(57)【要約】【課題】  本発明は、高効率低コア損失の誘導デバイスを提供することを目的とする。【解決手段】  バルク非晶質金属誘導デバイス（１）は、中にエアギャップを有する磁気回路を形成している少なくとも低損失バルク強磁性非晶質金属製の磁気の構成部品（２、３）を有する磁気コアを備えている。このデバイスは、１つまたは複数の電気巻線（２５、２７）を有する。構成部品（２、３）は、多面体形部品を形成するべく互いに結合された同様の形状の複数の非晶質金属製の条片層（１０２）を備える。このデバイスはコア損失が小さく、例えば５ｋＨｚの周波数で０．３Ｔのピーク誘導レベルまで励磁された場合のコア損失がせいぜい約１２Ｗ／ｋｇであるため、１ｋＨｚ以上の周波数のスイッチモードで動作する電力調節回路における適用品にとりわけ有用である。【選択図】  図１
2010258477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導デバイスであって、
少なくとも１つのエアギャップを備えた磁気回路を有し、且つ、少なくとも１つの低損失バルク強磁性非晶質金属製の磁気の構成部品を備える磁気コアと、
前記エアギャップ内のスペーサと、
前記磁気コアの少なくとも一部を取り巻く少なくとも１つの電気巻線とを備え、
前記構成部品が、多面体形部品を形成するべく、積み重ねられ位置合わせされ且つ接着剤で互いに結合された、複数の実質的に同様の形状の平らな、非晶質金属製条片の層を備え、
５ｋＨｚの励磁周波数「ｆ」で０．３Ｔのピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」まで動作させた時に、前記誘導デバイスが１０Ｗ／ｋｇ未満のコア損失を有し、
前記デバイスが、変圧器、単巻変圧器、可飽和リアクトル及び誘導子から構成されるグループから選択される部材である、誘導デバイス。
【請求項２】
前記磁気コアが、少なくとも２つの整合面を個々に有する複数の前記低損失バルク強磁性非晶質金属製の磁気の構成部品を備え、当該構成部品が並置の関係で組み立てられ、それにより前記整合面の各々が前記構成部品の他の前記整合面の１つと近接し、且つ、実質的に平行をなす、請求項１に記載の誘導デバイス。
【請求項３】
前記磁気コアが１つの低損失バルク強磁性非晶質金属製の磁気の構成部品を有する、請求項１に記載の誘導デバイス。
【請求項４】
前記誘導デバイスが複数の電気巻線を備える、請求項１に記載の誘導デバイス。
【請求項５】
非晶質金属の前記層が焼きなましされる、請求項１に記載の誘導デバイス。
【請求項６】
前記デバイスが「Ｌ」より小さいコア損失を有するものであって、前記Ｌが式Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂｍａｘ）１．３＋０．０００２８２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）２．４で与えられており、前記コア損失、前記励磁周波数及び前記ピーク誘導レベルがそれぞれで与えられており、前記コア損失、前記励磁周波数及び前記ピーク誘導レベルがそれぞれワット／キログラム、ヘルツ及びテスラで測定される、請求項１に記載の誘導デバイス。
【請求項７】
前記磁気コアの表面の少なくとも一部が絶縁コーティングを施される、請求項１に記載の誘導デバイス。
【請求項８】
前記コーティングが実質的に前記磁気コアの表面全体を覆っている、請求項７に記載の誘導デバイス。
【請求項９】
低コア損失バルク非晶質金属製の磁気の構成部品を構築するための方法であって、
それぞれ実質的に全く同一の所定の形状を有する複数の平らな薄片を形成するべく、非晶質金属製の条片材料を切断するステップと、
立体的形状を有する薄片積重ね体を形成するべく、前記薄片を積み重ね且つ位置決めするステップと、
前記構成部品の磁気特性を改善するべく前記薄片を焼きなましするステップと、
前記薄片積重ね体を接着剤で接着結合するステップとを含み、
前記構成部品は、少なくとも１つのエアギャップと、当該エアギャップ内のスペーサとを備え、
前記構成部品が「Ｌ」より小さいコア損失を有するものであって、当該Ｌが式Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂｍａｘ）１．３＋０．０００２８２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）２．４で与えられており、前記コア損失、前記励磁周波数及び前記ピーク誘導レベルがそれぞれワット／キログラム、ヘルツ及びテスラで測定され、
前記構成部品がデバイスの部分であり、前記デバイスが、変圧器、単巻変圧器、可飽和リアクトル及び誘導子から構成されるグループから選択される部材である、方法。
【請求項１０】
前記接着結合が前記薄片積重ね体の含浸を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記接着剤が、一液性及び二液性エポキシ樹脂、ワニス、嫌気性接着剤、シアノアクリレート及び室温加硫（ＲＴＶ）シリコーン材料から構成されるグループから選択される少なくとも１つの要素から構成される、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記接着剤が低粘性エポキシ樹脂を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記焼きなましが前記接着結合するステップの後に実施される、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記焼きなましが前記接着結合するステップの前に実施される、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記構成部品の表面の少なくとも一部を絶縁コーティング剤でコーティングすることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記方法は、過剰接着剤を除去すること、前記構成部品に対する適切な表面仕上げを付与すること、及び前記構成部品に最終的な構成部品寸法を付与することうちの少なくとも１つを達成するべく、前記薄片積重ね体に仕上げを施すことをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
