磁気回路、及びアクチュエータ
【課題】簡易な構成で強磁場を発生させることができ、小型化が可能な磁気回路を用いたアクチュエータを提供する。
【解決手段】磁場を環状に形成できる環状部２を有するヨーク１と、定常磁場を環状部に印加する定常磁場印加手段４と、強度を変更可能な磁場を環状部に印加できる可変磁場印加手段７とを備え、環状部が他の部位より細く形成された磁場集中部３を備えている、磁気回路、及び、該磁気回路と、該磁気回路の磁場集中部に配置された磁歪材料９とを備えるアクチュエータとする。
【解決手段】磁場を環状に形成できる環状部２を有するヨーク１と、定常磁場を環状部に印加する定常磁場印加手段４と、強度を変更可能な磁場を環状部に印加できる可変磁場印加手段７とを備え、環状部が他の部位より細く形成された磁場集中部３を備えている、磁気回路、及び、該磁気回路と、該磁気回路の磁場集中部に配置された磁歪材料９とを備えるアクチュエータとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気回路、及び該磁気回路と磁歪材料とを備えたアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動子や小型アクチュエータには、ピエゾ圧電素子が用いられていた。しかしながら、ピエゾ圧電素子は、機械的強度が弱く脆い等の問題があった。このような問題に対して、磁性金属の磁歪を利用したアクチュエータが開発されている。磁歪とは、磁場中で磁性金属に歪みが生じ、該磁性金属が伸び縮みする現象である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、磁歪材料を用いたアクチュエータやモータに関する技術が開示されている。また、特許文献２には、磁歪材料に最適な磁場を印加する方法に関する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献１等に記載されているＦｅＧａ系合金等の磁歪材料では、所定の大きさの磁場を印加することによって、最大で数１０ｐｐｍ程度の磁歪を発生させることができる。一方、Ａ．Ｅ．Ｃｌａｒｋらにより開発された、Ｆｅと希土類元素Ｄｙ、Ｔｂとの合金であるＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）では、最大で２０００ｐｐｍもの磁歪を発生させることができる。このような大きな磁歪が発生する合金は、超磁歪材料と呼ばれる。超磁歪材料は、ピエゾ圧電素子に比べて磁歪による変位量が桁違いに大きく、超磁歪材料をアクチュエータに用いた場合には、ピエゾ圧電素子に比べて非常に大きな機械的出力を得ることができる。また、超磁歪材料は、ピエゾ圧電素子に比べて交流磁場に対する磁歪の応答速度が速いという優位性も有する。さらに、超磁歪材料は、ピエゾ圧電素子に比べて加工が容易である、簡単な構造の機器に組み込むことができる、形状自由度が高い、使用可能温度域が広い等の優位性も有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１３０９８８号公報
【特許文献２】特開平９−１６８１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超磁歪材料に磁歪を生じさせるためには、特許文献１に開示されているＦｅＧａ系合金等に磁歪を生じさせる場合に比べて強い磁場を印加する必要がある。例えば、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）をアクチュエータとして利用する場合には、数千エルステッドから１テスラ程度の強磁場を必要とする。そのため、超磁歪材料をアクチュエータに適用するには、強い磁場を発生させることができる磁気回路が必要である。しかしながら、従来技術では、小型で強い磁場を発生させることができる磁気回路を作製することが困難であり、超磁歪材料を用いたアクチュエータを小型化することが困難であった。
【０００７】
そこで、本発明は、簡易な構成で強磁場を発生させることができ、小型化が可能な磁気回路、及び該磁気回路を用いたアクチュエータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、本発明について説明する。
第１の本発明は、環状に形成された環状部を有するヨークと、定常磁場を環状部に印加する定常磁場印加手段と、強度を変更可能な磁場を環状部に印加できる可変磁場印加手段とを備え、環状部が、他の部位より細く形成された磁場集中部を備えている、磁気回路である。
【０００９】
ここに、「環状に形成された」とは、磁場を印加された際に環状の磁場を形成できる形態に形成されていることを意味し、完全な環状の形態に形成されていることに限定される概念ではない。すなわち、環状部は、後に説明するように一部が切り欠かれている形態であってもよい。
【００１０】
第１の本発明の磁気回路は、磁場集中部の一部が切り欠かれていることが好ましい。かかる形態とすることによって、切り欠かれた間隙部に磁歪材料を配置し、第１の本発明の磁気回路を後述する第２の本発明のアクチュエータに好適に用いることができる。
【００１１】
第１の本発明の磁気回路は、ヨークが複数の環状部を備えており、複数の環状部がそれぞれ備える磁場集中部が一点に集中するように、複数の環状部が配置されていることが好ましい。かかる形態とすることによって、磁場集中部に大きな磁場を生じさせることが容易になる。
【００１２】
第２の本発明は、上記第１の本発明の磁気回路と、該磁気回路の磁場集中部に配置された磁歪材料と、を備えるアクチュエータである。
【００１３】
第２の本発明のアクチュエータは、磁場集中部に配置された磁歪材料がＴｂＤｙＦｅ系合金であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
第１の本発明によれば、簡易な構成で、強磁場を発生させることができ、小型化が可能な磁気回路を提供することができる。第１の本発明の磁気回路は、小型化することによってミリメートルオーダーの微小空間に強磁場を発生させることが可能である。また、第２の本発明によれば、第１の本発明の磁気回路を用いることによって、小型化が可能なアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一つの実施形態にかかる本発明の磁気回路を概略的に示した平面図である。
【図２】図１に示した磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。
【図３】図２に示したヨークのうち、ＩＩＩの部分を拡大して示した図である。
【図４】他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。
【図５】他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。
【図６】他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した斜視図である。
【図７】一つの実施形態にかかる本発明のアクチュエータを概略的に示した平面図である。
【図８】校正試験に用いた装置の構成を概略的に示した図である。
【図９】校正試験の結果を示した図である。
【図１０】磁歪材料に印加した磁場と磁歪材料に生じた磁歪との関係を示す図である。
【図１１】実施例で作製した実験用装置を概略的に示した平面図である。
【図１２】オーディオアンプのスピーカー端子からの出力電圧と時間との関係を示す図（上段）及び磁歪材料の変位量と時間との関係を示す図（下段）である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の上記した作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。ただし、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
【００１７】
＜磁気回路＞
図１は、一つの実施形態にかかる本発明の磁気回路１０を概略的に示した平面図である。また、図２は、図１に示した磁気回路１０のうち、ヨーク１を概略的に示した平面図である。図３は、図２に示したヨーク１のうち、ＩＩＩの部分を拡大して示した図である。図１に示した磁気回路１０は、ヨーク１と、定常磁場印加手段４、４と、可変磁場印加手段７、７とを備えている。
【００１８】
（ヨーク）
図１に示したように、ヨーク１は環状部２を２つ備えている。２つの環状部２には、それぞれ、後に説明する定常磁場印加手段４及び可変磁場印加手段７によって磁場が印加されている。図１に示した矢印Ｍ、Ｍ、…は、環状部２に形成される磁場の方向を示しており、矢印Ｍ、Ｍ、…で示したように、環状部２には環状の磁場が形成されている。また、環状部２は、他の部位より細く形成されるとともに一部が切り欠かれた部位３を備えている。後に説明するように、当該部位３は、磁場を集中させることができる部位であり、以下、磁場集中部３と記載する。２つの環状部２は、それぞれ磁場集中部３を備えており、それぞれが備える磁場集中部３が一点に集中するように、２つの環状部２が配置されている。よって、図１には、一つの磁場集中部３が表れている。
