(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、スリーブと、コアロッドとを有し、スリーブの内周面とコアロッドの外周面とにより成形空間が構成されており、型枠のうち少なくともスリーブに接する領域が高透磁率材から構成され、スリーブが非磁性材料から構成されており、
製造される磁石の極数をｎとしたとき、型枠内に磁界印加用のコイルがｎ個存在し、
スリーブ断面は、内周が円形かつ外周がｎ角形であり、このｎ角形の各頂点が、隣り合うコイル間に存在する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、フェライトからなる磁石粒子を含有し、外周面に複数の磁極を有する表面多極異方性リング磁石と、この磁石の製造に用いる成形装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータ用のロータには、表面多極異方性リング磁石が用いられている。表面多極異方性リング磁石は、磁気異方性をもった磁石粒子を含有し、外周面に複数の磁極を有する。このものは、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することにより製造される。表面多極異方性リング磁石中において、磁石粒子の磁化容易軸が連なる方向は、隣接する磁極を弧状に結ぶ方向である。そのため、表面多極異方性リング磁石は、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】
表面多極異方性リング磁石における磁石粒子としては、安価で高性能であることから、Ｓｒフェライト等の六方晶マグネトプランバイト型フェライトからなる板状粒子が用いられることが多い。六方晶フェライトからなる板状粒子を、図４に模式的に示す。このフェライト板状粒子は、磁化困難軸であるａ軸が主面の面内方向に存在し、磁化容易軸であるｃ軸は板面に垂直である。
【０００４】
図３に、表面多極異方性リング磁石の製造に用いられる従来の成形装置の例を示す。図３は、金型のリング状成形空間の軸に垂直な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。この成形装置は、円筒状の型枠３と円柱状のコアロッド５とを有する。型枠３は高透磁率磁性材料から構成され、型枠３の内周面には、非磁性超硬材料からなるスリーブ４が填め込まれ、スリーブ４の内周面とコアロッド５の外周面とにより成形空間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。これらのコイルにより、型枠３のうち隣接するコイル間に存在する領域が磁極となり、成形空間２内に円弧状の磁束が存在するように配向用磁界が印加される。
【０００５】
図７に、このような成形装置を用いてフェライト板状粒子を磁場中成形することにより製造されたリング磁石について、フェライト板状粒子１１の配向の様子を示す。図中に示されるフェライト板状粒子１１の断面は、ｃ軸を含む断面である。図示されるように、フェライト板状粒子１１はそのｃ軸方向が磁束と平行になるように配向する。コイル６に流す電流を大きくして配向磁界強度を高くするほどフェライト板状粒子の配向度は高くなり、磁石の磁気特性は高くなる。
【０００６】
近年、ステッピングモータの小型化および高性能化への要求に伴い、表面多極異方性リング磁石に対しても高性能化への要求が高まっている。表面多極異方性リング磁石の性能を向上させるには、上述したように磁石中におけるフェライト板状粒子の配向度を高めればよい。
【０００７】
しかし、フェライト板状粒子を用いた異方性磁石は、フェライト板状粒子の配向に依存して熱膨張率にも異方性が生じる。具体的には、磁化容易軸方向の熱膨張率は磁化困難軸方向の熱膨張率の約１．５倍となる。そのため、フェライト板状粒子の配向度を高くするほど熱膨張率の異方性が高くなる。その結果、焼結後、降温する際に、図７に示すように隣り合う地点１２、１２間に引張応力が発生する。