JPS5847842B2 - 感温素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、強磁性材料の微粉末を磁場中で圧粉する工程
を含む磁性体の製造方法に関するものであり、さらに詳
しく述べるならば強磁性材料の磁気異方法が温度によっ
て変化することを利用し前記工程によって感温素子を製
造しようとする新規な提案に関するものである。

強磁性材料のなかで、磁気異方性が大きい材料があるこ
と、また磁化容易方向が温度によって変化する材料であ
ることはよく知られている。

この代表的な材料として希土類コバルト合金材料（ Ｐ
ｒＣ ０５ ， ＮｄＣｏ ５ ９ ’ｒｂｃ ｏ
５ ， Ｄｙ Ｃｏ５ ｓ ＨｏＣｏ５．Ｌｕ２Ｃｏｌ
７．Ｔｒｎ２（Ｆｅ，−ＸＣｏｘ）１７等）がある。

希土類コバルト材料では一般にその結晶のＣ軸方向の磁
気異方性が大きいため、絶対００以上でＣ軸方向に磁化
容易軸がある材料が永久磁石として用いられ、逆に、絶
対００以上の温度で結晶の基底面Ｐ又は円錐面Ｃに磁化
容易軸がある材料は永久磁石材料として不向きである。

本発明は、一面から見ると室温附近で磁気的性質が劣る
強磁性材料の新規な感温素子としての用途を開発したこ
とにあり、また他の一面から見ると希土類コバルト材料
焼結体の新規な製造方法を開発したことにもある。

先ず前者の感温素子の面を説明する。

流体の温感を感知して、温度により流体の流量又は方向
を変化させる必要のある装置は多数ある。

公知の装置では、バイメタルと電磁弁の組合わせによっ
てあるいは、バイメタルを渦巻型に巻いて角度変移を起
こさせることにより流体の流量又は方向を変化させてい
る。

しかし、電磁弁は非常に高温であり、また電磁弁と流量
又は流れ方向の制御装置の間に電気配線が必要である。

このために、切換装置が高価かつ複雑になるといら欠点
がある。

またバイメタルは熱膨張というわずかな変位を利用する
ため、事前に決定した切換え温度が連続使用によりずれ
ることがしばしばある。

このようなバイメタルの代りにフエライト磁性体がキュ
リ一温度以上で非磁性に変化することを利用して、低キ
ュリ一点フエライトを感温材料として利用することも最
近多くなっている。

この場合、キュリ一点以上では外部磁場がフエライト磁
性体を通過し易くなるために、外部磁場の流れがキュリ
一点附近で変化し、この変化を利用して磁場の影響によ
りスイッチを開閉している。

このようなフエライト感温材料の欠点は磁気的特性、特
に飽和磁化、が比較的低いために、スイッチなどの装置
全体が大型化するという点にあった。

また、フエライトでは前述のように磁性の消失を利用し
ているので、スイッチの開閉等の限定されたＯＮ−ＯＦ
Ｆ動作しか可能でなく、後述の如き弁の回転動作又は流
体流量の連続的調節は不可能である。

次に、希土類コバルト材料焼結体製造の面を説明する。

既に述べたように、希土類コバルト材料焼結体のうちで
永久磁石として使用されるものは絶対零度〔００Ｋ〕よ
りＣ軸方向が磁化容易方向となるもの、例えばＳｍＣｏ
５、を磁場中プレスすることにより磁気異方性が大きく
且つ磁気的性質が安定した材料が得られ、このような性
質安定性があるからこそ製造された材料は永久磁石とし
て使用されるのである。

この事は、例えばフエライトのように感温材料では何ら
かの磁気的性質が変化する必要があるという観点から考
えると、前記希土類コバルト材料は永久磁石として適す
る故に感温材料としては全く使用できない事を意味する
。

