JPH0479780A - 磁歪式アクチュエータ - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、磁歪ををする磁性体への磁界の印加により変
位量を制御することかできる磁歪式アクチュエータに関
する。

（従来の技術） 振動や変位発生用のアクチュエータとして、ＰＺＴなど
の圧電材料を変位発生素子とし、この変位発生素子に制
御電圧を印加する圧電式アクチュエータやスピーカの原
理を利用した電磁式アクチュエータ、そして磁歪現象を
利用した磁歪式アクチュエータなどが知られている。

なかでも磁歪式アクチュエータは、外部からの磁界に対
して変形する磁歪材料を用いこの磁歪材料の周囲に磁界
を発生させるコイルを組み合せた構造物であり、小型か
つ高出力の要求を満たす変位発生素子として、圧電材料
より剛性か大きいことから／＋：目されている。

このような磁歪式アクチュエータとしてたとえば特願平
２−８３２２０号において提案されているものがある。

この磁歪式アクチュエータを第７図に示す。

同図において、１は磁歪を有する磁性体からなる磁歪棒
である。磁歪棒１の周囲には空心コイル２か巻回され、
空心コイル２に流す制御電流の正負に対応した振動を得
るための永久磁石３ａ、３ｂか、磁歪棒１の長手方向両
端部側に配設された可動側ヨーク４および固定側ヨーク
５にそれぞれ接して配設されている。

また、磁歪棒１の両端面はスペーサ６ａ、６ｂを介して
可動側ヨーク４および固定側ヨーク５にそれぞれ接して
いる。

これら各部品１．２．３．４．５は、断面コ字状の円筒
型ヨーク７に内蔵され、可動側ヨーク４と円筒型ヨーク
７の閉塞側内端面７ａ間には弾性体８か介在されている
。

そして、可動側ヨーク４に振動を伝達するための出力端
９か固定されて、振動子］０か構成されている。

このような構造の磁歪式アクチュエータは、空心コイル
に電流を流すことにより磁歪棒の変位を出力端から取り
出し、振動板に伝える二とて音響用スピーカの振動子と
して使用することか可能であり、従来のスピーカでは得
られない特性を得られることか予想されるため、音響用
スピーカへの適用か検討されている。磁歪式アクチュエ
ータを音響用スピーカに用いた場合の優れた特性はたと
えば次のようなものである。

すなわち、従来のスピーカは永久磁石により作られた磁
場にコイルを置き、このコイルに電流を流すことによっ
て作られる磁力によってコイル自体を動作させ、この変
位量を振動板に伝えて音声を出力している。このような
磁ツノによる変位量を出力端に取り出すスピーカでは、
低音再生用として重い振動板を使用すると、コイル自体
の変位量か減少し、出力減少を招くのである。

そこで、変位量を増加させるために大きな永久磁石を用
いることも考えられるか、この方法では全体形状か大き
くなり、近年における各種機器の小型化の方向とは相反
する。

これに対して、磁歪式アクチュエータは、磁歪材料その
ものの変形を利用して変位量を取っているため、変位量
を取り出す方向（出力端側）に質量の大きい振動板を取
り付けたとしても振動板を動かすことか可能である。つ
まり、小型かつ高出力を得ることができ、従来の小型ス
ピーカでは再生が困難であった低音域の再生を磁歪式ア
クチュエータでは行うことが可能となるのである。

低音域を再生し得るだけの高出力（つまり磁歪材料の変
位量を増加させる）を得るためには主に二つの方法が考
えられる。

すなわち、磁歪材料の変位量は磁界、すなわち空心コイ
ルによって作られる磁界の強さに比例し、磁界の強さは
巻き数に比例して強くなるため、コイルの線材を細くし
て巻き数を増やすことにより、強い磁界を発生させて磁
歪材料を大きく変位させる方法がひとつである。

このようなコイル巻回形態によれば、線材か細いため、
アクチュエータ自体の小型化か容易である。しかしその
反面、通常１本の線材から構成されている単巻線コイル
は、細線化することによって線材のインピーダンスか高
くなり、従来システムとの互換性が失われるという問題
がある。

