JP2013046032A - 積層磁心 - Google Patents

Abstract

【課題】 飽和磁束密度の低下を抑制し、優れた軟磁気特性を有する積層磁心を提供することを目的とする。
【解決手段】 組成式Ｆｅ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｘＣ_ｙＣｕ_ｚの合金組成物で、７９≦ａ≦８６ａｔ％、５≦ｂ≦１３ａｔ％、０≦ｃ≦８ａｔ％、１≦ｘ≦８ａｔ％、０≦ｙ≦５ａｔ％、０．４≦ｚ≦１．４ａｔ％、及び０．０８≦ｚ／ｘ≦０．８０である磁性体からなる、厚さ６０μｍ以上、６００μｍ以下の磁性薄帯と、厚さ５μｍ以下の絶縁層を交互に積層した積層磁心であり、積層磁心に占める磁性体の占積率が８５％以上となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスやチョークコイル等に使用される、磁性薄帯を用いた積層磁心に関する。

電磁鋼板やＦｅ基アモルファス合金、Ｆｅ基ナノ結晶合金などの磁性薄帯を、トランスやチョークコイルなどの磁心として用いる場合、コイルに電流が流れて磁心に磁路が形成されると、磁性薄帯内に渦電流が発生する。渦電流が発生すると鉄損等のコアロスが生じ、特性が低下する問題がある。そこで、一般的には薄帯間に絶縁層を形成した磁心を作製している。

特許文献１には絶縁層が薄くても十分な絶縁性を有する、薄帯間の絶縁皮膜を得る方法が開示されている。特許文献１では、特定の組成式を有した厚さ１８μｍのアモルファス合金薄帯にアルミニウムシリケート、リチウムシリケート、マグネシウムメチラートから選ばれた少なくとも１つからなる溶液を塗布し、乾燥硬化させる事で、平均厚さ２μｍ以下の絶縁層を形成している。

特開平０８−０４５７２３号公報

しかしながら、磁性薄帯間に絶縁層を構成した磁心を作製した場合、磁心に占める磁性体の体積が減少し、占積率が低下する。それによって飽和磁束密度が低下するという問題がある。そこで、磁性薄帯の巻回数を増やすことにより、磁性体の体積を増加させる対策が考えられるが、巻回数を増やすことによって、磁心の口径が大きくなり、磁心の小型化、軽量化が困難になるという問題がある。

また、従来のように２０μｍ近い磁性薄帯と絶縁層を交互に積層した磁心の場合、磁心の熱処理を行う際に、薄帯間の熱伝達が悪くなり、温度ムラが生じることで均一に熱処理を行う事ができない場合がある。

さらに、発明者らは磁性薄帯としてナノ結晶薄帯を用いる場合、磁性薄帯に熱処理を行ってアモルファス相よりナノ結晶を析出させる際に、磁性薄帯が収縮することを見出した。絶縁層を構成せず、磁性薄帯のみで磁心を作製した場合は、収縮によって薄帯同士の摩擦が生じ、内部応力が磁性薄帯にかかる。この内部応力が磁性薄帯に残ることにより、磁気異方性が増大し、鉄損が増加するという問題がある。

ここで、磁性薄帯の主面は微細な凹凸が存在しており、その磁性薄帯を積層した場合、磁性薄帯間は複数の点で接触して積層されていることとなる。このように、磁性薄帯を積層して構成された積層磁心の磁性薄帯間が複数の点で接触している場合、鉄損等のコアロスによって積層磁心の特性が低下するのは、渦電流の発生によるものよりも、熱処理の際に磁性薄帯が収縮することによって生じる内部応力によるものが大きく起因している。

そこで本発明は飽和磁束密度の低下を抑制し、磁性薄帯間の収縮摩擦による内部応力を低減した、優れた軟磁気特性を有する積層磁心を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の積層磁心は厚さ６０μｍ以上、６００μｍ以下の磁性体からなる磁性薄帯と厚さ５μｍ以下（０を含まず）の絶縁層が交互に積層された積層磁心であって、前記磁性体は組成式Ｆｅ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｘＣ_ｙＣｕ_ｚの合金組成物からなり、７９≦ａ≦８６ａｔ％、５≦ｂ≦１３ａｔ％、０≦ｃ≦８ａｔ％、１≦ｘ≦８ａｔ％、０≦ｙ≦５ａｔ％、０．４≦ｚ≦１．４ａｔ％、及び０．０８≦ｚ／ｘ≦０．８０であり、前記積層磁心に占める前記磁性体の占積率が８５％以上であることを特徴とする。

