JP2012241226A - 絶縁被覆アルミニウム導体、絶縁被膜およびその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比抵抗および耐破壊電圧が非常に大きいアルミニウム導体を提供する。
【解決手段】本発明のアルミニウム導体は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材と該基材の外表面を被覆する絶縁被膜とからなる絶縁被覆アルミニウム導体であって、その絶縁被膜は、基材上に形成された比表面積が２５ｍ^２／ｇ以上ある陽極酸化皮膜からなることを特徴とする。陽極酸化皮膜の比表面積が２５ｍ^２／ｇ以上となると、その比抵抗および耐破壊電圧が正に桁違いに急増する。このような陽極酸化皮膜で被覆されたアルミニウム導体は高い絶縁性を発現する。しかも陽極酸化皮膜は耐熱性にも優れる。従って本発明のアルミニウム導体は、高温環境下等でも優れた絶縁性を発揮する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、陽極酸化皮膜により絶縁被覆された絶縁被覆アルミニウム導体と、その陽極酸化皮膜からなる絶縁被膜およびその絶縁被膜の形成方法に関する。

配線やモータのコイル（巻線）やセグメント等に絶縁被覆された導体（絶縁被覆導体）が用いられる。絶縁被覆導体として、エナメル被覆された導線等が代表的であるが、最近ではより軽量な絶縁被覆アルミニウム導体も用いられている。この際、絶縁被膜として、アルミニウム導体の表面に直接的に形成された陽極酸化皮膜が利用されている。この陽極酸化皮膜は、酸化アルミニウム（アルマイト）からなり、絶縁性および耐熱性に優れる。このため、絶縁被覆アルミニウム導体は、高電圧が印加されると共に高温環境下に曝される配線や機器に好適である。

このような絶縁被覆アルミニウム導体に関する記載は、例えば、下記の特許文献１にある。

特開２００９−９９４５０号公報

特許文献１には、先ず陽極酸化処理をし、次に封孔処理を施し、さらに熱処理を行うことにより形成された酸化アルミニウム被膜で絶縁被覆したアルミニウム電線が開示されている。そして、電流密度：３〜１５Ａ／ｄｍ^２、パルス電圧：１０〜１５Ｖを印加し、大電流を短時間流す陽極酸化処理を行うことによって、酸化アルミニウム被膜の成長が促進させる旨も、特許文献１には記載されている（［００１２］）。

しかし、このように形成された酸化アルミニウム被膜が、どの程度の絶縁抵抗や耐電圧を発揮するかについて全く記載されておらず、その被膜の性状と絶縁性については一切検討されていない。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、従来より絶縁性に優れた陽極酸化皮膜（酸化アルミニウム皮膜）で絶縁被覆されたアルミニウム導体（絶縁被覆アルミニウム導体）を提供することを目的とする。さらに本発明は、その絶縁被膜およびその形成方法も併せて提供することを目的とする。

本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、陽極酸化皮膜の比表面積が所定値（臨界値）以上になると、その絶縁性が急激に変化することを新たに発見した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《絶縁被覆アルミニウム導体》
（１）本発明の絶縁被覆アルミニウム導体は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材と該基材の外表面を被覆する絶縁被膜とからなる絶縁被覆アルミニウム導体であって、前記絶縁被膜は、前記基材上に形成された比表面積が２５ｍ^２／ｇ以上ある陽極酸化皮膜からなることを特徴とする。

（２）本発明に係る陽極酸化皮膜は、非常に高い絶縁性を発揮する。このため、従来と比較して、絶縁被膜の膜厚を変えることなく、耐破壊電圧を高めたり、逆に耐破壊電圧を変えることなく絶縁被膜の膜厚を低下させたりすることが可能となる。例えば、後者のように陽極酸化皮膜からなる絶縁被膜を薄くすると、全体に示す導体自体の占有率（占積率）や放熱性の向上を図れるようになる。

