JP2023018329A - ハルバッハ磁石配列体を製造する方法、及びハルバッハ磁石配列体 - Google Patents

Abstract

【課題】表面と裏面の磁束密度の比が大きいハルバッハ磁石配列体を容易に製造することができる方法を提供する。
【解決手段】ハルバッハ磁石配列体の製造方法は、（ａ）少なくとも１個の第１の磁性体片及び少なくとも１個の第２の磁性体片を、第１の方向に平行な方向に着磁するステップと、（ｂ）第３の磁性体片を第１の方向に垂直な第２の方向に平行な方向に着磁するステップとをこの順で含む。第１の磁性体片と第２の磁性体片は、第３の磁性体片を挟んで第２の方向に交互に配置される。第１の磁性体片の各々は隣接する第３の磁性体片に厚みｔ１の非磁性層を介して接合され、第２の磁性体片の各々は隣接する第３の磁性体片に厚みｔ２の非磁性層を介して接合され、ｔ１及びｔ２はｔ１＜ｔ２を満たす。
【選択図】図４

Description

本発明は、ハルバッハ磁石配列体を製造する方法、及びハルバッハ磁石配列体に関する。

特許文献１において、互いに異なる方向に磁化された複数の領域を有する永久磁石を複数個含むハルバッハ（Ｈａｌｂａｃｈ）磁気回路が記載されている。

図１に示すように、ハルバッハ磁気回路１２０は一般に、一方向に配列された複数の永久磁石１０１を含み、隣接する永久磁石１０１の磁化方向が所定の角度（例えば９０°）をなす。このような配列により、ハルバッハ磁気回路１２０の一面（表面）は高い表面磁束密度を有し、反対面（裏面）は低い表面磁束密度を有するか又は理想的には表面磁束密度がゼロである。

特開２０１８－０９２９８８号公報

磁化した複数の磁石を接着してハルバッハ磁気回路を製造する場合、磁石間の反発により、正確な位置制御が難しく、大きな外力を要する。そのため、このような製造方法は量産プロセスには適さない。一方、未着磁の複数の磁性体を接着した後、各磁性体を所定の方向に磁化してハルバッハ磁気回路を製造する場合、及び特許文献１のように、１つの永久磁石に互いに異なる方向に磁化された複数の領域を形成してハルバッハ磁気回路を製造する場合は、ハルバッハ磁気回路の表面と裏面の磁束密度の比が小さい傾向がある。

そこで、表面と裏面の磁束密度の比が大きいハルバッハ磁石配列体を容易に製造することができる方法、及びそれにより製造されるハルバッハ磁石配列体を提供する。

本発明の一態様に従えば、ハルバッハ磁石配列体を製造する方法であって、
ａ）少なくとも１個の第１の磁性体片及び少なくとも１個の第２の磁性体片を、第１の方向に平行な方向に着磁するステップであって、
ここで、前記少なくとも１個の第１の磁性体片と前記少なくとも１個の第２の磁性体片は、第３の磁性体片を挟んで、前記第１の方向に垂直な第２の方向に交互に配置されており、
前記少なくとも１個の第１の磁性体片の各々は、隣接する前記第３の磁性体片に、厚みｔ１の非磁性層を介して接合されており、
前記少なくとも１個の第２の磁性体片の各々は、隣接する前記第３の磁性体片に、厚みｔ２の非磁性層を介して接合されており、
前記厚みｔ１及び前記厚みｔ２は、ｔ１＜ｔ２を満たし、
前記少なくとも１個の第１の磁性体片及び前記少なくとも１個の第２の磁性体片は、前記第１の方向に平行な磁化容易軸を有し、
前記第３の磁性体片は、前記第２の方向に平行な磁化容易軸を有し、
前記少なくとも１個の第１の磁性体片の着磁方向と前記少なくとも１個の第２の磁性体片の着磁方向が１８０°異なる、ステップと、
ｂ）前記第３の磁性体片が、隣接する前記第１の磁性体片に対向するＳ極、及び隣接する前記第２の磁性体片に対向するＮ極を有するように、前記第３の磁性体片を前記第２の方向に平行な方向に着磁するステップと、
をこの順で含む、方法が提供される。

