JP6792323B2 - 磁石を用いた係合システムの着磁制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁石を用いた係合システムの着磁制御方法に関する。

コイルと永久磁石を備えた永電磁チャックにおいて、最大吸着力が発生した載置面の磁力に対して逆磁力がコイルに発生するように通電方向を交流電流の周期に同期して切り替え、かつ交流電流の周期に同期した所定数のパルス信号に対応する直流電流を流すことにより減磁して所望の吸着力を得る技術が開示されている（特許文献１）。

特開２０１０−１０５０７９号公報

ところで、１つの永久磁石を着磁させて吸引力を得る永電磁チャックでは、吸引力を調整するために永久磁石を適切な磁力に着磁又は減磁させる必要がある。そのため、減磁側と着磁側に交互に磁界を発生させて徐々に磁石を減磁させて永久磁石の磁力を調整する方法を採用している。しかしながら、本方法では、任意の磁力を得るために着磁と減磁を繰り返すので時間が掛かるという問題がある。

本発明の１つの態様は、永久磁石と、前記永久磁石を着磁する励磁コイルと、を備え、前記励磁コイルに電圧を印加することによって発生する磁界によって前記永久磁石の着磁状態を変化させ、前記永久磁石の磁場-磁束密度曲線のクニック点を超えた領域において着磁処理を終了させることを特徴とする着磁制御方法である。

ここで、前記永久磁石の磁場-磁束密度曲線のクニック点を超えた所望の時間又は所望の電流値において着磁処理を終了させることが好適である。

また、前記励磁コイルに印加される電圧は、前記励磁コイルから発生する磁界が前記永久磁石の磁場-磁束密度曲線においてメジャーループを描く強度となる基準電圧値以上の電圧値であることが好適である。

また、前記永久磁石の着磁時に前記電圧を変更することが好適である。

また、前記永久磁石の外周に前記励磁コイルが配置されていることが好適である。

また、前記励磁コイルによって発生する磁界の磁路に、前記永久磁石以外の永久磁石又は空隙が配置されていることが好適である。

本発明によれば、短時間に安定的に着磁状態（吸引力）を調整できる係合システムの着磁制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態における係合システムの基本構成を示す図である。 永久磁石の着磁特性を示す図である。 本発明の実施の形態における係合システムの作用を説明する図である。 本発明の実施の形態における着磁制御方法を説明するための磁気回路を示す図である。 本発明の実施の形態における磁場−磁束密度曲線の例を示す図である。 本発明の実施の形態における磁場−磁束密度曲線の例を示す図である。 本発明の実施の形態における励磁コイルに流れる電流の時間変化の例を示す図である。 本発明の実施の形態における磁束密度変化の時間変化の例を示す図である。 本発明の実施の形態における着磁制御方法を説明するための磁気回路を示す図である。 本発明の実施の形態における励磁コイルに流れる電流と磁束密度の関係の例を示す図である。 本発明の実施の形態における磁場−磁束密度曲線の例を示す図である。 本発明の実施の形態における励磁コイルに流れる電流の時間変化の例を示す図である。 本発明の実施の形態における係合システムの吸引力と励磁コイルに流れる電流との関係の例を示す図である。 本発明の実施の形態における励磁コイルに流れる電流の時間変化の例を示す図である。 本発明の実施の形態における磁場−磁束密度曲線の例を示す図である。 本発明の実施の形態における励磁コイルに流れる電流の時間変化の例を示す図である。

＜係合システムの基本構成＞
本発明の実施の形態における係合システム１００は、図１の原理図に示すように、第１永久磁石１０、第２永久磁石１２、励磁コイル１４、第１ヨーク部材１６及び第２ヨーク部材１８を含んで構成される。

第１永久磁石１０及び第２永久磁石１２は、第１ヨーク部材１６の一部を切り欠いた部分に配置され、第１永久磁石１０、第２永久磁石１２及び第１ヨーク部材１６によって磁気的な閉回路が構成される。第１ヨーク部材１６は、第１永久磁石１０のＮ極と第２永久磁石１２のＮ極又はＳ極とを繋ぎ、第１永久磁石１０のＳ極と第２永久磁石１２のＳ極又はＮ極とを繋ぐように配置される。また、第２ヨーク部材１８は、当該閉回路の第１永久磁石１０に対して対向して間隙をもって配置される。

