JP2009225547A - Magnetostriction actuator and electronic unit using the same - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a magnetostrictive actuator having a magnetostrictive element that generates magnetostriction when an external magnetic field is applied, and an electronic apparatus including the magnetostrictive actuator.
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。 In general, a magnetostrictive actuator using a magnetostrictive element that generates magnetostriction by applying an external magnetic field is known as an actuator that generates vibration and displacement. As a material of the magnetostrictive element of this magnetostrictive actuator, for example, a Ni-based magnetostrictive alloy or a ferrite-based magnetostrictive alloy is mainly used. Recently, a rare earth metal-transition metal super magnetostrictive alloy capable of generating a displacement larger by one digit or more than the magnetostrictive element such as Ni-based magnetostrictive alloy or ferrite-based magnetostrictive alloy has been provided. It was.
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。 As this type of conventional magnetostrictive actuator, for example, there is one described in Patent Document 1. Patent Document 1 describes a magnetostrictive actuator that can efficiently apply a magnetic field from a magnetic field excitation coil to a magnetostrictive element. The magnetostrictive actuator (hereinafter referred to as “first conventional example”) according to Patent Document 1 is as follows. That is, the magnetostrictive element is formed in a cylindrical shape, and magnetic field excitation coils wound around the inner and outer peripheral portions of the cylindrical magnetostrictive element are arranged.
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。
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。 However, in the first and second conventional examples described above, the cross-sectional shape in the direction orthogonal to the axial direction of the magnetostrictive element is a ring shape or a circular shape. Therefore, when magnetostriction is generated by applying an external magnetic field, an eddy current that is an induced current is generated in the magnetostrictive element, and in particular, an increased eddy current is generated with respect to a change in a high-frequency external magnetic field. As a result, this eddy current becomes the electric resistance of the magnetostrictive element and generates Joule heat, so that there is a problem that the energy conversion efficiency is poor.
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。 The problem to be solved is that, in the conventional magnetostrictive actuator, an increased eddy current is generated especially in response to a change in a high-frequency external magnetic field. Heat is generated and energy conversion efficiency is poor.
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。 A magnetostrictive actuator of the present invention has a columnar magnetostrictive element assembly obtained by bundling and coupling a plurality of pieces of magnetostrictive elements, and a magnetic field excitation coil wound around the outer periphery of the magnetostrictive element combination. .
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。 The electronic device using the magnetostrictive actuator of the present invention can generate sound by vibrating the diaphragm by driving the magnetostrictive actuator, or can move the moving body along the shaft by vibrating the shaft by driving the magnetostrictive actuator. Alternatively, it is realized by cooling the object to be cooled by moving the refrigerant by driving a magnetostrictive actuator having a pump unit.
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。 According to the magnetostrictive actuator of the present invention, it is possible to suppress the generation of eddy currents by winding a magnetic field excitation coil around a columnar magnetostrictive element assembly obtained by bundling and coupling a plurality of pieces of magnetostrictive elements. In addition, it is possible to provide a magnetostrictive actuator with excellent driving efficiency while suppressing Joule loss.
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。 By forming a columnar magnetostrictive element assembly by bundling and coupling the divided pieces of a plurality of magnetostrictive elements, it is possible to effectively suppress the generation of eddy currents and increase the driving efficiency of the magnetostrictive actuator.
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。 Hereinafter, embodiments of a magnetostrictive actuator of the present invention and an electronic apparatus using the magnetostrictive actuator will be described with reference to the drawings.
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。 First, the magnetostrictive element will be described. Examples of the material of the magnetostrictive element include a Ni-based magnetostrictive alloy, a Fe—Al-based magnetostrictive alloy, a ferrite-based magnetostrictive alloy, and a rare earth metal-transition metal-based giant magnetostrictive alloy. Whether this magnetostrictive element expands or contracts depends on its constituent materials, and mainly contracts in Ni-based magnetostrictive alloys. The alloy mainly stretches. In particular, a rare earth metal-transition metal-based giant magnetostrictive alloy that forms a giant magnetostrictive element generates a displacement that is one order of magnitude greater than other magnetostrictive elements. Therefore, in the present embodiment, an example in which a rare earth metal-transition metal super magnetostrictive alloy is used as the magnetostrictive element will be described.
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。
In order to improve the dynamic characteristics of the giant magnetostrictive actuator using the giant magnetostrictive element and increase the driving efficiency, it is important how to suppress the eddy current generated in the giant magnetostrictive element.
