JP2002066457A - ランジュバン型振動子及びそれに用いるリング状超磁歪素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発生応力が大きく、幅広い周波数帯域で大振
幅の超音波振動が得られる振動子を提供する。 【解決手段】 超磁歪材料を用いて構成されたリング状
の超磁歪素子１と、リング状超磁歪素子１の穴を貫通す
る両側端部部分の外面にねじ部が設けられた中空ボルト
３と、超磁歪素子１を挟むように中空ボルト３のねじ部
に取付けられ、超磁歪素子１に圧縮力を加えるように締
付けられる一対の金属環２ａ、２ｂと、超磁歪素子１の
半径方向外側に巻かれた振動励起用コイル４と、振動励
起用コイル４の外周を囲うように配置された磁気バイア
ス用リング状永久磁石６と、リング状永久磁石６と振動
励起用コイル４を挟むように配置された一対の高透磁性
材料製リング５ａ、５ｂとを有するボルト締めランジュ
バン型振動子を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁界による変位量
の大きい超磁歪材料を用いて構成された超磁歪素子を使
用するランジュバン型振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ランジュバン型振動子は、圧電
セラミックス材料等の圧電ひずみ材料の板の両面に適当
な厚さの金属等の板を接着剤で接着又はボルトで圧着す
る等して取付けた構造の振動子であり、超音波の発生又
は受信に利用されている。

【０００３】圧電セラミック材料等に金属等の板をボル
トで圧着したタイプのランジュバン型振動子はボルト締
め型と呼ばれ、これは、圧電セラミックス材料が一般に
引張応力には弱いが圧縮応力には強い点に着目し、励振
時の最大応力に打ち勝つだけの圧縮荷重をボルトで締付
けることによって予め圧電セラミックス材料に加えてお
き、最大加振時にも振動による引張応力で破壊しないよ
うにしたものであり、振動破壊強度が大きいのが特徴で
ある。

【０００４】他方、超磁歪材料は、一般に希土類元素と
鉄の合金であり、その組成は希土類元素Ｒと鉄Ｆｅの原
子比で１：２（ＲＦｅ₂ ）で、例えば、ＴｂＦｅ₂ 、Ｄ
ｙＦｅ₂ 、ＨｏＦｅ₂ 、ＥｒＦｅ₂ 等が挙げられる。こ
れらの合金は、その機械的内部損失が大きいために制御
性が良く、更にその形状変化率は数千ｐｐｍであって通
常の磁歪材料よりも１桁以上大きく、大きな変形が可能
なことから、大変位を実現するアクチュエータとして利
用されている。しかしながらその一方で、超磁歪材料は
機械的に耐えられる引張応力が小さく、強度が確保でき
ないために、振動子のように常時振動させたり、急激な
運動をさせ続けるような動的な用途への応用が困難であ
る。

【０００５】超磁歪材料をアクチュエータとして用いる
場合等において、その磁界−歪み特性の直線性や感度を
改善するために、皿バネ等を用いて超磁歪材料に圧縮与
圧を加えることが行われているが、超磁歪材料の引張応
力に弱い特性を補うために圧縮応力をかけることについ
ては開示されていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】現在一般にランジュバ
ン型振動子に使用されている圧電セラミックス材料はそ
の性質上、機械的内部損失が小さく、変形量も比較的小
さい。このため、従来のランジュバン型振動子で大振幅
の超音波振動を発生させるためには共振を利用する必要
があり、このために従来のランジュバン型振動子は狭帯
域の振動子となっている。つまり、これらの振動子で発
生可能な大振幅の超音波振動は、振動子の材料、形状及
び寸法で定まる機械共振周波数に等しい周波数の振動に
限られる。

【０００７】しかしながら、これらの振動子の実際の用
途、例えば粉粒体の流動体制御やプラスチックの接合、
高分子材料の解離・重合といった化学反応の促進、機械
加工等における最適な振動周波数がその振動子の共振周
波数と一致するとは限らず、そのために超音波振動の効
果を能率的に得ることが難しくなっている。

【０００８】このため、幅広い周波数帯域で大振幅の超
音波振動が得られる振動子の開発が望まれている。

【０００９】又、超磁歪材料については、上述したよう
に、その引張応力に弱いという機械的特性のために、制
御性の良さや変形量が大きいという利点にも拘らず、振
動子等の動的な用途への応用が進んでいない。

