JP2005210876A - 小型モータ用磁石、その磁石の製造方法及びその磁石を具えた小型モータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 希土類金属を機械加工によって変質損傷した磁石表面に成膜拡散することにより、磁石表面を改質する。改質した磁石を採用し、パーミアンス係数(動作点)を1以上、磁石の比表面積(表面積/体積)を4mm-1以上、磁石の体積を10mm3以下に選定して、モータを製造する。
【効果】 改質効果として、磁石の保磁力が改善できることから、熱あるいは外部磁場に対して、減磁し難く、信頼性の高い磁石を得ることができて、超小型モータ、外径寸法1.7mmのモータを得ることができる。さらにモータのトルク定数を向上できる。
【選択図】なし
Description
一方、上記磁石をモータに使用する場合には、研削加工等の機械加工によって最終形状としているが、この際に微小なクラックや酸化などによって磁石表面層のNdリッチ相が損傷を受け、その結果として磁石表面部分の磁気特性が磁石内部の数分の1まで低下してしまう。加工劣化層はおよそ数十μm程度とされ、磁石全体を考えた場合、体積が小さいほど、また比表面積(表面積/体積)が大きいほど、その特性が低下するという欠点を有していた。つまり、全体積に対する、加工損傷部の占める割合が増加することに起因する。
上記のような欠点を改善するため、本発明者等は、先に特願2003-096866にて「超小型製品用の微小、高性能希土類磁石とその製造方法」として特許出願をした。
先の特許出願では、超小型製品用の微小、高性能希土類磁石を対象に、表面積/体積比が2mm-1以上(好ましくは3mm-1以上)で、かつ体積が100mm3以下(好ましくは20mm3以下)であり、該磁石の最表面に露出している結晶粒子の半径に相当する深さ以上に該磁石内部にY及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上を磁石表面から拡散浸透させることにより、前記加工による変質損傷部を改質して(BH)maxが280kJ/m3以上の磁気特性を有することを特徴とする磁石およびその製造方法を提案している。
本発明者等は、ここで提案されている焼結磁石を小型モータ用に研究し、小型モータに実装し、そのモータ特性について、一般的にモータ特性を表す指標であるトルク定数に着目して、研究と対策実験を重ねた結果、モータ磁石としての特性に着目し、磁石を開発し、超小型モータを得ることが出来た。
本発明では、上記のような従来技術の問題を解決し、高性能な磁石を得るとともに超小型モータを提供することを目的とする。
本発明は、小型モータ用磁石の製造方法において、変質損傷した表面を有する穴のあいた内表面を有する円筒形状のNd−Fe−B系又はPr−Fe−B系の磁石を、減圧槽内に支持し、該減圧槽内で物理的手法によって蒸気又は微粒子化したR金属又はR金属を含む合金(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)を、該磁石の表面の全部又は一部に3次元的に飛来させて成膜しかつ該磁石の最表面に露出している結晶粒子の半径に相当する深さ以上に該磁石内部にR金属を磁石表面から拡散浸透させることによって前記加工による変質損傷部を改質することを特徴とする。
本発明は,小型モータ用磁石の製造方法において、変質損傷した表面を有する穴のあいた内表面を有する円筒形状のNd−Fe−B系又はPr−Fe−B系の磁石を、減圧槽内に支持し、該減圧槽内で物理的手法によって蒸気又は微粒子化したR金属又はR金属を含む合金(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)を、該磁石の表面の全部又は一部に3次元的に飛来させて成膜し、かつ該磁石の最表面に露出している結晶粒子の半径に相当する深さ以上に該磁石内部にR金属を磁石表面から、900乃至1000℃で、拡散浸透させることによって前記加工による変質損傷部を改質することを特徴とする。
本発明は、小型モータ用磁石の製造方法において、該磁石内部にR金属を磁石表面から、900℃で、拡散浸透させることによって前記加工による変質損傷部を改質することを特徴とする。
本発明は、小型モータ用磁石の製造方法において、前記物理的手法が、該磁石周辺に配置したR金属又はR金属を含む合金(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)から成る複数のターゲットを、イオン衝撃によって微粒子化させて、該磁石表面に膜を形成するスパックリング法であることを特徴とする。