磁性薄帯の厚みが薄いと磁心に占める絶縁層の体積が多くなり、占積率が低下する。占積率が低下することによって積層磁心の飽和磁束密度が低下するのを抑制するため、磁性薄帯の厚さは６０μｍ以上が望ましい。一方、磁性薄帯が厚い場合、渦電流がより多く発生する。この渦電流による損失を抑制し、鉄損が増加するのを防止するため、磁性薄帯の厚さは６００μｍ以下が望ましい。

絶縁層の厚みは、積層磁心に占める磁性体の占積率の低下を抑制し、積層磁心の飽和磁束密度の低下を防ぎ、また、積層磁心に熱処理を行う際の薄帯間の熱伝達を良好にして、温度ムラを防止するため、５μｍ以下が望ましい。

また、積層磁心に占める磁性体の占積率は、積層磁心の飽和磁束密度の低下を防ぐため、８５％以上であることが望ましい。

本発明の組成式による合金組成物を用いる事で、アモルファス単相の連続薄帯が安定して作製できる。また、均質なナノ結晶組織が得られるため、優れた軟磁気特性を有した積層磁心が得られる。

また、磁性薄帯間に絶縁層を構成した積層磁心とすることにより、積層磁心を熱処理する場合に、磁性薄帯の収縮による薄帯間の摩擦を低減し、磁性薄帯にかかる内部応力が緩和され、鉄損の増加を抑制することができる。

また、本発明による積層磁心の磁性薄帯は、前記磁性体からなる磁性薄帯が積層された積層体であってもよい。

磁性体からなる磁性薄帯を積層して積層体とし、積層体と絶縁層を交互に積層する構成としてもよい。積層体とする場合の磁性薄帯の厚みは、厚みが薄いと積層する磁性薄帯の数が増えて、磁性薄帯間に空隙が多くなる。また、積層する磁性薄帯の数が増えると、収縮によって生じる内部応力が大きくなり、磁気異方性が増大し、磁気特性が劣化する。空隙が多くなることによる、積層磁心の飽和磁束密度の低下を抑制し、さらに、収縮によって生じる内部応力を抑制するため、積層する場合の磁性薄帯１枚の厚さは１０μｍ以上が望ましい。

また、本発明による積層磁心の合金組成物は、組成式のＦｅの３ａｔ％以下を、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｎ、Ｏ及び希土類元素のうち、１種類以上の元素で置換してなる合金組成物であってもよい。

合金組成式のＦｅの３ａｔ％以下を、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｎ、Ｏ及び希土類元素のうち、１種類以上の元素で置換することで、飽和磁束密度等の特性が向上する。例えば、ＣｒやＮｂ、Ａｌ等に置換することで耐食性が向上し、Ｃｏに置換することで飽和磁束密度が向上する。また、Ｎｉに置換することで磁歪を小さく抑えられる。

また、本発明による積層磁心の合金組成物は（第１結晶化開始温度−５０℃）以上で熱処理が行われており、平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である、Ｆｅ基ナノ結晶合金であることが望ましい。

本発明による合金組成物の薄帯を、例えば、示差走査熱量分析（ＤＳＣ）装置を用い、４０℃／分程度の昇温速度で熱分析を行うと、発熱量が高くなる温度帯が２箇所出現する。本発明による合金組成物は熱処理を行うと、発熱量が高くなる温度帯で結晶化されるため、最初に結晶化が開始する温度を第１結晶化開始温度Ｔ_Ｘ１とし、２回目に結晶化が開始する温度を第２結晶化開始温度Ｔ_Ｘ２とする。

本発明による合金組成物を（第１結晶化開始温度Ｔ_Ｘ１−５０℃）以上で熱処理を行うと、ｂｃｃＦｅ層からなるナノ結晶を析出させることができ、Ｆｅ基ナノ結晶合金を得られる。Ｆｅ基ナノ結晶合金は飽和磁歪を低減でき、高い飽和磁束密度と高い透磁率を得られるため、好ましい。また、Ｆｅ基ナノ結晶合金形成の際に均質なナノ結晶組織を得るためには、合金組成物の第１結晶化開始温度Ｔ_Ｘ１と第２結晶化開始温度Ｔ_Ｘ２の差ΔＴ（＝Ｔ_Ｘ２−Ｔ_Ｘ１）が７０℃以上、２００℃以下であることが望ましい。

また、飽和磁束密度の低下や、鉄損が増加することによる軟磁気特性の劣化を防止するため、熱処理後の析出結晶における平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であることが望ましい。

