WO2011030907A1 - 軟磁性アモルファス合金薄帯及びその製造方法、並びにそれを用いた磁心 - Google Patents

軟磁性アモルファス合金薄帯及びその製造方法、並びにそれを用いた磁心 Download PDF

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soft magnetic
alloy ribbon
ribbon
magnetic amorphous
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克仁 吉沢
直輝 伊藤
伸一 和井
佐々木　淳
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日立金属株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y10T428/12389—All metal or with adjacent metals having variation in thickness

Definitions

  • the present invention relates to a soft magnetic amorphous alloy ribbon suitable for a transformer for distribution, a high frequency transformer, a saturable reactor, a magnetic switch, and the like, a method for producing the same, and a soft magnetic amorphous
  • the present invention relates to a magnetic core using an alloy ribbon.
  • Soft magnetic Fe-based or Co-based amorphous alloys produced by a liquid quenching method such as the single roll method do not contain crystal grains, so there is no magnetocrystalline anisotropy, low magnetic hysteresis loss, and low coercivity. Excellent soft magnetism. Therefore, amorphous alloy ribbons are used in various transformers, choke coils, saturable reactors, magnetic cores such as magnetic switches, magnetic sensors, and the like.
  • the Fe-based amorphous alloy ribbon has a relatively high saturation magnetic flux density Bs, a low coercive force and a low iron loss, and has attracted attention as an energy-saving soft magnetic material.
  • Fe-based amorphous alloy ribbons Fe-Si-B amorphous alloy ribbons having excellent thermal stability are widely used for transformer cores (see, for example, JP-A-2006-45662).
  • Fe-Si-B amorphous alloys have low coercive force and small magnetic hysteresis loss, but eddy current loss in a broad sense (iron loss-hysteresis loss) is the number of classical eddy current losses that can be obtained assuming uniform magnetization. It is known to be 10 to 100 times larger.
  • the difference between eddy current loss in a broad sense and classical eddy current loss is called abnormal eddy current loss or excess loss, and is mainly caused by nonuniform magnetization changes.
  • the reason why the abnormal eddy current loss of the amorphous alloy is large is thought to be because the domain wall of the amorphous alloy is large, so that the moving speed of the domain wall is large and the nonuniform magnetization change rate is large.
  • the surface of an amorphous alloy ribbon is irradiated with a pulsed laser in the width direction, and the surface is melted locally and instantaneously.
  • the diameter of each recess is 0.5 mm or less. Particularly when the recess is formed before annealing, the diameter is 200 to 250 ⁇ m, and when the recess is formed after annealing, the diameter is 50 to 100 ⁇ m.
  • the average interval between the recesses is 1 to 20 mm. Within the diameter range of 50 to 250 ⁇ m, iron loss decreases with increasing diameter.
  • the iron loss decreases as the ribbon becomes thinner, but the effect of reducing the iron loss by pulse laser irradiation also decreases as the ribbon becomes thinner. Although it is 40 to 50%, it becomes about 10 to 20% when the thickness is 30 ⁇ m or less.
  • recesses having a diameter of about 50 to 250 ⁇ m are formed at intervals of 5 mm on a 65 ⁇ m-thick amorphous alloy ribbon by a YAG laser.
  • an amorphous alloy ribbon having a thickness of 65 ⁇ m is irradiated with a pulse laser having a beam diameter of 0.2 mm and an energy density of about 0.3 J / mm 2 by a YAG laser, and a line of about 70% is irradiated. Concave portions are formed in a row by density. However, a splash of molten alloy is also observed around the recess shown in Japanese Patent Publication No. 3-32888. This is presumably because the laser beam irradiation energy density was large and each recess was formed deep. Therefore, although iron loss can be reduced, there is a problem that apparent power increases.
  • JP-B-3-32888 describes the energy density per pulse as 0.02 to 1.0 J / mm 2 , but a low-energy pulse laser near 0.02 J / mm 2 is turned into a thick amorphous alloy ribbon with a thickness of 65 ⁇ m. When irradiated, the depth of the recesses obtained is insufficient with respect to the thickness of the amorphous alloy ribbon, and a sufficient iron loss reduction effect cannot be obtained.
  • the method of Japanese Patent Publication No. 2-53935 is the method of Japanese Patent Publication No. 3-32886 and Japanese Patent Publication No. 3-32888 in that a locally melted portion is formed on the surface by irradiating a laser in the width direction of the amorphous alloy ribbon. The difference is that this melted portion is a crystallization region.
  • the crystallized region is formed by laser beam sweep or the like.
  • the ratio d / D between the depth d and the thickness D of the amorphous alloy ribbon is 0.1 or more, and the ratio is 8% by volume or less of the entire ribbon. .
  • the melting part is a crystallization region, the iron loss is not sufficiently reduced.
  • an object of the present invention is to provide a soft magnetic amorphous alloy ribbon having a small iron loss and apparent power and a high lamination factor, a method for producing the same, and a magnetic core comprising such a soft magnetic amorphous alloy ribbon.
  • the annular protrusion formed is a donut-shaped protrusion having a smooth surface that is substantially free of scattered alloy material melted by laser light irradiation, and the height t 2 thereof is 2 ⁇ m or less, and the recess
  • the lamination factor is kept high, and the apparent power
  • the soft magnetic amorphous alloy ribbon of the present invention is manufactured by a rapid solidification method, and has a widthwise row of recesses formed by laser light on its surface at predetermined intervals in the longitudinal direction, and a donut-shaped protrusion around each recess.
  • the doughnut-shaped protrusion has a smooth surface substantially free from scattered alloy melted by laser light irradiation, and has a height t 2 of 2 ⁇ m or less, and A ratio t 1 / T between the depth t 1 of the recess and the thickness T of the ribbon is in a range of 0.025 to 0.18, and thus has low iron loss and low apparent power.
  • the opening of the recess is preferably substantially circular.
  • the height t 2 of the donut-shaped protrusion is preferably 0.5 to 2 ⁇ m, and more preferably 0.5 to 1.8 ⁇ m.
  • the ratio t 1 / T between the depth t 1 of the recess and the thickness T of the ribbon is preferably in the range of 0.03 to 0.15.
  • the thickness T of the ribbon is preferably 30 ⁇ m or less.
  • the ratio of t 1 / T can be reduced, and an increase in apparent power can be suppressed.
  • the ratio t / T of the total t of the depth t 1 of the recess and the height t 2 of the doughnut-shaped protrusion and the thickness T of the ribbon is preferably 0.2 or less, and more preferably 0.16 or less.
  • the soft magnetic amorphous alloy ribbon is preferably made of an Fe-Si-B alloy.
  • the “reflectance” is the ratio of the reflected light / incident light in the incident direction when the laser beam is irradiated perpendicularly to the surface of the alloy ribbon. Therefore, when the reflectance is 10%, the reflected laser beam in the incident direction is 10%, and the total of the laser beam diffusely reflected in the other direction and the laser beam absorbed by the alloy ribbon is 90%.
  • the laser beam irradiation energy density does not become excessively high or low, and a concave portion having a donut-like protrusion having a smooth surface substantially free from the scattered material of the molten alloy is formed.
  • Cheap Due to the reflectance within this range, the laser beam irradiation energy density does not become excessively high or low, and a concave portion having a donut-like protrusion having a smooth surface substantially free from the scattered material of the molten alloy is formed. Cheap.
  • the method of the present invention for producing a soft magnetic amorphous alloy ribbon having a low iron loss and a low apparent power comprises a pulse laser in the width direction sequentially at predetermined intervals in the longitudinal direction on the surface of the soft magnetic amorphous alloy ribbon produced by a rapid solidification method.
  • the pulsed laser light is preferably applied to the amorphous alloy ribbon through a galvano scanner or a polygon scanner and an f ⁇ lens.
  • the pulse laser beam is generated by a fiber laser.
  • a fiber laser that has a high light-condensing property and can focus on a small spot has little thermal effect, so that it can suppress the formation of scattered alloy particles around the recess, and has a smooth surface.
  • a protruding portion can be formed.
  • the depth of focus can be increased, highly accurate depth control is possible, and the concave portion can be shallowed even with respect to a thin alloy thin film.
  • the irradiation energy density of the pulse laser beam is preferably 5 J / cm 2 or less, more preferably 2 to 5 J / cm 2, and most preferably 2.5 to 4 J / cm 2 .
  • the magnetic core of the present invention is characterized in that the soft magnetic amorphous alloy ribbon is laminated or wound. This magnetic core has low loss and high lamination factor.
  • the soft magnetic amorphous alloy ribbon is preferably heat-treated in a magnetic field in the magnetic path direction after forming the recess. Thereby, the core loss at a low frequency can be reduced, and the apparent power that causes noise can also be reduced.
  • a donut-shaped protrusion having a smooth surface substantially free from melted alloy scattered matter is formed around a recess formed by irradiation with laser light.
  • the height t 2 of the donut-shaped protrusion is 2 ⁇ m or less, and the ratio t 1 / T between the depth t 1 of the recess and the thickness T of the ribbon is in the range of 0.025 to 0.18. So it has a high lamination factor with low iron loss and apparent power.
