JP6675278B2

JP6675278B2 - 磁石の評価方法

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Publication number: JP6675278B2
Application number: JP2016127539A
Authority: JP
Inventors: 貴之清野
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2020-04-01
Anticipated expiration: 2036-06-28
Also published as: JP2018006403A

Description

本発明は、磁石の評価方法に関する。

通信機器や加速度センサ等の用途において、Ｓｍ−Ｃｏ（サマリウム−コバルト）系やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジム−鉄−ホウ素）系等の希土類焼結磁石が多く用いられている。このうち、両端が１０ｍｍよりも小さな小型の希土類焼結磁石については、円柱、円筒形、直方体等、用途に合わせて多様な形状及び寸法が求められる。このような小型の希土類焼結磁石を所望の大きさ及び形状に加工する場合には、大きな焼結磁石のブロック体を作製してから、これを必要な大きさに切り出して微細加工を施すことにより目的の磁石を得ることができる。
この焼結磁石のブロック体は、溶解した合金を微粉砕することにより作られた希土類焼結磁石の原料粉末を、磁場中配向しプレス成形して、焼結及び時効熱処理等を行うことによって得ることができる。このプレス成形時、成形体の端部の位置で磁場の向きが傾いてしまうことにより、原料粉末の配向が傾いてしまう。このようにしてできるブロック体は、端部において結晶粒の配向が理想的な方向からずれることにより、着磁後の磁化方向が曲がってしまう。

特に、Ｎ極とＳ極との磁場の境界である無着磁領域（ニュートラルゾーン）が、着磁方向と直角方向に正確に形成されずに、着磁方向に斜めに傾いてしまうと、使用に適さない磁石となってしまう。このように、ニュートラルゾーンが傾く磁石しか得ることのできないブロック体の端部からは、小型の磁石を切り出し加工することができない。このため、一つのブロック体から取り出せる磁石が限られることにより、製造歩留まりの低下を引き起こしている。

このような磁化方向の曲がりを改善するために、従来、種々の提案がなされている。例えば、プレス成形時に、キャビティ内の粉末高さ、成形後のプレス体の高さと、上下パンチの移動距離を所定の範囲とすることにより、焼結体の磁極面のプレス方向の中心部において磁化の曲がりを抑制することが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００７−３１１６６７号公報

しかしながら、磁化方向の曲がりによる影響を受けやすい小型の円柱形状や円筒形の磁石では、さらに精度良くニュートラルゾーンの傾きを制御する必要がある。また、ブロック体から切り出した後さらに円筒形に切削加工する必要があることから、更なる歩留まり向上が必要とされる。

本発明は、このような問題に鑑み、磁化方向の安定した小型磁石を提供すること、及び、このような小型磁石を歩留まりよく製造する方法を提供することを課題とする。

本発明者は、鋭意検討の結果、成形時高さ方向に加圧され作製される極小サイズの円柱若しくは円筒形の磁石について、加圧方向に磁場を印加し原料粒を配向させた場合に、ニュートラルゾーンの傾きが実用に適する程度まで抑制できることを見出し、本発明に至った。

また、本発明者は、このようにして形成された磁石について、ニュートラルゾーンの傾きを確認し判定することにより、磁石を容易に選別することを見出した。

すなわち、本発明は、上記課題を解決する構成として、以下の構成を有する。
本発明における磁石は、高さが１０ｍｍ以下、かつ、底面における外径が１０ｍｍ以下であり、高さ方向に磁極が配向した円柱若しくは円筒形状の焼結磁石からなる磁石であって、前記磁石の外側面に、前記磁極であるＮ極とＳ極との境界となる無着磁領域が形成され、前記無着磁領域を含む仮想平面と前記底面とが略平行であることを特徴とする。

本発明における磁石は、前記磁石の外側面において、高さ方向の中央における磁束密度が、前記磁石の外周方向全体にわたって、前記磁石の最大磁束密度の１０％以下であることを特徴とする。

本発明における磁石は、Ｓｍ−Ｃｏ系希土類焼結磁石であることがより好ましい。

また、本発明における磁石の製造方法は、ダイと、上パンチと、下パンチとからなる金型のキャビティに充填された原料粉末に縦磁場を印加しプレス成形することにより成形体を作製し、次いで、該成形体を焼結することにより、直径及び高さがいずれも１０ｍｍ以下の円柱若しくは円筒形状であり、前記円柱若しくは円筒形状の高さ方向の中心における磁束密度が、側面全体にわたって高さ方向の端部における磁束密度の１０％以下である磁石を作製することを特徴とする。

