WO2015122527A1 - 高周波トランス用磁心、及びその製造方法 - Google Patents

高周波トランス用磁心、及びその製造方法 Download PDF

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magnetic core
crater
free surface
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森次　仲男
克廣 小倉
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日立金属株式会社
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    • H01L2223/6661—High-frequency adaptations for passive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic core for a high-frequency transformer that is particularly excellent for high-power applications and a method for manufacturing the same.
  • Patent Document 1 describes a configuration in which an Fe-based nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon is used for the magnetic core of a high-frequency power transformer.
  • Patent Document 2 although not a high-frequency power transformer, there is a description of a magnetic core in which a gap is formed in a magnetic core for a high-frequency accelerating cavity using a Fe-based nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon.
  • Patent Document 2 discloses a thickness of 10 to 30 ⁇ m (Claim 3).
  • the Fe-based nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon is typically cast to a thickness exceeding 15 ⁇ m.
  • Patent Document 3 describes a modification method by mechanically polishing or chemically polishing an amorphous alloy surface in order to improve magnetic properties. Specifically, it describes that the surface that is not in contact with the roll is polished to 1 ⁇ m or less, preferably 0.5 ⁇ m or less.
  • the high frequency magnetic core is manufactured by winding and laminating an amorphous alloy ribbon for an Fe-based nanocrystalline alloy and then heat-treating it at a crystallization temperature or higher. At this time, since it is necessary to ensure insulation between the layers of the alloy ribbon, an insulating film is formed by applying and drying silica powder or alumina powder on one side of the continuously cast alloy ribbon, thereby forming the alloy thin film. It is common practice to increase the insulation between the belt layers.
  • an Fe-based amorphous alloy for an Fe-based nanocrystalline alloy that has been conventionally produced with a thickness exceeding 15 ⁇ m.
  • An alloy ribbon in which the ribbon was thinned to a thickness of about 13 ⁇ m was manufactured, an insulating film was formed, wound, and then subjected to heat treatment to form a nanocrystalline alloy, thereby producing a magnetic core.
  • the magnetic core has a predetermined length Lr (for example, 200 m) after fixing one end of an alloy ribbon in which an insulating film made of silica powder is previously formed on one surface of the alloy ribbon to a cylindrical inner core made of an insulator such as resin. Are wound and laminated with a predetermined tension (for example, 15 N).
  • Lr the DC electric resistance value Ru per unit length in the longitudinal direction of the alloy ribbon is obtained in advance.
  • the insulation degree is ideally 100%. However, when the thickness of the alloy ribbon is about 18 ⁇ m, the silica insulation film is actually partially peeled off and missing, so that the adjacent alloy ribbon is removed. Since there is a part where they are partially contacted and short-circuited, the value is usually 80 to 90%.
  • the insulation degree is less than 50%, and it is considered that electrical contact is frequently made between the layers of the alloy ribbons wound and laminated. It was.
  • the insulation degree is less than 50%, not only the expected eddy current loss cannot be reduced, but also when used in an actual high frequency magnetic core, a high voltage is generated between the alloy ribbons, and the magnetic core is not short-circuited. Risk of damage.
  • the alloy ribbon is manufactured by a single roll method, but the surface on which the projection having the crater-like depression is formed is the surface opposite to the surface in contact with the cooling roll (hereinafter referred to as roll contact surface). It was also found out.
  • roll contact surface the opposite surface is referred to as a free surface.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a low-loss magnetic core for a high-frequency transformer and a method for manufacturing the same.
  • the present inventor impairs the excellent magnetic properties of the original Fe-based nanocrystalline alloy by increasing the loss due to the crater-like protrusions generated on the free surface of the Fe-based amorphous alloy ribbon for the Fe-based nanocrystalline alloy.
  • “blunting” is used to mean that the top of a crater-like protrusion is polished and smoothed, and is not limited to a specific shape or a specific surface condition. The same applies to the following.
  • Magnetic core for high-frequency transformer is a magnetic core having a shape in which a Fe-based nanocrystalline alloy ribbon having a roll contact surface and a free surface by a single roll method is wound through an insulating layer, A protrusion having crater-like depressions is dispersed on the free surface of the Fe-based nanocrystalline alloy ribbon, and the protrusion is a magnetic core for a high-frequency transformer characterized in that its top is polished and blunted.
  • the thickness of the Fe-based nanocrystalline alloy ribbon is preferably 10 to 15 ⁇ m.
  • the present invention is a manufacturing method of a magnetic core for a high frequency transformer, (1) producing a Fe-based amorphous alloy ribbon for Fe-based nanocrystalline alloy ribbon by a single roll method; (2) a step of bringing a rotating circumferential surface of a cylindrical grindstone into contact with a free surface of the Fe-based amorphous alloy ribbon, and applying pressure polishing to a top portion of a protrusion having a crater-like depression dispersed on the free surface; , (3) forming an insulating layer on the free surface and / or roll contact surface of the Fe-based amorphous alloy ribbon; (4) A step of winding the Fe-based amorphous alloy ribbon on which the insulating layer is formed, (5) heat treating the wound Fe-based amorphous alloy ribbon to form a Fe-based nanocrystalline alloy ribbon by nanocrystallization; It is a manufacturing method of the magnetic core for high frequency transformers characterized by having.
  • an increase in loss due to crater-like protrusions dispersed on the free surface of the Fe-based amorphous alloy ribbon for Fe-based nanocrystalline alloy can be suppressed, and a low-loss magnetic core can be provided.
  • the Fe-based amorphous alloy ribbon used in the magnetic core for a high-frequency transformer of the present invention is an alloy ribbon having a nanocrystalline structure after crystallization heat treatment, and is produced by a single roll method.
  • molten molten metal is discharged from a nozzle onto a cooling roll and rapidly cooled, and the alloy ribbon after solidification is peeled off from the cooling roll, thereby continuously casting.
