JP5453644B2 - 微小ロータ部材と、その回転電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転電気機械の微小ロータ部材に関する。さらに詳しくは、磁気的に等方性で高い残留磁化Ｍｒをもつ磁石を非磁性部材で隔離しながら所定数積層し、極対数２以上、磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）が５以上の面内方向の平均磁路を備えた微小ロータ部材に関する。

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１００ ｍｍ^３のものが普及している。これらの回転電気機械は、更なる小型化により、車載、情報家電、通信、精密計測、医療福祉分野の電気電子機器やロボットなど、駆動源の小型化、薄型化、軽量化、低消費電力化が求められている。

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（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８ ｍｍ以下の流体冷却式ＲＧ−ＢＬＭが提案され、励磁巻線部分にＡｌ_２Ｏ_３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／ｍｉｎで出力５ Ｗが得られるとしている。

上記にかかる回転電気機械としては、例えば、放電加工したＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ焼結磁石部材を外径 ０．７６ ｍｍの２極ロータとし、ステータと組合せ体積 ４ ｍｍ^３ （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、体積Ｖ ６２ ｍｍ^３ （外径６ ｍｍ、長さ２．２ ｍｍ） ［非特許文献２］、体積２０ ｍｍ^３ （外径 ５ ｍｍ、長さ１ ｍｍ） ［非特許文献３］、並びに体積０．６ ｍｍ^３ （外径 ０．８ ｍｍ、長さ１．２ ｍｍ） ［非特許文献４］などが知られている。しかし、それらの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。

上記のような回転電気機械の微小ロータ部材の磁石に関しても、多くの提案がある。例えば、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／ｍ^３、厚さ３００μｍのＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ系磁石による微小ロータ部材を示している［非特許文献５］。また、Ｊ． Ｄｅｌａｍｅｒｅらは１６極着磁したＳｍＣｏ系磁石による微小ロータ部材、および対向するステータで、１００，０００ ｒｐｍとしたとき０．００１ ｍＮｍ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６］。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／ｍ^３、厚さ５００μｍのＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂボンド磁石を微小ロータ部材とし、トルク０．０５５ ｍＮｍの、所謂ＭＥＭＳモータとして報告している［非特許文献８］。

他方では、回転電気機械の体積あたりのトルク、すなわちトルク密度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９］。しかし、スロットレス構造の鉄心を有する径方向空隙型回転電気機械は空隙による磁気抵抗が増す欠点がある。

一方、トルクは極対数に比例し、機械出力Ｐ （Ｗ）は定数ｋ ＝ ０．１０４７ （＝π／３０）、回転数Ｎ （ｒ／ｍｉｎ）、及びトルクＴ （Ｎｍ）の積である。このことから回転電気機械の微小化に伴う出力Ｐの減少を補うには、１） 高残留磁化磁石、２） 径方向へ極対数２以上の高いパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）での磁化、３）高速回転に伴う渦電流損失低減などが必要となる。

上記、径方向空隙型回転電気機械の微小ロータ部材の直径は概ね１．６ ｍｍ以下である。このことからＤ． Ｈｉｎｚらの残留磁化Ｍｒ ＝ １．２５ Ｔのｄｉｅ ｕｐｓｅｔ磁石は磁気的に異方性のＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ系焼結磁石と同様に、一方向へのＣ軸配向に制約される。このため径方向への磁化は極対数１（２極）に限定されるばかりか、磁路（形状）の制約からパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）を高く採れない。加えて、当該磁石の電気比抵抗は概ね１０^−５ Ωｃｍと低く、回転の高速化に伴う渦電流損失を抑制できないという課題もある。

一方、Ｔｏｐｆｅｒ、およびＴ． Ｓｐｅｌｉｏｔｉｓらのスクリーン印刷Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂボンド磁石は磁気的に等方性であるから径方向へ極対数２以上で、かつｄｉｅ ｕｐｓｅｔ法や焼結法などにより作製した異方性磁石よりも、多極化することで高いパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）での磁化が可能である。加えて、電気比抵抗は積層電磁鋼板と同等の概ね１０^−１ Ωｃｍとなるため高速回転に伴う渦電流損失の抑制も可能となる。しかし、ｄｉｅ ｕｐｓｅｔ法や焼結法などにより作製した異方性磁石に比べると残留磁化が０．４２ Ｔと低く、微小ロータから発生する静磁界では同一形状、同一構造の回転電気機械のトルクは異方性磁石ロータに比べて１／３程度となる課題がある。

