JP5055505B2 - 磁歪式多軸駆動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、磁歪材料を用いたアクチュエータに関し、より詳しくは鉄ガリウム系磁歪材料等の鉄ベースの高磁歪材料を用いたアクチュエータに関する。

従来、多軸駆動可能な各種のアクチュエータやモータとして、例えば超音波アクチュエータや超音波モータに、圧電素子が用いられてきたが、圧電素子は作動電圧が高いと共に、機械的強度が低く、脆いという問題があった。

このような問題に対して、磁界によって変位する磁歪材料を用いたアクチュエータやモータとして、変位量が大きく応答性に優れた、超磁歪材料を用いたものが開発されている。（特許文献１参照）

しかし超磁歪材料は、主にテルビウム元素、ディスプロシウム元素と鉄族元素から成る希土類合金であり、その変位量は通常の磁歪の磁歪材料の１００倍以上にも及び優れた応答性を示すが、その一方で脆弱で扱い難く、加工性が悪くて通常の切削加工は適さない。また、希土類元素を含むため非常に高価である等の問題があった。

該超磁歪材料を高精度な動作を行うアクチュエータとして使用する上では、例えば特許第２７９３０９７号公報（特許文献２）に記載されている方法で、圧縮予圧を与える機構が必須であった。

これは、圧縮予圧により該超磁歪材料の磁歪感度を上げるとともに、該超磁歪材料は外部からの圧縮力には強いが引張力には非常に弱いため、特に、共振させた場合に発生する引張力により材料が損傷するのを防ぐためである。

近年、磁歪量の大きい材料としてFe-Ga合金が開発されている。その変位量は希土類元素を含む超磁歪材料には及ばないものの、希土類合金による超磁歪材料と比較して、加工性、高剛性を有するとともに安価である。また、圧縮予圧を与えなくとも比較的高い磁歪感度を有する。

特許第2652644号公報 特許第2793097号公報

上述したように希土類合金による超磁歪材料を高精度な動作を行うアクチュエータの機構に使用する場合、磁歪感度を上げるため、磁歪材料の両端を拘束加圧する予圧機構が必須となる。そのため、特にアクチュエータの回転部分を押し付ける機構が必要でありアクチュエータの小型化、簡素化が難しいという問題がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、予圧を与えずに回転部分の機構を単純化し、小型化や簡素化によりコイルのインピーダンスを低く抑えられて低電圧駆動が可能で、回転及び回動を行える磁歪式多軸駆動アクチュエータの提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の磁歪式多軸駆動アクチュエータは、Fe-Ga合金等の磁歪量が大きな高磁歪材料を用いて、磁性体からなり回転又は回動自在の球形の回転部材と、少なくとも２つの磁歪部材と、前記磁歪部材に巻回されるコイルと、前記回転部材を保持すると共に、前記磁歪部材にバイアス磁界を印加する永久磁石とを備えた構造としている。

前記コイルから生じる交流磁界と前記バイアス磁界とによって前記磁歪部材が変位し、前記磁歪部材はその変位方向が互いに平行になるよう配置されると共に、前記磁歪部材の変位を前記回転部材に伝達するよう、前記磁歪部材の一端がそれぞれ前記回転部材に接し他端が固定され、前記永久磁石は、磁力によって前記回転部材を前記磁歪部材の一端に向かって付勢するよう配置されている。

このような構成とすると、回転部材を特別な保持機構、例えば押さえ板等によって保持する必要がなく、回転機構が単純となる。又、押さえ板等の保持機構が不要なため、回転部材の回転又は回動がこれら保持機構によって干渉させられることがなく、回転部材の球体の中心周りに自由に回転又は回動することができ、回転角又は回動角を大きくとることができ、回転もスムースになる。

前記回転部材は、その回転又は回動を外部に伝達するためのロッドを備えていてもよい。このような構成とすると、回転部材の回転又は回動を有効に取り出すことができる。

前記永久磁石は、前記磁歪部材の一端の近傍において各磁歪部材に囲まれた位置に配置されてもよい。
このような構成とすると、磁歪式多軸駆動アクチュエータの外径を磁歪部材の配置間隔と同程度とすることができ、小型化が図られる。

