JP3131090U

JP3131090U - 磁歪素子アクチュエータ

Info

Publication number: JP3131090U
Application number: JP2007000698U
Authority: JP
Inventors: 肇高橋
Original assignee: 株式会社アイソニック
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2015-05-12

Abstract

【課題】磁歪素子アクチュエータにおいて、交流磁界入力に対する交流変位出力の線形性の範囲を広くすることである。
【解決手段】磁歪素子アクチュエータ２０は、両端にバイアス磁界用磁石が配置される複数の磁歪素子を軸方向に配列し、各磁歪素子の伸縮量の合計が全体の伸縮量となる磁歪可動素子５０と、これを案内する素子カバー６０と、その周りに配置される駆動コイル４０と、磁歪可動素子５０の先端部に配置される振動受板７２及び可動ロッド７４と、これらを収納する筐体とを含む。筐体は、円筒状のケース３０と、磁歪可動素子５０の末端部を底面側で支持する底板３２と、振動受板７２を介して磁歪可動素子５０を底面側に付勢するコイルバネ７６を収容する蓋３４からなる。蓋３４から突き出る可動ロッド７４の先端にはヘッド３６が取り付けられる。
【選択図】図７

Description

本考案は磁歪素子アクチュエータに係り、特に磁歪素子の軸方向に磁界信号を与えて磁歪素子を伸縮させ可動子を移動させる磁歪素子アクチュエータに関する。

電気信号によって可動子を移動させる電気駆動アクチュエータとしては、電磁変換を用いるものとしてモータ、ソレノイドプランジャ等が広く用いられる。また小型化等のために、圧電変換を用いる圧電アクチュエータも知られている。そして、磁界によって伸縮する磁歪素子を用いる磁歪アクチュエータについてもその高速応答性等の特性が注目されている。特に近年、いわゆる超磁歪素子が開発され、磁界に対する伸縮率が大幅に改善されてきた。例えば磁界の強さが８０，０００Ａ／ｍ（１０００エルステッド）において１０００ｐｐｍの伸び率を示すものを利用できる。

特許文献１にはスピーカユニット及び音声出力装置が開示され、そこでは駆動コイルの中に収められた振動素子に磁歪材料を用い、その両端にバイアス磁界をかける磁石が設けられ、駆動コイルにより発生される磁界で振動素子が軸方向に伸縮駆動されることが述べられる。ここで磁歪材料としては、磁気モーメントの大きなランタノイド元素Ｒと鉄族元素Ｔとで構成されるラーベス型の立方晶（ＲＴ₂）素材であり、Ｔｂ_XＤｙ_1-XＦｅ_Y（Ｘ＝０．２５〜０．５０、Ｙ＝１．７〜２．０）を有するもの、あるいはＳｍＦｅ_Y（Ｙ＝１．７〜２．０）を用いることが述べられる。

特許文献２には、引き型アクチュエータが開示され、そこでは電磁コイルによって印加される磁界の強さを制御することで超磁歪ロッドを伸縮可能とする際に、超磁歪ロッドに対するバイアス磁界を効率的に印加する構造が述べられている。すなわち、超磁歪ロッドが細長いため、軸方向中央付近におけるバイアス磁界が軸の両端部におけるバイアス磁界よりも弱く、軸方向に沿ったバイアス磁界がばらつくので、その解決法として、円筒状バイアス磁石とともに、超磁歪ロッドの端部に第２バイアス磁石を設けている。ここで超磁歪ロッドは、希土類又は特定の遷移金属の少なくとも１つ等を主成分（たとえばテルビウム、ジスプロシウム、鉄等）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られる磁歪素子が用いられる。

特開２００４−２６６３０７号公報特開２００４−２６６０３５号公報

超磁歪素子の「伸び率−磁界の強さ」特性のほぼ線形領域に動作点がくるように予め磁石等でバイアス磁界をかけ、その動作点を中心に交流磁界を印加すれば、入力信号にほぼ忠実な交流変位を生じさせることができるので、これを発音体等のアクチュエータに利用できることは上記のように周知である。この場合に発音体等の出力を増大させるには交流磁界の振幅を増加させればよい。ところが、実際に実験を行ってみると、交流磁界の振幅を増加させると、動作点を線形領域に設定したにもかかわらず、出力波形が歪む。出力波形を歪ませないように入力交流磁界を制限すると、期待以下の小さな出力しか得られない。

この原因は、特許文献２に示唆されているように、超磁歪ロッドが細長いために、軸方向に沿ったバイアス磁界がばらつくためとも考えられる。しかしながら特許文献２の解決法は、引き型アクチュエータ特有の構造におけるものであり、また、２種類のバイアス磁石を用いる等、複雑な構成となる。

本考案の目的は、交流磁界入力に対する交流変位出力の線形性の範囲を広くすることが可能な磁歪素子アクチュエータを提供することである。

本考案に係る磁歪素子アクチュエータは、磁歪素子の軸方向に磁界信号を与えて磁歪素子を伸縮させ可動子を移動させる磁歪素子アクチュエータであって、軸方向の両端にそれぞれバイアス磁界用磁石が配置される磁歪素子を軸方向に沿って複数配列し、各磁歪素子の軸方向伸縮量の合計が全体の軸方向伸縮量となる可動素子部と、可動素子部を囲んで配置され、軸方向の交流磁界信号を可動素子部に供給する駆動コイルと、可動素子部の先端部に配置される出力可動子と、可動素子部の末端部を底面側で支持し、上面側で出力可動子を軸方向に移動可能に案内する筐体と、出力可動子を介して可動素子部を筐体の底面側に付勢する付勢手段と、出力可動子の先端に設けられ、対象物に取り付けて対象物を振動させ音波を発生させるヘッドであって、対象物の特性に合わせた出力伝達特性の材質から構成されるものを選択して交換可能な樹脂カバーを有するヘッドと、を備えることを特徴とする。

