JPH02237085A - 変位発生素子 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は変位発生素子に関する。

（従来の技術） 近年、機械工作における加工精度の向上は目覚しくミク
ロンオーダーの次元からサブミクロンオーダーの次元に
入りつつあるが、このことは電子デバイスの分野では既
に珍しくない状況である。

また、メカトロニクスの時代を迎えるに及んで、超微細
加工、微小変位制御にかかる問題は上記した電子工学の
分野のみならず機械工学の分野でも重要視されるに到っ
ている。

すなわち、■計測装置、各種の機械装置にあっては温度
変化による各構成部材の変位が不可避であり、例えば、
インバー形合金のような極端に熱膨張の小さい材料を用
いた場合は別にして、通常はｔｏｐｐ−，，””ｃ程度
の変位は常に起り得ること、■各種装置がフレキシブル
な可動部分（例えばジＢイント）、回転部分（例えば歯
車、モータ）を備えている場合には部材間の接触の遊び
による誤差を不可避的に必要とすること、■一般に金属
は荷重下の変形に対しては履歴を示すこと、■各種設置
を機械的振動から自由にすることは限度があり、とくに
装置そのものが振動発生源を内蔵している場合、振動及
びそれに起因する距離変動を防止する二とは原理的に不
可能であること、などの問題からして、微小変位制御素
子は必要とされる。

更には、光情報処理、光記録機器の急速な発達に伴なっ
て、微小変位制御素子の必要性はますます高まりでいる
。

従来から、かかる微小変位制御素子としては、変位発生
部の態様によって第１表に示すような形式のものが提案
され実用に供されている。

第１表から明らかなように、従来の素子にはそれぞれ一
長一短があり必ずしも満足のいくものがなかった。

このうち磁歪型は、磁性体を磁化した場合内部磁気配列
の変化に応じて該磁性体の長さが変化するという磁歪現
象を利用したものである。この現象は、従来から磁歪フ
ィルタ、磁歪センサ、超音波遅延線、磁歪振動子などの
デバイスに利用されている。

この場合、これらデバイスの磁歪に基づく変位を発生さ
せる部材には、ニッケル基合金、鉄一コバルト合金、フ
エライトなどの磁性合金が用いられている。

（発明が解決・しようとする課題） しかしながら、従来知られている磁性合金を用いた変位
発生素子ではその変位の線形性が十分ではな＜、シたが
ってミクロンオーダー又はサブミクロンイオーダーのよ
うな変位を制御する変位発生部材としては満足のいくも
のではなかった。

本発明は、変位の線形性に優れた磁歪型の変位発生素子
の提供を目的とする。

［発明の概要］ （３題を解決するための手段及び作用）本発明の変位発
生素子は、希土類磁歪合金からなる変位発生部材と、こ
の変位発生部材に駆動用の磁界を印加する励磁部材とを
備えた変位発生素子において、 該変位発生部材にバイアス磁界を印加するバイアス磁界
発生部を有することを特徴とする。

まず、本発明の変位発生素子を、好ましい構造例を示し
た第１図に則して説明する。

第１図で１は棒状の変位発生部材（磁歪合金）、２は該
変位発生部を磁化して長さ変位を発生させるための励磁
コイル（励磁部材）である。励磁コイル２は所定径の導
線（例えばホルマル銅線）を必要回数巻回しその内部を
中空にして構成される。

このときのコイルの巻回数は、変位発生部材１に作用さ
せるべき磁界の強さとの関係から決められる。励磁コイ
ル２の中空部には、．所定長さを有する磁性合金の棒材
が同軸的に挿入されて変位発生部材１を構成する。この
ときの該変位発生部材１の長さは、制御すべき変位の大
きさ及び該部材の磁歪の大きさとの関係から決められる
。また、変位発生部材１は、励磁コイル２の中空部の中
では潤滑性に富む例えばボールベアリング、黒鉛材、テ
フロン材のような軸受材３によって支持されていて、軸
方向の変位が生じた場合でも容易に滑動できるようにな
っている。変位発生部材１の変位量は、該部材の端部に
当接して配設される例えば軟磁鉄製のｇａｌの変位伝達
軸４及びつづいて該伝達軸４の端部に当接する例えば非
磁性ステンレススチール製の第２の変位伝達軸５を介し
て系外に伝達される。

