(57)【要約】【課題】磁歪部材の変位を効率良く外部に出力することができると共に、部材の疲労や破損等を未然に防止し、信頼性を高めることができる磁歪装置及びその駆動方法を提供する。【解決手段】磁歪アクチュエータ１０は、超磁歪部材を備えた略棒状の超磁歪ロッド１４と、この超磁歪ロッド１４の軸方向の変位に伴って軸方向に駆動される変位伝達部１６と、超磁歪ロッド１４の周囲に配設された駆動コイル１８と、この駆動コイル１８に供給する駆動電流を制御可能な駆動コイル制御部２０と、を有して構成されている。そして、駆動コイル制御部２０は、超磁歪ロッド１４を変位伝達部１６の最大加速度以下の加速度で変位させるために、変位伝達部２０の最大加速度に基づいて規定される設定値を超えないように出力信号（駆動電流）ＰＯの加速度を制御するように構成されている。【選択図】図１
2005245123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪部材を備えた略棒状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの軸方向の変位に伴って該軸方向に駆動される変位伝達部と、前記磁歪ロッドの周囲に配設された駆動コイルと、該駆動コイルに供給する駆動電流を制御可能な駆動コイル制御部と、を有してなり、該駆動コイル制御部は、前記磁歪ロッドを前記変位伝達部の最大加速度以下の加速度で変位させるために、前記変位伝達部の最大加速度に基づいて規定される設定値を超えないように前記駆動電流の加速度を制御するように構成されていることを特徴とする磁歪装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記磁歪部材は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からなることを特徴とする磁歪装置。
【請求項３】
磁歪部材を備えた略棒状の磁歪ロッドを、該磁歪ロッドの軸方向の変位に伴って該軸方向に駆動される変位伝達部の最大加速度以下の加速度で変位させるために、前記磁歪ロッドの駆動コイルに供給する駆動電流の加速度を、前記変位伝達部の最大加速度に基づいて規定される設定値を超えないように制御することを特徴とする磁歪装置の駆動方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記磁歪部材は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からなることを特徴とする磁歪装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪部材を用いた磁歪装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、応答速度が速く、大きな出力変位を得ることができるアクチュエータとして、磁歪部材を用いた磁歪アクチュエータが広く知られている。
【０００３】
例えば、図６に示される従来公知の磁歪アクチュエータ１は、筒状のケーシング２を備えており、このケーシング２内には、信号供給部３からの電気信号が入力される磁界コイル４と、超磁歪材料からなり、磁界コイル４によって軸方向に駆動される駆動ロッド５と、この駆動ロッド５の変位を外部に伝達するためのアクチュエータロッド６と、が収容されている。また、アクチュエータロッド６は、ケーシング２との間に縮設された弾性体７によって駆動ロッド５側に付勢されており、駆動ロッド５の変位に追従して摺動するようになっている。
【０００４】
ところで、このような従来の磁歪アクチュエータにおいては、超磁歪材料からなる駆動ロッド５の応答速度が速いため、弾性体７の弾性変形が駆動ロッド５の変位に追従できず、アクチュエータロッド６の応答速度が遅くなったり、アクチュエータロッド６の出力変位がリンギング振動してしまうといった問題がある。
【０００５】