  • Laminated magnetic cores and wound cores manufactured by laminating or winding such soft magnetic amorphous alloy ribbons are efficient because of low iron loss and low noise due to low apparent power. Suitable for high-frequency transformers, saturable reactors, magnetic switches and the like.
  • FIG. 1 It is the schematic which shows an example of the laser beam irradiation apparatus used for the manufacturing method of this invention. It is a schematic sectional drawing which shows the recessed part and cyclic
  • FIG. 5 is an enlarged micrograph (240 ⁇ ) showing one of the recesses in FIG. The relationship between the depth t 1 of the recess and the height t 2 of the annular protrusion and the energy density of the laser beam irradiation, together with a micrograph showing the shape of the recess and the annular protrusion formed in the soft magnetic amorphous alloy ribbon. It is a graph to show. It is a graph showing the relationship between the outer diameter D 2 and the laser beam irradiation energy density of the annular protrusion of the soft magnetic amorphous alloy ribbon. It is a graph which shows the relationship between apparent power S in soft magnetic amorphous alloy ribbon at 50 Hz and 1.3 T, and the height t 2 of the annular protrusion.
  • 3 is a graph showing the relationship between the number density n of recesses and the iron loss P in a soft magnetic amorphous alloy ribbon.
  • 4 is a graph showing the relationship between the number density n of recesses and the apparent power S in a soft magnetic amorphous alloy ribbon.
  • 6 is a graph showing a relationship between a lamination factor LF of a soft magnetic amorphous alloy ribbon and a height t 2 of an annular protrusion.
  • Amorphous alloy ribbon The amorphous alloys that can be used in the present invention are Fe-B, Fe-Si-B, Fe-Si-BC, Fe-Si-BP, and Fe-Si-BCP.
  • Fe-PB system and the like can be mentioned, but a system containing Fe, Si and B as main components is preferable because it is not easily embrittled even when irradiated with laser light and is easy to process such as cutting.
  • the Fe—Si—B amorphous alloy preferably contains 1 to 15 atomic% of Si and 8 to 20 atomic% of B, with the balance being substantially Fe and inevitable impurities.
  • the Fe—Si—BC alloy preferably contains 1 to 15 atomic% Si, 8 to 20 atomic% B and 3 atomic% or less C, with the balance being Fe and inevitable impurities.
  • Si is 10 atomic% or less and B is 17 atomic% or less
  • Bs is high, and the effect of reducing iron loss by laser light irradiation is large, and the production is easy.
  • the amorphous alloy has a total ratio of 5 atomic% or less with respect to the amount of Fe, Co, Ni, Mn, Cr, V, Mo, Nb, Ta, Hf, Zr, Ti, Cu, Au, You may contain at least 1 type chosen from the group which consists of Ag, Sn, Ge, Re, Ru, Zn, In, and Ga. Inevitable impurities are S, O, N, Al and the like.
  • the amorphous alloy ribbon is preferably produced by a liquid quenching method of a single roll method or a twin roll method.
  • Reflectivity R (%) 100 ⁇ ⁇ r / ⁇ (where ⁇ is the amount of light flux that is perpendicularly incident on the surface of the ribbon, and ⁇ r is the amount of light flux that is reflected on the surface of the ribbon in the incident direction).
  • ⁇ and ⁇ r are measured with a spectrophotometer (JASCO V-570 manufactured by JASCO Corporation) at a wavelength of 1000 nm (close to the wavelength of the laser beam to be used).
  • the thickness T of the amorphous alloy ribbon is preferably 30 ⁇ m or less as will be described later.
  • the width of the amorphous alloy ribbon is not limited, and laser scribing can be performed evenly on an amorphous alloy ribbon having a wide width of about 25 to 220 mm by using a fiber laser described later.
  • an insulating layer such as SiO 2 , Al 2 O 3 , or MgO may be formed on one side or both sides of the amorphous alloy ribbon.
  • an insulating layer is formed on a surface where laser scribing is not performed, deterioration of magnetic characteristics can be suppressed.
  • the donut-shaped protrusions are kept low even on the laser-scribing surface, there is no problem in forming the insulating layer.
  • the surface is scanned with pulsed laser light at predetermined intervals in the longitudinal direction.
  • a YAG laser, a CO 2 gas laser, a fiber laser, or the like can be used as a pulse laser beam generator.
  • a fiber laser that can stably generate a high-power, high-frequency pulse laser beam for a long time is preferable.
  • the laser light introduced into the fiber oscillates on the principle of FBG (Fiber Bragg Grating) by diffraction gratings at both ends of the fiber.
  • FBG Fiber Bragg Grating
  • the laser light is excited in an elongated fiber, there is no problem of the thermal lens effect in which the beam quality is deteriorated due to the temperature gradient generated inside the crystal. Furthermore, since the fiber core is as thin as several microns, the laser light not only propagates in a single mode even at a high output, but also has a narrowed beam diameter, so that a laser beam with a high energy density can be obtained. In addition, since the depth of focus is long, it is possible to form the recess rows with high accuracy even in a thin ribbon having a width of 200 mm or more.
  • the pulse width of the fiber laser is usually on the order of microseconds to picoseconds, but femtosecond level pulses can also be used.
  • the wavelength of the laser beam is about 250 to 1100 nm, but it is often used at a wavelength around 1000 nm.
  • the beam diameter of the laser beam is preferably 10 to 300 ⁇ m, more preferably 20 to 100 ⁇ m, and most preferably 30 to 90 ⁇ m.
  • FIG. 1 shows an example of a laser beam irradiation apparatus.
  • This apparatus includes a laser oscillator (fiber laser) 10, a collimator 12, a beam expander 13, a galvano scanner 14, and an f ⁇ lens 15.
  • the pulsed laser light L (for example, wavelength 1065 ⁇ m) generated by the laser oscillator 10 is transmitted to the collimator 12 through the fiber 11 and is converted into parallel light there.
  • the parallel laser light L is enlarged in diameter by a beam expander 13, passes through a galvano scanner 14, is condensed by an f ⁇ lens 15, and is placed on a table 5 movable in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the amorphous alloy ribbon 1 is irradiated.
  • the galvano scanner 14 includes mirrors 14a and 14b that can rotate about the X axis and the Y axis, and each mirror 14a and 14b is driven by a galvano motor 14c. By combining the mirrors 14a and 14b, the pulsed laser light L can be scanned in the width direction at a predetermined interval in the longitudinal direction of the ribbon 1.
  • a polygon scanner (not shown) having a polygon mirror at the tip of the motor may be used.
  • the amorphous alloy ribbon 1 is continuously formed in the longitudinal direction with a predetermined interval in the longitudinal direction, the amorphous alloy ribbon 1 is moved in the longitudinal direction, so the scanning direction of the laser light L is It must be inclined at a predetermined angle with respect to the width direction.
  • the laser beam irradiation is preferably performed while intermittently moving the amorphous alloy ribbon to be rewound from the reel in the longitudinal direction, but it may be performed before the amorphous alloy ribbon manufactured by the rapid solidification method is wound on the reel. good.
  • laser scribing is preferably performed before heat treatment. Since the concave portion formed by laser light irradiation in the soft magnetic amorphous alloy ribbon is not crystallized, the workability is good, and it is easy to cut or bend the ribbon to produce a magnetic core.
  • FIG. 2 (a) schematically shows a cross section of a substantially circular concave part 2 formed in the soft magnetic amorphous alloy ribbon 1 and an annular projecting part (rim part) 3 therearound.
  • substantially circular means that the contour of the recess 2 does not have to be a perfect circle as shown in FIG. 2 (b), and may be a distorted circle or an ellipse.
  • the degree of distortion of the circle or ellipse is preferably such that the ratio of major axis Da / minor axis Db is within 1.5.
  • the diameter D 1 of the recess 2 is the diameter of the opening of the recess 2 at the position that intersects the straight line 1a to match the ribbon 1 of the surface
  • the depth t 1 is the distance between the bottom of the straight line 1a and the recess 2
  • the outer diameter D 2 of the annular projecting portion 3 is the outer diameter of the annular protrusion 3 at the position intersecting the straight line 1a
  • the annular protrusion 3 The height t 2 is the distance between the straight line 1a and the apex of the annular protrusion 3
  • the width W of the annular protrusion 3 is the width of the annular protrusion 3 at the position intersecting the straight line 1a [(D 2 ⁇ D 1 ) / 2].
  • Each of these parameters is represented by an average value of values obtained from the recesses 2 and the annular protrusions 3 in a plurality of (three or more) widthwise recess rows.
  • the formed recess 2 and the surrounding annular projection 3 are substantially amorphous.
  • This rapid solidification causes stress in the vicinity of the recess 2 and a magnetic domain is formed in which the magnetization direction is in the depth direction of the ribbon, so that the apparent power increases.
  • the stress increases not only according to the height of the annular protrusion 3 but also according to the molten scattered matter (splash) attached to the periphery of the recess 2.
  • the iron loss is reduced due to the subdivision of the magnetic domains by the recesses 2, and the apparent power is also reduced accordingly.
  • the annular protrusion 3 formed around the recess is made smooth and substantially free from molten alloy scattered matter.
  • a donut-shaped annular protrusion having a smooth surface (simply referred to as “doughnut-shaped protrusion”), and its height t 2 is limited to 2 ⁇ m or less.
