JP4007333B2 - 磁歪アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、磁歪アクチュエータに関する。詳しくは、磁歪を有する磁性体からなる変位発生手段に対して変位方向に移動可能な可動部材を接続して、この可動部材が接続されている変位発生手段の周囲に磁界を印加する磁界発生手段を設け、変位発生手段と磁界発生手段を収納手段に収納する。この収納手段は、変位発生手段に静的バイアス磁界を印加する永久磁石と強磁性体からなる磁気回路構成部材を収納される変位発生手段の周囲に配して構成するとともに、可動部材と収納手段との間に間隙を設けて、可動部材と収納手段との間で生じた磁気的吸引力によって変位発生手段に予荷重を加えるものである。

振動や変位発生用のアクチュエータとしては、圧電材料を用いた変位発生素子に制御電圧を印加することにより変位を発生させるようにした圧電アクチュエータや、磁歪材料を用いた変位発生部（以下「磁歪素子」という）に磁界を加えて変位を発生させるようにした磁歪アクチュエータが知られている。

この磁歪アクチュエータでは、制御電流の供給で容易に磁界を制御できる磁気回路が用いられており、この磁気回路で発生された磁界を磁歪素子に加えることで、磁歪素子の変位が制御される。磁歪材料としては、Ｎｉ系磁歪合金、Ｆｅ−Ａｌ系磁歪合金、フェライト系磁歪合金が主に用いられており、これらの磁歪材料に比べて１桁以上大きな変位を発生する希土類金属−遷移金属系超磁歪合金も実用化されている。

磁歪素子は、印加された磁界の強さにより伸長方向あるいは収縮方向に変位を生じるものであって、磁界の方向には依存しない。このため、例えば伸長方向に変位を生じる磁歪素子に対して、静的バイアス磁界をあらかじめ印加して磁歪素子をバイアス磁界の印加分だけ伸長させる、すなわち初期変位を付与しておく。このように静的バイアス磁界をあらかじめ印加した状態として、磁気回路で発生された磁界を磁歪素子に加えると、磁気回路で発生された磁界に応じて、初期変位の状態から伸長方向や収縮方向に磁歪素子を更に変位させることができる。すなわち、制御電流に応じた変位を磁歪素子で発生させることができる。また、磁歪素子が収縮方向に変位を生じる場合、磁歪素子に対して静的バイアス磁界をあらかじめ印加して、バイアス磁界の印加分だけ収縮させて初期変位を付与しておけば、制御電流に応じて更に変位を磁歪素子で発生させることができる。この磁歪素子に対する静的バイアス磁界の印加は、磁気回路中に永久磁石を配置することで行う。すなわち、磁気回路中に永久磁石を配置することで、永久磁石によって生じた磁界が磁歪素子に対して静的バイアス磁界として印加されるからである。

また、磁歪素子は、あらかじめ外部から応力（以下「予荷重」という）を加えておくと、磁界を印加した時の変位が、予荷重を加えていない場合よりも大きくなる。このため、磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータでは、より大きな変位を得ることができるように、予荷重を加えることが行われている。この予荷重は、磁歪素子を構成する材料に依存するものであり、例えばＮｉ系磁歪合金では収縮方向に変位を生ずることから引っ張り応力を予荷重として加え、Ｆｅ−Ａｌ系磁歪合金、フェライト系磁歪合金、希土類金属−遷移金属系超磁歪合金では伸長方向に変位を生ずることから圧縮応力を予荷重として加えることで変位を大きくすることができる。

特許文献１に開示された磁歪アクチュエータでは、図７に示すように、磁歪合金からなる棒状の磁歪素子３１、磁歪素子３１の周囲に配置されて磁歪素子３１に対して制御磁界を印加するソレノイドコイル３２、磁歪素子３１の一方の端部に連結されて磁歪アクチュエータの変位出力を伝達する駆動ロッド３３、磁歪素子３１の他方の端部に連結される固定盤３４、固定盤３４に取り付けられてソレノイドコイル３２を囲むように配置される筒状ケース３５等から構成されている。固定盤３４には、永久磁石３６が取り付けられており、永久磁石３６によって磁歪素子３１にバイアス磁界が印加される。

