JP3024996B2

JP3024996B2 - 磁歪素子

Info

Publication number: JP3024996B2
Application number: JP2300209A
Authority: JP
Inventors: 輝夫森; 一則広瀬
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1990-11-06
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 2000-03-27
Anticipated expiration: 2015-03-27
Also published as: JPH04171989A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、磁歪素子に関し、特に超音波振動子に好適
な磁歪素子に関する。

＜従来の技術＞超音波振動子は、海底探査や魚群探知機等の各種用途
に用いられている。

超音波振動子として汎用されているのは、圧電材料や
磁歪材料等に高周波の電界や磁界を印加して振動させる
構成のものである。

これらのうち、圧電材料と電極とを積層したいわゆる
積層型の圧電振動子は、一層あたりの厚さが薄いため、
比較的大きい振幅を得るためには数百層も積層する必要
があり、構造が複雑となってしまう。

また、バイモルフ型やユニモルフ型の圧電振動子は、
圧電材料は数十〜数百ミクロン程度と薄いために、発生
する力が小さい。

また、フェライト、ニッケル、アルフェロ等の鉄族系
磁歪材を用いた磁歪振動子は、変位量が小さい。

このような事情から、希土類金属元素と鉄とを主成分
とし磁界変化に対する変位量が極めて大きい超磁歪材料
を用いた磁歪振動子が提案されている。

超磁歪材料を用いた磁歪振動子は、通常、柱状の磁歪
材を交流磁界印加用のコイルが取り囲んだ構成となって
いる。

超音波振動子として用いられる場合、磁歪材には高周
波磁界が印加されるので、磁歪材の渦電流損が問題とな
る。希土類金属元素と鉄とを主成分とする超磁歪合金は
抵抗率が低いので、渦電流損を低減するために、従来、
磁歪材と絶縁材とを、これらの界面が磁界方向を含むよ
うに積層している。柱状の積層磁歪材を形成するために
は、長方形の磁歪材と非磁性材とを積層することが一般
的であるが、この場合、積層磁歪材の形状が四角柱とな
るため、コイルを巻回したときに積層磁歪材とコイルと
の間にデッドスペースが生じ、振動子が大型化してしま
う。デッドスペースの発生を防ぐためには積層磁歪材を
円柱状になるように研削しなければならず、製造に手間
がかかってコスト高となってしまう。

また、振動を与える媒質の粘性が高い場合、振動子に
は強力な力が要求されるが、印加磁界強度の変化により
磁歪材が発生する力は磁歪材の断面積に比例するので、
磁歪材の断面積を大きくする必要が生じて振動子の大型
化が避けられない。なお、この場合の断面積とは、磁界
印加方向に垂直な断面のものである。

なお、磁歪材の断面積増大の問題は、磁歪振動子に限
らず、磁歪材の伸縮を利用したアクチュエータ等、他の
磁歪素子においても同様である。

＜発明が解決しようとする課題＞本発明は、このような事情からなされたものであり、
渦電流損が小さく超音波振動子に好適であり、しかも、
強力かつ小型の磁歪素子を提供することを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞このような目的は、下記（１）〜（４）の本発明によ
り達成される。

（１）希土類金属元素と鉄とを含有する筒状の磁歪材
と、前記磁歪材の中心孔内に設けられた柱状ないし筒状
の強磁性体と、前記磁歪材と前記強磁性体との間に設け
られたコイルと、一対のヨークとを有し、前記一対のヨークの一方が前記磁歪材の一方の端部お
よび前記強磁性体の一方の端部に接し、他方のヨークが
前記磁歪材の他方の端部および前記強磁性体の他方の端
部に接しており、前記コイルにより前記強磁性体に交流磁界および／ま
たは直流磁界を印加しているときに、前記強磁性体、前
記磁歪材および前記一対のヨークが閉磁気回路を形成し
ていることを特徴とする磁歪素子。

（２）前記強磁性体の飽和磁束密度が前記磁歪材の飽和
磁束密度よりも高い上記（１）に記載の磁歪素子。

（３）振動子として用いられる上記（１）または（２）
に記載の磁歪素子。

（４）前記一方のヨークの表面に接して錘を有する上記
（３）に記載の磁歪素子。

＜実施例＞以下、本発明を、図面に示す好適実施例に基づいて詳
細に説明する。

第１図に、本発明の磁歪素子を磁歪振動子に適用した
場合の好適実施例を示す。

第１図に示される磁歪振動子１は、円筒状の磁歪材２
と、磁歪材２の中心孔内に設けられた円柱状の強磁性体
３と、磁歪材２と強磁性体３との間に設けられたソレノ
イド状のコイル４と、振動放射部材５と、ヨーク６と、
錘７とを有し、これらがケーシング８に収納されてい
る。

