JP2004266035A

JP2004266035A - 引き型アクチュエータ

Info

Publication number: JP2004266035A
Application number: JP2003053632A
Authority: JP
Inventors: Teruo Mori; 輝夫森
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24
Also published as: US20060091738A1; WO2004077582A1; TWI274466B; TW200419889A; CN1720624A; US7196437B2

Abstract

【課題】小型且つ簡易な構造でありながら、同時に、磁歪ロッドに対してバイアス磁界を効率的且つ均一に印加可能で、大きな引き量を得ることのできる、引き型アクチュエータを提供する。
【解決手段】電磁コイル１４によって印加する磁界の強さを制御することによって前記超磁歪ロッド１２を伸縮可能とした引き型アクチュエータ１０のバイアス磁石を、前記超磁歪ロッド１２の周囲に同軸的に配置された略円筒形状の第１バイアス磁石１６と、該第１バイアス磁石１６の内側空間１６Ａに配置され、且つ、該第１バイアス磁石１６から発生する磁界の一部を前記内側空間１６Ａに引き込む方向に着磁された第２バイアス磁石１８とにより構成した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪ロッドに磁界を加えることによって軸方向に収縮させるようにした引き型アクチュエータに関し、特に、小型且つ簡易な構造でありながら、同時に、磁歪ロッドに対してバイアス磁界を効率的且つ均一に印加可能で、大きな引き量を得ることのできる、引き型アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁界を加えると磁性体に歪を生じる磁歪素子の特性を利用し、磁歪部材に印加する磁界の大きさを制御することで、この磁歪部材を伸縮可能としたアクチュエータが広く知られている。これら磁歪素子を用いたアクチュエータは、精密機器や自動車の燃料噴射弁等の分野に広く適用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、円柱状の超磁歪ロッドにバイアス磁界を印加し、該超磁歪ロッドをあらかじめ伸長させておき、ソレノイドによってバイアス磁界と逆方向の磁界を印加し、超磁歪ロッドを収縮させる（引き動作をさせる）引き型アクチュエータが開示されている。
【０００４】
ところで、このような引き型アクチュエータに適用される磁歪ロッドは、引き量（変位量）の増大、小型化、形状に起因する反磁界の発生防止等の理由から、細長の円柱形状とされるのが一般的である。そして、この円柱形状の磁歪ロッドを、略円筒形状のバイアス磁石の内側空間に配置し、該磁歪ロッドに対して一定方向のバイアス磁界を印加している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２２５８７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来公知の引き型アクチュエータにおいては、バイアス磁石が略円筒形状の磁石であるため、磁歪ロッドが配置されている内側空間に印加されるバイアス磁界よりも、バイアス磁石の外側空間に印加される（放出される）バイアス磁界の方が強くなってしまい、磁歪ロッドに対してバイアス磁界を効率的に印加することができないといった問題点があった。
【０００７】
又、バイアス磁界が印加される磁歪ロッドが細長の円柱形状であるため、円柱の軸方向中央付近は、バイアス磁石の磁極から遠くなってしまう。その結果、この軸方向中央付近に印加されるバイアス磁界は、軸方向両端付近に印加されるバイアス磁界に比べ弱くなってしまい、磁歪ロッドの軸方向の位置によって印加されるバイアス磁界の強さがばらついてしまうといった問題点があった。しかも、このような問題点は、引き量の増大のために磁歪ロッドの軸長を長くするほど顕在化してしまっていた。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、小型且つ簡易な構造でありながら、同時に、磁歪ロッドに対してバイアス磁界を効率的且つ均一に印加可能で、大きな引き量を得ることのできる、引き型アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、研究の結果、バイアス磁界を磁歪ロッドに効率的に印加可能な手段を見出した。
