(57)【要約】【課題】  高い飽和磁束密度及び透磁率を有する軟磁性板材による軟磁性ヨークを用いた電磁アクチュエータを提供すること。【解決手段】  本発明のＶＣＭは、軟磁性ヨーク１の中心部分の突出部分に可動部のボビン３を介在させてその上にコイル４を巻回すると共に、コイル４の外周を取り囲むようにパイプ状の永久磁石２を軟磁性ヨーク１の内壁周囲に配置して構成され、軟磁性ヨーク１には、合金組成が（Ｆｅ１−ａ−ｂＮｉａＣｏｂ）１００−ｘ−ｙ−ｚＭｘＴｙＢｚ［但し、０≦ａ≦０．３０，０≦ｂ≦０．３０，０≦ａ＋ｂ≦０．３０，１原子％≦ｘ≦５原子％、１原子％≦ｙ≦８原子％、１５原子％≦ｚ≦２５原子％、かつ２２≦（ｘ＋ｙ＋ｚ）≦３２、ＭはＺｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗから選ばれた１種以上、ＴはＡｌ，Ｓｉ，Ｃ，Ｐから選ばれた１種以上とする］で表わされる軟磁性金属ガラス板材を用いている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金組成式が（Ｆｅ１−ａ−ｂＮｉａＣｏｂ）１００−ｘ−ｙ−ｚＭｘＴｙＢｚ［但し、０≦ａ≦０．３０、０≦ｂ≦０、３０，０≦ａ＋ｂ≦０．３０、１原子％≦ｘ≦５原子％、１原子％≦ｙ≦８原子％、１５原子％≦ｚ≦２５原子％とし、且つ２２≦（ｘ＋ｙ＋ｚ）≦３２、ＭをＺｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗから選ばれた１種以上とし、ＴをＡｌ，Ｓｉ，Ｃ，Ｐから選ばれた１種以上とする］で表わされると共に、飽和磁束密度が１．２Ｔ以上であり、且つ比抵抗が１００μΩｃｍ以上の軟磁性金属ガラス板材を用いて成ることを特徴とする軟磁性ヨーク。
【請求項２】
請求項１記載の軟磁性ヨークにおいて、前記軟磁性金属ガラス板材は、最も厚い部分の板肉厚が少なくとも０．５ｍｍ以上であることを特徴とする軟磁性ヨーク。
【請求項３】
請求項１又は２記載の軟磁性ヨークを用いて成ることを特徴とする電磁アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として軟磁性板材による軟磁性ヨーク及びそれを用いた小型高精度の計測機器や位置決めステージに適用される電磁アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電磁アクチュエータの一例であるボイスコイルムービングリニアアクチュエータ（周知技術であるが、文献公知に係る発明でないものであり、以下はＶＣＭと略記する）は、電磁スピーカーの駆動部と同様の構造を有するリニア電磁アクチュエータとして知られており、動作原理上では磁場中を流れる電流が磁場から受けるローレンツ力を駆動力源とし、その駆動力によりコイル又は永久磁石の稼動部が運動するようになっている。
【０００３】
現行のＶＣＭにおいては、推進力を大きく確保するために大型のヨーク及び永久磁石を用いると共に、軽量化されたコイルを用いて構成されており、コイルへの通電量を大きくすることで大推力を得るようにしている。
【０００４】
ところで、最近のＶＣＭが搭載される家電製品や電子部品は小型化が顕著であり、更に年々進む半導体装置分野での微細技術等の影響によりナノレベルでの測定及び制御が必要とされており、ＶＣＭにおいても小型化，高速化，高精度化が必要視されている。
【０００５】
こうしたＶＣＭにおける特性向上にあっては、大推力を維持することが必須であるが、その推力はコイルに流れる通電電流Ｉと永久磁石及びヨークの隙間にあるギャップにおける磁束密度Ｂｇとの積に比例することが知られている。又、ギャップにおける磁束密度Ｂｇは、ＶＣＭの磁気回路中の磁気抵抗に関与しており、磁束密度Ｂｇを向上させるには磁気抵抗を下げる必要がある。更に、透磁率μは磁束の通り易さを示しているため、透磁率μを上げることにより磁気抵抗を下げることが可能となる。
【０００６】
一般に、ＶＣＭの磁気回路は、軟磁性板材を用いて成る軟磁性ヨークが大半を占有しており、軟磁性ヨークの透磁率を向上させることがＶＣＭの特性を向上させるためには必要となっており、又飽和磁束密度Ｂｓを高めることも推進力を向上させるためには必須である。
