JPH07240547A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】変位制御の応答性を向上できる磁歪式のアクチ
ュエータを提供する。 【構成】ケーシング１内には一端側が固定されるととも
に他端側が自由端となるように磁歪素子２３が収容され
ており、この磁歪素子２３の自由端の変位は出力軸２７
を介して外部へ取出される。磁歪素子２３の両端側に連
結された要素２１，２２，２４，２５，２６とケーシン
グ１１とは磁歪素子２３を直列に経由する磁気回路３６
を構成している。磁気回路３６には磁歪素子２３にバイ
アス磁界を印加する永久磁石２１，２５が直列に挿設さ
れている。磁歪素子２３の回りには、この磁歪素子２３
に印加される磁界の強さを制御することによって自由端
から得られる変位量を制御するコイル３２が配置されて
いる。磁歪素子２３の自由端に連結された要素２６，２
７とケーシング１との間には、これら要素を移動自在に
支持する弾性支持リング３０，３１が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁歪素子の機械的な変
位を出力として用いるアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】振動や変位を発生するためのアクチュエ
ータとしては、ＰＺＴなどの圧電素子に制御電圧を印加
する圧電式の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のアクチュエータや磁歪現
象を利用したアクチュエータも知られている。

【０００３】ところで、精密工作機械や電子顕微鏡等の
精密機器では、取付台を介して大地から伝わる振動を極
端に嫌うものが多い。このようなことから、最近では、
これらの精密機器を設置するための取付台とアクチュエ
ータとを組合せて防振台を構成する試みがなされてい
る。すなわち、地振動を検出し、この地振動による変位
分を打消すようにアクチュエータを伸縮させることによ
って取付台への振動伝播を大幅に低減しようとする試み
である。

【０００４】このような用途のアクチュエータには、小
型で、大きな力が得られ、しかも大きな変位が得られる
ことが望まれる。このような要望を満たすアクチュエー
タとして、圧電素子より剛性の大きい磁歪特性を備えた
磁性体、つまり磁歪素子を用いるアクチュータが注目さ
れている。

【０００５】磁歪式のアクチュエータは、通常、一端側
が固定されるとともに他端側が自由端に設けられた磁歪
素子と、この磁歪素子の自由端の変位を出力として取出
す手段と、磁歪素子の変位を許容し、かつ磁歪素子を直
列に経由する磁気回路を構成する磁気回路構成手段と、
この磁気回路構成手段を介して磁歪素子にバイアス磁界
を印加するバイアス磁界印加手段と、磁歪素子の周囲に
配置され、磁歪素子に印加される磁界の強さを制御する
ことによって自由端から得られる変位量を制御する制御
磁界印加手段とを備えている。

【０００６】磁歪素子としては、主にＮｉ系合金、Ｆｅ
−Ａｌ合金、フェライト系合金が用いられている。ま
た、最近では、上記合金材に比べて１桁以上大きい変位
を発生させることが可能な希土類金属−遷移金属系合金
も報告されている。

【０００７】磁歪素子における磁界と歪みとの関係は、
磁界を印加しない場合を基準にして、印加磁界が強い程
伸びるものが一般的であるが、印加磁界が強い程縮むも
のもある。ただし、印加磁界の向きには関係せず、その
印加磁界の絶対値が大きい程延びるものは伸び、縮むも
のは縮むという性質を持っている。このため、この種の
アクチュエータでは、発生変位の制御を容易にするため
に、ある一定のバイアス磁界を印加しておき、この状態
で磁歪素子に印加される磁界の強さを制御することによ
って変位量を制御するのが一般的である。

【０００８】磁歪素子に印加される磁界の強さを制御す
る手段としては、磁歪素子の周囲にコイルを配置し、こ
のコイルに流す電流の向きおよびレベルを制御する方式
が採用されている。また、バイアス磁界を印加する手段
としては、上記制御用のコイルをバイアス用にも使う方
式と、永久磁石を使用する方式とがある。制御用のコイ
ルを併用する方式では、常時、コイルに直流電流を流す
必要があるので、コイルの発熱量が大きく、長時間の使
用には不向きである。このため、一般的には永久磁石で
バイアス磁界を印加するようにしている。

