JPH07335434A - ソレノイドアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】簡単な構造でしかもラッチ期間に電力を消費せ
ず、かつ故障の発生しにくいラッチ構造を持ったソレノ
イドアクチュエータを提供する。 【構成】両端にふた部を有する固定子の内径側に径方向
突出部１２と、ふた部の中央から軸方向に突出した軸方
向突出部１３及び１４と、この軸方向突出部１３及び１
４に軸方向に磁化された永久磁石１５及び１６を設け、
固定子１内に径方向突出部１２を介して設置された励磁
コイル３１及び３２により可動子２を駆動させ、前記永
久磁石１５及び１６により生成される磁束により、可動
子２を磁気吸引しラッチする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば電磁開閉器の
可動部の構造のように、電磁力によって可動子が往復運
動するとともに、移動範囲の両端の位置で可動子がラッ
チされるソレノイドアクチュエータの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ソレノイドアクチュエータはソレノイド
状に巻回された励磁コイルに電流を通流して磁気回路を
励磁して磁束を生成し、発生した磁気吸引力によって可
動子を直線運動させるもので、通常その両端の位置で可
動子を固定する、いわゆるラッチする構造を有してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】可動子をラッチする構
造には、励磁コイルに電流を通流し続けて磁気吸引力に
よって固定するもの、あるいは機械的なラッチ機構を設
けるものがある。しかし前者の磁気吸引力による場合に
は、ラッチの期間が長いと消費する電力が無視できず、
特に励磁コイルを電池で励磁する場合には電池の消耗が
早いという問題がある。また、機械的なラッチ機構は複
雑な機械構造部が必要となるためにソレノイドアクチュ
エータが大形となり、また故障の原因になりやすいとい
う問題がある。

【０００４】この発明の目的は、前記した課題を解決
し、簡単な構造でしかもラッチ期間に電力を消費せず、
かつ故障の発生しにくいラッチ構造を持ったソレノイド
アクチュエータを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、この発明によれば、ソレノイドアクチュエータ
が、両端にふた部を有しこれと連結する円筒部からなる
円筒状のフレーム、この円筒部の軸中心部に内径側に突
出する径方向突出部、及び前記両端のふた部の中央から
前記円筒部の内側に向かって軸方向に突出し、かつ軸方
向に磁化された永久磁石が設けられた円筒状の２つの軸
方向突出部からなる強磁性体からなる固定子と、フレー
ム両端のふた部の中心と前記軸方突出部とを可動に貫通
する非磁性材の棒状の軸、この軸の中央部に固定して取
付けられた筒状の可動子鉄心からなる可動子と、固定子
内に収容されフレームの一方のふた部と前記径方向突出
部との間のフレーム内の空間に設けられた第１の励磁コ
イル、フレームの他方のふた部と径方向突出部との間の
空間に設けられた第２の励磁コイルからなる励磁コイル
とを有するものとする。

【０００６】また、前記のソレノイドアクチュエータの
径方向突出部を軸方向に間隔を設けて配置し、固定子内
の磁気回路をそれぞれ２つに分離形成させてもよい。ま
た、軸方向に磁化された永久磁石を軸方向突出部とふた
部との間に設けるものとする。この場合には永久磁石の
径方向に密着して非磁性体を設けて、この磁性体に支持
された軸方向突出部が前記永久磁石と軸方向に間隙を保
持し配置するのが好適である。

【０００７】更に、軸方向突出部の可動鉄心と対向する
端部に軸方向に磁化された永久磁石を部分的に埋設する
ものとし、また、可動鉄心の軸方向両端部断面積を軸方
向中央部より大きくするものとする。

