JP4284898B2 - 超磁歪リニアアクチュエータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、極性が交番する磁界を発生させるための励磁コイルと、この励磁コイルによる極性が交番する磁界の方向に沿って長さが弾性変化する超磁歪素子とを備え、その長さが弾性変化する方向における超磁歪素子の一端側を伸縮自在にその他端側を保持して構成される超磁歪リニアアクチュエータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図9に従来の超磁歪リニアアクチュエータの構成図を示し、図10に図9の超磁歪リニアアクチュエータの動作説明図を示す。
【0003】
図9において、超磁歪リニアアクチュエータ9は、駆動力を発生させる超磁歪素子12と、この超磁歪素子12と接するようにして配置され駆動出力を外部に伝える出力軸93と、磁気バイアスを超磁歪素子12に与えるための永久磁石97と、磁気回路を構成するヨーク99と、超磁歪素子12に予荷重を付与する予荷重バネ96と、起磁力を付与するための励磁コイル11とにより構成されている。
【0004】
このような構成の超磁歪リニアアクチュエータ9において、励磁コイル11に正弦波または矩形波などの交流電流を与えると、図10に示すようにヨーク99および超磁歪素子12で構成される磁路中を通る磁束も交流的に変化する。このとき、超磁歪素子12に磁歪が生じ、駆動周波数と同じ周波数の微小振動が生じ、この微小振動が振動出力として出力軸93を通して外部に伝達される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の超磁歪リニアアクチュエータでは、外部に伝達される出力変位は、超磁歪素子の伸縮による変位の振幅そのものであり、最大で超磁歪素子の長さの1000〜2000ppm程度の微少な振動出力しか取り出すことができない。
【0006】
弾性変化方向の超磁歪素子の全長が例えば10mmであるとき、最大の出力変位は10〜20μm程度であるが、0.1mm〜1mm程度の出力変位となる超磁歪リニアアクチュエータの開発が望まれる。
【0007】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、超磁歪素子により駆動される可動体の出力変位をより一層大きくすることができる超磁歪リニアアクチュエータを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項1記載の発明は、極性が交番する磁界を発生させるための励磁コイルと、この励磁コイルによる極性が交番する磁界の方向に沿って長さが弾性変化する超磁歪素子とを備え、その長さが弾性変化する方向における超磁歪素子の一端側を伸縮自在にその他端側を保持して構成される超磁歪リニアアクチュエータであって、支点と一端との間の一端部の長さがその支点と他端との間の他端部の長さよりも短いL字状に形成された可動手段を一対備え、これら一対の可動手段の双方の一端部に前記超磁歪素子の一端側が当接しており、前記他端部が前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動に共振し、この可動手段の他端部が出力軸となることを特徴とする。
【0009】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の超磁歪リニアアクチュエータにおいて、前記励磁コイルへの直流電流の重畳または永久磁石の使用によって動作点を磁気バイアスし、前記励磁コイルへの交番電流の供給により、単一極性内で動作点を中心に磁界の大きさに比例して前記超磁歪素子の長さが前記磁界の方向に沿って伸縮するように弾性変化することを特徴とする。
【0014】
請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の超磁歪リニアアクチュエータにおいて、前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動を前記可動手段の固有振動に合わせる周波数の電流を、前記励磁コイルに供給することを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係る基本構成の超磁歪リニアアクチュエータの構成図であり、この図を参照しながら基本構成について説明する。
【0016】
基本構成の超磁歪リニアアクチュエータ1は、極性が交番する磁界を発生させるための一対の励磁コイル11と、これら一対の励磁コイル11による極性が交番する磁界の方向(図1では上下方向)に沿って長さが弾性変化する一対の超磁歪素子12と、金属などによりなる剛体である一つの可動体13とを備え、上述の長さが弾性変化する方向における各超磁歪素子12の一端側(図では下端側)を伸縮自在にその他端側をハウジングまたはこれに固定される部材(図では14)に保持して構成される。なお、図1において、121は駆動力伝達部材であり、また各励磁コイル11は、対応する超磁歪素子12に巻装されている。
【0017】
可動体13は、てこの支点13aと一端13bとの間の一端部131の長さが支点13aと他端13cとの間の他端部132の長さよりも短く、一端部131が超磁歪素子12の一端側と当接し、他端部132が超磁歪素子12の一端側の伸縮による振動に共振するように構成され、可動体13の他端部132が出力軸となっている。すなわち、基本構成では、可動体13は、T字状に形成されて、一端部131を一対T字の頭部に有するとともに他端部132を一つT字の足部に有し、各一端部131に上記各組の超磁歪素子12の一端側が当接しているのである。なお、支点13aは、図略のハウジングまたはこれに固定される部材に完全にまたはある程度の自由度をもって固定される。