【０００９】しかしながら、上記のように構成された従
来の磁歪式のアクチュエータにあっては次のような問題
があった。すなわち、磁歪素子の自由端の変位を出力と
して取出すには、上記自由端側を何等かの手段で変位方
向に移動自在に支持する必要がある。この支持手段とし
て、従来のアクチュエータでは、上記自由端側に連結さ
れる要素をすべり軸受で支持する方式を採用している。
しかし、このような支持方式では、摩耗により耐久性の
劣化を招くばかりか、摩擦損失が原因して、スムーズで
応答性のよい変位制御を行えない問題があった。また、
従来のアクチュエータでは、磁歪素子の変位を許容する
ために、磁気回路構成手段によって形成される磁気回路
に空隙を設けるようにしている。この空隙の存在が磁歪
素子に均一にバイアス磁界を印加することを困難にする
ばかりか、制御の応答性を低下させる原因となってい
た。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の磁
歪式のアクチュエータにあっては、変位制御の応答性が
悪いという問題があった。そこで本発明は、構成の複雑
化を招くことなく、上述した不具合を解消できる磁歪式
のアクチュエータを提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係るアクチュエータでは、一端側が固定
されるとともに他端側が自由端に設けられた磁歪素子
と、この磁歪素子の前記自由端の変位を出力として取出
す手段と、前記磁歪素子の変位を許容し、かつ上記磁歪
素子を直列に経由する磁気回路を構成する磁気回路構成
手段と、この磁気回路構成手段を介して前記磁歪素子に
バイアス磁界を印加するバイアス磁界印加手段と、前記
磁歪素子の周囲に配置され、上記磁歪素子に印加される
磁界の強さを制御することによって前記自由端から得ら
れる変位量を制御する制御磁界印加手段とを具備してな
るアクチュエータにおいて、前記磁歪素子の前記自由端
に連結された要素と静止部との間に設けられて上記要素
を移動自在に支持する弾性支持部材を備えている。

【００１２】また、請求項２に係るアクチュエータで
は、一端側が固定されるとともに他端側が自由端に設け
られた磁歪素子と、この磁歪素子の前記自由端の変位を
出力として取出す手段と、前記磁歪素子の変位を許容
し、かつ上記磁歪素子を直列に経由する磁気回路を構成
する磁気回路構成手段と、この磁気回路構成手段を介し
て前記磁歪素子にバイアス磁界を印加するバイアス磁界
印加手段と、前記磁歪素子の周囲に配置され、上記磁歪
素子に印加される磁界の強さを制御することによって前
記自由端から得られる変位量を制御する制御磁界印加手
段とを具備してなるアクチュエータにおいて、前記磁歪
素子の前記自由端に連結された要素と静止部との間に設
けられて上記要素を移動自在に支持する支持手段と、前
記磁気回路構成手段に前記磁歪素子の変位を許容するた
めに設けられた空隙を埋めるように設けられた磁性流体
とを備えている。

【００１３】

【作用】請求項１に係るアクチュエータでは、磁歪素子
の自由端に連結される要素、つまり上記自由端側を静止
部に対して弾性支持部材で移動自在に支持するようにし
ている。したがって、固体摩擦の生じない状態で移動自
在に支持できるので、変位制御の応答性を向上させるこ
とが可能となる。

【００１４】請求項２に係るアクチュエータでは、磁気
回路構成手段に磁歪素子の変位を許容するために設けら
れた空隙を磁性流体で埋める構成を採用しているので、
磁気回路構成手段によって形成される磁気回路の磁気抵
抗を小さくでき、この結果として変位制御の応答性を一
層向上させることができる。また、この場合には、磁歪
素子にバイアス磁界を均一に印加することができるの
で、出力変位の増大化にも寄与できる。なお、請求項２
と請求項１に記載の発明を組合せて、弾性支持部材と磁
性流体とを同時に適用すればそれぞれの作用を奏するこ
とができる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明の一実施例に係る磁歪式のアクチュ
エータが示されている。このアクチュエータは、大きく
分けて、ケーシング１と、このケーシング１内に一部が
ケーシング外に突出するように収容された変位発生部２
と、この変位発生部２に磁界を印加する磁界印加部３と
で構成されている。

