(57)【要約】【課題】吐出揚程の向上、超磁歪ポンプの小型化を達成でき、しかも超磁歪素子の特徴を活かし、高精度に制御された高圧流体を吐出でき、しかも吐出圧力を調整容易なポンプを提供する。【解決手段】電磁コイル３，８の駆動制御を、連動して行うことで、バルブ部材２が閉止位置にある間に、ピストン部材７を変位させるようにすれば、凹部１ｇ内の流体の圧力が増大するので、かかる圧力が所定値まで増大した後に、バルブ部材２を開放位置へと変位させることによって、高圧の流体を吐出孔１ｍを介して外部へと吐出させることができる。更に、開放時におけるバルブ部材２と吐出孔１ｍとの間隔δは、凹部１ｄ内に異なる量の作動流体を封入することにより容易に変更でき、しかも作動流体を非圧縮性流体とすれば、きわめて剛性を高く維持できるので、バルブ部材２の開放位置は常に一定となり、流量・圧力とも高精度に制御された流体を吐出できるし、圧縮性流体とすれば、その弾性特性に応じた力で、バルブ部材２を閉止位置に維持できる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を貯留可能なシリンダ部を内部に備え、前記シリンダ部と外部とを連通する吐出孔と吸引孔とを備えたハウジングと、
前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が減少したときに、前記吸引孔を介して外部より流体が流入することを許容し、前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が増大したときに、前記流入孔を介する流体の流出を阻止するチェック弁と、
前記シリンダ部内において前記吐出孔を閉止可能に配置され、前記流体からの圧力を受ける受圧面を有するバルブ部材と、
前記シリンダ部に貯留された流体を加圧する加圧手段とを有し、
前記加圧手段に加圧されることによって、前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が所定値に増大したときに、前記受圧面に作用する付勢力に応じて、前記バルブ部材は前記吐出孔を開放するように移動することを特徴とするポンプ。
【請求項２】
前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が所定値を下回ったことに応じて、前記受圧面に作用する吸引力に応じて、前記バルブ部材は前記吐出孔を閉止するように移動することを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記受圧面は、前記吐出孔の軸線に対して傾斜した面であることを特徴とする請求項１又は２に記載のポンプ。
【請求項４】
前記受圧面は、前記吐出孔の軸線に対して直交する面であることを特徴とする請求項１又は２に記載のポンプ。
【請求項５】
前記バルブ部材の移動量を制限する制限部材を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のポンプ。
【請求項６】
前記バルブ部材が前記吐出孔を閉止するように付勢する付勢部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のポンプ。
【請求項７】
前記加圧手段は、前記シリンダ部に嵌合するピストン部と、前記ピストン部を駆動するための磁力を利用したアクチュエータ部とを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のポンプ。
【請求項８】
前記加圧手段は、前記シリンダ部に嵌合するピストン部と、前記ピストン部を駆動するための超磁歪素子を含むアクチュエータ部とを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のポンプ。
【請求項９】
前記超磁歪素子がＴｂｘＤｙ（１−ｘ）Ｆｅｙ（ｘは０．３〜０．４、ｙは２±０．１）の化合物を主体として構成されることを特徴とする請求項８に記載のポンプ。
【請求項１０】
前記アクチュエータ部を構成する超磁歪素子の両端の平行度および直角度を０．２ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項８又は９に記載のポンプ。
【請求項１１】
前記超磁歪素子の表面の最大空孔を５００μｍ以下とし、空孔率を５％以下としたことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載のポンプ。
【請求項１２】
第１のコイルと、
超磁歪素子もしくは永久磁石よりなる第１のアクチュエータと、
第２のコイルと、
超磁歪素子もしくは永久磁石よりなる第２のアクチュエータと、
強磁性体からなり、前記第１のコイルおよび前記第１のアクチュエータと、前記第２のコイルおよび前記第２のアクチュータとの間に配置され、前記第１及び前記第２のアクチュエータを磁気的に分離する分離板とを備え、
前記第１及び前記第２のアクチュエータは、一組の強磁性体からなるハウジングにより収納されていて、前記第２のアクチュエータは前記第１のアクチュエータを貫通する非磁性の部材を駆動し、前記第１のアクチュエータは強磁性体の部材を駆動することを特徴とする２自由度アクチュエータ装置。
【請求項１３】
前記第１のアクチュエータは、前記ハウジングとの間の空間を利用して第１のシリンダを構成する第１のピストンを駆動し、前記第２のアクチュエータはハウジングに設けられた吐出口を開閉するバルブを駆動することを特徴とする請求項１２に記載の２自由度アクチュエータ装置。
【請求項１４】
前記バルブの可動範囲を制御する部材を設けたことを特徴とする請求項１３に記載の２自由度アクチュエータ装置。
【請求項１５】
前記バルブの可動範囲を制御する部材が、前記ハウジングに形成された第２のシリンダ内に封入された非圧縮性流体の量によって制御されることを特徴とする請求項１４に記載の２自由度アクチュエータ装置。
【請求項１６】
前記バルブの吐出口閉止位置に対する初期抑圧力を設定するためのばねおよびばねたわみ量制御部材を設けたことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の２自由度アクチュエータ装置。
【請求項１７】
前記初期抑圧力の設定を、前記ハウジングに形成された第２のシリンダ内に封入された圧縮性流体の量によって制御することを特徴とする請求項１６に記載の２自由度アクチュエータ装置。
【請求項１８】
前記超磁歪素子がＴｂｘＤｙ（１−ｘ）Ｆｅｙ（ｘは０．３〜０．４、ｙは２±０．１）の化合物を主体として構成されることを特徴とする請求項１２乃至１７のいずれかに記載の２自由度アクチュエータ装置。
【請求項１９】
前記アクチュエータ部を構成する超磁歪素子の両端の平行度および直角度を０．２ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１２乃至１８のいずれかに記載の２自由度アクチュエータ装置。
【請求項２０】
前記超磁歪素子の表面の最大空孔を５００μｍ以下とし、空孔率を５％以下としたことを特徴とする請求項１２乃至１９のいずれかに記載の２自由度アクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ及び２自由度アクチュエータ装置に関し、特に小型で流体を微量にかつ高圧高精度に吐出する超磁歪ポンプ及び２自由度アクチュエータ装置に関するものであり、例えば、高速回転を目的とした工作機械主軸用のための微量潤滑ポンプ、燃費向上を目的として高圧高精度に燃料を噴射するガソリンエンジン用もしくは燃料電池用の燃料噴射ポンプ、もしくは排出ガスの環境基準を満たすために高圧に燃料を噴射するディーゼルエンジンの燃料噴射ポンプ、および小型で高精度の位置決め精度を要する油圧アクチュエータを構成する小型油圧ポンプなどに利用されると好適なポンプ及び２自由度アクチュエータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポンプは、流体機械であり、本来的に、流体に圧力もしくは速度を与え、移動させることを目的としている、その性能は、ポンプの吐出圧力Ｐ、吐出流量Ｑ、および吐出揚程Ｈなどで評価される。ポンプは、一般にモータやエンジン等の原動機を駆動源とすることが多く、ポンプの性能もその駆動源の能力に左右されることが多い。