【0018】
また、図1の例では、ハウジングまたはこれに固定される部材(図では15)に、半球状の予荷重皿バネ16が一対設けられ、これら一対の予荷重皿バネ16が、それぞれ一対の超磁歪素子12の一端側とともに可動体13の一対の一端部131を狭持し、一端部131に適切な荷重を加え、可動体13との接触角度が変動しても駆動力を伝達できるようになっている。
【0019】
次に、上記構成の超磁歪リニアアクチュエータ1において、一対の励磁コイル11に正弦波または矩形波などの交流電流を交互に流して、一対の超磁歪素子12をアクチュエータとして交互に駆動すれば、可動体13の出力軸がモンキーモーションで駆動することになる。
【0020】
このような超磁歪リニアアクチュエータ1によれば、可動体13の他端部132の長さが一端部131の長さよりも長いために、超磁歪素子12の一端側の伸縮による変化長よりも可動体13の他端部132の他端13cの変化長のほうが長くなり(てこ機構による変位拡大)、しかも他端部132が共振するので、他端13cの変化長がより一層長くなる(可動体の共振系による変位増幅)。これにより、他端13cの変化長が0.1mm〜1mm程度になる超磁歪リニアアクチュエータ1を得ることができた。
【0021】
なお、図1の例では、励磁コイル11および超磁歪素子12が、この一端側を伸縮自在にその他端側を保持した状態で2組並設され、これら2組の励磁コイル11および超磁歪素子12の側に他端部132がくるように可動体13が設けられているが、その反対側に他端部132がくるように可動体13が設けられる構成でもよい。
【0022】
図2は本発明に係る参考例1の超磁歪リニアアクチュエータの構成図であり、この図を参照しながら参考例1について説明する。
【0023】
参考例1の超磁歪リニアアクチュエータ2は、各超磁歪素子12の他端側に磁気バイアス用の永久磁石17をさらに備える以外は基本構成の超磁歪リニアアクチュエータ1と同様に構成されている。
【0024】
基本構成のように磁気バイアスを加えない場合には、超磁歪素子12は励磁コイル11を流れる電流の周波数の2倍の周波数で伸縮するのに対し、参考例1のように永久磁石17で磁気バイアスを加える場合には、超磁歪素子12は励磁コイル11を流れる電流の周波数で伸縮する。
【0025】
なお、参考例1では、永久磁石17を用いて磁気バイアスを加える構成になっているが、励磁コイル11に直流電流を重畳して磁気バイアスを加える構成でもよい。
【0026】
図3は本発明に係る参考例2の超磁歪リニアアクチュエータの構成図であり、この図を参照しながら参考例2について説明する。なお、基本構成と同様のものには同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0027】
参考例2の超磁歪リニアアクチュエータ3は、励磁コイル11および超磁歪素子12を、この一端側を伸縮自在にその他端側をハウジングまたはこれに固定される部材(図では14)に保持した状態で1組備えているほか、一端部131および他端部132を一つずつ有するL字状に形成された可動体33を備え、この可動体33の一端部131を、超磁歪素子12の一端側とハウジングまたはこれに固定される部材(図では35)に設けられた半球状の予荷重皿バネ16とで狭持する構成になっている。なお、磁気バイアスを加えない構成でも、あるいは永久磁石または直流電流の重畳によって磁気バイアスを加える構成でもよい。
【0028】
次に、上記構成の超磁歪リニアアクチュエータ3において、励磁コイル11に正弦波または矩形波などの交流電流を流して超磁歪素子12を駆動すれば、一端部131および他端部132の間の頂角部が支点13aとなって可動体33の出力軸が一端部131側の動作点よりも大きく揺動することになる。
【0029】
このような超磁歪リニアアクチュエータ3によれば、可動体33の他端部132の長さが一端部131の長さよりも長いために、超磁歪素子12の一端側の伸縮による変化長よりも可動体33の他端部132の他端13cの変化長のほうが長くなり、しかも他端部132が共振するので、他端13cの変化長がより一層長くなる。この構造では、片側駆動になって重量および推進力のバランスが悪くなるものの、小型および軽量化が可能となる。
【0030】
図4は本発明に係る実施形態の超磁歪リニアアクチュエータの構成図であり、この図を参照しながら実施形態について説明する。なお、参考例2と同様のものには同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0031】
実施形態の超磁歪リニアアクチュエータ4は、可動体33を一対備え、これら一対の可動体33の双方の一端部131に超磁歪素子12の一端側が当接している以外は参考例2の超磁歪リニアアクチュエータ3と同様に構成されている。
【0032】
このような超磁歪リニアアクチュエータ4によれば、可動体33の出力軸による推進力は、参考例2のそれの半分になるものの、2つの可動体33を同時に駆動することができ、しかもミラー対象の駆動により両可動体33の駆動による振動を相殺することが可能となる。
【0033】
