(57)【要約】  電子機器５０は、磁歪装置３０と本体４０を備える。磁歪装置３０は、磁界に応じて伸縮する超磁歪素子１と、磁界を発生するコイル４及びバイアス用磁石２と、それらを所定位置に保持するハウジング８とを含む。磁歪装置３０は、超磁歪素子１が本体４０の取り付け面に対して直交するように本体４０に取り付けられる。ハウジング８が、本体４０に対して連結されることにより、本体４０とハウジング８により超磁歪素子１に対して所定の圧力が印加される。
2007072946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界に応じて伸縮する磁歪素子と、
前記磁界を発生する磁界発生手段と、
前記磁歪素子と前記磁界発生手段とを所定位置に保持するハウジングと、
前記磁歪素子の振動を該磁歪装置の外部へ出力する出力端とは反対側の端における前記磁歪素子の変位を抑制するのに十分な硬度及び質量を有する該磁歪装置の外部の部材へ、前記ハウジングを連結させるための連結機構と、
を備えることを特徴とする磁歪装置。
【請求項２】
磁界に応じて伸縮する磁歪素子と、
前記磁界を発生する磁界発生手段と、
前記磁歪素子と前記磁界発生手段とを所定位置に保持するハウジングと、を備え、
前記ハウジングが、該磁歪装置の外部の部材に対して連結されることにより、前記磁歪素子の前記外部の部材側の端の変位が、前記外部の部材により抑制されることを特徴とする磁歪装置。
【請求項３】
磁界に応じて伸縮する磁歪素子と、
前記磁界を発生する磁界発生手段と、
前記磁歪素子と前記磁界発生手段とを所定位置に保持するハウジングと、を備え、
前記ハウジングが、該磁歪装置の外部の部材に対して連結されることにより、前記外部の部材の質量を、前記磁歪素子の前記外部の部材側の端の変位を抑制するために利用可能であることを特徴とする磁歪装置。
【請求項４】
前記外部の部材は、前記磁界発生手段に前記磁界を発生させるための信号を供給するための回路を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の磁歪装置。
【請求項５】
外部から与えられる振動に応じて磁気特性が変化する磁歪素子と、
前記磁気特性の変化を電気信号として検知する検知手段と、
前記磁歪素子と前記検知手段とを所定位置に保持するハウジングと、
外部から与えられる振動を入力する入力端とは反対側の端における前記磁歪素子の変位を抑制するのに十分な硬度及び質量を有する該磁歪装置の外部の部材へ、前記ハウジングを連結させるための連結機構と、
を備えることを特徴とする磁歪装置。
【請求項６】
前記外部の部材は、前記検知手段から前記電気信号を取得するための回路を含むことを特徴とする請求項５に記載の磁歪装置。
【請求項７】
該磁歪装置は、前記外部の部材側の端における前記磁歪素子の変位を抑制するための構成部材を備えないことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の磁歪装置。
【請求項８】
前記磁歪素子は、前記ハウジングが前記外部の部材に連結されたときに、前記ハウジングと前記外部の部材により所定の圧力が与えられる位置に配置されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の磁歪装置。
【請求項９】
前記ハウジングは、前記外部の部材に連結される面にて開放されており、
前記磁歪素子の前記外部の部材側の端、又は、前記磁歪素子の前記外部の部材側に設けられた構成部材が、前記外部の部材に当接するように前記外部の部材に連結されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の磁歪装置。
【請求項１０】
磁界に応じて伸縮する磁歪素子と、前記磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁歪素子と前記磁界発生手段とを所定位置に保持するハウジングと、を含む磁歪装置と、
前記磁歪装置の前記磁界発生手段に、前記磁界を発生させるための信号を供給するための回路を含む本体と、
を備え、
前記磁歪装置は、前記本体に取り付けられ、
前記本体は、前記回路から前記磁界発生手段に前記信号が供給され、前記磁歪素子が振動したときに、前記磁歪素子の前記本体側の端の変位を抑制するのに十分な硬度及び質量を有することを特徴とする電子機器。
【請求項１１】
外部から与えられる振動に応じて磁気特性が変化する磁歪素子と、前記磁気特性の変化を電気信号として検知する検知手段と、前記磁歪素子と前記検知手段とを所定位置に保持するハウジングと、を含む磁歪装置と、
前記磁歪装置の前記検知手段から前記電気信号を取得するための回路を含む本体と、
を備え、
前記磁歪装置は、前記本体に取り付けられ、
前記本体は、前記外部から与えられる振動により前記磁歪素子が振動したときに、前記磁歪素子の前記本体側の端の変位を抑制するのに十分な硬度及び質量を有することを特徴とする電子機器。
