JP2008072438A - 磁歪アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁歪素子の振動を利用する従来の磁歪アクチュエータには、振動発生のために揺すぶられる質量が装置の大きさの割に小さく、小さい振動しか発生できないとか、加振対象である壁面に取り付けるために特別の治具を必要とするとか、低周波での振動が発生しにくい等といった課題があった。
【解決手段】表面の材質が磁性体である壁面７に取り付け、壁面７に振動を与える磁歪アクチュエータ１を、次のように構成する。底部と側壁部を有する磁性体のケース２の内側底部の中心に、棒状の磁歪素子５の端部にバイアス磁界用磁石４，６を固着して成る連結体を、植立固着する。ケース２の内側底部には、該連結体の周囲を取り囲むように駆動用コイル３を植立固着する。そして、ケース２の側壁の長さを、前記連結体を壁面７に接触させて取り付けたときに、ケース２の側壁端部と壁面７との間に振動時においても接触しない程度の空隙８が生ずる長さとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁歪素子（磁歪素子には超磁歪素子を含む。以下同様）を磁界の変化により伸縮（寸法変化）させ、振動を発生するようにした磁歪アクチュエータに関するものである。

振動を発生し他の物を加振する振動アクチュエータとしては、電磁力を利用したものが古くから知られている。しかし、これには、大きな変位の振動を得ることはできるものの、高周波数での振動発生に限界があり、装置も小型軽量化がなかなか出来ない等の欠点があった。
ところが、近年、磁歪現象を利用して振動を発生させる磁歪アクチュエータが注目されている。特に、超磁歪素子と呼ばれる磁歪素子は、従来の磁歪素子に比べて磁歪現象による伸び率（変位量）が従来より極めて大きく、発生する応力が大で、高周波でもよく振動するという性質を有している。更に、超磁歪素子を利用した超磁歪アクチュエータは、小型軽量に構成できる上、これらの性質を利用しているので、加振あるいは音波発生の面においてさまざまな応用が期待されている。

加振は壁面等に振動を加え、その壁面の振動を抑制したり、振動の性質を変化させたりすることであるが、これは騒音防止の面での応用が広く考えられている。例えば、住宅街に近い鉄道変電所に設置されている大型変圧器は、通電されている交流により１日中振動して近隣に騒音を発生している。この大型変圧器またはそれを収容する容器の壁面に、その振動を打ち消すような振動を加えてやれば、騒音の発生を防止できる。
また、壁面を磁歪アクチュエータにより加振してやることにより、所望の音波を発生する音波発生装置を作ることも出来る。

ところで、壁面を加振する際に磁歪アクチュエータを設置する方法としては、大きく分けて２つある。
第１の方法は、壁面のすぐ傍に別の壁（反力壁）を設け、それに磁歪アクチュエータを取り付ける方法である。その別の壁は、加振のときの反力を受けるための壁であるから、反力壁と呼ばれる。
第２の方法は、加振する壁面に直接磁歪アクチュエータを取り付けるという方法である。この方法は、主にアクチュエータの質量の重心移動によって生じる慣性力を、反力として用いる方法である。
反力壁を設ける場所や空間があればいいが、そうでなければ第１の方法は採用することが出来ない。そこで、場所や空間の有無に制約されない第２の方法で取り付けるものが、従来、いろいろと提案されている。

図９は、磁歪アクチュエータの前記第２の方法のものの第１の従来例を示す図である（特開２００６−１８００５０号公報）。図９において、３０は支持部、３１は回転軸、３２は脚部、３３は回転軸、３４は固定部、３５は取付対象物、３６は磁歪アクチュエータ、３７は永久磁石、３８はケース、３９は駆動用コイル、４０は磁歪素子、４１は永久磁石、４２は可動ロッド、４３は皿バネ、４４はふた、４５は振動板である。

