JP2005093790A - 筒状体の製造方法、筒状磁歪素子の製造方法及び磁歪素子組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒状体や筒状磁歪素子を製造する際に高寸法精度が得られかつ製造コストを抑えることができる筒状体の製造方法及び筒状磁歪素子の製造方法を提供する。また、筒状磁歪素子を含む磁歪素子組立体を提供する。
【解決手段】 この筒状体の製造方法は、半筒状に成形し焼結した半筒状成形体１，１を一対組み合わせて円筒状体にし、その円筒状体を端部７，８で連結部材１１，１１により連結し固定することで円筒状体１０を作製する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、分割筒状成形体から筒状体または筒状磁歪素子を作製する筒状体の製造方法、筒状磁歪素子の製造方法及び磁歪素子組立体に関するものである。

磁性体を磁化したとき磁性体の寸法が変化する現象を生ずる磁歪材料からなる磁歪素子は、リニアアクチュエータ、振動子、圧力トルクセンサ、振動センサ、ジャイロセンサ等において駆動力発生のためやセンシングのために利用されている。また、最近、磁界の強さに応じて生じる寸法変化量や変位と磁界の強さとの積である発生応力が大きい超磁歪材料が注目されている（例えば、下記特許文献１参照）。かかる超磁歪材料からなる超磁歪素子によれば、高速かつ高パワーなアクチュエータや非共振でも変位の得られる超音波振動子、また、広い応力変化域をカバーする静圧センサや振動センサ等が可能となる。

上述のような超磁歪素子を含めた磁歪素子の円筒体を製造するには、従来、所定の組成の原料粉末を磁場中で成形し、その成形体を不活性ガス雰囲気中で焼結して製造している。この成形工程において加圧方向（圧縮）と同じ方向に磁場を加える縦磁場成形方式及び加圧方向に対し磁場を横方向から加える横磁場成形方式が知られている（例えば、下記特許文献２参照）。この縦磁場成形方式によれば、円筒体の長さ寸法が長くなると、金型における原料粉体の詰まりが悪くなり磁気特性が低下してしまうので、粉体の詰まりを良くする方法として横磁場成形方式が採用されている。

上述のように、円筒体を製造する場合、横磁場方式で成形するのが好ましく、具体的には、横磁場成形方式で半円筒形状に成形した成形体を２個重ね合わせて焼結や接着で接合する方法や円柱状に成形した成形体に工具で孔をあける方法が考えられるが、何れの場合も成形後に焼結工程があるため変形や位置ずれが発生し易い。このため、研削加工や放電加工により寸法精度を得ることが必要となるが、いずれの工程も設備を要し、加工に手間がかかり、製造コストが嵩んでしまう結果となっていた。
特開２００２−１２９２７４公報 特開２００１−４４０５５号公報

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、筒状体や筒状磁歪素子を製造する際に高寸法精度が得られかつ製造コストを抑えることができる筒状体の製造方法及び筒状磁歪素子の製造方法を提供することを目的とする。また、筒状磁歪素子を含む磁歪素子組立体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による筒状体の製造方法は、複数に分割された筒状に成形し焼結した分割筒状成形体を一対組み合わせて筒状体にし、その筒状体を少なくとも一方の端部で連結部材により連結し固定することで筒状体を作製することを特徴とする。

この筒状体の製造方法によれば、複数の分割筒状成形体を組み合わせた筒状体を端部で連結部材により連結し固定することで筒状体を作製できるので、高寸法精度でかつ製造コストを抑えて筒状体を製造することができる。

上記筒状体の製造方法では前記連結部材により連結され固定される前記筒状体の端部に接着剤を適用して前記端部と前記連結部材とを接合することで、筒状体と連結部材とを確実に結合できる。

本発明による筒状磁歪素子の製造方法は、原料粉体を磁場中で複数に分割された筒状に成形し焼結することで得られた分割筒状成形体を組み合わせて筒状体にし、その筒状体を少なくとも一方の端部で連結部材により連結し固定することで筒状磁歪素子を作製することを特徴とする。

