JP2753229B2 - 磁気ひずみ駆動モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、音響エネルギーを伝送するためのトランス
ジユーサーに関し、より詳しくは、効率良く高出力の音
響エネルギーを発生させるために交互配置の高残留磁束
の磁石と高磁気ひずみ材料とから成る駆動スタツクを備
えている、セルフバイアスされたトランスジユーサーに
関する。 （従来の技術） 磁気ひずみ性ランタニド合金、例えばテルフエノール
−Ｄ（Terfenol−Ｄ）即ち、Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.9は、最も
競合力の高いピエゾセラミツクスの５倍以上のひずみrm
s値を有し、最も競合力の高い非ランタニド（即ち、ニ
ツケル）磁気歪み合金の10倍のひずみrms値を示すこと
ができる。水面下のトランスジユーサーによつて形成さ
れる音響出力電力（パワー）は、ひずみの平方に比例す
るので、これは、出力形成能力において大きな利点とな
りうる。またランタニド例えばテルフエノール−Ｄは非
ランタニド磁気ひずみ合金及びピエゾセラミツクスに比
べて音速が低く、ピエゾセラミツクス例えば鉛−ジルコ
ン酸塩−チタン酸塩−８（lead−ziconate−titanate−
８）の17倍の熱伝導率を有している。低音速は、帯域を
改善し、共振周波数を低下させる傾向を示し、高熱伝導
率は、出力取扱い能力を改善する傾向を示し、到達可能
なデユーテイサイクルを増大させる。これらの利点を適
切に活用しうる度合は、ランタニド材料の或る固有の性
質によつてトランスジユーサーの設計に際し発生するい
くつかの問題の克服に依存する。 テレフエノール−Ｄは、磁気ひずみニツケル合金より
も少くとも１桁低い相対透磁率（わずか４または５）を
有している。また長さの節減と費用有効度とを目的とし
て、比較的短かい長さの材料が用いられている。テルフ
エノール−Ｄロツドの低透磁率と小さな長さ対直径比と
の組合せによつて、従来の技術のトランスジユーサーの
設計において一様でないバイアス及び駆動磁界となり、
その結果磁性材料の一部分しか利用されなくなると共
に、磁性材料に生ずるひずみが一様でなくなる。減磁効
果及び外辺磁束（フリンジングフラツクス）は、漏洩イ
ンダクタンスを増大させてトランスジユーサーの結合を
劣化させる傾向を示す。また長さ対直径比が小さいた
め、漂遊磁束は、トランスジユーサーの金属成分に移行
し、そこで、渦電流とヒステリシス損失によつて、転換
効率が低下する。 プレポール（prepole）されたピエゾセラミツクスと
は相違して、テルフエノール−Ｄ及び他のランタニド合
金は、軟磁性であり、リニア動作に対して不十分な残留
磁界を保持するに過ぎないため、極性化用磁界を必要と
する。テルフエノール−Ｄの場合には、直流が流れるコ
イルか永久磁石かのどちらかによつて極性化用磁界を供
与することができる。 バイアス磁界を供給するためにDC電流を使用する場合
には、この電流は、AC駆動コイルに重畳されるか、又
は、別のコイルに供給される。別々のAC電源とDC電源と
を使用して１つのコイルに電流を重畳させた場合には、
DCを通過させてDC供給をAC電源によつて駆動することを
さけるために、大きなチヨークが必要となる。またACを
通過させてDC電流をAC電源に入らないように阻止するた
めに、大形のコンデンサーが必要とされる。別々の巻線
がAC及びDCを伝達する場合には、コンデンサーに対する
要求はなくなるが、大形のかさばつたチヨークをDC電流
巻線と並列に配置することはなおも必要とされる。それ
は、２つの同心のコイルが共通の鉄心によつて磁気的に
結合されたことによる変圧器作用によつてコイル同士結
合されるためである。 別々のDC及びAC電源の要求は、種々の固体増幅器を使
用する方法によつてさけられるが、これらの方法も、大
形の自動変圧器のようなかさばつた磁気要素が必要とな
るので、不都合である。また全DC電流バイアス方法によ
つて、大きな熱負担がトランスジユーサーにかかるた
め、駆動材料の高熱伝導率によつて得られた潜在的な利
点の多くが失われる。DC電力がトランスジユーサー中に
おいて消散されることと、特にケーブルが長大な場合に
は、DC電源ケーブルにおいて生ずるDC伝送損失とによつ
ても、全体的な効率が低下する。 直流バイアスに代るものとして、永久磁石によるバイ
アスがある。従来の技術によれば、永久磁石のバイアス
によつて、AC効率が通常は減少し、トランスジユーサー
の結合度が減少し、全体的なトランスジユーサーの性能
が低下する。永久磁石の透磁率が非常に低く、磁気回路
の磁気抵抗を増大させるため、AC効率は通常低下する。
そのため、或る磁束密度を達成するために、より大きな
起磁力（より大きなAC駆動電流）が必要となり、その結
果としてコイル損失が増大する。磁石の渦電流が余分な
損失を惹起させるので、永久磁石がAC駆動磁界によつて
減磁されるのをさけるために永久磁石材料を板金で遮蔽
することが必要となりうる。渦電流のため多量のエネル
ギーが磁石の遮蔽に消散され、その結果として効率が大
きく低下する。AC磁気回路の低磁気抵抗によつて大きな
フリンジング（fringing）が発生し、漂遊磁束がトラン
スジユーサーの金属部分に入ることによつて、余分な損
失が生ずる。更に、永久磁石に多量のエネルギーが蓄積
されるので、漏洩インダクタンスが増大し、電気的品質
係数を高くし、トランスジユーサーの結合を低くする。
永久磁石が最適の位置に設けられていないと、磁気ひず
