(57)【要約】【課題】超磁歪素子の変位を拡大してシャフトにまで伝達することで該シャフトを軸方向に往復駆動させるアクチュエータを、全体に細長でコンパクトなものとして提供する。【解決手段】シャフト１の一端側を軸方向に往復動自在に嵌入させる筒状のケース２と、ケース２内に収納固定される細長形状の超磁歪素子４と、超磁歪素子４内を通過する外部磁束を発生させる磁束発生部１１と、超磁歪素子４に生じる軸方向の変位を拡大してシャフト１に伝達する変位拡大機構１２とを備えるアクチュエータであって、上記変位拡大機構１２を、その中央部に超磁歪素子４の軸方向一端部が接続されて該接続点が力点を成す板バネ体１３と、板バネ体１３の作用点を成す両端部１３ｃ，１３ｄとシャフト１とを接続させる連結体１４と、板バネ体１３の上記両端部１３ｃ，１３ｄと上記中央部とを結ぶ線上の部分に接続されて該接続点が支点を成す一対の支持体１５とで形成したものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトと、シャフトの一端側を軸方向に往復動自在に嵌入させる筒状のケースと、ケース内に収納固定される細長形状の超磁歪素子と、超磁歪素子内を通過する外部磁束を発生させる磁束発生部と、超磁歪素子に生じる軸方向の変位を拡大してシャフトに伝達する変位拡大機構とを備えるアクチュエータであって、上記変位拡大機構を、その中央部に超磁歪素子の軸方向一端部が接続されて該接続点が力点を成す板バネ体と、板バネ体の作用点を成す両端部とシャフトとを接続させる連結体と、板バネ体の上記両端部と上記中央部とを結ぶ線上の部分に接続されて該接続点が支点を成す一対の支持体とで形成することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
上記磁束発生部が、超磁歪素子の周囲に配されるコイルと、超磁歪素子及びコイルを収納するとともに該超磁歪素子の軸方向一端部の軸方向近傍に貫通穴を設けてある箱型のヨークと、上記ヨークの貫通穴内において超磁歪素子の軸方向に移動自在に配される可動ヨークとで形成され、且つ上記可動ヨークは、該超磁歪素子の軸方向一端部と板バネ体との間に介在して両者を接続させるとともに、超磁歪素子の軸方向両端をつなぐ磁束を上記ヨークと共に形成するものであることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
超磁歪素子に任意の予荷重を与える加圧機構を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超磁歪素子を用いてシャフトを軸方向に往復駆動させるアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超磁歪素子を用いたアクチュエータが知られている。上記超磁歪素子は外部から磁界を加えると寸法が変化する性質を有するものであるが、ここでの歪率は１０００ｐｐｍ程度とやはり小さいので、この歪変位を拡大して実用的な変位を得るために変位拡大機構を備えることが提案されている（特許文献１参照）。上記従来の変位拡大機構は、細長形状を成す超磁歪素子の軸方向両端に生じる変位を、該超磁歪素子の側方に配してある弓形弾性部材の変位として拡大して取り出す構成である。
【０００３】
ここで、上記変位拡大機構にあっては弓形弾性部材を介して拡大出力される変位方向が超磁歪素子の軸方向と直交する構成になっている。したがって、この構成を用いてシャフトを軸方向に往復駆動させようとする場合、超磁歪素子はシャフトの往復方向と直交方向に配置する必要がある。つまりこの場合、超磁歪素子を収納するケースは必然的に大径なものとなり、全体に細長でコンパクトなアクチュエータとして提供することは非常に困難である。
