(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半硬質磁性粉末または硬質磁性粉末から製造された磁性物品であって、１〜100 Oeの磁界の範囲および１〜40 MHzの周波数の範囲にわたって直線的なＢ-Ｈ特性を有し、前記粉末は、Fe、CoおよびNdを含む磁性元素を含有する塩溶液をホウ化水素によって還元することによって製造され、このとき10原子％以下のFeはNiによって置換することができ、NdはPrおよび/またはSmによって置換することができる、磁性物品。
【請求項２】
前記塩溶液はFeSO4 、CoCl2 、およびNdCl2 を含む、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項３】
前記粉末はFe-Nd-B、Fe-Co-BおよびFe-Bの元素の組み合わせのうちの少なくとも一つからなり、このときFeは10原子％以下のNiによって置換することができ、NdはSmまたはPrによって置換することができる、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項４】
前記粉末は35 emu/gを越える飽和磁化と20 Oeを越える保磁力を有する、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項５】
前記粉末は非晶質構造を有する、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項６】
前記粉末は非晶質構造と結晶質構造を有する粉末の混合物を含む、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項７】
前記粉末は結晶質構造を有する、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項８】
前記製造はエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、高性能ポリマー、またはこれらの混成物を用いて行われる、請求項１に記載の磁性物品。
【請求項９】
前記直線的なＢ-Ｈ特性は20〜100 Oeの範囲の加えられた磁界を適用している間に存在する、請求項１に記載の磁性物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサー、変圧器、電気チョーク、磁気誘導子などにおいて用いるための磁性部材に関し、特に加えられた磁界に対して直線的な磁化を示す磁性物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性材料が外部磁界Ｈによって磁化されるとき、磁気分極すなわち磁気誘導が材料内に生じる。磁気誘導の量は磁束密度（一般にＢと表示される）として測定される。直線的なＢ-Ｈ特性は一般に、磁化容易軸が励磁の方向に対して直角であるような軟磁性材料において得られる。そのような材料においては、外部磁界Ｈは磁束Ｂの平均の方向に傾く傾向があり、従って測定されるＢの量はＨに比例する。理想的な直線的なＢ-Ｈ応答性は容易には得られないので、大部分の磁性材料は非直線的なＢ-Ｈ挙動を示す。理想的なＢ-Ｈ直線性からのいかなる偏向も、外部から加えられる磁界Ｈに対する磁気応答性における対応する偏向をもたらす。
【０００３】
直線的なＢ-Ｈ特性を示す磁性材料の典型的な例は、イソパーム（Isoperm）と呼ばれる冷間圧延した50％Fe-Ni合金である。アモルファス磁性合金の中では、熱処理されたCo富化合金が直線的なＢ-Ｈ特性を与えることで知られていて、それらは現行の変圧器における磁性コア材料として現在用いられている。Co富化アモルファス合金は一般に、約10kGすなわち１テスラよりも小さい飽和磁束密度（saturation induction）を有し、このことが加えられ得る最大磁界のレベルを限定する。適切に熱処理されたとき、直線的なＢ-Ｈ挙動を示す鉄系アモルファス合金が、最近の開発によってもたらされた。そのような鉄系アモルファス合金およびその熱処理は、米国特許出願10/071990号によって開示されている。この鉄系材料は10kGすなわち１テスラを超える飽和磁束密度を示し、それによって直線的なＢ-Ｈ挙動の用途は、いっそう高い励磁領域に拡大されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
広い適用領域において操作される磁性デバイスの必要性に対処するために、さらに高い磁界へのＢ-Ｈ直線挙動のさらなる拡大が必要とされる。これらの必要性は常に増大しつつある電流から生じ、それは電力デバイスや動力用エレクトロニクスにおいて制御され、あるいはモニターされる必要がある。センサーの場合には、高い領域での感応性は、現行のデバイスの電流の上限を拡大するであろう。直線的なＢ-Ｈ挙動を有する磁性材料が、いっそう広い励磁領域にさらされるデバイスによって必要とされていることは明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、直線的なＢＨループと低い磁気損失を兼ね備えた磁性物品を提供する。パルス変圧器において用いるとき、この磁性物品の増大したＢ-Ｈ直線領域は変圧器における大きなＤＣ成分を埋め合わせることを可能にする。この磁性物品を帯域フィルター回路において用いるとき、回路の周波数安定性は著しく改善される。
