JP2009005197A - 振動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁歪素子を利用した新規な振動装置を提供する。
【解決手段】振動装置３００は、磁歪装置３０と、本体４０と、振動伝達機構３１０と、を備える。磁歪装置３０は、磁界に応じて伸縮する超磁歪素子１と、磁界を発生するコイル４及びバイアス用磁石２と、それらを所定位置に保持するハウジング８とを含む。本体４０は、超磁歪素子１の本体４０側の端の振動を抑制するのに十分な硬度及び質量を有する。振動伝達機構３１０は、チューブ３０２と、チューブ３０２内に摺動可能に配設されたワイヤ３０４と、を備える。ワイヤ３０４の一端は、超磁歪素子１に連結される。
【選択図】図１０

Description

本発明は、振動装置に関し、特に磁歪素子を利用して振動を発生する振動装置に関する。

ある種の磁性材料は、外部の磁界の変化に応じて歪を生じる。また、このような磁性材料に応力を加えて変形させると、その応力に応じて磁気特性が変化する。これらの現象は「磁歪」と呼ばれる。近年、従来知られていた磁歪素子の変位量に比して５０〜１００倍の変位を示す材料が発見されており、それらは「超磁歪素子」と呼ばれている。

磁歪素子に交流磁界を印加すると、その交流磁界の周波数に等しい周波数の振動を発生させることができる。このような現象を利用して、例えば、超磁歪素子を骨伝導式ヘッドフォンや聴覚補助器具などに応用することが期待されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
特開２００１−２５８０９５号公報 特開２００４−２６６３０７号公報

本発明者は、振動の変位が大きく、かつ、発生応力が大きいという磁歪素子の特性を生かして、磁歪素子を利用した全く新しい振動装置を想到するに至った。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁歪素子を利用した新規な振動装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の振動装置は、磁界に応じて伸縮する磁歪素子と、磁界を発生する磁界発生手段と、磁歪素子と磁界発生手段とを所定位置に保持するハウジングと、磁歪素子の振動を遠隔に伝達する振動伝達機構と、を備える。

この態様によると、磁歪素子の振動を、遠隔に伝達できる振動装置を構成することができる。

ハウジングが該振動装置の外部の部材に対して連結されることにより、磁歪素子の外部の部材側の端の変位が、外部の部材により抑制されてもよい。

ハウジングが該振動装置の外部の部材に対して連結されることにより、外部の部材の質量を、磁歪素子の外部の部材側の端の変位を抑制するために利用可能であってもよい。

振動伝達機構は、チューブと、チューブ内に摺動可能に配設されたワイヤと、を備え、ワイヤの一端が、磁歪素子に連結されてもよい。この場合、ワイヤを介して振動を伝達する振動伝達機構を構成することができる。

振動伝達機構は、チューブと、チューブの両端をそれぞれ閉塞する蓋部と、チューブと蓋部によって形成される空間に充填された液体と、を備え、チューブの一端側の蓋部が、磁歪素子に連結されてもよい。この場合、液体を介して振動を伝達する振動伝達機構を構成することができる。

液体は、所定の圧力が印加された状態で、チューブと蓋部によって形成される空間に充填されてもよい。この場合、振動を効率的に伝達することができる。また、チューブは、弾性部材により形成されてもよい。この場合、振動伝達機構を変形自在とすることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、磁歪素子を利用した新規な振動装置を提供することができる。

まず、磁歪素子を駆動する磁歪装置に関する前提技術について説明する。つづいて、その磁歪装置を利用した振動装置について説明する。

（前提技術）
図１は、従来の磁歪装置の構成を示す。従来の磁歪装置９０は、磁歪素子９１、コイル９２、バイアス用磁石９３、キャップ９４、及びケース９５を備える。磁歪素子９１は、略円柱状の形状を有しており、コイル９２及びバイアス用磁石９３により発生される磁界に応じて、その高さ方向に伸縮するように変位する。磁歪素子９１は、その高さ方向が、略円柱状のケース９５の深さ方向に一致するように、ケース９５のほぼ中央に配置される。コイル９２は、磁歪素子９１の周囲に設けられ、外部の駆動装置から入力される電流により、磁歪素子９１の周囲に磁界を発生する。バイアス用磁石９３は、磁歪素子９１の周囲に所定の強度の磁界をバイアスとして固定的に与えるために設けられている。キャップ９４は、略円盤状の形状を有しており、磁歪素子９１、コイル９２、及びバイアス用磁石９３を内部に含むケース９５の封をするために設けられている。ケース９５の側壁部の上部に係合溝９６が形成されており、そこにキャップ９４の係止部９７が係止され、キャップ９４とケース９５が互いに固定される。このとき、磁歪素子９１は、キャップ９４とケース９５に上下から押圧され、所定のプリストレスが与えられる。

コイル９２に交流電流が与えられると、コイル９２の周囲に交流磁界が発生し、これにより、磁歪素子９１が軸方向に伸縮する。磁歪素子９１の伸縮によりキャップ９４が振動し、キャップ９４を介して振動が外部へ伝達される。例えば、図１に示した磁歪装置９０をヘッドフォンに利用する場合、キャップ９４を耳付近に押圧接触させ、磁歪素子９１により発生された振動を、キャップ９４を介して頭部に伝達する。キャップ９４は、ケース９５の底部よりも大きな弾性を有するように形成されている。これにより、磁歪素子９１の振動がケース９５の底部により吸収されてしまうのを防ぎ、キャップ９４を介して対象物、例えば利用者の頭部へ効率良く伝達されるようにしている。

