JP2020113647A

JP2020113647A - 積層鉄心

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Publication number: JP2020113647A
Application number: JP2019003683A
Authority: JP
Inventors: 安雄下邊; Yasuo Shimobe
Original assignee: Yoshikawa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Yoshikawa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2020-07-27
Anticipated expiration: 2039-01-11
Also published as: EP3910652A4; TW202027104A; WO2020144877A1; CN113039620A; US20220130606A1; EP3910652A1; TWI703590B; JP6589172B1

Abstract

【課題】鋼板間の距離（接着剤層の厚さ）を小さくしても、鋼板間の接合不良が生じにくい積層鉄心を提供する。【解決手段】接着剤層１０を介して複数枚の鋼板６０を積層してなる積層鉄心である。接着剤層は、エポキシ樹脂、アミノトリアジンノボラック型フェノール樹脂、アクリル酸エステル系ポリマー及び平均粒子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、最大粒子径が１μｍ以下である無機粒子を含む熱硬化性樹脂組成物からなる。接着剤層中の無機粒子の体積含有率は５ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％以下であり、接着剤層の、ナノインデンテーション法による２５℃でのヤング率は２ＧＰａ以上６ＧＰａ以下であり、鋼板間の距離は０．５μｍ以上５μｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、モータやトランスなどに用いられる積層鉄心に関する。

積層鉄心は一般的に、上金型と下金型との間を間欠的に移送される帯状鋼板から順次、鉄心片を打ち抜いて積層し接合することで製造される。各鉄心片を接合する方法としては、かしめ、レーザー溶接、接着剤による接合などが知られているが、フィルム（膜）状の接着剤による接合方法の具体例が、例えば特許文献１に開示されている。また、特許文献２には、フィルム（膜）状の接着剤として、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）エポキシ樹脂用硬化剤、及び（Ｃ）ゴム成分を含み、かつ前記（Ｃ）ゴム成分を固形分中に４０質量％以上含む熱硬化性樹脂組成物が開示されている。

このように、接着剤層を介して複数枚の鋼板を積層してなる積層鉄心において、その磁気特性を向上する点からは、鋼板間の距離、すなわち接着剤層の厚さを小さくすることが望まれるが、接着剤層の厚さを小さくすると、接着強度が不足したりヤング率が高くなったりするなどして、鋼板間の接合不良が生じやすくなるという問題があった。

特開２００５−１９１０３３号公報特許第６１３４４９７号公報

本発明が解決しようとする課題は、鋼板間の距離（接着剤層の厚さ）を小さくしても、鋼板間の接合不良が生じにくい積層鉄心を提供することにある。

この課題を解決するために本発明者らは、接着剤層の組成、物性等に着目して検討を重ね、本発明に想到するに至った。

すなわち、本発明の一観点によれば、次の積層鉄心が提供される。
接着剤層を介して複数枚の鋼板を積層してなる積層鉄心であって、
前記接着剤層は、エポキシ樹脂、アミノトリアジンノボラック型フェノール樹脂、アクリル酸エステル系ポリマー、及び平均粒子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、最大粒子径が１μｍ以下である無機粒子を含む熱硬化性樹脂組成物からなり、
前記接着剤層中の前記無機粒子の体積含有率が５ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％以下であり、
前記接着剤層の、ナノインデンテーション法による２５℃でのヤング率が２ＧＰａ以上６ＧＰａ以下であり、
鋼板間の距離が０．５μｍ以上５μｍ以下である、積層鉄心。

本発明によれば、接着剤層の組成、物性等を前記のように特定したことで、鋼板間の距離（接着剤層の厚さ）を０．５μｍ以上５μｍ以下と小さくしても、鋼板間の接合不良が生じにくい積層鉄心を得ることができる。

本発明の積層鉄心を製造するためのプロセスの一例を示す概念図。

本発明の積層鉄心は、接着剤層を介して複数枚の鋼板を積層してなるもので、特に、その接着剤層の組成、物性等に特徴がある。
すなわち、本発明の積層鉄心において接着剤層は、エポキシ樹脂、アミノトリアジンノボラック型フェノール樹脂、アクリル酸エステル系ポリマー、及び平均粒子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、最大粒子径が１μｍ以下である無機粒子を含む熱硬化性樹脂組成物からなる。また、この接着剤層中の無機粒子の体積含有率は５ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％以下である。更に、この接着剤層の、ナノインデンテーション法による２５℃でのヤング率は２ＧＰａ以上６ＧＰａ以下である。

