技術 電磁プランジャ装置

0001

機械装置の部材を設定ストロークだけ、通電制御により駆動させる手段として利用される。

0002

同じ目的の為の技術で電磁プランジャと呼称されている周知の技術がある。

0003

従来の周知の電磁プランジャには次に述べる３つの解決すべきか題がある。第１の課題 作動時に大きい衝撃音を発生する。第２の課題 最も出力を必要とする作動の初期に最も駆動力が小さく、出力を必要としない作動の終了時に最も駆動力が大きくなる。第３の課題 同じ大きさで従来の電磁プランジャより６〜１０倍の出力のものが期待されているがこの手段がない。

0004

作動子と同軸で固着された所定の長さで、所定の軸間距離だけ離間した第１，第２の軟磁性体円柱を外筺内で軸方向に左右に移動できるように支持する装置と、外筺内側に固着され、所定の軸間距離で保持された円環状の軟磁性体で作られた第１，第２の磁極及びそれらの外側の磁路とよりなる固定子と、第１，第２の磁極間の円環状の空隙に装着された励磁コイルと、作動子に連設した装置により後退せしめられて、第１，第２の磁極と第１，第２の軟磁性体円柱を後述する相対位置を抑止部材により停止して保持し、該停止点において、第１の磁極端部に第１の軟磁性体円柱の端部が僅かな空隙を介して僅かな距離だけ侵入し、第２の磁極の内周面と第２の軟磁性体円柱の外周面のほぼ全幅を僅かな空隙を介して対向するとともに、第２の磁性体円柱の外側端部を第２の磁極内周端部より僅かな距離だけ進行方向より後退して保持する装置と、励磁コイルに通電することにより、第１の軟磁性体円柱が第１の磁極に吸引されて移動される初期より移動の終了する末期の区間において、第２の磁極の全巾が第２の軟磁性体円柱の外側に対向して保持される装置と、作動子の軸方向の移動により駆動される負荷とにより構成されたものである。

0005

図１以降について本発明の詳細を説明する。各図面の同一記号のものは同じ作用をする部材なので、その重複した説明は省略する。図１は外観を示す図である。円柱状の外筺となる記号２の左右には側板を兼ねる部材４ａと側板３ｂが固着され、作動子１ｂが左右に駆動される。記号４ａ，４ｂは図２につき後述するようにそれぞれ第１，第２の磁極となる。作動子１ｂと軟磁性体円柱１ｃは同軸で固定され、空孔３ａを介して点線Ｂで示すように負荷３が連結される。記号３ｂで示す円板の中央空孔により作動子１ｂは矢印Ａ又はその反対方向に滑動するように支持される。記号２ａはスパイラルスプリングで、円板２ｂを介して作動子１ｂと軟磁性体円柱１ｃを矢印Ａと反対方向に弾撥し、図示しない抑止部材により図示の位置に保持されている。

0006

図２は図１の横断面図である。図２において、円筒状の軟磁性体（以降は軟鋼と略称する）２は円環状の軟鋼磁極４ａ，４ｂの磁路となっている。円環状のコア５ａには励磁コイル５が捲着され、内周面には摺動部材となる円環状のプラスチック円環５ｂが固着されている。磁極４ａ，４ｂの外周は外筺２に固着され、内周面を軟鋼円柱１ａ，１ｃの外周が僅かな空隙を介して左右に移動する。側板となる円板３ｂの中央空孔を作動子１ｂは摺動し、軟鋼円柱１ａ，１ｃは円環５ｂを摺動する。

0007

磁極４ｂの左端の円環状の切欠部４ｃは、軟鋼円柱１ａが磁極４ｂに吸引されて移動したときに、切欠部で反対方向の吸引力を発生して側板３ｂと衝合して機械音を発生することを防止する為のものである。次に図４につき動作の説明をする。図４において、従来の手段によると、軟鋼円柱１ａの点線９ｆの左側を除去して矢印９ｅの磁束により、矢印ｃ方向の駆動力を得ているが、本発明装置では、磁極４ａ（Ｓ極）による矢印ｃ方向の力を除去している。従って従来の手段より駆動力が減少する筈であるが、反対に６倍位の駆動力となっている。その理由を次に説明する。

0008

磁極４ａの磁極面と軟鋼円柱１ａの外周面は常時完全に対向しているので、両者間の磁束９ｄの方向は対向面に垂直となり駆動力を発生しない、磁極４ａの左右端の洩れ磁束による駆動力も相殺してほぼ零となる。磁極４ｂと軟鋼円柱１ａの左端との対向面の磁束は図示の記号９ａ，９ｂ，９ｃのようになる。従って磁束９ａによる駆動力は零となるが、洩れ磁束９ｂ，９ｃにより矢印ｃ方向の駆動力を発生する。かかる洩れ磁束は著しく大きい量の磁束９ｄと閉じられた関係となっているので、大きい磁束となり、前述した磁極４ａ，４ｂの両者により駆動力を得る場合の６倍位の駆動力となる有効な手段となる。

