特開 2024-39078 アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024039078

(43)【公開日】2024-03-22

(54)【発明の名称】アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   H01F 7/20 20060101AFI20240314BHJP

【ＦＩ】

H01F7/20 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022143355

(22)【出願日】2022-09-09

(71)【出願人】

【識別番号】722010770

【氏名又は名称】新川 雅樹

(72)【発明者】

【氏名】新川 雅樹

(57)【要約】

【課題】永久磁石による吸着力を電力で制御するアクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明のアクチュエータ１は、磁性体で形成され、一対の略直線部１１ａおよび一対の略直線部１１ａを連結する連結部１１ｂからなる略Ｕ字型のコイルコア１１と、Ｎ極およびＳ極のそれぞれがコイルコア１１の内側において一対の略直線部１１ａに当接するように配置された永久磁石１０と、連結部１１ｂの少なくとも一部に巻かれているコイル１２と、一対の略直線部１１ａの端面と所望の可動域３０を介して配置されたブリッジコア１３とを具備し、コイル１２に電流を流すことによって、ブリッジコア１３は一対の略直線部１１ａの端面に当接するように可動域３０を可動し、コイル１２に電流を流さないことによって、ブリッジコア１３は可動域３０を自由に可動することを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁性体で形成され、一対の略直線部および前記一対の略直線部を連結する連結部からなる略Ｕ字型のコイルコアと、
Ｎ極およびＳ極のそれぞれが前記コイルコアの内側において前記一対の略直線部に当接するように配置された永久磁石と、
前記連結部の少なくとも一部に巻かれているコイルと、
前記一対の略直線部の端面と所望の可動域を介して配置されたブリッジコアとを具備し、
前記コイルに電流を流すことによって、前記ブリッジコアは前記一対の略直線部の端面に当接するように前記可動域を可動し、前記コイルに電流を流さないことによって、前記ブリッジコアは前記可動域を自由に可動することを特徴とするアクチュエータ。

【請求項2】

前記ブリッジコアの可動域は１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。

【請求項3】

前記ブリッジコアが前記一対の略直線部の端面と当接しているとき、前記ブリッジコアと前記永久磁石の間の距離は１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。

【請求項4】

前記連結部のうち前記コイルが巻かれる部分の断面積は、前記略直線部のうち前記永久磁石が接する部分の断面積の０.５～０.９倍の大きさであることを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、永久磁石による吸着力を電力で制御するアクチュエータに関するものである。

【背景技術】

【0002】

押す力や引く力を作用させるアクチュエータには、磁力によるもの、圧力によるもの、化学反応によるもの等、多様な動力源によるものが提案されている。

【0003】

このうち磁力を利用するアクチュエータの動力源には、力を制御することのできる電磁石が主に用いられている。

【0004】

一方で、電磁石とともに永久磁石を利用するアクチュエータも提案されている。例えば、特許文献１の段落番号［００６２］～［００７２］には、第１面、第２面と、永久磁石と2つの電磁石を含み、第１面と第２面の間を移動可能なポールピースアセンブリとからなるアクチュエータが開示されている。ポールピースアセンブリが第１面に接して、ポールピースアセンブリ内の永久磁石が第１面と閉磁路を形成しているとき、電力を投入せずともポールピースアセンブリは第１面に吸着した状態を維持する。一方で、ポールピースアセンブリと第１面の間に設置した電磁石を永久磁石の磁束を減らす方向に磁化させ、ポールピースアセンブリと第２面の間に設置した電磁石を永久磁石の磁束を増やす方向に磁化させると、ポールピースアセンブリには第２面に吸着する力が作用する。ポールピースアセンブリが第２面と接して、ポールピースアセンブリ内の永久磁石が第２面と閉磁路を形成すると、電磁石の電流をオフにしてもポールピースアセンブリは第２面に吸着した状態を維持する。このように、動くときだけ電力を投入するだけでポールピースが第１面に吸着した状態と第２面に吸着した状態、これら２つの状態を制御することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６１９４４２４号

【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に記載のアクチュエータは、第１面に吸着した状態から第２面に吸着した状態に移行するとき、永久磁石と同等以上の磁力が必要となり、大きな電力を投入する必要があった。

