JP2006180607A - シート状希土類ボンド磁石およびその製造方法とモータ - Google Patents

Abstract

【課題】極配向性のシート状希土類ボンド磁石を薄肉化した際、金型から発生させた配向用の磁界がシート状磁石の裏面側へ漏れるものが大きくなり、このため成形品を構成する磁石粉末の配向の乱れが生じ磁気特性が低下するという課題があった。また、シート状磁石を薄くすることにより強度が低下し環状化プロセスでの歩留まりを低下させるという課題がある。
【解決手段】本発明のシート状ボンド磁石は磁石部１１と軟磁性金属体１２が積層された構成とするものである。圧縮成形時の配向用の磁界をシート状磁石裏面側で面内方向に効率的に通すことにより、磁石部を構成する磁石粉末の配向の乱れを低減させ、良好な磁気特性を有する薄肉の極配向性シート状希土類ボンド磁石が得られ、高性能なモータを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は薄肉で極配向性のシート状希土類ボンド磁石とその製造方法、およびこの磁石を用いるモータに関する。

希土類ボンド磁石はＮｄＦｅＢ系合金もしくはＳｍＦｅＮ系合金に代表される磁石粉末を用い生産がおこなわれている。このボンド磁石の特徴は、焼結法により作製された焼結磁石とは異なり、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂など結合剤成分を含むため、磁気特性は低くなっている。しかし、焼結磁石に見られる収縮がほとんどないため、高い寸法精度で環状、円弧状や薄肉形状などの特殊な形状の磁石が割れ欠けなどなく作製できるという特徴がある。このため、ボンド磁石のなかでも中空円筒形状の磁石は家電、電装、情報用のモータに多く用いられてきている。

ボンド磁石の製造方法は、射出成形、押出成形、圧縮成形などが代表的なものである。この中で圧縮成形は射出成形や押出成形とは大きく異なる。その一つには、磁石粉末と結合剤を主成分とするボンド磁石用樹脂組成物を構成している物の組成に違いがある。圧縮成形に用いるボンド磁石用樹脂組成物は射出成形や押出成形のように成形時の成形温度において流動性を必要とせず、このため結合剤成分に対する磁石粉末の比率を上げることが可能となる。つまり、圧縮成形されたボンド磁石は、一般的に射出成形や押出成形で形成されたボンド磁石と比較すると高い磁気特性を有するといえる。

モータを搭載する機器の高性能化を実現するために、モータには小型軽量化、高出力化、高効率化が要求され、それにともない、ボンド磁石にも更なる磁気特性の向上が求められている。前述したように磁気特性向上の手段として、磁石粉末に希土類磁石を用い、圧縮成形をおこないボンド磁石を形成する方法がとられる。その中でも特に結晶方位を一方向に配向させた異方性希土類磁石粉末を用いたものがより高い磁気特性が得られるため、各種検討がなされている。

この結晶方位を一方向に配向させた磁石粉末は以下のプロセスによって得られる。まず、熱間据え込み加工によるものは、機械的に配向させて得たバルク体を粉砕して形成するものである。ＨＤＤＲ処理（水素分解／再結合）によるものはＧａ，Ｚｒ，Ｈｆ，などの元素を添加したＮｄ−Ｆｅ（Ｃｏ）−Ｂ系合金インゴットを水素中で熱処理し、６５０〜１０００℃で相分解し、脱水素した後、再結合させて得るものである。ＨＤＤＲ処理の意味はＮｄ−０（Ｆｅ，Ｃｏ）−Ｂ相の水素化（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ）、６５０〜１０００℃での相分解（Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）、脱水素（Ｄｅｓｏｒｐｓｉｏｎ）、再結合（Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）するということである。

ＨＤＤＲ処理により作製された異方性磁石粉末を用いてボンド磁石を形成する場合について説明する。磁石粉末はエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂と混合された後、金型のキャビティ内に充填され、圧縮成形を実施する。圧縮成形による緻密化の際、磁石粉末に亀裂や破損が発生すると、新たにＮｄＦｅＢ結晶が暴露され、高温暴露時においてそれらの組織が変化し永久減磁が増大するなど、異方性の磁石粉末は、熱的な安定性に対する課題を有している。このため、ＨＤＤＲ処理により作製された異方性Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石粉末に対しては、平均粒子径が１〜５μｍの異方性のＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末と混合し、ボンド磁石用樹脂組成物とすることにより、熱的な耐久性を向上させることが知られている。これは、平均粒子径が１〜５μｍと細かな異方性のＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末が圧縮成形の際、ＨＤＤＲ処理により作製された異方性磁石粉末に加わる圧力を分散し、ＨＤＤＲ
処理により作製された異方性磁石粉末の破損の発生を抑制するためと考えられている。

