JP2021012959A - 吸着装置、吸着装置を備える無人航空機またはロボット、及び吸着装置の吸着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着面が吸着対象物に対して相対運動している場合に、吸着面が吸着対象物に高い吸着力で吸着する吸着装置を提供する。【解決手段】吸着装置１は、第１保磁力を有するネオジム磁石２と、第１保磁力より低い第２保磁力を有するアルニコ磁石３と、ネオジム磁石２及びアルニコ磁石３を挟持し且つ磁性体を吸着する吸着面４ａをそれぞれ有する一対のヨーク４と、アルニコ磁石３の磁化方向を反転させて、吸着面４ａが磁性体に吸着する吸着状態と吸着面４ａが磁性体に吸着しない離脱状態とのいずれかに吸着面４ａを設定するコイル６と、磁性体がの吸着面４ａへの接触を検知する接触検知部と、コイル６に電流を供給する電流供給部とを備える。吸着面４ａが当該吸着面４ａに対して相対運動している磁性体に吸着する場合に、接触検知部により吸着面４ａの磁性体への接触が検知されると、電流供給部がコイル６に電流を供給し吸着面４ａを吸着状態にする。【選択図】図２

Description

本発明は、例えばコイルに通電することにより吸着面が磁性体に吸着する吸着状態と吸着面が磁性体に吸着しない離脱状態とを切り替える吸着装置、吸着装置を備える無人航空機またはロボット、及び吸着装置の吸着方法に関する。

吸着装置には、永久磁石と電磁石を併用する構成を採用し、励磁コイル内にアルニコ磁石等の比較的保磁力の低い永久磁石を配置し、励磁コイルへの瞬時の電流印加によって低保磁力永久磁石の磁化方向を反転させるように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

上記吸着装置は、板状ヨーク３１，３２間にアルニコ磁石等の低保磁力永久磁石３３と希土類磁石等の高保磁力永久磁石３５とを並列的に挟持するように構成されており、低保磁力永久磁石３３に励磁コイル３４を巻回している。ヨーク３１，３２の先端部は、磁性体である被吸着物を吸着する吸着面（吸着用磁極面）を形成している。

上記吸着装置において、励磁コイル３４に電流を印加し低保磁力永久磁石３３を高保磁力永久磁石３５と同一方向に磁化すると、励磁コイル３４への電流をＯＦＦした後でも永久磁石３３，３５によって被吸着物の吸着状態を維持することができる。また、励磁コイル３４に逆方向の電流を印加し低保磁力永久磁石３３を高保磁力永久磁石３５と逆方向に磁化すると、励磁コイル３４への電流をＯＦＦした後には、吸着装置の外部に磁界が発生せず被吸着物を離脱することができる。

上記吸着装置のように、外部磁場により磁化方向が容易に反転する永久磁石（例えばアルニコ磁石）と、外部磁場により磁化方向が容易に反転しない永久磁石（例えばネオジム磁石）とを組み合わせたものでは、電磁石と異なり、磁性体を吸着面に吸着させた状態を維持するために電力を必要としないため、吸着状態を長時間維持する必要がある用途（例えば電磁チャック、構造物の着脱など）に有効である。

特開平８−３１６０２５

上記吸着装置において、吸着対象物と吸着面との間にエアギャップがある状態で離脱状態から吸着状態に切り替えると、吸着力が著しく低下してしまう。そのため、吸着面が吸着対象物に対して静止している場合、両者を十分に近づけた状態を維持し、その状態で離脱状態から吸着状態に切り替えることで、吸着力が低下するのを抑制することが可能である。

上記吸着装置の使用例として、例えば無人航空機に吸着装置を搭載し、その吸着装置により無人航空機を壁などの構造物（吸着対象物）に設置したり、ロボットハンドの先端部に吸着装置を取り付け、その吸着装置によりロボットハンドの先端部で吸着対象物を保持することが考えられる。しかしながら、吸着面が吸着対象物に対して相対運動している場合、両者を十分に近づけた状態を維持するのが困難である。

そこで、本発明の発明者は、吸着面が吸着対象物に対して相対運動している場合において、吸着面が吸着対象物に高い吸着力で吸着可能とする吸着装置、吸着装置を備える無人航空機またはロボット、及び吸着装置の吸着方法について研究を行った。

本発明者が、鋭意研究した結果、吸着面が吸着対象物に対して相対運動している場合に、吸着面が吸着対象物に向かって近づいて、吸着面が吸着対象物に接触したときに、吸着面を吸着状態にすることにより、吸着面が吸着対象物に高い吸着力で吸着することを見出した。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明に係る吸着装置は、第１保磁力を有する第１永久磁石と、前記第１保磁力より低い第２保磁力を有する第２永久磁石と、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石を挟持し且つ磁性体に吸着する吸着面をそれぞれ有する少なくとも一対のヨークと、前記第２永久磁石の磁化方向を反転させて、前記吸着面が磁性体に吸着する吸着状態と前記吸着面が磁性体に吸着しない離脱状態とのいずれかに前記吸着面を設定するコイルと、前記吸着面が磁性体に接触していることを検知する接触検知手段と、前記コイルに電流を供給する電流供給手段とを備え、前記吸着面が当該吸着面に対して相対運動している磁性体に吸着する場合に、前記接触検知手段により前記吸着面が磁性体に接触していることが検知された状態で、前記電流供給手段が前記コイルに電流を供給して前記吸着面を前記吸着状態に設定することを特徴とする。