また、本発明における磁石の評価方法は、高さが１０ｍｍ以下かつ底面における外径が１０ｍｍ以下の円柱若しくは円筒形状であって高さ方向に磁極が配向した焼結磁石の外側面に形成された、前記磁極であるＮ極とＳ極との境界部である無着磁領域の前記底面に対する平行度を評価する磁石の評価方法であって、前記焼結磁石の高さ方向の中央の位置に、磁束密度を測定するための素子を備えたプローブを近接させ、前記磁石を円柱若しくは円筒の円周方向に沿って自転させることにより前記磁石の高さ方向の中央の位置における磁束密度を円周方向全体にわたって測定し、測定した磁束密度が最小となる前記磁石の回転角の位置を原点としたときに、前記原点から１８０°回転した位置で測定した磁束密度と前記原点で測定した磁束密度との差が前記磁石の高さ方向の端部の位置で測定した最大磁束密度に対し所定割合以下であるかどうかにより良否を判定する、ことを特徴とする。

本発明における磁石によれば、ニュートラルゾーンの傾きが抑制され磁化方向の安定した超小型の円柱若しくは円筒形の磁石を提供することができる。

また、本発明における磁石の製造方法によれば、磁化方向の安定した超小型の円柱若しくは円筒形の磁石を効率よく作製することができる。

さらにまた、本発明における磁石の評価方法によれば、磁化方向の安定した超小型の円柱若しくは円筒形の磁石における良否選別を効率よく行うことができる。

本発明の実施形態を示す希土類焼結磁石を示す図である。本発明の実施形態を示す、磁場中プレス成形装置の主要部を示す側面概略図である。実施例及び比較例の評価方法を示す概略図である。実施例及び比較例の評価によって測定した磁束密度を示すグラフである。

以下、本発明に係る磁石の実施形態について、図面を用いながら詳細に説明する。
（希土類焼結磁石の概要）
本発明における磁石１について、図１に示す円柱形状の希土類焼結磁石を例に説明する。この磁石１は、円柱の高さ方向に着磁されており、Ｎ極２となる部分とＳ極３となる部分とが形成されている。磁石１の円柱形状の外側面では、高さ方向の中心の位置において、Ｎ極２とＳ極３との間に境界領域である無着磁領域（ニュートラルゾーン）４が形成されている。

この無着磁領域４が円柱の高さ方向に水平に形成されている場合であれば、具体的には、外側面における無着磁領域４を含む仮想平面が円柱の底面と平行であれば、機器へ搭載し実使用に耐えることができる。ここで、この仮想平面と円柱の底面とは必ずしも厳密に平行である必要はなく、所定の傾きの範囲であれば（略平行であれば）磁石１が実使用に耐えることができる。また、無着磁領域４を結ぶ仮想円が厳密な仮想平面上に形成されなくとも、この仮想平面と仮想円との乖離が所定の範囲内であれば、同様に磁石１が実使用に耐えることができる。

ここで、本実施形態の磁石１は、高さ及び底面の外径がいずれも１０ｍｍ以下の超小型磁石である。このような大きさの磁石１においては、磁石１の外側面における無着磁領域４の位置を厳密に特定し、底面との平行度（傾き）の大きさを厳密に特定することは困難である。本発明者は、磁石１の外側面の高さ方向の中央における着磁の状態を測定することにより、無着磁領域４の傾きが実使用に耐え得る程度であるかを調べ、所定の磁束密度であれば目的の磁石を得ることを見出した。

具体的には、磁石１の外側面において、高さ方向の中央における磁束密度が、外側面全体にわたって、磁石の最大磁束密度の１０％以下であれば、無着磁領域４が底面と平行に保たれているとみなすことができる。この最大磁束密度は、円柱形状や円筒形状における、高さ方向の端部において測定されるものである。特に、高さ方向の中央における磁束密度が、この高さ方向の端部において測定される磁束密度に対して１０％以下であれば好ましく、８％以下であればより好ましい。

本発明における磁石１の形状は、図１に示すような円柱形状の他、円筒形状等、底面の外周が円形である形状であることが好ましい。このような形状であれば、底面の外周が中心から等距離であることにより、プレス成形時に底面の外周方向に均一な配向磁場を受けるため、結晶粒の配向が底面の外周方向に均一とすることができる。これにより、着磁後の外側面での磁束密度を均一とすることができる。

