(57)【要約】本発明は、変位および／または力を生じるデバイス（アクチュエータと定義される）に関するものである。マグネトメカニカル適応（Magneto-Mechanical Adaptive；ＭＭＡ）材料でできている能動素子に対して、適切な強度および配向の磁場が生成されるように磁場源が配置される。これにより、ＭＭＡ素子を所望どおりに変位させることができる。または、本発明は、振動エネルギーをＭＭＡ素子に吸収し、および／または、振動エネルギーを装置の電力に変換することによって機械的な振動を減衰する装置、および／または、変位、速度、または加速を感知する装置に関する。電気的エネルギーは、熱として消散できるか、装置から導出できる。後者の場合は、装置は、電力生成器として作動する。この装置をセンサーとして使用する原理についても、記載されている。ＭＭＡ材料は、ここでは、磁場または応力がかけられたときに、双晶境界、またはオーステナイト−マルテンサイト界面運動、または磁気歪みに基づいて、寸法の変化する材料として定義されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動素子を含む装置であって、
上記能動素子は、
双晶境界によって分割されている兄弟晶を含む材料、またはオーステナイト位相とマルテンサイト位相との間の界面によって分割されている兄弟晶を含む材料、または磁歪性を有する材料からなるものであり、
上記能動素子の形状は、外部の磁場、および／または、上記素子に対して当該素子の形状を変化させる力を生成するためのデバイス、および／または、振動を制御するためのデバイス、および／または、電力を生成するためのデバイス、および／または、構造物の剛性率を変更するためのデバイスに依存している装置。
【請求項２】
上記デバイスは、少なくとも１つの能動素子と、少なくとも１つの磁場源とで構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記デバイスは、能動素子、電磁石、バイアス磁石のうちの少なくとも１つで構成されている、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
上記デバイスは、少なくとも１つの能動素子と、少なくとも１つの電磁石と、少なくとも１つのバイアス磁石とで構成されており、
上記バイアス磁石は、バイアス磁石が能動素子に対して磁場を生成すると同時に、電磁石によって生成される交流磁場がバイアス磁石の内部において最小となり、バイアス磁石の消磁性が最小となる、すなわち、コイルによって生成される消磁場強度が永久磁石の保磁力よりも低くなるように、上記デバイス内に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
上記デバイスは、マイクロデバイスである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
上記能動素子の材料は、ホイスラー合金（例えば、Ｎｉ−Ｍｎ−ＧａまたはＮｉ−Ｍｎ−Ｇａベースの合金、またはＮｉ−Ｃｏ−Ａｌ）である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
上記能動素子の材料は、Ｃｏ、Ｎｉ、ＭｎまたはＦｅ、をベースとする合金（例えば、Ｆｅ−Ｐｄ、または、Ｎｉ−Ｃｏ）である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
上記能動素子の材料は、まず、単結晶の材料、配向が揃った多結晶の材料、または任意に配向された多結晶の材料である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
上記能動素子の形状変化は、伸長および／または収縮である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
上記能動素子の形状変化は、湾曲である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
上記能動素子は、薄膜である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
上記能動素子は、弾性材料（例えば、エラストマー）に固定されている少なくとも２つの部分で構成されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
上記能動素子は、ＭＭＡ材料粒子、繊維状材料または板状部材を１つの弾性母材に含む複合構造である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
上記エラストマーは、能動素子を元来の寸法に戻すためのバイアススプリングとして機能する、請求項１２または請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
ヨークをさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
上記ヨークは、高透磁率磁性材料からなるものである、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
上記ヨークの材料は、保磁力の高い強磁性材料からなるものである、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
上記ヨークは、分離した部分で構成されている、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
上記ヨークの分離した部分は、磁気特性が異なり、例えば、一番外側の部分は、バイアス磁石として機能するように、高保磁性材料からなるものである、請求項１５または請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
上記装置は、全体または一部分がバイアス磁石として作用するヨーク、または、バイアス磁石として作用する分離した部分を有するヨークを含む、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
上記ヨークの異なる部分は、磁気特性が異なる、例えば、上記ヨークの炭素含有率は、ヨークによって異なっている、請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
上記ヨークは、交流磁場によって引き起こされる渦電流損失を低減するために、強磁性材料からなる電気的絶縁膜で構成されている、請求項１５〜２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
上記ヨークは、電気的絶縁性の母材（例えば、ポリマー）中の強磁性粒子を含む複合物からなる、請求項１５〜２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
上記バイアス磁石は、例えば、Ｆｅ−Ｂｏ−Ｎｄ、Ｃｏ−Ｓｍ、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ、またはＣｏをベースとする合金からなる、請求項１〜２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
上記バイアス磁石は、電子磁石の物理的寸法の外側に配置されているとともに、コイルに対して中心軸を合わせるように配置されている、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
バイアス磁石の空間にある、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
上記能動素子をその元来のサイズ／場所に戻すための機械的または電気的なデバイスをさらに含む、請求項１〜２６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
能動素子と、２つのコイルと、２つの永久磁石と、ヨークと、上記能動素子をその元来のサイズ／場所に戻すための機械的または電気的なデバイスと、を備える請求項１〜２７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２９】
狭幅パルスとして印加された磁場を含む、請求項１〜２８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３０】
ある電磁石によって生成されたパルスは、上記能動素子を伸ばし、
上記第１の電磁石の場に対して実質的に垂直な場を有する他方の電磁石によって生成されたパルスは、上記能動素子を縮める、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
１つのコイルと１つの永久磁石とが上記能動素子の同じ側に配置されている非対称な構造を有する、請求項１〜３０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３２】
列状またはループ状の構造になっている複数の装置ユニットを有する、請求項１〜３１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３３】
棒状の部材を反対方向に動かすように設計された２つの能動素子を含む、請求項１〜３２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３４】
上記装置の力を増すように設計された装置ユニットを連続して複数含む、請求項１〜３３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３５】
対抗作用する能動素子を含む、請求項１〜３４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３６】
上記能動素子は、堅くなるために相互作用するように作用している、請求項３０に記載の装置。
【請求項３７】
請求項１〜３６のいずれか１項に記載の振動減衰デバイスであって、
少なくとも１つの能動素子と、
上記素子の負荷方向に対して垂直な磁場を有する、少なくとも１つのバイアス磁石とを含む振動減衰デバイス。
【請求項３８】
上記構造および動作原理は、図１ａに記載されている、請求項１〜３７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項３９】
上記構造および動作原理は、図２に記載されている、請求項１〜３８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４０】
上記構造および動作原理は、図３に記載されている、請求項１〜３９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４１】
上記構造および動作原理は、図４に記載されている、請求項１〜４０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４２】
上記構造および動作原理は、図５に記載されている、請求項１〜４１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４３】
上記構造および動作原理は、図６に記載されている、請求項１〜４２のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４４】
上記構造および動作原理は、図７に記載されている、請求項１〜４３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４５】
上記構造および動作原理は、図８に記載されている、請求項１〜４４のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４６】
上記構造および動作原理は、図９に記載されている、請求項１〜４５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４７】
上記構造および動作原理は、図１０ａに記載されている、請求項１〜４６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４８】
