JP5327433B2 - 微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
(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用いる微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法であって、
αFeとR−TM−Bとを堆積層の厚みを制御しながら交互に堆積、或いはαFeとR−TM−Bとの急冷凝固薄帯を円形もしくは中空円形に加工し、必要に応じて加熱処理することで、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前記厚膜を作製し、該厚膜を1枚又は複数枚有する積層体とし、該積層体の前記厚膜面内の径方向に多極磁化を行う微小回転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。
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。
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。
(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。)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
先ず、後述する実施例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。
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。
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。
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。
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。
Claims (4)
- 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用いる微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法であって、
αFeとR−TM−Bとを堆積層の厚みを制御しながら交互に堆積、或いはαFeとR−TM−Bとの急冷凝固薄帯を円形もしくは中空円形に加工し、必要に応じて加熱処理することで、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前記厚膜を作製し、該厚膜を1枚又は複数枚有する積層体とし、該積層体の前記厚膜面内の径方向に多極磁化を行う微小回転電気機械のロータ磁石の製造方法。 - 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。
- 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。
- 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。
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