JP2018125475A

JP2018125475A - 積層鉄心とその製造方法およびその積層鉄心を用いた電磁部品

Info

Publication number: JP2018125475A
Application number: JP2017018155A
Authority: JP
Inventors: 大道光明寺; Daido Komyoji; 西川　幸男; Yukio Nishikawa; 幸男西川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-08-09

Abstract

【課題】ナノ結晶薄帯を用いて、磁気特性が均質な積層鉄心とその積層鉄心を用いた電磁部品、積層鉄心の製造方法を提供する。【解決手段】複数のナノ結晶薄帯１０２ａ〜１０２ｆを繋ぎ面１１ａ〜１１ｃで組合せて１枚のナノ磁性層を構成し、ナノ磁性層を積層した積層鉄心１０であり、積層鉄心１０を積層方向から見た平面視において、繋ぎ面１１ａ〜１１ｃは複数線で位置し、点対称に分布する積層鉄心を用いる。また、アモルファス薄帯を作製する第１工程と、第１工程のアモルファス薄帯を外形加工する第２工程と、第２工程の外形加工したアモルファス薄帯を熱処理しナノ結晶薄帯とする第３工程と、第３工程の複数のナノ結晶薄帯を組み合せ１層として、積層する第４工程と、を含む積層鉄心の製造方法を用いる。【選択図】図２

Description

本発明は、積層鉄心とその製造方法およびその積層鉄心を用いた電磁部品に関する。

従来の積層鉄心１００は、図８の斜視図で示すように、磁性材料であるケイ素鋼帯などの薄板１０６を積層したもので構成されている。積層鉄心１００は、その周辺にコイルが巻かれ、小型トランス、リアクトル、変流器、柱上変圧器等に用いられる。

一方、磁気特性に優れたアモルファス合金薄帯やナノ結晶薄帯がある。高い磁気特性のナノ結晶薄帯とするには、ナノレベルの結晶とする必要がある。そのためには、原料溶液を急冷し薄帯にし（特許文献１）、その後、熱処理を行う。これによって、ナノ結晶を析出させている。この製造方法を図９の断面図で説明する。

ノズル１０３から溶融された磁性材料が、ローラ１０１へ塗布される。ローラ１０１は、冷却されており、回転しながら溶液を受け。その表面で溶液を急冷し薄帯を作製する。この時点で薄帯は、アモルファス薄帯１３である。アモルファス薄帯１３は、熱処理条件は異なるが、所定の温度と時間の熱処理でナノレベルの結晶粒を有するナノ結晶薄帯を製造できる。

特開２００１−１１１３号公報

しかし、アモルファス薄帯１３からは、幅が広い、または、長さが長いナノ結晶薄帯を作製できない。なぜなら、図９のローラ１０１の大きさには制限があるためである。また、図９の方法で、均質なナノ結晶薄帯を作製する場合に、幅を広く、または、長さを長くすることができない。幅または長さを広げると、均質性は悪くなる。さらに、その後の熱処理においても、幅または長さを広げると、温度制御が特性に大きく影響し、均質なものを作製できない。結果、幅の広い、または、長さが長いナノ結晶薄帯を作製することは困難である。

このため、幅の短い、または、長さの短いアモルファス薄帯１３を多く製造し、これらを熱処理しナノ結晶化し、順番に継ぎ足して巻いていく必要がある。継ぎ足し部分は他の部分と磁気特性が不連続になるので、全体として、磁気特性の不均一性が生じる。なお、磁気特性は、主に、軟磁気特性を示す。

よって、本願発明は、前記従来の課題を解決するもので、ナノ結晶薄帯を用いて、磁気特性が均質な積層鉄心とその積層鉄心を用いた電磁部品、積層鉄心の製造方法を提供することである。

前記目的を達成するために、複数のナノ結晶薄帯を繋ぎ面で組合せて１枚のナノ磁性層を構成し、上記ナノ磁性層を積層した積層鉄心であり、上記積層鉄心を上記積層方向から見た平面視において、上記繋ぎ面は複数線で位置し、点対称に分布する積層鉄心を用いる。

