特開 2022-180933 クランプ用ソレノイドアクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022180933

(43)【公開日】2022-12-07

(54)【発明の名称】クランプ用ソレノイドアクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   H01F 7/16 20060101AFI20221130BHJP

【ＦＩ】

H01F7/16 Z

H01F7/16 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021087699

(22)【出願日】2021-05-25

(71)【出願人】

【識別番号】000005197

【氏名又は名称】株式会社不二越

(74)【代理人】

【識別番号】100120400

【弁理士】

【氏名又は名称】飛田 高介

(74)【代理人】

【識別番号】100124110

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 大介

(72)【発明者】

【氏名】川島 康聡

(72)【発明者】

【氏名】河原 寛之

(72)【発明者】

【氏名】松村 壌

【テーマコード（参考）】

5E048

【Ｆターム（参考）】

5E048AA08

5E048AA10

5E048AD02

(57)【要約】

【課題】クランプする対象物の大きさによらず、クランプ時のアーマチュアとコアの隙間を常に一定かつ最小とし、アーマチュアの吸引力を維持できるクランプ用ソレノイドアクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータ１００は、コイル１０４と、固定鉄心であるコア１０６と、コアに対向して配置され、コイルが励磁されるとコアに向かって移動する中空のアーマチュア１０８と、アーマチュアの内部に摺動可能に挿通され、対象物１０２に向かって移動して対象物をクランプするシャフト１１０と、シャフトに設けられ、シャフトからアーマチュアの内壁１２８に向かって張り出したフランジ１２０と、フランジとアーマチュアの底壁１３２との間に配置された第１の圧縮ばね１２２と、フランジとコアの間に配置された第２の圧縮ばね１２６と、アーマチュアがコアに接近し当接する前に、アーマチュアとシャフトの相対移動をロックするロック機構１２４とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の対象物をクランプするクランプ用ソレノイドアクチュエータであって、
通電状態で励磁されるコイルと、
固定鉄心であるコアと、
前記コアに対向して配置され、前記コイルが励磁されると該コアに向かって移動する中空のアーマチュアと、
前記アーマチュアの内部に摺動可能に挿通され、前記対象物に向かって移動して該対象物をクランプするシャフトと、
前記シャフトに設けられ、該シャフトから前記アーマチュアの内壁に向かって張り出したフランジと、
前記フランジと前記アーマチュアの底壁との間に配置された第１の圧縮ばねと、
前記フランジと前記コアの間に配置された第２の圧縮ばねと、
前記アーマチュアが前記コアに接近し当接する前に、前記アーマチュアと前記シャフトの相対移動をロックするロック機構と、を備えることを特徴とするクランプ用ソレノイドアクチュエータ。

【請求項2】

前記第１の圧縮ばねは、前記第２の圧縮ばねよりもバネ荷重が大きいことを特徴とする請求項１に記載のクランプ用ソレノイドアクチュエータ。

【請求項3】

前記ロック機構は、
前記コアの近傍に配置された転動体と、
前記アーマチュアに形成されたテーパ面とを有し、
前記アーマチュアと前記コアの間に所定の隙間を有する位置で、前記転動体が前記テーパ面と前記シャフトに当接し、楔作用によって前記アーマチュアと前記シャフトの相対移動をロックすることを特徴とする請求項１または２に記載のクランプ用ソレノイドアクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、所定の対象物をクランプするシャフトを有するクランプ用ソレノイドアクチュエータに関する。

【背景技術】

【0002】

一例としてソレノイドアクチュエータは、コイルと、固定鉄心（コア）と、可動鉄心（アーマチュア）とを有し、コアとアーマチュアを対向配置して、コイルを励磁すると、アーマチュアがコアに対する吸引力を発生してコアに接近する。アーマチュアの吸引力は磁力によるものであるから、コアとの隙間（ギャップ）が小さいほど大きくなる。