そこで、この磁歪アクチュエータ１では、アクチュエータロッド６の固有周期以上の立ち上がり時間を有する電気信号を磁界コイル４に供給し、駆動ロッド５を制御することで、アクチュエータロッド６の出力変位の振動を抑えるようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１７１７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、アクチュエータロッド６が駆動ロッド５の変位に追従できない場合には、駆動ロッド５とアクチュエータ６が軸方向で衝突し、両者間に繰り返し応力が作用することになる。そのため、駆動ロッド５とアクチュエータロッド６が疲労し、信頼性が低下してしまうといった問題点がある上に、場合によっては出力変位に損失が発生してしまうことがあった。しかも、磁歪アクチュエータ１は駆動ロッド５の応答速度が速く、出力変位が大きいため、上述の問題が顕在化しやすかった。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、磁歪部材の変位を効率良く外部に出力することができると共に、部材の疲労や破損等を未然に防止し、信頼性を高めることができる磁歪装置及びその駆動方法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】
【０００９】
本発明の発明者は、鋭意研究の結果、磁歪部材の変位を効率良く外部に出力することができると共に、部材の疲労や破損等を未然に防止し、信頼性を高めることができる磁歪装置及びその駆動方法を見出した。
【００１０】
即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。
【００１１】
（１）磁歪部材を備えた略棒状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの軸方向の変位に伴って該軸方向に駆動される変位伝達部と、前記磁歪ロッドの周囲に配設された駆動コイルと、該駆動コイルに供給する駆動電流を制御可能な駆動コイル制御部と、を有してなり、該駆動コイル制御部は、前記磁歪ロッドを前記変位伝達部の最大加速度以下の加速度で変位させるために、前記変位伝達部の最大加速度に基づいて規定される設定値を超えないように前記駆動電流の加速度を制御するように構成されていることを特徴とする磁歪装置。
【００１２】
（２）前記磁歪部材は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からなることを特徴とする前記（１）記載の磁歪装置。
【００１３】
（３）磁歪部材を備えた略棒状の磁歪ロッドを、該磁歪ロッドの軸方向の変位に伴って該軸方向に駆動される変位伝達部の最大加速度以下の加速度で変位させるために、前記磁歪ロッドの駆動コイルに供給する駆動電流の加速度を、前記変位伝達部の最大加速度に基づいて規定される設定値を超えないように制御することを特徴とする磁歪装置の駆動方法。
【００１４】
（４）前記磁歪部材は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からなることを特徴とする前記（３）記載の磁歪装置の駆動方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る磁歪装置及びその駆動方法によれば、磁歪部材の変位を効率良く外部に出力することができると共に、部材の疲労や破損等を未然に防止し、信頼性を高めることができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る磁歪装置は、磁歪部材を備えた略棒状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの軸方向の変位に伴って該軸方向に駆動される変位伝達部と、前記磁歪ロッドの周囲に配設された駆動コイルと、該駆動コイルに供給する駆動電流を制御可能な駆動コイル制御部と、を有してなり、該駆動コイル制御部は、前記磁歪ロッドを前記変位伝達部の最大加速度以下の加速度で変位させるために、前記変位伝達部の最大加速度に基づいて規定される設定値を超えないように前記駆動電流の加速度を制御するように構成されていることによって、上記課題を解決したものである。
【００１７】
又、本発明に係る磁歪装置の駆動方法は、磁歪部材を備えた略棒状の磁歪ロッドを、該磁歪ロッドの軸方向の変位に伴って該軸方向に駆動される変位伝達部の最大加速度以下の加速度で変位させるために、前記磁歪ロッドの駆動コイルに供給する駆動電流の加速度を、前記変位伝達部の最大加速度に基づいて規定される設定値を超えないように制御することによって、上記と同様の課題を解決したものである。
【００１８】
なお、本発明における「電流の加速度」とは、電流を時間で２階微分した値を意味し、電流値をＰ、時間をｔとした場合に、電流の加速度はｄ２Ｐ／ｄｔ２で表される。
【００１９】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態に係る磁歪アクチュエータについて詳細に説明する。
【００２０】
