JP2006019386A - 磁場中成形方法、ラジアル異方性リング磁石の製造方法及び磁場中成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合部が発生せず、かつ配向の乱れを生ずることなく長尺のラジアル異方性リング磁石を製造する方法を提供する。
【解決手段】 リング状のキャビティ１５に磁石粉Ｐを充填する充填工程と、キャビティ１５に対してその位置が相対的に移動する上コイル１６、下コイル１７から発生される互いに反発する磁場をキャビティ１５の所定の領域ごとに印加することにより磁石粉Ｐをラジアル方向に配向しかつ、配向された磁石粉Ｐを加圧成形して成形体を得る磁場中成形工程とを備える磁場中成形方法。上記の磁場中成形は磁石粉Ｐを途中で追加する必要がなく、また、互いに反発する磁場を用いているため、磁石粉Ｐの配向方向は、キャビティ１５の内周側から外周側に向けて、又はその逆に一定とすることができるので、配向を乱すこともない。
【選択図】図３

Description

本発明は、ラジアル異方性リング磁石に関し、特に長尺のラジアル異方性リング磁石の製造方法に関する。

ラジアル異方性リング磁石は、単体磁石であるため、モータのロータに装着する場合に、複数個のセグメント磁石を用いる場合に比べて部品点数が減少し、また組み付けが容易であるという利点がある。
図１１に基づいてラジアル異方性リング磁石の成形方法を参照しつつ説明する。
図１１は、ラジアル異方性リング磁石を得る過程の磁場中成形の一例を示す断面図である。磁場中成形を行う成形装置３０は、配向磁場を発生する上コイル３１、下コイル３２を備えている。上コイル３１、下コイル３２から反発方向に発生される磁場（反発磁場）は、磁性体で構成されるコア３３及び磁性体で構成されるダイ３４を磁気回路として、コア３３、ダイ３４及び非磁性体で構成された上パンチ３５、下パンチ３６とで形成されるキャビティ３７にラジアル方向の配向磁場を付与する。キャビティ３７内に充填された磁石粉Ｐは配向された状態で、上パンチ３５、下パンチ３６を用いて加圧成形される。

ラジアル異方性リング磁石の磁気特性を向上させるためには、高い配向磁場を発生させる必要がある。ここで、コア３３の断面積をＳｉ、飽和磁化をＪｓ、ダイ３４の内径面の面積をＳｏとすると、ラジアル配向磁場は（Ｓｉ・Ｊｓ）／Ｓｏに比例する。Ｓｉ、Ｓｏは各々以下に示す通りであるから、配向磁場はＪｓ・（ｄ／Ｄ）・ｄ・／４／Ｌに比例する。この式は、コア３３の飽和磁化が高いほど、成形体の内径／外径（ｄ／Ｄ）が大きいほど、成形体の内径（ｄ）が大きいほど、ダイ３４の長さＬが短いほど、配向磁場が大きくなり、ラジアル異方性リング磁石の磁気特性（特に残留磁束密度（Ｂｒ））を向上することができることを示している。
Ｓｉ＝π・ｄ²／４（ｄ：成形体の内径＝コア３３の外径）、Ｓｏ＝Ｄ・π・Ｌ（Ｄ：成形体の外径＝ダイ３４の内径、Ｌ：ダイ３４の長さ）

上記式より、配向磁場はダイ３４の長さＬに反比例することがわかる。したがって、得られる成形体、ひいてはラジアル異方性リング磁石の長さはその外径によって制限されることになる。ダイ３４の長さＬを長くしたとしても、コア３３を通過する磁束には限りがあるため、成形体全体として配向磁場が弱いために配向度の低いラジアル異方性リング磁石しか得ることができない。そのために、外径が２０〜４０ｍｍ程度のサイズの磁石で十分な配向度を得るためには、成形体の長さを１５ｍｍ程度に制限する必要があった。

しかし、一方で長さの長い長尺のラジアル異方性リング磁石の要望は高く、特に低コスト化が要求される今日では長尺であってかつ磁気特性の高いラジアル異方性リング磁石の登場が希求されている。
長尺のラジアル異方性リング磁石を得るために種々の提案がなされている。その１つとして多段成形と呼ばれる成形方法がある（特許文献１（特開平２−２８１７２１号公報））。多段成形とは、キャビティに充填された所定量の磁石粉を配向磁場中で加圧成形して成形体を得た後に、この成形体上にさらに所定量の磁石粉を充填した後に配向磁場中で加圧成形するという処理を任意回数繰り返す方法である。しかし、多段成形は、１つのラジアル異方性リング磁石を製造するのに複数回の磁場中成形を行うために生産性が劣り、製品コストを上昇させる要因となる。また、複数回の成形を行うことにより接合部が発生するが、この接合部は機械的な強度劣化、磁気特性劣化を招来する原因となる。

長尺のラジアル異方性リング磁石を得る他の方法として、特許文献２（特開平７−１６１５１２号公報）には、ラジアル異方性を有する円弧状成形体を作製し、次いでこれら円弧状成形体を円弧状に組み合わせ、焼結する方法が開示されている。この方法も、組み合わせのための工程が必要であるとともに、接合部が発生するために、多段成形と同様の問題がある。

