(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性が交番する磁界を発生させるための励磁コイルと、この励磁コイルによる極性が交番する磁界の方向に沿って長さが弾性変化する超磁歪素子とを備え、その長さが弾性変化する方向における超磁歪素子の一端側を伸縮自在にその他端側を保持して構成される超磁歪リニアアクチュエータであって、
支点と一端との間の一端部の長さがその支点と他端との間の他端部の長さよりも短いＬ字状に形成された可動手段を一対備え、これら一対の可動手段の双方の一端部に前記超磁歪素子の一端側が当接しており、前記他端部が前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動に共振し、この可動手段の他端部が出力軸となる
ことを特徴とする超磁歪リニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記励磁コイルへの直流電流の重畳または永久磁石の使用によって動作点を磁気バイアスし、前記励磁コイルへの交番電流の供給により、単一極性内で動作点を中心に磁界の大きさに比例して前記超磁歪素子の長さが前記磁界の方向に沿って伸縮するように弾性変化することを特徴とする請求項１記載の超磁歪リニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動を前記可動手段の固有振動に合わせる周波数の電流を、前記励磁コイルに供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超磁歪リニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極性が交番する磁界を発生させるための励磁コイルと、この励磁コイルによる極性が交番する磁界の方向に沿って長さが弾性変化する超磁歪素子とを備え、その長さが弾性変化する方向における超磁歪素子の一端側を伸縮自在にその他端側を保持して構成される超磁歪リニアアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９に従来の超磁歪リニアアクチュエータの構成図を示し、図１０に図９の超磁歪リニアアクチュエータの動作説明図を示す。
【０００３】
図９において、超磁歪リニアアクチュエータ９は、駆動力を発生させる超磁歪素子１２と、この超磁歪素子１２と接するようにして配置され駆動出力を外部に伝える出力軸９３と、磁気バイアスを超磁歪素子１２に与えるための永久磁石９７と、磁気回路を構成するヨーク９９と、超磁歪素子１２に予荷重を付与する予荷重バネ９６と、起磁力を付与するための励磁コイル１１とにより構成されている。
【０００４】
このような構成の超磁歪リニアアクチュエータ９において、励磁コイル１１に正弦波または矩形波などの交流電流を与えると、図１０に示すようにヨーク９９および超磁歪素子１２で構成される磁路中を通る磁束も交流的に変化する。このとき、超磁歪素子１２に磁歪が生じ、駆動周波数と同じ周波数の微小振動が生じ、この微小振動が振動出力として出力軸９３を通して外部に伝達される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の超磁歪リニアアクチュエータでは、外部に伝達される出力変位は、超磁歪素子の伸縮による変位の振幅そのものであり、最大で超磁歪素子の長さの１０００〜２０００ｐｐｍ程度の微少な振動出力しか取り出すことができない。
【０００６】
弾性変化方向の超磁歪素子の全長が例えば１０ｍｍであるとき、最大の出力変位は１０〜２０μｍ程度であるが、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の出力変位となる超磁歪リニアアクチュエータの開発が望まれる。