【０００８】

【作用】この発明においは、固定子を、両端のふた部と
これらを連結する円筒部とからなる筒状のフレームと、
この円筒部の軸方向中央部で内径側に突出する径方向突
出部と、前記ふた部から内側に向かって軸方向に突出す
る２つの軸方向突出部で構成し、可動子を、フレームの
ふた部の中心と径方向突出部とを可動に貫通する非磁性
体からなる棒状の軸と、この軸の軸方向中央部に取付け
られた円筒状の可動鉄心とから構成することにより、一
方の軸方向突出部と可動鉄心との間の空隙部と径方向突
出部からなる第１の磁気回路と、他方の軸方向突出部と
可動鉄心との間の空隙部と径方向突出部からなる第２の
磁気回路が形成される。また励磁コイルを固定子内に軸
方向に第１と第２の励磁コイルを設けることにより、前
記の第１と第２の磁気回路を形成するそれぞれの励磁コ
イルごとに励磁することが可能となる。

【０００９】更に、前記軸方向突出部の一部を軸方向に
磁化された永久磁石で構成することにより、励磁コイル
に電流を通流して可動子が一方の軸方向突出部端に移動
してラッチ状態になったときには、永久磁石が生成する
磁束は可動子と軸方向突出部間の空隙の空隙長の小さい
方の磁気回路に多くながれる。その結果、前記の空隙に
大きな磁気吸引力が作用し可動子の位置を固定するのに
必要なラッチ力を発生させることができる。

【００１０】また、ラッチの解除は、可動子をラッチし
ている側に位置する一方の励磁コイルに、軸方向突出部
に設けられた永久磁石による磁束とは逆方向の磁束を発
生するように電流を通流し可動子と軸方向突出部間の空
隙部の磁束を減少させ、更にラッチしていない側に位置
する永久磁石の磁束と同方向に磁束が発生するように他
方の励磁コイルに電流を通流することにより、ラッチさ
れていない側の可動子と軸方向突出部間の空隙の磁束が
増加し磁気吸引力が大きくなり、可動子が他方の軸方向
突出部側に移動することにより達成される。

【００１１】また、径方向突出部を軸方向に間隔をあけ
て２つ設けることにより固定子側の磁気回路を完全に２
つに分離することができるので、一方の励磁コイルによ
り可動子のラッチされている側の永久磁石による磁気吸
引力を消去させ、他方の励磁コイルで前記した一方の励
磁コイルが生成する磁束に影響されずに任意に可動子を
逆方向に駆動させることができる。

【００１２】また、永久磁石をふた部と軸方向突出部間
に設けることにより、可動子が軸方向突出部を介して永
久磁石の磁束を受けラッチされているので、直接可動子
と対向して配置されている構成と比べて、ラッチを解除
するための励磁コイルにより生成すべき起磁力は小さく
てすむ。更に、永久磁石に非磁性材を設けて、永久磁石
と空隙を介して軸方向突出部を配置することにより、ラ
ッチ時の可動子の移動による可動鉄心の軸方向突出部端
に与える衝撃力が前記非磁性材で緩和され、直接永久磁
石に受けることを避けることができるので、永久磁石の
破損を防止できる。

【００１３】また、軸方向突出部の端部に部分的に永久
磁石を設けたとにより、永久磁石と可動鉄心間に生成す
る磁束が、永久磁石が設けられていない軸方向突出部の
端面を介して周回する局部的な磁気回路を形成するの
で、軸方向突出部の端部全面に永久磁石を設けた構成よ
り磁気吸引力は小さくなり、大きなラッチ力を要しない
ソレノイドアクチュエータに適用することができる。更
に、可動鉄心の軸方向中心部の断面積を、軸方向突出部
に対向する両端部の断面積より小さくすることにより、
ソレノイドアクチュエータの軽量化を達成できる。

【００１４】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１及び図２はこの発明の第１の実施例になるソレノイ
ドアクチュエータの断面図である。図１のソレノイドア
クチュエータは、強磁性体からなる固定子１と、可動子
２及びソレノイド状に巻回された励磁コイル３とから構
成されている。固定子１は継鉄を兼ねる筒状のフレーム
１１、このフレーム１１の軸方向中央部に内径側に突出
して設けられた径方向突出部１２と、フレーム１１の両
端のふた部に取付けた軸方向に突出する軸方向突出部１
３及び１４と、この軸方向突出部１３及び１４に設けら
れた軸方向に磁化された永久磁石１５及び１６からなっ
ている。