駆動ロッド３３と筒状ケース３５は、可撓性を有する連結部材３７により連結されている。連結部材３７は磁歪アクチュエータの駆動方向に関して柔で、同方向に直行する方向に関して剛となるように、駆動ロッド３３と筒状ケース３５に接続されている。この連結部材３７は、磁歪素子３１の変位出力に影響を与えない構造となっており、変位出力の損失の低減がはかられている。

特開平０７−１５０５３

ところで、特許文献１の発明では大きな変位を得ることができるように、連結部材３７に曲げ変形を与えておき、その復元力によって磁歪素子３１に予荷重を加えることが行われている。しかし、曲げ変形によって生ずる復元力を利用する場合、磁歪素子３１の変位の周期が短くなると、連結部材３７の復元が磁歪素子３１の変位に追従できず、磁歪素子３１に対して予荷重を安定して加えることが出来なくなってしまう。また、予荷重を安定して加えることが出来なくなると、ソレノイドコイル３２に制御電流を供給したとき、制御電流に応じた変位出力を得ることができない場合が生じてしまう。

さらに、固定盤３４に永久磁石３６が取り付けられていることから、磁歪素子３１に印加されるバイアス磁界は、磁歪素子３１の固定盤３４側で強く、磁歪素子３１の駆動ロッド３３側で弱くなってしまい、均一なバイアス磁界を磁歪素子３１に対して印加することができない。

そこで、この発明では、変位出力の損失が少なく大きな変位出力を得ることができる小型化が容易で安価な磁歪アクチュエータを提供するものである。

この発明に係る磁歪アクチュエータは、磁歪を有する磁性体からなる変位発生手段と、変位発生手段に接続されており変位発生手段の変位方向に移動可能であって強磁性体からなる可動部材と、変位発生手段の周囲に配設されて変位発生手段に磁界を印加する磁界発生手段と、変位発生手段と磁界発生手段を収納する収納手段とを有し、収納手段は、変位発生手段に静的バイアス磁界を印加する永久磁石と強磁性体からなる磁気回路構成部材を収納される変位発生手段の周囲に配して構成し、可動部材と収納手段との間に間隙を設けることにより、可動部材と収納手段との間で生じた磁気的吸引力によって変位発生手段に予荷重を加えるものである。

また、可動部材と収納手段との間に設けた間隙は、可撓性を有する封止部材で封止されているものである。さらに、収納手段は、永久磁石を変位発生手段の変位方向に間隔を持って複数配置して構成したものである。

この発明によれば、可動部材と収納手段との間で生じた磁気的吸引力によって変位発生手段に予荷重が加えられる。このため、可動部材を支持する軸受との摩擦の問題がないため、磁歪アクチュエータの変位出力の損失を大幅に低減することができる。また、磁気的吸引力によって変位発生手段に予荷重を加えるものであることから、変位発生手段における変位の周期が短くとも予荷重を安定して加え続けることが可能となり、変位出力を正しく得ることができる。また、可動部材を支持する軸受や、可動部材と収納手段を接続するための連結部材、変位発生手段に予荷重を加えるためのばね等を設ける必要がなく、安価に構成できるとともに小型化が容易となる。

また、可動部材と収納手段との間に設けた間隙は、可撓性を有する封止部材で封止される。このため、不要物が入り込んで磁歪アクチュエータの動作に悪影響を及ぼすことがない。また封止部材は可撓性を有するものであることから、封止部材を設けたことによる変位出力の損失を少なくできる。

さらに、収納手段は、変位発生手段の変位方向に間隔を持って配置された複数の永久磁石を用いて構成される。このため、変位方向に間隔を持って配置された複数の永久磁石によって、変位発生手段に印加される静的バイアス磁界をより均一なものとすることができる。

