(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース２とベース６を有しコイル１に通電することにより可動子３が可動するソレノイドにおいて、前記コイル１と前記可動子３の間に円筒状固定鉄芯５を備え、前記円筒状固定鉄芯は永久磁石よりなる円筒状固定鉄芯５ａと、磁性材よりなる円筒状固定鉄芯５ｂとを備え、永久磁石よりなる円筒状固定鉄芯５ａと磁性材よりなる円筒状固定鉄芯５ｂとの間に隙間を有するように構成してあることを特徴としたロングストロークソレノイド。
【請求項２】
前記可動子3のほぼ中央に磁性材よりなる中央磁極4が貫通することにより、可動子動作初期の推力を強くしたことを特徴とした請求項1記載のロングストロークソレノイド。
【請求項３】
前記円筒状固定鉄芯５ａ及び磁性材よりなる円筒状固定鉄芯5bの間隔の位置を変更することにより所望の推力特性を得ることを可能とした請求項１又は請求項2記載のロングストロークソレノイド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は可動子の動作ストロークが増大しても、推力が低下せずに高い吸引力を保持できるソレノイドを提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のソレノイドを図9に示す。構成としては、磁力を発生するコイル１、磁気回路を形成するケース2、可動子3、ベース6からなっている。前記可動子3は先端に行くほど径が細くなっている。（以下、コニカル型と言う）前記ベース6はコニカル型の可動子3を受け入れられる様にすり鉢状の凹みが設けられていて、固定鉄芯としての働きも兼ねる構造になっている。
【０００３】
次に、従来例のソレノイドの動作について図9に基いて説明する。
コイル１に通電していない状態では、可動子3はベース6より離脱している。コイル1に通電することにより、コイル1は電磁力を発生し、ケース2、可動子3、ベース6に磁気回路が形成され、可動子3はベース6に吸引される。通電時には前記可動子3の先端部分とベース6に推力が働くが、前記ベース6のすり鉢状の凹みが設けられていて、且つ前記可動子3はコニカル型になっているので、推力の働く部分の表面積が大きくなっている。その為、推力が強く作用するのでロングストロークでの使用に適している。
【０００４】
従来のソレノイドの推力とストロークの関係を図10及び図11に基いて説明する。図10（A）はストロークと推力特性の関係を表わす部分拡大図である。（本特許願で述べるストロークとは、可動子3の先端部とベース6との間の距離を定義している。）図10（B）は従来のソレノイドの推力特性図であり、縦軸に推力、横軸にストロークを示す。S軸上のS1〜S4はそれぞれ図10（A）におけるストロークの変化S1〜S4に対応している。図11は従来のソレノイドの磁束の流れを示したものである。図11（A）〜図11（D）はそれぞれ図10（A）におけるストロークの変化Ｓ1〜Ｓ4に対応している。
【０００５】
初期状態において、可動子3はS1の位置にあり、動作が進むに従って可動子3はS2〜S4へと移動する。上述した従来の技術では、コイル1に通電したときに発生する起磁力によって生成される磁束は、可動子3からベース6に流れ、ケース2を介して、再び可動子3に戻る。ストロークが図10（A）のS1のとき、推力は非常に低くなっている。これは、可動子3とベース6との間に磁気的なギャップが大きいために、磁気抵抗も大きく図11（A）に示すように、磁束は可動子3からベース6に殆ど流れずに、可動子3とベース6との間のギャップ以外に漏れてしまっているためである。
【０００６】
図10（A）でS2〜S3と可動子3がベース６に近づいてストロークが減少するに従って、推力は上昇する。これは、図11（B）〜図11（C）に示すように可動子3とベース6との間の磁気的なギャップが小さくなり、コイル1から発生する磁束は可動子3からベース6に流れて、可動子3とベース6との間のギャップ以外に漏れ磁束が少なくなるためである。
図10（A）でストロークがS4のとき、推力は最大値を示す。これは、図11（D）に示すように、可動子3とベース6の間に磁気的なギャップが零に近いために、磁束が殆ど損なわれずに可動子3からベース6に流れるためである。
【０００７】