異方性ボンド磁石は成形時に印加する磁界により磁石の配向方向が制御可能な特徴をもつ。その中で、極配向磁石は磁石の片方の表面にＮＳ極が現れるものであり、反対側の面には（裏面）にはＮＳ極がほとんど現れないようになっている。一方でラジアル配向磁石は磁石の両面にそれぞれ対になるようにＮＳ極が現れる。極配向磁石は同一形状のラジアル配向磁石に対して磁気特性が高いことが知られている。

極配向磁石の形成はあらかじめ配向磁界発生用に金型内部に焼結磁石などのエネルギー積の高い磁石を組み込んだ金型を用いて成形をおこなう。組み込む磁石は金型キャビティの側面のいずれかの方向に配置される。このような構成の金型を用い、金型キャビティ内に磁性粉と結合材を主成分とするボンド磁石用樹脂組成物を充填し成形をおこなう。得られたボンド磁石は金型内に配置された配向用磁石側の表面にＮＳ極が現れ、極配向磁石となる。

従来、このような極配向磁石としてはフェライト磁性粉末を用いた射出成形ボンド磁石もしくは焼結磁石で形成されたものがほとんどであった。最近では、希土類磁石粉末でも射出成形にて極配向性磁石を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、シート状の極配向性磁石として磁石粉末の配向をシート面内方向に制御し、後着磁後に極配向磁石としたものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

またシート状磁石の製造方法としてソフト磁性粉末を含有したグリーンシートと希土類磁石粉末を含有したグリーンシートを一体的に成形したシート状希土類ボンド磁石の製造方法について開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２０００−１９５７１４号公報 特開２００４−５５９９２号公報 特開２００３−３１８０５２号公報

極配向性磁石としてフェライト射出成形品、フェライト焼結品はフェライト磁粉自身の磁気特性が低く、それにともない極配向品の磁気特性も低い。特許文献１に記載されているように希土類射出成形品は射出成形に適した流動性の高い樹脂組成物を用いざるをえないため、樹脂の比率が高くなり得られる磁気特性が低下する課題がある。

極配向にすることによりラジアル配向品に比較し磁気特性が向上した結果、磁石体積を減らしモータを小型化していくことが可能になる。このとき磁石を薄肉化する方法がとられるが、この場合、図２（ａ）に示すように金型内に配置された磁石による配向磁束が成形品の裏面側へも漏れ、このため成形品を構成する磁石粉末の配向の乱れが生じ磁気特性が低下するという課題があった。

特許文献２に記載されているように磁石粉末の配向方向を面内方向にした後、着磁して極配向性磁石とする場合においても極部分は磁石粉末の磁化困難軸方向に着磁を入れることになり十分に磁石粉末の性能を発揮させることが課題である。

また、特許文献３に記載されているようにグリーンシートを重ねて成形しシート状ボンド磁石を形成した場合も、その後、環状にし中空円筒形状にするプロセスにおいて磁石を薄くすることにより強度が低下し環状化プロセスでの歩留まりを低下させるという課題が
ある。

本発明のシート状希土類ボンド磁石は軟磁気特性を有する箔体もしくは薄板などの金属部と磁性粉末と結合材を主とするボンド磁石用樹脂組成物を所望の金型内に充填した後、成形をおこなって得られる極配向性のシート状希土類ボンド磁石である。この磁石を構成する箔体もしくは薄板等の平面形状の金属体は前述したように軟磁気特性を有しており、面内方向に異方性を示すものである。このような構成のシート磁石とすることにより磁石粉末を配向させる磁束は透磁率の高い軟磁性体を通るため図２（ｂ）に見られるように配向の乱れの小さい極配向したシート状希土類ボンド磁石となる。

本発明の極配向性のシート状ボンド磁石は１ｍｍ以下の薄肉の状態でも高い磁気特性、フレキシブル性、強度を維持したものを得ることが可能になった。この磁石を用いることによりモータの小型軽量化、高出力化、高効率化が可能となった。

以下、発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

本発明は図１（ａ）に示されるように軟磁気特性を有する平面形状の金属部すなわち軟磁性金属体１１上に希土類磁石粉末と結合剤から構成されるフレキシブル性を有する磁石体１２を積層構成とする極配向性を有するシート状希土類磁石とその製造方法を提供するものである。本発明は希土類系磁石粉末とフレキシブル性を有する樹脂組成物を主成分としたボンド磁石用樹脂組成物を用いて磁石体を形成する。

