(57)【要約】【課題】  永久磁石から発生する磁束が効率的に磁歪材に印加されるようにし、磁歪素子の小型化を図り、永久磁石からの漏洩磁束の影響を抑える。【解決手段】  磁歪材１と、磁歪材１にバイアス磁界を印加する永久磁石３と、電磁変換を行うコイル２とを備える。永久磁石３は筒状（例えば円筒状）の永久磁石であり、この筒状の永久磁石３をボビンとしてその周囲にコイル２が巻回されている。磁歪材１と永久磁石３の間には、例えばゴム製のＯリング４が介在されていてもよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪材と、当該磁歪材にバイアス磁界を印加する永久磁石と、電磁変換を行うコイルとを備える磁歪素子であって、
前記永久磁石は筒状の永久磁石であり、この筒状の永久磁石をボビンとしてその周囲にコイルが巻回されていることを特徴とする磁歪素子。
【請求項２】
前記磁歪材と永久磁石の間にＯリングが介在されていることを特徴とする請求項１記載の磁歪素子。
【請求項３】
前記Ｏリングはゴム製であることを特徴とする請求項２記載の磁歪素子。
【請求項４】
前記コイルから発生する磁界により前記磁歪材を変位させる磁歪アクチュエータ、又は前記磁歪材を振動させる磁歪振動子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の磁歪素子。
【請求項５】
前記磁歪材に加わる応力変化に伴う透磁率変化を前記コイルにより検出する磁歪センサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の磁歪素子。
【請求項６】
磁歪材の周囲に筒状の永久磁石を配置するとともに、前記筒状の永久磁石をボビンとしてその周囲にコイルを巻回し、
前記永久磁石により磁歪材に対してバイアス磁界を印加することを特徴とするバイアス磁界印加方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪アクチュエータや磁歪センサ等の磁歪素子に関するものであり、特に、永久磁石によりバイアス磁界を印加する構造及び方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジュール効果（磁界印加による変形）やビラリ効果（応力変化による透磁率変化）を有する磁歪材料は、各種アクチュエータやセンサへの応用が期待されており、変位量が大きく低価格ないわゆる超磁歪材料が開発されるに至って、その需要は益々拡大する傾向にある。
【０００３】
ここで、磁歪材料の具体的な用途としては、リニアアクチュエータ、振動子、圧力トルクセンサ、振動センサ、ジャイロセンサ等を挙げることができる。リニアアクチュエータや振動子等に用いた場合、印加する磁界の変化に伴い寸法が変化し、駆動力を発生する。圧力トルクセンサ、振動センサ、ジャイロセンサ等に用いた場合、外部から加わる応力の変化に伴い透磁率が変化し、これをセンシングすることで圧力、トルク、振動等が検出される。
【０００４】
ところで、前記磁歪素子を例えば振動子として使用する場合、コイル等による信号磁界の入力の他、バイアス磁界の印加が必要である。磁歪材料の特性上、バイアス磁界を印加しないで信号磁界を印加すると、例えば信号磁界１サイクルに対して２サイクルの振動が出力されてしまい、実使用上、支障をきたすおそれがある。そこで、通常、この種の磁歪素子では、何らかの手段により所定のバイアス磁界を印加するようにしている。
【０００５】
バイアス磁界形成の代表的な方法としては、コイルに一定の直流電流を印加し、バイアス磁界を発生する方法や、永久磁石を配置する方法等がある。ただし、前者の場合、コイルが直流電流によるジュール熱のため過熱し、磁歪素子の振動量の低下をもたらすおそれがあり、この点で後者の方が有利である。
【０００６】
また、永久磁石によりバイアス磁界を印加する方法としては、複数の永久磁石を磁歪材の振動方向両端部に設置する方法や、円筒形状の永久磁石を磁歪材及びコイルの外側に配置する方法等が知られているが、永久磁石を磁歪材の振動方向両端部に設置する方法の場合、永久磁石が素子の振動方向において長さを拡大することになり、素子全体の長さの増加を招き、小型化の妨げになるという不都合がある。しかも、永久磁石自体も振動することになり、振動する部材の質量（振動質量）が増加し、振動エネルギーの低下をもたらすという不都合もある。
【０００７】