【０００７】
軟磁性ヨークの軟磁性板材としては、電磁軟鉄，珪素鋼，パーマロイ等が用いられているが、電磁軟鉄や珪素鋼の場合には飽和磁束密度Ｂｓが高い反面、透磁率μが低く、損失が大きいという欠点を持っており、珪素鋼の場合は渦電流損失を抑制すべく、一般的には２００μｍ程度の厚みしか確保できないという欠点があるし、パーマロイの場合は高い透磁率μを得るための合金組成とすると飽和磁束密度Ｂｓが非常に低くなってしまうという欠点がある。
【０００８】
その他の軟磁性ヨーク用の軟磁性板材として、フェライト，センダスト，アモルファス薄帯等を用いることも検討されているが、フェライトの場合には高周波特性に優れているものの、飽和磁束密度Ｂｓや透磁率μが低いという欠点があり、センダストの場合には飽和磁束密度Ｂｓが低い上、成型するのが困難であるという欠点があり、アモルファス薄帯の場合には透磁率μも高くて損失も低いことにより有望視できるが、僅か数１０μｍの厚みの薄帯しか得ることができないことによりヨーク材としての実用性が低いという難点がある。従って、アモルファスと同様な特性を有し、高密度に積層可能な軟磁性材料が軟磁性ヨーク材として望まれている。
【０００９】
そこで、最近では軟磁性ヨーク用の軟磁性板材として、飽和磁束密度Ｂｓ及び比抵抗の何れも高い磁性材料が得難いという問題を改善した軟磁性粉末が注目されている。即ち、軟磁性粉末として、金属ガラス粉末を用い、その粉末に絶縁材を混合した後、常温以上の温度で成形体を成形することにより、比較的良好な周波数特性を有して高透磁率な軟磁性材料を得るための技術に係る圧紛磁心及びその製造方法（特許文献１参照）が知られている。
【００１０】
ここで、一般に金属ガラスと総称される合金系は各種存在するが、軟磁性材料として使用されるのはＦｅ系合金に限定され、更にそれを大きく分類すれば、ＦｅＰＣＢＳｉＧａ系とＦｅＳｉＢＭ（Ｍは遷移金属）系とになる。特許文献１では、前者のＦｅＰＣＢＳｉＧａ系の合金を使用したものであり、その軟磁性材料によれば、高比抵抗及び高飽和磁束密度を達成できる良好な磁気特性が得られるようになっている。
【００１１】
因みに、後者のＦｅＳｉＢＭ系の合金組成を開示したもの（特許文献２，特許文献３参照）も知られており、更にその軟磁性材料を磁心に使用する旨を開示したもの（特許文献４参照）もある。
【特許文献１】特開２００１−１８９２１１号公報（要約）
【特許文献２】特開２００２−１９４５１４号公報（要約）
【特許文献３】特開平１１−１３１１９９号公報（要約）
【特許文献４】特開平１１−７４１１１号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した軟磁性ヨーク用の軟磁性板材として注目される軟磁性材料の場合、特許文献１に開示されたＦｅＰＣＢＳｉＧａ系のものでは、比較的良好な周波数特性を有して高透磁率な磁気特性が得られるが、ここではＧａ等の高価な金属を使用する必要があるため、材料自体がコスト高になって工業化の促進を阻害するという問題があり、又特許文献２や特許文献３に開示され、且つ特許文献４で磁心への適用が検討されているＦｅＳｉＢＭ系のものでは、材料自体の経済性に優れるという利点はあるが、高比抵抗及び高磁束密度を得るための手法が示されておらず（これはその合金系に適合した成形体の成形方法が見い出されていないことが原因と推定される）、現状ではヨーク用の軟磁性板材への適用が困難であるという問題がある。
【００１３】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、高い飽和磁束密度及び透磁率を有する軟磁性板材による軟磁性ヨーク及びそれを用いた電磁アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、合金組成式が（Ｆｅ１−ａ−ｂＮｉａＣｏｂ）１００−ｘ−ｙ−ｚＭｘＴｙＢｚ［但し、０≦ａ≦０．３０、０≦ｂ≦０、３０，０≦ａ＋ｂ≦０．３０、１原子％≦ｘ≦５原子％、１原子％≦ｙ≦８原子％、１５原子％≦ｚ≦２５原子％とし、且つ２２≦（ｘ＋ｙ＋ｚ）≦３２、ＭをＺｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗから選ばれた１種以上とし、ＴをＡｌ，Ｓｉ，Ｃ，Ｐから選ばれた１種以上とする］で表わされると共に、飽和磁束密度が１．２Ｔ以上であり、且つ比抵抗が１００μΩｃｍ以上の軟磁性金属ガラス板材を用いて成る軟磁性ヨークが得られる。
