(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類と鉄を主成分とするラーベス相超磁歪材料部と絶縁材料部を有する一体型超磁歪素子であって、超磁歪材料部と絶縁材料部との接合部において両部の構成元素が相互に拡散して接合されており、絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に配置していることを特徴とする超磁歪素子。
【請求項２】
請求項１に記載の超磁歪素子において、絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ複数配置していることを特徴とする超磁歪素子。
【請求項３】
請求項１に記載の超磁歪素子において、絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ格子型に配置していることを特徴とする超磁歪素子。
【請求項４】
希土類と鉄を主成分とするラーベス相超磁歪材料部と絶縁材料部を有する一体型超磁歪素子であって、超磁歪材料部と絶縁材料部との接合部において両部の構成元素が相互に拡散して接合されている超磁歪素子、又は更に絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に配置している超磁歪素子、又は更に絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ複数配置している超磁歪素子、又は更に絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ格子型に配置している超磁歪素子の製造方法であって、１）超磁歪材料と絶縁材料をそれぞれ成形型に装填する工程と、２）加圧・成形する工程と、３）焼成する工程を少なくとも経て超磁歪素子を製造することを特徴とする超磁歪素子の製造方法。
【請求項５】
絶縁材料が樹脂系の絶縁材料であり、請求項４に記載の３）の工程において、焼成時間を１〜３０分とすることを特徴とする超磁歪素子の製造方法。
【請求項６】
請求項４に記載の２）および／または３）の工程において、圧粉体を加圧しながら通電し、内部にプラズマを発生させて焼成することを特徴とする超磁歪素子の製造方法。
【請求項７】
請求項４に記載の２）および／または３）の工程において、圧粉体を加圧しながら加熱して焼成することを特徴とする超磁歪素子の製造方法。
【請求項８】
請求項４に記載の１）の工程において、粉末形態の超磁歪材料と粉末形態の絶縁材料を用いることを特徴とする超磁歪素子の製造方法。
【請求項９】
請求項４に記載の１）の工程において、粉末形態の超磁歪材料と固体形態の絶縁材料を用いることを特徴とする超磁歪素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪材料に関し、とくに、外部磁界を作用させたときに長さが変化する超磁歪素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁性体に外部磁界を作用させると、磁性体に伸びあるいは縮みを発生する磁歪現象は、例えば、変位制御用あるいは駆動用アクチュエータ、超音波発生用磁歪振動子、超音波遅延線、超音波濾波器、可変周波数共振器、各種センサ等に応用されている。
【０００３】
磁歪材料には、低磁界強度での高い磁歪量、あるいは、高い材質強度等が目的・用途などに応じて求められ、耐食性に優れていることも必要である。
【０００４】
従来知られている磁歪材料で常温での飽和磁歪量が大きいものとしては、Ｔｂ，Ｄｙ，ＳｍとＦｅを主成分とした金属間化合物があり、上記の低磁界強度での高い磁歪量，高い材質強度，温度特性の改善等が検討され、多数の希土類（Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｅｕ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔｍ）およびその他の元素（Ｍｎ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｂ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｃｏ）による添加，置換が方策として挙げられている。これらの磁歪材料は、主成分がＲＦｅ２ラーベス型金属間化合物と呼ばれるＦｅと希土類元素Ｒとの金属間化合物であり、超磁歪材料と呼ばれている。
【０００５】
