JP2909349B2 - 絶縁膜が形成されたナノ結晶軟磁性合金薄帯および磁心ならびにパルス発生装置、レーザ装置、加速器 - Google Patents

絶縁膜が形成されたナノ結晶軟磁性合金薄帯および磁心ならびにパルス発生装置、レーザ装置、加速器

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JP2909349B2 JP5119548A JP11954893A JP2909349B2 JP 2909349 B2 JP2909349 B2 JP 2909349B2 JP 5119548 A JP5119548 A JP 5119548A JP 11954893 A JP11954893 A JP 11954893A JP 2909349 B2 JP2909349 B2 JP 2909349B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はエキシマレーザ、TEA
(Transversely Excited Atmospheric)-CO2レーサ゛、TEMA(T
ransversely Excited Multi-Atmospheric)-CO2レーザあ
るいは銅蒸気レーザを始めとするレーザ装置などに用い
られる高電圧パルス発生装置に使用される可飽和リアク
トル、可飽和トランス、トランスあるいは中性粒子ビー
ム入射装置に用いられるサージブロッカーなどのサージ
吸収用素子のように磁化速度△B/τが0.1〜100
T/μs程度で動作される磁性部品に使用される軟磁性
合金薄帯およびこれを用いた磁心ならびにこの磁心を用
いたパルス発生装置、レーザ装置、加速器に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】エキシマレーザ、TEA−CO2レー
ザ、TEMA−CO2レーザあるいは銅蒸気レーザなど
のレーザ装置あるいは線形誘導加速器などの加速器で
は、一般に、コンデンサに蓄積されたエネルギ−をサイ
ラトロン等の放電管スイッチ素子やサイリスタなどの半
導体スイッチ素子を用いて放電させる高繰り返し高電圧
パルス発生装置が用いられている。
【0003】この高電圧パルス発生装置の大出力化、高
繰り返し化、高効率化および高信頼性化を図るには、前
記スイッチ素子の低損失化を図ることが重要であり、畑
中、河原、緑川、田代、小原、“全固体素子を用いた1
kW TEA CO2レーザー”レーザー科学研究、No.1
3、p.49〜50(1991年)、出口、竹田、畠山、木島、藤
原、井澤、村田、山中、“全固体化電源を用いた100
W級銅蒸気レーザの開発”電気学会論文誌C、第111
巻 8号、p.307〜315(1991年)、栗原、佐藤、柴田、重
田、升方、八井、“エキシマレーザ励起用可飽和トラン
ス付磁気パルス圧縮回路の開発(2)”電気学会プラズ
マ研究会資料、EP-91-37、p.109〜117(1991年)、野末、
溝口、天田、“エキシマレーザリソグラフィー 1.エ
キシマレーザー”、No.114、O pulus E、p.89〜93(1991
年)またはDaniel L. Birx、"INDUCTION LINACAS RADIATI
ON PROCESSORS",Lawrence Livermore National Laborat
oryReport, UCID-20785(1986年)などに記載されている
ように昇圧トランス、可飽和トランスあるいは可飽和リ
アクトルなどの磁性部品が用いられる。
【0004】また、前記線形誘導加速器では、例えばD.
Birx, L. Reginato, D. Rogers, D.Trimble, "Inducti
on Linear Acclerator Tecnology for SDIO Applicatio
ns",Lawrence Livermore National Laboratory Report,
UCRL PREPRINT 95317 (1986年)などに記載されるよう
に電子ビームなどの荷電粒子ビームの発生あるいは加速
に磁心を利用した加速空洞が用いられる。
【0005】さらに、特開平3−48405に記載され
る中性粒子入射装置(Neutral BeamInjector)などのイオ
ン源では、例えば中島、平尾、渡辺、水野、“鉄基超微
結晶質合金を用いたサージブロッカー磁心の検討”、平
成3年電気学会全国大会 14-58〜59 (1991年)などに記
載されるようにサージブロッカーと呼ばれるサージ抑制
用の磁性部品が用いられる。
【0006】これらの用途で用いられる磁性部品は一般
に磁心の小型化と低損失化が重要である。損失による磁
心の温度上昇を無視すれば、例えば、中島、香川、平
尾、渡部、“鉄基超微結晶質合金を用いた磁気スイッチ
