(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ含有量が8〜20質量％のＦｅ−Ｃｒ系合金の板材をプレス加工して櫛歯状極部を有するヨーク形状に成形したのち、650〜940℃の範囲の温度で焼鈍し、当該焼鈍温度から室温まで40℃/sec以下の冷却速度を維持して冷却する、ステッピングモーター用ヨークの製造法。
【請求項２】
Ｃｒ含有量が8〜20質量％のＦｅ−Ｃｒ系合金の板材をプレス加工して櫛歯状極部を有するヨーク形状に成形したのち、650〜940℃の範囲の温度で焼鈍し、当該焼鈍温度から室温まで40℃/sec以下の冷却速度を維持して冷却することにより、上記焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差を3°以下にする、ステッピングモーター用ヨークの製造法。
【請求項３】
Ｆｅ−Ｃｒ系合金が、質量％で、Ｃ：0.04％以下，Ｓｉ：0.1〜1.0％，Ｍｎ：1.0％以下，Ｐ：0.04％以下，Ｓ：0.03％以下，Ｃｒ：8.0〜18.0％，Ｎ：0.04％以下，Ｎｉ：1.0％以下，Ａｌ：2.0％以下，Ｔｉ：0〜1.0％（無添加を含む）を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼である、請求項１または２に記載の製造法。
【請求項４】
焼鈍温度が650〜900℃の範囲である、請求項１〜３に記載の製造法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモーターに用いられるステータヨークの製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ステッピングモーターのヨークには電磁軟鉄板（SUYP）や亜鉛めっき鋼板（SEC）が広く使用されている。しかし、これらの素材は交流での磁束密度が低いため、これらの素材からなるヨークを組み込んだ従来のステッピングモーターは、高い周波数領域で十分なトルクが得られないという欠点があった。
【０００３】
この問題を解決するため、特開平7−143723号公報，特開平8−47235号公報には、ヨーク素材としてＦｅ−Ｃｒ系合金を使用したステッピングモーターが開示されている。Ｆｅ−Ｃｒ系合金はSUYPやSECに比べ交流での磁束密度が格段に高いため、Ｆｅ−Ｃｒ系合金をヨーク素材として用いることにより高い周波数領域で大きなトルクを得ることが可能となる。
【０００４】
しかし、Ｆｅ−Ｃｒ系合金は加工歪みを付与すると磁気特性が大きく低下するという性質を有している。このため、プレス加工して櫛歯状極部を有するヨーク形状に成形した際、本来の優れた磁気特性が十分に発揮されなくなるといった問題が生じる。そこで、Ｆｅ−Ｃｒ系合金をヨークに使用する場合、通常、プレス加工後に焼鈍を施し、加工歪みによって低下した磁気特性の回復が図られる。例えば特開平8−19241号公報には700〜1100℃の温度で焼鈍する方法が、また特開平8−47235号公報には700〜1200℃の温度で焼鈍する方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような焼鈍によってＦｅ−Ｃｒ系合金を用いたヨークの磁気特性低下の問題はほぼ解消されている。ところが、量産設備にて「プレス加工→焼鈍」の工程でＦｅ−Ｃｒ合金のヨークを製造すると、櫛歯状極部の折り曲げ部が焼鈍後に変形していることがある。具体的には、図１に示すように、フランジ内周縁にプレス加工によって90°折り曲げて形成させた櫛歯状極部が、焼鈍後に内側に折れ曲がる現象が生じるのである。このようなステータヨークの櫛歯状極部の変形は、ステップ角の精度を低下させ、モータートルクを減少させる。変形が大きい場合にはモーター回転子の回転そのものを阻害してしまう。
【０００６】
したがって、焼鈍後にヨークが変形した場合には、ステッピングモータに組み込む前に変形を矯正する作業が必要となる。このような作業工程の増加は、作業効率の著しい低下のみならず多大なコスト増大を招く。
本発明は、Ｆｅ−Ｃｒ系合金を使用したヨークの製造過程で新たに顕在化してきた「焼鈍に伴う櫛歯状極部の変形」の問題を、Ｆｅ−Ｃｒ系合金本来の優れた磁気特性を損なうことなく解消することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、Ｃｒ含有量が8〜20質量％のＦｅ−Ｃｒ系合金の板材をプレス加工して櫛歯状極部を有するヨーク形状に成形したのち、650〜940℃の範囲の温度で焼鈍し、当該焼鈍温度から室温まで40℃/sec以下の冷却速度を維持して冷却する、ステッピングモーター用ヨークの製造法である。
ここで、「櫛歯状極部を有するヨーク形状」とは櫛歯状極部がヨーク完成品の所定の角度で形成されているヨークの形状を意味する。室温とは焼鈍設備が置かれている環境の温度であり、通常1〜35℃の範囲にある。
【０００８】
