JP2009000732A

JP2009000732A - ネオジム磁石の加工方法

Info

Publication number: JP2009000732A
Application number: JP2007165867A
Authority: JP
Inventors: Masakuni Takahashi; 正訓高橋
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2009-01-08

Abstract

【課題】ネオジム磁石の加工方法において、加工時の熱影響を抑制し、加工部位周囲へのダメージを低減して高精度の切断加工又は溝加工を可能にすること。
【解決手段】レーザ光Ｌを照射してネオジム磁石Ｎを切断加工又は溝加工する加工方法であって、レーザ光Ｌが、波長１０００〜１１００ｎｍの基本波を有する固体レーザの前記基本波又はその高調波である。これにより、加工部位周辺の粒界相の破壊を最小限に留めて保磁力を維持することができると共に、加工ロスを大幅に低減して高精度な加工を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いてネオジム磁石の切断加工又は溝加工を行うネオジム磁石の加工方法に関する。

近年、高い保磁力が得られるネオジム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石）が種々の技術分野で採用されている。
従来、ネオジム磁石の切断加工は、例えば特許文献１に記載されているように、電鋳ダイヤモンド工具プレートやワイヤーソー等の工具を使用して行うことが主であった。
また、ネオジム磁石の切断加工方法として、上記工具を用いる方法以外に、例えば特許文献２に記載されているように、レーザ光を用いる方法も知られている。

特開平１０−１７５１７１号公報（特許請求の範囲）特開平８−２７３９６１号公報（段落番号００２７）

しかしながら、上記従来の技術においても、以下の課題が残されている。
工具を用いたネオジム磁石の切断方法は、これら工具が高価なダイヤモンド砥粒を用いて製造されるために工具自体が高コストであると共に、切断する際にブレードの刃厚分の加工ロス（切断幅分又は溝幅分のロス）が生じていた。また、上記工具によるメカニカルな加工の場合、加工部位周囲の組織にダメージを与えて、保磁力を低下させてしまう問題があった。また、ネオジム磁石をレーザ光で加工する場合、従来、ＣＯ_２レーザ（波長１０．６μｍ）等の長波長レーザ光を用いて加工しているが、ネオジム磁石での熱拡散が大きく、この場合も熱影響によって磁石組織にダメージを与えてしまう不都合があった。
すなわち、ネオジム磁石は、図３の（ａ）に示すように、粒界相Ｄに包まれた主相Ｍがそれぞれ磁区を形成しており、この磁区が多いほど保磁力が高くなるが、上記工具を用いたメカニカルな加工や従来のレーザ光による加工の場合、図３の（ｂ）に示すように、熱影響等により加工部位の周囲組織にダメージを与えて粒界相Ｄを破壊してしまう問題がある。この粒界相破壊により、ネオジム磁石の保磁力が低下してしまう不都合があった。特に、小さなネオジム磁石を得ようと上記従来の加工を行うと、加工による保磁力低下が顕著に生じてしまっていた。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、加工時の熱影響を抑制し、加工部位周囲へのダメージを低減して高精度の切断加工又は溝加工が可能なネオジム磁石の加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のネオジム磁石の加工方法は、レーザ光を照射してネオジム磁石を切断加工又は溝加工する加工方法であって、前記レーザ光が、波長１０００〜１１００ｎｍの基本波を有する固体レーザの前記基本波又は高調波であることを特徴とする。