上記構造および動作原理は、図１１ａおよび図１１ｂに記載されている、請求項１〜４７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４９】
上記構造および動作原理は、図１２に記載されている、請求項１〜４８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５０】
上記構造および動作原理は、図１３に記載されている、請求項１〜４９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５１】
上記構造および動作原理は、図１４に記載されている、請求項１〜５０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５２】
上記構造および動作原理は、図１５に記載されている、請求項１〜５１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５３】
上記構造および動作原理は、図１６に記載されている、請求項１〜５２のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５４】
上記構造および動作原理は、図１７に記載されている、請求項１〜５３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５５】
上記構造および動作原理は、図１８に記載されている、請求項１〜５４のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５６】
上記構造および動作原理は、図１９ａおよび図１９ｂに記載されている、請求項１〜５５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５７】
上記構造および動作原理は、図２０に記載されている、請求項１〜５６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５８】
上記構造および動作原理は、図２１に記載されている、請求項１〜５７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５９】
上記構造および動作原理は、図２２に記載されている、請求項１〜５８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６０】
上記構造および動作原理は、図２３に記載されている、請求項１〜５９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６１】
上記構造および動作原理は、図２４に記載されている、請求項１〜６０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６２】
上記構造および動作原理は、図２５ａに記載されている、請求項１〜６１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６３】
上記構造および動作原理は、図２６ａおよび図２６ｂに記載されている、請求項１〜６２のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６４】
上記構造および動作原理は、図２７に記載されている、請求項１〜６３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６５】
上記構造および動作原理は、図２８に記載されている、請求項１〜６４のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６６】
上記構造および動作原理は、図２９に記載されている、請求項１〜６５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６７】
上記構造および動作原理は、図３０に記載されている、請求項１〜６６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６８】
上記構造および動作原理は、図３１ａおよび図３１ｂに記載されている、請求項１〜６７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６９】
上記構造および動作原理は、図３２に記載されている、請求項１〜６８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７０】
上記構造および動作原理は、図３３に記載されている、請求項１〜６９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７１】
上記構造および動作原理は、図３４に記載されている、請求項１〜７０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７２】
上記構造および動作原理は、図３５に記載されている、請求項１〜７１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７３】
上記構造および動作原理は、図３６、図３６ｂおよび図３６ｃに記載されている、請求項１〜７２のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７４】
上記構造および動作原理は、図３７に記載されている、請求項１〜７３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７５】
上記構造および動作原理は、図３８に記載されている、請求項１〜７４のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７６】
上記構造および動作原理は、図３９に記載されている、請求項１〜７５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７７】
上記構造および動作原理は、図４０に記載されている、請求項１〜７６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７８】
上記構造および動作原理は、図４７ａおよび図４７ｂに記載されている、請求項１〜７７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７９】
上記構造および動作原理は、図４８ａおよび図４８ｂに記載されている、請求項１〜７８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８０】
上記構造および動作原理は、図４９ａおよび図４９ｂに記載されている、請求項１〜７９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８１】
上記構造および動作原理は、図５２に記載されている、請求項１〜８０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８２】
機械類またはその種の物体における振動を減衰するための、請求項１〜８１のいずれか１項に記載の装置の使用方法。
【請求項８３】
例えばバルブ、ポンプ、注入機、生物医学的装置、位置決め装置、ロボット、マニピュレーター、振とう装置、振動装置、振動減衰装置、発電機、マイクロシステム、ファイバー光学スイッチ、電気的接続器、および回路遮断器、における運動に影響を及ぼすための、請求項１〜８２のいずれか１項に記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明は、その装置設計において特定の材料の磁気歪み、またはオーステナイト−マルテンサイト界面運動、または双晶境界運動によって、運動および／または力を生成し、機械的な振動を減衰させ、電力を生成するための磁気抵抗材料を含む減衰・作動装置、振動減衰デバイス、および上記装置の使用方法に関するものである。
【０００２】
〔背景技術〕
特定の高速応答アクチュエータ材料は、歪みおよび力を生成するために、エレクトロメカニクス分野で使用されている。特定の高速応答アクチュエータ材料は、圧電性セラミックスおよび圧電性ポリマー、電気活性高分子、超磁歪材料（giant magnetostrictive materials）、ならびに磁気的に制御された形状記憶材料である。
【０００３】
圧電性材料および電気活性高分子は、電場によって操作される。圧電性材料は０．１％未満歪む。電気活性高分子は、アクチュエータ材料の新分野であり、電場中で数パーセント歪む可能性がある。また、Ｆｅ−Ｄｙ−Ｔｂ合金などの超磁歪材料は、磁場中で０．２％以下歪む。磁気的に制御された形状記憶材料は、磁場中で１０％も歪む。
【０００４】
高速応答アクチュエータ材料において、磁場によって誘発される形状変化は、一方向への拡大であり、他方向への収縮である。形状変化は、非常に高速である。例えば、６％の拡大は、０．２ｍ秒未満の間に起こるであろう。
【０００５】
高速応答アクチュエータ材料の種類の中で最良のものとしては、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ合金が挙げられる。Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ合金の格子構造は、底心立方晶である。１格子方向（ｃ軸とする）は、他の２つの軸よりも約６％短い。ｃ軸は、磁化し易い方向でもある。Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ合金に磁場が印加されると、磁場は、磁場に沿ったｃ軸に配列する傾向がある。この現象は、ｃ軸が外部磁場に対して平行である双晶構造（twin variants）と呼ばれる領域は成長し、他の兄弟晶（variants）は縮むように起こる。
【０００６】
最終的に、材料の全体的な体積が、１つの双晶状態から他の双晶状態へ変更されると、材料の部品の寸法は、磁場方向において６％短縮する。なお、垂直な磁場の印加、または、短いｃ軸が圧縮応力に沿って配列されるように双晶変形を配列する機械的な応力の印加によって、元来の寸法は再現できる。磁気的に制御された形状記憶材料は、革新的なものであり、磁気的に制御された形状記憶材料に基づくほんの少数の出願が、公有に属している。
【０００７】
〔発明の概要〕
本発明は、機械的な振動を制御し、電力を生成し、および運動を生成するデバイスの特定の構成を提供する。
【０００８】
振動制御は、受動的、半能動的および／または能動的でもよい。デバイスの鍵となる部分は、能動素子と、電磁石および／または永久バイアス磁石などの少なくとも１つの磁場源を有する磁気回路と、ヨークとである。能動素子の操作は、磁気歪み、またはオーステナイト−マルテンサイト界面運動、または双晶境界運動に基づいている。受動的な振動制御は、主に、能動素子中においての振動エネルギーの消散に基づいている。
【０００９】
また、半能動的な振動制御において、能動素子が機械的に変形されるときに、デバイスによって生成された電力が、例えば短絡抵抗器を介して導かれる。半能動的な振動制御の減衰は、短絡抵抗によって制御可能である。
【００１０】
能動素子は、磁場によって堅くさせることができ、振動制御でも使用できる。能動振動制御では、デバイスは振動を中和するための対抗振動を生成するために使用される。デバイスは、能動素子に磁場が印加されたとき、迅速かつ正確に制御された運動を生成する。
【００１１】
本発明は、様々な分野の使用において商業的な可能性が大きいことを示している。本発明のデバイスは、例えば、バルブ、ポンプ、注入器、生物医学デバイス、位置決めデバイス、ロボット、操縦器、シェーカー、振動デバイス、マイクロシステム、ファイバー光学スイッチ、電気的接続器、および回路遮断器などで使用することができる。
【００１２】
図１ａは、対称構造を有するバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００１３】