このように従来の技術では、可動子3が移動するに従って推力が変化して、一定の推力を保持しつづけることは出来なかった。また、動作初期時の推力が非常に弱いという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、可動子が移動しても、推力を広い範囲で保持するソレノイドを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決する手段】
請求項1の発明は、図1（A）に示すようにコイル1と可動子3の間に、可動子3側がN極、コイル1側がS極の永久磁石よりなる円筒状固定鉄芯5a、及び磁性材よりなる円筒状固定鉄芯5bを間隔を設けて配置し、可動子3の動作ストロークが広範囲に及んでも、可動子3の推力を保持し続けることを可能にした。
請求項２の発明は、図5（A）に示すように、可動子3のほぼ中央に磁性材からなる中央磁極4を貫通させることにより、可動子が動作する初期に推力にピークが現れるように、可動子の推力を初期に特に強くすることを可能にした。
請求項３の発明は、図1（A）及び図5（A）に示すように円筒状固定鉄芯5a、及び磁性材よりなる円筒状固定鉄芯5bの間隔を設けた位置を変更することにより、可動子の移動初期時に現れる推力のピークの位置も変更でき所望の推力特性を得ることを可能とした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の請求項1の発明（以下、第一実施例と呼ぶ）について実施の形態を図面に基づいて説明する。図1（A）は本発明の第一実施例の縦断面図であり、図1（B）は本発明の第一実施例の横断面図である。
【００１１】
本発明の第一実施例のロングストロークソレノイドは、通電により電磁力を発生するコイル1、磁気回路を形成するケース2、可動子3、均一な磁束を発生させる円筒状固定鉄芯5a、磁束を誘導する円筒状固定鉄芯5b、ベース6より構成されている。円筒状固定鉄芯5aは永久磁石、可動子3、ベース６、円筒状固定鉄芯5bは磁性材料からなっている。
【００１２】
ケース2の底部はベース6となっていて、可動子3を囲むごとく永久磁石からなる円筒状固定鉄芯5aをベース6に直立するように配置し、前記円筒状固定鉄芯5aに間隔を設けて対向するように磁性材からなる円筒状固定鉄芯5bを前記可動子3を囲むように配置した。前記円筒状固定鉄芯5a、前記円筒状固定鉄芯5bの外側にコイル1を巻回した。すなわち、図1（B）に示すように、可動子3、固定鉄芯5a、コイル1は同心円上に配置されている。尚、永久磁石からなる円筒状固定鉄芯5aは、前記可動子3側がN極、前記コイル1側がS極として、コイル1に通電したときにコイル1から発生する磁束を強めるように着磁されている。また、前記可動子3と前記円筒状固定鉄芯5a、及び前記円筒状固定鉄芯5bは、前記可動子3の移動時に前記可動子3と前記円筒状固定鉄芯5aによって形成されるエアギャップ、及び可動子3と前記円筒状固定鉄芯5bによって形成されるエアギャップ内の磁束密度を一定に調整するために、適度のクリアランスを設けて配置されている。
【００１３】
次に本発明の第一実施例のロングストロークソレノイドの動作を図2と図3に基いて説明する。図2（A）は、本発明の第一実施例の部分拡大図である。図2（B）は本発明の第一実施例のストロークと推力特性の関係を表わす推力特性図であり縦軸に推力、横軸にストロークを示す。図2（B）のS軸上のS1〜S4はそれぞれ図2（A）におけるストロークの変化S1〜S4に対応している。図3は、本発明の第一実施例のロングストロークソレノイドの磁束の流れを表わしたものである。図3（A）〜図3（D）はそれぞれ図2（A）、図2（B）のS1〜S4に対応している。
【００１４】
初期状態において、可動子3はS1の位置にあり、動作が進むに従って可動子3はS2〜S4へと移動する。初期状態において永久磁石からなる円筒状固定鉄芯5aに発生した磁束は、ベース6、ケース2、円筒状固定鉄芯5b、可動子3を通り、可動子3と円筒状固定鉄芯5aの間のエアギャップを介して円筒状固定鉄芯5aに戻る。永久磁石からなる円筒状固定鉄芯5aからは一定の磁束が発生しているので、前記エアギャップ内の磁束密度はほぼ均一となっていている。また、円筒状固定鉄芯5bがケース2から可動子3に磁束を誘導する為に、磁束は殆ど損なわれずに可動子3に流れる。
