現状の粒界拡散法との最大の違いは、Dyの供給源となる物質（Dyソース）を焼結前の圧粉体を作るまでの段階で混ぜてしまうことである（図）。具体的に は、粗粉砕したDyソースと磁粉を高速ジェットミリングで微粉砕しながら均一に混ぜ合わせることで、磁粉の周りにDyソースの粒子を均一に分散させる。直 径数μmの磁粉と同1μm未満のDyソースを焼結させる際、均等に配されたDyソースからDyが粒界に沿って拡散していくため、主相をDyリッチ相でしっ かりと包み込みやすくなる。

　TDKによれば、Dyの使用量が同じ場合、保磁力を通常の二合金法よりも159kA/m（2kOe）上げられる。まだ、粒界相の改善効果では現状の粒界 拡散法に及ばないが、磁石の表面近くだけでなく内部深くまで粒界相を改善できる。焼結までで処理が完了する方法なので、焼結後に適用する現状の粒界拡散法 との併用も考えられる。

富岡 恒憲＝日経ものづくり 

　そのテーマリーダーを務める東北大学大学院工学研究科教授の杉本諭氏によれば、結晶粒の微細化に向けては、磁石の原料合金におけるラメラ間隔（後述）の 短縮、および同原料合金を砕いて作る磁粉の微細化、といった観点から研究開発を実施。粒界相の改善に関しては、Dyを粒界相に均一に分散させるための新た なプロセスの開発という切り口で臨んでいる。

　このうち、ラメラ間隔の短縮を担当しているのが、三徳である。通常、Nd-Fe-B系焼結磁石の原料合金は、主相のNd₂Fe₁₄Bの間に、柱状のNdリッチ相がほぼ一定の間隔で現れるように造られている（図1）。そのNdリッチ相の間隔をラメラ間隔と呼ぶ。

　ラメラ間隔を狭める利点は、原料合金を砕いて作る磁粉を微細化しても、主相の周りにNdリッチ相がちりばめられた磁粉をたくさん作れることだ。磁粉の粒 径に対してラメラ間隔が広すぎると、Ndリッチ相が付いていない磁粉が多くできてしまう。これでは、焼結しても主相の周りがNdリッチ相でしっかりと包ま れた結晶を作ることは難しい。

　一般に、Nd-Fe-B系焼結磁石の原料合金は、スリップキャストと呼ばれる製法で造られる。高速に回転するドラムの表面に溶かした同合金を垂らして急冷却するというものだ。三徳は、その冷却速度などの最適化によってラメラ間隔を狭めようと、研究開発を進めている。

　磁粉の微細化については、インターメタリックス（本社京都市）が研究開発を進める。同社では、粗粉砕した原料合金を微粉砕するジェットミリングという方 法を改良することで、実験室レベルだが「約1μmと微細な磁粉を造る技術を開発済み」（同社代表取締役の佐川眞人氏）だ。

　ジェットミリングは、粗粉砕した磁粉を高速なガス流の中に入れ、磁粉同士を衝突させることで微粉砕する技術だ。通常は窒素（N₂）ガスを使うが、同社が新たに開発した方法ではヘリウム（He）ガスを使用する。「HeはN₂よりも軽いので流速を上げやすく、短時間に微粉砕できるため、（磁粉を微細化しても）表面が酸化しにくい。さらに、Heは不活性ガスなので、N₂と違ってNdと化合物を作りにくい」（東北大学の杉本氏）という利点もある。

　興味深いのは、同社がジェットミリングを用いて微細化した磁粉を焼結するための新しいプロセス「PLP（PressLess Process）」も開発していることだ。磁粉を微細化すると、磁粉の表面積が増えてNdリッチ相が酸化しやすくなる。これを防ごうと考案したのが、この PLPだ。

