JPH01234608A - 磁性流体アクチユエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アクチュエータに係り、特に、磁場の変化に
より流動を引き起こす磁性流体の作動力を利用する磁性
流体アクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

磁性流体アクチュエータに関する従来技術として、例え
ば、日本機械学会、磁性流体工学に関する調査研究分科
会成果報告書（１９８６年）内に「４．８磁性流体アク
チュエータ（神山新−東北大学高速力学研究所教授）」
と題して記載された技術が知られている。

磁性流体アクチュエータは、磁場の変化により流動を引
き起こす磁性流体の作動力を利用するものであって、一
般の流体圧系アクチュエータと比較して、流体圧源（ア
キュムレータ）、サーボ弁が不要というメリットを有す
る。このメリットは、磁場の変化により流動を引き起こ
す磁性流体の作動力により生じるものであり、この作動
力のことを磁気体積力という。この磁気体積力ｒは、一
般に、次に示す（１１式により定義されている。

γ−μＭ−ブ甘　　せ　　　　　　−−−−−−−−−
（１）但し、（１）式において、 μ：透磁率 Ｍ：磁性流体の磁化強さ（Ａ／ｍ） 甘：磁場強さ ブ：−階の微分演算子 前記（１）式において、■は、磁性流体の特性の１つを
表わす値である。そして、磁性流体アクチュエータの作
動を向上させて高性能とするためには、前述の磁気体積
カアを大きくする必要があり、磁気体積力丁を大きくす
るためには、前記材の値の大きい磁性流体を用いること
が必要となる。

また、磁気体積力Ｖを大きくするためには、ブせを大き
くしてもよいことが（１）式よりわかる。

この寸育は、一般に磁場勾配と呼ばれている。第２図、
第４図に実線で示す曲線は、一般のソレノイドコイルを
用いた電磁石の磁束分布曲線を示しており、この曲線の
勾配がマせの値ということになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の従来技術における磁性流体アクチュエータは、そ
の作動力等の性能を向上させるために、磁場勾配９甘を
高める手段として、ソレノイドコイルに多くの電流を流
して、磁場自体の強さを大きくする、ソレノイドコイル
の巻数を増加させる、あるいは、ソレノイドコイルを形
成するエナメル線等の線径を細くして、磁場の強さを大
きくする等の手段がとられていた。しかし、このような
手段をとる前記従来技術は、多量の電流を流す場合、熱
抵抗が増大し効率的に好ましくなく、ソレノイドコイル
の巻数を増加させる場合、アクチュエータの重量を増加
させてしまい、また、ソレノイドコイルの線径を細くし
た場合、熱抵抗により断線を生じたり、比較的小さな電
流しか流せないという多くの問題点を有している。この
従来技術に対する種々の手段は、磁場勾配で甘を高める
というより、磁気体積カシのみを上昇させるための工夫
でしかないといえる。

本発明の目的は、磁場勾配寸せそのものの大きさを高め
ることにより、磁性流体アクチュエータの作動力を向上
させた磁性流体アクチュエータを擢供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、前記目的は、完全反磁性材を用いて、
電磁石と磁性流体を貯えるリザーバとの間を遮蔽し、あ
るいは、電磁石の外周、リザーバの外周を被覆すること
により達成される。

〔作用〕

ソレノイドコイルを用いる電磁石において、ソレノイド
コイルにより形成される磁束は、ソレノイドコイルの長
平方向に磁束ベクトルを形成する。

これに対して、垂直の位置に完全反磁性材により作成さ
れた遮蔽板を電磁石の周囲に設置すると、完全反磁性材
による遮蔽板は、電磁石による磁束を全く受付けず、逆
に、反発する作用を有するので、電磁石による磁束は、
この遮蔽板を避けることになる。このため、遮蔽板の電
磁石側は、その磁束の密な部分を形成するが、これに対
して逆側は、磁束の疎な部分を形成する。このように、
完全反磁性材による遮蔽板で覆われた電磁石は、その磁
石としての能力が変わらなくても、磁場勾配を大きくで
き、これを磁性流体アクチュエータに用いた場合、その
作動力を増大させることができる。

第８図はソレノイドコイルの外周を完全反磁性材により
被覆した場合のソレノイドコイルの一部、すなわち、−
本のコイルを流れる電流が形成する磁束を、完全反磁性
材が磁束を反発することを考慮して描いたものである。