【特許文献１】特開平７−２３６２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みて発明したものであって、超磁歪素子の変位を拡大してシャフトにまで伝達することで該シャフトを軸方向に往復駆動させるアクチュエータを、全体に細長でコンパクトなものとして提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために本発明を、シャフト１と、シャフト１の一端側を軸方向に往復動自在に嵌入させる筒状のケース２と、ケース２内に収納固定される細長形状の超磁歪素子４と、超磁歪素子４内を通過する外部磁束（磁力線）を発生させる磁束発生部１１と、超磁歪素子４に生じる軸方向の変位を拡大してシャフト１に伝達する変位拡大機構１２とを備えるアクチュエータであって、上記変位拡大機構１２を、その中央部に超磁歪素子４の軸方向一端部が接続されて該接続点が力点を成す板バネ体１３と、板バネ体１３の作用点を成す両端部１３ｃ，１３ｄとシャフト１とを接続させる連結体１４と、板バネ体１３の上記両端部１３ｃ，１３ｄと上記中央部とを結ぶ線上の部分に接続されて該接続点が支点を成す一対の支持体１５とで形成したものとする。
【０００６】
このようにすることで、超磁歪素子４の軸方向変位を変位拡大機構１２により拡大してシャフト１にまで伝達し、シャフト１を軸方向に往復駆動させることができる。しかも上記変位拡大機構１２は、これと超磁歪素子４とシャフト１とを同軸上に連結させることのできる構成であり、且つ上記変位拡大機構１２自体がコンパクトな構成であるから、アクチュエータは全体として細長でコンパクトなものになる。
【０００７】
また上記構成のアクチュエータにあっては、上記磁束発生部１１が、超磁歪素子４の周囲に配されるコイル１０と、超磁歪素子４及びコイル１０を収納するとともに該超磁歪素子４の軸方向一端部の軸方向近傍に貫通穴８を設けてある箱型のヨーク５と、上記ヨーク５の貫通穴８内において超磁歪素子４の軸方向に移動自在に配される可動ヨーク９とで形成され、且つ上記可動ヨーク９は、該超磁歪素子４の軸方向一端部と板バネ体１３との間に介在して両者４，１３を接続させるとともに、超磁歪素子４の軸方向両端をつなぐ磁束を上記ヨーク５と共に形成するものであることが好適である。
【０００８】
このようにすることで、超磁歪素子４を通過する磁束量を多くして該超磁歪素子４に生じる軸方向変位を増大させることが可能である。
【０００９】
また、上記超磁歪素子４に任意の予荷重を与える加圧機構１７を備えることも好適である。これによれば、加圧機構１７を操作して超磁歪素子４に与える予荷重を変更するだけでシャフト１の往復振幅を調整することが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、超磁歪素子の変位を拡大してシャフトにまで伝達することで該シャフトを軸方向に往復駆動させるアクチュエータを、全体に細長でコンパクトなものとして提供することができるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１には本発明の実施形態における一例のアクチュエータを示している。本例のアクチュエータは、細長円柱状のシャフト１と、このシャフト１の軸方向一端側を嵌入させる筒状のケース２とを備えている。上記ケース２は有底円筒状を成すとともにその底壁２ａの中央部に開口３を設け、この開口３内にベアリング２０を介してシャフト１を嵌入させている。
【００１２】
ケース２の開口３を設けてある側とは反対側の軸方向半部には、超磁歪素子４を内蔵した箱型のヨーク５を収納している。上記ヨーク５は、磁性材料（本例では鉄）を用いて軸方向両側に底壁５ａ，５ｂを有する箱型に形成したものであり、超磁歪素子４を該ヨーク５と中心軸が一致するように内蔵させている。
【００１３】
ヨーク５内において、細長円柱状を成す超磁歪素子４の径方向の周囲部分には超磁歪ケース６を被覆させるとともに、超磁歪素子４の軸方向両端部にはそれぞれ該超磁歪素子４と同一断面形状の磁石７ａ，７ｂを配している。上記一対の磁石７ａ，７ｂのうちシャフト１から離れた側の磁石７ｂは、ヨーク５の一方の底壁５ｂと当接して固定されている。またヨーク５の他方の底壁５ａには、超磁歪素子４の軸方向一端部の軸方向近傍となる部分に貫通穴８を形成してあり、該貫通穴８内にはヨーク５と同様の磁性材料から成る可動ヨーク９を嵌入させている。上記可動ヨーク９は磁石７ａを介して超磁歪素子４の軸方向一端部に接続され、超磁歪素子４の軸方向変位に応じて軸方向に移動自在となっている。