【０００６】
また本発明は、直線的なＢＨループと低い磁気損失を兼ね備えた磁性物品を製作する方法を提供する。この磁性物品は大きな保磁力Ｈｃを有する磁性粉末からなる。そのような磁性粉末は、非磁性結合剤を用いて所望の寸法と形状を有する最終物品に固化される。本明細書において、粉末の保磁力Ｈｃは、選択した磁性粉末のＢＨループの幅の１/２の値として定義される。この物品は、可能な限り広い磁界の下で作動することが可能であるべきである。従って、高い保磁力を有する粉末が望まれる。本発明で用いるのに適した磁性粉末は半硬質から硬質な粉末の範囲にわたる。それらには希土類遷移金属系の磁石が含まれる。本発明の方法に従って製造される物品は、磁界に対して直線的なＢ-Ｈ応答性が要求されるデバイスにおいて用いるのに特に適していて、そのようなデバイスとは例えば電流-パルス変圧器、大電流を流す誘導子、安定な帯域フィルターである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
磁性材料に磁気ギャップが導入されることによって、ＢＨループの形が剪断（shear）される傾向が生じ、そのことにより、しばしば直線的なＢ-Ｈループが生じる。この磁気ギャップは、固められた磁性粉末製品中の非磁性結合剤によって与えることができる。以下で詳細に説明する図２と図３は、この方法で製造された従来のコアと本発明に従って製造されるコアを対比するものである。
【０００８】
本発明で用いるのに適した磁性粉末は、Fe、CoおよびNdを含む磁性元素を含有する塩溶液から製造することができ、このときFeは約10原子％以下のNiで任意に置換され、NdはPrおよび/またはSmによって任意に置換される。次いで、磁性粉末はエポキシ樹脂を用いて固化され、そして本発明の磁性コアに製造される。固化は、任意に、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、高性能ポリマー、およびこれらの混成物のような他のポリマーを用いて行われる。このようにして製造された磁性コアは、直線的なＢ-Ｈ磁気応答性を示す。
【０００９】
実施例１の試料Ｃについての典型的なＢ-Ｈループを図１に示す。このＢ-Ｈループは直線的なＢ-Ｈ挙動を示し、約14のＤＣ透磁率を有する。図２は、試料Ｃと、同様に約14のＤＣ透磁率を有するモリブデンパーマロイ粉末からなる従来のコアについて、［透磁率］対［ＤＣバイアス曲線］を比較したものである。図２から、本発明のコアの透磁率は100 Oe付近のＤＣバイアスのレベルまで変化せず、一方、従来のコアの透磁率は約10 Oe以上のＤＣバイアス磁界強度において顕著に減少し始めることが、明らかである。ＤＣバイアス磁界強度の関数としての一定の透磁率の上限は、用いられる磁性粉末の保磁力Ｈｃに伴って増大する。適度に広い範囲の加えられた磁界についてＢ-Ｈ直線性を得るためには、粉末の保磁力は約20 Oeを越えることが望ましい。より高い飽和磁化すなわち約35 emu/gを越える飽和磁化を有する粉末も望ましい。というのは、そのような粉末は直線的なＢ-Ｈ挙動を拡大するからである。励磁周波数が10 MHzの領域を越えるまで上昇したとき、図１に示すコアの直線的なＢ-Ｈ挙動は変化しなかった。
【００１０】
図３は、従来のコアと本発明に従って製造されたコアについて、コアの透磁率の周波数依存性を比較したものである。従来の磁性物品についてのデータは10 MHzの範囲までである。本発明の磁性物品の透磁率は40 MHzまで変化せず、この値は用いられる装置の上限である。これらの態様は、本発明のコアによれば従来の磁性物品を上回るかなりの優位性が与えられることを例証する。従来のコアと比較して、本発明の磁性物品は誘導子のコアにおいて大きな電流に適応することができる。本発明に従って製造された誘導子は10 MHzの励磁周波数を上回る領域で良好に作動するが、この領域において従来の物品はその有効性を失う。従って、本発明の磁性物品におけるこれらの態様の存在により、それらは、電力デバイスにおける誘導子、動力用エレクトロニクス、センサー、高性能の帯域フィルターのような多種の磁性デバイスに適用可能となる。
【００１１】
本発明がより完全に理解されるように、以下の実施例を提示する。本発明の理論と実際を説明するために提示される特定の方法、条件、材料、割合および報告データは例示のものであり、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【実施例】
【００１２】
実施例１
Fe-Co系粉末コア
コア試料Ａ、ＢおよびＣを製造するために用いられた粉末は、100％FeSO4の塩溶液、65％FeSO4 /35％CoCl2の塩溶液および50％FeSO4 /50％CoCl2の塩溶液のそれぞれをホウ化水素（borohydride）を用いて還元することによって製造された。次いで、粉末をエポキシ樹脂を用いてリング状の磁性物品に加工した。このリング状のコアは、ＯＤ＝25.5mm、ＩＤ＝13.0mm、高さ＝1.3mmの寸法を有していた。粉末と得られた磁性コアの特性を下の表１に示す。
【００１３】
【表１】
0004832294.tif 000002
【００１４】
試料Ａ、ＢおよびＣの各々は100 Oeまで直線的なＢ-Ｈ挙動を示し、この値はこの実施例で採用されたコアコイル部材についての上限である。
