JP4080438B2

JP4080438B2 - 超磁歪ユニット

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Publication number: JP4080438B2
Application number: JP2004051863A
Authority: JP
Inventors: 周一女部田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2008-04-23
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Also published as: JP2005243929A

Description

本発明は、超磁歪素子を用いたアクチュエータや圧力センサ等の超磁歪ユニットに関する。

磁界の印加に応じて伸縮する磁歪素子は古くから知られているが、これまでの磁歪素子は変位が小さく、このため実用的に使用されることはほとんどなかった。ところが近年、１５００ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍといった非常に変位の大きな磁歪素子（超磁歪素子）が知られるようになり、現在、その様々な利用形態が提案されている。例えば、超磁歪素子が持つ応答性の高さや駆動力の大きさに注目して、これをアクチュエータとして利用するといった提案（特許文献１及び２参照）や、圧力センサとして利用するといった提案（特許文献３〜６参照）が数多くなされている。

このような超磁歪ユニットは、基本的に、超磁歪素子とその径方向に配置されたコイルを備えている。したがって、コイルに所定の電流を流すことにより超磁歪素子を変位させれば、これをアクチュエータとして利用することが可能となり、逆に、外力による超磁歪素子の変位をコイル電流の変化として検出すれば、これを圧力センサとして利用することが可能となる。
特開平１０−１４５８９２号公報特許第２５２３０２７号公報特公平７−５４２８２号公報特開平１１−１３９２７０号公報特開平１１−２４１９５５号公報特開２０００−１１４６１５号公報

超磁歪素子の変位は、磁界の向きに対して方向性がないため、用途によっては、永久磁石を用いて超磁歪素子に磁気バイアスを印加する必要がある。しかしながら、超磁歪材料は一般に透磁率が低く（μ＝６〜１０程度）、このため磁気回路の設計によっては超磁歪素子中の磁気バイアスが不均一となりやすいという問題があった。超磁歪素子中の磁気バイアスが不均一であると、超磁歪ユニットの出力に歪みが生じてしまうことから、超磁歪素子中の磁気バイアスについてはできる限り均一であることが望ましい。

したがって、本発明は、超磁歪素子中の磁気バイアスをより均一化し、これにより超磁歪ユニットの出力歪みを低減することを目的とする。

本発明による超磁歪ユニットは、超磁歪素子と、前記超磁歪素子の径方向に配置されたコイルと、前記コイルの径方向に配置された永久磁石とを備え、前記永久磁石の軸方向における長さをａ１、前記永久磁石の中心径をｂ１とした場合、
０．３≦ｂ１／ａ１≦０．７
を満たしており、且つ、前記超磁歪素子の軸方向における長さをａ２とした場合、
１≦ａ１／ａ２≦２
を満たしていることを特徴とする。本発明によれば、超磁歪素子に均一な磁気バイアスを与えることができるため、超磁歪ユニットの出力歪みを効果的に低減することが可能となる。

本発明による超磁歪ユニットは、前記超磁歪素子の軸方向に配置されたヨークをさらに備えていることが好ましい。このようなヨークを設けることによって閉磁路を構成すれば、超磁歪素子内の磁束密度をより均一とすることができ、且つ、磁束密度自体を高めることが可能となる。

ここで、前記ヨークの径をｂ３とした場合、
１≦ｂ３／ｂ１≦３
を満たしていることが好ましい。ｂ３とｂ１との関係を上記の範囲に設定すれば、磁束密度の過度の低下を防止しつつ、磁束密度を十分に均一化することが可能となる。

また、前記ヨークと前記永久磁石との間には、軸方向に０．１ｍｍ以上のギャップが設けられていることが好ましい。これによれば、超磁歪素子の端部における磁気バイアスの盛り上がりを適度に抑制することが可能となる。

ヨークの透磁率は１００以上であることが好ましく、１０００以上であることがより好ましい。これは、ヨークの透磁率が高いほど、超磁歪素子の端部における磁束密度の低下を抑制でき、その結果、磁束密度がより均一化されるからである。

さらに本発明においては、前記超磁歪素子の軸方向における長さと前記コイルの軸方向における長さが実質的に一致していることが好ましい。これによれば、コイルによる超磁歪素子内の磁束密度を均一とすることができ、超磁歪ユニットの出力歪みを効果的に低減することが可能となる。