これにより、本発明に係る吸着装置では、吸着面が吸着対象物である磁性体に対して相対運動している場合に、吸着面が磁性体に接触していることが検知された状態で、コイルに電流を供給して吸着面を吸着状態に設定する。そのため、吸着面が磁性体に対して相対運動している場合でも、吸着面が磁性体に高い吸着力で吸着することが可能である。

本発明に係る吸着装置において、前記接触検知手段は、前記吸着面が磁性体に接触してない状態で前記電流供給手段が前記コイルに電流を供給し、前記吸着面を前記吸着状態に設定した後における前記コイルの誘導起電力の変化に基づいて、前記吸着面が磁性体に接触していることを検知することを特徴とする。

これにより、本発明に係る吸着装置では、コイルの誘導起電力の変化に基づいて、吸着面が磁性体に接近していること、吸着面が磁性体に接触していること及び吸着面が磁性体から離脱したことを検知可能である。そのため、吸着装置は、吸着面が磁性体に接触していることを検知するためのセンサを備える必要がない。

本発明に係る吸着装置において、前記接触検知手段は、前記コイルの誘導起電力が所定閾値を超えた後で０まで減少したとき以降において、前記吸着面が磁性体に接触していることを検知することを特徴とする。

これにより、本発明に係る吸着装置では、磁束の時間的変化である誘導起電力が所定閾値を超えるまで増加し、その後、０まで減少したとき以降において、吸着面が磁性体に接触していることを検知するため、吸着面が磁性体に接触したことを確実に検知することが可能である。

本発明に係る吸着装置において、前記接触検知手段は、前記コイルの誘導起電力が第１閾値を超えた後、前記第１閾値より小さい第２閾値を下回ったときに、前記吸着面が磁性体に接触していることを検知することを特徴とする。

これにより、本発明に係る吸着装置では、誘導起電力が第１閾値を超えた後、第１閾値より小さい第２閾値を下回ったときに、吸着面が磁性体に接触していることを検知するため、吸着面が磁性体に接触したことを確実に検知することが可能である。

本発明に係る無人航空機は、上記の何れかに記載の吸着装置を備えることを特徴とする。

これにより、本発明に係る無人航空機では、吸着装置を搭載した無人航空機を磁性体で形成された壁などの構造物に対して高い吸着力で吸着させることが可能である。

本発明に係るロボットは、上記の何れかに記載の吸着装置を備えることを特徴とする。

これにより、本発明に係るロボットでは、吸着装置が取り付けられたロボットハンドにより磁性体で形成された吸着対象物を高い吸着力で保持することが可能である。

本発明に係る吸着装置の吸着方法は、第１保磁力を有する第１永久磁石と、前記第１保磁力より低い第２保磁力を有する第２永久磁石と、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石を挟持し且つ磁性体に吸着する吸着面をそれぞれ有する少なくとも一対のヨークと、前記第２永久磁石の磁化方向を反転させて、前記吸着面が磁性体に吸着する吸着状態と前記吸着面が磁性体に吸着しない離脱状態とのいずれかに前記吸着面を設定するコイルとを備える吸着装置の前記吸着面を、当該吸着面に対して相対運動している磁性体に吸着する場合の吸着方法であって、前記吸着面が磁性体に接触してない状態で前記コイルに電流を供給する非接触磁化工程と、前記コイルの誘導起電力の変化に基づいて前記吸着面が磁性体に接触していることを検知する接触検知工程と、前記接触検知手段により前記吸着面が磁性体に接触していることが検知された状態で、前記電流供給手段が前記コイルに電流を供給して前記吸着面を前記吸着状態に設定する接触磁化工程とを備えることを特徴とする。

これにより、本発明に係る吸着装置の吸着方法では、吸着面が吸着対象物である磁性体に対して相対運動している場合に、吸着面が磁性体に接触していることが検知された状態で、コイルに電流を供給して吸着面を吸着状態に設定する。そのため、吸着面が磁性体に対して相対運動している場合でも、吸着面が磁性体に高い吸着力で吸着することが可能である。また、コイルの誘導起電力の変化に基づいて吸着面が磁性体Ａに接触していることを検知可能であるため、吸着装置は、吸着面が磁性体に接触していることを検知するためのセンサを備える必要がない。

以上、本発明によれば、吸着面が吸着対象物である磁性体に対して相対運動している場合でも、吸着面が高い吸着力で磁性体に吸着することが可能である。

本発明の実施形態に係る吸着装置を搭載した無人航空機が構造物に設置される動作を説明する図である。 図２（ａ）は、吸着装置の斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のａ−ａ線における断面図である。 図１の吸着装置の制御ブロック図である。 図４（ａ）は、離脱状態における磁路を示す図であり、図４（ｂ）は、吸着状態における磁路を示す図である。 吸着装置の動作特性を検討するための模式図である。 吸着面が磁性体に接触した状態で電流パルスを供給する接触磁化を行った場合の磁場の強さと磁束密度の関係を示す図である。 吸着面が磁性体に接触した状態で電流パルスを供給する接触磁化を行った場合の磁路の変化を示す図である。 吸着面が磁性体に接触してない状態で電流パルスを供給する非接触磁化を行った場合の磁場の強さと磁束密度の関係を示す図である。 吸着面が磁性体に接触してない状態で電流パルスを供給する非接触磁化を行った場合の磁路の変化を示す図である。 吸着面が磁性体に接触してない状態で電流パルスを供給する非接触磁化を行った後、吸着面が磁性体に近づいた場合の誘導起電力の変化を示す図である。 吸着装置を搭載した無人航空機が構造物に設置される場合の手順を示したフローチャートである。

