JPH0975847A

JPH0975847A - 磁歪式振動子

Info

Publication number: JPH0975847A
Application number: JP7235838A
Authority: JP
Inventors: Isao Sakai; 勲酒井; Tadahiko Kobayashi; 忠彦小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-09-13
Filing date: 1995-09-13
Publication date: 1997-03-25

Abstract

(57)【要約】【目的】小型でかつ所望の共振周波数に設定可能な大
出力、高効率の磁歪式振動子を提供する。【構成】磁歪を有する磁性体からなる変位発生部材と
しての磁歪ロッド６と、磁歪ロッド６に接続され、磁歪
ロッド６の変位発生方向に移動可能な可動ヨーク７と、
磁歪ロッド６に変位を生じさせるための駆動磁界発生手
段としての空心コイル１０と、磁歪ロッド６にバイアス
磁界を印加する磁気バイアス印加手段としての永久磁石
３とを有し、磁歪ロッド６と直列に弾性体５を配置する
ことにより、共振周波数を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁歪を有する磁性
体を用いた磁歪式振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁歪は、ある種の磁性体に外部磁場を印
加した際に変形が生じる現象である。従来より、この磁
歪現象を変位制御アクチュエータ、磁歪式振動子、磁歪
センサ、磁歪フィルタ、超音波遅延線などの磁気−機械
変換デバイスへ応用することが試みられている。またこ
れまで、磁歪材料としてはＮｉ基合金、Ｆｅ−Ｃｏ合
金、フェライト系酸化物などが広く用いられている。さ
らに、近年の計測工学の進歩および精密機械分野の発展
に伴い、ミクロンオーダーの微小変位制御が可能な変位
駆動部の開発が求められている。このような要求に対し
てやはり磁歪を利用した磁気−機械変換デバイスが検討
されている。しかし、上述したような磁歪材料は、ミク
ロンオーダーの変位制御の用途では、変位の絶対量の点
でも精密制御性の点でもいまだ十分ではない。一方、最
近になって希土類−鉄系のラーベス型金属間化合物で飽
和磁歪（λｓ）が１０００×１０^-6を超えるものが報告
されており、これを用いた磁気−機械変位変換デバイス
への期待が高まっている。

【０００３】磁歪材料をデバイス例えば磁歪式アクチュ
エータに応用する場合、アクチュエータ自体の大型化を
招くことなく十分な変位の絶対量を得るためには、磁歪
材料で作製された変位発生部材に印加される外部磁場す
なわち駆動磁界の変位への変換効率を向上させることが
重要である。このような観点から特開平４−２２９０８
５号公報には、圧縮応力や永久磁石などによるバイアス
磁界を磁性体に予め印加して、駆動磁界と変位の絶対量
との間の変換効率を高める技術が開示されている。

【０００４】また、例えば超音波加工機などの振動制御
用アクチュエータとして磁歪式振動子の応用が試みられ
ている。この場合、加振すべき物体の共振周波数と、こ
れとは異なる共振周波数を有する磁歪式振動子とを組み
合わせて、全体の共振周波数を制御し、容易に共振が起
こらないようにする必要がある。磁歪式振動子の共振周
波数（ｆｒ）は下記（１）式で求めることができる。

【０００５】ｆｒ＝（１／２π）（ｇ・ｋ／Ｍ）^1/2 （１）ここで、ｇは重力加速度、ｋは磁歪材料のバネ定数、Ｍ
は加振する物体の重量である。磁歪材料のバネ定数
（ｋ）は下記（２）式で与えられる。