磁歪アクチュエータ３６は、支持部３０に固定されて支持されている。支持部３０は、脚部３２，固定部３４を介して取付対象物３５に固定されている。磁歪アクチュエータ３６のケース３８の中心には、磁歪素子４０が配置され、その上下は永久磁石３７，４１で挟まれ、周囲には駆動用コイル３９が配置されている。磁歪素子４０の下端は永久磁石４１と共に可動ロッド４２に連結され、ふた４４の段部に係止された皿バネ４３の上方への弾発力により支持されている。
一般に、磁歪素子は圧縮強度は強いが引張強度は弱いため、強度を強くし変位量を大にするために、磁歪素子に予荷重（予圧）をかけることが行われるが、前記皿バネ４３は、磁歪素子４０にそのような予荷重をかけている。

さて、永久磁石３７，４１は磁歪素子４０にバイアス用の一定の磁界をかけるためのものであり、駆動用コイル３９は磁歪素子４０に駆動用の変化する磁界をかけるためのものである。振動は、変化する駆動用磁界の印加により発生される。
図１０は、磁歪素子の印加磁界と磁歪量との関係を示す図である。横軸は印加磁界，縦軸は磁歪量であり、５０は両者の関係を示す曲線、５１は駆動用磁界、５２は磁歪量変化、Ｂはバイアス磁界、Ｐは動作点である。なお磁歪量とは、磁歪素子の長さをＬとし、磁界の印加により伸びた長さをΔＬとした場合、ΔＬ／Ｌで表される量である。

磁歪素子の印加磁界と磁歪量との関係を表す曲線５０には、直線で近似できる部分が存在するので、その部分において駆動用磁界を変化させれば、それに比例して磁歪量を変化させることが出来る。曲線５０で言うならば、直線部分のほぼ中央付近のＰ点が動作点となるようにバイアス用磁界Ｂを与え、それに駆動用磁界（例えば交流磁界）５１を重畳させれば、駆動用磁界の変化に対応して変化する磁歪量変化５２が得られる。この磁歪量変化が振動を発生する。
図９の磁歪アクチュエータ３６において、駆動用コイル３９に信号波形の駆動電流（例、交流電流）が流されると、磁歪素子４０が伸縮し、それと一体に連結されている可動ロッド４２の下端が、振動板４５に対し前記交流のサイクルで打撃を繰り返す。これにより、取付対象物３５に振動が与えられる。

磁歪アクチュエータの第２の従来例としては、テコの原理で変位を増幅するものが提案されている（特開平０５−２３６５９５号公報）。磁歪素子の変位量は一般の磁歪素子の変位量より大ではあるが、それでも変位量が不足するという需要，用途がある。そこで、それらに対応するべく、変位量を大にしようとしたものである。
さらに第３の従来例として、低周波数での振動における変位量を増大するものが提案されている（特開２００５−１７７６８８号公報）。変位量の不足は、特に低周波数での振動において問題となる。一般に磁歪素子は、その径が大きくされるほど低周波特性が良好となり、径が小とされるほど高周波特性が良好となる。そこで、この例では、径大なる磁歪素子の棒と径小なる磁歪素子の棒とを２段に重ねて振動を発生する構成とし、低周波数での振動を補うようにしている。
特開２００６−１８００５０号公報 特開平０５−２３６５９５号公報 特開２００５−１７７６８８号公報

前記した第１の従来例には、取り付けのための治具（図９の支持部３０〜固定部３４）が必要であることに加え、重心位置が変位する質量が、装置全体の質量に比べて小さく、加振効果が装置の大きさの割に小さいという問題点があった。
図９において、装置は、磁歪アクチュエータ３６とそれを取付対象物３５に取り付ける部分（支持部３０，脚部３２等）から構成されている。磁歪アクチュエータ３６のケース３８には駆動用コイル３９等が固定配設され、そのケース３８は支持部３０に固定されている。そして、支持部３０は脚部３２，固定部３４を経て取付対象物３５に固定されているので、これらは取付対象物３５に対して重心位置を変位させることが出来ない（加振効果なし）。
結局、重心位置を変位させることが出来るのは、磁界により伸縮して重心が変位する磁歪素子４０と、それに一体に連結されている可動ロッド４２だけである。この連結体の質量が上下に揺れて振動を発生するわけであるが、その質量は、装置全体の質量に比べて小さく、装置の大きさの割りには加振効果が小さい。
ここで図９の従来例では、可動ロッド４２が取付対象物３５に力を及ぼすことによって加振する効果もあるが、固定部３４が可動ロッド４２から充分に離れていない場合には、その力は固定部３４に生じる反作用による力によって打ち消されるため、効果的な加振は出来ない。