【００１９】
また、環状部２は、図２に示すように、後に詳述する定常磁場印加手段４を配置できる切り欠き４ａを備えている。図１に示したように、当該切り欠き４ａに定常磁場印加手段４を配置することにより、定常磁場印加手段４によって環状部２に定常磁場を印加し、矢印Ｍ、Ｍ、…で示したような環状の磁場を環状部２に形成することができる。なお、図１に示した形態では、環状部２に切り欠き４ａを設け、当該切り欠き４ａに定常磁場印加手段４を配置しているが、本発明はかかる形態に限定されない。定常磁場印加手段は、環状部に定常磁場を印加できる状態で配置されていればよい。すなわち、環状部に切り欠きを設けずに、定常磁場印加手段を環状部上に載置した形態であってもよい。
【００２０】
また、環状部２は、後に詳述する可変磁場印加手段７に備えられた円筒状のコイル５の中空部を通すようにして配置されている。そのため、当該コイル５に任意の大きさの電流を供給することによって、コイル５から環状部２に任意の強さの磁場を印加し、矢印Ｍ、Ｍ、…で示したような環状の磁場を環状部２に形成することができる。
【００２１】
上述したようにして環状部２に環状の磁場が印加されると、磁場集中部３は環状部２の他の部位より細く形成されているため、磁場集中部３の磁力線の密度が環状部２の他の部位より高くなる。すなわち、磁場集中部３付近の磁場が強くなる。例えば、磁場集中部３における環状部２の端部の幅（図３に示したＷ１）と、交流磁場が印加される部位（コイル５が備えられる部位）の幅（図２に示したＷ２）との比は、Ｗ２：Ｗ１＝１０：５から１０：２の範囲であることが好ましい。当該比が１０：２よりも大きいと、磁場集中部３が小さくなり過ぎて実用的でなくなるうえに、磁場集中部３付近のヨーク１の磁化が飽和して、結果としてコイル５に加えた電圧に比例した磁場が磁場集中部３に生じなくなる虞がある。
【００２２】
また、磁場集中部３に設けられた切り欠き部の間隔（図３に示したＤ）は、より狭い方が該切り欠き部に空間的に均一な磁場を生成することができるので有利である。切り欠き部の間隔（Ｄ）と磁場集中部３における環状部２の端部の幅（Ｗ１）との比は、Ｄ：Ｗ１＝２：１程度であることが好ましい。この比よりも間隙（Ｄ）を広げると、磁場の漏れが大きくなり、磁場集中部３に磁場を集中させる効果が低下する虞がある。
【００２３】
なお、磁場集中部３の切り欠き部に強磁性の磁性材料や超磁歪材料を設置する場合は、当該材料自体の強磁性により磁力線は当該材料内を通るので、切り欠き部の間隙は実質的に狭まることとなり、磁場集中部３における磁場の均一性が高まる。
【００２４】
また、環状部２を通る磁束が磁場集中部３で集中し易くするためには、図１に示したように、鋭角がないように環状部２を形成し、磁力線の流れをスムーズにすることが好ましい。
【００２５】
さらに、磁場集中部における磁場をより高め易くするには、図１に示したヨーク１のように略上下左右対称形状とし、対称軸が交わる位置に磁場集中部を形成することが好ましい。磁場の偏りのないスムーズな磁力線の流れを生じさせ、磁場集中部の磁場を高め易くなるからである。
【００２６】
磁場集中部３に生じる磁場の大きさは、定常磁場印加手段４及び可変磁場印加手段７によって環状部２に印加する磁場の大きさを調整することにより、適宜調整可能である。磁場集中部３に生じさせる最大磁場は、例えば、０．２Ｔ以上２Ｔ以下とすることが好ましい。上述したように、超磁歪材料に磁歪を生じさせるためには強い磁場を印加する必要がある。磁場集中部３に生じさせる磁場を上記範囲にすることによって、磁場集中部３に超磁歪材料を配置した場合に、該超磁歪材料に大きな磁歪を生じさせやすくなる。
【００２７】
これまでの磁気回路１０の説明では、図１に示したように、ヨーク１が２つの環状部２を備え、該環状部２がそれぞれ、他の部位より細く形成されるとともに一部が切り欠かれた磁場集中部３を備え、それらの磁場集中部３が一点に集中するように２つの環状部２が配置されている形態について例示した。ただし、本発明はかかる形態に限定されない。図４は、他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。図５は、さらに他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。図６は、さらに他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した斜視図である。
【００２８】
本発明の磁気回路に備えられるヨークは、環状に形成された環状部を備え、該環状部が他の部位より細く形成された磁場集中部を備えていればよい。したがって、図４に示したヨーク１ａのように、単に他の部位より細くすることによって切り欠きを有さない磁場集中部３ａを形成してもよい。かかる形態であっても、磁場集中部３ａでの磁束密度が他の部位より高くなり、磁場集中部３ａに強い磁場を生じさせることができる。ただし、後に説明するように磁場集中部に磁歪材料を配置して該磁歪材料に磁場を印加する場合、図１に示した磁場集中部３のように磁場集中部の一部が切り欠かれていた方が、当該切り欠きの間隙に磁歪材料を配置することによって該磁歪材料に強い磁場を印加し易くなる。
【００２９】
また、本発明の磁気回路に備えられるヨークは、環状に形成された環状部を備えていればよく、該環状部の数は特に限定されない。したがって、図５に示したヨーク１ｂのように、環状部２ｂを１つだけ備える形態であってもよく、図６に示したヨーク１ｃように、環状部２ｃを３つ以上（図６に示した形態では４つ。）備える形態であってもよい。ただし、ヨークが複数の環状部を備える場合には、ヨーク１、１ａ、及び１ｃのように、複数の環状部がそれぞれ備える磁場集中部が一点に集中するように、複数の環状部が配置された形態とする。それぞれの環状部に形成された磁場を一点（磁場集中部）に集中させるためである。
【００３０】
このように、本発明の磁気回路に備えられるヨークの環状部の数は特に限定されないが、環状部を複数備えた形態とする方が磁場集中部の磁束密度を上げ易くなる。また、ヨークが環状部を複数備える場合、作製が容易であるという観点からは、ヨーク１及び１ａのように、同一平面上に環状部を備える形態が好ましい。複数の環状部を同一平面上に形成する形態とすれば、１枚の板材からヨークを容易に作製することができる。
【００３１】
なお、図４〜図６では定常磁場印加手段を配置するための切り欠きを示していないが、図１に示したヨーク１と同様に、定常磁場印加手段を配置するには、ヨーク１ａ、１ｂ、及び１ｃも、その一部を切り欠いて配置することができる。
【００３２】
このようなヨークは、高透磁材料や磁性体によって作製することができる。ヨークを構成する材料としては、例えば、鉄、ステンレス鋼、ニッケルなどを挙げることができる。
【００３３】
（定常磁場印加手段）
図１に示した磁気回路１０は、２つの定常磁場印加手段４を備えている。定常磁場印加手段４は、所定の強さの定常磁場を環状部２に印加する手段である。定常磁場印加手段４の具体例としは、永久磁石を挙げることができる。図１に示した形態では、定常磁場印加手段４として永久磁石を用いる形態を想定しているため、以下の説明では、定常磁場印加手段４を永久磁石４と記載する。用いることができる永久磁石としては、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石などを例示できる。ただし、本発明はかかる形態に限定されず、直流電流を供給したコイル等を定常磁場印加手段として用いることもできる。永久磁石によれば、所定の強さの定常磁場を環状部に印加することが簡単であるため、本実施形態では定常磁場印加手段として永久磁石を用いる形態を例示した。
【００３４】
なお、図１に示した形態では環状部２の一部を切り欠いて永久磁石４を配置しているが、上述したように、本発明において永久磁石の設置位置はかかる形態に限定されない。永久磁石は、環状部に定常磁場を印加できるように設置されていればよく、永久磁石を環状部上に載置してもよい。ただし、環状部に定常磁場を印加し易くするためには、環状部の一部を切り欠いて永久磁石を挿入することが好ましい。また、永久磁石は、環状部と接するように配置することが好ましい。かかる形態とすることによって、永久磁石から環状部に磁場を印加し易くなる。
【００３５】
永久磁石によって環状部に印加する定常磁場の強さは、永久磁石の設置位置、永久磁石を構成する材料や永久磁石の設置数を調整することによって、調整することができる。
【００３６】
（可変磁場供給手段）
