JP2016152337A - 磁気粘弾性体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな変形が可能で、しかも永久磁石の性質を有する磁気粘弾性体、およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る磁気粘弾性体は、シリコーンゲル中に、希土類を主成分とする１００μｍ以下の平均粒径を有する磁性微粒子が分散していることを特徴とするものであり、例えば、シリコーンゲルに、希土類金属を主成分とする１００μｍ以下の平均粒径を有する磁性微粒子を分散させる分散工程Ｓ１と、分散工程Ｓ１によって得られたものを加熱しながら成形する成形工程Ｓ２と、成形工程Ｓ２によって得られたものに１．５Ｔ以上の磁場を印加する着磁工程Ｓ３とを含む製造方法によって製造される。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石の性質を有する磁気粘弾性体およびその製造方法に関する。

永久磁石の性質を有する従来から知られた磁性材料として、例えば、プラスチック等に磁性材料を練り込んで成形してなるボンド磁石がある。通常、ボンド磁石はほとんど伸び縮みしない。

従来の磁性材料として、非特許文献１に記載のものも知られている。この磁性材料は、２液混合型のシリコーンゲルに５〜３５体積％の強磁性微粒子（ＢＡＳＦ社製「Ｃａｒｂｏｎｙｌ ＳＱ」、またはＴＤＫ社製「ＩＲ−Ｌ３」）を分散させ、加熱しながら成形することにより作製される。この磁性材料は、使用するシリコーンゲルの性質および強磁性微粒子の比率に応じた、ある程度の伸び縮みが可能である。

松村，山口、「磁気粘弾性体の磁化特性及び弾性率の評価」、日本レオロジー学会誌、２００９年、Ｖｏｌ．３７、Ｎｏ．４、ｐ．１９９−２０４

ところで、近年、磁性材料の新たな適用分野として、人工筋肉や薄膜永久磁石が検討されている。人工筋肉に適用される磁性材料には、大きな変形（伸び縮み）が可能であることが求められる。また、薄膜永久磁石に適用される磁性材料には、その内部で不均一な磁性微粒子の分散が生じないことが求められる。

しかしながら、非特許文献１の磁性材料は、人工筋肉のような大きな変形が必要とされる分野への適用には不向きである。また、非特許文献１の磁性材料は、いかなる方法で着磁しても永久磁石化が困難である。つまり、非特許文献１の磁性材料に、十分な保持力および残留磁束密度を出現させることはできない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、大きな変形が可能で、しかも磁性微粒子が均一に分散した永久磁石の性質を有する磁気粘弾性体、およびその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る磁気粘弾性体の製造方法は、（１）シリコーンゲルに、希土類を主成分とする１００μｍ以下の平均粒径を有する磁性微粒子を分散させる分散工程と、（２）分散工程によって得られたものを加熱しながら成形する成形工程と、（３）成形工程によって得られたものに１．５Ｔ以上の一様な磁場を印加する着磁工程と、を含むことを特徴とする。

上記磁気粘弾性体の製造方法は、着磁工程において、３Ｔ以上の磁場を印加することが好ましい。

さらに、上記磁気粘弾性体の製造方法は、希土類がネオジムであること、シリコーンゲルに対する磁性微粒子の比率が５０〜７０重量％であること、および磁性微粒子の平均粒径が５０μｍ以下であることが好ましい。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る磁気粘弾性体は、シリコーンゲル中に、希土類を主成分とする１００μｍ以下の平均粒径を有する磁性微粒子が分散していることを特徴とする。

上記磁気粘弾性体は、例えば、残留磁束密度が０．１Ｔ以上で、かつ保磁力が０．５ＭＡ／ｍ以上であるとの磁気特性を有する。

上記磁気粘弾性体は、希土類がネオジムであること、シリコーンゲルに対する磁性微粒子の比率が５０〜７０重量％であること、および磁性微粒子の平均粒径が５０μｍ以下であることが好ましい。

