(57)【要約】【課題】従来以上の推力特性を実現しつつ、ソレノイドの全長を短縮することができるソレノイドを提供する。【解決手段】固定部と可動部とを備えるソレノイドであって、可動部の先端に、少なくとも２つのテーパ面から形成される磁極を備え、固定部の先端に、少なくとも可動部の磁極と対向する２つのテーパ面から形成される磁極を備えることにより、円錐型の推力特性の特徴である間隙の広い部分における推力を維持しつつ、平坦型の推力特性の特徴である間隙の狭い部分における推力を維持する推力特性を実現する。【選択図】図１
2007288000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と可動部とを備えるソレノイドであって、
該可動部の先端に、少なくとも２つのテーパ面から形成される磁極を備え、
該固定部の先端に、少なくとも前記可動部の磁極と対向する２つのテーパ面から形成される磁極を備えることを特徴とするソレノイド。
【請求項２】
前記可動部の磁極と前記固定部の磁極とは、複数の対向するテーパ面を備えることを特徴とする請求項１に記載のソレノイド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソレノイドの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ソレノイドは、電気的エネルギーを機械的直線運動に変換し、ソレノイドの可動部に結合された外部機構（機械的負荷）を駆動するものである。従来、その代表的な例としては、図１３に示すような平坦型と図１４に示すような円錐型とがある。ここで、図１３に示す平坦型と、図１４に示す円錐型とは、後述するように、可動部と固定部のそれぞれの先端形状が異なっている。
【０００３】
これらの主要部の構造は、いずれも図１３および図１４に示すように、コイル１と、シャフト２と、プランジャ（可動部）３と、ケース５と、軸受け６と、エアギャップスペーサ７と、ボビン８と、ベース（固定部）９とから構成されている。
【０００４】
ここで、コイル１は、ケース５とともに、主磁気回路１０を形成し、発生した磁界によってプランジャ（可動部）３を駆動する。プランジャ３は可動磁極を構成し、主磁気回路１０において発生した磁界により、図中の吸引方向に駆動される。エアギャップスペーサ７は、プランジャ３がケース５に接触する際の吸音作用と残留磁気の防止作用を担っている。ボビン８は、コイル１とケース５との絶縁部材であり、ベース９は、固定磁極を形成している。
【０００５】
一般的なソレノイドでは、コイル１は、ケース５の内部に保持されており、シャフト２は、コイル１の中心軸上に配置され、ベース９の中心に設けられた軸受け６を貫通している。シャフト２の外周にはフランジ状のプランジャ３が取り付けられ、シャフト２が吸引方向に移動すると、図１３では、プランジャ３の背面（図では下面）がベース９上のプランジャ３の先端部に対向する面に設けられた金属箔などで構成されたエアギャップスペーサ７まで移動し、図１４では、プランジャ３の背面（図では下面）がケース５上の端面（図では上面）に設けられたエアギャップスペーサ７まで移動するような構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、ソレノイドの駆動は、プランジャ（可動部）３がコイル１に流した時に発生する磁束により、ベース（固定部）９との間に作用する吸引力によって、ベース（固定部）９に向かって、その軸方向に急速かつ直線的にベース（固定部）９に密着するまで移動することにより行われ、これにより、外部機構に機械的運動を与える。ここで、コイル１への通電を継続すればプランジャ（可動部）３は、ベース（固定部）９に吸着した状態を保つが、コイル１への電流の供給を遮断すると、シャフト（可動部）２に結合している外部機構又は図示しない復旧バネの力で元の位置に引き戻される。
【０００７】
ところで、図１２に示すように、ベース（固定部）９により構成される固定磁極とプランジャ（可動部）３により構成される可動磁極との間隙（図中、横軸のストローク（ｍｍ））と、発生する推力（図中、縦軸の推力（Ｎ））との関係は、間隙（ストローク）が狭くなるにしたがって急激に増加し、間隙（ストローク）がなくなったところで最高値に達する特性をもっている。
【０００８】
