JPH04246150A - 磁歪材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、磁歪量と印加磁界応答
性の両磁歪特性に優れ、かつ機械的強度も高い自己バイ
アス磁界型の磁歪材料に関する。

【０００３】

【従来の技術】磁性体は外部から磁場を印加すると磁歪
によって変形するため、この磁歪を応用して以下のよう
な磁気−機械変位変換デバイス（以下「デバイス」とい
う）が開発された。すなわち、振動分野では磁歪振動子
としてスピーカ、ソナー、パーツフィーダ、超音波遅延
線、超音波加工機、モータの除振・防振機構などへ応用
でき、機械応用分野では変位制御アクチュエータとして
精密位置決め機構、バルブ制御弁、機械スイッチ、マイ
クロポンプ、プリンタヘッドなどへ応用できる。また磁
歪センサとして、圧力センサ、ノックセンサ、音圧セン
サなどに使用可能であり、さらには表面弾性波応用素子
への応用など工業上極めて有用な材料となる。

【０００４】そして、これらデバイスに用いられる磁歪
材料としては、従来からＮｉ基合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金、
フェライト系材料などが知られていたが、最近ではこれ
らの磁歪材料より磁歪の絶対量（磁歪量）においてはる
かに優れた（飽和磁歪λｓが１０００×１０−６以上）
希土類−鉄系のラーベス型金属間化合物（一般式ＡＢ２
で、ＭｇＣｕ２（立方晶系）またはＭｇＺｎ２，ＭｇＮ
ｉ２（いずれも六方晶系）の結晶構造をもつ合金相で、
磁歪を示す）が報告されている（特公昭６１−３３８９
２号など）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の希土
類−鉄系の巨大磁歪合金は、機械的強度が弱くて非常に
脆いために、割れや欠けが生じやすく、形状の任意性に
乏しい（限られた形状のものしか成形できない）という
欠点があった。

【０００６】また、前述の希土類−鉄系磁歪合金は、図
２に示すような磁歪特性を有するため、ゼロ磁界付近で
の印加磁界応答性がよくない（一定量の磁界を印加した
ときの磁歪の変化量が少ない）。さらに正の磁界におい
ても負の磁界においても正の磁歪を生じて印加磁界応答
性が単調増加または単調減少でない。

【０００７】したがって、通常考えられるように、磁界
を何ら加えないときの磁歪量がゼロとなるように印加磁
場を変化させたのでは、所望の磁歪量が得られず、また
磁界の印加による磁歪量の制御も難しい。このため、上
述の磁気−機械変位変換デバイスに用いる際には、磁歪
量制御のための磁界とは別に外部からバイアス磁界をか
けて、図中の破線で示すように、制御のため変化させる
磁界の範囲をゼロの近傍を含まず、例えば正の領域だけ
となるようにずらし、変化させる磁界の範囲では磁歪の
印加磁界応答性が高く、磁歪量も印加磁界量に対して単
調に変化するようにしていた。

【０００８】しかし、このためには、図３に示すように
、この磁歪合金を利用するデバイス１において、矢印の
方向に磁歪・伸縮する磁歪合金片１と、磁歪合金片１の
磁歪量を制御する磁界を印加する電磁石２の他に、外部
バイアス磁界を形成するための永久磁石３を含む磁気回
路等を設置しなければならず、コスト高およびデバイス
の大型化が避けられなかった。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
、機械的強度に優れ、かつ磁歪特性の良好な磁歪材料を
提供することを目的とする。 〔発明の構成〕

【００１０】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は上記
課題を解決するために、例えばＲＦｅｘ（Ｒは少なくと
も１種の希土類元素、１．５≦ｘ≦４）磁歪合金粉末と
永久磁石粉末の混合粉末を一体化したことを特徴とする
磁歪材料を提供する。

【００１１】本発明の磁歪材料において、まず磁歪合金
は、上記の如くＲＦｅｘの超磁歪合金が挙げられるが、
これを構成するＲ元素が１種の元素である場合は、Ｌａ
、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、
Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなどの希土類元素
とすることができる。またＲ元素とすることができ２種
以上の希土類元素の組み合わせである場合は、Ｔｂ−Ｄ
ｙ、Ｔｂ−Ｈｏ、Ｔｂ−Ｐｒ、Ｓｍ−Ｙｂ、Ｔｂ−Ｄｙ
−Ｈｏ、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｐｒ、Ｔｂ−Ｐｒ−Ｈｏなどの組
み合わせが考えられる。