【００１０】以上より、本発明の目的は、超磁歪材料の
引張応力に弱いという欠点を克服して、機械的内部損失
が大きく、変形量が大きい超磁歪材料をランジュバン型
振動子に応用することによって、発生応力（発生振動応
力）が大きく、幅広い周波数帯域で大振幅の超音波振動
が得られる振動子を提供することである。

【００１１】又、本発明の他の目的は、上記のような振
動子に使用するのに適したリング状超磁歪素子を製造す
る方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、超磁歪材料を用いて構成
されたリング状の超磁歪素子と、リング状超磁歪素子の
穴を貫通する、少なくとも両側端部部分の外面にねじ部
が設けられた中空ボルトと、リング状超磁歪素子を挟む
ように中空ボルトのねじ部に螺合され、リング状超磁歪
素子に圧縮力を加えるように締付けられる一対の金属環
と、超磁歪素子の半径方向外側に巻かれた振動励起用コ
イルとを有するボルト締めランジュバン型振動子を提供
する。

【００１３】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のボルト締めランジュバン型振動子において、リング状
超磁歪素子が、超磁歪材料の複数の小片を周方向に接着
することにより構成されているボルト締めランジュバン
型振動子を提供する。

【００１４】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載のボルト締めランジュバン型振動子において、中
空ボルトと一対の金属環とが差動ねじを構成しているボ
ルト締めランジュバン型振動子を提供する。

【００１５】請求項４に記載の発明は、請求項１から３
の何れか一項に記載のボルト締めランジュバン型振動子
において、一対の金属環のそれぞれが、リング状超磁歪
素子に近付くにつれて半径方向の幅が狭くなる形状の部
分を有し、これにより超磁歪素子に均一に圧縮力を加え
るようにしたボルト締めランジュバン型振動子を提供す
る。

【００１６】請求項５に記載の発明は、請求項１から４
の何れか一項に記載のボルト締めランジュバン型振動子
において、振動励起用コイルが中空管より成っていて、
その中空部に冷却流体を通すことを特徴とするボルト締
めランジュバン型振動子を提供する。

【００１７】請求項６に記載の発明は、請求項１から５
の何れか一項に記載のボルト締めランジュバン型振動子
において、中空ボルトの中空部に冷却流体を通すことを
特徴とするボルト締めランジュバン型振動子を提供す
る。

【００１８】請求項７に記載の発明は、請求項１から６
の何れか一項に記載のボルト締めランジュバン型振動子
において、中空ボルトが低透磁性材料で製作されている
ボルト締めランジュバン型振動子を提供する。

【００１９】請求項８に記載の発明は、請求項１から７
の何れか一項に記載のボルト締めランジュバン型振動子
において、振動励起用コイルの外周を囲うように配置さ
れた磁気バイアス用リング状永久磁石と、リング状永久
磁石と振動励起用コイルを挟むように配置された一対の
高透磁性材料製リングとを有するボルト締めランジュバ
ン型振動子を提供する。

【００２０】請求項９に記載の発明は、ボルト締めラン
ジュバン型振動子に用いるリング状超磁歪素子を製造す
る方法であって、超磁歪材料の複数の小片を製作する段
階と、超磁歪材料の複数の小片を周方向に接着してリン
グを構成する段階とを含むことを特徴とするリング状超
磁歪素子を製造する方法を提供する。このようにして製
造したリング状超磁歪素子は、同寸法の一体型のリング
状超磁歪素子と比較して高周波数帯域でも高振幅が得ら
れる。

【００２１】請求項１０に記載の発明は、請求項９に記
載のリング状超磁歪素子を製造する方法において、超磁
歪材料の複数の小片を製作する段階において、超磁歪材
料の小片が切頭扇形状又は台形状の断面を有するように
製作されるリング状超磁歪素子を製造する方法を提供す
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の実施の形態を詳細に説明する。

【００２３】図１は、本発明の超磁歪材料を用いて構成
された超磁歪素子を使用するボルト締めランジュバン型
振動子の振動部分１０の一部を切り欠いた斜視図であ
る。振動部分１０は、超磁歪材料を用いて構成されたリ
ング状の超磁歪素子１と、この超磁歪素子１をサンドイ
ッチ状に挟む一対の金属環２ａ、２ｂと、リング状の超
磁歪素子１と金属環２ａ、２ｂのそれぞれの穴を貫通す
る、その両側端部部分の外面にねじ山が設けられた中空
のボルト３とを備えて構成される。金属環２ａ、２ｂの
穴の内面には中空ボルト３の両側端部部分の外面に設け
られたねじ山と螺合するねじ山が設けられており、二つ
の金属環２ａ、２ｂを中空ボルト３に取付けて締付ける
ことにより超磁歪素子１に両端から圧縮力を加えること
が出来る。