　PLPの最大の特徴は、高濃度のアルゴン（Ar）ガスで満たされたパイプの中で、磁粉の充填から焼結までの一連の工程を実施することである（図2）。具 体的には、まずホッパから同パイプ中のカーボン製容器に磁粉を供給し、それを手で押さえる程度の圧力で容器に押し込む（緻密化）。次に、この容器をパイプ に入れたまま、蓋をして幾つかを段積みにし、コイルで5Tほどの強いパルス磁界をかけて磁化の向きをそろえる。最後に焼結すると、磁石が完成する。

　従来の焼結法と違って、プレスのために空気中で磁粉を型に入れたり抜き出したりといった操作が不要になる。しかも、緻密化する際も軽く押さえる程度なの で、潤滑剤やバインダが少なくて済む。そのため、磁粉が酸化しにくく、不純物も混じりにくくなる。ちなみに、「プレスしなくても焼結体の密度はプレスした ものと変わらない」（佐川氏）という。

　同社では、実証装置を2号機まで造って、既に効果を確認済み。ラメラ間隔が3μ～4μmの原料合金をHeジェットミリングで微粉砕した粒径が約1μmの 磁粉を使うことで、焼結後の主相の粒径が約1.5μmと微細なNd-Fe-B系焼結磁石を作製できたという。同磁石の保磁力は、DyやTbなしで約 1592kA/m（20kOe）と高い^＊。

＊　インターメタリックスは、約1990kA/m（25kOe）の保磁力を2012年中にDyなしで実現することを目指して研究開発を継続中である。一方 で、焼結後の主相の粒径が3μmと、これまでより主相を微細化した同磁石の実用化（工業化）に向けても取り組みを進めているという。

富岡 恒憲＝日経ものづくり

　同氏らが採ったアプローチは、（1）同磁石の主相であるNd₂Fe₁₄Bの結晶粒の微細化、（2）粒界相であるNdリッチ相の改善、である。Nd-Fe-B系焼結磁石は通常、主相の結晶の粒径が小さくなるほど結晶粒内における磁区^＊3の 磁場の逆転が発生しにくくなる。結晶粒が小さいと、多磁区よりも単磁区で存在した方がエネルギ的に安定するためだ。多磁区状態では、隣接する磁区で磁場が 反転すると、それが他の磁区へとドミノ倒しのように伝播する。単磁区状態ではそうした磁場反転の発生頻度を減らせるため、減磁しにくくなって保磁力が高まる。

富岡 恒憲＝日経ものづくり

　同氏らが主相の結晶粒を微細化するために用いたのが、HDDR（水素化・不均化・脱水素・再結合）プロセスである（図）。その最大の特徴は、化学反応を 利用して結晶粒の微細化を図ること。磁粉を物理的に細かく粉砕して結晶粒を微細化する方法と違って磁粉をそれほど細かくしないで済むため、Ndリッチ相が 酸化されにくい。Ndリッチ相は酸化すると非磁性ではなくなるため磁気的な結合を切れなくなってしまうが、同プロセスならそうした酸化を防げる。

 　HDDRプロセスでは、まず磁粉を水素（H₂）雰囲気中で加熱する。それにより、Nd₂Fe₁₄BをNdH₂、Fe、Fe₂Bに分解。続いて、それを真空中で加熱して水素を抜き、Nd₂Fe₁₄Bに戻す。一連の化学反応によって、主相の結晶粒は当初の100μmから250nm程度に微細化できる。しかも、処理条件を適切にコントロールすることで、個々の結晶粒の磁化方向を元の磁粉のそれとある程度まで一致させることができる。

　一方、（2）のNdリッチ相の改善は、主相の結晶粒の中で新たな磁区が発生する頻度を低減するための取り組みである。先に、主相の界面に欠陥があった り、主相同士がNdリッチ相を挟まずにくっついたりする部分は減磁しやすいと説明した。それは、これらの部分で新たな磁区が発生しやすいためだ。これを防 ぐために、粒界拡散法では粒界にDyやTbを選択的に導入するが、宝野氏らはNdリッチ相でしっかりと主相の結晶粒を包み込もうとしている。

