JP2001155946A - カレントトランスおよびその製造方法 - Google Patents

カレントトランスおよびその製造方法

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magnetic permeability
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Atsushi Sunakawa
淳 砂川
Yoshio Bizen
嘉雄 備前
Shunsuke Arakawa
俊介 荒川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ナノ結晶合金の高い透磁率と飽和磁束密度が
劣化することなく高い透磁率が得られるカレントトラン
スを提供する。 【解決手段】 本発明は積層コアを構成する薄板が実質
的にFe基の100nm以下の微細結晶粒でなる組織を有する
ナノ結晶合金で構成され、かつSiO2換算で表面から10nm
よりも深い位置で、酸素よりFeの濃度が高いカレントト
ランスであり、ナノ結晶組織を発現可能なアモルファス
リボンを非酸化性雰囲気ガスで加熱して結晶化処理し、
表面から10nmよりも深い位置で、酸素よりFeの濃度が高
くなるように制御することにより得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は優れた軟磁気特性を
有するナノ結晶合金の薄板を積層して得られるコアを用
いたカレントトランスおよびその製造方法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】カレントトランスは電流センサーの一種
であり、電流計測、漏電ブレーカー等に用いられる。図
1にその構成の一例を示す。カレントトランスは一般に
図1に示すようなリング状コアからなる閉磁路に巻線2
をし、そこに計測したい電流の流れる線1を貫通させ、
この線を流れる電流によって巻線2に出力される電圧か
ら線1に流れる電流を計測するものであり、一般的には
商用周波数から高くても数百Hzの周波数帯域で用いら
れる。上記コアとして、アモルファス合金にみられる熱
的不安定性がほとんどなく、経時変化も小さく、低磁歪
で高い透磁率を有するFe基ナノ結晶合金の薄帯等をトロ
イダル状に巻き回すか、あるいは打抜き積層したものが
好適であることが特許第2501860号に示されている。こ
こで提案されるFe基ナノ結晶合金はパーマロイやCo基ア
モルファス合金に比べて飽和磁束密度が高いことから、
計測可能な電流の範囲が大きい点でも有効である。
【0003】また、上記Fe基ナノ結晶合金の代表的な組
成は特公平4―4393号や特公平7―74419号等に記載のFe
―Si―B―(Nb、Ti、Hf、Mo、W、Ta)―Cu合金やFe―
(Co、Ni)―Cu―Si―B―(Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti、M
o)合金等が知られている。これらのFe基ナノ結晶合金
の製造方法としては、上記合金を液相または気相から急
冷して得られたアモルファス合金を熱処理して結晶化す
ることにより、結晶粒を微細化する方法が知られてい
る。液相からの急冷方法として、単ロール法、双ロール
法、アトマイズ法、回転液中紡糸法等が知られている。
気相からの急冷方法としては、スパッタ法や蒸着法等が
知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述したカレントトラ
ンス等においては特に装置の小型化、低コスト化のた
め、閉磁路に用いられるコアの更なる透磁率の向上が求
められている。透磁率の向上は計測したい電流に対する
感度が良くなるばかりでなく、コアの小型化およびコア
に対する巻線の巻数低減が可能となる。本発明の目的
は、ナノ結晶合金の高い透磁率と飽和磁束密度が劣化す
ることなく高い透磁率が得られるカレントトランスおよ
びその製造方法を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は、ナノ結晶合
金の透磁率の変動が、合金表面の各原子の濃度に極めて
敏感であることを知見し、表面元素濃度と透磁率の関係
を調べ、表面からある特定深さにおける酸素濃度をFeの
濃度以下とすることが有効であることを見出した。すな
わち、本発明は積層コアを構成する薄板が実質的にFe基
の100nm以下の微細結晶粒でなる組織を有するナノ結晶
合金で構成され、かつSiO2換算で表面から10nmよりも深
い位置で、酸素よりFeの濃度が高いカレントトランスで
ある。
【0006】上述した本発明のカレントトランスは、ナ
ノ結晶組織を発現可能なアモルファスリボンを積層し、