【0007】

また、ポールピースやガイド棒といった多くの構成部品が必要で、小型化、軽量化が困難であった。さらに、永久磁石と第１面や第２面との間に電磁石を設置する必要があるため、永久磁石と第１面、第２面との間の距離が大きくなり、永久磁石の磁力の損失が大きく、大きな吸着力を得るためには大きな永久磁石が必要となり、やはり小型化、軽量化が困難であった。

【0008】

また、第１面、第２面のいずれに吸着した状態においても吸着力が作用するため、何らの力も作用せずに可動自在な状態を作ることはできなかった。

【0009】

本発明は、上記課題に着目してなしたものであり、少ない電力で永久磁石の吸着力を制御することができ、永久磁石の吸着力を最大限に活かし、かつ吸着力を作用させない状態（可動自在な状態）を作ることのできるアクチュエータを提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明のアクチュエータは、磁性体で形成され、一対の略直線部および一対の略直線部を連結する連結部からなる略Ｕ字型のコイルコアと、Ｎ極およびＳ極のそれぞれがコイルコアの内側において一対の略直線部に当接するように配置された永久磁石と、連結部の少なくとも一部に巻かれているコイルと、一対の略直線部の端面と所望の可動域を介して配置されたブリッジコアとを具備し、コイルに電流を流すことによって、ブリッジコアは一対の略直線部の端面に当接するように可動域を可動し、コイルに電流を流さないことによって、ブリッジコアは可動域を自由に可動することを特徴とする。

【0011】

また、前述したアクチュエータでは、ブリッジコアの可動域を１ｍｍ以下とするとなお良い。

【0012】

また、前述したアクチュエータでは、ブリッジコアが一対の略直線部の端面と当接しているとき、ブリッジコアと永久磁石の間の距離を１ｍｍ以下とするとなお良い。

【0013】

また、前述したアクチュエータでは、連結部のうちコイルが巻かれる部分の断面積を、略直線部のうち永久磁石が接する部分の断面積の０.５～０.９倍の大きさとするとなお良い。

【発明の効果】

【0014】

力を作用させたい対象物に、本発明に係るアクチュエータのブリッジコアを接続しておく。コイルに流す電流がゼロのとき、ブリッジコアに吸着力は発生せず可動域を自由に動くことができるため、対象物も可動域を自由に動くことができる。一方でコイルに適切な電流を流したとき、ブリッジコアはコイルコアに当接するため、対象物も固定された状態になる。

【0015】

このとき、コイルの電流によって、永久磁石による吸着力をゼロから永久磁石が本来持つ吸着力まで制御できるため、コイルによる電磁石のみによって吸着力を制御する場合と比べて、小型、軽量、かつ少ない電力での制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に係るアクチュエータの構造、および永久磁石や電磁石による磁束がとりうる状態を示す説明図である。

【図2】コイルコア単体の形状を示す説明図である。

【図3】本発明に係るアクチュエータに電流を流していない状態を示す説明図である。

【図4】本発明に係るアクチュエータに電流を流しているが作動に至っていない状態を示す説明図である。

【図5】本発明に係るアクチュエータに電流を流し作動している状態を示す説明図である。

【図6】本発明に係るアクチュエータの動作を示す説明図である。

【図7】図６に示したアクチュエータに電流を流したときの磁束の変化を示す説明図である。

【図8】図６に示したアクチュエータに電流を流したときの吸着力の変化を示す説明図である。

【図9】図６に示したアクチュエータに電流を流したときの対象物の変位の変化を示す説明図である。

【図10】本発明に係るアクチュエータを握力アシスト機器に適用した例を示す説明図である。

【図11】図１０に示した握力アシスト機器の側面図である。

【図12】図１０に示した握力アシスト機器を人差し指に装着した場合のイメージ図である。

【図13】握力アシスト機器の変形例である。

【図14】図１３に示した握力アシスト機器の側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１は、本発明に係るアクチュエータの構造、および永久磁石や電磁石による磁束がとりうる状態を示す説明図である。また図２は、コイルコア単体の形状を示す説明図である。アクチュエータ１は永久磁石１０と、磁性体で形成され、一対の略直線部１１ａおよび一対の略直線部１１ａを連結する連結部１１ｂからなる略Ｕ字形状のコイルコア１１と、連結部１１ｂに巻かれているコイル１２と、可動域３０を介して配置されたブリッジコア１３からなる。

