JPH05198863A - 磁歪素子 - Google Patents
磁歪素子Info
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- JPH05198863A JPH05198863A JP3351481A JP35148191A JPH05198863A JP H05198863 A JPH05198863 A JP H05198863A JP 3351481 A JP3351481 A JP 3351481A JP 35148191 A JP35148191 A JP 35148191A JP H05198863 A JPH05198863 A JP H05198863A
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- Signal Processing (AREA)
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- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
の磁歪素子において、磁歪材内における磁化分布の均一
性を向上させる。 【構成】 磁歪材Sの外側に、空隙を挟んで磁石M1 を
設け、磁石M1 により磁歪材Sにバイアス磁界を印加す
ると共に磁歪材Sの磁化分布を改善し、磁化の均一化を
はかる。
Description
チュエータ、磁歪センサ等の磁歪素子に関する。
る材料であり、また、変位を与えることにより磁界が発
生するという逆磁歪(ヒラリー効果)を有する材料であ
る。磁歪材料のこのような性質を利用して、磁歪振動
子、磁歪アクチュエータ、磁歪センサ等の様々な能動素
子や受動素子が提案されている。特に、TbFe2 系な
どのRFe2 ラーベス型金属間化合物は、磁歪量が極め
て大きく超磁歪材料と呼ばれる。そして、このような超
磁歪材料を用いた磁歪素子が近年注目されている。
常、下記のようなものである。
磁石とを通常、直列に接触して配置し、これらにコイル
を巻回して磁歪センサを構成する。このような磁歪セン
サに、外部振動や衝撃など磁歪材を変形させる力が加わ
ると、ヒラリー効果によりコイルに電流が誘導される。
この電流または端部電圧を測定することにより、印加さ
れた力を知ることができる。
材、磁石およびコイルを上記磁歪センサと同様に配置
し、コイルに交流電流、パルス電流、直流電流などを印
加して磁界を発生させる。この磁界により生じた振動、
変位などを利用して、振動子やアクチュエータとして用
いる。また、このような構成の磁歪素子を、発音体とし
て利用することもできる。
や磁石と接触するように、磁性材料のヨークを直列に挿
入することにより、閉磁気回路を任意の形状とすること
ができる。
量もそれに応じて変化するが、このときの変位量は印加
磁界強度には必ずしも比例しない。このため、磁歪振動
子や磁歪アクチュエータなどでは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、また、磁歪セ
ンサなどでは印加磁界強度の変化に対して磁歪材の変位
量が直線的に変化するように、通常、直流バイアス磁界
が印加される。
は、コイルに直流電流を流す方法や磁石を用いる方法が
挙げられる。
度を変えることにより容易にバイアス磁界強度を変更す
ることができる。しかし、磁歪材駆動用の交流電流が流
れるコイルに直流電流を重畳する場合、交流電源と直流
電源との干渉を避けるためにチョークやコンデンサが必
要となるので、素子の構成が複雑化し、大型化してしま
う。また、バイアス磁界用コイルを磁歪材駆動用コイル
と別に設ける場合も、やはり素子の複雑化および大型化
を招く。
合、素子構成が簡単になり、小型の磁歪素子が実現でき
る。
磁率が低いため、超磁歪材料の磁歪材に磁石によりバイ
アス磁界を印加すると、磁石に近い領域では磁化率が高
いが、遠ざかるにつれて磁化率が顕著に低下し、磁歪材
内の磁化分布が著しく不均一となる。このため、一部領
域では最適強度に磁化されていても、他の領域では磁化
が不十分となったり過剰となったりし、磁歪材全体の効
率を高くすることができない。
情からなされたものであり、磁石によりバイアス磁界を
印加する構成の磁歪素子において、磁歪材内の磁化分布
の均一性を著しく向上させることを目的とする。
(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柱状または筒状
の磁歪材と、前記磁歪材を包囲するように前記磁歪材と
同軸的に配置された筒状の磁石と、軟磁性ヨークとを有
