JP2015518266A - ナノ粒子、永久磁石、モーター及び発電機 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの長形コア（１０）と前記コアを取り囲む少なくとも１つのシェル（２０）とを備え、前記長形コア（１０）は第１の着磁性及び／又は磁化材料を用いて形成され、前記シェル（２０）は、第２の結晶磁気異方性材料を用いて形成されている、ナノ粒子（５）に関している。また本発明による永久磁石（４０）は、複数のそのようなナノ粒子（３０）を含んでいる。さらに本発明によるモーター又は発電機（６０）は、少なくとも１つのそのような永久磁石（４０）を有している。

Description

本発明は、ナノ粒子、永久磁石並びにモーター及び発電機に関している。

新しい永久磁石材料の探索は、ナノテクノロジーによる強力な振興を経験している。このことは、永久磁石特性が、高い磁化（磁気分極）に加えて、適切な原子及び結晶構造に基づきメゾスコピックスケールで磁化過程に大きく依存していることを意味している。ナノスケール単磁区粒子としての微細構造の設計により、永久磁石特性がより積極的に理論的に予測され、さらに急速凝固技術を適用した場合には微細構造形成によることが実験的に知られている。

しかしながら高い自発磁化を有するナノ粒子で構成される永久磁石材料の合成構造は、ナノ粒子中の酸化に対する感受性の増加によって妨げられる。さらに、いわゆる形状異方性によって達成される抗電界強度は、実験によって達成することはできない。

今日の希土類元素永久磁石（例えばＳｍＣｏまたはＮｄＦｅＢ）では、冶金プロセスにより生成される高い結晶磁気異方性の微結晶微細構造によって、現在のほぼ全ての用途に十分な高さの抗電界強度を生成するのに対して、これらのシステム中の残留磁化は、磁気的に硬い位相の自発磁化に限定されたままである（例えばＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂの１．６１Ｔ）。

ナノ技術の合成法による整形手段に基づいて、向きを整えて単磁区ナノ粒子の集合体を形成することが可能である。しかしながらこの場合（抗電界の上限としての）形状効果に基づく異方性電界は制限される。

なぜならば、集合体からの影響だけでなく、抗電界が表面や角、縁部における欠陥によって低減されるという事実にも基づけば、ナノ粒子の集合体における異方性が増加するか否か、及び、付加的に別の磁化反転モード（カーリングモデル，ファニングモデルなど、これらも抗電界の低減を引き起こす）が出現するか否かは、今日まで明らかになっていないからである。

それ故に、本発明の課題は、前述したような従来技術における欠点を克服することのできる改良されたナノ粒子を提供することである。特に、この本発明によるナノ粒子を用いれば、改善された永久磁石材料を得ることが可能になるはずである。本発明のさらなる課題は、改善された永久磁石と、改良モーターと、改良された発電機とを提供することである。

前記課題は、請求項１に記載された特徴を有する本発明によるナノ粒子と、請求項１３に記載された特徴を有する本発明による永久磁石と、請求項１５に記載された特徴を有する本発明によるモーターないし発電機によって解決される。

本発明によるナノ粒子は、少なくとも１つの延伸コアを備えており、この延伸コアは、少なくとも１つの第１の着磁性材料及び／又は磁化材料で形成されている。

この場合のナノ粒子とは、本発明の主旨においては１０００ｎｍ未満の断面直径を有する粒子と理解されたい。このナノ粒子は、有利には、特に３００ｎｍ未満の断面直径を有する。

また前記延伸コアとは、本発明の主旨においては縦方向と横方向の寸法間で少なくとも１.５のアスペクト比を有するコアであることを理解されたい。このアスペクト比はさらに有利には少なくとも５であり、理想的には少なくとも１０である。

本発明によるナノ粒子は、さらに前記コアを取り囲むシェルを備えており、このシェルは、少なくとも１つの第２の結晶磁気異方性材料で形成されている。有利には、前記シェルの第２の材料は、前記コアの第１の材料の界面に接している。