前記磁歪部材は前記一端から前記他端に向かって長手方向に延びる負磁歪材料と、前記長手方向に延びる正磁歪材料とを積層してなるバイモルフであってもよい。バイモルフは正磁歪材料が伸長し負磁歪材料が収縮することにより、これらはたわむように変形する。これらの前記他端を固定して片持ち状態にすると、前記一端近傍が板厚方向に変位する。

リング状の磁性部材を前記磁歪部材に接合して、リング状の磁歪部材の上に前記回転部材を接触させると、前記磁歪部材と前記回転部材が均等に接触し、前記磁歪部材の変位を効率よく前記回転部材に伝達することができる。

本発明によれば、回転及び回動の動作を高精度に行えるとともに、小型化や簡素化が可能な磁歪式の多軸駆動アクチュエータを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁歪式多軸駆動アクチュエータの構成を示す斜視図である。この図において、磁歪式多軸駆動アクチュエータ２０は、磁性体からなる球形の回転部材８と、４つの同寸の棒状磁歪部材２と、磁歪部材２に巻回されるコイル４と、円柱状の永久磁石６と、磁歪部材２の下端（他端）２ｂが固定される支持台１０とを備える。

各磁歪部材２はその長手方向（図１の上下方向）を平行にして、かつ上端（一端）２ａがほぼ面一になるように配置されている。さらに、各磁歪部材２の長手方向に垂直な平面において、各磁歪部材２は回転部材８と同心の円周上にそれぞれ９０度の角度差で配置されている。

そして、永久磁石６は磁歪部材２の長手方向に沿い、かつ永久磁石６の先端が各磁歪部材２の上端２ａより若干下がるようにして上記円周の中心に配置され、永久磁石６は各磁歪部材２に囲まれるようになっている。又、永久磁石６の下端は支持台１０に固定されている。

回転部材８は各磁歪部材２の上端２ａに接しつつ各磁歪部材２の上に配置され、永久磁石６の磁力に引き付けられて各磁歪部材２の上端２ａ側に向かって付勢されている。このため、回転部材８を特別な保持機構、例えば押さえ板等によって保持する必要がなく、回転機構が単純となる。

又、押さえ板等の保持機構が不要なため、回転部材８の回転又は回動がこれら保持機構によって妨げられることがなく、回転部材８は、その球体の中心周りに自由に回転又は回動可能である。このため、回転角又は回動角を大きくとることができ、回転もスムースになる。

なお、永久磁石６と回転部材８とは接していてもよく、接しなくてもよい。
又、この実施形態では、回転部材８の中心軸に沿って外側に延びるロッド８ａが回転部材８に連結され、回転部材８の回転又は回動を外部に伝達するようになっている。

本発明においては、磁歪部材２に予圧を与えずに使用する。そのため磁歪部材２としては、予圧を与えなくとも磁歪量が大きな高磁歪材料を用いることが好ましい。高磁歪材料としては、例えばFe-Ga合金、Fe-Co合金、Fe-Al合金が挙げられる。

磁歪部材２は磁界によって次のように変位する。いま、永久磁石６により、各磁歪部材２の上端２ａから下端２ｂに向かうバイアス磁界Ｈ_Ｍが印加される。

ここで、隣接する２つの磁歪部材２のうち、第１の磁歪部材２にはコイル４によって上向きの磁界Ｈ_Ｃを発生させ、第２の磁歪部材２にはコイル４によって下向きの磁界Ｈ_Ｃを発生させると、第１の磁歪部材２にＨ_Ｍ−Ｈ_Ｃの磁界が印加され、第２の磁歪部材２には全としてＨ_Ｍ＋Ｈ_Ｃの磁界が印加される。従って、第２の磁歪部材２の方が磁界が大きくなるので、変位量も大きくなる。