そのため、磁極間にクラック（極間クラック）が発生しやすく、歩留まりの低下を招いてしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、フェライト板状粒子を用いた表面多極異方性リング状磁石において、磁極間でのクラック発生を防ぐことを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）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、スリーブと、コアロッドとを有し、スリーブの内周面とコアロッドの外周面とにより成形空間が構成されており、型枠のうち少なくともスリーブに接する領域が高透磁率材から構成され、スリーブが非磁性材料から構成されており、製造される磁石の極数をｎとしたとき、型枠内に磁界印加用のコイルがｎ個存在し、スリーブ断面は、内周が円形かつ外周がｎ角形であり、このｎ角形の各頂点が、隣り合うコイル間に存在する表面多極異方性リング磁石の成形装置。
【００１０】
ところで、フェライト板状粒子の熱膨張率の異方性によって表面多極異方性リング状磁石にクラックが生じることは、特公昭６３−５８８６号公報および特公平３−４０４８７号公報に記載されている。ただし、これら各公報では、リング状磁石の内周側に磁気配向されていない領域を所定幅設けることでクラック発生を防ごうとしており、前記Ｂ／Ａを制御する本発明とはクラック防止手段が全く異なる。また、これら各公報には、本発明の成形装置は開示されておらず、その示唆もない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
フェライト板状粒子を含有する表面多極異方性リング磁石を焼結法により製造するに際しては、一般に、フェライト原料粉末を磁場中で成形してリング状の成形体を得、この成形体を焼結した後、着磁する工程を設ける。フェライト原料粉末としては、例えば、いわゆる仮焼によって固相反応により製造したものや、共沈法や水熱合成法などにより製造したものが用いられる。磁場中成形は、湿式または乾式で行われる。
【００１２】
上記製造工程において湿式または乾式で磁場中成形を行う際に、以下に説明する本発明の成形装置を用いれば、フェライト板状粒子の配向が制御されて、前記した極間クラックが抑制される。
【００１３】
まず、本発明の成形装置の第１の構成例について説明する。図１に、第１の構成例の主要部を断面図として示す。図１に示す成形装置は、スリーブ４の形状が異なるほかは、図３に示す従来の成形装置と同様な構造であり、ｎ（＝１２）極の磁石を製造するための装置である。
【００１４】
図１において、スリーブ４断面は内周が円形かつ外周が正ｎ角形であり、このｎ角形の各頂点が、隣り合うコイル６、６間の中間位置に存在し、この付近が磁極となって、成形空間２内に配向用磁界が印加される。このように、外周が多角形のスリーブ４を設けることにより、成形空間２内に充填されたフェライト板状粒子の配向が制御され、極間クラック発生を抑制することができる。
【００１５】
スリーブ４の厚さは、極間クラック抑制効果が高くなるように適宜決定すればよい。ただし、スリーブ４の最小厚さ、すなわち隣り合う頂点の中間位置におけるスリーブ４の厚さ、が薄すぎると、スリーブ４の機械的強度が不十分となり、また、スリーブ４の摩耗の影響が大きくなるため、スリーブ４が破壊するおそれがある。一方、スリーブ４の最小厚さが厚すぎると、スリーブの最小厚さに対する、ｎ角形の頂点におけるスリーブ厚さ（最大厚さ）の比が小さくなる結果、外周が多角形のスリーブ４を設けることによる極間クラック抑制効果が低くなってしまう。また、成形空間２内に印加できる磁界の強度が低くなってしまう。そのため、スリーブ４の最小厚さは、好ましくは０．２〜１．０mm、より好ましくは０．３〜０．５mmである。
【００１６】
次に、参考例による成形装置の構成について説明する。図２に、参考例の主要部を断面図として示す。この成形装置は、筒状の型枠３とコアロッド５とを有し、型枠３の内周面とコアロッド５の外周面とにより成形空間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内には磁界印加用のコイル６がｎ個存在する。図２はｎ＝１２の場合を示している。型枠３は非磁性材料から構成され、型枠３内にｎ個の高透磁率材３１が埋設され、各高透磁率材３１は、隣り合うコイル６、６間に存在する。
【００１７】
