JP6360930B1 - 電線およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性特性に優れた電線およびその製造方法を提供する。【解決手段】金属からなる中心導体１と、中心導体１を覆う外層２とを備え、外層２は、鉄を含有する磁性金属からなり、外層２に、厚さ方向の平均深さが外層２の厚さに対して５０〜８０％である空隙４が形成されている電線１０。【選択図】図１

Description

本発明は、電線およびその製造方法に関する。

金属線の外周に、磁性金属からなる層を設けた構造の電線が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載のエナメル線は、銅線等の外周に絶縁被覆と磁性金属めっき層とが設けられている。

特開２００３−７７７１９号公報

しかしながら、特許文献１の電線は、磁性金属めっき層に内部応力が残留しており、内部応力が残留した状態では所望の磁気特性が得られず、高周波抵抗による電力伝送効率の低下および発熱が生じる可能性がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、所望の磁気特性を得ることができる電線およびその製造方法を提供することを課題とする。

本発明の一態様は、金属からなる中心導体と、前記中心導体を覆う外層とを備え、前記外層は、鉄を含有する磁性金属からなり、前記外層に、厚さ方向の平均深さが前記外層の厚さに対して５０〜８０％である空隙が形成されている、電線を提供する。
前記空隙は、前記外層の径方向に形成されていることが好ましい。
前記外層のビッカース硬さが３５０Ｈｖ以上であることが好ましい。
前記外層のＣｌ濃度は、０．１ｗｔ％を越えることが好ましい。

本発明の一態様は、金属からなる中心導体の外周面に、鉄を含有する磁性金属からなる外層を、電流密度６．５〜１０Ａ／ｄｍ^２で電解めっき法により形成することによって、前記中心導体と前記中心導体を覆う前記外層とを備え、前記外層に、厚さ方向の平均深さが前記外層の厚さに対して５０〜８０％である空隙が形成されている電線を得る、電線の製造方法を提供する。
前記外層を、電解めっき法により形成する際の温度は、７０〜９５℃とすることができる。

本発明の一態様によれば、外層に、平均深さが外層の厚さに対して５０〜８０％である空隙が形成されているため、磁気特性の点で優れた電線を提供できる。

実施形態に係る電線を示す断面図である。 図１の電線の第１変形例を示す断面図である。 図３の電線の断面を拡大して示す写真である。 実施形態に係る電線の第２変形例を示す断面図である。 図４の電線を用いたコイルの例を示す斜視図である。

［電線］
図１は、本発明の一実施形態である電線１０を示す断面図である。図１は、電線１０の長さ方向に直交する断面を示す図である。
図１に示すように、電線１０は、中心導体１と、中心導体１を覆う外層２とを備えた二層構造の導体である。
中心導体１は、金属からなる。中心導体１を構成する金属としては、アルミニウム含有材料、銅含有材料などが挙げられる。
アルミニウム含有材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金が使用できる。例えば、電気用アルミニウム（ＥＣアルミニウム）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ６０００番台）などが使用可能である。
銅含有材料としては、銅（Ｃｕ）、銅合金が使用できる。
中心導体１の構成材料は、アルミニウムと銅の両方を含む合金材料であってもよい。中心導体１の構成材料は、非磁性の材料であってよいし、磁性材料であってもよい。
中心導体１は、長さ方向に直交する断面が円形となる形状である。

外層２は、鉄を含有する磁性金属からなる。この磁性金属としては、鉄（Ｆｅ）、鉄合金が使用できる。
鉄合金としては、ＦｅＳｉ系合金（ＦｅＳｉＡｌ、ＦｅＳｉＡｌＣｒなど）、ＦｅＡｌ系合金（ＦｅＡｌ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＡｌＳｉＣｒ、ＦｅＡｌＯなど）、ＦｅＣｏ系合金（ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＢ、ＦｅＣｏＶなど）、ＦｅＮｉ系合金（ＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＭｏ、ＦｅＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＳｉなど）（パーマロイ等）、ＦｅＴａ系合金（ＦｅＴａ、ＦｅＴａＣ、ＦｅＴａＮなど）、ＦｅＭｇ系合金（ＦｅＭｇＯなど）、ＦｅＺｒ系合金（ＦｅＺｒＮｂ、ＦｅＺｒＮなど）、ＦｅＣ系合金、ＦｅＮ系合金、ＦｅＰ系合金、ＦｅＮｂ系合金、ＦｅＨｆ系合金、ＦｅＢ系合金などが挙げられる。
外層２は、磁性金属からなるため、中心導体１への磁界の侵入を抑制することができる。