【００２４】一方、図２は図１に示した振動部分１０を
含む振動系の概要を示す断面図であり、超磁歪素子１の
外側に巻かれた中空管から構成される振動励起用コイル
４と、このコイル４をサンドイッチ状に挟む、一対の高
透磁率材料から成るリング５ａ、５ｂと、コイル４の外
側にあって二つの高透磁率材料から成るリング５ａ、５
ｂの間に挟持されるリング状永久磁石６とが示されてい
る。

【００２５】本実施形態のリング状の超磁歪素子１は、
超磁歪材料の小片１′を貼り合わせて構成される。こう
する事により、超磁歪材料の有する材料寸法に依存する
磁歪振幅の周波数特性のために、同寸法の一体型のリン
グ状超磁歪素子と比較して高周波数帯域でも高振幅が得
られるようになる。内径６６ｍｍ、外径９０ｍｍ、高さ
２０ｍｍのリング状超磁歪素子の例を図３に示した。こ
の例のリング状超磁歪素子１を製造する場合には、ま
ず、超磁歪材料片より切断及び切削加工にて図３（ａ）
に示すような、上方から見た形状又は断面形状が向い合
う一対の辺の成す角が４．５°である切頭扇形状又は台
形状の小片１′を８０個製作し、次いでこのような小片
１′をエポキシ樹脂により周方向に接着することによっ
て図３（ｂ）に示すようなリングを構成することによっ
て製造する。小片１′を接着する接着剤は、エポキシ樹
脂以外の適切な接着剤であっても良い。又、小片１′の
形状は組合せることによって所望のリング形状が形成さ
れれば、本実施形態の形状以外の形状であっても良い。
例えば、図３（ａ）に示す小片１′が更に小さい二つの
小片を貼り合わせることによって構成されても良い。

【００２６】リング状の超磁歪素子１に用いられる超磁
歪材料は、例えば、ＴｂＦｅ₂ 、ＤｙＦｅ₂ 、ＨｏＦｅ
₂ 、ＥｒＦｅ₂ 等の組成の元素比が１：２（ＲＦｅ₂ ）
の適切な希土類と鉄の合金であって良い。これらの合金
から製作された超磁歪素子は、従来の磁歪材料及び圧電
材料から製作された素子と比較して形状変化率がはるか
に大きいため、この超磁歪素子を用いる本願発明の振動
子では、従来の素子を用いた場合のように共振を利用し
て素子の変形量を増大させる必要がなく、従って素子固
有の共振周波数に使用を限定する必要がなく、例えば、
図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示した内径６６ｍｍ、外径
９０ｍｍ、高さ２０ｍｍのリング状超磁歪素子を使用し
た場合には、その一次共振周波数である１３ｋＨｚ以下
の広い周波数帯域で利用することができ、用途に応じて
自由に周波数を変えることが可能となる。

【００２７】上述したように、超磁歪素子１は金属環２
ａ、２ｂによって圧縮与圧が加えられる。これは超磁歪
素子１を構成する超磁歪材料が引張応力に弱く、引張応
力がかかると容易に破壊されるためである。超磁歪素子
１は磁界の変化に対応して伸縮するが、伸張時に素子に
引張応力がかかるため、破壊防止のために予め圧縮力を
かけておく必要がある。

【００２８】一般に磁歪材料には、磁界の向きの正負に
拘らず、磁界の絶対値に比例して伸びるだけのものと縮
むだけのものの二種類があるが、本発明の超磁歪素子１
には磁界の絶対値に比例して伸びるだけのものを用い
る。

【００２９】中空ボルト３は、前述したようにその両端
部外面にねじ山を有しており、このねじ部分に金属環２
ａ、２ｂを螺合して締付けることにより金属環２ａ、２
ｂに挟まれている超磁歪素子１に圧縮力を加えることが
出来る。この時、金属環２ａ、２ｂを差動ねじとする
と、締付面、即ち超磁歪素子１とそれぞれの金属環２
ａ、２ｂとの接触面において相対的にスリップさせるこ
となく超磁歪素子１に圧縮力を加えることが出来る。
又、中空ボルト３の内面には、長手方向の中央付近に半
径方向内側に突出したフランジ部７が設けられ、振動子
の固定に利用される。

