JPH04171989A

JPH04171989A - 磁歪素子

Info

Publication number: JPH04171989A
Application number: JP2300209A
Authority: JP
Inventors: Teruo Mori; 輝夫森; Kazunori Hirose; 広瀬　一則
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1990-11-06
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 1992-06-19
Anticipated expiration: 2015-03-27
Also published as: JP3024996B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、−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
電材料が数十〜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
般市であるが、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
手間がかかつ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。

く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、　＃！１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せるために
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とこれに同定されている
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
８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、希土類金属元素上よび鉄を
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、１　ｋｏｅの直流磁界下での磁歪量Δｉ／ρ
が４００ｐｐｍ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１］ここでＲは、イツトリウム（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セトシテは、Ｓｍ
、Ｔｂ、Ｄｙ、ＨＯ、ＥｒおよびＴｍ単独、ＴｂＧｄ、
ＴｂＤｙ、ＴｂＨｏ、ＴｂＨｏＤｙ、ＳｍＴｂ、ＳｍＤｙ、ＳｍＨｏ、ＳｍＥｒ、ＳｍＨｏＤｙ、ＨｏＥｒならびにＨＯｌＥｒ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、■、Ｃｒ、Ｍｎ、
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ。

Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ。

Ａｇ、Ｃｄ％　Ｈｆ、Ｔａ％　Ｗ、　　Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉ
ｒ、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３９４９３５
１号明細書、同第４３０８４７４号明細書、同第４３７
８２５８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６２−
２２７９６２号、同６２−２２７９６３号、同６３−２
８４１３３号、同６３−２８４１３４号、特願平１−４
１１７１号等に開示されている。

このような磁歪材料は、−船釣な合金製造法、例えば、
アークメルト法、一方向性凝固法、ゾーンメルト法、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、
パ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
滅することができる。

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（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。行帰の説明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

【特許請求の範囲】

（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請求項１に記載の磁歪素子。
（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。
（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。