JP2007194686A - 磁歪素子およびそれを備えた平面型音響装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部材構成が単純で、効率性と耐久性に優れた磁歪素子およびそれを適用した平面型音響装置を提供すること。
【解決手段】棒状の磁歪材と、磁歪材の外周を巻き回した導電コイルと、導電コイルに通電することで、磁歪材の軸方向の変位を当該軸方向と略直交する方向に変換させる変位方向変換部材と、棒状の磁歪材の両端を挟持して、磁歪材の軸方向の変位に追従して動作する第１と第２の可動先端部と、を備えており、この変位方向変換部材は、第１と第２の可動先端部間にその両端が固定されて、凸方向が磁歪材に対して外側となる様に構成された凸形状を有する弾性部材からなり、変位方向変換部材の弾性変形により、第１、第２の可動先端部における磁歪材の軸方向の変位を、軸方向と直交する方向に変換可能な構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁界の印加により磁歪材の軸方向へ変位を生じさせる駆動機構と、その変位方向と略直交方向に変位を変換させる変位方向変換部材とを備えた、変換効率と耐久性の向上を目的として変位方向変換部材の形状を改善した磁歪素子および平面型音響装置に関するものである。

近年、電気機械変換技術の分野においては、高出力な変位駆動を可能とする磁歪素子に注目が集まりつつある。とりわけ、その傾向は、磁歪素子の変位を他の方向へ変換させる変位方向変換機構の技術要求において著しくなっている（例えば、特許文献１参照）。

まず、従来の変位方向変換機構を備えた磁歪素子について説明する。図７は、従来の磁歪素子の構成を示す構造断面図である。

図７で示す従来の磁歪素子２６は、筐体１０の内部に、磁歪材１と、この磁歪材１の周りを巻き回した導電コイル２と、磁歪材１の片側端に固定された固定先端部８と、他方の端に固定された可動先端部３ａ、３ｂとを備え、更に先端誘導部１４と、その中空内部へ差し込むように通した可動ワイヤ１２を有する。

ここで、固定先端部８と先端誘導部１４とは、筐体１０を介して相互に強固に固定されており、可動先端部３ａと可動ワイヤ１２は可動先端部３ｂを介して固定されている。また、可動先端部３ａ、３ｂと可動ワイヤ１２は、筐体１０および先端誘導部１４には直接固定されていないため、これらに対して独立な変位ができる様になっている。更に、可動ワイヤ１２は折り曲げ自在な部材より作製されており、先端誘導部１４の内部の中空形状に応じて任意の形状をとることができるようになっている。

次に、磁歪素子２６の駆動原理について説明する。
まず、導電コイル２へ通電されると、磁歪材１に軸方向の変位が生じるが、ここで、磁歪材１の片側端は固定先端部８を介して筐体１０に固定されているため、その変位に伴って可動先端部３ａ、３ｂが軸方向へ変位することとなる。そして、この可動先端部３ａ、３ｂの変位は、そのまま可動ワイヤ１２を軸方向に変位させるよう作用するが、この可動ワイヤ１２は略円弧曲線形状で先端誘導部１４に差し込まれるように構成されているため、可動ワイヤ１２に作用された軸方向の変位は、先端誘導部１４の内部の中空形状に沿うようにして、軸方向と略直交する方向へ変換されることとなる。

このようにして、従来の磁歪素子２６では、磁歪材１により生じた軸方向の変位を、可動ワイヤ１２を介してその軸方向とは略直交する方向の変位へと変換することが可能となる。そのため、変位を伝達させたい被駆動体に対して、磁歪素子２６を略平行に配置することができるため、被駆動体を含めた装置全体の低背化を図ることができるようになる。

そして、このように構成された磁歪素子２６を、振動板を備えた平面型音響装置に適用することができるので、以下にその構成と作用について図８を用いて説明する。図８は、従来の磁歪素子を適用した平面型音響装置の構造断面図を示している。

この平面型音響装置２７は、磁歪素子２６、装置筐体１５、振動板１６と、振動板１６の周縁を装置筐体１５へ支持固定するための接着部材１７とから構成される。ここで、磁歪素子２６における筐体１０は装置筐体１５へ強く固定されており、また可動ワイヤ１２
の先端は振動板１６に当設して強く固定されている。