【0003】

特許文献１には、ソレノイドアクチュエータとして電磁弁装置が記載されている。この電磁弁装置は、コイルを埋設したコアと、コアに対設されて電磁力によりコアに着脱されるアーマチュアとを備え、アーマチュアに開閉弁を連結していて、コイルの電磁力によってアーマチュアがコアに接近すると開閉弁が閉じられる。

【0004】

この電磁弁装置では、コアのうちアーマチュアに対面する面を平面に形成し、さらに、アーマチュアのうちコアの平面に形成した面に小さな間隙をおいて対面する面を、凸状の球面または楕円球面に形成することにより、中心部間隙を外縁部間隙に比べて縮小している。

【0005】

特許文献１では、アーマチュアの面が凸状の球面に形成されているので、外縁部間隙は中心部間隙に比べて広くなる。このため、部品精度が低いためにアーマチュアがコアに対して傾いて取り付けられたとしても、アーマチュアがコアと干渉しない。すなわち同じ傾き角に対してアーマチュアがコアと干渉するに至る間隙を小さくすることができ、アーマチュアの吸引力を増大させることができる、としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００５－２４０９８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１の電磁弁装置を、所定の対象物をクランプするシャフトを有するクランプ用ソレノイドアクチュエータに適用する場合、アーマチュアにシャフトを連結するという構成を採用することになる。しかし、このような構成では、対象物の大きさによってクランプ時でのコアとアーマチュアの隙間が異なり、大きな対象物をクランプすると隙間が大きくなるため、アーマチュアの吸引力が低下してしまう。

【0008】

本発明は、このような課題に鑑み、クランプする対象物の大きさによらず、クランプ時のアーマチュアとコアの隙間を常に一定かつ最小とし、アーマチュアの吸引力を維持できるクランプ用ソレノイドアクチュエータを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明にかかるクランプ用ソレノイドアクチュエータの代表的な構成は、所定の対象物をクランプするクランプ用ソレノイドアクチュエータであって、通電状態で励磁されるコイルと、固定鉄心であるコアと、コアに対向して配置され、コイルが励磁されるとコアに向かって移動する中空のアーマチュアと、アーマチュアの内部に摺動可能に挿通され、対象物に向かって移動して対象物をクランプするシャフトと、シャフトに設けられ、シャフトからアーマチュアの内壁に向かって張り出したフランジと、フランジとアーマチュアの底壁との間に配置された第１の圧縮ばねと、フランジとコアの間に配置された第２の圧縮ばねと、アーマチュアがコアに接近し当接する前に、アーマチュアとシャフトの相対移動をロックするロック機構と、を備えることを特徴とする。

【0010】

上記構成では、所定の対象物をクランプするシャフトが、コアに対向配置された有底円筒の中空のアーマチュアの内部に摺動可能に挿通されている。さらに中空のアーマチュアの内部には、シャフトのフランジとアーマチュアの底壁との間に第１の圧縮ばねが配置され、フランジとコアとの間に第２の圧縮ばねが配置されている。

【0011】

このためコイルが励磁されると、まず、シャフトが対象物に接触していない状態では、コアとアーマチュアの間の吸引力が第１の圧縮ばねを介してフランジからシャフトに伝わる。そしてシャフトは、第２の圧縮ばねを主に圧縮しながらアーマチュアと一体になって対象物に向かって繰り出される。

【0012】

つぎに、シャフトが対象物に接触すると、シャフトの移動が停止するため、フランジとコアの間に配置された第２の圧縮ばねはそれ以上圧縮されない。しかし、アーマチュアに対してシャフトが摺動可能であり、両部材は互いに一体に固定されていない。このため、アーマチュアのみが第１の圧縮ばねを圧縮しながらコアにさらに接近することができる。つまり、コイルとアーマチュアの間の吸引力が第１の圧縮ばねを介してフランジからシャフトに伝わって、シャフトの押圧力となる。

