JP5341290B2 - バルクアモルファス金属磁気素子 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2000年１月５日に出願された米国特許出願第09/477,905号の一部継続出願であり、前記出願は、1998年11月６日に出願された米国特許出願第09/186,914号(発明の名称「バルクアモルファス金属磁気素子」)の一部継続出願である。
発明の背景
発明の分野
本発明はアモルファス金属磁気素子に関し、より特定的には、磁気共鳴イメージングシステム、テレビ・ビデオシステム、および電子・イオンビームシステムといった大型電子デバイス用の、一般的に三次元のバルクアモルファス金属磁気素子に関する。
２．従来技術の説明
磁気共鳴イメージング(MRI)は、現代医学においては重要かつ非観血的な診断ツールとなっている。MRIシステムは一般に磁場発生装置から構成されている。このような磁場発生装置のいくつかは、永久磁石または電磁石のいずれかを起磁力源として採用している。多くの場合、磁場発生装置には間隙を規定する一対の磁極面がさらに含まれ、イメージング対象容積をこの間隙内に収める。

米国特許第4,672,346号には、中実構造(solid structure)を有し、かつ、炭素鋼等の磁気材料から形成されたプレート状の物体から構成される磁極面が教示されている。米国特許第4,818,966号には、磁気板を積層して磁極片の周辺部を整備することにより、磁場発生装置の磁極片から発生した磁束を磁極片間の間隙に集中させることが可能である旨教示されている。米国特許第4,827,235号には、飽和磁化が大きく、かつ軟磁性であって、20μΩ-cm以上の固有抵抗を有する磁極片が開示されている。該特許では、パーマロイ、ケイ素鋼、アモルファス磁気合金、フェライトおよび磁気複合材料といった軟磁性材料の使用が考えられている。

米国特許第5,124,651号には、一次界磁石アセンブリを有する核磁気共鳴スキャナが教示されている。該アセンブリは、強磁性体からなる上部および下部磁極片を含む。各磁極片は、複数の細長い強磁性ロッドをその長軸が個々の磁極片の磁極方向と平行になるよう並べたものから構成されている。ロッドは、好ましくは1008鋼、軟鉄等といった透磁性合金より作製される。ロッドは、横方向には、非導電性媒体によって相互に電気絶縁されており、界磁アセンブリの磁極面の平面上における渦電流の発生を制限している。1994年２月１日に発行されたSakuraiらへの米国特許第5,283,544号には、MRIに使用される磁場発生装置が開示されている。該装置には一対の磁極片が含まれ、該磁極片は、複数の非方向性ケイ素鋼シートを積層することにより形成された複数のブロック状磁極片メンバーから構成されていてもよい。

上記開示によって示された進歩にもかかわらず、当該技術分野においては改良型磁極片が依然として要求されている。これは、MRIシステムのイメージング能力と質の改善に、このような磁極片が不可欠なためである。

アモルファス金属は、非方向性電気鋼に比べて優れた磁気性能を付与するものの、アモルファス金属のある種の物理的特性およびこれに応じた二次加工の制限のため、MRIシステム用の磁極面磁石のタイルといったバルク磁気素子での使用には不適切であると長い間考えられていた。例えば、アモルファス金属は非方向性ケイ素鋼よりも薄くかつ硬質であるため、二次加工用の工具およびダイをより早く摩耗させてしまう。その結果、工具および製造にかかるコストが上昇するため、このような技術を用いたバルクアモルファス金属磁気素子の二次加工を商業上非現実的なものにしている。アモルファス金属の薄さはまた、組み立て後の素子において積層数が増加することを意味し、その上アモルファス金属磁気素子の総コストを増加させる。

アモルファス金属は、典型的には、均一のリボン幅を有する薄い連続リボンとして供給される。しかしながら、アモルファス金属は非常に硬質の材料であるため、容易に裁断または成形するのが非常に困難であり、また、最大磁気特性を達成しようとアニールを行うと非常に脆くなる。このため、従来のアプローチを利用してバルクアモルファス金属磁気素子を構築することは難しく、かつコストがかかる。アモルファス金属の脆性はまた、MRIシステム等の用途におけるバルク磁気素子の耐久性の問題も引き起こす。

バルクアモルファス金属磁気素子に伴う別の問題は、物理的応力が加わるとアモルファス金属材料の透磁率が低下することである。この透磁率の低下は、アモルファス金属材料に加わった応力の強さにかなり左右されると考えられる。バルクアモルファス金属磁気素子に応力が加わるにつれ、コアが磁束を誘導・収束させる効率が低下する。この結果、磁気損失の上昇、熱発生の増加、および出力の低下が引き起こされる。アモルファス金属の磁気ひずみ特性に起因するこのような応力感応性は、デバイスの動作時の磁気力に起因する応力、バルクアモルファス金属磁気素子を固定するための機械的な締付けまたは他の固定手段に起因する機械的応力、あるいはアモルファス金属材料の熱膨張および／または磁気飽和による膨張に起因する内部応力によって生じると考えられる。
発明の要旨
本発明は、複数の強磁性アモルファス金属ストリップ層から構成される、多面体形状をした低損失バルクアモルファス金属磁気素子を提供する。また、本発明は、バルクアモルファス金属磁気素子の作製方法を提供する。磁気素子は約50Hz〜20,000Hzの範囲の周波数で動作可能であり、同一の周波数範囲にわたって動作させたケイ素鋼磁気素子と比較して向上した性能特性を示す。より具体的には、本発明に従って構築し、励磁周波数「f」にて最大磁気誘導レベル「B_max」まで励磁した磁気素子は、室温におけるコア損失が「L」未満となる(ここで、Lは式L＝0.0074f(B_max)^1.3＋0.000282f^1.5(B_max)^2.4で与えられ、コア損失、励磁周波数および最大磁気誘導レベルは、それぞれワット／キログラム、ヘルツおよびテスラの単位で測定される)。好ましくは磁気素子は、(i)約60Hzの周波数および約1.4テスラ(T)の磁束密度にて動作させた場合に、アモルファス金属材料１キログラム当たり１ワット未満又はほぼそれに等しいコア損失を有するか、(ii)約1,000Hzの周波数および約1.0Tの磁束密度にて動作させた場合に、アモルファス金属材料１キログラム当たり12ワット未満又はほぼそれに等しいコア損失を有するか、あるいは(iii)約20,000Hzの周波数および約0.30Tの磁束密度にて動作させた場合に、アモルファス金属材料１キログラム当たり70ワット未満又はほぼそれに等しいコア損失を有する。