このネオジム磁石の加工方法では、波長１０００〜１１００ｎｍの基本波を有する固体レーザの前記基本波又は高調波でネオジム磁石を切断加工又は溝加工するので、加工部位周辺の粒界相の破壊を最小限に留めて保磁力を維持することができると共に、加工ロスを大幅に低減して高精度な加工を実現することができる。すなわち、従来のＣＯ_２レーザ光のような長波長のレーザ光では、固体から液体への相変化に多くのエネルギーが使われて粒界相などへの熱影響が大きくなってしまうのに対し、本発明では、ネオジム磁石に含まれるネオジム（原子若しくはイオン）の遷移エネルギーと同レベルである波長１０００〜１１００ｎｍの基本波のレーザ光又はその高調波を照射するため、該レーザ光の高い吸収効果が得られる。すなわち、ネオジム磁石における固体から液体への相変化だけでなく、液体から蒸気、蒸気からプラズマへの各相変化においても上記波長のレーザ光で高いエネルギー吸収が得られる。したがって、加工部位の周囲への熱拡散が少なく、照射部位だけを効率的に加工して１００μｍ以下の加工ロスで切断加工又は溝加工を行うことができる。
特に、上記固体レーザの高調波を用いてレーザ加工することで、より短波長化された高エネルギーのレーザ光により、基本波よりも高い吸収率が得られ、より高い加工速度で加工を行うことが可能になり、スループットを向上させることができる。

また、本発明のネオジム磁石の加工方法は、前記固体レーザが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ又はＮｄ：ＹＶＯ_４レーザであることを特徴とする。すなわち、このネオジム磁石の加工方法では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ又はＮｄ：ＹＶＯ_４レーザの基本波又はその高調波をレーザ光として照射するので、いずれもネオジム（Ｎｄ）を含む固定レーザからのレーザ光であり、ネオジム磁石に含まれるネオジムの遷移エネルギーと同レベル以上のエネルギーが得られ、高い吸収効果を得ることができる。

また、本発明のネオジム磁石の加工方法は、前記切断加工又は溝加工を非酸化性雰囲気中で行うことが好ましい。すなわち、このネオジム磁石の加工方法では、切断加工又は溝加工を非酸化性雰囲気中で行うことにより、酸化し易い希土類を含む化合物のネオジム磁石に対して加工時の酸化を防ぎ、良好な加工性状を得ることができる。

さらに、本発明のネオジム磁石の加工方法は、前記切断加工又は溝加工の加工部分に非酸化性ガスを吹き付けながら前記レーザ光を照射することを特徴とする。すなわち、このネオジム磁石の加工方法では、レーザ光を照射する際に切断加工又は溝加工の加工部分に非酸化性ガスを吹き付けながら行うので、加工部位周囲を非酸化性雰囲気としつつ、加工部分で発生する熱を空冷により除去することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明のネオジム磁石の加工方法によれば、波長１０００〜１１００ｎｍの基本波を有する固体レーザの前記基本波又はその高調波でネオジム磁石を切断加工又は溝加工するので、加工部位周辺の粒界相の破壊を最小限に留めて保磁力を維持することができると共に、加工ロスを大幅に低減して高精度な加工を実現することができる。したがって、保磁力が維持されていると共に高い加工品質で加工されたネオジム磁石を得ることができる。

以下、本発明に係るネオジム磁石の加工方法の一実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。

本実施形態におけるネオジム磁石の加工方法は、レーザ光を照射して希土類のネオジム（Ｎｄ）を含むネオジム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石）を切断加工又は溝加工する加工方法であって、例えば図１及び図２に示すレーザ加工装置を用いて行う。このレーザ加工装置は、波長１０００〜１１００ｎｍの基本波を有する固体レーザの基本波又はその高調波をレーザ光Ｌとして出射するレーザ光源１と、ネオジム磁石Ｎを上面に保持可能に載置するＸＹステージ２と、該ＸＹステージ２を上面に設置した回転ステージ３と、ＸＹステージ２及び回転ステージ３の駆動を制御する制御部Ｃとを備えている。

また、レーザ加工装置は、切断加工又は溝加工の加工部分に非酸化性ガスを吹き付け、非酸化性雰囲気中でレーザ光を照射させるためのガス噴射機構４を備えている。
このガス噴射機構４は、窒素（Ｎ２）又はアルゴン（Ａｒ）の非酸化性ガスの供給源４ａと、該供給源４ａに接続され供給源４ａからの非酸化性ガスをネオジム磁石Ｎへ噴きつけるノズル４ｂと、を備えている。