【０００３】
駆動源の機械的仕事をポンプの仕事に変換する際の効率を考えると、最も損失の少ない仕組みにすることが非常に重要であり、例えば、駆動源が低速で高トルクのモータである場合には、吐出圧力Ｐが小さく吐出流量Ｑが大きいという特性を持つポンプを設計するよりも、駆動源の特性を活かして吐出圧力Ｐが大きく吐出流量Ｑが小さいという特性を備えたポンプを設計すると、損失が少なく高効率なポンプを開発できるということがある。
【０００４】
新しく開発された駆動源を用いてポンプを設計する場合でも、駆動源の性能に合わせたポンプを設計することにより、高い効率を達成でき、他の駆動源によって達成できないようなポンプ性能を獲得できるなら、新技術として定着する可能性がある。
【０００５】
ここで、超磁歪素子とは、古くから知られているＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏのような磁性材料に磁場を印加すると生じる磁歪現象よりも、遙かに大きな超磁歪現象を生じさせる素子のことをいい、例えば任意の希土類元素Ｒと鉄Ｆｅの原子比が１：２（ＲＦｅ２）からなる組成を持つ素子が知られており、代表的な例としてＴｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ２がある。
【０００６】
このような超磁歪素子の磁歪現象を、アクチュエータの駆動源として用いる試みがある。かかるアクチュエータの場合、電磁コイルに電流を流し、磁界の強さＨを得、磁歪Δｌ／ｌを発生させるが、その歪みはＴｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ２の場合、磁界の強さＨが８０ｋＡ／ｍ以上になると最大値に飽和し、その時のひずみの値は１５００〜２０００ｐｐｍ程度と非常に小さい。例えば１０ｍｍの超磁歪素子に、８０ｋＡ／ｍの磁界を加えた場合、歪みは１５〜２０μｍ程度である。ところが、８０ｋＡ／ｍの磁界を加え、変位が生じないように固定すると圧縮応力のみ発生し、その値は６０〜８４ＭＰａ程度と非常に大きくなる。また、圧縮応力に対する破壊限は７００ＭＰａと大きく耐久性もある。一方で、超磁歪素子の応答速度は、電磁コイルの応答速度に依存する。すなわち超磁歪素子を駆動源に用いたアクチュエータは、低速高トルク型の機能を有することとなる。従って、超磁歪素子を駆動源とするアクチュエータをポンプに用いる場合、なるべく高圧小流量な特性を持つようにポンプ設計をした方が高効率を得ることができ、他を駆動源とするポンプでは達成できない性能を発揮する可能性があるといえる。
【０００７】
超磁歪素子の競合技術として知られている圧電素子を用いる場合、電磁コイルにおける時定数の大きさなどの影響に左右されること無く、非常に高速で運転できるという利点がある。その一方で、超磁歪素子のように大きな変位、大きな応力を得ることは困難とされており、駆動源の性能としては高速低トルク型といえ、比較的低圧大流量な特性を持つポンプが多く設計され、実用化されているものもある。
【０００８】
近年、このような圧電素子や超磁歪素子等の電圧や磁場で駆動される素子を用いて、各種のアクチュエータおよびそれを利用したポンプなどの開発が盛んである。
【０００９】
圧電素子を用いたポンプで実用化されているものとしては、バイモルポンプ（極光株式会社製）などがある。これは、圧電バイモルフ振動子を用いたダイヤフラム形式のポンプであって、小型で軽量であること、流量調節が容易であること、非磁性であること等を特徴としている。
【００１０】
一方、超磁歪素子を用いたポンプとしては、例えば、以下の特許文献１に示すように、一つのシリンダと吐出用と吸入用の二つのチェック弁を備え、超磁歪素子に与える磁界を調節することでリニアアクチュエータを構成し、例えば、ダイヤフラム、プランジャ、べローズ等のシリンダ容積を可変とする形式とした容積型のポンプなどがある。
【特許文献１】
特開平５−６００５９号公報
【００１１】
通常、このようなポンプの吐出揚程Ｈｐは、ベルヌーイの法則によるとシリンダ内の圧力Ｐとピストンの速度ｖに依存する。数１に、一般的なべルヌーイの法則を示す。
【数１】
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ここで、
γ：密度×重力加速度
ｇ：重力加速度
ｚ：位置（高さ）
である。
【００１２】
数１から明らかなように、べルヌーイの法則によると、ポンプ自体の吐出揚程Ｈｐは、流体圧力と流体の速度ｖに依存する。流体を圧縮する性能は、流体の体積を変化させる機能すなわちピストン速度と弁の機能に影響され、またシリンダ内の流体速度は、ピストン速度すなわち電磁コイルの性能に依存する。
【００１３】
容積型ポンプに用いられるチェック弁は、流体の流れる方向を制御する機能を備えるが、例えば、ばねとボール弁を組み合わせてシリンダ内の圧力Ｐが、ある一定の圧力Ｐｃになった時点で弁を開くという、いわゆるチェック弁機能を持たせるように設計することがある（例えば以下の特許文献２参照）。
【特許文献２】
特開平６−１０１６３１号公報
【００１４】
ポンプのシリンダに、この形式のチェック弁を用いて作動流体を吸入する場合、吸入側リザーバの流体が正圧になる、もしくはシリンダ内の流体が負圧になることにより、ボールに作用する力とばねによる反発力が釣り合った状態で、初めて弁が開くという機構になっており、吐出する場合はシリンダ内の圧力がボールに作用する力と、ばねの反発力が釣り合った状態で、初めて吐出が可能となる。
【００１５】
従って、シリンダ内の圧力が、所定値を下回らないもしくは超えない限り、かかるチェック弁を介して流体の吸入もしくは吐出を開始しないので、シリンダを密閉できる圧縮行程を長く出来、それにより容積型ポンプの吐出揚程を大きく出来る。
【００１６】
しかるに、これらの従来の技術によるポンプでは、チェック弁機能の設定圧力、すなわちチェック弁の開弁圧は、ばねの反発力により決められるので、吐出揚程を更に大きくしたい場合、よりバネ常数の大きいばねを選択する必要がある。
【００１７】
圧縮コイルばねに限らず、通常、バネ常数を大きくするためには、寸法の大きいものを選択せざるを得ず、ポンプ自体が大きくなってしまうという問題がある。
【００１８】
金属材料の弾性を利用したばねを用いるとした場合、適当な形状、例えば単純円筒状にすると、バネ常数の極めて高いばねを構成できる。この場合、設定圧力が高く出来、高圧噴射が可能となるが、吐出圧もしくは吐出流量の制御範囲が非常に狭くなり、また応力が高くなるので破壊に到る可能性もある。
【００１９】
このように、ボールとばねにより構成されるチェック弁の機能では、ポンプの小型化と吐出揚程の向上を同時に達成するのは非常に困難であるといえる。又、金属材料の弾性をばねとして使用すると、ポンプ性能範囲が狭くなり制御性が喪失されることが予想される。
【００２０】
一方、吐出揚程を向上させるためのもう一つの方法としてピストンの速度を大きくすることが考えられる。これは、上記数１のｖを大きくすることに相当する。
