JP7111443B2 - プッシュプルソレノイド - Google Patents

Description

本発明は、プッシュプルソレノイドに関し、更に詳しくは、プランジャに吸引方向とは逆向きの力を加えて元の位置に戻す復帰バネなどの復帰機構が備わっていないプッシュプルソレノイドに関する。

プッシュプルソレノイドは、例えば、特許文献１、２に記載されている。プッシュプルソレノイドでは、コイルに通電すると、ケースの一方の端面から離れた初期位置（戻り位置）にあるプランジャが、ケース内に配置された固定鉄心の側に磁力によって吸引され、引込位置に引き込まれる。プランジャに同軸に連結されているシャフトは、反対側のケース端面から押し出される。例えば、シャフトによって操作対象物の押し出し操作等が行われる。引込位置にスライドしたプランジャは、通電オフによって吸引が解除されると、復帰バネ等の復帰機構が備わっていないので、その位置において自由にスライド可能なフリー状態に戻る。

操作対象物がばね剛性のある部品等の場合には、操作対象物の側からフリー状態のシャフトに対して、シャフトを押し戻す方向に加速荷重が加わり、シャフトおよびプランジャが、初期位置（戻り位置）の側に押し戻される。この際に、プランジャは、慣性力によって、元の初期位置（戻り位置）を超えた位置まで過剰に押し戻される場合（過剰復帰）がある。また、重力が軸方向に加わる姿勢にプランジャが保持されている場合には、操作対象物から加わる荷重による慣性力に、シャフトとプランジャの重みが加わるので、シャフトおよびプランジャがケースから抜け落ちてしまうおそれもある。

プランジャが初期位置（戻り位置）を超えて押し戻されて、固定鉄心の側から設定距離以上に離されると、再度、コイルに通電してプランジャを吸引する際に、吸引力が低下する、吸引力が発生しない、吸引によるプランジャのストロークが大きくなり、操作対象物に対して衝撃的に接触する、などの弊害が生じる。この結果、安定した繰り返し操作を行うことが困難になる。

一方、プランジャの復帰機構として復帰バネを備えたプッシュプルソレノイドが知られている。例えば、ケース端面と、ここから突出しているプランジャの先端との間に、復帰バネとして圧縮コイルバネが配置される。この場合、復帰バネの両端を、それぞれプランジャ側およびケース側に連結しておかないと、プランジャを戻り位置および吸引位置に精度良く位置決めできず、吸引力の低下、対象物との衝撃的な接触等の弊害が生じる。また、復帰バネを装着すると、その分、ソレノイドの軸長が大きくなり、復帰バネの密着長さ分だけプランジャのストロークが短くなってしまう。

実開平２－９８６０７号公報 特開昭６３－２７３３０６号公報

本発明の目的は、このような点に鑑みて、プランジャの吸引時における操作対象物に対する衝撃的接触、それに起因する振動、騒音を抑制でき、吸引解除後のプランジャの過剰復帰、脱落を防止できる簡単な機構を備えたプッシュプルソレノイドを提供することにある。

本発明のプッシュプルソレノイドは、
ケースと、
ケースに固定した磁性材料からなるベースと、
ケースにおける軸方向の一方のケース端面から、軸方向にスライド可能な状態で突出している磁性材料からなるプランジャと、
ケース端面から離れた戻り位置からケース端面に接近する引込方向に向けて、プランジャを軸方向にスライドさせるための磁気吸引力を発生するコイルと、
ケースに取り付けたガイド部材と、
を備えており、
ガイド部材は、プランジャを、所定の摩擦力を伴って、軸方向にガイドする摩擦ガイド面を備えていることを特徴としている。

本発明のプッシュプルソレノイドにおいて、プランジャが軸方向にスライドする際には、ガイド部材の摩擦ガイド面に沿ってスライドする。摩擦ガイド面に沿ってスライドするプランジャには、スライド方向とは逆向きに所定の摩擦力が作用する。通電オフにより吸引が解除されたプランジャは、軸方向にスライド自在なフリー状態にはならず、摩擦力によって軸方向のスライドが拘束される。摩擦力を適切な大きさに設定しておくことで、外部から加わる力に起因するプランジャの過剰復帰、ケースからの脱落を防止でき、プランジャ吸引時における操作対象物に対する衝撃的な接触、それに起因する振動、騒音を防止あるいは低減できる。

ガイド部材として、ケース端面から突出しているプランジャを同軸に取り囲む筒状部材を用いることができる。この場合、筒状部材の内周面を摩擦ガイド面として利用すればよい。プランジャには、筒状部材の内周面に沿って軸方向にスライドする外周面を形成しておけばよい。筒状部材をケースの端に固定するという簡単な構成により、プランジャ復帰機構が備わっていないプッシュプルソレノイドにおけるプランジャの安定した動作を確保できる。