レーザ光源１は、固体レーザであるＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ又はＮｄ：ＹＶＯ_４レーザを内蔵し、この固体レーザを用いてその基本波又は該基本波の高調波をレーザ光Ｌとして出射可能な構成を有している。上記高調波は、レーザ光源１に内蔵した非線形光学結晶（ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）、ＬＢ４（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）等）を用いて基本波を２倍以上の高調波に変換して得られる。なお、本実施形態では、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザを用い、その基本波（波長１０６４ｎｍ）の２倍高調波（２倍波）であるＧｒｅｅｎレーザ光（波長５４２ｎｍ、出力２０Ｗ）をレーザ光Ｌとして使用する。

この２倍波であるＧｒｅｅｎレーザ光では、図２に示すように、ネオジム磁石Ｎに対して、基本波に比べてより低い拡散反射率、すなわち高い吸収率が得られる。なお、図２は、組成がＮｄ＋Ｐｒ：２８．５ｗｔ％、Ｃｏ：２．３ｗｔ％、Ｂ：１．０４％、Ｆｅ：ｂａｌａｎｃｅであるネオジム磁石Ｎに対する波長を変えた場合のレーザ光Ｌの拡散反射スペクトルを示したグラフである。

また、図２からわかるように、基本波から４倍波まで十分な吸収が得られるが、２倍波より３倍波、３倍波よりも４倍波で低い拡散反射率が得られる。ただし、より短波長の高調波になるほど、得られるレーザ光Ｌの出力が小さくなるため、レーザ出力と吸収性とを考慮してレーザ光Ｌの波長が設定される。なお、加工速度及び加工品質の両面を考慮すると、２倍波のＧｒｅｅｎレーザ光がレーザ光Ｌとして良好な加工を得ることができる。

レーザ光源１とＸＹステージ２に保持されたネオジム磁石Ｎとの間のレーザ光路には、複数のレンズ部材や反射ミラー等の光学部材で構成される集光光学系５が設けられている。なお、集光光学系５は、レンズ部材等の移動によりレーザ光Ｌの焦点位置を調整可能な構成とされ、ネオジム磁石Ｎの表面に焦点を合わせることができるようになっている。
上記ＸＹステージ２は、ネオジム磁石Ｎを保持する保持部（図示略）を備え、ステッピングモータ等により水平平面（ＸＹ平面）上の垂直２方向（Ｘ方向及びＹ方向）にそれぞれ移動可能で、水平平面の任意の方向に移動できる構成を有している。また、上記回転ステージ３は、ＸＹステージ２上に保持したネオジム磁石２を通る中心軸を軸回りとしてステッピングモータ等によりＸＹ平面内で回転可能な構成とされている。

次に、ネオジム磁石Ｎの切断加工又は溝加工の方法について説明する。
まず、加工対象であるネオジム磁石ＮをＸＹステージ２上の保持部に固定する。この際、制御部ＣによりＸＹステージ２及び回転ステージ３を駆動してネオジム磁石Ｎをレーザ光Ｌが照射される所定位置に配置する。そして、レーザ光源１を駆動し、例えばＧｒｅｅｎレーザ光を出射し、集光光学系５を介して保持状態のネオジム磁石Ｎの所定部位にＧｒｅｅｎレーザ光を集光して照射する。

このとき、レーザ光Ｌがネオジム磁石２の照射面に対してほぼ直交するようにレーザ照射が行われる。また、この際、ガス噴射機構４によりネオジム磁石Ｎの所定部位にノズル４ｂから非酸化性ガスを噴射して吹き付け、所定部位周囲を非酸化性雰囲気とする。この状態で、制御部ＣによりＸＹステージ２を駆動し、所定の切断方向へネオジム磁石Ｎを移動してレーザ光Ｌを一定速度で一軸走査させることで、所定部位の切断加工又は溝加工が行われる。
例えば、出力２０ＷのＧｒｅｅｎレーザ光をレーザ光Ｌとして照射した場合、５０μｍ以下の溝幅で、かつ１ｍｍ／ｓｅｃ以下の加工速度で、２ｍｍ以上の溝深さが得られる。

