(57)【要約】      （修正有）【課題】径方向空隙型の微小電気機械に適した４極以上の多極化へ対応可能で、かつ高速回転下での渦電流遮断性を備えたロータ磁石において、残留磁化Ｍｒが０．４２Ｔ〜０．７Ｔであり、さらにＭｒを高めること。【解決手段】ロータ磁石５をＲ-ＴＭ-Ｂの結晶化により、磁気的に等方性であり、かつ残留磁化Ｍｒが０．９５Ｔ以上の着磁性に優れたナノ複合多結晶集合組織の厚膜積層体とし、必要に応じて、磁界中冷却による面内多極磁化を施す。特に、パルスレーザディポジッション(ＰＬＤ)を用いたナノ構造のマニュピュレーション技術によって、人工的に制御されたαＦｅとＲ-ＴＭ-Ｂとを１０３層以上、交互に積み上げたナノ複合組織を有する厚膜を作製する。【選択図】図４
2010051132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
αＦｅと、Ｒ−ＴＭ−Ｂ(ただし、Ｒは、ＮｄまたはＰｒであって、１０原子％〜２０原子％、Ｂは、５原子％〜２０原子％、ＴＭは、ＦｅまたはＦｅの一部を０原子％〜１６原子％の範囲でＣｏ置換したもの)とからなるナノ複合組織の厚膜を、残留磁化Ｍｒが０．９５Ｔ以上の磁気的に等方性のαＦｅとＲ２ＴＭ１４Ｂとのナノ複合多結晶集合組織の積層体とし、かつ、該厚膜面内に多極磁化を行う微小電気機械のロータ磁石の製造方法。
【請求項２】
パルスレーザディポジッション(ＰＬＤ)により、厚膜の平均堆積層の厚さが６０ｎｍ以下のαＦｅと、該平均堆積層の厚さ以下の前記Ｒ−ＴＭ−Ｂと、を交互に１０３層以上堆積した構成とする請求項1に記載の微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法。
【請求項３】
パルスレーザディポジッション(ＰＬＤ)により、平均堆積層の厚さが６０ｎｍ以下のαＦｅと、該平均堆積層の厚さが５ｎｍ〜２０ｎｍのＲ２ＴＭ１４Ｂと、を交互に１０３層以上堆積した構成とする請求項1に記載の微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法。
【請求項４】
前記厚膜の積層体を５００℃〜８００℃で結晶化したのち、冷却過程における５００℃〜３１０℃の範囲で極数に対応した数の永久磁石を規則的に配置した界磁による多極磁界中での冷却で、前記積層体を構成する全ての前記厚膜に対して面内多極磁化を行う請求項1から請求項３のいずれかに記載の微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小回転電気機械に係るロータ磁石の製造方法に関する。さらに詳しくは、高飽和磁化のαＦｅおよび高保磁力のＲ２ＴＭ１４Ｂ相からなる磁気的に等方性のナノ複合多結晶集合組織を有する厚膜を所定数積層し、前記厚膜の面内に多極磁化を施すロータ磁石の製造方法であって、高出力の径方向空隙型微小回転電気機械の提供を目的とするものに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電気機械の小型化に関して、例えば、情報通信機器分野に利用される回転電気機械では体積約１００ｍｍ３のものが製品化され普及している。これらの回転電気機械は、更なる小型化により、所謂Power MEMS(Power micro-electromechanical system)分野に係る磁気デバイスの一つとして動力、あるいは電力を発生するモータ、発電機などとしての市場創製が期待される。
【０００３】
例えば、特許文献１は、スロットを設けた導電円筒状壁を有する円筒状本体を励磁巻線とし、外径1ｍｍ以下、長さ２ｍｍ以下の径方向空隙型ブラシレスＤＣモータ(ＲＧ-ＢＬＭ)の血管内超音波走査システムへの応用が開示されている。また、特許文献２では、体内に位置する血液ポンプを駆動するために身体の脈管系内に導入できる外径８ｍｍ以下の流体冷却式ＲＧ-ＢＬＭが提案され、励磁巻線部分にＡｌ２Ｏ３を含有した樹脂モールドで熱放散性を高めることで、３０，０００(ｒ.p.m.)で出力５Ｗが得られるとしている。
【０００４】
上記に係る微小回転電気機械としては、例えば、放電加工したＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ焼結磁石を、外径０．７６ｍｍの２極ロータ磁石とし、ステータと組み合わせた体積４ｍｍ3、外径１．６ｍｍ、長さ２ｍｍのブラシレスＤＣモータ[非特許文献1]が知られており、更に、H.Raisigel、M.Nakano、伊東らにより、体積Ｖ＝６２ｍｍ３(外径６ｍｍ、長さ２．２ｍｍ)[非特許文献２]、体積２０ｍｍ３(外径５ｍｍ、長さ１)[非特許文献3]、並びに体積０．６ｍｍ３(外径 ０．８ｍｍ、長さ１．２ｍｍ)[非特許文献4]などが知られている。一方、それらの微小回転電気機械は、スケーリング則による体積減少に伴う著しいトルク減少が起こる。