このようにして、第２の磁歪部材２が長手方向（上端から下端に向かう方向）に相対的に伸び、第１の磁歪部材２が長手方向に相対的に縮むように逆変位する。なお、各磁歪部材２の変位方向はいずれも長手方向であり、各磁歪部材２の変位方向は互いに平行になっている。

このように、第１及び第２の磁歪部材２がそれぞれ有するコイル４に互いに逆位相の交流磁界を印加すれば、第２の磁歪部材２が伸び第１の磁歪部材２が縮む状態から、第２の磁歪部材２が縮み第１の磁歪部材２が伸びる状態に至るまで、交流磁界の周波数で周期的に繰り返す。

交流磁界による各磁歪部材２のコイル４に対する交流磁界の位相制御は、磁歪部材２の配置個数に応じて次のように行う。磁歪部材２が２個であれば、各磁歪部材２のコイル４に印加する電流の位相差を１８０度とすることにより、各磁歪部材２が長手方向に順次伸縮する。

これにより、各磁歪部材２の上端（自由端）が順次変位し、これらに接している回転部材８が所定の角度で左右（各磁歪部材２の並ぶ方向）に回動し、回転部材８に設けられたアーム８ａの角度を制御できる。

磁歪部材２が３個であれば、各磁歪部材２のコイル４に印加する電流の位相差を１２０度とすることにより、各磁歪部材２が長手方向に順次（円周方向に並ぶ順に）伸縮する。これにより、各磁歪部材２の上端（自由端）２ａが順次変位し、これらに接している回転部材８が回転して回転モータとして動作する。又、交流磁界の周波数が高いほど、回転数が高くなる。なお、回転部材８の回転方向は、各磁歪部材２の上端を含む円周方向である。

磁歪部材２が４個であれば、各磁歪部材２のコイル４に印加する電流の位相差を９０度とすることにより、各磁歪部材２が長手方向に順次伸縮する。これにより、各磁歪部材２の上端（自由端）２ａが順次変位し、これらに接している回転部材８が回転して回転モータとして動作する。

さらに、対向する１対のコイルを直列に連結し、２対のコイルに位相差が１８０度（逆位相）の電流を印加することで１対の磁歪部材の上端（自由端）が変位し、これらに接している回転部材８が所定の角度で左右（各磁歪部材２の並ぶ方向）に回動し、回転部材８に設けられたアーム８ａの角度を制御できる。

このように、磁歪部材２の配置個数ｎに対し、交流磁界の位相差をｎ／３６０度とすればよい。又、位相差を設けずに磁歪部材２を同時に同じ方向（上下方向）に伸縮させた場合、回転部材８はそのまま上下に動く（直動）。磁歪部材２が３個以上の場合、所定角度の回動や直動を行える他、回転が可能である。

本発明の第１の実施形態に係る磁歪式多軸駆動アクチュエータの大きさは特に制限されないが、例えば回転部材８の直径３〜４ｍｍ、各磁歪部材２の直径（又は１辺）１ｍｍで長さ８ｍｍ程度、とすることができる。

回転部材８の材質は、例えば鉄系材料、ステンレス材料、ニッケル系材料のうち磁性体の特性を有するものとすることができる。

なお、永久磁石６の磁界が支持台１０から下方に出るように構成すれば、支持台１０の裏面に置いた磁性体の対象物にアクチュエータを磁力で吸着固定できる。又、永久磁石６の磁界密度を高めて磁力を有効に利用するため、各種の高透磁率材料や磁性体からなるヨークを用いてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る磁歪式多軸駆動アクチュエータについて、図２を参照して説明する。この図において、磁歪式多軸駆動アクチュエータ２１は、磁性体からなる球形の回転部材８と、４つの棒状磁歪部材３と、磁歪部材３に巻回されるコイル４と、円柱状の永久磁石６と、磁歪部材３の下端３ｂが固定される支持台１０とを備える。

