JP2005264260A

JP2005264260A - 軟磁性ヨーク及びそれを用いた電磁アクチュエーター

Info

Publication number: JP2005264260A
Application number: JP2004080443A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Fujiwara; 照彦藤原; Kenri Urata; 顕理浦田; Akihisa Inoue; 明久井上
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】高い飽和磁束密度と透磁率を有する軟磁性金属ガラス材を使用した軟磁性ヨーク材とそれを用いた電磁アクチュエーターを提供すること。
【解決手段】軟磁性ヨークは、下記化１式の組成式で表される磁束密度が１．２Ｔ以上でかつ比抵抗が１μΩｍ以上の軟磁性金属ガラス板材を用いている。
【化１】

【選択図】図１

Description

本発明は、軟磁性金属ガラス板材を用いた軟磁性ヨークおよびそれを用いた小型高精度の計測機器や位置決めステージに搭載可能な電磁アクチュエーターに関するものである。

ボイスコイルムービングリニアアクチュエーター（以下、ＶＣＭと略記する）は、電磁スピーカーの駆動部と同様の構造を有するリニア電磁アクチュエーターである。

磁場中を流れる電流が、磁場から受けるローレンツカを駆動力源とし、その力によりコイルないし永久磁石の稼動部が運動するものである。

現行のＶＣＭは推進力を大きく確保するために大型のヨークと永久磁石そして軽量化されたコイルから構成されており、コイルヘの通電量を大きくすることで大推力を得ることができる。

しかしながら、家電製品や電子部品の小型化、また年々進む半導体の微細技術などナノレベルの測定、制御が必要となってきており、ＶＣＭもまた小型化、高速化、高精度化が必要となってきている。これらＶＣＭの特性向上には大きな推力が必須であり、その推力はコイルに流れる通電電流（Ｉ）と永久磁石とヨークとの隙間にあるギャップ磁束密度（Ｂｇ）の積に比例する。ギャップ磁束密度は、ＶＣＭの磁気回路中の磁気抵抗に関与しており、ギャップ磁束密度を向上させるには磁気抵抗を下げる必要がある。また、透磁率（μ）は磁束の通りやすさを示しており、透磁率を上げることにより磁気抵抗を下げることが可能となる。

これら磁気回路には軟磁性ヨークが大半を占有しており、軟磁性ヨークの透磁率の向上がＶＣＭの特性向上には必要となっている。また、飽和磁束密度（Ｂｓ）も推進力向上には必須の磁気特性であり、高いほうが望ましい。

従来の軟磁性ヨーク材料として、電磁軟鉄、珪素鋼、パーマロイなどが用いられてきた。

しかしながら、電磁軟鉄や珪素鋼は、飽和磁束密度が高い反面、透磁率が低く、損失が大きいという欠点を持っており、特に、珪素鋼は、渦電流損失を抑えるため一般に２００μｍ程度の厚みである。

一方、パーマロイは高透磁率組成では、飽和磁束密度が非常に低くなってしまう欠点がある。また、その他に、軟磁性材料としてフェライトやセンダスト、アモルファス薄帯などが挙げられるが、フェライトは高周波特性に優れているものの飽和磁束密度や透磁率は低く、センダストはＢｓが低く、また成型するのが困難である。アモルファス薄帯は透磁率も高く、損失も低いことから有望な材料ではあるが、わずか数１０μｍの厚みの薄帯しか得ることはできず、軟磁性ヨーク材として実用性は低い。

従って、アモルファスと同様な特性を有し、積層可能な軟磁性材料が軟磁性ヨーク材として望まれていた。

ＭａｔＴｒａｎｓ４３（２００２）ｐ．ｐ．７６６−７６９

そこで、本発明の技術的課題は、高い飽和磁束密度と透磁率を有する軟磁性金属ガラス材を使用した軟磁性ヨーク材とそれを用いた電磁アクチュエーターを提供することにある。

高い飽和磁束密度と透磁率を有するＦｅ基アモルファス材料をバルク化する方法として、Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｐなどのメタロイド元素やＺｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆなどの重金属を多量に添加する金属ガラス組成が知られている。

しかし、バルク化出来る反面、Ｂｓも劣化する事が知られている。しかし、最近、非特許文献１に高い飽和磁束密度を有しながら、１．５ｍｍ直径（φ）の金属ガラスの棒材が作製できることが開示された。

本発明者らは、各種の金属ガラス組成で板材を作製し、軟磁性ヨーク材を提供するために種々の合金組成を検討した結果、下記化学１式の組成式で表される金属ガラスであれば、飽和磁束密度が１．２Ｔ以上の軟磁性ヨーク材が提供できる事を見出した。

また、この時の板材の厚みは最低でも、０．５ｍｍ以上で有り、これを積層すれば軟磁性ヨーク材料として従来よりも安価に軟磁性ヨークを提供する事が出来ることを見出し本発明をなすに至ったものである。

本発明によれば、下記化１式の組成式で表される磁束密度が１．２Ｔ以上でかつ比抵抗が１μΩｍ以上の軟磁性金属ガラス板材を用いたことを特徴とする軟磁性ヨークが得られる。

