(57)【要約】【課題】電磁力を利用したアクチュエータにおいて、アーマチャをヨークに吸引する際の電力消費を抑制する。【解決手段】解放されているアーマチャをヨークに吸引する際、まず、解放ばねの付勢力に抗してアーマチャを動かすのに必要な最小の磁力を発生させる必要励磁電流ＩD以上の電流ＩCBをコイルに通電する。永久磁石を、その磁力によってアーマチャのヨークへの吸着が維持される吸着磁束密度に着磁することができる最小の電流である必要着磁電流ＩLに、電流ＩCBが達したら、コイルへの通電を停止する。アーマチャがヨークに吸着される前に通電を停止するので、電力消費を抑えることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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永久磁石と、
ヨーク、アーマチャおよび永久磁石を含む磁気回路に磁束を生じさせるコイルと、
コイルに通電する電流供給部と、
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、
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、
コイルに通電してアーマチャを吸引する過程において、アーマチャがヨークに吸着される前に、コイルへの通電により生じた磁束により、永久磁石が、当該永久磁石の磁力によってアーマチャのヨークへの吸着が維持される吸着磁束密度に着磁され、
電流供給部は、永久磁石が吸着磁束密度に着磁された時点で、またはその後アーマチャがヨークに吸着されるより前に通電を停止する、
アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のアクチュエータであって、電力供給部は、アーマチャを吸引する過程において、各時点においてアーマチャを動かすのに必要な最小の磁力を発生させる電流のうち最大の電流をコイルに通電し、アーマチャが吸引される、アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１に記載のアクチュエータであって、電力供給部は、解放状態にあるアーマチャを動かし始めるのに必要な最小の磁力を発生させる電流をコイルに通電し、アーマチャが吸引される、アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１に記載のアクチュエータであって、電力供給部は、アーマチャを吸引する過程において、各時点においてアーマチャを動かすのに必要な最小の磁力を発生させる電流をコイルに通電し、アーマチャが吸引される、アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）が解放状態のときには、第２の永久磁石（１７）の磁性が反転して、第１および第２の永久磁石（１６，１７）の磁束はヨーク（１３）内を周回し、磁力はアーマチャ（３１）に作用しない。アーマチャ（３１）が解放状態にあるときに、コイル（１１）へのパルス状の通電により、第２の永久磁石（１７）の磁性が反転して、アーマチャ（３１）が吸引される。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−３０３３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載されたアクチュエータにおいて、アーマチャをヨークに吸引するためにコイルに流す電流の制御について詳細は示されていない。
【０００５】
本発明は、アーマチャ吸引時の電力消費を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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永久磁石と、ヨーク、アーマチャおよび永久磁石を含む磁気回路に磁束を生じさせるコイルと、コイルに通電する電流供給部と、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、を有する。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する。また、永久磁石は、コイルに通電してアーマチャを吸引する過程において、アーマチャがヨークに吸着される前に、コイルへの通電により生じた磁束により、当該永久磁石の磁力によってアーマチャのヨークへの吸着が維持される吸着磁束密度に着磁される。電流供給部は、永久磁石が吸着磁束密度に着磁された時点で、またはその後アーマチャがヨークに吸着されるより前に通電を停止する。