以上のような接合部発生の問題を有しない長尺ラジアル異方性リング磁石の製造方法が特許文献３（特開２００４−１１１９４４号公報）に提案されている。特許文献３は、反発磁場を用いるのではなく、水平磁場垂直成形法によるラジアル配向を提案している。特許文献３によれば、先行して配向した方向と９０度だけ配向軸を回転させて後続の磁場配向を行う。この後続の磁場配向における磁場強度は先行する磁場配向よりも弱くする。しかし、先行する磁場配向による配向部分と後続の磁場配向による配向部分の境界部分では、一旦配向された磁石粉が反転するために、配向の乱れが生じて、均一な磁気特性を得ることが難しい。

特開平２−２８１７２１号公報 特開平７−１６１５１２号公報 特開２００４−１１１９４４号公報

本発明は、以上のような技術的課題に基づいてなされたもので、接合部が発生せず、かつ配向の乱れを生ずることなく長尺のラジアル異方性リング磁石を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明は、リング状のキャビティに磁石粉を充填する充填工程と、キャビティに対してその位置が相対的に移動する磁場発生手段から発生される互いに反発する磁場をキャビティの所定の領域ごとに印加することにより磁石粉をラジアル方向に配向しかつ、配向された磁石粉を加圧成形して成形体を得る磁場中成形工程とを備える磁場中成形方法により前記課題を解決した。
本発明において、磁場をキャビティの所定の領域ごとに印加する形態として、キャビティの周方向に分割された所定の領域に磁場を順次印加する形態と、キャビティの軸方向に分割された所定の領域に磁場を順次印加する形態を包含する。前者の場合にはキャビティの周方向に分割された所定の領域に順次磁場発生手段を対応させ、後者の場合にはキャビティの軸方向に分割された所定の領域に順次磁場発生手段を対応させる。
キャビティの周方向に分割された所定の領域に磁場を順次印加する場合、キャビティの中心を基準として略対称の位置に存在する複数の所定の領域に磁場を同時に印加し、次いで、キャビティの中心を基準として略対称の位置に存在する他の複数の所定の領域に磁場を同時に印加する処理を所定回数繰り返すことにより、キャビティの周方向全域に亘って磁石粉を配向することができる。磁場が直接印加された領域に隣接する領域も磁場の影響を微小ではあるが受ける。磁場を対称位置に印加することで、この微小な影響の度合いも周方向に均等になる。したがって、以上のように略対象の位置に存在する複数の所定の領域に磁場を同時に印加するという処理を繰り返すことによって、周方向の配向バラツキを低減でき、その結果、磁石としての表面磁束バラツキを低減することができる。

本発明において、同一の所定の領域に磁場を印加する回数は１回であってもよいし、複数回であってもよい。加圧前に、複数回磁場を印加することで１回の印加では配向仕切れなかった磁石粉も配向することができるようになる。したがって、複数回磁場を印加することによって、配向度を向上させることができる。また、加圧することで配向は乱れる。そこで加圧中に複数回磁場を印加することで、その乱れた配向を回復させることが可能となる。
また、所定の領域ごとに印加される磁場の強度を各々同等とすることにより、均一な配向状態の成形体を得ることが可能となる。
さらに本発明は、成形体を構成するに足りる量の磁石粉を磁場の印加前にキャビティに一度で充填することができるため、磁石粉の供給を複数回行う必要がない。さらに、従来の多段成形法で生じていた接合部を生成することがない。

上述した磁場中成形法は、ラジアル異方性リング磁石を製造する際に有益な方法である。したがって本発明は、互いに反発する磁場の印加手段を周方向又は軸方向に移動させてラジアル方向に磁石粉が配向されたリング状の成形体を作製する工程と、成形体を焼結する工程とを備えることを特徴とするラジアル異方性リング磁石の製造方法をも提供する。
この製造方法において、磁場の印加が、複数の第１領域に対して同時に磁場を印加する第１印加工程と、複数の第１領域と異なるか又は一部が重複する複数の第２領域に対して同時に磁場を印加する第２印加工程を少なくとも備えることにより、長尺かつ高磁気特性のラジアル異方性リング磁石を簡易に製造することができる。
また本発明のラジアル異方性リング磁石の製造方法において、磁石粉の配向方向は、成形体の内周側から外周側に向けて又はその逆のいずれか一方とすることができる。したがって、特許文献３で生じていた配向の乱れを生じることがない。

本発明は又、上述した磁場中成形方法を実施する以下の磁場中成形装置を提供する。この磁場中成形装置は、リング状のキャビティに充填された磁石粉を加圧する加圧成形部と、キャビティに対してその内周側から外周側に向けた磁場又はその外周側から内周側に向けた磁場のいずれかを印加し、かつキャビティの周方向又はキャビティの軸方向に沿って加圧成形部に対して相対的に移動する磁場印加部とを備えることを特徴とする。

この磁場印加部は、キャビティの周方向又は軸方向に沿って配置される磁場発生コイルと、磁場発生コイルによる磁場発生タイミングを制御する磁場発生制御手段とを備えることが望ましい。そしてさらに、磁場発生タイミングに関連して加圧成形部と磁場印加部の相対的な移動を制御する移動制御手段を備えることが望ましい。

