ばね型アクチュエータ及びその製造方法
【課題】 構造が簡単で小型に構成することができるばね型アクチュエータ、及びばね型アクチュエータを小型に製造し得るばね型アクチュエータの製造方法を得る。
【解決手段】 ばね型アクチュエータ１０は、非磁性材の素線より成る圧縮コイルスプリング１２と、該圧縮コイルスプリング１２の軸線方向に離間して配置され、それぞれ圧縮コイルスプリング１２の内側で素線に固定された複数の磁性体層１４と、各自生態層１４を通るように磁場を発生する磁場発生装置２０とを備える。
【解決手段】 ばね型アクチュエータ１０は、非磁性材の素線より成る圧縮コイルスプリング１２と、該圧縮コイルスプリング１２の軸線方向に離間して配置され、それぞれ圧縮コイルスプリング１２の内側で素線に固定された複数の磁性体層１４と、各自生態層１４を通るように磁場を発生する磁場発生装置２０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルばねの復元力を利用して機械的な運動を生じさせるばね型アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
コイルばねは、変位を与えると復元力を生じる機械要素であるが、それ自体ではアクチュエータとして機能しない。このため、コイルばねに変位を与え得る別のアクチュエータを組み合わせることによって、復元力を利用するアクチュエータを構成することになる。このようなアクチュエータとして、磁歪素子に磁気を与えることで変位を生じた変位出力部を、変位規制が解除されたときに圧縮コイルばねの復元力で原位置に復帰させる磁歪式アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３３９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のごとき従来のアクチュエータでは、コイルばね以外の要素の構造が複雑で、全体として大型化・高重量化してしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は上記事実を考慮して、構造が簡単で小型に構成することができるばね型アクチュエータ、及びばね型アクチュエータを小型に製造し得るばね型アクチュエータの製造方法を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係るばね型アクチュエータは、コイルばねと、前記コイルばねの軸線方向に離間して配置され、それぞれ前記コイルばねの内側で前記コイルばねの素線に固定された複数の磁性体層と、前記各磁性体層を磁束が通るように磁場を発生する磁場発生装置と、を備えている。
【０００６】
請求項１記載のばね型アクチュエータでは、磁場発生装置が磁場を発生すると、各磁性体層を磁束が通るので、これら各磁性体層の両側が磁化されて磁性体層間に磁気吸引力が作用し、コイルばねが圧縮される。磁場を弱めると、コイルばねはその復元力によって伸張する。したがって、本ばね型アクチュエータは、印加する磁場の強さ（変化方向）に応じてコイルばねの変位を変化させ得る。
【０００７】
ここで、本ばね型アクチュエータは、コイルばね内に複数の磁性体層を互いに離間して固定する構成であるため、構造が簡単で小型化が可能である。また、コイルばねは、各コイル円の変位（素線各部の捩じれ量）を重畳したものが全体としての変位になるため、複数の磁性体層を近接して配置することで磁束の漏れを抑制しつつ、全体として大きな変位を得ることが可能である。換言すれば、ばね要素としてコイルばねを用いることで、全体としての変位が磁性体層間の間隔に制約されず、簡単な構造でかつ小型でありながら印加磁場に対し大きな変位を得るばね型アクチュエータを実現することができる。
【０００８】
このように、請求項１記載のばね型アクチュエータでは、構造が簡単で小型に構成することができる。なお、本ばね型アクチュエータを構成するコイルばねは、非磁性体にて構成することが望ましい。
【０００９】
請求項２記載の発明に係るばね型アクチュエータは、請求項１記載のばね型アクチュエータにおいて、前記磁性体層は、接着剤に磁性粉を混合して構成されている。
【００１０】
請求項２記載のばね型アクチュエータでは、接着剤に磁性粉を混合したものを、コイルばねの内側に接着により固定する簡単な構造で、複数の磁性体層を得ることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明に係るばね型アクチュエータは、請求項１又は請求項２記載のばね型アクチュエータにおいて、前記コイルばねの内側における前記磁性体層間に、該磁性体層の接離に伴って減衰力を生じる減衰部材を配置した。
【００１２】
請求項３記載のばね型アクチュエータでは、磁場の印加や除去等によって複数の磁性体層が接離すると、磁性体層間に配置した減衰部材が減衰力を生じる。このため、本ばね型アクチュエータでは、振動的又は過渡的な動作をする場合に、コイルばねをばね要素とする振動系の自由振動や共振を抑制することができる。
【００１３】
請求項４記載の発明に係るばね型アクチュエータは、請求項３記載のばね型アクチュエータにおいて、前記減衰部材は、前記磁性体層間に挟み込まれ、該磁性体層の接離に伴って変形しつつ空気を出入りさせることで減衰力を生じる多孔性物質にて構成されている。
【００１４】
請求項４記載のばね型アクチュエータでは、磁場の印加や除去等によって複数の磁性体層が接離すると、多孔性物質より成り磁性体層間に挟まれた減衰部材は、変形しつつ各孔の空気を出入りさせることで減衰力を生じる。なお、減衰部材を構成する多孔性物質は、例えば、柔軟なスポンジや多孔性ゴム等を採用することができ、また、それ自体のばね定数はコイルばねのばね定数に対し十分に小さいことが望ましい。
【００１５】
請求項５記載の発明に係るばね型アクチュエータは、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載のばね型アクチュエータにおいて、前記磁場発生装置は、前記コイルばねの少なくとも軸線方向一端側に配置された永久磁石と、該永久磁石に接触して設けられ変動磁場を生じ得る電磁石とを含んで構成されている。
【００１６】
請求項５記載のばね型アクチュエータでは、永久磁石によって磁性体層が磁化されて磁気吸引力が作用するため、コイルばねが圧縮して初期変位が与えられる。このため、本ばね型アクチュエータは、初期変位点を基準にして磁場の向き応じて圧縮又は伸張する。したがって、本ばね型アクチュエータは、電磁石に変動磁場を生じさせると、この変動磁場の大きさ及び向きに追従して変位する。これにより、例えば、電磁石によって周期的な変動磁場を印加した場合、本ばね型アクチュエータの変位の周期は、変動磁場の周期に一致する。
【００１７】
請求項６記載の発明に係るばね型アクチュエータの製造方法は、コイルばねと、前記コイルばねの軸線方向に離間して配置され、それぞれ前記コイルばねの内側で前記コイルばねの素線に固定された複数の磁性体層と、を備えたばね型アクチュエータの製造方法であって、加熱によって固化する接着剤に磁性粉を混合した磁性粉入接着剤層と、加熱によって溶融又は蒸発する材料より成るスペーサ層とを、前記磁性粉入接着剤層が２つ以上形成されるように前記コイルばね内に該コイルばねの軸線方向に交互に積層する第１工程と、前記コイルばね内で交互に積層された前記磁性粉入接着剤層及びスペーサ層を加熱して、前記接着剤を固化させると共に前記スペーサ層を除去して、前記コイルばねの軸線方向に離間した複数の磁性体層を形成する第２工程と、を含む。