し、前記磁歪材、前記磁石および前記軟磁性ヨークが閉
磁気回路を構成しており、前記磁石と前記磁歪材との間
に空隙が存在することを特徴とする磁歪素子。
材の内側に柱状または筒状のバイアス磁界印加用磁石を
有し、このバイアス磁界印加用磁石が前記閉磁気回路の
一部を構成している上記(1)に記載の磁歪素子。
状の磁歪材と、前記磁歪材を包囲するように前記磁歪材
と同軸的に配置された筒状の磁石と、前記磁歪材の内側
に前記磁歪材と同軸的に配置された筒状または柱状のバ
イアス磁界印加用磁石と、軟磁性ヨークとを有し、前記
磁歪材、前記バイアス磁界印加用磁石および前記軟磁性
ヨークが閉磁気回路を構成しており、前記磁石と前記磁
歪材との間に空隙が存在することを特徴とする磁歪素
子。
の軸方向長さよりも短い上記(1)ないし(3)のいず
れかに記載の磁歪素子。
材と同軸的に筒状または柱状の磁石を配置し、これらを
軟磁性ヨークにより磁気的に結合して前記磁歪材にバイ
アス磁界を印加する。このようにしてバイアス磁界が印
加される構成の磁歪素子は、従来、図5および図6にそ
れぞれ示されるような構成を有する。すなわち、磁歪材
Sの外側または内側にバイアス磁界印加用磁石Mを設
け、これらを軟磁性ヨークY1 ,Y2 により磁気的に結
合して閉磁気回路を構成する。これらのように、バイア
ス磁界印加用磁石Mと磁歪材Sとの間に空隙が設けられ
ていない場合、各図右側のグラフに示されるように、磁
歪材両端部で磁化率が高く中央部で低くなり、磁化が均
一になされない。
ぞれ示されるように、磁歪材Sの外側に空隙を挟んで磁
石M1 を設け、磁石M1 により磁歪材Sにバイアス磁界
を印加すると共に磁歪材Sの磁化分布を改善し、磁化の
均一化をはかる。あるいはさらに、筒状の磁歪材Sの内
側にバイアス磁界印加用磁石M2 を設け、この磁石と磁
歪材Sとを軟磁性ヨークY1 ,Y2 により磁気的に結合
し、図3に示される構成とする。
れるように、筒状の磁歪材Sの内側にバイアス磁界印加
用磁石M2 を設け、この磁石と磁歪材Sとを軟磁性ヨー
クY1 ,Y2 により磁気的に結合して閉磁気回路を構成
し、この閉磁気回路の外側に磁化分布改善用の磁石M1
を設ける。
右側のグラフに示されるように、磁歪材内の磁化分布の
均一性を著しく向上させることができる。
うに、磁石M1 の長さを磁歪材Sの長さよりも短く構成
すれば、磁化分布均一化効果は著しく向上する。
用の磁石は、磁歪材中央付近からの磁束漏洩を防ぐ作用
を示す。
に説明する。本発明の磁歪素子は、柱状または筒状の磁
歪材と、前記磁歪材を包囲するように前記磁歪材と同軸
的に配置された筒状の磁石と、軟磁性ヨークとを有す
る。前記磁歪材、前記磁石および前記軟磁性ヨークは閉
磁気回路を構成しており、前記磁石と前記磁歪材との間
には空隙が存在する。そして、好ましくは、前記磁石の
軸方向長さを前記磁歪材の軸方向長さよりも短く構成す
る。
施例を、図1および図2に示す。図1に示される磁歪素
子において、磁歪材Sは円柱状であり、軸方向長さが磁
歪材Sよりも短い磁石M1 は円筒状である。また、図2
に示される磁歪素子において、磁歪材Sは円筒状であ
り、軸方向長さが磁歪材Sよりも短い磁石M1 も円筒状
である。
透磁率の低い磁歪材Sの特に軸方向中央部付近からの磁
束漏洩を抑え、磁歪材Sの磁化分布の均一性を向上させ
る。そして、磁石M1 と磁歪材Sとは軟磁性ヨークY
1 ,Y2 により磁気的に結合されて閉磁気回路を構成し
ているので、磁石M1 は磁歪材Sにバイアス磁界を印加
する作用も有する。
が筒状である場合、磁歪材の内側に柱状または筒状のバ
イアス磁界印加用磁石を設けてもよい。この場合、バイ
アス磁界印加用磁石は軟磁性ヨークにより磁歪材と結合
されて閉磁気回路を構成する。このような磁歪素子の好
適実施例を、図3に示す。図3に示される磁歪素子は、
図2に示される磁歪素子の磁歪材Sの内側に、磁歪材S
と同軸的に円柱状のバイアス磁界印加用磁石M2 を設け
た構成であり、軟磁性ヨークY1 ,Y2 、磁歪材S、磁
石M1 および磁石M2 は閉磁気回路を構成している。こ
の構成では、磁歪材Sには、磁石M1 およびバイアス磁
界印加用磁石M2 の両方からバイアス磁界が印加される
ので、強力なバイアス磁界が必要な場合に有用である。
と、前記磁歪材を包囲するように前記磁歪材と同軸的に
配置された筒状の磁石と、前記磁歪材の内側に前記磁歪
材と同軸的に配置された筒状または柱状のバイアス磁界
印加用磁石と、軟磁性ヨークとを有し、前記磁歪材、前
記バイアス磁界印加用磁石および前記軟磁性ヨークが閉
磁気回路を構成しており、前記磁石と前記磁歪材との間