しかしながら、機械出力Ｐ（Ｗ）は、定数ｋ=０．１０４７(＝π／３０)、回転数Ｎ(ｒ.p.m.)、およびトルクＴ(Ｎｍ)の積であるから体積削減に伴う回転電気機械の出力Pの減少は、高速回転化によって、ある程度の補完ができる。
【０００５】
上記のような微小回転電気機械のロータ磁石に関し、多くの提案がある。例えば、D.Hinzらは、７５０℃でダイアップセット（die upset）により、残留磁化Ｍｒ=１．２５Ｔ、保磁力ＨｃＪ＝１．０６ＭＡ／ｍ、（ＢＨ）ｍａｘ=２９０ｋＪ／ｍ３、厚さ３００μｍのＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ系磁石を示している[非特許文献5]。また、J.Delamereらは、１６極着磁したＳｍＣｏ系ロータ磁石、および対向するステータで、１００，０００（r.p.m.）としたとき０．００１ｍＮｍのトルク、或いは発電機として１５０，０００（r.p.m.）で駆動したとき1Ｗの電力が得られるとしている[非特許文献６]。また、ToepferらおよびT.Speliotisらは、直径１０ｍｍのＦｅＳｉ基板にスクリーン印刷した残留磁化Ｍｒ＝０．４２Ｔ、１５．８ｋＪ／ｍ３、厚さ５００μｍのＮｄ２Ｆｅ１４Ｂボンド磁石を、ロータ磁石とし、トルク０．０５５ｍＮｍの、所謂Power MEMSモータを報告している[非特許文献7]。
他方、微小回転電気機械の体積当たりのトルクは軸方向空隙型よりも径方向空隙型が有利である[非特許文献8]。このことから、ロータ磁石は素材本来の磁気ポテンシャルを十分に引出す径方向への多極磁化が必要となる。
【０００６】
ここで、一般の直流モータのような２極永久磁石界磁ではソレノイドコイルを用いた４ＭＡ／ｍ以上のパルス電流磁化が可能である。しかし、微小回転電気機械の高出力化はJ.Delamereらの１６極ロータに見られるような磁極数の増加が有利である[非特許文献6]。しかしながら、例えばロータ磁石で磁極間距離が１．５ｍｍ程度のとき、４極以上の多極磁化を行う場合、通常１ｔｕｒｎ／ｃｏｉｌの着磁ヨークを用いたパルス電流磁化を行うのが普通である。しかし、パルス電流波高値Ｉｐは、着磁ヨーク(導体)の耐久性から、当該導体の電流密度で概ね２５ｋＡ／ｍｍ２以下とされる。すなわち、ロータ磁石の磁極間距離が狭まると導体径が小さくなるため、許容パルス電流波高値Ｉｐが低下する。このため、ロータ磁石の小型化、多極化が進展すると不飽和磁化が避けられず、素材の磁気ポテンシャルを十分に引出す多極着磁が困難となる。
【０００７】
上記のような微小回転電気機械に用いるロータ磁石の微細着磁に関して、例えば、H.Komuraらは２−１７型Ｓｍ−Ｃｏ系焼結磁石で形成した界磁にメルトスパン法により得た等方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ磁石粉末(キュリー温度Ｔｃ=３２０℃)をエポキシ樹脂で固めた外径２．６ｍｍ、残留磁化Ｍｒ＝０．７Ｔ程度のボンド磁石を挿入し、当該磁石をＴｃ以上に加熱し、磁界中冷却することで１６極の多極磁化を施した。これにより、1 [ｔｕｒｎ／ｃｏｉｌ]の着磁ヨークを用いた通常のパルス電流磁化に比べて約３倍の磁束を得たとしている[非特許文献9]。
【０００８】
ところで、本発明に係るαＦｅとＲ２ＴＭ１４Ｂとのナノ複合多結晶集合組織を有する磁石に関しては、一般にＲ−ＴＭ−Ｂ系溶湯合金をメルトスパンし、αＦｅとＲ−ＴＭ−Ｂとの非晶質薄帯とし、次いで、当該薄帯を熱処理して結晶化する。溶湯合金の急冷凝固で得られる材料形態は、厚さ約１５μｍ〜４０μｍのメルトスパン薄帯など、粉末状に限定される。したがって、磁石として利用するには、何らかの手段で当該粉末を特定のバルクに固定化する必要がある。当該粉末を特定形状に固定化する手段としては、Toepferら、T.Speliotisら、およびH.Komuraらのように、もっぱらエポキシ樹脂のような結合剤と混合しボンド磁石とすることが行われる。
【０００９】
上記に対し、本発明に係る微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法では、αＦｅとＲ−ＴＭ−Ｂ(Ｒは、ＮｄまたはＰｒであって、１０原子％〜２０原子％、Ｂは、５原子％〜２０原子％、ＴＭは、ＦｅまたはＦｅの一部を０原子％〜１６原子％の範囲でＣｏ置換したもの)とのナノ複合組織の厚膜を、残留磁化Ｍｒ＝０．９５Ｔ以上の磁気的に等方性のαＦｅとＲ２ＴＭ１４Ｂのナノ複合多結晶集合組織の厚膜とし、更に当該厚膜から積層体を形成し、当該厚膜の面内多極磁化を行うものである。ただし、本発明で言う厚膜とは概ね５０μｍ以上の膜とする。