【００１８】
請求項６記載のばね型アクチュエータの製造方法では、第１工程で、コイルばねの内側に磁性粉入接着剤層とスペーサ層とを交互に積層する。磁性粉入接着剤層は、少なくとも２層設ける。次いで第２工程で、交互に積層された磁性粉入接着剤層及びスペーサ層を加熱する。すると、磁性粉入接着剤層の接着剤が固化してコイルばねの内側に固定された磁性体層が構成されると共に、スペーサ層が溶融又は蒸発によって消失されて、複数の磁性体層間に空隙が形成される。これにより、コイルばね内に該コイルばねの軸線方向に離間して複数の磁性体層が固定されたばね型アクチュエータが構成される。本ばね型アクチュエータの製造方法では、接着剤を含む磁性体層をコイルばねの内側に直接的に固定するため、換言すれば、固定のための別部材が不要であるため、小型のばね型アクチュエータを製造することができる。また、スペーサ層を取り除く必要がないため、ばね型アクチュエータの製造が容易である。
【００１９】
このように、請求項６記載のばね型アクチュエータの製造方法では、ばね型アクチュエータを小型に製造し得る。なお、本ばね型アクチュエータの製造方法で製造されるばね型アクチュエータのコイルばねは、非磁性体にて構成することが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明に係るばね型アクチュエータは、構造が簡単で小型に構成することができるという優れた効果を有する。また、本発明に係るばね型アクチュエータの製造方法は、ばね型アクチュエータを小型に製造し得るという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータ１０について、図１乃至図５に基づいて説明する。
【００２２】
図１には、ばね型アクチュエータ１０の全体構成が断面図にて示されている。この図に示される如く、ばね型アクチュエータ１０は、コイルばねとしての圧縮コイルスプリング１２を備えている。圧縮コイルスプリング１２は、非磁性材より成る素線を螺旋状に巻いて構成されている。この実施形態では、圧縮コイルスプリング１２は、燐青銅の円形断面を有する素線を用いて構成されている。より具体的には、本実施形態に係る圧縮コイルスプリング１２は、素線径１．２ｍｍ、コイル径１７ｍｍ、自由長２８ｍｍ、有効巻数８（図面とは異なる）の寸法形状を有し、そのばね定数が略１Ｎ／ｍｍである構成とされている。
【００２３】
また、ばね型アクチュエータ１０は、圧縮コイルスプリング１２内に配設された複数（この実施形態では５つ）の磁性体層１４を備えている。複数の磁性体層１４は、それぞれ
圧縮コイルスプリング１２の軸線方向の端面が該軸線との直交面に沿う短円柱状に形成されており、それぞれ圧縮コイルスプリング１２の軸線方向に互いに離間して該圧縮コイルスプリング１２の素線に固定されている。また、隣り合う磁性体層１４間は、それぞれ空隙Ｇとされており、隣り合う磁性体層１４間の間隔（空隙Ｇの高さ）は略一定とされている。
【００２４】
これら各磁性体層１４は、シリコン系の接着剤に強磁性体であるフェライト粉を混合して練った磁性体入接着剤が、接着剤の固化によって圧縮コイルスプリング１２の素線に固着されて構成されている。この実施形態では、磁性体入接着剤は、質量比でシリコン系の接着剤を２、フェライト粉を１の割合で混合して構成されている。以下、ばね型アクチュエータ１０の製造方法を参照しつつばね型アクチュエータ１０の構造を説明する。
【００２５】
ばね型アクチュエータ１０を製造するに当たっては、先ず図２（Ａ）に示される如く、圧縮コイルスプリング１２内に磁性粉入接着剤層１６とスペーサ層１８とを、圧縮コイルスプリング１２の軸線方向に交互に積層する（第１工程）。ここで、シリコン系の接着剤は、加熱によって（例えば、１８０℃で）固化するものが選択されており、スペーサ層１８は、加熱によって（例えば、１５０℃〜１８０℃で）溶融又は蒸発する発泡スチロール等の材料が選択されている。
【００２６】
次いで、圧縮コイルスプリング１２の内部に磁性粉入接着剤層１６とスペーサ層１８とを交互に積層したものを、図２（Ｂ）に示される如く加熱炉Ｆ内にセットし、この加熱炉Ｆを炉内が所定温度（例えば１８０℃）になるように作動する。この加熱炉Ｆ内で加熱されることで、磁性粉入接着剤層１６のシリコン系の接着剤が固化すると共に、スペーサ層１８が溶融又は蒸発によって消失される（第２工程）。これにより、図２（Ｃ）に示される如く、圧縮コイルスプリング１２内で複数の磁性体層１４（磁性粉入接着剤層１６が固化したもの）が、空隙Ｇ（スペーサ層１８が占めていた空間）を挟んで対向しつつ該圧縮コイルスプリング１２に固定されたばね型アクチュエータ１０が構成される（製造が完了する）。
【００２７】
以上説明したばね型アクチュエータ１０は、磁場発生装置としての磁場発生コイル２０によって作動する。図３に示される如く、磁場発生コイル２０は、ばね型アクチュエータ１０を収容し得る略有底円筒状のアルミ製ボビン２２の外周に銅線を巻回してコイル部２４を形成することで構成されている。この実施形態では、ボビン２２は、内径１８ｍｍ、外径２２ｍｍ、深さ２７ｍｍとされており、コイル部２４は、線型０．７５ｍｍの銅線をボビン２２に４４８回巻き回して構成されている。この磁場発生コイルの抵抗は、１．８Ωであった。
【００２８】
次に、第１の実施形態の作用を説明する。
【００２９】
ここでは、上記構成のばね型アクチュエータ１０を磁場発生コイル２０にて駆動する例を説明する。具体的には、ばね型アクチュエータ１０を磁場発生コイル２０のボビン２２内に同軸的に収容し、ばね型アクチュエータ１０下端１０Ａをボビン２２の底面２２Ａに固定した場合の、ばね型アクチュエータ１０の上端１０Ｂの応答について説明する。
【００３０】
ばね型アクチュエータ１０は、磁場発生コイル２０のコイル部２４に電圧を印加して電流を流すと、ばね型アクチュエータ１０の軸線方向に磁束が貫通するような磁場が生成される。この磁場によって、各磁性体層１４は、上下両端がそれぞれ磁化してＮ極とＳ極とが生成される。隣り合う磁性体層１４の対向面の極性は逆なので、各磁性体層１４間には磁気吸引力が作用し、圧縮コイルスプリング１２すなわちばね型アクチュエータ１０が圧縮し、上端１０Ｂは下降する。上端１０Ｂは、静的には、上記した磁気吸引力と圧縮コイルスプリング１２の復元力とが釣り合う位置まで変位する。
【００３１】
図４には、ばね型アクチュエータ１０のステップ応答が破線にて示されている。なお、実線は、第２の実施形態に係るばね型アクチュエータ３０のステップ応答（後述）を示す。このステップ応答曲線は、磁場発生コイル２０のコイル部に６Ｖのステップ電圧を印加した場合の上端１０Ｂの変位応答である。この図から、ばね型アクチュエータ１０は、応答性が良好（静定まで略０．１５秒）で、オーバーシュートが小さくオーバーシュート後の振動も生じないこと、すなわち実用的であることが確かめられた。
【００３２】
