JPH0715053A - 磁歪アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アクチュエータの出力損失が小さく、かつ、
予荷重発生手段によっても大型化しない、磁歪アクチュ
エータを提供すること。 【構成】 変位発生手段たる磁歪を有する棒状の磁性体
１１と、この磁性体１１に制御磁界を印加するために、
磁性体１１の周囲に配置される磁界発生手段たるソレノ
イドコイル１２と、前記磁性体１１の一端に連結される
磁歪アクチュエータの変位出力を伝達する可動部材たる
駆動ロッド１３と、前記磁性体の他端に連結される固定
盤１４と、この固定盤１４に取り付けられ、前記ソレノ
イドコイル１２を囲むように配置される筒状ケース１５
等から構成され、駆動ロッド１３と筒状ケース１５と
は、可撓性を有する連結部材１７により連結されている
ことを特徴とする磁歪アクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁界の印加により磁歪
を生じる磁性体を備えた磁歪アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】振動や変位発生用のアクチュエータとし
ては、従来から圧電材料を変位発生素子とし、この変位
発生素子に制御電圧を印加することにより振動及び変位
を発生させるようにした圧電アクチュエータが知られて
いる。また、スピーカの原理を用いた電磁アクチュエー
タや磁性体の磁歪現象を用いた磁歪アクチュエータも一
般に知られている。

【０００３】前記振動や変位発生用のアクチュエータに
おいては、小型で高出力、即ち、より大きい変位量及び
力が発生できるアクチュエータの開発が望まれている。
前記磁歪アクチュエータを構成する磁性体としては、従
来よりＮｉ系合金、Ｆｅ−Ａｌ系合金、フェライト系合
金が主に用いられている。また、最近では、前記磁性体
に比べて１桁以上大きな変位の発生が可能な希土類金属
−遷移金属系超磁歪合金の開発も報告れている。

【０００４】前記磁歪アクチュエータは、一般に前記磁
性体に制御電界を印加する手段を備えた構成になってい
る。前記磁界印加手段としては、制御電流の供給により
容易に磁界を制御することが可能な電磁石などを用いた
磁気回路が主に用いられる。

【０００５】図１１に、従来の磁歪アクチュエータの一
例として、小型ポンプやパネルスピーカーとして使用可
能な振動子の概略断面図を示す。この振動子は、超磁歪
合金からなる棒状の磁性体１と、この磁性体１に制御磁
界を印加するために磁性体１の周囲に配置されるソレノ
イドコイル２と、前記磁性体１の両端にそれぞれ連結さ
れる駆動ロッド３及び固定盤４と、この固定盤４に取り
付けられ、前記ソレノイドコイル２を囲むように配置さ
れる筒状ケース５等から構成されている。駆動ロッド３
は筒状ケース５の一端に取り付けられている貫通板６に
設けられた軸受７を貫通して外部に露出し、磁性体１の
変形（磁歪）を磁歪アクチュエータの変位出力として取
り出すようになっている。なお、上記した磁性体１、駆
動ロッド３、貫通板６、筒状ケース５、及び固定盤４に
より、ソレノイドコイル２が発生する制御磁界の閉磁気
回路が構成されている。固定盤４には永久磁石８が取り
付けられ、この永久磁石８によって磁性体１に予めバイ
アス磁界が与えられる。また、貫通板６と駆動ロッド３
のフランジ９との間には、皿ばねやコイルばね、あるい
はゴムなどで構成される予荷重ばね１０が挟み込まれ、
これにより、磁性体１に予荷重が加えられ、初期変位が
付与される。

【０００６】かかる構成を有する磁歪アクチュエータに
おいては、変位発生手段である磁歪を有する磁性体１に
連結される駆動ロッド３を、軸受７で支持しているた
め、軸受７のすべり面における摩擦によってアクチュエ
ータの出力損失が大きくなる問題があった。