また、本発明によれば、前記軟磁性ヨークにおいて、当該軟磁性ヨークの最も厚い部分の肉厚は少なくとも，０．５ｍｍ以上であることを特徴とする軟磁性ヨークが得られる。

さらに、本発明によれば、前記軟磁性ヨークを用いたことを特徴とする電磁アクチュエーターが得られる。

本発明の金属ガラス組成によって、大形状の金属ガラスの作製が可能となり、かつ磁気特性の優れた軟磁性金属ガラスヨーク材として提供可能となる。また、そのヨークを用いることにより高推進力の電磁アクチュエーターを作製することができる。

次に、本発明を更に具体的に説明する。

本発明の金属ガラスの合金組成は、下記化２式で示される。

本発明において、主成分であるＦｅは磁性を担う元素であり、高い飽和磁束密度を得るために必須である。このＦｅの一部は各々、又は合計で０〜０．５の範囲でＮｉ，Ｃｏと置換することも可能であり、金属ガラス形成能を向上させる効果がある。特にＣｏは、同時に飽和磁束密度も改善する効果が期待される。これらＦｅ及びその置換元素の総量は、合金全体の６８原子％以上７８％以下である。というのは、６８原子％以上でないと磁心の飽和磁束密度が低過ぎて有用性が失われ、７８原子％以上であると結晶化するため磁心の透磁率とコアロスが低下するためである。

次に、上記組成式中のＭ元素は、ガラス形成能を向上させるために必要な元素であり、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗから選択される１種以上の元素である。Ｍ元素の含有量は１原子％以上５原子％以下が好ましい。その理由は、Ｍ元素が、１原子％未満だとガラス形成能が落ちて透磁率とコアロスが著しく劣化し、５原子％を超えると飽和磁束密度が低下し、有用性が失われるためである。

また、ＳｉおよびＢは、金属ガラス粉末を作製するために必須の元素であり、Ｓｉは１原子％以上１２原子％以下、Ｂは１２原子％以上２５原子％以下が好ましい。その理由は、Ｓｉが１原子％未満または１２原子％を超える場合、もしくはＢが１２原子％未満または２５原子％を超えると、ガラス形成能が落ちて安定した金属ガラス板材が作製不能になるからである。

また、従来材より軟磁気特性が格段に高い、本発明のＦｅ基金属ガラス軟磁性ョークを用いることにより、小型でありながら十分な推力を得ることができ、高速、高精度である電磁アクチュエーターが提供できる。

ここで、本発明において、「金属ガラス」とは、製品断面を通常のＸ線回折法により測定を行うことにより、Ｘ線回折プロファイルを得たときにブロードなピークのみになる状態である。ブロードなピーク以外の鋭いピークが存在する場合を「金属ガラスと結晶相との混相」と判断し、ブロードなピークが存在しない場合を「結晶相」と判断した。

以下、本発明を更に具体的に説明する。

図１は本発明の金属ガラスを評価するためにＶＣＭの形状に構成した断面図である。

図１に示すように、ＶＣＭ１００は、外周部１１と中心部１３とこれらの一端を封じる端部１２を備えた断面Ｅ字形状の円筒状の軟磁性ヨーク１を備えている。軟磁性ヨーク１は、上述した化２式によって示される組成を備えた金属ガラスの板材からなる。外周部１１の外周面１１ａに対向する内周面１１ｂに円筒状の磁石２の外周面が貼り合わされている。中心部１３は、円筒外周面１３ａと先端面１３ｂとを備えている。端部１２は、外端面１３と、内端面１２とを備えている。内周面１１ｂと永久磁石の内周面と、中心部１３の外周面１３ａと、端面１２ａとで、リング状の空胴部５が規定される。また、中心部１３の先端面１３ｂから外周面１３ａにかけて覆うように一端を封じられた円筒状、即ち、カップ状の可動部をなすボビン３が設けられている。永久磁石２の内側で、ボビン３の周囲には、コイル４が巻回されている。コイルに電流が流れると、永久磁石の磁界内のボビン３は、図１では、流れた電流の向きに応じて左右方向に、電流の大きさに応じた力を受けて移動する。

以下、本発明の具体例について説明する。

（例１〜２２および比較例１〜８）
本発明材としてＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎｂの純金属材料をそれぞれ下記表１の祖成になるように、高周波誘導加熱装置を用いて母合金を作製した。次にその母合金を用い、金型鋳造法にて２０×２０×ｔ１．０ｍｍの板材を作製した。

