(57)【要約】【課題】従来の磁歪アクチュエータでは、特に、高周波の外部磁界の変化に対して、増大された渦電流が発生するために、この渦電流が磁歪素子の電気抵抗となってジュール熱を発生させ、エネルギー変換効率が悪かった。【解決手段】複数個の超磁歪素子の分割片３を束ねて結合した柱状の磁歪素子結合体７と、その磁歪素子結合体７の外周部に巻装された磁界励磁用のコイル２２と、を有する。【選択図】図１３
2009225547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の磁歪素子の分割片を束ねて結合した柱状の磁歪素子結合体と、
前記磁歪素子結合体の外周部に巻装された磁界励磁用のコイルと、を有する
磁歪アクチュエータ。
【請求項２】
前記磁歪素子結合体は、円筒形状を有する磁歪素子を軸方向に沿って分割することにより形成される複数個の磁歪素子分割片を有し、
前記複数個の磁歪素子分割片を、互いの分割面を接合して１個の磁歪素子結合体を形成した
請求項１記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項３】
前記磁歪素子分割片は、前記磁歪素子を、その軸心線を通る一又は二以上の面により切断して形成した
請求項２記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項４】
前記磁歪素子分割片は、前記磁歪素子を、二以上の互いに平行をなす面又は二以上の互いに相似形をなす面により切断して形成した
請求項２記載の磁歪アクチュエータ。
【請求項５】
振動板と、
前記振動板を振動させる磁歪アクチュエータと、を備え、
前記磁歪アクチュエータは、
複数個の磁歪素子の分割片を束ねて結合した柱状の磁歪素子結合体と、
前記磁歪素子結合体の外周部に巻装された磁界励磁用のコイルと、を有し、
前記磁歪アクチュエータの駆動により前記振動板を振動させて音声を発生させる
磁歪アクチュエータを用いた電子機器。
【請求項６】
シャフトに移動可能に支持された移動体と、
前記シャフトを振動させる磁歪アクチュエータと、を備え、
前記磁歪アクチュエータは、
複数個の磁歪素子の分割片を束ねて結合した柱状の磁歪素子結合体と、
前記磁歪素子結合体の外周部に巻装された磁界励磁用のコイルと、を有し、
前記磁歪アクチュエータの駆動により前記シャフトを振動させて前記移動体を前記シャフトに沿って移動させる
磁歪アクチュエータを用いた電子機器。
【請求項７】
冷媒が循環可能とされた流路と、
前記流路内に設けられ且つ前記冷媒を移動させるポンプ部を有する磁歪アクチュエータと、を備え、
前記磁歪アクチュエータは、
複数個の磁歪素子の分割片を束ねて結合した柱状の磁歪素子結合体と、
前記磁歪素子結合体の外周部に巻装された磁界励磁用のコイルと、を有し、
前記ポンプ部の駆動により前記冷媒を移動させて冷却対象物を冷却させる
磁歪アクチュエータを用いた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部磁界の印加により磁歪を生じる磁歪素子を有する磁歪アクチュエータ、及び、その磁歪アクチュエータを備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、振動や変位を発生するアクチュエータとして、外部磁界の印加により磁歪を生じる磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータが知られている。この磁歪アクチュエータの磁歪素子の材料としては、例えば、Ｎｉ系磁歪合金やフェライト系磁歪合金等が主に用いられている。また、最近では、これらＮｉ系磁歪合金やフェライト系磁歪合金等の磁歪素子に比べて１桁以上も大きな変位を発生することができる希土類金属−遷移金属系超磁歪合金が提供されるようになった。
【０００３】
従来の、この種の磁歪アクチュエータとしては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがある。特許文献１には、磁界励磁用コイルから磁歪素子に効率良く磁界を印加できる磁歪アクチュエータに関するものが記載されている。この特許文献１に係る磁歪アクチュエータ（以下、「第１の従来例」という。）は、次の通りである。即ち、磁歪素子を円筒形状にすると共に、前記円筒形状の磁歪素子の内周部及び外周部に夫々巻装された磁界励磁用コイルを配した、ことを特徴としている。
【０００４】
また、従来の磁歪アクチュエータの他の例としては、例えば、特許文献２に記載されているようなものもある。特許文献２には、高周波領域で使用可能な超磁歪素子に関するものが記載されている。この特許文献２に係る超磁歪素子（以下、「第２の従来例」という。）は、次の通りである。即ち、全体として略柱形状を有し、外部磁場の作用により伸び縮みする方向を軸方向としたとき、軸直角方向で切った断面が磁歪材料よりなる磁歪部と絶縁材料よりなる絶縁部とで構成されている。磁歪部及び絶縁部は軸方向に連続し、軸直角方向で切った断面において、磁歪部の周囲長の合計が該磁歪部と同一断面積をもち磁歪材料のみからなる超磁歪素子の周囲長よりも長い、ことを特徴としている。
【特許文献１】特開２００５−８０４６２号公報
【特許文献２】特開平５−１２９６７７号公報
【０００５】