み駆動材料は、一様でないバイアスを受けるため、駆動
材料の利用は不十分となり、その或る領域は不十分にバ
イアスされ、他の領域は飽和近くまでバイアスされる。
そのため、従来の技術のように永久磁石を使用すること
自体によつては、高効率又は全体的な効率の改善は保証
されない。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、従来の技術による前記の問題のない
磁気ひずみ駆動モジユールを提供することにある。 （問題点を解決するための手段） 従来の技術によるこれらの問題は、永久磁石デイスク
と高磁気ひずみ材料のデイスクとを交互に配置させてこ
れらの交互配置された材料のスタツクを形成することに
よて作製した、磁気ひずみトランスジユーサー及びその
駆動モジユールによつて克服され、ランタニド磁気ひず
み材料の永久磁石バイアスの他の目的及び利点が実現さ
れる。並置された２つのそうしたスタツクの直列加極磁
気回路は、高透磁率の磁束の帰路となる磁極片によつて
完成される。各々のスタツクは、それぞれのスタツク中
に実質的に一様な交番磁界を生ずるソレノイドによつて
囲まれている。各々のスタツクは、長手方向に延長する
扁平な切込み（切断部）を有し、これらの切込みは、ソ
レノイドによつて生じた各々のスタツク中のAC磁界と実
質的に平行である。これらの扁平な切込みはスタツクさ
れた材料中の渦電流損失を減少させる。磁束の帰路とな
る磁極片は、各透磁率の鋼の薄いシート材の成層片であ
り、これらのシート材は、AC磁界によつて生ずる渦電流
損失を同様に減少させるように、相互に電気的に絶縁さ
れている。これらの鋼製のシート材は非磁性の端ブロツ
クによつて拘束され、このブロツクに挿入され接着され
ている。スタツク及び磁極片の係合面は、なめらかに扁
平に研磨されているため、それらの接合部には、最小の
空隙が存在している。ソレノイドの励磁の位相は、端ブ
ロツクの相対的な運動を生ずるように各々のスタツクを
協調して伸縮させるように定められている。端ブロツク
の外面は、モジユールを駆動要素とするトランスジユー
サーのピストン体と接触している。ピストン体と端ブロ
ツクとは、扁平に研磨されているため、これらの間に良
好な接触が得られる。磁気デイスクは、高磁束を生ずる
磁性材料からできており、この材料の残留磁束は、印加
されたAC磁界の起磁力に反抗する。サマリウムコバルト
はこの用途のために適切なことが知られている。磁気ひ
ずみデイスクは典型的には、ランタニド系列の材料から
作成される。AC起磁力の１単位当りのひずみ値の高いテ
ルフエノール−Ｄは、特に好ましい。 （実施例） 第１図は、本発明の駆動モジユール10を使用して構成
したトンピルツ（tonpilz）トランスジユーサー60を、
一部は断面によつて、斜視図として表わしている。トラ
ンスジユーサー60は、頭部61（典型的にはアルミニウム
からできている）と尾部62（典型的にはステンレス鋼か
らできている）とから成り、これらの頭部及び尾部に形
成した凹部63,64には、駆動モジユール10の端ブロツク
５が嵌合されている。第１図には２個のみのモジユール
10が示されている。しかし、理解されるように、トラン
スジユーサー60の内部のスペース中に収容しうる限りの
数のモジユール10を使用してもよい。タイロツド／皿形
ばね組立体65は、モジユール10を所望の圧縮力の下にお
くために、頭部61と尾部62との間に圧縮力を加える。加
硫されたゴムシール67によつて頭部62に連結されたシユ
ラウド66は、ハウジング68に固着されている。尾部62
も、ハウジング68にねじ止めしたねじリング70から圧縮
される圧抜き材69を介してハウジング68と接触してい
る。コネクター72を収容した後板71は、ハウジング68
に、ハウジング68と共に水密のシールを形成するように
連結されている。後板71及び尾部62によつて形成された
キヤビテイ73は、コネクター72を介してケーブル74の導
線にモジユール10を電気的に接続するための電気的接続
部及び図示しない電気的同調回路のためのスペースを供
与する。ケーブル74の導線は、送信器（図示しない）か
らモジユール10を付勢するための交流電源導線を含み、
これらの交流電源導線は、モジユール10によつて検出さ
れた信号を受信器（図示しない）に伝送するためにも使
用される。後板71は、ねじ76の締付けによつて後板71の
外周とハウジング68との間に圧縮されたシール材75によ
つて、ハウジング68との間に水密のシールを形成してい
る。そのためトランスジユーサー60の内部は、水密の囲
いとなり、この囲いの内部において、モジユール10は、
尾部62に対する頭部61の相対的な運動を発生させるよう
に、電気的に付勢することができる。第１図のトランス
ジユーサー60によつて例示されるような変換器におい
て、駆動モジユール10は、ハウジング68の端ブロツク５
が密に嵌合される凹所63によつて与えられるグリース処
理継手によつて、頭部61及び尾部62によつて与えられる
機械的負荷に音響結合されている。ハウジング68の端ブ
ロツク５と凹所63の底面との係合面は、滑らかな平面と
して形成されているため、これらの係合部分の間には、
良好な機械的接触が存在している。これらの継手は、タ
イロツド650を頭部61にねじ込んだタイロツド−皿形ば
ね組立体65を含む機械的な予ストレス系によつて、圧縮
に保たれており、組立体65は、皿形ばね652を尾部62に
対して圧縮するナツト651によつて緊張されている。機
械的切削の容易なモジユール10の端ブロツク5/磁極片４