【００２１】
ピストン速度は、超磁歪現象の速度と一致しており、超磁歪現象の速度は、すなわち磁界の変化速度と、超磁歪現象の磁界の変化に対する応答速度の和である。一般に後者は、ｎ−μｓｅｃと非常に小さく、磁界の変化速度に比べると無視できる。従って、ピストン速度を大きくするには、磁界の発生速度を大きくする必要がある。磁界は電磁コイルに流れる電流により発生するため、電磁コイルに電圧を印加して電流が流れるまでの時間を短くする必要がある。一般に、電磁コイルに電圧Ｖｅを印加した時の電磁コイルに流れる電流の時間的な変化Ｉ（ｔ）は、以下の数２式で表される。
【数２】
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【００２２】
数２式より、電磁コイルの応答速度を大きくするためには、時定数τＬを小さくするか、印加電圧Ｖｅを大きくすることが必要とされる。一般には電磁コイルの体積が決まっていれば、時定数τＬを変化させることは難しいので、印加電圧を大きくする手法が取られる。しかし、それによれば、低電圧で駆動できるという超磁歪素子の特徴を活かすことが出来なくなる。
【００２３】
このように超磁歪アクチュエータを用いた従来の技術では、超磁歪アクチュエータを用いて、より小型で、より高圧に吐出できるポンプを設計することは難しくなっており、超磁歪素子の特性を十分に活かせないという実情がある。
【００２４】
これらの技術に対して、２つの超磁歪アクチュエータを用いたポンプに関する発明もなされており（例えば、特許文献３，特許文献４等）、具体的な技術も多く開示されている。
【特許文献３】
特開２００２−２１７１５号公報
【特許文献４】
特開２００２−１０２７７０号公報
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
まず、従来のポンプにおいて、例えば圧力制御を行う場合、ポンプのシリンダの外側にチェック弁などを設けて、所定の圧力に増大したときにチェック弁を開放させることを行っている。しかしながら、一般的なチェック弁は、吐出通路に配置されたバネとボールとから構成されるものであって、特にバネが、吐出される流体の抵抗になるという問題がある。
【００２６】
更に、特許文献３には、接着剤やクリームはんだ、蛍光体、グリースなどの高精度な定量吐出を目的としたディスぺンサー用のポンプが開示されているが、かかるポンプは、上部、下部のアクチュエータと可動スリーブとピストンにより構成されてなり、可動スリーブは下部のアクチュエータにより駆動され、ピストンは上部のアクチュエータにより駆動される。その動作時には、上下のアクチュエータを相対的に駆動することによってシリンダ内に、吐出する流体を吸入し、可動スリーブにより流体を閉じ込める。更に、ピストンのみを動かしてシリンダ内の流体を吐出することができる。かかるポンプにより、高精度な流量制御が可能な定量ディスぺンサーが実現できたとされている。
【００２７】
一方、特許文献４にも、ディスぺンサー用のポンプが開示されているが、かかるポンプは、ピストンを吐出孔が密閉可能なニードル弁に変更し、可動スリーブとハウジングのスキマを小さくしているところに特徴がある。その動作時には、吸入行程ではニードル弁により吐出孔を閉じ、可動スリーブを上方に移動させスキマより流体を吸入する。その後、まずニードル弁を開いて、その後にピストンを押して、シリンダ容積を圧縮する。可動スリーブとハウジングのスキマよりも吐出孔の方が大きいので、流体は吐出孔より吐出されるようになっている。かかるポンプにより、流体を高速で吐出し遮断することが可能になったとされている。
【００２８】
このディスペンサー用のポンプは、二つの超磁歪アクチュエータの動きを組み合わせて、定量に吐出できるポンプを作成した例であるが、本発明者らの研究によれば、コンパクトなハウジング内に２つの超磁歪アクチュエータを収容すると、一方の超磁歪素子を駆動する際に、他方の超磁歪素子が駆動されてしまうという干渉の問題があることが判明した。更に、特許文献４に記載されたニードルバルブは、閉止状態時において開弁方向に流体から圧力を受ける受圧面を有しないため、閉弁工程は速いが開弁工程が遅く、従って応答性が悪いという問題もある。
【００２９】
本発明は、従来技術のポンプに関して課題となっていた、例えば玉とばねからなるチェック弁を吐出弁として用いた場合等に生じる応答性の悪化や損失の低下を改善でき、或いはピストンだけでなくバルブも駆動できるような２自由度を有するアクチュエータを備えたポンプを提供し、もって応答性、吐出揚程、制御性の更なる向上と小型化を達成できるポンプ及び２自由度アクチュエータ装置を提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明のポンプは、
流体を貯留可能なシリンダ部を内部に備え、前記シリンダ部と外部とを連通する吐出孔と吸引孔とを備えたハウジングと、
前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が減少したときに、前記吸引孔を介して外部より流体が流入することを許容し、前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が増大したときに、前記流入孔を介する流体の流出を阻止するチェック弁と、
前記シリンダ部内において前記吐出孔を閉止可能に配置され、前記流体からの圧力を受ける受圧面を有するバルブ部材と、
前記シリンダ部に貯留された流体を加圧する加圧手段とを有し、
前記加圧手段に加圧されることによって、前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が所定値に増大したときに、前記受圧面に作用する付勢力に応じて、前記バルブ部材は前記吐出孔を開放するように移動することを特徴とする。
【００３１】
第２の本発明の２自由度アクチュエータ装置は、
第１のコイルと、
超磁歪素子もしくは永久磁石よりなる第１のアクチュエータと、
第２のコイルと、
超磁歪素子もしくは永久磁石よりなる第２のアクチュエータと、
強磁性体からなり、前記第１のコイルおよび前記第１のアクチュエータと、前記第２のコイルおよび前記第２のアクチュータとの間に配置され、前記第１及び前記第２のアクチュエータを磁気的に分離する分離板とを備え、
前記第１及び前記第２のアクチュエータは、一組の強磁性体からなるハウジングにより収納されていて、前記第２のアクチュエータは前記第１のアクチュエータを貫通する非磁性の部材を駆動し、前記第１のアクチュエータは強磁性体の部材を駆動することを特徴とする。
【００３２】
【作用】
第１の本発明のポンプは、流体を貯留可能なシリンダ部を内部に備え、前記シリンダ部と外部とを連通する吐出孔と吸引孔とを備えたハウジングと、前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が減少したときに、前記吸引孔を介して外部より流体が流入することを許容し、前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が増大したときに、前記流入孔を介する流体の流出を阻止するチェック弁と、前記シリンダ部内において前記吐出孔を閉止可能に配置され、前記流体からの圧力を受ける受圧面を有するバルブ部材と、前記シリンダ部に貯留された流体を加圧する加圧手段とを有し、前記加圧手段に加圧されることによって、前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が所定値に増大したときに、前記受圧面に作用する付勢力に応じて、前記バルブ部材は前記吐出孔を開放するように移動するので、前記受圧面の面積や形状を調整することで、前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が正確に所定値に達したときに、前記バルブ部材を前記吐出孔を閉止した状態から移動させることができ、すなわち高精度な圧力制御を達成できる。しかも、前記バルブ部材は前記シリンダ部側に配置されているので、吐出孔にチェック弁を設ける必要がなく、低い抵抗で流体を吐出させることができる。