この筒状磁歪素子の製造方法によれば、複数の分割筒状成形体を組み合わせた筒状体を端部で連結部材により連結し固定することで筒状磁歪素子を作製できるので、高寸法精度でかつ製造コストを抑えて筒状磁歪素子を製造することができる。なお、横磁場成形方式を採用することで比較的長い筒状磁歪素子を製造できる。また、筒状体を両端部で一対の連結部材で連結し固定することが好ましい。

上記筒状磁歪素子の製造方法において、前記連結部材は、前記筒状体の外径に対応した内径部を有し、前記内径部が前記筒状体の端部から前記筒状体の外径面に嵌り込むように構成できる。

この場合、前記分割筒状成形体の長手方向端部の外面に金型による成形時に形成された突出部が存在し、前記連結部材の内径部は前記突出部が収まることができる切欠部を有することが好ましい。金型で成形した分割筒状成形体に長手方向端部の外面に突き出るように突出部が形成されても、突出部が内径部の切欠部に収まるので、連結部材による筒状体の連結固定に悪影響はない。

また、前記連結部材が磁性体から構成されることで、筒状磁歪素子の端部に配置される連結部材をヨークとして機能させることが可能となる。

本発明による磁歪素子組立体は、上述の製造方法により製造された筒状磁歪素子の外面側にコイルを組み込んだことを特徴とする。この磁歪素子組立体によれば、磁歪素子及びコイルを含んで構成されるアクチュエータ、超音波振動子、静圧センサ、振動センサなどの各種装置に対して中間組立体として提供できる。

また、本発明による磁歪素子組立体を、上記筒状磁歪素子を含むとともに磁性体から構成された連結部材がヨークとして機能する上述のような各種装置のための磁歪素子組立体とすることができる。この磁歪素子組立体によれば、連結部材をヨークに兼用できるとともに磁化分布を良好にできる。

本発明の筒状体の製造方法及び筒状磁歪素子の製造方法によれば、筒状体及び筒形磁歪素子を製造する際に高寸法精度が得られかつ製造コストを抑えることができる。また、磁歪素子組立体によれば、磁歪素子及びコイルを含んで構成される各種装置に対して中間組立体として提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は本実施の形態を示す円筒状磁歪素子の製造工程を示すフローチャートである。図２は図１の横磁場成形工程を実行可能な横磁場成形装置の要部を示す正面断面図である。図３は図１の横磁場成形・焼結工程により得ることのできる半円筒状成形体の斜視図である。図４は図３の半円筒状成形体及び連結部材を組み合わせて作製できる円筒状磁歪素子の分解斜視図である。図５は図１の製造工程で作製できる円筒状磁歪素子の縦方向断面図である。

まず、横磁場成形で半円筒状の成形体を得るための横磁場成形装置について図２を参照して説明する。

横磁場成形装置２０は、図２のように、下側金型２１と、上側金型２２と、スリーブ部材２３と、横磁場発生器（図示省略）と、を備える。下側金型２１は、スリーブ部材２３内に挿入される上端部の中央部に樋状の凹溝２１ａが断面半円弧状に形成されている。上側金型２２は、スリーブ部材２３内に挿入される下端部の中央部に断面半円状の凸部２２ａが下側金型２１の凹溝２１ａに対向するように形成されている。

上側金型２２の凸部２２ａは、その直径が凹溝２１ａの直径よりも小径に形成され、凹溝２１ａ内に進入可能に構成される。下側金型２１の凹溝２１ａ内に上側金型２２の凸部２２ａが進入した型閉塞状態において下側金型２１と上側金型２２とスリーブ部材２３とでほぼ半円筒状の成形空間（キャビテイ）ＣＡが内部に形成される。本実施の形態では、成形空間ＣＡは、半円筒状の成形空間ＣＡ１と、この成形空間ＣＡ１の各端部から側方に水平に延びるほぼ直方体状の各成形空間ＣＡ２、ＣＡ２と、から構成される。各成形空間ＣＡ２、ＣＡ２が形成されるように成形金型を構成することで、成形時の圧縮工程で下側金型２１の両側端部に対する上側金型２２の当接を防止できる。

