JP3288202B2 - 磁歪式アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部磁界の印加に
より磁歪を生じる磁性体を用いた磁歪式アクチュエータ
に属する。

【０００２】

【従来の技術】振動や変位を発生するためのアクチュエ
ータとしては、スピーカーの原理を用いた電磁式のアク
チュエータ（いわゆるボイスコイルモータ）が知られて
いる。また、ＰＺＴなどの圧電素子に制御電圧を印加す
る圧電式のアクチュエータや磁歪現象を利用したアクチ
ュエータも知られている。

【０００３】ところで、精密加工装置や精密測定装置な
どでは、取付台を介して伝わる地盤振動を極度に嫌うも
のが多い。最近では、これらの機器を設置するために、
取付台とアクチュエータとを組合わせた除振台をアクテ
ィブ制御することによって振動絶縁する試みがなされる
ようになってきた。このような振動絶縁装置は、電動機
などの回転機械類の発する振動を周囲環境に伝えないよ
うにするための防振装置にも応用することができる。

【０００４】こうした用途のアクチュエータには、小型
で、大きな力が得られ、場合によっては大重量を支えら
れ、しかも信頼性のあることが望まれる。このような要
望を満たすアクチュエータとして、磁歪材料を素子とし
た磁歪式アクチュエータが注目されている。

【０００５】磁歪式アクチュエータは、図１３に示すよ
うに、通常、一端側が固定されるとともに他端側が自由
端に設けられた磁歪素子１００と、この磁歪素子１００
の自由端の変位を出力として取出す出力軸１０１と、磁
歪素子１００の変位を許容し、かつ磁歪素子１００を直
列に経由する磁気回路を構成するための磁気回路構成部
材を成す可動ヨーク１０２、円筒ヨーク１０３および固
定ヨーク１０４と、これら磁気回路構成部材を介して磁
歪素子１００にバイアス磁界を印加するバイアス磁界印
加用永久磁石１０５、１０６と、磁歪素子１００の周囲
に配置され、磁歪素子１００に印加される磁界の強さを
制御することによって自由端から得られる変位量を制御
する制御磁界印加用電磁石を構成する巻枠１０７および
コイル１０８とを備えている。

【０００６】磁歪素子１００としては、主にＮｉ系合
金、Ｆｅ−Ａｌ合金、フェライト系合金が用いられてい
るが、最近では、上記合金材に比べて１桁以上大きい変
位を発生させることが可能な希土類金属−遷移金属合金
も報告されている。

【０００７】磁歪素子における磁界と歪みとの関係は、
磁界を印加しない場合を基準にして、印加磁界が強い程
伸びるものが一般的であるが、印加磁界が強い程縮むも
のもある。ただし、印加磁界の向きには関係せず、その
印加磁界の絶対量が大きい程伸びるものは伸び、縮むも
のは縮むという性質を持っている。例えば、印加磁界が
強い程伸びる磁歪素子の磁界と歪みとの関係は図１４の
ようになる。このため、この種のアクチュエータでは、
発生変位の制御を容易にするために、制御磁界と発生変
位との関係を線形にするのが一般的である。すなわち、
図１５に示すように、ある一定のバイアス磁界を印加し
ておき、この状態で磁歪素子に印加される磁界の強さを
制御することによって変位量を制御するのである。

【０００８】磁歪素子に印加される磁界の強さを制御す
る手段としては、図１３に示したように磁歪素子１００
の周囲にコイル１０８を配置し、このコイル１０８に流
す電流の向きおよび大きさを制御する方式が一般的に採
用されている。また、バイアス磁界を印加する手段とし
ては、上記制御用のコイルをバイアス用に使う方式と、
永久磁石を使用する方式とがある。制御用のコイルを併
用する方式では、常時、コイルに直流電流を流す必要が
あるので、コイルの発熱量が大きく、長時間の使用には
不向きである。このため、図１３に示したように一般的
には永久磁石１０５、１０６でバイアス磁界を印加する
ようにしている。

【０００９】しかしながら、上記のように構成された従
来の磁歪式アクチュエータにあっては次のような問題が
あった。すなわち、従来のアクチュエータでは、磁歪素
子１００の変位を許容するために、磁気回路構成部材た
る可動ヨーク１０２と円筒ヨーク１０３との間に空隙１
１０を設けるようにしている。この空隙１１０は比較的
磁気抵抗が大きいため、磁気漏れの原因になるだけでな
く、永久磁石１０５、１０６によるバイアス磁界を磁歪
素子１００に均一に印加することを困難にし、印加磁界
と発生変位との関係において、制御性の良好な線形な範
囲を狭めていた。

【００１０】また、磁歪素子１００の自由端の変位を出
力として取出すには、上記自由端側に設けられた出力軸
１０１を何らかの手段で変位方向に移動自在に支持する
必要がある。この支持手段として、図１３に示す従来の
アクチュエータでは、上記出力軸１０１を微小間隙１１
１を介して案内支持部材１１２で案内支持するいわゆ
る、すべり軸受け方式を採用している。しかし、このよ
うな支持方法では、出力軸１０１と案内支持部材１１２
との間の固体摩擦抵抗が原因して、スムーズで応答性の
良い制御が行えないという問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のごとく従来の磁
歪式アクチュエータでは、可動部と固定部との間の空隙
による磁気抵抗によって永久磁石によるバイアス磁界が
不均一になり、制御性の良い範囲が狭められるととも
に、磁気漏れが大きくなるという問題があった。

【００１２】また、磁歪素子の伸縮に伴いアクチュエー
タ内部のすべり軸受部で固体摩擦が発生し、制御性能が
低下するという問題があった。本発明は、大型化を招く
ことなく、上述した不具合を解消できる磁歪式アクチュ
エータを提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
おいては、磁歪を有する磁性体からなる変位発生手段
と、前記変位発生手段の周囲に配設され、前記変位発生
手段に磁界を印加するための磁界発生手段と、前記変位
発生手段と前記磁界発生手段を収納し、前記変位発生手
段とともに閉磁気回路を構成する閉磁気回路構成部材と
を具備した磁歪式アクチュエータにおいて、前記閉磁気
回路構成部材が、有底状の内筒部材と、この内筒部材の
外周と間隙を保って同芯状に配設された有底状の外筒部
材とで構成され、前記内筒部材の底部内面側および前記
外筒部材の底部内面側のそれぞれに前記変位発生手段の
一端側および他端側の端面をそれぞれ連結して成ること
を特徴としている。

