JP7040616B2 - 金属薄帯とその製造方法、及び磁心コア、並びにコイル部品 - Google Patents
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Description
本発明は、金属薄帯とその製造方法、及び磁心コア、並びにコイル部品に関し、より詳しくはコモンモードチョークコイル等の巻回型コアに適した金属薄帯とその製造方法、及び巻回型コア等の磁心コア、並びにこの磁心コアを使用したコモンモードチョークコイル等のコイル部品に関する。
電力用トランスや高周波トランス、磁気シールド等に使用されるコイル部品では、金属磁性材料が広く使用されている。
特に、これら金属磁性材料のうち非晶質合金類は軟磁性特性に優れていることから、従来より盛んに研究・開発されている。
例えば、特許文献１には、磁歪が正の特性を有する非晶質磁性合金薄帯の平滑度の高い面を内側として巻回して成る巻鉄心が提案されている。
この特許文献１では、非晶質磁性合金材料の溶融体を固体冷媒となる高速回転ロール上に噴出させて連続薄帯を作製し、これにより高速回転ロールに接触しない自由面の表面粗さが高速回転ロールに接触する接触面の表面粗さに比べて粗い磁性合金薄帯を得ている。
この特許文献１では、高速回転ロールとの接触面は、該高速回転ロールの面精度に応じた表面平滑度の高い平滑面に形成される一方、接触面と反対側の表面は高速回転ロールと接触しない自由面であることから、接触面側に比べて表面平滑度に劣り、表面粗さが粗く形成される。したがって、表面平滑度の高い接触面側を内側とし、表面平滑度に劣る自由面側を外側にして磁性合金薄帯を環状に巻回し、巻鉄芯（磁心コア）を形成することにより、自由面側を内側にして巻回した場合に比べ、巻鉄芯の内側に負荷される圧縮応力が小さくなり、その結果、圧縮応力に伴う磁気異方性が小さくなり、鉄損を小さくすることができる。
そして、上述のようにして得られた環状の巻鉄芯に導線を巻回することにより、コモンモードチョークコイル等のコイル部品を得ることができる。
ところで、近年、各種電子機器に搭載されるモジュール部品の小型軽量化が要求されており、これに伴いモジュール部品に内蔵されるコモンモードチョークコイル等のコイル部品についても小型化が要請されている。
一方、この種のコイル部品では、金属薄帯（磁性合金薄帯）を巻回して磁心コア（巻鉄心）を作製しており、金属薄帯の靱性や機械的強度が重要となる。すなわち、金属薄帯を環状に巻回した場合、外径寸法が内径寸法よりも若干大きくなり、金属薄帯が外側に伸びることによって該金属薄帯に応力が負荷される。その結果、金属薄帯の破損やクラック等の構造欠陥が生じ易くなることから、上述したように金属薄帯の靭性や機械的強度が重要となる。特に、コイル部品の小型化を達成するためにはコア径(磁心コアの内径)を小さくする必要があり、したがって靱性や機械的強度の確保が益々重要になってくる。
しかしながら、特許文献１では、金属薄帯の一方の主面を高速回転ロールに接触しない自由面にしていることから、前記一方の主面は表面平滑度に劣り、このためコア径を小径（例えば、６ｍｍ以下）に形成した場合、十分な靱性を確保することができず、機械的強度が低下し、巻回された金属薄帯に破損やクラック等の構造欠陥が発生するおそれがある。
また、この種のコイル部品では、良好な磁気特性を確保するためには大きなインダクタンスを得るのが好ましく、そのためには磁心コアの透磁率を向上させるのが望ましい。この場合、金属薄帯同士を密着させて巻回し、金属薄帯の占有率を上げることにより、透磁率を向上させることができる。
しかしながら、特許文献１のように単に高速回転ロールと接触しない自由面を外側にして巻回した場合、巻回された金属薄帯と金属薄帯との間に空気層が形成されるため、金属薄帯同士を密着させて巻回することができず、このため透磁率を十分に向上させることができず、所望の磁気特性を得るのが困難である。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、十分な靭性を確保することができ、良好な機械的強度を有する金属薄帯とその製造方法、及びこの金属薄帯を使用したコア径の小径化が可能な磁心コア、並びにこの磁心コアを使用したコモンモードチョークコイル等のコイル部品を提供することを目的とする。
特許文献１のように金属薄帯の一方の主面を自由面とし、他方の主面を表面平滑度の高い平滑面とし、前記一方の主面が外側となるように巻回して磁心コアを形成した場合、コア径が大きいときは良好な機械的強度や靭性が得られるが、［発明が解決しようとする課題］の項にも記載したように、コア径が例えば６ｍｍ以下の小径になると、十分な機械的強度や靭性を確保するのが困難となり、金属薄帯に破損やクラック等の構造欠陥が生じ易くなる。
そこで、本発明者が鋭意研究を行ったところ、上述した自由面に対し更に凹凸の連続した縞状模様を形成するように表面処理を施すことにより、金属薄帯を環状に巻回した場合、縞状模様の凸部が周方向に伸びることから金属薄帯に負荷される応力が軽減されて高靱性となり、その結果、磁心コアのコア径が６ｍｍ以下の小径であっても、金属薄帯全体に負荷される応力を軽減することができ、破損やクラック等の構造欠陥が発生するのを抑制できるという知見を得た。また、金属薄帯の表面性状は、三次元的な面粗さを規定する算術平均高さや最大高さ、アスペクト比等の三次元表面性状パラメータで評価することができる。そして、所望の機械的強度を確保するためには、自由面の表面粗さが、平滑面の表面粗さに対し、三次元表面性状パラメータの算術平均高さに換算して５倍以上、好ましくは１０倍以上であることが分かった。
また、巻回時に金属薄帯と金属薄帯との間に挟まれた空気は、上記縞状模様の凹部が逃げ道となって外部に放出されることから、金属薄帯間に生じる空気層を除去することができ、これにより巻回された金属薄帯同士の密着性が向上して透磁率を高めることができ、磁気特性の向上が可能になることも分かった。