本発明の第１の実施形態では、バルクアモルファス金属磁気素子は、実質的に類似の形状をした複数のアモルファス金属ストリップ層を積層して多面体形状の部材を形成したものから構成される。

本発明はまた、バルクアモルファス金属磁気素子の構築方法を提供する。本方法の第１の実施形態では、アモルファス金属ストリップ材を裁断し、所定の長さを有する複数の強磁性アモルファス金属裁断ストリップを形成する。裁断ストリップを積み重ねて、強磁性アモルファス金属ストリップ材の積層棒材を形成し、アニールを行って該ストリップ材の磁気特性を向上させる。アニールを行った積層棒材にエポキシ樹脂を含浸させ、硬化させる。好適な強磁性アモルファス金属材料は、式Fe₈₀B₁₁Si₉で本質的に定義される組成を有する。

本方法の第２の実施形態では、強磁性アモルファス金属ストリップ材を心棒に巻き付け、角にほぼ丸みをおびたほぼ方形のコアを形成する。次いでほぼ方形のコアをアニールし、該ストリップ材の磁気特性を向上させる。次いでコアにエポキシ樹脂を含浸させ、硬化させる。次いで方形コアの短辺を裁断し、前記ほぼ方形のコアの前記短辺のサイズおよび形状とほぼ同じ所定の三次元形状寸法を有する２つの磁気素子を形成する。ほぼ方形のコアの長辺から丸みをおびた角を除去し、ほぼ方形のコアの長辺を裁断して、上記所定の三次元形状寸法を有する多面体形状をした複数の磁気素子を形成する。好適なアモルファス金属材料は、式Fe₈₀B₁₁Si₉で本質的に定義される組成を有する。

本発明は、上記の方法に従って構築したバルクアモルファス金属素子にも関する。
本発明に従って構築したバルクアモルファス金属磁気素子は、特に、高性能MRIシステム、テレビ・ビデオシステム、および電子・イオンビームシステムにおける磁極面磁石用のアモルファス金属タイルに適している。本発明によってもたらされる利点としては、製造の簡略化、製造時間の短縮、バルクアモルファス金属素子の構築時に発生する応力(例えば、磁気ひずみ応力)の低減、および、完成したアモルファス金属磁気素子の性能の最適化が挙げられる。

後述する発明の好適な実施形態の具体的な説明および添付の図面を参照すれば、本発明をより十分に理解することができ、また、さらなる利点も明らかとなる。図面中、類似の構成要素は複数の図の全てにわたって同じ参照番号で表す。
好適な実施形態の具体的な説明
本発明は、ほぼ多面体の形状をした低損失バルクアモルファス金属素子を提供する。方形、正方形および台形プリズム等の(但し、これらに限定されない)様々な形状寸法を有するバルクアモルファス金属素子を本発明に従って構築する。さらに、上述の幾何学形状はいずれも、ほぼ湾曲した、または、ほぼ弓形のバルクアモルファス金属素子を形成するよう、少なくとも１つの弓形面、好ましくは向い合わせに配置された２つの弓形面を含んでいてもよい。さらに、磁極面磁石等の完成した磁気デバイスを、本発明に従ってバルクアモルファス金属素子として構築することもできる。そのようなデバイスは単一構造を有するものであってもよく、また、複数の部分が集まって完成デバイスを形成するものであってもよい。あるいは、デバイスは、アモルファス金属部分で全て構成された複合構造、または、アモルファス金属部分と他の磁気材料との組合せであってもよい。

磁気共鳴(MRI)イメージングデバイスは、磁場発生手段の一部として磁極片(磁極面ともいう)を採用することが多い。当該技術分野では公知なように(例えば、米国特許第5,283,544号を参照のこと)、このような磁場発生手段を使用して、定常的な磁場と時間変動性の磁場勾配とを重ね合わせて供給する。高品質かつ高分解能のMRIイメージを生成するためには、調査対象の全サンプル容積にわたって定常的な磁場を均一にし、かつ磁場勾配を十分に規定することが不可欠である。この均一性は、適切な磁極片を用いることで向上が可能である。本発明のバルクアモルファス金属磁気素子はこのような磁極面を構築するのに適している。