  • smooth surface substantially free of scattered objects means that the inner and outer contours 3a and 3b of the annular projection 3 are uneven in a 50 ⁇ optical micrograph as shown in FIG. 2 (b).
  • the height t 2 of the donut-shaped protrusion 3 is more preferably 1.8 ⁇ m or less, and most preferably 0.3 to 1.8 ⁇ m.
  • the donut-shaped protruding portion 3 has a smooth surface substantially free of scattered matter and its height t 2 is 2 ⁇ m or less, the concave portion 2 with respect to the thickness T of the amorphous alloy ribbon It was found that when the depth t 1 of the steel was insufficient, the effect of reducing the iron loss was insufficient. Specifically, when t 1 / T is less than 0.025, the iron loss is hardly reduced by laser scribing. On the contrary, when the depth t 1 of the recess 2 is larger than the thickness T of the ribbon 1, the apparent power increases rapidly. Specifically, when t 1 / T exceeds 0.18, the apparent power increases rapidly.
  • t 1 / T needs to be in the range of 0.025 to 0.18, preferably 0.03 to 0.15, and more preferably 0.03 to 0.13.
  • the thickness T of the amorphous alloy ribbon 1 is preferably 30 ⁇ m or less. When the thickness T of the amorphous alloy ribbon 1 is more than 30 ⁇ m, the value of t 1 increases even at the same t 1 / T, and the apparent power tends to increase.
  • t / T is 0.2 or less, an increase in apparent power can be suppressed.
  • t / T is preferably 0.18 or less, more preferably 0.16 or less.
  • the magnetic core obtained by laminating or winding the soft magnetic amorphous alloy ribbon has a lamination factor LF as high as 89% or more.
  • LF decreases rapidly and apparent power S increases.
  • the diameter D 1 of the recess 2 is preferably 20 to 50 ⁇ m, more preferably 20 to 40 ⁇ m, and most preferably 24 to 38 ⁇ m. If the diameter D 1 of the recess 2 is too large, the apparent power tends to increase due to the influence of stress and scattered matter.
  • the outer diameter D 2 of the donut-shaped protrusion 3 is preferably 100 ⁇ m or less, and most preferably not more preferably 76 .mu.m 80 [mu] m. In order to sufficiently reduce iron loss, the lower limit of the outer diameter D 2 is 30 ⁇ m is preferred.
  • Magnetic core The magnetic core formed by laminating or winding the soft magnetic amorphous alloy ribbon of the present invention has a small iron loss and a high lamination factor LF while the apparent power is suppressed.
  • magnetic core loss hysteresis loss
  • apparent power can be reduced, and noise can also be reduced.
  • Example 1 An amorphous alloy ribbon having a composition of 11.5 atomic% B, 8.5 atomic% Si, the balance Fe, and inevitable impurities and having a width of 5 mm and a thickness of 23 ⁇ m was prepared by a single roll method in the atmosphere.
  • 2.5 A of pulse laser light with a wavelength of 1065 nm, a pulse width of 550 ns, and a beam diameter of 90 ⁇ m is applied to the free solidification surface of this amorphous alloy ribbon through a galvano scanner (mirror) 14 as shown in Fig. 1.
  • Fig. 4 (a) and Fig. 4 (b) show micrographs of the recess and the surrounding annular projection.
  • the annular protrusion has a donut shape, and has a smooth surface that is substantially free of scattered alloy material melted by laser light irradiation. It was.
  • no crystal phase was observed in the recesses and the donut-shaped protrusions. From this, it was confirmed that the recesses and the donut-shaped protrusions consist of an amorphous phase.
  • Example 2 By changing the irradiation energy density of laser light having a wavelength of 1065 nm, a pulse width of 500 ns, and a beam diameter of 60 ⁇ m for the same amorphous alloy ribbon as in Example 1, annular projections and recess depths of various heights were obtained. A row of recesses having was formed.
  • FIG. 5 shows the relationship between the irradiation energy density of the laser beam and the height t 2 of the annular projection
  • FIG. 6 shows the relationship between the irradiation energy density of the same laser beam and the outer diameter D 2 of the annular projection. .
  • the annular protrusion 3 was doughnut-shaped and had a height t 2 of 2 ⁇ m or less and an outer diameter D 2 of 90 ⁇ m or less.
  • the height t 2 and the outer diameter D 2 of the doughnut-shaped protrusion change depending on other irradiation conditions (pulse width, etc.) of the laser light.
  • Example 3 After cutting some of the ribbons with recesses in Example 2 to 120 mm length and performing a heat treatment at 350 ° C. for 1 hour while applying a magnetic field of 1.2 kA / m in the longitudinal direction of the ribbons The iron loss P (W / kg) and the apparent power S (VA / kg) of the single plate sample were measured.
  • FIG. 7 shows the relationship between the height t 2 of the annular protrusion and the apparent power S at 50 Hz and 1.3 T. As apparent from FIG. 7, the apparent power S is low when t 2 is 2 ⁇ m or less, but the apparent power S rapidly increases when it exceeds 2 ⁇ m.
  • FIG. 7 shows the relationship between the height t 2 of the annular protrusion and the apparent power S at 50 Hz and 1.3 T. As apparent from FIG. 7, the apparent power S is low when t 2 is 2 ⁇ m or less, but the apparent power S rapidly increases when it exceeds 2 ⁇ m.
  • FIG. 7 shows the relationship between the height t 2 of
  • FIG. 8 shows the relationship between the height t 2 of the annular protrusion and the iron loss P at 50 Hz and 1.3 T.
  • the iron loss P decreased due to the formation of the recess, but the iron loss P slightly increased when t 2 exceeded 2 ⁇ m.
  • the iron loss P increases with increasing t 2 (the laser beam intensity).
  • the apparent power S tends to decrease (with increasing irradiation energy density), the apparent power S is almost constant when t 2 is 2 ⁇ m or less, but tends to increase abruptly when t 2 is exceeded, so low iron loss and low apparent power
  • the height t 2 of the annular protrusion needs to be 2 ⁇ m or less, and particularly needs to be in the range of 0.5 to 2 ⁇ m.
  • Example 4 From a molten alloy having the composition shown in Table 1, amorphous alloy ribbons having a width of 5 mm and having various thicknesses were produced by a single roll method. Table 1 shows the thickness T of each amorphous alloy ribbon and the reflectivity R of the free solidified surface with respect to light having a wavelength of 1000 nm. As shown in Fig. 1, 5 J of pulse laser light with a wavelength of 1065 nm, a pulse width of 500 ns, and a beam diameter of 60 ⁇ m is passed through the galvano scanner (mirror) 14 on the free solidification surface of each amorphous alloy ribbon.
  • mirror galvano scanner
  • Each alloy ribbon with recesses was cut to a length of 120 mm, and heat-treated at 330-370 ° C for 1 hour while applying a magnetic field of 1.6 kA / m in the longitudinal direction of the ribbon.
  • the iron loss P (W / kg) and the apparent power S (VA / kg) at 50 Hz and 1.3 T of the sample were measured.
  • a laminate composed of 20 amorphous alloy ribbons having recesses was formed, and the lamination factor LF was measured.
  • the soft magnetic amorphous alloy ribbon that satisfies the conditions of the present invention has a low iron loss P and apparent power S and a high lamination factor LF, so that a low-noise and small-sized loss core can be realized. .
  • Example 5 Comparative Example 1 An amorphous alloy ribbon having a composition of 15.5 atomic% B, 3.5 atomic% Si, the balance Fe, and inevitable impurities and having a width of 170 mm and a thickness of 25 ⁇ m was prepared by a single roll method in the atmosphere.
  • the reflectivity R of the free solidified surface of this alloy ribbon with respect to light having a wavelength of 1000 nm was 69.5%.
  • a pulse laser beam with a wavelength of 1065 nm, a pulse width of 550 ns, and a beam diameter of 90 ⁇ m is applied to the free solidification surface of this amorphous alloy ribbon through a galvano scan (mirror) as shown in Fig. 1.
  • a free solidified surface of the same amorphous alloy ribbon as in Example 5 was scanned with a pulse laser beam having a wavelength of 1065 nm, a pulse width of 550 ns, and a beam diameter of 90 ⁇ m at an irradiation energy density of 6.6 J / cm 2 , A row was formed.
  • the depth t 1 of the recess was 5.5 ⁇ m
  • the height t 2 of the annular protrusion was 2.8 ⁇ m
  • t / T 0.33
  • the lamination factor LF was 86%.
  • Winding was applied to a magnetic core produced from this alloy ribbon in the same manner as in Example 5, and excited to 1.4 T at 50 Hz, and noise was measured.
  • the noise of the magnetic core of Example 5 was 53 dB
  • the noise of the magnetic core of Comparative Example 1 was 63 dB.
  • the magnetic core of the present invention has low noise.
  • Example 6 An amorphous alloy ribbon having a composition of 11 atomic% B, 9 atomic% Si, the balance Fe and unavoidable impurities and having a width of 25 mm and a thickness of 23 ⁇ m was prepared by a single roll method in the atmosphere.
  • a pulse laser beam having a wavelength of 1065 ⁇ m, a pulse width of 500 ns, and a beam diameter of 60 ⁇ m is applied to the free solidified surface of the amorphous alloy ribbon through a galvano scanner (mirror) 14 as shown in FIG.