請求項２の発明は、Ｃｒ含有量が8〜20質量％のＦｅ−Ｃｒ系合金の板材をプレス加工して櫛歯状極部を有するヨーク形状に成形したのち、650〜940℃の範囲の温度で焼鈍し、当該焼鈍温度から室温まで40℃/sec以下の冷却速度を維持して冷却することにより、上記焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差を3°以下にする、ステッピングモーター用ヨークの製造法である。
ここで、「焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差」とは、図２に示すように、焼鈍前におけるフランジ面と櫛歯状極部のなす角α(°)と、焼鈍冷却後における当該なす角β(°)の差、β−αを意味し、「3°以下」とは全ての櫛歯状極部について3°以下であることを意味する。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、Ｆｅ−Ｃｒ系合金が、質量％で、Ｃ：0.04％以下，Ｓｉ：0.1〜1.0％，Ｍｎ：1.0％以下，Ｐ：0.04％以下，Ｓ：0.03％以下，Ｃｒ：8.0〜18.0％，Ｎ：0.04％以下，Ｎｉ：1.0％以下，Ａｌ：2.0％以下，Ｔｉ：0〜1.0％（無添加を含む）を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼である点を規定したものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１〜３の発明において、焼鈍温度が650〜900℃の範囲である点を規定したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
発明者らは、Ｆｅ−Ｃｒ系合金を用いたヨーク素材の磁気特性、および上記「櫛歯状極部の変形」に及ぼす因子について種々検討した。その結果、プレス加工後に行うヨークの焼鈍温度、およびその焼鈍後の冷却速度が重要な因子になっていることを突き止めた。これらの因子を特定範囲に調整した条件でヨークを焼鈍することによって、高い周波数領域でも十分に大きいトルクを発生させることができ、かつステッピングモーターの性能低下が起こらない程度にまで焼鈍に伴う上記変形が抑制されたＦｅ−Ｃｒ系合金製ヨークが製造できることを見出した。
以下、本発明を特定するための事項について説明する。
【００１２】
〔Ｆｅ−Ｃｒ系合金の化学組成〕
本発明ではヨーク素材としてＣｒ：8〜20質量％のＦｅ−Ｃｒ系合金を用いる。Ｃｒは鋼の電気抵抗率を増加させ、交流での磁気特性の向上に寄与する。また、耐食性の向上にも有効に作用する。500Hz以上といった高い周波数を印加して使用されるステッピングモーター用ヨークに求められる交流磁気特性を確保し、かつステッピングモーターが使用される種々の環境を考慮した耐食性を確保するには、8質量％以上のＣｒ含有が必要となる。しかし、Ｃｒを多量に含有させると却って磁束密度が低下するので、20質量％以下に抑える必要がある。好ましいＣｒ含有量の範囲は8.0〜18.0質量％である。このようなＦｅ−Ｃｒ系合金には、SUS430やSUS410L等のフェライト系ステンレス鋼が含まれる。
【００１３】
Ｃは、磁気特性および耐食性を劣化させるので、0.04質量％以下に制限することが望ましい。
Ｓｉは、鋼の電気抵抗率を増加させ、交流での磁気特性を向上させるのに有効である。その効果を十分に発揮させるために0.1質量％以上のＳｉ含有が望まれる。しかし1.0質量％を超えると材料の硬さが増加し、打ち抜きあるいはプレス加工が困難になる。したがって、Ｓｉ含有量は0.1〜1.0質量％の範囲にすることが望ましい。
Ｍｎは、製鋼時の脱酸に必要な元素であるが、磁気特性を劣化させるため1.0質量％以下の含有量に制限することが望ましい。
【００１４】
Ｐは、磁気特性を劣化させる元素であることから、0.04質量％を超えないようにすることが望ましい。
Ｓは、磁気特性を著しく劣化させる元素であるため、できるだけ低く抑えるのがよく、0.03質量％を超えないようにすることが望ましい。
Ｎは、Ｃと同様、磁気特性および耐食性を劣化させるので、0.04質量％以下に制限することが望ましい。
Ｎｉは、磁束密度の低下を招くので、1.0質量％以下にすることが望ましい。
【００１５】
Ａｌは、鋼の脱酸剤として添加される元素であり、脱酸に伴って不純物が低減されることで、間接的に磁気特性の向上に寄与する。また、Ｃｒ，Ｓｉと同様、電気抵抗率を増加させることで、直接的にも交流磁気特性の向上に寄与する。しかし、多量に含有すると材料が脆性になり、熱間圧延，冷間圧延時の加工性が低下するようになるので、Ａｌ含有量は2.0質量％以下に抑えることが望ましい。
Ｔｉは、Ｃｒより安定に炭化物を形成するため、耐食性の改善に有効に寄与するとともに、磁気特性に有害なマルテンサイト相の生成を防止する。しかし、過剰に添加すると材料の硬さが増加し、打ち抜きあるいはプレス加工が困難となるため、Ｔｉの添加は1.0質量％以下の含有量範囲で行うことが望ましい。