【0013】

ここでクランプの対象物の大きさが変わるとシャフトのストローク（繰り出し量）が変わることになる。しかし上記構成によれば、対象物の大きさによらず、アーマチュアは常にコアにぎりぎりのところまで接近することができる。このため、対象物をクランプしているときの、アーマチュアとコアの隙間を最少かつ一定にすることができ、アーマチュアの吸引力は最大かつ一定に維持することができる。また上記構成では、ロック機構により、アーマチュアがコアに接近し当接する前に、アーマチュアとシャフトの相対移動をロックすることにより、アーマチュアとコアとの最少の隙間を規定することができる。

【0014】

上記の第１の圧縮ばねは、第２の圧縮ばねよりもバネ荷重が大きいとよい。

【0015】

まず、コイルが励磁され、シャフトが対象物に接触していない状態では、シャフトを対象物に向かって繰り出すだけでよい。このため、第１の圧縮ばねよりもバネ荷重が小さい第２の圧縮ばねを主に圧縮すれば、シャフトをアーマチュアと一体に容易に繰り出すことができる。

【0016】

一方、シャフトが対象物に接触すると、アーマチュアのみが第１の圧縮ばねを圧縮しながらコアにさらに接近する。このとき、コイルとアーマチュアの間の吸引力が第１の圧縮ばねを介してフランジからシャフトに伝わって、シャフトの押圧力となる。このため、第２の圧縮ばねよりもバネ荷重が大きい第１の圧縮ばねを圧縮することで、シャフトの押圧力を高めて対象物を確実にクランプすることができる。

【0017】

上記のロック機構は、コアの近傍に配置された転動体と、アーマチュアに形成されたテーパ面とを有し、アーマチュアとコアの間に所定の隙間を有する位置で、転動体がテーパ面とシャフトに当接し、楔作用によってアーマチュアとシャフトの相対移動をロックするとよい。

【0018】

上記構成では、アーマチュアとコアの間に所定の隙間を有する位置で、転動体がアーマチュアのテーパ面とシャフトに当接する。なお所定の隙間とは、ロック機構によって規定されるアーマチュアとコアとの最少の隙間である。このため、シャフトが対象物に接触した状態で、アーマチュアの吸引力は、第１の圧縮ばねを介してフランジからシャフトに伝わるだけでなく、アーマチュアのテーパ面から転動体を介してシャフトに伝わることになる。

【0019】

つまり上記構成では、アーマチュアの吸引力がこれら２つの経路からシャフトに伝わって、シャフトの押圧力になるため、大きな押圧力で対象物を確実にクランプすることができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、クランプする対象物の大きさによらず、クランプ時のアーマチュアとコアの隙間を常に一定かつ最小とし、アーマチュアの吸引力を維持できるクランプ用ソレノイドアクチュエータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施形態におけるクランプ用ソレノイドアクチュエータの全体構成図である。

【図2】図１のアクチュエータの動作を説明する図である。

【図3】図２（ｃ）のアクチュエータのロック機構の周辺を拡大して示す図である。

【図4】図１のアクチュエータのシャフトストロークに対するクランプ時の吸引力を従来品と比較した図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0023】

図１は、本発明の実施形態におけるクランプ用ソレノイドアクチュエータ（以下、アクチュエータ１００）の全体構成図である。アクチュエータ１００は、所定の対象物１０２（図２参照）をクランプする装置であって、円筒状のコイル１０４と、固定鉄心であるコア１０６と、アーマチュア１０８と、シャフト１１０とを備える。コイル１０４は、筒状のボディ１１２内に配置されていて、通電状態で励磁される。図中では、コイル１０４が非励磁である初期状態を示している。

【0024】

コア１０６は、シャフト１１０を挿通する円環状の部材であって、基部１１４と対向部１１６とを有する。基部１１４は、図示のようにボディ１１２の側壁１１８に保持され、さらにスリーブ１１９に固定されている。対向部１１６は、基部１１４からコイル１０４の内側に延長された部位であり、アーマチュア１０８に対向している。