つまり、従来の音響用スピーカシステムは、はとんどか
低インピーダンス用に作製されており、細線小型化した
磁歪式アクチュエータはインピーダンスか高すぎて従来
のアンプではこれを駆動させることができないのである
。

もうひとつの別の考え方は、コイル線材の巻回数を低減
して、流す電充量を増加さセることである。

この方法によれば線材のインピーダンスは下げることが
できる。しかし、コイルの巻回数か少ないということは
発生する磁界の強さも減少するということである。そし
て、コイルの巻回数の少ない状態でこれまでの巻回数（
すなわち巻回数の多い状態）で得ていた磁界の強さを得
ようとするならば、相当量の電流を流す必要かあり、電
流容量の大きい太い線材か必要となる。

線材か太くなればアクチュエータ自体の大型化を招き、
小型化の目的と相反する。

（発明か解決しようとする課題） このように、従来の磁歪式アクチュエータはコイルの巻
回形態とインピーダンスとの関係から、従来システムへ
の音響用スピーカとして適用する場合、 インピーダンス低減−コイル太線化−大型化という具合
に悪循環が生じ、磁歪式アクチュエータの優れた特性を
活かすことができないという問題を抱えている。

本発明はこのような事情に対処してなされたしので、コ
イル全体のインピーダンスを低減させることかてき、小
型で高出力化を可能とした磁歪式アクチュエータを提供
することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の磁歪式アクチュエータは、磁歪ををする磁性材
料からなる駆動力発生部材と、この駆動力発生部材の周
囲に配設された励磁コイルとを備えた磁歪式アクチュエ
ータにおいて、前記励磁コイルは、２本以上の線材を用
いてこれら線材を各線材ことに前記磁性材料に巻回する
ことにより前記線＋ｉと同数のブロック単位に分割され
たコイルブロックからなり、これらコイルブロックの線
材の初端および終端かそれぞれ結束されて並列接続され
、前記コイルブロックの集合によってひとつの励磁コイ
ルとされていることを特徴としている。

本発明において、コイルブロックは前記駆動力発生部材
の軸方向に並列して配置したり、または駆動力発生部材
の径方向に同心円状に重ねて配置することかできる。

（作　用） 本発明の磁歪式アクチュエータにおいては、複数の線材
を用いてひとつの励磁コイルがいくつかのブロックに分
割され、これら複数のコイルブロックを構成する各線材
の初端と終端とかそれぞれ結線されて並列接続されてい
る。

このようなコイルの巻回形態を採ることによって、全体
としての線材の巻回数を変えることなく、細い線材を用
いた場合でもコイル全体のインピーダンスを下げること
ができる。

すなわち、線材１本あたりの有するインピーダンスはそ
の線材の長さ（巻回数）に比例して増加するため、複数
の線材を用いることにより得られる磁界の強さは変えず
に、インピーダンスだけを用いた線材の本数分の一程度
まで下げることかできる。

また、複数の線材のそれぞれの巻き初め端と巻き終り端
とを結束して接続を行うことにより、分割されたコイル
は並列接続となるため、コイル全体のインピーダンスは
さらに分割したブロンク数（すなわち用いた線材の本数
）分の−となり、最終的には従来の単一線材によるコイ
ルのインピーダンスと比較して、約（用いた線材の本数
−コイルブロック数）２分の一程度までインピーダンス
を下げることができる。

したかって、強い磁力と低インピーダンス特性とを備え
た磁歪式アクチュエータを得ることができ、しかも磁歪
式アクチュエータ自体の小型化が可能となる。

また、複数の線材を用いることによってコイル全体の抵
抗値を任意の値に設定することができ、コイル全体の形
状をも調整することができる。

（実施例） 次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１ 第１図は、本発明の一実施例の磁歪式アクチュエータの
要部を示す図である。