このような構成において、磁歪素子２６を音響信号で駆動すると、上述したような原理により、磁歪材１の軸方向へ生じた音響振動は軸方向と垂直な方向へ変換される。そして可動ワイヤ１２を介して振動板１６に振動が伝達されることで、振動板１６の撓み振動から音響波が放射され、音響装置としての機能を発揮することができる。

特開２００５−１７６１２６号公報（第１０頁、図２）

しかしながら、上述したような磁歪素子２６では、その構成上、可動ワイヤ１２の略円弧曲線形状を良好に保ち、変換する変位方向を維持するためにも、先端誘導部１４が不可欠であり、構成部材が多くなってしまうという問題があった。また、先端誘導部１４の内部に可動ワイヤ１２を挿入するという構造は、比較的単純な構造であることを利点とする磁歪素子にとって、製造工程の複雑化を招いてしまうことにもなってしまう。

また更に、この磁歪素子２６では、先端誘導部１４の内部に挿入した可動ワイヤ１２で、軸方向の変位を略直交方向へ強引に変換させる構造上、軸方向の変位力を効果的に相殺することができず、変位の度に先端誘導部１４の中空内部表面と可動ワイヤ１２とが接触することは避けられない。その結果、その接触摩擦に伴って、変換効率の低下や、部材の損耗が起こってしまうことで、磁歪素子２６とそれを含めた平面型音響装置２７全体の耐久性が低下してしまうという問題もあった。

そこで、本発明では、上述したような問題を解決し、変換効率と耐久性を向上させた磁歪素子およびそれを備えた平面型音響装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の磁歪素子およびそれを備えた平面型音響装置は、下記記載の構成を採用する。

本発明による磁歪素子は、棒状の磁歪材と、磁歪材の外周を巻き回した導電コイルと、導電コイルに通電することで、磁歪材の軸方向の変位を当該軸方向と略直交する方向に変換させる変位方向変換部材と、棒状の磁歪材の両端を挟持して、磁歪材の軸方向の変位に追従して動作する第１と第２の可動先端部とを備えており、この変位方向変換部材は、第１と第２の可動先端部間にその両端が固定されて、凸方向が磁歪材に対して外側となる様に構成された凸形状を有する弾性部材からなり、変位方向変換部材の弾性変形により、第１、第２の可動先端部における磁歪材の軸方向の変位を、軸方向と直交する方向に変換可能としたことを特徴とするものである。

また、本発明による磁歪素子は、前述した変位方向変換部材における両端間の断面形状を、略正規分布曲線形状、または複数個の略正規分布曲線を直列に配置した複合形状としてことを特徴とするものである。

また更に、本発明による磁歪素子は、前述した磁歪材または導電コイルが、基台に固定配置されていることを特徴とするものである。

また更に、本発明による磁歪素子は、前述した磁歪材の略中央部で、磁歪材または導電コイルが基台に固定配置されていることを特徴とするものである。

また更に、本発明の磁歪素子は、前述した変位方向変換部材が、ともに第１と第２の可動先端部間にその両端が固定されて、かつ磁歪材を挟んで対向する位置にそれぞれ配置された、第１と第２の弾性部材より成ることを特徴とするものである。

また更に、本発明による磁歪素子は、前述した第２の変位方向変換部材における頂部が、基台に固定配置されていることを特徴とするものである。

本発明による磁歪素子は、磁歪材の外周を巻き回した導電コイルに通電することで、磁歪材の軸方向の変位を当該軸方向と略直交する方向に変換させる変位方向変換部材と、磁歪材における軸方向の一端を基台に固定する固定先端部と、棒状の磁歪材における軸方向の他端に当接して設け、磁歪材の軸方向の動作に追従する可動先端部と、可動先端部と所定の間隔を持って、磁歪材の軸方向の延長線上で基台に固定された固定壁とを備え、この変位方向変換部材は、可動先端部と固定壁間にその両端が固定された凸形状を有する弾性部材により構成されて、この弾性部材の弾性変形により、可動先端部における磁歪材の軸方向の変位を、軸方向と直交する方向に変換可能としたことを特徴とするものである。

