JP7173504B1 - 複合磁性材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このカテーテルガイドワイヤの一部に磁石を取り付けると、その部位が大きくなるという問題や、磁石をシールドするための複雑なシールド構造が必要となる問題、さらにそのシールド構造が破損して磁石が腐食するなどの技術的な問題があり、磁石を細線の一部に取り付けたカテーテルガイドワイヤは実用化されていない。
カテーテルガイドワイヤは、準安定Cr-Ni系ステンレス鋼を強加工して製造されているもので、その磁気特性は半硬質磁性である。この半硬質磁性の冷間加工材からなるステンレス磁石については特許文献1にて開示されている。
もしガイドワイヤ先端部の一部を磁石に改質することができれば、生体内ナビゲーション技術の研究開発に大きく貢献する技術となるのは間違いない。そのための開発が期待されている。
さらに、そのような複合磁性材料は医療用材料としての種々の利用が期待される。
未飽和着磁部は容易に減磁し、それが飽和着磁部分に広がる結果となり減磁しやすい磁石となってしまう。このような着磁状態は好ましくないので、本発明の着磁状態を示している飽和着磁部のみからなる磁石を製造する着磁技術と着磁装置を開発することが重要である。
その結果、a)軟質磁性特性に着目して、磁石化すべき箇所をヨークの一部とした閉磁路タイプの磁気回路を形成し、その磁気回路を磁化することによって磁気回路の一部を形成した細線部が飽和磁化すること、およびそれ以外の細線部は磁気回路が形成されないために未着磁部となり、複合磁性材料となるという新知見を見出した。さらにb)永久磁石特性を付与する半硬質磁性の保磁力によって、磁石形状を工夫すると飽和磁化した部位は優れた永久磁石となることを発見した。
図2は電磁コイルのみの着磁装置により着磁する場合の着磁モデルを示し、図3は電磁コイルを内包する円筒ボックス状ヨークを活用して開磁路タイプの磁気回路を形成する着磁装置により着磁する場合の着磁モデルを示し、図4は電磁コイルを内包する円筒ボックス状ヨークを活用して当該ヨークと細線を密着させることにより閉磁路タイプの磁気回路を形成する着磁装置により着磁する場合の着磁モデルを示す。そして、図5には以上の3つの着磁モデルにおける細線部の着磁状態61、62、63に比較して示す。
しかし、閉磁路タイプの磁気回路で着磁した場合には、閉磁路タイプの磁気回路の一部となった細線部はすべて飽和着磁し、隣接部は磁化しないことが分かる(着磁状態61)。つまり、閉磁路タイプの磁気回路の一部となった半硬質磁性の細線部のみが飽和着磁し、それ以外の細線部は着磁しないことが分かる。
(1)Cr-Ni系ステンレス鋼細線は、減面率50~80%にて冷間引抜によりマルテンサイト量が70%以上となる半硬質磁性特性を有する冷間引抜加工細線を作製する冷間引抜加工工程と、
(2)前記冷間引抜加工細線は、500~580℃の温度にて5~25kg/mm2の張力で張力熱処理されて半硬質磁性細線を作製する張力熱処理工程と、
(3)前記半硬質磁性細線は、その一部が着磁装置を構成する着磁ヨーク部のヨークと閉磁路タイプの磁気回路を形成することにより飽和着磁されて永久磁石を作製する着磁工程とを備え、
(4)前記永久磁石は、1.2T以上の飽和磁化、80Oe以上保磁力と0.7T以上の残留磁気、パーミアンス係数10以上の性能を有することを特徴とする。
円筒ボックス状のヨークを半円筒ボックス状の上側部ヨークと半円筒状の下側ヨーク部の2つの分割構造とし、かつ前記円筒ボックス状のヨークの貫通孔と前記半硬質磁性細線との間の間隙を平均間隔5μm以下にし、前記貫通孔と前記半硬質磁性細線とが内接していることを特徴とする。
本発明の複合磁性材料は、その母材として非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼(SUS302、SUS304など)の直径dが0.2~4mm、長さが50mm以上の細線を用いて冷間引抜加工(伸線加工)によりマルテンサイト組織からなる半硬質磁性材料とするものである。この半硬質磁性材料をベースとしてその一部を飽和着磁して永久磁石(磁性材料)とすることにより、半硬質磁性材料と磁性材料とからなる複合磁石材料である。