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、超磁歪素子により駆動される可動体の出力変位をより一層大きくすることができる超磁歪リニアアクチュエータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１記載の発明は、極性が交番する磁界を発生させるための励磁コイルと、この励磁コイルによる極性が交番する磁界の方向に沿って長さが弾性変化する超磁歪素子とを備え、その長さが弾性変化する方向における超磁歪素子の一端側を伸縮自在にその他端側を保持して構成される超磁歪リニアアクチュエータであって、支点と一端との間の一端部の長さがその支点と他端との間の他端部の長さよりも短いＬ字状に形成された可動手段を一対備え、これら一対の可動手段の双方の一端部に前記超磁歪素子の一端側が当接しており、前記他端部が前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動に共振し、この可動手段の他端部が出力軸となることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の超磁歪リニアアクチュエータにおいて、前記励磁コイルへの直流電流の重畳または永久磁石の使用によって動作点を磁気バイアスし、前記励磁コイルへの交番電流の供給により、単一極性内で動作点を中心に磁界の大きさに比例して前記超磁歪素子の長さが前記磁界の方向に沿って伸縮するように弾性変化することを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の超磁歪リニアアクチュエータにおいて、前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動を前記可動手段の固有振動に合わせる周波数の電流を、前記励磁コイルに供給することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る基本構成の超磁歪リニアアクチュエータの構成図であり、この図を参照しながら基本構成について説明する。
【００１６】
基本構成の超磁歪リニアアクチュエータ１は、極性が交番する磁界を発生させるための一対の励磁コイル１１と、これら一対の励磁コイル１１による極性が交番する磁界の方向（図１では上下方向）に沿って長さが弾性変化する一対の超磁歪素子１２と、金属などによりなる剛体である一つの可動体１３とを備え、上述の長さが弾性変化する方向における各超磁歪素子１２の一端側（図では下端側）を伸縮自在にその他端側をハウジングまたはこれに固定される部材（図では１４）に保持して構成される。なお、図１において、１２１は駆動力伝達部材であり、また各励磁コイル１１は、対応する超磁歪素子１２に巻装されている。
【００１７】
可動体１３は、てこの支点１３ａと一端１３ｂとの間の一端部１３１の長さが支点１３ａと他端１３ｃとの間の他端部１３２の長さよりも短く、一端部１３１が超磁歪素子１２の一端側と当接し、他端部１３２が超磁歪素子１２の一端側の伸縮による振動に共振するように構成され、可動体１３の他端部１３２が出力軸となっている。すなわち、基本構成では、可動体１３は、Ｔ字状に形成されて、一端部１３１を一対Ｔ字の頭部に有するとともに他端部１３２を一つＴ字の足部に有し、各一端部１３１に上記各組の超磁歪素子１２の一端側が当接しているのである。なお、支点１３ａは、図略のハウジングまたはこれに固定される部材に完全にまたはある程度の自由度をもって固定される。
【００１８】
また、図１の例では、ハウジングまたはこれに固定される部材（図では１５）に、半球状の予荷重皿バネ１６が一対設けられ、これら一対の予荷重皿バネ１６が、それぞれ一対の超磁歪素子１２の一端側とともに可動体１３の一対の一端部１３１を狭持し、一端部１３１に適切な荷重を加え、可動体１３との接触角度が変動しても駆動力を伝達できるようになっている。
【００１９】
次に、上記構成の超磁歪リニアアクチュエータ１において、一対の励磁コイル１１に正弦波または矩形波などの交流電流を交互に流して、一対の超磁歪素子１２をアクチュエータとして交互に駆動すれば、可動体１３の出力軸がモンキーモーションで駆動することになる。
【００２０】
このような超磁歪リニアアクチュエータ１によれば、可動体１３の他端部１３２の長さが一端部１３１の長さよりも長いために、超磁歪素子１２の一端側の伸縮による変化長よりも可動体１３の他端部１３２の他端１３ｃの変化長のほうが長くなり（てこ機構による変位拡大）、しかも他端部１３２が共振するので、他端１３ｃの変化長がより一層長くなる（可動体の共振系による変位増幅）。これにより、他端１３ｃの変化長が０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度になる超磁歪リニアアクチュエータ１を得ることができた。
【００２１】
なお、図１の例では、励磁コイル１１および超磁歪素子１２が、この一端側を伸縮自在にその他端側を保持した状態で２組並設され、これら２組の励磁コイル１１および超磁歪素子１２の側に他端部１３２がくるように可動体１３が設けられているが、その反対側に他端部１３２がくるように可動体１３が設けられる構成でもよい。