【0018】

永久磁石１０のＮ極およびＳ極のそれぞれはコイルコア１１の内側において一対の略直線部１１ａに当接するように配置される。また、ブリッジコア１３は一対の略直線部１１ａの端面と可動域３０を介して配置され、可動域３０内を自由に動くことができる。

【0019】

永久磁石１０の磁束は、コイル１２内を通る第一経路２０と、可動域３０の空間（空気）およびブリッジコア１３内を通る第二経路２１を主として流れる。第一経路２０はブリッジコア１３を通らないため、ブリッジコア１３には永久磁石１０による力は作用しない。一方で第二経路２１はブリッジコア１３を通るため、ブリッジコア１３には可動域３０の空間を小さくする方向、すなわちコイルコア１１に向けた吸着力が作用する。ただし磁束の流れやすさは、磁性体のみからなり空間が存在しない第一経路２０の方が流れやすい。

【0020】

コイル１２による電磁石の磁束は、磁束密度の高い永久磁石１０内を流れることは困難なため、可動域３０の空間（空気）およびブリッジコア１３内を通る経路２２を主として流れる。経路２２の向きは、経路２０に対して磁気抵抗が生じるように、すなわち、逆向きとなるように、コイル１２に流す電流の向きを設定する。

【0021】

磁束は、空間（空気）、逆向きの磁束、磁性体によって磁気抵抗を受け、電流や水と同じく磁気抵抗のもっとも小さい経路を主として流れる性質がある。本発明に係るアクチュエータ１では、コイル１２による電磁石の磁束が経路２２を流れる量をコイル１２に流す電流によって制御することによって、永久磁石１０の磁束の主流を第一経路２０と第二経路２１とで切り替え、第一経路２０を流れるときはブリッジコア１３に吸着力が作用していない状態、第二経路２１を流れるときはブリッジコア１３に吸着力が作用している状態としている。

【0022】

そしてアクチュエータ１によって動かしたい対象物をブリッジコア１３またはコイルコア１１に連結し、コイル１２に流す電流を制御することによって、当該対象物に吸着力が作用しない状態と、吸着力が作用する状態を作り出している。

【0023】

永久磁石を利用すると、小型、軽量、省電力化が可能となる。電磁石を利用するとき、磁束を発生するのに必要なのは電流であり、コイルは電流の通り道にすぎず吸着力を発生するわけではないため、コイルが占有する体積や重量は小型化、軽量化を阻害する。そこでアクチュエータ１では、コイル１２の磁束は永久磁石１０の磁束の経路の切り替えを主目的として利用し、主な吸着力源は永久磁石１０とすることでコイル１２の体積や重量を抑制し、小型、軽量化を可能としている。これに対して、吸着力までコイルによる磁束のみ、すなわち電磁石で得ようとすると、コイルの占有する体積や重量が大きくなる分、小型、軽量化に不利となり、またアクチュエータ１よりも大きな電力が必要となる。

【0024】

図３は、本発明に係るアクチュエータに電流を流していない状態を示す説明図である。このときコイル１２に磁束は発生しないため、永久磁石１０の磁束は磁性体のみからなる第一経路２０を主として流れ、第二経路２１にはほとんど流れない。したがって、ブリッジコア１３に磁束による吸着力はほぼ発生せず、ブリッジコア１３は可動域３０内を自由に動くことができる。

【0025】

図４は、本発明に係るアクチュエータに電流を流しているが作動に至っていない状態を示す説明図である。コイル１２に電流を流し始めると、経路２２に磁束が発生し、第一経路２０は経路２２の磁気抵抗を受けて磁束が流れにくくなる。その結果、第二経路２１を流れる磁束の量が増える。第二経路２１および経路２２を流れる磁束によってブリッジコア１３にはコイルコア１１の方向に吸着力が作用するが、動くには至っていない。

【0026】

図５は、本発明に係るアクチュエータに電流を流し作動している状態を示す説明図である。コイル１２に流す電流を大きくしていき、すなわち経路２２の磁束を大きくしていくとやがて、永久磁石１０の磁束は第二経路２１を主として流れるようになる。第二経路２１および経路２２を流れる磁束によってブリッジコア１３に所望の吸着力が作用し、コイルコア１１に当接する。