  • the thickness of the alloy ribbon By setting the thickness of the alloy ribbon to 15 ⁇ m or less, a large number of protrusions having crater-like depressions having a diameter of about 20 to 50 ⁇ m and a height of 5 to 10 ⁇ m are formed on the free surface side of the alloy ribbon.
  • it is necessary to take measures such as reducing the discharge amount of the liquid from the nozzle or reducing the gap between the nozzle and the cooling roll. It is considered that air is easily trapped by changing the condition setting.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional photograph of the protrusion having the crater-like depression. Moreover, the top view photograph of the protrusion 5 is shown in FIG. All show the state where polishing blunting is not performed on the top of the protrusion.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of the equipment for blunting the top of the protrusion 5 according to the present invention.
  • the unwinding reel 11 is obtained by winding the Fe-based amorphous alloy ribbon 1 after casting by a single roll method.
  • the take-up reel 12 is obtained by winding the alloy ribbon 1 that has undergone the polishing blunting process.
  • the cylindrical grindstone 7 has a function of polishing and blunting the top of the protrusion 5 having a crater-like depression.
  • the cleaner roll 8 has a function of removing polishing powder adhering to the surface of the alloy ribbon after the polishing is slowed down.
  • the tension adjusting roll 9 applies a predetermined tension to the traveling alloy ribbon 1 so that appropriate polishing blunting is performed.
  • a large number of guide rolls 10 are arranged at appropriate locations so that the alloy ribbon 1 can travel along a predetermined path.
  • the Fe-based amorphous alloy ribbon 1 wound on the unwinding reel 11 is unwound while controlling the running with a plurality of guide rolls 10.
  • the top of 5 can be blunted.
  • polishing powder adheres to the surface of the alloy ribbon after polishing and blunting, it is preferable to remove the polishing powder with the cleaner roll 8.
  • a cylindrical grindstone 7 (grinding wheel roll) is in contact with the entire width of the surface of the free surface 3 of the alloy ribbon 1 but is selected only at the top of the projection 5 having a crater-like depression by optimizing the tension. Therefore, only the top of the projection 5 having a crater-like depression can be polished and blunted almost selectively.
  • the cylindrical whetstone 7 can be a cylindrical electrodeposited whetstone. It can be manufactured by performing Ni plating with a Ni plating solution in which diamond powder or CBN (cubic boron nitride) powder having a number # 50 to 15000 (particle diameter 297 to 1 ⁇ m) is mixed with a cylindrical base metal.
  • CBN cubic boron nitride
  • a grinding wheel electrodeposited with diamond powder or CBN powder of number # 1000 to # 1500 (particle diameter 15 to 10 ⁇ m) is used at a peripheral speed of 400 to Polishing at 600 m / min is preferred.
  • the grindstone is excellent in productivity and preferable in terms of durability and resistance to clogging.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional photograph of a portion where the top of the protrusion 5 having a crater-like depression is polished and blunted under the above conditions.
  • FIG. 3 shows a plan photograph of a portion where the top of the protrusion 5 is polished and blunted. When the top of the protrusion 5 is polished, the tip is blunted and becomes gentle. The degree of polishing can be determined as appropriate.
  • the tip of the top of the protrusion 5 directly contacts the roll contact surface side of the alloy ribbon 1 laminated thereon, thereby reducing the probability of short-circuiting. it can. Thereby, for example, a sufficient insulation between the layers of the Fe-based nanocrystalline alloy ribbon having a thin thickness of 13 ⁇ m can be obtained. Further, even when the thickness is relatively large, such as 18 ⁇ m, the top of the protrusion 5 having a crater-like depression can be formed on the surface of the free surface 3, so that the polishing blunting treatment as in the present invention is effective.
  • the thickness of the alloy ribbon is preferably 15 ⁇ m or less, more preferably 14 ⁇ m or less.
  • the thickness is preferably 10 ⁇ m or more.
  • the Fe-based amorphous alloy ribbon for the Fe-based nanocrystalline alloy ribbon according to the present invention is mainly composed of Fe and at least one element selected from Cu and Au, and Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, A material containing at least one element selected from Ta and W as an essential element is suitable.
  • the Fe—Cu—Nb—Si—B system disclosed in JP-B-4-4393 the Fe—Cu—Nb—Zr—Si—B system, the Fe—Cu—Nb—Zr—B system, Fe— Examples thereof include a Mo—B system, a Fe—Nb—B system, a Fe—Zr—B system, a Fe—Cu—Zr—B system, and a Fe—Nb—Al—Si—B system.
  • These alloys become a soft magnetic alloy ribbon having a nanocrystalline structure in which a bcc-Fe solid solution crystal having an average particle diameter of 100 nm or less accounts for 50% or more of the structure by heat treatment at a temperature higher than the crystallization temperature.
  • the alloy ribbon 1 with the top of the projection 5 shown in FIG. 3 polished and blunted is once wound around the take-up reel 12 after the abrasion powder is removed by the cleaner roll 8. After being wound up once, a processing step of applying the insulating layer 4 again is performed.
  • the apparatus for forming the insulating layer 4 is preferably a roll coater such as a known gravure coater.
  • the take-up reel 12 on which the alloy ribbon 1 is wound can be set on a roll coater as an unwinding reel, and the insulating layer 4 can be applied to the surface of the alloy ribbon 1.
  • the interlayer insulating film is formed by applying and drying silica or alumina.
  • the drying method is a method that can form an insulating film continuously with high efficiency.
  • the alloy ribbon 1 is taken up on the take-up reel 12 again.
  • the heat treatment described above is performed in this reel state, and a Fe-based nanocrystalline alloy ribbon is produced.
  • the insulating layer may be formed on the roll contact surface 2.
  • An insulating layer may be formed on both the roll contact surface 2 and the free surface 3. In consideration of cost and ease of processing, it is preferable to form only on the free surface 3.
  • each of the central part and the three end parts in the width direction of the alloy ribbon at any place in the longitudinal direction When a total of 3 fields of view with a field size of 5 mm ⁇ 50 mm were observed with a metallographic microscope, 10 protrusions having crater-like depressions could be confirmed within the 3 fields of view.