ヨーク６および錘７はそれぞれ円盤状であり、円筒状
のケーシング８に対して固定された状態にある。固定手
段は特に限定されず、ボルトやネジ止め、あるいは接着
剤等でよい。

一方、円盤状の振動放射部材５にはボルト孔が穿設さ
れており、このボルト孔に遊嵌状態に挿入されているボ
ルト51がケーシング８と螺合している。そして、ボルト
51の頭部と振動放射部材５との間にはバネ52が設けられ
ており、このバネ52により振動放射部材５は常にケーシ
ング８に向かう方向の力を受け、これにより振動放射部
材５とヨーク６とは磁歪材２を挟持している。

強磁性体３の軸方向の一方の端部はヨーク６にネジ止
めや接着等により固定されており、他方の端部は振動放
射部材５の中央に設けられた凹部に挿入されている。強
磁性体３の側面は振動放射部材５の凹部内側面と接触状
態にあり、凹部の底面と強磁性体３の底面との間には、
図示されるように間隙が存在する。この構成により、磁
歪材２の伸縮に伴って振動放射部材５が図中上下方向に
振動する際に、強磁性体３と振動放射部材５とは接触し
たまま相対的に移動可能となっており、下記の閉磁気回
路は常に形成されていることになる。

振動放射部材５はヨークとしての作用を有するもので
あり、図示の構成では、強磁性体３、磁歪材２、振動放
射部材５およびヨーク６からなる閉磁気回路が形成され
ている。

このような閉磁気回路が形成されることにより、反磁
界の影響を避けることができる。

強磁性体３は、磁歪材２よりも大きな飽和磁束密度を
有する軟磁性材料で構成されることが好ましい。このよ
うな軟磁性材料としては、例えば、炭素鋼（S45C等）な
どが好ましい。飽和磁束密度のより高い材料を用いれ
ば、磁歪材２の断面積よりも強磁性体３の断面積を小さ
くすることが可能となる。従って、磁歪振動子１の小型
化が実現する。

また、ヨーク６と、ヨークとしての作用を有する振動
放射部材５も、このような飽和磁束密度の高い軟磁性材
料から構成されることが好ましい。

また、上記閉磁気回路を構成する軟磁性材料は、透磁
率が高いことが好ましい。

本発明では、円筒状等の筒状の磁歪材を用いるため、
柱状の磁歪材を用いる場合に比べて同一断面積であって
も厚さを薄くでき、渦電流を低減することができる。柱
状の磁歪材を用いる場合は渦電流損を減少されるために
磁歪材と絶縁材とを磁界印加方向に直角な方向に積層す
る必要があるが、筒状の磁歪材は渦電流損が少ないため
絶縁材と積層する必要がない。このため、磁歪材の製造
が容易となる。

なお、コイル４は、閉磁気回路を構成するこれらの部
材とは電気的に絶縁されて配設されている。

強磁性体３にはバイアス磁界が印加されることが好ま
しい。磁歪材は印加磁界強度が変化すると変位量もそれ
に応じて変化するが、変位量は印加磁界強度には必ずし
も比例しない。このため、印加磁界強度の変化に対する
変位量の大きい部分を使うために、直流バイアス磁界を
印加する。

図示例では、コイル４に流す交流電流に重畳して直流
電流を流す構成となっているが、バイアス磁界印加用の
コイルを、コイル４と独立して設ける構成としてもよ
い。

また、強磁性体３の一部に永久磁石を設ける構成とし
てもよいが、永久磁石は一般に飽和磁束密度や透磁率が
低く、また、強磁性体３内に反磁界が発生するので、バ
イアス磁界はコイルにより印加する構成とすることが好
ましい。

ただし、著しく高い飽和磁束密度が要求されない場合
は永久磁石を設けてもよく、特にフェライト磁石などは
強度が高いため、強磁性体３をこのような永久磁石だけ
から構成してもよい。

強磁性体３に印加される磁界の強度が変化すると、そ
れに伴って磁歪材２に印加される磁界強度が変化して磁
歪材２は軸方向に伸縮し、振動放射部材５も磁歪材２の
伸縮に伴って図中上下方向に往復運動して振動が放射さ
れる。