【００３３】
更に、前記シリンダ部に貯留された流体の圧力が所定値を下回ったことに応じて、前記受圧面に作用する吸引力に応じて、前記バルブ部材は前記吐出孔を閉止するように移動すると、例えば加圧手段として前記シリンダ部に嵌合するピストンを設け、かかるピストンを移動させて加圧・減圧を繰り返すと、それに応じて前記バルブ部材が自動的に前記吐出孔を閉止し又は開放するように動作するので、前記バルブ部材の機械的駆動を必要とすることなく、連続した流体の吐出が可能となる。すなわち、このように圧力制御弁の形をとることで、前記シリンダ部内の圧力が外部圧力（大気開放の場合は大気圧）よりも大きい場合には、前記バルブ部材を開放位置に向かわせる方向の力が生じ、前記シリンダ部内の圧力が大気圧よりも小さい場合には、前記バルブ部材を閉止位置に向かわせる方向の力が生じるため、例えば従来のボールとバネの構成によるチェック弁を吐出孔に設けた場合に、流路断面積に圧力をかけた値がボールの駆動力になっていたのに対し、そのような不具合を生じさせることなく、流体の逆止が可能となる。
【００３４】
言い換えると、前記シリンダ部内の流体を吐出したい場合、前記加圧手段としてのピストン部を押し出すことで、前記シリンダ部材の圧力が上がり、前記バルブ部材を前記開放位置に向かうように駆動でき、一方、前記吐出孔以外の開口より前記シリンダ部内に流体を吸引したい場合、前記加圧手段としてのピストン部を引き戻すことで、前記シリンダ部内の圧力が下がり、前記バルブ部材を前記閉止位置に向かうように駆動できるので、チェック弁を吐出孔に設けることなく、高い応答性を有する自動バルブ開閉構成を実現できる。又、従来技術のボールとバネとからなるチェック弁をポンプ吐出孔に設けた場合、流体がボールとシートの間の隙間及びボールとバネとの隙間を介して流れるため、損失が大きかったり、気泡が発生する恐れがあったが、本発明のごとく前記バルブ部材で前記吐出孔を塞ぐようにし、これを開放位置に移動させることで、流体の吐出を行うようにすれば、損失の増大を抑制でき、又気泡などの発生も抑制できる。
【００３５】
又、前記受圧面は、前記吐出孔の軸線に対して傾斜した面であると好ましい。
【００３６】
更に、前記受圧面は、前記吐出孔の軸線に対して直交する面であると好ましい。
【００３７】
又、前記バルブ部材の移動量を制限する制限部材を有すると好ましい。
【００３８】
更に、前記バルブ部材が前記吐出孔を閉止するように付勢する付勢部材を設けると、前記加圧手段が動作しない状態で前記バルブ部材が閉止され、流体の漏れを抑制できるとともに、前記シリンダ部内の圧力が高まって前記付勢部材の付勢力にうち勝ったとき初めて吐出が成されるので、高圧吐出が可能となる。
【００３９】
又、前記加圧手段は、前記シリンダ部に嵌合するピストン部と、前記ピストン部を駆動するための磁力を利用したアクチュエータ部とを含むと好ましい。
【００４０】
但し、前記加圧手段としては、ベローズやダイヤフラムなどを含んでいても良い。
【００４１】
第２の本発明の２自由度アクチュエータ装置は、第１のコイルと、超磁歪素子もしくは永久磁石よりなる第１のアクチュエータと、第２のコイルと、超磁歪素子もしくは永久磁石よりなる第２のアクチュエータと、強磁性体からなり、前記第１のコイルおよび前記第１のアクチュエータと、前記第２のコイルおよび前記第２のアクチュータとの間に配置され、前記第１及び前記第２のアクチュエータを磁気的に分離する分離板とを備え、前記第１及び前記第２のアクチュエータは、一組の強磁性体からなるハウジングにより収納されていて、前記第２のアクチュエータは前記第１のアクチュエータを貫通する非磁性の部材を駆動し、前記第１のアクチュエータは強磁性体の部材を駆動するので、例えばＳ２５Ｃ、Ｓ４５Ｃ等の強磁性体から前記分離板を構成することによって、前記第１のコイルから発生する磁束のループと、前記第２のコイルから発生する磁束のループとが干渉し合うことがなく、効率よく超磁歪素子を駆動するために用いることができるため、両方のコイルをコンパクトなハウジング内に収めることができる。
【００４２】
又、前記ハウジングを強磁性体から形成しているので、それを介して、前記第１のコイルから発生する磁束のループと、前記第２のコイルから発生する磁束のループとが形成されるようになる。
【００４３】
更に、前記第１のアクチュエータは、前記ハウジングとの間の空間を利用して第１のシリンダを構成する第１のピストンを駆動し、前記第２のアクチュエータはハウジングに設けられた吐出口を開閉するバルブを駆動すると好ましい。
【００４４】
又、前記バルブの可動範囲を制御する部材を設けると好ましい。
【００４５】
更に、前記バルブの可動範囲を制御する部材が、前記ハウジングに形成された第２のシリンダ内に封入された非圧縮性流体の量によって制御されると好ましい。
【００４６】
又、前記バルブの吐出口閉止位置に対する初期抑圧力を設定するためのばねおよびばねたわみ量制御部材を設けると好ましい。
【００４７】
更に、前記初期抑圧力の設定を、前記ハウジングに形成された第２のシリンダ内に封入された圧縮性流体の量によって制御すると好ましい。
【００４８】
更に、前記バルブ部材は非磁性の素材（たとえばステンレス、アルミ、セラミック材等）から形成されていると、たとえ前記バルブ部材が前記ピストンを貫通して設けられているような場合でも、前記第１のコイルから発生する磁束のループと、前記第２のコイルから発生する磁束のループとの干渉を効果的に抑制できる。
【００４９】
又、前記超磁歪素子がＴｂｘＤｙ（１−ｘ）Ｆｅｙ（ｘは０．３〜０．４、ｙは２±０．１）の化合物を主体として構成されると好ましい。尚、超磁歪素子は、例えばＴｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ２を用いると、磁界の発生よりμ−ｎｓｅｃ時間後に歪みを生じ、且つその歪みは１５００〜２０００ｐｐｍと、圧電素子よりも大きな値となり、又その最大押圧力は６０〜８４ＭＰａとなる。従って、高速応答・高応力のポンプを構成できる。又、高速応答・高圧吐出が可能であることに加え、超磁歪素子の分解能の高さを利用すれば、高圧微量吐出も可能となる。
【００５０】
従来から、超磁歪材料としてはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどを主体とするものが古くから知られている。しかし、本発明の目的であるポンプの小型化、性能向上、信頼性の向上を達成するためには、金属と希土類元素との化合物で、磁歪現象を効率的に発揮できる素材を選択する必要がある。そこで、これまで知られている超磁歪材料の中で、磁歪変位が最も大きく、かつ駆動性能が安定している材料組合わせを模索したところ、金属にＦｅ、希土類元素にＤｙおよびＴｂを組合わせた成分系の磁歪材料が好ましいことが分かった。さらに、化合物としては、ＴｂｘＤｙ（１−ｘ）Ｆｅｙ（ｘは０．３〜０．４、ｙはＬ９±０．１）とすることが好ましい。尚、超磁歪素子としては、これに限らずＴｂＦｅ合金、ＤｙＦｅ合金、ＳｍＦｅ合金なども用いることもできる。
【００５１】