前記切断が、打抜き及び写真印刷エッチングのうちの少なくともいずれかを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
前記切断が、前記薄片を形成するべく、前記非晶質金属製の条片の材料を写真印刷エッチングを行うことを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１９】
前記切断が、前記薄片を形成するべく、前記非晶質金属製の条片の材料を打ち抜くことを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法は、実質的に平らで、且つ、前記層に対して直角をなす少なくとも２つの整合面を前記構成部品上に準備することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項２１】
前記準備が、前記整合面に対する、表面研削、切断、研磨、化学エッチング及び電気化学エッチングのうちの少なくとも１つを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
低コア損失バルク非晶質金属製の磁気の構成部品であって、当該構成部品は、
それぞれ実質的に全く同様の所定の形状を有する複数の平らな薄片を形成するべく非晶質金属製の条片材料を切断するステップと、
立体的形状を有する薄片積重ね体を形成するべく、前記薄片を積み重ね且つ位置決めするステップと、
前記構成部品の磁気特性を改善するべく、前記薄片を焼きなましするステップと、
前記薄片積重ね体を接着剤で接着結合するステップとから構成されるステップを含む過程によって構築され、
前記構成部品は、少なくとも１つのエアギャップと、当該エアギャップ内のスペーサとを備え、
励磁周波数「ｆ」でピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」まで動作させた場合、前記構成部品が「Ｌ」より小さいコア損失を有するものであって、当該Ｌが式Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂｍａｘ）１．３＋０．０００２８２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）２．４で与えられており、前記コア損失、前記励磁周波数及び前記ピーク誘導レベルがそれぞれワット／キログラム、ヘルツ及びテスラで測定され、
前記構成部品がデバイスの部分であり、前記デバイスが、変圧器、単巻変圧器、可飽和リアクトル及び誘導子から構成されるグループから選択される部材である、低コア損失バルク非晶質金属製の磁気の構成部品。
【請求項２３】
前記切断が写真印刷エッチングを行うことを含む、請求項２２に記載の低コア損失バルク非晶質金属製の磁気の構成部品。
【請求項２４】
前記切断が、非晶質金属製の条片から前記薄片を打ち抜くことを含む、請求項２２に記載の低コア損失バルク非晶質金属製の磁気の構成部品。
【請求項２５】
前記強磁性非晶質金属製の条片の各々が、下付きの数字が原子百分率である式Ｍ７０乃至８５Ｙ５乃至２０Ｚ０乃至２０で本質的に定義される組成を有するものであって、「Ｍ」が、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏのうちの少なくともいずれか１つであり、「Ｙ」が、Ｂ、Ｃ及びＰのうちの少なくともいずれか１つであり、「Ｚ」が、Ｓｉ、Ａｌ及びＧｅのうちの少なくともいずれか１つであり、以下の条件を有する、即ち（ｉ）成分「Ｍ」の最大１０原子百分率が、金属種Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＷのうちの少なくともいずれか１つと任意選択で置換され、（ｉｉ）成分（Ｙ＋Ｚ）の最大１０原子百分率が、非金属種Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ及びＰｂのうちの少なくともいずれか１つと任意選択で置換され、（ｉｉｉ）成分（Ｍ＋Ｙ＋Ｚ）の最大１原子百分率が付随的な不純物である、請求項２２に記載の低コア損失バルク非晶質金属製の磁気の構成部品。
【請求項２６】
前記強磁性非晶質金属製の条片の各々が、少なくとも７０原子百分率のＦｅ、少なくとも５原子百分率のＢ及び少なくとも５原子百分率のＳｉを含有する組成を有しており、Ｂ及びＳｉの総含有量が少なくとも１５原子百分率であることを条件とする、請求項２５に記載の低コア損失バルク非晶質金属製の磁気の構成部品。
【請求項２７】
前記強磁性非晶質金属製の条片の各々が、本質的に式Ｆｅ８０Ｂ１１Ｓｉ９で定義される組成を有する、請求項２６に記載の低コア損失バルク非晶質金属製の磁気の構成部品。
【請求項２８】
請求項９に記載の方法に従って構築された少なくとも１つのバルク非晶質金属製の磁気の構成部品を備える、誘導デバイス。
【請求項２９】
誘導デバイスを構築するための方法であって、
