JP2007281314A - 軟磁性合金薄帯積層体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軟磁性合金薄帯を用いた積層体の熱処理工程の簡略化を行い、製造コストを低減する。
【解決手段】 軟磁性合金薄帯に前記軟磁性合金薄帯の焼鈍温度よりも高い溶融温度を持つ樹脂を塗布する工程と、前記樹脂を溶融した状態で複数枚の軟磁性合金薄帯を圧着する工程と、前記樹脂の溶融温度よりも低い温度で熱処理を行う工程を有することを特徴とする軟磁性合金薄帯積層体の製造方法。前記樹脂は、溶融温度が３００℃以上であるものを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は軟磁性合金薄帯を積層して構成される軟磁性合金薄帯積層体およびその製造方法に関するものであり、特に車載用、電子部品用などの回転機用磁心として有用なものである。

トランスやモータに用いられる磁心には、安価でかつ優れた磁気特性を得るために、電磁鋼板を積層した積層磁心が多く用いられている。この積層磁心は電磁鋼板をロータ形状などに打ち抜き加工し、その後所望の厚さまで積層し、溶接やかしめ加工などにより一体化して作られている。現在、モータは小形化、高速化、高効率化が進み、高周波でより鉄損の小さい材料が要求されているが、溶接やかしめ加工を行った電磁鋼板のロータでは、溶接部やかしめ部の近傍で歪などによる磁性劣化が生じる。このため、鉄損が増大したり、透磁率が低下したりするという問題がある。また電磁鋼板では、板厚０．５ｍｍや０．３５ｍｍ程度のものが通常使われるが、モータが高速化するに伴い渦電流損失が増加するという問題点がある。この問題点を解決する手段として、近年０．１ｍｍ程度のさらに薄い電磁鋼板も製造されているが、薄くなればなるほど薄板化のための冷間圧延工程が複雑となり製造価格が高くなり、安価なトランスやモータが製造できないという問題がある。

渦電流損失は磁性薄帯の板厚にほぼ比例するため、板厚が薄いほど、渦電流損を小さくできることが知られている。エネルギー・環境問題に対して高効率化が求められているモータでは、特に低鉄損、高透磁率化が可能な材質が必要である。そのため、特許文献１、特許文献２に記載されるような、軟磁性合金薄帯を複数枚積層し、薄帯同士を樹脂で結着させた磁性積層板が検討され始めてきた。これらの特許では、熱可塑性樹脂を用いて軟磁性合金薄帯に樹脂付与工程、積層一体化の工程、形状加工工程、及び熱処理工程などの工程を経て積層体を得ている。
特開平２００４−４８８５９号公報（（００３４）〜（００３７）、図２） 特公表２００３／０６０１７５号公報（第２５頁１２行目〜第２６頁４行目、図１）

これらの方法では、磁気特性向上のための熱処理の温度が３５０℃以上の温度領域で行われており、樹脂の軟化する温度以上となり、熱処理時に積層体のずれ等が発生する恐れがある。そのため、加圧下での熱処理を行うことが必要となり、高価な熱プレス装置を多数揃える必要があり、製造コストが増加するという問題がある。従って本発明は、軟磁性合金薄帯を用いた積層体の熱処理工程の簡略化を行い、製造コストを低減することを目的とする。

本発明は、熱処理工程の簡略化を行うために、軟磁性合金薄帯同士を樹脂で積層一体化した軟磁性合金薄帯積層体であって、前記樹脂は前記軟磁性合金薄帯の焼鈍温度よりも高い溶融温度を持つことを特徴とするものである。本発明において、軟磁性合金薄帯の焼鈍温度とは、１時間保持の焼鈍処理をした時に、軟磁性合金薄帯の保磁力Ｈｃを１０％以上減少できる下限の温度を指すものとする。また、樹脂の溶融温度は、示差走査熱量計（ＤＳＣ）にて測定した値である。

本発明で用いる樹脂は、スーパーエンジニアリングプラスチックと呼ばれるものの中で、３００℃以上、好ましくは３２０℃以上の融点をもつ樹脂の中から選択されるものが好ましい。融点の高い熱可塑性樹脂としてはＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン、融点３４３℃），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド、融点２８０℃）液晶樹脂などがある。また、融点が５００℃より高い樹脂では、非晶質の軟磁性合金薄帯を用いた場合には、軟磁性合金薄帯の合金の結晶化が起こり、磁気特性が悪化することがあるため、上限は５００℃未満が好ましい。

用いる軟磁性合金薄帯は、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、また、a+b+c+d=100%）で表され、原子％で79≦a≦83%、0＜b≦10％、10≦c≦18％、0.01≦d≦3%および不可避不純物からなる非晶質合金であるものが好ましい。組成の限定理由は後述する。用いられる軟磁性合金薄帯の厚さは１０〜５０μｍであり、非常に薄く、積層しても渦電流の発生を抑制できるので渦電流損失が非常に小さい積層体とすることができる。

