JP3024993B2

JP3024993B2 - 磁歪アクチュエータ

Info

Publication number: JP3024993B2
Application number: JP02274878A
Authority: JP
Inventors: 輝夫森
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1990-10-12
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 2000-03-27
Anticipated expiration: 2015-03-27
Also published as: JPH04150078A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、磁歪材の伸縮を利用したアクチュエータに
関する。

＜従来の技術＞物体に往復運動を与えるためのアクチュエータとして
は、ソレノイドコイルを用いる電磁式のものが汎用され
ているが、このものは可動片の慣性質量が大きいため応
答が遅く、また、所望のストロークを得るためには別に
制動部材を設けなければならないなどの問題がある。

一方、応答速度の速い磁歪材の伸縮を利用して一方向
駆動のアクチュエータを構成した磁歪アクチュエータも
提案されている。

磁歪材は伸縮率が小さいため、アクチュエータに適用
する場合には、テコ等の変位量を拡大する手段が必要と
されることが多い。

しかし、テコのような変位量拡大手段を用いた場合、
力学的な減衰が避けられず、また、支点、力点、作用点
等において点や線での接触となるため、磁歪材やこれと
接触する部材の摩耗により耐久性が不十分となる問題が
ある。

＜発明が解決しようとする課題＞本発明は、このような事情からなされたものであり、
高速度の応答が可能で、駆動量が大きく、しかも構成が
簡単で耐久性の高い磁歪アクチュエータを提供すること
を目的とする。

＜課題を解決するための手段＞このような目的は、下記（１）〜（４）の本発明によ
り達成される。

（１）テーパまたは勾配を構成する側面を有する磁歪材
と、この磁歪材のテーパまたは勾配を構成する側面にほ
ぼ密着し得る保持面を有する保持部材と、前記磁歪材に
磁界を印加するための磁界印加手段とを有し、前記磁歪材が前記保持部材に付勢されており、前記磁歪材に印加される磁界強度が変更されて前記磁
歪材の断面積が増加または減少したとき、前記磁歪材の
テーパまたは勾配を構成する側面と前記保持部材の保持
面との間に滑りが生じて前記磁歪材が移動することを特
徴とする磁歪アクチュエータ。

（２）前記保持部材が、前記磁歪材を構成する磁歪材料
とは異なる符号の飽和磁歪値を有する磁歪材料から構成
された筒状体であって、前記保持部材の内側面が前記保
持面となっており、前記磁歪材の断面積が増加または減少するように磁界
を印加したとき、前記保持部材の保持面で囲まれた領域
の断面積が減少または増加する構成を有する上記（１）
に記載の磁歪アクチュエータ。

（３）前記磁歪材のテーパまたは勾配をもつ側面と前記
保持部材の保持面との間に、潤滑剤を有する上記（１）
または（２）に記載の磁歪アクチュエータ。

（４）前記磁歪材に接して駆動用ヘッドが設けられてお
り、この駆動用ヘッドが前記磁歪材を介して前記保持部
材に付勢されており、前記磁歪材の移動が前記駆動用ヘッドを介して駆動対
象物に伝達される上記（１）ないし（３）のいずれかに
記載の磁歪アクチュエータ。

＜作用＞本発明の磁歪アクチュエータにおいて、磁歪材に印加
する磁界強度を変化させると、磁歪材は伸長すると同時
に断面積が減少するか、あるいは縮小すると同時に断面
積が増加する。

本発明で用いる磁歪材はテーパまたは勾配を構成する
側面を有し、磁歪材を保持する保持部材は磁歪材の前記
側面にほぼ密着する保持面を有するため、磁歪材の断面
積の増減に伴って磁歪材と保持面との間で滑りが生じ、
磁歪材は移動する。

また、磁歪材は保持部材に付勢されているため、磁歪
材の断面積の増減は磁歪材の移動に速やかに反映され
る。

本発明では、いわゆる横磁歪による磁歪材の断面積変
化を、テーパないし勾配を構成する傾斜面により増幅し
ており、いわゆる縦磁歪、すなわち磁歪材の伸縮を直接
利用する場合に比べ、大きな駆動量を得ることが可能で
ある。また、磁歪材のテーパまたは勾配の度合いを適宜
選択することにより、印加磁界強度変化に対する磁歪材
の移動率を様々な値に設定することができる。そして、
磁歪材移動に伴う応力は、磁歪材の側面や保持部材の保
持面などの面が受け持つため、摩耗等の経時変化が少な
く、高い耐久性が得られる。