また、図５には、ばね型アクチュエータ１０の周波数特性が示されている。具体的には、図５（Ａ）は、磁場発生コイル２０のコイル部２４に周期的な電圧Ｖ（Ｖ＝Ｖ0ｓｉｎωｔ）を印加した場合の上端１０Ｂの変位を示している。ばね型アクチュエータ１０は、圧縮コイルスプリング１２の自然長（変位０）からの圧縮、及び該圧縮状態から自然長への復帰の範囲で上端１０Ｂを変位させるため、磁場発生コイル２０が生じる磁場の方向に依存せず、磁場が印加されると圧縮して上端１０Ｂを下降する。したがって、ばね型アクチュエータ１０は、磁場発生コイル２０への印加電圧（印加される磁場）の周期の１／２の周期で上端１０Ｂを変位させる。
【００３３】
一方、図５（Ｂ）には、磁場発生コイル２０のコイル部２４にバイアスをかけた周期的な電圧Ｖ（Ｖ＝Ｖ0（１−ｓｉｎωｔ））を印加した場合の上端１０Ｂの変位を示している。この場合、磁場発生コイル２０が発生する磁場は、向きが一定で大きさのみ変化するため、ばね型アクチュエータ１０は、磁場発生コイル２０への印加電圧（印加される磁場）の周期と同じ周期（逆位相）で上端１０Ｂを変位させる。なお、ばね型アクチュエータ１０は、バイアス電圧の有無にかかわらず、３１Ｈｚ程度まではほぼ完全な周波数応答を奏することが確かめられている。
【００３４】
ここで、ばね型アクチュエータ１０は、単に圧縮コイルスプリング１２内に複数の磁性体層１４を互いに離間して固定する構成であるため、構造が簡単で小型化が可能である。また、圧縮コイルスプリング１２は、各コイル円の変位（素線各部の捩じれ量）を重畳したものが全体としての変位になるため、複数の磁性体層１４を近接して配置することで磁束の漏れを抑制しつつ、全体として大きな変位を得る構成が実現されている。すなわち、単に磁気吸引力で互いに離間する磁性体を引き付けるアクチュエータでは、磁性体層間の間隔を大きくすると漏れ磁束が大きくなり、逆に磁性体層間の間隔を小さくすると変位が制限されてしまうが、圧縮コイルスプリング１２の内部に複数の磁性体層１４を設けることで、小型でありながら磁束の漏れ量を抑えつつ変位を確保する構成が実現された。
【００３５】
このように、第１の実施形態に係るばね型アクチュエータ１０では、構造が簡単で小型に構成することができる。また、構造が簡単なばね型アクチュエータ１０は、安価に構成することができる。
【００３６】
また、ばね型アクチュエータ１０では、フェライト粉を混合した接着剤を圧縮コイルスプリング１２の内側に接着によって固定することで、圧縮コイルスプリング１２にその内側で固定された複数の磁性体層１４を容易に得ることができる。
【００３７】
さらに、ばね型アクチュエータ１０の製造方法では、フェライト粉を接着剤に混合した磁性体入接着剤層１６を加熱によって固化することで、圧縮コイルスプリング１２の内側に磁性体層１４を直接的に固定するため、換言すれば、固定のための別部材が不要であるため、小型のばね型アクチュエータ１０を製造することができる。また、加熱により消失するスペーサ層１８を取り除く必要がないため、ばね型アクチュエータ１０の製造が容易である。しかも、磁性体層１４の固定と空隙Ｇの形成とが同一工程で行われるため、工程数が少なく、ばね型アクチュエータ１０を安価に製造することができる。
【００３８】
このように、本実施形態にかかるばね型アクチュエータの製造方法では、ばね型アクチュエータ１０を小型に製造し得る。
【００３９】
なお、上記実施形態では、ばね型アクチュエータ１０の変位が比較的小さい例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、磁場発生コイル２０の発生する磁場を強くしたり（印加電圧を上げたり）、別途磁気回路を構成したり、圧縮コイルスプリング１２のばね定数を小さくしたりすることで、ばね型アクチュエータ１０の変位を大きくすることができる。
【００４０】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態と基本的の同一の部品・部分については、上記第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
【００４１】
図６には、本発明の第２の実施形態に係るばね型アクチュエータ３０が断面図にて示されている。この図に示される如く、ばね型アクチュエータ３０は、空隙Ｇを設けることに代えて、各磁性体層１４間に減衰部材３２を挟みこんで構成されている。減衰部材３２は、例えば柔軟なスポンジや柔軟な多孔性ゴム等の多孔性物質より成り、孔内の空気を排出しつつ圧縮変形し、孔内に空気を導入しつつ圧縮状態から復元することで、該圧縮または復元に伴って減衰力を生じるようになっている。
【００４２】
このばね型アクチュエータ３０を製造する際には、磁性粉入接着剤層１６と減衰部材３２とを圧縮コイルスプリング１２の内部で交互に積層する。減衰部材３２が接着剤の固化温度程度の耐熱性を有する場合には、加熱炉Ｆ内にて加熱することで、接着剤を固化させて磁性体層１４を形成する。一方、減衰部材３２が熱に弱い物質である場合には、接着剤を自然（常温）固化させる。
【００４３】
なお、減衰部材３２は、それ自体弾性（復元性）を有するが、そのばね定数は圧縮コイルスプリング１２のばね定数に対し十分に小さく、実質的にばね型アクチュエータ３０の弾性（振動）特性に影響を与えない構成とされている。この実施形態では、ばね型アクチュエータ３０のばね定数は、ばね型アクチュエータ１０のばね定数と同等である。
【００４４】
ばね型アクチュエータ３０の他の構成は、ばね型アクチュエータ１０と同じである。したがって、第２に実施形態に係るばね型アクチュエータ３０によっても、基本的にばね型アクチュエータ１０と同様の作用によって、ばね型アクチュエータ１０と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
また、ばね型アクチュエータ３０は、磁性体層１４間に挟まれた減衰部材３２を備えるため、伸縮に伴って減衰部材を変形して（空気を出入りさせて）減衰力を生じる。これにより、ばね型アクチュエータ３０では、振動的又は過渡的な動作をする場合に、圧縮コイルスプリング１２をばね要素とする振動系の自由振動や共振を抑制することができる。図４には、ばね型アクチュエータ３０のステップ応答が実線にて示されている。このステップ応答曲線は、磁場発生コイル２０のコイル部に６Ｖのステップ電圧を印加した場合の上端１０Ｂの変位応答である。この図から、ばね型アクチュエータ３０は、応答性はばね型アクチュエータ１０と同等であり、オーバーシュートがばね型アクチュエータ１０よりも小さく抑えられ、オーバーシュート後の振動も生じないことが確かめられた。すなわち、柔軟な多孔性物質より成る減衰部材３２は、減衰効果を生じつつ、応答性に影響を与えないことが確かめられた。
【００４６】
図７には、本発明の第３の実施形態に係るばね型アクチュエータ４０が断面図にて示されている。この図に示される如く、ばね型アクチュエータ４０は、ばね型アクチュエータ１０（又はばね型アクチュエータ３０）に、磁場発生４２を付加して構成されている。磁場発生４２は、初期変位設定手段としての永久磁石４４、４６と、変動磁場発生手段としての電磁石４８とを備えて構成されている。
【００４７】
永久磁石４４は、ばね型アクチュエータ１０の下端１０Ａに取り付けられており、永久磁石４６は、ばね型アクチュエータの１０の上端１０Ｂに取り付けられている。永久磁石４４の上面と、永久磁石４６の下面とは極性が逆になっている。このため、ばね型アクチュエータ４０では、各磁性体層１４が永久磁石４４、４６によって磁化されて磁気吸引力が生じており、この磁気吸引力と圧縮コイルスプリング１２の復元力とが釣り合うように初期変位が与えられている。
