JPH05283762A

JPH05283762A - 磁歪式アクチュエータ

Info

Publication number: JPH05283762A
Application number: JP4078005A
Authority: JP
Inventors: Yukinobu Moriya; 之信森谷; Shigeru Fujimoto; 滋藤本; Hiroshi Katayama; 洋片山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1993-10-29

Abstract

(57)【要約】【目的】微小変位駆動の制御性の向上を図り、且つ、
より大きな変位量を得ることができる磁歪式アクチュエ
ータを提供することを目的としている。【構成】磁歪棒１の周囲に磁界発生用空芯コイル８と
加熱用空芯コイル９を配設し、加熱用空芯コイル９によ
って磁歪棒１を加熱することにより磁歪棒１を熱膨脹さ
せて、磁歪棒１の微小変位駆動の制御性をよくし、且
つ、より大きな変位量が得られるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外部磁界の印加により
磁歪を生じる磁性体を備えた磁歪式アクチュエータに関
する。

【０００２】

【従来の技術】振動や変位発生用のアクチュエータとし
ては、従来から圧電材料を変位発生素子となし、この変
位発生素子に制御電圧を印加するようにした圧電式アク
チュエータが知られている。また、スピーカの原理を用
いた電磁式アクチュエータや磁歪現象を用いた磁歪式ア
クチュエータも一般に知られている。

【０００３】前記振動や変位発生用のアクチュエータに
おいては、小型で高出力、即ち、より大きい変位量及び
力が発生できるアクチュエータの開発が望まれている。
かかる要求を満たす変位発生素子としては、前記圧電材
料よりも一般に剛性及びひずみ量が大きい磁歪を有する
磁性体、つまり磁歪材料を用いた磁歪式アクチュエータ
が注目されている。

【０００４】磁歪式アクチュエータに用いられる磁性体
としては、従来よりＮｉ系合金、Ｆｅ−Ａｌ系合金、フ
ェライト系合金が主に用いられている。また、最近で
は、前記磁性体に比べて１桁以上大きな変位が発生可能
な希土類金属−遷移金属系超磁歪合金も報告されてい
る。

【０００５】磁歪式アクチュエータは、一般に磁性体に
制御磁界を印加する手段を備えた構成になっている。磁
界印加手段としては、制御電流の供給で容易に磁界を制
御することが可能な電磁石などの磁気回路が主に用いら
れている。

【０００６】そこで出願人は、特願平２−８３２２０
号、特願平２−４０９２８号、特願平２−４０９２９号
及び特願平２−４０９３０号の４件の出願に基づく優先
権主張を伴う出願特願平３−１０８０８９号（出願日、
平成３年２月１９日）として、図３に示すような磁歪式
アクチュエータを提案した。

【０００７】この磁歪式アクチュエータは、超磁歪合金
からなる棒状の磁性体２０の周囲に制御磁界を印加する
空芯コイル２１を配置すると共に、前記磁性体２０の両
端は結合部材２２ａ，２２ｂを介して可動ヨーク２３及
び固定板２４，２５にそれぞれ連結されている。更に、
可動ヨーク２３を弾性体２６を介して固定板２４に連結
してこれが不用意に動かないようにするとともに、可動
ヨーク２３に固定板２４に設けた貫通孔２７を貫通して
外部に露出する出力棒２８を連結し、この出力棒２８に
より磁性体２０の変形（ひずみ）をアクチュエータ変位
として取り出すようにしたものである。

【０００８】固定板２５には環状溝２８が設けられてい
るとともに、ここに永久磁石２９が取付けられ、この永
久磁石２９によって磁性体２０に予め磁気バイアスが与
えられて初期変位が付けられている。また、前記磁性体
２０およ空芯コイル２１は円筒状ケース３０及び両固定
板２４，２５内に収納され、これらと可動ヨーク２３に
よって閉磁気回路が構成されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記磁歪式アクチュエ
ータにおいて、大きな変位を発生させようとすると、前
記磁性体を大きく変位させる必要があり、このために
は、制御電流を大きくして印加磁界を増大させる必要が
あるが、磁性体における磁界強さに対する変位量には一
定の限界がある。このため、さらに大きな変位量を有す
るようにした磁歪式アクチュエータの開発が望まれてい
た。

【００１０】図４は、磁性体への印加磁界と磁性体の変
位量の関係を示したものである。同図より分かるよう
に、磁界強さを大きくしても、それに比例した変位が発
生しなくなり、ある一定変位量以上では頭打ちになるた
め、大きな変位になればなるほど、制御電流の効率が低
下する。