【請求項１２】
前記磁歪素子と前記本体との間に設けられた構成部材の質量が、前記磁歪素子の前記本体側の端の変位を抑制するのに十分な質量よりも軽いことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の電子機器。
【請求項１３】
前記本体は、前記磁歪素子及び前記磁歪素子とともに振動する構成部材の質量の合計の１３倍以上の質量を有することを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪素子を利用して振動を発生又は検知する磁歪装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の磁性材料は、外部の磁界の変化に応じて歪を生じる。また、このような磁性材料に応力を加えて変形させると、その応力に応じて磁気特性が変化する。これらの現象は「磁歪」と呼ばれる。近年、従来知られていた磁歪素子の変位量に比して５０〜１００倍の変位を示す材料が発見されており、それらは「超磁歪素子」と呼ばれている。【０００３】
磁歪素子に交流磁界を印加すると、その交流磁界の周波数に等しい周波数の振動を発生させることができる。このような現象を利用して、例えば、超磁歪素子を骨伝導式ヘッドフォンや聴覚補助器具などに応用することが期待されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２５８０９５号公報
【特許文献２】特開２００４−２６６３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
磁歪素子を備えた振動発生装置をヘッドフォンや聴覚補助器具などに搭載する場合、小型で軽量な振動発生装置の実現が強く求められる。本出願人は、上記特許文献１において、超磁歪素子にプレストレスを与えることにより変換効率を高め、更に、振動板を省略して、対象物に超磁歪素子による振動を直接伝達することにより、装置の小型化・軽量化を実現する技術を提案している。【０００５】
しかし、本出願人は、この技術に胡座することなく、更なる装置の小型化・軽量化を実現するために実験を重ねた結果、超磁歪素子の優れた特性を維持しつつ、装置を更に小型化・軽量化する技術を想到するに至った。【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型で軽量な磁歪装置を実現する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、磁歪装置に関する。この磁歪装置は、磁界に応じて伸縮する磁歪素子と、前記磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁歪素子と前記磁界発生手段とを所定位置に保持するハウジングと、前記磁歪素子の振動を該磁歪装置の外部へ出力する出力端とは反対側の端における前記磁歪素子の変位を抑制するのに十分な硬度及び質量を有する該磁歪装置の外部の部材へ、前記ハウジングを連結させるための連結機構と、を備えることを特徴とする。【０００８】
本発明の別の態様も、磁歪装置に関する。この磁歪装置は、磁界に応じて伸縮する磁歪素子と、前記磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁歪素子と前記磁界発生手段とを所定位置に保持するハウジングと、を備え、前記ハウジングが、該磁歪装置の外部の部材に対して連結されることにより、前記磁歪素子の前記外部の部材側の端の変位が、前記外部の部材により抑制されることを特徴とする。【０００９】
本発明の更に別の態様も、磁歪装置に関する。この磁歪装置は、磁界に応じて伸縮する磁歪素子と、前記磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁歪素子と前記磁界発生手段とを所定位置に保持するハウジングと、を備え、前記ハウジングが、該磁歪装置の外部の部材に対して連結されることにより、前記外部の部材の質量を、前記磁歪素子の前記外部の部材側の端の変位を抑制するために利用可能であることを特徴とする。【００１０】
前記外部の部材は、前記磁界発生手段に前記磁界を発生させるための信号を供給するための回路を含んでもよい。【００１１】
本発明の更に別の態様も、磁歪装置に関する。この磁歪装置は、外部から与えられる振動に応じて磁気特性が変化する磁歪素子と、前記磁気特性の変化を電気信号として検知する検知手段と、前記磁歪素子と前記検知手段とを所定位置に保持するハウジングと、外部から与えられる振動を入力する入力端とは反対側の端における前記磁歪素子の変位を抑制するのに十分な硬度及び質量を有する該磁歪装置の外部の部材へ、前記ハウジングを連結させるための連結機構と、を備えることを特徴とする。【００１２】