【0025】

アーマチュア１０８は、シャフト１１０を挿通する有底円筒の中空の可動鉄心であって、コア１０６に対向して配置されている。アクチュエータ１００では、コイル１０４が励磁されると、コア１０６とアーマチュア１０８の間の吸引力によって、アーマチュア１０８がコア１０６に接近するように可動する。アーマチュア１０８の吸引力は、磁力によるものであるから、コア１０６との隙間（ギャップ）が小さいほど大きくなる。

【0026】

シャフト１１０は、中空のアーマチュア１０８の内部に摺動可能に挿通されている。つまり、シャフト１１０とアーマチュア１０８は、一体に固定されていない。またシャフト１１０は、対象物１０２に向かって移動して対象物１０２をクランプする。このため、クランプの対象物１０２の大きさが変わると、シャフト１１０のストローク（繰り出し量）が変わることになる。

【0027】

アクチュエータ１００はさらに、フランジ１２０と、第１の圧縮ばね１２２と、ロック機構１２４と、第２の圧縮ばね１２６とを備える。フランジ１２０は、シャフト１１０に設けられ、シャフト１１０からアーマチュア１０８の内壁１２８に向かって張り出している。またシャフト１１０には、アーマチュア１０８の底壁１３２の外側にストッパ１３０が設けられている。

【0028】

第１の圧縮ばね１２２は、フランジ１２０とアーマチュア１０８の底壁１３２との間に配置されていて、第２の圧縮ばね１２６よりもバネ荷重が大きい。ロック機構１２４は、転動体１３４と、アーマチュア１０８の内径側に形成されたテーパ面１３６とを有し、後述するが、アーマチュア１０８がコア１０６に接近し当接する前に、アーマチュア１０８とシャフト１１０の相対移動をロックする。

【0029】

転動体１３４は、スリーブ１１９にねじ止めされたリテーナ１３８に保持されている。またリテーナ１３８とコア１０６との間には、リング１４０とばね１４２が配置されている。転動体１３４は、ばね１４２によってリング１４０を介してアーマチュア１０８に向かって押圧されている。そしてリング１４０は、リテーナ１３８から脱落しないように転動体１３２を保持している。

【0030】

またリテーナ１３８の先端部１４４は、中空のアーマチュア１０８の内部に位置していて、第２の圧縮ばね１２６に接している。つまり、第２の圧縮ばね１２６は、フランジ１２０とコア１０６の間であって、より具体的には、フランジ１２０とリテーナ１３８の先端部１４４との間に配置されている。

【0031】

ここでアクチュエータ１００は、コイル１０４が非励磁である図１の初期状態において、第２の圧縮ばね１２６の反発力によってアーマチュア１０８がコア１０６から離れるように押圧されている。このため、アクチュエータ１００は、初期状態でコア１０６の対向部１１６とアーマチュア１０８の端面１４６との隙間（以下、コア１０６とアーマチュア１０８の隙間）が最大寸法Ｌａとなっている。このときストッパ１３０は、図示のようにアーマチュア１０８の底壁１３２とボディ１１２に接している。

【0032】

図２は、図１のアクチュエータ１００の動作を説明する図である。図２（ａ）に示すアクチュエータ１００は、図１と同様にコイル１０４が非励磁である初期状態であり、コア１０６とアーマチュア１０８の隙間が最大寸法Ｌａになっている。またアクチュエータ１００では、対象物１０２をクランプするために、シャフト１１０のストローク（シャフト１１０の先端から対象物１０２までの距離）が寸法Ｓであるとする。

【0033】

アクチュエータ１００は、コイル１０４が励磁されると、まず、図２（ａ）に示すシャフト１１０が対象物１０２に接触していない状態では、コア１０６とアーマチュア１０８の間の吸引力が第１の圧縮ばね１２２を介してフランジ１２０からシャフト１１０に伝わる。そしてシャフト１１０は、第１の圧縮ばね１２２よりもバネ荷重が小さい第２の圧縮ばね１２６を主に圧縮しながら、アーマチュア１０８と一体になって対象物１０２に向かって繰り出される。