【００１５】
更に、コイル1に通電することにより、コイル1は電磁力を発生する。この電磁力によってケース2、円筒状固定鉄芯5b、可動子3、円筒状固定鉄芯5a、ベース6は磁気回路を形成し、可動子3の外周部3bと円筒状固定鉄芯5aの先端部の間に吸引力が働き、可動子3はS1の位置まで一気に吸引される。図3（A）は可動子3の外周部3bと円筒状固定鉄芯5aの先端部が最も接近したときの磁束の流れを示している。このときから、可動子3と円筒状固定鉄芯5aの間のエアギャップの均一な磁束密度が作用し始める。
【００１６】
次に可動子3はS2からS3の位置まで移動する。この間、推力はほぼ一定である。図2（B）に示すようにS2からS3の位置で安定して一定の推力を生じているのは、図3（B），図3（C）に示すように、可動子3と円筒状固定鉄芯5aの間のエアギャップに働く磁束密度が一定に作用しているためである。
【００１７】
次に可動子3は円筒状固定鉄芯5aとベース6に働く吸引力によって、ベース6に当接するまで移動する。S4の位置では可動子3とベース6の間のエアギャップは極めて小さくなっている。そのため、可動子3の先端部に集中する磁束は、図3（D）に示すように殆ど損なわれずにベース6を介してケース2に流れる。これにより、図2（B）のS4でピークが生じる。
【００１８】
図4に本発明の第一実施例及び従来例のストロークと推力特性の関係を表わす。縦軸に推力、横軸にストロークを示す。黒丸のプロットで表わされているのが本発明の第一実施例の推力特性であり、三角形のプロットで表わされているのが従来例の推力特性である。図4から明らかなように、可動子3の動作ストロークが長い時でも、本発明のロングストロークソレノイドは安定して一定の推力を維持し続けている。
【００１９】
次に、図5に本発明の請求項２の発明（以下第二実施例と呼ぶ）を示す。図5（A）は本発明の第二実施例の縦断面図であり、図5（B）は本発明の第二実施例の横断面図である。
本発明のロングストロークソレノイドは、通電により電磁力を発生するコイル1、磁気回路を形成するケース2及びベース6、可動子3、中央磁極4、均一な磁束を発生させる円筒状固定鉄芯5a、磁束を誘導する円筒状固定鉄芯5b、より構成されている。円筒状固定鉄芯5aは永久磁石、ベース6、可動子3、中央磁極4、円筒状固定鉄芯5bは磁性材料からなっている。
【００２０】
前記ケース2の底部はベース6となっていて、前記ベース6のほぼ中央に直立するように中央磁極4を設け、前記中央磁極4を中空円筒状の可動子3の穴に貫通させる。更に、前記可動子3を囲むごとく、永久磁石からなる円筒状固定鉄芯5aをベース6に直立するように配置し、前記円筒状固定鉄芯5aに間隔を設けて対向するように磁性材からなる円筒状固定鉄芯5bを前記可動子3を囲むように配置した。前記円筒状固定鉄芯5a、前記円筒状固定鉄芯5bの外側にコイル1を巻回した。すなわち、図5（B）に示すように中央磁極4、可動子3、固定鉄芯5a、コイル1は同心円上に配置されている。尚、永久磁石からなる円筒状固定鉄芯5aは、前記可動子3側がN極、前記コイル1側がS極としてコイル1に通電したときにコイル1から発生する磁束を強めるように着磁されている。また、前記可動子3と前記円筒状固定鉄芯5a、及び前記円筒状固定鉄芯5bは、前記可動子3の移動時に前記可動子3と前記円筒状固定鉄芯5aによって形成されるエアギャップ、及び可動子3と前記円筒状固定鉄芯5bによって形成されるエアギャップ内の磁束密度を一定に調整するために、適度のクリアランスを設けて配置されている。
【００２１】
次に本発明の第二実施例の動作を図6と図7に基いて説明する。図6（A）は、本発明の第二実施例の部分拡大図である。図6（B）は本発明の第二実施例のストロークと推力特性の関係を表わす推力特性図であり縦軸に推力、横軸にストロークを示す。図6（B）のS軸上のS1〜S4はそれぞれ図6（A）におけるストロークの変化S1〜S4に対応している。図7は、本発明の第二実施例のロングストロークソレノイドの磁束の流れを表わしたものである。図7（A）〜図3（D）はそれぞれ図6（A）、図6（B）のS1〜S4に対応している。
【００２２】