図２は、超磁歪材料と圧電材料の特性を示す。テルビウム・ディスプロシウム・鉄（TbDyFe）などの超磁歪材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：PbZrO₃-PbTiO₃）などの圧電材料に比べて、以下に挙げるような優れた特性を有している。まず、超磁歪材料は、発生応力が大きく、変位量が大きいので、超磁歪素子が発生する振動を効率良く外部へ伝達することができる。また、駆動電圧が低いので、消費電力が小さくて済む。また、キュリー温度が高いので、高温でも使用できる。また、磁場により振動するので、駆動部分が電源と非接触であり、安全性に優れている。

更に、超磁歪材料は、発生応力が大きいので、エネルギーの大きい低周波の振動も確実に外部へ伝達することができるとともに、応答速度が速いので、高周波の入力信号にも確実に追随して振動を発生させることができる。したがって、幅広い周波数帯でフラットな特性が実現される。これは、とくに、ヘッドフォンやスピーカなどへの利用に好都合である。従来の圧電材料を用いたヘッドフォンなどにおいては、高々５〜２０ｋＨｚ程度までの音しか発生することができなかったが、超磁歪材料を用いることにより、３０ｋＨｚ以上の音を発生することができる。人間の可聴域の限界は２０ｋＨｚ程度と言われているが、超音波を感覚するという学説もある。また、鼓膜を介した聴覚ではなく、骨伝導による聴覚の研究はさほど進んでおらず、超音波領域の音を骨伝導で聴いたときの感覚は未知の世界である。本発明者は、近年、超音波領域の音も録音可能な機材が開発されていることも考慮し、高周波の音を発生させることのできない圧電材料ではなく、超音波領域の音も忠実に再生可能な超磁歪材料を用いたヘッドフォンやスピーカを開発したいと考えた。

しかしながら、本発明者は、超磁歪材料の優れた周波数特性を発揮させるためには、以下のような課題が存在することを認識するに至った。図３（ａ）（ｂ）は、磁歪素子が振動する様子を模式的に示す。図３（ａ）に示すように、磁歪素子９１の一端（以下、「固定端」と呼ぶ）９８が固定されていれば、磁歪素子９１は逆側の端（以下、「出力端」と呼ぶ）の方向にのみ伸縮するので、磁歪素子９１が伸縮したときの振動は、出力端９９から効率良く外部へ伝達される。しかし、図３（ｂ）に示すように、磁歪素子９１の固定端９８を支持する部材が弾性を有していたり、軽量であったりして、固定端９８が振動してしまう場合は、その分だけ、出力端９９から外部へ伝達される振動の変位量や応力が減衰することになる。図１に示した磁歪装置９０において、キャップ９４を対象物に押圧接触させ、磁歪素子９１の振動を対象物に伝達するときに、キャップ９４が対象物を押す力の反作用により、磁歪素子９１の固定端９８がケース９５の底部を押す力が発生する。このときに、図３（ｂ）に示すように、ケース９５が十分な慣性質量を有していなければ、出力端９９における振動が減衰し、磁歪素子９１の振動が十分に対象物に伝達されない。この現象は、振動エネルギーが大きい低周波帯において特に顕著となり、例えば磁歪装置９０をヘッドフォンに利用する場合に、低音領域の音声が聞こえづらくなってしまう。

本発明者は、このような課題を認識し、幅広い周波数帯において磁歪素子９１の周波数特性を劣化させないようにするためには、磁歪素子９１の固定端９８が当接する部材、例えば図１の磁歪装置９０においてはケース９５が、十分な慣性質量と硬度を有している必要があることを想到するに至った。このような課題は、圧電素子よりも発生応力の大きい磁歪素子ならではの課題であり、圧電素子を利用した音声伝達装置の開発者にとっては、課題として認識すらされていなかったと考えられる。また、聞こえにくい音域であっても妥協を許さず、人間の可聴域の全ての音を忠実に再生することが可能な音声伝達装置を実現したいという本発明者のこだわりから、認識されるに至った課題であると言える。後述するように、本発明者の実験によれば、超磁歪装置を振動発生装置として利用する場合に、広い周波数帯域で効率良く駆動させるためには、可動質量の約１３．８倍以上、好ましくは２１倍以上、より好ましくは６９倍以上の慣性質量を磁歪素子９１の固定端９８側に設ける必要があることが分かっている。

図４は、上記の課題を踏まえて改良された磁歪装置の構成を示す。磁歪装置２０は、主に、超磁歪素子１、バイアス用磁石２（バイアス用上位磁石２ａ及びバイアス用下位磁石２ｂ）、ボビン３、コイル４、リード配線５ａ及び５ｂ、振動ロッド６、プリストレスキャップ７ａ、ケース７ｂ、及び弾性部材（弦巻発条）９を含む。

超磁歪素子１は、音声を変換してなる信号を振動に変換する振動変換素子として用いられるもので、概ね円柱状の外形を有し、上面にはバイアス用上位磁石２ａ、底面にはバイアス用下位磁石２ｂが、それぞれ配置される。この超磁歪素子１は、バイアス用上位磁石２ａとバイアス用下位磁石２ｂとの間に挟持された状態でケース７ｂの内部に収容されて、バイアス用上位磁石２ａとバイアス用下位磁石２ｂとによる磁界をバイアス磁界として恒常的に受ける（バイアス磁界が超磁歪素子１を恒常的に貫通する）ように設定されている。またそれと共に、この超磁歪素子１は、ケース７ｂの内部に収容された状態で、底面をケース７ｂによって支持されつつ、上面に振動ロッド６が弾性部材９の弾性力を受けて押し当てられることで、いわゆるプリストレスが恒常的に印加されるように設定されている。この超磁歪素子１は、上記のようにしてバイアス磁界とプリストレスとを恒常的に与えられた状態で、周囲に配置されたコイル４による可変磁界を受けることによって、入力された電気信号に対応した振動を発生する。

