特許 6103749 ＦｅＣｏ系磁歪合金及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6103749

(24)【登録日】2017年3月10日

(45)【発行日】2017年3月29日

(54)【発明の名称】ＦｅＣｏ系磁歪合金及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 19/07 20060101AFI20170316BHJP

   C22F 1/10 20060101ALI20170316BHJP

   H01F 1/14 20060101ALI20170316BHJP

   C22F 1/00 20060101ALN20170316BHJP

【ＦＩ】

   C22C19/07 C

   C22F1/10 B

   H01F1/14

   !C22F1/00 606

   !C22F1/00 624

   !C22F1/00 623

   !C22F1/00 630A

   !C22F1/00 660Z

   !C22F1/00 692A

   !C22F1/00 691B

   !C22F1/00 691C

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-232906(P2012-232906)

(22)【出願日】2012年10月22日

(65)【公開番号】特開2014-84484(P2014-84484A)

(43)【公開日】2014年5月12日

【審査請求日】2015年9月24日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２４年４月２４日弘前文化センターにおいて開催されたＰＩ−ＳＭＡＲＴ２０１２で発表

(73)【特許権者】

【識別番号】504229284

【氏名又は名称】国立大学法人弘前大学

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100149261

【弁理士】

【氏名又は名称】大内 秀治

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100169225

【弁理士】

【氏名又は名称】山野 明

(72)【発明者】

【氏名】古屋 泰文

(72)【発明者】

【氏名】岡崎 禎子

(72)【発明者】

【氏名】久保田 健

【審査官】 田口 裕健

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０６２９９７０３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開平０４−０７２０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１５９４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３５８３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７７６６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ １９／０７

Ｃ２２Ｆ １／１０

Ｈ０１Ｆ １／１２− １／３７５

(57)【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_０）／（１−Ｐ_０） ……（１）
ここで、Ｐ＝ΣＩ(110)／｛ΣＩ(110)＋ΣＩ(200)＋ΣＩ(211)）｝
Ｐ_０＝ΣＩ_０(110)／｛ΣＩ_０(110)＋ΣＩ_０(200)＋ΣＩ_０(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_０(110)、ΣＩ_０(200)及びΣＩ_０(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】

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_０）／（１−Ｐ_０） ……（１）
ここで、Ｐ＝ΣＩ(110)／｛ΣＩ(110)＋ΣＩ(200)＋ΣＩ(211)）｝
Ｐ_０＝ΣＩ_０(110)／｛ΣＩ_０(110)＋ΣＩ_０(200)＋ΣＩ_０(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_０(110)、ΣＩ_０(200)及びΣＩ_０(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5】

請求項４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6】

請求項４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０．３°以下であることを特徴とするＦｅＣｏ系磁歪合金の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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。

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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）。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0015】

【非特許文献1】Ａ．Ｅ．クラーク及び江田 弘著、「超磁歪材料」、日刊工業新聞社（１９９５）、ｐｐ．９４―１００， ｐ１４３およびｐ１７０．

【非特許文献2】Ａ．Ｅ．Ｃｌａｒｋ，Ｊ．Ｂ．Ｒｅｓｔｏｒｆｆ，Ｍ．Ｗｕｎ−Ｆｏｇｌｅ，Ｔ．Ａ．Ｌａｇｒａｓｓｏ ａｎｄ Ｄ．Ｌ．Ｓｃｈｌａｇｅｌ、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．、３６、２０００、２３９−２４４

【非特許文献3】Ｔ．Ｕｅｎｏ ａｎｄ Ｓ．Ｙａｍａｄａ、Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍｉｃｒｏ−ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ Ｕｓｉｎｇ Ｉｒｏｎ−Ｇａｌｌｉｕｍ Ａｌｌｏｙ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ、ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．２、２０１１、８８−９１

【非特許文献4】Ｍｉｋｉｏ Ｙａｍａｍｏｔｏ、Ｙｏｕｎｇ’ｓ Ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｃｈａｎｇｅ ｗｉｔｈ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｉｒｏｎ−Ｃｏｂａｌｔ Ａｌｌｏｙｓ、Ｓｃｉ． Ｒｅｐ．、Ｔｏｈｏｋｕ Ｉｍｐ．Ｕｎｉｖ．、３０、１９４１、７６８