【０００７】
また、電力供給部は、アーマチャを吸引する過程において、各時点においてアーマチャを動かすのに必要な最小の磁力を発生させる電流のうち最大の電流をコイルに通電するようにでき、この通電によりアーマチャが吸引される。
【０００８】
また、電力供給部は、解放状態にあるアーマチャを動かし始めるのに必要な最小の磁力を発生させる電流をコイルに通電するようにでき、この通電によりアーマチャが吸引される。
【０００９】
また、電力供給部は、アーマチャを吸引する過程において、各時点においてアーマチャを動かすのに必要な最小の磁力を発生させる電流をコイルに通電するようにでき、この通電によりアーマチャが吸引される。
【発明の効果】
【００１０】
アーマチャの吸引過程の途中で、コイルの通電を停止することができるので、アーマチャがコイルに吸着されるまで通電する場合に比べて電力消費が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態のアクチュエータの構成および動作を示す模式図である。
【図２】アーマチャの位置と、アーマチャに作用する力およびコイルに通電される電流の関係を示す図である。
【図３】アーマチャをヨークへと吸引する際のコイルに通電される電流の一例を示す図である。
【図４】アーマチャをヨークへと吸引する際のコイルに通電される電流の他の例を示す図である。
【図５】アーマチャをヨークへと吸引する際のコイルに通電される電流の更に他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。（ｃ）は、解放状態のアーマチャ１４を吸着するための動作を説明する図である。
【００１３】
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。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「ＦS」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、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、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。
【００１４】
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、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永久磁石１６の磁力を「ＦP」と記す。この磁力ＦPが解放ばね１８の付勢力ＦSに勝り、アーマチャ１４が吸着状態に維持される。永久磁石１６により生じる磁束を「ΦP」で示す。アーマチャ１４が吸着状態にあるとき、コイル２０に、永久磁石１６による磁束ΦPとは反対向きの磁束を発生させる電流を流し、磁束ΦP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、永久磁石１６による磁束ΦPを減じる。磁束ΦPが減少することにより、解放ばね１８の付勢力ＦSが磁力ＦPを上回り、アーマチャ１４がヨーク１２より解放される。アーマチャ１４が解放されることで、磁路が開放して磁束ΦPが減少し、永久磁石１６は自己減磁する。つまり、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。
【００１５】
アーマチャ１４が解放状態にあるときには磁力ＦPが小さいか、または０であり、解放ばね１８の付勢力ＦS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ＦP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。
【００１６】