また、駆動コイルは、複数の磁歪素子にそれぞれ対応する複数のコイルを並列接続して構成される並列駆動コイルであることが好ましい。
また、本考案に係る磁歪素子アクチュエータは、筒状に巻かれた樹脂シートで可動素子部を収納し、各磁歪素子及び各バイアス磁界用磁石を軸方向に移動可能に案内する筒状カバーを備えることが好ましい。

また、駆動コイルは、筐体内部に熱伝導性樹脂で封入されることが好ましい。

また、本考案に係る磁歪素子アクチュエータにおいて、出力可動子の可動素子側底面と、駆動コイルとの間に配置されるダンパー用樹脂を有することが好ましい。

また、本考案に係る磁歪素子アクチュエータにおいて、付勢手段は、可撓性ダンパー用樹脂によって可動部分が覆われることが好ましい。

上記構成により、可動素子部は、両端にそれぞれバイアス磁界用磁石が配置される磁歪素子が軸方向に沿って複数配列され、各磁歪素子の軸方向伸縮量の合計が全体の軸方向伸縮量となる。つまり、必要な出力歪を１本の細長い磁歪素子で得るのではなく、両端にバイアス磁石が設けられる複数の磁歪素子によって得る。これによって、それぞれの磁歪素子の軸方向長さは、必要な出力歪のための軸方向の長さより短くすることができ、短くなった各磁歪素子の中央部におけるバイアス磁界の減少を、１本の細長い磁歪素子の場合に比べ少なくすることができる。したがって、交流磁界入力に対する交流変位出力の線形性の範囲を広くすることが可能となる。
また、出力可動子の先端の樹脂カバーを交換可能とするので、相手側の特性に合わせ、出力伝達特性の好ましい材質の樹脂カバーを用いることができる。例えば、音声を出力する場合、相手側が硬質の材料の場合は、ダンピング特性のよい樹脂カバーとし、相手側が適当な柔らかさを有するときは、硬質の樹脂カバーを用いること等が可能となる。

また、両端にそれぞれバイアス磁界用磁石が配置される複数の磁歪素子は、筒状カバー内に移動可能に案内される。各磁歪素子は軸方向に伸縮するとともに全体体積がほぼ変わらないように径方向にも伸縮するので、その両端部及び径方向を拘束しないことが好ましい。実際には両端のバイアス磁石の間の吸引力で各磁歪素子は保持されるが、このような磁石の挟み力による自由保持では、伸縮に伴い、各磁歪素子や各バイアス磁石が径方向にずれることが起こりうる。筒状カバーを用いることで、各磁歪素子や各バイアス磁石の軸方向、径方向の動きを不必要に拘束せず、かつ全体として軸方向に伸縮可能とできる。

また、駆動コイルは、複数の磁歪素子にそれぞれ対応する複数のコイルを並列接続して構成される並列駆動コイルとするので、１つのコイルを用いるのに比べ、同じ磁界の強さ、すなわちアンペアターン／軸方向長さを維持するのに低電圧駆動が可能となり、駆動コイルの発熱等を抑制できる。

また、駆動コイルは、筐体内部に熱伝導性樹脂で封入されるので、駆動コイルによる発熱を、熱伝導性樹脂によって筐体に効率的に伝熱させ外部に発散させることができる。

また、出力可動子の可動素子側底面と、駆動コイルとの間にダンパー用樹脂が配置されるので、この隙間における不要な振動を抑制できる。

また、付勢手段は、可撓性ダンパー用樹脂によって可動部分が覆われるので、付勢手段可動部分における不要な振動を抑制できる。

上記のように、本考案に係る磁歪素子アクチュエータによれば、交流磁界入力に対する交流変位出力の線形性の範囲を広くすることが可能となる。

以下に図面を用いて、本考案に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、超磁歪素子として、ＴＤＫ社製の、型式ＰＭＴ−１、組成がＴｂ_XＤｙ_1-XＦｅ_Y（Ｘ＝０．３４、Ｙ＝１．９）、比透磁率６、「軸方向伸び率−磁界の強さ」特性は、ヒステリシスを有する非線形であるが、磁界の強さが８０，０００Ａ／ｍ（１０００エルステッド）において１０００ｐｐｍの伸び率であるものを用いる。ＴＤＫ社製のその他の型式ＰＭＳ−１、ＰＭＨ−１は、使用温度範囲がＰＭＴ−１と異なるが、比透磁率６から１０、ほぼ同様の「軸方向伸び率−磁界の強さ」特性を有するので、これらを用いることもできる。また、同様の「軸方向伸び率−磁界の強さ」特性を有するものであれば、ＴＤＫ社製以外のものでもよい。なお、以下では、このような特性を有する素子を、単に磁歪素子と呼ぶことにする。