  • silica insulating film was applied.
  • An alloy ribbon was passed through a liquid in which silica powder was suspended in IPA (isopropyl alcohol) and then dried to form a 1.5 to 3 ⁇ m silica insulating film on one side (free surface) of the alloy ribbon.
  • IPA isopropyl alcohol
  • the alloy ribbon on which the silica insulating film is formed is wound to produce a toroidal magnetic core having an inner diameter of 28 mm and an outer diameter of 45 mm, and a nanocrystalline alloy is obtained by holding at a maximum holding temperature of 580 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere. Thereafter, two conductors each having a diameter of 0.5 mm were wound around the magnetic core one time, and the loss was measured under the conditions of a frequency of 100 kHz and an excitation magnetic flux density of 200 mT, which was 200 kW / m 3 .
  • the alloy ribbon on which the silica insulating film is formed is wound to produce a toroidal magnetic core having an inner diameter of 245 mm, an outer diameter of 800 mm, and a height of 25 mm, which is a shape for an acceleration cavity, and a maximum holding temperature of 580 ° C. in a nitrogen atmosphere.
  • ⁇ p ′ ⁇ Q ⁇ f value (GHz) can be obtained from Rp.
  • the ⁇ p ′ ⁇ Q ⁇ f value is used as an index for comparing the magnetic core characteristics even when the magnetic core shapes such as the inner diameter and the outer diameter are different.
  • Rp ⁇ 0 ⁇ t ⁇ ln (b / a) ⁇ p ′ ⁇ Q ⁇ f
  • ⁇ 0 vacuum magnetic permeability
  • t magnetic core height
  • a magnetic core inner diameter
  • b magnetic core outer diameter
  • ⁇ p ′ real part of complex magnetic permeability in parallel equivalent circuit
  • Q magnetic core Q value
  • f Frequency.
  • a high shunt impedance Rp that is, a high ⁇ p ′ ⁇ Q ⁇ f value is desirable.
  • the ⁇ p ′ ⁇ Q ⁇ f value (GHz) at each frequency in the acceleration cavity magnetic core is 3.4 (0.5 MHz), 4.1 (1 MHz), 6.4 (5 MHz), 7 .6 (10 MHz).
  • Comparative Example 2 After melting 40 kg of the alloy mass having the same composition as Comparative Example 1 above the melting point, the molten metal was discharged from the nozzle to the cooling roll so that the width was 25 mm and the thickness was 18 ⁇ m by the single roll method, and the alloy ribbon was formed. About 12,200 m was obtained.
  • each of the central part and the three end parts in the width direction of the alloy ribbon at any place in the longitudinal direction When a total of 3 fields of view of 5 mm ⁇ 50 mm were observed with a metallographic microscope, only one protrusion having a crater-like depression could be confirmed in the three fields of view.
  • the alloy ribbon was passed through the liquid in which IPA was suspended and then dried to form a 1.5 to 3 ⁇ m silica insulating film on one surface (free surface) of the alloy ribbon.
  • a toroidal magnetic core was produced by the same method as in Comparative Example 1 and the loss was measured. As a result, it was 250 to 300 kW / m 3 .
  • Example 1 Of the alloy ribbon 16,900 m produced in Comparative Example 1, 500 m was polished on a free surface with an apparatus equipped with a cylindrical grindstone (grinding roll) (# 1000) electrodeposited with diamond powder as shown in FIG. .
  • the diameter of the cylindrical grindstone was 60 mm, and the number of revolutions was 2500 rpm. Accordingly, the peripheral speed is 450 m / min.
  • the alloy ribbon was subjected to a tension of 30 N ⁇ m, and the distance between the cylindrical grindstone and the alloy ribbon was 4.2 mm (8 ° in angle conversion).
  • FIG. 1 Of the alloy ribbon 16,900 m produced in Comparative Example 1, 500 m was polished on a free surface with an apparatus equipped with a cylindrical grindstone (grinding roll) (# 1000) electrodeposited with diamond powder as shown in FIG. .
  • the diameter of the cylindrical grindstone was 60 mm, and the number of revolutions was 2500 rpm. Accordingly, the peripheral speed is 450 m / min.
  • the alloy ribbon was
  • FIG. 1 shows a result of observing a cross section of a portion where the top portion of the protrusion having a crater-like depression on the free surface is polished and blunted (after the abrasion powder is removed by the cleaner roll).
  • FIG. 2 shows a cross section of a protrusion having a crater-shaped depression on the free surface before polishing blunting. Compared to FIG. 2, it can be seen that in FIG. 1, the tops of the protrusions having crater-like depressions on the surface are polished and blunted.
  • a silica insulating film was formed in the same manner as in the comparative example, and then the length of 200 m was wound around a resin core having an inner diameter of 180 mm, and the insulation degree was evaluated to be 85%.
  • the degree of insulation is more than twice that of Comparative Example 1 in which the top of the protrusion having a crater-like depression on the free surface is not polished or blunted.
  • the thickness of the alloy ribbon is 18 ⁇ m, and it is only 2% lower than that of Comparative Example 2 in which there are almost no projections having crater-like depressions, and is almost equivalent.
  • the alloy ribbon on which the silica insulating film described in Example 1 is formed, the alloy ribbon is wound to produce a toroidal core having an inner diameter of 245 mm, an outer diameter of 800 mm, and a height of 25 mm, which is a shape for an acceleration cavity. Then, after being made into a nanocrystalline alloy by holding at a maximum holding temperature of 580 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere, the shunt impedance Rp at each frequency was measured in the same manner as in Comparative Example 1, and ⁇ p ′ ⁇ Q ⁇ f value (GHz) ) Was calculated. The ⁇ p ′ ⁇ Q ⁇ f value (GHz) at each frequency was 4.2 (0.5 MHz), 4.9 (1 MHz), 7.1 (5 MHz), and 8.4 (10 MHz).
