JP2996749B2 - 磁歪材料 - Google Patents
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Description
バイス等に用いられる磁歪材料に関する。
形するという磁歪という性質がある。この磁歪を応用し
て、いろいろな磁気−機械変位変換デバイス(以下「デ
バイス」という。)が開発されている。これらデバイス
に用いられる磁歪材料としては、従来Ni基合金、Fe
−Co系合金、フェライト系材料などが知られている
が、最近ではこれらの磁歪材料より磁歪の絶対量(磁歪
量)についてはるかに優れ、飽和磁歪λsが1000×10-6
以上を有する希土類−鉄系合金の磁歪材料が、例えば特
開昭61-33892号公報に報告されている。
料の有する磁歪特性を示している。図4で横軸が磁歪材
料に印加した磁界(H)を示し、縦軸が磁歪材料の磁歪
量(λ)を示している。零磁界付近では、磁界−磁歪変
位特性の傾きが小さく、一定量に磁界を印加したとき
の、磁歪量が少ない。さらに、正の磁界においても、負
の磁界においても、正の磁歪を生じ、印加磁界応答性が
単調増加、または単調減少ではない。つまり、従来の磁
歪材料は、零磁界付近の磁歪量が少なく、また印加磁界
を変化させることによる磁歪量の制御も難しいという欠
点があった。
位変換デバイスに用いる際には、磁歪制御のための磁界
とは別に、外部からバイアス磁界を印加することによ
り、図4の破線に示すように、磁歪量の制御のために変
化させる磁界の範囲を、零の近傍を含まず、例えば正の
領域だけとなるようにずらしていた。上記のようにする
ことにより、変化させる磁界の範囲では磁歪の印加磁界
応答性が高くなり、また、図4の点Aに示すような、変
化させる磁界の範囲の中心点付近に磁歪量制御用磁界の
零点をおくことにより、磁歪量も印加磁界量に対して単
調に変化するようになる。
材料を用いた磁気−機械変位変換デバイスであるデバイ
ス1に、外部バイアス磁界を印加するためには、矢印の
方向に磁歪伸縮する磁歪合金片2と、磁歪合金片2の磁
歪量を制御する電磁石3の以外に、外部バイアス磁界を
形成するための永久磁石4を含む磁気回路などを設置し
なければならず、コスト高、およびデバイスの大型化は
避けられなかった。
たもので、磁気機械変位変換デバイスに用いる際、外部
バイアス磁界が不要な、小型で経済的なデバイスを実現
できる磁歪材料を提供することを目的とする。 [発明の構成]
歪材料粉末と永久磁石粉末とが一体化されてなることを
特徴とする磁歪材料である。また、磁歪合金粉末と永久
磁石粉末と結合剤とが一体化されてなることを特徴とす
る磁歪材料である。
する磁歪材料とは、磁歪合金粉末と永久磁石粉末とが互
いに粉末の形状を保ったまま、高密度で凝集したもので
あり、そのままロッドなどの形状で取り扱えるものを言
う。
磁界を印加し、永久磁石粉末を着磁することにより、磁
歪材料中にバイアス磁界を有する自己バイアス型磁歪材
料となる。したがって、本発明の磁歪材料をデバイスに
する場合、磁歪材料のほかに、外部バイアス磁界用の永
久磁石を組み込むことは不要になる。
料粉末として、希土類−鉄系合金、フェライト系材料な
どの非常に脆い磁歪材料の粉末を用いた場合でも、永久
磁石粉を含まない従来の磁歪材料に比べて、機械的強度
が向上し、割れや欠けを生じにくく、形状の任意性にも
優れた材料を得ることができる。
としては、磁歪特性を有する材料の粉末であればよく、
例えば、希土類−鉄系合金、Ni基合金、Fe−Co合
金、フェライト系材料などの粉末を用いることができ
る。中でも、希土類−鉄系合金は大きい磁歪量を有する
ため、大きな磁歪量と必要とするデバイスに用いること
が好ましい。上記の希土類−鉄系合金は、一般的にRF
eX (Rは、少なくとも一種の希土類元素)で表され
る。