（ａ）および（ｂ）は本発明を適用したプッシュプルソレノイドの主要構成を示す説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、プランジャのスライド位置とプランジャに作用する力との関係を示すグラフである。 （ａ１）～（ａ４）は、軸方向の断面形状が異なる４種類の円筒形状をしたガイド部材を示す説明図であり、（ｂ）は、各形状のガイド部材を用いた場合のプランジャのスライド位置と摩擦力との関係を示すグラフである。 （ａ）～（ｅ）は円筒形状のガイド部材の各例を示す説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したプッシュプルソレノイドの実施の形態を説明する。図１（ａ）、（ｂ）は実施の形態に係るプッシュプルソレノイドの主要構成を示す説明図であり、右半分を断面として示してある。プッシュプルソレノイド１（以下、単に、「ソレノイド１」と呼ぶ場合もある。）は、磁性材料からなるケース２と、磁性材料からなる固定鉄心であるベース３と、磁性材料からなる可動鉄心であるプランジャ４と、コイル５とを備えている。プランジャ４には、非磁性材料からなるシャフト６が同軸に連結固定されている。

ケース２の内部において、ベース３に対して軸方向１ａからプランジャ４が対峙している。コイル５はケース２の内周面に固定されており、ベース３とプランジャ４の対峙部分を同軸に取り囲んでいる。コイル５に通電すると、軸方向１ａから対峙しているベース３とプランジャ４の間に磁気吸引力が発生する。磁気吸引力によって、プランジャ４は、ケース２の一方のケース端面２１から突出した図１（ａ）に示す初期位置（戻り位置）４Ａから、ケース端面２１の側に引き込まれた図１（ｂ）に示す引込位置４Ｂに向けて吸引される。

プランジャ４と一体となってスライドするシャフト６は、その一方のシャフト端部６１が、プランジャ４の先端面から軸方向１ａに突出している。シャフト６は、ベース３の中心軸穴３１をスライド自在の状態で貫通して延びている。シャフト６の他方のシャフト端部６２は、ベース３の中心軸穴３１を通って、ケース２の他方のケース端面２２から外方に突出している。

プランジャ４が初期位置（戻り位置）４Ａにある状態では、シャフト６は、そのシャフト端部６２がケース端面２２の側に引き込まれた後退位置６Ａにある。プランジャ４が引込位置４Ｂに吸引されると、シャフト６も同一方向にスライドして、シャフト端部６２がケース端面２２から押し出された押出位置６Ｂにスライドする。例えば、シャフト６の押し出し動作によって、シャフト端部６２の先端であるシャフト操作端６３に接触している操作対象物Ｗが、所定距離だけ、軸方向１ａに押し出される。本例の操作対象物Ｗは、軸方向１ａに所定のばね剛性を備えている。

ケース２におけるケース端面２１から突出しているプランジャ４は、ケース端面２１の円形開口部２３をスライド自在の状態で貫通して延びている小径の円筒部４１と、ケース外に突出している円筒部４１の先端に形成した大径の円盤状のプランジャ頭部４２とを備えている。プランジャ頭部４２の外周面は一定幅の円形外周面４３となっている。

ケース２におけるケース端面２１の側には、プランジャ４のスライドをガイドするガイド部材７が取り付けられている。本例のガイド部材７は非磁性材料からなる円筒部材である。ガイド部材７は、ケース端面２１から突出しているプランジャ４の部分を、同軸に取り囲んでいる。ガイド部材７の円形内周面は、その一方の端が、ケース２の外周面に同軸に接着固定されているケース側固定部７１となっている。円形内周面における残りの内周面部分は、プランジャ４の円形外周面４３を所定の摩擦力を伴って軸方向１ａにガイドする摩擦ガイド面７２となっている。ガイド部材７は、実用に適した小さな摩擦力を発生できるように、ゲル素材、エラストマー素材、またはプラスチック素材から形成することが望ましい。

次に、図１および図２を参照して、ソレノイド１により操作対象物Ｗを押し出す場合の動作例を説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、ソレノイド１のオン時およびオフ時において、プランジャ４のスライド位置（ストローク）と、プランジャ４にかかる力との関係を示すグラフである。

ソレノイド１は、図１（ａ）に示すように、プランジャ４がケース端面２１から突出した初期位置（戻り位置）４Ａにあるものとする。シャフト６のシャフト操作端６３が、ばね剛性を備えた操作対象物Ｗに対して、軸方向１ａから接触しているものとする。