【００１５】また、可動子２は、フレーム１１の両端の
ふた部の中心を貫く非磁性体からなる棒状の軸２１と、
この軸２１の軸方向中央部の外径側に同軸に固定された
円筒状の鉄心２２とかなり、固定子１及び及び可動子２
とも軸方向に対称構造となっている。励磁コイル３は、
２つのソレノイド状の励磁コイル３１及び３２からなり
フレーム１１内の固定子１と可動子２の間の空間に径方
向突出部１２を介して軸方向にそれぞれ設けられてい
る。

【００１６】また、軸方向突出部１３と可動鉄心２２と
の間に空隙４１が、軸方向突出部１４と可動鉄心２２と
の間には空隙４２が形成されている。図１は可動子２が
左方の軸方向突出部１３の方向へ移動して停止した位置
にあり、空隙４１が小さく、空隙４２が大きくなってい
る。即ち、可動子２が左の位置で固定されラッチされて
いる状態を示しており、図示しない機構により空隙４１
が所定の空隙長を保持するようにラッチ位置が設定され
ている。

【００１７】永久磁石１５及び１６が生成する磁束は、
矢印を持つ破線５１及び５２で示すように、永久磁石１
５から軸方向突出部１３、空隙１４、可動鉄心２２、径
方向突出部１２、フレーム１１を通り永久磁石１５へと
周回する磁気回路と、永久磁石１６から軸方向突出部１
４、空隙４２、可動鉄心２２、径方向突出部１２、フレ
ーム１１を通り永久磁石１６へと周回する磁気回路をか
らなる２つの磁気回路が形成される。図１では空隙４２
に比べて空隙４１の方の空隙長が小さいので、前者の磁
気回路の磁束５１が後者の磁気回路の磁束５２より大き
い。このため可動子２が左側にラッチされており固定さ
れている。この状態では励磁コイル３のいずれにも電流
が流れていなく、可動子のラッチ期間中は電力の消費は
ない。

【００１８】ラッチを解除して、可動子２を右側へ移動
させるためには、励磁コイル３に電流を流し可動子２に
右側へ駆動力を発生させる磁気吸引力を与えるようにす
る。図２は励磁コイル３に電流を流すことによって発生
する起磁力によって生成される磁束を示す説明図であ
り、励磁コイル３１及び３２にそれぞれ図示する方向に
電流を通流することにより図の左の磁気回路に磁束５
３、右の磁気回路に磁束５４がそれぞれ生成される。こ
こで、左の磁気回路の磁束５３は図１の永久磁石が生成
する磁束５１と反対方向であり、右の磁気回路の磁束５
４は図１の永久磁石の生成する磁束と同方向であるの
で、空隙４１においては磁束が減少するとともに磁気吸
引力も減少し、空隙４２では磁束が増加するので磁気吸
引力も増加することになる。従って、図２のように空隙
４２の磁気吸引力が空隙４１の磁気吸引力よりも大きく
なるような起磁力をそれぞれの励磁コイル３に与えるこ
とにより、可動子２のラッチが解除されるとともに、可
動子２は図２の右方向へ駆動力を受け移動する。可動子
２の右方向への移動が完了した時点で励磁コイル３に通
流していた電流を切断することにより右方向の軸方向突
出部１４側の位置で可動子２を固定しラッチさせること
ができる。図３にこの発明の第２の実施例になるソレノ
イドアクチュエータの断面図を示す。この発明の前記第
１実施例と異なるところは、前記第１の実施例における
径方向突出部１２を軸方向に間隔を設けて２つの径方向
突出部１２Ａ及び１２Ｂを配置したことにある。これに
より励磁コイル３１及び３２のそれぞれが生成する磁気
回路を分離することができるので、前記した一つの径方
向突出部１２からなる第１の実施例における、一方の励
磁コイルにより生成される磁束が他方の励磁コイルによ
り生成する磁束の磁気回路に与える影響を排除すること
ができる。このため、左の軸方向突出部１３の位置して
いる可動子２のラッチを解除し、右方向への移動させる
場合には、永久磁石１５による空隙４１の磁束を打ち消
すための励磁コイル３１の起磁力に影響を与えることな
く、可動子２に必要とする駆動力を与える起磁力を励磁
コイル３２に任意に設定できる。