磁心の動特性評価”、電気学会プラズマ研究会資料、EP
-91-13、p.1〜10(1991年)などに記載されるように、磁
心体積と損失は占積率Kと動作磁束密度量△Bの積で定
義される実効動作磁束密度量K・△Bの2乗に反比例す
ることが知られている。リセットエネルギーの大きさを
大とすれば△Bはおよそ実効飽和磁束密度Bmsの2倍と
なる。このため実効飽和磁束密度Bmsの高いFe基軟磁性
合金を用いた磁心を使用するのが好ましい。
【0007】しかし、これらの用途では磁化速度△B/
τが0.1〜100T/μsにも達するためFe基軟磁性
合金のように電気抵抗率の低い材料を用いた場合渦電流
損失による磁心の温度上昇を無視することができない。
このため、例えば特開平1−98206などに記載され
るように損失にともなう磁心の温度上昇を絶縁油や絶縁
性ガスを用いて磁心の温度上昇を実用上支障のない程度
に抑えることが行われているが、磁心の渦電流損失が大
きすぎる場合には磁心の温度上昇を十分抑えることがで
きなくなるとともに、この磁心が用いられている装置の
効率が著しく低下してしまう問題がある。
【0008】軟磁性合金を用い渦電流損失の小さな磁心
を得るためには、軟磁性合金を薄帯とし巻磁心あるいは
積層磁心として構成する方法と軟磁性合金を粉体とし圧
粉磁心として構成する方法がある。しかし、軟磁性合金
粉体を用い圧粉磁心として構成した場合、一般にその比
透磁率は数百程度以下になってしまうため、本用途では
軟磁性合金薄帯を用いた磁心が主に用いられる。
【0009】軟磁性合金薄帯を用いた磁心の渦電流損失
を小さくするには、その表面に絶縁膜を形成した板厚が
薄く抵抗率の高い軟磁性合金薄帯を用いて磁心を構成す
る必要があることが知られている。
【0010】このため、Carl H. Smith、 David M. Nath
asingh、 "MAGNETIC PROPERTIES OFMETALLIC GLASSES UN
DER FAST PULSE EXCITATION"、 IEEE Confarence Record
16th Power Modulator Symposium, Arlington, Virgini
a, p.240〜244(1984年)、特開昭60−30103ある
いは Carl H. Smith、 "IMPROVED AMORPHOUS METAL MATE
RIALS FOR MAGNETIC PULSE COMPRESSION"、 Sandia Nati
onal Laboratories Report、 SAND89-7095(1989年)など
に記載されように熱処理したFe基非晶質軟磁性合金薄帯
とポリエチレンテレフタレートフィルムなどの絶縁体フ
ィルムを同時に巻回した巻磁心、Fe基非晶質軟磁性合金
薄帯とポリイミドフィルムを同時に巻回し巻磁心を構成
した後に熱処理した巻磁心、熱処理したFe基非晶質軟磁
性合金にポリイミドの絶縁膜を形成した後巻回して構成
した巻磁心あるいは Fe基非晶質軟磁性合金薄帯の表面
にSiO、SiO2ありはMgOなどのセラミック絶縁膜を形成し
て構成した巻磁心が用いられていた。
【0011】しかし、Fe基非晶質軟磁性合金薄帯の飽和
磁歪定数は20×10-6程度以上と大きいためMgOまた
はコロイダルシリカの絶縁膜を0.3μm程度塗布した
場合、あるいは蒸着法によるSiO絶縁膜を0.2μm形成
した場合を除き、絶縁体フィルムとともに巻き込んだ
り、絶縁膜を表面に形成したときに同Fe基非晶質軟磁性
合金薄帯に加えられる応力歪の影響でFe基非晶質軟磁性
合金薄帯そのものの持つ直流磁気特性における実効飽和
磁束密度Bmsあるいは実効飽和残留磁束密度Brmsが低
下してしまう問題があった。
【0012】一方、前記MgOまたはコロイダルシリカの
絶縁膜を0.3μm程度塗布したFe基非晶質軟磁性合金
薄帯あるいは蒸着法によるSiO絶縁膜を0.2μm程度形
成したFe基非晶質軟磁性合金薄帯は、磁化速度△B/τ
が0.1〜100T/μs程度の動作条件ではその絶縁
特性が十分でないことが知られている。
【0013】前記MgOまたはコロイダルシリカの絶縁膜
を0.3μm程度塗布したFe基非晶質軟磁性合金薄帯の
絶縁特性を向上させるため絶縁膜の厚みを厚くするとFe
基非晶質軟磁性合金薄帯と同絶縁膜の結合強度が弱くて
実用上支障をきたす問題があり、蒸着法によるSiO絶縁
膜を0.2μm形成したFe基非晶質軟磁性合金薄帯の場
合には絶縁特性を向上させるため絶縁膜の厚みを厚くす
るのは生産効率の点から問題があった。これに対し特開
昭63−302504号あるいは特開平3−20444
号に記載されるようなナノ結晶軟磁性合金薄帯の飽和磁
歪定数の絶対値はFe基非晶質軟磁性合金薄帯の飽和磁歪
定数の絶対値に比べて1桁以上小さい。このため特開平
