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WO2018186478A1 - 希土類焼結磁石、希土類焼結体の製造方法、希土類焼結磁石の製造方法及び希土類焼結磁石を用いたリニアモータ - Google Patents

希土類焼結磁石、希土類焼結体の製造方法、希土類焼結磁石の製造方法及び希土類焼結磁石を用いたリニアモータ Download PDF

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山本 貴士
正一朗 齊藤
孝志 尾▲崎▼
克也 久米
裕樹 平野
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Definitions

  • the method for producing a rare earth sintered magnet according to the present invention is characterized in that the method for producing a rare earth sintered body further includes a step of magnetizing the rare earth sintered body.
  • the surface magnetic flux density distribution is highly consistent even when the measurement line 10 is moved along the B-side direction. That is, the surface magnetic flux density distribution having substantially the same shape can be obtained regardless of whether the measurement line 10 is set near the A side or near the center away from the A side. Further, the surface magnetic flux density distribution has high symmetry (line symmetry) about an axis passing through the center of the measurement line 10 (axis passing through the maximum value of the surface magnetic flux density).
  • the orientation direction ⁇ of the easy magnetization axis is Includes areas that are 0 ° ⁇ 20 °.
  • Example 1 A neodymium / iron / boron alloy is pulverized with a jet mill pulverizer so that the center particle diameter becomes 3 ⁇ m, and styrene / isoprene block copolymer (SIS resin: Q3390 manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) is mixed with the pulverized magnet powder. And it filled and shape
  • die of A side x B side x C side 19mmx14mmx4mm. Specifically, 4 parts by weight of SBS resin, 1.5 parts of 1-octadecene and 4.5 parts of 1-octadecene are mixed with 100 parts by weight of magnet powder to prepare a compound comprising magnetic powder and a binder component.
  • SBS resin 1.5 parts of 1-octadecene and 4.5 parts of 1-octadecene are mixed with 100 parts by weight of magnet powder to prepare a compound comprising magnetic powder and a binder component.
  • the measurement point moved from the center in the width direction by one distance x to the end of one magnet Is expressed as Fc (x), and the surface magnetic flux density at the measurement point moved by the distance x from the center in the width direction to the other magnet end is expressed as Fd (x).
  • the sex Q is represented by the following formula (2). In the formula, N is the number of measurement points in each direction (9.5 mm / 0.004 mm).
  • the content of the thermoplastic part in the resin is preferably 80% or less, more preferably 60% or less. Further, it is necessary to uniformly disperse the magnetic powder in the compound, and it is desirable to add a hydrocarbon-based material having a triple bond at the terminal.

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Abstract