なお、通常、磁歪材の底面もしくはこの底面に接して
設けられる駆動用ヘッドが、対象物体を駆動することに
なる。

また、本発明において、磁歪材を構成する磁歪材料と
は異なる符号の飽和磁歪値を有する磁歪材料から保持部
材を構成し、かつこの保持部材を筒状体として保持部材
の内側面を保持面とすれば、磁歪材の断面積が増加また
は減少するように磁界を印加したとき、保持部材の内側
面で囲まれた領域の断面積が減少または増加することに
なるため、これらの作用が相まって磁歪材の移動率が高
くなり、その結果、大きな駆動量を得ることが可能とな
る。

さらに、本発明において、磁歪材と保持部材とを潤滑
剤を介して接触させる構成とすれば、磁歪材の移動をよ
り円滑に行なうことが可能となる。

＜実施例＞以下、本発明を、図面に示す好適実施例に基づいて詳
細に説明する。

第１図に本発明の磁歪アクチュエータの好適実施例の
断面図を示す。

本発明の磁歪アクチュエータ１は、磁歪材２と、この
磁歪材２を保持する保持部材３とを有する。

磁歪材２は円錐台部分を有する形状であり、円錐台部
分の側面21は、テーパを構成している。

保持部材３は、ステンレス鋼等の非磁性材料からなる
筒状体であり、その内側面には、磁歪材２のテーパを構
成する側面21にほぼ密着し得る保持面31が存在する。

そして、磁歪材２は、駆動用ヘッド41を介してスプリ
ング５により保持部材３に付勢されている。すなわち、
駆動用ヘッド41は、磁歪材２を介して保持部材３に付勢
されている。

駆動用ヘッド41は、磁歪材２の上面に接触していて磁
歪材２の移動を駆動対象物に伝達する作用を有するが、
ヨークとしての作用も有し、磁歪材２における反磁界の
作用を軽減するはたらきを示す。また、磁歪材２の下面
に接して、同様に反磁界軽減作用を有するヨーク42が設
けられている。駆動用ヘッド41およびヨーク42は、軟磁
性材料で構成される。

磁歪アクチュエータ１は、磁歪材２に磁界を印加する
ための磁界印加手段を有する。磁界印加手段は、磁歪材
２を包囲するように設けられたソレノイドコイル61およ
び62と、これらのソレノイドコイルに接続されている電
源（図示せず）を含む。

ソレノイドコイル61は、磁歪材２の軸方向に磁界を印
加して磁歪材２の伸縮を制御するために設けられてお
り、ソレノイドコイル62は、磁歪材２にバイアス磁界を
印加するために設けられている。磁歪材は、印加磁界強
度が変化すると変位量もそれに応じて変化するが、変位
量は印加磁界強度には必ずしも比例しない。このため、
印加磁界強度の変化に対する変位量の大きい部分を使う
ために、通常、このようにバイアス磁界が印加される。

このような構成を有する磁歪アクチュエータ１におい
て、磁歪材２に所定のバイアス磁界を印加した状態で磁
歪材２に印加する磁界強度を変更すると、磁歪材２はそ
の軸方向に伸長または縮小する。磁歪材２が伸縮しても
その体積に殆ど変化はないため、磁歪材２は、伸長する
と断面積が減少し、縮小すると断面積が増加することに
なる。第１図に示される形状の磁歪材２では、底面と平
行な断面は円となるので、軸方向に伸長すると断面の直
径が減少し、軸方向に縮小すると断面の直径が増加す
る。

一方、保持部材３は磁界が印加されても形状が変わら
ないため、印加磁界強度変更により磁歪材２の断面積が
増加すると、磁歪材２は保持部材３から図中上方に向か
う力を受ける。この結果、磁歪材２の側面21と保持部材
３の保持面31との間には滑りが生じ、磁歪材２は図中上
方向に移動する。

また、磁歪材２はスプリング５により付勢されている
ので、磁歪材２の断面積が減少すると、磁歪材２は保持
部材３の保持面31を滑り落ちて図中下方向に移動する。

磁歪アクチュエータ１は、このようにして図中上下方
向に駆動可能なアクチュエータとしてはたらく。

なお、磁歪材２の側面21と保持部材３の保持面31との
間には、潤滑剤が存在することが好ましい。潤滑剤とし
てエンジンオイル等の液体潤滑剤を用いれば、側面21と
保持面31との間には潤滑剤層が形成されるため、磁歪材
２の移動を極めて円滑に行なうことができる。

