JP6630592B2 - 可動鉄心およびソレノイド装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電磁弁や接点装置等に好適に用いられるソレノイド装置の可動鉄心および該可動鉄心を用いた前記ソレノイド装置に関する。

従来、電磁弁（ソレノイドバルブ）や接点装置（例えば電磁開閉器や電磁リレー等）等には、電磁弁の弁を駆動するためや接点装置の可動接点を駆動するために、駆動装置（アクチュエータ）として電磁力を利用したソレノイド装置が利用されている。電磁弁は、例えば自動車、建設機械および産業機械等における油圧や空圧の制御に広く用いられ、また、接点装置は、例えば電力系統や制御回路等の電気回路に広く用いられている。このような電磁弁や接点装置等に利用されるソレノイド装置は、一般に、固定鉄心と、コイルと、前記コイルの励磁により生じる磁界によって固定鉄心に対し軸方向に離接する可動鉄心と、前記可動鉄心の移動に伴って軸方向に移動する出力軸とを備えている。

そして、このようなソレノイド装置は、交流電流による駆動だけでなく、近年では、半導体技術の進展により、例えば特許文献１や特許文献２等に開示されているように、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式で駆動されるようになってきている。

前記特許文献１に開示された比例ソレノイドバルブは、ＰＷＭ信号に応じてオンオフするスイッチング手段を介して電源に接続されるソレノイド、および、前記ソレノイドの通電電流に応じて変位する可動体を有している。

また、前記特許文献２に開示されたアクチュエータは、ソレノイドへの通電電流に応じて変位するプランジャを有するものであり、その制御手段は、供給される電源電圧の大きさに基づいて、前記ソレノイドへの通電電流に対して、ＰＷＭパルスのキャリア周波数を変動させると共にディザを付与するためのディザ振幅電流値を変動させるものである。

特開平１０−９５２１６号公報 特開２０１４−６９６７７号公報

ところで、電磁力を利用したソレノイド装置は、コイルを励磁する励磁電流に交流電流やＰＷＭ方式の電流が用いられると、鉄心に、いわゆる渦電流が生じる。この結果、この渦電流によってジュール熱が生じ、電力損失が生じてしまう。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、発熱や電力損失をより低減できる可動鉄心および該可動鉄心を用いたソレノイド装置を提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる可動鉄心は、コイルの励磁によって生じた電磁力を利用したソレノイド装置の可動鉄心であって、電気抵抗率１１．５［μΩｃｍ］以下であって磁界１０００［Ａ／ｍ］において微分比透磁率８０以下である磁性材料から成り、前記コイルに通電される電流の周波数をｆ［Ｈｚ］とし、当該可動鉄心の半径をＲ［ｍｍ］とする場合に、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）の関係を満たす円柱状の形状を持ち、前記磁性材料は、主成分の鉄Ｆｅに、０．００１質量％以上、０．０１質量％以下の炭素Ｃ、０より多く、０．１質量％以下のシリコンＳｉ、０．１質量％以上、０．５質量％以下のマンガンＭｎ、０より多く、０．０３質量％以下のリンＰ、０より多く、０．０２質量％以下の硫黄Ｓ、０より多く、０．１質量％以下の銅Ｃｕ、０より多く、０．１質量％以下のニッケルＮｉ、０より多く、０．０４質量％以下のアルミニウムＡｌ、および、０より多く、０．００７質量％以下の窒素Ｎ、の各成分を含有し、フェライト結晶粒の大きさがフェライト結晶粒度番号で４．５を超え、６以下であることを特徴とする。

このような可動鉄心は、電気抵抗率１１．５［μΩｃｍ］以下であって微分比透磁率８０以下である磁性材料から成り、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）の関係を満たす形状を持つので、渦電流の観点から、より適切な材料が選択され、より適切な形状が選択されているので、発熱や電力損失をより低減できる。

炭素を含むことで、機械強度を向上させる効果があって好ましい。炭素が０．００１質量％未満になっても前記改善効果が飽和するため、下限値は、０．００１質量％が好ましい。一方、炭素が０．０１質量％を越えると、高磁界での磁気特性を著しく劣化させるため、好ましくない。シリコンは、溶製時に脱酸として作用でき、また電気抵抗を増加させて渦電流による磁気特性の低下を抑制できるため、前記磁性材料は、シリコンを含むことが、好ましい。一方、シリコンが０．１質量％を越えると、前記飽和磁束密度が確保できなくなって好ましくない。マンガンは、脱酸剤として作用でき、鋼中の硫黄と結合することによって前記硫黄による熱間脆化を抑制できる。またマンガンは、鋼中の硫黄がＦｅＳとして粒界に析出することで生じる磁気特性のバラツキや熱間延性の低下（すなわち、製造性の低下）も抑制できる。さらにマンガンは、切削加工の際に、析出したＭｎＳがチップブレーカーとして作用し、切り屑処理性の向上や工具摩耗量の改善効果を奏する。これらのため、前記磁性材料は、マンガンを含むことが、好ましく、マンガンＭｎが０．１質量％未満になると、これらの効果が不充分となって好ましくなく、一方、マンガンＭｎが０．５質量％を越えると、磁気特性が低下してしまい好ましくない。リンＰが０．０３質量％を越えると、粒界偏析を起すことによって前記磁気特性を確保できず、好ましくない。硫黄を含むことで、硫黄は、Ｍｎと結合してＭｎＳ析出物を形成することで切削加工性向上の効果が期待できる。一方、硫黄Ｓが０．０２質量％を越えると、通常の低炭素鋼（ＪＩＳ Ｓ１０Ｃ）を凌ぐレベルの磁束密度を安定的に確保することができず、好ましくない。銅を含むことで、フェライト相の電気抵抗を増加でき、渦電流の減衰時定数を低減できる。一方、銅Ｃｕが０．１質量％を越えると、磁気モーメントが低下して鋼材の磁気特性が劣化するため、好ましくない。ニッケルも銅と同様である。アルミニウムが０．０４質量％を越えると、結晶粒の微細化による結晶粒界の増加によって、磁気特性が低下し易くなるため、好ましくない。窒素Ｎが０．００７質量％を越えると、磁気特性を確保できず、好ましくない。フェライト結晶粒の大きさがフェライト結晶粒度番号で２未満であると、伸線加工や冷間鍛造時に鋼材が結晶粒界から破断するなど製造時のトラブルとなるため好ましくなく、６を越えると、磁気特性の低下を招く結晶粒界が増加するため好ましくない。