【００１６】ケーシング１は、純鉄などの高透磁率材で
円筒状に形成された筒体１１と、同じく高透磁率材で円
板状に形成されて筒体１１の一端側開口を閉塞するよう
に筒体１１に固定された封じ体１２と、アルミニウムや
ステンレス鋼や黄銅どの非磁性材で形成されて筒体１１
の他端側開口を閉塞するように筒体１１に固定された封
じ体１３とで構成されている。そして、封じ体１３の中
心部には次に説明する変位発生部２の一部を外部に突出
させるための孔１４が形成されている。

【００１７】変位発生部２は、Ｓ極面を封じ体１２の内
面に密接させて設けられた円板状の永久磁石２１と、外
形がフランジ状に形成されて永久磁石２１のＮ極面側に
密接に連結された高透磁率材製の継手２２と、一端側を
継手２２に密接結合させて永久磁石２１および継手２２
と同軸的に配置された棒状の磁歪素子２３と、外形がフ
ランジ状に形成されて磁歪素子２３の他端側に密接結合
された高透磁率材製の継手２４と、Ｓ極面側を継手２４
の図中上面に密接に連結して設けられた円板状の永久磁
石２５と、前記筒体１１の内周面との間に僅かの空隙Ｐ
を存在させ得る径の円板状に形成されて永久磁石２５の
Ｎ極面側に密接に連結された高透磁率材製の板体２６
と、一端側が板体２６の図中上面中央部に固定されると
ともに他端側が前記封じ体１３に設けられた孔１４を通
して外部に突出するように設けられた非磁性材製の出力
軸２７とで構成されている。

【００１８】前記磁歪素子２３は、Ｎｉ系合金、Ｆｅ−
Ａｌ合金、フェライト系合金、希土類金属−遷移金属系
合金などの磁歪特性を備えた磁性材で形成されている。
筒体１１の内周面で板体２６の外周面に対向する部分お
よび封じ体１３に設けられた孔１４の内周面には、それ
ぞれ環状溝２８，２９が形成されており、これら環状溝
２８，２９内には板体２６および出力軸２７を軸方向に
移動自在に、かつ弾性的に支持するゴム等で形成された
弾性支持リング３０，３１がそれぞれ装着されている。
この例では、断面が角型の弾性支持リング３０，３１が
装着されている。

【００１９】一方、前記磁界印加部３は、前述した永久
磁石２１，２５と、磁歪素子２３の回りに磁歪素子２３
と同心的に配置されたコイル３２とで構成されている。
コイル３２は非磁性材で形成された巻枠３３の外周に巻
装されている。巻枠３３の図中下方に位置している鍔部
３４は、永久磁石２１の径より大径に形成されている。
そして、鍔部３４の周縁部が永久磁石２１より外側に配
置された非磁性材製の環状台座３５を介して図示しない
ネジによって封じ体１２に固定されている。この固定に
よって、変位発生部２の一端側、つまり永久磁石２１お
よび継手２２がケーシング１に固定されている。

