JP2018137427A - 磁歪デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁歪デバイス及びその製造方法を提供する。【解決手段】磁歪デバイスは、磁歪ベルトコアを含む磁歪デバイスであって、磁歪ベルトコアが柱状構造となっており、相対断面がスパイラルループを有し、磁場を発生する誘導コイルがベルトコアの外周の周りに巻回されており、磁歪ベルトコアは扁平状の帯材を巻回してなるものであり、積層係数Ｎが７５％〜８５％であることを特徴とする。磁歪デバイスは、磁歪材料の高周波での渦電流損失を低減し、磁歪材料の作動精度を高め、材料の適用分野を拡大することができるとともに、急冷磁歪材料の利用効率も向上させる。【選択図】図１

Description

本発明は、磁性材料の分野に属する磁歪デバイス及びその製造方法に関する。

新規な磁歪材料であるＦｅ-Ｇａ合金は、低飽和磁場及び高機械的強度という大きな特徴を持っている。従来のＴｅｒｆｅｎｏｌ-Ｄと比較して、飽和磁場がわずか８〜１７ｋＡ／ｍと低く、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ-Ｄの約１／１０であり、磁場感度が高い。一部の応用では複雑なプレストレスト構造は必要とされず、デバイス構造の設計は比較的簡易である。Ｆｅ-Ｇａ合金は金属固溶体であり、強度が高く、脆性が低いとともに、高い引張強度（５００ＭＰａ）及び延性を備えており、特に振動や衝撃が強く、負荷が大きく、腐食が強いといった苛酷な環境に適している。また、該合金は、高透磁率、高キュリー温度、良好な温度特性を有し、幅広い温度範囲で使用できるため、センサーやアクチュエーターの面において良好な応用の将来性を有する。

従来の方向性凝固法で作製されたＦｅ-Ｇａ合金は、飽和磁歪係数が２００〜３００ｐｐｍに過ぎず、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ-Ｄの２０００ｐｐｍに比べてはるかに小さい。また、Ｆｅ-Ｇａ合金は電気伝導度が高いため、当該合金ブロック材料は高周波条件にて使用される場合には大きな渦電流損失が発生する。これらの特徴はその適用範囲を制限している。このため、Ｆｅ-Ｇａ合金の磁歪特性を向上させ、Ｆｅ-Ｇａ合金の使用中の渦電流損失を低減することは、その応用の重要な要素の１つとなっている。

上述した問題に鑑み、ＦｅＧａ合金は良好な延性を有するため、実用上、急冷または圧延の方法によってＦｅＧａ合金を厚さの極めて薄いナノ結晶帯材にすることができる。これにより、高周波での材料の渦電流損失を大幅に低減し、材料の適用範囲を拡大することができる。

例えば、中国特許出願ＣＮ１０３３２０６８２Ａでは、メルトスパン法でＦｅ_{１００-ｘ-ｙ}Ｇａ_ｘＭ_ｙ材料を製造し、銅坩堝法で急冷薄帯を得ることが提案されている。中国特許出願ＣＮ１０３５５６０４５Ａでは、ＦｅＧａおよびＴｂＤｙＦｅの擬２元系材料が提案され、異方性補償原理に従って、大きな磁歪、低い駆動磁場および高い力学的特性を有する急冷ＦｅＧａ材料を得たことが開示されている。

しかしながら、実用において、どのようにして薄帯状のＦｅＧａ材料を使用し、その大きな磁歪特性を十分に利用し、高周波での磁歪特性および正確な作動安定性を向上させるかは、依然として大きな課題である。

上記課題を解決するために、発明者は磁歪ブロック材料に基づく新たなデバイス及びその製造方法を提案した。該デバイスは、磁歪係数が高く、渦電流損失が低い。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の技術的手段を採用することを図っている。すなわち、磁歪ベルトコアを含む磁歪デバイスであって、上記磁歪ベルトコアが柱状構造となっており、相対断面がスパイラルループを有し、磁場を発生する誘導コイルがベルトコアの外周の周りに巻回されており、上記磁歪ベルトコアは扁平状の帯材を巻回してなるものであり、積層係数Ｎが７５％〜８５％であることを特徴とする。

