JPH0338805A - 自己保持型直流ソレノイド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は自己保持型ソレノイドに関する。ソレノイド
のプランジャは吸引位置と復帰位置の間を動く。自己保
持型というのは磁気回路の中に永久磁石を持ち、永久磁
石の磁束の作用で吸引、復帰位置のいずれに於てもプラ
ンジャが安定に保持されるものをいう。 この発明は、とくに復帰位置での安定性を増大させた自
己保持型直流ソレノイドに関する。

【従来の技術】

自己保持型直流ソレノイドは、磁気回路の中に永久磁石
を有し、この作用により、プランジャをひとつ或はふた
つの位置に安定に保持するものである。 プランジャが進退する摺動筒のまわりに於て、中央に永
久磁石、前後にひとつづつのコイルを巻き回した双安定
自己保持型ソレノイドがある。これは前後にストッパが
あり対称な動きをする。 これは前後でストッパに衝突するので、ブラケットから
、フロントヨークが外れやすいという欠点がある。 たとえば実公昭５９−２３３７１号はこのカテゴリーに
属する。 本出願人は、コイルがひとつで永久磁石をブラケットの
前方に設けた２安定型直流ソレノイドを開発した。たと
えば第７図に示すようなものである。特公昭５９−２９
１２７　（Ｓ　５９．７．１８　）、特公昭６３−１５
７２７　（Ｓ　６３．４．６　）、特公昭６３−３１０
８８　（３６３，６，２２）などがこれに属する。 永久磁石２は同極が対向している。 第７図はプランジャ７が、フロントヨーク１０の前方に
突出た復帰状態を示している。フロントヨーク１０と永
久磁石２０間に空隙がある。復帰状態では、この空隙の
まわりに、永久磁石２、ブラケット１、フロントヨーク
１０、プランジャ７を通る閉じられた磁気回路が生ずる
。このため復帰状態が安定に保たれる。 プランジャが後退した状態（破線で示す）を吸引状態と
いう。第７図のものは吸引状態の方が、復帰状態よりも
ずっと安定である。吸引状態のとき、プランジャ７が後
方のストッパ６に吸引されており、リラクタンスの低い
磁気回路が形成されるからである。 ついで本出願人は、第８図に示すような２安定自己保持
型直流ソレノイドを開発した。 ブラケット１と摺動筒３の間の空間に、前から後へ順に
復帰側コイル４、永久磁石２、吸引側コイル５が並んで
いる。 これは復帰状態を示している。磁束は永久磁石２、ブラ
ケット１、フロントヨーク１０、プランジャ７の前半部
を巡回する。プランジャ７の前端がフロントヨーク１０
の最近接位置にある。 吸引側コイル５に瞬間的に電流を流し、プランジャ前半
部の磁束を打消す方向に新たな磁束を加えると、プラン
ジャ７が後退して、吸引状態（破線）になる。 これは、第７図のものよりも動作が対称に近い。 つまり復帰状態がより安定である。しかしそれでも、吸
引状態に比べれば不安定である。 本発明は第８図のものの復帰状態の安定性を増大させる
ことを目的とする。 本発明について述べる前にもうひとつの従来技術である
実開昭６３−１８８９１０　（３６３，１２，５）につ
いて説明しよう。 第９図はこの考案のソレノイド縦断面図である。 このソレノイドは、プランジャの前後に長い第１小径部
