(57)【要約】【課題】駆動体磁石の三次元駆動を行い、物品を浮遊させながら移動させることが出来るアクチュエータを提供する。【解決方法】感温磁性材料素子（ＴＭ）が密着した永久磁石板（ＭＰ）の下に、反磁性物質（ＣＭ）で遮断された空間を設け、この内部に永久磁石（ＭＧ）を配置し、永久磁石板と永久磁石との距離を調整することで、永久磁石を浮上させ、永久磁石の真上の位置又はその隣の感温磁性材料素子をキュリー温度に加熱することで、前記感温磁性材料素子の飽和磁束強度を減少させ、永久磁石を上下左右に移動させる。【選択図】図１
2008211901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石板の下側に複数の感温磁性材料素子を密着し、その下部に少なくとも２枚の反磁性物質に挟まれた空間を設け、前記空間内に永久磁石を配置し、前記永久磁石の自重とその磁力と、前記永久磁石板の磁気吸引力、および、前記反磁性物質の磁気反発力とのバランスで、前記永久磁石を浮遊させ、前記永久磁石、真上、または／および、その周囲の感温磁性材料素子温度を、前記感温磁性材料素子のキュリー温度に近づけ、または、前記キュリー温度以上に加熱することで、前記感温磁性材料素子の飽和磁束強度を減少させ、前記永久磁石上下左右に移動させる、三次元磁気浮上装置
【請求項２】
感温磁性材料素子の温度を制御する方法が、前記感温磁性材料素子に照射した光を熱に変換する方法または、前記感温磁性材料素子に密着させたペルチェ素子で行う、請求項１に記載の、磁気浮上装置。
【請求項３】
前記永久磁石板が、合金磁石、フェライト磁石、あるいは、希土類磁石から選ばれた磁石を含む永久磁石板である、請求項１または２に記載の、三次元磁気浮上装置。
【請求項４】
前記永久磁石が、合金磁石、フェライト磁石、あるいは、希土類磁石より選ばれた磁石である、請求項１〜３のいずれかに記載の、三次元磁気浮上装置。
【請求項５】
永久磁石板の下側に複数の感温磁性材料素子を密着し、その下部に少なくとも２枚の反磁性物質に挟まれた空間を設け、前記空間内に永久磁石を配置し、前記永久磁石の自重とその磁力と、前記永久磁石板の磁気吸引力、および、前記反磁性物質の磁気反発力とのバランスで、前記永久磁石を浮遊させ、前記永久磁石、真上、または／および、その周囲の感温磁性材料素子温度を、前記感温磁性材料素子のキュリー温度に近づけ、または、前記キュリー温度以上に加熱することで、前記感温磁性材料素子の飽和磁束強度を減少させ、前記永久磁石上下左右に移動させる、永久磁石の三次元磁気浮上方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動体磁石を磁気浮上させ、磁気吸着力を制御することで、駆動体磁石の三次元駆動を行い、物品を浮遊させながら移動させることが出来るアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
物品を非接触で搬送するものとしては、磁気を利用したリニアモータを使用した直接駆動方式の搬送装置が良く知られており、例えば、搬送車を磁気力で完全に磁気させ、浮上させる磁気力を永久磁石より得るようにした、浮上装置を搬送車に搭載した浮上式装置が知られている（例えば、特許文献１）
【０００３】
また、非接触で騒音や振動が発生しないアクチュエータとして、ほぼ一様に帯磁させた、上、中、下の板磁石が互いに反発しあうように、非磁性体充填接着剤で間隙を持って接着し、中間部にこれら３枚の板磁石と同一の板磁石から作製した浮遊板磁石が接合されず、周囲の磁極に反発されて、宙に浮く構成の磁気浮上装置により、外部から回転磁界などを加えた場合に、浮遊した板磁石を回転してスイッチ等のアクチュエータとしての機能を果せる技術は知られている。（例えば特許文献２）
【０００４】
又、回転軸が両側からステータ磁石とロータ磁石による反発する磁力により浮上されて軸支され、さらに交流電流で駆動する駆動用コイルと磁性リングにより回転軸を浮上する方向に振動させて、物品を移動させる反発形磁気浮上ユニットが知られており（特許文献３）、この反発形磁気浮上ユニットを複数配列すれば、機械的な接触が無い物品を移動する反発形磁気浮上機構が可能である。
【０００５】
更に、光駆動は「非接触で指向性良くエネルギを供給できる」、「電気、磁気的なノイズに強い」、「エネルギの供給と同時に情報の伝達も可能」と言うと特徴を持つので、この特性を利用した磁気浮上ユニットが考えられた。しかし、駆動力が小さいという課題があったので、その課題を解決する手段として感温フェライトの磁気吸着力に注目した二次元アクチュエータが有効であることが知られている（例えば非特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−１５５５７号公報
