(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系磁歪材料で構成されるアクチュエータ素子と、該アクチュエータ素子に巻回されるコイルと、該コイルに接続される電源と、前記アクチュエータ素子の基端が底部に固定されるほぼＵ形状をなすベースと、前記アクチュエータ素子の先端に固定されるキャップと、該ベース上にある２本のヒンジと、前記キャップ上にある２本のヒンジと、前記アクチュエータ素子の駆動により発生した変位を拡大する変位拡大手段を具備する変位拡大機構型磁歪アクチュエータであって、前記変位拡大手段を磁気回路の一部として兼用することを特徴とする変位拡大機構型磁歪アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記４本のヒンジは、変位拡大機構の機能を有するだけでなく、閉磁路の透過効率を機械形状で調整することを可能にすることを特徴とする変位拡大機構型磁歪アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記アクチュエータ素子と前記コイルの間にバイアス磁石を配置したことを特徴とする変位拡大機構型磁歪アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記アクチュエータ素子の前記ベースへの固定が溶接によることを特徴とする変位拡大機構型磁歪アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記アクチュエータ素子の前記キャップへの固定が溶接によることを特徴とする変位拡大機構型磁歪アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記ベース及び前記キャップが比透磁率１００を有するステンレス鋼からなり、前記変位拡大手段を磁気回路の一部として兼用することを特徴とする変位拡大機構型磁歪アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記ベース及び前記キャップが機械的強度がヤング率７０ＧＰａのステンレス鋼であることを特徴とする変位拡大機構型磁歪アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記アクチュエータ素子となる磁歪材料に圧縮力の負荷のもとで焼鈍を行うことで、磁歪材料自体に適度な予荷重を内蔵させるようにしたことを特徴とする変位拡大機構型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、鉄系磁歪材料で構成されるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで、本願の発明者らは、積層型圧電アクチュエータを用いた変位拡大機構を提案している（下記特許文献１，非特許文献１参照）。
また、電歪あるいは圧電素子の運動を増幅し駆動する機械的増幅機構が提案されている（下記特許文献２参照）。
圧電アクチュエータ素子は、電気エネルギから機械エネルギに変換する変換効率が高く、現代社会の重要な課題である省エネルギに合致するものである。また、印加する電圧を変えることにより、発生する変位を比較的簡単に可変にすることが可能であり、制御性に大変優れた特徴がある。また、速い電圧変化にも対応可能である。そして、発生した変位は変位拡大機構により２０〜５０倍に拡大することができる。
【特許文献１】特開２００４−０４８９５５号公報
【特許文献２】特開昭６０−０８１５６８号公報
【非特許文献１】「圧電素子変位拡大機構型アクチュエータ“メカトランス”」，（有）メカノトランスフォーマ，矢野  健，八鍬  和夫，徐  世傑，原田  三郎，超音波ＴＥＣＨＮＯ  ２００８，１−２，ｐｐ．７９−８４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、積層型圧電アクチュエータを用いた変位拡大機構は以下のような問題があった。
（１）共振駆動において引っ張り負荷が加わるため、適度な予荷重を変位拡大機構の組立過程で加える必要がある。
（２）使用可能温度範囲が狭い（一般的に−５０℃〜１２０℃であり、上限はキュリー温度で決定される）。
【０００４】
（３）高湿度環境下では使用できない。これを回避するためには、耐湿性のアクチュエータを使用する必要がある。
（４）高電圧（〜１５０Ｖ）で駆動させるための電源が必要である。
（５）作製の面で加工が難しく、小型化が難しい。
（６）積層型圧電アクチュエータの価格が高い。
などの問題がある。
【０００５】
また、積層型圧電アクチュエータが脆弱材料からなるため、加工が難しく、頑健性が低いことから種々の問題が発生する。
本発明は、上記状況に鑑みて、使用可能温度範囲が広く、低い電圧での駆動が可能で、作製が容易な、鉄系磁歪材料で構成されるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータ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】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、鉄系磁歪材料で構成されるアクチュエータ素子と、このアクチュエータ素子に巻回されるコイルと、このコイルに接続される電源と、前記アクチュエータ素子の基端が底部に固定されるほぼＵ形状をなすベースと、前記アクチュエータ素子の先端に固定されるキャップと、このベース上にある２本のヒンジと、前記キャップ上にある２本のヒンジと、前記アクチュエータ素子の駆動により発生した変位を拡大する変位拡大手段を具備する変位拡大機構型磁歪アクチュエータであって、前記変位拡大手段を磁気回路の一部として兼用することを特徴とする。