２１、第２小径部２２を設けたところに特徴がある。 異形のプランジャを持つのでここで説明するのである。 第１小径部２１の前には第１拡径部３１を有する。第２
小径部２２の後には第２拡径部３２を有する。第１小径
部２１、第２小径部２２の間には第３拡径部３３がある
。 第１拡径部３１０幅をＴＩ、フロントヨーク１０の幅を
Ｕｌとすると −Ｕ１ （１） である。 第２拡径部３２０幅をＴ２、ブラケット後端板部２４の
幅をＵ２とすると、 ２ ２ （２） である。 ストロークをＳとする。中央の磁石の幅をＤとする。中
央の第３拡径部３３の幅をＴ３とすると、３ ＋ （３） である。 第９図はプランジャ７が前位置にある状態を示す。第１
拡径部３１がフロントヨーク１０と同じ軸方向位置にあ
る。第３拡径部３３は永久磁石２に対向している。 前位置に於て、永久磁石２の後端と第３拡径部３３の後
端とが軸方向に同じ位置にある。ここで永久磁石２、第
３拡径部３３、プランジャ前半部。 第１拡径部３１、フロントヨーク１０、ブラケット１を
巡る閉磁路が生ずる。 プランジャは後位置を取る事もできる。これは、第２拡
径部３２がブラケット１の後端板部２４と同じ位置に並
ぶような位置である。 第１、第２小径部２１．２２がある理由は、前位置、後
位置にプランジャが安定に自己保持されるためである。 第９図の前位置に於て説明しよう。 もしもプランジャ７に左向き（後方向）の力が働いたと
する。これに対して、第１拡径部３１とフロントヨーク
１０が引き合うのでこの力に抵抗できる。 プランジャ７に右向き（前方向）の力が働いたとする。 これに対し第１拡径部３１とフロントヨーク１０が引き
合う力と、永久磁石２と第３拡径部３３が引き合う力と
によって、さきほどの力に抵抗できる。このように、第
】拡径部３１の幅ＴＩがフロントヨークの幅Ｕｌに等し
いことで、前位置にふ・けるプランジャを安定に保つこ
とができる。 第３拡径部３３の後端もこれに協力する。 後位置におけるプランジャを安定に保つことも同様であ
る。第２拡径部３２とブラケット後端板２４（Ｔ２＝Ｕ
２）とが引き合い、永久磁石２と第３拡径部３３が引き
合う力により、後位置が安定に保たれる。 つまり、（１）〜（３）式で決まる関係の幅を持つ第１
〜第３拡径部３Ｌ３２．３３があるから、前位置、後位
置をプランジャが取ることができる。もし第１〜第３拡
径部３１〜３３がなければ、２つの定位置をとることが
できない。 ３つの拡径部がどうしても必要である。３つの拡径部が
あればその間に２つの小径部２１，２２−ｈ：生ずる。 これは当りまえのことである。小径部２１．２２が存在
するのは以上の理由による 拡径部３１〜３３を作るために小径部２Ｌ２２が必要な
のである。 小径部の長さＣはかなり長くなる。コイルボビンの長さ
からストロークＳを引いたものになる。 前コイル、後コイルのボビンの長さをＢ１、Ｂ２とする
と、 第１小径部の長さＣ１、第２小径部の長さＣ２はＣＩ＝
ＢＩ　　　Ｓ　　　　　　　　　（４）Ｃ２＝　　Ｂ２
　−　　Ｓ　　　　　　　　　（５）である。 実開昭６３−１８８９１０　　は本発明と目的が異なる
し、形式もちがうのであるが、異形のプランジャを持つ
ので詳しく説明した。

