KR20190131502A

KR20190131502A - 희토류 소결 자석, 희토류 소결체 제조방법, 희토류 소결 자석 제조방법, 희토류 소결 자석을 이용한 리니어 모터

Info

Publication number: KR20190131502A
Application number: KR1020197028344A
Authority: KR
Inventors: 겐이치 후지카와; 다카시 야마모토; 쇼이치로 사이토; 다카시 오자키; 가츠야 구메; 유키 히라노
Original assignee: 닛토덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-11-26
Also published as: EP3608926A4; JPWO2018186478A1; JP7223686B2; WO2018186478A1; CN110622262A; US20220044852A1; EP3608926A1; CN110622262B

Abstract

본 발명은, 복수 개의 자석 재료 입자가 소결된 희토류 소결 자석으로서, 표면 자속 밀도의 최대값이 350mT~600mT의 범위에 있고, 두께가 1.5㎜~6㎜의 범위에 있으며, 상기 두께 방향에 평행한 단면이 비원형이고, 상기 단면에 있어 상기 자석 재료 입자의 자화 용이축이 극이방성으로 배향된 영역을 가지는 희토류 소결 자석에 관한 것이다.

Description

희토류 소결 자석, 희토류 소결체 제조방법, 희토류 소결 자석 제조방법, 희토류 소결 자석을 이용한 리니어 모터

본 발명은 희토류 소결 자석, 희토류 소결체 제조방법, 희토류 소결 자석 제조방법, 희토류 소결 자석을 이용한 리니어 모터에 관한 것이다.

근래에 공작 기계, 차량, 항공기, 풍력 원동기 등에서는, 엔진 등으로부터 전달되는 기계적 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전기와, 반대로 전기 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환시키는 모터(전동기) 등이 일반적으로 사용되고 있다. 또한, 상기 발전기나 모터의 발전량, 토크 등을 한층 더 증가시키는 한편으로, 소형화, 경량화할 것이 요구되고 있다.

여기에서, 상기 모터 등에 사용되는 영구 자석에서는, 자기 특성을 향상시키기 위해, 외부로부터 자기장을 인가함으로써 영구 자석에 포함되는 자석 재료 입자의 자화(磁化) 용이축을 가지런히 하는 자기장 배향이 행하여지고 있다. 여기에서, 자기장 배향에 있어 자석 재료 입자의 자화 용이축을 가지런히 하는 방법으로는, 예를 들어, 평행 방향으로 자화 용이축을 가지런히 하는 패럴랠(parallel) 배향이 있다. 그러나, 패럴랠 배향된 영구 자석은 자계가 자석에 대해 양 측면으로 퍼지게 되므로, 표면 자속 밀도가 낮다(300mT 정도)는 문제점이 있다.

이에, 표면 자속 밀도를 향상시키기 위한 방법으로서 종래부터, 패럴랠 배향된 영구 자석을 할바흐(Halbach) 배열로 배열시키는 것이 알려져 있다(예를 들어, 일본 공개특허공보 특개2010-166703호). 영구 자석을 할바흐 배열로 배열시키면, 배열된 영구 자석에 대해 필요한 방향으로 보다 많은 자속을 생성시킬 수 있어서, 발전기나 모터의 발전량, 토크 등을 증가시킬 수 있게 된다. 그러나, 영구 자석을 할바흐 배열로 배열시키기 위해서는, 복수 개의 영구 자석을 서로 반발하는 상태로 접합할 필요가 있어서, 생산성이 낮고 비용이 많이 든다는 문제점이 있었다. 한편, 일본 공개특허공보 특개2004-297843호에는, 영구 자석을 패럴랠 배향이 아니라 극이방성(極異方性) 배향으로 복수 개 배치함으로써 상기 할바흐 배열과 마찬가지의 효과를 발생시키는 것에 대해 개시되어 있다.

[특허문헌 1] 일본국 공개특허공보 특개2010-166703호(5페이지,도2) [특허문헌 2] 일본국 공개특허공보 특개2004-297843호(4,5페이지,도1)

상기 특허문헌 2에서는 영구 자석을 극이방성 배향으로 함으로써, 상기 특허문헌 1에 개시된 할바흐 배열 접합에 관한 문제점에 대해서는 어느 정도 해소할 수 있다. 그러나, 상기 특허문헌 2에 개시된 영구 자석은, 필요한 표면 자속 밀도(예를 들어, 350mT~600mT)를 달성하기 위해 두께가 두꺼울 필요가 있다. 예를 들어, 두께가 10㎜이며 표면 자속 밀도의 최대값이 540mT로 되어 있다. 따라서, 발전기나 모터의 발전량, 토크 등의 증가, 소형화, 경량화에 대해서는 여전히 불충분하였다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로서, 높은 표면 자속 밀도 및 두께 감소를 실현하여, 발전기나 모터의 발전량, 토크 등의 증가, 소형화, 경량화를 가능하도록 하는 희토류 소결 자석, 희토류 소결체 제조방법, 희토류 소결 자석 제조방법, 희토류 소결 자석을 이용한 리니어 모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 희토류 소결 자석은, 복수 개의 자석 재료 입자가 소결된 희토류 소결 자석으로서, 표면 자속 밀도의 최대값이 350mT~600mT의 범위에 있고, 두께가 1.5㎜~6㎜의 범위에 있으며, 상기 두께 방향에 평행한 단면이 비원형이고, 상기 단면에 있어 상기 자석 재료 입자의 자화 용이축이 극이방성으로 배향된 영역을 가지는 것을 특징으로 한다. 한편, 표면 자속 밀도의 최대값이란, 얻어지는 표면 자속 밀도 분포에서 피크값의 최대값(즉, 자속 밀도의 절대값에서의 최대값)을 가리킨다.

또한, 본 발명에 따른 희토류 소결체 제조방법은, 두께 방향에 평행한 단면이 비원형이며 극이방성으로 배향된 영역을 갖는 희토류 소결체의 제조방법으로서, 자석 분말과 고분자 수지를 포함하는 혼합물을 성형하여 얻어진 성형체에 대해 펄스 자기장을 인가함으로써 성형체에서의 적어도 일부 영역을 극이방성으로 배향시키는 공정과, 극이방성으로 배향된 상기 성형체를 소결하는 공정을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 희토류 소결체 제조방법은, 자석 분말과 고분자 수지를 포함하는 혼합물을 성형하여 얻어진 성형체에 대해 펄스 자기장을 인가함으로써 성형체에서의 적어도 일부 영역을 배향시키는 공정과, 배향된 상기 성형체를 소결하는 공정을 가지며, 상기 혼합물의 실온에서의 쇼어 A 경도가 A30 이상이고, 상기 배향시키는 공정은 상기 혼합물의 용융 점도가 900Pa·s 이하로 되는 온도에서 실시되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 희토류 소결 자석 제조방법은, 상기 희토류 소결체 제조방법에 대해 희토류 소결체를 착자(着磁)시키는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 리니어 모터는, 직선 방향으로 배열된 하나 또는 복수 개의 상기 희토류 소결 자석과, 에어 갭을 사이에 두고 상기 희토류 소결 자석에 대향하는 전기자(電機子)를 포함하며, 상기 희토류 소결 자석과 상기 전기자 중 한쪽을 고정자(固定子)로 하고 다른쪽을 가동자(可動子)로 하여 상기 고정자와 상기 가동자가 상대 이동하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성을 갖는 희토류 소결 자석에 의하면, 높은 표면 자속 밀도와 두께 감소, 양쪽 다 실현할 수 있게 된다. 그 결과, 희토류 영구 자석을 이용한 발전기나 모터에서는, 발전량, 토크 등의 증가, 소형화, 경량화가 가능하게 된다.