励磁コイル２の外周には、変位発生部材１に磁界を印加
したときその両端部からの磁束もれを防止するために、
更には、変位発生部材１に生起する反磁界を抑制若しく
は消去して励磁コイル２の作用効率を高めるために、例
えば軟磁鉄で構成したヨークを配設することが好ましい
。

更には、励磁コイル２で変位発生部ｌを磁化するに先立
ち、予め該変位発生部材１をある程度磁化してその線形
性が良好な磁歪特性領域で使用するために、励磁コイル
２の外周にバイアスコイル６を（バイアス磁界発生部）
を配設する。この構成で線形性を改善できる。バイアス
コイルは永久磁石でも良い。また、励磁部材とバイアス
磁界発生部を一つにし、バイアス磁界発生用の電流に変
位制御用の電流を重畳させても良い。

本発明の変位発生素子は以上のようにして構成されてい
るが、磁歪合金としてはＦｅ２５〜４０重量％、Ｍ　ｎ
　０．０１〜１　５重量％、Ｔｂ０．１　〜２５重量％
、残部は実質的にＤｙから成る磁歪合金を用いることが
好ましい。

以下に該磁歪合金につき詳細に説明する。

希土類磁歪合金は一般にＲ　　　Ｔ　　（０．２≦Ｘ１
−ｘ　　ｘ ≦０．９５．　Ｒ：Ｌａ−Ｌｕの希土類元素，Ｔ：．Ｆ
ｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎなどの遷移金属）で示される。特
に磁歪合金は限定しないが、以下に示すＴ　ｂ　−　Ｄ
　ｙ　−　Ｆ　ｅ　−　Ｍ　ｎ系は好適である。

まず、Ｔｂ，　Ｄｙは極めて大きい結晶異方性を有する
希土類元素であって、磁性合金の磁歪特性を高めるため
に必須な成分である。しかしながら、Ｔｂ単体、Ｄｙ単
体又はＴｂとＤｙのみから成る合金は、いずれも低温領
域では優れた磁歪特性を示すけれども、室温以上の温度
領域では磁歪を示さないという問題点を有する。

一方、Ｔｂ，ＤＹはＦｅ，Ｍｎなどの遷移金属とラーベ
ス（Ｌａｂｅｓ）型金属間化合物を形成するが、このこ
とによって、Ｔｂ，　　ｐｙ，’ｒｂ−Ｄｙ合金の優れ
た磁歪特性を室温まで持ち来たすことができる。これは
、広義の強磁性相がラーベス型金属間化合物に包摂され
る形で室温まで安定化されるためである。例えば、Ｄｙ
においてその強磁性相の消失する温度は１７９＠Ｋ（’
−９４℃）であるが、ＤｙとＦｅとのラーベス型金属間
化合物ＤｙＦｅｘの場合には６３５”　Ｋ　（３５８℃
）である。

各種の希土類元素とＦｅとのラーベス型金属間化合物の
室温（２５℃）における飽和磁歪値（λ）は第２表に示
すとおりである。、 第２表から明らかなように、これらラーベス型金属間化
合物の飽和磁歪値は、従来の典型的な磁歪金属であるＮ
ｉのそれ（３０Ｘ１０−６）に比べて桁違いに大きい。

しかしながら、上記したラーベス型金属間化合物は、そ
れが単相である場合、その機械的特性、とくに加工性、
靭性が極めて劣悪であって実用性の点で間居がある。更
には、第２表に示した飽和磁歪値を得るためには数十ｋ
ｏｅという強磁場を必要とし、例えば１０００ｅ／Ａ程
度のソレノイド型マグネットを用いて電気一磁気変換操
作を行った場合、ＩＯＯＡ以上の大電流が必要となって
数十ｋＷの電力消費を不可避とするので、実用性の点で
の障害は大である。