本発明によれば、大きな変形が可能で、しかも磁性微粒子が均一に分散した永久磁石の性質を有する磁気粘弾性体、およびその製造方法を提供することができる。

本発明の実施例１に係る磁気粘弾性体の製造方法のフロー図である。 （Ａ）は実施例１の成形工程後の磁性微粒子の分散状態を示す断面模式図、（Ｂ）は比較例の成形工程後の磁性微粒子の分散状態を示す断面模式図である。 実施例１の着磁工程において印加されるパルス状の磁場の波形図である。 （Ａ）は実施例１の着磁工程後の磁性微粒子の分散状態を示す断面模式図、（Ｂ），（Ｃ）は比較例の着磁工程後の磁性微粒子の分散状態を示す断面模式図である。 実施例１に係る磁気粘弾性体の表面磁束密度測定に関する図であって、（Ａ）はｘ軸およびｙ軸と磁気粘弾性体との関係を示す図、（Ｂ），（Ｃ）は測定結果を示すグラフである。 実施例１に係る磁気粘弾性体の磁気特性の測定結果を示すグラフである。 実施例１に係る磁気粘弾性体の変形量を示すグラフである。 本発明の実施例２に係る磁気粘弾性体の変形量を示す図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る磁気粘弾性体、およびその製造方法の実施例について説明する。

［実施例１］
図１に示すように、本発明の実施例１に係る磁気粘弾性体は、分散工程Ｓ１と、分散工程Ｓ１の後に実行される成形工程Ｓ２と、成形工程Ｓ２の後に実行される着磁工程Ｓ３とを含む製造方法によって製造される。

分散工程Ｓ１では、まず、シリコーン系の母材に適量の硬化剤を添加してなるシリコーンゲル１と、希土類を主成分とする磁性微粒子２とを用意する。本実施例では、シリコーンゲル１としてＭＯＭＥＮＴＩＶＥ社製の「ＴＳＥ３０６２」を使用し、磁性微粒子２としてネオジム（Ｎｄ）を主成分としたＭａｇｎｅｑｕｅｎｃｈ社製の「ＭＱＰ−Ｂ−２００５２−０７０」（ＮｄＦｅＢ粉）を使用した。

次いで、分散工程Ｓ１では、適当な容器にシリコーンゲル１と予め定められた量の磁性微粒子２とを投入し、当該容器をアズワン社製の真空脱泡装置「ＶＤ−ＶＬＨ」内に配置し、ＵＬＶＡＣ社製の真空ポンプ「Ｇ−５０ＳＡ」で真空引きを行いながら容器内のシリコーンゲル１および磁性微粒子２を真空脱泡攪拌する。市販時の磁性微粒子２の平均粒径が１００μｍを超えている場合は、後で述べる理由から、投入前に磁性微粒子２の平均粒径をボールミル装置によって１００μｍ以下（好ましくは５０μｍ以下）にしておく必要がある。

本実施例では、シリコーンゲル１に対する磁性微粒子２の比率を６０重量％とした。また、本実施例では、真空脱泡攪拌の時間を５分間とした。この５分間の真空脱泡攪拌により、磁性微粒子２はシリコーンゲル１中に均一に分散した状態となる。

成形工程Ｓ２では、まず、適当な型に分散工程Ｓ１で得られたものを流し込む。本実施例では、φ２１ｍｍ×高さ２１ｍｍの円柱状の型を使用した。

次いで、成形工程Ｓ２では、上記の型をアズワン社製の定温乾燥器「ＯＮＷ−３００」内に配置し、型に収められたシリコーンゲル１を硬化させる。本実施例では、加熱温度７０℃、加熱時間３０分の条件で加熱・硬化を行った。

図２（Ａ）に、成形工程Ｓ２で得られた成形体２０の断面模式図を示す。同図に示すように、事前に平均粒径を１００μｍ以下としたことにより、磁性微粒子２は３０分の加熱・硬化中に自重により沈降することなく、シリコーンゲル２中に均一に分散した状態を維持している。一方、平均粒径が１００μｍを上回る磁性微粒子２’を使用した場合は、図２（Ｂ）に示すように、加熱・硬化中に磁性微粒子２’が沈降した。