【非特許文献5】Ｙｏｓｉｏ Ｍａｓｉｙａｍａ、Ｏｎ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｒｏｎ−Ｃｏｂａｌｔ Ａｌｌｏｙｓ．、Ｔｈｅ ２９４ｔｈ ｒｅｐｏｒｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｉｒｏｎ， Ｓｔｅｅｌ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｍｅｔａｌｓ．

【非特許文献6】Ｌｉｙａｎｇ Ｄａｉ ａｎｄ Ｍａｎｆｒｅｄ Ｗｕｔｔｉｇ，Ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏ−ｒｉｃｈ ｂｃｃ ＣｏＦｅ Ｓｏｌｉｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，Ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ ｆｏｒ ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｃｒｉｐｔａ Ｍａｔ．Ｏｃｔｏｂｅｒ ９，２００７

【非特許文献7】Ｄｗｉｇｈｔ Ｈｕｎｔｅｒ，Ｗｉｌｌ Ｏｓｂｏｒｎ，Ｋｅ Ｗａｎｇ，Ｎａｔａｌｉｙａ Ｋａｚａｎｔｓｅｖａ，Ｊａｓｏｎ Ｈａｔｔｒｉｃｋ−Ｓｉｍｐｅｒｓ，Ｒｉｃｈａｒｄ Ｓｕｃｈｏｓｋｉ，Ｒｙｏｔａ Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｍａｒｃｕｓ Ｌ．Ｙｏｕｎｇ，Ａｐｕｒｖａ Ｍｅｈｔａ，Ｌｅｏｎｉｄ Ａ．Ｂｅｎｄｅｒｓｋｙ，Ｓａｍ Ｅ．Ｌｏｆｌａｎｄ，Ｍａｎｆｒｅｄ Ｗｕｔｔｉｇ ＆ Ｉｃｈｉｒｏ Ｔａｋｅｕｃｈｉ、Ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｉｎ ａｎｎｅａｌｅｄ Ｃｏ１−ｘＦｅｘ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｓ、ｎａｔｕｒｅ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ，ＡＲＴＩＣＬＥ；Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２５ Ｍａｙ ２０１１／Ａｃｃｅｐｔｅｄ ４ Ｏｃｔ ２０１１／Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ １ Ｎｏｖ ２０１１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

ＦｅＣｏ合金は、ＦｅＧａ合金よりもヤング率が高いため、機械的強度が高く、磁歪振動素子の実用化に有望である。しかし、ＦｅＣｏ合金に関する上述した非特許文献５及び６では、磁歪を高める上で有効な配向度の規定について何ら記載がなく、磁歪を向上させるには限界がある。なお、非特許文献７は、磁歪が高いが、片持ち梁状の基体上に形成された薄膜によるＦｅＣｏ合金であるため、バルク合金に適用することができないという問題がある。もちろん、非特許文献７には、配向度についての記載もない。

【0017】

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、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ことを目的とする。ここで、バルク合金とは、塊状、柱状、立方体状、直方体状、薄板状等を有し、薄膜を含まない。

【0018】

また、本発明の他の目的は、配向度を１９％以上に高めることで、磁歪量も大きくすることができ、磁歪振動素子等の実用化を促進させることができる優れた磁歪合金を容易に作製することができるＦｅＣｏ系磁歪合金の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0019】

［１］ 第１の本発明に係るＦｅＣｏ系磁歪合金は、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（ロットゲーリングファクタ）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。
配向度＝（Ｐ−Ｐ₀）／（１−Ｐ₀） ……（１）
ここで、Ｐ＝ΣＩ(110)／｛ΣＩ(110)＋ΣＩ(200)＋ΣＩ(211)）｝
Ｐ₀＝ΣＩ₀(110)／｛ΣＩ₀(110)＋ΣＩ₀(200)＋ΣＩ₀(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、ΣＩ₀(110)、ΣＩ₀(200)及びΣＩ₀(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。