  • Example 1 when comparing the ⁇ p ′ ⁇ Q ⁇ f values, at a frequency of 0.5 MHz, Example 1 is 0.8 larger than Comparative Example 1 and 1.0 larger than Comparative Example 2. At a frequency of 1 MHz, Example 1 is 0.8 larger than Comparative Example 1 and 1.1 larger than Comparative Example 2. At a frequency of 5 MHz, Example 1 is 1.1 larger than Comparative Example 1 and 1.3 larger than Comparative Example 2. At a frequency of 10 MHz, Example 1 is 0.8 larger than Comparative Example 1 and 1.2 larger than Comparative Example 2. It was confirmed that the relatively large ⁇ p ′ ⁇ Q ⁇ f value (GHz) showed excellent characteristics in actual high-frequency accelerated cavity applications.
  • GHz ⁇ p ′ ⁇ Q ⁇ f value
  • Example 1 is an apparatus provided with a cylindrical grindstone (grinding wheel roll) (# 1000), in which the top of a protrusion having a crater-like depression on the free surface is polished.
  • a crater-like depression is obtained.
  • the cylindrical grindstone electrodeposited with # 400 diamond powder was used.
  • a toroidal magnetic core was produced in the same manner as in Comparative Example 1 and the loss was measured. As a result, it was 194 to 198 kW / m 3 . Therefore, it was confirmed that when the entire surface was polished, the loss was increased by about 15% as compared with the case where only the top of the protrusion having a crater-like depression was polished.
  • the cause of the increase in loss is that the surface state of the alloy ribbon free surface is changed, so that the silica insulating film is easily peeled off, and the insulating properties between the layers are deteriorated.

Abstract

　単ロール法によるロール接触面２と自由面３とを有するＦｅ基ナノ結晶合金薄帯１が絶縁層４を介して巻回された形状を有する磁心であって、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯１における自由面３には、クレーター状の窪みを有する突起５が分散すると共に、突起５は、その頂部が研磨され鈍化されていることを特徴とする高周波トランス用磁心である。

Description

高周波トランス用磁心、及びその製造方法
　本発明は、特にハイパワー用途に優れる高周波トランス用磁心、及びその製造方法に関する。
　特許文献１には、高周波パワートランスの磁心にＦｅ基ナノ結晶軟磁性合金薄帯を用いた構成が記載されている。
　特許文献２では、高周波パワートランスではないが、Ｆｅ基ナノ結晶軟磁性合金薄帯を用いた高周波加速空胴用磁心にギャップ形成した磁心の記載がある。
　前記磁心を構成するＦｅ基ナノ結晶合金薄帯として、例えば、上記特許文献２には１０～３０μｍの厚さが開示されている（請求項３）。一方、Ｆｅ基ナノ結晶軟磁性合金薄帯は、製造性の観点から、典型的には１５μｍを越える厚さに鋳造して使用されている。
　しかしながら、高周波トランスには、更なる低損失の要求がある。磁心の損失の内、渦電流損失を減少させる方法として、一般的に合金薄帯の厚さを薄くすることが知られている。
　特許文献３には、磁気特性を改善するために非晶質合金表面を機械研磨または化学研磨することよる改質方法が記載されている。具体的には、ロールが接触しない面を１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下研磨することが記載されている。
　尚、高周波用磁心では、Ｆｅ基ナノ結晶合金用アモルファス合金薄帯を、巻回積層させた後、結晶化温度以上で熱処理することで作製される。このとき前記合金薄帯の層間の絶縁を確実にすることが必要であるため、連続鋳造された合金薄帯の片面にシリカ粉末やアルミナ粉末を塗布乾燥することで絶縁膜を形成させ、合金薄帯の層間の絶縁度を高くすることが通常行われている。