【０００７】
〔２〕上記〔１〕記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記４本のヒンジは、変位拡大機構の機能を有するだけでなく、閉磁路の透過効率を機械形状で調整することを可能にすることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記アクチュエータ素子と前記コイルの間にバイアス磁石を配置したことを特徴とする。
【０００８】
〔４〕上記〔１〕記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記アクチュエータ素子の前記ベースへの固定が溶接によることを特徴とする。
〔５〕上記〔１〕記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記アクチュエータ素子の前記キャップへの固定が溶接によることを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記ベース及び前記キャップが比透磁率１００を有するステンレス鋼からなり、前記変位拡大手段を磁気回路の一部として兼用することを特徴とする。
【０００９】
〔７〕上記〔１〕記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記ベース及び前記キャップが機械的強度がヤング率７０ＧＰａのステンレス鋼であることを特徴とする。
〔８〕上記〔１〕記載の変位拡大機構型磁歪アクチュエータにおいて、前記アクチュエータ素子となる磁歪材料に圧縮力の負荷のもとで焼鈍を行うことで、磁歪材料自体に適度な予荷重を内蔵させるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）変位拡大機構を磁性材料で構成することにより、鉄系磁歪材料と共に磁気回路が構成できる。
（２）積層型圧電アクチュエータに比べて使用可能温度範囲が広いので、理論的には−２７３℃〜２００℃で利用することが可能である。
【００１１】
（３）予荷重を付与した鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を製作することができるので、共振駆動においても材料の破断、破壊が生じ難い。つまり、機械的強度が大である。
（４）耐湿、耐酸性がある。
（５）コイル駆動により低電圧でかつ小型電源での駆動が可能である。
【００１２】
（６）バイアス磁石を組み込むことで、磁歪曲線の線形域で変位を与えることができる。
（７）従来の積層型圧電アクチュエータよりも小型なものを作製可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の変位拡大機構型磁歪アクチュエータは、鉄系磁歪材料で構成されるアクチュエータ素子と、このアクチュエータ素子に巻回されるコイルと、このコイルに接続される電源と、前記アクチュエータ素子の基端が底部に固定されるほぼＵ形状をなすベースと、前記アクチュエータ素子の先端に固定されるキャップと、このベース上にある２本のヒンジと、前記キャップ上にある２本のヒンジと、前記アクチュエータ素子の駆動により発生した変位を拡大する変位拡大手段を具備する変位拡大機構型磁歪アクチュエータであって、前記変位拡大手段を磁気回路の一部として兼用するようにした。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施を示す鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの構成を示す正面図、図２はその側面断面図である。
これらの図において、１は鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子、２はアクチュエータ素子１に巻回されるコイルであり、このコイル２には電源Ａが接続されている。３はほぼ英文字のＵ形状をなすベースであり、このベース３の底部にアクチュエータ素子１が溶接などにより固定されている。アクチュエータ素子１の他の一端には、アクチュエータ素子１の発生する変位を第２，第４のヒンジ６，８に伝えるためのキャップ４が取り付けられている。
【００１５】
Ｕ形状のベース３の上端の一方には第１のヒンジ５の一端が接合されている。第１のヒンジ５の他端は、ほぼギリシャ文字のΓ形状をなす第１のアーム９の上部内側に接合されている。第１のアーム９の上部内側には第１のヒンジ５と所定の距離を保つ位置に第２のヒンジ６が接合されている。第２のヒンジ６の他端はキャップ４に接合されている。
同様にして、これらと左右対称な構造を持つように、第３のヒンジ７、第２のアーム１０、および第４のヒンジ８が配置されている。第１のアーム９および第２のアーム１０の先端の間には、ハの字を上下逆にした位置関係で第１の板ばね１１および第２の板ばね１２が配置されている。また、第１の板ばね１１と第２の板ばね１２が接合される逆ハの字の先端部分には先端ヘッド１３が接合されている。
【００１６】
鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子１の駆動により変位が発生すると、第１のアーム９および第２のアーム１０は、各々てこ機構として動作し、第１のアーム９と第２のアーム１０の先端間の距離を互いに狭めるように変位する。すると、逆ハの字をなす第１の板ばね１１および第２の板ばね１２は先端ヘッド１３を下方向に突き出すように変位する。
【００１７】
この実施例の場合、変位拡大機構の材料に従来の圧電アクチュエータ素子の場合に使用される機械的強度の大きいステンレス（高抗張力のステンレス）を用いると、磁気抵抗が高く効率が良くない。そこで、変位拡大機構に磁性材料としての高透磁電磁ステンレスを用いて、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子と変位拡大機構により閉磁路を構成し、磁気抵抗を減らすようにしている。つまり、ベース３，キャップ４，第１のヒンジ５〜第４のヒンジ８が磁路となる。このように、変位拡大機構に磁性ヨークの機能を持たせることで、構成部品数を少なく抑えることができ、コンパクトなアクチュエータを構成することができる。
【００１８】
上記したように、本発明の鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータでは、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を駆動する磁気回路の磁気抵抗を低減するために、変位拡大機構に透磁率の高いステンレス鋼を用いるようにすることができる。しかし、透磁率の高いステンレス鋼を用いると機械的強度が犠牲になるという問題点がある。そのため、透磁率が悪くなり多少効率が下がっても、機械的強度の大きいステンレス鋼を用いるようにしてもよい。なお、透磁率の高いステンレス鋼としては、高透磁率電磁ステンレス、機械的強度の大きいステンレス鋼としては、高抗張力のステンレスを使用することが望ましい。
【００１９】
このように構成された鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構は、以下のような特徴を有する。
図３は本発明にかかる鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの動作を示す模式図である。
この図に示すように、コイル２に電圧が印加されると電流が流れ、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子１→ベース３→第１のヒンジ５→第２のヒンジ６→鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子１からなる閉磁路へ磁束φ1 が、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子１→ベース３→第３のヒンジ７→第４のヒンジ８→鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子１からなる閉磁路へ磁束φ2 が生成される。つまり、磁束φ1 ＋φ2 が通ることにより、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子１が駆動される。
【００２０】
図４は本発明にかかる鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する極小型の変位拡大機構型磁歪アクチュエータを示す図面代用の写真、図５はそのアクチュエータ素子への印加電流とアクチュエータ素子の変位の関係を示す図であり、横軸は電流（Ａ）、縦軸は変位（μｍ）を示している。
図４に示されるように、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子１の長さは１０ｍｍと極小型化できる。また、図５に示すように、０．２５Ａの印加電流では変位が見られないが、０．３７Ａにすると、約８μｍの変位が得られ、０．５Ａにすると、約１８μｍの変位が得られ、１．０Ａにすると、約２３μｍの変位が得られる。
【００２１】
図６は本発明の第２実施例を示す鉄系磁歪材料を用いたアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの構成を示す正面図、図７はその側面断面図である。なお、第１実施例と同じ部分には同じ符号を付してその説明は省略する。
これらの図に示すように、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子２１にはコイル２２が巻回されており、その外周に磁気回路を構成する円筒状ヨーク（円筒状ケース）２３を配置するようにしている。つまり、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子２１とコイル２２とその外周に配置される磁気回路を構成する円筒状ヨーク２３とは一体化して、アクチュエータ素子内蔵の駆動ユニット２０として構成されている。
【００２２】
この駆動ユニット２０では、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子２１の両端部２４，２５は露出するようにしておき、この両端部２４，２５をＵ形状のベース３の底部とキャップ４にそれぞれ溶接することにより固定して組み立てることができる。