最後に希土類コバルト磁性材料の一つの製法として、液
相成長法について説明する。

この方法では希土類コバルト材料の液体を長時間冷却す
ることにより単結晶が威長され、単結晶内ではＣ軸方向
がそろっており、これは感温性を有する。

しかし、液相威長法は極めて長時間を有するために工業
上実用的ではない。

したがって、本発明は強磁性材料粉末を磁場中で圧粉す
る工程を含む磁性材料の製法によって感温性を有する材
料を提供することを一つの目的とする。

本発明の別の目的は、多結晶の感温材料を製造する方法
を提供することにある。

本発明の他の目的は上記方法を実施する圧粉装置を提供
することを目的とする。

本発明に係る方法は、強磁性材料の微粒粉末を磁場中で
圧粉する工程を含む磁性体の製造方法において、 遷移温度帯以下では、前記強磁性材料の磁化容易軸の方
向が該材料の結晶の基底面と平行であり、一方遷移温度
以上では、磁化容易軸の方向が前記結晶のＣ軸方向と平
行であるスピン再配列型強磁性物質からなる微粒粉末を
前記圧粉工程において前記遷移温度帯以上に加温し、こ
の圧粉工程において得られた圧粉体を通過する磁化容易
方向が前記遷移温度において転向する感温素子を製造す
ることを特徴とする。

本発明の重要な特色は、通常の磁石の磁場中プレスの如
く室温で磁場中プレスを行うと、磁性材料のＣ軸方向が
そろわないために、遷移温度帯以上にて圧粉工程を行い
、磁化容易方向を詳しくは後述するようにそろえること
にある。

磁化容易方向が温度によって変化する強磁性材料はスピ
ン再配列型強磁性材料（ Ｓｐｉｎ Ｒｅｏｒ一ｉｅｎ
ｔａｔｉｏｎ Ｔｙｐｅ Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ
Ｍａｔ −ｅｒｉａｌ）と磁性材料の分野で称されて
いる。

このような材料としては希土類コバルト合金材料が典型
的なものである。

本発明においては、保磁力が低いために永久磁石として
は不適であるような磁化容易方向の変化を示すスピン再
配列型強磁性材料、すなわち磁化容易方向が遷移温度帯
以下では該材料の結晶の基底面Ｐと平行になり、遷移温
度帯以上では結晶のＣ軸Ａと平行になる材料、を用いる
ことにも特色がある。

本発明に係る圧粉方法を実施する装置は、微粒粉末の圧
縮手段及び圧縮されつつある微粒粉末に磁場を印加する
手段を含んでなる、公知の磁場中プレス装置において、
圧縮されつつある微粒粉末を加熱する手段が設けられた
ものである。

この加熱手段は前記圧縮手段を取囲むように設けられて
おり、微粒粉末を均一に加熱する。

前記加熱手段は磁場発生手段により生じせしめられる一
方向磁場を乱さないように非磁性材料からなる必要があ
る。

希土類コバルト材料とは一般式がＲ。

Ｃｏｍで表わされ、Ｒとして１種又は２種以上の希土類
元素を用い、コバルト、又はコバルトを主或分とし、そ
の一部を鉄、銅、バナジウムその他の金属で置換するこ
ともある。

以下、本発明の実施態様を図面によって説明する。

なお図面において、第１図はＲＣｏ５型希土類コバルト
合金の結晶構造及び磁化容易方向を示す図面、但し、黒
丸はＲ原子、白丸はＣｏ原子を表わしており、 第２図はＲＣｏ５型希土類コバルト合金の磁化容易方向
温度依存性を表わすグラフ、 第３図はＲ２Ｃｏ１Ｊ合金について第２図と同様のグラ
フ、 第４図Ａ及びＢは微粒子の配向を示す概念図、第５図は
単結晶の磁化容易方向（Ｃ軸）を示す概念図、 第６図は本発明の製法により作られた多結晶の同様な図
面、 第７図は通常の多結晶の同様な図面、 第８図及び９図は感温材料の磁化容易方向と回転の関係
を説明する模式図、 第１０図は希土類コバルト合金の磁化容易方向の温度変
化を示すグラフ、 第１１図は本発明による圧粉装置の具体例を示す断面図
、 第１２図は回転試験装置の斜視図、一部透視図である。