他方、極対数が２以上の磁化に関して、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Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ 磁石粉末をエポキシ樹脂で固めた残留磁化Ｍｒ ０．６２〜０．６８ Ｔの等方性Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂボンド磁石を３２０ ℃（キュリー温度）以上に加熱し、界磁中冷却する多極磁化を報告している［非特許文献９］。しかし、残留磁化はＴｏｐｆｅｒ、およびＴ． Ｓｐｅｌｉｏｔｉｓらの報告例よりも高いものの、径方向空隙型微小回転電気機械のトルクをｄｉｅ ｕｐｓｅｔ磁石や焼結磁石などの異方性磁石と同等以上とすることは困難である。加えて、エポキシ樹脂を当該樹脂の熱分解温度を越える磁石材料のキュリー温度以上に加熱することは、採用できる磁石材料に制約が生じるという課題ばかりか、当該磁石材料を固定化する樹脂成分の炭化に伴う磁石の機械強度の劣化、あるいは電気比抵抗の減少を伴うために高速回転での渦電流損が増大するという課題がある。このため、微小ロータ部材として、回転電気機械の高トルク化、高速回転化による高出力化には適さない。

以下に、背景の技術の欄にて示した特許文献及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及び非特許文献を記載する。

特表１９９６−５０１８２０号公報 特表２００２−５３２０４７号公報 特開平１１−２８８８１２号公報

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）． 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）． 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）． 伊東哲也，日本応用磁気学会誌， Ｖｏｌ．１８， ｐｐ．９２２−９２７， （１９９４）． 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）． Ｊ． Ｄｅｌａｍａｒｅ， Ｇ． Ｒｅｙｎｅ， Ｏ． Ｃｕｇａｔ， Ｐｒｏｃ． ｏｆ １８ｔｈ Ｉｎｔ． ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， Ａｎｎｅｃｙ， Ｆｒａｎｃｅ， ｐｐ．７６７−７７８， （２００４）． 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）． Ｔｏｐｆｅｒ， Ｂ． Ｐａｗｌｏｗｓｋｉ， Ｄ． Ｓｃｈａｂｂｅｌ，Ｐｒｏｃ． ｏｆ １８ｔｈ Ｉｎｔ． ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ｐｐ．９４２−９４４， （２００４）． Ｈ． Ｋｏｍｕｒａ， Ｍ． Ｋｉｔａｏｋａ， Ｔ． Ｋｉｙｏｍｉｙａ， Ｙ． Ｍａｔｓｕｏ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１０１， ０９Ｋ１０４ （２００７）．

例えば、Ｄ． Ｈｉｎｚらの１．２５ Ｔの残留磁化Ｍｒをもつ磁気的に異方性の微小磁石［非特許文献５］の残留磁化Ｍｒを概ね１０％高めることは比較的容易である。しかし、極対数は１に限られ、高いパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）での磁化、および高い電気比抵抗とすることの何れも不可、または極めて困難である。

上記、異方性磁石は残留磁化Ｍｒを高めることで回転電気機械のトルクを向上することができる。しかしながら、Ｓ−Ｔ （Ｓｐｅｅｄ − Ｔｏｒｑｕｅ）垂下特性のために高速回転化には不利である。とくに、当該磁石は電気比抵抗が１０^−５ Ωｃｍ程度であるため、高速回転に伴う渦電流が増加し、熱エネルギーとしてロータ部材の温度を上昇させ、熱減磁を引き起こす場合もある。したがって、高い残留磁化Ｍｒで知られるｄｉｅ−ｕｐｓｅｔ法、或いは焼結法により作製した異方性磁石は、極対数を増すことによっての高トルク化が困難なばかりか、高速回転化では損失増加、ひいては減磁による出力低下を引き起こすなどの技術課題がある。

一方、Ｔｏｐｆｅｒら、およびＴ． Ｓｐｅｌｉｏｔｉｓらは回転電気機械の微小ロータ部材の磁石の電気比抵抗が１０^−１ Ωｃｍ程度、残留磁化Ｍｒが０．４２ Ｔ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、８］。しかし、残留磁化Ｍｒが０．４２ Ｔ程度という水準は、リラクタンスが高いスロットレス構造が一般的な本発明にかかる径方向空隙型回転電気機械の微小ロータ部材としては発生する静磁界が弱く、極対数２以上としても残留磁化Ｍｒ １．２５ Ｔ以上の微小ロータ部材に比べるとトルク不足は否めないという技術課題がある。

他方、径方向への極対数２以上の多極磁化に関し、例えば、Ｈ． Ｋｏｍｕｒａらは急冷凝固薄帯から作製した磁気的に等方性のＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ系磁石粉末をエポキシ樹脂で固めた残留磁化Ｍｒ ０．６２〜０．６８ Ｔ程度のボンド磁石の電気比抵抗は１０^２ Ωｃｍ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、３２０ ℃（キュリー温度）以上に加熱し、界磁中冷却する磁化過程ではＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ系磁石粉末やエポキシ樹脂の熱劣化は不可避である。また、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂにおいて、Ｎｄ_２（Ｆｅ，Ｃｏ）_１４ＢのようにＦｅの一部をＣｏ置換したとき、キュリー温度はＣｏ １原子％あたり約１０ ℃上昇する。例えば、Ｆｅの約１６原子％をＣｏ置換したときのキュリー温度は約４７０ ℃とななど、磁石材料の選択がキュリー温度で制約される。さらに、微小ロータ部材としての機械強度の劣化、高速回転における渦電流損の増加などに課題がある。加えて、残留磁化Ｍｒが０．６２〜０．６８ Ｔのボンド磁石ではＴｏｐｆｅｒら、およびＴ． Ｓｐｅｌｉｏｔｉｓらの例と同様に、回転電気機械の微小ロータ部材としては残留磁化Ｍｒ １．２５ Ｔに比べると、やはりトルク不足が否めないという技術課題がある。