【００１６】
〔焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差〕
ステッピングモーター用ステータヨークにおいて、櫛歯状極部の折り曲げ部の角度、すなわちフランジ面と櫛歯状極部のなす角が、所定の設計角度（通常90°）に対して3°を超えるようになると、当該なす角の精度に起因するステッピングモーターの性能低下が問題になり始める。これは、当該なす角の誤差が3°を超える櫛歯状極部が１つでもあると、ステッピングモーターのステップ角の誤差およびトルクの低下が顕著になるからである。
【００１７】
このため、本発明においては、焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差を3°以下とすること、すなわち、焼鈍工程に伴う当該折り曲げ部の変形量を3°以下に抑制することが望ましい。こうすることで、焼鈍前のプレス加工で櫛歯状極部を所定の設計角度に仕上げた場合、焼鈍冷却後に櫛歯状極部の矯正工程を入れる必要がなくなる。
【００１８】
〔焼鈍温度〕
本発明では、Ｆｅ−Ｃｒ系合金をプレス加工したヨークを650〜940℃の範囲で焼鈍する。前述のように、この焼鈍の目的はプレス加工によって付与された加工歪みを除去し、Ｆｅ−Ｃｒ系合金本来の優れた磁気特性を回復させることにある。素材がＦｅ−Ｃｒ系合金であればプレス加工したままのヨークであっても、交流磁気特性は従来のSUYPやSECのヨークと比べ優れたものとなるが、焼鈍を施す場合には、焼鈍温度を650℃以上にすると磁気特性の回復が明らかに認められるようになる。焼鈍温度をさらに高くしていくと磁気特性の回復も進み、約800℃付近の焼鈍温度で加工前の磁気特性レベルに達する。それ以上高温で焼鈍しても磁気特性はほとんど変わらない。
【００１９】
一方、焼鈍温度を950℃以上にすると、後述の冷却速度を適正範囲にしても、焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差を3°以内に小さくすることが困難になることがわかった。このため、焼鈍温度の上限は940℃以下にすることが望ましい。
以上のことから、本発明ではプレス加工したヨークの焼鈍温度範囲を650〜940℃に規定する。また、好ましい焼鈍温度範囲として、650〜900℃の規定を設ける。一層好ましい焼鈍温度範囲は、磁気特性の回復がほぼ完全になる800〜900℃の範囲である。
なお、焼鈍時間は均熱1min程度で十分であるが、均熱時間を変動させてもほとんど同様の結果が得られる。また、焼鈍温度までの昇温速度はヨークの変形にほとんど影響しない。焼鈍の雰囲気は、材料の酸化を防止するために水素雰囲気下、あるいは真空下で行うことが望ましい。
【００２０】
〔冷却速度〕
発明者らの検討の結果、Ｆｅ−Ｃｒ系合金ヨークの櫛歯状極部の変形は焼鈍後の冷却速度に大きく依存することが明らかになった。すなわち、冷却速度が遅くなるにしたがって櫛歯状極部の変形量が小さくなっていく傾向が認められる。焼鈍温度が650〜940℃の場合において、当該焼鈍温度から室温まで40℃/sec以下の冷却速度を維持して冷却するとき、焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差を3°以下にすることができることを見出した。したがって、本発明では焼鈍温度を650〜940℃，好ましくは650〜900℃とし、当該焼鈍温度から室温まで40℃/sec以下の冷却速度を維持して冷却する。
【００２１】
【実施例】
〔実施例１〕
表１に示す化学組成のＦｅ−Ｃｒ系合金を30kg溶解し、鍛造→熱間圧延→冷間圧延→仕上げ焼鈍→酸洗の工程で板厚1.0mmの鋼板を得た。この鋼板をプレスにて打ち抜き、外径45mm，内径33mmの磁気測定用リング試験片を作製し、600〜1100℃の種々の温度で均熱1min焼鈍したサンプルを準備した。各サンプルについて、周波数1000Hz，印加磁場10エルステッドの条件下で最大磁束密度Bmを測定した。磁気測定の条件をこのようにしたのは、駆動周波数1000Hz程度，印加磁場10エルステッド以上にて使用されることが多いステッピングモーターの用途を考慮したことによる。図３にその結果を示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
図３から、Bmは焼鈍温度の上昇に伴い高くなる挙動を示し、概ね800℃以上の焼鈍でほぼ飽和することが判る。600℃の焼鈍では焼鈍前（すなわちプレス加工を受けたままの状態）に対して改善が見られないが、650℃以上の焼鈍でBmの明らかな向上が認められる。この結果は、加工歪みに起因するＦｅ−Ｃｒ系合金の磁気特性低下を回復させるには650℃以上の焼鈍温度が必要であることを示す一例である。
【００２４】
〔実施例２〕