【特許文献２】特開２００４−２４２４４７号公報
【特許文献３】特開２００４−３４７０９７号公報
【非特許文献１】水谷康弘・大谷幸利・梅田倫弘「感温磁性体による光熱変換方式２次アクチュエータ」電学論Ｅ，126、Ｎｏ4，（2006）170.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非接触で、ＸＹ方向に移動させたり、同時に上下方向に移動位置が制御可能である非接触三次元移動装置は知られていない。又、二次元アクチュエータでは、駆動体と床面との摩擦が駆動特性の低下を招いており、知られている磁気浮上装置では、回転や、直線的な移動は可能だが、平面や、空間を自由に制御可能な駆動装置は知られていない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明者等は永久磁石板の下に、反磁性物質で遮断された空間を設け、この内部に永久磁石を配置し、永久磁石板と永久磁石との距離を調整することで、永久磁石同士の吸引力と、反磁性物質と永久磁石の反発力、とのバランスで、永久磁石を浮上させ、永久磁石の真上の位置の永久磁石板の部位又はその周囲の特定した部位の磁力を制御し、磁力バランスを崩すことで、浮遊している永久磁石を上下左右に移動させることができるのではないかと考えた。本発明の三次元磁気浮上方法および装置は下記の構成よりなる。
【０００９】
永久磁石板の下側に複数の感温磁性材料素子を密着し、その下部に少なくとも２枚の反磁性物質に挟まれた空間を設け、前記空間内に永久磁石を配置し、前記永久磁石の自重とその磁力と、前記永久磁石板の磁気吸引力、および、前記反磁性物質の磁気反発力とのバランスで、前記永久磁石を浮遊させ、前記永久磁石、真上、または／および、その周囲の感温磁性材料素子温度を、前記感温磁性材料素子のキュリー温度に近づけ、または、前記キュリー温度以上に加熱することで、前記感温磁性材料素子の飽和磁束強度を減少させ、前記永久磁石上下左右に移動させる、三次元磁気浮上装置。
【００１０】
前記感温磁性材料素子の温度を制御する方法が、前記感温磁性材料素子に照射した光を熱に変換する方法または、前記感温磁性材料素子に密着させたペルチェ素子で行い、前記永久磁石板が、合金磁石、フェライト磁石、あるいは、希土類磁石から選ばれた磁石を含む永久磁石板であり、又、前記永久磁石が、合金磁石、フェライト磁石あるいは希土類磁石より選ばれた磁石である。
【００１１】
永久磁石板の下側に複数の感温磁性材料素子を密着し、その下部に少なくとも２枚の反磁性物質に挟まれた空間を設け、前記空間内に永久磁石を配置し、前記永久磁石の自重とその磁力と、前記永久磁石板の磁気吸引力、および、前記反磁性物質の磁気反発力とのバランスで、前記永久磁石を浮遊させ、前記永久磁石、真上、または／および、その周囲の感温磁性材料素子温度を、前記感温磁性材料素子のキュリー温度に近づけ、または、前記キュリー温度以上に加熱することで、前記感温磁性材料素子の飽和磁束強度を減少させ、前記永久磁石上下左右に移動させる、永久磁石の三次元磁気浮上方法。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明の構成で規則的に配置した感温磁性材料素子の飽和磁束強度の変化を制御するとで、浮遊永久磁石を、一定の範囲内において三次元移動させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
磁気浮上する永久磁石の光駆動原理は、図１で説明すると、反磁性物質ＣＭを上下に配置した空間に永久磁石ＭＧを置く。永久磁石板ＭＰを永久磁石ＭＧに近づけると、永久磁石ＭＧは永久磁石板ＭＰとの磁気吸引力と、反磁性物質ＣＭの磁気反発力とのバランスで、永久磁石ＭGの自重と磁力及び永久磁石板ＭＰの磁力及び、反磁性物質ＣＭと永久磁石ＭＧの磁気反発の磁力がつりあう位置で、永久磁石ＭＧを安定して磁気浮上させることが可能である。
【００１４】
図２に永久磁石を駆動させる原理を示す、永久磁石板面に複数の感温磁性材料素子を格子状に貼り付ける。感温磁性材料素子としては感温フェライトを用いた。感温フェライトは、キュリー温度を境に、飽和磁束密度が急激に変化する材料で、相転移によって透磁率が変わり、強磁性体となったり常磁性体になったりする性質を持つ材料である。感温フェライトを構成している基本の組成比率を変えることにより、所望する動作温度を決めるキュリー温度の値を任意に設定できる。例えば、ＭｎＣｕＺｎ系感温フェライトはキュリー温度が常温であり、室温で強磁性を示すが４５℃で磁化率が低下し常磁性を示す物質である。永久磁石に接した感温フェライトでは、磁力線は、強磁性材ほどその内部を通りやすい透磁率は高いるが、感温フェライトのキュリー点では、常磁性体となり透磁率はなくなり、磁力線は感温フェライト開放面からほとんど拡散することはなくなる。