【００１５】
又、本発明によれば、上記軟磁性ヨークにおいて、軟磁性金属ガラス板材は、最も厚い部分の板肉厚が少なくとも０．５ｍｍ以上である軟磁性ヨークが得られる。
【００１６】
更に、本発明によれば、上記何れかの軟磁性ヨークを用いて成る電磁アクチュエータが得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の軟磁性ヨークは、高い飽和磁束密度及び透磁率を有する軟磁性金属ガラスを用いているので、軟磁性金属ガラスの組成を選定することにより軟磁性ヨーク用の軟磁性板材をその形状において任意なものとして作製することが可能であり、しかも磁気特性の優れたものとすることができるため、これを用いてＶＣＭ等の電磁アクチュエータを作製すれば、高推進力が得られる上、従来に無く小型化，高速化，高精度化が具現されるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明者等は、種々検討の結果、既知の高い飽和磁束密度Ｂｓと高い透磁率μとを有するＦｅ基アモルファス材料をバルク化する方法として、Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｐ等のメタロイド元素やＺｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆ等の重金属を多量に添加して金属ガラス組成を得る場合に発現される問題、即ち、バルク化できる反面、飽和磁束密度Ｂｓが劣化してしまうという問題を改良した技術であって、最近の文献［Ｍａｔ．Ｔｒａｎｓ．４３（２００２）ｐ７６６−７６９］に開示された高い飽和磁束密度Ｂｓを有しながら口径φ＝１．５ｍｍの金属ガラス棒材を作製した旨に着目し、各種の金属ガラス組成で板材を作製し、軟磁性ヨーク用の軟磁性板材としての適性を調べた。
【００１９】
こうした検討の結果、合金組成が（Ｆｅ１−ａ−ｂＮｉａＣｏｂ）１００−ｘ−ｙ−ｚＭｘＴｙＢｚ［但し、０≦ａ≦０．３０，０≦ｂ≦０．３０，０≦ａ＋ｂ≦０．３０，１原子％≦ｘ≦５原子％、１原子％≦ｙ≦８原子％、１５原子％≦ｚ≦２５原子％、かつ２２≦（ｘ＋ｙ＋ｚ）≦３２、ＭはＺｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗから選ばれた１種以上であり、ＴはＡｌ，Ｓｉ，Ｃ，Ｐから選ばれた１種以上とする］で表される軟磁性金属ガラス板材であれば、飽和磁束密度Ｂｓが１．２Ｔ以上であり、且つ比抵抗が１００μΩｃｍ以上となり、軟磁性ヨーク用の軟磁性板材として好適であることを見い出した。又、ここでの軟磁性金属ガラス板材は、最も厚い部分の板肉厚が少なくとも０．５ｍｍ以上であれば、これを積層した場合に軟磁性ヨーク用の軟磁性板材として、従来よりも安価に優れた磁気特性（高い飽和磁束密度Ｂｓ及び透磁率μ）を有する軟磁性ヨークを提供することができる。
【００２０】
ここでの軟磁性金属ガラス板材の合金組成について説明すれば、主成分であるＦｅは磁性を担う元素であり、高い飽和磁束密度Ｂｓを得るために必須である。このＦｅの一部は各々又は合計で０〜０．３の範囲でＮｉ，Ｃｏと置換することが可能であり、この置換成分がガラス形成性能を向上させる効果がある。特にＣｏは、同時に飽和磁束密度Ｂｓも改善する効果が期待される。これらＦｅ及びその置換元素の総量は、合金全体の６８原子％以上で７８％原子以下の範囲とするが、その理由は、６８原子％以上でないと磁心の飽和磁束密度Ｂｓが低過ぎて有用性が失われ、７８原子％以上であると結晶化することにより磁心の透磁率μとコアロスとが低下するためである。
【００２１】