Therefore, in the present invention, a columnar giant magnetostrictive element designed in advance is divided in the axial direction to form a plurality of pieces of magnetostrictive elements, and the plurality of pieces are bundled together and bonded with an adhesive. Thus, one magnetostrictive element combination is formed. Thereby, the magnetostrictive element combination was compared with the conventional magnetostrictive element, and it was clarified that the magnetostrictive element combination of the present invention is excellent in the eddy current suppressing effect. In addition, although a some division | segmentation piece is generally joined using an adhesive agent, you may join using an adhesive tape.
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。
In this example, a numerical simulation on the electromagnetic field of a giant magnetostrictive actuator by the finite element method (FEM) was carried out, and the calculation result of eddy current loss was calculated for the relationship between the voltage applied to the drive coil and the eddy current generated in the giant magnetostrictive material. Based on the quantitative considerations. As a result, it is shown that the eddy current generated on the surface of the magnetic material can be effectively suppressed by dividing the supermagnetic material into a plurality of parts by the insulating slit, and the relationship between various slit patterns and the generated eddy current. Was quantitatively clarified using numerical simulation.
Therefore, the calculation to be described later clarified the power saving for driving the magnetostrictive element or the effect of suppressing the eddy current, and it became possible to conduct a preliminary study for creating a highly efficient giant magnetostrictive actuator.
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。
Until now, basic physical property data of the giant magnetostrictive element has not been actively acquired. The reason is that the value of the magnetic permeability μ changes due to the expansion and contraction of the giant magnetostrictive element because the element itself expands and contracts due to a change in the external magnetic field.
However, when manufacturing a giant magnetostrictive actuator or vibrator, even if no external magnetic field is applied, a BH (B = magnetic flux density, H = flux) curve before the vibrator is changed by the external magnetic field is acquired. Thus, the permeability μ can be included in the sequential calculation. Therefore, it is effective for initial design and estimation of Joule loss of the giant magnetostrictive element due to eddy current.
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。
Conventionally, as an actuator or vibrator of a giant magnetostrictive element, the idea that an optimum amplitude for causing a change in magnetic field only has to be generated has been stopped. As a result, much research has not been done on the energy efficiency of the amplitude of the giant magnetostrictive element and the optimum magnetic field generating circuit for obtaining the amplitude.
In view of the above, by using the method of dividing the giant magnetostrictive element and the method of calculating the eddy current shown as a specific example of the present invention, the Joule loss due to the eddy current by frequency in the giant magnetostrictive element of the giant magnetostrictive actuator or vibrator is reduced. It can be calculated in advance. Thereby, it is possible to optimize the element division in consideration of the skin effect at a high frequency, and to enable a suitable design of the giant magnetostrictive actuator and the vibrator.
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。
1 and 2A, 2B show a first example of a giant magnetostrictive element 1 used in a giant magnetostrictive actuator of the present invention.
When a high frequency voltage is applied to the coil, an eddy current is generated in the magnetostrictive material according to Lenz's law. Eddy currents are frequency dependent, and as the frequency increases, the skin effect becomes more prominent, and the tendency for current to flow on the device surface becomes stronger. In order to reduce the Joule loss of this eddy current, in the present invention, as shown in FIG. 1 and the like, a slit 2 for insulation is provided in the longitudinal direction (axial direction) of the giant magnetostrictive element. The slit 2 divides a columnar magnetostrictive material having a circular cross-sectional shape showing a specific example of a columnar shape at one or more locations along the axial direction to form a plurality of pieces 3 of magnetostrictive elements. To do.
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。 In the embodiment shown in FIG. 1, a cylindrical magnetostrictive material is cut at four cross sections intersecting at equal angular intervals to form eight divided pieces 3 having the same shape and size (hereinafter “slit type”). 1 ”). 3A to 3F show another embodiment in which a cylindrical magnetostrictive material is divided along the axial direction thereof.
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。 That is, FIG. 3A shows an embodiment in which a cylindrical magnetostrictive material is cross-sectioned at the center by one slit 2 passing through the axial center line thereof, thereby forming two divided pieces 3 (hereinafter referred to as “slit type 2”). "). FIG. 3B shows an example in which a cylindrical magnetostrictive material is crossed in two directions orthogonal to each other by two slits 2 that pass through the axis of the cylinder and are orthogonal to each other, thereby forming four divided pieces 3 (hereinafter referred to as “parts 3”) "Slit type 3"). FIG. 3C shows an embodiment in which a columnar magnetostrictive material is cut in eight directions by eight slits 2 passing through the axial center line and intersecting at equal angular intervals, thereby forming 16 divided pieces 3. An example (hereinafter referred to as “slit type 4”) is shown.
