等方性膜磁石積層型微小回転電機
【課題】
高性能小型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機が求められている。
【解決手段】
ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）のｘを２未満とした所定寸法の中空円板状アモルファス膜を６ ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で磁気的に等方性の多結晶集合組織とし、しかるのち、面内方向に極対数２以上に多極磁化した外径２ ｍｍ以下の膜磁石を所定数積層した回転子磁石、並びに励磁巻線を備えた固定子鉄心と組合せた等方性膜磁石積層型微小回転電機とする。
高性能小型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機が求められている。
【解決手段】
ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）のｘを２未満とした所定寸法の中空円板状アモルファス膜を６ ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で磁気的に等方性の多結晶集合組織とし、しかるのち、面内方向に極対数２以上に多極磁化した外径２ ｍｍ以下の膜磁石を所定数積層した回転子磁石、並びに励磁巻線を備えた固定子鉄心と組合せた等方性膜磁石積層型微小回転電機とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外径が２ ｍｍ以下の回転子磁石と励磁巻線を備えた固定子鉄心との空隙を回転子磁石の径方向に配置した構成の微小回転電機に関する。さらに詳しくは、ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）のｘを２未満とした所定寸法の中空円板状アモルファス膜を６ ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で磁気的に等方性の多結晶集合組織とし、しかるのち、当該膜磁石を所定数積層し、かつ面内方向に極対数２以上に多極磁化した外径２ ｍｍ以下の膜磁石を所定数積層した磁石、並びに励磁巻線を備えた固定子鉄心とを組合せた等方性膜磁石積層型微小回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の小型化に関して、例えば、情報通信機器などに利用される回転電機は体積約１００ ｍｍ３まで小型軽量化したものが市場を形成している。これらの回転電機の体積と回転トルクは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、医療福祉機器分野などの各種電気電子機器やロボットなどの駆動源として高トルクの微小回転電機が求められている。
【０００３】
径方向に空隙をもつ微小回転電機の回転子磁石に関し、例えば特許文献１では外径３ ｍｍ、または０．９ ｍｍのガラス、金属、合金、酸化物、窒化物等の円筒基板をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系金属間化合物の結晶化温度以上に加熱したのち、当該基板の側面にスパッタ法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法等の物理蒸着法により、数μｍ／ｈの成膜速度で膜厚１０ μｍ程度のＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ異方性磁化膜を円筒状に成膜し、これを微小回転電機の回転子磁石などとする技術を開示している。例えば、合金組成（Ｎｄ１−ｘＴｂｘ）ｙＦｅ１−ｙ−ｚＢｚにおいて、（Ｎｄ０．９６Ｔｂ０．０４）０．１１Ｆｅ０．８１Ｂ０．０８としたとき、異方性方向の残留磁化Ｍｒは１．０９ Ｔ、保磁力ＨｃＪは５２８ ｋＡ／ｍが得られる。このような、高性能ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を微小回転電機などに提供できるとしている。
【０００４】
一方、上記のような膜磁石に関して、特許文献２ではスパッタ法や本発明者の一部が開示した技術であるレーザーアブレーション法［非特許文献１］などの成膜法では基板加熱なしでは保磁力ＨｃＪの高い磁石膜が得られないとしている。そこで、基板を加熱処理なしに、磁石材料を含む電極と導電性基板との間に電圧を印加してアーク放電を発生させ、当該電極間に荷電粒子となる非酸化性ガス、液体窒素などの中性粒子が存在する状態で成膜し、高い保磁力ＨｃＪの膜磁石を得ることを開示している。これによれば、成膜したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系膜磁石のＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径は３１〜５４ ｎｍで、スパッタ法、レーザーアブレーション法で成膜したＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径は、それぞれ２ ｎｍ、ならびに４ ｎｍとしている。
【０００５】
以上のような、高性能なラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石にかかる微小回転電機の構成として、例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６などに開示されている回転軸の径方向に回転子磁石と固定子鉄心との空隙をもつ、所謂径方向空隙型ブラシレスＤＣモータを挙げることができる。この構造の微小回転電機は回転軸の軸方向に回転子磁石と固定子鉄心との空隙をもつ構成の回転電機に比べて、高トルク化に有利である。しかしながら、特許文献３、４、５、６、７で示される微小回転電機の固定子側の励磁は、何れも空芯巻線で行うものである。このように、固定子鉄心が所謂スロットレス構造のため励磁巻線を収納するスロットをもつ固定子鉄心を用いる構成に比べると、同一寸法、同一形状では空隙パーミアンス係数Ｐｇが本質的に小さい。
【０００６】
なお、上記のような回転子磁石の径方向にスロットレス構造の固定子鉄心と空隙をもつ構成の微小回転電機の好適な回転子磁石として、特許文献７は残留磁化Ｍｒ ＝ １．３５ Ｔの異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を開示している。このように、本発明が対象とする微小回転電機の回転子磁石に関し、膜磁石からバルク磁石に至る多様な形態の磁石が提案されている。
【０００７】
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】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−８３７１３号公報
【特許文献２】特開２００７−４８８９８号公報
【特許文献３】特開平１０−２４８２２２号公報
【特許文献４】特開平９−３２２４８６号公報
【特許文献５】特開２００５−２１０８７６号公報
【特許文献６】特開平９−４６９９２号公報
【特許文献７】特開２００５−２１０８７６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍ．Ｎａｋａｎｏ ｅｔ， ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇ． ｖｏｌ．３９，ｐ２８６３（２００５）
【非特許文献２】Ｃｏｅｈｏｏｒｎ， ｅｔ ａｌ．，Ｊ．ｄｅＰｈｙｓ． ｖｏｌ．４９， ｐ６６９ （１９８８）
【非特許文献３】Ｋｎｅｌｌｅｒ， ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇ． ｖｏｌ．２７，ｐ３５８８（１９９１）
【非特許文献４】金清裕和、広沢哲、日本応用磁気学会誌、ｖｏｌ．２２， ｐ．３５８ （１９９８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、永久磁石式回転電機のトルクＴは極対数をＰｎ、電流をＩ（ＩＤｉｑ）、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。
【００１１】
〈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機は回転子磁石の直径が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、回転子鉄心をもたない。このような回転子鉄心のない微小回転電機の発生トルク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の発生はない。
【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機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ことなどがある。
【００１４】
ところで、本発明が対象としている微小回転電機の回転子磁石の外径は２．０ ｍｍ以下である。このような小口径回転子磁石において、例えば、特許文献１では、残留磁化Ｍｒ ＝ １．０９ Ｔのラジアル異方性を有する厚さ１０ μｍの円筒膜磁石を開示している。このような、ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石の優れた点は１式右辺第１項の磁石トルクを高めるために極対数Ｐｎを容易に増すことができる点にある。しかしながら、膜磁石の厚さ方向に磁化する構成であるために、当該磁石のパーミアンス係数Ｐｍが低く、１式右辺第１項の磁石トルクを高めるための鎖交磁束密度Φａ、すなわち空隙磁束密度Φｇを高める点で不利である。
【００１５】
