JP2021153179A

JP2021153179A - 磁気クランプ装置用マグネットユニット

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Publication number: JP2021153179A
Application number: JP2021037836A
Authority: JP
Inventors: 信之岡村; Nobuyuki Okamura
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2021-09-30

Abstract

【課題】低コストであり、かつ、永久磁石の高磁気特性を最大限に活かした磁気クランプ装置用マグネットユニットを提供する。【解決手段】ハウジング２内に収容されている磁気クランプ装置用マグネットユニット１０は、一方の面がクランプ対象物１を吸着する吸着面となる一対の平面を有する磁性体１２と、磁性体の側面の周囲に配置されたＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４と、磁性体の他方の平面に対向して配置されたＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系永久磁石１６と、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系永久磁石１６の側面の周囲に配置されたコイル１８とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気クランプ装置に組み込まれるマグネットユニットに関する。

従来より、射出成型機用の金型や加工部品などを磁気的にクランプする磁気クランプ装置においては、極性が一定で高保磁力のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石（Ｒは、Ｎｄ及びＰｒの少なくとも一方を含む希土類元素、Ｔは、Ｆｅを主とする遷移金属元素であって、Ｃｏを含んでもよい、Ｂはホウ素）と、低保磁力で極性を切り替え可能なアルニコ磁石と、アルニコ磁石の極性を切り替えるための電磁コイルとを組み合わせたマグネットユニット（磁力発生機構）が組み込まれ、電磁コイルに短時間電流を流しアルニコ磁石の極性を切り替えることによって金型や加工部品などを着脱している。このようなマグネットユニットの例が特許文献１や特許文献２に示されている。

国際公開第２０１９／２４０２０１号特表２００５−５１５０８０号公報

アルニコ磁石は、高保磁力高残留磁束密度のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石と同等の残留磁束密度を有しかつ保磁力がそれほど大きくないことから、逆磁界をかけることにより容易に極性が反転するので、前記マグネットユニットに最適であり、広く採用されている。しかしながら、アルニコ磁石は高価なＣｏやＮｉの含有量が多く、高コストであるとともに、ＣｏやＮｉの相場によって価格が安定しないという問題も有する。

また、前記マグネットユニットでは、極性が一定のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石と極性を切り替え可能なアルニコ磁石の磁束量を正確に合わせることが必要である。磁束量が合っていないと漏れ磁束が大きくなり、クランプ時にクランプ力が落ちたり、アンクランプ時に外しにくかったりするなどの問題が生じる。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石とアルニコ磁石の磁束量を正確に合わせるためには、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石やアルニコ磁石の残留磁束密度、サイズ、形状などを微妙に調整する必要がある。従来、それぞれの磁石は、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石は保磁力が高いもの、アルニコ磁石は残留磁束密度が高いものという観点での選択と大まかな寸法決定しかできなかった。そして、それぞれの磁石を装置に組み込んだ後、手作業で磁石などの構成部材を削って調整し、寸法を決定していた。そのため、これらの磁気クランプ装置では、高保磁力のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石と高残留磁束密度のアルニコ磁石の高い磁気特性を生かしきれていなかった。

本発明は、低コストであり、かつ、永久磁石の高磁気特性を最大限に活かした磁気クランプ装置用マグネットユニットを提供することを目的とする。

発明者はアルニコ磁石に代わる高残留磁束密度、低保磁力の磁石について探索したところ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系永久磁石（以下「ＦＣＣ磁石」）が類似の磁気特性を有しており、ＦＣＣ磁石も電磁コイルによって極性を切り替えることが可能であり、アルニコ磁石に変えて磁気クランプ装置用マグネットユニットに適用できることを知見した。

ＦＣＣ磁石はＣｏ含有量がアルニコ磁石の半分以下程度であるので、これにより、磁気クランプ装置の低コスト化を図ることができる。また、ＦＣＣ磁石は磁石の寸法を変えることによって（パーミアンス係数を変えることによって）磁束量を調整しやすく、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量とＦＣＣ磁石の磁束量を合わせるために磁場解析を用いることが有効である。これについては後に詳細に説明するが、磁場解析を用いることができることによって、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石とＦＣＣ磁石の磁束量が合う条件をマグネットユニットの設計時に容易に決定することが可能となる。

以上のようにして成された本発明の磁気クランプ装置用マグネットユニットは、一方が吸着面となる一対の平面を有する磁性体と、前記磁性体の側面の周囲に配置されたＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石と、前記磁性体の他方の平面に対向して配置されたＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系永久磁石と、前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系永久磁石の側面の周囲に配置されたコイルとを有することを特徴とする。

