(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面多極異方性リング磁石を焼結法により製造する際に、磁場中成形工程において用いられる成形装置であって、
筒状の型枠と柱状のコアロッドとによりリング状の成形空間が構成されており、製造される磁石の極数をｎとしたとき、型枠内にｎ個の溝が設けられ、これらの溝内に磁界印加用のコイルが埋め込まれており、
型枠が非磁性材料から構成され、型枠内にｎ個の高透磁率材が埋設され、各高透磁率材が、隣り合う溝間に存在し、
型枠の内周面の断面形状がｎ角形であって、このｎ角形の各頂点が、隣り合う溝間に存在し、
高透磁率材の成形空間側表面が、型枠の内周面に対しほぼ平行であり、ｎ角形の頂点と頂点との間の領域で、非磁性領域の厚さがほぼ同じにされる表面多極異方性リング磁石の成形装置。
【請求項２】
型枠の径方向に測定した高透磁率材の長さが、型枠の径方向に測定した前記溝の長さよりも大きい請求項１の表面多極異方性リング磁石の成形装置。
【請求項３】
高透磁率材から型枠の内周面までの距離が、０．８ｍｍ以下である請求項１または２の表面多極異方性リング磁石の成形装置。
【請求項４】
高透磁率材から溝までの距離が、０．８ｍｍ以下である請求項１〜３のいずれかの表面多極異方性リング磁石の成形装置。
【請求項５】
前記コイルの成形空間側表面が前記型枠の内周面に対しほぼ平行であり、かつ前記高透磁率材の成形空間側表面と前記コイルの成形空間側表面が直線状に揃うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかの表面多極異方性リング磁石の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面多極異方性リング磁石を焼結法により製造する際に用いる成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータ用のロータなどには、成形時に外周面に多極の異方性を付与し、焼結後に、この異方性に対応するように多極に着磁した表面多極異方性リング磁石が使用されている。表面多極異方性リング磁石では、磁気異方性をもった磁石粒子が、外周面の隣接する磁極を円弧状に結ぶように配列されているため、径方向に異方性を付与したラジアル異方性リング磁石に比べ、磁気特性や着磁性において有利である。
【０００３】
図２に、表面多極異方性リング磁石を製造する際に、磁場中成形工程に一般に用いられる成形装置の断面図を示す。この成形装置では、円筒状の型枠３内に、円筒状のスリーブ４が埋め込まれている。型枠３は磁性体から構成され、スリーブ４は非磁性超硬材料から構成される。スリーブ４の内側には、円柱状のコアロッド５が設けられ、スリーブ４の内周面が成形空間２の外周面を構成し、コアロッド５の外周面が成形空間２の内周面を構成している。型枠３内には、コイル６が埋め込まれた溝が設けられ、これらのコイルにより、溝間が磁極となって、成形空間２内に円弧状の磁束が存在することになる。
【０００４】
また、図３に、成形装置の他の例を示す。この成形装置は、特公平６−３７６４１号公報に記載されており、スリーブ４を設けずに、コイル６を埋め込んだ溝の成形空間２への開口部を、非磁性材料７で塞いでいる。図３の成形装置は、非磁性材料のスリーブが存在しないため、より強力な磁界を磁石粉末に印加できる。ただし、耐摩耗性が非磁性超硬材料より劣る磁性材料から型枠３を構成するため、成形装置の耐久性はそれほど高くない。
【０００５】
ところで、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石やフェライト磁石では、磁化容易軸方向とこれに直交する方向とで、焼結時の収縮率が大きく異なる。このように収縮率に大きな異方性があると、表面多極異方性を付与した成形体を焼結した場合に、磁石外周面に比較的大きな凹凸が生じてしまう。モータのロータに適用する場合には、真円度が良好であることが要求されるため、磁石外周面を研削加工する必要がある。このため、コスト高となってしまう。また、磁石外周面の凹凸が研削加工時の衝撃を増大させるため、割れや内部クラックを発生させる大きな要因となる。
【０００６】
