JP4707771B1 - 磁歪膜、磁歪素子、トルクセンサ、力センサ、圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図4
Description
また、磁歪特性については、50〜100kA/mの磁界領域において磁歪効果が得られるものの、50kA/m以下の磁界領域では良好な磁歪特性が得られていなかった(文献1の図1、2参照)。
発明者らは、ゼロ磁界付近で良好な磁歪特性を示す磁歪膜や磁歪素子について調査したところ、印加磁界が15kA/m以下の領域で良好な応答性を示すものは見つからなかった。そこで発明者らは、長年研究を積み重ねてきた溶射形成による金属ガラスの知見(特許文献2参照)に基づき、−15kA/m以上、+15kA/m以下の磁界範囲であっても良好な磁歪特性を示す磁歪膜や磁歪素子の開発に努めてきた。
すなわち、本発明にかかる磁性膜は、被検体上に溶射形成され、ガラス遷移温度より低く且つ、キュリー点温度以上で熱処理されていることを特徴とした金属ガラスの膜で構成され、−15kA/m以上、+15kA/m以下の磁界範囲のうちの少なくとも一部の範囲内で、磁界と磁歪との直線特性を示すことを特徴とする。
また、前記金属ガラスがFeを主成分としてFe含有量が30〜80原子%であることが好ましい。
さらに、前記金属ガラスがFe・Si・B・M、又はFe・Si・B・P・C・M(M=Cr、Nb、Ta、W、Ni、Co、Hf、Mo、又はM=無し)であることが好ましい。
また、前記金属ガラスはFe76Si5.7B9.5P5C3.8であることが好ましい。
前記金属ガラスの膜は、高速フレーム溶射法、またはプラズマ溶射法で形成されていることが好ましい。また、前記金属ガラスの膜の厚さは50μm以上であることが好ましい。
本発明にかかるトルクセンサ、力センサおよび圧力センサは、前記磁歪膜または磁歪素子を用いたことを特徴とする。
本発明の磁歪膜および磁歪素子によれば、磁界をゼロから印加した際、−15kA/m以上、+15kA/m以下の磁界範囲であっても良好な直線特性を示すことができる。つまり、磁界印加の際、直線特性の領域に達するまでの磁界−磁歪曲線の立ち上がりが早く、従来よりも微小な磁界であっても良好な磁歪特性を示すことができる。
このように、本発明の磁歪膜および磁歪素子は、微小な磁界(±15kA/mの範囲)に対して良好な直線特性を示すので、力センサやトルクセンサなどに利用する際、特許文献3に示すような磁歪素子に初期歪みを付与するといった使用条件が不要となる。
ここで、力センサやトルクセンサおよび圧力センサでは、磁歪膜および磁歪素子の逆磁歪効果を利用する。本発明の磁歪膜および磁歪素子は、直線特性の領域に達するまでの立ち上がりが早く、例えば図1の曲線1のように、微小な磁界H1以上の領域で直線特性を示す。従って、逆磁歪効果については、外力による磁歪が略ε1以上であれば直線特性が得られることを十分に期待でき、曲線2に示すような従来の磁性材料を用いたセンサよりも微小な磁歪を検知することができる。
本発明と対比される従来の溶射形成された磁性膜としては、例えば特許文献4、5のように、金属ガラス以外の磁性体金属粒子を溶射したものが挙げられる。特許文献4、5の磁性体は、Ni−Fe合金を主成分としたもので、パーマロイと呼ばれる。Ni−Fe合金の粒子を用いた溶射形成では、被膜の密着強度や緻密性を少しでも良くするために、少なくとも溶射粒子を溶融した状態にして被膜を形成している。そのため、溶射被膜には、酸化物被膜が多く含まれ、被膜中の酸素含有量が高くならざるを得なかった。しかし、磁性膜にとって酸化物被膜の存在はその直線特性を阻害する要因となってしまう。そのため、特許文献4、5の磁性膜に対しては、磁性膜を溶射形成した後、酸化物の還元のため還元性雰囲気中で950〜1100℃程度の温度で熱処理が行われている。このような熱処理は非常にコストが高くなり、熱処理管理も困難であると説明されている。