【００１０】
即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。
【００１１】
（１）磁歪部材からなり、一端が固定された磁歪ロッドと、該磁歪ロッドにバイアス磁界を印加可能なバイアス磁石と、該バイアス磁界を打ち消す方向に磁界を印加可能な電磁コイルとを備え、該電磁コイルによって印加する磁界の強さを制御することによって前記磁歪ロッドを伸縮可能とした引き型アクチュエータであって、前記バイアス磁石を、前記磁歪ロッドの周囲に同軸的に配置された略円筒形状の第１バイアス磁石と、該第１バイアス磁石の内側空間に配置され、且つ、該第１バイアス磁石から発生する磁界の一部を前記内側空間に引き込む方向に着磁された第２バイアス磁石とにより構成したことを特徴とする引き型アクチュエータ。
【００１２】
（２）前記第２バイアス磁石を、前記磁歪ロッドの軸方向に取付けたことを特徴とする前記（１）記載の引き型アクチュエータ。
【００１３】
（３）前記第２バイアス磁石を、前記磁歪ロッドにおける前記固定された一端に隣接して配置したことを特徴とする前記（２）記載の引き型アクチュエータ。
【００１４】
（４）前記磁歪ロッドは軸方向中央付近で分離して形成され、且つ、前記第２バイアス磁石により軸方向に接続されたことを特徴とする前記（２）記載の引き型アクチュエータ。
【００１５】
（５）前記磁歪ロッドを、略円筒形状に構成し、該磁歪ロッドの内側空間に前記第２バイアス磁石を配置したことを特徴とする前記（２）記載の引き型アクチュエータ。
【００１６】
（６）前記第２バイアス磁石の軸方向の長さを、前記略円筒形状の磁歪ロッドの軸方向の長さよりも短くしたことを特徴とする前記（５）記載の引き型アクチュエータ。
【００１７】
（７）前記磁歪ロッドの軸方向に圧縮予圧を加える予圧部材を設けたことを特徴とする前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の引き型アクチュエータ。
【００１８】
（８）更に、前記磁歪ロッドの前記一端を固設すると共に、前記略円筒形状の第１バイアス磁石における軸方向一端に当接する磁性体からなる磁気ヨークを備えたことを特徴とする前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の引き型アクチュエータ。
【００１９】
（９）更に、前記磁歪ロッドの前記固定された一端と反対側の自由端に連結され、該磁歪ロッドの変位を外部に伝達可能であると共に、前記略円筒形状の第１バイアス磁石における軸方向一端近傍に配置された磁性体からなる伝達ロッドを備えたことを特徴とする前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の引き型アクチュエータ。
【００２０】
（１０）前記磁歪ロッドを、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする前記（１）乃至（９）のいずれかに記載の引き型アクチュエータ。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の例を図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態の例に係る引き型アクチュエータ（以下、単にアクチュエータと称す。）１０の側断面を模式的に示しており、図１（Ａ）は、この引き型アクチュエータ１０の超磁歪ロッド１２が伸長した状態を、又、図１（Ｂ）は収縮した状態をそれぞれ示している。
【００２３】