実用において、誘導コイルに通電して磁場を発生させると、コイル内部の磁歪ベルトコアが磁場の作用下で磁歪を発生する。

従来の方法として、急冷法または圧延法により作製された磁歪シートを積層して製造する積層法が使用されていたが、これらの方法では材料の使用率が低い。より重要なのは、磁場が印加されると、材料上の磁場の均一な分布を保証することが困難であるため、各シートが不均一な磁場を受け、伸縮が一致せず、正確な作動制御を達成することが困難である。

本発明では、コイルがリング状であるため、リング内の磁場が均一に分布している。この場合、磁歪ベルトコアを巻回方式で作製することによって、磁場の分布が均一で、各スパイラルループの伸縮が均一であることを達成でき、より正確な制御を実現することができる。

したがって、磁歪ベルトコアは、扁平状の帯材を巻回してなるものである。本発明では、扁平状の帯材の製造方法としては、合金の溶湯を、回転しているロール上に注いで急冷する急冷法が好ましい。この方法によって合金成分の偏析を効果的に抑制できるだけでなく、巻回後のベルトコアの高い一致性を達成するために、磁歪帯材の幅及び厚さの正確な制御にも寄与する。

この急冷法により作製された磁歪ベルトコアは、巻回により柱状構造とされ、相対断面がスパイラルループを有する。

上記磁歪デバイスにおいて、上記積層係数Ｎは、ベルトコアの有効面積係数であり、ベルトコアの内径Ｄ１、外径Ｄ２、スパイラルループスライス数ｎ、厚さｄを測定することによって、下記式により算出される。
積層係数が高ければ高いほど、ベルトコアの有効面積が大きい。該スパイラルループの積層係数は７５〜８５％であることが好ましい。積層係数が７５％未満であると、ベルトコア内のスパイラルループの分布が不均一であり、最終の正確な作動効果に影響を与えてしまう。積層係数が高すぎると、一方で製造に大きなトラブルを招き、他方では高周波での使用にも影響を与えてしまう。

上述した磁歪デバイスにおいて、上記磁歪ベルトコアの主成分はＦｅ_{１００-ｘ-ｙ}Ｇａ_ｘＭ_ｙであり、ＭはＡｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｌａ、Ｙ、Ｃｅのうちの一種以上であり、５≦ｘ≦２５、０≦ｙ≦１０（ｘとｙは質量比）である。

ＦｅＧａ材料を使用するのは、低飽和磁場及び高機械的強度という大きな特徴を有し、従来のＴｅｒｆｅｎｏｌ-Ｄと比較して、飽和磁場がわずか８〜１７ｋＡ／ｍと低く、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ-Ｄの約１／１０であり、磁場感度が高いことを考慮したからである。一部の応用では、複雑なプレストレスト構造は必要とされず、デバイス構造設計は比較的簡易である。Ｆｅ-Ｇａ合金は金属固溶体であり、強度が高く、脆性が低いとともに、高い引張強度（５００ＭＰａ）及び延性を備えており、特に振動や衝撃が強く、負荷が大きく、腐食が強いといった苛酷な環境に適している。

上述した磁歪デバイスについて、上記磁歪ベルトコアの主成分は急冷法により作製される。急冷法により作製されたＦｅＧａ材料は、その力学的性能を発揮する上で、有利である。作製されたシートは、厚さが圧延されたシートの約１／１０に過ぎないので、その高周波での使用特性を発揮する上で、一層有利である。

本発明のＦｅＧａ成分において、５≦ｘ≦２５、０≦ｙ≦１０である（ｘとｙは質量比）。この成分範囲であれば、ＤＯ３、ＤＯ１９、Ｌ１２等の規則相の出現を避け、単一のＡ２相合金を得るのに有利である。単相は、より高い磁歪特性を得るために好ましい。一定量の第３成分Ｍの添加は、Ｆｅ-Ｇａ合金の基本構造を維持することができるだけでなく、合金の磁歪特性、キュリー温度、機械的加工性等を向上させることができる。そのうち、Ａｌ、Ｎｉの添加によって、材料の機械的加工性を改善し、急冷扁平状帯材の延性を向上させ、シートの平坦度を向上させることが可能である。Ｃｏの添加によって、その温度特性を改善することができる。Ｓｉ及びＢの添加は、急冷の安定性を改善し、シートの表面粗さを低下させることができ、単一のＡ２構造を形成する上で有利である。Ｌａ、ＹおよびＣｅの添加によって、軟磁気特性を改善し、高周波での材料の磁気安定性を改善することができる。Ｍの含有量は０〜１０ｗｔ．％の範囲であり、ｙが０である場合、単一のＦｅＧａ材料を意味する。Ｍ含有量が１０ｗｔ．％超えると、磁歪特性の顕著な低下を招くおそれがある。