コイル４は、例えばガラス基材ポリカーボネートのような材質からなるボビン３の中心胴を巻回軸心として、その周囲に導体線を巻回してなるものである。リード配線を介して導体線に電気信号が入力されると、それに対応してコイル４が磁界を発生する。このコイル４から発せられる可変磁界が超磁歪素子１を貫くことで、その可変磁界の強さに対応して超磁歪素子１が伸縮し、それが振動として出力される。

振動ロッド６は、一端がバイアス用上位磁石２ａを介して超磁歪素子１に機械的に接続され、超磁歪素子１から出力される振動を他端から外部へ伝達する。この振動ロッド６にはフランジ部６１が設けられており、そのフランジ部６１で弾性部材９による付勢力を受けて、バイアス用上位磁石２ａに押し付けられる。その押圧力はバイアス用上位磁石２ａを介して超磁歪素子１に印加される。また、そのフランジ部６１及び弾性部材９によって、振動ロッド６全体がケース７ｂ及びプリストレスキャップ７ａの外側へと抜け落ちることを防いでいる。

ケース７ｂは、上記のような超磁歪素子１、バイアス用上位磁石２ａ、バイアス用下位磁石２ｂ、ボビン３、コイル４、振動ロッド６、弾性部材９を、所定の状態に組み立てられた状態で収容する、いわゆる容器（又はボディ）である。プリストレスキャップ７ａは、ネジ機構、溶接、カシメ、樹脂硬化などによりケース７ｂに固定される。プリストレスキャップ７ａをケース７ｂに固定するときに、弾性部材９を介して超磁歪素子にプリストレスが与えられる。超磁歪素子１にプリストレスを与えることにより、電気信号と振動との間の変換効率を向上させることができる。プリストレスキャップ７ａ及びケース７ｂは、その内部の磁界を外側に漏らさないようにするため、及びその内部の磁界をより効果的に発生させるために、磁性体からなるものとすることが望ましい。

図５は、磁歪装置２０を振動発生装置として備える電子機器の一例であるヘッドフォンの構成を示す。ヘッドフォン１００は、本体１１０、磁歪装置２０、及び振動パッド２８を備える。本体１１０は、外部の再生装置などから入力される電気信号を磁歪装置２０のコイルへ伝達するための回路２９を含む。振動パッド２８は、磁歪装置２０の振動ロッド６に取り付けられ、振動ロッド６から伝達される振動を、ユーザの耳付近の頭蓋骨へ伝達する。ユーザは、振動パッド２８のおもて面から伝達される振動を、骨伝導により音声として認識することができる。本発明者は、図５に示した骨導式ヘッドフォン１００を試作し、低音から高音までの幅広い音域が忠実に再現され、優れた音響特性が実現されていることを確認した。

このように、幅広い周波数帯域の振動を効率良く発生させる磁歪装置を実現することができたが、その一方で、本発明者は、磁歪装置をヘッドフォン、聴覚補助器具、携帯電話端末のスピーカなどに利用する場合、装置の更なる小型化・軽量化が必要であることも課題として認識していた。ヘッドフォンや携帯電話端末などのように、小型で軽量であることが好まれる商品においては、サイズや重量の僅かな差が商品の売れ行きに多大な影響を及ぼすことは、既に市場で証明されていることである。たとえ、先行する類似商品よりも優れた特性を有していても、その先行商品よりも僅かに大きかったり、重かったりすることが、消費者の購買意欲を低下させる一因になってしまうことは、本発明者も認識しているところであり、これは、優れた性能を有する磁歪素子よりも、圧電素子を利用したヘッドフォンの方が先に商品化されていることからも証明されている。

超磁歪素子１は柱状であり、高さ方向に変位するので、可動部品を磁歪素子の高さ方向に直列に連結させる必要がある。また、対象物に必要な振動を与えるためには、ある程度の高さを有した超磁歪素子１を設ける必要があるので、高さ方向のサイズを小さくすることには限界がある。したがって、磁歪装置２０の小型化・軽量化のためには、磁歪装置２０の総重量のうちかなりの割合を占めるケース７ｂ及びプリストレスキャップ７ａを小型化・軽量化する必要がある。しかし、ケース７ｂについても、上述したように、低周波領域の特性を維持するためには、ある程度の慣性質量を有している必要がある。本発明者は、様々な実験を重ね、試行錯誤を繰り返す中で、このような二律背反する要請に応える技術を想到するに至った。

図６は、前提技術に係る磁歪装置の構成を示す。磁歪装置３０は、図４に示した磁歪装置２０の構成に比べて、プリストレスキャップ７ａ及びケース７ｂに代えてハウジング８を備えている。ハウジング８は、磁歪装置３０が設けられる電子機器の本体へ磁歪装置３０を取り付けるための連結機構の一例であるネジ部８１を備える。すなわち、磁歪装置３０の各構成は、ハウジング８に収容された状態で、ネジ部８１により電子機器の本体へ取り付けられる。ハウジング８は、磁界発生手段であるバイアス用磁石２、コイル４、リード配線５ａ及び５ｂにより発生される磁界の磁気回路を調整して磁界を増幅させるために、軟鉄板などにより構成されるヨークを含む。このヨークにより、ハウジング８内に閉磁路が形成され、外部へ磁界が漏洩しないように遮断される。