本発明によれば、低コストであり、かつ、永久磁石の高磁気特性を最大限に活かした磁気クランプ装置用マグネットユニットを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るマグネットユニットのアンクランプ状態における断面図である。本発明の一実施形態に係るマグネットユニットのクランプ状態における断面図である。本発明の一実施形態に係るマグネットユニットの斜視図である。本発明の一実施形態に係るマグネットユニットのアンクランプ状態における断面図である。本発明の一実施形態に係るマグネットユニットのクランプ状態における断面図である。本発明の解析例における結果を示すグラフである。本発明の解析例における結果を示すグラフである。本発明の解析例における結果を示すグラフである。本発明の解析例における結果を示すグラフである。

［マグネットユニットの構成］
以下、本発明のマグネットユニットの実施形態の一例について、図面を参照して説明する。

図１はアンクランプ時のマグネットユニットの状態の一例を示す断面図であり、図２はクランプ時のマグネットユニットの状態の一例を示す断面図である。それぞれ、後述する図3に示すマグネットユニット１０の縦断面図である。図３はマグネットユニットの斜視図（内部の構成がよくわかるように図の右手前側4分の1を欠いた状態で図示、コイル１８は不図示）である。図１〜３は、マグネットユニットが単独の場合を示すが、図１、２の、向かって上下方向、および、手前−奥方向に複数並べて配置してもよい。

本発明のマグネットユニットは、一方が吸着面となる一対の平面を有する磁性体１２と、前記磁性体12の側面の周囲に配置されたＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４と、前記磁性体１２の他方の平面に対向して配置されたＦＣＣ磁石１６と、前記ＦＣＣ磁石１６の側面の周囲に配置されたコイル１８とを有している。マグネットユニット１０は、ハウジング２内に収容されている。磁性体１２は、典型的には円柱形状であって一対の平面（両端面）を有している。一方の平面が吸着面となり、他方の平面がＦＣＣ磁石１６と接している。ＦＣＣ磁石１４は、典型的には円柱形状であって一対の平面（両端面）を有している。一方の平面が磁性体１２に接しており、他方の平面がハウジング２に接している。Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４は、典型的にはリング形状であって、磁性体１２の側面（外周面）の周囲に配置され、内周側が磁性体１２に接しており、外周側がハウジング２に接している。

磁性体１２およびＦＣＣ磁石１６は、前記の通り典型的には円柱形状であるが、図１、２のように、中央部等に取り付け用のボルト等を配置できる垂直方向の孔部２２、２６を有していてもよい。図３において孔部２２はボルト等の形状に合わせた段差を有しているが、後述の解析結果に大きな影響を与えないため、当該段差は図１、２においては省略する。

磁性体１２、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４、ＦＣＣ磁石１６の形状は任意であり、前記の通り円柱形状やリング形状のほか、例えば、板状、ブロック状などでもよいし、角が面取りされていてもよい。さらに、例えば、ＦＣＣ磁石１６は１つの円柱形状の磁石でもよいし、複数個の磁石を組み合わせて円柱形状を形成してもよい。Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４についても１つのリング形状の磁石でもよいし、複数個の磁石（セグメント形磁石）を組み合わせてリング形状を形成してもよい。あるいは、複数の板状の磁石を合わせて磁性体１２を囲繞するように配置してもよい。この時、必ずしも磁性体１２の周囲全体を囲むように配置される必要はなく、磁石間に空隙が存在していてもよい。その他の部品の形状や配置形態も同様に、装置全体の設計に応じて任意である。

ハウジング２は図の態様に限定されず、1つのハウジング２に１つのマグネットユニット１０を収容してもよいし、複数のマグネットユニット１０を収容してもよい。例えば磁性体１２が角柱状で、板状のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４が磁性体１２を囲繞するように配置される複数のマグネットユニット１０が、ハウジング２内に複数並んで配置される場合、隣接するマグネットユニット１０の磁性体１２同士の間に配置される板状のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４は、各々１枚ずつ配置されてもよいし、１枚のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４が隣接する両方のマグネットユニット１０のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４として兼用されてもよい。

なお、本明細書で用いる方向の概念は、説明する上で便宜上使用するものであって、発明の構成の向き等をその方向に限定するものではない。すなわち、マグネットユニット１０の配置の向きは、組み込まれる磁気クランプ装置の仕様に応じて任意であり、例えば、図１、２のように磁性体１２の吸着面となる平面が図の左右方向を向いていてもよいし、図３〜５のように上下方向を向いていてもよい。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４の磁化方向は磁性体１２の平面に平行な方向であり、ＦＣＣ磁石１６の磁化方向は磁性体１２の平面に垂直な方向である。アンクランプ時、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４とＦＣＣ磁石１６は図１のように同じ磁性体１２に接する面の極性が反対になる。この時、磁束はＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４と磁性体１２とＦＣＣ磁石１６を通り、図１のように磁性体１２の吸着面となる平面より外に出ないので、クランプ対象物１には磁力が作用せず、クランプ対象物１はマグネットユニット１０に吸着されない。