本発明の実施形態に係る吸着装置及び吸着方法について、図面を参照して説明する。

以下の説明では、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本実施形態の吸着装置１を搭載した無人航空機（ドローン）３０が、吸着装置１により壁などの構造物５０に設置される場合について説明する。

無人航空機３０は、図１（ａ）に示すように、構造物５０に向かって飛行して近づいた場合に、構造物５０と対向する面に配置された１または複数の吸着装置１を搭載している。壁などの構造物５０において無人航空機３０が設置される領域には、磁性体で形成された設置部が配置されており、図１（ｂ）に示すように、吸着装置１により、無人航空機３０を構造物５０に設置可能である。

本実施形態の吸着装置１は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ネオジム磁石２と、アルニコ磁石３と、一対のヨーク４と、一対のヨーク４を支持する支持部材５と、コイル６とを備える。

ネオジム磁石２及びアルニコ磁石３は、いずれも略直方体であり、略同一形状を有している。第１永久磁石としてのネオジム磁石３は、第１保磁力を有し、第２永久磁石としてのアルニコ磁石２は、第２保磁力を有しており、アルニコ磁石２の第２保磁力は、ネオジム磁石３の第１保磁力より低い。ネオジム磁石２は、その保磁力が比較的大きいため、外部磁場により磁化方向が容易に反転しない永久磁石であるのに対し、アルニコ磁石３は、その保磁力が比較的小さいため、外部磁場により磁化方向が容易に反転する永久磁石である。

一対のヨーク４は、平行に配置された板状部材であり、磁性材料で形成されている。一対のヨーク４は、ネオジム磁石２及びアルニコ磁石３を並列に配置された状態で挟持している。ヨーク４の端面（図２では下端面）には、磁性体で形成された吸着対象物を吸着するための吸着面４ａがそれぞれ形成される。ネオジム磁石２は、アルニコ磁石３より吸着面４ａに近接して配置される。よって、吸着装置１は、ヨーク４の端面に形成される吸着面４ａを有しており、図１に示すように、無人航空機３０が構造物５０に近づく場合、吸着面４ａが構造物５０に対向する状態となる。

支持部材５は、非磁性体で形成されており、一対のヨーク４の側面を接続することにより、一対のヨーク４を支持している。

コイル６は、ネオジム磁石２及びアルニコ磁石３の周囲に巻回されており、電流（電流パルス）が供給された場合に、ネオジム磁石２及びアルニコ磁石３のなかで、保磁力が比較的低いアルニコ磁石３の磁化方向を反転させる。

吸着装置１の制御部１０は、図３に示すように、接触検知手段としての接触検知部１０ａと、電流供給手段としての電流供給部１０ｂとを有している。制御部１０には、コイル６が接続されている。なお、本実施形態において、制御部１０は、無人航空機３０の制御部の一部となっているが、ネオジム磁石２、アルニコ磁石３、一対のヨーク４及びコイル６と共に吸着装置１を構成している。

接触検知部１０ａは、吸着装置１の吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知する。具体的には、接触検知部１０ａは、吸着面４ａが磁性体Ａに接触してない状態でコイル６に電流を供給された後におけるコイル６の誘導起電力の変化に基づいて、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知する。

本実施形態では、接触検知部１０ａは、コイル６の誘導起電力が所定閾値Ａ_０を超えた後で０まで減少したときに、吸着装置１の吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知する。

電流供給部１０ｂは、コイル６に供給される電流を制御する。具体的には、電流供給部１０ｂは、コイル６に供給される電流パルスの振幅（電流値）を制御すると共に、その電流パルスがコイル６に供給されるタイミングを制御する。本実施形態では、電流供給部１０ｂは、吸着装置１の吸着面４ａが磁性体に吸着されない離脱状態と、吸着装置１の吸着面４ａが磁性体Ａに吸着される吸着状態とのいずれかを設定するときに、所定の振幅（電流値）を有する電流パルスをコイル６に供給する。

吸着装置１においては、図４（ａ）に示すように、コイル６に電流パルスを供給し、アルニコ磁石３の磁化方向を反転させて、アルニコ磁石３の磁化方向をネオジム磁石２の磁化方向と反対方向である場合、ネオジム磁石２からの磁束及びアルニコ磁石３からの磁束が外部へ漏れ出されなくなり、吸着装置１の吸着面４ａが磁性体Ａに吸着されない離脱状態となる。なお、コイル６への電流パルスの供給が終了した後でも、ネオジム磁石２及びアルニコ磁石３によって磁性体Ａが吸着されない状態が維持される。

また、図４（ｂ）に示すように、コイル６に電流パルスを供給し、アルニコ磁石３の磁化方向を反転させて、アルニコ磁石３の磁化方向をネオジム磁石２の磁化方向と同一方向にすると、ネオジム磁石２からの磁束及びアルニコ磁石３からの磁束が外部へ漏れ出して、吸着装置１の吸着面４ａが磁性体Ａに吸着される吸着状態となる。なお、コイル６への電流パルスの供給が終了した後でも、ネオジム磁石２及びアルニコ磁石３によって磁性体Ａを吸着する状態が維持される。

このように、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、吸着装置１では、コイル６に電流パルスを供給し、アルニコ磁石３の磁化方向を反転させることにより、離脱状態及び吸着状態のいずれかを設定して、吸着装置１の吸着面４ａに対する磁性体Ａの脱着が可能である。

本発明の発明者は、吸着対象物である磁性体Ａが吸着面４ａに対して相対運動している場合に、吸着面４ａが磁性体Ａに高い吸着力で吸着する吸着方法についての研究において、吸着装置１におけるアルニコ磁石３の磁場の強さと磁束密度との関係についての調査を実施した。