複数の磁石材料粒子が焼結された希土類焼結磁石であって、表面磁束密度の最大値が350mT~600mTの範囲にあって、厚みが1.5mm~6mmの範囲にあって、前記厚み方向に平行な断面が非円形であり、前記断面において前記磁石材料粒子の磁化容易軸が極異方性配向した領域を有する希土類焼結磁石。

Description

希土類焼結磁石、希土類焼結体の製造方法、希土類焼結磁石の製造方法及び希土類焼結磁石を用いたリニアモータ
 本発明は、希土類焼結磁石、希土類焼結体の製造方法、希土類焼結磁石の製造方法及び希土類焼結磁石を用いたリニアモータに関する。
 近年、工作機械、車両、航空機、風力原動機等では、エンジンなどから伝達される機械的運動エネルギーを電気エネルギーへと変換する発電機や、逆に電気エネルギーを機械的運動エネルギーへと変換するモータ(電動機)等が一般的に用いられている。また、上記発電機やモータの発電量やトルクのより一層の増加、並びに小型化、軽量化が求められている。
 ここで、上記モータ等に用いられる永久磁石では、磁気特性を向上させる為に外部から磁場を印加することによって永久磁石に含まれる磁石材料粒子の磁化容易軸を揃える磁場配向が行われている。ここで、磁場配向において磁石材料粒子の磁化容易軸を揃える方法としては、例えば平行方向に磁化容易軸を揃えるパラレル配向がある。しかしながら、パラレル配向された永久磁石は、磁界が磁石に対して両側面に広がるため、表面磁束密度が低い(300mT程度)という問題がある。
 そこで、表面磁束密度を向上させる為の方法としては、従来よりパラレル配向された永久磁石をハルバッハ配列により配列することが知られている(例えば特開2010-166703号公報)。永久磁石をハルバッハ配列で配列すれば、配列された永久磁石に対して必要な方向により多くの磁束を生じさせることが可能であり、発電機やモータの発電量やトルクを増加させることが可能となる。しかしながら、永久磁石をハルバッハ配列により配列させる為には、複数の永久磁石を互いに反発し合う状態で接合する必要があるので、生産性が低く、コストが高いという問題があった。一方、特開2004-297843号公報には、パラレル配向でなく極異方性配向した永久磁石を複数配設することによって、上記ハルバッハ配列と同様の効果を生じさせることについて開示されている。
特開2010-166703号公報(第5頁、図2) 特開2004-297843号公報(第4-5頁、図1)
 上記特許文献2では永久磁石を極異方性配向することによって、上記特許文献1に開示されたハルバッハ配列の接合に関する問題点については、ある程度解消することが可能である。しかしながら、上記特許文献2に開示された永久磁石は、必要な表面磁束密度(例えば350mT~600mT)を達成する為には大きな厚みが必要であった。例えば厚みが10mmで表面磁束密度の最大値は540mTとなっている。従って、依然として発電機やモータの発電量やトルクの増加、小型化、軽量化については不十分であった。
 本発明は前記従来における問題点を解消するためになされたものであり、高い表面磁束密度と厚みの減少を実現し、発電機やモータの発電量やトルクの増加、小型化、軽量化を可能にした希土類焼結磁石、希土類焼結体の製造方法、希土類焼結磁石の製造方法及び希土類焼結磁石を用いたリニアモータを提供することを目的とする。
 前記目的を達成するため本願発明に係る希土類焼結磁石は、複数の磁石材料粒子が焼結された希土類焼結磁石であって、表面磁束密度の最大値が350mT~600mTの範囲にあって、厚みが1.5mm~6mmの範囲にあって、前記厚み方向に平行な断面が非円形であり、前記断面において前記磁石材料粒子の磁化容易軸が極異方性配向した領域を有することを特徴とする。なお、表面磁束密度の最大値とは、得られる表面磁束密度分布におけるピーク値の最大値(つまり、磁束密度の絶対値における最大値)のことを指す。
 また、本発明に係る希土類焼結体の製造方法は、厚み方向に平行な断面が非円形である、極異方性配向された領域を有する希土類焼結体の製造方法であって、磁石粉末および高分子樹脂を含む混合物を成形することにより得られた成形体に対してパルス磁場を印加することにより成形体における少なくとも一部領域を極異方性配向する工程と、極異方性配向された前記成形体を焼結する工程と、を有することを特徴とする。
 また、本発明に係る希土類焼結体の製造方法は、磁石粉末および高分子樹脂を含む混合物を成形することにより得られた成形体に対してパルス磁場を印加することにより、成形体における少なくとも一部領域を配向する工程と、配向された前記成形体を焼結する工程と、を有し、前記混合物の室温でのショアA硬度がA30以上であり、前記配向する工程は、前記混合物の溶融粘度が900Pa・s以下になる温度で実施されることを特徴とする。
 また、本発明に係る希土類焼結磁石の製造方法は、上記希土類焼結体の製造方法に対して、更に希土類焼結体を着磁する工程を含むことを特徴とする。
 また、本発明に係るリニアモータは、直線方向に配列された一又は複数の上記希土類焼結磁石と、前記希土類焼結磁石とエアギャップを介して対向する電機子と、を備え、前記希土類焼結磁石と前記電機子の一方を固定子とし、他方を可動子として、前記固定子と前記可動子が相対移動することを特徴とする。
 前記構成を有する希土類焼結磁石によれば、高い表面磁束密度と厚みの減少の両方を実現することが可能となる。その結果、希土類永久磁石を用いた発電機やモータでは、発電量やトルクの増加、小型化、軽量化が可能となる。
 前記構成を有する希土類焼結体の製造方法によれば、高い表面磁束密度と厚みの減少の両方を実現することが可能な希土類焼結磁石の前駆体を製造することが可能となる。その結果、製造された希土類焼結体を用いた発電機やモータでは、発電量やトルクの増加、小型化、軽量化が可能となる。
 また、前記構成を有する希土類焼結磁石の製造方法によれば、高い表面磁束密度と厚みの減少の両方を実現した希土類永久磁石を製造することが可能となる。その結果、製造された希土類焼結磁石を用いた発電機やモータでは、発電量やトルクの増加、小型化、軽量化が可能となる。
 また、前記構成を有するリニアモータによれば、従来のパラレル配向した永久磁石を配列する場合と比較して、トルクを向上させることが可能となる。また、必要なトルクを維持した状態でリニアモータの小型化及び軽量化を実現することが可能となる。また、必要な磁石の体積を削減することによって、製造コストの削減も可能である。