外層２の厚さは、１μｍ以上、好ましくは３μｍ以上とされる。外層２の厚さを１μｍ以上とすることによって、高周波機器のコイルに適用した場合における、電力伝送効率の低下および発熱を防ぐ効果を十分に高めることができる。
外層２の厚さは、例えば５０μｍ以下とすることができる。外層２の厚さは、軸周り方向に均一であることが望ましい。

外層２には、空隙４が形成されている。空隙４は、外層２の外周面２ａを起点として内周側に向けて形成されていてもよいし、外層２の内周面２ｂを起点として外周側に向けて形成されていてもよい。
図１に示す空隙４Ａは、外層２の外周面２ａを起点として内周側に向けて形成されている。空隙４Ｂは、外層２の内周面２ｂを起点として外周側に向けて形成されている。
空隙は、外層に生じたひび割れであり、その形状は限定されない。空隙は、割れ、亀裂、クラックともいう。

空隙４は、外層２の全厚さにわたる深さでないことが望ましい。すなわち、空隙４Ａは、内周面２ｂに達しない程度の深さであることが望ましい。空隙４Ｂは、外周面２ａに達しない程度の深さであることが望ましい。これにより、渦電流損失を抑えることができる。

空隙４の、外層２の厚さ方向の寸法を空隙４の深さＤ（図１参照）という。空隙４の平均深さは、外層２の厚さに対して５０〜８０％とされる。
空隙４の平均深さが外層２の厚さに対して５０％以上であることによって、電線１０の磁気特性（例えば比透磁率）が良好となる。そのため、電線１０を高周波機器のコイルに適用した場合において、高周波抵抗による電力伝送効率の低下および発熱を回避できる。電線１０の磁気特性が良好となるのは、空隙４の平均深さが前記範囲となることによって、外層２の内部応力による歪みが解放されるためであるという推測が可能である。例えば、小川俊文 他," 加工で生じる応力が材料特性に及ぼす影響の調査（2）", 福岡県工業技術センター研究報告 No.16, (2006)には、磁性材料のもつ内部応力によって、透磁率が変化し得ることが記載されている。
空隙４の平均深さが外層２の厚さに対して８０％以下であることによって、渦電流損失を抑え、ヒステリシス損失を低くできる。そのため、電線１０をコイルに適用した場合において電力伝送効率の低下を防ぐことができる。
空隙４の深さＤ（図１参照）は、空隙４の最深部と外層２表面との、外層２の厚さ方向の距離である。

空隙４の平均深さは、例えば、電線１０の長さ方向に直交する断面の画像の所定領域において確認可能な複数の空隙４の深さの平均値である。測定対象となる空隙４の数は５以上が好ましく、１０以上がより好ましく、さらに好ましくは５０以上である。

空隙４の形成方向は、例えば外層２の径方向（電線１０の径方向）である。なお、空隙４の形成方向は、外層２の径方向に対して傾斜していてもよい。空隙４の形成方向が外層２の径方向またはこれに近い方向であることは、外層２における歪みの解消の点で有利となる可能性がある。

外層２の断面積は、中心導体１と外層２を合わせた電線１０全体の断面積に対して、２０％以下とすることができる。前記断面積比率（電線１０全体に対する外層２の断面積比率）は、例えば３％〜１５％が望ましく、さらに望ましくは３％〜５％である。
外層２の外径は、例えば０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍとすることができる。

外層２のビッカース硬さは、３５０Ｈｖ以上が好ましい。外層２のビッカース硬さをこの範囲とすることによって、電線１０の機械的強度が高くなり、電線１０が破損しにくくなる。ビッカース硬さは、例えばＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準じて測定することができる。

外層２の塩素（Ｃｌ）濃度は、例えば、０．１ｗｔ％を越える。外層２の塩素（Ｃｌ）濃度が０．１ｗｔ％を越えることによって、外層２の硬度を高めることができる。塩素（Ｃｌ）濃度は、例えば、ＥＰＭＡ（例えばＪＥＯＬ製「ＪＸＡ−８９００Ｍ」）を用いて測定することができる。