このように、本発明による超磁歪ユニットは超磁歪素子内における磁気バイアスが均一であることから、これをアクチュエータとして用いた場合、或いは、圧力センサとして用いた場合のいずれにおいても、出力歪みを大幅に低減することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による超磁歪ユニット１０の構造を示す略断面図である。

図１に示すように、本実施形態による超磁歪ユニット１０は、円柱状の超磁歪素子１１と、超磁歪素子１１の径方向に配置された円筒状のコイル１２と、超磁歪素子１１の軸方向に配置された円盤状のヨーク１３と、コイル１２の径方向に配置された円筒状の永久磁石１４とを備えている。本実施形態による超磁歪ユニット１０は、コイル１２に所定の電流を流すことにより超磁歪素子１１を変位させるアクチュエータとして利用することが可能であり、さらに、外力による超磁歪素子１１の変位をコイル電流の変化として検出する圧力センサとして利用することも可能である。

超磁歪素子１１は、磁界の印加に応じて変位するとともに、外力による変位に応じて透磁率が変化する超磁歪材料によって構成された円柱状の素子である。使用する超磁歪材料としては、特に限定されるものではないがＴｂ_０．３４−Ｄｙ_０．６６−Ｆｅ_１．９０を中心組成とする超磁歪材料等を用いることができる。超磁歪素子１１のサイズについては、目的とする超磁歪ユニット１０の用途や出力に応じて適宜選択すれば良い。

コイル１２は、その中空部に超磁歪素子１１が挿入されており、超磁歪素子１１と磁気結合する電磁変換手段として用いられる。したがって、図示しない駆動回路より所定の電流をコイル１２に供給すると、コイル１２はこれに基づく磁界を超磁歪素子１１に印加し、これにより得られる超磁歪素子１１の変位をヨーク１３の第１の部分１３ａから取り出すことができる。つまり、この場合は超磁歪ユニット１０がアクチュエータとして機能する。逆に、ヨーク１３の第１の部分１３ａに加えられた外力によって超磁歪素子１１が伸縮し、これによって超磁歪素子１１の透磁率が変化すると、コイル１２はこれにより生じる電流を図示しない検出回路へと供給する。つまり、この場合は超磁歪ユニット１０が圧力センサとして機能する。

図１に示すように、本実施形態による超磁歪ユニット１０では、超磁歪素子１１の軸方向における長さとコイル１２の軸方向における長さが実質的に一致している。これは、コイル１２による超磁歪素子１１中の磁束密度を均一化するためであり、かかる構成により超磁歪ユニット１０の出力歪みが低減されている。つまり、超磁歪素子１１の軸方向における長さがコイル１２の軸方向における長さよりも短い場合には、超磁歪素子１１の端部における磁束密度が中央部分よりも高くなる一方、超磁歪素子１１の軸方向における長さがコイル１２の軸方向における長さよりも長い場合には、超磁歪素子１１の端部における磁束密度が中央部分よりも低くなってしまう。これに対し、これらの軸方向における長さを実質的に一致させれば、超磁歪素子１１中の磁束密度を端部から中央部に亘ってほぼ均一とすることが可能となる。但し、本発明において、超磁歪素子１１の軸方向における長さとコイル１２の軸方向における長さを実質的に一致させることは必須でない。

ヨーク１３は、図１に示すように、超磁歪素子１１の一方の端部側に設けられた第１の部分１３ａと、他方の端部側に設けられた第２の部分１３ｂによって構成されている。ヨーク１３の第１の部分１３ａは、超磁歪素子１１の変位を取り出し、或いは、超磁歪素子１１に外力を伝える入出力部として機能し、ヨーク１３の第２の部分１３ｂは実質的に固定される。

本発明においてヨークを設けることは必須ではないが、これを設けることによって閉磁路を構成すれば、コイル１２及び永久磁石１４による超磁歪素子１１内の磁束密度をより均一とすることができ、且つ、磁束密度自体を高めることが可能となる。