　もっとも、同氏らがNdリッチ相の改善で狙うのはそれだけではない。実は、Ndリッチ相には結晶粒同士の磁気的な結合を切るという働きもある。適切な熱処理を施した場合、Ndリッチ相は磁性体の結晶ではなく非磁性体のアモルファスとなる^＊4。このため、主相をNdリッチ相でしっかりと包み込めれば結晶粒同士の磁気的な結合を切ることが可能になり、ある結晶粒で生じた磁場の反転が隣接する結晶粒へ伝播していくのを防げるのである。

　宝野氏らがNdリッチ相の改善に適用したのが粒界拡散法である。ただ、粒界拡散法とはいっても、拡散させるのはDyやTbではなくNdである。しかも、磁石の焼結後に施すのではなく、磁粉を作製する最終段階で適用する点が前述の磁石メーカーのやり方と異なる。

　具体的には、HDDRプロセスで作製した磁粉（Nd-Fe-B系合金）とネオジム・銅（Nd-Cu）合金の粉末を混ぜて加熱する。Nd-Cu合金を選ん だのは、融点が520℃と低いためだ。焼結温度を高くすると結晶粒が成長してしまうため、結晶粒を微細に維持できなくなる。従って、焼結温度を低く抑えな ければならず、低融点のNd合金が望ましかった。

 　Nd-Cuなら焼結温度を600℃ほどに抑えても液体となり、Ndが粒界に沿って拡散していく。しかも、宝野氏らの研究で、Ndリッチ相にCuが混じることで保磁力が高まることも判明している。Nd-Cu合金を使うと、そのCuの供給源にもなる。

　宝野氏らは現在、開発した保磁力の高い磁粉を使って焼結磁石を製造する技術の研究開発を進めている。基本的には、磁場をかけて磁粉を配向させながらプレ スする。次に、この圧粉体をスパークプラズマ焼結法という方法で約600℃で低温焼結しながらホットプレスをして、磁化の異方性を高める、といったプロセ スを取る^＊5。

＊1　この研究開発は、文部科学省の元素戦略プロジェクト「低希土類元素組成高性能異方性ナノコンポジット磁石の開発」の一環で実施されている。

＊2　現状市販されている通常のNd-Fe-B系焼結磁石の保磁力は、DyやTbなしでは796kA/m（約10kOe）程度。それを2倍に高められるの がこの技術だ。ただし、HEV/EVの走行用モータでは、1990k～2388kA/m（25k～30kOe）程度の保磁力が求められるため、用途によっ てはDyやTbの添加が必要になる。

＊3　磁区　原子の磁気モーメントがそろった小さな領域のこと。1つの結晶粒は、1つの磁区（単磁区状態）、もしくは複数の磁区（多磁区状態）から成る。 磁区と磁区間にある壁を磁壁と呼び、磁壁が界面へと移動することで同磁壁よりも界面側にあった磁区が消滅する。逆に、界面の欠陥部分などから磁区の核が発 生すると、新たな磁区がそこから生成される。

＊4　熱処理が不適切だとNdリッチ相が結晶となり、非磁性相にはならない。

＊5　課題の1つは、最大エネルギ積の向上である。そのためには磁粉の配向度を高めることが必要だという。現在目標にしているのは、HEV/EVの走行用モータに使えるもの。保磁力が約1990kA/m（25kOe）、最大エネルギ積が約279kJ/m³（35MGOe）のNd-Fe-B系焼結磁石だ。 

　例えば、ロータの円筒面にカマボコ型の磁石を配置するSPM（Surface Permanent Magnet）モータでは、磁石は、回転方向に対して後ろ側の端部ほど減磁しやすい（図）。モータの回転時に、磁石の回転方向手前側がコイルに吸引される のに対し、同後ろ側はコイルから反発力を受ける。このため、回転方向後ろ側に逆磁界がかかるのである。しかも、カマボコ形の磁石の場合、形状的な要因で端 部ほど逆磁界によって減磁されやすくなっている。