なお、電線１０では、中心導体１と外層２との間に、中心導体１から外層２にかけて傾斜的に組成が変化する金属間化合物層（図示略）が形成されていてもよい。金属間化合物層は、例えば、中心導体１の構成材料と外層２の構成材料とを含む合金からなる。

［電線の製造方法］
次に、図１に示す電線１０を製造する方法を例として、本発明の一実施形態である電線の製造方法について説明する。

＜前処理＞
中心導体１（図１参照）を用意する。
中心導体１には、必要に応じて脱脂処理を行うことができる。脱脂処理は、例えば中心導体１をＮａＯＨ水溶液で処理する方法が可能である。

＜めっき法による外層の形成＞
中心導体１の外周面に、例えば次に示す電解めっき法により外層２を形成する。
中心導体１の外周面を、めっき液に接触させる。めっき液は、外層２を形成できるように調製される。めっき液は、例えばＦｅＣｌ_２・４Ｈ_２Ｏと、ＣａＣｌ_２とを含む。

めっき処理における電流密度は、例えば６．５〜１０Ａ／ｄｍ^２とされる。電流密度が前記範囲であることにより、外層２に上述の深さを有する空隙４が形成されやすくなる。また、電流密度が１０Ａ／ｄｍ^２以下であることにより、外層２に表面凹凸が形成されるのを防ぐことができる。
前記めっき液を用いためっき処理により中心導体１の外周面に外層２を形成し、図１に示す電線１０を得る。

めっき液の温度（浴温）は、例えば７０〜９５℃とすることができる。めっき液の温度が前記範囲であることにより、外層２に上述の深さを有する空隙４が形成されやすくなる。

上述のように、実施形態の電線１０は、外層２に、平均深さが外層２の厚さに対して５０〜８０％である空隙４が形成されている。
空隙４の平均深さが外層２の厚さに対して５０％以上であることによって、電線１０の磁気特性（例えば比透磁率）が良好となる。そのため、電線１０を高周波機器のコイルに適用した場合において、高周波抵抗による電力伝送効率の低下および発熱を回避できる。電線１０の磁気特性が良好となるのは、空隙４の平均深さが前記範囲となることによって、外層２の内部応力による歪みが解放されるためであるという推測が可能である。
また、空隙４の平均深さが外層２の厚さに対して８０％以下であることによって、渦電流損失を抑え、ヒステリシス損失を低くできる。そのため、電線１０をコイルに適用した場合において電力伝送効率の低下を防ぐことができる。
したがって、電線１０は、磁気特性の点で優れている。

上述の製造方法は、外層２を、電流密度６．５〜１０Ａ／ｄｍ^２で電解めっき法により形成する。電流密度を前記範囲とすることによって、前記平均深さの空隙４を有する外層２を形成することができる。よって、高周波機器のコイルに適用した場合に効率低下および発熱を回避できる電線１０が得られる。

図２は、電線１０の第１変形例である電線１０Ａを示す断面図である。図３は、電線１０Ａの断面を拡大して示す写真である。
図２および図３に示すように、電線１０Ａは、中心導体１Ａが、主部導体４１と、その外周面に形成された導体層４２とからなる点で、図１の電線１０と異なる。主部導体４１は、例えばアルミニウム含有材料などからなる。導体層４２は、例えば銅含有材料などからなる。

図４は、電線１０の第２変形例である電線１０Ｂの断面図である。
電線１０Ｂは、外層２の外周面に絶縁被覆層３が設けられている点で、図１の電線１０と異なる。絶縁被覆層３は、例えば、ポリエステル、ポリウレタン、ポリイミド、ポリエステルイミド、ポリアミドイミドなどの絶縁材料からなる。

図５は、図４に示す電線１０Ｂを用いた高周波コイルの例であり、ここに示す高周波コイル７０には、胴部７１と、その両端に形成された鍔部７２とを有する支持体７３が用いられている。電線１０Ａは、胴部７１に巻きつけられている。

上述の実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものでない。
前記空隙は、外層の外周面および内周面の少なくとも一方を起点として形成されていてよい。