  • mirror galvano scanner
  • FIG. 9 shows the relationship between the iron loss P and the number density n (pieces / mm) of the recesses at each irradiation energy density.
  • the iron loss P decreased as n increased, and the decrease rate increased as the energy density increased. Since the magnetic domains are subdivided by the formation of the recesses and the iron loss P is reduced, the iron loss P is relatively large when the number density n of the recesses is small, and the iron loss P decreases as the number density n of the recesses increases. . However, when the number density n of the recesses exceeds 20, the subdivision effect of the magnetic domains is saturated and the iron loss P is difficult to decrease.
  • FIG. 10 shows the relationship between the number density n (pieces / mm) of the recesses and the apparent power S.
  • n pieces / mm
  • the apparent power S tends to increase after decreasing once. Stress has a greater influence on apparent power S than magnetic domain refinement. Since magnetic domain refinement results in a reduction in iron loss P, the apparent power S decreases with a decrease in iron loss P. Further, a magnetic domain whose magnetization direction is the depth direction is formed by the stress in the recess, and the apparent power S increases.
  • the number density n of the recesses with which low iron loss and low apparent power can be obtained is approximately 2 to 20 pieces / mm.
  • the apparent power S increases when the number density n of the recesses exceeds about 5 regardless of the irradiation energy density, but the increase rate is lower as the irradiation energy density is smaller.
  • the irradiation energy density is low so as to suppress the increase of the apparent power S within a range where a sufficient effect of reducing the iron loss P is obtained.
  • the irradiation energy density is 5 J / cm 2 or less, preferably 2 J / cm 2 or more, more preferably 2.5 to 4 J / cm 2 .
  • Example 7 By changing the irradiation energy density of the pulsed laser beam for the same amorphous alloy ribbon as in Example 1, annular protrusions having various heights t2 were formed.
  • FIG. 11 shows the relationship between the lamination factor LF and the height t 2 of the donut-shaped protrusion of the recess.
  • the lamination factor LF space factor
  • the lamination factor LF is the ratio of the cross-sectional area of the ribbon to the cross-sectional area of the ribbon laminate, and the closer to 1, the higher the percentage of the ribbon in the laminate.
  • the lamination factor LF suddenly decreased when the height t 2 of the donut-shaped protrusion exceeded 2 ⁇ m.

Abstract

　急冷凝固法により製造した軟磁性アモルファス合金薄帯であって、その表面にレーザ光により形成された凹部の幅方向の列を長手方向所定間隔で有し、各凹部の周囲にはドーナツ状突状部が形成されており、ドーナツ状突状部はレーザ光の照射により溶解した合金の飛散物が実質的にない滑らかな表面を有するとともに、2μm以下の高さt2を有し、かつ凹部の深さt1と薄帯の厚さTとの比t1/Tが0.025～0.18の範囲内にあり、もって低鉄損及び低皮相電力を有する軟磁性アモルファス合金薄帯。

Description

軟磁性アモルファス合金薄帯及びその製造方法、並びにそれを用いた磁心
　本発明は、低損失及び低皮相電力で占積率が高く、配電用トランス、高周波トランス、可飽和リアクトル、磁気スイッチ等に好適な軟磁性アモルファス合金薄帯、その製造方法、及びかかる軟磁性アモルファス合金薄帯を用いた磁心に関する。
　単ロール法等の液体急冷法により製造される軟磁性Fe基又はCo基アモルファス合金は、結晶粒を含有しないために結晶磁気異方性が存在せず、磁気ヒステリシス損失が小さく、低保磁力で優れた軟磁性を示す。そのため、アモルファス合金薄帯は、各種のトランス、チョークコイル、可飽和リアクトル、磁気スイッチ等の磁心、磁気センサ等に使用されている。特に、Fe基アモルファス合金薄帯は、飽和磁束密度Bsが比較的高く、低保磁力及び低鉄損であり、省エネの軟磁性材として注目されている。Fe基アモルファス合金薄帯の中で、熱的安定性に優れたFe-Si-B系アモルファス合金薄帯はトランス用磁心に広く用いられている（例えば、特開2006-45662号参照）。
　Fe-Si-B系アモルファス合金は低保磁力で磁気ヒステリシス損失が小さいが、広義の渦電流損失（鉄損－ヒステリシス損失）は、一様磁化を仮定して求められる古典的渦電流損失の数十倍から約100倍も大きいことが知られている。広義の渦電流損失と古典的渦電流損失との差は異常渦電流損失又は過剰損失と呼ばれ、主に不均一磁化変化に起因する。このアモルファス合金の異常渦電流損失が大きい理由は、アモルファス合金の磁区幅が大きいために磁壁の移動速度が大きく、不均一磁化変化速度が大きいためであると考えられている。
　アモルファス合金薄帯の異常渦電流損失を低減する方法として、アモルファス合金薄帯の表面を機械的にスクラッチする方法（特公昭62-49964号）、及びアモルファス合金薄帯の表面にレーザ光を照射して局部的に溶解・急冷凝固させ、磁区を細分化するレーザスクライビング法（特公平3-32886号、特公平3-32888号及び特公平2-53935号）が知られている。
　特公平3-32886号の磁区の細分化方法では、アモルファス合金薄帯の表面に幅方向にパルスレーザを照射してその表面を局部的かつ瞬間的に溶解し、次いで急冷凝固させることによりほぼ円形の凹部を一列に形成する。各凹部の直径は0.5 mm以下であり、特に焼鈍前に凹部を形成する場合は直径を200～250μmとし、焼鈍後に凹部を形成する場合は直径を50～100μmとする。また凹部の平均間隔は1～20 mmである。50～250μmの直径の範囲内では、鉄損は直径が大きくなるにつれて低減する。さらに、鉄損と薄帯の厚さとの関係では、薄帯が薄くなるにつれて鉄損は小さくなるが、パルスレーザ照射による鉄損の低減効果も薄帯が薄くなるにつれて小さくなり、厚さ60μmでは40～50％であるが、厚さ30μm以下では約10～20％になる。特公平3-32886号の実施例1では、厚さ65μmのアモルファス合金薄帯にYAGレーザにより直径が約50～250μmの凹部を5 mmの間隔で形成している。