（吸着装置の動作特性）
図５に基づいて、吸着装置１の動作特性を考える。図５には吸着装置１の磁路が描かれている。磁路ａ−ａ’は、ヨーク４からの漏れ磁路、磁路ｄ−ｅおよび磁路ｅ’−ｄ’は、対象物である磁性体Ａと吸着面４ａの間のエアギャップ間の磁路、磁路ｅ−ｅ’は、対象物内である磁性体Ａを通る磁路である。なお、以下の計算においてヨーク４および磁性体Ａの磁気抵抗は、零であるとしている。まず、アンペールの法則より、下記の式が導出される。

閉磁路ｂ−ａ−ａ’−ｂ’−ｂについて、下記の（式１）が導出される。

閉磁路ｂ−ｄ−ｅ−ｅ’−ｄ’−ｂ’−ｂについて、下記の（式２）が導出される。

閉磁路ｃ−ａ−ａ’−ｃ’−ｃについて、下記の（式３）が導出される。

また、ガウスの法則より、下記の（式４）が導出される。

空中の磁路、すなわち漏れ磁路の磁束密度とエアギャップ磁路の磁束密度については、下記の（式５）及び（式６）となる。

さらに、ネオジム磁石の磁束密度については、下記の（式７）となる。

但し、
Ｈ_ＮＤ：ネオジム磁石の磁場の強さ
Ｈ_ＡＬ：アルニコ磁石の磁場の強さ
Ｈ_Ｌ：漏れ磁路の磁場の強さ
Ｈ_Ｇ：エアギャップ磁路の磁場の強さ
Ｂ_ＮＤ：ネオジム磁石の磁束密度
Ｂ_ＡＬ：アルニコ磁石の磁束密度
Ｂ_ＡＬ：アルニコ磁石の磁束密度
Ｂ_Ｌ：漏れ磁路の磁束密度
Ｂ_Ｇ：エアギャップ磁路の磁束密度
Ａ_ＮＤ：ネオジム磁石の断面積
Ａ_ＡＬ：アルニコ磁石の断面積
Ａ_Ｌ：漏れ磁路の等価断面積
Ａ_Ｇ：エアギャップ磁路の等価断面積
Ｌ_Ｌ：漏れ磁路の経路長
Ｌ_Ｇ：エアギャップ磁路の経路長
Ｌ：ネオジム磁石及びアルニコ磁石の長さ
Ｎ：コイルの巻き数
Ｉ：コイル電流
Ｂ_ｒ：ネオジム磁石の残留磁束密度
μ_０：真空の透磁率
である。

よって、アルニコ磁石３の磁束密度Ｂ_ＡＬは、下記の（式８）となる。
但し、
Ｐ_Ｌ＝μ_０Ａ_Ｌ／Ｌ_Ｌ：漏れ磁路のパーミアンス
Ｐ_Ｇ＝μ_０Ａ_Ｇ／Ｌ_Ｇ：エアギャップ磁路のパーミアンス
である。
この数式が表す直線を動作線と呼ぶ。

また、アルニコ磁石３の吸着力Ｆは、下記（式９）となる。

上述したように、アルニコ磁石３の磁場の強さＨ_ＡＬと吸着装置１の周囲のパーミアンス係数とが分かれば、アルニコ磁石の磁束密度Ｂ_ＡＬ及び吸着力Ｆが求まる。なお、（式８）において、アルニコ磁石３の磁場の強さＨ_ＡＬの係数の絶対値が、吸着装置１の周囲のパーミアンス係数を示す。

よって、（式８）が表す動作線と、アルニコ磁石３のＢ−Ｈ曲線とに基づいて、アルニコ磁石３の磁束密度Ｂ_ＡＬを求めることが可能である。

以下の説明では、吸着面４ａが磁性体Ａに接触した状態で電流パルスをコイル６に供給して吸着面４ａを吸着状態に設定した場合（接触磁化を行った場合）と、吸着面４ａが磁性体Ａに接触してない状態で電流パルスをコイル６に供給して吸着面４ａを吸着状態に設定した場合（非接触磁化を行った場合）とについて、アルニコ磁石３の磁束密度Ｂ_ＡＬの変化について説明する。なお、説明の簡単のため、両磁石の残留磁束密度と断面積は等しいとする。

（接触磁化を行った場合）
吸着面４ａが磁性体Ａに接触した状態で、吸着面４ａを吸着状態に設定した場合について、図６及び図７に基づいて説明する。

図６は、接触磁化を行った場合の（式８）とアルニコ磁石のＢ−Ｈ曲線との関係を示している。図６において、横軸は磁場の強さ、縦軸は磁束密度であり、曲線はアルニコ磁石３のＢ−Ｈ曲線を示し、直線Ｔ_ａ０は電流パルスがコイル６に供給されてないときのアルニコ磁石３の動作線を示し、直線Ｔ_ｎ０は電流パルスがコイル６に供給されているときのアルニコ磁石３の動作線を示す。

まず、図６に示した動作点ａでは、電流パルスがコイル６に供給されてない状態であり、図７（ａ）に示すように、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着しない離脱状態（磁化してない状態）である。そのとき、アルニコ磁石３の磁束密度は、図６に示すように、負の値である。吸着面４ａが磁性体Ａに接触した状態で、電流パルスをコイル３に供給すると、動作線がＴ_ａ０からＴ_ｎ０に移動するため，動作点はＢ−Ｈ曲線に沿って、動作点ａから動作点ｂに移動する。

