ソレノイドとは？用途・種類とモータとの違いを解説

ソレノイドというのは、コイルを含む電磁機能部品で、電気エネルギーを直線運動などの機械的な動きに変換するものです。機構エンジニアの方には「プランジャ1を電気の力で動かす部品」、回路エンジニアの方には「コイルに電流を流して鉄芯を動かす部品」、あるいは「電気接点を持たないリレー2に近い、電気で動く機構部品」のようなものだと思っていただくとわかりやすいかもしれません。

*1：プランジャ（plunger：往復運動する機構部品）

*2：リレー（relay：電気信号でオンオフするスイッチ、継電器）

具体的には、銅線を巻いたコイルの中で可動式のピンや鉄芯が動く仕組みになっています。基本構造は電磁石と同じです（図1）。

◀図1：ソレノイドの原理

ソレノイド（solenoid）という名は、ギリシャ語のsōlēn（管、筒）に由来すると言われています。電気の分野では、銅線をぐるぐると巻いたものを一般にコイルと呼んでいるわけですが、他にもインダクタやリアクタなどと呼ぶ場合もあり、おっしゃるようにソレノイドと称することもあるため、意味が通じにくいこともあるようです。ソレノイドという言葉自体には機構的な意味を含まないのでわかりにくいのですが、メカトロニクスの世界では、ソレノイドと言えば巻線部を含めた電磁機能部品そのものを意味します。

ソレノイドは、用途や動かしたい方向に応じて適した種類を選ぶことが大切です。そのため、品番を探す前に、まずはソレノイドの種類を知っておく必要があります。ソレノイドは家電品からOA機器、FA機器、金融端末、電子錠など、さまざまな用途で使用されています。例えば、自販機で釣り銭の硬貨を出す場合、積み重なった硬貨を電気信号によって一枚ずつはじき出す機構が必要になりますよね。そこにソレノイドが使われています。車などにもたくさん搭載されています。

当然のことですが、用途が違えば形やサイズ、プランジャのストロークや力の大きさも異なります。プランジャ（ピン）の先端形状もさまざまなものがあります。

一般の小型ソレノイドの種類を動作形態で分けるとすると、基本になるのはプル型です。プル（pull：引く）型は、文字通り、通電することで可動部が引き込まれるタイプのことを言います。電磁石の性質として、通電（電流を流す）によって鉄芯が磁界内に引き込まれるからです。用途によっては、通電時にプランジャが飛び出す方が便利なことがあるので、巻線の反対側まで可動部の中心軸を伸ばし、飛び出るようにしたプッシュ（push：押し出す）タイプのものもよく使われます。応用的な動作形態のものとしては、通電によってピンが回転するロータリタイプ、リレーのようにヒンジ*3が上下するフラッパータイプなどがあります。

ひとつ注意したいのは、ソレノイドの種類によっては、内部にスプリングなどの復帰機構を持っていないという点です。したがって、例えば通電によって引き込まれたピンは、外部にそれを引き戻す機構が必要になる場合があります。また、通常のものは、通電によって引き込まれた（あるいは押し出された）ピンは、電流を切れば保持力を失います。引き込んだ（押し出た）状態を維持するには通電し続ける必要があるわけですが、内部に永久磁石を組み込むことでラッチ*4機能を持たせたものもあります。

*3：ヒンジ（hinge：蝶番［ちょうつがい］状の可動機構）

*4：ラッチ（latch：自己保持機能。この機能を持ったソレノイドは駆動法が他と異なる）

ソレノイドの選択に当たっては、これらの種類から使用目的にふさわしいものを決めた上で、形状などの機械的要素から品種を選んでいくことになります。ソレノイドは磁界によってピンを動かしているので、原理上、ピンが巻線部から離れるにしたがって吸引力が弱くなる傾向があることも覚えておいてください。

◀図2：ソレノイドの実例

左：押し出し用のプッシュピン、右：細長いシリンダタイプ

ソレノイドを安定して動かすには、駆動方式や電流供給能力、発熱、逆起電力に注意する必要があります。ソレノイドには、直流で駆動するもの、パルス信号で動かすもの、正弦波交流で駆動するものがあります。一般には直流で駆動するものが使われていますが、交直両用のものもあります。いずれにせよ指定された駆動方式以外では使えません。仕様書で指定された定格電圧を加えれば動作するのはもちろんです。ただし、流れる電流とそれに伴う作用については設計上十分な配慮が必要です。ソレノイドは、半導体など一般の電子部品に比べて大きな電流が流れます。したがって、駆動回路には十分な電流供給能力があることが前提になります。

次に、電流が流れることでソレノイド自身が発熱します。加えた電圧×流れた電流＝消費電力で、その多くが熱になります。したがって、ソレノイドが過熱しない範囲で使うことが重要です。例えば、通電し続けて使えば温度上昇は大きくなりますが、一時的に動作（間欠動作）させるのであれば、温度上昇は小さく抑えられます。ちなみに、全時間に対する通電時間の割合を「通電率」と呼びます。先に述べたラッチタイプは、通電率が大きい場合に有利ということになります。

ソレノイドでは、発熱に伴って吸引力が低下します。温度の上昇→巻線の抵抗値増加→電流減少→磁力低下→吸引力低下という連鎖の結果によるものです。このことを考慮しないと、始め（低温時）は動くけれども、使っているうちに動かなくなるというトラブルを招きます。

仕様書には、個々のソレノイドについて電圧と電流、通電率、温度上昇、ストロークなどに関するデータが記載されているので、それらをもとにして最終的な機種選択と駆動回路設計をします。

◀図3：特性図の例

駆動に関しては、さらに逆起電力に対する配慮も必要です。ソレノイドの駆動コイルは、電流をオフした際に、それまで流れていた電流を維持しようとして逆起電力を発生します。オンするときではなく、特に注意したいのはオフするときです。直流駆動のソレノイドでは、オン時に大きな突入電流が流れるというより、オフ時の逆起電力に注意が必要です。ソレノイドはメカニカルなスイッチによってオンオフさせることが多いのですが、最近ではデジタル回路からの制御信号による半導体スイッチで制御する例も増えています。

この場合、ソレノイドの逆起電力によって半導体スイッチが破損してしまうことがあり、これを防ぐためには、直流駆動では巻線に並列に保護用のダイオードを入れるなどの対策が必要です（図4）。

なお、逆起電力がノイズとなって他の電子機器に影響を与えることも考えられるので、配線の引き回しなどにも気を配る必要があります。

◀図4：逆起電力からの保護