【００１４】そして上記請求項１に係るアクチュエータ
では、磁気回路構成部材が有底状の内筒部材と、その開
口部側から外周を覆うように配設された有底状の外筒部
材とから成る２重筒状に構成されるために、これら内筒
部材と外筒部材とが微小間隙を介して対向し、内筒部材
と外筒部材の対向面積を広く構成することができる。し
たがって、内筒部材と外筒部材との間の間隙における磁
気抵抗を極めて小さくすることができ、磁気漏れを防ぐ
とともに、バイアス磁界を均一にして応答性の良い出力
変位範囲を広くすることができる。

【００１５】請求項２に記載の発明においては、前記内
筒部材の外周と前記外筒部材の内周との間の間隙部分に
弾性変形により前記内筒部材と前記外筒部材との相対移
動を許容する案内手段が設けられていることを特徴とし
ている。

【００１６】そして上記請求項２に係るアクチュエータ
では、内筒部材と外筒部材の両部材の間隙に弾性変形に
より内筒部材と外筒部材の相対移動を許容する案内手段
が介装されているため、変位発生手段（磁歪素子）の伸
縮に伴う内筒部材と外筒部材との相対移動においては、
案内手段の弾性変形により内筒部材と外筒部材とが直接
接触せず、したがって、固体摩擦が生じること無しに両
部材が相対移動でき、アクチュエータの出力変位の制御
性が向上する。

【００１７】請求項６に記載の発明においては、磁歪を
有する磁性体からなる変位発生手段と、前記変位発生手
段の周囲に配設され、前記変位発生手段に磁界を印加す
るための磁界発生手段と、前記変位発生手段と前記磁界
発生手段とを収納した有底筒状の第１部材と、この第１
部材と前記変位発生手段とともに閉磁気回路を構成する
ための第２部材と、前記第１部材に一端側を取付け、他
端側を前記第２部材に取付けると共にその平面を前記変
位発生手段の変位方向と略直交する向きに配設した薄板
部材とを具備し、前記変位発生手段の一端側を第１部材
に、他端側を第２部材に連結し、前記薄板部材の弾性変
形により前記第１部材と第２部材とを相対移動可能に構
成したことを特徴としている。

【００１８】そして上記請求項６に係るアクチュエータ
では、有底筒状の第１部材と、この第１部材と共に磁気
回路を構成する第２部材とにそれぞれ薄板部材の端部を
取付け、その取付け状態は、薄板部材がその面を変位発
生手段（磁歪素子）の変位方向に略直交する向きに一端
を第１部材に他端を第２部材に固定したことにより、薄
板部材の曲げ変形によって、第１部材と第２部材とが固
体摩擦を生じること無しに相対移動できる。したがっ
て、請求項２のアクチュエータと同様、アクチュエータ
の出力変位の制御性が向上する。また、この構造によれ
ば、変位発生手段の変位方向と直角な方向の力、すなわ
ち剪断力が作用した場合においても薄板部材の面に沿う
方向の引っ張り剛性でそれを受けるため、変位発生手段
（磁歪素子）が剪断力を受けることによって破損するの
を防止することができる。

【００１９】請求項９に記載の発明においては、磁歪を
有する磁性体からなる変位発生手段と、前記変位発生手
段の周囲に配設され、前記変位発生手段に磁界を印加す
るための磁界発生手段と、前記変位発生手段と前記磁界
発生手段を収納し、前記変位発生手段とともに閉磁気回
路を構成する閉磁気回路構成部材とを具備した磁歪式ア
クチュエータにおいて、前記閉磁気回路構成部材が、有
底状の内筒部材と、この内筒部材の外周と間隙を保って
同芯状に配設された有底状の外筒部材とで構成され、前
記内筒部材の底部内面側および前記外筒部材の底部内面
側のそれぞれに前記変位発生手段の一端側および他端側
の端面をそれぞれ連結し、前記内筒部材と前記外筒部材
との間に前記変位発生手段を収縮させる方向へ与圧を与
える与圧部材を配設したことを特徴としている。

【００２０】そして上記請求項９に係るアクチュエータ
では、内筒部材と外筒部材との間に変位発生手段を収縮
させる方向へ与圧を与える与圧部材を配設している。と
ころで、変位発生手段（磁歪素子）は、伸縮軸方向に対
して予め圧縮力を与えておいた方が伸縮変位量が大きく
なるが、圧縮力による面圧が適当な値で伸縮変位量が最
大になり、それよりも大きいと伸縮変位量が減じてしま
う。そのため制御対象物の動きを水平方向に制御しよう
とする場合は、制御対象物の自重がアクチュエータの重
力方向に作用しないので、特別に磁歪素子に圧縮力を与
えておくことが望ましく、請求項９の発明に示す通り予
圧部材を利用して磁歪素子に適切な圧縮力を与えること
ができる。したがって、制御対象物の動きを水平方向に
制御しようとする場合に特に適した構成である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の磁歪式アクチュエータの一実施例を説明する。 （第１実施例）図１は、本発明の第１実施例に係る磁歪
式アクチュエータの断面図である。

【００２２】このアクチュエータは、大きく分けて、筒
状のケーシング１と、ケーシング１の内部にケーシング
１と同軸で収容された変位発生部２と、この変位発生部
２に磁界を印加する磁界印加部３とで構成されている。

【００２３】ケーシング１は、純鉄などの高透磁率材か
ら成る内筒体４と外筒体５とで構成されている。内筒体
４は、円筒部材６と、円板状に形成されて円筒部材６の
一端側開口部を閉塞するように円筒部材６に固定された
封じ部材７とで構成されている。外筒体５も同様に、円
筒部材８と、円板状に形成されて円筒部材８の一端側開
口部を閉塞するように円筒部材８に固定された封じ部材
９とで構成されている。