特開２００１－１１０６４７号公報 特開２０００－１３８０９９号公報 特開昭５７－３９５０９号公報
　前述のように、磁心の更なる低損失化のために、具体的には渦電流損失を低減するために、従来１５μｍを越える厚さで生産していたＦｅ基ナノ結晶合金用Ｆｅ基アモルファス合金薄帯を、１３μｍ程度の厚さに薄くした合金薄帯を製造し、絶縁膜を形成し、巻回した後、ナノ結晶合金にするための熱処理を行い磁心を作製した。
　しかしながら、本来、板厚が薄く渦電流損失が低減できることが期待された１３μｍ程度の厚さの合金薄帯を使用した磁心を作製したところ、期待した効果が得られないことが判明した。
　さらに、詳しく調査したところ、従来１５μｍを越える厚さの場合とは異なり、合金薄帯の層間が十分絶縁されず短絡している頻度が非常に高いことが分かった。高周波用磁心では、磁心に巻かれたコイルに高周波が印可されることにより、磁心の合金薄帯にも渦電流が発生する。そのため、合金薄帯の層間の絶縁が不十分であると、合金薄帯の層間での短絡、導通することにより渦電流損失が増大していると考えられる。
　ここで、合金薄帯を巻回積層した磁心の絶縁度の評価方法について述べる。磁心は、樹脂などの絶縁体からなる筒状の内心に、予め合金薄帯の片面にシリカ粉末による絶縁膜を形成した合金薄帯の一端を固定した後、所定の長さＬｒ（例えば２００ｍ）を、所定の張力（例えば１５Ｎ）で巻回積層して、作製される。先ず、予め合金薄帯の長手方向の単位長さあたりの直流電気抵抗値Ｒｕを求めておく。磁心に巻回した合金薄帯長さＬｒと、前記合金薄帯の最内周と最外周の２端部の直流電気抵抗Ｒｒを測定することにより、層間の合金薄帯間が完全に絶縁された場合の合金薄帯の直流電気抵抗に対する実際の２端部間の直流電気抵抗の比、つまりＲｒ／（Ｒｕ×Ｌｒ）×１００（％）を評価することで磁心の絶縁度を評価することができる。
　前記絶縁度は、理想的には１００％であるが、合金薄帯厚さが１８μｍ程度の厚さの場合、実際は前記シリカ絶縁膜が部分的に剥がれ、欠落することにより、隣接する合金薄帯同士が一部で接触し、短絡する箇所があるため、８０～９０％の値となるのが通常であった。
　しかしながら、合金薄帯厚さを１３μｍ程度とした場合、前記絶縁度を評価すると５０％未満であり、巻回積層された合金薄帯の層間で、頻度高く電気的に接触していると考えられた。前記絶縁度５０％未満の場合、期待される渦電流損失を低減できないばかりでなく、実際の高周波用磁心で使用する際、合金薄帯間で高電圧が発生し、短絡することで、磁心が損傷する恐れがある。
　前記接触部分について詳細に調査を行ったところ、１３μｍ程度の厚さの合金薄帯では、合金薄帯の片側主面にクレーター状の窪みを有する突起が多く認められた。他方、１８μｍ程度の厚さの合金薄帯では、クレーター状の窪みを有する突起はほとんど認められなかった。そのため、前記クレーター状の窪みを有する突起では、絶縁膜がほとんど形成されず、隣接する合金薄帯まで接触、導通することで、絶縁度が低下し、渦電流損が増加し、損失が増大していると推測される。
　また、合金薄帯は、単ロール法により製造されるが、前記クレーター状の窪みを有する突起が形成される面は、冷却ロールに接する面（以下、ロール接触面という。）の反対面であることも判明した。以下、前記反対面を、自由面という。
　本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、低損失の高周波トランス用磁心、及びその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明者は、Ｆｅ基ナノ結晶合金用Ｆｅ基アモルファス合金薄帯の自由面に発生するクレーター状の突起に起因する損失の増加を、本来のＦｅ基ナノ結晶合金の有する優れた磁気特性を損なうことなく抑制することを検討した。そして、クレーター状の突起の頂部を形成している部分を研磨して鈍化させることが有効であることを見出し、本発明に到達した。
　ここで「鈍化」とはクレーター状の突起の頂部を研磨して、なだらかにする程度の意味で使用するものであり、特定の形状や特定の表面状態に限定されるものではない。以下も同様である。
　＜１＞高周波トランス用磁心
　本発明は、単ロール法によるロール接触面と自由面とを有するＦｅ基ナノ結晶合金薄帯が絶縁層を介して巻回された形状を有する磁心であって、前記Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯における自由面には、クレーター状の窪みを有する突起が分散すると共に、前記突起は、その頂部が研磨され鈍化されていることを特徴とする高周波トランス用磁心である。
　本発明において、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の厚さが１０～１５μｍであることが好ましい。
　＜２＞高周波トランス用磁心の製造方法
　本発明は、高周波トランス用磁心の製造方法であって、
（１）単ロール法によるＦｅ基ナノ結晶合金薄帯用Ｆｅ基アモルファス合金薄帯を作製する工程と、
（２）前記Ｆｅ基アモルファス合金薄帯の自由面に円柱状砥石の回転周面を接触させ、前記自由面に分散するクレーター状の窪みを有する突起の頂部を加圧研磨して鈍化する工程と、
（３）前記Ｆｅ基アモルファス合金薄帯の自由面及び／またはロール接触面に絶縁層を形成する工程と、
（４）前記絶縁層が形成されたＦｅ基アモルファス合金薄帯を巻回する工程、
（５）前記巻回されたＦｅ基アモルファス合金薄帯を熱処理し、ナノ結晶化させてＦｅ基ナノ結晶合金薄帯とする工程と、
を有することを特徴とする高周波トランス用磁心の製造方法である。
　本発明によれば、Ｆｅ基ナノ結晶合金用Ｆｅ基アモルファス合金薄帯の自由面に分散するクレーター状の突起に起因する損失の増加を抑制できるため、低損失の磁心を提供することができる。
