JP2012165537A - Magnetic circuit and actuator - Google Patents

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Takuo Sakon
拓男 左近
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an actuator using a magnetic circuit compactly capable of generating a strong magnetic field in a simple configuration.SOLUTION: The magnetic circuit includes: a yoke 1 having loop sections 2 capable of forming a magnetic field in a loop; stationary magnetic field application means 4 for applying a stationary magnetic field to the loop sections; and variable magnetic field application means 7 capable of applying a variable strength magnetic field to the loop sections, and the loop sections have a magnetic field concentration section 3 narrower than the other portions. The actuator includes the magnetic circuit, and a magnetostrictive material 9 arranged in the magnetic field concentration section of the magnetic circuit.

Description

本発明は、磁気回路、及び該磁気回路と磁歪材料とを備えたアクチュエータに関する。   The present invention relates to a magnetic circuit and an actuator including the magnetic circuit and a magnetostrictive material.

従来、振動子や小型アクチュエータには、ピエゾ圧電素子が用いられていた。しかしながら、ピエゾ圧電素子は、機械的強度が弱く脆い等の問題があった。このような問題に対して、磁性金属の磁歪を利用したアクチュエータが開発されている。磁歪とは、磁場中で磁性金属に歪みが生じ、該磁性金属が伸び縮みする現象である。   Conventionally, piezoelectric elements have been used for vibrators and small actuators. However, the piezoelectric element has problems such as weak mechanical strength and brittleness. In response to such problems, actuators using magnetostriction of magnetic metals have been developed. Magnetostriction is a phenomenon in which a magnetic metal is distorted in a magnetic field and the magnetic metal expands and contracts.

例えば、特許文献1には、磁歪材料を用いたアクチュエータやモータに関する技術が開示されている。また、特許文献2には、磁歪材料に最適な磁場を印加する方法に関する技術が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a technique related to an actuator or a motor using a magnetostrictive material. Patent Document 2 discloses a technique related to a method of applying an optimum magnetic field to a magnetostrictive material.

特許文献1等に記載されているFeGa系合金等の磁歪材料では、所定の大きさの磁場を印加することによって、最大で数10ppm程度の磁歪を発生させることができる。一方、A.E.Clarkらにより開発された、Feと希土類元素Dy、Tbとの合金であるTerfenol−D(登録商標)では、最大で2000ppmもの磁歪を発生させることができる。このような大きな磁歪が発生する合金は、超磁歪材料と呼ばれる。超磁歪材料は、ピエゾ圧電素子に比べて磁歪による変位量が桁違いに大きく、超磁歪材料をアクチュエータに用いた場合には、ピエゾ圧電素子に比べて非常に大きな機械的出力を得ることができる。また、超磁歪材料は、ピエゾ圧電素子に比べて交流磁場に対する磁歪の応答速度が速いという優位性も有する。さらに、超磁歪材料は、ピエゾ圧電素子に比べて加工が容易である、簡単な構造の機器に組み込むことができる、形状自由度が高い、使用可能温度域が広い等の優位性も有する。   In a magnetostrictive material such as an FeGa-based alloy described in Patent Document 1 or the like, a magnetostriction of about several tens of ppm at maximum can be generated by applying a magnetic field having a predetermined magnitude. On the other hand, A. E. Terfenol-D (registered trademark), which is an alloy of Fe and rare earth elements Dy and Tb developed by Clark et al., Can generate magnetostriction of 2000 ppm at the maximum. An alloy that generates such a large magnetostriction is called a giant magnetostrictive material. Giant magnetostrictive materials have an extremely large displacement due to magnetostriction compared to piezo-electric elements, and when super-magnetostrictive materials are used in actuators, a very large mechanical output can be obtained compared to piezo-electric elements. . In addition, the giant magnetostrictive material has an advantage that the response speed of the magnetostriction with respect to the alternating magnetic field is faster than that of the piezoelectric element. Furthermore, the giant magnetostrictive material has advantages such as being easy to process as compared to the piezoelectric element, being able to be incorporated into a device having a simple structure, having a high degree of freedom in shape, and having a wide usable temperature range.

特開2009−130988号公報JP 2009-130988 A 特開平9−168197号公報JP-A-9-168197

超磁歪材料に磁歪を生じさせるためには、特許文献1に開示されているFeGa系合金等に磁歪を生じさせる場合に比べて強い磁場を印加する必要がある。例えば、Terfenol−D(登録商標)をアクチュエータとして利用する場合には、数千エルステッドから1テスラ程度の強磁場を必要とする。そのため、超磁歪材料をアクチュエータに適用するには、強い磁場を発生させることができる磁気回路が必要である。しかしながら、従来技術では、小型で強い磁場を発生させることができる磁気回路を作製することが困難であり、超磁歪材料を用いたアクチュエータを小型化することが困難であった。   In order to cause magnetostriction in the giant magnetostrictive material, it is necessary to apply a stronger magnetic field than in the case where magnetostriction is caused in the FeGa alloy disclosed in Patent Document 1. For example, when Terfenol-D (registered trademark) is used as an actuator, a strong magnetic field of about several thousand Oersted to about 1 Tesla is required. Therefore, in order to apply the giant magnetostrictive material to the actuator, a magnetic circuit capable of generating a strong magnetic field is required. However, in the prior art, it is difficult to produce a magnetic circuit that can generate a small and strong magnetic field, and it is difficult to reduce the size of an actuator using a giant magnetostrictive material.

そこで、本発明は、簡易な構成で強磁場を発生させることができ、小型化が可能な磁気回路、及び該磁気回路を用いたアクチュエータを提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a magnetic circuit that can generate a strong magnetic field with a simple configuration and can be miniaturized, and an actuator using the magnetic circuit.

以下、本発明について説明する。
第1の本発明は、環状に形成された環状部を有するヨークと、定常磁場を環状部に印加する定常磁場印加手段と、強度を変更可能な磁場を環状部に印加できる可変磁場印加手段とを備え、環状部が、他の部位より細く形成された磁場集中部を備えている、磁気回路である。
The present invention will be described below.
The first aspect of the present invention includes a yoke having an annular portion formed in an annular shape, a stationary magnetic field applying means for applying a steady magnetic field to the annular portion, and a variable magnetic field applying means capable of applying a magnetic field whose intensity can be changed to the annular portion. And the annular portion includes a magnetic field concentration portion formed narrower than other portions.

ここに、「環状に形成された」とは、磁場を印加された際に環状の磁場を形成できる形態に形成されていることを意味し、完全な環状の形態に形成されていることに限定される概念ではない。すなわち、環状部は、後に説明するように一部が切り欠かれている形態であってもよい。   Here, “annularly formed” means that it is formed in a form that can form an annular magnetic field when a magnetic field is applied, and is limited to being formed in a complete annular form. Not a concept. That is, the annular part may be in a form in which a part is notched as will be described later.

第1の本発明の磁気回路は、磁場集中部の一部が切り欠かれていることが好ましい。かかる形態とすることによって、切り欠かれた間隙部に磁歪材料を配置し、第1の本発明の磁気回路を後述する第2の本発明のアクチュエータに好適に用いることができる。   In the magnetic circuit of the first aspect of the present invention, it is preferable that a part of the magnetic field concentration portion is cut away. By adopting such a configuration, a magnetostrictive material is arranged in the notched gap, and the magnetic circuit of the first invention can be suitably used for the actuator of the second invention described later.

第1の本発明の磁気回路は、ヨークが複数の環状部を備えており、複数の環状部がそれぞれ備える磁場集中部が一点に集中するように、複数の環状部が配置されていることが好ましい。かかる形態とすることによって、磁場集中部に大きな磁場を生じさせることが容易になる。   In the magnetic circuit of the first aspect of the present invention, the yoke has a plurality of annular portions, and the plurality of annular portions are arranged so that the magnetic field concentration portions respectively provided in the plurality of annular portions are concentrated at one point. preferable. By adopting such a form, it becomes easy to generate a large magnetic field in the magnetic field concentration part.

第2の本発明は、上記第1の本発明の磁気回路と、該磁気回路の磁場集中部に配置された磁歪材料と、を備えるアクチュエータである。   The second aspect of the present invention is an actuator comprising the magnetic circuit of the first aspect of the present invention and a magnetostrictive material disposed in a magnetic field concentration portion of the magnetic circuit.

