JP2018163997A

JP2018163997A - アクチュエータおよび磁気回路

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Publication number: JP2018163997A
Application number: JP2017060422A
Authority: JP
Inventors: 祥宏水野; Sachihiro Mizuno; 英滋土屋; Eiji Tsuchiya
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: JP6834669B2

Abstract

【課題】電磁力を利用したアクチュエータにおいて、アーマチャを動作させるときの電力を抑える。【解決手段】アクチュエータ１０は、ヨーク１２と、ヨーク１２に対して吸着および解放可能なアーマチャ１４と、第１永久磁石１６と、ヨーク、アーマチャおよび第１永久磁石を含む磁気回路に磁束を生じさせるコイル２０と、アーマチャ１４を、ヨーク１２から解放する方向に付勢する解放ばね１８を有する。第１永久磁石１６は、アーマチャ１４がヨーク１２から解放されることで磁束密度が不可逆的に低下し、アーマチャの解放状態が維持される。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁石と永久磁石の磁力を利用して動作するアクチュエータおよびこのアクチュエータに利用可能な磁気回路に関する。

電磁石と永久磁石の磁力を利用して、ヨークに対してアーマチャを吸着および解放制御をするアクチュエータが知られている。下記特許文献１には、ヨーク（１３）と、ヨーク（１３）に吸着、解放されるアーマチャ（３１）が示されている。アーマチャ（３１）は、第１および第２の永久磁石（１６，１７）の磁力により吸着状態に維持される。アーマチャ（３１）が吸着状態にあるときに、コイル（１１）へのパルス状の通電によって第２の永久磁石（１７）の磁性が反転して、アーマチャ（３１）を吸着する力が失われる。そして、アーマチャ（３１）は、解放ばね（３２）によりヨーク（１３）から解放される。なお、( ）内の符号は、下記特許文献１で用いられている符号であり、本願の実施形態の説明で用いられる符号とは関連しない。

特開平１−３０３３３１号公報

永久磁石の磁性を反転させる磁束を発生させるためには、コイルに大きな電流を流す必要がある。

本発明は、アーマチャを解放するときの電力を低減することを目的とする。

本発明に係るアクチュエータは、ヨークと、ヨークに対して吸着および解放可能なアーマチャと、磁力によってアーマチャをヨークに吸着させる第１永久磁石と、ヨーク、アーマチャおよび第１永久磁石を含む磁気回路に磁束を生じさせるコイルと、アーマチャを、ヨークから解放する方向に付勢する解放ばねと、を有し、第１永久磁石は、アーマチャがヨークから解放されることで磁束密度が不可逆的に低下し、アーマチャの解放状態が維持される、アクチュエータである。

アーマチャがヨークに吸着されている状態で、コイルにより、第１永久磁石の磁束とは反対向きの磁束を発生させ、第１永久磁石の磁束の少なくとも一部を相殺し、解放ばねの付勢力が勝るようにする。アーマチャがヨークから解放することで第１永久磁石の磁束密度が不可逆的に低下し、解放ばねの付勢力によってアーマチャの解放状態が維持される。コイルにより発生させる磁束によって第１永久磁石の磁束を反転させる必要がないので、コイルに流す電流を少なくすることができる。

前記のアクチュエータにおいて、アーマチャがヨークから解放されることで第１永久磁石の動作点がクニック点を越えるようにすることができる。

さらに、前記のアクチュエータにおいて、アーマチャがヨークに吸着された状態のときに、コイルが、第１永久磁石の動作点がクニック点を越えない範囲で、第１永久磁石の磁束とは反対向きの磁束を磁気回路内に発生させ、解放ばねがアーマチャをヨークから解放するようにできる。

また、前記のアクチュエータにおいて、ヨーク、アーマチャおよび第１永久磁石を含む磁気回路に第２永久磁石を設けることができる。第２永久磁石は、アーマチャがヨークに吸着された状態においては第１永久磁石と並列状態にあり、第１永久磁石と共に磁力によりアーマチャをヨークに吸着させる。アーマチャがヨークから解放されると、第２永久磁石は、その磁束によって第１永久磁石の極性を反転させ、第１永久磁石と第２永久磁石とが直列状態となり、磁力はアーマチャに作用しない。