前記した第２の従来例（テコの原理で変位を増幅するもの）には、テコの作用をする構造を作り込まなければならず、機械的な構造がどうしても複雑になってしまうという問題点があった。
また、前記した第３の従来例（径の異なる磁歪素子を２段に重ねるもの）には、変位量が小さいという問題点があった。
本発明は、以上のような問題点を解決することを課題とするものである。

前記課題を解決するため、本発明では、表面の材質が磁性体である壁面に取り付け、内蔵した磁歪素子の振動により該壁面に振動を与える磁歪アクチュエータにおいて、該磁歪素子へのバイアス磁束と該磁歪素子に振動変位を与えるための駆動磁束とが、前記壁面および前記壁面との間に設けられた空隙をも経由して通る構成を具えることとした。

また、表面の材質が磁性体である壁面に取り付け、内蔵した磁歪素子の振動により該壁面に振動を与える磁歪アクチュエータにおいて、底部と側壁部を有する磁性体のケースと、該ケースの内側底部の中心に植立固着された、棒状の磁歪素子の端部にバイアス磁界用磁石を固着して成る磁歪素子とバイアス磁界用磁石との連結体と、前記ケースの内側底部に該連結体の周囲を取り囲むように植立固着された、前記磁歪素子に駆動磁界を供給するための駆動用コイルとを具え、前記ケースの側壁の長さを、前記連結体を前記壁面に接触させて取り付けたときに、前記ケースの側壁端部と該壁面との間に振動時においても接触しない程度の空隙が生ずる長さとすることとした。

なお、前記連結体の壁面に接触させる側の先端に、該連結体の接触面積より広い面積を有する磁性体の吸着補助平板を固着すれば、吸着を安定にすることが出来るし、ケースの側壁端部の内側に吸着用磁石を設ければ、吸着力を増大することが出来る。
更に、連結体の磁歪素子に沿って補強する補強材を設ければ、磁歪素子を含む連結体の機械的強度を補強することが出来る。

本発明の磁歪アクチュエータによれば、次のような効果を奏する。
１．加振対象である壁面の任意の位置に、簡便に取り付けることが出来る。
磁石の吸着力により取り付ける構造としているので、壁面が磁性体でありさえすれば、任意の位置に取り付けることが可能である（なお、壁面が磁性体でない場合には、その壁面に磁性体の板を貼り付け、それに取り付けるようにすればよい。）。そして、取り付けに際して、特別な治具や設備，用具を必要としないので、取り付けは簡便に行うことが出来る。
従って、例えば大型の変圧器の振動騒音を打ち消すために使用する場合、適宜に位置を変えて取り付けてみて、最も効果的に防振できる位置を探し、そこに取り付けるというようなことも出来る。

２．効率の良い加振が実現できる。
磁歪アクチュエータを構成する一部分（例、磁歪素子）のみという小さな質量が変位して振動を発生しているのではなく、磁歪アクチュエータの装置全体という大きな質量が変位して振動を発生しているので、振動力が大きく、効率の良い加振をすることが出来る。

３．広帯域の周波数での加振を実現できる。
駆動用コイルの磁束も壁面との空隙を通るような構造とし、そこに生ずる電磁力も壁面への吸着力の一成分となるようにしている。そのため、変動するその電磁力も振動発生に寄与することとなるが、この電磁力による振動発生は低周波数において効果的に行われる。他方、磁歪による振動発生は、高周波数においても効果的に行われる。従って、本発明の磁歪アクチュエータによれば、低周波数から高周波数までの広帯域の周波数にわたって振動発生が行われる。
４．構成が極めて簡単である。
バイアス磁束と駆動磁束が、共に壁面と空隙を通るよう磁気回路を工夫しただけであり、他に何らの構造も付加するものではないので、構成が極めて簡単である。
５．磁歪アクチュエータを壁面へ取り付ける吸着力を利用して、予荷重を与えることが出来る。
従来は、磁歪アクチュエータの中に予荷重を与えるため専用の構造（例、皿バネ）を組み込んでいたが、そのようなものは不用となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかわる磁歪アクチュエータの断面を示す図である。図１において、１は磁歪アクチュエータ、２はケース、３は駆動用コイル、４はバイアス磁界用磁石、５は磁歪素子、６はバイアス磁界用磁石、７は壁面、８は空隙、９は接触間隙、１０は磁束、１１，１２は磁気力、１３は予荷重、１４は磁束、１５は慣性力である。