初期状態において、可動子3はS1の位置にあり、動作が進むに従って可動子3はS2〜S4へと移動する。初期状態において永久磁石からなる円筒状固定鉄芯5aに発生した磁束は、ベース6、ケース2、円筒状固定鉄芯5b、可動子3を通り、可動子3と円筒状固定鉄芯5aの間のエアギャップを介して円筒状固定鉄芯5aに戻る。永久磁石からなる円筒状固定鉄芯5aからは一定の磁束が発生しているので、前記エアギャップ内の磁束密度はほぼ均一となっていている。また、円筒状固定鉄芯5bがケース2から可動子3に磁束を誘導する為に、磁束は殆ど損なわれずに可動子3に流れる。
【００２３】
更に、コイル1に通電することにより、コイル1は電磁力を発生する。この電磁力によってケース2、円筒状固定鉄芯5b、可動子3、円筒状固定鉄芯5a、中央磁極4、ベース6は磁気回路を形成し、可動子3の内周部3aと中央磁極4の外周部4aの間に吸引力が働き、可動子3はS2の位置まで一気に吸引される。
【００２４】
図7（A）は可動子3の内周部3aと中央磁極4の外周部4aが最も接近したときの磁束の流れを示している。ロングストロークソレノイドの推力は、前記エアギャップ内の磁束密度と前記中央磁極4の先端に集中する磁束密度との合成の磁束密度が大きいほど強くなる。図6（A）、図6（B）のS1の位置で推力にピークが生じているが、これは図7（A）に示すように可動子3の内周部3aと中央磁極4の外周部4aの間に吸引力が強く働き、中央磁極4に大量に磁束が作用しているためである。
【００２５】
尚、請求項3の発明により、この推力特性図におけるピークの生じる位置は、円筒状固定鉄芯5aと円筒状固定鉄芯5bの間隔の位置を変更することにより、ピークの位置を自在に変更することができ、ひいては所望の推力特性を得ることができる。
【００２６】
次に可動子3はS2からS3の位置まで移動する。この間、推力はほぼ一定である。図6（B）に示すようにS2からS3の位置で安定して一定の推力を生じているのは、図7（B），図7（C）に示すように、可動子3と円筒状固定鉄芯5aの間のエアギャップに働く磁束密度及び中央磁極4に流れる磁束が一定に作用しているためである。
【００２７】
次に可動子3は固定鉄芯5aと中央磁極4に働く吸引力によって、ベース６に当接するまで移動する。可動子3の先端部に集中する磁束は、図7（D）に示すようにベース6を介して、ケース2に流れる。これにより、図6（B）のS4で再び、ピークが生じる。
【００２８】
図8に本発明の第一実施例と第二実施例のストロークと推力特性の関係を表わす。縦軸に推力、横軸にストロークを示す。白丸のプロットで表わされているのが本発明の第一実施例の推力特性であり、ひし形のプロットで表わされているのが本発明の第二実施例の推力特性である。図8から明らかなように、本発明の第二実施例は、可動子3が中央磁極4に近づいたときに、推力に極めて大きいピークが生じ、更にストロークが増大しても、本発明の第二実施例のロングストロークソレノイドは安定して一定の推力を維持し続けている。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明はロングストローク時にも、高い推力特性を保持できる。また、構造がとてもシンプルなので、製造が容易で安価なソレノイドバルブを提供することができ、産業上の利用可能性大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例の縦断面図及び横断面図
【図２】本発明の第一実施例の部分拡大図及び推力特性図
【図３】本発明の第一実施例の磁束の流れ
【図４】本発明の第一実施例と従来例の推力特性図
【図５】本発明の第二実施例の縦断面図及び横断面図
【図６】本発明の第二実施例の部分拡大図及び推力特性図
【図７】本発明の第二実施例の磁束の流れ
【図８】本発明の第一実施例と第二実施例の推力特性図
【図９】従来のソレノイドの縦断面図
【図１０】従来のソレノイドの部分拡大図及び推力特性図
【図１１】従来のソレノイドの磁束の流れ
【符号の簡単な説明】
１．  コイル
２．  ケース
３．  可動子
３a． 可動子3の内周部
３b． 可動子3の外周部
４．  中央磁極
４a． 中央磁極4の外周部
５a． 円筒状固定鉄芯
５b． 円筒状固定鉄芯
６．  ベース
【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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