【0020】

［２］ 第１の本発明において、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°以下であってもよい。

【0021】

［３］ さらに好ましくは、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。

【0022】

［４］ 第１の本発明において、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構成してもよい。

【0023】

［５］ この場合、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してもよい。

【0024】

［６］ 第２の本発明に係るＦｅＣｏ系磁歪合金の製造方法は、Ｆｅ（鉄）とＣｏ（コバルト）とからなり、Ｃｏを５０原子％〜７０原子％含む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。
配向度＝（Ｐ−Ｐ₀）／（１−Ｐ₀） ……（１）
ここで、Ｐ＝ΣＩ(110)／｛ΣＩ(110)＋ΣＩ(200)＋ΣＩ(211)）｝
Ｐ₀＝ΣＩ₀(110)／｛ΣＩ₀(110)＋ΣＩ₀(200)＋ΣＩ₀(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、ΣＩ₀(110)、ΣＩ₀(200)及びΣＩ₀(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。

【0025】

［７］ この場合、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。

【0026】

［８］ 第２の本発明において、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ってもよい。

【0027】

［９］ この場合、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。

【発明の効果】

【0028】

以上説明したように、本発明に係るＦｅＣｏ系磁歪合金によれば、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。

【0029】

また、本発明に係るＦｅＣｏ系磁歪合金の製造方法によれば、合金素材を溶解した後、１５００℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で急冷するようにしたので、配向度を１９％以上に高めることができ、配向度の向上に応じて磁歪量も大きくすることができる。その結果、磁歪振動素子等の実用化を促進させることができる優れた磁歪合金を容易に作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】第１の本実施の形態に係る製造方法（第１製造方法）を示す工程図である。

【図2】図２Ａは第１製造方法で作製した第１磁歪合金（Ｃｏの比率＝５０原子％）のＸ線回折結果を示すグラフであり、図２Ｂは図２Ａの横軸を拡大して示すグラフである。

【図3】図３Ａは第１製造方法で作製した第２磁歪合金（Ｃｏの比率＝７０原子％）のＸ線回折結果を示すグラフであり、図３Ｂは図３Ａの横軸を拡大して示すグラフである。

【図4】第２の本実施の形態に係る製造方法（第２製造方法）を示す工程図である。

【図5】図５Ａは第２製造方法で作製した第３磁歪合金（Ｃｏの比率＝５０原子％）のＸ線回折結果を示すグラフであり、図５Ｂは図５Ａの横軸を拡大して示すグラフである。

【図6】図６Ａは第２製造方法で作製した第４磁歪合金（Ｃｏの比率＝７０原子％）のＸ線回折結果を示すグラフであり、図６Ｂは図６Ａの横軸を拡大して示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、本発明に係るＦｅＣｏ系磁歪合金及びその製造方法の実施の形態例を図１〜図６Ｂを参照しながら説明する。なお、本明細書において数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。

【0032】

最初に、第１の実施の形態に係るＦｅＣｏ系磁歪合金の製造方法（以下、第１製造方法と記す）について図１〜図３Ｂを参照しながら説明する。

【0033】

この第１製造方法は、先ず、図１のステップＳ１において、Ｆｅ（鉄）とＣｏ（コバルト）とを秤量して合金素材を作製する。この場合、Ｃｏを５０原子％〜８０原子％の範囲にする。

【0034】

その後、ステップＳ２において、合金素材を溶解して母合金を作製する。この母合金の作製にあたっては、例えばプラズマアーク溶解装置を使用することができる。

【0035】

その後、ステップＳ３において、母合金を１０００℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却する。すなわち、急冷する。この急冷処理は、母合金を水冷されている銅ハース中で行うことができる。冷却速度は、好ましくは１５００℃／ｍｉｎ以上３０００℃／ｍｉｎ以下、より好ましくは１７００℃／ｍｉｎ以上２２００℃／ｍｉｎ以下である。

【0036】

その後、ステップＳ４において、母合金を切り出して、例えば縦×横×高さ＝２０ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍの直方体（磁歪合金の製品モデルの一例）を作製する。