これにより本発明によるナノ粒子は、少なくとも２つの材料が関係するいわゆるコア／シェル型構造を有しており、それらが有利には、高い永久磁化特性、すなわち高い残留磁気と、高い抗電界（保磁力）と、高いエネルギー積と、高い長期安定性とをもたらしている。第１の材料を含んだコア（Ｃｏｒｅ）は、高い着磁性及び／又は磁化性を有する。この場合シェル（Ｓｈｅｌｌ）の第２の材料は、結晶磁気異方性を有している。この結晶磁気異方性は、コア表面を安定化させ、とりわけコアとシェルの間の界面を好適に安定化させる。そのためこの表面ないし境界面における欠陥に起因する磁化反転は阻止される。さらに前記第１および第２の材料の選択によって、磁気的交換結合が達成され、これは単相磁化反転をもたらし、高い抗電界のもとでより一層均一な回転を促進させる。ここでは従来技術に比べてエネルギー密度が少なくとも２倍の増加を成し遂げる。そのため本発明によるナノ粒子を用いれば、より一層改良された永久磁石の構築に適する集合体を実現することができる。

有利には、本発明によるナノ粒子においては、前記第１の材料が、少なくとも体積材料として軟磁性である。そのような体積材料として、軟磁性の金属ないし合金として周知の材料が挙げられるが、例えばＮｉＦｅやＣｏＦｅなどの強磁性材料も形状異方性に基づき反転磁化に対する安定性を備えた永久磁場の達成に寄与し得る。

本発明の別の実施形態によれば、前記ナノ粒子において、第１の材料が強磁性材料、特にＦｅを用いて形成される。この場合有利には、前記強磁性材料が、Ｆｅ、とりわけＮｉＦｅまたはＣｏＦｅを含んだ合金及び／又は混合結晶から形成されるか、又は、ＮｉＦｅまたはＣｏＦｅを含んだ合金及び／又は混合結晶を用いて形成される。この場合好適には、前記第１の材料は、１種類以上の遷移金属またはＦｅＣｏ、特に高濃度のＦｅ成分を含む。

有利には、本発明によるナノ粒子によれば、第２の材料が硬質磁気材料である。

好ましくは、本発明のナノ粒子によれば、第２の材料が、ＭｎＢｉおよび／またはＭｎＡｌＣおよび／またはＦｅＰｔから形成されるか、あるいはＭｎＢｉおよび／またはＭｎＡｌＣおよび／またはＦｅＰｔを用いて形成される。特に後者のケースでは、第２の材料は、Ｆｅ上のＰｔの堆積と、それに続く加熱処理によって形成される。

代替的または付加的に、第２の材料は、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＳｍＣｏやＮｄＦｅＢなどの硬磁性希土類化合物から形成されるか、又は、それらを用いて形成され、あるいはＳｒＢａフェライトのような硬質フェライトから形成されるか、又は、それらを用いて形成される。この場合、好ましくは、第１の材料は、ＦｅＣｏから形成されるか又はＦｅＣｏを用いて形成される。

前記ナノ粒子及び／又は前記ナノ粒子のコアは、本発明の有利な構成例では、ナノロッド及び／又はナノワイヤ（Ｎａｎｏｗｉｒｅ）として形成され、より好適には、細長い楕円形で形成される。

好適には、本発明のナノ粒子においては、前記コアに対して、当該ナノ粒子の少なくとも１／２の体積比、好ましくは９０％を超える体積比に相当する部分が割り当てられている。

有利には、そのように特に高められたナノ粒子の永久磁化と、ナノ粒子集合体の高められた永久磁化とが、当該ナノ粒子に求められる空間との比率に関連して達成され得る。この場合有利には、第２の材料が、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ： Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）として形成されるか、あるいは自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を用いて形成される。この場合有利には、前記シェルの第２の材料と前記コアの第１の材料との間の交換結合作用は、シェルの厚さとは無関係である。したがって、唯一の関連する単分子膜をシェルとして用いるだけで、既にコアの磁化の良好な安定化が達成可能である。

本発明によるナノ粒子の有利な実施形態によれば、腐食、特に酸化から保護するように構成された外側保護層を有している。従って、本発明のナノ粒子のコアは、腐食、特に酸化から保護される。本発明のナノ粒子は、好適には、保護層が自己組織化単分子膜（ＳＡＭ： Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）として、又は、自己組織化単分子膜を用いて形成される。この保護層は、好ましくは、ＦｅＰｔ及び／又はＭｎＡｌＣによって形成されている。

本発明のナノ粒子によれば特に有利には、シェルが前記保護層を形成するか又は保護層の少なくとも一部を形成している。この場合理想的には、前記シェルに対してＦｅＰｔ及び／又はＭｎＡｌＣが選択される。有利には、前記シェルは、ＦｅＰｔ系の場合には、ＦｅへのＰｔの堆積と、その後の界面の熱処理とによって製造される。

