(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外径２ｍｍ以下で、非磁性材を付与したソフト相とハード相とのナノスケール多結晶集合組織からなる等方性磁石膜を所定数積層した後、前記等方性磁石膜の面内方向に極対数２以上に磁化した円柱の回転子磁石を備え、該回転子磁石と対向する励磁巻線を有する固定子鉄心との平均空隙パーミアンスＰｇが８以上であることを特徴とする微小回転電気機械の磁気回路。
【請求項２】
前記磁石膜がＲ−ＴＭ−Ｂ（ＲはＮｄ、Ｐｒ、ＴＭはＦｅ、Ｃｏ）系合金、あるいはＳｍ−Ｆｅ系溶湯合金の急冷凝固、あるいは物理的堆積法による基板成膜ののち、それらを必要に応じて適宜結晶化、あるいは窒化し、さらに、当該磁石膜表面に必要に応じて適宜、非磁性金属を物理的堆積法で付加したＦｅ−Ｂ、αＦｅのソフト相、Ｒ２ＴＭ１４Ｂ、Ｓｍ２Ｆｅ１７Ｎ３系ハード相とのナノスケール多結晶集合組織から成る磁石膜であることを特徴とする請求項１に記載の微小回転電気機械の磁気回路。
【請求項３】
前記磁石膜が残留磁化Ｍｒの５０％程度が磁化反転しても残留磁化Ｍｒの９０％以上の磁化が回復する磁化のスプリングバック特性をもつことを特徴とする請求項１に記載の微小回転電気機械の磁気回路。
【請求項４】
面内方向の残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪ １５０ ｋＡ／ｍ以上の磁石膜を軸方向占積率７０％以上で所定数積層したことを特徴とする請求項１に記載の微小回転電気機械の磁気回路。
【請求項５】
前記回転子磁石に対向する前記固定子鉄心の先端形状を前記回転子磁石の外周面に沿う円弧面に形成し、各励磁巻線部を互いに平行に形成したことを特徴とする請求項１に記載の微小回転電気機械の磁気回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小回転電気機械の磁気回路に関する。さらに詳しくは、直径２ ｍｍ以下で、非磁性材を付与したソフト相とハード相とのナノスケール多結晶集合組織からなる残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ以上の磁気的に等方性の磁石膜を所定数積層した後、当該磁石膜の面内方向に極対数２以上の多極磁化を施し、軸心方向に回転自在に支持された円柱の回転子磁石を備え、該回転子磁石と対向する励磁巻線を有する固定子鉄心との空隙パーミアンスＰｇを８以上とした高トルク型微小回転電気機械の磁気回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電気機械の小型化に関して、例えば、情報通信機器などに利用される回転電気機械は体積約１００  ｍｍ３まで小型軽量化したものが市場を形成している。これらの回転電気機械のトルクは回転電気機械の体積とスケーリング則に基づく累乗近似が成立ち、著しいトルク低下があることが知られている。しかしながら、車載、情報家電、通信、精密計測、医療福祉機器分野の電気電子機器やロボットなどの駆動源として高トルク微小回転電気機械が求められている。
【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１  ｍｍ以下、長さ２  ｍｍ以下の径方向空隙型ブラシレスＤＣモータ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８  ｍｍ以下の流体冷却式径方向空隙型ブラシレスＤＣモータが提案され、励磁巻線部分の熱放散を高めることで３０，０００  ｒ／ｍｉｎで出力５  Ｗが得られるとしている。
【０００４】
