(57)【要約】【課題】圧電素子を用いたアクチュエータよりも、高出力で高効率な磁歪アクチュエータを提供する。【解決手段】駆動体に接合された磁歪素子と、前記磁歪素子に磁界を与える磁界発生手段と、前記駆動体の先端部に圧接若しくは当接された可動部材とを具備し、前記磁界発生手段で磁界を発生させて前記駆動体の先端部に円状運動を生じさせて前記可動部材を移動させる磁歪アクチュエータである。【選択図】    図１
2006203964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動体に接合された磁歪素子と、前記磁歪素子に磁界を与える磁界発生手段と、前記駆動体の先端部に圧接若しくは当接された可動部材とを具備し、前記磁界発生手段で磁界を発生させて前記駆動体の先端部に円状運動を生じさせて前記可動部材を移動させることを特徴とする磁歪アクチュエータ。
【請求項２】
前記磁界発生手段が前記磁歪素子に巻回されたコイルである請求項１に記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項３】
交差して配置され、かつ一端が駆動体に接合された少なくとも２個以上の磁歪素子と、前記各磁歪素子に巻回されたコイルと、Ｖ字状凹部に前記各磁歪素子の他端が接合され、かつ予圧を与える振動体と、前記駆動体の先端部に圧接若しくは当接された可動部材とを具備し、前記コイルに任意の位相差を有する高周波電流を供給することにより、前記駆動体の先端部に円状運動を生じさせて前記可動部材を移動させることを特徴とする磁歪アクチュエータ。
【請求項４】
前記高周波電流の周波数が、前記磁歪素子と前記振動体の固有振動数にほぼ等しい請求項３に記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項５】
前記磁歪素子の材質が、Tb0.3Dy0.7Fe2を中心組成とする化合物を主成分とする請求項３又は４に記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項６】
前記振動体に弾性ヒンジが設けられており、前記弾性ヒンジによって前記予圧を与えるようになっている請求項３乃至５のいずれかに記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項７】
前記駆動体及び振動体がセラミックス材料で成っている請求項３乃至６のいずれかに記載の磁歪アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪素子を駆動素子として使用した磁歪アクチュエータに関し、特に精密位置決めを要する装置に最適な磁歪アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来は特開平７−１８４３８２号公報（特許文献１）に示されるように、１枚の圧電素子に電圧を印加させ、それによって生じる圧電素子の変位を利用し、圧電素子部材を共振させることにより、動力伝達部に楕円運動を形成させて物体を移動させている。
【０００３】
図３はその様子を示しており、物体１０８を動かすアクチュエータは、長縁部１００、１０１及び短縁部１０２と第１及び第２の面とを有する少なくとも１つの矩形状圧電板１０３と、第１及び第２の面に取付けられた電極１０４〜１０７と、前記縁部の第１の縁部の中心に取付けられ、物体１０８に押し付けられる作用可能なセラミックスペーサ１０９とを備え、弾性力が第１の縁部と反対の第２の縁部の中心に付与され、これによりセラミックスペーサ１０９は物体１０８に押し付けられ、電極１０４〜１０７の少なくとも一部を交流又は非対称の単一極のパルス電圧のいずれかで通電するようになっている。
【０００４】
また、米国特許第６，３７３，１７０号明細書（特許文献２）に記載のものでは、図４に示すように圧電素子１１０及び１１１の変位を利用し、振動体１１２に共振現象を生じさせ、それによって生じる弾性体１１３の変位により物体１１４を移動させている。この場合のアクチュエータの取付け予圧には、コイルバネが用いられている。
【０００５】
更に、特開２００２−１０１６７６号公報に示されるアクチュエータは、圧電素子の変位を利用し、振動体に共振現象を生じさせ、それを駆動させることで、回転体を駆動している。図５はその構成を示しており、所定角度をなすように配置された２つの圧電素子１２０及び１２１の交差部分にチップ部材１２２を設け、圧電素子１２０及び１２１を保持するベース部材１２３と共に、加圧部材１２４によりチップ部材１２２をロータ１２６に加圧接触させている。そして、加圧部材１２４に加圧力調節機構１２５を設け、加圧力を調節しながら、チップ部材１２２の軌跡が所望する形状となるように加圧力を調節するようになっている。
【特許文献１】特開平７−１８４３８２
【特許文献２】米国特許第６，３７３，１７０号明細書