ここで超磁歪素子を構成するために用いる超磁歪材料は、単結晶のものと焼結体のものが市販されているが、ポンプのアクチュエータ部に用いる超磁歪材料としては、例えば、特開２００２−１２９２７４に開示されている様な、焼結体のものが好ましい。特に、焼結体の超磁歪素子を用いる場合、気孔率が１０％以上となると、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、特に本発明に係るポンプで用いるような場合には５％以下とすると、作動流体に直接触れても内部の変質が抑制でき望ましい。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。
【００５２】
また、アクチュエータ部を構成する超磁歪素子の両端の平行度および直角度を０．２ｍｍ以下とすることにより、超磁歪素子がピストンを押した場合でも、素子に発生する曲げ応力が原因で破損することが抑制される。
【００５３】
又、前記超磁歪素子の表面の最大空孔を５００μｍ以下とし、空孔率を５％以下とすると好ましい。
【００５４】
ここで、本発明におけるポンプの動作を達成するのに必要な基本原理を簡単に説明する。
（磁歪現象）
一般に、超磁歪素子の歪みΔｌ／ｌは磁界の強さＨと機械的な応力Ｔによって決定される。歪みΔｌ／ｌ、磁界の強さＨ、機械的な応力Ｔの関係を示す方程式は以下の数３式のようになるとされている。（「超磁歪材料」、江田弘、Ａ・Ｅ・クラーク著、日刊工業新聞社発行）
【数３】
2004232619.tif 000005
【００５５】
ここでｓＨは、電磁コイルが開放回路時の弾性係数すなわちヤング率の逆数で（２．８５〜４．００×１０−ｌｌｍ２／Ｎ程度である）、ｄは磁歪定数（１．５０×１０−８ｍ／Ａ）である。またｌは磁歪素子の長さ、Δｌは磁歪素子の変形量である。
【００５６】
数３式におけるＴは、磁歪素子に働く機械的な応力であり、圧縮応力が作用した場合には、負の値になり、引っ張り応力が作用する場合、正の値を取る（「超磁歪材料」、江田弘、Ａ・Ｅ・クラーク著、日刊工業新聞社発行）。
【００５７】
このように、超磁歪素子は、磁界の強さＨにより歪みΔｌ／ｌを生じるが、磁歪に影響を及ぼさなくなる限界の磁界が存在する。磁界と磁歪の関係を示す図１によれば、磁界Ｈがゼロ近傍では、急激に磁歪λが変化するのに対し、磁界Ｈがある程度大きくなると、磁歪λの変化はほとんどなくなることがわかる。これを磁歪の飽和現象といい、数３式が成立する範囲は、図１に示す磁界Ｈ‐歪みλ（＝Δｌ／ｌ−ｓＨ×Ｔ）線図における線形領域のみである、
【００５８】
図１には、超磁歪材料にある程度の圧縮応力を予圧荷重として与えた場合のＨ−λ線図（Ｂ〜Ｅ）も示しており、予圧荷重を大きくすることにより線形領域が大きくなることを示している。但し、図１では予圧荷重を与え、磁界Ｈが０Ａ／ｍの場合の初期状態を歪みλが０としている。
【００５９】
従って、超磁歪素子に与える磁界Ｈを０Ａ／ｍとした場合に、ある程度の圧縮応力が作用するように超磁歪材料よりも剛性の小さい皿ばね等を用いて予圧を設定して、アクチュエータ等を設計するのが一般的である。
【００６０】
また、ピストンやバルブ部材などに使用される材料における歪は、数３式において磁界により影響を受ける項を無視すれば良い。更に各部材に作用する力方向に対する寸法が小さければその弾性変位は無視できる。鋼の場合、ｓ＝４．７６×１０−１２  Ｐａ−ｌ程度である。このとき数３式は、以下の数４式とみなせる。
【数４】
2004232619.tif 000006
【００６１】
（流体の圧縮性）
密閉された空間に流体が存在する場合、その圧力Ｐは、体積Ｖとその変化ΔＶに応じて、以下の数５式に従って変化する。
【数５】
2004232619.tif 000007
【００６２】
ここで、ΔＶは体積が縮小する場合には負の値を取り、膨張する場合には正の値を取る。従って、密閉された空間が圧縮される場合には、流体の圧力は大きくなり、膨張する場合には圧力は小さくなる。Ｋは体積弾性係数と呼ばれ、２０℃、１０１．３ｋＰａの雰囲気で作動油の場合１．８６×１０９Ｐａ程度とされている。
【００６３】
（磁界の発生）
電磁コイルは、銅線などの巻線とコイルの芯となるボビンにより構成されており、磁界Ｈの発生は、電流Ｉとコイルの巻数Ｎおよびコイルの長さｌによって、以下の数６式のように表される。
【数６】
2004232619.tif 000008
【００６４】
この式は簡単のため、コイルの半径方向の厚み成分を無視しているが、設計段階では十分な精度で磁界Ｈの発生を表現出来る。本発明のポンプは、上記の現象を有効に利用することで、所望のごとく動作するものである。
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図２は、第１の実施の形態にかかる磁歪材料を用いたポンプの断面図である。図３は、バルブ部材の先端を拡大して示す図である。図２において、本実施の形態のポンプは、円筒状の本体１ａの軸線方向両端を、上部円盤部１ｂと下部円盤部１ｃとで挟持するように連結した構成を有する。本体１ａと、円盤部１ｂ、１ｃとで、ハウジング１を構成する。
【００６６】
ハウジング１の内部には、ＳＵＳなどの非磁性体もしくは常磁性体から形成されたバルブ部材２が同軸に配置されている。バルブ部材２は、略ペンシル状であって、後述するように図２で上部側にテーパ面を有する。バルブ部材２の周囲には、ピストンであるピストン部材７が配置されている。加圧手段を構成するピストン部材７は、図２で上部側に配置された略円盤状のピストン部７ａと、それに同軸に連結された円筒状のアクチュエータ部（ここでは超磁歪素子であるが磁力を用いて駆動されるソレノイド部材でも良い）７ｂとからなる。本体１ａ内において、アクチュエータ部７ｂを包囲するようにして、第１のコイルである電磁コイル８が配置されている。電磁コイル８は、外部のバッテリＢＴ１に接続可能となっており、不図示の制御装置を介して、所定の電圧が付与されると、それに応じた磁界を発生するようになっている。
【００６７】
ピストン部７ａは、ハウジングの本体１ａと上部円盤部１ｂとで形成する円筒状の凹部（シリンダ部）１ｇ内に挿入されている。ピストン部７ａの外周面に形成された周溝７ｃ内には、密封部材であるＯ−リング９が配置されており、ピストン部７ａの外周面と本体１ａの内周面との間を、流体漏れがないよう密封している。更に、ピストン部７ａの内周面に形成された周溝７ｄ内には、密封部材であるＯ−リング１０が配置されており、ピストン部７ａの内周面と、バルブ部材２の外周面との間を、流体漏れがないよう密封している。
【００６８】
ピストン部７ａは、アクチュエータ部７ｂ側にフランジ７ｅを有している。フランジ７ｅと本体１ａの段部１ｈとの間に形成される空間内には、バネを構成するウェーブワッシャ（又は皿バネ）１１が配置され、ピストン部７ａを図２で下方に付勢している。
【００６９】
本体１ａにおいて、その外周面と凹部１ｇの頂面近傍とを連通するように、通路１ｊが形成されている。流体の吸引孔となる通路１ｊは、その内部に弁部材であるチェック弁（ボールとバネとからなる公知の構成）１２を配置しており、また吸入用のコネクタ１３に接続している。
【００７０】
図３において、バルブ部材２の先端（図２で上端）には、先細のテーパ部２ｃと、その先端に設けられた半球状の弁部２ｄとが形成されている。テーパ部２ｃと弁部２ｄとで受圧面を構成する。一方、上部円盤部１ｂには、バルブ部材２に対向して、すり鉢テーパ状のシート部１ｋと、その中央に形成され外部に向かって延在する細いノズル孔１ｍとが形成されている。シート部１ｋとノズル孔１ｍとで、吐出孔を形成する。尚、図３においては、バルブ部材２は開放位置にあり、このとき弁部２ｄは、シート部１ｋと距離δ（変位量）だけ離隔しているものとする。
【００７１】