以上のような軸方向空隙型に比べて高いトルクが得易い径方向空隙型回転電気機械の微小ロータ部材の技術課題に対し、（１）磁気的な等方性で、かつ０．９５ Ｔ以上の高い残留磁化Ｍｒをもち、かつ、磁化方向でのリラクタンスを最小する構成は殆ど知られていない。しかも、（２）回転軸方向で磁石を隔離し、磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）を５以上とした磁路構成とし、有効磁束を強く引出す具体的な構成も殆ど知られていない。加えて、（３） 極対数１に限定される異方性磁石に対し、本発明では極対数２以上とし、回転電気機械のトルク向上を図ることができる。さらに、（４）磁石を回転軸方向に積層構造とすることで高速回転に伴う渦電流を抑制することもできる。

なお、上記のような技術課題（１）〜（４）を同時に解決する技術の開示は殆ど知られていないのが実情と言える。

本発明は磁気的に等方性の磁石の厚さをｔ_１、前記磁石を隔離する非磁性部材の厚さをｔ_２としたとき、比ｔ_１／ｔ_２を８以上とした円板、もしくは中空円板状の非磁性部材隔離型等方性磁石を回転軸方向に所定数積層し、界磁中冷却で極対数２以上に面内磁化させ、磁気的に等方性の磁石の面内残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪ ４００ ｋＡ／ｍ以上、かつ磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）が５以上の面内方向平均磁路を備えた微小ロータ部材である。なお、ここで言うパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）とは磁束の通りやすさを表す量であり、磁気抵抗の逆数である。つまり、電気系とのアナロジーで表現すると、パーミアンス（Ｂ／μｏＨ）は磁束を電流に置き換えたときの電気伝導度（電気抵抗の逆数）に相当する。また、界磁中冷却とは、キュリー点以上に加熱した後、キュリー点未満まで降温し、その間、界磁磁石で着磁磁界を印加し続けて磁化（着磁）させる処理を言う。

とくに、非磁性部材隔離型磁石として好ましくは、非磁性部材を基板とし、物理的堆積法により磁石成分を成膜し、しかるのち、結晶化、あるいは規則−不規則変態などの熱処理を施すことにより、面内残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪ ４００ ｋＡ／ｍ以上とした非磁性部材一体型磁石を挙げることができる。

上記磁石として、さらに好ましくはＦｅ−Ｐｔ系不規則合金を堆積し、しかるのち、熱処理によりＦｅ−Ｐｔ系規則合金とする。あるいは、平均堆積層の厚さが６０ ｎｍ 以下のαＦｅと平均堆積層の厚さが６０ ｎｍのＲ−ＴＭ−Ｂ（ＲはＮｄ、Ｐｒ、ＴＭはＦｅ、Ｃｏ）系合金を交互に堆積し、しかるのち、αＦｅと熱処理により、結晶化したＲ_２ＴＭ_１４Ｂ系合金としたものを挙げることができる。

さらに、非磁性部材隔離型磁石がＲ−ＴＭ−Ｂ（ＲはＮｄ、Ｐｒ、ＴＭはＦｅ、Ｃｏ）系合金、あるいはＳｍ−Ｆｅ系合金の溶湯合金の急冷凝固薄帯を結晶化、あるいは窒化し、面内残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪ ４００ ｋＡ／ｍ以上とした薄帯表面に非磁性金属を物理的堆積法によって付加した非磁性部材一体型磁石であっても差支えない。

なお、物理的堆積法によって磁石成分を成膜する場合、保磁力ＨｃＪを４００ ｋＡ／ｍ以上に確保するための非磁性基板としてＴａ、またはＴａをバッファとすることが好ましい。

一方、本発明にかかる円板、もしくは中空円板状非磁性部材隔離型磁石を回転軸方向に所定数積層し、界磁中冷却で極対数２以上に面内磁化させ、磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）が５以上の面内方向へ平均磁路を備えた微小ロータ部材とする。

以上のような、本発明にかかる微小ロータ部材を備えた微小回転電気機械としては、スロットレス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各種小型電気電子機器の性能向上に貢献できる。

磁石のリラクタンス分布を示す模式図 磁石単体の厚さと、パーミアンス（Ｂ／μｏＨ）の関係を示す特性図 成膜装置の要部構成を示す概念図 （ａ）中空円板状非磁性部材隔離型磁石の斜視外観図、（ｂ）上面外観図 （ａ）極対数２、Ｂ／μｏＨを ５とした磁石の概念図、 （ｂ）回転電気機械の断面図、（ｃ） 回転電気機械の斜視図 実施例にかかる磁束Ｂｄとパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）の関係を示す特性図

