| 【発明の名称】 |
ソレノイド |
| 【発明者】 |
【氏名】歳田 寿充
【氏名】金田 敬右
【氏名】高橋 利光
【氏名】加田 日登海
【氏名】木下 靖朗
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| 【要約】 |
【課題】ヨークからプランジャーに作用する吸引力を向上させたソレノイドを提供する。
【解決手段】磁束を発生させる筒状のコイル10と、該コイル10の外周面10A 、内周面10B および端面10C1,10C2 にそれぞれ沿った外周部20A 、内周部20B および端部20C1,20C2 から成るヨーク20と、該ヨーク20に吸引されて上記コイル10の軸X 方向に変位するプランジャー30とを含むソレノイド1 であって、上記ヨーク20が、一方向性電磁鋼板から成り、上記外周部20A および上記内周部20A は上記一方向性電磁鋼板の磁化容易軸が上記磁束の流れ方向に沿うように配置され、上記端部20C1, 20C2は上記磁化容易軸が上記コイル10の端面10C1,10C2 に沿うように配置されており、該ヨーク20と上記プランジャー30とで上記磁束の磁気回路を構成する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 磁束を発生させる筒状のコイルと、該コイルの外周面、内周面および端面にそれぞれ沿った外周部、内周部および端部から成るヨークと、該ヨークに吸引されて上記コイルの軸方向に変位するプランジャーとを含むソレノイドであって、上記ヨークが、一方向性電磁鋼板から成り、上記外周部および上記内周部は上記一方向性電磁鋼板の磁化容易軸が上記磁束の流れ方向に沿うように配置され、上記端部は上記磁化容易軸が上記コイルの端面に沿うように配置されており、該ヨークと上記プランジャーとで上記磁束の磁気回路を構成することを特徴とするソレノイド。
【請求項２】 上記ヨークの外周部が上記コイルの外周面全体を覆うことを特徴とする請求項１記載のソレノイド。
【請求項３】 上記ヨークの外周部が上記コイルの外周面の一部を覆うことを特徴とする請求項１記載のソレノイド。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電磁弁等の電磁アクチュエータに適したソレノイドに関する。
【０００２】
【従来の技術】このようなソレノイドは、プランジャーを変位させるための吸引力をできるだけ効率良く発生させることが望ましい。それには、コイルで発生した磁束を発散させずに、磁束の流れを吸引方向に収束させることが重要である。実開平２−８４０７７号公報に、ヨークを多重の筒形で構成した電磁弁が提案されている。ヨークをこのように構成することにより、多重の筒形のヨークのそれぞれに磁束が発生して磁束の指向性が増加し、プランジャーを変位させる方向の磁束を増加させる。
【０００３】しかし、上記提案の電磁弁では、筒形のヨークの外周をコイルが取り巻いた構造であり、コイルで発生する磁束のうち、コイルの内周側では磁束の流れは多重のヨークにより指向性を付与されるが、それ以外の部分（コイルの外周および端面）では、磁束の流れには指向性が付与されず発散してしまうため吸引力の向上には寄与しないという問題があった。
【０００４】また、多重のヨークのそれぞれの内部では、磁束の流れに指向性が付与されないため、吸引方向へ磁束の流れを高密度で収束させることができないという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ヨークからプランジャーに作用する吸引力を向上させたソレノイドを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、本発明のソレノイドは、磁束を発生させる筒状のコイルと、該コイルの外周面、内周面および端面にそれぞれ沿った外周部、内周部および端部から成るヨークと、該ヨークに吸引されて上記コイルの軸方向に変位するプランジャーとを含むソレノイドであって、上記ヨークが、一方向性電磁鋼板から成り、上記外周部および上記内周部は上記一方向性電磁鋼板の磁化容易軸が上記磁束の流れ方向に沿うように配置され、上記端部は上記磁化容易軸が上記コイルの端面に沿うように配置されており、該ヨークと上記プランジャーとで上記磁束の磁気回路を構成することを特徴とする。