アンクランプ状態からクランプ状態にするには、ＦＣＣ磁石１６に逆磁界を与える方向にコイルに短時間（例えば０．５〜３秒程度）所定の大きさの電流を流す。するとＦＣＣ磁石１６の極性は反転し、図２のように、同じ磁性体１２に接する面のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４とＦＣＣ磁石１６は極性が同じになる。この時、図２のようにクランプ対象物１を近づけると、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４とＦＣＣ磁石１６とクランプ対象物１を磁束が通る状態になり、クランプ対象物１が磁性体１２の吸着面となる平面に吸着される。

なお、ハウジング２も例えばＳＳ４００などの磁性材料で形成され、図１、２のような磁性体１２の吸着面となる平面とハウジング２の磁性体１２の吸着面となる平面に平行な面（ハウジング２の開放側の面）を面一として、すなわち、磁性体１２の吸着面とハウジング２の開放側の面が同一平面内にあるようにして、クランプ対象物１をハウジング２にも吸着されるようにしてもよい。なお本発明において、後述の単位面積当たりの吸着力を計算する際の吸着面の面積はハウジング２の外辺で形成される形状の面積とし、ハウジング２の外辺で形成される部分のうち、空間になっている部分（図１における点線ａの部分）の面積も含むものとする。ハウジング２の寸法（外径、厚み、高さ等）もマグネットユニットの吸着力と漏れ磁束に影響を与えるので、別途磁場解析にて最適化された寸法を用いる。

クランプ状態からアンクランプ状態にするには、上記と逆の方向に電流を流し、ＦＣＣ磁石１６の極性を図１の状態に戻す。すると図１のように、クランプ対象物１はマグネットユニット１０に吸着されなくなる。

図１、２の状態は、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４とＦＣＣ磁石１６の１つのマグネットユニット１０あたりの磁束量が等しい場合である。発明者の検討によると、図１の状態、すなわちアンクランプ時に、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４またはＦＣＣ磁石１６のどちらかの磁束量が大きいと、大きいほうの磁石の磁束が磁性体１２から外部に漏れ、クランプ対象物１を吸着する方向に働く。したがって、図２の状態から図１の状態に戻した時、すなわち、クランプ状態からアンクランプ状態にした時に、クランプ対象物１が外れにくいということが生じてしまう。

また、図２の状態、すなわちクランプ時に、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４またはＦＣＣ磁石１６のどちらかの磁束量が大きいと、漏れ磁束によって磁力線の流れが乱れ、吸着力が落ちてしまう。したがって、吸着力が大きく、クランプ対象物１の着脱がスムーズにできるマグネットユニット１０を得るためには、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４とＦＣＣ磁石１６の磁束量を等しくする（漏れ磁束を少なくする）、ことが重要である。具体的にはＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４とＦＣＣ磁石１６の磁束量の差の絶対値が０．０２５ｍＷｂ以内であることが好ましく、０．０１ｍＷｂ以内であることがさらに好ましい。

なお、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４の磁化方向はラジアル方向でもよいし、任意の半径に対して平行方向でもよい。Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４の磁化方向がラジアル方向の場合、図１において、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４の厚み方向の寸法ＭｒはＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４の磁化方向の寸法となり、高さ方向の寸法Ｖｒは磁化方向に垂直な方向の寸法となる。また、ＦＣＣ磁石１６の半径ＶｆはＦＣＣ磁石１６の磁化方向に垂直な方向の寸法となり、高さ方向の寸法ＭｆはＦＣＣ磁石１６の磁化方向の寸法となる。

［ＦＣＣ磁石のメリット］
以下、アルニコ磁石に変えてＦＣＣ磁石を採用することのメリットについて説明する。

ＦＣＣ磁石はＣｏ含有量がアルニコ磁石の半分以下程度である。例えば、市販のアルニコ磁石のＣｏ含有量が２４ｍａｓｓ％程度であるのに対し、本発明で好適に用いられるＦＣＣ磁石のＣｏ含有量は５〜１４ｍａｓｓ％である。またアルニコ磁石が多く含有するＮｉはほとんど含まず、不可避不純物か多くても数％以下の添加物程度である。したがって、アルニコ磁石に変えてＦＣＣ磁石を採用することにより、磁気クランプ装置用マグネットユニットの低コスト化を図ることができる。

また、アルニコ磁石に変えてＦＣＣ磁石を採用することにより、同じＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石を用いた場合、後の解析例に示すように、同じ形状のアルニコ磁石を用いた場合に比べて強い吸着力が得られるにもかかわらず、漏れ磁束を低減できる傾向にあることがわかった。