の端ブロツク−磁極片組立体７は、この形式の機械的連
結を容易にする。モジユール状の構造のため、どれか１
つのモジユール10が故障した場合に、モジユール10を含
む駆動組立体を容易に交換することができる。 第２−５図には、本発明に従つて構成した磁気ひずみ
駆動モジユール10が、順に、斜視図、断面図、断面図及
び分解斜視図によつて図示されている。第3,4図はそれ
ぞれ第4,3図の断面線Ｉ−I,II−IIに沿つて切断した断
面図である。２つの磁気ひずみスタツク11は、モジユー
ル10のために用いられている。各々のスタツク11は、磁
気ひずみ材料１の重ね合せデイスクと永久磁石２の重ね
合せデイスク２とを入組ませた配列から成つている。各
々のスタツク11は、各々のスタツク11に交番起磁力を与
えるように交流電源（図示しない）に接続されたコイル
３によつて、両方の端面を除いて、実質的に囲まれてい
る。各々のスタツク11の永久磁石２は、同一の磁化方向
をもち、スタツク11が第３図に示すように互に逆のN,S
方向に着磁されるように配置されている。スタツク11の
端面110を磁極片４と接触させることによつて、スタツ
ク11と磁極片４とを含む磁気回路を閉成することによつ
て、磁路を形成する。磁極片４は、厚さが0.0254mm（２
ミル）のSiFe鋼板の重ね合せ（ラミネーシヨン）のスタ
ツクから成る。これらの磁極片４は、典型的にはアルミ
ニウムもしくはステンレス鋼の端ブロツク５中に収納さ
れており、市販のＡ−2/E型のような構造エポキシ６に
よつて、端ブロツク５の内部に固着されている。コイル
３は、高温マグネツトワイヤ例えば＃18AWG絶縁マグネ
ツトワイヤを巻回したものである。１つのスタツク11と
コイル３との間のスペースにはシリコンゴム８が充填さ
れている。一実施例によれば、スタツク11は、先行する
工程及びモジユール10への組立ての前に、シリコーンテ
ープ（例えば、市販のモツクスネス（Moxness）テー
プ）が巻回される。シリコーンゴムは、コイル３が交流
電流によつて駆動される際に振動するスタツク11からコ
イル３を減結合（decouple）するために用いられる。シ
リコーンゴム８は、スタツク11をコイル３から絶縁し、
コイル３を支持し、コイル３からスタツク11への熱伝導
を改善するためにも用いられる。 本発明の好ましい実施例によれば、磁気ひずみ材料１
のデイスクと永久磁石２のデイスクとの入組み状の重ね
合せから成るスタツク11は、サマリウムコバルト永久磁
石の重ね合せデイスクと交互に配置されたテルフエノー
ル−Ｄ（又は他のランタニド駆動材料）の重ね合せデイ
スクとのスタツクである。サマリウムコバルトの磁石
は、固有の高保磁力と共に、高エネルギー積を示し、コ
イル３によつてスタツク11中に高温と大きな交流駆動磁
界とが生じても、減磁されず、スタツク11と磁極片４と
を含む磁気回路中に安定した直流磁界を保つような特性
を有している。磁気回路は、μｒが近似的に10⁴に等し
い低損失−高透磁率の成層珪素鋼からできている磁極片
４によつて供与される１対の帰路によつて完成される。
ラミネーシヨン15は、慣用の変圧器の設計技術の場合と
同様に、絶縁ワニス16によつて相互に電気的に絶縁され
ている。ラミネーシヨン15は非常に薄く、厚さは、0.02
54〜0.0508mm（１〜２ミル）である。ラミネーシヨン15
は、磁気ひずみスタツクの磁束と同じ方向になるように
方向決めされている。この配向は、渦電流損の少ない低
抵抗磁路を供与するだけでなく、磁気ひずみ材料１（テ
ルフエノール−Ｄ）によつて生ずる長手方向の振動の方
向に機械的に非常に剛性で磁気ひずみ性のスタツク11か
ら端ブロツク５への熱伝導を増大させる磁極片４を与え
る。熱伝導は端ブロツク５からトランスジユーサー60の
頭部61から尾部62（第１図に示す）に向つて生ずる。作
動中に、頭部61は、海水と熱的に接触している。アルミ
ニウム型（又は非磁性ステンレス鋼製）の中空の端ブロ
ツク５は、構造エポキシ６によつて珪素鋼のラミネーシ
ヨン15が所定位置に接着される外殻体として用いられ
る。その結果、磁極片４と端ブロツク５との、端ブロツ
ク−磁極片組立体７は、金属の中実のブロツクとほぼ同
程度の構造強度を備えている。 第５図に斜視図で表わしたセルフバイアスされた磁気
ひずみ性のスタツク11は、それぞれほぼ6.35mm（1/4イ
ンチ）の厚さのスラブ13,14にテルフエノール−Ｄ及び
非磁化サマリウムコバルトの同じ直径の円筒状のロツド
をダイアモンドソーによつて最初に長手方向に切断する
ことによつて製造される。各々のスラブ13,14は、この
切断によつて形成された扁平な平行面を備えている。テ
ルフエノール−Ｄのスラブ13及びサマリウムコバルトの
スラブ14は、市販のゼネラル・エレクトリツク7031型の
ような電気絶縁性の接着材を用いて、多少楕円形のロツ
ドを形成するように、各々再組立てされる。再組立てさ
れたロツドは、テルフエノール−Ｄのデイスク１及びサ
マリウムコバルトのデイスク２を形成するように切断さ
れる。テルフエノール−Ｄのデイスク１は、サマリウム
コバルトのデイスク２と交互に配置され、45〜90kg（10
0〜200ポンド）の圧力の下に、典型的には、商業的に入
手可能なＡ−2/E型の構造エポキシ６によつて一緒に接
着される。これによつてデイスク1,2を互に接着する0.0
254mm（１ミル）の厚さのエポキシフイルム６が形成さ
れ、これによつてスタツク11が形成される。 テルフエノール−Ｄのスラブ13とサマリウムコバルト
のスラブ14の最大の厚さは許容される渦電流損によつて