【００１０】
本発明に係るαＦｅとＲ−ＴＭ−Ｂナノ複合組織の厚膜は、例えば厚さ１５μｍ〜４０μｍの無定形急冷凝固薄帯をレーザカット等により所定の直径を有する円形、もしくは中空円形厚膜に加工したものでも差し支えない。
【００１１】
本発明に係る厚膜の、より好ましい形態は、パルスレーザディポジッション(ＰＬＤ)により平均堆積層の厚さが６０ｎｍ以下のαＦｅ、並びに前記αＦｅ平均堆積層以下の厚さとしたＲ−ＴＭ−Ｂを交互に１０３層以上堆積した所定の直径を有する円形、または中空円形厚膜とし、さらに前記厚膜を所定数積層した積層体としたのち、結晶化と当該厚膜の面内多極磁化とを行う。
さらに、ＰＬＤはパルス周波数３０Ｈｚ以上、1パルス当たり1ｎｍ以上の成膜能を有することが好ましい。
加えて、５００℃〜８００℃で結晶化し、当該冷却過程における５００℃〜３１０℃の範囲で極数に対応した数の永久磁石を規則的に配置した界磁による多極磁界中での冷却で
、積層体を構成する全ての厚膜に対して面内多極磁化を行うことが好ましい。
以下に、背景の技術の欄にて示した特許文献および非特許文献を記載する。また、発明が解決しようとする課題の欄ほかにて引用する特許文献および非特許文献を記載する。
【特許文献１】特表平９−５０１８２０号公報
【特許文献２】特開２００２−５３２０４７号公報
【特許文献３】特開平９−２３７７１号公報
【特許文献４】特開平１１−２８８８１２号公報
【非特許文献１】太田 斎, 小原隆雄, 唐田行庸, 武田宗久,三菱電機技報 Vol.75, pp.703-708 (2001).
【非特許文献２】H.Raisigel,O.Wiss,N.Achotte,O.Cugat,J.Delamare,Proc.of 18th Int. workshop on high performance magnets and their applications, Annecy, France, pp.942-944, (2004).
【非特許文献３】M. Nakano, S. Sato, R. Kato, H. Fukunaga, F. Yamashita, S. Hoefinger and J. Fidler, Proc. 18th Int. Workshop on High Performance Magnets and Their Applications, Annecy, France, pp.723-726 (2004).
【非特許文献４】伊東哲也,日本応用磁気学会誌, Vol.18, pp.922-927, (1994).
【非特許文献５】D. Hinz, O. Gutfleisch and K. H. Muller, Proc. 18th Int. Workshop on High Performance Magnets and Their Applications, Annecy, France, pp. 76-83 (2004).
【非特許文献６】J. Delamare, G. Reyne, O. Cugat, Proc. of 18th Int. workshop on high performance magnets and their applications, Annecy, France, pp.767-778, (2004).
【非特許文献７】山下文敏、日本応用磁気学会 第143回研究会資料、中央大駿河台記念館(2005)
【非特許文献８】Toepfer, Ｂ. Pawlowski, D. SchaＢＢel,Proc. of 18th Int. workshop on high performance magnets and their applications, pp.942-944, (2004).
【非特許文献９】H. Komura, M. Kitaoka, T. Kiyomiya, Y. Matsuo, Journal of Applied Physics,101, 09K104 (2007).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
