(57)【要約】【課題】簡易にヒステリシス補償ができ、簡易な構成の超磁歪アクチュエータを提供する。【解決手段】超磁歪アクチュエータ１は、超磁歪材料からなるロッド部材１１、固定支持部材１２、可動支持部材１３、駆動用コイル１４、永久磁石１５、磁束検出用コイル１６、及びこれらを収容し、開口部２４に出力端部２３を位置させたケーシング１８を備え、かつ積分器３１、加算器３２、ドライバ３３を含む制御部１９を備え、積分器３１は、磁束検出用コイル１６からの電気信号の変化する電圧を積分して得られた、上記磁束と比例関係にある電気信号を出力し、加算器３２は、外部より出力端部２３の目標変位量に対応する電気信号を入力され、この電気信号の電圧成分から積分器３１からの電気信号の電圧成分を減じた電圧成分を有する電気信号を出力し、ドライバ３３は、加算器３２からの電気信号の電圧変動に対応して変動する電流を電源４１から駆動用コイル１４に導く。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超磁歪材料からなるロッド部材と、
磁性材料からなるフランジ部を有し、上記ロッド部材の一端部に当接した状態に配置された固定支持部材と、
磁性材料からなるフランジ部を有し、上記ロッド部材の他端部に当接した状態に配置され、この他端部の側とは反対側に上記他端部と一体的に変位する出力端部を突出させた可動支持部材と、
上記両フランジ部間に位置し、上記ロッド部材の外側を取巻くように配置された筒状の駆動用コイルと、
上記両フランジ部間に位置し、上記ロッド部材を伸長させておくためのバイアス磁界を上記ロッド部材に印加可能な上記ロッド部材に近接した位置に配置された永久磁石と、
上記駆動用コイルの内側の位置にて、この位置を通る磁束の時間変化率に比例して電圧が変化する電気信号を出力する磁束検出手段と、
一端に開口部を有し、上記ロッド部材、固定支持部材、可動支持部材、駆動用コイル、永久磁石、及び磁束検出手段を収容するとともに、上記開口部に上記出力端部を位置させた中空のケーシングと、
積分器、加算器、及びドライバを含み、上記積分器は、上記磁束検出手段からの電気信号の変化する電圧を積分して得られた、上記磁束と比例関係にある電気信号を出力し、上記加算器は、外部より上記出力端部の目標変位量に対応する電気信号を入力され、この電気信号の電圧成分から上記積分器からの電気信号の電圧成分を減じた電圧成分を有する電気信号を出力し、上記ドライバは、上記加算器からの電気信号の電圧変動に対応して変動する電流を電源から上記駆動用コイルに導く働きをするように形成された制御部と
を備えたことを特徴とする超磁歪アクチュエータ。
【請求項２】
上記磁束検出手段が、上記ロッド部材の周囲に配設された磁束検出用コイルであることを特徴とする請求項１に記載の超磁歪アクチュエータ。
【請求項３】
上記磁束検出手段が、上記ロッド部材の中間部に配設されたホール素子であることを特徴とする請求項１に記載の超磁歪アクチュエータ。
【請求項４】
上記可動支持部材の上記フランジ部を上記駆動用コイルに向かう方向に常時付勢する弾性部材を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の超磁歪アクチュエータ。
【請求項５】
上記永久磁石を上記駆動用コイルの外周部に設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の超磁歪アクチュエータ。
【請求項６】
上記永久磁石を上記駆動用コイルの両端部に設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の超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、超磁歪材料を用いた超磁歪アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超磁歪材料は、通常の磁歪材料に比して磁歪の大きさが約１００倍という非常に大きなもので、例えば固体変位素子の代表的な圧電材料と比較しても種々の利点を有している。即ち、超磁歪材料は、非常に高い効率で電気エネルギーを機械エネルギーに変換可能とし、大きな力を生じ、伸縮率が非常に大きく、応答性に優れ、耐久性が極めて高く、構造が単純である。このため、近年、この超磁歪材料を用いた磁歪アクチュエータの実用化への関心が高まり、それに関する研究発表もいくつかなされている（例えば、非特許文献１及び２）。