そして、本発明の他の一態様にかかるソレノイド装置は、長尺な導体部材を絶縁しつつ巻回したコイルと、前記コイルの励磁により生じる磁束線を通す固定鉄心と、前記コイルの前記励磁により生じる前記磁束線を通し、前記磁束線に起因して生じる前記固定鉄心に向かう吸引力によって前記コイルの軸方向に沿って移動する可動鉄心と、前記可動鉄心に連結され、前記可動鉄心の移動に伴って移動する出力部材とを備え、前記可動鉄心は、これら上述のいずれかの可動鉄心であることを特徴とする。

これによれば、これら上述のいずれかの可動鉄心を用いたソレノイド装置が提供できる。上記ソレノイド装置は、これら上述のいずれかの可動鉄心を用いるので、発熱や電力損失をより低減できる。

本発明にかかる可動鉄心は、発熱や電力損失をより低減できる。そして、本発明によれば、このような可動鉄心を用いたソレノイド装置が提供できる。

実施形態における可動鉄心およびこれを用いたソレノイド装置の構成を示す図である。 渦電流分布計算に用いられた可動鉄心モデル（円柱鉄心）を説明するための図である。 各試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ１４のＢ−Ｈ曲線を示す図である。 各試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ１４の微分比透磁率を示す図である。 可動鉄心の半径Ｒが５ｍｍであって周波数ｆが１［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ渦電流損失マップを示す図である。 可動鉄心の半径Ｒが２ｍｍであって周波数ｆが１［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ渦電流損失マップを示す図である。 可動鉄心の半径Ｒが１０ｍｍであって周波数ｆが［１ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ渦電流損失マップを示す図である。 可動鉄心の半径Ｒが５ｍｍであって周波数ｆが１００［Ｈｚ］である場合における、ρ−μ渦電流損失マップを示す図である。 可動鉄心の半径Ｒが５ｍｍであって周波数ｆが１０［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ渦電流損失マップを示す図である。 Ｒ−ｆ渦電流損失マップを示す図である。 検証に用いられたソレノイドインジェクタ装置の構成を示す図である。 試料番号Ｎｏ１および試料番号Ｎｏ７における検証結果を示す図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

図１は、実施形態における可動鉄心およびこれを用いたソレノイド装置の構成を示す図である。図１（Ａ）は、シャフト４の復帰状態を示し、図１（Ｂ）は、シャフト４の突出状態を示す。図１の破線は、磁束線を示す。

本実施形態における可動鉄心を用いたソレノイド装置は、長尺な導体部材を絶縁しつつ巻回したコイルと、前記コイルの励磁により生じる磁束線を通す固定鉄心と、前記コイルの前記励磁により生じる前記磁束線を通し、前記磁束線に起因して生じる前記固定鉄心に向かう吸引力によって前記コイルの軸方向に沿って移動する可動鉄心と、前記可動鉄心に連結され、前記可動鉄心の移動に伴って移動する出力部材とを備える。このようなソレノイド装置Ｄは、より具体的には、例えば、図１に示すように、コイル１と、固定鉄心２（２−１、２−２）と、可動鉄心３と、シャフト４と、ハウジング５と、上部キャップ部６と、上部軸受け部７−１と、下部軸受け部７−２と、図略の付勢部材とを備える。

コイル１は、長尺な導体部材を絶縁しつつ巻回した巻線である。前記長尺な導体部材は、断面丸形や正方形等の線材であって良いが、コイル１での渦電流を低減する観点から、断面長方形の帯状の線材であることが好ましい。このような帯状の長尺な導体部材は、シート形状、リボン形状あるいはテープ形状であり、幅（幅方向の長さ、軸方向の長さ）Ｗに対する厚さ（前記幅方向に直交する厚さ方向の長さ、径方向の長さ）ｔが１未満である（０＜ｔ／Ｗ＜１）。このようなコイル１は、帯状の長尺な導体部材を、該導体部材の幅方向がコイル１の軸方向に沿うように絶縁部材（図略）を挟んで巻回することによって構成される（フラットワイズ巻線構造）。

ハウジング５は、コイル１、固定鉄心２（２−１、２−２）および可動鉄心３等を収容する円筒状の部材である。

固定鉄心２（２−１、２−２）は、コイル１の励磁により生じる磁束線を通す部材であり、例えば、コイル１の軸方向に互いに離間するように配置された１対の上部固定鉄心２−１および下部固定鉄心２−２を備える。上部固定鉄心２−１は、円筒状の上部固定鉄心本体と、上部固定鉄心本体における前記軸方向の一方端（上部端）の全外周を囲むとともに、前記軸方向の一方端から、前記軸方向と直交する径方向外側に延びる円環板状の上部固定鉄心フランジ部とを備える。下部固定鉄心２−２は、円筒状の下部固定鉄心本体と、下部固定鉄心本体における前記軸方向の他方端（下部端）に連結される円板状の下部固定鉄心底板部とを備える。下部固定鉄心底板部における下部固定鉄心本体と連結される底面（下部固定鉄心本体の筒内に臨む内面）には、その中央に円柱状の凹所が形成されている。そして、この凹所に、ベアリング等を備える円環状の下部軸受け部７−２が、互いに中心（軸心）を一致させて嵌め込まれ固定されている。

これら上部固定鉄心２−１および下部固定鉄心２−２は、上部固定鉄心本体の他方端面と下部固定鉄心本体の一方端面とが互いに対向して軸方向に離間し、かつ、それらの中心（軸心）が互いに一致するように配置されることで、コイルボビンを形成する。なお、上部固定鉄心本体の他方端面と下部固定鉄心本体の一方端面とは、互いに平行であって軸方向に交差するテーパ面（斜め面）に形成されている。このように配置された上部固定鉄心本体および下部固定鉄心本体の外周面に、コイル１が配置される。すなわち、上部固定鉄心本体および下部固定鉄心本体の前記外周面に、長尺な帯状の導体部材を絶縁部材を介して巻き回すことによってコイル１が形成されている。

これらコイル１および固定鉄心２は、上部固定鉄心フランジ部の外周面が前記軸方向の一方端面より内側に寄った位置でハウジング５の内周面に連結し、下部固定鉄心底板部でハウジング５における軸方向の他方端面を閉塞するように、下部固定鉄心底板部の外周面が前記軸方向の他方端面の位置でハウジング５の内周面に連結することによって、ハウジング５に取り付けられる。

可動鉄心３は、コイル１の前記励磁により生じる前記磁束線を通し、前記磁束線に起因して生じる固定鉄心２に向かう吸引力によってコイル１の前記軸方向に沿って移動する部材である。可動鉄心３は、例えば、固定鉄心２における上部固定鉄心本体部の前記軸方向の一方端面から下部固定鉄心本体部の前記軸方向の他方端までの長さ（固定鉄心２の高さ）より短い長さ（高さ）を持つ円柱状の部材である。