本発明に係る他の態様の磁気回路は、ヨークと、ヨークに対して吸着および解放可能なアーマチャと、磁力によってアーマチャをヨークに吸着させ、アーマチャがヨークから解放されることで磁束密度が不可逆的に低下する第１永久磁石と、を有する磁気回路である。

前記の磁気回路において、アーマチャがヨークから解放されることで第１永久磁石の動作点がクニック点を越えるようにすることができる。

さらに、前記の磁気回路において、アーマチャがヨークに吸着された状態のときに、第１永久磁石の動作点がクニック点を越えない範囲の、第１永久磁石の磁束とは反対向きの磁束が当該磁気回路内に発生すると、あらかじめ付与されていた付勢力によってアーマチャがヨークから解放されるようにできる。

また、前記の磁気回路は、第２永久磁石を更に有するものとでき、第２永久磁石は、アーマチャがヨークに吸着された状態においては第１永久磁石と並列状態にあり、第１永久磁石と共に磁力によりアーマチャをヨークに吸着させる。アーマチャがヨークから解放されると、第２永久磁石は、その磁束によって第１永久磁石の極性を反転させ、第１永久磁石と直列状態となり、磁力はアーマチャに作用しない。

本発明によれば、アーマチャをヨークから解放するとき、第１永久磁石の磁性を反転させる必要がなく、コイルに流す電流を少なくすることができる。

本実施形態のアクチュエータの構成を示す模式図である。ＢＨカーブの説明図である。異なる保持力の永久磁石のＢＨカーブの説明図である。アーマチャの動きと、磁力（Ｆ_Ma，Ｆ_Mb）およびアーマチャ必要駆動力（Ｆ_R）の関係を示す図である。他の実施形態のアクチュエータの構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態のアクチュエータ１０の構成を示す模式図である。（ａ）はヨーク１２にアーマチャ１４が吸着されて、接合している状態（以下、「吸着状態」と記す。）を示し、（ｂ）はヨーク１２からアーマチャ１４が解放されて、離間している状態（以下、「解放状態」と記す。）を示している。

ヨーク１２は、その中に配置された永久磁石１６と共に、略Ｕ字形の磁路を形成している。永久磁石１６は、保持力が小さく、極性を容易に反転させることができる磁石である。以降、永久磁石１６を、可変永久磁石１６と記す。可変永久磁石１６は、例えばアルニコ磁石とすることができる。アーマチャ１４は、ヨーク１２に対して吸着および解放可能である。アーマチャ１４は、解放ばね１８によってヨーク１２から離れる方向に付勢されている。この付勢力を「Ｆ_E」と記す。アーマチャ１４は、ヨーク１２に吸着されて接合しているとき、ヨーク１２のＵ字形の両端に接合し、ヨーク１２、アーマチャ１４、可変永久磁石１６により閉じた磁路が形成される。この閉じた磁路の内側を貫通するようにコイル２０が配置され、コイル２０は、ヨーク１２、アーマチャ１４、可変永久磁石１６により形成された磁気回路に磁束を生じさせることができる。

アーマチャ１４が吸着状態にあるとき、磁路が閉じているため、可変永久磁石１６は磁力を保持している。アーマチャ１４をヨーク１２に吸着するよう作用する磁力を「Ｆ_M」と記す。この磁力Ｆ_Mが解放ばね１８の付勢力Ｆ_Eに勝り、アーマチャ１４が吸着状態に維持される。アーマチャ１４が吸着状態にあるときに可変永久磁石１６により生じる磁束を「Φ」で示す。アーマチャ１４が吸着状態にあるとき、コイル２０に、可変永久磁石１６による磁束Φとは反対向きの磁束を発生させる電流を流し、磁束Φの少なくとも一部を相殺する。つまり、図１において、コイル２０に、紙面を裏側から表側に貫く方向に電流を流してヨーク１２およびアーマチャ１４により形成される磁路内に磁束を発生させ、可変永久磁石１６による磁束Φを減じる。磁束Φが減少することにより、解放ばね１８の付勢力Ｆ_Eが磁力Ｆ_Mを上回り、アーマチャ１４がヨーク１２から解放される。アーマチャ１４が解放されることで、磁路が開放して磁束Φが減少し、可変永久磁石１６は自己減磁する。つまり、可変永久磁石１６は、磁路が開放したとき自己減磁する特性を有する磁石である。