しかも、前述のように半硬質磁性細線において飽和着磁部31と着磁されていない未着磁部とは明瞭に分かれており、未飽和着磁部は存在していない(図4、図5)。
また、本発明の複合磁性材料を構成する永久磁石の磁気特性は、1.2T以上の飽和磁化、80Oe以上保磁力と0.7T以上の残留磁気、パーミアンス係数10以上の性能を有している。
なお、飽和着磁部31の永久磁石(磁性材料)は複数個所からなってもよい。(c)には2箇所の永久磁石からなる複合磁性材料を図示している。
その工程は、冷間引抜加工工程、張力熱処理工程および着磁工程からなり、着磁工程により得られる永久磁石の特性は1.2T以上の飽和磁化、80Oe以上保磁力と0.7T以上の残留磁気、パーミアンス係数10以上の性能を有している。以下に説明する。
(1)冷間引抜加工工程;SUS302、SUS304に代表される非磁性のCr-Ni系ステンレス鋼細線を母材とする。そのサイズは、直径が0.2mm~4mm、長さが100mm以上である。減免率50%~80%にて冷間引抜加工することによりマルテンサイト量70%以上を得る工程である。この加工工程により、直径0.1~2mmの半硬質磁性特性を有する冷間引抜加工細線となる。
この工程により、半硬質磁性特性を改善した半硬質磁性細線を次の着磁工程で着磁することで磁気特性の優れた永久磁石からなる複合磁性材料を得ることができる。
半硬質磁性材料からなる半硬質磁性細線の一部を磁化して磁性材料からなる永久磁石とし、複合磁性材料にする着磁工程において半硬質磁性材料と磁性材料との境界部分を明瞭にすること、言い換えれば着磁部位は飽和着磁のみによる磁性材料とし、未着磁部位は半硬質磁性材料の状態を保持して両者の間に未飽和着磁部位を生じさせない工程である。
この工程により、飽和着磁部である永久磁石の特性は1.2T以上の飽和磁化、80Oe以上保磁力と0.7T以上の残留磁気、パーミアンス係数10以上の性能を有することができる。
また、未飽和着磁部からの保磁力の低下は生じることはない。
本着磁工程で使用する着磁装置の着磁ヨーク部1について、図7および図8を用いて説明する。
図7は、着磁ヨーク部1を構成する着磁コイル10と着磁コイル10を内包する円筒ボックス状ヨーク20について、軸方向の断面を図示する。なお、A1-A2線は細線の長手方向の中心線で、着磁コイル10の中心線であり、ヨーク20の中心線でもある。図8は、図7における着磁ヨーク部1の側面図を示す。
ボビン内径Dは、細線の直径より少し大きめで、0.3~2.5mm程度が好ましい。細線の直径dとの比(D/d)としては、3以下で、好ましくは1~2である。細線径に近くするとコイルが作る磁界を有効的に着磁力に活用できるためである。細線の直径dに対してボビン内径Dが3を超えると着磁コイルに流す電流を大きくする必要が出てくるので好ましくない。
なお、ボビンの胴径は0.7~2.5mm、つばの直径は1.5~8mm、厚みは0.1~1mmが好ましい。
また、コイル12は、直径10~50μmのエナメル線が500~3,000ターンで、巻線密度が400回/mm以上からなることが好ましい。
電磁コイル12の発熱を防止しつつ被着磁部を飽和磁化させるためには、500ターン以上の巻き数Nで磁界強度をあげつつ、パルス電流Iを抑制することが必要である。過剰な巻き数Nはコイルサイズが大きくなること、発熱しやすくなることなどから最大3,000ターンとすることが好ましい。
なお、発熱温度を検知する温度センサを、コイルの端部に設けてもよい。
この閉磁路タイプの磁気回路構造により、細線30の閉磁路タイプの磁気回路形成部のみが飽和磁化され磁石となる。磁石とつながる両側もしくは片側の細線部は未着磁部である。
ヨーク20の側面板22は電磁コイル10のボビン11の両側のつばに外接していてもよい。
コイル12から発生した磁束(磁界40)は、大気中に漏れることなく円筒ボックス状ヨーク20に収斂して流れ、被着磁体の細線30への閉磁路タイプの磁気回路が形成され、細線部位に有効に集中して細線30の閉磁路タイプの磁気回路となっている箇所31を飽和着磁する。
これにより、飽和着磁部に隣接した細線部は未着磁部位とすることができる(図5、着磁状態61)。
ヨークは、半円筒ボックス状の上側部ヨーク20aと半円筒ボックス状の下側部ヨーク20bの2つの分割構造からなる。