2−297903号に記載されるようなシラノールオリ
ゴマーとセラミック微粒子の混合物からなる膜を加熱し
前記シラノールオリゴマーを架橋させたセラミック絶縁
膜を形成して層間絶縁したナノ結晶軟磁性合金磁心は、
例えば、中島、香川、平尾、渡部、“鉄基超微結晶質合
金を用いた磁気スイッチ磁心の動特性評価”、電気学会
プラズマ研究会資料、EP-91-13、p.1〜10(1991年) ある
いは中島、荒川、山下、志甫、“線形誘導加速器用鉄基
超微結晶軟磁性合金「ファインメット」磁心”、2nd TO
PICAL MEETING ON FEL AND HIGH POWER RADIATION、p.1
36〜151(1992年) などに示されるように、その直流磁気
特性がナノ結晶軟磁性合金薄帯そのものの持つ直流磁気
特性とほとんど同一で、磁化速度△B/τが数十T/μ
s程度以上で動作させたときの磁心損失も前記特開昭6
0−30103号に記載される手法で製作したFe基非晶
質軟磁性合金薄帯を用いた巻磁心より大幅に少ないこと
が知られている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】しかるに前記特開平2
−297903号に記載される従来技術によるナノ結晶
軟磁性合金薄帯を用いセラッミク絶縁膜による層間絶縁
を行った巻磁心では以下のような問題がある。
【0015】レーザ装置、加速器あるいはサージブロッ
カーで使用される磁心は通常0.1〜100T/μs程
度の磁化速度△B/τで動作する。幅Wが25mm、質
量測定法による板厚tが20μmの軟磁性合金薄帯を用
い巻磁心を構成し、この巻磁心の動作磁束密度量△Bが
2.5T、磁化速度△B/τが50T/μs一定で動作
させたとき、巻磁心を構成する軟磁性合金薄帯の各層に
均一に電圧が誘起すると仮定すれば、この巻磁心の層間
に誘起する層間電圧の波高値Vpは(1)式から25V
/層となる。
【0016】Vp≧(W・t・△B)/τ (1)
【0017】前記特開昭63−302504号あるいは
特開平3−20444号に記載されるようなナノ結晶軟
磁性合金薄帯を用いて構成した前記特開平2−2979
03号に記載される巻磁心に用いられているナノ結晶軟
磁性合金薄帯は、一般に片ロ−ル法と呼ばれる超急冷法
で製造される非晶質軟磁性合金薄帯に絶縁膜を形成した
後、前記非晶質軟磁性合金薄帯をその結晶化温度以上に
熱処理することによって得られる。
【0018】前記片ロ−ル法によって製造される非晶質
軟磁性合金薄帯表面のJIS BO601による十点平
均粗さRzは一般に3μm程度あるため、この表面粗さ
の影響で絶縁膜の絶縁破壊電圧は低下する。このため絶
縁膜はこの面粗さの影響による絶縁耐圧の低下も考慮し
て前記(1)式で定められる値を満足するように選定し
なくてはならない。さらに、JIS C 2110などで
定められる通常の絶縁耐圧試験の場合と異なり、実際の
巻磁心の磁束密度が大振幅動作したときに磁性薄帯幅方
向の両端のエッジ部に生ずる電界強度は中央部の電界強
度よりも大きくなるためこの点に関する考慮もしなくて
はならない。
【0019】このため前記SiO2の絶縁膜を形成したナノ
結晶質軟磁性合金薄帯を巻回してトロイダル形状の巻磁
心を構成し、その磁路方向に800A/mの直流磁界を
加えながら前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯の結晶化温度以
上で熱処理して構成した巻磁心を繰り返し周波数500
Hz、動作磁束密度量△Bが2.5T、磁化速度△B/
τが50T/μs(層間電圧25Vに相当)で動作させ
る耐久性試験を行うと、その層間絶縁耐圧が十分でない
ため高々105ショット程度のパルス電圧を加えただけ
でその磁心損失が急激に増加してしまう問題があった。
【0020】一般に、パルス発生装置、レーザ装置ある
いは加速器で信頼性の高いシステムを実現するためには
最も厳しい場合、磁化速度△B/τが50T/μsで少
なくとも106ショット以上、さらに望ましくは109
ョット動作させても磁心損失の増加を始めとする磁気特
性に著しい経時変化のないことが要求される。前記特開
平2−297903号に記載される手法により、前記組
成の幅Wが25mm、質量測定法による平均板厚tが2
0μm、自由面側の十点平均粗さRzが3μmのナノ結
晶軟磁性合金薄帯を用い磁化速度△B/τが50T/μ
sで106ショット以上動作させても性能に支障のない
程度まで経時変化の少ない磁心を実現するには前記ナノ
結晶軟磁性合金薄帯の表面に質量測定法による平均膜厚
3μm程度以上のSiO2の絶縁膜を形成しなくてはならな
い。
【0021】しかるに、その飽和磁歪の絶対値が10-6
オーダーと比較的小さく応力歪による磁気特性劣化の少