本発明に係る希土類焼結磁石の第1の例を示した全体図である。 本発明に係る希土類焼結磁石の第2の例を示した全体図である。 第1の例の希土類焼結磁石において、特に端部付近の磁化容易軸の配向方向を示した図である。 第1の例の希土類焼結磁石において、特に中央付近の磁化容易軸の配向方向を示した図である。 第1の例の希土類焼結磁石において、特に端部と中央の間の磁化容易軸の配向方向を示した図である。 第1の例の希土類焼結磁石において、第一の表面における表面磁束密度分布の例を示した図である。 第2の例の希土類焼結磁石において、特に端部付近の磁化容易軸の配向方向を示した図である。 第2の例の希土類焼結磁石において、特に中央付近の磁化容易軸の配向方向を示した図である。 第2の例の希土類焼結磁石において、特に端部と中央の間の磁化容易軸の配向方向を示した図である。 第2の例の希土類焼結磁石において、第一の表面における表面磁束密度分布の例を示した図である。 本発明に係るリニアモータを示した全体図である。 表面磁束密度を測定する測定ラインを示した図である。 実施例の表面磁束密度分布を示した図である。 表面磁束密度を測定する複数の測定ラインを示した図である。 配向温度におけるコンパウンドの溶融粘度と配向度の関係を示したグラフである。
 以下、本発明に係る希土類焼結磁石、希土類焼結体の製造方法、希土類焼結磁石の製造方法及び希土類焼結磁石を用いたリニアモータについて具体化した実施形態について以下に図面を参照しつつ詳細に説明する。
[希土類焼結磁石の構成]
 先ず、本発明に係る希土類焼結磁石1の構成の一例について説明する。図1は希土類焼結磁石1の第1の例を示した全体図である。また、図2は希土類焼結磁石1の第2の例を示した全体図である。図1及び図2に示すように、本発明に係る希土類焼結磁石1は、長さ方向の長さ寸法(B辺)と、該長さ方向に直交する幅方向(A辺)とからなる第一の表面2を備える。また、当該第一の表面2と対向する位置(裏側)にある第二の表面3と、第一の表面2との間において、厚み方向の厚み寸法(C辺)を有する。
 希土類焼結磁石1は、希土類元素(アクチニウムを除く第3族元素やランタノイド)を含む複数の磁石材料粒子が焼結された焼結磁石であり、好ましくは、Nd-Fe-B系磁石等の希土類系の異方性磁石である。
 尚、各成分の含有量は例えば、重量百分率でR(RはYを含む希土類元素のうちの1種又は2種以上):27.0~40.0wt%(好ましくは、28.0~35.0wt%、より好ましくは28.0~33.0wt%)、B:0.6~2wt%(好ましくは0.6~1.2wt%、更に好ましくは0.6~1.1wt%)、Fe(好ましくは電解鉄):残部(少なくとも65wt%以上)とする。また、磁気特性向上の為、Co、Cu、Al、Si、Ga、Nb、V、Pr、Mo、Zr、Ta、Ti、W、Ag、Bi、Zn、Mg等の他元素や不可避不純物を少量含んでも良い。そして、希土類焼結磁石1は後述のように圧粉成形により成形された磁石粉末の成形体や磁石粉末と高分子樹脂とが混合された混合物(スラリー又はコンパウンド)を成形した成形体に対して磁場配向した後に、焼結及び着磁することによって作製される。
 ここで、希土類焼結磁石1は例えば直方体形状等の各種形状を有する永久磁石である。尚、図1及び図2に示す希土類焼結磁石1は直方体形状を備えるが、希土類焼結磁石1の形状は用途に応じて任意に変更することが可能となる。例えば直方体形状、台形形状、蒲鉾型形状、扇型形状とすることが可能である。
 但し、厚み方向と幅方向を含む面と平行方向に切断した際の断面形状が、少なくとも非円形を有する形状とする。なお、本明細書における“非円形”とは、断面の外周が円以外である形状を意味し、例えば、所謂リング形は“非円形”には含まれない。“非円形”は、例えば矩形(正方形でも長方形でも良い)、台形、蒲鉾型、扇型等となる。図1及び図2に示す希土類焼結磁石1は矩形となる。
 また、図1及び図2に示す希土類焼結磁石1を構成する各面の内、特に、最も高い表面磁束密度を示す領域を含む面を第一の表面2とする。図1に示す例ではA辺とB辺に囲まれる上方に位置する面が第一の表面2となる。言い換えれば、対向する面の組み合わせのなかで最大磁束密度の差が最も大きい組の内、最も高い表面磁束密度を示す領域を含む面を第一の表面2とする。同じく図2に示す例においてもA辺とB辺に囲まれる上方に位置する面が第一の表面2となる。尚、第一の表面2は、着磁後において磁極を有する。一方で、第一の表面2と対向する位置(裏側)にある第一の表面2に比べて低い磁束密度を示す領域を含む面を第二の表面3とする。また、第一の表面2(表面)の最大磁束密度の絶対値を第二の表面(裏面)の最大磁束密度の絶対値で除した値(表面の最大磁束密度の絶対値/裏面の最大磁束密度の絶対値)は4倍以上であることが好ましく、より好ましくは5倍以上である。第一の表面2に選択的に磁束を生じることで前記範囲の希土類焼結磁石1となり、製造された希土類焼結磁石を用いた発電機やモータでは、発電量やトルクの増加、小型化、軽量化が可能となる。
 また、本実施形態の希土類焼結磁石1では、第一の表面2に対する交差方向の厚み(即ちC辺の長さ)は1.5mm~6mmであり、更に好ましくは1.5mm~5mmとする。本実施形態では、極異方性配向を有することによって、厚み範囲を上記範囲とした場合であっても、特に第一の表面2において顕著に大きな表面磁束密度の最大値が得られる。
 また、一例として希土類焼結磁石1のA辺の長さは、好ましくは5mm~40mmであり、更に好ましくは10mm~30mmである。第B辺の長さは、好ましくは5mm~100mmであり、更に好ましくは5mm~50mmである。特にA辺の長さ(非円形の断面の厚み方向と交差する方向の長さに相当)に対するC辺の長さ(厚み)の比率が0.1~0.3の範囲にあるのが望ましく、より望ましくは、0.1~0.25の範囲である。この範囲とすることで最大磁束密度の増加率を大きくしつつ、最大磁束密度の最大値も大きくすることが可能である。
 また、希土類焼結磁石1に含まれる磁石材料粒子の磁化容易軸の配向方向は、極異方性配向されている。具体的には、磁化容易軸の配向方向が例えば図1及び図2に示すように特定の一方向(例えば図1及び図2では左右方向)に沿って連続的に変化する配向をいう。上記極異方性配向は、希土類焼結磁石1の全体が有してもよいし、一部分のみが有してもよい。また、磁化容易軸の変化開始点の角度や磁極の数についても適宜変更することが可能である。
 以下に、図1及び図2を用いて希土類焼結磁石1の極異方性配向についてより詳細に説明する。以下の説明では、図1及び図2の左側に位置するB辺とC辺からなる面を左端部とし、右側に位置するB辺とC辺からなる面を右端部として説明する。
 図1に示す希土類焼結磁石1の極異方性配向は、好ましくは、左端部から右端部までを100%とした場合の10%以下の寸法領域では、図3に示すように磁化容易軸の配向方向θが0°±20°である領域を含む。尚、A辺の左端部から右端部への方向を基準角度(0度)とする。同じく右端部から左端部までを100%とした場合の10%以下の寸法領域についても、図3に示すように磁化容易軸の配向方向が0°±20°である領域を含む。
