(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加された磁場により配向する磁性粒子の配向分布を解析する装置であって、
磁性粒子の配向分布を仮定した仮定配向分布を設定する設定手段と、
前記設定手段で設定された前記仮定配向分布に基づいて磁界計算を行い磁界分布を算出する磁界分布算出手段と、
前記磁界分布算出手段で得られた磁界分布に基づいて前記磁性粒子の配向分布を計算し、算出配向分布を得る配向分布算出手段と、
前記配向分布算出手段で得られた算出配向分布に基づいて前記仮定配向分布を修正する修正手段と、
前記設定手段で設定された仮定配向分布と前記配向分布算出手段で算出された算出配向分布とが一致したとみなされるまで、前記磁界分布計算手段、配向分布計算手段及び前記修正手段を繰り返す制御手段とを備えることを特徴とする磁性粒子の配向分布解析装置。
【請求項２】
前記磁界分布算出手段は、磁界分布シミュレーションのための解析モデルデータ、前記仮定配向分布、及び前記磁場の印加条件に基づいて磁界分布を計算することを特徴とする請求項１に記載の磁性粒子の配向分布解析装置。
【請求項３】
前記解析モデルデータは、前記磁場を発生する装置と、前記磁性粒子を含む材料による成型物を含む領域を解析領域とした要素分割モデルであることを特徴とする請求項１に記載の磁性粒子の配向分布解析装置。
【請求項４】
前記修正手段は、前記算出配向分布を前記仮定配向分布に置き換えることを特徴とする請求項１に記載の磁性粒子の配向分布解析装置。
【請求項５】
前記修正手段は、前記算出配向分布と前記仮定配向分布の平均で該仮定配向分布を置き換えることを特徴とする請求項１に記載の磁性粒子の配向分布解析装置。
【請求項６】
印加された磁場により配向する磁性粒子の配向分布を解析する方法であって、
磁性粒子の配向分布を仮定した仮定配向分布を設定する設定工程と、
前記設定工程で設定された前記仮定配向分布に基づいて磁界計算を行い磁界分布を算出する磁界分布算出工程と、
前記磁界分布算出工程で得られた磁界分布に基づいて前記磁性粒子の配向分布を計算し、算出配向分布を得る配向分布算出工程と、
前記配向分布算出工程で得られた算出配向分布に基づいて前記仮定配向分布を修正する修正工程と、
前記設定工程で設定された仮定配向分布と前記配向分布算出工程で算出された算出配向分布とが一致したとみなされるまで、前記磁界分布計算工程、配向分布計算工程及び前記修正工程を繰り返す制御工程とを備えることを特徴とする磁性粒子の配向分布解析方法。
【請求項７】
前記磁界分布算出工程は、磁界分布シミュレーションのための解析モデルデータ、前記仮定配向分布、及び前記磁場の印加条件に基づいて磁界分布を計算することを特徴とする請求項６に記載の磁性粒子の配向分布解析方法。
【請求項８】
前記解析モデルデータは、前記磁場を発生する方法と、前記磁性粒子を含む材料による成型物を含む領域を解析領域とした要素分割モデルであることを特徴とする請求項６に記載の磁性粒子の配向分布解析方法。
【請求項９】
前記修正工程は、前記算出配向分布を前記仮定配向分布に置き換えることを特徴とする請求項６に記載の磁性粒子の配向分布解析方法。
【請求項１０】
前記修正工程は、前記算出配向分布と前記仮定配向分布の平均で該仮定配向分布を置き換えることを特徴とする請求項６に記載の磁性粒子の配向分布解析方法。
【請求項１１】
コンピュータに印加された磁場により配向する磁性粒子の配向分布を解析させるための制御プログラムを格納する記憶媒体であって、該制御プログラムが、コンピュータに、
磁性粒子の配向分布を仮定した仮定配向分布を設定する設定工程と、
前記設定工程で設定された前記仮定配向分布に基づいて磁界計算を行い磁界分布を算出する磁界分布算出工程と、
前記磁界分布算出工程で得られた磁界分布に基づいて前記磁性粒子の配向分布を計算し、算出配向分布を得る配向分布算出工程と、
前記配向分布算出工程で得られた算出配向分布に基づいて前記仮定配向分布を修正する修正工程と、