【０００７】一般には、上記ヨークの外周部が上記コイルの外周面全体を覆う構造であるが、上記ヨークの外周部が上記コイルの外周面の一部を覆う構造にすると占有体積を低減できるので、特に小型化する上で有利である。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１に、本発明によるソレノイドの一態様を示す。図１は筒状のコイルの軸を含む面における縦断面図である。ソレノイド１は、磁束を発生させる筒状のコイル１０と、コイル１０の外周面１０Ａ、内周面１０Ｂおよび端面１０Ｃ１、１０Ｃ２にそれぞれ沿った外周部２０Ａ、内周部２０Ｂおよび端部２０Ｃ１、２０Ｃ２から成るヨーク２０と、ヨーク２０に吸引されてコイル１０の軸Ｘ方向に変位するプランジャー３０とを含む。プランジャ３０は外周部３０Ａが磁性材料から成り、芯部（シャフト部）３０Ｂが非磁性材料から成る。
【０００９】ヨーク２０は、一方向性電磁鋼板から成り、外周部２０Ａおよび内周部２０Ｂは一方向性電磁鋼板の磁化容易軸（両頭矢印ＭＡ、ＭＢ）が磁束の流れ方向に沿うように配置され、端部２０Ｃ１，２０Ｃ２は磁化容易軸（両頭矢印ＭＣ）がコイル１０の端面１０Ｃ１，１０Ｃ２に沿うように配置されており、ヨーク２０とプランジャー３０とで上記磁束の磁気回路を構成する。
【００１０】一方向性電磁鋼板は、微細な各磁区の磁化容易軸を一方向（一般に圧延方向）に揃えてあり、鋼板全体として一つの磁化容易軸を持っており、この磁化容易軸方向の透磁率および飽和磁束密度が高い。本発明においては、この特性を利用して、磁化容易軸が磁束の流れの方向にできるだけ沿うように、ヨーク各部を形成・配置するようにしたので、ヨークからプランジャーに作用する吸引力が向上する。
【００１１】更に、一方向性電磁鋼板は保磁力が低い点も特徴であり、これによりヒステリシスが小さくなり、制御を簡素化できることも利点の一つである。なお、この例では、ヨーク２０の外周部２０Ａは一方向性電磁鋼板１枚で形成し、内周部２０Ｂおよび両端部２０Ｃ１，２０Ｃ２は複数枚を積層して形成してあるが、ヨーク各部を構成する枚数はそれぞれ必要に応じて決めればよい。
【００１２】図２に、図１と同じ断面における磁束の流れを示す。コイル１０で発生した磁束は、ヨーク外周部２０Ａ→ヨーク端部２０Ｃ２→プランジャー３０→ヨーク内周部２０Ｂ→ヨーク端部２０Ｃ１→ヨーク外周部２０Ａで構成される磁気回路を太線矢印Ｑで示したように流れる。磁束の流れＱの向きは、ヨーク２０の外周部２０Ａおよび内周部２０Ｂでは図示のとおり一方向性電磁鋼板の磁化容易軸ＭＡおよびＭＢに沿っている。
【００１３】ヨーク２０の端部２０Ｃ１、２０Ｃ２については、図２の断面では磁束の流れＱの向きが磁化容易軸ＭＣに沿っている。しかし、実際には端部２０Ｃ１では内周部２０Ｂ側から外周部２０Ａ側に向かって放射状に流れ、端部２０Ｃ２では外周部２０Ａ側からプランジャー３０側に向かって求心的に流れている。図３に、ソレノイドが円筒状の場合について端部２０Ｃ１内の磁束の流れを太線矢印で、一方向性電磁鋼板の磁化容易軸ＭＣを両頭矢印で示す。このように、端部では磁束の流れはコイル１０の端面１０Ｃ１または１０Ｃ２には沿っているが、磁化容易軸とは特定の方向の流れ（図１、図２の断面内の流れ）のみが一致する。
【００１４】これに対して、図４に示したように、端部を扇状の一方向性電磁鋼板を複数枚組み合わせて形成すると、放射状の磁束の流れと磁化容易軸との一致する割合を高めることができる。本発明のソレノイドは、上記のようにヨーク各部を一方向性電磁鋼板で形成し、かつ磁化容易軸が磁束の流れ方向とできるだけ一致するように構成したことにより、ヨークからプランジャーに作用する吸引力が向上する。
【００１５】以下、本発明による種々の態様のソレノイドと、その作製方法を説明する。ただし、本発明の特徴であるヨークについて特に詳細に説明する。コイル、プランジャを含むソレノイド全体としては、図１〜図４を参照した上記の説明に準ずる。
【００１６】