【発明が解決しようとする課題】

本発明は第８図に示すソレノイドの改良を目的とする。 第８図のソレノイドは本出願人の開発したもので、多く
の長所を持っている。 しかし、使用目的によっては欠点となりうろこともある
。第８図は復帰状態を実線で示しているが、この復帰状
態の安定性が不十分であるという事である。 復帰状態はフロントヨーク１０とプランジャ７の前端と
の引力によって保たれるが、引力の方向とプランジャの
動きの方向がほぼ直交するため、磁気的な引力の効きが
悪い。小さな衝撃力がプランジャ前端に加わっただけで
プランジャ７が後退しポテンシャルの山をこえて、吸引
状態になる。 こういう誤動作が、極めて少ない確率であるが、起こり
つる。吸引状態は極めて安定である。復帰状態はそれに
比べれば不安定である。使用目的、環境によっては、よ
り強力な復帰状態が望まれる。 本発明は第８図のように前後にコイル、中央に磁石、後
端にストッパを有するソレノイドで、復帰状態の自己保
持力を高め、復帰状態をより安定にしたものを与える事
を目的とする。

【課題を解決するための手段】

本発明の自己保持型直流ソレノイドは、■　有底筒形の
外殻をなす磁性体のブラケットと、■　ブラケットの中
に軸方向に設けられる摺動筒と、 ■　摺動筒の中に進退自在に設けられる棒状の磁性体の
プランジャと、 ■　プランジャの通る通し穴を有しブラケットの前端部
を連結する磁性体のフロントヨークと、■　摺動筒とブ
ラケットの間の前方の空間にあり摺動筒を囲むように設
けられる復帰側コイル４と、 ■　摺動筒とブラケットの間の後方の空間であって摺動
筒を囲むように設けられる吸引側コイル５と、 ■　ブラケットと摺動筒の間であって復帰側コイルと吸
引側コイルの中間にあり同極が対向するように設けられ
る永久磁石と、 ■　ブラケットの後方にあってプランジャの背面を吸引
するための磁性体のストッパよりなり、■　復帰側コイ
ル又は吸引側コイルに通電することにより、プランジャ
の後端がストツノくに吸引されている吸引状態と、プラ
ンジャの前端がフロントヨークより前方にある復帰状態
との間をプランジャが進退するようにしてあり、［相］
　プランジャの途中で、プランジャ前端がフロントヨー
クに最近接位置にあるときに復帰側コイルの後端から永
久磁石の前半に至る領域に対向する位置にプランジャ小
径部があり、■　プランジャ小径部の幅Ｗは永久磁石の
幅りよりも小さくなっている、 ようにしたものである。

【作　用】

復帰状態が問題である。復帰状態というのは、プランジ
ャが前方のある定位置にある状態である。 プランジャのポテンシャルエネルギーが極小である状態
である。したがって安定な状態である。 復帰状態であるときプランジャの前端はフロントヨーク
と而−（つらいち）であるか、やや前方へ突出した位置
にある。後端はストッパから離れている。 プランジャ側周と永久磁石の距離（間隙）をｇとする。 永久磁石によって生じた磁束は、間隙ｇを経てプランジ
ャのやや後方からプランジャ内に入り、プランジャ小径
部からプランジャ前半部を貫流して間隙ｇを経てフロン
トヨークに入る。これからブラケットの前半部を通り、
永久磁石の反対側の極に戻る。 この閉磁路によりプランジャは安定に保たれる。 もしも、プランジャに、後方に向う力Ｆが加わったとす
る。プランジャは後方へ変位する。後方変位すると、プ
ランジャ小径部が永久磁石の対向面の間に入ってくる。 プランジャ小径部の深さをｄとする。プランジャ小径部
と永久磁石対面の間の空隙をｈとすると、）１＝＝、９
　　＋　ｄ （４） である。ｈはｇより広いわけである。 すると急に磁気回路のりラフタンスが空隙りのために増
加する。つまりプランジャのポテンシャルが増加する。 ポテンシャルが増加するということは、これが反対方向
の力を発生するということである。ポテンシャルをＵと
し、プランジャの前から後に向う座標をＸとすると、ｄ
ｘの後方変位に対しカーｄＵ／ｄｘが生ずる。 これが大きい空隙りのために大きい値になる。 大きい反力Ｒ−−ｄＵ／ｄｘを生ずるということである
。 復帰状態は大きい反力Ｒのため、より安定に保たれる。 「より１というのは第８図に示すようなプランジャ小径
部を欠くソレノイドに対してとす）うことである。 このように復帰状態の安定性が高まる。復帰状態にあっ
たものが偶然的な外部衝撃によって誤動作して吸引状態
に遷移するといった事故を防ぐことができる。 これは本発明の利点である。 もちろん新たな欠点も生ずる。 プランジャが一部分であるにせよ細くなるわけである。 磁性体材料の体積が減少するのである。 このため、復帰側コイルや吸引側コイルに通電した時に
誘起される磁束の量が減る。コイル電流が同一であって
も全磁束量は減少する。このためコイル通電によって生
ずる推力が僅かであるが減少する。 もしも、同じ推力を得たいとすればコイル電流を増強し
なければならない。 さらに、吸引状態の安定性が減少する。復帰状態の安定
性が増えるのだから、これは当然のことである。 しかし、吸引状態の安定性は、ストッパとプランジャの
強力な吸引のためもともと極めて大きい。 吸引力が多少減っても、これは問題ではない。 復帰、吸引２状態の静的安定性の著しい非対称が軽減さ
れたということである。