また、上記積層鉄心にコイルを巻いた電磁部品を用いる。

さらに、アモルファス薄帯を作製する第１工程と、上記第１工程の上記アモルファス薄帯を外形加工する第２工程と、上記第２工程の外形加工した上記アモルファス薄帯を熱処理しナノ結晶薄帯とする第３工程と、上記第３工程の複数の上記ナノ結晶薄帯を組み合せ１層として、積層する第４工程と、を含む積層鉄心の製造方法を用いる。

本発明の一例によれば、磁気特性が均質な積層鉄心とその積層鉄心を用いた部品を提供できる。また、別の例によれば、磁気特性が均質な部品を提供できる。

実施の形態１における積層鉄心の製造フローを示す図（ａ）実施の形態１における積層鉄心の分解斜視図、（ｂ）（ａ）の平面図、（ｃ）（ａ）の側面図、（ｄ）（ｂ）の変形例を示す平面図（ａ）実施の形態２の薄帯の斜視図、（ｂ）（ａ）の薄帯から薄帯の取り出す部分を示す平面図、（ｃ）（ｂ）の取り出した薄帯を合わせる状態を示す平面図、（ｄ）（ｃ）の薄帯の繋ぎ面部分の拡大断面図（ａ）〜（ｃ）実施の形態２の積層薄帯の側面図（ａ）〜（ｃ）実施の形態３の薄帯の繋ぎ面を示す平面図、（ｄ）（ｂ）の時の積層鉄心の平面図（ａ）〜（ｂ）実施の形態４の積層薄帯の分解斜視図、（ｃ）〜（ｅ）（ｂ）の積層を作製するための薄帯の分割を示す平面図実施の形態５の積層薄帯の製造のフローを示す図従来の積層鉄心の斜視図従来の薄帯の製造方法を示す断面図

以下本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
＜積層鉄心の製造＞
積層鉄心の製造方法の一例を図１に示す。
（１）アモルファス薄帯製造
図９で説明したように、磁性材料の合金溶融物を、ノズル１０３から、冷却されたローラ１０１の表面へ塗布する。溶融物は急冷却されアモルファス薄帯１３となる。

特に、Ｆｅ−Ｂ−Ｃｕ系、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｂ−Ｐ−Ｃｕ系の合金を用いることが好ましい。アモルファス薄帯１３の厚みは平均約１０〜５０μｍである。
（２）加工
（１）のアモルファス薄帯１３を所定の外形となるように加工する。外形は条件によりいろいろ変化させる。
（３）熱処理
（２）で加工されたアモルファス薄帯１３を熱処理する。熱処理は、高速で昇温するのが好ましい。結果、軟磁気特性がよいナノ結晶の薄帯が作製できる。（２）のアモルファス薄帯１３は、長いものでなく、短くされているので、炉内等で高速で昇温することが可能である。

合金組成物の結晶化温度より少し高い温度まで加熱する。
（４）積層
（３）の熱処理で作製された複数のナノ結晶薄帯を積層する。
（５）一体化
積層されたナノ結晶薄帯に樹脂を挿入したり、外枠に入れたりして、積層鉄心を作製する。ここで、積層鉄心の製造、ナノ結晶薄帯製造は一例であり、他のナノ結晶薄帯の製造方法でもよい。

＜積層鉄心の構造＞
実施の形態１の積層鉄心１０を、図２（ａ）〜図２（ｃ）で説明する。図２（ａ）は、積層鉄心１０の展開図である。図２（ｂ）は、積層鉄心１０の平面図である。図２（ｃ）は、積層鉄心１０の側面図である。

この例では、６枚のナノ結晶薄帯１０２ａ〜１０２ｆを、２枚で１組で１層のナノ磁性層として、３組、３層の積層体を示している。３層のナノ磁性層Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれに２つの繋ぎ面１１ａ、１１ｂ、１１ｃがある。なお、ナノ結晶薄帯、繋ぎ面を特定しない場合、ナノ結晶薄帯１０２、繋ぎ面１１と表現する。

実施の形態のナノ結晶薄帯１０２は、前記のように、（２）で打ち抜きされた子片である。積層鉄心１０を、積層方向の上方から見ると、繋ぎ面１１は、線として見える。各線は９０度の角度で交わる。その線分の分布が点対称に分布されている。