　特公平3-32886号の方法により形成される凹部の周囲には、溶解した合金がはねた痕（splash）が認められる。これは比較的厚いアモルファス合金薄帯に大きな間隔で凹部を形成するために、各凹部を大きなレーザ光照射エネルギー密度で深く形成したためであると考えられる。しかし、周囲にはね痕が認められるほど大きなレーザ光照射エネルギー密度で凹部を深く形成すると、特に比較的薄いアモルファス合金薄帯の場合、鉄損は低減するものの皮相電力（励磁VA）の増加及び占積率の低下という問題が生じることが分った。アモルファス合金薄帯の皮相電力が増加すると、配電用トランス等に使用した場合に騒音が増加する。また占積率（space factor）はラミネーションファクタLFと同義であり、LFが低下すると薄帯を積層してなる磁心が大きくなる。このように比較的薄いアモルファス合金薄帯で皮相電力の増加及び占積率の低下の問題が重大であるのは、比較的厚いアモルファス合金薄帯の場合よりレーザスクライビングした表面状態の影響が大きいためである。
　特公平3-32888号の磁区の細分化方法では、ビーム径が0.5 mm以下で、一パルス当たりのエネルギー密度が0.02～1.0 J/mm2のパルスレーザをアモルファス合金薄帯の幅方向に照射することにより、アモルファス合金薄帯の表面を局部的かつ瞬間的に溶解し、急冷凝固させてほぼ円形の凹部を10％以上の線密度で形成し、焼鈍する。この方法は特公平3-32886号の方法の改良であり、鉄損及び励磁特性の向上のために凹部の分布密度と焼鈍時期の適正化を図った。特公平3-32888号の実施例1では、厚さ65μmのアモルファス合金薄帯に、YAGレーザによりビーム径0.2 mm及びエネルギー密度約0.3 J/mm2のパルスレーザを照射し、約70％の線密度で凹部を一列に形成している。しかし、特公平3-32888号に図示されている凹部の周囲にも、溶解した合金がはねた痕（splash）が認められる。これは、レーザ光照射エネルギー密度が大きく、各凹部が深く形成されたためであると考えられる。そのため、鉄損は低減できるものの、皮相電力が増加してしまうという問題がある。
　特公平3-32888号には一パルス当たりのエネルギー密度が0.02～1.0 J/mm2と記載されているが、0.02 J/mm2付近の低エネルギーのパルスレーザを65μmと厚いアモルファス合金薄帯に照射した場合、得られる凹部の深さはアモルファス合金薄帯の厚さに対して不十分であり、十分な鉄損の低減効果が得られない。
　特公平2-53935号の方法は、アモルファス合金薄帯の幅方向にレーザを照射して表面に局部的な溶解部を形成する点では特公平3-32886号及び特公平3-32888号の方法と同じであるが、この溶解部が結晶化領域である点で相違している。結晶化領域はレーザ光の掃引等により形成され、その深さdとアモルファス合金薄帯の厚さDとの比d/Dは0.1以上で、その割合は薄帯全体の8体積％以下である。しかし、溶解部が結晶化領域であるため、鉄損が十分に低減されていない。
　従って本発明の目的は、鉄損及び皮相電力が小さく、ラミネーションファクタが高い軟磁性アモルファス合金薄帯、及びその製造方法、並びにかかる軟磁性アモルファス合金薄帯からなる磁心を提供することである。
　上記目的に鑑み鋭意研究の結果、軟磁性アモルファス合金薄帯の表面に長手方向所定間隔で幅方向にレーザ光を照射し、点列状に非晶質な凹部を形成する際、凹部の周囲に形成される環状突状部がレーザ光の照射により溶解した合金の飛散物が実質的にない滑らかな表面を有するドーナツ状突状部となり、かつその高さt2が2μm以下となるとともに、凹部の深さt1と薄帯の厚さTとの比t1/Tが0.025～0.18の範囲内になるようにレーザ光の照射条件を調整することにより、ラミネーションファクタを高く維持し、皮相電力の増加を抑制しつつ鉄損を低減できることを発見し、本発明に想到した。
　本発明の軟磁性アモルファス合金薄帯は急冷凝固法により製造され、その表面にレーザ光により形成された凹部の幅方向の列を長手方向所定間隔で有し、各凹部の周囲にはドーナツ状突状部が形成されており、前記ドーナツ状突状部はレーザ光の照射により溶解した合金の飛散物が実質的にない滑らかな表面を有するとともに、2μm以下の高さt2を有し、かつ前記凹部の深さt1と前記薄帯の厚さTとの比t1/Tが0.025～0.18の範囲内にあり、もって低鉄損及び低皮相電力を有することを特徴とする。
　前記凹部の開口部は実質的に円形であるのが好ましい。前記ドーナツ状突状部の高さt2は0.5～2μmが好ましく、0.5～1.8μmがより好ましい。前記凹部の深さt1と薄帯の厚さTとの比t1/Tは0.03～0.15の範囲内にあるのが好ましい。
　前記薄帯の厚さTは30μm以下であるのが好ましい。薄帯の厚さTが30μm以下であると、t1/Tの比を小さくすることができ、皮相電力の増大を抑制することができる。
　前記凹部の深さt1と前記ドーナツ状突状部の高さt2との合計tと前記薄帯の厚さTとの比t/Tは0.2以下が好ましく、0.16以下がより好ましい。
　Fe-Si-B系合金薄帯はレーザスクライビングにより脆化しにくいため、前記軟磁性アモルファス合金薄帯はFe-Si-B系合金からなるのが好ましい。
　レーザ光を照射するアモルファス合金薄帯の表面の反射率（波長λ＝1000 nm）は15～80％であるのが好ましい。ここで「反射率」とは、合金薄帯の表面に垂直にレーザ光を照射する場合の入射方向への反射光／入射光の割合である。従って、反射率が10%の場合、入射方向への反射レーザ光は10％、その他の方向へ乱反射されるレーザ光と合金薄帯が吸収するレーザ光の合計は90%である。この範囲内の反射率により、レーザ光照射エネルギー密度が過大又は過小にならず、溶解した合金の飛散物が実質的にない滑らかな表面を有するドーナツ状突状部を周囲に有する凹部が形成されやすい。
　低鉄損及び低皮相電力を有する軟磁性アモルファス合金薄帯を製造する本発明の方法は、急冷凝固法により製造した軟磁性アモルファス合金薄帯の表面に長手方向所定間隔で順次幅方向にパルスレーザ光を照射することにより、幅方向の凹部の列を形成し、その際前記パルスレーザ光の照射エネルギー密度を、(a) 各凹部の周囲にドーナツ状突状部が形成され、(b) 前記ドーナツ状突状部が滑らかな表面を有するように溶解した合金の飛散物が実質的になく、(c) 前記ドーナツ状突状部が2μm以下の高さt2を有し、かつ(d) 前記凹部の深さt1と前記薄帯の厚さTとの比t1/Tが0.025～0.18の範囲内になるように調整し、もって皮相電力の増大を抑制しつつ前記アモルファス合金の磁区を細分化することを特徴とする。
　前記パルスレーザ光は、ガルバノスキャナ又はポリゴンスキャナとfθレンズとを介して前記アモルファス合金薄帯に照射するのが好ましい。
　前記パルスレーザ光をファイバーレーザにより発生させるのが好ましい。集光性が高く小さなスポットに集光できるファイバーレーザは熱的影響が少ないので、凹部の周囲に溶解した合金の飛散物が形成されるのを抑制することができ、もって滑らかな表面を有するドーナツ状突状部を形成することができる。また焦点深度を長くとれるので、高精度な深さ制御が可能であり、薄い合金薄膜に対しても凹部を浅くすることができる。
　0.2以下のt/Tの比が得られるように、fθレンズの焦点深度を調整するか、レーザ光の照射エネルギー密度（一パルス当たり）を調整するのが好ましい。
　前記パルスレーザ光の照射エネルギー密度は5 J/cm2以下が好ましく、2～5 J/cm2がより好ましく、2.5～4 J/cm2が最も好ましい。
　本発明の磁心は、上記軟磁性アモルファス合金薄帯を積層又は巻き回してなることを特徴とする。この磁心は損失が小さく、ラミネーションファクタが高い。
　前記軟磁性アモルファス合金薄帯は前記凹部を形成した後磁路方向の磁界中で熱処理されているのが好ましい。これにより、低周波における磁心損失を低減でき、また騒音の原因となる皮相電力も低減できる。
　本発明の軟磁性アモルファス合金薄帯は、レーザ光の照射により形成された凹部の周囲に、溶解した合金の飛散物が実質的にない滑らかな表面を有するドーナツ状突状部が形成されているとともに、前記ドーナツ状突状部高さt2が2μm以下であり、かつ前記凹部の深さt1と前記薄帯の厚さTとの比t1/Tが0.025～0.18の範囲内にあるので、低い鉄損及び皮相電力とともに高いラミネーションファクタを有する。このような軟磁性アモルファス合金薄帯を積層又は巻回して製造される積層磁心や巻磁心は、低鉄損のために効率が良く、かつ低皮相電力のために騒音が少ないので、配電用トランス、高周波トランス、可飽和リアクトル、磁気スイッチ等に好適である。
本発明の製造方法に用いるレーザ光照射装置の一例を示す概略図である。 軟磁性アモルファス合金薄帯に形成された凹部及び環状突状部を示す概略断面図である。 軟磁性アモルファス合金薄帯に形成された凹部及び環状突状部を示す概略平面図である。 軟磁性アモルファス合金薄帯に形成された凹部の配列を示す概略平面図である。 軟磁性アモルファス合金薄帯に形成された凹部列の一例を示す顕微鏡写真（60倍）である。 図4(a)の凹部の1つを拡大して示す顕微鏡写真（240倍）である。 軟磁性アモルファス合金薄帯に形成された凹部及び環状突状部の形態を示す顕微鏡写真とともに、凹部の深さt1及び環状突状部の高さt2とレーザ光照射エネルギー密度との関係を示すグラフである。 軟磁性アモルファス合金薄帯における環状突状部の外径D2とレーザ光照射エネルギー密度との関係を示すグラフである。 軟磁性アモルファス合金薄帯の50 Hz及び1.3 Tにおける皮相電力Sと環状突状部の高さt2との関係を示すグラフである。 軟磁性アモルファス合金薄帯の50 Hz及び1.3 Tにおける鉄損Pと環状突状部の高さt2との関係を示すグラフである。 軟磁性アモルファス合金薄帯における凹部の数密度nと鉄損Pとの関係を示すグラフである。 軟磁性アモルファス合金薄帯における凹部の数密度nと皮相電力Sとの関係を示すグラフである。 軟磁性アモルファス合金薄帯のラミネーションファクタLFと環状突状部の高さt2との関係を示すグラフである。