表１におけるコアの透磁率は、用いられたインダクタンスブリッジの上限の周波数（40 MHz）まで変化しない。
【００１５】
実施例２
Fe-Nd-B系粉末コア
コア試料ＤおよびＥを製造するために用いられた粉末は、85％/15％のFeSO4 /NdCl2の塩溶液および72％/28％のFeSO4/NdCl2の塩溶液からそれぞれ製造された。次いで、その粉末をエポキシ樹脂を用いてリング状の磁性物品に固めた。このリング状のコアは、ＯＤ＝24.2mm、ＩＤ＝12.0mm、高さ＝1.5mmの寸法を有していた。粉末と得られた磁性コアの特性を下の表２に示す。
【００１６】
【表２】
0004832294.tif 000003
【００１７】
コア試料ＤおよびＥの両者は約80 Oeの加えられた磁界まで直線的なＢ-Ｈ挙動を示し、この値はこの実施例で採用されたコアコイル部材についての上限である。
表２におけるコアの透磁率は、用いられたインダクタンスブリッジの上限の周波数（40 MHz）まで変化しない。
【００１８】
実施例３
試料の調製
Fe-Co-BおよびFe-Nd-B合金のナノ粒子が、金属塩の水溶液を化学的に還元することによって製造された。Fe-Co-B粉末について、必要な量の金属塩（FeSO4およびCoCl2）を400mLの蒸留水に添加することによって、0.1Ｍの塩溶液が調製された。様々な組成の粉末を製造するために、溶液において用いられたFeSO4とCoCl2の量を、50/50から100/０のFe/Co割合の範囲で変化させた。Fe-Nd-B粉末について、Fe/Nd割合が72/28および85/15の250mLの塩溶液を、FeSO4 およびNdCl2を用いて調製した。250mLの蒸留水に3.78ｇのNaBH4を溶解することによって、0.4Ｍのホウ化水素溶液が調製され、次いで、この溶液を塩溶液に約30分間にわたって滴下して添加した。ホウ化水素溶液を添加する間、磁気撹拌板と撹拌棒を用いて撹拌を続けた。
【００１９】
Fe-Co溶液にホウ化水素溶液を添加するとすぐに、黒い沈殿物が短時間で形成された。しかし、Fe-Nd溶液においては沈殿物の形成はずっと遅く、微細な沈殿物の形成が始まるのに20mLのホウ化水素溶液を必要とした。反応が完了した後、粉末を水で洗浄し、次いでアセトンで洗浄し、次いで真空中で24時間乾燥した。乾燥した後、不動態化した粉末を減圧デシケーターの中に貯蔵して、さらなる酸素への暴露を最少にした。典型的な粉末の収量は約３グラムであった。
【００２０】
選択したFe-Co-BおよびFe-Nd-B粉末を用い、約１グラムの粉末に所望の量のエポキシ樹脂を添加することによって、複合リングを製造した。次いで、スラリーを形成するためにアセトンを添加し、スラリーを激しく撹拌することによって粉末の全体にポリマーが均一に分布するようにした。乾燥した後、ポリマーで被覆された粉末を圧縮モールドの中で22MPaで冷間圧縮し、次いでポリマーを121℃で３時間硬化することによって、外径が約25mmで内径が約12.5mmのリングが製造された。このエポキシ/粉末のナノ複合体は約80重量％の粉末含有量を有していた。
【００２１】
磁気測定
実施例３に従って製造された磁性粉末の固有の磁気特性を、慣用の振動試料磁気計を用いて測定した。これらの測定によって得られた飽和磁化と保磁力のデータを表１と表２に示す。
【００２２】
実施例３に従って製造されたリング型の磁性物品を、慣用のＢ-Ｈヒステリシスグラフにおいて試験を行って、Ｂ-Ｈ特性を得た。図１は一つのそのような例を与える。このリング型のコアについてＤＣバイアス磁界強度の関数として透磁率（これはＢ/Ｈとして定義される）が測定された。図２は、本発明のコアと従来のコアについての［透磁率］対［ＤＣバイアス磁界強度］を示す。これらのコアは両者とも、ゼロのバイアス磁界強度において約14のＤＣ透磁率を有する。
インダクタンスブリッジを用いることによって、40 MHzまでの励磁周波数に対する透磁率を測定した。図３は一つのそのような例を示す。
【００２３】
Ｘ線測定と熱測定
慣用のＸ線回折計を用いて粉末材料の原子構造を測定した。その結果、実施例３の教示に従って製造された粉末は主として非晶質であり、一方、試料Ａの粉末は多少の結晶性を有していた。差動走査熱量計を用いてＸ線測定の結果を確認した。その結果、試料Ａ、ＢおよびＣの粉末については約480℃で主要な結晶化が生じ、試料ＤおよびＥの粉末については625℃で主要な結晶化が生じることが示された。
【００２４】
本発明をかなり詳細に説明してきたが、そのような詳細には厳密に固執する必要はなく、様々な変更と修正が当業者に示唆されていることが理解され、そのようなものの全てが特許請求の範囲によって定義づけられる本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明のトロイド型（ドーナツ型）の磁性リングのＢ-Ｈ磁気応答性を示すグラフである。
【図２】図１のリング型のコアとモリブデンパーマロイ粉末からなる従来のコアについて［透磁率］対［ＤＣバイアス曲線］を比較したグラフである。
【図３】図２のリング型のコアとモリブデンパーマロイ粉末系のコアについて［透磁率］対［周波数］を比較したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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