同図において、１１は磁歪を有する磁性材料からなる磁
歪棒てあり、矢印Ａの方向に磁歪棒１１の振幅が取り出
される。

磁歪棒１１の外周には、長手方向（軸方向）に対して垂
直に分割された　３つのコイルブロック、すなわち第１
コイル１２、第２コイル１３、第３コイル１４が巻回さ
れて一つの励磁コイルＣを構成している。分割されたコ
イルブロックの様子を第２図に示す。

このように、　３つのコイルブロックはそれぞれ巻始め
端１２ａ、１３ｇ、１４ａと巻終り端］２ｂ、１３ｂ、
１４ｂとを有しており、それぞれの巻始め端１２ａ、１
３ａ、１４ａはひとつに結束され、入力端■となってい
る。

一方、巻終り端１２ｂ、１３ｂ、１４ｂはひとつに結束
されて出力端０となり、これら入力端Ｉおよび出力端Ｏ
かＷ　？入力部１５に接続されている。

このようなコイル巻回形態の磁歪式アクチュエータと、
１本の線材を巻回したコイルを用いた従来の巻回形態の
アクチュエータとをインピーダンスにおいて比較すると
次式のようになる。なお、第８図に式の理解を容易にす
るための図を示したので、この図を用いて説明する。

〈　１本の線材を巻回したコイルの場合〉コイルの電気
的等価回路は、第８図（ａ）に示すとおりである。

線材か有する直流インピーダンスＲは、式　　　Ｒ−ρ
−（１） （式中、ρは抵抗率、ρは線材の長さ、Ａは線材の断面
積を示す。） また、巻回したコイルの自己インダクタンスＬは、空心
コイルの場合、え 式　　　　Ｌ−４π　×１０−７　　　　　Ｎ２　　　
　　　　　（２）ρ （式中、Ａは磁路の断面積、ｇは磁路の長さ、Ｎは巻数
を示す。） となる。

したがって、　１本の線材を巻回したコイルの全体のイ
ンピーダンスは、 式：Ｚ−Ｒ＋ｉωＬ　　　　　・・−（３）となる。

く複数の線材を巻回してこれらを並列接続したコイルの
場合〉 コイルの電気的等値回路は、第８図（ｂ）に示すとおり
である。ここでは、各々のコイルの仕様は等しいものと
する。

３本のコイルの合計の巻数が上述した　１本の線材によ
るコイルの巻数と等しい場合、３本のコイルの　１本当
りの巻数は、　１本の線材によるコイルの巻数の１７３
となる。

すなわち、　３本のコイルの　１本当りの線材の長さは
、　１本の線材によるコイルの線材の長さの１／３とな
る。

ここで、上記（１）式に戻ると、ρ、Ａは変わらず、Ω
が１／３となるため、各線材のインピーダンスＲは、 式　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｇＲ
＋　　”　Ｒ２−Ｒ３−１／３　　・　ρ　・　、−１
／３Ｒとなる。

また、この実施例におけるコイルブロックは、コイルの
軸方向に　３分割されているため、それぞれのコイルブ
ロックの磁路の長さは、　１本の線材によるコイルの磁
路の１／３となる。

したがって、それぞれのコイルブロックの自己インダク
タンスしは、 式：　　Ｌ、−Ｌ、−Ｌ。

４πＸｌ０−”　　　（Ｎ／３）　２−１／３　ＬＤ／
３　　　　　　・・　（４） となる。

さらに、コイルブロックを軸方向に配列したことにより
、相互インダクタンスか生しる。第８図（Ｃ）は相互イ
ンダクタンスを説明するための図であり、相互インダク
タンスＭは次式により表される。

式：　　Ｍ　ｌ　２−　Ｎ　２Φ、７１１Ｍ　２１−　
Ｎ　＋　Φ２／■２ この実施例において３つのコイルブロックの仕様は等し
いので、漏れ磁束等を無視した場合、Ｍ１２−Ｍ２＋−
Ｍ２３−ＭＢ２−Ｍ１３−Ｍ３−Ｎ、Φ、／■１ である。

