JP2005104008A

JP2005104008A - 磁性基材およびその積層体ならびに用途

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Publication number: JP2005104008A
Application number: JP2003341772A
Authority: JP
Inventors: Mitsunobu Yoshida; 田光伸吉; Nobuhiro Maruko; 子展弘丸; Hiroshi Watanabe; 辺洋渡
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】非晶質金属の優れた磁気特性を最大限に発現するために、非晶質金属の磁気特性向上に必要な熱処理が可能な耐熱構造の複合磁性材料とするとともに、高い飽和磁束密度と低損失を兼ね備え、機械的強度に優れた磁性基材およびその積層体ならびに用途を提供する。
【解決手段】本発明の磁性基材は、非晶質金属磁性材料やナノ結晶金属磁性材料のような磁性金属薄帯と、珪素鋼板とが、磁性金属薄帯の良好な磁気特性を発現させるための３００℃〜６００℃程度の熱処理が可能な耐熱性熱可塑性樹脂を介して積層されている。
【選択図】なし

Description

本発明は、磁性金属薄帯を用いた磁性基材およびその積層体ならびに用途に関する。

近年、磁性材料を使用する多くの電気、電子部品および製品において、さらなる高磁気性能化（高透磁率、小型化）が要求されており、これらを構成する磁性材料においても高磁気特性（低損失、高透磁率、高磁束密度）および薄型化が要求されている。

こうした市場要求に対して、非晶質金属などの高い磁気特性を有する磁性金属材料をバルク体として使用する場合には、磁性金属薄板を積層して用いられてきた。たとえば、磁性金属材料として非晶質金属薄帯を用いるような場合には、その厚さが２０〜５０μｍ程度の厚さであるため、非晶質金属薄帯の表面に特定の接着剤を均一に塗布し、これを積層することが行われている。特開昭５８−１７５６５４号公報（特許文献１）には、高耐熱性高分子化合物を主成分とする接着剤を塗布した非晶質金属薄帯を積み重ね、圧下ロールで圧着し、加熱接着することを特徴とする積層体の製造方法について記載されている。

こうした磁性材料を各種用途の磁性コアとして用いる場合、被覆銅線などを巻回して、コイルを付与して使用されている。しかし銅線を巻回すると、銅線の線径だけ厚みが増加し、カード内臓型磁性部品などの薄型化が要求される用途においては要求された寸法に収めることが困難な場合が生じていた。

特開昭６２−２５６４９８号公報（特許文献２）には、高透磁率を有する薄帯の少なくとも片面または該薄帯の間に、電気伝導率の高い金属箔の接着接合層を備えて成る、電磁波シールド効果に優れた複合金属薄帯について記載されている。ここで接着に用いられている接着剤としては、エポキシ系、酢酸ビニル−エチレン共重合体、ウレタン系、ポリエステル系、ポリビニルブチラート系などが提案されている。当該文献によれば、「高透磁率を有する磁性非晶質金属薄帯と、高導電率の金属箔とを接着接合させることによって、電界、磁界両モードでのシールド効果に優れた電磁シールド材料を得ることができる」としているが、非晶質金属薄帯と金属箔を接着剤で積層した後に、非晶質金属の磁気特性向上に必要な３００℃〜６００℃の熱処理を施すと、前記接着剤が熱分解し、非晶質金属薄帯と金属箔との接着を維持することが困難となる。
特開昭５８−１７５６５４号公報特開昭６２−２５６４９８号公報

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために為されたものであり、非晶質金属の優れた磁気特性を最大限に発現するために、非晶質金属の磁気特性向上に必要な熱処理が可能な耐熱構造の複合磁性材料とするとともに、高い飽和磁束密度と低損失を兼ね備え、機械的強度に優れた磁性基材およびその積層体ならびに用途を提供することを目的としている。