しかしながら、上述した第１及び第２の従来例の場合には、磁歪素子の軸方向と直交する方向の断面形状がリング形状又は円形状になっていた。そのため、外部磁界の印加によって磁歪を生じさせる際に、磁歪素子に誘導電流となる渦電流が発生し、特に、高周波の外部磁界の変化に対して、増大された渦電流が発生する。その結果、この渦電流が磁歪素子の電気抵抗となってジュール熱を発生させるために、エネルギー変換効率が悪いという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする問題点は、従来の磁歪アクチュエータでは、特に、高周波の外部磁界の変化に対して、増大された渦電流が発生するために、この渦電流が磁歪素子の電気抵抗となってジュール熱を発生させ、エネルギー変換効率が悪いという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の磁歪アクチュエータは、複数個の磁歪素子の分割片を束ねて結合した柱状の磁歪素子結合体と、その磁歪素子結合体の外周部に巻装された磁界励磁用のコイルと、を有する。
【０００８】
また、本発明の磁歪アクチュエータを用いた電子機器は、磁歪アクチュエータの駆動により振動板を振動させて音声を発生させ、或いは、磁歪アクチュエータの駆動によりシャフトを振動させて移動体をシャフトに沿って移動させ、若しくは、ポンプ部を有する磁歪アクチュエータの駆動により冷媒を移動させて冷却対象物を冷却させる、ことによって実現される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の磁歪アクチュエータによれば、複数個の磁歪素子の分割片を束ねて結合した柱状の磁歪素子結合体に磁界励磁用のコイルを巻装することにより、渦電流の発生を抑制することができ、ジュール損失を抑制して、駆動効率の優れた磁歪アクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
複数個の磁歪素子の分割片を束ねて結合して柱状の磁歪素子結合体を構成することにより、渦電流の発生を効果的に抑制し、磁歪アクチュエータの駆動効率を高めることができる。
【実施例１】
【００１１】
以下に、本発明の磁歪アクチュエータ及びその磁歪アクチュエータを用いた電子機器の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１２】
まず、磁歪素子について説明する。磁歪素子の材料としては、例えば、Ｎｉ系磁歪合金、Ｆｅ−Ａｌ系磁歪合金、フェライト系磁歪合金、希土類金属−遷移金属系超磁歪合金等を挙げることができる。この磁歪素子が伸長するか収縮するかは、その構成材料に依存し、Ｎｉ系磁歪合金では主に収縮するが、Ｆｅ−Ａｌ系磁歪合金、フェライト系磁歪合金及び希土類金属−遷移金属系超磁歪合金では主に伸長する。特に、超磁歪素子を形成する希土類金属−遷移金属系超磁歪合金では、他の磁歪素子に比べて１桁以上も大きな変位量を発生する。そのため、本実施例においては、磁歪素子として希土類金属−遷移金属系超磁歪合金を用いた例について説明する。
【００１３】
超磁歪素子を用いた超磁歪アクチュエータの動特性を改善し、駆動効率を高めるためには、超磁歪素子に発生する渦電流を、いかにして抑制するかが重要となる。
そこで、本発明では、予め設計された柱状の超磁歪素子を、その軸方向に分割して複数個の磁歪素子の分割片を形成し、その複数個の分割片を束ねて接着剤で結合して、１個の磁歪素子結合体を構成する。これにより、磁歪素子結合体と従来の磁歪素子とを比較し、本発明の磁歪素子結合体が渦電流の抑制効果に優れていることを明らかにした。なお、複数の分割片は、一般的には接着剤を用いて接合するが、粘着テープを用いて接合しても良い。
【００１４】
本実施例では、有限要素法（ＦＥＭ）による超磁歪アクチュエータの電磁場に関する数値シュミレーションを実施し、駆動コイルに与える電圧と超磁歪材料に発生する渦電流との関係について、渦電流損失の計算結果を元に定量的な考察を行った。その結果、超磁性材料を絶縁スリットによって複数個に分割することにより、磁性材料の表面にて発生する渦電流を効果的に抑制できることを示すと共に、各種のスリットパターンと発生する渦電流との関係を数値シュミレーションを用いて定量的に明らかにした。
よって、後述する計算により、磁歪素子を駆動するための省電力化、或いは渦電流の抑制効果が明らかになり、高効率の超磁歪アクチュエータを作成する事前検討が可能になった。
【００１５】
現在までは、超磁歪素子の基本的な物性データは積極的に取得されていなかった。その理由は、超磁歪素子は、外部磁界の変化による素子自身の伸縮があるので、その伸縮により透磁率μの値が変化してしまうことに起因している。
しかし、超磁歪アクチュエータ或いは振動子の作製に当っては、例え外部磁界がかかっていなくても、外部磁界による振動子の変化前のＢＨ（Ｂ＝磁束密度、Ｈ＝磁束）カーブを取得することにより、透磁率μを逐次計算に盛り込むことができる。そのため、渦電流による超磁歪素子のジュール損失の初期設計や見積もりに効果的である。
【００１６】
従来は、超磁歪素子のアクチュエータや振動子として、磁界変化を起こすための最適振幅が起これば良いとの発想に止まっていた。その結果、超磁歪素子の振幅のエネルギー効率化や振幅を得るための最適な磁界発生回路等の研究があまりなされてこなかった。
以上の内容を鑑み、この発明の具体例として示す超磁歪素子エレメントの分割方法と渦電流の計算方法を用いて、超磁歪アクチュエータ或いは振動子の超磁歪素子における周波数別の渦電流によるジュール損失を予め計算できるようにしておく。これにより、高周波での表皮効果も考慮して、エレメント分割の最適化を行い、超磁歪アクチュエータ及び振動子の好適な設計を可能とすることができる。
【００１７】
図１及び図２Ａ，２Ｂは、本発明の超磁歪アクチュエータに用いられる超磁歪素子１の第１の実施の例を示すものである。