【００４８】
永久磁石４４の下面には、電磁石４８が連結されている。電磁石４８は、圧縮コイルスプリング１２と同軸的に配置され永久磁石４４に固定された鉄心５０に、銅線を巻き回したコイル５２を設けて構成されており、コイルを流れる電流すなわち印加電圧に応じて発生する磁場の強さを調整し得るようになっている。
【００４９】
以上説明したばね型アクチュエータ４０は、磁場発生コイル２０を用いることなく、電磁石４８のコイル５２に電圧を印加することで駆動される。そして、ばね型アクチュエータ４０は、ステップ応答においては、永久磁石４４、４６の磁力によって付与された初期変位を基準（変位０）としてみると、圧縮コイルスプリング１２の自然長を基準としたばね型アクチュエータ１０（単体）とほぼ同様の応答曲線を得ることができる。
【００５０】
一方、ばね型アクチュエータ４０は、電磁石４８のコイル５２に周期的な電圧Ｖ（Ｖ＝Ｖ0ｓｉｎωｔ）を印加した場合、電磁石４８が発生する磁束の向きと永久磁石４４、４６の磁束の向きとが一致している期間は、初期変位を与える状態よりも磁気吸引力が大きくなるので初期変位を付与された状態に対し圧縮し、電磁石４８が発生する磁束の向きと永久磁石４４、４６の磁束の向きとが逆である期間は、磁気吸引力が小さくなるので圧縮コイルスプリング１２の復元力が勝って初期変位を付与された状態に対し伸張する。
【００５１】
この周波数応答を図示すると図８の如くなる。この図から、ばね型アクチュエータ４０では、印加電圧の周期と同じ周期（同位相又は逆位相）で上端１０Ｂを変位させることがわかる。すなわち、ばね型アクチュエータ４０では、永久磁石４４、４６によって磁気バイアスをかけて初期変位を与えることで、上端１０Ｂの変位周期を印加電圧の周期に一致させるのみならず、印加電圧が０のときに初期変位となるため変位の基準（振動基線）を変位の大きさによらず一定とすることが実現された。
【００５２】
なお、第３の実施形態では、ばね型アクチュエータ４０を構成するばね型アクチュエータ１０の両端に永久磁石４４、４６を設けた例を示したが、例えば、電磁石４８に連結された永久磁石４４のみを備えた構成としても良い。また、一方の永久磁石４４にのみ電磁石４８を連結する構成に代えて、一対の永久磁石４４、４６にそれぞれ電磁石４８を連結して構成することも可能である。
【００５３】
また、本発明は、上記各実施形態に限定されることはなく、各種変形して実施することが可能である。したがって例えば、本発明は、磁性体層１４の数や形状等によって限定されることはなく、磁性体層１４は２つ以上（好ましくは３つ以上）設けられていれば足り、また例えば、磁性体層１４の端面を螺旋角方向に一致するように傾斜して形成しても良い。さらに、上記実施形態では、ばね型アクチュエータ１０等の一端（下端）を固定して他端に変位を与える例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ばね型アクチュエータ１０等の両端を自由端とし、該ばね型アクチュエータ１０等自体を軸線方向に移動させるように構成しても良い。さらにまた、本発明におけるコイルばねは、圧縮コイルスプリング１２に限定されることはなく、引張コイルスプリングであっても良い。また、コイルばねに機械的に初期変位を与える構成を採用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータを示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータの製造工程を示す図であって、（Ａ）は第１工程を示す断面図、（Ｂ）は第２工程を示す断面図、（Ｃ）は完成状態を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータを駆動するための磁場発生コイルを示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータのステップ応答を示す線図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータの周波数特性を示す図であって、（Ａ）は周期的な磁場を付与した場合を示す線図、（Ｂ）はバイアスがかかった周期的磁場を付与した場合を示す線図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るばね型アクチュエータを示す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るばね型アクチュエータを示す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るばね型アクチュエータの周波数特性を示す線図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ ばね型アクチュエータ
１２ 圧縮コイルスプリング（コイルばね）
１４ 磁性体層
１６ 磁性粉入接着剤層
１８ スペーサ層
３０・４０ ばね型アクチュエータ
３２ 減衰部材
４２ 磁場発生
４４・４６ 永久磁石
４８ 電磁石
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルばねの復元力を利用して機械的な運動を生じさせるばね型アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
コイルばねは、変位を与えると復元力を生じる機械要素であるが、それ自体ではアクチュエータとして機能しない。このため、コイルばねに変位を与え得る別のアクチュエータを組み合わせることによって、復元力を利用するアクチュエータを構成することになる。このようなアクチュエータとして、磁歪素子に磁気を与えることで変位を生じた変位出力部を、変位規制が解除されたときに圧縮コイルばねの復元力で原位置に復帰させる磁歪式アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３３９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のごとき従来のアクチュエータでは、コイルばね以外の要素の構造が複雑で、全体として大型化・高重量化してしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は上記事実を考慮して、構造が簡単で小型に構成することができるばね型アクチュエータ、及びばね型アクチュエータを小型に製造し得るばね型アクチュエータの製造方法を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係るばね型アクチュエータは、コイルばねと、前記コイルばねの軸線方向に離間して配置され、それぞれ前記コイルばねの内側で前記コイルばねの素線に固定された複数の磁性体層と、前記各磁性体層を磁束が通るように磁場を発生する磁場発生装置と、を備えている。
【０００６】
請求項１記載のばね型アクチュエータでは、磁場発生装置が磁場を発生すると、各磁性体層を磁束が通るので、これら各磁性体層の両側が磁化されて磁性体層間に磁気吸引力が作用し、コイルばねが圧縮される。磁場を弱めると、コイルばねはその復元力によって伸張する。したがって、本ばね型アクチュエータは、印加する磁場の強さ（変化方向）に応じてコイルばねの変位を変化させ得る。