第2の本発明のアクチュエータは、磁場集中部に配置された磁歪材料がTbDyFe系合金であることが好ましい。   In the actuator according to the second aspect of the present invention, the magnetostrictive material disposed in the magnetic field concentration portion is preferably a TbDyFe-based alloy.

第1の本発明によれば、簡易な構成で、強磁場を発生させることができ、小型化が可能な磁気回路を提供することができる。第1の本発明の磁気回路は、小型化することによってミリメートルオーダーの微小空間に強磁場を発生させることが可能である。また、第2の本発明によれば、第1の本発明の磁気回路を用いることによって、小型化が可能なアクチュエータを提供することができる。   According to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a magnetic circuit that can generate a strong magnetic field with a simple configuration and can be miniaturized. The magnetic circuit of the first aspect of the present invention can generate a strong magnetic field in a micro space on the order of millimeters by downsizing. Further, according to the second aspect of the present invention, an actuator that can be miniaturized can be provided by using the magnetic circuit of the first aspect of the present invention.

一つの実施形態にかかる本発明の磁気回路を概略的に示した平面図である。1 is a plan view schematically showing a magnetic circuit of the present invention according to one embodiment. 図1に示した磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。FIG. 2 is a plan view schematically showing a yoke in the magnetic circuit shown in FIG. 1. 図2に示したヨークのうち、IIIの部分を拡大して示した図である。FIG. 3 is an enlarged view of a portion III of the yoke shown in FIG. 2. 他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。It is the top view which showed schematically the yoke among the magnetic circuits of this invention concerning other embodiment. 他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。It is the top view which showed schematically the yoke among the magnetic circuits of this invention concerning other embodiment. 他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed schematically the yoke among the magnetic circuits of this invention concerning other embodiment. 一つの実施形態にかかる本発明のアクチュエータを概略的に示した平面図である。1 is a plan view schematically showing an actuator of the present invention according to one embodiment. 校正試験に用いた装置の構成を概略的に示した図である。It is the figure which showed roughly the structure of the apparatus used for the calibration test. 校正試験の結果を示した図である。It is the figure which showed the result of the calibration test. 磁歪材料に印加した磁場と磁歪材料に生じた磁歪との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnetic field applied to the magnetostrictive material, and the magnetostriction which arose in the magnetostrictive material. 実施例で作製した実験用装置を概略的に示した平面図である。It is the top view which showed roughly the apparatus for experiment produced in the Example. オーディオアンプのスピーカー端子からの出力電圧と時間との関係を示す図(上段)及び磁歪材料の変位量と時間との関係を示す図(下段)である。It is a figure (upper stage) which shows the relationship between the output voltage from the speaker terminal of an audio amplifier, and time (upper stage), and the figure (lower stage) which shows the relationship between the displacement of magnetostrictive material, and time.

本発明の上記した作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。ただし、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。   The above-described operation and gain of the present invention will be clarified from embodiments for carrying out the invention described below. Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments.

<磁気回路>
図1は、一つの実施形態にかかる本発明の磁気回路10を概略的に示した平面図である。また、図2は、図1に示した磁気回路10のうち、ヨーク1を概略的に示した平面図である。図3は、図2に示したヨーク1のうち、IIIの部分を拡大して示した図である。図1に示した磁気回路10は、ヨーク1と、定常磁場印加手段4、4と、可変磁場印加手段7、7とを備えている。
<Magnetic circuit>
FIG. 1 is a plan view schematically showing a magnetic circuit 10 of the present invention according to one embodiment. FIG. 2 is a plan view schematically showing the yoke 1 in the magnetic circuit 10 shown in FIG. FIG. 3 is an enlarged view of a portion III of the yoke 1 shown in FIG. The magnetic circuit 10 shown in FIG. 1 includes a yoke 1, steady magnetic field applying means 4 and 4, and variable magnetic field applying means 7 and 7.

(ヨーク)
図1に示したように、ヨーク1は環状部2を2つ備えている。2つの環状部2には、それぞれ、後に説明する定常磁場印加手段4及び可変磁場印加手段7によって磁場が印加されている。図1に示した矢印M、M、…は、環状部2に形成される磁場の方向を示しており、矢印M、M、…で示したように、環状部2には環状の磁場が形成されている。また、環状部2は、他の部位より細く形成されるとともに一部が切り欠かれた部位3を備えている。後に説明するように、当該部位3は、磁場を集中させることができる部位であり、以下、磁場集中部3と記載する。2つの環状部2は、それぞれ磁場集中部3を備えており、それぞれが備える磁場集中部3が一点に集中するように、2つの環状部2が配置されている。よって、図1には、一つの磁場集中部3が表れている。
(yoke)
As shown in FIG. 1, the yoke 1 includes two annular portions 2. A magnetic field is applied to the two annular portions 2 by a stationary magnetic field applying unit 4 and a variable magnetic field applying unit 7 which will be described later. 1 indicate the direction of the magnetic field formed in the annular part 2, and as indicated by the arrows M, M,..., An annular magnetic field is formed in the annular part 2. Has been. The annular portion 2 includes a portion 3 that is formed thinner than other portions and partially cut away. As will be described later, the part 3 is a part where a magnetic field can be concentrated, and is hereinafter referred to as a magnetic field concentration unit 3. Each of the two annular portions 2 includes a magnetic field concentrating portion 3, and the two annular portions 2 are arranged so that the magnetic field concentrating portions 3 included therein are concentrated at one point. Therefore, one magnetic field concentration part 3 appears in FIG.

また、環状部2は、図2に示すように、後に詳述する定常磁場印加手段4を配置できる切り欠き4aを備えている。図1に示したように、当該切り欠き4aに定常磁場印加手段4を配置することにより、定常磁場印加手段4によって環状部2に定常磁場を印加し、矢印M、M、…で示したような環状の磁場を環状部2に形成することができる。なお、図1に示した形態では、環状部2に切り欠き4aを設け、当該切り欠き4aに定常磁場印加手段4を配置しているが、本発明はかかる形態に限定されない。定常磁場印加手段は、環状部に定常磁場を印加できる状態で配置されていればよい。すなわち、環状部に切り欠きを設けずに、定常磁場印加手段を環状部上に載置した形態であってもよい。   Further, as shown in FIG. 2, the annular portion 2 includes a notch 4 a in which a stationary magnetic field applying means 4 to be described in detail later can be disposed. As shown in FIG. 1, by placing the stationary magnetic field applying means 4 in the notch 4a, a stationary magnetic field is applied to the annular portion 2 by the stationary magnetic field applying means 4, and as indicated by arrows M, M,. An annular magnetic field can be formed in the annular portion 2. In the embodiment shown in FIG. 1, the notch 4a is provided in the annular portion 2, and the stationary magnetic field applying means 4 is arranged in the notch 4a. However, the present invention is not limited to such an embodiment. The stationary magnetic field applying means may be arranged in a state where a stationary magnetic field can be applied to the annular portion. That is, the form which mounted the stationary magnetic field application means on the annular part, without providing a notch in an annular part may be sufficient.

また、環状部2は、後に詳述する可変磁場印加手段7に備えられた円筒状のコイル5の中空部を通すようにして配置されている。そのため、当該コイル5に任意の大きさの電流を供給することによって、コイル5から環状部2に任意の強さの磁場を印加し、矢印M、M、…で示したような環状の磁場を環状部2に形成することができる。   The annular portion 2 is disposed so as to pass through the hollow portion of the cylindrical coil 5 provided in the variable magnetic field applying means 7 described in detail later. Therefore, by supplying a current of an arbitrary magnitude to the coil 5, a magnetic field of an arbitrary intensity is applied from the coil 5 to the annular portion 2, and an annular magnetic field as indicated by arrows M, M,. An annular portion 2 can be formed.