エポキシ樹脂は、熱硬化性樹脂組成物としての基本的な成分であり、熱硬化性樹脂組成物固形分中に２０質量％以上４０質量％以下の比率で含有すことが好ましい。
ここで、エポキシ樹脂は、グリシジル基を分子内に１つ以上有する化合物であり、加熱によりグリシジル基が反応することで３次元的網目構造を形成し、硬化する樹脂である。グリシジル基は１分子に２つ以上含まれていることが好ましい。グリシジル基を１分子に２つ以上含む化合物を用いることにより、硬化反応が十分に進行し、好適な硬化物物性が得られるためである。グリシジル基を１分子に２つ以上含む化合物としては、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、ビフェノールなどのビスフェノール化合物又はこれらの誘導体、水素添加ビスフェノールＡ、水素添加ビスフェノールＦ、水素添加ビフェノール、シクロヘキサンジオール、シクロヘキサンジメタノール、シクロヘキサンジエタノールなどの脂環構造を有するジオール又はこれらの誘導体、ブタンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、ノナンジオール、デカンジオールなどの脂肪族ジオール又はこれらの誘導体などをエポキシ化した２官能のもの、トリヒドロキシフェニルメタン骨格、アミノフェノール骨格を有する３官能のもの、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂などをエポキシ化した多官能のものなどが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。また樹脂組成物として室温で液状であることが作業性において好ましいので、単独で又は混合物として室温で液状のものが好ましい。通常行われるように反応性の希釈剤を使用することも可能である。反応性希釈剤としては、フェニルグリシジルエーテル、クレジルグリシジルエーテルなどの１官能の芳香族グリシジルエーテル類、脂肪族グリシジルエーテル類などが挙げられる。

アミノトリアジンノボラック型フェノール樹脂は、エポキシ樹脂の硬化剤として含有するが、アミノトリアジンの化学構造を有することから、金属（鋼板）との密着性が良好であるという特徴を有する。すなわち、鋼板間の距離（接着剤層の厚さ）を小さくすると、前述のとおり接着強度（密着性）が低下する傾向となるが、その改善のためにアミノトリアジンノボラック型フェノール樹脂を含有する。その含有率は、熱硬化性樹脂組成物固形分中、５質量％以上３０質量％以下であることが好ましい。

アクリル酸エステル系ポリマーは、エラストマー成分として、接着剤層のヤング率を調整するために含有する。その含有率は、熱硬化性樹脂組成物固形分中、５質量％以上３５質量％以下であることが好ましい。
ここで、アクリル系エラストマーは、１種又は２種以上のアクリル系モノマーをモノマー成分として用いたアクリル系重合体である。アクリル系モノマーとしては、直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基を有する（メタ）アクリル酸アルキルエステルが好ましく、例えば（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸プロピル、（メタ）アクリル酸ブチル、（メタ）アクリル酸ヘキシルが挙げられる。
また、アクリル系エラストマーが共重合体である場合、（メタ）アクリル酸アルキルエステルと共重合可能な単量体成分がモノマー成分として用いられていてもよい。このような単量体成分としては、官能基含有モノマーが好ましく用いられ、例えばメタクリル酸、若しくはアクリル酸等のカルボキシル含有モノマー、又はアクリルニトリル等のシアノ基含有モノマーが挙げられる。

無機粒子は、接着剤層の熱膨張率を鋼板に近づけるために含有する。接着剤層中の無機粒子の体積含有率は５ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％以下とする。無機粒子の体積含有率が５ｖｏｌ％未満では、熱膨張率を鋼板に近づける効果が得られず、また、接着強度及びヤング率が低下して鋼板間の接合不良が生じやすくなる。一方、無機粒子の体積含有率が３０ｖｏｌ％を超えると、接着剤層のヤング率が高くなりすぎて、接着剤層と鋼板との間に応力がたまり、剥離しやすくなる。なお、無機粒子の熱硬化性樹脂組成物固形分中の含有率は９質量％以上４５質量％以下であることが好ましい。
一方、無機粒子の粒度構成は、鋼板間の距離（接着剤層の厚さ）を０．５μｍ以上５μｍ以下と小さくするために、平均粒子径は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、最大粒子径は１μｍ以下とする。
なお、接着剤層中の無機粒子の体積含有率及び粒度構成は、積層鉄心（接着剤層）の断面のＳＥＭ観察画像を画像処理することで測定することができる。

