(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性粉末とバインダー樹脂との混練物を磁場が印加された金型のキャビティに流入して磁場成形され、
肉厚が厚く磁極の中心部となる厚肉部と、肉厚が薄く磁極の境界部となる薄肉部と、を周方向に周期的に繰り返してなる筒状のモータ用マグネットにおいて、
少なくとも前記厚肉部の少なくとも一方の端面の外周面側に切り欠き部が形成されていることを特徴とするモータ用マグネット。
【請求項２】
前記厚肉部のいずれか一方の端面に対応する部分に、磁性材料からなるエジェクタピンが配置されている前記金型により磁場成形される請求項１に記載のモータ用マグネット。
【請求項３】
前記エジェクタピンが配置される側の端面の反対側の端面に対応する部位に磁性材料で形成された部分が配置されている金型により磁場成形され、
前記切り欠き部が前記厚肉部の両方の端面の外周面側に形成されている請求項２に記載のモータ用マグネット。
【請求項４】
磁性粉末とバインダー樹脂との混練物を金型のキャビティに流入して、肉厚が厚い厚肉部と肉厚が薄い薄肉部とを周方向に周期的に繰り返した筒状の成形体を磁場成形してなるモータ用マグネットの製造方法において、
前記成形体における前記厚肉部のいずれか一方の端面の外周面側に切り欠き部が形成されるように前記金型を構成し、
前記磁場成形時に、前記切り欠き部が形成される前記金型の部分の近傍に磁性材料からなるエジェクタピンが配置された状態で、前記厚肉部が磁極の中心部となり、前記薄肉部が磁極の境界部となるように磁場を印加することを特徴とするモータ用マグネットの製造方法。
【請求項５】
磁性粉末とバインダー樹脂との混練物を金型のキャビティに流入して、肉厚が厚い厚肉部と肉厚が薄い薄肉部とを周方向に周期的に繰り返した筒状の成形体を磁場成形してなるモータ用マグネットの製造方法において、
前記成形体における前記厚肉部のいずれか一方の端面に相当する金型の部分に磁性材料からなるエジェクタピンが配置された状態で、前記厚肉部が磁極の中心部となり、前記薄肉部が磁極の境界部となるように磁場を印加する磁場成形工程と、
前記成形体の、前記エジェクタピンが配置された側の前記端面の外周面側に、機械加工により切り欠き部を形成する工程と、
前記切り欠き部が形成された前記成形体に着磁処理を施す工程と、を含むことを特徴とするモータ用マグネットの製造方法。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか１項に記載の前記モータ用マグネットの内周面側にアマチュアロータを配置して構成されたモータ。
【請求項７】
請求項４または５に記載の製造方法により作製された前記モータ用マグネットの内周面側にアマチュアロータを配置して構成されたモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ用マグネットおよびモータに関し、特に、四角筒型のＤＣモータに適用されるマグネットに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザプリンターやオーディオのローディング機構などに使用されるＤＣモータとして、横断面が四角の４隅を丸くした四角筒型のモータが開発され実用化されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
四角筒型のモータに適用されるマグネットは、内周面が円周面であり、外周面がモータの外形形状に略一致する多面形状をなしている。すなわち、マグネットは、横断面の外形が四角形の各辺の一部を残しながら角を内側に押し潰した円筒形状、言い換えれば、内周面が円周面でありながら肉厚（径方向の厚み）が周方向に対して周期的に変化する偏肉形状をしている。
【０００４】
このように、偏肉形状をしたマグネットを用いて四角筒型のＤＣモータを構成することにより、モータ自体の回り止めが可能となるとともに、起動トルクが大きく、かつ、コギングトルクが小さいモータを実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−６６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、近時のＤＣモータには、消費電力および振動・ノイズの低減のために、更なるコギング（回転むら）の低減が求められている。このため、コギングの更なる低減に適した磁気特性を有するマグネットが要求されている。