このような状況から、円筒形状の永久磁石を用いる方法が広く採用されている（例えば、特許文献１等を参照）。特許文献１記載の発明では、永久磁石を少なくとも一端が開放された筒状とし、これを図示の通りコイルの外側に配置している。
【特許文献１】特開平３−６０１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、永久磁石をコイルの外側に配置すると、永久磁石から発生する磁束が磁歪材に有効に作用せず、磁歪材に印加される磁束の割合が低くなって、所定のバイアス磁界を印加するためには、前記割合に応じて大きな磁石体積を有する永久磁石を用いる必要が生ずる。また、永久磁石を外側に配置すると、永久磁石で発生する磁束は、円筒状の永久磁石の内側ばかりでなく外側にも漏洩し、この永久磁石の外側に漏洩した磁束が、他の部品等、周囲に悪影響を及ぼすおそれもある。
【０００９】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、バイアス磁界形成に当たって発熱せず、振動質量の増加をもたらさず、しかも永久磁石から発生する磁束を効率的に磁歪材に印加することができ、漏洩磁束の割合を低く抑えることが可能な磁歪素子を提供することを目的とし、さらには、バイアス磁界印加方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するために、本発明に係る磁歪素子は、磁歪材と、当該磁歪材にバイアス磁界を印加する永久磁石と、電磁変換を行うコイルとを備える磁歪素子であって、前記永久磁石は筒状の永久磁石であり、この筒状の永久磁石をボビンとしてその周囲にコイルが巻回されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るバイアス磁界印加方法は、磁歪材の周囲に筒状の永久磁石を配置するとともに、前記筒状の永久磁石をボビンとしてその周囲にコイルを巻回し、前記永久磁石により磁歪材に対してバイアス磁界を印加することを特徴とする。
【００１２】
前記の通り、本発明では、コイルの内側にバイアス磁界を印加する円筒状の永久磁石を配置し、さらに、これをボビンとして利用し、その周囲にコイルを巻回していることが大きな特徴である。このような構成を採用することで、この筒状の永久磁石と磁歪材の間の距離は、永久磁石をコイルの外側に配置した場合と比べて大幅に小さくすることができる。ここで、例えば円筒端部が磁極となるような円筒状の永久磁石であれば、円筒内部を通る磁束が効率的に磁歪材に印加され、例えば磁石体積の削減等に繋がる。すなわち、永久磁石の小型化が実現される。また、永久磁石をボビンとして利用し、その周囲に直接コイルを巻回することで、別途ボビンを用意する必要がなく、部品点数が削減されるばかりでなく、永久磁石とコイルとを合わせた体積の削減にも繋がり、前記理由による永久磁石の小型化と相俟って、磁歪素子の小型化が実現される。なお、永久磁石の外側にコイルを設けることに関しては、前記特許文献１にも一言記載されているが、特許文献１ではその優位性は認識されておらず（コイルは永久磁石と磁歪材の間に設けられることが好ましいとされている。）、本願発明のように、永久磁石をボビンとして利用し、より一層の小型化を図ることに関しては、全く記載されていない。
【００１３】
本発明の磁歪素子、バイアス磁界印加方法は、前記に加えて、次のような利点も有する。先ず第１に、バイアス磁界は永久磁石によって印加するようにしており、コイルに一定の直流電圧を流す必要がないので、コイルの発熱による性能低下が回避される。第２に、前記のように永久磁石をコイルの内部に配置すれば、永久磁石からの漏洩磁束が外部に影響を及ぼすこともない。第３に、前記永久磁石は、磁歪材と非接触であることから、例えば振動の質量とならず、小型で磁気機械変換効率の高い振動子等が実現される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、バイアス磁界形成に当たって発熱せず、永久磁石から発生する磁束を効率的に磁歪材に印加することが可能な磁歪素子、バイアス磁界印加方法を提供することが可能である。また、本発明によれば、永久磁石の設置が長さの拡大や振動質量の増加等をもたらすことがなく、さらには磁石体積や部品点数を削減することができ、磁歪素子の小型化を図ることが可能である。さらに、本発明の磁歪素子は、外部への漏洩磁束の影響が小さいことから、高密度実装を実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下においては、磁歪素子として磁歪振動子を例にして説明する。
