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FeCo系磁歪合金及びその製造方法

国内特許コード P140010926
掲載日 2014年8月26日
出願番号 特願2012-232906
公開番号 特開2014-084484
出願日 平成24年10月22日(2012.10.22)
公開日 平成26年5月12日(2014.5.12)
発明者
  • 古屋 泰文
  • 岡崎 禎子
  • 久保田 健
出願人
  • 国立大学法人弘前大学
発明の名称 FeCo系磁歪合金及びその製造方法
発明の概要 【課題】配向度を規定することで、バルク合金の磁歪量を高めることができ、磁歪振動素子等の実用化を促進させることができるFeCo系磁歪合金を提供する。
【解決手段】FeとCoとからなり、Coを50原子%~70原子%含む体心立方構造を持つ磁歪合金であって、Cu(銅)のKα特性X線を用いたX線回折結果における(110)面の配向度(ロットゲーリングファクタ)19%以上であり、且つ、有効磁界H=1000Oeにおける磁歪量が100ppm以上であることを特徴とする。
【選択図】なし
従来技術、競合技術の概要



一般に、外部磁場により磁性を帯びる強磁性体は、外部の磁場付与に伴って、結晶内部に存在する自発磁区のS極とN極の反転、回転等に伴って伸縮現象が起きる。これは磁歪現象と呼ばれ(非特許文献1参照)、磁性体周囲に設置したコイルに交流電流を流して交番磁界を作ると、能動素子としての応用ができる。





この磁歪効果は、セラミックスの圧電効果や電歪効果に比べて、立ち上がり時のエネルギー密度が大きく、また、合金ゆえに材料強度もあり、また、バルク化が容易であるので、大型海底探査、魚群探知用ソナー、地下資源探索用超音波振動子への応用が研究され、さらに最近では、逆磁歪効果を利用した振動発電への応用も研究されている。





また、磁歪合金での逆磁歪効果を利用した力センサへの利用も可能である。例えば次世代で要求される人間の手のようにソフトで高精細な作業機能を備えた知能ロボットや低侵襲型医療機器でのマニュピレータやロボットハンド部では、ハンドに力覚、触覚を備えなければならないため、指先だけでなく、指の関節部においても高精度に回転角度やねじり力を計測し、制御することが要求される。





しかし、現時点でのモバイル機器や知能ロボット等に組み込み可能な小型軽量、構造が簡単で、しかも高感度なトルクセンサは市販されておらず、次世代ロボットへの適用を視野に入れた小型、高感度トルクセンサの開発が求められている。このトルクセンサシステムでは、回転シャフトへの応力負荷時に磁歪合金表面から発生する漏れ磁束が、負荷力に比例する原理を用いているため、センサ感度が磁歪合金の磁気特性に大きく依存しており、優れた材料特性を有する磁歪合金の作製、材料選定が重要である。





磁歪効果を利用した振動素子(アクチュエータ)やセンサ素子の主な特徴としては、以下の点が挙げられる。

(1) 金属素材であるので、励磁コイルに設置する際の複雑な形状に加工が容易である。

(2) 材料が金属で強度が高く、堅牢で、長時間にわたる繰り返し振動変形でも破損し難く、耐久性がある。

(3) 非接触ワイヤレスで外部磁場コイルにより駆動可能である。それゆえに、流体内や生体内等のアクチュエータ素子などを、ワイヤレスで遠隔的に設置することができる自由度がある。

(4) 共振振動での高出力発電特性が得られる。

(5) 低出力インピーダンスで、圧電体よりも低電圧で駆動可能であり、母構造側との振動付与、制御でのインピーダンスマッチングが取り易く、大型アクチュエータ設計が容易となる。

(6) 磁歪合金はキュリー温度が高い温度域にあり、使用温度範囲を広く取ることができる(-100℃~500℃)。

(7) コイルを使用するため、アクチュエータ容積が大型化するのは避けられない。

(8) 高周波振動子で発熱防止用の冷却装置が必要になる。

(9) 電磁ノイズ漏れ遮断用の容器(ハウジング)が必要となる。





実際に、磁歪材料の振動素子(アクチュエータ)やセンサ素子としての工業的応用では、これまでは、超磁歪材料(Tb-Dy-Fe合金)(非特許文献1参照)に、一軸方向の圧縮力を付与しながら、振動素子やセンサデバイスとして利用を行うものがあるが、この材料は、希土類元素を含み、延性が低く、また、製品が高コストであるため、使用環境が制限される。





また、最近になって、加工性を有する単結晶及び方向性多結晶FeGa合金(Galfenol)(非特許文献2参照)を用いて、磁歪振動素子の実用化(非特許文献3参照)が推進されてきている。





これらのFeGa合金では、最大300ppmの磁歪を利用しているが、その場合は、単結晶や方向性を有する粗大結晶組織に限られるので、材質は柔らかく、縦弾性係数(ヤング率)は50~60GPaとなり、機械的強度が低下することは避けられない。しかしながら、現状のFeGa合金でも、まだ、磁歪エネルギー密度が低く、且つ、単結晶作製には多大なコストがかかる。そのため、磁歪サンプルの量産性、振動素子の加工成形コスト面での汎用の産業機器の様々な使用条件分野に合致した適用レベルには至っていない。





また、従来では、一般的な鉄基磁歪材料で、強磁性体であるCo(コバルト)元素からなり、さらに高剛性と高い飽和磁束密度を有するFeCo元系合金をベースにした合金に着目した例が開示されている(非特許文献4~7)。