（３）ところで、本発明に係る比表面積が２５ｍ^２／ｇ以上の陽極酸化皮膜が優れた絶縁性を発揮するメカニズム等は必ずしも定かではないが、現状では次のように考えられる。本発明者が鋭意研究したところ、陽極酸化皮膜の比表面積が２５ｍ^２／ｇより小さい場合と大きい場合とで、陽極酸化皮膜の形態が異なることがわかっている。つまり、比表面積が２５ｍ^２／ｇ未満の陽極酸化皮膜では、従来のものと同様に、厚み方向に真っ直ぐ伸びるパイプ状（ストレートパイプ状）をしていた。これに対して比表面積が２５ｍ^２／ｇ以上の陽極酸化皮膜では、厚み方向に延在する非ストレート状の孔体が集合した多孔質体となっていた。このように特定の比表面積を境に、陽極酸化皮膜の形態が変化したために、沿面距離の変化を超えて、比抵抗や耐破壊電圧等の絶縁性が急変したと考えられる。

《絶縁被膜》
本発明は絶縁被覆アルミニウム導体としてのみならず、そのアルミニウム導体を被覆する上記の陽極酸化皮膜からなる絶縁被膜としても把握できる。

《絶縁被膜の形成方法》
本発明は、その絶縁被膜の形成方法としても把握できる。すなわち本発明は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材を陽極として酸性水溶液中で該基材へ直流電圧を連続的に印加する成膜工程を備え、上述した絶縁被膜が形成されることを特徴とする絶縁被膜の形成方法でもよい。

《その他》
（１）本明細書でいう陽極酸化皮膜の比表面積は、ＢＥＴ窒素吸着法による算出値に基づいて特定した。すなわち、流動法（キャリアーガス法）により、ヘリウムを非吸着気体、窒素を吸着質として、ＪＩＳ Ｚ８８３０：２００１に準じた測定を行って比表面積を求めた。このとき試料の脱ガスは、１００℃で３０分間行った。また測定データの評価は多点法で行った。この比表面積が、３０ｍ^２／ｇ以上、３５ｍ^２／ｇ以上、４０ｍ^２／ｇ以上、４５ｍ^２／ｇ以上さらには５０ｍ^２／ｇ以上であると、高絶縁性の陽極酸化皮膜をより確実に得ることができて好適である。

（２）陽極酸化皮膜の形態に関して本明細書でいう「非ストレート状の孔体」とは、厚み方向に延在する孔体（セル）の内壁面が平滑面ではなく凹凸状面であり、陽極酸化皮膜を厚み方向に沿って割ったときにセル間ではなくセル内で割れるものをいう。

（３）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。

絶縁被膜の比抵抗を測定する様子を示す模式図である。 絶縁被膜の耐破壊電圧を測定する様子を示す模式図である。 陽極酸化皮膜の比表面積と比抵抗の関係を示す分散図である。 陽極酸化皮膜の比表面積と耐破壊電圧の関係を示す分散図である。 試料Ｎｏ．１に係る陽極酸化皮膜の断面を示す電子顕微鏡写真である。 試料Ｎｏ．Ｃ１に係る陽極酸化皮膜の断面を示す電子顕微鏡写真である。

１ 試料（試験片）
１ａ 陽極酸化皮膜
１ｂ 基材

本明細書で説明する内容は、本発明の絶縁被覆アルミニウム導体のみならず、絶縁被膜およびその形成方法にも該当し得る。方法に関する構成要素は、プロダクトバイプロセスとして理解すれば物に関する構成要素ともなり得る。上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《陽極酸化皮膜》
本発明に係る陽極酸化皮膜は、従来よりも格段に優れた絶縁性を示す。本発明では、その形態等まで限定するものではないが、前述したように、比表面積の特定値（臨界値）を境にして、陽極酸化皮膜の形態等が変化していると考えられる。

