JP2006165483A - 超磁歪アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡易な手段によって、超磁歪アクチュエータの高効率化や小型化を図ることができる技術を提供すること。
【解決手段】 超磁歪素子６と、超磁歪素子に磁界変化を与えるコイル７と、超磁歪素子に圧縮荷重を加えるばね４と、超磁歪素子にバイアス磁界を印加する磁石５１，５２とがケース１内に収納され、超磁歪素子の基端はケース内に位置決めされ、自由端には可動ロッド２が連結され、その可動ロッドとケースとの間にばね４が配置された超磁歪アクチュエータであって、ケース１、可動ロッド２及びばね４が磁性材料で形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超磁歪素子を用いた超磁歪アクチュエータの高効率化や小型化を図るのに有効な技術に関する。

超磁歪アクチュエータは、磁界の強さに応じて生じる超磁歪素子の寸法変化（伸縮）を利用したもので、高速かつ大変位・高パワーなアクチュエータとして近年注目されている。

図６は、音声振動発生源として超磁歪アクチュエータを使用したスピーカ（超磁歪スピーカ）の従来例である。この超磁歪スピーカは、ケース１内に、音声信号が供給されるコイル７と、コイル７の生じる磁界変化により伸縮する棒状の超磁歪素子６と、超磁歪素子６に圧縮荷重を加えるばね４と、超磁歪素子６にバイアス磁界を印加する磁石（永久磁石）５１、５２とが収納されている。

超磁歪素子６の基端は、ケース１の底板１ａの内面に嵌め込まれた慣性質量１ｂに対し磁石５２を介して位置決めされている。超磁歪素子６の自由端には、磁石５１を介して可動ロッド２が連結されている。この可動ロッド２の先端は、ケース１の開口部を閉じる蓋（キャップ）３を貫通して外部に突出している。そして、この可動ロッド２の先端には、図示しない振動板が接触あるいは取り付けられる。これにより、可動ロッド２は、超磁歪素子６の伸縮に伴って変位する。したがって、コイル７に音声信号を供給することにより、その音声信号に応じた変位が可動ロッド２を介して振動板に伝達され、振動板が振動して空間に放音される（特許文献１参照）。
特開２００３−２７６３７５号公報

しかしながら、このような超磁歪アクチュエータは、次のような点で解決すべき課題がある。
（１）超磁歪アクチュエータの高効率化の課題である。超磁歪素子６の高効率変位を実現するためには、磁気回路をクローズ（磁界を閉ループ）にすると共に、コイル７のボビン８と超磁歪素子６との間だのギャップを可能な限り小さくすることが好ましい。この点、従来では、図示例のようにケース１やキャップ３、可動ロッド２等が樹脂等の非磁性体で形成されていたため、磁界が閉ループに形成されていない問題があった。

（２）超磁歪素子３は広帯域で振動（伸縮）するため、ボビン８と接触させたり、超磁歪素子６の両端に必要部品を接着固定化することは好ましくない。この点に配慮し、従来は、ボビン８と超磁歪素子６との間に適宜なギャップを設けると共に、超磁歪素子６の両端に配置するバイアス磁界印加用の磁石５１、５２を利用し、それらの磁気力のみで超磁歪素子６を定位置に固定する構成としていた。そのため、超磁歪素子６の振動による位置ずれが生じボビン８と接触する問題があった。この接触を防止するために、超磁歪素子６とボビン８との間のギャップを大きくすると、その分、超磁歪アクチュエータ自体の効率が低下する問題があった。

（３）可動ロッド２とキャップ３との接触を防ぐために、キャップ３の穴３ａの内径を大きくすると、外部から塵埃やごみなどがケース１内に入り、それが超磁歪素子６とボビン６との間だの隙間に侵入する問題があった。

（４）超磁歪アクチュエータを長時間、高周波数帯域で使用すると、超磁歪素子６及びコイル７から発熱する。この発熱によりそれぞれの特性が変化して振動状態が変わり、高域特性が悪化する問題がある。