磁性微粒子をどの程度の粒径まで粉砕するかは、使用するシリコーンゲルの軟らかさに応じて決定すればよい。比較的硬めのシリコーンゲルを使用する場合は、平均粒径が１００μｍを上回る磁性微粒子を使用しても沈降が起こらない場合もあり得る。一方、平均粒径を５０μｍ以下としておけば、通常使用されるどのシリコーンゲルを使用しても、沈降を防ぐことができる。

着磁工程Ｓ３では、成形工程Ｓ２で得られた成形体２０にパルス状の高磁場を印加する。本実施例では、東英工業社製のパルス励磁式磁気特性測定装置「ＴＰＭ−２−０８ｓ２５ＶＴ−Ｃ」を使用して成形体２０に高磁場を印加した。この装置は、成形体２０を収容する試料室と、試料室を取り囲む超電導コイルと、超電導コイルに直列接続されたコンデンサおよびスイッチと、コンデンサを充電するための直流電源とを含む。スイッチを開けた状態でコンデンサを充電した後、スイッチを閉じると、コンデンサの放電電流が超電導コイルに一気に流れ、超電導コイルの周り、すなわち試料室に一様な高磁場が発生する。

図３に示すように、本実施例では、上記の装置によって立ち上がり時間８ｍｓ、最大８Ｔの一様な高磁場を成形体２０に印加した。

図４（Ａ）に、着磁工程Ｓ３で得られた完成品（磁気粘弾性体）３０の模式図を示す。８Ｔの一様な高磁場を印加したことにより、本実施例では、一方向に着磁した磁性微粒子２が均一に分散した構造になっているのではないかと考えられる。一方、一様ではない磁場、すなわち磁束が湾曲した磁場を成形体２０に印加すると、磁性微粒子２がクラスタを構成したために分散状態が不均一となった磁気粘弾性体３０’（図４（Ｂ）参照）や、磁性微粒子２が表面近傍に偏ったために分散状態が不均一となった磁気粘弾性体３０”（図４（Ｃ）参照）が得られてしまうおそれがある。図４（Ｂ），（Ｃ）に示した状態になると、部分的に機械的強度が高くなり、伸び縮みの性能に悪影響がでると考えられる。なお、分散状態が不均一になるのを防ぐという観点から、印加する高磁場は、急峻に立ち上がるパルス状を有していることが好ましい。

本実施例に係る磁気粘弾性体３０の一表面３０ａの中心を通る、表面３０ａに平行な線をｘ軸、表面３０ａに垂直な線をｙ軸として、表面３０ａにおける磁束密度を電子磁気工業社製のガウスメータ「ＧＭ−４００２」で測定したところ、図５（Ｂ），（Ｃ）のグラフが得られた。これらのグラフは、いずれも磁気粘弾性体３０が永久磁石の性質を有していることを示している。特に、図５（Ｂ）のグラフは、磁気粘弾性体３０の表面磁束密度が、一般的な永久磁石と同様に縁部において強くなること、および中心Ｏに対してほぼ対称であることを示している。

図６に、本実施例に係る磁気粘弾性体３０の磁気特性を、上記パルス励磁式磁気特性測定装置で測定した結果を示す。このグラフは、本実施例に係る磁気粘弾性体３０が、残留磁束密度が０．１４２Ｔであり、かつ保持力が０．７４８ＭＡ／ｍである永久磁石であることを示している。

図７に、本実施例の着磁工程Ｓ３で得られた磁気粘弾性体３０、および着磁前の成形体２０に外部から磁場を印加したときの、高さ方向の変形量を測定した結果を示す。同図に示すように、磁気粘弾性体３０に外部磁場を印加すると、その磁束密度にほぼ比例して変化量が増加した（○印参照）。成形体２０に外部磁場を印加しても、磁束密度にほぼ比例して変化量が増加したが、その変化量は磁気粘弾性体３０の１／５程度であった（□印参照）。