図１ｂは、バイアスされたデバイスの運動の実験測定結果を示す図である。
【００１４】
図１ｃは、バイアスされたデバイスのパワー生成の実験測定結果を示す図である。
【００１５】
図２は、対称構造と永久磁石回復力生成とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００１６】
図３は、対称構造と同時に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００１７】
図４は、対称構造と交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００１８】
図５は、対称構造と交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００１９】
図６は、対称構造と交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００２０】
図７は、対称構造とＭＭＡ素子の近くに配置された永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００２１】
図８は、２つのコイルと、Ｃコア磁気回路と、ＭＭＡ素子の近くに配置された永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００２２】
図９は、４つのコイルと、Ｃコア磁気回路と、ＭＭＡ素子の近くに配置された永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００２３】
図１０ａは、４つのコイルと、Ｃコア磁気回路と、ＭＭＡ素子の近くに配置された２つの永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００２４】
図１０ｂは、デバイスの測定結果を示す図である。
【００２５】
図１１は、２つのコイルと、Ｕコア磁気回路と、ＭＭＡ素子の近くに配置された永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００２６】
図１２は、コイルと永久磁石とがＭＭＡ素子の同じ側に配置されている非対称構造を有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００２７】
図１３は、コイルと永久磁石とがＭＭＡ素子の反対側に配置されている非対称構造を有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００２８】
図１４は、非対称構造と同時に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００２９】
図１５は、非対称構造と交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００３０】
図１６は、非対称構造と交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００３１】
図１７は、機械的には並列に作動し、および磁気的には直列に作動するダブルＭＭＡ素子を有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００３２】
図１８は、機械的には並列に作動し、および磁気的には直列に作動する多数のＭＭＡ素子を有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００３３】
図１９ａは、機械的にも、および磁気的にも並列に作動するダブルＭＭＡ素子を有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００３４】
図１９ｂは、軸対称構造と、機械的にも、および磁気的にも並列に作動するＭＭＡ素子とを有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００３５】
図２０は、ＭＭＡ素子が機械的には並列に作動する、バイアスされたデバイスの１つのモジュールの構造を示す図である。
【００３６】
図２１は、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００３７】
図２２は、可逆回転運動を生成するために交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子を有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００３８】
図２３は、シャフトの可逆線形運動を生成するために交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子を有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００３９】
図２４は、シャフトの可逆線形運動を生成するために交互に伸縮する４つのＭＭＡ素子を有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００４０】
図２５ａは、シャフトの可逆線形運動を生成するために交互に伸縮する４つのＭＭＡ素子と、位置を改善した永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００４１】
図２５ｂは、ＭＭＡデバイスの変位とコイル電流との測定結果を示す図である。
【００４２】
図２６ａは、対称構造を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００４３】
図２６ｂは、対称構造と貫通シャフト（through going shaft）とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００４４】
図２７は、対称構造と、回復力を生成する永久磁石とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００４５】
図２８は、対称構造と同時に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、ＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００４６】
図２９は、２つのコイルとＣコア磁気回路とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００４７】
図３０は、４つのコイルとＣコア磁気回路とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００４８】
図３１ａは、２つのコイルとＵコア磁気回路とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００４９】
図３１ｂは、２つのコイルとＵコア磁気回路とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００５０】
図３２は、非対称構造を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００５１】
図３３は、非対称構造と同時に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００５２】
図３４は、機械的には並列に作動し、および磁気的には直列に作動するダブルＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００５３】
図３５は、機械的には並列に作動し、および磁気的には直列に作動する複数のＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００５４】
図３６ａは、機械的にも、および磁気的にも並列に作動するダブルＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００５５】
図３６ｂは、円の中に配置されており、機械的にも、および磁気的にも並列に作動するＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００５６】
図３６ｃは、円の中に配置されており、機械的にも、および磁気的にも並列に作動するＭＭＡ素子と、一体型のシャフトとを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００５７】
図３７は、ＭＭＡ素子が機械的には並列に作動するＭＭＡデバイスの１つのモジュールの構造を示す図である。
【００５８】
図３８は、並べて配置されているＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの１つのモジュールの構造を示す図である。
【００５９】
図３９は、シャフトの可逆線形運動を生成するために交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００６０】
図４０は、シャフトの可逆線形運動を生成するために交互に伸縮する４つのＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【００６１】
図４１は、ＭＭＡアクチュエータの測定された歪み対電流の関係を示す図である。アクチュエータ構造は、実施例２６に類似していた。
【００６２】
図４２は、ＭＭＡアクチュエータの測定された歪みおよび電流を示す図である。アクチュエータ構造は、実施例２６に類似していた。
【００６３】
図４３は、測定された最大歪みを、ＭＭＡアクチュエータからの対向負荷の関数として示す図である。アクチュエータ構造は、実施例３６に類似していた。
【００６４】
図４４は、電流不可逆転パルス制御操作におけるＭＭＡアクチュエータの測定されたストロークと、アクチュエータのコイルの電流とを示す図である。
【００６５】
図４５は、パルス制御された操作下でのＭＭＡ素子の概略的な応力対歪みを示す図である。
【００６６】
図４６は、電流可逆転パルス制御操作におけるＭＭＡアクチュエータの測定されたストロークと、アクチュエータのコイルの電流とを示す図である。
【００６７】
図４７は、ＭＭＡ材料の機械的なヒステリシスループを示す図である。
【００６８】
図４７ａは、円形のＭＭＡ素子を有し、交互に作動する２つの直交コイルシステムによって、直交する（ｘおよびｙ方向）２つの場が生成されるＭＭＡデバイスの基本構造を示す図である。
【００６９】
図４７ｂは、長方形のＭＭＡ素子を有し、交互に作用する２つの直交コイルシステムによって、直交する（ｘおよびｙ方向）２つの場が生成されるＭＭＡデバイスの基本構造を示す図である。
【００７０】
図４８ａは、円形のＭＭＡ素子を有し、同時に作用する２つの直交コイルシステムによって、直交する２つの場が生成されるデバイスの基本構造を示す図である。
【００７１】
図４８ｂは、長方形のＭＭＡ素子を有し、同時に作用する２つの直交コイルシステムによって、直交する２つの場が生成されるデバイスの基本構造を示す図である。
【００７２】
図４９ａは、円形のＭＭＡ素子を有し、コイルシステムと永久磁石とによって、直交する２つの場が生成されるデバイスの基本構造を示す図である。
【００７３】
図４９ｂは、長方形のＭＭＡ素子を有し、コイルシステムと永久磁石とによって、直交する２つの場が生成されるデバイスの構造を示す図である。
【００７４】
図５０ａは、コイルの正の電流と負の電流とのＭＭＡデバイスにおける磁場パターンを示す図である。
【００７５】
図５０ｂは、コイルの負の電流のＭＭＡデバイスにおける磁場パターンを示す図である。
【００７６】
図５１は、ＭＭＡ材料の機械的なヒステリシスループを示す図である。
【００７７】
図５２は、振動減衰デバイスを示す図である。磁気回路４は、軸対称であってもよい。
【００７８】
図５３ａは、屈曲ＭＭＡ素子を示す図である。ＭＭＡ素子には符号１が付されており、基材には符号２の印が付されている。
【００７９】
