JP5622085B2 - 高周波磁場を用いた磁性部材の加熱方法 - Google Patents
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Description
また、本願発明に係る加熱方法は、磁性体に異方性を付与する熱処理にも使用できる。特に静磁場を同時に印加する処理では、熱処理中に異方性も付与することができる。上述のような加熱を実施するためには、好ましい加熱温度は、絶対温度でのTc(キュリー温度)の95%以下であることが望ましい。本構成により磁性損による効率的な加熱を行うことができる。また更に望ましくはTcの85%以下であることが望ましい。かかる構成において例えばFeやNiなどの代表的な磁性金属は極低温の飽和磁化との比で60%以上の磁化を示すため高い透磁率虚数部が得られ、効率的な加熱を行うことができる。一方で、上記のような樹脂を溶解させる場合には、100℃以上まで加熱することが望ましく、また上述の薄帯積層コア・圧粉磁心の歪取り処理などの場合、300℃以上の高温とすることが望ましい。
上述した加熱方法は、本発明の第1の実施形態、すなわち磁化最容易方向以外の方向に高周波磁界を印加すること、および本発明の第2の実施形態、すなわちマイクロ波磁場に垂直に静磁界を印加すること、のいずれを用いることもできる。しかし内部組織の複雑さにより特定の磁化最容易方向を持たない磁性体に関しては、第2の実施形態を用いるのが適当である。また更に可能であれば第1の実施形態および第2の実施形態を同時に用いることが望ましい。
磁化容易方向を確認する方法としては、比較的大きな異方性を有する場合は振動試料型磁力計を用いて、飽和に必要な磁場が小さい方向が容易方向と分かる。また円盤や円柱などは磁気トルク計を用いて異方性を評価することができる。またヴィッター法、縦カー効果などを利用し、直接磁区を観察することでも評価できる。また薄帯や薄膜などで面内に弱い異方性が有するものは、薄膜評価型の高周波透磁率測定機を用いて、方向を変えて評価することができる。磁壁共鳴周波数を超える高周波での透磁率測定を行った場合、上述の理由により透磁率の最も高い方向が、磁化最容易方向と直交していると解釈してよい。
図1には加熱装置の一例として、高周波磁場に加えて静磁場も印加可能な加熱装置を示す。図1に示す加熱装置では、発振管1としてマグネトロンを用いている。なお、前記第2の実施形態においては、強い強磁性共鳴を誘起するために、発振する電磁波の周波数分布が狭い半導体発振器を用いることが望ましい。また、マイクロ波印加のために導波管または円筒導波管を備えることがより好ましい。また図1に示すように、入射電力をモニターし、制御するために、入射するマイクロ波の一部を取り出す、方向性結合器3を発振管1とキャビティ5との間に備えるとよい。方向性結合器3とキャビティ5の間にはE−Hチューナ4が接続されている。かかるE−Hチューナ4によってキャビティ5に生じる定在波を調整し、発生する高周波磁場を強めることができる。発振管1と方向結合器3との間にはアイソレータ2が接続されている。試料に吸収されなかったマイクロ波は、反射後、アイソレータ2のダミーロードに吸収される。加熱する磁性部材は石英管に挿入し、キャビティ5内に配置する。これら発振管1、アイソレータ2、方向性結合器3、E−Hチューナ4およびキャビティ5は導波管で接続されており、これら発振管1、アイソレータ2、方向性結合器3、E−Hチューナ4およびキャビティ5も固有の目的を持った導波管とみなせる。特にキャビティ5においては内部に定在波を立てるため終端を可動できる金属壁としており、キャビティ5とE−Hチューナ4から接続される導波管の間にはアイリスが設置され、金属壁との間を電磁波が多重反射して定在波の高周波磁場強度を高めることができる。キャビティ上部には穴が空けられ、石英菅が挿入できる構成になっている。静磁場は、永久磁石によって発生させることもできるが、磁場強度制御の観点からは電磁石を用いることが好ましい。
図1に示す構成では磁場発生源6として電磁石を用いている(図1のおける磁場発生源6は便宜上電磁石のポールピースの部分を示している)を用いることが好ましい。キャビティ内部には電磁波の進行方向およびそれに直交する2方向の高周波磁場が発生する領域がある。図1に示す加熱装置では電磁波の進行方向に垂直に静磁場が印加できるような電磁石が付帯されている。なお、静磁場はギャップ間隔が広くなるほど発生させることが困難になるため、例えば35cm以下であることが望ましい。さらに加熱する磁性部材を囲むように断熱材を配置するとよい。
Fe5Co75Si4B16の組成を有するアモルファス薄帯をメルトスパン法で作製した。薄帯の厚さは23μmとした。本試料のアモルファス状態でのTcは590℃である。作製した薄帯を5mm角の正方形に切断し、石英菅に入れ、図1に示す加熱装置(但し、静磁場を印加する機能は用いていない)を用いて加熱を行った。なお、加熱部位として、発振器接続側に固定アイリス、その反対側に可動型プランジャーが付帯したTE10モードキャビティーを使用した。本キャビティに5.8GHzのマグネトロンを接続してマイクロ波を供給した。試料は温度を均一にするため周囲をグラスウールで断熱し、断熱材の隙間から放射温度計(商品名:PhotoriX System、Luxtron社製)にて試料の温度を測定した。薄帯試料の面内で且つ、メルトスパンを行ったときの薄帯の長手方向と垂直になる方向に高周波磁場を印加して加熱を行った。また、比較のために、薄帯試料の面内で且つ、メルトスパンを行ったときの薄帯の長手方向に平行になる方向に高周波磁場を印加して加熱を行った。試料を300,350,400℃まで加熱したときのマイクロ波出力の値をそれぞれ表1に示す。
