JP2736035B2 - ソレノイド及び電磁弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ソレノイド及びそ
れを使用した電磁弁に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電磁弁等に使用されるソレノ
イドが知られている。ここで、従来のソレノイドの例を
図５（ａ）〜図５（ｃ）に概略的に示す。

【０００３】このソレノイド１１は、巻線１２及びそれ
を収容するための立方体状のケース１３のほか、図示し
ない固定鉄心（いわゆる磁気コア）や可動鉄心等によっ
て構成されている。前記巻線１２は全体として円筒状を
呈しており、中央部に貫通孔１４ａを有するボビン１４
の外周部にマグネットワイヤ１５を巻回することによっ
て形成されている。

【０００４】ところで、この種のソレノイド１１の起磁
力は、電流（Ａ）及び巻数（Ｔ）の積（即ちＡ×Ｔ）に
よって表される。このため、消費電力を一定としたとき
に起磁力の増大を図るためには、例えば巻外径の増大等
によって、巻数Ｔを多く確保することが不可欠となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
巻外径の増大はある程度までは可能である反面、ケース
１３内の容積による制約を受けることは否めない事実で
ある。よって、充分多くの巻数Ｔを確保するためには、
さらに大容量（大断面積）のケース１３を使用する必要
があった。そのため、ソレノイド１１の小型化及び起磁
力の増大の双方を実現することができなかった。

【０００６】本発明は上記の課題を解決するためなされ
たものであり、その目的は、小型であって起磁力の大き
なソレノイドを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明では、略筒状に巻回された
複数の巻線を立方体状のケース内に並列に収容したソレ
ノイドをその要旨とする。

【０００８】請求項２に記載の発明では、請求項１にお
いて、前記巻線は２つであり、それらの中心軸線はケー
ス対角線のうちの１つの上を通るように配置されている
ことをその要旨とする。

【０００９】請求項３に記載の発明では、請求項１また
は２において、前記２つの巻線の中心孔には、略Ｕ字状
をした１本の固定鉄心の両脚部がそれぞれ挿通されてい
ることをその要旨とする。

【００１０】請求項４に記載の発明では、請求項３にお
いて、前記２つの巻線の各部の寸法が下記のつの式、
即ち、 （ａ＋ｂ₂ ）／（ａ＋ｂ₁ ）≦ｄ₂ ² ／ｄ₁ ² ｂ₂ ＝（Ｄ₂ −ａ）／２ ｂ₁ ＝（Ｄ₁ −ａ）／２ 〔ａ：巻内径，Ｄ₁ ：巻線を１つとしたときの巻外径，
Ｄ₂ ：巻線を２つとしたときの巻外径，ｂ₁ ：巻線を１
つとしたときの巻代，ｂ₂ ：巻線を２つとしたときの巻
代，ｄ₁ ：巻線を１つとしたときのマグネットワイヤ
径，ｄ₂ ：巻線を２つとしたときのマグネットワイヤ
径〕を満たすように設定されていることをその要旨とす
る。

【００１１】請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４
のいずれか１項に記載のソレノイドと、前記ソレノイド
によって駆動される弁体が流体流路内に設けられた弁部
とを備えた電磁弁をその要旨とする。

【００１２】巻線を複数とした請求項１〜５に記載の発
明によると、従来通りの大きさのケースを使用した場合
であっても、巻線を１つとしたときよりも多くの巻数が
確保される。

【００１３】

【実施の形態】以下、本発明を電磁弁に使用されるソレ
ノイドに具体化した一実施形態を図１〜図３に基づき詳
細に説明する。

【００１４】図１（ａ）に示されるように、このソレノ
イド１は、２つの巻線２及びそれを収容するためのケー
ス３、固定鉄心としての磁気コア４及び可動鉄心として
のフラッパ５等によって構成されている。

