JP3680648B2

JP3680648B2 - 永久磁石型モータその他の永久磁石応用装置

Info

Publication number: JP3680648B2
Application number: JP21480399A
Authority: JP
Inventors: 淳川本; 尚石川
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2019-07-29
Also published as: JP2001045718A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータの固定ディスクやフロッピーディスクの駆動装置、プリンター等のコンピュータ周辺機器をはじめ、各種の機器に使用される制御用及び駆動用の永久磁石応用装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可動部もしくは固定部に永久磁石を備えた永久磁石型モータや、これを用いたアクチュエータは、コンピュータ関連機器、プリンター、カメラ、時計等の制御用及び駆動用として幅広く利用されている。また、永久磁石からなる磁気スケールと、ホール素子や磁気抵抗素子のような磁気検出素子を備えた磁気式エンコーダは、長さや角度等の変位を測定するセンサーの１種として知られている。
【０００３】
従来から、永久磁石型モータの可動部もしくは固定部及び磁気式エンコーダの磁気スケール等に用いられる永久磁石としては、ネオジム（Ｎｄ）−鉄（Ｆｅ）−ホウ素（Ｂ）系やサマリウム（Ｓｍ）−コバルト（Ｃｏ）系等の焼結磁石、あるいはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系急冷磁石粉末を樹脂結合剤で結合したボンド磁石等が主に使用されてきた。
【０００４】
しかしながら、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系やＳｍ−Ｃｏ系の焼結磁石は、これらの磁石粉末にバインダーを混合して成形し、焼結することによって製造するため、焼結したままの状態では必要な寸法精度が得られない。従って、永久磁石型モータ等の小型精密機器用途に用いるためには、焼結後に十分な寸法精度が得られるまで研削等の機械加工を施す必要があった。
【０００５】
一方、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系のボンド磁石や希土類−鉄−窒素系のボンド磁石は、圧縮成型や射出成形により製造するため、十分な寸法精度で大量生産できる利点がある。また、フェライト系の焼結磁石やボンド磁石は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系や希土類−鉄−窒素系のボンド磁石と比較して特性は劣るが、非常に安価であるという利点を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、各種機器の小型化に伴って、永久磁石型モータや磁気式エンコーダ等についても益々小型化、高特性化、低価格化の要求が高まっている。そのため、永久磁石型モータや磁気式エンコーダ等に用いる永久磁石においても、小型で高特性であり、加工が容易で生産性が高く、且つ安価な永久磁石が求められている。しかし、このような小型化の要求により、焼結磁石は益々加工が困難になり、ボンド磁石は小型化するほど高い特性を維持することが難しくなる。
【０００７】
しかも、最近の磁石の小型化は、ボンド磁石においてＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系急冷磁石粉末の粒子径のバラツキが問題となるところまで進展している。即ち、多極着磁した場合に、その一つの磁極の大きさに対する磁石粉末粒子の大きさが問題となり、各磁極の強さが不均一になっている現状である。その結果、かかるボンド磁石を用いた永久磁石型モータやアクチュエータは動作が滑らかでなくなり、磁気式エンコーダでは出力信号にエラーが発生しやすいという欠点があった。
【０００８】
また、従来のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系急冷磁石粉末を利用したボンド磁石では、多極着磁する際の着磁工程でかなり大きな磁界を必要とする。ところが、磁石が小型化すると、多極着磁を行うために小さな着磁ヨークを用いることになり、一つの磁極の大きさが数ミリメートル以下となるため着磁に十分な磁界を発生させることができず、従って十分に大きな磁界で着磁した場合に比較して特性が低くならざるを得なかった。