コアを提供するステップであって、前記コアは、少なくとも１つの強磁性バルク非晶質金属製の磁気の構成部品を有し、前記構成部品は、接着剤で互いに結合された複数の平らな非晶質金属製の条片の層を有して、エアギャップ及び当該エアギャップ内のスペーサを備えた磁気回路を有する全体として多面体の部品を形成する、コアを提供するステップと、
前記磁気の構成部品の少なくとも一部に少なくとも１つの電気巻線を巻き付けるステップとを含み、
励磁周波数「ｆ」でピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」まで動作させた場合、前記構成部品が「Ｌ」より小さいコア損失を有するものであって、当該Ｌが式Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂｍａｘ）１．３＋０．０００２８２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）２．４で与えられており、前記コア損失、前記励磁周波数及び前記ピーク誘導レベルがそれぞれワット／キログラム、ヘルツ及びテスラで測定され、
前記デバイスが、変圧器、単巻変圧器、可飽和リアクトル及び誘導子から構成されるグループから選択される部材である、方法。
【請求項３０】
誘導デバイスを構築するための方法であって、
複数の強磁性バルク非晶質金属製の磁気の構成部品を有するコアを提供するステップであって、各々の構成部品が、厚さ及び複数の整合面を有する全体として多面体の部品を形成するべく、切断され、位置決めされた状態で積み重ねられ、且つ、接着剤で互いに結合された複数の非晶質金属の層を有する、コアを提供するステップと、
前記磁気の構成部品のうちの少なくとも１つに電気巻線を巻き付けるステップと、
少なくとも１つの磁気回路を有する前記コアを形成するべく、前記構成部品を並置の関係で位置決めするステップであって、各々の構成部品の前記層が実質的に平行な平面内に位置する、位置決めするステップと、
前記構成部品を前記並置の関係で固着するステップとを含み、
前記構成部品は、少なくとも１つのエアギャップと、当該エアギャップ内のスペーサとを備え、
励磁周波数「ｆ」でピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」まで動作させた場合、前記構成部品が「Ｌ」より小さいコア損失を有するものであって、当該Ｌが式Ｌ＝０．００７４ｆ（Ｂｍａｘ）１．３＋０．０００２８２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）２．４で与えられており、前記コア損失、前記励磁周波数及び前記ピーク誘導レベルがそれぞれワット／キログラム、ヘルツ及びテスラで測定され、
前記デバイスが、変圧器、単巻変圧器、可飽和リアクトル及び誘導子から構成されるグループから選択される部材である、方法。
【請求項３１】
前記方法は、前記エアギャップにスペーサを挿入することをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記固着が、前記構成部品を接着するための接着剤の使用を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記固着が、帯状体を使用して前記構成部品を帯止めすることを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記固着が、前記構成部品をハウジング内に配置することを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記方法は、仕上げステップをさらに含み、前記整合面に平らな整合表面を提供するべく、前記整合面に仕上げが施される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
前記仕上げが、表面研削、切断、研磨、電気エッチング及び化学エッチングのうちの少なくともいずれか１つを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記電気巻線が中空の内部体積を有するボビン上に巻き付けられ、前記ボビンが前記コアの一部の上に置かれる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３８】
電子回路デバイスであって、
並置の関係で組み立てられ、少なくとも１つの磁気回路を形成する複数の低損失バルク強磁性非晶質金属製の磁気の構成部品を備える磁気コアであって、前記磁気回路が、少なくとも１つのエアギャップと、当該エアギャップ内のスペーサとを含み、前記構成部品の各々が、厚さ及び複数の整合面を有する多面体形部品を形成するべく、接着剤で互いに結合された複数の実質的に同様の形状の平らな非晶質金属製の条片の層を備え、前記構成部品の各々の厚さが実質的に同様の厚さである、磁気コアと、
前記構成部品を前記関係で固着するための固着手段であって、前記構成部品が、前記構成部品の各々の前記条片の前記層が実質的に平行な平面をなし、且つ、前記整合面の各々が前記構成部品の他の整合面に近接するように配置される、固着手段と、
前記磁気コアの少なくとも一部を取り巻く少なくとも１つの電気巻線とを備えており、
５ｋＨｚの励磁周波数「ｆ」で０．３Ｔのピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」まで動作させた時に、前記誘導デバイスが１０Ｗ／ｋｇ未満のコア損失を有し、前記デバイスが、変圧器、単巻変圧器、可飽和リアクトル及び誘導子からなるグループから選択される部材である、電子回路デバイス。