MRIまたは他の磁石システム用の磁極片は、少なくとも１つの起磁力(mmf)源から生じた磁束を所定の方法で成形・誘導するように改変されている。起磁力源は公知のmmf発生手段から構成すればよく、例えば、永久磁石、標準的な伝導性または超伝導性巻線を有する電磁石が挙げられる。各磁極片は、本明細書に開示するような１又はそれより多いバルクアモルファス金属磁気素子から構成されていてもよい。

磁極片は、高透磁率および高飽和磁束密度といった良好なDC磁気特性を示すことが望ましい。MRIシステムにおいては分解能の上昇および動作磁束密度の増大が要求されるため、磁極片は良好なAC磁気特性を併せ持つことがさらに必要である。より具体的には、時間変動性の勾配磁場に伴って磁極片に発生するコア損失を最小限に抑えることが必要である。コア損失を有利に低減させれば、磁場勾配の規定が改善され、磁場勾配がより迅速に変動するようになるため、イメージの質を妥協することなくイメージング時間を短縮することが可能となる。

最も初期の磁極片は、炭素鋼または高純度の鉄(多くの場合、当該技術分野ではアームコ鉄として公知；例えば、米国特許第4,672,346号参照のこと)といった固体磁気材料から作製されていた。このような磁極片は優れたDC特性を有しているが、巨視的な渦電流のため、AC磁場の存在下ではコア損失が極めて高くなる。米国特許第5,283,544号に開示されているように、従来の鋼を積層した磁極片を形成することにより、いくらか改良がなされている。

しかしながら、必要なDC特性だけでなく実質的に向上したAC特性をも発揮するよう、さらなる改良の必要性が磁極片には依然として存在しており、最も重要な特性はコア損失が低いことである。高磁束密度、高透磁率および低コア損失の必須の組合せは、磁極片の構築に本発明の磁気素子を用いることでもたらされる。

ここで図面を詳しく参照すると、図1Aには、ほぼ方形の三次元形状をしたバルクアモルファス金属磁気素子10が示されている。磁気素子10は、実質的に類似の形状をした複数の強磁性アモルファス金属ストリップ材20の層を積層してアニールしたものから構成される。図1Bに示す磁気素子は、ほぼ台形の三次元形状を有しており、実質的に同一のサイズおよび形状をした複数の強磁性アモルファス金属ストリップ材20の層を積層してアニールしたものから構成される。図1Cに示す磁気素子には、向い合わせに配置された２つの弓形面12が含まれる。該素子10は、実質的に類似の形状をした複数の強磁性アモルファス金属ストリップ材20の層を積層してアニールしたものから構築される。

本発明のバルクアモルファス金属磁気素子10はほぼ三次元の多面体であり、ほぼ方形、正方形または台形のプリズムであってよい。あるいは、図1Cに示すように、素子10は少なくとも１つの弓形面12を有していてもよい。好適な実施形態では、２つの弓形面12が設けられ、相互に向い合わせに配置される。

本発明に従って構築し、励磁周波数「f」にて最大磁気誘導レベル「B_max」まで励磁した三次元磁気素子10は、室温におけるコア損失が「L」未満となる(ここで、Lは式L＝0.0074f(B_max)^1.3＋0.000282f^1.5(B_max)^2.4で与えられ、コア損失、励磁周波数および最大磁気誘導レベルは、それぞれワット／キログラム、ヘルツおよびテスラの単位で測定される)。好適な実施形態では、磁気素子は(i)約60Hzの周波数および約1.4テスラ(T)の磁束密度にて動作させた場合に、アモルファス金属材料１キログラム当たり１ワット未満又はほぼそれに等しいコア損失を有するか、(ii)約1,000Hzの周波数および約1.0Tの磁束密度にて動作させた場合に、アモルファス金属材料１キログラム当たり12ワット未満又はほぼそれに等しいコア損失を有するか、あるいは(iii)約20,000Hzの周波数および約0.30Tの磁束密度にて動作させた場合に、アモルファス金属材料１キログラム当たり70ワット未満又はほぼそれに等しいコア損失を有する。本発明の素子はコア損失が低減されているため、これを含む電気デバイスは効率が有利に向上する。

コア損失の値が低いため、本発明のバルク磁気素子は、該素子に高周波数励磁(例えば、少なくとも約100Hzの周波数で生じる励磁)を行う用途に特に適している。従来の鋼は高周波数では本来コア損失が高いため、高周波数励磁を必要とするデバイスへの使用には適していない。このようなコア損失性能値は、バルクアモルファス金属素子の特定の形状寸法に拘わらず、本発明の様々な実施形態に適用される。

本発明はまた、バルクアモルファス金属素子の構築方法を提供する。図２に示すように、強磁性アモルファス金属ストリップ材のロール30を、切断用ブレード40を用いて同一のサイズおよび寸法をした複数のストリップ20へ裁断する。ストリップ20を積み重ね、積層アモルファス金属ストリップ材からなる棒材50を形成する。棒材50をアニールし、エポキシ樹脂を含浸させて硬化させる。棒材50を図３に示すライン52に沿って裁断し、ほぼ方形、正方形または台形のプリズム形状をしたほぼ三次元の部材を複数生成する。あるいは、図1Cに示すように、素子10は少なくとも１つの弓形面12を含んでいてもよい。