前記外部の部材は、前記検知手段から前記電気信号を取得するための回路を含んでもよい。【００１３】
該磁歪装置は、前記外部の部材側の端における前記磁歪素子の変位を抑制するための構成部材を備えなくてもよい。【００１４】
前記磁歪素子は、前記ハウジングが前記外部の部材に連結されたときに、前記ハウジングと前記外部の部材により所定の圧力が与えられる位置に配置されてもよい。前記ハウジングは、前記外部の部材に連結される面にて開放されていてもよく、前記磁歪素子の前記外部の部材側の端、又は、前記磁歪素子の前記外部の部材側に設けられた構成部材が、前記外部の部材に当接するように前記外部の部材に連結されてもよい。【００１５】
本発明の更に別の態様は、電子機器に関する。この電子機器は、磁界に応じて伸縮する磁歪素子と、前記磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁歪素子と前記磁界発生手段とを所定位置に保持するハウジングと、を含む磁歪装置と、前記磁歪装置の前記磁界発生手段に、前記磁界を発生させるための信号を供給するための回路を含む本体と、を備え、前記磁歪装置は、前記本体に取り付けられ、前記本体は、前記回路から前記磁界発生手段に前記信号が供給され、前記磁歪素子が振動したときに、前記磁歪素子の前記本体側の端の変位を抑制するのに十分な硬度及び質量を有することを特徴とする。【００１６】
本発明の更に別の態様も、電子機器に関する。この電子機器は、外部から与えられる振動に応じて磁気特性が変化する磁歪素子と、前記磁気特性の変化を電気信号として検知する検知手段と、前記磁歪素子と前記検知手段とを所定位置に保持するハウジングと、を含む磁歪装置と、前記磁歪装置の前記検知手段から前記電気信号を取得するための回路を含む本体と、を備え、前記磁歪装置は、前記本体に取り付けられ、前記本体は、前記外部から与えられる振動により前記磁歪素子が振動したときに、前記磁歪素子の前記本体側の端の変位を抑制するのに十分な硬度及び質量を有することを特徴とする。【００１７】
前記磁歪素子と前記本体との間に設けられた構成部材の質量が、前記磁歪素子の前記本体側の端の変位を抑制するのに十分な質量よりも軽くてもよい。【００１８】
前記本体は、前記磁歪素子及び及び前記磁歪素子とともに振動する構成部材の質量の合計の１３倍以上の質量を有してもよい。【００１９】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、小型で軽量な磁歪装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の磁歪装置の構成を示す図である。
【図２】超磁歪材料と圧電材料の特性を示す図である。
【図３】図３（ａ）（ｂ）は、磁歪素子が振動する様子を示す図である。
【図４】改良された磁歪装置の構成を示す図である。
【図５】図４に示した磁歪装置を備えた電子機器の一例であるヘッドフォンの構成を示す図である。
【図６】実施の形態に係る磁歪装置の構成を示す図である。
【図７】実施の形態に係る電子機器の構成を示す図である。
【図８】図６及び図７に示した磁歪装置を備えた電子機器の一例であるヘッドフォンの構成を示す図である。
【図９】実施の形態に係る電子機器の別の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  超磁歪素子、２  バイアス用磁石、３  ボビン、４  コイル、５  リード配線、６  振動ロッド、７ａ  プリストレスキャップ、７ｂ  ケース、８  ハウジング、９  弾性部材、１１  底板、２０  磁歪装置、２８  振動パッド、２９  回路、３０  磁歪装置、４０  本体、４１  ネジ部、４２  突起、４９  回路、５０  電子機器、６１  フランジ部、８１  ネジ部、９０  磁歪装置、１００  ヘッドフォン、１１０  本体、２００  ヘッドフォン、２１０  本体。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、従来の磁歪装置の構成を示す。従来の磁歪装置９０は、磁歪素子９１、コイル９２、バイアス用磁石９３、キャップ９４、及びケース９５を備える。磁歪素子９１は、略円柱状の形状を有しており、コイル９２及びバイアス用磁石９３により発生される磁界に応じて、その高さ方向に伸縮するように変位する。磁歪素子９１は、その高さ方向が、略円柱状のケース９５の深さ方向に一致するように、ケース９５のほぼ中央に配置される。コイル９２は、磁歪素子９１の周囲に設けられ、外部の駆動装置から入力される電流により、磁歪素子９１の周囲に磁界を発生する。バイアス用磁石９３は、磁歪素子９１の周囲に所定の強度の磁界をバイアスとして固定的に与えるために設けられている。キャップ９４は、略円盤状の形状を有しており、磁歪素子９１、コイル９２、及びバイアス用磁石９３を内部に含むケース９５の封をするために設けられている。ケース９５の側壁部の上部に係合溝９６が形成されており、そこにキャップ９４の係止部９７が係止され、キャップ９４とケース９５が互いに固定される。このとき、磁歪素子９１は、キャップ９４とケース９５に上下から押圧され、所定のプリストレスが与えられる。【００２４】