最初に、磁歪素子の軸方向長さを定める根拠となった実験内容を説明し、その後に、その長さの磁歪素子を用いる磁歪素子アクチュエータの構成等について説明する。図１は、実験内容を説明する図である。ここでは、固定部に下部が固定された円柱状の磁歪可動素子１０の外周に、円筒状の駆動コイル１２が配置される。磁歪可動素子１０には適当なバイアス磁界用バイアス磁石が設けられている。駆動コイル１２には交流電源１４から５０Ｈｚの振幅が５Ｖｐｐの交流信号が印加され、その駆動電流を可変できる。駆動コイル１２の総巻数は６００ターン、その軸方向長さは１３．７７ｍｍである。磁歪可動素子１０の自由端側には容量型変位計１６が設置され、交流電源１４によって駆動コイル１２が発生する交流磁界によって磁歪可動素子１０が軸方向に伸縮する量を検出する。容量型変位計１６の出力は交流電圧であるが、変位量に換算されてディスプレイにその交流変位波形が表示される。

図２は、実験に用いた磁歪可動素子１０の３種類の構成を示す図である。（ａ）は直径３ｍｍ長さ１６ｍｍの磁歪素子の両端にバイアス磁界用磁石としてやはり直径３ｍｍ厚み１ｍｍのネオジ磁石を配置して磁歪可動素子１０としたものである。両端のネオジ磁石は、対向面が相互に逆極性となるようにし、長さ１６ｍｍの磁歪素子を挟んで相互に磁気吸引される。（ｂ）は、両端に同様のネオジ磁石を配置した直径３ｍｍ長さ８ｍｍの磁歪素子を２つ用い、ネオジ磁石−磁歪素子−ネオジ磁石−磁歪素子−ネオジ磁石の構成として１つの両端にバイアス磁界用磁石として磁歪可動素子１０としたものである。（ｃ）は、両端に同様のネオジ磁石を配置した直径３ｍｍ長さ５ｍｍの磁歪素子を３つ用い、ネオジ磁石−磁歪素子−ネオジ磁石−磁歪素子−ネオジ磁石−磁歪素子−ネオジ磁石の構成として１つの磁歪可動素子１０としたものである。

図３は、この３種類の磁歪可動素子１０を用いて図１の実験を行い、入力交流磁界の強さ、すなわち駆動電流の振幅を変えて、そのときの出力交流変位が線形性を保つ最大の伸び率を求め、その結果をグラフ化したものである。図３の横軸は磁歪可動素子１０を構成する磁歪素子の素子長さ、すなわちバイアス磁界用磁石に挟まれている間隔を取ってある。縦軸は、線形性を維持できる最大の伸び率で、伸び率＝磁歪可動素子１０の全体の軸方向伸び量／（磁歪可動素子１０を構成する全磁歪素子の長さの和）で計算した。例えば、図２（ｃ）の磁歪可動素子１０が伸び量１５μｍであれば、伸び率＝１５μｍ／１５ｍｍである。

図３から分かるように、磁歪素子の素子長さが長くなるほど線形性を維持する範囲の伸び率は小さくなるが、特に１６ｍｍのものは大幅に落ちる。この図において各素子長さにおける平均伸び率を求めると、素子長さ５ｍｍのものは１．０４μｍ／ｍｍ、８ｍｍのものは０．９７μｍ／ｍｍと殆ど差がないが、素子長さ１６ｍｍのものは０．３８μｍ／ｍｍである。

図４は、線形性が崩れるときにおける出力交流変位の波形の例を示すものである。この図は、容量型変位計１６の出力である交流変位波形をディスプレイ上で表示させたもので、横軸は時間、縦軸は出力電圧である。入力信号である駆動電流波形は５０Ｈｚの正弦波である。例えば素子長さ１６ｍｍの試料について、駆動電流の振幅を増加させると、このように波形の下側がクリップされたように歪む。

図５は、出力交流変位が線形性を維持できる入力駆動電流の最大振幅、すなわち線形性維持の電流限界の様子を示す図である。横軸は図３と同様に磁歪可動素子１０を構成する磁歪素子の素子長さを取ってある。この図から分かるように、線形性を維持できる入力電流限界は、素子長さが長くなると減少し、素子長さ５ｍｍと８ｍｍでは相違が少ないものの、素子長さ１６ｍｍでは大幅に制限される。換言すれば、磁歪アクチュエータにおいて、出力変位量を大きくして大出力化しようとして駆動コイルに流す電流を増加させても、線形性が崩れてしまい、線形性を維持しようとすると、大出力が得られないということになる。

図６は、図４、図５の結果から原因を推測し、可能性のある１つの考えを説明する図である。この図は、横軸に磁歪素子にかかる磁界の強さを取り、縦軸に磁歪素子の伸びを取って、磁歪素子の「軸方向伸び−磁界の強さ」の特性曲線２を示す図である。この図を用いて、設計者は、駆動コイル１２による入力交流磁界４の全振幅が特性曲線２の線形領域に含まれるように、図６の第１象限に入るように、動作点Ａを定める。そして動作点Ａのために、この磁界の強さを公称値とするバイアス磁石を選定する。したがって、この設計通りならば、図４のように下限がクリップされた出力交流変位は現われないはずである。図４のような波形は、設計された動作点Ａが実際の駆動においては、磁界の強さがよりゼロに近い動作点Ｂにずれたのではないかと推測される。推測される動作点Ｂにおいて入力交流磁界５が与えられれば、これに対応する出力交流変位６は下限側がクリップされて歪むからである。この歪を避けるには、入力交流磁界５の振幅を減らすことになるが、これは駆動コイル１２への電流振幅を少なくすることになり、これにより線形性を確保するための電流限界が生じる。