一方、特許文献７では、小口径回転子磁石として高い残留磁化Ｍｒをもつ異方性バルク磁石を開示している。例えば、残留磁化Ｍｒ ＝ １．３５ Ｔの異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石は１式右辺第１項の磁石トルクを高めるために鎖交磁束密度Φａ、すなわち空隙磁束密度Φｇを高める点で、特許文献１に示されるラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石よりも有利である。しかし、小口径の異方性バルク磁石は１式右辺第１項の磁石トルクを高める手段として、極対数Ｐｎを増すことは工業的規模での生産を考慮すると極めて困難である。したがって実質的な極対数Ｐｎは１に限定されるという点が特許文献１に示されるラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石よりも不利である。
【００１６】
ここで、特許文献７では異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石の回転子外径が１．２ 、０．９ ｍｍのとき、当該径方向空隙型微小回転電機の外径を、それぞれ２．０、１．７ ｍｍと開示している。そこで、スロットレス構造の空芯励磁巻線を固定するハウジングを兼ねた固定子鉄心の厚さを０．１ ｍｍと仮定する。すると空芯励磁巻線の収納空間を含む回転子磁石と固定子鉄心との空隙は０．３ ｍｍとなる。
【００１７】
そこで、上記微小回転電機の回転子磁石に特許文献１に開示されているラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を適用したと仮定する。ただし、膜磁石の残留磁化Ｍｒを１．０９ 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、固定子鉄心内径Ｄａを１．８ ｍｍ、固定子鉄心長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、スロットレス固定子と回転子磁石で構成する微小回転電機の等価断面積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、ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を回転子磁石とした微小回転電機の一例として空隙パーミアンス係数Ｐｇは０．５以下、空隙磁束密度φｇは３．５×１０−７ Ｗｂと見積もられる。
【００１８】
〈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〉
【００１９】
一方、上記ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を回転子磁石とした微小回転電機の例と同じ構成で特許文献７が開示する残留磁化Ｍｒ １．３５ Ｔの異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を回転子磁石としたとき、当該微小回転電機の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。
【００２０】
そこで、特許文献１のラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石と特許文献７の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を比較すると、ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石は極対数Ｐｎを増すことができるが、空隙パーミアンス係数Ｐｇ ０．５以下が原因となって空隙磁束密度Φｇは異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石の１０％に満たない。すなわち、ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を回転子磁石としたとき、異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を回転子磁石とした同一構成、同一寸法の微小回転電機と同程度の回転トルクを得ようとするなら、ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石の回転子磁石の極対数Ｐｎを１０以上とする必要がある。結果として、その磁極間距離は０．３ ｍｍ未満となり、極対数１０以上での飽和磁化が困難となる。加えて、径方向空隙型の微小回転電機ではスロット数の増加が不可避となるから、励磁巻線を含む当該固定子の構成が複雑となる。さらにまた、固定子側の励磁力（１式右辺第１項の磁石トルクにかかるＩｑ）も弱まるため、当該微小回転電機の高トルク化が困難なばかりか、固定子側の構成自体が本発明にかかる微小回転電機の体格の観点から難しくなる。したがって、特許文献１のラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を回転子磁石とする微小回転電機は高トルク化という観点からは馴染まないものと言わざるを得ない。
【００２１】
一方、特許文献７で開示する高残留磁化Ｍｒをもつ異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石の場合、当該回転子磁石で微小回転電機の高トルク化を図るには、１）残留磁化Ｍｒを高める。２）磁石パーミアンスＰｍの増加という手段がある。しかし、残留磁化Ｍｒは１．３５ Ｔと極めて高いために、仮にＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ金属間化合物の飽和磁化Ｍｓ １．６ Ｔまで残留磁化Ｍｒを高めた理想の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石としても、これによる高トルク化は２０％に満たない。また、磁石のパーミアンスＰｍを増すことに対しては、回転軸挿入孔を廃止し、円柱磁石の両端面を別々の回転軸で支持する構成が考えられる。しかし、この場合のトルクの増加も３−Ｄ ＦＥＭ解析によれば１０％に満たない。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は等方性膜磁石による微小回転電機の高トルク化にかかるものである。具体的には、ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）のｘを２未満とした外径２ ｍｍ以下の所定寸法の中空円板状アモルファス膜を６ ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で磁気的に等方性の多結晶集合組織とする。しかるのち、前記膜磁石を所定数積層し、面内方向に極対数２以上に磁化した回転子磁石として前記回転子磁石、並びに励磁巻線を備えた固定子鉄心とを組合せた構成の等方性磁石膜積層型微小回転電機とするものである。
【００２３】
また、本発明にかかるアモルファス膜は溶湯合金の急冷凝固、または高速真空成膜による。本発明で言う高速真空成膜とは成膜速度１０μｍ／ｈ以上を指す。また、本発明にかかるＲ−ＴＭ−Ｂ系アモルファス膜の好適な高速真空成膜として真空アーク蒸着を挙げることができる。また、本発明にかかる磁気的に等方性の多結晶集合組織の面内方向磁気特性としては残留磁化Ｍｒ が０．７５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪが１００ ｋＡ／ｍ以上であり、とくに面内方向にレマネンスエンハンスメントのある微細な多結晶集合組織が好ましい。
【００２４】
なお、回転子磁石に関しては中空円板状Ｒ−ＴＭ−Ｂ系アモルファス膜の内径Ｄｉと外径Ｄｏとの比Ｄｉ／Ｄｏを０．３以上とし、極対数２以上での空隙磁束密度Φｇの減少を抑制することが好ましい。また、当該膜磁石の厚さは基板に対して８倍以上とすることが望ましい。８倍以上が望ましいとする理由は、Ｒ−ＴＭ−Ｂ系ボンド磁石の磁石体積分率と同等以上の水準を確保できるからである。
【００２５】
以上のような、本発明にかかる等方性膜磁石を回転子磁石として備えた微小回転電機はスロットレス型径方向空隙型ブラシレスＤＣモータ、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駆動デバイスとして、高出力、低消費電流などの観点で電気電子機器の性能向上に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】各結晶の磁化ベクトルの方位分布を示す概念図
【図２】結晶粒子径と磁気特性の関係を示す特性図
【図３】真空アーク蒸着の要部構成図
【図４】ＮｄｘＦｅ１４Ｂのｘ量と磁気特性の関係を示す特性図
【図５】（ａ）高速真空熱処理の構成図、（ｂ） 熱処理時間と保磁力の関係を示す特性図
【図６】膜の内径Ｄｉと外径Ｄｏとの比Ｄｉ／Ｄｏと磁束量の変化を示す特性図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
先ず、本発明で言うＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）膜磁石の最良の形態について説明する。
【００２８】
本発明にかかる微小回転電機の高トルク化には高い残留磁化Ｍｒをもつ磁気的に等方性の多結晶集合組織の膜磁石が最良である。このような最良の形態の磁気的に等方性の多結晶集合組織をもつ膜磁石を得るにはＲＸＴＭ１４Ｂ系合金において、ｘを２未満とする。これにより、高い飽和磁化Ｍｓをもつ遷移金属相（a−Ｆｅ、Ｆｅ３Ｂ、およびアモルファス磁性相を含む）と高い保磁力ＨｃＪをもつＲ２ＴＭ１４Ｂ相とを組み合わせる。
【００２９】
そして、それらを交換相互作用により磁気的に結合させ、保磁力ＨｃＪの低下を抑制しながら、飽和磁化Ｍｓを高める。このことが特許文献１のラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石、或いは特許文献７の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石のような高い残留磁化Ｍｒに近づくために有効だからである。