図２から明らかなように、バルブ部材２はピストン部材７を軸線方向に貫通しており、従って、一方の変位が他方の変位に影響することなく、両者を独立して駆動できるようになっている。
【００７２】
下部円盤部１ｃ内に形成される凹部１ｄは、開放位置に移動するバルブ部材２の待避所となっており、そのクリアランス分だけ、バルブ部材２は、図で上下に移動可能となっている。
【００７３】
本実施の形態の動作について説明する。電磁コイル８に電圧が印加されない場合、ピストン部材７は、ウェーブワッシャ（又は皿バネ）１１の付勢力により、図２に示すように下方（すなわち吸引位置）へと移動する。このとき、凹部１ｇ内が低圧になるので、吸引力を受けたバルブ部材２の弁部２ｄ（図３）が、シート部１ｋ（図３）に押し付けられた状態に維持され、更にチェック弁１２が開弁し、コネクタ１３及び通路１ｊを介して、外部より凹部１ｇ内へと流体を吸引することができる。
【００７４】
その後、不図示の制御装置の制御下で、バッテリＢＴ１から電磁コイル８に電圧Ｖｅ１を印加すると、電磁コイル８は、強さＨ１の磁界を発生する。それにより、アクチュエータ部７ｂを構成する超磁歪素子に超磁歪現象による歪みが生じるので、これを利用して、ピストン部７ａを図で上方に向かって（すなわち圧縮位置へと）変位させ、凹部１ｇとピストン部７ａとで囲う空間の容積を減少させる。
【００７５】
かかる空間内の圧力が高圧になると、バルブ部材２は、テーパ部２ｃが押されて図２，３で下方へと変位し、開放位置で弁部２ｄをシート１ｋから距離δだけ離隔させる。それにより加圧された流体は、ノズル孔１ｍを介して外部へと吐出されるようになっている。
【００７６】
その後、不図示の制御装置の制御下で、バッテリＢＴ１から電磁コイル８への電力供給が中断すると、アクチュエータ部７ｂの超磁歪素子に超磁歪現象がなくなり歪みが消失するので、ウェーブワッシャ（又は皿バネ）１１の付勢力に従い、ピストン部７ａは図１で下方に向かって（すなわち吸引位置へと）変位する。このとき、凹部１ｇとピストン部７ａとで囲う空間内が低圧になるので、吸引力を受けたバルブ部材２の弁部２ｄ（図３）が、シート部１ｋ（図３）に押し付けられた状態になり、更にチェック弁１２が開弁し、コネクタ１３及び通路１ｊを介して、外部より凹部１ｇ内へと流体を吸引することができる。以上で、吸引と圧縮の１サイクルが完了する。尚、ハウジング１の凹部１ｄ内にシムなどの制限手段又は調整手段を配置することで、バルブ部材２の移動量δが調整され、すなわち流量制御が可能となる。又、凹部１ｄ内に、バルブ部材２を図で上方に付勢するためのバネなどの付勢部材を設けても良い。
【００７７】
ピストン部７ａの外径を、ノズル孔１ｍの内径の１０倍以上とすることが好ましい。それにより流体の吐出速度を、ピストン部７ａの移動速度の１０倍以上とすることができる。
【００７８】
電磁コイル８の巻線の線径は、０．２５ｍｍ以上１ｍｍ以下が望ましい。磁界の変化速度は、電流の変化速度に依存し、電流の変化速度は、電流を一定と仮定した場合、電磁コイルの線径と巻数により決定されるインダクタンスＬに依存する。電流の許容値Ｉｔ及び最大電圧Ｖｔが決まっている場合に、電流の時間変化は、ほぼＩ＝Ｖｔ／Ｌ＊ｔの関係にあるので、Ｌが小さいほど好ましいといえる。Ｌは、コイル巻数Ｎの関数であり、大電流を流せて巻数も少なくできるように、線径の大きいコイルを用いることが好ましく、０．２５ｍｍ以上であれば、例えば電流範囲が±３Ａで電圧範囲が０〜４０Ｖの電源を用いた場合、ピストン速度は磁歪素子の長さが１０ｍｍのときに０．０１ｍ／ｓｅｃとなり、その高速移動が得られ、通常のポンプとして問題なく使用できる。しかし、線径が大きくなるにつれて巻数Ｎが減少し磁界の強度が低下する。一般的に、超磁歪素子に磁歪現象を生じさせるために必要な磁界の強さは４０ｋＡ／ｍ程度であり、この値を、入手容易な電源を用いて達成するには、コイル線径を１ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００７９】
更に、超磁歪素子に５〜２０ＭＰａの予荷重を付与すると、磁歪が最大になることが知られている。従って、ウエーブワッシャ１１の付勢力で、ハウジング１に対してピストン部材７に予荷重を付与することは、ピストン部材７の戻りを良くするほか、効率の良い駆動をも達成できることとなる。
【００８０】
図１０に、バルブ部材の先端と吐出孔の変形例を示す。図１０（ａ）において、バルブ部材２’の先端は截頭円錐形状となっており、そのテーパ面２ｃ’及び頂面２ｄ’がノズル孔１ｍの軸線に対して傾斜した受圧面となっており、更に頂面２ｄ’がシート面として、上方円盤部１ｂの下面１ｐに当接し、ノズル孔１ｍを閉止している。シリンダ部内の流体が加圧され外部圧力以上になると、テーパ面２ｃ’が押圧されバルブ部材２’は下方に移動し、ノズル孔１ｍが開放され、シリンダ部内の流体が減圧され外部圧力未満になると、テーパ面２ｃ’が吸引力を受けバルブ部材２’は下方に移動し、ノズル孔１ｍが閉止される。
【００８１】
図１０（ｂ）において、バルブ部材２”の先端は半球形状となっており、すなわち半球面２ｃ”がノズル孔１ｍの軸線に対して傾斜した受圧面となっており、上方円盤部１ｂのテーパ面１ｋに当接し、ノズル孔１ｍを閉止している。シリンダ部内の流体が加圧され外部圧力以上になると、半球面２ｃ”が押圧されバルブ部材２”は下方に移動し、ノズル孔１ｍが開放され、シリンダ部内の流体が減圧され外部圧力未満になると、半球面２ｃ”が吸引力を受けバルブ部材２’は下方に移動し、ノズル孔１ｍが閉止される。
【００８２】
図１０（ｃ）において、バルブ部材２”’の先端は段付き形状となっており、段部を形成するフランジ面２ｃ”’及び先端頂面２ｄ”’がノズル孔１ｍの軸線に対して傾斜した受圧面となっており、更に先端頂面２ｄ”’がシート面として、上方円盤部１ｂの下面１ｐに当接し、ノズル孔１ｍを閉止している。シリンダ部内の流体が加圧され外部圧力以上になると、フランジ面２ｃ”’が押圧されバルブ部材２”’は下方に移動し、ノズル孔１ｍが開放され、シリンダ部内の流体が減圧され外部圧力未満になると、フランジ面２ｃ”’が吸引力を受けバルブ部材２”’は下方に移動し、ノズル孔１ｍが閉止される。
【００８３】
図４は、第２の実施の形態にかかる磁歪材料を用いたポンプの断面図である。図４において、本実施の形態のポンプは、円筒状の本体１ａの軸線方向両端を、上部円盤部１ｂと下部円盤部１ｃとで挟持するように連結した構成を有する。本体１ａと、円盤部１ｂ、１ｃとで、強磁性体でよいハウジング１を構成する。
【００８４】
ハウジング１の内部には、略ペンシル状のバルブ部材２が同軸に配置されている。バルブ部材２は、ＳＵＳなどの非磁性体もしくは常磁性体から形成された上部円盤部１ｂ側の上方部２ａと、下部円盤部１ｃ側の超磁歪素子からなる（第２の）アクチュエータ部（第２の超磁歪素子）２ｂとから形成されている。下部円盤部１ｃ内において、アクチュエータ部２ｂを包囲するようにして、第２のコイルである電磁コイル３が配置されている。電磁コイル３は、外部のバッテリＢＴ２に接続可能となっており、不図示の制御装置を介して、所定の電圧が付与されると、それに応じた磁界を発生するようになっている。
【００８５】
又、下方部２ｂの下端には、円板状のピストン（第２のピストン）４が固定取り付けされている。ピストン４は、下部円盤部１ｃの円筒状の凹部（第２のシリンダ）１ｄ内に挿入されている。ピストン４の外周面に形成された周溝４ａ内には、密封部材であるＯ−リング５が配置されており、ピストン４の外周面と凹部１ｄの内周面との間を、流体漏れがないよう密封している。尚、ピストン４は、バルブ部材２に含まれるものとする。
【００８６】