【請求項３９】
電力調節回路デバイスであって、
並置の関係で組み立てられ、少なくとも１つの磁気回路を形成する複数の低損失バルク強磁性非晶質金属製の磁気の構成部品を備える磁気コアであって、前記磁気回路が、少なくとも１つのエアギャップと、当該エアギャップ内のスペーサとを含み、前記構成部品の各々が、厚さ及び複数の整合面を有する多面体形部品を形成するべく、接着剤で互いに結合される複数の実質的に同様の形状の平らな非晶質金属製の条片の層を備え、前記構成部品の各々の厚さが実質的に同様の厚さである、磁気コアと、
前記構成部品を前記関係で固着するための固着手段であって、実質的に平行な平面をなす前記構成部品の各々の前記条片の前記層を備え、且つ、前記構成部品の他の整合面に近接する前記整合面の各々を備えて、前記構成部品が配置される、固着手段と、
前記磁気コアの少なくとも一部を取り巻く少なくとも１つの電気巻線とを備え、
５ｋＨｚの励磁周波数「ｆ」で０．３Ｔのピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」まで動作させた時に、前記誘導デバイスが１０Ｗ／ｋｇ未満のコア損失を有し、前記デバイスが、スイッチモード電源及びスイッチモード電圧変換器からなるグループから選択された部材である、電子回路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は誘導デバイスに関し、より詳細には、１つまたは複数のバルク非晶質金属製の磁気の構成部品を備える磁気コアを有する高効率低コア損失の誘導デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導デバイスは、広範囲に渡る、最も一般的には変圧器及び誘導子を備えた近代の電気設備及び電子設備の基本的な構成部品である。ほとんどの誘導デバイスには、軟強磁性体及び磁気コアを取り巻く１つまたは複数の電気巻線を備えた磁気コアが使用されている。誘導子には、通常、２つの端子を備えた単一の巻線が使用されており、フィルタ及びエネルギー蓄積デバイスとして機能している。変圧器は、通常、複数の巻線を有している。変圧器は、１つのレベルから少なくとも１つの他の所望のレベルへ電圧を変換しており、電気回路全体の様々な部分を電気的に分離している。誘導デバイスは、広範囲に渡る様々なサイズのものを利用することができ、従って様々な電力容量の誘導デバイスの利用が可能である。ＤＣからＧＨｚまで極めて広範囲に渡る周波数で動作させるべく、様々なタイプの誘導デバイスが最適化されている。誘導デバイスを構築する適用には、事実上、知られているあらゆるタイプの軟磁気材料が使用されている。特定の軟磁気材料の選択は、必要とする特性、効率的な製造に適した形態での材料の可用性、及び所与の市場で有用であるために必要な量及びコストの組合せによって決まる。通常、望ましい軟強磁性磁気コア材料は、磁気コアのサイズを最小化するべく高飽和磁気誘導Ｂｓａｔを有しており、また、効率を最大化するべく低保磁力Ｈｅ、高磁気透磁率μ及び低コア損失を有している。
【０００３】
電気デバイス及び電子デバイス用の電動機、適切なサイズの小形誘導子及び変圧器などの構成部品は、厚さがせいぜい１００μｍ程度のシート中に供給された様々なグレードの磁石鋼から押し抜かれた薄片を使用して構築されることがしばしばである。薄片は、通常、積み重ねられ、固着された後、典型的には高導電率銅線若しくはアルミニウム線からなる必要な１つまたは複数の電気巻線で巻かれる。これらの薄片は、知られている様々な形状の磁気コアに広く使用されている。
【０００４】
誘導子及び変圧器に使用される形状の多くは、「Ｃ」、「Ｕ」、「Ｅ」及び「Ｉ」などの特定の活字体（これらによってしばしば形状が識別される）の一般形態を有する構成部品から組み立てられている。また、構成部品を表す文字を使用して組立済みの形状を示すことも可能であり、例えば「Ｅ−Ｉ」字形は、「Ｅ」構成部品と「Ｉ」構成部品を組み立てることによって構築されたことを表している。広く使用されている他の組立済みの形状には、「Ｅ−Ｅ」、「Ｃ−Ｉ」及び「Ｃ−Ｃ」がある。従来技術によるこれらの形状の磁気コアための構成部品は、従来の結晶質強磁性金属の積層シート及び機械加工されたバルク軟フェライトブロックの積層シートの両方で構成されている。
【０００５】
他の一般的な軟強磁性体と比較すると、多くの非晶質金属は優れた磁気性能を提供しているが、それらの物理特性のいくつかは、従来の製造技法を困難にし、あるいは不可能にしている。通常、非晶質金属は、幅が一様な連続した薄いリボンとして供給されるが、非晶質金属は、事実上、全ての従来の金属軟磁気合金より薄く、且つ、硬いため、薄片の従来の打抜き若しくは押抜きによって製造工具及び押出し具が過度に摩耗し、急激に破損する原因になっている。その結果、製造設備及び製造コストが増加し、それが、このような従来の技法を使用したバルク非晶質金属製の磁気の構成部品の製造を商用的に非現実的なものにしている。また、非晶質金属はその厚さが薄いため、所与の断面及び厚さを有する構成部品の形成に必要な薄片の数が増加し、それが非晶質金属製の磁気の構成部品の総合コストをさらに増加させている。また、フェライトブロックの整形に使用される機械加工技法も、一般的には非晶質金属の処理には適していない。
【０００６】
非晶質金属の特性は、しばしば焼きなまし処理によって最適化されるが、通常、焼きなましによって非晶質金属が極めてもろくなり、それが従来の製造過程をさらに複雑にしている。以上の困難性の結果、ケイ素鋼及び他の同様の金属シート形態のＦｅＮｉ−ならびにＦｅＣｏベースの結晶質材料の整形済み薄片の形成に広範囲に、且つ、容易に使用される、非晶質金属デバイス及び構成部品の製造に適した技法は未だに見出されていない。従ってサイズ、重量及びエネルギー効率の点で、高誘導低損失材料の使用を通して原理的に実現可能な大きな改良の余地があるにもかかわらず、非晶質金属のデバイスの多くは、市場では受け入れられていない。
