(57)【要約】【課題】少ない電力で十分な動力を得ることが容易な磁気アクチュエータを提供する。【解決手段】この磁気アクチュエータ１は、電気導線２０が巻かれて形成されたコイル部材２と、その中心軸Ａに沿って設けられた磁性部材３を備え、コイル部材２に電流を流して磁性部材３の存在する場所に磁場を発生させて磁性部材３を移動させることによって動力を得るものであって、コイル部材２は、電気導線２０の単位長さ当たりの巻数が一端２ａから他端２ｂに向けて徐々に増加している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気導線が巻かれて形成されたコイル部材と、その中心軸に沿って設けられた磁性部材を備え、前記コイル部材に電流を流して前記磁性部材の存在する場所に磁場を発生させて前記磁性部材を移動させることによって動力を得る磁気アクチュエータであって、
前記コイル部材は、前記電気導線の単位長さ当たりの巻数が一端から他端に向けて徐々に増加していることを特徴とする磁気アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気アクチュエータにおいて、
電気導線が巻かれて形成された第２のコイル部材を更に備え、
前記磁性部材は、前記第２のコイル部材の中心軸にも沿っており、
前記第２のコイル部材は、前記電気導線の単位長さ当たりの巻数が一端から他端に向けて徐々に増加しており、
前記コイル部材の前記一端と前記第２のコイル部材の前記一端は、対向していることを特徴とする磁気アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、各種の装置を動かす動力源として、磁気を制御して用いる種々の磁気アクチュエータが知られている。これらの磁気アクチュエータの中には、コイル部材とその中心軸に沿って設けられた磁性部材を備え、コイル部材に電流を流して磁性部材の存在する場所に磁場を発生させて磁性部材を移動又は伸縮させることによって動力を得るものが有る。
【０００３】
例えば、特許文献１には、シリンダに充填された流体の磁性部材（磁性流体）を、一方に移動させるときは、コイル部材に電流を流して磁化しコイル部材の内側に引き込み、同時に加圧ばねを圧縮させ、他方に移動させるときは、コイル部材の電流を止めて磁性部材の磁化を失わせ、加圧ばねの弾性復元力により初期位置に戻すという磁気アクチュエータが記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、大きな磁歪の特性を示す材料を用いた棒状の磁性部材を、コイル部材に電流を流して伸縮させる磁気アクチュエータが記載されている。なお、磁歪は、磁場中で磁性部材に歪みが生じて伸び縮みする現象である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平０７−０７０３９０号公報
【特許文献２】特開平０９−１６８１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２などに示される従来の磁気アクチュエータでは、少ない電力で十分な動力を得ることは必ずしも容易ではない。例えば、特許文献１では、通常、磁性部材に働く力はコイル部材の端部に位置する部分のみ生じるため、また、特許文献２では、磁歪による伸び縮みはさほど大きくないため、ともに、十分な動力を得るには電力が大きくなり易い。
【０００７】
本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、コイル部材とその中心軸に沿って設けられた磁性部材を備え、コイル部材に電流を流して磁性部材の存在する場所に磁場を発生させて磁性部材を移動させることによって動力を得るものであって、少ない電力で十分な動力を得ることが容易な磁気アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の磁気アクチュエータは、電気導線が巻かれて形成されたコイル部材と、その中心軸に沿って設けられた磁性部材を備え、前記コイル部材に電流を流して前記磁性部材の存在する場所に磁場を発生させて前記磁性部材を移