[1] アモルファス合金薄帯
　本発明に使用可能なアモルファス合金としては、Fe-B系、Fe-Si-B系、Fe-Si-B-C系、Fe-Si-B-P系、Fe-Si-B-C-P系、Fe-P-B系等が挙げられるが、レーザ光を照射しても脆化しにくく、切断等の加工がし易いため、Fe，Si及びBを主成分とする系が好ましい。Fe-Si-B系アモルファス合金は、1～15原子％のSi及び8～20原子％のBを含有し、残部が実質的にFe及び不可避不純物である組成を有するのが好ましい。Fe-Si-B-C系合金は、1～15原子％のSi、8～20原子％のB及び3原子％以下のCを含有し、残部がFe及び不可避不純物である組成を有するのが好ましい。いずれの系でも、Siが10原子％以下でBが17原子％以下の場合、Bsが高く、レーザ光照射による鉄損の低減効果が大きく、製造が容易である。アモルファス合金は上記成分の他に、Fe量に対して合計で5原子％以下の割合で、Co，Ni，Mn，Cr，V，Mo，Nb，Ta，Hf，Zr，Ti，Cu，Au，Ag，Sn，Ge，Re，Ru，Zn，In及びGaからなる群から選ばれた少なくとも一種を含有しても良い。不可避不純物はS，O，N，Al等である。
　アモルファス合金薄帯は、単ロール法又は双ロール法の液体急冷法により作製するのが好ましい。レーザ光の照射効率を向上させるために、レーザ光を照射するアモルファス合金薄帯の表面の波長λ＝1000 nmにおける反射率R（％）は15～80％であるのが好ましい。反射率R（％）＝100×Φr／Φである（ただし、Φは薄帯表面に垂直に入射する光束量であり、Φrは薄帯表面で入射方向へ反射する光束量である。）。Φ及びΦrは、分光光度計（日本分光株式会社製のJASCO V-570）を用い、1000 nmの波長（使用するレーザ光の波長に近い）で測定する。
　アモルファス合金薄帯の厚さTは、後述のように30μm以下であるのが好ましい。またアモルファス合金薄帯の幅は限定的でなく、後述のファイバーレーザを用いることにより約25～220 mmと広い幅のアモルファス合金薄帯に対して均等にレーザスクライビングを行うことができる。
　鉄損を抑えるために、アモルファス合金薄帯の片面又は両面にSiO2、Al2O3、MgO等の絶縁層を形成しても良い。レーザスクライビングを行わない面に絶縁層を形成すると磁気特性の劣化を抑制できる。またレーザスクライビングをした面でもドーナツ状突状部が低く抑えられているので、絶縁層の形成に支障がない。
[2] レーザスクライビング
　急冷凝固法により製造したアモルファス合金薄帯の磁区を細分化するために、その表面に長手方向所定間隔でパルスレーザ光を横方向に走査する。パルスレーザ光の発生装置としてYAGレーザ、CO2ガスレーザ、ファイバーレーザ等を利用できるが、高出力で高周波のパルスレーザ光を長時間にわたって安定して発生できるファイバーレーザが好ましい。ファイバーレーザでは、ファイバーに導入されたレーザ光はファイバー両端の回折格子によりFBG（Fiber Bragg Grating）の原理で発振する。レーザ光は細長いファイバー中で励起されるので、結晶内部に生じる温度勾配によりビーム品質が低下する熱レンズ効果の問題がない。さらにファイバーコアは数ミクロンと細いので、レーザ光は高出力でもシングルモードで伝播するだけでなく、ビーム径が絞られ、高エネルギー密度のレーザ光が得られる。その上、焦点深度が長いので、200 mm以上と幅広の薄帯にも精度良く凹部列を形成できる。ファイバーレーザのパルス幅は通常マイクロ秒～ピコ秒程度であるが、フェムト秒レベルのものも使用できる。レーザ光の波長は約250～1100 nmであるが、1000 nm前後の波長で使用することが多い。レーザ光のビーム径は10～300μmが好ましく、20～100μmがより好ましく、30～90μmが最も好ましい。
　図1はレーザ光照射装置の一例を示す。この装置は、レーザ発振器（ファイバーレーザ）10と、コリメータ12と、ビームエキスパンダ13と、ガルバノスキャナ14と、fθレンズ15とを具備する。レーザ発振器10で生成されたパルス状のレーザ光L（例えば波長1065μm）はファイバー11によりコリメータ12に伝送され、そこで平行光にされる。平行なレーザ光Lはビームエキスパンダ13で径を拡大され、ガルバノスキャナ14を通過した後、fθレンズ15で集光され、X軸方向及びY軸方向に移動自在なテーブル5上に載置されたアモルファス合金薄帯1に照射される。ガルバノスキャナ14は、X軸及びY軸の回りに回動し得るミラー14a，14bを具備し、各ミラー14a，14bはガルバノモータ14cにより駆動される。ミラー14a，14bの組み合わせにより、パルス状のレーザ光Lを薄帯1の長手方向に所定の間隔をもって幅方向に走査することができる。ガルバノスキャナ14の代わりに、モータの先端にポリゴンミラーを備えたポリゴンスキャナ（図示せず）を用いても良い。勿論、アモルファス合金薄帯1に幅方向の凹部列を長手方向に所定の間隔をもって連続的に形成する場合には、アモルファス合金薄帯1を長手方向に移動させるので、レーザ光Lの走査方向は幅方向に対して所定の角度で傾斜していなければならない。
　レーザ光の照射は、リールから巻き戻すアモルファス合金薄帯を長手方向に間欠的に移動させながら行うのが好ましいが、急冷凝固法により製造したアモルファス合金薄帯をリールに巻き取る前に行っても良い。
　熱処理による脆化及び磁心の応力緩和を考慮して、レーザスクライビングを熱処理前に行うのが好ましい。軟磁性アモルファス合金薄帯にレーザ光照射により形成される凹部は結晶化していないので、加工性が良好であり、磁心を作製するために薄帯を切断したり曲げたりするのが容易である。
[3] 凹部
　図2(a) は、軟磁性アモルファス合金薄帯1に形成されたほぼ円形の凹部2とその周囲の環状突状部（リム部）3の断面を概略的に示す。ここで「ほぼ円形」とは、図2(b) に示すように凹部2の輪郭が真円である必要がなく、歪んだ円形又は楕円形でも良いことを意味する。円形又は楕円形の歪み度は、長径Da／短径Dbの比が1.5以内であるのが好ましい。
　図2(a) に示すように、凹部2の直径D1は薄帯1の表面と一致する直線1aと交差する位置での凹部2の開口部の直径であり、凹部2の深さt1は直線1aと凹部2の底部との距離であり、環状突状部3の外径D2は直線1aと交差する位置での環状突状部3の外径であり、環状突状部3の高さt2は直線1aと環状突状部3の頂点との距離であり、環状突状部3の幅Wは直線1aと交差する位置での環状突状部3の幅［(D2－D1)/2］である。これらのパラメータはいずれも、複数（3箇所以上）の幅方向凹部列における凹部2及び環状突状部3から求めた値の平均値で表される。
　アモルファス合金薄帯1はレーザ光の照射により加熱溶融された後、結晶化せずに急冷凝固するので、形成された凹部2及びその周囲の環状突状部3は実質的にアモルファス状である。この急冷凝固により凹部2付近に応力が生じ、磁化方向が薄帯の深さ方向を向く磁区が形成されるために、皮相電力が増加すると考えられる。応力は環状突状部3の高さだけでなく、凹部2の周辺に付着した溶融飛散物（スプラッシュ）に応じても高くなる。一方、凹部2による磁区の細分化のために鉄損が減少し、それに伴い皮相電力も減少する。
　本発明では、レーザ光の照射エネルギーをアモルファス合金薄帯の厚さTに対して制御することにより、凹部の周囲に形成される環状突状部3を溶融合金の飛散物が実質的にない滑らかな表面を有するドーナツ状の環状突状部（単に「ドーナツ状突状部」という。）とするとともに、その高さt2を2μm以下に制限する。ここで、「飛散物が実質的にない滑らかな表面」とは、図2(b) に示すように、50倍の光学顕微鏡写真において、環状突状部3の内外周輪郭3a，3bが凹凸なく滑らかであり、かつ環状突状部3の表面とアモルファス合金薄帯1の他の部分の表面とが同じ粗さに見えることを意味する。「ドーナツ状」は、特に断りがなければ滑らかな表面及び輪郭を有するものとする。従って、例えば図5に示す凹部B，C，Dのように環状突状部3の内外周輪郭に凹凸がある場合には、「飛散物が実質的にない滑らかな表面」の要件を満たさない。上記要件により、皮相電力の増加を効果的に抑制しつつ、鉄損を低減することができる。ドーナツ状突状部3の高さt2は1.8μm以下であるのがより好ましく、0.3～1.8μmであるのが最も好ましい。
　しかし、ドーナツ状突状部3が飛散物が実質的にない滑らかな表面を有し、かつその高さt2が2μm以下であっても、アモルファス合金薄帯の厚さTに対して凹部2の深さt1が不十分であると、鉄損の低減効果は不十分であることが分った。具体的には、t1/Tが0.025未満であると、鉄損はレーザスクライビングによってほとんど低下しない。逆に、薄帯1の厚さTに対して凹部2の深さt1が大きいと皮相電力が急激に増加する。具体的には、t1/Tが0.18超であると皮相電力は急激に増加する。従って、t1/Tは0.025～0.18の範囲内である必要があり、好ましくは0.03～0.15であり、より好ましくは0.03～0.13である。レーザスクライビングにより皮相電力の増加を抑制しつつ鉄損を低減させるためには、アモルファス合金薄帯1の厚さTは30μm以下であるのが好ましい。アモルファス合金薄帯1の厚さTが30μm超であると、同じt1/Tでもt1の値が大きくなり、皮相電力は増加する傾向がある。
