JPH08511912A - 力／運動発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 力／運動発生装置は、磁歪材料の物体（１６）と、該物体に磁束を印加するための手段（１０、１７）とを有する。前記手段（１０、１７）は、互いに小さい距離離れて位置する１対の極表面を（１４）を有し、該極表面は磁束源（１７）に連結され、その間に前記物体（１６）を収容するギャップ（１５）を画定し、前記物体（１６）に対し磁束を第１方向（ｘ）に印加するように構成されており、該第１方向における物体の寸法が、該第１方向にほぼ直角にして、物体（１６）が前記他の対象物（１９）に力および／または運動を与えている少なくとも１個の他の方向（ｙ）における寸法に比較して小さくなっている。

Description

【発明の詳細な説明】 力／運動発生装置 本発明は、他の対象物に力および／または運動を与えるために利用される磁歪 材料の物体と、該物体を弾性変形させるために該物体に磁束を印加する手段とを 有する力／運動発生装置に関する。 かかる装置は実際に種々の目的に利用される。例えば、磁歪物体にクランプ力 や衝撃力を発生させるクランプ装置や打撃装置として利用されている。さらに、 微細な位置決め装置としても使用され、この場合、磁歪物体は可動対象物の位置 をセットするため該対象物に連結されている。また、振動装置としても利用され 、その際磁歪物体は磁歪物体に連結された対象物に振動運動を与える役をしてい る。上記の他に多数応用が考えられる。 従来技術においては、磁歪材料の物体が通常細長い直線状の棒として形成され ている。さらに、物体に磁束を印加する手段が、該棒の回りに延び、棒に搭載さ れ、棒を通り棒の長手方向に磁束を発生させ得るコイルから成る電気巻線により 通常形成されている。 棒と、棒の両端の間の長い空気ギャップとにより構成される磁束の閉鎖経路の 高いリラクタンスのため、棒を通り充分高い磁束を発生させるには比較的高いア ンペア−ターン（ａｍｐｅｒｅ−ｔｕｒｎ）が要求される。このことは、比較的 大きい電流がコイルを通り供給されねばならず、コイルの巻線回数が比較的大き く、従って、コイルが運転中に相当加熱されることを意味する。コイルと棒との 間の高い熱的結合の結果、コイルの加熱は棒をも相当加熱することになり、棒は 熱に起因する相当大きい長さの変化を受ける。この棒長さにおける熱による変化 は、温度平衡が達成されることのない断続的運転において特別厄介になる厳しい 問題をしばしば引き起こす。棒長さの熱に基づく変化の結果起こる問題の他に、 棒が加熱されることは、棒の磁歪特性が温度に依存するという事実に基づく新た な問題を生じさせる。 上記問題を少なくともある程度克服するために、コイルに、コイルを水冷する 手段を設けることもある。しかし、かかる水冷は相当なコストを要し、また、特 に利用出来る空間が制限されていたり、問題の構造が可動であるべき場合には実 際上大きい困難がある。勿論、コイルを水冷する代わりに、棒内に１本または数 本の通路を設け、そこを通り冷却水を供給し、棒を直接水冷することも考えられ る。この場合には、コイル水冷の場合と本質的に同じ欠点の他に、棒内の材料が 腐食性であり、水素脆性の傾向を有している事実から生じる種々の欠点が存在す る。 上述の問題を示唆してもいないが、ＧＢ−Ａ ８７４６５９には、磁束の印加 により弾性的に変形される磁歪材料の細長い物体の加熱を減少させるという問題 を良く解決しているとも言える装置が開示されている。前記特許の明細書は、軟 磁性体のＵ字形のヨークが、ヨークに搭載された巻線により生じる磁束を、細長 いストリップ状の磁歪材料の物体に長手方向に印加するのに利用されている超音 波発生器を開示している。