本実施形態では、ヨーク１３の径ｂ３が永久磁石１４の中心径（＝（内径＋外径）／２）をｂ１よりも大きく設定されている。ヨーク１３の径ｂ３と永久磁石１４の中心径ｂ１との関係は、
１≦ｂ３／ｂ１≦３
を満たしていることが好ましく、これは、ヨーク１３の径ｂ３が永久磁石１４の中心径ｂ１に対して大きいほど、磁束密度が均一となると同時に磁束密度が低下する点を考慮したものである。つまり、ｂ３とｂ１との関係を上記の範囲に設定すれば、磁束密度の過度の低下を防止しつつ、磁束密度を十分に均一化することが可能となる。

ヨーク１３の材料としては、できる限り透磁率の高い材料を用いることが好ましく、具体的には、透磁率（μ）が１００以上であることが好ましく、１０００以上であることがより好ましい。これは、ヨーク１３の透磁率が高いほど、超磁歪素子１１の端部における磁束密度の低下を抑制する効果が高くなるからであり、ヨーク１３の材料として透磁率が１００以上である材料を用いれば、本実施形態の構成と相まって、よりいっそう磁束密度を均一化することが可能となる。特に、ヨーク１３の材料として透磁率が１０００以上である材料を用いれば、本実施形態の構成と相まって、磁束密度をほぼ均一とすることが可能となる。好ましい具体的な材料としては、純鉄（μ＝５０００以上）、けい素鉄（μ＝６０００以上）、電磁ステンレス（μ＝４０００以上）、パーマロイ（μ＝３００００以上）、フェライト（μ＝１０００以上）等を挙げることができる。

永久磁石１４は、コイル１２の外側を取り囲む筒状体であり、超磁歪素子１１に磁気バイアスを印加する役割を果たす。これは、磁気バイアスのない状態では、超磁歪素子１１の変位が磁界の向きに対して方向性がないからである。

本実施形態による超磁歪ユニット１０では、永久磁石１４の軸方向における長さをａ１、永久磁石１４の中心径（＝（内径＋外径）／２）をｂ１とした場合、
０．３≦ｂ１／ａ１≦０．７
に設定されている。このように設定しているのは、超磁歪素子１１に均一な磁気バイアスを与えるためであり、かかる構成により超磁歪ユニット１０の出力歪みが低減されている。つまり、
ｂ１／ａ１＜０．３
であると、超磁歪素子１１の中央部における磁気バイアスが不足するとともに、端部の磁気バイアスが中央部分よりも著しく強くなる一方、
ｂ１／ａ１＞０．７
であると、超磁歪素子１１の端部における磁気バイアスが中央部分よりも大幅に弱くなってしまう。これに対し、ａ１とｂ１との関係を上記の範囲に設定すれば、超磁歪素子１１中の磁気バイアスを端部から中央部に亘って均一とすることができる。具体的には、端部における磁気バイアス強度を中央部における磁気バイアス強度の８０％以上、１５０％以下とすることが可能となる。ここで、中央部に対する端部の磁気バイアス強度差を正方向（１００％超）に大きく許容しているのは、磁気バイアスが強すぎる場合に比べ、弱すぎる場合の方が問題が大きいからである。

尚、超磁歪素子１１により均一な磁気バイアスを与えるためには、
０．４５≦ｂ１／ａ１≦０．５５
に設定することが好ましい。

さらに、本実施形態による超磁歪ユニット１０では、超磁歪素子１１の軸方向における長さをａ２とした場合、
ａ１＝ａ２
に設定されている。これにより、全体のサイズをできるだけ小型化しつつ、超磁歪素子１１に均一な磁気バイアスを与えることが可能となる。これに対し、
ａ１＜ａ２
とすると、超磁歪素子１１中に磁気バイアスがほぼゼロとなる領域が生じることがあり、この場合には、極めて不均一な磁気バイアスとなってしまう。逆に、
ａ１＞ａ２
であるケースについては後述する。

以上の構成を有する超磁歪ユニット１０は、上述のとおり、永久磁石１４の軸方向における長さａ１と永久磁石１４の中心径ｂ１との関係が
０．３≦ｂ１／ａ１≦０．７
に設定され、且つ、永久磁石１４の軸方向における長さａ１と超磁歪素子１１の軸方向における長さａ２との関係が、
ａ１＝ａ２
に設定されていることから、超磁歪素子１１に均一な磁気バイアスを与えることが可能となる。さらに、本実施形態では、超磁歪素子１１の軸方向にヨーク１３を設け、その径ｂ３と永久磁石１４の中心径をｂ１との関係を、
１≦ｂ３／ｂ１≦３
に設定していることから、磁気バイアスによる磁束密度をより均一化することが可能となる。

