JPH0360176A - 磁歪素子 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、磁歪振動子、磁歪アクチュエータ、磁歪セン
サ等の磁歪素子に関する。

〈従来の技術〉 磁歪材料は、磁界印加により変位を生じる材料であり、
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、Ｔｂ−Ｆｅ系などの希１類金属元素と鉄とを含有
する磁歪材料は磁歪量が大きいため、このような磁歪材
料を用いた磁歪素子が近年注目されている。

これらの磁歪素子の構成および作用は、通常、下記のよ
うなものである。

（磁歪センサ） 磁歪材とバイアス発生用の永久磁石とを通常、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。

（磁歪振動子、磁歪アクチュエータ） 磁歪材、永久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。

また、これらの磁歪素子において、磁歪材や永久磁石と
接触するように、磁性材料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。

磁歪材は、印加磁界強度が変化すると磁歪量もそれに応
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、磁歪センサなとで
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。

直流バイアス磁界の強度は磁歪振動子などでは固定され
ていても構わないが、磁歪アクチュエータや磁歪センサ
なと、特に変位の絶対量および印加磁界強度変化に対す
る変位の直線性が問題とされる用途においては、変更可
能であることが好ましい。

すなわち、磁歪材はその特性に応じてバイアス磁界の最
適強度が異なるが、製造時に特性がバラついた場合、素
子に組み込む際にその最適バイアス磁界強度に調整する
ことが必要となるからである。

また、一部の磁歪アクチュエータなど、駆動用電流とし
て交流電流および直流電流を兼用する素子においては、
直流電流使用時の最大変位量を大きくとるために、バイ
アス磁界強度を交流電流使用時に比べて小さく設定する
必要が生じることもあるからである。

〈発明が解決しようとする課題〉 直流バイアス磁界を印加する方法としては、コイルに直
流電流を印加する方法や永久磁石を用いる方法が挙げら
れる。

コイルに直流電流を印加する方法では、電流強度を変え
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
り、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。

一方、バイアス磁界発生に永久磁石を用いる場合、素子
構成が簡単になり、小型の磁歪素子が実現できるが、バ
イアス磁界強度を変更することができない。

また、永久磁石を用いる場合、永久磁石は磁歪材に接触
して変位方向に直列に設けられるため、両者の境界面で
磁歪材の変位が吸収されてしまい、正確な変位量を得る
ことが難しくなる。

本発明は、このような事情からなされたものであり、バ
イアス磁界発生源として永久磁石を用いるために構成が
簡素で小型化でき、しかも、バイアス磁界強度が変更可
能であり、かっ、正確な変位量が得られる磁歪素子を実
現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）〜（３）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磁歪材と、バイ
アス磁界発生用の永久磁石と、コイルとを有し、 前記永久磁石が少なくとも一端が開放された筒状であっ
て、前記磁歪材と前記永久磁石とが同軸的に配設されて
おり、 前記永久磁石と前記磁歪材とを相対的に移動させること
により、前記磁歪材内におけるバイアス磁界強度を変更
できるように構成したことを特徴とする磁歪素子。

（２）前記磁歪材と前記永久磁石とが非接触である上記
（１）に記載の磁歪素子。

（３）前記永久磁石が、リング状永久磁石とリング状非
磁性材との積層体である上記（１）または（２）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、本発明の磁歪素子の好適実施例を示す。

第１図に示される磁歪素子１は、磁歪材２と、磁歪材２
に絶縁材６を介して巻回されたコイル３と、磁歪材２と
同軸的に配設された円筒状の永久磁石４と、永久磁石４
の外周側面に接着された内筒７と、内筒７と螺合する外
筒５とを有する。　そして、磁歪材２およびコイル３は
、図示しない接続部材等により外筒５に対して固定ない
し固定的に配置されており、永久磁石４および内筒７は
、図示しない駆動手段により回転するように構成されて
いる。

なお、磁歪材２の軸とは、第１図における長手方向、す
なわち磁歪による変位方向の軸のことである。

このような磁歪素子１を、磁歪アクチュエータ、磁歪振
動子等の能動素子として用いる場合、コイル３には、交
流電源および／または直流電源が接続される。

また、磁歪素子１を、磁歪センサ等の受動素子として用
いる場合、コイル３に誘導される電流、電圧等を検出す
るための各種測定器がコイル３に接続される。

永久磁石４は、磁歪材２に直流バイアス磁界を印加する
ために設けられる。　永久磁石４により印加されるバイ
アス磁界によっで磁歪材２には予め一定量の磁歪が発生
している。