ソレノイド１をオンしてコイル５に通電すると、プランジャ４がベース３の側に磁力によって吸引され、プランジャ４が初期位置（戻り位置）４Ａから引込位置４Ｂに吸引される。これにより、操作対象物Ｗに接触しているシャフト６は、後退位置６Ａから押出位置６Ｂに押し出され、操作対象物Ｗを押し出す。プランジャ頭部４２の円形外周面４３は、ケース２に取り付けたガイド部材７の円形内周面に形成した摩擦ガイド面７２に沿って、一定の摩擦抵抗力を伴って、軸方向１ａにスライドする。

図２（ａ）において、曲線Ａは、ベース３とプランジャ４の間に生じる磁力の大きさを示す。磁力は、プランジャ４がベース３に接近するにつれて大きくなる。これに対して、直線Ｂ１はプランジャ４とガイド部材７との間に生じる摩擦力を示す。摩擦力は、本例では、プランジャ４のスライド位置にかかわりなく一定の大きさであり、プランジャの吸引方向とは逆の戻り方向に作用する。ここで、シャフト６が操作対象物Ｗを押し出す際に、ばね剛性を備えた操作対象物Ｗからシャフト６に加わる外力は、直線Ｃで示すように、押し出し量に応じて増加するものとする。この場合において、プランジャ４の吸引方向の操作力は、曲線Ｄで表される。

プランジャ４を引込位置４Ｂに吸引し、シャフト６によって操作対象物Ｗを押し出し位置まで押し出した後は、ソレノイド１をオフし、コイル５の通電を止める。この結果、プランジャ４が開放され、シャフト６に作用する操作対象物Ｗの側からの外力によって、プランジャ４が引込位置４Ｂから初期位置(戻り位置)４Ａに向けて押し戻される。図２（ｂ）に示すように、この場合においても、プランジャ４とガイド部材７の間に生じる摩擦力は、直線Ｂ２に示すように、一定の値であり、プランジャの吸引方向に作用する。外力は、直線Ｃで示すように、プランジャ４が戻り位置に近づくにつれて減少する。初期位置（戻り位置）において、逆向きに作用する外力の値と摩擦力の値とが同一となるように、摩擦力を設定しておけば、初期位置（戻り位置）にプランジャ４を止めることができる。これにより、外力によって、プランジャ４が初期位置（戻り位置）を超えた位置まで押し戻される過剰復帰を防止できる。また、プランジャ４がケース２から抜け出る脱落も防止できる。さらに、初期位置（戻り位置）に精度良くプランジャ４を復帰させることができるので、次の通電時において、適切な吸引力でプランジャ４を引込位置に向けて吸引できる。

本例のガイド部材７は、一定厚さの円筒部材であり、その円形内周面の内径寸法は、軸方向１ａの各位置で一定としてある。これにより、プランジャ４の各スライド位置において生じる摩擦力が一定となっている。円筒形状をしたガイド部材７は、必要とされる摩擦力が得られるように、その内径、厚さ、締め代を設計すればよい。特に、円筒形状のガイド部材７における軸方向の断面形状によって、摩擦力が大きく変わる。

図３（ａ１）から（ａ４）には、軸方向の断面形状が異なる４種類の円筒形状をしたガイド部材の例を示してある。図３（ｂ）には、各形状のガイド部材を用いた場合のプランジャ４のスライド位置と摩擦力との関係を示すグラフである。図３（ｂ）の直線Ｃは、図２の場合と同じく、外からの反力を示す。

図３（ａ１）に示す円筒形状のガイド部材１７は、図１に示すガイド部材７と同一であり、軸方向において厚さが同一の断面形状をしており、摩擦ガイド面１７ａの内径も同一である。この場合は、図３（ｂ）の線ａ１で示すように、プランジャ４に作用する摩擦力はほぼ一定である。図３（ａ２）に示す円筒形状のガイド部材２７は、軸方向に沿って、初期位置（戻り位置）のプランジャ４が接触する位置７Ａから引込位置のプランジャ４が接触する位置７Ｂに向けて、外径が同一で、内径が漸減する台形状の断面形状をしている。摩擦ガイド面２７ａによる摩擦力は、図３（ｂ）の線ａ２で示すように、軸方向に沿って位置７Ａから位置７Ｂに向けて、直線状に増加する。図３（ａ３）に示す円筒形状のガイド部材３７は、軸方向に沿って位置７Ａから位置７Ｂに向けて外径および内径が共に漸増する断面形状をしている。摩擦ガイド面３７ａによる摩擦力は、図３（ｂ）の線ａ３で示すように、軸方向に沿って位置７Ａから位置７Ｂに向けて、大きな傾きで直線状に増加する。図３（ａ４）に示す円筒形状のガイド部材４７は、軸方向に沿って位置７Ａから位置７Ｂに向けて、外径が一定で、内径が曲線状に漸減する断面形状をしている。この場合の湾曲面状の摩擦ガイド面４７ａの摩擦力は、図３（ｂ）の線ａ４に示すように、軸方向に沿って位置７Ａから位置７Ｂに向けて、曲線状に摩擦力が増加する。このように、円筒部材の断面形状を変えることで、必要とされる摩擦力を得ることができる。