アーマチャ１４が解放状態にあるときには磁力Ｆ_Mが小さいか、または０であり、解放ばね１８の付勢力Ｆ_Eが勝った状態にある。このとき、コイル２０への通電を止めてもアーマチャ１４の解放状態が維持される。また、アーマチャ１４が振動など外部からの力によりヨーク１２に接近しても、磁力Ｆ_Mが小さいために、アーマチャ１４のヨーク１２への吸着が抑制される。また、鉄粉など磁性体の異物のヨーク１２への付着も抑制することができる。

アーマチャ１４を吸着するにはコイル２０に通電する。コイル２０に流れる電流により、ヨーク１２、アーマチャ１４および可変永久磁石１６により形成される磁気回路内に磁束が生じ、磁束により生じる磁力Ｆ_Mが解放ばね１８の付勢力Ｆ_Eより大きいとアーマチャ１４がヨーク１２に吸着される。また、このコイル２０に電流を流すことによって生じた磁束により、可変永久磁石１６が再び磁化される。アーマチャ１４がヨーク１２に吸着されると、磁束が維持されるため、可変永久磁石１６は自己減磁を起こさず、磁力が維持される。

アクチュエータ１０は、アーマチャ１４を吸着するとき、および解放するときにコイル２０に電流を流せば動作し、吸着状態および解放状態を維持するためにコイル２０に電流を流す必要がない。また、アーマチャ１４を解放する際、可変永久磁石１６の磁性を反転させる必要がなく、アーマチャ１４を解放するためにコイル２０流す電流を抑えることができる。

図２は、磁化曲線（ＢＨカーブ）を示す図である。縦軸が永久磁石の磁束密度、横軸が永久磁石に作用する磁界である。

永久磁石には自分自身の磁界によって自身の磁力を弱める反磁界が作用しているため、周囲の磁場が０であっても、そのときの永久磁石の動作点はＨ＜０の領域に位置している。このときの動作点を点ｐで示す。永久磁石の磁束とは逆向きの外部磁界を作用させると、その磁力に応じて動作点は横軸（Ｈ軸）の負の向きに移動する。このとき、磁束密度も外部磁界により減少するので、動作点は縦軸（Ｂ軸）についても負の向きに移動する。つまり、逆向きの外部磁界を大きくしていくと、動作点は、左下に向けて徐々に下る線上を移動する。図２中の点ｑまでの範囲であれば、外部磁界を除去すれば、動作点は、元来た線上を戻って元の点ｐに戻る。この点ｑまでの範囲は、可逆減磁領域と呼ばれる。点ｑを越える外部磁界が作用すると、磁束密度は急激に低下する。例えば、動作点が点ｒまで移動した状態から、それまでとは逆向きの外部磁界を減少させる（Ｈ軸上で正の向き）と、動作点は点ｒに至った線上を戻らず、点ｐ、点ｑ間の線にほぼ平行な図中の一点鎖線に沿って移動する。動作点は、外部磁界が０になっても点ｐには戻らず、点ｐと原点を結んだ線Ｇ₁と交差する点ｐ’に至る。点ｑを越えた領域は不可逆減磁領域と呼ばれ、点ｐ、つまり可逆減磁領域と不可逆減磁領域の境界はクニック点と呼ばれる。

外部磁界を与えることに代えて、磁気回路の磁気抵抗を大きくすることによっても、動作点は移動する。磁気抵抗を大きくすることで永久磁石の磁束密度は低下し、動作点は、点ｐから点ｑ、更に点ｒへと移動する。例えば、磁気回路中のギャップを大きくすることで磁気抵抗を大きくすることができ。磁気回路中のギャップを破線Ｇ₁の状態から大きくすると、動作点が点ｐから点ｑに向けて移動する。動作点が点ｑ（クニック点）に達する前に、ギャップを元に戻せば動作点は点ｐに復帰する。ギャップを点ｑを越えて増加させ（例えば線Ｇ₂）、動作点が不可逆領域に入ると（例えば点ｒ）、ギャップを元（線Ｇ₁）に戻しても動作点は点ｐには復帰せず、点ｐ’となる。