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Ｉにより、ヨーク１２、アーマチャ１４および永久磁石１６により形成される磁気回路内に磁束ΦEが生じ、磁束ΦEにより生じる磁力ＦEが解放ばね１８の付勢力ＦS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Ｉを流すことによって生じた磁束ΦEにより、永久磁石１６が再び磁化され、永久磁石１６による磁束ΦPが発生する。アーマチャ１４がヨーク１２に吸着されると、磁束ΦPが維持されるため、永久磁石１６は自己減磁を起こさず、磁力が維持される。
【００１７】
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、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。
【００１８】
図２は、（ａ）がアーマチャ１４の位置Ｐと永久磁石１６の磁力ＦPの関係、（ｂ）が位置Ｐとコイル２０に流れる電流Ｉの関係を示す図である。グラフの左端がアーマチャが解放されたときの位置であり、右端が吸着されたとき位置である。アーマチャ１４に作用する永久磁石１６の磁力ＦPは、アーマチャ１４の位置Ｐによって変わり、ヨーク１２に近いほど、つまり吸着位置に近いほど大きくなる。また、磁力ＦPは、永久磁石１６の着磁状態によっても変化する。図中のＦP(A)〜ＦP(D)は、異なる着磁状態のときの磁力ＦPを示している。ＦP(A)が最大限着磁（完全着磁）されたときの磁力ＦPであり、ＦP(B)，ＦP(C)，ＦP(D)の順に着磁されたときの磁力が小さくなっている。なお、以降の説明においては、磁力を示すＦP(A)〜ＦP(D)を、その磁力を発生する着磁状態を示す符号としても用いる。
【００１９】
図２の（ａ）には、アーマチャ１４をヨーク１２側に動かすために必要な最小の吸引力がＦDで示されている。この力を「必要吸引力ＦD」と記す。アーマチャ１４を動かすためには、解放ばね１８の付勢力ＦS、摩擦力、アーマチャ１４の慣性力に以上の力が必要になる。支配的であるのは付勢力ＦSであり、一般的には、付勢力ＦSは、アーマチャ１４が解放位置から離れるほど大きくなる。
【００２０】
永久磁石１６の着磁状態がＦP(D)の場合、アーマチャ１４が吸着状態となっても、磁力ＦP(D)は、必要吸引力ＦD未満であるので、アーマチャ１４は吸着状態に維持されない。この場合、アーマチャ１４を吸着状態に維持するためには、コイル２０に通電して磁束ΦEを発生させ、永久磁石１６の磁力ＦP(D)の不足を補う必要がある。コイル２０の通電なしで、アーマチャ１４を吸着状態に維持するためには、着磁状態をＦP(C)以上とする必要がある。
【００２１】
図２の（ｂ）には、永久磁石１６を着磁状態ＦP(A)〜ＦP(D)に着磁するためにコイル２０に流す電流がそれぞれＩM(A)〜ＩM(D)で示されている。この電流を「着磁電流ＩM」と記す。着磁状態ＦP(A)に着磁するための電流が着磁電流ＩM(A)、着磁状態ＦP(B)に着磁するための電流が着磁電流ＩM(B)、着磁状態ＦP(C)に着磁するための電流が着磁電流ＩM(C)、着磁状態ＦP(D)に着磁するための電流が着磁電流ＩM(D)である。アーマチャ１４が位置Ｐ1にあるときに、コイル２０に電流Ｉ1を流すと、永久磁石１６は着磁状態ＦP(A)に着磁される。アーマチャ１４がヨーク１２に接近するほど、アーマチャ１４とヨーク１２のギャップが狭まり、磁束ΦEが通る経路の磁気抵抗が減少して磁束ΦEが大きくなる。このため、ある着磁状態にするための着磁電流ＩMは、アーマチャ１４の位置Ｐが吸着位置に近いほど小さくて済む。例えば、位置Ｐ1において、コイル２０に電流Ｉ1を流すと、永久磁石１６は、着磁状態ＦP(A)に着磁される。また、同じ着磁状態ＦP(A)に着磁するための着磁電流ＩMは、アーマチャ１４の位置が吸着位置により近い位置Ｐ3においては、電流Ｉ3と小さくなる。
【００２２】
さらに、図２の（ｂ）には、コイル２０の通電により生じる磁力ＦEのみによりアーマチャ１４をヨーク１２側に吸引する際に、アーマチャ１４を動かすために必要なコイル２０に流す最小の電流がＩDで示されている。この電流を「必要励磁電流ＩD」と記す。着磁電流ＩM(A)，ＩM(B)は、アーマチャ１４の取り得る位置Ｐの全範囲で必要励磁電流ＩDを上回っている。つまり、必要励磁電流ＩDを通電していたのでは、永久磁石１６を着磁状態ＦP(A)，ＦP(B)に着磁することができない。一方で、着磁状態ＦP(C)，ＦP(D)であれば、必要励磁電流ＩDをコイル２０に通電することによって実現できる。
【００２３】