【００１９】ところで、この発明では、軸方向突出部１
３及び１４に設けられている永久磁石１５及び１６は、
図１及び図３に図示するように、軸方向突出部１３及び
１４とフレーム１１のふた部の間に位置するようにして
いる。即ち、軸方向突出部１３の先端に可動子２の可動
子鉄心２２と直接対向して永久磁石１５が配置されてい
る構成では、可動子２のラッチ解除時に軸方向突出部１
３と可動鉄心２２間の空隙の磁束を排除するためには大
きな起磁力を励磁コイル３１に要求されるからである。
図４にこの発明の前記した図３の構成と、この図３の構
成で軸方向突出部の先端部に可動子鉄心と対向して永久
磁石を設けた構成において、励磁コイル３１に与える起
磁力と、可動子に加わる磁気吸引力との関係とをそれぞ
れ実線と破線で図示した。なお計算に用いたソレノイド
アクチュエータの形状は、固定子の軸方向長１００mm、
固定子外径１００mm、可動子鉄心外径５０mm、固定子内
径及び可動子内径はそれぞれ３０mmであり、固定子及び
可動子鉄心は一般構造用固塊鉄を、永久磁石としてはプ
ラセオジウム系磁石を想定したものである。可動子のラ
ッチが解除され、即ち可動子に加わる力である磁気吸引
力が零になるのに必要な励磁コイルの起磁力は、前記し
た軸方向突出部の先端部に可動子鉄心と対向して永久磁
石を設けた構成では破線で図示したように2.２ＫＡＴで
あるが、図３の構成では実線で示すように1.２ＫＡＴで
あり、はるかに小さな値でよいことになる。

【００２０】図５にこの発明の第３の実施例になるソレ
ノイドアクチュエータの断面図を示す。図５は永久磁石
１５Ａ及び１５Ｂの内径側に同軸にステンレスからなる
非磁性体１７及び１８を固着し、軸方向突出部１３Ａ及
び１４Ａが前記非磁性体１７及び１８に軸方向で支持さ
れ前記永久磁石１５Ａ及び１５Ｂとの間に微小な間隙４
３及び４４を設けて配置されている。これより可動子２
の移動による軸方向突出部１３Ａ及び１４Ａに与える機
械的な衝撃力を非磁性体１７及び１８で緩和させること
ができるので、永久磁石１５Ａ及び１５Ｂの損傷を防止
することが可能となる。

【００２１】図６にこの発明の第４の実施例になるソレ
ノイドアクチュエータの断面図を示す。図７は図６のＡ
−Ａの断面図であり、図８(a) 及び(b) は軸２１と軸方
向突出部１３Ｂの断面図である。図６は、軸方向突出部
１３Ｂ及び１４Ｂの可動子鉄心２２と対向する位置に軸
方向に磁化された永久磁石１５Ｂ及び１６Ｂを埋設した
構造のソレノイドアクチュエータであり、磁束５５によ
る磁気吸引力により可動子２は左方の軸方向突出部１３
Ｂの位置でラッチされている。図７に示すように永久磁
石１５Ｂは、軸方向突出部１３Ｂの端部の径方向中央部
にリング状に配されており軸２１と可動鉄心２２間に局
部的な磁束を発生させる構造となっている。