動させることによって動力を得る磁気アクチュエータであって、前記コイル部材は、前記電気導線の単位長さ当たりの巻数が一端から他端に向けて徐々に増加していることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の磁気アクチュエータは、請求項１に記載の磁気アクチュエータにおいて、電気導線が巻かれて形成された第２のコイル部材を更に備え、前記磁性部材は、前記第２のコイル部材の中心軸にも沿っており、前記第２のコイル部材は、前記電気導線の単位長さ当たりの巻数が一端から他端に向けて徐々に増加しており、前記コイル部材の前記一端と前記第２のコイル部材の前記一端は、対向していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の磁気アクチュエータによれば、上記のようなコイル部材と磁性部材によって、少ない電力で十分な動力を得ることが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気アクチュエータを示す断面図であって、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ磁性部材が異なる位置のものを示すものである。
【図２】同上の磁気アクチュエータの磁気の磁束密度の特性図である。
【図３】同上の磁気アクチュエータの実験（１番目の実験）の様子を示す写真である。
【図４】同上の磁気アクチュエータの実験（１番目の実験）の比較のための実験の様子を示す写真である。
【図５】本発明の実施形態に係る別の磁気アクチュエータを示す断面図であって、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ磁性部材が異なる位置のものを示すものである。
【図６】同上の磁気アクチュエータの実験（２番目の実験）の様子を示す写真である。
【図７】同上の磁気アクチュエータの実験（２番目の実験）の比較のための実験の様子を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る磁気アクチュエータ１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、コイル部材２と磁性部材３を備えている。
【００１３】
コイル部材２は、電気導線２０が巻かれて形成されている。より詳細には、電気導線２０は、コイル部材２の中心軸Ａを進行方向にして螺旋状に巻かれている。電気導線２０は、表面に絶縁層を有する金属線が用いられる。
【００１４】
ここで、コイル部材２は、電気導線２０の単位長さ当たり（中心軸Ａの方向の単位長さ当たり）の巻数が一端２ａから他端２ｂに向けて徐々に増加している。より詳細には、コイル部材２は、電気導線２０の単位長さ当たりの巻数が一端２ａから他端２ｂに向けて直線状或いは階段状に増加するようにしたものである。
【００１５】
磁性部材３は、磁場の中で磁化する物質であり、通常よく用いられるものとしては、鉄又はその合金などの軟磁性材料を挙げることができる。磁性部材３は、コイル部材２の中心軸に沿って設けられている。また、磁性部材３は、棒状の固体である。
【００１６】
また、コイル部材２と磁性部材３の間には、通常、磁性部材３の移動方向を誘導する誘導管部材４が設けられる。誘導管部材４の内周壁の内側に、僅かな隙間を残して、或いは、滑り易くした上で接触して、磁性部材３が配置される。誘導管部材４は、また、その一部の周囲にコイル部材２の電気導線２０が巻かれてコイル部材２の位置が固定される。
【００１７】
このような構成の磁気アクチュエータ１は、コイル部材２に電流を流すことにより、磁性部材３が存在する場所に、磁場を発生させることができる。そして、この磁場の磁束密度Ｂは、図２中の曲線ａが示すように、コイル部材２に電流を流したとき、コイル部材２の一端２ａの位置から他端２ｂの近傍の位置２ｃ（図２においては約２ｍｍ内側）までの長い範囲で徐々に増加し、また、他端２ｂの近傍の位置２ｃから外側に向けて、磁束密度Ｂは急激に減少している。よって、コイル部材２に電流を流したとき、コイル部材２の一端２ａの位置から他端２ｂの近傍の位置２ｃまでの長い範囲で一定方向の磁束密度Ｂの勾配が有り、それとは逆向きの勾配が他端２ｂの近傍の位置２ｃから外側に有ることになる。なお、磁束密度Ｂが減少に転じるのが他端２ｂよりもコイル部材２の内側の位置２ｃであるのは、他端２ｂにおける開口の影響である。