ＲＣｏ５型希土類コバルト磁性材料は第１図に示す如き
結晶構造及び磁化容易方向を有する。

第１図においてＣ ａ Ｃ ｕ ５型結晶構造を有し、
六方晶のＲＣｏ，型希土類コバルト結晶が図示されてい
る。

黒丸は希土類元素を、白丸はコバルト元素を示す。

永久磁石材料として用いられる材料では磁気異方性は一
般に結晶のＣ軸（Ａ−ａｘｉｓの略）を磁化容易軸とし
、きわめて大きい磁気異方性定数をもつものであり、磁
化困難軸方向は数ｉｏｏＫＯｅの磁場をかけないと磁化
が飽和しないものもある。

ただしＨの種類やＣｏへの置換元素の種類や量によって
は磁化容易軸は温度によって基底面（Ｐ−Ｐｌａｎｅの
略）に、又は円錐面（Ｃ−Ｃｏｎｅの略）に移動するこ
とがある。

Ｒ２ Ｃ Ｏ １ ７型希土類コバルトは組成及び温度
によって六方晶又は菱面体晶をとるが、磁気異方性は結
晶のＣ軸、基底面又は円錐面の何れかを磁化容易軸とす
る温度依存性を示す。

第２図及び第３図にそれぞれＲＣｏ５型及びＲ２Ｃｏ１
。

型希土類コバルトの磁化容易軸の絶対温度による変化が
、上記記号Ａ（Ｃ軸方向）、Ｃ（円錐面）及びＰ（底面
）を用いて示されている（日本金属学会会報第１６巻第
２号（１９７７年）７９ページ）。

なお同図の点線は未定もしくは推定を意味する。

ＲＣｏ，型希土類コバルトの場合は、希土類元素がＰｒ
，Ｎｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏであるときに磁化容易軸が温
度依存性を示す。

Ｒ２ＣＯ１７型希土類コバルト材料の場合は、希土類元
素がＬｕであるときに磁化容易軸が温度依存性を示す。

希土類元素の種類によって磁化容易軸が変化する温度を
調節することができるから、所望の弁切換温度を選定す
ることができる。

第２図のＲＣｏ５型材料において、遷移温度は、ＮｄＣ
ｏ５では約３ ０ ００ＫＴｂＣｏ５では約４５０°Ｋ
１ＤｙＣｏ５では約３７０°Ｋである。

これらの遷移温度と、流体の流量を制御しあるいはスイ
ッチの切換を行う温度とはおよそ一致するため、制御又
は切換温度によってスピン再配列型材料の組戊を選択し
なければならない。

換言すると、基底面ＰからＣ軸Ａに変化するスピン再配
列型材料はその組戒によって遷移温度を一義的に規定す
る。

第３図のＲ２ＣＯ１７型材料は本発明においては添加元
素を加えないと使用できない。

すなわち、銅、鉄、バナジウムなどの添加元素をＲ２Ｃ
Ｏ１？型材料に加えることによって遷移温度を調節する
ことができる。

すなわち、Ｒ２Ｃｏ，７型希土類コバルト材料のコバル
トを鉄で置換した場合に該材料の室温における磁化容易
方向が変化することが次表より明らかである。

この表でＸはＲ２（ＣＯ，−ｘＦｅＸ）１７の形式で表
わしたＦｅの量の置換モル比率である。

次に、本発明による感温素子の製造工程をより詳しく説
明する。

従来、永久磁石を製造するための圧粉方法は単に磁場中
プレスであったのに対し、本発明では遷移温度以上の磁
場中プレスを行うことを特色とする。

磁場中プレスの温度は微粒粉末状スピン再配列型材料の
磁化方向を揃えることにあるから、遷移温度帯を僅かに
好ましくは＋２０℃、越えれば十分でありそれ以上の高
温は不経済であり１５０℃以上の温度は粉末が燃えやす
くなるため圧粉法としては好ましくないものである。