上述した磁歪デバイスにおいて、上記扁平状帯材の厚さが５０〜１５０μｍであり、幅が１０ｍｍより大きい。

磁歪ベルトコアにおいて、扁平状帯材の厚さが５０〜１５０μｍであり、幅が１０ｍｍより大きいことは好ましい。厚さがこの範囲であれば、磁歪デバイスの高周波性能の向上に寄与することができる。しかし、扁平状帯材の厚さが５０μｍ未満であると、製造が困難になり、扁平状帯材の平坦度が悪く、積層係数が低い。また、厚さが１５０μｍを超えると、高周波での使用特性に悪い。一般的には、デバイスの使用効果を達成するために、本発明の帯材の幅を１０ｍｍより大きくし、具体的な使用寸法に応じて適宜調整することができる。

上述した磁歪デバイスにおいて、上記磁歪ベルトコアのスパイラルループ間に絶縁性のバインダーが充填されている。

絶縁性のバインダーの存在によって、磁歪デバイスの高周波での渦電流損失を一層小さくし、デバイスの発熱を低下させ、デバイスの使用安定性及び精度を高めることができる。

上述した磁歪デバイスにおいて、上記絶縁性のバインダーはエポキシ樹脂から選ばれる。

上述した磁歪デバイスにおいて、磁歪デバイスの作動精度をさらに高めるために、デバイス内の均一な磁場分布が必要である。ベルトコアのコア部に軟磁性材料をさらに加えて磁気回路を形成することが好ましい。

上述した磁歪デバイスにおいて、上記軟磁性材料は、ＦｅＮｉ粉末芯材、ＦｅＳｉＡｌ粉末芯材、ＦｅＮｉＭｏ粉末芯材、鉄粉末芯材、フェライト粉末芯材を含む。

一方、本発明は、本発明の上記磁歪デバイスを製造する方法をさらに提供する。この方法は、以下の工程を含む。

（１）扁平状帯材の作製：溶融した合金溶湯を誘導鋳造法により回転しているロール上に噴射し、急冷して扁平状帯材を作製する。

（２）巻回：上記扁平状帯材を押し出し、かつ巻回して巻回体、すなわちベルトコアを形成し、上記ベルトコアがスパイラルループである。

（３）コイルの作製：ベルトコアの外部に誘導コイルを巻回して磁歪デバイスを得る。

上記方法において、工程（２）の後に、ディップ工程が含まれる。該工程では、スパイラルループ間にバインダーを充填するように、溶融した絶縁性のバインダーに巻回体を含浸させる。

上記方法において、工程（２）の後に、熱処理工程が含まれる。該工程では、押し出された巻回体を５０〜３００℃の範囲で熱処理する。

先行技術に比べ、本発明は以下の利点を有する。

本発明の磁歪デバイスは、磁歪材料の高周波での渦電流損失を低減し、磁歪材料の作動精度を高め、材料の適用分野を拡大することができる。一方で、急冷磁歪材料の利用効率も向上させる。

図１は、本発明の磁歪ベルトコアの概略図である。

以下、具体的な実施形態を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。これらの実施例は本発明を説明するためのものであり、本発明はこれらの範囲に限られない。また、本発明の内容に接した当業者は本発明に対して様々な修正または変更を行うことができ、これらの同等の形態も本願の添付の特許請求の範囲に含まれている。
以下の実施例は本発明を理解させるためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。

