(57)【要約】【課題】  Ｓｍおよび遷移金属元素を含む材料を用い、異方性を有した磁歪素子を得ることのできる磁歪素子の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  原料粉末を磁場中成形して成形体を得た後、この成形体を焼結することで、ＳｍＦｅ2で示す組成を有する焼結体を得ることで、異方性を有した磁歪素子を製造する。このとき、原料粉末としては、磁歪素子の主相を形成する第一の合金と、第一の合金より融点の低い第二の合金を混合して得たものを用いるのが好ましい。また、第一の合金の粉末粒径は、第二の合金の粉末粒径よりも大きいものとするのが良い。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
異方性を有した磁歪素子を製造する方法であって、
原料粉末を磁場中成形し、成形体を得る工程と、
前記成形体を焼結し、ＳｍＦｅ2で示す組成を有する焼結体を得る工程と、
を含むことを特徴とする磁歪素子の製造方法。
【請求項２】
前記磁歪素子の主相を形成する第一の合金と、前記第一の合金より融点の低い第二の合金を混合することで、前記原料粉末を得ることを特徴とする請求項１に記載の磁歪素子の製造方法。
【請求項３】
前記原料粉末は、前記第一の合金を７０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満含むことを特徴とする請求項２に記載の磁歪素子の製造方法。
【請求項４】
前記第一の合金の粉末粒径は、前記第二の合金の粉末粒径よりも大きいことを特徴とする請求項２または３に記載の磁歪素子の製造方法。
【請求項５】
前記第一の合金の粉末は、主に単結晶粒子から構成され、前記第一の合金を事前に熱処理することで、前記単結晶粒子を前記第二の合金よりも大きな結晶粒径とすることを特徴とする請求項４に記載の磁歪素子の製造方法。
【請求項６】
前記成形体を得る工程では、前記原料粉末を、１７６０ｋＡ／ｍ以下の磁場中で配向させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の磁歪素子の製造方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪素子の製造方法に関し、特にＳｍおよび遷移金属元素を含んで形成される磁歪素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
強磁性体を磁化したときに、磁性体の寸法が変化する現象を磁歪といい、このような現象が生ずる材料を磁歪材料という。磁歪による飽和変化量である飽和磁歪定数は、一般には１０-5〜１０-6の値を有し、大きな飽和磁歪定数を有する磁歪材料は超磁歪材料とも呼ばれ、振動子、フィルター、センサ等に広く利用されている。
【０００３】
現在、Ｒ（希土類元素）とＦｅの化合物であるＲＦｅ2ラーベス型金属間化合物を主体とする磁歪材料が飽和磁歪定数の大きな材料として知られている（例えば、特許文献１、２、３、４参照。）。しかしこれら材料は、印加される外部磁界が大きいときには磁歪値が大きいが、外部磁界が小さいときには磁歪値が十分ではないという問題を有していた。そこで、ＲＦｅ2ラーベス型金属間化合物を主相とする磁歪材料において、低外部磁界でも磁歪値を大きくする検討が行われ、磁化容易軸であって、磁歪定数の大きい［１１１］軸方向に配向させることが提案されている。また、ＲＦｅ2ラーベス型金属間化合物を主体とする材料としては、Ｔｂ0.3Ｄｙ0.7Ｆｅ2.0（原子比）の組成を有する場合に磁歪値が大きいため、専らこの組成が採用されていた。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第３９４９３５１号公報
【特許文献２】米国特許第４１５２１７８号公報
【特許文献３】米国特許第４３０８４７４号公報
【特許文献４】米国特許第４３７５３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Ｔｂ0.3Ｄｙ0.7Ｆｅ2.0を材料に用いた場合と同様に、常温で大きな磁歪値を得ることのできるものとして、Ｓｍ−Ｆｅ系の材料がある。