【００３０】中空ボルト３は、ジュラルミン、セラミッ
クス等の透磁率の低い材料で製作されるのが好ましい。
これは、後述する振動励起用コイル４を囲う磁気回路を
構成した際に、磁束の殆どが超磁歪素子の方を通るよう
にするためである。又、前述したように超磁歪素子１は
機械的内部損失が大きいため振動部１０に熱が発生し易
いので、ボルトの中空部に冷却水を流し、振動部に発生
する熱の放散を促進するようにしても良い。ジュラルミ
ンは熱伝導率が大きいので、熱の放散という観点からも
好ましい。

【００３１】超磁歪素子１を挟む一対の金属環２ａ、２
ｂはそれぞれ、その外径が長手方向の中央付近から超磁
歪素子１に近付くにつれて小さくなり、半径方向の幅が
徐々に薄くなるくびれた形状になっている。この形状
は、超磁歪素子１全体に均一な圧縮与圧を加えるために
超磁歪素子１と金属環２ａ、２ｂとの界面における接触
応力分布を最適なものに近付けるように、有限要素解析
システムを用いて見出した形状である。この最適形状
は、金属環２ａ、２ｂの外径や内径、あるいは中空ボル
ト３と結合する金属環２ａ、２ｂのねじ部の長さにより
変化する。このような最適形状の金属環２ａ、２ｂを用
いずに、内径及び外径が一定である長方形断面の金属環
を用いた場合には、超磁歪素子の内周部にのみ強い圧縮
与圧が加わり、その分布が偏るので、超磁歪素子の引張
応力に弱いという欠点を補うことはより困難である。金
属環２ａ、２ｂは例えばステンレス製である。

【００３２】超磁歪素子１の半径方向外側に巻かれる電
線としての振動励起用コイル４は、例えば銅パイプ等の
中空管等から構成するのが好ましく、その場合、中空部
に冷却水を通し、熱を放散させることが可能となる。コ
イル４を構成する中空管等には表面にテープ等が巻か
れ、更にこれら中空管間にシリコーンゴム等が充填され
て互いに絶縁される。

【００３３】一対のリング５ａ、５ｂは、その中央の穴
に振動部分１０を受容すると共にコイル４をサンドイッ
チ状に挟んで配置される。このリング５ａ、５ｂはフェ
ライト等の高透磁性材料で製作されることが好ましく、
後述する磁気回路の一部となる。

【００３４】リング状の永久磁石６は、コイル４の半径
方向外側で、且つ一対のリング５ａ、５ｂに挟まれるよ
うに配置され、超磁歪素子１にバイアス磁界を与える。
本発明で利用する超磁歪素子１は前述したように磁界の
絶対値に対して伸びる性質のものであるので、超磁歪素
子１はリング状永久磁石６のバイアス磁界により常に伸
張した状態となる。この状態でコイル４によって交流磁
界を重畳させることにより、超磁歪素子１を伸縮させ、
振動の挙動を得ることが出来る。この際、バイアス磁界
を調整することにより、超磁歪素子１のヒステリシスの
直線性の高い部位を利用することが可能である。更に
は、超磁歪素子１にバイアス磁界をかけて金属環２ａ、
２ｂによる締付け力に抗して伸張させることにより、機
械的な圧縮力だけでなく磁気的な圧縮力もかけること出
来る。この事は、機械的圧縮力だけであると、超磁歪素
子１は高速応答性であって高周波の磁界の変化に対応で
きるが、金属環２ａ、２ｂはこの変位速度に追従出来な
いため、高速で素子１が収縮した時に超磁歪素子１と金
属環２ａ、２ｂとの界面で剥離が起き、圧縮力が加えら
れなくなる時間が生じる可能性が有ることから、常に超
磁歪素子１に圧縮力を加えるために必要である。

【００３５】図２を参照すると、振動励起用コイル４を
囲う形で、リング状永久磁石６から一方の高透磁性材料
リング５ａ、一方の金属環２ａ、超磁歪素子１、他方の
金属環２ｂ、他方の高透磁性材料リング５ｂと続いてリ
ング状永久磁石６に戻る磁気回路が構成されていること
が分かる。この磁気回路は、高透磁性材料リング５ａ、
５ｂとリング状永久磁石６とからなる外側部分と、超磁
歪素子１と金属環２ａ、２ｂとからなる振動部分側とに
分けられ、これら二つの部分は極狭い間隙を介して近接
していて、磁気的には一体の回路を構成し、振動的には
相互に結合しないようになっている。