本発明における合金薄帯自由面のクレーター状の窪みを有する突起の頂部の研磨鈍化後の断面写真である。 合金薄帯自由面のクレーター状の窪みを有する突起の断面写真である。 本発明における合金薄帯自由面のクレーター状の窪みを有する突起の頂部の研磨鈍化後の平面写真である。 合金薄帯自由面のクレーター状の窪みを有する突起の平面写真である。 本発明における合金薄帯自由面のクレーター状の窪みを有する突起の頂部の研磨鈍化の一方法の概略説明図である。
　本発明の高周波トランス用磁心に用いるＦｅ基アモルファス合金薄帯は、結晶化熱処理後にナノ結晶組織を有する合金薄帯であって、単ロール法で作製される。単ロール法では、溶融した溶湯をノズルから冷却ロール上に吐出させて急冷させて、凝固後の合金薄帯を冷却ロールから剥がすことで、連続的に鋳造される。
　合金薄帯の厚さを１５μｍ以下にすることで、直径が約２０～５０μｍ、高さが５～１０μｍの大きさのクレーター状の窪みを有する突起が合金薄帯の自由面側に多数形成される。このような突起が形成される明確な原因は解明されていないが、ノズルから冷却ロールへ向けて溶湯を吐出するときに空気を巻き込むことに起因すると推定されている。合金薄帯１の厚さを薄くするためには、ノズルからの液の吐出量を減らしたり、ノズルと冷却ロールとのギャップを小さくするなどの対応が必要である。かかる条件設定の変更により、空気を巻き込みやすくなっていると考えられる。
　前記クレーター状の窪みを有する突起の断面写真を図２に示す。また突起５の平面写真を図４に示す。いずれも突起の頂部に対する研磨鈍化を行っていない状態を示す。
　本発明による突起５の頂部を研磨鈍化するための設備の模式図を図５に示す。巻出しリール１１は、単ロール法による鋳造後、Ｆｅ基アモルファス合金薄帯１を巻き取ったものである。巻取りリール１２は、研磨鈍化処理工程が終了した合金薄帯１を巻き取ったものである。
　円柱状砥石７は、クレーター状の窪みを有する突起５の頂部を研磨して鈍化させる機能を有する。クリーナーロール８は、研磨鈍化後の合金薄帯表面に付着した研磨粉を除去する機能を有する。張力調整ロール９は、走行する合金薄帯１に所定の張力を作用させて、適切な研磨鈍化が行われるようにする。ガイドロール１０は、所定の経路に沿って合金薄帯１が走行できるように多数個が適宜の場所に配置されている。
　次に、合金薄帯１に形成されたクレーター状の窪みを有する突起５の頂部を研磨鈍化する工程を図５により説明する。
　鋳造後、巻出しリール１１に巻き取ったＦｅ基アモルファス合金薄帯１を、複数本のガイドロール１０で走行を制御しながら、巻出していく。張力調整ロール９で所定の張力に制御しながら、合金薄帯表面（自由面３）を、円柱状砥石７（砥石ロール）を回転させながら研磨することで、容易にクレーター状の窪みを有する突起５の頂部を鈍化できる。
　また、研磨、鈍化後の合金薄帯表面には、研磨粉が付着しているため、クリーナーロール８で研磨粉を除去することが好ましい。
　ここでは、合金薄帯１の自由面３の表面の幅方向に、円柱状砥石７（砥石ロール）が全幅で接するが、張力の適正化によりクレーター状の窪みを有する突起５の頂部のみに選択的に圧力がかかり、クレーター状の窪みを有する突起５の頂部のみが、ほぼ選択的に研磨、鈍化させることができる。
　円柱状砥石７は、円柱状の電着砥石を使用できる。円柱状の台金に、番数＃５０～１５０００（粒径２９７～１μｍ）のダイヤモンド粉やＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）粉を混合したＮｉめっき液でＮｉめっきを行うことで作製できる。
　効率良く、クレーター状の窪みを有する突起の頂部を研磨、鈍化するには、番数＃１０００～＃１５００（粒径１５～１０μｍ）のダイヤモンド粉やＣＢＮ粉を電着した砥石を周速度４００～６００ｍ／分で研磨するのが好適である。前記砥石は、耐久性があり、かつ、目詰まりしにくい点で生産性に優れ、好ましい。
　図１に前記条件により、クレーター状の窪みを有する突起５の頂部が研磨、鈍化された部分の断面写真を示す。図３は突起５の頂部が研磨、鈍化された部分の平面写真を示す。突起５の頂部を研磨すると、先端が鈍化され、なだらかになる。どの程度研磨するかは、適宜決めることができる。
　突起５の頂部を研磨鈍化することで、突起５の頂部の先端がその上に積層された合金薄帯１のロール接触面側に直接接触することにより、短絡してしまう確率を低減させることができる。これにより、例えば１３μｍのように厚さの薄いＦｅ基ナノ結晶合金薄帯の層間の絶縁を十分得ることができる。また、１８μｍのように比較的厚い場合でも自由面３の表面にクレーター状の窪みを有する突起５の頂部が形成されうるので、本発明のような研磨鈍化処理は有効である。
　渦電流損失を低減するため、合金薄帯の厚さは、１５μｍ以下が好ましい、より好ましくは１４μｍ以下である。しかしながら、溶湯合金が冷却ロール上で凝固し合金薄帯となった後、冷却ロールから合金薄帯を連続的に剥離する際に、合金薄帯自体が破断しない機械的強度が必要であることから、厚さは１０μｍ以上が好ましい。
　本発明にかかるＦｅ基ナノ結晶合金薄帯用Ｆｅ基アモルファス合金薄帯としては、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、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗから選ばれる少なくとも１種の元素を必須元素として含むものが適している。例えば、特公平４－４３９３号に開示のＦｅ－Ｃｕ－Ｎｂ－Ｓｉ－Ｂ系の他、Ｆｅ－Ｃｕ－Ｎｂ－Ｚｒ－Ｓｉ－Ｂ系、Ｆｅ－Ｃｕ－Ｎｂ－Ｚｒ－Ｂ系、Ｆｅ－Ｍｏ－Ｂ系、Ｆｅ－Ｎｂ－Ｂ系、Ｆｅ－Ｚｒ－Ｂ系、Ｆｅ－Ｃｕ－Ｚｒ－Ｂ系、Ｆｅ－Ｎｂ－Ａｌ－Ｓｉ－Ｂ系などがあげられる。
　これらの合金は、結晶化温度以上の熱処理により、平均粒径が１００ｎｍ以下のｂｃｃ－Ｆｅ固溶体結晶が組織の５０％以上を占めるナノ結晶組織を有する軟磁性合金薄帯となる。