このように、円筒状ヨーク２３を配置することで閉磁路を構成し、磁気回路の磁気抵抗が低減されたアクチュエータ素子内蔵の駆動ユニットとすることができる。なお、この場合，変位拡大機構に用いる材料には制約がない。
【００２３】
ここで、本発明で用いる鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子について説明する。鉄系磁歪材料としては、ＦｅＧａ，ＦｅＣｏ２Ｖ，ＦｅＡｌなどの鉄系磁歪材料を用いることができるが、なかでも、有望なＦｅＧａについて述べると、組成はＦｅ81.6Ｇａ18.4、磁歪２００ｐｐｍ以上、延性及び加工性は良好であり、比透磁率は１００、ヤング率７０ＧＰａ、熱膨張係数は１１ｐｐｍ／℃、キュリー温度は４００℃以上である。このＦｅＧａ材料を微細加工することにより、圧電材料では実現できない小型で、低電圧駆動、さらに高い温度特性、外力に対する耐性を有したアクチュエータが作製できる。
【００２４】
図８は本発明に用いるＦｅＧａからなるアクチュエータ素子の超精密フライス加工機による切削の様子を示す図、図９はそれにより切削加工されたＦｅＧａからなるアクチュエータ素子を示す図である。
図８に示すような、自由度：Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃ軸、垂直分解能１ｎｍ、最大回転数２００００ｒｐｍの超精密フライス加工機を用いて、０．１ｍｍφのエンドミルによる高速な微細加工が可能であり、図９に示すように、４ｍｍ×４ｍｍの角柱に５．６ｍｍの寸法の格子状の切り込みを入れて、９本の小角柱を形成したアクチュエータ素子を加工することができた。
【００２５】
このように、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子の製作は容易であり、また、その支持体への取り付けも溶接により簡単に行うことができる。
なお、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子として用いるＦｅＧａ合金に応力焼き鈍し処理を行うことにより、磁歪特性を向上させることができる。これは圧縮力の負荷のもとで焼鈍を行うことで、鉄系磁歪材料自体に適度な予荷重を内蔵させるものである。この応力焼き鈍し処理を行わない場合に比べて、ゼロ予荷重下でも、応力異方性効果で、予荷重がなしの場合の予荷重下と同等の磁歪が発生し、更に引張り下においてもその変位を維持する。この特性は、予荷重の付加が難しく、共振駆動で、慣性力や衝撃が大きく作用する変位拡大アクチュエータ素子の性能向上に大いに有効である。
【００２６】
図１０は本発明の第３実施例を示す鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの構成を示す正面図、図１１はその鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータにバイアス磁石としての永久磁石を用いたことによる作用効果を示す図である。なお、第１実施例と同じ部分には同じ符号を付して、その説明は省略する。
【００２７】
この実施例では、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子３１の外周にバイアス磁石としての円筒状の永久磁石３２を配置し、その永久磁石３２の外周にコイル３３を配置する。それ以外の変位拡大手段は、第１実施例と同様である。
コイル３３の励磁により鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子３１と円筒状の永久磁石３２により閉磁路が構成される。この場合、変位拡大機構とは関係なく短い経路で閉磁路が構成される。また、変位拡大機構の材料に特に制約はなく、磁性材料の場合に利用される高抗張力のステンレスが変位拡大機構として使用できる。
【００２８】
この第３実施例では、永久磁石３２の発生するバイアス磁束により鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子３１は適度に磁化し、磁歪が発生している。よって、正負の電流により正負の磁歪が発生し、図１１に示すように、効率よく磁歪曲線の線形域の変化を利用できる。一般に磁歪はバタフライ曲線で変位する。つまり電流の正負に関わらず正の歪みのみを発生する。永久磁石によるバイアスを加えることにより、正負の電流で正負の歪みを発生させることができる。
【００２９】
また、上記実施例に代えて、以下に示すような変位拡大機構とするようにしてもよい。この実施例は長さ方向に変位拡大機構を配置することが許容できる場合に有利である。
図１２は本発明の第４実施例を示す鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの構成を示す正面図である。
この図において、４１は鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子、４２はアクチュエータ素子４１に巻回されるコイルである。磁歪材料からなるアクチュエータ素子４１は、ほぼＵ形状をなすベース４３の底部に固定されている。この鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子４１の他の一端には、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子４１の駆動により発生する変位を第２，第４のヒンジ４７，５０に伝えるためのキャップ４４が取り付けられている。