本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る金属薄帯は、主成分が金属磁性材料で形成されると共に、一方の主面の表面粗さが他方の主面の表面粗さよりも粗くなるように形成されたフィルム状の金属薄帯であって、前記他方の主面は、表面平滑度の高い平滑面に形成されると共に、前記一方の主面は、凹部と凸部とを有する縞状模様が連続的に形成されるように表面処理され、前記一方の主面の表面粗さは、前記他方の主面の表面粗さに対し、三次元表面性状パラメータの算術平均高さに換算して５倍以上であることを特徴としている。
尚、上記「金属磁性材料」には、合金類も含む。
また、本発明の金属薄帯は、前記縞状模様が、前記一方の主面の長手方向に対し垂直方向乃至略垂直方向に形成されているのが好ましい。
また、本発明の金属薄帯は、前記一方の主面の表面粗さが、前記他方の主面の表面粗さに対し、三次元表面性状パラメータの最大高さに換算して２倍以上であるのが好ましい。
また、本発明の金属薄帯は、前記一方の主面の表面粗さが、三次元表面性状パラメータのアスペクト比に換算して０．９倍以下であるのが好ましい。
また、本発明の金属薄帯では、前記凸部は、最大幅が５～６０μｍであるのが好ましい。
さらに、本発明の金属薄帯では、前記凸部は、最大長が１０～６００μｍであるのが好ましい。
また、本発明の金属薄帯は、前記金属磁性材料が、非晶質であるのが好ましい。
さらに、本発明の金属薄帯は、前記金属磁性材料が、Ｆｅを主成分とするのが好ましい。
また、本発明に係る金属薄帯の製造方法は、金属磁性材料を主成分とする金属溶融物を回転体上に噴出させて急冷凝固させ、一方の主面は前記回転体と接触せず、他方の主面が前記回転体と接触するようにして連続薄帯を作製する工程と、前記連続薄帯を所定方向に搬送させながら前記一方の主面に表面処理を施し、前記一方の主面の表面粗さが他方の主面の表面粗さよりも粗くなるように凹部と凸部を有する縞状模様を前記一方の主面に連続的に形成し、金属薄帯を作製する工程とを含み、前記金属薄帯を作製する工程は、前記連続薄帯に熱処理を施しながら該連続薄帯の一方の主面に表面処理具を間欠的に負荷させて表面処理を行い、前記表面処理具の先端形状を前記一方の主面に転写することを特徴としている。
また、本発明の金属薄帯の製造方法は、前記連続薄帯に熱処理を施しながら該連続薄帯の一方の主面に表面処理具を間欠的に負荷させて表面処理を行い、前記表面処理具の先端形状を前記一方の主面に転写するのが好ましい。
このように連続薄帯に熱処理を施していることから、急冷凝固によって形成された内部歪みが除去されると共に、連続薄帯作製時に回転体と接しなかった一方の主面に前記表面処理具の先端形状が転写され、これにより一方の主面に凹部と凸部とを有する縞状模様を形成された金属薄帯を容易に作製することができる。
また、本発明に係る磁心コアは、上述したいずれかに記載の金属薄帯が環状に巻回された磁心コアであって、前記金属薄帯は、前記一方の主面を外側にして巻回されていることを特徴としている。
また、本発明の磁心コアは、コア径が、６ｍｍ以下であるのが好ましい。
これによりコア径が６ｍｍ以下の小径であっても、金属薄帯に破損やクラック等の構造欠陥が生じることもなく、機械的強度や靭性の良好な磁心コアを得ることができる。
尚、本発明で、「コア径」とは磁心コアの内径をいうものとする。
また、本発明に係るコイル部品は、上述した磁心コアとコイル導体とを備えていることを特徴としている。
また、本発明のコイル部品は、コモンモードチョークコイルであるのが好ましい。
尚、本発明では、上述した縞状模様の形成前の薄帯を、単に薄帯又は連続薄帯と称し、表面処理により縞状模様が形成された薄帯を金属薄帯と称することとする。
本発明の金属薄帯によれば、主成分が金属磁性材料で形成されると共に、一方の主面の表面粗さが他方の主面の表面粗さよりも粗くなるように形成されたフィルム状の金属薄帯であって、前記他方の主面は、表面平滑度の高い平滑面に形成されると共に、前記一方の主面は、凹部と凸部とを有する縞状模様が連続的に形成されるように表面処理され、前記一方の主面の表面粗さは、前記他方の主面の表面粗さに対し、三次元表面性状パラメータの算術平均高さに換算して５倍以上であるので、金属薄帯を環状に巻回しても前記凸部が周方向に伸びることから金属薄帯に負荷される応力が軽減され、高靱性となる。すなわち、コア径（空芯）が小さくても、金属薄帯に負荷される応力が軽減されることから、靱性が強化され、破損やクラック等の構造欠陥が発生するのを抑制することができ、良好な機械的強度を有する金属薄帯を得ることができる。さらに、巻回時に金属薄帯と金属薄帯との間に挟まれた空気は、上記縞状模様の凹部が逃げ道となって外部に放出されることから、金属薄帯間に生じる空気層を除去することができ、これにより巻回された金属薄同士の密着性が向上して透磁率を高めることができる。したがって、コア径が小さくても大きなインダクタンスを得ることができ、磁気特性を向上させることが可能となる。
本発明の金属薄帯の製造方法によれば、金属磁性材料を主成分とする金属溶融物を回転体上に噴出させて急冷凝固させ、一方の主面は前記回転体と接触せず、他方の主面が前記回転体と接触するようにして連続薄帯を作製する工程と、前記連続薄帯を所定方向に搬送させながら前記一方の主面に表面処理を施し、前記一方の主面の表面粗さが他方の主面の表面粗さよりも粗くなるように凹部と凸部を有する縞状模様を前記一方の主面に連続的に形成し、金属薄帯を作製する工程とを含み、前記金属薄帯を作製する工程は、前記連続薄帯に熱処理を施しながら該連続薄帯の一方の主面に表面処理具を間欠的に負荷させて表面処理を行い、前記表面処理具の先端形状を前記一方の主面に転写するので、連続薄帯作製時に回転体と接しなかった一方の主面のみが表面処理され、しかも作製された連続薄帯に熱処理を施していることから、急冷凝固によって形成された内部歪みが除去されると共に、連続薄帯作製時に回転体と接しなかった一方の主面に前記表面処理具の先端形状が転写され、これにより一方の主面に凹部と凸部とを有する縞状模様を形成された金属薄帯を容易に作製することができる。