発明者の検討および解析によると、このことは、多くのＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の残留磁束密度に対してアルニコ磁石の残留磁束密度は低いが、ＦＣＣ磁石の残留磁束密度は同等以上であることによると考えられる。すなわち、アルニコ磁石を使用した場合はＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石とアルニコ磁石の磁束量の差が大きくなり漏れ磁束が大きくなるが、ＦＣＣ磁石を使用した場合はＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石とＦＣＣ磁石の磁束量の差が少なく、漏れ磁束を少なくできるからである。

また、後述の通り、アルニコ磁石の残留磁束密度がＦＣＣ磁石やＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石より低いことによって、磁気クランプ装置におけるアルニコ磁石の磁束量は従来以上に大きくすることが難しいので、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石と磁束量を合わせようとするとＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量を低い側に合わせることとなり、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の高磁気特性を生かすことができない。

これに対し、ＦＣＣ磁石を使用した場合は、ＦＣＣ磁石の残留磁束密度が高いことによって、ＦＣＣ磁石の磁束量がＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量と同等以上になるので、磁束量の差が小さく、磁束量を合わせるためにＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量を低い側に調整する必要がない。

さらに、先に述べた通り、ＦＣＣ磁石を採用した場合には、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量とＦＣＣ磁石の磁束量を合わせるために磁場解析を用いることが有効である。以下、ＦＣＣ磁石を採用した場合に、アルニコ磁石を採用した場合に比べて磁場解析が有効であることについて述べる。

上述の通り、ＦＣＣ磁石はアルニコ磁石より残留磁束密度が高い（市販の高残留磁束密度タイプのアルニコ磁石が＜１．３０Ｔ程度であるのに対し、市販の高残留磁束密度タイプのＦＣＣ磁石は１．３０〜１．４５Ｔ程度）。ＦＣＣ磁石の磁束量はパーミアンス係数と残留磁束密度によって決まるが、ＦＣＣ磁石がＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石とともに磁気クランプ装置用マグネットユニットに組み込まれるために必要な磁束量は、ＦＣＣ磁石の残留磁束密度に対してかなり余裕がある。すなわち、ＦＣＣ磁石は使える動作点の自由度が高い。したがって、磁石のパーミアンス係数を変える（磁石の磁化方向の寸法（図１におけるＭｆ）を変える）ことによって、磁束量を調整することが可能である。

このことから、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量とＦＣＣ磁石の磁束量を合わせるために磁場解析を用いることが有効となる。つまり、ＦＣＣ磁石の寸法を変えて磁場解析を行い、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量とＦＣＣ磁石の磁束量が合う条件を求めることが可能となる。

これに対してアルニコ磁石の場合は残留磁束密度がＦＣＣ磁石より低いので、そのぎりぎりのところ（磁束密度が残留磁束密度に近いところ）を動作点とする必要があり、パーミアンス係数をいくら大きくしても磁束量は従来より増えず、すなわち、寸法調整によって磁束量を大きくすることができず、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量と合わせることは困難である。そのため、磁場解析を用いても、アルニコ磁石を用いた場合は、従来より永久磁石の磁気特性を活かしたマグネットユニットを得ることは難しい。

なお、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石は角形性がよいので、パーミアンス係数を変えても（磁化方向の寸法だけを変えても）ほとんど磁束量が変わらない。Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量を調整するにはＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁化方向に垂直な方向の面積（以下断面積）を変えてその体積を大きくすること、すなわち、磁化方向に垂直な方向の寸法（図１のＶｒ）を変える他、後述の通り磁石組成を高残留磁束密度側に調整することが有効である。

ＦＣＣ磁石の高い磁気特性を活かすために、ＦＣＣ磁石の磁化方向の寸法（図１におけるＭｆ）を大きくすることによって（ＦＣＣ磁石のパーミアンス係数を大きくすることによって）磁束量を大きくすると、漏れ磁束を少なくするためにはＦＣＣ磁石の磁束量に対応してＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量も大きくすることが必要となるが、上記の通りＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石は角型性がよいのでパーミアンス係数を変えても磁束量はほとんど変わらない。そのため、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石のサイズを大きくすることなく（コストアップすることなく）磁束量を大きくするには、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の残留磁束密度を大きい側に磁石組成を調整することが有効であるが、一般的にＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の組成を残留磁束密度が大きい側に調整すると、逆にＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の保磁力が小さくなってしまう。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の保磁力は、マグネットユニット１０に逆磁界を与えてＦＣＣ磁石の極性を反転させる際にＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石が減磁しないために重要な磁気特性であるが、ＦＣＣ磁石はアルニコ磁石より保磁力がさらに小さいので極性を反転させるための逆磁界が少なくて済み、その分Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石として従来より保磁力が低いものを採用することができ、ＦＣＣ磁石の磁束量に合わすべくＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の残留磁束密度を大きくして保磁力を小さくしても問題ないと考えられる。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の残留磁束密度を大きくするには、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石に含まれる軽希土類元素（Ｎｄ、Ｐｒ）を増やし、重希土類元素（Ｄｙ、Ｔｂ）を少なくすることが有効である。すなわち、本発明のマグネットユニットでは、ＦＣＣ磁石とＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の各々の磁束量を大きくして従来より大きな吸着力を得るとともに、高価で供給が安定しない重希土類元素を低減したＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石を採用することができる。