図５３ｂは、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ膜１が基板２上にある屈曲ＭＭＡ素子を示す図である。Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ格子の結晶軸は、ａ軸が表面に沿っており、ｃ軸は表面に対して垂直であるように配向されている。磁場の方向はＨ１・Ｈ２である。
【００８０】
［発明の詳細な説明］
本発明は、マグネトメカニカル適応（Magneto-Mechanical Adaptive；ＭＭＡ）素子を所望どおりに変位させるため、ＭＭＡ材料からできている能動素子または起動に対して、適切な強度および配向の磁場が生成されるように磁場源を配置する場合において、変位および／または力を生じるデバイス（アクチュエータと定義される）に関するものである。あるいは、本発明は、振動エネルギーをＭＭＡ素子に吸収すること、および／または、振動エネルギーを電力に変換することによって、機械的な振動を減衰および／または制御するデバイスに関するものである。
【００８１】
電気的エネルギーは、熱として消散でき、または、デバイスから導出できる。後者の場合は、デバイスは、電力生成器として作動する。本発明において、ＭＭＡ材料は、磁場または応力が印加されたときに、双晶境界運動、またはオーステナイト−マルテンサイト界面運動、または磁気歪みに基づいて、寸法の変化する材料と定義されている。
【００８２】
ＭＭＡ素子（能動素子）は、デバイスの能動部分として使用されるＭＭＡ材料からなるものである。ＭＭＡ素子は、例えば、単結晶構造のモノリシック材料、配向が揃った（textured）または任意に配向された多結晶構造、目的に応じて適切に整形されたものでもよい。または、ＭＭＡ素子は、ＭＭＡ材料の２つまたは複数の断片を含んでいてもよい。ＭＭＡ素子の一例として、積層物を挙げることができる。２つまたは複数の素子を、例えば、弾性を有する材料を用いてまとめることができる。複数のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ部品は、弾性樹脂によって固定されている。樹脂の弾性特性は、樹脂がバイアススプリングとして作用するように設計されている。
【００８３】
磁場によって素子が引き伸ばされた後、ＭＭＡ素子の寸法は４％を上回って回復したことが測定された。積層物も、導電性ＭＭＡ素子の交互性磁束により生じる渦電流を低減するために使用される。特に、このことは高周波数アプリケーションにおいて、短い応答時間が必要なときに重要である。積層物は、異なる方向に作成することができる。例えば、大きな断面のＭＭＡ素子は、より小さな断面の複数のＭＭＡ素子に分割できる。ＭＭＡ素子は、例えばエラストマー（ただし、これに限定されない）などの弾性母材に、ＭＭＡ材料を、粒子、ファイバーまたはプレートとして埋没した複合構造であってもよい。ＭＭＡ材料の複合構造の部品は、母材の硬化前に配向させることができる。配向は、部品の形状に基づくであろう。例えば、ファイバーは、相互に沿って配列する。または、部品に磁場を印加することによって配列を行なうことができる。ＭＭＡ素子の積層または複合構造の利点は、渦電流が減少し、積層化されたＭＭＡ素子または合成物の運動がより滑らかになることである。これらの利点は、個々の双晶境界または界面の運動とによって引き起こされる個々の素子の小さな移動距離（steps）を平均化すること、および、ＭＭＡ素子の「内蔵」バイアススプリング操作によって生み出されるものである。
【００８４】
ＭＭＡデバイスは、少なくとも１つの能動素子と少なくとも１つの電磁石とで構成されている。さらに、ヨークと呼ばれる磁束経路、および／または、少なくとも１つのバイアス磁石、および／または、能動素子を元来のサイズ／位置に戻すための少なくとも１つの機械的なまたは電磁石のデバイスが含まれている。デバイスが適切に操作されるように、バイアス磁石は、デバイス内の以下のような位置に配置されている。したがって、バイアス磁石が能動素子に対する磁場を生成すると同時に、電磁石が生成する交流磁場がバイアス磁石の内部では最小となり、バイアス磁石の消磁が最小となる。すなわち、コイルによって生成される消磁場強度（demagnetization field strength）が永久磁石の保磁力（coercitive force）よりも低くなるような位置に配置されている。
【００８５】
能動素子の材料は、（例えば、Ｎｉ−Ｍｎ‐ＧａもしくはＮｉ−Ｍｎ−Ｇａをベースとする）ホイスラー合金、または、Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌでもよいが、これに限定されない。また、能動素子の材料は、Ｃｏ、Ｎｉ、ＭｎまたはＦｅ、をベースとする合金（例えば、Ｆｅ−ＰｄもしくはＮｉ−Ｃｏ）でもよい。Ｆｅ−Ｄｙ−ＴｂまたはＦｅ−Ｇａ合金などの磁歪材料を使用することもできる。
【００８６】
ヨークは、強磁性材料からなり、多くの場合は、高透磁率材料からなっている。また、ヨークは、高保磁力材料でできていてもよい。例えば、アクチュエータでは、ヨークが高保磁力を有していれば、電磁石の磁場を用いて（さらに、狭幅パルスを使用して）ヨークを一方向へ永久的に磁化できる。電流が電磁石から取り除かれると、ヨーク（および、能動素子）に磁化が残る。ヨークの磁化は、電磁石に対して反対方向に電流を導くことによって生成された反対方向の磁場によって取り除くことができる。ヨークが高保磁力を有する種類のアクチュエータ操作は、例えば、ある種の双安定デバイス（例えば、バルブ、スイッチ、ファイバー光学スイッチ、電気的な回路遮断器、継電器、または接続器）において有用である。また、ヨークは別々の部分から構成されていてもよい。さらに、別々の部分は異なる磁気特性を示していてもよい。例えば、一番外側の部分は、バイアス磁石として作用するように高保磁力材料でできていてもよい。ヨーク全体またはヨークの一部分が、バイアス磁石として機能するアプリケーションでもよいし、あるいは、バイアス磁石として機能する別々の部分が存在していているアプリケーションでもよい。ヨークの別々の部分が、異なる磁気特性を有する（例えば、ヨークの炭素含有量はヨーク毎に異なっている）ことも可能である。また、ヨークは、強磁性材料の電気的に絶縁されたシートで構成されていてもよい。さらに、交流磁場によって引き起こされる渦電流損失を低減するために、ヨークを電気的絶縁母材中にある強磁性粒子を含む合成物（例えば、ポリマー）によって構成されていてもよい。バイアス磁石は、Ｆｅ−Ｂｏ−Ｎｄ、Ｃｏ−Ｓｍ、Ａｌ−Ｎｉ−ＣｏまたはＣｏをベースとする合金で形成されていてもよい。
【００８７】
以下の文章では、本発明のデバイスのアクチュエータ操作について始めに説明しており、その後、デバイスの減衰および電力生成操作について説明している。
【００８８】
アクチュエータデバイス
多くのＭＭＡアクチュエータデバイスが形成されてきた。アクチュエータ（実施例２６のタイプ）の、典型的な測定された電流対歪みの関係を図４１に示す。アクチュエータは、非常に短い時間で立ち上げることができる。０．２ｍ秒という短い立ち上がり時間が測定されている。立ち上がり時間は、移動量、生成された力、および運動の長さに応じている。図４２は、迅速な運動アプリケーションにおいて測定された歪みと電流との例を示す。測定は、実施例２６に示す装置で行われた。測定された加速度は、５０００ｍ／ｓ２であり、速度は、１．３ｍ／ｓである。高い加速度によって、数ｋＨｚ以下の非常に高い周波数でアクチュエータを使用することができる。アクチュエータを、能動素子を破壊することなく、異なる交流磁場によって数億回駆動できる。
【００８９】
位置決定精度が非常に高い、ということもＭＭＡアクチュエータの独自の特性である。１００ｎｍの位置決定精度が、比較的概略的なアクチュエータで測定されており、さらに高い精度を達成できる。
【００９０】
アクチュエータの出力ストロークは、ＭＭＡ素子の長さと、ＭＭＡ素子の断面積にかかる力とに応じている。また、ＭＭＡ素子の長さと、ＭＭＡ素子の断面積にかかる力とは、ＭＭＡアクチュエータの寸法に影響を及ぼす。１ｋＮ以下の力を有するアクチュエータと、５ｍｍのストロークを有するアクチュエータとが形成されてきた。しかしながら、より高い力およびストロークも達成できる。出力負荷の関数としてのアクチュエータの最大歪みを、図４３に示す。測定は、実施例３６に示す種類のアクチュエータで行なわれた。ＭＭＡアクチュエータによって高い力を達成できることが証明される。
【００９１】
ＭＭＡ素子は、磁場中で屈曲する可能性がある。屈曲するＭＭＡ素子を図５３に示す。以下の例に示すデバイスの多くは、屈曲素子のために使用することもできる。素子は、素子にある方向の磁場を印加することによって屈曲されるであろう。素子を、他の方向の磁場によって元の状態に戻すことができ、あるいは、例えば、スプリング負荷または永久磁石によって生成される力によって引き起こされる機械的な力によって、元の状態に戻すことができる。図５３ａに、屈曲ＭＭＡ素子を示し、図５３ｂに、２層（ＭＭＡ層および基材）により構成された屈曲素子を示す。基本的に、ＭＭＡ層は、粘着、接着、半田付け、蝋付け、溶接、または衝撃波などの方法によって、基板と呼ばれる基材に接合されたモノリシックＭＭＡプレートであってもよい。基板は、金属材料、セラミック材料、重合体材料、シリコン材料、Ｇａ−Ａｓ材料、複合材料または何らかの他の適切な材料でもよい。また、基板は、ＭＭＡ素子の元来の形状を回復するスプリング負荷としても作用できる。さらに、基板は、磁場誘発形状変化が上部ＭＭＡ層の磁場誘発形状変化とは異なるＭＭＡ材料でもよい。屈曲素子は、中間層は受動的であり、上部および下部層は反対方向に動作するＭＭＡ材料からなっている３つの層で構成されていてもよい。操作の一方法は、磁場が印加されると上部層が伸長し、下部層が収縮するものであろう。回復は、異なる方向の磁場を印加することによって行なえる。または、回復は機械的に行なえる。ＭＭＡ層は、単結晶材料、あるいは、配向が揃ったまたは任意に配向された多結晶材料であってもよい。単結晶材料、および、配向が揃った材料は、結晶成長方法、高速硬化方法、または変形によって生成できる。薄膜は、スパッタリング、レーザー除去または他の方法によって、基板上に形成できる。例えば、作動するＮｉ−Ｍｎ−Ｇａフィルムは、レーザーアブレーション法によって成長可能だということを証明した。適切な基板が、中間層と共に堆積される。マイクロＭＭＡデバイスは、将来、多くのアプリケーションで重要となるだろう。以下の例としてあげる多くのデバイスは、マイクロスケールにおいても適用可能である。小さなＭＭＡ素子は、リソグラフィー方法を使用して薄いＭＭＡプレートから形成することもできる。
【００９２】
ＭＭＡアクチュエータのパルス制御操作
ＭＭＡアクチュエータは、パルス制御操作（ＰＣＯ）においても使用できる。ＰＣＯの種類の運動において、アクチュエータシャフトは、電流パルスによって動く。そして、電流パルスが終了し、ダイナミック効果が取り除かれた後は、特定の位置に留まる。２種類のＰＣＯ運動がある。電流不可逆転ＰＣＯ（ＣＩＰＣＯ）と、電流可逆転ＰＣＯ（ＣＲＰＣＯ）運動とである。アクチュエータをＣＩＰＣＯ運動に使用する場合、ＭＭＡ素子を、１つの電流によって２方向（例えば、伸長と収縮）に操作することはできない。しかしながら、たとえＣＩＰＣＯ運動においても、ＭＭＡ素子を、機械的な負荷によって反対方向に動かすことはできる。ＣＲＰＣＯ運動では、素子は、電流によって伸長し、収縮する。
【００９３】
ＭＭＡ素子のＣＩＰＣＯ運動の一例を図４４に示す。アクチュエータは、バイアスする永久磁石またはスプリングなどの回復する機械的な負荷を備えていない。図４５に、ＰＣＯ運動下のＭＭＡ素子の概略的な応力−歪み曲線を示す。図４４の場合は、ＭＭＡ素子の応力−歪み状態は、最初は、点Ａである（図４４および図４５参照）。アクチュエータのコイルに電流が流れると、ＭＭＡ材料は応力および歪みを生成し、素子は伸長を開始し、最終的に点Ｂに達する。電流が０に低減されると、点Ｃに達する。点Ｂと点Ｃとの間の歪みの差がどれほど大きくなるかということは、材料パラメータに応じている。図４４に示す一例において、点Ｂと点Ｃとの間の歪みの差は小さい。多くの場合、差は小さい。
【００９４】