上記にかかる微小回転電気機械としては、例えば、放電加工したＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ焼結磁石部材を外径  ０．７６  ｍｍの２極ロータとし、固定子鉄心と組合せて外径１．６  ｍｍ、長さ２  ｍｍのブラシレスＤＣモータ［非特許文献１］。更に、Ｈ．  Ｒａｉｓｉｇｅｌ、Ｍ．  Ｎａｋａｎｏ、伊東らにより、外径６  ｍｍ、長さ２．２  ｍｍ  ［非特許文献２］、外径  ５  ｍｍ、長さ１  ｍｍ  ［非特許文献３］、並びに、外径  ０．８  ｍｍ、長さ１．２  ｍｍ  ［非特許文献４］などの微小回転電気機械が知られている。しかし、こ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［非特許文献５］。
【０００５】
一方、上記のような微小回転電気機械の回転子磁石に関しても多くの提案がある。例えば、異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系焼結磁石を外径０．９  ｍｍに研削加工した後、当該表面にＤｙ，  Ｔｂなどのスパッタ膜を形成し、内部拡散を促す熱処理を施した残留磁化Ｍｒ  ≦１．３５  Ｔ、保磁力ＨｃＪ＝  １．３４  ＭＡ／ｍ、（ＢＨ）ｍａｘ  ＝  ３４１  ｋＪ／ｍ３のバルク状回転子磁石［特許文献３］、Ｄ．  Ｈｉｎｚらは７５０℃でのｄｉｅ  ｕｐｓｅｔで残留磁化Ｍｒ  ＝  １．２５  Ｔ、保磁力ＨｃＪ＝  １．０６  ＭＡ／ｍ、（ＢＨ）ｍａｘ  ＝  ２９０  ｋＪ／ｍ３の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系熱間加工磁石による厚さ３００μｍの磁石膜を示している［非特許文献６］。
【０００６】
また、Ｊ．  Ｄｅｌａｍｅｒｅらは１６極着磁したＳｍ−Ｃｏ系磁石による回転子磁石、および対向する固定子で、１００，０００  ｒｐｍとしたとき１０  μＮｍのトルク、或いは発電機として１５０，０００  ｒｐｍで駆動したとき１  Ｗ  の電力が得られるとしている［非特許文献７］。また、Ｔｏｐｆｅｒら、およびＴ．  Ｓｐｅｌｉｏｔｉｓらは直径１０  ｍｍ  のＦｅ−Ｓｉ基板にスクリーン印刷した残留磁化Ｍｒ  ０．４２  Ｔ、１５．８  ｋＪ／ｍ３、厚さ５００μｍのＮｄ２Ｆｅ１４Ｂボンド磁石膜を回転子とし、トルク５５  μＮｍのモータを報告している［非特許文献８］。
【０００７】
以上のように微小回転電気機械の回転子磁石に関しては残留磁化Ｍｒが０．４２〜１．３５  Ｔに至る広範な磁気特性、磁石膜からバルクに至る多様な形態のものが試行されているのが現状である。
【０００８】
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、並びに非特許文献を記載する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表平９−５０１８２０号公報
【特許文献２】特表２００２−５３２０４７号公報
【特許文献３】特開２００５−２１０８７６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【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】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６】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７】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８】Ｔｏｐｆｅｒ，  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．  Ｆｕｋｕｎａｇａ，  Ｈ．  Ｎａｋａｙａｍａ，  Ｍ．  Ｎａｋａｎｏ，  Ｍ．  Ｉｓｈｉｍａｒｕ，  Ｍ．  Ｉｔａｋｕｒａ，  ａｎｄ  Ｆ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ，  Ｉｎｔｅｒｍａｇ  ２００８，  ＦＧ−０６