本発明の一態様に従えば、ハルバッハ磁石配列体であって、
第１の方向に平行な磁化を有する少なくとも１個の第１の磁性体片と、
前記第１の磁性体片の磁化方向と１８０°異なる方向の磁化を有する少なくとも１個の第２の磁性体片と、
前記第１の方向に垂直な第２の方向に平行な磁化を有する少なくとも１個の第３の磁性体片と、
を有し、
前記少なくとも１個の第１の磁性体片と前記少なくとも１個の第２の磁性体片が、第３の磁性体片を挟んで、前記第２の方向に交互に配置され、
前記第３の磁性体片が、隣接する前記第１の磁性体片に対向するＳ極、及び隣接する前記第２の磁性体片に対向するＮ極を有し、
前記少なくとも１個の第１の磁性体片の各々が、隣接する前記第３の磁性体片に、厚みｔ１の非磁性層を介して接合され、
前記少なくとも１個の第２の磁性体片の各々が、隣接する前記第３の磁性体片に、厚みｔ２の非磁性層を介して接合され、
前記厚みｔ１及び前記厚みｔ２が、ｔ１＜ｔ２を満たす、ハルバッハ磁石配列体が提供される。

本発明の製造方法により、表面と裏面の磁束密度の比が大きいハルバッハ磁石配列体を容易に製造することができる。

図１は、従来のハルバッハ磁気回路の一例を模式的に示す図である。 図２は、実施形態に係る製造方法のフローチャートである。 図３は、第１の磁性体片を着磁するステップに供する配列体の一例を模式的に示す図である。 図４は、実施形態に係る製造方法で製造されるハルバッハ磁石配列体の一例を模式的に示す図である。 図５は、実施例１、２及び比較例１－４の試験体の表面及び裏面の磁束の和に対する表面の磁束の比及び裏面の磁束の比を示す図である。

以下、適宜図面を参照して実施形態を説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができる。なお、以下の説明で参照する図面において、同一の部材又は同様の機能を有する部材には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。図面の寸法比率が説明の都合上実際の比率とは異なったり、部材の一部が図面から省略されたりする場合がある。また、本願において、記号「～」を用いて表される数値範囲は、記号「～」の前後に記載される数値のそれぞれを下限値及び上限値として含む。本願において、垂直とは実質的に垂直であることを意味し、平行とは実質的に平行であることを意味する。

ハルバッハ磁石配列体の製造方法は、図２に示すように、第１の磁性体片及び第２の磁性体片を着磁するステップ（Ｓ１）と、第３の磁性体片を着磁するステップ（Ｓ２）と、を含む。