【００３０】
このような本発明にかかる膜磁石の保磁力ＨｃＪは、Ｒ２ＴＭ１４Ｂ相の磁化が遷移金属相の磁化を固定して、遷移金属相の磁化反転を妨げることによる。十分な保磁力ＨｃＪを得るには １） 遷移金属相とＲ２ＴＭ１４Ｂ相が強く交換結合していること、２）磁壁幅以上で、かつ微細な多結晶集合組織であることが必要である。
【００３１】
つぎに、本発明にかかる膜磁石の面内方向のレマネンスエンハンスメントについて図面を用いて説明する。
【００３２】
本発明にかかる膜磁石は１軸磁気異方性をもったＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ単磁区結晶、或いは遷移金属相が混在した多結晶集合組織からなる膜磁石である。ここで、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶が単磁区臨界寸法以下で、しかも結晶間の静磁気相互作用と量子力学的交換相互作用がないと仮定する。すると、最低エネルギー状態は図１の無磁化状態のように各結晶の磁化ベクトルは磁化容易軸方向に向いた状態にある。そして、この膜磁石が磁化状態になると各結晶の磁化ベクトルの方位は、やはり磁化容易軸方向に一致する。そして図１の磁化状態（ａ）のように磁化方向に極を有する半球面上に均一に分布する。この場合、残留磁化 Ｍｒは飽和磁化Ｍｓの１／２になる。しかし、結晶粒子間に磁化ベクトルの方向を互いに揃えようとする粒子間相互作用が働くと、磁化ベクトルは結晶の磁化容易軸方向からずれる。さらに、図１（ｂ）の磁化状態のように磁化ベクトルの分布は球面に表面張力が働いたように極の周りに収束する。このような交換相互作用は結晶粒子界面を介して作用する。したがって、結晶の微細化に伴って交換相互作用が強くなる。そして極方向への磁化ベクトルの集積度が増し、残留磁化Ｍｒが向上する。このようなＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶の飽和磁化Ｍｓ １．６ Ｔ （３００Ｋ）に対し残留磁化Ｍｒがその１／２以上になることがレマネンスエンハンスメントである。
【００３３】
上記のようなレマネンスエンハンスメントが本発明にかかる微小回転電機にかかる磁気的に等方性の多結晶集合組織をもつ膜磁石の最良の形態として例示できる。
【００３４】
なお、本発明にかかる膜磁石の最良の形態の実施手段として、必要に応じて結晶粒成長を抑制するためのＧａ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃなどの添加元素を適宜併用することができる。さらにまた、結晶化度の小さなアモルファス膜を溶湯合金の急冷凝固、あるいは成膜速度１０μｍ／ｈ以上の高速真空成膜で作製し、６ ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で結晶化を行うことなどを挙げることができる。
【００３５】
つぎに、本発明にかかるレマネンスエンハンスメントとＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径の関係をＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径に対する保磁力ＨｃＪ、ならびに残留磁化Ｍｒの関係の特性図を用いて説明する。
【００３６】
図２はＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径と保磁力ＨｃＪ、ならびに残留磁化Ｍｒの関係を示す特性図である。特許文献２で開示しているように、高速真空成膜で知られるレーザーアブレーション法では基板加熱なしで保磁力ＨｃＪの高い膜磁石が得られない。これは図２でプロットしたＨｃＪｏのように磁壁幅以下の結晶粒子径だからである。
【００３７】
一方、特許文献２で開示しているＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系膜磁石は残留磁化Ｍｒの値が不明である。これは成膜中の非酸化性のガス、液体窒素、非磁性の液体がＮｄの酸化を促進し、磁化の低下を引き起こすものと推察される。なお、特許文献２で開示しているＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径と保磁力ＨｃＪの関係は図２のＨｃＪＢで示される。図から明らかなように、特許文献２で開示された成膜過程で直接膜磁石とする方法ではＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径が大きく、本発明にかかる膜磁石の最良の形態としている面内方向のレマネンスエンハンスメントは期待できない。
【００３８】
さらに、図２においてレマネンスエンハンスメントが観測される残留磁化ＭｒＡ、および、それに対応する保磁力ＨｃＪＡの領域は、本発明にかかる磁気的に等方性の多結晶集合組織をもつ膜磁石の最良の特性範囲の一例を示している。このような最良の特性を安定的に得るには、特許文献２で開示している成膜時に直接膜磁石とする方法よりも、本発明にかかる溶湯合金の急冷凝固、あるいは成膜速度１０μｍ／ｈ以上の高速真空成膜法でアモルファス膜を作製し、６ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で結晶化して膜磁石とする方法に優位性がある。
【００３９】
つぎに、本発明にかかる溶湯合金の急冷凝固、高速真空成膜によるアモルファス膜と高速真空熱処理による残留磁化Ｍｒと保磁力ＨｃＪの変化について図面を用いて説明する。
【００４０】
先ず、単ロール法によるＲＸＴＭ１４Ｂ系溶湯合金の急冷凝固では、１．３ ｋＰａ程度に保持したＡｒ雰囲気中でロール表面速度を５ ｍ／ｓ程度の低速度域で溶湯合金を急冷凝固すると保磁力ＨｃＪが発現した厚さ数百μｍのＦｅ３Ｂ／Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石が得られ、超音波加工などにより、所定寸法に加工して厚さ数百μｍの微小磁石が得られるとしている［非特許文献４］。しかしながら、本発明にかかるｘが２未満のＲＸＴＭ１４Ｂ系溶湯合金の急冷凝固ではロール表面速度を１０ ｍ／ｓ以上とし、厚さ約５０〜１００ μｍ程度で、より結晶化度の小さなアモルファス膜とするものである。加えて、本発明にかかる脆性なアモルファス膜を中空円板状に加工する。このため、展延性をもつ非磁性金属膜をスパッタ法、レーザーアブレーション法などによりアモルファス膜の少なくとも片面に設けた複合膜とする。これにより、本発明にかかる微小回転電機の回転子磁石として必要な高度な寸法精度をもつ中空円板状アモルファス膜に加工することができる。
【００４１】
つぎに、図３を用いて本発明にかかる真空アーク放電の構成と動作について説明する。本発明で言う高速真空成膜とは成膜速度１０μｍ／ｈ以上を指し、アモルファス膜の好適な高速真空成膜手段として図３で示すような要部構成をもつ真空アーク蒸着を挙げるこができる。ただし、図において３１はｘが２未満のＲＸＴＭ１４Ｂ系合金のカソード、３２はアノード、３３はアーク電源、３４は半径方向の放電電流Ｉｒ、３５は放電電流３４がつくる磁界Ｂθ、３６は完全電離気体（プラズマ）、３７は基板である。
【００４２】
図においてカソード３１とアノード３２は電気的に絶縁状態にある。そこにトリガをかけるとアーク電源３３のコンデンサに蓄積した電荷が一斉にカソード３１とアノード３２との絶縁を破りパルス放電電流３４が径方向に生成する。このようなアーク放電により、カソード３１である本発明にかかるｘが２未満のＲＸＴＭ１４Ｂ系合金が溶融し、イオン化、クラスター化（ドロプレット）する。カソード３１より飛び出した電子はアノード３２（電位：プラス）に、イオンはカソード３１に引き付けられる。カソード３１に流れるアーク電流により、カソード３１の周辺に磁界３５が発生する。このような完全電離気体（プラズマ）３６において、電子はローレンツ力を利用して移動する。イオンに働くローレンツ力も同様な方向に生じるものの、ラーモア半径より考察すると、イオンはクーロン力による移動の可能性が大きい。また、イオン化されていない、ドロプレットを主とした粒子も多く基板３７に付着する。
【００４３】
上記のような本発明で言う真空アーク蒸着とは特許文献１のような磁石材料を含む電極と導電性基板との間に電圧を印加してアーク放電を発生させ、当該電極間に荷電粒子となる非酸化性ガス、液体窒素などの中性粒子が存在する状態で成膜する方法とは異なる。本発明にかかる真空アーク蒸着はＲの酸化を極力抑えるために、例えば４ 〜 ７×１０−７ Ｔｏｒｒの真空中で電極間に高電界を加え、陰極（Ｒｘ ＴＭ１４Ｂ系合金）を蒸発させ、その金属蒸気原子を供給し、原子を電離させる手法である。すなわち、原子の供給と電離を同時進行させる手法である。
【００４４】
図４は成膜速度１０μｍ／ｈの真空アーク蒸着で得たＮｄｘＦｅ１４Ｂ（ｘ＝１．６〜２．４）アモルファス膜を高速結晶化した多結晶集合組織からなる本発明にかかる膜磁石の面内方向の残留磁化Ｍｒ、ならびに保磁力ＨｃＪの変化を示す特性図である。また、非特許文献１に基づく、レーザーアブレーション法から作製したアモルファス膜を結晶化した膜磁石を比較例として示す。図から明らかなように、添加元素Ｍを含まないレーザーアブレーション法から作製したＮｄｘＦｅ１４Ｂアモルファス膜を結晶化したとき、本発明の範囲、すなわち、ＮｄｘＦｅ１４Ｂにおいてｘが２未満では保磁力ＨｃＪ、残留磁化Ｍｒともに十分な磁気特性が発現しない。これに対し、本発明にかかる膜磁石のｘ＝２．４以下の残留磁化Ｍｒの変化は、比較例のような残留磁化Ｍｒの劣化が生じ難いことを示唆している。また、保磁力ＨｃＪの減少領域はｘが概ね０．４程度少ない領域にシフトしている。
【００４５】