【００２２】
図２は本発明に係る参考例１の超磁歪リニアアクチュエータの構成図であり、この図を参照しながら参考例１について説明する。
【００２３】
参考例１の超磁歪リニアアクチュエータ２は、各超磁歪素子１２の他端側に磁気バイアス用の永久磁石１７をさらに備える以外は基本構成の超磁歪リニアアクチュエータ１と同様に構成されている。
【００２４】
基本構成のように磁気バイアスを加えない場合には、超磁歪素子１２は励磁コイル１１を流れる電流の周波数の２倍の周波数で伸縮するのに対し、参考例１のように永久磁石１７で磁気バイアスを加える場合には、超磁歪素子１２は励磁コイル１１を流れる電流の周波数で伸縮する。
【００２５】
なお、参考例１では、永久磁石１７を用いて磁気バイアスを加える構成になっているが、励磁コイル１１に直流電流を重畳して磁気バイアスを加える構成でもよい。
【００２６】
図３は本発明に係る参考例２の超磁歪リニアアクチュエータの構成図であり、この図を参照しながら参考例２について説明する。なお、基本構成と同様のものには同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２７】
参考例２の超磁歪リニアアクチュエータ３は、励磁コイル１１および超磁歪素子１２を、この一端側を伸縮自在にその他端側をハウジングまたはこれに固定される部材（図では１４）に保持した状態で１組備えているほか、一端部１３１および他端部１３２を一つずつ有するＬ字状に形成された可動体３３を備え、この可動体３３の一端部１３１を、超磁歪素子１２の一端側とハウジングまたはこれに固定される部材（図では３５）に設けられた半球状の予荷重皿バネ１６とで狭持する構成になっている。なお、磁気バイアスを加えない構成でも、あるいは永久磁石または直流電流の重畳によって磁気バイアスを加える構成でもよい。
【００２８】
次に、上記構成の超磁歪リニアアクチュエータ３において、励磁コイル１１に正弦波または矩形波などの交流電流を流して超磁歪素子１２を駆動すれば、一端部１３１および他端部１３２の間の頂角部が支点１３ａとなって可動体３３の出力軸が一端部１３１側の動作点よりも大きく揺動することになる。
【００２９】
このような超磁歪リニアアクチュエータ３によれば、可動体３３の他端部１３２の長さが一端部１３１の長さよりも長いために、超磁歪素子１２の一端側の伸縮による変化長よりも可動体３３の他端部１３２の他端１３ｃの変化長のほうが長くなり、しかも他端部１３２が共振するので、他端１３ｃの変化長がより一層長くなる。この構造では、片側駆動になって重量および推進力のバランスが悪くなるものの、小型および軽量化が可能となる。
【００３０】
図４は本発明に係る実施形態の超磁歪リニアアクチュエータの構成図であり、この図を参照しながら実施形態について説明する。なお、参考例２と同様のものには同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３１】
実施形態の超磁歪リニアアクチュエータ４は、可動体３３を一対備え、これら一対の可動体３３の双方の一端部１３１に超磁歪素子１２の一端側が当接している以外は参考例２の超磁歪リニアアクチュエータ３と同様に構成されている。
【００３２】
このような超磁歪リニアアクチュエータ４によれば、可動体３３の出力軸による推進力は、参考例２のそれの半分になるものの、２つの可動体３３を同時に駆動することができ、しかもミラー対象の駆動により両可動体３３の駆動による振動を相殺することが可能となる。
【００３３】
なお、一対の可動体３３の代わりに、各一端部１３１の一端同士を弾性変形部１３０で連接して一対の可動体３３を一体に形成したような、図５に示すコ字状の可動体３３’を用いる構成でもよい。図５において、支点１３ａおよび部材１４はハウジングに固定される。
【００３４】
図６は本発明に係る参考例３の超磁歪リニアアクチュエータの構成図であり、この図を参照しながら参考例３について説明する。なお、基本構成と同様のものには同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３５】
参考例３の超磁歪リニアアクチュエータ５は、励磁コイル１１と、超磁歪素子１２とを備えているほか、板バネによりなる一対の可動体５３を備え、超磁歪素子１２の一端側（図では左端側）を伸縮自在にその他端側をハウジング１０に連設された部材（図では１４）に保持して構成される。なお、磁気バイアスを加えない構成でも、あるいは永久磁石または直流電流の重畳によって磁気バイアスを加える構成でもよい。
