JP2006310787A - 磁心ならびにそれを用いた応用品 - Google Patents

Abstract

【課題】 高B_S化による小型低騒音化を同時に満足するFe基非晶質合金薄帯を用いた磁心ならびにそれを用いた応用品を提供する。
【解決手段】 Fe基非晶質合金薄帯を用いた磁心であって、前記Fe基非晶質合金薄帯の飽和磁束密度B_Sを1.60T以上とし、かつ磁心での外部磁場80A/mのときの磁束密度B₈₀とFe基非晶質合金薄帯のB_Sの比B₈₀/B_Sを0.90以上としたことを特徴とする。磁束密度1.4T, 周波数50Hzでの鉄損W_14/50が0.28W/kg以下である磁心を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は低騒音化を主目的としたFe基非晶質合金薄帯を用いた磁心であり、モータ、トランス、チョークコイル、発電機、センサなど応用品に利用できる。

Fe基非晶質合金薄帯はその優れた軟磁気特性その中でも特に鉄損が低いことよりトランス、モータ、チョークコイル、センサなどの磁心材料として着目され、さまざまな磁心や部品、装置として実用化されている。特にFe基非晶質合金薄帯のなかで比較的飽和磁束密度B_Sが高く、熱安定性が優れるFeSiB系非晶質合金薄帯が広く用いられている。しかし珪素鋼板に比べB_Sが低いため磁心が大きくなることや磁心から発生する騒音が大きいことが問題となっている。Fe基非晶質合金薄帯においてB_Sを上げる方法としては磁化の担い手であるFeの量を増やすこと、Fe量を増やすことによって生じる熱安定性の低下をSn、Sなどの添加物により抑制すること、Cを添加することおよびC、Pを添加することなどが行なわれてきた。特開平5-140703号公報ではFeSiBCSnなる組成でSnを添加することで高Fe量領域での非晶質形成能を高め高B_s化している。また特開2002-285304号公報ではFeSiBCPなる組成でFe、Si、B、Cの限られた組成範囲においてPを添加することでFe含有量を大幅に向上させ高B_S化している。一方騒音を低減させるための低磁歪化はFe基非晶質合金薄帯の飽和磁歪がB_Sのほぼ２乗と比例関係にあるため高B_Sかつ低磁歪なFe基非晶質合金薄帯は実現されていない。そのため騒音で問題になる磁心ならびにそれを用いた応用品にはB_Sが小さい低磁歪非晶質合金薄帯やナノ結晶合金薄帯が用いられている。
特開平5-140703号公報（(0008)〜(0010)、図１） 特開2002-285304号公報（(0010)〜(0016)、表１）

上述のように従来の高B_SのFe基非晶質合金薄帯からなる磁心は飽和磁歪が大きくなり、騒音が増加する。そのため高B_S、低騒音を同時に満たす磁心は実現されていない。そこで本発明では高B_S化による小型低騒音化を同時に満足するFe基非晶質合金薄帯を用いた磁心ならびにそれを用いた応用品を提供することを目的とした。

本発明では高B_S化による磁心の小型化と低騒音化を実現するため、騒音に影響を及ぼす原因について検討をおこない、Fe基非晶質合金薄帯の角形性が、そのFe基非晶質合金薄帯を磁心にした時の騒音と密接な関係があることおよび、また、合金および、表面近傍の組成や偏析などの最適化、表面状態の改善を行うことでさらに角形性が高まり、従来にないレベルの低騒音化を果たしたFe基非晶質合金薄帯を用いた磁心を得られることを知見し本発明に至った