ａ）第１の磁性体片及び第２の磁性体片の着磁
まず、少なくとも１個の未着磁の第１の磁性体片、少なくとも１個の未着磁の第２の磁性体片、及び少なくとも１個の第３の磁性体片を用意する。第１の磁性体片、第２の磁性体片、及び第３の磁性体片は、永久磁石材料を含む。永久磁石材料としては、例えば、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石材料、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石材料、Ｓｍ－Ｆｅ－Ｎ系磁石材料、フェライト系磁石材料、Ａｌ－Ｎｉ－Ｃｏ系磁石材料が挙げられる。第１の磁性体片、第２の磁性体片、及び第３の磁性体片は、磁気異方性を有する。すなわち、第１の磁性体片、第２の磁性体片、及び第３の磁性体片は、それぞれ、磁化容易軸及び磁化困難軸を有する。第１の磁性体片、第２の磁性体片、及び第３の磁性体片は、任意の形状を有してよい。例えば、各磁性体片は、略矩形状（特に略正方形）又は略部分円環状の底面を有する柱状の形状を有してよい。また、第１の磁性体片、第２の磁性体片、及び第３の磁性体片の形状及び寸法は同じであってよい。第１の磁性体片、第２の磁性体片、及び第３の磁性体片が、同じ寸法の、略矩形状の底面を有する柱状（すなわち直方体状）の形状を有する場合、第１の磁性体片及び第２の磁性体片の磁化容易軸は、底面に垂直な面のうち互いに平行な一組の面に垂直であってよく、第３の磁性体片の磁化容易軸は、底面に垂直な面のうち互いに平行な別の組の面に垂直であってよい。また、第１の磁性体片、第２の磁性体片、及び第３の磁性体片が、同じ寸法の、略部分円環状の底面を有する柱状の形状を有する場合、第１の磁性体片及び第２の磁性体片の磁化容易軸は、部分円環の径方向に平行であってよく、第３の磁性体片の磁化容易軸は、部分円環の周方向に平行であってよい。第１の磁性体片、第２の磁性体片、及び第３の磁性体片は、一般に知られた製造方法で製造することができる。第１の磁性体片１、第２の磁性体片、及び第３の磁性体片として市販の磁性体片を用いてもよい。

図３に示すように、第１の磁性体片１、第２の磁性体片２、及び第３の磁性体片３を所定の方向（図３中のＸ方向）に並べて配列体１０を得る。なお、図３では直線状の配列体１０が示されているが、第１の磁性体片１、第２の磁性体片２、及び第３の磁性体片３が略部分円環状の底面を有する柱状の形状を有する場合には、所定の数の第１の磁性体片１、第２の磁性体片２、及び第３の磁性体片３をそれらの周方向に並べることにより円環状の配列体１０を形成することができる。配列体１０において、第１の磁性体片１と第２の磁性体片２が、第３の磁性体片３を挟んで、交互に配置されている。第１の磁性体片１の各々は、隣接する第３の磁性体片３に、厚みｔ１の非磁性層５を介して接合され、第２の磁性体片２は、隣接する第３の磁性体片３に、厚みｔ２の非磁性層５を介して接合され、ｔ１＜ｔ２である。非磁性層５は、接着剤（例えば、エポキシ樹脂系接着剤、アクリル樹脂系接着剤）を含んでよい。

非磁性層５は、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下、特に０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有してよい。それにより、第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２が第３の磁性体片３よりも高い温度を有する条件下で第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２を着磁する場合に、第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２から第３の磁性体片３への伝熱が抑制される。その結果、第１の磁性体片及び第２の磁性体片を着磁するための磁場によって第３の磁性体片３が着磁されることを効果的に抑制することができる。同様に、後続の第３の磁性体片を着磁するステップにおいて、第３の磁性体片３が第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２よりも高い温度を有する条件下で第３の磁性体片３を着磁する場合に、第３の磁性体片３から第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２への伝熱が抑制される。その結果、第３の磁性体片３の着磁中に、第３の磁性体片３を着磁するための磁場が第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２の残留磁化に影響を及ぼすことを効果的に抑制することができる。また、非磁性層５は、通常、０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するが、これに限定されない。

図３においては、２個の第１の磁性体片１及び１個の第２の磁性体片２が、第３の磁性体片３を挟んで交互に配置されているが、第１の磁性体片１と第２の磁性体片２を交互に配置できれば、配列体１０は、２個より多い又は少ない第１の磁性体片１を含んでもよく、１個より多い第２の磁性体片２を含んでもよく、２個より多い又は少ない第３の磁性体片３を含んでもよい。

配列体１０において、第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２の磁化容易軸（図３中、白抜き矢印で表される）は、第１の方向（図３のＺ方向）に平行であり、第３の磁性体片３の磁化容易軸（図３中、白抜き矢印で表される）は第２の方向（図３のＸ方向）に平行である。ここで、第１の方向と第２の方向は互いに垂直である。また、第２の方向は、第１の磁性体片１、第２の磁性体片２、及び第３の磁性体片３の配列方向と平行である。