図２に示す装置において、型枠３断面の内周は円形であり、一方、高透磁率材３１は、成形空間２側の表面が凹んでいる。その結果、各高透磁率材３１の成形空間２側表面と型枠３内周面との距離が、隣り合うコイル６、６の中間位置において最も大きくなっている。すなわち、高透磁率材３１と成形空間２との間に存在する非磁性材料（型枠３）の厚さが、隣り合うコイル６、６の中間位置において最も厚くなっている。一方、図１では、高透磁率材（型枠３）と成形空間２との間に存在する非磁性材料（スリーブ４）の厚さが、隣り合うコイル６、６の中間位置において最も厚くなっている。したがって、図２に示す装置においても、図１に示す装置と同様に成形空間２内のフェライト板状粒子の配向を制御することができ、その結果、極間クラック発生を抑制できる。
【００１８】
なお、図２に示す装置では、各高透磁率材３１の成形空間２側表面が正ｎ角形の辺上に存在するように、高透磁率材３１の成形空間２側表面の形状が設定されることが好ましい。これにより、図１の成形装置と同等の効果が得られる。
【００１９】
次に、図２に示す構成の利点を説明する。図１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るので、スリーブ厚さを著しく薄くすることはできない。これに対し図２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２において高透磁率材３１と成形空間２とを隔てる領域は短いため、この領域を薄肉化しても十分な強度を保つことができる。したがって、コイル６に流す電流をより小さくしても、この領域を薄肉化すれば、図１に示す構成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。
【００２０】
図２において、高透磁率材３１の成形空間２側表面と型枠３内周面との最小距離は、図１におけるスリーブ４の最小厚さと同等、すなわち好ましくは０．２〜１．０mm、より好ましくは０．３〜０．５mmとすればよい。図２における高透磁率材３１の成形空間２側表面と型枠３内周面との最小距離が、図１におけるスリーブ４の最小厚さと同じであっても、隣り合うコイル６、６間の中間位置における非磁性材料（図１ではスリーブ４、図２では型枠３）の厚さは、図２のほうが薄くなる。
【００２１】
さらに、図２に示す構成では、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１に示す構成において型枠３を構成する強磁性材料には、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うが、図２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。
【００２２】
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、高透磁率材３１が入る空間を形成できる。
【００２３】
図２に示す構成では、型枠３の半径方向に測定した高透磁率材３１の長さが、型枠３の半径方向に測定したコイル６の長さ（コイル６を埋め込んだ溝の長さ）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。
【００２４】
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。
【００２５】
なお、本発明の成形装置の各部に用いる具体的構成材料は、従来の成形装置の各部に用いられる磁性材料や非磁性材料と同様のものであってよく、特に限定されない。ただし、図２の高透磁率材３１については、前述したように焼き入れしていない材料を用いることが好ましい。
【００２６】
本発明の成形装置を用いるに際し、磁場中成形工程以外の工程は従来の磁石製造工程と同様にして行えばよい。すなわち、成形後、通常の条件で焼結し、必要に応じて表面を研磨して形状を整えればよい。
【００２７】
次に、本発明の成形装置を用いることにより極間クラックが防止できる理由について説明する。
【００２８】