【０００６】ｋ＝Ｅ・Ａ／Ｌ（２）ここで、Ｅは磁歪材料のヤング率、Ａは磁歪材料の断面
積、Ｌは磁歪材料の長さである。

【０００７】（１）式より磁歪式振動子の共振周波数
（ｆｒ）は磁歪材料のバネ定数（ｋおよび加振する物体
の重量（Ｍ）によって決定される。したがって、加振す
る物体の重量が決まっている場合に、所望の共振周波数
に設定するには磁歪材料のバネ定数を調整する必要があ
る。（２）式より磁歪材料のバネ定数は断面積（Ａ）と
長さ（Ｌ）との比（アスペクト比：Ｌ／Ａ）に依存する
ことがわかる。特に、共振周波数を低周波数側に設定す
るには、アスペクト比を大きくする必要がある。しか
し、磁歪材料の断面積は加振する物体の重量に応じてあ
る程度大きくし、磁歪材料の長さは振動子の必要とする
変位量に応じてある程度大きくしなければならない。こ
れらの点とアスペクト比とを考慮すると、アクチュエー
タの大型化が避けられなくなる。また、希土類−鉄系の
磁歪材料を用いた場合、その機械的強度を考慮するとア
スペクト比を大きくするにも限界がある。これは、希土
類−鉄系の磁歪材料は圧縮応力には強いが、曲げ応力に
は弱いという特徴を有しているためである。したがっ
て、希土類−鉄系の磁歪材料を用いた場合には、共振周
波数の調整が困難になる。このように従来の磁歪式振動
子では、大型化を避けながら、所望の共振周波数、特に
低周波数側に設定することが困難であるという問題点が
ある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、変位
の絶対量が十分で、所望の共振周波数に設定可能な小
型、大出力、高効率の磁歪式振動子を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の磁歪式振動子
は、磁歪を有する磁性体からなる変位発生部材と、前記
変位発生部材に接続され、変位発生部材の変位方向に移
動可能な可動部材と、前記変位発生部材に変位を生じさ
せるための駆動磁界を発生する駆動磁界発生手段と、前
記変位発生部材にバイアス磁界を印加する磁気バイアス
印加手段とを具備した磁歪式振動子において、前記変位
発生部材と直列に弾性体を内蔵したことを特徴とするも
のである。

【００１０】本発明の磁歪式振動子においては、変位発
生部材と直列に内蔵された弾性体により、変位発生部材
のみかけのバネ定数を調整することができ、共振周波数
を所望の値に設定できることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明をさらに詳細に説明
する。本発明において、変位発生部材として用いられる
磁歪を有する磁性体（磁歪材料）は特に限定されない。
例えば、従来から広く知られているＮｉ基合金、Ｆｅ−
Ａｌ合金、フェライト系酸化物などを用いることができ
るが、得られる磁歪式振動子の小型化および高出力化の
観点から、飽和磁歪値（λｓ）が大きなものほど好まし
い。したがって、希土類−鉄系ラーベス型金属間化合物
からなる超磁歪合金を好適に用いることができる。具体
的にはＲＦｅ_x （Ｒは少なくとも一種の希土類元素、
１．５≦Ｘ≦２．５）を満足する組成が挙げられる。な
お、好ましい希土類元素（Ｒ元素）として、例えばＬ
ａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔ
ｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなど、および
Ｔｂ−Ｄｙ、Ｔｂ−Ｈｏ、Ｔｂ−Ｐｒ、Ｓｍ−Ｙｂ、Ｔ
ｂ−Ｄｙ−Ｈｏ、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｐｒ、Ｔｂ−Ｐｒ−Ｈｏ
など２種以上の組み合わせが例示される。

【００１２】希土類−鉄系の超磁歪合金においては、Ｆ
ｅの一部をＣｏで置換してもよい。Ｆｅの一部をＣｏで
置換すると、低温での磁歪特性を向上できるとともに耐
食性を改善できる。ただし、Ｆｅと置換されるＣｏの量
が多すぎると、逆に磁歪特性の低下を招く傾向があるた
め、Ｃｏによる置換量がＦｅの９５ａｔ％以下であるこ
とが好ましい。

【００１３】この超磁歪合金においては、Ｆｅの一部を
Ｍｎで置換してもよい。Ｆｅの一部をＭｎで置換する
と、超磁歪合金中の希土類原子の磁気異方性が変化し、
高磁界のみならず低磁界において優れた磁歪特性を得る
ことができる。ただし、Ｆｅと置換されるＭｎの量が多
すぎると、超磁歪合金のキュリー温度が低下し、磁歪特
性が損なわれるおそれがあるので、Ｍｎによる置換量が
Ｆｅの５０ａｔ％以下であることが好ましい。また、超
磁歪合金の材料強度、耐食性、飽和磁歪などの向上の観
点から、必要に応じてＦｅの一部をさらにＮｉ、Ｍｇ、
Ａｌ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃ
ｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｓ
ｂ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂなどで置
換してもよい。この場合、これらの金属元素およびＭｎ
による置換量がＦｅの５０ａｔ％以下であることが好ま
しい。さらに、Ｒ（Ｆｅ_1-a Ｍｎ_a ）_x の組成式におい
てａ＝０．０１〜０．３の値を満足することでより好ま
しい材料特性が得られる。Ｆｅの５０ａｔ％を超える量
がこれらの金属元素およびＭｎで置換されると、磁歪量
の低下などの特性劣化の要因となる。