巻線を磁歪物体回りにではなく、離れたヨーク上に搭 載することにより、巻線により生じる磁束が通る磁気回路のリラクタンスが減少 される。これは、所望の大きさの磁束を発生させるに要するアンペアターンと、 その際巻線内に生じる熱とが減少されることを意味する。また、巻線と磁歪物体 との間の熱的結合も軽減される。上記両状態は物体の加熱を減少させるが、物体 は依然として巻線から、輻射またはヨークを通る伝導により、相当量の熱を供給 されている。この主な理由は、細長いストリップ状物体の磁歪材料の透磁率が低 いため、物体に長手方向に印加される磁束に対する物体のリラクタンスが比較的 高くなることである。このことは、充分な量の磁束を発生させるために比較的大 きいアンペアターンが必要であることを意味する。 ＧＢ−Ａ ８７４６５９に記載された装置の他の欠点は、磁歪物体の両端がヨ ークに強固に固定されており、従って、該両端が物体の長手方向に相対的に動く ことを阻止されていることである。従って中央部分において撓み得る薄いストリ ップから成る磁歪物体の代わりに、物体の長手方向両端の磁束による相対変位を 利用して、他の対象物に力／運動を加え得るような他の強固な細長い磁歪材料の 物体を使用することは不可能である。しかし、かかる磁歪物体の利用が望まれる ことが多く、物体が比較的大きい力を他の対象物に印加すべき場合に特に望まし い。 本発明の目的は、冒頭に述べた種類の力／運動を発生させる改良された装置に して、磁歪材料の物体の装置運転中に生じる加熱をさらに減少させることが出来 、また、物体として、磁束の印加により物体の長手方向両端の相対的変位を含む 物体の弾性変形をうけるような細長い強固な棒または他の細長い物体を使用する ことの出来る装置を提供することである。 本発明の装置は上記目的のため、物体に磁束を印加する手段が、互いに短い距 離をおいて対向して位置する少なくとも１対の極表面を有し、該極表面が少なく とも１個の磁束源に連結され、該表面間に物体を収容するギャップを画定し、物 体の第１方向における寸法を該方向にほぼ垂直な少なくとも１つの他の方向にお ける寸法に比較して小さいものとし、物体に該第１方向に磁束を印加し、対象物 に対し前記他の方向に力および／運動を加えるように構成された極表面を有して いることを主な特徴としている。 本発明は、磁束印加の結果磁歪材料の物体内に生じる弾性変形は物体容積に本 質的変化を与えず、従って磁束が通る方向の物体寸法の変化は、同時に、該方向 に垂直な方向において物体寸法を逆に変化させることになるという理解に基づい ている。 本発明に従えば、長さが短く、面積が比較的大きく、従ってリラクタンスが小 さいような方向で磁歪物体に磁束が印加され、その際同時に生じる、長さが長く 、面積が比較的小さい他の方向における物体寸法の変化を対象物に力／運動を加 えるために使用する。本発明の好適実施例における場合のように、極表面が、軟 磁性材料のヨークの対向する端部表面により構成され、該ヨーク上に磁束源とし て作用する電気巻線が搭載されている。この場合には、必要なアンペアターンが 顕著に減少され、巻線内に生じる熱と、それに伴う磁歪物体の加熱も顕著に減少 する。さらに、本発明によれば、ヨークが、磁歪物体の両端部部分の前記他の方 向における相対変位を阻害することはない。 さらに、本発明の格別な利点は、例えば、極表面が物体の所望の形状に適した 形状を容易にとり得るから、磁歪物体が細長い棒形状とは違った多くの他の形状 を有し得ることである。例えば、磁歪物体は、直径に比較して小さい厚さを有す る円板またはリングの形状でもよい。 本発明はまた、磁束源として電気巻線の代わりに、または電気巻線に加えて永 久磁石を使用することも可能にしている。磁束源として永久磁石を使用している 場合には、極表面は永久磁石自身により形成されてもよく、および／または、そ れに連結された軟磁性材料の部品により形成されてもよい。 