ポンプ
【課題】
渦電流損失や固有振動数を考慮することで、応答遅れを効果的に抑制できるポンプを提供する。
【解決手段】
第１の超磁歪素子及び第２の超磁歪素子の直径又は厚みをＤ（ｍｍ）としたときに、要求される周波数ｆに対して、以下の式が成り立つように、直径又は厚みＤを決定することで、応答性の問題をクリアすることができる。
ｆ≧６８７１０／Ｄ２
渦電流損失や固有振動数を考慮することで、応答遅れを効果的に抑制できるポンプを提供する。
【解決手段】
第１の超磁歪素子及び第２の超磁歪素子の直径又は厚みをＤ（ｍｍ）としたときに、要求される周波数ｆに対して、以下の式が成り立つように、直径又は厚みＤを決定することで、応答性の問題をクリアすることができる。
ｆ≧６８７１０／Ｄ２
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプに関し、特に小型で流体を微量にかつ高圧高精度に吐出する超磁歪ポンプに好適なポンプに関するものであり、例えば、高速回転を目的とした工作機械主軸用のための微量潤滑ポンプ、燃費向上を目的として高圧高精度に燃料を噴射するガソリンエンジン用もしくは燃料電池用の燃料噴射ポンプ、もしくは排出ガスの環境基準を満たすために高圧に燃料を噴射するディーゼルエンジンの燃料噴射ポンプ、および小型で高精度の位置決め精度を要する油圧アクチュエータを構成する小型油圧ポンプなどに利用されると好適なポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプは、流体機械であり、本来的に、流体に圧力もしくは速度を与え、移動させることを目的としている、その性能は、ポンプの吐出圧力Ｐ、吐出流量Ｑ、および吐出揚程Ｈなどで評価される。ポンプは、一般にモータやエンジン等の原動機を駆動源とすることが多く、ポンプの性能もその駆動源の能力に左右されることが多い。
【０００３】
駆動源の機械的仕事をポンプの仕事に変換する際の効率を考えると、最も損失の少ない仕組みにすることが非常に重要であり、例えば、駆動源が低速で高トルクのモータである場合には、吐出圧力Ｐが小さく吐出流量Ｑが大きいという特性を持つポンプを設計するよりも、駆動源の特性を活かして吐出圧力Ｐが大きく吐出流量Ｑが小さいという特性を備えたポンプを設計すると、損失が少なく高効率なポンプを開発できるということがある。
【０００４】
新しく開発された駆動源を用いてポンプを設計する場合でも、駆動源の性能に合わせたポンプを設計することにより、高い効率を達成でき、他の駆動源によって達成できないようなポンプ性能を獲得できるなら、新技術として定着する可能性がある。
【０００５】
ここで、超磁歪素子とは、古くから知られているＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏのような磁性材料に磁場を印加すると生じる磁歪現象よりも、遙かに大きな超磁歪現象を生じさせる素子のことをいい、例えば任意の希土類元素Ｒと鉄Ｆｅの原子比が１：２（ＲＦｅ２）からなる組成を持つ素子が知られており、代表的な例としてＴｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ２がある。
【０００６】
このような超磁歪素子の磁歪現象を、アクチュエータの駆動源として用いる試みがある。かかるアクチュエータの場合、電磁コイルに電流を流し、磁界の強さＨを得、磁歪Δｌ／１を発生させるが、その歪みはＴｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ２の場合、磁界の強さＨが８０ｋＡ／ｍ以上になると最大値に飽和し、その時のひずみの値は１５００〜２０００ｐｐｍ程度と非常に小さい。例えば１０ｍの超磁歪素子に、８０ｋＡ／ｍの磁界を加えた場合、歪みは１５〜２０μｍ程度である。ところが、８０ｋＡ／ｍの磁界を加え、変位が生じないように固定すると圧縮応力のみ発生し、その値は６０〜８４ＭＰａ程度と非常に大きくなる。また、圧縮応力に対する破壊限は７００ＭＰａと大きく耐久性もある。一方で、超磁歪素子の応答速度は、電磁コイルの応答速度に依存する。すなわち超磁歪素子を駆動源に用いたアクチュエータは、低速高トルク型の機能を有することとなる。従って、超磁歪素子を駆動源とするアクチュエータをポンプに用いる場合、なるべく高圧小流量な特性を持つようにポンプ設計をした方が高効率を得ることができ、他を駆動源とするポンプでは達成できない性能を発揮する可能性があるといえる。
【０００７】
超磁歪素子の競合技術として知られている圧電素子を用いる場合、電磁コイルにおける時定数の大きさなどの影響に左右されること無く、非常に高速で運転できるという利点がある。その一方で、超磁歪素子のように大きな変位、大きな応力を得ることは困難とされており、駆動源の性能としては高速低トルク型といえ、比較的低圧大流量な特性を持つポンプが多く設計され、実用化されているものもある。
【０００８】
近年、このような圧電素子や超磁歪素子等の電圧や磁場で駆動される素子を用いて、各種のアクチュエータおよびそれを利用したポンプなどの開発が盛んである。
【０００９】
圧電素子を用いたポンプで実用化されているものとしては、バイモルポンプ（極光株式会社製）などがある。これは、圧電バイモルフ振動子を用いたダイヤフラム形式のポンプであって、小型で軽量であること、流量調節が容易であること、非磁性であること等を特徴としている。
【００１０】
一方、超磁歪素子を用いたポンプとしては、例えば、以下の特許文献１に示すように、一つのシリンダと吐出用と吸入用の二つの逆止弁を備え、超磁歪素子に与える磁界を調節することでリエアアクチュエータを構成し、例えば、ダイヤフラム、プランジャ、べローズ等のシリンダ容積を可変とする形式とした容積型のポンプなどがある。
【００１１】
通常、このようなポンプの吐出揚程Ｈｐは、ベルヌーイの法則によるとシリンダ内の圧力Ｐとピストンの速度ｖに依存する。数１に、一般的なべルヌーイの法則を示す。
【００１２】
【数１】
ここで、
γ：密度×重力加速度
ｇ：重力加速度
ζ：位置（高さ）
である。
【００１３】
数１から明らかなように、べルヌーイの法則によると、ポンプ自体の吐出揚程Ｈｐは、流体圧力と流体の速度ｖに依存する。流体を圧縮する性能は、流体の体積を変化させる機能すなわちピストン速度と弁の機能に影響され、またシリンダ内の流体速度は、ピストン速度すなわち電磁コイルの性能に依存する。
【００１４】
容積型ポンプに用いられる逆止弁は、流体の流れる方向を制御する機能を備えるが、例えば、ばねとボール弁を組み合わせてシリンダ内の圧力Ｐが、ある一定の圧力Ｐｃになった時点で弁を開くという、いわゆるチェック弁機能を持たせるように設計することがある（例えば以下の特許文献２参照）。
【００１５】
ポンプのシリンダに、この形式のチェック弁を用いて作動流体を吸入する場合、吸入側リザーバの流体が正圧になる、もしくはシリンダ内の流体が負圧になることにより、ボールに作用する力とばねによる反発力が釣り合った状態で、初めて弁が開くという機構になっており、吐出する場合はシリンダ内の圧力がボールに作用する力と、ばねの反発力が釣り合った状態で、初めて吐出が可能となる。
【００１６】
従って、シリンダ内の圧力が、所定値を下回らないもしくは超えない限り、かかる逆止弁を介して流体の吸入もしくは吐出を開始しないので、シリンダを密閉できる圧縮行程を長く出来、それにより容積型ポンプの吐出揚程を大きく出来る。
【００１７】
しかるに、これらの従来の技術によるポンプでは、チェック弁機能の設定圧力、すなわち逆止弁の開弁圧は、ばねの反発力により決められるので、吐出揚程を更に大きくしたい場合、よりバネ常数の大きいばねを選択する必要がある。
【００１８】
圧縮コイルばねに限らず、通常、バネ常数を大きくするためには、寸法の大きいものを選択せざるを得ず、ポンプ自体が大きくなってしまうという問題がある。
【００１９】
金属材料の弾性を利用したばねを用いるとした場合、適当な形状、例えば単純円筒状にすると、バネ常数の極めて高いばねを構成できる。この場合、設定圧力が高く出来、高圧噴射が可能となるが、吐出圧もしくは吐出流量の制御範囲が非常に狭くなり、また応力が高くなるので破壊に到る可能性もある。
【００２０】
このように、ボールとばねにより構成される逆止弁のチェック弁機能では、ポンプの小型化と吐出揚程の向上を同時に達成するのは非常に困難であるといえる。又、金属材料の弾性をばねとして使用すると、ポンプ性能範囲が狭くなり制御性が喪失されることが予想される。
【００２１】
一方、吐出揚程を向上させるためのもう一つの方法としてピストンの速度を大きくすることが考えられる。これは、上記数１のｖを大きくすることに相当する。
【００２２】
ピストン速度は、超磁歪現象の速度と一致しており、超磁歪現象の速度は、すなわち磁界の変化速度と、超磁歪現象の磁界の変化に対する応答速度の和である。一般に後者は、ｎ−μｓｅｃと非常に小さく、磁界の変化速度に比べると無視できる。従って、ピストン速度を大きくするには、磁界の発生速度を大きくする必要がある。磁界は電磁コイルに流れる電流により発生するため、電磁コイルに電圧を印加して電流が流れるまでの時間を短くする必要がある。一般に、電磁コイルに電圧Ｖｅを印加した時の電磁コイルに流れる電流の時間的な変化Ｉ（ｔ）は、以下の数２式で表される。
【００２３】
【数２】
【００２４】
数２式より、電磁コイルの応答速度を大きくするためには、時定数τＬを小さくするか、印加電圧Ｖｅを大きくすることが必要とされる。一般には電磁コイルの体積が決まっていれば、時定数τＬを変化させることは難しいので、印加電圧を大きくする手法が取られる。しかし、それによれば、低電圧で駆動できるという超磁歪素子の特徴を活かすことが出来なくなる。
【００２５】
このように超磁歪アクチュエータを用いた従来の技術では、超磁歪アクチュエータを用いて、より小型で、より高圧に吐出できるポンプを設計することは難しくなっており、超磁歪素子の特性を十分に活かせないという実情がある。
【００２６】
これらの技術に対して、２つの超磁歪アクチュエータを用いたポンプに関する発明もなされており（例えば、特許文献３，特許文献４等）、具体的な技術も多く開示されている。
【特許文献１】特開平５−６００５９号公報
【特許文献２】特開平６−１０１６３１号公報
【特許文献３】特開２００２−２１７１５号公報
【特許文献４】特開２００２−１０２７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
例えば、特許文献３には、接着剤やクリームはんだ、蛍光体、グリースなどの高精度な定量吐出を目的としたディスぺンサー用のポンプが開示されている。かかるポンプは、上部、下部のアクチュエータと可動スリーブとピストンにより構成されてなり、可動スリーブは下部のアクチュエータにより駆動され、ピストンは上部のアクチュエータにより駆動される。その動作時には、上下のアクチュエータを相対的に駆動することによってシリンダ内に、吐出する流体を吸入し、可動スリーブにより流体を閉じ込める。更に、ピストンのみを動かしてシリンダ内の流体を吐出することができる。かかるポンプにより、高精度な流量制御が可能な定量ディスぺンサーが実現できたとされている。
【００２８】