【０００７】
ここで、本ばね型アクチュエータは、コイルばね内に複数の磁性体層を互いに離間して固定する構成であるため、構造が簡単で小型化が可能である。また、コイルばねは、各コイル円の変位（素線各部の捩じれ量）を重畳したものが全体としての変位になるため、複数の磁性体層を近接して配置することで磁束の漏れを抑制しつつ、全体として大きな変位を得ることが可能である。換言すれば、ばね要素としてコイルばねを用いることで、全体としての変位が磁性体層間の間隔に制約されず、簡単な構造でかつ小型でありながら印加磁場に対し大きな変位を得るばね型アクチュエータを実現することができる。
【０００８】
このように、請求項１記載のばね型アクチュエータでは、構造が簡単で小型に構成することができる。なお、本ばね型アクチュエータを構成するコイルばねは、非磁性体にて構成することが望ましい。
【０００９】
請求項２記載の発明に係るばね型アクチュエータは、請求項１記載のばね型アクチュエータにおいて、前記磁性体層は、接着剤に磁性粉を混合して構成されている。
【００１０】
請求項２記載のばね型アクチュエータでは、接着剤に磁性粉を混合したものを、コイルばねの内側に接着により固定する簡単な構造で、複数の磁性体層を得ることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明に係るばね型アクチュエータは、請求項１又は請求項２記載のばね型アクチュエータにおいて、前記コイルばねの内側における前記磁性体層間に、該磁性体層の接離に伴って減衰力を生じる減衰部材を配置した。
【００１２】
請求項３記載のばね型アクチュエータでは、磁場の印加や除去等によって複数の磁性体層が接離すると、磁性体層間に配置した減衰部材が減衰力を生じる。このため、本ばね型アクチュエータでは、振動的又は過渡的な動作をする場合に、コイルばねをばね要素とする振動系の自由振動や共振を抑制することができる。
【００１３】
請求項４記載の発明に係るばね型アクチュエータは、請求項３記載のばね型アクチュエータにおいて、前記減衰部材は、前記磁性体層間に挟み込まれ、該磁性体層の接離に伴って変形しつつ空気を出入りさせることで減衰力を生じる多孔性物質にて構成されている。
【００１４】
請求項４記載のばね型アクチュエータでは、磁場の印加や除去等によって複数の磁性体層が接離すると、多孔性物質より成り磁性体層間に挟まれた減衰部材は、変形しつつ各孔の空気を出入りさせることで減衰力を生じる。なお、減衰部材を構成する多孔性物質は、例えば、柔軟なスポンジや多孔性ゴム等を採用することができ、また、それ自体のばね定数はコイルばねのばね定数に対し十分に小さいことが望ましい。
【００１５】
請求項５記載の発明に係るばね型アクチュエータは、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載のばね型アクチュエータにおいて、前記磁場発生装置は、前記コイルばねの少なくとも軸線方向一端側に配置された永久磁石と、該永久磁石に接触して設けられ変動磁場を生じ得る電磁石とを含んで構成されている。
【００１６】
請求項５記載のばね型アクチュエータでは、永久磁石によって磁性体層が磁化されて磁気吸引力が作用するため、コイルばねが圧縮して初期変位が与えられる。このため、本ばね型アクチュエータは、初期変位点を基準にして磁場の向き応じて圧縮又は伸張する。したがって、本ばね型アクチュエータは、電磁石に変動磁場を生じさせると、この変動磁場の大きさ及び向きに追従して変位する。これにより、例えば、電磁石によって周期的な変動磁場を印加した場合、本ばね型アクチュエータの変位の周期は、変動磁場の周期に一致する。
【００１７】
請求項６記載の発明に係るばね型アクチュエータの製造方法は、コイルばねと、前記コイルばねの軸線方向に離間して配置され、それぞれ前記コイルばねの内側で前記コイルばねの素線に固定された複数の磁性体層と、を備えたばね型アクチュエータの製造方法であって、加熱によって固化する接着剤に磁性粉を混合した磁性粉入接着剤層と、加熱によって溶融又は蒸発する材料より成るスペーサ層とを、前記磁性粉入接着剤層が２つ以上形成されるように前記コイルばね内に該コイルばねの軸線方向に交互に積層する第１工程と、前記コイルばね内で交互に積層された前記磁性粉入接着剤層及びスペーサ層を加熱して、前記接着剤を固化させると共に前記スペーサ層を除去して、前記コイルばねの軸線方向に離間した複数の磁性体層を形成する第２工程と、を含む。
【００１８】
請求項６記載のばね型アクチュエータの製造方法では、第１工程で、コイルばねの内側に磁性粉入接着剤層とスペーサ層とを交互に積層する。磁性粉入接着剤層は、少なくとも２層設ける。次いで第２工程で、交互に積層された磁性粉入接着剤層及びスペーサ層を加熱する。すると、磁性粉入接着剤層の接着剤が固化してコイルばねの内側に固定された磁性体層が構成されると共に、スペーサ層が溶融又は蒸発によって消失されて、複数の磁性体層間に空隙が形成される。これにより、コイルばね内に該コイルばねの軸線方向に離間して複数の磁性体層が固定されたばね型アクチュエータが構成される。本ばね型アクチュエータの製造方法では、接着剤を含む磁性体層をコイルばねの内側に直接的に固定するため、換言すれば、固定のための別部材が不要であるため、小型のばね型アクチュエータを製造することができる。また、スペーサ層を取り除く必要がないため、ばね型アクチュエータの製造が容易である。
【００１９】
このように、請求項６記載のばね型アクチュエータの製造方法では、ばね型アクチュエータを小型に製造し得る。なお、本ばね型アクチュエータの製造方法で製造されるばね型アクチュエータのコイルばねは、非磁性体にて構成することが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明に係るばね型アクチュエータは、構造が簡単で小型に構成することができるという優れた効果を有する。また、本発明に係るばね型アクチュエータの製造方法は、ばね型アクチュエータを小型に製造し得るという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータ１０について、図１乃至図５に基づいて説明する。
【００２２】
図１には、ばね型アクチュエータ１０の全体構成が断面図にて示されている。この図に示される如く、ばね型アクチュエータ１０は、コイルばねとしての圧縮コイルスプリング１２を備えている。圧縮コイルスプリング１２は、非磁性材より成る素線を螺旋状に巻いて構成されている。この実施形態では、圧縮コイルスプリング１２は、燐青銅の円形断面を有する素線を用いて構成されている。より具体的には、本実施形態に係る圧縮コイルスプリング１２は、素線径１．２ｍｍ、コイル径１７ｍｍ、自由長２８ｍｍ、有効巻数８（図面とは異なる）の寸法形状を有し、そのばね定数が略１Ｎ／ｍｍである構成とされている。
【００２３】
また、ばね型アクチュエータ１０は、圧縮コイルスプリング１２内に配設された複数（この実施形態では５つ）の磁性体層１４を備えている。複数の磁性体層１４は、それぞれ
圧縮コイルスプリング１２の軸線方向の端面が該軸線との直交面に沿う短円柱状に形成されており、それぞれ圧縮コイルスプリング１２の軸線方向に互いに離間して該圧縮コイルスプリング１２の素線に固定されている。また、隣り合う磁性体層１４間は、それぞれ空隙Ｇとされており、隣り合う磁性体層１４間の間隔（空隙Ｇの高さ）は略一定とされている。