前記設定工程で設定された仮定配向分布と前記配向分布算出工程で算出された算出配向分布とが一致したとみなされるまで、前記磁界分布計算工程、配向分布計算工程及び前記修正工程を繰り返す制御工程とを実行させることを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁場を印加しながら磁性粒子を配向させることにより永久磁石を製造する場合における、磁性粒子の配向分布をシミュレーションする磁性粒子の配向分布解析装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、配向磁場を印加しながら磁性粒子を含んだ樹脂等の材料を形成することによって製造される永久磁石（ボンド磁石）が数多く実用されている。これらの永久磁石の製造装置は、磁性粒子を含んだ材料を成形するための成形型と、磁性粒子を配向させるために磁界を発生させるための磁極と、磁界発生源としてのコイルまたは永久磁石等から構成されている。この成形型に磁性粒子を含んだ材料を入れ、磁場を印加しながら形成することにより所望の形状の永久磁石が作られる。配向過程においては、印加する磁場によって磁性粒子が配向され、その結果として永久磁石が磁気特性を有するようになる。このため、印加磁場分布が永久磁石の磁気特性を決定する主要因の一つとなる。
【０００３】
永久磁石を組み込む製品の中には、永久磁石の磁気特性が製品の性能の優劣に大きく影響するものも数多く存在する。例えば、電子写真においては、現像器のマグネットローラとして永久磁石を使用しており、マグネットローラの磁界分布がトナーの搬送に重要な役割を持っている。このように、製品の性能を向上させる永久磁石を製造するために必要な印加磁界分布、製造装置の仕様等の条件を把握することは、永久磁石の製造上、大変重要となる。
【０００４】
一方、上記のような永久磁石の製造会社や大学の研究機関では、磁性粒子の配向分布及び永久磁石の磁気特性を、数値解析を用いて予測することが行われ、製造装置の設計に活用されている。具体的な試みとして、１９９７年の電学回転機研究会資料ＲＭ−９７−５（河瀬、松原：「磁化過程を考慮した永久磁石型回転機の３次元磁界解析」）に示されているように、磁場を印加するための磁場発生装置単体がつくる磁界分布を磁場解析により求め、その磁場分布に沿った磁性粒子の配向分布を求める解析方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、配向過程において、配向された磁性粒子自身がつくる磁界の影響を考慮していないため、正確な磁性粒子の配向分布を計算することができなかった。特に複雑な形状の永久磁石の場合、磁性粒子がつくる磁界が磁性粒子自身の配向に与える影響が大きくなるため、従来例に挙げた計算の結果得られる磁気特性と、実際の永久磁石が有する磁気特性とは一致しないことが多かった。このため、従来の解析手法による解析結果をもとに、所望の磁気特性を持つ永久磁石をつくることは困難であった。また、永久磁石の配向及び製造装置を設計・開発するためには、試作を何度も繰り返す必要が生じてしまい、そのために多くの時間やコストを要するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、磁性粒子の配向分布を正確に予測可能にし、ひいては、製造される永久磁石の磁気特性を正確に予測可能にすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明による磁性粒子の配向解析装置は例えば以下の構成を備える。すなわち、
印加された磁場により配向する磁性粒子の配向分布を解析する装置であって、
磁性粒子の配向分布を仮定した仮定配向分布を設定する設定手段と、
前記設定手段で設定された前記仮定配向分布に基づいて磁界計算を行い磁界分布を算出する磁界分布算出手段と、
前記磁界分布算出手段で得られた磁界分布に基づいて前記磁性粒子の配向分布を計算し、算出配向分布を得る配向分布算出手段と、
前記配向分布算出手段で得られた算出配向分布に基づいて前記仮定配向分布を修正する修正手段と、