【０００９】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、生産性が良く、多極着磁しても磁束のバラツキが少ないボンド磁石を用いて、一層の小型化・高性能化・低コスト化への対応が可能な永久磁石型モータ、及びこれを用いたアクチュエータ、並びに磁気式エンコーダを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、可動部もしくは固定部に永久磁石を備えた永久磁石型モータ、及びその永久磁石型モータを用いるアクチュエータを提供するものであって、前記永久磁石が、平均粒径４μｍ以下の希土類−鉄−窒素系磁石粉末と磁石粉末全体に対し１０〜９９重量％のフェライト系磁石粉末を樹脂結合し、リング状に成形され多極着磁されたボンド磁石からなり、該ボンド磁石の多極着磁された各磁極間の距離が１ . ７ｍｍ以下であり、且つ多極着磁された各磁極からの磁束密度の絶対値のバラツキが１０％未満であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、磁気スケールと磁気検出素子を備えた磁気式エンコーダを提供するものであり、該磁気スケールが、平均粒径４μｍ以下の希土類−鉄−窒素系磁石粉末と磁石粉末全体に対し１０〜９９重量％のフェライト系磁石粉末を樹脂結合し、多極着磁されたリング状又は平板状のボンド磁石からなり、該ボンド磁石の多極着磁された各磁極間の距離が１ . ７ｍｍ以下であり、且つ多極着磁された各磁極からの磁束密度の絶対値のバラツキが１０％未満であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明で用いる永久磁石は、粒径１０μｍ以下の希土類−鉄−窒素系磁石粉末とフェライト系磁石粉末を樹脂結合剤で結合したボンド磁石であって、多極着磁したものである。希土類−鉄−窒素系磁石粉末を用いたボンド磁石は、多極着磁しても各磁極の磁束密度のバラツキが小さいという特徴を備え、中でも希土類元素としてサマリウム（Ｓｍ）が最も好ましく、代表的な磁石粉末の組成としては２４〜２５重量％Ｓｍ−３〜４重量％Ｎ−残部Ｆｅがある。また、鉄の一部をコバルト（Ｃｏ）で置換しても良い。
【００１４】
上記の希土類−鉄−窒素系磁石粉末は、例えば特開平２−５７６６３号公報に記載の溶解鋳造法、あるいは特許第１７０２５４４号公報や特開平９−１５７８０３号公報に記載の還元拡散法により希土類−鉄系合金粉末を製造し、これを窒化することによって得られる。この希土類−鉄−窒素系磁石粉末は、微粉砕することにより、粒径１０μｍ以下又は平均粒径では４μｍ以下とする。磁石粉末の粒径を１０μｍ以下又は平均粒径を４μｍ以下とするのは、多極着磁したときの各磁極の大きさに対して十分小さな粒径とすることで、磁束密度のバラツキを抑えるためである。
【００１５】
尚、希土類−鉄−窒素系磁石粉末の粒径が１０μｍ以下とは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により磁石粉末を観察して、観察された粒子１００個の最大径を測定したとき、その最大径が１０μｍ以下の粒子が９５個以上を占めることを意味する。また、平均粒径とは、上記のごとく測定された各最大径を体積換算して求めた体積基準の平均粒径である。
【００１６】
かかる希土類−鉄−窒素系磁石粉末にフェライト系磁石粉末を添加混合することによって、希土類−鉄−窒素系磁石粉末の多極着磁しても各磁極の磁束密度のバラツキが小さい等の特性を損なうことなく、より安価なボンド磁石を得ることができる。磁石粉末全体に対するフェライト系磁石粉末の混合割合は、１０重量％未満では十分なコスト低下とならず、９９重量％を超えると上記した希土類−鉄−窒素系磁石粉末の特性が殆ど失われるので、１０〜９９重量％の範囲が好ましく、４０〜９７重量％の範囲が更に好ましい。尚、フェライト系磁石粉末の種類は特定されず、通常のＢａフェライト磁石粉末やＳｒフェライト磁石粉末等を使用することができ、例えば日本弁柄工業製のＮＦ−１１０Ｓｒフェライト等がある。このＳｒフェライト磁石粉末の粒径は１０μｍ以下、平均粒径は１.４μｍである。
【００１７】
希土類−鉄−窒素系磁石粉末とフェライト系磁石粉末を結合するために用いる樹脂結合剤は、従来からボンド磁石の製造に使用されているもので良く、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいはポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリステイレン樹脂、ポリオレフィン樹脂等の熱可塑性樹脂を使用することができる。一般的に、圧縮成型の場合にはエポキシ樹脂が好ましく、射出成形の場合にはナイロン１２樹脂を使用し、及び押出成形を行う場合にはポリオレフィン樹脂を用いるが、これらに限定されるものではない。
【００１８】
本発明で用いるボンド磁石は、上記の希土類−鉄−窒素系磁石粉末及びフェライト系磁石粉末を樹脂結合剤と混合し、通常のボンド磁石と同様に、圧縮成型、射出成形、又は押出成形することにより製造することができる。その際、成形金型には配向磁界発生用の電磁石あるいは永久磁石を組み込み、磁石粉末に磁界を与えて磁気配向させる。得られたボンド磁石は、着磁ヨークを用いて多極着磁させる。
【００１９】