【0037】

この製品モデルを磁気特性評価用の試験片として使用して磁気特性を調べたところ、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（ロットゲーリングファクタ）が１９％以上であり、且つ、有効磁界Ｈ＝１０００Ｏｅにおける磁歪量が１００ｐｐｍ以上であった。
配向度＝（Ｐ−Ｐ₀）／（１−Ｐ₀） ……（１）
ここで、Ｐ＝ΣＩ(110)／｛ΣＩ(110)＋ΣＩ(200)＋ΣＩ(211)）｝
Ｐ₀＝ΣＩ₀(110)／｛ΣＩ₀(110)＋ΣＩ₀(200)＋ΣＩ₀(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、ΣＩ₀(110)、ΣＩ₀(200)及びΣＩ₀(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。

【0038】

ここで、一例として、Ｃｏを５０原子％含む実施の形態に係るＦｅＣｏ系磁歪合金（以下、第１磁歪合金と記す）と、Ｃｏを７０原子％含む実施の形態に係るＦｅＣｏ系磁歪合金（以下、第２磁歪合金と記す）について説明する。

【0039】

第１磁歪合金のＸ線回折結果を図２Ａ及び図２Ｂに示し、第２磁歪合金のＸ線回折結果を図３Ａ及び図３Ｂに示す。Ｘ線回折結果は、横軸に回折角２θ、縦軸に規格化回折強度をとって示すグラフで示した。なお、図２Ｂ及び図３Ｂは、図２Ａ及び図３Ａの横軸（回折角２θ）を拡大して示したものである。

【0040】

第１磁歪合金及び第２磁歪合金は共に、（１１０）面、（２００）面及び（２１１）面でピーク波形が現れ、具体的には下記表１に示す結果であった。

【0041】

【表1】

【0042】

また、第１磁歪合金及び第２磁歪合金の（１１０）面における各ピーク波形の半値幅は、第１磁歪合金が０．３８°、第２磁歪合金が０．４０°であった。半値幅は、図２Ｂ及び図３Ｂに示すように、ピーク波形の高さｈａの１／２の幅Ｗａを示す。

【0043】

そして、有効磁界Ｈ＝１０００Ｏｅにおける第１磁歪合金の磁歪量は１０６ｐｐｍであり、第２磁歪合金の磁歪量は１１０ｐｐｍであった。

【0044】

このように、本実施の形態に係るＦｅＣｏ系磁歪合金は、（１１０）面の配向度が１９％以上と高く（１００％が上限）、しかも、有効磁界Ｈ＝１０００Ｏｅにおける磁歪量が１００ｐｐｍ以上と大きい。

【0045】

つまり、Ｆｅ（鉄）とＣｏ（コバルト）とからなり、Ｃｏを５０原子％〜８０原子％含む磁歪合金であって、配向度を１９％以上に規定することで、有効磁界Ｈ＝１０００Ｏｅにおける磁歪量が１００ｐｐｍ以上という大きな磁歪量を発現できることがわかった。Ｆｅ及びＣｏは共に、強磁性体であり、従来の非磁性ＧａからなるＦｅＧａ系（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）よりも飽和磁束密度（Ｂｓ）及び透磁率（μ）が高く、ヤング率も最大で２１０ＧＰａにも達するため、高強度と耐久性及び軟磁気特性の優れた磁歪合金となりうる。

【0046】

しかも、非希土類系であるため、脆弱性はなく、超磁歪材料（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ合金）よりも安価であり、Ｃｏは資源量も多く、量産化できる利点がある。

【0047】

従って、この磁歪合金を用いることで、磁歪振動素子等の実用化を促進させることができる。例えば大型海底探査、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や、逆磁歪効果を利用した振動発電への応用にも有利である。

【0048】

さらに、上述したように、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等で使用されると想定される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の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することになるが、本実施の形態に係るＦｅＣｏ系磁歪合金は、上述のように優れた磁気特性及び材料特性を有するため、トルクセンサシステムの磁歪合金として好適となる。

【0049】

また、上述した第１製造方法によれば、合金素材を溶解した後、１５００℃／ｍｉｎ以上３０００℃／ｍｉｎ以下の冷却速度で冷却制御することにより、（１１０）面での配向度を１９％以上に高めることができ、配向度の向上に応じて磁歪量も大きくすることができる。その結果、磁歪振動素子等の実用化を促進させることができる優れた磁歪合金を容易に作製することができる。