そして、上記自己インダクタンスＬ１はり、−Ｎ、Φ、
／１ で与えられることから、３つのコイルブロックの自己イ
ンダクタンスと相互インダクタンスは、式：　　Ｌ、−
Ｌ２−Ｌ。

”　Ｍ　ｌ　２−　Ｍ　２□−ｈ／ｆ　２３−　Ｍ　３
２−　Ｍ　１３””　Ｍ　１となる。

これらのことから、分割された　３つのコイルブロック
からなるコイル全体のインピーダンスは、次式のように
なる。

よって、Ｚ　＝　（Ｒ／９）＋　（ｉωＬ／３）・・　
（６）となる。

先に説明した（３）式とこの（６）式とを比較すれば明
らかなように、　１本の線材を巻回したコイルの場合に
比へて、この実施例による複数の線材を巻回してこれら
を並列接続したコイルの場合は、その直流インピーダン
スが （コイルのブロック数）２分の−となり、インダクタン
スは （コイルのブロック数）分の−となることがわかる。

このように、この実施例の磁歪式アクチュエタは、イン
ピーダンスを大幅に低減させることができ、高出力を維
持したまま小型化を図ることができた。

そして、この実施例による垂直分割形態の磁歪式アクチ
ュエータは、たとえば第３図に示すような細くて奥行き
の深い形状のテレビ用スピーカなとに振動子３１として
適用することができるほが、小径で細長い特殊な形状の
各種機器に高出力を実現するアクチュエータとして利用
することができる。

さらに、この実施例において、磁歪棒１１の材質として
は、従来から磁歪材料として使用されているＮｉ系合金
、Ｆｅ〜＾１系合金、フェライト系材料などを用いるこ
とも可能であるが、磁歪の大きな材料を用いることか、
振動子の小型化、高出力化につながるため、希土類金属
−遷移金属系のラベス型金属間化合物からなる超磁歪合
金を使用することか好ましい。このような超磁歪合金と
しては、原子比で Ｒ（Ｆｅ１−Ｘ−ｙ　ＣＯｘ　Ｍｙ　）２（式中、Ｒは
Ｙを含む希土類元素から選ばれた少なくとも一種の元素
を、阿はＭｎ、　Ｎｉ、　Ｍｇ、＾１、Ｇａ。

Ｚｎ、　Ｖ　、Ｚｒ、　Ｈ「、Ｔ１、Ｎｂ、　Ｃｕ、＾
ｇ、　Ｓｎ、　Ｎｏ、　ＳｉおよびＢから選ばれた少な
くとも一種の元素を示すし、ｘ、ｙ、ｚは以下の式を満
足する数を示す。

ＯＳｘ≦０９５．０≦ｙ≦０．６．１．５≦２≦４．０
）を満足する組成を有する合金か例示され、具体的には
Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ−Ｍｎ系合
金などである。また、５ｉＦｅ２やＥｒＰｅ２系などの
負の磁歪を有する磁歪合金の使用も可能である。

また、磁歪棒１１としては、円柱形状のロンドに限らず
、円筒状、角柱状、積層状などの各種形状のロッドを用
いることが可能である。

また、磁歪棒１１と励磁コイルＣとは、空隙を持たせた
非接触型構造が信頼性の高い構造であるが、効率の観点
から磁歪棒１１に直接コイルを巻き付けた密着型構造と
してもよい。

なお、上記構成の磁歪式アクチュエータを第７図に示し
たような磁歪式アクチュエータに適用し、磁歪棒として
Ｔｂｏ２ｓＤｙｏ、　７２Ｆｅ１９５の超磁歪ロッド、
同結晶配向ロッドを使用したところ、良好な振動子が得
られた。さらに、Ｔｂｏ５Ｄｙｏ、　ｓ　　（Ｆｅｏ、
　ｓ　ＭｎＯ，２）　１．９の超磁歪ロッドについても
良好な結果を得た。