【非特許文献１０】金清裕和、広沢哲，日本応用磁気学会誌，ｖｏｌ．２２，  ｐｐ．３８５−３８７  （１９９８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、永久磁石式回転電気機械のトルクＴは極対数をＰｎ、電流をＩ（Ｉｄ，  Ｉｑ）、インダクタンスをＬ（Ｌｄ，  Ｌｑ）、及び鎖交磁束をΦａとすれば数式１で示される。
〈数式１〉
Ｔ  ＝  ［Ｐｎ×Φａ×Ｉｑ］  ＋  ［Ｐｎ×（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ］
【００１２】
ここで、右辺第１項は磁石トルク、第２項はリラクタンストルクである。なお、本発明が対象とする微小回転電気機械は磁石回転子の直径が２  ｍｍ以下である。このような実寸法の制約から本発明が対象とする回転子は永久磁石と非磁性材料の回転軸のみで構成されて、回転子鉄心をもたない。このような回転子磁石のみで回転子鉄心のない微小回転電機機械の発生トルクＴは右辺第１項の磁石トルク（Ｐｎ×Φａ×Ｉｑ）のみとなり、第２項のリラクタンストルクはない。
【００１３】
なお、数式１から、磁石トルクは極対数Ｐｎ、鎖交磁束密度Φａ、すなわち空隙磁束密度Φｇ、固定子励磁巻線の通電電流Ｉに比例する。また、モータのトルク定数Ｋｔ（Ｎｍ／Ａ）は固定子励磁巻線の通電電流Ｉに対するトルク勾配であり、Ｋｔが大きいほど回転駆動力が増し、電流制御が容易となる。このことから回転電気機械の微小化に伴うトルク減少を抑制し、さらにＫｔを増して回転駆動力や制御性を高める手段として、１）  極対数Ｐｎを増加する。２）空隙パーミアンスＰｇを高めて磁気抵抗を低減する。３）励磁電流Ｉｑ、または励磁巻線の巻数ｎを増すことで固定子側の励磁力を強めるなどがある。
【００１４】
しかしながら、本発明が対象としている微小回転電気機械の回転子磁石の外径は２．０  ｍｍ以下である。このような外径２．０  ｍｍ以下の回転子磁石において、例えば  特許文献３では、残留磁化Ｍｒ  ＝  １．３５  Ｔの異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系焼結磁石、すなわち、高い残留磁化Ｍｒをもつ磁気異方性バルク回転子磁石を開示している。しかし、このような直径２．０  ｍｍ以下の一つのバルクから構成した磁気異方性磁石では極対数Ｐｎが１に限定され、極対数Ｐｎを増すことができない。また、磁極毎にバルクを分割し、これを組立てることも考えられるが、この場合には高度な機械的な寸法精度、並びに高度な異方性の方向を含む磁気特性の精度などが求められ、それらを勘案すると工業的規模での生産は困難であることは明白である。
【００１５】
さらに、特許文献３では磁気異方性バルク回転子磁石の外径が１．２  、０．９  ｍｍのとき、当該回転電気機械の外径を、それぞれ２．０、１．７  ｍｍと開示している。ここで、スロットレス構造の励磁巻線を固定するハウジングを兼ねたソフト磁性材料（固定子鉄心）の厚さを０．１  ｍｍと仮定すればソレノイド励磁巻線の収納空間を含む回転子磁石とソフト磁性材料（固定子鉄心）との空隙は０．３  ｍｍとなる。
【００１６】
回転子磁石の残留磁束密度Ｂｒを１．３５  Ｔ、可逆（リコイル）透磁率μｒを１．１５、回転子磁石外径Ｄｏを１．２  ｍｍ、回転子磁石内径Ｄｉを０．３  ｍｍ、回転子磁石長Ｌを  ４．８  ｍｍ、および極対数１の回転子磁石の磁極角度θｍを１８０度としたとき、等価磁石長（厚み）Ｌｍは（Ｄｏ−Ｄｉ）／２から０．４５  ｍｍとなる。さらに、固定子鉄心はスロットレスなので対向角θｅを３６０度、鉄心内径Ｄａを１．８  ｍｍ、鉄心長Ｌａを５  ｍｍ、漏洩係数ｆを１．１、起磁力損失係数γを１と仮定して、スロットレス型固定子と永久磁石回転子で磁気回路を構成する微小回転電気機械の等価断面積Ａｍ、空隙断面積Ａｇ、空隙長Ｌｇ、空隙パーミアンス係数Ｐｇを、それぞれ  数式２、３、４、５から、さらに有効空隙磁束密度Φｇを数式６から見積もった。すると、空隙パーミアンス係数Ｐｇは２．４、空隙磁束密度φｇは４．７×１０−６  Ｗｂと見積もられる。