【0034】

このようにコイル１０４が励磁され、シャフト１１０が対象物１０２に接触していない状態では、シャフト１１０を対象物１０２に向かって繰り出すだけでよい。このため、第１の圧縮ばね１２２よりもバネ荷重が小さい第２の圧縮ばね１２６を主に圧縮すれば、シャフト１１０をアーマチュア１０８と一体に容易に繰り出すことができる。

【0035】

図２（ｂ）は、シャフト１１０が繰り出されて対象物１０２に接触した状態を示している。このとき、シャフト１１０のストロークは寸法Ｓであるため、図示のようにシャフト１１０に設けられたストッパ１３０とボディ１１２との距離も寸法Ｓとなる。そして、コア１０６とアーマチュア１０８の隙間は、最大寸法Ｌａより寸法Ｓだけ小さい寸法Ｌｂとなる。

【0036】

図２（ｂ）に示すようにシャフト１１０が対象物１０２に接触すると、シャフト１１０の移動が停止するため、フランジ１２０とコア１０６の間に配置された第２の圧縮ばね１２６はそれ以上圧縮されない。しかしアクチュエータ１００では、アーマチュア１０８に対してシャフト１１０が摺動可能であり、両部材は互いに一体に固定されていない。

【0037】

このため、アーマチュア１０８のみが第１の圧縮ばね１２２を圧縮しながら、コア１０６にさらに接近することができる（図２（ｃ）参照）。つまり、コア１０６とアーマチュア１０８の間の吸引力が第１の圧縮ばね１２２を介してフランジ１２０からシャフト１１０に伝わって、シャフト１１０の押圧力となる。このように、第２の圧縮ばね１２６よりもバネ荷重が大きい第１の圧縮ばね１２２を圧縮することで、シャフト１１０の押圧力を高めて対象物１０２を確実にクランプすることができる。

【0038】

図２（ｃ）は、シャフト１１０の押圧力により対象物１０２をクランプしたクランプ状態を示している。このとき、コア１０６とアーマチュア１０８の隙間は、図２（ｂ）の寸法Ｌｂよりも第１の圧縮ばね１２２が圧縮した分だけ小さい最小寸法Ｌｃとなる。この隙間の最小寸法Ｌｃは、ロック機構１２４によって規定されている。

【0039】

図３は、図２（ｃ）のアクチュエータ１００のロック機構１２４の周辺を拡大して示す図である。ロック機構１２４では、図示のようにアーマチュア１０８とコア１０６の間に所定の隙間すなわち最小寸法Ｌｃの隙間を有する位置で、転動体１３４がアーマチュア１０８のテーパ面１３６とシャフト１１０に当接する。これにより、ロック機構１２４は、楔作用によってアーマチュア１０８とシャフト１１０の相対移動をロックする。

【0040】

したがって、図２（ｃ）に示すシャフト１１０が対象物１０２をクランプしたクランプ状態において、アーマチュア１０８の吸引力は、圧縮された第１の圧縮ばね１２２を介してフランジ１２０からシャフト１１０に内圧として伝わるだけでなく、アーマチュア１０８のテーパ面１３６から転動体１３４を介してシャフト１１０に伝わることになる。

【0041】

つまりアクチュエータ１００では、クランプ状態において、アーマチュア１０８の吸引力がこれら２つの経路からシャフト１１０に伝わって、シャフト１１０の押圧力になるため、大きな押圧力で対象物１０２を確実にクランプすることができる。

【0042】

このようにアクチュエータ１００によれば、対象物１０２の大きさによらず、アーマチュア１０８は常にコア１０６にぎりぎりのところまで接近することができる。このため、アクチュエータ１００では、対象物１０２をクランプしているときの、アーマチュア１０８とコア１０６の隙間を最少かつ一定にすることができ、アーマチュア１０８の吸引力を最大かつ一定に維持することができる。

【0043】

また図３に示すようにロック機構１２４は、アーマチュア１０８がコア１０６に接近し当接する前に、アーマチュア１０８とシャフト１１０の相対移動をロックすることにより、アーマチュア１０８とコア１０６との最少の隙間を規定することができる。