【００２４】
これら各磁性体層１４は、シリコン系の接着剤に強磁性体であるフェライト粉を混合して練った磁性体入接着剤が、接着剤の固化によって圧縮コイルスプリング１２の素線に固着されて構成されている。この実施形態では、磁性体入接着剤は、質量比でシリコン系の接着剤を２、フェライト粉を１の割合で混合して構成されている。以下、ばね型アクチュエータ１０の製造方法を参照しつつばね型アクチュエータ１０の構造を説明する。
【００２５】
ばね型アクチュエータ１０を製造するに当たっては、先ず図２（Ａ）に示される如く、圧縮コイルスプリング１２内に磁性粉入接着剤層１６とスペーサ層１８とを、圧縮コイルスプリング１２の軸線方向に交互に積層する（第１工程）。ここで、シリコン系の接着剤は、加熱によって（例えば、１８０℃で）固化するものが選択されており、スペーサ層１８は、加熱によって（例えば、１５０℃〜１８０℃で）溶融又は蒸発する発泡スチロール等の材料が選択されている。
【００２６】
次いで、圧縮コイルスプリング１２の内部に磁性粉入接着剤層１６とスペーサ層１８とを交互に積層したものを、図２（Ｂ）に示される如く加熱炉Ｆ内にセットし、この加熱炉Ｆを炉内が所定温度（例えば１８０℃）になるように作動する。この加熱炉Ｆ内で加熱されることで、磁性粉入接着剤層１６のシリコン系の接着剤が固化すると共に、スペーサ層１８が溶融又は蒸発によって消失される（第２工程）。これにより、図２（Ｃ）に示される如く、圧縮コイルスプリング１２内で複数の磁性体層１４（磁性粉入接着剤層１６が固化したもの）が、空隙Ｇ（スペーサ層１８が占めていた空間）を挟んで対向しつつ該圧縮コイルスプリング１２に固定されたばね型アクチュエータ１０が構成される（製造が完了する）。
【００２７】
以上説明したばね型アクチュエータ１０は、磁場発生装置としての磁場発生コイル２０によって作動する。図３に示される如く、磁場発生コイル２０は、ばね型アクチュエータ１０を収容し得る略有底円筒状のアルミ製ボビン２２の外周に銅線を巻回してコイル部２４を形成することで構成されている。この実施形態では、ボビン２２は、内径１８ｍｍ、外径２２ｍｍ、深さ２７ｍｍとされており、コイル部２４は、線型０．７５ｍｍの銅線をボビン２２に４４８回巻き回して構成されている。この磁場発生コイルの抵抗は、１．８Ωであった。
【００２８】
次に、第１の実施形態の作用を説明する。
【００２９】
ここでは、上記構成のばね型アクチュエータ１０を磁場発生コイル２０にて駆動する例を説明する。具体的には、ばね型アクチュエータ１０を磁場発生コイル２０のボビン２２内に同軸的に収容し、ばね型アクチュエータ１０下端１０Ａをボビン２２の底面２２Ａに固定した場合の、ばね型アクチュエータ１０の上端１０Ｂの応答について説明する。
【００３０】
ばね型アクチュエータ１０は、磁場発生コイル２０のコイル部２４に電圧を印加して電流を流すと、ばね型アクチュエータ１０の軸線方向に磁束が貫通するような磁場が生成される。この磁場によって、各磁性体層１４は、上下両端がそれぞれ磁化してＮ極とＳ極とが生成される。隣り合う磁性体層１４の対向面の極性は逆なので、各磁性体層１４間には磁気吸引力が作用し、圧縮コイルスプリング１２すなわちばね型アクチュエータ１０が圧縮し、上端１０Ｂは下降する。上端１０Ｂは、静的には、上記した磁気吸引力と圧縮コイルスプリング１２の復元力とが釣り合う位置まで変位する。
【００３１】
図４には、ばね型アクチュエータ１０のステップ応答が破線にて示されている。なお、実線は、第２の実施形態に係るばね型アクチュエータ３０のステップ応答（後述）を示す。このステップ応答曲線は、磁場発生コイル２０のコイル部に６Ｖのステップ電圧を印加した場合の上端１０Ｂの変位応答である。この図から、ばね型アクチュエータ１０は、応答性が良好（静定まで略０．１５秒）で、オーバーシュートが小さくオーバーシュート後の振動も生じないこと、すなわち実用的であることが確かめられた。
【００３２】
また、図５には、ばね型アクチュエータ１０の周波数特性が示されている。具体的には、図５（Ａ）は、磁場発生コイル２０のコイル部２４に周期的な電圧Ｖ（Ｖ＝Ｖ0ｓｉｎωｔ）を印加した場合の上端１０Ｂの変位を示している。ばね型アクチュエータ１０は、圧縮コイルスプリング１２の自然長（変位０）からの圧縮、及び該圧縮状態から自然長への復帰の範囲で上端１０Ｂを変位させるため、磁場発生コイル２０が生じる磁場の方向に依存せず、磁場が印加されると圧縮して上端１０Ｂを下降する。したがって、ばね型アクチュエータ１０は、磁場発生コイル２０への印加電圧（印加される磁場）の周期の１／２の周期で上端１０Ｂを変位させる。
【００３３】
一方、図５（Ｂ）には、磁場発生コイル２０のコイル部２４にバイアスをかけた周期的な電圧Ｖ（Ｖ＝Ｖ0（１−ｓｉｎωｔ））を印加した場合の上端１０Ｂの変位を示している。この場合、磁場発生コイル２０が発生する磁場は、向きが一定で大きさのみ変化するため、ばね型アクチュエータ１０は、磁場発生コイル２０への印加電圧（印加される磁場）の周期と同じ周期（逆位相）で上端１０Ｂを変位させる。なお、ばね型アクチュエータ１０は、バイアス電圧の有無にかかわらず、３１Ｈｚ程度まではほぼ完全な周波数応答を奏することが確かめられている。
【００３４】
ここで、ばね型アクチュエータ１０は、単に圧縮コイルスプリング１２内に複数の磁性体層１４を互いに離間して固定する構成であるため、構造が簡単で小型化が可能である。また、圧縮コイルスプリング１２は、各コイル円の変位（素線各部の捩じれ量）を重畳したものが全体としての変位になるため、複数の磁性体層１４を近接して配置することで磁束の漏れを抑制しつつ、全体として大きな変位を得る構成が実現されている。すなわち、単に磁気吸引力で互いに離間する磁性体を引き付けるアクチュエータでは、磁性体層間の間隔を大きくすると漏れ磁束が大きくなり、逆に磁性体層間の間隔を小さくすると変位が制限されてしまうが、圧縮コイルスプリング１２の内部に複数の磁性体層１４を設けることで、小型でありながら磁束の漏れ量を抑えつつ変位を確保する構成が実現された。
【００３５】
このように、第１の実施形態に係るばね型アクチュエータ１０では、構造が簡単で小型に構成することができる。また、構造が簡単なばね型アクチュエータ１０は、安価に構成することができる。
【００３６】
また、ばね型アクチュエータ１０では、フェライト粉を混合した接着剤を圧縮コイルスプリング１２の内側に接着によって固定することで、圧縮コイルスプリング１２にその内側で固定された複数の磁性体層１４を容易に得ることができる。
【００３７】
さらに、ばね型アクチュエータ１０の製造方法では、フェライト粉を接着剤に混合した磁性体入接着剤層１６を加熱によって固化することで、圧縮コイルスプリング１２の内側に磁性体層１４を直接的に固定するため、換言すれば、固定のための別部材が不要であるため、小型のばね型アクチュエータ１０を製造することができる。また、加熱により消失するスペーサ層１８を取り除く必要がないため、ばね型アクチュエータ１０の製造が容易である。しかも、磁性体層１４の固定と空隙Ｇの形成とが同一工程で行われるため、工程数が少なく、ばね型アクチュエータ１０を安価に製造することができる。
【００３８】
このように、本実施形態にかかるばね型アクチュエータの製造方法では、ばね型アクチュエータ１０を小型に製造し得る。