상기 구성을 갖는 희토류 소결체 제조방법에 의하면, 높은 표면 자속 밀도와 두께 감소, 양쪽 다 실현할 수 있는 희토류 소결 자석 전구체를 제조하는 것이 가능하다. 그 결과, 제조된 희토류 소결체를 이용한 발전기나 모터에서는, 발전량, 토크 등의 증가, 소형화, 경량화가 가능하게 된다.

또한, 상기 구성을 갖는 희토류 소결 자석 제조방법에 의하면, 높은 표면 자속 밀도와 두께 감소, 양쪽 다가 실현된 희토류 영구 자석을 제조하는 것이 가능하다. 그 결과, 제조된 희토류 소결 자석을 이용한 발전기나 모터에서는, 발전량, 토크 등의 증가, 소형화, 경량화가 가능하게 된다.

또한, 상기 구성을 갖는 리니어 모터에 의하면, 종래의 패럴랠 배향된 영구 자석을 배열하는 경우에 비해 토크를 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 필요한 토크를 유지한 상태에서 리니어 모터의 소형화 및 경량화를 실현하는 것이 가능해진다. 또한, 필요한 자석의 체적을 줄임으로써 제조 비용의 절약도 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 희토류 소결 자석의 제1 예를 나타낸 전체도이다.
도 2는 본 발명에 따른 희토류 소결 자석의 제2 예를 나타낸 전체도이다.
도 3은 제1 예의 희토류 소결 자석에 있어 특히 단부 부근의 자화 용이축의 배향 방향을 나타낸 도면이다.
도 4는 제1 예의 희토류 소결 자석에 있어 특히 중앙 부근의 자화 용이축의 배향 방향을 나타낸 도면이다.
도 5는 제1 예의 희토류 소결 자석에 있어 특히 단부와 중앙 사이의 자화 용이축의 배향 방향을 나타낸 도면이다.
도 6은 제1 예의 희토류 소결 자석에 있어 제1 표면에서의 표면 자속 밀도 분포의 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 제2 예의 희토류 소결 자석에 있어 특히 단부 부근의 자화 용이축의 배향 방향을 나타낸 도면이다.
도 8은 제2 예의 희토류 소결 자석에 있어 특히 중앙 부근의 자화 용이축의 배향 방향을 나타낸 도면이다.
도 9는 제2 예의 희토류 소결 자석에 있어 특히 단부와 중앙 사이의 자화 용이축의 배향 방향을 나타낸 도면이다.
도 10은 제2 예의 희토류 소결 자석에 있어 제1 표면에서의 표면 자속 밀도 분포의 예를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 리니어 모터를 나타낸 전체도이다.
도 12는 표면 자속 밀도를 측정하는 측정선을 나타낸 도면이다.
도 13은 실시예의 표면 자속 밀도 분포를 나타낸 도면이다.
도 14는 표면 자속 밀도를 측정하는 복수 개의 측정선을 나타낸 도면이다.
도 15는 배향 온도에 있어 컴파운드의 용융 점도와 배향도의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하에서는, 본 발명에 따른 희토류 소결 자석, 희토류 소결체 제조방법, 희토류 소결 자석 제조방법, 희토류 소결 자석을 이용한 리니어 모터에 대해 구체화한 실시형태를, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

[희토류 소결 자석의 구성]

먼저, 본 발명에 따른 희토류 소결 자석(1)의 구성의 일 예에 대해 설명한다. 도 1은 희토류 소결 자석(1)의 제1 예를 나타낸 전체도이다. 또한, 도 2는 희토류 소결 자석(1)의 제2 예를 나타낸 전체도이다. 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 따른 희토류 소결 자석(1)은, 길이 방향의 길이 치수(B변)와 당해 길이 방향에 직교하는 폭 방향(A변)으로 이루어지는 제1 표면(2)을 구비한다. 또한, 당해 제1 표면(2)에 대향하는 위치(뒷면쪽)에 있는 제2 표면(3)과 제1 표면(2)과의 사이에서 두께 방향의 두께 치수(C변)를 가진다.

희토류 소결 자석(1)은 희토류 원소(악티늄을 제외한 제3족 원소, 란타노이드 등)를 포함하는 복수 개의 자석 재료 입자가 소결된 소결 자석으로서, 바람직하게는, Nd-Fe-B계 자석과 같은 희토류계 이방성 자석이다.

한편, 각 성분의 함유량은, 예를 들어, 중량 백분율로 R(R은 Y를 포함하는 희토류 원소 중 1종류 또는 2종류 이상)이 27.0~40.0wt%(바람직하게는 28.0~35.0wt%, 보다 바람직하게는 28.0~33.0wt%), B가 0.6~2wt%(바람직하게는 0.6~1.2wt%, 보다 바람직하게는 0.6~1.1wt%), Fe(바람직하게는, 전해철)를 나머지 부분(적어도 65wt% 이상)으로 한다. 또한, 자기 특성 향상을 위해 Co, Cu, Al, Si, Ga, Nb, V, Pr, Mo, Zr, Ta, Ti, W, Ag, Bi, Zn, Mg 등과 같은 다른 원소, 불가피한 불순물 등을 소량 함유할 수도 있다. 그리고, 희토류 소결 자석(1)은, 후술하는 바와 같이, 압분(壓粉) 성형에 의해 성형된 자석 분말 성형체나 자석 분말과 고분자 수지가 혼합된 혼합물(슬러리 또는 컴파운드)을 성형한 성형체에 대해, 자기장 배향시킨 후에 소결 및 착자(着磁)시킴으로써 제작된다.

여기에서, 희토류 소결 자석(1)은, 예를 들어 직방체 형상과 같은 각종의 형상을 갖는 영구 자석이다. 한편, 도 1 및 도 2에 나타내는 희토류 소결 자석(1)은 직방체 형상으로 되어 있지만, 희토류 소결 자석(1)의 형상은 용도에 따라 임의로 변경할 수 있다. 예를 들어, 직방체 형상, 사다리꼴 형상, 어묵 형상, 부채 형상으로 할 수 있다.

다만, 두께 방향 및 폭 방향을 포함하는 면에 평행한 방향으로 절단했을 때의 단면 형상이 적어도 비원형을 갖는 형상으로 한다. 한편, 본 명세서에서 "비원형"이라 함은, 단면의 외주가 원이 아닌 형상을 의미하며, 예를 들어, 이른바 링 형상은 "비원형"으로 보지 않는다. "비원형"은, 예를 들어, 직사각형(정방형일수도 장방형일수도 있음), 사다리꼴, 어묵 형상, 부채 형상 등이다. 도 1 및 도 2에 나타내는 희토류 소결 자석(1)은 직사각형으로 되어 있다.

한편, 도 1 및 도 2에 나타내는 희토류 소결 자석(1)을 구성하는 각 면 중에서, 특히 가장 높은 표면 자속 밀도를 나타내는 영역을 포함하는 면을 제1 표면(2)이라 한다. 도 1에 나타내는 예에서는, A변과 B변으로 둘러싸이는 상방에 위치하는 면이 제1 표면(2)이 된다. 바꾸어 말하면, 대향하는 면의 조합으로서 최대 자속 밀도의 차가 가장 큰 조합 중에서, 가장 높은 표면 자속 밀도를 나타내는 영역을 포함하는 면을 제1 표면(2)이라 한다. 마찬가지로 도 2에 나타내는 예에서도, A변과 B변으로 둘러싸이는 상방에 위치하는 면이 제1 표면(2)이 된다. 제1 표면(2)은 착자(着磁)된 후에 자극을 갖게 된다. 한편, 제1 표면(2)에 대향하는 위치(뒷면쪽)에 있는, 제1 표면(2)에 비해 낮은 자속 밀도를 나타내는 영역을 포함하는 면을 제2 표면(3)이라 한다. 또한, 제1 표면(2, 표면)의 최대 자속 밀도의 절대값을 제2 표면(뒷면)의 최대 자속 밀도의 절대값으로 나눈 값(표면의 최대 자속 밀도의 절대값 / 뒷면의 최대 자속 밀도의 절대값)은 4배 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 5배 이상이다. 제1 표면(2)에 선택적으로 자속을 발생시킴으로써 상기 범위의 희토류 소결 자석(1)이 되며, 제조된 희토류 소결 자석을 이용한 발전기나 모터에서는 발전량, 토크 등의 증가, 소형화, 경량화가 가능하게 된다.