励磁コイル１４は、第２永久磁石１２を着磁できるように、第２永久磁石１２の磁極方向に向けて磁界が生成されるように第２永久磁石１２の周囲に配置される。励磁コイル１４に対して電流を流すことによって第２永久磁石１２を着磁することができる。励磁コイル１４は、生成される磁場ができるだけ漏れることなく第２永久磁石１２を貫き、第２永久磁石１２が効率的に着磁されるように、第２永久磁石１２の外周に巻回されることが好適である。

第１永久磁石１０及び第２永久磁石１２の動作点は、パーミアンス直線（磁石形状や磁気回路等で決定される直線）と減磁曲線との交点で決定される。例えば、図２に示すようなパーミアンス曲線（破線）をもつ磁石の場合、アルニコ磁石（Ａｌｎｉｃｏ５）の動作点は点Ａとなり、ネオジム磁石の動作点は点Ｂとなる。すなわち、アルニコ磁石は、ネオジム磁石よりも着磁が容易であるが、ネオジム磁石の１／３程度の磁束密度しか得られない。一方、ネオジム磁石は、アルニコ磁石より着磁が困難であるが、アルニコ磁石よりも強い磁力が得られる。

そこで、第１永久磁石１０及び第２永久磁石１２としてこれらの特性の異なる磁石をそれぞれ用いて、着磁時のみに電力を消費し、係合時及び開放時において電力を消費しない係合システム１００を構成する。本実施の形態では、第２永久磁石１２は、励磁コイル１４へ電流を供給した際に生ずる磁界によって第１永久磁石１０よりも着磁され易い磁石、
すなわち低保持力の磁石とする。例えば、第１永久磁石１０としてネオジム磁石を用い、第２永久磁石１２としてアルニコ磁石を用いることが好適である。

図３（ａ）は、第１永久磁石１０のＮ極と第２永久磁石１２のＳ極とが第１ヨーク部材１６によって接続され、第１永久磁石１０のＳ極と第２永久磁石１２のＮ極とが第１ヨーク部材１６によって接続されるように励磁コイル１４によって第２永久磁石１２を着磁した状態を示す。このような状態では、第１永久磁石１０と第２永久磁石１２とが第１ヨーク部材１６によって直列に接続されており、第１ヨーク部材１６内に磁束が閉じ込められ、第２ヨーク部材１８に対する吸引力が生じない。すなわち、第２ヨーク部材１８は第１ヨーク部材１６側に吸引されず、係合システム１００は開放状態となる。

図３（ｂ）は、第１永久磁石１０のＮ極と第２永久磁石１２のＮ極とが第１ヨーク部材１６によって接続され、第１永久磁石１０のＳ極と第２永久磁石１２のＳ極とが第１ヨーク部材１６によって接続されるように励磁コイル１４によって第２永久磁石１２を着磁した状態を示す。すなわち、図３（ａ）に示したような状態から励磁コイル１４によって発生する磁界を用いて第２永久磁石１２の極性が逆転するように着磁状態を変化させた状態を示している。このような状態では、第１永久磁石１０と第２永久磁石１２とが第１ヨーク部材１６によって並列に接続されており、第１ヨーク部材１６から第２ヨーク部材１８へと磁束が通り、第１ヨーク部材１６と第２ヨーク部材１８との間に吸引力が生じる。すなわち、第２ヨーク部材１８は第１ヨーク部材１６側に吸引され、係合システム１００は非接触の係合状態となる。

このように、第１永久磁石１０と第２永久磁石１２との着磁特性の差を利用して、励磁コイル１４に電流を流すことによって生ずる外部磁界を用いて第２永久磁石１２の極性のみを反転させることで係合システム１００の開放状態と係合状態とを切り替えることができる。第２永久磁石１２を一旦着磁すればその状態が保持されるので、励磁コイル１４には着磁時のみに電力を供給すればよい。すなわち、開放状態と係合状態を保持するために電力を消費しないので省電力の係合システム１００を実現することができる。

＜着磁制御方法＞
まず、図４に示すように、第１永久磁石１０を設けず、第２永久磁石１２の両端をヨーク部材２０にて接続した磁気回路における第２永久磁石１２の着磁制御方法について説明する。ヨーク部材２０は、例えば、電磁鋼板とされる。