【実施例】〔実施例１〕図１に示した構造であって円筒形のソレノイドを作製する方法を説明する。図５に示すように、ヨーク２０の外周部２０Ａおよび内周部２０Ｂは、一方向性電磁鋼板Ｓから曲げ加工および溶接により作製する。外周部２０Ａと内周部２０Ｂは寸法が異なる円筒であり、鋼板Ｓの磁化容易軸が円筒の軸方向に一致している。ヨーク２０の端部２０Ｃ１および２０Ｃ２は、鋼板Ｓから打抜き加工により作製した同一寸法の穴開き円板を複数枚積層して作製する。これにより、ヨーク２０の外周部２０Ａ，内周部２０Ｂの磁化容易軸ＭＡ，ＭＢは円筒の長手方向に沿う磁束の流れＱ（図２）と一致し、ヨーク２０の端部２０Ｃ１，２０Ｃ２の磁化容易軸ＭＣはコイル１０の端面に沿っている。各部材同士を、溶接、接着等の適当な手段により所定箇所で相互に接合することにより、ヨーク２０が完成する。
【００１７】端部２０Ｃ１，２０Ｃ２は、前出の図４に示したような扇形を多数組み合わせて一枚の穴開き円板とすることもできる。これにより、端部の穴から放射状に外周部へ向かう磁束の流れ（または外周部から端部の穴へ求心的に向かう磁束の流れ）と端部の磁化容易軸との一致する割合が高まるので、磁束の流れを更に高密度で収束させることができ、吸引力を一層高めることができる。
【００１８】プランジャ３０は、ヨーク内周部２０Ｂに吸引されて、軸Ｘ方向に変位する。ヨーク内周部２０とプランジャ３０は相互の対面部が図示したように段付きになっている。これは作動電流に対するプランジャ変位のリニア性を確保するためである。ヨーク内周部２０Ｂの段付き部分は、図示したように内寄りの部分と外寄りの部分を寸法の異なる鋼板Ｓを積層して構成することにより、別途段付き加工を行う必要がなくなる。
【００１９】〔実施例２〕図１に示した構造であって角筒形のソレノイドを作製する方法を説明する。図６に示すように、ヨーク２０の外周部２０Ａおよび内周部２０Ｂは、一方向性電磁鋼板Ｓから所定寸法に切り出した平板を角筒形に溶接して作製する。外周部２０Ａと内周部２０Ｂは寸法が異なる角筒であり、鋼板Ｓの磁化容易軸が角筒の軸方向に一致している。ヨーク２０の端部２０Ｃ１および２０Ｃ２は、鋼板Ｓから打抜き加工により作製した同一寸法の穴開き角板を複数枚積層して作製する。これにより、ヨーク２０の外周部２０Ａ，内周部２０Ｂの磁化容易軸ＭＡ，ＭＢは円筒の長手方向に沿う磁束の流れＱ（図２）と一致し、ヨーク２０の端部２０Ｃ１，２０Ｃ２の磁化容易軸ＭＣはコイル１０の端面に沿っている。各部材同士を、溶接、接着等の適当な手段により所定箇所で相互に接合することにより、ヨーク２０が完成する。
【００２０】端部２０Ｃ１，２０Ｃ２は、一枚の角板を前出の図４に示した扇形のように多数の部分に分割し、各部分の板を多数組み合わせて一枚の穴開き角板とすることもできる。これにより、端部の穴から放射状に外周部へ向かう磁束の流れ（または外周部から端部の穴へ求心的に向かう磁束の流れ）と端部の磁化容易軸との一致する割合が高まるので、磁束の流れを更に高密度で収束させることができ、吸引力を一層高めることができる。
【００２１】実施例２の角筒形構造は、実施例１の円筒形構造に比べて、同一の断面積について断面寸法が若干大きくなるが、曲げ加工を行わないことにより、鋼板に残留応力が殆ど発生しないので磁気特性が損なわれず、曲げ加工工程がないので工程削減が可能である。図９（１）、（２）に、上記実施例１および実施例２の構造を対比して示す。図９において、（Ａ）は図１と同一の断面を中心軸Ｘの片側のみ示す断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の矢印Ｂ方向から見た正面図である。
【００２２】〔実施例３〕図９（３）に示したヨークは、深絞り加工を用いて作製する。図７に示すように、一方向性電磁鋼板Ｓから深絞り加工により部材２２および部材２４を作製する。部材２２は二重円筒形であり、ヨーク２０の外周部２０Ａ（外側円筒部分）と、端部２０Ｃ１の最外部２０Ｃ１１（内外の円筒を接続する穴開き円板部分）と、内周部２０Ｂの最内部２０Ｂ１（内側円筒部分）とを、一枚の鋼板Ｓから深絞り加工により一体に成形したものである。部材２４はフランジ付き円筒形であり、ヨーク２０の端部２０Ｃ１の最内部２０Ｃ１３（フランジ部分）と、内周部２０Ｂの最外部２０Ｂ２（円筒部分）とを、一枚の鋼板Ｓから深絞り加工により一体に成形したものである。端部２０Ｃ１の中間部２０Ｃ１２および端部２０Ｃ２は、鋼板Ｓから打抜き加工により作製した同一寸法の穴開き円板を複数枚積層して作製する。