本発明の磁場中成形装置において、磁場印加部は、キャビティの中心を基準として略対称の位置に存在する複数の磁場発生コイルを備えることが望ましい。この場合、複数の磁場発生コイルは、各々の相対的な位置関係を維持しながら、キャビティの周方向に沿って移動する。

以上説明したように、本発明によれば、接合部が発生せず、かつ配向の乱れを生ずることなく長尺のラジアル異方性リング磁石を製造する方法を提供することができる。

以下、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明する。
始めに本発明の原理について図１及び図２を参照しつつ説明する。なお、図１は本発明に基づく磁場中成形方法を説明するための図、図２は従来の磁場中成形方法を説明するための図である。
図２において、コア１とダイ２との間にキャビティ３が形成され、このキャビティ３には磁石粉Ｐが充填されている。コア１及びダイ２は軟磁性体から構成されており、ダイ２の長さをＬとする。図示しないコイルから発生した磁束（点線矢印で示す）はダイ２、キャビティ３を通過した後に、コア１に進入する。ダイ２はその全体が軟磁性体から構成されているため、磁束はダイ２の全周にわたって均等に進入する。したがって、キャビティ３の周方向の全ての領域に磁場が印加される。なお、ここでは印加される磁場強度を１２本の磁束で表すものとする。

以上に対して、例えば図１に示すように、ダイ２を４０°に９分割し、そのうち３つ、つまり１２０°に対応する所定領域だけに同時に磁束を進入させたとする。このようにするためには、ダイ２を磁性体部２ａと非磁性体部２ｂとから構成すればよい。コア１の飽和磁化が図２と同等であれば、ダイ２の長さを３Ｌにしても、図２の場合と同等の磁場強度を得ることができる。図１では１２０°に対応する所定領域に磁場を印加している状態を示しているが、磁場を印加する領域を周方向に移動することにより、キャビティ３の全周（３６０°）に亘って磁場を印加することができる。
以上のように、磁場を印加すべき領域に対して一度に磁場を印加するのではなく、キャビティ３の所定領域、例えば周方向が分割された所定領域ごとに磁場を印加することにより、ダイ２の長さ、換言すると成形体の長さを長くしても所定の磁場強度を得ることができるため、長尺でかつ磁気特性の高いラジアル異方性リング磁石を製造することができる。

次に、本発明による磁場中成形の具体的な形態について説明する。
＜第１形態＞
図３に基づいて本発明の実施の形態（第１形態）について説明する。なお、図３は第１形態にかかる磁場中成形装置１０の構成を示す縦断面図であり、図３（ａ）は磁場配向前半の状態を、又図３（ｂ）は磁場配向後半の状態を示している。

磁場中成形装置１０は、軟磁性体で構成される円柱状のコア１１と、コア１１と所定の間隔を隔てて配設されるダイ１２とを備えている。ダイ１２の周囲には、ダイヨーク１８が配置されている。このダイヨーク１８は、上コイル１６及び下コイル１７とともに昇降可能である。コア１１及びダイ１２との間にキャビティ１５が形成され、このキャビティ１５には、所定量の磁石粉Ｐが充填される。磁場中成形装置１０は、磁石粉Ｐを加圧する上パンチ１３及び下パンチ１４を備えている。磁場中成形装置１０はまた、配向磁場を発生する上コイル１６及び下コイル１７を備えている。上コイル１６及び下コイル１７から反発方向に発生される磁場（反発磁場）は、いずれも磁性体で構成されるコア１１、ダイ１２及びダイヨーク１８を磁気回路として、コア１１、ダイ１２及び非磁性体で構成された上パンチ１３、下パンチ１４とで形成されるキャビティ１５にラジアル方向の配向磁場を形成する。

磁場中成形装置１０は、以下の特徴を有している。すなわち、磁場中成形装置１０は、キャビティ１５と上コイル１６及び下コイル１７のコア１１における軸方向の相対的位置が移動する。具体的には、上コイル１６、下コイル１７及びダイヨーク１８がキャビティ１５に対して昇降可能に配設されている。もちろん、キャビティ１５、換言すればダイ１２が上コイル１６、下コイル１７及びダイヨーク１８に対して昇降可能に配設されていてもよい。昇降のための機構は、従来公知の手段を用いることができるので、ここでの説明は省略する。

さて、キャビティ１５に所定量の磁石粉Ｐが充填され、かつ上コイル１６及び下コイル１７が図３（ａ）の位置に存在するときに上コイル１６及び下コイル１７を励磁する。そうすると、キャビティ１５の上部にある磁石粉Ｐが配向される。上コイル１６及び下コイル１７への電流供給を一旦停止した後に上コイル１６及び下コイル１７を降下させる。降下したときの上コイル１６及び下コイル１７の位置を図３（ｂ）に示す。上コイル１６及び下コイル１７を降下した後に再度上コイル１６及び下コイル１７を励磁する。そうすると、キャビティ１５の下部にある磁石粉Ｐが配向される。