一般に、磁場中プレスの圧力は、０５〜１０トン／ｄで
あり、磁場はＩＫ〜１５ＫＯｅである。

上記圧粉方法以外は永久磁石製造のための公知の焼結法
、低融点金属又は樹脂による固化法を使用することがで
きる。

感温磁性体製造の一連の工程を述べれば次のとおりであ
る。

原料を、不活性ガス雰囲気中で１３００〜１５００℃で
アーク溶解又は誘導溶解し、得られたインゴットをほぼ
単磁区微粒子の大きさに微細化し、この微粒子粉末を圧
粉する。

圧粉は遷移温度帯以上の温度で行われ、この際微粒子粉
末に磁場を加えて微粒子の磁化の方向を揃える。

なお、磁化容易方向が前述の通り遷移温度帯以下では基
底面方向にあるから、第４図Ａに見られるようにＮ，Ｓ
極を有する磁石を用い磁場中プレスによって遷移温度以
下で圧粉しても微粒子Ｇの基底面Ｐの直径方向のみが磁
場方向に配向し、磁化容易方向のＣ軸Ａは全く配向しな
い。

ところが、遷移温度帯以上の温度で磁場中プレスを行う
と、第４図Ｂに見られるように微粒子Ｇの基底面Ｂ及び
Ｃ軸Ａは磁場の方向に対してそれぞれ直角及び平行に配
向し、所望の微粒子配向が得られる，すなわち通常の多
結晶圧粉体（第７図）に示すように、Ｃ軸方向Ａがまち
まちであり、これを遷移温度帯以下で圧粉してもＣ軸方
向Ａはそろわない，これに対して本発明の方法によると
、第６図に示すように一軸異方性を有する多結晶スピン
再配列型材料が簡単な方法により得られるのである。

これに対し、第５図に示す単結晶ではＣ軸方向Ａは一定
の方向に配向しているが、その製造に長時間を有しそし
て実用的ではない。

以下、１０００℃以上の高温で焼結及び熱処理を行う。

また、前述の溶解法の代りに希土類合金原料をカルシウ
ムなどで直接還元する方法も可能である。

焼結法の代りに、樹脂又は低融点金属を希土類コバルト
粉末の圧粉体に混入させて、これを磁石として用いるに
適した固さと形状安定性を与えることも可能である。

以上の如き製法により得られた磁性体を用いると、スピ
ン再配列型強磁性材料（以下、強磁体感温材料と称する
）からなる感温手段に、磁場発生手段から磁場を印加し
、事前決定温度において感温手段及び磁場発生手段のい
ずれか一方を他方に対して回転させ、この回転により生
じる駆動力により弁を切換える、新規な切換方法が可能
になる。

強磁性感温材料が希土類コバルトであると１一の体積の
材料で、１ｋｇ・α以上の回転トルクが発生することが
本願発明者の計算により確かめられる。

したがって、希土類コバルトは弁の正確な切換えを行わ
しめるために、特に好ましい感温材料である。

続いて、この強磁性感温材料の磁化容易方向の変化とそ
の材料製円柱（円盤）の回転の関係を本願発明者の発見
に基いて説明する。

第８図には強磁性感温材料を円盤状に戊形し、また該材
料の結晶のＣ軸方向Ａが円盤１の上下平坦面に平行にな
り、結晶の基底面方向Ｐが円盤１の中心軸ＸＹに平行に
なるように磁化方向を揃えた円盤１が図示されている。

この円盤１はＸＹ軸の周りのみで回転可能であるように
運動が拘束され、円盤１の外部から弁の切換前又は後に
おいて中心軸ＸＹに対して直角方向に磁場Ｈが円盤に印
加されている。

円盤の感温材料が基底面ＰからＣ軸方向Ａに磁化容易方
向の変化を示すと、円盤１はＸＹ軸の周りに回転し、Ｃ
軸方向Ａから基底面Ｐに磁化容易方向が変化すると逆方
向に回転する。