本発明者らは、Ｔｂ，　Ｄｙ，Ｔｂ−Ｄ）ｒ合金の磁歪
特性が優れること、そしてこれら元素とＦｅ，Ｍｎとの
ラーベス型金属間化合物は室温での安定な磁歪特性を保
障し得ること、という２点を前提として後述する種々の
検討を加えることにより、微小変位制御素子の変位発生
部材として有用な合金組成を見出すに到った。

まず、”ｂ”（１−ｙ）　）１．３３（Ｆｅｌ−，ｙ Ｍｎｘ）２　（Ｘ，）’はそれぞれＭｎ濃度、Ｔｂ濃度
を表わす。）で示される合金につき、そのＸ．ｙをそれ
ぞれ変動させたときの磁歪特性を測定した。その結果の
一部を第２図及び第３図に示す。

図で磁歪特性の次元はｘｍｏ，ｙ−Ｑのものすなわち、
Ｄｙ　　　Ｆｅ　　のラーベス型金属間化合物１．３３
　　　　　２ の室温における磁歪特性を１０としたときの相対値で示
してある。

第２図から明らかなように、Ｍｎの合金化は、室温、低
磁場側（２ｋＯｅ以下）での磁歪特性において、ｙ−０
．２、すなわちＴｂｌ３重量％以下の領域で磁歪特性の
顕著な向上が見られる。

とくに、ｘ　−０．２　，　　ｙ　＝０．２の合金；（
Ｔｂ，２Ｄ　ｙ　　　）　　　　（　Ｆ　ｅ　　　Ｍ　
ｎ　　　）　　は、現在０．８　　１．３３　　．　　
０．８　　　０．２　　２磁歪特性が最大のものとして
知られている、Ｔ　ｂ　　　Ｄ　ｙ　　　Ｆ　ｅ　２の
値を上回り、しがもそ０．３　　　　　０．７ の靭性が著しく改善されていることが判明した。

また、第３図から明らかなように、Ｘの大小によらずＤ
ｙのＴｂによる合金化に伴い得られた合金はその磁歪特
性が著しく向上している。とくにｘ−０．２においてＴ
ｂ合金化の効果は顕著である。

本発明にかかる磁性合金は、以上の実験経過を青最に開
発されたＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ−Ｍｎ系のものである。

該磁性合金において、Ｆｅ，ＭｎはＴｂ，　Ｄｙとラー
ベス型金属間化合物を形成してＴｂ，　Ｄｙ，’ｒｂ−
Ｄｙ合金の優れた磁歪特性を室温以上の温度領域で安定
化・向上せしめる。そのとき、Ｆｅの組成比が２５重量
％未満の場合には充分な磁歪特性が得られず、また、４
０重量％を越えると合金の靭性が著しく劣化して脆弱と
なってしまう。

Ｍｎはその組成比０，０１重量％以上から磁歪特性向上
の効果を発揮するがその組成比が２５重量％を超えると
逆に磁歪特性の劣化を招く。

ＴｂはＤｙと合金化することにより、Ｄｙ単独の場合よ
りも全体の磁歪特性を高める。組成比が０．１　ｉｆｒ
量％以上からその効果を発揮するが、２５重量％を超え
ると逆に磁性特性の劣化を招いてしまう。

本発明にかかる磁性合金において、その残部はＤｙで構
成されるが、合金調整時に不可避的に付随する微量の混
入物（例えば、Ｃ，Ｏ，Ｎ，希土類，Ｙ，Ｌａ）が存在
しても何らの不都合はない。

本発明にかかる変位発生部材は、上記した組成の合金素
材を例えば真空誘導加熱法で溶解した後インゴットにし
、このインゴットを例えばブリッヂマン炉で適宜なＧ値
（固液界面相での温度勾配）で一方向凝固させ、ついで
得られた素材に所定の切除加工を施して作成することが
できる。また熱間，冷間加工を施したり、更には合金粉
砕後、磁場中プレスし焼結するといった処理を施しても
良い。