そして、永久磁石４を駆動手段により回転させると、永
久磁石４は磁歪材２に対して軸方向に移動する。

永久磁石４が磁歪材２から遠ざかると、磁歪材２へ印加
されるバイアス磁界強度は減少し、逆に、永久磁石４が
磁歪材２へ近づくと、磁歪材２へ印加されるバイアス磁
界強度は増加する。　このようにして、磁歪材２の初期
磁歪値を変更することができる。

なお、第１図では磁歪材２を素子内で固定し、これに対
して永久磁石４を移動させているが、磁歪材２と永久磁
石４とが相対的に移動すれば本発明の効果は実現する。

　従って、磁歪材２を移動可能に構成してもよく、永久
磁石４と磁歪材２との両者を移動可能に構成してもよい
。

上記したいずれの場合でも、永久磁石４および／または
磁歪材２は、筒状の永久磁石４の軸方向に移動するよう
に構成することが好ましい。　これにより、移動機構を
簡単な構成とすることができる。　また、移動による印
加磁界強度の変化プロファイルを、比較的単純なものと
することができる。　さらに、磁石と磁歪材とを近接し
て配置できるので、磁石を効率よく利用でき、また、素
子を小型化することができる。

なお、永久磁石４を複数のリング状永久磁石から構成し
、少なくとも一個のリング状永久磁石を移動可能に構成
してもよい。　このような構成でも、磁歪材２へ印加さ
れる磁界強度を変更することが可能である。

本発明の磁歪素子において、永久磁石４は、少なくとも
一端が開放された筒状であればよく、その他、形状に特
に制限はない。

例えば、外側面および／または内側面が多面体であって
もよく、また、一端が閉塞された壷状であってもよい。

　ただし、これらのうち、製造が容易であること、着磁
が容易であることなどから、第１図に示すように、両端
が開放された円筒状磁石であることが好ましい。

なお、磁歪材２と永久磁石４とを同軸的に設けるのは、
永久磁石４からの磁束を効率的に利用するためであり、
また、素子の小型化をはかるためである。

コイル３は、永久磁石４の移動が容易となること、磁歪
材２に効率よく磁界が印加できることなどから、第１図
に示されるように永久磁石４と磁歪材２との間に設けら
れることが好ましいが、永久磁石４の外側に設けられて
もよい。

磁歪材２と永久磁石４とは、接触しないように配設され
ていることが好ましい。　これは、磁歪材２と永久磁石
４とが接触して、かつ磁歪材２の変位方向に直列に接続
されている場合、磁歪材２および永久磁石４の接触面の
粗さのために変位が吸収されてしまうからである。

本発明において、永久磁石４は、第１図に示すようにリ
ング状永久磁石４１とリング状非磁性材４２との積層体
であることが好ましい。

永久磁石４を単一の永久磁石から構成した場合、第２ｂ
図に示されるように、永久磁石４の両端近傍、すなわち
磁極近傍において磁界が強くなり、その中間では磁界が
弱くなってしまう。　しかし、永久磁石４を、リング状
永久磁石４１とリング状非磁性体４２との積層体とした
場合、永久磁石４の軸方向に複数の磁極が存在すること
になるため、第２ａ図に示されるように、磁歪材に比較
的均一な強度の磁界を印加することができる。　なお、
第２ａ図および第２ｂ図のグラフに示される磁界の変化
は、永久磁石４の軸上でのものである。

このような構成は、永久磁石４が長い場合、例えば２０
ｎｍ以上、特に３０ｍｍ以上であるときに極めて有効で
ある。

本発明で用いる永久磁石の組成に制限はなく、各種フェ
ライト系磁石、金属磁石などを用いればよい。

また、リング状非磁性体４２は、非磁性であればその材
質に特に制限はなく、ナイロン等の各種樹脂、ステンレ
ス等の各種非磁性金属などを用いることができる。

リング状永久磁石４１とリング状非磁性体４２との長さ
の比に特に制限はないが、上記のような効果を実現し、
かつ永久磁石４の非磁性部分をできるだけ少なくするた
めには、リング状非磁性体４２の長さは、リング状永久
磁石４１の長さの０．５〜１倍程度とすることが好まし
い。　また、リング状永久磁石の長さに特に制限はなく
、磁歪材の寸法に応じて適当な長さとすればよいが、通
常、３〜１０ｍｍ程度である。