定まる。特性周波数（スキンの深さがスラブの厚さの２
倍になる周波数）は、式（２ρ）／πμ（厚さ）² ここに、ρ＝テルフエノール−Ｄの抵抗率＝６・10^-7
オーム−ｍ μ＝テルフエノール−Ｄの透磁率 μ₀＝空気の透磁率 によつて与えられる。 サマリウムコバルトの抵抗率及び透磁率の大きさはテ
ルフエノール−Ｄのものと同じである。ランタニド合金
及びサマリウムコバルトの透磁率は低く、抵抗率は高い
ので、許容可能な厚さは、透磁率が相当に高い磁極片４
の鋼ラミネーシヨンの許容可能な厚さ（0.0254〜0.05
08mm）に比較して大きい（0.635mm）。渦電流の減少
は、渦電流損（I²R）を減少させる好ましい効果と共
に、一様でない渦電流の反抗起磁力（一様でない磁束密
度を生ずる）も減少させる効果ももつている。 スラブの数とその寸法及びその配列は、マツクスウエ
ルの式を解いて磁気回路全体に亘る磁界分布を定める有
限差分数値コンピユータープログラムを用いた最適化手
順によつて定められる。セルフバイアス駆動モジユール
10の設計は漏れインダクタンス、外辺磁束量、AC及びDC
磁界強度、並びに、磁気回路全体に亘る磁界の一様さに
関して最適化される。ランタニド磁気ひずみ材料の最適
DCバイアスポイント及び透磁率は、適用された応力の関
数であるから、トランスジユーサーの期待応力条件の全
範囲に亘る透磁率の増分値は、最適化プロセスにおいて
利用される。セルフバイアスされるランタニドの磁気ひ
ずみ性のスタツク11（分布されたサマリウムコバルトの
磁石２を有する。）の直流及び交流の磁界は、磁極片４
の磁気回路の高透磁率の帰路と組合された場合に、非常
に一様となることができる。磁気ひずみ性スタツク11
は、磁気回路中に配置される前に、入組み状に配置され
たサマリウムコバルトのデイスク２を十分に磁化するた
めに、強い磁界（約150Kガウス）中におかれる。セルフ
バイアスされるスタツク11には、モジユール10を形成す
るために、前述した構造エポキシ６によつて磁極片４と
接合される前に、高温マグネツトワイヤの駆動コイル３
が取付けられる。 第５図は、典型的な駆動モジユール10のための駆動モ
ジユール10の構成要素を示す分解斜視図であり、駆動モ
ジユール10は、２脚の閉磁気回路を備えている。ソレノ
イド３の交流励磁によつて生じた磁束は、典型的には長
さが7.62〜15.24cm（３〜６インチ）の、ソレノイドで
囲まれたテルフエノール／サマリウムコバルト駆動スタ
ツク11を含む磁気回路と、典型的には0.1524mm（６ミ
ル）の厚さのG10ガラス繊維補強樹脂であるガラス繊維
のデイスク17と、典型的には0.0508mm（２ミル）の珪素
鉄のラミネーシヨンである高透磁率の磁極片４とを通過
する。デイスク17,17′は、オプシヨンであるが、使用
する場合は、変換器60の使用時には水と接触しているこ
とのある頭部61及び尾部62からスタツク11を遮断する役
目をする。各々の駆動コイル３は、典型的には、＃18ゲ
ージ高温マグネツトワイヤの700〜1400巻回から成つて
いる。 駆動コイル３は、各々のコイル３によつて発生した磁
束が磁気回路の回りに直列加極方向となるように結線さ
れる。モジユール10の設計は、ほぼ一様な直流及び交流
磁界分布を保証して減磁及び漏れ効果を最小とする。珪
素鉄の磁極片４のラミネーシヨンは、構造エポキシ６
（第９図には示さない）によつて非磁性の端ブロツク５
に接着されている。端ブロツク５は、研磨された外面50
を先端に有し、これらの外面によつて、端ブロツク５
は、頭部61と尾部62との凹所63,64と各々の外面50との
間の高温グリース51のグリース継手によつて、第１の頂
部61及び尾部62に音響結合される。 テレフエノール−Ｄの磁気ひずみ材料１のスタツク11
の典型的な寸法は、第３−５図の各々のスタツク11の、
２つの外側のデイスクの長さ6.985mm（0.275インチ）、
４つの内側のデイスクの長さ13.97cm（0.55インチ）及
びデイスクの直径2.54cm（１インチ）である。第１図の
サマリウムコバルトの永久磁石のデイスク２の長さは、
典型的には、3.81mm（0.15インチ）である。スタツク11
の横方向及び長さ方向に測定した各々のスラブ13,14の
厚さは、6.34mm（1/4インチ）である。モジユール10の
ように珪素鉄の磁極片４に終端させた場合に、スタツク
11を通る交流及び直流の磁束の分布は、十分に一様にな
り、漏洩磁束がなくなるので、高効率−高結合係数のモ
ジユールが得られる。これらの典型的な寸法において、
長手方向のAC及びDC磁界中の変化は、セルフバイアスの
磁気ひずみ性のスタツク11の組立体を通じて数％（５−
10％）の範囲にある。 セルフバイアスされた駆動モジユール10の構造におい
て、セルフバイアスされた磁気ひずみ性のスタツク11の
極性は、１つのスタツクのＮ極と第２のスタツクのＳ極
とが同一の端ブロツク５−磁極片４の組立体７にバツキ
ング磁界をさけるように接着されるように定められる。
Ｎ極及びＳ極の極性は第３図に示されている。また駆動
コイル３は、並列又は直列の接続において励磁された時
に交流磁束が磁気回路を経て同一方向に循環されるよう
に結線されている。従って極性化DC磁束は、モジユール
10の１つのスタツク11において上方に向い、次に、モジ
ユール10の残りのスタツク11において下方に向い、AC磁
束は、同じ経路を通るが、コイル３の交流励磁の各々の
反転方向に対して方向を反転する。トランスジユーサー
の駆動要素として試験された場合のモジユール10は、従