微小回転電気機械の出力に関し、体積削減に伴うトルク低下を補う高速回転化が有効である。しかし、例えば、D.Hinzらの１．２Ｔの残留磁化Ｍｒおよび２９０ｋＪ／ｍ３と高いエネルギー密度(ＢＨ)ｍａｘを有する磁気的に異方性の微小磁石[非特許文献５]は、２極に限れば残留磁化Ｍｒの水準を維持した径方向磁化の磁石を製造できる。しかし、４極以上の径方向への多極磁化は配向が困難で実質的に製造できない。このため、トルク密度や出力特性で有利な構造の径方向空隙型回転電気機械への応用は困難で、特に４極以上の多極化に関しては軸方向空隙型回転電気機械のロータ磁石に限定される。
【００１３】
上記磁気異方性磁石は軸方向空隙型回転電気機械の高トルク化に有利な反面、Ｓ−Ｔ(Speed-Torque)垂下特性のために高速回転化が不利である。加えて、当該磁石は電気比抵抗が１０−５Ωｃｍ以下であるために、仮に高速回転化を行っても、渦電流による損失が増すという課題が生じる。このような、渦電流による損失は熱エネルギーとして当該磁石の温度を上昇させ、静磁界の減少(磁束損失)を引き起こす。したがって、高いエネルギー密度(ＢＨ)ｍａｘで知られる磁気的に異方性のダイアップセットまたは焼結による希土類磁石は、特に高速回転の径方向空隙型微小電気機械のロータ磁石としては損失増加と出力低下を引き起こすため、相乗的に当該微小回転電気機械の効率低下を招く。
以上のように、一般によく知られている磁気異方性の高(ＢＨ)ｍａｘ磁石は、特に径方向空隙型微小回転電気機械の出力や効率の観点から最適な構成でなく、微小回転電気機械の構造、或いは電気的設計自由度を狭めてしまうという課題がある。
【００１４】
一方、上記磁気異方性の高残留磁化、高（ＢＨ）ｍａｘ磁石に対して、Toepferら、およびT.Speliotisらは微小回転電気機械のロータ磁石の電気比抵抗を１０−１Ωｃｍ程度、残留磁化Ｍｒが、０．４２Ｔ程度のボンド磁石とすることで渦電流を抑制し、高速回転化を図っている [非特許文献７および８]。しかし残留磁化Ｍｒが、０．４２Ｔ程度という水準は、微小回転電気機械のロータ磁石としては発生する静磁界が弱いため、トルク不足となるという課題がある。
【００１５】
他方、微小ロータ磁石の径方向への多極磁化に関し、例えば、H.Komuraらはメルトスパンした急冷凝固薄帯から作製した等方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ磁石粉末をエポキシ樹脂で固めた残留磁化Ｍｒ＝０．６２Ｔ〜０．６８Ｔ程度のボンド磁石を、３２０℃以上に加熱し、磁界中冷却する多極磁化を報告している[非特許文献9]。
上記H.Komuraらのような圧縮成形ボンド磁石の電気比抵抗は、１０２Ωｃｍ程度であるから、渦電流にかかわる課題は回避できる。しかし、多極磁化の過程で、磁石の主成分である磁石粉末やエポキシ樹脂の熱劣化は不可避である。このため、素材の磁気ポテンシャルの低下がある。さらに、磁石としての機械的強度の劣化は、ロータ磁石の高速回転における耐遠心力性などの信頼性に大きな課題がある。加えて、残留磁化Ｍｒが０．６２Ｔ〜０．６８Ｔのボンド磁石ではToepferらおよびT. Speliotisらの例と同様に、微小回転電気機械のロータ磁石としては発生する静磁界が弱いため、トルクが不足するという残された課題もある。
【００１６】
以上の背景技術に鑑み、本発明は、微小回転機械のロータ磁石として磁気的に等方性で、残留磁化Ｍｒが０．９５Ｔ以上であり、かつ、素材のポテンシャルを引き出す径方向４極以上の多極磁化、加えて高速回転に伴う渦電流を抑制するロータ磁石の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明に係る微小電気機械のロータ磁石の製造方法は、以下ような特徴を有する。
（１）αＦｅと、Ｒ−ＴＭ−Ｂ(ただし、Ｒは、ＮｄまたはＰｒであって、１０原子％〜２０原子％、Ｂは５原子％〜２０原子％、ＴＭはＦｅ、またはＦｅの一部を０原子％〜１６原子％の範囲でＣｏ置換したもの)とからなるナノ複合組織の厚膜を、残留磁化Ｍｒが０．９５Ｔ以上の磁気的に等方性のαＦｅとＲ２ＴＭ１４Ｂとのナノ複合多結晶集合組織の積層体とし、かつ、当該厚膜面内に多極磁化を行う微小電気機械のロータ磁石の製造方法。
（２）パルスレーザディポジッション(ＰＬＤ)により、厚膜の平均堆積層の厚さが６０ｎｍ以下のαＦｅと、該平均堆積層の厚さ以下の前記Ｒ−ＴＭ−Ｂと、を交互に１０３層以上堆積した構成とする（１）に記載する微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法。