　図３に示す突起５の頂部が研磨鈍化された合金薄帯１は、クリーナーロール８により磨耗粉が除去された後、巻取りリール１２に一旦巻き取られる。一旦巻き取られた後、あらためて絶縁層４を塗布する処理工程が行われる。絶縁層４を形成するための装置は、周知のグラビアコータ等の、ロールコータを用いるのが好ましい。
　すなわち、前記合金薄帯１が巻き取られた巻取りリール１２を、巻出しリールとして、ロールコータにセットし、合金薄帯１の表面に絶縁層４を塗布することができる。
　層間絶縁膜はシリカやアルミナなどを塗布乾燥させて形成される。この場合、金属アルコキシドを含有するアルコール溶液中に、合金薄帯を浸漬させた後、乾燥させることにより形成させる方法、シリカ粉末などを懸濁させた溶液中に合金薄帯を浸漬させた後、乾燥させる方法などが、高効率で連続的に絶縁膜を形成できる方法である。
　絶縁層４が塗布されて乾燥すると再び合金薄帯１は巻取りリール１２に巻き取られる。このリールの状態で前述の熱処理が行われ、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯が作製される。
　本実施形態では自由面３に絶縁層を形成する例を説明したが、ロール接触面２に絶縁層を形成してもよい。また、ロール接触面２と自由面３の両方に絶縁層を形成してもよい。コストおよび処理工程の容易さを考慮すると自由面３のみに形成することが好ましい。
（比較例１）
　原子％でＣｕ：１％、Ｎｂ：３％、Ｓｉ：１５．５％、Ｂ：６．５％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる合金溶湯(合金質量４０ｋｇ)を単ロ－ル法により急冷し、幅２５ｍｍ、厚さ１３μｍのＦｅ基アモルファス合金薄帯を、約１７，０００ｍ得た。
　得られた合金の自由面のクレーター状の窪みを有する突起の状態を確認するために、長手方向任意の場所で、合金薄帯の幅方向で、中央部、２端部の３箇所の、各視野広さ５ｍｍ×５０ｍｍの視野の合計３視野として、金属顕微鏡で観察したところ、クレーター状の窪みを有する突起が前記３視野内に１０個確認できた。
　次に、シリカ絶縁膜を塗布した。ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）にシリカ粉を懸濁させた液に合金薄帯を通した後、乾燥させて、合金薄帯の片面（自由面）に１．５～３μｍのシリカ絶縁膜を形成した。
　前記シリカ絶縁膜が形成された合金薄帯の一部、長さ２００ｍを、内径１８０ｍｍの樹脂製巻き芯に巻回して絶縁度を評価したところ、４１％であった。
　前記シリカ絶縁膜が形成された合金薄帯を、巻回して、内径２８ｍｍ、外径４５ｍｍのトロイダル磁心を作製し、窒素雰囲気で最高保持温度５８０℃で２０分保持することによりナノ結晶合金とした後、前記磁心に直径０．５ｍｍの導線２本を各１回巻回し、周波数１００ｋＨｚ、励磁磁束密度２００ｍＴの条件で、損失を測定したところ、２００ｋＷ／ｍ３であった。
　前記シリカ絶縁膜が形成された合金薄帯を、巻回して、加速空胴用の形状である内径２４５ｍｍ、外径８００ｍｍ、高さ２５ｍｍのトロイダル磁心を作製し、窒素雰囲気で最高保持温度５８０℃で２０分保持することによりナノ結晶合金とした後、Ａｇｉｌｅｎｔ製ＬＣＲメータ４２８５Ａを用いて、周波数０．５ＭＨｚ、１ＭＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚでのシャントインピーダンスＲｐを測定した（発信出力電圧ＯＳＣ＝０．５Ｖ、コイル：０．０５ｍｍ厚さ×２８ｍｍ幅の銅板、１ターン）。
　以下の関係式より、Ｒｐより、μｐ’・Ｑ・ｆ値（ＧＨｚ）を求めることができる。μｐ’・Ｑ・ｆ値は、内径や外径等、磁心形状が異なる場合でも磁心特性を比較できる指標として用いられる。
　Ｒｐ＝μ０・ｔ・ｌｎ（ｂ／ａ）μｐ’・Ｑ・ｆ
　ここで、μ０：真空の透磁率、ｔ：磁心高さ、ａ：磁心内径、ｂ：磁心外径、μｐ’：並列等価回路での複素透磁率実数部、Ｑ：磁心のＱ値、ｆ：周波数、である。
　高周波加速空胴用の磁心では、高いシャントインピーダンスＲｐ、つまり高いμｐ’・Ｑ・ｆ値であることが望ましいとされる。
　前記加速空胴用磁心での、各周波数での、μｐ’・Ｑ・ｆ値（ＧＨｚ）は、３．４（０．５ＭＨｚ）、４．１（１ＭＨｚ）、６．４（５ＭＨｚ）、７．６（１０ＭＨｚ）であった。
　（比較例２）
 比較例１と同組成の合金質量４０ｋｇを融点以上で溶融した後、単ロール法により、幅２５ｍｍ、厚さ１８μｍになるように、溶融金属をノズルから冷却ロールに吐出させて、合金薄帯を、約１２，２００ｍ得た。
　得られた合金の自由面のクレーター状の窪みを有する突起の状態を確認するために、長手方向任意の場所で、合金薄帯の幅方向で、中央部、２端部の３箇所の、各視野広さ５ｍｍ×５０ｍｍの視野の合計３視野として、金属顕微鏡で観察したところ、クレーター状の窪みを有する突起が前記３視野内に１個確認できたのみであった。
　次に、シリカ膜を塗布した。ＩＰＡを懸濁させた液に合金薄帯を通した後、乾燥させて、合金薄帯の片面（自由面）に１．５～３μｍのシリカ絶縁膜を形成した。
　前記シリカ絶縁膜が形成された合金薄帯の一部、長さ２００ｍを、内径１８０ｍｍの樹脂製巻き芯に巻回して絶縁度を評価したところ、８７％であった。
　比較例１と同様の方法でトロイダル磁心を作製し、損失を測定したところ、２５０～３００ｋＷ／ｍ３であった。
　比較例１と同組成の合金質量４０ｋｇを融点以上で溶融した後、単ロール法により、幅３５ｍｍ、厚さ１８μｍになるように、溶融金属をノズルから冷却ロールに吐出させて、合金薄帯を得た。
　比較例１と同様に、合金薄帯表面にシリカ絶縁膜を形成した後、巻回して、加速空胴用の形状である内径２４５ｍｍ、外径８００ｍｍ、高さ３５ｍｍのトロイダル磁心を作製し、窒素雰囲気で最高保持温度５８０℃で２０分保持することによりナノ結晶合金とした後、比較例１と同様に各周波数でのシャントインピーダンスＲｐを測定し、μｐ’・Ｑ・ｆ値（ＧＨｚ）を算出した。各周波数での、μｐ’・Ｑ・ｆ値（ＧＨｚ）は、３．２（０．５ＭＨｚ）、３．８（１ＭＨｚ）、６．０（５ＭＨｚ）、７．２（１０ＭＨｚ）であった。