なお、図４において、ＮｄｘＦｅ１４Ｂのｘが２以上の合金を真空アーク蒸着したアモルファス膜を、高速真空熱処理により結晶化したとき、結晶粒界付近においてＮｄを含む非磁性相が形成され、粒界の相互作用を弱めることで１０００ ｋＡ／ｍ以上の高保磁力が発現する結果は、ｘが２．６以上の合金をレーザーアブレーション法で作製したアモルファス膜を結晶化した膜磁石の保磁力発現機構と同等である。
【００４６】
また、図４において、本発明にかかるＮｄｘＦｅ１４Ｂのｘが２未満の合金を真空アーク蒸着したアモルファス膜を高速真空熱処理により結晶化したとき結晶粒界付近において、多くのアモルファス磁性相が残存し、適度な交換相互作用のもと比較的高い保磁力ＨｃＪを確保できる。これは、熱磁気特性などを観察すると、熱処理後の膜磁石はレーザーアブレーション法で作製したアモルファス膜を結晶化した膜磁石に比べてアモルファス磁性相の存在頻度が高いことからも裏付けられる。
【００４７】
以上のように、本発明にかかる磁気的に等方性で微細な多結晶集合組織をもつ膜磁石の残留磁化Ｍｒを高めるためにｘが２未満のＲＸＴＭ１４Ｂ系溶湯合金の急冷凝固、あるいは真空アーク蒸着のような高速真空成膜により、より結晶化度の小さな、より完全なアモルファス膜にする。
【００４８】
つぎに、本発明で言う所定寸法の中空円板状アモルファス膜を６ ｓｅｃ以内で磁気的に等方性の多結晶集合組織とする高速真空熱処理について図面を用いて説明する。図５（ａ）において、５１は本発明にかかる直径２ ｍｍ以下のＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）のｘを２未満とした所定寸法の中空円板状アモルファス膜、あるいは当該アモルファス膜を所定数積層したアモルファス膜積層体である。５２は赤外線加熱炉、５３は赤外線加熱炉５２に収納される炉心管の真空排気系、５４は電源、５５は温度制御器５６に連動したメモリーリレーである。例えば、真空排気系５３で真空度１０−６ Ｔｏｒｒ以下としたのち、電源５４、メモリーリレー５５、温度制御器５６により、赤外線加熱炉５２に収納した膜、または膜の積層体５１をＲ２ＴＭ１４Ｂ結晶化温度（約８７０ Ｋ）付近まで６ ｓｅｃ以内で加熱して、保持時間なしで当該アモルファス膜を結晶化し、本発明にかかる多結晶集合組織をもつ膜磁石、または積層膜磁石とするものである。
【００４９】
例えば、図５（ｂ）の本発明例５１はｘを２未満とした溶湯ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金を急冷凝固したアモルファス膜を真空度１０−６ Ｔｏｒｒ以下で出力８ ｋＷの加熱時間と保磁力ＨｃＪの関係を示す特性図、本発明例２はｘを２未満としたＲＸＴＭ１４Ｂ系合金を真空アーク蒸着したアモルファス膜を高速真空熱処理したときの出力８ ｋＷの加熱時間と保磁力ＨｃＪの関係を示す特性図である。図から明らかなように、６ ｓｅｃ以内の加熱時間でアモルファス膜から本発明にかかる保磁力ＨｃＪが１００ ｋＡ／ｍ以上の磁気的に等方性の多結晶集合組織をもつ膜磁石、またはその積層体が得られる。このように、高速真空熱処理はレマネンスエンハンスメントを引出すことでも、あるいは本発明が対象とする微小回転電機の回転子磁石の工業的な生産性の観点からも有利である。
【００５０】
つぎに、本発明で言う中空円板状アモルファス膜の内径Ｄｉと外径Ｄｏとの比Ｄｉ／Ｄｏが０．３以上とすることについて図面を用いて説明する。
【００５１】
図６は回転軸挿入孔Ｄｉと外径Ｄｏとの比Ｄｉ／Ｄｏに対する表面磁束密度分布積分値の低下を示す特性図である。図において、本発明にかかるものは外径Ｄｏを１ ｍｍ、長さ１．５ ｍｍ、保磁力ＨｃＪ ３３０ ｋＡ／ｍ、残留磁化Ｍｒ １．０５ Ｔ、極対数２の等方性膜磁石を積層した回転子磁石である。また、比較例は前記回転子磁石と同一寸法の特許保磁力ＨｃＪ １．０ ＭＡ／ｍ、残留磁化Ｍｒ １．３５ Ｔ、極対数１の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石である。また、表面磁束密度分布積分値の低下は、中空孔なしの各磁石の表面から５０μｍ隔てた空間の表面磁束密度分布の積分値を基準としている。
【００５２】
図から明らかなように異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を極対数１の回転子磁石としたとき、Ｄｉ／Ｄｏが０．３（外径１ ｍｍで回転子挿入孔の径０．３ ｍｍ）のとき、表面磁束密度分布積分値、すなわち１式右辺第１項の磁石トルクを高めるための鎖交磁束密度Φａに相当する値は９％も低下する。このように、極対数が実質的に１に限定され、かつ１．３５ Ｔと高い残留磁化Ｍｒをもつ異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石の場合には、回転子磁石の工夫により微小回転電機の大幅な高トルク化を実現すことは困難である。
【００５３】
上記に対して、本発明にかかる等方性膜磁石を積層し、極対数２とした回転子磁石は、Ｄｉ／Ｄｏ＝０．３、すなわち回転軸挿入孔Ｄｉを０．３ ｍｍとしても、これによるトルク低下は高々２％に抑制させることができる。加えて、極対数を増すと、その低下率はさらに抑制されるようになる。このため、本発明にかかる外径２ ｍｍ以下の膜磁石を所定数積層した極対数２以上の回転子磁石、並びに励磁巻線を備えた固定子鉄心とを組合せた構成の等方性膜磁石積層型微小回転電機は、その高トルク化に有用と言える。
【実施例】
【００５４】
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。
【００５５】
Ｎｄ１．６Ｆｅ１４Ｂ溶湯合金をＣｕ製ロール周速１０ ｍ／ｓで急冷凝固し、厚さ約８０μｍのアモルファス膜を得た。この膜のロール面に約２０μｍのＡｌをスパッタしたのち、外径Ｄｏを１．０ ｍｍ、内径Ｄｉを０．３ ｍｍに加工することにより、本発明にかかる中空円板状アモルファス膜とした（本発明例１）。
【００５６】
別に、Ｎｄ１．６Ｆｅ１４Ｂ合金カソードとし、厚さ１０μｍのＴａ基板との距離３０ ｍｍとし、真空度４〜７×１０−７ Ｔｏｒｒでアーク蒸着した厚さ約４０μｍのアモルファス膜を外径Ｄｏ １．０ ｍｍ、内径Ｄｉ ０．３ ｍｍに加工することにより、本発明にかかる中空円板状アモルファス膜とした（本発明例２）。
【００５７】
つぎに、上記本発明にかかる中空円板状アモルファス膜を真空度４〜７×１０−６ Ｔｏｒｒの雰囲気で、それぞれ２．９ ｓｅｃ、３．５ ｓｅｃの高速真空熱処理を行うことにより、本発明にかかる磁気的に等方性の多結晶集合組織をもつ膜磁石とし、これを４．５ ｍｍになるように積層固定し、貫通孔に回転軸を挿入したのち、極対数２に磁化して回転子とした（本発明例１、２）。
【００５８】
比較例として、残留磁化Ｍｒ １．３５ Ｔの異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を外径Ｄｏ １ｍｍ、内径Ｄｉ ０．３ ｍｍ、長さ４．５ ｍｍに加工し、貫通孔に回転軸を挿入し、極対数１の磁化を行い回転子とした（比較例１）。
【００５９】
上記、本発明例１、２、および比較例にかかる回転子を外径１．８ ｍｍの空芯励磁巻線を備えたスロットレス固定子と組合せ４極３相ブラシレスＤＣモータ（本発明例１、２）、および２極３相ブラシレスＤＣモータとした。前記微小回転電機を外部駆動し、そのｂａｃｋ−ＥＭＦを求めた。表１は比較例を基準としたｂａｃｋ−ＥＭＦの比を示す。表から明らかなように、高い残留磁化Ｍｒをもつ異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石からなる極対数１の回転子磁石を搭載した微小回転電機に比べ、ｂａｃｋ−ＥＭＦの比から、本発明にかかる微小回転電機は回転子磁石の新規な工夫によって、１．３倍以上の高トルク化が容易に実現できる。
【００６０】
したがって、本発明にかかる等方性膜磁石を回転子磁石として備えた微小回転電機はスロットレス型径方向空隙型ブラシレスＤＣモータ、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駆動デバイスとして、高出力、低消費電流などの観点で電気電子機器の性能向上に貢献することができる。
【００６１】
【表１】
【符号の説明】
【００６２】
３１ ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金のカソード
３２ アノード
３３ アーク電源
３４ 半径方向の放電電流
３５ 放電電流３４がつくる磁界
３６ 完全電離気体（プラズマ）
３７ 基板
５１ アモルファス膜、またはその積層体
５２ 赤外線加熱炉
５３ 炉心管の真空排気系
５４ 電源
５５ メモリーリレー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外径が２ ｍｍ以下の回転子磁石と励磁巻線を備えた固定子鉄心との空隙を回転子磁石の径方向に配置した構成の微小回転電機に関する。さらに詳しくは、ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）のｘを２未満とした所定寸法の中空円板状アモルファス膜を６ ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で磁気的に等方性の多結晶集合組織とし、しかるのち、当該膜磁石を所定数積層し、かつ面内方向に極対数２以上に多極磁化した外径２ ｍｍ以下の膜磁石を所定数積層した磁石、並びに励磁巻線を備えた固定子鉄心とを組合せた等方性膜磁石積層型微小回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の小型化に関して、例えば、情報通信機器などに利用される回転電機は体積約１００ ｍｍ３まで小型軽量化したものが市場を形成している。これらの回転電機の体積と回転トルクは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、医療福祉機器分野などの各種電気電子機器やロボットなどの駆動源として高トルクの微小回転電機が求められている。
【０００３】