もっとも、その陽極酸化皮膜の形態等を直接的に特定することは容易ではない。そこで本明細書では、本発明に係る陽極酸化皮膜を比表面積により間接的に特定している。逆にいえば、比表面積が同じなら、陽極酸化皮膜の形態等も同様であって、この関係は陽極酸化皮膜の成膜過程、成膜条件、膜厚等により殆ど影響されないと考えられる。

比表面積に応じて急変する陽極酸化皮膜の絶縁性を指標するものとして、例えば、比抵抗（電気抵抗率）や耐電圧（耐破壊電圧）などがある。例えば、比表面積の臨界値を境にして、陽極酸化皮膜の耐電圧は３〜６倍、その比抵抗は１００（１０^２）〜１００００（１０^４）倍も変化し得る。

陽極酸化皮膜の膜厚は限定されないが、絶縁性を確保しつつ、モータコイル占積率（導体の正味断面積／鉄心間の断面積）等を向上させるために、陽極酸化皮膜の膜厚は０．１〜３０μｍさらには１〜２０μｍ程度であると好ましい。この膜厚が過小では高電圧に対して十分な絶縁性を確保できず、過大であると曲げたときなどに亀裂が発生し易くなり好ましくない。

《基材》
本発明に係る基材は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金（以下単に「アルミニウム」という。）からなる。アルミニウムの組成等は問わないが、純アルミニウムに近い方が、均一的な陽極酸化皮膜が形成され易いと考えられる。

また陽極酸化皮膜により被覆される部分がアルミニウムであれば足り、導体全体がアルミニウムである必要はない。例えば、導体は、表面側がアルミニウムで、内側が他金属（銅等）から構成されていても良い。

さらに基材の形態や断面形状等は問わない。線状でも柱状でも良いし、角断面でも丸断面でも良い。

《形成方法》
（１）陽極酸化処理
本発明の絶縁被膜である陽極酸化皮膜は、陽極酸化処理液（電解液）中で基材に通電する陽極酸化処理により形成される。この陽極酸化処理液は、例えば、硫酸水溶液、燐酸水溶液、クロム酸水溶液等の無機酸液でも、蓚酸水溶液等の有機酸液でもよい。本発明では陽極酸化処理液の種類を問わないが、陽極酸化皮膜の柔軟性や処理の経済性等の点で硫酸水溶液を用いると好ましい。この際、硫酸水溶液の濃度は、５〜４０質量％さらには１０〜３５質量％程度であると好ましい。この濃度が過小では陽極酸化皮膜の形成が遅く、濃度が過大では陽極酸化皮膜の耐食性が低下するため好ましくない。また陽極酸化処理液（特に硫酸水溶液）の温度は０〜４０℃さらには１０〜３０℃程度であると好ましい。この温度が過小では陽極酸化皮膜の形成が遅く、温度が過大では陽極酸化皮膜の溶解速度が速くなり好ましくない。

陽極酸化処理液中で陽極である基材へ印加される電圧は、直流電圧、パルス電圧等があるが、陽極酸化皮膜の形成速度、設備の経済性等の点で連続した直流電圧を用いると好ましい。この際、その電圧値は比較的小さいほど好ましい。具体的な電圧値は、陽極酸化処理液の種類、基材の導電率、基材の厚み等により異なるため、一概には特定できないが、例えば、２〜１５Ｖ、３〜１２Ｖさらには４〜１１Ｖであると好ましい。この電圧が過小では陽極酸化皮膜の形成が遅く、電圧が過大では陽極酸化皮膜の絶縁性や柔軟性が低下するため好ましくない。なお、陽極酸化処理液中の陰極は、白金、黒鉛等のいずれでもよい。