希土類磁石粉末としてはＨＤＤＲ処理（水素分解／再結合）によって準備された磁気的に異方性のＮｄ−Ｆｅ―Ｂ系合金粉末、すなわちＮｄ−Ｆｅ（Ｃｏ）−Ｂ系合金の水素化、６５０〜１０００℃での相分解、脱水素、再結合するＨＤＤＲ処理で作成したものや、熱間据込加工（Ｄｉｅ−Ｕｐ−Ｓｅｔｔｉｎｇ）により準備されたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系合金粉末などを用いることができる。

また、一方でＲＤ（酸化還元）処理により形成された異方性のＳｍＦｅＮ系微粉末や、前記粉末の表面をあらかじめ不活性化処理した磁石粉末を用いることができる。

希土類磁石粉末を被覆するために用いる固体のエポキシオリゴマーは溶剤などに溶解し、磁石粉末の比表面積から算出して被覆厚さ０．１μｍ以下になるように調整する。

また、上記希土類磁石粉末は単独で用いることができるが、２種類の混合系である方が望ましい。

本発明に用いる結合剤は少なくとも熱圧着機能と熱硬化性官能基を有する粉末状樹脂成分を含んでおり、ボンド磁石用樹脂組成物として結合剤成分の粘着力により希土類磁石粉末を圧縮成形前に結合剤と機械的分離を防ぐ役割を有しており、結合剤としては少なくとも室温で固体のエポキシオリゴマーと室温で粘着性を有する熱圧着性ポリアミドと必要に応じて適時加える粉末状の潜在性エポキシ硬化剤から構成することが望ましい。

本発明に用いた樹脂組成物の形成プロセスについて説明する。

前記、希土類磁石粉末にエポキシオリゴマーを有機溶媒に溶解したものを湿式混合する。有機溶媒としてはアセトンを用いた。湿式混合はニーダを用いておこなった。その後、
湿った混合物を６０〜８０℃で加熱し溶媒を除去する。そして、乾いた塊状の混合物を解砕した。ＨＤＤＲ処理されたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系合金粉末についてはエポキシ被覆前後での粉末粒子径の分布はほぼ同等である。

次に前記エポキシオリゴマーを表面被覆した希土類磁石粉末とポリアミド粒子、潤滑剤を乾式混合する。複数の希土類磁石粉末を用いる場合、この時点で混合することが望ましい。そしてこの混合物を加熱混練して塊状となったものを、さらに粉砕し粉末状にする。この粉末を分級し粒径の大きい粒子を分離し、この分離された大きい粒子をさらに粉砕、分級を繰り返しおこない、最終的に粒径の揃った粉末を得る。得られた粉末の粒径は５００μｍ以下とすることが望ましい。この粉末に潜在性エポキシ硬化剤を乾式混合し、ボンド磁石用樹脂組成物を得る。

本発明に用いる平面形状の金属体は軟磁気特性を有する金属箔体をもちいることが望ましい。

本発明のシート状希土類ボンド磁石の成形は圧縮成形によって形成されるものであり、特に平行磁界中で成形されることが好ましい。成形型の上下パンチとキャビティ周辺は加熱されており、その状態でボンド磁石用樹脂組成物を充填する。充填前に軟磁性金属体は下パンチ上に配置させておき必要温度まで加熱しておくことが望ましい。そして充填が完了したあと配向用の磁石を埋め込んだ金型（上パンチ）を用いて圧縮成形をおこなう。

成形後に取りだしたシート状希土類ボンド磁石は標準的には１６０℃２０分の加熱によって熱硬化され、さらに圧延ロールによって圧延率２〜５％の圧延を実施し、本発明の極配向性のシート状希土類ボンド磁石が得られた。

上記、シート状希土類ボンド磁石を用いて円柱状のロータコアを用いロータを作製する場合、図１（ｂ）に示すようにコアの外周側に金属部分を接着して形成する。このロータコアを用いてモータを構成する。円筒状のロータコアを用いてロータを作製する場合はコアの内周側に金属部を接着するように形成する。

以下、本発明を実施例により更に詳しく説明する。ただし、本発明は実施例により限定される物ではない。

本実施例では２種類の希土類磁石粉末を用いたものについて説明する。具体的にはＨＤＤＲ処理された磁気的に異方性を有するＮｄＦｅＢ粉末（ＨＤＤＲと表記する）およびＲＤ処理したＳｍＦｅＮ微粉末である。

ボンド磁石用樹脂組成物は上記希土類磁性粉末と結合剤を主成分とするものである。結合剤の構成成分としては、室温で固体のノボラック型エポキシオリゴマー、粉末状潜在性エポキシ硬化剤、ポリアミド粉末および滑剤から構成されるものを用いた。