【００１５】
本発明は、浮遊する永久磁石と対向する磁性材料、あるいは、その周囲の特定部の磁性材料の磁気飽和磁束強度を制御する、つまり、永久磁石板の磁力バランスを感温磁性材料で歪ませることで永久磁石の駆動を行う。
【００１６】
図２（１）に駆動前の磁気浮上状態を示す。そして、図２（２）に垂直に駆動する原理を示す。永久磁石の真上にある感温フェライトに光を照射し光熱変換を利用し、感温フェライトの温度をそのキュリー温度近くまで上昇させ、その上部の永久磁石板の部位からの磁化率を低下させることで、永久磁石を、一定範囲内で下方に移動させることが可能となる。
【００１７】
図２（３）に永久磁石が水平駆動する原理を示す。永久磁石を駆動させる方向に対して反対の位置にある、感温フェライトに光を照射させることで感温フェライトの温度をそのキュリー温度近くまで上昇させ、その上部の永久磁石板の磁化率が失われ、吸引力が弱くなり、永久磁石が光照射した感温フェライトの反対方向に吸引されるために水平方向の駆動が可能となる。
【００１８】
永久磁石板としては、フェロ磁性体で作製した板で、鉄を主成分とする合金磁石、酸化物磁石であるフェライト磁石、あるいは、希土類元素(周期律表のランタニドと称される一連の元素)とコバルトあるいは鉄からなる金属間化合物を主成分とする希土類磁石で製作が可能であるが、希土類焼結磁石やフェライト焼結磁石、希土類ボンド磁石が好適である。
【００１９】
反磁性物質としては、反磁性の物質で板状に加工できる材料であれば良く、金や銅の金属や、グラファイトやシリコンやガラスのような無機物質、又はプラスチックのような有機物質から選ばれる筒状又は板状の成形品が使用できる。透明プラスチックを使用すれば、レーザ光が透過するので、光照射方法で感温磁性材料に光照射する場合には好適である。
【００２０】
感温磁性材料としては、熱により密着した磁石の磁気飽和磁束強度を大きく変化させる物質が好ましく、例えば感温フェライトが好ましい。又、感温フェライトの内、キュリー温度が使用環境温度に近いものが好ましく、使用環境が室内であれば、４０℃〜６０℃位のキュリー温度を持つ材料が好ましい。温度制御する手段として、レーザ光のような光を直接感温フェライトに照射し、光エネルギーを熱に変換する方法や、ペルチェ素子を感温磁性材料に密着させ、温度を制御する方法等がある。
【００２１】
永久磁石として、合金磁石、フェライト磁石あるいは希土類磁石等で保磁力と残留磁束密度が高い素材であればよく、例えば、鉄を主成分とする合金磁石や希土類磁石（サマリウムコバルト磁石、ネオジム系磁石）等が好ましく、磁力が強い希土類磁石の場合は磁石を小さくできる。
【実施例】
【００２２】
厚み20ｍｍのグラファイト基板上に、駆動体としてネオジウム磁石（磁力：300ｍＴ，大きさ：φ3.0ｍｍ、ｔ2ｍｍ）を用い、そのネオジウム磁石の上部に、厚み20ｍｍのグラファイト板を配置し、その上部に、ＭｎＣｕＺｎ系感温フェライト（キュリー温度：４５℃、大きさ：2×2×10ｍｍ）を10ｍｍ間隔の格子状にフェライト磁石板上にエポキシ系接着剤で接着し配置した。感温フェライトの温度は半導体レーザを移動させ感温フェライトに照射することで、感温フェライトの温度を上昇させ、磁化率を低下させ、ネオジウム磁石の駆動を行う。
【００２３】
下側のグラファイトの表面にネオジウム磁石を置き、上部のグラファイトを3ｍｍの間隔を開け固定した状態で、感温フェライトを配置したフェライト磁石板を上部グラファイトに近づけていくと、フェライト磁石板とネオジウム磁石の間隔がある一定の距離においては図３のように、ネオジウム磁石が磁気浮上する。このように、フェライト磁石板とネオジウム磁石との垂直距離を調整することでネオジウム磁石を浮上させることができることができる。
【００２４】
図４にフェライト磁石板の垂直位置に対するネオジウム磁石の中心位置の測定結果を示す。ここで、垂直位置の原点は下側のグラファイトの表面である。また、ネオジウム磁石の位置の測定は画像より解析した。フェライト磁石板を近づけるとネオジウム磁石はフェライト磁石板との磁気吸引力が強いため上方のグラファイトに張り付いている。次にフェライト磁石板を上方に移動させると、フェライト磁石板とネオジム磁石との距離46ｍｍからフェライト磁石板を引き離してゆくと磁気吸引力と自重がつりあい距離ではネオジム磁石が浮上することを確認した。さらに、フェライト磁石板を47ｍｍまで離すとネオジウム磁石の自重が磁気吸引力に対して勝るため下側に落ちてしまう。従って、安定した磁気浮上を得るためには、フェライト磁石板とネオジム磁石の距離を46ｍｍから46.5ｍｍに配置すればよい。