a,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,T
b,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,などの希土
類元素である。
み合わせである場合には、Tb−Dy,Tb−Ho,T
b−Pr,Sm−Yb,Tb−Dy−Ho,Tb−Dy
−Pr,Tb−Pr−Hoなどの組み合わせが好まし
い。
であるが、低温での使用を可能にしたり、耐蝕性を改善
するためFeの一部をCoで置換することが可能であ
る。ただしあまり置換量が多くなると、磁歪量の低下
(磁歪量の縮小と印加磁界応答性の減少)を招くため、
CoによるFeの置換量は95 atm%以下が好ましい。
Mnで置換しても良い。R−Fe系の磁歪合金は、Mn
を含有させると、希土類元素原子の磁気異方性が変化
し、高磁界のみならず低磁界においても優れた磁歪特性
が得られる。MnによるFeの置換量の上限は50 atm%
であり、この上限値を越えるとキュリー温度が低下し、
磁歪特性が劣化する。
性、飽和磁歪などの向上を目的として、Ni,Mg,A
l,Ga,Zn,V,Zr,Hf,Ti,Nb,Cu,
Ag,Sn,Mo,Cr,Ta,Pd,In,Sb,I
r,Pt,Au,Pb,W,Si,Bなどでさらに置換
しても良い。ただし、これらFeを置換する置換元素の
量は、Mnによる置換量も含めて、Feの50 atm%程度
までが限度である。これを越えると磁歪量が減少する。
4が好ましい。Xが1.5 未満でか、または4を越えると
十分な磁歪特性が得られなるためである。最も好ましい
のは1.7 ≦X≦2.5 の範囲である。
磁石、Sm−Co系磁石および、Nd−Fe−B系磁石
の粉末が好ましい。とくに、少量の永久磁石粉末でなる
べく大きな磁界を得るためには、Sm−Co系磁石およ
び、Nd−Fe−B系磁石が好ましい。
粉末に対し、50wt%以下とすることが望ましい。50wt%
をこえると磁歪材料の占める割合が低くなり十分な磁界
量を得ることが難しくなるからである。また、あまり少
量過ぎても十分な磁界を得ることができないので、5wt
%以上とすることが望ましい。さらに好ましくは、10wt
%以上30wt% 以下であるとよい。
径は、ともに1μm 以上800 μm 以下が好ましい。1μ
m 未満だと粉末全体の表面積が大きくなり過ぎて酸化に
より磁歪特性および磁石特性の劣化を招き易くなり、他
方、800 μm を越えると、磁歪材料の機械的強度が低下
し、薄片に成型するのが困難になるなど、形状の任意性
が低下する。
末とを一体化するわけであるが、本発明においては、樹
脂または金属のバインダーもしくは合金のバインダーな
どの結合剤を含有しても良い。
としては、磁歪材料粉末と永久磁石粉末との混合粉末の
体積に対し、50 vol%以下とすることが好ましい。50 v
ol%をこえると十分な磁歪値が得られなくなるからであ
る。さらに好ましくは、5 vol%以上であることが好ま
しい。5vol%未満では、磁歪材料の機械的強度が低下
するからである。
脂は、一般に、樹脂結合型永久磁石を製造する際に使用
可能な樹脂なら使用できる。磁歪材料を成形する際、圧
縮成型を行う場合には、エポキシ系樹脂等の熱硬化性樹
脂、射出成型する場合には、ナイロン系樹脂などの熱可
塑性樹脂が好ましい。
歪材料の耐衝撃性が向上する。また、従来、希土類−鉄
系合金や、Ni基合金などのような導電性の磁歪材料を
磁歪振動子デバイスなどに用いた際、高周波数領域で
は、渦電流が発生し、磁歪応答性が低下していたが、結
合剤として樹脂を用いると、磁歪材料の比抵抗が増大
し、高周波数領域での渦電流の低減化が図られる。それ
により、磁歪振動子デバイスの適用において、振動周波
数の高周波数化が可能になる。
ーとしては、融点が、約1000℃以下の金属または合金で