【００１７】
〈数式２〉
Ａｍ＝（（Ｄｏ＋Ｄｉ）／２）×（π×θｍ／３６０）×Ｌ  
〈数式３〉
Ａｇ  ＝  （（Ｄｉ＋Ｄａ）／２）×（π×θｅ／３６０）×Ｌａ
〈数式４〉
Ｌｇ  ＝  （Ｄａ−Ｄｉ）／２  
〈数式５〉
Ｐｇ  ＝  Ｌｍ×Ａｇ×ｆ／（Ａｍ×Ｌｇ×γ）
〈数式６〉
0005445940.tif 000002
【００１８】
以上のようなスロットレス型固定子と永久磁石回転子で磁気回路を構成する微小回転電気機械の高トルク化手段としては、磁気異方性バルク回転子磁石の残留磁化Ｍｒを更に高めることが有効である。しかしながら、特許文献３が開示する磁気異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系焼結磁石のバルクを所定形状の回転子磁石の機械加工ののち、当該表面にＤｙ、Ｔｂなどを物理的に成膜し、熱処理により磁気特性を回復したのちの残留磁化Ｍｒは既に１．３５  Ｔである。このため、その値を大幅に超える高い残留磁化Ｍｒを表面改質で得るのは困難である。また、仮に、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ金属間化合物の飽和磁化Ｍｓの理論値  １．６  Ｔを残留磁化Ｍｒとした理想磁石を得たとしたとき、その空隙磁束密度Φｇは５．５×１０−６  Ｗｂと見積もられる。つまり、式１における右辺第１項の磁石トルク（Ｐｎ×Φａ×Ｉｑ）において回転子磁石にかかる極対数Ｐｎを１とした状態で、磁気異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ焼結磁石の理論限界まで残留磁化Ｍｒを高めたと仮定しても、当該微小回転電気機械の空隙磁束密度Φａの比から、これによる磁石トルクの向上は１．２倍未満にとどまる。
【００１９】
なお、上記構成の微小回転電気機械を対象に、Ｔｏｐｆｅｒら、およびＴ．  Ｓｐｅｌｉｏｔｉｓらの磁気的に等方性の残留磁化Ｍｒ  ０．４２  Ｔの磁石［非特許文献８］を回転子に適用すると、得られる空隙磁束密度Φａは１．４×１０−６  Ｗｂ程度にとどまる。このため、極対数Ｐｎを４以上としなければ相応の磁石トルクは得られない。例えば直径１．２  ｍｍの回転子磁石で極対数４とした場合、その極間距離は０．５  ｍｍ未満となる。このような磁極間距離０．５  ｍｍ未満での多極飽和磁化は困難である。また、極対数を５としたとき、極対数１の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系焼結磁石回転子で得られる磁石トルクを概ね１．２倍に改善できることが期待できる。しかしながら、その磁極間距離は０．４  ｍｍ未満となり、多極飽和磁化が益々困難となる。加えて、特許文献５のようなブラシレスＤＣモータではスロット数の増加が不可避となるため固定子の構成が極めて複雑となり、微小回転電気機械の磁気回路の構成も困難となる。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は高トルク微小回転電気機械の磁気回路にかかる。具体的には、外径２ ｍｍ以下で、非磁性材を付与したソフト相とハード相とのナノスケール多結晶集合組織からなる等方性磁石膜を所定数積層した後、当該等方性磁石膜の面内方向に極対数２以上に磁化した円柱の回転子磁石をもつ。そして、当該回転子磁石と対向する励磁巻線を備えた固定子鉄心との平均空隙パーミアンス係数Ｐｇを８以上とする構成の微小回転電気機械の磁気回路を基本とする。
【００２１】