図７は、図６に示した磁歪装置３０を備える電子機器の構成を模式的に示す。電子機器５０の本体４０は、磁歪装置３０を取り付けるための連結機構の一例であるネジ部４１を備えている。磁歪装置３０のネジ部８１と、本体４０のネジ部４１を螺合させることにより、磁歪装置３０が本体４０に取り付けられる。連結機構は、その他、溶接、カシメ、樹脂硬化などにより磁歪装置３０と本体４０とを連結させてもよい。ハウジング８の本体４０側の面は開放されており、磁歪装置３０が本体４０に取り付けられると、バイアス用下位磁石２ｂが直接本体４０に当接する。このとき、本体４０の、バイアス用下位磁石２ｂが当接する位置に突起４２が設けられており、ネジを締めることにより、超磁歪素子１がバイアス用下位磁石２ｂを介して突起４２から押圧され、超磁歪素子１に所定のプリストレスが印加される。また、リード配線５ａ及び５ｂが本体４０の回路４９に接続され、回路４９から入力される電気信号がコイル４へ伝達される。

図４に示した磁歪装置２０では、超磁歪素子１の固定端を支持する機能をケース７ｂが担っていたが、図６及び図７に示した磁歪装置３０では、この機能を、磁歪装置３０へ電気信号を入力するための回路などの構成を含む電子機器５０の本体４０に担わせるのである。つまり、ハウジング８は、超磁歪素子１、コイル４、バイアス用磁石２、弾性部材９などの構成を収納するために設けられており、超磁歪素子１の固定端を支持する機能や超磁歪素子１にプリストレスを印加する機能は担わない。ハウジング８が本体４０に連結されることにより、本体４０の質量が、超磁歪素子の固定端の変位を抑制するために利用可能となり、本体４０により、超磁歪素子の固定端の変位が抑制される。これにより、磁歪装置３０の外部の部材により超磁歪素子の固定端の変位を抑制することができるので、大きな慣性質量を有する部材を磁歪装置３０に設ける必要がなくなる。さらに、超磁歪素子１にプリストレスを印加するためのプリストレスキャップも省略することができるので、磁歪装置３０を小型化・軽量化することができ、ひいては、電子機器５０全体を小型化・軽量化することができる。

また、従来の磁歪装置では、ケースとプリストレスキャップも含めて組み上げられた磁歪装置がまず存在し、その磁歪装置を電子機器などへ組み込む必要があったが、磁歪装置３０では、本体４０が十分な質量と硬度を有していさえすれば、どのような本体４０にも取り付けることができるので、磁歪装置３０を利用した電子機器を柔軟に設計することができる。

図１に示した従来の磁歪装置９０においては、磁歪素子９１にプリストレスを印加する機構が必要である以上、その機構は磁歪装置９０内に設けることが当然であるという思想に暗黙のうちに束縛されていたと言える。また、図４に示した磁歪装置２０においても、超磁歪素子１の固定端の振動を抑制するように支持する機構が必要であり、その機構を磁歪装置２０内に設けていた。そして、その思想から脱却できないために、磁歪装置９０及び２０を小型化・軽量化することができず、このことこそが、性能では圧電素子をはるかに凌駕する磁歪素子の普及を妨げる根本的な要因となっていた。

特許文献２（特開２００４−２６６３０７号公報）には、スピーカユニットのハウジング内に、受信回路、電池、ケースの質量を利用したカウンタマスを設け、駆動コイルにより振動素子が伸縮駆動されることで発生する振動を、他端側の振動板に効率良く伝達するようにする技術が開示されている。しかし、スピーカユニットの内部にカウンタマスが設けられることに変わりはなく、スピーカユニットが軽量化されているとは言えない。さらに、磁歪素子の固定端側に大きなカウンタマスを設けているので、スピーカユニットが振動素子の振動方向に長いスティック状の形状となっており、スピーカユニットが小型化されているとは言えない。

本発明者は、磁歪装置の軽量化及び小型化、とくに振動素子の振動方向の小型化を目指して発想の転換を図り、電子機器５０の本体４０が、超磁歪素子１にプリストレスを印加し、かつ、超磁歪素子１の固定端の振動を抑制する部材として機能すればよいことに思い当たった。これにより、磁歪装置３０は、自身が超磁歪素子１の固定端の振動を抑制するだけの慣性質量を有していなければならないという束縛から解放され、大幅に小型化・軽量化することが可能となった。更に、超磁歪素子１を上下から挟持してプリストレスを印加するための部材の一部を省略することが可能となり、超磁歪素子１の振動方向の小型化に成功した。これは、周波数特性の維持と、小型化・軽量化という、二律背反する要請の双方が満足されたことを意味する。したがって、本発明は、特性では優れている磁歪素子の商品化を妨げていた課題を克服し、磁歪素子を用いた機器の普及のためのブレイクスルーとなる画期的な発明であると言える。

前述したように、磁歪素子の固定端における振動を抑制し、出力端における振動を効率良く外部へ伝達するためには、可動質量の約１３．８倍以上の慣性質量が固定端側にあればよい。したがって、本体４０は、超磁歪素子１、バイアス用磁石２、弾性部材９、及び振動ロッド６の質量の合計の約１３．８倍、好ましくは約２１倍、より好ましくは約６９倍以上の質量を有していればよい。また、振動ロッド６により振動される別の構成、例えば利用者の耳付近にヘッドフォンをあてがうための振動パッドなどが設けられている場合には、その質量も振動ロッド６の質量に含める。また、本体４０と力学的に一体であるとみなせる構成部材の質量は、本体４０の質量に含めてもよい。