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。 Further, FIG. 3D shows six cylindrical magnetostrictive materials by a cross section by two slits 2 passing through the axial center line and orthogonal to each other, and a third cross section by a slit 2 having a crossing angle of 45 degrees. The example (slit type 5) in which the divided pieces 3a and 3b are formed is shown. Further, FIG. 3E shows an embodiment (slit type 6) in which a cylindrical magnetostrictive material is cross-sectioned at five points by five slits 2 parallel to each other, thereby forming six divided pieces 3a to 3f. It is shown. FIG. 3F shows an example (slit type) in which a cylindrical magnetostrictive material is cross-sectioned at three points by three slits 2 having a substantially similar waveform, thereby forming four divided pieces 3a to 3d. 7). However, it is needless to say that the form of the slit according to the present invention is not limited to this embodiment.
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。 Next, based on the form of the slit (slit type 1) shown in FIG. 1 and the form of slits (slit type 2-4) shown in FIGS. 3A to 3C, and the form without the slit (no slit) shown in FIG. The effect of the number of slits 2 on the Joule loss of eddy current and the change in eddy current characteristics accompanying the change in frequency of the current will be described using numerical simulation.
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。
In analyzing the eddy current generated in the giant magnetostrictive element, a voltage applied to the coil, that is, a current value of the coil is given as a calculation condition. At that time, it is important to estimate an eddy current generated in the giant magnetostrictive element and an energy loss caused by the eddy current.
The basic theory necessary for this analysis will be briefly explained.
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。
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。
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。
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。
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。 Next, the giant magnetostrictive actuator 5 shown in FIG. 4 is replaced with a simple model shown in FIG. 5 for analysis. As shown in FIG. 4, the giant magnetostrictive actuator 5 includes a cylindrical yoke 6 serving as a housing, a giant magnetostrictive element assembly 7 accommodated in a hole 6a of the cylindrical yoke 6, and the like. Yes. The giant magnetostrictive element assembly 7 includes a giant magnetostrictive element 8 having a columnar shape, a cylindrical magnet 9 fitted outside the giant magnetostrictive element 8 with a predetermined gap, and wound around the outside of the magnet 9. A mounted magnetostrictive driving coil 10 having a cylindrical shape is provided. The giant magnetostrictive element assembly 7 assembled in the columnar shape is accommodated in the hole 6 a of the cylindrical yoke 6.
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。 Further, a lower yoke portion 11 is disposed below the giant magnetostrictive element assembly 7, and an upper yoke 12 is disposed above the giant magnetostrictive element assembly 7. For example, a drive rod 13 constituted by a carbon shaft is joined to an upper end, which is one end of the giant magnetostrictive element 8 in the axial direction, by an adhesive and integrally formed. The drive rod 13 protrudes upward through a central hole provided in the upper yoke 12.
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。 The simple model of the giant magnetostrictive actuator 5 shown in FIG. 5 includes only the giant magnetostrictive element 8 and the coil 10, and only a quarter portion of the whole is modeled in consideration of the axial symmetry of the analysis model. . In applying the finite element method (FEM), the giant magnetostrictive element 8 and the coil 10 were divided using a three-dimensional tetrahedral element as shown in FIG. The central portion is the giant magnetostrictive element 8, and the coil 10 is disposed outside thereof. The outside of the coil 10 is air (atmosphere). Further, regarding the action region of the external magnetic field, element division was performed as shown in FIG. 6 for a region five times the outer diameter of the coil. In the analysis, general-purpose electromagnetic field analysis software JMAG was used.
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。 By the way, in the electromagnetic field analysis, in particular, the eddy current analysis, generally, an element of a type (side element) that defines an unknown physical quantity on an element side is often brought in. Therefore, in the FEM analysis in this example, analysis was performed using side elements of a type that defines physical variables on six sides of a tetrahedron as shown in FIG.
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。 The outer diameter of the coil 10 was 12 [mm], the inner diameter was 6.8 [mm], the height was 10.2 [mm], the number of turns of the coil 10 was 200, and the resistance value was 3 [Ω]. The radius of the giant magnetostrictive element 8 was 4.6 [mm], and its conductivity was 60 × 10 −8 [Ωm]. In general, in a magnetostrictive material, the magnetic permeability μ is not constant, and the relationship between the magnetic field H and the magnetic flux density B is nonlinear. In this example, the relationship between the magnetic field H and the magnetic flux density B was given as shown in the graph of FIG. 9 based on the actual measurement data of the giant magnetostrictive element manufactured by ETERMA. In FIG. 9, the horizontal axis represents the magnetic field H [A / m], and the vertical axis represents the magnetic flux density B [T].