表面多極異方性リング状磁石では、隣接する磁極間を結ぶ磁束は、磁石外周面から一定の深さまでに集中している。例えば、特開昭６４−２７２０８号公報には、磁石の径方向厚さが隣接する磁極間距離の半分であれば、磁石の表面磁束密度は最大値の９８％以上となることが記載されている。また、ロータに適用する場合には、リング状磁石は軽いほど好ましい。したがって、磁気特性を損ねない範囲で、できるだけ径方向厚さを小さくすることが望まれる。しかし、径方向厚さを小さくすると、上記した外周面の研削加工の際の割れが発生しやすくなり、歩留まりの低下を招く。
【０００７】
このような事情から、特開平９−３３０８４号公報では、図４に示す構造の成形装置を提案している。この成形装置では、スリーブ４の内周面の断面形状が、磁石の極数に応じた多角形（図示例は正１２角形）となっている。この多角形の頂点は、それぞれコイル６を埋め込んである２つの溝の間に存在し、この頂点付近が磁極となって、成形空間２内に磁界を印加する。この成形装置を用いると、径方向の収縮率が、多角形の頂点付近で大きく、多角形の辺の中央付近では小さくなる。この結果、焼結後、磁石形状はほぼ真円となっており、研削加工を施す必要がないか、研削加工を施す必要があったとしてもごくわずかの研磨代で済む。
【０００８】
しかし、同公報に記載された成形装置、あるいは図２に示す成形装置を製造するためには、スリーブ４を焼き嵌めする必要がある。そのため、スリーブ４には機械的強度が必要とされ、スリーブ厚さを例えば０．５mm以下とすることができない。したがって、磁石粉末に同じ強度の磁界を印加するためには、図３に示す成形装置よりも大きな電流をコイル６に流す必要がある。
【０００９】
また、同公報に記載された成形装置では、磁極に相当する多角形の頂点と、磁極間に相当する領域とで、スリーブ４の厚さが異なるため、磁束がスリーブ４の薄い部分に集中してしまって効率よく磁石表面付近を配向させることができない。そのため、図２に示す一般的な成形装置を用いた場合と同等の特性を得るためには、約１．５倍の電流が必要となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、表面多極異方性リング状磁石の磁場中成形に用いる成形装置において、磁場配向の効率を向上させると共に、磁石の強度向上と歩留まりの向上とを実現することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）〜（５）の本発明により達成される。
（１）  表面多極異方性リング磁石を焼結法により製造する際に、磁場中成形工程において用いられる成形装置であって、
筒状の型枠と柱状のコアロッドとによりリング状の成形空間が構成されており、製造される磁石の極数をｎとしたとき、型枠内にｎ個の溝が設けられ、これらの溝内に磁界印加用のコイルが埋め込まれており、
型枠が非磁性材料から構成され、型枠内にｎ個の高透磁率材が埋設され、各高透磁率材が、隣り合う溝間に存在し、
型枠の内周面の断面形状がｎ角形であって、このｎ角形の各頂点が、隣り合う溝間に存在し、
高透磁率材の成形空間側表面が、型枠の内周面に対しほぼ平行であり、ｎ角形の頂点と頂点との間の領域で、非磁性領域の厚さがほぼ同じにされる表面多極異方性リング磁石の成形装置。
（２）  型枠の径方向に測定した高透磁率材の長さが、型枠の径方向に測定した前記溝の長さよりも大きい上記（１）の表面多極異方性リング磁石の成形装置。
（３）  高透磁率材から型枠の内周面までの距離が、０．８ｍｍ以下である上記（１）または（２）の表面多極異方性リング磁石の成形装置。
（４）  高透磁率材から溝までの距離が、０．８ｍｍ以下である上記（１）〜（３）のいずれかの表面多極異方性リング磁石の成形装置。
（５）  コイルの成形空間側表面が型枠の内周面に対しほぼ平行であり、かつ高透磁率材の成形空間側表面とコイルの成形空間側表面が直線状に揃う上記（１）〜（４）のいずれかの表面多極異方性リング磁石の成形装置。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の成形装置は、表面多極異方性リング磁石を焼結法により製造する際に、湿式または乾式の磁場中成形工程において用いられる。
【００１３】
本発明の成形装置の主要部の構成例を、図１に断面図として示す。同図は、リング状成形空間を含む断面で切ったときの断面図であり、上パンチ、下パンチ等の図示は省略してある。
【００１４】
図１では、ほぼ円筒状の型枠３と円柱状のコアロッド５とによりリング状の成形空間２が構成されている。製造される磁石の極数をｎとしたとき、型枠３内にはｎ個の溝が設けられ、これらの溝内に磁界印加用のコイル６が埋め込まれている。なお、図示例はｎ＝１２である。
【００１５】