本発明は、小型モータの製造方法において、前記物理的手法が、該希土類磁石周辺に配置したR金属又はR金属を含む合金(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)から成る複数のターゲットを、溶融蒸発させて発生した粒子をイオン化させて、該磁石表面に膜を形成するイオンプレーティング法であることを特徴とする。
本発明は、円筒状巻線コイルの軸方向開口一端部を回転軸に固着しているカップ型ロータと、該カップ型ロータの内部に配置され、円筒形ヨークに設けられて、回転軸と直交する方向に着磁された円筒形ステータ磁石とを具えた小型モータであって、該円筒形ステ-タ磁石は、変質損傷した表面を有する穴のあいた内表面を有する円筒形状のNd−Fe−B系又はPr−Fe−B系の磁石であって、該磁石は、比表面積(表面積/体積)の値が4mm-1以上で、かつ体積が10mm3以下であり、該磁石の最表面に露出している結晶粒子の半径に相当する深さ以上に該磁石内部にR金属(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)を、磁石表面から拡散浸透させることによって前記変質損傷部を改質して(BH)maxが280kJ/m3の以上の磁気特性を有する小型モータにおいて、パーミアンス係数(動作点)が1以上、前記ステータ磁石の比表面積(表面積/体積)が4mm-1以上、前記ステータ磁石の体積が10mm3以下に選定されていることを特徴とする。
本発明は、小型モータにおいて、パーミアンス係数(動作点)が1.4以上であることを特徴とする。
本発明は、小型モータにおいて、前記磁石表面に拡散浸透で形成された被膜の厚さを0.02乃至2μmとしたことを特徴とする。
本発明は、小型モータにおいて、前記R金属が、Dyであって、前記磁石表面に拡散浸透で形成された被膜の厚さを1.4μmとしたことを特徴とする。
本発明は、小型モータにおいて、前記モータの外径寸法が、3mm以下に選定されることを特徴とする。
本発明の方法で対象とする磁石ブロック素材は、原料粉末の焼結法や原料粉末をホットプレスした後に熱間塑性加工法によって製作されたものである。
これらの磁石ブロック素材を切断、穴あけ、研削、研磨等により機械加工して穴のあいた内表面を有する円筒形状又は円盤形状、穴のない円柱や角柱形状の小型磁石を製作する。これにより、表面積/体積の比が2mm-1以下で、かつ体積が100mm3以下の微小磁石を製作する。小型磁石として好適な合金系としては、Nd−Fe−B系やPr−Fe−B系などが代表的なものとして例示される。なかでも、Nd−Fe−B系焼結磁石は最も磁気特性が高いにもかかわらず機械加工による特性低下が大きいものである。
通常スパッタ時は電極線5に電位を与えずにスパッタ成膜をするのが一般的であるが、成膜する金属の種類や膜質制御のため、場合によっては電極線5を通じて磁石4に正のバイアス電位を与えてスバッタ成膜をすることもある。通常スパッタ中は、Arイオンとターゲット1、2から発生する金属粒子、及び金属イオンが混在したプラズマ空間7を形成して、円筒形状磁心4の表面の上下左右前後から3次元的に金属粒子が飛来して成膜される。
(実施例1)
Nd12.5Fe78.5Co1B8組成の合金インゴットからストリップキャスト法によって厚さ0.2〜0.3mmの合金薄片を製作した。次に、この薄片を容器内に充填し、500kPaの水素ガスを室温で吸蔵させた後に放出させることにより、大きさ約0・15〜0.2mmの不定形粉末を得て、引き続きジェットミル粉砕をして約3μmの微粉末を製作した。
実施例1において製作した外径1mm、内径0.3mm、長さ3mmの円筒形状磁石に、Nd、Dy、Pr、Tb、及びAlの各金属をそれぞれ成膜した。ここでNdとAlのターゲット寸法は、実施例1のDyと同じく外径80mm、内径30mm、厚さ20mmとし、PrとTbターゲットは、上記Alターゲットの試料に対向する面にのみ厚さ2mmの各金属を貼付固定して製作した。
Nd12Dy2.5Fe76.5Co1B8組成の焼結磁石ブロックを、切断、研削、及び穴あけをして、外径10mm、内径3mm、長さ1.4mmの円盤形状磁石を製作した。体積100mm3、表面積200m2、表面積/体積の比は2.0mm−1である。その表裏面にTb膜を形成した。スパッタリング条件は、RF出力40WとDC出力2Wを加えて10分間の逆スパッタを行った後、RF出力150WとしてDC出力を100〜800Wまで可変させてスパッタ条件の異なる磁石を製作した。
Nd12.5Fe78.5CoIB8組成の合金から、実施例1と同様の工程で外径5.2mm、内径1.9mm、厚さ3mmの円盤形状をした焼結磁石を製作した。この磁石に外径研削と内径研削加工を施した後、平面研削盤を使用して外径5mm、内径2mm、厚さが0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.8mm、1.2mm、1.8mmの各種寸法の円盤状磁石を得た。体積は約2mm3〜30mm3、比表面積(表面積/体積)は約21mm−l〜4mm−1の範囲である。