本発明の磁心コアによれば、上述したいずれかに記載の金属薄帯が環状に巻回された磁心コアであって、前記金属薄帯は、前記一方の主面を外側にして巻回されているので、金属薄帯を巻回した場合に凸部が横方向に延びることから、靭性が強化され、金属薄帯に負荷される応力を効果的に軽減することができる。すなわち、空芯が小さくても金属薄帯の靭性が強化されることから、機械的強度を向上させることができ、破損やクラック等の構造欠陥が発生するのを抑制できる磁心コアを得ることができる。
また、本発明のコイル部品によれば、上述した磁心コアとコイル導体とを備えているので、靱性が良好で機械的強度を確保できる小型のコモンモードチョークコイル等のコイル部品を得ることができ、モジュール部品の小型・軽量化に寄与することができる。
次に、本発明の実施の形態を詳説する。
図１は、本発明に係る金属薄帯の一実施の形態を模式的に示す平面図であり、図２は図１のＡ－Ａ矢視断面図である。
金属薄帯１００は、主成分が金属磁性材料で形成されると共に、一方の主面１の表面粗さが他方の主面２の表面粗さよりも粗くなるように形成されている。具体的には、他方の主面２は、表面平滑度の高い平滑面に形成されると共に、一方の主面１は、凹部３と凸部４とを有する縞状模様５が連続的に形成されるように表面処理されている。
金属薄帯１００を上述のように形成し一方の主面１が外側に位置するように環状に巻回することにより、凸部４が周方向に伸びることから、靱性が強化される。そしてこれにより金属薄帯１００に負荷される応力を軽減することができ、コア径が小さい場合であっても破損やクラック等の構造欠陥が発生するのを抑制することができる。
すなわち、両主面が表面平滑度の高い平滑面を有する薄帯を環状に巻回すると、外径寸法が内径寸法よりも若干大きくなり、外側が内側に比べて伸びることから、薄帯には応力が負荷される。そして、この応力によって薄帯は破損やクラック等の構造欠陥を招くおそれがある。
この場合、コア径が比較的大きい場合（例えば、１０ｍｍ以上）は、特許文献１のように薄帯の一方の主面を表面粗さの粗い自由面とし、他方の主面を表面平滑度の高い平滑面とし、一方の主面１が外側に位置するように巻回して磁心コアを形成することにより、良好な靱性及び機械的強度を確保することができる。
しかしながら、コア径が例えば６ｍｍ以下に小さくなると、単に薄帯の自由面を外側にして環状に巻回しただけでは、巻回された薄帯の外側の伸びに起因した応力負荷が生じ、破損やクラック等の構造欠陥が発生し易くなる。
そこで、本発明では、上述した自由面に対し更に凹凸の連続した縞状模様５が形成されるように表面処理を施して金属薄帯１００とし、縞状模様５が外側に位置するように金属薄帯１００を環状に巻回した場合に凸部４が周方向に延びるようにしている。すなわち、金属薄帯１００を環状に巻回した場合に凸部４を周方向に伸ばすことにより靱性が強化されることから、磁心コアのコア径が小径の場合であっても、金属薄帯１００に負荷される応力を軽減することができ、これにより破損やクラック等の構造欠陥が発生するのを抑制でき、高靱性で良好な機械的強度を有する金属薄帯１００を得ることができる。
しかも、巻回時に金属薄帯１００と金属薄帯１００との間に挟まれた空気は、上記縞状模様５の凹部３が逃げ道となって外部に放出されることから、金属薄帯１００間に生じる空気層を除去することができ、これにより巻回された金属薄帯１００同士の密着性が向上して透磁率を高めることができる。したがって、コア径が小さくても大きなインダクタンスを得ることができ、磁気特性を向上させることが可能となる。
縞状模様５を形成する凸部４の最大長Ｌ及び最大幅Ｗは、金属薄帯１００を巻回した場合に破損やクラック等の構造欠陥を抑制できるような伸びを確保できるのであれば特に限定されるものではないが、最大幅Ｗは５～６０μｍが好ましく、より好ましくは１０～５０μｍである。また、最大長Ｌは１０～６００μｍが好ましく、より好ましくは３０～６００μｍである。したがってこのような最大幅Ｗ及び最大長Ｌとなるように後述する表面処理具を使用して表面処理するのが好ましい。
また、縞状模様５の形成方向は、特に限定されるものではなく、長手方向と平行であってもよいが、通常は図１に示すように、金属薄帯１００の長手方向に対し垂直方向乃至略垂直方向が好ましい。
金属薄帯１００の主成分を形成する金属磁性材料についても、金属磁性材料であれば特に限定されるものではなく、Ｆｅを主成分としたＦｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｃｕ－Ｎｂ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｐ－Ｃｕ、Ｆｅ－Ｐ－Ｂ－Ｃ－Ｓｉ－Ｇｅ－Ａｌ、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｐ－Ｂ－Ｃ－Ｓｉ－Ｇｅ－Ａｌ、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｏ－Ｐ－Ｂ－Ｃ－Ｓｉ－Ｇｅ－Ａｌ、Ｆｅ－Ｓｉ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ等のＦｅ系材料を使用することができる。
また、金属薄帯１００の厚みも特に限定されるものではないが、通常は１５～８０μｍに形成され、好ましくは２０～３０μｍに形成される。
また、金属磁性材料は結晶質でもよいが、軟磁性特性が良好な非晶質がより好ましい。