これらの超磁歪材料をアクチュエータなどに使用する場合において、その動作周波数を確保するためには、一旦製造された磁歪ロッド（ブロック）を厚さ数ｍｍ以下程度に切断し、その後接着するという手法を用いて、磁歪内部に発生する渦電流損失を軽減することにより高周波の動作を可能としていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、切断・接着に要する製造コストが大きく、切断時の磁歪ロッドの破損やひび割れが度々発生し、歩留りを低下させるだけではなく、接着して得られた磁歪素子の機械的強度や信頼性は実使用のデバイスとしては十分に満足のいくレベルには至らなかった。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の課題にかんがみてなれたものであって、動作可能な周波数を大きく高めたものとして高周波での動作を可能にすると共に、機械的強度が大で信頼性の高い超磁歪素子を容易な手法によって低コストで得ることができるようにすることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような本発明の目的は、個別の超磁歪材料と絶縁材料を同時に成形・焼成して焼結することによって得られた超磁歪素子とすることにより達成される。
【０００９】
すなわち、本発明に係わる超磁歪素子は、請求項１に記載しているように、希土類と鉄を主成分とするラーベス相超磁歪材料部と絶縁材料部を有する一体型超磁歪素子であって、超磁歪材料部と絶縁材料部との接合部において両部の構成元素が相互に拡散して接合されており、絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に配置しているものとしたことを特徴としている。
【００１１】
そして、本発明に係わる超磁歪素子の実施態様にあっては、請求項２に記載しているように、請求項１に記載の超磁歪素子において、絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ複数が並列型に配置しているものとしたことを特徴としている。
【００１２】
同じく、本発明に係わる超磁歪素子の実施態様にあっては、請求項３に記載しているように、請求項１に記載の超磁歪素子において、絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ複数が格子型に配置しているものとしたことを特徴としている。
【００１３】
本発明に係わる超磁歪素子の製造方法は、請求項４に記載しているように、希土類と鉄を主成分とするラーベス相超磁歪材料部と絶縁材料部を有する一体型超磁歪素子であって、超磁歪材料部と絶縁材料部との接合部において両部の構成元素が相互に拡散して接合されている超磁歪素子、又は更に絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に配置している超磁歪素子、又は更に絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ複数配置している超磁歪素子、又は更に絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ格子型に配置している超磁歪素子の製造方法であって、１）超磁歪材料と絶縁材料をそれぞれ成形型に装填する工程と、２）加圧・成形する工程と、３）焼成する工程を少なくとも経て超磁歪素子を製造するようにしたことを特徴としている。
【００１４】
そして、本発明に係わる超磁歪素子の製造方法の実施態様にあっては、請求項５に記載しているように、絶縁材料が樹脂系の絶縁材料であり、請求項４に記載の３）の工程において、焼成時間を１〜３０分とするようにしたことを特徴としている。
【００１５】
同じく、本発明に係わる超磁歪素子の製造方法の実施態様にあっては、請求項６に記載しているように、請求項４に記載の２）および／または３）の工程において、圧粉体を加圧しながら通電し（この場合、成形型として必要に応じて導電性の金型を使用）、内部にプラズマを発生させて焼成するプラズマ焼結とするようにしたことを特徴としている。
【００１６】
同じく、本発明に係わる超磁歪素子の製造方法の実施態様にあっては、請求項７に記載しているように、請求項４に記載の２）および／または３）の工程において、圧粉体を加圧しながら加熱して焼成するホットプレス焼結とするようにしたことを特徴としている。
【００１７】
同じく、本発明に係わる超磁歪素子の製造方法の実施態様にあっては、請求項８に記載しているように、請求項４に記載の１）の工程において、粉末形態の超磁歪材料と粉末形態の絶縁材料を用いるようにしたことを特徴としている。
【００１８】
同じく、本発明に係わる超磁歪素子の製造方法の実施態様にあっては、請求項９に記載しているように、請求項４に記載の１）の工程において、粉末形態の超磁歪材料と固体形態の絶縁材料を用いるようにしたことを特徴としている。
【００１９】
【発明の作用】
本発明の超磁歪素子は、独立した個別の超磁歪材料と絶縁材料を同時に成形・焼成して焼結することにより、超磁歪材料中の絶縁材料が渦電流を低減して、超磁歪素子の高周波での動作を可能とするとともに、磁歪材料と絶縁材料の接触面は焼結処理により相互に成分が拡散して接合されているため機械的強度が著しく向上したものとなり、信頼性の高い超磁歪素子が得られることとなる。加えて、超磁歪材料と絶縁材料の収縮率の違いにより、得られた素子内の超磁歪材料部は拡散接合している絶縁部から応力をうけており、応力によって磁歪量が増大する。さらに加えて、従来採用している磁歪素子（ブロック）の切断，接着工程を省略できるため、製造コストは大幅に低減されることとなる。