シャフト４は、可動鉄心３の駆動力を外部に取り出すために、可動鉄心３に連結され、可動鉄心３の移動に伴って移動する部材である。シャフト４は、例えば、ハウジング５における軸方向の一方端から軸方向の他方端までの長さ（ハウジングの高さ）より長い長さ（高さ）を持つロッド状（長尺な円柱状）の軸体である。可動鉄心３には、軸心を前記軸方向に沿って貫通するように貫通孔が形成されており、可動鉄心３の両端面（上下面）から軸方向外側に延びるように前記貫通孔に挿通され固定されることによって、シャフト４は、互いに軸心を一致させて可動鉄心３に取り付けられて固定されている。

可動鉄心３の外径は、固定鉄心２における上部固定鉄心本体部および下部固定鉄心本体部から構成される筒部の内径よりやや短く、シャフト４における前記軸方向の他方端（下端）が下部軸受け部７−２で軸受けされ、可動鉄心３が固定鉄心２における上部固定鉄心本体部および下部固定鉄心本体部から構成される前記筒部内を摺動可能となるよう、可動鉄心３およびシャフト４は、固定鉄心２における上部固定鉄心本体部および下部固定鉄心本体部から構成される前記筒部内に配置される。

これら固定鉄心２、可動鉄心３およびハウジング５は、例えば、炭素鋼や電磁ステンレス鋼等の軟磁性材料で形成され、ハウジング５は、バックヨークとして機能している。なお、可動鉄心３を形成する軟磁性材料は、後に詳述される。

上部キャップ部６は、円板状の部材であり、その中央には、貫通孔が形成され、この貫通孔に、ベアリング等を備える円環状の上部軸受け部７−１が、互いに中心（軸心）を一致させて嵌め込まれ固定されている。そして、上部キャップ部６は、シャフト４における前記軸方向の一方端側で上部軸受け部７−１を挿通して上部軸受け部７−１で軸受けされ、上部キャップ部６の外周面でハウジング５における軸方向の一方端面を閉塞するように、上部キャップ部６の外周面が前記軸方向の一方端面の位置でハウジング５の内周面に連結することによって、ハウジング５に取り付けられる。

前記図略の付勢部材は、例えばコイルバネ等を備えて構成され、いわゆる復帰ばねであり、前記軸方向における一方端から他方端に向けて（下向きに）可動鉄心３を付勢するように、配設される。

そして、このような構成のソレノイド装置Ｄが電磁弁に利用される場合、シャフト４が弁の駆動機構に接続され、シャフト４によって出力されるソレノイド装置Ｄの駆動力が弁の駆動力に用いられ、また、ソレノイド装置Ｄが接点装置に利用される場合、シャフト４が可動接点の駆動機構に接続され、シャフト４によって出力されるソレノイド装置Ｄの駆動力が可動接点の駆動力に用いられる。

このようなソレノイド装置Ｄは、交流やＰＷＭ方式でコイル１が励磁され、磁場（磁界）が生成される。この磁場の磁束線は、図１（Ａ）に破線で示すように、上部固定鉄心２−１から、ギャップＧ（図中、破線の○で示す箇所）、可動鉄心３、下部固定鉄心２−２およびハウジング５を介して上部固定鉄心２−１に戻る閉ループを形成する。ここで、前記ギャップＧは、短いほどエネルギー的には安定するので、前記磁束線に起因して固定鉄心２の上部固定鉄心２−１に向かう吸引力が可動鉄心３に働く。可動鉄心３は、この吸引力によって図１（Ｂ）に示すように、コイル１の軸方向に沿って移動し、これに伴ってシャフト４も前記軸方向に沿って移動する（突出状態）。一方、コイル１の通電を停止すると、コイル１の励磁によって生成された前記磁場が消失し、前記図略の付勢部材によって可動鉄心３は、図１（Ｂ）に示す位置から図１（Ａ）に示す位置に復帰する（復帰状態）。

上記可動鉄心３を形成する軟磁性材料について説明する。本実施形態では、次に表１に示す成分を持つ磁性材料から成る可動鉄心３について渦電流が形状別に検討され、可動鉄心３の磁性材料、形状および駆動周波数がより最適化された。さらに、可動鉄心３の磁性材料におけるフェライト結晶粒の大きさが表２に示すように最適化された。なお、表１には、成分だけでなく、最大比透磁率、微分比透磁率および比抵抗（電気抵抗率、［μΩｃｍ］）も示されている。同様に、表２には、減面率、熱処理の有無およびフェライト結晶粒度番号だけでなく、最大比透磁率、微分比透磁率および比抵抗（電気抵抗率、［μΩｃｍ］）も示されている。

試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ６の磁性材料は、株式会社神戸製鋼所製の磁性鋼ＥＬＣＨ２であり、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．０２質量％以下の炭素（Ｃ）、０．０３質量％以下のシリコン（Ｓｉ）、０．３質量％以下のマンガン（Ｍｎ）、０．０３質量％以下のリン（Ｐ）、０．０３質量％以下の硫黄（Ｓ）、０．０１質量％以下の銅（Ｃｕ）、０．０１質量％以下のニッケル（Ｎｉ）、０．０１質量％以下のアルミニウム（Ａｌ）、０．０１質量％以下のクロム（Ｃｒ）および０．００５質量％以下の窒素（Ｎ）を成分として含む材料である。なお、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ６の磁性材料は、不可避不純物を含んで良い。このＥＬＣＨ２は、例えば、千葉政道、鹿礒正人、「純鉄系軟磁性材料」、Ｒ・Ｄ ＫＯＢＥ ＳＴＥＥＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＲＥＰＲＴＳ、Ｖｏｌ．５２ Ｎｏ．３、２００２年１２月に開示されている。

より詳しくは、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ６の磁性材料は、磁性鋼ＥＬＣＨ２の製法で製造されているが、その原材料の成分比率を変えることで、次の成分になっている。