【０００７】
可飽和リアクトル及びいくつかのチョークなどの電子適用品の場合、非晶質金属は、螺旋状に巻かれた丸い環状コアの形態で使用されている。この形態のデバイスは、直径が一般的には数ミリメートルから数センチメートルの範囲のものが市販されており、最大数百ボルト−アンペア（ＶＡ）を提供するスイッチモード電源に広く使用されている。この磁気コア構成により、減磁率を無視することができる完全に閉じた磁気回路がもたらされるが、所望のエネルギー蓄積容量を達成するために、多くの誘導子が、離散エアギャップを含む磁気回路を必要とし、このエアギャップが存在することにより、剪断磁化（Ｂ−Ｈ）ループに顕在する減磁率及び関連する形状異方性を無視することができない。この形状異方性は、可能誘導磁気異方性よりはるかに大きく、その大きさに比例してエネルギー蓄積容量を大きくしている。このようなエネルギー蓄積適用品には、離散エアギャップを備えた従来の材料の環状コアが提案されている。
【０００８】
しかし、条片が巻かれた環状コアに固有の応力が、別の特定の問題をもたらしている。巻線は、本質的に条片の外部表面に張力を課し、内部表面に圧縮力を課している。滑らかな巻線を保証するために必要な線形張力がさらに応力をもたらしている。巻線環状コアの磁気特性は、通常、磁気歪みのため、同様の条片を平らな条片構成で測定した磁気特性より劣っている。焼きなましによって緩和することができる応力は、通常、その一部のみであり、従って特性劣化の一部が防止されるに過ぎない。また、巻線環状コアにギャップを施すことにより、しばしば他の問題がもたらされる。巻線構造中のあらゆる残留環状応力は、ギャップ上で少なくとも部分的に除去されるが、実際には正味の環状応力は予測不可能であり、また、圧縮応力の場合もあれば引張り応力の場合もあるため、実際のギャップは、個々のケースに応じて、新しい応力平衡の確立に必要な予測不能量だけ閉じるかあるいは開く傾向にある。従って最終的なギャップは、通常、意図するギャップとは異なっており、これを修正する手段はない。磁気コアの磁気抵抗は、ほとんどギャップによって決まるため、大量生産の過程で矛盾なく完成済み磁気コアの磁気特性を再現することはしばしば困難である。
【０００９】
また、設計者は、ギャップ付標準環状コア構造の選択が制限されることのない柔軟性をしばしば求めている。これらの適用の場合、所望の剪断度及びエネルギー蓄積度を選択することができるよう、使用者によるギャップの調整が可能であることが望ましい。また、環状コアに巻線を巻き付けるために必要な設備は、積層コアのための匹敵する巻線設備より複雑で、高価であり、且つ、動作させることが困難である。定格電流によって指定される重いゲージワイヤは、環状の巻線に必要な程度まで曲げることができないため、環状幾何学の磁気コアは、高電流適用品には使用できないことがしばしばである。また、環状設計が有しているのは単一の磁気回路のみであるため、通常、環状設計は、単相適用品に最も適している。従って、製造及び適用がより容易で、且つ、とりわけ多相（三相を含む）要求事項に対して魅力的な磁気特性及び効率をもたらす他の構成が模索されている。
【００１０】
また、非晶質金属は、電力がはるかに大きいデバイスのための変圧器、例えば銘板定格が１０ｋＶＡから１ＭＶＡ若しくはそれ以上の電力グリッドのための配電変圧器などに使用されている。これらの変圧器のための磁気コアは、ステップラップ巻きで形成され、一般的には長方形構成で形成されることがしばしばである。一般的な構築方法の１つでは、長方形の磁気コアが最初に形成され、且つ、焼きなましされる。次に、予め形成済みの巻線を磁気コアの長脚部にするりと嵌め込むことができるよう、磁気コアがアンレースされる。予め形成済みの巻線の組込みに続いて層が再レースされ、且つ、固着される。Ｂａｌｌａｒｄらに対する米国特許第４，７３４，９７５号に、この方法で配電変圧器を構築するための典型的な過程が示されている。このような過程には、相当な人的労働力及び焼きなまし済みの脆い非晶質金属リボンを必要とする操作ステップが必然的に伴うことは理解されよう。これらのステップを１０ｋＶＡ未満の磁気コアで完遂することは、とりわけ時間が掛かり、且つ、困難である。また、この構成の場合、多くの誘導子適用品に必要なエアギャップを制御可能に磁気コアに導入することは容易ではない。
【００１１】
強磁性非晶質金属の使用に関連するもう１つの困難性は、磁気歪みの現象に起因している。あらゆる磁気歪み材料の特定の磁気特性は、強いられた機械的応力に応答して変化する。例えば非晶質材料を含有した構成部品は、その構成部品が応力を受けると一般的にその磁気透磁率が減少し、且つ、コア損失が増加する。磁気歪み現象による非晶質金属デバイスの軟磁気特性の劣化は、磁気コア製造中における変形、所定の位置への非晶質金属の機械的な締付けあるいは固定によって生じる機械的応力、熱膨張及び／または非晶質金属材料の磁気飽和による膨張によって生じる内部応力を始めとするあらゆる原因の組合せによって生じる応力によるものである。非晶質金属磁気デバイスが応力を受けると、非晶質金属磁気デバイスが磁束を導きあるいは集束させる効率が低下し、その結果、磁気損失が増加し、効率が低下し、熱の生成が増加し、電力が減少する。この特性の劣化は、その程度によっては無視できないことがしばしばである。特性の劣化の程度は、米国特許第５，７３１，６４９号に示されているように、特定の非晶質金属材料及び応力の実際の強さによって決まる。