永久磁石のみで磁歪物体を通る磁束を生成する場合には、前述した物体に加熱 が生じない。 異方性の磁歪材料で物体を形成することが適当である。物体が、極表面間のキ ャップ内にほぼ静止姿勢で配置される場合には、第１方向、すなわち、磁束が印 加される方向で磁歪を最大とするように物体を配置する。物体が、正の磁歪を有 する材料の場合には、上記第１方向において極表面が物体に圧縮予張力を与える ように配置されることが有利である。かかる圧縮予張力を磁歪物体に加えること により、物体寸法の変化を増大させることが可能である。 例えば、非常に高い正の磁歪を有する磁歪材料の一つは、テルビウム、ディス プロジウム、鉄の合金であるＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄであると言える。 物体が真直ぐな磁歪材料の棒により形成され、該棒が上記ギャップ内で長手軸 回りに回転するように搭載され、長手軸を横断する方向に最大磁歪を有する場合 には、格別有利な装置特性が得られる。かかる回転可能な棒より成る磁歪物体を 利用することにより、電気巻線を通して供給される直流を用いて磁束を形成させ 、しかも、電気モータを用いて棒を回転させて、棒の長さの周期的変動を起こさ せることが可能になる。あるいは、磁束が巻線を通り供給される交流を用いて生 成される場合には、棒の“ストローク長さ”は、棒の回転位置を例えば手動で調 整することにより変化され得る。さらに、永久磁石により生成されたほぼ一定の 磁束を上記種類の回転可能な磁歪棒に印加し、回転モータまたは他の運転手段を 用いて棒を回転させることにより、棒の長さの変動を起こさせることも可能であ る。 前述したように、本発明の他の実施例によれば、磁束源として永久磁石を利用 している場合には、該永久磁石が長手軸回りに回転するように搭載され長手軸を 横断する方向に永久磁化された部材として形成され、該部材の回転位置に依存し て物体を通る磁束を変動させるように構成されてもよい。 以下、本発明を添付の概略図を参照して詳細に説明する。 第１図は、本発明の第１実施例の力／運動発生装置の透視図である。 第２図は、本発明の第２実施例の装置の透視図である。 第３図は、本発明の第３実施例の装置の透視図である。 第４図は、本発明の第４実施例の装置の透視図である。 第５図は、本発明の第５実施例の装置の側立面図である。 第１図において、参照番号１０は一般に、側立面図に見るように、一般にＵ字 形の軟磁性材料のヨークを示し、該ヨークは中央ウェブ部分１１と、該ウェブ部 分から横方向に延びる２個の脚１２とを有している。脚１２はその自由端に、互 いに対向するように曲げられ、２個の細長い平坦にして互いに平行な極表面１４ に終結する端部分１３を有し、該極表面は互いに短い距離離れて位置され、その 間にギャップ１５を画定している。本ギャップには、長方形断面の細長い直線状 の棒１６である磁歪材料の物体が配置されている。 ヨーク１０のウェブ部分１１に電気巻線１７が搭載されている。そこに電流が 供給されると、巻線が、ヨーク１０と棒１６とにより形成された磁気回路内に磁 束を生じさせる。この磁束は、棒の長手方向ｙにほぼ垂直すなわち、極表面に垂 直な方向とほぼ平行な方向ｘで棒を通過している。磁束は、その大きさに対応し て棒のｘ方向の幅を変化させる。ｘ方向の棒幅の変化は同時に、ｙ方向における 棒長さの逆の変化を引き起こす。ギャップ１５と棒１６とは、ｘ方向の幅に比較 してｙ方向の長さが非常に長いから、主に磁束によるｘ方向の棒幅が小さいため ｘ方向の棒幅の変化が比較的小さいにも拘らず、ｙ方向の棒の長さの変化は比較 的大きい。この理由により、棒１６は適切に、他の対象物に対しｙ方向に力／運 動を加えるために利用される。