【0027】

可動域３０の大きさには望ましい範囲がある。吸着力はコイルコア１１とブリッジコア１３の間の距離の２乗に反比例することが知られているため、可動域３０が大きい場合には可動域３０内での場所によってブリッジコア１３をコイルコア１１に当接させるのに必要な電流が大きく変動してしまい、制御ロジックが複雑になってしまう。これを回避するためには可動域３０を１ｍｍ以下に設定することが望ましい。

【0028】

コイルコア１１の断面積には望ましい範囲がある。コイルコア１１の連結部１１ｂには第一経路２０および経路２２の磁束が互いに逆向きに流れる。経路２２の磁束によって永久磁石１０の磁束を第一経路２０と第二経路２１とで容易に切り替えるためには、連結部１１ｂに流すことのできる磁束の許容量が、電流を流していないときに第一経路２０を流れる永久磁石１０の磁束にほぼ等しくなるよう、連結部１１ｂの断面積を設定するのが望ましい。このように設定することで、電流を流して経路２２による磁気抵抗が第一経路２０に作用したとき、第一経路２０の磁束が即座にあふれて容易に第二経路２１に流れるようになる。

【0029】

一方で永久磁石１０が当接する略直線部１１ａには第二経路２１および経路２２の磁束が同じ向きに流れる。これらの磁束は吸着力の源となるため可能な限り多く流すことが望ましい。そのため略直線部１１ａに流すことのできる磁束の許容量が、永久磁石１０の全磁束と経路２２を流れる磁束を加えたものと同等以上になるよう、略直線部１１ａの断面積を設定するのが望ましい。

【0030】

連結部１１ｂの断面積は略直線部１１ａのそれより小さくすることが望ましいが、さまざまなテストを行った結果、連結部１１ｂの断面積を略直線部１１ａの断面積に対して０．５～０．９倍に設定すると、吸着力のＯＮ／ＯＦＦ制御の容易さと吸着力最大化の両立に対して望ましいことが判明した。

【0031】

永久磁石１０の位置には望ましい範囲がある。磁性体であるコイルコア１１には、小さいとはいえ磁気抵抗が存在しており、吸着力最大化のために磁気抵抗の低減は重要である。そのためには略直線部１１ａの長さを最小限に抑制することが有効である。具体的には、ブリッジコア１３がコイルコア１１に当接しているとき、ブリッジコア１３と永久磁石１０の間の距離が１ｍｍ以下になるよう永久磁石１０の位置を設定すると、磁気抵抗によるロスは無視することができる。

【0032】

次に動作について説明する。

【0033】

図６は、本発明に係るアクチュエータの動作を示す説明図である。対象物５０および５１の間にアクチュエータ１を接続した構造である。対象物５０は固定され、対象物５１は対象物５０に対して蝶番５２によって回転運動することができ、アクチュエータ１内のブリッジコア１３と対象物５１はワイヤ５３によって連結され、ブリッジコア１３がコイルコア１１側に移動することによって対象物５１は図の上方向に重力に逆らって動く。コイル１２に電流を加えていったときの磁束の変化、吸着力の変化、対象物５１の高さ方向変位の変化の模式図をそれぞれ図７、図８および図９に示す。

【0034】

電流がゼロのとき図７に示すように磁束は第二経路２１をほとんど流れないため、図８に示すように吸着力はほとんど発生せず、図９に示すように変位はゼロである。

【0035】

電流を大きくして電流値５５の状態にすると、第一経路２０を流れていた磁束の一部は第二経路２１に移り（図７）、吸着力が発生する（図８）が、対象物５１の自重や蝶番５２の摩擦力により変位はゼロのまま（図９）である。

【0036】

さらに電流を大きくして電流値５６の状態にすると、第二経路２１の磁束は大きくなり（図７）、それに伴って吸着力も大きくなり（図８）、吸着力が対象物５１の自重や蝶番５２の摩擦力に打ち勝って対象物５１に変位が生じる（図９）。するとブリッジコア１３とコイルコア１１の間の空間（空気）による磁気抵抗が減少することによって第二経路２１の磁束が増加し、それによって吸着力が増加し、変位がさらに大きくなる雪崩現象を起こし、一気にブリッジコア１３がコイルコア１１に当接するまで変位する。ブリッジコア１３がコイルコア１１に当接すると、第二経路２１を流れる磁束は急激に増大し（図７）、これによって吸着力も急激に増大し（図８）、対象物５１は強い力で固定された状態となる。