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。 In addition, in order to confirm the effect of suppressing the eddy current induced in the giant magnetostrictive element 8, the shape of the slit is four shapes shown in FIG. 1 (slit type 1) and FIGS. 3A to 3C (slit types 2 to 4). did. The voltage applied to the coil 10 was given as three types of sine waveforms with an amplitude of 50 [V], frequencies of 10 kHz, 100 kHz, and 1 MHz. Furthermore, the calculation was performed for the time corresponding to two cycles of the sin waveform, and the numerical analysis was performed by discretizing the total analysis time into 48 steps. When dividing into finite elements, the surface portion of the giant magnetostrictive element 8 was divided more finely as shown in FIG. 8 in consideration of the skin effect of eddy current.
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。
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。
First, the skin effect of eddy current is examined.
If the frequency of the current (magnetic field) is f, the electrical resistivity of the giant magnetostrictive material is ρ, and the permeability is μ, the current penetration depth δ in the eddy current is given by the following equation (5).
This current permeability depth δ is defined as the depth at which the eddy current generated on the conductor surface is reduced by about 0.368 times.
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。
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。 That is, from the results in Table 1, it became clear that the skin effect of eddy current becomes more prominent as the frequency becomes higher. When the voltage frequency applied to the external coil is 10 kHz, the analysis results of the internal eddy current in the giant magnetostrictive element 100 without slits shown in FIG. 23 are FIGS. 24A and 24B. 2A and 2B show analysis results of internal eddy currents in the slit type 1 giant magnetostrictive element 1. FIG. 2A and 2B and FIGS. 24A and 24B both show the results of calculation step 8 (t = 29.2 [μs]). As is apparent from these vector diagrams, a giant magnetostrictive element is formed by forming slits in a giant magnetostrictive element to form a plurality of divided pieces and bundling those divided pieces to form one giant magnetostrictive element. It was confirmed that the generation of eddy currents inside was suppressed.
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。 FIG. 10 shows the result of calculating the Joule loss of the giant magnetostrictive material when the voltage frequency is 10 kHz. Furthermore, the result of calculating the Joule loss of the giant magnetostrictive material in the case of 100 kHz is shown in FIG. And the result of having calculated the Joule loss of the giant magnetostrictive material about the case of 1 MHz is shown in FIG. In the case of 10 kHz and 100 kHz, four results from no slit to slit type 3 are shown. On the other hand, in the case of the highest frequency of 1 MHz, in addition to the results from no slit to slit type 3, five results including slit type 4 are shown.
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。 As is apparent from FIGS. 10 to 12, as far as the results of the frequency of 100 kHz or less are seen, it was confirmed that the Joule loss was suppressed by providing the insulating slit. In general, when the number of insulating slits is increased, the Joule loss tends to be smaller when the number of insulating slits is increased, but as the voltage frequency increases, the skin effect becomes more prominent, and as a result, the insulating slits are increased. The effect is small. This tendency becomes prominent at a frequency of 1 MHz, and as far as seen in FIG. 12, the effect of using the insulating slit is hardly seen in any of the slit types 1, 2, and 3.
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。
Further, as shown in Table 1, when a high frequency voltage of about 1 MHz is applied, eddy current flows mainly through the surface layer of about 0.14 mm. That is, the eddy current is not cut off inside the insulating slit, and the current tends to flow along the surface layer of the giant magnetostrictive element. As a result, it is considered that the effect of suppressing Joule loss is lost.
However, even in the case of high-frequency current (1 MHz), as can be seen from FIG. 12, it can be seen that the slit type 4 can reduce Joule loss by about 50% at the maximum. Therefore, when the insulating slit is increased, the relative area ratio of the surface layer in the conductor portion is reduced, and the eddy current consumed in the insulating divided portion inside the conductor is increased. As a result, it is considered that Joule loss can be suppressed even at a high frequency.
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。 Thus, Joule loss due to eddy current can be suppressed by providing an insulating slit in the giant magnetostrictive material, but the effect of the insulating slit suppressing Joule loss becomes smaller as the frequency of the voltage applied to the coil increases. However, by reducing the circumferential slit interval according to the frequency of the current, the relative ratio of the surface area in each conductor portion can be reduced, resulting in Joule loss even when a high frequency voltage is applied. It became clear that the suppression effect of can be expected.
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。 The effect of suppressing the Joule loss depending on the number of pieces of the giant magnetostrictive element varies depending on the size and shape of the giant magnetostrictive element, the magnitude of the applied voltage, etc., but according to this test example, in the slit type 1 divided into eight parts. Most favorable results were obtained when a voltage of 1 MHz was applied. In the case of a high frequency current of 1 MHz or higher, power consumption loss increased. The outer shape of the magnetostrictive element is not limited to the cylindrical shape shown in this embodiment, and various column shapes such as a quadrangular column, a triangular column, a hexagonal column, an octagonal column and the like can be applied.