ない特開昭63−302504号あるいは特開平3−2
0444号に記載されるようなナノ結晶軟磁性合金薄帯
であっても、質量測定法による平均板厚20μmの前記
ナノ結晶軟磁性合金薄帯にその厚みの20%に達する質
量測定法による平均膜厚が3μm程度のセラッミク絶縁
膜を形成すると同セラッミク絶縁膜が形成される際に前
記ナノ結晶軟磁性合金薄帯に不可避的に加えられる応力
歪の影響でその直流磁気特性における実効飽和磁束密度
Bmsや実効飽和残留磁束密度Brmsが低下したり、パル
ス駆動時の比透磁率の低下や磁心損失の増加が生じる問
題がある。
【0022】さらに、前記特開平2−297903号に
記載されるように非晶質合金薄帯にセラッミク絶縁膜を
形成した後、同非晶質合金薄帯の結晶化温度以上で熱処
理することにより粒径50nm以下の微細なナノ結晶粒
が組織の少なくとも50%を占めるようにして結晶化さ
せたナノ結晶軟磁性合金薄帯は、特開平4−26031
0などに記載されるように結晶化に伴いその体積が非晶
質状態の時に比べて減少することが知られている。
【0023】このように質量測定法による平均厚みが3
μm程度と厚い絶縁膜が非晶質状態の軟磁性合金薄帯の
表面に形成されていた場合には、この結晶化にともなう
軟磁性合金薄帯の体積の減少により、前記絶縁膜にクラ
ックなどの欠陥が生じたり、前記軟磁性合金薄帯との結
合強度が減少して剥離し易くなる。セラミック絶縁膜に
欠陥が生じたり、セラミック絶縁膜と軟磁性合金薄帯の
結合強度の減少した巻磁心を磁化速度△B/τが0.1
T〜100T/μs程度で動作させた場合、動作に伴い
生ずる磁心の磁歪振動による層間絶縁膜のクラックの増
加あるいは剥離が一層進行し、その層間絶縁耐圧が徐々
に不足して磁気特性が105ショット程度のパルス電圧
を加えただけで急激に変化してしまう問題もある。
【0024】
【課題を解決するための手段】本発明はセラミック絶縁
膜が形成された粒径50nm以下の微細なナノ結晶粒が
組織の少なくとも50%を占めるナノ結晶軟磁性合金薄
帯において、前記セラミック絶縁膜が前記ナノ結晶軟磁
性合金薄帯の幅方向の中央部よりも端部側に厚い膜厚で
形成されており、この端部のセラミック絶縁膜の厚みd
xと質量測定法による絶縁膜の平均厚みdaが1.2da≦
dx≦5daの関係を有し、かつdx≦10μmであるこ
とを特徴とするナノ結晶軟磁性合金薄帯である。
【0025】このようにナノ結晶軟磁性合金薄帯の表面
に形成されるセラミック絶縁膜が同ナノ結晶軟磁性合金
薄帯の幅方向の中央部よりも端部側に厚い膜厚で形成さ
れることにより、同薄帯に形成する絶縁膜の平均的な厚
みを薄くして磁化速度△B/τが速い動作条件のときに
端部のエッジに生じる電界に対しても十分な耐電圧特性
が得られるようにできるため、絶縁膜の形成による磁気
特性の劣化を緩和させることができる。
【0026】また、非晶質軟磁性合金薄帯に同薄帯の幅
方向の中央部よりも端部側に厚い膜厚でセラミック絶縁
膜を形成した後に、この非晶質軟磁性合金薄帯をその結
晶化温度以上で熱処理して製造される前記ナノ結晶軟磁
性合金薄帯の場合には、前記非晶質軟磁性合金薄帯が前
記熱処理の過程で収縮する際の応力歪の影響で同軟磁性
合金薄帯に形成されたセラミック絶縁膜にクラックが生
じたり、同セラミック絶縁膜と軟磁性合金薄帯間の結合
力が低下するのを緩和することができる。このためセラ
ミック絶縁膜を形成したナノ結晶軟磁性合金薄帯の磁化
速度△B/τが速い動作の時の磁歪振動に伴う経時変化
を緩和することができ好ましい。
【0027】前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯の幅方向の中
央部よりも端部側に厚い膜厚で形成されている部分のセ
ラミック絶縁膜の最大厚みdxは質量測定法による絶縁
膜の平均厚みdaの1.2から5倍であるナノ結晶軟磁性
合金薄帯の場合、磁化速度△B/τが速い動作条件のと
きの経時変化が小さいため高い信頼性を確保できる。
【0028】さらに前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯の質量
測定法による平均板厚tを5μm≦t≦30μm、幅を
W、動作磁束密度量を△B、前記動作磁束密度量△Bが
10%から90%まで変化するまでの期間をτとしたと
きに前記セラミック絶縁膜の質量測定法による平均膜厚
daが0.2μm≦da≦4μmかつda≧(40×10-9
・△B・W・t)/τを満足する範囲とした場合には、使
用時の磁化速度△B/τに応じた経時安定性を有する動
作磁気特性に優れた軟磁性合金薄帯を得ることができ
る。
【0029】前記ナノ結晶軟磁性合金がFeを主体としC
u、Auから選ばれる少なくとも1種の元素およびTi、V、Zr、
Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選ばれる少なくとも1種の元素を必
須成分として含むナノ結晶軟磁性合金薄帯である場合、
実効飽和磁束密度が高く磁歪定数も小さな磁性合金薄帯
が得られるため、前記絶縁膜の形成にともなう磁気特性
の劣化が小さくできるため、占積率Kと動作磁束密度量
△Bの積である実効動作磁束密度量K・△Bが大きく、
単位体積当たりの半周期の磁心損失Pcgを実効動作磁束
密度量K・△Bの2乗で割った損失係数Pcg/(K・△B)2
が小さくでき、小型で低損失の軟磁性合金薄帯が得られ
好ましい。
【0030】また、以上説明したようなセラミック絶縁
膜の形成されたナノ結晶軟磁性合金薄帯を用いた磁心
は、占積率Kと動作磁束密度量△Bの積である実効動作
磁束密度量K・△Bが大きく、単位体積当たりの半周期
の磁心損失Pcgも小さくできるため実効動作磁束密度量
K・△Bの2乗で割った損失係数Pcg/(K・△B)2が小さ
くでき低損失となるため好ましい。
【0031】前記磁心を用いて構成したパルス発生装
置、レーザ装置あるいは加速器は、装置の小型化が容易
になるとともに、損失の発生源であった変圧器、可飽和
リアクトルあるいは可飽和トランスなど磁性部品の損失
を低減できるため高効率化も図れると同時にパルスを発
生させるときに前記磁性部品の磁心で生じる磁歪振動な
どの影響による同磁心の層間絶縁膜の絶縁特性の経時変
化も緩和されるため従来困難であった駆動条件における
高繰り返し連続稼動や大出力化も可能となり信頼性も向
上する。
【0032】
【実施例】
(実施例1)片ロ−ルの融体急冷法により製造した組成
がFe73.5Cu1Nb3Si13.5B9、飽和磁歪定数λsが+20×
10-6、幅Wが25mm、質量測定法による平均板厚t
が約20μm、表面の十点平均粗さRzが約3μmの非
晶質軟磁性合金薄帯の表面に、質量測定法による平均膜
厚daが約2μmで磁性薄帯の幅方向端部の絶縁膜の最
大厚みdxと前記平均厚みdaの比dx/daが1.5から
5の範囲にある表1に示す4種類の絶縁膜を有する非晶
質軟磁性合金薄帯を製造した。なお、表1には比較例と
して絶縁膜を塗布していない非晶質軟磁性合金薄帯およ
び前記磁性薄帯の幅方向の端部の絶縁膜の最大厚みdx
と絶縁膜の平均厚みdaの比dx/daが1.2から5の範
囲外の非晶質軟磁性合金薄帯についても示した。
【0033】
【表1】
【0034】表1に示す薄帯1〜6および薄帯B、Cの
非晶質軟磁性合金薄帯表面の絶縁膜はメチルトリメトキ
シシランCH3Si(OCH3)3の加水分解生成物のオリゴマー、
極微細なコロイダルSiO2をイソプロピルアルコール(以
下IPAと略す)で希釈し若干のNH3を加えたコーティ
ング液を前記非晶質軟磁性合金薄帯の表面に塗布し乾燥
させることによって形成した。
【0035】表1の9種類の非晶質軟磁性合金薄帯を用
いて外径60mm、内径25mm、高さ25mmのトロ
イダル形状の巻磁心を各非晶質合金薄帯について各1ヶ
構成し、構成した巻磁心の磁路方向に800A/mの直
流磁界を加えながら窒素雰囲気中で結晶化温度である5
50℃で1時間の熱処理を行って非晶質軟磁性合金薄帯
をナノ結晶軟磁性合金薄帯に変態させた巻磁心を製作し
た。
【0036】製作した9種類の巻磁心の占積率Kと直流
磁気特性を表2に示す。表2においてB80、Br、Hcは
各々直流磁化力の波高値を80A/mとして測定したと
きの最大磁束密度、残留磁束密度、保磁力である。本発
明1〜6および比較例A、Bはほぼ同程度の直流磁気特
性を持つのに対し、比較例Cは直流磁気特性におけるB
80、Br、Br/B80が低下し、Hcは増加していること
がわかる。
【0037】
【表2】
【0038】表2の各磁心を図1のパルス駆動時の磁気
特性測定回路における可飽和リアクトル16の磁心とし
て用い、中島、香川、平尾、渡部、“鉄基超微結晶質合
金を用いた磁気スイッチ磁心の動特性評価”、電気学会
プラズマ研究会資料、EP-91-13、p.1〜10(1991年) にそ
の詳細が記載されている方法によってリセット磁化力を
8A/m、パルス電圧駆動時の磁心の磁束密度が動作磁
束密度量△Bの10%から90%まで変化する期間τを
0.05μsとなるようにして測定した結果を表3に示
す。表3において△Bは動作磁束密度量、K・△Bは占
積率Kと動作磁束密度量△Bの積で与えられる実効動作
磁束密度量、μrsは飽和領域の比透磁率、Pcgは単位体
積当たりの半周期の磁心損失である。
【0039】図1において11は入力直流高電圧電源、
12はコンデンサ15の充電抵抗、13はサイラトロ
ン、14は配線に伴い生じるインダクタンス、15はコ
ンデンサ、16は可飽和リアクトル、17はサージ電流
吸収用のリアクトル、18は可飽和リアクトル16をリ