しかも、本実施形態では、超磁歪素子１１の軸方向における長さとコイル１２の軸方向における長さが実質的に一致していることから、コイル１２による超磁歪素子１１内の磁束密度の均一性が非常に高くなる。

これらにより、本実施形態の超磁歪ユニット１０をアクチュエータとして用いた場合、或いは、圧力センサとして用いた場合のいずれにおいても、出力歪みを大幅に低減することが可能となる。

図２は、本発明の好ましい他の実施形態による超磁歪ユニット２０の構造を示す略断面図である。

本実施形態による超磁歪ユニット２０は、永久磁石１４の軸方向における長さａ１が超磁歪素子１１の軸方向における長さａ２よりも長い点において、上記実施形態と相違している。これは、永久磁石１４の軸方向における長さａ１を超磁歪素子１１の軸方向における長さａ２よりも長くすることにより、磁気バイアスがよりいっそう均一となる点に着目したものである。

永久磁石１４の軸方向における長さａ１は、超磁歪素子１１の軸方向における長さａ２に対して長いほど磁気バイアスが均一となる一方、その磁束密度は低下してしまう。このため、本発明では、永久磁石１４の軸方向における長さａ１と超磁歪素子１１の軸方向における長さａ２との関係を、
１≦ａ１／ａ２≦２
の範囲内に設定する必要があり、これにより、磁束密度の過度の低下を防止しつつ、磁気バイアスをほぼ均一とすることが可能となる。

図３は、本発明の好ましいさらに他の実施形態による超磁歪ユニット３０の構造を示す略断面図である。

本実施形態による超磁歪ユニット３０は、ヨーク１３と永久磁石１４が直接接しておらず、これらの間にギャップ３１が設けられている点において、上記各実施形態と相違している。これは、ギャップ３１を設けることにより、超磁歪素子１１の端部における磁気バイアスの過度の盛り上がりを抑制することができるからである。

ギャップ３１の幅は、軸方向に０．１ｍｍ以上あることが好ましい。これは、ギャップ３１の幅が０．１ｍｍ未満であるとギャップによる効果が十分に得られないからである。

本実施形態においても、永久磁石１４の軸方向における長さａ１を超磁歪素子１１の軸方向における長さａ２よりも長く設定しても構わないが、やはり、
１≦ａ１／ａ２≦２
の範囲内に設定する必要がある。

本発明は、以上説明した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

以下、本発明の効果を実証すべく、静磁場解析装置を用いた静磁場シミュレーションの結果について説明する。以下に説明する実施例は、永久磁石による磁気バイアスに注目したシミュレーションであり、したがってコイルについては省略している。

［実施例１］

まず、図４に示す断面を持った超磁歪ユニットを想定し、超磁歪素子１１の中心軸１１ａに沿った磁束密度をシミュレーションした。超磁歪素子１１の透磁率（μ）は６とし、軸方向における長さａ２については２０ｍｍ、径については２ｍｍとした。また、永久磁石１４の軸方向における長さａ１についても２０ｍｍとし、その中心径ｂ１については７ｍｍとした。永久磁石１４の残留磁束密度（Ｂｒ）については１．２５Ｔ、透磁率（μ）については１．０５とした。実施例１では、
ｂ１／ａ１＝０．３５、且つ
ａ１／ａ２＝１
である。

この構造において、超磁歪素子１１の中心軸１１ａに沿った磁束密度をシミュレーションした。シミュレーションの結果を図５に示す。

図５に示すように、中心軸１１ａに沿った磁束密度は、超磁歪素子１１の軸方向にほぼ均一であり、中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部（末端から約３ｍｍの領域、以下同様）の磁束密度（Ｔ２）のずれ（＝（Ｔ２／Ｔ１）−１００％）は約＋４８．６％であることが確かめられた。また、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．２３３９Ｔであった。

［実施例２］

永久磁石１４の中心径ｂ１を９ｍｍとした他は、実施例１と同一条件にて磁束密度のシミュレーションを行った。実施例２では、
ｂ１／ａ１＝０．４５、且つ
ａ１／ａ２＝１
である。シミュレーションの結果は同じく図５に示されている。図５に示すように、中心軸１１ａに沿った磁束密度は、超磁歪素子１１の軸方向にほぼ均一であり、中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋１５．０％であることが確かめられた。また、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．２６０１Ｔであり、実施例１よりも高い値が得られた。