【００２４】そしてケーシング１は、内筒体４の開口部
と外筒体５の開口部を向い合わせた状態で、内筒体４を
外筒体５の開口部から奥へ挿入し、内筒体４の円筒部材
６外周と外筒体５の円筒部材８内周とが、互いに微小ギ
ャップ１０を保って対向するように配置されている。

【００２５】変位発生部２は、Ｓ極面を外筒体５の封じ
部材９の内面に密接に取付けて設けられた円板状の永久
磁石１１と、一端側を永久磁石１１のＮ極面に密接に取
付けてケーシング１および永久磁石１１と同軸的に配置
された円柱状の磁歪素子１２と、Ｓ極面を磁歪素子１２
の図面上面に、Ｎ極面を内筒体４の封じ部材７の内面に
夫々密接に取付けて設けられた円板状の永久磁石１３と
で構成されている。

【００２６】磁界印加部３は、前述した永久磁石１１、
１３と、磁歪素子１２の周りに磁歪素子１２と同心的に
配置されたコイル１４とで構成されている。コイル１４
は、非磁性材例えば樹脂、アルミニウムなどで形成され
た巻枠１５の外周に巻装されている。巻枠１５の図中下
方に位置しているフランジ部１６ａは、外筒体５の封じ
部材９の内面に図示しないネジ等によって固定されてい
る。

【００２７】ケーシング１においては、内筒体４の円筒
部材６の外周には、環状溝１７、１８が形成されてお
り、これら環状溝１７、１８内には、内筒体４と外筒体
５との軸直角方向への相対的な移動を拘束しながら軸方
向への相対的な移動を許容するように弾性的に支持する
ゴム等で形成された弾性支持リング１９、２０が装着さ
れている。なお、上記環状溝１７、１８は内筒体４の円
筒部材６の外周に形成されているが、逆に外筒体５の円
筒部材８に形成しても良い。

【００２８】そしてこの実施例では、上記環状溝１７、
１８内には断面が角型の弾性支持リング１９、２０が装
着されている。この弾性支持リング１９、２０にはシー
ル機能（円筒部材６と円筒部材８との間を密封する機
能）は要求されないため、強固に圧縮して装着する必要
はない。

【００２９】なお、内筒体４および外筒体５は、コイル
１４および永久磁石１１、１３に対する閉磁気回路とし
ての機能を有しており、ギャップ１０は磁気抵抗を小さ
くする観点からできるだけ狭くすることが望ましい。

【００３０】そして磁歪素子１２は、Ｎｉ系合金、Ｆｅ
−Ａｌ合金、フェライト系合金、希土類金属−遷移金属
系合金などの磁歪特性を備えた磁性体で形成されてい
る。以上のような構成であると、永久磁石１１のＮ極か
ら出た磁束は、磁歪素子１２→永久磁石１３→封じ部材
７→円筒部材６→円筒部材８→封じ部材９→永久磁石１
１の経路で通過する。すなわち、上記各要素によって１
つの閉磁気回路が構成されている。そして、永久磁石１
１、１３は閉磁気回路に直列に介装されて磁歪素子１２
にバイアス磁界を印加する機能を果たしている。この実
施例では、閉磁気回路に図示の極性で介装されているの
で、永久磁石１１に基づいて印加される磁界と永久磁石
１３に基づいて印加される磁界とを加算した強さの磁界
が、磁歪素子１２にバイアス磁界として軸方向に印加さ
れる。

【００３１】このバイアス磁界の印加によって磁歪素子
１２は、バイアス磁界が印加されない場合に比べて、軸
方向に所定量だけ伸長した状態あるいは軸方向に所定量
だけ収縮した状態で保持される。伸長するか収縮するか
は、磁歪素子１２を構成している材料の特性によって決
まるが、ここでは説明の便宜上、バイアス磁界の印加に
よって、磁歪素子１２が軸方向に所定量だけ伸長した状
態で保持されているものとして説明する。

【００３２】コイル１４が磁歪素子１２と同心的に配置
されているので、このコイル１４で発生する磁界は、磁
歪素子１２に印加される磁界の強さを増減させる。した
がって、磁歪素子１２に印加される磁界の強さがバイア
ス磁界レベルよりも大きくなる向きの電流をコイル１４
に流すと、印加磁界の増加分に相当する量だけ磁歪素子
１２がさらに伸長する。逆に、磁歪素子１２に印加され
る磁界の強さがバイアス磁界レベルよりも小さくなる向
きの電流をコイル１４に流すと、印加磁界の減少分に相
当する量だけ磁歪素子１２が収縮する。このため、コイ
ル１４に流す電流を制御することにより、磁歪素子１２
を伸縮させることができる。この磁歪素子１２の伸縮変
位は、内筒体４と外筒体５の相対的な変位として、外部
に取出すことができる。例えば、外筒体５を固定部側と
して配置すれば、内筒体４の変位を図示しない負荷に伝
えることができ、ここにアクチュエータとしての機能を
発揮させることができる。

【００３３】そして、本実施例の場合には、内筒体４を
構成する円筒部材６と外筒体５を構成する円筒部材８と
の間に、弾性支持リング１９、２０を介在させて、この
弾性支持リング１９、２０の弾性的な変形によって、内
筒体４と外筒体５の軸方向への相対移動が自在になるよ
うに支持しているので、すべり軸受を用いて支持する場
合とは違って、固体摩擦が発生することがない。このた
め、アクチュエータの制御性を向上させることができ
る。

【００３４】また、閉磁気回路において、円筒部材６と
円筒部材８との間のギャップ１０は、磁気抵抗の増大に
寄与するが、本アクチュエータにおいては、ギャップ１
０の円筒部材６と円筒部材８との対向面積が広い、すな
わち、円筒部材６と円筒部材８が微小ギャップ１０を隔
ててオーバラップして配設されており、対向面積が極め
て広く設定されている。したがって従来のアクチュエー
タに比べて、大型化を招くことなく、ギャップ１０の磁
気抵抗を小さくすることができ、これにより、磁歪素子
１２に印加するバイアス磁界を軸方向に均一にして制御
性の良好な変位範囲を広げるとともに、外部への磁気漏
れを防ぐことができる。