径方向に空隙をもつ微小回転電機の回転子磁石に関し、例えば特許文献１では外径３ ｍｍ、または０．９ ｍｍのガラス、金属、合金、酸化物、窒化物等の円筒基板をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系金属間化合物の結晶化温度以上に加熱したのち、当該基板の側面にスパッタ法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法等の物理蒸着法により、数μｍ／ｈの成膜速度で膜厚１０ μｍ程度のＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ異方性磁化膜を円筒状に成膜し、これを微小回転電機の回転子磁石などとする技術を開示している。例えば、合金組成（Ｎｄ１−ｘＴｂｘ）ｙＦｅ１−ｙ−ｚＢｚにおいて、（Ｎｄ０．９６Ｔｂ０．０４）０．１１Ｆｅ０．８１Ｂ０．０８としたとき、異方性方向の残留磁化Ｍｒは１．０９ Ｔ、保磁力ＨｃＪは５２８ ｋＡ／ｍが得られる。このような、高性能ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を微小回転電機などに提供できるとしている。
【０００４】
一方、上記のような膜磁石に関して、特許文献２ではスパッタ法や本発明者の一部が開示した技術であるレーザーアブレーション法［非特許文献１］などの成膜法では基板加熱なしでは保磁力ＨｃＪの高い磁石膜が得られないとしている。そこで、基板を加熱処理なしに、磁石材料を含む電極と導電性基板との間に電圧を印加してアーク放電を発生させ、当該電極間に荷電粒子となる非酸化性ガス、液体窒素などの中性粒子が存在する状態で成膜し、高い保磁力ＨｃＪの膜磁石を得ることを開示している。これによれば、成膜したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系膜磁石のＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径は３１〜５４ ｎｍで、スパッタ法、レーザーアブレーション法で成膜したＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径は、それぞれ２ ｎｍ、ならびに４ ｎｍとしている。
【０００５】
以上のような、高性能なラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石にかかる微小回転電機の構成として、例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６などに開示されている回転軸の径方向に回転子磁石と固定子鉄心との空隙をもつ、所謂径方向空隙型ブラシレスＤＣモータを挙げることができる。この構造の微小回転電機は回転軸の軸方向に回転子磁石と固定子鉄心との空隙をもつ構成の回転電機に比べて、高トルク化に有利である。しかしながら、特許文献３、４、５、６、７で示される微小回転電機の固定子側の励磁は、何れも空芯巻線で行うものである。このように、固定子鉄心が所謂スロットレス構造のため励磁巻線を収納するスロットをもつ固定子鉄心を用いる構成に比べると、同一寸法、同一形状では空隙パーミアンス係数Ｐｇが本質的に小さい。
【０００６】
なお、上記のような回転子磁石の径方向にスロットレス構造の固定子鉄心と空隙をもつ構成の微小回転電機の好適な回転子磁石として、特許文献７は残留磁化Ｍｒ ＝ １．３５ Ｔの異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を開示している。このように、本発明が対象とする微小回転電機の回転子磁石に関し、膜磁石からバルク磁石に至る多様な形態の磁石が提案されている。
【０００７】
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】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−８３７１３号公報
【特許文献２】特開２００７−４８８９８号公報
【特許文献３】特開平１０−２４８２２２号公報
【特許文献４】特開平９−３２２４８６号公報
【特許文献５】特開２００５−２１０８７６号公報
【特許文献６】特開平９−４６９９２号公報
【特許文献７】特開２００５−２１０８７６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍ．Ｎａｋａｎｏ ｅｔ， ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇ． ｖｏｌ．３９，ｐ２８６３（２００５）
【非特許文献２】Ｃｏｅｈｏｏｒｎ， ｅｔ ａｌ．，Ｊ．ｄｅＰｈｙｓ． ｖｏｌ．４９， ｐ６６９ （１９８８）
【非特許文献３】Ｋｎｅｌｌｅｒ， ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇ． ｖｏｌ．２７，ｐ３５８８（１９９１）
【非特許文献４】金清裕和、広沢哲、日本応用磁気学会誌、ｖｏｌ．２２， ｐ．３５８ （１９９８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、永久磁石式回転電機のトルクＴは極対数をＰｎ、電流をＩ（ＩＤｉｑ）、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。
【００１１】
〈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機は回転子磁石の直径が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、回転子鉄心をもたない。このような回転子鉄心のない微小回転電機の発生トルク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の発生はない。
【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機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ことなどがある。
【００１４】
ところで、本発明が対象としている微小回転電機の回転子磁石の外径は２．０ ｍｍ以下である。このような小口径回転子磁石において、例えば、特許文献１では、残留磁化Ｍｒ ＝ １．０９ Ｔのラジアル異方性を有する厚さ１０ μｍの円筒膜磁石を開示している。このような、ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石の優れた点は１式右辺第１項の磁石トルクを高めるために極対数Ｐｎを容易に増すことができる点にある。しかしながら、膜磁石の厚さ方向に磁化する構成であるために、当該磁石のパーミアンス係数Ｐｍが低く、１式右辺第１項の磁石トルクを高めるための鎖交磁束密度Φａ、すなわち空隙磁束密度Φｇを高める点で不利である。
【００１５】
一方、特許文献７では、小口径回転子磁石として高い残留磁化Ｍｒをもつ異方性バルク磁石を開示している。例えば、残留磁化Ｍｒ ＝ １．３５ Ｔの異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石は１式右辺第１項の磁石トルクを高めるために鎖交磁束密度Φａ、すなわち空隙磁束密度Φｇを高める点で、特許文献１に示されるラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石よりも有利である。しかし、小口径の異方性バルク磁石は１式右辺第１項の磁石トルクを高める手段として、極対数Ｐｎを増すことは工業的規模での生産を考慮すると極めて困難である。したがって実質的な極対数Ｐｎは１に限定されるという点が特許文献１に示されるラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石よりも不利である。
【００１６】
ここで、特許文献７では異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石の回転子外径が１．２ 、０．９ ｍｍのとき、当該径方向空隙型微小回転電機の外径を、それぞれ２．０、１．７ ｍｍと開示している。そこで、スロットレス構造の空芯励磁巻線を固定するハウジングを兼ねた固定子鉄心の厚さを０．１ ｍｍと仮定する。すると空芯励磁巻線の収納空間を含む回転子磁石と固定子鉄心との空隙は０．３ ｍｍとなる。
【００１７】
そこで、上記微小回転電機の回転子磁石に特許文献１に開示されているラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を適用したと仮定する。ただし、膜磁石の残留磁化Ｍｒを１．０９ 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、固定子鉄心内径Ｄａを１．８ ｍｍ、固定子鉄心長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、スロットレス固定子と回転子磁石で構成する微小回転電機の等価断面積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、ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を回転子磁石とした微小回転電機の一例として空隙パーミアンス係数Ｐｇは０．５以下、空隙磁束密度φｇは３．５×１０−７ Ｗｂと見積もられる。
【００１８】
〈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〉
【００１９】
一方、上記ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を回転子磁石とした微小回転電機の例と同じ構成で特許文献７が開示する残留磁化Ｍｒ １．３５ Ｔの異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を回転子磁石としたとき、当該微小回転電機の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。