実施形態の製造方法により得られた電線１０は、高周波変圧器、モータ、リアクトル、チョークコイル、誘導加熱装置、磁気ヘッド、高周波給電ケーブル、ＤＣ電源ユニット、スイッチング電源、ＡＣアダプタ、渦電流検出方式等の変位センサ・探傷センサ、ＩＨクッキングヒータ、コイル、給電ケーブル等の、非接触給電装置または高周波電流発生装置等の種々の装置の製造業を含む電子機器産業に利用可能である。
電線１０は、例えば１００ｋＨｚ以上の高周波電流を通電する機器で使用できる。

（試験例１〜１０）
図１に示す電線１０を、次のようにして作製した。
試験例１〜８，１０では、中心導体１は銅含有材料（Ｃｕ系）からなる。試験例９では、中心導体１はアルミニウム含有材料（Ａｌ系）からなる。中心導体１の外径は１．０ｍｍである。中心導体１の作製に用いた原材の仕様を表２に示す。

中心導体１の外周面に、めっき法によって外層２を形成した。
めっき条件は以下のとおりである。
めっき液組成：ＦｅＣｌ_２・４Ｈ_２Ｏ（３００ｇ／ｌ），ＣａＣｌ_２（３３５ｇ／ｌ）
浴温：９０℃
電流密度：６．５Ａ〜１０Ａ／ｄｍ^２
ｐＨ：１．０

電線１０について、外層２の比透磁率を測定した。
比透磁率の測定には、東栄科学産業製のＶＳＭ装置を使用した。測定条件は以下のとおりである。
磁場印加方向：電線の長手方向
磁場範囲：−８×１０^５〜８×１０^５Ａ／ｍ
比透磁率の測定位置：１×１０^４Ａ／ｍ

電線１０について、外層２のビッカース硬さを測定した。
ビッカース硬さは、ビッカース硬さ試験機（Ｍｉｔｕｔｏｙｏ社製のビッカース試験機ＨＭ−２００）を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準じて測定した。
電線１０について、外層２の厚さを測定した。
結果を表１に示す。

電線１０の長さ方向に直交する断面の顕微鏡による観察像において、確認可能なすべての空隙４の深さを測定し、その平均値を求めた。
表１において「比透磁率の評価」は、比透磁率が９５より大である場合を「良」とし、比透磁率が９５以下である場合を「否」とした。
「ヒステリシス損失の評価」は、ヒステリシス損失が５×１０^４Ｊ／ｍ^３以下である場合を「良」とし、ヒステリシス損失が５×１０^４Ｊ／ｍ^３より大きい場合を「否」とした。
「ビッカース硬さの評価」は、ビッカース硬さが３５０Ｈｖ以上である場合を「良」とし、ビッカース硬さが３５０Ｈｖ未満である場合を「否」とした。

表１に示すように、外層２に、平均深さが外層２の厚さに対して５０〜８０％である空隙４が形成された試験例３〜６，８，９では、磁気特性（比透磁率）の点で優れていた。また、試験例３〜６，８，９では、ヒステリシス損失が小さかった。試験例３〜６，８，９では、硬度（ビッカース硬さ）が高いことも確認された。

１，１Ａ・・・中心導体、２・・・外層、１０，１０Ａ，１０Ｂ・・・電線。

Claims (6)

1. 金属からなる中心導体と、前記中心導体を覆う外層とを備え、
   前記外層は、鉄を含有する磁性金属からなり、
   前記外層に、厚さ方向の平均深さが前記外層の厚さに対して５０〜８０％である空隙が形成され、
   前記空隙は、割れ、亀裂、およびクラックのうちいずれかである、電線。
2. 前記空隙は、前記外層の径方向に形成されている、請求項１に記載の電線。
3. 前記外層のビッカース硬さが３５０Ｈｖ以上である、請求項１または２に記載の電線。
4. 前記外層のＣｌ濃度は、０．１ｗｔ％を越える、請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の電線。
5. 金属からなる中心導体の外周面に、鉄を含有する磁性金属からなる外層を、電流密度６．５〜１０Ａ／ｄｍ^２で電解めっき法により形成することによって、前記中心導体と前記中心導体を覆う前記外層とを備え、前記外層に、厚さ方向の平均深さが前記外層の厚さに対して５０〜８０％である空隙が形成され、前記空隙は、割れ、亀裂、およびクラックのうちいずれかである電線を得る、電線の製造方法。
6. 前記外層を、電解めっき法により形成する際の温度は、７０〜９５℃である、請求項５に記載の電線の製造方法。