【非特許文献１】“超磁歪アクチュエータのヒステリシス補償法”近藤良、有田大樹他                    第７回電気学会茨城支部研究発表会予稿集（１９９８）
【非特許文献２】“高機能性デバイスに関する研究―超磁歪アクチュエータの制御に                    関する研究―”浅野健治                    平成１１年度茨城県工業技術センター研究報告書（１９９８）
【０００３】
非特許文献１には、超磁歪材料がヒステリシス特性を持つため、微細な位置決め等を行う場合、これを補償する必要がある点、プラントをヒステリシスを表す関数Ｈと線形プラントＰ０の積と見なし、これにヒステリシスの逆関数Ｈ−１を掛け、ヒステリシスを打消す方法が開示されている。
【０００４】
非特許文献２には、超磁歪アクチュエータにヒステリシス特性を相殺する制御を適用する方法が開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した非特許文献によれば、いずれもプライザッハモデルに基いており、一旦超磁歪材料のヒステリシス特性を測定するという煩雑な作業を要するとともに、超磁歪材料が異なれば、その都度、上記作業を要するという問題がある。また、上記方法による場合、基本的には、電源は直流に限られる。さらに、上記方法による場合、制御はソフトウェア的に行う必要があり、複雑となる等の問題がある。
【０００６】
本発明は、斯かる従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、簡易にヒステリシス補償ができ、簡易な構成の超磁歪アクチュエータを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本願第１発明は、超磁歪材料からなるロッド部材と、磁性材料からなるフランジ部を有し、上記ロッド部材の一端部に当接した状態に配置された固定支持部材と、磁性材料からなるフランジ部を有し、上記ロッド部材の他端部に当接した状態に配置され、この他端部の側とは反対側に上記他端部と一体的に変位する出力端部を突出させた可動支持部材と、上記両フランジ部間に位置し、上記ロッド部材の外側を取巻くように配置された筒状の駆動用コイルと、上記両フランジ部間に位置し、上記ロッド部材を伸長させておくためのバイアス磁界を上記ロッド部材に印加可能な上記ロッド部材に近接した位置に配置された永久磁石と、上記駆動用コイルの内側の位置にて、この位置を通る磁束の時間変化率に比例して電圧が変化する電気信号を出力する磁束検出手段と、一端に開口部を有し、上記ロッド部材、固定支持部材、可動支持部材、駆動用コイル、永久磁石、及び磁束検出手段を収容するとともに、上記開口部に上記出力端部を位置させた中空のケーシングと、積分器、加算器、及びドライバを含み、上記積分器は、上記磁束検出手段からの電気信号の変化する電圧を積分して得られた、上記磁束と比例関係にある電気信号を出力し、上記加算器は、外部より上記出力端部の目標変位量に対応する電気信号を入力され、この電気信号の電圧成分から上記積分器からの電気信号の電圧成分を減じた電圧成分を有する電気信号を出力し、上記ドライバは、上記加算器からの電気信号の電圧変動に対応して変動する電流を電源から上記駆動用コイルに導く働きをするように形成された制御部とを備えた構成とした。
【０００８】
第２発明は、第１発明の構成に加えて、上記磁束検出手段が、上記ロッド部材の周囲に配設された磁束検出用コイルである構成とした。
【０００９】
第３発明は、第１発明の構成に加えて、上記磁束検出手段が、上記ロッド部材の中間部に配設されたホール素子である構成とした。
【００１０】
第４発明は、第１から第３発明のいずれかの構成に加えて、上記可動支持部材の上記フランジ部を上記駆動用コイルに向かう方向に常時付勢する弾性部材を設けた構成とした。
【００１１】