型枠３は、非磁性材料から構成される。型枠３の内周面は、成形対象物と接するため、例えば図２に示すような従来のスリーブ４と同様に、非磁性超硬材料などから構成することが好ましい。
【００１６】
型枠３内には、極数と同じｎ個の高透磁率材３１が埋設される。各高透磁率材３１は、隣り合う溝間、すなわち断面において隣り合うコイル６、６間に存在する。この成形装置では、各高透磁率材３１が磁極となって、成形空間２内に円弧状の磁束が存在することになる。
【００１７】
前述したように、図２や図４に示す従来の成形装置を製造するためには、スリーブ４を焼き嵌めする必要がある。そのため、スリーブ４には機械的強度が必要とされ、スリーブ厚さを例えば０．５mm以下とすることができず、一般には安全のために１．０mm以上とする。これに対し、図１に示す成形装置では、高透磁率材３１の形状に適合する空間を型枠３にあらかじめ形成しておき、この空間に高透磁率材３１を嵌入ないし挿入する。寸法の大きなスリーブは薄肉化すると全体の強度が低くなってしまうが、図１において型枠３内の空間と成形空間２とを隔てる領域は短いため、より薄肉化しても十分な強度を保つことができる。そのため、例えば高透磁率材３１から型枠３の内周面までの距離を０．８mm以下としても十分な強度が得られ、要求特性に応じて０．２mm程度まで薄くしても使用可能である。したがって、コイル６に流す電流をより小さくしても、従来と同等の強度の磁界を成形空間に印加することができる。これにより、容量の大きな電源が不要となるほか、コイル６への負担が軽減されるため、成形装置の寿命が向上する。
【００１８】
なお、上記と同様な理由により、高透磁率材３１からコイル６を収めた溝までの距離も、０．８mm以下と薄くでき、０．２mm程度まで薄くしても使用可能なので、高透磁率材３１の体積を十分に確保することができ、成形空間２内に高強度の磁界を印加できる。
【００１９】
さらに本発明では、型枠３が構造材として全体の強度を受け持つため、高透磁率材３１については、機械的強度を実質的に考慮せずに磁気特性の点だけで材料選定を行うことができる。したがって、機械的強度は比較的低いが透磁率が著しく高い材料を利用することができるので、電流のさらなる削減が可能である。例えば、図３に示すような従来の型枠３には、強度確保のために焼き入れ鋼を利用することが一般的であり、焼き入れにより透磁率が低下してしまっていたが、本発明における高透磁率材３１では焼き入れする必要がない。高透磁率材３１の構成材料としては、純鉄、鋼、鉄系合金が好ましい。鉄系合金としては、例えばパーメンジュール鋼が好ましい。
【００２０】
なお、コアロッド５の材質は、従来と同様であってよく、特に限定されない。
【００２１】
高透磁率材３１を嵌入ないし挿入するための空間を型枠３に形成する手段は特に限定されないが、放電加工を利用することが好ましく、特に、ワイヤー放電加工を利用することが好ましい。ワイヤー放電加工を利用すれば、型枠３の強度低下を招くことなく精度よく前記空間を形成できる。
【００２２】
本発明では図１に示すように、型枠３の内周面の断面形状がｎ角形であって、このｎ角形の各頂点が、隣り合う溝間、すなわち断面において隣り合うコイル６、６間に存在することが好ましい。型枠３の内周面をこのように構成することにより、図４に示す構成の成形装置を用いた場合と同様に、成形体を焼結する際に、径方向の収縮率が、多角形の頂点付近で大きく多角形の辺の中央付近では小さくなる。この結果、焼結後の研削加工の際に、研磨代がごくわずかで済む。このため、製造コストの低減が可能であり、また、径方向厚さが小さい場合に問題となる研削加工時の割れ発生も防止でき、歩留まり向上による低コスト化が可能である。
【００２３】
また、本発明では図１に示すように、高透磁率材３１の成形空間２側表面が、型枠３の内周面に対しほぼ平行である。この構成とすることにより、図４に示す従来の構成の問題点が解消される。すなわち、平行とすることにより、多角形の頂点と頂点間の領域とで、非磁性領域の厚さをほぼ同じにできるため、効率よく磁石表面付近を配向させることができる。そのため、使用電流の削減が可能となり、また、磁石内周部での応力発生による強度低下を防ぐことができる。
【００２４】
また、本発明では図１に示すように、高透磁率材３１の長さ（型枠３の径方向に測定した長さ）が、コイル６を埋め込んだ溝の長さ（型枠３の径方向に測定した長さ）よりも大きいことが好ましい。これにより、コイル６から発生する磁束を有効に利用でき、高強度の磁界を成形空間２内に印加できる。