本発明にかかる回転子磁石を構成するための好ましい磁石膜としてはＲ−ＴＭ−Ｂ（ＲはＮｄ、Ｐｒ、ＴＭはＦｅ、Ｃｏ）系合金、あるいはＳｍ−Ｆｅ系溶湯合金の急冷凝固、あるいは物理的堆積法による基板成膜ののち、それらを必要に応じて適宜結晶化、あるいは窒化し、さらに、当該磁石膜表面に必要に応じて適宜、非磁性金属を物理的堆積法で付加したＦｅ−Ｂ、αＦｅのソフト相、Ｒ２ＴＭ１４Ｂ、Ｓｍ２Ｆｅ１７Ｎ３系ハード相とのナノスケール多結晶集合組織から成る磁石膜を挙げることができる。また、さらに好ましい磁石膜として残留磁化Ｍｒの５０％程度が磁化反転しても残留磁化Ｍｒの９０％以上の磁化が回復するスプリングバック特性をもち、面内方向の残留磁化Ｍｒ  ０．９５  Ｔ以上、保磁力ＨｃＪ  １５０  ｋＡ／ｍ以上の磁石膜を挙げることができる。
【００２２】
また、本発明にかかる回転子磁石は回転軸方向に磁石占積率７０％以上となるように磁石膜を所定数積層した構成とし、一方の本発明にかかる前記回転子磁石に対向する固定子鉄心先端形状は、当該回転子磁石外周面に沿う円弧面に形成し、かつ各励磁巻線を互いに平行に形成した構成の微小回転電気機械の磁気回路が好ましい。
【００２３】
以上のような、本発明にかかる微小回転子を備えた微小回転電気機械としては、スロット型径方向空隙型ブラシレスＤＣモータ、ＰＭ型ステッピングモータ、或いは発電機などとして情報機器、医療機器、産業機器、さらには内視鏡各種レンズ駆動用デバイス、細管内自走検査ロボット等マイクロマシン動力用デバイスとして、従来に比べ、高出力、低消費電流などの観点で小型電気電子機器の性能向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）（ｂ）２種類のソフト相とハード相とのナノスケール多結晶集合組織を示す概念図
【図２】（ａ）磁化のスプリングバックの定義、（ｂ）その特性図
【図３】微小回転電気機械磁気回路解析モデルを示す斜視図
【図４】（ａ）（ｂ）空隙パーミアンス係数Ｐｇの分布を示す特性図
【図５】回転軸方向（積層方向）の磁石占積率と空隙パーミアンス係数Ｐｇの関係を示す特性図
【図６】微小回転電気機械の一例を示す断面構成図
【図７】（ａ）磁石トルク発生の概念図、（ｂ）寸法比Ｌ／Ｄと磁石トルクの関係を示す特性図
【図８】（ａ）相対磁石トルク分布を示す特性図、（ｂ）相対トルク定数を示す特性図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は高トルク微小回転電気機械の磁気回路にかかる。具体的には、外径２ ｍｍ以下で、非磁性材を付与したソフト相とハード相とのナノスケール多結晶集合組織からなる等方性磁石膜を所定数積層した後、当該磁石膜の面内方向に極対数２以上に磁化した円柱の回転子磁石をもつ。そして、当該回転子磁石と対向する励磁巻線を備えた固定子鉄心との平均空隙パーミアンス係数Ｐｇを８以上とする構成の微小回転電気機械の磁気回路にかかる。
【００２６】
先ず、本発明で言う非磁性材を付与したソフト相とハード相とのナノスケール多結晶集合組織からなる等方性磁石膜について説明する。ハード相としてＲ２ＴＭ１４Ｂ（Ｒは希土類元素のうちＮｄ、またはＰｒ、ＴＭは遷移金属元素のうちＦｅ、Ｃｏ）と交換結合する高い飽和磁化ＭｓのαＦｅなどのソフト相が存在すると、逆磁界の下でソフト相から先に磁化反転し、高い保磁力ＨｃＪが得られない。しかし、ソフト相のサイズを磁壁の幅以下に抑えると、逆磁界における不均一磁化反転が抑制される。その結果、保磁力ＨｃＪがハード相の磁気異方性Ｈａに支配されるようになり、保磁力ＨｃＪの低下が抑えられる。さらに、ソフト相から、より高い磁束を得るには、磁石中のソフト相の体積比を増す必要がある。そのためにはハード相のサイズをできる限り小さくする。ハード相の大きさは、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の維持が困難になるので磁壁幅程度に抑える。磁壁幅はπ（Ａ／Ｋｕ）１／２、（Ａ：交換スティッフネス定数、Ｋｕ：磁気異方性エネルギー）で見積もられる。
【００２７】