【実施例】

図面によって本発明の実施例にかかる自己保持型直流ソ
レノイドを説明する。 第１図は復帰状態にある実施例のソレノイドの横断平面
図である。第２図は吸引状態の横断平面図である。 第３図は全体の斜視図である。第４図は最大復帰力を生
ずるプランジャ位置にあるソレノイドの横断平面図であ
る。 ブラケット１は十字型の軟鋼板を折りまげて有底筒体形
状としたものである。 ブラケツｌ−１の筒体としての軸方向に円筒形状の摺動
筒３が固定される。摺動筒３の材料は摺動特性の優れた
プラスチックや金属とすることができる。たとえばポリ
テトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）で作ることができ
る。合成樹脂製の場合は、この例のようにコイルボビン
と一体になるように摺動筒３を作ることができる。この
例では前後にボビン部があり、前方には復帰側コイル４
が巻回わされている。後方には吸引側コイル５が巻回わ
されている。 復帰側コイル４と吸引側コイル５の中間には、同極が対
向するよう４つの永久磁石が摺動筒３を囲んで設けられ
る。 摺動筒３の中には、進退自在に磁性体のプランジャ７が
設けられる。棒状の磁性体であり、摺動筒３の中を円滑
に動きうるものとする。 プランジャ７の後端には円錐部１５が形成されている。 ここに細い棒状の非磁性体であるブツシュロッド９が固
着される。 ブラケツｌ−１０前端には、４つのブラケット片を互に
統合するため、磁性体の板であるフロントヨーク１０が
固着される。 フロントヨーク１０は略正方形状の軟鉄の板であって、
中心にプランジャ７を通す通し穴１３が穿たれている。 フロントヨーク１０の四周の切欠き１６に、ブラケット
１前端の突片１７を入れ、かしめる事によってブラケッ
ト１とフロントヨーク１０が結合される。 復帰側コイル４、吸引側コイル５につながるリード線１
８が３本山ている。これはグランドを共通にしたからで
ある。もちろんリード線は４本であってもよい。 さて重要な事は、プランジャ７の途中に半径が少なくな
ったプランジャ小径部８を設けたということである。本
発明の特徴はここにある。 小径部の位置、幅Ｗ、深さｄなどは重要なバラメークで
ある。小径部の位置についてまず説明する。 復帰状態（第１図）にふ・いて、小径部８と後大径部１
２の境界が、永久磁石２と復帰側コイル４の後端との境
界にほぼ等しくなるような位置にある。 つまり、プランジャ小径部８は復帰側コイル４の後端に
対向している。さらにいいかえると、後大径部１２の前
端が永久磁石２に対向している。 第１図が復帰状態であるが、復帰状態というのは単一の
位置で定義できない。この点第２図に示す吸引状態が単
一の位置として定義できるのと異なっている。 プランジャ７と摺動筒の間には摩擦力が働いている。こ
のため、プランジャ７は第１図に示す位置から前後に僅
かに異なった位置にも静止しうる。 プランジャ７を後方へ押す力Ｆを加えると、反力Ｒ−−
ｄＵ／ｄｘが生ずる。しかし、摩擦力ＷがＲより大きい
と、その位置で止まることができる。 第４図はプランジャ７を押してゆき、反力Ｒが最大にな
った状態を示す。これも復帰状態のひとつである。復帰
状態というのは、第１図で示すものから、第４図に示す
ものまでかなりの幅がある。 これは摩擦力Ｗにもよる。 それゆえ復帰状態でのプランジャ小径部８の位置を定義
するのは容易ではない。 たとえば次のように定義するのがよいであろう。 「復帰状態において、復帰側コイル４の後端から永久磁
石２の前半に至る領域に、プランジャ小径部８が対向す
る。」 これは復帰状態を定義しているのではない。そうではな
くプランジャ小径部８のプランジャにふ・ける位置を定
義しているのである。 プランジャの後大径部１２によって定義することもでき
る。この方がより簡単である。−ｊなわち、「復帰状態
においては、後大径部１２の前端が必ず永久磁石２に対
向するようにする。」という事である。 プランジャ大径部の表面と永久磁石端面のギャップをｇ
とする。この例で、９＝０．６〜０．８ｍｍ　である。 なかばは摺動筒の厚みである。 プランジャ小径部８の幅Ｗは 、ｐ＜Ｗ＜Ｄ （５） という範囲になければならない。Ｄは永久磁石２の幅で
ある。Ｗが太きいと、プランジャの磁気抵抗の低下が著
しく望ましくない。Ｗ＝Ｄ／２程度が最適である。 この例ではＤ　＝　５　ｍｍ、Ｗ　＝　３７１πとして
いる。 またプランジャ小径部の位置は、前端から］５８ｒｎｍ
〜１８．８＋＋＋ｍである。さらに小径部の深さｄはこ
の例で０．５ｍｍである。 小径部深さｄは、一般に １、！９　≦　ｄ　＜上φ　　　　　　（６）４ 程度でよい。ただしφはプランジャ大径部の直径である
。ｄがあまりに太きいと、プランジャの磁気抵抗が増え
るので望ましくない。またｄがギャップｇの半分より小
さいと、復帰状態を安定させるという作用に乏しい。 この例では、φ＝　９ｍｍ、ｄ　＝　０．５　ｔｎｍ％
ｊ；／　＝　０．６〜０．８ｍｍである。ｄはがたつき
の部分があるので幅をもつ。 さらに、ブラケットの長さは５２．３ｍｍ、フロントヨ
ークの一辺は２５ｍｍである。永久磁石（Ｄ＝５朋）は
サマリウムコバルト系である。 吸引状態では第２図に示すように、ストッパ６にプラン
ジャ後端が吸引されている。プランジャ小径部８は永久
磁石２に対向している。この状態は極めて安定である。