図１（１）は、磁歪アクチュエータ１の中心を通る断面を示している。先ず構造を説明すると、ケース２は底部と側壁部を有する形状をし、磁性体（例、鉄）で出来ている。その内部の中心には、棒状の磁歪素子５の端部にバイアス磁界用磁石４，６を固着して成る両者の連結体が、固定されている。この図では、磁歪素子５の両端に、それぞれバイアス磁界用磁石４，６を固着した例を示しているが、一方の端部に固着するだけで所要のバイアス磁界が供給されれば、一方の端部に固着するだけでもよい。
更にケース２内には、磁歪素子５の周囲をぐるりと囲むように、駆動用コイル３が配設される。つまり、磁歪アクチュエータ１は、磁歪素子５とバイアス磁界用磁石４，６との連結体の中心軸に対し、軸対称に構成される。
本発明の磁歪アクチュエータ１は、磁性体で出来ている壁面７に取り付けて使用するが、その取り付けは、バイアス磁界用磁石６を壁面７に接触させ、磁気力により壁面７に吸着させて行う。そのように取り付けた際、ケース２の側壁の下端と壁面７との間に或る程度の空隙８が出来るように、側壁の長さを設計しておく。

このような構成の本発明の磁歪アクチュエータ１は、図９に示した従来の磁歪アクチュエータに比べ、予荷重をかけるためのバネも不用となるなど、磁歪アクチュエータ自体の構成が簡単となる。その上、取付対象物に取り付けるには、磁歪アクチュエータ１をそのまま取付対象物である壁面７等に取り付ければよく、図９に示したような支持部材や取付治具は何ら必要としない。そのため、全体としてのコストは格段に安くなると共に、取り扱いもより一層簡便なものとなる。
なお、壁面が磁性体でない場合には、その壁面に磁性体の板を貼り付け、それに取り付けるようにすればよい。

次に、作動について説明する。
図１（２）は、バイアス磁界用磁石４，６の磁束１０が通る経路を示したものである。バイアス磁界用磁石４，６は永久磁石であり、使用する磁歪素子５に適切なバイアス磁界を提供するに相応しい強度の磁石が用いられる（例、ネオジウム磁石）。これによる磁束１０は、バイアス磁界用磁石４→磁歪素子５→バイアス磁界用磁石６→接触間隙９→壁面７→空隙８→ケース２→バイアス磁界用磁石４という経路を通る。接触間隙９は、バイアス磁界用磁石６が壁面７に吸着した時の接触面間に存在している間隙であり、これは両方の接触面の微小な凹凸によって出来る。

磁束１０は、接触間隙９と空隙８を通ることになるが、空隙に磁束が通ると、空隙の両側にある磁性体を互いに吸引するよう作用する磁気力が働く。図中の磁気力１１は、空隙８に作用する磁気力を示し、磁気力１２は接触間隙９に作用する磁気力を示している。これらの磁気力により、磁歪アクチュエータ１は、磁性体の壁面７に取り付けられる。
磁気力１１によりケース２は壁面７側に吸引されるので、ケース２の底部中央部分は、バイアス磁界用磁石４を介して、磁歪素子５の軸方向に押圧力１３を加えることになる。この押圧力１３は、磁歪素子５に対する予荷重として作用する。
即ち、本発明では、磁歪アクチュエータ１を壁面７に取り付けるために生じさせた磁気力１１を、同時に磁歪素子５に対する予荷重としても兼用することが出来る構成としている。

図２は、本発明の磁歪アクチュエータ１を任意の箇所に取り付けるときの図である。磁性体の壁面７に対する取り付けは、バイアス磁界用磁石４，６の磁気力によって行っているから、或る箇所から他の任意な箇所に移動する場合には、その磁気力より大きな力を加えて壁面７から取り外し、それを単に任意な箇所に運んで吸着させるだけでよい（図９で示したような支持部材をいちいち用意して取り付ける必要なし）。