尚、金属薄帯１００の外形寸法は、要求される仕様に応じて適宜決定され、例えば全長１５００ｍｍ、全幅５０ｍｍ程度に形成される。
ところで、本金属薄帯１００は、一方の主面１に凹部３と凸部４とを有する連続した縞状模様５を形成し、他方の主面２を表面平滑度の高い平滑面とすることにより靱性を強化し機械的強度を確保しているが、所望の機械的強度や靱性を得るためには三次元的な面粗さを規定する算術平均高さＳａや最大高さＳｚ、表面性状のアスペクト比（以下、単に「アスペクト比」という。）Ｓｔｒ等の三次元表面性状パラメータで数値管理するのが好ましい。
従来、この種の表面粗さは、表面性状を二次元的な線粗さで数値管理するのが一般的であったが、近年、二次元パラメータを拡張し、立体的な三次元パラメータで面粗さを数値管理することが行われており、国際標準化機構（ＩＳＯ）のＩＳＯ２５１７８に詳細が規定されている。この三次元表面性状パラメータは、表面性状を立体的に評価できることから、二次元表面性状パラメータのように測定箇所や走査方向の依存性に起因した測定結果のバラツキを解消することが可能であり、また、二次元表面性状パラメータでは数値化できなかった表面異方性を数値管理することができる。
この三次元表面性状パラメータには、上述した算術平均高さＳａ、最大高さＳｚ、アスペクト比Ｓｔｒの他、山頂点の算術平均曲率（以下、単に「算術平均曲率」という。）Ｓｐｃ、界面の展開面積比（以下、単に「展開面積比」という。）Ｓｄｒ等があり、それぞれの好ましい範囲について詳述する。
（１）算術平均高さＳａ
算術平均高さＳａは、測定対象領域での基準面からの高さの絶対値の算術平均値である。したがって、この算術平均高さＳａが大きい場合は表面平滑度が低く表面粗さが粗いことを表し、算術平均高さＳａが小さい場合は表面平滑度が高いことを表す。そして、所望の縞状模様５を形成するためには、一方の主面１の表面粗さは、算術平均高さＳａに換算して好ましくは０．２μｍ以上、より好ましくは０．３μｍ以上であり、他方の主面２の表面粗さに対する算術平均高さＳａに換算した比率は、好ましくは５倍以上、より好ましくは１０倍以上である。
算術平均高さＳａは、測定対象領域での基準面からの高さの絶対値の算術平均値である。したがって、この算術平均高さＳａが大きい場合は表面平滑度が低く表面粗さが粗いことを表し、算術平均高さＳａが小さい場合は表面平滑度が高いことを表す。そして、所望の縞状模様５を形成するためには、一方の主面１の表面粗さは、算術平均高さＳａに換算して好ましくは０．２μｍ以上、より好ましくは０．３μｍ以上であり、他方の主面２の表面粗さに対する算術平均高さＳａに換算した比率は、好ましくは５倍以上、より好ましくは１０倍以上である。
（２）最大高さＳｚ
最大高さＳｚは、測定対象領域での最大山高さＳｐと、最大谷深さＳｖとの和（＝Ｓｐ＋Ｓｖ）である。この最大高さＳｚが大きい場合は、表面平滑度が低く表面粗さが粗いことを表し、最大高さＳｚが小さい場合は、表面平滑度が高いことを表す。そして、所望の縞状模様５を形成するためには、一方の主面１の表面粗さは、最大高さＳｚに換算して好ましくは２μｍ以上、より好ましくは２．５μｍ以上であり、他方の主面２の表面粗さに対する最大高さＳｚに換算した比率は、好ましくは２倍以上、より好ましくは５倍以上である。
最大高さＳｚは、測定対象領域での最大山高さＳｐと、最大谷深さＳｖとの和（＝Ｓｐ＋Ｓｖ）である。この最大高さＳｚが大きい場合は、表面平滑度が低く表面粗さが粗いことを表し、最大高さＳｚが小さい場合は、表面平滑度が高いことを表す。そして、所望の縞状模様５を形成するためには、一方の主面１の表面粗さは、最大高さＳｚに換算して好ましくは２μｍ以上、より好ましくは２．５μｍ以上であり、他方の主面２の表面粗さに対する最大高さＳｚに換算した比率は、好ましくは２倍以上、より好ましくは５倍以上である。
（３）アスペクト比Ｓｔｒ
アスペクト比Ｓｔｒは、周期性の評価指標である自己相関関数が最も遅く特定値に減衰する水平方向の距離と、前記自己相関関数が最も速く特定値に減衰する水平方向の距離との比と定義され、０≦Ｓｔｒ＜１の値をとる。このアスペクト比Ｓｔｒは表面性状の均一性を示す尺度であり、アスペクト比が１に近くなればなるほど均一性が良好な等方性表面となり、０に近くなればなるほど不均一性が増加し、異方性表面となる。そして、本実施の形態では、第１の主面１は、縞状模様５を形成していることから、不均一な異方性表面であるのが好ましい。斯かる観点からは一方の主面１の表面粗さは、アスペクト比Ｓｔｒに換算して好ましくは０．３３以下、より好ましくは０．３０以下であり、他方の主面２の表面粗さに対するアスペクト比Ｓｔｒに換算した比率は、好ましくは０．９倍以下、より好ましくは０．８５倍以下である。
アスペクト比Ｓｔｒは、周期性の評価指標である自己相関関数が最も遅く特定値に減衰する水平方向の距離と、前記自己相関関数が最も速く特定値に減衰する水平方向の距離との比と定義され、０≦Ｓｔｒ＜１の値をとる。このアスペクト比Ｓｔｒは表面性状の均一性を示す尺度であり、アスペクト比が１に近くなればなるほど均一性が良好な等方性表面となり、０に近くなればなるほど不均一性が増加し、異方性表面となる。そして、本実施の形態では、第１の主面１は、縞状模様５を形成していることから、不均一な異方性表面であるのが好ましい。斯かる観点からは一方の主面１の表面粗さは、アスペクト比Ｓｔｒに換算して好ましくは０．３３以下、より好ましくは０．３０以下であり、他方の主面２の表面粗さに対するアスペクト比Ｓｔｒに換算した比率は、好ましくは０．９倍以下、より好ましくは０．８５倍以下である。
（４）算術平均曲率Ｓｐｃ