【００２０】
そこで、特許文献１のラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石と特許文献７の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を比較すると、ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石は極対数Ｐｎを増すことができるが、空隙パーミアンス係数Ｐｇ ０．５以下が原因となって空隙磁束密度Φｇは異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石の１０％に満たない。すなわち、ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を回転子磁石としたとき、異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を回転子磁石とした同一構成、同一寸法の微小回転電機と同程度の回転トルクを得ようとするなら、ラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石の回転子磁石の極対数Ｐｎを１０以上とする必要がある。結果として、その磁極間距離は０．３ ｍｍ未満となり、極対数１０以上での飽和磁化が困難となる。加えて、径方向空隙型の微小回転電機ではスロット数の増加が不可避となるから、励磁巻線を含む当該固定子の構成が複雑となる。さらにまた、固定子側の励磁力（１式右辺第１項の磁石トルクにかかるＩｑ）も弱まるため、当該微小回転電機の高トルク化が困難なばかりか、固定子側の構成自体が本発明にかかる微小回転電機の体格の観点から難しくなる。したがって、特許文献１のラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石を回転子磁石とする微小回転電機は高トルク化という観点からは馴染まないものと言わざるを得ない。
【００２１】
一方、特許文献７で開示する高残留磁化Ｍｒをもつ異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石の場合、当該回転子磁石で微小回転電機の高トルク化を図るには、１）残留磁化Ｍｒを高める。２）磁石パーミアンスＰｍの増加という手段がある。しかし、残留磁化Ｍｒは１．３５ Ｔと極めて高いために、仮にＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ金属間化合物の飽和磁化Ｍｓ １．６ Ｔまで残留磁化Ｍｒを高めた理想の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石としても、これによる高トルク化は２０％に満たない。また、磁石のパーミアンスＰｍを増すことに対しては、回転軸挿入孔を廃止し、円柱磁石の両端面を別々の回転軸で支持する構成が考えられる。しかし、この場合のトルクの増加も３−Ｄ ＦＥＭ解析によれば１０％に満たない。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は等方性膜磁石による微小回転電機の高トルク化にかかるものである。具体的には、ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）のｘを２未満とした外径２ ｍｍ以下の所定寸法の中空円板状アモルファス膜を６ ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で磁気的に等方性の多結晶集合組織とする。しかるのち、前記膜磁石を所定数積層し、面内方向に極対数２以上に磁化した回転子磁石として前記回転子磁石、並びに励磁巻線を備えた固定子鉄心とを組合せた構成の等方性磁石膜積層型微小回転電機とするものである。
【００２３】
また、本発明にかかるアモルファス膜は溶湯合金の急冷凝固、または高速真空成膜による。本発明で言う高速真空成膜とは成膜速度１０μｍ／ｈ以上を指す。また、本発明にかかるＲ−ＴＭ−Ｂ系アモルファス膜の好適な高速真空成膜として真空アーク蒸着を挙げることができる。また、本発明にかかる磁気的に等方性の多結晶集合組織の面内方向磁気特性としては残留磁化Ｍｒ が０．７５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪが１００ ｋＡ／ｍ以上であり、とくに面内方向にレマネンスエンハンスメントのある微細な多結晶集合組織が好ましい。
【００２４】
なお、回転子磁石に関しては中空円板状Ｒ−ＴＭ−Ｂ系アモルファス膜の内径Ｄｉと外径Ｄｏとの比Ｄｉ／Ｄｏを０．３以上とし、極対数２以上での空隙磁束密度Φｇの減少を抑制することが好ましい。また、当該膜磁石の厚さは基板に対して８倍以上とすることが望ましい。８倍以上が望ましいとする理由は、Ｒ−ＴＭ−Ｂ系ボンド磁石の磁石体積分率と同等以上の水準を確保できるからである。
【００２５】
以上のような、本発明にかかる等方性膜磁石を回転子磁石として備えた微小回転電機はスロットレス型径方向空隙型ブラシレスＤＣモータ、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駆動デバイスとして、高出力、低消費電流などの観点で電気電子機器の性能向上に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】各結晶の磁化ベクトルの方位分布を示す概念図
【図２】結晶粒子径と磁気特性の関係を示す特性図
【図３】真空アーク蒸着の要部構成図
【図４】ＮｄｘＦｅ１４Ｂのｘ量と磁気特性の関係を示す特性図
【図５】（ａ）高速真空熱処理の構成図、（ｂ） 熱処理時間と保磁力の関係を示す特性図
【図６】膜の内径Ｄｉと外径Ｄｏとの比Ｄｉ／Ｄｏと磁束量の変化を示す特性図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
先ず、本発明で言うＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）膜磁石の最良の形態について説明する。
【００２８】
本発明にかかる微小回転電機の高トルク化には高い残留磁化Ｍｒをもつ磁気的に等方性の多結晶集合組織の膜磁石が最良である。このような最良の形態の磁気的に等方性の多結晶集合組織をもつ膜磁石を得るにはＲＸＴＭ１４Ｂ系合金において、ｘを２未満とする。これにより、高い飽和磁化Ｍｓをもつ遷移金属相（a−Ｆｅ、Ｆｅ３Ｂ、およびアモルファス磁性相を含む）と高い保磁力ＨｃＪをもつＲ２ＴＭ１４Ｂ相とを組み合わせる。
【００２９】
そして、それらを交換相互作用により磁気的に結合させ、保磁力ＨｃＪの低下を抑制しながら、飽和磁化Ｍｓを高める。このことが特許文献１のラジアル異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石、或いは特許文献７の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石のような高い残留磁化Ｍｒに近づくために有効だからである。
【００３０】
このような本発明にかかる膜磁石の保磁力ＨｃＪは、Ｒ２ＴＭ１４Ｂ相の磁化が遷移金属相の磁化を固定して、遷移金属相の磁化反転を妨げることによる。十分な保磁力ＨｃＪを得るには １） 遷移金属相とＲ２ＴＭ１４Ｂ相が強く交換結合していること、２）磁壁幅以上で、かつ微細な多結晶集合組織であることが必要である。
【００３１】
つぎに、本発明にかかる膜磁石の面内方向のレマネンスエンハンスメントについて図面を用いて説明する。
【００３２】
本発明にかかる膜磁石は１軸磁気異方性をもったＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ単磁区結晶、或いは遷移金属相が混在した多結晶集合組織からなる膜磁石である。ここで、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶が単磁区臨界寸法以下で、しかも結晶間の静磁気相互作用と量子力学的交換相互作用がないと仮定する。すると、最低エネルギー状態は図１の無磁化状態のように各結晶の磁化ベクトルは磁化容易軸方向に向いた状態にある。そして、この膜磁石が磁化状態になると各結晶の磁化ベクトルの方位は、やはり磁化容易軸方向に一致する。そして図１の磁化状態（ａ）のように磁化方向に極を有する半球面上に均一に分布する。この場合、残留磁化 Ｍｒは飽和磁化Ｍｓの１／２になる。しかし、結晶粒子間に磁化ベクトルの方向を互いに揃えようとする粒子間相互作用が働くと、磁化ベクトルは結晶の磁化容易軸方向からずれる。さらに、図１（ｂ）の磁化状態のように磁化ベクトルの分布は球面に表面張力が働いたように極の周りに収束する。このような交換相互作用は結晶粒子界面を介して作用する。したがって、結晶の微細化に伴って交換相互作用が強くなる。そして極方向への磁化ベクトルの集積度が増し、残留磁化Ｍｒが向上する。このようなＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶の飽和磁化Ｍｓ １．６ Ｔ （３００Ｋ）に対し残留磁化Ｍｒがその１／２以上になることがレマネンスエンハンスメントである。
【００３３】
上記のようなレマネンスエンハンスメントが本発明にかかる微小回転電機にかかる磁気的に等方性の多結晶集合組織をもつ膜磁石の最良の形態として例示できる。
【００３４】
なお、本発明にかかる膜磁石の最良の形態の実施手段として、必要に応じて結晶粒成長を抑制するためのＧａ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃなどの添加元素を適宜併用することができる。さらにまた、結晶化度の小さなアモルファス膜を溶湯合金の急冷凝固、あるいは成膜速度１０μｍ／ｈ以上の高速真空成膜で作製し、６ ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で結晶化を行うことなどを挙げることができる。