【特許文献３】特開２００２−１０１６７６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来のアクチュエータはいずれも駆動素子として圧電素子を用いており、アクチュエータの共振現象を利用した圧電アクチュエータは、圧電素子の変位、出力が小さいために十分な駆動力が得られていない。また、圧電素子を使用した場合、電力と駆動量のエネルギー変換効率が悪く、素子自体の耐久性にも問題がある。
【０００７】
本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、圧電素子の代わりに耐久性の良い磁歪素子を使用し、アクチュエータの出力が大きく、しかも効率の良い磁歪アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータに関し、本発明の上記目的は、駆動体に接合された磁歪素子と、前記磁歪素子に磁界を与える磁界発生手段と、前記駆動体の先端部に圧接若しくは当接された可動部材とを設け、前記磁界発生手段で磁界を発生させて前記駆動体の先端部に円状運動を生じさせて前記可動部材を移動させることにより達成され、前記磁界発生手段を前記磁歪素子に巻回されたコイルるとすることにより、より効果的に達成される。
【０００９】
本発明は磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータに関し、本発明の上記目的は、交差して配置され、かつ一端が駆動体に接合された少なくとも２個以上の磁歪素子と、前記各磁歪素子に巻回されたコイルと、Ｖ字状凹部に前記各磁歪素子の他端が接合され、かつ予圧を与える振動体と、前記駆動体の先端部に圧接若しくは当接された可動部材とを設け、前記コイルに任意の位相差を有する高周波電流を供給することにより、前記駆動体の先端部に円状運動を生じさせて前記可動体を移動させることにより達成される。
【００１０】
また、本発明の上記目的は、前記高周波電流の周波数を、前記磁歪素子と前記振動体の固有振動数にほぼ等しくすることにより、或いは前記磁歪素子の材質を、Tb0.3Dy0.7Fe2を中心組成とする化合物を主成分とすることにより、或いは前記振動体に弾性ヒンジを設け、前記弾性ヒンジによって前記予圧を与えることにより、或いは前記駆動体及び振動体をセラミックス材料で構成することにより、より効果的に達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のアクチュエータは駆動素子として磁歪素子を使用しているので、圧電素子に比べ、高出力で高効率なアクチュエータを実現することができる。また、圧電素子の場合に比べ耐久性にも優れ、エネルギー変換効率も良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は駆動素子として、圧電素子ではなく、磁歪素子を使用する。磁歪素子を用いたアクチュエータのため、圧電アクチュエータに比べ、高出力で高効率なアクチュエータを実現できる。
【００１３】
以下に本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施例を示しており、交差して配置された２つの磁歪素子２０及び３０の各一端部が駆動体１に接合され、磁歪素子２０及び３０の各他端部が振動体１０のＶ字状凹部１５に接合されている。磁歪素子２０及び３０にはそれぞれ磁界発生用のコイル２１及び３１が巻回されており、コイル２１及び３１には高周波電流が供給されるようになっている。また、振動体１０には弾性力を予圧として与えるための３個の弾性ヒンジ、即ちＮ字状の弾性ヒンジ１１、逆Ｎ字状の弾性ヒンジ１２及び直線状の弾性ヒンジ１３が配設されており、振動体１０は４角に設けられている固定ネジ１４で固定されている。弾性ヒンジ１１及び１２は駆動体１に対して対称に設けられ、弾性ヒンジ１３は振動体１０の底部に設けられている。なお、弾性ヒンジ１１及び１２の形状は代替、つまり弾性ヒンジ１１が逆Ｎ字状、弾性ヒンジ１２がＮ字状の形状であっても良い。
【００１５】
また、駆動体１の先端部は移動対象となる可動部材２に圧接若しくは当接されている。駆動体１と可動部材２の圧接力若しくは当接力は、振動体１０に設けられているヒンジ１１〜１３によってバランス良く調整されて与えられる。
【００１６】
このような構造において、コイル２１及び３１に、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すような位相差を有する正弦波の高周波電流を供給すると、コイル２１及び３１に磁界が発生されて磁歪素子２０及び３１が変形し、その位相差に応じて駆動体１が円運動若しくは楕円運動を繰り返し行い、その繰り返し円状運動によって、駆動体１の先端部に圧接若しくは当接されている可動部材２が図示Ｘ方向に移動する。供給電流の位相差の関係を逆にすれば、可動部材２は図示Ｘと反対方向に移動する。