算術平均曲率Ｓｐｃは、表面の山頂点の主曲率の平均値である。この算術平均曲率Ｓｐｃが小さい場合は凸部４が丸みを帯び、一方、算術平均曲率Ｓｐｃが大きい場合は凸部４が尖鋭であることを表す。そして、一方の主面１の算術平均曲率Ｓｐｃは凸部４が尖鋭であるのが好ましいことから、一方の主面１の表面粗さは、算術平均曲率Ｓｐｃに換算して好ましくは４００（１／ｍｍ）以上、より好ましくは６００（１／ｍｍ）以上であり、他方の主面２の表面粗さに対する算術平均曲率Ｓｐｃに換算した比率は、好ましくは２倍以上、より好ましくは３倍以上である。
算術平均曲率Ｓｐｃは、表面の山頂点の主曲率の平均値である。この算術平均曲率Ｓｐｃが小さい場合は凸部４が丸みを帯び、一方、算術平均曲率Ｓｐｃが大きい場合は凸部４が尖鋭であることを表す。そして、一方の主面１の算術平均曲率Ｓｐｃは凸部４が尖鋭であるのが好ましいことから、一方の主面１の表面粗さは、算術平均曲率Ｓｐｃに換算して好ましくは４００（１／ｍｍ）以上、より好ましくは６００（１／ｍｍ）以上であり、他方の主面２の表面粗さに対する算術平均曲率Ｓｐｃに換算した比率は、好ましくは２倍以上、より好ましくは３倍以上である。
（５）展開面積比Ｓｄｒ
展開面積比Ｓｄｒは、測定対象領域の展開面積(表面積)が、測定対象領域の面積に対してどれだけ増大しているかを表し、完全な平坦面では展開面積比Ｓｄｒは０となり、表面に傾斜があると展開面積比Ｓｄｒは大きくなる。縞状模様５を形成する必要のある第１の主面１の表面粗さは、展開面積比Ｓｄｒに換算して好ましくは０．０１０以上、より好ましくは０．０１５であり、第２の主面２の表面粗さに対する展開面積比Ｓｄｒに換算した比率は、好ましくは２０倍以上、より好ましくは３０倍以上である。
展開面積比Ｓｄｒは、測定対象領域の展開面積(表面積)が、測定対象領域の面積に対してどれだけ増大しているかを表し、完全な平坦面では展開面積比Ｓｄｒは０となり、表面に傾斜があると展開面積比Ｓｄｒは大きくなる。縞状模様５を形成する必要のある第１の主面１の表面粗さは、展開面積比Ｓｄｒに換算して好ましくは０．０１０以上、より好ましくは０．０１５であり、第２の主面２の表面粗さに対する展開面積比Ｓｄｒに換算した比率は、好ましくは２０倍以上、より好ましくは３０倍以上である。
本実施の形態では、上記（１）～（５）に記載した数値範囲のうちの少なくとも１つ以上、特に（１）～（３）に記載した数値範囲のうちの少なくとも１つ以上を満たすように表面粗さを数値管理するのが好ましい。
このように本金属薄帯１００は、主成分が金属磁性材料で形成されると共に、一方の主面１の表面粗さが他方の主面２の表面粗さよりも粗くなるように形成され、他方の主面２は、表面平滑度の高い平滑面に形成されると共に、一方の主面１は、凹部３と凸部４とを有する縞状模様５が連続的に形成されるように表面処理されているので、金属薄帯１００を環状に巻回しても前記凸部４が周方向に伸びることから金属薄帯１００に負荷される応力が軽減され、高靱性となる。すなわち、コア径が小さくても、金属薄帯１００に負荷される応力が軽減されることから、靱性が強化され、破損やクラック等の構造欠陥が発生するのを抑制することができ、良好な機械的強度を有する金属薄帯を得ることができる。さらに、巻回時に金属薄帯１００と金属薄帯１００との間に挟まれた空気は、上記縞状模様５の凹部３が逃げ道となって外部に放出されることから、金属薄帯１００間に生じる空気層を除去することができ、これにより巻回された金属薄帯１００同士の密着性が向上して透磁率を高めることができる。したがって、コア径が小さくても大きなインダクタンスを得ることができ、磁気特性を向上させることが可能となる。
次に、上記金属薄帯の製造方法を詳述する。
本金属薄帯の製造方法は、金属溶融物から薄帯を連続的に作製する連続薄帯作製工程と連続薄帯の一方の主面に表面処理を施して縞状模様を付与する縞状模様付与工程とを含み、前記連続薄帯工程と前記縞状模様付与工程とが連続して実施される。
図３は、連続薄帯作製工程の一実施の形態を模式的に示す図であり、本実施の形態では、単ロール液体急冷法で連続薄帯を作製している。
すなわち、この連続薄帯作製工程は、金属溶融物６が収容されるアルミナ等で形成された坩堝７と、該坩堝７の外周に配された誘導加熱コイル８と、矢印Ａ方向に高速回転するＣｕ等で形成されたロール（回転体）９と、矢印Ｂ方向に回転して連続薄帯１０を巻き取る第１の巻取部１１とを備えている。
そして、連続薄帯１０は以下のようにして製造することができる。
まず、素原料としてＦｅ、Ｓｉ、Ｂ、Ｐ等のＦｅ系金属磁性材料を形成する各元素単体又はこれら元素を含有した化合物を用意し、所定量秤量して調合し、高周波誘導加熱炉等を使用して融点以上に加熱し、その後冷却して母合金を得る。
次に、この母合金を破砕した後坩堝７に投入する。そして、高周波電源を誘導加熱コイル８に印加し、坩堝７を加熱して母合金を溶融させ、金属溶融物６を作製する。
次いで、金属溶融物６を坩堝７のノズル７ａから噴出させて矢印Ａ方向に高速回転しているロール９上に落下させる。これにより金属溶融物６はロール９で急冷凝固されて非晶質の連続薄帯１０となり、矢印Ｂ方向に回転している第１の巻取部１１に巻き取られる。
このように形成された連続薄帯１０では、ロール９と接触する他方の主面１３は、ロール９の面精度に拘束されることから表面平滑度の高い平滑面となり、一方の主面１２は、ロール９と接触しない自由面となり、他方の主面１３と比べて表面平滑度は低く適度な表面粗さを有するように形成される。
図４は縞状模様付与工程の一実施の形態を模式的に示す図である。
すなわち、縞状模様付与工程は、第１の巻取部１１に巻き取られた連続薄帯１０を熱処理する加熱炉１４と、加熱炉１４の先端部分に装着された表面処理具１５と、該表面処理具１５で表面処理された金属薄帯１００を巻き取る第２の巻取部１６と、連続薄帯１０を加熱炉１４に案内する第１のガイドローラ１７と、加熱炉１４から搬送されてきた金属薄帯１００を第２の巻取部１６に案内する第２のガイドローラ１８とを有している。