本発明の磁性膜は、金属ガラスを過冷却液体状態にして溶射形成されたものである。このため、過冷却液体状態にある金属ガラスが基材表面に衝突すると、その粘性の低さから瞬時に薄く潰れて基材表面に広がり、厚みが非常に薄い良好なスプラットを形成する。そして、スプラットの堆積構造体が、過冷却液体状態のまま冷却されてアモルファス相の緻密でピンホールのない溶射被膜を形成する。
従って、本発明では金属ガラスを溶融させないで溶射被膜を形成するため、酸化物が被膜中に含まれにくくなり、特許文献4、5の磁性膜と比べて被膜中の酸素含有量が少なく、酸化物を還元するための高度な熱処理を必要としない。
本発明で用いる被検体は、駆動力の伝達軸といった伝達部材などを構成する。特に、外力が作用して生じる応力やトルクなどを直接検出することが求められている被検体を扱う。このような被検体を基材として、基材表面に金属ガラスの溶射被膜を形成する。基材の材質は特に制限されるものではないが、例えば、銅、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄、ニッケル、モリブデン、ならびにこれら金属の少なくとも一種を主成分とする合金から選択される金属材料が好適に用いられる。基材には、金属ガラス溶射被膜の接合性を高めるために、ブラスト処理など公知の方法による基材表面の粗面化処理を施してもよい。
金属ガラスは、加熱すると結晶化前に明瞭なガラス遷移と広い過冷却液体領域を示すことが一つの大きな特徴である。ガラス遷移温度(Tg(K))と結晶化開始温度(Tx(K))との間の温度領域△Tx=Tx−Tgで示される過冷却液体温度領域では、粘性流動状態(過冷却液体状態)となって変形抵抗が著しく減少する。従って、金属ガラスは、過冷却液体状態での成膜性に優れる。本発明では、過冷却液体温度領域△Tx=Tx−Tgが30K以上である金属ガラスが好適に使用される。
また、本発明のように金属ガラスを磁性材料として用いる場合、常温で強磁性を示す物質を多く含むガラス金属が好適である。常温で強磁性を示す物質としては鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム等が挙げられる。このうち、金属ガラスの形成が容易であること、原料入手の容易性を考慮すると、その主成分として少なくともFe、Co、Niのいずれかひとつの原子を含有することが好適である。特に金属ガラスの成分元素として、Feを多く含有することで強磁性材料の基本的特性である飽和磁化(Js)は飛躍的に向上する。金属ガラス中のFe含有量としては、30〜80原子%が好適である。Feが30原子%より少ない場合では磁気特性が十分に得られず、また、80原子%より多い場合では金属ガラスの形成は困難である。
Fe・Si・B系の金属ガラスには、ガラス形成能を高める元素としてPが含まれることが好適であり、また、ガラス形成能を補助的に高める元素としてCが含まれることが好ましい。従って、Fe基の金属ガラスの好ましい組成としては、例えば、Fe・Si・B・MまたはFe・Si・B・P・C・M(M=Cr、Nb、Ta、W、Ni、Co、Hf、MoまたはM=無し)が挙げられる。好ましい組成成分を下記式で示す。
Fe100−a−b(SikBlPmCn)aMb
式中、20≦a≦70、0≦b≦10とする。また、0.04≦k≦0.7、0.15≦l≦1.05、0≦m≦0.53及び0≦n≦0.35である。例えばSi含有量(原子%)は、k×aの値となる。
特に、Fe76Si5.7B9.5P5C3.8の組成が好適に用いられる。