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。
Next, examples of a giant magnetostrictive actuator using a giant magnetostrictive element having the above-described configuration and an electronic apparatus using the giant magnetostrictive actuator will be described.
13 and 14 show a first embodiment of the giant magnetostrictive actuator. This giant magnetostrictive actuator 20 includes a giant magnetostrictive element 1, a disc-shaped biasing magnet 21, an exciting coil 22, a yoke 23, an elastic body 24, a drive rod 25, and the like. It is configured.
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。 The giant magnetostrictive element 1 is, for example, a giant magnetostrictive element having a cylindrical shape of the slit type 1 described above. The giant magnetostrictive element 1 is initially in a contracted state, but is extended to a certain length by applying a bias magnetic field, and can be expanded and contracted by the amount of extension. The expansion / contraction amount (length) of the giant magnetostrictive element 1 varies depending on variables such as the total length and thickness. For example, when an input magnetic field of 1000 Oe (Oe: Oersted) is applied to the giant magnetostrictive element 1, the displacement of the element reaches 1100 ppm, and the generated stress at this time is about 22 × 10 6 N / m 2 .
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。 A back yoke 26 made of a magnetic material formed in a disk shape is disposed at the upper end in the axial direction of the giant magnetostrictive element 1. However, the back yoke 26 may be omitted. At one end in the axial direction of the giant magnetostrictive element 1, for example, a drive rod 25 that transmits vibration to a diaphragm is disposed. The drive rod 25 is fixed to the back yoke 26 in this embodiment, but may be directly fixed to one end of the giant magnetostrictive element 1. A yoke 23 is disposed at the other end of the giant magnetostrictive element 1, and the yoke 23 is attracted to the magnet 21.
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。 The magnet 21 is fixedly supported by the elastic body 24. The elastic body 24 includes a support portion 24a attracted by the magnet 21 and a leg piece portion 24b provided on one surface of the support portion 24a. The leg piece portion 24b is provided with elasticity by forming a plurality of leg pieces in a spiral shape, and the giant magnetostrictive element 1 is returned to the original predetermined position by the elasticity exhibited by the leg piece portion 24b. The resilience is given. The giant magnetostrictive element 1, the yoke 23, the magnet 21, and the elastic body 24 are arranged in series on the same axis, and a coil 22 is mounted so as to surround them.
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。 FIG. 14 is a diagram schematically showing the giant magnetostrictive actuator 20 shown in FIG. 13 and explaining the first embodiment in use. In this embodiment, the giant magnetostrictive actuator 20 is applied to a mobile phone showing a first specific example of an electronic device so that the mode can be switched between a speaker device and an alarm vibrator device. In FIG. 14, the same parts as those shown in FIG.
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。 One end of the giant magnetostrictive actuator 20 is fixed to the lower housing 31 of the mobile phone, and the other end of the giant magnetostrictive actuator 20 is fixed to the upper housing 32 of the mobile phone. In this embodiment, the lower end of the coil 22 and the elastic body 24 of the giant magnetostrictive actuator 20 are fixed to the lower casing 31, and the opposite side is fixed to the upper casing 32. The virtual frame 33 illustrated in FIG. 14 does not actually exist as a frame body, and the giant magnetostrictive actuator 20 is interposed between the lower housing 31 and the upper housing 32 and is held in a fixed posture. It represents that.
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。 At this time, the drive rod 25 of the giant magnetostrictive actuator 20 faces the upper housing 32, and the drive rod 25 vibrates the upper housing 32, so that the function of the speaker device and the function of the alarm vibrator device are selective. To be demonstrated. That is, the upper housing 32 of the mobile phone has both the role of the diaphragm in the speaker device and the role of the diaphragm in the vibrator device. Therefore, for example, it is possible to function as an alarm sound speaker by selecting a speaker mode using a mode selection switch or the like, and to function as an alarm vibrator by selecting a vibrator mode.
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。 In this case, when a current is passed through the coil 22 of the giant magnetostrictive actuator 20, a force directed in the axial direction acts on the bias magnet 21 based on Fleming's law, and the force acts on the giant magnetostrictive element 1. The frequency of the giant magnetostrictive element 1 can be adjusted by changing the current flowing through the coil 22 to change the magnitude of the force acting on the magnet 21. Thereby, for example, an alarm sound can be generated by operating as a speaker device in a high frequency region. Moreover, it can be operated as a vibrator device in a low frequency region to give vibration as a vibrator.
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。 FIG. 15 shows an example in which the giant magnetostrictive actuator 20 is applied to a speaker device 40 as a sound generating device showing a second embodiment of the electronic apparatus. The speaker device 40 includes a giant magnetostrictive actuator 41 as a vibrator, a vibration plate 42 that is vibrated by the giant magnetostrictive actuator 41, a drive control unit 43 that controls the drive of the giant magnetostrictive actuator 41, and the like.