このように、バイアス磁石の公称磁界の強さに基づいて設計された動作点Ａが、実際の駆動において動作点Ｂに移動する仮定を前提とすれば、図２に示すように、両端をバイアス磁石で挟まれる磁歪素子における実効的なバイアス磁界の強さが、両端のバイアス磁石の間隔、つまり磁歪素子の軸方向長さで決まり、その長さが長ければ弱くなるだろうということは予想される。両端のバイアス磁石による公称磁界の軸方向の低下率が、その間に挟まれる所定の透磁率を有する磁歪素子の長さとどのような関係があるかの理論的解析はまだ行われていない。

そこで、図３、図５からいえることは、各磁歪素子の軸方向長さは、その磁歪素子の軸方向の両端に配置されるバイアス磁界用磁石による公称バイアス磁界がその磁歪素子の軸方向の長さに依存して低下する低下率が、駆動コイルによって供給される交流磁界信号の振幅によって定められる所定低下率となる軸方向長さより短く設定されることがよい、ということである。

ここで、図５における素子長さ５ｍｍ及び８ｍｍの場合において、その電流限界の平均値である３．７Ａｐｐから３．０Ａｐｐに相当する磁界の強さは、上記駆動コイルの巻数、及びその軸方向長さを用い、磁界の強さは片側電流振幅で決まるとして、およそ６５，０００Ａ／ｍから８０，０００Ａ／ｍに対応する。素子のばらつき範囲を考慮すると、５０，０００から１００，０００Ａ／ｍの範囲であれば、素子長さによって電流限界は余り変化せず、実用的に線形性を維持できる。また、図６から理解されるように、線形性が維持できるときのバイアス磁界の強さは、この電流限界による磁界の強さとほぼ同じであることになる。

したがって、より具体的には、交流磁界信号の最大値及びバイアス磁石の公称バイアス磁界を、それぞれ５０，０００Ａ／ｍ以上１００，０００Ａ／ｍ以下の磁界の強さとして、各磁歪素子は、６以上８以下の比透磁率を有し、４ｍｍ以上９ｍｍ以下の軸方向長さを有することがよいことになる。

次に、上記の実験結果を反映した磁歪素子アクチュエータにつき、その構成を説明する。ここでは、図２（ｃ）の構成の磁歪可動素子、すなわち、軸方向の両端にそれぞれバイアス磁界用磁石が配置される３つの磁歪素子を軸方向に沿って配列する構成の磁歪可動素子を用いる。図７は、磁歪素子アクチュエータ２０の断面図で、図８及び図９は、磁歪素子アクチュエータ２０の組立工程を説明する図である。

磁歪素子アクチュエータ２０は、直径が約３０ｍｍ程度、高さが約４５ｍｍ程度の大きさを有する円筒状の筐体と、筐体の上面から突き出る可動ロッドの上に、頂部が平坦な傘状の出力伝達用ヘッドが取り付けられる構成を備える。

磁歪素子アクチュエータ２０の筐体は、円筒状外形のケース３０と、ケース３０の底部を覆って取り付けられる底板３２と、ケース３０の上部を覆って取り付けられる蓋３４を含んで構成される。蓋３４の上面には開口穴が設けられ、適当な軸受を介し、可動ロッド７４が突き出し、その上に出力伝達用のヘッド３６が取り付けられる。筐体の内部には、駆動コイル４０、磁歪可動素子５０、素子カバー６０が配置される。磁歪可動素子５０の下部は底板３２によって支持され、その上面は、可動ロッド７４の下部に接続される振動受板７２に接し、振動受板７２はコイルバネ７６によって底板方向に付勢される。

また、磁歪素子アクチュエータ２０において、駆動コイル４０のボビンの底面側と底板３２との隙間、ボビンの上面側と振動受板７２との間の隙間は、それぞれダンパー樹脂９０，９２で充填される。また、コイルバネ７６の可動部分、つまりコイル線の間の隙間が可撓性樹脂９４で充填される。また、駆動コイル４０とケース３０との間の隙間は熱伝導性樹脂９６で封入される。

磁歪素子アクチュエータ２０を構成する各要素の内容、及びそれらの相互関係を、図８、図９を用いて説明する。図８は、磁歪素子アクチュエータ２０を組み立てる際の前半部分で、主に、磁歪可動素子５０を組み込むまでの各工程を示す図で、図９はそれ以降の後半部分で、主に磁歪可動素子５０と出力伝達用のヘッド等を組み立てる各工程を示す図である。

図８（ａ）に示すように、初めにケース３０を用意する。ケース３０は、アルミニウムあるいはステンレス鋼等の金属材料からなる円筒状部材で、外形が約３０ｍｍ、筒部の肉厚が約１ｍｍで、その底面は全面に開口し、上面は中央部に振動受板７２の下部軸部が通るための開口穴３１を有する。この開口穴３１の内径は、次の工程である駆動コイル４０を組み付けの際に、その位置決めにも用いられるように、振動受板７２の外形よりは大きく、駆動コイル４０のボビン４２の上部における位置決め部４７の寸法に合わせて設定される。また、筒部には後述する熱伝導性樹脂９６の封入のための樹脂注入穴９５が適当な数設けられる。

また、駆動コイル４０を用意する。駆動コイル４０は、適当な耐熱性樹脂から作られるボビン４２に、コイル巻線４４を巻回したものである。ボビン４２は、中央部に軸方向に貫通する軸穴４６を有する。この軸穴４６には、磁歪可動素子５０とその周りに配置される素子カバー６０が挿入されるためのもので、したがってその内径は、その挿入が可能な大きさに設定される。ボビン４２の上部においてその軸穴４６の周辺に段差が設けられ、これが上記の位置決め部４７となる。駆動コイル４０の全巻数は６００ターンで、その軸方向の高さは１４ｍｍ程度で、上記のように、図１の実験に用いるために実測した値は１３．７７ｍｍである。駆動電流は３Ａｐｐ程度流すため、コイル巻線は、耐熱性絶縁樹脂でコーティングされている銅線等を用いることが好ましい。