また、本発明の軟磁性合金薄帯積層体の製造方法は、軟磁性合金薄帯に前記軟磁性合金薄帯の焼鈍温度よりも高い溶融温度を持つ樹脂を塗布する工程と、前記樹脂を溶融した状態で複数枚の軟磁性合金薄帯を圧着する工程と、前記樹脂の溶融温度よりも低い温度で熱処理を行う工程を有することを特徴とする。

前記圧着はロールを用いて行い、かつ軟磁性合金薄帯はコイル状に巻かれた状態から各々連続的に引き出されるものが好ましい。これにより製造工程を簡略化することができる。

前記の圧着された積層体を熱処理前に一定寸法に切断する工程を有するものが好ましい。これにより製造工程を簡略化することができる。

前記の樹脂を粉末状樹脂、もしくは溶媒に樹脂を溶解させた溶液または、ペースト状の形態などとして、各種の塗布方法を利用することができる。本発明における塗布方法としては、例えば、ロールコータ法、グラビアコータ法、エアドクタコータ法、ブレードコータ法、ナイフコータ法、ロッドコータ法、キスコータ法、ビードコータ法、キャストコータ法、ロータリースクリーン法や、液状樹脂中に非晶質金属薄帯を浸漬しながらコーティングする浸漬コーティング方法等から選択することができる。その他，バーコート方法や霧吹きの原理を用いて液状樹脂を霧上に非晶質金属薄帯に吹き付けるスプレーコーティング法や，スピンコーティング法，電着コーティング法，あるいはスパッタ法のような物理的な蒸着法，ＣＶＤ法のような気相法など非晶質金属薄帯上に耐熱性樹脂を付与できる方法なら如何なる方法を用いても良い。また、塗布の厚みは、乾燥後３μｍ以下が望ましい。膜厚が薄すぎると積層体の接着不良の箇所が発生する恐れがあり、膜厚が厚すぎると、占積率が低下する恐れがある。

塗布された樹脂は、乾燥炉で溶剤を揮発させた後、数枚から十数枚重ねながら熱ロールで熱圧着し、一体化させることが好ましい。この場合の熱圧着温度としては、３５０〜５００℃の温度であり、熱ロールを数メートル／分〜数十メートル／分の速度で連続的に接着することも可能である。さらに加熱を容易にするために熱ロールの手前に予備加熱部分を設けてもよい。熱圧着した後の積層体は、板状として得られるため、取り扱いし易い適当な長さにシャー等を用いて切断することが望ましい。

軟磁性合金薄帯の磁気特性を向上させるために、各軟磁性合金薄帯を積層した後、熱処理が行なわれる。本発明において、軟磁性合金薄帯の熱処理温度は、樹脂の溶融温度よりも低い温度で熱処理を行うことを特徴とする。この温度は、軟磁性合金薄帯の組成および目的とする磁気特性により異なるため適宜設定する必要があるが、高磁束密度、高角形性を持つ非晶質のＦｅ基軟磁性合金薄帯を用いた場合には、４００℃以下、好ましくは３５０℃以下とする。２００℃未満であると、熱処理による軟磁性合金薄帯の磁気特性の向上効果が得られないため、好ましくは２００℃以上とする。熱処理時間は０．１〜２０ｈが好ましい。熱処理時に樹脂の軟化や溶融による接着力の低下が発生しないことから、簡易な構成で熱処理を行うことができる。

軟磁性合金薄帯の組成の限定理由を以下に示す。以下、単に％と記載のものは原子％を表す。
Fe量aは79％より少ないと鉄心材料として十分な飽和磁束密度B_Sが得られず磁心が大型化し好ましくない。十分な飽和磁束密度B_Sを得るために、さらに好ましくは、81%以上のFe量が望ましい。また83％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。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10％以下とする必要がある。さらにB_sを向上させるためには、5%以下とすることが好ましい。
B量cは非晶質形成能に最も寄与し、10％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。
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。
Fe量の10%以下をNi、Coの一種または二種で置換すると飽和磁束密度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。

このようにして得られた軟磁性合金薄帯積層体は、モータ等の積層磁心として利用するために適宜な形状に形状加工を行う。その場合は、プレス打ち抜き加工、放電ワイヤーカット加工、レーザー切断加工等の精密切断加工の方法が適用でき、これに限定されるものではない。これらの方法の中でも、好ましくはプレス打ち抜き加工が、量産時に加工単価が低い点で望ましい。形状加工は非晶質金属薄帯１枚のときでも可能であり、また積層一体化した後で、複数枚からなる積層体を同時に形状加工することも可能である。加工単価を低くする上では複数枚を同時に形状加工することが望ましい。