非酸化性雰囲気ガスで加熱して結晶化処理し、表面から
10nmよりも深い位置で、酸素よりFeの濃度が高くなるよ
うに制御することにより得ることができる。本発明にお
いてナノ結晶合金はたとえば単ロール法等によってFe基
アモルファス合金を作製し、それを結晶化温度以上に熱
処理することによって得られるが、アモルファス形成能
の点からメタロイド元素が原子%で5%以上含まれるこ
とが望ましい。
【0007】
【発明の実施の形態】上述したように、本発明の重要な
特徴はコアを形成する薄板の表面からSiO2換算で10nmよ
り深い位置で、酸素よりFeの濃度が高いことである。10
nmより深い位置でFeより酸素の濃度が高い場合、コアの
透磁率は大幅に低下する。このため、10nmより深い位置
で酸素よりFeの濃度を高くすることは非常に重要であ
る。より好ましくはSiO2換算で5nm以下より深い位置で
酸素よりFeの濃度が高いことが好ましい。なお、本発明
で、SiO2換算の深さと規定したのは、極めて浅い表面の
正確な深さを直接計るのは困難であり、光電子分光分析
装置によるスパッタリング時間に対応するSiO2のスパッ
タリング深さを、実際の深さとして評価したためであ
る。表面酸素量が高いということは、ナノ結晶合金合金
中に存在する元素の酸化特性の違いにより表面の元素濃
度分布が異なることを意味する。また特に酸化しやすい
メタロイド元素を含有すると表面からB等のメタロイド
元素が拡散することで、合金中で磁気特性に極めて敏感
な影響を与えるメタロイド元素の濃度分布を変動させて
しまうことにもなっているものと推測される。本発明者
の検討によれば、上述した極表面の微妙な酸化状態の違
いは、極めて著しい透磁率の変化となって現れる。これ
はナノ結晶合金にとって極めて重大な問題である。
【0008】具体的に、本発明で規定するように表面の
酸素濃度を抑えるために、たとえば、ナノ結晶組織を発
現可能なアモルファスリボンに対して、非反応性雰囲気
ガスで加熱して結晶化処理を行う。非反応性ガスの使用
は、減圧雰囲気を適用するよりもナノ結晶合金を構成す
る元素が表面から拡散するのを防ぐのに有効である。本
発明者らの検討によれば、窒素ガスで熱処理した場合は
十分な透磁率が得られ、実質的に非反応性ガスとして扱
えるが、水素はメタロイド元素と反応し、濃度分布の変
動を生じさせるため好ましくない。もちろん非反応性ガ
スとしては、不活性ガスも使用することもできるが高価
である。表面の原子の拡散を抑えるため非反応性ガス雰
囲気で0.1〜0.2MPaで結晶化することが好ましい。
【0009】なお、コアを構成する薄板の結晶粒径を10
0nm以下としたのは、100nmより大きくては結晶磁気異方
性が大きいため十分な透磁率が得られないからである。
また、本発明におけるメタロイド元素とはC、P、S
i、Bのいずれかもしくは複合で存在するものを意味し
ている。これは前述したアモルファス合金を作製する上
で有効であり、5at%より少ない場合、アモルファス合金
製造時部分的に結晶が生じ、脆化する可能性があるから
である。
【0010】本発明において、積層したコアとは、アモ
ルファス合金薄帯をトロイダル状に巻きまわしたものを
結晶化温度以上で熱処理しても良いし、アモルファス合
金薄帯を例えばリング状に打ち抜いた後、所定の高さに
積層することによって成形したコアを結晶化温度以上に
熱処理するか、打ち抜いたものを熱処理した後積層して
も良い。特にトロイダル形状は打ち抜いて積層したもの
に比べて工程が少ないこと点で有利である。また、上記
積層コアはコアの保護及び巻線との絶縁のため、樹脂等
からなるケースに入れるが、その際トロイダル状のコア
は薄帯が連続的につながっているため、取り扱いやすい
点でも有利である。また、本発明のカレントトランス
は、上述した積層コアを樹脂等からなるケースに挿入し
た後、検出用の巻線を施すことによりカレントトランス
として使用することができる。
【0011】
【実施例】(実施例1)原子%でCu1%、Nb3.0%、Si15.1
%、B6.8%残部実質的にFeからなる合金の溶湯を単ロール
法により急冷し、幅27mm、厚さ19μmのアモルファス合
金薄帯を得た。このアモルファス合金薄帯を内径15mm、
外径19mmに巻きまわし、トロイダル状の未熱処理コアを
得た。この合金の結晶化温度は508℃であった。この未
熱処理コア及び同一素材の薄帯を10mm角に切断したもの
を圧力0.1MPaの窒素雰囲気中で525℃に加熱処理した。
また比較として、同様の未熱処理コア及び薄帯の10mm角
の試料を同様の温度で真空度14Paの低真空度の雰囲気中
で熱処理した。その後、10mm角の試料は光電子分光分析
装置にて表面層の分析に供した。また、得られたトロイ
ダル状の磁心は樹脂製のケースに入れて1次、2次とも