【効　果】

本発明のソレノイドの長所は、復帰状態がより安定だと
いう事である。これは、第１図の状態から、プランジャ
を後へ押してゆくときに、プランジャ小径部８が永久磁
石２と対向するようになり、急激に磁気抵抗が上り、ポ
テンシャルＵが高まる事による。Ｕの高まりが大きいの
で、反力Ｒ＝−ｄＵ／ｄｘが大きい。 これを確かめるため実施例に示したソレノイド（第１図
〜第４図）と、従来例のソレノイド（第８図）において
、復帰状態のプランジャの反力を測定した。 第４図に測定゛結果を示す。横軸は、プランジャがスト
ツノζから離れている距離（ストロークＳ）である。Ｓ
−０が吸引状態である。プランジャが復帰状態から中へ
進入する方向にとった座標Ｘとは方向が逆である。 縦軸が反力Ｒである。プランジャにフォースゲージを押
しあてて反力を測定した。 実線が実施例を、破線が従来例（第８図）を示す。Ｓ＝
５の位置からプランジャを押しこんでゆく　。 実施例の場合は反力が大きく、押しこんでゆくに従い反
力がさらに大きくなってゆく。そしてＳ−３朋で最大値
２７０　ｇｆとなる。この後Ｒが減少し、Ｓ　＝　１．
４でＲ＝Ｏとなる。つまりＳが、１４より大きい領域が
広義の復帰状態といえるが、Ｓ＝３で最高の値をとる。 Ｓ＞３で停止している場合、極めて安定たということで
ある。 従来例の場合、最大反力が８０９ｆ程度である。 このため本発明のソレノイドは復帰状態が安定である。 従来のソレノイドでは、スプリングで引っばって復帰状
態を安定化させる必要があったが、本発明では、スプリ
ングは不要である。誤動作も少なくなる。 しかし、反面、プランジャの磁気抵抗が増えるため、コ
イルに同じノζルス電流を流しても、これによって生ず
る推力は従来のものよりも弱くなる。 第６図はこれを示している。 吸引側コイル５は、コイル直流抵抗が１２４Ω巻き数１
０３０である。 復帰側コイル４は、コイル直流抵抗が１２．４０、巻き
数７５０である。 パルス電流をコイルに流すが、パルス幅はいずれも３８
ｍ５ｅｃである。 第６図にあ・いて横軸はパルス電圧（ｖ）である。 左縦軸は吸引推力である。単位は９ｆであり、かっこ内
にはｎ　ｅｗｔｏ　ｎ単位の値が示される。右縦軸は復
帰推力である。単位は同様にｇｆ　（ｎｅｗｔｏｎ）で
ある。 吸引推力というのは、復帰状態にであるものを吸引状態
に遷移させるための推力である。これは吸弓側コイルに
通電することによってなされる。 復帰推力というのは、吸引状態にあるものを復帰状態に
遷移させるための推力である。これは復帰側コイルに通
電することによってなされる。 実線が実施例における推力であり、破線が従来例におけ
る推力である。多くの場合、従来例のソレノイドの方が
推力が太きい。 実施例の場合、プランジャの一部を切欠くので磁気抵抗
が大きくなり、推力が小さくなるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例にかかるソレノイドの復帰状態