あれば、本発明の磁歪材料の結合剤として使用できる。
金属のバインダーは、例えばAl,Pb,Sn,Zn,
などが使用できる。また合金のバインダーとしては、A
l−Zn系合金、Al−Cu系合金、Al−Si系合
金、銅ろう、Sn−Pb系合金、Cu−Zn系合金,銀
ろうなどを使用することができる。結合剤として、金属
のバインダーまたは、合金のバインダーを用いると、機
械的強度が向上し、また耐蝕性や、耐候性が向上する。
本発明の磁歪材料の自己バイアス磁界、および自己バイ
アス磁界による磁歪量の初期値は永久磁石粉末量を調整
することにより調節することができる。
Niめっきなどの金属コーティングまたはエポキシ系樹
脂などの樹脂でコーティングされていても良い。それに
より、さびの発生を防ぐなど耐侯性の改善を図ることが
できる。次に磁歪材料粉末として希土類−鉄系合金粉末
を用いた場合を例にとり、本発明の磁歪材料の製造方法
を説明する。まず磁歪材料粉末の製造法を説明する。
必要に応じて、上述の、Co,Mnなどを調製してアー
ク溶解などにより磁歪合金を作成し、その後、超急冷法
や、水素吸蔵法、または機械的粉砕などによって磁歪合
金粉末を得る。
際に使用される単ロール法、双ロール法、ガスアトマイ
ズ法、RDP法(Rotating DiskProcess:回転回板上に
溶湯金属を噴出させる方法)などにより、磁歪合金の溶
湯を超急冷して粉末化する方法である。なお、超急冷法
は磁歪合金粉末の酸化防止の観点から、Ar,Heなど
の不活性ガス雰囲気中で行うことが望ましい。
放出したりする性質を利用したものである。溶湯を冷却
してインゴットにした後、強制的に水素ガスを吸蔵−放
出を繰り返させ、インゴットの体積を変化させて粉砕す
る方法である。
トにし、一旦ボールミル、ブラウンミル、スタンプミル
などの機械的手段で粉砕可能な形状のインゴットにした
後、このインゴットを上述の機械的粉砕手段で粉砕して
も磁歪合金粉末を得ることができる。なお、合金インゴ
ットの粉砕の際、結晶粒の大きさ程度まで粉砕すること
により、成形時の磁場配向により結晶方向をそろえるこ
とも可能である。また、粉砕の前後に300 ℃乃至磁歪合
金の融点の温度範囲で0.1 時間乃至500時間程度熱処理
を施すと、磁歪特性の向上を図ることができる。同様に
して得た永久磁石の粉末と、磁歪合金粉末を混合する。
次に、上記混合粉末を、例えば、ホットプレス法やHI
P法(熱間静水圧プレス法)を行う方法などの方法で、
成形−一体化を行う。成型の際に、磁場を印加して、磁
歪合金の磁化容易軸方向に磁気的に異方性化すると磁歪
特性の向上が図れる。最後に、デバイス化の前に磁歪材
料に磁場を印加して、永久磁石粉末を着磁することによ
り、本発明の磁歪材料を得る。
R元素含有合金がそれぞれ磁気異方性方向を異にする場
合は、上述のように所望の組成となるように2種以上の
希土類−鉄系の合金粉末を混合し、この混合粉末を磁場
成型(磁場中で成型体を作る)して、それぞれの合金に
ついて磁気異方性化を達成した後、成形すれば、全体と
して磁気異方性方向を同じくする磁歪合金が得られ、磁
歪特性に富む磁歪材料を形成できる。
法を行う場合は、材料系によっても異なるが、ホットプ
レス温度は、600 ℃以上1200℃以下が好ましく、またプ
レス圧は、1 t/cm2 以上とするのが好ましい。600 ℃
未満では、液層が生じにくく、高密度化が困難になり、
1200℃を越えると、磁歪合金と永久磁石は粉末の形状を
保てず固溶化する。固溶化した材料は永久磁石の保磁力
および、磁歪合金の磁歪特性が劣化するために好ましく
ない。また、ホットプレス圧が1 t/cm2 未満の場合
も、高密度化が難しい。さらにホットプレスを行う場合
は、磁歪合金粉末が酸化して、磁歪特性が劣化しないよ
うに、Ar,Heなどの不活性ガス雰囲気中で行うこと
が望ましい。また、ホットプレス後に、300 ℃乃至磁歪