ボンド磁石の形状及び多極着磁の状態は、それを用いる装置に合わせて適宜選定する。例えば、永久磁石型モータでは、駆動コイルの内側又は外側に可動部である磁石ロータを配置するロータ形が一般的であるから、説明のためにＮＳ極を図示した図１に示すように、リング状のボンド磁石の外周面又は内周面に多極着磁させる。また、リニア形の永久磁石型モータでは、例えば図２に示すように、可動部となる平板状のボンド磁石の平面にＮＳ極を縞状のパターンで多極着磁させる。
【００２０】
磁気式エンコーダの場合も同様であって、その磁気スケールとして用いる永久磁石は、ロータリー形エンコーダではリング状又は円板状のボンド磁石の外周面に多極着磁させ、リニア形エンコーダにおいては平板状のボンド磁石の平面に多極着磁させる。
【００２１】
尚、永久磁石型モータ、アクチュエータ、及び磁気式エンコーダは、それらの設計思想に基づき構成が決定されるものであり、どのような構造でも差し支えない。例えば、代表的なインナーロータ形の永久磁石型モータでは、本発明の多極着磁させたボンド磁石からなるリング状の磁石ロータの外側に、複数の駆動コイルを備えたステータヨークが配置される。また、磁気式エンコーダにおいては、本発明の多極着磁されたボンド磁石からなる磁気スケールに対向して、ホール素子又は磁気抵抗素子が配置される。
【００２２】
一般に多極着磁された各磁極の間の距離が短くなる程、多極着磁が難しく、各磁極の磁束密度のバラツキが大きくなりやすいが、本発明で用いる希土類−鉄−窒素系磁石粉末を含むボンド磁石では、磁石の小型化により一つの磁極の大きさが小さくなっても、多極着磁させた各磁極に十分大きな磁界を発生させ、且つ各磁極の磁束のバラツキを小さく抑えることができる。
【００２３】
具体的には、多極着磁された各磁極からの磁束密度の絶対値のバラツキを１０％未満に抑えることができ、従って、本発明の永久磁石型モータやアクチュエータは動作が滑らかであり、また磁気式エンコーダにおいてはエラーのない安定した出力信号が得られる。この作用効果は、ボンド磁石の多極着磁された各磁極の距離が１０ｍｍ以下のとき、従来のものと比較して特に顕著である。
【００２４】
【実施例】
実施例１
組成がＳｍ：２４重量％、Ｆｅ：７２.５重量％、Ｎ：３.５重量％であり、粒径が１０μｍ以下、平均粒径が４μｍの微細なＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末と、Ｓｒフェライト磁石粉末とを重量比で１：１に混合し、これにエポキシ樹脂５重量％を添加混合した後、成形金型のキャビティに入れて圧縮成型し、外径４.３ｍｍ、内径２ｍｍ、高さ５ｍｍのリング状のボンド磁石を製造した。その際、成形金型に配向磁界発生用の磁石を組み込み、キャビティ外側から配向磁界を与えて磁石粉末が磁気配向するように構成した。
【００２５】
このリング状のボンド磁石を、着磁ヨークを用いて、図１に示すように外周面に沿い周方向に８極に多極着磁した。得られた多極着磁されたボンド磁石の各磁極の間の距離は１.７ｍｍであり、各磁極の中心における磁束密度は最大で１.５ｋＧ、磁束密度のバラツキ（各極の磁束密度の絶対値の最大値と最小値との差を最大値で除した値）は６.８％であった。
【００２６】
次に、この多極着磁させたリング状のボンド磁石を磁石ロータとし、その外側に複数の駆動コイルを備えたステータヨークを配置して、永久磁石型モータを作製した。このモータのトルクを測定したところ、トルク変動（１回転中のトルクの最大値と最小値の差を最大値で除した値）は３％であった。
【００２７】
比較例１
組成がＮｄ：１３重量％、Ｆｅ：８１重量％、Ｂ：６重量％であり、粒径が２００μｍ以下３０μｍ以上であるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石粉末（マグネクエンチインターナショナル製、ＭＱＰ−Ｂ）と、Ｓｒフェライト磁石粉末とを重量比で１：１に混合した以外は、実施例１と同様にして、外径４.３ｍｍ、内径２ｍｍ、高さ５ｍｍのリング状のボンド磁石を製造した。
【００２８】
このボンド磁石を着磁ヨークを用いて実施例１と同様に８極に多極着磁した永久磁石は、磁束密度が最大で１.２ｋＧ、及び磁束密度のバラツキが１５％であった。また、この永久磁石を用いて実施例１と同様に永久磁石型モータを作製したところ、そのトルク変動は６％と大きかった。
【００２９】
実施例２
実施例１と同一のＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末とＳｒフェライト磁石粉末とを重量比で１：１に混合し、これにナイロン１２樹脂８重量％を添加混合した後、配向磁界発生用の磁石を組み込んだ成形金型を用いて射出成形することにより、外径２.０ｍｍ、内径１ｍｍ、高さ３ｍｍのリング状のボンド磁石を製造した。
【００３０】
このリング状のボンド磁石を、実施例１と同様に着磁ヨークを用いて外周面に径方向に４極に多極着磁した。多極着磁されたボンド磁石の各磁極の間の距離は１.６ｍｍであり、各磁極の中心における磁束密度は最大で０.８ｋＧ、磁束密度のバラツキは８.４％であった。