この回転の角度は磁化容易方向がＣ軸方向Ａから底面Ｐ
へ又は逆に変化する倒れの場合も約９００である。

なお、第８図におけるＣ軸Ａと底面Ｐの位置関係が逆で
あっても前述の如く円盤が回転する。

第９図は第８図の円柱を中空にし、中空部に磁石２０を
配置した図面である。

希土類コバルト製中空円盤２０又は円柱状磁石２５を通
過する磁力線（矢印）はほとんどが磁石２５の結晶のＣ
軸Ａ及び底面Ｐに平行に該磁石２５を通過している。

第５図の如き、感温作段２０と磁場発生千段２５の配置
関係においても、少なくとも一方の手段を回転可能にし
ておくと、磁化容易力向が温度によつて変化するときに
、倒れかの手段が回転することが分かった。

次に、ＮｄＣｏ，型希土類コバルト材料を例にとって、
温度によって第８図の円盤が回転する様子を説明する。

第１０図において、縦軸のβは、Ｃ軸方向とは別の磁化
容易方向がＣ軸に対してなす角度である。

第８図に関連して説明したように、磁化容易方向がＣ軸
方向Ａと底面Ｐの間で９００変化すると、円盤１は９０
０回転する。

したがって、ＮｄＣｏ５材料では約２４００Ｋと約２８
０°Ｋの間の遷移温度帯で９００の回転が実現される。

なお、上述の説明においては第８図−１０図を参照とし
て、回転駆動力を感温材料から取出す具体例を説明した
が、この具体例に限らず強磁性感温材料を固定し、これ
を通過する磁束の方向が磁化容易方向の温度変化により
約９００転向することを利用し特定の方向に強磁性体か
らなるスイッチを配置し、これを開閉することも可能で
ある。

キュリ一点による磁性変化を利用した開閉はフエライト
を感温材料として実施されているが、スピン再配列型の
、本発明による強磁性感温材料を用いると飽和磁化が３
倍以上高いため開閉装置全体が小型化される。

次に、圧粉装置の具体例を図面（第１１図）に基づいて
説明する。

第１１図において、パンチ２を案内するダイ３からなる
通常の圧縮手段１が示されている。

この圧縮千段１の空胴部には希土類コバルト材料の粉末
４が充填されている。

この粉末４はジェットミルなどによって５〜１０ミクロ
ンの粒子寸法に粉砕されたものである。

粉末の圧縮圧力は数トン／ａが一般に使用されている。

なお、図示の如き圧縮手段の後に静水圧プレスを用いる
ことも可能である。

ダイ３を取囲むようにニクロム線５などのヒーターが設
けられ粉末４を抵抗加熱する。

加熱温度は強磁性感温材料の遷移温度帯を越える温度で
ある。

ヒーター５を取囲むようにガラスウールなどの断熱壁６
が形或されている。

ヒーター５の発熱により磁石７が加熱され、両磁石間に
発生する磁場が減少しないように断熱壁６が設けられて
いる。

加熱温度が比較的低い場合は断熱壁を省略してもよいの
は勿論である。

既述のダイ３及び断熱壁６はアルミナなどの耐熱性支持
台１０上に載置されている。

さらに、ダイ３、ヒーター５、断熱壁６及び支持台１０
が全体として水冷ジャケット８の中に収納されている。

水冷ジャケット８は１８，１９の方向に水を流して、内
側に収納された部材３，５．６及び１０が外部に放散す
る熱により磁石７が酸化などの悪影響を受けないように
するものであるが、加熱温度が低い場合は水冷ジャケッ
ト８を省略することができる。

磁石７は永久磁石又は電磁石であって、１〜１０ＫＯｅ
の磁場を前記部材８，６．５及び３を透過した後加熱さ
れた粉末４に加える。

強磁性感温材料粉末の磁気特性が空気中で変化し易い場
合又は加熱温度が比較的高温になる場合は、強磁性粉末
を不活性ガス又は窒素ガスで保護するために、水冷ジャ
ケット８を貫通するガス流入管８ａを設け、さらに矢印
１２一１７の如きガス流が生じるように当該部材間の現
存の間隙を利用するか、あるいは適切なる間隙を形或す
ることが好ましい。