【００２０】
以下、本発明の具体的構成についてその作用と共にさらに詳細に説明する。
【００２１】
本発明の超磁歪材料は、主成分として公知のＲ−Ｆｅ２系ラーベス相（Ｒは希土類元素の１種または２種以上）の超磁歪合金であり、必要に応じて各種元素を添加したものである。
【００２２】
超磁歪素子の高周波動作時の渦電流を低減するためには、素子内部に絶縁部分を設ける必要があり、本発明では独立した個別の超磁歪材料と絶縁材料を同時に成形・焼結して、高周波での動作が可能な高周波特性に優れた超磁歪素子を得るものである。
【００２３】
この場合、超磁歪材料と絶縁材料は同時に焼結されるため、接触面において互いの構成元素が相互に拡散して接合されるので、機械的強度が従来の切断・接着構造のものに比べて著しく向上する。この絶縁材料としては特に制限はないが、ガラス系または樹脂系材料が実用的であり、コスト面では樹脂系の絶縁材料が有効である。
【００２４】
樹脂系の絶縁材料を拡散接合するための焼結は、一般的な１時間を超える焼結条件では拡散による樹脂の破損（拡散し過ぎにより、絶縁効果が無くなる状態）が生じるため、焼結時間を３０分以内に限定することが望ましい。そして、このような短時間での焼結により、超磁歪材料の焼結密度を真密度近くまで向上させるためには、プラズマ焼結やホットプレス焼結が有効である。
【００２５】
このうち、プラズマ焼結の製造条件は、上記の焼成時間以外に制限はないが、通常、プレス圧力：１００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ２程度，真空度：１０−１〜１０−４Ｔｏｒｒオーダー，焼結時の最高温度：８５０〜１０５０℃，通電電流：１５００〜５０００Ａ程度とするのが好ましく、成形型の全体を導電性の金型からなるものとしたり、型の内面のみを導電性とした成形型からなるものを用いたりして内部にプラズマを発生させるようにすることが望ましい。
【００２６】
また、ホットプレス焼結の製造条件も同様に、プレス圧力：１００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ２程度，真空度：１０−１〜１０−４Ｔｏｒｒオーダー，焼結時の最高温度：６００〜９００℃程度とするのが好ましい。
【００２７】
超磁歪材料と絶縁材料の形態は、それぞれに固体形態と粉末形態とがあるので、それぞれのメリットを考慮して適宜選択することが望ましい。そして、粉末形態同士の場合は、成形に用いる成形型の上下方向に超磁歪材料と絶縁材料を層状に重ねて素子を形成する場合に有効である。他方、粉末形態の超磁歪材料と固体形態の絶縁材料の場合は、成形に用いる成形型に対して鉛直方向に絶縁層を設ける場合に有効である。また、この場合は、固体の絶縁材料を平板ないしはシート形状をなすものとして、得られた素子を動作させる際の磁界印加方向に平行に絶縁材料を設けることによって、磁界に垂直方向の渦電流を遮断する作用・効果が大きいものとなる。そして、この磁界印加方向に平行に設けられた絶縁材料は必要に応じて複数枚設置するか、あるいは、格子状の絶縁材料を設けることによって、渦電流の遮断効果がさらに向上するものとなる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明による超磁歪素子では、請求項１に記載しているように、希土類と鉄を主成分とするラーベス相超磁歪材料部と絶縁材料部を有する一体型超磁歪素子であって、超磁歪材料部と絶縁材料部との接合部において両部の構成元素が相互に拡散して接合されており、絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に配置しているものとしたから、磁界に垂直方向の渦電流を遮断する作用を大きなものとし、動作可能な周波数を大きく高めたものとすることができて高周波での動作を可能にすると共に、機械的強度が大で信頼性の高い超磁歪素子を提供することが可能であるという著しく優れた効果と、さらに絶縁材料部から超磁歪材料部に付与される応力により磁歪量が増大する効果がもたらされる。
【００３０】
また、請求項２に記載しているように、請求項１に記載の超磁歪素子において、絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ複数配置しているものとすることによって、磁界に垂直方向の渦電流を遮断する作用をより大きなものとすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３１】