【００３５】なお、図１に示す実施例では、弾性支持リ
ングの断面が角形であるが、断面が円形や楕円形の例え
ばＯリング等であっても良い。また、円筒部材の周囲を
一周する完全なリング状である必要はなく、円筒部材の
周囲を複数箇所で支持するように複数の弾性支持部材を
用いても良く、その場合には幾何学的に対象な複数の位
置で支持することが望ましい。

【００３６】またさらに、永久磁石１１、１３を使って
磁歪素子１２にバイアス磁界を印加するようにしている
が、コイル１４にバイアス磁界発生分に相当する直流電
流を常時流すことによって永久磁石を省略するようにし
ても良い。さらに、コイル１４は、巻枠１５の図中下方
に位置しているフランジ部１６ａで外筒体５の封じ部材
９に固定されているが、これと引き替え、巻枠１５の図
中上方に位置しているフランジ部１６ｂで内筒体４の封
じ部材７に固定されていても良い。 （第２実施例）図２は、本発明の第２実施例に係る磁歪
式アクチュエータの断面図である。

【００３７】このアクチュエータも第１実施例と同様
に、大きく分けて二重筒状のケーシング１と、ケーシン
グ１の内部にケーシング１と同軸で収容された変位発生
部２と、この変位発生部２に磁界を印加する磁界印加部
３とで構成されている。

【００３８】ケーシング１は、内筒体４と、外筒体５お
よび図３に要部を拡大して示す第２実施例で特徴的な内
筒体４と外筒体５とを連結するための薄板状のガイド部
材２１、２２で構成されている。

【００３９】本第２実施例は、上記第１実施例と比較し
て、薄板状のガイド部材２１、２２で磁歪素子１２の伸
縮に伴なう内筒体４と外筒体５との相対移動を案内支持
することが特徴であるが、以下第２実施例の構成につい
て図２および図３を参照して説明する。

【００４０】内筒体４は、円筒部材６と、円板状に形成
されて円筒部材６の一端側開口部を閉塞するように円筒
部材６に固定された封じ部材７と、封じ部材７の図面上
方周囲に形成された断面Ｌ型切り欠き部を埋めるように
してガイド部材２１の内側フランジ部２５を挟んで図示
しない捩子で止められたガイド部材固定リング２８と、
円筒部材６の図面下端面にガイド部材２２の内側フラン
ジ２５を挟んで図示しない捩子で止められたガイド部材
固定リング３０とで構成されている。

【００４１】一方外筒体５は、円筒部材８と、円板状に
形成されて円筒部材８の図面下端開口部を閉塞するよう
に円筒部材８にガイド部材２２の外側フランジ部２６を
挟んで固定された封じ部材９と、周囲が内筒体４の開口
部内面と僅かなギャップ１０を保って円板状に形成され
て封じ部材９の図中上面側に固定されたヨーク部材３５
と、円筒部材８の図中上端面にガイド部材２１の外側フ
ランジ部２６を挟んで図示しない捩子で固定されたガイ
ド部材固定リング２９とで構成されている。

【００４２】ガイド板材２１、２２は、図３に示すよう
に、リング状に形成された内側フランジ部２５と外側フ
ランジ部２６を薄板状の４箇所の連結部２７で連結した
ように形成されており、この連結部２７の曲げ変形が内
筒体４と外筒体５の軸方向の相対移動を許容するように
働く。なお、ケーシング１においては、内筒体４を構成
する円筒部材６と封じ部材７、外筒体５を構成するヨー
ク部材３５は、純鉄などの高透磁率材からなっている。

【００４３】変位発生部２は、Ｓ極面を外筒体５を構成
するヨーク部材３５の内面に密接させて設けられた円板
状の永久磁石１１と、一端側を永久磁石１１のＮ極面に
密接に結合されてケーシング１および永久磁石１１と同
軸的に配置された円柱状の磁歪素子１２と、Ｓ極面を磁
歪素子１２の図中上面側に、Ｎ極面を内筒体４の封じ部
材７の内面に夫々密接に取付けて設けられた円板状の永
久磁石１３とで構成されている。

【００４４】磁界印加部３は、前述した永久磁石１１、
１３と、磁歪素子１２の周りに磁歪素子１２と同心的に
配置されたコイル１４とで構成されている。コイル１４
は、非磁性材例えば樹脂、アルミニウムなどで形成され
た巻枠１５の外周に巻装されている。巻枠１５の図中下
方側に位置している巻枠フランジ１６ａは、ヨーク部材
３５の内面に図示しない捩子によって固定されている。

【００４５】ケーシング１において、内筒体４およびヨ
ーク部材３５は、コイル１４および永久磁石１１、１３
に対する閉磁気回路としての機能も有しているため、ギ
ャップ１０は磁気抵抗を小さくする観点からできるだけ
狭くすることが望ましい。

【００４６】磁歪素子１２は、第１実施例と同様にＮｉ
系合金、Ｆｅ−Ａｌ合金、フェライト系合金、希土類金
属−遷移金属系合金などの磁歪特性を備えた磁性体で形
成されている。

【００４７】以上のような構成であると、永久磁石１１
のＮ極から出た磁束は、磁歪素子１２→永久磁石１３→
封じ部材７→円筒部材６→ヨーク部材３５→永久磁石１
１の経路で通過するように、上記各要素によって１つの
閉磁気回路が構成されている。そして、永久磁石１１、
１３は閉磁気回路に直列に介装されて磁歪素子１２にバ
イアス磁界を印加する機能を果たしており、永久磁石１
１に基づいて印加される磁界と永久磁石１３に基づいて
印加される磁界とを加算した強さの磁界が、磁歪素子１
２にバイアス磁界として軸方向に印加される。このバイ
アス磁界の印加によって磁歪素子１２は、バイアス磁界
が印加されない場合に比べて、軸方向に所定量だけ伸長
した状態あるいは軸方向に所定量だけ収縮した状態で保
持される。伸長するか収縮するかは、磁歪素子１２を構
成している材料の特性によって決まるが、この第２実施
例でも説明の便宜上、第１実施例と同様にバイアス磁界
の印加によって、磁歪素子１２が軸方向に所定量だけ伸
長した状態で保持されているものとして説明する。