例えば、ソフト相をαＦｅ、ハード相をＮｄ２Ｆｅ１４Ｂとしたとき、それぞれ６０  ｎｍ、及び数ｎｍ程度となる。つまり、図１（ａ）のようにソフト相１２のαＦｅの大きさを６０  ｎｍ  以下とし、前記αＦｅよりも小さなハード相１１を、ソフト相１２と交互に１０３以上堆積した多層構造の磁石膜、或いは図１（ｂ）のようにソフト相１２とハード相１１とのランダムな多結晶集合組織から成る磁気的に等方性の磁石膜を言う。なお、本発明にかかる図１（ａ）の構成の残留磁化Ｍｒ  １  Ｔ以上の等方性磁石膜としてはＰＬＤ（パルスレーザディポジション）によるαＦｅとＮｄ２Ｆｅ１４ＢとがＴａなどの非磁性基板にある磁石膜が例示できる［非特許文献９］。また、図１（ｂ）の構成の残留磁化Ｍｒ  １  Ｔ以上の等方性磁石膜としては溶湯合金の急冷凝固によるＦｅ３ＢとＮｄ２Ｆｅ１４Ｂとの磁石膜が例示できる。［非特許文献１０］  なお、この場合は磁石膜の片面にイオンプレーティング、スパッタリングなどの物理的体積手段により、図１（ａ）と同様にＡｌなど、非磁性膜を付与した構成とする。なお、このような展延性の優れた非磁性金属材料との複合化は当該磁石膜のせん断加工性を向上するために不可欠である。
【００２８】
ところで、ソフト相とハード相の大きさを２０  ｎｍ程度に最適化した多結晶集合組織から成る磁気的に等方性の本発明にかかる磁石膜はレマネンスエンハンスメントによって残留磁化Ｍｒは容易に１  Ｔ以上となる。また、一方の保磁力ＨｃＪは４００  ｋＡ／ｍに達する。とくに、αＦｅとＮｄ２Ｆｅ１４Ｂとの接触界面で充分な磁気的結合を付与し、それぞれの厚さを磁壁幅程度にナノスケール組織制御した場合の詳細な計算機解析によれば、結晶粒径１０  ｎｍ程度の均一なナノ複合組織が形成できれば、磁気的に等方性の磁石膜の（ＢＨ）ｍａｘ  は２００  ｋＪ／ｍ３  程度まで期待できる。
【００２９】
以上のように、本発明にかかる磁石膜はＲ−ＴＭ−Ｂ（ＲはＮｄ、Ｐｒ、ＴＭはＦｅ、Ｃｏ）系合金、あるいはＳｍ−Ｆｅ系溶湯合金の物理的堆積法による基板成膜、或いは溶湯合金の急冷凝固ののち、それらを必要に応じて適宜結晶化、あるいは窒化し、さらに、当該磁石膜表面に、非磁性金属を物理的堆積法で付加したＦｅ−Ｂ、αＦｅのソフト相、Ｒ２ＴＭ１４Ｂ、Ｓｍ２Ｆｅ１７Ｎ３系ハード相とのナノスケール多結晶集合組織から成る磁石膜が例示できる。
【００３０】
次に、本発明にかかる、さらに好ましい磁石膜の特性として、磁化のスプリングバック特性について図２（ａ）（ｂ）を用いて説明する。先ず、図２（ａ）で本発明で言う磁化のスプリングバック特性の定義を説明する。図のように、残留磁化Ｍｒから減磁界−Ｈを印加し、任意の磁化Ｍまで磁化反転させる。その後、減磁界−Ｈを除いたときの磁化をＭｒ’としたとき、磁化反転率をＭｒ’／Ｍｒ、磁化の復元率を（Ｍｒ−Ｍ）／Ｍｒとした。
【００３１】
図２（ｂ）は本発明にかかるソフト相（Ｆｅ３Ｂ）とハード相（Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ）とのナノスケール多結晶集合組織からなる等方性磁石膜の磁化反転率と復元率の関係を示す特性図である。また、比較例はハード相（Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ）のみの単相磁石膜である。図から明らかなように、本発明例の磁石膜は残留磁化Ｍｒの５０％程度が磁化反転しても残留磁化Ｍｒの９０％以上の磁化が回復する強いスプリングバック特性をもつ。このような強いスプリングバック特性は、本発明にかかる微小回転電気機械の磁気回路において、回転軸が何らかの理由で拘束を受けたとき、励磁巻線の逆磁界−ｄＨに暴露されるような回転子磁石の減磁耐力を確保するのに有効である。
【００３２】
次に、以上のような本発明にかかる磁気的に等方性の磁石膜を所定数積層して構成とした回転子鉄心と固定子鉄心との空隙パーミアンス係数Ｐｇを８以上とするための当該微小回転電気機械の磁気回路について図面を用いて説明する。ただし、ここでは面内残留磁化Ｍｒ  １  Ｔ、保磁力ＨｃＪ  ４００  ｋＡ／ｍの等方性磁石膜を所定数積層した回転子磁石の回転軸方向の磁石占積率を１０〜９０％、極対数を２とする。