以下、図を参照しながら、この発明の実施の一形態について説明する。図１は、本発明に係る磁歪アクチュエータの第１の形態の概略断面図である。磁歪アクチュエータ１０ａは、伸長方向に変位を生ずる変位発生手段である棒状の磁歪素子１１、この磁歪素子１１に制御磁界を印加するために磁歪素子１１の周囲に配置された磁界発生手段であるソレノイドコイル１２、磁歪素子１１の一端に連結されて磁歪アクチュエータ１０ａの変位出力を伝達する可動部材たる駆動ロッド１３、磁歪素子１１とソレノイドコイル１２を収納する収納部１４で構成されている。

収納部１４は、固定盤１４１や永久磁石１４２および筒状ケース１４３で構成されている。固定盤１４１には、磁歪素子１１の他端が連結されており、固定盤１４１によって磁歪素子１１が支持される。磁歪素子１１に静的バイアス磁界を印加する永久磁石１４２と磁気回路構成部材である筒状ケース１４３は、収納される磁歪素子１１の周囲に配される。筒状ケース１４３は、永久磁石１４２の駆動ロッド１３側と固定盤１４１側に取り付けられており、強磁性体を用いて構成することで、効率よく磁歪素子１１に静的バイアス磁界を印加することができる。また、固定盤１４１も強磁性体を用いて構成することで、さらに効率よく磁歪素子１１に静的バイアス磁界を印加することができる。

駆動ロッド１３と収納部１４との間には、間隙１５を設けるものとし、駆動ロッド１３は永久磁石１４２によって吸引されるように強磁性体を用いて形成する。このようにして、駆動ロッド１３と収納部１４間で磁気的な吸引力を発生させて、この磁気的な吸引力により駆動ロッド１３に取り付けられた磁歪素子１１に予荷重を加える。

図２は、第１の形態における磁束線図を示したものである。永久磁石１４２から生じた磁束線は、筒状ケース１４３を通過したのち、間隙１５、駆動ロッド１３、固定盤１４１を介して永久磁石１４２へ向かうことになる。このため、駆動ロッド１３と収納部１４間で磁気的な吸引力が生じ、この磁気的な吸引力により磁歪素子１１に予荷重を印加させることができる。また、磁束線の一部は、筒状ケース１４３を通過したのち、間隙１５、駆動ロッド１３、磁歪素子１１、固定盤１４１を介して永久磁石１４２へ向かうことになる。このため、磁歪素子１１に静的バイアス磁界を印加させることができる。

このように構成された磁歪アクチュエータ１０ａでは、駆動ロッド１３が軸受によって支持されていないことから、駆動ロッド１３と軸受との摩擦の問題がないため、磁歪アクチュエータ１０ａの変位出力の損失を大幅に低減することができる。また、磁気的吸引力によって磁歪素子１１に予荷重を加えるものであることから、磁歪素子１１の変位の周期が短くとも予荷重を安定して加え続けることができるので、ソレノイドコイル１２に供給される制御電流に応じた変位出力を正しく得ることができる。また、永久磁石１４２は、２つの筒状ケース１４３の間に介在されることから、磁歪素子１１に印加される静的バイアス磁界を、固定盤１４１の位置に永久磁石を設ける場合に比べて均一にできる。さらに、可動部材を支持する軸受や、可動部材と収納手段を接続するための連結部材、変位発生手段に予荷重を加えるためのばね等を設ける必要がなく、小型化が容易であるとともに安価に構成できる。

ところで、上述の第１の形態では、駆動ロッド１３と収納部１４の間に間隙１５が設けられているため、間隙１５からゴミ等の不要物が入り込んでしまうことが考えられる。このため、第２の形態として、不要物が入り込んでしまうことを防止できる磁歪アクチュエータ１０ｂについて説明する。

図３は、第２の形態の概略断面図である。なお、図３において図１と対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。