図１に示した磁気回路１０は、２つの可変磁場供給手段７を備えている。可変磁場供給手段７は、任意の強さの磁場を環状部２に印加できる手段である。可変磁場供給手段７は、永久磁石４が環状部２に形成する磁場の方向と同じ方向で、任意の強さの磁場を環状部２に形成できる手段であれば、その形態は特に限定されない。可変磁場供給手段７の具体例としては、図１に示したように、コイル５と、該コイル５に電力を供給する電源６とを備えた電磁石を挙げることができる。図１に示した形態では、可変磁場供給手段７として電磁石を用いる形態を想定しているため、以下の説明では、可変磁場供給手段７を電磁石７と記載する。電磁石によれば、任意の強さの磁場を環状部に印加することが容易であるため、本実施形態では可変磁場供給手段として電磁石を用いる形態を例示した。
【００３７】
上述したように、超磁歪材料に磁歪を生じさせるためには、強い磁場を印加する必要がある。また、超磁歪材料に生じる磁歪の程度を調整するには、該超磁歪材料に印加する磁場の強さを調整しなければならない。すなわち、超磁歪材料に生じる磁歪の程度を変化させるためには、超磁歪材料に磁歪を生じさせる程度の強い範囲で超磁歪材料に印加する磁場の強さを変化させなければならない。このように磁場を変化させることは、永久磁石のみ又は電磁石のみでは困難である。磁気回路１０によれば、永久磁石４によって所定の強さの定常磁場を磁場集中部３に生じさせつつ、電磁石７によって磁場集中部３に生じる磁場の強さを変化させることができる。また、上述したように、磁場集中部３には強い磁場を生じさせることができる。すなわち、磁気回路１０によれば、超磁歪材料に磁歪を生じさせる程度の強い範囲で磁場集中部３に生じる磁場を変化させることができる。したがって、磁場集中部３に超磁歪材料を配置すれば、該超磁歪材料に生じる磁歪の程度を調整することが容易になる。
【００３８】
磁気回路１０によれば、電源６を交流電源とし、該交流電源からコイル５に供給される電流の振動数をかえることによって、任意の周波数（例えば、１ｋＨｚ以上。）の振動磁場を磁場集中部３に生じさせることも可能である。ただし、電源６としては、直流電源でもよい。直流電源からコイル５に供給される電流の強さを調整することによって、磁場集中部３に生じる磁場の強さを任意の強さにすることができる。
【００３９】
（用途）
本発明の磁気回路は、磁場集中部に強い磁場を発生させることができる。そのため、上述したように強い磁場を印加しなければ磁歪を生じさせられない超磁歪材料を磁場集中部に設置した場合、該超磁歪材料に磁歪を生じさせることができる。よって、本発明の磁気回路は、後述するように、超磁歪材料を用いたアクチュエータに適用することができる。また、本発明の磁気回路は、これまでに説明したように構成が簡易なため、小型化することが容易である。そのため、本発明の磁気回路は小型の機器に組み込むことが可能であり、ミリメートルオーダーの微小空間に強磁場を発生させる磁気回路として使用が可能である。さらに、本発明の磁気回路によれば、ヨークに交流電流を流して交流磁場を発生させた状態で、磁性体や方位磁石などの磁針、あるいは他の永久磁石を近づけることで磁気力による振動現象を観測できる。したがって、本発明の磁気回路は、小学生から高校生の電磁気の理科実験教材としても使用可能である。また、本発明の磁気回路は、安価でかつ加工し易い材料で構成することができる。そのため、従来の磁気回路を本発明の磁気回路にかえることによって、磁気回路を備えた機器の低コスト化を図ることができる。
【００４０】
＜アクチュエータ＞
次に、本発明のアクチュエータについて説明する。本発明のアクチュエータは、上述した本発明の磁気回路と、該磁気回路の磁場集中部に配置された磁歪材料と、を備えている。図７は、一つの実施形態にかかる本発明のアクチュエータ１００を概略的に示した平面図である。図７に示したアクチュエータ１００は、磁気回路１０と、磁気回路１０の磁場集中部３に配置された磁歪材料９とを備えている。図７において、図１に示したものと同様のものには同符号を付し、説明を省略する。
【００４１】
上述したように、磁気回路１０は、磁場集中部３に強い磁場を生じさせることができる。よって、磁場集中部３に磁歪材料９を配置することによって、磁歪材料９に強い磁場を印加することができる。そのため、磁歪材料９として超磁歪材料を用いた場合であっても、該超磁歪材料に磁歪を生じさせることができる。磁歪材料９としては、例えば、ＴｂＦｅ系合金やＴｂＤｙＦｅ系合金等の超磁歪材料を用いることができる。ＴｂＤｙＦｅ系合金としては、例えば、組成がＴｂ０．２７Ｄｙ０．７３Ｆｅ１．９であるＴｅｆｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）がある。
【００４２】
超磁歪材料は、零磁場付近で交流磁場を印加しただけでは変位が小さい。しかしながら、数千エルステッド付近では変位が大きくなる。上述したように、本発明の磁気回路は、定常磁場印加手段によって所定の強さの定常磁場を印加したうえで、可変磁場印加手段によってバイアスとなる磁場を加えることで、所定の強さを中心として所定の範囲で強さが変化する磁場を磁場集中部に生じさせることができる。よって、磁場集中部に超磁歪材料を配置することによって、交流磁場のみよりも超磁歪材料を大きく変位させることができる。
【００４３】
また、可変磁場印加手段の電源に備えられた発振器の出力をｍＶオーダーで制御することによって、超磁歪材料の変位を１０ｎｍ程度の精度で制御することが可能である。よって、本発明のアクチュエータは、原子間力顕微鏡などのように高精度の位置決めが要求される装置の位置決め手段として用いることができる。
【００４４】
また、本発明の磁気回路は小型化が容易であるため、本発明のアクチュエータも小型化が容易である。本発明のアクチュエータは、小型化することによって、医療機器や小型電子機器などに適用可能である。
【００４５】
本発明のアクチュエータの医療機器への適用例としては、マイクロカテーテルに適用する例が挙げられる。医療現場では、外径１．５ｍｍ程度のマイクロカテーテルが利用されている。超磁歪材料を備えた本発明のアクチュエータを小型化し、このようなマイクロカテーテルに挿入して用いることにより、腫瘍や血管の中の老廃物を除去することが可能となる。
【００４６】
本発明のアクチュエータの小型電子機器への適用例としては、マイクロスイッチやマイクロ振動子に適用する例が挙げられる。本発明のアクチュエータは１ｍｍサイズのスイッチとしても適用可能であり、マイクロマシンや小型電子基板のスイッチとして利用することが考えられる。なお、磁歪材料は金属でそれ自身に電流を流せるため、本発明のアクチュエータは電気スイッチとしても利用できる。
【００４７】
さらに、本発明のアクチュエータは、スピーカーなどに適用することもできると考えられる。
【００４８】
これまでの本発明のアクチュエータの説明では、磁気回路１０を備える形態について例示したが、本発明のアクチュエータに備えられる磁気回路はかかる形態に限定されない。本発明のアクチュエータは、本発明の磁気回路と磁歪材料とを備えていればよい。すなわち、本発明のアクチュエータは、磁気回路１０にかえて、他の形態の本発明の磁気回路を備えていてもよい。また、磁気回路１０のように磁場集中部に切り欠きがある場合は、当該切り欠きの間隙に磁歪材料を配置することによって該磁歪材料に強い磁場を印加することができる。一方、磁場集中部に切り欠きがない磁気回路を用いる場合は、磁場集中部上に磁歪材料を載置することによって、該磁歪材料に強い磁場を印加することができる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。ただし本発明は実施例に限定されるものではない。
【００５０】
（校正試験）
本発明の磁気回路の性能を評価するにあたって、まず、以下に説明する校正試験によって磁歪材料（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標））に印加した磁場の強度と磁歪材料に生じた磁歪の大きさとの関係を調べた。図８は、校正試験に用いた装置の構成を概略的に示した図である。
【００５１】
水冷パルス磁石７１（３．０ｍｍの厚さのビッター板（円盤形）を３０枚重ねて作ったパルス強磁場用磁石）及び該パルス磁石７１に電力を供給するパルス磁場用電源７２（ニチコン株式会社製、コンデンサーバンク（Ａ４サイズのコンデンサー４０個）、最大５ｋＶ、Ｃ＝８ｍＦ、Ｅ＝１００ｋＪ）を用意し、パルス磁場用電源７２に電荷を蓄えて、パルス磁場を形成した。充電圧は、２００Ｈｚ水冷パルス磁石の場合、１ｋＶで７Ｔを目処に行った。例えば、０．２０ｋＶならば１．４Ｔとなる。このようにして形成したパルス磁場を試料（磁歪材料）９に印加した。
【００５２】