図３は、保持力が異なる永久磁石ａと永久磁石ｂのＢＨカーブを示す図である。永久磁石ａは、永久磁石ｂに比べ保持力が小さい。保持力の大きい永久磁石ｂは、可逆減磁領域が広く、例えば、磁気回路中のギャップをＧ₁の状態からＧ₂の状態まで広げ、動作点が点ｂ₁から点ｂ₂まで移動しても、クニック点ｑ_bを越えていないので、ギャップを元の状態（Ｇ₁）まで戻せば、動作点は点ｂ₁まで戻る。一方で、保持力の小さい永久磁石ａは、ギャップを広げると、動作点が点ａ₂（クニック点ｑ_a）までの範囲であれば元の点ａ₁に戻る。しかし、動作点が点ａ₂を越え、例えば点ｂ₂と同じギャップ状態となった点ａ₃に達すると、ギャップを元に戻しても動作点は点ａ₄となる。

図４は、アクチュエータ１０において、解放ばね１８の付勢力Ｆ_Eに抗してアーマチャ１４を動かすため力（以下「アーマチャ必要駆動力Ｆ_R」と記す。）と、磁力Ｆ_Mの関係を示す図である。アーマチャ必要駆動力Ｆ_Rは、摩擦等がない理想的な状態では、解放ばね１８の付勢力Ｆ_Eと大きさが同じで向きが反対の力（Ｆ_R＝−Ｆ_E）である。説明を簡単にするために、以下、摩擦等がないとした場合について説明する。

図４において、アーマチャ必要駆動力Ｆ_Rは一点鎖線で示されている。可変永久磁石１６の磁力Ｆ_Maは実線で示され、破線は可変永久磁石１６に代えて保持力の大きい永久磁石を設けた場合の磁力Ｆ_Mbを示す。また、図４中に示す点ａ₁〜ａ₄、点ｂ₁〜ｂ₂は、図３中の点ａ₁〜ａ₄、点ｂ₁〜ｂ₂に対応する。

保持力が大きい永久磁石ｂ（例えばネオジム磁石）の場合、アーマチャ１４が解放され、磁気回路の磁気抵抗が大きくなっても、動作点は可逆減磁領域にあるので、再びアーマチャ１４が吸着されると磁力Ｆ_Mbは元の点ｂ₁に復帰する。このため、アーマチャ１４が振動など外乱により移動されてヨーク１２に近づくと、本来の意図とは異なる状況でアーマチャ１４が吸着状態となる場合がある。これに対して、保持力が小さい永久磁石ａでは、一旦解放されたアーマチャ１４をヨーク１２に近づけ接合させたときの磁力Ｆ_Maは点ａ₄と小さいため、アーマチャ１４がヨーク１２に近づいても、アーマチャ１４が吸着状態となりにくい。また、図４に示すように点ａ₄がアーマチャ必要駆動力Ｆ_R未満であれば、解放ばねの付勢力Ｆ_Eが磁力Ｆ_Maに勝るため、アーマチャ１４のヨーク１２への意図しない吸着を防止することができる。言い換えれば、アーマチャ１４の解離状態を確実に維持することができる。さらに、保持力が小さい永久磁石ａにおいては、クニック点ｑ_a（点ａ₂）を越えると磁力Ｆ_Maは、急激に低下するため、解放状態における磁力Ｆ_Ma（点ａ₃）も小さくなる。これにより、アーマチャ１４が解放している状態でヨーク１２に異物が付着することを抑制できる。

アーマチャ１４をヨーク１２から解放するには、磁力Ｆ_Maがアーマチャ必要駆動力Ｆ_Rを下回るまでコイル２０に通電すればよい。この後、解放ばね１８の付勢力Ｆ_Eによりアーマチャ１４は駆動される。保持力の小さい永久磁石ａにおいては、吸着状態の磁力が保持力の大きい永久磁石の磁力と同じであっても（ａ₁＝ｂ₁）、クニック点ｑ_a（点ａ₂）通過後、磁力Ｆ_Maが急激に低下するため、保持力の大きい永久磁石ｂに比べてコイル２０の通電時間を短くすることができる。よって、少ない電力で、アーマチャ１４を解放動作させることができる。