【０００７】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、コギングトルクがより小さいＤＣモータ、およびそのようなモータの実現に適したモータ用マグネットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一般に、偏肉形状をしたマグネットは、磁性粉末と溶融したバインダー樹脂との混練物を磁場（磁界）が印加された金型のキャビティに流入して磁場成形することにより、径方向に配向された所定形状の成形体（着磁処理前のマグネット）が作製される。本発明者は、かかる成形体の作製方法を詳細に検討したところ、成形体の厚肉部における一方の軸方向端面（端面）に対向して配置され成形体を金型から取り出すためのエジェクタピンが、成形体の配向に悪影響を及ぼしていることを見出した。すなわち、後述の理由によりエジェクタピンが磁性材料で形成されるため、金型のキャビティに対して径方向に配向磁場を印加したとしても、エジェクタピンに磁束が回りこみ、成形体の厚肉部の端面の近傍では、磁性粉末が軸方向に傾いて配向されている（配向が乱れている）ことがわかった。そして、この配向の乱れが、着磁後において、マグネットの端面寄りの内周面側における表面磁束の乱れを誘起していることがわかった。そこで、本発明者は、この現象に注目し、更なる検討を重ねた結果、本発明を完成するに至ったものである。
【０００９】
そこで、上記課題を解決するために、本発明の特徴は、磁性粉末とバインダー樹脂との混練物を磁場が印加された金型のキャビティに流入して磁場成形され、肉厚が厚く磁極の中心部となる厚肉部と、肉厚が薄く磁極の境界部となる薄肉部と、を周方向に周期的に繰り返してなる筒状のモータ用マグネットにおいて、少なくとも前記厚肉部の少なくとも一方の端面の外周面側に切り欠き部が形成されていることである。
【００１０】
本発明の一態様では、前記厚肉部のいずれか一方の端面に対応する部分に、磁性材料からなるエジェクタピンが配置されている前記金型により磁場成形される。
【００１１】
また、本発明の他の一態様では、前記エジェクタピンが配置される側の端面の反対側の端面に対応する部位に磁性材料で形成された部分が配置されている金型により磁場成形され、前記切り欠き部が前記厚肉部の両方の端面の外周面側に形成されている。
【００１２】
また、本発明の他の特徴は、磁性粉末とバインダー樹脂との混練物を金型のキャビティに流入して、肉厚が厚い厚肉部と肉厚が薄い薄肉部とを周方向に周期的に繰り返した筒状の成形体を磁場成形してなるモータ用マグネットの製造方法において、前記成形体における前記厚肉部のいずれか一方の端面の外周面側に切り欠き部が形成されるように前記金型を構成し、前記磁場成形時に、前記切り欠き部が形成される前記金型の部分の近傍に磁性材料からなるエジェクタピンが配置された状態で、前記厚肉部が磁極の中心部となり、前記薄肉部が磁極の境界部となるように磁場を印加することである。
【００１３】
また、本発明の他の特徴は、磁性粉末とバインダー樹脂との混練物を金型のキャビティに流入して、肉厚が厚い厚肉部と肉厚が薄い薄肉部とを周方向に周期的に繰り返した筒状の成形体を磁場成形してなるモータ用マグネットの製造方法において、前記成形体における前記厚肉部のいずれか一方の端面に相当する金型の部分に磁性材料からなるエジェクタピンが配置された状態で、前記厚肉部が磁極の中心部となり、前記薄肉部が磁極の境界部となるように磁場を印加する磁場成形工程と、前記成形体の、前記エジェクタピンが配置された側の前記端面の外周面側に、機械加工により切り欠き部を形成する工程と、前記切り欠き部が形成された前記成形体に着磁処理を施す工程と、を含むことである。
【００１４】
本発明の他の特徴は、前記モータ用マグネットの内周面側にアマチュアロータを配置して構成されたモータである。