合金の融点の温度で熱処理すると、上記合金インゴット
粉砕後の熱処理と同様、磁歪特性の向上を図れる。
を含む場合、例えば、R1p R21-p Fex (R1とR
2は、互いに異なる希土類元素で、0<p<1)の場合
には、上述の合金インゴットを粉砕する方法に習って、
まず、R1p Fex1とR21-p Fex2(x1+x2=x )の
組成の合金インゴットからそれぞれ合金粉末を製造し、
この一体化の段階で両粉末を混合すると、ホットプレス
時の粒成長によって所望の組成の磁歪合金を得ながら、
磁歪材料を形成することができる。
えばAlなどの低融点金属もしくは合金を添加または粉
末表面に被覆した後に行うと、ホットプレス温度を低下
させることができ、ホットプレスに関わるコストを節約
できる。
に、ホットプレスで成型一体化すると、結晶粒径が均一
化すると共に、組成の偏折なども防止されるため、良好
な磁歪特性が安定して得られ、かつ機械的強度も向上す
る。また粉末成型のため、形状の任意性にも優れる。
は、上記の方法で、磁歪合金粉末と永久磁石粉末の混合
粉を得た後、所定体積の結合剤と混練し、所望形状に成
型する。これらの操作は、磁歪合金粉末の酸化防止の観
点から、Ar,Heなどの不活性ガス雰囲気中で行うこ
とが望ましい。
型後、真空中や加圧中で結合剤である樹脂や、バインダ
ー金属もしくはバインダー合金の溶湯などを含浸させて
も良い。
キシ系樹脂などの熱硬化性樹脂を用いたときは、樹脂と
混合粉末を混練した後、所望形状の金型に挿入して圧縮
成形を行い、その後キュア処理を施し樹脂を重合させ
る。ナイロン系樹脂などの熱可塑性樹脂を用いたとき
は、樹脂と混合粉末を混練した後、射出成型を行い、そ
の後、樹脂を硬化させる。
は、合金のバインダーを用いる場合は、混合粉と所定量
の金属あるいは合金の粉末を混合し、所望形状の金型に
挿入して、圧縮成型する。その後、バインダーの融点±
100 ℃の温度範囲に0.1 時間から100 時間加熱を行う。
以下の実施例により、本発明を詳しく説明する。
0.65(Fe0.85Mn0.15)2 となるように、各原子を調
製した後、Ar雰囲気下で水冷銅ボート中においてアー
ク溶解を行い、上記組成の合金インゴットを得た。つい
で、この合金インゴットをブラウンミルで平均粒径30μ
m まで粉砕し、磁歪合金粉末を得た。そしてこの磁歪合
金粉末に対して、20wt% のNd−Fe−B系永久磁石粉
末(平均粒径100 μm )を混合した。
r雰囲気中で900 ℃、 1.5 t/cm2 の条件でホットプ
レスを行い、直径6mm、長さ30mmの円柱状の磁歪材料ロ
ッドをえた。最後に、この磁歪材料ロッドに30kOe の磁
界を印加して含有する永久磁石を着磁し、磁歪材料ロッ
ドを自己バイアス磁界型磁歪材料とした。
向磁極電磁石により、±300Oe の範囲で印加磁界を変化
させ、歪みゲージを用いて磁歪特性を評価した。その結
果を図1に示す。
-300Oeから+300Oeの印加磁界範囲において零磁界(自己
バイアス磁界)の付近をも含めてほぼ線形で、印加磁界
100Oeのあたり約120ppmから130ppmの印加磁界応答性を
示し、かつ、この印加磁界範囲における磁歪量も約-400
ppm から+400ppm と、合計して約800ppm近い大きなもの
である。
ッドは優れた磁歪特性を有するものであり、印加磁界範
囲に全般において印加磁界応答性が良いため、新たに永
久磁石等によるバイアス磁界を設ける必要がない。
ら製造した10本の磁歪材料ロッドについて、10kOe の印
加磁界中での磁歪量(λ10kOe )を測定したところ、12
00±20ppm とばらつきが少なく、また絶対的な値として
も良好な値が得られた。さらに、本実施例で得られた磁
歪材料ロッドは、所望の形状についての寸法精度が良い
ため、後加工を施す必要がなかった。そして、3点曲げ