以上のようにしてキャビティ１５上部の配向、下部の配向が終了した後に、上パンチ１３及び下パンチ１４により磁石粉Ｐを加圧成形する。ただし、加圧成形は配向終了後に限るものではなく、配向中に加圧成形することもできる。
また、以上の例では、キャビティ１５上部の配向から下部の配向に移行する際に上コイル１６及び下コイル１７への電流供給を一旦停止しているが、電流供給を停止することなく上コイル１６及び下コイル１７を降下させている最中に磁場配向を行ってもよい。
さらに、以上の例ではキャビティ１５上部、下部と２つの領域に区分して磁場配向を行ったが、上部、中間部及び下部というように３つの領域にあるいはそれ以上に区分して磁場配向することもできる。
さらにまた、以上の例では一対の上コイル１６及び下コイル１７をキャビティ１５に対して相対的に移動させることにより、所定の領域ごとに磁石粉Ｐを配向しているが、二対以上の電磁コイルをコア１１の軸方向に配設し、励磁する電磁コイル対を順次変えることによって、電磁コイルの位置の移動を伴うことなく、キャビティ１５の軸方向の全領域を配向することもできる。

＜第２形態＞
上述した第１形態では、キャビティの軸方向に区分された所定領域ごとに磁場配向する例を示したが、本発明はキャビティの周方向に区分された所定領域ごとに磁場配向することもできる。その例（第２形態）を図４に基づいて説明する。なお、図４は第２形態を実施する磁場中成形装置２０の構成を示す横断面図である。

図４に示すように、磁場中成形装置２０は、軟磁性体で構成される円柱状のコア２１と、コア２１と所定の間隔を隔てて配設されるダイ２２とを備えている。ダイ２２も軟磁性体で構成されている。
ダイ２２の周囲には、その中心に向けて突出するヨーク部２３ａ及び空隙部２３ｂを備えた略円筒状の可動磁気回路２３が配設されている。可動磁気回路２３の空隙部２３ｂには、複数の電磁コイルＣ１１、Ｃ１２及びＣ１３が配設されている。なお、反発磁場を発生させるために、磁場中成形装置２０は、電磁コイルＣ１１、Ｃ１２及びＣ１３と対をなす図示しない電磁コイルを備えている。電磁コイルＣ１１、Ｃ１２及びＣ１３は、キャビティ２５の中心を基準として対称の位置に配置されている。可動磁気回路２３は、コア２１（キャビティ２５）の軸を中心に回転可能である。可動磁気回路２３を回転させるための機構は、従来公知のものを用いることができる。

コア２１及びダイ２２との間にキャビティ２５が形成され、このキャビティ２５には、所定量の磁石粉Ｐが充填される。磁場中成形装置２０は、磁石粉Ｐを加圧する図示しない上パンチ及び下パンチを備えている。
磁場中成形装置２０は、コントローラ２４を備えている。コントローラ２４は、電磁コイルＣ１１、Ｃ１２及びＣ１３の磁場発生のタイミングを制御する。またコントローラ２４は、可動磁気回路２３の回転動作を制御する。

磁場中成形装置２０による磁場中成形方法を説明する。
磁場中成形当初、可動磁気回路２３は図４（ａ）の位置にあるものとする。コントローラ２４は、電磁コイルＣ１１、Ｃ１２及びＣ１３（及び図示しない電磁コイル）を励磁する。すると、図４（ａ）で示すように、キャビティ２５には、所定の領域にその外周側から内周側に向けた配向磁場が印加される。この磁場の印加タイミングを第１タイミングという。
コントローラ２４は、図４（ａ）の状態で電磁コイルＣ１１、Ｃ１２及びＣ１３（及び図示しない電磁コイル）への励磁を所定時間経過した後に停止する。コントローラ２４は、次いで、時計回りに所定角度だけ回転し停止するよう可動磁気回路２３を制御する。電磁コイルＣ１１、Ｃ１２及びＣ１３は、図４（ａ）の位置から、図４（ｂ）の位置まで移動する。次に、コントローラ２４は、再度、電磁コイルＣ１１、Ｃ１２及びＣ１３（及び図示しない電磁コイル）を励磁する。すると、図４（ｂ）で示すように、キャビティ２５には、第１タイミングとは異なる所定の領域に対して、その外周側から内周側に向けた配向磁場が印加される。この磁場の印加タイミングを第２タイミングという。

以上のように、磁場の印加、可動磁気回路２３の回転（電磁コイルＣ１１、Ｃ１２及びＣ１３の移動）、磁場の印加という手順を所定回数繰り返すことにより、周方向に分割された所定の領域に順次電磁コイルＣ１１等を対応させ、キャビティ２５に充填される磁石粉Ｐをその周方向の全域に亘ってラジアル配向することができる。

以上の磁場配向において、図示しない上パンチ、下パンチによる磁石粉Ｐの加圧は、配向が終了した後に行ってもよいし、配向と同時に行ってもよい。
また、第１タイミングで磁場を印加する領域と第２タイミングで磁場を印加する領域は、異なっていてもよいし、一部重複していてもよい。さらに、同一の領域に対して２回以上の磁場配向を行うこともできる。さらにまた、第１タイミング、第２タイミング…で印加する磁場強度は、同等とすればよい。