図１に示されるように、本発明の実施形態に係る磁歪アクチュエータ１０は、一端がケーシング１２に固定された超磁歪部材からなる略棒状の超磁歪ロッド１４と、この超磁歪ロッド１４の軸方向の変位に伴って軸方向に駆動される伝達ロッド（変位伝達部）１６と、超磁歪ロッド１４の周囲に配設された駆動コイル１８と、この駆動コイル１８に供給する駆動電流を制御可能な駆動コイル制御部２０と、を有して構成されている。
【００２１】
超磁歪ロッド１４は、超磁歪素子を材料としている。ここで、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいい、外部から磁界が印加されると大きな変位（伸縮）を生じる性質を有している。
【００２２】
伝達ロッド１６は、超磁歪ロッド１４の自由端側に位置する略円板状のフランジ部１６Ａと、このフランジ部１６Ａを基端として超磁歪ロッド１４の軸方向に沿って伸びるロッド部１６Ｂと、によって構成されている。フランジ部１６Ａとケーシング１２との間には、ばね２２が縮設されており、伝達ロッド１６は超磁歪ロッド１４側に付勢されている。更に、ロッド部１６Ｂの先端部は、ケーシング１２外部に突出されており、超磁歪ロッド１４の軸方向の変位は、ロッド部１６Ｂを介して外部に伝達可能な構造となっている。
【００２３】
駆動コイル１８は、超磁歪ロッド１４の軸方向に所定の磁界を印加することによって、超磁歪ロッド１４を軸方向に変位可能である。
【００２４】
駆動コイル制御部２０は、信号入力部２４からの入力信号ＰＩを処理し、出力信号ＰＯとして出力するＣＰＵ２６と、このＣＰＵ２６から出力される出力信号ＰＯを増幅し、駆動電流を出力する増幅器２８と、によって構成されている。
【００２５】
次に、磁歪アクチュエータ１０の作用について説明する。
【００２６】
駆動コイル制御部２０に入力された入力信号ＰＩはＣＰＵ２６の入力ポートに入力された後、このＣＰＵ２６内部で処理される。
【００２７】
具体的には、図２に示されるように、入力信号ＰＩが所定のサンプリング周波数でサンプリングされた後（ステップＳ１）、サンプリング周期毎に入力信号ＰＩの加速度αが計算される（ステップＳ２）。
【００２８】
ここで、「入力信号ＰＩの加速度α」とは、入力信号ＰＩを時間ｔで２階微分した値ｄ２（ＰＩ）／ｄｔ２を意味し、図３に示されるように、入力信号ＰＩにおけるＡＢ間の信号変化（傾き）をＸ、ＢＣ間の信号変化（傾き）をＹとした場合、Ｂ点での入力信号ＰＩの加速度αは（Ｙ−Ｘ）／ｄｔとなる。
【００２９】
なお、入力信号ＰＩのサンプリング周波数は、超磁歪ロッド１４の駆動周波数の２０倍程度、即ち、超磁歪ロッド１４の駆動周波数が５０ｋＨｚの場合は１ＭＨｚ以上、又、駆動周波数が５ｋＨｚの場合は１００ｋＨｚ以上であることが好ましい。
【００３０】
図２に戻って、ＣＰＵ２６によって計算された入力信号ＰＩの加速度αが所定の設定値αmax以下である場合（α＜＝αmax）には、入力信号ＰＩがそのまま出力信号ＰＯとして設定され（ステップＳ３）、ＣＰＵ２６の出力ポートから出力される（ステップＳ６）。
【００３１】
一方、入力信号ＰＩの加速度αが設定値αmaxよりも大きい場合（α＞αmax）には、設定値αmaxが出力信号ＰＯの加速度α´として設定される（ステップＳ４）。そして、この出力信号ＰＯの加速度α´及び前回の出力信号ＰＯの値に基づいて出力信号ＰＯが設定された後（ステップＳ５）、出力信号ＰＯがＣＰＵ２６の出力ポートから出力される（ステップＳ６）。
【００３２】
なお、設定値αmaxは、伝達ロッド１６の最大加速度に基づいて規定される。即ち、伝達ロッド１６を超磁歪ロッド１４の変位に追従させるためには、超磁歪ロッド１４の加速度を伝達ロッド１６の最大加速度以下に制限すればよく、設定値αmaxは、ばね２２の復元力Ｆと伝達ロッド１６（および駆動系全体）の質量Ｍとから決まる最大加速度（α＝Ｆ／Ｍ）に基づいて決定される、超磁歪ロッド１４の加速度の制限値に合わせて設定される。例えば、駆動電流が１Ａの時に０．１ｍｍの変位が生じる超磁歪ロッド１４を用い、この超磁歪ロッド１４の加速度を１０ｋｍ／ｓ２に制限する場合には、設定値αmaxを１００ＭＡ／ｓ２（＝１０ｋｍ／ｓ２×１０Ａ／ｍｍ）以下に設定すればよい。
【００３３】
その後、ＣＰＵ２６内部では、駆動コイル１８の制御が終了するまでステップＳ１〜ステップＳ６が繰り返し実行される。
【００３４】
ＣＰＵ２６から出力された出力信号ＰＯは、増幅器２８によって増幅された後、駆動電流として駆動コイル１８に供給される。駆動コイル１８に駆動電流が入力されると、この駆動電流に応じて超磁歪ロッド１４に軸方向の磁界が印加される。磁界が印加された超磁歪ロッド１４は、磁歪効果によって軸方向に伸縮（変位）し、この伸縮が変位伝達部１６を介して出力変位として外部に伝達されるようになっている。