【００３５】
つぎに、本発明にかかるレマネンスエンハンスメントとＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径の関係をＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径に対する保磁力ＨｃＪ、ならびに残留磁化Ｍｒの関係の特性図を用いて説明する。
【００３６】
図２はＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径と保磁力ＨｃＪ、ならびに残留磁化Ｍｒの関係を示す特性図である。特許文献２で開示しているように、高速真空成膜で知られるレーザーアブレーション法では基板加熱なしで保磁力ＨｃＪの高い膜磁石が得られない。これは図２でプロットしたＨｃＪｏのように磁壁幅以下の結晶粒子径だからである。
【００３７】
一方、特許文献２で開示しているＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系膜磁石は残留磁化Ｍｒの値が不明である。これは成膜中の非酸化性のガス、液体窒素、非磁性の液体がＮｄの酸化を促進し、磁化の低下を引き起こすものと推察される。なお、特許文献２で開示しているＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径と保磁力ＨｃＪの関係は図２のＨｃＪＢで示される。図から明らかなように、特許文献２で開示された成膜過程で直接膜磁石とする方法ではＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶粒子径が大きく、本発明にかかる膜磁石の最良の形態としている面内方向のレマネンスエンハンスメントは期待できない。
【００３８】
さらに、図２においてレマネンスエンハンスメントが観測される残留磁化ＭｒＡ、および、それに対応する保磁力ＨｃＪＡの領域は、本発明にかかる磁気的に等方性の多結晶集合組織をもつ膜磁石の最良の特性範囲の一例を示している。このような最良の特性を安定的に得るには、特許文献２で開示している成膜時に直接膜磁石とする方法よりも、本発明にかかる溶湯合金の急冷凝固、あるいは成膜速度１０μｍ／ｈ以上の高速真空成膜法でアモルファス膜を作製し、６ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で結晶化して膜磁石とする方法に優位性がある。
【００３９】
つぎに、本発明にかかる溶湯合金の急冷凝固、高速真空成膜によるアモルファス膜と高速真空熱処理による残留磁化Ｍｒと保磁力ＨｃＪの変化について図面を用いて説明する。
【００４０】
先ず、単ロール法によるＲＸＴＭ１４Ｂ系溶湯合金の急冷凝固では、１．３ ｋＰａ程度に保持したＡｒ雰囲気中でロール表面速度を５ ｍ／ｓ程度の低速度域で溶湯合金を急冷凝固すると保磁力ＨｃＪが発現した厚さ数百μｍのＦｅ３Ｂ／Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系膜磁石が得られ、超音波加工などにより、所定寸法に加工して厚さ数百μｍの微小磁石が得られるとしている［非特許文献４］。しかしながら、本発明にかかるｘが２未満のＲＸＴＭ１４Ｂ系溶湯合金の急冷凝固ではロール表面速度を１０ ｍ／ｓ以上とし、厚さ約５０〜１００ μｍ程度で、より結晶化度の小さなアモルファス膜とするものである。加えて、本発明にかかる脆性なアモルファス膜を中空円板状に加工する。このため、展延性をもつ非磁性金属膜をスパッタ法、レーザーアブレーション法などによりアモルファス膜の少なくとも片面に設けた複合膜とする。これにより、本発明にかかる微小回転電機の回転子磁石として必要な高度な寸法精度をもつ中空円板状アモルファス膜に加工することができる。
【００４１】
つぎに、図３を用いて本発明にかかる真空アーク放電の構成と動作について説明する。本発明で言う高速真空成膜とは成膜速度１０μｍ／ｈ以上を指し、アモルファス膜の好適な高速真空成膜手段として図３で示すような要部構成をもつ真空アーク蒸着を挙げるこができる。ただし、図において３１はｘが２未満のＲＸＴＭ１４Ｂ系合金のカソード、３２はアノード、３３はアーク電源、３４は半径方向の放電電流Ｉｒ、３５は放電電流３４がつくる磁界Ｂθ、３６は完全電離気体（プラズマ）、３７は基板である。
【００４２】
図においてカソード３１とアノード３２は電気的に絶縁状態にある。そこにトリガをかけるとアーク電源３３のコンデンサに蓄積した電荷が一斉にカソード３１とアノード３２との絶縁を破りパルス放電電流３４が径方向に生成する。このようなアーク放電により、カソード３１である本発明にかかるｘが２未満のＲＸＴＭ１４Ｂ系合金が溶融し、イオン化、クラスター化（ドロプレット）する。カソード３１より飛び出した電子はアノード３２（電位：プラス）に、イオンはカソード３１に引き付けられる。カソード３１に流れるアーク電流により、カソード３１の周辺に磁界３５が発生する。このような完全電離気体（プラズマ）３６において、電子はローレンツ力を利用して移動する。イオンに働くローレンツ力も同様な方向に生じるものの、ラーモア半径より考察すると、イオンはクーロン力による移動の可能性が大きい。また、イオン化されていない、ドロプレットを主とした粒子も多く基板３７に付着する。
【００４３】
上記のような本発明で言う真空アーク蒸着とは特許文献１のような磁石材料を含む電極と導電性基板との間に電圧を印加してアーク放電を発生させ、当該電極間に荷電粒子となる非酸化性ガス、液体窒素などの中性粒子が存在する状態で成膜する方法とは異なる。本発明にかかる真空アーク蒸着はＲの酸化を極力抑えるために、例えば４ 〜 ７×１０−７ Ｔｏｒｒの真空中で電極間に高電界を加え、陰極（Ｒｘ ＴＭ１４Ｂ系合金）を蒸発させ、その金属蒸気原子を供給し、原子を電離させる手法である。すなわち、原子の供給と電離を同時進行させる手法である。
【００４４】
図４は成膜速度１０μｍ／ｈの真空アーク蒸着で得たＮｄｘＦｅ１４Ｂ（ｘ＝１．６〜２．４）アモルファス膜を高速結晶化した多結晶集合組織からなる本発明にかかる膜磁石の面内方向の残留磁化Ｍｒ、ならびに保磁力ＨｃＪの変化を示す特性図である。また、非特許文献１に基づく、レーザーアブレーション法から作製したアモルファス膜を結晶化した膜磁石を比較例として示す。図から明らかなように、添加元素Ｍを含まないレーザーアブレーション法から作製したＮｄｘＦｅ１４Ｂアモルファス膜を結晶化したとき、本発明の範囲、すなわち、ＮｄｘＦｅ１４Ｂにおいてｘが２未満では保磁力ＨｃＪ、残留磁化Ｍｒともに十分な磁気特性が発現しない。これに対し、本発明にかかる膜磁石のｘ＝２．４以下の残留磁化Ｍｒの変化は、比較例のような残留磁化Ｍｒの劣化が生じ難いことを示唆している。また、保磁力ＨｃＪの減少領域はｘが概ね０．４程度少ない領域にシフトしている。
【００４５】
なお、図４において、ＮｄｘＦｅ１４Ｂのｘが２以上の合金を真空アーク蒸着したアモルファス膜を、高速真空熱処理により結晶化したとき、結晶粒界付近においてＮｄを含む非磁性相が形成され、粒界の相互作用を弱めることで１０００ ｋＡ／ｍ以上の高保磁力が発現する結果は、ｘが２．６以上の合金をレーザーアブレーション法で作製したアモルファス膜を結晶化した膜磁石の保磁力発現機構と同等である。
【００４６】
また、図４において、本発明にかかるＮｄｘＦｅ１４Ｂのｘが２未満の合金を真空アーク蒸着したアモルファス膜を高速真空熱処理により結晶化したとき結晶粒界付近において、多くのアモルファス磁性相が残存し、適度な交換相互作用のもと比較的高い保磁力ＨｃＪを確保できる。これは、熱磁気特性などを観察すると、熱処理後の膜磁石はレーザーアブレーション法で作製したアモルファス膜を結晶化した膜磁石に比べてアモルファス磁性相の存在頻度が高いことからも裏付けられる。
【００４７】
以上のように、本発明にかかる磁気的に等方性で微細な多結晶集合組織をもつ膜磁石の残留磁化Ｍｒを高めるためにｘが２未満のＲＸＴＭ１４Ｂ系溶湯合金の急冷凝固、あるいは真空アーク蒸着のような高速真空成膜により、より結晶化度の小さな、より完全なアモルファス膜にする。
【００４８】
つぎに、本発明で言う所定寸法の中空円板状アモルファス膜を６ ｓｅｃ以内で磁気的に等方性の多結晶集合組織とする高速真空熱処理について図面を用いて説明する。図５（ａ）において、５１は本発明にかかる直径２ ｍｍ以下のＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）のｘを２未満とした所定寸法の中空円板状アモルファス膜、あるいは当該アモルファス膜を所定数積層したアモルファス膜積層体である。５２は赤外線加熱炉、５３は赤外線加熱炉５２に収納される炉心管の真空排気系、５４は電源、５５は温度制御器５６に連動したメモリーリレーである。例えば、真空排気系５３で真空度１０−６ Ｔｏｒｒ以下としたのち、電源５４、メモリーリレー５５、温度制御器５６により、赤外線加熱炉５２に収納した膜、または膜の積層体５１をＲ２ＴＭ１４Ｂ結晶化温度（約８７０ Ｋ）付近まで６ ｓｅｃ以内で加熱して、保持時間なしで当該アモルファス膜を結晶化し、本発明にかかる多結晶集合組織をもつ膜磁石、または積層膜磁石とするものである。
【００４９】
例えば、図５（ｂ）の本発明例５１はｘを２未満とした溶湯ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金を急冷凝固したアモルファス膜を真空度１０−６ Ｔｏｒｒ以下で出力８ ｋＷの加熱時間と保磁力ＨｃＪの関係を示す特性図、本発明例２はｘを２未満としたＲＸＴＭ１４Ｂ系合金を真空アーク蒸着したアモルファス膜を高速真空熱処理したときの出力８ ｋＷの加熱時間と保磁力ＨｃＪの関係を示す特性図である。図から明らかなように、６ ｓｅｃ以内の加熱時間でアモルファス膜から本発明にかかる保磁力ＨｃＪが１００ ｋＡ／ｍ以上の磁気的に等方性の多結晶集合組織をもつ膜磁石、またはその積層体が得られる。このように、高速真空熱処理はレマネンスエンハンスメントを引出すことでも、あるいは本発明が対象とする微小回転電機の回転子磁石の工業的な生産性の観点からも有利である。