【００３１】
次に、この多極着磁させたリング状のボンド磁石を磁石ロータとし、その外側に駆動コイルを備えたステータヨークを配置して永久磁石型モータを作製した。このモータのトルクを測定したところ、トルク変動は４％であった。
【００３２】
比較例２
比較例１と同一のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石粉末とＳｒフェライト磁石粉末とを用い、実施例２と同様にして、外径２.０ｍｍ、内径１ｍｍ、高さ３ｍｍのリング状のボンド磁石を製造した。このボンド磁石を着磁ヨークを用いて実施例２と同様に４極に多極着磁した永久磁石は、磁束密度が最大で０.７５ｋＧ、及び磁束密度のバラツキが１７％であった。また、この永久磁石を用いて実施例２と同様に永久磁石型モータを作製したところ、そのトルク変動は７％と大きかった。
【００３６】
実施例４
実施例１と同一のＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末とＳｒフェライト磁石粉末を重量比で３５：６５に混合し、これに更にナイロン１２樹脂８重量％を混合した後、配向磁界発生用の磁石を組み込んだ成形金型を用いて射出成形して、長さ１０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１ｍｍの平板状のボンド磁石を製造した。
【００３７】
この平板状のボンド磁石を、着磁ヨークを用いて長さ方向に１０極に多極着磁した。この多極着磁された永久磁石の各磁極の間の距離は１ｍｍであり、各磁極の中心における磁束密度は最大で４４０Ｇ、磁束密度のバラツキは６.５％であった。
【００３８】
次に、この多極着磁された平板状の永久磁石を磁気スケールとして用い、ホール素子で信号検出を行う磁気式エンコーダを作製した。この磁気式エンコーダの信号出力のバラツキ（各磁極に対応する位置のピーク電圧の最大値と最小値の差を最大値で除した値）を測定したところ、４.９％であった。
【００３９】
比較例４
比較例１と同一のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石粉末とＳｒフェライト磁石粉末を用いた以外は、実施例４と同様にして、長さ１０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１ｍｍの平板状のボンド磁石を製造した。このボンド磁石を着磁ヨークを用いて実施例４と同様に１０極に多極着磁したところ、得られた永久磁石は磁束密度が最大で３４０Ｇ、及び磁束密度のバラツキが１４.０％であった。
【００４０】
この多極着磁された平板状の永久磁石を用い、実施例４と同様に磁気式エンコーダを作製した。この磁気式エンコーダの信号出力のバラツキを測定したところ１０.９％と大きかった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、希土類−鉄−窒素系磁石粉末とフェライト系磁石粉末を併用することで、生産性に優れ、強い磁力を有し、且つ多極着磁しても磁束のバラツキが少ないボンド磁石を安価に得ることができ、このボンド磁石からなる永久磁石を用いることによって、一層の小型化・高性能化・低コスト化への対応が可能な永久磁石型モータ及びこれを用いたアクチュエータ、並びに磁気式エンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】多極着磁したリング状のボンド磁石のＮＳ極を模式的に示す平面図である。
【図２】多極着磁した平板状のボンド磁石のＮＳ極を模式的に示す斜視図である。

Claims

可動部もしくは固定部に永久磁石を備えた永久磁石型モータであって、該永久磁石が、平均粒径４μｍ以下の希土類−鉄−窒素系磁石粉末と磁石粉末全体に対し１０〜９９重量％のフェライト系磁石粉末を樹脂結合し、リング状に成形され多極着磁されたボンド磁石からなり、該ボンド磁石の多極着磁された各磁極間の距離が１ . ７ｍｍ以下であり、且つ多極着磁された各磁極からの磁束密度の絶対値のバラツキが１０％未満であることを特徴とする永久磁石型モータ。
前記リング状に成形されたボンド磁石の外径が４ . ３ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石型モータ。
請求項１又は２に記載の永久磁石型モータを用いることを特徴とするアクチュエータ。
磁気スケールと磁気検出素子とを備えた磁気式エンコーダであって、該磁気スケールが、平均粒径４μｍ以下の希土類−鉄−窒素系磁石粉末と磁石粉末全体に対し１０〜９９重量％のフェライト系磁石粉末を樹脂結合し、多極着磁されたリング状又は平板状のボンド磁石からなり、該ボンド磁石の多極着磁された各磁極間の距離が１ . ７ｍｍ以下であり、且つ多極着磁された各磁極からの磁束密度の絶対値のバラツキが１０％未満であることを特徴とする磁気式エンコーダ。