【００１６】
本発明を適用した磁歪素子（磁歪振動子）は、図１に示すように、外部磁界の印加により変位し、振動子として機能する磁歪材１と、この磁歪材１に対して信号磁界を印加するコイル２、及び磁歪材１に対してバイアス磁界を印加する永久磁石３とを主な構成要素として備えるものである。
【００１７】
ここで、磁歪材１には、いわゆる超磁歪特性を有する磁歪材料を用いることが好ましく、例えば、粉末冶金法を用いて低廉なコストのもとに製造することができることから、テルビウム−ディスプロシウム−鉄（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ）系合金粉末の焼結体からなる磁歪材料等が好適である。
【００１８】
粉末冶金法を用いて製造される磁歪材料について説明すると、係る磁歪材料は、例えば式ＲＴy（ここで、Ｒは１種類以上の希土類元素、Ｔは１種類以上の遷移金属であり、ｙは１＜ｙ＜４である。）で示される組成の合金粉を焼結することによって得られる。
【００１９】
式中、Ｒは、Ｙを含むランタノイド系列、アクチノイド系列の希土類元素から選択される１種以上を表している。これらの中で、Ｒとしては、特にＮｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ等の希土類元素が好ましく、Ｔｂ、Ｄｙがより一層好ましく、これらを混合して用いることができる。式中、Ｔは、１種以上の遷移金属を表している。これらの中で、Ｔとしては、特に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ等の遷移金属が好ましく、これらを混合して用いることができる。
【００２０】
式ＲＴyで表される合金のうち、ｙ＝２であるＲＴ2ラーベス型金属間化合物は、キュリー温度が高く、磁歪値が大きいため、磁歪素子に適する。ここで、ｙが１以下では、焼結後の熱処理でＲＴ相が析出して磁歪値が低下する。また、ｙが４以上では、ＲＴ3相又はＲＴ6相が多くなり、磁歪値が低下する。このため、ＲＴ2がリッチな相を多くするために、ｙは１＜ｙ＜４の範囲が好ましい。
【００２１】
前記Ｒは、２種以上の希土類元素を混合してもよく、特に、ＴｂとＤｙを混合して用いることが好ましい。具体的には、ＴｂaＤｙ(1-a)で表される合金で、ａは０．２７＜ａ≦０．５０の範囲にあることが一層好ましい。これにより、（ＴｂaＤｙ(1-a)）Ｔyなる合金で、飽和磁歪定数が大きく、大きな磁歪値が得られる。ここで、ａが０．２７以下では室温以下では十分な磁歪値を示さず、逆に０．５０を越えると室温付近では十分な磁歪値を示さない。
【００２２】
前記Ｔとしては、特にＦｅが好ましく、ＦｅはＴｂ、Ｄｙと（Ｔｂ、Ｄｙ）Ｆｅ2金属間化合物を形成して、大きな磁歪値を有し磁歪特性の高い焼結体が得られる。このときに、Ｆｅの一部をＣｏ、Ｎｉで置換するものであってもよいが、Ｃｏは磁気異方性を大きくするが透磁率を低くし、また、Ｎｉはキュリー温度を下げ、結果として常温・高磁場での磁歪値を低下させる。したがって、Ｆｅは７０重量％以上であることが好ましく、８０重量％以上であることがより好ましい。
【００２３】
前記磁歪材１は、例えば円柱状であり、その周囲にコイル２及び永久磁石３が同心円状に配置されている。勿論、磁歪材１の形状は、前記円柱状に限らず、各種断面形状の棒状、円筒状等の筒状、環状等、任意である。また、その形態も、単一の焼結体等の他、薄板状の磁歪材料を複数積層して接着したもの、線状の磁歪材料を束ねて接着したもの等、任意である。
【００２４】
一方、磁歪材１に対してバイアス磁界を印加する永久磁石３は、前記磁歪材１の周囲に配置する必要があり、また磁歪材１に対して効率的に磁界を印加し得るように、筒状、例えば円筒状とされている。なお、永久磁石３の形状としては、前記円筒状に限らず、筒状の形態を有するものであれば如何なるものであってもよい。例えば、外周面あるいは内周面が多面体で構成される断面多角形状の筒状体や、一端面が閉塞された筒状体であってもよい。ただし、製造が容易であること、着磁が容易であること等の理由から、両端が開放された円筒状の永久磁石であることが好ましい。
【００２５】
ここで、従来の磁歪素子では、コイル２が内側、円筒状の永久磁石３が外側に配置されるのが通常であるが、このように配置した場合、永久磁石３の磁束が磁歪材１に有効に作用せず、また永久磁石３から発生する磁束が常に周囲に漏洩することになる。そこで、本実施形態の磁歪振動子では、内側に円筒状の永久磁石３を配置し、その外側にコイル２を配置している。