【００４８】コイル１４が磁歪素子１２と同心的に配置
されているので、このコイル１４で発生する磁界は、磁
歪素子１２に印加される磁界の強さを増減させる。した
がって、磁歪素子１２に印加される磁界の強さがバイア
ス磁界レベルよりも大きくなる向きの電流をコイル１４
に流すと、印加磁界の増加分に相当する量だけ磁歪素子
１２がさらに伸長する。逆に、磁歪素子１２に印加され
る磁界の強さがバイアス磁界レベルよりも小さくなる向
きの電流をコイル１４に流すと、印加磁界の減少分に相
当する量だけ磁歪素子１２が収縮する。このため、コイ
ル１４に流す電流を制御することにより、磁歪素子１２
を伸縮させることができる。この磁歪素子１２の伸縮変
位は、内筒体４と外筒体５の相対的な変位として、外部
に取出すことができる。例えば、外筒体５を固定すれ
ば、内筒体４の変位を図示しない負荷に伝えることがで
き、ここにアクチュエータとしての機能を発揮させるこ
とができる。

【００４９】そして、この第２実施例の場合には、内筒
体４と外筒体５とが、その面を内筒体４および外筒体５
の軸方向にそれぞれ向けたガイド部材２１、２２によっ
て連結されているので、ガイド部材の連結部２７の曲げ
変形によって内筒体４と外筒体５の軸方向への相対移動
を妨げず、同時に内筒体４と外筒体５との軸直交方向の
相対移動をガイド部材の連結部２７の引っ張り剛性によ
って阻止できるため、ギャップ１０が狭まってヨーク部
材３５の外周と円筒部材６内周とが直接接触するような
ことはない。したがって、すべり軸受を用いて支持する
場合とは異なり、固体摩擦が発生することがなく、アク
チュエータの制御性を向上させることができる。

【００５０】しかも、この第２実施例では、内筒体４あ
るいは外筒体５に、アクチュエータ軸方向に直角な方向
の外力や、アクチュエータ軸方向に直角な軸回りのモー
メント（こじり力）が作用した場合でも、ガイド部材２
１、２２の引っ張り剛性により内筒体４と外筒体５との
接触を防ぎ、同時にガイド部材２１、２２の曲げ変形に
より内筒体４と外筒体５の軸方向の相対移動を許容し、
磁歪素子１２の伸縮を妨げることがないように構成され
ている。このガイド部材２１、２２の有する機能、すな
わち、内筒体４と外筒体５との軸方向の相対移動を許容
しながら軸直角方向の相対移動を拘束する効果は、図１
の第１実施例に示した弾性支持リング１９、２０よりも
大きいため、さらに制御を良好に行うことが可能とな
る。

【００５１】なお、図２に示す第２実施例では、永久磁
石１１、１３を使って磁歪素子１２にバイアス磁界を印
加するようにしているが、コイル１４にバイアス磁界発
生分に相当する直流電流を常時流すことによって永久磁
石を省略するようにしても良い。さらに、コイル１４
は、巻枠１５の図中下方側に位置している巻枠フランジ
１６ａでヨーク部材３５に固定されているが、これと引
き替え、巻枠１４の図中上方に位置している巻枠フラン
ジ１６ｂ内筒体４の封じ部材７に固定されていても良
い。 （第３実施例）図４は、本発明の第３実施例に係る磁歪
式アクチュエータの断面図を示す。

【００５２】この図４では図１あるいは図２と同一部分
が同一符号で示されている。したがって、重複する部分
の詳しい説明は省略する。本第３実施例のアクチュエー
タも、大きく分けて、筒状のケーシング１と、ケーシン
グ１の内部にケーシング１と同軸で収容された変位発生
部２と、この変位発生部２に磁界を印加する磁界印加部
３とで構成されている。変位発生部２および磁界印加部
３は、先の第１実施例と同様であり、特に第１実施例と
比較して異なる部分はケーシング１に用いられるガイド
部材の構成であり、このガイド部材２１、２２の構成と
して第２実施例のものを採用している。

【００５３】以下第１実施例と異なるケーシング１の構
成を中心に説明する。ケーシング１は、内筒体４、外筒
体５およびこれらを連結する薄板状のガイド部材２１、
２２とから構成されている。これらガイド部材２１、２
２の具体的な形状については、第２実施例の図３と同様
な形状であり図５に示すようにリング状に形成された内
側フランジ部２５と外側フランジ部２６とを幾何学的に
対称となる４箇所の連結部２７で連結して一体的に形成
されている。そして、これら連結部２７の曲げ変形によ
り内筒体と外筒体の軸方向の相対移動を許容するように
機能する。

【００５４】ガイド部材２１と内筒体４との結合につい
ては、ガイド部材２１の端部を、封じ部材７周囲のＬ形
に切り欠かれた図面上方側を向いた面に、ガイド部材固
定リング２８で図面下方向側に押さえ、図示しないネジ
で固定している。ガイド部材２１と外筒体４との結合
は、ガイド部材２１の端部を、円筒部材８の図面上端側
の周囲に張り出したフランジ部の上面に、ガイド部材固
定リング２９で図面下方向側に押さえ、図示しないネジ
で固定している。

【００５５】また、ガイド部材２２と内筒体４との結合
は、ガイド部材２２の端部を、円筒部材６の図面下端面
に、ガイド部材固定リング３０で図面上方向側に押さ
え、図示しないネジで固定されている。ガイド部材２２
と外筒体５との結合は、ガイド部材２２の端部を、封じ
部材９の周囲に張り出したフランジ部の図面上面側に、
ガイド部材固定リング３１で図面下方向側に押さえ図示
しないネジで固定されている。なお、円筒部材８の図面
下面側には、周囲４か所に切り欠き３２が設けられて、
ガイド部材２２の中央部が円筒部材８と接触しないよう
になっている。

【００５６】なお、ガイド部材２１、２２については図
５に示すように内側フランジ部２５、外側フランジ部２
６および連結部２７を一体的に形成することが望ましい
が、図６および図７に示すようにそれぞれの部材を別体
として構成しても良い。すなわち、図７に図６中の上方
部分に配置されたガイド部材２１を中心に描いた上面図
を示すが、内側フランジ部２５と外側フランジ部２６、
および４枚の連結部２７をそれぞれ別体とて構成し、連
結部２７を放射状に配置すると共に、この場合には内側
フランジ部２５をガイド部材固定リング２８の機能を兼
用して用い、外側フランジ部２６をガイド部材固定リン
グ２９の機能を兼用して用いている。