本発明にかかる磁気的に等方性の磁石の厚さをｔ_１、前記磁石を隔離する非磁性部材の厚さをｔ_２としたとき、比ｔ_１／ｔ_２を８以上とした円板、もしくは中空円板状の非磁性部材隔離型磁石を回転軸方向に所定数積層し、界磁中冷却で極対数２以上に面内磁化させ、磁気的に等方性の磁石の面内残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪ ４００ ｋＡ／ｍ以上、かつ磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）が５以上の面内方向平均磁路を備えた微小ロータ部材について詳しく説明する。

先ず、本発明にかかる残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪ ４００ ｋＡ／ｍ以上の等方性磁石とは非磁性金属を基板とし、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｒ−ＴＭ−Ｂ（ＲはＮｄ、またはＰｒ、ＴＭはＦｅ、Ｃｏ）系合金などを物理的堆積法によって成膜し、しかるのち、当該基板に成膜したＦｅ−Ｐｔ、Ｒ−ＴＭ−Ｂ系合金を適宜熱処理することにより、規則−不規則変態、あるいは結晶化することで磁石の磁気特性の最適化を図る等方性磁石を挙げることができる。

例えば、Ｆｅ_５０Ｐｒ_５０合金をＰＬＤ （Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの物理的堆積法により、基板厚さの８倍以上に成膜したとき、飽和磁化Ｍｓ １．５ Ｔ以上のＦｅ_５０Ｐｒ_５０不規則合金となる。これを、例えば４００℃に熱することで規則−不規則変態させると、保磁力ＨｃＪ ５００ ｋＡ／ｍ程度のＦｅ_５０Ｐｒ_５０規則合金とすることができ、本発明にかかる面内残留磁化Ｍｒは１ Ｔを越えるものとなる。

ところで、Ｒ_２ＴＭ_１４Ｂ（ＲはＮｄ、またはＰｒ、ＴＭはＦｅ、Ｃｏ）と交換結合する高い飽和磁化ＭｓのαＦｅが存在すると、逆磁界の下でαＦｅから先に磁化反転し、高い保磁力ＨｃＪが得られない。しかし、αＦｅ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Ｒ_２ＴＭ_１４Ｂ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、αＦｅから、より高い磁束を得るには、磁石中のαＦｅの体積比を増す必要があり、そのためにはＲ_２ＴＭ_１４Ｂのサイズをできる限り小さくする。Ｒ_２ＴＭ_１４Ｂ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。例えば、αＦｅとＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂでは、それぞれ６０ ｎｍ、及び数ｎｍ程度となる。このように、αＦｅの平均堆積層の厚さを６０ ｎｍ 以下とし、前記αＦｅ平均堆積層の厚さ以下のＲ−ＴＭ−Ｂを、αＦｅと交互に１０^３以上堆積した構成とし、その後の熱処理でαＦｅと結晶化したＲ_２ＴＭ_１４Ｂとする。このような、αＦｅと結晶化したＲ_２ＴＭ_１４Ｂを２０ｎｍずつ、交互に１０^３以上堆積した等方性磁石の面内残留磁化Ｍｒも１ Ｔを超えるものとなり、一方の保磁力ＨｃＪは４００ ｋＡ／ｍに達する。ここで、αＦｅとＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂとの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した場合の詳細な計算機シミュレーションによれば、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（ＢＨ）_ｍａｘ は２００ ｋＪ／ｍ^３ 程度まで期待できる。

さらに、本発明にかかる等方性磁石としてＲ−ＴＭ−Ｂ（ＲはＮｄ、Ｐｒ、ＴＭはＦｅ、Ｃｏ）系合金、あるいはＳｍ−Ｆｅ系合金の溶湯合金のメルトスパンリボンを結晶化、あるいは窒化し、磁気特性を最適化した薄帯表面に非磁性金属を物理的堆積法によって付加した非磁性部材一体型磁石を挙げることができる。例えば、合金組成Ｐｒ_９Ｆｅ_７３Ｃｏ_９Ｂ_７Ｖ_１Ｎｂ_１の溶湯合金をメルトスパンし、熱処理した厚さ４０ μｍ程度のαＦｅと結晶化したＰｒ_２Ｆｅ_１４Ｂから構成した等方性薄帯の片面にイオンプレーティングなどにより、厚さ３−４ μｍのＡｌ膜を付与した非磁性部材一体型磁石では、面内方向残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ、保磁力ＨｃＪ ６４５ ｋＡ／ｍ、（ＢＨ）_ｍａｘ １３８ ｋＪ／ｍ^３が得られる。