但し、第８図においては、夫々のコイル９，１０の円電
流により形成される磁束１２がそのまま描かれており、
ベクトル合成したものは示されていない。この図からも
理解できるように、ツレ２ノイドコイルにより形成され
る内部磁束は、完全反磁性材１１の作用により、通常の
場合より一層密となっている。従って、ソレノイドコイ
ルの電磁石としての能力が変わらない場合にも、磁場勾
配を急に、かつ、磁場の強さも大きくなり、これを用い
る磁性流体アクチュエータは、作動力の大きなものとな
る。

〔実施例〕

以下、本発明による磁性流体アクチュエータの実施例を
図面により詳細に説明する。

第１図は本発明の第１の実施例の構造を示す断面図、第
２図は第１図の実施例の磁束分布曲線を示す図である。

第１図において、１はピストンロッド、ＩＣはピストン
、２はソレノイドコイル、３は流入孔、７は磁性流体、
９は遮蔽板、１２は磁束、５１はシリンダ、６１は磁性
流体リザーバである。

本発明による磁性流体アクチュエータの第１の実施例は
、第１図に示すように、シリンダ５１と、該シリンダ５
１内に設けられるピストンＩＣと、該ピストンに結合さ
れているピストンロッド１と、磁性流体７を蓄積してい
るリザーバ６１と、該リザーバ６１とシリンダ５１との
間にあって、磁性流体の流入孔３を有する完全反磁性材
による遮蔽板９と、シリンダ６１の外周部に設けられた
ソレノイドコイル２とにより構成されている。

第１図において、磁性流体７は、図示磁性流体アクチュ
エータが作動する前、リザーバ６１内に満たされて貯え
られている。シリンダ５１の外周部に設けられたソレノ
イドコイル２に電流が流されると、磁性流体７は、ソレ
ノイドコイル２に流れる電流によって形成される磁束の
作用によって、前述の磁気体積カシを生じ、遮蔽板９に
設けられている流入孔３を通して、リザーバ６１からシ
リンダ５１内に流入する。この磁性流体７のシリンダ６
１内への流入による作動力は、ピストンＩＣを移動させ
、ピストンロッド１によって伝えられる。

流入孔３を有する遮蔽板９ば、完全反磁性材により作成
されているので、この磁性流体アクチュエータにおいて
、ソレノイドコイル２により形成される磁束は、第２図
に示すような磁束分布曲線となる。すなわち、第２図に
おいて、０はソレノイドコイルの長手方向の中心位置を
示し、縦軸Ｈは磁場強さ、横軸Ｘは中心Ｏからの位置を
表わしている。そして、図の実線は、完全反磁性材によ
る遮蔽板を持たない場合の磁束分布曲線を示し、−点鎖
線は、完全反磁性材による遮蔽板９を備える場合の磁束
分布曲線を示している。さらに、第２図において、ΔＸ
は、流入孔３の長さを表わし、ΔＨ，は、遮蔽板９を持
たない場合のΔＸ当りの磁場勾配を示し、ΔＨ２は、遮
蔽板９が完全反磁性材による場合のΔＸ当りの磁場勾配
を示している。

第１図に示すように、完全反磁性材により作成された遮
蔽板９を備える場合、ソレノイドコイルにより発生する
磁束１２は、第１図に矢印を付した線で示すように、流
入孔３付近で密な部分と、疎な部分とを形成する。この
ため、流入孔３付近の磁場強さの分布は、第２図に一点
鎖線で示すようになる。この場合の磁場勾配ΔＨ２は、
完全反磁性材による遮蔽板９がない場合の磁場勾配ΔＨ
１に比較して格段に大きなものとなる。このため、第１
図に示す磁性流体アクチュエータは、この磁場勾配の増
加により、その作動力が増大されるとともに、この磁場
勾配の上昇により、ピストンロッド１に伝えられる作動
力の応答性の高いものとなる。

磁性流体７の流れは、第２図に矢印で示す方向に生じ、
磁場勾配ΔＨ２により加速されてピストンＩＣに作動力
を加えることになる。この磁場勾配は、流入孔３のピス
トンロッドで反転しており、磁性流体７は、この反転し
た部分で減速を受けることになるが、この大きさは、磁
場勾配ΔＨ２による加速力に比較して小さなものである
。このため、第２図に示すような磁場勾配の反転部があ
っても、磁性流体７は、その慣性によって充分な作動力
をもって第２図に示す矢印の方向に流れることができる
。