【０００７】また、ソレノイドコイル２および永久磁石
８による制御磁界やバイアス磁界は、駆動ロッド３と軸
受７との間、あるいは軸受７を設置しない場合には駆動
ロッド３と筒状ケース５との間にギャップが存在してい
るために、上記した磁歪アクチュエータのように筒状ケ
ース５を用いた閉磁気回路により磁界発生手段を囲むよ
うな構成とした場合、該ギャップ部において磁気回路が
切断されるため、磁気回路の効率が低下し、アクチュエ
ータの出力損出の原因となっていた。また、該ギャップ
部において漏洩磁界が発生するため、このアクチュエー
タを電子機器等に用いた場合に、機器の誤動作の原因と
なるといった問題もあった。

【０００８】さらに、磁歪を有する磁性体１に予荷重を
与える手段として、たとえば皿ばねを用いた場合、皿ば
ねの合わせ面や固定面で摩擦が生じること、また、これ
をゴムとした場合は、ばね特性が非線形挙動を示すこと
等によってアクチュエータの出力損失が大きくなる問題
があった。また、皿ばね、コイルばねやゴムなどを用い
た予荷重発生手段をアクチュエータの内部に構成する
と、アクチュエータの全体構造が大きくなる問題があっ
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の磁歪アクチュエータにおいては、出力損出やアクチュ
エータ自体の大型化等の種々の問題があった。本発明
は、上記事情に鑑みてなされたものであり、アクチュエ
ータの出力損失が小さく、かつ、予荷重発生手段によっ
ても大型化しない、磁歪アクチュエータを提供すること
をも目的とする。また、本発明は、効率の良い閉磁気回
路を構成し、かつ漏洩磁界の少ない磁歪アクチュエータ
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、磁歪を有する磁性体からなる変位発生
手段と、この変位発生手段に接続され該変位発生手段の
変位方向に移動可能な可動部材と、前記変位発生手段の
周囲に配設され該変位発生手段に磁界を印加する磁界発
生手段と、前記変位発生手段と前記磁界発生手段を収納
し閉磁気回路を構成する磁気回路構成部材とを具備して
なる磁歪アクチュエータにおいて、前記可動部材と前記
磁気回路構成部材とを連結する可撓性を有する連結部材
を有すること特徴とする磁歪アクチュエータ、及び前記
連結部材を予め変形させることにより前記変位発生手段
に予荷重が加えられてなることを特徴とする前記磁歪ア
クチュエータを提供する。

【００１１】一方、磁歪を有する磁性体からなる変位発
生手段と、この変位発生手段に接続され該変位発生手段
の変位方向に移動可能な可動部材と、前記変位発生手段
の周囲に配設され該変位発生手段に磁界を印加する磁界
発生手段と、前記変位発生手段と前記磁界発生手段を収
納し閉磁気回路を構成する磁気回路構成部材とを具備し
てなる磁歪アクチュエータにおいて、前記可動部材と前
記磁気回路構成部材とを連結するため、前記変位発生手
段の変位方向に対して並列に設けられる可撓性を有する
複数の連結部材と、これら複数の連結部材間に形成され
る領域のうち、少なくとも一箇所に封入される磁性流体
とを具備すること特徴とする磁歪アクチュエータ、及び
前記連結部材を予め変形させることにより前記変位発生
手段に予荷重が加えられてなることを特徴とする前記磁
歪アクチュエータをも併せて提供する。

【００１２】

【作用】上記したような構成を有する本発明によれば、
変位発生手段に接続される可動部材と、変位発生手段及
び磁界発生手段を収納し閉磁気回路を構成する磁気回路
構成部材とを連結する可撓性を有する連結部材を設ける
ことにより、従来問題となっていた可動部材とそれを支
持する軸受との間の摩擦の問題がなくなるとともに、可
動部材と磁気回路構成部材の間にギャップが存在しなく
なるため、磁気回路が切断されることがなく、効率の良
い閉磁気回路を磁性体を中心に構成することが可能とな
る。