次に、ケース３０の底部側から駆動コイル４０を挿入し配置する。その位置決めは、駆動コイル４０の位置決め部４７をケース３０の開口穴３１の内周に合わせることで行われる。その様子を図８（ｂ）に示す。そして別途用意される底板３２をケース３０の底部を覆うように取り付ける。取り付けは、図示されていない取り付けネジ等で行うことができる。あるいは接着材を用いてケース３０と底板３２とを接合してもよい。駆動コイル４０を収納して底板３２がケース３０の底部を覆う様子を図８（ｃ）に示す。

底板３２は、円板状の部材で、その材質は磁性体であることが好ましい。ケース３０の材質が磁性体のときはケース３０と同じものを用いることができるが、別の材質の材料を用いて構成してもよい。底板３２の上面の中央部は、後述するように磁歪可動素子５０の下部を支持する機能を有する。そして、用いられる磁歪可動素子５０の最下部はバイアス磁石であるので、その発生する磁束が外部に漏れるのを少なくするため、底板３２の磁石支持部の周りに溝３３が設けられる。また、この溝３３の内側の肩部は、駆動コイル４０のボビン４２の底面側における位置決め部４８に対応し、底板３２をケース３０に組付けるときに、駆動コイル４０を底面側で位置決めする機能も有する。

なお、この底板３２をケース３０に取り付ける際、あるいはその前に、駆動コイル４０のボビン４２の底面側と底板３２との間の隙間にダンパー樹脂９０が充填される。この隙間は、駆動コイル４０のボビン成形の寸法ばらつき等で生じることがある。このダンパー用樹脂９０は、この隙間のためにボビン４２が底板３２との間でがたつき、余分な振動を生じることを抑制する機能を有する。かかるダンパー樹脂９２としては、ゴム状の樹脂、ゲル系の樹脂等を用いることができる。

このようにして、ケース３０に底板３２が取り付けられその内部に駆動コイル４０が位置決めして収納されると、次に、磁歪可動素子５０と素子カバー６０が駆動コイル４０の軸穴４６の中に挿入される。

磁歪可動素子５０は、磁歪素子アクチュエータ２０において印加磁界の強さに応じて軸方向に伸縮する可動素子部に相当する。ここで磁歪可動素子５０は、上記のように、１つの細長い磁歪素子で構成されるのではなく、両端にバイアス磁界用のバイアス磁石であるネオジ磁石５４を配置した直径３ｍｍ長さ５ｍｍの磁歪素子５２を３つ用い、ネオジ磁石５４−磁歪素子５２−ネオジ磁石５４−磁歪素子５２−ネオジ磁石５４−磁歪素子５２−ネオジ磁石５４と軸方向に配置して１つの可動素子としたものである。この３つの磁歪素子５２におけるそれぞれの変位量の合計が磁歪可動素子５０全体の変位量となる。ネオジ磁石５４の公称バイアス磁界の強さは、駆動コイル４０に流す駆動電流の最大値に合わせて決めることができる。上記の例で駆動コイル４０によって生じる交流磁界信号の最大値が５０，０００Ａ／ｍ以上１００，０００Ａ／ｍ以下の磁界の強さであるときは、公称バイアス磁界の強さもこれと同程度であることが望ましい。

ネオジ磁石５４によって磁歪素子５２が挟まれた構成の磁歪可動素子５０は、対向するネオジ磁石５４の間の磁気吸引力で保持される。しかし、駆動コイル４０の交流磁界信号により磁歪素子５２が軸方向に伸縮するとともに径方向にもその寸法を変えるので、場合によっては、その保持が崩れることがある。素子カバー６０は、各磁歪素子５２や各ネオジ磁石５４の軸方向、径方向の動きを不必要に拘束せず、かつ磁歪可動素子５０全体として軸方向に伸縮可能として案内する機能を有する。

図１０（ａ）、（ｂ）は、磁歪可動素子５０と素子カバー６０の関係を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。このように、素子カバー６０は円筒状の部材で、その中心貫通部に磁歪可動素子５０を軸方向に移動可能に案内する細長い筒状ケースである。この案内は接触又は摺動して案内するというより、通常は非接触で、何かのときに磁歪可動素子５０を構成する磁歪素子５２、ネオジ磁石５４が径方向に大きくずれないようにする案内である。したがって、その機能からいえば、図１０（ｃ）に示す素子カバー６１のように、円筒を軸方向に複数分割した長手方向案内部材であってもよく、シートを筒状に巻いて使用してもよい。素子カバー６０は潤滑性のよい材料で構成されることが好ましく、例えばテフロン（登録商標）材料を所定の形状に成形加工したもの、あるいは所定の寸法のテフロンチューブを用いることができる。また、ジェルテック社の商品名「αゲルシート」等のような、シリコン系の柔軟性シートを筒状に巻いて立てて使用してもよい。

再び図８の組み立ての流れに戻り、図８（ｄ）は、磁歪可動素子５０と素子カバー６０が駆動コイル４０の軸穴４６の中に挿入される様子を示す図である。上記のように磁歪可動素子５０の最下部は、底板３２の上面中央部の溝３３に囲まれた支持部の所にあてがわれて配置される。このようにして、磁気バイアスがかけられた磁歪可動素子５０の外側に駆動コイル４０が配置される構造が組み立てられる。