【００１１】また、磁界発生手段である空芯コイル２１
に大きな制御電流を供給すると、この電流の影響により
空芯コイル２１が発熱し、磁性体２０が熱膨張するため
に制御性よく微小変位駆動を行うことが困難となるとい
う問題を生じる。

【００１２】本発明は、上記した課題を解決する目的で
なされ、変位発生手段を温度制御して加熱することによ
り、微小変位駆動時の制御性の向上と、より大きな変位
量を得ることができる磁歪式アクチュエータを提供しよ
うとするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記した課題を解決する
ために本発明は、磁歪を有する磁性体からなる変位発生
手段と、該変位発生手段に固定され前記変位発生手段の
変位方向に移動可能な可動部材と、前記変位発生手段の
周囲に配設され前記変位発生手段に磁界を印加する磁界
発生手段と、少なくとも前記変位発生手段と磁界発生手
段を収納し閉磁気回路を構成する磁気回路構成部材とを
具備した磁歪式アクチュエータにおいて、前記変位発生
手段の温度制御を行う温度制御手段を設けたことを特徴
とする。

【００１４】

【作用】本発明によれば、磁性体からなる変位発生手段
を加熱あるいは冷却等によって温度制御することによ
り、変位発生手段の熱膨張を制御することができるの
で、微小変位駆動時の制御性が向上し、且つ、より大き
な変位量を得ることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を図示の一実施例に基づいて詳
細に説明する。

【００１６】図１は、本発明の実施例に係る磁歪式アク
チュエータを示す断面図である。この図に示すように、
磁性体で磁歪特性を有する円柱状の磁歪棒１の一端側
（図では左側）には、円板状の可動ヨーク２が連結さ
れ、他端側（図では右側）には、連結部材３が連結され
ており、可動ヨーク２には、外部に出力（振動）を伝達
するための出力軸４が接続されている。

【００１７】磁歪棒１は、特に振動子等の小形化、高出
力化を達成する観点から、希土類金属−遷移金属系のラ
ーベス型金属間化合物からなる超磁歪合金を用いること
が望ましい。かかる超磁歪合金としては、原子比で、Ｒ（Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＭ_y）_z （ただし、式中のＲはイットリウムを含む希土類元素か
ら選ばれる少なくとも１種の元素、ＭはＮｉ，Ｍｎ，Ｍ
ｇ，Ａｌ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｖ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｎｂ，
Ｃｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｍｏ，ＳｉおよびＢから選ばれる少
なくとも１種の元素を示し、ｘ，ｙ，ｚは０≦ｘ≦０．
９５、０≦ｙ≦０．６、１．５≦ｚ≦４．０を示す）を
満足する組成を有する合金が挙げられる。具体的には、
Ｔｂ−Ｄｙ・Ｆｅ系合金、Ｔｂ−Ｄｙ・Ｆｅ−Ｍｎ系合
金が例示される。また、ＳｍＦｅ₂やＦｒＦｅ₃系など
の負の磁歪を有する磁歪合金の使用も可能である。

【００１８】出力軸４が接続されている可動ヨーク２
と、連結部材３が両端にそれぞれ連結されている磁歪棒
１は、両端を円板状の固定板５，６で密閉されている円
筒状の容器７に配設されており、出力軸４は、固定板５
の貫通孔５ａを通して外部に突出し、連結部材３は、固
定板６に固着されている。

【００１９】磁歪棒１の周囲には、磁歪棒１を変位させ
るための第１の磁界発生手段として磁界発生用空芯コイ
ル８が配設され、更にその外側には、磁歪棒１を加熱す
るための加熱用空芯コイル９が配設されている。

【００２０】磁界発生用空芯コイル８には、図２に示す
ように、磁界発生用空芯コイル８に電流を供給するため
の電源部１０と、磁界発生用空芯コイル８に流す電流を
制御して磁界発生用空芯コイル８で発生する磁界の強さ
を制御するための制御回路１１が接続されている。

【００２１】加熱用空芯コイル９には、加熱用空芯コイ
ル９に電流を供給するための電源部１２と、磁歪棒１に
取付けた熱電対１３によって検知される磁歪棒１の温度
情報に基づいて加熱用空芯コイル９に流す電流を制御し
て、加熱用空芯コイル９による磁歪棒１の加熱温度を制
御するための制御回路１４が接続されている。