上記表面処理具１５は、矢印Ｃ方向に搬送される連続薄帯１０に対し垂直方向に往復運動し、第１の主面１２に間欠的に負荷して表面処理され、表面処理後の第１の主面１に凹部３と凸部４とを有する縞状模様５を連続的に形成する。すなわち、この表面処理具１５の先端は、形状転写により表面処理後の金属薄帯１００の第１の主面１に縞状模様５が形成されるように構成されている。
すなわち、上記縞状模様付与工程では、第１の巻取部１１に巻き取られている連続薄帯１０は第１のガイドローラ１７を介して加熱炉１４に案内されて矢印Ｃ方向に搬送され、該加熱炉１４で熱処理されて連続薄帯１０の熱歪みが除去されると共に連続薄帯１０を必要に応じて結晶化し、表面処理具１５を介して連続薄帯１０に表面処理を施す。具体的には表面処理具１５を連続薄帯１０の搬送方向に対し垂直方向に往復運動させて表面処理具１５の先端形状を連続薄帯１０の第１の主面１２に転写し、これにより表面処理後の第１の主面１に縞状模様５が形成された金属薄帯１００が得られ、第２のガイドローラ１８を介して前記金属薄帯１００を第２の巻取部１６に巻き取る。
このように本金属薄帯の製造方法によれば、金属磁性材料を主成分とする金属溶融物６を矢印Ａ方向に回転しているロール９上に噴出させて急冷凝固させ、一方の主面１２はロール９と接触せず、他方の主面１３がロール９と接触するようにして連続薄帯１０を作製する工程と、連続薄帯１０を矢印Ｃ方向に搬送させながら一方の主面１２に表面処理を施し、表面処理後の一方の主面１の表面粗さが他方の主面２の表面粗さよりも粗くなるように凹部３と凸部４を有する縞状模様５を一方の主面１に連続的に形成し、金属薄帯を作製する工程とを含むので、連続薄帯作製時にロール９と接しなかった一方の主面１２のみに表面処理がなされ、これにより表面処理後の一方の主面１に凹部３と凸部４とを有する縞状模様５が形成され、所望の金属薄帯１００を容易に作製することができる。
しかも、連続薄帯１０に熱処理を施していることから、急冷凝固によって形成された内部歪みを効果的に除去することができる。
図５は上記金属薄帯を使用して得られた磁心コアの一実施の形態を模式的に示す斜視図である。
本磁心コアは、この図５に示すように、表面粗さが粗くなるように縞状模様５が形成された第１の主面１が外側に位置し、表面平滑度が高い平滑面である他方の主面２が内側に位置するように金属薄帯１００が環状に巻回されている。
図６は磁心コアの外周面の一例を模式的に示した断面図である。
図６において、金属薄帯１００は、巻回前は破線で示すように、凹部３と凸部４を有する縞状模様５を有しているが、巻回することにより、凸部４’は周方向に伸びる結果、金属薄帯１００に負荷される応力を抑制することができる。すなわち、凹部３と凸部４とを有する縞状模様５を連続的に形成することにより金属薄帯１００に負荷される応力が軽減することができることから、金属薄帯１００を環状に巻回して小さなコア径を有する磁心コアを形成しても、高靱性で機械的強度が良好で、金属薄帯１００にクラック等の構造欠陥を抑制できる磁心コアを得ることが可能となる。
さらに、巻回時に金属薄帯１００と金属薄帯１００との間に挟まれた空気は、上記縞状模様５の凹部３が逃げ道となって外部に放出されることから、金属薄帯間に生じる空気層を除去することができ、これにより金属薄帯間の密着性が向上して透磁率を高めることができ、その結果、大きなインダクタンスを得ることができ、磁気特性の向上を図ることができる。
図７は、磁心コアの製造方法の一実施の形態を模式的に示す図であって、本実施の形態では、図３及び図４で示した金属薄帯の製造工程の後工程として実施される。
すなわち、本製造方法では、まず、直径が６ｍｍ以下の小径部２０と、該小径部２０より大きな大径部１９とを有する芯棒２１を用意する。そして、該芯棒２１を矢印Ｅ方向に回転させながら、第２の巻取部１５に巻き取られている金属薄帯１００を芯棒２１の外周面に案内し、該芯棒２１の外周面に密着するように金属薄帯１００を多数回巻回し、金属薄帯１００を芯棒２１の小径部２０に巻き付ける。そしてこの後芯棒２１を金属薄帯１００から離脱させ、これにより磁心コアを作製することができる。
図８は、上記磁心コアを使用したコイル部品の一実施の形態を示す正面図であって、本コイル部品はコモンモードチョークコイルを示している。
すなわち、本コモンモードチョークコイルは、第１及び第２のコイル導体２３ａ、２３ｂが互いに巻き方向が反対方向となるように環状の磁心コア２２に巻回されており、第１のコイル導体２３ａにコモンモードの電流が流れ、第２のコイル導体２３ｂにノーマルモードの電流が流れるように構成されている。
このように構成されたコモンモードチョークコイルでは、ノイズ成分はコモンモードで伝送され、信号成分はノーマルモードで伝送されることから、これら伝送モードの相違を利用し、信号とノイズに分離してノイズ除去を行うことができる。
そして、本コモンモードチョークコイルは、磁心コア２２が上述した本発明の金属薄帯１００で形成されているので、コア径が６ｍｍ以下の小径の場合であっても、クラック等の構造欠陥の発生を抑制することができ、高靱性で機械的強度が良好な小型のコモンモードチョークコイルを得ることができ、モジュール部品の小型・軽量化に寄与することができる。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態ではコイル部品としてコモンモードチョークコイルを例示したが、小さなコア径が要求される金属磁性材料を使用した各種コイル部品に適用可能である。
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。
〔試料の作製〕
素原料としてＦｅ、Ｓｉ、Ｂ、Ｆｅ３Ｐを用意し、所定の組成となるように調合し、高周波誘導加熱炉で融点以上に加熱し溶解させ、次いで、この溶解物を銅製の鋳込み型に流し込んで冷却し、これにより母合金を作製した。
素原料としてＦｅ、Ｓｉ、Ｂ、Ｆｅ３Ｐを用意し、所定の組成となるように調合し、高周波誘導加熱炉で融点以上に加熱し溶解させ、次いで、この溶解物を銅製の鋳込み型に流し込んで冷却し、これにより母合金を作製した。