また、図４において、点ａ₂をアーマチャ必要駆動力Ｆ_R以下とすることにより、動作点がクニック点を越えないうちにコイル２０の通電を停止すること、つまり動作点がクニック点を越えない範囲でコイルに通電を行うようすることができる。その後の磁気抵抗の増加により、可変永久磁石１６の磁力が低下し、アーマチャ１４が解放される。

図５は、他の実施形態のアクチュエータ３０の概略構成を示す図である。前述のアクチュエータ１０と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。図１と同様、（ａ）はヨーク１２にアーマチャ１４が吸着された状態を示し、（ｂ）はヨーク１２からアーマチャ１４が解放された状態を示している。

アクチュエータ３０には、新たに永久磁石３２が設けられている。永久磁石３２は、保持力が大きく、アクチュエータ３０の動作において極性が固定している磁石であり、以降、固定永久磁石３２と記す。固定永久磁石３２は、例えばネオジム磁石である。

アーマチャ１４が吸着状態にあるとき、可変永久磁石１６の磁束Φ₁は、ヨーク１２の一辺からアーマチャ１４を通り、更にヨーク１２の他辺と通って可変永久磁石１６に戻る。磁路が閉じており、可変永久磁石１６の磁力は維持される。固定永久磁石３２の磁束Φ₂もヨーク１２の一辺からアーマチャ１４を通り、更にヨーク１２の他辺を通って固定永久磁石３２に戻る。可変永久磁石１６の磁束Φ₁と固定永久磁石３２の磁束Φ₂は、並行しており、可変永久磁石１６と固定永久磁石３２は並列接続された状態となっている。

アーマチャ１４が吸着状態にあるとき、コイル２０に、可変永久磁石１６による磁束Φ₁とは反対向きの磁束を発生させる電流を流し、可変永久磁石１６の磁束Φ₁を減じる。このときの磁力が解放ばね１８の付勢力Ｆ_Eを下回るように、可変永久磁石１６および固定永久磁石３２の磁気特性を定めておくことにより、付勢力Ｆ_Eによりアーマチャ１４はヨーク１２から解放される。アーマチャ１４が解放されることで、磁路が開放して磁束Φ₁が減少し、可変永久磁石１６は自己減磁する。

さらに、アーマチャ１４がヨーク１２から解放されることで、固定永久磁石３２のアーマチャ１４を通る磁路（磁束Φ₂に沿う磁路）の磁気抵抗が大きくなり、固定永久磁石の磁束は、図５（ｂ）に示す磁束Φ₃のように流れる。磁束が、このように流れるように、アーマチャ１４とヨーク１２のギャップ、可変永久磁石１６および固定永久磁石３２などの磁気回路の特性を定めておく。固定永久磁石３２の磁束が、可変永久磁石１６に作用することで、可変永久磁石１６の極性が反転する。これにより、ヨーク１２、可変永久磁石１６と固定永久磁石３２が１つの閉じた磁路を形成し、これら２つの永久磁石１６，３２により磁束Φ₃が形成され、可変永久磁石１６と固定永久磁石３２は直列接続された状態となる。

アーマチャ１４が解放された状態では、磁束Φ₃はアーマチャ１４と作用せず、解放ばね１８の付勢力Ｆ_Eが勝った状態にあり、コイル２０への通電を止めてもアーマチャ１４の解放状態が維持される。アーマチャ１４が外乱によってヨーク１２に接近しても、磁力が作用していないためヨーク１２に吸着されない。また、ヨーク１２の外にでる磁束が少ないため、磁性体の異物の吸着を抑制することができる。

アーマチャ１４を吸着するには、磁束Φ₃とは反対向きの磁束が発生する向きの電流をコイル２０に流す。コイル２０による磁束が２つの磁石による磁束Φ₃を上回ると、その磁束がヨーク１２を出てアーマチャ１４を通るようになり、アーマチャ１４に磁力が作用する。この磁力が解放ばね１８の付勢力Ｆ_Eを上回るとアーマチャ１４がヨーク１２に吸着される。また、コイル２０により生じた磁束は、可変永久磁石１６の磁束の向きとは逆向きであり、可変永久磁石１６の磁性が反転する。アーマチャ１４が吸着されると、（ａ）に示す状態となる。