【００２２】ラッチの解除は、励磁コイル３２のみに電
流を通流し起磁力を与えて空隙４２に磁束５６を生成さ
せ、軸方向突出部１３Ｂの永久磁石１５Ｂによる磁気吸
引力より大きい磁気吸引力を発生させることにより、可
動子２を右方向へ移動させることにより行うことができ
る。可動子２が右端に移動した時点で、前記の励磁コイ
ル３２の電流を切断することにより、軸方向突出部１４
Ｂに設けられた永久磁石１６Ｂが生成する磁束による磁
気吸引力により可動子２はラッチされる。この構成では
前記したようにラッチ力を発生している磁束５５の磁気
回路は局部的なものであるので軸方向突出部の端部全面
に永久磁石を設ける構成より磁気吸引力は小さく、従っ
てラッチ解消のための励磁コイル３２の起磁力は小さく
てよい。

【００２３】なお、軸方向突出部端部に埋設する永久磁
石は、可動子鉄心と軸方向突出部間に図６の磁束５５の
ように局部的に周回する磁束を発生する構成であればよ
いので、図８(a) 及び(b) に示すように軸方向突出部１
３Ｂの端部に矩形状の永久磁石１５Ｂを放射状に配した
もの、及び周状に配置した構成でもよく、永久磁石１５
Ｂの形状として特に限定されるものではない。

【００２４】図９にこの発明の第５の実施例になるソレ
ノイドアクチュエータの断面図を示す。図９は、可動鉄
心２２Ａの軸中央部の外径寸法を両端部の寸法より小さ
くしたものである。軸２１のラッチ時の空隙４１に発生
する磁気吸引力は、軸方向突出部１３及び１４と対向す
る可動鉄心２２Ａの端部の断面積の大きさにより左右さ
れるので、軸中心部は発生する磁束により磁気飽和の影
響が出ない程度まで小さくすることが可能である。これ
により、ソレノイドアクチュエータの性能を低下させる
ことなしに、軽量化を達成することができる。更に、こ
の発明では固定子、軸方向突出部及び励磁コイルの断面
が円筒状としているが、断面形状を多角形状にすること
も可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、この発明においては、軸
方向突出部の一部を軸方向に磁化された永久磁石で構成
することにより、この永久磁石が生成する磁束によって
可動子をラッチする磁気吸引力が得られるとともに、ラ
ッチを解除して可動子を反対方向へ駆動させるのには、
励磁コイルに前記の永久磁石とは逆方向の磁束を発生す
るように電流を通流し励磁することにより達成されるの
で、従来のようにラッチ期間中励磁コイルに通電し続け
ることはなくラッチ力を得るために電力を必要としな
い。また複雑なラッチ機構を有していないので構造が簡
単なソレノイドアクチュエータが得られる。また、径方
向突出部を軸方向に間隔をあけて２つ設けることにより
固定子側の磁気回路を完全に２つに分離することができ
るので、それぞれの励磁コイルにより生成する磁束に影
響されず、可動子の駆動力の大小を自由に制御できると
いう効果が得られる。

【００２６】また、軸方向突出部に設けられた永久磁石
を、ふた部側に設けることにより、可動子鉄心と直接に
対向していないので、ラッチ解除のために励磁コイルに
より生成すべき起磁力は小さくてすみ、永久磁石の磁化
方向とは逆の方向に大きな起磁力を発生させる必要はな
いので、永久磁石の減磁及び消磁の恐れをも回避するこ
とができる。更に、永久磁石に非磁性材を設けることに
よりラッチ時の可動鉄心の機械的な衝撃力を緩和させ永
久磁石の損傷を防止することができる。

【００２７】また、軸方向突出部の端部に部分的に永久
磁石を設けることにより、ラッチ解消のために要する励
磁コイルに与える起磁力は小さくてすみ、可動子の駆動
制御が容易であるとともに、大きなラッチ力を要しない
ソレノイドアクチュエータに適用することが可能とな
る。更に、可動鉄心の軸方向中心部の断面積を、軸方向
突出部に対向する両端部の断面積より小さくすることに
より、ソレノイドアクチュエータの軽量化をすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例を示すソレノイドアク
チュエータの断面図である。