試験で機械的強度を測定したところ、17kg/mm2 と良好
な値が得られた。
法によって、下記表1に示す組成の各合金インゴットを
製造し、ついで各合金インゴットを溶融して得られた各
合金の混合溶湯について、Ar雰囲気中で直径300mm 、
ロール速度25 m/sec のCuロールによる単ロール法で
超急冷を行い、平均粒径100 μm の磁歪合金粉末を得
た。
様な方法で表1に示す種類、混合比の永久磁石粉末とホ
ットプレスにより一体化して磁歪材料のロッドを形成
し、実施例1と同様の方法により30kOe の磁界で着磁
し、磁歪材料ロッドを自己バイアス磁界型磁歪材料とし
た。この磁歪材料ロッドについて、室温下で対向磁極電
磁石により、±300Oe の磁界中において磁歪の測定を行
った。その結果を表1にまとめて示す。
0.7 Fe1.95となるように、各原子を調製した後、Ar
雰囲気下で水冷銅ボート中においてアーク溶解を行い、
上記組成の合金インゴットを得た。ついで真空中で900
℃、10時間の熱処理を施した。その後平均粒径200 μm
まで粉砕し、再び真空中で10時間、900 ℃での熱処理を
行い、磁歪合金粉末を得た。そしてこの磁歪合金粉末に
大して、20wt%のNd−Fe−B系永久磁石粉末(平均
粒径200μm )を混合した。
混練し、8 t/cm2 の圧力で圧縮成型した後、120 ℃で
2時間のキュア処理を施して、直径6mm、長さ30mmの円
柱状の樹脂結合型磁歪材料ロッドをえた。最後にこの磁
歪材料ロッドに実施例1と同様に磁界を印加し、磁歪材
料ロッドを自己バイアス磁界型磁歪材料とした。
様な方法で磁歪特性を評価した。その結果を図2に示
す。図2から明らかなように、この磁歪材料は-300 Oe
から+300 Oe の印加磁界範囲において零磁界(自己バイ
アス磁界)の付近をも含めてほぼ線形で、印加磁界100
Oeあたり約80ppm から90ppm の印加磁界応答性を示し、
かつ、この印加磁界範囲における磁歪量も約-250 ppmか
ら、+250ppm と、合計して約500ppm近い大きなものであ
る。したがって、本実施例に関わる磁歪材料ロッドは優
れた磁歪特性を有するものであり、印加磁界範囲に全般
において印加磁界応答性が良いため、新たに永久磁石等
によるバイアス磁界を設ける必要がない。
は、寸法精度が良いため、後加工を施す必要がなかっ
た。また炭素鋼バイトで切削が可能であった。すなわ
ち、成形性も良く、切削性も優れていた。
については、希土類−鉄系合金の磁歪合金の比抵抗が約
60μΩcmなのに対し、前記樹脂結合型磁歪ロッドの比抵
抗は、0.01Ωcm以上の値であることから、高周波数領域
での渦電流損失低減化が図られ、磁歪振動子デバイスの
に用いた際、振動周波数の高周波数化が可能になった。
法によって、下記表2に示す組成の合金インゴットを得
た。ついで真空中で900℃、10時間の熱処理を施した。
その後ブラウンミルにより、平均粒径200 μm まで粉砕
し、再び真空中で10時間、900 ℃での熱処理を行い、磁
歪合金粉末を得た。そしてこの磁歪合金粉末に対して、
20wt% のNd−Fe−B系永久磁石粉末(平均粒径20
0 μm )を混合した。
を混練し、8 t/cm2 の圧力で圧縮成型した後、120 ℃
で2時間のキュア処理を施して、樹脂結合型磁歪材料ロ
ッドを形成し、実施例1と同様に磁界を印加し、磁歪材
料ロッドを自己バイアス磁界型磁歪材料とした。その
後、±300 Oeの磁界中において磁歪の測定を行った。そ
の結果を表2にまとめて示す。
0.7 (Fe0.9 Mn0.1 )1.98となるように、各原子を
調製した後,Ar雰囲気下で水冷銅ボート中においてア
ーク溶解を行い、上記組成の合金インゴットを得た。つ
いで真空中で900 ℃、10時間の熱処理を施した。その後
平均粒径200 μm まで粉砕し、再び真空中で10時間、90