ところで、上記のような合金組成Ｐｒ_９Ｆｅ_７３Ｃｏ_９Ｂ_７Ｖ_１Ｎｂ_１の溶湯合金をメルトスパンし、熱処理した厚さ４０ μｍ程度のαＦｅと結晶化したＰｒ_２Ｆｅ_１４Ｂからなる等方性薄帯を１５０ μｍ以下に粉砕し、エポキシ樹脂で固めた密度６ Ｍｇ／ｍ^３のボンド磁石の相対密度は概ね８０％である。また、残留磁化０．７３ Ｔ、保磁力ＨｃＪ ６２６ ｋＡ／ｍ、（ＢＨ）_ｍａｘ ８０ ｋＪ／ｍ^３である。この値は、本発明にかかる非磁性部材隔離型磁石の面内方向残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ、保磁力ＨｃＪ ６４５ ｋＡ／ｍ、（ＢＨ）_ｍａｘ １３８ ｋＪ／ｍ^３に対し、残留磁化Ｍｒ ７６．８％、保磁力ＨｃＪ ９７．１％、（ＢＨ）_ｍａｘ ５８％と、磁気特性が劣化する。このように、Ｔｏｐｆｅｒら、Ｔ． Ｓｐｅｌｉｏｔｉｓら、Ｈ． Ｋｏｍｕｒａらの従来技術にかかるボンド磁石を本発明にかかる微小ロータ部材とすることは残留磁化Ｍｒと（ＢＨ）_ｍａｘ の劣化が大きい。

以上のような本発明にかかる非磁性部材隔離型磁石において磁石の厚さをｔ_１、非磁性部材の厚さをｔ_２としたとき、その比ｔ_１／ｔ_２を８以上とする。なお、回転軸方向に所定数積層した非磁性部材隔離型等方性磁石を、接着層を介して固定化する場合には、当該接着層を非磁性部材として厚さｔ_２に含めることが好ましい。さらに、本発明にかかる非磁性部材隔離型磁石を回転軸方向に所定数積層して固定化する手段としては、熱と圧力による塑性変形を利用した接合を挙げることができる。あるいは、高速回転に伴う渦電流損を抑制するために数μｍ程度のポリイミドのような耐熱性高分子を介して圧着し、層間の電気比抵抗を向上させ方法などを挙げることもできる。なお、積層体の固定の際に圧力を利用する理由は、非磁性部材隔離型磁石の回転軸方向（積層方向）の磁石の相対密度（積層体に占める磁石の体積分率）を８０％以上とするためである。

なお、ボンド磁石では磁石材料の相対密度（体積分率）は圧縮成形で８０％、押出成形で７８％、カレンダリングで６５％、射出成形で６２％、スラリーキャスティングやスクリーンプリンティングで６０％程度である。そこで、本発明にかかる非磁性部材隔離型磁石の厚さをｔ_１、非磁性部材の厚さをｔ_２としたとき、その比ｔ_１／ｔ_２を８以上とすることで、回転軸方向の相対密度をボンド磁石以上に高めることができ、しかも当該磁石の面内方向のリラクタンスを最小とすることで残留磁化Ｍｒや（ＢＨ）_ｍａｘが劣化しにくく、しかも面内における磁化方向は一様な磁石材料で構成することができる。

つぎに、本発明にかかる非磁性部材隔離型磁石を回転軸方向に所定数積層した磁石の面内多極磁化について図１を用いて説明する。ただし、図１（ａ）は本発明にかかる磁石のリラクタンス分布を示す模式図、図（ｂ）はボンド磁石のリラクタンス分布を示す模式図、図１（ｃ）はｄｉｅ ｕｐｓｅｔ法や焼結法により作製した異方性磁石のリラクタンス分布を示す模式図である。また、図中Ａ−Ａ’は回転軸中心、Ｍは磁化で矢印はその方向と大きさを相対的に表している。また、１ａは本発明にかかる成膜、あるいは薄帯磁石、１ｂは磁石粉末、あるいは磁石粒子、１ｃはＣ軸を一方向に揃えた異方性磁石、２ａは本発明にかかる磁石１ａを２次元的に隔離する非磁性部材、２ｂはボンド磁石の磁石粉末、または磁石粒子を３次元的に分割する結合剤である。

本発明にかかる図１（ａ）は、複数の非磁性部材隔離型磁石を積層した構成に特徴がある。すなわち、従来技術では、例えば、特開平０４−３４０３５２、特開平０５−３０７１７、特開平０８−８３７１３、特開平０９−７８３３などに見られるように、物理堆積法で成膜した磁石１ａを基板２ａとともにそのまま直接単一部材として応用するもので、複数の成膜した磁石１ａを基板２ａとともに部材に応用する例は見られない。

本発明は上記、複数の非磁性部材隔離型磁石を積層した構成とし、さらに、磁気特性、極対数、磁石単一での面内方向磁路のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）などを特定した非磁性部材隔離型磁石を、少なくとも複数の積層で構成した点に特徴がある。