図６に示した動作点ｂの状態では、吸着面４ａが磁性体Ａに接触した状態で電流パルスを供給した状態であり、図７（ｂ）に示すように、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着する吸着状態である。そのとき、アルニコ磁石３の磁束密度は、図６に示すように、負の値から正の値に切り替わる。すなわち、アルニコ磁石３の磁化方向が反転し、ネオジム磁石２からの磁束及びアルニコ磁石３からの磁束が外部へ漏れ出して、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着する吸着状態となる。その後、電流パルスがコイル６に供給されなくなると、Ｂ−Ｈ曲線に沿って、動作点ｂから動作点ｃに移動する。

図６に示した動作点ｃの状態では、コイル６への電流パルスの供給が終了した後の状態であり、図７（ｃ）に示すように、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着する吸着状態が維持される。接触磁化を行った場合、図６に示すように、動作点ｃにおいて、アルニコ磁石３の磁束密度は、動作点ｂで正の値に切り替わった後、正の値に維持されている。そのため、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着する吸着力は十分に大きい状態に維持される。

（非接触磁化を行った場合）
これに対して、吸着面４ａが磁性体Ａに接触してない状態で、吸着面４ａを吸着状態に設定した場合について、図８及び図９に基づいて説明する。

図８は、非接触磁化を行った場合の（式８）とアルニコ磁石３のＢ−Ｈ曲線との関係を示している。図８において、横軸は磁場の強さ、縦軸は磁束密度であり、曲線はアルニコ磁石のＢ−Ｈ曲線を示し、直線Ｔ_ａ１は電流パルスがコイル６に供給されてないときのアルニコ磁石３の動作線を示し、直線Ｔ_ｎ１は電流パルスがコイル６に供給されているときのアルニコ磁石３の動作線を示す。エアギャップの増大にともないパーミアンスＰ_Ｇが零に近づくため、これらの動作線の傾きは図６のものより勾配が緩やかになる。なお、図８において、直線Ｔ_ａ０は電流パルスがコイル６に供給されてないときのアルニコ磁石３の動作線を示し、図６の直線Ｔ_ａ０と同一である。

まず、図８に示した動作点ａでは、電流パルスがコイル６に供給されてない状態であり、図９（ａ）に示すように、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着しない離脱状態（磁化してない状態）である。そのとき、アルニコ磁石３の磁束密度は、図８に示すように、負の値である。吸着面４ａが磁性体Ａに接触してない状態で、電流パルスをコイル６に供給すると、Ｂ−Ｈ曲線に沿って、動作点ａから動作点ｂに移動する。

図８に示した動作点ｂの状態では、吸着面４ａが磁性体Ａに接触してない状態で電流パルスを供給した状態である。そのとき、図８に示すように、アルニコ磁石３の磁束密度は、負の値から正の値に切り替わる。すなわち、アルニコ磁石３の磁化方向が反転し、ネオジム磁石２からの磁束が外部へ漏れ出して、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着可能な状態となる。なお、図９（ｂ）では、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着しない状態が図示されている。その後、電流パルスがコイル６に供給されなくなると、Ｂ−Ｈ曲線に沿って、動作点ｂから動作点ｃに移動する。

図８に示した動作点ｃの状態では、コイル６への電流パルスの供給が終了した後の状態であり、図９（ｃ）に示すように、吸着面４ａが磁性体Ａに接触してない状態であるが、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着可能な状態が維持される。但し、非接触磁化を行った場合、図８に示すように、動作点ｃにおいて、アルニコ磁石３の磁束密度は、動作点ｂで正の値に切り替わった後、負の値に切り替わっている。そのため、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着する吸着力は非常に小さい状態である。

その後、磁性体Ａを吸着面４ａに近づけると、Ｂ−Ｈ曲線の内部ループに沿って、動作点ｃから動作点ｄに移動する。図８に示した動作点ｄでは、図９（ｄ）に示すように、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着する吸着状態となるが、アルニコ磁石３の磁束密度は０近くまで減少している。そのため、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着する吸着力は非常に小さい状態が維持されており、十分な吸着力は得られない。

図６と図８とを比較すると、図６に示す直線Ｔ_ａ０の傾きの絶対値は、図８に示す直線Ｔ_ａ１の傾きの絶対値より大きい。すなわち、接触磁化を行った場合の吸着装置１の周囲のパーミアンスは、非接触磁化を行った場合の吸着装置１の周囲のパーミアンスより大きいことを示している。

以上説明したように、本発明の発明者は、磁性体Ａが吸着面４ａに接触してない状態で電流パルスをコイル６に供給して、吸着面４ａを吸着状態に設定する非接触磁化を行った場合、その後、吸着面４ａを磁性体Ａに近づけたとしても、アルニコ磁石３の磁束密度は小さい値に維持され、吸着装置１の吸着力として十分な吸着力は得られないが、吸着面４ａが磁性体Ａに接触した状態で電流パルスをコイル６に供給して、吸着面４ａを吸着状態に設定する接触磁化を行った場合、電流パルスの供給が終了した後も、アルニコ磁石３の磁束密度は大きい値に維持され、吸着装置１の吸着力として十分な吸着力が得られることを見出した。

したがって、本実施形態では、図１に示すように、吸着装置１を搭載した無人航空機３０を構造物５０に設置する場合を説明しているが、無人航空機３０に搭載された吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０に向かって近づいて、吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０に接触したタイミングを検知して、そのタイミングで電流パルスをコイル６に供給して、吸着面４ａを吸着状態に設定する接触磁化を行うことにより、吸着装置１の吸着力として十分な吸着力が得られることになる。

吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０に接触したタイミングを検知する方法としては、吸着装置１の構造物５０と接触する面にセンサを配置する方法が考えられるが、本発明の発明者は、吸着装置１にセンサを配置しないで吸着面４ａが構造物５０に接触していることを検知する方法について研究した。

その研究の結果、本発明の発明者は、コイル６の誘導起電力の変化に基づいて、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知可能であることを見出した。

詳細に説明すると、無人航空機３０に搭載された吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０から離れた状態で、コイル６に電流パルスを予め供給すると、コイル６に誘導起電力が発生して、その状態で無人航空機３０が構造物５０に近づくと、コイル６の誘導起電力が変化する。具体的には、吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０に近づいて構造物５０に衝突する過程で、コイル６の誘導起電力は増加した後で減少するように変化する。そのため、所定閾値Ａ_０は、吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０に衝突する過程で、コイル６の誘導起電力が増加した後で０近傍まで減少したことを検知可能な値であれば、任意に設定可能である。

図１０は、吸着装置１を搭載した無人航空機３０が構造物５０に近づいて、吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０に衝突したときのコイル６の誘導起電力の変化を示している。図１０に示すように、コイル６の誘導起電力の向き、すなわち、正の値及び負の値のいずれであるかにより、吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０に接近しているのか、構造物５０から離脱しているのかを判定可能である。

図１０に示すように、時刻ｔ_０において、吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０から離れた状態で電流パルスがコイル６に供給された後（非接触磁化が行われた後）、吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０に近づくと、パーミアンスの変化によりネオジム磁石２及びアルニコ磁石３を通過する磁束が増加して、コイル６に誘導起電力が発生する。

吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０にさらに近づくと、時刻ｔ_１において誘導起電力は急激に増加する。その後、時刻ｔ_２において誘導起電力がピーク値Ａ_１となり、その後、誘導起電力が瞬時に減少した後で、急激に増加して、時刻ｔ_３において所定閾値Ａ_０を超えて、誘導起電力がピーク値Ａ_２となる。そのため、時刻ｔ_３において誘導起電力が所定閾値Ａ_０を超えたことになる。

時刻ｔ_３において誘導起電力がピーク値Ａ_２となった後、誘導起電力が瞬時に０近傍まで減少して、時刻ｔ_４において誘導起電力が０となる。時刻ｔ_４において誘導起電力が０に戻った後、瞬時に増加した後で、時刻ｔ_５において誘導起電力が０となる。

本実施形態では、図１０に示した誘導起電力の変化に基づいて、コイル６の誘導起電力が所定閾値Ａ_０を超えた後で、時刻ｔ_４において誘導起電力が０まで減少したときに、吸着面４ａが構造物５０に接触していると判定する。

そして、このように吸着面４ａが構造物５０に接触していると判定されると、コイル６に電流を供給して吸着面４ａを吸着状態に設定する。

本実施形態において、吸着装置１を搭載した無人航空機３０が構造物５０に設置される場合の手順について、図１１に基づいて説明する。

ステップＳ１において、吸着装置１を搭載した無人航空機３０が構造物５０に向かって接近する。

ステップＳ２（非接触磁化工程）において、無人航空機３０が構造物５０近傍まで近づいたときに、無人航空機３０の吸着装置１の吸着面４ａと構造物５０とが接触してない状態で、電流パルスをコイル６に供給する（非接触磁化が行われる）。そのとき、吸着面４ａが構造物５０に接触してない状態で電流パルスをコイル６に供給する非接触磁化であるため、吸着装置１の吸着力として十分な吸着力は得られていない。

ステップＳ３において、非接触磁化が行われた後で、無人航空機３０を構造物５０に向かってさらに接近させる。

ステップＳ４（接触検知工程）において、コイル６の誘導起電力が所定閾値Ａ_０を超えたか否かを判定する。コイル６の誘導起電力が所定閾値Ａ_０を超えたと判定された場合、ステップＳ５に進んで、コイル６の誘導起電力が０まで減少したか否かを判定する。

ステップＳ５（接触検知工程）で、コイル６の誘導起電力が０まで減少したと判定された場合、吸着装置１の吸着面４ａと構造物５０との接触が完了したと判断する。すなわち、ステップＳ４及びＳ５では、コイルの誘導起電力の変化に基づいて、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知する。

その後、ステップＳ６（接触磁化工程）において、無人航空機３０の吸着装置１の吸着面４ａと構造物５０とが接触している状態で、電流パルスをコイル６に供給する（接触磁化が行われる）。そのとき、吸着面４ａが構造物５０に接触した状態で電流パルスをコイル６に供給する接触磁化が行われるため、吸着装置１の吸着力として十分な吸着力が得られる。

以上説明したように、本実施形態の吸着装置１は、第１保磁力を有するネオジム磁石２と、第１保磁力より低い第２保磁力を有するアルニコ磁石３と、ネオジム磁石２及びアルニコ磁石３を挟持し且つ磁性体Ａを吸着する吸着面４ａをそれぞれ有する一対のヨーク４と、アルニコ磁石３の磁化方向を反転させて、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着する吸着状態と吸着面４ａが磁性体Ａに吸着しない離脱状態とのいずれかに吸着面４ａを設定するコイル６と、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知する接触検知部１０ａと、コイル６に電流を供給する電流供給部１０ｂとを備え、吸着面４ａが当該吸着面４ａに対して相対運動している磁性体Ａに吸着する場合に、接触検知部１０ａにより吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることが検知された状態で、電流供給部１０ｂがコイル６に電流を供給して吸着面４ａを吸着状態に設定する。