 また、図4に示すように右(左)端部から左(右)端部までを100%とした場合の40~60%の寸法領域(中央領域)では、磁化容易軸の配向方向θが90°±20°である領域を含む。
 また、更に好ましくは図5に示すように左端部から右端部までを100%とした場合の20~30%の寸法領域では、磁化容易軸の配向方向が45°±20°である領域を含む。また、右端部から左端部までを100%とした場合の20~30%の寸法領域では、磁化容易軸の配向方向が135°±20°である領域を含む。
 以上のような配向を有する図1に示す希土類焼結磁石1は、着磁後において第一の表面2の中央付近にN極又はS極が形成される。例えば、図6に示す例ではN極が形成される。そして、A辺に沿って設定した測定ライン10に沿って第一の表面2の法線方向の表面磁束密度を測定した場合には、図6に示すような山形の表面磁束密度分布を示す。特に、測定ライン10を磁石表面から1mmの距離とすると、表面磁束密度の最大値は350mT~600mTの範囲であり、好ましくは400~600mTであり、更に好ましくは450~600mTである。図1に示す希土類焼結磁石1では中央付近で表面磁束密度の最大値を示す。尚、表面磁束密度分布は測定ライン10をB辺方向に沿って移動させたとしても高い一致性を有する。即ち測定ライン10をA辺付近に設定しても、A辺から離れた中央付近に設定してもほぼ同形状の表面磁束密度分布が得られる。また、表面磁束密度分布は、測定ライン10の中心を通る軸(表面磁束密度の最大値を通る軸)を中心に高い対称性(線対称)を有する。
 一方、図2に示す希土類焼結磁石1の極異方性配向は、好ましくは、左端部から右端部までを100%とした場合の10%以下の寸法領域では、図7に示すように磁化容易軸の配向方向θが90°±20°である領域を含む。同じく同じく右端部から左端部までを100%とした場合の10%以下の寸法領域についても、図7に示すように磁化容易軸の配向方向が90°±20°である領域を含む。
 また、図8に示すように右(左)端部から左(右)端部までを100%とした場合の40~60%の寸法領域(中央領域)では、磁化容易軸の配向方向θが0°±20°である領域を含む。
 また、更に好ましくは図9に示すように左端部から右端部までを100%とした場合の20~30%の寸法領域では、磁化容易軸の配向方向が135°±20°である領域を含む。また、右端部から左端部までを100%とした場合の20~30%の寸法領域では、磁化容易軸の配向方向が45°±20°である領域を含む。
 以上のような配向を有する図2に示す希土類焼結磁石1は、着磁後において第一の表面2の左右端部にN極とS極が形成される。例えば、図10に示す例では左端部にS極、右端部にN極が形成される。そして、A辺に沿って設定した測定ライン10に沿って第一の表面2の法線方向の表面磁束密度を測定した場合には、図10に示すような正弦波的な表面磁束密度分布を示す。特に、測定ライン10を磁石表面から1mmの距離とすると、表面磁束密度の最大値は350mT~600mTの範囲であり、好ましくは400~600mTであり、更に好ましくは450~600mTである。図2に示す希土類焼結磁石1では左端部付近及び右端部付近で表面磁束密度の最大値を示す。尚、表面磁束密度分布は測定ライン10をB辺方向に沿って移動させたとしても高い一致性を有する。即ち測定ライン10をA辺付近に設定しても、A辺から離れた中央付近に設定してもほぼ同形状の表面磁束密度分布が得られる。また、表面磁束密度分布は、測定ライン10の中心点(表面磁束密度が0となる点)を中心に高い対称性(点対称)を有する。
[リニアモータの構成]
 次に、上述した希土類焼結磁石1を用いたリニアモータ15について説明する。リニアモータ15は、図11に示すように固定子16と、固定子16の上面側に対向して配置され、固定子16上を磁極の配列方向(図11の左右方向)に沿って相対移動する可動子17とから基本的に構成される。特に図11では図2に示す希土類焼結磁石1を用いた例を示す。尚、図11では、特にリニアモータとして電機子可動形リニア直流モータを例に挙げて説明するが、他のリニアモータ(例えばリニア誘導モータ、リニア同期モータ、コイル可動形リニア直流モータ、磁石可動形リニア直流モータ)に対しても本発明は適用可能である。
 また、可動子17は、希土類焼結磁石1とエアギャップを介して対向する面に電機子が配置される。電機子は、電磁鋼板等の磁性材料からなる可動子コア18と、可動子コア18に巻装された複数の巻線19とから基本的に構成される。更に、可動子コア18は、ヨークと、ヨークから一方向に突出する複数のティースからなり、巻線19はティースに巻き付けられている。
 一方、固定子16は前述したように可動子17に対向する面に複数の希土類焼結磁石1が配置される。特に第一の表面2が可動子17と対向するように配置される。尚、配置される複数の希土類焼結磁石1の間は、隙間を設けても良いし、隙間をなくしても良い。更に、隙間を設けない場合においては複数の希土類焼結磁石1は互いに接着剤などで接着しても良い。
 また、希土類焼結磁石1の背面には磁路を構成する為のバックヨークについても配置される。そして、複数の希土類焼結磁石1は、S極とN極とが可動子17の移動方向に沿って交互に配置されるように着磁される。
 そして、このような構成において、可動子17の巻線19に電流を印加すると、固定子16と可動子17との間に磁気による吸引力と反発力が生じ、可動子17が固定子16上を移動する。特に、本発明では固定子16の希土類焼結磁石1が極異方性配向を有することによって、厚みに対する表面磁束密度の最大値の比率が大きくなるので、希土類焼結磁石1の厚みを薄くしても(例えば1.5mm~6mmとしても)高トルクを得ることができる。
[希土類焼結体及び希土類焼結磁石の製造方法]
 次に、本発明に係る希土類焼結磁石1及びその前駆体である希土類焼結体の製造方法の一実施形態について説明する。
 希土類焼結磁石1は、例えば、以下の工程(1)~(6)を含む方法で製造される。(1)希土類磁石用原料合金(以下、磁石合金)を微粉砕する工程、(2)微粉砕された磁石粉末に高分子樹脂を混合し、直方体形状に成形する工程、(3)成形体に環状磁場の一部を10ミリ秒以下で印加して、磁石材料粒子の磁化容易軸を極異方性配向させる工程、(4)極異方性配向した成形体を仮焼する工程、(5)仮焼体をB辺と平行方向(即ち磁化容易軸の配向方向と交差する方向)に加圧しながら、焼結して希土類焼結体を得る工程、(6)希土類焼結体に、環状磁場を印加して着磁する工程。