Ｍ元素については、ガラス形成性能を向上させるために必要な遷移金属元素であり、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗから選ばれた１種以上とするが、Ｍ元素の含有量は１原子％以上で５原子％以下の範囲とする。その理由は、１原子％未満であればガラス形成性能が落ちて透磁率μとコアロスとが著しく劣化し、５原子％を超えると飽和磁束密度Ｂｓが低下し、有用性が失われるためである。Ｓｉ及びＢは、軟磁性金属ガラス粉末を作製するために必須の元素であり、Ｓｉは１原子％以上で８原子％以下の範囲とし、Ｂは１５原子％以上で２５原子％以下の範囲とする。その理由は、Ｓｉが１原子％未満であったり、或いは８原子％を超える場合やＢが１５原子％未満であったり、或いは２５原子％を超える場合には、何れもガラス形成性能が落ちて安定した軟磁性金属ガラス板材を作製することができないためである。尚、ここでＳｉは、Ａｌ，Ｐ，Ｃと置換することができる。
【００２２】
又、ここでの従来材よりも軟磁気特性が格段に高いＦｅ基軟磁性金属ガラス板材を用いて軟磁性ヨークを作製し、更にこの軟磁性ヨークを用いて電磁アクチュエータ作製すれば、小型でありながら十分に大きな推力を得ることができ、しかも高速化や高精度化を具現できる。
【００２３】
因みに、本文で称する「金属ガラス」とは、軟磁性金属ガラス板材による軟磁性ヨークの製品断面を通常のＸ線回折法で測定し、Ｘ線回折プロファイルを得たときにブロードなピークのみになる状態となるものを示している。又、ブロードなピーク以外の鋭いピークが存在する場合を「金属ガラスと結晶相との混相」と判断し、ブロードなピークが存在しない場合を「結晶相」と判断した。
【実施例】
【００２４】
以下は、幾つかの実施例並びに比較例を挙げ、本発明の軟磁性ヨーク及びそれを用いた電磁アクチュエータについて、製造工程を含めて具体的に説明する。
【００２５】
［実施例１〜１６（比較例１〜１３を含む）］
先ず、母合金作製工程として、Ｆｅ，Ｓｉ，Ｂ，Ｎｂの純金属材料を所定の組成になるように秤量し、高周波誘導加熱装置を用いて各種母合金試料を作製し、次にこれらの各種母合金試料を金型鋳造法により縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍの軟磁性ヨーク用の軟磁性板材として作製した。
【００２６】
そこで、得られた各種軟磁性板材について、ガラス化を確認するため、１ｍｍ角の試料片をＸ線回折法で測定して相の評価を行ったところ、表１に示すような結果となった。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
但し、表１では各種試料の組成比を示している他、Ｘ線回折法による測定において、自動Ｘ線回折装置（理学電機製：ＲＩＮＴ２０００）を用いてＣｕＫα、５０ｋＶ３０ｍＡ、２°／ｍｉｎ、４回積算測定の条件で詳細にＸ線回析（ＸＲＤ）の測定を行うことにより得られたＸＲＤパターンにおいて、ガラス相特有のブロードなピークしか検出されないものをガラス相とし、又結晶に起因する鋭いピークがブロードなピークと共に観察されたものを（ガラス＋結晶）相とし、ブロードなピークが見られず鋭いピークのみの場合を結晶相と判断した。又、表１では、飽和磁束密度Ｂｓ（／Ｔ），透磁率μについては、得られた各種軟磁性板材試料を内径φ＝８ｍｍ、外径φ＝１６ｍｍのリング形状に加工した後、熱処理温度５００℃で０．５時間熱処理して直流Ｂ−Ｈアナライザにより測定した数値も示している。尚、ガラス相が得られた組成の試料についてはＤＳＣによる熱分析として、ガラス遷移温度及び結晶化温度の測定を行い、全ての試料についてガラス化開始温度ΔＴｘが３０Ｋ以上であることを確認した。各種軟磁性板材試料についての比抵抗を４端子法で測定したところ、全ての試料について１００μΩｃｍ以上の値を示すことも確認した。
【００２９】