第１図には、棒１６が一端において支持台１８に 剛固に固定され、他端において、磁束に応じた力／運動が加えられる対象物１９ と協働する構成を概略示している。 ギャップ１５内に静止姿勢に置かれた棒１６は、ｘ方向において最大の磁歪を もつ異方性磁歪材料から作られることが有利である。例えば、非常に大きい磁歪 を得るために通常巨大磁歪材料と呼ばれるＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄが用いられる。 第２図には第１図の装置とヨーク１０の形態のみが異なる装置が示されており 、 すなわちヨークは円筒環状物体として形成され、その周囲の所定の部分に、ギャ ップ１５を画定する軸方向に延びるスロットが設けられている。この場合ヨーク １０は、変圧器のコアに類似の態様で積層され、互いに電気的に絶縁され、互い に並列して置かれた軟磁性材料の多数の薄い要素１０’から成っている。 ヨークが第２図に示すように積層され、棒１６がｘ方向に正の磁歪を有してい る場合には、ヨーク１０は極表面１４を通り、棒１６にｘ方向の圧縮予応力を加 えるために有利に利用される。 第３図には第１図の実施例と相違する主な点は、棒１６が円形断面を有し、第 １図の支持台１８の代わりに軸受装置２０に回転可能に搭載されていることが異 なる実施例が示されている。さらに、極表面１４が棒の輪郭と一致する円弧状の 湾曲輪郭を有している。棒１６は異方性磁歪材料から成り、棒の長手軸ｙを横断 するｘ’方向において最大の磁歪を有している。参照番号２１は棒を長手軸ｙ回 りに回転させる電気駆動モータを示している。 上述の棒の異方性磁歪特性のため、極表面を介し、棒に加えられる磁束により 生じる棒の弾性変形が棒の瞬間回転位置に依存して変動する。従って、回転運動 がモータによって棒１６に加えられ、巻線を通る直流により生じる定常な磁束が 棒の横断方向に印加された場合に、ｙ方向の棒１６の長さが周期的に変動する。 棒１６の長さの周期的変動は、巻線を通し供給される交流により生じる周期的に 変動する磁束の影響下に棒を曝すことによっても得られる。この場合、モータ２ １の代りに手動の操作手段を用い、棒長さの周期変動の振幅を調整するために、 操作手段を用いて棒を種々の回転位置に設定するようにしてもよい。 第４図は第３図の実施例にほぼ相当する本発明の第４実施例の装置を示してい る。相違する点は、巻線１７とヨーク１０との代わりに、Ｕ字形の永久磁石２２ と、該磁石の脚物に搭載され、第３図の実施例におけるヨーク１０の極表面の輪 郭に対応する湾曲円弧状輪郭をもつ対向極表面１４をもつ極物材２３とが設けら れていることである。この場合においても、棒１６は長手軸回りに回転可能に搭 載されており、棒を回転させるモータに接続されている。さらに、棒は第３図の 装置におけるように異方性磁歪特性を有し、長手軸ｙを横断する方向ｘ’におい て最大の磁歪を有している。 第４図の装置においては、永久磁石２２が、ほぼ一定の磁束を棒に対し、棒の 長手方向を横断する方向に印加させている。従って、モータ２１により棒１６が 回転されると、棒の最大磁歪方向ｘ’が棒に印加される磁束の方向に相対的に回 転される結果として、棒の長さが周期的に変動することになる。 第５図は、細長い棒２４状の永久磁石を有し、該棒が横方向に磁化され、詳細 には図示していない方法により長手軸回りに回転されるようにした装置を示す側 立面図である。参照番号２５は一般にＵ字形断面を有する軟磁性材料の２個の部 材を示し、該部材を介し、永久磁石棒２４の回転位置に依存して変化する磁束が 磁歪材料の棒１６に印加されており、該棒１６はほぼ長方形断面を有し、各部材 ２５により形成された２個の極表面１４の間に画定されたギャップ内に配置され ている。この場合磁歪棒１６は、２個の極表面１４に垂直な横方向に最大磁歪を 有している。