【００１２】
非晶質金属は、共通電気鋼を始めとする他の多くの従来の軟磁気材料よりはるかに小さい異方性エネルギーを有している。これらの従来の金属の磁気特性に有害な影響を及ぼすことのない応力レベルであっても、誘導構成部品にとって重要な特性である透磁率及びコア損失などの磁気特性に対しては重大な影響力を有している。例えば‘６４９号特許には、エポキシ樹脂を使用した薄片を備えたコイルに非晶質金属を圧延することによって非晶質金属磁気コアを形成することにより、磁気コア材料の熱膨張及び磁気飽和膨張が不利に制限されることが教示されている。それにより高内部応力及び高磁気歪みが生成され、延いてはこのような磁気コアが組み込まれた電動機あるいは発電機の効率が低下する。磁気特性の応力誘導劣化を回避するために、‘６４９号特許は、誘電体包囲体内に接着剤による結合を使用することなく慎重に取り付けられ、あるいは包含された複数の非晶質金属の積重ね体若しくはコイル状セクションを備えた磁気の構成部品を開示している。
【００１３】
最近の技術における重大な傾向は、スイッチモード回路トポロジーを使用して電源、変換器及び関連する回路を設計することである。利用可能な電力半導体スイッチングデバイスの能力が向上しているため、スイッチモードデバイスをさらに高い周波数で動作させることができる。これまで線路周波数（通常、電力グリッド上の５０乃至６０Ｈｚ若しくは軍用アプリーションにおける４００Ｈｚ）での線形レギュレーション及び線形オペレーションを使用して設計されていた多くのデバイスは、現在は、５乃至２００ｋＨｚであることがしばしばであり、場合によっては１ＭＨｚに及ぶこともある周波数でのスイッチモードレギュレーションに基づいている。必要な磁気の構成部品、例えば変圧器及び誘導子などのサイズの縮小には、周波数を高くするための主要な駆動力が付随しているが、周波数が高くなることにより、これらの構成部品の磁気損失が著しく増加するため、磁気損失を小さくする必要性に厳しく迫られている。
【００１４】
既存の材料を使用して製造される磁気の構成部品の限界は、重大で、且つ、望ましくない設計妥協を余儀なくしている。多くの適用品では、共通電気鋼のコア損失は厳禁であり、このような場合、設計者は、代替としてパーマロイ合金若しくはフェライトの使用を強制されるが、付随する飽和磁気誘導のリダクション（例えば通常の電気鋼の場合の１．８乃至２．０Ｔに対して、様々なパーマロイ合金の場合、０．６乃至０．９Ｔ若しくはそれ以下、フェライトの場合、０．３乃至０．４Ｔ）は、結果として得られる磁気の構成部品のサイズの増加を余儀なくしている。また、パーマロイの望ましい軟磁気特性は、比較的小さい応力レベルで生じる塑性変形によって不可逆的に悪影響を受ける。このような応力は、パーマロイ構成部品の製造中若しくは動作中に生じる可能性がある。軟フェライトは、しばしば魅力的な低損失を有しているが、誘導値が小さいため、空間が重要事項である多くの適用品にとって、デバイスのサイズが非現実的な大きさになっている。また、磁気コアのサイズが大きいため、不本意ながらより長い電気巻線が余儀なくされ、そのために抵抗損が大きくなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】実願昭６０−０７８００６号（実開昭６１−１９５０１３号）のマイロフィルム
【特許文献２】国際公開第０１／８４５６４号
【特許文献３】特開２００２−０２５８３１号公報
【特許文献４】国際公開第０２／８４６７６号
【特許文献５】特開昭５８−１７５６５４号公報
【特許文献６】特開昭６２−２９６４６５号公報
【特許文献７】特開平０５−３３５１５４号公報
【特許文献８】実願昭６３−００７２０７号（実開平０１−１１２０２２号）のマイクロフィルム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
以上の開示で示した利点にもかかわらず、当分野には依然として、現行の要求事項に必要な優れた磁気特性と優れた物理特性を組み合わせた改良型誘導デバイスの必要性が存在している。また、非晶質金属を有効に使用し、且つ、様々なタイプのデバイスを大量に生産するべく実施することができる構築方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明により、少なくとも１つのエアギャップを備えた磁気回路を有する磁気コアを備えた効率の高い誘導デバイスが提供される。磁気コアは、少なくとも１つの低損失バルク非晶質金属製の磁気の構成部品及び１つまたは複数の電気巻線を備えている。構成部品は、その形状が多面体形であり、積み重ねられ、位置決めされ、且つ、接着剤で互いに結合された複数の実質的に同様の形状の平らな非晶質金属製の条片層を備えている。有利には、このデバイスはコア損失が小さく、例えば５ｋＨｚの励磁周波数「ｆ」で０．３Ｔのピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」まで動作させた場合のコア損失は約１０Ｗ／ｋｇ未満である。他の態様では、デバイスは「Ｌ」より小さいコア損失を有している。Ｌは、式Ｌ＝０．００５ｆ（Ｂｍａｘ）１．５＋０．００００１２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）１．６で与えられ、コア損失、励磁周波数及びピーク誘導レベルは、それぞれワット／キログラム、ヘルツ及びテスラで測定される。
【００１８】