表１からは、先ずＸＲＤでガラス相が得られない試料（比較例１，３，４，５，６）については他のものとの比較で透磁率が低く、軟磁性ヨーク用の軟磁性板材（即ち、軟磁性ヨーク材）としての有用性が低いことが判る。次に、各合金組成と諸特性との関係について考察すれば、ＤＳＣの昇温速度は４０Ｋ／分（ｍｉｎ）であるが、実施例１，２，３と比較例１，２とを対比すると、Ｎｂ量が３〜６％のときにガラス相を有する軟磁性ヨーク材が得られることが判るが、比較例２のＮｂ６％の場合には飽和磁束密度Ｂｓが１．２Ｔ以下となって低くなってしまうことが判る。又、実施例３〜７と比較例３，４とを対比すると、Ｓｉ量が１〜８％のときにガラス相を有する軟磁性ヨーク材が得られることが判り、実施例８，９，１０と比較例５，６とを対比すると、Ｂ量が１５〜２５％のときにガラス相を有する軟磁性ヨーク材が得られることが判る。更に、実施例１１〜１６と比較例７，８とを対比すると、Ｆｅの一部をＮｉ，Ｃｏで置換することによりＮｂ１％でも軟磁性金属ガラスが得られていることが判る。但し、実施例１との比較において、置換量が０．３を超えると飽和磁束密度Ｂｓの改善効果が見られないことも判る。加えて、実施例１８〜２１に示される通り、Ｎｉ，Ｃｏは複合添加しても良いし、或いはＮｂの代わりにＴａ，Ｍｏを使用しても同様の効果が得られることが判る。
【００３０】
因みに、特許文献２に開示されたＦｅＮｉＣｏ系の軟磁性材の場合、Ｃｏが０．１〜０．４原子％，Ｎｉが０．１〜０．５原子％，残部Ｆｅ（但し、Ｃｏ，Ｎｉの総量を０．３５〜０．９原子％とする）とし、Ｓｉを０〜１０原子％，Ｂを１０〜２０原子％，Ｎｂを０〜５原子％含有させて成るもので、ガラス形成性能が高くて粒径０．６ｍｍ以下の合金粉末により高強度な口径１ｍｍ以下の棒を作製できるが、この場合の飽和磁束密度Ｂｓは１．０Ｔ以下であって低くなっており、特許文献３に開示されたＦｅＮｉＣｏ系の軟磁性材の場合、Ｃｏが０〜０．２９原子％，Ｎｉが０〜０．４３原子％，残部Ｆｅとし、Ｓｉを０〜５原子％，Ｂを１０〜２２原子％，Ｎｂを５〜２０原子％含有させて成るもので、この場合のガラス化開始温度ΔＴｘは６０Ｋであり、飽和磁束密度Ｂｓは１．０Ｔ以下であって低くなっていることにより、何れも軟磁性ヨーク用の軟磁性板材として不向きである。
【００３１】
［実施例２２，２３（比較例９，１０を含む）］
ここでは、所定の組成の軟磁性板材を軟磁性ヨークとしてそれぞれ用いた上で各種試料に係るＶＣＭを組立て、これらのＶＣＭにおける推進力をフォースゲージにより測定したところ、表２に示すような結果となった。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
但し、表２では各種試料のヨーク材合金組成（原子量比）を示している他、各種試料に係る評価用ＶＣＭの基本構造を図１に示されるように、軟磁性ヨーク１の中心部分の突出部分に可動部のボビン３を介在させてその上にコイル４を巻回数１４７ターンで巻回して通電量１Ａ仕様とすると共に、コイル４の外周を取り囲むようにパイプ状のＳｍ−Ｃｏ磁石による永久磁石２を軟磁性ヨーク１の内壁周囲に配置して構成している。
【００３４】
表２からは、軟磁性板材として従来品に相当する電磁軟鉄，パーマロイによる比較例９，１０のＶＣＭと、軟磁性金属ガラス板材としてＦｅ７３Ｓｉ４Ｂ２０Ｎｂ３，（Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２）７４Ｓｉ４Ｂ２０Ｎｂ２の金属ガラス単相を用いた実施例２２，２３のＶＣＭとにおける推進力を対比すれば、実施例２２，２３の評価用ＶＣＭの方が格段に優れた推進力を得られることが判る。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の軟磁性ヨークは、優れた磁気特性（高い飽和磁束密度及び透磁率）を有する軟磁性金属ガラス板材を用いており、これを用いて作製される電磁アクチュエータも高推進力であって、小型化，高速化，高精度化が具現されるため、各種分野での適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明並びに比較例に係る軟磁性ヨークを用いた電磁アクチュエータの一例である評価用ＶＣＭの基本構造を示した側面断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  軟磁性ヨーク
２  永久磁石
３  ボビン
４  コイル
【図１】
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