第３図は本発明の第２の実施例の構造を示す断面図、第
４図は第３図の実施例の磁束分布曲線を示す図である。

第３図において、５は完全反磁性材によるシリンダであ
り、他の符号は第１図の場合と同一である。

第３図に示す第２の実施例による磁性流体アクチュエー
タは、先に第１図により説明したと同様な構造において
、さらに、ソレノイドコイル２の外周部を、完全反磁性
材により作成したシリンダ５により被覆した構造を有し
ている。その動作は、第１図の実施例の場合と全く同様
に行われる。

この第２の実施例において、ソレノイドコイル２に流れ
る電流により形成される磁束は、第４図に示すような磁
束分布を有する。第４図において、座標系は、第２図で
説明した場合と全く同一であり、実線で示す磁束分布曲
線は、遮蔽板９及びソレノイドコイル２の外周に完全反
磁性材によるシリンダ５による被覆を持たない場合の磁
束分布曲線を示している。また、−点鎖線で示す磁束分
布曲線は、第３図に示す完全反磁性材による遮蔽板９及
びソレノイドコイル２の外周に設けた完全反磁性材のシ
リンダ５による被覆の効果を生じた磁束分布曲線を示し
ている。そして、ΔＨ３は、第３図における流入孔３の
近傍での磁場勾配を示している。

第３図に示すように、完全反磁性材により作成されたシ
リンダ５によってソレノイドコイル２を被覆し、磁性流
体リザーバ６１との間を完全反磁性材による遮蔽板９で
遮蔽すると、ソレノイドコイル２により形成される磁束
１２は、流入孔３を介して外部に伝わることになり、磁
束１２は流入孔３に集中する。また、ソレノイドコイル
２により形成される磁束は、第１図による実施例の場合
に比較してより以上に密なものとなる。これは、すでに
第８図により説明した作用によるものである。この結果
、その磁束は、第４図に一点鎖線で示すような磁束分布
曲線を示すようになり、磁場勾配、磁場の強さがともに
大きなものとなる。この磁場の強さの増加は、ピストン
ＩＣに対する作動圧力を上昇させるための効果を生じる
。このため、第３図に示す本発明の第２の実施例は、第
１図により説明した第１の実施例よりさらに高性能なも
のとすることができる。

第５図は本発明の第３の実施例の構造を示す断面図であ
る。第５図において、４は磁束透過板、６は完全反磁性
材により作成された磁性流体リザーバ、８は完全反磁性
材による絞り弁であり、他の符号は第３図の場合と同一
である。

第５図に示す本発明の第３の実施例は、完全反磁性材に
よる磁場の遮蔽効果を最大限に活かしたピストン−シリ
ンダ機構を有する磁性流体アクチュエータである。この
実施例は、第１図、第３図により説明した実施例と同様
な構成を有しており、さらに、磁性流体リザーバ６が完
全反磁性材により被覆されている。そして、磁性流体リ
ザーバ６とソレノイドコイル２を完全反磁性材で被覆す
るシリンダ５との間に、磁束透過板４か挟まれており、
加えて、磁性流体リザーバ６内の流入孔３の近傍に、完
全反磁性材により作成された絞り弁８が備えられている
。

このような構造を有する第３の実施例は、ソレノイドコ
イル２に電流を流すことにより形成される磁束が、磁束
透過板４のみを貫通することになるので、流入孔３近傍
での磁場勾配は、先に、第３図より説明した実施例の場
合より大きくすることができる。また、絞り弁８は、磁
性流体７の流動を規制するだけでなく、その位置におり
る磁束の分布を規制することができる。

このため、第５図に示す本発明の実施例は、この磁性流
体の流動と、磁束の分布の規制によって、第１．第２の
実施例に比較して、広範囲な制御が可能となり、さらに
、磁性流体の持つ粘性により、ダンピング効果を持ち、
これを制御できるものとなる。

前述した本発明の第１〜第３の実施例は、いずれも、単
動のピストン−シリンダ機構を持つ磁性流体アクチュエ
ータであったが、次に、複動のピストン−シリンダ機構
を持つ本発明の第４の実施例を説明する。

第６図は本発明の第４の実施例の構成を示す断面図であ
る。第６図において、ｌａ、ｌｂはビストンロッド、２
ａ、　　２ｂはソレノイドコイル、５ａ、５ｂは完全反
磁性材によるシリンダであり、他の符号は、第５図の場
合と同一である。