【００３３】
図３は本発明にかかる微小回転電気機械磁気回路を８０３２２０要素に分割した３−Ｄ  ＦＥＭ解析モデルである。ただし、図中３１は図１（ａ）、または（ｂ）のナノスケール組織をもつ本発明にかかる外径１  ｍｍ、内径０．３  ｍｍ、厚さ１００  μｍ（ただし、厚さ１０μｍの非磁性基板を含む）の中空円板状磁石膜を１５枚積層し、接着固定した回転子磁石である。また、３２は固定子鉄心、３３は回転子磁石３１を回転自在にするための固定子鉄心３２との空隙である。なお、３２３は固定子鉄心３２の内径変化による空隙３３の変動域を示している。
【００３４】
図４（ａ）（ｂ）は、図３の３−Ｄ  ＦＥＭモデルによる計算機解析結果を従来の構成例との比較で示す。ただし、従来例とは、極対数１に限定される残留磁化Ｍｒ  １．３  Ｔ、可逆（リコイル）透磁率μｒ  １．０３５の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系焼結磁石を回転子磁石としたもので、何れも空隙を５０  μｍとした場合の計算機解析の結果である。異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系焼結磁石を回転子磁石とした微小回転電気機械はスロットレス型固定子構造を採るため空隙は０．３  ｍｍ程度に見積もられ、古典的磁気回路計算によれば空隙パーミアンス係数Ｐｇは高々２．４程度であり、特許文献３ではＰｇの最小値を１．４と特定している。加えて、図４（ａ）（ｂ）のように、空隙を５０μｍに狭めたとしても、本計算機解析結果から、そのＰｇは５未満にとどまる。これに対し、本発明にかかる微小回転電気機械の磁気回路で例示されるＰｇは、図から明らかなように平均値で１８に達する。
【００３５】
次に、上記のような構成の磁石膜を所定数積層して回転子磁石とする場合、形状磁気異方性の観点から好ましい磁石の占積率について、図３の３−Ｄ  ＦＥＭモデルによる計算機解析に基づき説明する。図５は回転軸方向（積層方向）の磁石占積率と空隙パーミアンス係数Ｐｇの関係を示す特性図である。図のように、空隙一定の条件下では磁石の占積率が７０％を越えるとＰｇの向上が見られる。このような、Ｐｇの向上は本発明にかかる微小回転電機機械の磁気回路において磁気抵抗の低減効果、換言すれば、形状磁気異方性が顕著に発現する条件が磁石の占積率が７０％であると説明できる。
【００３６】
次に、本発明にかかる微小回転電機機械の磁気回路の好ましい構成例について図面を用いて説明する。本発明では、例えば図６のように回転子磁石に対向する固定子鉄心先端形状を当該回転子磁石外周面に沿う円弧面に形成し、かつ各励磁巻線を互いに平行に形成した構成の微小回転電気機械の磁気回路を採ることが好ましい。ただし、図において、６１は本発明にかかる回転子磁石、６２は固定子鉄心、６２１は固定子鉄心６２の先端、６２２は固定子鉄心６２の励磁巻線、６３は回転子磁石と固定子鉄心との空隙である。なお、ここでは、本発明にかかる微小回転電気機械として３相（ＵＶＷ）駆動の４極６スロットブラシレスＤＣモータを例示している。この場合の回転駆動は、磁石回転子６１を位置検出（図示せず）することで、磁石回転子６１の位置に応じてＵＶＷの各相の励磁巻線６２２への通電時期を制御して回転磁界を固定子６２から発生させて回転子６１を回転駆動する。
【００３７】
本発明にかかる固定子鉄心の形状自体は微小回転電気機械の設計思想に委ねるべき領域であるが、図６の固定子鉄心形状を採ることにより、Ｙ軸方向の寸法を極めて薄くすることも可能である。
【実施例】
【００３８】
本発明を実施例により更に詳しく説明する。ただし、本発明は実施例に限定されない。
【００３９】