ＣＲＰＣＯアクチュエータは、様々に構成されていてもよい。例えば、アクチュエータは、２方向の磁場を生成できるように構成されていてもよい。一方向の磁場は、素子を伸長することができ、他方向の（例えば第１方向と９０°異なる）磁場は、ＭＭＡ素子を収縮することができる。機械的な負荷においても同様の結果となる。可逆運動の一例の測定結果を図４６に示す。アクチュエータが、永久磁石と機械的なスプリングとを備えている。この場合、ＤＣ磁場を使用してＣＲＰＣＯ運動が生成される。この場合の応力−歪み曲線は、図４５に示すものと同じである。運動は、点Ｅから始まる（図４５および図４６参照）。点Ｅは、外部からのスプリング負荷と、ＭＭＡ材料の応力を生成したＤＣ磁場とによって決定される。アクチュエータのコイルに電流が流れると、ＭＭＡ素子はより多くの応力を生成し、達成点Ｂが延長される。電流が０に低減されると、応力−歪み状態は点Ｆへ移行する。電流の方向が変更されると、結果として生じるＤＣ場が低減し、材料の応力−歪み状態は点Ｄへ移行する。電流を除去すると、操作点は点Ｅへ戻る。
【００９５】
従来の（パルスではない）方法または磁気パルスによって起動できるＭＭＡアクチュエータの一例を図４７ａおよび図４７ｂに示す。図４７ａと図４７ｂとの違いは、図４７ａでは、ＭＭＡ素子１の断面が丸く、図４７ｂにおいては、ＭＭＡ素子１の断面が長方形である点である。コイル２ａ・２ｂは、垂直方向（Ｈｙ）に磁場を生成し、コイル２ｃ・２ｄは、水平方向（Ｈｙ）に磁場を生成する。磁気コア４を使用して、コイルを支持し、遊離磁束および必要な起磁力を低減する。基本的に、強磁性コア４を省くことができ、その場合は、デバイスはより軽くなる。しかし、残念ながら、強磁性コア４を省くことは、より大きな磁気作用力が必要となる。パルス励磁は、コイルおよびＭＭＡ素子の熱を低減するために適したものである。
【００９６】
ＭＭＡデバイスは、以下のように作動する。コイル２ａ・２ｂが励磁されると、コイル２ａ・２ｂは、垂直方向の磁場Ｈｙを生成する。上記生成された磁場は、管４の内部に浸透し、ＭＭＡ素子１を変位させる。場Ｈｙだけが存在する場合は、ＭＭＡ素子は、水平方向に伸長し、垂直方向に収縮する。
【００９７】
コイル２ａ・２ｂを無励磁にし、コイル２ｃ・２ｄを励磁すると、水平方向の磁場Ｈｘが生じる。従って、ＭＭＡ素子は、垂直方向に伸長し、水平方向に収縮する。この状態は、前記の場合の反対である。コイル励磁用の２位相電流を使用することにより同様の効果が生じる。
【００９８】
この解決策の主な欠点は、ＭＭＡ素子に生じる最大の場が、１対のコイルのみによって交互に決定される点である。第２の欠点は、コイル供給のために２つの電源が必要な点である。ＭＳＭ素子は、磁気異方性を有しているので、コイルが同時に励磁されると、回転モーメントを生じる可能性がある。このモーメントは、ＭＳＭ素子を破損することもある。したがって、最良の結果が得られるのは、コイル１またはコイル２のどちらかが磁場を生成する場合である。
【００９９】
図４８ａ・４８ｂに、双方のコイル対が同時にＭＭＡ素子に磁場を生成する解決策を示す。この場合は、起磁力および損失を低減できる。コイル２ａ・２ｂに交流電流（ＡＣ）が供給されており、コイル２ｃ・２ｄに直流電流または極性を変えずに整流した電流が供給されている。したがって、例えば、コイル２ａ・２ｂを流通する同じ電流を、コイル２ｄ・２ｃのために整流できる。結果的に生じる磁場は、ＭＭＡ素子中で場所を約９０°（Ｈ１とＨ２との間）変更し、図４７ａ・４７ｂにおける結果的に生じる磁場と同じ効果が得られる。また、デバイスに供給するためにはただ１つの電源で充分である。
【０１００】
構造を簡易化し、電力消費を低減するため、図４９ａ・４９ｂに、整流された電流を有するコイルを、水平方向の場Ｈｘを生成する永久磁石３ａ・３ｂにより置換した解決策が提示されている。これによって、さらに、コイル供給用に必要な電力エレクトロニクスが簡易化される。
【０１０１】
図４９に示す原理に基づいて、ＭＭＡデバイスの一例が形成され、試験されている。各々のコイルは、直径０．７１ｍｍの導線を９８０回巻いたものである。コイルの抵抗は、２×３．４オームである。図５０ａに、コイル電流＋２Ａにおいての磁場分布を示し、図５０ｂに、コイル電流−２Ａにおいての場を示す。磁場はＭＳＭ素子の内部において配向を９０°変更し、ＭＭＡ素子の形状を変化させることがはっきりと分かる。
【０１０２】
電力生成
ＭＭＡ素子の形状が変化すると、素子の透磁率も変わる。ＭＭＡアクチュエータが、（例えば、永久磁石によって生成された）磁場を磁気回路中に有していれば、透磁率の変化は、回路中のフラックスΦｃを変化させ、アクチュエータのコイルに対する電圧ｕｅを生成する。アクチュエータのコイルが閉回路に接続されていれば、生成された電圧ｕｅの瞬間値は微分方程式：
ｕｅ＝Ｒｉ＋Ｎ（ｄΦｃ／ｄｔ）＝Ｒｉ＋（Ｎ／ｌＭＳＭ）（ｄΦｃ／ｄε）ｖ      （１）
によって定義される。ただし、Ｎはコイルの巻き数であり、ｌＭＳＭはＭＭＡ素子の長さであり、ｔは時間であり、ｖはＭＭＡ材料がその形状を変化する速度であり、Ｒはコイルの抵抗であり、ｉはコイルの電流である。したがって、誘発電圧は、ＭＭＡアクチュエータの幾何学的および材料的なパラメータと、誘発電流と、ＭＭＡ材料の速度とに依存している。
【０１０３】
したがって、材料の形状を機械的に変更することにより、電圧パルスを生成できる。なお、この電圧パルスは、閉回路において電流ｉを生成できる。既述の方法で生成された、測定電流パルスの一例を図１ｃに示す。生成された電力ｐｅの瞬間値は、
ｐｅ＝ｕｅｉ      （２）
である。
【０１０４】
図１ｃでは、特定の生成された電気的エネルギーは、１サイクルにつきＷｅ＝３．６ｋＪ／ｍ３と測定された。
【０１０５】
振動減衰デバイス  
多数のＭＭＡ材料は、高い振動減衰能力を示す。このことは、双晶境界、またはオーステナイトとマルテンサイトとの間の界面のヒステリシス運動（hysteretic motion）に基づくものである。１サイクルで体積Ｗｍｅｃｈ／Ｖ毎に消費される機械的エネルギーを、ヒステリシスループエリア
【数１】
2006521198.tif 000002
を積分することにより演算できる。ただし、σは応力であり、εは歪みであり、σＴＷはヒステリシスループの中間の応力（図４７参照）であり、εｍａｘは最大歪みである。測定された機械的なヒステリシスループの一例を、図４７に示す。概数式、等式３によれば、１サイクルで体積Ｗｍｅｃｈ／Ｖ毎に減衰される機械的なエネルギーは、１７０ｋＪ／ｍ３である。
【０１０６】
高い減衰能力は、ＭＭＡデバイスをアクチュエータとして使用する場合にも有利である。なぜなら、ＭＭＡ素子の迅速な磁場誘発された運動を、素子が構造的に振動したり、または、オーバーシュートしたりすることなく、急に停止させることができるからである。このことは、迅速な比例位置決めデバイスには特に重要である。
【０１０７】
本発明のＭＭＡデバイスが振動を減衰できる他の理由は、デバイスの生成した電力が消散されるからである。このような種類の減衰は調整可能である。減衰された機械的なエネルギーＷｄａｍｐは、ＭＭＡ素子の磁気エネルギーＷｍａｇと、電気的エネルギーＷｅと、内部機械的損失Ｗｍｅｃｈとに変化する。
Ｗｄａｍｐ＝Ｗｍａｇ＋Ｗｅ＋Ｗｍｅｃｈ
【０１０８】
したがって、減衰能力は、アクチュエータの出力電力の高さに応じている。アクチュエータの出力電力の変更は、例えば、ＭＭＡデバイスのコイルに接続されている負荷抵抗を変更することにより行なえる。
【０１０９】
多くの振動減衰アプリケーションにおいて、振動機の共振周波数をシフトすることが重要である。例えば、モーター、エンジン、またはペーパーマシンがあげられる。ＭＭＡデバイスにより、構造の剛性率を変更でき、その結果、必要に応じて、非常に短期間であっても共振周波数をシフトできる。共振周波数をシフトできることは、磁場によって弾性率を変更できるというＭＭＡ材料の特別な特性に基づいている。弾性率は、１０の係数だけ変更することもでき、双晶応力（twinning stress）のヒステリシス特性によるものである。操作が、主なヒステリシスループの中央で生じると、弾性率は小さい。材料が、主なヒステリシスループの飽和領域で操作されると、弾性率は高い。ＭＭＡ材料が磁場の中に配置されるならば、ＭＭＡ材料は応力を生成し、操作領域は飽和状態となるであろう。他方では、場が無ければ、ＭＭＡ材料の操作領域は、機械的なヒステリシスループの中央部分にある。したがって、磁場を導入することにより、材料の弾性率が変更される。
【０１１０】
以上の目的のために特に適しているＭＭＡデバイスは、２つまたはそれ以上のＭＭＡデバイスが相互に対抗して作用するデバイスである。例えば、実施例３・４・５・６・１５・１６・２２・２３・２５・２５・２６に示す。磁場を印加しても運動が生じない。なぜなら、対抗するデバイスによって生成された力が、打ち消し合うからである。網目のような効果（net effect）がＭＭＡ素子を堅くしている。
【０１１１】
最も簡単な減衰デバイスは、１つのＭＭＡ素子と、素子の負荷方向に対して垂直な磁場を生成する１つのバイアス磁石とで構成されている。これを、図５２に示す。
【０１１２】
本発明のデバイスの高い振動減衰能力は、実施例３６に示すデバイスを用いて実証された。上記デバイスに、１から１０Ｈｚの範囲の異なる周波数で、０．２５ｍｍの正弦波歪み振幅を動的に負荷した。一定の磁場（束密度０．９５Ｔ）が、アクチュエータの電磁石によって生成された。振動減衰能力は非常に高かった。損失係数は０．７と測定された。
【０１１３】
本発明は、様々な分野の使用において商業的な可能性が大きい。本発明の装置は、例えば、バルブ、ポンプ、注入機、生物医学的デバイス、位置決定デバイス、ロボット、操縦機、シェーカー、振動デバイス、振動減衰機、発電機、マイクロシステム、ファイバー光学スイッチ、電気的接続機および回路遮断器において使用できる。
【０１１４】
［実施例］
以下の実施例は、上記で説明した原理の実施形態である。以下の実施例に示すデバイスは、アクチュエータ、電力生成器、または機械的な振動減衰デバイスであるだろう。これらの実施例は、本発明を制限するものではなく、単にデバイスの動作原理を示すためのものであることを強調しておく。デバイスは、たとえデバイスの寸法、形状および／または異なる構成要素数が、以下の実施例の図に示したものと異なっていても、本発明に基づくものである。
【０１１５】
また、ＭＭＡ素子は異なる種類のＭＭＡ材料から作られていてもよいことを強調しておく。例えば、磁化が容易な方向が格子の短い軸方向であるＭＭＡ材料（例えば、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ）から素子が作られているならば、以下の実施例に示すデバイスをアクチュエータとして使用する場合、素子は、磁場方向に縮み、素子の長さの方向に伸びる。容易な磁化方向が格子の長い軸方向であれば、ＭＭＡ素子は、磁場方向に伸び、この磁場方向に対して垂直な方向に縮む。ある種のＭＭＡ材料は、磁化が簡易な平面を有している。このような材料は、例えば、Ｆｅ−Ｐｄである。以下の文章では、実施例の番号と図の番号とが相互に対応している。
【０１１６】
［実施例１］
本実施例の対照的な構造を有するデバイスを図１ａに示す。上記デバイスは、ＭＭＡ素子１、コイル２ａ・２ｂ、永久磁石（ＰＭ）３ａ・３ｂ、および磁気回路部分４ａ・４ｂ・４ｃを備えている。外部界面の部品６は、ＭＭＡ素子を支持する。すなわち、ＭＭＡ素子１の一方の端を固定し、他方の自由端は、矢印の方向に動く。支持部品６は、取り除いてもよい。取り除く場合は、ＭＭＡ素子の両端が反対の方向に動いてもよい。スプリング５は、磁場が０に低減されたとき、ＭＭＡ素子の元の形状を復元するためのプレストレス力(pre-stress force)の源として必要なものである。スプリングの代わりに、重力または他の力（例えば、外部の動体または機関によって生成された力）の源を使用できる。断面積および永久磁石の長さを適切に選択すれば、消磁を回避できるので、損失が低減される。
【０１１７】