なお、一対の可動体33の代わりに、各一端部131の一端同士を弾性変形部130で連接して一対の可動体33を一体に形成したような、図5に示すコ字状の可動体33’を用いる構成でもよい。図5において、支点13aおよび部材14はハウジングに固定される。
【0034】
図6は本発明に係る参考例3の超磁歪リニアアクチュエータの構成図であり、この図を参照しながら参考例3について説明する。なお、基本構成と同様のものには同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0035】
参考例3の超磁歪リニアアクチュエータ5は、励磁コイル11と、超磁歪素子12とを備えているほか、板バネによりなる一対の可動体53を備え、超磁歪素子12の一端側(図では左端側)を伸縮自在にその他端側をハウジング10に連設された部材(図では14)に保持して構成される。なお、磁気バイアスを加えない構成でも、あるいは永久磁石または直流電流の重畳によって磁気バイアスを加える構成でもよい。
【0036】
各可動体53は、支点53aと一端53bとの間の一端部531の長さが支点53aと他端53cとの間の他端部532の長さよりも短く、他端部532が超磁歪素子12の一端側の伸縮による振動に共振するように構成され、支点53aがハウジング10に連設された部材(図では55)に固定されている。そして、一方の可動体53の一端部531は、超磁歪素子12の一端側と部材55に設けられた半球状の予荷重皿バネ16とで狭持されている。また、各可動体53の他端部532間には、可動部18が設けられている。
【0037】
次に、上記構成の超磁歪リニアアクチュエータ5において、励磁コイル11に正弦波または矩形波などの交流電流を流して超磁歪素子12を駆動すれば、両可動体53間の可動部18が往復運動することになる。
【0038】
このような超磁歪リニアアクチュエータ5によれば、可動体53の他端部532の長さが一端部531の長さよりも長いために、超磁歪素子12の一端側の伸縮による変化長よりも可動体53の他端部532の他端53cの変化長のほうが長くなり、しかも他端部532が共振(バネ共振)するので、他端53cの変化長がより一層長くなる。
【0040】
図7は上記基本構成に対応する第1具体構成の構成図であり、この図を用いて第1具体構成について説明する。
第1具体構成の超磁歪リニアアクチュエータ6は、極性が交番する磁界を発生させるための一対の励磁コイル61と、これら一対の励磁コイル61による極性が交番する磁界の方向に沿って長さが弾性変化する一対の超磁歪素子62と、金属などによりなる剛体である一つの可動体63とを備え、上述の長さが弾性変化する方向における各超磁歪素子62の一端側を伸縮自在にその他端側を背面リアクションマス64に保持して構成される。
【0041】
この背面リアクションマス64は、複数本のポール641を介してナット642によりハウジング60(一部のみ図示)に固定されている。可動体63は、センタポール631と、この一端にナット632により固定される板状部633とにより構成され、そのセンタポール631のナット632側の先端が支点63aとなってハウジング60に形成された孔60aに填り込んでいる。なお、図7中の621は駆動力伝達部材であり、66は予荷重皿バネであり、661は皿バネ受けである。
【0042】
ここで、一般的な磁歪素子は、純Ni,Fe−Ni系合金、Fe−Co系合金、NiやZnを添加したフェライト(酸化鉄)などの材料を用いて形成され、磁歪により全長の数十ppm程度の長さ弾性変化する。これに対して、超磁歪素子は、テルビウム(Tb)やディスプロシウム(Dy)などの希土類元素と鉄の合金により成り、磁歪により全長の1000〜2000ppm程度の長さ弾性変化する。このような超磁歪素子は、米国海軍によって開発され、ETREMA社によって実用化されているTerfenol−D(Tb0.3Dy0.7Fe1.91)がある。第1具体構成の超磁歪素子62には、後者の超磁歪素子等が使用される。
【0043】
また、第1具体構成では、変位拡大の共振系構造として可動体63の固有振動が利用される。すなわち、可動体63の支点63aをある程度の自由度をもってハウジング60に固定し、可動体63、超磁歪素子62の固有振動、予荷重皿バネ66のバネ定数および背面リアクションマス64からなる総合の固有振動数を求め、この固有振動数の半分の周波数の電流を励磁コイル61に流すのである。これにより、可動体63の他端部となるセンタポール631の固有振動が超磁歪素子62の一端側の伸縮による振動に合うようになり、可動体63の共振系による変位増幅が可能となる。
【0044】
図8は上記参考例1に対応する第2具体構成の構成図であり、この図を用いて第2具体構成について説明する。
【0045】
第2具体構成の超磁歪リニアアクチュエータ7は、各超磁歪素子62の他端側に磁気バイアス用の永久磁石67をさらに備える以外は第1具体構成の超磁歪リニアアクチュエータ6と同様に構成されている。
【0046】
第2具体構成では、可動体63、超磁歪素子62の固有振動、予荷重皿バネ66のバネ定数および背面リアクションマス64からなる総合の固有振動数を求め、この固有振動数と同じ周波数の電流を励磁コイル61に流すのである。これにより、可動体63の他端部となるセンタポール631の固有振動が超磁歪素子62の一端側の伸縮による振動に合うようになり、可動体63の共振系による変位増幅が可能となる。