これにより、本実施形態の吸着装置１では、吸着面４ａが吸着対象物である磁性体Ａに対して相対運動している場合に、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることが検知された状態で、コイル６に電流を供給して吸着面４ａを吸着状態に設定する。そのため、吸着面４ａが磁性体Ａに対して相対運動している場合でも、吸着面４ａが磁性体Ａに高い吸着力で吸着することが可能である。

本実施形態の吸着装置１において、検知部１０ａは、吸着面４ａが磁性体Ａに接触してない状態で電流供給部１０ｂがコイル６に電流を供給し、吸着面４ａを吸着状態に設定した後におけるコイル６の誘導起電力の変化に基づいて、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知する。

これにより、本実施形態の吸着装置１では、コイル６の誘導起電力の変化に基づいて、吸着面４ａが磁性体Ａに接近していること、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していること及び吸着面４ａが磁性体Ａから離脱したことを検知可能である。そのため、吸着装置１は、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知するためのセンサを備える必要がない。

本実施形態の吸着装置１において、接触検知部１０ａは、コイル６の誘導起電力が所定閾値Ａ_０を超えた後で０まで減少したときに、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知する。

これにより、本実施形態の吸着装置１では、磁束の時間的変化である誘導起電力が所定閾値Ａ_０を超えた後で０まで減少したときに、吸着面が磁性体に接触していることを検知するため、吸着面４ａが磁性体Ａに接触したことを確実に検知することが可能である。

本実施形態の無人航空機３０は、吸着装置１を備える。

これにより、本実施形態の無人航空機３０では、吸着装置１を搭載した無人航空機３０を磁性体で形成された壁などの構造物５０に対して高い吸着力で吸着させることが可能である。

本実施形態の吸着装置１の吸着方法は、第１保磁力を有するネオジム磁石２と、第１保磁力より低い第２保磁力を有するアルニコ磁石３と、ネオジム磁石２及びアルニコ磁石３を挟持し且つ磁性体Ａに吸着する吸着面４ａをそれぞれ有する少なくとも一対のヨーク４と、アルニコ磁石３の磁化方向を反転させて、吸着面４ａが磁性体Ａに吸着する吸着状態と吸着面４ａが磁性体Ａに吸着しない離脱状態とのいずれかに吸着面４ａを設定するコイル６とを備える吸着装置１の吸着面４ａを、吸着面４ａに対して相対運動している磁性体Ａに吸着する場合の吸着方法であって、吸着面４ａが磁性体Ａに接触してない状態でコイル６に電流を供給する非接触磁化工程と、コイル６の誘導起電力の変化に基づいて吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知する接触検知工程と、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることが検知された状態で、コイル６に電流を供給して吸着面４ａを吸着状態に設定する接触磁化工程とを備える。

これにより、本実施形態の吸着装置１の吸着方法では、吸着面４ａが吸着対象物である磁性体Ａに対して相対運動している場合に、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることが検知された状態で、コイル６に電流を供給して吸着面４ａを吸着状態に設定する。そのため、吸着面４ａが磁性体Ａに対して相対運動している場合でも、吸着面４ａが磁性体Ａに高い吸着力で吸着することが可能である。また、コイル６の誘導起電力の変化に基づいて吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知可能であるため、吸着装置１は、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知するためのセンサを備える必要がない。

以上、本発明の実施形態を説明したが、各部の具体的な構成は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

上記実施形態では、接触検知部１０ａが、コイル６の誘導起電力が所定閾値Ａ_０を超えた後で、時刻ｔ_４において誘導起電力が０まで減少したときに、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知するが、接触検知部１０ａがコイル６の誘導起電力の変化に基づいて、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知する方法は、それに限られない。例えば、コイル６の誘導起電力が、所定閾値Ａ_０を超えた後で０まで減少した後において、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知してよい。

例えば、接触検知部１０ａは、コイル６の誘導起電力が、時刻ｔ_３において所定閾値Ａ_０を超えた後であれば、吸着面４ａと磁性体Ａとの距離がほぼ０であり、吸着面４ａが磁性体Ａにほぼ接触している状態と考えられるため、時刻ｔ_３以後であれば、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知してよい。よって、図１０の時刻ｔ_３、または、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの間、または、時刻ｔ_４の後において吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知してよい。

また、接触検知部１０ａは、コイル６の誘導起電力が第１閾値を超えた後、第１閾値より小さい第２閾値を下回ったときに、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知してよい。第１閾値及び第２閾値は、上記実施形態の所定閾値Ａ_０と同様に、吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０に衝突する過程で、コイル６の誘導起電力が増加した後で０近傍まで減少したことを検知可能な値であれば、任意に設定可能である。

上記実施形態では、図１０において、吸着装置１の吸着面４ａが構造物５０に接触した時刻ｔ_４に電流パルスがコイル６に供給される（接触磁化が行われる）が、電流パルスがコイル６に供給されるタイミングは、それに限られない。即ち、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることが検知された状態で、コイル６に電流パルスを供給して吸着状態に設定されるものであれば、本発明の効果が得られる。

上記実施形態では、吸着装置１が、保磁力が異なる２つの永久磁石として、ネオジム磁石２とアルニコ磁石３とを有しているが、保磁力が異なる２つの永久磁石である第１永久磁石及び第２永久磁石の種類は、それに限られない。すなわち、吸着装置１が、保磁力が異なる２つの永久磁石を有している場合に、本発明の効果が得られる。なお、本発明の吸着装置１は、保磁力が異なる少なくとも２つの永久磁石を有するものであればよく、保磁力が異なる３つ以上の永久磁石を有するものでもよい。