また、本発明による積層磁心はトランス、チョークコイル、リアクトル、インダクタ等の磁気を用いてエネルギーに変換する機器である磁気応用製品に用いられる事が望ましい。

本発明によれば、飽和磁束密度の低下を抑制し、磁性薄帯間の収縮摩擦による内部応力を低減した、優れた軟磁気特性を有する積層磁心が得られる。

本発明による磁性薄帯と絶縁層を交互に積層した積層磁心を示した図である。 本発明による磁性薄帯と絶縁層を交互に巻回した積層磁心を示した図である。 本発明による磁性薄帯の積層体と絶縁層を交互に積層した積層磁心を示した図である。 本発明による磁性薄帯の積層体と絶縁層を交互に巻回した積層磁心を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明による磁性薄帯と絶縁層を交互に積層した積層磁心を示した図である。図１に示すように、磁性薄帯１１と絶縁層１２を交互に積層して積層磁心１０を形成している。磁性薄帯１１は、組成式Ｆｅ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｘＣ_ｙＣｕ_ｚで、７９≦ａ≦８６ａｔ％、５≦ｂ≦１３ａｔ％、０≦ｃ≦８ａｔ％、１≦ｘ≦８ａｔ％、０≦ｙ≦５ａｔ％、０．４≦ｚ≦１．４ａｔ％、及び０．０８≦ｚ／ｘ≦０．８０の合金組成物から作製される。磁性薄帯の厚さは６０μｍ以上、６００μｍ以下であり、絶縁層の厚さは５μｍ以下とする。さらに、積層磁心はナノ結晶を析出してＦｅ基ナノ結晶合金とするため（第１結晶化開始温度−５０℃）以上で熱処理を行い、その平均粒径は１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である。

（実施の形態２）
図２は本発明による磁性薄帯と絶縁層を交互に巻回した積層磁心を示した図である。図２に示すように、磁性薄帯２１と絶縁層２２を交互に重ね合わせて巻回し、積層磁心２０を形成している。磁性薄帯２１は、組成式Ｆｅ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｘＣ_ｙＣｕ_ｚで、７９≦ａ≦８６ａｔ％、５≦ｂ≦１３ａｔ％、０≦ｃ≦８ａｔ％、１≦ｘ≦８ａｔ％、０≦ｙ≦５ａｔ％、０．４≦ｚ≦１．４ａｔ％、及び０．０８≦ｚ／ｘ≦０．８０の合金組成物から作製される。磁性薄帯の厚さは６０μｍ以上、６００μｍ以下であり、絶縁層の厚さは５μｍ以下とする。さらに、積層磁心はナノ結晶を析出してＦｅ基ナノ結晶合金とするため（第１結晶化開始温度−５０℃）以上で熱処理を行い、その平均粒径は１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である。

（実施の形態３）
図３は本発明による磁性薄帯の積層体と絶縁層を交互に積層した積層磁心を示した図である。図３に示すように、磁性薄帯３１が積層された積層体３３と絶縁層３２を交互に積層して積層磁心３０を形成している。積層体３３を形成する磁性薄帯３１は、組成式Ｆｅ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｘＣ_ｙＣｕ_ｚで、７９≦ａ≦８６ａｔ％、５≦ｂ≦１３ａｔ％、０≦ｃ≦８ａｔ％、１≦ｘ≦８ａｔ％、０≦ｙ≦５ａｔ％、０．４≦ｚ≦１．４ａｔ％、及び０．０８≦ｚ／ｘ≦０．８０の合金組成物から作製される。厚さが１０μｍ以上の磁性薄帯３１を積層した積層体３３の厚さは、６０μｍ以上、６００μｍ以下であり、絶縁層３２の厚さは５μｍ以下である。さらに、積層磁心３０はナノ結晶を析出してＦｅ基ナノ結晶合金とするため（第１結晶化開始温度−５０℃）以上で熱処理を行い、その平均粒径は１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である。

（実施の形態４）
図４は本発明による磁性薄帯の積層体と絶縁層を交互に巻回した積層磁心を示した図である。図４に示すように、磁性薄帯４１が積層された積層体４３と絶縁層４２を交互に重ね合わせて巻回して積層磁心４０を形成している。積層体４３を形成する磁性薄帯４１は組成式Ｆｅ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｘＣ_ｙＣｕ_ｚで、７９≦ａ≦８６ａｔ％、５≦ｂ≦１３ａｔ％、０≦ｃ≦８ａｔ％、１≦ｘ≦８ａｔ％、０≦ｙ≦５ａｔ％、０．４≦ｚ≦１．４ａｔ％、及び０．０８≦ｚ／ｘ≦０．８０の合金組成物から作製される。厚さが１０μｍ以上の磁性薄帯４１を積層した積層体４３の厚さは、６０μｍ以上、６００μｍ以下であり、絶縁層４２は厚さ５μｍ以下である。さらに、積層磁心４０はナノ結晶を析出してＦｅ基ナノ結晶合金とするため（第１結晶化開始温度−５０℃）以上で熱処理を行い、その平均粒径は１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である。