【００２５】
図５に本発明の三次元磁気浮上の磁気モーメント法による静磁場解析結果を示す。図５中の矢印は解析結果で得られた磁力線である。図５（１）は初期状態の静磁場分布である。ネオジム磁石を取り巻くように磁場分布が構成されており、安定した浮上が可能であることを示す。
【００２６】
図５（２）ネオジウム磁石の真上の感温フェライトに光照射を行い、感温フェライトの磁化率を低下させたときの解析結果である。図５（１）の結果と比較してネオジウム磁石に生じる磁場分布が弱くなっていることがわかる。
【００２７】
図５（３）は駆動方向に対して逆方向の感温フェライトに光照射を行いその真上のフェライト磁石板の磁化率を低下させた時の解析結果である。磁力線および磁場分布ともにネオジム磁石に対して非対称な形状をしていることがわかる。このことにより、ネオジウム磁石の駆動が可能であることが分かる。
【００２８】
図６に垂直方向に駆動した結果を示す。波長810nmの半導体レーザ光源として50ｍV、100ｍV、150ｍV、200ｍV、250ｍVの出力で照射した。また、このときのレーザ照射時間は90秒間である。レーザの出力に応じてネオジム磁石の垂直位置が決定される。また、レーザの照射を停止すると元の位置に戻ることがわかる。磁気モーメント法による静磁場解析により、感温フェライトの温度変化により、磁化率が変化することで、ネオジウム磁石の磁場分布が変化することを見出した。
【００２９】
本発明では、磁気浮上を行うため、反磁性物質としてグラファイトを利用し、永久磁石板としてフェライト磁石板を使用し、感温磁気材料として感温フェライトを用い、感温フェライトの温度を調整手段として、レーザ光を使用して、永久磁石として使用したネオジム磁石の磁気浮上が可能であることを見出し、永久磁石を三次元駆動できるので、非接触アクチュエータとして使用可能である。
【００３０】
感温フェライトをフェライト磁石板面に一定間隔で格子状に配置し、ネオジウム磁石を一定位置に浮遊させた状態で、ネオジム磁石真上の感温フェライトのネオジウム磁石を移動させる方向と反対方向の隣に位置する感温フェライトを照射することで、感温フェライト温度がキュリー温度になると、感温フェライトの透磁率が急変し、密着したフェライト磁石板部位の磁化率が低下し、浮遊状態のネオジウム磁石は、光照射された感温フェライトと反対側の感温フェライト側に引っ張られ、移動するようになるので、感温フェライトを平面に一定の間隔で配置しておけば、ネオジウム磁石を浮上した状態で平面移動させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の三次元磁気浮上装置の模式図である。
【図２】本発明の感温フェライトを用いた三次元磁気浮上装置で、感温フェライトに光照射した場合の駆動体永久磁石の移動の方向を図示した模式図である。
【図３】本発明の実施例で、駆動体ネオジム磁石と感温フェライトを用いた三次元磁気浮上装置で、駆動体ネオジム磁石が磁気浮上した様子を撮影した写真である。
【図４】本発明の実施例で、感温フェライトを用いた三次元磁気浮上装置で、フェライト磁石の位置と駆動体ネオジム磁石と位置の関係を表わしたグラフである。
【図５】本発明の感温フェライトを用いた三次元磁気浮上装置の実施例で、感温フェライトの磁化率を変化したときの静磁場の解析結果を示す図である。
【図６】本発明の感温フェライトを用いた三次元磁気浮上装置の実施例で、感温フェライトに出力を変えた半導体レザーを９０秒間照射した場合の、駆動体ネオジム磁石の浮遊した位置の時間による変化を表わしたグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
ＣＭ    反磁性物質
ＭＧ    永久磁石
ＭＰ    永久磁石板
ＴＭ    感温磁性材料素子
【図１】
2008211901.tif 000003
【図２】
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【図４】
2008211901.tif 000005
【図６】
2008211901.tif 000006
【図３】
2008211901.tif 000007
【図５】
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