＜磁石の製造工程説明＞
以上、本発明の特徴部分である磁場中成形について説明したが、以下では磁場中成形を含めたラジアル異方性リング磁石の製造方法について言及する。なお、以下では永久磁石としてＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を例にして説明するが、本発明はこれ以外の希土類焼結磁石、フェライト磁石に適用できることは言うまでもない。
＜原料合金＞
原料合金は、真空又は不活性ガス、望ましくはＡｒ雰囲気中でストリップキャスト法、その他公知の溶解法により作製することができる。ストリップキャスト法は、原料金属をＡｒガス雰囲気などの非酸化雰囲気中で溶解して得た溶湯を回転するロールの表面に噴出させる。ロールで急冷された溶湯は、薄板または薄片（鱗片）状に急冷凝固される。この急冷凝固された合金は、結晶粒径が１〜５０μｍの均質な組織を有している。原料合金は、ストリップキャスト法に限らず、高周波誘導溶解等の溶解法によって得ることができる。なお、溶解後の偏析を防止するため、例えば水冷銅板に傾注して凝固させることができる。また、還元拡散法によって得られた合金を原料合金として用いることもできる。

＜粉砕工程＞
原料合金は粉砕工程に供される。混合法による場合には、低Ｒ合金及び高Ｒ合金は別々に又は一緒に粉砕される。粉砕工程には、粗粉砕工程と微粉砕工程とがある。まず、原料合金を、粒径数百μｍ程度になるまで粗粉砕する。粗粉砕は、スタンプミル、ジョークラッシャー、ブラウンミル等を用い、不活性ガス雰囲気中にて行なうことが望ましい。粗粉砕に先立って、原料合金に水素を吸蔵させた後に放出させることにより粉砕を行なうことが効果的である。水素放出処理は、希土類焼結磁石として不純物となる水素を減少させることを目的として行われる。水素放出のための加熱保持の温度は、２００℃以上、望ましくは３５０℃以上とする。保持時間は、保持温度との関係、原料合金の厚さ等によって変わるが、少なくとも３０分以上、望ましくは１時間以上とする。水素放出処理は、真空中又はＡｒガスフローにて行う。なお、水素吸蔵処理、水素放出処理は必須の処理ではない。この水素粉砕を粗粉砕と位置付けて、機械的な粗粉砕を省略することもできる。

粗粉砕工程後、微粉砕工程に移る。微粉砕には主にジェットミルが用いられ、粒径数百μｍ程度の粗粉砕粉末を、平均粒径２．５〜６μｍ、望ましくは３〜５μｍとする。ジェットミルは、高圧の不活性ガスを狭いノズルより開放して高速のガス流を発生させ、この高速のガス流により粗粉砕粉末を加速し、粗粉砕粉末同士の衝突やターゲットあるいは容器壁との衝突を発生させて粉砕する方法である。微粉砕前の粗紛末に潤滑剤を添加混合しても良く、微粉砕後あるいはその両方で潤滑剤を添加混合しても良い。

以上のようにして得られた微粉砕粉は前述した第１〜第２形態、あるいは本発明に包含される方法によって磁場中成形される。
磁場中成形における成形圧力は０．３〜３ｔｏｎ／ｃｍ²（３０〜３００ＭＰａ）の範囲とすればよい。成形圧力が低いほど配向性は良好となるが、成形圧力が低すぎると成形体の強度が不足してハンドリングに問題が生じるので、この点を考慮して上記範囲から成形圧力を選択する。磁場中成形で得られる成形体の最終的な相対密度は、通常、５０〜６０％である。
本ラジアル成形にて印加する磁場は、２〜１５ｋＯｅ（１６０〜１２００ｋＡ／ｍ）程度とすればよい。印加する磁場は静磁場に限定されず、パルス状の磁場とすることもできる。また、静磁場とパルス状磁場を併用することもできる。

次いで、成形体を真空又は不活性ガス雰囲気中で焼結する。焼結温度は、組成、粉砕方法、平均粒径と粒度分布の違い等、諸条件により調整する必要があるが、１０００〜１２００℃で１〜１０時間程度焼結すればよい。
焼結後、得られた焼結体に時効処理を施すことができる。この工程は、保磁力を制御する重要な工程である。時効処理を２段に分けて行なう場合には、８００℃近傍、６００℃近傍での所定時間の保持が有効である。８００℃近傍での熱処理を焼結後に行なうと、保磁力が増大するため、混合法においては特に有効である。また、６００℃近傍の熱処理で保磁力が大きく増加するため、時効処理を１段で行なう場合には、６００℃近傍の時効処理を施すとよい。

次に本発明はＲ−Ｔ−Ｂ（Ｒは希土類元素の１種又は２種以上、ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏ）系焼結磁石について適用することが望ましい。その理由は以下の通りである。
ラジアル異方性リング磁石は、異方性フェライト磁石が一般的になった１９７０年初頭に、径方向と周方向の熱収縮率の異方性により生じるひずみによる応力と、磁石を構成する材料強度の関係より、焼結クラックを招く異方性化度が計算によって求められた。その結果、フェライト磁石では、異方性化度を成形時の配向磁場強度によって調整する手法が採用された。しかし、焼結クラックの発生が通常の配向の磁石に比べて多いという問題を有していた。また、希土類磁石の中でＳｍＣｏ系磁石は材質が脆いため、焼結クラックを生じさせないためには異方性化度をかなり低くしなければならず、その高い材料特性を有効に発揮しにくいこと、さらに異方性化度を調整しても、製造時のばらつきにより焼結クラックが発生しやすいという問題を有していた。