【００１４】
またヨーク５内において、超磁歪素子４の径方向の周囲部分には更に超磁歪ケース６を介してコイル１０を巻回している。即ち、箱型を成すヨーク５内の中央に細長形状の超磁歪素子４を収納固定し、その周囲にコイル１０を配した構造である。そして上記のコイル１０とヨーク５と可動ヨーク９とで磁束発生部１１の主体を形成し、ここで発生させた外部磁束が超磁歪素子４内を軸方向に通過するようにしている。
【００１５】
ケース２内において、シャフト１嵌入用の開口３が形成される底壁２ａと、超磁歪素子４を内蔵するヨーク５との間に形成される空間部Ｓには、超磁歪素子４に生じる軸方向変位を拡大してシャフト１にまで伝達する変位拡大機構１２を収納している。上記変位拡大機構１２は、超磁歪素子４の軸方向変位により弾性変形を生じる板バネ体１３と、弾性変形時の板バネ体１３の変位をシャフト１に伝達する連結体１４と、この板バネ体１３を弾性変形可能に支持する支持体１５とで形成されている。
【００１６】
上記板バネ体１３は、その平板面１３ａ，１３ｂが超磁歪素子４の軸方向と直交するように配置されるものであって、一方の平板面１３ｂの中央部に、可動ヨーク９に装着してある押え部材１６が押圧されるようになっている。
【００１７】
上記連結体１４は、上記板バネ体１３の両端部１３ｃ，１３ｄにそれぞれ固定される一対の脚部１４ａ，１４ｂと、両脚部１４ａ，１４ｂを繋ぐとともにシャフト１の軸方向端部が嵌入固定される胴部１４ｃとで主体を成すものである。そしてこの連結体１４によって板バネ体１３の両端部１３ｃ，１３ｄとシャフト１の軸方向端部とが、軸方向に一体に移動するようになっている。
【００１８】
上記支持体１５は、上記板バネ体１３の両側の平板面１３ａ，１３ｂのうち、押え部材１６が接触する側の平板面１３ｂの裏面側となる平板面１３ａに対して接触するものである。この支持体１５はケース２の底壁２ａ内面に取付固定される取付部１５ａと、該取付部１５ａから延設される一対の支持突部１５ｂ，１５ｃとで主体を成す。そして上記一対の支持突部１５ｂ，１５ｃの各先端が、板バネ体１３の各端部１３ｃ，１３ｄと中央部とを結ぶ線上の部分にそれぞれ押圧されるようになっている。
【００１９】
上記構成から成る変位拡大機構１２にあっては、板バネ体１３の中央部において超磁歪素子４の軸方向一端部が押え部材１６を介して接続される点が力点を成す。また板バネ体１３の上記中央部を挟む両端部１３ｃ，１３ｄが作用点を成し、板バネ体１３の上記中央部と各端部１３ｃ，１３ｄとを結ぶ線上であって支持体１５が接続される点が支点を成すものである。
【００２０】
変位拡大機構１２における変位の増幅率は、図２に示す如く略一直線上に位置する上記の力点、支点、作用点の配置に依存するものである。力点〜支点間の距離：支点〜作用点間の距離＝ａ：ａ′（ａ＜ａ′）としたとき、支点の位置をずらす等してこのａ：ａ′の比率を変更することで、増幅率は調整可能である。
【００２１】
しかして、上記アクチュエータにおいてヨーク５内のコイル１０に交番電流を通電させると、超磁歪素子４内を軸方向に通過する磁束がその向きを周期的に入れ替えるような交番磁界が発生する。これにより超磁歪素子４は軸方向において周期的な伸縮動作を生じ、この伸縮動作が磁石７ａ、可動ヨーク９、押え部材１６を介して板バネ体１３中央部の上記力点にまで伝達され、上記支点により支持されて撓む板バネ体１３の作用点を成す両端部１３ｃ，１３ｄが軸方向に変位し、この軸方向変位が連結体１４を通じてシャフト１にまで伝達される。このとき超磁歪素子４の軸方向変位は上記の変位拡大機構１２を介して拡大されたうえでシャフト１にまで伝達され、これによりシャフト１は軸方向に往復駆動されるものである。
【００２２】
また、超磁歪素子４により生じる上記往復振動の振動数を板バネ体１３の固有振動数と一致させることで、シャフト１で得られる振幅を更に増大させることが可能である。
【００２３】