【００１５】図１（ａ）〜図１（ｃ）に示されるよう
に、このケース３は全体として縦長の立方体状を呈して
おり、垂直方向から投影するとその外形は正方形状を呈
している。また、ケース３の下端面には、巻線２を収容
するための開口部３ａが設けられている。図１（ｃ）に
示されるように、前記２つの巻線２は、ともに全体とし
て円筒状を呈しており、かつ同じ寸法を有している。こ
れらの巻線２は、中央部に貫通孔６ａを有するボビン６
の外周部にマグネットワイヤ７を巻回することによって
形成されている。これらの巻線２は、前記ケース３内に
並列に収容されている。その際、両方の巻線２の中心軸
線Ｃ1 は、２つあるケース対角線Ｌ1 のうちの１つの上
を通るように配置されている。

【００１６】図１（ａ）に示されるように、巻線２の中
心孔としてのボビン６の貫通孔６ａ内には、略Ｕ字状を
した磁気コア４の脚部４ａがそれぞれ挿通されている。
前記両脚部４ａの下端面は、前記貫通孔６ａの下側開口
から少しだけ突出している。そして、円板状をしたフラ
ッパ５は、前記両脚部４ａの下端面に対向する位置にて
上下動可能に配置されている。なお、このフラッパ５
は、図示しないバネ等によって常には下側に付勢されて
いる。

【００１７】図１（ａ）に示されるように、ソレノイド
１の下側には、ケース３と同じ断面形状を有する弁部８
が装着されている。弁部８に形成された流体流路（図示
略）の内部には、弁体（図示略）が収容されている。こ
の弁体は、図示しない弁棒を介してフラッパ５によって
押圧されることにより、上下方向に駆動されるようにな
っている。

【００１８】このように構成されたソレノイド１に対し
て通電を行うと、磁気コア４及びフラッパ５を周回する
１つの磁気回路が形成される。その結果、フラッパ５が
両脚部４ａの下端面に吸引され、流体の流れの方向が切
り換わる。また、ソレノイド１への通電を停止すると、
前記磁気回路が消失することによってフラッパ５が元の
位置に復帰する。その結果、流体の流れの方向が初期状
態に切り換わる。

【００１９】次に、図２に基づいて、巻線２における各
部の最適な寸法を決定する方法を説明する。なお、ここ
でいう最適な寸法とは、ケース３の断面積を一定とした
場合に、少なくとも従来品と同程度以上の起磁力を確保
しうるために必要な寸法を意味する。また、この種のソ
レノイド１では、設計変更の比較的容易なファクターで
ある、巻外径及び巻内径を決定する方法を主目的とする
ものである。よって、いわばこれらのファクターのみが
算出されるべき変数であり、その他のファクターは定数
であると捉えることもできる。

【００２０】図２の表の上欄左側には巻線の基本形が概
略的に示されており、それには各部の寸法を示す記号が
付されている。図２の表の上欄中央には巻線を１つとし
た従来のソレノイドが、その上欄右側には巻線２を２つ
とした本実施形態のソレノイド１が概略的に示されてい
る。説明の便宜上、前者を１軸型のソレノイドと呼び、
後者を２軸型のソレノイド１と呼ぶことにする。そし
て、これらについても同様に、各部の寸法を示す記号が
付されている。

【００２１】巻線の基本形に付された記号ａの示す部分
の長さは「巻内径」として定義される。また、記号ｂの
示す部分の長さは「巻代」として定義され、記号ｃの示
す部分の長さは「巻長さ」として定義される。

【００２２】従来例である１軸型に付された記号ｂ₁ の
示す部分の長さは、この巻線における巻代として定義さ
れる。記号ａ及び記号ｃについては、前記の通りであ
る。記号Ｄ₁ の示す部分の長さは、「巻外径（より詳細
には、ある大きさのケース３内に収容しうる巻線の最大
巻外径）」として定義される。従って、巻外径Ｄ₁ はケ
ース３の１辺の長さと等しくなる。即ち、このときには
巻線がケース３の内壁面にほぼ内接した状態となるから
である。なお、巻外径Ｄ₁ は、｛（巻代ｂ₁ ）×２｝＋
（巻内径ａ）に等しくなっている。