下部円盤部１ｃにおいて、その外周面と凹部１ｄの底部近傍とを連通するように、通路１ｆが形成されている。通路１ｆは、図４では一カ所しか示されていないが、作動流体の流入通路と流出通路として機能させるべく、２つ配置されていると好ましい。通路１ｆは、蓋部材６により閉止される。
【００８７】
バルブ部材２の上方部２ａの周囲には、第１のピストンであるピストン部材７が配置されている。ピストン部材７は、図４で上部側に配置された強磁性体でよい略円盤状のピストン部７ａと、それに同軸に連結された円筒状の（第１の）アクチュエータ部（第１の超磁歪素子）７ｂとからなる。本体１ａ内において、アクチュエータ部７ｂを包囲するようにして、第１のコイルである電磁コイル８が配置されている。電磁コイル８は、外部のバッテリＢＴ１に接続可能となっており、不図示の制御装置を介して、所定の電圧が付与されると、それに応じた磁界を発生するようになっている。
【００８８】
ピストン部７ａは、ハウジングの本体１ａと上部円盤部１ｂとで形成する円筒状の凹部（第１のシリンダ）１ｇ内に挿入されている。ピストン部７ａの外周面に形成された周溝７ｃ内には、密封部材であるＯ−リング９が配置されており、ピストン部７ａの外周面と本体１ａの内周面との間を、流体漏れがないよう密封している。更に、ピストン部７ａの内周面に形成された周溝７ｄ内には、密封部材であるＯ−リング１０が配置されており、ピストン部７ａの内周面と、バルブ部材２の外周面との間を、流体漏れがないよう密封している。
【００８９】
ピストン部７ａは、アクチュエータ部７ｂ側にフランジ７ｅを有している。フランジ７ｅと本体１ａの段部１ｈとの間に形成される空間内には、バネを構成するウェーブワッシャ（又は皿バネ）１１が配置され、ピストン部７ａを図４で下方に付勢している。
【００９０】
本体１ａにおいて、その外周面と凹部１ｇの頂面近傍とを連通するように、通路１ｊが形成されている。通路１ｊは、その内部にチェック弁（ボールとバネとからなる公知の構成）１２を配置しており、また吸入用のコネクタ１３に接続している。
【００９１】
本体１ａ内において、アクチュエータ部７ｂ及び電磁コイル８と、アクチュエータ部２ｂと電磁コイル３との間を仕切るようにして、強磁性体又は永久磁石から形成された遮蔽部材（すなわち磁性材）１４が設けられている。
【００９２】
本実施の形態にかかるバルブ部材２は、図１のバルブ部材２の先端と同じ形状を有する。従って、その拡大図である図３を参照すると、バルブ部材２の先端（図２で上端）には、先細のテーパ部２ｃと、その先端に設けられた半球状の弁部２ｄとが形成されている。一方、上部円盤部１ｂには、バルブ部材２に対向して、すり鉢テーパ状のシート部１ｋと、その中央に形成され外部に向かって延在する細いノズル孔１ｍとが形成されている。シート部１ｋとノズル孔１ｍとで、吐出孔を形成する。尚、図３においては、バルブ部材２は開放位置にあり、このとき弁部２ｄは、シート部１ｋと距離δ（変位量）だけ離隔しているものとする。
【００９３】
図４から明らかなように、バルブ部材２はピストン部材７を軸線方向に貫通しており、従って、一方の変位が他方の変位に影響することなく、両者を独立して駆動できるようになっている。
【００９４】
ピストン部材７の超磁歪素子およびバルブ部材２の超磁歪素子は、ＴｂｘＤｙ（１−ｘ）Ｆｅｙ（ｘは０．３〜０．４、ｙは１．９〜２．０）の組成を有する化合物を主成分とする磁歪材料で、構成されている。
【００９５】
下部円盤部１ｃ内に形成される凹部１ｄとピストン４とで密閉される空間には通路１ｆを介して外部より導入された任意の作動流体が封入されている。流体の種類により、その体積弾性係数Ｋを選択でき、或いはその封入量を調整することによって、弁の初期設定圧力や設定圧力特性を変化させることが出来る。例えば、図３に示すごとく、開放位置にある弁部２ｄとシート部１ｋとの距離δは、作動流体の封入量で調整することができる。
【００９６】
本実施の形態の動作について説明する。電磁コイル８に電圧が印加されない場合、ピストン部材７は、ウェーブワッシャ（又は皿バネ）１１の付勢力により、図４に示すように下方（すなわち吸引位置）へと移動する。このとき、電磁コイル８にも電圧が印加されておらず、作動流体の圧力により、バルブ部材２の弁部２ｄ（図３）が、シート部１ｋ（図３）に押し付けられていれば、凹部１ｇ内の流体圧が低下するので、チェック弁１２が開弁し、コネクタ１３及び通路１ｊを介して、外部より凹部１ｇ内へと流体を吸引することができる。
【００９７】
その後、不図示の制御装置の制御下で、バッテリＢＴ１から電磁コイル８に電圧Ｖｅ１を印加すると、電磁コイル８は、強さＨ１の磁界を発生する。それにより、アクチュエータ部７ｂを構成する超磁歪素子に超磁歪現象による歪みが生じるので、これを利用して、ピストン部７ａを上部円盤部７ｂに向かって（すなわち圧縮位置へと）変位させ、凹部１ｇとピストン部７ａとで囲う空間の容積を減少させる。かかる圧縮行程は、空間内の圧力が設定圧力（開弁圧力）Ｐ１に達するまで行う。
【００９８】
開弁圧力Ｐ１に達したとき、不図示の制御装置の制御下で、バッテリＢＴ２から電磁コイル３に電圧Ｖｅ２を印加すると、電磁コイル３は、強さＨ２の磁界を発生する。それにより、バルブ部材２のアクチュエータ部２ｂを構成する超磁歪素子に超磁歪現象によるΔ２の歪みが生じるので、これを利用して、バルブ部材２を開放位置へと変位させ、弁部２ｄをシート１ｋから距離δだけ離隔させる。それにより加圧された流体は、ノズル孔１ｍを介して外部へと吐出されるようになっている。
【００９９】
凹部１ｇ内の圧力が設定圧力Ｐｃを下回ると吐出が完了し、電磁コイル３への電圧印加が中断され、凹部１ｄ内の作動流体圧により、バルブ部材２は閉止位置へと変位し、弁部２ｄがシート部１ｋに当接した状態に維持される。その後、電磁コイル８への電圧印加が中断されると、電磁コイル８の電流降下による復元作用を利用して、ピストン部材７は、流体の吸引を伴いながら図４に示す位置（吸引位置）へと戻る。以上で、吸引と圧縮の１サイクルが完了する。
【０１００】
ここで、凹部１ｄ内の流体容積を調整することで、弁部２ｄとシート部１ｋとの距離δよりも、アクチュエータ部２ｂの歪みΔ２（飽和磁歪状態の歪）の方が大きくなるようにした場合、計算上は、バルブ部材２を閉止位置に変位させると、弁部２ｄとシート部１ｋとの距離が負になるが、このときはバルブ部材２が弾性変形することで距離はゼロに維持され、それにより弁部２ｄとシート部１ｋとの間に作用する押し付け力を、吐出孔を閉じる力として有効に用いることができる。
【０１０１】
なお、図３から明らかなように、バルブ部材２は、テーパ部２ｃにおいて、凹部１ｇ内の圧力Ｐ１を受け、かかる合力は、開放位置に変位させる方向に作用するので、それによりバルブ部材２の押し付け力が低下する。ここで、バルブ部材２の押し付け力が０になる時の、凹部１ｇ内の圧力をＰｃと定義し、弁の設定圧力と呼ぶことにする。
【０１０２】
従来のように圧縮コイルばねを用いて設定する場合に比較して、本実施の形態では、弁または磁歪素子の弾性変形および作動流体の圧縮を利用していることから、この設定圧力Ｐｃを大きな値に設定することが出来る。尚、超磁歪素子と弁部の弾性変形のみを利用して設定圧力を決定する構成にも出来るが、弾性変形のみであると、作動流体の圧縮に比べて変形に対する応力の増加が敏感になるので、設定には注意が必要である。
【０１０３】