【００２２】加熱用空芯コイル９は、磁界発生用空芯コ
イル８に対して電気抵抗を大きくし、且つ発生磁界が少
なくなるようにしている。

【００２３】固定板６の内側には、第２の磁界発生手段
としてバイアス磁界発生のための環状の永久磁石１５が
配設されている。容器７、可動ヨーク２、固定板５，６
は、空芯コイル８および永久磁石１５に対する閉磁気回
路として機能する。

【００２４】可動ヨーク２と固定板５間には、磁歪棒１
に所定の圧縮力を与え、且つ可動ヨーク２の不用意な動
きを抑える弾性体（例えば、本実施例では皿ばね）１６
が介在されている。磁歪棒１に与える圧縮応力は、例え
ば０．１〜２．０ kgf／mm²程度が適当である。

【００２５】また、可動ヨーク２と容器７の内周面間に
は所定のギャップ１７が形成されているが、このギャッ
プ１７は、磁気抵抗が低減された前記閉磁気回路を構成
する観点から、できるだけ狭い方がよい。

【００２６】本実施例に係る磁歪式アクチュエータは上
記のように構成されており、磁界発生用空芯コイル８に
電源部１０から制御電流を供給することによって発生す
る磁界を磁歪棒１に印加することにより、磁歪棒１は軸
線方向への変位が発生し、この変位により磁歪棒１に可
動ヨーク２を介して接続されている出力軸４に所定の出
力（振動）が伝達される。

【００２７】また、永久磁石１５により磁歪棒１に対し
て所定の直流磁気バイアスが印加されるので、磁界発生
用空芯コイル８に供給する制御電流の正負に対応した出
力（振動）を出力軸４から発生できると共に、低電流で
磁歪棒１に最大変位率を付与できる。

【００２８】そして、本実施例では、加熱用空芯コイル
９によって磁歪棒１を加熱する。この際、磁歪棒１の温
度を熱電対１３で検知し、熱電対１３から入力される磁
歪棒１の温度情報に基づいて制御回路１４は、電源部１
０から加熱用空芯コイル９に供給する電流を制御して、
磁歪棒１の加熱温度を最適に制御する。

【００２９】このように、磁歪棒１を加熱して磁歪棒１
の熱膨張を最適に制御することができるので、微小変位
駆動の制御性の向上を図ることができる。また、磁歪棒
１の磁歪変形による変位と加熱による熱膨張による変位
の合計が出力変位となるため、磁歪棒１の変位量をより
大きくすることができる。

【００３０】また、前記実施例では磁歪棒１の加熱のた
めの手段として加熱用空芯コイル９を使用したが、本発
明の温度制御手段はこれに限定されることなく、例えば
恒温槽内に磁歪式アクチュエータを収納して使用した
り、磁歪棒１に磁界を印加する磁界発生空芯コイル８で
兼用することもでき、さらに、冷却のための手段として
ペルチェ素子等を取付けて温度制御を行なってもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように本発明によれば、変位発生手段を温度制御する
ことにより、変位発生手段の微小変位駆動の制御性が向
上し、且つ、より大きな変位量が得られる磁歪式アクチ
ュエータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る磁歪式アクチュエータ
を示す概略断面図である。

【図２】図１に示した磁歪式アクチュエータの磁界発生
手段と温度制御手段を示す概略図である。

【図３】従来の磁歪式アクチュエータを示す断面図であ
る。

【図４】空芯コイルで発生する磁界の強さと磁歪棒の変
位量との関係を示す図である。

【符号の説明】

１磁歪棒（変位発生手段）２可動ヨーク（可動部材）４出力軸５，６固定板（磁気回路構成部材）７容器（磁気回路構成部材）８磁界発生用空芯コイル（磁界発生手段）９加熱用空芯コイル（温度制御手段）１３熱電対１５永久磁石（磁界発生手段）１６弾性体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁歪を有する磁性体からなる変位発生手
段と、該変位発生手段に固定され前記変位発生手段の変
位方向に移動可能な可動部材と、前記変位発生手段の周
囲に配設され前記変位発生手段に磁界を印加する磁界発
生手段と、少なくとも前記変位発生手段と磁界発生手段
を収納し閉磁気回路を構成する磁気回路構成部材とを具
備した磁歪式アクチュエータにおいて、前記変位発生手
段の温度制御を行う温度制御手段を設けたことを特徴と
する磁歪式アクチュエータ。