棒２４が回転すると、２個の要素２５と棒１６とを通り、棒２４の 回転位置に依存して変動する磁束が生じる。棒が、棒に連結された図示していな い駆動モータにより回転されると、棒の長さが周期的に変動される。 本発明は、上述し図示された実施例に限定されるものではなく、多くの他の実 施例が本発明の権利範囲内で可能である。例えば、磁歪材料の物体と、磁束を該 物体へ供給する役をする極表面とは、細長い直線状の形状である必要はないと言 うことが出来る。すなわち、上記物体や極表面は多くの他の形状であってもよい 。例えば、磁歪物体は、円形または環状形であってもよい。さらに、磁歪物体は 極表面の間に画定されたギャップ内に、容易に取り外し可能に収容されるように 構成してもよいともいえる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 対象物に力および／または運動を加えるために利用される磁歪材料の物 体と、該物体に弾性変形を生じさせるため該物体に磁束を印加するための手段と を有する力／運動発生装置において、前記手段が、少なくとも１対の小さい距離 離れて互いに対向して置かれた極表面を（１４）を有し、該極表面が少なくとも １個の磁束源（１７、２２、２４）に連結され、極表面の間に前記物体（１６） が位置するギャップ（１５）を画定し、前記物体（１６）に対して磁束を第１方 向（ｘ）に印加するように構成されており、該第１方向における物体（１６）の 寸法が、該第１方向にほぼ直角にして、物体（１６）が前記他の対象物（１９） に力および／または運動を与えている少なくとも１つの他の方向（ｙ）における 寸法に比較して小さいことを特徴とする装置。 ２． 請求の範囲第１項に記載の装置において、前記極表面が軟磁性材料のヨ ーク（１０）の対向した端表面（１４）により形成されており、該ヨーク上に磁 束源として電気巻線（１７）が搭載されていることを特徴とする装置。 ３． 請求の範囲第１項または第２項に記載の装置において、該装置が、磁束 源として作用する永久磁石（２２、２４）を有することを特徴とする装置。 ４． 請求の範囲第３項に記載の装置において、２個の極表面（１４）が前記 永久磁石（２２、２４）、および／または、該永久磁石に連結された軟磁性材料 の部材（２３、２５）により形成されていることを特徴とする装置。 ５． 請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項に記載の装置において、前 記物体（１６）が異方性磁歪材料から成っていることを特徴とする装置。 ６． 請求の範囲第５項に記載の装置において、前記物体が極表面により画定 されたギャップ内のほぼ静止した状態で配置されており、該物体が前記第１方向 において最大磁歪を有していることを特徴とする装置。 ７． 請求の範囲第６項に記載の装置において、前記物体が正の磁歪を有する 材料から成り、極表面（１４）が前記物体（１６）に前記第１方向（ｘ）におい て圧縮予張力を加えるように構成されていることを特徴とする装置。 ８． 請求の範囲第５項に記載の装置において、前記物体が、磁歪材料の直線 状の棒（１６）から成り、該棒が前記ギャップ内に収容され、その長手軸（ｙ） 回りに回転可能に搭載され、長手軸（ｙ）を横断する方向（ｘ’）に最大磁歪を 有していることを特徴とする装置。 ９． 請求の範囲第３項に記載の装置において、前記永久磁石が、その長手軸 回りに回転可能に搭載された部材として構成され、該部材が前記長手軸を横断す る方向に永久磁化されており、前記部材の回転位置に依存して変動する磁束を物 体を通し発生させるように構成されていることを特徴とする装置。 10． 請求の範囲第１項から第６項または第９項のいずれか１項に記載の装置 において、前記物体（１６）が、前記ギャップ（１５）内に取り外し容易に収容 されていることを特徴とする装置。