上記実施形態では、コイル６がネオジム磁石２及びアルニコ磁石３の周囲に巻回されているが、コイル６の配置は、それに限られない。すなわち、コイル６は、電流（電流パルス）が供給された場合に、保磁力が比較的低いアルニコ磁石３の磁化方向を反転させるものであればよい。

上記実施形態では、２つのヨーク４が平行に配置された板状部材である場合を説明したが、２つのヨーク４の形状は、それに限られない。

上記実施形態では、ネオジム磁石２が、アルニコ磁石３より吸着面４ａに近接して配置されるが、ネオジム磁石２とアルニコ磁石３との配置は、それに限られない。アルニコ磁石３が、ネオジム磁石２より吸着面４ａに近接して配置されてよいし、ネオジム磁石２とアルニコ磁石３とを水平方向に並べて配置してよい。

上記実施形態では、吸着装置１を搭載した無人航空機３０が吸着装置１により構造物５０に設置される場合について説明したが、吸着装置１の使用例は、それに限られない。例えば、ロボットのロボットハンドの先端部に吸着装置１を取り付け、その吸着装置１によりロボットハンドの先端部で磁性体の吸着対象物を吸着して保持する場合や、構造物に支持された片持ち梁の周辺において、片持ち梁の構造物から離れた部分と対向するように吸着装置１を配置し、その吸着装置１により振動する片持ち梁の構造物から離れた部分を吸着して保持する場合に、本発明は適用可能である。

本変形例のロボットは、上記実施形態の吸着装置１を備える。

これにより、本変形例のロボットでは、吸着装置１を取り付けたロボットハンドにより磁性体で形成された吸着対象物を高い吸着力で保持することが可能である。

上記実施形態では、接触検知部１０ａがコイル６の誘導起電力の変化に基づいて吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知するが、吸着装置１が、吸着面４ａが磁性体Ａに接触していることを検知するためのセンサを有してよい。すなわち、吸着装置１が、例えば、吸着面４ａと磁性体Ａとの距離に基づいて、吸着面４ａが磁性体Ａに接触したときにオフ状態からオン状態に切り替わるセンサを有してよい。

１ 吸着装置
２ ネオジム磁石（第１永久磁石）
３ アルニコ磁石（第２永久磁石）
４ ヨーク
４ａ 吸着面
６ コイル
１０ａ 接触検知部（接触検知手段）
１０ｂ 電流供給部（電流供給手段）
Ａ 磁性体

Claims (7)

1. 第１保磁力を有する第１永久磁石と、
   前記第１保磁力より低い第２保磁力を有する第２永久磁石と、
   前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石を挟持し且つ磁性体に吸着する吸着面をそれぞれ有する少なくとも一対のヨークと、
   前記第２永久磁石の磁化方向を反転させて、前記吸着面が磁性体に吸着する吸着状態と前記吸着面が磁性体に吸着しない離脱状態とのいずれかに前記吸着面を設定するコイルと、
   前記吸着面が磁性体に接触していることを検知する接触検知手段と、
   前記コイルに電流を供給する電流供給手段とを備え、
   前記吸着面が当該吸着面に対して相対運動している磁性体に吸着する場合に、前記接触検知手段により前記吸着面が磁性体に接触していることが検知された状態で、前記電流供給手段が前記コイルに電流を供給して前記吸着面を前記吸着状態に設定することを特徴とする吸着装置。
2. 前記接触検知手段は、前記吸着面が磁性体に接触してない状態で前記電流供給手段が前記コイルに電流を供給し、前記吸着面を前記吸着状態に設定した後における前記コイルの誘導起電力の変化に基づいて、前記吸着面が磁性体に接触していることを検知することを特徴とする請求項１に記載の吸着装置。
3. 前記接触検知手段は、前記コイルの誘導起電力が所定閾値を超えた後で０まで減少したとき以降において、前記吸着面が磁性体に接触していることを検知することを特徴とする請求項２に記載の吸着装置。
4. 前記接触検知手段は、前記コイルの誘導起電力が第１閾値を超えた後、前記第１閾値より小さい第２閾値を下回ったときに、前記吸着面が磁性体に接触していることを検知することを特徴とする請求項２に記載の吸着装置。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の吸着装置を備えることを特徴とする無人航空機。
6. 請求項１〜４の何れかに記載の吸着装置を備えることを特徴とするロボット。
7. 第１保磁力を有する第１永久磁石と、前記第１保磁力より低い第２保磁力を有する第２永久磁石と、前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石を挟持し且つ磁性体に吸着する吸着面をそれぞれ有する少なくとも一対のヨークと、前記第２永久磁石の磁化方向を反転させて、前記吸着面が磁性体に吸着する吸着状態と前記吸着面が磁性体に吸着しない離脱状態とのいずれかに前記吸着面を設定するコイルとを備える吸着装置の前記吸着面を、当該吸着面に対して相対運動している磁性体に吸着する場合の吸着方法であって、
   前記吸着面が磁性体に接触してない状態で前記コイルに電流を供給する非接触磁化工程と、
   前記コイルの誘導起電力の変化に基づいて前記吸着面が磁性体に接触していることを検知する接触検知工程と、
   前記接触検知手段により前記吸着面が磁性体に接触していることが検知された状態で、前記電流供給手段が前記コイルに電流を供給して前記吸着面を前記吸着状態に設定する接触磁化工程とを備えることを特徴とする吸着装置の吸着方法。