図４および５に示す本発明の方法の第２の実施形態では、単一の強磁性アモルファス金属ストリップ22または一群の強磁性アモルファス金属ストリップ22をほぼ方形の心棒60に巻き付け、ほぼ方形の巻型コア70を形成することにより、バルクアモルファス金属磁気素子10を形成する。コア70の短辺74の高さは、好ましくは、仕上がりバルクアモルファス金属磁気素子10の所望の長さにほぼ等しい。コア70をアニールし、エポキシ樹脂を含浸させて硬化させる。丸みをおびた角76を長辺78aおよび78bにつなげたまま短辺74を裁断すれば、２つの素子10を形成することができる。丸みをおびた角76を長辺78aおよび78bから除去し、破線72で表される複数の位置にて長辺78aおよび78bを裁断すれば、磁気素子10をさらに形成することもできる。図５に図示した例では、バルクアモルファス金属素子10はほぼ方形の三次元形状を有しているが、例えば、少なくとも１つの台形または正方形の面を有する形状等の他の三次元形状も本発明に含まれるものとする。

本発明のバルクアモルファス金属磁気素子10は、数多くの裁断技術を利用して、アモルファス金属ストリップを積層した棒材50またはアモルファス金属ストリップを巻いたコア70から切り出すことができる。切断用ブレードまたはホイールを用いて素子10を棒材50またはコア70から切り出してもよい。あるいは、放電加工によってまたはウォータージェットを用いて素子10を裁断してもよい。

本発明に従うバルクアモルファス金属磁気素子の構築は、高性能MRIシステム、テレビ・ビデオシステム、および電子・イオンビームシステムに用いられる磁極面磁石用のタイルに特に適している。磁気素子の製造が簡略化され、製造時間が短縮される。その他、バルクアモルファス金属素子の構築時に発生する応力が最小限に抑えられる。仕上がり素子の磁気性能が最適化される。

本発明のバルクアモルファス金属磁気素子10は、数多くの強磁性アモルファス金属合金を用いて製造できる。一般に、素子10での使用に適した合金は式M_70-85Y_5-20Z_0-20（下付き文字は原子の百分率)で定義され、式中、「M」はFe、NiおよびCoのうちの少なくとも１種であり、「Y」はB、CおよびPのうちの少なくとも１種であり、「Z」はSi、AlおよびGeのうちの少なくとも１種であるが、(i)成分「M」の10原子％までが、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、Ag、Au、Pd、PtおよびWの金属種のうちの少なくとも１種で置換可能であり、(ii)成分(Y+Z)の10原子％までが、In、Sn、SbおよびPbの非金属種のうちの少なくとも１種で置換可能であり、かつ、(iii)成分(M+Y+Z)の約１原子％までが偶発的な不純物であってよい。本明細書中では、用語「アモルファス金属合金」とは、液体または無機酸化物ガラスで観察される値に定性的に類似したX線回折強度の極大値を特徴とする、実質的にあらゆる長距離秩序を失った金属合金を意味する。

本発明の実施での使用に適した合金は、素子の使用温度において強磁性である。強磁性材料は、該材料の特性温度(通常キューリー温度という)未満の温度では、その構成原子の磁気モーメントが強力に長距離結合し、かつ空間的に整列するものである。室温動作型のデバイスに使用される材料のキュリー温度は、少なくとも約200℃、好ましくは少なくとも約375℃であるのが好適である。デバイスは、その構成材料が適切なキュリー温度を有する場合には、より低温側または高温といった他の温度で動作させることもできる。

当該技術分野では公知なように、強磁性材料はさらに、飽和磁気誘導、即ち、飽和磁束密度または飽和磁化を特徴とすることもできる。本発明での使用に適した合金は、好ましくは少なくとも約1.2テスラ(T)の飽和磁気誘導、より好ましくは少なくとも約1.5Tの飽和磁気誘導を有する。該合金はまた電気抵抗が高く、好ましくは少なくとも約100μΩ-cm、最も好ましくは少なくとも約130μΩ−cmである。

本発明の実施に適したアモルファス金属合金は市販されており、通常、幅が20cmまでか又はそれより長く、厚みが約20〜25μmである連続的な薄いストリップまたはリボンの形状をしている。このような合金は、実質的に完全なガラス質である微細構造を伴って形成されている（例えば、材料の少なくとも約80容量％が非結晶性構造である）。好ましくは、該合金は、材料のほぼ100％が非結晶性構造である。非結晶性構造の体積分率は当該技術分野にて既知の方法、例えば、X線、中性子線もしくは電子線回折、透過電子顕微鏡法、または示差走査熱分析によって決定することができる。低コストで最大の磁気誘導値が得られるのは、「M］が鉄、「Y」がホウ素および「Z」がケイ素である合金の場合である。このため、鉄−ホウ素−ケイ素合金から構成されるアモルファス金属ストリップが好適である。より具体的には、該合金は、少なくとも70原子％のFe、少なくとも５原子％のBおよび少なくとも５原子％のSiを含むが、BおよびSiの総含有量が少なくとも15原子％であるのが好適である。最も好適なのは、約11原子％のホウ素および約９原子％のケイ素から本質的になり、残りが鉄および偶発的な不純物である組成を有するアモルファス金属ストリップである。このストリップは、約1.56Tの飽和磁気誘導および約137μΩ-cmの抵抗率を有しており、Honeywell InternationalInc.より商品名METLAS(登録商標)合金2605SA-1にて販売されている。

本発明の素子10に使用するアモルファス金属ストリップの磁気特性は、該ストリップの実質的に完全なガラス質微細構造を変化させることなく、必要な向上をもたらすのに充分な温度および時間にて熱処理を行うことにより、向上させることが可能である。場合によっては、熱処理の少なくとも一部、好ましくは少なくとも冷却時に該ストリップに磁場を印加してもよい。