【００１５】
本発明の他の特徴は、前記作製方法により作製された前記モータ用マグネットの内周面側にアマチュアロータを配置して構成されたモータである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明かかるモータ用マグネットは、磁極の中心となり作製上の理由により配向の乱れが生じやすい厚肉部の端面の外周面側が切り欠かれているため、端面寄りの内周面側における表面磁束の乱れが減少し、表面磁束密度が軸方向に対して均一化される。この結果、本発明かかるモータ用マグネットとアマチュアロータとを組み合わせることによって、コギングトルクの小さいモータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るモータの内部構成を示す平面図である。
【図２】同モータを構成するマグネットの斜視図である。
【図３】射出成形用の金型の構成を模式的に示す半縦断面図である。
【図４】従来のマグネットの問題点を説明するために、磁場成形時の金型回りの磁化ベクトル分布を示す図である。
【図５】本発明に係るマグネットの変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態の一例として、四角筒型のＤＣモータ１０を図面を参照して説明する。
【００１９】
モータ１０は、図１に示すように、偏肉形状をしたマグネット１１と、マグネット１１の外周側に配置されるヨーク２１と、マグネット１１の内周側に所定の隙間を介して配置され電機子として機能するアマチュアロータ（鉄心）３１と、アマチュアロータ３１の中心に配置される回転軸４１と、を備えている。
【００２０】
マグネット１１は、本実施形態では、磁性粉末（例えば、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ粉末）およびバインダー樹脂（例えば、ナイロン６）からなる混練物を射出成形してなるボンド磁石である。マグネット１１は、図２に示すように、全体として筒状をなし、円周面からなる内周面１２と、多面からなる外周面１３と、軸方向の一方の端面である上端面１４と、上端面１４と対向する端面である下端面１５と、を有している。外周面１３は、断面円弧状の４つの湾曲面１３ａおよび矩形平面状の４つの平坦面１３ｂをそれぞれ交互に周方向に４回繰り返して形成されている。
【００２１】
したがって、マグネット１１は、その肉厚に注目して見ると、肉厚が厚い厚肉部１６および肉厚が薄い薄肉部１７を一組として４組を９０度回転対称（４回転回転対称）に配置して構成されている。なお、厚肉部１６は湾曲面１３ａに対応する部分であり、薄肉部１７は平坦面１３ｂに対応する部分である。
【００２２】
また、マグネット１１は、上端面１４の外周面１３側に切り欠き部１８が形成されている。切り欠き部１８は、４つの厚肉部１６をそれぞれの中心にして、周方向に対して４つ形成されている。
【００２３】
４つの切り欠き部１８は、本実施形態では、縦断面視形状が三角形状（テーパ状）であり、上面視形状が三日月形状である（図１参照）。上端面１４と切り欠き部１８との交線であるエッジ１９は、曲率一定の円弧である。また、切り欠き部１８の各々は、上端面１４における内周面１２とエッジ１９との間隔が、いずれの箇所においても、薄肉部１７の中心部（最も肉厚が薄い部分）における肉厚より大きくなるように形成されている。
【００２４】
また、マグネット１１には、厚肉部１６の中心部が磁極の中心部となり、薄肉部１７の中心部が磁極の境界部となるように、４極のラジアル着磁（２極のＮ極および２極のＳ極）が施されている。すなわち、切り欠き部１８は、磁極の中心部を中心に形成され、磁極の境界部には形成されていない。
【００２５】
次に、マグネット１１とともにステータを構成するヨーク２１は、磁性材料（本実施形態では、鉄）を用いて全体として筒状に形成されている。ヨーク２１は、その内周面２２がマグネット１１の外周面１３と略同一の断面形状をなし、また、肉厚が周方向に対して一定に形成されている。
【００２６】