【0044】

図４は、図１のアクチュエータ１００のシャフトストロークに対するクランプ時の吸引力を従来品と比較した図である。図中、横軸をシャフトストロークとし、縦軸をクランプ時のアーマチュア１０８の吸引力とした。

【0045】

図中のグラフＡは、本実施例のアクチュエータ１００を示している。一方、グラフＢは、従来品のアクチュエータを示している。従来品は、アーマチュアとシャフトが一体に固定されているものである。このため、クランプの対象物の大きさに応じてシャフトストロークが変わると、従来品では、シャフトストロークに応じてコアとアーマチュアの隙間も変わってしまう。なお横軸のＰａ、Ｐｂは、シャフトストロークが最大、最少となるときを示している。すると従来品においては、コアとアーマチュアの隙間（ギャップ）が最小、最大となるシャフトストロークを意味している。そしてＰａからＰｂまでの範囲が、使用ストローク範囲となる。

【0046】

まず従来品のグラフＢでは、ストロークが大きいＰａのときコアとアーマチュアの隙間は小さく、吸引力は大きくなる。逆にストロークが小さいＰｂのときコアとアーマチュアの隙間は大きく、吸引力は小さくなる。このように従来品は、グラフＢに示すように大きな対象物をクランプすると隙間が大きくなるため、磁力による吸引力は距離の二乗に反比例するから、アーマチュアの吸引力が大幅に低下してしまうことが明らかである。

【0047】

一方、本実施例のアクチュエータ１００は、上記したように対象物１０２の大きさによらず、アーマチュア１０８は常にコア１０６にぎりぎりのところまで接近することができる（図２（ｃ）のＬｃ）。その結果、アクチュエータ１００では、クランプ時のアーマチュア１０８とコア１０６の隙間を最少かつ一定にすることができ、グラフＡから明らかなように、アーマチュア１０８の吸引力を最大かつほぼ一定に維持することができる。ただし、アクチュエータ１００では、シャフトストロークが小さいと第１の圧縮ばね１２２がより圧縮される。このため、第１の圧縮ばね１２２の反発力によってアーマチュア１０８がコア１０６から離れるように押圧され、その結果、アーマチュア１０８の吸引力がわずかながら減少していく。

【0048】

なおアクチュエータ１００では、シャフト１１０、転動体１３４およびアーマチュア１０８に表面処理を施すなどして硬度を上げることにより、ロック機構１２４による楔の耐久性を高めてもよい。またロック機構１２４で用いられる転動体１３４は、３個以上であれば適宜の数であってもよい。さらに転動体１３４の形状はボールやローラ形状などであってもよい。

【0049】

また第１の圧縮ばね１２２および第２の圧縮ばね１２６を小型化して、その分、アーマチュア１０８の端面１４６すなわち吸着面積を確保することにより、アーマチュア１０８の吸引力を高めるようにしてもよい。さらにリテーナ１３８をねじ止めによりスリーブ１１９に固定したが、これに限られず、圧入によって位置決めしてもよい。

【0050】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【産業上の利用可能性】

【0051】

本発明は、所定の対象物をクランプするシャフトを有するクランプ用ソレノイドアクチュエータとして利用することができる。

【符号の説明】

【0052】

１００…クランプ用ソレノイドアクチュエータ、１０２…対象物、１０４…コイル、１０６…コア、１０８…アーマチュア、１１０…シャフト、１１２…ボディ、１１４…コアの基部、１１６…コアの対向部、１１８…ボディの側壁、１１９…スリーブ、１２０…フランジ、１２２…第１の圧縮ばね、１２４…ロック機構、１２６…第２の圧縮ばね、１２８…アーマチュアの内壁、１３０…ストッパ、１３２…アーマチュアの底壁、１３４…転動体、１３６…アーマチュアのテーパ面、１３８…リテーナ、１４０…リング、１４２…ばね、１４４…リテーナの先端部、１４６…アーマチュアの端面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】