図２（ｂ）の変形例として、図２（ｄ）の平面図で示すような繋ぎ面１１でもよい。
つまり、各々の繋ぎ面１１を結ぶ複数の線分間がなす角度θは、ほぼ等しい。結果、積層鉄心１０の磁気的性質は均質となる。また、平面図で、上下での繋ぎ面の個数は、同数が好ましい。図２（ａ）から図２（ｃ）の例では、場所により、繋ぎ面１１が２個と１個のところがある。４層構造にして、個数を同数の２個とするのがこの好ましい。

この例では、各々のナノ結晶薄帯１０２は、ほぼ同じ厚み、形状としている。また、ナノ結晶薄帯１０２は、ドーナツの半分の形状であるが、その３分の１、額縁状の形状、その半分などでもよい。

なお、繋ぎ面１１の線は、点対称が好ましいが、線対称でもよい。

（実施の形態２）
実施の形態２を、図３（ａ）〜図３（ｄ）を用いて説明する。実施の形態２は、実施の形態１に対して、ナノ結晶薄帯１０２間の繋ぎ面１１の構造が異なる。説明しない事項は実施の形態１と同様である。

図３（ａ）は、ナノ結晶薄帯１０２の斜視図である。前記方法で作製したナノ結晶薄帯１０２は、厚みばらつきがある。これは、図９で説明したように、ナノ結晶薄帯１０２の両面を加圧状態とせずに冷却しているためである。厚みばらつきは、多くとも２０μｍから５０μｍの範囲である。

図３（ａ）の場合、Ａ点，Ｂ点，Ｃ点，Ｄ点の順で厚みが厚くなる。ここで、ナノ結晶薄帯１０２ａ、ナノ結晶薄帯１０２ｂは、一例として、図３（ｂ）の平面図で示すように、ナノ結晶薄帯１０２から作製される。図３（ｃ）に繋ぎ面１１と各々のナノ結晶薄帯１０２ａ、１０２ｂの平面図を示す。各々のナノ結晶薄帯１０２の繋ぎ面１１の地点ａ、ｂ、ｃ、ｄは、ナノ結晶薄帯１０２の厚みが異なる。ここで、地点ａ、ｂ、ｃ、ｄでのナノ結晶薄帯１０２の厚みは、地点ａ、ｂ、ｃ、ｄの順で薄くなる。

この場合、繋ぎ面１１の拡大断面図を図３（ｄ）に示す。地点ａと地点ｄとを合わせる。また、地点ｂと地点ｃとを合わせる。このようにすることで、繋ぎ面１１の各地点での厚みばらつき（厚み差）は減る。つまり、地点ａと地点ｄの厚みの平均値と、地点ｂと地点ｃの厚みの平均値とが同じようになるように合わせる。別の言い方では、一方の端で、４点の内、一番厚い地点と一番薄い地点とを合わせ、他方の端で、それ以外の地点を合わせる。平均厚みとは、繋ぎ面１１において、２つのナノ結晶薄帯１０２の厚みの平均値である。

このような関係で、図２（ｃ）に相当する側面図を図４（ａ）から図４（ｃ）に示す。

図４（ａ）では、ナノ磁性層Ａで地点ａと地点ｄを合わせ、ナノ磁性層Ｃで地点ｂと地点ｃを合わせている。

図４（ｂ）では、ナノ磁性層Ａで地点ａと地点ｄを合わせ、ナノ磁性層Ｃで地点ｄと地点ａを合わせている。

図４（ｃ）では、ナノ磁性層Ａで地点ａと地点ｄを合わせ、ナノ磁性層Ｃで地点ａと地点ｄを合わせている。

対称性の観点から、繋ぎ面１１が均一、ランダムとなるのが好ましい。いずれもよいが、図４（ｃ）、図４（ｂ）、図４（ａ）の順に好ましい。

すなわち、ナノ磁性層Ａで繋ぎ面１１での平均厚みが最大のものと、ナノ磁性層Ｃで繋ぎ面での平均厚みが最小のものと、を組み合わせる。結果、上下の繋ぎ面１１で、平均厚みが、平均化される。当然、ナノ磁性層Ａ、Ｃは逆でもよい。