次に、この母合金を５ｍｍ程度の大きさに破砕し、単ロール液体急冷装置の坩堝に投入し、高周波誘導加熱を行って母合金を溶解させ、金属溶融物を得た。
次いで、この金属溶融物を坩堝の先端ノズルから噴出させ、高速回転しているロールに注いで急冷凝固させ、これにより薄帯が連続的に形成された連続薄帯を作製した。
次いで、４００℃の温度に調整されかつ出口近傍に表面処理具が装着された加熱炉に連続薄帯を通過させ、該連続薄帯を熱処理して熱歪みを除去すると共に、表面処理具を連続薄帯の第１の主面に対し垂直方向に往復運動させ、表面処理具を連続薄帯に間欠的に負荷した。これにより表面処理具の先端形状が前記第１の主面に転写され、凹部と凸部を有する縞状模様が連続的に形成された試料（金属薄帯）を作製した。試料の外形寸法は、長さ１００ｍ、幅５０ｍｍ、厚み２５μｍであった。
〔試料の評価〕
作製された試料の第１及び第２の主面について、レーザ顕微鏡（キーエンス社製、形状解析レーザ顕微鏡ＶＫ－Ｘシリーズ）を使用して三次元画像解析を行い、ＩＳＯ２５１７８に準拠し、各種表面粗さ（算術平均粗さＳａ、最大高さＳｚ、アスペクト比Ｓｔｒ、算術平均曲率Ｓｐｃ、及び展開面積比Ｓｄｒ）を算出した。尚、画像解析の対象領域は、縦：２８０μｍ、横：２００μｍであった。
作製された試料の第１及び第２の主面について、レーザ顕微鏡（キーエンス社製、形状解析レーザ顕微鏡ＶＫ－Ｘシリーズ）を使用して三次元画像解析を行い、ＩＳＯ２５１７８に準拠し、各種表面粗さ（算術平均粗さＳａ、最大高さＳｚ、アスペクト比Ｓｔｒ、算術平均曲率Ｓｐｃ、及び展開面積比Ｓｄｒ）を算出した。尚、画像解析の対象領域は、縦：２８０μｍ、横：２００μｍであった。
表１は、第１の主面及び第２の主面のそれぞれについての表面粗さの測定結果、及び第２の主面に対する第１の主面の比率を示している。
（１）算術平均高さＳａ
表面処理がなされなかった第２の主面の算術平均高さＳａは、０．０２４μｍと小さく表面平滑度が高かったのに対し、表面処理された第１の主面は、縞状模様が形成されていることから、算術平均高さＳａは０．３１μｍであった。すなわち、三次元表面性状パラメータの算術平均高さＳａで評価した場合、一方の主面の表面粗さは、他方の主面の平均粗さに対し、１２．９倍となって１０倍以上であり、第１の主面には、所望の凹凸形状の縞状模様が連続して形成されていることが分かった。
表面処理がなされなかった第２の主面の算術平均高さＳａは、０．０２４μｍと小さく表面平滑度が高かったのに対し、表面処理された第１の主面は、縞状模様が形成されていることから、算術平均高さＳａは０．３１μｍであった。すなわち、三次元表面性状パラメータの算術平均高さＳａで評価した場合、一方の主面の表面粗さは、他方の主面の平均粗さに対し、１２．９倍となって１０倍以上であり、第１の主面には、所望の凹凸形状の縞状模様が連続して形成されていることが分かった。
（２）最大高さＳｚ
表面処理がなされなかった第２の主面の最大高さＳｚは、０．４６μｍと高低差が小さかったのに対し、表面処理された第１の主面の最大高さＳｚは、２．５μｍと高低差が大きく、その比率は５．４倍となって５倍以上であり、表面粗さを最大高さＳｚで評価した場合であっても、第１の主面は第２の主面に比べて十分に粗く、第１の主面には、所望の凹凸形状の縞状模様が連続して形成されていることが分かった。
表面処理がなされなかった第２の主面の最大高さＳｚは、０．４６μｍと高低差が小さかったのに対し、表面処理された第１の主面の最大高さＳｚは、２．５μｍと高低差が大きく、その比率は５．４倍となって５倍以上であり、表面粗さを最大高さＳｚで評価した場合であっても、第１の主面は第２の主面に比べて十分に粗く、第１の主面には、所望の凹凸形状の縞状模様が連続して形成されていることが分かった。
（３）アスペクト比Ｓｔｒ
表面処理がなされなかった第２の主面のアスペクト比Ｓｔｒは、０．３５であったのに対し、表面処理された第１の主面のアスペクト比Ｓｔｒは、０．３１であり、その比率は０．９倍であった。すなわち、第１の主面は第２の主面よりもアスペクト比Ｓｔｒが小さいことから、第２の主面に比べて表面異方性が強く、表面が不均一であり、第１の主面には、所望の凹凸形状の縞状模様が連続して形成されていることが分かった。
表面処理がなされなかった第２の主面のアスペクト比Ｓｔｒは、０．３５であったのに対し、表面処理された第１の主面のアスペクト比Ｓｔｒは、０．３１であり、その比率は０．９倍であった。すなわち、第１の主面は第２の主面よりもアスペクト比Ｓｔｒが小さいことから、第２の主面に比べて表面異方性が強く、表面が不均一であり、第１の主面には、所望の凹凸形状の縞状模様が連続して形成されていることが分かった。
（４）算術平均曲率Ｓｐｃ
表面処理がなされなかった第２の主面は、２３６（１／ｍｍ）であったのに対し、表面処理された第１の主面は、７６５（１／ｍｍ）であり、その比率は３．２倍であった。すなわち、第１の主面の表面形状は、第２の主面の表面形状に比べ、十分に尖鋭であることが分かった。
表面処理がなされなかった第２の主面は、２３６（１／ｍｍ）であったのに対し、表面処理された第１の主面は、７６５（１／ｍｍ）であり、その比率は３．２倍であった。すなわち、第１の主面の表面形状は、第２の主面の表面形状に比べ、十分に尖鋭であることが分かった。
（５）展開面積比Ｓｄｒ
表面処理がなされなかった第２の主面は、０．０００８とほぼ完全な平滑面に近かったのに対し、表面処理された第１の主面は、０．０２であり、その比率は２５倍であった。すなわち、第１の主面の表面は、第２の主面の表面に比べ、十分に粗いことが分かった。
表面処理がなされなかった第２の主面は、０．０００８とほぼ完全な平滑面に近かったのに対し、表面処理された第１の主面は、０．０２であり、その比率は２５倍であった。すなわち、第１の主面の表面は、第２の主面の表面に比べ、十分に粗いことが分かった。