セットするための直流電源である。
【0040】
【表3】 注)リセット磁化力8A/m、パルス電圧駆動時の磁心
の磁束密度が動作磁束密度量△Bの10%から90%ま
で変化する期間τは0.05μs。
【0041】表3において比較例Aは層間絶縁を行わな
かったため可飽和リアクトルとして機能しておらず飽和
領域の比透磁率μrsを算出することが困難であった。
【0042】比較例Aを除く本発明1〜6および比較例
B、Cの8種類の磁心を図2の回路構成のKrFエキシ
マレーザの可飽和リアクトル24の磁心として実装し高
電圧パルスを106ショットまで動作させた後、再度前
記図1のパルス駆動時の磁気特性測定回路の可飽和リア
クトル16の磁心として用い、前記表3の結果を得たと
きと同一の方法で測定した。実装試験前後の動作磁束密
度△B、飽和領域の比透磁率μrsおよび単位体積当たり
の半周期の磁心損失Pcgの変化量の比較を表4に示す。
【0043】図2において21は入力高電圧直流電源、
22は主コンデンサ25の充電抵抗、23はサイラトロ
ン、24は磁気アシスト用可飽和リアクトル、25は主
コンデンサ、26は主コンデンサ25の充電用インダク
タンス、27はピーキングコンデンサ、28は紫外光予
備電離用ギャップ、29はレーザ主放電電極である。な
お、実装試験では入力直流高電圧電源21の電圧を20
kV、主コンデンサ22とピーキングコンデンサ27の
容量を20nF、レーザ主放電電極の有効長と間隔を各
々400mmmおよび20mm、繰り返し周波数を50
0Hz、磁気アシスト用可飽和リアクトルの巻数を1と
し磁心はシリコンオイルを用いて強制冷却した。
【0044】
【表4】
【0045】表4からわかるように本発明1〜6の磁心
を用いた場合、動作磁束密度量△Bの変化率は−4〜+
1%、飽和領域の比透磁率μrsの変化量は0〜+2、単
位体積当たりの半周期の磁心損失Pcgの変化量は−1〜
+5%であり、測定精度が±5%であることを考慮する
とほとんど変化していない。これに対し、比較例B、C
の磁心を用いた場合、動作磁束密度量△Bの変化率は−
11〜−13%、飽和領域の比透磁率μrsの変化量は+
10%、単位体積当たりの半周期の磁心損失Pcgの変化
量は+12〜+16%で明らかに特性が変化しており、
信頼性の点から問題のあることがわかる。
【0046】(実施例2)片ロ−ルの融体急冷法により
製造した組成がFe73.5Cu1Nb3Si13.5B9、飽和磁歪定数λ
sが+20×10-6、幅Wが25mm、質量測定法によ
る平均板厚tが約20μm、表面の十点平均粗さRzが
約3μmの非晶質軟磁性合金薄帯の表面に、メチルトリ
メトキシシランCH3Si(OCH3)3の加水分解生成物のオリゴ
マー、極微細なコロイダルSiO2をIPAで希釈し若干の
NH3を加えたコーティング液を塗布し乾燥させることに
よって質量測定法による平均膜厚daと磁性薄帯の幅方
向の端部の最大厚みdxの比dx/daが3.0で前記平均
膜厚daが0.1μmから4.5μmの範囲にある表5に
示す9種類の絶縁膜を有する非晶質軟磁性合金薄帯を製
造した。
【0047】表5の9種類の非晶質軟磁性合金薄帯を用
いて外径60mm、内径25mm、高さ25mmのトロ
イダル形状の巻磁心を各非晶質合金薄帯について各1ヶ
構成し、構成した巻磁心の磁路方向に800A/mの直
流磁界を加えながら窒素雰囲気中で結晶化温度である5
50℃で1時間の熱処理を行って非晶質軟磁性合金薄帯
をナノ結晶軟磁性合金薄帯に変態させた巻磁心を製作し
た。
【0048】
【表5】
【0049】製作した9種類の巻磁心の占積率Kと直流
磁気特性を表6に示す。表6においてB80、Br、Hcは
各々直流磁化力の波高値を80A/mとして測定したと
きの最大磁束密度、残留磁束密度、保磁力である。本発
明7〜12はほぼ同程度の直流磁気特性を持つのに対
し、比較例D〜Fは直流磁気特性におけるB80、Br、
Br/B80が低下し、Hcは増加していることがわかる。
【0050】
【表6】
【0051】表6の各磁心を図1のパルス駆動時の磁気
特性測定回路における可飽和リアクトル16の磁心とし
て用い、リセット磁化力を8A/m、パルス電圧駆動時
の磁心の磁束密度が動作磁束密度量△Bの10%から9
0%まで変化する期間τを1μs、0.5μs、0.3μ
s、0.2μs、0.1μsおよび0.05μsとして実
施例1の場合と同様の手法で測定した結果を表7〜表1
2に示す。表7〜表12において△Bは動作磁束密度
量、K・△Bは占積率Kと動作磁束密度量△Bの積であ
る実効動作磁束密度量、μrsは飽和領域の比透磁率、P
cgは単位体積当たりの半周期の磁心損失である。
【0052】
【表7】 注)リセット磁化力8A/m、パルス電圧駆動時に磁心
の磁束密度が動作磁束密度量△Bの10%から90%ま