 工程(1)の粉砕工程は、例えばジェットミル粉砕装置により行う。粉砕後の磁石粉末の中心粒子径は、好ましくは1μm~5μmである。磁石合金は、好ましくは、高い磁気特性が得られる希土類-鉄-ボロン系焼結磁石である。
 工程(2)の混合工程は、混練装置により行う。一方、成形工程は、焼結時の磁石の体積減少を考慮して設計された直方体形状を有する金型が使用できる。一方、磁石粉末に混合される高分子樹脂は、磁石合金を酸化させない材料で、磁石粉末と混合した際に、適度な粘度を付与する材料が使用できる。成形工程によって成形された成形体の厚みは、1.5mm~6mmであり、更に好ましくは1.5mm~5mmとする。このような厚み範囲とすることで、環状磁場を印加した際に、磁石材料粒子の磁化容易軸の配向性が顕著に良好となる。
 前記高分子樹脂としては、例えば、解重合性のあるポリマーが挙げられる。このようなポリマーとして、例えばイソブチレンの重合体であるポリイソブチレン(PIB)、イソプレンの重合体であるポリイソプレン(イソプレンゴム、IR)、ポリプロピレン、α-メチルスチレンを重合させたポリ(α-メチルスチレン)、ポリエチレン、1,3-ブタジエンの重合体であるポリブタジエン(ブタジエンゴム、BR)、スチレンの重合体であるポリスチレン、スチレンとイソプレンの共重合体であるスチレン-イソプレンブロック共重合体(SIS)、イソブチレンとイソプレンの共重合体であるブチルゴム(IIR)、スチレンとブタジエンの共重合体であるスチレン-ブタジエンブロック共重合体(SBS)、スチレンとエチレン、ブタジエンの共重合体であるスチレン-エチレン-ブタジエン-スチレン共重合体(SEBS)、スチレンとエチレン、プロピレンの共重合体であるスチレン-エチレン-プロピレン-スチレン共重合体(SEPS)、エチレンとプロピレンの共重合体であるエチレン-プロピレン共重合体(EPM)、エチレン、プロピレンとともにジエンモノマーを共重合させたEPDM、2-メチル-1-ペンテンの重合体である2-メチル-1-ペンテン重合樹脂、2-メチル-1-ブテンの重合体である2-メチル-1-ブテン重合樹脂等が挙げられる。また、高分子樹脂として用いるポリマーとしては、酸素原子、窒素原子を含むモノマーの重合体又は共重合体(例えば、ポリブチルメタクリレートやポリメチルメタクリレート等)を少量含む構成としても良いが、酸素原子、窒素原子を含まないポリマーが好ましい。酸素原子や窒素原子を含まない樹脂を用いることで磁石材料粒子の汚染を抑制することができ、残留磁束密度や保磁力などの磁気特性が低下することを防止することができる。
 高分子樹脂は、磁石材料粒子と高分子樹脂の合計量に対する高分子樹脂の比率が、1wt%~40wt%、より好ましくは3wt%~30wt%、さらに好ましくは3wt%~15wt%となるように添加する。前記範囲とすることで磁石材料粒子をコンパウンド中に均一分散することが可能であり、磁石材料粒子の粗密を解消することができる。また、磁石材料粒子と、高分子成分とオイル成分を含めた有機材料成分の合計量に対する磁石材料粒子の体積分率が50~60%であることが好ましい。前記範囲とすることで磁石材料粒子をコンパウンド中に均一分散することが可能であり、磁石材料粒子の粗密を解消することができる。
 工程(3)の環状磁場印加工程は、多層コイルと高容量コンデンサーとを備えるパルス磁場発生装置が使用できる。極異方性配向は、大容量コンデンサーに蓄えた電流を瞬間的に多層コイルに流し、A辺とC辺からなる面に対して平行方向に磁場を印加することによって実現できる。この際の最大電流は、例えば、8kA~16kAであり、パルス幅は、例えば、0.3ミリ秒~10ミリ秒である。環状パルス磁場印加は、複数回行ってもよい。このような方法を用いることで、成形体の厚みが上記範囲にあったとしても大きな表面磁束密度の最大値(例、350mT以上)が得られる。また、前記極異方性配向する工程は、磁石材料粒子と高分子樹脂とが混合された混合物のパルス磁場を印加する温度での溶融粘度が900Pa・s以下になる温度で実施され、更に好ましくは700Pa・s以下、特に好ましくは300Pa・s以下である。300Pa・s以下とすることで磁場印加回数が1回であっても配向度を93%以上とすることが可能である。印加されるパルス磁場強度は2T以上が好ましく、より好ましくは3T以上である。前記磁場強度で配向を行うことで、混合物であっても配向度を高めることができる。
 工程(4)の仮焼工程は、本焼結する前に成形体に含まれる有機成分(高分子樹脂)を離脱させるために行われる。その仮焼条件は、例えば、大気圧よりも加圧した水素雰囲気下で、400℃~600℃とする。
 工程(5)の焼結工程は、仮焼後の成形体をグラファイト型に収めて、B辺と平行方向(即ち磁化容易軸の配向方向と交差する方向)に焼結収縮が生じるように、成形体を焼成温度(例えば700~1000℃)まで昇温しながらB辺と平行方向(即ち磁化容易軸の配向方向と交差する方向)に加圧しながら加熱することにより行われる。尚、焼結方法としては例えばホットプレス焼結やSPS焼結等が用いられる。このような方法により、環状磁場印加により得られた極異方性配向を、焼結後も良好に維持することができる。加圧値は、好ましくは3MPa~20MPaである。尚、上記工程(5)までの工程を行うことによって希土類焼結磁石1の前駆体である希土類焼結体が製造される。
 工程(6)の着磁工程は、工程(3)と同様の装置を着磁器として使用できる。着磁とは、工程(5)により焼結した希土類焼結体に外部磁場を印加して、磁化を持たせる工程である。パルス幅は、不十分な着磁となることを避けるために、数ミリ秒幅に大きくすることが好ましい。
 以下に、本発明の実施例について比較例と比較しつつ説明する。
(実施例1)
 ネオジム・鉄・ボロン系合金をジェットミル粉砕装置で中心粒子径が3μmとなるように粉砕し、粉砕後の磁石粉末に、スチレン・イソプレンブロックコポリマー(SIS樹脂:日本ゼオン株式会社製 Q3390)を混合し、A辺×B辺×C辺=19mm×14mm×4mmの金型に充填して成形した。具体的には、磁石粉末100重量部に対して、SBS樹脂を4重量部、1-オクタデシンを1.5部、1-オクタデセンを4.5部混合し、磁粉とバインダー成分からなるコンパウンドを調製した。この成形体に、多層コイルと高容量コンデンサーとを備えるパルス磁場発生装置を用いて、環状磁場の一部を0.7ミリ秒以下で、A辺とC辺からなる面に対して平行方向に印加し、これを3回繰り返して、磁石材料粒子の磁化容易軸を図2のように極異方性配向させた。なお、環状磁場を印加した時のコンパウンドの温度は120℃であった。極異方性配向した成形体は、0.8MPaの加圧水素雰囲気下で、500℃で仮焼した。この仮焼体をグラファイト型に収めて、B辺と平行方向に加圧しながら、1000℃で焼結して、A辺が19mm、B辺が6.8mm、C辺(厚み)が4mmの希土類焼結体(磁石前駆体)を得た。この希土類焼結体を、パルス磁場発生装置を着磁器として用いて、最大磁束密度がほぼ飽和するまで着磁し、希土類焼結磁石を得た。