【００１８】
ここで、図２で示す曲線ａは、図１（ａ）、（ｂ）に示したコイル部材２が通電されたときに、中心軸Ａ上に発生する磁束密度Ｂの大きさを計算したものであり、コイル部材２の他端２ｂの位置を座標の原点としている。コイル部材２は、直径０．２ｍｍの電気導線２０を互いに隣接させながら巻き付けて、一端２ａから他端２ｂまで電気導線２０が積み上がって行き多層になるようにし、それによって、一端２ａから他端２ｂまで階段状に増加するようにしたものである。電気導線２０は、１層目１００巻、２層目９５巻、・・・・、２０層目５巻としている。コイル部材２の長さ（一端２ａから他端２ｂまでの長さ）は、２０ｍｍである。
【００１９】
一般に、磁性体２の各位置の部分に働く力（磁気力）Ｆｍは、次の式（１）で表される。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
式（１）より、磁気力Ｆｍは、磁性体２において磁束密度Ｂの勾配が生じている部分に発生し、その大きさは、磁化率χｍに比例し、かつ、磁束密度Ｂと磁束密度Ｂの勾配との積に比例する。
【００２２】
磁気アクチュエータ１の磁性部材３においては、コイル部材２に電流を流したときには、電流の方向に係わらず、コイル部材２の一端２ａの位置から他端２ｂの近傍の位置２ｃまでの長い範囲で、磁気力Ｆｍの方向（磁束密度Ｂと磁束密度Ｂの勾配との積の方向）は、コイル部材２の一端２ａから他端２ｂに向かう方向となる。その一方、コイル部材２の他端２ｂの近傍の位置２ｃから外側では、磁気力Ｆｍの方向（磁束密度Ｂと磁束密度Ｂの勾配との積の方向）は、コイル部材２の他端２ｂから一端２ａに向かう方向となる。
【００２３】
磁性部材３全体に働く磁気力Ｆｍは、磁性体２の各位置の部分に働く磁気力Ｆｍを合計したものである。磁性部材３の初期位置として、磁性部材３の一端部３ａがコイル部材２の一端２ａの位置から他端２ｂの近傍の位置２ｃまでの長い範囲の中に有るようにすると（図１（ａ）参照）、その状態でコイル部材２に電流を流したときには、磁性部材３全体に働く磁気力Ｆｍは、コイル部材２の一端２ａから他端２ｂに向かう方向となる。ここで、磁性部材３全体に働く磁気力Ｆｍは、磁性体２においてコイル部材２の一端２ａの位置から他端２ｂの近傍の位置２ｃまでの長い範囲の中に有る部分に働く磁気力Ｆｍを合計したものとなる。
【００２４】
磁束密度Ｂは、コイル部材２の一端２ａの位置では非常に小さいので、磁性部材３全体として、一端２ａの開口の影響（端部であることの影響）をほとんど受けない。この点は、開口の影響（端部であることの影響）を受ける通常の均一巻きのコイル部材と異なる。また、同じ長さの電気導線２０を用いた場合、電気導線２０の単位長さ当たりの巻数は、コイル部材２の一端２ａの近くでは少なく、一端２ａから他端２ｂに向けて徐々に増加するので、他端２ｂの近くでは、通常の均一巻きのコイル部材に比べて、単位長さ当たりの巻数を増やして磁束密度Ｂを大きくすることができる。従って、磁性部材３全体の磁気密度Ｂ、そして、磁性部材３全体に働く磁気力Ｆｍを大きくすることができる。
【００２５】
なお、動力を外部に伝達するように、磁性部材３の一端部３ａに動力伝達体５Ａを接合して、動力伝達体５Ａが磁性部材３の移動に追従して移動するようにできる。動力伝達体５Ａは、磁化しないものか或いは磁化率の非常に小さいものを用いる。こうして、磁性部材３全体に働く磁気力Ｆｍが大きいので、少ない電力で十分な動力を容易に得ることができる。なお、動力伝達体５Ａは、磁性部材３の他端部３ｂに接合して動力を伝達するようにすることも可能である。
【００２６】