磁歪膜および磁歪素子をセンサとして利用する際に求められる特性として、磁気機械結合係数Kが大きいことと、誘導磁気異方性が容易に形成できることなどが挙げられる。磁気機械結合係数Kが大きければ、印加磁界に対する磁歪量の度合が大きくなり、センサ感度が向上する。誘導磁気異方性が容易に形成できるとは、所望の方向に磁化容易軸を容易に揃えることができることを示し、磁化容易軸が揃えば小さな磁場でも大きな磁歪が生じるようになる。誘導磁気異方性については、第1の遷移金属であるFe元素に、Cr、Nb、Ta、W、Ni、Co、Hf、Moなどの第2の遷移金属を添加することで磁気異方性を誘導し易くなる。また、第2の遷移金属は、磁歪を増加させる効果と、磁気機械結合係数Kを向上させる効果を有し、センサとしての性能を高めることができる。
磁歪膜および磁歪素子自体の弾性率については、小さい方がよい。ヤング率などの弾性率が低ければ、素子自体が変形した際に素子内部に生じる残留応力も小さくなる。よって、回転軸などの被検体のねじり変形に対する磁歪素子の変形による追従性もよくなる。
溶射方法としては、例えば、大気圧プラズマ溶射、減圧プラズマ溶射、フレーム溶射、高速フレーム溶射(HVOF、HVAF)、アーク溶射、コールドスプレーなどがあり、特に制限されるものではない。好適な溶射方法の一つとして金属ガラス粒子を用いた高速フレーム溶射が挙げられ、高品位の溶射被膜を得ることができる。また、金属ガラス粒子を高速フレーム溶射と同等あるいはそれ以上の溶射粒子速度を付与可能な溶射法も好適に用いられる。例えば、大気プラズマ溶射装置により、高速フレーム溶射と同等の速度・温度域で溶射できる。本発明にかかる溶射粒子速度としては、300m/s以上が好適である。
一方、高速フレーム溶射(HVOF、HVAF)は、フレーム温度はフレーム溶射と同等であり、粒子速度は300m/s以上で、標準的なプラズマ溶射の2倍以上にもできる。
このため、一般的な溶射材料金属を溶射した場合の気孔率は、フレーム溶射で12%程度、アーク溶射で8%程度、プラズマ溶射で7%程度であるのに対し、高速フレーム溶射では4%程度となる。高速フレーム溶射装置、または、高速フレーム溶射と同等の速度・温度域で溶射可能な大気プラズマ装置やコールドスプレー装置を用いれば、気孔率を下げることができ、密着性に優れ容易に?がない溶射膜が得られる。
溶射被膜は、様々な形状の基材上に形成することができ、また、マスキング等によりパターン化して形成することもできる。
また、スプラットは過冷却液体状態のまま冷却されるので、結晶相を生成せず、アモルファス相のみが得られる。
従って、アモルファス相の金属ガラス粒子を溶射し、金属ガラス溶射粒子が過冷却液体状態で基材表面において凝固及び積層して溶射被膜を形成すれば、均一な金属ガラスのアモルファス固体相からなり、気孔がほとんどなくピンホールのない溶射被膜を得るのに有利である。
これに対して、金属ガラスが溶融体から固体へ冷却された場合、まず過冷却液体状態となるので結晶化による凝固収縮することなく、その体積は過冷却液体領域の熱膨張係数に従って連続的且つ僅かに収縮する。そして、金属ガラスが溶融することなく融点未満の過冷却液体状態から冷却された場合には、溶融体から冷却された場合に比べてさらに収縮量が少なくなる。
よって、金属ガラスを溶融させずに過冷却液体状態で溶射すれば、基材と溶射被膜との接合面に発生する残留応力が非常に小さくなるので、基材の変形や破壊、さらには溶射被膜の剥離の抑制に効果的であり、特に、薄い基材において有効である。
過冷却液体状態からの冷却によって生じる残留応力は、僅かであっても磁歪膜自体の歪みを生じさせる。この歪みは逆磁歪効果を誘導し、応力誘起異方性により磁気異方性エネルギーが大きくなってしまい、小さい磁界に対して大きな磁歪が得られなくなることがある。この残留応力を低減させれば、磁歪をより一層大きくすることができる。そこで、本発明では、金属ガラスを基材表面に溶射して被膜を形成した後、熱処理を行うことにより、磁歪膜自体の歪みを除去する。