高周波電圧をコイルに印加した場合、レンツの法則に従うと，磁歪材料には渦電流が発生する。渦電流には周波数依存性があり、周波数が高くなると、表皮効果がより顕著となり、素子表面上に電流が流れる傾向が強くなる。この渦電流のジュール損失を低減させるため、本発明では、図１等に示すように、超磁歪素子の長手方向（軸方向）に絶縁のためのスリット２を設ける。このスリット２により、柱状の一具体例を示す断面形状が円形をなす円柱状の磁歪材料を、その軸方向に沿って一以上の箇所で分割し、複数個の磁歪素子の分割片３を形成する。
【００１８】
図１に示す実施例は、円柱状の磁歪材料を、等角度間隔にて交差する４つの断面で切断し、同一形状及び大きさを有する８個の分割片３を形成した（以下「スリットタイプ１」という。）ものである。また、図３Ａ〜３Ｆは、円柱状の磁歪材料を、その軸方向に沿って分割する他の実施例を示すものである。
【００１９】
即ち、図３Ａは、円柱状の磁歪材料を、その軸心線を通る１つのスリット２によって中央部を断面し、これにより、２個の分割片３を形成した実施例（以下「スリットタイプ２」という。）を示すものである。図３Ｂは、円柱状の磁歪材料を、その軸心線を通り且つ互いに直交する２つのスリット２によって直交する２方向に断面し、これにより、４個の分割片３を形成した実施例（以下「スリットタイプ３」という。）を示すものである。そして、図３Ｃは、円柱状の磁歪材料を、その軸心線を通り且つ等角度間隔で交差する８つのスリット２によって８方向に断面し、これにより、１６個の分割片３を形成した実施例（以下「スリットタイプ４」という。）を示すものである。
【００２０】
また、図３Ｄは、円柱状の磁歪材料を、その軸心線を通り且つ互いに直交する２つのスリット２による断面と、更に４５度の交差角度を有するスリット２による第３の断面とによって６個の分割片３ａ，３ｂを形成した実施例（スリットタイプ５）を示すものである。更に、図３Ｅは、円柱状の磁歪材料を、互いに平行をなす５つのスリット２によって５箇所で断面し、これにより、６個の分割片３ａ〜３ｆを形成した実施例（スリットタイプ６）を示すものである。そして、図３Ｆは、円柱状の磁歪材料を、略相似形をなす波形の３つのスリット２によって３箇所で断面し、これにより、４個の分割片３ａ〜３ｄを形成した実施例（スリットタイプ７）を示すものである。しかしながら、本発明に係るスリットの形態は、この実施例のものに限定されるものでないことは勿論である。
【００２１】
次に、図１に示すスリット（スリットタイプ１）及び図３Ａ〜３Ｃに示すスリット（スリットタイプ２〜４）の形態と、図２３に示すスリットの無い形態（スリット無し）とに基づいて、絶縁用のスリット２の数が渦電流のジュール損失に及ぼす影響と、電流の周波数変化に伴う渦電流特性の変化について、数値シュミレーションを用いて説明する。
【００２２】
超磁歪素子に発生する渦電流の解析に際しては、コイルに印加される電圧、即ち、コイルの電流値を計算条件として与える。その際に、超磁歪素子に発生する渦電流、更には渦電流により生じるエネルギー損失を見積もることが重要となる。
この解析に必要な基礎理論について、簡単に説明する。
【００２３】
磁場の変化によって誘起される起電力ｅは、ファラデーの電磁誘導の法則から、次の（１）式によって与えられる。
【数１】
2009225547.tif 000003
ここで、φは磁場を表し、磁束密度Ｂ、面積Ｓを用いると、φ＝Ｂ・Ｓと定義される。
【００２４】
また、超磁歪素子の表層を流れる渦電流Ｊｅは、次の（２）式によって与えられる。
【数２】
2009225547.tif 000004
ここで、Ａは磁気ベクトルポテンシャル、σは応力を表す。
【００２５】
コイルに流れる電流をＪ０とすると、総電流量はＪ０とＪｅの和になるから、磁気ベクトルポテンシャルＡとの間に、次の（３）式として示す関係式が成立する。
【数３】
2009225547.tif 000005
ただし、νは、透磁率μを用いて、ν＝１／μと定義される。
【００２６】
また、電荷の連続性を考慮すると、渦電流Ｊｅ、磁気ベクトルポテンシャルＡ、磁場φとの間には、次の（４）式が成立する。
【数４】
2009225547.tif 000006
よって、（３）式と（４）式を連立して解くことにより、外部磁場に対して発生する渦電流Ｊｅ並びに渦電流Ｊｅに基づき超磁歪材料にて発生するジュール損失を求めることができる。
【００２７】
次に、図４に示す超磁歪アクチュエータ５を、図５に示す簡易的なモデルに置き換えて解析を行う。図４に示すように、超磁歪アクチュエータ５は、ハウジングとなっている円筒状ヨーク６と、この円筒状ヨーク６の穴６ａ内に収納された超磁歪素子組立体７等を備えて構成されている。超磁歪素子組立体７は、円柱状をなす超磁歪素子８と、この超磁歪素子８の外側に所定の隙間をあけて嵌合された円筒状のマグネット９と、このマグネット９の外側に巻装された円筒状をなす磁歪駆動用のコイル１０等を有している。この円柱状に組み立てられた超磁歪素子組立体７が、円筒状ヨーク６の穴６ａ内に収納されている。
【００２８】
また、超磁歪素子組立体７の下には下部ヨーク部１１が配置され、超磁歪素子組立体７の上には上部ヨーク１２が配置されている。超磁歪素子８の軸方向の一端である上端には、例えば、炭素軸によって構成される駆動ロッド１３が接着剤により接合されて一体に構成されている。この駆動ロッド１３は、上部ヨーク１２に設けた中央穴を貫通して上方に突出されている。
【００２９】