永久磁石４の寸法に特に制限はないが、軸方向の全長を
磁歪材の長さと同程度、あるいはそれ以上とすることが
好ましい。

磁歪材２の形状に特に制限はなく、棒状、環状、円筒状
等の通常の形状であってよい。

なお、磁歪材２は、薄板の積層接着によって形成しても
よく、線材を束ねて接着することにより形成してもよい
。

また、磁歪材２の寸法にも特に制限はなく、目的とする
素子に応じて適当な寸法とすればよいが、通常、長さ１
０〜７０ｍｍ程度である。

そして、コイル３の長さにも特に制限はないが、磁界を
有効に印加するために磁歪材の０．８倍程度以上とする
ことが好ましく、また、素子の設計によっても異なるが
、磁歪材の変位を素子外部に取り出すことが困難でない
寸法とすればよい。

なお、本発明の効果は磁歪材２と永久磁石４とが相対的
に移動すれば実現するため、移動手段としては第１図に
示すような螺子を利用する手段に限らず、これらを相対
的に移動させることができればどのようなものであって
もよい。

また、これらの移動のための駆動手段にも特に制限はな
く、各種モータ、伝達ギア等を用いた自動式の各種手段
を好適に用いることができる。　また、手動式の各種手
段を用いることもできる。

なお、希土類金属元素と鉄とを含有する磁歪材は、印加
磁界強度の変化に応じて共振周波数が変化する。　この
ため、交流磁界で駆動する際には、その周波数をバイア
ス磁界強度の変更に対応する磁歪材２の共振周波数の変
移に連動して変えることが好ましい。　このような交流
磁界を印加するためには、自動追尾周波数発振器を用い
ることが好ましい。　これにより、バイアス磁界強度変
化に対応する共振周波数の変化を自動的に追尾し、常に
共振周波数と等しい周波数の交流磁界を印加することが
できる。

本発明をアクチュエータ、振動子等の能動素子に適用す
る場合、コイル３から駆動磁界を印加することにより、
その磁界強度に応じて磁歪量が重畳される。　なお、コ
イル３から印加される磁界が交流である場合、磁歪材は
印加交流磁界と等しい周波数で振動する。

また、受動素子に適用する場合、磁歪材２が受けた外部
振動や衝撃などが、ヒラリー効果によりコイル３に電流
および電圧を誘導する。

磁歪材２に印加されるバイアス磁界の強度は、磁歪アク
チュエータ、磁歪振動子等の能動素子では、磁歪量の変
化率が最も高い磁界強度とすることが好ましい。　なお
、駆動磁界が直流である場合は必ずしもこのようなバイ
アス磁界強度とする必要はなく、バイアス磁界強度をよ
り低い値に設定し、変位量を大きくとるように構成する
こともできる。

また、磁歪センサでは、印加磁界強度と磁歪量とがほぼ
比例関係にあるような磁界強度とすることが好ましい。

本発明の磁歪素子において、印加するバイアス磁界の強
度は、上記した条件を満足するように磁歪材の特性に応
じて決定すればよく、その範囲に特に制限はないが、通
常６０００ｅ程度以下である。　また、バイアス磁界強
度の変化範囲にも特に制限はなく、目的に応じて決定す
ればよいが、通常、２０００ｅ程度以下である。

本発明の磁歪素子を能動素子として用いる場合、バイア
ス磁界に重畳される交流磁界や直流磁界の強度は通常１
５０００ｅ程度以下であり、その周波数は通常、上記し
た磁歪材の共振周波数に合わせて決定される。　なお、
交流磁界発生手段のコイルの巻線数は、印加する磁界の
強度に応じて適宜決定すればよい。

なお、本発明では、永久磁石４と磁歪材２とが軸方向に
相対的に移動する構成に限らず、永久磁石４が、軸と直
角方向に移動するように構成することもできる。

この場合、永久磁石４は、筒状体を少なくとも径方向に
分割して得られる複数の小片から構成され、少なくとも
１個の小片が磁歪材２の軸と直角方向に移動可能に構成
される。