【００１４】変位発生部材は一般的に磁歪材料をロッド
に成形したものが用いられるが、その形状は特に限定さ
れない。例えば、円柱状、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できる。ここで積層
状とは、ロッドの長手方向に縦割りした部分を積層して
例えば円柱状にしたものである。磁歪式振動子の振動周
波数を数ｋＨｚ以上に設定する場合には、表皮効果、渦
電流損失の観点から円筒状または積層状のものが好まし
い。

【００１５】本発明において、変位発生部材の一端側に
は、その変位方向に移動可能な可動部材が接続されてい
る。変位発生部材と可動部材との間には、必要に応じて
後述する磁気バイアス印加手段や弾性体などの他の部材
を介在させてもよい。この可動部材の形状は、特に限定
されない。

【００１６】本発明において、変位発生部材に変位を生
じさせるための駆動磁界を発生する駆動磁界発生手段と
しては、例えば変位発生部材の外周に設けられた空心コ
イルが用いられる。この空心コイルの長さＬｃは、変位
発生部材である磁歪ロッドの長さをＬｍとしたとき、０．５Ｌｍ＜Ｌｃ＜２Ｌｍの範囲とすることが好ましい。空心コイルの長さＬｃが
０．５Ｌｍ以下であると、磁歪ロッドに対して空心コイ
ルが形成する駆動磁界を均一に印加することが困難とな
る。一方、空心コイルの長さＬｃが２Ｌｍ以上になると
磁歪ロッドに駆動磁界を効率よく印加できるものの、磁
歪式振動子全体の大型化を招く。

【００１７】空心コイルとしては多層一様巻きのものを
１個だけ用いれば最も構造が単純になる。ただし、多層
一様巻き構造の空心コイルでは、形成される駆動磁界が
中心部で大きく両端部で小さいという不均一な空間分布
をもつようになる傾向がある。しかも、制御電流を空心
コイルに供給する際、電源側の制約から直流抵抗、イン
ダクタンスなどの値を適正化する必要が生じる。これに
対して、磁歪ロッドの長手方向に沿って分割された複数
の空心コイル、または積層方向に多重巻きされた複数の
空心コイルを用い、これらを電源に並列接続すれば、形
成される駆動磁界の空間分布を均一化することができ
る。また、空心コイルを磁歪ロッドに直接密着させて巻
き付ければ、磁歪ロッドへ駆動磁界を効率よく印加でき
る。ただし、信頼性の観点から、空心コイルは磁歪ロッ
ドと非接触にすることが好ましい。

【００１８】本発明において、変位発生部材にバイアス
磁界を印加する磁気バイアス印加手段としては、例えば
厚み方向に着磁された永久磁石を磁歪ロッドの両端に設
ける。これらの永久磁石により磁歪ロッドに対して直流
磁気バイアスが印加される。このような構成では、磁歪
ロッドにおいて空心コイルに供給される制御電流の正負
に対応した変位を発生させることが可能となる。永久磁
石としては、得られる磁歪式振動子の小型化の観点か
ら、Ｓｍ−Ｃｏ系合金やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系合金などを用
いることが好ましい。

【００１９】本発明の特徴的な構成は、変位発生部材と
直列に弾性体を内蔵する点にある。ここで、直列とは、
変位発生部材を固定している磁歪式振動子の固定端と、
磁歪式振動子の可動端すなわち変位発生部材に接続され
た変位発生部材の変位方向に移動可能な可動部材の端部
との間に、等価回路で見て、変位発生部材と弾性体とが
直列に挟まれていることを意味する。したがって、変位
発生部材と弾性体との配置は特に制限されない。また、
弾性体は磁歪ロッドの両端に設けてもよいし、一端にの
み設けてもよい。