上述したようにして環状部2に環状の磁場が印加されると、磁場集中部3は環状部2の他の部位より細く形成されているため、磁場集中部3の磁力線の密度が環状部2の他の部位より高くなる。すなわち、磁場集中部3付近の磁場が強くなる。例えば、磁場集中部3における環状部2の端部の幅(図3に示したW1)と、交流磁場が印加される部位(コイル5が備えられる部位)の幅(図2に示したW2)との比は、W2:W1=10:5から10:2の範囲であることが好ましい。当該比が10:2よりも大きいと、磁場集中部3が小さくなり過ぎて実用的でなくなるうえに、磁場集中部3付近のヨーク1の磁化が飽和して、結果としてコイル5に加えた電圧に比例した磁場が磁場集中部3に生じなくなる虞がある。   When an annular magnetic field is applied to the annular portion 2 as described above, the magnetic field concentrating portion 3 is formed thinner than other portions of the annular portion 2, so that the density of magnetic lines of force of the magnetic field concentrating portion 3 is the annular portion 2. It becomes higher than other parts. That is, the magnetic field in the vicinity of the magnetic field concentration part 3 becomes strong. For example, the width of the end of the annular portion 2 (W1 shown in FIG. 3) in the magnetic field concentrating portion 3 and the width of the portion to which the alternating magnetic field is applied (the portion where the coil 5 is provided) (W2 shown in FIG. 2). Is preferably in the range of W2: W1 = 10: 5 to 10: 2. If the ratio is larger than 10: 2, the magnetic field concentrating part 3 becomes too small to be practical, and the magnetization of the yoke 1 near the magnetic field concentrating part 3 is saturated, resulting in a voltage applied to the coil 5. There is a possibility that a magnetic field proportional to the frequency will not be generated in the magnetic field concentration part 3.

また、磁場集中部3に設けられた切り欠き部の間隔(図3に示したD)は、より狭い方が該切り欠き部に空間的に均一な磁場を生成することができるので有利である。切り欠き部の間隔(D)と磁場集中部3における環状部2の端部の幅(W1)との比は、D:W1=2:1程度であることが好ましい。この比よりも間隙(D)を広げると、磁場の漏れが大きくなり、磁場集中部3に磁場を集中させる効果が低下する虞がある。   In addition, a narrower interval (D shown in FIG. 3) between the notch portions provided in the magnetic field concentration portion 3 is advantageous because a spatially uniform magnetic field can be generated in the notch portion. . The ratio of the notch spacing (D) to the width (W1) of the end of the annular portion 2 in the magnetic field concentrating portion 3 is preferably about D: W1 = 2: 1. If the gap (D) is made larger than this ratio, the leakage of the magnetic field becomes large, and the effect of concentrating the magnetic field on the magnetic field concentrating part 3 may be reduced.

なお、磁場集中部3の切り欠き部に強磁性の磁性材料や超磁歪材料を設置する場合は、当該材料自体の強磁性により磁力線は当該材料内を通るので、切り欠き部の間隙は実質的に狭まることとなり、磁場集中部3における磁場の均一性が高まる。   When a ferromagnetic magnetic material or a giant magnetostrictive material is installed in the notch portion of the magnetic field concentration portion 3, the magnetic field lines pass through the material due to the ferromagnetism of the material itself. Thus, the uniformity of the magnetic field in the magnetic field concentration unit 3 is increased.

また、環状部2を通る磁束が磁場集中部3で集中し易くするためには、図1に示したように、鋭角がないように環状部2を形成し、磁力線の流れをスムーズにすることが好ましい。   In order to make the magnetic flux passing through the annular portion 2 easy to concentrate at the magnetic field concentrating portion 3, as shown in FIG. 1, the annular portion 2 is formed so as not to have an acute angle, and the flow of magnetic lines of force is made smooth. Is preferred.

さらに、磁場集中部における磁場をより高め易くするには、図1に示したヨーク1のように略上下左右対称形状とし、対称軸が交わる位置に磁場集中部を形成することが好ましい。磁場の偏りのないスムーズな磁力線の流れを生じさせ、磁場集中部の磁場を高め易くなるからである。   Furthermore, in order to make it easier to increase the magnetic field in the magnetic field concentration part, it is preferable to form a substantially vertical and laterally symmetric shape like the yoke 1 shown in FIG. This is because a smooth flow of magnetic lines of force with no magnetic field bias is generated, and the magnetic field of the magnetic field concentration portion can be easily increased.

磁場集中部3に生じる磁場の大きさは、定常磁場印加手段4及び可変磁場印加手段7によって環状部2に印加する磁場の大きさを調整することにより、適宜調整可能である。磁場集中部3に生じさせる最大磁場は、例えば、0.2T以上2T以下とすることが好ましい。上述したように、超磁歪材料に磁歪を生じさせるためには強い磁場を印加する必要がある。磁場集中部3に生じさせる磁場を上記範囲にすることによって、磁場集中部3に超磁歪材料を配置した場合に、該超磁歪材料に大きな磁歪を生じさせやすくなる。   The magnitude of the magnetic field generated in the magnetic field concentration unit 3 can be appropriately adjusted by adjusting the magnitude of the magnetic field applied to the annular part 2 by the steady magnetic field application unit 4 and the variable magnetic field application unit 7. It is preferable that the maximum magnetic field generated in the magnetic field concentration unit 3 is, for example, not less than 0.2T and not more than 2T. As described above, it is necessary to apply a strong magnetic field in order to cause magnetostriction in the giant magnetostrictive material. By setting the magnetic field generated in the magnetic field concentrating part 3 within the above range, when a super magnetostrictive material is arranged in the magnetic field concentrating part 3, it is easy to cause a large magnetostriction in the super magnetostrictive material.

これまでの磁気回路10の説明では、図1に示したように、ヨーク1が2つの環状部2を備え、該環状部2がそれぞれ、他の部位より細く形成されるとともに一部が切り欠かれた磁場集中部3を備え、それらの磁場集中部3が一点に集中するように2つの環状部2が配置されている形態について例示した。ただし、本発明はかかる形態に限定されない。図4は、他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。図5は、さらに他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。図6は、さらに他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した斜視図である。   In the description of the magnetic circuit 10 so far, as shown in FIG. 1, the yoke 1 includes two annular portions 2, each of which is formed to be thinner than other portions and partly cut away. An example in which two annular portions 2 are arranged so that the magnetic field concentration portions 3 are provided and the magnetic field concentration portions 3 are concentrated at one point is illustrated. However, the present invention is not limited to such a form. FIG. 4 is a plan view schematically showing a yoke in a magnetic circuit of the present invention according to another embodiment. FIG. 5 is a plan view schematically showing a yoke in a magnetic circuit according to another embodiment of the present invention. FIG. 6 is a perspective view schematically showing a yoke in a magnetic circuit according to another embodiment of the present invention.

本発明の磁気回路に備えられるヨークは、環状に形成された環状部を備え、該環状部が他の部位より細く形成された磁場集中部を備えていればよい。したがって、図4に示したヨーク1aのように、単に他の部位より細くすることによって切り欠きを有さない磁場集中部3aを形成してもよい。かかる形態であっても、磁場集中部3aでの磁束密度が他の部位より高くなり、磁場集中部3aに強い磁場を生じさせることができる。ただし、後に説明するように磁場集中部に磁歪材料を配置して該磁歪材料に磁場を印加する場合、図1に示した磁場集中部3のように磁場集中部の一部が切り欠かれていた方が、当該切り欠きの間隙に磁歪材料を配置することによって該磁歪材料に強い磁場を印加し易くなる。   The yoke provided in the magnetic circuit of the present invention may include an annular portion formed in an annular shape, and the annular portion may include a magnetic field concentration portion formed narrower than other portions. Therefore, like the yoke 1a shown in FIG. 4, the magnetic field concentration part 3a having no notch may be formed by simply making it thinner than other parts. Even in this form, the magnetic flux density in the magnetic field concentrating part 3a is higher than in other parts, and a strong magnetic field can be generated in the magnetic field concentrating part 3a. However, as will be described later, when a magnetostrictive material is disposed in a magnetic field concentration portion and a magnetic field is applied to the magnetostrictive material, a part of the magnetic field concentration portion is notched as in the magnetic field concentration portion 3 shown in FIG. However, it becomes easier to apply a strong magnetic field to the magnetostrictive material by disposing the magnetostrictive material in the gap of the notch.

また、本発明の磁気回路に備えられるヨークは、環状に形成された環状部を備えていればよく、該環状部の数は特に限定されない。したがって、図5に示したヨーク1bのように、環状部2bを1つだけ備える形態であってもよく、図6に示したヨーク1cように、環状部2cを3つ以上(図6に示した形態では4つ。)備える形態であってもよい。ただし、ヨークが複数の環状部を備える場合には、ヨーク1、1a、及び1cのように、複数の環状部がそれぞれ備える磁場集中部が一点に集中するように、複数の環状部が配置された形態とする。それぞれの環状部に形成された磁場を一点(磁場集中部)に集中させるためである。   Further, the yoke provided in the magnetic circuit of the present invention only needs to have an annular portion formed in an annular shape, and the number of the annular portions is not particularly limited. Therefore, it may be configured to have only one annular portion 2b as in the yoke 1b shown in FIG. 5, and three or more annular portions 2c (as shown in FIG. 6) as in the yoke 1c shown in FIG. 4 may be provided). However, when the yoke has a plurality of annular portions, the plurality of annular portions are arranged so that the magnetic field concentration portions respectively provided in the plurality of annular portions are concentrated at one point, such as the yokes 1, 1a, and 1c. Form. This is because the magnetic field formed in each annular portion is concentrated at one point (magnetic field concentration portion).