コイル９２に交流電流が与えられると、コイル９２の周囲に交流磁界が発生し、これにより、磁歪素子９１が軸方向に伸縮する。磁歪素子９１の伸縮によりキャップ９４が振動し、キャップ９４を介して振動が外部へ伝達される。例えば、図１に示した磁歪装置９０をヘッドフォンに利用する場合、キャップ９４を耳付近に押圧接触させ、磁歪素子９１により発生された振動を、キャップ９４を介して頭部に伝達する。キャップ９４は、ケース９５の底部よりも大きな弾性を有するように形成されている。これにより、磁歪素子９１の振動がケース９５の底部により吸収されてしまうのを防ぎ、キャップ９４を介して対象物、例えば利用者の頭部へ効率良く伝達されるようにしている。【００２５】
図２は、超磁歪材料と圧電材料の特性を示す。テルビウム・ディスプロシウム・鉄（TbDyFe）などの超磁歪材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：PbZrO3-PbTiO3）などの圧電材料に比べて、以下に挙げるような優れた特性を有している。まず、超磁歪材料は、発生応力が大きく、変位量が大きいので、超磁歪素子が発生する振動を効率良く外部へ伝達することができる。また、駆動電圧が低いので、消費電力が小さくて済む。また、キュリー温度が高いので、高温でも使用できる。また、磁場により振動するので、駆動部分が電源と非接触であり、安全性に優れている。【００２６】
更に、超磁歪材料は、発生応力が大きいので、エネルギーの大きい低周波の振動も確実に外部へ伝達することができるとともに、応答速度が速いので、高周波の入力信号にも確実に追随して振動を発生させることができる。したがって、幅広い周波数帯でフラットな特性が実現される。これは、とくに、ヘッドフォンやスピーカなどへの利用に好都合である。従来の圧電材料を用いたヘッドフォンなどにおいては、高々５〜２０ｋＨｚ程度までの音しか発生することができなかったが、超磁歪材料を用いることにより、５０ｋＨｚ以上の音を発生することができる。人間の可聴域の限界は２０ｋＨｚ程度と言われているが、超音波を感覚するという学説もある。また、鼓膜を介した聴覚ではなく、骨伝導による聴覚の研究はさほど進んでおらず、超音波領域の音を骨伝導で聴いたときの感覚は未知の世界である。本発明者は、近年、超音波領域の音も録音可能な機材が開発されていることも考慮し、高周波の音を発生させることのできない圧電材料ではなく、超音波領域の音も忠実に再生可能な超磁歪材料を用いたヘッドフォンやスピーカを開発したいと考えた。【００２７】
しかしながら、本発明者は、超磁歪材料の優れた周波数特性を発揮させるためには、以下のような課題が存在することを認識するに至った。図３（ａ）（ｂ）は、磁歪素子が振動する様子を模式的に示す。図３（ａ）に示すように、磁歪素子９１の一端（以下、「固定端」と呼ぶ）９８が固定されていれば、磁歪素子９１は逆側の端（以下、「出力端」と呼ぶ）の方向にのみ伸縮するので、磁歪素子９１が伸縮したときの振動は、出力端９９から効率良く外部へ伝達される。しかし、図３（ｂ）に示すように、磁歪素子９１の固定端９８を支持する部材が弾性を有していたり、軽量であったりして、固定端９８が振動してしまう場合は、その分だけ、出力端９９から外部へ伝達される振動の変位量や応力が減衰することになる。図１に示した磁歪装置９０において、キャップ９４を対象物に押圧接触させ、磁歪素子９１の振動を対象物に伝達するときに、キャップ９４が対象物を押す力の反作用により、磁歪素子９１の固定端９８がケース９５の底部を押す力が発生する。このときに、図３（ｂ）に示すように、ケース９５が十分な慣性質量を有していなければ、出力端９９における振動が減衰し、磁歪素子９１の振動が十分に対象物に伝達されない。この現象は、振動エネルギーが大きい低周波帯において特に顕著となり、例えば磁歪装置９０をヘッドフォンに利用する場合に、低音領域の音声が聞こえづらくなってしまう。【００２８】
本発明者は、このような課題を認識し、幅広い周波数帯において磁歪素子９１の周波数特性を劣化させないようにするためには、磁歪素子９１の固定端９８が当接する部材、例えば図１の磁歪装置９０においてはケース９５が、十分な慣性質量と硬度を有している必要があることを想到するに至った。このような課題は、圧電素子よりも発生応力の大きい磁歪素子ならではの課題であり、圧電素子を利用した音声伝達装置の開発者にとっては、課題として認識すらされていなかったと考えられる。また、聞こえにくい音域であっても妥協を許さず、人間の可聴域の全ての音を忠実に再生することが可能な音声伝達装置を実現したいという本発明者のこだわりから、認識されるに至った課題であると言える。後述するように、本発明者の実験によれば、超磁歪装置を振動発生装置として利用する場合に、広い周波数帯域で効率良く駆動させるためには、可動質量の約１３．８倍以上、好ましくは２１倍以上、より好ましくは６９倍以上の慣性質量を磁歪素子９１の固定端９８側に設ける必要があることが分かっている。【００２９】