横磁場発生器は、例えば、電磁コイルと、この電磁コイルに励磁電流（直流電流）を供給する駆動部とを備え、供給された励磁電流に基づいて図２において紙面奥側から手前側に向かう直流磁界で構成される磁場Ａを成形空間ＣＡ内に発生させる。これにより、下側金型２１と上側金型２２との間でキャビテイＣＡ内の粉末材料を加圧・圧縮しながら、その圧縮方向と直交する半円筒状成形体の長手方向に磁場を加えながら成形を行うことができる。

次に、図１乃至図４を参照して円筒状磁歪素子の製造工程を説明する。まず、磁歪材料を得ることのできる所定の組成の原料粉末を図２の横磁場成形装置２０のキャビテイＣＡ内に詰めてから、横磁場発生器でキャビテイＣＡ内の半円筒状成形体にその長手方向（図２の紙面垂直方向）に横磁場を発生させながら下側金型２１と上側金型２２とを圧縮するように荷重を加え加圧して横磁場成形を行うことで（Ｓ０１）、図３の半円筒状成形体を得る。この半円筒状成形体は縦磁場成形法で成形された成形体と比較して配向度の高い良好な磁歪特性を有する。

上記原料粉末は、例えば、式（１）ＲＴ_ｙ（ここで、Ｒは１種類以上の希土類金属で、好ましくはＴｂ及びＤｙであり、Ｔは１種類以上の遷移金属であり、好ましくはＦｅ、Ｃｏ及びＮｉの中の１種以上であり、ｙは１＜ｙ＜４を表す。）で示す組成を有するものであり、また、Ｒは式（２）Ｔｂ_ａＤｙ_{（１−ａ）}で示す組成であって、ａが０．２７＜ａ≦０．５０の範囲にあるものが望ましいが、これらに限定されるものではない。上記原料粉末により超磁歪材料を得ることができる。

次に、上記工程Ｓ０１で得た半円筒状成形体について焼結工程を行う（Ｓ０２）。この焼結工程は、例えば、雰囲気を所定圧力以下に低減させた略真空状態で４５０℃以上７５０℃以下の温度まで上昇させ、この温度に到達した後、非酸化性ガスとして不活性ガス等を供給し、雰囲気温度を６５０℃以上まで上昇させるようにして実行することで、上述の原料粉末の使用と相俟って、ガス化した水素の気泡による巣の発生を防止でき、歩留まりよく半円筒状成形体の焼結を行うことができるが、この焼結工程の例に限定されるものではない。

上記横磁場成形工程Ｓ０１及び焼結工程Ｓ０２を経て得た半円筒状成形体１は、図３に示すように、図２の成形空間ＣＡ１で規定される半円筒状の本体部２と、各成形空間ＣＡ２、ＣＡ２で規定される薄肉直方体状の一対のリブ部３，４と、を備え、長手方向と直交する方向に沿った断面形状がほぼ半円弧状の略半円筒状に構成され、各リブ部３，４が本体部２の各端部７，８から側端面５，６の側方外面に若干突き出て延びるように形成されている。

次に、図４のように、図３の一対の半円筒状成形体１，１をそれらの側端面５，６を合わせるように組み合わせて円筒状体１０にしてから（Ｓ０３）、キャップ状に構成された一対の連結部材１１，１１を円筒状体１０の各端部７，８に被せるようにして取り付ける（Ｓ０４）。このようにして、円筒状体１０を構成する一対の半円筒状成形体１，１同士を連結し固定することができる。

上述の連結部材１１は、図４のように、円筒状体１０の外面９に適合する内径部１２ａを有し円筒状体１０の長さよりもかなり短い円筒部１２と、円筒状体１０の各端部７，８と対向する円形状の端面部１３と、端面部１３に形成された中心孔１４と、を備え、軟鋼、フェライト等の磁性体から機械加工等により製造できる。