【0050】

次に、第２の実施の形態に係るＦｅＣｏ系磁歪合金の製造方法（以下、第２製造方法と記す）について図４〜図６Ｂを参照しながら説明する。

【0051】

先ず、図４のステップＳ１０１〜ステップＳ１０４に示す工程は、上述した第１製造方法におけるステップＳ１〜ステップＳ４に示す工程とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップＳ１０１において、合金素材を作製し、ステップＳ１０２において、母合金を作製する。その後、ステップＳ１０３において、母合金を１５００℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で急冷し、ステップＳ１０４において、母合金を切り出して、例えば縦×横×高さ＝２０ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍの直方体（磁歪合金の製品モデルの一例）を作製する。

【0052】

そして、次のステップＳ１０５において、製品モデルに対して、該製品モデルの融点の１／４の温度±４０℃で２４時間以上の熱処理を行う。

【0053】

この製品モデルを磁気特性評価用の試験片として使用して磁気特性を調べたところ、Ｘ線回折結果における（１１０）面、（２００）面及び（２１１）面の積分強度をそれぞれＩ(110)、Ｉ(200)及びＩ(211)としたとき、上記式（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以上であった。

【0054】

ここで、一例として、Ｃｏを５０原子％含む熱処理（ステップＳ１０５）後の実施の形態に係るＦｅＣｏ系磁歪合金（以下、第３磁歪合金と記す）と、Ｃｏを７０原子％含む熱処理後の実施の形態に係るＦｅＣｏ系磁歪合金（以下、第４磁歪合金と記す）について説明する。

【0055】

第３磁歪合金のＸ線回折結果を図５Ａ及び図５Ｂに示し、第４磁歪合金のＸ線回折結果を図６Ａ及び図６Ｂに示す。なお、図５Ｂ及び図６Ｂは、図５Ａ及び図６Ａの横軸を拡大して示したものである。

【0056】

第３磁歪合金及び第４磁歪合金は共に、（１１０）面、（２００）面及び（２１１）面でピーク波形が現れ、具体的には下記表２に示す結果であった。

【0057】

【表2】

【0058】

また、第３磁歪合金及び第４磁歪合金の（１１０）面における各ピーク波形の半値幅は、第３磁歪合金が０．１９°、第４磁歪合金が０．２４°であった。半値幅は、図５Ｂ及び図６Ｂに示すように、ピーク波形の高さｈａの１／２の幅Ｗａを示す。第３磁歪合金及び第４磁歪合金は、上述した熱処理前の第１磁歪合金及び第２磁歪合金と比して半値幅が４０％以上も狭くなっており、結晶性が向上していることがわかる。

【0059】

また、有効磁界Ｈ＝１０００Ｏｅにおける第３磁歪合金の磁歪量は１００ｐｐｍ、第４磁歪合金の磁歪量は１０２ｐｐｍであり、第１磁歪合金及び第２磁歪合金とほとんど変わらないことがわかった。

【0060】

このことから、上述した熱処理を施すことで、（１１０）面の配向度を保ったまま、結晶性が向上した磁歪合金を得ることができ、磁場の変化に対して敏感に反応する振動素子を提供することが可能となる。すなわち、結晶性が向上することによるメリットは、結晶性と粒径（結晶子サイズ）効果で変わってくるが、この場合、格子歪の緩和（内部応力の緩和・均一化）に限定すると、磁束のピンニング（磁気モーメントの回転、磁壁の移動を邪魔する効果）が減少する。結晶性が不安定である場合と比べ、磁化過程がスムーズになるため、高透磁率化、つまり、低磁界で磁歪が立ち上がれるようになる。つまり、磁歪感受率が上昇するため、“磁場の変化に対して敏感”になったと言える。