0009

対向面の磁束９ａ，９ｄを対向面に垂直とする為には対向面間の距離を０．２ミリメートル以下とすることが実測により確認されている。磁束の径方向の分力を全円周につき合成すると、本発明装置はすべて円形の磁性体なので零となる。従って軟鋼円柱１ａに作用する径方向の合力は零となるので、軟鋼円柱１ａの軸方向の移動が円滑となる作用効果がある。図６にその詳細を示す。図６において、磁極４ａと軟鋼円柱１ｃとの空隙間の磁束は矢印で示され、径外側方向（矢印Ｅ方向）となり、軸対称となっているので合成磁束は消滅する。この為には次の条件が必要となる。第１に純度の高い軟鋼を使用して、磁気誘導のヒステリシスを除去することにより印加磁界が零となると、残留磁束も零となるものが必要である。第２に径方向の磁束が方向によって差がなく、合成磁束が零となることが必要となる。この為に加工終了後にアニールをして、磁気誘導常数を一定の値とする必要がある。

0010

図３は駆動力の特性を示すグラフである。図３において、よこ軸は作動子の移動ストローク、たて軸は駆動力である。従来の電磁プランジャの場合には曲線７となり、同形の本発明装置の場合には曲線８となる。本発明装置では初期の駆動力が著しく大きくなり前述したように有効な手段を得ることができる。図４に示す手段によると、次に示す問題点がある。駆動の初期において、矢印９ｅ，９ｇで示す洩れ磁束があるが、磁束９ｇは軟鋼円柱１ａと磁極４ａ，４ｂを介して閉じられ、磁束９ｅも同様に閉じられる。しかし磁束９ｇと９ｅでは前者の方が磁気回路の抵抗が小さいので、磁束９ｇは９ｅより大きくなり、従って矢印Ｃと反対方向の駆動が付加されて、矢印Ｃ方向の駆動力を減少せしめる不都合を発生する。

0011

本発明の手段によると、図５に示す手段により上述した不都合を除去することができる。次にその説明をする。図５において、軟鋼円柱１ａ，１ｃは点線１ｄ，１ｈで示す間の区間（記号１ｆで示す）だけ離間され、軟鋼円柱１ａ，１ｃが構成される。記号１ｆ部も軟鋼である。図５において、磁極４ｂと軟鋼円柱１ａとの間の磁束、又これによる矢印Ｃ方向の駆動力は図４の場合と全く同様である。軟鋼円柱１ｃの左端は磁極４ａの左端より矢印９ｋの巾だけ後退しているので、矢印９ｈで示す磁束による駆動力が付加されて駆動力を増大する作用効果がある。

0012

互いに反対方向の駆動力を得る本発明の技術を２個組合わせて構成すると負荷を往復動せしめる装置とすることができる。この場合には図１のスプリング２ａは不要となる。

0013

従来の手段と比較して初期の駆動力は１０倍以上で平均値でも６倍以上の駆動力が得られる効果がある。又動作中の機械音の発生が著しく小さくなる効果がある。必要により、往復駆動のできる手段も、付加することができる。

0014

本発明装置の外観図本発明装置の横断面図本発明装置と周知の電磁プランジャの駆動力特性のグラフ本発明装置と類似した装置の駆動力発生の機構の説明図本発明装置の駆動力発生の機構の説明図径方向の磁束による吸引力の説明図

00015

図１以降について本発明の詳細を説明する。各図面の同一記号のものは同じ作用をする部材なので、その重複した説明は省略する。図１は外観を示す図である。円柱状の外筐となる記号２の左右には側板を兼ねる部材４ａと側板３ｂが固着され、作動子１ｂが左右に駆動される。記号４ａ，４ｂは図２につき後述するようにそれぞれ第１，第２の磁極となる。作動子１ｂと軟磁性体円柱１ｃは同軸で固定され、空孔３ａを介して点線Ｂで示すように負荷３が連結される。記号３ｂで示す円板の中央空孔により作動子１ｂは矢印Ａ又はその反対方向に滑動するように支持される。記号２ａはスパイラルスプリングで、円板２ｂを介して作動子１ｂと軟磁性体円柱１ｃを矢印Ａと反対方向に弾撥し、図示しない抑止部材により図示の位置に保持されている。

0016

図２は図１の横断面図である。図２において、円筒状の軟磁性体（以降は軟鋼と略称する）２は円環状の軟鋼磁極４ａ，４ｂの磁路となっている。円環状のコア５ａには励磁コイル５が捲着され、内周面には摺動部材となる円環状のプラスチック円環５ｂが固着されている。磁極４ａ，４ｂの外周は外筺２に固着され、内周面を軟鋼円柱１ａ，１ｃの外周が僅かな空隙を介して左右に移動する。側板となる円板３ｂの中央空孔を作動子１ｂは摺動し、軟鋼円柱１ａ，１ｃは円環５ｂを摺動する。