第２の形態の磁歪アクチュエータ１０ｂでは、第１の形態における間隙１５の位置に封止部材１６を設けるものとする。この封止部材１６としては、磁歪アクチュエータ１０ｂの変位出力の損失を招くことがないように低硬度で可撓性を有する素材、例えばシリコン系樹脂やゴム系樹脂を用いる。また、磁性流体等を封止部材１６として用いて間隙１５を封止するものとしても良い。このように、第２の形態によれば、間隙１５が封止されるので不要物が入り込んでしまうことがなく、不要物の入り込みによる悪影響を更に防止できる。

次に、第３の形態について説明する。第３の形態は、磁歪素子１１に印加する静的バイアス磁界を上述の第１あるいは第２の形態よりも更に均一できる磁歪アクチュエータ１０ｃを示している。

図４は第３の形態の概略断面図である。なお、図４において図１と対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。

第３の形態の磁歪アクチュエータ１０ｃでは、棒状の磁歪素子１１に印加される静的バイアス磁界が均一となるように、磁歪素子１１の変位方向（棒状の磁歪素子１１の軸方向）に間隔を持って永久磁石１４２を複数配置する。例えば図４に示すように、駆動ロッド１３側に第１の永久磁石１４２-aを配置する。また、固定盤１４１側に第３の永久磁石１４２-cを配置し、第１の永久磁石１４２-aと第３の永久磁石１４２-cの中間に第２の永久磁石１４２-bを配置して、永久磁石１４２-aと永久磁石１４２-b間および永久磁石１４２-bと永久磁石１４２-c間に筒状ケース１４３を設ける。このように、複数の永久磁石１４２を磁歪素子１１の変位方向に間隔を持って配置して、磁歪素子１１に対して静的バイアス磁界を印加する。

図５は、第３の形態における磁束線図を示しており、３つの永久磁石１４２-a〜１４２-cから生じた磁束線は、筒状ケース１４３を通過したのち、間隙１５、駆動ロッド１３、固定盤１４１を介して永久磁石１４２-a〜１４２-cへ向かうことになる。このため、駆動ロッド１３と磁石１４２-a間で磁気的な吸引力が生じ、この磁気的な吸引力により磁歪素子１１に予荷重を加えることができる。また、磁束線の一部は、筒状ケース１４３を通過したのち、間隙１５、駆動ロッド１３、磁歪素子１１、固定盤１４１を介して永久磁石１４２へ向かうことになる。このため、磁歪素子１１に静的バイアス磁界を印加させることができる。さらに、永久磁石１４２-a，１４２-b，１４２-cは、磁歪素子１１の変位方向に間隔を持って配置されていることから、第１および第２の形態のように１つの永久磁石１４２を設けた場合に比べて、磁歪素子１１に印加される静的バイアス磁界を均一なものとすることができる。

このように、第３の形態によれば、第１の形態と同様に、磁歪アクチュエータ１０ｃの変位出力の損失を大幅に低減することができる。また、ソレノイドコイル１２に供給される制御電流に応じた変位出力を正しく得ることができ、小型化も容易である。また、磁歪素子１１に対して印加される静的バイアス磁界を、更に均一とすることができる。

第４の形態は、第３の形態における間隙１５を第２の形態と同様に封止部材１６を用いて封止した場合である。図６は、第４の形態の概略断面図を示している。なお、図４においても図１と対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。

第４の形態の磁歪アクチュエータ１０ｄでは、第３の形態における間隙１５の位置に封止部材１６を設けるものとする。この封止部材１６としては、第２の形態と同様に磁歪アクチュエータ１０ｄの変位出力の損失を招くことがないように低硬度で可撓性を有する素材を用いる。
このように、間隙１５が封止部材１６で封止されるので不要物が入り込んでしまうことがなく、不要物の入り込みによる悪影響を更に防止できる。

