(57)【要約】【課題】、超磁歪シャフトに予荷重を加えつつ十分な変位量を確保することが可能な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１０は、ハウジング１１内に設けられた超磁歪シャフト１２と、超磁歪シャフト１２に対して予荷重を与える予荷重スプリング１３と、超磁歪シャフト１２と予荷重スプリング１３との間に設けられた受圧プレート１４と、超磁歪シャフト１２と受圧プレート１４との間に設けられたスペーサ１５と、超磁歪シャフト１２に対して磁界を印加して超磁歪シャフト１２を伸張させるアクチュエートコイル１６と、超磁歪シャフト１２による伸縮に連動して上下動する振動子１７とを備えている。おり、スペーサ１５は、超磁歪シャフト１２の変位量を補間する役割を果たし、受圧プレート１４の底面に形成された凹部１４ａ内に収容されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超磁歪シャフトと、
前記超磁歪シャフトに対して予荷重を与える予荷重付与部材と、
前記超磁歪シャフトの中心軸上であって前記予荷重がかかる範囲内に設けられた少なくとも一つのスペーサと、
前記超磁歪シャフトに対して磁界を印加して前記超磁歪シャフトを伸縮させるアクチュエートコイルとを備えることを特徴とする超磁歪アクチュエータ。
【請求項２】
前記予荷重付与部材は、スプリングと、前記スプリングと前記超磁歪シャフトとの間に設けられ、前記スプリングによる付勢力を前記超磁歪シャフトに伝達する受圧プレートとを備え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】
前記受圧プレートは、前記超磁歪シャフトと略同一の口径を有する凹部を備え、
前記スペーサは、前記受圧プレートの前記凹部に収容されていることを特徴とする請求項２に記載の超磁歪アクチュエータ。
【請求項４】
前記予荷重をＦ１とし、前記スペーサの自重をＦ２とし、前記超磁歪シャフトにおいて前記予荷重Ｆ１と前記スペーサの自重Ｆ２の両方がかかる部分の面積をＳとし、前記超磁歪シャフトのヤング率をＥとするとき、
前記スペーサの高さ寸法Ｘは、Ｘ＝（Ｆ１＋Ｆ２）／ＳＥであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超磁歪アクチュエータ。
【請求項５】
前記スペーサが着脱可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一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、超磁歪アクチュエータに関し、特に、バルブ制御等の高精度な変位量の制御に好適な超磁歪アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超磁歪素子を用いたアクチュエータが知られている。この種のアクチュエータは、磁界の変化によって寸法が伸張するという超磁歪素子の性質を利用してアクチュエータとして構成したものである。一般に、粉末冶金法で形成される超磁歪素子は、引っ張り応力に弱いという性質を有するため、超磁歪素子をアクチュエータとして使用する際は、超磁歪素子の軸方向に圧縮応力（予荷重応力）をかけておく必要がある（特許文献１参照）。これにより、超磁歪素子の破損が防止されるとともに、十分な伸張が可能となり、アクチュエータとしての十分な変位量を確保することができる。
【特許文献１】特表２００４−５０５１９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
粉末冶金法により製造される超磁歪素子は、そのヤング率が２０ＧＰａ程度と比較的小さい。一般に剛体として評価される鉄（Ｆｅ）のヤング率は約２００ＧＰａであり、アルミニウム（Ａｌ）のヤング率は約６９ＧＰａであることから、超磁歪素子のヤング率は非常に小さいことがよく分かる。そのため、超磁歪素子に予荷重応力を加えて磁歪量を大きくしたとしても、超磁歪素子自身の長さが縮んでしまい、本来ならば超磁歪素子と接触すべきはずの部材（例えば、後述する「振動子」等）との間に隙間が生じ、実際には駆動量がほとんど得られないという問題がある。
【０００４】