또한, 본 실시형태의 희토류 소결 자석(1)에서는, 제1 표면(2)에 대한 교차 방향의 두께(즉, C변의 길이)는 1.5㎜~6㎜이며, 더 바람직하게는 1.5㎜~5㎜이다. 본 실시형태에서는, 극이방성 배향을 가짐으로써, 두께 범위를 상기 범위로 한 경우에도 특히 제1 표면(2)에서 현저히 큰 표면 자속 밀도의 최대값을 얻을 수 있다.

또한, 일 예로서 희토류 소결 자석(1)의 A변의 길이는, 바람직하게는 5㎜~40㎜이며, 더 바람직하게는 10㎜~30㎜이다. B변의 길이는, 바람직하게는 5㎜~100㎜이며, 더 바람직하게는 5㎜~50㎜이다. 특히, A변의 길이(비원형 단면에 있어 두께 방향에 교차하는 방향의 길이에 상당함)에 대한 C변의 길이(두께)의 비율은 0.1~0.3의 범위인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.1~0.25의 범위이다. 이 범위로 함으로써, 최대 자속 밀도의 증가율을 크게 하면서 최대 자속 밀도의 최대값도 크게 하는 것이 가능하다.

또한, 희토류 소결 자석(1)에 포함되는 자석 재료 입자의 자화 용이축의 배향 방향은 극이방성으로 배향되어 있다. 구체적으로는, 자화 용이축의 배향 방향은, 예를 들어 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 특정의 한 방향(예를 들어, 도 1 및 도 2에서는 좌우 방향)을 따라 연속적으로 변화하는 배향을 나타낸다. 상기 극이방성 배향은, 희토류 소결 자석(1)의 전체가 가질 수도 있고, 일부분만 가질 수도 있다. 또한, 자화 용이축의 변화 개시 지점의 각도, 자극(磁極)의 갯수 등에 대해서도 적절히 변경할 수 있다.

이하에서, 도 1 및 도 2를 이용하여, 희토류 소결 자석(1)의 극이방성 배향에 대해 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서는, 도 1 및 도 2의 좌측에 위치하는 B변과 C변으로 이루어지는 면을 좌단부라고 하고, 우측에 위치하는 B변과 C변으로 이루어지는 면을 우단부라고 하여 설명한다.

도 1에 나타내는 희토류 소결 자석(1)의 극이방성 배향은, 바람직하게는, 좌단부로부터 우단부까지를 100%라 하였을 때에 10% 이하의 치수 영역에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이 자화 용이축의 배향 방향 θ가 0°±20°인 영역을 포함한다. 한편, A변의 좌단부에서부터 우단부로의 방향을 기준 각도(0°)라고 한다. 마찬가지로 우단부로부터 좌단부까지를 100%라 하였을 때에 10% 이하의 치수 영역에 대해서도, 도 3에 나타내는 바와 같이 자화 용이축의 배향 방향이 0°±20°인 영역을 포함한다.

또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 우(좌)단부로부터 좌(우)단부까지를 100%라 하였을 때에 40~60%의 치수 영역(중앙 영역)에서는, 자화 용이축의 배향 방향 θ 가 90°±20°인 영역을 포함한다.

또한, 더 바람직하게는 도 5에 나타내는 바와 같이, 좌단부로부터 우단부까지를 100%라 하였을 때에 20~30%의 치수 영역에서는, 자화 용이축의 배향 방향이 45°±20°인 영역을 포함한다. 또한, 우단부로부터 좌단부까지를 100%라 하였을 때에 20~30%의 치수 영역에서는, 자화 용이축의 배향 방향이 135°±20°인 영역을 포함한다.

이상과 같은 배향을 갖는 도 1에 나타내는 희토류 소결 자석(1)은, 착자(着磁)된 후에 제1 표면(2)의 중앙 부근에 N극 또는 S극이 형성된다. 예를 들어 도 6에 나타내는 예에서는, N극이 형성된다. 그리고, A변을 따라 설정된 측정선(10)을 따라, 제1 표면(2)의 법선 방향 표면 자속 밀도를 측정한 경우에는, 도 6에 나타내는 것과 같이, 산 모양의 표면 자속 밀도 분포를 나타낸다. 특히, 측정선(10)을 자석 표면으로부터 1mm의 거리로 하면, 표면 자속 밀도의 최대값은 350mT~600mT의 범위에 있고, 바람직하게는 400mT~600mT이며, 더 바람직하게는 450mT~600mT이다. 도 1에 나타내는 희토류 소결 자석(1)에서는, 중앙 부근에서 표면 자속 밀도의 최대값을 나타낸다. 한편, 표면 자속 밀도 분포는, 측정선(10)을 B변 방향을 따라 이동시킨다 하여도 높은 일치성을 가진다. 즉, 측정선(10)을 A변 부근에 설정하든 A변에서 떨어진 중앙 부근에 설정하든, 거의 같은 형상의 표면 자속 밀도 분포를 얻을 수 있다. 또한, 표면 자속 밀도 분포는, 측정선(10)의 중심을 통과하는 축(표면 자속 밀도의 최대값을 통과하는 축)을 중심으로 하여, 높은 대칭성(선대칭)을 가진다.

한편, 도 2에 나타내는 희토류 소결 자석(1)의 극이방성 배향은, 바람직하게는, 좌단부로부터 우단부까지를 100%라 하였을 때에 10% 이하의 치수 영역에서는, 도 7에 나타내는 바와 같이 자화 용이축의 배향 방향 θ가 90°±20°인 영역을 포함한다. 마찬가지로 우단부로부터 좌단부까지를 100%라 하였을 때에 10% 이하의 치수 영역에 대해서도, 도 7에 나타내는 바와 같이 자화 용이축의 배향 방향이 90°±20°인 영역을 포함한다.

또한, 도 8에 나타내는 바와 같이, 우(좌)단부로부터 좌(우)단부까지를 100%라 하였을 때에 40~60%의 치수 영역(중앙 영역)에서는, 자화 용이축의 배향 방향 θ가 0°±20°인 영역을 포함한다.

또한, 더 바람직하게는 도 9에 나타내는 바와 같이, 좌단부로부터 우단부까지를 100%라 하였을 때에 20~30%의 치수 영역에서는, 자화 용이축의 배향 방향이 135°±20°인 영역을 포함한다. 또한, 우단부로부터 좌단부까지를 100%라 하였을 때에 20~30%의 치수 영역에서는, 자화 용이축의 배향 방향이 45°±20°인 영역을 포함한다.