［実施例３］

永久磁石１４の中心径ｂ１を１１ｍｍとした他は、実施例１と同一条件にて磁束密度のシミュレーションを行った。実施例３では、
ｂ１／ａ１＝０．５５、且つ
ａ１／ａ２＝１
である。シミュレーションの結果は同じく図５に示されている。図５に示すように、中心軸１１ａに沿った磁束密度は、超磁歪素子１１の軸方向にほぼ均一であり、中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約−５．４％であることが確かめられた。また、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．２７３７Ｔであり、実施例２よりもさらに高い値が得られた。

［実施例４］

永久磁石１４の中心径ｂ１を１３ｍｍとした他は、実施例１と同一条件にて磁束密度のシミュレーションを行った。実施例４では、
ｂ１／ａ１＝０．６５、且つ
ａ１／ａ２＝１
である。シミュレーションの結果は同じく図５に示されている。図５に示すように、中心軸１１ａに沿った磁束密度は、超磁歪素子１１の軸方向にほぼ均一であり、中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約−１８．０％であり、端部における磁束密度の落ち込みが認められたが、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．２７７６Ｔであり、実施例３と同等の高い値が得られた。

［比較例１］

永久磁石１４の中心径ｂ１を５ｍｍとした他は、実施例１と同一条件にて磁束密度のシミュレーションを行った。比較例１では、
ｂ１／ａ１＝０．２５、且つ
ａ１／ａ２＝１
である。シミュレーションの結果は同じく図５に示されている。図５に示すように、中心軸１１ａに沿った磁束密度は、超磁歪素子１１の端部において極端に盛り上がり、中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋１０３．３％に達した。

［比較例２］

永久磁石１４の中心径ｂ１を１５ｍｍとした他は、実施例１と同一条件にて磁束密度のシミュレーションを行った。比較例２では、
ｂ１／ａ１＝０．７５、且つ
ａ１／ａ２＝１
である。シミュレーションの結果は同じく図５に示されている。図５に示すように、中心軸１１ａに沿った磁束密度は、超磁歪素子１１の端部において大きく落ち込み、中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約−２５．８％に達した。

［実施例５］

図６に示す断面を持った超磁歪ユニットを想定し、永久磁石１４の軸方向における長さａ１を２４ｍｍとし、その中心径ｂ１を１１ｍｍとした他は、実施例１と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。実施例５では、
ｂ１／ａ１＝０．４５８、且つ
ａ１／ａ２＝１．２
である。

シミュレーションの結果は図７に示されている。図７に示すように、実施例５の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋１５．５％であることが確かめられた。また、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．２１７３Ｔであった。

［実施例６］

永久磁石１４の軸方向における長さａ１を２８ｍｍとし、その中心径ｂ１を１３ｍｍとした他は、実施例５と同一条件にて磁束密度のシミュレーションを行った。実施例５では、
ｂ１／ａ１＝０．４６４、且つ
ａ１／ａ２＝１．４
であり、ｂ１／ａ１の値は実施例５とほぼ同等である。シミュレーションの結果は同じく図７に示されている。図７に示すように、実施例６の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋１０．３％であり、磁気バイアスがより均一であったが、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．１８５９Ｔであり、実施例５より低かった。

［実施例７］

永久磁石１４の軸方向における長さａ１を３２ｍｍとし、その中心径ｂ１を１５ｍｍとした他は、実施例５と同一条件にて磁束密度のシミュレーションを行った。実施例７では、
ｂ１／ａ１＝０．４６９、且つ
ａ１／ａ２＝１．６
であり、ｂ１／ａ１の値は実施例５、６とほぼ同等である。シミュレーションの結果は同じく図７に示されている。図７に示すように、実施例７の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋６．１％であり、磁気バイアスがより均一であったが、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．１６２７Ｔであり、実施例６より低かった。