ここで、予荷重応力による超磁歪素子の変形量がその磁歪量に比べてほんのわずかであり、寸法公差内に収まるものであれば、予荷重応力による超磁歪素子の変形はそれほど問題にならない。しかし、超磁歪素子の変位量は１０００ｐｐｍ程度であるため、超磁歪素子の磁歪変化による磁歪量（伸張量）は予荷重応力による収縮によって生じる隙間に吸収され、見かけ上は磁歪量がほとんどない状態となっていた。つまり、所望の駆動量を確保することができないため、目的とするアクチュエータを実現することができなかった。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、超磁歪素子に予荷重応力を加えつつ十分な駆動量を確保することが可能な超磁歪アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の上記目的は、超磁歪シャフトと、前記超磁歪シャフトに対して予荷重を与える予荷重付与部材と、前記超磁歪シャフトの中心軸上であって前記予荷重がかかる範囲内に設けられた少なくとも一つのスペーサと、前記超磁歪シャフトに対して磁界を印加して前記超磁歪シャフトを伸縮させるアクチュエートコイルとを備えることを特徴とする超磁歪アクチュエータによって達成される。
【０００７】
本発明において、前記予荷重付与部材は、スプリングと、前記スプリングと前記超磁歪シャフトとの間に設けられ、前記スプリングによる付勢力を前記超磁歪シャフトに伝達する受圧プレートとを備えることが好ましい。また、前記受圧プレートは、前記超磁歪シャフトと略同一の口径を有する凹部を備え、前記スペーサは、前記受圧プレートの前記凹部に収容されていることが好ましい。
【０００８】
本発明においては、前記スペーサのヤング率が２００ＧＰａ以上であることが好ましい。これによれば、予荷重によるスペーサの変形を無視することができ、超磁歪シャフトの変形のみを考慮してスペーサの高さ寸法を決定することができるので、スペーサの厚みの選択が極めて容易となる。なお、この場合のスペーサの高さ寸法Ｘは、前記予荷重をＦ１とし、前記スペーサの自重をＦ２とし、前記超磁歪シャフトにおいて前記予荷重Ｆ１と前記スペーサの自重Ｆ２の両方がかかる部分の面積をＳとし、前記超磁歪シャフトのヤング率をＥとするとき、Ｘ＝（Ｆ１＋Ｆ２）／ＳＥとして求めることができる。
【０００９】
本発明においては、前記スペーサが着脱可能に構成されていることが好ましい。これによれば、厚みの異なるスペーサを交換しながら、最終的にはスペーサの最適な厚みを決定することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、超磁歪シャフトと予荷重付与部材との間に、予荷重による変形量に応じた適切な厚みを有するスペーサを設けているので、予荷重による超磁歪シャフトの収縮を補間することができ、アクチュエータとしての十分な駆動量を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
図１は、本発明の好ましい実施形態に係る超磁歪アクチュエータの構成を示す略断面図である。
【００１３】
図１に示すように、超磁歪アクチュエータ１０は、ハウジング１１と、ハウジング１１内に設けられた超磁歪シャフト１２と、超磁歪シャフト１２に対して予荷重を与える予荷重スプリング１３と、超磁歪シャフト１２と予荷重スプリング１３との間に設けられた受圧プレート１４と、超磁歪シャフト１２と受圧プレート１４との間に設けられたスペーサ１５と、超磁歪シャフト１２に対して磁界を印加して超磁歪シャフト１２を伸張させるアクチュエートコイル１６と、超磁歪シャフト１２による伸縮に連動して上下動する振動子１７とを備えている。
【００１４】
超磁歪シャフト１２は、超磁歪材料で構成された略柱状の部材である。超磁歪材料は、外部から応力を加えると透磁率が変化し、外部から磁界を印加すると磁歪量が変化するという特性を有している。本実施形態においては、そのような超磁歪材料の特性を活かして、超磁歪材料を振動子駆動用のアクチュエータとして用いている。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を中心組成とする材料を用いることができる。超磁歪シャフト１２の寸法については、目的とする磁歪量に応じて適宜選択すればよい。例えば１０００ｐｐｍ程度の磁歪量が得られる材料を用いて超磁歪シャフト１２を構成する場合において、１００μｍ程度の伸縮を得たい場合には、超磁歪シャフト１２の長さを１０ｃｍ程度にすればよい。