第５発明は、第１から第４発明のいずれかの構成に加えて、上記永久磁石を上記駆動用コイルの外周部に設けた構成とした。
【００１２】
第６発明は、第１から第４発明のいずれかの構成に加えて、上記永久磁石を上記駆動用コイルの両端部に設けた構成とした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る超磁歪アクチュエータによれば、簡易にヒステリシス補償ができ、簡易な構成でコンパクトに形成することが可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る超磁歪アクチュエータ１を示し、この超磁歪アクチュエータ１は、例えば、テルビウム、ディスプロシウム、鉄等からなる合金で、強磁性体である超磁歪材料からなるロッド部材１１の超磁歪特性を利用したものである。また、この超磁歪アクチュエータ１では、ロッド部材１１は、固定支持部材１２、可動支持部材１３、駆動用コイル１４、永久磁石１５、磁束検出手段の一例である磁束検出用コイル１６、弾性部材の一例である皿ばね１７とともに、ケーシング１８内に収容され、ロッド部材１１の伸縮態様については、以下に記載のように制御部１９によりフィードバック制御されるように形成されている。
【００１５】
固定支持部材１２は、閉磁気回路形成可能な磁性材料からなるフランジ部２１を有し、中央の突出部がロッド部材１１の一端部に当接している。
可動支持部材１３は、閉磁気回路形成可能な磁性部材からなるフランジ部２２を有し、中央にロッド部材１１の他端部に当接した突出部を有するとともに、この他端部とは反対側に突出した出力端部２３を有している。
駆動用コイル１４は、フランジ部２１、２２間に位置し、ロッド部材１１の外側を取巻く筒状に形成されている。
永久磁石１５は、筒状に形成され、駆動用コイル１４と同様にフランジ部２１、２２間に位置するとともに、駆動用コイル１４の外側に設けられ、ロッド部材１１に対して、これを伸長させておくためのバイアス磁界を印加し、ロッド部材１１に当接する可動支持部材１３の出力端部２３に予めバイアス変位を付与するものである。
磁束検出用コイル１６は、駆動用コイル１４の内側にて、ロッド部材１１を取巻くように設けられ、ここを通る磁束の時間変化率に比例して電圧が変化する電気信号を出力する。
皿ばね１７は、可動支持部材１３のフランジ部２２とこの可動支持部材１３側におけるケーシング１７の端部との間に介設され、フランジ部２２を駆動コイル１４に向かう方向に常時付勢している。この結果、ロッド部材１１の他端部と可動支持部材１３の上記突出部とが常時当接状態を保ち、出力端部２３が上記他端部と一体的に変位するようになっている。
ケーシング１８は、上述したようにロッド部材１１等を収容するとともに、出力端部２３を位置させる開口部２４を有している。
【００１６】
制御部１９は、積分器３１、加算器３２、及びドライバ３３を含み、以下に説明するように、磁束検出用コイル１６からの電気信号に基づき、電源４１から駆動用コイル１４に導く電流の制御を介して、出力端部２３の変位量を制御する。
積分器３１は、磁歪検出用コイル１６から、ここでの磁束変化の結果生じた起電力による電気信号、即ち磁束の時間変化率に比例して電圧が変化する電気信号を受け、変化する
電圧を積分し、磁束と比例関係にある電気信号を出力する。
加算器３２は、予め外部から出力端部２３の目標変位量に対応する電気信号を入力される一方、積分器３１から上記積分の結果得られた電気信号を受け、この電気信号から外部より入力された上記電気信号を減じて得られた電気信号を出力する。
ドライバ３３は、電源４１と駆動用コイル１４との間に介在し、加算器３２からの上記減じて得られた電気信号に基き、駆動用コイル１４に導く電流を制御する。
【００１７】
図２は、超磁歪アクチュエータ１の駆動用コイル１４への入力電流に対する出力端部２３における発生変位の変化する状態を示したものである。図３は、超磁歪アクチュエータ１から磁束検出用コイル１６、積分器３１及び加算器３２を取り除き、ドライバ３３を介して駆動用コイル１４に図２の場合と同様に電流を導いた場合における出力端部２３における発生変位の変化する状態を示したものである。これらの図から分かるように、超磁歪アクチュエータ１では、上述したフィードバック制御の結果、上記発生変位におけるヒステリシスの現象は殆どなくなり、上記発生変位は上記入力電流に対して略線形に変化している。このように、超磁歪アクチュエータ１では、簡易な構成でヒステリシス補償がなされている。