このように、本発明の磁気回路に備えられるヨークの環状部の数は特に限定されないが、環状部を複数備えた形態とする方が磁場集中部の磁束密度を上げ易くなる。また、ヨークが環状部を複数備える場合、作製が容易であるという観点からは、ヨーク1及び1aのように、同一平面上に環状部を備える形態が好ましい。複数の環状部を同一平面上に形成する形態とすれば、1枚の板材からヨークを容易に作製することができる。   As described above, the number of the annular portions of the yoke provided in the magnetic circuit of the present invention is not particularly limited. However, it is easier to increase the magnetic flux density of the magnetic field concentrating portion if the configuration includes a plurality of annular portions. Moreover, when a yoke is provided with two or more annular parts, the form provided with an annular part on the same plane like the yokes 1 and 1a from a viewpoint that manufacture is easy is preferable. If it is set as the form which forms a some annular part on the same plane, a yoke can be easily produced from one board | plate material.

なお、図4〜図6では定常磁場印加手段を配置するための切り欠きを示していないが、図1に示したヨーク1と同様に、定常磁場印加手段を配置するには、ヨーク1a、1b、及び1cも、その一部を切り欠いて配置することができる。   4 to 6 do not show notches for arranging the stationary magnetic field applying means. However, like the yoke 1 shown in FIG. 1, in order to arrange the stationary magnetic field applying means, the yokes 1a and 1b are arranged. , And 1c can also be arranged with a part cut away.

このようなヨークは、高透磁材料や磁性体によって作製することができる。ヨークを構成する材料としては、例えば、鉄、ステンレス鋼、ニッケルなどを挙げることができる。   Such a yoke can be made of a highly permeable material or a magnetic material. Examples of the material constituting the yoke include iron, stainless steel, and nickel.

(定常磁場印加手段)
図1に示した磁気回路10は、2つの定常磁場印加手段4を備えている。定常磁場印加手段4は、所定の強さの定常磁場を環状部2に印加する手段である。定常磁場印加手段4の具体例としは、永久磁石を挙げることができる。図1に示した形態では、定常磁場印加手段4として永久磁石を用いる形態を想定しているため、以下の説明では、定常磁場印加手段4を永久磁石4と記載する。用いることができる永久磁石としては、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石などを例示できる。ただし、本発明はかかる形態に限定されず、直流電流を供給したコイル等を定常磁場印加手段として用いることもできる。永久磁石によれば、所定の強さの定常磁場を環状部に印加することが簡単であるため、本実施形態では定常磁場印加手段として永久磁石を用いる形態を例示した。
(Stationary magnetic field application means)
The magnetic circuit 10 shown in FIG. 1 includes two stationary magnetic field applying means 4. The stationary magnetic field applying unit 4 is a unit that applies a stationary magnetic field having a predetermined strength to the annular portion 2. As a specific example of the stationary magnetic field applying means 4, a permanent magnet can be mentioned. In the form shown in FIG. 1, it is assumed that a permanent magnet is used as the stationary magnetic field application unit 4. Therefore, in the following description, the stationary magnetic field application unit 4 is described as a permanent magnet 4. Examples of permanent magnets that can be used include ferrite magnets and samarium cobalt magnets. However, the present invention is not limited to such a form, and a coil or the like supplied with a direct current can also be used as the stationary magnetic field applying means. According to the permanent magnet, it is easy to apply a steady magnetic field having a predetermined strength to the annular portion. Therefore, in the present embodiment, an example in which a permanent magnet is used as the stationary magnetic field applying unit is illustrated.

なお、図1に示した形態では環状部2の一部を切り欠いて永久磁石4を配置しているが、上述したように、本発明において永久磁石の設置位置はかかる形態に限定されない。永久磁石は、環状部に定常磁場を印加できるように設置されていればよく、永久磁石を環状部上に載置してもよい。ただし、環状部に定常磁場を印加し易くするためには、環状部の一部を切り欠いて永久磁石を挿入することが好ましい。また、永久磁石は、環状部と接するように配置することが好ましい。かかる形態とすることによって、永久磁石から環状部に磁場を印加し易くなる。   In the form shown in FIG. 1, the permanent magnet 4 is arranged by cutting out a part of the annular portion 2. However, as described above, the installation position of the permanent magnet is not limited to this form in the present invention. The permanent magnet only needs to be installed so that a steady magnetic field can be applied to the annular portion, and the permanent magnet may be placed on the annular portion. However, in order to make it easy to apply a steady magnetic field to the annular portion, it is preferable to insert a permanent magnet by cutting out a part of the annular portion. Moreover, it is preferable to arrange | position a permanent magnet so that an annular part may be contact | connected. By setting it as this form, it becomes easy to apply a magnetic field from a permanent magnet to an annular part.

永久磁石によって環状部に印加する定常磁場の強さは、永久磁石の設置位置、永久磁石を構成する材料や永久磁石の設置数を調整することによって、調整することができる。   The strength of the stationary magnetic field applied to the annular portion by the permanent magnet can be adjusted by adjusting the installation position of the permanent magnet, the material constituting the permanent magnet, and the number of permanent magnets installed.

(可変磁場供給手段)
図1に示した磁気回路10は、2つの可変磁場供給手段7を備えている。可変磁場供給手段7は、任意の強さの磁場を環状部2に印加できる手段である。可変磁場供給手段7は、永久磁石4が環状部2に形成する磁場の方向と同じ方向で、任意の強さの磁場を環状部2に形成できる手段であれば、その形態は特に限定されない。可変磁場供給手段7の具体例としては、図1に示したように、コイル5と、該コイル5に電力を供給する電源6とを備えた電磁石を挙げることができる。図1に示した形態では、可変磁場供給手段7として電磁石を用いる形態を想定しているため、以下の説明では、可変磁場供給手段7を電磁石7と記載する。電磁石によれば、任意の強さの磁場を環状部に印加することが容易であるため、本実施形態では可変磁場供給手段として電磁石を用いる形態を例示した。
(Variable magnetic field supply means)
The magnetic circuit 10 shown in FIG. 1 includes two variable magnetic field supply means 7. The variable magnetic field supply means 7 is a means that can apply a magnetic field of arbitrary strength to the annular portion 2. The form of the variable magnetic field supply means 7 is not particularly limited as long as it is a means that can form a magnetic field of arbitrary strength in the annular portion 2 in the same direction as the magnetic field formed by the permanent magnet 4 in the annular portion 2. As a specific example of the variable magnetic field supply means 7, as shown in FIG. 1, an electromagnet including a coil 5 and a power source 6 that supplies power to the coil 5 can be cited. In the form shown in FIG. 1, it is assumed that an electromagnet is used as the variable magnetic field supply unit 7. Therefore, in the following description, the variable magnetic field supply unit 7 is described as an electromagnet 7. According to the electromagnet, it is easy to apply a magnetic field having an arbitrary strength to the annular portion. Therefore, in the present embodiment, an example in which an electromagnet is used as the variable magnetic field supply unit is illustrated.