図４は、上記の課題を踏まえて改良された磁歪装置の構成を示す。磁歪装置２０は、主に、超磁歪素子１、バイアス用磁石２（バイアス用上位磁石２ａ及びバイアス用下位磁石２ｂ）、ボビン３、コイル４、リード配線５ａ及び５ｂ、振動ロッド６、プリストレスキャップ７ａ、ケース７ｂ、及び弾性部材（弦巻発条）９を含む。【００３０】
超磁歪素子１は、音声を変換してなる信号を振動に変換する振動変換素子として用いられるもので、概ね円柱状の外形を有し、上面にはバイアス用上位磁石２ａ、底面にはバイアス用下位磁石２ｂが、それぞれ配置される。この超磁歪素子１は、バイアス用上位磁石２ａとバイアス用下位磁石２ｂとの間に挟持された状態でケース７ｂの内部に収容されて、バイアス用上位磁石２ａとバイアス用下位磁石２ｂとによる磁界をバイアス磁界として恒常的に受ける（バイアス磁界が超磁歪素子１を恒常的に貫通する）ように設定されている。またそれと共に、この超磁歪素子１は、ケース７ｂの内部に収容された状態で、底面をケース７ｂによって支持されつつ、上面に振動ロッド６が弾性部材９の弾性力を受けて押し当てられることで、いわゆるプリストレスが恒常的に印加されるように設定されている。この超磁歪素子１は、上記のようにしてバイアス磁界とプリストレスとを恒常的に与えられた状態で、周囲に配置されたコイル４による可変磁界を受けることによって、入力された電気信号に対応した振動を発生する。【００３１】
コイル４は、例えばガラス基材ポリカーボネートのような材質からなるボビン３の中心胴を巻回軸心として、その周囲に導体線を巻回してなるものである。リード配線を介して導体線に電気信号が入力されると、それに対応してコイル４が磁界を発生する。このコイル４から発せられる可変磁界が超磁歪素子１を貫くことで、その可変磁界の強さに対応して超磁歪素子１が伸縮し、それが振動として出力される。【００３２】
振動ロッド６は、一端がバイアス用上位磁石２ａを介して超磁歪素子１に機械的に接続され、超磁歪素子１から出力される振動を他端から外部へ伝達する。この振動ロッド６にはフランジ部６１が設けられており、そのフランジ部６１で弾性部材９による付勢力を受けて、バイアス用上位磁石２ａに押し付けられる。その押圧力はバイアス用上位磁石２ａを介して超磁歪素子１に印加される。また、そのフランジ部６１及び弾性部材９によって、振動ロッド６全体がケース７ｂ及びプリストレスキャップ７ａの外側へと抜け落ちることを防いでいる。【００３３】
ケース７ｂは、上記のような超磁歪素子１、バイアス用上位磁石２ａ、バイアス用下位磁石２ｂ、ボビン３、コイル４、振動ロッド６、弾性部材９を、所定の状態に組み立てられた状態で収容する、いわゆる容器（又はボディ）である。プリストレスキャップ７ａは、ネジ機構、溶接、カシメ、樹脂硬化などによりケース７ｂに固定される。プリストレスキャップ７ａをケース７ｂに固定するときに、弾性部材９を介して超磁歪素子にプリストレスが与えられる。超磁歪素子１にプリストレスを与えることにより、電気信号と振動との間の変換効率を向上させることができる。プリストレスキャップ７ａ及びケース７ｂは、その内部の磁界を外側に漏らさないようにするため、及びその内部の磁界をより効果的に発生させるために、磁性体からなるものとすることが望ましい。【００３４】
図５は、磁歪装置２０を振動発生装置として備える電子機器の一例であるヘッドフォンの構成を示す。ヘッドフォン１００は、本体１１０、磁歪装置２０、及び振動パッド２８を備える。本体１１０は、外部の再生装置などから入力される電気信号を磁歪装置２０のコイルへ伝達するための回路２９を含む。振動パッド２８は、磁歪装置２０の振動ロッド６に取り付けられ、振動ロッド６から伝達される振動を、ユーザの耳付近の頭蓋骨へ伝達する。ユーザは、振動パッド２８のおもて面から伝達される振動を、骨伝導により音声として認識することができる。本発明者は、図５に示した骨導式ヘッドフォン１００を試作し、低音から高音までの幅広い音域が忠実に再現され、優れた音響特性が実現されていることを確認した。【００３５】
このように、幅広い周波数帯域の振動を効率良く発生させる磁歪装置を実現することができたが、その一方で、本発明者は、磁歪装置をヘッドフォン、聴覚補助器具、携帯電話端末のスピーカなどに利用する場合、装置の更なる小型化・軽量化が必要であることも課題として認識していた。ヘッドフォンや携帯電話端末などのように、小型で軽量であることが好まれる商品においては、サイズや重量の僅かな差が商品の売れ行きに多大な影響を及ぼすことは、既に市場で証明されていることである。たとえ、先行する類似商品よりも優れた特性を有していても、その先行商品よりも僅かに大きかったり、重かったりすることが、消費者の購買意欲を低下させる一因になってしまうことは、本発明者も認識しているところであり、これは、優れた性能を有する磁歪素子よりも、圧電素子を利用したヘッドフォンの方が先に商品化されていることからも証明されている。【００３６】