【００３６】
各可動体５３は、支点５３ａと一端５３ｂとの間の一端部５３１の長さが支点５３ａと他端５３ｃとの間の他端部５３２の長さよりも短く、他端部５３２が超磁歪素子１２の一端側の伸縮による振動に共振するように構成され、支点５３ａがハウジング１０に連設された部材（図では５５）に固定されている。そして、一方の可動体５３の一端部５３１は、超磁歪素子１２の一端側と部材５５に設けられた半球状の予荷重皿バネ１６とで狭持されている。また、各可動体５３の他端部５３２間には、可動部１８が設けられている。
【００３７】
次に、上記構成の超磁歪リニアアクチュエータ５において、励磁コイル１１に正弦波または矩形波などの交流電流を流して超磁歪素子１２を駆動すれば、両可動体５３間の可動部１８が往復運動することになる。
【００３８】
このような超磁歪リニアアクチュエータ５によれば、可動体５３の他端部５３２の長さが一端部５３１の長さよりも長いために、超磁歪素子１２の一端側の伸縮による変化長よりも可動体５３の他端部５３２の他端５３ｃの変化長のほうが長くなり、しかも他端部５３２が共振（バネ共振）するので、他端５３ｃの変化長がより一層長くなる。
【００４０】
図７は上記基本構成に対応する第１具体構成の構成図であり、この図を用いて第１具体構成について説明する。
第１具体構成の超磁歪リニアアクチュエータ６は、極性が交番する磁界を発生させるための一対の励磁コイル６１と、これら一対の励磁コイル６１による極性が交番する磁界の方向に沿って長さが弾性変化する一対の超磁歪素子６２と、金属などによりなる剛体である一つの可動体６３とを備え、上述の長さが弾性変化する方向における各超磁歪素子６２の一端側を伸縮自在にその他端側を背面リアクションマス６４に保持して構成される。
【００４１】
この背面リアクションマス６４は、複数本のポール６４１を介してナット６４２によりハウジング６０（一部のみ図示）に固定されている。可動体６３は、センタポール６３１と、この一端にナット６３２により固定される板状部６３３とにより構成され、そのセンタポール６３１のナット６３２側の先端が支点６３ａとなってハウジング６０に形成された孔６０ａに填り込んでいる。なお、図７中の６２１は駆動力伝達部材であり、６６は予荷重皿バネであり、６６１は皿バネ受けである。
【００４２】
ここで、一般的な磁歪素子は、純Ｎｉ，Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｃｏ系合金、ＮｉやＺｎを添加したフェライト（酸化鉄）などの材料を用いて形成され、磁歪により全長の数十ｐｐｍ程度の長さ弾性変化する。これに対して、超磁歪素子は、テルビウム（Ｔｂ）やディスプロシウム（Ｄｙ）などの希土類元素と鉄の合金により成り、磁歪により全長の１０００〜２０００ｐｐｍ程度の長さ弾性変化する。このような超磁歪素子は、米国海軍によって開発され、ＥＴＲＥＭＡ社によって実用化されているＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（Ｔｂ0.3Ｄｙ0.7Ｆｅ1.91）がある。第１具体構成の超磁歪素子６２には、後者の超磁歪素子等が使用される。
【００４３】
また、第１具体構成では、変位拡大の共振系構造として可動体６３の固有振動が利用される。すなわち、可動体６３の支点６３ａをある程度の自由度をもってハウジング６０に固定し、可動体６３、超磁歪素子６２の固有振動、予荷重皿バネ６６のバネ定数および背面リアクションマス６４からなる総合の固有振動数を求め、この固有振動数の半分の周波数の電流を励磁コイル６１に流すのである。これにより、可動体６３の他端部となるセンタポール６３１の固有振動が超磁歪素子６２の一端側の伸縮による振動に合うようになり、可動体６３の共振系による変位増幅が可能となる。
【００４４】
図８は上記参考例１に対応する第２具体構成の構成図であり、この図を用いて第２具体構成について説明する。
【００４５】
第２具体構成の超磁歪リニアアクチュエータ７は、各超磁歪素子６２の他端側に磁気バイアス用の永久磁石６７をさらに備える以外は第１具体構成の超磁歪リニアアクチュエータ６と同様に構成されている。
【００４６】