表１は本発明にかかるソフト相（Ｆｅ３Ｂ）とハード相（Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ）とのナノスケール多結晶集合組織からなる残留磁化Ｍｒ  １．０３  Ｔ、保磁力ＨｃＪ  ３３０  ｋＡ／ｍの等方性磁石膜を外径約１  ｍｍとし、所定数積層したのち、面内方向に極対数１に磁化した円柱磁石の寸法を積層方向（回転軸方向）の磁石占有率とともに示す。また、比較例として示したものは残留磁化１．３  Ｔ、保磁力ＨｃＪ  ＞１  ＭＡ／ｍの異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系焼結磁石である。なお、何れも径方向に４．８  ＭＡ／ｍのパルス磁化を施している。
【００４０】
【表１】
0005445940.tif 000003
【００４１】
図７（ａ）のように、表１のような２極円柱磁石が一様な外部磁界Ｈｅｘに暴露されたとする。ここで、回転方向（トルクの発生方向）の反時計回りを正とし、Ｈｅｘ（固定子からの回転磁界）のＳ極中心が２極円柱磁石のＮ極の真上から反時計回りに回ると考える。するとＨｅｘのＳ極中心が試料のＮ極の真上にある場合、トルクはゼロであり、半時計回りにＨｅｘのＳ極中心が回転すると磁石トルクは徐々に増加し、９０度回転した位置で最大トルクとなる。さらに回転するとトルクは再び徐々に減少し、１８０度でゼロになる。
【００４２】
図７（ｂ）は、表１の本発明例で示した円柱磁石をＨｅｘ  ２４  ｋＡ／ｍとした磁気トルク計で測定した磁石トルクを示す。２極円柱磁石長Ｌ（積層数が異なる）に対して、磁石トルクは良い直線性を示し、小さな磁石トルクを精度よく計測することができる。なお、図７（ａ）の負荷角θに対する磁石トルク（Ｍ×Ｈｅｘ  ｓｉｎθ）は式１右辺第１項の磁石トルク（Ｐｎ×Φａ×Ｉｑ）である。ここで、ＰｎとΦａは回転子磁石Ｍにかかり、ＩｑはＨｅｘにかかることになる。そこで、計測した磁石トルクを直径１  ｍｍ  （Ｌ／Ｄ＝１．５）で規格化するため、２極円柱磁石の周長、積層長で補正するとともに、回転軸挿入孔を０．３  ｍｍとしたとき、極対数１と２における表面磁束密度分布の積分値の比と極対数とで磁石トルクを補正した。このようにして本発明にかかる極対数２における相対磁石トルク分布を算出した。
【００４３】
図８（ａ）は補正した極対数２の本発明例にかかる回転子磁石が発現する相対磁石トルク分布を極対数１の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系焼結磁石の比較例とともに示す特性図である。図から明らかなように、本発明例の磁石トルク最大値は比較例の磁石トルク最大値に対して１．７倍であった。
【００４４】
さらに、図８（ｂ）は外部磁界Ｈｅｘを８、２４、４０  ｋＡ／ｍとしたとき、Ｈｅｘに対する直径１  ｍｍ  （Ｌ／Ｄ＝１．５）における相対磁石トルクを示す特性図である。図から明らかなように、Ｈｅｘと相対磁石トルクは一次関数で近似できる。そして、図中に示した回帰式の傾き、ｄＴ／ｄＨ（μＮｍ／ｋＡ／ｍ）は本発明例では２．０３７、比較例では１．２３６８であった。この値は永久磁石回転子と固定子鉄心で構成する微小回転電気機械の磁気回路ではトルク定数（μＮｍ／Ａ）に対応する。したがって、同一磁気回路構成をもつ微小回転電気機械の本発明にかかるトルク定数は比較例に比べて１．８６倍向上することを意味している。以上のように、本発明によれば、比較例として示した極対数１の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系焼結磁石の残留磁化Ｍｒを高めて微小回転電気機械を高トルク化する手段に比べて、遥かに高い効果が得られることは明白である。  
【符号の説明】
【００４５】
１１：ハード相、１２：ソフト相、３１：  回転子磁石、３２：固定子鉄心、３２３：  空隙の変動域、６１：回転子磁石、６２：固定子鉄心、６２１：固定子鉄心先端部、６２２：励磁巻線、６３：空隙
【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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