また、本発明においては、外径及び高さがいずれも１０ｍｍ以下の焼結磁石１が従来技術では製造上、実使用に適した無着磁領域４の傾きとすることが困難なことに鑑みなされたものである。一方で、これ以上大きなサイズである場合、無着磁領域４の傾きの割合が相対的に軽減される。この場合、コスト面から本発明の実施態様が有利とはならなくなる。

本発明における磁石１の種類は、Ｓｍ−Ｃｏ系磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石、焼結フェライト磁石等、種々の焼結磁石とすることができる。このうち特に、ＳｍＣｏ_５や、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７系等のＳｍ−Ｃｏ系希土類焼結磁石は、磁気特性に優れているだけでなく、耐食性にも優れていることから、本発明における超小型の焼結磁石としての使用に適している。また、Ｓｍ−Ｃｏ系希土類焼結磁石はキュリー温度が高く、高温特性に優れていることから、高温環境下における使用に特に適しているため好ましい。特に、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７系合金からなる磁石１であれば、８００℃を超えるキュリー温度を有しているため、高温用途により適しているため好ましい。

なお、これらの磁石１としては、本発明を逸脱しない範囲において、磁気特性向上のために微量元素が添加されたもの、構成元素の一部が他の元素に置き換えられたもの、化学量論比からずれた組成の領域を含むものも含まれる。
（希土類焼結磁石の製造方法）
次に、本発明における磁石の製造方法について説明する。

本発明における磁石１の製造方法は、原料となる磁石粉末を準備する原料工程と、この磁石粉末を金型中に充填させる充填工程と、充填された磁石粉末を磁場中でプレス成形する成形工程と、プレス成形により形成された成形体を焼結する熱処理工程と、からなる。

ここで、本発明における原料工程について説明する。まず、本発明の磁石の組成に対応する、サマリウム及びコバルト、また必要に応じ添加される微量元素の金属とからなる各原料を配合し、真空溶解炉等を用いて加熱溶解し合金を作製する。次いで、得られた合金を粗粉砕した後、ジェットミル等を用いて最大長が数μｍ程度まで微粉砕することにより、目的とする原料粉末を得る。

また、必要に応じて、この原料粉末にステアリン酸塩等の離型剤を適宜添加し混合してもよい。

次に、上記工程のうち主要な工程である充填工程及び成形工程において用いる磁場中プレス成形装置の主要部について、図２を用いて説明する。図２に示す磁場中プレス成形装置１０は、成形する磁石の側面方向のサイズを規定するダイ１１、上下方向のサイズを規定する上パンチ１２及び下パンチ１３、縦磁場を印加するためのポールピース１４及びコイル１５から構成される。そして、上記成形工程のプレス成形時には、磁石粉末を収容するために、ダイ１１と、上パンチ１２と、下パンチ１３とで作られる空間であるキャビティ１６が形成される。このキャビティ１６の大きさは、ダイ１１により平面視形状が規定され、上パンチ１２と下パンチ１３とで高さが規定される。

本発明における充填工程においては、上記の原料工程により作製した原料粉末を、ダイ１１、上パンチ１２、下パンチ１３からなる金型内に充填する。まず、ダイ１１及び下パンチ１３を用いて凹状の空間を形成し、これに擦り切りにより必要な原料粉末を充填する。その後、下パンチ１３の位置を下げ、上パンチ１２をこの凹状の空間内に押し込むことにより、キャビティ１６内に原料粉末が充填された状態となる。
そして、成形工程では、ポールピース１４及びコイル１５により、図２のＮからＳに向かって縦方向に磁場を印加する。この磁場中で磁粉を配向させながら上パンチ１２及び下パンチ１３を上下動させ磁粉を圧縮成形する。これにより、本発明の形状を有する成形体を作製することができる。

次いで、焼結工程について説明する。まず、成形体を融点よりも高い温度で加熱し焼結する。例えば、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７系磁石の成形体であれば、１２００℃程度に加熱する。その後、必要に応じて時効熱処理することにより、所望の形状の磁石１を作製することができる。

最後に必要に応じて、作製した磁石１に対して研磨等の追加工を施してもよい。

以下、本発明における実施例及び比較例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することができる。
（実施例）
本発明における実施例では、外径４ｍｍ、高さ５ｍｍの円柱形状の磁石１を次のようにして作製した。