図５に示す超磁歪アクチュエータ５の簡易モデルは、超磁歪素子８とコイル１０のみからなり、解析モデルの軸対称性を考慮して、全体の１／４の部分のみをモデル化して示している。そして、有限要素法（ＦＥＭ）を適用するにあたり、超磁歪素子８とコイル１０を、図６に示すように、３次元４面体要素を用いて分割した。中央部が超磁歪素子８であり、その外側にコイル１０が配置されている。そして、コイル１０の外側がエアー（大気）となっている。また、外部磁場の作用領域に関しては、コイル外径の５倍の領域を対象として、図６に示すように要素分割を行った。なお、解析に際しては、汎用電磁界解析ソフトウェアＪＭＡＧを用いた。
【００３０】
ところで、電磁界解析、特に、渦電流の解析では、一般に、未知物理量を要素辺上にて定義するタイプの要素（辺要素）が持ち入れられることが多い。そこで、この実施例におけるＦＥＭ解析では、図７に示すような４面体における６つの辺上に物理変数を定義するタイプの辺要素を用いて解析を行った。
【００３１】
コイル１０の外径を１２［ｍｍ］、内径を６．８［ｍｍ］、高さを１０．２［ｍｍ］とし、コイル１０の巻き数を２００、抵抗値を３［Ω］とした。また、超磁歪素子８の半径を４．６［ｍｍ］とし、その導電率を６０×１０−８［Ωｍ］とした。なお、磁歪材料においては、一般に、透磁率μは一定ではなく、磁界Ｈと磁束密度Ｂの関係は非線形になる。この実施例では、ＥＴＥＲＭＡ社製の超磁歪素子の実測データをもとに、磁界Ｈと磁束密度Ｂの関係を図９のグラフで示すように与えた。図９において、横軸に磁界Ｈ［Ａ／ｍ］をとり、縦軸に磁束密度Ｂ［Ｔ］をとっている。
【００３２】
また、超磁歪素子８に誘導される渦電流の抑制効果を確認するため、スリットの形状は、図１（スリットタイプ１）及び図３Ａ〜３Ｃ（スリットタイプ２〜４）に示す４つの形状とした。そして、コイル１０に印加する電圧は、振幅５０［Ｖ］、周波数１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ及び１ＭＨｚの３種類のサイン(sin)波形として与えた。更に、計算は、sin波形２周期分の時間について行い、解析全時間を４８ステップに離散化して数値計算を行った。なお、有限要素への分割に際しては、渦電流の表皮効果を考慮して、図８に示すように、超磁歪素子８の表面部分をより細かく分割した。
【００３３】
まず、渦電流の表皮効果について検討する。
電流（磁場）の周波数をｆ、超磁歪材料の電気抵抗率をρ、透磁率をμとすると、渦電流における電流の浸透深さδは、次の（５）式によって与えられる。
【数５】
2009225547.tif 000007
ただし、μ０は真空の透磁率、μｒは超磁歪材料の比透磁率である。
この電流透磁率深さδは、導体表面にて発生する渦電流が約０．３６８倍に減少する深さとして定義される。
【００３４】
例えば、μ０＝４π×１０−７［Ｈ／ｍ］、μｒ＝８．０、ρ＝６０×１０−８［Ωｍ］として、１００Ｈｚから１ＭＨｚまでの電流浸透深さδを計算すると、表１のようになる。
【表１】
2009225547.tif 000008
【００３５】
即ち、表１の結果から、周波数が高くなるほど渦電流の表皮効果が顕著となることが明らかになった。外部コイルに印加する電圧周波数を１０ｋＨｚとした場合において、図２３に示すスリット無しの超磁歪素子１００における内部の渦電流の解析結果が図２４Ａ，２４Ｂである。そして、スリットタイプ１の超磁歪素子１における内部の渦電流の解析結果が図２Ａ，２Ｂである。なお、図２Ａ，２Ｂ及び図２４Ａ，２４Ｂにおいて、ともに計算ステップ８（ｔ＝２９．２［μｓ］）の場合の結果を示した。これらのベクトル図から明らかなように、超磁歪素子にスリットを設けて複数個の分割片を形成し、それらの分割片を束ねて１個の超磁歪素子を構成することにより、超磁歪素子の内部における渦電流の発生が抑制されていることが確認された。
【００３６】
電圧周波数が１０ｋＨｚの場合について、超磁歪材料のジュール損失を計算した結果を、図１０に示す。更に、１００ｋＨｚの場合について、超磁歪材料のジュール損失を計算した結果を、図１１に示す。そして、１ＭＨｚの場合について、超磁歪材料のジュール損失を計算した結果を、図１２に示す。１０ｋＨｚ及び１００ｋＨｚの場合には、スリット無しからスリットタイプ３までの４つの結果を示している。これに対して、最も高周波の１ＭＨｚの場合には、スリット無しからスリットタイプ３までの結果に加えて、スリットタイプ４を含めた５つの結果を示している。
【００３７】
図１０〜図１２から明らかなように、周波数１００ｋＨｚ以下の結果を見る限り、絶縁スリットを設けることによってジュール損失が抑制されていることが確認できた。総じて、絶縁スリットの数は、少ない場合よりも増やした場合の方がジュール損失は小さくなる傾向にあるが、電圧周波数が高くなるに伴って表皮効果が顕著に現れるようになり、結果として絶縁スリットの効果は小さくなっている。この傾向は、周波数１ＭＨｚになると顕著となり、図１２に見る限りにおいては、スリットタイプ１、２及び３のいずれの場合にも、絶縁スリットを用いた効果は殆ど見られなくなった。
【００３８】
また、表１に示したように、１ＭＨｚ程度の高周波電圧を印加する場合、渦電流は主に表層の０．１４ｍｍ程度の部分に流れることになる。即ち、絶縁スリット内部には渦電流が遮断されず、超磁歪素子の表層に沿って電流が流れる傾向が強くなり、結果として、ジュール損失の抑制効果が失われると考えられる。