【００５０】
つぎに、本発明で言う中空円板状アモルファス膜の内径Ｄｉと外径Ｄｏとの比Ｄｉ／Ｄｏが０．３以上とすることについて図面を用いて説明する。
【００５１】
図６は回転軸挿入孔Ｄｉと外径Ｄｏとの比Ｄｉ／Ｄｏに対する表面磁束密度分布積分値の低下を示す特性図である。図において、本発明にかかるものは外径Ｄｏを１ ｍｍ、長さ１．５ ｍｍ、保磁力ＨｃＪ ３３０ ｋＡ／ｍ、残留磁化Ｍｒ １．０５ Ｔ、極対数２の等方性膜磁石を積層した回転子磁石である。また、比較例は前記回転子磁石と同一寸法の特許保磁力ＨｃＪ １．０ ＭＡ／ｍ、残留磁化Ｍｒ １．３５ Ｔ、極対数１の異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石である。また、表面磁束密度分布積分値の低下は、中空孔なしの各磁石の表面から５０μｍ隔てた空間の表面磁束密度分布の積分値を基準としている。
【００５２】
図から明らかなように異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を極対数１の回転子磁石としたとき、Ｄｉ／Ｄｏが０．３（外径１ ｍｍで回転子挿入孔の径０．３ ｍｍ）のとき、表面磁束密度分布積分値、すなわち１式右辺第１項の磁石トルクを高めるための鎖交磁束密度Φａに相当する値は９％も低下する。このように、極対数が実質的に１に限定され、かつ１．３５ Ｔと高い残留磁化Ｍｒをもつ異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石の場合には、回転子磁石の工夫により微小回転電機の大幅な高トルク化を実現すことは困難である。
【００５３】
上記に対して、本発明にかかる等方性膜磁石を積層し、極対数２とした回転子磁石は、Ｄｉ／Ｄｏ＝０．３、すなわち回転軸挿入孔Ｄｉを０．３ ｍｍとしても、これによるトルク低下は高々２％に抑制させることができる。加えて、極対数を増すと、その低下率はさらに抑制されるようになる。このため、本発明にかかる外径２ ｍｍ以下の膜磁石を所定数積層した極対数２以上の回転子磁石、並びに励磁巻線を備えた固定子鉄心とを組合せた構成の等方性膜磁石積層型微小回転電機は、その高トルク化に有用と言える。
【実施例】
【００５４】
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。
【００５５】
Ｎｄ１．６Ｆｅ１４Ｂ溶湯合金をＣｕ製ロール周速１０ ｍ／ｓで急冷凝固し、厚さ約８０μｍのアモルファス膜を得た。この膜のロール面に約２０μｍのＡｌをスパッタしたのち、外径Ｄｏを１．０ ｍｍ、内径Ｄｉを０．３ ｍｍに加工することにより、本発明にかかる中空円板状アモルファス膜とした（本発明例１）。
【００５６】
別に、Ｎｄ１．６Ｆｅ１４Ｂ合金カソードとし、厚さ１０μｍのＴａ基板との距離３０ ｍｍとし、真空度４〜７×１０−７ Ｔｏｒｒでアーク蒸着した厚さ約４０μｍのアモルファス膜を外径Ｄｏ １．０ ｍｍ、内径Ｄｉ ０．３ ｍｍに加工することにより、本発明にかかる中空円板状アモルファス膜とした（本発明例２）。
【００５７】
つぎに、上記本発明にかかる中空円板状アモルファス膜を真空度４〜７×１０−６ Ｔｏｒｒの雰囲気で、それぞれ２．９ ｓｅｃ、３．５ ｓｅｃの高速真空熱処理を行うことにより、本発明にかかる磁気的に等方性の多結晶集合組織をもつ膜磁石とし、これを４．５ ｍｍになるように積層固定し、貫通孔に回転軸を挿入したのち、極対数２に磁化して回転子とした（本発明例１、２）。
【００５８】
比較例として、残留磁化Ｍｒ １．３５ Ｔの異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石を外径Ｄｏ １ｍｍ、内径Ｄｉ ０．３ ｍｍ、長さ４．５ ｍｍに加工し、貫通孔に回転軸を挿入し、極対数１の磁化を行い回転子とした（比較例１）。
【００５９】
上記、本発明例１、２、および比較例にかかる回転子を外径１．８ ｍｍの空芯励磁巻線を備えたスロットレス固定子と組合せ４極３相ブラシレスＤＣモータ（本発明例１、２）、および２極３相ブラシレスＤＣモータとした。前記微小回転電機を外部駆動し、そのｂａｃｋ−ＥＭＦを求めた。表１は比較例を基準としたｂａｃｋ−ＥＭＦの比を示す。表から明らかなように、高い残留磁化Ｍｒをもつ異方性Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ系バルク磁石からなる極対数１の回転子磁石を搭載した微小回転電機に比べ、ｂａｃｋ−ＥＭＦの比から、本発明にかかる微小回転電機は回転子磁石の新規な工夫によって、１．３倍以上の高トルク化が容易に実現できる。
【００６０】
したがって、本発明にかかる等方性膜磁石を回転子磁石として備えた微小回転電機はスロットレス型径方向空隙型ブラシレスＤＣモータ、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駆動デバイスとして、高出力、低消費電流などの観点で電気電子機器の性能向上に貢献することができる。
【００６１】
【表１】
【符号の説明】
【００６２】
３１ ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金のカソード
３２ アノード
３３ アーク電源
３４ 半径方向の放電電流
３５ 放電電流３４がつくる磁界
３６ 完全電離気体（プラズマ）
３７ 基板
５１ アモルファス膜、またはその積層体
５２ 赤外線加熱炉
５３ 炉心管の真空排気系
５４ 電源
５５ メモリーリレー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）のｘを２未満とした所定寸法の中空円板状アモルファス膜を６ ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で磁気的に等方性の多結晶集合組織とし、しかるのち、面内方向に極対数２以上に磁化した外径２ ｍｍ以下の膜磁石を所定数積層した回転子磁石、並びに励磁巻線を備えた固定子鉄心とを組合せた等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【請求項２】
アモルファス膜が液体急冷凝固、または成膜速度１０μｍ／ｈ以上の高速真空成膜である請求項１に記載する等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【請求項３】
高速真空成膜が真空アーク蒸着である請求項１、および２に記載する等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【請求項４】
磁気的に等方性の多結晶集合組織の面内方向残留磁化Ｍｒ が０．７５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪが１００ ｋＡ／ｍ以上である請求項１に記載する等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【請求項５】
磁気的に等方性の多結晶集合組織の面内方向にレマネンスエンハンスメントのある請求項１に記載する等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【請求項６】
中空円板状アモルファス膜、または当該積層膜磁石の内径Ｄｉと外径Ｄｏとの比Ｄｉ／Ｄｏが０．３以上である請求項１に記載する等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【請求項１】
ＲＸＴＭ１４Ｂ系合金（Ｒは希土類元素Ｎｄ、Ｐｒ、ＴＭは遷移金属元素Ｆｅ、Ｃｏ）のｘを２未満とした所定寸法の中空円板状アモルファス膜を６ ｓｅｃ以内の高速真空熱処理で磁気的に等方性の多結晶集合組織とし、しかるのち、面内方向に極対数２以上に磁化した外径２ ｍｍ以下の膜磁石を所定数積層した回転子磁石、並びに励磁巻線を備えた固定子鉄心とを組合せた等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【請求項２】
アモルファス膜が液体急冷凝固、または成膜速度１０μｍ／ｈ以上の高速真空成膜である請求項１に記載する等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【請求項３】
高速真空成膜が真空アーク蒸着である請求項１、および２に記載する等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【請求項４】
磁気的に等方性の多結晶集合組織の面内方向残留磁化Ｍｒ が０．７５ Ｔ以上、保磁力ＨｃＪが１００ ｋＡ／ｍ以上である請求項１に記載する等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【請求項５】
磁気的に等方性の多結晶集合組織の面内方向にレマネンスエンハンスメントのある請求項１に記載する等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【請求項６】
中空円板状アモルファス膜、または当該積層膜磁石の内径Ｄｉと外径Ｄｏとの比Ｄｉ／Ｄｏが０．３以上である請求項１に記載する等方性膜磁石積層型微小回転電機。
【図１】
【図２】
【図４】
【図６】
【図３】
【図５】
【図２】
【図４】
【図６】
【図３】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１１４９９０（Ｐ２０１１−１１４９９０Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７０９１４（Ｐ２００９−２７０９１４）
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
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