一方、特許文献４にも、ディスぺンサー用のポンプが開示されている。かかるポンプは、ピストンを吐出口が密閉可能なニードル弁に変更し、可動スリーブとハウジングのスキマを小さくしているところに特徴がある。その動作時には、吸入行程ではニードル弁により吐出口を閉じ、可動スリーブを上方に移動させスキマより流体を吸入する。その後、まずニードル弁を開いて、その後にピストンを押して、シリンダ容積を圧縮する。可動スリーブとハウジングのスキマよりも吐出口の方が大きいので、流体は吐出口より吐出されるようになっている。かかるポンプにより、流体を高速で吐出し遮断することが可能になったとされている。
【００２９】
しかるに、このディスペンサー用のポンプは、二つの超磁歪アクチュエータの動きを組み合わせて、定量に吐出できるポンプを作成した例であるが、超磁歪素子特有の周波数応答に関わる応答性の問題を内包している。これを具体的に説明する。
【００３０】
超磁歪素子は印加される磁場によって歪を生じる。今、超磁歪素子に磁場を印加したとすると、１０−６ｓｅｃ後には歪を生じるとされている。すなわち、超磁歪素子は１０６Ｈｚ程度の周波数応答性を有していることになる。ところが、実際に電磁コイル等を用いて磁場を周期的に印加した場合、超磁歪素子は、導体であるので磁場の変化に対して渦電流が生じる。この渦電流は、超磁歪素子の表面に印加された磁場を打ち消しあうような方向に流れるため、超磁歪現象に対しては損失が生じることとなる。渦電流は、磁場の変化速度が速いほどすなわち磁界の周波数が高いほど大きな損失をもたらし、結果として渦電流により限界周波数が決定されてしまう。上記特許文献を含めた従来技術では、渦電流損失に対して何ら対策を施していないので高周波応答が望めないという問題がある。
【００３１】
更に、従来技術のポンプには、他にも応答性に与える影響が大きい要素が存在する。ピストンやバルブ部材、逆止弁の系の固有振動数の問題である。しかし、上記特許文献を含めた従来技術では、周波数応答性が求められた場合の最適な設計緒元は何ら示されていない。
【００３２】
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、渦電流損失や固有振動数を考慮することで、応答遅れを効果的に抑制できるポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の２自由度アクチュエータは、
第１のコイルと、
超磁歪素子よりなる第１のアクチュエータと、
第２のコイルと、
超磁歪素子よりなる第２のアクチュエータと、
強磁性体からなり、前記第１のコイルおよび前記第１のアクチュエータと、前記第２のコイルおよび前記第２のアクチュータとの間に配置され、前記第１及び前記第２のアクチュエータを磁気的に分離する分離板とを備え、
前記第１のアクチュエータは、強磁性体からなるハウジングに形成された第１のシリンダ内を摺動する強磁性体の第１のピストンを駆動し、
前記第２のアクチュエータは、前記第１のピストンを貫通し且つ前記第１のシリンダと外部とを連通する吐出孔を開閉する非磁性のバルブ部材と、前記ハウジングに形成された第２のシリンダ内を摺動する第２のピストンとを駆動し、
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの直径又は厚みをＤ（ｍｍ）としたときに、以下の式が成り立つことを特徴とする。
ｆ≧６８７１０／Ｄ２
但し、ｆは、アクチュエータに必要とされる応答周波数である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明のポンプには様々な用途が考えられるが、工作機械などの潤滑油を吐出するためのポンプやディスペンサーとして用いる場合には、粘度の高い潤滑油やグリースなどを適量吐出すればよいので、あまり周波数応答性は問題とならないものの、１００Ｈｚ程度の周波数応答を有していることが望ましい。
【００３５】
しかし、ガソリンエンジンの燃料噴射装置に用いられるガソリン吐出用ポンプに適用する場合には、数百Ｈｚ程度の応答性が必要であり、余裕を見て１０００Ｈｚ程度の周波数応答性を有していることが望ましい、
【００３６】
更に、電動油圧アクチュエータ等に用いる場合には、吐出量が周波数応答性に依存してくるので、１００００Ｈｚ以上の周波数応答性を持っていることが望ましい。
【００３７】
従って、本発明のポンプに求められている周波数応答性は、高ければ高いほど良いが少なくともｌ００Ｈｚ好ましくは１０００Ｈｚ更に好ましくは１００００Ｈｚの周波数応答性を達成することを目標とする。それを達成するための構成について説明する。
【００３８】
（１）渦電流限界周波数に対する対策
通常、磁歪アクチュエータに対する渦電流限界周波数に対する対策は確立されており、本発明にも採用できる。より具体的には、「超磁歪材料」（江田弘、Ａ・Ｅ・クラーク著、日刊工業新聞社発行）によると、渦電流限界周波数ｆｃは超磁歪素子の直径Ｄによって決定される。渦電流限界周波数ｆｃと直径Ｄの関係は数３のとおりである。又、図１に、縦軸に周波数、横軸に直径Ｄをとった時の渦電流限界周波数のグラフを示す。
【００３９】
【数３】
【００４０】
すなわち、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの直径又は厚みをＤ（ｍｍ）としたときに、要求される周波数ｆに対して、以下の式が成り立つように、直径又は厚みＤを決定することで、応答性の問題をクリアすることができる。
ｆ≧６８７１０／Ｄ２
【００４１】
図１によると、超磁歪素子の径もしくは厚みが、１インチ（２５．４ｍｍ）以下であると、渦電流に対する限界周波数は約１００Ｈｚであり、０．３インチ（７．６２ｍｍ）では約ｌｋＨｚであり、０．１インチ（２．５４ｍｍ）では約１０ｋＨｚとなることがわかる。
【００４２】
（２）各要素の応答性
前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ、逆止弁等は、２自由度アクチュエータを高周波で駆動させようとした場合、いずれも強制的に周波数振動を与えられ、変位に応じた反作用力が作用しており、速度に応じた流体抵抗や摩擦抵抗等が存在する。従って、いずれの要素も、一般的な強制振動系の問題として考えることが出来る。一般的な強制振動の運動方程式は、簡単のため強制力が時間に対してｓｉｎ波に応じて周期的に発生すると仮定すると、数４に示すものとなる。
【００４３】
【数４】
【００４４】
数４式は、力学問題の基礎として既に答えが求められている（例えば「機械力学」、三輪修三 坂田勝共著、コロナ社発行）。それによると、固有振動数ωｎと減衰比ζは、数５〜数７のように表せる。
【００４５】
【数５】
【００４６】
【数６】
【００４７】
【数７】
【００４８】
固有振動数ωｎと強制振動の振動数ωが一致した場合には共振を発生し、破損に到る場合があるので、なるべく大きな値に設定するのが一般的である。また、共振時の振幅比は、以下の数８で表される。
【００４９】
【数８】
【００５０】
ここで、ｘ０，ｍａｘは共振時の振幅、ｘｓは静たわみを示す。参考文献によると、減衰比ζが０．５以下になるように設計すると、振幅が静たわみに比べて小さくなることは無い。すなわち、固有振動数ωｎをなるだけ大きく、減衰比ζを０．５以下に設計すればよい。図２は、強制振動の周波数特性を示すグラフである。
【００５１】
ζは、流体抵抗や摩擦抵抗の関数であって、具体的な設計緒元として提案するには至っていないが、各摺動部の摩擦抵抗や流体が穴を通過する時などの抵抗を減じればよい。
【００５２】
本発明における作動流体を吸入するための逆止弁は、ボールとばねより構成されている。従って、数５式におけるｋは、逆止弁を構成するばねのばね定数ｋａであり、ｍはボールの質量ｍａである。従って、逆止弁の固有振動数ωｎａは、数９を用いて容易に求められる。
【００５３】
【数９】
【００５４】
第１のアクチュエータで駆動される第１のピストンの剛性を決定しているのは、予圧ばねと作動流体の圧縮性である。従って、予圧ばねの剛性ｋｂ１と作動流体の剛性ｋｂ２が並列につながっている構造とみなせる。作動流体の剛性ｋｂ２は、第１のシリンダ内の作動流体の体積弾性係数Ｋ１を用いて以下のように表される。
【００５５】
【数１０】
但し、Ａ１は第１のシリンダの断面積で、ｌ１は第１のシリンダの長さである。
【００５６】
尚、作動流体の圧縮性は圧縮行程のみ有効なので、ばねの剛性ｋｂ１が単独で作用している場合と作動流体の圧縮性も考慮に入れた場合の両方を考える必要がある。まず、予圧ばねだけで考えると、数５式における剛性はｋｂ１で、質量はピストンの質量ｍｂで決定される。従って固有振動数ωｎ、ｂ１は、数１１で表せる。
【００５７】
【数１１】
【００５８】
次に、作動流体の圧縮性も考慮すると数５式における剛性は、ｋｂ１＋ｋｂ２となる。従って固有振動数ωｎ、ｂ２は、数１２で表せる。
【００５９】
【数１２】
【００６０】
第２のアクチュエータでバルブ部材兼第２のピストンが駆動される場合、質量はバルブ部材の質量ｍｃ１と、第２の超磁歪素子の質量と、第２のピストンの質量の和ｍｃ２を足した値ｍｃ１＋ｍｃ２で考えればよく、ばね定数ｋｃは、第１のピストンと同様に第２のシリンダ内の作動流体における体積弾性係数Ｋ２、を用いて数１３のように表される。
【００６１】
【数１３】
ここで、第２のシリンダの断面積をＡ２、第２のシリンダの長さをｌ２とする。
【００６２】
従って、第２のピストンの固有振動数ωｎ、ｃは、数１４のように表される。
【００６３】
【数１４】
【００６４】
以上で示した各国有振動数ωｎが、ポンプに作用させたい周波数ｆ（例えば１００Ｈｚ）よりも大きく設計することが必要である。
【００６５】
（３）弁と吐出口の接触部形状
更に、本発明における２自由度アクチュエータポンプは、吐出口を弁で開閉するようになっており、バルブ部材を閉じた時の接触状態によっては摩擦を増大させるためポンプ自身の応答性に影響する。バルブ部材に要求される性能には二つあって、第１のシリンダに流体圧力が発生した場合に流体圧力の合成力が弁を押しのけるような形状であることと、及び第１のシリンダ内の流体圧力が設定圧力以下である場合に吐出口を密封できることである。
【００６６】
まず、第一の条件として、シリンダ内流体圧力をバルブ部材の運動方向の力に変換するという点から考えられるバルブ部材端部の形状には、前記吐出口に対向する端部が円錐形状となっている円錐型（図５（ａ）参照）、前記吐出口に対向する端部が球面形状となっている球面型（図５（ｂ）参照）、前記吐出口に対向する端部が平板形状となっている平板型（図５（ｃ）参照）がある。但し、平板型のバルブ部材を用いる場合、吐出口の周囲に隆起部を設けて面圧を高める必要がある。
【００６７】
次に、第２の条件である密封性を保つための吐出口の形状には、バルブ部材側に面取りを施さない円筒状（図６（ａ）参照）、バルブ部材側に面取りを施した円錐状（図６（ｂ）参照）及びドーナツ型（図６（ｃ）参照）の３種類が考えられる。ここで、円錐状とは円筒穴形状の端部にＣ面取りを施したものに相当し、ドーナツ型とはＲ面取りを施したものに相当する。
【００６８】
以上の弁形状と吐出口形状の中から、最も応答性に優れた組み合わせを選び出すことがポンプの応答性向上につながる、ポンプの応答性を考えた場合に、バルブ部材の端部形状と吐出口の接触部形状で重要なのは、摩擦摩耗を極力少なくすることである。摩擦摩耗に対して絶対的な評価方法は確立されていないが、面圧と滑り速度を掛け合わせたいわゆるＰＶ値が低いほど、摩擦摩耗に対して有利だと考えられている、この場合速度は、どの場合も同じなので、面圧Ｐが問題となる。面圧から耐摩擦摩耗性を考え、○、△、×で各々の組み合わせについて評価した。かかる評価結果を表１に示す。
【００６９】
【表１】
【００７０】