上述したように、超磁歪材料に磁歪を生じさせるためには、強い磁場を印加する必要がある。また、超磁歪材料に生じる磁歪の程度を調整するには、該超磁歪材料に印加する磁場の強さを調整しなければならない。すなわち、超磁歪材料に生じる磁歪の程度を変化させるためには、超磁歪材料に磁歪を生じさせる程度の強い範囲で超磁歪材料に印加する磁場の強さを変化させなければならない。このように磁場を変化させることは、永久磁石のみ又は電磁石のみでは困難である。磁気回路10によれば、永久磁石4によって所定の強さの定常磁場を磁場集中部3に生じさせつつ、電磁石7によって磁場集中部3に生じる磁場の強さを変化させることができる。また、上述したように、磁場集中部3には強い磁場を生じさせることができる。すなわち、磁気回路10によれば、超磁歪材料に磁歪を生じさせる程度の強い範囲で磁場集中部3に生じる磁場を変化させることができる。したがって、磁場集中部3に超磁歪材料を配置すれば、該超磁歪材料に生じる磁歪の程度を調整することが容易になる。   As described above, it is necessary to apply a strong magnetic field in order to cause magnetostriction in the giant magnetostrictive material. In order to adjust the degree of magnetostriction generated in the giant magnetostrictive material, the strength of the magnetic field applied to the giant magnetostrictive material must be adjusted. That is, in order to change the degree of magnetostriction generated in the giant magnetostrictive material, it is necessary to change the strength of the magnetic field applied to the giant magnetostrictive material within a strong range that causes magnetostriction in the giant magnetostrictive material. In this way, it is difficult to change the magnetic field with only a permanent magnet or only an electromagnet. According to the magnetic circuit 10, it is possible to change the strength of the magnetic field generated in the magnetic field concentration unit 3 by the electromagnet 7 while generating a stationary magnetic field having a predetermined strength in the magnetic field concentration unit 3 by the permanent magnet 4. Further, as described above, a strong magnetic field can be generated in the magnetic field concentration unit 3. That is, according to the magnetic circuit 10, the magnetic field generated in the magnetic field concentrating part 3 can be changed within a strong range that causes magnetostriction in the giant magnetostrictive material. Therefore, if a giant magnetostrictive material is disposed in the magnetic field concentrating portion 3, it becomes easy to adjust the degree of magnetostriction generated in the giant magnetostrictive material.

磁気回路10によれば、電源6を交流電源とし、該交流電源からコイル5に供給される電流の振動数をかえることによって、任意の周波数(例えば、1kHz以上。)の振動磁場を磁場集中部3に生じさせることも可能である。ただし、電源6としては、直流電源でもよい。直流電源からコイル5に供給される電流の強さを調整することによって、磁場集中部3に生じる磁場の強さを任意の強さにすることができる。   According to the magnetic circuit 10, an oscillating magnetic field having an arbitrary frequency (for example, 1 kHz or more) is generated by changing the frequency of the current supplied from the AC power source to the coil 5 by using the power source 6 as an AC power source. 3 can also be generated. However, the power source 6 may be a DC power source. By adjusting the strength of the current supplied from the DC power supply to the coil 5, the strength of the magnetic field generated in the magnetic field concentrating unit 3 can be set to an arbitrary strength.

(用途)
本発明の磁気回路は、磁場集中部に強い磁場を発生させることができる。そのため、上述したように強い磁場を印加しなければ磁歪を生じさせられない超磁歪材料を磁場集中部に設置した場合、該超磁歪材料に磁歪を生じさせることができる。よって、本発明の磁気回路は、後述するように、超磁歪材料を用いたアクチュエータに適用することができる。また、本発明の磁気回路は、これまでに説明したように構成が簡易なため、小型化することが容易である。そのため、本発明の磁気回路は小型の機器に組み込むことが可能であり、ミリメートルオーダーの微小空間に強磁場を発生させる磁気回路として使用が可能である。さらに、本発明の磁気回路によれば、ヨークに交流電流を流して交流磁場を発生させた状態で、磁性体や方位磁石などの磁針、あるいは他の永久磁石を近づけることで磁気力による振動現象を観測できる。したがって、本発明の磁気回路は、小学生から高校生の電磁気の理科実験教材としても使用可能である。また、本発明の磁気回路は、安価でかつ加工し易い材料で構成することができる。そのため、従来の磁気回路を本発明の磁気回路にかえることによって、磁気回路を備えた機器の低コスト化を図ることができる。
(Use)
The magnetic circuit of the present invention can generate a strong magnetic field in the magnetic field concentration part. Therefore, when a giant magnetostrictive material that cannot generate magnetostriction unless a strong magnetic field is applied as described above is installed in the magnetic field concentration portion, magnetostriction can be caused in the giant magnetostrictive material. Therefore, the magnetic circuit of the present invention can be applied to an actuator using a giant magnetostrictive material, as will be described later. Further, since the magnetic circuit of the present invention has a simple configuration as described above, it can be easily downsized. Therefore, the magnetic circuit of the present invention can be incorporated in a small device and can be used as a magnetic circuit for generating a strong magnetic field in a micro space of millimeter order. Furthermore, according to the magnetic circuit of the present invention, a vibration phenomenon caused by a magnetic force is caused by bringing a magnetic needle such as a magnetic body or a azimuth magnet or another permanent magnet close to the yoke while an alternating current is applied to the yoke to generate an alternating magnetic field. Can be observed. Therefore, the magnetic circuit of the present invention can also be used as an electromagnetic science experiment teaching material for elementary school to high school students. The magnetic circuit of the present invention can be made of a material that is inexpensive and easy to process. For this reason, by replacing the conventional magnetic circuit with the magnetic circuit of the present invention, it is possible to reduce the cost of a device including the magnetic circuit.

<アクチュエータ>
次に、本発明のアクチュエータについて説明する。本発明のアクチュエータは、上述した本発明の磁気回路と、該磁気回路の磁場集中部に配置された磁歪材料と、を備えている。図7は、一つの実施形態にかかる本発明のアクチュエータ100を概略的に示した平面図である。図7に示したアクチュエータ100は、磁気回路10と、磁気回路10の磁場集中部3に配置された磁歪材料9とを備えている。図7において、図1に示したものと同様のものには同符号を付し、説明を省略する。
<Actuator>
Next, the actuator of the present invention will be described. The actuator of the present invention includes the above-described magnetic circuit of the present invention and a magnetostrictive material disposed in the magnetic field concentration portion of the magnetic circuit. FIG. 7 is a plan view schematically showing the actuator 100 of the present invention according to one embodiment. The actuator 100 shown in FIG. 7 includes a magnetic circuit 10 and a magnetostrictive material 9 disposed in the magnetic field concentration portion 3 of the magnetic circuit 10. In FIG. 7, the same components as those shown in FIG.

上述したように、磁気回路10は、磁場集中部3に強い磁場を生じさせることができる。よって、磁場集中部3に磁歪材料9を配置することによって、磁歪材料9に強い磁場を印加することができる。そのため、磁歪材料9として超磁歪材料を用いた場合であっても、該超磁歪材料に磁歪を生じさせることができる。磁歪材料9としては、例えば、TbFe系合金やTbDyFe系合金等の超磁歪材料を用いることができる。TbDyFe系合金としては、例えば、組成がTb0.27Dy0.73Fe1.9であるTeffenol−D(登録商標)がある。 As described above, the magnetic circuit 10 can generate a strong magnetic field in the magnetic field concentration unit 3. Therefore, a strong magnetic field can be applied to the magnetostrictive material 9 by disposing the magnetostrictive material 9 in the magnetic field concentration portion 3. Therefore, even when a giant magnetostrictive material is used as the magnetostrictive material 9, magnetostriction can be generated in the giant magnetostrictive material. As the magnetostrictive material 9, for example, a giant magnetostrictive material such as a TbFe alloy or a TbDyFe alloy can be used. An example of the TbDyFe-based alloy is Teffenol-D (registered trademark) having a composition of Tb 0.27 Dy 0.73 Fe 1.9 .

超磁歪材料は、零磁場付近で交流磁場を印加しただけでは変位が小さい。しかしながら、数千エルステッド付近では変位が大きくなる。上述したように、本発明の磁気回路は、定常磁場印加手段によって所定の強さの定常磁場を印加したうえで、可変磁場印加手段によってバイアスとなる磁場を加えることで、所定の強さを中心として所定の範囲で強さが変化する磁場を磁場集中部に生じさせることができる。よって、磁場集中部に超磁歪材料を配置することによって、交流磁場のみよりも超磁歪材料を大きく変位させることができる。   Giant magnetostrictive material is small in displacement only by applying an alternating magnetic field near zero magnetic field. However, the displacement increases around several thousand oersteds. As described above, the magnetic circuit of the present invention applies a steady magnetic field having a predetermined strength by the stationary magnetic field applying unit and then applies a magnetic field serving as a bias by the variable magnetic field applying unit, thereby centering the predetermined strength. As described above, a magnetic field whose strength changes within a predetermined range can be generated in the magnetic field concentration portion. Therefore, by arranging the giant magnetostrictive material in the magnetic field concentration portion, the giant magnetostrictive material can be displaced more than the alternating magnetic field alone.