0017

磁極４ｂの左端の円環状の切欠部４ｃは、軟鋼円柱１ａが磁極４ｂに吸引されて移動したときに、切欠部で反対方向の吸引力を発生して側板３ｂと衝合して機械音を発生することを防止する為のものである。次に図４につき動作の説明をする。図４において、従来の手段によると、軟鋼円柱１ａの点線９ｆの左側を除去して矢印９ｅの磁束により、矢印ｃ方向の駆動力を得ているが、本発明装置では、磁極４ａ（Ｓ極）による矢印ｃ方向の力を除去している。従って従来の手段より駆動力が減少する筈であるが、反対に６倍位の駆動力となっている。その理由を次に説明する。

0018

磁極４ａの磁極面と軟鋼円柱１ａの外周面は常時完全に対向しているので、両者間の磁束９ｄの方向は対向面に垂直となり駆動力を発生しない、磁極４ａの左右端の洩れ磁束による駆動力も相殺してほぼ零となる。磁極４ｂと軟鋼円柱１ａの左端との対向面の磁束は図示の記号９ａ，９ｂ，９ｃのようになる。従って磁束９ａによる駆動力は零となるが、洩れ磁束９ｂ，９ｃにより矢印ｃ方向の駆動力を発生する。かかる洩れ磁束は著しく大きい量の磁束９ｄと閉じられた関係となっているので、大きい磁束となり、前述した磁極４ａ，４ｂの両者により駆動力を得る場合の６倍位の駆動力となる有効な手段となる。

0019

対向面の磁束９ａ，９ｄを対向面に垂直とする為には対向面間の距離を０．２ミリメートル以下とすることが実測により確認されている。磁束の径方向の分力を全円周につき合成すると、本発明装置はすべて円形の磁性体なので零となる。従って軟鋼円柱１ａに作用する径方向の合力は零となるので、軟鋼円柱１ａの軸方向の移動が円滑となる作用効果がある。図６にその詳細を示す。図６において、磁極４ａと軟鋼円柱１ｃとの空隙間の磁束は矢印で示され、径外側方向（矢印Ｅ方向）となり、軸対称となっているので合成磁束は消滅する。この為には次の条件が必要となる。第１に純度の高い軟鋼を使用して、磁気誘導のヒステリシスを除去することにより印加磁界が零となると、残留磁束も零となるものが必要である。第２に径方向の磁束が方向によって差がなく、合成磁束が零となることが必要となる。この為に加工終了後にアニールをして、磁気誘導常数を一定の値とする必要がある。

0020

図３は駆動力の特性を示すグラフである。図３において、よこ軸は作動子の移動ストローク、たて軸は駆動力である。従来の電磁プランジャの場合には曲線７となり、同形の本発明装置の場合には曲線８となる。本発明装置では初期の駆動力が著しく大きくなり前述したように有効な手段を得ることができる。図４に示す手段によると、次に示す問題点がある。駆動の初期において、矢印９ｅ，９ｇで示す洩れ磁束があるが、磁束９ｇは軟鋼円柱１ａと磁極４ａ，４ｂを介して閉じられ、磁束９ｅも同様に閉じられる。しかし磁束９ｇと９ｅでは前者の方が磁気回路の抵抗が小さいので、磁束９ｇは９ｅより大きくなり、従って矢印Ｃと反対方向の駆動が付加されて、矢印Ｃ方向の駆動力を減少せしめる不都合を発生する。

0021

本発明の手段によると、図５に示す手段により上述した不都合を除去することができる。次にその説明をする。図５において、軟鋼円柱１ａ，１ｃは点線１ｄ，１ｈで示す間の区間（記号１ｆで示す）だけ離間され、軟鋼円柱１ａ，１ｃが構成される。記号１ｆ部も軟鋼である。図５において、磁極４ｂと軟鋼円柱１ａとの間の磁束、又これによる矢印Ｃ方向の駆動力は図４の場合と全く同様である。軟鋼円柱１ｃの左端は磁極４ａの左端より矢印９ｋの巾だけ後退しているので、矢印９ｈで示す磁束による駆動力が付加されて駆動力を増大する作用効果がある。

0022

互いに反対方向の駆動力を得る本発明の技術を２個組合わせて構成すると負荷を往復動せしめる装置とすることができる。この場合には図１のスプリング２ａは不要となる。

0023

図２に示した寸法のものを試作して、励磁コイルの通電を１０００アンペアターンとしたときに１０ｋｇｗの駆動力を得ることができる。従来の手段に比較すると初期の駆動力は１０倍を越える値となる。

0024

１ｂ作動子
２外筺
４ａ，４ｂ磁極
２ａスプリング
３負荷
３ｂ側板
５励磁コイル
１ａ，１ｃ軟鋼円柱
９ａ，９ｂ，９ｃ，．．．磁束を示す矢印