アクチュエータ３０は、アーマチャ１４を吸着するとき、および解放するときにコイル２０に電流を流せば動作し、吸着状態および解放状態を維持するためにコイル２０に電流を流す必要がない。また、アーマチャ１４を解放する際、可変永久磁石１６の磁性を反転させる必要はなく、アーマチャ１４の解放時にコイル２０に流す電流を抑えることができる。

前述の２つの実施形態において、可変永久磁石１６はヨーク１２内に配置したが、アーマチャ１４内に配置されてもよい。固定永久磁石３２は、可変永久磁石１６と同じ構成要素（ヨークまたはアーマチャ）に配置される。また、アーマチャ１４が吸着された状態における可変永久磁石１６の動作点は、不可逆減磁領域にあってもよい。

１０アクチュエータ、１２ヨーク、１４アーマチャ、１６可変永久磁石（第１永久磁石）、１８解放ばね、２０コイル、３０アクチュエータ、３２固定永久磁石（第２永久磁石）、Ｆ_E 付勢力、Ｆ_R アーマチャ必要駆動力、Ｆ_M 磁力、Φ 磁束。

Claims

ヨークと、
ヨークに対して吸着および解放可能なアーマチャと、
磁力によってアーマチャをヨークに吸着させる第１永久磁石と、
ヨーク、アーマチャおよび第１永久磁石を含む磁気回路に磁束を生じさせるコイルと、
アーマチャを、ヨークから解放する方向に付勢する解放ばねと、
を有し、
第１永久磁石は、アーマチャがヨークから解放されることで磁束密度が不可逆的に低下し、アーマチャの解放状態が維持される、
アクチュエータ。
請求項１に記載のアクチュエータであって、第１永久磁石の動作点が、アーマチャがヨークから解放されることでクニック点を越える、アクチュエータ。
請求項２に記載のアクチュエータであって、アーマチャがヨークに吸着された状態のときに、コイルが、第１永久磁石の動作点がクニック点を越えない範囲で、第１永久磁石の磁束とは反対向きの磁束を磁気回路内に発生させ、解放ばねがアーマチャをヨークから解放する、アクチュエータ。
請求項１から３のいずれか１項に記載のアクチュエータであって、
ヨーク、アーマチャおよび第１永久磁石を含む磁気回路に含まれる第２永久磁石を更に有し、
アーマチャがヨークに吸着された状態においては、第１永久磁石と第２永久磁石は並列状態になって磁力によりアーマチャをヨークに吸着させ、
アーマチャがヨークから解放されると、第１永久磁石は、第２永久磁石の磁束によって極性が反転され、第１永久磁石と第２永久磁石は直列状態となって磁力はアーマチャに作用しない、
アクチュエータ。
ヨークと、
ヨークに対して吸着および解放可能なアーマチャと、
磁力によってアーマチャをヨークに吸着させ、アーマチャがヨークから解放されることで磁束密度が不可逆的に低下する第１永久磁石と、
を有する磁気回路。
請求項５に記載の磁気回路であって、第１永久磁石の動作点が、アーマチャがヨークから解放されることでクニック点を越える、磁気回路。
請求項５に記載の磁気回路であって、アーマチャがヨークに吸着された状態のときに、第１永久磁石の動作点がクニック点を越えない範囲の、第１永久磁石の磁束とは反対向きの磁束が当該磁気回路内に発生すると、あらかじめ付与されていた付勢力によってアーマチャがヨークから解放される、磁気回路。
請求項５から７のいずれか１項に記載の磁気回路であって、
第２永久磁石を更に有し、
アーマチャがヨークに吸着された状態においては第１永久磁石と第２永久磁石は並列状態になって磁力によりアーマチャをヨークに吸着させ、
アーマチャがヨークから解放されると、第１永久磁石は、第２永久磁石の磁束によって極性が反転され、第１永久磁石と第２永久磁石は直列状態となって磁力はアーマチャに作用しない、
磁気回路。