この第６図に示す本発明の第４の実施例は、２個のソレ
ノイドコイル２ａ、２ｂを有し、その夫々のソレノイド
コイル２ａ、２ｂの内部に磁性流体７を貯え、相互に流
入孔３により結ばれて構成されている。そして、流入孔
３の周囲には、磁束透過板４が設置され、ソレノイドコ
イル２ａ、２ｂの周囲は、完全反磁性材により作成され
たシリンダ５ａ、５ｂにより完全に被覆されている。こ
のため、前記磁束透過板４は、この完全反磁性材による
シリンダ５ａ、５ｂによって挟まれることになる。磁性
流体７に生しる作動力を伝達するピストンロッド１ａは
、図の右方向に作動力を伝え、ピストンロッド１ｂは、
図の左方向に作動力を伝えることになる。

第６図に示す本発明の第４の実施例は、ソレノイドコイ
ル２ａ、　　２ｂに流す電流を制御することにより、容
易に往復両方向に駆動力を伝達することが可能な磁性流
体アクチュエータであり、ソレノイドコイル２ａ、２ｂ
によって形成される磁場勾配が、夫々急なものであるの
で、電流の制御によって、広範囲に渡る磁場の制御が可
能となり、作動力のみならず、応答性、ダンピング効果
、変位において、有効範囲の広いものである。

第７図は本発明の第５の実施例の構造を示す断面図であ
る。第７図において、１４ａ、１４．ｂは完全反磁性材
によるエルボ管、１５はベーン、１６はケーシング、１
７はリンク、１８は駆動軸であり、他の符号は第６図の
場合と同一である。

第７図に示す本発明の第５の実施例は、前述した第６図
に示す本発明の第４の実施例を応用した例であり、ロー
タリーベーン機構を持つ磁性流体アクチュエータである
。この実施例は、第６図に示す実施例と同様に、２個の
ソレノイドコイル２ａ、２ｂを有しているが、これらは
、いずれも配管におけるエルボ形に形成されており、そ
の外周は、完全反磁性材により作成されたエルボ管１４
ａ、１４ｂにより被覆されており、これらの間に磁束透
過板４が設置されている。また、ベーン１５は、リンク
１７を通して、駆動軸１８にトルクを伝達する。リンク
１７の周囲は、ケーシング１６により囲まれている。

この第７図に示す本発明の第５の実施例は、磁性流体の
円周回りの流動を得ることができるので、容易に揺動運
動を行う機構を得ることができる。

第６図及び第７図に示す本発明の第４．第５の実施例を
用いることにより、高精度のマニュピユレータを構成す
ることができる。すなわち、これらの本発明による磁性
流体アクチュエータは、往復機構、揺動機構を簡単な構
成で実現できるので、複数のこれらの磁性流体アクチュ
エータを用いれば、コンパクトで自由度の高いマニュピ
ユレータの製作が可能である。このような、本発明によ
る磁性流体アクチュエータを用いたマニュピユレータは
、磁性流体アクチュエータが広範囲なダンピング効果を
有するので、柔らかい物を持つハンド部等に用いて有効
である。

以上説明した本発明の種々の実施例において、磁束を遮
る物質として完全反磁性材を用いるとして説明したが、
現在完全反磁性材として知られているものに、超電導材
がある。この超電導材は、電線や薄膜に加工して使用す
る用途が数多く考えられているが、本発明に用いる場合
には、磁場の遮蔽に用いるので、複雑な加工を要するこ
となく、簡単に用いることができる。また、前述の実施
例において、電磁石を構成するソレノイドコイルを超電
導材で構成することも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、完全反磁性材を
用いて、被覆あるいは磁束を遮蔽するという非常に単純
な手段を用いるだけで、ソレノイドコイル等により形成
される磁場の磁場勾配を飛躍的に増大させることができ
るので、これにより容易に、磁性流体アクチュエータの
作動力を極めて大きくすることができるという効果を奏
する。