また、本発明により、（ｉ）それぞれ実質的に全く同様の所定の形状を有する複数の平らな薄片を形成するべく非晶質金属製の条片材料を切断するステップと、（ｉｉ）立体的形状を有する薄片積重ね体を形成するべく前記薄片を積み重ね、且つ、位置決めするステップと、（ｉｉｉ）構成部品の磁気特性を改善するべく前記薄片を焼きなましするステップと、（ｉｖ）接着剤を使用して前記薄片積重ね体を接着結合するステップとを含む、低コア損失バルク非晶質金属製の磁気の構成部品を構築するための方法が提供される。構成部品を構築するためのステップは、以下でより詳細に説明するように、様々な順序で実施することができる。薄片の切断は、様々な技法を使用して実施される。高硬度押出し具セット及び高歪み速度押抜きの使用からなる打抜き操作が使用されることが好ましい。比較的サイズの小さい薄片を使用している実施形態の場合、切断には写真印刷（フォトリソグラフィック）エッチングが使用されることが好ましい。構成部品の結合は、薄片積重ね体中の層と層との間の空間に、低粘性熱活性エポキシ樹脂が浸透する含浸過程によって達成されることが好ましい。
【００１９】
本発明による誘導デバイスは、様々な電子回路デバイス適用品に使用することができる。本発明による誘導デバイスは、変圧器、単巻変圧器、可飽和リアクトルあるいは誘導子として機能させることができる。この構成部品は、様々なスイッチモード回路トポロジーを使用している電力調節電子回路デバイスの構築にとりわけ有用である。本発明によるデバイスは、単相への適用及び多相への適用の両方に有用であるが、とりわけ三相への適用に有用である。
【００２０】
いくつかの実施形態では、磁気コアは、単一バルク磁気の構成部品を有しており、他の実施形態では、磁気コアを形成するべく複数の構成部品が並置の関係で組み立てられている。これらの構成部品は、結合手段によって所定の位置に固着されている。誘導デバイスは、さらに、磁気コアの少なくとも一部を取り巻く少なくとも１つの電気巻線を備えている。構成部品の各々は、複数の整合面を有する概ね多面体形の部品を形成するべく接着剤で互いに結合された、実質的に同様の形状の平らな複数の非晶質金属製の条片層を備えている。個々の構成部品の厚さは、実質的に同様の厚さである。構成部品は、個々の構成部品の非晶質金属の層が実質的に平行な平面内に位置し、且つ、個々の整合面がデバイスの他の構成部品の整合面に近接するように組み立てられている。有利には、バルク非晶質金属製の磁気の構成部品を形成する過程及び磁気コアを組み立てる過程は、透磁率及びコア損失などの軟磁気特性を許容不可能に劣化させるレベルの応力をもたらすことなく達成される。
【００２１】
本発明による誘導デバイスは、様々な回路への適用に使用することができ、また、例えば変圧器、単巻変圧器、可飽和リアクトルあるいは誘導子として機能させることができる。この構成部品は、様々なスイッチモード回路トポロジーを使用している電力調節電子デバイスの構築にとりわけ有用である。本発明によるデバイスは、単相への適用及び多相への適用の両方に有用であるが、とりわけ三相への適用に有用である。
【００２２】
有利には、バルク非晶質金属製の磁気の構成部品は、完成した誘導デバイスの１つまたは複数の磁気回路を形成するための組立が容易である。いくつかの態様では、構成部品の整合面は、磁気抵抗が小さく、且つ、比較的正方形に近いＢ−Ｈループを有するデバイスを製造するべく直接接触しているが、整合面と整合面の間にエアギャップが介在したデバイスを組み立てることによって磁気抵抗が大きくなり、多くの誘導子への適用に有用なエネルギー蓄積容量の大きいデバイスが提供される。エアギャップには、任意選択で非磁気スペーサが充填される。広範囲に渡る電気特性を備えたデバイスを提供するためには、標準化されたサイズ及び形状を有する一定の数の構成部品を多くの異なる方法で組み立てることがさらに有利である。
【００２３】
本発明によるデバイスの構築に使用される構成部品は、「Ｃ」、「Ｕ」、「Ｅ」及び「Ｉ」などの特定の活字体（これらによって形状が識別される）の形状と概ね同様の形状を有していることが好ましい。構成部品の各々は、他の構成部品上の同じ数の相補整合面に近接し、且つ、平行に配置される少なくとも２つの整合面を有している。本発明のいくつかの態様では、有利には、留継ぎ整合面を有する構成部品が使用されている。構成部品のサイズ及び形状が柔軟であるため、設計者は、磁気コア全体及び磁気コア内の１つまたは複数の巻線窓の両方を広範囲に渡って自由に適切に最適化することができる。その結果、必要な磁気コア及び巻線材料の量と共にデバイスの総合サイズが最小化される。サイズがコンパクトで、且つ、効率の高い電子回路デバイスの設計には、柔軟なデバイス設計と磁気コア材料の高飽和磁気誘導の組合せが有利である。より小さい飽和磁気誘導磁気コア材料を使用した従来技術の誘導デバイスと比較すると、所与の電力及びエネルギー蓄積定格の変圧器及び誘導子は、一般的により小形で、且つ、より効率的である。
【００２４】
本発明によるデバイスは、これらの属性及び他の望ましい属性により、専用の磁気への適用、例えばスイッチモード回路トポロジー及び１ｋＨｚから２００ｋＨｚまで、若しくはそれ以上の範囲のスイッチング周波数を使用した電力調節電子回路における変圧器あるいは誘導子としての使用に容易に個別化することができる。
【００２５】
周期的な磁気励磁の下でのコア損失が極めて小さいため、本発明による磁気デバイスは、ＤＣから２０，０００Ｈｚ若しくはそれ以上にも及ぶ周波数範囲での動作が可能である。本発明による磁気デバイスは、同じ周波数範囲で動作する従来のケイ素鋼磁気の構成部品と比較すると性能特性が改善されている。
【００２６】