이상과 같은 배향을 갖는 도 2에 나타내는 희토류 소결 자석(1)은, 착자(着磁)된 후에 제1 표면(2)의 좌우 단부에 N극과 S극이 형성된다. 예를 들어 도 10에 나타내는 예에서는, 좌단부에 S극이, 우단부에 N극이 형성된다. 그리고, A변을 따라 설정된 측정선(10)을 따라, 제1 표면(2)의 법선 방향 표면 자속 밀도를 측정한 경우에는, 도 10에 나타내는 것과 같이, 정현파적 표면 자속 밀도 분포를 나타낸다. 특히, 측정선(10)을 자석 표면으로부터 1mm의 거리로 하면, 표면 자속 밀도의 최대값은 350mT~600mT의 범위에 있고, 바람직하게는 400mT~600mT이며, 더 바람직하게는 450mT~600mT이다. 도 2에 나타내는 희토류 소결 자석(1)에서는, 좌단부 부근 및 우단부 부근에서 표면 자속 밀도의 최대값을 나타낸다. 한편, 표면 자속 밀도 분포는, 측정선(10)을 B변 방향을 따라 이동시킨다 하여도 높은 일치성을 가진다. 즉, 측정선(10)을 A변 부근에 설정하든 A변에서 떨어진 중앙 부근에 설정하든, 거의 같은 형상의 표면 자속 밀도 분포를 얻을 수 있다. 또한, 표면 자속 밀도 분포는, 측정선(10)의 중심 지점(표면 자속 밀도가 0인 지점)을 중심으로 하여, 높은 대칭성(점대칭)을 가진다.

[리니어 모터의 구성]

이어서, 전술한 희토류 소결 자석(1)을 이용한 리니어 모터(15)에 대해 설명한다. 리니어 모터(15)는 기본적으로는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 고정자(16)와, 고정자(16)의 상면쪽에 대향하도록 배치되어 자극의 배열 방향(도 11의 좌우 방향)을 따라 고정자(16) 위에서 상대 이동하는 가동자(17)로 구성된다. 특히 도 11에서는, 도 2에 나타내는 희토류 소결 자석(1)을 이용한 예를 나타낸다. 한편, 도 11에서는 특히, 리니어 모터로서 전기자 가동(可動)형 리니어 직류 모터를 예로 들어 설명하지만, 다른 리니어 모터(예를 들어, 리니어 유도 모터, 리니어 동기(同期) 모터, 코일 가동형 리니어 직류 모터, 자석 가동형 리니어 직류 모터)에 대해서도 본 발명은 적용 가능하다.

또한, 가동자(17)는, 에어 갭을 사이에 두고 희토류 소결 자석(1)에 대향하는 면에 전기자가 배치된다. 전기자는 기본적으로는, 전자기 강판(鋼板)과 같은 자성 재료로 이루어지는 가동자 코어(18)와, 가동자 코어(18)에 권취되어 장착된 복수 개의 권선(19)으로 구성된다. 또한, 가동자 코어(18)는, 요크와, 요크로부터 일 방향으로 돌출된 복수 개의 티스(teeth)로 이루어지며, 권선(19)은 티스(teeth)에 감겨져 있다.

한편, 고정자(16)는, 전술한 바와 같이, 가동자(17)에 대향하는 면에 복수 개의 희토류 소결 자석(1)이 배치된다. 특히, 제1 표면(2)이 가동자(17)에 대향하도록 배치된다. 한편, 배치되는 복수 개의 희토류 소결 자석(1) 사이에는 간격을 둘 수도 있고, 간격 없이 할 수도 있다. 또한, 간격을 두지 않는 경우에는, 복수 개의 희토류 소결 자석(1)은 접착제 등에 의해 서로 접착되어 있을 수도 있다.

또한, 희토류 소결 자석(1)의 배면에는, 자로(磁路)를 구성하기 위한 백 요크(back yoke)에 대해서도 배치된다. 그리고, 복수 개의 희토류 소결 자석(1)은, S극과 N극이 가동자(17)의 이동 방향을 따라 교대로 배치되도록 착자(着磁)된다.

그리고, 이와 같은 구성에서 가동자(17)의 권선(19)에 전류를 인가하면, 고정자(16)와 가동자(17) 사이에 자기에 의한 흡인력 및 반발력이 발생하여 가동자(17)가 고정자(16) 위에서 이동하게 된다. 특히, 본 발명에서는, 고정자(16)의 희토류 소결 자석(1)이 극이방성 배향을 가짐으로써 두께에 대한 표면 자속 밀도 최대값의 비율이 커지므로, 희토류 소결 자석(1)의 두께를 얇게 하더라도(예를 들어, 1.5㎜~6㎜로 하더라도) 높은 토크를 얻을 수 있다.

[희토류 소결체 및 희토류 소결 자석의 제조방법]

이어서, 본 발명에 따른 희토류 소결 자석(1) 및 그 전구체인 희토류 소결체의 제조방법의 일 실시형태에 대해 설명한다.

희토류 소결 자석은, 예를 들어, (1) 희토류 자석용 원료 합금(이하, 자석 합금)을 미세 분쇄하는 공정, (2) 미세 분쇄된 자석 분말에 고분자 수지를 혼합하여 직방체 형상으로 성형하는 공정, (3) 성형체에 환형(環形) 자기장의 일부를 10ms 이하 동안 인가하여, 자석 재료 입자의 자화 용이축을 극이방성으로 배향시키는 공정, (4) 극이방성으로 배향된 성형체를 초벌 소성하는 공정, (5) 초벌 소성된 것을 B변에 평행한 방향(즉, 자화 용이축의 배향 방향에 교차하는 방향)으로 가압하면서 소결하여, 희토류 소결체를 얻는 공정, (6) 희토류 소결체에 환형 자기장을 인가하여 착자(着磁)시키는 공정을 포함하는 방법에 의해 제조된다.

공정 (1)의 분쇄 공정은, 예를 들어, 제트 밀 분쇄 장치에 의해 행해진다. 분쇄 후 자석 분말의 중심 입자 직경은, 바람직하게는, 1㎛~5㎛이다. 자석 합금은, 바람직하게는, 높은 자기 특성이 얻어지는 희토류-철-붕소계 소결 자석이다.

공정 (2)의 혼합 공정은 혼련 장치에 의해 행해진다. 한편, 성형 공정에서는, 소결할 때에 자석의 체적 감소를 고려하여 설계된 직방체 형상을 갖는 금형을 사용할 수 있다. 한편, 자석 분말에 혼합되는 고분자 수지는, 자석 합금을 산화시키지 않는 재료로서 자석 분말과 혼합되었을 때에 적당한 점도를 부여하는 재료를 사용할 수 있다. 성형 공정에 의해 성형된 성형체의 두께는 1.5㎜~6㎜이며, 더 바람직하게는 1.5㎜~5㎜로 한다. 이와 같은 두께 범위로 함으로써, 환형 자기장을 인가했을 때에 자석 재료 입자의 자화 용이축의 배향성이 현저하게 좋아진다.

상기 고분자 수지로는, 예를 들어, 해중합성(解重合性)을 갖는 폴리머를 들 수 있다. 이와 같은 폴리머로서, 예를 들어, 이소부틸렌 중합체인 폴리이소부틸렌(PIB), 이소프렌 중합체인 폴리이소프렌(이소프렌 고무, IR), 폴리프로필렌, α-메틸스티렌을 중합시킨 폴리(α-메틸스티렌), 폴리에틸렌, 1,3-부타디엔 중합체인 폴리부타디엔(부타디엔 고무, BR), 스티렌 중합체인 폴리스티렌, 스티렌과 이소프렌의 공중합체인 스티렌-이소프렌 블록 공중합체(SIS), 이소부틸렌과 이소프렌의 공중합체인 부틸 고무(IIR), 스티렌과 부타디엔의 공중합체인 스티렌-부타디엔 블록 공중합체(SBS), 스티렌, 에틸렌, 부타디엔의 공중합체인 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체(SEBS), 스티렌, 에틸렌, 프로필렌의 공중합체인 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 공중합체(SEPS), 에틸렌과 프로필렌의 공중합체인 에틸렌-프로필렌 공중합체(EPM), 에틸렌과 프로필렌에 디엔 모노머를 공중합시킨 EPDM, 2-메틸-1-펜텐의 중합체인 2-메틸-1-펜텐 중합 수지, 2-메틸-1-부텐의 중합체인 2-메틸-1-부텐 중합 수지 등을 들 수 있다. 또한, 고분자 수지로서 사용하는 폴리머로는, 산소 원자, 질소 원자를 포함하는 모노머의 중합체 또는 공중합체(예를 들어, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 등)를 소량 함유하는 구성으로 할 수도 있으나, 산소 원자, 질소 원자를 포함하지 않는 폴리머인 것이 바람직하다. 산소 원자나 질소 원자를 포함하지 않는 수지를 사용함으로써, 자석 재료 입자의 오염을 억제할 수 있으며, 잔류 자속 밀도나 보자력(保磁力) 등과 같은 자기 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