ところで、図１ （ａ）（ｂ）の両者ともに磁気的に等方性であるから極対数２以上の面内磁化が可能である。しかし、図１（ｃ）はＭ（矢印）で示す異方性の方向への磁化のみとなるから、極対数は１に限定される。例えば、微小磁石の直径を１ ｍｍとする。すると、その磁極ピッチは０．７８５ ｍｍ（π／４）である。本発明にかかる非磁性部材２ａで隔離した磁石１ａは面内方向（磁化方向）Ｍを行うに際し、図１（ｂ）のような当該磁路にリラクタンスを高める要素２ｂがない。また、図１（ｃ）の磁石１ｃのようなバルクと異なり、図１（ａ）の磁石１ａは１ｂによって面内方向磁路が隔離されている。このため、極対数２以上、かつ磁石１ａ単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）が５以上の面内方向平均磁路を備えた構成を採ることができる。

つぎに、本発明にかかる磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）が５以上の面内方向平均磁路について図２を用いて説明する。ただし、図２は本発明にかかる非磁性部材隔離型磁石において、磁石を隔離する非磁性部材を１０μｍとしたとき、磁石単体の厚さと、そのパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）の関係を示す特性図である。ただし、図中で示す本発明の範囲（例 １）は直径１ ｍｍの磁石外周から、極対数２の面内磁化を施したとき、異極中心間の距離を磁路長、磁極の機械角の５０％を極幅とした例である。また、図中、本発明の範囲（例 ２）は直径１．３ ｍｍの磁石外周から、極対数１０の面内磁化を施したとき、異極中心間の距離を磁路長、磁極の機械角の５０％を極幅とした例である。

図２から明らかなように、磁石を隔離する非磁性部材を１０μｍとしたとき、磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）を５以上とする面内方向平均磁路のために必要な磁石の厚さは例１で約８０〜３５０μｍ、例２では８０〜１５０μｍとなる。さらに、磁石厚さが８０μｍ未満であると、磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）は増すが、回転軸方向の磁石体積分率が８０％未満となり、微小ロータ部材としての磁石体積分率が顕著に低下するので好ましくない。

なお、本発明にかかる磁石は物理的堆積法で任意の厚さを高速成膜する場合はＰＬＤ（パルスレーザディポジション）を挙げることができる。しかしながら、例えば合金組成Ｎｄ_４Ｆｅ_７７．５Ｂ_１８．５などの溶湯合金を１．３ ｋＰａの雰囲気圧において、単ロール表面速度３〜７ ｍ／ｓで急冷凝固すると、ａｓ−ｓｐｕｎ状態で厚さ１００〜３００μｍのＦｅ_３Ｂ／Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ急冷凝固薄帯が得られるとしている（金清、広沢，日本応用磁気学会誌，ｖｏｌ．２２， ｐｐ．３８５−３８７ （１９９８））。本発明では、残留磁化０．９５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪ ４００ ｋＡ／ｍ以上であれば、このような急冷凝固薄帯を非磁性部材で隔離したものを使用しても差支えない。

上記のような、本発明にかかる微小ロータ部材は、磁気的に等方性の磁石の厚さをｔ_１、前記磁石を隔離する非磁性部材の厚さをｔ_２としたとき、比ｔ_１／ｔ_２を８以上とした円板、もしくは中空円板状の非磁性部材隔離型磁石を回転軸方向に所定数積層し、界磁中冷却で極対数２以上に面内磁化させ、磁気的に等方性の磁石の面内残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪ ４００ ｋＡ／ｍ以上、かつ磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）が５以上の面内方向平均磁路を備える。また、非磁性部材隔離型磁石は打抜円板、もしくは打抜中空円板であることが好ましい。

以上のような、本発明にかかる微小ロータ部材はスロットレス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、あるいは発電機として先端電気電子機器の駆動減として利用すると、当該機器の小型化、薄型化、軽量化、低消費電流化などを図ることができる。

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、ＰＬＤによる本発明にかかる面内残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪ ４００ ｋＡ／ｍ以上の磁気的に等方性の磁石の厚さをｔ_１、前記磁石を隔離する非磁性部材の厚さをｔ_２としたとき、比ｔ_１／ｔ_２を８以上とした非磁性部材隔離型磁石の作製について図面を用いて、またＦｅ−Ｐｔ、αＦｅ／Ｒ−ＴＭ−Ｂの熱処理について以下に説明する。

図３は本発明にかかるＰＬＤ装置の要部構成を示す概念図である。ただし、図中１はターゲット、２はＴａ基板、３ａ−１は主レーザ、４ａはレンズ、３ａ−２はレンズ４ａによって絞られた照射レーザ、３ｂ−１は補助レーザ、４ｂはレンズ、３ｂ−２はレンズ４ｂによって絞られた補助照射レーザである。これらは、チャンバー６によって囲われ、排気系７が装着されている。ターゲット１は回転自在な支持台８に装着され、回転機９ａを駆動制御することで、例えば、αＦｅとＮｄ−Ｆｅ−Ｂが交互にレーザ３ａ−２の照射を受ける構成になっている。さらに、５はレーザ３ａ−２をターゲット１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る。さらに、２５ ｍｍ×２５ ｍｍ、厚さ１０μｍのＴａ基板２は駆動装置９ｂとの連結で回転自在に装着されている。なお、生成したプリュームに補助レーザ３ｂ−２を照射し、ドロップレットを成膜から除去することが好ましい。