本発明で用いられる平均粒子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、最大粒子径が１μｍ以下である無機粒子とは、無機材料でかつ平均粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、最大粒子径が１μｍ以下の範囲のものであれば、特に制限されるものではないが、分散性の点で、有機溶媒に分散されたコロイダルシリカ（シリカゾル）を用いることが好ましい。有機溶媒に分散されたコロイダルシリカ（シリカゾル）を用いる場合の有機溶媒としては、複合体組成物中に使用する有機成分が溶解するものを用いることが好ましく、例えば、アルコール類、ケトン類、エステル類、グリコールエーテル類が挙げられる。脱溶媒のしやすさから、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール、ｎ−プロピルアルコール等のアルコール系、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系の有機溶媒に分散されたコロイダルシリカ、シリカゾル、シリカ微粒子を用いることが好ましい。これらの有機溶媒に分散されたコロイダルシリカ（シリカゾル）、シリカ微粒子は、モータコアやトランスなどに要求される、作業性、鋼板間の距離、ヤング率、引張りせん断接着強度等の特性を極端に損なうことのない範囲で、シランカップリング剤、チタネート系カップリング剤等のカップリング剤で表面処理されたものであってもよく、有機溶媒に分散させるために、界面活性剤等の分散剤を使用しているものであってもよい。

本発明の積層鉄心において、接着剤層の、ナノインデンテーション法による２５℃でのヤング率は２ＧＰａ以上６ＧＰａ以下である。ヤング率が２ＧＰａ未満では接着剤層の凝集力が低くなり、接着強度が低下する。一方、ヤング率が６ＧＰａを超えると、接着剤層と鋼板との間に応力がたまり、剥離しやすくなる。接着剤層のヤング率は、２．５ＧＰａ以上５ＧＰａ以下であることが好ましく、３ＧＰａ以上４ＧＰａ以下であることがより好ましい。
接着剤層のヤング率を２ＧＰａ以上６ＧＰａ以下とするには、熱硬化性樹脂組成物固形分中の、エポキシ樹脂、アミノトリアジンノボラック型フェノール樹脂、アクリル酸エステル系ポリマー及び無機粒子の各含有率を、例えば前述の好ましい範囲内で適宜調整すればよい。
なお、ナノインデンテーション法によるヤング率の測定は、国際規格ＩＳＯ１４５７７として標準化されている。

また、本発明の積層鉄心において、鋼板間の距離（接着剤層の厚さ）は０．５μｍ以上５μｍ以下である。鋼板間の距離（接着剤層の厚さ）が５μｍを超えると、鋼板の占積率が低くなり、磁気特性が低下する。一方、鋼板間の距離（接着剤層の厚さ）が０．５μｍ未満では接着強度が低くなり、商業的にも生産が困難である。鋼板間の距離（接着剤層の厚さ）は０．８μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。
なお、鋼板間の距離（接着剤層の厚さ）は、（積層鉄心の全厚−積層鉄心中の鋼板の合計厚）／（接着剤層の層数）で求めることができるほか、積層鉄心（接着剤層）の断面をＳＥＭ観察することによっても求めることができる。
鋼板の種類は、電磁鋼板が代表的であるが、これには限定されず例えばアモルファス合金薄板を使用することもできる、鋼板の厚みは、電磁鋼板の場合は２００〜３００μｍ程度が一般的であるが、これには限定されず、アモルファス合金薄板の場合も含めると、例えば１５〜５００μｍ程度である。

図１に、本発明の積層鉄心を製造するためのプロセスの一例を概念的に示している。
図１に示すように、前述の熱硬化性樹脂組成物からなる接着剤１０を基板となる第１の離型フィルム２０上に塗布し、この接着剤１０の表面（接着面）を第２の離型フィルム２１で覆いコイル状とした接着剤コイル２２と、帯状鋼板３０をコイル状とした鋼板コイル３１とを準備しておく。そして、転写ロール部４０にて、帯状鋼板３０の下面に接着剤１０の接着面を加熱しながら転写する。なお、接着剤１０の接着面を覆っている第２の離型フィルム２１は転写前に剥離する。また、第１の離型フィルム２０は転写後に剥離する。