吐出口に円筒穴（図６（ａ）参照）を採用した場合、いずれもバルブ部材は吐出口の角部で接触することになり、エッジロードが発生することによって面圧は非常に大きくなる。円錐形状とＣ面取りの組み合わせにおいても同様である。
【００７１】
また、球面形状のバルブ部材（図５（ｂ）参照）弁とＲ面取りを施した吐出口（図６（ｃ）参照）の組み合わせ、平板型のバルブ部材（図５（ｃ）参照）とＣ面取りを施した吐出口（図６（ｂ）参照）の組み合わせには、面取りの量にもよるが面圧が高くなりがちであるので注意が必要である、
【００７２】
表１中、○印がついているものは、理想的なバルブ部材と吐出口の接触部を形成する。特に平板型のバルブ部材（図５（ｃ）参照）とＲ面取りの吐出口（図６（ｃ）参照）の組み合わせでは、理想的に接触した場合、面圧が非常に小さくなることが予測される。
【００７３】
（４）密封手段
更に、本発明のポンプにおける密封手段に求められる性能としては、密封性と低摩擦性がある。密封性を考慮した場合、一般に使用されるゴム製のＯ−リングを使用してよい。しかし、低摩擦特性に優れたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シールを用いることも出来る。Ｏ−リングの密封性とＰＴＦＥシールの低摩擦特性の両方を活かすために両方を組み合わせても良い。この場合だと摺動部分はＰＴＦＥシールで接触しており低摩擦が達成でき、溝はＯ−リングで接触しており密封性が保たれる。
【００７４】
ここで、本発明におけるポンプの動作を達成するのに必要な基本原理を簡単に説明する。
（磁歪現象）
一般に、超磁歪素子の歪みΔｌ／ｌは磁界の強さＨと機械的な応力Ｔによって決定される。歪みΔｌ／ｌ、磁界の強さＨ、機械的な応力Ｔの関係を示す方程式は以下の数１５式のようになるとされている。（「超磁歪材料」、江田弘、Ａ・Ｅ・クラーク著、日刊工業新聞社発行）
【００７５】
【数１５】
【００７６】
ここでｓＨは、電磁コイルが開放回路時の弾性係数すなわちヤング率の逆数で（２．８５〜４．００×１０−ｌｌ程度である）、ｄは磁歪定数（１．５０×１０−８）である。またｌは磁歪素子の長さ、Δｌは磁歪素子の変形量である。
【００７７】
数１５式におけるＴは、磁歪素子に働く機械的な応力であり、圧縮応力が作用した場合には、負の値になり、引っ張り応力が作用する場合、正の値を取る（「超磁歪材料」、江田弘、Ａ・Ｅ・クラーク著、日刊工業新聞社発行）。
【００７８】
このように、超磁歪素子は、磁界の強さＨにより歪みΔｌ／ｌを生じるが、磁歪に影響を及ぼさなくなる限界の磁界が存在する。磁界と磁歪の関係を示す図３によれば、磁界Ｈがゼロ近傍では、急激に磁歪λが変化するのに対し、磁界Ｈがある程度大きくなると、磁歪λの変化はほとんどなくなることがわかる。これを磁歪の飽和現象といい、数１５式が成立する範囲は、図３に示す磁界Ｈ‐歪みλ（＝Δｌ／ｌ−ｓＨ×Ｔ）線図における線形領域のみである、
【００７９】
図３には、超磁歪材料にある程度の圧縮応力を予圧荷重として与えた場合のＨ−λ線図（Ｂ〜Ｅ）も示しており、予圧荷重を大きくすることにより線形領域が大きくなることを示している。但し、図３では予圧荷重を与え、磁界Ｈが０Ａ／ｍの場合の初期状態を歪みλが０としている。
【００８０】
従って、超磁歪素子に与える磁界Ｈを０Ａ／ｍとした場合に、ある程度の圧縮応力が作用するように超磁歪材料よりも剛性の小さい皿ばね等を用いて予圧を設定して、アクチュエータ等を設計するのが一般的である。
【００８１】
また、ピストンやバルブ部材などに使用される材料における歪は、数１５式において磁界により影響を受ける項を無視すれば良い。更に各部材に作用する力方向に対する寸法が小さければその弾性変位は無視できる。鋼の場合、ｓ＝４．７６×１０−１２ Ｐａ−ｌ程度である。このとき数１５式は、以下の数１６式とみなせる。
【００８２】
【数１６】
【００８３】
（流体の圧縮性）
密閉された空間に流体が存在する場合、その圧力Ｐは、体積Ｖとその変化ΔＶに応じて、以下の数１７式に従って変化する。
【００８４】
【数１７】
【００８５】
ここで、ΔＶは体積が縮小する場合には負の値を取り、膨張する場合には正の値を取る。従って、密閉された空間が圧縮される場合には、流体の圧力は大きくなり、膨張する場合には圧力は小さくなる。Ｋは体積弾性係数と呼ばれ、２０℃、１０１．３ｋＰａの雰囲気で作動油の場合１．８６×１０９Ｐａ程度とされている。
【００８６】
（磁界の発生）
電磁コイルは、銅線などの巻線とコイルの芯となるボビンにより構成されており、磁界Ｈの発生は、電流Ｉとコイルの巻数Ｎおよびコイルの長さｌによって、以下の数１８式のように表される。
【００８７】
【数１８】
【００８８】
この式は簡単のため、コイルの半径方向の厚み成分を無視しているが、設計段階では十分な精度で磁界Ｈの発生を表現出来る。本発明のポンプは、上記の現象を有効に利用することで、所望のごとく動作するものである。
【００８９】
尚、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの直径又は厚みＤ（ｍｍ）は、２５．４ｍｍ以下であると好ましい。
【００９０】
又、前記第２のアクチュエータが駆動する前記バルブ部材と前記第２のピストンとは一体となってい移動すると好ましい。
【００９１】
又、外部より前記シリンダ室内に流体を吸引する通路に、逆止弁を設けており、前記逆止弁の固有振動数ωｎａが少なくともｌ００Ｈｚ以上であると好ましい。
【００９２】
又、前記第１のピストンの固有振動数ωｎ、ｂ１および作動流体の圧縮性を考慮した固有振動数ωｎ、ｂ２’と、前記第２のバルブ部材の固有振動数ωｎ、ｃとが少なくとも１００Ｈｚ以上であると好ましい。
【００９３】
又、前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が円錐形状となっていると好ましい。
【００９４】
又、前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が球面形状となっていると好ましい。
【００９５】
又、前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が平板形状となっていると好ましい。
【００９６】
又、前記吐出口の前記バルブ部材側端部には面取りが形成されていると好ましい。
【００９７】
又、前記第１のピストンと前記第１のシリンダ、及び前記第２のピストンと前記第２のシリンダとの少なくとも一方の間には、流体を密封する密封手段を設けており、前記密封手段は、Ｏ−リング及びＰＴＦＥシールの少なくとも一方であると好ましい。
【００９８】
又、前記超磁歪素子がＴｂｘＤｙ（１−ｘ）Ｆｅｙ（ｘは０．３〜０．４、ｙは２±０．１）の化合物を主体として構成されると好ましいが、これに限られることなく種々の超磁歪素子が用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図４は、本実施の形態にかかる磁歪材料を用いたポンプの断面図である。図４において、本実施の形態のポンプは、円筒状の本体１ａの軸線方向両端を、上部円盤部１ｂと下部円盤部１ｃとで挟持するように連結した構成を有する。本体１ａと、円盤部１ｂ、１ｃとで、強磁性体であるハウジング１を構成する。
【０１００】
ハウジング１の内部には、略ペンシル状のバルブ部材２が同軸に配置されている。バルブ部材２は、ＳＵＳなどの非磁性体もしくは常磁性体から形成された上部円盤部１ｂ側の上方部２ａと、下部円盤部１ｃ側の超磁歪素子からなる第２のアクチュエータ部（第２の超磁歪素子）２ｂとから形成されている。下部円盤部１ｃ内において、第２のアクチュエータ部２ｂを包囲するようにして、第２のコイルである電磁コイル３が配置されている。電磁コイル３は、外部のバッテリＢＴ２に接続可能となっており、不図示の制御装置を介して、所定の電圧が付与されると、それに応じた磁界を発生するようになっている。
【０１０１】
又、下方部２ｂの下端には、円板状のピストン（第２のピストン）４が固定取り付けされている。ピストン４は、下部円盤部１ｃの円筒状の凹部（第２のシリンダ）１ｄ内に挿入されている。ピストン４の外周面に形成された周溝４ａ内には、密封手段であるＯ−リング５Ａ及び摺動面に当接するＰＴＦＥシール５Ｂが二重に配置されており、ピストン４の外周面と凹部１ｄの内周面との間を、流体漏れがないよう密封している。尚、ピストン４は、バルブ部材２に含まれるものとする。
【０１０２】
下部円盤部１ｃにおいて、その外周面と凹部１ｄの底部近傍とを連通するように、通路１ｆが形成されている。通路１ｆは、図４では一カ所しか示されていないが、作動流体の流入通路と流出通路として機能させるべく、２つ配置されていると好ましい。通路１ｆは、蓋部材６により閉止される。
【０１０３】
バルブ部材２の上方部２ａの周囲には、第１のピストンであるピストン部材７が配置されている。ピストン部材７は、図４で上部側に配置された略円盤状の強磁性体のピストン部７ａと、それに同軸に連結された円筒状の第１のアクチュエータ部（第１の超磁歪素子）７ｂとからなる。本体１ａ内において、第１のアクチュエータ部７ｂを包囲するようにして、第１のコイルである電磁コイル８が配置されている。電磁コイル８は、外部のバッテリＢＴ１に接続可能となっており、不図示の制御装置を介して、所定の電圧が付与されると、それに応じた磁界を発生するようになっている。
【０１０４】
ピストン部７ａは、ハウジングの本体１ａと上部円盤部１ｂとで形成する円筒状の凹部（第１のシリンダ）１ｇ内に挿入されている。ピストン部７ａの外周面に形成された周溝７ｃ内には、密封手段であるＯ−リング９Ａ及び摺動面に当接するＰＴＦＥシール９Ｂが二重に配置されており、ピストン部７ａの外周面と本体１ａの内周面との間を、流体漏れがないよう密封している。更に、ピストン部７ａの内周面に形成された周溝７ｄ内には、密封手段であるＯ−リング１０Ａ及び摺動面に当接するＰＴＦＥシール１０Ｂが二重に配置されており、ピストン部７ａの内周面と、バルブ部材２の外周面との間を、流体漏れがないよう密封している。
【０１０５】
ピストン部７ａは、第１のアクチュエータ部７ｂ側にフランジ７ｅを有している。フランジ７ｅと本体１ａの段部１ｈとの間に形成される空間内には、バネを構成するウェーブワッシャ（又は皿ばね）１１が配置され、ピストン部７ａを図４で下方に付勢している。
【０１０６】
本体１ａにおいて、その外周面と凹部１ｇの頂面近傍とを連通するように、通路１ｊが形成されている。通路１ｊは、その内部に逆止弁（ボールとバネとからなる公知の構成）１２を配置しており、また吸入用のコネクタ１３に接続している。
【０１０７】
本体１ａ内において、第１のアクチュエータ部７ｂ及び電磁コイル８と、第２のアクチュエータ部２ｂと電磁コイル３との間には、非磁性の遮蔽部材１４が設けられている。
【０１０８】
本実施の形態において、バルブ部材２の先端（図４で上端）は、截頭円錐形状となっており、その頂面２ｃは平面である。一方、上部円盤部１ｂには、バルブ部材２に対向して、外部に向かって延在する細い吐出口１ｍが形成されている。吐出口１ｍのバルブ部材２側には、面取り部１ｋが形成されている。
【０１０９】
図４から明らかなように、バルブ部材２はピストン７を軸線方向に貫通しており、従って、一方の変位が他方の変位に影響することなく、両者を独立して駆動できるようになっている。
【０１１０】