実施例２ 次に、本発明の他の実施例の磁歪式アクチュエタについ
て第４図を用いて説明する。

同図において、４１は磁歪を有する磁性材料からなる磁
歪棒てあり、矢印Ａの方向に磁歪棒４１の変位量が取り
出される。

磁歪棒４１の外周には、磁歪棒４１と同心円状に分割さ
れた　３つのコイルブロック、すなわち第１コイル４２
、第２コイル４３、第３コイル４４が、磁歪棒４１の径
方向に積層されるように巻回されて、ひとつの励磁コイ
ルＣを構成している。

ここでの分割されたコイルブロックの様子を第５図に示
す。

このように、３つのコイルブロックはそれぞれ巻始め端
４２ａ、４３ａ、４４ａと巻終り端４２ｂ、４３ｂ、４
４ｂとを有しており、それぞれの巻始め端４２ａ、４３
ａ、４４ａはひとつに結束され、入力端Ｉとなっている
。

一方、巻終り端４２ｂ１４３ｂ１４４ｂはひとつに結束
されて出力端Ｏとなり、これら入力端Ｉおよび出力端Ｏ
が音声入力部４５に接続されている。

このようなフィル巻回形態の磁歪式アクチュエータと、
　１本の線材を巻回したコイルを用いた従来の巻回形態
のアクチュエータとをインピーダンスにおいて比較する
と次式のようになる。なお、第９図に式の理解を容易に
するための図を示したので、この図を用いて説明する。

〈−本の線材を巻回したコイルの場合〉第９図（ａ）に
おいて、巻回したコイルの自己インダクタンスＬは、　
　　′ π　ｒ 式、Ｌ−４π×ＩＯ″７Ｎ２　　　・・・・（１０）Ω （式中、ｒは磁路の半径、ｇは磁路の長さ、Ｎは巻数を
示す。） となる。

また、線材が有する直流インピーダンスＲは、（〕　１
　） （式中、ρは抵抗率、ｇは線材の長さ、Ａは線材の断面
積を示す。） となる。

く複数の線材を巻回してこれらを並列接続したコイルの
場合〉 第９図（ｂ）に示すとおり、この実施例では同心円状に
コイルを分割している。

３つのコイルブロックの合計の巻数か上述した１本の線
材によるコイルの巻数と等しい場合、３つのコイルブロ
ックの１つ当りの巻数は、１本の線材によるコイルの巻
数の１／３となる。

すなわち、　３つのコイルブロックの　１つ当りの線材
の長さは、　１本の線材によるコイルの線材の長さの１
／３となる。

ここで、上記（］０）式に戻ると、Ωか１７３となるた
め、各コイルブロックの自己インダクタンスしは、次式
により与えられる。

式： ％式％（１２） また、各コイル間の相互インダクタンスは、漏れ磁束な
どを無視して理想状態の空心コイルとした場合、Ｍ＋２
−　ｆｒＴｌｌにより与えられることから、それぞれ次
式のようになる。

式。

Ｍ＋２−Ｍ２＋−（ｒ＋　ｒ２／９　ｒ２）　Ｌ・（１
５）Ｍ２３−ＭＢ２−　Ｃｒ２ｒ３／　９　ｒ２）Ｌ−
（１６）ＭＢ２−Ｍ１３−　（＋’＋　ｒ３／９　ｒ２
）　Ｌ−（１７）さらに、各コイルブロックの直流イン
ピーダンスは、線材の長さがＬ／３になることから抵抗
値もほぼ１／３となり、次式のように表される。

式： ％式％（１８） （上式中、Ｒ′はコイルブロックの半径が小さいことか
らＲ値が減少することを示し、Ｒ′はコイルブロックの
半径が大きいことからＲ値か増加することを示している
。） ここで、Ｒ，＋Ｒ２＋Ｒ，−Ｒか成り立つコイルを想定
すると、全体のインピーダンスＺは、直流インピーダン
ス（ω−０）において次式のような結果となる。