熱処理温度は、溶射被膜層が過冷却液体状態にならない温度に設定する。すなわち、ガラス遷移温度(Tg)より低い温度で且つ、キュリー点以上の温度(Tc)として、溶射被膜層をアモルファス固体状態で熱処理することにより、効率的に残留応力による歪みが除去され、磁界を印加しない状態での磁歪膜の歪みをゼロに近づけることができる。一方、熱処理温度がキュリー点温度より低い温度で処理する場合は、時間を長くすることで同じ様な残留応力の歪み除去効果があるが、工業上、効率的ではない。なお、熱処理時間は、加熱対象の大きさ・形状によって適宜設定するが、ガラス遷移温度未満、且つキュリー点温度以上で処理する方が歪み除去を短時間に処理できる。
一方、熱処理温度がガラス遷移温度を超え、結晶化温度未満で熱処理する場合、溶射被膜が一部結晶化を生じ、軟磁気特性を発現できないことがある。
また、これらの磁歪膜または磁歪素子を利用すれば、検出感度に優れた力センサやトルクセンサ、圧力センサを提供できる。
本発明の磁歪膜および磁歪素子は、逆磁歪効果を利用する力センサ、トルクセンサ、圧力センサとして適用できるが、印加磁界による歪みを利用する磁歪アクチュエータなどにも適用できる。
数ある金属ガラスの組成の中から、3種類の組成(FeSiBPC、FeSiBNb、FeSiBPCCr)を選択した。以降、Fe76Si5.7B9.5P5C3.8を組成I、Fe72Si9.6B14.4Nb4を組成II、Fe71Si5.7B9.5P5C3.8Cr5を組成IIIとする。
組成I、組成II、組成IIIの金属ガラスの溶射用粉末は、以下の方法で製造した。
原料は、Fe:電解鉄、Si:シリコンスクラップ(6N)、B:高炭素フェロボロン、ボロンクリスタル、P:フェロ燐(20%P)、C:活性炭、Cr:クロムカーバイト、金属クロム、Nb:金属ニオブを使用した。母合金は、上記原料を組成比率に混ぜ合わせて、高周波溶解炉(アルミナルツボ、10−1Pa台に真空引き、Ar置換)にて溶解し、銅鋳型にて冷却して得た。粉末化はガスアトマイズ法にて行い、得られた粉末を超音波振動篩で分級して25〜53μmの粉末を得た。
試料は、基材(開進工業(株)製SUS631・3/4H、SUS316)と、基材上に積層した金属ガラス溶射膜とから構成した。基材の形状は、3mm×25mm、厚さ0.3mmの矩形薄板状である。
基材への溶射条件は、プラズマ溶射装置:Sulzer Metco社製TriplexPro−200、電流:450A、電力:57kW、使用プラズマガス:Ar,He、溶射距離:100mm、溶射ガン移動速度:600mm/secであった。
上記基材上に金属ガラス溶射膜を形成し、溶射膜厚の異なる3種類(100、200、300μm)の試料を準備した。また、溶射後の試料を所定温度で所定時間熱処理した。組成I〜IIIのキュリー点温度Tc、ガラス遷移温度Tg、結晶化開始温度Txを表1に示す。試料(1〜20)の組成、溶射膜厚、基材および熱処理条件を表2に示す。
励磁コイルによる磁界印加時の磁歪量を測定した。
図2は測定方法を示すブロック図である。図2に記載の通り、発振器、パワーアンプは(株)エヌエフ回路設計ブロック製を、レーザードップラー振動計、デジタル変位変換器、FFTアナライザは(株)小野測器製の各品番を使用した。
コイルには、発振器により1Hzのsin波が供給される。試料に印加される磁界は、コイル電流Iとコイルの仕様から式(1)、式(2)により算出できる。コイル内の磁界Hは、次式で示される。
N :コイル巻数 [回]
I :電流 [A]
r1 :内半径 [m]
r2 :外半径 [m]
l :コイル高さ [m]
z :コイル中心からの距離 [m]
表3に測定条件を示す。
図2のブロック図のように、印加磁界Hによって変位する試料上端部、すなわち薄膜の磁歪量をレーザードップラー振動計およびデジタル変位変換器によって測定した。レーザードップラー振動計は試料への照射面を考慮して斜めに設置した。
FFTアナライザにコイル電流Iの検出値と、デジタル変位変換器からの変化量ΔXとを入力し、磁界−磁歪量(変化量)カーブを作成した。