コイル部材２に電流を流し続けると、磁性部材３は移動し、その一端部３ａがコイル部材２の他端２ｂの近傍の位置２ｃから外側に移動する（図１（ｂ）参照）。そうすると、コイル部材２の一端２ａの位置から他端２ｂの近傍の位置２ｃまでの長い範囲の中に有る部分に働く磁気力Ｆｍの合計と、コイル部材２の他端２ｂの近傍の位置２ｃから外側に有る部分に働く磁気力Ｆｍの合計とが、互いにキャンセルして、磁性部材３全体に働く磁気力Ｆｍは非常に小さくなるか或いはなくなる。なお、このとき、動力伝達体５Ａなどの状態によっては、慣性力により磁性部材３の移動がある程度継続する。
【００２７】
磁性部材３を初期位置に戻すには、コイル部材２の中心軸Ａを鉛直方向に設置しておいて、コイル部材２に流す電流を止めたときに重力によって戻すようにすることができる。この場合、戻り過ぎないように、例えば、誘導管部材４の下側に栓５Ｂなどをしておくことができる。
【００２８】
また、或いは、誘導管部材４の下側の栓５Ｂと磁性部材３の他端部３ｂとの間に引張りばねを設けて、弾性復元力によって磁性部材３を初期位置に戻すようにすることもできる。その他、様々な方法が可能である。
【００２９】
次に、動力が得られることの確認のために行った１番目の実験について述べる。この実験構成は以下の通りである。すなわち、図３に示すように、図２に示したのと同じようにして長い円筒の絶縁材料から成る誘導管部材４を鉛直方向に立て、その周囲に直径０．２ｍｍの電気導線２０を互いに隣接させるようにして巻き付けて、下側の一端２ａから上側の他端２ｂまで電気導線２０が積み上がって行き多層になるようなコイル部材２を形成した。電気導線２０は、１層目５０巻、２層目４５巻、・・・、１０層目５巻である。コイル部材２の長さ（一端２ａから他端２ｂまでの長さ）は約１０ｍｍ程度である。そして、コイル部材２に５．０Ｈｚ、振幅５００ｍＶを印加して交流電流を流した。それから、誘導管部材４の中に、直径０．８ｍｍ、長さ５０ｍ、質量４６．３ｍｇの棒状の固体の磁性部材（鉄製の針金）２を上方から挿入した。動力伝達体５Ａと栓５Ｂは用いていない。
【００３０】
そうすると、磁性部材３は、１０．０Ｈｚ、最下点から最上点までの幅９．６ｍｍで振動した。よって、磁性部材３には重力以上の磁気力Ｆｍが発生することと、磁性部材３はコイル部材２に流れる交流電流の２倍の周波数で振動すること、が分かった。これは、交流電流が０値を通過するときに、磁気力Ｆｍがなくなって磁性部材３が落下し、交流電流が正又は負の値になるときに、磁気力Ｆｍが発生して磁性部材３が上昇することを示している。
【００３１】
また、以下のようにして磁気力Ｆｍを計算することができる。すなわち、磁性部材３の振動を、周波数ｆ＝１０．０Ｈｚ、振幅Ａ＝４．８ｍｍの単振動とみなすと、最下点での加速度ａ（単位：ｍ／ｓ２）は、次のようにして求められる。
ａ＝Ａ×（２πｆ）２
＝（４．８×１０−３）×（２π×１０）２
＝１８．９
【００３２】
よって、重力に抗して鉛直上向きに作用する磁気力Ｆｍによる加速度ａ’は、次のようになる。ここで、ｇは重力加速度である。
ａ’＝ａ＋ｇ
＝１８．９＋９．８
＝２８．７
【００３３】
これより、重力に抗して鉛直上向きに２．９倍の磁気力Ｆｍが作用したことが分かる。
【００３４】
また、比較のため、図４に示すように、前述したのと同様な誘導管部材４と磁性部材３を用い、電気導線２０を１層あたり５０巻で５層になるように均一に巻いたコイル部材２’を用いて、前述した条件で実験を行った。この場合、磁性部材３は、振動せず、自由落下した。よって、この場合、磁性部材３には重力以上の磁気力Ｆｍが発生していないことが分かる。これは、電気導線２０を均一に巻いたコイル部材２’の場合、磁性部材３の中において、コイル部材２の両端に位置する部分のみに磁束密度Ｂの勾配が少しだけ生じて磁気力Ｆｍが生じるが、磁性部材３全体に働く磁気力Ｆｍは大きくないからである。
【００３５】
次に、本発明の実施形態に係る別の磁気アクチュエータ１’について説明する。この磁気アクチュエータ１’は、上記したコイル部材２と磁性部材３を備え、更に、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、コイル部材２と同様な第２のコイル部材６を備えている。この第２のコイル部材６は、上述したような重力や引張りばねなどを用いずに、磁性部材３を初期位置に戻すことができる。
【００３６】