【００１５】
予荷重スプリング１３は、受圧プレート１４に係合しており、受圧プレート１４及びスペーサ１５を介して超磁歪シャフト１２に予荷重を与えている。受圧プレート１４の底面には、スペーサ１５と略同一の口径を有する凹部１４ａが形成されており、スペーサ１５はこの凹部１４ａ内に収容されている。
【００１６】
受圧プレート１４はその断面が凸状の金属部材であり、その突起部分１４ｂの直径は、予荷重スプリング１３の内径にほぼ等しく設定されており、予荷重スプリング１３を受圧プレート１４に嵌合しやすく構成されている。また、受圧プレート１４の突起部分１４ｂの中央には貫通孔１４ｃが形成されており、貫通孔１４ｃ内には振動子１７の後端部が挿入されている。また、突起部分１４ｂの内部は空洞になっており、その内壁面には吸音材１４ｄが付着されている。この吸音材１４ｄは、振動子１７の後端部がスペーサ１５の上面に衝突したときに発生する衝突音を吸収する役割を果たすものである。
【００１７】
スペーサ１５は、予荷重による超磁歪シャフト１２の変位量を補間する役割を果たすものである。スペーサ１５の材料としては、剛体、つまりヤング率のできるだけ高い材料であることが好ましく、例えば鉄（Ｆｅ）、或いは、鉄を主成分とする合金を用いることができる。スペーサ１５の厚みは、予荷重による超磁歪シャフト１２の変位量に応じて決定すればよく、実際には、厚みの異なるスペーサ１５を予め数種類用意しておき、その中から最適なものを適宜選択すればよい。つまり、スペーサ１５は別途取り付ける補間部材であり、着脱可能な構成を有している。ここで、スペーサ１５の高さ寸法Ｘは、図２に示すように、予荷重スプリング１３により与えられる予荷重をＦ１とし、スペーサ１５の自重をＦ２とし、超磁歪シャフト１２において予荷重Ｆ１及びスペーサ１５の自重Ｆ２の両方がかかる部分の面積をＳとし、超磁歪シャフト１２のヤング率をＥとするとき、Ｘ＝（Ｆ１＋Ｆ２）／ＳＥとして求めることができる。なお、スペーサ１５は、図３（ａ）に示すように、同一の厚みを有する複数枚のスペーサの組み合わせであってもよく、図３（ｂ）に示すように、異なる厚みを有する複数枚のスペーサの組み合わせであってもよい。こうして選択されたスペーサ１５の厚みによっては、図４（ａ）に示すように、スペーサ１５の底面が受圧プレート１４の底面よりも出っ張る場合もあり、図４（ｂ）に示すように、受圧プレート１４の底面よりも引っ込む場合もある。
【００１８】
また、特に限定されるものではないが、スペーサ１５の径は超磁歪シャフト１２の径と略同一であることが好ましい。このようにすれば、スペーサ１５を超磁歪シャフト１２の一部と見なすことができ、超磁歪シャフト１２及びスペーサ１５の位置決めも容易となる。つまり、図４（ｂ）に示したように、選択されたスペーサ１５の厚みが薄い場合には、超磁歪シャフト１２の先端部が受圧プレート１４の凹部１４ａに嵌り込むので、両者の中心軸がずれることがなく、スペーサ１５と超磁歪シャフト１２との面接触も確実となる。以上の構成により、超磁歪シャフト１２の上端面はスペーサ１５に接触し、予荷重スプリング１３からの予荷重応力は、受圧プレート１４及びスペーサ１５を介して超磁歪シャフト１２に加えられる。
【００１９】
アクチュエートコイル１６は、ボビン１６ａに巻回された状態で超磁歪シャフト１２の外周に配置されている。つまり、超磁歪シャフト１２は、アクチュエートコイル１６が巻回されたボビン１６ａの中空部に挿入されている。アクチュエートコイル１６はハウジング１１の底面に設けられた蓋板１１ｅを外して、超磁歪シャフト１２と共に電子部品収容部１１ａ内に収容される。
【００２０】
振動子１７は、超磁歪シャフト１２の伸縮に合わせて上下に移動する部材である。振動子１７の中間部にはフランジ部１７ａが形成されており、このフランジ部１７ａに振動子スプリング１７ｂが係合している。振動子１７はこの振動子スプリング１７ｂによって超磁歪シャフト１２が存在する方向に付勢されている。
【００２１】