【００１８】
なお、超磁歪材料は、入力電圧の変化に対する発生磁束の変化、及びこの発生磁束の変化に対する出力端部の発生変位の変化においてヒステリシス特性を呈し、前者の入力電圧、発生磁束間におけるヒステリシス特性は後者の発生磁束、発生変位間におけるヒステリシス特性に比して顕著に表れる。超磁歪アクチュエータ１では、この前者のヒステリシスをなくすようにしたもので、図２に僅かに残るヒステリシスはこの後者によるものと考えられる。
【００１９】
図４は、本発明の第２実施形態に係る超磁歪アクチュエータ２を示し、磁歪検出手段として、この超磁歪アクチュエータ２は上述した超磁歪アクチュエータ１とは、磁歪検出用コイル１６に代えてホール素子１６ａを用いた点を除き、他は実質的に同一であり、図１における各部分と互いに対応する部分については同一番号を付し、説明を省略する。
この超磁歪アクチュエータ２では、ロッド部材１１の中間部にホール素子１６ａが介設されており、ホール素子１６ａからここでの磁束変化の結果生じた起電力による電気信号、即ち磁束の時間変化率に比例して電圧が変化する電気信号が積分器３１に出力される。
【００２０】
図５は、本発明の第３実施形態に係る超磁歪アクチュエータ３を示し、この超磁歪アクチュエータ２は上述した超磁歪アクチュエータ１とは、永久磁石１５の配設位置が異なる点を除き、他は実質的に同一であり、図１における各部分と互いに対応する部分については同一番号を付し、説明を省略する。
この超磁歪アクチュエータ３では、リング状の永久磁石１５を駆動用コイル１４の両端部に設けてあり、上記同様、ロッド部材１１に対して磁気バイアスを印加し、ロッド部材１１に当接する可動支持部材１３の出力端部２３に予めバイアス変位を付与している。
【００２１】
なお、永久磁石１５はロッド部材１１に対して磁気バイアスを印加できるものであればよく、上述した位置、形状に限定されるものではない。
また、上述した各実施形態においては、弾性部材として皿ばね１７を用いた例を示したが、弾性部材は可動支持部材１３をロッド部材１１に当接させるものであれば足り、皿ばね１７に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明に係る超磁歪アクチュエータ１〜３は、例えば微細精密加工機器、音波発振源、アクティブ除振機器等に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超磁歪アクチュエータの全体構成の概略を示す図である。
【図２】図１に示す超磁歪アクチュエータにおける入力電流と発生変位との関係を示す図である。
【図３】図１に示す超磁歪アクチュエータから磁束検出用コイルを取り除いた場合における入力電流と発生変位との関係を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る超磁歪アクチュエータの全体構成の概略を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る超磁歪アクチュエータの全体構成の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１，２，３  超磁歪アクチュエータ
１１  ロッド部材
１２  固定支持部材
１３  可動支持部材
１４  駆動用コイル
１５  永久磁石
１６  磁束検出用コイル
１６ａ  ホール素子
１７  皿ばね
１８  ケーシング
１９  制御部
２１  フランジ部（固定支持部材）
２２  フランジ部（可動支持部材）
２３  出力端部
２４  開口部
３１  積分器
３２  加算器
３３  ドライバ
４１  電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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