このアクチュエータ１０は、超磁歪ロッド１２と、電磁コイル１４と、第１、第２バイアス磁石１６、１８と、磁気ヨーク２０と、伝達ロッド２２とを有してなり、これらは略円筒形状の本体ケース２４内に収容されている。このアクチュエータ１０は、電磁コイル１４によって印加する磁界の強さを制御することによって超磁歪ロッド１２を図中Ｖ１方向に伸縮可能であり、超磁歪ロッド１２を図１（Ａ）に示す伸長状態から図１（Ｂ）に示す収縮状態にする「引き動作」が可能となっている（後述）。
【００２４】
前記第１バイアス磁石１６は、略円筒形状の部材からなり、前記本体ケース２４の内側に、これと同軸的に（図中上下方向に）配置されている。
【００２５】
又、この第１バイアス磁石１６の内側空間１６Ａ内には、略円筒形の形状を有する電磁コイル１４が、該第１バイアス磁石１６と同軸的に配置されている。
【００２６】
更に、この電磁コイル１４の内側空間には、略円柱形状の部材からなる超磁歪ロッド１２及び第２バイアス磁石１８が軸方向に連続して、且つ、該電磁コイル１４と同軸的に配置されている。
【００２７】
この第２バイアス磁石１８は、前記超磁歪ロッド１２と同径、且つ、これよりも軸長の短い略円柱形状の部材からなると共に、超磁歪ロッド１２の図１において上端である固定端１２Ａ側に隣接して配置されている。
【００２８】
前記超磁歪ロッド１２は、超磁歪素子を材料とする略円柱形状の超磁歪部材で構成されている。なお、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいい、外部から磁界が加えられると大きな変位を生じる性質を有している。
【００２９】
前記第１バイアス磁石１６は、前記超磁歪ロッド１２に軸Ｌ１方向のバイアス磁界を印加するように構成され、又、前記第２バイアス磁石１８は、この第１バイアス磁石１６から発生するバイアス磁界の一部を、前記内側空間１６Ａ内に引き込む方向に着磁されている。
【００３０】
又、前記電磁コイル１４は、これら第１、第２バイアス磁石１６、１８によって印加されるバイアス磁界を打ち消す方向に磁界を印加することが可能とされている。
【００３１】
前記磁気ヨーク２０は、本体ケース２４内に設置された磁性体部材からなり、前記略円筒形状の第１バイアス磁石１６の軸方向一端１６Ｂの開口を塞ぐように、これに当接して配置されている。又、この磁気ヨーク２０の中心の、図１における下側面には、前記第２バイアス磁石１８を介して前記超磁歪ロッド１２が固設されている。
【００３２】
以上の結果、超磁歪ロッド１２、第２バイアス磁石１８、磁気ヨーク２０及び第１バイアス磁石１６で磁気回路が形成されることになり、超磁歪ロッド１２にバイアス磁界が効率的に導かれる構成となっている。
【００３３】
前記伝達ロッド２２は、図中上下方向に進退動可能で、前記超磁歪ロッド１２の固定端１２Ａと反対側の自由端１２Ｂに連結され、超磁歪ロッド１２の変位を外部へ伝達可能な棒状の磁性体部材からなり、その軸方向途中位置に本体ケース２４の内径よりもやや小径の円板状のつば部２２Ａを有している。又、このつば部２２Ａの外周部は、前記第１バイアス磁石１６の軸方向他端１６Ｃの近傍に位置している。
【００３４】
以上の結果、超磁歪ロッド１２、伝達ロッド２２（つば部２２Ａを含む）及び第１バイアス磁石１６で磁気回路が形成されることになり、超磁歪ロッド１２に対してバイアス磁界が効率的に導かれる構成となっている。
【００３５】
なお、前記伝達ロッド２２のつば部２２Ａの図１における下側面と、本体ケース２４内側端面との間には、プレストレスばね２６が縮設されており、伝達ロッド２２を介して超磁歪ロッド１２の軸Ｌ１方向に圧縮予圧を与えることによって、その磁歪変動域を最適化するように構成されている。
【００３６】
次に、図２を併せて参照しながら、本発明の実施形態の例に係るアクチュエータ１０の作用について説明する。なお、図２は、アクチュエータ１０の超磁歪ロッド１２に印加する磁界（横軸）と、超磁歪ロッド１２の変位（縦軸）の関係を示している。
【００３７】
まず、電磁コイル１４に通電していない場合（図２中のＰ０点）は、超磁歪ロッド１２には、電磁コイル１４によるコイル磁界ＨＣは印加されないため（ＨＣ＝０）、第１、第２バイアス磁石１６、１８によるバイアス磁界Ｈ０のみが印加された状態となる。その結果、超磁歪ロッド１２にはバイアス磁界Ｈ０による初期変位λ０が生じることになり、アクチュエータ１０の超磁歪ロッド１２は、図１（Ａ）に示すような、軸Ｌ１方向に伸長した状態となる。