また、本発明による磁歪素子は、前述した変位方向変換部材における両端間の断面形状を、略正規分布曲線形状、または複数個の略正規分布曲線を直列に配置した複合形状としたことを特徴とするものである。

また、本発明による磁歪素子を備えた平面型音響装置は、上述した磁歪素子と、磁歪材を構成する変位方向変換部材における頂部と当設して設けられた振動板とを有し、変位方向変換部材の弾性変形による変位を振動板に伝達することができる構成としたことを特徴とするものである。

本発明による磁歪素子では、断面形状が略正規分布曲線形状または複数個の略正規分布曲線を並列に配置した複合形状をした変位方向変換部材の両端を、第１と第２の可動先端部間に固定し、この変位方向変換部材の弾性変形により、磁歪材の軸方向の変位をそれと直交する方向に変換という駆動構造を採用することにより、従来の磁歪素子における先端誘導部が不要となる。そのため、部材構成の複雑化を避けることができ、製造工程上の簡素化を実現できるという利点を有する。

更に、本発明による磁歪素子では、略正規分布曲線形状または複数個の略正規分布曲線を並列に配置した複合形状の変位方向変換部材をその両端から同時に変位駆動させ、弾性変形させる形態としているので、軸方向の変位を効果的に相殺したまま、変位方向を変換させることができるようになる。そのため、従来の磁歪素子における強引な変位方向変換を行う先端誘導部が必要無く、接触摩擦などが生じない、かつ変換効率を向上させ、耐久性を向上させた、磁歪素子と平面型音響装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施例における磁歪素子の構成及び駆動機構について説明する。尚、本発明の構成における同部分については背景技術と同符号を用いて説明する。

図１は、本発明の磁歪素子の構成を示す構造断面図である。
図１の断面図に示すように、本発明の第一の実施例における磁歪素子２１は、磁歪材１とその周りを巻き廻した導電コイル２、磁歪材１の両端部に設けた可動先端部３、磁歪材１の軸方向中心部を支持固定した支持柱４、基台５、更にこの２つの可動先端部３に両端が固定された弾性部材からなる変位方向変換部材６ａとにより構成されている。ここで、
変位方向変換部材６ａは両端間の断面形状が略正規分布曲線形状となっており、且つその凸方向が磁歪材１に対して外側となる様に、配置されている。また、この変位方向変換部材６ａは、両端で固定されている可動先端部３から受ける軸方向の変位駆動に応じて、全体が弾性変形できるだけの弾性を有している。

上記のような構成の磁歪素子２１において、導電コイル２に電流が流れると、導電コイル２の内部を貫くように磁束が生じ、この磁束に応じて磁歪材１はその軸方向へ伸縮変形する。ここで、磁歪材１は支持柱４により中心部を支持固定されているため、伸縮変形によりその両端部は軸方向へ変位し、両端に固定されている可動先端部３もそれに追従するようにして軸方向へ変位する。

この時、可動先端部３の内部へ両端を挟持されるように固定された変位方向変換部材６ａは、可動先端部３の軸方向の変位によって、その両端部から同方向の変位駆動を受ける。そして、変位方向変換部材６ａは弾性を有していることから、両端部からの変位駆動がそのまま中心部へ伝達されることとなるが、その形状が略正規分曲線形状となっているため、伝達される変位駆動の方向は、中心部の凸部へ向かうに連れて、軸方向と略直交する方向へと滑らかに変換されていくこととなる。このように、この変位方向変換部材６ａの内部を変位駆動が伝達されていき、方向が変換される効率は、力学的にその断面形状が略正規分曲線形状であるとき最も高く、他の形状を採用した場合の変位方向変換部材６ａと比較すると、遥かに高い変換効率を実現することができる。

こうして、この磁歪素子２１では、磁歪材１の伸縮変形により生じた軸方向の変位が、変位方向変換部材６ａの中心の凸部において、軸方向と略直交した方向の変位へ変換されるという機能を有することになる。