【００２６】
この場合、永久磁石３は、できる限り磁歪材１に近づけることが好ましい。ただし、磁歪材１に永久磁石３が接触すると、摩擦等により振動エネルギーが無駄に消費されるそれがあるので、磁歪材１と永久磁石３は互いに接触せず、最小限の間隔を保つ必要がある。
【００２７】
前記のように、磁歪材１と永久磁石３が互いに接触せず、最小限の間隔を保持させるためには、例えばＯリングを磁歪材１と永久磁石３の間に介在させることが有効である。図２は、Ｏリング４を磁歪材１と永久磁石３の間に介在させた状態を示すものであり、Ｏリング４を介在させることでスペーサとして機能し、磁歪材１と永久磁石３の接触を防止する。Ｏリング４は、前記磁歪材１の振動方向に２箇所以上設ければよく、これにより安定に磁歪材１と円筒状の永久磁石３の間隔を維持することができる。また、Ｏリング４は、ゴム製のＯリング等が好適であり、ゴム製のＯリング４を用いることで磁歪材１の振動が妨げられることがなく、円滑な振動を実現することが可能である。
【００２８】
一方、コイル２についても、磁歪材１にできる限り近づけることが好ましく、したがって、前記円筒状の永久磁石３をコイルボビンとし、その外周面にコイル２を直接巻回することは、好ましい形態の一つである。この場合、換言すれば、駆動のためのコイル２のボビンの筒状部分が永久磁石で構成され、この部分でバイアス磁界を印加するということになる。なお、永久磁石３が金属磁石である場合、コイル３の短絡等が懸念されるが、通常、コイル２の巻線は絶縁被膜で覆われており、特に問題となることはない。また、必要あれば、前記永久磁石３の表面を絶縁被膜で覆ってもよい。
【００２９】
なお、コイル２を永久磁石３の外側に配置すると、信号磁界を印加する上で不利であるように思われるが、後述の実施例において実証されているように、実際にはコイル２を永久磁石３の内側に配置した場合とほとんど変わらない。したがって、前記配置の変更は、信号磁界を印加する上でほとんど支障とはならない。
【００３０】
前記コイル２は磁歪材１に対して信号磁界を印加し、永久磁石３は磁歪材１に対してバイアス磁界を印加する。以下、これら磁界の印加及び振動子である磁歪材１の動作について説明する。
【００３１】
磁歪材１においては、その長さｌは、外部磁界Ｈに応じてΔｌだけ伸縮する。この外部磁界Ｈと変位量Δｌの関係は、例えば図３に示すように、外部磁界Ｈがプラス側とマイナス側で対称であり、外部磁界Ｈが大きいほど非線形的に大きくなる傾向がある。ここで、コイル２に交流電流（正弦波の電流）を流し信号磁界ＳHを印加する場合、バイアス磁界が加わらない状態では、図３（ａ）に示すように、信号磁界ＳH１サイクルに対して、２サイクルの出力（振動）が発生することになる。このように、信号磁界ＳHと出力が１対１で対応していないと、実使用上、大きな問題である。
【００３２】
これに対して、図３（ｂ）に示すように、前記信号磁界ＳHがマイナスにならないようなバイアス磁界ＢHを印加すると、信号磁界ＳH１サイクルに対して、１サイクルの出力（振動）が発生し、信号磁界ＳHと出力が１対１で対応することになる。
【００３３】
また、前記バイアス磁界ＢHの印加は、出力（振幅）を向上する上でも有効である。バイアス磁界ＢHを印加していない場合、変位量Δｌの勾配が緩やかな０点付近の領域を用いて振動が行われることになる。換言すれば、磁歪振動子においては、磁歪材１の振動における振幅が小さくなり、十分な出力が得られなくなる可能性がある。これに対して、バイアス磁界ＢＨを印加し、変位量Δｌの勾配が大きい領域を用いて振動を行うようにすれば、同じ信号磁界で大きな変位量が得られ、大きな出力を得ることが可能である。
【００３４】
先の図１、あるいは図２に示す構造の磁歪素子においては、前述の事項を考慮してバイアス磁界の大きさを設定することが好ましい。したがって、前記円筒状の永久磁石３には、必要なバイアス磁界を印加し得る磁石材料を用いればよく、例えばフェライト磁石や金属磁石等から適宜選択して使用すればよい。
【００３５】
以上の構成を有する磁歪素子（磁歪振動子）においては、コイル２の内側に永久磁石３が配置され、バイアス磁界が効率的に印加されるので、永久磁石３の大きさを小さなものとすることができ、コイルボビンも別途設ける必要もないので、磁歪素子全体の大きさを小型化することが可能である。また、常に磁束を発生している永久磁石３が内側に配置されているので、磁歪素子の外部に漏洩する漏洩磁束が抑えられ、その悪影響を抑えることが可能である。さらに、永久磁石３を内側に配置し、コイル２を外側に配置しても、コイル２により印加される信号磁界が低下することはない。