　凹部2の深さt1とドーナツ状突状部3の高さt2の合計t（＝t1＋t2）と薄帯1の厚さTとの比t/Tも皮相電力の増加の抑制に関係する。t/Tが0.2以下であると、皮相電力の増加を抑制することができる。t/Tは好ましくは0.18以下であり、より好ましくは0.16以下である。
　ドーナツ状突状部の高さt2が2μm以下であると、軟磁性アモルファス合金薄帯の積層又は巻回により得られる磁心は89％以上と高いラミネーションファクタLFを有する。t2が2μmを超えるとLFは急減に低下するとともに、皮相電力Sも増加する。
　低鉄損及び低皮相電力を得るためには、凹部2の直径D1は20～50μmが好ましく、20～40μmがより好ましく、24～38μmが最も好ましい。凹部2の直径D1が大きすぎると、応力及び飛散物の影響で皮相電力の増加を招く傾向がある。またドーナツ状突状部3の外径D2は100μm以下が好ましく、80μm以下がより好ましく76μm以下が最も好ましい。鉄損を十分に低減するためには、外径D2の下限は30μmが好ましい。
　凹部列の長手方向間隔は一般に2～20 mmで良く、例えば3～10 mmとするのが好ましい。幅方向凹部列では、凹部は間隔をあけて配列されていても、隣接する凹部が重複するように配列されていても良い。一般に幅方向凹部列における凹部の数密度は2～25個/mmであり、好ましくは 4～20個/mmである。
[4] 磁心
　本発明の軟磁性アモルファス合金薄帯を積層又は巻回してなる磁心は、皮相電力が抑制されたまま鉄損が小さく、ラミネーションファクタLFが高い。磁心形状に加工した後に、磁心の磁路方向に磁界を印加しながら熱処理を行うと、磁心損失（ヒステリシス損失）及び皮相電力の低減が可能であり、騒音も低減できる。
　本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1
　11.5原子％のB、8.5原子％のSi、残部Fe及び不可避不純物からなる組成を有する幅5 mm及び厚さ23μmのアモルファス合金薄帯を大気中の単ロール法により作製した。この合金薄帯の波長1000 nmの光に対する自由凝固面の反射率Rは68.3％であった。このアモルファス合金薄帯の自由凝固面に、図1に示すようにファイバーレーザ10からガルバノスキャナ（ミラー）14を介して、波長1065 nm、パルス幅550 ns及びビーム径90μmのパルスレーザ光を2.5 J/cm2の照射エネルギー密度で走査し、図3に示すような幅方向の凹部列を形成した。幅方向の凹部列における凹部の数密度は2個/mmであり、凹部列の長手方向間隔DLは5 mmであった。凹部及びその周囲の環状突状部のサイズは以下の通りであった。
　　凹部の直径D1：50μm
　　　　　深さt1：1.2μm
　　環状突状部の形状：滑らかな表面及び輪郭のドーナツ状
　　　　　　　　外径D2：80μm
　　　　　　　　高さt2：0.4μm
　　　　　　　　幅W：15μm
　　t (＝t1 + t2)/T：0.07
　凹部及びその周囲の環状突状部の顕微鏡写真を図4(a) 及び図4(b) に示す。図4(a) 及び図4(b) から明らかなように、環状突状部はドーナツ状であり、レーザ光の照射により溶解した合金の飛散物が実質的にない滑らかな表面を有していた。また透過電子顕微鏡観察の結果、凹部及びドーナツ状突状部に結晶相は認められなかった。これから、凹部及びドーナツ状突状部がアモルファス相からなることが確認された。
実施例2
　実施例1と同じアモルファス合金薄帯に対して、波長1065 nm、パルス幅500 ns及びビーム径60μmのレーザ光の照射エネルギー密度を変えることにより、種々の高さの環状突状部と凹部深さを有する凹部の列を形成した。図5はレーザ光の照射エネルギー密度と環状突状部の高さt2との関係を示し、図6は同じレーザ光の照射エネルギー密度と環状突状部の外径D2との関係を示す。照射エネルギー密度が増大するにつれて、凹部2は深くなり、かつ環状突状部3は外径D2が拡大するとともに高くなり、溶融合金の飛散物（スプラッシュ）も多くなった。照射エネルギー密度が5 J/cm2以下の場合に、環状突状部3はドーナツ状であり、2μm以下の高さt2及び90μm以下の外径D2を有していた。勿論、ドーナツ状突状部の高さt2及び外径D2はレーザ光の他の照射条件（パルス幅等）によっても変化する。
実施例3
　実施例2で凹部を形成した薄帯の幾つかを120 mmの長さに切断し、薄帯の長手方向に1.2 kA/mの磁界を印加しながら350℃で1時間の熱処理を行った後、単板試料の鉄損P（W/kg）及び皮相電力S（VA/kg）を測定した。図7は、環状突状部の高さt2と50 Hz及び1.3 Tにおける皮相電力Sとの関係を示す。図7から明らかなように、t2が2μm以下では皮相電力Sは低いが、2μmを超えると皮相電力Sが急激に増加した。図8は、環状突状部の高さt2と50 Hz及び1.3 Tにおける鉄損Pとの関係を示す。図8から明らかなように、凹部の形成により鉄損Pは減少するが、t2が2μmを超えると鉄損Pは僅かに増加した。図7及び図8から明らかなように、環状突状部の高さt2が約2.5μm以下の範囲（特に0.5～2.5μmの範囲）では鉄損Pはt2の増大につれて（レーザ光の照射エネルギー密度の増大につれて）低下する傾向があるが、皮相電力Sはt2が2μm以下ではほぼ一定であるがそれを超えると急激に増大する傾向があるので、低鉄損と低皮相電力の条件を両方とも満たすためには環状突状部の高さt2は2μm以下である必要があり、特に0.5～2μmの範囲内である必要がある。
実施例4
　表1に示す組成の合金溶湯から、単ロール法により種々の厚さを有する幅5 mmのアモルファス合金薄帯を作製した。各アモルファス合金薄帯の厚さT及び波長1000 nmの光に対する自由凝固面の反射率Rを表1に示す。各アモルファス合金薄帯の自由凝固面に、図1に示すようにファイバーレーザ10からガルバノスキャナ（ミラー）14を介して、波長1065 nm、パルス幅500 ns及びビーム径60μmのパルスレーザ光を5 J/cm2以下の照射エネルギー密度で走査し、5 mmの長手方向間隔で幅方向の凹部列を形成した。凹部列における凹部の数密度は4個/mmであった。凹部を形成した各アモルファス合金薄帯について、凹部の直径D1及び深さt1、及び環状突状部の外径D2、高さt2及び幅Wを複数の凹部列で測定し、平均した。
　凹部を形成した各合金薄帯を120 mmの長さに切断し、薄帯の長手方向に1.6 kA/mの磁界を印加しながら330～370℃で1時間の熱処理を行った後、単板試料の50 Hz及び1.3 Tにおける鉄損P（W/kg）及び皮相電力S（VA/kg）を測定した。また凹部を形成した20枚のアモルファス合金薄帯片からなる積層体を形成し、ラミネーションファクタLFを測定した。これらの測定結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
表1（続き）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
表1（続き）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　表1から明らかなように、凹部の深さt1と薄帯の厚さTとの比t1/Tが0.025～0.18の範囲内にあるとき、凹部の周囲に形成される環状突状部は合金の飛散物が実質的にない滑らかな表面を有するドーナツ状であって、その高さt2は2μm以下であり、かつ凹部の直径D1は50μm以下、特に40μm以下であった。またドーナツ状突状部の高さt2が2μm以下、特に0.3～1.8μmの場合に、実質的に皮相電力Sの増大なしに低鉄損を達成することができた。
　アモルファス合金薄帯が40μmと厚い場合には、凹部の深さt1が0.8μmと小さいと、t1/Tが0.02（下限の0.025より小さい）で、鉄損Pが十分に低減されなかった（サンプル25）。サンプル23及び24ではアモルファス合金薄帯の厚さTに対する凹部の深さt1の比t1/Tが0.055及び0.038であり、鉄損Pは0.09 W/kgと比較的大きかった。これから、アモルファス合金薄帯の厚さTが30μm、特に35μmを超えるとt1/Tが0.025～0.18の範囲内にあっても鉄損Pの低減効果が不十分になる傾向がある。
　表1のデータから、本発明の条件を満たす軟磁性アモルファス合金薄帯は鉄損P及び皮相電力Sが低く、ラミネーションファクタLFが高いため、低騒音で小型の低損失磁心を実現できることが分る。
実施例5、比較例1
　15.5原子％のB、3.5原子％のSi、残部Fe及び不可避不純物からなる組成を有する幅170 mm及び厚さ25μmのアモルファス合金薄帯を大気中の単ロール法により作製した。この合金薄帯の波長1000 nmの光に対する自由凝固面の反射率Rは69.5％であった。このアモルファス合金薄帯の自由凝固面に、図1に示すようにファイバーレーザからガルバノスキャン（ミラー）を介して、波長1065 nm、パルス幅550 ns及びビーム径90μmのパルスレーザ光を2.5 J/cm2の照射エネルギー密度で幅方向に走査し、図3に示すように5 mmの長手方向間隔で配置された横手方向の凹部列を形成した。凹部列における凹部の数密度は2個/mmであった。凹部の深さt1は1.2μmであり、ドーナツ状突状部の高さt2は0.5μmであり、t/T＝0.07であり、ラミネーションファクタLFは89％であった。この合金薄帯を長さ120 mmに切断し、20枚積層して磁心を作製した。この磁心を、薄帯の長手方向に1.2 kA/mの磁界を印加しながら330℃で1時間熱処理した。この磁心に巻線を施し、50 Hzで1.4 Tに励磁し、騒音を測定した。