【００１７】
正弦波高周波の周波数をアクチュエータ自身の共振周波数近傍の値にすると、駆動体１の振動振幅が大きくなり、可動部材２の駆動速度を大きく、つまり単位時間当たりの移動量を大きくすることができる。また、駆動体１及び可動部材２の材質は、摩耗が少なく、大きな摩擦力を得ることのできる材料が望ましい。例えば窒化けい素、炭化けい素、ジルコニア或いはアルミナのようなセラミックス材料が好適である。
【００１８】
次に、本発明で使用する磁歪素子について説明する。
【００１９】
磁歪現象は、磁性材料に磁場を印加すると形状変化を生じる現象である。常温ではこの性質を有する材料を磁歪材料（磁歪素子）と呼んでいる。これらの磁歪材料としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等の単元素系の他に、Co-Fe合金やNiFe２O４、CoFe2O4、Fe3O4などの化合物系の材料が挙げられる。特にＹ，Ｐｒ，Ｓｍ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍなどの希土類元素と、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏなどの金属元素とを組み合わせることにより、大きな磁歪変位を発生させることが可能となる。特にこれらの磁歪材料は数Ｎ／ｍｍ２の大応力を発生させることができ、この材料で駆動部を構成することにより、圧電素子を用いた場合よりもコンパクトで大きな駆動力を得ることが可能である。また、予圧量を外部から制御することも可能である。特にＲＴ２（Ｒ：ランタノイド元素、Ｔ：鉄族遷移元素）のラーベス構造立方晶を有するTb0.3Dy0.7Fe2を中心組成に持つ磁歪材料は、６００〜１０００ｐｐｍの変位歪と、８Ｎ／ｍｍ２程度の発生応力を有しており、本発明のアクチュエータの駆動部材としては最適な特性を有している。
【００２０】
上記組成を有する磁歪素子としては、単結晶のものと燒結体のものが市販されているが、アクチュエータ用の駆動部として用いる場合には、例えば特開２００２−１２９２７４に開示されているような燒結体のものが好ましい。このような粉末成形プロセスによる燒結体は任意形状を最初から得られるので、単結晶の材料を削って作製するよりも精度が良い部材を安価に製造できる。しかし、燒結体の磁歪素子を用いる場合、空孔率が１０％以上になると、内部酸化により著しく機能が劣化するため、空孔率は１０％以下か、特に磁歪材料が反応性の油脂に触れる場合には５％以下とすることが望ましい。また、空孔は応力集中源となって、素子強度を著しく減少させるため、部材の表面部の最大空孔径は５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下とすることが望ましい。
【００２１】
なお、上述の実施例では、予圧を得る手段として弾性ヒンジを用い、弾性ヒンジによる予圧調整を弾性ヒンジの厚み等の変化で、縦方向及び横方向のバネ定数を任意に調整するようにしているが、コイルバネを用いることも可能である。
【００２２】
また、上述では、正弦波の高周波をコイルに供給して磁界を発生する例を説明したが、矩形波の高周波でも駆動可能である。交差して配置される磁歪素子を２個用いて駆動体を駆動するようにしているが、３個以上の複数個の磁歪素子を用いて構成することも可能である。さらに、上述では振動体側を固定し、可動部材を移動させるようにしているが、可動部材側を固定し、振動体側を移動するようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明のアクチュエータによれば高出力で高効率な移動量を得ることができるので、工作機械、電機機器、通信機器、自動車等の精密位置決めを要するリニア駆動部に幅広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の駆動信号の波形例を示す図である。
【図３】従来の圧電アクチュエータの例を示す構成図である。
【図４】従来の圧電アクチュエータの他の例を示す斜視図である。
【図５】従来の圧電アクチュエータの他の例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１              駆動体
２              可動部材
１０、          振動体
１１〜１３      弾性ヒンジ
１４            固定ネジ
１５            凹部
２０、３０      磁歪素子
２１、３１      コイル
【図１】
2006203964.tif 000003
【図２】
2006203964.tif 000004
【図３】
2006203964.tif 000005
【図４】
2006203964.tif 000006
【図５】
2006203964.tif 000007