋形状に構成したことを特徴とするソレノイドが開示されている。そして、ソレノイドは磁気回路断面積とコイルの巻線仕様によって吸引力特性が決定されるが、ストローク最大位置での吸引力特性をアップするために、従来、可動鉄心（プランジャ）と固定鉄心との接触面の形状に種々の工夫をこらしていることが記載されている。例えば、対向磁極面積の増加を図ったり、或はストロークの最大位置での接触面間の対向距離を短くしたり、或は磁気回路中の磁気抵抗や磁気漏洩を少なくする対策が講じられていたことを挙げている。そして、適切な吸引力特性を発揮させるための従来の磁極面の形状変化について記載されている。これらを図１３の（ａ）図から（ｅ）図に模式的に示した。図中３１は可動鉄心（プランジャ）の移動ストロークを示し、３２は磁極面間の対向距離を示すものである。このような工夫にも拘らず、特に長ストロークのソレノイドにおいて初期吸引力が大でしかも全ストロークに亘ってほぼ一定の吸引力が得られるソレノイドは得られておらず、技術課題であったと記載されている。そして特開昭５９−１７７９０４号公報の技術では電圧印加と共に可動鉄心（プランジャ）が水平移行するソレノイドにおいて、その可動鉄心（プランジャ）と対向する固定鉄心との対向面をそれぞれ螺旋状に構成して、可動鉄心（プランジャ）の移動ストロークに対する吸引力特性の向上を図ることが記載されている。そしてその添付第４図には従来の吸引力特性に比し著しく改善されたことが示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術の電磁石に比して、より微小な電気入力で高吸引力を発生し、より小形軽量な電磁石を提供することを課題とするものである。
【０００６】
本発明は、電磁石の機械的負荷を効果的に駆動する、可動鉄心（プランジャ）の変移に伴う吸引力特性を改善するために、下記の手段を提案する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の技術手段は、軸方向に移動する可動鉄心の磁極面が固定鉄心の磁極面に接離する電磁石において、一方の磁極面の中心部及び外周部を除く磁極面に軸方向凹部を設け、他方の磁極面に該凹部に進入する突起部を突出したことを特徴とする電磁石である。この場合に前記凹部は外周部の周方向に不連続な切欠を有する断面形状としてもよい。すなわち外周部は全周に亘って全く凹部がなく完全に連続しているものでもよく、部分的に切れて凹部が形成された不連続なものでも差支えない。
【０００８】
前記凹部は、該磁極面の中心点に関して点対称、又は該中心点を通る複数の軸に関して軸対称の位置に配置されている任意の断面形状でよく、例えば同心又は異心の１又は複数の円環形断面としてもよい。
【０００９】
電磁石の発生する吸引力Ｆは、磁路に作用する起磁力をＵ、磁路の間隙の磁気抵抗の逆数であるパアミアンスをＰ、そして可動鉄心（プランジャ）の軸方向の変移をＸとすると、磁路の鉄心の磁気抵抗を無視することによって下記の式で算出できる。
【００１０】
Ｆ＝（Ｕ2／２）×ｄＰ／ｄＸ
ここで
Ｆ：吸引力
Ｕ：磁路に作用する起磁力
Ｐ：パアミアンス
Ｘ：軸方向の変移
である。すなわち、電磁石の吸引力は通電電流値の自乗と、可動鉄心（プランジャ）の変移に伴う磁路のパアミアンスの変化率の積に比例する。
【００１１】
電磁石の電気入力を一定値とすると磁路に作用する起磁力Ｕは一定値であり、この条件で強力な吸引力を発生するには、可動鉄心（プランジャ）の軸方向の変移に伴う磁極面間隙のパアミアンスの変化率ｄＰ／ｄＸの値を大きくする磁極面形状の選択を必要とする。本発明の上記構成は、これを実現するためのものである。
【００１２】
本発明の電磁石はまた、前記凹部の側面に対して前記突起部側面が傾斜角度を有する形状とすると好適であり、さらに、一方の磁極面の中心部の軸方向長さを磁極面の外周部の軸方向長さより短く設定し、前記凹部より深さの浅い第２の凹部を形成すると、ストローク途中における吸引力の低下を効果的に防止でき好ましい。なお、他方の磁極面の突起部の軸方向に同軸の貫通孔を設けたものでも、吸引力向上効果はほとんど差がないことも判明した。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に掲げる、本発明の一実施例の電磁石１０の模式構造断面図及びそのＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ矢視図を参照して、本発明の技術手段について説明する。本発明は基本的には、コイル１１を巻回したボビン１２の貫通孔の一方端に設けた固定磁極面１４と、ボビン１２の貫通孔の他方端から摺動自在に挿通し、固定磁極面１４に接離する可動鉄心（プランジャ）２１の可動磁極面２５とで構成する電磁石１０である。そして、図１の例では円柱状の可動鉄心（プランジャ）２１は、中心部２３と周縁部２２を除く部分に可動鉄心（プランジャ）２１と同心円状の凹部２４が設けられ、固定鉄心１３の固定磁極面１４は突起部１５と円周フリンジ１６を備えている。可動磁極面２５は、固定磁極面１４と接離し、突起部１５は凹部２４内に微小間隙を介して嵌合する。
【００１４】
このような磁極面の構成を採用することによって、この磁極面間隙のパアミアンスの変化率ｄＰ／ｄＸの値を効果的に増大することが容易であり、電磁石１０の起磁力Ｕとプランジャ径の設定値に対応して、固定磁極面１４と可動磁極面２５の嵌合部分の間隙の寸法を適正に設定して、磁極面間隙のパアミアンスの変化率の増大を図ることができる。