で変化する期間τは1μs。
【0053】
【表8】 注)リセット磁化力8A/m、パルス電圧駆動時に磁心
の磁束密度が動作磁束密度量△Bの10%から90%ま
で変化する期間τはτh=0.5μs。
【0054】
【表9】 注)リセット磁化力8A/m、パルス電圧駆動時に磁心
の磁束密度が動作磁束密度量△Bの10%から90%ま
で変化する期間τはτh=0.3μs。
【0055】
【表10】 注)リセット磁化力8A/m、パルス電圧駆動時に磁心
の磁束密度が動作磁束密度量△Bの10%から90%ま
で変化する期間τはτh=0.2μs。
【0056】
【表11】 注)リセット磁化力8A/m、パルス電圧駆動時に磁心
の磁束密度が動作磁束密度量△Bの10%から90%ま
で変化する期間τはτh=0.1μs。
【0057】
【表12】 注)リセット磁化力8A/m、パルス電圧駆動時に磁心
の磁束密度が動作磁束密度量△Bの10%から90%ま
で変化する期間τはτh=0.05μs。
【0058】表7からわかるように、絶縁膜の平均厚み
daが0.1μmの本発明7は、絶縁膜の絶縁耐圧が十
分でないためパルス電圧駆動時の飽和領域の比透磁率μ
rsおよび単位体積当たりの半周期の磁心損失Pcgが劣
る。また、表7から絶縁膜の平均厚みdaが4μm以上
あるいはリボン幅方向の端部の絶縁膜厚の最大値dxが
10μmを越える比較例D〜比較例Fの場合、厚みの厚
い絶縁膜が磁性薄帯に形成されることによって同磁性薄
帯に加えられる過大な応力歪が加えられるためパルス電
圧駆動時の飽和領域の比透磁率μrsと単位体積当たりの
半周期の磁心損失Pcgが本発明8〜12に比べて大きい
ことがわかる。
【0059】一方、表8〜表12からわかるように、絶
縁膜の平均厚みdaが0.2μmの本発明7はパルス電圧
駆動時に磁心の磁束密度が動作磁束密度量△Bの10%
から90%まで変化する期間τが0.2μs、0.1μs
および0.05μsのときには絶縁膜の平均厚みdaが2
μmの本発明8や絶縁膜の平均厚みdaが3μmの本発
明9の場合に比べて飽和領域の比透磁率μrsと単位体積
当たりの半周期の磁心損失Pcgが異常に増加してしま
う。同様にして、絶縁膜の平均厚みdaが0.5μmの本
発明8はパルス電圧駆動時に磁心の磁束密度が動作磁束
密度量△Bの10%から90%まで変化する期間τが
0.05μsの時に前記本発明10や本発明11の場合
に比べて飽和領域の比透磁率μrsと単位体積当たりの半
周期の磁心損失Pcgが異常に増加していることがわか
る。
【0060】本発明7〜11の磁心を図3の回路構成の
高電圧パルス発生装置の可飽和リアクトル34の磁心と
して実装し高電圧パルスを106ショットまで動作させ
た後、再度前記図1のパルス駆動時の磁気特性測定回路
の可飽和リアクトル16の磁心として用い、前記表3の
結果を得たときと同一の方法で測定した。また、実装試
験開始時に各磁心の磁束密度がその動作磁束密度量△B
の10%から90%まで変化する期間τの設定値をτ0
は前記表7〜表12の結果に基づき、パルス電圧駆動時
の飽和領域の比透磁率μrsが異常に増加し始めない範囲
の最も小さな値となるように設定した。図3において3
1は入力高電圧直流電源、32は主コンデンサ35の充
電抵抗、33はサイラトロン、34は磁気アシスト用可
飽和リアクトル、35は主コンデンサ、36はピーキン
グコンデンサ、37は負荷抵抗である。
【0061】実装試験開始時に各磁心の磁束密度がその
動作磁束密度量△Bの10%から90%まで変化する期
間τの設定値をτ0、実装試験前後の最大動作磁束密度
△Bの変化率、飽和領域の比透磁率μrsの変化率および
単位体積当たりの半周期の磁心損失Pcgの変化率の比較
を表13に示す。
【0062】
【表13】
【0063】表13からわかるようにパルス電圧駆動時
に磁心の磁束密度が動作磁束密度量△Bの10%から9
0%まで変化する期間τと磁心を構成する磁性薄帯に設
けられた絶縁膜の平均板厚daおよびパルス電圧駆動時
の磁心の磁気特性の関係を同磁性合金薄帯の板厚をt、
幅をW、動作磁束密度量を△Bとしたときに、前記磁性
合金薄帯に形成するセラミック絶縁膜の質量測定法によ
る平均膜厚daが次式を満足するようにすれば信頼性の
点からより好ましいこともわかった。
【0064】 da≧(40×10-9・△B・W・t)/τ (m) (2)
【0065】前記実施例1および2では、SiO2絶縁膜が
構成された組成がFe73.5Cu1Nb3Si1 3.59のナノ結晶軟
磁性合金薄帯をエキシマレーザ等の高電圧パルス発生装
置の磁気アシスト用可飽和リアクトルの磁心に応用した
場合について述べたが、他の組成のセラミック絶縁およ
び他の組成のナノ結晶軟磁性合金薄帯の組み合わせによ
って、トランス、可飽和トランス、加速空胴あるいはサ