【実施例】

【0061】

［第１実施例］
実施例１〜４、比較例１〜４について、有効磁界Ｈ＝１０００Ｏｅにおける磁歪量を確認した。実施例１〜４、比較例１〜４の内訳は次の通りである。

【0062】

（実施例１）
第１製造方法（図１参照）に従って実施例１に係る試験片を作製した。すなわち、ＦｅとＣｏとを秤量してＣｏの比率が５０原子％の合金素材を作製し、その後、プラズマアーク溶解装置（ＴＩＧ−４００Ｆ：東栄科学産業社製）を用いて、合金素材を水冷している銅ハース内で熔解、母合金を作製した。その後、母合金を水冷している銅ハース内で、１５００℃／ｍｉｎ以上３０００℃／ｍｉｎ以下の冷却速度で、冷却制御しながら、鋳造した。その後、鋳造合金を切り出して、縦×横×高さ＝２０ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍの磁気特性評価用の実施例１に係る試験片を作製した。

【0063】

（実施例２〜４）
実施例２、３及び４は、Ｃｏの比率をそれぞれ６０原子％、６５原子％、７０原子％の合金素材を用いたこと以外は、上述した実施例１と同様にして作製した。

【0064】

（比較例１）
上述した非特許文献５に示す方法により比較例１に係る試験片を作製した。すなわち、ＦｅとＣｏとを秤量してＣｏの比率が５０原子％の合金素材を作製し、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て母合金を作製した。その後、母合金を切り出して、縦×横×高さ＝２０ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍの直方体を作製した後、この直方体を真空炉中で１０５０℃、１．５時間の熱処理を行って比較例１に係る試験片を作製した。

【0065】

（比較例２〜４）
比較例２、３及び４は、Ｃｏの比率をそれぞれ６０原子％、６５原子％及び７０原子％の合金素材を用いたこと以外は、上述した比較例１と同様にして作製した。

【0066】

＜評価＞
実施例１〜４、比較例１〜４について、磁歪量は歪ゲージ法、磁気特性は振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて分析、評価を行った。

【0067】

＜評価結果＞
実施例１〜４、比較例１〜４の評価結果を表３に示す。

【0068】

【表3】

【0069】

表３から、第１製造方法に従って作製した実施例１〜４はいずれも磁歪量が１００ｐｐｍ以上で良好であった。一方、非特許文献５の方法で作製した比較例１〜４のうち、比較例４は磁歪量が９０ｐｐｍで良好であったが、他の比較例１、２及び３については磁歪量が低く、しかも、Ｃｏの比率によってばらつきが大きかった。実施例１〜４において、磁歪量が共に大きくなったのは、本発明による手段、すなわち、合金素材を溶解した後に、１５００℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で急冷したことにより、（１１０）面の配向度が高くなったことによるものと考えられる。

【0070】

［第２実施例］
第１製造方法（図１参照）にて作製した実施例５〜９、比較例５及び６について、有効磁界Ｈ＝１０００Ｏｅにおける磁歪量、Ｘ線回折結果における上記式（１）にて表される（１１０）面の配向度、Ｘ線回折結果における（１１０）面のピーク波形の半値幅の違いを確認した。実施例５〜９、比較例５及び６の内訳は次の通りである。

【0071】

（実施例５）
上述した実施例１と同様に、ＦｅとＣｏとを秤量してＣｏの比率が５０原子％の合金素材を作製し、その後、プラズマアーク溶解装置（ＴＩＧ−４００Ｆ：東栄科学産業社製）を用いて、合金素材を溶解後、１５００℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却制御しながら鋳造した。その後、鋳造合金を切り出して、縦×横×高さ＝２０ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍの磁気特性評価用の実施例５に係る試験片を作製した。

【0072】

（実施例６〜９）
実施例６、７、８及び９は、Ｃｏの比率をそれぞれ５５原子％、６０原子％、６５原子％、及び７０原子％の合金素材を用いたこと以外は、上述した実施例５と同様にして作製した。

【0073】

（比較例５及び６）
比較例５及び６は、Ｃｏの比率をそれぞれ４５原子％及び７５原子％の合金素材を用いたこと以外は、上述した実施例５と同様にして作製した。

【0074】

＜評価＞
実施例５〜９、比較例５及び６に係る各試験片について、磁歪合金の結晶構造解析はＸ線回折法（ＸＲＤ）、磁歪量は歪ゲージ法、磁気特性は振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて分析、評価を行った。