アマチュアロータ３１は、本実施形態では、所定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を複数枚積層することによって形成されている。アマチュアロータ３１は、中心部に配置される環状の円環部３２と、円環部３２から径方向に突出する複数（本実施形態では、６本）の突極３３と、を有している。１つの突極３３は、径方向に延在した突極腕部３３ａと、その先端のティース部３３ｂと、から構成されている。突極腕部３３ａには、図示しない励磁コイルが巻かれている。
【００２７】
回転軸４１は、アマチュアロータ３１の中心に固定配置され、図示しない軸受により回転自在に支持されている。
【００２８】
次に、本発明に係るマグネットの成形体（着磁処理前のマグネット）の成形方法について図３を参照して説明する。
【００２９】
図３は、マグネットの成形体を射出成形する際に使用する金型（射出成形金型）５１の概略構成を示す半縦断面図である。金型５１は、磁性材料からなる円柱状の内金型５２と、内金型５２の外周側に対向配置され磁性材料からなる円筒状のスリーブ５３と、スリーブ５３の外周側に配置され内金型５２に向かって磁場を印加する配向磁石５４と、を有している。配向磁石５４は、着磁後において成形体の厚肉部の中心が磁極の中心部となり、薄肉部の中心が磁極の境界部となるように設定されている。
【００３０】
また、金型５１は、内金型５２とスリーブ５３との間隙であるキャビティ５５に、磁性粉末（Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ粉末）とバインダー樹脂（ナイロン６）とからなる混練物を供給するゲート５６および混練物の供給路となるランナー５７が形成されたゲート金型５８と、ゲート金型５８を保持する非磁性材料からなる保持プレート５９と、を有しているゲート金型５８は、非磁性材料からなり、図示上方に移動可能に構成されている。
【００３１】
また、金型５１は、キャビティ５５の図示下側には、磁場中で射出成形された成形体をキャビティ５５から上方に押し出すための細長円柱状の磁性材料からなるエジェクタピン６０（押し出しピンとも呼ばれている）と、エジェクタピン６０を軸方向に対して進退自在に保持する非磁性材料からなるガイドプレート６１と、ガイドプレート６１にバネを介して結合されエジェクタピン６０を軸方向に駆動させる非磁性材料からなるエジェクタプレート６２と、を有している。
【００３２】
ガイドプレート６１は、キャビティ５５と対面する面部のうちエジェクタピン６０を挿通する穴のスリーブ５３側の近傍に、マグネット１１の切り欠き部１８に相当する形状をした隆起部６１ａが形成されている。これにより、マグネット１１の形状に一致する形状のキャビティ５５を構成することができる。なお、本実施形態では、エジェクタピン６０は、キャビティ５５のうち厚肉部１６に相当する部分のそれぞれに対応して配置されている。厚肉部１６に相当する部分にエジェクタピン６０を配置することにより、薄肉部１７に相当する部分に配置する場合よりも、エジェクタピン６０の断面積を大きくする（すなわち、剛性を大きくする）ことができる。
【００３３】
ここで、エジェクタピン６０が磁性材料を用いて形成されている理由について説明する。エジェクタピン６０には、成形体をキャビティ５５から押し出す際に大きな圧力がかかるため、大きな剛性が要求される。また、成形体を押し出す際に強いねじれや曲げが発生し易いために、大きな抗折力も要求される。また、エジェクタピン６０は、消耗品であるために、安価で汎用的な材料を用いて形成しなければならない。これらの条件を満たす材料として、磁性材料（本実施形態では、ハイス鋼）が広く適用されている。
【００３４】
以上のように構成された金型５１を用いて磁性材料およびバインダーからなる混練物を磁場中にて射出成形することにより、径方向に配向（本実施形態では、４極のラジアル配向）された所定形状の成形体を得ることができる。
【００３５】
次に、本発明に係るマグネット１１およびモータ１０の作用効果について説明する。
【００３６】