（３）パルスレーザディポジッション(ＰＬＤ)により、平均堆積層の厚さが６０ｎｍ以下のαＦｅと該平均堆積層の厚さが５ｎｍ〜２０ｎｍのＲ２ＴＭ１４Ｂと、を交互に１０３層以上堆積した構成とする（１）に記載する微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法。（４）前記厚膜の積層体を５００℃〜８００℃で結晶化したのち、冷却過程における５００℃〜３１０℃の範囲で極数に対応した数の永久磁石を規則的に配置した界磁による多極磁界中での冷却で、前記積層体を構成する全ての前記厚膜に対して面内多極磁化を行う（１）から（３）のいずれかに記載する微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法に関する。とくに好ましくは、ＰＬＤを用いたナノ複合組織のマニピュレーション技術によって人工的に制御されたαＦｅとＲ-ＴＭ-Ｂを１０３層以上交互に堆積したナノ複合組織を有する厚膜を作製する。そし
て、Ｒ-ＴＭ-Ｂの結晶化により磁気的に等方性で、かつ残留磁化が０．９５Ｔ以上の着磁性に優れたナノ複合多結晶集合組織の厚膜積層体とし、必要に応じて、磁界中冷却による面内多極磁化を施す。これにより、トルク密度に有利な径方向空隙型回転電気機械において、多極化による高トルク化、高速回転化による高出力化を行っても、渦電流による損失増や出力減を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
先ず、本発明に係るαＦｅとＲ２ＴＭ１４Ｂとのナノ複合多結晶集合組織を有する厚膜の磁気ポテンシャルについて説明する。
例えば、高保磁力のＲ２ＴＭ１４Ｂと交換結合する高飽和磁化のαＦｅが存在すると、逆磁界の下でαＦｅから先に磁化反転が始まり、磁石全体の保磁力ＨｃＪ低下の主因となる。しかし、αＦｅのサイズを磁壁の幅以下に抑えると、逆磁界下における不均一磁化反転が抑制される。その結果、磁石全体の保磁力ＨｃＪは高保磁力のＲ２ＴＭ１４Ｂの磁気異方性に支配されるために、その低下が抑えられる。一方、αＦｅから、より高い磁束を得るには、αＦｅの体積比を増す必要があり、そのためには、高保磁力のＲ２ＴＭ１４Ｂのサイズをできる限り小さくすればよい。Ｒ２ＴＭ１４Ｂの大きさは、やはり磁壁幅以下であればよいが、あまり狭いと保磁力HcJを維持するのが困難になるので磁壁幅程度に抑えるのが好ましい。磁壁幅はπ(Ａ／Ｋ）１／２、(Ａ:交換スティッフネス定数、Ｋ:磁気異方性エネルギー)で見積もられるので、例えば、αＦｅとＮｄ２Ｆｅ１４Ｂとすると、それぞれ６０ｎｍ、および数ｎｍ程度となる。このように、本発明に係るＰＬＤによる厚膜の構成は、αＦｅの平均堆積層の厚さを６０ｎｍ以下とし、加えて、少なくとも前記αＦｅの平均堆積層の厚さ以下のＲ−ＴＭ−ＢをαＦｅと交互に１０３以上堆積した構成とする必要がある。
なお、エネルギー密度(ＢＨ）ｍａｘが最大となるときのＲ２ＴＭ１４Ｂの体積比ｆｈは、近似的に、数１（以下（１）式）で与えられ、このときの(ＢＨ）ｍａｘは、数２（以下（２）式）となる。
【００２０】
【数１】
2010051132.tif 000003
【数２】
2010051132.tif 000004
（ただし、（１）式、(２）式において、Ｍｓは、αＦｅの磁化、Ｋｈは、Ｒ２ＴＭ１４Ｂの磁気異方性エネルギー、ＭｈはＲ２ＴＭ１４Ｂの磁化である。）
【００２１】
ところで、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ磁石の磁気異方性エネルギーKhは、１０７Ｊ／ｍ３程度であるのに対し、αＦｅのμ0Ｍｓ２/４は、１０６Ｊ／ｍ３程度である。したがって、Ｒ２ＴＭ１４Ｂの体積比ｆｈは、１０％程でよいことになる。なお、エネルギー密度(ＢＨ）ｍａｘは、主にαＦｅの磁化に支配され、定量的には、μ0Ｍｓ２/４に僅かな補正が加わる形となる。また、(２）式においてαＦｅとＮｄ２Ｆｅ１４Ｂとした場合は、ｆｈ=１０％で、(ＢＨ）ｍａｘ=０．８ＭＪ／ｍ３(１００ＭＧＯｅ）が期待される。
以上のようなエネルギー密度(ＢＨ）ｍａｘを得るには、αＦｅとＮｄ２Ｆｅ１４Ｂとが接触界面で充分な磁気的結合を有し、それぞれの厚さを磁壁幅程度に制御する必要がある。詳細な計算機シミュレーションによれば、結晶粒径１０ｍｍ程度の均一なナノ複合組
織が形成できれば、磁気異方性磁石では、(ＢＨ）ｍａｘ＝７００ｋＪ／ｍ３となり、磁気的に等方性の磁石では３００ｋＪ／ｍ３程度が期待される。なお、この時点でこのような異方性磁石が作製された例はないが、本発明に係る実施形態が対象とする等方性磁石では２００ｋＪ／ｍ３程度までは得られる。
【００２２】
なお、Ｒ２ＴＭ１４Ｂとナノ複合多結晶集合組織を構成する一方の相として、Ｆｅ-Ｂ系も知られている。しかし、Ｆｅ−Ｂ系の飽和磁化Ｍｓは、Ｒ２ＴＭ１４Ｂとほぼ同じ１．６Ｔ程度である。したがって、本発明に係る微小回転電気機械のロータ磁石に関しては、高残留磁化Ｍｒが得やすく、比較的容易に磁化が行えるαＦｅが適している。