【００２３】実施形態である２軸型に付された記号ｂ₂
の示す部分の長さは、この巻線２における巻代として定
義される。記号ａ及び記号ｃについては、前記の通りで
ある。記号Ｄ₂ の示す部分の長さは、「巻外径」として
定義される。また、記号ｔの示す部分の長さは、２つあ
る巻線２間の絶縁距離として定義される。なお、巻外径
Ｄ₂ のとりうる最大の値（最適の値）は、 Ｄ₂ ＝（√２Ｄ₁ −ｔ）／（√２＋１） …（１） という式１で表される。換言すると、Ｄ₂ はＤ₁ の関数
であると把握することができる。

【００２４】さらに、図２の表の下欄には、上述した記
号以外のものの説明がなされている。即ち、ｄ₁ は１軸
型にしたときのマグネットワイヤ径、ｄ₂ は２軸型にし
たときのマグネットワイヤ径である。Ｔ₁ は１軸型にし
たときの巻数、Ｔ₂ は２軸型にしたときの巻数である。
γは絶縁皮膜の厚さであり、αは導体抵抗に係わる定数
である。Ｗは消費電力、Ｖは電圧、Ｒは巻線抵抗、Ａは
電流である。さらに、Ａ×Ｔ₁ は１軸型のソレノイドの
起磁力を表し、Ａ×Ｔ₂ は２軸型のソレノイド１の起磁
力を表す。

【００２５】そして、消費電力Ｗ（電流Ａ）を一定とし
たときに、次式２、 Ａ×Ｔ₂ ≧Ａ×Ｔ₁ …（２） となるようにするためには、各部の寸法が下記の３つの
式を満たすように設定されることが要求される。即ち、 （ａ＋ｂ₂ ）／（ａ＋ｂ₁ ）≦ｄ₂ ² ／ｄ₁ ² …（３） ｂ₂ ＝（Ｄ₂ −ａ）／２ …（４） ｂ₁ ＝（Ｄ₁ −ａ）／２ …（５） 次に、これらの式３〜５のうち特に式３が導かれる過程
を説明する。まず、式２の両辺をＡで割った式６、即
ち、 Ｔ₂ ≧Ｔ₁ …（６） に各部の寸法（巻代、巻長さ、マグネットワイヤ径及び
絶縁皮膜の厚さ）を代入すると、次式７のようになる。

【００２６】

【数１】 また、両者の巻線抵抗は等しいということを示す式８、
即ち、 Ｒ₂ ＝Ｒ₁ …（８） に各部の寸法（巻代、巻長さ、マグネットワイヤ径な
ど）等を代入すると、次式９，１０が成り立つ。

【００２７】

【数２】 そして、前記式７，式１０の結果より、上記の式３が導
かれることになる。次に、前記式３の右辺にあるｄ₁ ，
ｄ₂ について考えてみる。消費電力Ｗを表す一般式１１
は、次のように表現される。

【００２８】Ｗ＝Ｖ² ／Ｒ …（１１） この式１１について、Ｒが左辺となるように変形する
と、次式１２、 Ｒ＝Ｖ² ／Ｗ …（１２） となる。

【００２９】前式１２に、まず、式９の右辺（１軸型の
ときのＲ₁ の値）を代入しかつｄ₁について解くと、次
式１３〜１６のようになる。

【００３０】

【数３】 同様にして、前式１２に、式９の左辺（２軸型のときの
Ｒ₂ の値）を代入しかつｄ₂ について解くと、次式１７
〜２０のようになる。

【００３１】

【数４】 以上の結果、ｄ₁ ，ｄ₂ は巻内径ａの関数であると把握
することができる。そして、これまでの計算結果を総合
すると、算出したい値である巻内径ａも、Ｄ₁の関数に
なることがわかる。換言すると、ケース３の１辺の長さ
に相当するＤ₁の値があらかじめ決まっていれば、起磁
力Ａ×Ｔ₂ を増大しうる最適な巻内径ａの値を算出する
ことができるということになる。勿論、Ｄ₂ もＤ₁ の関
数であることから、起磁力を増大しうる最適な巻外径Ｄ
₂ の値も同様に算出することができる。