マグネット１１は、磁極の中心となる厚肉部１６の一方の端面である上端面１４の外周面１３側に、テーパカット状の切り欠き部１８が形成されている。この厚肉部１６の上端面１４は、後述する理由により、配向が乱れ易い（軸方向成分が生じ易い）部分である。したがって、配向が乱れ易い部分を削除するように切り欠き部１８を形成することによって、着磁後のマグネット１１の上端面１４寄りの内周面１２側における表面磁束の乱れを低減することができる。これにより、マグネット１１とアマチュアロータ３１とを組み合わせてなるモータ１０のコギングトルクを小さくすることができる。
【００３７】
ここで、マグネット１１の厚肉部１６の上端面１４において配向が乱れ易い理由、および、切り欠き部１８を形成することによりマグネット１１の内周面１２側における表面磁束の乱れが低減する理由について、図４を参照して説明する。図４は、磁場成形時の金型回りの磁化ベクトル分布（配向磁場分布）を解析した結果である。なお、同図では、エジェクタピン６０が配置される側の端面を中心にしてその近傍の解析結果のみを表示している。
【００３８】
配向磁石５４から発生した磁場は、キャビティ５５内に充填されている混練物に対して、概ね径方向（図示左右方向）に印加される。
【００３９】
ところが、前述したように、キャビティ５５の端面に対向して配置されるエジェクタピン６０が磁性材料を用いて形成されていることから、キャビティ５５のエジェクタピン６０が配置されている端面近傍において、配向磁場が端面を向くように偏向される。このため、成形体の端面近傍においては、配向が径方向に整列せず、軸方向成分を有するように不均一に配向される（配向が乱れる）。このように、軸方向成分を有するように配向された成形体に対して、径方向に磁場を印加する着磁処理を施しても、配向の乱れは矯正されず、着磁後のマグネットの磁化ベクトルに配向の乱れが大きく反映される。むしろ、径方向は軸方向と比較して反磁界が大きくなる方向であることから、配向の乱れた領域における磁化ベクトルがその周辺部における磁化ベクトルを軸方向に向かわせるように働くことになる。このため、従来のマグネットにおいては、その内周面側における表面近傍の磁化ベクトルが径方向に整列せず、表面磁束密度の制御が困難であった。
【００４０】
これに対して、本発明のマグネット１１は、切り欠き部１８を形成することによって配向が乱れた領域の少なくとも一部が削除されていることから、着磁後の磁化ベクトルの乱れが低減される。このため、従来構成に比べて、マグネット１１の内周面１２における磁化ベクトルが径方向に揃い、表面磁束密度が軸方向に対して均一化される。この結果、マグネット１１を組み込んだモータ１０のコギングトルクが低減すると考えられる。
【００４１】
また、磁化ベクトルの軸方向成分はモータの起動トルクには寄与しないことから、切り欠き部１８を形成することによってマグネットの体積が減少しても、起動トルクの低下への影響は小さい。むしろ、切り欠き部１８を形成することによって起動トルクが大きくなる。これは、前述のように、配向が乱れた領域が存在する状態で着磁処理を行なった場合には、配向が乱れた領域の磁化ベクトルが、その領域の周辺部の磁化ベクトルを反磁界の小さい方向である軸方向に向かわせるように働く。これに対して、本発明では、切り欠き部を形成することにより配向が乱れた領域の少なくとも一部が削除されていることから、着磁処理時における周辺部の磁化ベクトルを軸方向に向かわせる影響が小さくなる。このため、切り欠き部を形成することにより、マグネットの内周面側における径方向の磁束密度が大きくなる。径方向の磁束密度が大きくなることにより、モータの起動トルクが大きくなる。
【００４２】
また、マグネット１１に切り欠き部１８を形成することにより、モータ１０の軽量化および材料費削減による低コスト化を達成することができる。
【００４３】
次に、具体的な試作例の評価結果を説明し、本発明の効果をより明らかにする。
【００４４】
表１に、本発明に係るモータ（本発明品）の性能を、従来技術に係るモータ（従来品）の性能と比較して示す。数値は、従来品の値を１００とした相対値である。
【００４５】
【表１】
0005386250.tif 000002
【００４６】
表１から明らかなように、本発明品は、従来品と比較して、コギングトルクおよびマグネットの重量（ひいてはモータの重量）が小さくなっている。一方、起動トルクは大きくなっている。これらの試作結果の比較から、本発明に係るマグネットおよびモータの優位性が立証された。