本発明の軟磁性合金薄帯積層体は、必要に応じて化成処理やコーティング等を行う。特に、切断した軟磁性合金薄帯の端面は非常に酸化しやすく錆びやすいため、これらの被覆処理は適宜行う必要がある。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被覆する、あるいはリン酸などを用いた周知の化成処理を施すことができる。

上述の如く、熱処理温度よりも高い接着温度を持つ樹脂を用いた軟磁性合金積層体とすることで、熱圧着工程、熱処理工程の簡略化をすることができ、製造コストの低減に効果がある。

（実施例１）
本発明で用いた軟磁性合金薄帯積層体の製造装置について説明する。図１に示すように、製造装置２０は、軟磁性合金薄帯を巻いたコイル１，２，３，４と、コイルから各々引きだした軟磁性合金薄帯の片面に樹脂を塗布するための塗布手段（スプレー）５，６，７と、その樹脂を乾燥するための乾燥炉８と、各々の軟磁性合金薄帯を熱圧着させるための熱ロール９と、積層した軟磁性合金薄帯を所定寸法で切断するための切断装置（シャー）１０からなる。
まず、軟磁性合金薄帯（幅８０ｍｍ、平均厚さ２５μｍのリボン状薄帯）を巻いたコイル１、２、３、４から軟磁性合金薄帯を各々引きだし、樹脂を塗布する。本発明では、樹脂としてＰＥＥＫ（ＶＩＣＴＲＥＸ社製：ポリエーテルエーテルケトン）を溶剤に分散しペースト状としたものを用い、スプレー５、６、７を用いてスプレーコーティングにより均一に塗布した。その後、この軟磁性合金薄帯１，２，３，４を内部温度３００℃の乾燥炉８に１分間通すことで溶剤の除去乾燥を行った。続いて、この軟磁性合金薄帯４枚を積層した状態で熱ロール９（３８０℃〜４４０℃）を通すことで熱圧着させた。熱圧着後の積層体は、柔軟性が無くなり、コイル状にまとめることができないため、適宜、取り扱いし易い長さにシャー１０を用いて切断した。この積層装置では、スプレーによるＰＥＥＫ樹脂の厚さを変えることにより、積層体の占積率は、８２〜９４％にすることができる。その後磁気特性を改善するための焼鈍熱処理として、３３０℃で１ｈ保持した。ＰＥＥＫ樹脂は、樹脂の融点が３４３℃と軟磁性合金薄帯の熱処理温度よりも高いため、熱処理時に樹脂の軟化による位置ずれの影響を受けることがない。そのため、普通の熱処理炉を用いて熱処理を行うことが可能である（図示しない）。
その後、この積層体に回転機用ロータおよびステータの形状になるよう打ち抜き加工を施した。この積層体をさらに重ねて固着し、軟磁性合金薄帯の枚数が計８００枚の回転機用ロータ、回転機用ステータを製造した(図示しない)。
この回転機用ロータ、回転機用ステータの磁気特性を測定したところ、占積率を８８％以上とすることで、密度が６．５ｇ／ｃｍ^３以上、飽和磁束密度が１．４５Ｔ以上、保磁力が５Ａ／ｍ以下で、かつ印加磁界８０００Ａ／ｍにおける磁束密度Ｂ_８０００が１．４Ｔ以上の特性値が測定された。また、占積率９４％の積層体の鉄損を測定したところ、３．３Ｗ／ｋｇであった。

本発明における軟磁性合金薄帯積層体の製造方法

符号の説明

１，２，３，４：コイル、５，６，７：スプレー、８：ロール、乾燥炉、９：、１０：シャー、１１：積層体、２０：積層装置

Claims (5)

1. 軟磁性合金薄帯同士を樹脂で積層一体化した軟磁性合金薄帯積層体であって、前記樹脂は前記軟磁性合金薄帯の焼鈍温度よりも高い溶融温度を持つことを特徴とする軟磁性合金薄帯積層体。
2. 前記樹脂は、溶融温度が３００℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の軟磁性合金薄帯積層体。
3. 前記軟磁性合金薄帯は、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、また、a+b+c+d=100%）で表され、原子％で79≦a≦83%、0＜b≦10％、10≦c≦18％、0.01≦d≦3%および不可避不純物からなる非晶質合金であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の軟磁性合金薄帯積層体。
4. 軟磁性合金薄帯に前記軟磁性合金薄帯の焼鈍温度よりも高い溶融温度を持つ樹脂を塗布する工程と、前記樹脂を溶融した状態で複数枚の軟磁性合金薄帯を圧着する工程と、前記樹脂の溶融温度よりも低い温度で熱処理を行う工程を有することを特徴とする軟磁性合金薄帯積層体の製造方法。
5. 前記圧着はロールを用いたものであり、かつ、軟磁性合金薄帯はコイル状に巻かれた状態から各々連続的に引き出されることを特徴とする軟磁性合金薄帯積層体の製造方法。