すなわち、上記の着磁装置において、電磁コイル部10はそのままで、円筒ボックス状のヨーク20を半円状の2個の分割構造としたものである(図9)。細線を下側の下側部ヨーク20bの貫通孔部に載置固定し(図10)、その状態で上側の上側部ヨーク20aを重ねる(図11)ことによって、分割した2つの貫通孔部(221aと221b)で細線を挟持して貫通孔と細線の間の間隙を平均間隙5μm以下に調整し、密接することを可能にしたものである。
先ず、図6 (b)に示ように、磁性材料である飽和着磁部31からなる永久磁石は長さ12mmで、その両側は半硬質磁性材料からなる未着磁の半硬質磁性細線30と繋がる複合磁性材料である。
着磁装置は、電源部、コイルとヨークと被着磁体(細線)からなる着磁ヨーク部およびコントローラからなる(図7)。電源部は、電流強度200mAにてパルス時間20m秒のパルス電流を電磁コイル20に印加した。
なお、電磁コイル10は、下側部ヨーク20bに固定されている。上側部ヨーク20aは、細線30を貫通孔部221(221aと221bからなる)に挿通しやすいように下側部ヨーク20bから、図9の上部方向に分離されている。
コイル12は、コイル長さは10mmにて直径30μmのエナメル線を1,800ターン巻回し、巻き線密度は450回/mmである。
なお、上側部ヨーク20aが可動できるようにヨーク20(20a、20b)とボビン11との間隙は0.5mmである。
この細線30をボビン11の中空孔111内に挿通するとともに下側部ヨーク20bの両側の貫通孔部221bに載置する。また、両側の貫通孔部221b間(12mmの飽和着磁の対象長さ)からなる細線30を張架してA1-A2の中心線に合わせる。
次に下側部ヨーク22bおよび細線30の上面に上側部ヨーク22aを取り付け、貫通孔部221aと細線30および二つの半円状ヨーク同士を密接させて、細線を含んだ閉磁路タイプの磁気回路を形成する。コイル12にパルス電流を印加し、磁界40を発生させて二つの貫通孔部221の間にある細線の被着磁部位を飽和着磁し、細線上に磁石を生成した。
10:電磁コイル
11:ボビン
111:中空孔
12:コイル
20:ヨーク
21:パイプ
22:側面板
221:貫通孔(貫通孔部)
30:細線
31:飽和着磁部
32:未飽和着磁部
40:磁界(円筒ボックス状のヨーク内の磁束)
41:漏洩した磁束
50:磁界(空間の磁束)
20a:上側部ヨーク
21a:上側部パイプ
22a:上側部側面板
221a:上側部側面板の貫通孔(上側部側面板の貫通孔部)
20b:下側部ヨーク
21b:下側部パイプ
22b:下側部側面板
221b:下側部側面板の貫通孔(下側部側面板の貫通孔部)
62:円筒ボックス状ヨークを用いて開示路タイプの磁気回路が形成されたときの細線の長手方向の着磁状態
63:円筒ボックス状ヨークを用いていないときの細線の長手方向の着磁状態
Claims (2)
- 半硬質磁性細線の一部は飽和着磁部からなる永久磁石と、前記永久磁石の片側または両側の半硬質磁性細線は未着磁の半硬質磁性材料とからなる複合磁性材料の製造方法において、
Cr-Ni系ステンレス鋼細線は、減面率50~80%にて冷間引抜によりマルテンサイト量が70%以上となる半硬質磁性特性を有する冷間引抜加工細線を作製する冷間引抜加工工程と、
前記冷間引抜加工細線は、500℃~580℃の温度にて5~25kg/mm2の張力で張力熱処理されて半硬質磁性細線を作製する張力熱処理工程と、
前記半硬質磁性細線は、その一部が着磁装置を構成する着磁ヨーク部のヨークと閉磁路タイプの磁気回路を形成することにより飽和着磁されて永久磁石を作製する着磁工程とを備え、
前記永久磁石は、1.2T以上の飽和磁化、80Oe以上保磁力と0.7T以上の残留磁気、パーミアンス係数10以上の性能を有することを特徴とする複合磁性材料の製造方法。 - 請求項1の複合磁性材料の製造方法において、
前記着磁装置は、円筒ボックス状のヨークを半円筒ボックス状の上側部ヨークと半円筒状の下側ヨーク部の2つの分割構造とし、かつ前記円筒ボックス状のヨークの貫通孔と前記半硬質磁性細線との間の間隙を平均間隔5μm以下にし、前記貫通孔と前記半硬質磁性細線とが内接していることを特徴とする複合磁性材料の製造方法。
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