よって、本発明の課題は、比較的簡易な手段によって、超磁歪アクチュエータの高効率化や小型化を図ることができる技術を提供することにある。
また、本発明の課題は、超磁歪アクチュエータのケースの密封性を高めて塵埃の侵入を効率的に防止することができる技術を提供することにある。
更に、本発明の課題は、超磁歪アクチュエータの放熱性を高めて、発熱による高域特性の悪化を防止することができる技術を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明では以下の手段を採用した。
本発明は、超磁歪素子と、超磁歪素子に磁界変化を与えるコイルと、超磁歪素子に圧縮荷重を加えるばねと、超磁歪素子にバイアス磁界を印加する磁石とがケース内に収納され、超磁歪素子の基端はケース内に位置決めされ、自由端には可動ロッドが連結され、その可動ロッドとケースとの間にばねが配置された超磁歪アクチュエータであって、ケース、可動ロッド及びばねが磁性材料で形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ケース、可動ロッド及びばねが磁性材料で形成されているので、超磁歪素子の両端に配置してあるバイアス磁界印加用の磁石による磁界は、可動ロッド、ばね及びケースを経由する完全磁気回路（閉ループ）を構成する。これにより、超磁歪アクチュエータの高効率化を実現することができる。さらに、このように高効率化を図ることで、その分、小型化も図ることができる。

本発明において、前記ばねが皿ばねであり、可動ロッドの先端は皿ばねの中心部及びケースに同軸に設けられた穴をそれぞれ貫通して外部に突出し、皿ばねの周縁部はケースの内面に密接してケースの穴をケース内から覆っている構成とすることが望ましい。このように、超磁歪素子に圧縮荷重を加えるばねにいわゆるドーム状の皿ばねを用いることで、その周縁部を、可動ロッドが貫通する穴の周囲のケース内面に密接させた形態とすることができる。これより、可動ロッドが貫通するケースの穴は皿ばねにより覆われる。したがって、可動ロッドと穴との間だの隙間からケース内に侵入した塵埃等はそれよりも内部に侵入しないように皿ばねにより阻止される。この結果、超磁歪アクチュエータの防塵性能が高まり、屋外での使用も可能になる。

本発明において、前記ケースは、一端側が開口した有底筒状のケース本体と、そのケース本体の開口部を閉じる蓋とを備え、蓋の内面には皿ばねの周縁部を嵌め込んで位置決めする第１凹部が設けられていることが望ましい。このように、蓋の内面に皿ばねの周縁部を嵌め込んで位置決めする第１凹部を設けた場合、皿ばね自体が確実に位置決めされるため、皿ばねの中心部を貫通する可動ロッドも皿ばねによって位置決め（芯出し）される。

本発明において、前記超磁歪素子にバイアス磁界を印加する磁石は、超磁歪素子の基端及び自由端にそれぞれ配置され、可動ロッドの基端部には、超磁歪素子の自由端とその自由端に配置された磁石とを嵌め込んで位置決めする第２凹部が設けられていることが望ましい。このように構成した場合、第２凹部によって、超磁歪素子の自由端とその自由端に配置された磁石との両方を可動ロッドに対して同軸に位置決めすることができる。これにより、超磁歪素子の自由端とその自由端に配置された磁石と可動ロッドの基端部とが位置ずれしないように高精度に連結することができる。

本発明において、前記ケース本体の底面部には、超磁歪素子の基端部及びその基端部に配置された磁石とを嵌め込んで位置決めする第３凹部が設けられていることが望ましい。このように構成した場合、第３凹部によって、超磁歪素子の基端とその基端に配置された磁石との両方をケース本体の底面部に対して同軸に位置決めすることができる。これにより、超磁歪素子の基端とその基端に配置された磁石とがケース本体の底部から位置ずれしないように高精度に位置決めすることができる。

本発明において、前記ケース本体の底面部には、コイルのボビンの一部を嵌め込んで固定する第４凹部が設けられていることが望ましい。このように構成した場合、第４凹部によって、コイルのボビンをケース本体の底面部に対して確実に位置決めすることができる。これにより、超磁歪素子とボビンとの間だの隙間を高精度にかつ微少隙間に設定することができる。

本発明において、前記コイルのボビンは熱伝導性樹脂で形成されていることが望ましい。ボビンを熱伝導性樹脂で形成した場合、ボビン自体の放熱性が良くなる。これにより、発熱するコイル及び超磁歪素子からの放熱効果を高めることができる。その結果、発熱によりそれぞれの特性が変化して振動状態が変わり、高域特性が悪化するといった問題を解決することができる。

本発明において、超磁歪素子は、間に磁石を介して連結された複数の単位磁歪素子を含む構成とすることもできる。磁界の強さに応じて生じる超磁歪素子の寸法変化（伸縮）は、磁界が強いほど、かつ超磁歪素子が長いほど大きくなる。したがって、超磁歪素子に関し、間に磁石を介して連結された複数の単位磁歪素子を含む構成とすることで、超磁歪素子を長く、かつバイアス磁界を強くすることが可能となる。これにより、超磁歪アクチュエータの更なる高効率化を図ることができる。