次に、出力可動子７０が磁歪可動素子５０の上面に配置される。出力可動子７０は、磁歪可動素子５０の伸縮運動をヘッド３６に伝達する伝達軸で、振動受板７２と可動ロッド７４とから構成される。振動受板７２は、ほぼ駆動コイル４０の外径に近い直径を有する略円板状の部材で、その下面中央部には磁歪可動素子５０の最上部のネオジ磁石５４と接触する軸部が突き出して設けられ、上面の周辺部にはコイルバネ７６の付勢力を受ける円環状くぼみを有する部材である。材質は、磁歪可動素子５０の最上部のネオジ磁石５４から発生する磁束が外部に漏れるのを少なくするため、磁性体の方が好ましい。

このように、振動受板７２は、幅広い上面部でコイルバネ７６の付勢力を受け止め、これを効率よく磁歪可動素子５０の最上部に伝える。それによって磁歪可動素子５０全体を底板３２の方向に押し付けてその初期長さを決め、磁歪可動素子５０が駆動コイル４０によって駆動されて軸方向に伸縮力を生じるときは、コイルバネ７６の付勢力とのバランスで、この伸縮力を軸方向出力として可動ロッド７４の先端の動きとして出力する。図９（ａ）は、出力可動子７０を磁歪可動素子５０の上面に配置する様子を示す図である。

図９（ｂ）は、出力可動子７０の振動受板７２の上面周辺部にコイルバネ７６をおき、その上から蓋３４をかぶせ、ケース３０に組付ける様子を示す図である。蓋３４は、底面側にくぼみを有し、上面中央部には貫通穴が設けられる蓋本体３５と、蓋本体３５の貫通穴に固定して取り付けられる軸受３７とから構成される。蓋本体３５の底面側くぼみは、そのくぼみ空間にコイルバネ７６を収容し、蓋３４をケース３０に組付けたときにコイルバネ７６を振動受板７２との間で収縮させて挟み込み、コイルバネ７６に付勢力を生じさせる機能を有する。蓋本体３５は、ケース３０と同様の材料を機械加工又は成形加工あるいはそれらの組合せで作りだすことができる。軸受３７は、可動ロッド７４を摺動支持する部材で、潤滑性のよい金属製のブッシュ軸受等を用いることができる

この蓋３４をかぶせる際に、あるいはその前に、振動受板７２の底面側と駆動コイル４０のボビン４２の上面側との隙間に、ダンパー樹脂９２が充填される。このダンパー用樹脂９２は、磁歪可動素子５０が変位するとき、これに伴って振動受板７２が振動するが、その余分な振動を抑制する機能を有する。かかるダンパー樹脂９２としては、ゴム状の樹脂、ゲル系の樹脂等を用いることができる。なお、図９（ｂ）には、図８（ｃ）で説明した駆動コイル４０のボビン４２の底面側と底板３２との間の隙間に充填されるダンパー樹脂９０も合わせてその状態が示されている。

コイルバネ７６は、上記のように、振動受板７２を介して磁歪可動素子５０を底板３２側に付勢する付勢手段である。コイルバネ７６は蓋３４をかぶせる際、あるいはその前に、そのらせん線材の間を埋めるように、可撓性樹脂９４が充填される。この可撓性樹脂９４は、磁歪可動素子５０が駆動されて軸方向に交流変位を行うとき、振動受板７２を介して交流振動をするが、その際に共振振動の発生を抑制する機能を有する。コイルバネ７６のバネ定数等にも依存するが、上記の筐体寸法等から適当な寸法のコイルバネは例えば１０ｋＨｚ付近で共振することが起る。可撓性樹脂９４はこれを抑制するダンパーとして働くので、磁歪可動素子５０の振動成分を忠実に出力可動子７０に伝えることができる。かかる可撓性樹脂９４としては、ゴム状の樹脂、ゲル系の樹脂等を用いることができる。

蓋３４をかぶせるには、出力可動子７０の可動ロッド７４を軸受３７に差し込み、コイルバネ７６を押し付けながら行い、ケース３０との組み付けは、図示されていない取り付けネジ等で行うことができる。あるいは接着材を用いてケース３０と底板３２とを接合してもよい。

このように、筐体内に所定の各要素が収納されると、図９（ｃ）に示すように、ケース３０の筒部に設けられる樹脂注入穴９５から熱伝導性樹脂９６が注入され、筐体内部における駆動コイル４０周りの隙間が充填される。この隙間は、主にケース３０内における駆動コイル４０のコイル巻線４４周りに存在する。したがって、熱伝導性樹脂９６は、コイル巻線４４の周囲を取り囲むように、またコイル巻線の各巻線の間に隙間があるときはその隙間にも入って、ちょうどコイル巻線４４を封入するように充填される。この熱伝導性樹脂９６は、駆動電流が大きいときにコイル巻線４４に生じる熱をケース３０等の筐体によく伝導し、効率的に外気に放熱させる機能を有する。かかる熱伝導性樹脂としては、例えばＧＥ東芝シリコーン（株）社製の商品名「高熱伝導性シリコンゲル」を用いることができる。

その後、筐体から突き出している出力可動子７０の可動ロッド７４の先端にヘッド３６をネジ止め等で取り付けて、磁歪素子アクチュエータ２０の組み立てが完了する。ヘッド３６は、ネジ部３９によって可動ロッド７４に交換可能に取り付けられ、頂部が平坦な傘状形状の樹脂カバー３８で、樹脂カバー３８の広い面積の平坦部を対象物に接触させることで、出力可動子７０の交流変位出力を効率よく対象物に伝達する機能を有する。