【００１３】また、前記連結部材を予め変形させ、変位
発生手段に予荷重を加える構成とすることにより、予荷
重発生手段を磁歪アクチュエータの閉磁気回路を構成す
るケーシングの一部として構成できるので、予荷重発生
手段を新たに設置するための独立したスペースを必要と
せず、磁歪アクチュエータの小型化を図ることができ
る。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例について、図面を参照しつつ
詳細に説明する。図１は、本発明に係る磁歪アクチュエ
ータの第１実施例を示す概略断面図でる。本実施例は、
変位発生手段たる磁歪を有する棒状の磁性体１１と、こ
の磁性体１１に制御磁界を印加するために、磁性体１１
の周囲に配置される磁界発生手段たるソレノイドコイル
１２と、前記磁性体１１の一端に連結される磁歪アクチ
ュエータの変位出力を伝達する可動部材たる駆動ロッド
１３と、前記磁性体の他端に連結される固定盤１４と、
この固定盤１４に取り付けられ、前記ソレノイドコイル
１２を囲むように配置される筒状ケース１５等から構成
されている。固定盤１４には永久磁石１６が取り付けら
れ、磁性体１１にバイアス磁界を印加している。なお、
この永久磁石１６は特に設けなくても良い。駆動ロッド
１３と筒状ケース１５とは、可撓性を有する連結部材１
７により連結されている。この連結部材１７は、磁歪ア
クチュエータの駆動方向に関して柔で、同方向に直行す
る方向に関して剛となるように、駆動ロッド１３及び筒
状ケース１５に接続されている。ここで、連結部材１７
の板厚は、磁歪アクチュエータの駆動方向に関する連結
部材１７のばね剛性が、同方向に関する磁性体１１のば
ね剛性より十分に柔となるように設定される。即ち、磁
歪アクチュエータの駆動時に連結部材１７が磁性体１１
の変位出力に影響を与えない構造となっている。

【００１５】本実施例によれば、従来問題となっていた
駆動ロッド１３とそれを支持する軸受との間の摩擦の問
題がない。また、駆動ロッド１３と筒状ケース１５との
間にギャップが存在しないため、磁気回路が切断される
ことがなく、効率の良い閉磁気回路を磁性体１１を中心
に構成することができる。したがって、磁歪アクチュエ
ータの変位出力の損失を大幅に低減することが可能とな
る。また、磁歪アクチュエータ外部への漏洩磁界を減少
させることができるため、磁歪アクチュエータを電子機
器等に搭載した際にも、機器が誤動作するおそれがなく
なる。

【００１６】一方、図示しないが、バイアス磁界を印加
する永久磁石１６を磁性体１１の両側に取付けた場合で
も同様な効果が得られる。図２は、本発明に係る磁歪ア
クチュエータの第２実施例を示す概略断面図である。本
実施例は、上記した第１実施例における連結部材１７よ
りも板厚の薄い複数の連結部材１８が、連結部材１７よ
りも磁性体１１側に配設され、駆動ロッド１３と筒状ケ
ース１５とを連結するように取付けられた構造となって
いる。ここで、磁歪アクチュエータの駆動方向に関する
複数の連結部材１７，１８からなる連結部２３のばね剛
性は、同方向に関する磁性体１１のばね剛性より十分に
柔となるように設定されている。

【００１７】本実施例によれば、駆動ロッド１３及び筒
状ケース１５と連結部２３との接触面積が大きくなり、
閉磁気回路の効率が向上し、磁性体１２への磁界の印加
効率が良くなるため、磁歪アクチュエータの出力損失を
一層低減することができる。また、磁歪アクチュエータ
外部への漏洩磁界を一層減少させることも可能となる。