超磁歪素子１は柱状であり、高さ方向に変位するので、可動部品を磁歪素子の高さ方向に直列に連結させる必要がある。また、対象物に必要な振動を与えるためには、ある程度の高さを有した超磁歪素子１を設ける必要があるので、高さ方向のサイズを小さくすることには限界がある。したがって、磁歪装置２０の小型化・軽量化のためには、磁歪装置２０の総重量のうちかなりの割合を占めるケース７ｂ及びプリストレスキャップ７ａを小型化・軽量化する必要がある。しかし、ケース７ｂについても、上述したように、低周波領域の特性を維持するためには、ある程度の慣性質量を有している必要がある。本発明者は、様々な実験を重ね、試行錯誤を繰り返す中で、このような二律背反する要請に応える技術を想到するに至った。【００３７】
図６は、実施の形態に係る磁歪装置の構成を示す。本実施の形態の磁歪装置３０は、図４に示した磁歪装置２０の構成に比べて、プリストレスキャップ７ａ及びケース７ｂに代えてハウジング８を備えている。ハウジング８は、磁歪装置３０が設けられる電子機器の本体へ磁歪装置３０を取り付けるための連結機構の一例であるネジ部８１を備える。すなわち、磁歪装置３０の各構成は、ハウジング８に収容された状態で、ネジ部８１により電子機器の本体へ取り付けられる。ハウジング８は、磁界発生手段であるバイアス用磁石２、コイル４、リード配線５ａ及び５ｂにより発生される磁界の磁気回路を調整して磁界を増幅させるために、軟鉄板などにより構成されるヨークを含む。このヨークにより、ハウジング８内に閉磁路が形成され、外部へ磁界が漏洩しないように遮断される。【００３８】
図７は、図６に示した磁歪装置３０を備える電子機器の構成を模式的に示す。電子機器５０の本体４０は、磁歪装置３０を取り付けるための連結機構の一例であるネジ部４１を備えている。磁歪装置３０のネジ部８１と、本体４０のネジ部４１を螺合させることにより、磁歪装置３０が本体４０に取り付けられる。連結機構は、その他、溶接、カシメ、樹脂硬化などにより磁歪装置３０と本体４０とを連結させてもよい。ハウジング８の本体４０側の面は開放されており、磁歪装置３０が本体４０に取り付けられると、バイアス用下位磁石２ｂが直接本体４０に当接する。このとき、本体４０の、バイアス用下位磁石２ｂが当接する位置に突起４２が設けられており、ネジを締めることにより、超磁歪素子１がバイアス用下位磁石２ｂを介して突起４２から押圧され、超磁歪素子１に所定のプリストレスが印加される。また、リード配線５ａ及び５ｂが本体４０の回路４９に接続され、回路４９から入力される電気信号がコイル４へ伝達される。【００３９】
図４に示した磁歪装置２０では、超磁歪素子１の固定端を支持する機能をケース７ｂが担っていたが、図６及び図７に示した磁歪装置３０では、この機能を、磁歪装置３０へ電気信号を入力するための回路などの構成を含む電子機器５０の本体４０に担わせるのである。つまり、ハウジング８は、超磁歪素子１、コイル４、バイアス用磁石２、弾性部材９などの構成を収納するために設けられており、超磁歪素子１の固定端を支持する機能や超磁歪素子１にプリストレスを印加する機能は担わない。ハウジング８が本体４０に連結されることにより、本体４０の質量が、超磁歪素子の固定端の変位を抑制するために利用可能となり、本体４０により、超磁歪素子の固定端の変位が抑制される。これにより、磁歪装置３０の外部の部材により超磁歪素子の固定端の変位を抑制することができるので、大きな慣性質量を有する部材を磁歪装置３０に設ける必要がなくなる。さらに、超磁歪素子１にプリストレスを印加するためのプリストレスキャップも省略することができるので、磁歪装置３０を小型化・軽量化することができ、ひいては、電子機器５０全体を小型化・軽量化することができる。【００４０】
また、従来の磁歪装置では、ケースとプリストレスキャップも含めて組み上げられた磁歪装置がまず存在し、その磁歪装置を電子機器などへ組み込む必要があったが、本実施の形態の磁歪装置３０では、本体４０が十分な質量と硬度を有していさえすれば、どのような本体４０にも取り付けることができるので、磁歪装置３０を利用した電子機器を柔軟に設計することができる。【００４１】
図１に示した従来の磁歪装置９０においては、磁歪素子９１にプリストレスを印加する機構が必要である以上、その機構は磁歪装置９０内に設けることが当然であるという思想に暗黙のうちに束縛されていたと言える。また、図４に示した磁歪装置２０においても、超磁歪素子１の固定端の振動を抑制するように支持する機構が必要であり、その機構を磁歪装置２０内に設けていた。そして、その思想から脱却できないために、磁歪装置９０及び２０を小型化・軽量化することができず、このことこそが、性能では圧電素子をはるかに凌駕する磁歪素子の普及を妨げる根本的な要因となっていた。【００４２】