来の技術の非入組み配列のランタニド−駆動装置におい
て通常得られるよりも数倍もすぐれた全体としての効率
を有していた。更にAC測定効率は、従来の技術による最
も進歩した交流バイアス磁気ひずみトランスジユーサー
及び圧電変換器において得られる最良のAC効率（即ちDC
損失無視）と十分に比肩可能であつた。 本発明の構成によつて得られるこれらの望ましい結果
は、テルフエノール−Ｄスタツクを通じてサマリウムコ
バルトデイスクを分布させ、磁極片４の低抵抗帰路を使
用したことの直接の結果である。この技法によつて、高
度に一様なAC及びDC磁界とテルフエノール−Ｄ駆動材料
の十分な利用とが結果する。磁束は予定された磁気回路
中に残留するように強制され、漂遊磁束による余分の損
失は除去されている。遮蔽されないサマリウムコバルト
の永久磁石２は、本発明に従つて形成されたモジユール
10中の高駆動AC磁界を長時間受け、磁石２により供給さ
れるDC磁界又は測定された変換器の性能に劣化は生じな
い。サマリウムコバルトの永久磁石２のデイスクは、遮
蔽を要しないので、従来の技術の遮蔽体において発生し
た渦電流による損失は、第３−５図の実施例では除かれ
る。セルフバイアスされる駆動モジユール10は、従来の
技術の実施例において共通であつた直流磁性化用磁界の
必要及びそれに関係した損失を完全に除去する。従来の
技術の直流バイアスされた変換器に通常生ずる直流に基
因した熱負担と、それに付随した伝送ケーブル損失とも
除去される。 低磁気抵抗の帰路を伴なつたモジユール10の分布永久
磁石組立体は、モジユール10の磁路の外のAC及びDCの漂
遊磁束を除くので、磁気的シグナチユアが無視できる程
度となり、これらのモジユール10を含むセルフバイアス
された変換器を事実上検出できなくする。 第６図は、第２−５図に示したモジユール10の別の実
施例である駆動モジユール50を断面によつて表わしてい
る。モジユール10の磁気ひずみ性の駆動スタツク11の長
さの永久磁石２の挿入による多少の増大は、第６図に示
すように、磁極片４−端ブロツク５の組立体７に２個の
バイアス用磁石２′を挿入することによつて、モジユー
ル50のように多少少くできる。テルフエノール−Ｄ磁気
ひずみ材料１のデイスクは、全て同じ長さであり、永久
磁石２のデイスクの数は、各々のスタツク11′において
１つ減少し、永久磁石2,2′の全数は、モジユール10の
場合と同じになる。永久磁石2.2′の磁極性は、モジユ
ール10の場合と同様に、直列加極性となる。モジユール
50の場合、磁極片４の２つの区画４′の間に永久磁石
２′が配置されたことによつて、モジユール10よりも長
さが最少短縮されているが、２つの区画４′の間の漏洩
磁界は増大する。 第３図の駆動スタツク11の別の形式は、駆動スタツク
70として、第７図に図示されている。磁気ひずみ駆動要
素71は、帯域溶融方向性テルフエノール−Ｄの六角形の
ロツドから作製した。磁性材の方向性によつて、透磁率
と長手方向の結合係数及びコンプライアンスが高くな
り、音速は低下する。方向性を得るために使用した方法
は、テルフエノール−Ｄロツドの最大の直径を約7.62mm
（3/10インチ）に制限する自立帯域溶融技法である。そ
のため、第７図に示した多要素ロツド72の使用によつ
て、単一のコイルによつて囲まれた磁性材の大表面積及
び高充填係数が得られる。高充填係数を得るために、直
径が7.62mm（3/10インチ）の方向性ロツドを機械加工し
て、六角形の断面形状（平面間の距離6.35mm）とし、電
気絶縁性の接着材73によつて一緒に接着した。電気絶縁
性の接着材73の使用は、ロツド72を相互に絶縁すること
によつて、渦電流の軌道直径を約6.35mm（1/4インチ）
に制限する上から、肝要である。接着材によつて形成さ
れた互に接着したロツド72の束を切断してデイスク71を
形成する。デイスク71を、駆動デイスク11の場合と同様
に調製したサマリウムコバルトのデイスク74の間に介在
させる。デイスク71,74を接着して別の形式の磁気ひず
み性スタツク70を形成する。 第３−５図に示したように駆動スタツク11を作製する
大径の丸形ロツドからの、スタツクの製造は、六角ロツ
ド形のスタツク70よりも好ましいが、その理由は、廉価
なことと、コイル３とスタツク70との間の空気スペース
を最小にする内径をもつたコイルの製造が、スタツク11
のように実質的に丸形のスタツクに比べて一層困難なた
めである。コイル３の漏れインダクタンスを減少させる
には、きつい嵌合が望ましい。 本発明による駆動モジユール10を組込んだ第１図に示
す形式のトランスジユーサーのトンピルツプロジエクタ
ー又はトランスジユーサーによつて、従来得られたもの
に比べて性能特性が改善された。トランスジユーサーの
水中結合係数0.50、全体的効率65％以上及び高駆動レベ
ルにおいて50％に近いデユーテイサイクルが達せられ
た。 ランタニド系列の磁気ひずみ合金、例えば駆動モジユ
ール10に用いられているものは、低周波の用途におい
て、競合する駆動材に比べて利点をもつている。これら
の利点を活用しうる度合は、ランタニド材に関係した固
有の低透磁率に起因する技術上の問題を克服しうる度合
によつて定められる。「ランタニド」という用語は、ラ
ンタニド系列の元素を意味し、原子番号57のランタン
は、この系列のうち最初の元素である。ランタニド系列
の元素のうちいくつか（Sm.Tb,Dy,Ho,Er及びTm）は、合
金の形で、特別の磁気ひずみを発現する。「希土類」と
いう用語は、これらの元素を特徴付けるために用いられ
たが、これらの元素は「希」でも「土」（「酸化物」を