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。 The giant magnetostrictive actuator 41 includes a giant magnetostrictive element 44 having the configuration described above, a drive rod 45, a coil 46, a bias magnet 47, and a housing 48. A drive rod 45 is disposed at one end of the giant magnetostrictive element 44 in the axial direction, and a flat plate-like diaphragm 42 faces the tip of the drive rod 45. As a material of the diaphragm 42, for example, an acrylic resin is suitable, but other engineering plastics can also be applied. A coil 46 is mounted outside the giant magnetostrictive element 44, and a bias magnet 47 is disposed at the other axial end of the giant magnetostrictive element 44. The giant magnetostrictive element 44 and the like are housed in the housing portion of the housing 48 that also serves as a yoke, leaving a part of the drive rod 45. The housing 48 is fixed to the housing of the speaker device 40, for example.
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。 In this embodiment, when a current is passed through the coil 46 of the giant magnetostrictive actuator 41, a force directed in the axial direction acts on the bias magnet 47, and the force acts on the giant magnetostrictive element 44. The frequency of the giant magnetostrictive element 44 can be adjusted by changing the current flowing through the coil 46 and changing the magnitude of the force acting on the magnet 47. Thereby, a high frequency characteristic can be obtained in a wide band from a low frequency range to a high frequency range, and a good sound can be output uniformly from high to low.
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。 FIGS. 16 and 17 show the giant magnetostrictive actuator 20 as an autofocus / zoom actuator (giant magnetostrictive actuator) 51 of a lens apparatus 50 used in a camera apparatus such as a digital still camera showing a third embodiment of the electronic apparatus. It is applied. The lens device 50 includes a giant magnetostrictive actuator 51, an attachment base 52 for attachment to the camera body, a cover 53, a lens holder 54, and the like. The lens holder 54 holds an autofocus / zoom lens 55.
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。 A cover 53 is attached to the front surface of the mounting base 52, and a lens holder 54 is housed in a housing made up of the mounting base 52 and the cover 53. A slider 56 is fixed to the lens holder 54, and the lens holder 54 is supported via the slider 56 so as to be movable in a predetermined range in the front-rear direction of the camera device. A giant magnetostrictive actuator 51 is connected to the slider 56, and the lens holder 54 can be moved back and forth in the optical axis direction of the lens 55 through the slider 56 by the expansion and contraction of the giant magnetostrictive actuator 51.
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。 The giant magnetostrictive actuator 51 includes a giant magnetostrictive element 61, a shaft 62, a coil 63, and a weight 64. A shaft 62 is fixed to one end of the columnar giant magnetostrictive element 61 in the axial direction so that the axial center line coincides. The shaft 62 slidably penetrates a slider 56 showing a specific example of the moving body. An excitation coil 63 is attached to the giant magnetostrictive element 61 so as to surround the outside thereof. A weight 64 is attached to the other axial end of the giant magnetostrictive element 61, and the giant magnetostrictive actuator 51 is fixed to the casing (mounting base 52 and cover 53) via the weight 64. The shaft 62 corresponds to the drive rod in the above-described embodiment, and the lens holder 54 integrated with the slider 56 moves forward and backward in the optical axis direction of the lens 55 by the expansion and contraction of the shaft 62.
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。 The advance / retreat movement of the lens holder 54 by the giant magnetostrictive actuator 51 will be described with reference to FIGS. 18A to 18E show the five operations of the giant magnetostrictive actuator 51 side by side in time series. The principle of movement by the giant magnetostrictive actuator 51 is to convey the slider 56 to a predetermined position by the expansion and contraction of the shaft 62. FIG. 18A shows a state in which the shaft 62 is contracted, and the position of the slider 56 at this time is defined as a first position S1. The distance from the tip of the shaft 62 to the tip of the slider 56 at this time is L1.
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）。 Next, as shown in FIG. 18B, when the shaft 62 changes from the contracted state to the extended state, the slider 56 moves to the second position S2 as the shaft 62 extends. At this time, the length from the tip of the shaft 62 to the tip of the slider 56 is maintained at L1. Next, as shown in FIG. 18C, when the shaft 62 changes from the extended state to the contracted state, the slider 56 stops at the second position S2 due to the action of inertia. At this time, since only the shaft 62 is contracted, the length from the tip of the shaft 62 to the tip of the slider 56 is reduced to L2 (L1> L2).