また、可変磁場印加手段の電源に備えられた発振器の出力をmVオーダーで制御することによって、超磁歪材料の変位を10nm程度の精度で制御することが可能である。よって、本発明のアクチュエータは、原子間力顕微鏡などのように高精度の位置決めが要求される装置の位置決め手段として用いることができる。   Further, by controlling the output of the oscillator provided in the power source of the variable magnetic field applying means in the order of mV, the displacement of the giant magnetostrictive material can be controlled with an accuracy of about 10 nm. Therefore, the actuator of the present invention can be used as a positioning means for an apparatus that requires high-precision positioning such as an atomic force microscope.

また、本発明の磁気回路は小型化が容易であるため、本発明のアクチュエータも小型化が容易である。本発明のアクチュエータは、小型化することによって、医療機器や小型電子機器などに適用可能である。   In addition, since the magnetic circuit of the present invention can be easily downsized, the actuator of the present invention can also be easily downsized. The actuator of the present invention can be applied to medical devices, small electronic devices, and the like by downsizing.

本発明のアクチュエータの医療機器への適用例としては、マイクロカテーテルに適用する例が挙げられる。医療現場では、外径1.5mm程度のマイクロカテーテルが利用されている。超磁歪材料を備えた本発明のアクチュエータを小型化し、このようなマイクロカテーテルに挿入して用いることにより、腫瘍や血管の中の老廃物を除去することが可能となる。   As an example of application of the actuator of the present invention to a medical device, an example of application to a microcatheter is given. In the medical field, a microcatheter having an outer diameter of about 1.5 mm is used. By miniaturizing the actuator of the present invention provided with a giant magnetostrictive material and inserting it into such a microcatheter, it becomes possible to remove waste products in tumors and blood vessels.

本発明のアクチュエータの小型電子機器への適用例としては、マイクロスイッチやマイクロ振動子に適用する例が挙げられる。本発明のアクチュエータは1mmサイズのスイッチとしても適用可能であり、マイクロマシンや小型電子基板のスイッチとして利用することが考えられる。なお、磁歪材料は金属でそれ自身に電流を流せるため、本発明のアクチュエータは電気スイッチとしても利用できる。   As an application example of the actuator of the present invention to a small electronic device, an example of application to a microswitch or a micro vibrator is given. The actuator of the present invention can also be applied as a switch of 1 mm size, and can be used as a switch for a micromachine or a small electronic board. Since the magnetostrictive material is a metal and can pass a current through itself, the actuator of the present invention can also be used as an electric switch.

さらに、本発明のアクチュエータは、スピーカーなどに適用することもできると考えられる。   Furthermore, it is considered that the actuator of the present invention can be applied to a speaker or the like.

これまでの本発明のアクチュエータの説明では、磁気回路10を備える形態について例示したが、本発明のアクチュエータに備えられる磁気回路はかかる形態に限定されない。本発明のアクチュエータは、本発明の磁気回路と磁歪材料とを備えていればよい。すなわち、本発明のアクチュエータは、磁気回路10にかえて、他の形態の本発明の磁気回路を備えていてもよい。また、磁気回路10のように磁場集中部に切り欠きがある場合は、当該切り欠きの間隙に磁歪材料を配置することによって該磁歪材料に強い磁場を印加することができる。一方、磁場集中部に切り欠きがない磁気回路を用いる場合は、磁場集中部上に磁歪材料を載置することによって、該磁歪材料に強い磁場を印加することができる。   In the description of the actuator of the present invention so far, the mode including the magnetic circuit 10 has been illustrated, but the magnetic circuit included in the actuator of the present invention is not limited to such a mode. The actuator of the present invention only needs to include the magnetic circuit of the present invention and a magnetostrictive material. That is, the actuator of the present invention may include another form of the magnetic circuit of the present invention instead of the magnetic circuit 10. Further, when the magnetic field concentration portion has a notch as in the magnetic circuit 10, a strong magnetic field can be applied to the magnetostrictive material by disposing the magnetostrictive material in the gap of the notch. On the other hand, when using a magnetic circuit without a notch in the magnetic field concentration portion, a strong magnetic field can be applied to the magnetostrictive material by placing the magnetostrictive material on the magnetic field concentration portion.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。ただし本発明は実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the examples.

(校正試験)
本発明の磁気回路の性能を評価するにあたって、まず、以下に説明する校正試験によって磁歪材料(Terfenol−D(登録商標))に印加した磁場の強度と磁歪材料に生じた磁歪の大きさとの関係を調べた。図8は、校正試験に用いた装置の構成を概略的に示した図である。
(Calibration test)
In evaluating the performance of the magnetic circuit of the present invention, first, the relationship between the strength of the magnetic field applied to the magnetostrictive material (Terfenol-D (registered trademark)) by the calibration test described below and the magnitude of the magnetostriction generated in the magnetostrictive material. I investigated. FIG. 8 is a diagram schematically showing the configuration of the apparatus used for the calibration test.

水冷パルス磁石71(3.0mmの厚さのビッター板(円盤形)を30枚重ねて作ったパルス強磁場用磁石)及び該パルス磁石71に電力を供給するパルス磁場用電源72(ニチコン株式会社製、コンデンサーバンク(A4サイズのコンデンサー40個)、最大5kV、C=8mF、E=100kJ)を用意し、パルス磁場用電源72に電荷を蓄えて、パルス磁場を形成した。充電圧は、200Hz水冷パルス磁石の場合、1kVで7Tを目処に行った。例えば、0.20kVならば1.4Tとなる。このようにして形成したパルス磁場を試料(磁歪材料)9に印加した。   Water-cooled pulse magnet 71 (pulse strong magnetic field magnet formed by stacking 30 bitter plates (disk shape) having a thickness of 3.0 mm) and pulse magnetic field power source 72 for supplying power to the pulse magnet 71 (Nichicon Corporation) A capacitor bank (40 A4 size capacitors), a maximum of 5 kV, C = 8 mF, E = 100 kJ) was prepared, and electric charges were stored in the pulse magnetic field power source 72 to form a pulse magnetic field. In the case of a 200 Hz water-cooled pulse magnet, the charging pressure was set at 1 kV and 7T. For example, if it is 0.20 kV, it becomes 1.4T. The pulse magnetic field thus formed was applied to the sample (magnetostrictive material) 9.

磁歪材料9に生じた磁歪、すなわち歪みの量は、静電容量法で測定した。一対の電極(銅泊シールドテープ)73a、73bを用意し、一方の電極73aを磁歪材料9の端面(磁歪によって伸び縮みする方向の一方の端面)に貼り付け、他方の電極73bは、電極73aから所定の距離を設けて固定した。このとき、電極73a(磁歪材料9の端面)と電極73bとの距離は、磁歪材料9と電極73bとをベークライト板を用いて固定することにより設定した。そして、この一対の電極73a、73bによって、C=1.5pF程度のコンデンサーを構成した。このコンデンサーの両端を、静電容量を測定するキャパシタンスブリッジ74(Quadtech社製「1615A」)に繋いだ。キャパシタンスブリッジ74は発振器75(株式会社エヌエフ回路設計ブロック製「WF1945」)で作動させた。キャパシタンスブリッジ74の中には可変キャパシタンスの交流ブリッジ回路が備えられており、ブリッジ回路からの交流出力をロックインアンプ76(株式会社エヌエフ回路設計ブロック製「LI5640」、交流電圧計に相当。)で検出し、デジタルオシロスコープ77(岩崎通信機株式会社製「BRINGO DS−8814」)で解析した。 The magnetostriction generated in the magnetostrictive material 9, that is, the amount of strain, was measured by a capacitance method. A pair of electrodes (copper-clad shield tape) 73a and 73b is prepared, and one electrode 73a is attached to the end surface of the magnetostrictive material 9 (one end surface in the direction of expansion and contraction by magnetostriction), and the other electrode 73b is the electrode 73a. And fixed at a predetermined distance. At this time, the distance between the electrode 73a (the end face of the magnetostrictive material 9) and the electrode 73b was set by fixing the magnetostrictive material 9 and the electrode 73b using a bakelite plate. The pair of electrodes 73a and 73b constitute a capacitor of about C 0 = 1.5 pF. Both ends of this capacitor were connected to a capacitance bridge 74 (“1615A” manufactured by Quadtech) for measuring capacitance. The capacitance bridge 74 was operated by an oscillator 75 (“WF1945” manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd.). The capacitance bridge 74 is provided with an AC bridge circuit of variable capacitance, and the AC output from the bridge circuit is a lock-in amplifier 76 ("LI5640" manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd., equivalent to an AC voltmeter). It detected and analyzed with the digital oscilloscope 77 ("BRINGO DS-8814" by Iwasaki Tsushinki Co., Ltd.).