図8は、Dy膜厚と磁気特性との関係を示しており、膜厚が、1.4μmが最適であることを示している。
更にモータ用磁石の熱処理温度については、図9は、熱処理温度と磁気特性との関係を示しており、特にモータ用磁石としては、900℃から1000℃が好適であり、特に900℃が、最適であることを見出した。1100℃では、特性が落ちることが確認された。
図6は、ロータに本発明に係る磁石を設けた小型モータの実施例である。
11は、ハウジング、12は、フランジで、ハウジング11内に界磁巻線15が、装着されている。
ロータ磁石14は、円筒状に形成され、軸13に固定され、シャフト軸と直交する方向に着磁されている。
軸13は、フランジ12に固着された軸受16に保持されている。17は、給電のための配線基板である。
図5において、反磁界Hdに対して対応するB-H曲線上の磁束密度の値Bdで表される点(Hd,Bd)を動作点という。そして、B-H減磁曲線における動作点と原点とを通る直線を動作線と言い、−B/H =Pcをパーミアンス係数と言う。
例えば、モータの場合、パーミアンス係数Pcは、次のような関係になる。
(Lm・Ag)/(Am・Lg)・(Kf/Kr) (1)
式(1)において、
Lm は、磁石の厚さ
Ag は、磁気ギャップ断面積
Am は、有効磁石断面積
Lg は、磁気ギャップ長
Kf は、漏洩係数
Kr は、起磁力損失係数
そして、モータの磁気回路を考える場合,逆磁界或いは熱の影響により、磁石が著しい不可逆減磁を起こさないように動作点における磁束密度が、変曲点以下にならないようにパーミアンス係数を設定する。そして、パーミアンス係数を1以上、好ましくは、1.4以上の設定する
このようにして小型モータ全体の外径寸法が、4mmの小型モータを得ることができる。
円筒状巻線25の軸方向開口一端部を回転軸23に固着しているカップ型ロータと、
該カップ型ロータの内部に配置され、円筒型ハウジング21に設けられて、回転軸と直交する方向に着磁された円筒形ステータ磁石24とにより構成している。22は、フランジである。
そして、本発明に係る表面改質した磁石を採用し、パーミアンス係数(動作点)を1以上、磁石の比表面積(表面積/体積)を4mm-1以上、磁石の体積を10mm3以下に選定するとモータの外径寸法は、3mm以下に製造できる。
本発明の外径φ2.0mm試作モータと当社製市販モータの比較(同サイズでの比較)にて
トルク定数、最大効率及び起動トルク、特にトルク定数が顕著に向上している。
また、外径寸法がφ1.7mmのものについても、大きな起動トルクを得ることができた。
先ず、超小型モータのトルク定数が向上する。
すなわち、低回転/高トルクであり、低消費電流で済むことになる。機械的時定数が小さいことにより、応答性が向上することになり、さらに負荷に対する回転数変動を小さくすることができる。
更に改質効果として、ロータ磁石またはステータ磁石の保磁力が改善できることから、熱あるいは外部磁場に対して、減磁しにくく、高信頼性化が期待できる。かくして
超小型モータ、外径寸法1.7mmの駆動用モータを得ることができた。
また、今後主流となるであろう超小型モータのリフローによる基板実装に適用できる。
2 ターゲット
3 高周波コイル
4 磁石
5 電極線
6 モータ
7 プラズマ空間
11 ハウジング
12 フランジ
13 シャフト
14 円筒状ロータ磁石
15 界磁巻線
16 軸受
17 配線基板
21 ハウジング
22 フランジ
23 シャフト
24 円筒状ステ-タ磁石
25 円筒状巻線
Claims (12)
- 変質損傷した表面を有する穴のあいた内表面を有する円筒形状のNd−Fe−B系又はPr−Fe−B系の磁石であって、該磁石は、比表面積(表面積/体積)の値が4mm-1以上で、かつ体積が10mm3以下であり、該磁石の最表面に露出している結晶粒子の半径に相当する深さ以上に該磁石内部にR金属(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)を、磁石表面から拡散浸透させることによって前記変質損傷部を改質して(BH)maxが280kJ/m3の以上の磁気特性を有することを特徴とする小型モータ用磁石。
- 変質損傷した表面を有する穴のあいた内表面を有する円筒形状のNd−Fe−B系又はPr−Fe−B系の磁石を、減圧槽内に支持し、該減圧槽内で物理的手法によって蒸気又は微粒子化したR金属又はR金属を含む合金(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)を、該磁石の表面の全部又は一部に3次元的に飛来させて成膜し、かつ該磁石の最表面に露出している結晶粒子の半径に相当する深さ以上に該磁石内部にR金属を磁石表面から拡散浸透させることによって前記加工による変質損傷部を改質することを特徴とする小型モータ用磁石の製造方法。