【００５７】つまり図２に示したガイド部材固定リング
２８、２９を省略し、連結部２７を内側フランジ部２５
で内筒体４の封じ部材７に固定し、外側フランジ部２６
で外筒体４の円筒部材８に固定している。

【００５８】なお、同様に図６中の下方に配置されたガ
イド部材２２は、内側フランジ部２５と外側フランジ部
２６、および４枚の連結部２７をそれぞれ別体とし、こ
の場合には内側フランジ部２５が図４に示したガイド部
材固定リング３０の機能を兼用しており、外側フランジ
部２６が図４に示したガイド部材固定リング３１の機能
を兼用している。つまり図４に示したガイド部材固定リ
ング３０、３１を省略し、連結部２７を内側フランジ部
２５で内筒体４の円筒部材８に固定し、外側フランジ部
２６で封じ部材９に固定している。

【００５９】以上のような第３実施例に係る構成のアク
チュエータでは、上記第１実施例および第２実施例と同
様に永久磁石１１、１３は閉磁気回路に直列に介装され
て磁歪素子１２にバイアス磁界を印加しており、このバ
イアス磁界が印加された状態から、磁歪素子１２と同心
的に配置されているコイル１４に磁歪素子１２に印加さ
れる磁界の強さがバイアス磁界レベルよりも大きくなる
向きの電流を流すと、印加磁界の増加分に相当する量だ
け磁歪素子１２がさらに伸長もしくは収縮する。逆に、
磁歪素子１２に印加される磁界の強さがバイアス磁界レ
ベルよりも小さくなる向きの電流をコイル１４に流す
と、印加磁界の減少分に相当する量だけ磁歪素子１２が
収縮もしくは伸長させることができる。

【００６０】したがって、コイル１４に流す電流を制御
することにより、磁歪素子１２を伸縮させ、この磁歪素
子１２の伸縮変位を内筒体４と外筒体５の相対的な変位
として外部に取出すことができる。

【００６１】そして、本第３実施例の場合にも、第１実
施例と同様に弾性支持リング１９、２０の弾性的な変形
によって、内筒体４と外筒体５の軸方向への相対移動が
自在になるように支持しているので、すべり軸受を用い
て支持する場合とは違って、固体摩擦が発生することが
なく、アクチュエータの制御性を向上させることができ
る。また、閉磁気回路において、円筒部材６と円筒部材
８との間のギャップ１０の対向面積が広いので、従来の
アクチュエータに比べて、大型化を招くことなく、ギャ
ップ１０の磁気抵抗を小さくすることができ、磁歪素子
１２に印加するバイアス磁界を軸方向に均一にして制御
性の良好な変位範囲を広げるとともに、外部への磁気漏
れを防ぐことができるといった効果が得られる。

【００６２】しかも、上記第１実施例と同様な効果にさ
らに加えて、この第３実施例では、内筒体４あるいは外
筒体５に、アクチュエータ軸方向に直角な方向の外力
や、アクチュエータ軸方向に直角な軸回りのモーメント
（こじり力）が作用した場合でも、ガイド部材２１、２
２の引っ張り剛性により内筒体４と外筒体５との接触を
防ぎ、同時にガイド部材２１、２２の曲げ変形により内
筒体４と外筒体５と軸方向の相対移動を許容し、磁歪素
子の伸縮を妨げることがないように構成されている。こ
のガイド部材２１、２２の有する機能、すなわち、内筒
体４と外筒体５との軸方向の相対移動を許容しながら軸
直角方向の相対移動を拘束する効果は、図１の第１実施
例に示した弾性支持リング１９、２０よりも大きいた
め、さらに制御を良好に行うことが可能となる。

【００６３】また、図４および図６に示すアクチュエー
タにも、内筒体４の外周に環状溝１７、１８が形成され
ており、これらの環状溝１７、１８内に断面円形の弾性
支持リング１９、２０が装着されている。この場合の弾
性支持リング１９、２０は、組立て時における内筒体４
と外筒体５との相対的な位置決め、すなわち、内筒体４
と外筒体５の軸を一致させる機能も併せ持っている。

【００６４】つまり、図４および図６に示す磁歪式アク
チュエータにおいて、弾性支持リング１９、２０が設け
られておらず、ガイド部材２１、２２のみで内筒体４と
外筒体５との相対移動を支持する場合を想定すると、組
立て工程時に、内筒体４と外筒体５とを微小なギャップ
１０を介して精度良く中心軸を一致させなければなら
ず、組立て工程が複雑になる虞が生じる。しかし、弾性
支持リング１９、２０を設けている本実施例によれば、
組立て工程時には弾性支持リング１９、２０を装着した
状態で、内筒体４を外筒体５内に挿入するだけで両者の
中心軸を精度良く一致させることができる。 （第４実施例）次に図８は、本発明の第４実施例に係る
磁歪式アクチュエータの断面図を示すものである。

【００６５】この図８においても、図１乃至図７と同一
の部分が同一で示されているため、重複する部分の説明
は省略する。この第４実施例が特徴とするのは、上述の
第３実施例に対して、ガイド部材２１、２２のうち下方
に配設されたガイド部材２２を省略した構成である。

【００６６】すなわち図８中上半分の構成が図４に示し
た第３実施例アクチュエータに相当し、図８中下半分の
構成が図１に示した第１実施例のアクチュエータに相当
する構成となっている。