【００２０】弾性体は特に限定されず、例えば皿バネや
コイルスプリング、または天然ゴムや合成ゴムを用いる
ことができる。ただし、皿バネやコイルスプリングでは
摩擦や寄生振動が生じるおそれがあるため、均一な振動
が得られる点から天然ゴムや合成ゴムを用いることが好
ましい。ゴムとしては、標準硬度Ｈｓ（ＪＩＳＡ）が
３０〜９０の範囲にあるものが好ましい。より具体的に
は、バイトンなどのフッ素系ゴム、シリコーンゴム、ス
チロール系ゴム、ニトリル系ゴム、ブチル系ゴム、クロ
ロプレン系ゴムなどの合成ゴムが挙げられる。また、弾
性体としてゴムを用いた場合、機械的ながたつきを吸収
することができる。さらに、変位発生部材などの磁歪式
振動子の構成部材の機械加工精度の影響を少なくし、変
位発生部材のチッピング（欠け）を防止することもでき
る。

【００２１】本発明の磁歪式振動子では、変位発生部材
と直列に弾性体を設けているので、変位発生部材のアス
ペクト比にかかわらず、弾性体の材質や形状によって変
位発生部材のみかけのバネ定数を調整することができ
る。したがって、磁歪式振動子全体の大型化を避けなが
ら、共振周波数を所望の値に設定できる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明に係る磁歪式振動子の一例を示す縦
断面図である。図１において、円筒型容器１の一端は固
定部材２で封じられている。この円筒型容器１の内部に
は固定部材２上に永久磁石３、固定ヨーク４、弾性体
５、磁歪を有する磁性体からなる磁歪ロッド６、弾性体
５、固定ヨーク４、永久磁石３および可動ヨーク７が順
次設けられている。可動ヨーク７と円筒型容器１との間
には２列のＯリング８が設けられている。また、それぞ
れの固定ヨーク４にはガイド９が取付けられている。さ
らに、磁歪ロッド６の外周には空心コイル１０が設けら
れている。

【００２３】変位発生部材である磁歪ロッド６には両端
の永久磁石３から固定ヨーク４を介して所定の直流バイ
アス磁界が印加されている。そして、空心コイル１０に
制御電流を供給すると、その正負に対応して磁歪ロッド
１に変位が発生する。この結果、磁歪ロッド１はガイド
９に沿って変位する。なお、可動ヨーク７と円筒型容器
１との間のＯリング８により、磁歪ロッド６には曲げ応
力が加わらないようになっている。

【００２４】本発明の磁歪式振動子では、磁歪ロッド６
の両端に弾性体５を直列に設けているので、磁歪ロッド
１のみかけのバネ定数を調整することができ、その共振
周波数を所望の値に設定できる。

【００２５】図２は本発明に係る磁歪式振動子の他の例
を示す縦断面図である。図２においては、円筒型容器１
の他端側にも固定部材２が設けられ、この固定部材２と
可動ヨーク７との間に弾性体１１が設けられている。こ
のような構成により磁歪ロッド６に予め圧縮応力を印加
している。なお、この弾性体１１は等価回路で見て、磁
歪ロッド６と直列になっていない。それ以外の構成は図
１に示した磁歪式振動子と同様である。

【００２６】次に、磁歪ロッド６の両端に直列に弾性体
５、５を設けた図２の磁歪式振動子（ａ）、磁歪ロッド
６の一端にのみ直列に弾性体５を設けた以外は図２と同
じ構成の磁歪式振動子（ｂ）、磁歪ロッド６に直列に弾
性体を全く設けない以外は図２と同じ構成の磁歪式振動
子（ｃ）を作製した。

【００２７】ここで、変位発生部材である磁歪ロッドと
しては、Ｔｂ_0.5 Ｄｙ_0.5 （Ｆｅ_0.9 Ｍｎ_0.1 ）_1.93な
る組成を有し、結晶配向させた超磁歪合金からなる、外
径１２ｍｍ、長さ２０ｍｍのものを用いた。弾性体５と
しては、外径１２ｍｍ、厚さ１ｍｍの標準硬度Ｈｓ＝５
０のシリコーンゴムを使用した。また、弾性体１１によ
り、磁歪ロッド６に予め２５０ｋｇの負荷を印加した。