【００２５】
なお、高透磁率材３１と型枠３の外周面との距離は特に限定されず、型枠３において十分な機械的強度が得られるように適宜決定すればよいが、通常、２mm以上とすることが好ましい。
【００２６】
本発明による効果は磁極の数によらず実現するため、磁極の数は特に限定されないが、一般には４極以上の成形装置に適用される。
【００２７】
本発明の成形装置を用いて製造される磁石の種類は特に限定されず、例えば希土類磁石等の金属磁石の製造にも適用できるが、特にフェライト焼結磁石の製造に好適である。
【００２８】
【実施例】
図３に示す構成の従来の成形装置と、図１に示す構成の本発明の成形装置とを準備した。図１の装置では、型枠３を非磁性超硬材料から、高透磁率材３１を純鉄からそれぞれ構成し、高透磁率材３１から型枠３の内周面までの距離を０．４mm、高透磁率材３１から溝までの距離を０．８mm、高透磁率材の長さを１０mm、溝の長さを６．５mmとした。また、図３の装置では、型枠３を焼き入れ鋼（ＳＫＳ２）から、非磁性材料７を非磁性超硬材料からそれぞれ構成した。
【００２９】
これらの成形装置を用い、乾式で磁場中成形を行って成形体を得、これを焼結して、外径３０mm、内径２１mm、高さ２４．８mm、極数２４の表面多極異方性フェライト磁石を製造した。
【００３０】
磁場中成形時にコイル６に流す電流を図５に示す値とし、そのときの磁石の総磁束を測定し、電流と総磁束との関係を調べた。結果を図５に示す。図５から、図１に示す本発明の成形装置を用いた場合には、図３に示す従来の装置を用いた場合に比べ、同等の性能の磁石がより弱い電流で得られ、同等の電流を用いた場合にはより高い特性の磁石が得られることがわかる。なお、図２および図４にそれぞれ示す成形装置を用いた場合には、図３に示す装置を用いた場合に比べ、同一電流でさらに磁石特性が低くなった。
【００３１】
図１の装置を用いて製造した磁石では、外径の最大寸法（磁極付近での値）と最小寸法（磁極間での値）との差が０．０７５mmであった。この磁石の外周面を最大０．４mm研削することにより平滑化し、最終製品とした。一方、図３の装置を用いて製造した磁石では、外径の最大寸法と最小寸法との差が０．４mmと大きかった。この磁石の外周面を、図１の装置で製造した磁石と同じ径となるように研削して平滑化したところ、最大研磨代は１．０mmであった。
【００３２】
各装置で製造した磁石について、総磁束とクラック発生率との関係を図６に示す。図６から、本発明の成形装置を用いれば、同等の磁石性能でクラック発生率を低くでき、また、クラック発生率を同等とした場合には磁石性能を高くできることがわかる。
【００３３】
また、各装置で製造した磁石について、総磁束と圧縮強度との関係を図７に示す。図７から、本発明の成形装置を用いれば、同等の磁石性能で圧縮強度を高くでき、また、圧縮強度を同等とした場合には磁石性能を高くできることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の成形装置を用いれば、磁場配向の効率が向上するため、容量の大きな電源が不要となるほか、コイルへの負担が軽減されるため、成形装置の寿命が向上する。また、製造される磁石は、強度が高くなり、製造歩留まりも向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の成形装置の主要部を示す断面図である。
【図２】従来の成形装置の主要部を示す断面図である。
【図３】従来の成形装置の主要部を示す断面図である。
【図４】従来の成形装置の主要部を示す断面図である。
【図５】コイルに流す電流と総磁束との関係を示すグラフである。
【図６】総磁束とクラック発生率との関係を示すグラフである。
【図７】総磁束と圧縮強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
２  成形空間
３  型枠
３１  高透磁率材
４  スリーブ
５  コアロッド
６  コイル
７  非磁性材料
【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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【図６】
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【図７】
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