ボンド磁石用樹脂組成物の形成は以下の手順で実施した。

最初に上記、ノボラック型エポキシオリゴマーをアセトンに溶解したものを準備する。エポキシ濃度は被覆する磁性粉末に対して０．１μｍ以下の厚みとなるように調整した物を用いる。ＨＤＤＲを被覆するためには０．５ｗｔ％のエポキシオリゴマーを溶解したものを用いた。ＳｍＦｅＮはＨＤＤＲに比較して平均粒子径が小さいため、更に多くのエポキシオリゴマーが必要であり、本発明では２．０ｗｔに調整したものを用いた。ＨＤＤＲとＳｍＦｅＮそれぞれにエポキシオリゴマーを被覆したものをそれぞれ重量比で６：４と
なるようにして混合した。同時にポリアミド樹脂を３．０ｗｔ％加えて混合した。これらの混合物は熱ロールなどを用いて混錬し、その混錬物を粉砕、分級し粒径が３５０μｍ以下になるように調整する。調整後この粉末に潜在性エポキシ硬化剤を加え乾式混合し、ボンド磁石用樹脂組成物を得た。

シート状磁石の成形プロセスは以下のように実施した。

金型キャビティ内を樹脂組成物の軟化点以上である温度、例えば１５０℃に保った後、軟磁性合金のシートを金型キャビティの大きさにあわせて加工したものをキャビティ内に配置する。その後、準備したボンド磁石用樹脂組成物をキャビティ内に充填する。充填完了後、配向用の磁石を埋めこんだ金型を押し込み０．６ＧＰａで成形を実施する。その金型の位置で樹脂組成物の軟化点以下である１００℃まで冷却した後、配向用磁石を埋めこんだ金型を取り去る。成形時の温度、および取り出し時の温度は樹脂組成物を構成する樹脂の温度特性により決まるものであり、必ずしも上記の温度で実施する必要はない。その後、軟磁性合金シートと磁石が一体となったシート状磁石を取りだす。このシート状磁石を窒素雰囲気化で１６０℃、２０分の熱硬化をおこない、硬化完了後に圧延ロールにて２から５％の圧延率で圧延を実施した。シート磁石の表面の磁束密度を計測した結果、極配向時の表面磁束密度の波形に見られるような極間でピークをもつようなものになっており、一体化成形した本シート形状の磁石は極配向していることが確認できた。

上記作製方法により作製した極配向性シート磁石を搭載したモータは、磁気特性が改善され高出力化が可能になる。以下のような永久磁石搭載モータとするとモータの高性能化が可能となる。

本発明の極配向性のシート状希土類ボンド磁石を用いることにより、熱的な耐久性を向上させたロータ磁石が作製可能であり、当該磁石を搭載したモータの小型軽量化、高出力化、高効率化が可能である。

本発明のシート状希土類ボンド磁石の構成を示す図 成形時の配向磁界を示す図

符号の説明

１１ 磁石部
１２ 軟磁性金属体
１３ コア
２１ 配向用磁石

Claims (7)

1. 磁石粉末が異方性の希土類磁石で、結合剤がエポキシ樹脂組成物であり、これらを主成分とするボンド磁石用樹脂組成物により形成されたシート状希土類ボンド磁石であって、前記磁石粉末の配向方向が極配向性になるように配向した磁石部と平面形状の金属体が積層された構成であることを特徴とするシート状希土類ボンド磁石。
2. 磁石粉末がＮｄＦｅＢ系合金、もしくはＳｍＦｅＮ系合金の少なくとも一つから構成されることを特徴とする請求項１記載のシート状希土類ボンド磁石。
3. 平面形状の金属体が軟磁気特性を有することを特徴とする請求項１記載のシート状希土類ボンド磁石。
4. 金型キャビティ内に平面形状の金属体を配置する第１の工程と、金型を成形温度まで加熱し保持する第２の工程と、樹脂組成物をキャビティ内に充填する第３の工程と、内部に配向用の磁石を有する金型で圧縮成形する第４の工程と、金型を冷却後シート磁石を取り出す第５の工程からなることを特徴とするシート状希土類ボンド磁石の製造方法。
5. 成形温度が樹脂組成物の軟化点以上であり、圧縮成形後、軟化点以下でシート磁石を金型から取り出すことを特徴とする請求項４記載のシート状希土類ボンド磁石の製造方法。
6. コアの円柱枠の外周面側に請求項１のシート状希土類ボンド磁石を構成する金属部分側の面を接着させて形成したロータを備えたモータ。
7. コアの円筒枠の内周面側に請求項１のシート状希土類ボンド磁石を構成する金属部分側の面を接着させて形成したロータを備えたモータ。
   
   

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