本発明によれば、比較的簡易な手段によって、超磁歪アクチュエータの高効率化や小型化を図ることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超磁歪アクチュエータの断面図である。この実施形態の超磁歪アクチュエータＡは、超磁歪素子６と、超磁歪素子６に磁界変化を与えるコイル７と、超磁歪素子６に圧縮荷重を加えるばね４と、超磁歪素子６にバイアス磁界を印加する磁石（マグネット）５１、５２とがケース１内に収納されている。超磁歪素子６の基端はケース１内に位置決めされ、自由端には可動ロッド２が連結され、その可動ロッド２とケース１との間にばね４が配置されている。そして、ケース１、可動ロッド２及びばね４は鉄などの磁性材料で形成されている。

次いで、これらの詳細について説明する。
ケース１は、一端側（図１において上端）が開口した有底筒状のケース本体１１、と、そのケース本体１１の開口部を閉じる蓋３とを備えている。ばね４はこの実施形態では皿ばねとして形成されている。そして、可動ロッド２の先端はこの皿ばね４の中心部及び蓋３に同軸に設けられた穴４１、３２をそれぞれ貫通して外部に突出している。皿ばね４の周縁部はケース本体１１の内面に密接して蓋３の穴３２をケース１内から覆っている。

蓋３の内面には皿ばね４の周縁部を嵌め込んで位置決めする皿ばね用凹部（第１凹部）３１が設けられている。蓋３の内面に皿ばね４の周縁部を嵌め込んで位置決めする第１凹部３１を設けたのは、皿ばね４自体を確実に位置決めするためである。さらに、皿ばね４の中心部を貫通する可動ロッド２も皿ばね４によって位置決め（芯出し）可能にするためである。

超磁歪素子６にバイアス磁界を印加する磁石５１，５２は、超磁歪素子６の基端及び自由端にそれぞれ配置されている。可動ロッド２の基端部には、超磁歪素子６の自由端とその自由端に配置された磁石５１とを嵌め込んで位置決めする連結用凹部（第２凹部）２２が設けられている。この可動ロッド２の基端部には、その基端部を大径にするためのフランジ２１が設けられている。第２凹部２２は下向き開口の凹部として形成されている。この第２凹部２２の深さは、磁石５１の厚さよりも深く形成されている。これにより、第２凹部２２内には磁石５１が収容され、さらに超磁歪素子６の自由端も挿入されている。

このような深さの第２凹部２２を設けたのは、第２凹部２２によって、超磁歪素子６の自由端とその自由端に配置された磁石５１との両方を可動ロッド２に対して同軸に位置決め可能にするためである。これにより、超磁歪素子６の自由端とその自由端に配置された磁石５１と可動ロッド２の基端部とが位置ずれしないように高精度に芯出しして連結することができる。この結果、超磁歪素子６、磁石５１、及び可動ロッド２を接着剤等を使用しなくても連結することが可能になる。勿論、接着剤等により連結することもできる。

ケース本体１１の底面部１２には、超磁歪素子６の基端部及びその基端部に配置された磁石５２とを嵌め込んで位置決めする位置決め用凹部（第３凹部）１３が設けられている。この第３凹部１３は上向き開口の凹部として形成されている。この第３凹部１３の深さは、磁石５２の厚さよりも深く形成されている。これにより、第３凹部１３内には磁石５２が収容され、さらに超磁歪素子６の基端も挿入されている。

このような深さの第３凹部１３を設けたのは、第３凹部１３によって、超磁歪素子６の基端とその基端に配置された磁石５２との両方をケース本体１１の底面部１２に対して同軸に位置決めするためである。これにより、超磁歪素子６の基端とその基端に配置された磁石５２とがケース本体１１の底面部１２から位置ずれしないように高精度に芯出しして位置決めすることができる。

ケース本体１１の底面部１２には、コイル７のボビン８の一部を嵌め込んで固定するボビン用凹部（第４凹部）１４が設けられている。ボビン８は、超磁歪素子６が貫通する円筒部８１と、その両端に設けられた円板状フランジ８２、８３を有している。従って、第４凹部１４の平面形状はこのボビン８の端面の形状に対応する。いわゆるドーナツ状の凹部として形成されている。この第４凹部１４を設けたのは、コイル７のボビン８をケース本体１１の底面部１２に対して確実に位置決めして、超磁歪素子６とボビン８との間だの隙間を高精度にかつ微少隙間に設定可能にするためである。なお、底面部１２の中央部分には円筒状のリブ１５が立ち上げられており、このリブ１５によって前記第３凹部１３及び第４凹部１４が形成されている。