本発明の磁性基材は、磁性金属薄帯と、珪素鋼板とが耐熱性熱可塑性樹脂を介して積層されていることを特徴としている。

本発明の積層体は、少なくとも２枚の前記磁性基材が耐熱性熱可塑性樹脂を介して積層
されていることを特徴としている。

本発明のモータは、前記磁性基材または前記積層体を用いて形成されていることを特徴としている。

本発明の磁性基材および積層体によれば、熱処理後の極めて高い透磁率を発現した非晶質金属薄帯と、珪素鋼板とを具備した複合基材を実現することが可能となり、高い飽和磁束密度と低損失を兼ね備え、機械的強度に優れているため、モータ等の応用部品の大幅な小型化が可能である。

以下、本発明を具体的に説明する。

（磁性金属薄帯）
本発明において磁性金属薄帯として用いられる金属磁性材料には、高透磁率の材料が用いられ、非晶質金属磁性材料とナノ結晶金属磁性材料のいずれを用いてもよい。

非晶質金属磁性材料としては、Ｆｅ系、Ｃｏ系の非晶質金属薄帯が用いられる。これらの非晶質金属薄帯は通常、溶融金属を急冷ロールを用いて急冷して得られる。これらの非晶質金属薄帯は、通常は１０〜５０μｍの厚さであり、好ましくは１０〜３０μｍの厚さの薄帯が用いられる。

非晶質金属磁性材料としては、一般式（Ｆｅ_1-xＭ_x）_100-a-b-cＳｉ_aＢ_bＭ'_c（式中、
ＭはＣｏおよび／またはＮｉ、Ｍ'はＮｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃ
ｒ、Ｍｎ、Ｙ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｃ、Ｐから選ばれる１種類以上の元素を表わす。ｘは原子比を、ａ、ｂ、ｃは原子％を示し、それぞれ０≦ｘ＜１、０≦ａ≦２４、４≦ｂ≦３０、０≦ｃ≦１０を満たすものとする）を挙げることができる。特に高透磁率が要求される用途においては、Ｃｏを主成分とする非晶質金属を用いることが好ましい。また磁気シールドなど、高密度の磁束を遮蔽する用途においては、飽和磁束密度の高いＦｅを主成分とする非晶質金属を用いることが好ましい。

本発明に用いるＦｅ系非晶質金属材料としては、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｐ−Ｃ系などのＦｅ−半金属系非晶質金属材料や、Ｆｅ−Ｚｒ系、Ｆｅ−Ｈｆ系、Ｆｅ−Ｔｉ系などのＦｅ−遷移金属系非晶質金属材料を挙げることができる。例えばＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系においては、Ｆｅ₇₈Ｓｉ₉Ｂ₁₃（ａｔ％）、Ｆｅ₇₈Ｓｉ₁₀Ｂ₁₂（ａｔ％）、Ｆｅ₈₁Ｓｉ_13.5Ｂ_13.5（ａｔ％）、Ｆｅ₈₁Ｓｉ_13.5Ｂ_13.5Ｃ₂（ａｔ％）、Ｆｅ₇₇Ｓｉ₅Ｂ₁₆Ｃ
ｒ₂（ａｔ％）、Ｆｅ₆₆Ｃｏ₁₈Ｓｉ₁Ｂ₁₅（ａｔ％）、Ｆｅ₇₄Ｎｉ₄Ｓｉ₂Ｂ₁₇Ｍｏ₃（ａｔ
％）などが挙げることができる。中でもＦｅ₇₈Ｓｉ₉Ｂ₁₃（ａｔ％）、Ｆｅ₇₇Ｓｉ₅Ｂ₁₆Ｃｒ₂（ａｔ％）が好ましく用いられ、特に好ましくはＦｅ₇₈Ｓｉ₉Ｂ₁₃（ａｔ％）である。