【００３２】図３には、ある条件下における巻内径ａを
変更したときの起磁力Ａ×Ｔの計算結果を示すグラフが
示されている。同グラフにおいて、プロットされた複数
の○地点を結ぶ線分Ｓ1 は、実施形態である２軸型のソ
レノイド１の起磁力Ａ×Ｔ₂を示している。また、プロ
ットされた複数の■地点を結ぶ線分Ｓ2 は、従来例であ
る１軸型のソレノイドの起磁力Ａ×Ｔ₁ を示している。
これらの線分Ｓ1 ，Ｓ2 は、いずれも右側に傾斜してい
る。しかし、線分Ｓ1 の傾斜のほうが線分Ｓ1の傾斜よ
りも大きいことから、両線分Ｓ1 ，Ｓ2 は１点において
交差する。従って、Ｄ₁ の値があらかじめ決まっている
場合には、線分Ｓ1 ，Ｓ2 が交差するときの巻内径ａ_cp
の値よりも小さくなるように、ａの値を設定すればよい
ことになる。同グラフの条件によると、ａ≦４．５mmで
あればよいことがわかる。

【００３３】さて、以上詳述したように、本実施形態で
は、略筒状に巻回された２つの巻線２を立方体状のケー
ス３内に並列に収容した、いわゆる２軸型の構成を採っ
ている。このため、従来通りの大きさのケース３を使用
した場合であっても、巻線を１つとした１軸型のときに
比べて、巻数Ｔ₂ をより多く確保することができる。ゆ
えに、小型であってしかも従来より起磁力Ａ×Ｔ₂ の大
きなソレノイド１を実現することが可能である。そのた
め、このようなソレノイド１を使用した電磁弁は、極め
て高性能なものとなる。

【００３４】また、本実施形態では、巻線２の中心軸線
Ｃ1 が、ケース対角線Ｌ1 のうちの１つの上を通るよう
に配置されている。そして、このような配置方法である
と、仮にケース３の１辺に対して平行に配置した場合に
比べて、より大きな巻外径Ｄ ₂ を設定することができ
る。このことは多くの巻数Ｔ₂ の確保につながり、ひい
ては起磁力Ａ×Ｔ₂ の増大に貢献することになる。

【００３５】さらに、本実施形態では、ボビン６の貫通
孔６ａに、略Ｕ字状をした１本の磁気コア４の両脚部４
ａがそれぞれ挿通されている。このため、仮に磁気コア
４（または磁気フレーム）を個々の巻線２毎に設ける構
成を採った場合に比べて、ケース３の小型化に適してい
る。これは、ケース２内における余剰空間（即ち、２つ
の巻線２が占めていない空間）に、磁気コア４（または
磁気フレーム）を設置するための空間を確保する必要が
ないことによる。なお、このことはケース３の容積から
受ける制約がいっそう小さくなるということを意味す
る。また、前記のような略Ｕ字状の磁気コア４の使用
は、部品点数の削減にもつながる。

【００３６】また、本実施形態では、上述した計算結果
を基に巻線２の巻外径Ｄ₂ 及び巻内径ａを算出すること
によって、起磁力Ａ×Ｔ₂ の増大にとって最適な寸法を
容易にかつ確実に設定することができる。

【００３７】なお、本発明は例えば次のように変更する
ことが可能である。 （１）図４に示される別の実施形態のソレノイド９のよ
うに、ケース３内に４つの巻線２を並列に収容した構成
であってもよい。なお、このソレノイド９では、ケース
対角線Ｌ1 のうちの１本の上に２個、他の１本の上に２
個、巻線２の中心軸線Ｃ1 が配置されている。以上の構
成であっても、前記実施形態と同様の作用効果を奏する
ことはいうまでもない。また、巻線２は３つ、または５
つ以上であってもよい。