【００３９】
なお、上記実施形態では、ばね型アクチュエータ１０の変位が比較的小さい例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、磁場発生コイル２０の発生する磁場を強くしたり（印加電圧を上げたり）、別途磁気回路を構成したり、圧縮コイルスプリング１２のばね定数を小さくしたりすることで、ばね型アクチュエータ１０の変位を大きくすることができる。
【００４０】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態と基本的の同一の部品・部分については、上記第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
【００４１】
図６には、本発明の第２の実施形態に係るばね型アクチュエータ３０が断面図にて示されている。この図に示される如く、ばね型アクチュエータ３０は、空隙Ｇを設けることに代えて、各磁性体層１４間に減衰部材３２を挟みこんで構成されている。減衰部材３２は、例えば柔軟なスポンジや柔軟な多孔性ゴム等の多孔性物質より成り、孔内の空気を排出しつつ圧縮変形し、孔内に空気を導入しつつ圧縮状態から復元することで、該圧縮または復元に伴って減衰力を生じるようになっている。
【００４２】
このばね型アクチュエータ３０を製造する際には、磁性粉入接着剤層１６と減衰部材３２とを圧縮コイルスプリング１２の内部で交互に積層する。減衰部材３２が接着剤の固化温度程度の耐熱性を有する場合には、加熱炉Ｆ内にて加熱することで、接着剤を固化させて磁性体層１４を形成する。一方、減衰部材３２が熱に弱い物質である場合には、接着剤を自然（常温）固化させる。
【００４３】
なお、減衰部材３２は、それ自体弾性（復元性）を有するが、そのばね定数は圧縮コイルスプリング１２のばね定数に対し十分に小さく、実質的にばね型アクチュエータ３０の弾性（振動）特性に影響を与えない構成とされている。この実施形態では、ばね型アクチュエータ３０のばね定数は、ばね型アクチュエータ１０のばね定数と同等である。
【００４４】
ばね型アクチュエータ３０の他の構成は、ばね型アクチュエータ１０と同じである。したがって、第２に実施形態に係るばね型アクチュエータ３０によっても、基本的にばね型アクチュエータ１０と同様の作用によって、ばね型アクチュエータ１０と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
また、ばね型アクチュエータ３０は、磁性体層１４間に挟まれた減衰部材３２を備えるため、伸縮に伴って減衰部材を変形して（空気を出入りさせて）減衰力を生じる。これにより、ばね型アクチュエータ３０では、振動的又は過渡的な動作をする場合に、圧縮コイルスプリング１２をばね要素とする振動系の自由振動や共振を抑制することができる。図４には、ばね型アクチュエータ３０のステップ応答が実線にて示されている。このステップ応答曲線は、磁場発生コイル２０のコイル部に６Ｖのステップ電圧を印加した場合の上端１０Ｂの変位応答である。この図から、ばね型アクチュエータ３０は、応答性はばね型アクチュエータ１０と同等であり、オーバーシュートがばね型アクチュエータ１０よりも小さく抑えられ、オーバーシュート後の振動も生じないことが確かめられた。すなわち、柔軟な多孔性物質より成る減衰部材３２は、減衰効果を生じつつ、応答性に影響を与えないことが確かめられた。
【００４６】
図７には、本発明の第３の実施形態に係るばね型アクチュエータ４０が断面図にて示されている。この図に示される如く、ばね型アクチュエータ４０は、ばね型アクチュエータ１０（又はばね型アクチュエータ３０）に、磁場発生４２を付加して構成されている。磁場発生４２は、初期変位設定手段としての永久磁石４４、４６と、変動磁場発生手段としての電磁石４８とを備えて構成されている。
【００４７】
永久磁石４４は、ばね型アクチュエータ１０の下端１０Ａに取り付けられており、永久磁石４６は、ばね型アクチュエータの１０の上端１０Ｂに取り付けられている。永久磁石４４の上面と、永久磁石４６の下面とは極性が逆になっている。このため、ばね型アクチュエータ４０では、各磁性体層１４が永久磁石４４、４６によって磁化されて磁気吸引力が生じており、この磁気吸引力と圧縮コイルスプリング１２の復元力とが釣り合うように初期変位が与えられている。
【００４８】
永久磁石４４の下面には、電磁石４８が連結されている。電磁石４８は、圧縮コイルスプリング１２と同軸的に配置され永久磁石４４に固定された鉄心５０に、銅線を巻き回したコイル５２を設けて構成されており、コイルを流れる電流すなわち印加電圧に応じて発生する磁場の強さを調整し得るようになっている。
【００４９】
以上説明したばね型アクチュエータ４０は、磁場発生コイル２０を用いることなく、電磁石４８のコイル５２に電圧を印加することで駆動される。そして、ばね型アクチュエータ４０は、ステップ応答においては、永久磁石４４、４６の磁力によって付与された初期変位を基準（変位０）としてみると、圧縮コイルスプリング１２の自然長を基準としたばね型アクチュエータ１０（単体）とほぼ同様の応答曲線を得ることができる。
【００５０】
一方、ばね型アクチュエータ４０は、電磁石４８のコイル５２に周期的な電圧Ｖ（Ｖ＝Ｖ0ｓｉｎωｔ）を印加した場合、電磁石４８が発生する磁束の向きと永久磁石４４、４６の磁束の向きとが一致している期間は、初期変位を与える状態よりも磁気吸引力が大きくなるので初期変位を付与された状態に対し圧縮し、電磁石４８が発生する磁束の向きと永久磁石４４、４６の磁束の向きとが逆である期間は、磁気吸引力が小さくなるので圧縮コイルスプリング１２の復元力が勝って初期変位を付与された状態に対し伸張する。
【００５１】
この周波数応答を図示すると図８の如くなる。この図から、ばね型アクチュエータ４０では、印加電圧の周期と同じ周期（同位相又は逆位相）で上端１０Ｂを変位させることがわかる。すなわち、ばね型アクチュエータ４０では、永久磁石４４、４６によって磁気バイアスをかけて初期変位を与えることで、上端１０Ｂの変位周期を印加電圧の周期に一致させるのみならず、印加電圧が０のときに初期変位となるため変位の基準（振動基線）を変位の大きさによらず一定とすることが実現された。
【００５２】
なお、第３の実施形態では、ばね型アクチュエータ４０を構成するばね型アクチュエータ１０の両端に永久磁石４４、４６を設けた例を示したが、例えば、電磁石４８に連結された永久磁石４４のみを備えた構成としても良い。また、一方の永久磁石４４にのみ電磁石４８を連結する構成に代えて、一対の永久磁石４４、４６にそれぞれ電磁石４８を連結して構成することも可能である。
【００５３】