ここで上記可動ヨーク９は、超磁歪素子４の軸方向一端部と板バネ体１３との間に介在して両者４，１３を変位伝達可能に接続させると同時に、該超磁歪素子４の軸方向両端をつなぐ磁束をヨーク５と共に形成する役割を為すものである。したがって図３に示すように可動ヨーク９の軸方向の厚みは、超磁歪素子４の歪縮時であってもヨーク５との間にギャップが生じないよう、ヨーク５の底壁５ａの厚みより大きな寸法に形成してある。図４には超磁歪素子４の歪縮時に可動ヨーク９とヨーク５との間にギャップが生じる場合の例を示している。図示の如く、超磁歪素子４の無変位時に可動ヨーク９がヨーク５の底壁５ａ外面と面一になるようでは超磁歪素子４の歪縮時に上記ギャップが生じる。したがって図３の如く超磁歪素子４の無変位時には可動ヨーク９がヨーク５から突出するよう、可動ヨーク９を厚めに形成しておくことが好適である。
【００２４】
このように上記アクチュエータは、細長形状を有する超磁歪素子４の軸方向変位を上記変位拡大機構１２を通じて軸方向に伝達し、これによりシャフト１を軸方向に往復駆動する構成である。この超磁歪素子４と変位拡大機構１２とシャフト１とは同軸上に連結される構成であり、且つ上記変位拡大機構１２は板バネ体１３上に力点、支点、作用点を形成するコンパクトな構成であるから、アクチュエータ全体が細長でコンパクトなものとして提供可能になっている。
【００２５】
次に、本発明の実施形態における他例のアクチュエータについて図５、図６に基づいて説明する。なお、本例の構成のうち既述した一例と同様の構成については詳しい説明を省略し、一例とは相違する特徴的な構成についてのみ異符号を付して以下に詳述する。
【００２６】
本例のアクチュエータにあっては、超磁歪素子４を収容する箱型のヨーク５に、該超磁歪素子４に任意の予荷重を付与することが可能な加圧機構１７を備えている。上記ヨーク５はその底壁５ｂ外面が露出するようにケース２に収められるものであり、この底壁５ｂの中央部であって超磁歪素子４の軸方向端部と軸方向に近接する個所に、上記加圧機構１７を形成している。
【００２７】
上記加圧機構１７は、ヨーク５の底壁５ｂの中央部に軸方向に貫設してあるネジ穴１８と、このネジ穴１８内に螺合される磁性材料製のネジ部材１９とから成る。上記ネジ部材１９は、磁石７ｂ等を介して超磁歪素子４の軸方向一端部に接続させてあり、上記ネジ部材１９を外部から回動操作すれば該ネジ部材１９が軸方向に進退することで、超磁歪素子４に付与する予荷重が自在に変更される構造になっている。
【００２８】
図６に示すように超磁歪素子４は、同一磁界に対して生じる磁歪量が予荷重の与え方により変化する特性を有している。したがってネジ部材１９を外部から回動操作するだけで、超磁歪素子４の軸方向の変位量ひいてはシャフト１の軸方向往復動の振幅が変更自在である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態における一例のアクチュエータの概略断面図である。
【図２】同上のアクチュエータ内の変位拡大機構を示す説明図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は同上のアクチュエータ内の磁束発生部を示す説明図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は同上の磁束発生部の比較例を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態における他例のアクチュエータ内の加圧機構を示す説明図である。
【図６】与荷重を考慮した超磁歪素子の磁界−磁歪量特性を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  シャフト
２  ケース
４  超磁歪素子
５  ヨーク
８  貫通穴
９  可動ヨーク
１０  コイル
１１  磁束発生部
１２  変位拡大機構
１３  板バネ体
１３ｃ  端部
１３ｄ  端部
１４  連結体
１５  支持体
１７  加圧機構
【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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【図６】
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