本発明には、保持部材３を磁歪材料で構成する態様も
含まれる。この場合、保持部材３を構成する磁歪材料に
は、磁歪材２を構成する磁歪材料の飽和磁歪値の符号と
異なる符号の飽和磁歪値を有するものを用いる。例え
ば、磁歪材２を構成する磁歪材料の飽和磁歪値の符号が
負であれば、保持部材３には、飽和磁歪値の符号が正で
ある磁歪材料を用いる。

この態様では、磁歪材２の断面積が増加するように磁
界を印加すると、保持部材３の保持面31で囲まれた領域
（保持部材３の中心孔）の断面積が減少し、磁歪材２の
断面積が減少するように磁界を印加すると、保持部材３
の保持面31で囲まれた領域の断面積が増加する。これ
は、磁歪材２が軸方向に伸長すると保持部材３が軸方向
に縮小し、磁歪材２が軸方向に縮小すると保持部材３が
軸方向に伸長するからである。

磁歪材２の断面積と保持部材３の中心孔の断面積とが
このように逆に変化するため、保持部材３が磁歪材料で
ない場合に比べて磁歪材２の移動量は著しく増加する。

なお、磁歪材２に正磁歪材料を用いるか負磁歪材料を
用いるかは、磁歪アクチュエータの用途に応じて適宜決
定すればよい。

本発明の磁歪アクチュエータは、上記したような作用
により磁歪材が移動する構成であればよく、第１図に示
される構成に限定されるものではない。

例えば、磁歪材は、テーパを構成する側面を有するも
のであればよく、図示例のような円錐台部分を有する各
種形状の他、角錐台部分を有する種々の形状であっても
よい。また、対向する一対の側面が平行であって、他の
一対の側面がテーパないし勾配を構成するようなクサビ
状であってもよい。また、保持部材は筒状である必要は
なく、柱状の保持部材を複数用いてもよい。

すなわち、磁歪材の断面積の増減により磁歪材と保持
部材との間で滑りが生じて一方向に往復運動する構成で
あれば、本発明の効果は実現する。

本発明において、保持部材の保持面とは、磁歪材のテ
ーパまたは勾配を構成する側面にほぼ密着し得る面であ
り、例えばクサビ状磁歪材の一対の平行な側面など、テ
ーパや勾配を構成しない側面については保持面は必須で
はないが、磁歪材の往復運動方向にだけ自由度を残し、
他の方向への動きを規制するため、必要に応じて規制部
材を設けることが好ましい。なお、保持部材が筒状体で
ある場合、保持部材はこのような規制部材を兼ねること
になる。

第１図に示される例では、磁歪材２はスプリング５に
よって保持部材３に付勢されているが、磁歪材２と保持
部材３とが図示のような位置関係で使用される場合、ス
プリング５を設けずに重力によって磁歪材２を保持部材
３に付勢する構成としてもよい。

また、バイアス磁界印加用のソレノイドコイル62は必
ずしも設けなくてもよく、駆動用ヘッド41とヨーク42と
の間に永久磁石を設ける構成としたり、あるいはソレノ
イドコイル61に印加する電圧に所定の直流電圧を重畳す
る構成としてもよい。

さらに、駆動用ヘッド41を設けずに、駆動対象物を磁
歪材２が直接駆動する構成とすることもできる。

磁歪材２の組成に特に制限はなく、従来から磁歪材料
として知られている各種組成、例えば、希土類金属元素
および鉄を含有する超磁歪材料、フェライト、ニッケ
ル、アルフェロ（Fe₃Fl）等のいずれを用いてもよい。

本発明では、飽和磁歪値の小さい磁歪材を用いた場合
でも十分な駆動量が得られるが、希土類金属元素および
鉄を含有する超磁歪材料は磁歪量が大きいため、特に大
きな駆動量が必要とされる場合に有用である。