第２のコイル部材６は、コイル部材２と同様に電気導線６０が巻かれて形成されており、電気導線６０の単位長さ当たりの巻数が一端６ａから他端６ｂに向けて徐々に増加している。第２のコイル部材６の中心軸は、コイル部材２の中心軸Ａと共通であり、よって、磁性部材３は、第２のコイル部材６の中心軸にも沿っている。また、コイル部材２の一端２ａと第２のコイル部材６の一端６ａは、対向している。
【００３７】
磁性部材３の初期位置として、磁性部材３の一端部３ａがコイル部材２の一端２ａの位置から他端２ｂの近傍の位置２ｃまでの長い範囲の中に有るようにする（図５（ａ）参照）。そして、コイル部材２に電流を流すと、コイル部材２の一端２ａから他端２ｂに向かう方向に磁性部材３は移動する。この状態で、磁性部材３の他端部３ｂがコイル部材６の一端６ａの位置から他端６ｂの近傍の位置６ｃ（図５（ｂ）参照）までの長い範囲の中に有るようにする。そして、コイル部材６に電流を流すと、コイル部材６の一端６ａから他端６ｂに向かう方向に磁性部材３は移動して初期位置に戻る。こうして、磁性部材３を初期位置から移動させ、かつ、初期位置に戻すこと、すなわち往復運動が可能になる。
【００３８】
次に、往復運動の確認のために行った２番目の実験について述べる。この実験構成は以下の通りである。すなわち、図６に示すように、長い円筒の絶縁材料から成る誘導管部材４を水平方向に置き、その周囲に、直径０．２ｍｍのポリイミド被膜の電気導線２０を互いに隣接させるようにして巻き付けて、右側の一端２ａから左側の他端２ｂまで電気導線２０が積み上がって行き多層になるようなコイル部材２と、直径０．２ｍｍのポリイミド被膜の電気導線６０を互いに隣接させるようにして巻き付けて、左側の一端６ａから右側の他端６ｂに向けて電気導線６０が積み上がって行き多層になるような第２のコイル部材６と、を形成した。電気導線２０、６０は、１層目１００巻、２層目９５巻、・・・・、２０層目５巻である。コイル部材２及び第２のコイル部材６の長さ（一端２ａ、６ａから他端２ｂ、６ｂまでの長さ）はともに約２０ｍｍ程度である。誘導管部材４の中には、直径０．０８ｍｍ、長さ６５ｍｍ、質量２５９．７ｍｇの棒状の固体の磁性部材（鉄製の針金）２を挿入した。そして、コイル部材２と第２のコイル部材６に交互に、３．０Ｈｚ、振幅２．１Ｖの半波（半波整流されたもの）を印加した。
【００３９】
そうすると、磁性部材３は、最大６ｍｍの変位で振動した。よって、往復運動の確認ができた。
【００４０】
また、比較のため、図７に示すように、上述したのと同様な誘導管部材４と磁性部材３を用い、電気導線２０、６０を１層あたり１００巻で１０層になるように均一に巻いたコイル部材２’と第２のコイル部材６’を用いて、上述した条件で実験を行った。この場合、磁性部材３は、振動しなかった。これは、電気導線２０、６０を均一に巻いたコイル部材２’、６’の場合、磁性部材３の中において、コイル部材２の両端に位置する部分のみに磁束密度Ｂの勾配が少しだけ生じて磁気力Ｆｍが生じるが、磁性部材３全体に働く磁気力Ｆｍは大きくないからである。
【００４１】
以上、本発明の実施形態に係る磁気アクチュエータについて説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。例えば、コイル部材２及び第２のコイル部材６を形成する電気導線２０、６０の巻数の増加の割合、全体の巻数、巻き方などは、図に示したものに係わらず、様々なものが可能である。また、磁性部材３は、誘導管部材４に収容された流体（磁性流体）であってもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１    磁気アクチュエータ
２    コイル部材
２ａ  コイル部材の一端
２ｂ  コイル部材の他端
２０  コイル部材を形成する電気導線
３    磁性部材
３ａ  磁性部材の一端部
３ｂ  磁性部材の他端部
４    誘導管部材
５Ａ  動力伝達体
６    第２のコイル部材
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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