図６は、本発明の成形装置を用いて磁場中成形することにより製造されたリング磁石について、フェライト板状粒子１１の配向を示す断面図である。一方、図７は、前記したように図３に示す従来の成形装置を用いて磁場中成形することにより製造されたリング磁石について、フェライト板状粒子１１の配向を示す断面図である。図中に示されるフェライト板状粒子１１の断面は、ｃ軸を含む断面である。これらの図において、ｃ軸が磁石半径方向とほぼ平行であるフェライト板状粒子１１の存在領域について注目すると、この存在領域の幅（磁石周方向の寸法）は、図６のほうが図７に比べ狭いことがわかる。前述したように、フェライト板状粒子では、磁化容易軸であるｃ軸方向の熱膨張率が、磁化困難軸方向である粒子面内（ｃ面）方向の熱膨張率の約１．５倍であるため、焼結後、冷却される際に、隣接する地点１２、１２間において引張応力が発生する。図６では図７に比べ、ｃ軸が磁石半径方向とほぼ平行であるフェライト板状粒子１１の存在領域が狭いため、この引張応力が小さくなる。そのため本発明の成形装置を用いた場合には、従来の成形装置を用いた場合に比べ、極間クラックの発生が少なくなると考えられる。
【００２９】
次に、極間クラックを抑制するために特に有効な配向パターンについて説明する。
【００３０】
図５に、表面多極異方性リング磁石の一部を断面図として示す。図５に示すように、磁石の外周半径をＤとし、磁極の数をｎとすると、極間距離ＬはＬ＝２πＤ／ｎで表される。ここで、磁石外周面から磁石半径方向に測った距離がＬ／２以下である円環状領域を領域Ａとする。また、領域Ａと内径および外径が同じであって、かつ、磁石粒子として、ｃ軸と磁石半径方向とのなす角度が１０度以下であるものだけを含む扇状の領域を領域Ｂとする。そして、領域Ａの面積をＡで表し、領域Ｂの面積をＢで表す。本発明者らの研究によれば、Ｂ／Ａが０．１２以下となるようにフェライト板状粒子１１の配向を制御すれば、極間クラックを顕著に抑制できることがわかった。ただし、Ｂ／Ａが小さすぎると、板状粒子の配向度が低くなりすぎるため、Ｂ／Ａは好ましくは０．１０以上とする。Ｂ／Ａは、磁石の断面ないし研磨面を顕微鏡で観察することにより求めることができる。板状粒子の主面と磁石半径方向とのなす角度を測定するに際しては、磁石の軸方向（厚さ方向）に垂直な断面ないし研磨面を顕微鏡により観察する。表面多極異方性リング磁石では、図６および図７に示すように、フェライト板状粒子の主面が観察面に対しほぼ垂直な状態となっているため、前記角度を容易に測定することができる。
【００３１】
なお、領域Ｂを決定するに際し、磁石外周面から半径方向に測った距離がＬ／２以下の領域における板状粒子の配向を調べるのは、磁石外周面からの距離がＬ／２を超える領域では磁石粒子の磁場配向が不十分となって磁石粒子の向きにランダム性が生じてしまい、磁場配向の指標とすることが難しくなるからである。
【００３２】
表面多極異方性リング磁石の極間クラックは、フェライト板状粒子の配向度が高い場合に多くなる。また、磁石の半径方向幅が極間距離に対し比較的小さい場合には、フェライト板状粒子の熱膨張率の異方性の影響が大きくなるため、この場合にも極間クラックは発生しやすくなる。本発明の成形装置は、これらのいずれの場合にも極間クラックの発生を抑制することができる。ただし、図５における磁石の半径方向幅Ｗ（外径から内径を減じた値）がＬ／２未満であると磁石内周部にクラックが生じやすくなるため、本発明ではＷ≧Ｌ／２とする。
【００３３】
本発明において、フェライト板状粒子はＳｒフェライトやＢａフェライト等のマグネトプランバイト型フェライトから構成されればよく、その具体的組成は特に限定されない。また、本発明において磁石の極数は特に限定されない。ただし、極数が少ないと極間距離が大きくなるため極間クラックが発生しやすくなり、一方、極数が多いと極間クラックは発生しにくくなるので、本発明が特に有効な極数は、４〜３２極である。
【００３４】
【実施例】
実施例１
図１に示す構成をもつ本発明の成形装置（ただし、ｎ＝２４）を用い、Ｓｒフェライトからなる板状粒子を用いて、以下の手順で表面多極異方性リング磁石を製造した。
【００３５】
成形装置において、型枠３は焼き入れ鋼から、スリーブ４は非磁性超硬材料からそれぞれ構成し、スリーブ４の最小厚さは０．３mmとし、極数は２４とした。成形に際しては、パルス電流を６回印加した。パルス電流の強度は、表１に示すものとした。成形後、成形体を空気中において１２４０℃で焼成し、焼結体を得た。次いで、焼結体を研磨し、外径１８．０mm、内径１２．０mm、高さ１１．４mmの２４極異方性リング磁石サンプルを得た。
【００３６】
比較例１