本発明の磁心は、Fe基非晶質合金薄帯を用いた磁心であって、前記Fe基非晶質合金薄帯の飽和磁束密度B_Sを1.60T以上とし、かつ磁心での外部磁場80A/mのときの磁束密度B₈₀とB_Sの比B₈₀/B_Sを0.90以上としたことを特徴とする。
この角形性の良好なFe基非晶質合金薄帯を磁心に用いることにより、磁束密度が1.4T、周波数50Hzでの鉄損W_14/50が0.28W/kg以下の磁心が得られ、さらには磁束密度1.4T、周波数50Hz、平均磁路長がＬmmでの騒音レベルが20×log[(L²×10^-9+2×10^-5)/(2×10^-6)]dB以下という従来にない低騒音の製品を製造できる。ここで平均磁路長Ｌmmは磁心の厚さの中心部の周長を指すものとする。例えば、磁心が真円形状で平均直径（（外径+内径）÷2）がＲなら、Ｌ＝πＲとなる。この騒音レベルの式は、本願発明と比較例との平均磁路長と騒音レベルの関係を測定し、その境界を近似式で示したものである。
磁心のFe基非晶質合金薄帯として、合金組成がT_aSi_bB_cC_d（ただし、TはFe、またはFeとFeに対し10％以下のCo、Niの少なくとも一種を含む元素）で表され、原子％で76≦a＜84%、0＜b≦12％、8≦c≦18％、0.01≦d≦3%、および不可避不純物からなる高B_S材を使用することが好ましい。Fe基非晶質合金薄帯の厚さは5μmから100μmのものを使用する。厚さが5μm以下では製造が困難であり、また、表面の影響が大きくなり特性を均一にできない。厚さが100μmを超えると表面結晶化が生じ特性が劣化しやすい。
より高B_S材であり、角形性の高い合金組成として、Fe量が81≦a≦83、Si量が0＜b≦5、B量が10≦c≦18、C量が0.2≦d≦3、であるFe基非晶質合金薄帯を用いることが好ましい。この合金組成範囲は、上記組成範囲の中でも特に角形性が高い。これによりFe基非晶質合金薄帯のB_Sと磁心の外部磁場80A/mでの磁束密度B₈₀の比B₈₀/ B_Sが0.93以上のものが得られる。

組成を限定する理由を以下に示す。以下、単に％と記載のものは原子％を表す。
Fe量aは76％より少ないと鉄心材料として十分なB_Sが得られず磁心が大型化し好ましくない。また84％以上では熱安定性が低下し、安定した非晶質合金薄帯が製造できなくなるためである。高B_Sを得るためにはaは81％以上83％以下が好ましい。求められる磁気特性から、Fe量の10％以下をCo、Niの少なくとも一種で置換することができる。
Si量bは非晶質形成能に寄与する元素でB_sを向上させるためには12％以下とする必要があり、高B_S化するためには5%以下であることが好ましい。
B量cは非晶質形成能に最も寄与し、8％未満では熱安定性が低下してしまい、18%より多いと添加しても非晶質形成能などの改善効果が見られない。高B_Sな非晶質の熱安定性を保つには10％以上であることが好ましい。
Cは材料の角形性およびB_Sを向上し磁心を小型化できると共に、低騒音化する効果がある。C量dは0.01％未満ではほとんど効果がなく3％より多くすると脆化と熱安定性が低下し、磁心製造が困難となり好ましくない。高B_S、高角形性を得るには0.2%以上が好ましく、さらには0.5%以上が好ましい。
Fe量の10%以下をNi、Coの一種または二種で置換するとB_Sが向上し、磁心の小型化に寄与するがコストが高い原料であるため10%より多く含有させるのは現実的ではない。またMnは微量添加で若干B_Sを向上させる効果があるが0.50at%以上添加すると逆にB_Sが低下し、好ましくは0.1%以上0.3%以下がよい。
またCr, Mo, Zr, Hf, Nbの1種以上の元素を0.01〜5％含んでもよく、不可避な不純物としてS, P, Sn, Cu, Al, Ti から少なくとも1種以上の元素を0.50％以下含有してもよい。