以上に対してＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、ラジアル異方性リング磁石にしても焼結クラックが発生しにくい。その理由は、焼結後の冷却時に径方向と周方向の収縮率の違いが発生するキュリー点が、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石では３２０℃前後と低く、室温でのひずみによる応力が低いこと、及び機械的強度がフェライト磁石、ＳｍＣｏ系磁石に比べて相当程度高いことにある。したがって、本発明はＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石に適用することが望ましい。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、希土類元素（Ｒ）を２５〜３７ｗｔ％含有する。ここで、ＲはＹを含む概念を有しており、したがってＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕの１種又は２種以上から選択される。Ｒの量が２５ｗｔ％未満であると、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の主相となるＲ₂Ｔ₁₄Ｂ相の生成が十分ではなく軟磁性を持つα−Ｆｅなどが析出し、保磁力が著しく低下する。一方、Ｒが３７ｗｔ％を超えると主相であるＲ₂Ｔ₁₄Ｂ相の体積比率が低下し、残留磁束密度が低下する。またＲが酸素と反応し、含有する酸素量が増え、これに伴い保磁力発生に有効なＲリッチ相が減少し、保磁力の低下を招く。したがって、Ｒの量は２５〜３７ｗｔ％とする。望ましいＲの量は２８〜３５ｗｔ％である。

また、本発明が適用されるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、ホウ素（Ｂ）を０．５〜４．５ｗｔ％含有する。Ｂが０．５ｗｔ％未満の場合には高い保磁力を得ることができない。一方で、Ｂが４．５ｗｔ％を超えると残留磁束密度が低下する傾向がある。したがって、Ｂの上限を４．５ｗｔ％とする。望ましいＢの量は０．５〜１．５ｗｔ％、さらに望ましいＢの量は０．８〜１．２ｗｔ％である。
本発明が適用されるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、Ｃｏを５．０ｗｔ％以下（０を含まず）、望ましくは０．１〜３．０ｗｔ％を含有することができる。ＣｏはＦｅと同様の相を形成するが、キュリー温度の向上、粒界相の耐食性向上に効果がある。

本発明が適用されるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、他の元素の含有を許容する。例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｖ、Ａｇ、Ｇｅ等の元素を適宜含有させることができる。一方で、酸素、窒素、炭素等の不純物元素を極力低減することが望ましい。特に磁気特性を害する酸素は、その量を８０００ｐｐｍ以下、さらには５０００ｐｐｍ以下とすることが望ましい。酸素量が多いと非磁性成分である希土類酸化物相が増大して、磁気特性を低下させるからである。

＜ラジアル異方性リング磁石＞
本発明はラジアル異方性リング磁石に広く適用することができるが、特に長尺のラジアル異方性リング磁石に適用することが望ましい。従来の多段成形法により得られた長尺のラジアル異方性リング磁石は、接続部が不可避的に存在し、磁気特性さらには耐食性の低下を招いていた。これに対して本発明によるラジアル異方性リング磁石は、上述した説明から明らかなように、磁石粉Ｐを追加して供給することがないために、接合部が発生することがない。このことを具体例に基づいて説明する。

従来の多段成形法により得られたラジアル異方性リング磁石、本発明によるラジアル異方性リング磁石の表面磁束分布を測定した。ラジアル異方性リング磁石は、φ２２ｍ（外径）×φ１８ｍｍ（内径）×３０ｍｍ（長さ）の寸法を有するＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石である。表面磁束分布は、図５（多段成形法）及び図７（本発明）に示すように、ラジアル異方性リング磁石Ｒのスラスト方向に測定プローブを移動させて測定した。なお、図５における点線は、磁場中成形時に磁石粉Ｐを継ぎ足した位置を示している。これに対して、本発明によるラジアル異方性リング磁石Ｒは、図７に示すように、成形体を得るために必要な磁石粉Ｐの全てを当初よりキャビティに挿入するため、接合部は発生しない。

表面磁束分布の測定結果を図６（多段成形法）及び図８（本発明）に示す。図６に示すように、多段成形法により得られたラジアル異方性リング磁石Ｒは、磁石粉Ｐを継ぎ足した位置の表面磁束が局部的に低下していることがわかる。これに対して本発明によるラジアル異方性リング磁石Ｒは、図８に示すように、局部的な表面磁束の低下は見られない。そのため、本発明によるラジアル異方性リング磁石Ｒは、両端部から５ｍｍの範囲を除いた範囲において、表面磁束のばらつきは７％程度と、多段成形の場合の２２％に比べて均一な表面磁束分布を示すことがわかる。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
＜第１実施例＞
３０．５ｗｔ％Ｎｄ−２．０ｗｔ％Ｄｙ−１．０ｗｔ％Ｂ−０．５ｗｔ％Ｃｏ−Ｆｅの組成を有する原料薄帯状合金を、ストリップキャスト法で作製した。この薄帯状の合金に室温にて水素を吸蔵させた後、Ａｒ雰囲気中で脱水素を行なうことにより粗粉末を得た。
ジェットミルを用いてこの粗粉末を微粉砕した。微粉砕は、ジェットミル内をＮ₂ガスで置換した後に高圧Ｎ₂ガス気流を用いて行った。得られた微粉末の平均粒径は４．０μｍであった。