【００３８】（２）巻線２の各部の寸法（特に巻外径Ｄ
₂ や巻内径ａ等）は、前記実施形態や別の実施形態のよ
うに必ずしも同一の寸法でなくてもよい。ただし、同一
の寸法にすることは、部品共通化や最適寸法の計算等が
容易になるという点において有利である。

【００３９】（３）ケース３の断面形状は、前記実施形
態等のように必ずしも略正方形状でなくてもよく、例え
ば長方形状などであってもよい。 （４）勿論、各々の巻線２毎に磁気コア４（または磁気
フレーム）を設けてもよい。

【００４０】ここで、特許請求の範囲に記載された技術
的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される
技術的思想をその効果とともに以下に列挙する。 （１） 請求項１において、前記巻線は４つであり、そ
れらの中心軸線はケース対角線上を通るように配置され
ているソレノイド。この構成であると、小型であって起
磁力の大きなソレノイドを提供できる。

【００４１】なお、本明細書中において使用した技術用
語を次のように定義する。 「ケース対角線： ケースを横切りしたときにできる矩
形において対向する２組のコーナー部を結ぶ２本の線分
をいう。」

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜４に記
載の発明によれば、小型であって起磁力の大きなソレノ
イドを提供することができる。請求項２，３，４に記載
の発明によれば、より確実に小型化・起磁力の増大を図
ることができる。請求項５に記載の発明によれば、小型
であって起磁力の大きなソレノイドを使用していること
から、高性能な電磁弁を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は一実施形態の電磁弁を示す概略断面
図、（ｂ）はその概略平面図、（ｃ）はそれに使用され
る巻線を示す斜視図。

【図２】各部の寸法を説明するための表。

【図３】巻内径ａを変更したときの起磁力Ａ×Ｔの計算
結果を示すグラフ。

【図４】別の実施形態の電磁弁を示す概略断面図、
（ｂ）はそれに使用される巻線を示す斜視図。

【図５】従来例を示す概略断面図、（ｂ）はその概略平
面図、（ｃ）はそれに使用される巻線を示す斜視図。

【符号の説明】

１，９…ソレノイド、２…巻線、３…ケース、４…固定
鉄心としての磁気コア、６ａ…中央孔としてのボビンの
貫通孔、弁部…８、Ｃ1 …中心軸線、Ｌ1 …ケース対角
線。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】略筒状に巻回された複数の巻線（２）を立
   方体状のケース（３）内に並列に収容したソレノイド。
2. 【請求項２】前記巻線（２）は２つであり、それらの中
   心軸線（Ｃ1 ）はケース対角線（Ｌ1 ）のうちの１つの
   上を通るように配置されている請求項１に記載のソレノ
   イド。
3. 【請求項３】前記２つの巻線（２）の中心孔（６ａ）に
   は、略Ｕ字状をした１本の固定鉄心（４）の両脚部（４
   ａ）がそれぞれ挿通されている請求項１または２に記載
   のソレノイド。
4. 【請求項４】前記２つの巻線（２）の各部の寸法は、下
   記の式を満たすように設定されている請求項３に記載の
   ソレノイド。 （ａ＋ｂ₂ ）／（ａ＋ｂ₁ ）≦ｄ₂ ² ／ｄ₁ ² ｂ₂ ＝（Ｄ₂ −ａ）／２ ｂ₁ ＝（Ｄ₁ −ａ）／２ 〔ａ：巻内径，Ｄ₁ ：巻線を１つとしたときの巻外径，
   Ｄ₂ ：巻線を２つとしたときの巻外径，ｂ₁ ：巻線を１
   つとしたときの巻代，ｂ₂ ：巻線を２つとしたときの巻
   代，ｄ₁ ：巻線を１つとしたときのマグネットワイヤ
   径，ｄ₂ ：巻線を２つとしたときのマグネットワイヤ
   径〕
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１項に記載のソ
   レノイド（１，９）と、前記ソレノイド（１，９）によ
   って駆動される弁体が流体流路内に設けられた弁部
   （８）とを備えた電磁弁。