試料番号Ｎｏ１の磁性材料は、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．００８質量％の炭素（Ｃ）、０．０３質量％のシリコン（Ｓｉ）、０．２８質量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０２５質量％のリン（Ｐ）、０．０３質量％の硫黄（Ｓ）、０．０１質量％の銅（Ｃｕ）、０．０１質量％のニッケル（Ｎｉ）、０．０１質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０１質量％のクロム（Ｃｒ）および０．００５質量％の窒素（Ｎ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ２の磁性材料は、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．００５質量％の炭素（Ｃ）、０．０１質量％のシリコン（Ｓｉ）、０．２７質量％のマンガン（Ｍｎ）、０．００４質量％のリン（Ｐ）、０．０１質量％の硫黄（Ｓ）、０．０１質量％の銅（Ｃｕ）、０．０１質量％のニッケル（Ｎｉ）、０．０１質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０１質量％のクロム（Ｃｒ）および０．００４質量％の窒素（Ｎ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ３の磁性材料は、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．００５質量％の炭素（Ｃ）、０．０１質量％のシリコン（Ｓｉ）、０．１１質量％のマンガン（Ｍｎ）、０．００４質量％のリン（Ｐ）、０．０１質量％の硫黄（Ｓ）、０．０１質量％の銅（Ｃｕ）、０．０１質量％のニッケル（Ｎｉ）、０．０１質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０１質量％のクロム（Ｃｒ）および０．００４質量％の窒素（Ｎ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ４の磁性材料は、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．００６質量％の炭素（Ｃ）、０．０１質量％のマンガン（Ｍｎ）、０．００４質量％のリン（Ｐ）、０．０１質量％の硫黄（Ｓ）、０．０１質量％の銅（Ｃｕ）、０．０１質量％のニッケル（Ｎｉ）、０．０１質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０１質量％のクロム（Ｃｒ）および０．００４質量％の窒素（Ｎ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ５の磁性材料は、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．００５質量％の炭素（Ｃ）、０．１０質量％のマンガン（Ｍｎ）、０．００３質量％のリン（Ｐ）、０．０１質量％の銅（Ｃｕ）、０．０１質量％のニッケル（Ｎｉ）、０．０１質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０１質量％のクロム（Ｃｒ）および０．００４質量％の窒素（Ｎ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ６の磁性材料は、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．００３質量％の炭素（Ｃ）、０．０１質量％のマンガン（Ｍｎ）、０．００４質量％のリン（Ｐ）、０．０１質量％の銅（Ｃｕ）、０．０１質量％のニッケル（Ｎｉ）、０．０１質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０１質量％のクロム（Ｃｒ）および０．００４質量％の窒素（Ｎ）を成分として含む材料である。

大略、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ３は、シリコンを成分として含む一方、試料番号Ｎｏ４〜Ｎｏ６は、シリコンを成分として含まない。また、大略、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ４は、硫黄を成分として含む一方、試料番号Ｎｏ５、Ｎｏ６は、硫黄を成分として含まない。

試料番号Ｎｏ７の磁性材料は、東北特殊鋼株式会社製の電磁ステンレスＫ−Ｍ３５ＦＬであり、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．０１０質量％の炭素（Ｃ）、０．７７質量％のシリコン（Ｓｉ）、０．２９質量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０３１質量％のリン（Ｐ）、０．０２質量％の硫黄（Ｓ）、０．１０質量％のクロム（Ｃｒ）、０．０１質量％の銅（Ｃｕ）、０．１９質量％のニッケル（Ｎｉ）、０．２７質量％のアルミニウム（Ａｌ）、１３．９９質量％のクロムおよび０．００８質量％の窒素（Ｎ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ８の磁性材料は、快削鋼ＳＵＭ２４Ｌ（ＪＩＳ鋼）であり、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．１５０質量％の炭素（Ｃ）、１．００質量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０５０質量％のリン（Ｐ）、０．３０質量％の硫黄（Ｓ）、０．０１質量％の銅（Ｃｕ）、０．０１質量％のニッケル（Ｎｉ）、０．０２質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０１質量％のクロム（Ｃｒ）および０．００４質量％の窒素（Ｎ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ９の磁性材料は、低炭素鋼Ｓ１０Ｃ（ＪＩＳ鋼）であり、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．１質量％の炭素（Ｃ）、０．２５質量％のシリコン（Ｓｉ）、０．５０質量％のマンガン（Ｍｇ）、０．０２０質量％のリン（Ｐ）、０．０２質量％の硫黄（Ｓ）、０．０１質量％の銅（Ｃｕ）、０．０１質量％のニッケル（Ｎｉ）、０．０１質量％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０１質量％のクロム（Ｃｒ）および０．００５質量％の窒素（Ｎ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ１０の磁性材料は、電磁ステンレスＳＵＳ４３０（ＪＩＳ鋼）であり、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．０５０質量％の炭素（Ｃ）、０．４０質量％のシリコン（Ｓｉ）、０．５０質量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０１０質量％のリン（Ｐ）、０．０１質量％の硫黄（Ｓ）、０．０１質量％の銅（Ｃｕ）、０．０１質量％のニッケル（Ｎｉ）、０．０１質量％のアルミニウム（Ａｌ）、１７．００質量％のクロム（Ｃｒ）および０．００５質量％の窒素（Ｎ）を成分として含む材料である。

試料番号Ｎｏ１１〜Ｎｏ１４の磁性材料は、試料番号Ｎｏ１の磁性材料と同じ成分を含む。これら試料番号Ｎｏ１１〜Ｎｏ１４の磁性材料では、減面率や熱処理の有無が異なっている。より詳しくは、試料番号Ｎｏ１１は、減面率が０％であり、下記の熱処理を実施していない。試料番号Ｎｏ１２は、減面率が３５％であり、下記の熱処理を実施していない。試料番号Ｎｏ１３は、減面率が０％であり、下記の熱処理を実施した。試料番号Ｎｏ１４は、減面率が３５％であり、下記の熱処理を実施した。試料番号Ｎｏ１３は、試料番号Ｎｏ１そのものである。したがって、試料番号Ｎｏ１４は、試料番号Ｎｏ１３（Ｎｏ１）に対し、減面率の点で変え、減面率を有している。試料番号Ｎｏ１１、Ｎｏ１２は、試料番号Ｎｏ１３（Ｎｏ１）に対し、熱処理の点で変え、熱処理を実施していない。また、試料番号Ｎｏ１２は、試料番号１１に対し、減面率の点で変え、減面率を有している。

減面率は、伸線加工の前後における棒材や線材の断面積の変化率（減少率）である（（減面率（％））＝｛（加工前の断面積）−（加工後の断面積）｝／（加工前の断面積）×１００）。伸線加工は、棒またはコイル状の棒鋼や鋼線の径を細くする加工であり、例えば、鋼材の径よりも僅かに細い（小さい）径のダイス（金型）に前記鋼材を通過させることにより、前記鋼材を塑性変形させ、その径を細くする加工である。この減面率は、伸線加工における加工度の目安として用いられる指標である。

熱処理は、水素雰囲気中において、８５０℃で３時間保持した後、１００℃／ｈ程度の降温速度で除冷することによって実施された。この熱処理により、磁性材料の結晶粒が成長し、磁性特性が変化する。