上記の通り、本発明に係る磁気粘弾性体３０は、磁性微粒子２が均一に分散した状態となっているため、どこを切り取っても同じ磁性を示す。このため、本発明に係る磁気粘弾性体３０は、薄くスライスすることにより薄膜永久磁石として使用することができる。

［実施例２］
成形工程Ｓ２において使用する型の寸法を、縦１２ｍｍ×横８ｍｍ×厚さ３ｍｍの直方体状とした以外は実施例１と同様にして実施例２に係る磁気粘弾性体を製造した。これを方眼紙上に配置し、さらに、縦方向の寸法に作用するように表面最大磁束密度が０．３４Ｔのネオジム磁石を方眼紙上に配置したところ、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、縦方向の寸法が１２ｍｍから１７ｍｍ（＋５ｍｍ）に大幅に増加した。

元の形状にもよるが、本発明に係る磁気粘弾性体は、磁場を印加することにより上記のような大変形が可能である。このため、本発明に係る磁気粘弾性体は、人工筋肉のような大変形が必要とされる用途でも使用することができる。

以上、本発明に係る磁気粘弾性体およびその製造方法の実施例１，２について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

例えば、本発明で使用するシリコーンゲルは、２液混合型の他のシリコーンゲルであってもよく、また、本発明で使用する磁性微粒子も、ネオジム以外の希土類を主成分とするＳｍＦｅＮ，ＳｍＣｏ等の他の磁性微粒子であってもよい。

また、シリコーンゲルに対する磁性微粒子の比率は６０重量％に限定されず、永久磁石として十分機能し得る程度の保持力を有し、かつ大変形に悪影響を及ぼさない範囲において適宜調整することができる。これら２つの観点から、磁性微粒子の比率は、３０〜８５重量％であることが好ましく、５０〜７０重量％であることが特に好ましい。

また、着磁工程Ｓ３において印加する一様な磁場は、１．５Ｔ以上であれば同様の作用効果が得られるが、経験的に３Ｔ以上であることが特に好ましい。このような磁場を印加することができる装置としては、上記パルス励磁式磁気特性測定装置のほか、振動試料型磁力測定装置（ＶＳＭ）、電磁石などがある。

１ シリコーンゲル
２ 磁性微粒子
２０ 成形体
３０ 磁気粘弾性体

Claims (11)

1. シリコーンゲルに、希土類を主成分とする１００μｍ以下の平均粒径を有する磁性微粒子を分散させる分散工程と、前記分散工程によって得られたものを加熱しながら成形する成形工程と、前記成形工程によって得られたものに１．５Ｔ以上の一様な磁場を印加する着磁工程と、を含むことを特徴とする磁気粘弾性体の製造方法。
2. 前記着磁工程において、３Ｔ以上の磁場を印加することを特徴とする請求項１に記載の磁気粘弾性体の製造方法。
3. 前記希土類がネオジムであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気粘弾性体の製造方法。
4. 前記シリコーンゲルに対する前記磁性微粒子の比率が５０〜７０重量％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気粘弾性体の製造方法。
5. 前記磁性微粒子の平均粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気粘弾性体の製造方法。
6. シリコーンゲル中に、希土類を主成分とする１００μｍ以下の平均粒径を有する磁性微粒子が分散していることを特徴とする磁気粘弾性体。
7. 残留磁束密度が０．１Ｔ以上で、かつ保磁力が０．５ＭＡ／ｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の磁気粘弾性体。
8. 前記希土類がネオジムであることを特徴とする請求項６または７に記載の磁気粘弾性体。
9. 前記シリコーンゲルに対する前記磁性微粒子の比率が５０〜７０重量％であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の磁気粘弾性体。
10. 前記磁性微粒子の平均粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の磁気粘弾性体。
11. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の製造方法によって製造されたことを特徴とする磁気粘弾性体。