実施例１で用いた板厚1.0mmの鋼板から、プレス加工により櫛歯状極部を有するステータヨークを作製した。その際、ヨークのフランジ部と櫛歯状極部のなす角が90°になるようにした。このヨークを、焼鈍温度，冷却速度の異なる種々の条件で焼鈍・冷却し、焼鈍前と焼鈍冷却後の、対応する櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差を求めた。
焼鈍は真空下で均熱時間1minの条件で行った。焼鈍後の冷却は、窒素ガスを真空炉内に導入することにより行い、窒素ガスの導入速度を変えることにより冷却速度を変化させた。冷却速度の値は、均熱温度から室温までの試験片温度の変化を熱電対を用いて測定し、得られた冷却曲線から求めた。櫛歯状極部の折り曲げ部の角度の測定は、投影機を用いてヨークのフランジ面と櫛歯状極部のなす角を測定する方法で行った。表２および図４に試験結果を示す。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
表２から、焼鈍後の冷却速度が十分に遅い場合、焼鈍温度が950℃以上になると焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差が3°を超えるようになることがわかる。
図４は、焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差に及ぼす冷却速度の影響について、焼鈍温度が850℃の場合の結果を示したものである。当該角度差は、焼鈍後の冷却速度に大きく依存し、40℃/sec以下の冷却速度において当該角度差が3°以下の望ましい結果が得られている。
【００２７】
〔実施例３〕
表３に示す化学組成を有するＦｅ−Ｃｒ系合金を30kg溶解し、実施例１と同様の工程で板厚1.0mmの鋼板を得た。この鋼板をプレスにて打ち抜き、外径45mm，内径33mmの磁気測定用リング試験片を作製した。また、プレス加工により櫛歯状極部を有するステータヨークを作製した。その際、ヨークのフランジ部と櫛歯状極部のなす角が90°になるようにした。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
得られたリング試験片およびステータヨークを焼鈍温度，冷却速度の異なる種々の条件で焼鈍・冷却した。リング試験片について、焼鈍冷却後における最大磁束密度Bmを実施例１と同様の条件で測定した。また、ヨークについて、焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差を実施例２と同様の方法で求めた。表４に、焼鈍条件および試験結果を示す。
【００３０】
【表４】
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【００３１】
焼鈍条件〔1〕〜〔10〕の本発明例のものはいずれも、焼鈍を施さなかった〔11〕に比べ最大磁束密度Bmが明らかに向上しており、焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差が3°以下という望ましい値を十分に満たしていた。
【００３２】
これに対し、焼鈍条件〔12〕,〔13〕の比較例は焼鈍温度が低すぎたため最大磁束密度Bmが低かった。焼鈍条件〔14〕,〔15〕の比較例は焼鈍後の冷却速度が大きすぎたため焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差が3°を超えて大きくなった。焼鈍条件〔16〕,〔17〕の比較例は焼鈍温度が高すぎたため当該角度差が3°を超えて大きくなった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｆｅ−Ｃｒ系合金を使用したヨークの製造過程で生じた「焼鈍に伴う櫛歯状極部の変形」の問題を、Ｆｅ−Ｃｒ系合金本来の優れた磁気特性を損なうことなく解消することが可能になった。これにより焼鈍後の矯正作業が不要となり、高い周波数領域で大きなモータートルクを発生する高精度のステッピングモーターが簡便かつ確実に得られるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】焼鈍によって生じるステータヨーク櫛歯状極部の変形の様子を示す模式図である。
【図２】焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差の定義を示す模式図である。
【図３】プレス加工後のＦｅ−Ｃｒ系合金の焼鈍温度と最大磁束密度Bmの関係を表すグラフである。
【図４】プレス加工後のＦｅ−Ｃｒ系合金ヨークの焼鈍前と焼鈍冷却後の櫛歯状極部の折り曲げ部の角度差に及ぼす冷却速度の影響を表すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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