コイル２０に着磁電流ＩM(A)を通電して、解放状態にあるアーマチャ１４を吸引して位置Ｐ1まで移動させたとき、永久磁石１６の磁力ＦP1は必要吸引力ＦDに達していない。よって、このときにコイル２０への通電を停止すると、解放ばね１８の付勢力ＦSが勝り、アーマチャ１４は解放位置に戻る。この位置Ｐ1において、着磁電流ＩM(A)以上の電流を流しても、着磁状態ＦP(A)は完全着磁状態であるから、磁力ＦP1以上の磁力は得られない。したがって、アーマチャ１４をヨーク１２に吸着させるためには、位置Ｐ1でコイル２０への通電を停止することはできない。
【００２４】
アーマチャ１４が位置Ｐ3にある場合、磁力ＦP3は必要吸引力ＦD以上であり、このときにコイル２０への通電を停止しても、アーマチャ１４はヨーク１２へと吸引され、吸着される。このように、着磁電流ＩMによって、永久磁石１６の磁力ＦPが必要吸引力ＦD以上となれば、その時点でコイル２０への通電を停止しても、アーマチャ１４はヨーク１２に吸着される。したがって、永久磁石１６が、図２の灰色で示す領域Ｓの範囲の磁力となる磁束密度に着磁されれば、アーマチャ１４は吸着され、吸着状態が維持される。このアーマチャ１４のヨーク１２への吸着を維持できる永久磁石１６の磁束密度を「吸着磁束密度」と記す。
【００２５】
コイル２０に流す電流がＩM(A)より小さい電流であっても、永久磁石１６を吸着磁束密度に着磁することができる。例えば、アーマチャ１４が位置Ｐ4のときに、コイル２０に電流Ｉ4を流すと、永久磁石１６の磁力がＦP4となり、必要吸引力ＦDに達する。このとき、コイル２０への通電を停止しても、アーマチャ１４がヨーク１２に吸着される。このように、着磁電流ＩM(A)より小さい電流であっても、吸引過程の途中でコイル２０への通電を停止することができる場合がある。この電流の下限値、つまり永久磁石１６を、吸着磁束密度に着磁することができる着磁電流ＩMの下限値を図中ＩLで示す。この電流を「必要着磁電流ＩL」と記す。
【００２６】
図３には、アーマチャ１４を吸引する際に、コイル２０に通電する電流の一例（ＩCA）を示す図である。アーマチャ１４が解放状態から位置Ｐ2を越えるまでは、必要励磁電流ＩD以上の電流を流す。これによって、アーマチャ１４が吸引される。位置Ｐ2を越えた後、必要着磁電流ＩL以上の電流とし、永久磁石１６を吸着磁束密度に着磁する。その後、アーマチャ１４がヨーク１２に吸着される前に通電を停止する。アーマチャ１４が吸着される前に通電を停止することでアーマチャ１４を吸引するための電力の消費量を抑えることができる。
【００２７】
図４には、アーマチャ１４を吸引する際に、コイル２０に通電する電流の他の例（ＩCB）を示す図である。アーマチャ１４が解放状態から位置Ｐ5になるまでは、必要励磁電流ＩDの最大値ＩDmaxの電流を流す。図示する例では、必要励磁電流ＩDの最大値ＩDmaxは、解放状態のときの必要励磁電流ＩDであり、アーマチャ１４を動かし始めるのに必要な電流である。位置Ｐ5は、電流ＩDmaxが必要着磁電流ＩLとなる位置である。位置Ｐ5を越えれば、電流ＩDmaxで、永久磁石１６を吸着磁束密度に着磁することができる。吸着磁束密度に着磁した後は、通電を停止することができる。
【００２８】
図５には、アーマチャ１４を吸引する際に、コイル２０に通電する電流のさらに他の例（ＩCC）を示す図である。アーマチャ１４が解放状態から位置Ｐ6になるまでは、必要励磁電流ＩDの電流を流す。位置Ｐ6は、必要励磁電流ＩDが必要着磁電流ＩLとなる位置である。位置Ｐ6を越えれば、必要励磁電流ＩDで、永久磁石１６を吸着磁束密度に着磁することができる。吸着磁束密度に着磁した後は、通電を停止することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１０  アクチュエータ、１２  ヨーク、１４  アーマチャ、１６  永久磁石、１８  解放ばね、２０  コイル、ＦP  永久磁石の磁力、ＦE  コイルへの通電による磁力、ＦS  解放ばねによる付勢力、ＦD  必要吸引力、ＦP(A)，ＦP(B)，ＦP(C)，ＦP(D)  着磁状態、ＩCA，ＩCB，ＩCC  アーマチャ吸引時のコイル通電電流、ＩD  必要励磁電流、ＩL  必要着磁電流、ＩM  着磁電流、ΦP  永久磁石の磁束、ΦE  コイルへの通電により生じる磁束。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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