１又はそれより多い磁極面磁石を有する電磁石から構成される電磁石システムを通常使用して、該電磁石の間隙に時間変動性の磁場を発生させる。時間変動性の磁場は純粋にAC磁場であってよく、即ち、時間平均値がゼロである磁場であってよい。時間変動性の磁場は、場合によっては、磁場のDC成分と従来より呼ばれているゼロではない時間平均値を有していてもよい。電磁石システムでは、少なくとも１つの磁極面磁石に時間変動性の磁場を印加する。その結果、励磁サイクルごとに磁極面磁石が磁化および消磁される。磁極面磁石内における時間変動性の磁束密度または磁気誘導は、コア損失に由来する熱発生を引き起こす。複数のバルク磁気素子から構成される磁極面の場合には、損失の合計は、同一の磁束波形が個別に印加された場合に各素子内で発生するコア損失と、経路を循環して素子間に電気的導通をもたらす渦電流に付随する損失の双方の結果である。

バルクアモルファス磁気素子は、他の鉄系磁気金属から作製される素子よりも効率よく磁化および消磁する。磁極磁石として用いると、バルクアモルファス金属素子は、別の鉄系磁気金属から作製される同等の素子と比べて、同一の磁気誘導および励磁周波数にて磁化した際の熱発生が少ない。さらに、本発明での使用に好適な鉄系アモルファス金属の飽和磁気誘導は、パーマロイ合金(飽和磁気誘導は典型的には0.6〜0.9Tである)等の他の低損失軟磁性材料よりも顕著に高い。従って、バルクアモルファス金属素子は、他の鉄系磁気金属から作製される磁気素子と比較して、1)より低い動作温度、2)より高い磁気誘導(小型化および軽量化を達成)、または、3)より高い励磁周波数（小型化および軽量化もしくは優れた信号分解能を達成)にて動作するよう、設計が可能である。

米国特許第5,124,651号の教示からは、強磁性延伸ロッドから構成される磁極片における渦電流を、非電気伝導性の材料を介在させてこれらロッドを互いに電気的に絶縁することにより低減し得ることが認められる。本発明は、本明細書に示した材料および構築方法を用いることで、個々の素子内で生じる損失を、他の材料または構築方法にて作製した先行技術の素子の場合よりも低減するため、総体的な損失を実質的にさらに低減するものである。

当該技術分野で既知なように、コア損失とは、磁化に伴って強磁性材料内で生じるエネルギー散逸が経時的に変化することである。所定の磁気素子のコア損失は、該素子を周期的に励磁することで通常測定される。時間変動性の磁場を素子に印加し、これに応じた磁気誘導または磁束密度の時間変動を発生させる。測定を標準化するためには、通常、周波数「f」および最大振幅「B_max」にて磁気誘導が正弦波状に時間変動するように励磁を選択する。次いで、既知の電気測定機器および技術によってコア損失を測定する。損失は、従来より、励磁される磁気材料の単位質量または単位容積当たりのワット数として報告されている。fおよびB_maxに伴って損失が単調増加することは当該技術分野では公知である。磁極面磁石の素子に使用される軟磁性材料のコア損失を試験する最も標準的なプロトコール(例えば、ASTM標準A912-93およびA927(A927M-94)）には、このような材料のサンプルを実質的に閉じた磁路内に配置すること、即ち、閉じた磁束線がサンプルの容積内に完全に収まる配置が必要である。一方、磁極面磁石等の素子に用いられるような磁気材料は、磁気的に開放された磁路、即ち、磁束線が空気間隙を必ず横切る配置に配置される。フリンジ磁場の影響や磁場の不均一性のため、開磁路にて試験される所定の材料は、通常、閉磁路測定の場合よりもコア損失、即ち、単位質量または単位容積当たり当たりのワット数が高い。本発明のバルク磁気素子は、有利なことに、開磁路配置であっても、広範囲の磁束密度および周波数にわたって低いコア損失を示す。

いずれの理論にも束縛されるものではないが、本発明の低損失バルクアモルファス金属素子の総コア損失には、ヒステリシス損失および渦電流損失からの寄与が含まれると考えられる。これら２種類の寄与はそれぞれ、最大磁気誘導B_maxおよび励磁周波数fの関数である。各寄与の規模は、素子の構築方法や素子に使用される材料の熱加工履歴といった外因性の要因にさらに依存する。アモルファス金属におけるコア損失を分析した先行技術(例えば、G.E. Fish, J. Appl. Phys. 57, 3569(1985)およびG.E. Fish et al., J. Appl. Phys. 64, 5370(1988)を参照のこと)では、一般にその分析は、閉磁路内の材料について得たデータに限られている。これらの分析で見られる低ヒステリシス損失および低渦電流損失は、アモルファス金属の抵抗率が高いことにある程度起因している。

本発明のバルク磁気素子の単位質量当たりの総コア損失L(B_max,f)は、下記の式を有する関数で本質的に定義することができる：

［数１］
L(B_max,f)＝c₁f(B_max)ⁿ+c₂f^q(B_max)^m
(式中、係数c₁およびc₂並びに指数n、mおよびqは全て実験によって決定しなければならず、これらの値を正確に求める既知の理論は存在しない)。この式を用いることにより、必要な動作磁気誘導および励磁周波数がどのような値であっても、本発明のバルク磁気素子の総コア損失を求めることができる。バルク磁気素子の特定の形状寸法においては、磁場が空間的に均一でないことが一般的に判明している。実際のバルク磁気素子で測定した磁束密度分布に非常に近い最大磁束密度の空間的および時間的変動を推定するには、有限要素モデリング等の技術が当該技術分野で既知である。空間的に均一の磁束密度下における所定の材料の磁気コア損失を与える適切な実験式を入力として用いれば、このような技術において、動作配置にある所定の素子の対応する実際のコア損失を妥当な精度で予測することが可能となる。