【００３６】リング状永久磁石６によって発生した磁束
は上述した磁気回路を通って、又、振動励起用コイル４
によって発生した磁束は金属環２ａ、２ｂを通じて超磁
歪素子１に流れ、超磁歪素子１を変形させる。従って、
振動励起用コイル４に所望の振動数と等しい周波数の交
流電流を流すことによって、振動子を所望の振動数で振
動させることができ、所望の振動数の振動を得ることが
出来る。なお、中空ボルト３は低透磁率の材料で製作さ
れているために殆ど磁束が通らないので効率的な励振が
可能となる。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、発生応力（発生振動応力）が大きく、幅広い
周波数帯域で大振幅の超音波振動が得られる振動子が提
供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超磁歪材料を用いて構成された超磁歪
素子を使用するボルト締めランジュバン型振動子の一実
施形態の振動部分の一部を切り欠いた斜視図である。

【図２】磁気バイアス用永久磁石を含んでいる本発明の
ボルト締めランジュバン型振動子の一実施形態の断面図
である。

【図３】本発明のボルト締めランジュバン型振動子の一
実施形態に用いられるリング状超磁歪素子の詳細図であ
り、それぞれ、（ａ) リング状超磁歪素子を構成する超
磁歪材料の一小片、（ｂ）リング状超磁歪素子の上面
図、（ｃ）リング状超磁歪素子の断面図を示す。

【符号の説明】

１′…超磁歪材料小片 １…超磁歪素子 ２ａ、２ｂ…金属環 ３…中空ボルト ４…振動励起用コイル ５ａ、５ｂ…高透磁性材料リング ６…リング状永久磁石 ７…フランジ部 １０…振動部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｒ 31/00 ３３０ Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｚ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超磁歪材料を用いて構成されたリング状
   の超磁歪素子と、該リング状超磁歪素子の穴を貫通す
   る、少なくとも両側端部部分の外面にねじ部が設けられ
   た中空ボルトと、前記リング状超磁歪素子を挟むように
   該中空ボルトのねじ部に螺合され、前記リング状超磁歪
   素子に圧縮力を加えるように締付けられる一対の金属環
   と、前記超磁歪素子の半径方向外側に巻かれた振動励起
   用コイルとを有するボルト締めランジュバン型振動子。
2. 【請求項２】 前記リング状超磁歪素子が、超磁歪材料
   の複数の小片を周方向に接着することにより構成されて
   いる請求項１に記載のボルト締めランジュバン型振動
   子。
3. 【請求項３】 前記中空ボルトと前記一対の金属環とが
   差動ねじを構成している請求項１又は２に記載のボルト
   締めランジュバン型振動子。
4. 【請求項４】 前記一対の金属環のそれぞれが、前記リ
   ング状超磁歪素子に近付くにつれて半径方向の幅が狭く
   なる形状部分を有し、これにより前記超磁歪素子に均一
   に圧縮力を加えるようにした請求項１から３の何れか一
   項に記載のボルト締めランジュバン型振動子。
5. 【請求項５】 前記振動励起用コイルが中空管より成っ
   ていて、その中空部に冷却流体を通すことを特徴とする
   請求項１から４の何れか一項に記載のボルト締めランジ
   ュバン型振動子。
6. 【請求項６】 前記中空ボルトの中空部に冷却流体を通
   すことを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載
   のボルト締めランジュバン型振動子。
7. 【請求項７】 前記中空ボルトが低透磁性材料で製作さ
   れている請求項１から６の何れか一項に記載のボルト締
   めランジュバン型振動子。
8. 【請求項８】 前記振動励起用コイルの外周を囲うよう
   に配置された磁気バイアス用リング状永久磁石と、該リ
   ング状永久磁石と前記振動励起用コイルを挟むように配
   置された一対の高透磁性材料製リングとを有する請求項
   １から７の何れか一項に記載のボルト締めランジュバン
   型振動子。
9. 【請求項９】 ボルト締めランジュバン型振動子に用い
   るリング状超磁歪素子を製造する方法であって、 超磁歪材料の複数の小片を製作する段階と、 前記超磁歪材料の複数の小片を周方向に接着してリング
   を構成する段階と、 を含むことを特徴とするリング状超磁歪素子を製造する
   方法。
10. 【請求項１０】 前記超磁歪材料の複数の小片を製作す
    る段階において、前記超磁歪材料の小片が切頭扇形状又
    は台形状の断面を有するように製作される請求項９に記
    載のリング状超磁歪素子を製造する方法。