における横断平面図。 第２図は同じソレノイドの吸引状態にあ・ける横断平面
図。 第３図はソレノイドの斜視図。 第４図はプランジャが最大復帰保持力を受ける位置にあ
るときのソレノイドの横断平面図。 第５図は本発明と従来例のソレノイドに於てプランジャ
が復帰状態にあるとき、プランジャに生ずる反力の測定
結果をストロークＳの函数として示すグラフ。 第６図は本発明と従来例のソレノイドに於て、コイルに
パルス電流を流したときの吸引推力、復帰推力の測定結
果を示すグラフ。 第７図は本出願人による特公昭５９−２９１２７号など
の直流ソレノイド横断平面図。 第８図は本出願人による従来例である直流ソレノイドの
横断平面図。 第９図は実開昭６３−１８８９１０のソレノイド断面図
。 １・・・・・・ブラケット ２・・・・・・永久磁石 ３・・・・・摺動筒 ４・・・・・・復帰側コイル ５・・・・・・吸引側コイル ６・・・・・・ストッパ ７・・・・・プランジャ ８・・・・・・プランジャ小径部 ９・・・・・ブツシュロッド １０　　・・・・フロントヨーク １１・・・・・・前太径部 １２・・・・・・後太径部 １３・・・・・通し穴 １４・・・・・後端板 １５・・・・・・円錐部 １６・・・・・切欠き １７・・・・・・突　片 １８・・・・・　リード線 明 者 小 山 芳

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　有底筒形の外殻をなす磁性体のブラケツト１と、ブラ
   ケット１の中に軸方向に設けられる摺動筒３と、摺動筒
   ３の中に進退自在に設けられる棒状の磁性体のプランジ
   ヤ７と、プランジヤ７の通る通し穴１３を有しブラケツ
   ト１の前端部を連結する磁性体のフロントヨーク１０と
   、摺動筒３とブラケット１の間の前方の空間にあり摺動
   筒３を囲むように設けられる復帰側コイル４と、摺動筒
   ３とブラケツト１の間の後方の空間であつて摺動筒３を
   囲むように設けられる吸引側コイル５と、ブラケツト１
   と摺動筒３の間であつて復帰側コイル４と吸引側コイル
   ５の中間にあり同極が対向するように設けられる永久磁
   石２と、ブラケツト１の後方にあつてプランジヤ７の背
   面を吸引するための磁性体のストツパ６とよりなり、復
   帰側コイル４又は吸引側コイル５に通電することにより
   、プランジヤの後端がストツパ６に吸引されている吸引
   状態と、プランジヤの前端がフロントヨーク１０より前
   方にある復帰状態との間をプランジヤ７が進退するよう
   にしてあり、プランジヤ７の途中で、プランジヤ前端が
   フロントヨーク１０に最近接位置にあるときに、復帰側
   コイル４の後端から永久磁石２の前半に至る領域に対向
   する位置にプランジヤ小径部８があり、プランジヤ小径
   部８の幅ｗは永久磁石２の幅Ｄよりも小さくなつている
   ことを特徴とする自己保持型直流ソレノイド。