各層の上下間の位置で、繋ぎ面でのナノ結晶薄帯１０２の平均厚みのばらつきが少なくなるようにするのが好ましい。

（実施の形態３）
実施の形態３を、図５（ａ）〜図５（ｃ）を用いて説明する。実施の形態３は、実施の形態１に対して、ナノ結晶薄帯１０２間の繋ぎ面１１の構造が異なる。説明しない事項は実施の形態１、２と同様である。図５（ｄ）は、図５（ｂ）の時の積層鉄心の平面図である。繋ぎ面１１での形状が、図５（ａ）〜図５（ｃ）で変わる。

図５（ａ）は、ナノ結晶薄帯１０２ａとナノ結晶薄帯１０２ｂとの繋ぎ面１１の平面図である。ナノ結晶薄帯１０２ａ、１０２ｂは、共に、端辺が、凹凸となっている。２つを組み合わせる。繋ぎ面１１に注目すると、階段状となる。

図５（ｂ）は、ナノ結晶薄帯１０２ａとナノ結晶薄帯１０２ｂとの繋ぎ面１１の平面図である。ナノ結晶薄帯１０２ａ、１０２ｂは、共に、端辺が、傾斜辺となっている。繋ぎ面１１に注目すると、傾斜した繋ぎ面、平行四辺形となる。

図５（ｃ）は、ナノ結晶薄帯１０２ａとナノ結晶薄帯１０２ｂとの繋ぎ面１１の平面図である。ナノ結晶薄帯１０２ａ、１０２ｂは、共に、端辺が、波状となっている。繋ぎ面１１に注目しても、波状である。

前記はいずれも、ナノ結晶薄帯１０２ａ、１０２ｂの２つ端辺を組み合わせて、１つの形状としている。前記以外でも、端辺を、ギザギザの形状としてもよい。

ナノ結晶薄帯１０２の繋ぎ面１１の形状は、２つのナノ結晶薄帯１０２間で対称な形状でない方がよい。ナノ結晶薄帯１０２の厚みばらつきの影響が少なくなり、全体として均質性が増加する。

なお、実施の形態１で示した繋ぎ面１１の線分は、この例では、点線で示す線分である。線分が対称に分布するのが好ましい。

（実施の形態４）
実施の形態４は、積層鉄心１０の各々のナノ結晶薄帯１０２の形状に関する。図６（ａ）〜図６（ｅ）で実施の形態４を説明する。説明しない事項は実施の形態１〜３と同様である。

図６（ａ）の斜視図では、各々のナノ結晶薄帯１０２が、額縁の縁の半分の形状である。２つのナノ結晶薄帯を組み合わせ層（ナノ磁性層Ａ〜Ｃ）として、積層する。繋ぎ面１１は、図２（ｂ）同様である。

図６（ｂ）斜視図では、ナノ結晶薄帯１０２の４つを組み合わせて１層のナノ磁性層Ａ〜Ｃとしている。長方形のナノ結晶薄帯１０２ｂ、１０２ｄと、この字型のナノ結晶薄帯１０２ａ、１０２ｃとを組み合わせている。

なお、図６（ｂ）で、実施の形態１で示した繋ぎ面１１の線分は、この例では、点線で示す線分である。線分が対称に分布するのが好ましい。

この形状とする利点は、ナノ結晶薄帯の利用効率がよいためである。このような形状とするため、図６（ｃ）〜図６（ｅ）の平面図で示すように、１枚のナノ結晶薄帯１０２から、無駄なく、長方形のナノ結晶薄帯１０２ｂ、１０２ｄと、この字型のナノ結晶薄帯１０２ａ、１０２ｃとを取り出すことができる。