式。

Ｚ−ＲＲ’　Ｒ’　　（Ｒ’　Ｒ十ＲＲ’　＋Ｒ’　Ｒ
’　）３　（Ｒ’　Ｒ十ＲＲ’　＋Ｒ’　Ｒ’　）　２
この（２１）式に（１８）〜（２０）式を代入し、Δｒ
２〈くＲ２であることを考慮すると、式：　　Ｚユニ／
９Ｒ・・・−（２２）となり、先に説明した（１１）式
との比較から、この実施例のように分割したコイルブロ
ックからなるコイルは、−本の線材によるコイルよりも
インピーダンスを約（コイルのブロック数）２分のにま
で低減することができた。

このように、この実施例の磁歪式アクチュエ−夕は、イ
ンピーダンスを大幅に低減させることかでき、高出力を
維持したまま小型化を図ることかできた。

この実施例による同心円状分割形態のアクチュエータは
、たとえば第６図に示すような奥行きの浅い薄型スピー
カなどにおいて振動子６１として適用することができ、
これ以外にも平板状の薄型機器に高出力アクチュエータ
として利用することができる。

上述したようにこれらの実施例の磁歪式アクチュエータ
によれば、磁界の強さを維持したままインピーダンスを
下げることかでき、小型のスピカで低音域からの再生を
良好に行うことができた。

すなわち、従来のアンプなどをそのまま用いて磁歪式ア
クチュエータを適用することができ、磁歪式アクチュエ
ータの優れた特性を有効に活かすことができた。

なお、この実施例においては磁歪式アクチュエータをス
ピーカに適用した例について述べたか、本発明はスピー
カ以外にもヘッドホンやマイクロホンの音響用トランス
デユーサや、小型、薄型、特殊形状の各種電気・機械変
換機器に幅広く適用することかできる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の磁歪式アクチュエータに
よれば、励磁コイルを複数のブロックに分割して配設し
て並列接続することにより、出力を犠牲にすることなく
コイルのインピーダンスを低減させることかでき、従来
機器への対応性および実用性を大きく向上させることか
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の磁歪式アクチュエータの要
部を示す図、第２図は第１図に示したアクチュエータの
コイルブロック形態を説明するための図、第３図は第１
図に示したアクチュエータの適用例を示す図、第４図は
本発明の他の実施例の磁歪式アクチュエータの要部を示
す図、第５図は第４図に示したアクチュエータのコイル
ブロック形態を説明するための図、第６図は第４図に示
したアクチュエータの適用例を示す図、第７図は磁歪式
アクチュエータを用いた振動子の一例を示す図、第８図
および第９図は本発明におけるインピーダンスの式を説
明するための図である。 〕１　　・磁歪棒、 ］２．１３、］４・・　・コイルブロック、Ｃ−励磁コ
イル、１５・・・音声入力部、４１　・　磁歪棒、 ４２．４３．４４・・・・コイルブロック、Ｃ・励磁コ
イル、４５　・・音声入力部、■・・　・入力端、０・
・・・・出力端。 出願人　　　　　株式会社　東芝 同　　　　　　東芝オーディオ・ビデオエンジニアリン
グ株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁歪を有する磁性材料からなる駆動力発生部材と
   、この駆動力発生部材の周囲に配設された励磁コイルと
   を備えた磁歪式アクチュエータにおいて、 前記励磁コイルは、２本以上の線材を用いてこれら線材
   を各線材ごとに前記磁性材料に巻回することにより前記
   線材と同数のブロック単位に分割されたコイルブロック
   からなり、これらコイルブロックの線材の初端および終
   端がそれぞれ結束されて並列接続され、前記コイルブロ
   ックの集合によってひとつの励磁コイルとされているこ
   とを特徴とする磁歪式アクチュエータ。
2. （２）前記コイルブロックは前記駆動力発生部材の軸方
   向に並列して配置されている請求項１記載の磁歪式アク
   チュエータ。
3. （３）前記コイルブロックは前記駆動力発生部材の径方
   向に同心円状に重ねて配置されている請求項１記載の磁
   歪式アクチュエータ。