【００１２】一方、磁歪合金を構成する他の元素はＦｅ
であるが、耐蝕性改善のためＦｅの一部をＣｏで置換す
ることが可能である。ただし、あまり置換量が多くなる
と磁歪特性の低下（磁歪量の縮小と印加磁界応答性の減
少）を招くため、ＣｏによるＦｅの置換量は９５ａｔ％
（９５原子％）以下とする。

【００１３】また、必要に応じてＦｅの一部を、さらに
Ｍｎで置換してもよい。Ｒ−Ｆｅ系の磁歪合金は、Ｍｎ
を含有させると、希土類原子の磁気異方性が変化し、高
磁界のみならず低磁界においても優れた磁歪特性が得ら
れる。ＭｎによるＦｅの置換量の上限は５０ａｔ％であ
り、この上限値を越えるとキュリー温度が低下し、磁歪
特性が劣化する。

【００１４】この他、Ｆｅは、磁歪材料の機械的強度、
耐蝕性、飽和磁歪などの向上を目的としてＮｉ、Ｍｇ、
Ａｌ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕ
、Ａｇ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｓｂ、
Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｗ、Ｓｉ、Ｂなどでさらに置
換してもよい。ただし、これら置換元素の量は、Ｍｎに
よる置換量も含めて、Ｆｅの５０ａｔ％程度までが限度
であり、これを超えると磁歪量が減少する。

【００１５】なお、Ｒ元素とＦｅの原子比ｘは、１．５
≦ｘ≦４としたが、これは１．５未満だと十分な磁歪特
性が得られず、他方４を超えると、靭性が著しく低下し
て脆くなるためである。

【００１６】一方永久磁石粉末としては、フェライト磁
石、Ｓｍ−Ｃｏ系磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石等の粉末
を使用することができるが、少量の粉末で十分な磁界を
得るためにはＳｍ−Ｃｏ系およびＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石
の粉末が好ましい。

【００１７】そして永久磁石粉末の混合比は、磁歪合金
粉末に対して５〜５０重量％とするのが好ましい。５重
量％未満では永久磁石粉末を着磁しても十分な自己バイ
アス磁界を得ることが難しく、また５０重量％を超える
と磁歪合金について十分な磁歪量を得ることが難しくな
るからである。この混合比は、さらに好ましくは１０〜
３０重量％である。

【００１８】なお磁歪合金粉末および永久磁石粉末の粒
径は、１〜８００μｍが好ましい。１μｍ未満だと粉末
全体の表面積が大きくなりすぎて酸化による磁歪特性お
よび磁石特性の劣化を招きやすくなり、他方８００μｍ
を超えると磁歪材料の機械的強度が低下し、また超薄片
に成形するのが困難になるなど、形状の任意性が劣化す
る。

【００１９】つぎに、本発明の磁歪材料の製造方法を説
明する。

【００２０】まず、所定原子比のＲ元素およびＦｅ、さ
らに必要に応じて上述のＣｏ、Ｍｎなどを調製してアー
ク溶解などにより溶湯とした後、超急冷法、水素吸蔵法
などによって磁歪合金粉末を得る。超急冷法は、一般に
非晶質合金を製造する際に使用される単ロール法、双ロ
ール法、ガスアトマイズ法、ＲＤＰ（Ｒｏｔａｔｉｎｇ
　Ｄｉｓｋ　Ｐｒｏｃｅｓｓ；回転円盤上に溶湯金属を
噴出させる方法）などにより、合金の溶湯を超急冷して
粉末化する方法である。 なお超急冷は酸化防止の観点から、Ａｒ、Ｈｅなどの不
活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。

【００２１】また、磁歪合金の溶湯を冷却して一旦、ボ
ールミル、ブラウンミル、スタンプミルなどの機械的手
段で粉砕可能な形状の合金インゴットにした後、この合
金インゴットを上述の機械的粉砕手段で粉砕しても磁歪
合金粉末を得ることができる。

【００２２】なお、合金インゴットから粉砕する場合は
、粉砕の前後に３００℃ないし超磁歪合金の融点の温度
範囲で０．１〜５００時間程度熱処理を施すと、磁歪特
性の向上を図ることができる。

【００２３】さて、こうして磁歪合金の粉末が得られた
ら、つぎは同様にして永久磁石の粉末を得、両粉末を混
合する。そして、この混合粉末を例えば所望形状の金型
に挿入後、ホットプレスやＨＩＰ（熱間静水圧プレス）
等により一体化し磁歪材料を得る。本発明で一体化した
混合粉末とは、磁歪合金粉末と永久磁石粉末が互いに粉
末の形状を保ったまま高密度で凝集したものをいう。