【００２８】そして、各磁歪式振動子について、空心コ
イル１０に±１０Ｖの定電圧を供給して、変位量の周波
数依存性を調べた。この結果を図３に示す。図３におけ
るピーク位置が各磁歪式振動子の共振周波数に相当す
る。

【００２９】図３から明らかなように、磁歪ロッドと直
列に内蔵される弾性体（シリコーンゴム）の有無および
個数に応じて、３種類の磁歪式振動子（ａ）〜（ｃ）の
共振周波数が変化している。具体的には、弾性体を設け
ていない（ｃ）の磁歪式振動子と比較して、磁歪ロッド
の一端にのみ弾性体を設けた（ｂ）の磁歪式振動子では
共振周波数が低周波側へシフトし、磁歪ロッドの両端に
弾性体設けた（ａ）の磁歪式振動子では共振周波数がさ
らに低周波側へシフトしている。したがって、磁歪ロッ
ドと直列に弾性体を内蔵することにより、磁歪ロッドの
みかけのバネ定数を調整して、その共振周波数を所望の
値に設定できることがわかる。なお、図３からは、磁歪
ロッドに直列に弾性体を内蔵しても、低周波数領域にお
いて変位量の絶対値が若干低下するにすぎないこともわ
かる。

【００３０】本発明の磁歪式振動子の構成は図１および
図２に示したものに限らず、種々の変形例が考えられ
る。これらの変形例を図４、図５および図６に示す。図
４は図１と類似の構成を有するが、固定部材２から可動
ヨーク７へ向かって、永久磁石３、弾性体５、固定ヨー
ク４、磁歪ロッド６、固定ヨーク４、弾性体５、永久磁
石３を順次配置したものである。

【００３１】図５は図２と類似の構成を有するが、固定
部材２から可動ヨーク７へ向かって、弾性体５、永久磁
石３、固定ヨーク４、磁歪ロッド６、固定ヨーク４、永
久磁石３、弾性体５を順次配置したものである。

【００３２】図４及び図５に示されるように、等価回路
で見て直列という条件を満たしていれば、磁歪ロッド６
と弾性体５との配置は特に制限されない。図６は、大き
な変位量を必要とする場合の構成例であり、２個の磁歪
ロッド６、６を弾性体５、永久磁石３および弾性体５を
介して直列に配置したものである。それ以外の構成は図
２と同様である。この場合、２個の磁歪ロッド６、６が
軸ずれを起こさないように、両者の連結部にもガイド９
を設けることが好ましい。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、所
望の共振周波数に設定可能な小型、大出力、高効率の磁
歪式振動子を提供することができ、その工業的価値は大
なるものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁歪式振動子の一例を示す縦断面
図。

【図２】本発明に係る磁歪式振動子の他の例を示す縦断
面図。

【図３】図２に示す磁歪式振動子について変位量の周波
数依存性を示す特性図。

【図４】本発明に係る磁歪式振動子の変形例を示す縦断
面図。

【図５】本発明に係る磁歪式振動子の他の変形例を示す
縦断面図。

【図６】本発明に係る大変位用の磁歪式振動子を示す縦
断面図。

【符号の説明】

１…円筒型容器、２…固定部材、３…永久磁石、４…固
定ヨーク、５…弾性体、６…磁歪ロッド、７…可動ヨー
ク、８…Ｏリング、９…ガイド、１０…空心コイル、１
１…弾性体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁歪を有する磁性体からなる変位発生部
材と、前記変位発生部材に接続され、変位発生部材の変
位方向に移動可能な可動部材と、前記変位発生部材に変
位を生じさせるための駆動磁界を発生する駆動磁界発生
手段と、前記変位発生部材にバイアス磁界を印加する磁
気バイアス印加手段とを具備した磁歪式振動子におい
て、前記変位発生部材と直列に弾性体を内蔵したことを
特徴とする磁歪式振動子。