このようなＦＣＣ磁石とＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の組み合わせは、例えば、ＦＣＣ磁石の組成がＣｏ＝５〜１４、Ｃｒ＝２０〜４０、添加元素５以下、残部Ｆｅ（ｍａｓｓ％）であり、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の組成が、ＲＬ（Ｎｄおよび／またはＰｒ）＝２８〜３２、ＲＨ（Ｄｙおよび／またはＴｂ）＝３．０以下、Ｂ（ホウ素）＝０．６〜１．６（その一部はＣ（炭素）によって置換されていてもよい）、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇａなどの添加元素０．５以下、残部Ｆｅ（そのうちの５０原子％以下をＣｏで置換してもよい）（ｍａｓｓ％）であるものが挙げられる。

ＦＣＣ磁石および、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石として上記のような従来より高残留磁束密度、低保磁力側の磁石を採用した場合、マグネットユニット１０の吸着力は大きくなるものの、今度はＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量が増えることによって漏れ磁束が大きくなってしまう場合がある。この場合は上記の通りＦＣＣ磁石の磁化方向側の寸法（図１におけるＭｆ）を大きくしてパーミアンス係数を大きくすることによってＦＣＣ磁石の磁束量を増やし、逆にＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁化方向に垂直な方向の寸法（図１におけるＶｒ）を小さくして、すなわち、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁化方向の断面積を小さくすることによって、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の磁束量を減らす。このようにすることで、ＦＣＣ磁石とＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の高い磁気特性を活かしながら、大きな吸着力と低い漏れ磁束のバランスが取れたマグネットユニットを得ることができる。このような好ましいＭｆ，Ｖｒの範囲は磁場解析によって求めることができる。

さらに、ＦＣＣ磁石の磁化方向の寸法（図１におけるＭｆ）だけでなく、磁化方向に垂直な方向の寸法（図１におけるＶｆ）も大きくしてＦＣＣ磁石の吸着力を稼ぐことによって、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の体積を少なくすることができることも分かった。Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石は磁化方向に垂直な方向の寸法（図１におけるＶｒ）を大きくしてすなわち、磁化方向の断面積を増やして磁束量を増やし、磁化方向の寸法（Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４がラジアル配向の場合、図１におけるＭｒ）を小さくする。この場合、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の体積を減らすことができる。したがって、比較的安価なＦＣＣ磁石の使用量を増やし、高価なＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の使用量を減らすことで、マグネットユニットのコストをさらに低減することができる。

本発明の、ＦＣＣ磁石を用いたマグネットユニット１０は、磁性材料で形成されたハウジング２に収容され、同一平面内にあるハウジング２の開放側の面と磁性体１２の上面を吸着面とするとき、最大漏れ磁束が４ｍＴ以下で、１ｍｍ^２当たりの吸着力１．１３Ｎ以上、好ましくは１．１４Ｎ以上を達成することができる。

［解析例］
図１、２のマグネットユニットをモデルとして、以下の解析を行った。Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４は環状扇形の磁石４枚を貼り合わせたリング状（磁化方向は図１、２で示す断面に平行方向）であり、その内径側に、中央部にボルト配置用の孔２２（直径８ｍｍ）を有する円柱状磁性体１２（ＳＳ４００、直径６０ｍｍ、高さ２１ｍｍ）を有し、磁性体１２の下部に同じくボルト配置用の孔２６（直径１１ｍｍ）を有する円柱状ＦＣＣ磁石１６を配している。これらはハウジング１８（ＳＳ４００）内に収容されている。Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４の高さをＶｒ、厚みはＭｒとし、ＦＣＣ磁石１６の高さをＭｆ、半径はＶｆとする。その他の部分は空間とした。コイル１８はマグネットユニットの構造としては必須であるが、以下の解析結果に大きな影響を与えないため、本解析例においては省略した。Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石としては表１のＲ１〜Ｒ５を、ＦＣＣ磁石としては表２のＦ１、Ｆ２を、アルニコ磁石としては表２のＡ１を用いた。
なお、解析には、株式会社ＪＳＯＬ製ＪＭＡＧを用いた。