고분자 수지는, 자석 재료 입자 및 고분자 수지의 합계량에 대한 고분자 수지의 비율이 1wt%~40wt%, 보다 바람직하게는 3wt%~30wt%, 더 바람직하게는 3wt%~15wt%로 되도록 첨가한다. 상기 범위로 함으로써, 자석 재료 입자를 컴파운드 중에 균일하게 분산시킬 수 있어서, 자석 재료 입자의 조밀(粗密)을 해소할 수 있다. 또한, 자석 재료 입자와 고분자 성분과, 오일 성분을 포함한 유기 재료 성분의 합계량에 대한 자석 재료 입자의 체적 분율은 50~60%인 것이 바람직하다. 상기 범위로 함으로써, 자석 재료 입자를 컴파운드 중에 균일하게 분산시킬 수 있어서, 자석 재료 입자의 조밀(粗密)을 해소할 수 있다.

공정 (3)의 환형 자기장 인가 공정에는, 다층 코일과 고용량 컨덴서를 구비한 펄스 자기장 발생 장치를 사용할 수 있다. 극이방성 배향은, 대용량 컨덴서에 저장된 전류를 순간적으로 다층 코일로 흘려 보내어, A변과 C변으로 이루어지는 면에 대해 평행한 방향으로 자기장을 인가함으로써 실현할 수 있다. 이 때의 최대 전류는, 예를 들어 8kA~16kA이며, 펄스 폭은, 예를 들어 0.3ms~10ms이다. 환형 펄스 자기장의 인가는 복수 회 행해질 수도 있다. 이와 같은 방법을 사용함으로써, 성형체의 두께가 상기 범위에 있다 하더라도 큰 표면 자속 밀도 최대값(예를 들어, 350mT 이상)을 얻을 수 있다. 또한, 상기 극이방성으로 배향시키는 공정은, 자석 재료 입자와 고분자 수지가 혼합된 혼합물에 있어 펄스 자기장을 인가하는 온도에서의 용융 점도가 900Pa·s 이하로 되는 온도에서 실시되며, 더 바람직하게는 700Pa·s 이하에서, 특히 바람직하게는 300Pa·s 이하에서 실시된다. 300Pa·s 이하로 함으로써, 자기장 인가 횟수가 1회이더라도 배향도를 93% 이상으로 할 수 있다. 인가되는 펄스 자기장의 강도는 2T 이상임이 바람직하며, 보다 바람직하게는 3T 이상이다. 상기의 자기장 강도로 배향시킴으로써, 혼합물이라 하더라도 배향도를 높일 수 있다.

공정 (4)의 초벌 소성 공정은, 본 소결을 하기 전에 성형체에 포함된 유기 성분(고분자 수지)을 이탈시키기 위해 행해진다. 초벌 소성 조건은, 예를 들어, 대기압보다도 가압된 수소 분위기 하의 400℃~600℃로 한다.

공정 (5)의 소결 공정은, 초벌 소성 후의 성형체를 그래파이트 틀에 넣고, B변에 평행한 방향(즉, 자화 용이축의 배향 방향에 교차하는 방향)으로 소결 수축이 발생하도록, 성형체를 소성 온도(예를 들어, 700~1000℃)까지 승온시키면서 B변에 평행한 방향(즉, 자화 용이축의 배향 방향에 교차하는 방향)으로 가압, 가열함으로써 행해진다. 한편, 소결 방법으로는, 예를 들어, 핫 프레스(hot press) 소결, SPS 소결 등을 사용할 수 있다. 이러한 방법에 의해, 환형 자기장 인가에 의해 얻어진 극이방성 배향을 소결 후에도 양호하게 유지할 수 있다. 가압값은, 바람직하게는 3MPa~20MPa이다. 한편, 상기 공정(5)까지 실시함으로써, 희토류 소결 자석(1)의 전구체인 희토류 소결체가 제조된다.

공정 (6)의 착자(着磁) 공정에서는, 공정 (3)과 같은 장치를 착자기(着磁器)로서 사용할 수 있다. 착자(着磁)라 함은, 공정 (5)에서 소결된 희토류 소결체에 외부 자기장을 인가하여 자화를 띠도록 하는 공정이다. 펄스 폭은, 착자가 불충분하게 되는 것을 피하기 위해, 수 ms 폭으로 크게 하는 것이 바람직하다.

실시예

이하에서 본 발명의 실시예에 대해, 비교예와 비교해 가며 설명한다.

(실시예 1)

네오디뮴·철·붕소계 합금을 제트 밀 분쇄 장치에 의해 중심 입자 직경이 3㎛로 되도록 분쇄하고, 분쇄 후의 자석 분말에 스티렌·이소프렌 블록 코폴리머(SIS 수지: (주)닛폰제온 제조, Q3390)를 혼합하여, A변×B변×C변＝19㎜×14㎜×4㎜의 금형에 충전하고서 성형하였다. 구체적으로는, 자석 분말 100중량부에 대해 SBS 수지를 4중량부, 1-옥타데신을 1.5부, 1-옥타데센을 4.5부 혼합하여, 자석 분말과 바인더 성분으로 이루어지는 컴파운드를 조제하였다. 이 성형체에, 다층 코일과 고용량 컨덴서를 구비하는 펄스 자기장 발생 장치를 이용하여, 환형 자기장의 일부를 0.7ms 이하 동안 A변과 C변으로 이루어지는 면에 대해 평행한 방향으로 인가하고, 이를 3회 반복하여 자석 재료 입자의 자화 용이축을 도 2와 같이 극이방성으로 배향시켰다. 한편, 환형 자기장을 인가했을 때에 컴파운드의 온도는 120℃이었다. 극이방성으로 배향시킨 성형체를 0.8Mpa의 가압 수소 분위기 하에서 500℃ 조건에서 초벌 소성하였다. 이렇게 초벌 소성된 것을 그래파이트 틀에 넣고 B변에 평행한 방향으로 가압하면서 1000℃에서 소결하여, A변이 19㎜, B변이 6.8㎜, C변(두께)이 4㎜인 희토류 소결체(자석 전구체)를 얻었다. 펄스 자기장 발생 장치를 착자기로서 이용하여, 이 희토류 소결체를 최대 자속 밀도가 거의 포화될 때까지 착자(着磁)시켜 희토류 소결 자석을 얻었다.

(비교예 1)

A변이 20㎜, B변이 20㎜, C변(두께)이 4㎜인 치수을 가지며 자화 용이축의 배향 방향이 C변에 평행한 소결 네오디뮴 자석(재질 N40)을 (주)네오마그로부터 구입하였다.

(비교예 2)

C변이 10㎜이며 비교예 1과 마찬가지인 소결 네오디뮴 자석을 (주)네오마그로부터 구입하였다.

(실시예 2, 실시예 3)

컴파운드의 성형 치수를 변경한 점 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실험을 실시하였다. 한편, 실시예 2에서는 19㎜×14㎜×2㎜의 금형을, 실시예 3에서는 19㎜×14㎜×6㎜의 금형을 이용하여 성형하였다. 이에 따라 희토류 소결체의 C변(두께)은 각각 2㎜, 6㎜로 되었다.