各試料の測定条件と最大磁歪量との関係を表4に示す。試料1〜12は、最大磁界(Hm)40kA/mでの測定結果であり、試料13〜20は、Hmが80kA/mでの測定結果である。
組成Iの特性
図4は、試料1〜7の磁歪特性である。図中、縦軸の変化量とは、本発明の磁歪量に相当する。試料2は、組成Iを用いた試料1〜7の中で最も良好な特性を示した。つまり磁界と磁歪量(変化量)とが直線関係(直線特性)を示す範囲が磁界ゼロ付近まで生じており、直線特性領域が±15kA/mの磁界範囲内にある。さらに、直線特性領域での歪み量が最も大きい。
本実施例では、熱処理温度がガラス遷移温度(Tg=484℃)未満でキュリー点(410℃)以上である試料2〜5に於いて、磁界ゼロ付近での直線性が良好で、歪み量が大きい。本実施例に該当しないガラス遷移温度以上で熱処理した試料1(530℃)では、±15kA/m内で、印加磁界と変化量とが直線関係になく、変化量がゼロに近い。また、本実施例に該当しないキュリー点温度未満で熱処理した試料6(390℃)、試料7(熱処理なし)では、磁界ゼロ付近でブロードなピークを示し、歪み量も小さい。
図5は、試料8〜12の磁歪特性である。本実施例のガラス遷移温度未満でキュリー点温度以上で熱処理した試料8〜10に於いて、磁界と磁歪量との直線特性を示す範囲が磁界ゼロ付近まで生じており、直線特性領域が±15kA/mの磁界範囲内にある。また、本実施例に該当しないキュリー点温度未満で熱処理した試料11(300℃)、12(熱処理なし)では、磁界ゼロ付近でブロードなピークを示し、歪み量も小さい。
組成のみが異なり、他の測定条件が同じである試料同士を比較すると、いずれの測定条件のおいても組成Iの方が組成IIよりも、直線特性領域における磁歪量が大きいことが分かった。
膜厚の異なる3種類の試料13〜15(組成I)、試料16〜18(組成III)の特性を図6、図7に示す。組成I、IIIのいずれにおいても、直線特性領域における磁歪量は、100μm、300μm、200μmの厚さの順に大きくなり、厚さ200μmの試料が最もよい磁歪特性を示した。
キュリー点以上でガラス遷移温度未満の熱処理温度にすることで、溶射被膜層がアモルファス固体状態で熱処理されることになり、効率的に残留応力による歪みが除去され、磁界を印加しない状態での磁歪膜の歪みをゼロに近づけることができる。一方、熱処理温度がキュリー点温度より低い温度で処理する場合は、時間を長くすることで同じ様な残留応力の歪み除去効果があるが、工業上、効率的ではない。
熱処理時間の異なるだけの2種類の試料19,20(組成I)の特性を図8に示す。熱処理温度がキュリー点温度より低い200℃であっても、熱処理時間を12hと長くすることによって、熱処理時間1hのものよりも磁歪量が大きくなることが判る。しかし、熱処理温度が異なるのみの試料13と比較すると、キュリー点以上でガラス遷移温度未満の熱処理温度の方が短い時間で効率的に残留応力による歪みを除去できることが判る。
再現性
組成Iの試料14(溶射膜厚200μm、熱処理条件450℃x1h)として作成した3枚の試料の磁歪特性を図9に示す。−15kA/m以上、+15kA/m以下の磁界範囲内では変化量はほぼ重なっており、ばらつきは小さいことが判る。
(1)キュリー点以上ガラス遷移温度未満で熱処理したいずれの試料においても、−15kA/m以上、+15kA/m以下の磁界範囲内の少なくとも一部範囲にて、磁界と磁歪とがリニアな関係(直線特性)を示す。つまり、磁界印加の際、直線特性の領域に達するまでの磁界−磁歪曲線の立ち上がりが早く、従来よりも微小な磁界であっても良好な磁歪特性を示すことができる。ガラス遷移温度を超える温度で熱処理した試料は、線形性を示さないことがある。キュリー点よりも低い温度で熱処理した試料は、長時間熱処理しない限り、低磁界での特性が悪化している。つまり、磁界ゼロ付近でブロードなピークを示し、変化量が小さくなってしまう。
(2)同形状の試料を3枚用意して、同じ測定条件で磁歪量を測定したところ、磁歪特性のばらつきは小さかった。