この部材を第１図に示したコイル部と組合せることによ
って本発明の変位発生素子が製造される。

（実施例） 以下に本発明の実施例を説明する。

第３表に示した組成の、３０種類の合金試料を用意し、
これらをそれぞれ真空誘導加熱炉で溶解した、容湯を冷
却してインゴットした後、これを内径１２ａｓ長さ２　
５　０　ａｍのアルミナ管の中に装入し、タンタルヒー
夕を備えた改良ブリッヂマン炉により．、アルゴン雰囲
気中、６０ｕ＋／ｈｒの低速度で一方向凝固させた。な
お、この速度は１０ｍ■／１ｎ〜１００ａｌ／ｈｒ程度
に変化できる。このときの固液界面近傍におけるＧ値は
約８０℃／ｃｍであウた。

得られた一方向凝固材の凝固方位は、それぞれ立方品ラ
ーベス化合物の結晶方位にして略（１　１　１７磁化容
易軸であった。結晶配向していた方が磁歪量が大きい。

各一方向凝固材に８００℃で１２０時間均一化処理を施
した後、直径８ｌ園長さ１００關の丸棒を切削加工して
変位発生部材とした。試料番号１〜１４が本発明にかか
る実施例で他は比較例である。

これら九棒を用いて、第１図に示した構造の微小変位制
御素子を組立て、各素子の特性を調べた。

ここでは、軸受材は外径１０龍内径８　ｍｓ＋長さ１０
０ａｓのテフロン製の筒、励磁コイルは直径１朋のホル
マル銅線をテフロン筒の外周に２万回／ｍで巻回し、全
直流抵抗値５Ω、励磁能力２５００　ｅ　／　Ａのもの
、その外周に配設されたバイアスコイルは１万回／ｍの
巻回数で励磁能力１２５０　ｅ　／　Ａのものであった
。

変位発生素子の特性評価は、バイアスコイルにＩＡの電
流を流し−１　２　５　０　ｅのバイアス磁場下で行っ
た。

この状態で励磁コイルに０．５　Ａ　（入力電力６Ｗ）
の駆動電流を流し、このときの棒材の変位量（μｍ）を
測定した。その結果を第３表に示した。

（以下余白） 実施例９の変位発生部材、比較例２９．３０の変位発生
部材をそれぞれ組み込んだ微小変位制御素子につき、実
施例１〜１４のバイアス磁場下で各種の駆動電流を′流
し、そのときの変位量から歪み値（ε：ΔｆＪ　／ｆｌ
　’）を算出した。結果を第４図に示した。

図から明らかなように、本発明にかかる磁性合金は、励
磁コイルへの駆動電流ク《大きくなくても（すなわち、
使用電力が小さくても）歪み値が大きい。またその線形
性も優れている。

第１図の素子の変位発生部材として −０．１　Ｐ　ｂ　Ｔ　ｔ　Ｏ　ａ　　（０．９　Ｐ　
ＭＮ−０．Ｉ　Ｐ　Ｔ）なる組成の電歪材料、ジルコン
酸鉛（ＰＺＴ−８）の圧電材料を用いてその歪み値を測
定した。その結果を第５図に示した。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように、本発明の変位発生素子は
、磁歪吾金を用いた素子として線形性に？れており有効
である。

また、前記磁歪合金を用いることで、歪み量が大きい。

小さい入力電力で作動することができる。

歪み量が大きいことにより素子全体を小型化することが
できるなどの利点を有しているので、サブミクロンオー
ダーの精密制御を必要とする光情報処理、光記録機器、
精密工作機器の分野での冑用性は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の微小変位制御素子の好ましい１例を示
す一部切欠模式図である。第２図、第３図はそれぞれ（
ＴｂｙＤｙ（１■）　）１．３３（Ｆｅ　　　Ｍｎ）　
　のｘ＋Ｖと磁性特性との関１−ｘ　　　ｘ　　２ 係図である。第４図は駆動電流と歪み量との関係図、第
５図は比較のために示した電歪材料、圧電材料の電界の
大きさと歪み量との関係図である。 １・・・変位発生部材、２・・・励磁コイル、３・・・
軸受材、４，５・・・変位伝達軸、６・・・バイアスコ
イル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　希土類磁歪合金からなる変位発生部材と、この変位発
   生部材に駆動用の磁界を印加する励磁部材とを備えた変
   位発生素子において、 該変位発生部材にバイアス磁界を印加するバイアス磁界
   発生部を有することを特徴とする変位発生素子。