このように本実施形態では、波長１０００〜１１００ｎｍの基本波を有する固体レーザの基本波又は高調波でネオジム磁石Ｎを切断加工又は溝加工するので、図３の（ｃ）に示すように、加工部位周辺の粒界相Ｄの破壊を最小限に留めて保磁力を維持することができると共に、加工ロスを大幅に低減して高精度な加工を実現することができる。したがって、加工部位の周囲への熱拡散が少なく、照射部位だけを効率的に加工して１００μｍ以下の加工ロスで切断加工又は溝加工を行うことができる。

特に、固体レーザの高調波を用いてレーザ加工することで、より短波長化された高エネルギーのレーザ光により、基本波よりも高い吸収率が得られ、より高い加工速度で加工を行うことが可能になり、スループットを向上させることができる。また、波長が短いほど、集光能力も高くできるため、高い加工能力を得ることができる。
また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ又はＮｄ：ＹＶＯ_４レーザの基本波又はその高調波をレーザ光Ｌとして照射するので、いずれもネオジム（Ｎｄ）を含む固定レーザからのレーザ光であり、ネオジム磁石Ｎに含まれるネオジムの遷移エネルギーと同レベル以上のエネルギーが得られ、高い吸収効果を得ることができる。

さらに、レーザ光Ｌを照射する際に、切断加工又は溝加工の加工部分にガス噴射機構４により非酸化性ガスを吹き付けながら加工を行うので、加工部位周囲を非酸化性雰囲気としてネオジム磁石Ｎの酸化を防ぐと共に、加工部分で発生する熱を空冷により除去し、良好な加工性状を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記実施形態では、制御部ＣによりＸＹステージ２や回転ステージ３を駆動してネオジム磁石Ｎを移動させて加工を行うが、ネオジム磁石Ｎを固定し、集光光学系５を制御してレーザ光Ｌを走査しても構わない。

本発明に係るネオジム磁石の加工方法の一実施形態において、レーザ加工装置を示す簡易的な構成図である。本実施形態において、ネオジム磁石に対する波長を変えた場合のレーザ光の拡散反射スペクトルを示したグラフである。ネオジム磁石の良好な組織を示す模式図、メカニカルな加工を施した加工部位周囲の組織を示す模式図及び本実施形態のレーザ加工を施した加工部位周囲の組織を示す模式図である。

符号の説明

１…レーザ光源、２…ＸＹステージ、３…回転ステージ、４…ガス噴射機構、Ｃ…制御部、Ｄ…粒界相、Ｌ…レーザ光、Ｍ…主相、Ｎ…ネオジム磁石

Claims

レーザ光を照射してネオジム磁石を切断加工又は溝加工する加工方法であって、
前記レーザ光が、波長１０００〜１１００ｎｍの基本波を有する固体レーザの前記基本波又はその高調波であることを特徴とするネオジム磁石の加工方法。
請求項１に記載のネオジム磁石の加工方法において、
前記固体レーザが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ又はＮｄ：ＹＶＯ_４レーザであることを特徴とするネオジム磁石の加工方法。
請求項１又は２に記載のネオジム磁石の加工方法において、
前記切断加工又は溝加工を非酸化性雰囲気中で行うことを特徴とするネオジム磁石の加工方法。
請求項３に記載のネオジム磁石の加工方法において、
前記切断加工又は溝加工の加工部分に非酸化性ガスを吹き付けながら前記レーザ光を照射することを特徴とするネオジム磁石の加工方法。