代替的に有利には、前記保護層がさらなる層としてシェル上若しくはシェル内に配置される。好ましくは、前記保護層は、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ： Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）として若しくは自己組織化単分子膜を用いて被着される。

本発明によるナノ粒子では、理想的には、前記保護層がシェルの外表面を完全に覆い、好ましくは全ての表面を覆う。このようにして、コアの磁化の効果的な安定化が達成される。

有利には、本発明のナノ粒子によれば、前記保護層が、ＦｅＰｔで形成され、とりわけＦｅへのＰｔの堆積とその後の加熱処理によって形成される。

本発明による永久磁石は、上述したように、本発明による複数のナノ粒子を含む。これらの永久磁石は、高効率駆動装置や発電機に、詳細にはそれらのステータやロータに有利に使用することが可能である。

本発明による永久磁石の有利な改善例によれば、前記ナノ粒子は、当該ナノ粒子の最長寸法部分の方向が好ましい方向になるように配置される。特にこれらのナノ粒子は、最長寸法に関してほぼ単方向および／または平行に配向され、すなわち、これらのナノ粒子のうちの少なくとも半分、好ましくは９０％が、それらの配向においてほとんどずれていない、つまり、好ましい方向から最大でも２０度しかずれていない。

本発明によるモーターは、上述したように本発明による永久磁石を備えている。

本発明による発電機も、上述したように本発明による永久磁石を備えている。

本発明によるモーター若しくは本発明による発電機によれば、有利には、少なくとも１つのロータ、及び／又は、少なくとも１つのステータが、それ自体周知のように設けられ、これらのモーターまたは発電機は、上述したように、本発明による１つ以上の永久磁石を用いて形成されている。

以下では本発明を図面に示された実施形態に基づいて詳細に説明する。

本発明によるナノ粒子の縦断面の模式図 本発明による永久磁石の概略的模式図 本発明による発電機の概略的模式図

実施例
図１に示されている本発明によるナノロッド５は、ＦｅＣｏからなる延伸コア１０を含んでいる。このコア１０のアスペクト比（縦方向寸法と横方向寸法の比）の値は、約５である。なおここには示されていないが、本明細書に記載されるものに対応する別の実施形態によれば、アスペクト比の値が１０である。このコア１０には、ナノロッド５のほぼ全ての体積比に相応する部分が割り当てられ、とりわけここでは９０％の体積比に相応する部分が割り当てられている。従ってこのコアは、高い磁化をもたらす。

ナノロッド５は、結晶磁気異方性材料からなるシェル２０を有している（図示の実施例ではＦｅＰｔ）。このシェル２０の結晶磁気異方性は、コア１０の表面を安定化させ、コア１０表面の欠陥による磁化反転を防ぐことができる。

コア１０の材料とシェル２０の材料との間では磁気的交換結合が生じ、これはナノロッド５の単相磁化反転を引き起こし、その結果として、高い抗電界のもとで均一な回転が生じる。

ＦｅＰｔからなるシェル２０の構成は、好適な腐食特性に基づいて同時に保護層として機能する。この保護層は、コア１０を酸化から保護する。この場合ナノロッド５のシェル２０は、Ｆｅ上へのＰｔの堆積とその後の界面の熱処理とによって製造される。

しかしながら前記シェル２０は、薄い膜、すなわち１〜５の間の単分子膜、例えば自己組織化単分子膜（ＳＡＭ： Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）として構成されていてもよい。

前述の実施形態に対応する代替的実施形態では、付加的な保護層が前記シェル２０に被着されており、この付加的保護層は、ＭｎＡｌＣからなる自己組織化単分子膜（ＳＡＭ： Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）を用いて形成される。

特に図には示されていない別の実施形態によれば、本発明によるナノロッドは、前述したナノロッド５に相応しているが、但しこのコアはそれとは異なってＦｅＣｏからではなく、他の軟磁性材料からなっている。

ここには示されていないさらに別の実施形態によれば、本発明によるナノロッドは、先の実施例で説明したナノロッドに相応しているが、但しここでのシェルはそれとは異なって、ＦｅＰｔからなっているのではなく、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、ＭｎＡｌＣ、又は、ＳｍＣｏやＮｄＦｅＢのような硬磁性希土類化合物、又は、ＳｒＢａフェライトのような硬質フェライトからなっている。ＭｎＡｌＣのケースでは、前記シェルは同時にナノロッドの腐食を防止する保護層としても作用する。