角形性を向上させる手段について具体的に示す。図1に1.4T、50Hz、磁心平均直径30mmのトロイダル磁心のB₈₀と騒音レベルの関係を示す。B₈₀の値を大きくすると騒音が発生しはじめる（暗騒音レベル以上になる）磁束密度の値が高磁束密度側へシフトする。磁心のB₈₀を上げるためには薄帯のB_Sの上昇と磁心の角形性向上が重要となる。磁心の角形性を向上させるには磁場中でアニールをおこない温度、時間を制御することで制御可能である。磁場は直流または交流磁場強度200A/m以上でリボン長手方向に平行（磁心周方向）に印加する。平均昇温速度は0.3-600℃/minで保持温度250-450℃、保持時間0.05h以上でおこない、平均冷却速度0.3-600℃/ min程度で冷却を行う。好ましくは昇温速度1-20℃/min、保持温度270-370℃、0.5h以上でおこなうのがよい。雰囲気はN₂, Arなどの不活性ガスが好ましいが大気中でも構わない。また2段熱処理、250℃以下の低温で長時間熱処理するなどでも同様の効果が得られる。磁心のサイズが大きく熱容量が大きい場合は、一旦目標とする保持温度よりも低い温度で保持後昇温し目標温度まで持って行き保持し冷却する熱処理パターンで熱処理を行っても良い。印加する磁界は、直流、交流、繰り返しのパルス磁界のいずれを用いても良い。印加する磁界は、磁心が磁気的に飽和するのに十分な大きさであれば良く、通常は実効値が80Ａ/ｍ以上である。より望ましくは、400Ａ/ｍ以上、特に望ましくは800Ａ/ｍ以上である。このような熱処理を行うことにより騒音の小さい磁心を実現することができる。熱処理は、通常露点が−３０℃以下の不活性ガス雰囲気中で行うことが望ましく、露点が−６０℃以下の不活性ガス雰囲気中で熱処理を行うと、ばらつきが更に小さくより好ましい結果が得られる。

さらに角形性を向上させるため、Fe基非晶質合金薄帯は、フリー面及びロール面の表面から深さ方向2〜20nmにC偏析層のピーク値があるものを用いることが好ましい。このFe基非晶質合金薄帯を用いることにより、磁心での外部磁場80A/mでの磁束密度B₈₀とFe基非晶質合金薄帯の飽和磁束密度B_Sの比B₈₀/B_Sが0.95以上である磁心が得られる。

一般的には、Cを添加するとC偏析層が薄帯表面に生じ、脆化および熱的に不安定になり高磁束密度での鉄損が増加するため、C添加が積極的に用いられることはない。本発明で添加量や表面でのC分布の挙動などを調査し、C量とSi量の比と表面状態を制御しC偏析層の位置と偏析層のピーク位置を一定範囲内にすることで、角形性が高くかつ脆化および熱安定性低下の抑制を可能とした。C偏析層ができることにより表面近傍の構造緩和が低温でおこり応力緩和に非常に効果がある。応力緩和度が高いと角形性も高くなり高磁束密度領域での騒音および鉄損が低減できる。ただしC偏析層による効果を得るためにはC偏析層を一定の位置内およびピーク値を一定範囲内にすることが重要である。エアポケットなどにより表面粗さが大きくなると酸化層の厚みが不均一になり、それにともないC偏析層も深さ方向の位置および厚さが不均一になる。それにより構造緩和が不均一になり逆に部分的に脆い部分ができる。また表面の凹凸により冷却能の低下した付近のC偏析層は表面結晶化が促進され角形性が低下する。よって表面粗さを制御しC偏析層のピーク位置を表面から2から20nmの均一な深さ位置に形成させることが重要である。その方法として鋳造中にロールにCO₂、He、またはArガスを吹きつけるか、もしくはCOガスを吹き付け燃焼還元させることが有効である。ノズル先端の噴出口付近の酸素濃度を約10％以下にすると表面粗さが大幅に改善され、C偏析層のピーク位置を2から20nmに制御することができることがわかった。大気中雰囲気でノズル先端噴出口の酸素濃度を約10％以下にするには図2に示すように噴出口後方のロール部にガスを吹き付けるのが効果的である。ガスが直接出湯中のパドルに当たると、パドル形状に影響を及ぼして合金薄帯の厚さにばらつきがでたり、ガスの巻き込みにより合金薄帯表面に凹凸ができて表面粗さが大きくなりC偏析層が内部にずれ、さらにエッジ不良などが起きたりする。そのため吹き付けガスをロールに当て、パドルに影響しないように吹き付ける必要がある。ロール表面とガス口の角度、噴出口までの距離、ガス圧力を調整し、噴出口でのロール表面付近のガス圧力が0.20MPa以下かつ噴出口の酸素濃度が10％以下になるように調整し、鋳造をおこなうと表面粗さが0.60μm以下で、かつ合金薄帯表面からのC偏析層のピーク位置が2から20nmに制御できる。噴出口ロール表面付近のガス圧力が0.20MPaより大きくなるとパドルに影響を及ぼし、C偏析層のピーク位置が20nmより内部にずれる。非晶質合金薄帯の幅が広くなると幅方向に酸素濃度の分布ができ表面粗さにばらつきができるようになるため酸素濃度が大きくなりやすいエッジ部付近の酸素濃度が10％以下にするように調整する必要がある。このように噴出口の酸素濃度を10％以下に制御することで表面粗さが飛躍的に低減され、C偏析層の位置、厚みもほぼ均一となり、応力緩和度、角形性が向上し、このFe基非晶質合金薄帯を用いた磁心及び磁心を用いた部品の騒音および鉄損が低減し、表面結晶化、脆化も抑制され、C添加による効果を十分に引き出すことができる。