上記デバイスは、以下の原理に基づいて動作する。コイルに流れる電流が不足している場合は、永久磁石３ａ・３ｂが磁気回路４中にバイアス場を作成する。図１の線は、デバイスの場の経路を示し、矢印は場の方向を示している。図１ａから分かるように、場の一部分は、ＭＭＡ素子を通り、そして、ＭＭＡ材料のバイアス場を作成する。デバイスのアプリケーションに応じて、バイアス場の値を選択できる。その結果、ＭＭＡ素子は全く伸びないか、部分的に伸びるか、または全体的に伸びる。
【０１１８】
コイル２ａ・２ｂは、起磁力が同じ方向であるように電気的に接続されている。ＭＭＡ素子を伸ばす必要がある場合、ＭＭＡ材料中に結果として生じる場が増すような方向に、コイル２ａ・２ｂに電流を印加する。ＭＭＡ素子を縮める必要がある場合、電流の方向は逆であり、結果として生じる場が減少する。したがって、ＭＭＡ素子の長さは同じままであるか、または、外部の力によって短くなる。長さの最も短い値は、ＭＭＡ材料に場が生じないときに得られる。
【０１１９】
上記デバイスの操作を実証するため、測定結果を、図１ｂに示す。図１ｂに、ＭＭＡ素子１の自由端に様々な値のコイル電流を印加した場合の変位を示す。この特性は、ＭＭＡ材料の双晶応力によるヒステリシスを示す。双晶応力が低ければ低いほど、ヒステリシスループ幅はより狭くなる。
【０１２０】
上記デバイスは、電力生成、または、機械的な振動減衰アプリケーションに使用してもよい。外部の力がＭＭＡ素子の形状を変形させると、ＭＭＡ材料の透磁率が変化する。ＭＭＡ材料の透磁率が変化することによって、コイル２ａ・２ｂの磁束鎖交の変化が引き起こされる。定期交換（Time-changing）磁束鎖交は、コイルの磁気作用力を誘発する。したがって、電気回路が閉鎖されれば電力が生成される。また、外部の力に関連付けられている機械的なエネルギーの一部分は、双晶応力によりＭＭＡ材料の内部に消散される。電力生成の測定結果を図１ｃに示す。図１ｃにおける測定では、外部の力によってＭＭＡ素子を迅速に圧縮してから、外部の力を取り除く。印加される力が変わると、閉鎖電気回路に電流が発生することが分かる。
【０１２１】
デバイスの振動減衰能力は、コイル２ａ・２ｂの電流によって調節できる。
【０１２２】
永久磁石が欠けていても、または、永久磁石の代わりに強磁性本体が使用されていても、デバイスは作動する。さらに、磁気回路部分４ａ・４ｂ・４ｃを１つの本体に組み込んでもよく、磁気回路部分４ａ・４ｂ・４ｃを１つの本体に組み込むことは、デバイスの構成を簡易にする。磁気回路部分４ａ・４ｂ・４ｃを１つの本体に組み込むことの欠点は、より高い起磁力を有する、より大きなコイルが必要な点である。したがって、損失電力がより大きくなり、応答時間がより長くなる。
【０１２３】
［実施例２］
本実施例のデバイスの構造を図２に示す。上記デバイスにおいて、実施例１のデバイスと異なる点は、プレストレススプリングが取り除かれている点と、磁束が補助的な強磁性部分（部品）７を介して伝導されるので、追加したバイアス磁石３ｃ・３ｄが圧縮性の回復力を生成している点とである。したがって、圧縮性の回復力は、強磁性部分７と補助的なバイアス磁石３ｃ・３ｄとの間のトラスト力（trust force）として生成される。トラスト力は、本体６ａによってＭＭＡ素子に印加される。
【０１２４】
これらの永久磁石は、強磁性の部品によって置き換えることもできる。これらの永久磁石を、強磁性の部品によって置き換える場合、永久磁石３ａ・３ｂによって生成されたバイアス場の部分は、コイル２ａ・２ｂ中の電流によって制御される漏洩磁場として、補助的な強磁性部分（部品）７へ伝わる。
【０１２５】
［実施例３］
本実施例のデバイスの構造を図３に示す。上記デバイスは、図１ａに示す実施例１のデバイスが２つ使用されている。これらのデバイスは、対向方向に相互作用し、共通の本体（機関）、または、図３に示すスプリング５に対して力を印加する。ＭＭＡ素子は、同時に伸縮する。コイル２ａ・２ｂは、双方のデバイスに共通のものであるが、別々のコイルを使用してもよい。
【０１２６】
［実施例４］
本実施例のデバイスの構造を図４に示す。上記デバイスは、図３に示した実施例３の構造に類似している。この解決策では、スプリングが無くても、本体７による可逆出力運動（力）を生成できる。なぜなら、１つのＭＭＡ素子が伸長すると同時に、この伸長したＭＭＡ素子は他のデバイス中のＭＭＡ素子を圧縮するからである。このように、ＭＭＡ素子は交互に伸縮する。コイル２ａ・２ｂは、双方のデバイスに共通のものであるが、別々のコイルを使用してもよい。
【０１２７】
［実施例５］
本実施例のデバイスの構造を図５に示す。本実施例の解決策において、図４に示す実施例４の解決策と異なる点は、永久磁石の位置と、バイアス場の生成方法とである。ここでは、永久磁石が双方のデバイスに共通している。永久磁石３ａは、磁気回路４ａ１と磁気回路４ａ２との間の部分に配置されており、永久磁石３ｂは、磁気回路４ｂ１と磁気回路４ｂ２との間の部分に配置されている。バイアス場の分布を、図５の上側の図に示す。動作原理は実施例４と同じである。
【０１２８】
［実施例６］
本実施例のデバイスを図６に示す。実施例５のデバイスと比べると、磁気回路は簡単になっている。
【０１２９】
［実施例７］
本実施例のデバイスを図７に示す。上記デバイスは、ＭＭＡ素子１、コイル２ａ・２ｂ、永久磁石３ａ・３ｂ・３ｃ・３ｄ、磁気コア４ａ・４ｂと、ヨーク４ｃ、プレストレススプリング５、および支持端部本体６を備えている。永久磁石３ａ・３ｂ・３ｃ・３ｄは、ＭＭＡ素子１の付近に配置されている。コイル２ａ・２ｂの起磁力は、同じ方向である。条件に応じて、コイルは、直列にまたは並列に接続されていてもよい。
【０１３０】
永久磁石３ａ・３ｂ・３ｃ・３ｄは、バイアス場を生成する。点線はバイアス場の経路を示している。バイアス場の一部分は、空隙９ａ・９ｂを流れるので、これらの空隙を適切に設計することにより、ＭＭＡ素子１の内部のバイアス場の値を調整することができる。界面の場合として、ヨークとコアがひっついていて空隙が無くてもよい。
【０１３１】
デバイスは、以下の原理に基づいて動作する。図７に示す方向に、起磁力を生成する電流がコイルに供給されると、ＭＭＡ素子の内部に結果として生じる場が増す。電流の方向が変更されると、結果として生じる場が減少する。したがって、ＭＭＡ素子と、ＭＭＡ素子の自由端の運動とによって生成される力が変更される。
【０１３２】
［実施例８］
本実施例のデバイスを図８に示す。上記デバイスにおいて、実施例７のデバイスと異なる点は、磁気回路の形状が２つのＣ型コアを組み合わせたものである点である。この形状の利点は、方向性鋼板を簡単に使用できる点である。なぜなら、切替磁束経路は、粒子配向と同じ配向を有しているからである。簡易化する必要があれば永久磁石を省いてもよいが、より大きなコイルが必要となる。
【０１３３】
［実施例９］
本実施例のデバイスを図９に示す。上記デバイスにおいて、実施例８のデバイスと異なる点は、コイルの数（４個）および場所のみである。コイルが磁気回路上に分散されているので、巻きの平均的な長さは短くなり、電力損失はより少ない。また、コイル２ｃ・２ｄを結合して使用することができ、平均的な巻きの長さが短縮される。
【０１３４】
［実施例１０］
本実施例のデバイスを図１０ａに示す。上記デバイスにおいて、実施例９のデバイスと少し異なる点は、永久磁石の数（たった２個あればよい）および場所のみである。この種のデバイスの操作を、変位対コイル電流の実験測定において図１０ｂに示す。
【０１３５】
［実施例１１］
本実施例のデバイスを、図１１ａ・１１ｂに示す。上記デバイスにおいて、実施例１０のデバイスと異なる点は、コイルの数が２個に減らされている点と、磁気回路が１つのＵコアを備えている点とである。このことにより、平均的な巻きの長さがさらに短縮される。巻き線が、最良の結果が得られるのは、磁気回路に沿って均一に分散している１つのコイルから製造されている場合である。図１１ａと図１１ｂとの違いは、ＭＭＡ素子１の内部のバイアス場を調整するための空隙９ａ・９ｂの位置にある。
【０１３６】
全てのこれらの解決策は、永久磁石を使用せずに実現できるが、デバイスのサイズおよび損失が大きくなるであろう。
【０１３７】
［実施例１２］
本実施例を図１２に示す。また、本実施例のデバイスは、実施例１のデバイスと同じように作動する。ここで、構造は非対称であり、１つのコイル２と１つの永久磁石３とは、ＭＭＡ素子１の同じ側に配置されている。１つのコイル２と１つの永久磁石３とを、ＭＭＡ素子１の同じ側に配置することは、デバイスの構造を簡易にする。
【０１３８】
［実施例１３］
本実施例を図１３に示す。また、本実施例は、実施例１２に類似しているが、ＭＭＡ素子１が、コイル２と永久磁石３との間に配置されている。したがって、漏洩磁場が少ない。
【０１３９】
［実施例１４］
本実施例を図１４に示す。また、本実施例は、実施例３に類似しているが、磁気回路はより簡単であり、構造は非対称である。
【０１４０】
［実施例１５］
本実施例を図１５に示す。また、本実施例は、実施例４に類似しているが、磁気回路はより簡単であり、構造は非対照である。
【０１４１】
［実施例１６］
本実施例を図１６に示す。また、本実施例は、実施例６に類似しているが、磁気回路はより簡単であり、その構造は非対称である。強磁性体は、永久磁石３ａまたは永久磁石３ｂに置き換えてもよい。
【０１４２】
［実施例１７］
本実施例を図１７に示す。本実施例の構造は、強い力がデバイスに必要である場合に、用いられる。ＭＭＡ素子１ａ・１ｂによって生成される力が、互いに重なり合う。なぜなら、上記ＭＭＡ素子１ａおよびＭＭＡ素子１ｂが、機械的には並列に作動するからである。ＭＭＡ素子は、磁気的には直列に接続されている。上記構造において、ＭＭＡ素子１ａ・１ｂの同時弾性が高まるので、デバイスの性能が改善する。
【０１４３】
［実施例１８］
本実施例を図１８に示す。実施例１７において、２つのＭＭＡ素子は、機械的には並列に作動し、磁気的には直列に作動していた。しかし、デバイスにおいて強力な出力が必要である場合、および、ＭＭＡ素子の数を増やす場合、本実施例のデバイスは、図１８ａに示すように、モジュール構造による形成に適している。ここで、ＭＭＡ素子１は、磁気回路部分４ａと磁気回路部分４ｂとの間の空隙に位置しており、コイル２ａ・２ｂが、コイル電流によって変化する場を生成する。さらに、磁気回路４ａ・４ｂの端部に、バイアス磁場を生成する永久磁石３ａ・３ｂが設置されている。図１８ｂに、６つのモジュールを含んだデバイス構造を示しているが、モジュールの数は３つ以上であればよい。
【０１４４】
設計計算によると、例えば、力が２０ｋＮでストロークが３ｍｍである、このようなタイプのデバイスの外部直径は、０．６５ｍであり、重さは約９０ｋｇである。
【０１４５】
図１８ｃに、スプリングのないＭＭＡ素子用にプレストレス負荷（pre-stress load）を生成するための一解決策を示す。この原理は、実施例２に記載した原理と同じであるが、磁力を生成するために強磁性体９が加えられている。補助バイアス永久磁石は、省略することができる。その場合は、基本バイアス磁石（base bias magnets）の漏洩磁場が、磁力を生成する。
【０１４６】
［実施例１９］
本実施例を図１９ａに示す。本実施例の解決策は、ＭＭＡ素子１ａ・１ｂを離れた２つの列として配置する場合に、用いられる。スプリングを使用する必要はない。なぜなら、強磁性体７に通風力を集中させるバイアス磁石３ａによって、プレストレスを生成できるからである。また、この解決策は、軸対称な構造（図１９ｂ）によって簡単に実現できる。図１９ｂにおいて、磁気回路４ａ・４ｂ、コイル２、および永久磁石３ａ・３ｂは、円柱形の構造とすることができる。ＭＭＡ素子１は、円柱形の空隙の内部に位置している。また、永久磁石によって生成されるバイアス場が、線と矢印とによって示されている。プラス方向にコイル電流を供給すると、ＭＭＡ素子に生じた場は増加し、ＭＭＡ素子は拡大する。コイル電流がマイナス方向の場合には、ＭＭＡ素子に生じた場は減少し、ＭＭＡ素子は縮む。永久磁石３ａを適切な位置に配置することにより、実施例２と同じ方法において、プレストレス力を生成できる。
【０１４７】
［実施例２０］