以上説明した如き本発明の方法によると、遅延リレーそ
の他のリレーなどであって従来低キュリ一点フエライト
が使用されていた分野又は、サーマルバルブ又は温度調
節装置などのバイメタルが使用されていた分野において
、希土類コバルト材料を使用することが可能になる。

この結果、リレー、サーマルバルブなどの装置が小型化
、高性能化される利点が達或される。

以下、実施例によってさらに本発明を詳しく説明する。

実施例 通常の溶解法によって製造したＴｂＣｏ５及びＤ ｙ
Ｃ ｏ ５インゴットをハンマーで粗粉砕した後、ジェ
ットミルで３２５メッシュより微細に粉砕した。

この粉末を第７図の如き装置で磁場６ＫＯｅｓ加圧力２
トン／ａ１加熱温度１５０’Ｃの条件にて圧縮した。

得られた圧粉本を１２００℃でアルゴン雰囲気中で焼結
した。

得られた感温材料焼結体を第１２図の如き試験装置に組
込んだ。

第１２図において、２０は強磁性感温材料焼結体であり
、指針２１が固着されている中空円筒２２に試料固定用
ねじ２３により係留されている。

焼結体２０及び円筒２２は軸受２４に回転可能に装着さ
れている。

このような部材２ ０−２ ４の外側に一対の永久磁石
２５ａ及び２５ｂが相互に対向して配置されている。

？風器によって強磁性感温材料焼結体２０の温度を変化
させると、ＴｂＣｏ５の場合は約１５０’Ｃ，ＤｙＣｏ
５の場合は約６０℃の温度を越え又は下まわったときに
焼結体２０が可逆的に回転した。

【図面の簡単な説明】

第１図はＲＣｏ５型希土類コバルト合金の結晶構造及び
磁化容易方向を示す図面、但し、黒丸はＲ原子、白丸は
Ｃｏ原子を表わしており、第２図はＲＣｏ５型希土類コ
バルト合金の磁化容易方向温度依存性を表わすグラフ、
第３図はＲ２ＣｏＩ型合金について第２図と同様のグラ
フ、第４図Ａ及び第４図Ｂは微粒子の配向を示す概念図
、第５図は単結晶の磁化容易方向（Ｃ軸）を示す概念図
、第６図は本発明の方法により作られた多結晶の同様な
図面、第７図は通常の多結晶の同様な図面、第８図及び
第９図は感温材料の磁化容易方向と回転の関係を説明す
る模式図、第１０図は希土類コバルト合金の磁化容易方
向の温度変化を示すグラフ、第１１図は本発明による圧
粉装置の具体例を示す断面図、第１２図は回転試験装置
の斜視図、一部透視図である。 ２・・・・・・パンチ、３・・・・・・ダイ、５・・・
・・・ヒーター、４・・・・・・粉末、７・・・・・・
磁石、２０・・・・・・強磁性感温材料、２５・・・・
・・磁石。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 強磁性材料の微粒粉末を磁場中で圧粉する工程を含
   む磁性体の製造方法において、 遷移温度帯以下では、前記強磁性材料の磁化容易軸の方
   向が該材料の結晶の基底面と平行であり一方遷移温度帯
   以上では、磁化容易軸の方向が前記結晶のＣ軸方向と平
   行であるスピン再配列型強磁性物質からなる微粒粉末を
   前記圧粉工程において、前記遷移温度帝以上に加温し、
   この圧粉工程において得られた圧粉体を通過する磁化容
   易方向が前記遷移温度において転向する感温素子を製造
   することを特徴とする方法。 ２ 前記スピン再配列型磁性物質がＮｄＣｏ，，ＴｂＣ
   ｏ，，ＲＣｏ２で表わされ、Ｒは希土類元素の一種また
   はそれ以上、ｃｏはコバルトまたはその一部をＦｅ，Ｃ
   ｕで置換した金属間化合物であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載感温素子の製造方法。