また表面状態を制御した上にSi量をC量に対して一定以下にすることでさらに効果があがる。C量に依存するところはあるが、一定のC量に対してb/dを小さくすることで効果が高くなる。図3にC量、Si量に対しての応力緩和度と最大歪の関係を示す。Fe82at%の結果ではb≦5×d^1/3で応力緩和度が90％以上となった。その要因は、同C量においてSi量を低減するとC偏析層のピーク値が高くなるためと考えられる。つまりC量に対してSi量にてピーク値を制御することで応力緩和度を変化させることができる。またC量dが3％より大きいと最大歪は0.020以下となり、熱安定性の問題が生じる。C量dを3%以下とすることで応力緩和度が高く、飽和磁束密度が高い組成となり、角形性が高く騒音を低減できる。さらに高C量添加時のような脆化や表面結晶化、熱安定性の低下も抑制される。

Fe基非晶質合金薄帯は、必要に応じて含浸やコーティング等を行うことも可能である。エポキシ樹脂やアクリル樹脂、ポリイミド樹脂などの樹脂により含浸する、あるいは合金を接着するなどして巻磁心カットコアや積層コアとして使用することができる。磁心は、一般的には樹脂ケースなどに入れる、あるいはコーティングして使用される。

上述の如く、高B_S材を適用し、かつB₈₀/B_Sを高くすることで、低騒音、低鉄損および脆化、熱安定性低下の抑制を可能とした磁心を得ることが可能になった。さらに、効果的にB₈₀/B_Sが向上しやすい合金組成を見極めたことで、B₈₀/B_Sが0.93以上という低騒音化にさらに好適な磁心を提供することができた。また、組成と表面状態を制御しC偏析層の位置とピーク値を一定範囲内にした非晶質合金薄帯を用いることで、B₈₀/B_Sが0.95以上という低騒音化にさらに好適な磁心を提供することができた。これらの磁心を用いることで、低騒音、低鉄損および脆化、熱安定性低下の抑制を可能とした応用品が提供できる。