(比較例1)
 A辺が20mm、B辺が20mm、C辺(厚み)が4mmの寸法であり、磁化容易軸の配向方向がC辺と平行な焼結ネオジム磁石(材質N40)をネオマグ株式会社より購入した。
(比較例2)
 C辺が10mmである、比較例1と同様の焼結ネオジム磁石をネオマグ株式会社より購入した。
 (実施例2、3)
 コンパウンドの成形寸法を変更した以外は実施例1と同様にして実験を行った。なお、実施例2では19mm×14mm×2mmの金型、実施例3では19mm×14mm×6mmの金型を用いて成形を行った。それに伴い、希土類焼結体のC辺(厚み)はそれぞれ2mm、6mmとなった。
 (実施例4)
 実施例1とは異なり、バインダー成分として、スチレン・ブタジエンエラストマー(SBS樹脂 JSR株式会社製 TR2250)を使用した。具体的には、磁石粉末100重量部に対して、SBS樹脂を5重量部、1-オクタデシンを1.2部、1-オクタデセンを3.6部混合し、磁粉とバインダー成分からなるコンパウンドを調製した。
 また、実施例1とは異なり、磁場を印加する配向温度は150℃とし、磁場印加回数は5回とした。その他の条件は、実施例1と同様にして実験を行った。
 (実施例5)
 実施例1とは異なり、バインダー成分として、スチレン・ブタジエンエラストマー(SBS樹脂 JSR株式会社製 TR2003)を使用した。具体的には、磁石粉末100重量部に対して、SBS樹脂を4.9重量部、1-オクタデシンを1.2部、1-オクタデセンを3.6部を混合し、磁粉とバインダー成分からなるコンパウンドを調製した。
 また、実施例1とは異なり、磁場を印加する配向温度は150℃とし、磁場印加回数は5回とした。その他の条件は、実施例1と同様にして実験を行った。
 (実施例6)
 実施例1とは異なり、バインダー成分として、スチレン・ブタジエンエラストマー(SBS樹脂 JSR株式会社製 TR2003)を使用した。具体的には、磁石粉末100重量部に対して、SBS樹脂を4重量部、1-オクタデシンを1.5部、1-オクタデセンを4.5部を混合し、磁粉とバインダー成分からなるコンパウンドを調製した。
 また、実施例1とは異なり、磁場を印加する配向温度は150℃とし、磁場印加回数は5回とした。その他の条件は、実施例1と同様にして実験を行った。
 (参考例)
 コンパウンドの成形寸法を変更した以外は実施例1と同様にして実験を行った。なお、比較例3では19mm×14mm×10mmの金型を用いて成形を行った。それに伴い、希土類焼結体のC辺(厚み)は10mmとなった。
 <評価>
 [表面磁束波高値]
 上記実施例及び比較例1、2の希土類焼結磁石を、アイエムエス製の三次元磁界ベクトル分布測定装置(MTX-5R)により、表面磁束密度を測定した。測定は、非磁性体の固定治具を用いて磁石単体の表面磁束密度を測定した。また、図12に示すように第一の表面2から1mmの距離における表面磁束密度を、B辺中心を通るA辺と平行に設定した測定ライン10に沿って測定を行った。尚、測定は、磁束密度が高い第一の表面2以外に、その反対側にある磁束密度が低い第二の表面3に対しても行った。
 また、0.004mm毎にサンプリングする設定とし、磁石表面から法線方向に対する磁束密度を測定した。その結果を以下に示す。また、特に実施例の表面磁束密度分布を図13に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 実施例1の表面磁束密度の最大値(絶対値)は、第一の表面2では473mTであり、一方で第二の表面3では95mTであった。第一の表面2における表面磁束密度の最大値(絶対値)と磁束疎面での表面磁束密度の最大値(絶対値)の比は5.0倍であった。このことから、本実施例の希土類焼結磁石1は、第一の表面2の磁束密度が第二の表面3に対して非常に高いことが分かった。磁束を片面にのみ効率的に集中していることが分かった。
 また、実施例1~6の希土類焼結磁石1は、特に第一の表面2に対する交差方向の厚みが1.5mm~6mmの範囲にあって、且つ第一の表面2の表面磁束密度の最大値が350mT~600mTの範囲にある。そして、第一の表面2における表面磁束密度の最大値を磁石厚みで除した値は90mT/mm以上であり、単位厚みあたりの表面磁束密度が高い磁石であることが分かった。第一の表面2における表面磁束密度の最大値を磁石厚みで除した値はより好ましくは100mT/mm以上であり、更に好ましくは110mT/mm以上である。
 また、同寸法である厚み方向にパラレル配向された希土類焼結磁石の最大磁束密度に対する各実施例の最大磁束密度の増加率では、各実施例において少なくとも1.8倍以上の増加率を示しており、パラレル配向に比べて最大磁束密度が大幅に増加できていることが分かった。
 一方で、比較例1~2は第一の表面2に対する交差方向の厚みが1.5mm~6mmの範囲にある場合には、第一の表面2の表面磁束密度の最大値が350mTより小さい。一方で、第一の表面2の表面磁束密度の最大値が350mT~600mTの範囲にある場合においては、第一の表面2に対する交差方向の厚みが6mmより大きくなる。即ち、単位厚みあたりの表面磁束密度が低い磁石であり、必要な表面磁束密度(350mT~600mT)を達成する為には大きな厚みが必要であることが分かる。また、参考例では、実施例と同様の極異方性配向を有する希土類焼結磁石であるが、第一の表面2に対する交差方向の厚み10mmであっても最大磁束密度は591mTに留まる。つまり、第一の表面2における表面磁束密度の最大値を磁石厚みで除した値は59mT/mmであり、単位厚みあたりの表面磁束密度が低い磁石であることが分かった。
 〔B辺方向の一致性〕
 更に、第一の表面2の測定ラインに沿った磁束密度分布について、測定ラインをB辺方向に沿って移動させた場合における一致性について評価を行った。先ず、図14に示すように、B辺を4等分し、中央の第1の測定ライン10以外に、手前側の第2の測定ライン11と奥側の第3の測定ライン12について、それぞれ第1の測定ライン10と同様にA辺と平行な方向に磁石表面から1mm離れた位置に設定した。そして、第2の測定ライン11及び第3の測定ライン12の各端部からもう一方の端部まで0.004mm毎にサンプリングする設定とし、磁石表面から法線方向に対する磁束密度を測定した。そして、第2の測定ライン11で得られた表面磁束密度aと第3の測定ライン12で得られた表面磁束密度bを用いて、磁束密度分布の一致性を算出した。