特許文献２（特開２００４−２６６３０７号公報）には、スピーカユニットのハウジング内に、受信回路、電池、ケースの質量を利用したカウンタマスを設け、駆動コイルにより振動素子が伸縮駆動されることで発生する振動を、他端側の振動板に効率良く伝達するようにする技術が開示されている。しかし、スピーカユニットの内部にカウンタマスが設けられることに変わりはなく、スピーカユニットが軽量化されているとは言えない。さらに、磁歪素子の固定端側に大きなカウンタマスを設けているので、スピーカユニットが振動素子の振動方向に長いスティック状の形状となっており、スピーカユニットが小型化されているとは言えない。【００４３】
本発明者は、磁歪装置の軽量化及び小型化、とくに振動素子の振動方向の小型化を目指して発想の転換を図り、電子機器５０の本体４０が、超磁歪素子１にプリストレスを印加し、かつ、超磁歪素子１の固定端の振動を抑制する部材として機能すればよいことに思い当たった。これにより、磁歪装置３０は、自身が超磁歪素子１の固定端の振動を抑制するだけの慣性質量を有していなければならないという束縛から解放され、大幅に小型化・軽量化することが可能となった。更に、超磁歪素子１を上下から挟持してプリストレスを印加するための部材の一部を省略することが可能となり、超磁歪素子１の振動方向の小型化に成功した。これは、周波数特性の維持と、小型化・軽量化という、二律背反する要請の双方が満足されたことを意味する。したがって、本発明は、特性では優れている磁歪素子の商品化を妨げていた課題を克服し、磁歪素子を用いた機器の普及のためのブレイクスルーとなる画期的な発明であると言える。【００４４】
前述したように、磁歪素子の固定端における振動を抑制し、出力端における振動を効率良く外部へ伝達するためには、可動質量の約１３．８倍以上の慣性質量が固定端側にあればよい。したがって、本体４０は、超磁歪素子１、バイアス用磁石２、弾性部材９、及び振動ロッド６の質量の合計の約１３．８倍、好ましくは約２１倍、より好ましくは約６９倍以上の質量を有していればよい。また、振動ロッド６により振動される別の構成、例えば利用者の耳付近にヘッドフォンをあてがうための振動パッドなどが設けられている場合には、その質量も振動ロッド６の質量に含める。また、本体４０と力学的に一体であるとみなせる構成部材の質量は、本体４０の質量に含めてもよい。【００４５】
固定端側の構成が当接する位置の本体４０の部材、図７の例では突起４２は、超磁歪素子１の固定端側の振動を抑制するために十分な硬度を有していることが望ましい。また、ハウジング８は、磁性体であることが望ましい。しかし、例えば磁歪装置３０をヘッドフォンなどに利用する場合は、発生する磁場はさほど大きくないので、ハウジング８は磁性体でなくてもよい。この場合、より軽量化を図るために、ハウジング８を質量の軽い材料により構成してもよい。【００４６】
図８は、図６に示した磁歪装置３０を備える電子機器５０の一例であるヘッドフォンの構成を示す。ヘッドフォン２００は、図５に示したヘッドフォン１００に備えられていた密閉型の磁歪装置２０に代えて、図６に示した開放型の磁歪装置３０を備える。本発明者は、図８に示したヘッドフォン２００を試作し、図５に示したヘッドフォン１００と同様に、低音から高音までの幅広い音域が忠実に再現され、優れた音響特性が実現されていることを確認した。【００４７】
本発明者は、図４に示した密閉シリンダー型の磁歪装置２０を備えた図５のヘッドフォン１００と、図６に示した開放型の磁歪装置３０を備えた図８のヘッドフォン２００を試作し、可動質量と固定端を支持する慣性質量との質量比と、ヘッドフォンから出力される音声の周波数特性との関係を、実際にヘッドフォンを装着した同一被験者の聴覚により確認した。骨伝導により人体に知覚される音声の周波数特性を数値として計測するのは困難であるため、今回は被験者の聴覚により周波数特性の差異を確認している。【００４８】
図４の密閉型の磁歪装置２０を用いた実験では、可動部分の質量が１．３ｇ、固定端を支持する慣性質量が１７．９ｇ、総質量が２２．２ｇである磁歪装置２０の試作品が、従来の圧電素子などを用いた骨導式ヘッドフォンよりも優れた周波数特性、すなわち広範囲の周波数の音声を出力する能力を有することが確認された。したがって、固定端を支持する慣性質量は、可動質量の約１３．８倍以上であることが好ましいことが分かった。磁歪装置２０の超磁歪素子１の振動を被験者の頭部へ伝達するための振動パッドの質量を可動質量に含めると、慣性質量は可動質量の約３．４倍以上であることが好ましい。この磁歪装置２０を備えたヘッドフォン１００の試作品は、本体を含めた固定端側の慣性質量が約９０ｇで、可動質量の約６９倍（振動パッドを含めた場合は約９倍）となっており、従来の骨導式ヘッドフォンよりも優れた音響特性を有することが確認された。【００４９】