前記設定手段で設定された仮定配向分布と前記配向分布算出手段で算出された算出配向分布とが一致したとみなされるまで、前記磁界分布計算手段、配向分布計算手段及び前記修正手段を繰り返す制御手段とを備える。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【０００９】
図２は、磁性粒子の配向分布を求めるための本実施形態による磁性粒子配向分布解析プログラムの構成を示すブロック図である。
【００１０】
図２において、２０は制御部であり、本解析プログラムの処理全体を制御する。２１は仮定配向分布設定部であり、磁性粒子の配向分布の仮設定を行う。２２は磁界計算部であり、磁性粒子の仮定配向分布を考慮して磁界計算を行う。２３は配向分布計算部であり、磁界計算部２２で得られた磁界分布に沿った磁性粒子の配向分布の計算を行う。２４は収束判定部であり、仮定した配向分布（仮定配向分布設定部２１で設定された仮定配向分布）と磁界分布から求めた配向分布（配向分布計算部２３で計算された配向分布）が一致するかどうかの判定を行う。
【００１１】
図３は本実施形態による磁性粒子配向分布解析装置の構成を説明するブロック図である。なお、以下の説明では、磁界解析の手法として有限要素法を用いるものとする。
【００１２】
本装置は、図３に示すように、ＣＰＵ３０、ＲＡＭ３１、表示装置３２、入力部３３、外部記憶装置３４、及びバス３５とを備える構成となっている。更に、ＲＡＭ３１は、プログラム格納部３１ａ、解析モデルデータ格納部３１ｂ、仮定配向分布データ格納部３１ｃ、磁界分布データ格納部３１ｄ、算出配向分布データ格納部３１ｅ、及び磁性粒子の磁化データ格納部３１ｆとを備えている。
【００１３】
上記各部の構成を詳述すると、ＣＰＵ３０は、中央処理装置であり、バス３５を介して接続された上記各部を制御する。ＲＡＭ３１の各格納部３１ａ〜３１ｆには、上記図２に示した磁性粒子配向分布解析プログラム、解析モデルデータ、仮定配向分布データ、磁界分布データ、算出配向分布データ、磁性粒子の磁化データがそれぞれ格納される。ＣＰＵ３０は、プログラム格納部３１ａに格納された磁性粒子配向分布解析プログラムを実行することにより、以下で説明する解析処理を実現する。
【００１４】
表示装置３２は、ディスプレイやプリンタ等から構成され、ＣＰＵ３０の制御により表示すべきデータ（解析結果等）を表示する。入力部３３は、キーボードやマウス等から構成され、外部からの入力データを装置内に入力する。外部記憶装置３４は、ハードディスク等で構成されており、各種データを記憶する。
【００１５】
ここで、各データの内容を説明する。
・解析モデルデータとは、印加磁界の発生装置や、永久磁石を成形するための成形用型内の材料等を含む領域を解析領域とした、磁界解析の為に用いる要素分割モデルである。
・仮定配向分布データとは、要素分割モデルにおける成形材料を表す各要素に対して、磁化の大きさと向き（配向分布）を仮定したものである。仮定配向分布データは仮定配向分布設定部２１によって生成される。
・磁界分布データとは、磁界解析の結果得られた解析領域内の磁界の分布である。なお、磁界分布データは磁界計算部２２によって得られる。
・算出配向分布データとは、得られた磁界分布をもとに計算して得られた磁化の向きと大きの分布（配向分布）である。なお、この算出配向分布データは配向分布計算部２３によって得られる。
・磁性粒子の磁化データとは、磁性粒子単体の持つ磁化の大きさや配向条件から決まる磁化率等の磁性粒子の磁気特性である。
【００１６】
以上のような構成を備えた本実施形態の解析装置による磁性粒子の配向分布解析処理について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本実施形態における処理の流れを表すフローチャートである。以下に、図１を用いて、上記解析装置を用いた磁性粒子の配向分布解析処理の流れを説明する。
【００１８】
１）まず、仮定配向分布設定部２１において、仮定すべき磁性粒子の磁化の向きと大きさ（配向分布）を設定し、これを仮定配向分布データ格納部３１ｃに格納する（ステップＳ１０）。