固定端側の構成が当接する位置の本体４０の部材、図７の例では突起４２は、超磁歪素子１の固定端側の振動を抑制するために十分な硬度を有していることが望ましい。また、ハウジング８は、磁性体であることが望ましい。しかし、例えば磁歪装置３０をヘッドフォンなどに利用する場合は、発生する磁場はさほど大きくないので、ハウジング８は磁性体でなくてもよい。この場合、より軽量化を図るために、ハウジング８を質量の軽い材料により構成してもよい。

図８は、図６に示した磁歪装置３０を備える電子機器５０の一例であるヘッドフォンの構成を示す。ヘッドフォン２００は、図５に示したヘッドフォン１００に備えられていた密閉型の磁歪装置２０に代えて、図６に示した開放型の磁歪装置３０を備える。本発明者は、図８に示したヘッドフォン２００を試作し、図５に示したヘッドフォン１００と同様に、低音から高音までの幅広い音域が忠実に再現され、優れた音響特性が実現されていることを確認した。

本発明者は、図４に示した密閉シリンダー型の磁歪装置２０を備えた図５のヘッドフォン１００と、図６に示した開放型の磁歪装置３０を備えた図８のヘッドフォン２００を試作し、可動質量と固定端を支持する慣性質量との質量比と、ヘッドフォンから出力される音声の周波数特性との関係を、実際にヘッドフォンを装着した同一被験者の聴覚により確認した。骨伝導により人体に知覚される音声の周波数特性を数値として計測するのは困難であるため、今回は被験者の聴覚により周波数特性の差異を確認している。

図４の密閉型の磁歪装置２０を用いた実験では、可動部分の質量が１．３ｇ、固定端を支持する慣性質量が１７．９ｇ、総質量が２２．２ｇである磁歪装置２０の試作品が、従来の圧電素子などを用いた骨導式ヘッドフォンよりも優れた周波数特性、すなわち広範囲の周波数の音声を出力する能力を有することが確認された。したがって、固定端を支持する慣性質量は、可動質量の約１３．８倍以上であることが好ましいことが分かった。磁歪装置２０の超磁歪素子１の振動を被験者の頭部へ伝達するための振動パッドの質量を可動質量に含めると、慣性質量は可動質量の約３．４倍以上であることが好ましい。この磁歪装置２０を備えたヘッドフォン１００の試作品は、本体を含めた固定端側の慣性質量が約９０ｇで、可動質量の約６９倍（振動パッドを含めた場合は約９倍）となっており、従来の骨導式ヘッドフォンよりも優れた音響特性を有することが確認された。

これに対し、図６の開放型の磁歪装置３０では、プリストレスキャップ７ａとケース７ｂをハウジング８に交換したことにより、磁歪装置３０の質量を１２．８ｇに抑えることができた。磁歪装置２０の試作品の質量は約２２．２ｇであったので、磁歪装置の質量が約半分に抑えられている。上述の実験により、可動質量の約１３．８倍以上、より好ましくは６９倍以上の慣性質量の部材を固定端側に設けることで優れた周波数特性が得られることが分かっているので、磁歪装置３０を装着する対象となる本体が、その質量を有していればよい。試作品の磁歪装置３０の場合、可動質量が１．３ｇであるから、本体の質量は１７．９ｇ以上であればよい。本発明者は、１２．８ｇの磁歪装置３０を２７ｇ（可動質量の約２１倍）の本体４０に装着したヘッドフォン２００を試作し、音響特性の優れたヘッドフォンが実現されていることを確認した。このヘッドフォン２００は、ヘッドフォン１００と同様に優れた音響特性を維持しつつ、ヘッドフォン１００に比べて大幅に軽量化が図られている。この試作品では、ハウジング８を金属により構成しているが、コイルをパーマロイのようなヨークで閉磁路にすれば、ハウジング８を樹脂などの軽量な材料で構成してもよい。これにより、更に磁歪装置３０を軽量化することができ、ヘッドフォンなどの装置全体を軽量化することができる。

図９は、前提技術に係る電子機器５０の別の構成例を示す。図９に示した磁歪装置３０は、図７に示した磁歪装置３０の構成に加えて、底板１１を更に備える。底板１１は、例えば、磁歪装置３０又は本体４０へ水滴が侵入するのを防ぐために、防水加工された板により構成されてもよいし、本体４０側へ磁場が漏れるのを防ぐために、磁性体により構成されてもよい。本図の磁歪装置３０は、本体４０側に底板１１が設けられているので、開放型ではなく密閉型であるが、底板１１は、超磁歪素子１の固定端の振動を抑制するために必要な慣性質量を有している必要はない。底板１１は、超磁歪素子１の固定端の振動を抑制するために設けられるのではなく、振動の抑制に必要な慣性質量は電子機器５０の本体４０が有していればよい。

この場合も、本体４０は、可動質量の約１６．８倍以上、好ましくは約２１倍以上、より好ましくは約６９倍以上の質量を有していればよいが、底板１１の質量を本体４０の質量に含めてもよい。また、底板１１以外に、本体４０と超磁歪素子１の間に部材が設けられている場合は、その部材の質量を本体４０の質量に含めてもよい。要は、超磁歪素子１の固定端側に、固定端の振動を抑制するのに十分な質量及び硬度があればよい。これにより、超磁歪素子１の振動を効率良く外部へ伝達することができる。また、磁歪装置３０の優れた周波数特性を遺憾なく発揮させることができ、特に、磁歪装置３０をヘッドフォン２００に利用する場合には、音質を向上させることができる。