［実施例８］

永久磁石１４の軸方向における長さａ１を３６ｍｍとし、その中心径ｂ１を１７ｍｍとした他は、実施例５と同一条件にて磁束密度のシミュレーションを行った。実施例８では、
ｂ１／ａ１＝０．４７２、且つ
ａ１／ａ２＝１．８
であり、ｂ１／ａ１の値は実施例５〜７とほぼ同等である。シミュレーションの結果は同じく図７に示されている。図７に示すように、実施例８の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋２．６％であり、磁気バイアスがより均一であったが、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．１４５１Ｔであり、実施例７より低かった。

［実施例９］

永久磁石１４の軸方向における長さａ１を４０ｍｍとし、その中心径ｂ１を１９ｍｍとした他は、実施例５と同一条件にて磁束密度のシミュレーションを行った。実施例９では、
ｂ１／ａ１＝０．４７５、且つ
ａ１／ａ２＝２
であり、ｂ１／ａ１の値は実施例５〜８とほぼ同等である。シミュレーションの結果は同じく図７に示されている。図７に示すように、実施例９の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋０．１％であり、磁気バイアスがより均一であったが、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．１３１２Ｔであり、実施例８より低かった。

［実施例１０］

図８に示す断面を持った超磁歪ユニットを想定し、ヨーク１３の径ｂ３を１１ｍｍとした他は、実施例３と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。実施例１０では、
ｂ１／ａ１＝０．５５、
ａ１／ａ２＝１、且つ、
ｂ３／ｂ１＝１
である。

シミュレーションの結果は図９に示されている。図９に示すように、実施例１０の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋４４．３％であることが確かめられた。また、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．３０１３Ｔであり、非常に高い値が得られた。

［実施例１１］

超磁歪素子１１とヨーク１３の中心軸を合わせたまま、ヨーク１３の径ｂ３を１２ｍｍとした他は、実施例１０と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。実施例１１では、
ｂ１／ａ１＝０．５５、
ａ１／ａ２＝１、且つ、
ｂ３／ｂ１＝１．０９
である。

シミュレーションの結果は同じく図９に示されている。図９に示すように、実施例１１の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋４４．５％、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．２９４２Ｔであり、実施例１０とほぼ同等の特性が得られた。

［実施例１２］

超磁歪素子１１とヨーク１３の中心軸を合わせたまま、ヨーク１３の径ｂ３を２２ｍｍとした他は、実施例１０と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。実施例１１では、
ｂ１／ａ１＝０．５５、
ａ１／ａ２＝１、且つ、
ｂ３／ｂ１＝２
である。

シミュレーションの結果は同じく図９に示されている。図９に示すように、実施例１１の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋９．８％であり、極めて高い均一性が得られたが、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．１７７３Ｔであり、実施例１０より低かった。

［実施例１３］

超磁歪素子１１とヨーク１３の中心軸を合わせたまま、ヨーク１３の径ｂ３を３３ｍｍとした他は、実施例１０と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。実施例１２では、
ｂ１／ａ１＝０．５５、
ａ１／ａ２＝１、且つ、
ｂ３／ｂ１＝３
である。

シミュレーションの結果は同じく図９に示されている。図９に示すように、実施例１２の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋２．７％であり、極めて高い均一性が得られたが、中央部の磁束密度（Ｔ１）は０．１１０８Ｔであり、実施例１２より低かった。

［比較例３］

図１０に示す断面を持った超磁歪ユニットを想定し、永久磁石１４の軸方向における長さａ１を１６ｍｍとした他は、実施例１と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。比較例３では、
ｂ１／ａ１＝０．４３８、且つ
ａ１／ａ２＝０．８
である。

シミュレーションの結果は図１１に示されている。図１１に示すように、比較例３の構造では、超磁歪素子１１中に磁束密度がほぼゼロとなる領域が生じてしまうことが確かめられた。

［実施例１４］

図１２に示す断面を持った超磁歪ユニットを想定し、ヨーク１３と永久磁石１４との間に０．１ｍｍのギャップ３１を設けた他は、実施例１１と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。

シミュレーションの結果は図１３に示されている。図１３には、実施例１１（ギャップなし）の結果も併せて示されている。図１３に示すように、実施例１４の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋４０．０％であり、実施例１１よりも均一となった。

［実施例１５］

ギャップ３１を０．２ｍｍとした他は、実施例１４と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。

シミュレーションの結果は同じく図１３に示されている。図１３に示すように、実施例１５の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋３５．８％であり、実施例１４よりもさらに均一となった。