【００１８】図３及び図４は、それぞれ、本発明に係る
磁歪アクチュエータの第３実施例を示す全体断面図及び
部分断面図である。本実施例においては、上記した連結
部材１７が略平行に２枚設けられ、各連結部材１７ａ，
１７ｂの外周側は筒状ケース１５の端部に接続される固
定リング１９に、内周側は駆動ロッド１３にそれぞれ接
続されている。これら二枚の連結部材１７ａ，１７ｂで
囲まれた領域には、固定リング１９に設けられる注入口
２０より磁性流体２１が封入されている。また、磁歪ア
クチュエータの駆動方向に関する連結部材１７ａ，１７
ｂ及び磁性流体２１からなる連結部２４のばね剛性は、
同方向に関する磁性体１１のばね剛性より十分に柔に設
定されている。即ち、磁歪アクチュエータの駆動時に連
結部２４が磁性体１１の変位出力に影響を与えない構造
となっている。

【００１９】本実施例によれば、第１実施例と同様に、
駆動ロッド１３と軸受との間の摩擦の問題がない。ま
た、駆動ロッド１３と筒状ケース１５との間にギャップ
が存在しないため、磁気回路が切断されることがなく、
効率の良い閉磁気回路を磁性体１１を中心に構成するこ
とができる。したがって、磁歪アクチュエータの出力損
失を大幅に低減することが可能となる。また、磁歪アク
チュエータ外部への漏洩磁界を減少させることができる
ため、磁歪アクチュエータを電子機器等に搭載した際に
も、機器が誤動作するおそれがなくなる。さらに、連結
部材１８に囲まれる領域に磁性流体２１が封入されてい
るため、駆動ロッド１３及びケース１５と連結部２４と
の接触面積が大きくなるため、第２実施例と同様に、閉
磁気回路の効率が向上し、磁性体１２への磁界の印加効
率が一層良くなるため、磁歪アクチュエータの出力を向
上させることができる。

【００２０】図５は、本発明に係る磁歪アクチュエータ
の第４実施例を示す概略断面図である。本実施例は、本
発明の第１実施例において連結部材１７の外周部を固定
リング１９に固定し、筒状ケース１５の長さを短くし
て、固定リング１９の筒状ケース１５端部との接続位置
を固定盤１４側へ移動させることにより、連結部材１７
に予め曲げ変形を与えるように構成されている。連結部
材１７に曲げ変形を与えることにより、その復元力で駆
動ロッド１３が磁性体１１側へ押圧され、磁性体１１の
軸方向に予荷重が加えられる構造となっている。

【００２１】本実施例によれば、従来は独立した構造と
して予荷重発生手段を構成していたものを、磁歪アクチ
ュエータの閉磁気回路の一部として構成しているので、
予荷重発生手段を新たに設置するための独立したスペー
スを必要とせず、磁歪アクチュエータの小型化を図るこ
とができるとともに、効率の良い閉磁気回路を構成する
ことができる。また、固定リング２２の設置位置を移動
させることによって、予荷重量を変化させることが可能
である。

【００２２】なお、図示しないが、連結部材１７ａ，１
７ｂの初期形状を平板とせず円錐状や湾曲状とした場合
も同様の効果が得られる。図６は、本発明に係る磁歪ア
クチュエータの第５実施例を示す概略断面図である。本
実施例は、本発明の第４実施例において固定リング１９
に二枚の連結部材１７ａ，１７ｂを配置し接続すること
により、駆動ロッド１３を軸方向において二箇所で支持
した構造となっている。

【００２３】本実施例によれば、駆動ロッド１５に曲げ
方向の外力が加わった場合でも、二枚の連結部材１７
ａ，１７ｂによってその外力を支持することができるた
め、外力による磁歪アクチュエータの変位出力への影響
を低減することが可能となる。その他の効果に関して
は、第４実施例と同様である。

【００２４】なお、本実施例において、連結部材の枚数
は二枚に限定されず、複数枚にすれば同様の効果が得ら
れる。図７は、本発明に係る磁歪アクチュエータの第６
実施例を示す概略断面図である。本実施例は、本発明の
第５実施例において、二枚の連結部材１７ａ，１７ｂに
囲まれる領域に、固定リング１９に設けられた注入口２
０より磁性流体２１を封入した構成を有する。