また、この実施形態では、ケース本体１１及び蓋３からなるケース１と、可動ロッド２と、皿ばね４とが磁性材料で形成されているのに加えて、コイル７のボビン８は熱伝導性樹脂で形成されている。熱伝導性樹脂としては、例えば、日本科学冶金製の（商品名：ＮＴ−７８３）を挙げることができる。ボビン８を熱伝導性樹脂で形成したのは、ボビン８自体の放熱性を高めるためである。即ち、発熱するコイル７及び超磁歪素子６からの放熱効果を高めるためである。放熱効果を高めることによって、発熱によりそれぞれの特性が変化して振動状態が変わり、高域特性が悪化するといった問題を根本的に解決することができる。

また、この実施形態によれば、ケース１、可動ロッド２及び皿ばね４が磁性材料で形成されているので、超磁歪素子６の両端に配置してあるバイアス磁界印加用の磁石５１，５２による磁界は、図１において矢印付き破線で示すように、可動ロッド２、皿ばね４及びケース１を経由する完全磁気回路（閉ループ）を構成する。これにより、超磁歪アクチュエータの高効率化を実現することができる。この結果、バッテリー駆動も実現できるので、この超磁歪アクチュエータを例えばモバイル商品等へ組み込むことも可能となる。さらに、このように高効率化を図ることで、その分、小型化も図ることができる。

また、可動ロッド２、皿ばね４、超磁歪素子６、バイアス磁界印加用の磁石５１，５２、及びボビン８等を、第１〜第４凹部によって位置決めしてあるので、振動等に強いアクチュエータとなり、モバイル化を容易にすることができる。

（第２実施形態）
次に、図２を参照して本発明の第２実施形態について説明する。なお、この第２実施形態において、第１実施形態と基本的に同一の構成要素については同一符号を付してその説明を簡略化する。

この実施形態の特徴は、可動ロッド２のフランジ２１を、途中に段部２３を有する二段構成にして、その段部２３に皿ばね４の中心部の穴４１を嵌合させて密着構造としたものである。さらに、磁石５１，５２の直径が超磁歪素子６の直径以下の場合に、第２凹部２２をフランジ２１及び可動ロッド２と一体構造とし、かつ、第３凹部１３をケース本体１の底面部１２と一体構造となるように構成したものである。このように構成しても、先の第１実施形態と同様の効果が得られるが、特に、部品点数を少なくして、組み立て性を向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、図３を参照して本発明の第３実施形態について説明する。なお、この第３実施形態において、第１実施形態と基本的に同一の構成要素については同一符号を付してその説明を簡略化する。

この実施形態の特徴は、可動ロッド２のフランジ２１を、途中に段部２３を有する二段構成にして、その段部２３に皿ばね４の中心部の穴４１を嵌合させて密着構造としたものである。また、磁石５１，５２の直径が超磁歪素子６の直径以上の場合に、第２凹部２２を、一体構造である可動ロッド２の基端部及びフランジ２１の一部と、下面合わせ部材９の一部とで形成する構成としたものである。下面合わせ部材９は、フランジ２１の外径と同一に形成され、その中央には超磁歪素子６の自由端が貫通する貫通孔９ａが形成されている。

また、第３凹部１３を、ケース本体１の底面部１２の一部と、上面合わせ部材１０の一部とで形成する構成としたものである。下面合わせ部１０は、円筒状のリブ１５の外径と同一に形成され、その中央には超磁歪素子６の基端が貫通する貫通孔１０ａが形成されている。

このように構成しても、先の第１実施形態と同様の効果が得られるが、特に、磁石５１、５２によるバイアス磁界を強めるために各磁石を大きくする際に好適な構造とすることができる。

（第４実施形態）
次に、図４を参照して本発明の第４実施形態について説明する。
この実施形態の特徴は、超磁歪素子６に関し、間に磁石５３を介して連結された複数の単位磁歪素子６１、６２を含む構成としたものである。即ち、超磁歪素子６が長くなる場合に、超磁歪素子６の両端に配置した磁石５１、５２の他に、磁石５３を間に入れて超磁歪素子６を二つに分割することで、超磁歪素子６に印加するバイアス磁界を強める構成としたものである。