このため、磁性流体アクチュエータの用途を著しく広げ
ることができる。また、本発明によれば、電磁石として
ソレノイドコイルを小型軽量化することができるので、
磁性流体アクチュエータの最大の特徴である機構の単純
さを合わせて、極めてコンパクトな設計要求にも応える
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構造を示す断面図、第
２図は第１図の実施例の磁束分布曲線を示す図、第３図
は本発明の第２の実施例の構造を示す断面図、第４図は
第３図の実施例の磁束分布曲線を示す図、第５図は本発
明の第３の実施例の構造を示す断面図、第６図は本発明
の第４の実施例の構造を示す断面図、第７図は本発明の
第５の実施例の構造を示す断面図、第８図はソレノイド
コイルの外周を完全反磁性材により被覆した場合の内部
磁束の様子を説明する図である。 １　、　１　ａ　、　　１　ｂ−−−−−−ピストンロ
ッド、１　ｃ　−−−−−ピストン、２　、　２　ａ　
、　　２　ｂ−−−−−−ソレノイドコイル、３−−−
−−一流人孔、４−−−−−一磁束透過板、５，５１．
５ａ。 ５　ｂ−−一−−−−シリンダ、６　、　６１−−−−
−一磁性流体リザーバ、７−−−−−磁性流体、８−−
−−−一絞り弁、９−−−一遮蔽板Ｊ−１２−−−−一
磁束、１４　ａ　、　　１４　ｂ−−−−−−−ｘルボ
管、１５−−−−−−−ベーン、１６−−−−−−−ケ
ーシング、１７−一−−−−リンク、Ｉ　Ｅｌ−−−−
−一駆動軸。 −（’Ｊ　（”）　Ｃ″■♀藷５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、磁場の変化により流動する磁性流体の作動力を利用
   するアクチュエータにおいて、完全反磁性材により磁束
   を遮蔽することを特徴とする磁性流体アクチュエータ。 ２、磁場の変化により流動する磁性流体の作動力を利用
   するアクチュエータにおいて、その周囲が完全反磁性材
   により覆われていることを特徴とする磁性流体アクチュ
   エータ。 ３、シリンダーピストン機構の外部に電磁石を備え、シ
   リンダ内に磁性流体が貯えられ、電磁石を電気的に制御
   することにより駆動されるアクチュエータにおいて、そ
   の周囲の一部分が完全反磁性材により覆われていること
   を特徴とする磁性流体アクチュエータ。 ４、前記シリンダーピストン機構は、その内部が磁性流
   体の流入孔を有する完全反磁性材により形成された仕切
   板により仕切られていることを特徴とする特許請求の範
   囲第３項記載の磁性流体アクチュエータ。 ５、前記シリンダーピストン機構は、ピストン駆動部分
   と磁性流体を貯える部分とにより構成され、両者間に磁
   性流体の流入孔を備え、ピストン駆動部分の外部に電磁
   石を備えることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載
   の磁性流体アクチュエータ。 ６、前記ピストン駆動部分と磁性流体を貯える部分との
   間に完全反磁性材により形成される遮蔽板を備えること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項記載の磁性流体アク
   チュエータ。 ７、前記電磁石の外周が、完全反磁性材により被覆され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第５項または第
   ６項記載の磁性流体アクチュエータ。 ８、前記磁性流体を貯える部分の外周が、完全反磁性材
   により被覆されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第５項、第６項または第７項記載の磁性流体アクチュエ
   ータ。 ９、前記磁性流体の流入孔近傍に、完全反磁性材により
   形成された絞り弁を備えることを特徴とする特許請求の
   範囲第４項、第５項、第６項、第７項または第８項記載
   の磁性流体アクチュエータ。 １０、シリンダーピストン機構の外部に電磁石を備え、
   シリンダ内に磁性流体が貯えられ、電磁石を電気的に制
   御することにより駆動されるアクチュエータを２組備え
   、これらの周囲が完全反磁性材により被覆され、これら
   ２組のアクチュエータが磁性流体の流入孔を有する磁束
   を透過させる物体を介して結合されていることを特徴と
   する磁性流体アクチュエータ。 １１、ロータリシリンダとベーンとによるベーン形揺動
   機構を備えるロータリシリンダ内に磁性流体が貯えられ
   、そのシリンダの周方向に電磁石を複数個備え、ロータ
   リシリンダ内の磁性流体を貯える部分、電磁石あるいは
   その双方が完全反磁性材により被覆されていることを特
   徴とする磁性流体アクチュエータ。 １２、前記完全反磁性材が超電導材であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項〜第１１項のいずれか１項記
   載の磁性流体アクチュエータ。 １３、前記電磁石が超電導材により形成されることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項〜第１２項のいずれか１
   項記載の磁性流体アクチュエータ。