原料のマグネタイト粉末(Sigma Aldrich Japan製)を7mmφの金型を用いてプレスし、高さ0.5mm相対密度60%の円筒形の成形体を作製した。マグネタイトの室温での飽和磁化は0.6Tであり、圧粉体の飽和磁化は0.36Tである。また本試料のTcは585℃である。振動試料型磁力計を用いた測定より飽和させるのに必要な磁場は40kA/m(500Oe)であった。実施例1と同様の加熱装置(但し、静磁場を印加する機能を用いている)を用いて成形体試料を加熱した。実施例1と同様に放射温度計を使用し、試料の上端面の温度を測温した。まず試料に高周波磁場を円筒状試料の側面部に垂直に印加して420℃の一定温度となるように出力を調整した。その後、円筒側面および高周波磁場方向に共に直交するように静磁場を印加した。図2にその結果を示す。静磁場が少しでも印加されると加熱が促進され、温度上昇の効果が現れることがわかる。また、静磁場を印加する際ほぼ0.15Tの外部磁場で温度の極大値が見られ、初期、すなわち静磁場を印加していない場合の420℃よりも80℃程度以上高い温度となることが分かった。ここで、粉体の形状が不定形で磁気的結合が弱く等方媒質の球を仮定し、ω=γHの共鳴条件の式(ここでω=2πf (fは周波数で5.8×109)、γはジャイロ磁気定数でHは外部磁場である。)を用いて、強磁性共鳴が生じる磁場を算出する。このとき共鳴磁場は0.21Tが導き出される。図2に示したピークはこの強磁性共鳴の共鳴条件に係る静磁場強度に対応しており、本実施例の加熱が強磁性共鳴に起因した加熱であることを示している。
実施例1と同様に作製した薄帯を5mm角の正方形に切断し、石英菅に入れ、実施例2と同様の加熱装置を用いて加熱した。実施例1と同様に放射温度計を使用して試料の温度を測定した。薄帯試料の面内で且つ、メルトスパンを行ったときの薄帯の長手方向と垂直になる方向に高周波磁場を印加して加熱を行った。加熱の手順は次のように行った。まず試料に高周波磁場のみを印加し、反射電力が小さくなるよう、プランジャーやEHチューナーを利用して調整した。加熱開始後は入射波の出力を小さくするよう電力を調整し、一定の温度となるようにした。一定の温度となった後に、薄帯面内で且つ高周波磁場と垂直な方向に静磁場を印加した。磁場は徐々に出力を強め、その都度温度を安定させるため10秒ほど保持した。0.1Tまでの静磁場を印加した後、静磁場を除去した。このとき静磁場は薄帯面内方向で、かつ高周波磁場と直交する向きに印加した。そのときの印加した静磁場と温度の関係を図3に示す。なお、本試料は磁力測定より4kA/m(50Oe)で磁気飽和することが分かっている。
高周波磁場を長手方向と平行に、静磁場を薄帯面内で長手方向に垂直に印加する構成に変更した以外は実施例3と同様な実験を行った。結果、450℃まで加熱するのに必要な出力は静磁場無しの場合で95W、静磁場を印加した場合75Wであることが分かり、静磁場を印加することで効率良く加熱できることが分かった。しかし高周波磁場を磁化最容易方向以外の方向(具体的には磁化最容易方向に垂直な方向)に印加した実施例3では、52Wで450℃まで加熱できることから、マイクロ波を磁性部材の磁化最容易方向以外の方向に印加する第1の実施形態と、マイクロ波を磁性部材に印加するとともに、マイクロ波の印加方向と直交する方向に静磁場を印加する第2の実施形態とを組み合わせて用いることで最も効率的な加熱が行うことができることが分かる。
5:キャビティ 6:磁場発生源
Claims (7)
- 高周波磁場を用いた磁性部材(但し、磁性部材には、磁性部と非磁性部からなる複合磁性部材を含む)の加熱方法であって、
前記磁性部材は金属薄帯またはその薄帯の積層物であり、前記薄帯は面内方向に磁化に関して異方性を有し、
前記高周波磁場として、マイクロ波を前記薄帯の面内方向で磁化最容易方向(薄帯の長手方向)以外の方向に印加することを特徴とする磁性部材の加熱方法。 - 前記薄帯は、アモルファス薄帯、ナノ結晶薄帯であることを特徴とする請求項1に記載の磁性部材の加熱方法。
- 前記磁化最容易方向以外の方向は、薄帯の面内で、且つ薄帯の長手方向に対し垂直になる方向(薄帯の面の法線方向ではない)であることを特徴とする請求項1または2に記載の磁性部材の加熱方法。
- 前記薄帯の加熱温度は、300℃以上、当該薄帯のキュリー温度の95%以下の温度であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の磁性部材の加熱方法。
- 前記薄帯の面内方向で、かつ前記高周波磁場と直交する向きに、さらに静磁場を印加することを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の磁性部材の加熱方法。
- 特定の方向に磁場を振動させることができる導波管または円筒導波管を用いて、進行波または定在波を発生させることにより、前記マイクロ波の印加を行うことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の磁性部材の加熱方法。
- 前記マイクロ波の入射電力が1W以上であることを特徴とする請求項6に記載の磁性部材の加熱方法。
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