0 ℃での熱処理を行い、磁歪合金粉末を得た。そしてこ
の磁歪合金粉末に対して、20wt%のNd−Fe−B系永
久磁石粉末(平均粒径200 μm )を混合した。
属バインダーを15 vol%混合した後プレス成型して圧粉
体を得た。この圧粉体をAr雰囲気中で650 ℃に加熱し
て、2時間保持し、直径6mm、長さ30mmの円柱状の樹脂
結合型磁歪材料ロッドを得た。この磁歪材料ロッドに実
施例1と同様に磁界を印加し、自己バイアス磁界型磁歪
材料とした。
様な方法で磁歪特性を評価した。その結果を図3に示
す。図3から明らかなように、この磁歪材料は-300 Oe
から+300 Oe の印加磁界範囲において零磁界(自己バイ
アス磁界)の付近をも含めてほぼ線形で、印加磁界100O
e あたり約100 から110kOeの印加磁界応答性を示し、か
つ、この印加磁界範囲における磁歪量も約-300ppm 乃至
+300ppm と、合計して約600ppm近い大きなものである。
したがって、本実施例に関わる磁歪材料ロッドは優れた
磁歪特性を有するものであり、印加磁界範囲に全般にお
いて印加磁界応答性が良いため、新たに永久磁石等によ
るバイアス磁界を設ける必要がない。
ドは、所望の形状についての寸法精度が良いため、後加
工を施す必要がなかった。そして、3点曲げ試験で機械
的強度を測定したところ、23kg/mm2 と良好な値が得ら
れた。また、炭素鋼バイトでの切削も可能であった。
法によって、下記表3に示す組成の合金インゴットを得
た。ついで真空中で900℃、10時間の熱処理を施した。
その後平均粒径200 μm まで粉砕し、再び真空中で10時
間、900 ℃での熱処理を行い、磁歪合金粉末を得た。そ
してこの磁歪合金粉末に対して、20wt%のNd−Fe−
B系永久磁石粉末(平均粒径200 μm )を混合した。
属バインダーを15 vol%混合した後プレス成型して圧粉
体を得た。この圧粉体をAr雰囲気中で650 ℃に加熱し
て、2時間保持し、樹脂結合型磁歪材料ロッドを得た。
最後にこの磁歪材料ロッドに実施例1と同様に磁界を印
加し、磁歪材料ロッドを自己バイアス磁界型磁歪材料と
した。その後、±300 Oeの磁界中において磁歪の測定を
行った。その結果を表3にまとめて示す。
法によって、下記表3に示す組成の合金インゴットを得
た。次に実施例27−33と同様な方法によって、磁歪合金
粉末と磁歪合金粉末との混合粉末を得た。つぎにこの粉
末に、70%Sn−Pb合金粉末からなる金属バインダー
を13 vol%混合した後プレス成型して圧粉体を得た。こ
の圧粉体をAr雰囲気中で250 ℃に加熱して、2時間保
持し、樹脂結合型磁歪材料ロッドを得た。最後にこの磁
歪材料ロッドに実施例1と同様に磁界を印加し、磁歪材
料ロッドを自己バイアス磁界型磁歪材料とした。その
後、±300 Oeの磁界中において磁歪の測定を行った。そ
の結果を表3にまとめて示す。
に、本実施例の磁歪材料は、いずれも±300 Oeの磁界範
囲において零磁界を中心に対称な磁歪量(絶対値が同じ
で正負の符号が反対)を示して、ほぼ線形の印加磁界応
答性を持ち、磁歪の絶対量も大きい。よって、本実施例
の磁歪材料は良好な特性を有することが確認された。
は、自己バイアス磁界を有し、磁歪量と印加磁界応答性
の両面において、優れた磁歪特性を発揮する。そして、
本発明の磁歪材料は外部バイアス磁界が不要のため、デ
バイス構造を簡略化でき、その工業的価値は高い。
ッドの磁歪特性図
ッドの磁歪特性図
ッドの磁歪特性図
面図
Claims (2)
- 【請求項1】 磁歪材料粉末と永久磁石粉末とが一体化
されてなることを特徴とする磁歪材料。 - 【請求項2】 磁歪材料粉末と永久磁石粉末と結合剤と
が一体化されてなることを特徴とする磁歪材料。
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