【0037】

さらに電流を大きくして電流値５７の状態にすると、経路２２の磁束が増加（図７）する分だけ吸着力が増加する（図８）。一方で対象物５１はすでに固定されているため変位は変化しない（図９）。

【0038】

このように、本発明に係るアクチュエータ１は、永久磁石１０の磁束の経路（第一経路２０および第二経路２１）を切り替えることによって、対象物５１が自由に動ける状態と固定された状態の２つを作り出すことができる。

【0039】

図１０は、本発明に係るアクチュエータを握力アシスト機器に適用した例を示す説明図である。また図１１は、図１０に示した握力アシスト機器の側面図である。図１０および図１１において、握力アシスト機器６０は駆動部６１、関節部６８、指アシスト部６７、および指固定部６９からなる。握力アシスト機器６０は関節部６８を軸に駆動部６１と指アシスト部６７がくの字状に曲がる動作をする。そして指固定部６９を一本の指に挿入して指に固定し、握力をアシストする。

【0040】

駆動部６１はファイバーユニット６２を複数並列に配置し、それぞれのファイバーユニット６２の一端を固定部６４によりケース６５に固定したものである。ファイバーユニット６２の反対側の端部は繊維状の力伝達子６６を介して指アシスト部６７に連結される。このとき力伝達子６６を図の左方向に引くと、関節部６８を軸に指アシスト部６７が曲がるように力伝達子６６を配置する。

【0041】

ファイバーユニット６２は連結子６３を介してアクチュエータ１を複数直列に連結したものである。複数のアクチュエータ１に１個、２個・・・と順次電流を流すことにより、固定部６４に向かって変位を段階的に変化させながら縮むことができる。力伝達部６６では、複数のファイバーユニット６１が縮む力が合わさり、図の左向きに大きな力を得ることができる。

【0042】

握力アシスト機器６０に示すように手の甲に複数のアクチュエータ１を載せるためには、アクチュエータ１のサイズを例えば数ｍｍ程度にしなければ実用性を担保できない。このサイズのアクチュエータにおいて、電磁石のみでは、電流やコイルの巻き数が制限されるために、指をアシストできるだけの力を得ることは困難である。一方で、永久磁石を利用するアクチュエータ１であれば十分な力を得ることができるため、握力アシスト機器６０の実現が可能となる。

【0043】

図１２は、図１０に示した握力アシスト機器を人差し指に装着した場合のイメージ図である。第２関節と第３関節の間に指固定部６９を挿入し、駆動部６１は手の甲に位置するように装着する。握力アシスト機器６０を駆動させて、くの字状に曲げると、指固定部６９は指を、駆動部６１は手の甲を、それぞれ押す力が発生し、指を曲げる力をアシストすることができる。

【0044】

図１３は、握力アシスト機器の変形例である。また図１４は、図１３に示した握力アシスト機器の側面図である。握力アシスト機器７０の駆動部７１は、アクチュエータ１を縦方向の連結子７３および横方向の連結子７４を介して複数連結している。連結子７３は長さ方向にはほとんど伸びないがそれと垂直な方向には自由に動くことのできる繊維状のものであり、連結子７４は繊維状あるいはゴム状の弾性体である。本変形例では、一つのアクチュエータ１の変位と吸着力が隣接するアクチュエータ１に作用し、握力アシスト機器７０の変位や指を曲げる力は握力アシスト機器６０のそれらよりもより滑らかに変化させることができる。その結果、より自然な握力アシストが可能となる。

【0045】

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるわけではなく、その他種々の変更が可能である。また握力アシスト機器のみならず、人体のさまざまな部位をアシストする機器、あるいは既存のアクチュエータと同じく、人体以外の対象物に対して力を作用させる用途に用いることができる。

【符号の説明】

【0046】

１ アクチュエータ
１０ 永久磁石
１１ コイルコア
１１ａ 略直線部
１１ｂ 連結部
１２ コイル
１３ ブリッジコア
３０ 可動域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】