なお、磁歪振動子１は、例えば水等の媒質中に吊され
た状態で振動を放射するが、錘７は、このような場合に
振動放射部材５の振動放射効率を高めるために設けられ
ている。磁歪材２が伸縮すると、振動放射部材５とケー
シング８とが相対的に振動運動を行ない、媒質中にはこ
の両者から振動が放射される。従って、主として振動放
射部材５により媒質中に振動を放射するためには、ケー
シング８とこれに固定されている各部材との合計質量
を、振動放射部材５の質量よりも大きくする必要があ
り、好ましくは３倍程度以上とすることが好ましい。こ
のため、強磁性体３、ヨーク６およびケーシング８の合
計質量が不足する場合には、錘７を設けることが好まし
い。なお、錘７の材質は、軟磁性材料であっても非磁性
材料であってもよい。

なお、本発明では、図示の磁歪振動子１に限らず、種
々の変形が可能である。

例えば、磁歪材２は筒状であればよく、図示例の円筒
状の他、多角形断面を有する角筒状であってもよいが、
デッドスペースが生じないことから円筒状とすることが
好ましい。

また、強磁性体３は、図示例の円柱状の他、角柱状で
あってもよいが、デッドスペースが生じないことから円
柱状とすることが好ましい。また、図示例のボルト51お
よびバネ52を振動放射部材５の中央に設けて強磁性体３
とボルト51とを螺合させる構成としてもよく、この場
合、強磁性体３を、中央に貫通孔を設けた筒状としても
よい。ただし、外径を小さくするためには、強磁性体３
は柱状とすることが好ましい。

また、振動放射部材５にケーシング８に向かう方向の
力を印加するためには、図示例のようにバネ52を使う方
法の他、径の細いボルトないしネジで振動放射部材５と
ケーシング８側とを結合し、このボルトないしネジの弾
性を利用することもできる。

また、強磁性体３が挿入される凹部をヨーク６に設
け、強磁性体３の一端部を振動放射部材５に固定する構
成としてもよく、強磁性体３を振動放射部材５とヨーク
６のいずれにも固定せず、両者で挟持する構成としても
よい。

また、振動放射部材５がヨークを兼ねる図示の構成に
限らず、振動放射部材とヨークとを別体的に設けてもよ
い。すなわち、図示の振動放射部材５と同様な構成のヨ
ークを設け、このヨークの下面に接して振動放射部材を
設ける構成としてもよい。この場合には、振動放射部材
５の材質は軟磁性材料に限らず、種々の非磁性材料が使
用可能である。

また、質量の大きなヨーク６を用いることにより、錘
７を省略する構成も可能である。

また、ケーシング８は非磁性体であっても軟磁性体で
あってもよいが、ケーシングン８を質量の大きな肉厚の
軟磁性材料で構成してヨークとしてのはたらきをもた
せ、ヨーク６および錘７を省略する構成とすることもで
きる。

磁歪振動子１の寸法は、目的とする振動数や要求され
る能力によっても異なるため、特に限定されない。

本発明で用いる磁歪材２は、希土類金属元素および鉄
を含有する。このような磁歪材は磁歪量が大きいため、
磁歪振動子や磁歪アクチュエータ等に好適である。

希土類元素および鉄を含有する磁歪材の組成に特に制
限はないが、1k0eの直流磁界下での磁歪量Δl/lが400pp
m以上であることが好ましく、特に、下記の組成を有す
るものが好ましい。

［式Ｉ］ RT_x ここでＲは、イットリウム（Ｙ）を含む希土類元素の
うちの１種以上を表わし、ＴはFe、NiおよびCoのうちの
１種以上を表わす。

上記組成において、1.5≦ｘ≦2.5、特に1.85≦ｘ≦2.
00であることが好ましい。

ｘが上記範囲外となると、高磁界における磁歪量およ
び単位磁界強度あたりの磁歪変化率ｄλ/dHが低下す
る。

希土類元素としては、La、Nd、Pm、Sm、Gd、Tb、Eu、
Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Tmのランタノイド元素が好まし
く、これらから選ばれる１種以上の元素の組合せとして
は、Sm、Tb、Dy、Ho、ErおよびTm単独、TbGd、TbDy、Tb
Ho、TbHoDy、SmTb、SmDy、SmHo、SmEr、SmHoDy、HoErな
らびにHo、ErおよびDyの２種以上の組合せが好ましく、
さらに、常温で高磁界および低磁界での磁歪量が優れて
いる点から、これらのうち特に、Tb単独、Tbの一部をDy
および／またはHoで置換したもの、Sm単独、Smの一部を
Dyおよび／またはHoで置換したものが好ましい。