なお、これら試料番号Ｎｏ７〜Ｎｏ１４の磁性材料も不可避不純物を含んで良い。

これら各試料について、まず、渦電流損失（ジュール損失）が検討された。渦電流分布は、可動鉄心が円柱形状である場合について計算された。図２は、渦電流分布計算に用いられた可動鉄心モデル（円柱鉄心）を説明するための図である。図２（Ａ）は、可動鉄心モデルの諸元を説明するための斜視図であり、図２（Ｂ）は、渦電流分布の計算方法を説明するための上面図である。

この可動鉄心モデルの渦電流分布の計算では、円柱形状の可動鉄心モデルにおける中心軸と一致するようにＺ軸が設定され、このＺ軸に直交する径方向にＸ軸が設定され（中心点（中心軸のＺ軸とＸ軸との交点）がＸ軸の座標原点０）、可動鉄心モデルの高さ（Ｚ軸方向の長さ）がｈとされ、その半径（Ｘ軸方向の長さ）がＲとされた。

このような可動鉄心モデルにおいて、Ｚ軸方向に変動する交流磁界が作用すると、この交流磁界の磁界変動により、図２（Ｂ）に示す灰色部分の閉回路に印加される鉄心円柱方向の電圧（誘導起電力）Ｖは、電磁誘導の法則から、式１のように表される。

ここで、Ψ（ｘ）は、閉回路より内部の鉄心中を通過する磁束であり、Ｂ（ｘ）は、磁束密度であり、鉄心の軸方向に印加されているとする。磁束密度は、表皮効果によって表面付近を中心に流れるため、交流磁界の角周波数をω（ω＝２πｆ、ｆは周波数である）とし、鉄心表面における磁束密度をＢｍとすると、鉄心内部の磁束密度分布は、式２のように示される。

ここで、ｋは、表皮深さをδとした場合、１／δである（ｋ＝１／δ）。表皮効果を考慮した誘導起電力は、式２を式１に代入することによって次式のように表される。

閉回路内を電流が流れることによって発生するジュール損失△Ｐは、△Ｐ＝Ｖ^２／Ｒである。閉回路の電気抵抗は、閉回路の幅をΔｘとし、高さをｈとし、鉄心材料の電気抵抗率をρ（Ωｃｍ）とすると、式４のように表される。

式３、４より閉回路におけるジュール損失は、式５で表される。

これを鉄心全体で積分し、鉄心全体の体積で割ることによって最終的に単位体積あたりのジュール損失、すなわち渦電流損失が式７のように算出される。

Ｐ_ｖは、単位体積あたりの渦電流損失を示しており、Ｂｍ＝μ_０μ_ｄＨ_ｍの式７から表面磁界振幅Ｈ_ｍに変換している。μ_０は、真空透磁率（＝４π×１０^−７Ｈ／ｍ）であり、μ_ｄは、微分比透磁率であり、μ_０μ_ｄ＝ｄＢ／ｄＨと定義される。

表皮効果を考慮した渦電流による単位体積当たりのジュール損失Ｐ_ｖは、式７から分かるように、様々なパラーメータに依存しているが、まず、可動鉄心を形成する磁性材料の磁気特性が前記ジュール損失Ｐ_ｖに与える影響を検討すると、式７から分かるように、微分比透磁率と電気抵抗率（比抵抗）とが前記ジュール損失Ｐ_ｖに影響を与える。この微分比透磁率は、可動鉄心に印加される磁界における磁束密度Ｂの磁界微分値（＝（１／μ_０）×（ｄＢ／ｄＨ）、μ_０は、真空の透磁率））であるから、上記各試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ１０、Ｎｏ１３、Ｎｏ１４それぞれについて、Ｂ−Ｈ曲線が図３に示すように求められ、それら各Ｂ−Ｈ曲線が磁界Ｈで微分されることで、微分比透磁率が図４に示すように求められた。

図３は、各試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ１０、Ｎｏ１３、Ｎｏ１４のＢ−Ｈ曲線を示す図である。図３の横軸は、磁界Ｈ［Ａ／ｍ］であり、その縦軸は、磁束密度Ｂ［Ｔ］である。図４は、各試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ１０、Ｎｏ１３、Ｎｏ１４の微分比透磁率を示す図である。図４の横軸は、磁界Ｈ［Ａ／ｍ］であり、その縦軸は、微分比透磁率μ_ｄである。図３および図４において、●は、試料番号Ｎｏ１の値を示し、◇は、試料番号Ｎｏ２の値を示し、−は、試料番号Ｎｏ３の値を示し、×は、試料番号Ｎｏ４の値を示し、＊は、試料番号Ｎｏ５の値を示し、＋は、試料番号Ｎｏ６の値を示し、▲は、試料番号Ｎｏ７の値を示し、○は、試料番号Ｎｏ８の値を示し、■は、試料番号Ｎｏ９の値を示し、◆は、試料番号Ｎｏ１０の値を示し、▽は、試料番号Ｎｏ１３の値を示し、そして、□は、試料番号Ｎｏ１４の値を示す。

各試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ１０、Ｎｏ１３、Ｎｏ１４における各Ｂ−Ｈ曲線は、図３に示すように、磁界０から約１０００［Ａ／ｍ］まで、磁界強度の増加に従って比較的急激に増加し、磁界約１０００から約２０００［Ａ／ｍ］まで、磁界強度の増加に従って急激であるが若干緩やかに増加し（磁界約１０００から約２０００［Ａ／ｍ］まで、磁界強度の増加に従って磁界０から約１０００［Ａ／ｍ］までの増加率に較べて相対的に低下した増加率で増加し）、磁界約２０００［Ａ／ｍ］以上では磁界強度の増加に従って徐々に増加または飽和するプロファイルを持つ。そして、磁界Ｈが同じ値では、磁束密度Ｂは、大略、試料番号Ｎｏ１０から試料番号Ｎｏ１の順で大きくなっている。試料番号Ｎｏ１３、Ｎｏ１４の磁束密度Ｂは、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ６と略同等になっている。また、各試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ１０、Ｎｏ１３、Ｎｏ１４における各微分比透磁率は、図４に示すように、上記図３に示す各Ｂ−Ｈ曲線に対応したプロファイルを持つ。