本実施例を図２０に示す。強力であって、ストロークが小さい場合、図２０に示したモジュールを組み合わせることにより、デバイスを形成できる。動作原理は、実施例２と同じである。ただ、形状だけは異なっている。
【０１４８】
［実施例２１］
本実施例を図２１に示す。本実施例の解決策は、強力であって、ストロークを小さくする必要がある場合に、より適している。全てのＭＭＡ素子１は、１つの列にある。そして、バイアス場の一部を強磁性体７を介して伝導する場合に増加する磁気ドラフト力によって、プレストレスが生成される。
【０１４９】
［実施例２２］
本実施例を図２２に示す。本実施例の目的は、実施例４と同様に、スプリングを除去することである。このために、軸８の周りを回転する補助体（機関）７を使用する。ＭＭＡ素子１ａが伸びると、ＭＭＡ素子１ａはＭＭＡ素子１ｂを圧縮する。また、ＭＭＡ素子１ｂが伸びると、ＭＭＡ素子１ｂはＭＭＡ素子１ａを圧縮する。
【０１５０】
図２２に示すように、永久磁石３ａ・３ｂによって生成されるバイアス場は、ＭＭＡ素子１ａ・１ｂの内部では逆方向を向いている。コイル２ａ・２ｂによって生成される場の方向は、同じである。したがって、図２２に示した状態では、ＭＭＡ素子１ｂの場は増加し、１ａの場は減少する。それゆえに、ＭＭＡ素子１ｂの伸張力は、ＭＭＡ素子１ａの伸張力よりも強い。結果として、ＭＭＡ素子１ｂは伸び、レバー７を回転させて、素子１ｂを圧縮する。コイルに流れる電流の方向を変えると、状態は逆になる。
【０１５１】
［実施例２３］
本実施例のデバイスの構造を図２３に示す。上記デバイスは、プレストレス力を用いずに、可逆運動（力）を生成することができる。したがって、スプリングを用いずに、デバイスの性能が改善される。デバイスは、反対側の端部から端部本体６ａ・６ｂによって支持された２つのＭＭＡ素子１ａ・１ｂを含んでいる。コイル２ａ・２ｂは、外部磁気回路部分４ａに配置されている。出力シャフト７は、磁気回路部分４ｂの中央穴に配置されている。このシャフトは、ＭＭＡ素子１ａ・１ｂの反対側の端部に接している。永久磁石３ａ・３ｂは、ＭＭＡ素子１ａ・１ｂ内部、および、磁気回路内に、バイアス場を生成する。点線はバイアス場の経路を示している。矢印で示したコイル１ａ・１ｂの起磁力は、同じ方向を向いている。
【０１５２】
デバイスは、以下の原理に基づいて動作する。コイルに流れる電流が不足していると、ＭＭＡ素子は、同じ値を有する磁場によってバイアスされる。結果として、ＭＭＡ素子は、シャフト７を逆方向に同じ力で動かそうとする。したがって、生じる力がゼロなので、シャフト７は動力のかかっていない位置にある。
【０１５３】
電流を供給し、図２３に示した方向にさらなる磁場を生成する場合、ＭＭＡ素子１ｂの場は増し、ＭＭＡ素子１ａの場は減少する。したがって、ＭＭＡ素子１ｂによって生成された力は強くなり、一方でＭＭＡ素子１ａによって生成された力は弱くなり、シャフト７は上がる。電流の方向を変えると、状態が逆になり、シャフト７は下がる。
【０１５４】
［実施例２４］
本実施例のデバイスの構造を図２４に示す。実施例２３のデバイスの主な不都合な点は、シャフト構造が非対称であるために生じてしまう曲げトルクである。したがって、デバイスは、４つのＭＭＡ素子１ａ・１ｂ・１ｃ・１ｄを含んでおり、４つのＭＭＡ素子１ａ・１ｂ・１ｃ・１ｄがシャフト７の周りに対称に配置されていることにより、２つのＭＭＡ素子１ａ・１ｃ、または、２つのＭＭＡ素子１ｂ・１ｄは同時に伸びることができる。ＭＭＡ素子の数が２倍であるという点が、本実施例の解決策と実施例２３の解決策との主な違いである。
【０１５５】
デバイスは、以下の原理に基づいて動作する。コイルに流れる電流が不足していると、ＭＭＡ素子は、同じ値を有する磁場によってバイアスされる。結果として、ＭＭＡ素子は、シャフト７を逆方向に同じ力で動かそうとする。したがって、生じる力がゼロなので、シャフト７は動力のかかっていない位置にある。
【０１５６】
電流を供給し、図２４に示した方向にさらなる磁場を生成する場合、ＭＭＡ素子１ｂ・１ｄの場は増し、素子１ａ・１ｃの場は減少する。したがって、ＭＭＡ素子１ｂ・１ｄによって生成された力は強くなり、一方でＭＭＡ素子１ａ・１ｃによって生成された力は弱くなり、シャフト７は下がる。電流の方向を変えると、状態が逆になり、シャフト７は上がる。
【０１５７】
ＭＭＡ素子とシャフト構造とが対称に位置しているので、曲げトルクは無くなり、デバイスの動的および静的性能が改善される。
【０１５８】
［実施例２５］
本実施例のデバイスの構造を図２５ａに示す。上記デバイスにおいて、実施例２４のデバイスと異なる点は、永久磁石３ａ・３ｂが、磁気回路４の内部に配置されていることである。このように改善することにより、ＭＭＡ素子の配置されている空隙が固定されて機械的により安定する。図２５ｂにおいて、ＭＭＡ素子の一測定結果を示している。グラフから分かるように、変位はコイル電流に応じて決まり、この特性はヒステリシスを示している。また、コイル電流の値がゼロであるところで位置を保持できる、ということも分かる。したがって、多くのアプリケーションでは、デバイスは電力を消費せずに位置を保ち、電力は位置を変更する場合にのみ必要である。
【０１５９】
［実施例２６］
本実施例のデバイスの構造を図２６ａに示す。上記デバイスの構造は、実施例１のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成していた永久磁石は、除去されている。したがって、コイルの電流のみが、分割されたＭＭＡ素子部分１ａ・１ｂに磁場を生成する。また、磁気回路４ａ・４ｂ・４ｃの部分を、製造に便利なユニット（モジュール）に結合できる。
【０１６０】
ヒステリシスを得るためにバイアスする必要がある場合、磁気コア部分を、保磁力の高い強磁性体材料によって製造できる。
【０１６１】
図２６ｂには、図２６ａと同じデバイスが示されているが、デバイスを貫通したシャフト７が備えられている。したがって、ＭＭＡデバイスは、２つの出力部を有している。そのうちの１つは、例えば、位置センサに用いられ、もう１つは、動作の生成に用いられる。貫通しているシャフトを用いることにより、多くのＭＳＭデバイスを組み合わせることができ、その結果、各デバイスの力を重ね合わせることができる。このようにして、強い力を得るために、デバイスの断面積を低減できる。このことは、断面領域が制限される多くのアプリケーションにおいて重要である。また、ＭＭＡデバイスの全質量および損失を、磁気回路と、別々のアクチュエータのコイルとを結合することにより、低減できる。この一体型シャフト原理を、前後に示すＭＭＡデバイスの全ての他の実施例に用いてもよい。
【０１６２】
同じように、力を逆方向に生成するアクチュエータを組み合わせてもよい。この場合は、外部プレストレス力の源（external pre-stress force source）が必要なくなり、可逆運動が得られる。逆向きのアクチュエータは、交互に励磁される。
【０１６３】
［実施例２７］
本実施例のデバイスの構造を図２７に示す。上記デバイスの構造は、実施例２のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、コイルの電流のみが、ＭＭＡ素子の磁場を生成する。
【０１６４】
［実施例２８］
本実施例のデバイスの構造を図２８に示す。上記デバイスの構造は、実施例３のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、コイルの電流のみが、ＭＭＡ素子に磁場を生成する。
【０１６５】
［実施例２９］
本実施例のデバイスの構造を図２９に示す。上記デバイスの構造は、実施例８のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、コイルの電流のみが、ＭＭＡ素子に磁場を生成する。
【０１６６】
［実施例３０］
本実施例のデバイスの構造を図３０に示す。上記デバイスの構造は、実施例９のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、コイルの電流のみが、ＭＭＡ素子に磁場を生成する。
【０１６７】
［実施例３１］
本実施例のデバイスの構造を図３１ａ・３１ｂに示す。上記デバイスの構造は、実施例１１のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、コイルの電流のみが、ＭＭＡ素子に磁場を生成する。
【０１６８】
［実施例３２］
本実施例のデバイスの構造を図３２に示す。上記デバイスの構造は、実施例１２のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、コイルの電流のみが、ＭＭＡ素子に磁場を生成する。
【０１６９】
［実施例３３］
本実施例のデバイスの構造を図３３に示す。上記デバイスの構造は、実施例１４のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、コイルの電流のみが、ＭＭＡ素子に磁場を生成する。
【０１７０】
［実施例３４］
本実施例のデバイスの構造を図３４に示す。上記デバイスの構造は、実施例１７のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、コイルの電流のみが、ＭＭＡ素子に磁場を生成する。
【０１７１】
［実施例３５］
本実施例のデバイスの構造を図３５ａ・３５ｂ・３５ｃに示す。上記デバイスの構造は、実施例１８のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、コイルの電流のみが、ＭＭＡ素子に磁場を生成する。
【０１７２】
［実施例３６］
本実施例のデバイスの構造を図３６ａ・３６ｂ・３６ｃに示す。上記デバイスの構造は、実施例１９のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、コイルの電流のみが、ＭＭＡ素子に磁場を生成する。また、図３６ｃは、プレストレススプリング５を備えた本体７ａによってＭＭＡ素子にあらかじめ圧力を加える一体型シャフト７ｂを使用する場合を、示している。
【０１７３】
［実施例３７］
本実施例のデバイスの構造を図３７に示す。上記デバイスの構造は、実施例２０のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。点線は、コイルの電流によって生成された場の経路を示している。
【０１７４】
［実施例３８］
本実施例のデバイスの構造を図３８に示す。上記デバイスの構造は、実施例２１のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。
【０１７５】
［実施例３９］
本実施例のデバイスの構造を図３９に示す。上記デバイスの構造は、実施例２２・２３のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、シャフト７の可逆運動を得るために、および、ＭＭＡ素子１ａ・１ｂの動作を交互に得るために、コイル２ａ・２ｂは、交互に励磁される。点線は、コイルによって生成された磁場の経路を示している。
【０１７６】
［実施例４０］
本実施例のデバイスの構造を図４０に示す。上記デバイスの構造は、実施例２５のデバイスの構造と同じであり、同じように動作する。しかし、バイアス場を生成する永久磁石は除去される。したがって、シャフト７の可逆運動を得るために、および、ＭＭＡ素子の一対１ａ‐１ｃ・１ｂ‐１ｄの動作を交互に得るために、コイル２ａ・２ｂは、同時に励磁される。しかし、それら（２ａ‐２ｂおよび２ｃ‐２ｄ）の一対では、電流の方向は交互に変化する。点線は、コイルによって生成された磁場の経路を示している。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１ａ】対称構造を有するバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１ｂ】バイアスされたデバイスの運動の実験測定結果を示す図である。
【図１ｃ】バイアスされたデバイスのパワー生成の実験測定結果を示す図である。