以上の微粉末を、図３に示す磁場中成形装置（本発明）又は図１１に示す磁場中成形装置（従来法）を用いて表１に示す条件で磁場中成形した後、以下に示す条件で焼結、時効処理を行うことにより、表１に示すサイズのラジアル異方性リング磁石を作製した。得られたラジアル異方性リング磁石の磁気特性を測定した。測定は、ラジアル異方性リング磁石から測定用試料（３ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍ）を切り出し、振動式試料磁束計を用いた。磁気量から残留磁束密度（Ｂｒ）への換算は、試料の重量と密度を測定した値を用いた。その結果を表１にあわせて示す。なお、表１の試料Ｎｏ．１及び２は従来法によるラジアル異方性リング磁石、Ｎｏ．３が本発明によるラジアル異方性リング磁石である。
焼成：真空中において、１０７０℃で４時間焼結した
時効処理：８５０℃×１時間と５４０℃×１時間（ともにＡｒ雰囲気中）の２段時効処理

表１に示すように、図１１に示す従来の磁場中成形装置を用いて得られたラジアル異方性リング磁石（試料Ｎｏ．１、２）を比較すると、ラジアル異方性リング磁石の長さを長く（およそ３倍）にすることにより、残留磁束密度（Ｂｒ）が０．１Ｔ低下したことがわかる。これに対して、本発明により得られたラジアル異方性リング磁石（試料Ｎｏ．３）は、試料Ｎｏ．２と同等のサイズを有しているにもかかわらず、長さの短い試料Ｎｏ．１と同等の磁気特性を得ることができる。
試料Ｎｏ．３について、１２極着磁を行い、ラジアル異方性リング磁石の外周面についてスラスト方向（軸方向）の表面磁束分布を測定したところ、図８に示したと同様に、多段成形を行ったときのような局部的な磁束の落ち込みのない、平坦な分布を示すことを確認した。また、外周面側がＮ極、内周面側がＳ極となるように着磁を行い、ラジアル異方性リング磁石の軸方向中央部における周方向の表面磁束分布を測定した。その結果、表面磁束のばらつきが５％以内のほぼ均一な分布を示すことを確認した。
以上のように、本発明によると、高磁気特性でかつ特性の均一性が高い長尺なラジアル異方性リング磁石を製造することができる。

＜第２実施例＞
３０．０ｗｔ％Ｎｄ−１．５ｗｔ％Ｄｙ−１．０ｗｔ％Ｂ−０．５ｗｔ％Ｃｏ−Ｆｅの組成を有する原料薄帯状合金を、ストリップキャスト法で作製した。この薄帯状の合金に室温にて水素を吸蔵させた後、Ａｒ雰囲気中で脱水素を行なうことにより粗粉末を得た。
ジェットミルを用いてこの粗粉末を微粉砕した。微粉砕は、ジェットミル内をＮ₂ガスで置換した後に高圧Ｎ₂ガス気流を用いて行った。得られた微粉末の平均粒径は４．０μｍであった。

以上の微粉末を、図３に示す磁場中成形装置（本発明）又は図１１に示す磁場中成形装置（従来法）にて成形した後、第１実施例と同様の条件で焼結、時効処理を施して表２に示すサイズのラジアル異方性リング磁石を作製した。

ラジアル異方性リング磁石から測定用試料を切り出し、第１実施例と同様に磁気特性を測定した。測定結果を表２に示すとともに、図９にサイズごとのラジアル異方性リング磁石の長さＬと残留磁束密度（Ｂｒ）の関係を示す。また、同じ磁石粉を用いて、直交磁場成形法（加圧方向と配向方向が直交する）にて、１．５Ｔの配向磁場を用いて直方体形状（３ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍ）の磁石を作製し、同様に磁気特性を測定したところ、残留磁束密度（Ｂｒ）は１３７７ｍＴであった。

磁石外径：φａ［ｍｍ]、磁石内径：φｂ[ｍｍ]、磁石長さ：ｔ［ｍｍ]とした場合、ｔが０．８５×ｂ×（ｂ／ａ）（以下、臨界長さということがある）を超えると、従来法により作製したラジアル異方性リング磁石の残留磁束密度（Ｂｒ）は１２００ｍＴ未満となる。これに対して本発明によるラジアル異方性リング磁石は、１２００ｍＴ以上の残留磁束密度（Ｂｒ）を得ることができる。

ここで、直交磁場成形法により得られた磁石の残留磁束密度（Ｂｒ）に対する、各ラジアル異方性リング磁石の残留磁束密度（Ｂｒ）の比率（％、以下「配向値」ということがある）を求めた。その結果を表２に示す。ちなみに、上記の１２００ｍＴという残留磁束密度（Ｂｒ）は、直交磁場成形法にて作製した直方体形状の磁石の８７％となる。この値を下回ると、配向磁場に対する残留磁束密度（Ｂｒ）の値が急激に減少し、図１０に示すように、その傾きが急峻になるため、製造される磁石の残留磁束密度（Ｂｒ）のばらつきが大きくなって、実用的でない。なお、組成を変更して直交磁界成形法により得られる残留磁束密度（Ｂｒ）が変われば、それに応じてラジアル異方性リング磁石の残留磁束密度（Ｂｒ）も変化する。
表２に示すように、１．１×ｂ×（ｂ／ａ）で示される臨界長さ未満の長さｔのラジアル異方性リング磁石では、従来法によっても８７％以上の配向値を得ることができるが（例えば、試料Ｎｏ．１、４等）、長さｔが臨界長さ以上になると配向値は８７％未満となってしまう（例えば、試料Ｎｏ.２、５、９等）。これに対し本発明により作製されたラジアル異方性リング磁石は、長さｔが臨界長さ以上であっても８７％以上の配向値を得ることができる。