磁界の強さに応じて生じる超磁歪素子６の寸法変化（伸縮）は、磁界が強いほど、かつ超磁歪素子６が長いほど大きくなる。従って、このように超磁歪素子６を長くし、さらにバイアス磁界印加用の磁石を超磁歪素子６の軸方向に間隔をおいて３つ配置することで、超磁歪アクチュエータの更なる高効率化を図ることができる。

ここで、分割した単位磁歪素子６１、６２を磁石５３を介して連結する方法としては種々の方法が考えられる。図４に示す例の場合、磁石５３と単位磁歪素子６１、６２の相互の接合面にピン孔をそれぞれ設けておき、それらのピン孔に挿入（無理嵌め）可能な締結ピン６３、６３により芯出し状態で連結した例を示している。この連結方法によれば、超磁歪素子６の外径に影響を及ぼさない構成とすることができる。

（第５実施形態）
図５は、磁石５３を介して単位磁歪素子６１、６２を連結する他の方法を示すものである。この図５に示す例では、薄くて磁石５３より長い筒状の樹脂製カバー６４にて、磁石５３と超磁歪素子６１、６２の相互の接合部分を覆う構成としたものである。この連結方法によれば、筒状の樹脂製カバー６４を用いるだけの簡易な構成とすることができる。

なお、超磁歪素子６としては、間に磁石を介して単位磁歪素子を２つ以上連結する構成としてもよい。

本発明の第１実施形態に係る超磁歪アクチュエータの断面図。 本発明の第２実施形態に係る超磁歪アクチュエータの断面図。 本発明の第３実施形態に係る超磁歪アクチュエータの断面図。 本発明の第４実施形態に係る超磁歪素子の断面図。 本発明の第５実施形態に係る超磁歪素子の正面図。 従来例に係る超磁歪アクチュエータの断面図。

符号の説明

１ ケース
１１ ケース本体
１２ 底面部
１３ 第３凹部
１４ 第４凹部
２ 可動ロッド
２２ 第２凹部
２１ フランジ（大径部）
３ 蓋（キャップ）
３１ 第１凹部
３２ 穴
４ 皿ばね
４１ 穴
５１，５２、５３ 磁石（マグネット）
６ 超磁歪素子
６１、６２ 単位磁歪素子
７ コイル
８ ボビン
９ 下面合わせ部材
１０ 上面合わせ部材

Claims (8)

1. 超磁歪素子と、超磁歪素子に磁界変化を与えるコイルと、超磁歪素子に圧縮荷重を加えるばねと、超磁歪素子にバイアス磁界を印加する磁石とがケース内に収納され、超磁歪素子の基端はケース内に位置決めされ、自由端には可動ロッドが連結され、その可動ロッドと前記ケースとの間に前記ばねが配置された超磁歪アクチュエータであって、
   前記ケース、可動ロッド及びばねが磁性材料で形成されている、超磁歪アクチュエータ。
2. 前記ばねが皿ばねであり、前記可動ロッドの先端は前記皿ばねの中心部及び前記ケースに同軸に設けられた穴をそれぞれ貫通して外部に突出し、前記皿ばねの周縁部は前記ケースの内面に密接してケースの穴をケース内から覆っている、請求項１に記載の超磁歪アクチュエータ。
3. 前記ケースは、一端側が開口した有底筒状のケース本体と、そのケース本体の開口部を閉じる蓋とを備え、前記蓋の内面には前記皿ばねの周縁部を嵌め込んで位置決めする第１凹部が設けられている、請求項１又は２に記載の超磁歪アクチュエータ
4. 前記超磁歪素子にバイアス磁界を印加する磁石は、超磁歪素子の基端及び自由端にそれぞれ配置され、前記可動ロッドの基端部には、前記超磁歪素子の自由端とその自由端に配置された磁石とを嵌め込んで位置決めする第２凹部が設けられている、請求項１又は２に記載の超磁歪アクチュエータ。
5. 前記ケース本体の底面部には、前記超磁歪素子の基端部及びその基端部に配置された磁石とを嵌め込んで位置決めする第３凹部が設けられている、請求項１〜４の何れかに記載の超磁歪アクチュエータ。
6. 前記ケース本体の底面部には、前記コイルのボビンの一部を嵌め込んで固定する第４凹部が設けられている、請求項１〜５の何れかに記載の超磁歪アクチュエータ。
7. 前記コイルのボビンは熱伝導性樹脂で形成されている、請求項１〜６の何れかに記載の超磁歪アクチュエータ。
8. 前記超磁歪素子は、間に磁石を介して連結された複数の単位磁歪素子を含む、請求項１〜７の何れかに記載の超磁歪アクチュエータ。
   

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