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）。 Next, as shown in FIG. 18D, when the shaft 62 changes from the contracted state to the extended state, the slider 56 moves to the third position S3 as the shaft 62 extends. At this time, the length from the tip of the shaft 62 to the tip of the slider 56 is maintained at L2. Thereafter, as shown in FIG. 18E, when the shaft 62 changes from the extended state to the contracted state, the slider 56 stops at the third position S3 due to the action of inertia. At this time, since only the shaft 62 is contracted, the length from the tip of the shaft 62 to the tip of the slider 56 is reduced to L3 (L2> L3).
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。
In this way, the slider 56 as a moving body is moved from the first position S1 to the third position S3 with the expansion and contraction of the shaft 62. FIG. 19 shows an example of the driving voltage applied to operate the giant magnetostrictive actuator 51 at this time. In FIG. 19, the vertical axis represents voltage [V] and the horizontal axis represents time [sec]. In this cycle, for example, the drive current is 3 to 10 [V] and the time is about 1 [μsec].
The moving operation of the slider 56 is the same when the slider 56 moves from the third position S3 to the first position S1. Of course, the moving distance of the slider 56 can be set freely.
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。 By using the giant magnetostrictive actuator 51 having such a configuration and action, for example, in an imaging device such as a digital still camera or a digital video camera, the lens of the lens device 50 is moved back and forth to exhibit an autofocus / zoom function. Can be made. Of course, the giant magnetostrictive actuator 51 is not limited to the lens driving of the lens device 50 described in this embodiment.
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。 20 to 22, the giant magnetostrictive actuator 20 is applied as the giant magnetostrictive actuator 72 used for the spray injection 71 of the liquid spray cooling system 70 showing the fourth embodiment of the electronic apparatus. As shown in FIG. 20, the liquid spray cooling system 70 includes a spray injection 71, a circulation pump 73, and a spray chamber 74. The spray injection 71, the circulation pump 73, and the spray chamber 74 are communicated endlessly by a flow path 75, and a liquid (for example, water) showing a specific example of the refrigerant circulates inside the flow path 75 and the like. ing. Then, by bringing an object (cooling object) 77 to be cooled into contact with or approaching the spray chamber 74, the cooling object 77 is cooled using the heat of vaporization generated in the spray chamber 74. .
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。 The spray injection 71 is configured as shown in FIG. That is, the spray injection 71 has a spray holder 81 connected to the spray chamber 74, and the spray holder 81 is provided with a through hole 81a. One end of a flow path 75 is fitted in the through hole 81 a of the spray holder 81, and a nozzle portion 82 having a narrow central portion is provided at the tip of the flow path 75. At least a portion (pump tube portion) 75a having a predetermined length of the flow path 75 is formed of a plastic tube (for example, a silicon tube) that can be elastically deformed. A pump mechanism by the giant magnetostrictive actuator 72 is configured using the pump tube portion 75 a of the flow path 75 and the spray holder 81.
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。 The spray holder 81 is provided with an actuator storage portion 83 in which the giant magnetostrictive actuator 72 is stored. The actuator housing portion 83 is formed of a cylindrical concave portion, and a pressing block 84 is slidably fitted in the opening portion. A part of the pressing block 84 protrudes so as to narrow the flow path 75 by elastically deforming the pump tube portion 75a. A giant magnetostrictive actuator 72 is disposed on the side of the pressing block 84 opposite to the flow path 75.
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。 The giant magnetostrictive actuator 72 includes a giant magnetostrictive element 85, an exciting coil 86 mounted on the outside of the giant magnetostrictive element 85, and a spring 87 that transmits the expansion and contraction motion of the giant magnetostrictive element 85 to the pressing block 84. ing. One end of the spring 87 in the expansion / contraction direction is seated on the tip of the giant magnetostrictive element 85, and the other end in the expansion / contraction direction is seated on the pressing block 84. In addition, a throttle block 88 that narrows the opening area of the flow path 75 is disposed in the vicinity of the pressing block 84. A narrowing portion 89 is formed by narrowing the opening area of the flow path 75 with the narrowing block 88.
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。 FIG. 22 is a model diagram for explaining the pumping action of the pump mechanism by the giant magnetostrictive actuator 72 shown in FIG. 22, parts having the same functions as those in FIG. 21 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The spray holder 81 is provided with a suction port and a discharge port. The throttle portion 89 corresponds to the suction port, and the nozzle portion 82 corresponds to the discharge port. Further, the suction port 91 is provided with an elastically deformable suction valve 91, and the suction port 91 can be opened and closed. Further, an exhaust valve 92 that can be elastically deformed is provided at the exhaust port, and the exhaust port can be opened and closed by the exhaust valve 92. And the pump tube part 75a which the press block 84 contacts respond | corresponds to the diaphragm shown in FIG.