磁歪材料９に生じた磁歪、すなわち歪みの量は、静電容量法で測定した。一対の電極（銅泊シールドテープ）７３ａ、７３ｂを用意し、一方の電極７３ａを磁歪材料９の端面（磁歪によって伸び縮みする方向の一方の端面）に貼り付け、他方の電極７３ｂは、電極７３ａから所定の距離を設けて固定した。このとき、電極７３ａ（磁歪材料９の端面）と電極７３ｂとの距離は、磁歪材料９と電極７３ｂとをベークライト板を用いて固定することにより設定した。そして、この一対の電極７３ａ、７３ｂによって、Ｃ０＝１．５ｐＦ程度のコンデンサーを構成した。このコンデンサーの両端を、静電容量を測定するキャパシタンスブリッジ７４（Ｑｕａｄｔｅｃｈ社製「１６１５Ａ」）に繋いだ。キャパシタンスブリッジ７４は発振器７５（株式会社エヌエフ回路設計ブロック製「ＷＦ１９４５」）で作動させた。キャパシタンスブリッジ７４の中には可変キャパシタンスの交流ブリッジ回路が備えられており、ブリッジ回路からの交流出力をロックインアンプ７６（株式会社エヌエフ回路設計ブロック製「ＬＩ５６４０」、交流電圧計に相当。）で検出し、デジタルオシロスコープ７７（岩崎通信機株式会社製「ＢＲＩＮＧＯ ＤＳ−８８１４」）で解析した。
【００５３】
まずは零磁場（磁歪材料９に磁場を印加していない状態）での静電容量Ｃ０をキャパシタンスブリッジ７４のノブをまわして測定し、それからパルス磁場を印加する際にキャパシタンスブリッジ７４の出力をデジタルオシロスコープ（株式会社ＴＦＦ製「ＴＤＳ４６０Ａ」）に入力して磁歪の信号電圧を検出した。この信号の電圧の大きさが静電容量の変化量ΔＣに比例する。磁歪材料９に磁場を印加する前に、電極７３ａと電極７３ｂの間の距離ｄ０をマイクロメータで測定しておくことによって、磁歪材料９に磁場を印加したときの静電容量の変化量ΔＣが電極７３ａ、７３ｂ間距離の変化量Δｄに比例することから、Ｃ０、ｄ０、ΔＣからΔｄを求めることができ、このΔｄが磁歪材料９の磁歪量になる。
【００５４】
上記校正用試験の結果を図９及び図１０に示した。図９に示したのは、周期τ＝２．６ｍｓ、周波数にすると２００Ｈｚのパルス磁場中で磁歪材料９に生じた磁歪を測定した結果である。上記校正用試験は、室温（２９７Ｋ、２３℃）で行った。図９に示したように、磁歪材料９に印加したパルス磁場強度は横軸の読み通りで最大１．４Ｔであった。磁歪材料９に生じた磁歪は、１０倍して％となるように表示しており、最大で０．２２％（２２００ｐｐｍ）であった。なお、ロックインアンプ７６からの出力電圧は磁歪材料９に生じた磁歪量に比例している。パルス磁場がゼロに戻った後の磁歪の振動は、ベークライトの固定台に磁歪材料９を固定するために使用した両面テープによる振動だと考えられる。
【００５５】
図１０のグラフは、図８の装置系を用いて実験した結果の磁場‐磁歪校正曲線である。横軸が磁歪材料９に印加した最大磁場の強さ、縦軸が磁歪材料９に生じた磁歪（変位量）の大きさである。図１０からわかるように、パルス磁石７１によって最大１．４Ｔ程度の磁場を磁歪材料９に印加することができた。また、パルス磁石７１によって磁歪材料９に印加する交流磁場の周波数を８０Ｈｚにした場合でも２００Ｈｚにした場合でも、磁歪材料９に印加した磁場の大きさの変化に対して磁歪材料９の変位量の傾きが大きくなる範囲があることがわかる。このように、磁歪材料９には変位量を大きくすることができる磁場の強さの範囲が存在するため、この範囲で磁歪材料９に印加する磁場の強さを振れさせることによって、磁歪材料９の変位量の変化を大きくできることがわかる。よって、本発明の磁気回路を、このような範囲の強さの磁場を磁歪材料に印加できる形態とすることによって、アクチュエータとして好適に用いることができる。本発明の磁気回路は、定常磁場印加手段と可変磁場印加手段とによって磁場集中部に磁場を生じさせることができる。そのため、例えば、定常磁場印加手段によって、磁歪材料の変位量の傾きが大きくなる磁場範囲の下限強さの定常磁場を磁場集中部に生じさせ、可変磁場印加手段によって、磁歪材料の変位量の傾きが大きくなる範囲内で、磁場集中部に生じさせる磁場の強度を変化させることによって、磁場集中部に配置された磁歪材料の変位量を微調整し易くなるため、本発明の磁気回路をアクチュエータとして好適に用いることができる。
【００５６】
上記校正試験によって磁歪材料９に印加した磁場の強度と磁歪材料９に生じた磁歪の大きさとの関係を確認しておくことによって、磁歪材料９に生じた磁歪の大きさから、磁歪材料９に印加されている磁場の強さを見積もることができる。すなわち、以下に説明するようにして磁気回路１０によって磁歪材料９に磁場を印加したときに磁歪材料９に生じた磁歪の大きさから、磁歪材料９に印加されている磁場（磁気回路１０の磁場集中部に生じている磁場）の強さを見積もることができる。
【００５７】
（本発明の磁気回路の性能評価）
図１１に示した構成の実験用装置１０１を作製し、本発明の磁気回路の性能を評価した。図１１において、図７と同様の構成のものには、同符号を付している。
【００５８】
ヨーク１は厚さ２ｍｍの純鉄の板材で作製した。ヨーク１の寸法は、上下方向の長さ（図２に示したＬ１）及び左右方向の長さ（図２に示したＬ２）をそれぞれ１００ｍｍとした。磁場集中部３に形成された切り欠き部において、ヨーク１の端部の幅（図３に示したＷ１）は３．０ｍｍとし、当該切り欠き部の間隔（図３に示したＤ）は６．０ｍｍとした。コイル５が備えられる部分の幅（図２に示したＷ２）は、１０ｍｍとした。この磁場集中部３に形成された切り欠き部の中心には、磁歪材料９として２ｍｍ×２ｍｍ×長さ（磁場を印加していないときの、磁歪によって伸び縮みする方向の長さ）５．８ｍｍの大きさのＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）を設置した。永久磁石４としては、厚さ５ｍｍの円盤型のフェライト磁石を用いた。実験用装置１０１では、アクチュエータ１００と同様に２つの永久磁石４を設置し、さらに図１０に示したように同様の永久磁石４を２つ、環状部２上に載置した。これら４つの永久磁石４によって、磁場集中部３には０．３Ｔの定常磁場を生じさせることができた。コイル５としては、外径φ０．２０ｍｍのポリエステル被覆銅線を用いた巻き数が１０のコイルを用いた。コイル５の電源６としては、発振器（株式会社エヌエフ回路ブロック製、ＷＦ１９４５）及びオーディオアンプ（マランツ社製、ＰＭ５００３）を用いた。
【００５９】
上記のようにして実験用装置１０１を作製し、磁歪材料９に生じた磁歪を測定した。磁歪の測定は、歪みゲージ（株式会社共和電業製）、歪ゲージブリッジ（自作、ブリッジ電源は３．０Ｖ（単三電池２個直列））、ブリッジ回路出力増幅用アンプ（岩崎通信機株式会社製「ＤＡ‐２Ｂ」、ブリッジ出力電圧を１０００倍に増幅）、及びデジタルオシロスコープ（岩崎通信機株式会社製「ＢＲＩＮＧＯ ＤＳ−８８１４」）を用いて行った。その結果を、図１２に示した。
【００６０】
図１２の上段のグラフは、横軸が磁歪材料９に磁場を印加した時間、縦軸がオーディオアンプのスピーカー端子からの出力電圧である。図１２の下段のグラフは、横軸が磁歪材料９に磁場を印加した時間、縦軸が磁歪材料９に生じた磁歪の大きさである。
【００６１】
図１２からわかるように、磁歪材料９の磁歪は磁歪材料９に印加した交流磁場の周波数に依存しており、最大で約６８０ｐｐｍ変位させることができた。本実験には長さ６ｍｍの磁歪材料９を用いたため、磁歪材料９の最大変位量は約４．０μｍであった。このように、本発明の磁気回路を用いれば、容易に超磁歪材料に大きな磁歪を生じさせることができた。
【符号の説明】
【００６２】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ ヨーク
２、２ａ、２ｂ、２ｃ 環状部
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 磁場集中部
４ 永久磁石（定常磁場印加手段）
５ コイル
６ 電源
７ 電磁石（可変磁場印加手段）
９ 磁歪材料
１０、１０ａ、１０ｂ 磁気回路
１００ アクチュエータ