【００３８】
一方、電磁コイル１４に通電した場合（図２中のＰ点）は、電磁コイル１４によるコイル磁界ＨＣがバイアス磁界Ｈ０を打ち消す方向に働くため、超磁歪ロッド１２には、コイル磁界ＨＣとバイアス磁界Ｈ０との合成磁界Ｈ（＝Ｈ０−ＨＣ）が印加されることになる。即ち、印加するコイル磁界ＨＣを大きくしていくと、超磁歪ロッド１２に印加される合成磁界Ｈは次第に小さくなっていく。その結果、超磁歪ロッド１２の変位λは初期変位λ０よりも小さくなっていき、アクチュエータ１０の「引き動作」が行われる。そして、最終的にコイル磁界ＨＣの大きさがバイアス磁界Ｈ０と同じになると（ＨＣ＝Ｈ０）、合成磁界Ｈが略零の状態となり（図２中のＰ１点）、アクチュエータ１０の超磁歪ロッド１２は、図１（Ｂ）に示すような、軸Ｌ１方向に収縮した状態となる。
【００３９】
このように、アクチュエータ１０の超磁歪ロッド１２は、電磁コイル１４によって印加するコイル磁界ＨＣの大きさを制御することで伸縮が自在となっている。
【００４０】
本発明の実施形態の例に係るアクチュエータ１０によれば、バイアス磁石を、超磁歪ロッド１２の周囲に同軸的に配置された略円筒形状の第１バイアス磁石１６と、該第１バイアス磁石１６の内側空間１６Ａに配置され、且つ、該第１バイアス磁石１６から発生する磁界の一部を前記内側空間１６Ａに引き込む方向に着磁された第２バイアス磁石１８とにより構成したため、第１バイアス磁石１６から発生するバイアス磁界の一部を、該第１バイアス磁石１６の内側空間１６Ａ、即ち超磁歪ロッド１２が配置された方向に引き込むことが可能である。従って、第１、第２バイアス磁石１６，１８の相乗効果によってバイアス磁界の効率的な印加が可能で、超磁歪ロッド１２に印加するバイアス磁界を高めることができる。その結果、引き型アクチュエータ１０の引き量の増大が実現される。
【００４１】
又、前記第２バイアス磁石１８を、超磁歪ロッド１２の軸Ｌ１方向に取付けたため、超磁歪ロッド１２に対してバイアス磁界をより効果的に印加することが可能となる上に、アクチュエータ１０の小型化が実現できる。しかも、第２バイアス磁石１８を、超磁歪ロッド１２の固定端１２Ａに隣接して配置しているため、第２バイアス磁石１８が超磁歪ロッド１２の伸縮方向と反対側に配置されることになり、超磁歪ロッド１２の変位の安定化を図ることが可能である。
【００４２】
更に、プレストレスばね２６によって超磁歪ロッド１２の軸Ｌ１方向に圧縮予圧を加えているため、バイアス磁界が打ち消されたときの超磁歪ロッド１２の引き量、速度、力が増大し、アクチュエータ１０の効率向上を図ることができる。
【００４３】
又、アクチュエータ１０の超磁歪ロッド１２は、材料として超磁性素子を用いているため、従来の圧電素子の２倍以上、フェライトなどの従来の磁歪素子の５０倍以上の磁歪変位量（引き量）を得ることができる。
【００４４】
なお、上記実施形態の例においては、超磁歪ロッド１２を超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁歪素子からなる磁歪部材を用いてもよい。
【００４５】
又、上記実施形態の例においては、第２バイアス磁石１８を、超磁歪ロッド１２の固定端１２Ａに隣接して配置したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明における第２バイアス磁石１８は、第１バイアス磁石１６の内側空間１６Ａ内に配置されていればよく、その配置や数量等については特に限定されない。
【００４６】
従って、例えば、図３に示されるアクチュエータ３０のように、超磁歪ロッド３２を、軸Ｌ１方向中央付近で分離して形成し、且つ、第２バイアス磁石１８により軸Ｌ１方向に接続してもよい。このように第２バイアス磁石１８を超磁歪ロッド３２の軸Ｌ１方向中央付近に配置すれば、超磁歪ロッド３２に印加するバイアス磁界の更なる均一化を図ることが可能となる。
【００４７】