(실시예 4)

실시예 1과는 다르게, 바인더 성분으로서, 스티렌·부타디엔 엘라스토머(SBS 수지: (주)JSR 제조, TR2250)를 사용하였다. 구체적으로는, 자석 분말 100중량부에 대해 SBS 수지를 5중량부, 1-옥타데신을 1.2부, 1-옥타데센을 3.6부 혼합하여, 자석 분말과 바인더 성분으로 이루어지는 컴파운드를 조제하였다.

또한, 실시예 1과는 다르게, 자기장을 인가하는 배향 온도를 150℃로 하고, 자기장의 인가 횟수를 5회로 하였다. 그 밖의 조건은, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실험을 실시하였다.

(실시예 5)

실시예 1과는 다르게, 바인더 성분으로서, 스티렌·부타디엔 엘라스토머(SBS 수지: (주)JSR 제조, TR2003)를 사용하였다. 구체적으로는, 자석 분말 100중량부에 대해 SBS 수지를 4.9중량부, 1-옥타데신을 1.2부, 1-옥타데센을 3.6부 혼합하여, 자석 분말과 바인더 성분으로 이루어지는 컴파운드를 조제하였다.

(실시예 6)

실시예 1과는 다르게, 바인더 성분으로서, 스티렌·부타디엔 엘라스토머(SBS 수지: (주)JSR 제조, TR2003)를 사용하였다. 구체적으로는, 자석 분말 100중량부에 대해 SBS 수지를 4중량부, 1-옥타데신을 1.5부, 1-옥타데센을 4.5부 혼합하여, 자석 분말과 바인더 성분으로 이루어지는 컴파운드를 조제하였다.

(참고예)

컴파운드의 성형 치수를 변경한 점 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실험을 실시하였다. 한편, 비교예 3에서는 19㎜×14㎜×10㎜의 금형을 이용하여 성형하였다. 이에 따라 희토류 소결체의 C변(두께)은 10㎜로 되었다.

<평가>

[표면 자속 파고값]

상기 실시예 및 비교예 1,2의 희토류 소결 자석에 대해, IMS사에서 제조한 3차원 자계 벡터 분포 측정 장치(MTX-5R)에 의해 표면 자속 밀도를 측정하였다. 측정은, 비자성체의 고정 지그를 이용하여 자석 단체(單體)의 표면 자속 밀도를 측정하였다. 또한, 도 12에 나타내는 바와 같이, 제1 표면(2)으로부터 1㎜ 떨어진 거리에서의 표면 자속 밀도를, B변의 중심을 통과하며 A변에 평행하게 설정된 측정선(10)을 따라 측정하였다. 한편, 측정은, 자속 밀도가 높은 제1 표면(2) 외에도, 그 반대쪽에 있는 자속 밀도가 낮은 제2 표면(3)에 대해서도 실시하였다.

또한, 0.004㎜마다 샘플링하는 설정으로 하여, 자석 표면으로부터 법선 방향에 대한 자속 밀도를 측정하였다. 그 결과를 이하에 나타낸다. 특히, 실시예의 표면 자속 밀도 분포를 도 13에 나타낸다.

실시예 1에서 표면 자속 밀도의 최대값(절대값)은, 제1 표면(2)에서는 473mT이었으며, 한편 제2 표면(3)에서는 95mT이었다. 제1 표면(2)에서의 표면 자속 밀도의 최대값(절대값)과 자속 성김면에서의 표면 자속 밀도의 최대값(절대값)의 비는 5.0배이었다. 이로부터, 본 실시예의 희토류 소결 자석(1)은, 제1 표면(2)의 자속 밀도가 제2 표면(3)에 비해 매우 높음을 알 수 있다. 자속이 한쪽면에만 효율적으로 집중되고 있음을 알 수 있다.

또한, 실시예 1~6의 희토류 소결 자석(1)은 특히, 제1 표면(2)에 대한 교차 방향의 두께가 1.5㎜~6㎜의 범위에 있으며, 제1 표면(2)의 표면 자속 밀도의 최대값이 350mT~600mT의 범위에 있다. 그리고, 제1 표면(2)에서의 표면 자속 밀도의 최대값을 자석 두께로 나눈 값은 90mT/mm 이상이어서, 단위 두께당 표면 자속 밀도가 높은 자석임을 알 수 있다. 제1 표면(2)에서의 표면 자속 밀도의 최대값을 자석 두께로 나눈 값은, 보다 바람직하게는, 100mT/mm 이상이며, 더 바람직하게는 110mT/mm 이상이다.

또한, 같은 치수이면서 두께 방향에 평행하게 배향된 희토류 소결 자석의 최대 자속 밀도에 대한, 각 실시예의 최대 자속 밀도의 증가율에서는, 각 실시예에 있어 적어도 1.8배 이상의 증가율을 나타내고 있어서, 패럴랠 배향에 비해 최대 자속 밀도를 크게 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.

그런데, 비교예 1~2에서, 제1 표면(2)에 대한 교차 방향의 두께가 1.5㎜~6㎜의 범위에 있는 경우에는, 제1 표면(2)의 표면 자속 밀도의 최대값은 350mT보다 작다. 한편, 제1 표면(2)의 표면 자속 밀도의 최대값이 350mT~600mT의 범위에 있는 경우에는, 제1 표면(2)에 대한 교차 방향의 두께가 6㎜보다 크다. 즉, 단위 두께당 표면 자속 밀도가 낮은 자석이며, 필요한 표면 자속 밀도(350mT~600mT)를 달성하기 위해서는 두께가 두꺼울 필요가 있음을 알 수 있다. 또한, 참고예에서는, 실시예와 마찬가지로 극이방성 배향을 가지는 희토류 소결 자석이지만, 제1 표면(2)에 대한 교차 방향의 두께가 10mm이더라도 최대 자속 밀도는 591mT에 그치고 있다. 즉, 제1 표면(2)에서의 표면 자속 밀도의 최대값을 자속 두께로 나눈 값이 59mT/mm이어서, 단위 두께당 표면 자속 밀도가 낮은 자석임을 알 수 있다.

[B변 방향의 일치성]

또한, 제1 표면(2)의 측정선을 따른 자속 밀도 분포에 대해, 측정선을 B변 방향을 따라 이동시켰을 때의 일치성을 평가하였다. 우선, 도 14에 나타내는 바와 같이, B변을 4등분하고서 중앙의 제1 측정선(10) 이외에 앞쪽의 제2 측정선(11) 및 뒷쪽의 제3 측정선(12)에 대해, 각각 제1 측정선(10)과 마찬가지로, 자석 표면으로부터 A변에 평행한 방향으로 1mm 떨어진 위치에서 측정하였다. 그리고, 제2 측정선(11) 및 제3 측정선(12)의 각 단부로부터 다른쪽 단부에까지 0.004mm마다 샘플링하는 설정으로 하고서, 자석 표면에서부터 법선 방향에 대한 자속 밀도를 측정하였다. 그리하여, 제2 측정선(11)에서 얻어진 표면 자속 밀도 a와 제3 측정선(12)에서 얻어진 표면 자속 밀도 b를 이용하여, 자속 밀도 분포의 일치성을 산출하였다.