【００１５】
本発明の他の実施例について、図２の磁極面断面図及びそのＣ−Ｃ、Ｄ−Ｄ矢視図を参照して説明する。この実施例の一方の磁極、例えば固定鉄心１３は、周縁部２２の磁性体軸方向長ａに対して、中心部２３の円柱磁性体軸方向長ｂを短く、突起部１５は、先端開口１８と円周フリンジ１６を備える円筒磁極面に形成して、この両磁極面の軸直交面が同軸に接離すると共に軸平行な円筒内外側面が互いに所定間隙を介して嵌合する磁極面の構成とする。
【００１６】
本発明の他の実施例について、図３の磁極面断面図を参照して説明する。
【００１７】
この実施例の磁極面の所定間隙を介して嵌合する円筒内外側面が、嵌合する相手側の磁極円筒内外側面に対して、所定角度θの傾斜面を形成する磁極面の構成とする。この所定角度は直線状傾斜だけでなく、必要に応じて階段状あるいは曲線状の傾斜面を採用することができる。
【００１８】
この実施例の磁極面の構成は、電磁石のストロークの特定範囲におけるパアミアンスの変化率ｄＰ／ｄＸの値を調整して、吸引力特性を改善することを可能にするものである。
【００１９】
図４、図５に本発明の効果を示す試験データを示す。図４は試験に用いた実施例の電磁石１０の形状、寸法を示す（ａ）正面図、（ｂ）縦断面図である。正面の外形寸法は２０ｍｍ×１６ｍｍ、可動鉄心（プランジャ）２１の直径は７ｍｍφである。縦断面図の外形長さは２５．２ｍｍ、可動鉄心（プランジャ）２１のストロークは５ｍｍである。コイル１１の定各印加電圧３２Ｖ、コイル１１の抵抗は１５０Ωである。固定鉄心１３の中心部２３の高さＬを０から５ｍｍの範囲で変化させ吸引力特性を調べ図５に示した。図５から明らかなように、Ｌ＝１．５〜５．０ｍｍとしたとき、ストローク５ｍｍの位置における吸引力はＬ＝０ｍｍ（中央突起のないとき）の特性に対して４０〜９０％も向上している。さらに、Ｌ＝５ｍｍに対してＬ＝１．５ｍｍ、Ｌ＝３．０ｍｍの方がより大きい吸引力を示している。その理由は明らかではないが、ｄＰ／ｄＸが大きくなることに起因しているものと考えられる。
【００２０】
すなわち、本発明では図５に掲げる本発明の吸引特性のグラフに示すとおり、磁極面間隙のパアミアンスの変化率ｄＰ／ｄＸの値を効果的に増大して高吸引力を発生すると共に、電磁石のストロークの変化に伴うストローク途中の吸引力特性を高く維持する改善が可能となった。
【００２１】
本発明の他の実施の形態について図６〜図１１を参照して説明する。図６〜図１０は本発明に係る一方の磁極面の正面図、図１１は他の例の縦断面図である。図６は可動磁極面２５に設けられた凹部２４が可動磁極面２５の中心点に関して点対称の位置に配置された任意の数の任意の形状である例を模式的に示したものである。図7、８、９は可動磁極面２５の中心を通る１又は複数の軸線２６に関して軸対称の任意の位置に任意の数と任意の形状の凹部２４を配設した例を示したものである。凹部２４の断面形状は円形のものを例示しているが、どのような形でもよい。図１０は凹部２４が同心円状の円環状の例である。図１１は凹部２４より中心側に位置する中心部２３の高さが周縁部２２の高さより低いもの及び、突起部１５を有する磁極面の中心部に貫通孔１７が設けられ、当接磁極面が欠損しているものを示している。この場合、可動鉄心のストローク終端は周縁部２２の先端と突起部１５の外周側の円周フリンジ１６の当接、又は凹部２４の底面と突起部１５の先端との当接により、十分な吸引保持が確保されるので問題はない。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、従来技術の電磁石に比して、より微小な電気入力で高吸引力を発生し、より小形軽量な電磁石を得ることができ、小型機器の駆動源として優れた効果を奏し、寄与するところが大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の（ａ）模式構造縦断面図、（ｂ）Ａ−Ａ矢視図、（ｃ）Ｂ−Ｂ矢視図である。
【図２】別の実施例の（ａ）模式構造縦断面図、（ｂ）Ｃ−Ｃ矢視図、（ｃ）Ｄ−Ｄ矢視図である。
【図３】別の実施例の（ａ）模式構造縦断面図、（ｂ）Ｅ−Ｅ矢視図、（ｃ）Ｆ−Ｆ矢視図である。
【図４】試験電磁石の（ａ）正面図、（ｂ）縦断面図である。
【図５】吸引特性のグラフである。
【図６】他の実施例の説明図である。
【図７】他の実施例の説明図である。
【図８】他の実施例の説明図である。
【図９】他の実施例の説明図である。
【図１０】他の実施例の説明図である。
【図１１】他の実施例の説明図である。
【図１２】従来の電磁石の縦断面図である。
【図１３】従来の電磁石の説明図である。
【符号の説明】
１０    電磁石
１１    コイル
１２    ボビン
１３    固定鉄心
１４    固定磁極面
１５    突起部
１６    円周フリンジ
１７    貫通孔
１８    先端開口
２１    可動鉄心（プランジャ）
２２    周縁部
２３    中心部
２４    凹部
２５    可動磁極面
２６    磁極面の中心を通る軸線
３１    ストローク
３２    対向距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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