希土類金属元素および鉄を含有する磁歪材料として
は、下記の組成を有するものが好ましい。

［式Ｉ］ RT_x ここでＲは、イットリウム（Ｙ）を含む希土類金属元
素のうちの１種以上を表わし、ＴはFe、NiおよびCoのう
ちの１種以上を表わす。

上記組成において、1.5≦ｘ≦2.5、特に1.85≦ｘ≦2.
00であることが好ましい。

ｘが上記範囲外となると、高磁界における磁歪量およ
び単位磁界強度あたりの磁歪変化量ｄλ/dHが低下す
る。

希土類金属元素としては、La、Nd、Pm、Sm、Gd、Tb、
Eu、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Tmのランタノイド元素が好ま
しく、これらから選ばれる１種以上の元素の組合せとし
ては、Sm、Tb、Dy、Ho、ErおよびTm単独、TbGd、TbDy、
TbHo、TbHoDy、SmTb、SmDy、SmHo、SmEr、SmHoDy、HoEr
ならびにHo、ErおよびDyの２種以上の組合せが好まし
く、さらに、常温で高磁界および低磁界での磁歪量が優
れている点から、これらのうち特に、Tb単独、Tbの一部
をDyおよび／またはHoで置換したもの、Sm単独、Smの一
部をDyおよび／またはHoで置換したものが好ましい。

なお、Tbを含有するものは正の磁歪を示し、Smを含有
するものは負の磁歪を示す。

なお、このような組成中には、さらに全体の30at％以
内で遷移金属元素やZn等が含有されていてもよい。

遷移金属元素としては、Sc、Ti、Ｖ、Cr、Mn、Fe、C
o、Ni、Cu、Ｙ、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、C
d、Hf、Ta、Ｗ、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hgが使用可能で
ある。

このような磁歪材は、米国特許第4375372号明細書、
同第4152178号明細書、同第3949351号明細書、同第4308
474号明細書、同第4378258号明細書等、特開昭53−6479
8号公報、本出願人による特願昭62−172376号、同62−2
27962号、同62−227963号、同63−284133号、同63−284
134号、特願平１−41171号等に開示されている。

このような磁歪材は、一般的な合金製造法、例えば、
アークメルト法、一方向性凝固法、ゾーンメルト法、高
周波溶解法、粉末冶金法等によって製造され、所定の形
状および寸法に成型加工されて用いられる。

＜発明の効果＞本発明の磁歪アクチュエータは、動力として磁歪材の
伸縮を利用するため高速度の応答が可能である。

そして、磁歪材の伸縮（縦磁歪）に伴うその断面積の
増減（横磁歪）を利用し、これをテーパや勾配で拡大す
るため、簡単な構成で大きな駆動量が得られる。しか
も、可動部分はほぼ面接触となるため、耐久性が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の磁歪アクチュエータの好適実施例の
断面図である。符号の説明１……磁歪アクチュエータ２……磁歪材３……保持部材 41……駆動用ヘッド 42……ヨーク５……スプリング 61,62……ソレノイドコイル

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】テーパまたは勾配を構成する側面を有する
磁歪材と、この磁歪材のテーパまたは勾配を構成する側
面にほぼ密着し得る保持面を有する保持部材と、前記磁
歪材に磁界を印加するための磁界印加手段とを有し、前記磁歪材が前記保持部材に付勢されており、前記磁歪材に印加される磁界強度が変更されて前記磁歪
材の断面積が増加または減少したとき、前記磁歪材のテ
ーパまたは勾配を構成する側面と前記保持部材の保持面
との間に滑りが生じて前記磁歪材が移動することを特徴
とする磁歪アクチュエータ。
【請求項２】前記保持部材が、前記磁歪材を構成する磁
歪材料とは異なる符号の飽和磁歪値を有する磁歪材料か
ら構成された筒状体であって、前記保持部材の内側面が
前記保持面となっており、前記磁歪材の断面積が増加または減少するように磁界を
印加したとき、前記保持部材の保持面で囲まれた領域の
断面積が減少または増加する構成を有する請求項１に記
載の磁歪アクチュエータ。
【請求項３】前記磁歪材のテーパまたは勾配をもつ側面
と前記保持部材の保持面との間に、潤滑剤を有する請求
項１または２に記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項４】前記磁歪材に接して駆動用ヘッドが設けら
れており、この駆動用ヘッドが前記磁歪材を介して前記
保持部材に付勢されており、前記磁歪材の移動が前記駆動用ヘッドを介して駆動対象
物に伝達される請求項１ないし３のいずれかに記載の磁
歪アクチュエータ。