　従って同磁石では、減磁の少ない中央部に端部ほどの保磁力は要らない。結果、DyやTbの濃度を端部では高く、中央部では低くすることができる。実際、 信越化学工業では、同磁石の両端から粒界拡散の処理を行うように工夫して、端部ほど保磁力が高くなる磁石を作製するなどの技術開発を進めている。TDKも 「どの部分にどの程度の逆磁界が加わるのか（保磁力が必要になるのか）が、CAEでかなり分かるようになった」とし、Dy化合物のスラリーを磁石の全面で はなく部分的に塗布する技術を開発中だ。

　こうした、部分的に保磁力を変えるという考え方は「ここ数年で出てきた」（TDK）。実際、多くの家電メーカーや自動車メーカーが取り組み始めた模様。磁石メーカーとモータメーカーの協業がますます重要になってきている。 

富岡 恒憲＝日経ものづくり

　Nd-Fe-B系焼結磁石にDyやTbが必要とされるのは、保磁力を確保するためである。保磁力とは、逆磁場（永久磁石の磁化方向と逆の磁場）や温度変 化に対する、磁石の減磁しにくさを表す値。Nd-Fe-B系焼結磁石では通常、高温になるほど逆磁場によって減磁しやすくなる。そこで、保磁力を上げるた めにDyやTbといった重希土を加える。例えば、磁石の温度が200℃程度になるとされるHEVの走行用モータでは、質量でNdの4割分を重希土に置き換 えている。

　DyやTbの添加で保磁力が上がるのは、同磁石のNd₂Fe₁₄Bという組織構造においてNdの一部がDyやTbに置き換わるためだ。R₂Fe₁₄B（Rは希土類元素）という化合物では、RがNdのときよりもDyやTbのときの方が、保磁力と比例する異方性磁界が高い。

 　粒界拡散法は、そうしたDyやTbをNd-Fe-B系焼結磁石の組織の粒界部分に選択的に導入することができる（図）。通常、同磁石は、4μ～5μm前後のNd₂Fe₁₄Bの結晶（主相）が集まってできており、主相と主相の間（粒界）にNdリッチ相（Nd₂Fe₁₄BよりもNdが多い化合物の組織）が生成される。ただ、一般にはこのNdリッチ相が生成されていなかったり主相の界面が荒れたりしているため、減磁しやすくなる。

　そこで、減磁に強いDyやTbを粒界に選択的に導入することで、これまでよりも少ない量で同等の保磁力を確保しようというのが、粒界拡散法の基本的な考 え方だ。従来の二合金法では、磁石の原料となるNd-Fe-B系の合金を造る際にDyやTbを混ぜていたため、主相と粒界の区別なくDyやTbが広く分散 していた。

　これに対し粒界拡散法では、原料の合金に添加するDyやTbを減らし、残りの一部を粒界の改善に回す。まず、通常のNd-Fe-B系焼結磁石と同様に、 原料の合金を粉砕して粉末にし、磁場をかけながらプレスして、その後に焼結する。従来と違うのは、焼結後にある処理を施す点だ。

　その処理方法は、大別すると2種類ある。1つは、液状化が可能なDyやTbの化合物を使うもの。同化合物の中に浸漬したり同化合物を塗布したりすること で、焼結後の磁石の表面に同化合物の膜を作る。その上で熱処理を施すことで同化合物を分解して、DyやTbを粒界に拡散させる。もう1つは、蒸着を利用す るもの。真空チャンバ内に焼結後の磁石とDyやTbを入れて加熱すると、DyやTbの蒸気が発生して磁石の粒界に拡散する。前者は信越化学工業とTDK が、後者は日立金属が採用している。

富岡 恒憲＝日経ものづくり

　長田さんは、ＮＨＫ放送技術研究所で３Ｄなど視覚の研究に取り組んだ。退職後に「一筆書き紋様」と呼ばれるインド発祥の幾何学模様に興味を持った。日本でなじみのない紋様の魅力を好奇心旺盛な子どもたちに広めたいと考えた。