一方、αＦｅ／Ｒ−ＴＭ−Ｎ系(ＲはＳｍ、ＴＭはＦｅ)ナノ複合組織は、Ｒ−ＴＭ−Ｎの分解のためにＰＬＤの適用が困難である。
【００２３】
次に、本発明に係る人工的に制御されたナノ複合組織を１０３層以上、交互に堆積した厚膜作製について説明する。
【００２４】
本発明に係る実施形態では、高速堆積が可能なＰＬＤによるナノ構造のマニピュレーション技術を用いる。例えば、厚さ０．１ｍｍのナノ複合集合組織の厚膜を作製するには１０ｎｍの膜であれば１０４層堆積する必要がある。しかしながら、パルス周波数３０Ｈｚ、1パルス当たり１ｎｍ程度堆積可能なＰＬＤ装置を用いれば、1時間程で所望のナノ複合組織を有する厚膜が作製可能となる。
【００２５】
本発明に係るナノ複合組織を有する厚膜は、平均堆積層の厚さが６０ｎｍ以下のαＦｅ、並びにαＦｅの平均堆積層以下の厚さのＲ−ＴＭ−Ｂ(ＲはＮｄまたはＰｒであって１０原子％〜２０原子％、Ｂは、５原子％〜２０原子％、ＴＭは、Ｆｅ、またはＦｅの一部をＣｏ置換したもの）を１０３以上交互に堆積したものである。さらに好ましくは、Ｒ−ＴＭ−Ｂ平均堆積層の厚さを５ｎｍ〜２０ｎｍ、より好ましくは、αＦｅ、Ｒ−ＴＭ−Ｂの平均堆積層の厚さを両者ともに５ｎｍ〜２０ｎｍとする。なお、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｂｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、ＺｎおよびＨｆのうち少なくとも１種は、ナノ複合多結晶集合組織の保磁力ＨｃＪ、減磁曲線の角型性Ｈｋ／ＨｃＪなどの改善のために適宜添加することができる。また、交互にαＦｅ、Ｒ−ＴＭ−Ｂを堆積する際、Ｔａなどのバッファを形成させることも差し支えない。
上記のＰＬＤによる厚膜は、真空度≦１０−６Ｔｏｒｒ、堆積速度≧５０μｍ／ｈで作製できる。また、αＦｅ、Ｒ２ＴＭ１４Ｂを交互に堆積するための基板温度は、Ｒ−ＴＭ−Ｂ堆積時の酸化抑制のために室温付近とすることが望ましい。
【００２６】
なお、ＰＬＤターゲットは、αＦｅおよびＲ−ＴＭ−Ｂから構成する。また、それらは個別であっても、一体化した構成であっても差し支えない。各堆積層の厚さは、ターゲットの回転速度および基板とターゲットとの間の距離を制御することにより行う。また、各々の堆積比率(平均組成を変化させることに相当)、および各層の厚さ（交換相互作用の相対的強度を変えることに相当）を制御することで、ナノ複合組織の最適化を行うことができる。したがって、ＰＬＤによるナノ複合組織制御は、メルトスパンなどの急冷凝固薄帯によるナノ複合組織の形態制御に比べて格段に優れるものである。
以上のような、ナノ複合多結晶集合組織を人工的にマニピュレーションする技術を外部に必要な静磁界を与える微小回転電気機械のロータ磁石に適用する例は殆ど知られていない。磁石は、エネルギーを蓄える素子であり、膜形成のようなボトムアップ技術からは当該磁石が得られないとされたためと言える。
【００２７】
次に、本発明に係るαＦｅとＲ２ＴＭ１４Ｂのナノ複合多結晶集合組織を得るために行うＲ−ＴＭ−Ｂの結晶化について説明する。
本発明に係る急冷凝固薄帯およびＰＬＤに係る成膜条件で得られるナノ複合組織を有する厚膜のＲ−ＴＭ−Ｂ堆積層は、非晶質である。このため、この段階では保磁力ＨｃＪは発現しない。そこで、厚膜またはそれを所定数積層した積層体とし、Ｒ−ＴＭ−Ｂを結晶化することでαＦｅとＲ２ＴＭ１４Ｂとのナノ複合多結晶集合組織とする。
【００２８】
結晶化は、熱処理によるが、温度は、Ｒ−ＴＭ−Ｂの結晶化温度、すなわち、約７７３Ｋ(５００℃）以上とする。また、１０７３Ｋ(８００℃）を超えるとＲ２ＴＭ１４Ｂの粒成長のため、保磁力ＨｃＪが急激に減少する。したがって、熱処理温度は、７７３Ｋ(５００℃）から１０７３Ｋ(８００℃）が適当である。また、より好ましくは、熱処理中の拡散による積層構造の乱れが少なく、かつＲ−ＴＭ−Ｂが十分に結晶化する７７３Ｋ(５５０℃）から９２３Ｋ(６５０℃）である。
なお、結晶化に際し、熱処理に保持時間は必要ではなく、厚膜のナノ複合多結晶集合組織の最適化によって磁気ポテンシャルを高めるには、むしろ所定の温度への急速加熱と冷却とを行うことが望ましい。
【００２９】
次に、本発明に係る磁気的に等方性のナノ複合多結晶集合組織を有する厚膜の面内多極磁化および積層体の渦電流について説明する。