意味する用語）でもないので、「ランタニド」という用
語が好ましい。これらのランタニド元素の高度の磁気ひ
ずみ性と、通常の作動温度で大きな磁気ひずみを示すラ
ンタニド合金の開発とによつて、少くとも１つの、現在
賞用されているランタニド合金であるテルビウム−ジプ
ロシウム−鉄（Terbium−Dysprosium−Iron）合金、即
ちTb_0.3Dy_0.7Fe_1.9（テルフエノール−Ｄ）が得られ
た。 テルフエノール−Ｄが発生しうるrmsひずみ値は、最
も競合力の高いピエゾセラミツクスによつて発揮される
rmsひずみ値の５倍以上、また最も競合力の高い非ラン
タニド（即ちニツケル）の磁気ひずみ合金によつて発揮
されるrmsひずみ値の10倍以上である。水面下プロジエ
クター又はトランスジユーサーによつて発生する音響出
力は、歪みの自乗に比例するので、ランタニド駆動のト
ランスジユーサーによつて、出力発生能力上の大きな利
点が得られる。更に、テルフエノール−Ｄは、ピエゾセ
ラミツクスの値の約60％の音速及び約17倍の熱伝導率を
有している。低音速によつて、帯域が改善され、共振周
波数が低下し、また高熱伝導率によつて、出力処理能力
が改善され、現実可能なデユーテイサイクルが増大す
る。 以上の説明は、新規なトランスジユーサー駆動モジユ
ールのいくつかの実施例と、以下の新規な特徴を示すト
ランスジユーサーへのその組込みについて行なつた。モ
ジユール10は、極限的な振動及び強ACフイールドの条件
下においても安定なサマリウムコバルト磁石を組込んだ
ものである。セルフバイアス形態において使用される先
行技術による磁石においては、これらの磁石をAC磁界か
ら遮蔽するための銅板が必要であつた。（ネオジミウム
硼素鉄（neodymium boron iron）のような他のランタニ
ドベースの磁石をおそらくは除いて）サマリウムコバル
ト磁石のみが、固有の高保磁力、残留誘導並びにランタ
ニド磁気ひずみプロジエクターを適切にバイアスする安
定性を示し、AC遮蔽は必要としない。 セルフバイアスされる駆動モジユール10によれば、サ
マリウムコバルトのデイスク２が磁気ひずみスタツクに
亘つて分布されているため、非常に一様なバイアス及び
駆動磁界が結界する。従来の技術の場合のようにマグネ
ツトをひとかたまりにしていた場合には、一様な磁界は
得られず、効率及び性能は劣化するであろう。 ハウジングの端ブロツク−磁極片組立体７は、非常に
強じんな構成であり、磁極片４が非常に薄い鋼ラミネー
シヨンからできていたとしても、機械的に堅強である。
端ブロツク５は、アルミニウム又はステンレス鋼からで
きており、非磁性であるため、磁極片４を通る磁束とイ
ンターフエースされない。端ブロツク５のため、駆動モ
ジユール10の端ブロツク20は、鋼ラミネーシヨン15のみ
によつてモジユールが終端されていたとした場合に比べ
て著しく容易に、同一のトランスジユーサー中の他の全
てのモジユール10と同じ長さに、互いに平行に、扁平に
研磨することができる。端ブロツク5,20の表面は、滑ら
かに且つ扁平に研磨されているため、やはり好ましくは
扁平に且つ平行に研磨されるトランスジユーサーの頭部
61及び尾部62の凹所63,64に挿入することができる。駆
動モジユールの端ブロツク５とトランスジユーサーの頭
部61及び尾部62との間の凹所63,64のグリース51は、外
部的に発生した衝撃波からモジユール10を保護するよう
に作用すると共に、モジユール10が故障した場合に一層
容易に交換することを可能とする。 モジユール10のユニット構造によつて、取付けが容易
になると共に、トランスジユーサーの製造可能性が改善
される。多くのランタニド系磁気ひずみトランスジユー
サーに多数の駆動要素（モジユール10）が組込まれると
予想されるので、駆動モジユール10のユニット構造によ
り、１つのモジユール10を交換すべき場合に、トランス
ジユーサーの製造とその保守が比較的簡単になる。 駆動コイル３と磁気ひずみスタツク11との間の空隙を
満たしている高温クラスのシリコンゴム８は、機械的な
摩擦損失を最小とし、コイル３をスタツク11から減結合
し、コイル３からスタツク11への改良された熱経路を供
与する。コイル３とトランスジユーサーの頭部61及び尾
部62との間の熱伝達は、第２図に示した磁極片４のラミ
ネーシヨン15の配向によつて更に助長される。熱束は、
ラミネーシヨン15の間のワニス絶縁16を通過する必要な
く、磁極片４のラミネーシヨン15を通つて流れる。熱伝
達能力が高いため、第６図に示したものと同様のセルフ
バイアスされたトランスジユーサーは、過熱されずに
（温度の上昇は約58.89℃（約170゜F））不定に40％デユ
ーテイサイクルにおいて200エルステツドで駆動するこ
とができる。 本発明の他の利点は、AC及びDCの各磁界について、磁
界の一様さとして要約され、この一様さは、長さ対直径
比が低くても低透磁率ランタニド磁気ひずみ駆動要素に
保磁される。典型的には、駆動スタツク11の長さ対直径
比は約3.5である。駆動スタツク11のテルフエノール−
Ｄの全量は十分に利用される。本発明の構成によれば、
減磁、フリンジング及び漂遊磁束は実質的に除去され
る。トランスジユーサー60は、高変換能力を有し、全体
的な効率のピーク値は、特定のトランスジユーサーの設
計及び負荷に従つて変化し、60〜75％（効率）である。
DC電力要求と磁気ひずみ材料１をバイアスする上の付随
する損失とは除去される。DC電流からAC電流を分離する
上に必要なブロツキング回路の電子素子は、本発明のセ