まずは零磁場(磁歪材料9に磁場を印加していない状態)での静電容量Cをキャパシタンスブリッジ74のノブをまわして測定し、それからパルス磁場を印加する際にキャパシタンスブリッジ74の出力をデジタルオシロスコープ(株式会社TFF製「TDS460A」)に入力して磁歪の信号電圧を検出した。この信号の電圧の大きさが静電容量の変化量ΔCに比例する。磁歪材料9に磁場を印加する前に、電極73aと電極73bの間の距離dをマイクロメータで測定しておくことによって、磁歪材料9に磁場を印加したときの静電容量の変化量ΔCが電極73a、73b間距離の変化量Δdに比例することから、C、d、ΔCからΔdを求めることができ、このΔdが磁歪材料9の磁歪量になる。 First, the capacitance C 0 in a zero magnetic field (a state in which no magnetic field is applied to the magnetostrictive material 9) is measured by turning the knob of the capacitance bridge 74, and then the output of the capacitance bridge 74 is digitally applied when a pulse magnetic field is applied. The signal was input to an oscilloscope (“TDS460A” manufactured by TFF Co., Ltd.) to detect the magnetostrictive signal voltage. The magnitude of the voltage of this signal is proportional to the capacitance change amount ΔC. Before applying a magnetic field to the magnetostrictive material 9, the distance d 0 between the electrodes 73a and the electrodes 73b by leaving measured with a micrometer, the amount of change in electrostatic capacitance when a magnetic field is applied to the magnetostrictive material 9 [Delta] C Is proportional to the amount of change Δd in the distance between the electrodes 73 a and 73 b, Δd can be obtained from C 0 , d 0 and ΔC, and this Δd becomes the magnetostriction amount of the magnetostrictive material 9.

上記校正用試験の結果を図9及び図10に示した。図9に示したのは、周期τ=2.6ms、周波数にすると200Hzのパルス磁場中で磁歪材料9に生じた磁歪を測定した結果である。上記校正用試験は、室温(297K、23℃)で行った。図9に示したように、磁歪材料9に印加したパルス磁場強度は横軸の読み通りで最大1.4Tであった。磁歪材料9に生じた磁歪は、10倍して%となるように表示しており、最大で0.22%(2200ppm)であった。なお、ロックインアンプ76からの出力電圧は磁歪材料9に生じた磁歪量に比例している。パルス磁場がゼロに戻った後の磁歪の振動は、ベークライトの固定台に磁歪材料9を固定するために使用した両面テープによる振動だと考えられる。   The results of the calibration test are shown in FIGS. FIG. 9 shows the result of measuring the magnetostriction generated in the magnetostrictive material 9 in a pulse magnetic field of 200 Hz with a period τ = 2.6 ms and a frequency. The calibration test was performed at room temperature (297 K, 23 ° C.). As shown in FIG. 9, the pulse magnetic field strength applied to the magnetostrictive material 9 was 1.4 T at the maximum as read on the horizontal axis. The magnetostriction generated in the magnetostrictive material 9 is shown to be 10% multiplied by%, and was 0.22% (2200 ppm) at the maximum. The output voltage from the lock-in amplifier 76 is proportional to the amount of magnetostriction generated in the magnetostrictive material 9. It can be considered that the vibration of magnetostriction after the pulse magnetic field returns to zero is the vibration caused by the double-sided tape used for fixing the magnetostrictive material 9 to the bakelite fixing base.

図10のグラフは、図8の装置系を用いて実験した結果の磁場‐磁歪校正曲線である。横軸が磁歪材料9に印加した最大磁場の強さ、縦軸が磁歪材料9に生じた磁歪(変位量)の大きさである。図10からわかるように、パルス磁石71によって最大1.4T程度の磁場を磁歪材料9に印加することができた。また、パルス磁石71によって磁歪材料9に印加する交流磁場の周波数を80Hzにした場合でも200Hzにした場合でも、磁歪材料9に印加した磁場の大きさの変化に対して磁歪材料9の変位量の傾きが大きくなる範囲があることがわかる。このように、磁歪材料9には変位量を大きくすることができる磁場の強さの範囲が存在するため、この範囲で磁歪材料9に印加する磁場の強さを振れさせることによって、磁歪材料9の変位量の変化を大きくできることがわかる。よって、本発明の磁気回路を、このような範囲の強さの磁場を磁歪材料に印加できる形態とすることによって、アクチュエータとして好適に用いることができる。本発明の磁気回路は、定常磁場印加手段と可変磁場印加手段とによって磁場集中部に磁場を生じさせることができる。そのため、例えば、定常磁場印加手段によって、磁歪材料の変位量の傾きが大きくなる磁場範囲の下限強さの定常磁場を磁場集中部に生じさせ、可変磁場印加手段によって、磁歪材料の変位量の傾きが大きくなる範囲内で、磁場集中部に生じさせる磁場の強度を変化させることによって、磁場集中部に配置された磁歪材料の変位量を微調整し易くなるため、本発明の磁気回路をアクチュエータとして好適に用いることができる。   The graph of FIG. 10 is a magnetic field-magnetostriction calibration curve as a result of an experiment using the apparatus system of FIG. The horizontal axis represents the strength of the maximum magnetic field applied to the magnetostrictive material 9, and the vertical axis represents the magnitude of the magnetostriction (displacement amount) generated in the magnetostrictive material 9. As can be seen from FIG. 10, a magnetic field of up to about 1.4 T could be applied to the magnetostrictive material 9 by the pulse magnet 71. In addition, even when the frequency of the alternating magnetic field applied to the magnetostrictive material 9 by the pulse magnet 71 is 80 Hz or 200 Hz, the displacement amount of the magnetostrictive material 9 is changed with respect to the change in the magnitude of the magnetic field applied to the magnetostrictive material 9. It can be seen that there is a range where the inclination increases. As described above, the magnetostrictive material 9 has a range of the strength of the magnetic field that can increase the amount of displacement. Therefore, by varying the strength of the magnetic field applied to the magnetostrictive material 9 in this range, the magnetostrictive material 9 is changed. It can be seen that the change in the amount of displacement can be increased. Therefore, the magnetic circuit of the present invention can be suitably used as an actuator by adopting a form in which a magnetic field having a strength in such a range can be applied to the magnetostrictive material. The magnetic circuit of the present invention can generate a magnetic field in the magnetic field concentration portion by the stationary magnetic field applying means and the variable magnetic field applying means. Therefore, for example, a stationary magnetic field having a lower limit strength of a magnetic field range in which the gradient of the displacement amount of the magnetostrictive material is increased by the stationary magnetic field application unit is generated in the magnetic field concentration portion, and the displacement gradient of the magnetostrictive material is changed by the variable magnetic field application unit. The amount of displacement of the magnetostrictive material arranged in the magnetic field concentration part can be easily fine-tuned by changing the strength of the magnetic field generated in the magnetic field concentration part within the range in which the magnetic field is large. It can be used suitably.

上記校正試験によって磁歪材料9に印加した磁場の強度と磁歪材料9に生じた磁歪の大きさとの関係を確認しておくことによって、磁歪材料9に生じた磁歪の大きさから、磁歪材料9に印加されている磁場の強さを見積もることができる。すなわち、以下に説明するようにして磁気回路10によって磁歪材料9に磁場を印加したときに磁歪材料9に生じた磁歪の大きさから、磁歪材料9に印加されている磁場(磁気回路10の磁場集中部に生じている磁場)の強さを見積もることができる。   By confirming the relationship between the strength of the magnetic field applied to the magnetostrictive material 9 by the calibration test and the magnitude of the magnetostriction generated in the magnetostrictive material 9, the magnitude of the magnetostriction generated in the magnetostrictive material 9 is changed to the magnetostrictive material 9. The strength of the applied magnetic field can be estimated. That is, the magnetic field applied to the magnetostrictive material 9 (the magnetic field of the magnetic circuit 10) is calculated from the magnitude of magnetostriction generated in the magnetostrictive material 9 when a magnetic field is applied to the magnetostrictive material 9 by the magnetic circuit 10 as described below. The strength of the magnetic field generated in the concentrated portion can be estimated.