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。 Thus, by moving the diaphragm 75a forward and backward by expanding and contracting the giant magnetostrictive actuator 72, the intake valve 91 is opened, water (liquid) is taken from the intake port (throttle portion) 89, and pressure is applied to the water. The exhaust valve 92 can be opened to discharge from the discharge port (nozzle part) 82. Thereby, as shown in FIG. 21, a mist-like water droplet is discharged from the nozzle part 82. As a result, the inside of the spraying chamber 74 is cooled by the heat of vaporization, and the cooling object 77 can be cooled by removing heat from the cooling object 77 in contact with the spraying chamber 74.
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。 As described above, according to the present invention, when designing a transducer using a high-frequency applied voltage as a drive power source when designing a magnetostrictive element or an actuator using a magnetostrictive element, the number of insulating slits and the vortex in advance are designed. The suppression effect of Joule loss due to current can be confirmed by calculation. Therefore, the number of trial productions of the giant magnetostrictive actuator can be reduced, and economical design and production can be realized. In addition, an extra eddy current generated in the giant magnetostrictive element or the magnetostrictive element can be suppressed, and power consumption for driving the actuator can be reduced.
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。 The present invention is not limited to the embodiment described above and shown in the drawings, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, in the above-described embodiment, the example in which the speaker device is applied as an audio output device showing a specific example of the electronic device has been described. However, the television receiver, the personal computer, the electronic dictionary, the mobile phone terminal, the PHS, and the like. Of course, the present invention can also be applied to electronic devices.
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 1, 8, 44, 61, 85... Giant magnetostrictive element, 2... Slit, 3, 3 a, 3 b, 3 c, 3 d, 3 f, divided pieces, 5, 20, 41, 51, 72. Super magnetostrictive element assembly 9, 21, 47 Magnet, 10, 22, 46, 63, 86 Coil, 11 Lower yoke, 12 Upper yoke 13, 25, 45 Drive rod 23, 27 Yoke, 24 ... Elastic body, 40 ... Speaker device (electronic device), 42 ... Diaphragm, 50 ... Lens device (electronic device), 52 ... Mounting base, 53 ... Cover, 54 ... Lens holder, 56 ... Slider (moving body) ), 62 ... Shaft (drive rod), 70 ... Liquid spray cooling system, 71 ... Spray injection
Claims (7)
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。 A columnar magnetostrictive element assembly in which a plurality of pieces of magnetostrictive elements are bundled and bonded;
A magnetostrictive actuator having a magnetic field excitation coil wound around an outer peripheral portion of the magnetostrictive element combination.
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。 The magnetostrictive element combination has a plurality of magnetostrictive element divided pieces formed by dividing a magnetostrictive element having a cylindrical shape along the axial direction,
The magnetostrictive actuator according to claim 1, wherein the plurality of magnetostrictive element divided pieces are joined to each other to form a single magnetostrictive element combination.
請求項２記載の磁歪アクチュエータ。 3. The magnetostrictive actuator according to claim 2, wherein the magnetostrictive element divided piece is formed by cutting the magnetostrictive element along one or more surfaces passing through an axis of the magnetostrictive element.
請求項２記載の磁歪アクチュエータ。 The magnetostrictive actuator according to claim 2, wherein the magnetostrictive element segment is formed by cutting the magnetostrictive element by two or more parallel surfaces or two or more similar surfaces.
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。 A diaphragm,
A magnetostrictive actuator for vibrating the diaphragm,
The magnetostrictive actuator is
A columnar magnetostrictive element assembly in which a plurality of pieces of magnetostrictive elements are bundled and bonded;
A magnetic field excitation coil wound around the outer periphery of the magnetostrictive element assembly,
Electronic equipment using a magnetostrictive actuator that generates sound by vibrating the diaphragm by driving the magnetostrictive actuator.
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。 A moving body supported movably on the shaft;
A magnetostrictive actuator for vibrating the shaft,
The magnetostrictive actuator is
A columnar magnetostrictive element assembly in which a plurality of pieces of magnetostrictive elements are bundled and bonded;
A magnetic field excitation coil wound around the outer periphery of the magnetostrictive element assembly,
An electronic apparatus using a magnetostrictive actuator that vibrates the shaft by driving the magnetostrictive actuator and moves the moving body along the shaft.
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。 A flow path through which the refrigerant can be circulated;
A magnetostrictive actuator provided in the flow path and having a pump part for moving the refrigerant,
The magnetostrictive actuator is
A columnar magnetostrictive element assembly in which a plurality of pieces of magnetostrictive elements are bundled and bonded;
A magnetic field excitation coil wound around the outer periphery of the magnetostrictive element assembly,
An electronic device using a magnetostrictive actuator that cools an object to be cooled by moving the refrigerant by driving the pump unit.
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