これに対し、図６の開放型の磁歪装置３０では、プリストレスキャップ７ａとケース７ｂをハウジング８に交換したことにより、磁歪装置３０の質量を１２．８ｇに抑えることができた。磁歪装置２０の試作品の質量は約２２．２ｇであったので、磁歪装置の質量が約半分に抑えられている。上述の実験により、可動質量の約１３．８倍以上、より好ましくは６９倍以上の慣性質量の部材を固定端側に設けることで優れた周波数特性が得られることが分かっているので、磁歪装置３０を装着する対象となる本体が、その質量を有していればよい。試作品の磁歪装置３０の場合、可動質量が１．３ｇであるから、本体の質量は１７．９ｇ以上であればよい。本発明者は、１２．８ｇの磁歪装置３０を２７ｇ（可動質量の約２１倍）の本体４０に装着したヘッドフォン２００を試作し、音響特性の優れたヘッドフォンが実現されていることを確認した。このヘッドフォン２００は、ヘッドフォン１００と同様に優れた音響特性を維持しつつ、ヘッドフォン１００に比べて大幅に軽量化が図られている。この試作品では、ハウジング８を金属により構成しているが、コイルをパーマロイのようなヨークで閉磁路にすれば、ハウジング８を樹脂などの軽量な材料で構成してもよい。これにより、更に磁歪装置３０を軽量化することができ、ヘッドフォンなどの装置全体を軽量化することができる。【００５０】
図９は、本実施の形態の電子機器５０の別の構成例を示す。図９に示した磁歪装置３０は、図７に示した磁歪装置３０の構成に加えて、底板１１を更に備える。底板１１は、例えば、磁歪装置３０又は本体４０へ水滴が侵入するのを防ぐために、防水加工された板により構成されてもよいし、本体４０側へ磁場が漏れるのを防ぐために、磁性体により構成されてもよい。本図の磁歪装置３０は、本体４０側に底板１１が設けられているので、開放型ではなく密閉型であるが、底板１１は、超磁歪素子１の固定端の振動を抑制するために必要な慣性質量を有している必要はない。底板１１は、超磁歪素子１の固定端の振動を抑制するために設けられるのではなく、振動の抑制に必要な慣性質量は電子機器５０の本体４０が有していればよい。【００５１】
この場合も、本体４０は、可動質量の約１６．８倍以上、好ましくは約２１倍以上、より好ましくは約６９倍以上の質量を有していればよいが、底板１１の質量を本体４０の質量に含めてもよい。また、底板１１以外に、本体４０と超磁歪素子１の間に部材が設けられている場合は、その部材の質量を本体４０の質量に含めてもよい。要は、超磁歪素子１の固定端側に、固定端の振動を抑制するのに十分な質量及び硬度があればよい。これにより、超磁歪素子１の振動を効率良く外部へ伝達することができる。また、磁歪装置３０の優れた周波数特性を遺憾なく発揮させることができ、特に、磁歪装置３０をヘッドフォン２００に利用する場合には、音質を向上させることができる。【００５２】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。【００５３】
実施の形態では、１つの超磁歪素子１を磁歪装置３０に設けたが、本体４０が十分な慣性質量を有していれば、複数の超磁歪素子を設けてもよい。また、超磁歪素子１のサイズは任意でよい。【００５４】
実施の形態では、磁歪装置３０を振動発生装置として利用する電子機器について説明したが、磁歪装置３０を振動検知装置として利用する場合についても同様である。この場合、振動ロッド６は、外部から与えられる振動を超磁歪素子１へ伝達する機能を有し、コイル４は、外部から与えられる振動に応じて変化する超磁歪素子１の磁気特性の変化を電気信号として検知する検知手段として機能する。この場合も、ハウジング８は、本体４０に連結させるための連結手段として機能するネジ部８１を備え、本体４０は、外部から与えられる振動により超磁歪素子１が振動したときに、本体４０側の端の振動を抑制するのに十分な硬度及び質量を有する。これにより、広い周波数帯域の振動を精確に検知することができる。また、磁歪装置３０にプリストレスキャップや十分な慣性質量を設ける必要がなくなり、装置を小型化・軽量化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、磁歪素子により振動を発生又は検知する電子機器に利用することができる。
【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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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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