【００２５】本実施例によれば、第５実施例と同様に、
予荷重発生手段を新たに設置するための独立したスペー
スを必要とせず、磁歪アクチュエータの小型化が可能と
なるとともに、小型で効率の良い閉磁気回路を構成する
ことができ、軸受やばね構造等の摩擦の問題もない。ま
た、固定リング１９の設置位置を移動させることによっ
て、予荷重量を変化させることが可能である。さらに、
第３実施例と同様に、連結部材１７ａ，１７ｂに囲まれ
る領域に磁性流体２１が封入されているため、駆動ロッ
ド１３及びケース１５と連結部２４との接触面積が大き
くなるため、閉磁気回路の効率が向上し、磁性体１２へ
の磁界の印加効率が一層良くなるため、磁歪アクチュエ
ータの出力を向上させることができる。

【００２６】図８は、本発明に係る磁歪アクチュエータ
の第７実施例を示す概略断面図である。本実施例は、本
発明の第６実施例において磁性体１１の両端に駆動ロッ
ド１３ａ，１３ｂ及び連結部２４ａ，２４ｂを設け、固
定盤及びバイアス磁界を印加するための永久磁石を設け
ない構成としたものである。ここで、連結部２４ａ（２
４ｂ）は、駆動ロッド１３ａ（１３ｂ）と筒状ケース１
５とを連結する可撓性を有する２枚の連結部材１７ａ
（１７ｂ），１８ａ（１８ｂ）と、その間に封入される
磁性流体２１ａ（２１ｂ）とからなる。

【００２７】本実施例によっても、磁歪アクチュエータ
の閉磁気回路の一部を予荷重発生手段として構成できる
とともに、予荷重発生手段による摩擦がなく、小型で効
率の良い閉磁気回路を構成することができる。また、図
示しないが、ここに永久磁石を設けることによりバイア
ス磁界を印加する構成とした場合でも同様な効果が得ら
れる。

【００２８】図９は、本発明に係る磁歪アクチュエータ
の第８実施例を示す概略断面図である。本実施例は、本
発明の第４実施例における磁性体１１の固定盤１４側の
固定方法を変化させたものである。本実施例において
は、筒状ケース１５の固定盤１４側にも連結部材２５が
設けられており、二箇所の連結部材１７，２５を介して
磁性体１１を支持するとともに、固定盤１４の中央に設
置した押しねじ２６によって磁性体１１を駆動ロッド１
３側に押し出すことにより、磁性体１１に所定の予荷重
を加える構造としている。

【００２９】本実施例によれば、押しねじ２６による押
し出し量を調節することにより、小型で簡易な構造によ
って予荷重量を容易に変化させることが可能であるとと
もに、予荷重発生手段による摩擦がなく、小型で効率の
良い閉磁気回路を構成することができる。また、重量物
の積載等にによって磁性体１１に軸力が加わる場合で
も、予荷重を所定の値に調整することができる。さら
に、固定盤１４側の連結部材２５の板厚を厚くすれば変
位出力の反力側の支持構造の剛性を高めることができ
る。

【００３０】図１０は、本発明に係る磁歪アクチュエー
タの第９実施例を示す概略断面図である。本実施例は、
本発明の第６実施例における磁性体１２の固定盤１４側
の固定方法を変化させたものである。筒状ケース１５の
固定盤１４側にも連結部材１７が設けられており、二箇
所の連結部材１７を介して磁性体１１を支持するととも
に、固定盤１４の中央に設置した押しねじ２６によって
磁性体１１を駆動側に押し出すことにより、磁性体１１
に所定の予荷重を加える構造としている。

【００３１】本実施例によれば、上記した第８実施例と
同様に、押しねじ２５による押し出し量を調節すること
により、小型で簡易な構造によって予荷重量を容易に変
化させることが可能であるとともに、予荷重発生手段に
よる摩擦がなく、小型で効率の良い閉磁気回路を構成す
ることができる。また、重量物の積載等にによって磁性
体１２に軸力が加わる場合でも、予荷重を所定の値に調
整することができる。さらに、固定盤１４側の連結部材
２５の板厚を厚くすれば変位出力の反力側の支持構造の
剛性を高めることができる。