 具体的には、測定ラインに沿った片方の磁石端部からの距離をxとし、片方の磁石端部から距離xだけ移動した測定地点での表面磁束密度aがFa(x)、表面磁束密度bがFb(x)で表されるとすると、表面磁束の一致性Pは、下式(1)で表される。なお、式中Nは、測定点の数(19mm/0.004mm)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 その結果、上記表1に示すようにB辺方向に対する表面磁束密度分布の一致性は実施例1では0.11であり、一致性が非常に高いことが分かった。これはコンパウンド材料に対してパルス磁場配向をさせることで配向の精度が高くしつつ磁石材料粒子の粗密を解消し、また、加圧焼結でそれを保持しながら焼結できることにより、表面磁束密度の一致性が向上していると考えられる。表面磁束密度分布の一致性は好ましくは0.5以下であり、より好ましくは0.3以下である。
 〔測定ラインに沿った対称性〕
 更に、第一の表面2の測定ラインに沿った磁束密度分布について、測定ラインに沿った対称性について評価を行った。先ず、図12に示す測定ライン10の端部からもう一方の端部まで0.004mm毎にサンプリングする設定とし、磁石表面から1mm離れた位置の表面磁束を測定した。得られた表面磁束密度の絶対値に対して、表面磁束密度の対称性を算出した。
 具体的には、測定ラインに沿って中央部(即ち表面磁束密度が0となる地点)からの距離をxとした場合、幅方向中央から一方の磁石端部へと距離xだけ移動した測定地点における表面磁束密度をFc(x)、幅方向中央から他方の磁石端部へと距離xだけ移動した測定地点における表面磁束密度をFd(x)で表されるとすると、表面磁束密度分布の対称性Qは、下式(2)で表される。なお、式中Nは、各方向の測定点の数(9.5mm/0.004mm)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 その結果、上記表1に示すように測定ラインに沿った表面磁束密度分布の対称性は実施例1では0.27であり、対称性が非常に高いことが分かった。これはコンパウンド材料に対してパルス磁場配向をさせることで配向の精度が高くしつつ磁石材料粒子の粗密を解消し、また、加圧焼結でそれを保持しながら焼結できることにより、表面磁束密度の対称性が向上していると考えられる。表面磁束密度分布の対称性は好ましくは1.5以下であり、より好ましくは1.0以下であり、更に好ましくは0.5以下である。
 [コンパウンド溶融粘度]
 東洋精機製作所製のキャピログラフ1DPMD―Cにより、溶融粘度を測定した。加熱したシリンダー中で溶融した樹脂を、一定速度で押し出し、その荷重をロードセルによって検出した。また、下記の(3)式~(6)式に基づき溶融粘度η(Pa・s)を算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、Qは体積流量(mm/s)であり、Aはピストンの断面積(mm)であり、vはピストンの速度(mm/s)であり、γは見掛けのせん断速度(s-1)であり、Dはキャピラリ内径(mm)であり、τは見掛けのせん断応力(Pa)であり、pは検出荷重(Pa)であり、Lはキャピラリ長さ(mm)である。せん断速度γは243s-1、L/Dは1/10で測定した。
 実施例1~6では、磁場を印加する時の温度である配向温度におけるコンパウンドの溶融粘度が900Pa・s以下となっている。配向時のコンパウンドの溶融粘度が低下することで印加される磁場に対して磁粉が回動しやすくなることで、コンパウンド中に含まれる各磁粉の配向バラツキを抑制することが可能となる。その結果、得られる希土類磁石焼結体の最大磁束密度を向上することができ、第一の表面2に対する交差方向の厚みが1.5mm~6mmの範囲にあって、且つ第一の表面2の表面磁束密度の最大値が350mT~600mTの範囲にある希土類磁石焼結体が作製できる。また、コンパウンドとすることで磁石材料粒子を均一分散させることが可能となり、磁石材料粒子の粗密を抑制することが可能となる。その結果、表面磁束密度分布の部位によるバラツキが小さくなり、結果として、表面磁束密度分布の対称性や一致性が高くなる。
 [コンパウンドショアA硬度]
 上島製作所製のショアA硬度計(HD―1100)により、ショアA硬度を測定した。金型を用いた圧縮成形で作製した厚み4mm程度のコンパウンドを2枚重ねた試料の面内で6mm以上離れた位置5点で硬度計を押し込み、押し込んでから15秒後に目盛の指す値を読み取った。測定した5点の中央値をコンパウンドのショアA硬度とした。
実施例1~6では、室温でのショアA硬度がA30以上となっていることが分かった。この硬度以上とすることで室温での金型からの離型性が向上し、生産性を向上することが可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 配向時の温度におけるコンパウンド溶融粘度を900Pa・s以下とし、室温でのショアA硬度をA30以上とすることで、最大磁束密度の向上と金型からの離型性を両立することが可能となった。前記のような物性を示すコンパウンドは、例えば、樹脂中に含まれる熱可塑性部位の含有率が40%以上である樹脂を用いることで達成される。熱可塑性部位は例えばスチレン、プロピレン、エチレンのことを指す。実施例1~6では、樹脂中における熱可塑性部位であるスチレン含有比が40%以上である樹脂を用いることで前記コンパウンド物性が達成される。スチレンのような室温では硬く、高温では溶融する部位が40%以上含まれることで、最大磁束密度の向上と金型からの離型性を両立することが可能となる。熱可塑性部位が多すぎる場合にはコンパウンドが非常に脆くなり、保形が困難となるため、樹脂中における熱可塑性部位の含有率は80%以下が好ましく、より好ましくは60%以下である。また、磁粉をコンパウンド中に均一分散することも必要であり、末端に三重結合を有する炭化水素系材料を添加することが望ましい。
 (参考例:パラレル配向磁石の配向度)
 コンパウンドに印加するパルス磁場をC辺(厚み)方向に平行な一様なパラレル磁場に変更し、コンパウンド組成と配向条件を表3のように変更した以外は実施例1と同様にして実験を行った。なお、焼結は加圧力を作用させることなく、減圧雰囲気にて1000℃で焼結させることで行った。配向度は希土類焼結磁石に対して80kOeの磁場を印加したときのJsに対する、Brの割合(Br/Js×100[%])を示す。