【００１９】
２）次に、磁界計算部２２において、解析モデルデータ格納部３１ｂ内の解析モデルデータ、ステップＳ１０で設定した仮定配向分布データ及び磁界印加条件（具体的には磁気ヨークの形状情報とコイル電流からなる）を用いて磁界計算を行う。そして、得られた磁界分布データを磁界分布データ格納部３１ｄに格納する（ステップＳ１１）。
【００２０】
３）次に、配向分布計算部２３において、ステップＳ１１で求めた磁界分布データをもとに、磁界分布に沿った磁性粒子の磁化の向きと大きさ（配向分布）を計算し、結果を算出配向分布データ格納部３１ｅに格納する（ステップＳ１２）。ここで、磁化の大きさは作用する磁界の大きさと配向率を考慮して決定し、磁化の向きは作用する磁界の向きと同じとしている。
【００２１】
４）次に、収束判定部２４において、仮定配向分布データ格納部３１ｃ内の仮定配向分布データと、磁界分布から求められた算出配向分布データが、全解析領域にわたり一致したかどうかを判定する（ステップＳ１３）。
【００２２】
５）ステップＳ１３において２つの配向分布が一致しなかった場合、磁界分布から求めた算出配向分布データに基づいて仮定配向分布データを修正し（ステップＳ１４）、再度ステップＳ１１〜Ｓ１３の処理を行う。
【００２３】
６）ステップＳ１１〜Ｓ１３の処理を、仮定配向分布データと、算出配向分布データが一致するまで繰り返し、ステップＳ１３において２つの配向分布データが一致した場合、本解析処理を終了する。なお、この一致の判断は、例えば収束判定に用いる方法（例えば、両者の相対差の最大値で判断する方法や、或いは絶対差の最大値で判断する方法、ノルム残差で判断する方法など）を用いることができる。
【００２４】
なお、本実施形態においては、上記ステップＳ１０における仮定配向分布は、磁性粒子の磁化を考慮しない印加磁場装置単体について磁界解析の結果得られた磁界分布をもとに、上記ステップＳ１２で実行されるのと同じ計算手法により求めた配向分布を用いている。
【００２５】
また、上記ステップＳ１４における仮定配向分布の修正方法としては、磁界分布から求めた算出配向分布データで仮定配向分布データを置き換える方法でよい。しかし、磁界分布から求めた算出配向分布と仮定配向分布の平均を仮定配向分布として再設定する等の過小緩和法を採用すれば、繰り返し計算の収束性を向上し、より安定的に配向分布を求めることができるようになる。
【００２６】
図４は本実施形態の配向分布解析処理を用いて磁性粒子の配向分布をもとに計算した磁界分布の断面図である。また、図５は従来法により求めた磁界分布の断面図である。図４及び図５において、（ａ）は配向仮定における磁場印加時の磁界分布を、（ｂ）は配向後の永久磁石単体の磁界の分布をそれぞれ示している。また、図４、図５において、４０は成形される永久磁石（ボンド磁石）を、４１は磁場発生装置の磁極を表している。
【００２７】
図４及び図５から明らかなように、磁性粒子の配向分布を考慮した場合（図４）と考慮しない場合（図５）とでは、永久磁石中の磁界分布が異なっており、磁性粒子のつくる磁界が磁性粒子の配向分布に影響を与えていることがわかる。
【００２８】
図６は、本実施形態及び従来例により求めた磁性粒子の配向分布を持つ永久磁石表面の磁界強度分布をグラフに示した図である。本実施形態のものと従来例のものとでは、特に４つの磁極近傍の磁界の分布が異なっており、本実施形態により求めた磁界の方が従来例に比べて小さくなっている。電子写真の現像器のように比較的小さな磁界分布の差によって製品の性能が変化することを鑑みると、本実施形態によって正確に磁界分布を予測できることは、電子写真プロセス装置を設計する上で大きな効果が得られる。なお、本実施形態によって求めた磁性粒子の配向分布に基づいて計算された磁界分布は、従来例に比べて実験結果と良く一致することが確認されている。
【００２９】