【００６７】このようにガイド部材２２を省略し、ガイ
ド部材２１のみで支持する構成としても、内筒体４ある
いは外筒体５に、アクチュエータ軸に直角な方向の外力
や、アクチュエータ軸に直角な軸回りのモーメント（こ
じり力）が作用した場合に、ガイド部材２１の引っ張り
剛性により内筒体４と外筒体５との接触を防ぎ、同時に
ガイド部材２１の曲げ変形により内筒体４と外筒体５と
軸方向の相対移動を許容し、磁歪素子の伸縮を妨げるこ
とがないように機能させることが可能となる。このガイ
ド部材２１の有する機能、すなわち、内筒体４と外筒体
５との軸方向の相対移動を許容しながら軸直角方向の相
対移動を拘束する効果は、図１の第１実施例に示した弾
性支持リング１９、２０よりも大きいため、第１実施例
よりもさらに制御を良好に行うことが可能となる。 （第５実施例）図９は、本発明の第５実施例に係る磁歪
式アクチュエータの断面図を示すものである。この図で
は図１乃至図７と同一部分が同一符号で示されている。
したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００６８】本第５実施例のアクチュエータも、大きく
分けて、二重円筒状のケーシング１と、ケーシング１の
内部にケーシング１と同軸で収容された変位発生部２
と、この変位発生部２に磁界を印加する磁界印加部３と
で構成されている。変位発生部２および磁界印加部３
は、第１実施例乃至第４実施例と同様であり、特徴を有
するのはケーシング１の部分の構造である。

【００６９】ケーシング１を構成する内筒体４の円筒部
材６の外周面には外側に向かってフランジ３７が張り出
すように形成されている。一方、外筒体５の円筒部材８
の内周面には内側に向かってフランジ３８が張り出すよ
うに形成されており、上記フランジ３７と対向してい
る。フランジ３７とフランジ３８との間には圧縮された
弾性リング部材３９が介装され、フランジ３７とフラン
ジ３８とは弾性リング部材３９の弾性力によって互いに
反発し合って配設されている。これにより、磁歪素子１
２には圧縮力が与えらている。

【００７０】ところで、磁歪素子１２は、伸縮軸方向に
対して予め圧縮力を与えておいた方が伸縮変位量が大き
くなるが、図１０に示すように、圧縮力による面圧が適
当な値で伸縮変位量が最大になり、それよりも大きいと
伸縮変位量が減じてしまう。そのため図１１に示す磁歪
アクチュエータＡのように、制御対象物Ｃを鉛直方向に
支持しながら上下方向に移動制御する場合は、磁歪素子
に作用する面圧が適切になるように磁歪素子の断面積を
設定すればよい。この場合は第１乃至第４実施例に示す
アクチュエータを用いて磁歪素子１２の太さを適宜設定
することが有効である。

【００７１】しかし、図１１に示す磁歪アクチュエータ
Ｂのように、制御対象物Ｃの動きを水平方向に制御しよ
うとする場合は、制御対象物Ｃの自重がアクチュエータ
Ａのように重力方向に作用しないので、特別に磁歪素子
に圧縮力を与えておくことが望ましい。図９に示した第
５実施例は、ケーシング１を構成する内筒体４と外筒体
５の隙間に弾性リング部材２９が圧縮状態で介装されて
いるので、大型化を招くことなく、この弾発力を利用し
て磁歪素子１２に適切な圧縮力を与えることができる。
したがって、図１１に示す磁歪アクチュエータＢのよう
に制御対象物の動きを水平方向に制御しようとする場合
に特に適した構成である。 （第６実施例）図１２は、本発明の第６実施例に係る磁
歪式アクチュエータの断面図を示すものである。この図
では図１乃至図９と同一部分が同一符号で示されてい
る。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略す
る。

【００７２】本第６実施例のアクチュエータも、大きく
分けて、筒状のケーシング１と、ケーシング１の内部に
ケーシング１と同軸で収容された変位発生部２と、この
変位発生部２に磁界を印加する磁界印加部３とで構成さ
れている。変位発生部２および磁界印加部３は、第１実
施例乃至第５実施例と同様であり、特徴を有するのは先
の第５実施例と同様にケーシング１の部分の構造であ
る。

【００７３】ケーシング１を構成する内筒体４の円筒部
材６の外周面には外側に向かってフランジ３７が張り出
すように形成されている。一方、外筒体５の円筒部材８
は周囲の一部が凹凸部を形成し、外周側に凸となる凸部
３８を有する形状に形成され、この凸部３８の内側の一
方はフランジ３７と対向している。フランジ３７と凸部
３８との間には圧縮された弾性リング部材３９が介装さ
れて、フランジ３７と凸部３８とは弾性リング部材３９
の弾性力によって互いに反発し合っている。これによ
り、磁歪素子１２には先の第５実施例と同様に圧縮力が
与えらている。

【００７４】このように図１２に示した第６実施例のア
クチュエータにおいても、先の第５実施例と同様に、ケ
ーシング１を構成する内筒体４と外筒体５の隙間に弾性
リング部材３９が圧縮状態で介装されているので、大型
化を招くことなく、この弾発力を利用して磁歪素子１２
に適切な圧縮力を与えることができる。したがって、図
１１の磁歪アクチュエータＢとして示したように制御対
象物の動きを水平方向に制御しようとする場合に特に適
した構成である。

【００７５】なおこの第６実施例は、図１の第１実施例
等に示した通り、内筒体４および外筒体５は、コイル１
４および永久磁石１１、１３に対する閉磁気回路として
の機能を有している。そして、それらの間のギャップ１
０は磁気抵抗を小さくする観点からできるだけ狭くする
ことが望ましが、本第６実施例のアクチュエータにおい
ては、微小ギャップ１０を隔てて内筒体４および外筒体
５が対向する面積が第５実施例のものと比較すると格段
に広く構成されている。

【００７６】このように、円筒部材６と円筒部材８との
対向面積が広いので大型化を招くことなく、ギャップの
磁気抵抗を小さくすることができる。これにより、磁歪
素子１２に印加するバイアス磁界を軸方向に均一にして
制御性の良好な変位範囲を広げるとともに、外部への磁
気漏れを防ぐこともできる。

【００７７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、磁
歪式アクチュエータにその伸縮軸に直角な方向の外力が
作用した場合でも、磁歪素子の破損を防止するととも
に、磁歪素子の伸縮にともなう支持部の固体摩擦をとも
なうことなく応答性能を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例に係る磁歪式アクチュエ
ータの断面図である。