【００２４】一体化の際ホットプレスを行う場合は、ホ
ットプレス温度は、６００〜１２００℃が好ましく、ま
たプレス圧は１ｔ／ｃｍ２　以上とするのが好ましい。 ６００℃未満では液相が生じにくく高密度化が困難にな
り、機械的強度の低下を招く。他方１２００℃を超える
と磁歪合金と永久磁石は粉末の形状を保てず固溶化する
が、この固溶化した材料は永久磁石の保磁力および磁歪
合金の磁歪特性が劣化するためである。また、プレス圧
が１ｔ／ｃｍ２　未満の場合も高密度が難しい。さらに
、ホットプレスを行う場合は、磁歪合金粉末が酸化して
磁歪特性が劣化しないように、Ａｒ、Ｈｅなどの不活性
ガス雰囲気中で行うのが好ましい。

【００２５】このように、磁歪合金を一旦粉末化した後
にホットプレスで成形一体化すると、結晶粒径が均一化
されるとともに、組成の偏析なども防止されるため、良
好な磁歪特性が安定して得られ、かつ機械的強度も向上
する。また粉末成形のため、形状の任意性にも優れる。

【００２６】ところで、もしＲ元素が２種以上の元素を
含む場合、例えばＲ１ｐ　Ｒ２１−ｐ　Ｆｅｘ（Ｒ１と
Ｒ２は互いに異なる希土類元素で、０＜ｐ＜１）の場合
には、上述の合金インゴットを粉砕する方法に倣って、
まずＲ１ｐＦｅｘ１とＲ２１−ｐ　Ｆｅｘ２（ｘ１＋ｘ
２＝ｘ）の組成の合金インゴットからそれぞれ合金粉末
を製造し、この一体化の段階で両粉末を混合すると、ホ
ットプレス時の粒成長によって所望の組成の磁歪合金粉
末を得ながら、磁歪材料を形成することができる。

【００２７】またホットプレス成形の際には、磁場を印
加して磁歪合金の磁化容易軸方向に磁気的に異方性化す
ると磁歪特性の向上が図れる。Ｒ元素が２種以上の元素
を含み、かつ個々のＲ元素含有合金がそれぞれ磁気異方
性方向を異にする場合は、上述のように所望の組成とな
るように２種以上の希土類−鉄系の合金粉末を混合し、
この混合粉末を磁場成形（磁場中で成形体をつくる）し
てそれぞれの合金について磁気異方性化を達成した後、
ホットプレスを施せば、全体として磁気異方性方向を同
じくする磁歪合金が得られ、磁歪特性に富む磁歪材料を
形成できる。

【００２８】さらに、ホットプレスは、磁歪合金粉末に
例えばＡｌなどの低融点金属もしくは合金を添加または
粉末表面に被覆した後に行うと、ホットプレス温度を低
下させることができ、ホットプレスに係るコストを節約
できる。また、ホットプレス後に、３００℃〜磁歪合金
の融点の温度で熱処理をすると上記合金インゴット粉砕
後の熱処理と同様、磁歪特性の向上を図れる。

【００２９】本発明の磁歪材料は、上記一体化の後、デ
バイス化前に磁歪材料に磁場を印加して永久磁石粉末を
着磁することにより、磁歪材料中にバイアス磁界を有す
る自己バイアス磁界型磁歪材料とすることができる。自
己バイアス磁界、およびこの自己バイアス磁界による当
初磁歪量（例えば図３の電磁石２などにより適宜磁歪量
を変化させる以前の磁歪量）は、永久磁石粉末量を調整
することにより調節することができる。

【００３０】なお本発明の磁歪材料は、表面にＮｉメッ
キなどの金属コーティングまたはエポキシ樹脂などで樹
脂コーティングすることにより、さび防止等耐候性の改
善を図るのが望ましい。

【００３１】本発明の磁歪材料においては、磁歪合金粉
末と永久磁石粉末との混合粉末をホットプレス等により
一体化するため、デバイスに組込む前に磁歪材料に磁界
を印加すれば磁歪材料中の永久磁石粉末を着磁し、バイ
アス磁界として作用させることができる。したがって、
本発明の磁歪材料を用いるデバイスにおいては、外部か
らバイアス磁界を加えるための永久磁石等は不要になる
。