下部円盤部１ｃ内に形成される凹部１ｄとピストン４とで密閉される空間には通路１ｆを介して外部より導入された任意の作動流体が封入されている。流体の種類により、その体積弾性係数Ｋを選択でき、或いはその封入量を調整することによって、弁の初期設定圧力や設定圧力特性を変化させることが出来る。例えば、開放位置にある頂面２ｃと、上部円盤部１ｂの下面との距離は、作動流体の封入量で調整することができる。
【０１１１】
本実施の形態の動作について説明する。電磁コイル８に電圧が印加されない場合、ピストン７は、ウェーブワッシャ（又は皿ばね）１１の付勢力により、図４に示すように下方（すなわち吸引位置）へと移動する。このとき、電磁コイル８にも電圧が印加されておらず、作動流体の圧力により、バルブ部材２の頂面２ｃが、上部円盤部１ｂの下面に押し付けられていれば、凹部１ｇ内の流体圧が低下するので、チェック弁１２が開弁し、コネクタ１３及び通路１ｊを介して、外部より凹部１ｇ内へと流体を吸引することができる。
【０１１２】
その後、不図示の制御装置の制御下で、バッテリＢＴ１から電磁コイル８に電圧Ｖｅ１を印加すると、電磁コイル８は、強さＨ１の磁界を発生する。それにより、第１のアクチュエータ部７ｂを構成する超磁歪素子に超磁歪現象による歪みが生じるので、これを利用して、ピストン部７ａを上部円盤部１ｂに向かって（すなわち圧縮位置へと）変位させ、凹部１ｇとピストン部７ａとで囲う空間の容積を減少させる。かかる圧縮行程は、空間内の圧力が設定圧力（開弁圧力）Ｐ１に達するまで行う。
【０１１３】
開弁圧力Ｐ１に達したとき、不図示の制御装置の制御下で、バッテリＢＴ２から電磁コイル３に電圧Ｖｅ２を印加すると、電磁コイル３は、強さＨ２の磁界を発生する。それにより、バルブ部材２の第２のアクチュエータ部２ｂを構成する超磁歪素子に超磁歪現象によるΔ２の歪みが生じるので、これを利用して、バルブ部材２を開放位置へと変位させ、バルブ部材２の頂面２ｃを上部円盤部１ｂの下面から所定距離だけ離隔させる。それにより加圧された流体は、吐出口１ｍを介して外部へと吐出されるようになっている。
【０１１４】
凹部１ｇ内の圧力が設定圧力Ｐｃを下回ると吐出が完了し、電磁コイル３への電圧印加が中断され、凹部１ｄ内の作動流体圧により、バルブ部材２は閉止位置へと変位し、バルブ部材２の頂面２ｃが上部円盤部１ｂの下面に当接した状態に維持される。その後、電磁コイル８への電圧印加が中断されると、電磁コイル８の電流降下による復元作用を利用して、ピストン７は、流体の吸引を伴いながら図４に示す位置（吸引位置）へと戻る。以上で、吸引と圧縮の１サイクルが完了する。
【０１１５】
ここで、凹部１ｄ内の流体容積を調整することで、バルブ部材２の頂面２ｃと上部円盤部１ｂの下面との距離よりも、第２のアクチュエータ部２ｂの歪みΔ２（飽和磁歪状態の歪）の方が大きくなるようにした場合、計算上は、バルブ部材２を閉止位置に変位させると、バルブ部材２の頂面２ｃと上部円盤部１ｂの下面との距離が負になるが、このときはバルブ部材２が弾性変形することで距離はゼロに維持され、それによりバルブ部材２の頂面２ｃと上部円盤部１ｂの下面との間に作用する押し付け力を、吐出孔１ｍを閉じる力として有効に用いることができる。
【０１１６】
圧縮コイルばねを用いて設定する場合に比較して、本実施の形態では、弁または磁歪素子の弾性変形および作動流体の圧縮を利用していることから、この設定圧力Ｐｃを大きな値に設定することが出来る。尚、超磁歪素子と弁部の弾性変形のみを利用して設定圧力を決定する構成にも出来るが、弾性変形のみであると、作動流体の圧縮に比べて変形に対する応力の増加が敏感になるので、設定には注意が必要である。
【０１１７】
更に、本実施の形態によれば逆止弁１２を、ボールと圧縮コイルばねの構成にし、ハウジング１内に収め、圧縮する流体の体積がなるべく小さくなるようにすることで流体の圧縮行程を効率よく行えるようにしてある。又、本体１ａ内において、第１のアクチュエータ部７ｂ及び電磁コイル８と、第２のアクチュエータ部２ｂと電磁コイル３との間に、強磁性体又は永久磁石から形成された遮蔽部材１４を配置したので、バルブ部材２をＳＵＳなどの非磁性体もしくは常磁性体から形成すれば、図４に示すように、遮蔽部材１４を共通する形で、電磁コイル３と電磁コイル８との間に、それぞれ独立した磁束ループＭＰが生じることとなる。電磁コイル３，８を接近して配置しても、磁束ループＭＰは互いに干渉することがないので、電磁コイル８の磁界が、アクチュエータ２ｂに影響を与えることが抑制され、且つ電磁コイル３の磁界が、アクチュエータ７ｂに影響を与えることが抑制され、それによりポンプの動作を確実に行わせるように機能する。
【０１１８】
尚、従来から用いられている圧電素子は、一般的にセラミックス製なので加工しにくいというデメリットがあるが、超磁歪素子は、金属化合物であるため任意に切削加工でき、また焼結によって製作する場合には、型形状を工夫することで複雑な３次元形状でも容易に形成できるという特徴がある。従って、図４に示すように、ピストン部７ｂを貫通する孔などは、切削加工でも焼結でも容易に形成でき、コンパクトなポンプ構成を実現できる。
【０１１９】
（実施例）
図４に示すポンプにおいて、本発明者らが行ったシミュレーション結果を表２に示す。表２に示すパラメータを用いることで、表２（ｃ）に示すような固有振動数ωｎを得ることができた。これによれば、ポンプの十分な応答性を確保できる。
【０１２０】
【表２】
【０１２１】
図７は、別な実施の形態にかかるポンプのホルダを示す図であり、図７（ａ）は正面図であり、図７（ｂ）は側面図である。図７において、円筒状のホルダ２０は、中央に貫通口２０ａを有し、その周囲に６つの貫通口２０ｂを有している。ＰＴＦＥ製のホルダ２０は、図４に示す第１のアクチュエータ部７ｂの代わりに用いることができる。すなわち、中央の貫通口２０ａにバルブ部材２を貫通させ、周囲の貫通孔２０ｂには、直径Ｄ：３ｍｍの円筒状の超磁歪素子（不図示）を嵌入させることができる。
【０１２２】
本実施の形態によれば、ＰＴＦＥの低摩擦性を利用することで、バルブ部材２の摺動抵抗を減らして、より応答性を高めることができると共に、渦電流の影響も抑えることができるので、より応答性が高まる。
【０１２３】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
【０１２４】
本発明によれば、超磁歪素子の特性を活かし、バルブ及びその受圧部分をシリンダ内に収めることで高応答性を得ることができ、且つ、そのバルブを補助的に操作する第１のアクチュエータとバルブ部材を非磁性体もしくは常磁性体にし、２つのコイル間に強磁性体の分離板を介在させることで、磁気的に分離されながらも、比較的コンパクトに構成される高周波数で高圧微量吐出を可能とし、しかも細かい流量制御や吐出速度制御を行えるポンプを提供することが出来、更に渦電流損失や固有振動数を考慮することで、応答遅れを効果的に抑制できるポンプを提供することが出来た。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】縦軸に周波数、横軸に直径Ｄをとった時の渦電流限界周波数のグラフである。
【図２】強制振動の周波数特性を示す図である。
【図３】磁界と磁歪の関係を示す図である。
【図４】本実施の形態にかかる磁歪材料を用いたポンプの断面図である。
【図５】バルブ部材の先端形状を示す図である。
【図６】吐出口の断面形状を示す図である。
【図７】別な実施の形態にかかるポンプのホルダを示す図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１ ハウジング
２ バルブ部材
３ 電磁コイル
４ （第２の）ピストン
７ （第１の）ピストン
８ 電磁コイル
１２ 逆止弁
１４ 遮蔽部材
２０ ホルダ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプに関し、特に小型で流体を微量にかつ高圧高精度に吐出する超磁歪ポンプに好適なポンプに関するものであり、例えば、高速回転を目的とした工作機械主軸用のための微量潤滑ポンプ、燃費向上を目的として高圧高精度に燃料を噴射するガソリンエンジン用もしくは燃料電池用の燃料噴射ポンプ、もしくは排出ガスの環境基準を満たすために高圧に燃料を噴射するディーゼルエンジンの燃料噴射ポンプ、および小型で高精度の位置決め精度を要する油圧アクチュエータを構成する小型油圧ポンプなどに利用されると好適なポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプは、流体機械であり、本来的に、流体に圧力もしくは速度を与え、移動させることを目的としている、その性能は、ポンプの吐出圧力Ｐ、吐出流量Ｑ、および吐出揚程Ｈなどで評価される。ポンプは、一般にモータやエンジン等の原動機を駆動源とすることが多く、ポンプの性能もその駆動源の能力に左右されることが多い。
【０００３】
駆動源の機械的仕事をポンプの仕事に変換する際の効率を考えると、最も損失の少ない仕組みにすることが非常に重要であり、例えば、駆動源が低速で高トルクのモータである場合には、吐出圧力Ｐが小さく吐出流量Ｑが大きいという特性を持つポンプを設計するよりも、駆動源の特性を活かして吐出圧力Ｐが大きく吐出流量Ｑが小さいという特性を備えたポンプを設計すると、損失が少なく高効率なポンプを開発できるということがある。
【０００４】
新しく開発された駆動源を用いてポンプを設計する場合でも、駆動源の性能に合わせたポンプを設計することにより、高い効率を達成でき、他の駆動源によって達成できないようなポンプ性能を獲得できるなら、新技術として定着する可能性がある。
【０００５】
ここで、超磁歪素子とは、古くから知られているＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏのような磁性材料に磁場を印加すると生じる磁歪現象よりも、遙かに大きな超磁歪現象を生じさせる素子のことをいい、例えば任意の希土類元素Ｒと鉄Ｆｅの原子比が１：２（ＲＦｅ２）からなる組成を持つ素子が知られており、代表的な例としてＴｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ２がある。
【０００６】
このような超磁歪素子の磁歪現象を、アクチュエータの駆動源として用いる試みがある。かかるアクチュエータの場合、電磁コイルに電流を流し、磁界の強さＨを得、磁歪Δｌ／１を発生させるが、その歪みはＴｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ２の場合、磁界の強さＨが８０ｋＡ／ｍ以上になると最大値に飽和し、その時のひずみの値は１５００〜２０００ｐｐｍ程度と非常に小さい。例えば１０ｍの超磁歪素子に、８０ｋＡ／ｍの磁界を加えた場合、歪みは１５〜２０μｍ程度である。ところが、８０ｋＡ／ｍの磁界を加え、変位が生じないように固定すると圧縮応力のみ発生し、その値は６０〜８４ＭＰａ程度と非常に大きくなる。また、圧縮応力に対する破壊限は７００ＭＰａと大きく耐久性もある。一方で、超磁歪素子の応答速度は、電磁コイルの応答速度に依存する。すなわち超磁歪素子を駆動源に用いたアクチュエータは、低速高トルク型の機能を有することとなる。従って、超磁歪素子を駆動源とするアクチュエータをポンプに用いる場合、なるべく高圧小流量な特性を持つようにポンプ設計をした方が高効率を得ることができ、他を駆動源とするポンプでは達成できない性能を発揮する可能性があるといえる。
【０００７】