【図２】対称構造と永久磁石回復力生成とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３】対称構造と同時に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図４】対称構造と交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図５】対称構造と交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図６】対称構造と交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図７】対称構造とＭＭＡ素子の近くに配置された永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図８】２つのコイルと、Ｃコア磁気回路と、ＭＭＡ素子の近くに配置された永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図９】４つのコイルと、Ｃコア磁気回路と、ＭＭＡ素子の近くに配置された永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１０ａ】４つのコイルと、Ｃコア磁気回路と、ＭＭＡ素子の近くに配置された２つの永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１０ｂ】デバイスの測定結果を示す図である。
【図１１】２つのコイルと、Ｕコア磁気回路と、ＭＭＡ素子の近くに配置された永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１２】コイルと永久磁石とがＭＭＡ素子の同じ側に配置されている非対称構造を有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１３】コイルと永久磁石とがＭＭＡ素子の反対側に配置されている非対称構造を有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１４】非対称構造と同時に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１５】非対称構造と交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１６】非対称構造と交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１７】機械的には並列に作動し、および磁気的には直列に作動するダブルＭＭＡ素子を有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１８】機械的には並列に作動し、および磁気的には直列に作動する多数のＭＭＡ素子を有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１９ａ】機械的にも、および磁気的にも並列に作動するダブルＭＭＡ素子を有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図１９ｂ】軸対称構造と、機械的にも、および磁気的にも並列に作動するＭＭＡ素子とを有する、共通にバイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図２０】ＭＭＡ素子が機械的には並列に作動する、バイアスされたデバイスの１つのモジュールの構造を示す図である。
【図２１】バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図２２】可逆回転運動を生成するために交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子を有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図２３】シャフトの可逆線形運動を生成するために交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子を有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図２４】シャフトの可逆線形運動を生成するために交互に伸縮する４つのＭＭＡ素子を有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図２５ａ】シャフトの可逆線形運動を生成するために交互に伸縮する４つのＭＭＡ素子と、位置を改善した永久磁石とを有する、バイアスされたＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図２５ｂ】ＭＭＡデバイスの変位とコイル電流との測定結果を示す図である。
【図２６ａ】対称構造を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図２６ｂ】対称構造と貫通シャフトとを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図２７】対称構造と、回復力を生成する永久磁石とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図２８】対称構造と同時に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有する、ＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図２９】２つのコイルとＣコア磁気回路とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３０】４つのコイルとＣコア磁気回路とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３１ａ】２つのコイルとＵコア磁気回路とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３１ｂ】２つのコイルとＵコア磁気回路とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３２】非対称構造を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３３】非対称構造と同時に伸縮するダブルＭＭＡ素子とを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３４】機械的には並列に作動し、および磁気的には直列に作動するダブルＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３５】機械的には並列に作動し、および磁気的には直列に作動する複数のＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３６ａ】機械的にも、および磁気的にも並列に作動するダブルＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３６ｂ】円の中に配置されており、機械的にも、および磁気的にも並列に作動するＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３６ｃ】円の中に配置されており、機械的にも、および磁気的にも並列に作動するＭＭＡ素子と、一体型のシャフトとを有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図３７】ＭＭＡ素子が機械的には並列に作動するＭＭＡデバイスの１つのモジュールの構造を示す図である。
【図３８】並べて配置されているＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの１つのモジュールの構造を示す図である。
【図３９】シャフトの可逆線形運動を生成するために交互に伸縮するダブルＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図４０】シャフトの可逆線形運動を生成するために交互に伸縮する４つのＭＭＡ素子を有するＭＭＡデバイスの構造を示す図である。
【図４１】ＭＭＡアクチュエータの測定された歪み対電流の関係を示す図である。
【図４２】ＭＭＡアクチュエータの測定された歪みおよび電流を示す図である。
【図４３】測定された最大歪みを、ＭＭＡアクチュエータからの対向負荷の関数として示す図である。
【図４４】電流不可逆転パルス制御操作におけるＭＭＡアクチュエータの測定されたストロークと、アクチュエータのコイルの電流とを示す図である。
【図４５】パルス制御された操作下でのＭＭＡ素子の概略的な応力対歪みを示す図である。
【図４６】電流可逆転パルス制御操作におけるＭＭＡアクチュエータの測定されたストロークと、アクチュエータのコイルの電流とを示す図である。
【図４７ａ】円形のＭＭＡ素子を有し、交互に作動する２つの直交コイルシステムによって、直交する（ｘおよびｙ方向）２つの場が生成されるＭＭＡデバイスの基本構造を示す図である。
【図４７ｂ】長方形のＭＭＡ素子を有し、交互に作用する２つの直交コイルシステムによって、直交する（ｘおよびｙ方向）２つの場が生成されるＭＭＡデバイスの基本構造を示す図である。
【図４８ａ】円形のＭＭＡ素子を有し、同時に作用する２つの直交コイルシステムによって、直交する２つの場が生成されるデバイスの基本構造を示す図である。
【図４８ｂ】長方形のＭＭＡ素子を有し、同時に作用する２つの直交コイルシステムによって、直交する２つの場が生成されるデバイスの基本構造を示す図である。
【図４９ａ】円形のＭＭＡ素子を有し、コイルシステムと永久磁石とによって、直交する２つの場が生成されるデバイスの基本構造を示す図である。
【図４９ｂ】長方形のＭＭＡ素子を有し、コイルシステムと永久磁石とによって、直交する２つの場が生成されるデバイスの構造を示す図である。
【図５０ａ】コイルの正の電流と負の電流とのＭＭＡデバイスにおける磁場パターンを示す図である。
【図５０ｂ】コイルの負の電流のＭＭＡデバイスにおける磁場パターンを示す図である。
【図５１】ＭＭＡ材料の機械的なヒステリシスループを示す図である。
【図５２】振動減衰デバイスを示す図である。磁気回路４は、軸対称であってもよい。
【図５３ａ】屈曲ＭＭＡ素子を示す図である。ＭＭＡ素子には符号１が付されており、基材には符号２の印が付されている。
【図５３ｂ】Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ膜１が基板２上にある屈曲ＭＭＡ素子を示す図である。
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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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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【図１０ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５ｂ】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図５０ａ】
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【図５０ｂ】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３ａ】
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【図５３ｂ】
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【国際調査報告】
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