第２の実施形態においては、磁歪部材３がバイモルフであること以外は第１の実施形態と変わるところがないので、第１の実施形態と同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図３は、バイモルフである磁歪部材３の構成を示す図である。磁歪部材３は、上端から下端に向かう長手方向に延びる負磁歪材料３ｘと、この長手方向に延びる正磁歪材料３ｙとを積層してなり、自由端である上端３ａ近傍において変位するバイモルフを構成する。

負磁歪材料３ｘとしては、Ｎｉ系合金が挙げられる。又、正磁歪材料３ｙとしては、Fe-Ga合金、Fe-Co合金、Fe-Al合金が挙げられる。

負磁歪材料３ｘと正磁歪材料３ｙとを接着又は溶接（スポット溶接等）することにより、これらを積層することができる。

バイモルフに磁界を印加すると負磁歪材料３ｘが収縮し、正磁歪材料３ｙが伸長し、バイモルフの上端３ａは負磁歪材料側（図３の左側）へ湾曲する。すなわちバイモルフの板厚方向に変位する。

また、バイアス磁界と交流磁界を与えると、バイモルフの上端３ａは、バイアス磁界に応じて湾曲した位置を基準にして、左右に振動する。また、バイアス磁界を与えず、交流磁界の周波数を共振周波数に選ぶと、バイモルフの上端は直立した位置を基準に左右に振動する。

図２に示す磁歪式多軸駆動アクチュエータ２１に備わる４つの棒状磁歪部材３は、このような挙動特性をもつバイモルフを、同一の特性を持つ面どうしが相対するかたちで対角に２対配置したものである。

この配置において、例えば２対のうちの１対のコイルに図４(ａ)で示すノコギリ波形の電流を印加して磁界を与えることにより、回転部材８上のロッド８ａを所定の向きと角度で回動することができる。尚、図４(ｂ)で示すノコギリ波形の電流を印加して磁界を与えた場合は、図４(ａ)場合の反対方向にロッド８ａが回動する。

更に、２対の磁歪部位材３のそれぞれのコイルに流す電流波形を制御することにより、回動方向を組み合わせ、回転部材８を円周方向および任意の方向へ回動および回転させることが可能である。

以上では、バイモルフによる４本の棒状磁歪部材を備えた磁歪式多軸駆動アクチュエータとして説明したが、第２の実施形態においては、棒状磁歪部材３の本数は、複数であれば何本としてもよく、更に磁歪部材３の向きも、例えばバイモルフの板厚方向が円周方向に向くようにする等して配置してもよい。

バイモルフから成る磁歪部材３の配置に応じて、各コイルに印加する電流の波形及びタイミングを制御して、磁歪部材３に磁界を与えることにより、回転部材８上のロッド８ａに様々な回転及び回動運動をさせることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る磁歪式多軸駆動アクチュエータについて、図５を参照して説明する。この図において、磁歪式多軸駆動アクチュエータ２２は、磁性体からなる球形の回転部材８と、磁性体からなるリング９と、４つの棒状磁歪部材３と、磁歪部材３に巻回されるコイル４と、円柱状の永久磁石６と、磁歪部材２の下端２ｂが固定される支持台１０とを備える。

第３の実施形態においては、磁性体からなるリング９を備えること以外は第１の実施形態と変わるところがないので、第１の実施形態と同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、磁歪部材３に接合されている磁性体からなるリング９が、回転部材８を支持している構成を示す図である。この構成によれば、回転部材８がリング９の上で均等に接触することで磁歪部材３の変位を効率よく回転部材８に伝達することができる。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、永久磁石が磁力によって回転部材を磁歪部材の一端に向かって付勢するように配置されていれば、永久磁石の形状や位置は限定されない。すなわち、回転部材が永久磁石によって下方（図１参照）に引き付けられて磁歪部材の一端に当接するようになっていればよい。

例えば、永久磁石を、各磁歪部材を外側から囲むリング状にしてもよく、この場合に永久磁石が全体として回転部材を下方に引き付けるものであれば、永久磁石の上端が回転部材を囲むようになっていてもよい。