(本発明の磁気回路の性能評価)
図11に示した構成の実験用装置101を作製し、本発明の磁気回路の性能を評価した。図11において、図7と同様の構成のものには、同符号を付している。
(Performance evaluation of the magnetic circuit of the present invention)
An experimental apparatus 101 having the configuration shown in FIG. 11 was produced, and the performance of the magnetic circuit of the present invention was evaluated. In FIG. 11, the same components as those in FIG.

ヨーク1は厚さ2mmの純鉄の板材で作製した。ヨーク1の寸法は、上下方向の長さ(図2に示したL1)及び左右方向の長さ(図2に示したL2)をそれぞれ100mmとした。磁場集中部3に形成された切り欠き部において、ヨーク1の端部の幅(図3に示したW1)は3.0mmとし、当該切り欠き部の間隔(図3に示したD)は6.0mmとした。コイル5が備えられる部分の幅(図2に示したW2)は、10mmとした。この磁場集中部3に形成された切り欠き部の中心には、磁歪材料9として2mm×2mm×長さ(磁場を印加していないときの、磁歪によって伸び縮みする方向の長さ)5.8mmの大きさのTerfenol−D(登録商標)を設置した。永久磁石4としては、厚さ5mmの円盤型のフェライト磁石を用いた。実験用装置101では、アクチュエータ100と同様に2つの永久磁石4を設置し、さらに図10に示したように同様の永久磁石4を2つ、環状部2上に載置した。これら4つの永久磁石4によって、磁場集中部3には0.3Tの定常磁場を生じさせることができた。コイル5としては、外径φ0.20mmのポリエステル被覆銅線を用いた巻き数が10のコイルを用いた。コイル5の電源6としては、発振器(株式会社エヌエフ回路ブロック製、WF1945)及びオーディオアンプ(マランツ社製、PM5003)を用いた。   The yoke 1 was made of a pure iron plate having a thickness of 2 mm. As for the dimensions of the yoke 1, the length in the vertical direction (L1 shown in FIG. 2) and the length in the left-right direction (L2 shown in FIG. 2) were each 100 mm. In the cutout portion formed in the magnetic field concentration portion 3, the width of the end portion of the yoke 1 (W1 shown in FIG. 3) is 3.0 mm, and the interval between the cutout portions (D shown in FIG. 3) is 6. 0.0 mm. The width of the portion where the coil 5 is provided (W2 shown in FIG. 2) was 10 mm. At the center of the notch portion formed in the magnetic field concentration portion 3, the magnetostrictive material 9 is 2 mm × 2 mm × length (length in the direction of expansion / contraction due to magnetostriction when no magnetic field is applied) 5.8 mm. The size of Terfenol-D (registered trademark) was installed. As the permanent magnet 4, a disk-type ferrite magnet having a thickness of 5 mm was used. In the experimental apparatus 101, two permanent magnets 4 were installed in the same manner as the actuator 100, and two similar permanent magnets 4 were placed on the annular portion 2 as shown in FIG. 10. With these four permanent magnets 4, a 0.3 T steady magnetic field could be generated in the magnetic field concentrating part 3. As the coil 5, a coil having a winding number of 10 using a polyester-coated copper wire having an outer diameter of 0.20 mm was used. As the power source 6 of the coil 5, an oscillator (manufactured by NF Circuit Block, WF1945) and an audio amplifier (manufactured by Marantz, PM5003) were used.

上記のようにして実験用装置101を作製し、磁歪材料9に生じた磁歪を測定した。磁歪の測定は、歪みゲージ(株式会社共和電業製)、歪ゲージブリッジ(自作、ブリッジ電源は3.0V(単三電池2個直列))、ブリッジ回路出力増幅用アンプ(岩崎通信機株式会社製「DA‐2B」、ブリッジ出力電圧を1000倍に増幅)、及びデジタルオシロスコープ(岩崎通信機株式会社製「BRINGO DS−8814」)を用いて行った。その結果を、図12に示した。   The experimental apparatus 101 was produced as described above, and the magnetostriction generated in the magnetostrictive material 9 was measured. Magnetostriction is measured using strain gauge (manufactured by Kyowa Denki Co., Ltd.), strain gauge bridge (self-made, bridge power supply is 3.0V (two AA batteries in series)), amplifier for bridge circuit output amplification (Iwasaki Tsushinki Co., Ltd. "DA-2B" manufactured, the bridge output voltage was amplified 1000 times, and a digital oscilloscope ("BRINGO DS-8814" manufactured by Iwasaki Tsushinki Co., Ltd.) was used. The results are shown in FIG.

図12の上段のグラフは、横軸が磁歪材料9に磁場を印加した時間、縦軸がオーディオアンプのスピーカー端子からの出力電圧である。図12の下段のグラフは、横軸が磁歪材料9に磁場を印加した時間、縦軸が磁歪材料9に生じた磁歪の大きさである。   In the upper graph of FIG. 12, the horizontal axis represents the time when the magnetic field is applied to the magnetostrictive material 9, and the vertical axis represents the output voltage from the speaker terminal of the audio amplifier. In the lower graph of FIG. 12, the horizontal axis represents the time during which a magnetic field is applied to the magnetostrictive material 9, and the vertical axis represents the magnitude of magnetostriction generated in the magnetostrictive material 9.

図12からわかるように、磁歪材料9の磁歪は磁歪材料9に印加した交流磁場の周波数に依存しており、最大で約680ppm変位させることができた。本実験には長さ6mmの磁歪材料9を用いたため、磁歪材料9の最大変位量は約4.0μmであった。このように、本発明の磁気回路を用いれば、容易に超磁歪材料に大きな磁歪を生じさせることができた。   As can be seen from FIG. 12, the magnetostriction of the magnetostrictive material 9 depends on the frequency of the alternating magnetic field applied to the magnetostrictive material 9, and can be displaced by about 680 ppm at the maximum. Since the magnetostrictive material 9 having a length of 6 mm was used in this experiment, the maximum displacement amount of the magnetostrictive material 9 was about 4.0 μm. Thus, if the magnetic circuit of the present invention was used, a large magnetostriction could be easily generated in the giant magnetostrictive material.

1、1a、1b、1c ヨーク
2、2a、2b、2c 環状部
3、3a、3b、3c 磁場集中部
4 永久磁石(定常磁場印加手段)
5 コイル
6 電源
7 電磁石(可変磁場印加手段)
9 磁歪材料
10、10a、10b 磁気回路
100 アクチュエータ
101 実験用装置
1, 1a, 1b, 1c Yoke 2, 2a, 2b, 2c Annular part 3, 3a, 3b, 3c Magnetic field concentrating part 4 Permanent magnet (stationary magnetic field applying means)
5 Coil 6 Power supply 7 Electromagnet (variable magnetic field application means)
9 Magnetostrictive material 10, 10a, 10b Magnetic circuit 100 Actuator 101 Experimental device

Claims (5)

環状に形成された環状部を有するヨークと、定常磁場を前記環状部に印加する定常磁場印加手段と、強度を変更可能な磁場を前記環状部に印加できる可変磁場印加手段と、を備え、
前記環状部が、他の部位より細く形成された磁場集中部を備えている、磁気回路。
A yoke having an annular portion formed in an annular shape, a stationary magnetic field applying means for applying a stationary magnetic field to the annular portion, and a variable magnetic field applying means capable of applying a magnetic field whose intensity can be changed to the annular portion,
A magnetic circuit, wherein the annular portion includes a magnetic field concentration portion formed narrower than other portions.
前記磁場集中部の一部が切り欠かれている、請求項1に記載の磁気回路。   The magnetic circuit according to claim 1, wherein a part of the magnetic field concentration portion is cut out. 前記ヨークが複数の前記環状部を備えており、
前記複数の環状部がそれぞれ備える前記磁場集中部が一点に集中するように、前記複数の環状部が配置されている、請求項1又は2に記載の磁気回路。
The yoke includes a plurality of the annular portions;
3. The magnetic circuit according to claim 1, wherein the plurality of annular portions are arranged so that the magnetic field concentration portions provided in the plurality of annular portions are concentrated at one point.
請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気回路と、
前記磁気回路の前記磁場集中部に配置された磁歪材料と、を備えるアクチュエータ。
A magnetic circuit according to any one of claims 1 to 3,
And a magnetostrictive material disposed in the magnetic field concentration portion of the magnetic circuit.
前記磁歪材料がTbDyFe系合金である、請求項4に記載のアクチュエータ。   The actuator according to claim 4, wherein the magnetostrictive material is a TbDyFe-based alloy.
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