熱処理による結晶化により、本発明に係る磁気的に等方性のナノ複合多結晶集合組織を有する円形、または中空円形厚膜、または前記厚膜から構成した所定の寸法を有する積層体が得られる。なお、熱処理は、不活性ガス雰囲気または真空中で行うが、冷却過程５００℃〜３１０℃の範囲から、適宜、極数に対応した永久磁石を規則的に配置した界磁により、厚膜に面内多極磁化を施こす。ここで、前記面内多極磁化とは、等方性厚膜の径方向多極磁化を意味する。
【００３０】
ところで、Ｆｅの一部をＣｏ置換したとき、キュリー温度は、Ｃｏ、1原子％当たり約１０℃上昇する。面内多極磁化における温度３１０℃とは、Ｒ２ＴＭ１４Ｂ(Ｒ＝ＮｄまたはＰｒ)のキュリー温度Ｔｃである。また、Ｆｅの約１６原子％をＣｏ置換したときのキュリー温度は、約４７０℃であり、これより、やや高い５００℃を磁界印加温度の上限とする。なお、５００℃は、Ｒ2ＴＭ14Ｂの結晶化温度に相当し、この温度を超えると結晶化したＲ2ＴＭ14Ｂが粒成長を起こし、保磁力ＨｃＪ、減磁曲線の角型性(Ｈｋ／ＨｃＪ)など磁気特性が低下するため好ましくない。加えてＣｏ置換が増し、Ｆｅ量が減少すると飽和磁化Ｍｓの低下が大きくなるため、本発明ではＣｏ量の上限を飽和磁化Ｍｓの水準が維持された状態で、キュリー温度Ｔｃによる残留磁化Ｍｒの温度係数αを、約−０．０７％／℃まで改善できる１６原子％としている。
【００３１】
一方、上記厚膜の電気比抵抗は、ボンド磁石ではないため、通常のＲ２ＴＭ１４Ｂ系焼結またはダイアップセットによる磁石と同じく１０−５Ωcm程度である。しかし、所望の磁極数だけ厚膜の積層体を面内多極磁化し、主として径方向に発生する静磁界を利用する構成の微小回転電気機械は積層面(接触面)にとくに絶縁処理を施さずとも、当該接触面の電気抵抗で渦電流を遮断する構成となる。このために高速回転化しても渦電流損または渦電流から生じる磁石の自己発熱による磁束損失を抑制することができる。
【実施例】
【００３２】
本発明を実施例により更に詳しく説明する。但し、本発明は実施例に限定されるものではない。
先ず、上記実施例４に係るＰＬＤによるαＦｅ／Ｒ-ＴＭ-Ｂナノ複合組織を有する厚膜製造について図面を用いて、またＲ-ＴＭ-Ｂの結晶化について以下に説明する。
図1は、本発明に係るＰＬＤ装置の要部構成を示す概念図である。ただし、図中、１は、レーザ、２１、２２、２３は、それぞれαＦｅ、およびＲ-ＴＭ-Ｂ、Ｔａターゲットを指す。それらのターゲット２１、２２、２３は、回転自在な支持台6の回転で交互にレー
ザ1の照射を受ける構成になっている。さらに、参照番号３は、レーザ1をターゲット２１、２２、２３に照射したとき原子(分子)の引き剥がし(アブレーション)で生成するプリュームであり、４は、２５ｍｍ×２５ｍｍ、厚さ１０μｍのＦｅ基板を指す。基板４の表面には直径０．９ｍｍの貫通孔を設けたマスキングを配している。また、参照番号５は、αＦｅターゲット２１、Ｒ-ＴＭ-Ｂターゲット２２から生成したプリュームを、Ｔａバッファ−層を設けながら、基板４の表面に１０３以上交互に堆積した直径０．９ｍｍの厚膜である。
成膜は、排気系８により、真空チャンバ７内を５×１０−７Ｔｏｒｒ〜２×１０−６Ｔｏｒｒとしたのち、ターゲット２１または２２に３４０ｍＪのエネルギーを有するＹＡＧレーザ1を、パルス周波数３０Ｈｚで１８０ｍｉｎ、照射した。得られた膜は約３００μｍであり、1パルス当たり１ｎｍ程度堆積したことになる。
【００３３】
次に、上記直径０．９ｍｍのナノ複合組織の厚膜を基板から剥離し、１０枚の積層体とし、昇温速度１５０℃／ｍｉｎ、最高到達温度６５０℃、保持時間なしの条件でＲ-ＴＭ-Ｂを結晶化した。図２(Ａ）は、当該厚膜の透過電子顕微鏡写真、図２(Ｂ)は、堆積方向１００ｎｍのＮｄおよびＦｅの元素分布を示す特性図である。図から明らかなように、膜のナノ構造はＮｄ-rich、Ｆｅ-rich領域が交互に、ほぼ規則的に繰返す構造となっており、概ね１０ｎｍ〜１５ｎｍのαＦｅとＮｄ２Ｆｅ１４Ｂとが交互に配列したナノ複合多結晶集合型組織であることが判る。
【００３４】
次に、本発明に係る直径０．９ｍｍ、長さ３ｍｍロータ磁石の磁気特性を、比較例と共に説明する。
表1は、本発明に係る平均厚さ３００μｍの厚膜を１０枚積層した直径０．９ｍｍ、長さ３ｍｍの径方向空隙型ロータ磁石の磁気特性を示す特性表である。ただし、表中の合金組成を示す数値は原子%で、実施例１〜３は急冷凝固薄帯を直径０．９ｍｍにレーザカットしたαＦｅ／Ｎｄ２Ｆｅ１４ＢまたはαＦｅ／Ｐｒ２(Ｆｅ,Ｃｏ)１４Ｂであり、実施例４は、ＰＬＤによるαＦｅ／Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂナノ複合多結晶集合組織を有する厚膜積層体である。また、着磁界Ｈｍは、４ＭＡ／ｍである。
【００３５】