　（実施例１）
　前記比較例１で作製した合金薄帯１６，９００ｍの内、５００ｍについて、図５に示すダイヤモンド粉を電着した円柱状砥石（砥石ロール）（＃１０００）を備える装置で、自由面を研磨した。円柱状砥石の直径は６０ｍｍであり、回転数は毎分２５００回転で行った。従って、周速は、４５０ｍ／分となる。また、合金薄帯には、３０Ｎ・ｍの張力がかかる状態で、円柱状砥石と合金薄帯の接する距離は４．２ｍｍ（角度換算で８°）で行った。自由面のクレーター状の窪みを有する突起の頂部が研磨、鈍化された部分（クリーナーロールにより磨耗粉が除去された後）の断面を観察した結果を図１に示す。図２には、研磨鈍化前の自由面のクレーター状の窪みを有する突起の断面を示す。図２に比べて、図１では表面のクレーター状の窪みを有する突起の頂部が研磨、鈍化されていることが分かる。
　前記合金薄帯５００ｍについて、比較例と同様にシリカ絶縁膜を形成した後、長さ２００ｍを、内径１８０ｍｍの樹脂製巻き芯に巻回して絶縁度を評価したところ、８５％であった。前記絶縁度は、自由面のクレーター状の窪みを有する突起の頂部を研磨、鈍化していない比較例１に比べて２倍以上である。また、合金薄帯の厚さが１８μmで、クレーター状の窪みを有する突起がほとんど無い比較例２に比べて、２％低いのみであって、ほぼ同等である。
　更に、比較例１と同様の方法でトロイダル磁心を作製し、損失を測定したところ、１６６～１７７ｋＷ／ｍ３であった。前記損失の値は、自由面のクレーター状の窪みを有する突起の頂部を研磨、鈍化していない比較例１に比べて１１～１７％低損失となっている。他方、合金薄帯の厚さが１８μmの比較例２に比べて、約２５％損失が低減されている。
　実施例１に記載のシリカ絶縁膜を形成した合金薄帯を用いて、合金薄帯を巻回して、加速空胴用の形状である内径２４５ｍｍ、外径８００ｍｍ、高さ２５ｍｍのトロイダル磁心を作製し、窒素雰囲気で最高保持温度５８０℃で３０分保持することによりナノ結晶合金とした後、比較例１と同様に各周波数でのシャントインピーダンスＲｐを測定し、μｐ’・Ｑ・ｆ値（ＧＨｚ）を算出した。各周波数での、μｐ’・Ｑ・ｆ値（ＧＨｚ）は、４．２（０．５ＭＨｚ）、４．９（１ＭＨｚ）、７．１（５ＭＨｚ）、８．４（１０ＭＨｚ）であった。
　以上の比較例１、比較例２、実施例１のμｐ’・Ｑ・ｆ値（ＧＨｚ）の算出結果を（表１）に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１より、μｐ’・Ｑ・ｆ値を対比すると、周波数０．５ＭＨｚでは、実施例１は、比較例１に比べて０．８大きく、比較例２に比べて１．０大きい。周波数１ＭＨｚでは、実施例１は、比較例１に比べて０．８大きく、比較例２に比べて１．１大きい。周波数５ＭＨｚでは、実施例１は、比較例１に比べて１．１大きく、比較例２に比べて１．３大きい。周波数１０ＭＨｚでは、実施例１は、比較例１に比べて０．８大きく、比較例２に比べて１．２大きい。前記比較的大きいμｐ’・Ｑ・ｆ値（ＧＨｚ）によって、実際の高周波加速空胴用途において、優れた特性を示すことを確認できた。
　（比較例３）
　実施例１は、円柱状砥石（砥石ロール）（＃１０００）を備える装置で、自由面のクレーター状の窪みを有する突起の頂部を研磨したものであるが、比較例３では、クレーター状の窪みを有する突起の頂部だけでなく、自由面を全面研磨した。ただし比較例３では、＃１０００の円柱状砥石では目詰まりにより、全面を研磨できなかったため、♯４００のダイヤモンド粉を電着した円柱状砥石を用いた。比較例１と同様の方法でトロイダル磁心を作製し、損失を測定したところ、１９４～１９８ｋＷ／ｍ３であった。従って、全面研磨をすると、クレーター状の窪みを有する突起の頂部のみを研磨した場合に比べて、損失が約１５％大きくなることが確認された。
　損失が増大した原因として、合金薄帯自由面の面状態が変化することによりシリカ絶縁膜の剥がれが発生しやすくなり、層間の絶縁性が劣化したと推定される。
１　Ｆｅ基アモルファス合金薄帯
２　ロール接触面
３　自由面
４　シリカ絶縁膜
５　クレーター状の窪みを有する突起
６　研磨鈍化部分
７　円柱状砥石（砥石ロール）
８　クリーナーロール
９　張力調整ロール
１０　ガイドロール
１１　巻出しリール
１２　巻取りリール
 

Claims (3)

  1. 単ロール法によるロール接触面と自由面とを有するＦｅ基ナノ結晶合金薄帯が絶縁層を介して巻回された形状を有する磁心であって、前記Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯における自由面には、クレーター状の窪みを有する突起が分散すると共に、前記突起は、その頂部が研磨され鈍化されていることを特徴とする高周波トランス用磁心。
  2. 請求項１に記載の磁心であって、前記Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯の厚さが１０～１５μｍであることを特徴とする高周波トランス用磁心。
  3. 請求項１または２に記載の磁心の製造方法であって、
    （１）単ロール法によるＦｅ基ナノ結晶合金薄帯用Ｆｅ基アモルファス合金薄帯を作製する工程と、
    （２）前記Ｆｅ基アモルファス合金薄帯の自由面に円柱状砥石の回転周面を接触させ、前記自由面に分散するクレーター状の窪みを有する突起の頂部を加圧研磨して鈍化する工程と、
    （３）前記Ｆｅ基アモルファス合金薄帯の自由面及び／またはロール接触面に絶縁層を形成する工程と、
    （４）前記絶縁層が形成されたＦｅ基アモルファス合金薄帯を巻回する工程、
    （５）前記巻回されたＦｅ基アモルファス合金薄帯を熱処理し、ナノ結晶化させてＦｅ基ナノ結晶合金薄帯とする工程と、
    を有することを特徴とする高周波トランス用磁心の製造方法。
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