ルフバイアス技法によつて除去される。トランスジユー
サーの熱負担は、磁気ひずみ材料１のバイアスに必要な
DC電力の除去によつて著しく減少する。バイアス用のDC
電流を供与する場合に、ケーブル伝送損失は除かれてい
る。サマリウムコバルト永久磁石はACフイールドから遮
蔽する必要がなく、大きなACフイールドにさらされた場
合にも安定である。磁気ひずみ性のモジユール10の改善
された熱能力の結果として、トランスジユーサーのデユ
ーテイサイクル能力が改善される。実質的に全部の磁束
が磁気回路中に閉じ込められているため、従来の技術に
よる永久磁石バイアス技法に比て漏洩インダクタンスが
低くなる。磁束が閉じ込められているので、本発明に従
つて作成されたセルフバイアストランスジユーサーの外
部磁界は、非常に低くなる。最後に、磁気ひずみモジユ
ール10のユニット構造によつて、これらのモジユールを
製造及び修理のために取付けたり除去したりする操作が
容易になる。 AC効率はごくわずか低下するが、DCバイアスが除去さ
れるので、全体的な効率はより増大する。典型的には、
セルフバイアスされたランタニド系列のトランスジユー
サーのAC効率は、対応した帰路磁極片を有する最適化さ
れたトランスジユーサーよりも数％低下する。このわず
かなAC効率の低下は、永久磁石２を含めたことによる磁
気回路の磁気抵抗の増大に起因する多少の余分な銅損
と、成層磁石のわずかな余分の渦電流損失とによつて生
ずる。 好ましい実施例によるスタツク11,50の永久磁石及び
磁気ひずみ材料のデイスク1,2の典型的な寸法は、先に
示した通りであり、その結果として、低透磁率のテルフ
エノール−Ｄ磁気ひずみ材料のAC及びDC磁界分布は、５
−10％の範囲内において一様になつた。磁界の一様なこ
とは、駆動モジユール10の或る構造部分の磁気飽和によ
る性能の劣化をさける上に望ましい。所望の程度に一様
な磁界を同様に与えるような、ここに図示した好ましい
実施例による寸法も、異なつたディスク1,2の寸法も、
本発明の範囲に含まれる。 本発明による駆動モジユールは、第１図に図示したト
ンピルツ−トランスジユーサーのほかに、本発明による
駆動モジユールが円筒の隣接した部片の間にあり、これ
らの部片に駆動モジユールを圧縮するために緊張させた
ボルト又はワイヤによつて力が適用されるようにした、
当業者には周知の円筒形トランスジユーサーについても
使用することができる。 本発明は、前述した実施例のほかにも種々変更して実
施できるので、先述した特定の構成は、単なる例示に過
ぎず、本発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の駆動モジユールを組込んだトランスジ
ユーサーの、一部は断面によつて表わした斜視図、第２
図は、本発明による駆動モジユール斜視図、第3,4図
は、第２図の駆動モジユールルの断面図、第５図は、第
２図の駆動モジユールの分解図、第６図は、本発明の駆
動モジユールの別の実施例を示す断面図、第７図は、第
2,6図の駆動モジユールの駆動スタツクの別の実施例を
示す斜視図である。 １…磁気ひずみ材料のデイスク。 ２…永久磁石のデイスク。 ４…磁極片。 11…駆動スタツク。

フロントページの続き (72)発明者 ジェームス・アール・スターゲス アメリカ合衆国ロード・アイランド州バ ーリントン，アルフレッド・ドロウン・ ロード 46エイ (56)参考文献 特開 昭51−67087（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−71087（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−71085（ＪＰ，Ａ) 特公 昭43−22269（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．１対の駆動スタックを有し、 該駆動スタックの各々は、永久磁石と磁気ひずみ材料と
   の複数の交互配置されたディスクを含み、 各駆動スタックは、長手方向の切断部を含み、これらの
   切断部は切断によって形成された各ディスクの部分を電
   気的に絶縁させ、更に、 １対の高透磁率材料の磁極片を有し、各磁極片は、前記
   駆動スタックとともに磁気回路を形成するように駆動ス
   タックの端部間を橋絡し、 各磁極片は磁性材料から成る積層されたシートを含み、
   更に、 各駆動スタックの回りにソレノイドを有する、磁気ひず
   み駆動モジュール。 ２．前記積層されたシートが、少なくとも２群に横方向
   に分離されている、少なくとも１つの端磁極を有し、 各群は、長手方向の切断部を備え、該切断部には該切断
   部に配置される永久磁石の部分を電気的に絶縁するため
   の電気的絶縁材が設けられている、特許請求の範囲第１
   項記載の磁気ひずみ駆動モジュール。 ３．キャビティを含む非磁性の端ブロックを更に有し、
   前記磁極片の積層シートは、端ブロックの前記キャビテ
   ィに収納されてこれに接着されることによって端磁極組
   立体を形成している特許請求の範囲第１項記載の磁気ひ
   ずみ駆動モジュール。 ４．少なくとも１つの磁気ひずみ駆動モジュールを有す
   る磁気ひずみトランスジューサーであって、 磁気ひずみ駆動モジュールは１対の駆動スタックを有
   し、 該駆動スタックの各々は、永久磁石と磁気ひずみ材料と
   の複数の交互配置されたディスクを含み、 各駆動スタックは、長手方向の切断部を含み該切断部は
   切断によって形成されたディスクの部分を電気的に絶縁