１０１ 実験用装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気回路、及び該磁気回路と磁歪材料とを備えたアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動子や小型アクチュエータには、ピエゾ圧電素子が用いられていた。しかしながら、ピエゾ圧電素子は、機械的強度が弱く脆い等の問題があった。このような問題に対して、磁性金属の磁歪を利用したアクチュエータが開発されている。磁歪とは、磁場中で磁性金属に歪みが生じ、該磁性金属が伸び縮みする現象である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、磁歪材料を用いたアクチュエータやモータに関する技術が開示されている。また、特許文献２には、磁歪材料に最適な磁場を印加する方法に関する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献１等に記載されているＦｅＧａ系合金等の磁歪材料では、所定の大きさの磁場を印加することによって、最大で数１０ｐｐｍ程度の磁歪を発生させることができる。一方、Ａ．Ｅ．Ｃｌａｒｋらにより開発された、Ｆｅと希土類元素Ｄｙ、Ｔｂとの合金であるＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）では、最大で２０００ｐｐｍもの磁歪を発生させることができる。このような大きな磁歪が発生する合金は、超磁歪材料と呼ばれる。超磁歪材料は、ピエゾ圧電素子に比べて磁歪による変位量が桁違いに大きく、超磁歪材料をアクチュエータに用いた場合には、ピエゾ圧電素子に比べて非常に大きな機械的出力を得ることができる。また、超磁歪材料は、ピエゾ圧電素子に比べて交流磁場に対する磁歪の応答速度が速いという優位性も有する。さらに、超磁歪材料は、ピエゾ圧電素子に比べて加工が容易である、簡単な構造の機器に組み込むことができる、形状自由度が高い、使用可能温度域が広い等の優位性も有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１３０９８８号公報
【特許文献２】特開平９−１６８１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超磁歪材料に磁歪を生じさせるためには、特許文献１に開示されているＦｅＧａ系合金等に磁歪を生じさせる場合に比べて強い磁場を印加する必要がある。例えば、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）をアクチュエータとして利用する場合には、数千エルステッドから１テスラ程度の強磁場を必要とする。そのため、超磁歪材料をアクチュエータに適用するには、強い磁場を発生させることができる磁気回路が必要である。しかしながら、従来技術では、小型で強い磁場を発生させることができる磁気回路を作製することが困難であり、超磁歪材料を用いたアクチュエータを小型化することが困難であった。
【０００７】
そこで、本発明は、簡易な構成で強磁場を発生させることができ、小型化が可能な磁気回路、及び該磁気回路を用いたアクチュエータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、本発明について説明する。
第１の本発明は、環状に形成された環状部を有するヨークと、定常磁場を環状部に印加する定常磁場印加手段と、強度を変更可能な磁場を環状部に印加できる可変磁場印加手段とを備え、環状部が、他の部位より細く形成された磁場集中部を備えている、磁気回路である。
【０００９】
ここに、「環状に形成された」とは、磁場を印加された際に環状の磁場を形成できる形態に形成されていることを意味し、完全な環状の形態に形成されていることに限定される概念ではない。すなわち、環状部は、後に説明するように一部が切り欠かれている形態であってもよい。
【００１０】
第１の本発明の磁気回路は、磁場集中部の一部が切り欠かれていることが好ましい。かかる形態とすることによって、切り欠かれた間隙部に磁歪材料を配置し、第１の本発明の磁気回路を後述する第２の本発明のアクチュエータに好適に用いることができる。
【００１１】
第１の本発明の磁気回路は、ヨークが複数の環状部を備えており、複数の環状部がそれぞれ備える磁場集中部が一点に集中するように、複数の環状部が配置されていることが好ましい。かかる形態とすることによって、磁場集中部に大きな磁場を生じさせることが容易になる。
【００１２】
第２の本発明は、上記第１の本発明の磁気回路と、該磁気回路の磁場集中部に配置された磁歪材料と、を備えるアクチュエータである。
【００１３】
第２の本発明のアクチュエータは、磁場集中部に配置された磁歪材料がＴｂＤｙＦｅ系合金であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
第１の本発明によれば、簡易な構成で、強磁場を発生させることができ、小型化が可能な磁気回路を提供することができる。第１の本発明の磁気回路は、小型化することによってミリメートルオーダーの微小空間に強磁場を発生させることが可能である。また、第２の本発明によれば、第１の本発明の磁気回路を用いることによって、小型化が可能なアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一つの実施形態にかかる本発明の磁気回路を概略的に示した平面図である。
【図２】図１に示した磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。
【図３】図２に示したヨークのうち、ＩＩＩの部分を拡大して示した図である。
【図４】他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。
【図５】他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。
【図６】他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した斜視図である。
【図７】一つの実施形態にかかる本発明のアクチュエータを概略的に示した平面図である。
【図８】校正試験に用いた装置の構成を概略的に示した図である。
【図９】校正試験の結果を示した図である。
【図１０】磁歪材料に印加した磁場と磁歪材料に生じた磁歪との関係を示す図である。
【図１１】実施例で作製した実験用装置を概略的に示した平面図である。
【図１２】オーディオアンプのスピーカー端子からの出力電圧と時間との関係を示す図（上段）及び磁歪材料の変位量と時間との関係を示す図（下段）である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の上記した作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。ただし、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
【００１７】
＜磁気回路＞
図１は、一つの実施形態にかかる本発明の磁気回路１０を概略的に示した平面図である。また、図２は、図１に示した磁気回路１０のうち、ヨーク１を概略的に示した平面図である。図３は、図２に示したヨーク１のうち、ＩＩＩの部分を拡大して示した図である。図１に示した磁気回路１０は、ヨーク１と、定常磁場印加手段４、４と、可変磁場印加手段７、７とを備えている。
【００１８】
（ヨーク）
図１に示したように、ヨーク１は環状部２を２つ備えている。２つの環状部２には、それぞれ、後に説明する定常磁場印加手段４及び可変磁場印加手段７によって磁場が印加されている。図１に示した矢印Ｍ、Ｍ、…は、環状部２に形成される磁場の方向を示しており、矢印Ｍ、Ｍ、…で示したように、環状部２には環状の磁場が形成されている。また、環状部２は、他の部位より細く形成されるとともに一部が切り欠かれた部位３を備えている。後に説明するように、当該部位３は、磁場を集中させることができる部位であり、以下、磁場集中部３と記載する。２つの環状部２は、それぞれ磁場集中部３を備えており、それぞれが備える磁場集中部３が一点に集中するように、２つの環状部２が配置されている。よって、図１には、一つの磁場集中部３が表れている。
【００１９】
また、環状部２は、図２に示すように、後に詳述する定常磁場印加手段４を配置できる切り欠き４ａを備えている。図１に示したように、当該切り欠き４ａに定常磁場印加手段４を配置することにより、定常磁場印加手段４によって環状部２に定常磁場を印加し、矢印Ｍ、Ｍ、…で示したような環状の磁場を環状部２に形成することができる。なお、図１に示した形態では、環状部２に切り欠き４ａを設け、当該切り欠き４ａに定常磁場印加手段４を配置しているが、本発明はかかる形態に限定されない。定常磁場印加手段は、環状部に定常磁場を印加できる状態で配置されていればよい。すなわち、環状部に切り欠きを設けずに、定常磁場印加手段を環状部上に載置した形態であってもよい。
【００２０】
また、環状部２は、後に詳述する可変磁場印加手段７に備えられた円筒状のコイル５の中空部を通すようにして配置されている。そのため、当該コイル５に任意の大きさの電流を供給することによって、コイル５から環状部２に任意の強さの磁場を印加し、矢印Ｍ、Ｍ、…で示したような環状の磁場を環状部２に形成することができる。
【００２１】
上述したようにして環状部２に環状の磁場が印加されると、磁場集中部３は環状部２の他の部位より細く形成されているため、磁場集中部３の磁力線の密度が環状部２の他の部位より高くなる。すなわち、磁場集中部３付近の磁場が強くなる。例えば、磁場集中部３における環状部２の端部の幅（図３に示したＷ１）と、交流磁場が印加される部位（コイル５が備えられる部位）の幅（図２に示したＷ２）との比は、Ｗ２：Ｗ１＝１０：５から１０：２の範囲であることが好ましい。当該比が１０：２よりも大きいと、磁場集中部３が小さくなり過ぎて実用的でなくなるうえに、磁場集中部３付近のヨーク１の磁化が飽和して、結果としてコイル５に加えた電圧に比例した磁場が磁場集中部３に生じなくなる虞がある。