図４は円筒形状のガイド部材の更に別の例を示す説明図である。図４（ａ）に示すガイド部材１７０は、円形内周面からなる摩擦ガイド面１７５を備えた円筒部分１７１と、円筒部分１７１の一方の開口端から半径方向の内側に直角に折り曲げて形成した円環状フランジ１７２とを備えている。円環状フランジ１７２の円環状端面１７３が、ケース２のケース端面に接着固定されるケース側固定部である。

図４（ｂ）に示すガイド部材２７０は、円筒体２７１と、その円形内周面における軸方向の一方の開口端２７２に近い位置に、半径方向の内方に突出した円環状フランジ２７３が一体形成されている。円筒体２７１における他方の開口端２７４から円環状フランジ２７３までの間の円形内周面が、摩擦ガイド面２７５である。円環状フランジ２７３は、軸方向においてプランジャ４とケース２の間に位置し、プランジャ４が初期位置(戻り位置)に復帰する際の残留磁気の影響を低減するためのエアギャップスペーサとして機能する。ケース２の側に面する円環状フランジ２７３の円環状端面および円筒体の円形内周面は、ケース側に接着固定されるケース側固定部２７６である。

図４（ｃ）に示すガイド部材３７０は、小径の円筒体３７１に大径の円筒体３７２が同軸に一体形成された構成となっている。小径の円筒体３７１の円形内周面は摩擦ガイド面３７３である。大径の円筒体３７２の円形内周面および、円筒体の間の円環状端面は、ケースの側に接着固定されるケース側固定部３７４である。

図４（ｄ）に示すガイド部材４７０は、円筒体４７１の端に円環状フランジ４７２を同軸に一体形成した構成をしている。円筒体４７１の円形内周面は、摩擦ガイド面４７３である。円環状フランジ４７２は円筒体４７１から半径方向の外方および内方に延びており、その円環状端面は、ケースのケース端面に接着固定されるケース側固定部４７４である。

図４（ｅ）に示すガイド部材５７０は、小径円筒体５７１と、この端に同軸に一体形成した大径円筒体５７２と、これらの間に形成した円環状フランジ５７３とを備えている。小径円筒体５７１の円形内周面は摩擦ガイド面５７４である。円環状フランジ５７３は、小径円筒体５７１の円形内周面よりも半径方向の内側に突出しており、エアギャップスペーサとして機能する。また、大径円筒体５７２の円形内周面と、円環状フランジ５７３の円環状端面とは、ケース２の側に接着固定されるケース側固定部５７５である。

Claims (6)

1. （削除）
2. （削除）
3. ケースと、
   前記ケースに固定した磁性材料からなるベースと、
   前記ケースにおける軸方向の一方のケース端面から、前記軸方向にスライド可能な状態で突出している磁性材料からなるプランジャと、
   前記ケース端面から離れた戻り位置から前記ケース端面に接近する引込方向に向けて、前記プランジャを前記軸方向にスライドさせる磁気吸引力を発生するコイルと、
   前記ケースに取り付けたガイド部材と、
   を備えており、
   前記ガイド部材は、前記プランジャを、所定の摩擦力を伴って、前記軸方向にガイドする摩擦ガイド面を備えており、
   前記ガイド部材は、前記ケース端面から突出している前記プランジャを同軸に取り囲む筒状部材であり、
   前記筒状部材は、前記摩擦ガイド面が形成された内周面を備えており、
   前記プランジャは、前記内周面に沿って前記軸方向にスライド可能な外周面を備えており、
   前記ガイド部材は、前記ケース端面の外周縁部に沿って、前記内周面から半径方向の内側に突出した所定厚さの円環状フランジを備えているプッシュプルソレノイド。
4. 前記ガイド部材は、ゲル素材、エラストマー素材またはプラスチック素材から形成されている請求項３に記載のプッシュプルソレノイド。
5. 前記摩擦ガイド面による前記摩擦力は、前記プランジャの前記軸方向の各スライド位置において一定となるように設定されている請求項３に記載のプッシュプルソレノイド。
6. 前記摩擦ガイド面による前記摩擦力は、前記プランジャが前記軸方向に沿って、前記戻り位置から前記引込方向にスライドするに連れて増加するように設定されている請求項３に記載のプッシュプルソレノイド。

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