試料番号Ｎｏ．１と試料番号Ｎｏ．７とでは、微分比透磁率は、８０で同じであるが、電気抵抗率が大きく異なる。このため、図１２に示すように渦電流損失などで差が生じる。より詳細には、試料番号Ｎｏ．７は、電気抵抗が大きいため表皮深さが大きくなり、渦電流が鉄心の内部まで侵入しやすくなるために損失が大きくなる。試料番号Ｎｏ．１は、電気抵抗が低く表皮効果のため表面部分しか渦電流が流れないため、或る条件下（鉄心のサイズと周波数によっては）では損失が小さくなる。微分透磁率に関しても、微分比透磁率が８０である試料番号Ｎｏ．１と微分比透磁率が１４０である試料番号Ｎｏ．９を比較すると、式７より微分比透磁率が低いほど損失が小さくなるため、この点から試料番号Ｎｏ．１の方が試料番号Ｎｏ．９より損失は、低くなる。すなわち、電気抵抗率に関しては、電気抵抗が大き過ぎると、渦電流が鉄心の内部まで侵入しやすくなるため損失が大きくなるため、電気抵抗率は、１１．５μΩ以下であることが好ましい。微分透磁率に関しては、式７より微分透磁率が低いほど損失が小さくなるため、微分比透磁率が８０以下であることが好ましい。

上述したように、各試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ１０、Ｎｏ１３、Ｎｏ１４における各Ｂ−Ｈ曲線は、磁界約１０００［Ａ／ｍ］以上で緩やかに増加するようになるので、例えば電磁弁や接点装置等に好適に用いられるアクチュエータのソレノイド装置でも、磁界１０００［Ａ／ｍ］付近の磁界領域で使用されることが一般的である。このため、微分比透磁率μ_ｄは、磁界１０００［Ａ／ｍ］の値とし、次に、可動鉄心の形状および表皮効果が前記ジュール損失Ｐ_ｖに与える影響が、検討された。式５から分かるように、可動鉄心の半径ＲとＰＷＭの周波数（または交流電流の周波数）ｆとが前記ジュール損失Ｐ_ｖに影響を与える。このため、可動鉄心の半径Ｒを２［ｍｍ］、５［ｍｍ］および１０［ｍｍ］に振り、周波数ｆを１００［Ｈｚ］、１［ｋＨｚ］および１０［ｋＨｚ］に振り、前記ジュール損失Ｐ_ｖが計算された。その各結果がρ−μ_ｄ渦電流損失マップで図５ないし図９に示されている。ρ−μ_ｄ渦電流損失マップは、電気抵抗率（比抵抗）ρおよび微分比透磁率μ_ｄそれぞれを可変変数として渦電流損失を表した図である。

図５は、可動鉄心の半径Ｒが５［ｍｍ］であって周波数ｆが１［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ_ｄ渦電流損失マップを示す図である。図６は、可動鉄心の半径Ｒが２［ｍｍ］であって周波数ｆが１［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ_ｄ渦電流損失マップを示す図である。図７は、可動鉄心の半径Ｒが１０［ｍｍ］であって周波数ｆが１［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ_ｄ渦電流損失マップを示す図である。図８は、可動鉄心の半径Ｒが５［ｍｍ］であって周波数ｆが１００［Ｈｚ］である場合における、ρ−μ_ｄ渦電流損失マップを示す図である。図９は、可動鉄心の半径Ｒが５［ｍｍ］であって周波数ｆが１０［ｋＨｚ］である場合における、ρ−μ_ｄ渦電流損失マップを示す図である。図５ないし図９における各横軸は、微分比透磁率μ_ｄであり、それら各縦軸は、［μΩｃｍ］で示す電気抵抗率（比抵抗）ρである。また、図５ないし図９における各破線（等ジュール損失Ｐ_ｖ線）は、前記ジュール損失Ｐ_ｖが同値な点を結ぶことによって形成された曲線である。そして、図５ないし図９における各矢符は、前記ジュール損失Ｐ_ｖが低減する方向を示している。すなわち、図５、図７および図９の場合では、微分比透磁率μ_ｄが低くなるとともに電気抵抗率ρが低くなると、前記ジュール損失Ｐ_ｖは、より低減する。図６および図８の場合では、微分比透磁率μ_ｄが低くなるとともに電気抵抗率ρが高くなると、前記ジュール損失Ｐ_ｖは、より低減する。
上記表１および図４に示すように、磁界１０００［Ａ／ｍ］において、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ６は、微分比透磁率μ_ｄが８０以下であり、電気抵抗率（比抵抗）ρが１１．５［μΩｃｍ］以下であり、試料番号Ｎｏ７は、微分比透磁率μ_ｄが８０であり、電気抵抗率ρが７２［μΩｃｍ］であり、試料番号Ｎｏ８は、微分比透磁率μ_ｄが２８０であり、電気抵抗率ρが２０［μΩｃｍ］であり、試料番号Ｎｏ９は、微分比透磁率μ_ｄが１４０であり、電気抵抗率ρが１７［μΩｃｍ］であり、そして、試料番号Ｎｏ１０は、微分比透磁率μ_ｄが２８０であり、電気抵抗率ρが６１［μΩｃｍ］である。これら各値が図５ないし図９にプロットされている。

これら図５ないし図９から分かるように、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ７は、渦電流損失が試料番号Ｎｏ８〜Ｎｏ１０より小さい。一方、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ６は、図３から分かるように、磁束密度が試料番号Ｎｏ７を含めて他の試料より高く、このため、ソレノイド装置において、最も強い電磁力を発揮するので、より好ましい磁性材料であると言える。そこで、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ６の渦電流損失が試料番号Ｎｏ７〜Ｎｏ１０よりも小さくなる可動鉄心の半径ＲとＰＷＭの周波数（または交流電流の周波数）ｆとが、より詳細に検討された。その結果がＲ−ｆ渦電流損失マップで図１０に示されている。Ｒ−ｆ渦電流損失マップは、可動鉄心の半径Ｒおよび周波数ｆそれぞれを可変変数として渦電流損失を表した図である。

図１０は、Ｒ−ｆ渦電流損失マップを示す図である。図１０の横軸は、周波数［Ｈｚ］であり、その縦軸は、可動鉄心の半径Ｒ［ｍｍ］である。図１０において、○は、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ６の渦電流損失が他の試料番号Ｎｏ７〜Ｎｏ１０より小さい場合（ケース）を示し、×は、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ６の渦電流損失が他の試料番号Ｎｏ７〜Ｎｏ１０より小さくない場合（ケース）を示す。図１０から、試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ６で可動鉄心を形成する場合、周波数ｆを高く、可動鉄心の半径Ｒを大きくすると、渦電流損失が低減することが分かる。これは、周波数を高くするほど表皮深さが小さくなり（表面に電流が集中する傾向）、可動鉄心の半径Ｒを大きくするほど可動鉄心全体に対する表皮深さの割合が小さくなるため、すなわち、可動鉄心全体に対する渦電流の流れる領域が狭くなるため、渦電流損失が低減すると考えられる。そこで、○がプロットされる領域と×がプロットされる領域の境界線が図１０からフィッティングされ、前記境界線は、Ｒ＝２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）であった。この結果、○がプロットされる領域は、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）である。