구체적으로는, 측정선을 따라 한쪽 자석 단부로부터의 거리를 x라 하고, 한쪽 자속 단부로부터 거리 x만큼 이동된 측정 지점에서의 표면 자속 밀도 a를 Fa(x), 표면 자속 밀도 b를 Fb(x)로 나타낸다고 하면, 표면 자속의 일치성 P는 아래의 식(1)로 나타낼 수 있다. 한편, 식에서 N은 측정 지점의 갯수(19mm/0.004mm)가 된다

그 결과, 상기 표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1에서는, B변 방향에 있어 표면 자속 밀도 분포의 일치성이 0.11이어서, 일치성이 매우 높음을 알 수 있다. 이것은, 컴파운드 재료에 대해 펄스 자기장 배향을 시켜 배향 정밀도를 높게 하면서도 자석 재료 입자의 조밀(粗密)을 해소하고, 또한 가압 소결에 의해 그것을 유지하면서 소결시킬 수 있음으로 인해, 표면 자속 밀도의 일치성이 향상된 것이라고 생각된다. 표면 자속 밀도 분포의 일치성은, 바람직하게는 0.5 이하이며, 보다 바람직하게는 0.3 이하이다.

[측정선을 따른 대칭성]

또한, 제1 표면(2)의 측정선을 따른 자속 밀도 분포에 대해, 측정선에 따른 대칭성을 평가하였다. 우선, 도 12에 나타내는 측정선(10)의 단부로부터 다른 한쪽 단부에까지 0.004mm마다 샘플링하는 설정으로 하고서, 자석 표면으로부터 1mm 떨어진 위치의 표면 자속을 측정하였다. 얻어진 표면 자속 밀도의 절대값에 대해, 표면 자속 밀도의 대칭성을 산출하였다.

구체적으로는, 측정선을 따라 중앙부(즉, 표면 자속 밀도가 0이 되는 지점)로부터의 거리를 x라고 한 경우에, 폭방향 중앙으로부터 한쪽 자석 단부로 거리 x만큼 이동된 측정 지점에서의 표면 자속 밀도를 Fc(x), 폭방향 중앙으로부터 다른쪽 자석 단부로 거리 x만큼 이동된 측정 지점에서의 표면 자속 밀도를 Fd(x)로 나타낸다고 하면, 표면 자속 밀도 분포의 대칭성 Q는 아래의 식(2)로 나타낼 수 있다. 한편, 식에서 N은 각 방향 측정 지점의 갯수(9.5mm/0.004mm)가 된다.

그 결과, 상기 표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1에서는, 측정선을 따른 표면 자속 밀도 분포의 대칭성이 0.27이어서, 대칭성이 매우 높음을 알 수 있다. 이것은, 컴파운드 재료에 대해 펄스 자기장 배향을 시켜 배향 정밀도를 높게 하면서도 자석 재료 입자의 조밀(粗密)을 해소하고, 또한 가압 소결에 의해 그것을 유지하면서 소결시킬 수 있음으로 인해, 표면 자속 밀도의 대칭성이 향상된 것이라고 생각된다. 표면 자속 밀도 분포의 대칭성은, 바람직하게는 1.5 이하이며, 보다 바람직하게는 1.0 이하이며, 더 바람직하게는 0.5 이하이다.

[컴파운드의 용융 점도]

토요세이키 제작소 제조의 캐필로그래프 1DPMD-C에 의해 용융 점도를 측정하였다. 가열된 실린더 내에서 용융시킨 수지를 일정 속도로 압출하고 그 하중을 로드 셀에 의해 검출하였다. 또한, 아래의 식(3)~식(6)에 의거하여 용융 점도

(Pa·s)를 산출하였다.

여기에서, Q는 체적 유량(mm³/s), A는 피스톤의 단면적(mm²), v는 피스톤의 속도(mm/s),

는 겉보기 전단 속도(s^-1), D는 모세관 내경(mm),

는 겉보기 전단 응력(Pa), p는 검출 하중(Pa), L은 모세관 길이(mm)이다. 전단 속도

가 243^-1, L/D가 1/10에서 측정하였다.

실시예 1~6에서는, 자기장을 인가할 때의 온도인 배향 온도에서 컴파운드 용융 점도가 900Pa·s 이하로 되어 있다. 배향시킬 때의 컴파운드 용융 점도가 저하됨으로써, 인가되는 자기장에 대해 자석 분말이 회전하기 쉬워져서, 컴파운드 내에 포함되는 각 자석 분말의 배향 불균일을 억제할 수 있게 된다. 그 결과, 얻어지는 희토류 자석 소결체의 최대 자속 밀도를 향상시킬 수 있고, 제1 표면(2)에 대한 교차 방향의 두께가 1.5㎜~6㎜의 범위에 있으며 제1 표면(2)의 표면 자속 밀도의 최대값이 350mT~600mT의 범위에 있는 희토류 자석 소결체를 제작할 수 있다. 또한, 컴파운드로 함으로써, 자석 재료 입자를 균일하게 분산시킬 수 있게 되어 자석 재료 입자의 조밀(粗密)을 억제할 수 있게 된다. 그 결과, 표면 자속 밀도 분포에 있어 부위에 따른 불균일이 줄어들어, 결과적으로 표면 자속 밀도 분포의 대칭성, 일치성이 향상된다.

[컴파운드의 쇼어 A 경도]

우에시마 제작소 제조의 쇼어 A 경도계(HD-1100)에 의해 쇼어 A 경도를 측정하였다. 금형을 이용한 압축 성형으로 제작된 두께 4mm 정도의 컴파운드를 2개 겹쳐 놓은 시료의 면에, 6mm 이상 떨어진 5개의 지점에서 경도계를 갖다대고서, 15초 후에 눈금이 가리키는 값을 읽었다. 측정된 5개 지점의 중앙값을 컴파운드의 쇼어 A 경도로 하였다.

실시예 1~6에서는, 실온에서의 쇼어 A 경도가 A30 이상임을 알 수 있었다. 이 경도값 이상으로 함으로써, 실온에서 금형으로부터의 이형성(離型性)이 향상되어 생산성을 향상시킬 수 있다.

배향시킬 때의 온도에서 컴파운드 용융 점도를 900Pa·s 이하로 하고, 실온에서의 쇼어 A 경도를 A30 이상으로 함으로써, 최대 자속 밀도의 향상과, 금형으로부터의 이형성(離型性)을 양립시킬 수 있게 되었다. 전술한 바와 같은 물성을 나타내는 컴파운드는, 예를 들어, 수지 중에 포함되는 열가소성 부위의 함유율이 40% 이상인 수지를 사용함으로써 달성된다. 열가소성 부위는, 예를 들어 스티렌, 프로필렌, 에틸렌을 의미한다. 실시예 1~6에서는, 수지 내 열가소성 부위인 스티렌의 함유비가 40% 이상인 수지를 사용함으로써, 상기 컴파운드 물성이 달성된다. 스티렌과 같이 실온에서는 단단하고 고온에서는 용융되는 부위가 40% 이상 함유됨으로써, 최대 자속 밀도의 향상과, 금형으로부터의 이형성을 양립시킬 수 있게 된다. 열가소성 부위가 너무 많은 경우에는, 컴파운드가 매우 무르게 되어 보형(保形)이 곤란해지므로, 수지 내 열가소성 부위의 함유율은 80% 이하인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 60% 이하이다. 또한, 자석 분말을 컴파운드 중에 균일하게 분산시킬 필요도 있으며, 말단에 3중 결합을 갖는 탄화수소계 재료를 첨가하는 것이 바람직하다.

(참고예: 패럴랠 배향 자석의 배향도)

컴파운드에 인가하는 펄스 자기장을 C변(두께) 방향에 평행한 일정한패럴랠 자기장으로 변경하고, 컴파운드 조성 및 배향 조건을 표 3과 같이 변경한 점 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 실험을 실시하였다. 한편, 소결은, 가압력을 작용시키지 않고서 감압 분위기의 1000℃에서 소결시킴으로써 실시하였다. 배향도는, 희토류 소결 자석에 대해 80kOe의 자기장을 인가했을 때의, Js에 대한 Br의 비율(Br/Js×100[%])을 나타낸다.