に空隙が存在する構成としてもよい。この場合も、前記
磁石の軸方向長さを前記磁歪材の軸方向長さよりも短く
構成することが好ましい。この構成の好適実施例を図4
に示す。図4に示される磁歪素子は、図3に示される構
成において、磁歪材Sと磁化分布改善用の磁石M1 とを
軟磁性ヨークにより結合せず、バイアス磁界の印加をバ
イアス磁界印加用磁石M2 により行なう構成としたもの
である。
れるように、磁歪材Sの側面と磁化分布改善用の磁石M
1 の側面との間に空隙が設けられる。この空隙を設ける
ことにより、磁歪材Sの磁化分布の均一性が向上する。
磁歪材Sと磁石M1 との距離は、磁歪材Sや磁石M1 の
寸法や特性、これらの間の軟磁性ヨークの有無などに応
じて、あるいは実験的に、磁化分布の一様性が良好とな
るように適宜決定すればよいが、磁歪材Sと磁石M1 と
の距離をRとし、磁歪材Sの軸方向長さをLsとした
き、0.2≦R/Ls とすることが好ましい。R/Ls
の上限は特にないが、素子を小型化するためにはR/L
s ≦0.6とすることが好ましく、この範囲であれば十
分な効果が得られる。
長さLm を、磁歪材Sの軸方向長さLs よりも短くした
場合、本発明の効果は著しく向上する。この場合、Lm
とLs との比は特に限定されず、磁石M1 と磁歪材Sと
の距離、軟磁性ヨークによる結合の有無、バイアス磁界
印加用磁石M2 の有無、それらの磁気特性や寸法、磁歪
材の透磁率などの各種条件に応じて適宜決定すればよい
が、好ましくはLm /Ls <1、より好ましくは0.6
≦Lm /Ls ≦0.95とする。
長または縮小するため、軟磁性ヨークY1 およびY2 の
少なくとも一方と磁歪材とは固定せず、例えば、軟磁性
ヨークに凹部を設けて磁歪材の端部を挿入し、磁歪材が
摺動する構成とすることが好ましい。
て、磁歪材S、磁石M1 、バイアス磁界印加用磁石M2
は柱状体や筒状体とされるが、柱状体としては、円柱
状、多角柱状等のいずれであってもよく、また、筒状体
としては、円筒状、多角筒状等のいずれであってもよ
く、磁歪素子の用途や要求形状等に応じて適宜選択すれ
ばよい。
けられる。コイルは、通常、磁歪材および磁石を包囲す
るように配置される。本発明の磁歪素子を振動子やアク
チュエータに適用する場合、コイルには交流電流やパル
ス電流、直流電流などが流され、発生した磁界は磁歪材
に印加される。また、本発明の磁歪素子をセンサに適用
する場合、外部振動や衝撃など磁歪材を変形させる力が
加わると、ヒラリー効果によりコイルに電流が誘導され
るので、この電流または端部電圧を測定することによ
り、印加された力を知ることができる。
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、磁歪アクチュエータ等の能動素子、磁歪センサ
等の受動素子のいずれにも好適である。
が、1kOe の直流磁界下での磁歪量Δl/lが1000
ppm以上であることが好ましい。これらのうち特に、
下記式で表わされる組成を有するものを用いた時、より
高性能な磁歪素子を作製することができる。
を含む希土類金属元素のうちの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。ま
た、上記式において、1.5≦x≦2.5、特に1.8
5≦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
あたりの磁歪変化量dλ/dHが低下する。
r、Ce、Sm、Gd、Tb、Eu、Dy、Ho、E
r、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、TbG
d、TbDy、TbHo、TbHoDy、SmTb、S
mDy、SmHo、SmEr、SmHoDyならびにH
o、ErおよびDyから選択される2種以上の元素の少
なくとも1種が好ましく、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。
の30原子%以下の範囲で他の遷移金属元素や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、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、
Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、
W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hgなどが使用可
能である。
75,372号明細書、同第4,152,178号明細