振動子１７の後端部は、受圧プレート１４の貫通孔１４ｃに挿入されてスペーサ１５の上面まで達している。ただし、振動子１７の後端部とスペーサ１５の上面とは接触しておらず、両者の間にはわずかな隙間が設けられている。この隙間は、受圧プレート１４の影響を受けることなく、振動子スプリング１７ｂの付勢力だけで振動子１７を確実に閉止できるようにするため、或いは、受圧プレート１４が振動や衝撃によって浮き上がったとしてもこれに連動して振動子が直ちに開いてしまわないようにするために確保されたクリアランスである。また、振動子１７の後端部は、受圧プレート１４の突起部分１４ｂに形成された空洞内に収容され、突起部分１４ｂの内壁面に設けられた吸音材１４ｄに囲まれているため、振動子１７がスペーサ１５の上面に衝突したときに発生する衝突音を低減することができる。
【００２２】
以上の構成において、アクチュエートコイル１６に電流を流して超磁歪シャフト１２に磁界を印加すると、超磁歪シャフト１２が伸張して受圧プレート１４及びスペーサ１５が上方に押し上げられる。これにより、スペーサ１５が振動子１７の後端部に当接し、振動子１７を上方に押し上げるので、振動子１７は上方に移動する。アクチュエートコイル１６への電流供給を停止すると、振動子スプリング１７ｂの付勢力によって振動子１７は元に位置に押し戻される。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態によれば、超磁歪シャフト１２と受圧プレート１４との間に、予荷重による変形量に応じた適切な厚みを有するスペーサ１５を嵌合することにより、予荷重によって短小化した超磁歪シャフト１２と受圧プレート１４との間に生じた隙間を埋めることができ、アクチュエータとしての十分な駆動量を確保することができる。
【００２４】
本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えることが可能であり、これらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。
【００２５】
例えば、上記実施形態においては、スペーサ１５を超磁歪シャフト１２の先端部１２ａ側に配置する場合について説明したが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、例えば、図５に示すように、超磁歪シャフト１２の後端部１２ｂ側にスペーサ１５を配置してもよい。つまり、超磁歪シャフト１２の中心軸上であって、予荷重のかかる範囲内であればどこに配置してもかまわない。さらにまた、上述したように、スペーサ１５の数は一つに限らず、複数であってもよく、複数のスペーサ１５を用いる場合には、それらが一箇所にまとめて配置されていてもよく、複数箇所に分散配置されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態に係る超磁歪アクチュエータ１０の構成を示す略断面図である。
【図２】図２は、スペーサ１５の高さ寸法Ｘの求め方を説明するための模式図である。
【図３】図３は、複数枚のスペーサ１５を組み合わせた場合を示す略断面図であり、図３（ａ）は同一の厚みを有するスペーサ１５の組み合わせ、図３（ｂ）は異なる厚みを有するスペーサ１５の組み合わせについてそれぞれ示すものである。
【図４】図４は、スペーサ１５と受圧プレート１４との位置関係を示す略断面図であり、図４（ａ）は、スペーサ１５の底面が受圧プレート１４の底面よりも出っ張っている場合、図４（ｂ）は、受圧プレート１４の底面よりも引っ込んでいる場合についてそれぞれ示すものである。
【図５】図５は、本発明の他の好ましい実施形態に係る超磁歪アクチュエータ２０の構成を示す略断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０    超磁歪アクチュエータ
１１    ハウジング
１１ａ    電子部品収容部
１１ｅ    蓋板
１２    超磁歪シャフト
１２ａ    超磁歪シャフトの先端部
１２ｂ    超磁歪シャフトの後端部
１３    予荷重スプリング（予荷重付与部材）
１４    受圧プレート
１４ａ    受圧プレートの凹部
１４ｂ    受圧プレートの突起部分
１４ｃ    受圧プレートの貫通孔
１４ｄ    吸音材
１５    スペーサ
１６    アクチュエートコイル
１６ａ    ボビン
１７    振動子
１７ａ    振動子のフランジ部
１７ｂ    振動子スプリング
２０    超磁歪アクチュエータ
【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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