Ｃｏ系非晶質金属材料の組成系としては、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｃｏ−Ｂ系などが例示できる。これらの中でも、一般式（Ｃｏ_1-cＦｅ_c）_100-a-bＸ_aＹ_b（式中のＸは、Ｓｉ，Ｂ
，Ｃ，Ｇｅから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を表し、ＹはＺｒ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｉ，Ｐ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｐｈ，Ｒｕ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｃｕ，Ｍｎ，希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素で表される。ｃは原子比を、ａ，ｂは原子％を示し、それぞれ０≦ｃ≦０．２、１０＜ａ≦３５、０≦ｂ≦３０を満たすことが好ましい。）で表される組成が好ましい。この組成を有する非晶質金属薄帯のＣｏをＦｅへ置換することは、非晶質合金の飽和磁化の増加に寄与する傾向にある。このため、置換量ｃは０≦ｃ≦０．２であることが好ましく、より好ましくは０≦ｃ≦０．１
である。Ｘ元素は本発明に用いる非晶質金属薄帯を製造する上で、非晶質化のために結晶化速度を低減するために有効な元素である。Ｘ元素が１０原子％以下であると、非晶質化が低下して一部結晶質が混在し、また、３５原子％を超えると、非晶質構造は得られるものの合金薄帯の機械的強度が低下し、連続的な薄帯が得られなくなる。したがって、Ｘ元素の量ａは、１０＜ａ≦３５であることが好ましく、さらに好ましくは、１２≦ａ≦３０である。Ｙ元素は、得られる非晶質金属薄帯の耐食性の向上に効果がある。Ｙ元素として特に有効な元素は、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｖ，Ｎｉ，Ｐ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｐｈ，Ｒｕ元素である。Ｙ元素の添加量は３０％以上になると、耐食性の効果はあるが、薄帯の機械的強度が脆弱になるため、０≦ｂ≦３０であることが好ましい。さらに好ましい範囲は、０≦ｂ≦２０である。

ナノ結晶性金属磁性材料としては、次のような組成の材料を挙げることができる。
（１）一般式（Ｆｅ_1-xＭ_x）_100-a-b-c-dＳｉ_aＡｌ_bＢ_cＭ'_d
（式中のＭはＣｏおよび／またはＮｉ、Ｍ'はＮｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｔｉ
、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｇｅ、Ｃ、Ｐ、希土類元素から選ばれる１種類以上の元素を表わす。ｘは原子比を、ａ、ｂ、ｃ、ｄは原子％を示し、それぞれ０≦ｘ≦０．５、０≦ａ≦２４、０．１＜ｂ≦２０、４≦ｃ≦３０、０≦ｄ≦２０を満たすものとする）で表わされる組成。
（２）一般式（Ｆｅ_1-xＭ_x）_100-a-b-c-dＣｕ_aＳｉ_bＢ_cＭ'_d
（式中、ＭはＣｏおよび／またはＮｉ、Ｍ'はＮｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｔｉ
、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｐｄ，Ｒｕ，Ｇｅ，Ｃ，Ｐ、希土類元素から選ばれる１種類以上の元素を表わす。ｘは原子比を、ａ、ｂ、ｃ、ｄは原子％を示し、それぞれ０≦ｘ≦０．４、０．１≦ａ≦３、０≦ｂ≦１９、５≦ｃ≦２５、０＜ｄ≦２０、１５≦ｂ＋ｃ≦３０を満たすものとする）で表わされる組成。
（３）一般式（Ｆｅ_1-xＭ_x）_100-a-bＢ_aＭ'_b
（式中、ＭはＣｏおよび／またはＮｉ、Ｍ'はＮｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｔｉ
、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｃ、希土類元素から選ばれる１種類以上の元素を表わす。ｘは原子比を、ａ、ｂは原子％を示し、それぞれ０≦ｘ≦０．５、０＜ａ≦２０、２≦ｂ≦２０を満たすものとする）で表わされる組成。
（４）一般式（Ｆｅ_1-xＭ_x）_100-a-b-cＰ_aＭ'_bＣｕ_c
（式中、ＭはＣｏおよび／またはＮｉ、Ｍ'はＮｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｔｉ
、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｃ、希土類元素から選ばれる１種類以上の元素を表わす。ｘは原子比を、ａ、ｂ、ｃ、ｄは原子％を示し、それぞれ０≦ｘ≦０．５、０＜ａ≦２０、２≦ｂ≦２０、０≦ｃ≦３を満たすものとする）で表わされる組成。
（５）一般式（Ｆｅ_1-xＭ_x）_100-a-bＭ_aＭ'_b
（式中、ＭはＣｏおよび／またはＮｉ、Ｍ'はＴａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ，Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ
、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐ、Ｃｕ、希土類元素から選ばれる１種類以上の元素を表わす。Ｍ'はＣ、Ｎ、Ｏから選ばれる１種類以上の元素を表
わす。ｘは原子比を、ａ、ｂは原子％を示し、それぞれ０≦ｘ≦０．５、２＜ａ≦３０、４≦ｂ≦３０を満たすものとする）で表わされる組成。