但し、高周波電流（１ＭＨｚ）の場合においても、図１２を見る限り、スリットタイプ４では、ジュール損失を最大で約５０％程度低減できていることがわかる。従って、絶縁スリットを増加させると、導体部分における表層の相対面積比が小さくなり、導体内部の絶縁分割部で消費される渦電流が増加する。その結果として、高い周波数においても、ジュール損失を抑制できるものと考えられる。
【００３９】
このように、渦電流によるジュール損失は、超磁歪材料に絶縁スリットを設けることにより抑制可能であるが、コイルへの印加電圧の周波数が高くなるほど絶縁スリットがジュール損失を抑える効果は小さくなる。しかしながら、円周方向のスリット間隔を電流の周波数に応じて細かくすることにより、各導体部分における表面積の相対比率を小さくすることができ、結果的に高周波電圧が印加された場合についても、ジュール損失の抑制効果が期待できることが明らかになった。
【００４０】
超磁歪素子の分割片の数によるジュール損失の抑制効果は、超磁歪素子の大きさや形状、印加される電圧の大小等によっても異なるが、この試験例によれば、８分割したスリットタイプ１において１ＭＨｚの電圧を印加したときに、最も好ましい結果がえられた。なお、１ＭＨｚ以上の高周波電流の場合には、消費電力のロスが多くなった。なお、磁歪素子の外形形状は、この実施例で示した円柱形状に限定されるものではなく、四角柱、三角柱、六角柱、八角柱その他各種の柱形状を適用することができるものである。
【００４１】
次に、上述したような構成を有する超磁歪素子を用いた超磁歪アクチュエータ及びその超磁歪アクチュエータを用いた電子機器の実施例について説明する。
図１３及び図１４は、超磁歪アクチュエータの第１の実施例を示すものである。この超磁歪アクチュエータ２０は、超磁歪素子１と、円板状に形成されたバイアス用のマグネット２１と、励磁用のコイル２２と、ヨーク２３と、弾性体２４と、駆動ロッド２５等を備えて構成されている。
【００４２】
超磁歪素子１は、例えば、前述したスリットタイプ１の円柱形状をなす超磁歪素子である。この超磁歪素子１は、始めは縮んだ状態にあるが、バイアス磁界を与えることによってある長さに伸び、その伸び量だけ伸縮動作が可能となる。この超磁歪素子１の伸縮量（長さ）は、全長及び太さを始めとする変数によって異なる。例えば、超磁歪素子１に１０００Ｏｅ（Ｏｅ：エルステッド）の入力磁界を与えると、素子の変位量は１１００ｐｐｍに達し、このときの発生応力は２２×１０６Ｎ／ｍ２程度である。
【００４３】
この超磁歪素子１の軸方向の上端に、円板状に形成された磁性体からなるバックヨーク２６が配置されている。しかしながら、このバックヨーク２６は無くてもかまわない。この超磁歪素子１の軸方向の一端に、例えば、振動板に振動を伝達する駆動ロッド２５が配置されている。駆動ロッド２５は、この実施例ではバックヨーク２６に固定されているが、超磁歪素子１の一端に直接固定する構成としてもよい。超磁歪素子１の他端にはヨーク２３が配置されており、そのヨーク２３はマグネット２１に吸着されている。
【００４４】
マグネット２１は、弾性体２４によって固定的に支持されている。弾性体２４は、マグネット２１に吸着される支持部２４ａと、この支持部２４ａの一面に設けられた脚片部２４ｂとからなっている。脚片部２４ｂは、複数の脚片を螺旋状に形成することによって弾性が付与されており、この脚片部２４ｂで発揮される弾性により、超磁歪素子１を当初の所定位置に復帰させようとする復元力が与えられている。超磁歪素子１とヨーク２３とマグネット２１と弾性体２４は、同一軸心線上に直列に配置されており、これらを取り巻くようにコイル２２が装着されている。
【００４５】
図１４は、図１３に示した超磁歪アクチュエータ２０を模式図的に表すと共に、使用状態の第１の実施例を説明する図である。この実施例は、超磁歪アクチュエータ２０を、電子機器の第１の具体例を示す携帯電話に適用し、スピーカ装置とアラーム用バイブレータ装置とにモードを切り替えて使用できるように構成したものである。図１４において、図１３に示した部分と同一部分には同一の符号を付して説明する。
【００４６】
超磁歪アクチュエータ２０の一端を携帯電話の下部筐体３１に固定し、超磁歪アクチュエータ２０の他端を携帯電話の上部筐体３２に固定する。この実施例では、超磁歪アクチュエータ２０のコイル２２の下端と弾性体２４を下部筐体３１に固定し、その反対側を上部筐体３２に固定している。図１４に記載した仮想枠３３は、枠体として現実に存在するものではなく、超磁歪アクチュエータ２０が下部筐体３１と上部筐体３２との間に介在して一定の姿勢で保持されていることを表すものである。
【００４７】
このとき、超磁歪アクチュエータ２０の駆動ロッド２５が上部筐体３２に臨んでおり、駆動ロッド２５が上部筐体３２を振動させることにより、スピーカ装置の機能とアラーム用バイブレータ装置の機能とが選択的に発揮される。即ち、携帯電話の上部筐体３２は、スピーカ装置における振動板の役割りと、バイブレータ装置における振動板の役割りを兼ね備えている。従って、例えば、モード選択スイッチ等を用いて、スピーカモードを選択することでアラーム音のスピーカとして機能し、また、バイブレータモードを選択することでアラーム用バイブレータとして機能させることができる。
【００４８】
この場合、超磁歪アクチュエータ２０のコイル２２に電流を流すと、フレミングの法則に基づいて、バイアス用マグネット２１にはその軸方向に向かう力が働き、その力が超磁歪素子１に作用する。そして、コイル２２に流れる電流を変化させて、マグネット２１に働く力の大きさを変化させることにより、超磁歪素子１の振動数を調節することが可能となる。これにより、例えば、高い周波数領域ではスピーカ装置として動作させて、アラーム音を発生することができる。また、低い周波数領域ではバイブレータ装置として動作させて、バイブレータとしての振動を与えることができる。