［実施例１６］

ギャップ３１を０．３ｍｍとした他は、実施例１４と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。

シミュレーションの結果は同じく図１３に示されている。図１３に示すように、実施例１６の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋３１．６％であり、実施例１５よりもさらに均一となった。

［実施例１７］

ギャップ３１を０．４ｍｍとした他は、実施例１４と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。

シミュレーションの結果は同じく図１３に示されている。図１３に示すように、実施例１７の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋２８．１％であり、実施例１６よりもさらに均一となった。

［実施例１８］

ギャップ３１を０．６ｍｍとした他は、実施例１４と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。

シミュレーションの結果は同じく図１３に示されている。図１３に示すように、実施例１８の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋２２．０％であり、実施例１７よりもさらに均一となった。

［実施例１９］

ギャップ３１を０．８ｍｍとした他は、実施例１４と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。

シミュレーションの結果は同じく図１３に示されている。図１３に示すように、実施例１９の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋１６．４％であり、実施例１８よりもさらに均一となった。

［実施例２０］

ギャップ３１を１．０ｍｍとした他は、実施例１４と同一として中心軸１１ａに沿った磁束密度のシミュレーションを行った。

シミュレーションの結果は同じく図１３に示されている。図１３に示すように、実施例２０の構造では中央部の磁束密度（Ｔ１）に対する端部の磁束密度（Ｔ２）のずれは約＋１２．０％であり、実施例１９よりもさらに均一となった。

本発明の好ましい実施形態による超磁歪ユニット１０の構造を示す略断面図である。本発明の好ましい他の実施形態による超磁歪ユニット２０の構造を示す略断面図である。本発明の好ましいさらに他の実施形態による超磁歪ユニット３０の構造を示す略断面図である。実施例１〜４及び比較例１，２の静磁場シミュレーションにおいて想定した超磁歪ユニットの断面構造である。実施例１〜４及び比較例１，２のシミュレーション結果を示すグラフである。実施例５〜９の静磁場シミュレーションにおいて想定した超磁歪ユニットの断面構造である。実施例５〜９のシミュレーション結果を示すグラフである。実施例１０〜１３の静磁場シミュレーションにおいて想定した超磁歪ユニットの断面構造である。実施例１０〜１３のシミュレーション結果を示すグラフである。比較例３の静磁場シミュレーションにおいて想定した超磁歪ユニットの断面構造である。比較例３のシミュレーション結果を示すグラフである。実施例１４〜２０の静磁場シミュレーションにおいて想定した超磁歪ユニットの断面構造である。実施例１４〜２０のシミュレーション結果を示すグラフである。

符号の説明

１０，２０，３０超磁歪ユニット
１１超磁歪素子
１１ａ中心軸
１２コイル
１３ヨーク
１３ａヨークの第１の部分
１３ｂヨークの第２の部分
１４永久磁石
３１ギャップ
ａ１永久磁石の軸方向における長さ
ａ２超磁歪素子の軸方向における長さ
ｂ１永久磁石の中心径
ｂ３ヨークの径

Claims

円柱状の超磁歪素子と、前記超磁歪素子の径方向に配置された円筒状のコイルと、前記コイルの径方向に配置された円筒状の永久磁石とを備え、前記永久磁石の軸方向における長さをａ１、前記永久磁石の中心径をｂ１とした場合、
０．３≦ｂ１／ａ１≦０．７
を満たしており、且つ、前記超磁歪素子の軸方向における長さをａ２とした場合、
１≦ａ１／ａ２≦２
を満たしていることを特徴とする超磁歪ユニット。
前記超磁歪素子の軸方向に配置された円盤状のヨークをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の超磁歪ユニット。
前記ヨークの径をｂ３とした場合、
１≦ｂ３／ｂ１≦３
を満たしていることを特徴とする請求項２に記載の超磁歪ユニット。
前記ヨークと前記永久磁石との間には、軸方向に０．１ｍｍ以上のギャップが設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の超磁歪ユニット。
前記ヨークの透磁率が１００以上であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の超磁歪ユニット。
前記ヨークの透磁率が１０００以上であることを特徴とする請求項５に記載の超磁歪ユニット。
前記超磁歪素子の軸方向における長さと前記コイルの軸方向における長さが一致していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に超磁歪ユニット。