又、永久磁石の磁力を大きくすれば、必ずしも永久磁石を回転部材の近傍に配置しなくともよく、磁歪部材の一端より離間した下方（図１参照）に配置してもよい。さらに、永久磁石の磁力を有効に利用するため、所定のヨークを配置してもよい。

さらに、各磁歪部材を回転部材と同心の円周上に配置させ、複数の永久磁石を各磁歪部材の間でかつ上記円周上に配置してもよい。

回転部材に接する磁歪部材の一端の端面形状は、図６のように回転部材の曲率に合わせた段差をもうけた形状であってもよい。もしくは平面であってもよく、この場合は磁歪部材の一端の一部が回転部材に接することになる。又、磁歪部材の一端の端面を、回転部材の曲率に相当する曲面とし、回転部材との接触面積を増大させてもよい。

磁歪部材に巻き回すコイルは、図６のように１つのコイルを隣り合う２つの磁歪部材に巻き回して取り付けてもよい。このとき１つの磁歪部材に対して２つ以上のコイルを巻き回してもよい。

本発明は、回転、所定角度での回動、さらに場合によって直動を回転部材に加えることができ、例えばロボットアームの関節、プリンタのインジェクタ（インク吐出部）、位置決め部材、モータ等に用いることができる。又、小型化、構造の簡素化が図られることから、省スペースが要求される場所（例えば、医療用カテーテルの撮影用ミラーの変角用）のアクチュエータに適する。

本発明の第１の実施形態に係る磁歪式多軸駆動アクチュエータの構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁歪式多軸駆動アクチュエータの構成を示す斜視図である。 バイモルフである磁歪部材３の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態における入力波形図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁歪式多軸駆動アクチュエータの構成を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る磁歪式多軸駆動アクチュエータの構成を示す斜視図である。

符号の説明

２、３ 磁歪部材
２ａ、３ａ 磁歪部材の一端
２ｂ、３ｂ 磁歪部材の他端
３ｘ 負磁歪材料
３ｙ 正磁歪材料
４ コイル
６ 永久磁石
８ 回転部材
８ａ ロッド
９ リング
１０ 加熱手段
２０、２１、２２ 磁歪式多軸駆動アクチュエータ

Claims (5)

1. 回転又は回動自在な磁性体からなる球形の回転部材と、少なくとも２つの磁歪部材と、前記磁歪部材に巻回されるコイルと、前記回転部材を保持し、前記磁歪部材にバイアス磁界を印加する永久磁石とを備え、
   前記磁歪部材に関して、前記コイルから生じる交流磁界と前記永久磁石からの前記バイアス磁界を加えた際に、磁歪部材の変位方向が互いに平行になるよう配置されると共に、
   前記磁歪部材の変位を前記回転部材に伝達するよう、前記磁歪部材の一端がそれぞれ前記回転部材に接し、他端が固定されており、
   前記永久磁石は、磁力によって前記回転部材を前記磁歪部材の一端に向かって付勢するよう配置されている磁歪式多軸駆動アクチュエータ。
2. 前記回転部材は、その回転又は回動を外部に伝達するためのロッドを備えている請求項１記載の磁歪式多軸駆動アクチュエータ。
3. 前記永久磁石は、前記磁歪部材の一端の近傍において各磁歪部材に囲まれた位置に配置されている請求項１又は２記載の磁歪式多軸駆動アクチュエータ。
4. 前記磁歪部材は前記一端から前記他端に向かって長手方向に延びる負磁歪材料と、前記長手方向に延びる正磁歪材料とを積層してなり、前記一端近傍において前記磁歪部材の板厚方向に変位するバイモルフである請求項１〜３のいずれかに記載の磁歪式多軸駆動アクチュエータ。
5. 前記磁歪部材と前記回転部材が均等に接触するように、リング状の磁性部材を前記磁歪部材に接合した請求項１〜４のいずれかに記載の磁歪式多軸駆動アクチュエータ。
   

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