このような特性は、機械的負荷を駆動するには、不都合な場合もあり、特に、長めの道程を必要とする機械的負荷を駆動する場合には、大形のソレノイドを用いないと駆動することができない。このような問題点を改善するために、ベース（固定部）９により構成される固定磁極とプランジャ（可動部）３により構成される可動磁極の対向面の形状を変えることにより、ソレノイドの推力特性を調整することが行われている。
【０００９】
このうち、一般的に知られている図１３に示す平坦型（図１２中、Ｆ型と示す）では、図１２に示すように、間隙（ストローク）が狭い部分で大きな推力が得られるため、駆動道程の短い用途においては有効である。一方で、図１４に示す円錐型（図１２中、Ｃ型と示す）では、図１２に示すように、平坦型の特徴である間隙（ストローク）が狭い部分で大きな推力が得られない反面、間隙（ストローク）の広さに関わらず、ほぼフラットな推力特性が得られることから、駆動道程の長い用途においては有効である。
【００１０】
なお、図１４に示す円錐型の推力特性は、図１２に示すように、先端角を小さくすることにより、よりフラットな特性となることから、機械的負荷の大きさや傾向によって、先端角を調整することにより、最適値を選ぶことができる。
【特許文献１】特開２００３−３３８４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図１２に示したように、図１４に示す円錐型では、作動距離を長くとりたい場合には、先端角を小さく設定すればよいが、有効な推力を発生できる範囲は、プランジャ（可動部）３により構成される可動磁極の先端がベース（固定部）９により構成される固定磁極円錐の縁に入り込む付近からとなるために、図１１に示すように、ソレノイドの全長が先端角を有する先端長の２倍以上必要となる。したがって、作動距離を長く取ろうとすれば、必要とする作動距離に応じて、必然的にソレノイドの全長が長くなってしまうという問題がある。
【００１２】
特に、ソレノイドは、これを組み込む機器における様々な条件によって、要求される形態が変化し、殊に、近年は、機器の小型化に呼応して、小型化の要求が厳しく、同じ性能を維持したまま、極力、ソレノイドの外形寸法を小型化する要求が高まってきている。
【００１３】
また、上記のように、先端角を調整することによって、負荷の特性に合致した調整を行うことは可能であるが、反面、先端角を小さくすると、これに応じて、ソレノイドの全長が長くなってしまうため、この対策として、リンク機構による増幅を行ったり、方向を変更するなどの手法や他の動力を採用するといった方法を採用せざるを得ないという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、従来以上の推力特性を実現しつつ、ソレノイドの全長を短縮することができるソレノイドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の事項を提案している。
（１）本発明は、固定部（例えば、図１４のベース９に相当）と可動部（例えば、図１４のプランジャ３に相当）とを備えるソレノイドであって、該可動部の先端に、少なくとも２つのテーパー面から形成される磁極を備え、該固定部の先端に、少なくとも前記可動部の磁極と対向する２つのテーパー面から形成される磁極を備えることを特徴とするソレノイドを提案している。
【００１６】
この発明によれば、可動部の先端に、２つのテーパー面から形成される磁極を備え、固定部の先端に、可動部の磁極と対向する２つのテーパー面から形成される磁極を備える構造となっている。
したがって、可動部と固定部とを上記のように構成することにより、円錐型の推力特性の特徴である間隙（ストローク）の広い部分における推力を維持できるとともに、平坦型の推力特性の特徴である間隙（ストローク）の狭い部分における推力を維持できる。
【００１７】
（２）本発明は、（１）のソレノイドについて、前記可動部の磁極と前記固定部の磁極とは、複数の対向するテーパー面を備えることを特徴とするソレノイドを提案している。
【００１８】
この発明によれば、可動部の磁極と固定部の磁極とは、複数の対向するテーパー面を備える構造になっている。したがって、上記のように構成することにより、推力特性の調整幅を広くすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、従来以上の推力特性を実現しながら、ソレノイドの全長を短縮することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態に係るソレノイドについて、図面を用いて詳細に説明する。