ージブロッカー等の他の用途の磁性部品の磁心およびこ
れを構成する軟磁性薄帯として用いても同様の効果が得
られる。
【0066】また、上記説明では本発明による磁心を用
いることによって信頼性の高い高性能の高電圧パルス発
生装置およびエキシマレーザが構成できることについて
述べたが、エキシマレーザ以外のTEA−CO2レー
ザ、TEMA−CO2レーザあるいは銅蒸気レーザなど
のレーザ装置、線形誘導加速器さらには中性粒子ビーム
入射装置に用いられるサージブロッカーなどのサージ吸
収用素子においても同様にして高い信頼性と高性能を両
立することができる。
【0067】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、エ
キシマレーザ、TEA−CO2レーザ、TEMA−CO2
レーザ、銅蒸気レーザを始めとするレーザ装置あるいは
線形誘導加速器などの加速器などで用いられる可飽和リ
アクトル、トランス、可飽和トランス、加速空胴、中性
粒子ビーム入射装置のサージブロッカーなどのサージ吸
収素子さらにはこれらの磁性部品を用いたシステムの高
信頼性と高性能化を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】パルス駆動時の可飽和リアクトル用磁心の磁気
特性を測定するための回路の構成を示す概念図である。
【図2】磁気アシスト用可飽和リアクトルを用いたKr
Fエキシマレーザ励起回路の構成を示す概念図である。
【図3】磁気アシスト回路を用いた高電圧パルス発生回
路の構成を示す概念図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−110713(JP,A) 特開 平2−297903(JP,A) 特開 平1−98206(JP,A) 特開 平1−110707(JP,A) 特開 平4−142705(JP,A) 特開 平3−125408(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01F 1/16

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミック絶縁膜がその表面に形成され
    た粒径50nm以下の微細なナノ結晶粒が組織の少なく
    とも50%を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯において、
    前記セラミックの絶縁膜が前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯
    の幅方向の中央部よりも端部側に厚い膜厚で形成されて
    おり、この端部のセラミック絶縁膜の厚みdxと質量測
    定法による絶縁膜の平均厚みdaが1.2da≦dx≦5d
    aの関係を有し、かつdx≦10μmであることを特徴と
    するナノ結晶軟磁性合金薄帯。
  2. 【請求項2】 前記ナノ結晶軟磁性合金薄帯の質量測定
    法による平均板厚tを5μm≦t≦30μm、幅をW、
    動作磁束密度量を△B、前記動作磁束密度量△Bが10
    %から90%まで変化するまでの期間をτとしたとき
    に、前記セラミック絶縁膜の質量測定法による平均膜厚
    daが0.2μm≦da≦4μmかつda≧(40×10-9
    ・△B・W・t)/τを満足する範囲にある請求項1に記
    載のナノ結晶軟磁性合金薄帯。
  3. 【請求項3】 ナノ結晶軟磁性合金薄帯はFeを主体とし
    Cu、Auから選ばれる少なくとも1種の元素およびTi、V、Z
    r、Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選ばれる少なくとも1種の元素を
    必須成分として含む請求項1または2に記載のナノ結晶
    軟磁性合金薄帯。
  4. 【請求項4】 請求項1から3のいずれかに記載のナノ
    結晶軟磁性合金薄帯を用いた磁心。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の磁心を用いて構成した
    パルス発生装置。
  6. 【請求項6】 請求項4に記載の磁心を用いて構成した
    レーザ装置。
  7. 【請求項7】 請求項4に記載の磁心を用いて構成した
    加速器。
JP5119548A 1993-05-21 1993-05-21 絶縁膜が形成されたナノ結晶軟磁性合金薄帯および磁心ならびにパルス発生装置、レーザ装置、加速器 Expired - Lifetime JP2909349B2 (ja)

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