表1に併記した比較例１〜比較例３は、本発明に係る実施例１〜実施例３に対応する急冷凝固薄帯を結晶化して粉砕した粉末をエポキシ樹脂と混合し、１ＧＰａで圧縮して直径０．９ｍｍ、長さ３ｍｍに成形したボンド磁石の特性値である。また、比較例４は、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ化学量論組成の粉末を、比較例１〜比較例３と同一条件で作製したＮｄ2Ｆｅ14Ｂ単相の圧縮成形ボンド磁石である。
表1において、比較例４(Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ単相のボンド磁石)の残留磁化Ｍｒを1としたときαＦｅ/Ｒ２ＴＭ１４Ｂナノ複合多結晶集合組織の比較例１〜３のＭｒは１．０３〜１．０５に過ぎない。しかし、本発明に係る実施例１〜３のＭｒは、１．３５〜１．３７、本発明に係る、より好ましい実施形態である実施例４のＭｒは、１．７１に達する。なお、この水準はToepferら、およびT.SpeliotisらのＭＥＭＳモータのロータ磁石[非特許文献 7、8]の残留磁化Ｍｒ＝０．４２Ｔに比べると２．４２倍に達する。
【表１】
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【００３６】
次に、本発明に係る実施例について、直径０．９ｍｍ、長さ３ｍｍロータ磁石の不飽和着磁領域での残留磁化Ｍｒ、並びに面内多極磁化について、比較例とともに説明する。
図３は、実施例４の着磁界Ｈｍに対する残留磁化Ｍｒの変化、並びに比較例４を基準とした任意の着磁界Ｈｍにおける残留磁化Ｍｒの改良効果を示す特性図である。着磁界Ｈｍが、ほぼ飽和着磁領域の４ＭＡ／ｍから減少しても、比較例４に対する残留磁化の優位性は１．７１倍以上であり、Ｈｍが0.3ＭＡ／ｍでは約１４倍に達する。このように、本発明に係るロータ磁石は、その残留磁気Ｍｒの水準ばかりか、微小回転電気機械の小型化、多極化に伴う着磁性低下への対応力も兼ね備えている。
【００３７】
次に、本発明に係る実施例４のナノ複合組織を有する直径０．９ｍｍ、長さ３ｍｍの積層体を、昇温速度１５０℃／ｍｉｎ、最高到達温度６５０℃、保持時間なしの条件で、αＦｅ／Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂのナノ複合多結晶集合組織の磁石とし、当該磁石の冷却過程３５０℃付近で図４のような１０個の永久磁石を規則的に配置した界磁に挿入することにより多極磁界中で冷却した。ただし、図４において、５は直径０．９ｍｍのロータ磁石１０Ａ、１０Ｂは磁化方向の異なるＳｍＣｏ系焼結磁石である。これにより、積層体を構成する１０枚の厚膜に対して面内多極磁化を行った。
【００３８】
図５の(Ａ）は、上記磁極間距離０．２８ｍｍのロータ磁石５２を２個用い、直径０．３ｍｍの回転軸１１により組立てた１０極磁石ロータである。また、図５の(Ｂ）は、直径３ｍｍのステータ１２と組み合わせた径方向空隙型モータである。本モータは1パルス電流に対応する励磁コイルの起磁力により1ステップ角(７．５度)ロータが変位する所謂ステップモータで、例えば、５０ｒ.ｐ.ｓ.で０．１ｍＮｍ以上のトルクを発生する。
以上のように、本発明に係るロータ磁石を利用した微小回転電気機械は、所謂Power MEMS分野の磁気デバイスの一つとして、動力、あるいは電力を発生するモータ、発電機など多様な新規用途に応用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、微小回転電気機械の多極磁化ロータ磁石として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、ＰＬＤ装置の要部構成を示す概念図である。
【図２】図２は、（ａ）ナノ複合多結晶集合組織の透過電子顕微鏡写真、（ｂ）ナノ複合多結晶集合組織のＮｄ元素とＦｅ元素の分布を示す特性図である。
【図３】図３は、着磁界Ｈｍに対する残留磁化Ｍｒの変化を示す特性図である。
【図４】図４は、界磁磁石の磁界中冷却による高残留磁化等方性磁石の面内多極磁化の概念図である。
【図５】図５は、本発明に係るロータ磁石と回転電気機械の外観図である。
【符号の説明】
【００４１】
１:レーザ、２１:αＦｅターゲット、２２：Ｒ-ＴＭ-Ｂターゲット、２３：Ｔａターゲット、３:プリューム、４:基板、５:厚膜
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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