【００２２】
また、磁場集中部３に設けられた切り欠き部の間隔（図３に示したＤ）は、より狭い方が該切り欠き部に空間的に均一な磁場を生成することができるので有利である。切り欠き部の間隔（Ｄ）と磁場集中部３における環状部２の端部の幅（Ｗ１）との比は、Ｄ：Ｗ１＝２：１程度であることが好ましい。この比よりも間隙（Ｄ）を広げると、磁場の漏れが大きくなり、磁場集中部３に磁場を集中させる効果が低下する虞がある。
【００２３】
なお、磁場集中部３の切り欠き部に強磁性の磁性材料や超磁歪材料を設置する場合は、当該材料自体の強磁性により磁力線は当該材料内を通るので、切り欠き部の間隙は実質的に狭まることとなり、磁場集中部３における磁場の均一性が高まる。
【００２４】
また、環状部２を通る磁束が磁場集中部３で集中し易くするためには、図１に示したように、鋭角がないように環状部２を形成し、磁力線の流れをスムーズにすることが好ましい。
【００２５】
さらに、磁場集中部における磁場をより高め易くするには、図１に示したヨーク１のように略上下左右対称形状とし、対称軸が交わる位置に磁場集中部を形成することが好ましい。磁場の偏りのないスムーズな磁力線の流れを生じさせ、磁場集中部の磁場を高め易くなるからである。
【００２６】
磁場集中部３に生じる磁場の大きさは、定常磁場印加手段４及び可変磁場印加手段７によって環状部２に印加する磁場の大きさを調整することにより、適宜調整可能である。磁場集中部３に生じさせる最大磁場は、例えば、０．２Ｔ以上２Ｔ以下とすることが好ましい。上述したように、超磁歪材料に磁歪を生じさせるためには強い磁場を印加する必要がある。磁場集中部３に生じさせる磁場を上記範囲にすることによって、磁場集中部３に超磁歪材料を配置した場合に、該超磁歪材料に大きな磁歪を生じさせやすくなる。
【００２７】
これまでの磁気回路１０の説明では、図１に示したように、ヨーク１が２つの環状部２を備え、該環状部２がそれぞれ、他の部位より細く形成されるとともに一部が切り欠かれた磁場集中部３を備え、それらの磁場集中部３が一点に集中するように２つの環状部２が配置されている形態について例示した。ただし、本発明はかかる形態に限定されない。図４は、他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。図５は、さらに他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した平面図である。図６は、さらに他の実施形態にかかる本発明の磁気回路のうち、ヨークを概略的に示した斜視図である。
【００２８】
本発明の磁気回路に備えられるヨークは、環状に形成された環状部を備え、該環状部が他の部位より細く形成された磁場集中部を備えていればよい。したがって、図４に示したヨーク１ａのように、単に他の部位より細くすることによって切り欠きを有さない磁場集中部３ａを形成してもよい。かかる形態であっても、磁場集中部３ａでの磁束密度が他の部位より高くなり、磁場集中部３ａに強い磁場を生じさせることができる。ただし、後に説明するように磁場集中部に磁歪材料を配置して該磁歪材料に磁場を印加する場合、図１に示した磁場集中部３のように磁場集中部の一部が切り欠かれていた方が、当該切り欠きの間隙に磁歪材料を配置することによって該磁歪材料に強い磁場を印加し易くなる。
【００２９】
また、本発明の磁気回路に備えられるヨークは、環状に形成された環状部を備えていればよく、該環状部の数は特に限定されない。したがって、図５に示したヨーク１ｂのように、環状部２ｂを１つだけ備える形態であってもよく、図６に示したヨーク１ｃように、環状部２ｃを３つ以上（図６に示した形態では４つ。）備える形態であってもよい。ただし、ヨークが複数の環状部を備える場合には、ヨーク１、１ａ、及び１ｃのように、複数の環状部がそれぞれ備える磁場集中部が一点に集中するように、複数の環状部が配置された形態とする。それぞれの環状部に形成された磁場を一点（磁場集中部）に集中させるためである。
【００３０】
このように、本発明の磁気回路に備えられるヨークの環状部の数は特に限定されないが、環状部を複数備えた形態とする方が磁場集中部の磁束密度を上げ易くなる。また、ヨークが環状部を複数備える場合、作製が容易であるという観点からは、ヨーク１及び１ａのように、同一平面上に環状部を備える形態が好ましい。複数の環状部を同一平面上に形成する形態とすれば、１枚の板材からヨークを容易に作製することができる。
【００３１】
なお、図４〜図６では定常磁場印加手段を配置するための切り欠きを示していないが、図１に示したヨーク１と同様に、定常磁場印加手段を配置するには、ヨーク１ａ、１ｂ、及び１ｃも、その一部を切り欠いて配置することができる。
【００３２】
このようなヨークは、高透磁材料や磁性体によって作製することができる。ヨークを構成する材料としては、例えば、鉄、ステンレス鋼、ニッケルなどを挙げることができる。
【００３３】
（定常磁場印加手段）
図１に示した磁気回路１０は、２つの定常磁場印加手段４を備えている。定常磁場印加手段４は、所定の強さの定常磁場を環状部２に印加する手段である。定常磁場印加手段４の具体例としは、永久磁石を挙げることができる。図１に示した形態では、定常磁場印加手段４として永久磁石を用いる形態を想定しているため、以下の説明では、定常磁場印加手段４を永久磁石４と記載する。用いることができる永久磁石としては、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石などを例示できる。ただし、本発明はかかる形態に限定されず、直流電流を供給したコイル等を定常磁場印加手段として用いることもできる。永久磁石によれば、所定の強さの定常磁場を環状部に印加することが簡単であるため、本実施形態では定常磁場印加手段として永久磁石を用いる形態を例示した。
【００３４】
なお、図１に示した形態では環状部２の一部を切り欠いて永久磁石４を配置しているが、上述したように、本発明において永久磁石の設置位置はかかる形態に限定されない。永久磁石は、環状部に定常磁場を印加できるように設置されていればよく、永久磁石を環状部上に載置してもよい。ただし、環状部に定常磁場を印加し易くするためには、環状部の一部を切り欠いて永久磁石を挿入することが好ましい。また、永久磁石は、環状部と接するように配置することが好ましい。かかる形態とすることによって、永久磁石から環状部に磁場を印加し易くなる。
【００３５】
永久磁石によって環状部に印加する定常磁場の強さは、永久磁石の設置位置、永久磁石を構成する材料や永久磁石の設置数を調整することによって、調整することができる。
【００３６】
（可変磁場供給手段）
図１に示した磁気回路１０は、２つの可変磁場供給手段７を備えている。可変磁場供給手段７は、任意の強さの磁場を環状部２に印加できる手段である。可変磁場供給手段７は、永久磁石４が環状部２に形成する磁場の方向と同じ方向で、任意の強さの磁場を環状部２に形成できる手段であれば、その形態は特に限定されない。可変磁場供給手段７の具体例としては、図１に示したように、コイル５と、該コイル５に電力を供給する電源６とを備えた電磁石を挙げることができる。図１に示した形態では、可変磁場供給手段７として電磁石を用いる形態を想定しているため、以下の説明では、可変磁場供給手段７を電磁石７と記載する。電磁石によれば、任意の強さの磁場を環状部に印加することが容易であるため、本実施形態では可変磁場供給手段として電磁石を用いる形態を例示した。
【００３７】
上述したように、超磁歪材料に磁歪を生じさせるためには、強い磁場を印加する必要がある。また、超磁歪材料に生じる磁歪の程度を調整するには、該超磁歪材料に印加する磁場の強さを調整しなければならない。すなわち、超磁歪材料に生じる磁歪の程度を変化させるためには、超磁歪材料に磁歪を生じさせる程度の強い範囲で超磁歪材料に印加する磁場の強さを変化させなければならない。このように磁場を変化させることは、永久磁石のみ又は電磁石のみでは困難である。磁気回路１０によれば、永久磁石４によって所定の強さの定常磁場を磁場集中部３に生じさせつつ、電磁石７によって磁場集中部３に生じる磁場の強さを変化させることができる。また、上述したように、磁場集中部３には強い磁場を生じさせることができる。すなわち、磁気回路１０によれば、超磁歪材料に磁歪を生じさせる程度の強い範囲で磁場集中部３に生じる磁場を変化させることができる。したがって、磁場集中部３に超磁歪材料を配置すれば、該超磁歪材料に生じる磁歪の程度を調整することが容易になる。
【００３８】