このような略正規分布曲線形状の変位方向変換部材６ａを具備した磁歪素子２１の部材構成では、従来の磁歪素子２６のように先端誘導部１４を設ける必要性が無くなる。そのため、部材構成が極めて単純なまま、変位方向を変換する機能を発揮することが可能となり、部材構成の単純さから、製造工程の簡素化に寄与することができる。

また、本発明における磁歪素子２１では、略正規分布曲線形状の変位方向変換部材６ａをその両端から同時に変位駆動させ、弾性変形させるという方法を採用しているため、軸方向の変位を効果的に相殺したまま、変位方向を変換させることができる。そのため、上述した先端誘導部１４における強引な変位方向変換が無くなり、従って接触摩擦などが生じなくなることで、変換効率や装置の耐久性を向上させることが可能となる。

なお、本実施例における最適な形態として、変位方向変換部材６ａの断面形状を略正規分布曲線形状とした例を示したが、この形状に比べて性能面では劣ることとなるが、例えば変位方向変換部材６ａの断面形状を、山形の凸形状としたり、または他の２次曲線形状としたりしても構わない。

また、本実施例においては、支持柱４を介して磁歪材１を基台５に固定配置した構成例を示したが、支持柱４を介して導電コイル２を基台５に固定配置した構成としても構わない。

次に、本発明の磁歪素子の他の構成例について説明をする。図２は、本発明の第二の実施例における磁歪素子の構成断面図を示している。

この磁歪素子２２では、駆動方法と変位方向を変換する原理は、第一の実施例における
磁歪素子２１と同様であるが、磁歪素子２１における支持柱４（図１）を変位方向変換部材６ｂに代えて配置し、この変位方向変換部材６ｂの中心凸部を介して素子全体を基台５へ固定させるという構成のみが異なっている。

このような構成の磁歪素子２２では、二つの変位方向変換部材６ａ、６ｂが、磁歪材１の軸方向の変形変位を、それと直交する方向へ同時に変換させることができる。このとき、変位方向変換部材６ｂはその中心凸部で基台５へ固定されているため、基台５を基準とした変位方向変換部材６ａにおける直交方向への変位量を、第一の実施例における磁歪素子２１と比較しておよそ２倍にすることが可能となる。

またそればかりでなく、磁歪素子２２では、磁歪材１の上下に変位方向変換部材６ａ、６ｂが対称的に配置されている構造から、磁歪材１が変形変位する際に受ける変位方向変換部材６ａ、６ｂからの反力が、上下両側から対称に掛かるようになる。そのため、第一の実施例における磁歪素子２１（図１）では、上側の変位方向変換部材６ａのみから非対称に反力がかかることで、軸方向と直交する方向に磁歪材１が応力を受けて折れ易くなる虞があるが、この磁歪素子２２では変位方向変換部材６ａ、６ｂからの反力の対称性により、磁歪材１が軸方向と直交する方向に受ける応力がほぼ完全に相殺され、磁歪材１の耐久性向上にも寄与することが可能となる。

次に、本発明の磁歪素子のさらに他の構成例について説明をする。図３は、本発明の第三の実施例における磁歪素子の構造断面図を示している。

この磁歪素子２３では、基本的な部材構成および駆動原理は第二の実施例の磁歪素子２２と同様であるが、磁歪素子２２で示した略正規分布曲線形状の変位方向変換部材６ａ、６ｂ（図２）に代えて、断面形状が略正規分布曲線を軸方向へ2個直列に連接して設けた複合形状の変位方向変換部材６ｃ、６ｄを用いた点のみが異なっている。なお、本実施例では、磁歪材１の下側へ配置された変位方向変換部材６ｄの２つの凸部を基台５へ固定した構成例を示している。

このように、変位方向変換部材６ｄの２つの凸部で、磁歪素子２３全体を基台５へ固定する構成とすることで、この磁歪素子２３は、１つの凸部のみで全体を固定していた第二の実施例の磁歪素子２２（図２）と比較すると、その固定強度を遥かに強く維持したまま、磁歪素子２２と同様の効果を得ることができるようになる。また、本実施例における磁歪素子２３は、磁歪材１の軸方向の変位と基台５、および変位方向変換部材６ｄの２つの凸部に当接して固定した被駆動体との平行度を安定して維持するという効果を有している。