また、本発明は、上記各実施形態に限定されることはなく、各種変形して実施することが可能である。したがって例えば、本発明は、磁性体層１４の数や形状等によって限定されることはなく、磁性体層１４は２つ以上（好ましくは３つ以上）設けられていれば足り、また例えば、磁性体層１４の端面を螺旋角方向に一致するように傾斜して形成しても良い。さらに、上記実施形態では、ばね型アクチュエータ１０等の一端（下端）を固定して他端に変位を与える例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ばね型アクチュエータ１０等の両端を自由端とし、該ばね型アクチュエータ１０等自体を軸線方向に移動させるように構成しても良い。さらにまた、本発明におけるコイルばねは、圧縮コイルスプリング１２に限定されることはなく、引張コイルスプリングであっても良い。また、コイルばねに機械的に初期変位を与える構成を採用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータを示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータの製造工程を示す図であって、（Ａ）は第１工程を示す断面図、（Ｂ）は第２工程を示す断面図、（Ｃ）は完成状態を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータを駆動するための磁場発生コイルを示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータのステップ応答を示す線図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るばね型アクチュエータの周波数特性を示す図であって、（Ａ）は周期的な磁場を付与した場合を示す線図、（Ｂ）はバイアスがかかった周期的磁場を付与した場合を示す線図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るばね型アクチュエータを示す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るばね型アクチュエータを示す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るばね型アクチュエータの周波数特性を示す線図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ ばね型アクチュエータ
１２ 圧縮コイルスプリング（コイルばね）
１４ 磁性体層
１６ 磁性粉入接着剤層
１８ スペーサ層
３０・４０ ばね型アクチュエータ
３２ 減衰部材
４２ 磁場発生
４４・４６ 永久磁石
４８ 電磁石
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルばねと、
前記コイルばねの軸線方向に離間して配置され、それぞれ前記コイルばねの内側で前記コイルばねの素線に固定された複数の磁性体層と、
前記各磁性体層を磁束が通るように磁場を発生する磁場発生装置と、
を備えたばね型アクチュエータ。
【請求項２】
前記磁性体層は、接着剤に磁性粉を混合して構成されている請求項１記載のばね型アクチュエータ。
【請求項３】
前記コイルばねの内側における前記磁性体層間に、該磁性体層の接離に伴って減衰力を生じる減衰部材を配置した請求項１又は請求項２記載のばね型アクチュエータ。
【請求項４】
前記減衰部材は、前記磁性体層間に挟み込まれ、該磁性体層の接離に伴って変形しつつ空気を出入りさせることで減衰力を生じる多孔性物質にて構成されている請求項３記載のばね型アクチュエータ。
【請求項５】
前記磁場発生装置は、前記コイルばねの少なくとも軸線方向一端側に配置された永久磁石と、該永久磁石に対し前記コイルばねとは反対側に設けられ変動磁場を生じ得る電磁石とを含んで構成されている請求項１乃至請求項４の何れか１項記載のばね型アクチュエータ。
【請求項６】
コイルばねと、
前記コイルばねの軸線方向に離間して配置され、それぞれ前記コイルばねの内側で前記コイルばねの素線に固定された複数の磁性体層と、
を備えたばね型アクチュエータの製造方法であって、
加熱によって固化する接着剤に磁性粉を混合した磁性粉入接着剤層と、加熱によって溶融又は蒸発する材料より成るスペーサ層とを、前記磁性粉入接着剤層が２つ以上形成されるように前記コイルばね内に該コイルばねの軸線方向に交互に積層する第１工程と、
前記コイルばね内で交互に積層された前記磁性粉入接着剤層及びスペーサ層を加熱して、前記接着剤を固化させると共に前記スペーサ層を除去して、前記コイルばねの軸線方向に離間した複数の磁性体層を形成する第２工程と、
を含むばね型アクチュエータの製造方法。
【請求項１】
コイルばねと、
前記コイルばねの軸線方向に離間して配置され、それぞれ前記コイルばねの内側で前記コイルばねの素線に固定された複数の磁性体層と、
前記各磁性体層を磁束が通るように磁場を発生する磁場発生装置と、
を備えたばね型アクチュエータ。
【請求項２】
前記磁性体層は、接着剤に磁性粉を混合して構成されている請求項１記載のばね型アクチュエータ。
【請求項３】
前記コイルばねの内側における前記磁性体層間に、該磁性体層の接離に伴って減衰力を生じる減衰部材を配置した請求項１又は請求項２記載のばね型アクチュエータ。
【請求項４】
前記減衰部材は、前記磁性体層間に挟み込まれ、該磁性体層の接離に伴って変形しつつ空気を出入りさせることで減衰力を生じる多孔性物質にて構成されている請求項３記載のばね型アクチュエータ。
【請求項５】
前記磁場発生装置は、前記コイルばねの少なくとも軸線方向一端側に配置された永久磁石と、該永久磁石に対し前記コイルばねとは反対側に設けられ変動磁場を生じ得る電磁石とを含んで構成されている請求項１乃至請求項４の何れか１項記載のばね型アクチュエータ。
【請求項６】
コイルばねと、
前記コイルばねの軸線方向に離間して配置され、それぞれ前記コイルばねの内側で前記コイルばねの素線に固定された複数の磁性体層と、
を備えたばね型アクチュエータの製造方法であって、
加熱によって固化する接着剤に磁性粉を混合した磁性粉入接着剤層と、加熱によって溶融又は蒸発する材料より成るスペーサ層とを、前記磁性粉入接着剤層が２つ以上形成されるように前記コイルばね内に該コイルばねの軸線方向に交互に積層する第１工程と、
前記コイルばね内で交互に積層された前記磁性粉入接着剤層及びスペーサ層を加熱して、前記接着剤を固化させると共に前記スペーサ層を除去して、前記コイルばねの軸線方向に離間した複数の磁性体層を形成する第２工程と、
を含むばね型アクチュエータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−３２００５９（Ｐ２００６−３２００５９Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３８１２８（Ｐ２００５−１３８１２８）
【出願日】平成１７年５月１１日（２００５．５．１１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年３月１４日から１５日 日本ＡＥＭ学会主催の「第１４回 ＭＡＧＤＡコンファレンスｉｎ岐阜 電磁現象及び電磁力に関するコンファレンス」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１１日（２００５．５．１１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００５年３月１４日から１５日 日本ＡＥＭ学会主催の「第１４回 ＭＡＧＤＡコンファレンスｉｎ岐阜 電磁現象及び電磁力に関するコンファレンス」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
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