上記の絶縁層の材質は、マグネシア、シリカ、アルミナなどの微粒子や、樹脂、絶縁シートなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

また、絶縁物の塗布方法としては、浸漬法、ロールコーター法、カーテンコート法、スプレー法、ドクターブレード法、蒸着法などがあり、乾燥方法としては、自然乾燥、赤外線加熱乾燥、温風乾燥などがあるが、これらに限定されるものではない。乾燥工程の有無、乾燥時間、乾燥温度などの条件は、絶縁物と絶縁物が分散されている溶媒、塗布膜厚などによって適宜決定すればよい。

（実施例１〜１２）
原料を表１の実施例１〜１２に示す合金組成になるように秤量して、高周波加熱装置により溶解した。溶解した合金組成物を大気中において単ロール液体急冷法により、表１の実施例１〜１２に示す薄帯１枚の厚みで、幅約１５ｍｍの連続薄帯を作製した。その後、長さを６０ｍｍ毎に切断して得た磁性薄帯を表１の実施例１〜１２に示す積層体の厚みに積層して積層体を得た。さらに、積層体を積層する毎にエタノールに分散させた直径約０．２〜１．０μｍのＭｇＯ粉末を、表１の実施例１〜１２に示す絶縁層厚みになるように塗布し、乾燥させて絶縁層を形成した。このように、積層体と絶縁層を交互に積層することによって、厚さ約２ｍｍの積層磁心を得た。その後、表１の実施例１〜１２に示す熱処理温度のアルゴンフロー中で１０分間、ナノ結晶化の熱処理を施した。熱処理後の積層磁心を組織観察した結果、平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下のナノ結晶が析出していることを確認した。

（実施例１３）
組成式Ｆｅ_８３．３Ｂ_８Ｓｉ_４Ｐ_４Ｃｕ_０．７の合金組成物を高周波加熱装置により溶解した。溶解した合金組成物を大気中において単ロール液体急冷法により、厚さ２０μｍ、幅約１５ｍｍの連続薄帯を作製した。その後、長さを６０ｍｍ毎に切断して得た磁性薄帯を厚さ２００μｍになるよう積層して積層体を得た。さらに、積層体を積層する毎にフェノール樹脂を厚さ０．３μｍになるように塗布した後、乾燥させて絶縁層を形成した。このように、積層体と絶縁層を交互に積層することによって、厚さ約２ｍｍの積層磁心を得た。その後、４５０℃のアルゴンフロー中で１０分間、ナノ結晶化の熱処理を施した。熱処理後の積層磁心を組織観察した結果、平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下のナノ結晶が析出していることを確認した。

（実施例１４）
実施例１４として、絶縁層をシリコーン樹脂とし、他は実施例１３と同様とした。熱処理後の積層磁心を組織観察した結果、平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下のナノ結晶が析出していることを確認した。

（実施例１５）
実施例１５として、絶縁層をエポキシ樹脂とし、他は実施例１３と同様とした。熱処理後の積層磁心を組織観察した結果、平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下のナノ結晶が析出していることを確認した。

（比較例１〜４）
組成式Ｆｅ_８３．３Ｂ_８Ｓｉ_４Ｐ_４Ｃｕ_０．７の合金組成物を高周波加熱装置により溶解した。溶解した合金組成物を大気中において単ロール液体急冷法により、表１の比較例１〜４に示す薄帯１枚の厚みで、幅約１５ｍｍの連続薄帯を作製した。その後、長さを６０ｍｍ毎に切断して得た薄帯を、表１の比較例１〜４に示す積層体の厚みに積層して積層体を得た。さらに、積層体を積層する毎にエタノールに分散させた直径約０．２〜１．０μｍのＭｇＯ粉末を、表１の比較例１〜４に示す絶縁層厚みになるように塗布し、乾燥させて絶縁層を形成した。このように、積層体と絶縁層が交互に積層することによって、厚さ約２ｍｍの積層磁心を得た。その後、表１の比較例１〜４に示す熱処理温度のアルゴンフロー中で１０分間、ナノ結晶化の熱処理を施した。熱処理後の積層磁心を組織観察した結果、平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下のナノ結晶が析出していることを確認した。