従来、Ｓｍ−Ｆｅ系の材料を用いた磁歪素子は、原料合金を溶解し、その溶湯を凝固させることで形成されているが、凝固の過程でＦｅ3Ｓｍの包晶域を通過することから、一方向凝固によって結晶方位を揃えることができない。したがって、等方性の磁歪素子しか得ることができず、異方性を有した磁歪素子を得ることができないのが現状であった。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、Ｓｍ−Ｆｅ系をはじめとするＳｍおよび遷移金属元素を含む材料を用い、異方性を有した磁歪素子を得ることのできる磁歪素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的のもとになされた本発明の磁歪素子の製造方法は、原料粉末を磁場中成形して成形体を得た後、この成形体を焼結することで、ＳｍＦｅ2で示す組成を有する焼結体を得るというもので、これによって異方性を有した磁歪素子を製造することができる。ここで、上記組成においては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｇｄ、Ｂから選ばれる一種以上の元素を微量含むことができる。
このとき、原料粉末としては最終組成のものをそのまま用いることもできるが、磁歪素子の主相を形成する第一の合金と、第一の合金より融点の低い第二の合金を混合して得たものを原料粉末として用いるのが好ましい。これにより、焼成時には、低融点の第二の合金が先行して溶融し、液相を形成するので、焼結を促進することができる。これには、原料粉末は、第一の合金を７０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満含むようにするのが良い。
また、第一の合金の粉末粒径は、第二の合金の粉末粒径よりも大きいものとするのが良い。これにより、磁場中成形の際に、主相を構成する第一の合金の配向性が向上する。また、配向性を高めるには、第一の合金の粉末を、多結晶粒子ではなく、主に単結晶粒子から構成するのが良い。このため、第二の合金よりも大きな粒径を有した多結晶粒子を事前に熱処理することで、結晶を粒成長させて第二の合金よりも大きな粒径を有した単結晶粒子を得て、これを第一の合金の粉末として用いるのがよい。また、第二の合金を水素粉砕等の手段によって微細に粉砕するのも有効である。
【０００７】
成形体を得る工程では、原料粉末を、１７６０ｋＡ／ｍ以下の磁場中で配向させるのが好ましい。
このようなＳｍＦｅ2で示す組成を有する合金は、例えばＴｂ0.4Ｄｙ0.6Ｆｅ2.0の組成を有する合金に比較し、磁気異方性エネルギが低い。このため、同等の配向度を得るには、Ｔｂ0.4Ｄｙ0.6Ｆｅ2.0の組成を有する合金では８００ｋＡ／ｍで磁場中成形しているが、ＳｍＦｅ2で示す組成を有する合金の場合では１１４０ｋＡ／ｍ程度の高い磁場が必要となる。これに対し、上記のように、第一の合金の粉末粒径を、第二の合金の粉末粒径よりも大きいものとすることにより、成形体を得る工程では、原料粉末を、例えば７６０ｋＡ／ｍ程度といった、８００ｋＡ／ｍ以下の弱い磁場中で配向させることが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、Ｓｍおよび遷移金属元素を含む材料を用い、異方性を有した磁歪素子を得ることができる。さらに、粒径が大きな第一の合金と、低融点の第二の合金を原料として用いることで、磁場中成形の際の配向および焼結を効率よく行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本発明においては、Ｓｍおよび遷移金属元素を含む磁歪材料を用い、異方性を有した超磁歪材を粉末冶金法により作製する。
前記の磁歪材料において、Ｓｍは、その一部を、Ｙ、Ｎｄ、Ｔｂのうちの一種以上の元素に置換することができる。
また、遷移金属元素としては、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏから選ばれる一種以上の元素Ｔが好ましいが、特にＦｅが好ましい。したがって、磁歪材料としてはＳｍＦｅ系の材料を用いるのが好ましい。また、元素Ｔの一部を、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｇｄ、Ｂのうちの一種以上の元素Ｍに置換することができる。
さらに、ＳｍＦｅ系の材料を磁歪材料に用いる場合、ＳｍＦｅ2相とするのが好ましい。
【００１０】
このような磁歪材料は、粉砕、磁場中成形、焼結という過程を経ることで製造することができる。
このとき、磁歪材料は、目的組成のものをそのまま原料とし、これを粉砕しても良いが、本実施の形態においては、異なる組成の原料粉末を混合して超磁歪材を作製する特徴的な製造方法を採用している。
詳しくは、融点の異なる複数種の組成を有する原料粉末を用いる。このような原料粉末は、主相となる原料（以下、主相原料と適宜称する）の融点を、他の原料（以下、粒界相原料と適宜称する）の融点よりも高いものとする。すると、これら複数種の原料粉末を混合した後に焼結する過程で、昇温すると低融点側の粒界相原料が先に溶けて液相を形成し、これによって焼結が促進され、焼結密度を高めることができる。