そしてまた、請求項３に記載しているように、請求項１に記載の超磁歪素子において、絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ格子型に配置しているものとすることによって、磁界に垂直方向の渦電流を遮断する作用をより大きなものとすることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３２】
本発明による超磁歪素子の製造方法では、請求項４に記載しているように、希土類と鉄を主成分とするラーベス相超磁歪材料部と絶縁材料部を有する一体型超磁歪素子であって、超磁歪材料部と絶縁材料部との接合部において両部の構成元素が相互に拡散して接合されている超磁歪素子、又は更に絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に配置している超磁歪素子、又は更に絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ複数配置している超磁歪素子、又は更に絶縁材料が平板ないしはシート形状をなし、素子動作時の磁界印加方向に対して平行に且つ格子型に配置している超磁歪素子の製造方法であって、１）超磁歪材料と絶縁材料をそれぞれ成形型に装填する工程と、２）加圧・成形する工程と、３）焼成する工程を少なくとも経て超磁歪素子を製造するようにしたから、動作可能な周波数を大きく高めた高周波での動作を可能とする超磁歪素子を製造することが可能であり、従来のようなブロック材を切断したのち接着する工程を採用するものではないため機械的強度が大で信頼性の高い超磁歪素子を容易な手法によって低コストで製造することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３３】
そして、請求項５に記載しているように、絶縁材料が樹脂系の絶縁材料であり、請求項４に記載の３）の工程において、焼成時間を１〜３０分とするようになすことによって、絶縁材料としてガラス系のものを用いる場合に比べてコスト的に有利なものとすることができ、また、焼結時間を３０分以内とすることによって拡散による樹脂の破損（絶縁作用の低減）を防止することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３４】
また、請求項６に記載しているように、請求項４に記載の２）および／または３）の工程において、圧粉体を加圧しながら通電し、内部にプラズマを発生させて焼成するプラズマ焼結とすることによって、短時間での焼結により超磁歪材料の焼結密度を真密度近くにまで向上させることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３５】
同様に、請求項７に記載しているように、請求項４に記載の２）および／または３）の工程において、圧粉体を加圧しながら加熱して焼成するホットプレス焼結とすることによっても、短時間での焼結により超磁歪材料の焼結密度を真密度近くにまで向上させることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３６】
また、請求項８に記載しているように、請求項４に記載の１）の工程において、粉末形態の超磁歪材料と粉末形態の絶縁材料を用いることによって、成形に用いる成形型の上下方向に粉末形態の超磁歪材料と同じく粉末形態の絶縁材料とを層状に重ねて素子を形成する場合に有効であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３７】
あるいはまた、請求項９に記載しているように、請求項４に記載の１）の工程において、粉末形態の超磁歪材料と固体形態の絶縁材料を用いることによって、成形に用いられる成形型に対して鉛直方向に絶縁層を設ける場合に有効であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に示すが、本発明はこのような実施例のみに限定されないものである。
【００３９】
（実施例１）
この実施例１では、公知の成分組成であるＴｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ１．９よりなる粉末形態の超磁歪材料とガラスよりなる粉末形態の絶縁材料を成形型（金型）内において鉛直方向に層状に重ね、プラズマ焼結することによって、図１に示すように、超磁歪材料部１Ｍと絶縁材料部１Ｂとが交互に積層された超磁歪素子１を得た。この実施例１の超磁歪素子１において、超磁歪材料部１Ｍの層厚さは５ｍｍであり、絶縁材料部１Ｂの層厚さは２ｍｍである。また、この場合のプラズマ焼結条件は、プレス圧力：４００ｋｇｆ／ｃｍ２，真空度：１０−２Ｔｏｒｒ，焼結温度：９５０℃，焼結時間：１０分，通電電流：４０００Ａである。
【００４０】
（実施例２）