次に、下面に接着剤１０を有する帯状鋼板３０を、金型５０内の上金型５１と下金型５２との間を間欠的に移送し、帯状鋼板３０から順次、鉄心片（鋼板）６０を打ち抜いて複数枚積層する。続いて、鉄心片（鋼板）６０の積層体を下金型５２に接続した加熱用筒５３内を通過させることで接着剤１０を仮硬化させる。その後、図示しない加熱炉にて接着剤１０を本硬化させる。これにより、接着剤層を介して複数枚の鋼板が積層された積層鉄心が得られる。

表１に示す熱硬化性樹脂組成物の各成分をシクロヘキサノンなどの溶剤に固形分が３０質量％となるように溶解して樹脂組成物ワニスを得た。この樹脂組成物ワニスを、第１の離型フィルムとしての離型処理したＰＥＴフィルム（厚み５０μｍ）の片面に、樹脂組成物の厚みが乾燥後、以下の狙い厚みとなるようにコンマロールコーターで塗工後、１００℃で１０分間の乾燥処理を行い乾燥させ、その表面（接着面）を第２の離型フィルムとしての離型処理したＰＥＴフィルム（厚み５０μｍ）でラミネートし、図１に示すような接着剤コイル２２を得た。
乾燥後の狙い厚み：
実施例１−３，５，７〜１０、比較例１，２，５〜９は２μｍ
実施例４は０．５μｍ
実施例６は５μｍ
比較例３は０．２μｍ
比較例４は１０μｍ

各例の接着剤コイル２２を使用し、図１に示すプロセスにより積層鉄心を製造した。具体的には、帯状鋼板３０として電磁鋼板（厚み２５０μｍ）を使用し、転写ロール部４０にて帯状鋼板３０の下面に各例の接着剤１０の接着面を７０〜８０℃に加熱しながら転写した。続いて、金型５０内で、外径２００ｍｍ、内径４０ｍｍの鉄心片（鋼板）６０を打ち抜くと同時に２枚を積層し、７０〜８０℃に加熱された加熱用筒５３内を通過させることで接着剤１０を仮硬化させた。その後、１５０℃に加熱された加熱オーブン内で接着剤１０を本硬化させ、積層鉄心を得た。

このようなプロセスにより積層鉄心を製造する際に、以下の作業性評価を行った。
＜作業性評価（接着剤剥離、割れ）＞
第１の離型フィルムとしてのＰＥＴフィルムを剥離する際に、接着剤が鋼板から剥離せず、割れも生じなかったものを良好（○）、接着剤が鋼板から剥離したり、割れが生じたものを不良（×）とした。
＜作業性評価（打抜きカス詰まり）＞
金型５０内で連続的に打ち抜いた際に、詰まりが発生しなかったものを良好（○）、詰まりが発生したものを不良（×）とした。

また、得られた積層鉄心について、接着剤層中の無機粒子の体積含有率、鋼板間の距離、及び接着剤層のヤング率を、それぞれ以下の要領で測定した。
＜無機粒子の体積含有率＞、
積層鉄心（接着剤層）の断面のＳＥＭ観察画像を画像処理することで測定した。
＜鋼板間の距離＞
（積層鉄心の全厚（実測値）−積層鉄心中の鋼板の合計厚（計算値：２５０×２＝５００μｍ）／（接着剤層の層数（１））で求めた。
＜ヤング率＞
積層鉄心の鋼板どうしを引きはがし、鋼板に貼り付いている接着剤層について、ナノインデンテーション法（国際規格ＩＳＯ１４５７７に準拠）にて測定した。測定装置、測定条件等は次のとおり。
測定装置：株式会社エリオニクス製のＥＮＴ−１１００ａ
測定温度：２５℃
圧子形状：バーコビッチ
荷重：０．９８ｍＮ
負荷時間：１００００ｍｓｅｃ
解析条件
試験片ポアソン比：０．１７
圧子ポアソン比：０．０７
圧子ヤング率：１１４００００Ｎ／ｍｍ^２