図３に示す構成をもつ従来の成形装置（ただし、ｎ＝２４）を用いたほかは実施例１と同様にして、２４極異方性リング磁石サンプルを作製した。
【００３７】
評価１
実施例１および比較例１で得られた各サンプルについて、総磁束量を測定し、また、極間クラック発生の有無を調べ、また、顕微鏡観察により前記Ｂ／Ａを求めた。これらの結果を表１に示す。なお、表１に示すクラック発生率は、測定サンプル１００個中において極間クラックが発生していたサンプルの比率である。
【００３８】
【表１】
0004093522.tif 000002
【００３９】
表１から本発明の効果が明らかである。実施例１と比較例１とでは、電流値が同じ場合には総磁束がほぼ同じとなっている。しかし、従来の成形装置を用いた比較例１の各サンプルでは、Ｂ／Ａが０．１２を超えており、総磁束量が大きくなるにしたがって極間クラック数が急激に増えているのに対し、本発明の成形装置を用いた実施例１の各サンプルでは、Ｂ／Ａが０．１２以下であり、極間クラックは全く認められない。
【００４０】
実施例２
成形空間の寸法を変え、かつ、磁場中成形の際の電流値を表２に示すものとしたほかは実施例１と同様にして、外径２２．０mm、内径１６．０mm、高さ１９．０mmの２４極異方性リング磁石サンプルを作製した。
【００４１】
比較例２
比較例１で使用した成形装置を用いたほかは実施例２と同様にして、２４極異方性リング磁石サンプルを作製した。
【００４２】
評価２
実施例２および比較例２で得られた各サンプルについて、実施例１および比較例１と同様な測定を行った。これらの結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
0004093522.tif 000003
【００４４】
表２から本発明の効果が明らかである。すなわち、実施例サンプルと比較例サンプルとの間に、表１と同様な関係が認められる。
【００４５】
実施例３
成形空間の寸法を変え、かつ、磁場中成形の際の電流値を表３に示すものとしたほかは実施例１と同様にして、外径２３．０mm、内径１６．０mm、高さ１１．８mmの２４極異方性リング磁石サンプルを作製した。
【００４６】
比較例３
比較例１で使用した成形装置を用いたほかは実施例３と同様にして、２４極異方性リング磁石サンプルを作製した。
【００４７】
評価３
実施例３および比較例３で得られた各サンプルについて、実施例１および比較例１と同様な測定を行った。これらの結果を表３に示す。
【００４８】
【表３】
0004093522.tif 000004
【００４９】
表３から本発明の効果が明らかである。すなわち、実施例サンプルと比較例サンプルとの間に、表１と同様な関係が認められる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の成形装置を用いて、磁場中成形の際にフェライト板状粒子の配向を制御することにより、配向度の高い表面多極異方性リング磁石において生じやすい極間クラックを防ぐことができる。そのため、高特性の表面多極異方性リング磁石を歩留まりよく製造することが可能となる。
【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】参考例による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】フェライト板状粒子を示す斜視図である。
【図５】表面多極異方性リング磁石の一部を示し、領域Ａおよび領域Ｂを説明するための平面図である。
【図６】本発明の成形装置を用いて製造された表面多極異方性リング磁石の一部を示す断面図である。
【図７】従来の成形装置を用いて製造された表面多極異方性リング磁石の一部を示す断面図である。
【符号の説明】
２  成形空間
３  型枠
４  スリーブ
５  コアロッド
６  コイル
１１  フェライト板状粒子
１２  地点
【図１】
0004093522.tif 000005
【図２】
0004093522.tif 000006
【図３】
0004093522.tif 000007
【図４】
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【図５】
0004093522.tif 000009
【図６】
0004093522.tif 000010
【図７】
0004093522.tif 000011