【００３０】
ベース４３の上端の一方には第１のヒンジ４５の一端が接合され、この第１のヒンジ４５の他端はほぼ直線状の第１のアーム４６の下端に接合されている。この第１のアーム４６には、第１のヒンジ４５と所定の距離を保つ位置に第２のヒンジ４７の一端が接合され、この第２のヒンジ４７の他端はキャップ４４に接合されている。
同様にして、これらと左右対称な構造を持つように、第３のヒンジ４８、第２のアーム４９、第４のヒンジ５０が接合されている。第１のアーム４６および第２のアーム４９の上端の間には、ハの字を逆にした位置関係で第１の板ばね５１および第２の板ばね５２が配置されている。また、第１の板ばね５１と第２の板ばね５２が結合される逆ハの字の先端部分には先端ヘッド５３が接合されている。
【００３１】
そこで、鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子４１の駆動により変位が発生すると、第１のアーム４６および第２のアーム４９は、各々てこ機構として動作し、第１のアーム４６と第２のアーム４９の上端間の距離を拡大するように互いに変位する。すると、逆ハの字をなす第１の板ばね５１および第２の板ばね５２はその位置関係が平らになる方向に変形し、結果的にセンターピース５３を押し上げるように変位するので、この場合に発生する変位は直線運動になる。各部分の変位を図中では矢印で示した。
【００３２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の変位拡大機構型磁歪アクチュエータは、予荷重を加えることができ、使用可能温度範囲が広く、低い電圧での駆動ができ、かつ作製が容易な変位拡大機構型磁歪アクチュエータとして利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施例を示す鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの構成を示す正面図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの構成を示す側面断面図である。
【図３】本発明にかかる鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの動作を示す模式図である。
【図４】本発明にかかる鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する極小型の変位拡大機構型磁歪アクチュエータを示す図面代用の写真である。
【図５】本発明にかかる鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子への印加電流とアクチュエータ素子の変位の関係を示す図である。
【図６】本発明の第２実施例を示す鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの構成を示す正面図である。
【図７】本発明の第２実施例を示す鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの構成を示す側面断面図である。
【図８】本発明に用いるＦｅＧａからなるアクチュエータ素子の超精密フライス加工機による切削の様子を示す図である。
【図９】本発明に用いる切削加工されたＦｅＧａからなるアクチュエータ素子を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施例を示す鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの構成を示す正面図である。
【図１１】本発明の第３実施例を示す鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータに永久磁石（バイアス磁石）を用いたことによる作用効果を示す図である。
【図１２】本発明の第４実施例を示す鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子を有する変位拡大機構型磁歪アクチュエータの構成を示す正面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１，２１，３１，４１    鉄系磁歪材料からなるアクチュエータ素子
２，２２，３３，４２    コイル
Ａ    電源
３，４３    ベース
４，４４    キャップ
５，４５    第１のヒンジ
６，４７    第２のヒンジ
７，４８    第３のヒンジ
８，５０    第４のヒンジ
９，４６    第１のアーム
１０，４９    第２のアーム
１１，５１    第１の板ばね
１２，５２    第２の板ばね
１３，５３    先端ヘッド
２０    アクチュエータ素子内蔵の駆動ユニット
２３    円筒状ヨーク（円筒状ケース）
２４，２５    アクチュエータ素子の両端部
３２    バイアス磁石（永久磁石）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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【図１２】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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