【００４９】
図１５は、超磁歪アクチュエータ２０を、電子機器の第２の実施例を示す音声発生装置としてのスピーカ装置４０に適用したものである。このスピーカ装置４０は、振動子としての超磁歪アクチュエータ４１と、この超磁歪アクチュエータ４１によって振動される振動板４２と、超磁歪アクチュエータ４１の駆動を制御する駆動制御部４３等によって構成されている。
【００５０】
超磁歪アクチュエータ４１は、前述したような構成を有する超磁歪素子４４と、駆動ロッド４５とコイル４６とバイアス用マグネット４７とハウジング４８を備えて構成されている。超磁歪素子４４の軸方向の一端に駆動ロッド４５が配置されており、この駆動ロッド４５の先端に、平板状をなす振動板４２が臨まれている。振動板４２の材質としては、例えば、アクリル樹脂が好適であるが、その他のエンジニアリングプラスチックを適用することもできる。超磁歪素子４４の外側にコイル４６が装着され、また、超磁歪素子４４の軸方向の他端にバイアス用マグネット４７が配置されている。そして、駆動ロッド４５の一部を残して超磁歪素子４４等が、ヨークを兼ねるハウジング４８の収納部内に収納されている。ハウジング４８は、例えば、スピーカ装置４０の筐体に固定される。
【００５１】
この実施例では、超磁歪アクチュエータ４１のコイル４６に電流を流すと、バイアス用マグネット４７にはその軸方向に向かう力が働き、その力が超磁歪素子４４に作用する。そして、コイル４６に流れる電流を変化させて、マグネット４７に働く力の大きさを変化させることにより、超磁歪素子４４の振動数を調節することが可能となる。これにより、低周波数域から高周波数域に亘る広い帯域において高い周波数特性を得ることができ、高音から低音にかけて満遍なく良い音を出力することができる。
【００５２】
図１６及び図１７は、超磁歪アクチュエータ２０を、電子機器の第３の実施例を示すデジタルスチルカメラ等のカメラ装置に用いられるレンズ装置５０のオートフォーカス・ズーム用アクチュエータ（超磁歪アクチュエータ）５１として適用したものである。このレンズ装置５０は、超磁歪アクチュエータ５１と、カメラ本体に取り付けるための取付台５２と、カバー５３と、レンズホルダ５４等を備えて構成されている。レンズホルダ５４には、オートフォーカス・ズーム用レンズ５５が保持されている。
【００５３】
取付台５２の前面にはカバー５３が取り付けられており、この取付台５２とカバー５３からなる筐体内にレンズホルダ５４が収納されている。レンズホルダ５４にはスライダ５６が固定されており、このスライダ５６を介してレンズホルダ５４が、カメラ装置の前後方向へ所定の範囲内で移動可能に支持されている。スライダ５６には超磁歪アクチュエータ５１が連結されており、この超磁歪アクチュエータ５１の伸縮動作により、スライダ５６を介してレンズホルダ５４が、レンズ５５の光軸方向へ進退移動可能とされている。
【００５４】
超磁歪アクチュエータ５１は、超磁歪素子６１と、シャフト６２と、コイル６３と、ウエイト６４を有している。円柱状をなす超磁歪素子６１の軸方向の一端に、軸心線を一致させるようにしてシャフト６２が固定されている。シャフト６２は、移動体の一具体例を示すスライダ５６を摺動可能に貫通している。超磁歪素子６１には、その外側を囲うように励磁用のコイル６３が装着されている。そして、超磁歪素子６１の軸方向の他端にウエイト６４が取り付けられており、このウエイト６４を介して超磁歪アクチュエータ５１が筐体（取付台５２とカバー５３）に固定されている。シャフト６２は、前記実施例における駆動ロッドに対応しており、このシャフト６２の伸縮運動により、スライダ５６と一体のレンズホルダ５４が、レンズ５５の光軸方向へ進退移動するようになっている。
【００５５】
この超磁歪アクチュエータ５１によるレンズホルダ５４の進退移動を、図１８Ａ〜１８Ｅを用いて説明する。図１８Ａ〜１８Ｅは、超磁歪アクチュエータ５１の５つの動作を時系列に並べて示すものである。この超磁歪アクチュエータ５１による移動の原理は、シャフト６２の伸縮運動によってスライダ５６を所定位置まで搬送するものである。図１８Ａは、シャフト６２が縮んだ状態を示しており、このときのスライダ５６の位置を第１の位置Ｓ１とする。そして、このときのシャフト６２先端からスライダ５６先端までの距離をＬ１とする。
【００５６】
次に、図１８Ｂに示すように、シャフト６２が縮んだ状態から伸びた状態に変化すると、シャフト６２の伸びに伴って、スライダ５６が第２の位置Ｓ２に移動する。このときのシャフト６２先端からスライダ５６先端までの長さはＬ１に保持される。次いで、図１８Ｃに示すように、シャフト６２が伸びた状態から縮んだ状態に変化すると、慣性の作用により、スライダ５６は第２の位置Ｓ２に止まる。このとき、シャフト６２だけが縮まるため、シャフト６２先端からスライダ５６先端までの長さはＬ２と小さくなる（Ｌ１＞Ｌ２）。
【００５７】
次に、図１８Ｄに示すように、シャフト６２が縮んだ状態から伸びた状態に変化すると、シャフト６２の伸びに伴って、スライダ５６が第３の位置Ｓ３に移動する。このときのシャフト６２先端からスライダ５６先端までの長さはＬ２に保持される。その後、図１８Ｅに示すように、シャフト６２が伸びた状態から縮んだ状態に変化すると、慣性の作用により、スライダ５６は第３の位置Ｓ３に止まる。このとき、シャフト６２だけが縮まるため、シャフト６２先端からスライダ５６先端までの長さはＬ３と小さくなる（Ｌ２＞Ｌ３）。
【００５８】