上記のようにナノロッドの集合体３０、例えばナノロッド５の集合体３０は、図２に示されている本発明による永久磁石の一部である。

ここでの集合体３０の複数のナノロッド５は、有利な方向を有している。図示の実施形態では、これらのナノロッド５は互いに平行に配向されている。集合体３０のこれらのナノロッド５は、平行な配列のために、例えばアルミニウムからなるマトリックス内に配置される（詳細には図示せず）。このマトリックスは、表面に複数の細孔を有しており、これらの細孔は、当該マトリックス内へ互いに平行して延在する微細な止まり穴の形態の開口部を形成している。互いに平行して延在するこれらの止まり穴には、複数のナノロッド５が存在しており、ここではナノロッドの最長寸法部分が止まり穴の延在方向に沿って延伸する。したがって、これらのナノロッド５も、止まり穴の互いに平行な配列構成に対応して相互に平行に配向される。このような配向のナノロッドの製造は、例えば“Narayanan”らによる２０１０年５月発行の公知文献“Nanoscale Res. Lett”１６４頁〜１６８頁、図１とそれに関連するテキストに記載されているように行ってもよい。

このようにして実現されたナノロッドの平行な配列構成によれば、個々のナノロッドの永久磁場が、当該ナノロッド集合体の相応に増加する１つの総磁場に加算される。そのように実現された永久磁石４０は、十分に大きな永久磁場を持つようになる。

図３に示した本発明による発電機６０は、前記永久磁石４０を用いてそれ自体公知の方法で形成されたロータ／ステータ装置５０を有している。この場合の従来技術との相違点は、前記ロータ／ステータ装置５０の永久磁石が、発明による前記永久磁石４０によって形成されている点である。

ここでは特に図示していないが、本発明のさらに別の実施形態によれば、前記ロータ／ステータ装置５０が、本発明によるモーターの構成要素にもなっている。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの延伸コア（１０）と、
   前記コアを取り囲む少なくとも１つのシェル（２０）とを備えたナノ粒子であって、
   前記延伸コア（１０）は、少なくとも１つの第１の着磁性及び／又は磁化材料を用いて形成されており、
   前記シェル（２０）は、少なくとも１つの第２の結晶磁気異方性材料を用いて形成されていることを特徴とする、ナノ粒子。
2. 前記第１の材料は、少なくとも体積材料として軟磁性である、請求項１記載のナノ粒子。
3. 前記第１の材料は、強磁性材料、特にＦｅを用いて形成され、有利にはＦｅを含んだ合金及び／又は混合結晶、特にＮｉＦｅ又はＣｏＦｅを用いて形成されている、請求項１又は２記載のナノ粒子。
4. 前記第２の材料は、硬質磁性材料である、請求項１から３いずれか１項記載のナノ粒子。
5. 前記第２の材料は、結晶磁気異方性材料、有利にはＭｎＢｉ及び／又はＭｎＡｌＣ及び／又はＦｅＰｔを用いて形成され、特にＦｅ上へのＰｔの堆積とその後の加熱処理によって形成される、請求項１から４いずれか１項記載のナノ粒子。
6. 前記ナノ粒子は、ナノロッド（５）及び／又はナノワイヤとして構成されている、請求項１から５いずれか１項記載のナノ粒子。
7. 前記ナノ粒子の少なくとも１／２の体積比に相応する部分が、前記コア（１０）に割り当てられている、請求項１から６いずれか１項記載のナノ粒子。
8. 前記ナノ粒子は、腐食、特に酸化から保護するように構成された外側保護層を備えている、請求項１から７いずれか１項記載のナノ粒子。
9. 前記シェル（２０）は、前記外側保護層の少なくとも一部を形成している、請求項８記載のナノ粒子。
10. 前記外側保護層は、前記シェル（２０）の外側表面を広範囲に亘って、有利には全面に亘って覆っている、請求項８記載のナノ粒子。
11. 前記外側保護層は、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ： Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）によって形成されている、請求項８から１０いずれか１項記載のナノ粒子。
12. 前記外側保護層は、ＦｅＰｔを用いて形成され、特にＦｅへのＰｔの堆積とその後の加熱処理によって形成されている、請求項８から１１いずれか１項記載のナノ粒子。
13. 請求項１から１２いずれか１項記載の複数のナノ粒子（３０）を含んでいることを特徴とする永久磁石。
14. 前記複数のナノ粒子は、当該ナノ粒子の最長寸法部分の向きが好適な方向になるように配置されている、請求項１３記載の永久磁石。
15. 請求項１３又は１４記載の少なくとも１つの永久磁石（４０）を備えたモーター又は発電機。

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