また、上記工程Ｓ０４では、円筒状体１０の端部７，８または連結部材１１の端面部１３の内面にエポキシ接着剤等の接着剤を塗布してから連結して端部７，８と連結部材１１，１１とを接合することで、円筒状体１０と連結部材１１，１１とを確実に結合できる。

上述のようにして、一対の半円筒状成形体１，１を組み合わせた円筒状体１０と、一対の連結部材１１，１１とを組み合わせることにより、図５のような円筒状磁歪素子１５を得る（Ｓ０５）。

以上のように、従来までは円筒状磁歪素子の内径もしくは外径の寸法精度を出すために研削加工または放電加工を行う必要があったのに対し、図５の円筒状磁歪素子１５の組立方式によれば、連結部材１１により寸法精度が決まるため、加工を行うとしても合わせ面（側端面５，６）に限定されるため製造コストを低減できるるとともに、円筒状磁歪素子が作り易くなり、生産性が向上する。

また、連結部材１１を用いることで部品コスト高のように思われるが、この連結部材１１はヨークとしての機能を兼ねることができるので、結果的にはコスト高とはならない。

次に、図４、図５の円筒状磁歪素子の変形例を図６により説明する。図６は、図４と同様の円筒状磁歪素子の分解斜視図である。

図６に示す連結部材１１の円筒部１２には、円筒状体１０の長手方向に対応する方向に一対の切欠部１６，１７が中心孔１４を挟んで対向するように設けられている。図６に示す連結部材１１は、各切欠部１６，１７が円筒状体１０の各リブ部３，４に位置するようにして端部７，８に取り付けられる。これにより、円筒状体１０の外面９から各リブ部３，４がかなり突き出る場合でも連結部材１１の内径部１２ａに対し外面９を良好に適合させることができ、また、リブ部３，４を機械加工等で除去する必要がない。

次に、図５のような円筒状磁歪素子を組み込んで構成される磁歪アクチュエータについて図７を参照して説明する。図７は図５の円筒状磁歪素子を内部に含む磁歪アクチュエータの内部構成を示す図である。

図７の磁歪アクチュエータ３０は、筐体３１内の略中心位置に図５の円筒状磁歪素子１５が図の縦方向に配置され、上下の設置板３５，３５の間に設置されており、導電線が多数巻回されてなるコイル３２が円筒状磁歪素子１５の外面を包囲するように配置され、また、円筒状磁歪素子１５に設置された駆動軸３３が筐体３１の外部に突き出ている。

磁歪アクチュエータ３０は、直流電源３４から駆動電流をコイル３２に流すことで発生する外部磁界により円筒状磁歪素子１５が伸び、これにより外部に突き出た駆動軸３３が図の矢印方向Ｖに伸びる。

また、円筒状磁歪素子１５の上下端部にそれぞれ位置する連結部材１１，１１は、ヨークを兼用し、ヨークの機能を発揮することで磁化分布を良好にできる。

この場合、上述のような原料粉体で得た超磁歪材料から円筒状磁歪素子１５を作製することで、例えば磁歪値λ１．０(ppm)が１１００以上の超磁歪素子とすることができ、磁歪アクチュエータ３０では駆動軸３３の変位を大きくすることができるので、磁歪アクチュエータ３０を例えば自動車エンジン用のイジェクタ等に応用可能である。

次に、図５のような円筒状磁歪素子の外面側にコイルを組み込んだ組立体について図８を参照して説明する。図８は図５の円筒状磁歪素子にコイルを組み込んだ組立体の内部構成を示す図である。

図８のように、図５の円筒状磁歪素子１５の外面に導電線が多数巻回されてなるコイル４１を配置することにより磁歪素子組立体４０を得ることができる。かかる磁歪素子組立体４０を組み込むことで図７のような磁歪アクチュエータを作製できる。