これらの組成を有する磁性材料は、公知の方法による加熱処理によりナノ結晶材料とすることができる。

（耐熱性熱可塑性樹脂）
特に金属磁性材料の２００℃以上の良好な磁気特性を発現させるなど、磁気特性向上のために熱処理が必要であり、このため本発明では、弾性率の低い耐熱樹脂を用いている。本発明に用いられる磁性金属薄帯の良好な磁気特性を発現させるための熱処理温度は、通常、２００〜７００℃の範囲にあり、好ましくは３００℃〜６００℃の範囲である。

本発明において耐熱性樹脂とは、前処理として１２０℃で４時間乾燥を施し、その後、窒素雰囲気下、３００℃で２時間保持した際のＤＴＡ−ＴＧを用いて測定した重量減少率が５質量％以下のものであり、通常は１％以下、好ましくは０．３％以下であるものが用いられる。さらに、以下の特性を１つ以上有していることが好ましい。
（１）窒素雰囲気下３５０℃、２時間の熱履歴を経た後の引っ張り強度が３０ＭＰａ以上であること
（２）ガラス転移温度が１２０℃〜２５０℃であること
（３）溶融粘度が１０００Ｐａ・ｓである温度が、２５０℃以上４００℃以下であること（４）４００℃から１２０℃まで０．５℃／分の一定速度で降温した後、樹脂中の結晶物による融解熱が１０Ｊ／ｇ以下であること
このような耐熱性樹脂として具体的には、ポリイミド系樹脂、ケイ素含有樹脂、ケトン系樹脂、ポリアミド系樹脂、液晶ポリマー、ニトリル系樹脂、チオエ−テル系樹脂、ポリエステル系樹脂、アリレ−ト系樹脂、サルホン系樹脂、イミド系樹脂、アミドイミド系樹脂を挙げることができる。これらのうちポリイミド系樹脂、スルホン系樹脂、アミドイミド系樹脂を用いるのが好ましい。

また、本発明に用いられる耐熱性樹脂は熱可塑性であることが好ましい。これは、上記の磁性金属薄帯にかかる応力を最小限にするためである。

本発明の磁性基材において、上述した耐熱性樹脂による樹脂層の厚みは０．１μｍ〜１ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１μｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは２μｍ〜１０μｍである。

（珪素鋼板）
本発明において、珪素鋼板としては、ケイ素の含有量が３％から６．５％の実用化されているケイ素鋼板が用いられる。このような珪素鋼板として、具体的には方向性電磁鋼板や、無方向性電磁鋼板などがあるが、特に新日鉄（株）が製品化している、無方向性電磁鋼板（ハイライトコア、薄手ハイライトコア、高張力ハイライトコア、ホームコア、セミコア）、ＪＦＥスチール（株）が製品化しているＦｅ−Ｓｉ中の珪素含有量が６．５％のスーパーＥコアなどが好ましく用いられる。

（磁性基材）
非晶質金属薄帯に耐熱性熱可塑性樹脂のワニスを塗工して金属箔をラミネートするか、または珪素鋼板に耐熱性熱可塑性樹脂のワニスを塗工し非晶質金属薄帯をラミネートすることにより、図１（ａ）、（ｂ）に示したように、磁性金属薄帯１１と珪素鋼板１３とが耐熱性熱可塑性樹脂１２で接着された、磁性金属薄帯１１、耐熱性熱可塑性樹脂１２および珪素鋼板１３からなる磁性基材を得る。