又、図４に示すように、超磁歪ロッド３３を、略円筒形状に構成し、該超磁歪ロッド３３の内側空間３３Ａに第２バイアス磁石１９を配置してもよく、このような構造とすれば、第２バイアス磁石１９に対して、超磁歪ロッド３３の伸縮の際に発生する軸方向の応力がかかるのを防止することが可能となる。なお、この場合には、第２バイアス磁石１９の軸方向の長さＬ３を、前記略円筒形状の超磁歪ロッド３３の軸方向の長さＬ２よりも短くすることが好ましい。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の引き型アクチュエータは、小型且つ簡易な構造でありながら、同時に、磁歪ロッドに対してバイアス磁界を効率的且つ均一に印加可能で、大きな引き量を得ることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の例に係る引き型アクチュエータの側断面を示した模式図
【図２】図１における引き型アクチュエータの超磁歪ロッドに印加する磁界と、超磁歪ロッドの変位の関係を示したグラフ
【図３】本発明の実施形態の他の例に係る引き型アクチュエータの側断面を示した模式図
【図４】
本発明の実施形態の他の例に係る超磁歪ロッドを示した模式図
【符号の説明】
１０、３０…アクチュエータ
１２、３２、３３…超磁歪ロッド
１４…電磁コイル
１６…第１バイアス磁石
１８、１９…第２バイアス磁石
２０…磁気ヨーク
２２…伝達ロッド
２４…本体ケース
２６…プレストレスばね
ＨＣ…コイル磁界
Ｈ０…バイアス磁界
Ｈ…合成磁界
λ０…初期変位
λ…変位

Claims

磁歪部材からなり、一端が固定された磁歪ロッドと、該磁歪ロッドにバイアス磁界を印加可能なバイアス磁石と、該バイアス磁界を打ち消す方向に磁界を印加可能な電磁コイルとを備え、該電磁コイルによって印加する磁界の強さを制御することによって前記磁歪ロッドを伸縮可能とした引き型アクチュエータであって、前記バイアス磁石を、前記磁歪ロッドの周囲に同軸的に配置された略円筒形状の第１バイアス磁石と、該第１バイアス磁石の内側空間に配置され、且つ、該第１バイアス磁石から発生する磁界の一部を前記内側空間に引き込む方向に着磁された第２バイアス磁石とにより構成したことを特徴とする引き型アクチュエータ。
請求項１において、
前記第２バイアス磁石を、前記磁歪ロッドの軸方向に取付けたことを特徴とする引き型アクチュエータ。
請求項２において、
前記第２バイアス磁石を、前記磁歪ロッドにおける前記固定された一端に隣接して配置したことを特徴とする引き型アクチュエータ。
請求項２において、
前記磁歪ロッドは軸方向中央付近で分離して形成され、且つ、前記第２バイアス磁石により軸方向に接続されたことを特徴とする引き型アクチュエータ。
請求項２において、
前記磁歪ロッドを、略円筒形状に構成し、該磁歪ロッドの内側空間に前記第２バイアス磁石を配置したことを特徴とする引き型アクチュエータ。
請求項５において、
前記第２バイアス磁石の軸方向の長さを、前記略円筒形状の磁歪ロッドの軸方向の長さよりも短くしたことを特徴とする引き型アクチュエータ。
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記磁歪ロッドの軸方向に圧縮予圧を加える予圧部材を設けたことを特徴とする引き型アクチュエータ。
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
更に、前記磁歪ロッドの前記一端を固設すると共に、前記略円筒形状の第１バイアス磁石における軸方向一端に当接する磁性体からなる磁気ヨークを備えたことを特徴とする引き型アクチュエータ。
請求項１乃至８のいずれかにおいて、
更に、前記磁歪ロッドの前記固定された一端と反対側の自由端に連結され、該磁歪ロッドの変位を外部に伝達可能であると共に、前記略円筒形状の第１バイアス磁石における軸方向一端近傍に配置された磁性体からなる伝達ロッドを備えたことを特徴とする引き型アクチュエータ。
請求項１乃至９のいずれかにおいて、
前記磁歪ロッドを、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする引き型アクチュエータ。