具体的には、まず、出発原料となるＳｍ_２Ｃｏ_１７原料合金を真空溶解し、その後これを微粉砕して原料粉末を得た。この原料粉末を、図２に示す磁場中プレス装置を構成する、ダイ１２、上パンチ１３、下パンチ１４からなる金型内に充填し、上下方向に縦磁場を印加しながらプレス成形し成形体を得た。この成形体を、真空炉内において１２００℃で４０分焼結を行い、時効熱処理を施すことにより磁石１を得た。
（比較例）
上記実施例において作製した原料粉末を、磁場中プレス装置を用いて横磁場を印加しながらプレス成形し、次いで実施例同様の焼結及び時効熱処理を施すことにより３９ｍｍ×２８．５ｍｍ×３４ｍｍの直方体のブロックを得た。このブロックの端部を切り出し切削加工及び研磨加工を施すことにより、外径４ｍｍ、高さ５ｍｍの円柱形状の磁石１を得た。
（評価）
実施例及び比較例の磁石１について、高さ方向に着磁後、次に示すように、フラックスメータを用いて磁束密度を測定する方法により、ニュートラルゾーンの傾きを調べた。

具体的には、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、実施例及び比較例の磁石１に対し、フラックスメータのプローブ２１を、磁石１の円周の接線と平行になるように配置した。そして、プローブ２１の先端に取り付けられ磁束密度を検出する素子２２を磁石１に近接させ、磁石１の高さ方向の中心（高さ２．５ｍｍの位置）に素子２２の高さを合わせるようにセットした。この状態で、磁石１を外周方向に自転させ磁束密度を測定し、最も磁束密度が最小となる（０となる）磁石１の回転角を原点（０°）とした。（この原点を図２（ｂ）に示す測定点Ａとする。）次いで、反時計回りに磁石１を自転させ、回転角が９０°（測定点Ｂ）、１８０°（測定点Ｃ）、２７０°（測定点Ｄ）における磁束密度を測定した。

また、図３（ａ）に示す測定点Ｅの位置において、磁石１の端部の磁束密度を測定し、測定点Ａ〜Ｄの磁束密度と測定点Ｅの磁束密度との相対評価を行った。
このようにして測定した実施例及び比較例の磁束密度について、ｎ＝５の平均値を図４及び表１に示す。

図４及び表１にみられるように、実施例では、磁束密度の最小値である測定点Ａでの値と最大値である測定点Ｃとの差が０．４ｍＴであった。これに対し、比較例では、測定点Ａと測定点Ｃでの磁束密度の差が２．３ｍＴとなった。これらの測定結果は、図３（ａ）に示す測定点Ｅの位置で測定した磁石端部の磁束密度（５．５ｍＴ）に対し、実施例と比較例とでそれぞれ７．３％、４２％の割合となった。このように、実施例の磁石におけるニュートラルゾーンの平行度が実使用に耐え得るレベルであることが示された。
このように、本発明の磁石は、磁化の向きが安定しており、かつ、ブロック体から加工してなる比較例の磁石よりも歩留まりよく製造することができる。

１…磁石
２…Ｎ極
３…Ｓ極
４…無着磁領域（ニュートラルゾーン）
１０…磁場中プレス成形装置
１１…ダイ
１２…上パンチ
１３…下パンチ
１４…ポールピース
１５…コイル
１６…キャビティ
２１…プローブ
２２…素子

Claims

高さが１０ｍｍ以下かつ底面における外径が１０ｍｍ以下の円柱若しくは円筒形状であって高さ方向に磁極が配向した焼結磁石の外側面に形成された、前記磁極であるＮ極とＳ極との境界部である無着磁領域の前記底面に対する平行度を評価する磁石の評価方法であって、
前記焼結磁石の高さ方向の中央の位置に、磁束密度を測定するための素子を備えたプローブを近接させ、前記磁石を円柱若しくは円筒の円周方向に沿って自転させることにより前記磁石の高さ方向の中央の位置における磁束密度を円周方向全体にわたって測定し、測定した磁束密度が最小となる前記磁石の回転角の位置を原点としたときに、前記原点から１８０°回転した位置で測定した磁束密度と前記原点で測定した磁束密度との差が前記磁石の高さ方向の端部の位置で測定した最大磁束密度に対し所定割合以下であるかどうかにより良否を判定する、ことを特徴とする磁石の評価方法。