このようにして移動体であるスライダ５６は、シャフト６２の伸縮運動に伴って、第１の位置Ｓ１から第３の位置Ｓ３まで移動される。このとき、超磁歪アクチュエータ５１を動作させるために付与される駆動電圧の例を、図１９に示す。図１９は、縦軸に電圧［Ｖ］をとり、横軸に時間［sec］をとっている。このときの１サイクルは、例えば、駆動電流が３〜１０［Ｖ］で、時間は１［μsec］程度である。
このスライダ５６の移動動作は、スライダ５６が第３の位置Ｓ３から第１の位置Ｓ１まで移動する場合も同様である。なお、スライダ５６の移動距離は、自由に設定できることは勿論である。
【００５９】
このような構成及び作用を有する超磁歪アクチュエータ５１を用いることにより、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置において、レンズ装置５０のレンズを進退移動させて、オートフォーカス・ズーム機能を発揮させることができる。なお、超磁歪アクチュエータ５１は、この実施例で説明したレンズ装置５０のレンズ駆動に限定されるものでないことは勿論である。
【００６０】
図２０〜図２２は、超磁歪アクチュエータ２０を、電子機器の第４の実施例を示す液体噴霧冷却システム７０の噴霧インジェクション７１に用いられる超磁歪アクチュエータ７２として適用したものである。図２０に示すように、液体噴霧冷却システム７０は、噴霧インジェクション７１と、循環ポンプ７３と、噴霧室７４とを備えている。噴霧インジェクション７１と循環ポンプ７３と噴霧室７４とは流路７５によって無端状に連通されており、流路７５等の内部を冷媒の一具体例を示す液体（例えば水）が循環する構成となっている。そして、噴霧室７４に冷却させる物体（冷却対象物）７７を接触させ又は接近させることにより、噴霧室７４内に発生する気化熱を利用して、冷却対象物７７を冷却させるようになっている。
【００６１】
噴霧インジェクション７１は、図２１に示すような構成となっている。即ち、噴霧インジェクション７１は、噴霧室７４に接続される噴霧ホルダ８１を有しており、その噴霧ホルダ８１には貫通穴８１ａが設けられている。噴霧ホルダ８１の貫通穴８１ａには流路７５の一端が嵌合されており、その流路７５の先端には、中央部を細くしたノズル部８２が設けられている。この流路７５の、少なくともノズル部８２から所定長さの部分（ポンプチューブ部）７５ａまでは、弾性変形が自在なプラスチック製のチューブ（例えばシリコンチューブ等）によって形成されている。この流路７５のポンプチューブ部７５ａと噴霧ホルダ８１を利用して、超磁歪アクチュエータ７２によるポンプ機構が構成されている。
【００６２】
噴霧ホルダ８１には、超磁歪アクチュエータ７２が収納されるアクチュエータ収納部８３が設けられている。アクチュエータ収納部８３は円柱状の凹部からなり、その開口部には押圧ブロック８４が摺動可能に嵌合されている。押圧ブロック８４の一部は、ポンプチューブ部７５ａを弾性変形させて流路７５を狭めるように突出されている。そして、押圧ブロック８４の流路７５と反対側に超磁歪アクチュエータ７２が配置されている。
【００６３】
超磁歪アクチュエータ７２は、超磁歪素子８５と、この超磁歪素子８５の外側に装着された励磁用のコイル８６と、超磁歪素子８５の伸縮運動を押圧ブロック８４に伝達するスプリング８７とを有している。スプリング８７の伸縮方向の一端が超磁歪素子８５の先端に着座され、その伸縮方向の他端が押圧ブロック８４に着座されている。また、押圧ブロック８４の近傍には、流路７５の開口面積を狭める絞りブロック８８が配置されている。この絞りブロック８８で流路７５の開口面積を狭めることにより、絞り部８９が形成されている。
【００６４】
図２２は、図２１で示した超磁歪アクチュエータ７２によるポンプ機構のポンプ作用を説明するためのモデル図である。図２２において、図２１と同一の機能を有する部分には同一の符号を付して、重複した説明を省略する。噴霧ホルダ８１には、吸入口と排出口が設けられており、吸入口には絞り部８９が対応され、排出口にはノズル部８２が対応されている。更に、吸入口には弾性変形の可能な吸入弁９１が設けられており、この吸入弁９１によって吸入口が開閉可能とされている。また、排出口には弾性変形の可能な排気弁９２が設けられており、この排気弁９２によって排気口が開閉可能とされている。そして、押圧ブロック８４の接触するポンプチューブ部７５ａが、図２２に示すダイアフラムに対応している。
【００６５】
かくして、超磁歪アクチュエータ７２を伸縮運動させてダイアフラム７５ａを進退動作させることにより、吸気弁９１を開いて吸気口（絞り部）８９から水（液体）を取り込み、その水に圧力を加えた後、排気弁９２を開いて排出口（ノズル部）８２から排出することができる。これにより、図２１に示すように、ノズル部８２からミスト状の水滴が吐出される。その結果、気化熱によって噴霧室７４の内部が冷やされ、この噴霧室７４に接触させた冷却物体７７から熱を奪って、その冷却物体７７を冷却することができる。
【００６６】
以上説明したように、本発明によれば、超磁歪素子或いは磁歪素子を用いたアクチュエータを設計するに際し、高周波印加電圧を駆動電源として用いる振動子を作製する場合において、予め絶縁スリットの数と渦電流によるジュール損失の抑制効果を計算によって確認することができる。そのため、超磁歪アクチュエータの試作回数を少なくすることができ、経済的な設計製作を可能とすることができる。しかも、超磁歪素子或いは磁歪素子に発生する余分な渦電流を抑制することができ、アクチュエータ駆動のための消費電力の省電力化を図ることができる。
【００６７】