[解析例１]
Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４として、磁石Ｒ１を用いた。また、ＦＣＣ磁石１６として、磁石Ｆ１、および磁石Ｆ２を、比較のアルニコ磁石として、磁石Ａ１を用いた。
Ｍｆ＝２０ｍｍ、Ｖｆ＝２７．６ｍｍ、Ｖｒ＝１２．７ｍｍ、Ｍｒ＝６．５ｍｍとして磁場解析を行ったところ、マグネットユニット１０の吸着力および漏れ磁束は表３の結果となった。

表３からわかるように、アルニコ磁石に変えてＦＣＣ磁石を採用することにより、吸着力を大きくすることができるにもかかわらず、漏れ磁束が低減できることがわかった。

[解析例２]
ＦＣＣ磁石１６として磁石Ｆ１を用い、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４として磁石Ｒ１〜Ｒ５の各種を用いた。
Ｍｆ＝２０ｍｍ、Ｖｆ＝２７．６ｍｍ、Ｖｒ＝１２．７ｍｍ、Ｍｒ＝６．５ｍｍとして磁場解析を行ったところ、マグネットユニット１０の吸着力および漏れ磁束は表４の結果となった。

表４からわかるように、残留磁束密度が最も小さい磁石Ｒ５を用いた場合以外（Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の組成が、ＲＬ（Ｎｄおよび／またはＰｒ）＝２８〜３２、ＲＨ（Ｄｙおよび／またはＴｂ）＝３．０以下、Ｂ（ホウ素）＝０．６〜１．６（その一部はＣ（炭素）によって置換されていてもよい）、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇａなどの添加元素０．５以下、残部Ｆｅ（そのうちの５０原子％以下をＣｏで置換してもよい）（ｍａｓｓ％）の範囲内の場合）は、吸着力が１８５０Ｎを超えたが、それらの場合のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４から発生する磁束量とＦＣＣ磁石１６から発生する磁束量の差（Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４から発生する磁束量−ＦＣＣ磁石１６から発生する磁束量）の絶対値は０．０２５ｍＷｂを超えていた。次の解析例３において、磁石の寸法を変えることによってこれらの磁束量の差を小さくできることを示す。

[解析例３]
Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４として磁石Ｒ１より残留磁束密度も保磁力も高い磁石Ｒ２、残留磁束密度が高く保磁力の低い磁石Ｒ３を用いた。ＦＣＣ磁石１６としては、磁石Ｆ１を用いた。Ｖｆ＝２７．６ｍｍ、Ｍｒ＝６．５ｍｍとし、表５の通りＭｆとＶｒを変えて磁場解析を行った。マグネットユニット１０の吸着力および漏れ磁束は表５の結果となった。表５には解析例１において磁石Ｆ１を用いた場合の結果（１−１）も併せて示す。

表５からわかるように、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４として磁石Ｒ１より残留磁束密度が高い磁石Ｒ２およびＲ３を用いた場合、同じＭｆ、Ｖｒにおいては吸着力は大きくなるものの、最大漏れ磁束も大きくなった。（解析Ｎｏ．１−１と、３−１および３−８を比較。）しかしながら、ＦＣＣ磁石１６の磁化方向の寸法Ｍｆを大きくし、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４の磁化方向に垂直な方向の寸法Ｖｒを小さくすることによって、吸着力１９００Ｎ以上、最大漏れ磁束１５ｍＴ以下を達成できることがわかった。（解析Ｎｏ．３−１２〜１９。）また、それらの場合のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４から発生する磁束量とＦＣＣ磁石１６から発生する磁束量の差（Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４から発生する磁束量−ＦＣＣ磁石１６から発生する磁束量）の絶対値は０．０２５ｍＷｂ以内であった。

[解析例４]
Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石として磁石Ｒ２、ＦＣＣ磁石として磁石Ｆ１を用いた。ＦＣＣ磁石の半径（磁化方向に垂直な方向の寸法）Ｖｆを解析例２−７の２７．６ｍｍから３１．６ｍｍと厚くし、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の厚み（磁化方向の寸法）Ｍｒを６．５ｍｍから４．７ｍｍと薄くし、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の高さ（磁化方向に垂直な方向の寸法）Ｖｒを色々に変えて磁場解析を行った。結果を表６に示す。なお、表６には解析例３における３−７も併せて示す。