【００２３】上記のように準備した部材２２の内周部最内部２０Ｂ１（内側円筒部分）に端部中間部２０Ｃ１２（穴開き円板積層体）を嵌め込んだ後、更に円筒２０Ｂ１に部材２４を嵌め込む。これにより、ヨーク外周部２０Ａと、部材２０Ｃ１１＋部材２０Ｃ１２＋部材２０Ｃ１３により成るヨーク端部２０Ｃ１と、部材２０Ｂ１＋部材２０Ｂ２により成るヨーク内周部２０Ｂが所定位置に配置される。更に、右の端部２０Ｃ２を組み付ける。各部材同士を、溶接、接着等の適当な手段により所定箇所で相互に接合することによりヨーク２０が完成する。
【００２４】実施例３の構造は、一体成形された部材２２がヨーク２０全体に高い剛性を付与するので、ヨークの強度および耐振動性が高いという利点がある。
〔実施例４〕図９（４）に示したヨークは、実施例３と同様に深絞り加工を用いて作製する。ただし、実施例３の場合は、左側の端部２０Ｃ１の中間部２０Ｃ１２を打抜き加工で作製したのに対して、本実施例の場合は図７の部材２４の内周部２０Ｂ２（内側円筒部分）の寸法を順次変えて深絞り加工により複数作製して相互に嵌め合わせる点が異なる。これにより、端部２０Ｃ１と内周部２０Ｂとの一体性が高まるため両者間の磁束の流れがよりスムーズになり、磁束の漏洩が低減する。
【００２５】〔実施例５〕図９（５）に示したヨークは、基本的に実施例３あるいは実施例４と同様の構造であるが、外周部２０Ａをコイル１０の外周面全体を覆うのではなく、外周面の対向した２部分のみを覆う点で異なる。図８に示したように、実施例３あるいは実施例５と同様の方法で作製する。
【００２６】このように外周部２０Ａを部分的にのみ備えた簡略構造にしても、磁束の流れがこの部分に収束し、外周部を全周に備えた構造とほぼ同等の吸引力が得られ、しかも加工が容易になり、ヨークの軽量化も可能になる。
〔実施例６〕図１０に示したように、ヨーク２０全体を磁気シールド材４０で覆うことにより、磁束漏洩が低減し、同時に耐久性が高まる。
【００２７】なお、以上の実施例で示した構造では、ヨーク内周部２０Ｂおよびプランジャ３０の相互対面部分は段付き構造になっていたが、本発明は段付き構造に限らず図１１に示したように段付き部の無い構造においても同様に適用することができる。
＜特性の評価試験＞同一仕様のソレノイドについて、ヨークを従来材（軟鉄）により構成した従来のソレノイドと、本発明によりヨークを一方向性電磁鋼板により上記実施例１〜５により構成したソレノイドとの特性比較試験を行った。得られた結果を図１２〜１５に示す。
【００２８】図１２は、作動電流により発生する電磁力を示したグラフであり、例えば作動電流１．０Ａにおいて従来例では電磁力１０Ｎであったのに対して、本発明の実施例では電磁力１２Ｎと２０％向上した。これは、図１３に示したように、従来のヨーク材である軟鉄に対して、本発明のヨーク材である一方向性電磁鋼板の磁化特性が極めて優れていることによる。また、図１４に示したように、一方向性電磁鋼板は保持力が小さいため、ヒステリシスが小さい点も有利である。
【００２９】図１５は、従来例と実施例１〜５の吸引ヒステリシスを比較したグラフであり、本発明により吸引ヒステリシスが３０〜４０％低減した。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、ヨークからプランジャーに作用する吸引力を向上させたソレノイドが提供される。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年８月２６日（１９９９．８．２６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７７５１７
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 敬 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−６５７２６（Ｐ２００１−６５７２６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月１６日（２００１．３．１６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２４０４９５ |
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