板材のガラス化の確認は、１ｍｍ角の試料片をＸ線回折法で測定し評価した。このときのＸ線回折法による測定においては、自動Ｘ線回折装置（理学電機製：ＲＩＮＴ２０００）を用いＣｕＫａ、５０ｋＶ、３０ｍＡ、２°／ｍｍ、４回積算測定の条件で詳細に測定を行った。測定して得られたＸＲＤパターンにおいて、ガラス相特有のブロードなピークしか検出されないものをガラス相、また結晶に起因する鋭いピークがブロードなピークとともに観察されたものを（ガラス＋結晶）相とし、ブロードなピークが見られず、鋭いピークのみの場合を結晶相と判断した。また、飽和磁束密度と透磁率は、得られた板材を内径８ｍｍφ、外径１３ｍｍφのリンク形状に加工後、５００℃で０．５時間熱処理し、直流Ｂ−Ｈアナライザにより測定した。その結果を下記表１に示す。但し、結晶化したものは測定出来なかった。なお、板材の比抵抗は４端子法で測定したが、全ての試料について．１μΩｍ以上の値を示す事を確認した。なお、ガラス相が得られた組成についてはＤＳＣにて熱分析を行い、ガラス遷移温度および結晶化温度の測定を行い、全ての試料について△Ｔ_ｘは３０Ｋ以上である事を確認した。

まず、ＸＲＤでガラス相が得られない試料は板材が作製できなかった。次に、各合金組成と諸特性との関係について下記に示す。ＤＳＣの昇温速度は４０Ｋ／ｍｉｎである。

例１〜３と比較例１〜２より、Ｎｂ量が２〜６％のときガラス相を有する軟磁性ヨーク材が得られる事が分かる。しかし、比較例２のＮｂ量が６％の場合には磁束密度が１２Ｔ以下と低い事が分かる。

また、例４〜７と比較例３〜４より、Ｓｉ量が１〜１２％のときガラス相を有する較磁性ヨーク材が得られる事が分かる。

例８〜１１と比較例５〜６より、Ｂ量が１２〜２５％のときガラス相を有する較磁性ヨーク材が得られる事が分かる。

例１２〜１８と比較例７〜８より、Ｆｅの一部をＮｉ，Ｃｏで置換する事により、Ｎｂが１％でも金属ガラスが得られている事が分かる。しかし、置換量がＮｉで０．３，Ｃｏで０．５を超えると磁束密度が１２Ｔ以下に低下する事が分る。また、例１９〜２２に示す通り、ＮｉとＣｏは複合添加しても良いし、またＮｂの代わりにＴａ，Ｍｏを使用しても同様の効果が得られる事が分かる。

（例２３、２４および比較例９、１０）
以下の本発明例及び比較例をヨークとして用い、ＶＣＭ１００を組立て、推進力をフォースゲージにて測定をした。ＶＣＭ１００の構造は、以下のとおりにした。形状は、前述した図１に示す形状で、永久磁石２として、Ｓｒフェライト磁石を用い、コイル４のターン数を１４７ターンとし、コイル４の通電量を１Ａとした。

下記表２に比較例９、１０である従来品の電磁軟鉄、パーマロイ（登録商標）および例２３、２４に本発明品である（Ｆｅ_０．６Ｃｏ_０．４）_７５Ｓｉ_７Ｂ_１７Ｎｂ_１、Ｆｅ_７３Ｓｉ_７Ｂ_１７Ｎｂ_３で作製した金属ガラス単相のヨークを用いたときのＶＣＭ１００のそれぞれの推進力を示す。

上記表２から、例２３及び２４で示した本発明品を用いることにより、格段に優れた推進力を得ることが出来ることが判明した。

以上述べたごとく、本発明の金属ガラス組成を備えた金属ガラスは、電磁アクチュエーターの軟磁性金属ガラスヨーク材に最適である。

本発明の金属ガラスの評価用ＶＣＭの形状を示した断面図である。

符号の説明

１軟磁性ヨーク
２永久磁石
３ボビン
４コイル
５空胴部
１１外周部
１１ａ外周面
１１ｂ内周面
１２端部
１２ａ内端面
１２ｂ外端面
１３中心部
１３ａ外周面
１３ｂ先端面
１００ＶＣＭ

Claims

下記化１式の組成式で表される磁束密度が１．２Ｔ以上でかつ比抵抗が１μΩｍ以上の軟磁性金属ガラス板材を用いたことを特徴とする軟磁性ヨーク。

組成式（Ｆｅ１−ａ−ｂＮｉａＣｏｂ）１００−ｘ−ｙ−ｚＭｘＴｙＢｚ、但し、０≦ａ≦０．３０，０≦ｂ≦０．５０，０≦ａ＋ｂ≦０．５０，１原子％≦ｘ≦５原子％、１原子％≦ｙ≦１２原子％、１２原子％≦ｚ≦２５原子％、かつ２２≦（ｘ＋ｙ＋ｚ）≦３２、ＭはＺｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗから選ばれる１種類以上の元素であり、ＴはＡｌ，Ｓｉ，Ｃ，Ｐから選ばれる１種類以上の元素である。
請求項１記載の軟磁性ヨークにおいて、当該軟磁性ヨークの最も厚い部分の肉厚は少なくとも，０．５ｍｍ以上であることを特徴とする軟磁性ヨーク。
請求項１又は２記載の軟磁性ヨークを用いたことを特徴とする電磁アクチュエーター。