【００３２】

【実施例】以下図１を参照して本発明の実施例を説明す
る。

【００３３】〈実施例１〉まず原子比でＴｂ０．３５Ｄ
ｙ０．６５（Ｆｅ０．８５Ｍｎ０．１５）２　となるよ
うに、各原子を調製した後Ａｒ雰囲気下で水冷銅ボート
中においてアーク溶解を行い、上記組成の合金インゴッ
トを得た。ついで、この合金インゴットをブラウンミル
で平均粒径３０μｍまで粉砕し、磁歪合金粉末を得た。 そして、この磁歪合金粉末に対して、２０重量％のＮｄ
−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石粉末（平均粒径１００μｍ）を混
合した。

【００３４】つぎに、上記混合粉末を金型に充填後、ア
ルゴン雰囲気中で９００℃、１．５ｔ／ｃｍ２　の条件
でホットプレスを行い、直径６ｍｍ、長さ３０ｍｍの円
柱状の磁歪合金ロッドを得た。最後に、この磁歪合金ロ
ッドに３０ｋＯｅの磁界を印加して含有する永久磁石を
着磁し、磁歪合金ロッドを自己バイアス磁界型磁歪材料
とした。

【００３５】この磁歪合金ロッドについて、室温下で対
向磁極型電磁石により、±３００Ｏｅの範囲で印加磁界
を変化させ、歪みゲージを用いて磁歪特性を評価した。 その結果を図１に示す。図１から明らかなように、この
磁歪材料は−３００Ｏｅ〜＋３００Ｏｅの印加磁界範囲
においてゼロ磁界（自己バイアス磁界は存在する）付近
をも含めてほぼ線形で約１２０〜１３０ｐｐｍ／ｋＯｅ
の印加磁界応答性を示し、かつこの印加磁界範囲におけ
る磁歪量も約−４００ｐｐｍないし＋４００ｐｐｍ　と
、合計して約８００ｐｐｍ　近い大きなものになる。し
たがって、本実施例に係る磁歪合金ロッドは優れた磁歪
特性を有するものであり、かつ印加磁界範囲全般におい
て印加磁界応答性がよいため、新たに永久磁石等による
バイアス磁界を設ける必要がない。

【００３６】また、上述の方法で本実施例の磁歪材料か
ら製造した１０本の磁歪合金ロッドについて、１０ｋＯ
ｅ印加磁界中の磁歪量（λ１０ｋＯｅ　）を測定したと
ころ、１２００±２０ｐｐｍ　とばらつきが少なく、か
つ絶対的な値としても良好な値が得られた。

【００３７】さらに、本実施例で得られた磁歪合金ロッ
ドは、所望の形状についての寸法精度がよいため後加工
を施す必要がなかった。そして、３点曲げ試験で機械的
強度を測定したところ、１７ｋｇ／ｍｍ２　と良好な値
が得られた。

【００３８】〈実施例２−１５〉まず、実施例１と同様
の方法によって、下記表１に示す組成の各合金のインゴ
ットを製造し、ついで各合金インゴットを溶融して得ら
れた各合金の混合溶湯について、Ａｒ雰囲気中で直径３
００ｍｍ、ロール速度２５ｍ／ｓｅｃ　のＣｕロールに
よる単ロール法で超急冷を行い、平均粒径１００μｍの
磁歪合金粉末を得た。

【００３９】そして、この超磁歪合金粉末を実施例１と
同様な方法で表１に示す種類・混合比の永久磁石粉末と
ホットプレスにより一体化して磁歪材料のロッドを成形
し、実施例１と同様の方法により３０ｋＯｅの自己バイ
アス磁界を印加した後、±０．３ｋＯｅの磁界中におい
て磁歪の測定を行った。その結果を表１に併せて示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】表１から明らかなように、本実施例の磁歪
材料は、いずれも±０．３ｋＯｅの磁界範囲においてゼ
ロ磁界を中心に対称な磁歪量（絶対値が同じで正負の符
号が反対）を示してほぼ線形の印加磁界応答性をもち、
磁歪の絶対量も大きい。よって、実施例２〜１５の磁歪
材料も良好な磁歪特性を有することが確認された。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁歪材料
は、自己バイアス磁界を有し、磁歪量と印加磁界応答性
の両面において優れた磁歪特性を発揮する。そして本発
明の磁歪材料は外部バイアス磁界が不要のため、デバイ
ス構造を簡略化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る磁歪材料でできたロッ
ドの磁歪特性図。

【図２】従来の磁歪材料の磁歪特性図。

【図３】従来の磁気−機械変位変換デバイスの模式断面
図。

【符号の説明】

１　　磁歪合金片 ２　　電磁石 ３　　永久磁石

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　磁歪合金粉末と永久磁石粉末の混合粉
   末を一体化したことを特徴とする磁歪材料。