更に、本実施の形態によればチェック弁１２を、ボールと圧縮コイルばねの構成にし、ハウジング１内に収め、圧縮する流体の体積がなるべく小さくなるようにすることで流体の圧縮行程を効率よく行えるようにしてある。又、本体１ａ内において、アクチュエータ部７ｂ及び電磁コイル８と、アクチュエータ部２ｂと電磁コイル３との間に、強磁性体又は永久磁石から形成された遮蔽部材１４を配置したので、バルブ部材２をＳＵＳなどの非磁性体もしくは常磁性体から形成すれば、図４に示すように、遮蔽部材１４を共通する形で、電磁コイル３と電磁コイル８との間に、それぞれ独立した磁束ループＭＰが生じることとなる。電磁コイル３，８を接近して配置しても、磁束ループＭＰは互いに干渉することがないので、電磁コイル８の磁界が、アクチュエータ２ｂに影響を与えることが抑制され、且つ電磁コイル３の磁界が、アクチュエータ７ｂに影響を与えることが抑制され、それによりポンプの動作を確実に行わせるように機能する。
【０１０４】
尚、従来から用いられている圧電素子は、一般的にセラミックス製なので加工しにくいというデメリットがあるが、超磁歪素子は、金属化合物であるため任意に切削加工でき、また焼結によって製作する場合には、型形状を工夫することで複雑な３次元形状でも容易に形成できるという特徴がある。従って、図２，４に示すように、ピストン部７ｂを貫通する孔などは、切削加工でも焼結でも容易に形成でき、コンパクトなポンプ構成を実現できる。
【０１０５】
又、図３に示すように、バルブ部材２が、テーパ部２ｃにおいて、凹部１ｇ内の圧力Ｐ１を受け、かかる合力は、開放位置に変位させる方向に作用するとすれば、バッテリＢＴ２から電磁コイル３に供給する電力は少なくて足り、小型化及び省エネを図れる。
【０１０６】
以下に、各緒元を決めた時の、ポンプ性能を、数３式〜数６式に基づいて計算により求めた例を示す。
【０１０７】
図５は、ピストン４の断面積Ａｐｓ２を弁部材２の断面積Ａｂｃで割った値を１１．１０とし、弁部材２の軸線方向長さｌ３を、第２の超磁歪素子（アクチュエータ部）２ｂの吐出方向長さｌ２で割った値を３．１６とし、第２のシリンダ（凹部）１ｄの吐出方向長さｌｓ２を第２の超磁歪素子２ｂの長さｌで割った値を０．１８とし、第２のシリンダ１ｄ内の作動流体を作動油とした場合の電磁コイル３に発生した磁界と設定圧力Ｐｃの関係を表した図である。超磁歪現象の飽和磁界は約８０ｋＡ／ｍであるので、バルブ部材２は最小で０Ｐａ、最大で２５Ｍｐａまで第１のシリンダ（凹部）１ｇ内の圧力を変化させることが出来る。
【０１０８】
図６は、ピストン部７ａの有効断面積Ａｐｓ１と、第１の超磁歪素子（アクチュエータ部）７ｂの断面積Ａｇ１の比を２．９６とし、第１のシリンダ（凹部）１ｇの吐出方向長さｌｓ１と第１の超磁歪素子７ｂの長さｌ１との比が０．１の場合における吐出圧Ｐ１とピストン部材７が１往復する間の吐出流量Ｑの関係を示したものである。最高吐出圧力は１０ＭＰａ以上と非常に大きく、一方で吐出量をシリンダ１の体積で割った比吐出量の最大値は０．０２５と非常に小さいことが分かる。
【０１０９】
「超磁歪材料」（江田弘、Ａ・Ｅ・クラーク著：日刊工業新聞社発行）によると、例えば特開平５−６００５９に開示されたポンプの吐出圧は、最大でも１０ｋｇｆ／ｍｍ２（１ＭＰａ）程度であるから、本発明のポンプは非常に高圧吐出を可能としていることが分かる。
【０１１０】
また、前述のように本発明に示すポンプと同様な性能を、ボールと圧縮コイルばねの組み合わせによる吐出用チェック弁を用いて実現しようとする場合には、ポンプ自体の大きさが非常に大きくなってしまうという問題があるが、本発明は従来の超磁歪ポンプ（例えば特開平８−３１６５４１）をより小型化し、かつ高圧高精度吐出を実現したといえる。
【０１１１】
上述した実施の形態で用いた超磁歪素子は、ＴｂｘＤｙ（１−ｘ）Ｆｅｙ（ｘは０．３〜０．４、ｙは１．９〜２．０）の組成を有する化合物を主成分とする磁歪材料で、構成されている。その効果を確認するため、本発明者らは、超磁歪材料の組成を変化させたテストサンプルを作成し、実際にポンプに組み込んで駆動させた。評価のために作成した実施例および比較例の内訳を表１に示す。
【表１】
2004232619.tif 000009
【０１１２】
表１において組成を示すｘおよびｙの各指数の決定は、電子プローブマイクロアナリシス（ＥＰＭＡ）を用いて行い、各元素の特性Ｘ線強度比の測定結果と状態分析を併用して決定した。また、空孔率は、焼成寸法と重量から算出したかさ密度を理論密度で除した値である。最大空孔は、磁歪素子の全面を１００倍の光学顕微鏡で観察して発見された最大の欠陥の平均径とした。
【０１１３】
試験は、上記実施例および比較例の素材からなる超磁歪素子をポンプに組込んで駆動し、１時間駆動させた後の総吐出量と、駆動後の超磁歪素子の状態を評価した。このとき、超磁歪素子には、２ＭＰａ程度の予圧を負荷し、駆動させるための磁界は０〜４０ｋＡ／ｍの振幅を有する擬似矩形波とし、パルス周波数５０Ｈｚとした。
【０１１４】
吐出量の測定結果を、ｘおよびｙで整理して図７〜９に示す。縦軸の吐出量は、発明の効果をわかりやすく示すために、実施例３の結果を１として整理した。これらから分かる様に、ｘおよびｙが本請求の範囲内であれば、有効な吐出量を得ることができる。
【０１１５】
また、超磁歪素子の試験結果を表２にまとめた。超磁歪素子の状態は、試験前と変化のないものを○、使用上間題のない微小なクラックの発生していたものを△、継続使用不可能な割れなどを発生していたものを×で示した。平行度が１．５ｍｍでも最大空孔が７５０μｍの比較例６、及び最大空孔が５００μｍでも平行度が２．５ｍｍである比較例７に関しては、超磁歪素子に割れが発生していた。
【表２】
2004232619.tif 000010
【０１１６】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、電磁コイル３，８を省略し、アクチュエータ部２ｂ、７ｂを圧電素子として、ここにバッテリＢＴ１，ＢＴ２の電力をそれぞれ直接供給するようにしても良い。
【０１１７】
【発明の効果】
本発明によれば、超磁歪素子の特性を活かし、バルブ及びその受圧部分をシリンダ内に収めることで高応答性を得ることができ、且つ、そのバルブを補助的に操作する第１のアクチュエータとバルブ部材を非磁性体もしくは常磁性体にし、２つのコイル間に強磁性体の分離板を介在させることで、磁気的に分離されながらも、比較的コンパクトに構成される高周波数で高圧微量吐出を可能とし、しかも細かい流量制御や吐出速度制御を行えるポンプを提供することが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁界と磁歪の関係を示す図である。
【図２】第１の実施の形態にかかる磁歪材料を用いたポンプの断面図である。
【図３】バルブ部材の先端を拡大して示す図である。
【図４】第２の実施の形態にかかる磁歪材料を用いたポンプの断面図である。
【図５】電磁コイル３と開弁圧との関係を示す図である。
【図６】第１のシリンダの圧力と比吐出との関係を示す図である。
【図７】実施例と比較例の吐出量を比較して示す図である。
【図８】実施例と比較例の吐出量を比較して示す図である。
【図９】実施例と比較例の吐出量を比較して示す図である。
【図１０】第１の実施の形態の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１  ハウジング
２、２’、２”、２”’  バルブ部材
３  電磁コイル
４  ピストン
７  ピストン
８  電磁コイル
１２  チェック弁
１４  遮蔽部材
【図１】
2004232619.tif 000011
【図２】
2004232619.tif 000012
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004232619.tif 000018
【図９】
2004232619.tif 000019
【図１０】
2004232619.tif 000020