次に、配列体１０の第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２を、第１の方向に平行な方向に着磁する。第１の磁性体片１と第２の磁性体片２の磁化方向は、１８０°異なる。

第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２は、任意の着磁器を用いて着磁することができる。例えば、着磁ヨークが発生させる磁場（外部磁場）中に第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２を置くことにより、第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２を着磁することができる。

第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２が第３の磁性体片３よりも高い温度を有する条件下で、第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２を着磁してもよい。それにより、第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２を着磁するための磁場によって第３の磁性体片３が着磁されることを抑制しながら、第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２に十分大きい残留磁化を付与することができる。これは、着磁するときの磁性体片の温度が高いほど磁性体片の残留磁化率（すなわち、飽和残留磁化に対する残留磁化の比）が一般に高くなるためである。なお、磁性体片の残留磁化率の温度依存性は、一般に、磁性体片に主成分として含まれる磁石材料の種類、磁石材料中の元素置換の有無及び置換元素の種類、並びに磁性体片の組織（例えば結晶粒径）等に依存する。

例えば、第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２を加熱しながら、第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２を着磁してもよい。それに加えて又はそれに代えて、第３の磁性体片３を冷却しながら、第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２を着磁してもよい。第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２は、任意の加熱手段（例えば、ホットプレート抵抗加熱器、及びラバーヒーター）を用いて加熱することができる。ヒーター付着磁ヨークを用いて第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２の加熱及び着磁を行ってもよい。第３の磁性体片３は、任意の冷却手段（例えば、水冷ブロック）を用いて冷却することができる。

ｂ）第３の磁性体片の着磁
次いで、第３の磁性体片３が隣接する第１の磁性体片１に対向するＳ極、及び隣接する第２の磁性体片２に対向するＮ極を有するように、第３の磁性体片３を着磁する。

第３の磁性体片３は、任意の着磁器を用いて着磁することができる。例えば、着磁ヨークが発生させる磁場（外部磁場）中に第３の磁性体片３を置くことにより、第３の磁性体片３を着磁することができる。

第３の磁性体片３が第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２よりも高い温度を有する条件下で、第３の磁性体片３を着磁してもよい。それにより、第３の磁性体片３を着磁するための磁場が第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２の残留磁化に影響を及ぼすことを抑制しながら、第３の磁性体片３に十分大きい残留磁化を付与することができる。例えば、第３の磁性体片３を加熱しながら第３の磁性体片３を着磁してもよい。それに加えて又はそれに代えて、第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２を冷却しながら、第３の磁性体片３を着磁してもよい。第３の磁性体片３は、任意の加熱手段（例えば、ホットプレート抵抗加熱器、及びラバーヒーター）を用いて加熱することができる。ヒーター付着磁ヨークを用いて第３の磁性体片３の加熱及び着磁を行ってもよい。第１の磁性体片１及び第２の磁性体片２は、任意の冷却手段（例えば、水冷ブロック）を用いて冷却することができる。

こうして、図４に示すようなハルバッハ磁石配列体２０が製造される。ハルバッハ磁石配列体２０は、第１の方向（図４のＺ方向）に平行な磁化を有する第１の磁性体片１と、第１の磁性体片１の磁化方向と１８０°異なる方向の磁化を有する第２の磁性体片２と、第１の方向に垂直な第２の方向（図４のＸ方向）に平行な磁化を有する第３の磁性体片３とを有する。第１の磁性体片１と第２の磁性体片２は、第３の磁性体片３を挟んで、第２の方向に交互に配置されている。第３の磁性体片３は、隣接する第１の磁性体片１に対向するＳ極、及び隣接する第２の磁性体片２に対向するＮ極を有する。第１の磁性体片１の各々は、隣接する第３の磁性体片３に、厚みｔ１の非磁性層５を介して接合され、第２の磁性体片２は、隣接する第３の磁性体片３に、厚みｔ２の非磁性層５を介して接合されており、厚みｔ１及び厚みｔ２は、ｔ１＜ｔ２を満たす。