第２具体構成では、可動体６３、超磁歪素子６２の固有振動、予荷重皿バネ６６のバネ定数および背面リアクションマス６４からなる総合の固有振動数を求め、この固有振動数と同じ周波数の電流を励磁コイル６１に流すのである。これにより、可動体６３の他端部となるセンタポール６３１の固有振動が超磁歪素子６２の一端側の伸縮による振動に合うようになり、可動体６３の共振系による変位増幅が可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、請求項１記載の発明は、極性が交番する磁界を発生させるための励磁コイルと、この励磁コイルによる極性が交番する磁界の方向に沿って長さが弾性変化する超磁歪素子とを備え、その長さが弾性変化する方向における超磁歪素子の一端側を伸縮自在にその他端側を保持して構成される超磁歪リニアアクチュエータであって、支点と一端との間の一端部の長さがその支点と他端との間の他端部の長さよりも短いＬ字状に形成された可動手段を一対備え、これら一対の可動手段の双方の一端部に前記超磁歪素子の一端側が当接しており、前記他端部が前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動に共振し、この可動手段の他端部が出力軸となるので、可動手段の他端部の長さが一端部の長さよりも長いために、超磁歪素子の一端側の伸縮による変化長よりも可動手段の他端部の他端の変化長のほうが長くなり、しかも他端部が共振するので、他端の変化長がより一層長くなる。これにより、超磁歪素子により駆動される可動体の出力変位をより一層大きくすることができる。また、可動手段はＬ字状に形成されているので、小型および軽量化が可能となる。さらに、可動手段を一対備え、これら一対の可動手段の双方の一端部に超磁歪素子の一端側が当接しているので、一対の可動手段を同時に駆動することができ、両可動手段の駆動による振動を相殺することが可能となる。
【００４８】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の超磁歪リニアアクチュエータにおいて、前記励磁コイルへの直流電流の重畳または永久磁石の使用によって動作点を磁気バイアスし、前記励磁コイルへの交番電流の供給により、単一極性内で動作点を中心に磁界の大きさに比例して前記超磁歪素子の長さが前記磁界の方向に沿って伸縮するように弾性変化するのであり、この構成でも、超磁歪素子により駆動される可動体の出力変位をより一層大きくすることができる。
【００５３】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の超磁歪リニアアクチュエータにおいて、前記超磁歪素子の一端側の伸縮による振動を前記可動手段の固有振動に合わせる周波数の電流を、前記励磁コイルに供給するので、可動手段の他端部が超磁歪素子の一端側の伸縮による振動で共振するようになるから、可動手段の他端部の変化長をより一層長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る基本構成の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図２】  本発明に係る参考例１の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図３】  本発明に係る参考例２の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図４】  本発明に係る実施形態の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図５】  別例の可動体の構造図である。
【図６】  本発明に係る参考例３の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図７】  基本構成に対応する第１具体構成の構成図である。
【図８】  参考例１に対応する第２具体構成の構成図である。
【図９】  従来の超磁歪リニアアクチュエータの構成図である。
【図１０】  図９の超磁歪リニアアクチュエータの動作説明図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５，６，７  超磁歪リニアアクチュエータ
１１  励磁コイル
１２  超磁歪素子
１３，３３，５３  可動体
１６  予荷重皿バネ
１７  永久磁石
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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