非特許文献4は、縦弾性係数(ヤング率)のCo依存性を調べたものであり、これによると、Co組成が30原子%付近で最大値(約210GPa)を示し、その後、Co=50原子%付近までは最大値を維持して、その後、Coの濃度が増加するにつれてヤング率が徐々に減少し、Co=85原子%付近で最小値(約182GPa)となっている。





非特許文献5には、合金素材を真空中で誘導電気炉により溶解し、さらに金属の型を用いて鋳造した後、真空炉中で1050℃、1.5時間の熱処理を行う例が記載されている。例えばCo=70原子%のFeCo合金では、磁界1000Oeで磁歪量90ppmが得られている。





非特許文献6には、合金素材をアルゴン雰囲気中でアーク溶解し、さらに、1000℃×3日間の熱処理を行い、さらに、アルゴン雰囲気中で、試料毎に300℃、350℃等の各温度で熱処理を行う例が記載されている。例えばCo=70原子%のFeCo合金では、840℃の熱処理を行った場合、|縦ひずみ-横ひずみ|で150ppmが得られている。但し、非単結晶の磁歪の定義は、λ=(2/3)×(縦歪―横歪)であるので、磁歪量は100ppmと推定される。





非特許文献7は、片持ち梁状の基体上にFeCo合金をスパッタにて成膜した後、800℃×1時間の熱処理を行い、水で急冷した例が記載されている。例えばCo=66原子%のFeCo合金薄膜では、磁歪量260±10ppmが得られている。

産業上の利用分野



本発明は、外部からの磁力付与に伴って自ら伸縮する機能を有するFeCo系磁歪合金及びその製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
Fe(鉄)とCo(コバルト)とからなり、Coを50原子%~70原子%含む体心立方構造を持つ磁歪合金であって、Cu(銅)のKα特性X線を用いたX線回折結果に基づく下記式(1)で表される(110)面の配向度が19%以上であり、且つ、有効磁界H=1000Oeにおける磁歪量が100ppm以上であることを特徴とするFeCo系磁歪合金。
配向度=(P-P)/(1-P) ……(1)
ここで、P=ΣI(110)/{ΣI(110)+ΣI(200)+ΣI(211))}
=ΣI(110)/{ΣI(110)+ΣI(200)+ΣI(211)}
であって、ΣI(110)、ΣI(200)及びΣI(211)は、(110)面、(200)面及び(211)面の回折強度の積分強度をそれぞれ示し、ΣI(110)、ΣI(200)及びΣI(211)は、理想的な無配向の試料における(110)面、(200)面及び(211)面の回折強度の積分強度をそれぞれ示す。

【請求項2】
請求項1記載のFeCo系磁歪合金において、
X線回折結果における(110)面のピーク波形の半値幅が0.1°以上0.5°以下であることを特徴とするFeCo系磁歪合金。

【請求項3】
請求項1記載のFeCo系磁歪合金において、
X線回折結果における(110)面のピーク波形の半値幅が0.1°以上0.3°以下であることを特徴とするFeCo系磁歪合金。

【請求項4】
請求項1又は2記載のFeCo系磁歪合金において、
合金素材を溶解した後に、1500℃/min以上の冷却速度で冷却してなることを特徴とするFeCo系磁歪合金。

【請求項5】
請求項4記載のFeCo系磁歪合金において、
さらに、融点の1/4の温度±40℃で24時間以上の熱処理を行って構成されるFeCo系磁歪合金。

【請求項6】
Fe(鉄)とCo(コバルト)とからなり、Coを50原子%~70原子%含むFeCo系磁歪合金の製造方法において、
合金素材を溶解した後に、1500℃/min以上の冷却速度で冷却することで、Cu(銅)のKα特性X線を用いたX線回折結果に基づく下記式(1)で表される(110)面の配向度が19%以上であり、且つ、有効磁界H=1000Oeにおける磁歪量が100ppm以上である磁歪合金を作製することを特徴とするFeCo系磁歪合金の製造方法。
配向度=(P-P)/(1-P) ……(1)
ここで、P=ΣI(110)/{ΣI(110)+ΣI(200)+ΣI(211))}
=ΣI(110)/{ΣI(110)+ΣI(200)+ΣI(211)}
であって、ΣI(110)、ΣI(200)及びΣI(211)は、(110)面、(200)面及び(211)面の回折強度の積分強度をそれぞれ示し、ΣI(110)、ΣI(200)及びΣI(211)は、理想的な無配向の試料における(110)面、(200)面及び(211)面の回折強度の積分強度をそれぞれ示す。

【請求項7】
請求項6記載のFeCo系磁歪合金の製造方法において、
作製される前記磁歪合金の前記X線回折結果における(110)面のピーク波形の半値幅が0.1°以上0.5°以下であることを特徴とするFeCo系磁歪合金の製造方法。

【請求項8】
請求項6記載のFeCo系磁歪合金の製造方法において、
前記冷却後、前記磁歪合金の融点の1/4の温度±40℃で24時間以上の熱処理を行うことを特徴とするFeCo系磁歪合金の製造方法。

【請求項9】
請求項8記載のFeCo系磁歪合金の製造方法において、
作製される前記磁歪合金の前記X線回折結果における(110)面のピーク波形の半値幅が0.1°以上0.3°以下であることを特徴とするFeCo系磁歪合金の製造方法。
国際特許分類(IPC)
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