【００２０】このような構成であると、永久磁石２１の
Ｎ極から出た磁束は、継手２２→磁歪素子２３→継手２
４→永久磁石２５→板体２６→空隙Ｐ→ケーシング１の
筒体１１→ケーシング１１の封じ体１２→永久磁石２１
の経路で通過する。すなわち、上記各要素によって１つ
の、いわゆる閉じられた磁気回路３６が構成されてい
る。そして、永久磁石２１，２５は、磁気回路３６に直
列に介挿されて磁歪素子２３にバイアス磁界を印加する
機能を果たしている。この例では、磁気回路３６に永久
磁石２１，２５が図示極性に介挿されているので、永久
磁石２１に基づいて印加される磁界と永久磁石２５に基
づいて印加される磁界とを加算した強さの磁界が磁歪素
子２３にバイアス磁界として軸方向に印加される。この
バイアス磁界の印加によって磁歪素子２３は、バイアス
磁界が印加されない場合に比べて、軸方向に所定量だけ
伸長した状態あるいは軸方向に所定量だけ収縮した状態
に保持される。伸長するか収縮するかは磁歪素子２３を
構成している材料の特性によって決まる。ここでは、説
明の便宜上、バイアス磁界の印加によって、磁歪素子２
３が軸方向に所定量だけ伸長した状態に保持されている
ものとして説明する。

【００２１】コイル３２が磁歪素子２３と同心的に配置
されているので、このコイル３２で発生する磁界は、磁
歪素子２３に印加される磁界の強さを増減させる。した
がって、磁歪素子２３に印加される磁界の強さがバイア
ス磁界レベルより大きくなる向きの電流をコイル３２に
流すと、印加磁界の増加分に相当する量だけ磁歪素子２
３がさらに伸長する。逆に、磁歪素子２３に印加される
磁界の強さがバイアス磁界レベルより小さくなる向きの
電流をコイル３２に流すと、印加磁界の減少分に相当す
る量だけ磁歪素子２３が収縮する。このため、コイル３
２に流す電流の向きおよびレベルを選択することによっ
て、磁歪素子２３を伸縮させることができる。この磁歪
素子２３の伸縮変位は、継手２４、永久磁石２５、板体
２６を介して出力軸２７に伝えられる。したがって、磁
歪素子２３の伸縮変位を出力軸２７を介して図示しない
負荷に伝えることができ、ここにアクチュエータとして
の機能を発揮させることができる。

【００２２】そして、この場合には、変位発生部２の自
由端側、具体的には磁歪素子２３の自由端側に連結され
た板体２６および出力軸２７と静止部であるケーシング
１との間に弾性支持リング３０，３１を介在させて、こ
の弾性支持リング３０，３１の弾性的な変形によって変
位発生部２の自由端側を移動自在に支持するようにして
いるので、すべり軸受を使って支持する場合とは違っ
て、固体摩擦の生じない状態で支持することができる。
このため、変位制御の応答性を向上させることができ
る。

【００２３】なお、図１に示す実施例では、弾性支持リ
ングを２箇所に亘って設けているが、１箇所だけに設け
るようにしてもよい。また、永久磁石２１，２５を使っ
て磁歪素子にバイアス磁界を印加するようにしている
が、コイル３２にバイアス磁界発生分に相当する直流電
流を常時流すことによって永久磁石を省略するようにし
てもよい。

【００２４】図２には本発明の別の実施例に係るアクチ
ュエータが示されている。この図では図１と同一部分が
同一符号で示されている。したがって、重複する部分の
詳しい説明は省略する。

【００２５】この実施例に係るアクチュエータでは、板
体２６の外周面とケーシング１における筒体１１の内周
面との間に弾性支持リングを介在させる代りに、空隙Ｐ
に磁性流体４１を充填したものとなっている。

【００２６】このような構成であると、変位発生部２の
自由端側と静止部であるケーシング１との間に弾性支持
リング３１を介在させているので、図１に示す実施例と
同様の効果が得られることは勿論のこと、磁気回路３６
に変位発生部２の変位を許容するために唯一存在してい
る空隙Ｐを埋めるように磁性流体４１を設けているの
で、空隙Ｐの磁気抵抗を減らすことができ、これによっ
て磁気回路３６の全磁気抵抗を減らすことができる。こ
の結果、永久磁石２１，２５を供給源とするバイアス磁
界を磁歪素子２３の軸方向各部に均一に印加することが
でき、変位の拡大化を図れる。同時に、磁気回路３６の
全磁気抵抗を減らすことができるので、制御の応答性を
一層向上させることができる。