以上のように、本実施形態によれば、磁性粒子の仮定した配向分布と、仮定した配向分布を考慮した磁界分布から求めた磁性粒子の配向分布とが等しくなるまで繰り返し計算を行うことにより、自己無撞着な磁界分布と配向分布を得ることができるようになった。その結果、磁場を印加しながら、磁性粒子を含んだ材料を成形することによって製造する永久磁石において、永久磁石内の磁性粒子の配向分布を正確に求めることができるようになった。また、得られた磁性粒子の配向分布を用いて磁場解析することにより、永久磁石単体の磁気特性を正確に予測することができるようになった。
【００３０】
これにより、従来よりも正確かつ容易に所望の磁気特性を有する永久磁石を設計することができるようになり、永久磁石の磁気的性能が向上した。この結果、例えば電子写真の現像用に用いるマグネットローラにおいては、マグネットローラの性能向上により、より高精細な画像を得ることが可能となる効果があった。また、数多くの試作を要する永久磁石の配向や製造装置についても、正確かつ容易に設計することができるようになり、試作回数の削減による大幅な開発コストの削減の効果が得られた。
【００３１】
なお、本実施形態では磁界計算部として有限要素法を用いた場合について説明したが、有限要素法のほかの、永久磁石を考慮できる全ての磁界解析手法を用いることができる。
【００３２】
また、本発明の目的は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。
【００３３】
この場合、記憶媒体から読出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
【００３４】
プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フロッピディスク，ハードディスク，光ディスク，光磁気ディスク，ＣＤ−ＲＯＭ，ＣＤ−Ｒ，磁気テープ，不揮発性のメモリカード，ＲＯＭなどを用いることができる。
【００３５】
また、コンピュータが読出したプログラムコードを実行することにより、前述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
【００３６】
さらに、記憶媒体から読出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、磁性粒子の配向分布を正確に予測することが可能となり、ひいては、製造される永久磁石の磁気特性を正確に予測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態における磁性粒子の配向分布解析処理を説明するフローチャートである。
【図２】本実施形態に係わる磁性粒子の配向分布解析処理のプログラムの構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態に係わる磁性粒子の配向分布解析装置の構成を示すフロック図である。
【図４】（ａ）は本実施形態における磁性粒子の配向分布の解析結果をもとに解析した配向過程における磁場印加時の磁界分布の例を示す図であり、（ｂ）は本実施形態における磁性粒子の配向分布の解析結果をもとに解析した配向後の永久磁石単体の磁界分布の例を示す図である。
【図５】（ａ）は従来例における磁性粒子の配向分布の解析結果をもとに解析した配向仮定における磁場印加時の磁界分布の例を示す図であり、（ｂ）は従来例における磁性粒子の配向分布の解析結果をもとに解析した配向後の永久磁石単体の磁界分布の例を示す図である。
【図６】本実施形態及び従来例を用いて解析した永久磁石の表面における、放射方向磁界成分を示したグラフの例を示す図である。
【符号の説明】
２０  制御部
３０  ＣＰＵ
３１  ＲＡＭ
３２  表示装置
３３  入力部
３４  外部記憶装置
３５  バス
４０  永久磁石（ボンド磁石）
４１  磁極
【図１】
0004365923.tif 000002
【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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