（実施の形態）
本発明者は、前提技術で説明した磁歪装置の発生応力及び変位量の大きさに着目し、磁歪装置の振動を遠隔に伝達することのできる振動装置を想到するに至った。この振動装置は、発生応力及び変位量が大きく、また、超音波帯域の振動も伝達することができるので、音響分野、医療分野など、様々な分野に利用することができる。以下、図面を参照してこの振動装置について説明する。

図１０は、実施の形態に係る振動装置の構成を示す図である。図１０に示すように、振動装置３００は、磁歪装置３０と、本体４０と、振動伝達機構３１０と、を備える。

磁歪装置３０は、図６及び図７に示した磁歪装置であり、ハウジング８のネジ部８１と、本体４０のネジ部４１を螺合させることにより、磁歪装置３０が本体４０に取り付けられている。このように、ハウジング８が本体４０に連結されることにより、本体４０の質量が、超磁歪素子１の固定端の変位を抑制するために利用可能となり、本体４０により、超磁歪素子１の固定端の変位が抑制される。これにより、磁歪装置３０の外部の部材により超磁歪素子の固定端の変位を抑制することができるので、大きな慣性質量を有する部材を磁歪装置３０に設ける必要がなくなる。さらに、超磁歪素子１にプリストレスを印加するためのプリストレスキャップも省略することができるので、磁歪装置３０を小型化・軽量化することができ、ひいては、振動装置３００全体を小型化・軽量化することができる。

振動伝達機構３１０は、超磁歪素子１の振動を遠隔に伝達する機能を有する。図１０に示すように、振動伝達機構３１０は、チューブ３０２と、チューブ３０２内に摺動可能に配設されたワイヤ３０４と、を備える。

ワイヤ３０４は、その一端が振動ロッド６に当接され、振動ロッド６、バイアス用上位磁石２ａを介して超磁歪素子１に機械的に連結される。振動ロッド６と当接するワイヤ３０４の一端を超磁歪素子側端３０４ａ、ワイヤ３０４の他方の端を振動端３０４ｂと呼ぶ。ワイヤ３０４の長さは、振動装置３００が用いられる用途に応じて、任意の長さとすることができる。また、ワイヤ３０４の種類は特に限定されないが、可撓性材料のワイヤ、たとえば、アルミワイヤやスチールワイヤなどの金属ワイヤや、プラスチックワイヤを用いることが好ましい。

超磁歪素子側端３０４ａと振動ロッド６は、接着剤や溶接などにより恒久的に接続されてもよいし、磁石や取付部材を設けて取り外し可能なように接続されてもよい。取り外し可能に接続した場合には、用途に応じて異なる長さのワイヤを取り替えることが可能となる。また、ワイヤ３０４と振動ロッド６は、一体の部品として形成されてもよい。この場合、部品点数が減るので、部品コスト及び組立工数を削減することができる。

チューブ３０２は、ワイヤ３０４を覆うように設けられる。チューブ３０２の磁歪装置３０側の端３０２ａは、ハウジング８に設けられたチューブ取付部３１２に取り付けられる。また、チューブ３０２の他端３０２ｂからは、ワイヤ３０４の振動端３０４ｂが露出している。チューブ３０２の内径は、ワイヤ３０４がチューブ３０２内を摺動可能となるように、ワイヤ３０４の外径よりも大きく形成される。ワイヤ３０４とチューブ３０２の摩擦係数を低減するために、チューブ３０２の内壁にオイルなどの潤滑剤を塗布してもよい。チューブ３０２の材料は特に限定されないが、可撓性のある弾性材料で形成することにより、振動伝達機構３１０を変形自在に構成することができる。

以上のように構成された振動装置３００において、本体４０の回路４９によりコイル４に交流電流が印加されると、コイル４の周囲に交流磁界が発生し、超磁歪素子１が伸縮する。超磁歪素子１の伸縮が、振動としてバイアス用上位磁石２ａ、振動ロッド６を介してワイヤ３０４に伝達され、振動端３０４ｂを振動させることができる。このように、振動装置３００は、振動伝達機構３１０を備えることにより、磁歪装置３０の発生した振動を遠隔まで伝達することができる。また、超磁歪素子１の振動方向とは異なる方向に振動方向を変換して振動を伝達することができる。

ワイヤを用いて振動源の振動を遠隔に伝達しようとした場合、振動させるワイヤ全体の質量や、チューブとワイヤとの間の摩擦力のために、振動源には大きな発生応力が必要となる。本実施の形態に係る振動装置３００は、振動源として発生応力が大きい超磁歪素子を用いることにより、ワイヤを介した振動の伝達を実現している。ワイヤを複数設けることにより、一つの超磁歪素子１の振動を複数の対象物へ伝達することもできる。

図１１は、実施の形態に係る振動装置の別の構成例を示す図である。図１１に示すように、振動装置４００は、磁歪装置３０と、本体４０と、振動伝達機構４１０と、を備える。振動装置４００は、振動伝達機構４１０の構成が、図１０の振動装置３００と異なっている。

図１１に示すように、振動伝達機構４１０は、チューブ４０２と、振動端側蓋部４０６と、磁歪素子側蓋部４０８と、液体４０４と、を備える。

チューブ４０２の長さは特に限定されず、振動装置４００の用途に応じて任意の長さとすることができる。また、チューブ４０２の材料は特に限定されないが、可撓性のある弾性材料で形成することにより、振動伝達機構４１０を変形自在に構成することができる。