第１の形態において、磁歪素子１１は、テルビウム（Ｔｂ）とディスプロシウム（Ｄｙ）と鉄（Ｆｅ）からなるＴｂ-Ｄy-Ｆe系合金（組成は「Ｔｂ_0.34Ｄｙ_0.66Ｆｅ_1.9」）を用いて構成し、直径を１．０ｍｍ、長さを１０ｍｍとする。駆動ロッド１３と筒状ケース１４３は、炭素鋼Ｓ１５Ｃを用いて構成する。筒状ケース１４３は、内径４．５ｍｍ、外径８．０ｍｍ、長さ４．０ｍｍとする。また、駆動ロッド１３の外径は筒状ケース１４３あるいいは永久磁石１４２-aの外径と等しくする。永久磁石１４２，１４２-a，１４２-b，１４２-cは、例えばＮｄ-Ｆｅ-Ｂ系磁石であって最大エネルギー積（ＢＨ）maxが３２ＭＧＯｅである磁石(住友特殊金属株式会社製 ＮＥＯＭＡＸ３２Ｈ)を用い、内径４．５ｍｍ、外径８．０ｍｍ、長さ３．０ｍｍとして、着磁方向は磁歪素子１１の変位方向とする。ここで、間隙１５の間隔を０．２ｍｍとしたとき、磁歪素子１１に加わる圧縮応力の計算結果は、１．３×１０⁶Ｎ／ｍ²であった。また、第３の形態において、永久磁石１４２-ａ，１４２-ｂ，１４２-ｃの高さを１．０ｍｍとしたとき、磁歪素子１１に加わる圧縮応力の計算結果は、８．０×１０⁶Ｎ／ｍ²であった。このように、駆動ロッド１３と収納部１４間に間隙１５を設けることで、磁歪素子１１に圧縮応力を加えることができる。

以上のように、本発明にかかる磁歪アクチュエータは、応答性が良好で変位出力の損失の少ないアクチュエータとして有用であり、振動制御装置や位置決め装置、音声出力装置、ポンプなど種々の分野に適用している。

第１の形態の断面概略図である。 第１の形態における磁束線図である。 第２の形態の断面概略図である。 第３の形態の断面概略図である。 第３の形態における磁束線図である。 第４の形態の断面概略図である。 従来の磁歪アクチュエータの断面概略図である。

符号の説明

１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，３０・・・磁歪アクチュエータ、１１，３１・・・磁歪素子、１２，３２・・・ソレノイドコイル、１３，３３・・・駆動ロッド、１４・・・収納部、１５・・・間隙、１６・・・封止部材、３４，１４１・・・固定盤、３５，１４３・・・筒状ケース、３６，１４２，１４２-a，１４２-b，１４２-c，・・・永久磁石、３７・・・連結部材

Claims (3)

1. 磁歪を有する磁性体からなる変位発生手段と、
   前記変位発生手段に接続されており該変位発生手段の変位方向に移動可能であって強磁性体からなる可動部材と、
   前記変位発生手段の周囲に配設されて該変位発生手段に磁界を印加する磁界発生手段と、
   前記変位発生手段と前記磁界発生手段を収納する収納手段とを有し、
   前記収納手段は、前記変位発生手段に静的バイアス磁界を印加する永久磁石と強磁性体からなる磁気回路構成部材を前記収納される前記変位発生手段の周囲に配して構成し、
   前記可動部材と前記収納手段との間に間隙を設けることにより、該可動部材と該収納手段との間で生じた磁気的吸引力によって前記変位発生手段に予荷重を加える
   ことを特徴とする磁歪アクチュエータ。
2. 前記可動部材と前記収納手段との間に設けた間隙は、可撓性を有する封止部材で封止されている
   ことを特徴とする請求項１記載の磁歪アクチュエータ。
3. 前記収納手段は、前記永久磁石を前記変位発生手段の変位方向に間隔を持って複数配置して構成した
   ことを特徴とする請求項１記載の磁歪アクチュエータ。
   

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