本発明の磁気素子のコア損失の測定は、当該技術分野で公知の様々な方法で行うことができる。本発明の素子の測定に特に適した方法は、本発明の磁気素子と磁束還流構造手段(flux closure structure means)を用いて磁気回路を形成することを含む。場合によっては、該磁気回路は、本発明の磁気素子を複数個と磁束還流構造手段とを含んでいてもよい。磁束還流構造手段は好ましくは、高い透磁率と、素子を試験する際の磁束密度と少なくとも同等の飽和磁束密度とを有する軟磁性材料から構成される。好ましくは、該軟磁性材料は、素子の飽和磁束密度と少なくとも同等の飽和磁束密度を有する。通常、素子を試験する際の磁束の方向によって素子の第１および第２の対向面が規定される。磁束線は、第１の対向面の平面に対してほぼ垂直な方向で素子に侵入する。磁束線はアモルファス金属ストリップの平面にほぼ沿って流れ、第２の対向面より外へ出る。磁束還流構造手段は一般に磁束還流磁気素子から構成され、該磁束還流磁気素子は、好ましくは本発明に従って構築されるが、当該技術分野で既知の他の方法および材料にて作製したものでもよい。磁束還流磁気素子も同様に、磁束線が入出する第１および第２の対向面を有し、磁束線は対向面のそれぞれの平面に対してほぼ垂直に入出する。磁束還流素子の対向面は、実際の試験時に該磁束還流素子と接続される磁気素子のそれぞれの面と実質的に同一のサイズおよび形状である。磁束還流磁気素子は、その第１の面が本発明の磁気素子の第１の面に極めて近接し、第２の面が本発明の磁気素子の第２の面に実質的に近接する接続関係となるように配置する。本発明の磁気素子または磁束還流磁気素子のいずれかに巻かれた第１の巻線に電流を流すことにより、起磁力を印加する。発生する磁束密度は、試験対象の磁気素子に巻かれた第２の巻線に誘導される電圧からファラデーの法則によって求める。印加磁場は、起磁力からアンペアの法則によって求める。次いでコア損失を印加磁場および発生した磁束密度から従来の方法で算出する。

図５を参照すると、素子10が例示されているが、該素子のコア損失は後述の試験方法によって容易に求めることができる。コア70の長辺78bをコア損失試験用の磁気素子10とする。コア70の残部は磁束還流構造手段として作用し、該手段はほぼＣ形をしており、４つのほぼ丸みをおびた角76、短辺74および長辺78aから構成される。丸みをおびた角76、短辺74および長辺78aを切り離す裁断72はいずれも任意である。好ましくは、長辺78bをコア70の残部から切り離す裁断のみを行う。コア70を裁断して長辺78bを除去することにより形成された切断面は、磁気素子の対向面および磁束還流磁気素子の対向面を規定する。試験の際には、長辺78bを、その面が裁断によって規定された対応する面に極めて近接かつ平行となるように配置する。長辺78bの面は、磁束還流磁気素子の面と実質的に同一のサイズおよび形状である。長辺78bには銅線(図示せず)を２つ巻く。適切な大きさの交流を第１の巻線へ流し、必要な周波数および最大磁束密度にて長辺78bを励磁する起磁力を発生させる。長辺78bおよび磁束還流磁気素子における磁束線は、通常、ストリップ22の平面内にあって円周方向を向いている。長辺78b内における時間変動性の磁束密度の指標となる電圧が、第２の巻線に誘導される。従来の電子的手段によって、電圧および電流の測定値からコア損失を求める。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳しく説明する。本発明の原理および実施を説明するために記載される特定の技術、条件、材料、割合および報告データは例示であって、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
実施例１
アモルファス金属方形プリズムの調製および電磁試験
Fe₈₀B₁₁Si₉強磁性アモルファス金属リボン(幅約60mm、厚さ約0.022mm)を、寸法約25mm×90mmの方形の心棒またはボビンに巻き付けた。強磁性アモルファス金属リボンを約800回心棒またはボビンに巻き付けることにより、内寸法約25mm×90mmおよび肉厚約20mmの方形コア体を作製した。コア／ボビン集合体を窒素雰囲気中でアニールした。アニールは以下の手順よりなる：1)集合体を365℃まで加熱し、2)温度を約365℃にて約２時間維持し、3)集合体を周囲温度まで冷却した。方形のアモルファス金属巻型コアをコア／ボビン集合体より取り外した。コアにエポキシ樹脂溶液を真空含浸させた。ボビンを交換し、再度組み立てた含浸コア／ボビン集合体を120℃で約4.5時間硬化させた。完全に硬化した時点でコアを再度コア／ボビン集合体より取り外した。得られた方形のエポキシ接着アモルファス金属巻型コアの重量は約2100gであった。