さて、図１（３）に戻るが、これは、駆動用コイル３に駆動信号電流を流した場合に生じる磁束１４が通る経路をも示したものである。その経路は、バイアス磁界の磁束が流れる経路とほぼ同じであり、もちろん磁歪素子５も通る。従って、磁歪素子５に印加される磁界は、バイアス磁界に、駆動信号電流に応じて変動する駆動用磁界が重畳されたものとなる。その結果、図１０で示したように、駆動信号電流として交流電流を用いた場合、磁歪素子５の磁歪量が正弦波的に変動する。
即ち、磁歪素子５の寸法が上下に伸び縮みするが、本発明の磁歪アクチュエータ１は、その構造上、バイアス磁界用磁石６のところで壁面７と接触している以外、他の部分はどこにも固定されていないので、磁歪素子５が上に伸びれば磁歪アクチュエータ１全体も上に変位し、下に縮めば磁歪アクチュエータ１全体も下に変位する。

つまり、磁歪素子５は、磁歪素子５自身だけを上下に揺するのではなく、磁歪アクチュエータ１全体を上下に揺することになる。これにより、磁歪アクチュエータ１全体の質量の変位による慣性力が生じる。図中の慣性力１５はこの慣性力を示したものであるが、これは質量の小さい磁歪素子５のみが上下に揺すられた時に生ずる慣性力より遙かに大きい（図９の第１の従来例では、磁歪素子４０と可動ロッド４２のみが揺すられるだけで、慣性力が小さかった）。
この慣性力１５が、壁面７に振動力を与える（加振）源となるので、本発明では装置全体が小さい割りには大きい振動力を与えることが可能となる。

振動は、磁歪素子５の磁歪現象によってのみならず、空隙の磁気力による吸着力の変動によっても生ぜしめられる。
駆動用コイル３の磁束１４は駆動信号電流に応じて向きを変えるが、バイアス磁界の磁束１０と同方向となる場合は、合計の磁束は大となり磁気力による壁面７への吸着力は大となる。しかし、逆方向となる場合は合計磁束は小となり吸着力は小となる。このように磁気力による吸着力が変動すると、壁面７と接触している部分（バイアス磁界用磁石６）が、壁面７を押圧する力が変動することとなり、それが壁面７に振動を与えることになる。

しかし、駆動用コイル３に流される交流の周波数により、その加振力は変化する。一般にコイルのインピーダンスは周波数が大となれば大となり、流れる電流は小となって磁束１４の磁束も小となる。従って、磁束１４の変化による加振が効果的に行われるのは、磁束１４が大である低周波数の場合である。
他方、磁歪素子の磁歪は高周波においても応答よく行われるから、高周波での加振は、主として磁歪素子によって行われる。

本発明では、加振を電磁力と磁歪の力との両方を利用して行っているから、低周波数から高周波数までの広帯域にわたる周波数での加振が可能な磁歪アクチュエータを実現することが出来る。
図３は、本発明の第１の実施形態にかかわる磁歪アクチュエータの外観を示す図である。符号は図１のものに対応し、１６は配線孔、１７は配線である。ケース２の適宜な箇所には配線孔１６が開けられており、駆動用コイル３からの配線１７が引き出されるようにされている。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態の断面を示す図であり、符号は図１のものに対応し、１８は吸着用磁石である。第１の実施形態と相違する点は、ケース２の内壁下端に吸着用磁石１８を新たに設けた点である。吸着用磁石１８は、バイアス磁界用磁石４，６だけでは吸着力が不足するという場合に設けられる。ケース２の内壁にぐるりとリング状に設けてもよいし、円周上のところどころに設けてもよい。

（第３，第４の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態の断面を示す図である。符号は図１のものに対応し、１９は吸着補助平板である。第１の実施形態と相違する点は、壁面７に吸着させるバイアス磁界用磁石６の先端に、それより面積が大で、磁性体で出来ている吸着補助平板１９を固着した点である。こうすることにより、壁面７への吸着は、バイアス磁界用磁石６より面積大の吸着補助平板１９で行われることになるので、壁面７との接触面が増大し、吸着が強固で且つ安定的なものとなる。
図６は、本発明の第４の実施形態の断面を示す図であり、第３の実施形態のものに、第２の実施形態で取り付けたような吸着用磁石１８を、更に設けたものである。壁面７への吸着力が強化される。