このような条件を満足する原料粉末としては、主相原料としてＳｍＦｅ1.96（融点９００℃）の組成を有する合金の粉末を用い、粒界相原料としてＳｍ2Ｆｅ（融点７２５℃）の組成を有する合金の粉末を用いるのが好ましい。
【００１１】
また、主相原料を形成する合金粉末の粒子には、単結晶のものを用いるのが好ましい。結晶配向が高くなるからである。
さらに、主相原料を形成する合金粉末の粒径よりも、粒界相原料を形成する合金粉末の粒径を小さくするのが好ましい。主相原料を形成する合金粉末の粒径が小さすぎると、磁場中成形時に磁場が作用しても配向しにくく、また逆に粒径が大きすぎると、焼結密度が上がりにくく、信頼性が低くなるからである。
また、配向性を高めるには、主相原料を形成する合金粉末を、多結晶粒子ではなく、主に単結晶粒子から構成するのが良い。このため、粒界相原料を形成する合金粉末の粒径よりも大きな粒径を有した多結晶粒子を事前に熱処理することで、粒界相原料を形成する合金粉末よりも大きな粒径を有した単結晶粒子を得て、これを、主相原料を形成する合金粉末として用いるのがよい。
主相原料としてＳｍＦｅ1.96の組成を有する合金粉末を用いる場合、８５０〜９００℃で６〜４８ｈｒ熱処理し、平均粒径（Ｄ５０）を１２〜３０μｍの単結晶粒子とするのが好ましい。
【００１２】
一方、粒界相原料の合金粉末は、必要に応じ、水素を吸蔵させることにより、細かく粉砕するのが好ましい。粒界相原料の合金粉末粒子は、水素を吸蔵することで、水素化物を形成するか又は水素原子が結晶内に侵入して歪みが生じ、その結果、内部応力に耐えられなくなって割れ、細かく粉砕される。粒界相原料としてＳｍ2Ｆｅ（融点７２５℃）の組成を有する合金粉末を用いる場合、水素を吸蔵させて粉砕させることで、原料合金の状態で２０μｍ程度の平均粒径を有していたものを、５〜２０μｍの平均粒径とすることができる。
【００１３】
また、主相原料と粒界相原料の混合の割合は適宜決定することができるが、以下に従うことが好ましい。
主相原料の重量百分率をａとしたとき、主相原料は、好ましくは７０≦ａ＜１００、より好ましくは８０≦ａ≦９５とする。ａが小さすぎる場合、すなわち、磁場中成形において配向する主相原料の比率が低い場合、焼結後の結晶の配向度が低くなる。一方、ａが大きすぎる場合、主相原料の組成が最終組成に近いということであり、焼結密度を上げるために主相原料を用いる意味がなくなる。
【００１４】
主相原料、粒界相原料を秤量、混合して得られた磁歪材料は、続いて、粉砕処理することもできる。粉砕処理では、湿式ボールミル、アトライタ、アトマイザー等の粉砕機から適宜選択することができる。特に、アトマイザーが好ましい。衝撃と剪断を同時にかけることができ、粉体の凝集を防ぎ、かつ生産性が高いからである。また、粉砕時の雰囲気は、非酸化性雰囲気が良く、Ａｒガス等の不活性ガス又は真空中がよい。この粉砕後の平均粒径は、５〜２０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍとする。粒径が小さすぎると製造工程中で酸化が進行しやすく、磁歪特性を劣化させる。平均粒径が大きすぎると焼結が進みにくく、焼結密度が高くならず、開気孔が多くなる。
【００１５】
混合された磁歪材料は、焼結前に所望の形状に成形する。この成形は磁場中で行うことで、主に主相原料を一定方向に揃えて、焼結後の磁歪材料を［１１１］軸方向に配向させる。印加する磁場は、４８０〜１７６０ｋＡ／ｍ、好ましくは９６０〜１７６０ｋＡ／ｍがよい。磁場の方向は、圧力の方向に垂直でも、平行でもよい。成形圧力は、５０×１０6Ｐａ以上、好ましくは３００×１０6Ｐａ以上がよい。ここで、図１に示すように、式（１）：ＳｍＦｅ2で表される磁歪材料合金は、磁気異方性エネルギＲが、例えば、Ｔｂ0.4Ｄｙ0.6Ｆｅ2に比較して半分程度となっている。したがって、磁場中成形の際に、配向性の向上にはＴｂ0.4Ｄｙ0.6Ｆｅ2に比較して高い磁場が必要である。
【００１６】
磁場中成形で得られた成形体は焼結される。焼結条件は、８００〜９００℃で、好ましくは８５０〜８９０℃で、３〜４８時間行うことがよい。焼結の雰囲気は、非酸化性雰囲気が良く、Ａｒガス等の不活性ガス又は真空中がよい。
このようにして製造された磁歪材料は、式（１）：ＳｍＦｅ2で表される多結晶体であり、磁歪が最も大きくなる［１１１］軸方向に配向している。
【００１７】