【００３６】
以上、本発明を適用した磁歪素子の実施形態について、磁歪振動子を例にして説明したが、本発明がこの実施形態に限定されるものないことは言うまでもない。例えば、磁歪素子としては、リニアアクチュエータ等、コイルから発生する磁界により磁歪材を変位させる各種アクチュエータや、圧力トルクセンサ、振動センサ、ジャイロセンサ等、磁歪材に加わる応力変化に伴う透磁率変化をコイルにより検出する磁歪センサ等にも適用可能である。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明の具体的な実施例について、実験結果をもとに説明する。
【００３８】
比較例
図４（ａ），（ｂ）に示すように、円柱棒状の磁歪材１１を中心に配置し、その外側にコイル１２、さらにその外側に円筒状の永久磁石１３を配置した。また、磁歪材１１の両端には、鉄製の押さえ板１４を設け、この押さえ板１４に形成されたザグリにより、前記磁歪材１１や永久磁石１３の位置決めを行った。
【００３９】
図４（ａ）に示す寸法Ａ（磁歪素子の最外径である永久磁石１３の外径）は１２ｍｍ、寸法Ｂ（コイル１２の外径）は８ｍｍ、寸法Ｃ（磁歪材１１の外径）は３．５ｍｍである。また、磁歪材１１の長さは３０ｍｍ、永久磁石１３の長さは２９ｍｍとした。
【００４０】
実施例
図５（ａ），（ｂ）に示すように、円柱棒状の磁歪材１１を中心に配置し、その外側に円筒状の永久磁石１３、さらにその外側にコイル１２を配置した。また、磁歪材１１の両端には、鉄製の押さえ板１４を設け、この押さえ板１４に形成されたザグリにより、前記磁歪材１１や永久磁石１３の位置決めを行った。
【００４１】
図５（ａ）に示す寸法Ａ（磁歪素子の最外径であるコイル１２の外径）は１１ｍｍ、寸法Ｂ（永久磁石１３の外径）は８ｍｍ、寸法Ｃ（磁歪材１１の外径）は３．５ｍｍである。また、比較例と同様、磁歪材１１の長さは３０ｍｍ、永久磁石１３の長さは２９ｍｍとした。
【００４２】
評価
作製した磁歪素子（比較例及び実施例）について、λ−Ｈ特性を調べた。λ−Ｈ特性は、バイアス磁界を４００（Ｏｅ）とし、条件１ではコイル１２により±１０００（Ｏｅ）、条件２ではコイル１２により±３００（Ｏｅ）、条件３ではコイル１２により±１００（Ｏｅ）の正弦波信号磁界を印加し、そのときの磁歪材１１の変位量Δｌ（ｐｐｍ）を測定した。比較例におけるλ−Ｈ特性を図６に、実施例におけるλ−Ｈ特性を図７に示す。
【００４３】
これら図６及び図７を比較すると、比較例と実施例とでλ−Ｈ特性にほとんど変わりがない。したがって、実施例では、永久磁石１３をコイル１２の内側に配置することで、磁歪素子の最外径寸法を小さくしながら、比較例と同等の特性が得られることになり、本発明が素子の小型化に有効であることが実証された。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明を適用した磁歪素子（磁歪振動子）の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明を適用した磁歪素子（磁歪振動子）の他の例を示す概略断面図である。
【図３】磁歪振動子における印加磁界と変位量の関係及び信号磁界と出力の関係を示す図であり、（ａ）はバイアス磁界を印加しない場合、（ｂ）はバイアス磁界を印加した場合である。
【図４】比較例で作製した磁歪素子の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図５】実施例で作製した磁歪素子の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】比較例におけるλ−Ｈ特性を示す特性図である。
【図７】実施例におけるλ−Ｈ特性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４５】
１，１１  磁歪材、２，１２  コイル、３、１３  永久磁石、４  Ｏリング、１４  押さえ板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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