以上より、ソレノイド装置の可動鉄心は、渦電流損失をより低減する観点から、好ましくは、電気抵抗率１１．５［μΩｃｍ］以下であって磁界１０００［Ａ／ｍ］において微分比透磁率８０以下である磁性材料から成り、コイルに通電される電流の周波数をｆ［Ｈｚ］とし、当該可動鉄心の半径をＲ［ｍｍ］とする場合に、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）の関係を満たす形状を持つ。

一方、材料組織が適切であることも重要である。結晶粒界は、磁壁の移動を妨げるため、印加磁界に対する磁気的な応答性を劣化し、磁気特性を低下させる要因となる。このため、結晶粒界密度は、小さいほど好ましく、したがって、フェライト結晶粒度番号が小さいほど好ましい。フェライト結晶粒の大きさは、熱処理によって調整できる。表２に示すように、試料番号Ｎｏ１１〜Ｎｏ１４は、試料番号Ｎｏ１と同様に、電気抵抗率（比抵抗）ρが１１．５［μΩｃｍ］であるが、熱処理の有無によって、微分比透磁率μ_ｄが異なっている。すなわち、熱処理を実施しない試料番号Ｎｏ１１は、フェライト結晶粒度番号が６．２で微分比透磁率μ_ｄが１８０であり、熱処理を実施しない試料番号Ｎｏ１２は、フェライト結晶粒度番号が６．５で微分比透磁率μ_ｄが２２０である一方、熱処理を実施した試料番号Ｎｏ１３（すなわち試料番号Ｎｏ１）は、フェライト結晶粒度番号が３．５で微分比透磁率μ_ｄが８０であり、熱処理を実施した試料番号Ｎｏ１４は、フェライト結晶粒度番号が５．２で微分比透磁率μ_ｄが６８となっている。なお、フェライト結晶粒は、ＪＩＳ−Ｇ０５５１に準拠した手法で測定された。このように熱処理を実施することによって、フェライト結晶粒の大きさが最適化され、微分比透磁率μ_ｄが８０以下となっている。このため、試料番号Ｎｏ１３、Ｎｏ１４は、試料番号Ｎｏ１１、Ｎｏ１２より有利になっている。これは、図５ないし図９を参照すると、試料番号Ｎｏ１４が試料番号Ｎｏ１〜Ｎｏ６の近傍にプロットされていることからも理解される。

ここで、フェライト結晶粒の大きさは、伸線加工によっても影響を受けると考えられるが、試料番号Ｎｏ１１と試料番号Ｎｏ１２との比較、および、試料番号Ｎｏ１３と試料番号Ｎｏ１４との比較それぞれから分かるように、伸線加工は、余り影響せず、その結果、微分比透磁率μ_ｄにも余り影響していない。

また、フェライト結晶粒の大きさが小さすぎると、例えば、冷間鍛造加工の際にいわゆる割れを生じるなどの加工性が低下し、好ましくない。

したがって、フェライト結晶粒の大きさ（フェライト結晶粒度番号）をさらに最適化することが好ましい。

一例では、前記磁性材料は、主成分の鉄（Ｆｅ）に、０．００１質量％以上、０．０１質量％以下の炭素（Ｃ）、０より多く、０．１質量％以下のシリコン（Ｓｉ）、０．１質量％以上、０．５質量％以下のマンガン（Ｍｎ）、０より多く、０．０３質量％以下のリン（Ｐ）、０より多く、０．０２質量％以下の硫黄（Ｓ）、０より多く、０．１質量％以下の銅（Ｃｕ）、０より多く、０．１質量％以下のニッケル（Ｎｉ）、０より多く、０．０４質量％以下のアルミニウム（Ａｌ）、および、０より多く、０．００７質量％以下の窒素（Ｎ）、の各成分を含有し、フェライト結晶粒の大きさがフェライト結晶粒度番号で２以上、６以下であることが好ましい。

炭素を含むことで、機械強度を向上させる効果があって好ましい。炭素が０．００１質量％未満になっても前記改善効果が飽和するため、下限値は、０．００１質量％が好ましい。一方、炭素は、磁性材料の鋼中に固溶して鉄結晶格子を歪ませる。このため、炭素が０．０１質量％を越えると、高磁界での磁気特性を著しく劣化させるため、好ましくない。この観点から、炭素は、０．００１５質量％以上、０．００８質量％以下であることがより好ましく、炭素は、０．００２質量％以上、０．００６質量％以下であることがさらにより好ましい。

シリコンは、溶製時に脱酸として作用でき、また電気抵抗を増加させて渦電流による磁気特性の低下を抑制できるため、前記磁性材料は、シリコンを含むことが、好ましい。しかしながら、シリコンが増加すると、飽和磁束密度が小さくなると共に冷間鍛造性が阻害される。このため、シリコンが０．１質量％を越えると、前記飽和磁束密度が確保できなくなって好ましくない。上記観点から、シリコンは、０より多く、０．０７質量％以下であることがより好ましい。

マンガンは、脱酸剤として作用でき、鋼中の硫黄と結合することによって前記硫黄による熱間脆化を抑制できる。またマンガンは、鋼中の硫黄がＦｅＳとして粒界に析出することで生じる磁気特性のバラツキや熱間延性の低下（すなわち、製造性の低下）も抑制できる。さらにマンガンは、切削加工の際に、析出したＭｎＳがチップブレーカーとして作用し、切り屑処理性の向上や工具摩耗量の改善効果を奏する。これらのため、前記磁性材料は、マンガンを含むことが、好ましく、マンガンＭｎが０．１質量％未満になると、これらの効果が不充分となって好ましくなく、一方、マンガンＭｎが０．５質量％を越えると、磁気特性が低下してしまい好ましくない。上記観点から、マンガンは、０．２質量％以上、０．５質量％以下であることがより好ましい。

粒界偏析を起すことによって冷間鍛造性の低下と磁気特性の低下を生じさせる。このため、リンＰが０．０３質量％を越えると、前記磁気特性を確保できず、好ましくない。なお、リンは、不可避的不純物として残る。上記観点から、リンは、０より多く、０．０２質量％以下であることがより好ましい。

硫黄を含むことで、硫黄は、Ｍｎと結合してＭｎＳ析出物を形成することで切削加工性向上の効果が期待できる。一方、硫黄は、鋼中に固溶して飽和磁束密度を低下させる。硫黄Ｓが０．０２質量％を越えると、通常の低炭素鋼（ＪＩＳ Ｓ１０Ｃ）を凌ぐレベルの磁束密度を安定的に確保することができず、好ましくない。上記観点から、硫黄は、０より多く、０．０１質量％以下であることがより好ましい。