次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限されるものではない。
（実施例１）
Fe₈₂Si₂B_13.9C₂Mn_0.1の組成の母合金200gを作製し、1300℃で高周波溶解した溶湯を25-30m/sで回転するCu-Be合金ロールに噴出し、板厚23-25μｍ、幅5ｍｍの非晶質合金薄帯を作製した。なおCuロールの噴出口後方10cmの位置にCO₂ガス吹き付け口をロール表面と45°になるように設置し、CO₂ガスの噴出圧を調整し、噴出口ロール付近のガス圧力が0（ガス吹き付け無し。）、0.1、0.3MPaとなるようにして鋳造をおこなった。噴出口近傍（溶湯とロールが接触する場所から３ｃｍ以内）での酸素濃度は各々20.5, 8.5, 7.5%となることが解った。噴出口ロール付近のガス圧力を0.1MPa（噴出口近傍の酸素が8.5%）として製造した非晶質合金薄帯は、C偏析層のピーク位置が表面から2から20nmにあることが測定の結果確認された。この非晶質合金薄帯を5ｍｍ幅にスリット後、内径/外径、20/25、25/35、70/75mmの３つのトロイダル磁心を作製し特性を測定した。非晶質合金薄帯は幅5mm、厚さ23-25μmで磁心のアニールは昇温速度5℃/min、300-370℃保持１時間後炉冷、アルゴン雰囲気中で磁心周方向に磁場1500A/mをかけておこない、鉄損が最も小さいアニール温度での特性にて比較をおこなった。特性を表１に示す。B_Sは単板試料を振動型試料型磁力計(VSM)で5kOeの磁場をかけて測定をおこない、B₈₀、1.3T周波数50Hzでの鉄損W_13/50、磁束密度1.4T周波数50Hzでの鉄損W_14/50はトロイダル磁心にて測定した。騒音レベルはトロイダル磁心から10cmの位置にマイクを設置し、暗騒音12-14dBの無響室にて磁束密度1.4T周波数50Hzの条件で測定した。応力緩和度は、石英リングに単板試料を巻きつけた初期の直径を（石英リングに巻きつけたときの試料の直径）R₀とし、アニール後石英リングより取り外したあとの試料の直径をRとし、R₀/R×100より算出した。ロール面の表面粗さは0.30-0.50μｍであった。角形性を示すB₈₀/B_Sは全て0.95以上であり、この角形性の数値が高いほど騒音レベルの数値が下がる結果が得られた。

（比較例１）
実施例１と同様の条件でアニール条件を320℃無磁場中、250℃無磁場中、320℃周方向垂直方向（磁心軸方向）に磁場をかけ、B₈₀/B_Sを変化させ0.90未満の試料を作製した。特性を表2に示す。騒音レベルが低磁束密度領域より増加し1.4TではB₈₀/B_Sの減少にともない24dB,28dB,35dBまで増加した。角形性を示すB₈₀/B_Sは全て0.90未満となり、この磁心の騒音レベルの数値は本願発明で規定する20×log[(Ｌ²×10^-9+2×10^-5)/(2×10^-6)]dBよりも高くなることが確認された。

（実施例2）
表3に示す組成の母合金200gを作製し、実施例1と同様に幅5mmの非晶質合金薄帯を作製し、内径/外径、25/35mmのトロイダル磁心にて特性を測定した。特性を表3に示す。C偏析層位置はロール面表面の表面深さ方向元素分析を堀場製作所製GD-OES（グロー放電発光表面分析装置）にて定量測定した。また、C偏析層位置とＣピーク値は、C濃度が内部の均一濃度より大きい部分を偏析とみなし、その中で濃度が最も高い部分の位置と値を読み取った。騒音レベルはB₈₀との関連性が非常に強く、B_Sと角形比を上げることで騒音を低減でき、さらにC添加が角形性と騒音に効果があることがわかる。

（実施例２−２）
表4に示す組成の非晶質合金薄帯を実施例１と同様に作製し、内径/外径、25/35mmのトロイダル磁心にて特性を測定した。特性を表4に示す。Cを4％添加すると保磁力の増加により非晶質合金薄帯の鉄損が大きくなっている。また、非晶質合金薄帯が脆くなり、磁心を製造する際に問題が生じることが懸念される。またMnを0.7at%添加するとB_Sが低下するとともに角形性が低下し保磁力も増加し鉄損が増加している。C,Mnともに多量添加すると、騒音レベルも増加している。