펄스형 자기장을 인가할 때의 컴파운드 온도인 배향 온도에서 컴파운드 용융 점도가 900Pa·s 이하인 경우에, 희토류 소결 자석의 배향도가 93% 이상이 됨을 알 수 있다. 이것은, 컴파운드 용융 점도가 저하됨으로써, 자석 분말이 회전하기 쉬워져서, 펄스형 자기장의 방향을 따라 자석 분말이 배향되기 쉬워지기 때문이라고 생각된다. 한편, 펄스형 자기장의 인가 횟수가 많을수록 배향도가 향상되기 쉬운 경향이 있으나, 생산성을 생각하면 자기장 인가 횟수가 적은 것이 바람직하다. 컴파운드 용융 점도를 보다 낮게 함으로써, 펄스형 자기장의 인가 횟수가 적더라도 배향도를 향상시키기 쉬워지게 된다. 따라서, 배향시킬 때의 온도에서 컴파운드 용융 점도는, 바람직하게는 900Pa·s 이하, 보다 바람직하게는 700Pa·s 이하, 특히 바람직하게는 300Pa·s 이하이다. 300Pa·s 이하로 함으로써, 자기장 인가 횟수가 1회이더라도 배향도를 93% 이상으로 할 수 있게 된다(도 15).

(참고예: 실온에서 컴파운드 쇼어 A 경도와 이형성의 관계)

배향시킬 때의 온도에서 컴파운드 용융 점도가 낮아질수록, 배향도는 향상되지만, 금형으로부터의 컴파운드 이형성은 나빠지는 경향이 있다. 즉, 저(低)점도화된 컴파운드는 금형 표면으로의 습윤성이 향상되어 점착성이 발현되므로, 배향 후의 컴파운드를 금형에서 꺼내기가 어려워져서 생산성이 크게 저하된다.

이형성을 향상시키기 위해서는, 실온에서 쇼어 A 경도를 크게 하는(즉, 단단하게 하는) 것이 유효함을 알 수 있었다(표 5). 실온(23℃)에서 쇼어 A 경도를 A30 이상으로 함으로써 금형으로의 컴파운드 부착 중량 비율을 1% 이하로 할 수 있으며, A40 이상으로 함으로써 0.3% 이하로 할 수 있으며, A50 이상으로 함으로써 부착을 없앨 수가 있다.

한편, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 개량, 변형이 가능함은 물론이다.

예를 들어, 자석 분말의 분쇄 조건, 혼련 조건, 자기장 배향 공정, 초벌 소성 공정, 소결 공정 등은 상기 실시예에 기재된 조건에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 상기 실시예에서는 제트 밀에 의한 건식 분쇄로 분쇄하고 있으나, 비즈 밀을 이용한 습식 분쇄로 자석 원료를 분쇄할 수도 있다. 또한, 초벌 소성 공정을 실시할 때의 분위기는, 비산화성 분위기라면 수소 분위기 이외(예를 들어, 질소 분위기, He 분위기, Ar 분위기 등)에서도 실시할 수 있다. 또한, 대기압이나 대기압보다 낮은 압력 하에서 초벌 소성 공정을 실시할 수도 있다. 또한, 초벌 소성 공정을 생락할 수도 있다. 그 경우에는, 소결 공정의 과정에서 유기 성분(고분자 수지)이 제거되게 된다.

또한, 본 실시형태에서는, Nd-Fe-B계 자석을 예로 들어 설명하였으나, 다른 자석(예를 들어, 코발트 자석, 알니코 자석, 페라이트 자석 등)을 사용할 수도 있다.

본 발명은 전술한 각 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 청구항에 나타낸 범위에서 다양한 변경이 가능하며, 다른 실시형태에 각각 개시된 기술적 수단을 적절히 조합하여 얻어지는 실시형태에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

본 출원은, 2017년 4월 7일에 출원된 일본국 특허출원 제2017-076612호에 기초하는 우선권을 주장하는 것으로서, 동 일본국 특허출원의 전체 내용을 본 출원에 참조로써 원용한다.

1 희토류 소결 자석
2 제1 표면
3 제2 표면
10~12 측정선
15 리니어 모터
16 고정자
17 가동자
18 가동자 코어
19 권선

Claims

복수 개의 자석 재료 입자가 소결된 희토류 소결 자석으로서,
표면 자속 밀도의 최대값이 350mT~600mT의 범위에 있고,
두께가 1.5㎜~6㎜의 범위에 있으며,
두께 방향에 평행한 단면이 비원형이고,
상기 단면에 있어 상기 자석 재료 입자의 자화 용이축이 극이방성으로 배향된 영역을 가지는 희토류 소결 자석.
제1항에 있어서,
상기 비원형의 단면에 있어 상기 두께 방향에 교차하는 방향의 길이에 대한 상기 두께의 비율이 0.1~0.3의 범위에 있는 희토류 소결 자석.
두께 방향에 평행한 단면이 비원형이며 극이방성으로 배향된 영역을 갖는 희토류 소결체의 제조방법으로서,
자석 분말과 고분자 수지를 포함하는 혼합물을 성형하여 얻어진 성형체에 대해 펄스 자기장을 인가함으로써, 성형체에서의 적어도 일부 영역을 극이방성으로 배향시키는 공정과,
극이방성으로 배향된 상기 성형체를 소결하는 공정을 포함하는 희토류 소결체 제조방법.
희토류 소결체 제조방법으로서,
자석 분말과 고분자 수지를 포함하는 혼합물을 성형하여 얻어진 성형체에 대해 펄스 자기장을 인가함으로써, 성형체에서의 적어도 일부 영역을 배향시키는 공정과,
배향된 상기 성형체를 소결하는 공정을 포함하며,
상기 혼합물의 실온에서의 쇼어 A 경도가 A30 이상이고,
상기 배향시키는 공정은 상기 혼합물의 용융 점도가 900Pa·s 이하로 되는 온도에서 실시되는 것인 희토류 소결체 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 배향시키는 공정은 성형체에서의 적어도 일부 영역을 극이방성으로 배향시키는 공정을 포함하는 것인 희토류 소결체 제조방법.
제3항 또는 제4항에 있어서,
펄스 자기장을 인가하는 성형체의 두께가 1.5㎜~6㎜의 범위에 있는 희토류 소결체 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 혼합물의 실온에서의 쇼어 A 경도가 A30 이상인 희토류 소결체 제조방법.
제3항 또는 제5항에 있어서,
상기 극이방성으로 배향시키는 공정은 상기 혼합물의 용융 점도가 900Pa·s 이하로 되는 온도에서 행해지는 것인 희토류 소결체 제조방법.
제3항 또는 제5항에 있어서,
상기 극이방성으로 배향시키는 공정은 상기 혼합물의 용융 점도가 300Pa·s 이하로 되는 온도에서 행해지는 것인 희토류 소결체 제조방법.
제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소결하는 공정은 상기 성형체를 가압한 상태에서 소결하는 것인 희토류 소결체 제조방법.
제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고분자 수지는 헤테로 원자를 포함하지 않는 탄화수소계 수지인 희토류 소결체 제조방법.
제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 혼합물에서의 자석 분말의 함유량이 50~60체적%인 희토류 소결체 제조방법.
제3항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 성형체를 소결하는 공정의 후에 소결체를 착자시키는 공정을 더 포함하는 희토류 소결체 제조방법.
직선 방향으로 배열된 하나 또는 복수 개의, 제1항 또는 제2항에 기재된 희토류 소결 자석과,
에어 갭을 사이에 두고 상기 희토류 소결 자석에 대향하는 전기자를 포함하며,
상기 희토류 소결 자석과 상기 전기자 중 한쪽을 고정자로 하고 다른쪽을 가동자로 하여 상기 고정자와 상기 가동자가 상대 이동하는 리니어 모터.