（実施の形態５）
実施の形態５は、ナノ結晶薄帯１０２選別に関する。図７で実施の形態５を説明する。説明しない事項は実施の形態１〜４と同様である。

図７は、積層鉄心１０を製造するフローである。
（１）ナノ結晶薄帯の作製
図１の熱処理までの工程である。ある形状の複数のナノ結晶薄帯１０２が作製される。
（２）ナノ結晶薄帯１０２の厚み測定
（１）のナノ結晶薄帯１０２の繋ぎ面となる部分の厚みを測定する。
（３）ナノ結晶薄帯の組み合わせの決定
（２）の厚み測定の結果から、繋ぎ面での平均厚みが小さくなるように、ナノ結晶薄帯１０２の組み合わせを決定する。
（４）組み合わせ、積層
（３）で決定したナノ結晶薄帯１０２の組み合わせで組み合わせ、積層する。
１例として、例えば、図２（ａ）のような形状の積層鉄心１０を作製する場合を考える。
複数のナノ結晶薄帯１０２が作製され、それぞれのナノ結晶薄帯１０２の繋ぎ面１１部分２箇所の厚みを測定する。２箇所の平均厚みの順番に、ナノ結晶薄帯１０２を並べ、その順番に組み合わせる。組み合わせ方は、図３（ｃ）、図３（ｄ）に示したように組み合わせる。組み合わせ１層を作製し、積層する。こうすれば、層間の厚みばらつきも少なくなる。

（全体として）
前記の実施の形態は組み合わせることができる。
前記積層鉄心１０にコイルを巻くと、電磁部品となり、各種電磁を利用する機器となる。

繋ぎ面１１を保護部で保護してもよい。保護部は、樹脂や樹脂テープなどで接着を兼ねて保護をしてもよい。繋ぎ面１１だけでなく全体を樹脂などでモールド保護してもよい。

本発明の積層鉄心は、小型トランス、リアクトル、変流器、柱上変圧器、モータなどに用いることができる。

１０積層鉄心
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ繋ぎ面
１３アモルファス薄帯
１００積層鉄心
１０１ローラ
１０２ナノ結晶薄帯
１０２ａナノ結晶薄帯
１０２ｂナノ結晶薄帯
１０３ノズル
１０６薄板

Claims

複数のナノ結晶薄帯を繋ぎ面で組合せて１枚のナノ磁性層を構成し、前記ナノ磁性層を積層した積層鉄心であり、
前記積層鉄心を前記積層の方向から見た平面視において、前記繋ぎ面は複数線で位置し、点対称に分布する積層鉄心。
前記複数の線間のなす角度は、一定角度である請求項１記載の積層鉄心。
前記ナノ磁性層において、前記繋ぎ面が複数有り、それぞれの前記繋ぎ面での２つの前記ナノ結晶薄帯の厚みの平均値が、前記ナノ磁性層の内で小さくなるように、前記ナノ結晶薄帯が組み合わされている請求項１または２記載の積層鉄心。
前記繋ぎ面が２箇所あった場合、前記２箇所での前記ナノ結晶薄帯の厚み４点において、最大厚みの前記ナノ結晶薄帯と最小厚みの前記ナノ結晶薄帯とを合わせ、他の２つの前記ナノ結晶薄帯を合わせる請求項３記載の積層鉄心。
前記複数のナノ磁性層の間において、積層方向からの平面視で、上下の前記繋ぎ面として、前記ナノ結晶薄帯間の平均厚みが、一方の前記ナノ磁性層の内で最小の前記繋ぎ面と、他方の前記ナノ磁性層の内で最大の前記繋ぎ面と、を組み合わせた請求項１〜４のいずれか１項に記載の積層鉄心。
前記組み合わせたナノ結晶薄帯の端面は、同じ形状でない請求項１〜５のいずれか１項に記載の積層鉄心。
この字形状の前記ナノ結晶薄帯と方形の前記ナノ結晶薄帯とを組み合わせて前記ナノ磁性層とした請求項１〜５のいずれか１項に記載の積層鉄心。
前記ナノ磁性層は、ドーナツ状、または、額縁状である請求項１〜７のいずれか１項に記載の積層鉄心。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の積層鉄心にコイルを巻いた電磁部品。
アモルファス薄帯を作製する第１工程と、
前記第１工程の前記アモルファス薄帯を外形加工する第２工程と、
前記第２工程の外形加工した前記アモルファス薄帯を熱処理しナノ結晶薄帯とする第３工程と、
前記第３工程の複数の前記ナノ結晶薄帯を組み合せ１層として、積層する第４工程と、を含む積層鉄心の製造方法。
前記第４工程は、
前記ナノ結晶薄帯の厚み測定する第５工程と、
第５工程の前記厚みから前記ナノ結晶薄帯の組み合わせを決定する第６工程と、
第６工程の組み合わせにより前記ナノ結晶薄帯を組み合わせた層を形成し、繰り返すことで複数の層を形成し、前記複数の層を積層する第７工程と、を含む請求項１０記載の積層鉄心の製造方法。