書、同第3,949,351号明細書、同第4,30
8,474号明細書、同第4,378,258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63−284133号、同
63−284134号、特願平1−41171号等に開
示されている。
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る。
要求される磁界強度に応じて、Sm−Co系やNd−F
e−B系等の各種希土類磁石、あるいは各種フェライト
磁石などから適宜選択すればよい。
高飽和磁束密度で高透磁率の各種軟磁性材料、例えばS
45C等の炭素鋼を用いればよい。
をさらに詳細に説明する。図1〜図6にそれぞれ示され
る構成の磁歪素子を作製した。各図において、Sは磁歪
材、M1 は磁化分布改善用あるいは磁化分布の改善およ
びバイアス磁界印加用の磁石、M2 はバイアス磁界印加
用磁石、Y1 およびY2 はヨークである。磁歪材および
磁石の形状は円柱状または円筒状とした。なお、図5お
よび図6にそれぞれ示される磁歪素子は比較例である。
これらの磁歪素子のバイアス磁界印加用磁石Mは磁歪材
と密着しており、磁化分布改善用の磁石ではない。
善用の磁石M1 の軸方向長さLm と磁歪材Sの軸方向長
さLs との比(Lm /Ls )を示した。寸法は、直径
φ、軸方向長さLで表わし、円筒状の場合には、(外径
−内径)φで表わした。単位はmmである。なお、図示さ
れる断面図の横方向の寸法比は実際の寸法比とは一致し
ていないが、縦方向(軸方向)の寸法比とグラフとは対
応している。
とし、ゾーンメルト法により作製した。磁石には希土類
磁石(TDK製 NEOREC 30 UH )を用いた。ヨークに
は、炭素鋼(S45C)を用いた。
の磁化分布をシミュレーションにより求め、図中右側に
示した。磁化分布の測定位置は、磁歪材が円柱状である
場合には磁歪材の軸上とし、磁歪材が円筒状である場合
には、磁歪材の周壁の中央を含み磁歪材の軸と平行な直
線上とした。シミュレーションには、有限要素法を用い
た磁場解析プログラム(MAGNA FIM)を用い
た。
ある。すなわち、図1〜図4に示される本発明の磁歪素
子では、図5および図6に示される比較例に対し、磁歪
材S内の磁化分布の一様性が向上している。
ス磁界を印加する構成の磁歪素子において、磁歪材内の
磁化分布の均一性を著しく向上させることができるの
で、磁歪材の全域に最適なバイアス磁界を印加すること
ができ、磁歪材の利用効率が向上する。
磁歪素子の磁歪材内の磁化分布を示すグラフである。
磁歪素子の磁歪材内の磁化分布を示すグラフである。
磁歪素子の磁歪材内の磁化分布を示すグラフである。
歪素子の磁歪材内の磁化分布を示すグラフである。
歪素子の磁歪材内の磁化分布を示すグラフである。
磁歪素子の磁歪材内の磁化分布を示すグラフである。
磁歪素子の磁歪材内の磁化分布を示すグラフである。
磁歪素子の磁歪材内の磁化分布を示すグラフである。
磁歪素子の磁歪材内の磁化分布を示すグラフである。
歪素子の磁歪材内の磁化分布を示すグラフである。
歪素子の磁歪材内の磁化分布を示すグラフである。
Claims (4)
- 【請求項1】 希土類金属元素と鉄とを含有する柱状ま
たは筒状の磁歪材と、前記磁歪材を包囲するように前記
磁歪材と同軸的に配置された筒状の磁石と、軟磁性ヨー
クとを有し、前記磁歪材、前記磁石および前記軟磁性ヨ
ークが閉磁気回路を構成しており、前記磁石と前記磁歪
材との間に空隙が存在することを特徴とする磁歪素子。 - 【請求項2】 前記磁歪材が筒状であり、この磁歪材の
内側に柱状または筒状のバイアス磁界印加用磁石を有
し、このバイアス磁界印加用磁石が前記閉磁気回路の一
部を構成している請求項1に記載の磁歪素子。 - 【請求項3】 希土類金属元素と鉄とを含有する筒状の
磁歪材と、前記磁歪材を包囲するように前記磁歪材と同
軸的に配置された筒状の磁石と、前記磁歪材の内側に前
記磁歪材と同軸的に配置された筒状または柱状のバイア
ス磁界印加用磁石と、軟磁性ヨークとを有し、前記磁歪
材、前記バイアス磁界印加用磁石および前記軟磁性ヨー
クが閉磁気回路を構成しており、前記磁石と前記磁歪材
との間に空隙が存在することを特徴とする磁歪素子。 - 【請求項4】 前記磁石の軸方向長さが前記磁歪材の軸
方向長さよりも短い請求項1ないし3のいずれかに記載
の磁歪素子。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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