【図２】図１の励磁コイルに電流を流すことによって発
生する磁束の説明図である。

【図３】この発明の第２の実施例を示すソレノイドアク
チュエータの断面図である。

【図４】ソレノイドアクチュエータの励磁コイルに与え
る起磁力と、可動子に加わる磁気吸引力との関係を示す
グラフである。

【図５】この発明の第３の実施例を示すソレノイドアク
チュエータの断面図である。

【図６】この発明の第４の実施例を示すソレノイドアク
チュエータの断面図である。

【図７】図６のＡ−Ａ断面図である。

【図８】図６とは別の実施例を示す可動子の軸と軸方向
突出部の断面図であり、同図(a) は矩形状の永久磁石を
放射状に、同図(b) は周状に配したものである。

【図９】この発明の第５の実施例を示すソレノイドアク
チュエータの断面図である。

【符号の説明】

１ 固定子 １１ フレーム １２ 径方向突出部 １３ 軸方向突出部 １４ 軸方向突出部 １５ 永久磁石 １６ 永久磁石 ２ 可動子 ２１ 軸 ２２ 可動子鉄心 ４１ 空隙 ４２ 空隙

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸対称の強磁性体からなる固定子と、この
   固定子の軸中心を可動に貫く軸対称の可動子と、この可
   動子を囲んで配置されたソレノイド状の励磁コイルとか
   らなり、励磁コイルに電流を流して可動子と固定子とで
   形成される磁気回路を励磁し、磁気吸引力により可動子
   が軸方向に駆動されるソレノイドアクチュエータにおい
   て、固定子が、両端にふた部を有しこれと連結する円筒
   部からなる円筒状のフレームと、この円筒部の軸中心部
   に内径側に突出する径方向突出部と、前記両端のふた部
   の中央から前記円筒部の内側に向かって軸方向に突出し
   た軸方向に磁化された永久磁石を設けた円筒状の２つの
   軸方向突出部とからなり、可動子がフレーム両端のふた
   部の中心と軸方向突出部とを可動に貫通する非磁性材の
   棒状の軸と、この軸の中央部に固定して取付けられた筒
   状の可動子鉄心とからなり、励磁コイルが、固定子内に
   収容されフレームの一方のふた部と径方向突出部との間
   のフレーム内の空間に設けられた第１の励磁コイルと、
   フレームの他方のふた部と径方向突出部との間の空間に
   設けられた第２の励磁コイルとからなることを特徴とす
   るソレノイドアクチュエータ。
2. 【請求項２】請求項１に記載のソレノイドアクチュエー
   タにおいて、径方向突出部を軸方向に間隔を設けて配置
   し、固定子内に収容された第１と第２の励磁コイルが生
   成する磁気回路をそれぞれ２つに分離形成させたことを
   特徴とするソレノイドアクチュエータ。
3. 【請求項３】請求項１又は請求項２に記載のソレノイド
   アクチュエータにおいて、軸方向に磁化された永久磁石
   を、軸方向突出部とふた部との間に設けたことを特徴と
   するソレノイドアクチュエータ。
4. 【請求項４】請求項１又は請求項２に記載のソレノイド
   アクチュエータにおいて、軸方向に磁化された永久磁石
   を、可動鉄心と対向する軸方向突出部の端部に部分的に
   埋設したことを特徴とするソレノイドアクチュエータ。
5. 【請求項５】請求項３に記載のソレノイドアクチュエー
   タにおいて、永久磁石の径方向に非磁性体が密着して設
   けられ、この非磁性体に支持された軸方向突出部が前記
   永久磁石と軸方向に間隔を保持し設けられたことを特徴
   とするソレノイドアクチュエータ。
6. 【請求項６】請求項１〜請求項５のいずれかに記載のソ
   レノイドアクチュエータにおいて、可動鉄心の軸方向両
   端部の断面積が、軸方向中央部より大きいことを特徴と
   するソレノイドアクチュエータ。