実施形態に係る製造方法により得られるハルバッハ磁石配列体２０では、互いに隣接する第２の磁性体片２と第３の磁性体片３の間の非磁性層５の厚みｔ２が、互いに隣接する第１の磁性体片１と第３の磁性体片３の間の非磁性層５の厚みｔ１よりも大きい。これにより、後述する実施例で示されるように、ハルバッハ磁石配列体２０の表面と裏面の磁束密度の比が大きくなる。また、実施形態に係る製造方法では、未着磁の複数の磁性体片を接着した後に各磁性体片を所定の方向に磁化するため、磁性体片を接着するときには磁性体片間の反発力は生じない。そのため、磁性体片を接着するときに、磁性体片間の反発力に抗うための大きな外力を要することがなく、また、磁性体片の正確な位置制御も容易である。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１、２、及び比較例１－３
５ｍｍ×５ｍｍ×７ｍｍの直方体で、５ｍｍ×７ｍｍの面に垂直な容易磁化軸を有する、５個の磁性体片（ネオジム磁石焼結体）を用意した。磁性体片の２個を第１の磁性体片、１個を第２の磁性体片、２個を第３の磁性体片とした。

第１の磁性体片と第２の磁性体片の容易磁化軸が第１の方向に平行になるようにして、第１の磁性体片と第２の磁性体片を、第１の方向に垂直な第２の方向に交互に配置した。第３の磁性体片の容易磁化軸が第２の方向に平行になるようにして、互いに隣接する第１の磁性体片と第２の磁性体片の間に第３の磁性体片を配置した。なお、第１の磁性体片、第２の磁性体片、及び第３の磁性体片は、それぞれの５ｍｍ×５ｍｍの面が第１の方向及び第２の方向のいずれにも平行になるように配置した。互いに隣接する第１の磁性体片と第３の磁性体片、及び互いに隣接する第２の磁性体片と第３の磁性体片を、非磁性体である接着剤（熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋ）で接着した。第１の磁性体片と第３の磁性体片の間の接着剤の層の厚みｔ１、及び第２の磁性体片と第３の磁性体片の間の接着剤の層の厚みｔ２は、表１に記載の通りとした。ただし、表１中、Ｓ＜Ｍ＜Ｌである。

第１の磁性体片及び第２の磁性体片を６５℃に加熱しながら、第１の方向に平行な外部磁場により第１の磁性体片及び第２の磁性体片を着磁した。このとき、第１の磁性体片の着磁方向は、第２の磁性体片の着磁方向と１８０°異なる方向とした。

次いで、第３の磁性体片を６５℃に加熱しながら、第２の方向に平行な外部磁場により、第３の磁性体片が、隣接する第１の磁性体片に対向するＳ極、及び隣接する第２の磁性体片に対向するＮ極を有するように、第３の磁性体片を着磁した。

それにより、図４に示すようなハルバッハ配列を有する試験体を得た。

比較例４
実施例１と同様の磁気異方性を有する５個の磁性体片（ネオジム磁石焼結体）を用意した。各磁性体片をその磁化容易軸の方向に着磁した。次いで、磁性体片のうち２個を第１の磁性体片、１個を第２の磁性体片、２個を第３の磁性体片として、実施例１と同様に配置し、互いに隣接する第１の磁性体片と第３の磁性体片、及び互いに隣接する第２の磁性体片と第３の磁性体片を非磁性体である接着剤で接着した。第１の磁性体片と第３の磁性体片の間の接着剤の層の厚みｔ１、及び第２の磁性体片と第３の磁性体片の間の接着剤の層の厚みｔ２は、表１に記載の通りとした。それにより、図４に示すようなハルバッハ配列を有する試験体を得た。