(3)膜厚条件(100μm、200μm、300μm)と磁歪量との関係については、膜厚200μmでの磁歪量が一番大きかった。
図10(A)は、外周面に磁歪膜が溶射形成されたシャフト(材質:SUS631)を示す斜視図である。磁歪膜は、組成Iを膜厚200μmになるように溶射形成したものである。尚、本溶射シャフトは、溶射施工後、真空炉中で450℃・1時間の熱処理をおこなったものである。図10(B)は、磁歪膜を囲むように配置された励振コイルと検出コイルを示す斜視図である。シャフトの一端は固定され、他端に正負の両方向のトルクが印加されるようになっている。トルク印加部に対して時計回り方向に掛けるトルクを正方向、反時計方向に掛けるトルクを負方向と定めた。
励振コイルはリングコアの内周面に形成されている。このリングコアにシャフトを貫通させることにより、励振コイルが磁歪膜の外周に配置される。励振コイルに正弦波状の電圧を印加すると、シャフトがコアの役目となって磁界が発生する。この発生磁界を環状コアの内部に配置された4つの検出コイルA〜Dで検知する。シャフトにトルクが印加されると、磁歪膜が歪んで磁束が変化するため、検出される磁界の大きさが変化する。従って、検出コイルで磁界の大きさの変化を検知することによって、トルクの大きさが測定できる。
Claims (11)
- 被検体上に溶射形成され、ガラス遷移温度より低く且つ、キュリー点温度以上で熱処理されていることを特徴とした金属ガラスの膜で構成され、
−15kA/m以上、+15kA/m以下の磁界範囲のうちの少なくとも一部の範囲内で、磁界と磁歪との直線特性を示すことを特徴とする磁歪膜。 - 請求項1の磁歪膜において、前記金属ガラスがFeを主成分としてFe含有量が30〜80原子%であることを特徴とする磁歪膜。
- 請求項2記載の磁歪膜において、前記金属ガラスがFe・Si・B・M、又はFe・Si・B・P・C・M(M=Cr、Nb、Ta、W、Ni、Co、Hf、Mo、又はM=無し)であることを特徴とする磁歪膜。
- 請求項3記載の磁歪膜において、前記金属ガラスはFe76Si5.7B9.5P5C3.8であることを特徴とする磁歪膜。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の磁歪膜において、前記金属ガラスの膜は、高速フレーム溶射法、またはプラズマ溶射法で形成されることを特徴とする磁歪膜。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の磁歪膜において、前記金属ガラスの膜の厚さは50μm以上であることを特徴とする磁歪膜。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の磁歪膜を有して構成され、機械的エネルギーと磁気的エネルギーとを変換することを特徴とする磁歪素子。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の磁歪膜または磁歪素子を用いたトルクセンサ。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の磁歪膜または磁歪素子を用いた力センサ。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の磁歪膜または磁歪素子を用いた圧力センサ。
- −15kA/m以上、+15kA/m以下の磁界範囲のうちの少なくとも一部の範囲内で、磁界と磁歪との直線特性を示す磁歪膜の製造方法であって、
被検体上に金属ガラスの膜を溶射形成し、
前記溶射形成は、高速フレーム溶射法またはプラズマ溶射法を用いて、
溶射形成の後、ガラス遷移温度より低く且つ、キュリー点温度以上で熱処理することを特徴とする磁歪膜の製造方法。
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