【００２７】図３には本発明のさらに別の実施例に係る
アクチュエータが示されている。なお、この図において
も図１および図２と同一部分は同一符号で示してある。
したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００２８】この実施例に係るアクチュエータでは、板
体２６の外周面に、軸方向に２段構成に環状溝５１，５
２を設け、これら環状溝５１，５２と筒体１１の内周面
との間にゴムで形成されたＯリングを弾性支持リング５
３，５４として装着するとともに空隙Ｐの弾性支持リン
グ５３，５４間に位置する領域に磁性流体４１を充填し
ている。また、出力軸２７の外周面に環状溝５５を設
け、この環状溝５５と孔１４の内周面との間にゴムで形
成されたＯリングを弾性支持リング５６として介在させ
ている。さらに、板体２６と封じ体１３との間に磁歪素
子２３に対して圧縮力を常時付与するゴム製のスペーサ
５７を介在させている。さらにまた、バイアス磁界印加
用の永久磁石２１ａ，２５ａとして図示極性に着磁され
た環状のものを用いている。

【００２９】したがって、上記構成においても図２に示
したものと同様の効果を発揮させることができる。な
お、出力軸２７が負荷から圧縮力を受けるような場合に
は、ゴム製のスペーサ５７を省略してもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
制御の応答性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るアクチュエータの縦断
面図

【図２】本発明の別の実施例に係るアクチュエータの縦
断面図

【図３】本発明のさらに別の実施例に係るアクチュエー
タの縦断面図

【符号の説明】

１…ケーシング ２…変位発生部 ３…磁界印加部 １１…筒体 １２，１３…封じ体 １４…孔 ２１，２５，２１ａ，２５ａ…永久磁石 ２２，２４…継手 ２３…磁歪素子 ２６…板体 ２７…出力軸 ２８，２９，５１，５２，５５…環状溝 ３０，３１，５３，５４，５６…弾性支持リング ３２…コイル ３３…巻枠 ３６…磁気回路 ４１…磁性流体 ５７…スペーサ Ｐ…空隙

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 忠彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 酒井 勲 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端側が固定されるとともに他端側が自由
   端に設けられた磁歪素子と、この磁歪素子の前記自由端
   の変位を出力として取出す手段と、前記磁歪素子の変位
   を許容し、かつ上記磁歪素子を直列に経由する磁気回路
   を構成する磁気回路構成手段と、この磁気回路構成手段
   を介して前記磁歪素子にバイアス磁界を印加するバイア
   ス磁界印加手段と、前記磁歪素子の周囲に配置され、上
   記磁歪素子に印加される磁界の強さを制御することによ
   って前記自由端から得られる変位量を制御する制御磁界
   印加手段とを具備してなるアクチュエータにおいて、前
   記磁歪素子の前記自由端に連結された要素と静止部との
   間に設けられて上記要素を移動自在に支持する弾性支持
   部材を具備してなることを特徴とするアクチュエータ。
2. 【請求項２】一端側が固定されるとともに他端側が自由
   端に設けられた磁歪素子と、この磁歪素子の前記自由端
   の変位を出力として取出す手段と、前記磁歪素子の変位
   を許容し、かつ上記磁歪素子を直列に経由する磁気回路
   を構成する磁気回路構成手段と、この磁気回路構成手段
   を介して前記磁歪素子にバイアス磁界を印加するバイア
   ス磁界印加手段と、前記磁歪素子の周囲に配置され、上
   記磁歪素子に印加される磁界の強さを制御することによ
   って前記自由端から得られる変位量を制御する制御磁界
   印加手段とを具備してなるアクチュエータにおいて、前
   記磁歪素子の前記自由端に連結された要素と静止部との
   間に設けられて上記要素を移動自在に支持する支持手段
   と、前記磁気回路構成手段に前記磁歪素子の変位を許容
   するために設けられた空隙を埋めるように設けられた磁
   性流体とを具備してなることを特徴とするアクチュエー
   タ。