なお、本実施形態においては、円錐型ソレノイドを例にとって説明する。
また、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組み合わせを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【００２１】
＜第１の実施形態＞
本実施形態に係るソレノイドは、図４に示すように、プランジャ（可動部）３の先端部に２つの円錐角（図中、第１円錐角、第２円錐角）によって形成されるテーパーにより一つの凸部を設けたものであり、これを以下、２重型と呼ぶ。
【００２２】
具体的なプランジャ（可動部）３の先端部の断面形状は、図１（ａ）あるいは（ｂ）に示すようになっており、図示しないベース（固定部）９の先端形状は、対向するプランジャ（可動部）３の先端形状となす間隙を一様に略等しくするような形状となっている。
【００２３】
より具体的には、２重型の磁極となる先端部は、この磁極の中心軸を囲むように環状に形成されており、先端部の外径へはある角度を持ったテーパー面を形成している（第１円錐角）。先端部の内径にもある角度をもってテーパー面を形成しており、両者の円錐角はそれぞれ異なっている。
【００２４】
本実施形態においては、第１円錐角と第２円錐角とが異なった状態で図１に示されているが、同じ角度であってもよい。また、磁極である先端部は、円形の環状が一般的であるが、これ以外にも、四角形や六角形などの多角形をなす環状としてもよい。この場合、磁極の全体形状を四角錐台、六角錐台などの多角錐台の形状とし、テーパー面が平坦な面となるように構成する。
【００２５】
さらに、第１円錐角のテーパー面を平坦面とし、第２円錐角のテーパー面を平坦面としてもよい。なお、先端部は物理的に鋭利な形状とすることはできないため。先端部にアールをつけたり、特性上の調整を図る目的から平面や凹みを持たせてもよい。
【００２６】
本実施形態に係るソレノイドの推力特性は、図６に示すように、第１円錐角による推力特性（図中、点線）と第２円錐角による推力特性（図中、破線）とを略合成したような特性（図中、実線）になっており、その推力は、間隙（ストローク）が狭くなるにしたがって急激に増加する平坦型の特性と、間隙（ストローク）が広くなっても、推力の減衰の度合いが小さい円錐型の特性とを併せ持った特性になっている。
【００２７】
また、このときのプランジャ（可動部）３の先端長も図５に示すように、一般的な円錐型の先端長ａよりも短いｂとなっており、従来以上の推力特性を実現しながら、ソレノイドの全長を短縮できることがわかる。なお、本実施形態におけるソレノイドの推力特性は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、２つ円錐角を変更することにより適宜、調整することができる。
【００２８】
したがって、本実施形態によれば、プランジャ（可動部）３の先端部に２つの円錐角によって形成されるテーパーにより凸部を設け、かつ、２つの円錐角を適宜、調整することにより、要求される推力特性を実現しつつ、ソレノイドの全長を従来よりも短縮することができる。
【００２９】
＜第２の実施形態＞
本実施形態に係るソレノイドは、プランジャ（可動部）３の先端部に２つの円錐角によって形成されるテーパーにより一つの凹部を設けたものであり、これを２重反転型と呼ぶ。
【００３０】
具体的なプランジャ（可動部）３の先端部の断面形状は、図２に示すようになっており、図示しないベース（固定部）９の先端形状は、対向するプランジャ（可動部）３の先端形状となす間隙を一様に略等しくするような形状となっている。
【００３１】
より具体的には、２重反転型の磁極となる先端部は、この磁極の中心軸を囲むように環状に形成されており、先端部の外径へはある角度を持ったテーパー面を形成している（第１円錐角）。先端部の内径にもある角度をもってテーパー面を形成しており、両者の円錐角はそれぞれ異なっている。
【００３２】
本実施形態においては、第１円錐角と第２円錐角とが異なった状態で図２に示されているが、同じ角度であってもよい。また、磁極である先端部は、円形の環状が一般的であるが、これ以外にも、四角形や六角形などの多角形をなす環状としてもよい。この場合、磁極の全体形状を四角錐台、六角錐台などの多角錐台の形状とし、テーパー面が平坦な面となるように構成する。