振動端側蓋部４０６、磁歪素子側蓋部４０８は、チューブ４０２両端の開口部を閉塞するように設けられる。振動端側蓋部４０６、磁歪素子側蓋部４０８は、ゴム等の弾性材料や、金属材料により形成することができる。チューブ４０２、振動端側蓋部４０６及び磁歪素子側蓋部４０８によって形成される空間には、液体４０４が充填される。液体４０４は、所定の圧力が印加された状態で充填されることが好ましい。圧力が印加された状態で液体４０４を充填することにより、振動を効率的に伝達することができる。

振動伝達機構４１０は、磁歪素子側蓋部４０８が振動ロッド６と当接されることにより、振動ロッド６、バイアス用上位磁石２ａを介して超磁歪素子１に機械的に連結される。振動伝達機構４１０は、ハウジング８に設けられた振動伝達機構支持部４１２により支持される。振動伝達機構４１０は、接着剤や溶接などにより恒久的に振動伝達機構支持部４１２に取り付けられてもよいし、取り外し可能なように設けられてもよい。取り外し可能とした場合には、用途に応じて長さの異なる振動伝達機構４１０を選択することが可能となる。

以上のように構成された振動装置４００において、本体４０の回路４９によりコイル４に交流電流が印加されると、コイル４の周囲に交流磁界が発生し、超磁歪素子１が伸縮する。超磁歪素子１の伸縮が、振動としてバイアス用上位磁石２ａ、振動ロッド６を介して磁歪素子側蓋部４０８に伝達される。磁歪素子側蓋部４０８の振動は、液体４０４を介して振動端側蓋部４０６に伝達され、振動端側蓋部４０６を振動させることができる。このように、振動装置４００は、振動伝達機構４１０を備えることにより、磁歪装置３０の発生した振動を遠隔まで伝達することができる。

液体を介して振動を遠隔に伝達するためには、振動源には大きな発生応力が必要となる。本実施の形態に係る振動装置４００は、振動源として発生応力が大きい超磁歪素子を用いることにより、液体を介した振動の伝達を実現している。

図１２は、図１０に示した振動装置を用いたヘッドフォンを示す図である。ヘッドフォン２５０は、２つの振動装置３００を備える。それぞれの振動装置３００のワイヤ３０４先端には、振動パッド２５２が設けられる。振動パッド２５２は、ユーザがヘッドフォン２５０を搭載した際に、ユーザの左右の耳付近の頭蓋骨へ振動を伝達できるよう、支持部２６２により支持される。チューブ３０２及びワイヤ３０４の長さは、所定の長さ、たとえば、ユーザがヘッドフォン２５０を搭載した際に、磁歪装置３０がユーザの服のポケットに入る程度の長さに設定される。

このように振動装置３００を用いてヘッドフォン２５０を構成した場合、図５または図８のヘッドフォンのように、ユーザの頭部に搭載される部分に磁歪装置や回路等を備える必要がなくなるので、ユーザの頭部にかかる重量を軽減することができる。また、ヘッドフォン２５０のユーザの頭部に搭載される部分を小型化することができる。なお、図１２では、図１０の振動装置３００を用いたヘッドフォンを示したが、振動装置として図１１に示した振動装置４００を用いてもよい。

図１３は、図１０に示した振動装置を用いた音響システムを示す図である。音響システム５００において、室内に置かれた振動装置３００の振動伝達機構３１０は、壁５２０の下方から壁５２０の裏側へと入れられ、そこから上方へ配設されている。図１３において、破線は、壁の裏側の配線を表している。さらに、振動伝達機構３１０のワイヤは、途中から二股に分岐され、一方の振動端３０４ｃは、壁５２０を振動させるべく、壁５２０の裏面に当接される。また、他方の振動端３０４ｄは、壁５２０に隣接する壁５２２の裏側に配設され、壁５２２を振動させるべく、壁５２２の裏面に当接される。

音響システム５００において、テレビジョン受像機５１０が発する音声信号が振動装置３００へ供給されると、振動伝達機構３１０の振動端３０４ｃ、３０４ｄは、音声信号に応じて振動する。振動端３０４ｃ、３０４ｄの振動は、部屋の壁５２０、５２２に伝達され、壁５２０、５２２がスピーカーとして機能し、室内に音声を発生させる。

このように、聴衆の周囲の壁、床、天井などをスピーカーとして機能させ、音声を発生させることで、全く新しい音響空間を作り出すことができる。振動装置３００の振動端を聴衆が座っている椅子５３０やテーブル５４０などに当接することにより、椅子５３０やテーブル５４０をスピーカーとして機能させることもできる。この場合、空気の振動を介して音声を感知するだけでなく、床や椅子などから直接聴衆に振動が伝達され、骨伝導などを介して複合的に音声を感知させることもできる。このように、目的やニーズに合わせて振動装置３００を設置することにより、最適な音響空間を演出することができる。

図１３では、振動伝達機構３１０のワイヤを分岐させ、２つの振動端を振動させる構成としたが、このように複数の振動端を同時に振動させることができるのは、発生応力の大きい超磁歪素子を用いた振動装置ならではの機能である。なお、図１３では、図１０の振動装置３００を用いた音響システムを示したが、振動装置として図１１に示した振動装置４００を用いてもよい。

図１４は、図１１に示す振動装置を用いた超音波内視鏡を示す図である。図１４は、超音波内視鏡６００の先端部を示している。超音波内視鏡６００の先端面６１０には、照明部６０２、観察部６０４、鉗子口６０６、ノズル６０８、超音波振動子６２０が設けられている。