【００３５】
図４及び図５に本発明の発明者が行ったシミュレーション結果を示す。なお、図４は、入力信号ＰＩとして任意の信号をＣＰＵ２６に入力した場合における、入力信号ＰＩと出力信号ＰＯの関係を示すグラフ、図５は入力信号ＰＩの加速度αの変化を示すグラフである。
【００３６】
図４に示されるように、本シミュレーションでは、時間Ｔ＝０〜Ｔ１、Ｔ２〜Ｔ３においては入力信号ＰＩと出力信号ＰＯが一致しているが、時間Ｔ＝Ｔ１〜Ｔ２においては入力信号ＰＩと出力信号ＰＯが異なっていることが分かる。これは、図５に示されるように、時間Ｔ＝Ｔ１〜Ｔ２において入力信号ＰＩの加速度αが設定値αmaxを超え、出力信号（駆動電流）ＰＯの加速度α´が設定値αmaxに制限されたためである。このことは、出力信号ＰＯによって超磁歪ロッド１４の加速度が制限され、超磁歪ロッド１４が伝達ロッド１６の最大加速度以下の加速度で変位することを意味している。
【００３７】
本発明の実施形態に係る磁歪アクチュエータ１０によれば、超磁歪部材を備えた略棒状の超磁歪ロッド１４と、この超磁歪ロッド１４の軸方向の変位に伴って軸方向に駆動される変位伝達部１６と、超磁歪ロッド１４の周囲に配設された駆動コイル１８と、この駆動コイル１８に供給する駆動電流を制御可能な駆動コイル制御部２０と、を有してなり、駆動コイル制御部２０は、超磁歪ロッド１４を変位伝達部１６の最大加速度以下の加速度で変位させるために、変位伝達部２０の最大加速度に基づいて規定される設定値αmaxを超えないように出力信号ＰＯ（駆動電流）の加速度α´を制御するように構成されているため、変位伝達部１６を常に超磁歪ロッド１４の変位に追従させることができる。従って、磁歪部材の変位を効率良く外部に出力することができると共に、部材の疲労や破損等を未然に防止し、信頼性を高めることができる。
【００３８】
なお、本発明に係る磁歪装置は、本実施形態に係る磁歪アクチュエータ１０の形状や構造等に限定されるものでなく、例えば、磁歪アクチュエータ１０の出力変位が十分得られる場合等には、超磁歪ロッド１４に代えて磁歪部材からなる磁歪ロッドを適用してもよい。
【００３９】
又、駆動コイル制御部２０は、デジタル回路でもアナログ回路でも構わない。
【００４０】
即ち、本発明に係る磁歪装置は、磁歪部材を備えた略棒状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの軸方向の変位に伴って該軸方向に駆動される変位伝達部と、前記磁歪ロッドの周囲に配設された駆動コイルと、該駆動コイルに供給する駆動電流を制御可能な駆動コイル制御部と、を有してなり、該駆動コイル制御部は、前記磁歪ロッドを前記変位伝達部の最大加速度以下の加速度で変位させるために、前記変位伝達部の最大加速度に基づいて規定される設定値を超えないように前記駆動電流の加速度を制御するように構成されていればよい。
【００４１】
なお、本発明に係る磁歪装置及びその駆動方法の適用範囲は、磁歪アクチュエータに限定されるものではなく、例えば、磁歪振動装置等に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る磁歪アクチュエータの略示側断面図
【図２】図１におけるＣＰＵの内部処理を示すフローチャート
【図３】本発明における信号の加速度の説明図
【図４】シミュレーションによる入力信号と出力信号の関係を示すグラフ
【図５】シミュレーションによる入力信号の加速度の変化を示すグラフ
【図６】従来の磁歪アクチュエータの略示側断面図
【符号の説明】
【００４３】
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３…時間
ＰＩ…入力信号
ＰＯ…出力信号
α、α´…信号の加速度
１、１０…磁歪アクチュエータ
２、１２…ケーシング
３…信号処理部
４…磁界コイル
５…駆動ロッド
６…アクチュエータロッド
７…弾性体
１４…超磁歪ロッド
１６…伝達ロッド
１８…駆動コイル
２０…駆動コイル制御部
２２…ばね
２４…信号入力部
２６…ＣＰＵ
２８…増幅器
【図１】
2005245123.tif 000003
【図２】
2005245123.tif 000004
【図３】
2005245123.tif 000005
【図４】
2005245123.tif 000006
【図５】
2005245123.tif 000007
【図６】
2005245123.tif 000008