【００３３】
さらに、第１円錐角のテーパー面を平坦面とし、第２円錐角のテーパー面を平坦面としてもよい。なお、先端部は物理的に鋭利な形状とすることはできないため。先端部にアールをつけたり、特性上の調整を図る目的から平面や凹みを持たせてもよい。
【００３４】
本実施形態に係るソレノイドの推力特性は、第１の実施形態と同様に、第１円錐角による推力特性と第２円錐角による推力特性とを略合成したような特性になり、その推力は、間隙（ストローク）が狭くなるにしたがって急激に増加する平坦型の特性と、間隙（ストローク）が広くなっても、推力の減衰の度合いが小さい円錐型の特性とを併せ持った特性になる。
【００３５】
また、このときのプランジャ（可動部）３の先端長は、一般的な円錐型の先端長よりも短く、従来以上の推力特性を実現しながら、ソレノイドの全長を短縮できる。なお、本実施形態におけるソレノイドの推力特性は、第１の実施形態と同様に、２つ円錐角を変更することにより適宜、調整することができる。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば、プランジャ（可動部）３の先端部に２つの円錐角によって形成されるテーパーにより凹部を設け、かつ、２つの円錐角を適宜、調整することにより、要求される推力特性を実現しつつ、ソレノイドの全長を従来よりも短縮することができる。
＜第３の実施形態＞
【００３７】
本実施形態に係るソレノイドは、プランジャ（可動部）３の先端部に複数の円錐角によって形成されるテーパーにより凸部および凹部を設けたものであり、これを以下、３重型と呼ぶ。
【００３８】
具体的なプランジャ（可動部）３の先端部の断面形状は、図３に示すようになっており、図示しないベース（固定部）９の先端形状は、対向するプランジャ（可動部）３の先端形状となす間隙を一様に略等しくするような形状となっている。
【００３９】
より具体的には、３重型の磁極となる先端部は、この磁極の中心軸を囲むように環状に形成されており、先端部の外径へはある角度を持ったテーパー面を形成している（第１円錐角）。先端部の内径にもある角度をもってテーパー面を形成し（第２円錐角）、さらに、もう一つのテーパー面を形成している（第３円錐角）。
【００４０】
本実施形態においては、凸部および凹部をなす第１円錐角から第３円錐角とが異なった状態で図３に示されているが、同じ角度であってもよい。また、磁極である先端部は、円形の環状が一般的であるが、これ以外にも、四角形や六角形などの多角形をなす環状としてもよい。この場合、磁極の全体形状を四角錐台、六角錐台などの多角錐台の形状とし、テーパー面が平坦な面となるように構成する。
【００４１】
さらに、第１円錐角のテーパー面を平坦面とし、第２円錐角のテーパー面を平坦面とし、第３円錐角のテーパー面も平坦面としてもよい。なお、先端部は物理的に鋭利な形状とすることはできないため。先端部にアールをつけたり、特性上の調整を図る目的から平面や凹みを持たせてもよい。
【００４２】
本実施形態に係るソレノイドの推力特性は、第１の実施形態と同様に、複数の円錐角による推力特性を略合成したような特性になり、その推力は、間隙（ストローク）が狭くなるにしたがって急激に増加する平坦型の特性と、間隙（ストローク）が広くなっても、推力の減衰の度合いが小さい円錐型の特性とを併せ持った特性になる。
【００４３】
特に、前述のように、先端角を小さくすることにより、道程を大きく設定することは可能であるが、この場合、磁気空隙が大きな領域では推力が上昇するが、空隙が狭い領域では推力が大きく劣る傾向がある。しかしながら、本実施形態のように、先端角の小さなものと大きなものとを組み合わせることにより、空隙が大きな領域と小さな領域とを単独で制御することができるため、従来以上の推力特性を実現しながら、ソレノイドの全長を短縮できる。
【００４４】
図７から図１０は、作動周期をそれぞれ１０％、２５％、５０％、１００％とした場合の平坦型（図中、Ｆ型）、円錐型（図中、Ｃ型）、第１の実施形態に係る２重型、第３の実施形態に係る３重型の推力特性を示した図である。ここで、作動周期１０％、２５％、５０％、１００％とは、ソレノイドの主磁気回路に供給する電力のデューティ比を示している。なお、作動周期１００％とは、コイルに通電を継続しても、コイルが焼損しない電力を示し、各デューティ比は、電力の供給をＯＮする時間、ＯＦＦする時間をそれぞれＯＮ時間、ＯＦＦ時間としたときに、ＯＮ時間／（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間）で求まる値である。