【0075】

＜評価結果＞
実施例５〜９、比較例５及び６の評価結果を表４に示す。

【0076】

【表4】

【0077】

表４の結果から、ＦｅとＣｏとからなり、且つ、Ｃｏの比率が５０原子％〜７０原子％の磁歪合金（実施例５〜９）については、Ｘ線回折結果における上記式（１）にて表される（１１０）面の配向度が１９％以上でいずれも高く、且つ、有効磁界Ｈ＝１０００Ｏｅにおける磁歪量が１００ｐｐｍ以上であることがわかった。また、Ｘ線回折結果における（１１０）面のピーク波形の半値幅は、０．３８°〜０．４０°であった。一方、比較例５及び６は共に、磁歪量が上述した比較例１、２及び３よりも高かったが、１００ｐｐｍ未満であった。

【0078】

従って、磁歪量で評価した場合の好ましいＣｏの比率は、５０原子％以上７０原子％以下がよく、好ましくは６０原子％以上７０原子％以下であることがわかる。

【0079】

［第３実施例］
第２製造方法（図４参照）にて作製した実施例１０〜１４、比較例７及び８について、有効磁界Ｈ＝１０００Ｏｅにおける磁歪量、Ｘ線回折結果における上記式（１）にて表される（１１０）面の配向度、Ｘ線回折結果における（１１０）面のピーク波形の半値幅の違いを確認した。実施例１０〜１４、比較例７及び８の内訳は次の通りである。

【0080】

（実施例１０）
第２製造方法に従って、ＦｅとＣｏとを秤量してＣｏの比率が５０原子％の合金素材を作製し、その後、プラズマアーク溶解装置（ＴＩＧ−４００Ｆ：東栄科学産業社製）を用いて、合金素材を水冷している銅ハース内で熔解、母合金を作製した。その後、母合金は水冷している銅ハース内で、１５００℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却ながら鋳造した。その後、鋳造合金を切り出して、縦×横×高さ＝２０ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍの磁気特性評価用の試験片を作製した。そして、この試験片に対して、該試験片の融点の１／４の温度±４０℃で２４時間以上の熱処理を行った。

【0081】

（実施例１１〜１４）
実施例１１、１２、１３及び１４は、Ｃｏの比率をそれぞれ５５原子％、６０原子％、６５原子％、及び７０原子％の合金素材を用いたこと以外は、上述した実施例１０と同様にして作製した。

【0082】

（比較例７及び８）
比較例７及び８は、Ｃｏの比率をそれぞれ４５原子％及び７５原子％の合金素材を用いたこと以外は、上述した実施例１０と同様にして作製した。

【0083】

＜評価＞
実施例１０〜１４、比較例７及び８に係る各試験片について、磁歪合金の結晶構造解析はＸ線回折法（ＸＲＤ）、磁歪量は歪ゲージ法、磁気特性は振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて分析、評価を行った。

【0084】

＜評価結果＞
実施例１０〜１４、比較例７及び８の評価結果を表５に示す。

【0085】

【表5】

【0086】

表５の結果から、ＦｅとＣｏとからなり、且つ、Ｃｏの比率が５０原子％〜７０原子％の磁歪合金（実施例１０〜１４）については、Ｘ線回折結果における上記式（１）にて表される（１１０）面の配向度が１９％以上でいずれも高く、且つ、有効磁界Ｈ＝１０００Ｏｅにおける磁歪量が１００ｐｐｍ以上であることがわかった。また、Ｘ線回折結果における（１１０）面のピーク波形の半値幅は、０．１９°〜０．２４°であり、上述した第１製造方法にて作製した実施例１〜７と比して半値幅が約４０％も狭くなっており、結晶性が向上していることがわかる。一方、比較例７及び８は共に、磁歪量が上述した比較例１及び２よりも高かったが、１００ｐｐｍ未満であった。

【0087】

従って、磁歪量で評価した場合の好ましいＣｏの比率は、５０原子％以上７０原子％以下がよく、好ましくは６５原子％以上７０原子％以下であることがわかる。

【0088】

なお、本発明に係るＦｅＣｏ系磁歪合金及びその製造方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

【符号の説明】

【0089】

ｈａ…高さ Ｗａ…半値幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】