（第５，第６の実施形態）
図７は、本発明の第５の実施形態の断面を示す図である。符号は図５のものに対応し、２０は補強材である。図５の第２の実施形態と相違する点は、磁歪素子５とバイアス磁界用磁石４，６との連結体に沿って、補強材２０を設けた点である。壁面７に対して打撃力を与える部分は、該連結体の下端付近であるので、磁歪素子５を含む連結体の機械的強度が不足すると思われる場合には、その周囲を取り巻くように補強材２０を設けて補強する。
図８は、本発明の第６の実施形態の断面を示す図であり、第５の実施形態のものに、第２の実施形態で取り付けたような吸着用磁石１８を、更に設けたものである。壁面７への吸着力が強化される。

本発明の第１の実施形態にかかわる磁歪アクチュエータの断面を示す図 本発明の磁歪アクチュエータを任意の箇所に取り付けるときの図 本発明の第１の実施形態にかかわる磁歪アクチュエータの外観を示す図 本発明の第２の実施形態の断面を示す図 本発明の第３の実施形態の断面を示す図 本発明の第４の実施形態の断面を示す図 本発明の第５の実施形態の断面を示す図 本発明の第６の実施形態の断面を示す図 磁歪アクチュエータの第１の従来例を示す図 磁歪素子の印加磁界と磁歪量との関係を示す図

符号の説明

１…磁歪アクチュエータ、２…ケース、３…駆動用コイル、４…バイアス磁界用磁石、５…磁歪素子、６…バイアス磁界用磁石、７…壁面、８…空隙、９…接触間隙、１０…磁束、１１，１２…磁気力、１３…予荷重、１４…磁束、１５…慣性力、１６…配線孔、１７…配線、１８…吸着用磁石、１９…吸着補助平板、２０…補強材、３０…支持部、３１…回転軸、３２…脚部、３３…回転軸、３４…固定部、３５…取付対象物、３６…磁歪アクチュエータ、３７…永久磁石、３８…ケース、３９…駆動用コイル、４０…磁歪素子、４１…永久磁石、４２…可動ロッド、４３…皿バネ、４４…ふた、４５…振動板、５０…曲線、５１…駆動用磁界、５２…磁歪量変化

Claims (5)

1. 表面の材質が磁性体である壁面に取り付け、内蔵した磁歪素子の振動により該壁面に振動を与える磁歪アクチュエータにおいて、
   該磁歪素子へのバイアス磁束と該磁歪素子に振動変位を与えるための駆動磁束とが、前記壁面および前記壁面との間に設けられた空隙をも経由して通る構成を具えた
   ことを特徴とする磁歪アクチュエータ。
   
2. 表面の材質が磁性体である壁面に取り付け、内蔵した磁歪素子の振動により該壁面に振動を与える磁歪アクチュエータにおいて、
   底部と側壁部を有する磁性体のケースと、
   該ケースの内側底部の中心に植立固着された、棒状の磁歪素子の端部にバイアス磁界用磁石を固着して成る磁歪素子とバイアス磁界用磁石との連結体と、
   前記ケースの内側底部に該連結体の周囲を取り囲むように植立固着された、前記磁歪素子に駆動磁界を供給するための駆動用コイルと
   を具え、
   前記ケースの側壁の長さを、前記連結体を前記壁面に接触させて取り付けたときに、前記ケースの側壁端部と該壁面との間に振動時においても接触しない程度の空隙が生ずる長さとした
   ことを特徴とする磁歪アクチュエータ。
   
3. 連結体の壁面に接触させる側の先端に、該連結体の接触面積より広い面積を有する磁性体の吸着補助平板を固着した
   ことを特徴とする請求項２記載の磁歪アクチュエータ。
   
4. ケースの側壁端部の内側に吸着用磁石を設けたことを特徴とする請求項３記載の磁歪アクチュエータ。
   
5. 連結体の磁歪素子に沿って補強する補強材を設けたことを特徴とする請求項３または４記載の磁歪アクチュエータ。
   

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