に10回ずつ巻線を施し、800A/mの直流磁場における飽和
磁束密度及び商用周波数50Hzにおける最大透磁率μmを
測定した。図2及び3に光電子分光分析装置による分析結
果を示す。なお、本実施例で使用した光電子分光分析装
置のスパッタリング時間とSiO2における深さの関係は、
100秒(sec)当たり、3.8nmの深さに対応するものであ
る。
【0012】本発明を示す図2において、表層における
酸素およびSiの濃度が内部に比べて高く、逆にFeの濃度
が非常に低いことが分かる。また、若干ではあるがB、N
bも内部に比べて低い。このことからSiの酸化層により
表層のFe、B、Nbの濃度が低められたと思われる。この
とき、酸素濃度よりFe濃度が高くなるのは4nm以上の深
さである。これに対し比較例を示す図3でもSiの酸化層
によると思われるFe、B、Nbの濃度の低下が認められ
る。このとき、酸素濃度よりFe濃度が高くなるのは11nm
以上であり、酸素濃度がFe濃度より高い領域はわずか7n
mであるが窒素中で行った場合よりも深いことが分か
る。また、飽和磁束密度Bs及び最大透磁率μmを測定し
た結果、窒素雰囲気中で行ったものはμmが630000と非
常に高い値を示し、Bsも1.2Tとカレントトランスに使用
するには十分な値であった。しかし、真空度14Paの雰囲
気中で熱処理したものはBsは同様の値であったが、μm
は135000と上記窒素中で行ったものに比べて著しく低い
値であり、表層のわずかな酸化状態の違いにより透磁率
が大きく変化することが分かる。また比較のために1kHz
のμmを測定したが、窒素雰囲気で行なったものは、1k
Hzではμm125000、低真空度ではμm119000と差がほとん
どなくなり、本発明は数百Hz以下のカレントトランス
用途に特に適することがわかる。
【0013】また、上記2種類のコアにそれぞれの検出
用巻線を100回巻き回したものに周波数50Hz、0.3〜3mA
の電流が流れる線を貫通させ、その出力電圧を測定し
た。図4にその結果を示す。図から明らかに窒素中で熱
処理したもの方が高い検出電圧が得られており、本発明
の積層コアを用いたカレントセンサーの優位性が確認さ
れた。なお、いずれの熱処理雰囲気で行った場合におい
てもその組織は実質的に100nm以下であることを透過電
子顕微鏡にて確認した。また、上記窒素中での処理品を
窒素ではなくアルゴン中で熱処理しても、窒素中とほぼ
同様のμmおよび出力電圧が得られることも確認した。
【0014】
【発明の効果】本発明によれば、ナノ結晶合金積層コア
として、コア形成する薄板の表面から10nmより深い位置
で、酸素よりFeの濃度が高いものを用いることにより、
より高い透磁率が得られる。本発明のコアは、高い透磁
率が要求されるすべての磁性応用品に適用可能である
が、特に高い透磁率を要求されるカレントトランスに上
記コアを適用した場合、更なるコアの小型化およびコア
に対する巻線の巻数低減が可能となり、その工業的価値
は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】カレントトランスの一例を説明する図である。
【図2】本発明のコアの表面の元素濃度の分布の一例を
示す図である。
【図3】比較例のコアの表面の元素濃度の分布の一例を
示す図である。
【図4】本発明のカレントトランスを想定した検出電圧
を測定した図である。
【符号の説明】
1 線、2 巻線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5E041 AA02 AA11 AA19 CA02 HB11 NN01 NN06 5E062 AA01 AA02 AC15 5E081 AA05 CC05 DD05

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 積層コアを構成する薄板が実質的にFe基
    の100nm以下の微細結晶粒でなる組織を有するナノ結晶
    合金で構成され、かつSiO2換算で表面から10nmよりも深
    い位置で、酸素よりFeの原子濃度が高いことを特徴とす
    るカレントトランス。
  2. 【請求項2】 メタロイド元素の合計が原子%で5%以
    上含まれることを特徴とする請求項1に記載のカレント
    トランス。
  3. 【請求項3】 ナノ結晶組織を発現可能なFe基アモルフ
    ァスリボンを積層し、非反応性雰囲気ガスで加熱して結
    晶化処理し、SiO2換算で表面から10nmよりも深い位置
    で、酸素よりFeの濃度が高くなるように制御することを
    特徴とするカレントトランスの製造方法。
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