なお、本図面では変位方向変換部材６ｃ、６ｄの断面形状が略正規分布曲線を軸方向へ2個直列に連接して設けた構成例を示したが、磁歪材１の下側に配置した変位方向変換部材６ｄの断面形状が複数個の略正規分布曲線を直列配置した複合形状であれば、変位方向変換部材６ｃと６ｄの形状は必ずしも同じでなくても構わない。従って、例えば、変位方向変換部材６ｃの形状を、第二の実施例における略正規分布曲線形状の変位方向変換部材６ａ（図２）に代えたものとしても、ほぼ同様の効果を得ることできる。

次に、本発明の磁歪素子のさらに他の構成例について説明をする。図４は、本発明の第四の実施例における磁歪素子の構造断面図を示している。

この磁歪素子２４は、磁歪材１とその周りを巻き廻した導電コイル２、磁歪材１の一方
の端部に設けた固定先端部８、磁歪材１の他端に設けた可動先端部３、磁歪材１の軸延長上に可動先端部３から離間して配置されている固定部９、可動先端部３と固定部９との間に、両端が挟持されるように固定されている変位方向変換部材６ｅより構成されている。

そして、固定先端部８と固定部９は、基台５に固定載置されて、磁歪材１の伸縮に応じて、可動先端部３が磁歪材１の軸方向に移動可能な構成となっている。さらに、この変位方向変換部材６ｅは、第一および第二の実施例における磁歪素子２１、２２での変位方向変換部材６ａ、６ｂと同様に、その断面形状が略正規分布曲線形状となっている。

この磁歪素子２４では、従来の磁歪素子２６（図７）で述べたのと同様、導電コイル２への通電により生じた磁歪材の伸縮変形は、固定先端部８を支点とした可動先端部３の軸方向の変位となる。ここで、固定部９は固定先端部８と同様に変位を受けない。そのため、可動先端部３に当接して設けられた変位方向変換部材６ｅは、固定部９との固定点を支点として、可動先端部３からの軸方向の変位駆動をそのまま受けることとなる。従って、第一や第二の実施例で述べたのと同様の変位方向変換の原理によって、その中央凸部において直交方向の変位を生み出すことができるようになる。

このような構成の磁歪素子２４であっても、第一から第三の実施例における磁歪素子２１〜２３とほぼ同程度に、変位方向の変換機能を発現することができるようになる。

次に、本発明の磁歪素子のさらに他の構成例について説明をする。図５は、本発明の第一の実施例における磁歪素子２１を備えた平面型音響装置の構造断面図を示している。また、図６（ａ）（ｂ）は、この平面型音響装置の動作を示す模式図である。

この平面型音響装置２５は、図８における従来の平面型音響装置２７と同様に、磁歪素子２１、装置筐体１５、振動板１６と、振動板１６の周縁を装置筐体１５へ支持固定するための接着部材１７とから構成されている。ここで、磁歪素子２１の支持柱４は装置筐体１５へ強く固定されており、また変位方向変換部材６ａの頂部は振動板１６へ当接するように強く固定されている。

このような構成において、磁歪素子２１を音響信号で駆動すると、図１の説明で詳述した駆動原理により、磁歪材１の軸方向の音響振動は、変位方向変換部材６ａの頂部において軸方向と垂直方向の音響振動に変換される。そして、この変位方向変換部材６ａの頂部が振動板１６に当接するように固定されていることで、図６（ａ）図６（ｂ）で示すように、振動板１６は、接着部材１７で支持固定された箇所を支点として、磁歪材１の伸縮に応じた撓み振動を起こすこととなり、図６（ａ）と図６（ｂ）の形態を繰り返して、振動板１６が振動させることができる。その結果、この振動板１６の撓み振動から音響波が放射され、音響装置としての機能を発揮することができる。

このように、本発明による磁歪素子２１を備えた平面型音響装置２５であれば、磁歪素子２６を備えた従来の平面型音響装置２７（図８）と比較して、簡単な部材構成で、より効率的な音響効果を発揮できるだけでなく、音響装置としての耐久性も向上させることが可能となる。