本発明による磁場中成形方法の原理を説明するための図である。 従来の磁場中成形方法を説明するための図である。 本発明の第１形態を実施する磁場中成形装置の構成を示す断面図である。 本発明の第２形態を実施する磁場中成形装置の構成を示す断面図である。 表面磁束分布の測定方法を示す図である（多段成形法）。 多段成形法によるラジアル異方性リング磁石の表面磁束分布の測定結果を示すグラフである。 表面磁束分布の測定方法を示す図である（本発明）。 本発明によるラジアル異方性リング磁石の表面磁束分布の測定結果を示すグラフである。 ラジアル異方性リング磁石の長さと残留磁束密度（Ｂｒ）との関係を示すグラフである。 配向磁場強度と直交磁場成形法により得られた磁石の残留磁束密度（Ｂｒ）に対する、各ラジアル異方性リング磁石の残留磁束密度（Ｂｒ）の比率の関係を示すグラフである。 従来の磁場中成形を示す図である。

符号の説明

１０，２０…磁場中成形装置、１１，２１…コア、１２，２２…ダイ、１３…上パンチ、１４…下パンチ、１５，２５…キャビティ、１６…上コイル、１７…下コイル、２４…コントローラ、Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３…電磁コイル、Ｐ…磁石粉

Claims (14)

1. リング状のキャビティに磁石粉を充填する充填工程と、
   前記キャビティに対してその位置が相対的に移動する磁場発生手段から発生される互いに反発する磁場を前記キャビティの所定の領域ごとに印加することにより前記磁石粉をラジアル方向に配向しかつ、配向された前記磁石粉を加圧成形して成形体を得る磁場中成形工程と、
   を備えることを特徴とする磁場中成形方法。
2. 前記キャビティの周方向に分割された前記所定の領域に順次前記磁場発生手段を対応させて磁場を印加することを特徴とする請求項１に記載の磁場中成形方法。
3. 前記キャビティの中心を基準として略対称の位置に存在する複数の前記所定の領域に磁場を同時に印加し、
   次いで、前記キャビティの中心を基準として略対称の位置に存在する他の複数の前記所定の領域に磁場を同時に印加する処理を所定回数繰り返すことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁場中成形方法。
4. 前記キャビティの軸方向に分割された前記所定の領域に順次前記磁場発生手段を対応させて磁場を印加することを特徴とする請求項１に記載の磁場中成形方法。
5. 同一の前記所定の領域に複数回磁場を印加することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁場中成形方法。
6. 前記所定の領域ごとに印加される磁場の強度が同等であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の磁場中成形方法。
7. 前記成形体を構成するに足りる量の前記磁石粉を磁場の印加前に前記キャビティに充填することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の磁場中成形方法。
8. 互いに反発する磁場の印加手段を周方向又は軸方向に移動させてラジアル方向に磁石粉が配向されたリング状の成形体を作製する工程と、
   前記成形体を焼結する工程と、
   を備えることを特徴とするラジアル異方性リング磁石の製造方法。
9. 前記磁場の印加が、複数の第１領域に対して同時に磁場を印加する第１印加工程と、前記複数の第１領域と異なるか又は一部が重複する複数の第２領域に対して同時に磁場を印加する第２印加工程を少なくとも備えることを特徴とする請求項８に記載のラジアル異方性リング磁石の製造方法。
10. 前記磁石粉の配向方向は、前記成形体の内周側から外周側に向けて又はその逆のいずれか一方であることを特徴とする請求項８又は９に記載のラジアル異方性リング磁石の製造方法。
11. リング状のキャビティに充填された磁石粉を加圧する加圧成形部と、
    前記キャビティに対してその内周側から外周側に向けた磁場又はその外周側から内周側に向けた磁場のいずれかを印加し、かつ前記キャビティの周方向又は前記キャビティの軸方向に沿って前記加圧成形部に対して相対的に移動する磁場印加部と、
    を備えることを特徴とする磁場中成形装置。
12. 前記磁場印加部は、
    前記キャビティの周方向又は軸方向に沿って配置される磁場発生コイルと、
    前記磁場発生コイルによる磁場発生タイミングを制御する磁場発生制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１１に記載の磁場中成形装置。
13. 前記磁場発生タイミングに関連して前記加圧成形部と前記磁場印加部の相対的な移動を制御する移動制御手段を備えることを特徴する請求項１２に記載の磁場中成形装置。
14. 前記磁場印加部は、前記キャビティの中心を基準として略対称の位置に存在する複数の前記磁場発生コイルを備えることを特徴する請求項１１〜１３のいずれかに記載の磁場中成形装置。

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