なお、Tbを含有するものは正の磁歪を示し、Smを含有
するものは負の磁歪を示す。

なお、このような組成中には、さらに全体の30at％以
内で遷移金属元素やZn等が含有されていてもよい。

遷移金属元素としては、Sc、Ti、Ｖ、Cr、Mn、Fe、C
o、Ni、Cu、Ｙ、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、C
d、Hf、Ta、Ｗ、RRe、Os、Ir、Pt、Au、Hgが使用可能で
ある。

このような磁歪材料は、米国特許第4375372号明細
書、同第4152178号明細書、同第3949351号明細書、同第
4308474号明細書、同第4378258号明細書等、特開昭53−
64798号公報、本出願人による特願昭62−172376号、同6
2−227962号、同62−227963号、同63−284133号、同63
−284134号、特願平１−41171号等に開示されている。

このような磁歪材料は、一般的な合金製造法、例え
ば、アークメルト法、一方向性凝固法、ゾールメント
法、高周波溶解法、粉末冶金法等によって製造され、所
定の形状および寸法に成型加工され、磁歪素子の磁歪材
として用いられる。

なお、本発明の磁歪素子は、磁歪アクチュエータとし
ての使用も可能であり、その場合も上記した磁歪振動子
と同様な効果が実現し、強力かつ小型の磁歪アクチュエ
ータが得られる。この場合、コイルに流される電流は、
交流の他、直流、バルス電流等のいずれであってもよ
い。

＜発明の作用効果＞本発明の磁歪素子では、通常、柱状の強磁性体にコイ
ルが巻回されており、磁歪材はこの強磁性体およびコイ
ルを包囲するように設けられた筒状体である。そして、
強磁性体と磁歪材とは、閉磁気回路の構成メンバーとな
っている。

本発明では、磁歪材を筒状とするため、同一断面積の
柱状磁歪材に比べて厚さを著しく薄くでき、渦電流損を
著減することができる。

従って、高周波磁界が印加される超音波振動子に適用
する場合でも磁歪材を非磁性材との積層構造とする必要
がなく、生産性が高い。

また、上記構成を有する磁歪振動子に対し、従来の磁
歪振動子として、柱状の磁歪材にコイルを巻回した構成
の磁歪振動子を考え、本発明による磁歪振動子と寸法の
比較を行なうと、下記のようになる。

まず、両磁歪振動子が同等の能力を有するように、磁
歪材の材質、断面積および磁歪材に印加される磁界強度
を同じに設定する。

また、本発明で用いる強磁性体の飽和磁束密度を、磁
歪材の飽和磁束密度よりも大きく設定する。

これらの磁歪振動子において、本発明における柱状強
磁性体と従来の柱状磁歪材の断面積とを比較すると、柱
状強磁性体の断面積は、飽和磁束密度の大きさに対応し
て柱状磁歪材の断面積よりも小さくて済むので、コイル
の外径を小さくすることができる。

この結果、コイルの外側に筒状磁歪材があるにも拘ら
ず、本発明による磁歪振動子は従来のものと比べ外径を
小さくすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の磁歪素子の好適実施例である磁歪振
動子の断面図である。符号の説明１……磁歪振動子２……磁歪材３……強磁性体４……コイル５……振動放射部材 51……ボルト 52……バネ６……ヨーク７……錘８……ケーシング

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】希土類金属元素と鉄とを含有する筒状の磁
歪材と、前記磁歪材の中心孔内に設けられた柱状ないし
筒状の強磁性体と、前記磁歪材と前記強磁性体との間に
設けられたコイルと、一対のヨークとを有し、前記一対のヨークの一方が前記磁歪材の一方の端部およ
び前記強磁性体の一方の端部に接し、他方のヨークが前
記磁歪材の他方の端部および前記強磁性体の他方の端部
に接しており、前記コイルにより前記強磁性体に交流磁界および／また
は直流磁界を印加しているときに、前記強磁性体、前記
磁歪材および前記一対のヨークが閉磁気回路を形成して
いることを特徴とする磁歪素子。
【請求項２】前記強磁性体の飽和磁束密度が前記磁歪材
の飽和磁束密度よりも高い請求項１に記載の磁歪素子。
【請求項３】振動子として用いられる請求項１または２
に記載の磁歪素子。
【請求項４】前記一方のヨークの表面に接して錘を有す
る請求項３に記載の磁歪素子。