銅を含むことで、フェライト相の電気抵抗を増加でき、渦電流の減衰時定数を低減できる。一方、銅Ｃｕが０．１質量％を越えると、磁気モーメントが低下して鋼材の磁気特性が劣化するため、好ましくない。ニッケルも銅と同様である。上記観点から、銅は、０．０２質量％以上、０．１質量％以下であることがより好ましく、ニッケルも、０．０２質量％以上、０．１質量％以下であることがより好ましい。なお、同様の観点から、前記磁性材料は、０．０２％以上、０．１質量％以下のクロム（Ｃｒ）を含有することが好ましい。

アルミニウムは、固溶ＮをＡｌＮの形で固定し、ＡｌＮは、結晶粒を微細化させる作用を有する。このため、アルミニウムが０．０４質量％を越えると、前記結晶粒の微細化による結晶粒界の増加によって、磁気特性が低下し易くなるため、好ましくない。なお、アルミニウムは、不可避的不純物として残る。上記観点から、アルミニウムは、０より多く、０．０２質量％以下であることがより好ましい。

窒素は、上述したように、アルミニウムと結合して窒化物を形成する。このとき、アルミニウムと結合できない窒素は、フェライト相に固溶して磁気特性を低下させる。このため、窒素Ｎが０．００７質量％を越えると、前記磁気特性を確保できず、好ましくない。なお、窒素は、不可避的不純物として残る。上記観点から、窒素は、０より多く、０．００５質量％以下であることがより好ましい。

フェライト結晶粒の大きさがフェライト結晶粒度番号で２未満であると、伸線加工や冷間鍛造時に鋼材が結晶粒界から破断するなど製造時のトラブルとなるため好ましくなく、６を越えると、磁気特性の低下を招く結晶粒界が増加するため好ましくない。

また、試料番号Ｎｏ１、試料番号Ｎｏ７および試料番号Ｎｏ１０について、市販の磁場解析アプリケーション（ＪＳＯＬ社製、ＪＭＡＧ ｖｅｒ１３．０）を用いて、各渦電流心損失を比較する検証が行われた。図１１は、検証に用いられたソレノイドインジェクタ装置の構成を示す図である。図１２は、試料番号Ｎｏ１および試料番号Ｎｏ７における検証結果を示す図である。図１２（Ａ）は、可動鉄心の渦電流損失を示し、その縦軸は、渦電流損失［Ｗ］である。図１２（Ｂ）は、ソレノイドインジェクタ装置全体の損失を示し、その縦軸は、損失［Ｗ］である。

検証に用いられたソレノイドインジェクタ装置は、ＪＳＯＬから提供されているＪＡＣ０６６ＩＮＪＥＣＴＯＲ−０３ｄであり、固定鉄心（Ｃｏｒｅ）とヨーク（Ｙｏｋｅ）とから形成される収容空間内に２００ターンのコイル（Ｃｏｉｌ）が収容され、固定鉄心と可動鉄心のプランジャー（Ｐｌｕｎｇｅｒ）とは、各端面で互いに対向するように配置されている。このような構成のソレノイドインジェクタ装置における固定鉄心、プランジャおよびヨークに、試料番号Ｎｏ１、試料番号Ｎｏ７および試料番号Ｎｏ１０それぞれが用いられた。プランジャ（可動鉄心）の直径は、５［ｍｍ］とされ、ＰＷＭの周波数は、１０［ｋＨｚ］とされ、その中心電流は、１．２［Ａ］とされ、そして、その電流振幅は、０．２［Ａ］とされた。この場合における試料番号Ｎｏ１および試料番号Ｎｏ７の結果が図１２に示されている。なお、試料番号Ｎｏ１０の結果は、これらより劣るので、ここでは、省略する。図１２から分かるように、可動鉄心（プランジャ）の渦電流損失およびソレノイドインジェクタ装置全体の損失共に、試料番号Ｎｏ１の場合が試料番号Ｎｏ７より低く、試料番号Ｎｏ１の優位性が確認された。

以上のように、本実施形態における可動鉄心３は、電気抵抗率１１．５［μΩｃｍ］以下であって微分比透磁率８０以下である磁性材料から成り、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）の関係を満たす形状を持つので、渦電流の観点から、より適切な材料が選択され、より適切な形状が選択されているので、発熱や電力損失をより低減できる。

そして、本実施形態におけるソレノイド装置Ｄは、このような可動鉄心を用いるので、発熱や電力損失をより低減できる。さらに，可動鉄心だけでなく、ヨークや固定鉄心においても適切な材料、形状を選択することで発熱や損失の低減が可能である。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Ｄ ソレノイド装置
１ コイル
２ 固定鉄心
３ 可動鉄心
４ 出力部材
５ ハウジング

Claims (2)

1. コイルの励磁によって生じた電磁力を利用したソレノイド装置の可動鉄心であって、
   電気抵抗率１１．５［μΩｃｍ］以下であって磁界１０００［Ａ／ｍ］において微分比透磁率８０以下である磁性材料から成り、
   前記コイルに通電される電流の周波数をｆ［Ｈｚ］とし、当該可動鉄心の半径をＲ［ｍｍ］とする場合に、Ｒ≧２５０／（（ｌｏｇｆ）^４）の関係を満たす円柱状の形状を持ち、
   前記磁性材料は、
   主成分の鉄Ｆｅに、
   ０．００１質量％以上、０．０１質量％以下の炭素Ｃ、
   ０より多く、０．１質量％以下のシリコンＳｉ、
   ０．１質量％以上、０．５質量％以下のマンガンＭｎ、
   ０より多く、０．０３質量％以下のリンＰ、
   ０より多く、０．０２質量％以下の硫黄Ｓ、
   ０より多く、０．１質量％以下の銅Ｃｕ、
   ０より多く、０．１質量％以下のニッケルＮｉ、
   ０より多く、０．０４質量％以下のアルミニウムＡｌ、および、
   ０より多く、０．００７質量％以下の窒素Ｎ、
   の各成分を含有し、
   フェライト結晶粒の大きさがフェライト結晶粒度番号で４．５を超え、６以下である、
   可動鉄心。
2. 長尺な導体部材を絶縁しつつ巻回したコイルと、
   前記コイルの励磁により生じる磁束線を通す固定鉄心と、
   前記コイルの前記励磁により生じる前記磁束線を通し、前記磁束線に起因して生じる前記固定鉄心に向かう吸引力によって前記コイルの軸方向に沿って移動する可動鉄心と、
   前記可動鉄心に連結され、前記可動鉄心の移動に伴って移動する出力部材とを備え、
   前記可動鉄心は、請求項１に記載の可動鉄心である、
   ソレノイド装置。

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