【図２】 本発明の第２実施例に係る磁歪式アクチュエ
ータの断面図である。

【図３】 本発明の第２実施例に係る磁歪式アクチュエ
ータにおけるガイド部材の上面図である。

【図４】 本発明の第３実施例に係る磁歪式アクチュエ
ータの断面図である。

【図５】 本発明の第３実施例に係る磁歪式アクチュエ
ータにおけるガイド部材の上面図である。

【図６】 本発明の第３実施例の変形例に係る磁歪式ア
クチュエータの断面図である。

【図７】 本発明の第３実施例の変形例に係る磁歪式ア
クチュエータにおけるガイド部材の上面図である。

【図８】 本発明の第４実施例に係る磁歪式アクチュエ
ータの断面図である。

【図９】 本発明の第５実施例に係る磁歪式アクチュエ
ータの断面図である。

【図１０】 磁歪素子における面圧と伸縮量の関係を示
す図である。

【図１１】 本発明に係る磁歪式アクチュエータの使用
例を示す図である。

【図１２】 本発明の第６実施例に係る磁歪式アクチュ
エータの断面図である。

【図１３】 従来の磁歪式アクチュエータの断面図であ
る。

【図１４】 磁歪素子の磁界と歪みとの関係を示す図で
ある。

【図１５】 バイアス磁界を印加した磁歪素子の制御磁
界と歪みとの関係を示す図である。

【符号の説明】

１ ケーシング ２ 変位発生部 ３ 磁界印加部 ４ 内筒体 ５ 外筒体 ６ 円筒部材 ７ 封じ部材 ８ 円筒部材 ９ 封じ部材 １０ ギャップ １１ 永久磁石 １２ 磁歪素子 １３ 永久磁石 １４ コイル １５ 巻枠 １９ 弾性支持リング ２０ 弾性支持リング ２１ ガイド部材 ２２ ガイド部材

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00 G05D 3/00 H01L 41/12

Claims (10)

(57)【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、 前記変位発生手段の周囲に配設され、前記変位発生手段
   に磁界を印加するための磁界発生手段と、 前記変位発生手段と前記磁界発生手段を収納し、前記変
   位発生手段とともに閉磁気回路を構成する閉磁気回路構
   成部材とを具備した磁歪式アクチュエータにおいて、 前記閉磁気回路構成部材が、有底状の内筒部材と、この
   内筒部材の外周と間隙を保って同芯状に配設された有底
   状の外筒部材とで構成され、 前記内筒部材の底部内面側および前記外筒部材の底部内
   面側のそれぞれに前記変位発生手段の一端側および他端
   側の端面をそれぞれ連結して成ることを特徴とする磁歪
   式アクチュエータ。
2. 【請求項２】前記内筒部材の外周と前記外筒部材の内周
   との間の間隙部分に弾性変形により前記内筒部材と前記
   外筒部材との相対移動を許容する案内手段が設けられて
   いることを特徴とする請求項１に記載の磁歪式アクチュ
   エータ。
3. 【請求項３】一端側が前記内筒部材に、他端側が前記外
   筒部材に取付けられた薄板部材が、その平面を前記変位
   発生手段の変位方向と略直交する向きに配設されて成る
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁歪式アクチュエー
   タ。
4. 【請求項４】前記内筒部材の外周と前記外筒部材の内周
   との間の間隙部分に前記変位発生手段の変位方向には変
   位を許容し、前記変位方向以外には変位を拘束する拘束
   力を発生する案内手段が設けられていることを特徴とす
   る請求項１に記載の磁歪式アクチュエータ。
5. 【請求項５】前記薄板部材は、前記内筒部材に取付けら
   れる内側リング部材と、前記外筒部材に取付けられる外
   側リング部材と、これら内側リング部材と外側リング部
   材とを連結し前記変位発生手段により変形可能な複数の
   連結部材とで構成されることを特徴とする請求項１に記
   載の磁歪式アクチュエータ。
6. 【請求項６】磁歪を有する磁性体からなる変位発生手段
   と、 前記変位発生手段の周囲に配設され、前記変位発生手段
   に磁界を印加するための磁界発生手段と、 前記変位発生手段と前記磁界発生手段とを収納した有底
   筒状の第１部材と、 この第１部材と前記変位発生手段とともに閉磁気回路を
   構成するための第２部材と、 前記第１部材に一端側を取付け、他端側を前記第２部材
   に取付けると共にその平面を前記変位発生手段の変位方
   向と略直交する向きに配設した薄板部材とを具備し、 前記変位発生手段の一端側を第１部材に、他端側を第２
   部材に連結し、前記薄板部材の弾性変形により前記第１
   部材と第２部材とを相対移動可能に構成したことを特徴
   とする磁歪式アクチュエータ。
7. 【請求項７】前記第２部材を有底筒状の部材で構成し、
   前記第１部材と第２部材の筒部分を微小間隙を介して同
   芯状に対向配置させたことを特徴とする請求項６に記載
   の磁歪式アクチュエータ。
8. 【請求項８】前記薄板部材は、前記第１部材に取付けら
   れる第１リング部材と、前記第２部材に取付けられる第
   ２リング部材と、これら第１リング部材と第２リング部
   材とを連結し前記変位発生手段により変形可能な複数の
   連結部材とで構成されることを特徴とする請求項６に記
   載の磁歪式アクチュエータ。
9. 【請求項９】磁歪を有する磁性体からなる変位発生手段
   と、 前記変位発生手段の周囲に配設され、前記変位発生手段
   に磁界を印加するための磁界発生手段と、 前記変位発生手段と前記磁界発生手段を収納し、前記変
   位発生手段とともに閉磁気回路を構成する閉磁気回路構
   成部材とを具備した磁歪式アクチュエータにおいて、 前記閉磁気回路構成部材が、有底状の内筒部材と、この
   内筒部材の外周と間隙を保って同芯状に配設された有底
   状の外筒部材とで構成され、前記内筒部材の底部内面側
   および前記外筒部材の底部内面側のそれぞれに前記変位
   発生手段の一端側および他端側の端面をそれぞれ連結
   し、 前記内筒部材と前記外筒部材との間に前記変位発生手段
   を収縮させる方向へ与圧を与える与圧部材を配設したこ
   とを特徴とする磁歪式アクチュエータ。
10. 【請求項１０】前記アクチュエータを鉛直方向に沿って
    配置したことを特徴とする請求項９に記載の磁歪式アク
    チュエータ。