上記、Ｆｅ−Ｐｔ、あるいはαＦｅ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂの成膜では、排気系７により、真空チャンバー６内を１〜３×１０^−４ Ｐａとしたのち、ターゲット１に３４０ ｍＪのエネルギーをもつＹＡＧレーザ３ａ−２をパルス周波数３０ Ｈｚで６０−１８０ ｍｉｎ照射した。得られた膜は約８０−３００ μｍであり、１パルスあたり１ ｎｍ程度堆積したことになる。

次いで、上記Ｆｅ−Ｐｔ成膜基板は昇温速度１５０ ℃／ｍｉｎ 、最高到達温度４００ ℃、保持時間なしの条件で規則−不規則変態を行った。また、αＦｅ／Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ成膜基板では昇温速度１５０ ℃／ｍｉｎ 、最高到達温度６５０ ℃、保持時間なしの条件でＮｄ−Ｆｅ−Ｂを結晶化してＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂとした。

つぎに、上記厚さ８０−３００μｍのＦｅ−Ｐｔ、およびαＦｅ／Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂを、それぞれ厚さ１０μｍのＴａ基板とともに、外径１ ｍｍ、内径０．６ ｍｍに打抜き、図４のような、本発明にかかる中空円柱状非磁性部材隔離型磁石を得た。なお、図４（ａ）は斜視外観図、（ｂ）は上面外観図であり、当該磁石の面内方向残留磁化ＭｒはＦｅ−Ｐｔで０．９５ Ｔ、αＦｅ／Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂで１ Ｔ、保磁力ＨｃＪはＦｅ−Ｐｔで５１５ ｋＡ／ｍ、αＦｅ／Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂで４２７ ｋＡ／ｍ、（ＢＨ）_ｍａｘ はＦｅ−Ｐｔ で１３８ ｋＪ／ｍ^３、αＦｅ／Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂで９０ ｋＪ／ｍ^３であった。なお、本実施例における本発明例１をＦｅ−Ｐｔ系、本発明例２をαＦｅ／Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ系とする。

他方、合金組成Ｎｄ_４Ｆｅ_７７．５Ｂ_１８．５の溶湯合金の急冷凝固し、６５０℃で結晶化した厚さ８０ μｍのＦｅ_３ＢとＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂからなる等方性薄帯の自由面にイオンプレーティングにより、厚さ１０ μｍのＡｌ膜を付与し、これを外径１ｍｍ、内径０．６ ｍｍの中空円柱状に打抜くことで、本発明にかかる非磁性部材隔離型磁石を得た。得られた磁石の面内方向残留磁化Ｍｒは１．０５ Ｔ、保磁力ＨｃＪは４００ ｋＡ／ｍ、（ＢＨ）_ｍａｘ は１０２ ｋＪ／ｍ^３であり、これを本発明例３とする。

つぎに、本発明例１〜３にかかる非磁性部材隔離型磁石の磁石側表面に約３μｍの下式で示されるポリイミド膜を設けた。この膜はＴｄ５（熱重量分析 ＴＧＡにおいて、熱分解による重量損失が５％に達する温度）が約５５０℃の耐熱性を備えている。

つぎに、本発明にかかるポリイミド膜を付与した外径１ｍｍ、内径０．６ ｍｍ非磁性部材隔離型磁石を５ ｍｍとなるよう積層しながら整形型に装填した。さらに、２５０℃、５０ ＭＰａで圧縮し、冷却後、離型したところ、回転軸方向の磁石体積分率は８１％であった。

以上のような、本発明例１〜３の磁気的に等方性で面内残留磁化Ｍｒ ０．９５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪ ４００ ｋＡ／ｍ以上、かつ磁石の厚さをｔ_１、非磁性部材の厚さをｔ_２としたとき、比ｔ_１／ｔ_２を８以上とした中空円板状の非磁性部材隔離型磁石を回転軸方向に積層し、回転軸方向の磁石体積分率を８１％としたものを対象に、さらに３２０ ℃以上に加熱し、界磁中冷却で図５（ａ）のように極対数２に面内磁化させ、磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）を ５とした面内方向平均磁路を備えた微小ロータ部材とした。次いで、前記微小ロータ部材を用いて、図５（ｂ）（ｃ）に示すような本発明にかかる回転電気機械とした。

