(57)【要約】【課題】  可動部に対する動作抵抗を高めることなく、十分な閉磁気回路を構成可能な超磁歪ユニットを提供する。【解決手段】  超磁歪素子１１と、超磁歪素子１１の径方向に配置されたコイル１２と、超磁歪素子１１の軸方向に配置されたヨーク１３とを備える。ヨーク１３は、いずれも可動部側に設けられ超磁歪素子１１の伸縮と連動する第１の部分１３ａ及び超磁歪素子１１の伸縮に対して実質的に固定された第２の部分１３ｂを含み、ヨークの第１の部分１３ａと第２の部分１３ｂとの隙間には磁性流体１７が設けられている。これにより、動作抵抗を高めることなく良好な閉磁気回路を構成することが可能となる。また、隙間を磁性流体１７によってほぼ完全に満たせば、外部からの異物の侵入を防止することができ、製品の信頼性を高めることも可能となる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超磁歪素子と、前記超磁歪素子の径方向に配置されたコイルと、前記超磁歪素子の軸方向に配置されたヨークとを備え、前記ヨークは、いずれも可動部側に設けられ前記超磁歪素子の伸縮と連動する第１の部分及び前記超磁歪素子の伸縮に対して実質的に固定された第２の部分を含み、前記ヨークの前記第１の部分と前記第２の部分との隙間には磁性流体が設けられていることを特徴とする超磁歪ユニット。
【請求項２】
前記ヨークの前記第１の部分は前記超磁歪素子の軸方向の延長線上に配置され、前記ヨークの前記第２の部分は前記第１の部分の外周を取り囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の超磁歪ユニット。
【請求項３】
前記ヨークは、前記可動部と対向する固定端側に設けられた第３の部分をさらに含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載の超磁歪ユニット。
【請求項４】
前記コイルの径方向に配置された永久磁石をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超磁歪ユニット。
【請求項５】
前記隙間が前記磁性流体によってほぼ完全に満たされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超磁歪ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超磁歪素子を用いたアクチュエータや圧力センサ等の超磁歪ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁界の印加に応じて伸縮する磁歪素子は古くから知られているが、これまでの磁歪素子は変位が小さく、このため実用的に使用されることはほとんどなかった。ところが近年、１５００ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍといった非常に変位の大きな磁歪素子（超磁歪素子）が知られるようになり、現在、その様々な利用形態が提案されている。例えば、超磁歪素子が持つ応答性の高さや駆動力の大きさに注目して、これをアクチュエータとして利用するといった提案（特許文献１及び２参照）や、圧力センサとして利用するといった提案（特許文献３〜６参照）が数多くなされている。
【０００３】
このような超磁歪ユニットは、基本的に、超磁歪素子とその径方向に配置されたコイルを備えている。したがって、コイルに所定の電流を流すことにより超磁歪素子を変位させれば、これをアクチュエータとして利用することが可能となり、逆に、外力による超磁歪素子の変位をコイル電流の変化として検出すれば、これを圧力センサとして利用することが可能となる。
【特許文献１】特開平１０−１４５８９２号公報
【特許文献２】特許第２５２３０２７号公報
【特許文献３】特公平７−５４２８２号公報
【特許文献４】特開平１１−１３９２７０号公報
【特許文献５】特開平１１−２４１９５５号公報
【特許文献６】特開２０００−１１４６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、超磁歪材料は一般に透磁率が低く（μ＝６〜１０程度）、このため磁気回路の設計によっては超磁歪素子中の磁束密度が不十分であったり不均一となりやすいという問題がある。超磁歪素子中の磁束密度を高め且つ均一とするためには、各構成部品によって閉磁気回路を構成することが好ましいが、超磁歪ユニットは可動部を有するため、十分な閉磁気回路を構成することはこれまで困難であった。
【０００５】
つまり、十分な閉磁気回路を構成するために各構成部品を密着させると、可動部に対する動作抵抗が高くなる一方、可動部に対する動作抵抗を下げるために各構成部品に十分な隙間を持たせると、この隙間から磁気漏れが発生してしまう。このため、可動部に対する動作抵抗を高めることなく、十分な閉磁気回路を構成可能な超磁歪ユニットの開発が望まれていた。