陽極酸化処理時間は、所望する陽極酸化皮膜の膜厚により適宜調整されるが、例えば、１〜６０分さらには５〜３０分程度であると好ましい。

（２）後処理
本発明に係る陽極酸化皮膜は、陽極酸化処理されたままでも良いが、その後に適宜、封孔処理、熱処理、塗装等の後処理がされてもよい。例えば、封孔処理を行うことにより、陽極酸化皮膜中に形成された細孔が封じられ、絶縁被覆アルミニウム導体の耐食性の向上が図られる。この封孔処理は周知であり、例えば、陽極酸化処理後の基材を沸騰水または高圧蒸気に曝すことにより行える。なお、封孔処理により陽極酸化皮膜の比抵抗や耐電圧等が多少変動し得るが、本発明に係る陽極酸化皮膜は著しく優れた絶縁性を発揮するため、封孔処理による絶縁性への影響は相対的に僅かである。

《用途》
本発明の絶縁被覆アルミニウム導体の用途は問わない。例えば、高絶縁性が要求されるモータのコイルや配線等に利用されると好適である。特に、高い絶縁性と共に、絶縁被膜を薄くして導体の占積率を向上させたり、導体で生じた熱を効率的に放熱させることなどが要求される機器等に、本発明の絶縁被覆アルミニウム導体は好適である。

実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
《試料の製造》
（１）基材
陽極酸化皮膜を形成する基材として純アルミニウム（ＪＩＳ Ａ１０７０）からなる円板状の試験片（直径２５ｍｍ×厚み２ｍｍ）を用意した。陽極酸化皮膜を形成する試験片の処理面は、表面粗さ（Ｒｚ）１μｍとした。

（２）陽極酸化処理
硫酸水溶液（陽極酸化浴）中に試験片を浸し、その試験片（処理面）を陽極、白金電極を陰極として通電して、陽極酸化処理を行った。この際、処理面を除く試験片の他面は絶縁テープによりマスキングして、処理面と白金電極の間で通電がされるようにした。陽極酸化浴中の硫酸濃度（質量％）および温度と両極間に印加する電圧（成膜電圧）とを表１に示すように種々調整して、複数の試料を製造した。なお、いずれの試料も、陽極酸化処理時間は１０分間とした。また陽極酸化処理後、陽極酸化浴から取り出した各試験片は蒸留水でよく洗浄した後、圧縮空気を吹き付けて水分を十分に除去し、さらに大気中で２４時間乾燥させた。このようにして得られる試料を、表１に示した同一条件毎に２ずつ製造して、後述する比抵抗および耐破壊電圧の測定にそれぞれ供した。

《測定および観察》
（１）比抵抗
各試料の比抵抗（電気抵抗率）を図１Ａに示す方法により求めた。すなわち、各試料１の基材１ｂ上に生成された陽極酸化皮膜１ａへ、銀ペーストｇを介して直径１２．５ｍｍの電極Ｔ１をつける。また基材１ｂの反対面側にも電極Ｔ２をつける。これらの電極間に１００Ｖの直流電圧を印加して、閉回路中を流れる電流を測定する。測定された電流値（Ｉ）、印加した電圧値（Ｖ）、電極Ｔ１の電極面積（Ｓ１）および陽極酸化皮膜１ａの厚さ（ｔ）とから、オームの法則に基づいて比抵抗（ρ＝（Ｖ／Ｉ）・Ｓ／ｔ）を算出した。なお、陽極酸化皮膜１ａの厚み（ｔ）は、この比抵抗の測定後に観察した試料１の断面写真から求めた。

（２）耐破壊電圧
各試料の耐破壊電圧は、図１Ｂに示すように、ＪＩＳ Ｈ８６８７に沿って測定した。すなわち、大気中で、接触端面が直径６ｍｍの球面状をした端子Ｐを、１００ｇの荷重Ｆで、陽極酸化皮膜１ａ上に接触させる。この端子Ｐと基材１ｂの反対側に設けた電極Ｎとの間に、２５Ｖ／秒で昇圧する直流電圧を印加する。この閉回路中を流れる漏洩電流が５ｍＡを超えた時点の電圧値を測定する。