磁気回路１０によれば、電源６を交流電源とし、該交流電源からコイル５に供給される電流の振動数をかえることによって、任意の周波数（例えば、１ｋＨｚ以上。）の振動磁場を磁場集中部３に生じさせることも可能である。ただし、電源６としては、直流電源でもよい。直流電源からコイル５に供給される電流の強さを調整することによって、磁場集中部３に生じる磁場の強さを任意の強さにすることができる。
【００３９】
（用途）
本発明の磁気回路は、磁場集中部に強い磁場を発生させることができる。そのため、上述したように強い磁場を印加しなければ磁歪を生じさせられない超磁歪材料を磁場集中部に設置した場合、該超磁歪材料に磁歪を生じさせることができる。よって、本発明の磁気回路は、後述するように、超磁歪材料を用いたアクチュエータに適用することができる。また、本発明の磁気回路は、これまでに説明したように構成が簡易なため、小型化することが容易である。そのため、本発明の磁気回路は小型の機器に組み込むことが可能であり、ミリメートルオーダーの微小空間に強磁場を発生させる磁気回路として使用が可能である。さらに、本発明の磁気回路によれば、ヨークに交流電流を流して交流磁場を発生させた状態で、磁性体や方位磁石などの磁針、あるいは他の永久磁石を近づけることで磁気力による振動現象を観測できる。したがって、本発明の磁気回路は、小学生から高校生の電磁気の理科実験教材としても使用可能である。また、本発明の磁気回路は、安価でかつ加工し易い材料で構成することができる。そのため、従来の磁気回路を本発明の磁気回路にかえることによって、磁気回路を備えた機器の低コスト化を図ることができる。
【００４０】
＜アクチュエータ＞
次に、本発明のアクチュエータについて説明する。本発明のアクチュエータは、上述した本発明の磁気回路と、該磁気回路の磁場集中部に配置された磁歪材料と、を備えている。図７は、一つの実施形態にかかる本発明のアクチュエータ１００を概略的に示した平面図である。図７に示したアクチュエータ１００は、磁気回路１０と、磁気回路１０の磁場集中部３に配置された磁歪材料９とを備えている。図７において、図１に示したものと同様のものには同符号を付し、説明を省略する。
【００４１】
上述したように、磁気回路１０は、磁場集中部３に強い磁場を生じさせることができる。よって、磁場集中部３に磁歪材料９を配置することによって、磁歪材料９に強い磁場を印加することができる。そのため、磁歪材料９として超磁歪材料を用いた場合であっても、該超磁歪材料に磁歪を生じさせることができる。磁歪材料９としては、例えば、ＴｂＦｅ系合金やＴｂＤｙＦｅ系合金等の超磁歪材料を用いることができる。ＴｂＤｙＦｅ系合金としては、例えば、組成がＴｂ０．２７Ｄｙ０．７３Ｆｅ１．９であるＴｅｆｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）がある。
【００４２】
超磁歪材料は、零磁場付近で交流磁場を印加しただけでは変位が小さい。しかしながら、数千エルステッド付近では変位が大きくなる。上述したように、本発明の磁気回路は、定常磁場印加手段によって所定の強さの定常磁場を印加したうえで、可変磁場印加手段によってバイアスとなる磁場を加えることで、所定の強さを中心として所定の範囲で強さが変化する磁場を磁場集中部に生じさせることができる。よって、磁場集中部に超磁歪材料を配置することによって、交流磁場のみよりも超磁歪材料を大きく変位させることができる。
【００４３】
また、可変磁場印加手段の電源に備えられた発振器の出力をｍＶオーダーで制御することによって、超磁歪材料の変位を１０ｎｍ程度の精度で制御することが可能である。よって、本発明のアクチュエータは、原子間力顕微鏡などのように高精度の位置決めが要求される装置の位置決め手段として用いることができる。
【００４４】
また、本発明の磁気回路は小型化が容易であるため、本発明のアクチュエータも小型化が容易である。本発明のアクチュエータは、小型化することによって、医療機器や小型電子機器などに適用可能である。
【００４５】
本発明のアクチュエータの医療機器への適用例としては、マイクロカテーテルに適用する例が挙げられる。医療現場では、外径１．５ｍｍ程度のマイクロカテーテルが利用されている。超磁歪材料を備えた本発明のアクチュエータを小型化し、このようなマイクロカテーテルに挿入して用いることにより、腫瘍や血管の中の老廃物を除去することが可能となる。
【００４６】
本発明のアクチュエータの小型電子機器への適用例としては、マイクロスイッチやマイクロ振動子に適用する例が挙げられる。本発明のアクチュエータは１ｍｍサイズのスイッチとしても適用可能であり、マイクロマシンや小型電子基板のスイッチとして利用することが考えられる。なお、磁歪材料は金属でそれ自身に電流を流せるため、本発明のアクチュエータは電気スイッチとしても利用できる。
【００４７】
さらに、本発明のアクチュエータは、スピーカーなどに適用することもできると考えられる。
【００４８】
これまでの本発明のアクチュエータの説明では、磁気回路１０を備える形態について例示したが、本発明のアクチュエータに備えられる磁気回路はかかる形態に限定されない。本発明のアクチュエータは、本発明の磁気回路と磁歪材料とを備えていればよい。すなわち、本発明のアクチュエータは、磁気回路１０にかえて、他の形態の本発明の磁気回路を備えていてもよい。また、磁気回路１０のように磁場集中部に切り欠きがある場合は、当該切り欠きの間隙に磁歪材料を配置することによって該磁歪材料に強い磁場を印加することができる。一方、磁場集中部に切り欠きがない磁気回路を用いる場合は、磁場集中部上に磁歪材料を載置することによって、該磁歪材料に強い磁場を印加することができる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。ただし本発明は実施例に限定されるものではない。
【００５０】
（校正試験）
本発明の磁気回路の性能を評価するにあたって、まず、以下に説明する校正試験によって磁歪材料（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標））に印加した磁場の強度と磁歪材料に生じた磁歪の大きさとの関係を調べた。図８は、校正試験に用いた装置の構成を概略的に示した図である。
【００５１】
水冷パルス磁石７１（３．０ｍｍの厚さのビッター板（円盤形）を３０枚重ねて作ったパルス強磁場用磁石）及び該パルス磁石７１に電力を供給するパルス磁場用電源７２（ニチコン株式会社製、コンデンサーバンク（Ａ４サイズのコンデンサー４０個）、最大５ｋＶ、Ｃ＝８ｍＦ、Ｅ＝１００ｋＪ）を用意し、パルス磁場用電源７２に電荷を蓄えて、パルス磁場を形成した。充電圧は、２００Ｈｚ水冷パルス磁石の場合、１ｋＶで７Ｔを目処に行った。例えば、０．２０ｋＶならば１．４Ｔとなる。このようにして形成したパルス磁場を試料（磁歪材料）９に印加した。
【００５２】
磁歪材料９に生じた磁歪、すなわち歪みの量は、静電容量法で測定した。一対の電極（銅泊シールドテープ）７３ａ、７３ｂを用意し、一方の電極７３ａを磁歪材料９の端面（磁歪によって伸び縮みする方向の一方の端面）に貼り付け、他方の電極７３ｂは、電極７３ａから所定の距離を設けて固定した。このとき、電極７３ａ（磁歪材料９の端面）と電極７３ｂとの距離は、磁歪材料９と電極７３ｂとをベークライト板を用いて固定することにより設定した。そして、この一対の電極７３ａ、７３ｂによって、Ｃ０＝１．５ｐＦ程度のコンデンサーを構成した。このコンデンサーの両端を、静電容量を測定するキャパシタンスブリッジ７４（Ｑｕａｄｔｅｃｈ社製「１６１５Ａ」）に繋いだ。キャパシタンスブリッジ７４は発振器７５（株式会社エヌエフ回路設計ブロック製「ＷＦ１９４５」）で作動させた。キャパシタンスブリッジ７４の中には可変キャパシタンスの交流ブリッジ回路が備えられており、ブリッジ回路からの交流出力をロックインアンプ７６（株式会社エヌエフ回路設計ブロック製「ＬＩ５６４０」、交流電圧計に相当。）で検出し、デジタルオシロスコープ７７（岩崎通信機株式会社製「ＢＲＩＮＧＯ ＤＳ−８８１４」）で解析した。
【００５３】
まずは零磁場（磁歪材料９に磁場を印加していない状態）での静電容量Ｃ０をキャパシタンスブリッジ７４のノブをまわして測定し、それからパルス磁場を印加する際にキャパシタンスブリッジ７４の出力をデジタルオシロスコープ（株式会社ＴＦＦ製「ＴＤＳ４６０Ａ」）に入力して磁歪の信号電圧を検出した。この信号の電圧の大きさが静電容量の変化量ΔＣに比例する。磁歪材料９に磁場を印加する前に、電極７３ａと電極７３ｂの間の距離ｄ０をマイクロメータで測定しておくことによって、磁歪材料９に磁場を印加したときの静電容量の変化量ΔＣが電極７３ａ、７３ｂ間距離の変化量Δｄに比例することから、Ｃ０、ｄ０、ΔＣからΔｄを求めることができ、このΔｄが磁歪材料９の磁歪量になる。
【００５４】