このようにして、本発明の手法により、Ｓｍおよび遷移金属元素を含む磁歪材料を用い、異方性を有した超磁歪材を、粉末冶金法により作製することができる。
【実施例】
【００１８】
ここで、Ｓｍおよび遷移金属元素を含む磁歪材料を用い、粉末冶金法により異方性を有した超磁歪材を作製できることを確認したのでその結果を以下に示す。
まず、磁歪素子本体となる焼結体を、以下のようにして製造した。
まず、主相原料として、Ｓｍ、Ｆｅを秤量して、Ａｒガスの不活性雰囲気中で溶融し、ＳｍＦｅ1.96の組成を有する原料合金を製造した。そして、この原料合金を、８９０℃（安定時間１２ｈｒ）でアニールする熱処理を行って結晶の粒成長をさせた。得られた合金粉末を、目開き２ｍｍの篩に通し、２ｍｍ以上の粒径の粗粉を除去した。
粒界相原料として、Ｓｍ、Ｆｅを秤量して、Ａｒガスの不活性雰囲気中で溶融し、Ｓｍ2.0Ｆｅの組成を有する合金を製造した。この合金粉末を、水素雰囲気(濃度８０％)中、１５０℃（安定時間６ｈｒ）で熱処理し、約１８０００ｐｐｍの水素を吸蔵させることで、合金を粉砕し、平均粒径５μｍの粉砕粉を得た。この粉砕粉を、目開き２ｍｍの篩に通し、２ｍｍ以上の粒径の粗粉を除去した。
【００１９】
次いで、得られた主相原料、粒界相原料の合金粉末を秤量した後、混合処理し、さらにＡｒガス中でアトマイザーにより微粉砕し、組成をＳｍＦｅ1.875にした合金粉を得た。
得られた合金粉を型に入れ、４８０ｋＡ／ｍ（６ｋＯｅ）の磁場中で、８ｔｏｎ／ｃｍ2の成形圧で成形し、成形体を得た。このとき、合金粉を型に充填するに際しては、合金粉を、Ｎ2ガスを充填した配管内を通して移動させた。また、磁場は、圧力方向に対して垂直方向（いわゆる横磁場）に印加した。成形体の形状および寸法は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの立方体形状とした（実施例）。
また、比較のため、得られた合金粉を型に入れ、磁場を印加しない状態で、上記と同様に８ｔｏｎ／ｃｍ2の成形圧で成形し、同様の寸法、形状を有した成形体を得た（比較例１）。
【００２０】
得られた成形体を、焼結用容器に収めて炉中で昇温し、Ａｒガス雰囲気にて安定温度８９０℃、安定時間６ｈｒで焼成を行い、焼結体（磁歪素子本体）を得た。
【００２１】
さらに、比較のため、組成をＳｍＦｅ1.90とした原料合金を９００℃に加熱して溶解し、その溶湯を型に注入して凝固させることで、鋳造法により上記と同様の形状・サイズの磁歪素子を形成した。（比較例２）。
【００２２】
このようにして得られた実施例、比較例１、２において、磁気特性（磁歪値）を計測した。また、実施例、比較例１においては、焼結体密度も計測した。
ここで、磁歪値は、成形時に印加した磁場方向と平行な方向（Ｘ方向）に測定用磁場を印加したときと、成形時に印加した磁場方向と直交する方向（Ｙ方向）に測定用磁場を印加したときとで、それぞれ８０ｋＡ／ｍ（１ｋＯｅ）の測定用磁場を印加したときの焼結体の伸び量をストレインゲージで測定した。ここで、図２に示すように、焼結体の伸び量は、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれの測定用磁場を印加したときに、Ｘ方向、Ｙ方向で測定した。
その結果が、表１に示すものである。
【００２３】
【表１】
2006213985.tif 000002
【００２４】
比較例１と実施例を比較すると、表１に示すように、比較例１、２において、測定用磁場をＸ方向としたとき、測定用磁場に平行な方向の（Ｘ方向）伸び量は、それぞれ−２７５、−２６０であったのに対し、測定用磁場をＹ方向としたとき、測定用磁場に平行な方向（Ｙ方向）の伸び量は、−２４５、−２５０であった。
これに対し、実施例においては、測定用磁場をＸ方向としたとき、測定用磁場に平行な方向の（Ｘ方向）伸び量は、−４７５であったのに対し、測定用磁場をＹ方向としたとき、測定用磁場に平行な方向（Ｙ方向）の伸び量は、−２７５であり、比較例１、２に較べ、印加する磁場の方向によって磁歪値が大きく異なる、つまり異方性を有していることがわかる。
これにより、本発明によれば、異方性素子を得ることができることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ＳｍＦｅ2で表される磁歪材料合金と、Ｔｂ0.4Ｄｙ0.6Ｆｅ2で表される磁歪材料合金とで、磁気異方性エネルギを比較するための図である。
【図２】実施例において焼結体の異方性の有無を測定するための磁場印加方向、測定方向を示す図である。
【図１】
2006213985.tif 000003
【図２】
2006213985.tif 000004