（参考例１）
実施例１で作製した非晶質合金薄帯の中で噴出口ロール表面付近のガス圧力が0, 0.30MPaで鋳造した試料にて内径/外径、25/35mmのトロイダル磁心を作製し特性を評価した結果を表5に示す。サンプルNo.29がガス圧力0MPa(酸素濃度20.5％)で作製した試料、No.30がガス圧力0.3MPaで作製した試料であり、ロール面の表面粗さは各々0.64-0.70, 0.63-0.82μmであった。C偏析層ピーク位置が範囲外になり、角形性、鉄損、騒音レベルがともに劣化した。図4,5にサンプル2、29のロール面の表面深さ方向元素分析結果を示す。

（実施例3）
前記サンプル２のトロイダル磁心および内径/外径、90/120mmの磁心に１次２次巻き線をし、特性を評価した結果、B₈₀/B_Sが3％改善し、騒音レベルが3-5dB低減し、トランス、モータ、リアクトルの磁心として非常に有望であることが確認できた。

本発明は熱処理、表面粗さ、C添加量およびSi量とC量の比を制御することで磁心の角形性をあげ、高磁束密度かつ低騒音、低鉄損な磁心ならびにそれを用いた応用品を提供することに関し、トランス、モータ、チョークコイル用磁心として利用できる。

磁心の外部磁場80A/mの時の磁束密度B₈₀と磁束密度1.4T、50Hz、磁心直径30mmのトロイダル磁心の騒音レベルの関係を示す図である。 鋳造時のガス吹き付け位置の模式図である。 Ｃ−Ｓｉ濃度による応力緩和度と破壊歪の関係を示す図である。 サンプル2ロール面の表面分析結果である。 サンプル29ロール面の表面分析結果である。

Claims (10)

1. Fe基非晶質合金薄帯を用いた磁心であって、前記Fe基非晶質合金薄帯の飽和磁束密度B_Sを1.60T以上とし、かつ磁心での外部磁場80A/mのときの磁束密度B₈₀とFe基非晶質合金薄帯の飽和磁束密度B_Sの比B₈₀/B_Sを0.90以上としたことを特徴とする磁心。
2. 磁束密度1.4T, 周波数50Hzでの鉄損W_14/50が0.28W/kg以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁心。
3. 磁束密度1.4T、周波数50Hz、平均磁路長がＬmmでの騒音レベルが20×log[(Ｌ²×10^-9＋2×10^-5)/(2×10^-6)]dB以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の磁心。
4. 前記Fe基非晶質合金薄帯は、合金組成がT_aSi_bB_cC_d（ただし、TはFe、またはFeとFeに対し10％以下のCo、Niの少なくとも一種を含む元素）で表され、原子％で76≦a＜84%、0＜b≦12％、8≦c≦18％、0.01≦d≦3%および不可避不純物からなることを特徴とする請求項1乃至３に記載の磁心。
5. 前記Fe基非晶質合金薄帯の合金組成が、原子％でT量が81≦a≦83、Si量が0＜b≦5、B量が10≦c≦18、C量が0.2≦d≦3であることを特徴とする請求項1乃至４に記載の磁心。
6. 磁心での外部磁場80A/mのときの磁束密度B₈₀とFe基非晶質合金薄帯の飽和磁束密度B_Sの比B₈₀/B_Sが0.93以上である請求項５に記載の磁心。
7. 前記Fe基非晶質合金薄帯は、薄帯表面から2〜20nmの深さの範囲内にCの濃度分布の偏析層のピーク値が存在するものを用いたことを特徴とする請求項1乃至６に記載の磁心。
8. 薄帯の表面粗さが0.60μm以下であることを特徴とする請求項７に記載の磁心。
9. 磁心での外部磁場80A/mでの磁束密度B₈₀とFe基非晶質合金薄帯の飽和磁束密度B_Sの比B₈₀/B_Sが0.95以上であることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の磁心。
10. 請求項１乃至請求項９に記載の磁心を用いたことを特徴とする応用品。

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