Ｖｆを解析例３−７の２７．６ｍｍから３１．６ｍｍと厚くし、Ｍｒを６．５ｍｍから４．７ｍｍと薄くすることによって（ＭｆとＶｒは、３−７と同じ）、吸着力は１９０２Ｎから２１０２Ｎと大きくなったが、最大漏れ磁束も９．６４ｍＴから４３ｍＴと大きくなった（３−７と４−２の比較）。そこで、Ｖｒの大きさを９．９ｍｍから１３．５ｍｍまで変えて行ったところ（４−１〜４−５）、Ｖｒが１３．２ｍｍで吸着力２２５６Ｎ最大漏れ磁束１５ｍＴ、Ｖｒが１３．５ｍｍで吸着力２２７４Ｎ最大漏れ磁束１７．５ｍＴと、より大きな吸着力と少ない漏れ磁束のマグネットユニットが得られる条件があることがわかった（４−４と４−５）。また、この時のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の体積は３−７のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の体積より少なくなっていた。すなわち、ＦＣＣ磁石の体積を大きくすることによって、より高い吸着力が得られるにもかかわらず、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の使用量を減らすことができることがわかった。また、それらの場合のＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４から発生する磁束量とＦＣＣ磁石１６から発生する磁束量の差（Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４から発生する磁束量−ＦＣＣ磁石１６から発生する磁束量）の絶対値は０．０２５ｍＷｂ以内であった。

[解析例５]
本解析例では、図４、図５のマグネットユニットをモデルとして解析を行った。図４および図５は、それぞれアンクランプ状態およびクランプ状態のマグネットユニットの中心を通る断面図（図１、図２を右９０度回転させた右半分に相当）である。図１〜図３に示す孔部２２、２６および孔部２２の段差については、解析結果に大きな影響を与えないことと、Ｒ−Ｔ−Ｂ系磁石１４とＦＣＣ磁石１６の寸法の影響を正確に調べることを考慮し、本解析例においては省略した。ハウジング２の外径Ｈｓ＝４２ｍｍ（吸着面の面積は１７６４ｍｍ^２）、ハウジング２の内径Ｈｒ＝３６．７ｍｍである。これらのハウジング２の寸法は、少ない漏れ磁束と高い吸着力の観点から別途の磁場解析で最適化された寸法である。また、本解析例では、吸着面とＲ−Ｔ−Ｂ系磁石１４の上面の距離（図４におけるｄ）をｄ＝4ｍｍで一定とし、Ｒ−Ｔ−Ｂ系磁石１４の厚みＭｒおよび高さＶｒに応じて磁性体１２の半径および高さを連動して増減させることとした。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４として磁石Ｒ２、ＦＣＣ磁石１６として磁石Ｆ１を用いた。ＦＣＣ磁石１６の半径（磁化方向に垂直な方向の寸法）Ｖｆを３０．０ｍｍとし、高さ（磁化方向の寸法）Ｍｆを２７．６ｍｍとして、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４の厚み（磁化方向の寸法）Ｍｒ、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４の高さ（磁化方向に垂直な方向の寸法）Ｖｒを色々に変えて磁場解析を行った。本解析の前に行った予備解析によって最も漏れ磁束が低かった、Ｖｒ＝１３．０ｍｍ、およびＭｒ＝４．２ｍｍを基準として解析を行った。Ｖｒを１３．０ｍｍに固定してＭｒを３．５ｍｍから６．３ｍｍまで変化させたときの結果を図６に、Ｍｒを４．２ｍｍに固定してＶｒを１２．５ｍｍから１３．５ｍｍに変化させたときの結果を図７に示す。

図６、７より、漏れ磁束をどの程度に抑えたいかによって好ましい寸法は変わるものの、例えば、漏れ磁束を３ｍＴ以下に抑えたい場合、Ｍｒ＝４．０ｍｍ、Ｖｒ＝１３ｍｍの時、最大漏れ磁束が２．９ｍＴで、吸着力が２０２４Ｎ（１ｍｍ^２あたりの吸着力は１．１５Ｎ）、漏れ磁束を１０ｍＴ以下まで許容する場合、Ｍｒ＝４．７ｍｍ、Ｖｒ＝１３ｍｍの時、最大漏れ磁束が９．３ｍＴで吸着力が２０５８Ｎ（１ｍｍ^２あたりの吸着力は１．１７Ｎ）を達成できることがわかった。また、磁束量の差はそれぞれ−０．００３ｍＷｂ、０．００７ｍWbであった。

[解析例６]
本解析例ではＦＣＣ磁石とアルニコ磁石との比較を詳細に行った。解析例５で求めた、Ｒ−Ｔ−Ｂ系磁石の好ましい寸法条件の時、ＦＣＣ磁石とアルニコ磁石の磁石高さを変えて解析を行った。具体的には、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石として磁石Ｒ２、ＦＣＣ磁石として磁石Ｆ１、アルニコ磁石として磁石Ａ１を用いた。ＦＣＣ磁石１６およびアルニコ磁石１６′の半径（磁化方向に垂直な方向の寸法）Ｖｆを２９．６ｍｍ、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４の厚み（磁化方向の寸法）Ｍｒを４．０ｍｍ、Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石１４の高さ（磁化方向に垂直な方向の寸法）Ｖｒを１３．０ｍｍとして、ＦＣＣ磁石１６およびアルニコ磁石１６′の高さ（磁化方向の寸法）Ｍｆを変えて磁場解析を行った。結果を図８、９に示す。