このような構成でも本発明の効果は実現し、また、軸方
向に移動することが困難な構成の素子に適用する場合に
有用である。

本発明で用いる磁歪材２は、希土類金属元素および鉄を
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。

希土類元素および鉄を含有する希土類元素に特に制限は
ないが、１　ｋＯｅの直流磁界下での磁歪量ΔＩ２／氾
が４００ｐｐｍ以上であることが好ましい。　これらの
うち特に、下記の組成を有するものを用いた時、より良
好な磁歪素子を得ることができる。

［式■］ ＲＴ。

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量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せとしては、Ｓｍ
、Ｔｂ、Ｄｙ％Ｈｏ％ＥｒおよびＴｍ単独、ＴｂＧｄ、
ＴｂＤｙ、ＴｂＨｏ％ＴｂＨｏＤｙ％ＳｍＴｂ。

ＳｍＤｙ、ＳｍＨｏ、ＳｍＥｒ１ ５ｍＨｏＤｙ、ＨｏＥｒならびにＨｏ　ｓ　Ｅ　ｒ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Ｄ
ｙ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、５ｃ１Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ％Ｍｎ％
Ｆｅ％Ｃｏ％Ｎｉ％Ｃｕ％Ｙ。

Ｚｒ％Ｎｂ％Ｍｏ、Ｔｃ％Ｒｕ、Ｒｈ％Ｐｄ。

Ａｇ％Ｃｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ。

Ｉｒ％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。

〈発明の作用効果〉 本発明の磁歪素子は、バイアス磁界の発生に永久磁石を
用いる。

このため、バイアス磁界発生に交流を用いる場合と異な
りチョークやコンデンサ等の必要がなく、構成が簡素で
小型化が可能である。

そして、本発明では、永久磁石と磁歪材とを相対的に移
動可能に構成するため、バイアス磁界発生に永久磁石を
用いるにも関わらず、磁歪材内におけるバイアス磁界強
度を変更することが可能である。

このため、磁歪材の特性がバラついていても、素子に組
み込んだ後にその最適バイアス磁界強度に容易に調整す
ることができ、生産性が良好となる。

また、バイアス磁界強度の変更により任意の初期磁歪値
を得ることができるため、磁歪アクチュエータや磁歪セ
ンサなと、特に変位の絶対量および磁界強度変化に対す
る変位の直線性が問題とされる用途に極めて有用である
。

さらに、従来の磁歪素子では、永久磁石が磁歪材に接触
して変位方向に直列に設けられるため、両者の境界面で
磁歪材の変位が吸収されてしまい正確な変位量を得るこ
とが困難であったが、本発明では磁歪材と永久磁石とが
非接触に構成されるので、正確な変位量が得られる。

そして、リング状永久磁石とリング状非磁性材とを積層
して永久磁石を構成した場合、磁歪材に強力かつ均一に
バイアス磁界を印加することができる。

４、

【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の概略断面図
である。 第２ａ図は、リング状永久磁石とリング状非磁性体との
積層体である筒状永久磁石の軸上における磁界強度を表
わすグラフである。 第２ｂ図は、単一の材料から構成される筒状永久磁石の
軸上における磁界強度を表わすグラフである。 符号の説明 １・・・磁歪素子 ２・・・磁歪材 ３・・・コイル ４・・・永久磁石 ４１・・・リング状永久磁石 ４２・・・リング状非磁性体 ５・・・外筒 ６・・・絶縁体 ７・・・内筒 出　願　人　ティーデイ−ケイ株式会社代　　理　　人
　　弁理士　　　石　　井　　隔間　　　　　弁理士　
　　増　　１）　達　　哉ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２０ １−ＩＧ、２ｂ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）希土類金属元素と鉄とを含有する磁歪材と、バイ
   アス磁界発生用の永久磁石と、コイルとを有し、 前記永久磁石が少なくとも一端が開放された筒状であっ
   て、前記磁歪材と前記永久磁石とが同軸的に配設されて
   おり、 前記永久磁石と前記磁歪材とを相対的に移動させること
   により、前記磁歪材内におけるバイアス磁界強度を変更
   できるように構成したことを特徴とする磁歪素子。
2. （２）前記磁歪材と前記永久磁石とが非接触である請求
   項１に記載の磁歪素子。
3. （３）前記永久磁石が、リング状永久磁石とリング状非
   磁性材との積層体である請求項１または２に記載の磁歪
   素子。