方形プリズム(長さ60mm×幅40mm×厚さ20mm；約800層)を、刃厚1.5mmの切断用ブレードを用いてエポキシ接着アモルファス金属コアより切り出した。方形プリズムおよびコアの残部の裁断面を硝酸／水の溶液中でエッチングし、水酸化アンモニウム／水の溶液中で洗浄した。コアの残部を硝酸／水の溶液中でエッチングし、水酸化アンモニウム／水の溶液中で洗浄した。次いで、方形プリズムおよびコアの残部を再度組み立てて完全な裁断コア体とした。第１および第２の電気巻線をコアの残部に固定した。裁断コア体を60Hz、1,000Hz、5,000Hzおよび20,000Hzにて電気的に試験し、類似の試験配置にある他の強磁性材料のカタログ値と比較した(National-Arnold Magnetics, 17030 Muskrat Avenue, Adelanto, CA 92301(1995))。結果を下記の表１、２、３および４にまとめる。

表３および４のデータから明らかなように、コア損失は5000Hz又はそれより高い励磁周波数で特に低くなる。従って、本発明の磁気素子は磁極面磁石での使用に特に適している。
実施例２
アモルファス金属台形プリズムの調製
Fe₈₀B₁₁Si₉強磁性アモルファス金属リボン(幅約48mm、厚さ約0.022mm)を、約300mmの長さごとに裁断した。裁断した強磁性アモルファス金属リボンを約3,800層積み重ねて、幅約48mmおよび長さ約300mmの棒材を肉厚約96mmで形成した。棒材を窒素雰囲気中でアニールした。アニールは以下の手順よりなる：1)棒材を365℃まで加熱し、2)温度を約365℃にて約２時間維持し、3)棒材を周囲温度まで冷却した。棒材にエポキシ樹脂溶液を真空含浸させ、120℃で約4.5時間硬化させた。得られたエポキシ接着アモルファス金属積層棒材の重量は約9000gであった。

刃厚1.5mmの切断用ブレードを用いて、台形プリズムをエポキシ接着アモルファス金属積層棒材より切り出した。プリズムの台形面は底辺が52mmと62mmであり、高さが48mmであった。台形プリズムの厚みは96mm(3,800層)であった。台形プリズムおよびコアの残部の裁断面を硝酸／水の溶液中でエッチングし、水酸化アンモニウム／水の溶液中で洗浄した。

台形プリズムのコア損失は、1000Hzにて1.0Tの最大磁気誘導レベルまで励磁した場合には11.5W/kg未満である。
実施例３
弓形断面を有する多角形バルクアモルファス金属素子の調製
Fe₈₀B₁₁Si₉強磁性アモルファス金属リボン(幅約50mm、厚さ約0.022mm)を、約300mmの長さごとに裁断した。裁断した強磁性アモルファス金属リボンを約3,800層積み重ねて、幅約50mmおよび長さ約300mmの棒材を肉厚約96mmで形成した。棒材を窒素雰囲気中でアニールした。アニールは以下の手順よりなる：1)棒材を365℃まで加熱し、2)温度を約365℃にて約２時間維持し、3)棒材を周囲温度まで冷却した。棒材にエポキシ樹脂溶液を真空含浸させ、120℃で約4.5時間硬化させた。得られたエポキシ接着アモルファス金属積層棒材の重量は約9200gであった。

エポキシ接着アモルファス金属積層棒材を、放電加工を利用して裁断し、三次元の弓形ブロックを形成した。ブロックの外径は約96mmであった。ブロックの内径は約13mmであった。弓の長さは約90°であった。ブロックの厚さは約96mmであった。

Fe₈₀B₁₁Si₉強磁性アモルファス金属リボン(幅約20mm、厚さ約0.022mm)を、外径約19mmの円形心棒またはボビンに巻き付けた。強磁性アモルファス金属リボンを約1,200回心棒またはボビンに巻き付けることにより、内径約19mmおよび外径約48mmの円環状コア体を作製した。コアの肉厚は約29mmであった。コアを窒素雰囲気中でアニールした。アニールは以下の手順よりなる：1)棒材を365℃まで加熱し、2)温度を約365℃にて約２時間維持し、3)棒材を周囲温度まで冷却した。コアにエポキシ樹脂溶液を真空含浸させ、120℃で約4.5時間硬化させた。得られたエポキシ接着アモルファス金属巻型コアの重量は約71gであった。

エポキシ接着アモルファス金属巻型コアをウォータージェットを用いて裁断し、半円環状の三次元形状体を形成した。半円環状の形状体は内径が約19mm、外径が約48mm、厚さが約20mmであった。

弓形断面を有する多角形バルクアモルファス金属素子の裁断面を硝酸／水の溶液中でエッチングし、水酸化アンモニウム／水の溶液中で洗浄した。
多角形バルクアモルファス金属素子はいずれも、1000Hzにて1.0Tの最大磁気誘導レベルまで励磁した場合には、そのコア損失は11.5W/kg未満である。
実施例４
低損失バルクアモルファス金属素子の高周波数挙動
従来の非線形回帰法を利用して、上記実施例１で得られたコア損失データを分析した。Fe₈₀B₁₁Si₉アモルファス金属リボンより構成される低損失バルクアモルファス金属素子のコア損失は、下記の式を有数する関数で本質的に定義できることが判明した。

［数２］
L(B_max,f)＝c₁f(B_max)ⁿ＋c₂f^q(B_max)^m
係数c₁およびc₂並びに指数n、mおよびqの適切な値を選択し、バルクアモルファス金属素子の磁気損失に対する上限を定めた。実施例１の素子の測定損失値と上記式によって予測した予測損失値を表５に示す(いずれもW/kgにて測定)。f(Hz)およびB_max(テスラ)の関数である予測損失値は、係数をc₁＝0.0074およびc₂=0.000282、指数をn＝1.3、m＝2.4およびq＝1.5として計算した。実施例１のバルクアモルファス金属素子の測定損失値は、該式によって予測した対応の予測損失値よりも低かった。