- 変質損傷した表面を有する穴のあいた内表面を有する円筒形状のNd−Fe−B系又はPr−Fe−B系の磁石を、減圧槽内に支持し、該減圧槽内で物理的手法によって蒸気又は微粒子化したR金属又はR金属を含む合金(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)を、該磁石の表面の全部又は一部に3次元的に飛来させて成膜し、かつ該磁石の最表面に露出している結晶粒子の半径に相当する深さ以上に該磁石内部にR金属を磁石表面から、900乃至1000℃で、拡散浸透させることによって前記加工による変質損傷部を改質することを特徴とする小型モータ用磁石の製造方法。
- 該磁石内部にR金属を磁石表面から、900℃で、拡散浸透させることによって前記加工による変質損傷部を改質することを特徴とする請求項2記載の小型モータ用磁石の製造方法
- 前記物理的手法が、該磁石周辺に配置したR金属又はR金属を含む合金(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)から成る複数のターゲットを、イオン衝撃によって微粒子化させて、該磁石表面に膜を形成するスパッタリング法であることを特徴とする請求項2又は3記載の小型モータ用磁石の製造方法。
- 前記物理的手法が、該希土類磁石周辺に配置したR金属又はR金属を含む合金(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)から成る複数のターゲットを、溶融蒸発させて発生した粒子をイオン化させて、該磁石表面に膜を形成するイオンプレーティング法であることを特徴とする請求項2又は3記載の小型モータ用磁石の製造方法。
- ハウジングと、
該ハウジングの内側に設けられた界磁巻線と、
軸受部によって回転可能に支持されたシャフトと、
該シャフトに設けられ、シャフト軸と直交する方向に着磁された円筒形ロータ磁石とを具えた小型モータであって、
該円筒形ロータ磁石は、変質損傷した表面を有する穴のあいた内表面を有する円筒形状のNd−Fe−B系又はPr−Fe−B系の磁石であって、該磁石は、比表面積(表面積/体積)の値が4mm-1以上で、かつ体積が10mm3以下であり、該磁石の最表面に露出している結晶粒子の半径に相当する深さ以上に該磁石内部にR金属(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)を、磁石表面から拡散浸透させることによって前記変質損傷部を改質して(BH)maxが280kJ/m3の以上の磁気特性を有する小型モータにおいて、
パーミアンス係数(動作点)が1以上、
前記ロータ磁石の比表面積(表面積/体積)が4mm-1以上、
前記ロータ磁石の体積が10mm3以下
に選定されていることを特徴とする小型モータ - 円筒状巻線コイルの軸方向開口一端部を回転軸に固着しているカップ型ロータと、
該カップ型ロータの内部に配置され、円筒形ヨークに設けられて、回転軸と直交する方向に着磁された円筒形ステータ磁石とを具えた小型モータであって、
該円筒形ステ-タ磁石は、変質損傷した表面を有する穴のあいた内表面を有する円筒形状のNd−Fe−B系又はPr−Fe−B系の磁石であって、該磁石は、比表面積(表面積/体積)の値が4mm-1以上で、かつ体積が10mm3以下であり、該磁石の最表面に露出している結晶粒子の半径に相当する深さ以上に該磁石内部にR金属(但し、Rは、Y及びNd、Dy、Pr、Ho、Tbから選ばれる希土類元素の1種又は2種以上)を、磁石表面から拡散浸透させることによって前記変質損傷部を改質して(BH)maxが280kJ/m3の以上の磁気特性を有する小型モータにおいて、
パーミアンス係数(動作点)が1以上、
前記ステータ磁石の比表面積(表面積/体積)が4mm-1以上、
前記ステータ磁石の体積が10mm3以下
に選定されていることを特徴とする小型モータ - パーミアンス係数(動作点)が1.4以上であることを特徴とする請求項7又は8のいずれか1項に記載の小型モータ。
- 前記磁石表面に拡散浸透で形成された被膜の厚さを0.02乃至2μmとしたことを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載の小型モータ
- 前記R金属が、Dyであつて、前記磁石表面に拡散浸透で形成された被膜の厚さを1.4μmとしたことを特徴とする請求項7乃至10のいずれか1項に記載の小型モータ
- 前記モータの外径寸法が、3mm以下に選定されることを特徴とする請求項7乃至11のいずれか1項に記載の小型モータ。
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