【００４７】
以上、本発明の好ましい実施形態の一例について説明したが、実施の形態については上記に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４８】
例えば、上記実施形態では、射出成形の段階で切り欠き部１８を形成したが、これに限定されない。例えば、切り欠き部１８は、従来技術と同様の形状をした成形体を射出成形により成形した後（着磁処理前）に、機械加工により形成してもよい。この場合には、材料費の削減効果は期待できないが、コギングトルクの低減効果は奏することができる。また、切り欠き部１８の形状を任意に可変でき、形状の最適化が容易になる。
【００４９】
また、上記実施形態では、マグネット１０の一方の端面である上端面１４のみに切り欠き部１８を形成したが、これに限定されない。例えば、図３に示す金型５１において、内金型５２とゲート金型５８とが一体化される場合には、必然的にゲート金型５８が磁性材料で形成されることになる。このような場合には、図５に示すマグネット１１Ａように、上端面１４の外周面１３側に形成された切り欠き部１８に加え、下端面１５の外周面１３側にも切り欠き部１８Ａを形成してもよい。これにより、上端面１４および下端面１５のそれぞれにおける着磁の乱れが解消される。
【００５０】
また、上記実施形態では、マグネット１１の厚肉部１６を中心として離散的に４つの切り欠き部１８が形成されているが、切り欠き部１８の形態はこれに限定されない。金型の作製の容易さ、または、機械加工による切り欠き部の形成の容易さの観点から、薄肉部１７の中心部（磁極の境界部）まで及ぶように、すなわち、全周にわたって連続する１つの切り欠き部を形成するようにしてもよい。なお、エジェクタピン６０が厚肉部１６に相当する部分に配置されることから薄肉部１７での配向の乱れは少ない。また、薄肉部１７において最も肉厚が薄い中心部まで切り欠き部を形成した場合には、機械的強度の低下が懸念される。したがって、切り欠き部は、本実施形態のように、厚肉部１６を中心として離散的に形成されるのが好ましい。
【００５１】
また、全ての厚肉部１６に相当する部分に対向してエジェクタピン６０を配置しない場合には、必ずしも、全ての厚肉部１６に切り欠き部１８を形成する必要はなく、エジェクタピン６０が配置された部分のみに切り欠き部１８を形成するようにしてもよい。また、切り欠き部１８の縦断面形状および上面視形状も上記実施形態に限定されない。
【００５２】
また、上記実施形態では、マグネット１１を９０度回転対称形状としたが、これに限定されない。例えば、それ以外の回転対称形状であってもよいし、回転対称形状でなくてもよい。また、周方向に対して肉厚が一定のマグネットであっても、エジェクタピンの直径に対して比較的肉厚が厚い場合には、本発明を適用することができるものである。
【符号の説明】
【００５３】
１０    モータ
１１    マグネット
１２    内周面
１３    外周面
１３ａ  湾曲面
１３ｂ  平坦面
１４    上端面
１５    下端面
１６    厚肉部
１７    薄肉部
１８，１８Ａ    切り欠き部
１９    エッジ
２１    ヨーク
２２    内周面
３１    アマチュアロータ（鉄心）
３２    円環部
３３    突極
３３ａ  突極腕部
３３ｂ  ティース部
４１    回転軸
５１    金型（射出成形金型）
５２    内金型
５３    スリーブ
５４    配向磁石
５５    キャビティ
５６    ゲート
５７    ランナー
５８    ゲート金型
５９    保持プレート
６０    エジェクタピン（押し出しピン）
６１    ガイドプレート
６１ａ  隆起部
６２    エジェクタプレート
【図１】
0005386250.tif 000003
【図２】
0005386250.tif 000004
【図３】
0005386250.tif 000005
【図５】
0005386250.tif 000006
【図４】
0005386250.tif 000007