以上、本発明を最大限詳細に説明してきたが、このような詳細に固執する必要はなく、当業者であれば様々な変更および改変を考えつくことは可能であり、このような変更および改変は全て、特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲内に含まれることを理解されたい。

図1Aは、本発明に従って構築した、ほぼ方形の多面体形状を有するバルクアモルファス金属磁気素子の斜視図である。図1Bは、本発明に従って構築した、ほぼ台形の多面体形状を有するバルクアモルファス金属磁気素子の斜視図である。図1Cは、本発明に従って構築した、弓形面が向い合わせに配置された多面体形状を有するバルクアモルファス金属磁気素子の斜視図である。 図２は、強磁性アモルファス金属ストリップのコイルを、本発明に従って裁断および積層すべく配置した側面図である。 図３は、強磁性アモルファス金属ストリップからなる棒材の斜視図であり、本発明に従ってほぼ台形の形状をした複数の磁気素子を生成するための裁断ラインを示す。 図４は、アモルファス金属ストリップのコイルを、本発明に従ってほぼ方形のコアを形成するよう心棒に巻き付けている側面図である。 図５は、本発明に従って形成したほぼ方形のアモルファス金属コアの斜視図である。

Claims (10)

1. 実質的に類似の形状をした複数の強磁性アモルファス金属ストリップの層を積層して多面体形状の部材を形成したものを含んでなる低損失バルクアモルファス金属磁気素子であって、前記強磁性アモルファス金属ストリップの各々が、式Ｆｅ _８０ Ｂ _１１ Ｓｉ _９ で本質的に定義される組成を有し、そして
   該低損失バルクアモルファス金属磁気素子は励磁周波数「ｆ」にて最大磁気誘導レベル「Ｂ_ｍａｘ」まで動作させた場合に「Ｌ」未満のコア損失を有し、ここで、Ｌは式Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂ_ｍａｘ）^１．３＋０．０００２８２ｆ^１．５（Ｂ_ｍａｘ）^２．４で与えられ、該コア損失、該励磁周波数および該最大磁気誘導レベルは、それぞれワット／キログラム、ヘルツおよびテスラの単位で測定される、前記低損失バルクアモルファス金属磁気素子。
   
2. 前記素子が、少なくとも１つの方形断面を有する三次元の多面体形状をしている、請求項１記載のバルクアモルファス金属磁気素子。
   
3. 前記素子が、少なくとも１つの台形断面を有する三次元の多面体形状をしている、請求項１記載のバルクアモルファス金属磁気素子。
   
4. 前記素子が、少なくとも１つの正方形断面を有する三次元の多面体形状をしている、請求項１記載のバルクアモルファス金属磁気素子。
   
5. 前記素子が、少なくとも１つの弓形面を含む、請求項１記載のバルクアモルファス金属磁気素子。
   
6. 前記磁気素子が、約６０Ｈｚの周波数および約１．４Ｔの磁束密度にて動作させた場合に、アモルファス金属材料１キログラム当たり１ワット未満又はほぼそれに等しいコア損失を有する、請求項１記載のバルクアモルファス金属磁気素子。
   
7. 前記磁気素子が、約１，０００Ｈｚの周波数および約１．０Ｔの磁束密度にて動作させた場合に、アモルファス金属材料１キログラム当たり１２ワット未満又はほぼそれに等しいコア損失を有する、請求項１記載のバルクアモルファス金属磁気素子。
   
8. 前記磁気素子が、約２０，０００Ｈｚの周波数および約０．３０Ｔの磁束密度にて動作させた場合に、アモルファス金属材料１キログラム当たり７０ワット未満又はほぼそれに等しいコア損失を有する、請求項１記載のバルクアモルファス金属磁気素子。
   
9. バルクアモルファス金属磁気素子の構築方法であって、
   強磁性アモルファス金属ストリップ材を裁断して、式Ｆｅ _８０ Ｂ _１１ Ｓｉ _９ で本質的に定義される組成を有し、所定の長さを有する複数の裁断ストリップを形成し、
   該裁断ストリップを積み重ねて、強磁性アモルファス金属ストリップ材の積層棒材を形成し、
   該積層棒材をアニールし、
   該積層棒材にエポキシ樹脂を含浸させ、得られた樹脂含浸積層棒材を硬化させ、
   該積層棒材を所定の長さに裁断して、所定の三次元形状寸法を有する多面体形状をした複数の磁気素子を得る
   ことを含んでなり、前記バルクアモルファス金属磁気素子は、励磁周波数ｆにて最大磁気誘導レベルＢ_ｍａｘまで動作させた場合にＬ未満のコア損失を有し、ここで、Ｌは式Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂ_ｍａｘ）^１．３＋０．０００２８２ｆ^１．５（Ｂ_ｍａｘ）^２．４で与えられ、該コア損失、該励磁周波数および該最大磁気誘導レベルは、それぞれワット／キログラム、ヘルツおよびテスラの単位で測定される、前記方法。
   
10. 前記強磁性アモルファス金属ストリップ材の裁断工程が、切断用ブレード、切断用ホイール、ウォータージェットまたは放電加工を用いて強磁性アモルファス金属ストリップ材を裁断することを含んでなる、請求項９記載のバルクアモルファス金属磁気素子の構築方法。

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