観察部６０４は、対物レンズと、ＣＣＤなどの固体撮像素子とを備え、撮像した画像を図示しない本体へ送信する機能を有する。照明部６０２は、観察部６０４を挟んだ両側の位置に配設されている。照明部６０２は、本体に設けられた光源からの光を照射する機能を有する。鉗子口６０６は、組織採取や処置、異物回収などに用いられる鉗子その他の処置部を導出するために設けられる。ノズル６０８は、観察部６０４の対物レンズが臓器内部の粘液や血液で汚れたときに、水や空気を噴出して洗浄するために設けられる。

超音波振動子６２０は、生体組織等の対象物に超音波を送信し、対象物から反射された超音波を受信する機能を有する。図１４に示す超音波内視鏡６００では、超音波振動子６２０として、図１１に示す振動装置４００が用いられている。超音波内視鏡６００では、振動装置４００の振動伝達機構４１０の先端部が、先端面６１０から突出するように設けられている。

以上のように構成された超音波内視鏡６００において、振動装置のコイルに所定の周波数の交流電流が印加されると、振動端側蓋部４０６が振動することによって超音波が放射される。振動端側蓋部４０６から放射された超音波は、対象物により反射される。この反射した超音波が、振動端側蓋部４０６を振動させ、今度は、反射した超音波がチューブ４０２内の液体を介して磁歪装置の超磁歪素子へと伝達される。超磁歪素子がこの振動に応じて変化すると、超磁歪素子の磁気特性が変化するので、コイルに流れる電流が変化する。この電流変化を検出し、処理して画像化することにより、超音波断層画像を生成することができる。

このように図１１に示す振動装置４００を超音波内視鏡に用いた場合、超磁歪素子で発生した振動を、振動伝達機構を介して遠隔に伝達できるので、内視鏡の先端部に超音波を発生するための超音波トランスデューサを設ける必要がなくなる。これにより、内視鏡先端部の小型化及び軽量化を実現することができる。

図１５は、図１０に示す振動装置３００を用いた解体機を示す図である。超磁歪素子は、発生応力及び変位量が大きいため、振動を与えることにより物体を解体する解体機として使用することができる。図１５に示す振動装置３００は、ワイヤ３０４の先端に振動板７１０を備える。図１５では、振動装置３００を駆動することにより振動板７１０を振動させ、壁７００の解体を行っている様子を示している。このように振動装置３００を解体機として用いる場合、解体対象物の大きさ、硬さ等に応じて、超磁歪素子の大きさを設定すればよい。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

従来の磁歪装置の構成を示す図である。 超磁歪材料と圧電材料の特性を示す図である。 図３（ａ）（ｂ）は、磁歪素子が振動する様子を示す図である。 改良された磁歪装置の構成を示す図である。 図４に示した磁歪装置を備えた電子機器の一例であるヘッドフォンの構成を示す図である。 前提技術に係る磁歪装置の構成を示す図である。 前提技術に係る電子機器の構成を示す図である。 図６及び図７に示した磁歪装置を備えた電子機器の一例であるヘッドフォンの構成を示す図である。 前提技術に係る電子機器の別の構成例を示す図である。 実施の形態に係る振動装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る振動装置の別の構成例を示す図である。 図１０に示した振動装置を用いたヘッドフォンを示す図である。 図１０に示した振動装置を用いた音響システムを示す図である。 図１１に示す振動装置を用いた超音波内視鏡を示す図である。 図１０に示す振動装置を用いた解体機を示す図である。

符号の説明

１ 超磁歪素子、 ２ バイアス用磁石、 ４ コイル、 ６ 振動ロッド、 ８ ハウジング、 ３０ 磁歪装置、 ４０ 本体、 ４１ ネジ部、 ４２ 突起、 ４９ 回路、 ８１ ネジ部、 ２５０ ヘッドフォン、 ２５２ 振動パッド、 ２６２ 支持部、 ３００ 振動装置、 ３０２ チューブ、 ３０４ ワイヤ、 ３１０ 振動伝達機構、 ４００ 振動装置、 ４０２ チューブ、 ４０４ 液体、 ４０６ 振動端側蓋部、 ４０８ 磁歪素子側蓋部、 ４１０ 振動伝達機構、 ５００ 音響システム、 ５１０ テレビジョン受像機、 ５２０、５２２ 壁、 ６００ 超音波内視鏡、 ６１０ 先端面、 ６２０ 超音波振動子。

Claims (7)

1. 磁界に応じて伸縮する磁歪素子と、
   前記磁界を発生する磁界発生手段と、
   前記磁歪素子と前記磁界発生手段とを所定位置に保持するハウジングと、
   前記磁歪素子の振動を遠隔に伝達する振動伝達機構と、
   を備えることを特徴とする振動装置。
2. 前記ハウジングが該振動装置の外部の部材に対して連結されることにより、前記磁歪素子の前記外部の部材側の端の変位が、前記外部の部材により抑制されることを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
3. 前記ハウジングが該振動装置の外部の部材に対して連結されることにより、前記外部の部材の質量を、前記磁歪素子の前記外部の部材側の端の変位を抑制するために利用可能であることを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
4. 前記振動伝達機構は、チューブと、前記チューブ内に摺動可能に配設されたワイヤと、を備え、前記ワイヤの一端が、前記磁歪素子に連結されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動装置。
5. 前記振動伝達機構は、チューブと、前記チューブの両端をそれぞれ閉塞する蓋部と、前記チューブと前記蓋部によって形成される空間に充填された液体と、を備え、前記チューブの一端側の蓋部が、前記磁歪素子に連結されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動装置。
6. 前記液体は、所定の圧力が印加された状態で、前記チューブと前記蓋部によって形成される空間に充填されることを特徴とする請求項５に記載の振動装置。
7. 前記チューブは、弾性部材により形成されることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の振動装置。