　ゲーム感覚で遊べるように、廃材を５センチ角に切り出してブロック型の遊具を作製。各面に紋様の一部を描き、ブロックの並べ方によって、全体として様々なパターンの模様が出来上がるような仕掛けにした。

　学習障害がある子どもたちの教育に携わる知人に渡すと、「形や線をつなげようとする意識が、障害の改善にも役立つ」。

　長田さんは、遊具が散らばると視覚障害者は遊びにくい、とさらに考え、近所に住む伊藤さんと協力して磁石を内蔵する遊具へと改良した。

　普通の磁石なら組み合わせによっては必ず反発の性質が出る。それを各ブロック内に複数の磁石を特殊な配置で内蔵することで、立方体の６面のいずれ も吸着性質だけ持つ「世界的にも珍しい」（長田さん）ものになった。紋様は視覚障害でも分かるように、点字のように凹凸をつけた。

　遊具を横浜市や伊勢原市の障害学級がある学校に配ると好評だったという。視覚障害者の教育を研究するインドの大学教授にも譲った。
　遊具は手作りで、希望者に頒布している。

asahi.com （木村尚貴） 

　ただ、こうした用途向けに高い性能を実現するには、現状では高性能磁石であるネオジム・鉄・ボロン（Nd-Fe-B）系焼結磁石が不可欠。例えば、 HEVでは約1kg/台、EVでは約2kg/台のNd-Fe-B系焼結磁石が使われている。その磁石原料としてのNdに加え、高い耐熱性を求められる用途 向けにはジスプロシウム（Dy）やテルビウム（Tb）といったレアアースが必要とされる。Dy（または一部をTbに置換）は、HEV/EV用の走行モータ の場合でNd-Fe-B系焼結磁石の総質量の7～10質量％、エアコン用圧縮機のモータの場合で4～5質量％添加されている。

　特にDyとTbは、重希土と呼ばれるレアアースの中でもとりわけ希少な資源。物質・材料研究機構磁性材料センター長の宝野和博氏によれば「Dyの地殻存 在度は諸説あるが、ざっくり言えば、Ndの10～20％。Tbはもっと少ない」（Tbは同2～4％）。しかも、現状では供給元がほぼ中国に限られる上、中 国から日本が1年間に輸入できる量は中国政府によって決められている。このため、HEV/EVや省エネ家電の増加などでさらにPMモータの需要が伸びてく ると、安定確保が難しくなる恐れがある。Nd-Fe-B系焼結磁石では、Nd、Dy、Tbが合計で同磁石の約30質量％を占める。高耐熱タイプでは、Nd が約20質量％で、Dyが約10質量％。資源の存在度を考えると、今後、DyやTbの方がNdよりも調達が厳しくなると懸念される。そこで、求められてい るのが、DyやTbの使用量の低減だ。

　微細な磁石を使ったデータ保持技術（不揮発動作）を開発する2010年度の新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のプロジェクトで、NECが 世界に先駆けて開発した素子を応用した。一時保存用（キャッシュ）メモリーに必要な回路で処理中のデータを、メモリーに記憶することなく電源を切っても回 路上に保持することに成功した。

　すでに開発されている不揮発のメモリーなどと組み合わせることで、待機電力なしで起動時間もかからず、電源を入れてすぐに利用できる電子機器の実現に大 きく踏み出した。開発した回路は半導体のトランジスタ数を半分以下に抑えることができ、回路の面積も約2分の1に削減する。

　企業や家庭が電力需給対策や節電を進める上で、電気製品の待機電力がクローズアップされている。コンピューターやサーバーなどの情報通信機器は、電源を 切ると再起動に時間がかかるが、今回の開発した技術はその弱点を克服し、節電と利便性の両立につながる。今後、実用化を目指して研究を進める。