（比較例５）
比較例５として、絶縁層を形成せず、他は比較例１〜４と同様とした。熱処理後の積層磁心を組織観察した結果、平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下のナノ結晶が析出していることを確認した。

（比較例６）
比較例６として、磁性薄帯として電磁鋼板を使用し、他は比較例１〜４と同様とした。

実施例１〜１５、比較例１〜６で得られた積層磁心について、交流ＢＨトレーサーを用い、５０Ｈｚの周波数にて鉄損Ｐｃｍを測定した結果を表１に示した。

（実施例１６）
組成式Ｆｅ_８３．３Ｂ_８Ｓｉ_４Ｐ_４Ｃｕ_０．７の合金組成物を高周波加熱装置により溶解した。溶解した合金組成物を大気中において単ロール液体急冷法により、厚さ２０μｍ、幅約１５ｍｍ、長さ約３０ｍの連続薄帯を作製した。得られた連続薄帯を長さ２ｍに切断して、磁性薄帯を５本得た。５本のうち１本に、エタノールに分散させた直径約０．２〜１．０μｍのＭｇＯ粉末を、厚さ２μｍになるように塗布した後、乾燥させて絶縁層を形成した。絶縁層を形成した磁性薄帯と、絶縁層が未形成の他の４本と重ね合わせて巻回し、内径１５ｍｍ、外形２０ｍｍの積層磁心を得た。その後、４５０℃のアルゴンフロー中で１０分間、ナノ結晶化の熱処理を施した。

（比較例７）
比較例７として、絶縁層を形成せず、他は実施例１６と同様とした。

実施例１６、比較例７で得られた積層磁心について、交流ＢＨトレーサーを用い、５０Ｈｚの周波数にて鉄損Ｐｃｍを測定した結果を表２に示した。

表１、表２から明らかなように、実施例１〜１６の積層磁心は最大磁束密度Ｂｍが１．５Ｔにて励磁可能であり、比較例１〜７に比べて低い鉄損特性を得る事ができている。一方、比較例１は積層体の厚さが２０μｍと薄いため、積層体の間に塗布された絶縁層の影響により、占積率が向上せず、著しく鉄損が増加している。

比較例２は絶縁層厚さが７μｍと厚いため、占積率が低下し、励磁できなかった。比較例４は積層体の厚みがあることで占積率は高いが、磁性薄帯の収縮によって生じる内部応力により鉄損が増加し、軟磁気特性が劣化している。また、比較例５、７は絶縁層が形成されていないため、磁性薄帯の収縮によって生じる内部応力により鉄損が増加し、軟磁気特性が劣化していることがわかる。

また、本発明の合金組成物において、Ｆｅ元素は磁性を担う元素であり、飽和磁束密度の向上のため、Ｆｅの割合が多いことが望ましく、８２ａｔ％以上がより望ましい。

以上のことより、飽和磁束密度の低下を抑制し、磁性薄帯間の収縮摩擦による内部応力を低減した、優れた軟磁気特性を有する積層磁心が得られる。

１０、２０、３０、４０ 積層磁心
１１、２１、３１、４１ 磁性薄帯
１２、２２、３２、４２ 絶縁層
３３、４３ 積層体

Claims (5)

1. 厚さ６０μｍ以上、６００μｍ以下の磁性体からなる磁性薄帯と厚さ５μｍ以下（０を含まず）の絶縁層が交互に積層された積層磁心であって、前記磁性体は組成式Ｆｅ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｘＣ_ｙＣｕ_ｚの合金組成物からなり、７９≦ａ≦８６ａｔ％、５≦ｂ≦１３ａｔ％、０≦ｃ≦８ａｔ％、１≦ｘ≦８ａｔ％、０≦ｙ≦５ａｔ％、０．４≦ｚ≦１．４ａｔ％、及び０．０８≦ｚ／ｘ≦０．８０であり、前記積層磁心に占める前記磁性体の占積率が８５％以上であることを特徴とする積層磁心。
2. 前記磁性薄帯は、前記磁性体からなる磁性薄帯が積層された積層体であることを特徴とする請求項１に記載の積層磁心。
3. 前記合金組成物であって、Ｆｅの３ａｔ％以下を、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｎ、Ｏ及び希土類元素のうち、１種類以上の元素で置換してなる合金組成物からなることを特徴とする請求項１または２に記載の積層磁心。
4. 前記合金組成物は、（第１結晶化開始温度−５０℃）で熱処理が行われており、平均粒径が１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である、Ｆｅ基ナノ結晶合金であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の積層磁心。
5. トランス、チョークコイル、リアクトル、インダクタ等の磁気を用いてエネルギーに変換する機器に用いられる事を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の積層磁心。

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