図８、９より、アルニコ磁石に変えてＦＣＣ磁石を採用することにより、吸着力を大きくすることができるにもかかわらず、漏れ磁束が低減できることがわかった。具体的には、高さＭｆを大きくするにつれてＦＣＣ磁石１６を使用した場合もアルニコ磁石１６′を使用した場合も吸着力が増加していき、Ｍｆ＝６０ｍｍ付近以上でほぼ一定となるが、その大きさは約４０Ｎの差でＦＣＣ磁石１６を使用した場合の方が大きい。図８で、アルニコ磁石１６′を使用した場合、最大２００４Ｎ（１ｍｍ^２あたりの吸着力は１．１４Ｎ）付近まで吸着力を大きくすることができるが、この時の最大漏れ磁束は５ｍＴを超える。またこの値はＦＣＣ磁石１６を使用した場合はＭｆ＝２５ｍｍで達成可能であり、この時の最大漏れ磁束は３．８ｍＴである。ＦＣＣ磁石１６を使用した場合はさらに最大で２０４５Ｎ（１ｍｍ^２あたりの吸着力は１．１６Ｎ）付近まで大きくすることができる（漏れ磁束は３．３ｍT付近）。本解析例では、アルニコ磁石１６′を使用した場合は、許容できる最大漏れ磁束を４ｍＴ以下とすると、図９よりＭｆ＝１１ｍｍ以下とする必要があり、Ｍｆ＝１１ｍｍの時の、最大漏れ磁束が３．９ｍＴで吸着力が１７７４Ｎ（１ｍｍ^２あたりの吸着力は１．００Ｎ、図８のグラフ外）であり、漏れ磁束が４ｍＴ以下では１ｍｍ^２あたりの吸着力１．１３Ｎ以上を達成できないことがわかる。

[解析例７]
本解析例ではＲ−Ｔ−Ｂ系磁石１４の磁石組成を色々変えて、解析例５で結果が良好であったＶｒ，Ｍｒ付近で解析を行った。それぞれの解析結果において漏れ磁束が最小値のときの吸着力と漏れ磁束を比較した。結果を表７に示す。

表７より、いずれのＲ−Ｔ−Ｂ系磁石１４を用いた場合においても、ＦＣＣ磁石１６を用いることによって、最大漏れ磁束が４ｍＴ未満で１ｍｍ^２あたりの吸着力１．１３Ｎ以上を達成できたことがわかった。特に、Ｒ３を用いた場合、最大漏れ磁束が１．１ｍＴと非常に低かった。また、表には記載されていないが、Ｒ３を使用した場合の解析結果では、最大漏れ磁束を他の磁石と同等の２．８ｍＴまで許容した場合、吸着力２００４Ｎ（１ｍｍ^２あたりの吸着力は１．１４Ｎ）を達成できることがわかっている。

１クランプ対象物
２ハウジング
１０マグネットユニット
１２磁性体
１４Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石
１６ＦＣＣ磁石
１８コイル

Claims

一方が吸着面となる一対の平面を有する磁性体と、前記磁性体の側面の周囲に配置されたＲ−Ｔ−Ｂ系永久磁石と、前記磁性体の他方の平面に対向して配置されたＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系永久磁石と、前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系永久磁石の側面の周囲に配置されたコイルとを有する、磁気クランプ装置用マグネットユニット。
前記Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石から発生する磁束量と前記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系永久磁石から発生する磁束量の差が０．０２５ｍＷｂ以内である、請求項１記載の磁気クランプ装置用マグネットユニット。
磁性材料で形成されたハウジングに収容され、前記ハウジングの開放側の面は前記磁性体の吸着面と同一平面上にあって吸着面の一部を形成し、最大漏れ磁束が４ｍＴ以下、吸着面１ｍｍ^２あたりの吸着力が１．１３Ｎ以上である、請求項１または２記載の磁気クランプ装置用マグネットユニット。
前記Ｒ−Ｔ−Ｂ系永久磁石の組成は、ＲＬ（Ｎｄおよび／またはＰｒ）＝２８〜３２、ＲＨ（Ｄｙおよび／またはＴｂ）＝３．０以下、Ｂ（ホウ素）＝０．６〜１．６（その一部はＣ（炭素）によって置換されていてもよい）、添加元素０．５以下、残部Ｆｅ（そのうちの５０原子％以下をＣｏで置換してもよい）（ｍａｓｓ％）であり、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系永久磁石の組成は、Ｃｏ＝５〜１４、Ｃｒ＝２０〜４０、添加元素５以下、残部Ｆｅ（ｍａｓｓ％）である、請求項１から３のいずれかに記載の磁気クランプ装置用マグネットユニット。