図８のような磁歪素子組立体４０を、磁歪素子及びコイルを含んで構成されるアクチュエータ、超音波振動子、静圧センサ、振動センサなどの各種装置に対して中間組立体として提供できる。

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、連結部材１１は、必要に応じて円筒状体の両端部のいずれか一方に設けてよく、また、ヨークとしての機能が必要ない場合は、樹脂材料等の低廉な材料から射出成形等で形成してもよい。

また、本実施の形態では、半円筒状に成形し焼結した半円筒状成形体を１対組み合わせて円筒状体を得たが、本発明は、これに限定されず、３つ（またはそれ以上）に分割された分割円筒状成形体を得てから、複数の分割円筒状成形体を組み合わせることで円筒状体を得るようにしてもよい。

また、本発明における筒状体は、円筒状体に限定されず、例えば、角柱状体等であってもよい。また、本発明による筒状体の製造方法は、筒状磁歪素子の製造に限定されずに、他の筒状体の製造にも適用できることは勿論である。

本実施の形態を示す円筒状磁歪素子の製造工程を示すフローチャートである。 図１の横磁場成形工程を実行可能な横磁場成形装置の要部を示す正面断面図である。 図１の横磁場成形・焼結工程により得ることのできる半円筒状成形体の斜視図である。 図３の半円筒状成形体及び連結部材を組み合わせて作製できる円筒状磁歪素子の分解斜視図である。 図１の製造工程で作製できる円筒状磁歪素子の縦方向断面図である。 図４，図５の円筒状磁歪素子の変形例を示す図４と同様の分解斜視図である。 図５の円筒状磁歪素子を内部に含む磁歪アクチュエータの内部構成を示す図である。 図５の円筒状磁歪素子にコイルを組み込んだ組立体の内部構成を示す図である。

符号の説明

１ 半円筒状成形体
３，４ リブ部
５，６ 側端面
７，８ 端部
９ 外面
１０ 円筒状体
１１ 連結部材
１２ａ 内径部
１５ 円筒状磁歪素子
１６，１７ 切欠部
２１ 下側金型
２２ 上側金型
３０ 磁歪アクチュエータ
３２ コイル
３３ 駆動軸
３４ 直流電源
４０ 磁歪素子組立体
４１ コイル
ＣＡ キャビティ、成形空間
Ａ 磁場

Claims (8)

1. 複数に分割された筒状に成形し焼結した分割筒状成形体を組み合わせて筒状体にし、その筒状体を少なくとも一方の端部で連結部材により連結し固定することで筒状体を作製することを特徴とする筒状体の製造方法。
2. 前記連結部材により連結され固定される前記筒状体の端部に接着剤を適用して前記端部と前記連結部材とを接合することを特徴とする請求項１に記載の筒状体の製造方法。
3. 原料粉体を磁場中で複数に分割された筒状に成形し焼結することで得られた分割筒状成形体を組み合わせて筒状体にし、その筒状体を少なくとも一方の端部で連結部材により連結し固定することで筒状磁歪素子を作製することを特徴とする筒状磁歪素子の製造方法。
4. 前記連結部材は、前記筒状体の外径に対応した内径部を有し、前記内径部が前記筒状体の端部から前記筒状体の外径面に嵌り込むことを特徴とする請求項５に記載の筒状磁歪素子の製造方法。
5. 前記分割筒状成形体の長手方向端部の外面に金型による成形時に形成された突出部が存在し、
   前記連結部材の内径部は前記突出部が収まることができる切欠部を有することを特徴とする請求項４に記載の筒状磁歪素子の製造方法。
6. 前記連結部材が磁性体から構成されることを特徴とする請求項３，４または５に記載の筒状磁歪素子の製造方法。
7. 請求項３乃至６のいずれか１項に記載の製造方法により製造された筒状磁歪素子の外面側にコイルを組み込んだことを特徴とする磁歪素子組立体。
8. 請求項６に記載の製造方法により製造された筒状磁歪素子を含み前記連結部材がヨークとして機能する装置のための磁歪素子組立体。
   
   

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