ヘッド３６は、予め樹脂カバー３８の材質の異なるものを用意しておくことで、多様な対象物に対応することができる。すなわち、対象物の特性に合わせ、出力伝達特性の好ましい材質の樹脂カバー３８のヘッド３６を選んで、出力可動子７０に取り付けて用いることができる。例えば、音声を出力する場合、相手側が硬質の材料の場合は、ダンピング特性のよい樹脂カバーとし、相手側が適当な柔らかさを有するときは、硬質の樹脂カバーを用いること等が可能となる。

かかる構造の磁歪素子アクチュエータ２０の作用を説明する。磁歪素子アクチュエータ２０からは、駆動コイル４０の入力端子が２本出ているので、これを適当な駆動回路に接続する。駆動回路は、磁歪素子アクチュエータ２０の用途にあわせて設計することができる。ここでは、発音体として磁歪素子アクチュエータ２０を用いる場合について説明する。その場合には、駆動回路は、音声信号に相当する交流駆動信号を発生する回路となる。駆動回路は音声信号の周波数及びその振幅に応じて、駆動コイル４０に供給する駆動電流の周波数とその振幅を定めて駆動信号として２本の入力端子間に供給する。

駆動コイル４０は、供給された駆動電流の周波数とその振幅に応じて交流磁界を発生する。この交流磁界は、バイアス磁界が予めかけられた磁歪可動素子５０に作用する。磁歪可動素子５０は、バイアス磁界発生用のネオジ磁石５４が両端に配置された軸方向の長さ５ｍｍの３個の磁歪素子５２を軸方向に配置して構成される。したがって、およそ５０，０００Ａ／ｍから１００，０００Ａ／ｍ程度の入力交流磁界の強さであれば、線形性のよい交流変位を出力できる。すなわち、所望の音声信号に忠実な変位振動を出力する。出力された変位振動は出力可動子７０に伝達され、ヘッド３６の樹脂カバー３８が所望の音声信号に忠実な変位振動を出力する。このときに、ダンパー樹脂９０，９２、可撓性樹脂９４の作用により、余分な共振やがたつきによる振動等のノイズは効果的に除去される。

ヘッド３６の樹脂カバー３８の材質は、発音体としての磁歪素子アクチュエータ２０を取り付けて実際に振動させて音波を発生させる対象物によって交換可能に適合させることができる。また、樹脂カバー３８は、全体を樹脂材料で構成してもよく、あるいは樹脂以外の金属材料の表面に樹脂コーティングして構成してもよい。例えば、窓ガラスに磁歪素子アクチュエータ２０を取り付け、窓ガラスを振動させて実際の音波を発生させる場合には、ガラスはかなり硬質な機械振動特性を有するので、ダンピング特性のよい柔軟な樹脂材料の樹脂カバー３８を有するヘッド３６を用いる。また木のボードに磁歪素子アクチュエータ２０を取り付け、木のボードを振動させて実際の音波を発生させる場合には、木のボードは音波を吸収しやすい機械振動特性を有するので、ダンピング特性の余りない硬質の樹脂材料の樹脂カバー３８を有するヘッド３６を選択することができる。

大出力の変位振動を利用するときは駆動コイル４０に流れる電流の振幅も相当大きくなり、駆動コイル４０が発熱する。この発熱は、駆動コイル４０を封入する熱伝導性樹脂によって効率よくケース３０等の筐体に伝えられ、外気に放熱されるので、磁歪素子アクチュエータ２０の温度上昇を抑制できる。駆動コイル４０の温度が上昇するとコイル巻線４４の抵抗が上昇し、供給できる駆動電流が制限されるが、温度上昇が抑制されることで、供給できる駆動電流をより大きくすることができる。

上記において、３つの磁歪素子に対し、駆動コイルは単一のコイルを用いるものとして説明したが、駆動コイルを複数のコイルを並列接続するものとして用いてもよい。図１１は、各磁歪素子に対応してそれぞれコイルを設け、それらを並列接続する場合の説明図である。図１１（ａ）は比較のために図７等で用いる単一のコイル巻線４４の駆動コイル４０が示されている。この駆動コイル４０の２本の入力端子は、駆動回路の増幅器１３に接続される。図１１（ｂ）は、３つの磁歪素子５２に対応して３つのコイル巻線４３が並列に接続されて１つの駆動コイル４１を構成する例を示す。すなわち３つのコイル巻線４３のそれぞれの２本の入力端子は、それぞれ並列接続されて全体として２本の入力端子となり、駆動回路の増幅器１３に接続される。各コイル巻線４３の巻数／コイルの軸方向長さは、図１１（ａ）の単一のコイル巻線４４の巻数／コイルの軸方向長さと同じに設定される。上記の例では、コイル巻線４４も、コイル巻線４３も、巻数／コイルの軸方向長さ＝６００ターン／１３．７７ｍｍ＝２００ターン／４．９２３ｍｍに設定される。

したがって、増幅器１３から入力される駆動電流が同じならば、図１１（ａ）の駆動コイル４０が発生する磁界の強さも、図１１（ｂ）の駆動コイル４１の各コイル巻線４３が発生する磁界の強さも同じで、磁歪可動素子５０の伸縮は同じとなる。このとき、図１１（ｂ）の増幅器１３の２本の出力端子間の電圧は、図１１（ａ）の場合の１／３となる。したがって、出力電流は図１１（ａ）も（ｂ）も同じであるので、出力電力を１／３に低減することができる。また、図１１（ｂ）の各コイル巻線４３のインダクタンスは図１１（ａ）のコイル巻線４４のインダクタンスより小さいので、より大電流を流すことが可能となる。