本発明は、前述し且つ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、前記実施例においては、電子機器の一具体例を示す音声出力装置としてスピーカ装置に適用した例について説明したが、テレビジョン受像機、パーソナルコンピュータ、電子辞書、携帯電話端末機、ＰＨＳその他の電子機器にも適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の超磁歪アクチュエータに係る超磁歪素子の形態の第１の実施の例を示す斜視図である。
【図２】図１の超磁歪素子に装着されたコイルに駆動電源（５０Ｖ１０ｋＨｚ）を与えたときの渦電流の発生状態を説明するもので、図２Ａはシュミレーションによる電流ベクトル図、図２Ｂは図２Ａの渦電流の方向を示す説明図である。
【図３】本発明の超磁歪アクチュエータに係る超磁歪素子の形態の他の実施の例を示すもので、図３Ａはスリットタイプ２、図３Ｂはスリットタイプ３、図３Ｃはスリットタイプ４、図３Ｄはスリットタイプ５、図３Ｅはスリットタイプ６、図３Ｆはスリットタイプ７のそれぞれ説明図である。
【図４】本発明の超磁歪アクチュエータの形態の第１の実施の例を示す中央部で断面した斜視図である。
【図５】図４に示す超磁歪アクチュエータを簡易的なモデルに置き換えた１／４部分の説明図である。
【図６】図５に示す超磁歪アクチュエータを３次元４面体要素を用いて表した説明図である。
【図７】図６に示す超磁歪アクチュエータを有限要素法で解析する説明図である。
【図８】図６に示す超磁歪アクチュエータを有限要素法で解析するに際してより細かく分割した説明図である。
【図９】本発明の超磁歪素子の形態の第１の実施の例に関する磁界Ｈと磁束密度Ｂの関係を説明するグラフである。
【図１０】本発明の超磁歪素子の形態の第１の実施の例に関するジュール損失を計算した結果を示すもので、電圧周波数が１０ｋＨｚの場合のグラフである。
【図１１】本発明の超磁歪素子の形態の第１の実施の例に関するジュール損失を計算した結果を示すもので、電圧周波数が１００ｋＨｚの場合のグラフである。
【図１２】本発明の超磁歪素子の形態の第１の実施の例に関するジュール損失を計算した結果を示すもので、電圧周波数が１ＭＨｚの場合のグラフである。
【図１３】本発明の超磁歪アクチュエータの形態の第２の実施の例を示す一部を断面した説明図である。
【図１４】図１３に示す超磁歪アクチュエータをモデル化して電子機器の第１の実施の例を示す携帯電話に用いた使用状態の説明図である。
【図１５】本発明の超磁歪アクチュエータを電子機器の第２の実施の例を示すスピーカ装置に用いた使用状態の説明図である。
【図１６】本発明の超磁歪アクチュエータを電子機器の第３の実施の例を示す撮像装置に用いた使用状態の説明図である。
【図１７】図１６の撮像装置を断面して示す説明図である。
【図１８】図１６に用いられる超磁歪アクチュエータの動作を説明する説明図である。
【図１９】図１６に用いられる超磁歪アクチュエータの駆動電流の第１の実施の例を示すグラフである。
【図２０】本発明の超磁歪アクチュエータを電子機器の第４の実施の例を示す液体噴霧冷却システムに用いた概略構成を示すブロック図である。
【図２１】図２０に示す噴霧インジェクションの詳細を表した説明図である。
【図２２】図２１に示す超磁歪アクチュエータによるポンプ機構の説明図である。
【図２３】従来の超磁歪素子を示す斜視図である。
【図２４】従来の超磁歪素子に装着されたコイルに駆動電源（５０Ｖ１０ｋＨｚ）を与えたときの渦電流の発生状態を説明するもので、図２４Ａはシュミレーションによる電流ベクトル図、図２４Ｂは図２４Ａの渦電流の方向を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６９】
１，８，４４，６１，８５‥超磁歪素子、  ２‥スリット、  ３，３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ‥分割片、  ５，２０，４１，５１，７２‥超磁歪アクチュエータ、  ７‥超磁歪素子組立体、  ９，２１，４７‥マグネット、  １０，２２，４６，６３，８６‥コイル、  １１‥下部ヨーク、  １２‥上部ヨーク、  １３，２５，４５‥駆動ロッド、  ２３，２７‥ヨーク、  ２４‥弾性体、  ４０‥スピーカ装置（電子機器）、  ４２‥振動板、  ５０‥レンズ装置（電子機器）、  ５２‥取付台、  ５３‥カバー、  ５４‥レンズホルダ、  ５６‥スライダ（移動体）、  ６２‥シャフト（駆動ロッド）、  ７０‥液体噴霧冷却システム、  ７１‥噴霧インジェクション
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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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１８】
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【図１９】
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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２】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図２４】
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