【００３２】以上説明した、本発明にあっては、その要
旨を変更しない範囲内で、種々の変形並びに組み合わせ
（例えば、第２実施例と第３実施例の組み合わせ等）が
可能であることは言うまでもない。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
効率の良い閉磁気回路を構成することにより、磁歪アク
チュエータの変位出力の損失を大幅に低減することが可
能となるとともに、磁歪アクチュエータ外部への漏洩磁
界を減少させることができるため、磁歪アクチュエータ
を電子機器等に搭載した際にも、機器が誤動作するおそ
れがなくなる。また、予荷重発生手段を新たに設置する
ための独立したスペースを必要とせず、磁歪アクチュエ
ータの小型化を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁歪アクチュエータの第１実施例
を示す概略断面図。

【図２】本発明に係る磁歪アクチュエータの第２実施例
を示す概略断面図。

【図３】本発明に係る磁歪アクチュエータの第３実施例
を示す全体断面図。

【図４】本発明に係る磁歪アクチュエータの第３実施例
を示す部分断面図。

【図５】本発明に係る磁歪アクチュエータの第４実施例
を示す概略断面図。

【図６】本発明に係る磁歪アクチュエータの第５実施例
を示す概略断面図。

【図７】本発明に係る磁歪アクチュエータの第６実施例
を示す概略断面図。

【図８】本発明に係る磁歪アクチュエータの第７実施例
を示す概略断面図。

【図９】本発明に係る磁歪アクチュエータの第８実施例
を示す概略断面図。

【図１０】本発明に係る磁歪アクチュエータの第９実施
例を示す概略断面図。

【図１１】従来の磁歪アクチュエータを示す概略断面
図。

【符号の説明】

１，１１ 磁性体（変位発生手段） ２，１２ ソレノイドコイル（磁界発生手段） ３，１３ 駆動ロッド（可動部材） ４，１４ 固定盤 ５，１５ 筒状ケース（磁気回路構成部材） ６，１６ 永久磁石 １０ 予荷重ばね １７，１８ 連結部材 １９ 固定リング ２０ 注入口 ２１ 磁性流体

フロントページの続き (72)発明者 小林 忠彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 酒井 勲 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁歪を有する磁性体からなる変位発生手
   段と、この変位発生手段に接続され該変位発生手段の変
   位方向に移動可能な可動部材と、前記変位発生手段の周
   囲に配設され該変位発生手段に磁界を印加する磁界発生
   手段と、前記変位発生手段と前記磁界発生手段を収納し
   閉磁気回路を構成する磁気回路構成部材とを具備してな
   る磁歪アクチュエータにおいて、前記可動部材と前記磁
   気回路構成部材とを連結する可撓性を有する連結部材を
   有すること特徴とする磁歪アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記連結部材を予め変形させることによ
   り前記変位発生手段に予荷重が加えられてなることを特
   徴とする請求項１または請求項２記載の磁歪アクチュエ
   ータ。
3. 【請求項３】 磁歪を有する磁性体からなる変位発生手
   段と、この変位発生手段に接続され該変位発生手段の変
   位方向に移動可能な可動部材と、前記変位発生手段の周
   囲に配設され該変位発生手段に磁界を印加する磁界発生
   手段と、前記変位発生手段と前記磁界発生手段を収納し
   閉磁気回路を構成する磁気回路構成部材とを具備してな
   る磁歪アクチュエータにおいて、前記可動部材と前記磁
   気回路構成部材とを連結するため、前記変位発生手段の
   変位方向に対して並列に設けられる可撓性を有する複数
   の連結部材と、これら複数の連結部材間に形成される領
   域のうちの少なくとも一箇所に封入される磁性流体とを
   具備すること特徴とする磁歪アクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記連結部材を予め変形させることによ
   り前記変位発生手段に予荷重が加えられてなることを特
   徴とする請求項３記載の磁歪アクチュエータ。