なお、本実施例における平面型音響装置２５は、第一の実施例で示した磁歪素子２１を装置に組み込んだ構成例を示したが、これに代えて第二〜第四の実施例における磁歪素子２２〜２４を組み込んでも同様に、平面型音響装置として作用する。

本発明の磁歪素子の構成を示す構造断面図である。（実施例１） 本発明の磁歪素子の構成を示す構造断面図である。（実施例２） 本発明の磁歪素子の構成を示す構造断面図である。（実施例３） 本発明の磁歪素子の構成を示す構造断面図である。（実施例４） 本発明の平面型音響装置の構成を示す構造断面図である。（実施例５） 本発明の平面型音響装置における振動板の振動様態を示す模式図である。（実施例５） 従来の磁歪素子の構成を示す構造断面図である。 従来の平面型音響装置の構成を示す構造断面図である。

符号の説明

１ 磁歪材
２ 導電コイル
３ 可動先端部
４ 支持柱
５ 基台
６ａ〜６ｅ 変位方向変換部材
８ 固定先端部
９ 固定部
１５ 装置筐体
１６ 振動板
１７ 接着部材
２１〜２４ 磁歪素子
２５ 平面型音響装置

Claims (9)

1. 棒状の磁歪材と、
   前記磁歪材の外周を巻き回した導電コイルと、
   前記導電コイルに通電することで、前記磁歪材の軸方向の変位を当該軸方向と略直交する方向に変換させる変位方向変換部材と、
   前記磁歪材の両端を挟持して、前記磁歪材の軸方向の変位に追従して動作する第１と第２の可動先端部と、を備え
   前記変位方向変換部材は、前記第１と第２の可動先端部間にその両端が固定されて、凸方向が前記磁歪材に対して外側となる様に構成された凸形状を有する弾性部材からなり、
   前記変位方向変換部材の弾性変形により、前記第１と第２の可動先端部における前記磁歪材の軸方向の変位を、前記軸方向と直交する方向に変換可能としたことを特徴とする磁歪素子。
2. 前記変位方向変換部材における前記両端間の断面形状を、略正規分布曲線形状、または複数個の略正規分布曲線を直列に配置した複合形状としたことを特徴とする請求項１に記載の磁歪素子。
3. 前記磁歪材または前記導電コイルは、基台に固定配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁歪素子。
4. 前記磁歪材の略中央部で、前記磁歪材または前記導電コイルが前記基台に固定配置されていることを特徴とする請求項３に記載の磁歪素子。
5. 前記変位方向変換部材は、ともに前記第１と第２の可動先端部間にその両端が固定されて、かつ前記磁歪材を挟んで対向する位置にそれぞれ配置された、第１と第２の弾性部材より成ることを特徴とする請求項１または２に記載の磁歪素子。
6. 前記第２の前記変位方向変換部材における頂部が、基台に固定配置されていることを特徴とする請求項５に記載の磁歪素子。
7. 棒状の磁歪材の外周を巻き回した導電コイルに通電することで、前記磁歪材の軸方向の変位を当該軸方向と略直交する方向に変換させる変位方向変換部材と、
   前記磁歪材における軸方向の一端を基台に固定する固定先端部と、
   前記棒状の磁歪材における軸方向の他端に当接して設け、前記磁歪材の軸方向の動作に追従する可動先端部と、
   前記可動先端部と所定の間隔を持って、前記磁歪材の軸方向の延長線上で前記基台に固定された固定壁と、を備え
   前記変位方向変換部材は、前記可動先端部と前記固定壁間にその両端が固定された凸形状を有する弾性部材により構成されて、前記弾性部材の弾性変形により、前記可動先端部における前記磁歪材の軸方向の変位を、前記軸方向と直交する方向に変換可能としたことを特徴とする磁歪素子。
8. 前記変位方向変換部材における前記両端間の断面形状を、略正規分布曲線形状、または複数個の略正規分布曲線を直列に配置した複合形状としたことを特徴とする請求項７に記載の磁歪素子。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の磁歪素子と、前記磁歪材を構成する前記変位方向変換部材における頂部と当設して設けられた振動板とを有し、
   前記変位方向変換部材の弾性変形による変位を前記振動板に伝達することができる構成
   としたことを特徴とする平面型音響装置。

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