更に、各例の熱硬化性樹脂組成物から得られた接着剤について、以下の要領で引張りせん断接着強度を測定した。
幅２５ｍｍ、長さ１００ｍｍに切断した電磁鋼板（厚み２５０μｍ）の片面に、幅２５ｍｍ、長さ２０ｍｍの接着剤付ＰＥＴフィルムを８０℃の温度をかけながらラミネートした。ＰＥＴフィルムをはがしたのち、接着剤部分にもう一枚の電磁鋼板を貼り付けた。クリップ等ではさみながら、１５０℃の加熱オーブン内で接着剤を本硬化させて試験片を得た。その試験片について、材料強度評価試験機を用いて引張りせん断接着強度を測定した。試験機、測定条件等は次のとおり。
試験機：株式会社島津製作所製のＡＧ−１００ｋＮ
測定温度：２５℃，１５０℃（２５℃は室温、１５０℃は使用時の温度を想定）
引張り速度：１０ｃｍ／ｍｉｎ
サンプル数：各温度でＮ＝３ずつ
なお、この引張りせん断接着強度の目標値は、試験片に使用した電磁鋼板（厚み２５０μｍ）１枚の降伏応力値を接着面積相当（２５ｍｍ×２０ｍｍ）で割った値、具体的には２５℃では８ＭＰａ、１５０℃では５ＭＰａとした。

以上の評価及び測定の結果を表１に示す。また、表１に示す熱硬化性樹脂組成物の各成分の品番及びメーカーを表２に示す。

表１中、実施例１〜１０は本発明の範囲内にあるもので、いずれも作業性評価は良好であり、引張りせん断接着強度も目標値以上であった。

一方、比較例１は接着剤層中の無機粒子の体積含有率が低すぎる例で、接着剤層のヤング率が低下し、引張りせん断接着強度も低下した。
比較例２は接着剤層中の無機粒子の体積含有率が高すぎる例で、接着剤層のヤング率が高くなりすぎて、作業性評価が不良となった。

比較例３は鋼板間の距離が小さすぎる例で、使用時を想定した１５０℃での引張りせん断接着強度が低下した。
比較例４は鋼板間の距離が大きすぎる例で、接着剤層の厚みが大きくなりすぎて、打抜き時に接着剤層による詰まりが発生した。また、鋼板の占積率が低くなるため、当然、磁気特性は低下する。
比較例５は平均粒子径及び最大粒子径が大きすぎる無機粒子を使用した例で、接着剤層の狙い厚みは前述のとおり２μｍであったにもかかわらず、実際の接着剤層の厚み、すなわち鋼板間の距離は１７．２μｍになった。このため、比較例４と同様に打抜き時に接着剤層による詰まりが発生した。また、鋼板の占積率が低くなるため、当然、磁気特性は低下する。

比較例６は、エラストマー成分であるアクリル酸エステル系ポリマーの配合量を少なくした結果、接着剤層のヤング率が高くなった例で、比較例２と同様に作業性評価が不良となった。
比較例７は、エラストマー成分であるアクリル酸エステル系ポリマーの配合量を多くした結果、接着剤層のヤング率が低くなった例で、比較例１と同様に使用時を想定した１５０℃での引張りせん断接着強度が低下した。

比較例８は、エポキシ樹脂の硬化剤として、アミノトリアジンノボラック型フェノール樹脂ではないノボラック型フェノール樹脂を使用した例で、使用時を想定した１５０℃での引張りせん断接着強度が低下した。

１０接着剤（接着剤層）
２０第１の離型フィルム
２１第２の離型フィルム
２２接着剤コイル
３０帯状鋼板
３１鋼板コイル
４０転写ロール部
５０金型
５１上金型
５２下金型
５３加熱用筒
６０鉄心片（鋼板）

Claims

接着剤層を介して複数枚の鋼板を積層してなる積層鉄心であって、
前記接着剤層は、エポキシ樹脂、アミノトリアジンノボラック型フェノール樹脂、アクリル酸エステル系ポリマー、及び平均粒子径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、最大粒子径が１μｍ以下である無機粒子を含む熱硬化性樹脂組成物からなり、
前記接着剤層中の前記無機粒子の体積含有率が５ｖｏｌ％以上３０ｖｏｌ％以下であり、
前記接着剤層の、ナノインデンテーション法による２５℃でのヤング率が２ＧＰａ以上６ＧＰａ以下であり、
鋼板間の距離が０．５μｍ以上５μｍ以下である、積層鉄心。