超磁歪素子の競合技術として知られている圧電素子を用いる場合、電磁コイルにおける時定数の大きさなどの影響に左右されること無く、非常に高速で運転できるという利点がある。その一方で、超磁歪素子のように大きな変位、大きな応力を得ることは困難とされており、駆動源の性能としては高速低トルク型といえ、比較的低圧大流量な特性を持つポンプが多く設計され、実用化されているものもある。
【０００８】
近年、このような圧電素子や超磁歪素子等の電圧や磁場で駆動される素子を用いて、各種のアクチュエータおよびそれを利用したポンプなどの開発が盛んである。
【０００９】
圧電素子を用いたポンプで実用化されているものとしては、バイモルポンプ（極光株式会社製）などがある。これは、圧電バイモルフ振動子を用いたダイヤフラム形式のポンプであって、小型で軽量であること、流量調節が容易であること、非磁性であること等を特徴としている。
【００１０】
一方、超磁歪素子を用いたポンプとしては、例えば、以下の特許文献１に示すように、一つのシリンダと吐出用と吸入用の二つの逆止弁を備え、超磁歪素子に与える磁界を調節することでリエアアクチュエータを構成し、例えば、ダイヤフラム、プランジャ、べローズ等のシリンダ容積を可変とする形式とした容積型のポンプなどがある。
【００１１】
通常、このようなポンプの吐出揚程Ｈｐは、ベルヌーイの法則によるとシリンダ内の圧力Ｐとピストンの速度ｖに依存する。数１に、一般的なべルヌーイの法則を示す。
【００１２】
【数１】
ここで、
γ：密度×重力加速度
ｇ：重力加速度
ζ：位置（高さ）
である。
【００１３】
数１から明らかなように、べルヌーイの法則によると、ポンプ自体の吐出揚程Ｈｐは、流体圧力と流体の速度ｖに依存する。流体を圧縮する性能は、流体の体積を変化させる機能すなわちピストン速度と弁の機能に影響され、またシリンダ内の流体速度は、ピストン速度すなわち電磁コイルの性能に依存する。
【００１４】
容積型ポンプに用いられる逆止弁は、流体の流れる方向を制御する機能を備えるが、例えば、ばねとボール弁を組み合わせてシリンダ内の圧力Ｐが、ある一定の圧力Ｐｃになった時点で弁を開くという、いわゆるチェック弁機能を持たせるように設計することがある（例えば以下の特許文献２参照）。
【００１５】
ポンプのシリンダに、この形式のチェック弁を用いて作動流体を吸入する場合、吸入側リザーバの流体が正圧になる、もしくはシリンダ内の流体が負圧になることにより、ボールに作用する力とばねによる反発力が釣り合った状態で、初めて弁が開くという機構になっており、吐出する場合はシリンダ内の圧力がボールに作用する力と、ばねの反発力が釣り合った状態で、初めて吐出が可能となる。
【００１６】
従って、シリンダ内の圧力が、所定値を下回らないもしくは超えない限り、かかる逆止弁を介して流体の吸入もしくは吐出を開始しないので、シリンダを密閉できる圧縮行程を長く出来、それにより容積型ポンプの吐出揚程を大きく出来る。
【００１７】
しかるに、これらの従来の技術によるポンプでは、チェック弁機能の設定圧力、すなわち逆止弁の開弁圧は、ばねの反発力により決められるので、吐出揚程を更に大きくしたい場合、よりバネ常数の大きいばねを選択する必要がある。
【００１８】
圧縮コイルばねに限らず、通常、バネ常数を大きくするためには、寸法の大きいものを選択せざるを得ず、ポンプ自体が大きくなってしまうという問題がある。
【００１９】
金属材料の弾性を利用したばねを用いるとした場合、適当な形状、例えば単純円筒状にすると、バネ常数の極めて高いばねを構成できる。この場合、設定圧力が高く出来、高圧噴射が可能となるが、吐出圧もしくは吐出流量の制御範囲が非常に狭くなり、また応力が高くなるので破壊に到る可能性もある。
【００２０】
このように、ボールとばねにより構成される逆止弁のチェック弁機能では、ポンプの小型化と吐出揚程の向上を同時に達成するのは非常に困難であるといえる。又、金属材料の弾性をばねとして使用すると、ポンプ性能範囲が狭くなり制御性が喪失されることが予想される。
【００２１】
一方、吐出揚程を向上させるためのもう一つの方法としてピストンの速度を大きくすることが考えられる。これは、上記数１のｖを大きくすることに相当する。
【００２２】
ピストン速度は、超磁歪現象の速度と一致しており、超磁歪現象の速度は、すなわち磁界の変化速度と、超磁歪現象の磁界の変化に対する応答速度の和である。一般に後者は、ｎ−μｓｅｃと非常に小さく、磁界の変化速度に比べると無視できる。従って、ピストン速度を大きくするには、磁界の発生速度を大きくする必要がある。磁界は電磁コイルに流れる電流により発生するため、電磁コイルに電圧を印加して電流が流れるまでの時間を短くする必要がある。一般に、電磁コイルに電圧Ｖｅを印加した時の電磁コイルに流れる電流の時間的な変化Ｉ（ｔ）は、以下の数２式で表される。
【００２３】
【数２】
【００２４】
数２式より、電磁コイルの応答速度を大きくするためには、時定数τＬを小さくするか、印加電圧Ｖｅを大きくすることが必要とされる。一般には電磁コイルの体積が決まっていれば、時定数τＬを変化させることは難しいので、印加電圧を大きくする手法が取られる。しかし、それによれば、低電圧で駆動できるという超磁歪素子の特徴を活かすことが出来なくなる。
【００２５】
このように超磁歪アクチュエータを用いた従来の技術では、超磁歪アクチュエータを用いて、より小型で、より高圧に吐出できるポンプを設計することは難しくなっており、超磁歪素子の特性を十分に活かせないという実情がある。
【００２６】
これらの技術に対して、２つの超磁歪アクチュエータを用いたポンプに関する発明もなされており（例えば、特許文献３，特許文献４等）、具体的な技術も多く開示されている。
【特許文献１】特開平５−６００５９号公報
【特許文献２】特開平６−１０１６３１号公報
【特許文献３】特開２００２−２１７１５号公報
【特許文献４】特開２００２−１０２７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
例えば、特許文献３には、接着剤やクリームはんだ、蛍光体、グリースなどの高精度な定量吐出を目的としたディスぺンサー用のポンプが開示されている。かかるポンプは、上部、下部のアクチュエータと可動スリーブとピストンにより構成されてなり、可動スリーブは下部のアクチュエータにより駆動され、ピストンは上部のアクチュエータにより駆動される。その動作時には、上下のアクチュエータを相対的に駆動することによってシリンダ内に、吐出する流体を吸入し、可動スリーブにより流体を閉じ込める。更に、ピストンのみを動かしてシリンダ内の流体を吐出することができる。かかるポンプにより、高精度な流量制御が可能な定量ディスぺンサーが実現できたとされている。
【００２８】
一方、特許文献４にも、ディスぺンサー用のポンプが開示されている。かかるポンプは、ピストンを吐出口が密閉可能なニードル弁に変更し、可動スリーブとハウジングのスキマを小さくしているところに特徴がある。その動作時には、吸入行程ではニードル弁により吐出口を閉じ、可動スリーブを上方に移動させスキマより流体を吸入する。その後、まずニードル弁を開いて、その後にピストンを押して、シリンダ容積を圧縮する。可動スリーブとハウジングのスキマよりも吐出口の方が大きいので、流体は吐出口より吐出されるようになっている。かかるポンプにより、流体を高速で吐出し遮断することが可能になったとされている。
【００２９】
しかるに、このディスペンサー用のポンプは、二つの超磁歪アクチュエータの動きを組み合わせて、定量に吐出できるポンプを作成した例であるが、超磁歪素子特有の周波数応答に関わる応答性の問題を内包している。これを具体的に説明する。
【００３０】
超磁歪素子は印加される磁場によって歪を生じる。今、超磁歪素子に磁場を印加したとすると、１０−６ｓｅｃ後には歪を生じるとされている。すなわち、超磁歪素子は１０６Ｈｚ程度の周波数応答性を有していることになる。ところが、実際に電磁コイル等を用いて磁場を周期的に印加した場合、超磁歪素子は、導体であるので磁場の変化に対して渦電流が生じる。この渦電流は、超磁歪素子の表面に印加された磁場を打ち消しあうような方向に流れるため、超磁歪現象に対しては損失が生じることとなる。渦電流は、磁場の変化速度が速いほどすなわち磁界の周波数が高いほど大きな損失をもたらし、結果として渦電流により限界周波数が決定されてしまう。上記特許文献を含めた従来技術では、渦電流損失に対して何ら対策を施していないので高周波応答が望めないという問題がある。
【００３１】
更に、従来技術のポンプには、他にも応答性に与える影響が大きい要素が存在する。ピストンやバルブ部材、逆止弁の系の固有振動数の問題である。しかし、上記特許文献を含めた従来技術では、周波数応答性が求められた場合の最適な設計緒元は何ら示されていない。
【００３２】
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、渦電流損失や固有振動数を考慮することで、応答遅れを効果的に抑制できるポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の２自由度アクチュエータは、
第１のコイルと、
超磁歪素子よりなる第１のアクチュエータと、
第２のコイルと、
超磁歪素子よりなる第２のアクチュエータと、
強磁性体からなり、前記第１のコイルおよび前記第１のアクチュエータと、前記第２のコイルおよび前記第２のアクチュータとの間に配置され、前記第１及び前記第２のアクチュエータを磁気的に分離する分離板とを備え、
前記第１のアクチュエータは、強磁性体からなるハウジングに形成された第１のシリンダ内を摺動する強磁性体の第１のピストンを駆動し、
前記第２のアクチュエータは、前記第１のピストンを貫通し且つ前記第１のシリンダと外部とを連通する吐出孔を開閉する非磁性のバルブ部材と、前記ハウジングに形成された第２のシリンダ内を摺動する第２のピストンとを駆動し、
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの直径又は厚みをＤ（ｍｍ）としたときに、以下の式が成り立つことを特徴とする。
ｆ≧６８７１０／Ｄ２
但し、ｆは、アクチュエータに必要とされる応答周波数である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明のポンプには様々な用途が考えられるが、工作機械などの潤滑油を吐出するためのポンプやディスペンサーとして用いる場合には、粘度の高い潤滑油やグリースなどを適量吐出すればよいので、あまり周波数応答性は問題とならないものの、１００Ｈｚ程度の周波数応答を有していることが望ましい。
【００３５】
しかし、ガソリンエンジンの燃料噴射装置に用いられるガソリン吐出用ポンプに適用する場合には、数百Ｈｚ程度の応答性が必要であり、余裕を見て１０００Ｈｚ程度の周波数応答性を有していることが望ましい、
【００３６】
更に、電動油圧アクチュエータ等に用いる場合には、吐出量が周波数応答性に依存してくるので、１００００Ｈｚ以上の周波数応答性を持っていることが望ましい。
【００３７】
従って、本発明のポンプに求められている周波数応答性は、高ければ高いほど良いが少なくともｌ００Ｈｚ好ましくは１０００Ｈｚ更に好ましくは１００００Ｈｚの周波数応答性を達成することを目標とする。それを達成するための構成について説明する。
【００３８】
（１）渦電流限界周波数に対する対策