【０００６】
したがって、本発明は、可動部に対する動作抵抗を高めることなく、十分な閉磁気回路を構成可能な超磁歪ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による超磁歪ユニットは、超磁歪素子と、前記超磁歪素子の径方向に配置されたコイルと、前記超磁歪素子の軸方向に配置されたヨークとを備え、前記ヨークは、いずれも可動部側に設けられ前記超磁歪素子の伸縮と連動する第１の部分及び前記超磁歪素子の伸縮に対して実質的に固定された第２の部分を含み、前記ヨークの前記第１の部分と前記第２の部分との隙間には磁性流体が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、超磁歪素子の伸縮によって相対的な動きが生じるヨークの第１の部分と第２の部分との隙間に磁性流体が設けられていることから、動作抵抗を高めることなく良好な閉磁気回路を構成することが可能となる。また、前記隙間を前記磁性流体によってほぼ完全に満たせば、外部からの異物の侵入を防止することができ、製品の信頼性を高めることも可能となる。
【０００９】
本発明において前記ヨークの前記第１の部分は、前記超磁歪素子の軸方向の延長線上に配置され、前記ヨークの前記第２の部分は前記第１の部分の外周を取り囲んでいることが好ましく、前記ヨークは、前記可動部と対向する固定端側に設けられた第３の部分をさらに含んでいることが好ましい。これらによれば、十分な閉磁気回路を構成することが可能となる。
【００１０】
本発明による超磁歪ユニットは、前記コイルの径方向に配置された永久磁石をさらに備えることが好ましい。永久磁石を備えることにより、超磁歪ユニットに磁気バイアスを付与することができる。
【発明の効果】
【００１１】
このように、本発明によれば、可動部に対する動作抵抗を高めることなく、良好な閉磁気回路を構成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の好ましい実施形態による超磁歪ユニット１０の構造を示す略断面図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態による超磁歪ユニット１０は、円柱状の超磁歪素子１１と、超磁歪素子１１の径方向に配置された円筒状のコイル１２と、超磁歪素子１１の軸方向に配置されたヨーク１３（１３ａ〜１３ｃ）と、コイル１２の径方向に配置された円筒状の永久磁石１４と、これら各構成部品を収容する筐体１５とを備えている。本実施形態による超磁歪ユニット１０は、コイル１２に所定の電流を流すことにより超磁歪素子１１を変位させるアクチュエータとして利用することが可能であり、さらに、外力による超磁歪素子１１の変位をコイル電流の変化として検出する圧力センサとして利用することも可能である。
【００１５】
超磁歪素子１１は、磁界の印加に応じて変位するとともに、外力による変位に応じて透磁率が変化する超磁歪材料によって構成された円柱状の素子である。使用する超磁歪材料としては、特に限定されるものではないがＴｂ０．３４−Ｄｙ０．６６−Ｆｅ１．９０を中心組成とする超磁歪材料等を用いることができる。超磁歪素子１１のサイズについては、目的とする超磁歪ユニット１０の用途や出力に応じて適宜選択すれば良い。
【００１６】
コイル１２はボビン１２ａに巻回され、その中空部に超磁歪素子１１が挿入されることによって超磁歪素子１１と磁気結合する電磁変換手段として用いられる。したがって、図示しない駆動回路より所定の電流をコイル１２に供給すると、コイル１２はこれに基づく磁界を超磁歪素子１１に印加し、これにより得られる超磁歪素子１１の変位を入出力ロッドとして機能するヨーク１３の第１の部分１３ａから取り出すことができる。つまり、この場合は超磁歪ユニット１０がアクチュエータとして機能する。逆に、ヨーク１３の第１の部分１３ａに加えられた外力によって超磁歪素子１１が伸縮し、これによって超磁歪素子１１の透磁率が変化すると、コイル１２はこれにより生じる電流を図示しない検出回路へと供給する。つまり、この場合は超磁歪ユニット１０が圧力センサとして機能する。
【００１７】
ヨーク１３は、図１に示すように、可動部１０ａ側に設けられ超磁歪素子１１の一端に押し当てられた第１の部分１３ａと、同じく可動部１０ａ側に設けられ筐体１５に固定された第２の部分１３ｂと、可動部１０ａと対向する固定端１０ｂ側に設けられ、超磁歪素子１１の他端に押し当てられた第３の部分１３ｃによって構成されている。
【００１８】