評価
各試験体の第１の方向に垂直な２つの面における磁束を、フラックスメーターにより測定した。２つの面のうち、磁束の大きい面を表面、磁束の小さい面を裏面とし、表面及び裏面の磁束の和に対する各面の磁束の比を求めた。結果を図５に示す。

図５に示すように、ｔ１＜ｔ２である実施例１、２の試験体は、ｔ１＝ｔ２である比較例１、３の試験体又はｔ１＞ｔ２である比較例２の試験体のいずれよりも、表面の磁束の比が大きかった。

なお、実施例１、２の試験体の表面の磁束の比は、比較例４の試験体の表面磁束の比よりも小さかったが、比較例４の試験体は、着磁した磁性体片を接着して作製されており、この作製方法は量産には適さない。

１：第１の磁性体片、２：第２の磁性体片、３：第３の磁性体片、５：非磁性層、１０：配列体、２０：ハルバッハ磁石配列体

Claims (6)

1. ハルバッハ磁石配列体を製造する方法であって、
   ａ）少なくとも１個の第１の磁性体片及び少なくとも１個の第２の磁性体片を、第１の方向に平行な方向に着磁するステップであって、
   ここで、前記少なくとも１個の第１の磁性体片と前記少なくとも１個の第２の磁性体片は、第３の磁性体片を挟んで、前記第１の方向に垂直な第２の方向に交互に配置されており、
   前記少なくとも１個の第１の磁性体片の各々は、隣接する前記第３の磁性体片に、厚みｔ１の非磁性層を介して接合されており、
   前記少なくとも１個の第２の磁性体片の各々は、隣接する前記第３の磁性体片に、厚みｔ２の非磁性層を介して接合されており、
   前記厚みｔ１及び前記厚みｔ２は、ｔ１＜ｔ２を満たし、
   前記少なくとも１個の第１の磁性体片及び前記少なくとも１個の第２の磁性体片は、前記第１の方向に平行な磁化容易軸を有し、
   前記第３の磁性体片は、前記第２の方向に平行な磁化容易軸を有し、
   前記少なくとも１個の第１の磁性体片の着磁方向と前記少なくとも１個の第２の磁性体片の着磁方向が１８０°異なる、ステップと、
   ｂ）前記第３の磁性体片が、隣接する前記第１の磁性体片に対向するＳ極、及び隣接する前記第２の磁性体片に対向するＮ極を有するように、前記第３の磁性体片を前記第２の方向に平行な方向に着磁するステップと、
   をこの順で含む、方法。
2. 前記非磁性層が、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記非磁性層が接着剤を含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. ハルバッハ磁石配列体であって、
   第１の方向に平行な磁化を有する少なくとも１個の第１の磁性体片と、
   前記第１の磁性体片の磁化方向と１８０°異なる方向の磁化を有する少なくとも１個の第２の磁性体片と、
   前記第１の方向に垂直な第２の方向に平行な磁化を有する少なくとも１個の第３の磁性体片と、
   を有し、
   前記少なくとも１個の第１の磁性体片と前記少なくとも１個の第２の磁性体片が、第３の磁性体片を挟んで、前記第２の方向に交互に配置され、
   前記第３の磁性体片が、隣接する前記第１の磁性体片に対向するＳ極、及び隣接する前記第２の磁性体片に対向するＮ極を有し、
   前記少なくとも１個の第１の磁性体片の各々が、隣接する前記第３の磁性体片に、厚みｔ１の非磁性層を介して接合され、
   前記少なくとも１個の第２の磁性体片の各々が、隣接する前記第３の磁性体片に、厚みｔ２の非磁性層を介して接合され、
   前記厚みｔ１及び前記厚みｔ２が、ｔ１＜ｔ２を満たす、ハルバッハ磁石配列体。
5. 前記非磁性層が、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有する、請求項４に記載のハルバッハ磁石配列体。
6. 前記非磁性層が接着剤を含む、請求項４又は５に記載のハルバッハ磁石配列体。
   

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