通常、磁歪アクチュエータに対する渦電流限界周波数に対する対策は確立されており、本発明にも採用できる。より具体的には、「超磁歪材料」（江田弘、Ａ・Ｅ・クラーク著、日刊工業新聞社発行）によると、渦電流限界周波数ｆｃは超磁歪素子の直径Ｄによって決定される。渦電流限界周波数ｆｃと直径Ｄの関係は数３のとおりである。又、図１に、縦軸に周波数、横軸に直径Ｄをとった時の渦電流限界周波数のグラフを示す。
【００３９】
【数３】
【００４０】
すなわち、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの直径又は厚みをＤ（ｍｍ）としたときに、要求される周波数ｆに対して、以下の式が成り立つように、直径又は厚みＤを決定することで、応答性の問題をクリアすることができる。
ｆ≧６８７１０／Ｄ２
【００４１】
図１によると、超磁歪素子の径もしくは厚みが、１インチ（２５．４ｍｍ）以下であると、渦電流に対する限界周波数は約１００Ｈｚであり、０．３インチ（７．６２ｍｍ）では約ｌｋＨｚであり、０．１インチ（２．５４ｍｍ）では約１０ｋＨｚとなることがわかる。
【００４２】
（２）各要素の応答性
前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ、逆止弁等は、２自由度アクチュエータを高周波で駆動させようとした場合、いずれも強制的に周波数振動を与えられ、変位に応じた反作用力が作用しており、速度に応じた流体抵抗や摩擦抵抗等が存在する。従って、いずれの要素も、一般的な強制振動系の問題として考えることが出来る。一般的な強制振動の運動方程式は、簡単のため強制力が時間に対してｓｉｎ波に応じて周期的に発生すると仮定すると、数４に示すものとなる。
【００４３】
【数４】
【００４４】
数４式は、力学問題の基礎として既に答えが求められている（例えば「機械力学」、三輪修三 坂田勝共著、コロナ社発行）。それによると、固有振動数ωｎと減衰比ζは、数５〜数７のように表せる。
【００４５】
【数５】
【００４６】
【数６】
【００４７】
【数７】
【００４８】
固有振動数ωｎと強制振動の振動数ωが一致した場合には共振を発生し、破損に到る場合があるので、なるべく大きな値に設定するのが一般的である。また、共振時の振幅比は、以下の数８で表される。
【００４９】
【数８】
【００５０】
ここで、ｘ０，ｍａｘは共振時の振幅、ｘｓは静たわみを示す。参考文献によると、減衰比ζが０．５以下になるように設計すると、振幅が静たわみに比べて小さくなることは無い。すなわち、固有振動数ωｎをなるだけ大きく、減衰比ζを０．５以下に設計すればよい。図２は、強制振動の周波数特性を示すグラフである。
【００５１】
ζは、流体抵抗や摩擦抵抗の関数であって、具体的な設計緒元として提案するには至っていないが、各摺動部の摩擦抵抗や流体が穴を通過する時などの抵抗を減じればよい。
【００５２】
本発明における作動流体を吸入するための逆止弁は、ボールとばねより構成されている。従って、数５式におけるｋは、逆止弁を構成するばねのばね定数ｋａであり、ｍはボールの質量ｍａである。従って、逆止弁の固有振動数ωｎａは、数９を用いて容易に求められる。
【００５３】
【数９】
【００５４】
第１のアクチュエータで駆動される第１のピストンの剛性を決定しているのは、予圧ばねと作動流体の圧縮性である。従って、予圧ばねの剛性ｋｂ１と作動流体の剛性ｋｂ２が並列につながっている構造とみなせる。作動流体の剛性ｋｂ２は、第１のシリンダ内の作動流体の体積弾性係数Ｋ１を用いて以下のように表される。
【００５５】
【数１０】
但し、Ａ１は第１のシリンダの断面積で、ｌ１は第１のシリンダの長さである。
【００５６】
尚、作動流体の圧縮性は圧縮行程のみ有効なので、ばねの剛性ｋｂ１が単独で作用している場合と作動流体の圧縮性も考慮に入れた場合の両方を考える必要がある。まず、予圧ばねだけで考えると、数５式における剛性はｋｂ１で、質量はピストンの質量ｍｂで決定される。従って固有振動数ωｎ、ｂ１は、数１１で表せる。
【００５７】
【数１１】
【００５８】
次に、作動流体の圧縮性も考慮すると数５式における剛性は、ｋｂ１＋ｋｂ２となる。従って固有振動数ωｎ、ｂ２は、数１２で表せる。
【００５９】
【数１２】
【００６０】
第２のアクチュエータでバルブ部材兼第２のピストンが駆動される場合、質量はバルブ部材の質量ｍｃ１と、第２の超磁歪素子の質量と、第２のピストンの質量の和ｍｃ２を足した値ｍｃ１＋ｍｃ２で考えればよく、ばね定数ｋｃは、第１のピストンと同様に第２のシリンダ内の作動流体における体積弾性係数Ｋ２、を用いて数１３のように表される。
【００６１】
【数１３】
ここで、第２のシリンダの断面積をＡ２、第２のシリンダの長さをｌ２とする。
【００６２】
従って、第２のピストンの固有振動数ωｎ、ｃは、数１４のように表される。
【００６３】
【数１４】
【００６４】
以上で示した各国有振動数ωｎが、ポンプに作用させたい周波数ｆ（例えば１００Ｈｚ）よりも大きく設計することが必要である。
【００６５】
（３）弁と吐出口の接触部形状
更に、本発明における２自由度アクチュエータポンプは、吐出口を弁で開閉するようになっており、バルブ部材を閉じた時の接触状態によっては摩擦を増大させるためポンプ自身の応答性に影響する。バルブ部材に要求される性能には二つあって、第１のシリンダに流体圧力が発生した場合に流体圧力の合成力が弁を押しのけるような形状であることと、及び第１のシリンダ内の流体圧力が設定圧力以下である場合に吐出口を密封できることである。
【００６６】
まず、第一の条件として、シリンダ内流体圧力をバルブ部材の運動方向の力に変換するという点から考えられるバルブ部材端部の形状には、前記吐出口に対向する端部が円錐形状となっている円錐型（図５（ａ）参照）、前記吐出口に対向する端部が球面形状となっている球面型（図５（ｂ）参照）、前記吐出口に対向する端部が平板形状となっている平板型（図５（ｃ）参照）がある。但し、平板型のバルブ部材を用いる場合、吐出口の周囲に隆起部を設けて面圧を高める必要がある。
【００６７】
次に、第２の条件である密封性を保つための吐出口の形状には、バルブ部材側に面取りを施さない円筒状（図６（ａ）参照）、バルブ部材側に面取りを施した円錐状（図６（ｂ）参照）及びドーナツ型（図６（ｃ）参照）の３種類が考えられる。ここで、円錐状とは円筒穴形状の端部にＣ面取りを施したものに相当し、ドーナツ型とはＲ面取りを施したものに相当する。
【００６８】
以上の弁形状と吐出口形状の中から、最も応答性に優れた組み合わせを選び出すことがポンプの応答性向上につながる、ポンプの応答性を考えた場合に、バルブ部材の端部形状と吐出口の接触部形状で重要なのは、摩擦摩耗を極力少なくすることである。摩擦摩耗に対して絶対的な評価方法は確立されていないが、面圧と滑り速度を掛け合わせたいわゆるＰＶ値が低いほど、摩擦摩耗に対して有利だと考えられている、この場合速度は、どの場合も同じなので、面圧Ｐが問題となる。面圧から耐摩擦摩耗性を考え、○、△、×で各々の組み合わせについて評価した。かかる評価結果を表１に示す。
【００６９】
【表１】
【００７０】
吐出口に円筒穴（図６（ａ）参照）を採用した場合、いずれもバルブ部材は吐出口の角部で接触することになり、エッジロードが発生することによって面圧は非常に大きくなる。円錐形状とＣ面取りの組み合わせにおいても同様である。
【００７１】
また、球面形状のバルブ部材（図５（ｂ）参照）弁とＲ面取りを施した吐出口（図６（ｃ）参照）の組み合わせ、平板型のバルブ部材（図５（ｃ）参照）とＣ面取りを施した吐出口（図６（ｂ）参照）の組み合わせには、面取りの量にもよるが面圧が高くなりがちであるので注意が必要である、
【００７２】
表１中、○印がついているものは、理想的なバルブ部材と吐出口の接触部を形成する。特に平板型のバルブ部材（図５（ｃ）参照）とＲ面取りの吐出口（図６（ｃ）参照）の組み合わせでは、理想的に接触した場合、面圧が非常に小さくなることが予測される。
【００７３】
（４）密封手段
更に、本発明のポンプにおける密封手段に求められる性能としては、密封性と低摩擦性がある。密封性を考慮した場合、一般に使用されるゴム製のＯ−リングを使用してよい。しかし、低摩擦特性に優れたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シールを用いることも出来る。Ｏ−リングの密封性とＰＴＦＥシールの低摩擦特性の両方を活かすために両方を組み合わせても良い。この場合だと摺動部分はＰＴＦＥシールで接触しており低摩擦が達成でき、溝はＯ−リングで接触しており密封性が保たれる。
【００７４】
ここで、本発明におけるポンプの動作を達成するのに必要な基本原理を簡単に説明する。
（磁歪現象）
一般に、超磁歪素子の歪みΔｌ／ｌは磁界の強さＨと機械的な応力Ｔによって決定される。歪みΔｌ／ｌ、磁界の強さＨ、機械的な応力Ｔの関係を示す方程式は以下の数１５式のようになるとされている。（「超磁歪材料」、江田弘、Ａ・Ｅ・クラーク著、日刊工業新聞社発行）
【００７５】
【数１５】
【００７６】
ここでｓＨは、電磁コイルが開放回路時の弾性係数すなわちヤング率の逆数で（２．８５〜４．００×１０−ｌｌ程度である）、ｄは磁歪定数（１．５０×１０−８）である。またｌは磁歪素子の長さ、Δｌは磁歪素子の変形量である。
【００７７】
数１５式におけるＴは、磁歪素子に働く機械的な応力であり、圧縮応力が作用した場合には、負の値になり、引っ張り応力が作用する場合、正の値を取る（「超磁歪材料」、江田弘、Ａ・Ｅ・クラーク著、日刊工業新聞社発行）。
【００７８】
このように、超磁歪素子は、磁界の強さＨにより歪みΔｌ／ｌを生じるが、磁歪に影響を及ぼさなくなる限界の磁界が存在する。磁界と磁歪の関係を示す図３によれば、磁界Ｈがゼロ近傍では、急激に磁歪λが変化するのに対し、磁界Ｈがある程度大きくなると、磁歪λの変化はほとんどなくなることがわかる。これを磁歪の飽和現象といい、数１５式が成立する範囲は、図３に示す磁界Ｈ‐歪みλ（＝Δｌ／ｌ−ｓＨ×Ｔ）線図における線形領域のみである、
【００７９】
図３には、超磁歪材料にある程度の圧縮応力を予圧荷重として与えた場合のＨ−λ線図（Ｂ〜Ｅ）も示しており、予圧荷重を大きくすることにより線形領域が大きくなることを示している。但し、図３では予圧荷重を与え、磁界Ｈが０Ａ／ｍの場合の初期状態を歪みλが０としている。
【００８０】
従って、超磁歪素子に与える磁界Ｈを０Ａ／ｍとした場合に、ある程度の圧縮応力が作用するように超磁歪材料よりも剛性の小さい皿ばね等を用いて予圧を設定して、アクチュエータ等を設計するのが一般的である。
【００８１】
また、ピストンやバルブ部材などに使用される材料における歪は、数１５式において磁界により影響を受ける項を無視すれば良い。更に各部材に作用する力方向に対する寸法が小さければその弾性変位は無視できる。鋼の場合、ｓ＝４．７６×１０−１２ Ｐａ−ｌ程度である。このとき数１５式は、以下の数１６式とみなせる。
【００８２】
【数１６】
【００８３】
（流体の圧縮性）
密閉された空間に流体が存在する場合、その圧力Ｐは、体積Ｖとその変化ΔＶに応じて、以下の数１７式に従って変化する。
【００８４】
【数１７】
【００８５】
ここで、ΔＶは体積が縮小する場合には負の値を取り、膨張する場合には正の値を取る。従って、密閉された空間が圧縮される場合には、流体の圧力は大きくなり、膨張する場合には圧力は小さくなる。Ｋは体積弾性係数と呼ばれ、２０℃、１０１．３ｋＰａの雰囲気で作動油の場合１．８６×１０９Ｐａ程度とされている。
【００８６】
（磁界の発生）
電磁コイルは、銅線などの巻線とコイルの芯となるボビンにより構成されており、磁界Ｈの発生は、電流Ｉとコイルの巻数Ｎおよびコイルの長さｌによって、以下の数１８式のように表される。