　比較例1として、実施例5と同じアモルファス合金薄帯の自由凝固面に波長1065 nm、パルス幅550 ns及びビーム径90μmのパルスレーザ光を6.6 J/cm2の照射エネルギー密度で走査し、凹部列を形成した。凹部の深さt1は5.5μmであり、環状突状部の高さt2は2.8μmであり、t/T＝0.33であり、ラミネーションファクタLFは86％であった。この合金薄帯から実施例5と同じ方法で作製した磁心に巻線を施し、50 Hzで1.4 Tに励磁し、騒音を測定した。その結果、実施例5の磁心の騒音は53 dBであり、比較例1の磁心の騒音は63 dBであった。このように本発明の磁心は低騒音であることが確認された。
実施例6
　11原子％のB、9原子％のSi、残部Fe及び不可避不純物からなる組成を有する幅25 mm及び厚さ23μmのアモルファス合金薄帯を大気中の単ロール法により作製した。この合金薄帯の波長1000 nmの光に対する自由凝固面の反射率Rは72.1％であった。このアモルファス合金薄帯の自由凝固面に、図1に示すようにファイバーレーザ10からガルバノスキャナ（ミラー）14を介して、波長1065μm、パルス幅500 ns及びビーム径60μmのパルスレーザ光を2.7 J/cm2、3.0 J/cm2、6.2 J/cm2及び11.2 J/cm2の各照射エネルギー密度で幅方向に走査し、長手方向間隔を5 mmとして、種々の凹部数密度nを有する幅方向の凹部列を形成した。各合金薄帯を120 mmの長さに切断し、薄帯の長手方向に1.2 kA/mの磁界を印加しながら350℃で1時間熱処理した後、単板試料の50 Hz及び1.3 Tにおける鉄損P（W/kg）及び皮相電力S（VA/kg）を測定した。
　図9は、各照射エネルギー密度における鉄損Pと凹部の数密度n（個/mm）との関係を示す。図9から明らかなように、nが増加すると鉄損Pは減少し、またエネルギー密度が大きいほど減少の割合が大きかった。凹部の形成により磁区が細分化され、鉄損Pが低減するので、凹部の数密度nが少ないとき鉄損Pは比較的大きく、凹部の数密度nの増加に応じて鉄損Pは低減する。但し、凹部の数密度nが20超になると磁区の細分化効果が飽和し、鉄損Pは減少しにくくなる。また照射エネルギー密度が6.2 J/cm2まででは鉄損Pは凹部の数密度nが20超になっても増大しないが、照射エネルギー密度が11.2 J/cm2の場合には凹部の数密度nが約12を超えると増大した。これは図8に示す傾向（環状突状部の高さt2が約2.5μmを超える照射エネルギー密度では鉄損Pはかえって増大する）と一致する。
　図10は、凹部の数密度n（個/mm）と皮相電力Sとの関係を示す。各エネルギー密度において、nが増加すると皮相電力Sは一旦減少した後増加する傾向を示す。磁区細分化より応力の方が皮相電力Sに対して大きな影響力を有する。磁区細分化は鉄損Pの低減をもたらすので、皮相電力Sは鉄損Pの減少とともに減少する。また凹部における応力により磁化方向が深さ方向の磁区が形成され、皮相電力Sが上昇する。鉄損Pの低減に伴う皮相電力Sの減少と応力付与に伴う皮相電力Sの上昇とが同時に起こる結果、鉄損Pが減少している間は皮相電力Sの上昇は抑えられ、鉄損Pの減少が止まると皮相電力Sが増加する。この傾向が図10に示されている。低鉄損かつ低皮相電力が得られる凹部の数密度nはほぼ2～20個/mmである。また皮相電力Sは照射エネルギー密度に関係なく凹部の数密度nが約5を超えると増加するが、その増加率は照射エネルギー密度が小さい程低い。従って、十分な鉄損Pの低減効果が得られる範囲内で、皮相電力Sの増加を抑制するように照射エネルギー密度は低いほうが良い。具体的には、図5に示すように照射エネルギー密度は5 J/cm2以下で、かつ2 J/cm2以上であるのが好ましく、2.5～4 J/cm2であるのがより好ましい。
実施例7
　実施例1と同じアモルファス合金薄帯に対して、パルスレーザ光の照射エネルギー密度を変えることにより、種々の高さt2を有する環状突状部を形成した。図11は、ラミネーションファクタLFと凹部のドーナツ状突状部の高さt2との関係を示す。ラミネーションファクタLF（占積率）は、薄帯積層体の断面積における薄帯の断面積の割合であり、1に近いほど積層体中に薄帯が占める割合が高い。LFが高い程軟磁性アモルファス合金薄帯を積層してなる磁心を小型化できる。本例では、積層数は20であった。図11から明らかなように、ドーナツ状突状部の高さt2が2μmを超えると急激にラミネーションファクタLFが減少した。

Claims (17)

  1. 急冷凝固法により製造した軟磁性アモルファス合金薄帯であって、その表面にレーザ光により形成された凹部の幅方向の列を長手方向所定間隔で有し、各凹部の周囲にはドーナツ状突状部が形成されており、前記ドーナツ状突状部はレーザ光の照射により溶解した合金の飛散物が実質的にない滑らかな表面を有するとともに、2μm以下の高さt2を有し、かつ前記凹部の深さt1と前記薄帯の厚さTとの比t1/Tが0.025～0.18の範囲内にあり、もって低鉄損及び低皮相電力を有することを特徴とする軟磁性アモルファス合金薄帯。
  2. 請求項1に記載の軟磁性アモルファス合金薄帯において、前記凹部の開口部が実質的に円形であることを特徴とする軟磁性アモルファス合金薄帯。
  3. 請求項1又は2に記載の軟磁性アモルファス合金薄帯において、前記ドーナツ状突状部の高さt2が0.5～2μmであることを特徴とする軟磁性アモルファス合金薄帯。
  4. 請求項3に記載の軟磁性アモルファス合金薄帯において、前記ドーナツ状突状部の高さt2が0.5～1.8μmであることを特徴とする軟磁性アモルファス合金薄帯。
  5. 請求項1～4のいずれかに記載の軟磁性アモルファス合金薄帯において、前記凹部の深さt1と薄帯の厚さTとの比t1/Tが0.03～0.15の範囲内にあることを特徴とする軟磁性アモルファス合金薄帯。
  6. 請求項1～5のいずれかに記載の軟磁性アモルファス合金薄帯において、前記薄帯の厚さTが30μm以下であることを特徴とする軟磁性アモルファス合金薄帯。
  7. 請求項1～6のいずれかに記載の軟磁性アモルファス合金薄帯において、前記凹部の深さt1と前記ドーナツ状突状部の高さt2との合計tと前記薄帯の厚さTとの比t/Tが0.2以下であることを特徴とする軟磁性アモルファス合金薄帯。
  8. 請求項1～7のいずれかに記載の軟磁性アモルファス合金薄帯において、前記軟磁性アモルファス合金薄帯がFe-Si-B系合金からなることを特徴とする軟磁性アモルファス合金薄帯。
  9. 請求項1～8のいずれかに記載の軟磁性アモルファス合金薄帯において、レーザ光を照射する面の波長λ＝1000 nmにおける反射率が15～80％であることを特徴とする軟磁性アモルファス合金薄帯。
  10. 低鉄損及び低皮相電力を有する軟磁性アモルファス合金薄帯の製造方法において、急冷凝固法により製造した軟磁性アモルファス合金薄帯の表面に長手方向所定間隔で順次幅方向にパルスレーザ光を照射することにより、幅方向の凹部の列を形成し、その際前記パルスレーザ光の照射エネルギー密度を、(a) 各凹部の周囲にドーナツ状突状部が形成され、(b) 前記ドーナツ状突状部が滑らかな表面を有するように溶解した合金の飛散物が実質的になく、(c) 前記ドーナツ状突状部が2μm以下の高さt2を有し、かつ(d) 前記凹部の深さt1と前記薄帯の厚さTとの比t1/Tが0.025～0.18の範囲内になるように調整し、もって皮相電力の増大を抑制しつつ前記アモルファス合金の磁区を細分化することを特徴とする方法。
  11. 請求項10に記載の軟磁性アモルファス合金薄帯の製造方法において、前記パルスレーザ光を、ガルバノスキャナ又はポリゴンスキャナとfθレンズとを介して前記アモルファス合金薄帯に照射することを特徴とする方法。
  12. 請求項10又は11に記載の軟磁性アモルファス合金薄帯の製造方法において、前記パルスレーザ光の照射エネルギー密度を5 J/cm2以下とすることを特徴とする方法。
  13. 請求項12に記載の軟磁性アモルファス合金薄帯の製造方法において、前記パルスレーザ光の照射エネルギー密度を2～5 J/cm2とすることを特徴とする方法。
  14. 請求項13に記載の軟磁性アモルファス合金薄帯の製造方法において、前記パルスレーザ光の照射エネルギー密度を2.5～4 J/cm2とすることを特徴とする方法。
  15. 請求項10～14のいずれかに記載の軟磁性アモルファス合金薄帯の製造方法において、前記パルスレーザ光をファイバーレーザにより発生させることを特徴とする方法。
  16. 請求項1～9のいずれかに記載の軟磁性アモルファス合金薄帯を積層又は巻き回してなることを特徴とする磁心。
  17. 請求項16に記載の磁心において、前記軟磁性アモルファス合金薄帯が、前記凹部を形成した後磁路方向の磁界中で熱処理されていることを特徴とする磁心。
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