 パルス状磁場を印加する時のコンパウンド温度である配向温度におけるコンパウンドの溶融粘度が900Pa・s以下の場合に、希土類焼結磁石の配向度が93%以上となることが分かる。コンパウンド溶融粘度が低下することで磁粉が回動しやすくなり、パルス状磁場の方向に沿って、磁粉が配向され易くなるためと考えられえる。また、パルス状磁場の印加回数が多いほど配向度は向上しやすい傾向にあるが、生産性を考えると少ない磁場印加回数であることが好ましい。コンパウンド溶融粘度をより低くすることでパルス状磁場の印加回数が少なくとも配向度を向上させやすくなる。よって、配向時の温度におけるコンパウンド溶融粘度は、好ましくは900Pa・s以下、更に好ましくは700Pa・s以下、特に好ましくは300Pa・s以下である。300Pa・s以下とすることで磁場印加回数が1回であっても配向度を93%以上とすることが可能である(図15)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
 (参考例:室温におけるコンパウンドのショアA硬度と離型性の関係)
 配向時の温度におけるコンパウンド溶融粘度が低くなるほど配向度は向上するが、金型からのコンパウンド離型性は悪くなる傾向にある。つまり、低粘度化されたコンパウンドは金型表面への濡れ性が向上するとともに、タック性が発現するため、配向後のコンパウンドを金型から取り出すことが困難となり、生産性が大きく低下する。
 離型性を向上させるためには室温におけるショアA硬度を大きくする(つまり硬くする)ことが有効であることが分かった(表5)。室温(23℃)におけるショアA硬度をA30以上とすることで金型へのコンパウンド付着重量割合を1%以下とすることができ、A40以上とすることで0.3%以下とすることができ、A50以上とすることで付着を無くすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
 尚、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。
 例えば、磁石粉末の粉砕条件、混練条件、磁場配向工程、仮焼工程、焼結工程などは上記実施例に記載した条件に限られるものではない。例えば、上記実施例ではジェットミルによる乾式粉砕により粉砕しているが、ビーズミルを用いた湿式粉砕により磁石原料を粉砕しても良い。また、仮焼工程を行う際の雰囲気は非酸化性雰囲気であれば水素雰囲気以外(例えば窒素雰囲気、He雰囲気等、Ar雰囲気等)で行っても良い。更に、大気圧や大気圧よりも低い圧力化で仮焼工程を行っても良い。また、仮焼工程を省略しても良い。その場合には、焼結工程の過程で有機成分(高分子樹脂)が除去されることとなる。
 また、本実施の形態ではNd-Fe-B系磁石を例に挙げて説明したが、他の磁石(例えばコバルト磁石、アルニコ磁石、フェライト磁石等)を用いても良い。
  本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
 本願は、2017年4月7日に出願した日本国特許出願2017-076612号に基づく優先権を主張するものであり、同日本国出願の全内容を本願に参照により援用する。
  1     希土類焼結磁石
  2     第一の表面
  3     第二の表面
  10~12 測定ライン
  15    リニアモータ
  16    固定子
  17    可動子
  18    可動子コア
  19    巻線

Claims (14)

  1.  複数の磁石材料粒子が焼結された希土類焼結磁石であって、
     表面磁束密度の最大値が350mT~600mTの範囲にあって、
     厚みが1.5mm~6mmの範囲にあって、
     前記厚み方向に平行な断面が非円形であり、
     前記断面において前記磁石材料粒子の磁化容易軸が極異方性配向した領域を有する希土類焼結磁石。
  2.  前記非円形の断面の前記厚み方向と交差する方向の長さに対する前記厚みの比率が0.1~0.3の範囲にある請求項1に記載の希土類焼結磁石。
  3.  厚み方向に平行な断面が非円形である、極異方性配向された領域を有する希土類焼結体の製造方法であって、
     磁石粉末および高分子樹脂を含む混合物を成形することにより得られた成形体に対してパルス磁場を印加することにより成形体における少なくとも一部領域を極異方性配向する工程と、
     極異方性配向された前記成形体を焼結する工程と、を有する希土類焼結体の製造方法。
  4.  希土類焼結体の製造方法であって、
     磁石粉末および高分子樹脂を含む混合物を成形することにより得られた成形体に対してパルス磁場を印加することにより、成形体における少なくとも一部領域を配向する工程と、
     配向された前記成形体を焼結する工程と、
     を有し、
     前記混合物の室温でのショアA硬度がA30以上であり、
     前記配向する工程は、前記混合物の溶融粘度が900Pa・s以下になる温度で実施される、希土類焼結体の製造方法。
  5.  前記配向する工程は、成形体における少なくとも一部領域を極異方性配向する工程を有する、請求項4に記載の希土類焼結体の製造方法。
  6.  パルス磁場を印加する成形体の厚みが1.5mm~6mmの範囲である、請求項3~4の何れか1項に記載の希土類焼結体の製造方法。
  7.  前記混合物の室温でのショアA硬度がA30以上である、請求項3に記載の希土類焼結体の製造方法。
  8.  前記極異方性配向する工程は、前記混合物の溶融粘度が900Pa・s以下になる温度で行う、請求項3または5に記載の希土類焼結体の製造方法。
  9.  前記極異方性配向する工程は、前記混合物の溶融粘度が300Pa・s以下になる温度で行う、請求項3または5に記載の希土類焼結体の製造方法。
  10.  焼結する工程は、前記成形体を加圧下で焼結する請求項3~9の何れか1項に記載の希土類焼結体の製造方法。
  11.  前記高分子樹脂はヘテロ原子を含まない炭化水素系樹脂である、請求項3~10の何れか1項に記載の希土類焼結体の製造方法。
  12.  前記混合物における磁粉粉末の含有量が50~60体積%である、請求項3~11の何れか1項に記載の希土類焼結体の製造方法。
  13.  前記成形体を焼結する工程の後、さらに、
     焼結体を着磁する工程
     を有する、請求項3~12の何れか1項に記載の希土類焼結体の製造方法。
  14.  直線方向に配列された一又は複数の請求項1又は請求項2に記載の希土類焼結磁石と、
     前記希土類焼結磁石とエアギャップを介して対向する電機子と、を備え、
     前記希土類焼結磁石と前記電機子の一方を固定子とし、他方を可動子として、前記固定子と前記可動子が相対移動するリニアモータ。
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