【００４５】
図７に示すように、作動周期１０％の場合には、２重型、３重型ともに、従来の平坦型（図中、Ｆ型）と円錐型（図中、Ｃ型）の長所を併せもち、特に、３重型の方が、ストロークの長い領域でさらに良好な推力特性を有していることがわかる。
【００４６】
図８に示すように、作動周期２５％の場合にも、２重型、３重型ともに、従来の平坦型（図中、Ｆ型）と円錐型（図中、Ｃ型）の長所を併せもち、特に、３重型の方が、ストロークの長い領域でさらに良好な推力特性を有していることがわかる。
【００４７】
図９に示すように、作動周期５０％の場合にも、２重型、３重型ともに、従来の平坦型（図中、Ｆ型）と円錐型（図中、Ｃ型）の長所を併せもち、特に、３重型の方が、ストロークの長い領域でさらに良好な推力特性を有していることがわかる。
【００４８】
図１０に示すように、作動周期１００％の場合にも、２重型、３重型ともに、平坦型（図中、Ｆ型）と円錐型（図中、Ｃ型）の長所を併せもち、特に、３重型の方が、ストロークの長い領域でさらに良好な推力特性を有していることがわかる。
【００４９】
このように、本発明によれば、円錐角を適宜、調整することにより、いずれの作動周期においても、従来の平坦型と円錐型の長所を併せもつ推力特性を有するソレノイドを提供することができる。また、上記、実施形態に示したように、ソレノイドの構造を２重型、あるいは３重型とすることにより、試作品の例では、Ｌ３０．５ｍｍ以下のソレノイドで７６％、Ｌ２２ｍｍ以下のソレノイドで６２％、Ｌ１３ｍｍ以下のソレノイドで５０％、全長を短縮することができた。したがって、本発明においては、ソレノイドの全長を短縮しつつ、所望な推力特性を有するソレノイドを実現することができる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、本実施形態においては、２重型、３重型を例にとって説明を行ったが、これに限らず、３重型以上のいわゆる多重型においても適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るプランジャ先端部の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るプランジャ先端部の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るプランジャ先端部の断面図である。
【図４】第１円錐角と第２円錐角との関係を示す図である。
【図５】従来の円錐型の先端長と本発明のソレノイドの先端長とを比較する図である。
【図６】第１円錐角による推力特性と第２円錐角による推力特性および本発明のソレノイドの推力特性との関係を示す図である。
【図７】作動周期１０％時の各ソレノイドの推力特性を示す図である。
【図８】作動周期２５％時の各ソレノイドの推力特性を示す図である。
【図９】作動周期５０％時の各ソレノイドの推力特性を示す図である。
【図１０】作動周期１００％時の各ソレノイドの推力特性を示す図である。
【図１１】作動距離と先端長およびソレノイドの最低必要長を示した図である。
【図１２】先端角の大きさと推力との関係を示した図である。
【図１３】従来の平坦型ソレノイドの断面図である。
【図１４】従来の円錐型ソレノイドの断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・コイル、２・・・シャフト、３・・・プランジャ（可動部）、５・・・ケース、６・・・軸受け、７・・・エアギャップスペーサ、８・・・ボビン、９・・・ベース（固定部）
【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】
2007288000.tif 000011
【図１０】
2007288000.tif 000012
【図１１】
2007288000.tif 000013
【図１２】
2007288000.tif 000014
【図１３】
2007288000.tif 000015
【図１４】
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