この実施例２では、公知の成分組成であるＴｂ０．４Ｄｙ０．６Ｆｅ１．９よりなる粉末形態の超磁歪材料とエポキシ樹脂よりなる固体形態（シート形状）の絶縁材料を用い、図５に示すような側面型２Ｓと上パンチ２Ｐと底部型２Ｂとからなる成形型２の内部にシート形状の絶縁材料（１Ｂ）を鉛直方向に平行状に配置すると共に粉末形態の超磁歪材料（１Ｍ）を充填したのち、ホットプレス焼結することによって、図２に示すように、超磁歪材料部１Ｍの内部で絶縁材料部１Ｂが鉛直方向に平行状に配置された超磁歪素子１を得た。この実施例２の超磁歪素子１において、エポキシ樹脂よりなるシート形状の絶縁材料（１Ｂ）の板厚は０．２ｍｍである。また、この場合のホットプレス焼結条件は、プレス圧力：６００ｋｇｆ／ｃｍ２，真空度：１０−３Ｔｏｒｒ，焼結温度：７５０℃，焼結時間：２０分である。
【００４１】
（実施例３）
この実施例３では、公知の成分組成であるＴｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ１．８よりなる粉末形態の超磁歪材料とガラスよりなる固体形態（シート形状）の絶縁材料を用い、図５に示したような側面型２Ｓと上パンチ２Ｐと底部型２Ｂとからなる成形型（金型）２の内部にシート形状の絶縁材料（１Ｂ）を鉛直方向に格子状に配置すると共に粉末形態の超磁歪材料（１Ｍ）を充填したのちプラズマ焼結することによって、図３に示すように、超磁歪材料部１Ｍの内部で絶縁材料部１Ｂが鉛直方向に格子状に配置された超磁歪素子１を得た。
【００４２】
この実施例３の超磁歪素子１において、ガラスよりなるシート形状の絶縁材料（１Ｂ）の厚さは０．１ｍｍである。また、この場合のプラズマ焼結条件は、プレス圧力：５００ｋｇｆ／ｃｍ２，真空度：１０−２Ｔｏｒｒ，焼結温度：９９０℃，焼結時間：１５分，通電電流：２５００Ａである。
【００４３】
（実施例４）
この実施例４では、公知の成分組成であるＴｂ０．５Ｄｙ０．５Ｆｅ２．０（Ｃｏ添加）よりなる粉末形態の超磁歪材料とエポキシ樹脂よりなる固体形態（シート形状）の絶縁材料を用い、図５に示したような側面型２Ｓと上パンチ２Ｐと底部型２Ｂとからなる成形型２の内部にシート形状の絶縁材料（１Ｂ）を鉛直方向に平行状に配置すると共に粉末形態の超磁歪材料（１Ｍ）を充填したのちホットプレス焼結することによって、図２に示すように、超磁歪材料部１Ｍの内部で絶縁材料部１Ｂが鉛直方向に平行状に配置された超磁歪素子１を得た。この実施例４の超磁歪素子１において、エポキシ樹脂よりなるシート形状の絶縁材料（１Ｂ）の板厚は０．２ｍｍである。また、この場合のホットプレス焼結条件は、プレス圧力：６００ｋｇｆ／ｃｍ２，真空度：１０−３Ｔｏｒｒ，焼結温度：７５０℃，焼結時間：４０分である。
【００４４】
（比較例１）
この比較例１では、図４に示すように、公知の成分組成であるＴｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ１．９よりなる超磁歪材料のロッドを平行状に切断した超磁歪素子片１１Ｍを接着剤１１Ｂにより接着して超磁歪素子１１を得た。この比較例１の超磁歪素子１１において、接着剤１１Ｂとしてエポキシ系のものを用いており、接着層（１１Ｂ）の厚さは１００μｍである。
【００４５】
（評価例）
実施例１〜４で得た各超磁歪素子１および比較例１で得た超磁歪素子１１について、曲げ強度，繰返し動作回数限界，動作限界周波数，磁歪量およびコスト（材料歩留りを含む）を調べ、比較例１を基準にして評価したところ、表１に示す結果であった。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
表１に示すように、従来の切断・接着工程を経て得られた比較例１の超磁歪素子１１に比べて、本発明実施例１〜４により得られた超磁歪素子１では超磁歪材料部１Ｍと絶縁材料部１Ｂの界面部分が熱処理により拡散接合されているため、機械的強度が向上しており、同時に繰返し動作回数限界が飛躍的に向上していることが分かる。また、磁歪量も超磁歪材料部１Ｍに作用する応力により増加していることが分かる。
【００４８】
また、焼結時間を４０分とした実施例４の超磁歪素子１では、絶縁材料部１Ｂの構造が長時間の熱処理によって崩壊したため、素子動作時の渦電流遮断効果が低減し、動作限界周波数が低下したものとなっていたことから、周波数を高くする必要のない用途の場合に高強度・低コストの磁歪素子として使用されうるものであった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例１による超磁歪素子の構造を示す断面説明図である。
【図２】本発明実施例２，４による超磁歪素子の構造を示す斜面説明図である。
【図３】本発明実施例３による超磁歪素子の構造を示す斜面説明図である。
【図４】本発明比較例の超磁歪素子の構造を示す斜面説明図である。
【図５】成形型（金型）内に超磁歪材料と絶縁材料を配置して成形する様子を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１  超磁歪素子
１Ｂ  絶縁材料部
１Ｍ  超磁歪材料部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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