図５に、励磁コイル１４から磁場を発生させて第２永久磁石１２を着磁した場合の磁場−磁束密度曲線（ヒステリシス曲線）の例を示す。磁場−磁束密度曲線上の点ａの動作点にある磁石に対して磁石の磁化方向と逆向きの外部磁界を与えると動作点は点ｂに移行する。このとき、外部磁界を除去すると、磁石の磁力が弱まって動作点は点ｃに移行する。このように、磁場−磁束密度曲線のクニック点Ｘを超えて外部磁界を印加すると、外部磁界を除去したとして磁石の磁力は元の状態には戻らずに減磁する。また、点ａの状態から十分に大きな外部磁界を与えると点ｄに移行する。このとき、外部磁界を除去すると点ｅに移行し、磁石は元の磁化方向とは逆の磁化方向に着磁されて、磁石の極性は反転する。

図６は、図４の磁気回路において励磁コイル１４に一定電圧を印加して、第２永久磁石１２の磁化方向と逆方向の磁界を発生させて第２永久磁石１２を着磁させたときの第２永久磁石１２の磁力（磁束密度）と励磁コイル１４により発生する磁界との関係（磁場−磁束密度曲線）を示す。ここで、励磁コイル１４に印加される電圧は、磁場−磁束密度曲線がメジャーループを描く基準電圧値以上とすることが好適である。励磁コイル１４に流れる電流が大きくなり、励磁コイル１４によって発生する磁界が強くなるにつれて第２永久磁石１２の動作点は点Ａ→点Ｂ（クニック点）→点Ｃと推移する。

このとき、励磁コイル１４に流れる電流は、図７に示すような時間的な変化を示す。なお、時刻ｔ０において励磁コイル１４に電圧を印加した例を示している。

図６の磁場−磁束密度曲線における点Ａから点Ｂまでの領域（可逆減磁領域）にある場合には、励磁コイル１４に流れる電流は急激に変化する。一方、図６の磁場−磁束密度曲線におけるクニック点（点Ｂ）を超えて、点Ｂから点Ｃの領域（不可逆減磁領域）に達すると、励磁コイル１４に流れる電流の増加は緩やかになる。これは、不可逆減磁領域では励磁コイル１４に逆起電力が生ずるためと推察される。すなわち、図８の第２永久磁石１２の時間当りの磁束密度変化に示されるように、点Ｂから点Ｃの不可逆減磁領域において第２永久磁石１２の磁束密度の変化が大きく、この変化に伴って励磁コイル１４に生ずる逆起電力も大きくなっていると考えられる。

以上のように、点Ｂから点Ｃの不可逆減磁領域では、第２永久磁石１２の磁力の変化が大きいが、励磁コイル１４に流れる電流の時間変化が緩やかになる。そこで、点Ｂから点Ｃの不可逆減磁領域において、励磁コイル１４の電流値と第２永久磁石１２の磁力との関係を予め求めておき、第２永久磁石１２が所望の磁力となる励磁コイル１４の電流値で止めて励磁コイル１４から発生している磁界を除去することによって、第２永久磁石１２を所望の動作点の着磁状態に制御し易い。

また、励磁コイル１４の電流値の代わりに着磁処理を開始した時刻からの時間によって第２永久磁石１２の着磁状態動作点を制御してもよい。すなわち、図７に示すように、励磁コイル１４に流れる電流は励磁コイル１４に電圧を印加した時刻ｔ０からの時間に応じて一意に決定される。そこで、励磁コイル１４に着磁処理を開始した時刻からの時間と第２永久磁石１２の磁力との関係を予め求めておき、第２永久磁石１２が所望の磁力となる時間で励磁コイル１４の電流値で止めて励磁コイル１４から発生している磁界を除去することによって、第２永久磁石１２を所望の動作点の着磁状態に制御することができる。特に、点Ｂから点Ｃの不可逆減磁領域では時間による励磁コイル１４に流れる電流の変化が小さいので第２永久磁石１２の動作点の制御が容易となる。

次に、図９に示すように、ヨーク部材２０の一部に空隙２０ａを設けた構成における着磁制御方法について説明する。

図１０は、図９の磁気回路において励磁コイル１４に一定電圧を印加して、第２永久磁石１２の磁化方向と逆方向の磁界を発生させて第２永久磁石１２を着磁させたときの第２永久磁石１２の磁力（磁束密度）と励磁コイル１４に流れる電流との関係（電流−磁束密度曲線）を示す。空隙２０ａなし（白丸印）、幅０．１ｍｍ（黒三角印）、幅０．４ｍｍ（白四角印）と空隙２０ａの幅が広くなるにつれて、励磁コイル１４の電流値の変化に対する第２永久磁石１２の磁力の変化が緩やかになる。すなわち、励磁コイル１４の電流値による励磁コイル１４への着磁処理では、着磁のための磁気回路上に空隙２０ａが存在することによって制御性が向上する。これは、空隙２０ａの代わりにネオジム磁石等の透磁率が低い物質を配置した場合でも同様である。