   させ、更に、 １対の高透磁率材料の磁極片を有し、各磁極片は前記駆
   動スタックとともに磁気回路を形成するように駆動スタ
   ックの端部間を橋絡し、 各磁極片は磁性材料の積層されたシートを含み、更に、 各駆動スタックの回りのソレノイドと、 前記積層されたシートが少なくとも２つの群に横方向に
   分離されている少なくとも１つの端磁極と、 を有し、各群は長手方向の切断部を備え、該切断部に配
   置される永久磁石の部分は該切断部中の電気的絶縁材に
   よって電気的に絶縁され、 磁気ひずみトランスジューサーは 頭部と、 尾部と、 を有し、駆動モジュールの端磁極組立体が前記頭部及び
   尾部と接触しており、更に、 前記頭部及び尾部に力を加えることによって駆動モジュ
   ールを圧縮する手段、 を有する磁気ひずみトランスジューサー。 ５．前記頭部及び尾部と接触したとき前記端磁極をスロ
   ット内部に保持可能とするに足る大きさのスロットを頭
   部及び尾部に形成した特許請求の範囲第４項記載の磁気
   ひずみトランスジューサー。 ６．永久磁石の複数の第１のディスクと、 磁気ひずみ材料の複数の第２のディスクと、を有し、 前記永久磁石及び磁気ひずみ材料のディスクはディスク
   スタックを形成するように交互配置され、 第１のディスク及び第２のディスクの各々は、スラブか
   ら成り、これらのスラブは相互に電気的に絶縁されて前
   記第１及び第２のディスクを形成する、磁気ひずみ駆動
   スタック。 ７．前記永久磁石が高共振磁束密度と高保磁力とを有
   し、前記磁気ひずみ材料は低透磁率の高ひずみ係数の材
   料である特許請求の範囲第６項記載の磁気ひずみ駆動ス
   タック。 ８．前記永久磁石がサマリウムコバルト磁石であり、磁
   気ひずみ材料はランタニド合金である特許請求の範囲第
   ７項記載の磁気ひずみ駆動スタック。 ９．前記ランタニド合金がTb_0.3Dy_0.7Fe_1.9である特許
   請求の範囲第８項記載の磁気ひずみ駆動スタック。 １０．磁気ひずみ材料の複数のロッドを互いに接触させ
   て並置し、 相互に電気的に絶縁し、相互に接着材によって結合して
   形成したロッド束を切断することによって形成される複
   数のディスクと、 永久磁石の複数のディスクと、を有し、 前記永久磁石ディスクの各々は該ディスクを形成するよ
   うに相互から電気的に絶縁されて接着材により相互に結
   合された複数の部分ディスクの複数のスラブから成り、 前記永久磁石及び磁気ひずみ材料のディスクは交互配置
   されてディスクスタックを形成し、更に、 ディスクスタックを圧縮する圧縮手段、 を有する磁気ひずみ駆動スタック。 １１．電気コイルと、 交互配置された永久磁石材料と磁気ひずみ材料との複数
   のディスクから成るスタックと、を有し、 前記ディスクスタックがそれを通って一端から他端にか
   けて延長している少なくとも１つの長手方向の切断部を
   含み、該切断部はディスクの表面を横切っており、 前記電気コイルはスタック全長に亘って延長し、更に、 スタックの磁束の磁気帰路を与えるようにスタックの両
   端と接触された磁気回路、 を有する磁気ひずみ駆動モジュール。 １２．各ディスクが複数の電気的に絶縁された部分から
   成り積層ディスクを形成する特許請求の範囲第11項記載
   の磁気ひずみ駆動モジュール。 １３．前記スタック及びディスクが円筒状であって、対
   称軸線を有し、 各ディスクはスタック中の表面のうち隣接するものと接
   触していて前記軸線を横切る平坦な表面を備えている特
   許請求の範囲第11項記載の磁気ひずみ駆動モジュール。 １４．前記ディスクの寸法は、ディスク中に実質上一様
   な磁束を生ずるように定められている特許請求の範囲第
   11項記載の磁気ひずみ駆動モジュール。 １５．磁気ひずみ材料のディスクが10よりも小さい透磁
   率を有する特許請求の範囲第11項記載の磁気ひすみ駆動
   モジュール。 １６．１対の駆動スタックを有し、 駆動スタックの各々は、低透磁率の永久磁石と低透磁率
   の磁気ひずみ材料との交互配置された複数のディスクを
   含むとともに、長手方向の切断部を含み、これらの切断
   部は切断によって形成された各ディスクの部分を電気的
   に絶縁させ、更に、 高透磁率材料の１対の磁極片を有し、該磁極片は駆動ス
   タックの端部間を橋絡して駆動スタックとともに磁気回
   路を形成し、前記永久磁石によって磁気回路中に形成さ
   れた磁界は実質上一様であり、 各磁極片は前記高透磁率材料の積層されたシートを含
   み、更に、 各駆動スタックの回りに設けられた第１及び第２のソレ
   ノイド、 を有する磁気ひずみ駆動モジュール。 １７．前記駆動スタックに対して固定された関係に前記
   ソレノイドを保持している、駆動スタックとソレノイド
   との間のエラストマー材を更に有する特許請求の範囲第
   16項記載の磁気ひずみ駆動モジュール。 １８．各駆動スタックが長手方向軸線を含み、 駆動スタックの各々の端部が前記軸線を横切る滑らかな
   平面であり、 前記磁極片も前記駆動スタックとの接触領域において滑
   らかな平面を成す、特許請求の範囲第17項記載の磁気ひ
   ずみ駆動モジュール。 １９．前記磁極片がその一方側に接着されている端ブロ
   ックを更に有し、 該端ブロックはその他方側に平坦な表面を含み、該表面
   は前記駆動スタックの軸線を横切る、特許請求の範囲第
   18項記載の磁気ひずみ駆動モジュール。