実施例１の金属薄帯を使用し、コア径が４ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍとなるように磁心コアを各１０個ずつ作製し、本発明試料とした。
また、実施例１において表面処理を行わなかった連続薄帯を使用し、コア径が４ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍとなるように磁心コアを各１０個ずつ作製し、比較例試料とした。
そして、本発明試料及び比較例試料の各試料を目視および光学顕微鏡で観察し、破損やクラック等の構造欠陥の有無を生じているか否かを調べた。
表２は、本発明試料及び比較例試料の不良発生率を示している。
この表２から明らかなようにコア径が１２ｍｍの場合は、本発明及び比較例の双方共、破損やクラック等の構造欠陥が生じた不良品は皆無であった。
しかしながら、コア径が６ｍｍになると、本発明試料では不良品は生じなかったのに対し、比較例試料では１０個中、５個の不良品が生じ、製品歩留まりの低下を招くことが分かった。
さらに、コア径が４ｍｍになると、本発明試料では構造欠陥は認められなかったのに対し、比較例試料では全１０個に構造欠陥が発生した。
以上より本発明試料は、比較例試料とは異なり、コア径が小径であっても靱性を含む機械的強度の良好な磁心コアが得られることが分かった。
コア径が６ｍｍ以下の小さい場合であっても、巻回してもクラック等の構造欠陥が抑制できる機械的強度や靱性の良好な金属薄帯とその製造方法を実現する。
１ 一方の主面
２ 他方の主面
３ 凹部
４ 凸部
５ 縞状模様
６ 金属溶融物
９ ロール（回転体）
１０ 連続薄帯
１２ 一方の主面
１３ 他方の主面
１５ 表面処理具
２２ 磁心コア
２３ａ、２３ｂ コイル導体
１００ 金属薄帯
２ 他方の主面
３ 凹部
４ 凸部
５ 縞状模様
６ 金属溶融物
９ ロール（回転体）
１０ 連続薄帯
１２ 一方の主面
１３ 他方の主面
１５ 表面処理具
２２ 磁心コア
２３ａ、２３ｂ コイル導体
１００ 金属薄帯
Claims (14)
- 主成分が金属磁性材料で形成されると共に、一方の主面の表面粗さが他方の主面の表面粗さよりも粗くなるように形成されたフィルム状の金属薄帯であって、
前記他方の主面は、表面平滑度の高い平滑面に形成されると共に、
前記一方の主面は、凹部と凸部とを有する縞状模様が連続的に形成されるように表面処理され、
前記一方の主面の表面粗さは、前記他方の主面の表面粗さに対し、三次元表面性状パラメータの算術平均高さに換算して５倍以上であることを特徴とする金属薄帯。 - 前記縞状模様は、前記一方の主面の長手方向に対し垂直方向乃至略垂直方向に形成されていることを特徴とする請求項１記載の金属薄帯。
- 前記一方の主面の表面粗さは、前記他方の主面の表面粗さに対し、前記算術平均高さに換算して１０倍以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の金属薄帯。
- 前記一方の主面の表面粗さは、前記他方の主面の表面粗さに対し、三次元表面性状パラメータの最大高さに換算して２倍以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の金属薄帯。
- 前記一方の主面の表面粗さは、前記他方の主面の表面粗さに対し、三次元表面性状パラメータのアスペクト比に換算して０．９倍以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに金属薄帯。
- 前記凸部は、最大幅が５～６０μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の金属薄帯。
- 前記凸部は、最大長が１０～６００μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の金属薄帯。
- 前記金属磁性材料は、非晶質であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の金属薄帯。
- 前記金属磁性材料は、Ｆｅを主成分とすることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の金属薄帯。
- 金属磁性材料を主成分とする金属溶融物を回転体上に噴出させて急冷凝固させ、一方の主面は前記回転体と接触せず、他方の主面が前記回転体と接触するようにして連続薄帯を作製する工程と、前記連続薄帯を所定方向に搬送させながら前記一方の主面に表面処理を施し、前記一方の主面の表面粗さが他方の主面の表面粗さよりも粗くなるように凹部と凸部を有する縞状模様を前記一方の主面に連続的に形成し、金属薄帯を作製する工程とを含み、
前記金属薄帯を作製する工程は、前記連続薄帯に熱処理を施しながら該連続薄帯の一方の主面に表面処理具を間欠的に負荷させて表面処理を行い、前記表面処理具の先端形状を前記一方の主面に転写することを特徴とする金属薄帯の製造方法。 - 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の金属薄帯が環状に巻回された磁心コアであって、
前記金属薄帯は、縞状模様が形成された一方の主面を外側にして巻回されていることを特徴とする磁心コア。 - コア径が、６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１１記載の磁心コア。
- 請求項１１又は請求項１２記載の磁心コアとコイル導体とを備えていることを特徴とするコイル部品。
- コモンモードチョークコイルであることを特徴とする請求項１３記載のコイル部品。
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