（実施例）
本発明による磁歪デバイスは主に以下の方法で製造される。

（１）扁平状帯材の作製
溶融した合金溶湯を誘導鋳造法により回転しているロール上に噴射し、急冷して扁平状帯材を作製する。

この製造工程において、帯材の成分、厚さｄ（μｍ）、幅Ｗ（ｍｍ）は表１に示すとおりである。

そのうち、材料の成分は、ＩＣＰにより測定される。厚さと幅は、スパイラルマイクロメータにより測定される。

（２）巻回
上記扁平状帯材を押し出し、かつ巻回して巻回体を形成し、上記ベルトコアがスパイラルループである。

巻回後、磁歪ベルトコアの積層係数を測定することができる。本発明では、ベルトコアの内径Ｄ１、外径Ｄ２、スパイラルループスライス数ｎを測定することによって、下記式により積層係数Ｎを算出する。

（３）コイルの作製
ベルトコアの外部に誘導コイルを巻回して磁歪デバイスを得る。

コイルは銅エナメル線であり、巻数と銅線の直径はベルトコアの幅の７０〜９５％であることが好ましい。

磁歪材料の高周波での使用特性をさらに向上させるために、以下のディップ工程と熱処理工程を追加する。

ディップ工程：スパイラルループ間にバインダーを充填するように、溶融した絶縁性のバインダーに巻回体を含浸させる。

熱処理工程：押し出された巻回体を５０〜３００℃の範囲で熱処理する。

最終デバイスの損失Ｐ（Ｗ／ｋｇ）及び磁歪係数λも表１に示すとおりである。

上述した例は本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者からして、本発明は様々な変更または変形を有することができる。本発明の要旨を逸脱しない範囲で行われたいかなる修正、同等の代替及び改良等はいずれも、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

Claims (10)

1. 磁歪ベルトコアを含む磁歪デバイスであって、前記磁歪ベルトコアは柱状構造となっており、相対断面がスパイラルループを有し、磁場を発生する誘導コイルが前記磁歪ベルトコアの外周の周りに巻回されており、前記磁歪ベルトコアは扁平状の帯材を巻回してなるものであり、積層係数Ｎが７５％〜８５％であり、
   前記積層係数Ｎは、ベルトコアの有効面積係数であり、ベルトコアの内径Ｄ１、外径Ｄ２、スパイラルループスライス数ｎ、厚さｄを測定することによって、下記式により算出されることを特徴とする磁歪デバイス。
   
2. 前記磁歪ベルトコアの主成分はＦｅ_{１００-ｘ-ｙ}Ｇａ_ｘＭ_ｙであり、ＭがＡｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｌａ、Ｙ、Ｃｅのうちの一種以上であり、５≦ｘ≦２５、０≦ｙ≦１０（ｘとｙは質量比）であることを特徴とする請求項１に記載の磁歪デバイス。
3. 前記扁平状帯材の厚さが５０〜１５０μｍであり、幅が１０ｍｍより大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁歪デバイス。
4. 前記磁歪ベルトコアの主成分は急冷法により作製されることを特徴とする請求項１に記載の磁歪デバイス。
5. 前記磁歪ベルトコアのスパイラルループ間に絶縁性のバインダーが充填されていることを特徴とする請求項１に記載の磁歪デバイス。
6. 前記絶縁性のバインダーはエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項５に記載の磁歪デバイス。
7. 前記磁歪ベルトコアのコア部に軟磁性材料がさらに加えられることを特徴とする請求項１に記載の磁歪デバイス。
8. （１）溶融した合金溶湯を誘導鋳造法により回転しているロール上に噴射し、急冷して扁平状帯材を作製する扁平状帯材の作製工程と、
   （２）前記扁平状帯材を押し出し、かつ巻回して巻回体を形成し、前記ベルトコアがスパイラルループである巻回し工程と、
   （３）ベルトコアの外部に誘導コイルを巻回して磁歪デバイスを得るコイルの作製工程と、を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁歪デバイスを製造する方法。
9. 工程（２）の後に、スパイラルループ間にバインダーを充填するように、溶融した絶縁性のバインダーに巻回体を含浸させるディップ工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 工程（２）の後に、押し出された巻回体を５０〜３００℃の範囲で熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。