上記校正用試験の結果を図９及び図１０に示した。図９に示したのは、周期τ＝２．６ｍｓ、周波数にすると２００Ｈｚのパルス磁場中で磁歪材料９に生じた磁歪を測定した結果である。上記校正用試験は、室温（２９７Ｋ、２３℃）で行った。図９に示したように、磁歪材料９に印加したパルス磁場強度は横軸の読み通りで最大１．４Ｔであった。磁歪材料９に生じた磁歪は、１０倍して％となるように表示しており、最大で０．２２％（２２００ｐｐｍ）であった。なお、ロックインアンプ７６からの出力電圧は磁歪材料９に生じた磁歪量に比例している。パルス磁場がゼロに戻った後の磁歪の振動は、ベークライトの固定台に磁歪材料９を固定するために使用した両面テープによる振動だと考えられる。
【００５５】
図１０のグラフは、図８の装置系を用いて実験した結果の磁場‐磁歪校正曲線である。横軸が磁歪材料９に印加した最大磁場の強さ、縦軸が磁歪材料９に生じた磁歪（変位量）の大きさである。図１０からわかるように、パルス磁石７１によって最大１．４Ｔ程度の磁場を磁歪材料９に印加することができた。また、パルス磁石７１によって磁歪材料９に印加する交流磁場の周波数を８０Ｈｚにした場合でも２００Ｈｚにした場合でも、磁歪材料９に印加した磁場の大きさの変化に対して磁歪材料９の変位量の傾きが大きくなる範囲があることがわかる。このように、磁歪材料９には変位量を大きくすることができる磁場の強さの範囲が存在するため、この範囲で磁歪材料９に印加する磁場の強さを振れさせることによって、磁歪材料９の変位量の変化を大きくできることがわかる。よって、本発明の磁気回路を、このような範囲の強さの磁場を磁歪材料に印加できる形態とすることによって、アクチュエータとして好適に用いることができる。本発明の磁気回路は、定常磁場印加手段と可変磁場印加手段とによって磁場集中部に磁場を生じさせることができる。そのため、例えば、定常磁場印加手段によって、磁歪材料の変位量の傾きが大きくなる磁場範囲の下限強さの定常磁場を磁場集中部に生じさせ、可変磁場印加手段によって、磁歪材料の変位量の傾きが大きくなる範囲内で、磁場集中部に生じさせる磁場の強度を変化させることによって、磁場集中部に配置された磁歪材料の変位量を微調整し易くなるため、本発明の磁気回路をアクチュエータとして好適に用いることができる。
【００５６】
上記校正試験によって磁歪材料９に印加した磁場の強度と磁歪材料９に生じた磁歪の大きさとの関係を確認しておくことによって、磁歪材料９に生じた磁歪の大きさから、磁歪材料９に印加されている磁場の強さを見積もることができる。すなわち、以下に説明するようにして磁気回路１０によって磁歪材料９に磁場を印加したときに磁歪材料９に生じた磁歪の大きさから、磁歪材料９に印加されている磁場（磁気回路１０の磁場集中部に生じている磁場）の強さを見積もることができる。
【００５７】
（本発明の磁気回路の性能評価）
図１１に示した構成の実験用装置１０１を作製し、本発明の磁気回路の性能を評価した。図１１において、図７と同様の構成のものには、同符号を付している。
【００５８】
ヨーク１は厚さ２ｍｍの純鉄の板材で作製した。ヨーク１の寸法は、上下方向の長さ（図２に示したＬ１）及び左右方向の長さ（図２に示したＬ２）をそれぞれ１００ｍｍとした。磁場集中部３に形成された切り欠き部において、ヨーク１の端部の幅（図３に示したＷ１）は３．０ｍｍとし、当該切り欠き部の間隔（図３に示したＤ）は６．０ｍｍとした。コイル５が備えられる部分の幅（図２に示したＷ２）は、１０ｍｍとした。この磁場集中部３に形成された切り欠き部の中心には、磁歪材料９として２ｍｍ×２ｍｍ×長さ（磁場を印加していないときの、磁歪によって伸び縮みする方向の長さ）５．８ｍｍの大きさのＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（登録商標）を設置した。永久磁石４としては、厚さ５ｍｍの円盤型のフェライト磁石を用いた。実験用装置１０１では、アクチュエータ１００と同様に２つの永久磁石４を設置し、さらに図１０に示したように同様の永久磁石４を２つ、環状部２上に載置した。これら４つの永久磁石４によって、磁場集中部３には０．３Ｔの定常磁場を生じさせることができた。コイル５としては、外径φ０．２０ｍｍのポリエステル被覆銅線を用いた巻き数が１０のコイルを用いた。コイル５の電源６としては、発振器（株式会社エヌエフ回路ブロック製、ＷＦ１９４５）及びオーディオアンプ（マランツ社製、ＰＭ５００３）を用いた。
【００５９】
上記のようにして実験用装置１０１を作製し、磁歪材料９に生じた磁歪を測定した。磁歪の測定は、歪みゲージ（株式会社共和電業製）、歪ゲージブリッジ（自作、ブリッジ電源は３．０Ｖ（単三電池２個直列））、ブリッジ回路出力増幅用アンプ（岩崎通信機株式会社製「ＤＡ‐２Ｂ」、ブリッジ出力電圧を１０００倍に増幅）、及びデジタルオシロスコープ（岩崎通信機株式会社製「ＢＲＩＮＧＯ ＤＳ−８８１４」）を用いて行った。その結果を、図１２に示した。
【００６０】
図１２の上段のグラフは、横軸が磁歪材料９に磁場を印加した時間、縦軸がオーディオアンプのスピーカー端子からの出力電圧である。図１２の下段のグラフは、横軸が磁歪材料９に磁場を印加した時間、縦軸が磁歪材料９に生じた磁歪の大きさである。
【００６１】
図１２からわかるように、磁歪材料９の磁歪は磁歪材料９に印加した交流磁場の周波数に依存しており、最大で約６８０ｐｐｍ変位させることができた。本実験には長さ６ｍｍの磁歪材料９を用いたため、磁歪材料９の最大変位量は約４．０μｍであった。このように、本発明の磁気回路を用いれば、容易に超磁歪材料に大きな磁歪を生じさせることができた。
【符号の説明】
【００６２】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ ヨーク
２、２ａ、２ｂ、２ｃ 環状部
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 磁場集中部
４ 永久磁石（定常磁場印加手段）
５ コイル
６ 電源
７ 電磁石（可変磁場印加手段）
９ 磁歪材料
１０、１０ａ、１０ｂ 磁気回路
１００ アクチュエータ
１０１ 実験用装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状に形成された環状部を有するヨークと、定常磁場を前記環状部に印加する定常磁場印加手段と、強度を変更可能な磁場を前記環状部に印加できる可変磁場印加手段と、を備え、
前記環状部が、他の部位より細く形成された磁場集中部を備えている、磁気回路。
【請求項２】
前記磁場集中部の一部が切り欠かれている、請求項１に記載の磁気回路。
【請求項３】
前記ヨークが複数の前記環状部を備えており、
前記複数の環状部がそれぞれ備える前記磁場集中部が一点に集中するように、前記複数の環状部が配置されている、請求項１又は２に記載の磁気回路。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気回路と、
前記磁気回路の前記磁場集中部に配置された磁歪材料と、を備えるアクチュエータ。
【請求項５】
前記磁歪材料がＴｂＤｙＦｅ系合金である、請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項１】
環状に形成された環状部を有するヨークと、定常磁場を前記環状部に印加する定常磁場印加手段と、強度を変更可能な磁場を前記環状部に印加できる可変磁場印加手段と、を備え、
前記環状部が、他の部位より細く形成された磁場集中部を備えている、磁気回路。
【請求項２】
前記磁場集中部の一部が切り欠かれている、請求項１に記載の磁気回路。
【請求項３】
前記ヨークが複数の前記環状部を備えており、
前記複数の環状部がそれぞれ備える前記磁場集中部が一点に集中するように、前記複数の環状部が配置されている、請求項１又は２に記載の磁気回路。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気回路と、
前記磁気回路の前記磁場集中部に配置された磁歪材料と、を備えるアクチュエータ。
【請求項５】
前記磁歪材料がＴｂＤｙＦｅ系合金である、請求項４に記載のアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１６５５３７（Ｐ２０１２−１６５５３７Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３１１６（Ｐ２０１１−２３１１６）
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【出願人】（５０４４０９５４３）国立大学法人秋田大学 (210)
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【出願人】（５０４４０９５４３）国立大学法人秋田大学 (210)
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