この電圧値の測定を、一試料あたり１０回行った。その際、毎回、端子Ｐを陽極酸化皮膜１ａ上の異なる点に接触させた。そして各回で測定された電圧値の相加平均を求めた。この平均値を陽極酸化皮膜１ａの厚さで割って、単位厚みあたりの耐破壊電圧値（単に「耐破壊電圧」という。）とした。なお、陽極酸化皮膜１ａの厚さは、前述した場合と同様に測定後の試料の断面写真から求めた。

（３）比表面積
各試料の陽極酸化皮膜の比表面積（単位質量あたりの表面積）を次のようにして求めた。すなわち、先ず、上述した比抵抗や耐破壊電圧の測定に供した試料を、アルカリ溶液中に浸漬して、基材部分を溶解させる。そのアルカリ溶液を濾別して得られた陽極酸化皮膜の残渣を乾燥させた。この残渣の比表面積を、既述したＢＥＴ窒素吸着法により測定した。

こうして得られた各試料の比抵抗、耐破壊電圧および比抵抗を、表１に併せて示した。また、比表面積と比抵抗の関係を図２Ａに、比表面積と耐破壊電圧の関係を図２Ｂにそれぞれ示した。

（４）陽極酸化皮膜の構造
試料Ｎｏ．１と試料Ｎｏ．Ｃ１の陽極酸化皮膜の断面を、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）によって観察した様子をそれぞれ図３Ａおよび図３Ｂに示した。

《評価》
（１）表１、図２Ａおよび図２Ｂからわかるように、比表面積が２５ｍ^２／ｇとなる付近で、比抵抗および耐破壊電圧は急激な臨界的変化を示すことがわかる。つまり、比表面積が２５ｍ^２／ｇ以上となる陽極酸化皮膜の比抵抗は、１０^９（Ω・ｍ）レベルから１０^１０〜１０^１４（Ω・ｍ）レベルに、正に桁違いに急増することが明らかとなった。

この傾向は耐破壊電圧についても同様であり、比表面積が２５ｍ^２／ｇ以上となる陽極酸化皮膜の耐破壊電圧は、６０Ｖ／μｍレベルから最大２４０Ｖ／μｍレベルへ約４倍ぐらいまで急増することが明らかとなった。

（２）このような比抵抗および耐破壊電圧の急変は、図３Ａおよび図３Ｂの顕微鏡写真から明らかなように、陽極酸化皮膜の構造自体が変化したためと考えられる。つまり図３Ａに示すように、陽極酸化皮膜が凸凹した非ストレート状の孔体からなる多孔質体の場合、比表面積が増加して、比抵抗や耐破壊電圧が急増する。一方、図３Ｂに示すように、陽極酸化皮膜がストレート状の孔体からなる多孔質体の場合、比表面積は相対的に小さく、比表面積が多少変化しても、比抵抗や耐破壊電圧もいずれも低い状態にあった。

このように比抵抗および耐破壊電圧の大きい皮膜で絶縁被覆アルミニウム導体を得るには、導体であるアルミニウム系基材の表面に、図３Ａに示すような構造の陽極酸化皮膜を形成すると好ましいことがわかる。

Claims (4)

1. 純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材と該基材の外表面を被覆する絶縁被膜とからなる絶縁被覆アルミニウム導体であって、
   前記絶縁被膜は、前記基材上に形成された比表面積が２５ｍ^２／ｇ以上ある陽極酸化皮膜からなることを特徴とする絶縁被覆アルミニウム導体。
2. 前記陽極酸化皮膜は、厚み方向に延在する非ストレート状の孔体が集合した多孔質体からなる請求項１に記載の絶縁被覆アルミニウム導体。
3. 請求項１または２に記載の陽極酸化皮膜からなることを特徴とする絶縁被膜。
4. 純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材を陽極として酸性水溶液中で該基材へ直流電圧を連続的に印加する成膜工程を備え、
   請求項１〜３のいずれかに記載の絶縁被膜が形成されることを特徴とする絶縁被膜の形成方法。