ただし、図５（ｂ）は図５（ｃ）に示す回転電気機械に示す直線Ａ−Ａ’から右部分の断面構造を示している。ここで、図中、１は非磁性部材隔離型磁石、２は回転軸、３は軸受、４は励磁巻線、５は固定子鉄心、６はハウジングである。また、１ｎは非磁性部材隔離型磁石を回転軸方向に積層した本発明にかかる微小ロータ部材の要部であり、その直径は概ね１．５ ｍｍ以下である。また、この例では励磁巻線４を積層した非磁性部材隔離型磁石１ｎの両端に配置し、固定子鉄心５のティース５ａ、５ｂを径方向に配置した構成になっている。例えば、励磁巻線４にパルス電流励磁すると、固定子鉄心５のティース５ａ、５ｂが異極となり、非磁性部材隔離型磁石１ｎの磁極との間で作用する電磁力で回転する。なお、回転トルクは非磁性部材隔離型磁石１ｎの極対数と磁束Ｂｄに比例する。

図６は、本発明例１〜３の微小ロータ部材の磁束Ｂｄとパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）の関係を示す。なお、比較例１として残留磁化Ｍｒ １．４８ ＴのＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ系焼結磁石、比較例２としてＭｒ １．２０ ＴのＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ系焼結磁石、および比較例３として残留磁化Ｍｒ ０．７３ Ｔの等方性αＦｅ／Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ系ボンド磁石の磁束Ｂｄを示す。

図６から明らかなように、本発明にかかる微小ロータ部材を図５（ｂ）（ｃ）のような径方向空隙型モータに適用すると、非磁性部材で隔離し、リラクタンスも小さい面内任意方向に多極磁化する積層型構造であることから、磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）を５以上とすることができる。したがって、磁気的に等方性でありながら、異方性磁石に匹敵する従来にない高いＢｄ値が得られ、減磁に対しても有利である。加えて、積層構造は高速回転での渦電流損による温度上昇を抑制することができるなど、比較例１〜３のような既存の等方性、異方性バルク磁石を微小ロータ部材とするのに対し、回転電気機械の微小ロータ部材として、その優位性を確保できる。

以上のように、本発明にかかる微小ロータ部材は高トルク密度の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、あるいは発電機として産業上幅広く用いることができる。

１：非磁性部材隔離型磁石、１ｎ： 非磁性部材隔離型磁石を積層した微小ロータ部材の要部断面、２：回転軸、３：軸受、４：励磁巻線、５：固定子鉄心（５ａ、５ｂ： ティース）、６：ハウジング

Claims (11)

1. 磁気的に等方性の磁石の厚さをｔ_１、前記磁石を隔離する非磁性部材の厚さをｔ_２としたとき、比ｔ_１／ｔ_２を８以上とした円板、もしくは中空円板状の非磁性部材隔離型磁石を回転軸方向に所定数積層し、界磁中冷却で極対数２以上に面内磁化させ、磁気的に等方性の磁石の面内残留磁化Ｍｒが０．９５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪが４００ ｋＡ／ｍ以上、かつ磁石単体のパーミアンス（Ｂ／μｏＨ）が５以上の面内方向平均磁路を備えた微小ロータ部材。
2. 非磁性部材隔離型磁石が非磁性部材を基板とし、物理的堆積法により磁石成分を成膜し、必要に応じて適宜熱処理により保磁力調整を行う非磁性部材隔離型磁石である請求項１に記載する微小ロータ部材。
3. 磁石がＦｅ−Ｐｔ系不規則合金を堆積し、しかるのち、規則化したＦｅ−Ｐｔ系合金とした非磁性部材隔離型磁石である請求項１に記載する微小ロータ部材。
4. 磁石が平均堆積層の厚さが６０ ｎｍ 以下のαＦｅと平均堆積層の厚さが６０ ｎｍのＲ−ＴＭ−Ｂ（ＲはＮｄ、Ｐｒ、ＴＭはＦｅ、Ｃｏ）系合金を交互に堆積し、熱により、αＦｅと結晶化Ｒ_２ＴＭ_１４Ｂ系合金とした非磁性部材隔離型磁石である請求項１に記載する微小ロータ部材。
5. 非磁性部材がＴａ、またはＴａをバッファとした非磁性部材隔離型磁石である請求項１、２に記載する微小ロータ部材。
6. 磁石が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薄帯を結晶化、あるいは窒化し、さらに、当該薄帯表面に非磁性金属を物理的堆積法によって付加した非磁性部材隔離型磁石である請求項１に記載する微小ロータ部材。
7. 非磁性部材隔離型等方性磁石が打抜円板、もしくは打抜中空円板状である請求項１に記載する微小ロータ部材。
8. 請求項１に記載する微小ロータ部材を備えた回転電気機械。
9. 請求項１に記載する微小ロータ部材を備えたスロットレス径方向空隙型ブラシレスＤＣモータ。
10. 請求項１に記載する微小ロータ部材を備えたＰＭ型ステッピングモータ。
11. 請求項１に記載する微小ロータ部材を備えた発電機。