ヨーク１３は、閉磁気回路を構成するために用いられ、したがって、その材料としてはできる限り透磁率の高い材料を用いることが好ましい。具体的には、透磁率（μ）が１００以上であることが好ましく、１０００以上であることがより好ましい。これは、ヨーク１３の透磁率が高いほど、超磁歪素子１１の端部における磁束密度の低下を抑制する効果が高くなるからであり、ヨーク１３の材料として透磁率が１００以上である材料を用いれば、超磁歪素子１１内の磁束密度を十分に均一化することが可能となる。特に、ヨーク１３の材料として透磁率が１０００以上である材料を用いれば、超磁歪素子１１内の磁束密度をほぼ均一とすることが可能となる。好ましい具体的な材料としては、純鉄（μ＝５０００以上）、けい素鉄（μ＝６０００以上）、電磁ステンレス（μ＝４０００以上）、パーマロイ（μ＝３００００以上）、フェライト（μ＝１０００以上）等を挙げることができる。
【００１９】
ヨーク１３の第１の部分１３ａは、超磁歪素子１１の軸方向の延長線上に配置されており、これにより超磁歪素子１１の変位を取り出し、或いは、超磁歪素子１１に外力を伝える入出力ロッドとしての機能も有する。また、ヨーク１３の第１の部分１３ａは、皿バネ１６によって超磁歪素子１１側へ付勢されており、これにより超磁歪素子１１には予加重が与えられている。一方、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である図２に示すように、ヨーク１３の第２の部分１３ｂはドーナツ形であり、第１の部分１３ａの外周を取り囲むように配置されている。ヨーク１３の第２の部分１３ｂは、上述のとおり筐体１５に固定されており、このため超磁歪素子１１の伸縮には連動しない。したがって、ヨーク１３の第１の部分１３ａと第２の部分１３ｂは、超磁歪素子１１の伸縮によって相対的な動きが生じることになる。
【００２０】
本実施形態では、図１及び図２に示すように、ヨーク１３の第１の部分１３ａと第２の部分１３ｂとの隙間に磁性流体１７が設けられており、磁性流体１７によってこの隙間がほぼ完全に満たされている。これにより、ヨーク１３の第１の部分１３ａと第２の部分１３ｂの隙間から磁気漏れが発生することがほとんどなくなり、良好な閉磁気回路を構成することが可能となる。もちろん、流体であることから超磁歪素子１１の伸縮に対する抵抗は極めて少ない。これにより、動作抵抗を高めることなく、良好な閉磁気回路を構成することが可能となる。しかも、本実施形態では、ヨーク１３の第１の部分１３ａと第２の部分１３ｂとの隙間が磁性流体１７によってほぼ完全に満たされていることから、超磁歪素子１１やコイル１２が密閉状態となる。これにより、外部からの異物の侵入を防止することができ、その結果、製品の信頼性を高めることが可能となる。
【００２１】
磁性流体１７の具体的な材料については特に限定されないが、ベースオイル中にマグネタイトなどの強磁性超微粒子（直径１０ｎｍ程度）を添加した材料を用いることができる。ベースオイル中で強磁性超微粒子を安定的に分散させるためには、ベースオイルに界面活性剤をさらに添加することが好ましい。
【００２２】
永久磁石１４は、コイル１２の外側を取り囲む筒状体であり、超磁歪素子１１に磁気バイアスを印加する役割を果たす。これは、磁気バイアスのない状態では、超磁歪素子１１の変位が磁界の向きに対して方向性がないからである。
【００２３】
以上の構成を有する超磁歪ユニット１０は、上述のとおり、ヨーク１３の第１の部分１３ａと第２の部分１３ｂとの隙間が磁性流体１７によってほぼ完全に満たされていることから、動作抵抗を高めることなく良好な閉磁気回路を構成することが可能となるだけでなく、外部からの異物の侵入を防止することも可能となる。
【００２４】
本発明は、以上説明した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の好ましい実施形態による超磁歪ユニット１０の構造を示す略断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った略断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０    超磁歪ユニット
１０ａ    可動部
１０ｂ    固定端
１１      超磁歪素子
１２      コイル
１２ａ    ボビン
１３ａ    ヨークの第１の部分
１３ｂ    ヨークの第２の部分
１３ｃ    ヨークの第３の部分
１４      永久磁石
１５      筐体
１６      皿バネ
１７      磁性流体
【図１】
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【図２】
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