駆動コイルを、並列接続される「複数のコイル巻線」とする場合、その複数の数と、「複数の磁歪素子」の複数の数とを同じにしなくてもよい。例えば図１１の例で、３つの磁歪素子に対し、並列接続された２つのコイル巻線としてもよい。

このように、軸方向の両端にそれぞれバイアス磁界用磁石が配置される複数の磁歪素子を軸方向に沿って配列し、各磁歪素子の軸方向伸縮量の合計が全体の軸方向伸縮量となる磁歪可動素子を用いることで、交流磁界入力に対する交流変位出力の線形性の範囲を広くすることが可能となる。したがって、広範囲の交流磁界入力が可能となって、より大きな出力を得ることができる。また、ダンピング樹脂を適当に用いることで、余分の振動を抑制し、入力信号に対する出力信号の線形性を維持することができる。さらに駆動コイルを熱伝導性樹脂で封入することで大きな出力に伴う発熱を抑制することができる。

本考案に係る実施の形態の前提となる磁歪素子の軸方向長さを定める根拠となった実験内容を説明する図である。実験に用いた磁歪可動素子の３種類の構成を示す図である。実験結果の１つで、磁歪可動素子を構成する磁歪素子の素子長さと、入出力の線形性を維持できる最大の伸び率の関係を示す図である。実験において、入出力の線形性が崩れるときにおける出力交流変位の波形の例を示す図である。実験結果の１つで、磁歪可動素子を構成する磁歪素子の素子長さと、入出力の線形性を維持できる入力駆動電流限界の様子を示す図である。図４、図５の結果から原因を推測し、可能性のある１つの考えを説明する図である。本考案に係る実施の形態における磁歪素子アクチュエータの断面図である。本考案に係る実施の形態において、磁歪素子アクチュエータの組立工程の前半部分を説明する図である。本考案に係る実施の形態において、磁歪素子アクチュエータの組立工程の後半部分を説明する図である。本考案に係る実施の形態において、磁歪可動素子と素子カバーとの関係を示す図である。他の実施形態において、駆動コイルを並列接続された複数のコイル巻線で構成する例を示す図である。

符号の説明

４，５入力交流磁界、６出力交流変位、１０，５０磁歪可動素子、１２駆動コイル、１３増幅器、１４交流電源、１６容量型変位計、２０磁歪素子アクチュエータ、３０ケース、３１開口穴、３２底板、３３溝、３４蓋、３５蓋本体、３６ヘッド、３７軸受、３８樹脂カバー、３９ネジ部、４０，４１駆動コイル、４２ボビン、４３，４４コイル巻線、４６軸穴、４７，４８位置決め部、５２磁歪素子、５４ネオジ磁石、６０，６１素子カバー、７０出力可動子、７２振動受板、７４可動ロッド、７６コイルバネ、９０，９２ダンパー樹脂、９４可撓性樹脂、９５樹脂注入穴、９６熱伝導性樹脂。

Claims

磁歪素子の軸方向に磁界信号を与えて磁歪素子を伸縮させ可動子を移動させる磁歪素子アクチュエータであって、
軸方向の両端にそれぞれバイアス磁界用磁石が配置される磁歪素子を軸方向に沿って複数配列し、各磁歪素子の軸方向伸縮量の合計が全体の軸方向伸縮量となる可動素子部と、
可動素子部を囲んで配置され、軸方向の交流磁界信号を可動素子部に供給する駆動コイルと、
可動素子部の先端部に配置される出力可動子と、
可動素子部の末端部を底面側で支持し、上面側で出力可動子を軸方向に移動可能に案内する筐体と、
出力可動子を介して可動素子部を筐体の底面側に付勢する付勢手段と、
出力可動子の先端に設けられ、対象物に取り付けて対象物を振動させ音波を発生させるヘッドであって、対象物の特性に合わせた出力伝達特性の材質から構成されるものを選択して交換可能な樹脂カバーを有するヘッドと、
を備えることを特徴とする磁歪素子アクチュエータ。
請求項１に記載の磁歪素子アクチュエータにおいて、
駆動コイルは、複数の磁歪素子にそれぞれ対応する複数のコイルを並列接続して構成される並列駆動コイルであることを特徴とする磁歪素子アクチュエータ。
請求項１に記載の磁歪素子アクチュエータにおいて、
筒状に巻かれた樹脂シートで可動素子部を収納し、各磁歪素子及び各バイアス磁界用磁石を軸方向に移動可能に案内する筒状カバーを備えることを特徴とする磁歪素子アクチュエータ。
請求項１に記載の磁歪素子アクチュエータにおいて、
出力可動子の可動素子側底面と、駆動コイルとの間に配置されるダンパー用樹脂を有することを特徴とする磁歪素子アクチュエータ。
請求項１、２、３、４のいずれか１に記載の磁歪素子アクチュエータにおいて、
駆動コイルは、筐体内部に熱伝導性樹脂で封入されることを特徴とする磁歪素子アクチュエータ。
請求項１、２、３、４のいずれか１に記載の磁歪素子アクチュエータにおいて、
付勢手段は、可撓性ダンパー用樹脂によって可動部分が覆われることを特徴とする磁歪素子アクチュエータ。