図１１は、係合システム１００において第１永久磁石１０としてネオジム磁石及び第２永久磁石１２としてアルニコ磁石を適用した場合に励磁コイル１４に一定電圧を印加したときの磁場−磁束密度曲線を示す。また、図１２は、同じ状況における励磁コイル１４に流れる電流の時間変化を示す。

係合システム１００においても、点Ａから点Ｂの可逆減磁領域では励磁コイル１４を流れる電流の変化が急激であるが、点Ｂから点Ｃの不可逆減磁領域では変化が緩やかになる。したがって、励磁コイル１４の電流値又は励磁コイル１４に電圧を印加してからの時間のいずれによっても第２永久磁石１２の着磁状態を容易に制御することができる。

図１３は、励磁コイル１４の電流値と、その電流値において着磁処理を終了したときの係合システム１００の吸引力との関係を示す。図より明らかなように、励磁コイル１４の電流値によって係合システム１００の吸引力を高い精度で制御することができる。

図１４は、係合システム１００において第２永久磁石１２を着磁する際に励磁コイル１４に印加する電圧を変化させたときの励磁コイル１４に流れる電流の時間変化を示す。励磁コイル１４に印加する電圧が高くなるほど、励磁コイル１４に流れる電流の時間変化も大きくなる。したがって、第２永久磁石１２の着磁速度と着磁制御の安定性（ロバスト性）のバランスの観点から励磁コイル１４に印加する電圧を決定することが好適である。例えば、励磁コイル１４に印加する電圧は、コイル抵抗に着磁に必要な電流を乗算した値程度とすることが好適である。また、第２永久磁石１２の着磁状態に応じて励磁コイル１４に印加する電圧を変更してもよい。

次に、係合システム１００の吸引力を弱める際の第２永久磁石１２への着磁制御方法について説明する。図１５は、励磁コイル１４に一定電圧を印加したときの磁場−磁束密度曲線を示す。また、図１６は、同じ状況における励磁コイル１４に流れる電流の時間変化を示す。

この場合、第１永久磁石１０の磁力が第２永久磁石１２の磁化方向に対して逆向きに作用するので、係合システム１００の吸引力を強める場合に比べて第２永久磁石１２の動作点がクニック点に近くなる。点Ｄから点Ｅの不可逆減磁領域では、励磁コイル１４に流れる電流の時間変化が係合システム１００の吸引力を強める場合の点Ｂから点Ｃの領域に比べて大きくなる。これは、第１永久磁石１０の磁界が励磁コイル１４の磁界に重畳して作用するためである。したがって、係合システム１００の吸引力を弱めたい場合には吸引力を強めたい場合に比べて励磁コイル１４に印加する電圧を小さく設定することが好適である。

１０ 第１永久磁石、１２ 第２永久磁石、１４ 励磁コイル、１６ 第１ヨーク部材、１８ 第２ヨーク部材、２０ ヨーク部材、２０ａ 空隙、１００ 係合システム。

Claims (5)

1. 永久磁石と、前記永久磁石を着磁する励磁コイルと、を備え、
   前記励磁コイルに一定電圧を印加することによって発生する磁界によって前記永久磁石の着磁状態を変化させ、前記永久磁石の磁場−磁束密度曲線のクニック点を超えた不可逆減磁領域において、予め求めておいた前記励磁コイルの電流値と前記永久磁石の磁力との関係に応じて前記永久磁石が所望の磁力になる前記励磁コイルの電流値で止めて着磁処理を終了させることを特徴とする着磁制御方法。
2. 請求項１に記載の着磁制御方法であって、
   前記励磁コイルに印加される電圧は、前記励磁コイルから発生する磁界が前記永久磁石の磁場-磁束密度曲線においてメジャーループを描く強度となる基準電圧値以上の電圧値であることを特徴とする着磁制御方法。
3. 請求項１又は２に記載の着磁制御方法であって、
   前記永久磁石の着磁時に前記電圧を変更することを特徴とする着磁制御方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の着磁制御方法であって、
   前記永久磁石の外周に前記励磁コイルが配置されていることを特徴とする着磁制御方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の着磁制御方法であって、
   前記励磁コイルによって発生する磁界の磁路に、前記永久磁石以外の永久磁石又は空隙が配置されていることを特徴とする着磁制御方法。