たとえば、磁性金属薄帯の原反にロールコータなどのコーティング装置により、薄帯上に有機溶剤に樹脂を溶解させた樹脂ワニスの塗膜を作り、これを乾燥させて非晶質金属薄帯へ耐熱性熱可塑性樹脂を付与する方法で作製できる。

本発明では、磁性金属薄帯１１と珪素鋼板１３とを耐熱性熱可塑性樹脂１２を用いて接着しているため、非晶質金属の優れた磁気特性を最大限に発現するために、非晶質金属の磁気特性向上に必要な上述した温度範囲における熱処理が可能であり、熱処理後の極めて高い透磁率を発現した非晶質金属薄帯と珪素鋼板とを具備した複合基材を実現することが可能となる。

（積層体）
上述のようにして得られた磁性基材は、図１（ｃ）に示したように、少なくとも２枚の磁性基材が耐熱性熱可塑性樹脂を介して積層されている、磁性金属薄帯１１と珪素鋼板１３とが耐熱性熱可塑性樹脂１２で接着された構造が積層された磁性積層体とすることができる。

（用途）
本発明の磁性基材およびその積層体は、軟磁性材料が用いられる多くの用途に適用することが可能である。たとえば、インダクタンス、チョークコイル、高周波トランス、低周波トランス、リアクトル、パルストランス、昇圧トランス、ノイズフィルター、変圧器用トランス、磁気インピーダンス素子、磁歪振動子、磁気センサ、磁気ヘッド、電磁気シールド、シールドコネクタ、シールドパッケージ、電波吸収体、モータ、発電器用コア、アンテナ用コア、磁気ディスク、磁気応用搬送システム、マグネット、電磁ソレノイド、アクチュエータ用コア、プリント配線基板などに用いられる磁気コアなどの様々な電子機器や電子部品の機能を支える材料として用いられる。

［実施例］
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

磁性金属薄帯として、ハネウェル社製、Ｍｅｔｇｌａｓ：２６０５ＴＣＡ（商品名）、幅約２１３ｍｍ、厚み約２５μｍであるＦｅ 78 Ｓｉ 9 Ｂ 13 （原子％）の組成を持つ
非晶質金属薄帯を使用した。

３，３’−ジアミノジフェニルエーテルと３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物を１：０．９８の割合でジメチルアセトアミド溶媒中で室温にて縮重合し、ポリアミド酸溶液（粘度０．３ＭＰａ、室温、Ｅ型粘度計使用）とした。このポリアミド酸溶液を、薄帯および、珪素鋼板（新日本製鉄（株）製：薄手ハイライトコア、２０ＨＴＨ１５００（幅２００ｍｍ、厚み２００μｍ））のそれぞれの片面に付与し、１４０℃で乾燥後、２６０℃でポリイミド化し、非晶質金属薄帯の片面には厚さ約６μｍの耐熱樹脂（ポリイミド樹脂）を付与した。

次に、この耐熱樹脂を塗布した磁性金属薄帯と珪素鋼板を重ねて熱ロールと加圧ロールで大気中２６０℃３０分、５ＭＰａで圧着して、積層物を作製した。さらに磁気特性を発現するため、コンベア炉で、３７０℃で１ｈｒ、窒素雰囲気中で熱処理し、磁性基材とした。この磁性基材は、高い透磁率を有するとともに、高い飽和磁束密度と低損失を兼ね備え、機械的強度に優れていた。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の磁性基材およびその積層体を説明する図である。

符号の説明

１１磁性金属薄帯
１２耐熱性熱可塑性樹脂
１３珪素鋼板

Claims

磁性金属薄帯と、珪素鋼板とが耐熱性熱可塑性樹脂を介して積層されていることを特徴とする磁性基材。
少なくとも２枚の請求項１に記載の磁性基材が耐熱性熱可塑性樹脂を介して積層されていることを特徴とする積層体。
請求項１に記載の磁性基材または請求項２に記載の積層体を用いて形成されていることを特徴とするモータ。