【0047】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、請求項1記載の発明は、極性が交番する磁界を発生させるための励磁コイルと、この励磁コイルによる極性が交番する磁界の方向に沿って長さが弾性変化する超磁歪素子とを備え、その長さが弾性変化する方向における超磁歪素子の一端側を伸縮自在にその他端側を保持して構成される超磁歪リニアアクチュエータであって、支点と一端との間の一端部の長さがその支点と他端との間の他端部の長さよりも短いL字状に形成された可動手段を一対備え、これら一対の可動手段の双方の一端部に前記超磁歪素子の一端側が当接しており、前記他端部が前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動に共振し、この可動手段の他端部が出力軸となるので、可動手段の他端部の長さが一端部の長さよりも長いために、超磁歪素子の一端側の伸縮による変化長よりも可動手段の他端部の他端の変化長のほうが長くなり、しかも他端部が共振するので、他端の変化長がより一層長くなる。これにより、超磁歪素子により駆動される可動体の出力変位をより一層大きくすることができる。また、可動手段はL字状に形成されているので、小型および軽量化が可能となる。さらに、可動手段を一対備え、これら一対の可動手段の双方の一端部に超磁歪素子の一端側が当接しているので、一対の可動手段を同時に駆動することができ、両可動手段の駆動による振動を相殺することが可能となる。
【0048】
請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の超磁歪リニアアクチュエータにおいて、前記励磁コイルへの直流電流の重畳または永久磁石の使用によって動作点を磁気バイアスし、前記励磁コイルへの交番電流の供給により、単一極性内で動作点を中心に磁界の大きさに比例して前記超磁歪素子の長さが前記磁界の方向に沿って伸縮するように弾性変化するのであり、この構成でも、超磁歪素子により駆動される可動体の出力変位をより一層大きくすることができる。
【0053】
請求項3記載の発明によれば、請求項1または請求項2に記載の超磁歪リニアアクチュエータにおいて、前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動を前記可動手段の固有振動に合わせる周波数の電流を、前記励磁コイルに供給するので、可動手段の他端部が超磁歪素子の一端側の伸縮による振動で共振するようになるから、可動手段の他端部の変化長をより一層長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る基本構成の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図2】 本発明に係る参考例1の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図3】 本発明に係る参考例2の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図4】 本発明に係る実施形態の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図5】 別例の可動体の構造図である。
【図6】 本発明に係る参考例3の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図7】 基本構成に対応する第1具体構成の構成図である。
【図8】 参考例1に対応する第2具体構成の構成図である。
【図9】 従来の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図10】 図9の超磁歪リニアアクチュエータの動作説明図である。
【符号の説明】
1,2,3,4,5,6,7 超磁歪リニアアクチュエータ
11 励磁コイル
12 超磁歪素子
13,33,53 可動体
16 予荷重皿バネ
17 永久磁石
Claims (3)
- 極性が交番する磁界を発生させるための励磁コイルと、この励磁コイルによる極性が交番する磁界の方向に沿って長さが弾性変化する超磁歪素子とを備え、その長さが弾性変化する方向における超磁歪素子の一端側を伸縮自在にその他端側を保持して構成される超磁歪リニアアクチュエータであって、
支点と一端との間の一端部の長さがその支点と他端との間の他端部の長さよりも短いL字状に形成された可動手段を一対備え、これら一対の可動手段の双方の一端部に前記超磁歪素子の一端側が当接しており、前記他端部が前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動に共振し、この可動手段の他端部が出力軸となる
ことを特徴とする超磁歪リニアアクチュエータ。 - 前記励磁コイルへの直流電流の重畳または永久磁石の使用によって動作点を磁気バイアスし、前記励磁コイルへの交番電流の供給により、単一極性内で動作点を中心に磁界の大きさに比例して前記超磁歪素子の長さが前記磁界の方向に沿って伸縮するように弾性変化することを特徴とする請求項1記載の超磁歪リニアアクチュエータ。
- 前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動を前記可動手段の固有振動に合わせる周波数の電流を、前記励磁コイルに供給することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超磁歪リニアアクチュエータ。
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