【００８７】
【数１８】
【００８８】
この式は簡単のため、コイルの半径方向の厚み成分を無視しているが、設計段階では十分な精度で磁界Ｈの発生を表現出来る。本発明のポンプは、上記の現象を有効に利用することで、所望のごとく動作するものである。
【００８９】
尚、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの直径又は厚みＤ（ｍｍ）は、２５．４ｍｍ以下であると好ましい。
【００９０】
又、前記第２のアクチュエータが駆動する前記バルブ部材と前記第２のピストンとは一体となってい移動すると好ましい。
【００９１】
又、外部より前記シリンダ室内に流体を吸引する通路に、逆止弁を設けており、前記逆止弁の固有振動数ωｎａが少なくともｌ００Ｈｚ以上であると好ましい。
【００９２】
又、前記第１のピストンの固有振動数ωｎ、ｂ１および作動流体の圧縮性を考慮した固有振動数ωｎ、ｂ２’と、前記第２のバルブ部材の固有振動数ωｎ、ｃとが少なくとも１００Ｈｚ以上であると好ましい。
【００９３】
又、前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が円錐形状となっていると好ましい。
【００９４】
又、前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が球面形状となっていると好ましい。
【００９５】
又、前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が平板形状となっていると好ましい。
【００９６】
又、前記吐出口の前記バルブ部材側端部には面取りが形成されていると好ましい。
【００９７】
又、前記第１のピストンと前記第１のシリンダ、及び前記第２のピストンと前記第２のシリンダとの少なくとも一方の間には、流体を密封する密封手段を設けており、前記密封手段は、Ｏ−リング及びＰＴＦＥシールの少なくとも一方であると好ましい。
【００９８】
又、前記超磁歪素子がＴｂｘＤｙ（１−ｘ）Ｆｅｙ（ｘは０．３〜０．４、ｙは２±０．１）の化合物を主体として構成されると好ましいが、これに限られることなく種々の超磁歪素子が用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図４は、本実施の形態にかかる磁歪材料を用いたポンプの断面図である。図４において、本実施の形態のポンプは、円筒状の本体１ａの軸線方向両端を、上部円盤部１ｂと下部円盤部１ｃとで挟持するように連結した構成を有する。本体１ａと、円盤部１ｂ、１ｃとで、強磁性体であるハウジング１を構成する。
【０１００】
ハウジング１の内部には、略ペンシル状のバルブ部材２が同軸に配置されている。バルブ部材２は、ＳＵＳなどの非磁性体もしくは常磁性体から形成された上部円盤部１ｂ側の上方部２ａと、下部円盤部１ｃ側の超磁歪素子からなる第２のアクチュエータ部（第２の超磁歪素子）２ｂとから形成されている。下部円盤部１ｃ内において、第２のアクチュエータ部２ｂを包囲するようにして、第２のコイルである電磁コイル３が配置されている。電磁コイル３は、外部のバッテリＢＴ２に接続可能となっており、不図示の制御装置を介して、所定の電圧が付与されると、それに応じた磁界を発生するようになっている。
【０１０１】
又、下方部２ｂの下端には、円板状のピストン（第２のピストン）４が固定取り付けされている。ピストン４は、下部円盤部１ｃの円筒状の凹部（第２のシリンダ）１ｄ内に挿入されている。ピストン４の外周面に形成された周溝４ａ内には、密封手段であるＯ−リング５Ａ及び摺動面に当接するＰＴＦＥシール５Ｂが二重に配置されており、ピストン４の外周面と凹部１ｄの内周面との間を、流体漏れがないよう密封している。尚、ピストン４は、バルブ部材２に含まれるものとする。
【０１０２】
下部円盤部１ｃにおいて、その外周面と凹部１ｄの底部近傍とを連通するように、通路１ｆが形成されている。通路１ｆは、図４では一カ所しか示されていないが、作動流体の流入通路と流出通路として機能させるべく、２つ配置されていると好ましい。通路１ｆは、蓋部材６により閉止される。
【０１０３】
バルブ部材２の上方部２ａの周囲には、第１のピストンであるピストン部材７が配置されている。ピストン部材７は、図４で上部側に配置された略円盤状の強磁性体のピストン部７ａと、それに同軸に連結された円筒状の第１のアクチュエータ部（第１の超磁歪素子）７ｂとからなる。本体１ａ内において、第１のアクチュエータ部７ｂを包囲するようにして、第１のコイルである電磁コイル８が配置されている。電磁コイル８は、外部のバッテリＢＴ１に接続可能となっており、不図示の制御装置を介して、所定の電圧が付与されると、それに応じた磁界を発生するようになっている。
【０１０４】
ピストン部７ａは、ハウジングの本体１ａと上部円盤部１ｂとで形成する円筒状の凹部（第１のシリンダ）１ｇ内に挿入されている。ピストン部７ａの外周面に形成された周溝７ｃ内には、密封手段であるＯ−リング９Ａ及び摺動面に当接するＰＴＦＥシール９Ｂが二重に配置されており、ピストン部７ａの外周面と本体１ａの内周面との間を、流体漏れがないよう密封している。更に、ピストン部７ａの内周面に形成された周溝７ｄ内には、密封手段であるＯ−リング１０Ａ及び摺動面に当接するＰＴＦＥシール１０Ｂが二重に配置されており、ピストン部７ａの内周面と、バルブ部材２の外周面との間を、流体漏れがないよう密封している。
【０１０５】
ピストン部７ａは、第１のアクチュエータ部７ｂ側にフランジ７ｅを有している。フランジ７ｅと本体１ａの段部１ｈとの間に形成される空間内には、バネを構成するウェーブワッシャ（又は皿ばね）１１が配置され、ピストン部７ａを図４で下方に付勢している。
【０１０６】
本体１ａにおいて、その外周面と凹部１ｇの頂面近傍とを連通するように、通路１ｊが形成されている。通路１ｊは、その内部に逆止弁（ボールとバネとからなる公知の構成）１２を配置しており、また吸入用のコネクタ１３に接続している。
【０１０７】
本体１ａ内において、第１のアクチュエータ部７ｂ及び電磁コイル８と、第２のアクチュエータ部２ｂと電磁コイル３との間には、非磁性の遮蔽部材１４が設けられている。
【０１０８】
本実施の形態において、バルブ部材２の先端（図４で上端）は、截頭円錐形状となっており、その頂面２ｃは平面である。一方、上部円盤部１ｂには、バルブ部材２に対向して、外部に向かって延在する細い吐出口１ｍが形成されている。吐出口１ｍのバルブ部材２側には、面取り部１ｋが形成されている。
【０１０９】
図４から明らかなように、バルブ部材２はピストン７を軸線方向に貫通しており、従って、一方の変位が他方の変位に影響することなく、両者を独立して駆動できるようになっている。
【０１１０】
下部円盤部１ｃ内に形成される凹部１ｄとピストン４とで密閉される空間には通路１ｆを介して外部より導入された任意の作動流体が封入されている。流体の種類により、その体積弾性係数Ｋを選択でき、或いはその封入量を調整することによって、弁の初期設定圧力や設定圧力特性を変化させることが出来る。例えば、開放位置にある頂面２ｃと、上部円盤部１ｂの下面との距離は、作動流体の封入量で調整することができる。
【０１１１】
本実施の形態の動作について説明する。電磁コイル８に電圧が印加されない場合、ピストン７は、ウェーブワッシャ（又は皿ばね）１１の付勢力により、図４に示すように下方（すなわち吸引位置）へと移動する。このとき、電磁コイル８にも電圧が印加されておらず、作動流体の圧力により、バルブ部材２の頂面２ｃが、上部円盤部１ｂの下面に押し付けられていれば、凹部１ｇ内の流体圧が低下するので、チェック弁１２が開弁し、コネクタ１３及び通路１ｊを介して、外部より凹部１ｇ内へと流体を吸引することができる。
【０１１２】
その後、不図示の制御装置の制御下で、バッテリＢＴ１から電磁コイル８に電圧Ｖｅ１を印加すると、電磁コイル８は、強さＨ１の磁界を発生する。それにより、第１のアクチュエータ部７ｂを構成する超磁歪素子に超磁歪現象による歪みが生じるので、これを利用して、ピストン部７ａを上部円盤部１ｂに向かって（すなわち圧縮位置へと）変位させ、凹部１ｇとピストン部７ａとで囲う空間の容積を減少させる。かかる圧縮行程は、空間内の圧力が設定圧力（開弁圧力）Ｐ１に達するまで行う。
【０１１３】
開弁圧力Ｐ１に達したとき、不図示の制御装置の制御下で、バッテリＢＴ２から電磁コイル３に電圧Ｖｅ２を印加すると、電磁コイル３は、強さＨ２の磁界を発生する。それにより、バルブ部材２の第２のアクチュエータ部２ｂを構成する超磁歪素子に超磁歪現象によるΔ２の歪みが生じるので、これを利用して、バルブ部材２を開放位置へと変位させ、バルブ部材２の頂面２ｃを上部円盤部１ｂの下面から所定距離だけ離隔させる。それにより加圧された流体は、吐出口１ｍを介して外部へと吐出されるようになっている。
【０１１４】
凹部１ｇ内の圧力が設定圧力Ｐｃを下回ると吐出が完了し、電磁コイル３への電圧印加が中断され、凹部１ｄ内の作動流体圧により、バルブ部材２は閉止位置へと変位し、バルブ部材２の頂面２ｃが上部円盤部１ｂの下面に当接した状態に維持される。その後、電磁コイル８への電圧印加が中断されると、電磁コイル８の電流降下による復元作用を利用して、ピストン７は、流体の吸引を伴いながら図４に示す位置（吸引位置）へと戻る。以上で、吸引と圧縮の１サイクルが完了する。
【０１１５】
ここで、凹部１ｄ内の流体容積を調整することで、バルブ部材２の頂面２ｃと上部円盤部１ｂの下面との距離よりも、第２のアクチュエータ部２ｂの歪みΔ２（飽和磁歪状態の歪）の方が大きくなるようにした場合、計算上は、バルブ部材２を閉止位置に変位させると、バルブ部材２の頂面２ｃと上部円盤部１ｂの下面との距離が負になるが、このときはバルブ部材２が弾性変形することで距離はゼロに維持され、それによりバルブ部材２の頂面２ｃと上部円盤部１ｂの下面との間に作用する押し付け力を、吐出孔１ｍを閉じる力として有効に用いることができる。
【０１１６】
圧縮コイルばねを用いて設定する場合に比較して、本実施の形態では、弁または磁歪素子の弾性変形および作動流体の圧縮を利用していることから、この設定圧力Ｐｃを大きな値に設定することが出来る。尚、超磁歪素子と弁部の弾性変形のみを利用して設定圧力を決定する構成にも出来るが、弾性変形のみであると、作動流体の圧縮に比べて変形に対する応力の増加が敏感になるので、設定には注意が必要である。
【０１１７】
更に、本実施の形態によれば逆止弁１２を、ボールと圧縮コイルばねの構成にし、ハウジング１内に収め、圧縮する流体の体積がなるべく小さくなるようにすることで流体の圧縮行程を効率よく行えるようにしてある。又、本体１ａ内において、第１のアクチュエータ部７ｂ及び電磁コイル８と、第２のアクチュエータ部２ｂと電磁コイル３との間に、強磁性体又は永久磁石から形成された遮蔽部材１４を配置したので、バルブ部材２をＳＵＳなどの非磁性体もしくは常磁性体から形成すれば、図４に示すように、遮蔽部材１４を共通する形で、電磁コイル３と電磁コイル８との間に、それぞれ独立した磁束ループＭＰが生じることとなる。電磁コイル３，８を接近して配置しても、磁束ループＭＰは互いに干渉することがないので、電磁コイル８の磁界が、アクチュエータ２ｂに影響を与えることが抑制され、且つ電磁コイル３の磁界が、アクチュエータ７ｂに影響を与えることが抑制され、それによりポンプの動作を確実に行わせるように機能する。
【０１１８】
尚、従来から用いられている圧電素子は、一般的にセラミックス製なので加工しにくいというデメリットがあるが、超磁歪素子は、金属化合物であるため任意に切削加工でき、また焼結によって製作する場合には、型形状を工夫することで複雑な３次元形状でも容易に形成できるという特徴がある。従って、図４に示すように、ピストン部７ｂを貫通する孔などは、切削加工でも焼結でも容易に形成でき、コンパクトなポンプ構成を実現できる。
【０１１９】
（実施例）
図４に示すポンプにおいて、本発明者らが行ったシミュレーション結果を表２に示す。表２に示すパラメータを用いることで、表２（ｃ）に示すような固有振動数ωｎを得ることができた。これによれば、ポンプの十分な応答性を確保できる。
【０１２０】
【表２】
【０１２１】
図７は、別な実施の形態にかかるポンプのホルダを示す図であり、図７（ａ）は正面図であり、図７（ｂ）は側面図である。図７において、円筒状のホルダ２０は、中央に貫通口２０ａを有し、その周囲に６つの貫通口２０ｂを有している。ＰＴＦＥ製のホルダ２０は、図４に示す第１のアクチュエータ部７ｂの代わりに用いることができる。すなわち、中央の貫通口２０ａにバルブ部材２を貫通させ、周囲の貫通孔２０ｂには、直径Ｄ：３ｍｍの円筒状の超磁歪素子（不図示）を嵌入させることができる。
【０１２２】
本実施の形態によれば、ＰＴＦＥの低摩擦性を利用することで、バルブ部材２の摺動抵抗を減らして、より応答性を高めることができると共に、渦電流の影響も抑えることができるので、より応答性が高まる。
【０１２３】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
【０１２４】
本発明によれば、超磁歪素子の特性を活かし、バルブ及びその受圧部分をシリンダ内に収めることで高応答性を得ることができ、且つ、そのバルブを補助的に操作する第１のアクチュエータとバルブ部材を非磁性体もしくは常磁性体にし、２つのコイル間に強磁性体の分離板を介在させることで、磁気的に分離されながらも、比較的コンパクトに構成される高周波数で高圧微量吐出を可能とし、しかも細かい流量制御や吐出速度制御を行えるポンプを提供することが出来、更に渦電流損失や固有振動数を考慮することで、応答遅れを効果的に抑制できるポンプを提供することが出来た。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】縦軸に周波数、横軸に直径Ｄをとった時の渦電流限界周波数のグラフである。
【図２】強制振動の周波数特性を示す図である。
【図３】磁界と磁歪の関係を示す図である。
【図４】本実施の形態にかかる磁歪材料を用いたポンプの断面図である。
【図５】バルブ部材の先端形状を示す図である。
【図６】吐出口の断面形状を示す図である。
【図７】別な実施の形態にかかるポンプのホルダを示す図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１ ハウジング
２ バルブ部材
３ 電磁コイル
４ （第２の）ピストン
７ （第１の）ピストン
８ 電磁コイル
１２ 逆止弁
１４ 遮蔽部材
２０ ホルダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のコイルと、
超磁歪素子よりなる第１のアクチュエータと、
第２のコイルと、
超磁歪素子よりなる第２のアクチュエータと、
強磁性体からなり、前記第１のコイルおよび前記第１のアクチュエータと、前記第２のコイルおよび前記第２のアクチュータとの間に配置され、前記第１及び前記第２のアクチュエータを磁気的に分離する分離板とを備え、
前記第１のアクチュエータは、強磁性体からなるハウジングに形成された第１のシリンダ内を摺動する強磁性体の第１のピストンを駆動し、
前記第２のアクチュエータは、前記第１のピストンを貫通し且つ前記第１のシリンダと外部とを連通する吐出孔を開閉する非磁性のバルブ部材と、前記ハウジングに形成された第２のシリンダ内を摺動する第２のピストンとを駆動し、
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの直径又は厚みをＤ（ｍｍ）としたときに、以下の式が成り立つことを特徴とするポンプ。
ｆ≧６８７１０／Ｄ２
但し、ｆは、アクチュエータに必要とされる応答周波数である。
【請求項２】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの直径又は厚みＤ（ｍｍ）は、２５．４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記第２のアクチュエータが駆動する前記バルブ部材と前記第２のピストンとは一体となってい移動することを特徴とする請求項１又は２に記載のポンプ。
【請求項４】
外部より前記シリンダ室内に流体を吸引する通路に、逆止弁を設けており、前記逆止弁の固有振動数ωｎａが少なくともｌ００Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポンプ
【請求項５】
前記第１のピストンの固有振動数ωｎ、ｂ１および作動流体の圧縮性を考慮した固有振動数ωｎ、ｂ２’と、前記第２のバルブ部材の固有振動数ωｎ、ｃとが少なくとも１００Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のポンプ
【請求項６】
前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が円錐形状となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のポンプ。
【請求項７】
前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が球面形状となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のポンプ。
【請求項８】
前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が平板形状となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のポンプ。
【請求項９】
前記吐出口の前記バルブ部材側端部には面取りが形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のポンプ。
【請求項１０】
前記第１のピストンと前記第１のシリンダ、及び前記第２のピストンと前記第２のシリンダとの少なくとも一方の間には、流体を密封する密封手段を設けており、前記密封手段は、Ｏ−リング及びＰＴＦＥシールの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のポンプ。
【請求項１１】
前記超磁歪素子がＴｂｘＤｙ（１−ｘ）Ｆｅｙ（ｘは０．３〜０．４、ｙは２±０．１）の化合物を主体として構成されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のポンプ。
【請求項１】
第１のコイルと、
超磁歪素子よりなる第１のアクチュエータと、
第２のコイルと、
超磁歪素子よりなる第２のアクチュエータと、
強磁性体からなり、前記第１のコイルおよび前記第１のアクチュエータと、前記第２のコイルおよび前記第２のアクチュータとの間に配置され、前記第１及び前記第２のアクチュエータを磁気的に分離する分離板とを備え、
前記第１のアクチュエータは、強磁性体からなるハウジングに形成された第１のシリンダ内を摺動する強磁性体の第１のピストンを駆動し、
前記第２のアクチュエータは、前記第１のピストンを貫通し且つ前記第１のシリンダと外部とを連通する吐出孔を開閉する非磁性のバルブ部材と、前記ハウジングに形成された第２のシリンダ内を摺動する第２のピストンとを駆動し、
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの直径又は厚みをＤ（ｍｍ）としたときに、以下の式が成り立つことを特徴とするポンプ。
ｆ≧６８７１０／Ｄ２
但し、ｆは、アクチュエータに必要とされる応答周波数である。
【請求項２】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの直径又は厚みＤ（ｍｍ）は、２５．４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記第２のアクチュエータが駆動する前記バルブ部材と前記第２のピストンとは一体となってい移動することを特徴とする請求項１又は２に記載のポンプ。
【請求項４】
外部より前記シリンダ室内に流体を吸引する通路に、逆止弁を設けており、前記逆止弁の固有振動数ωｎａが少なくともｌ００Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポンプ
【請求項５】
前記第１のピストンの固有振動数ωｎ、ｂ１および作動流体の圧縮性を考慮した固有振動数ωｎ、ｂ２’と、前記第２のバルブ部材の固有振動数ωｎ、ｃとが少なくとも１００Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のポンプ
【請求項６】
前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が円錐形状となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のポンプ。
【請求項７】
前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が球面形状となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のポンプ。
【請求項８】
前記バルブ部材は、前記吐出口に対向する端部が平板形状となっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のポンプ。
【請求項９】
前記吐出口の前記バルブ部材側端部には面取りが形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のポンプ。
【請求項１０】
前記第１のピストンと前記第１のシリンダ、及び前記第２のピストンと前記第２のシリンダとの少なくとも一方の間には、流体を密封する密封手段を設けており、前記密封手段は、Ｏ−リング及びＰＴＦＥシールの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のポンプ。
【請求項１１】
前記超磁歪素子がＴｂｘＤｙ（１−ｘ）Ｆｅｙ（ｘは０．３〜０．４、ｙは２±０．１）の化合物を主体として構成されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−１１８４７８（Ｐ２００６−１１８４７８Ａ）
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３０９６０１（Ｐ２００４−３０９６０１）
【出願日】平成１６年１０月２５日（２００４．１０．２５）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月２５日（２００４．１０．２５）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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