本発明によるデバイスは、１つまたは複数の電気巻線を容易に備えることができる。有利には、個別の操作で巻線を形成することができ、自己支持組立体で形成するか、あるいはボビンコイル型の上に巻き付け、且つ、複数の構成部品のうちの１つまたは複数に差し込むことによって形成することができる。また、巻線は、複数の構成部品のうちの１つまたは複数に直接巻き付けることも可能である。従って従来技術による環状磁気コアに巻線を提供する困難性及び複雑性が除去される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】形状が「Ｃ」字形及び「Ｉ」字形のバルク非晶質金属製の磁気の構成部品を使用して組み立てられた、本発明による「Ｃ−Ｉ」字形誘導デバイスの斜視図である。
【図２Ａ】「Ｃ」字形及び「Ｉ」字形バルク非晶質金属製の磁気の構成部品が整合接触し、Ｃ字形構成部品がその脚部の各々で電気巻線を支えている、本発明による「Ｃ−Ｉ」字形誘導デバイスの平面図である。
【図２Ｂ】「Ｃ」字形及び「Ｉ」字形バルク非晶質金属製の磁気の構成部品がスペーサによって分離され、Ｉ字形構成部品が電気巻線を支えている、本発明による「Ｃ−Ｉ」字形誘導デバイスの平面図である。
【図２Ｃ】留継ぎ整合面を有するバルク非晶質金属製の磁気の構成部品を備えた、本発明による「Ｃ−Ｉ」字形誘導デバイスの平面図である。
【図３】電気巻線を支えている、本発明による誘導デバイス中に包含されるバルク非晶質金属製の磁気の構成部品上に配置するようになされたボビンの斜視図である。
【図４】「Ｅ」字形及び「Ｉ」字形バルク非晶質金属製の磁気の構成部品及び「Ｅ」字形脚部の各々に配置された巻線を使用して組み立てられた、本発明による「Ｅ−Ｉ」字形誘導デバイスの斜視図である。
【図５】図４に示すデバイスの一部を示す横断面図である。
【図６】対応する構成部品の整合面と整合面の間にエアギャップ及びスペーサを設けて組み立てられた、「Ｅ」字形及び「Ｉ」字形バルク非晶質金属製の磁気の構成部品を備えた、本発明による「Ｅ−Ｉ」字形誘導デバイスの平面図である。
【図７】バルク非晶質金属製の磁気の構成部品の整合面の各々に留継ぎが施された、本発明による「Ｅ−Ｉ」字形誘導デバイスの平面図である。
【図８】５つの「Ｉ」字形バルク非晶質金属製の磁気の構成部品から組み立てられた、３つの脚部構成部品が１つのサイズであり、２つの背部構成部品が別のサイズである、本発明による概ね「Ｅ−Ｉ」字形のデバイスの平面図である。
【図９】４つの実質的に全く同様の「Ｉ」字形バルク非晶質金属製の磁気の構成部品から組み立てられた、本発明による正方形誘導デバイスの平面図である。
【図１０】本発明による誘導デバイスの構築に使用される、形状が概ね直方柱のバルク非晶質金属製の磁気の構成部品の斜視図である。
【図１１】本発明によるデバイスの構築に使用される弓形バルク非晶質金属製の磁気の構成部品の斜視図である。
【図１２】４つの台形バルク非晶質金属製の磁気の構成部品から組み立てられた、四角形の形状を有する本発明による誘導デバイスの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明及び他の利点については、本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明及び添付の図面を参照することにより、より完全に理解され、且つ、明らかになるであろう。添付の図面においては、同様の参照数表示は、いくつかの図面を通して同様の構成部品を表している。
【００２９】
本発明は、誘導子及び変圧器などの効率の高い誘導デバイスを対象としている。このデバイスには、少なくとも１つの磁気回路を形成する損失の小さい１つまたは複数のバルク強磁性非晶質金属製の構成部品を備えた磁気コアが使用されている。本発明に従って構築される概ね多面体形のバルク非晶質金属製の構成部品には、長方形、正方形及び台形角柱等を始めとする様々な幾何学形状を持たせることができる。また、上で言及した任意の幾何学形状には、概ね湾曲した、つまり弓状のバルク非晶質金属製の構成部品を形成するべく、少なくとも１つの弓状表面、好ましくは互いに対向して配置された２つの弓状表面を持たせることができる。この誘導デバイスは、さらに、少なくとも１つの導電巻線を備えている。
【００３０】
本発明の一態様では、デバイスは、非晶質金属製の条片から切断された、実質的に同様の形状を有する複数の平らな層からなる単一バルク非晶質金属製の構成部品を有する磁気コアを備えている。この層は、積み重ねられ、位置決めされ、且つ、接着剤で結合されている。個々の層はそれぞれエアギャップを有しており、積層構成部品内で整列して相俟ってエアギャップを形成している。本発明による誘導デバイスの一形態の構築に使用される磁気コアを説明する。磁気コアは、エアギャップを備えた、形状が環状形の単一バルク非晶質金属製の磁気の構成部品を備えている。複数の層は、外縁及び内縁を有する概ね環状の形に切断されている。外縁から内縁まで延びたスロットが個々の層に形成されている。スロットの幅は、完成した磁気コアに適切な減磁率が得られるように選択される。磁気コアは、積み重ねられ、且つ、位置決めされた複数の層から形成されており、従って個々の層の内縁及び外縁及びスロットは概ね整列している。整列したスロットが相俟って、任意選択でスペーサが挿入されるエアギャップを形成している。層は接着剤によって結合されており、低粘性エポキシ樹脂の含浸によって結合されていることが好ましい。この態様では、層は円形の輪であるが、例えば楕円形の競馬場のような形、正方形及び任意のアスペクト比の長方形の額縁のような形など、他の非円形形状も可能である。全ての実施形態における層の内部若しくは外部頂点には、任意選択で半径が付けられている。スロットは、半径方向に導かれているが、スロットは、内縁から外縁まで延びた任意の配置で形成することができる。また、スロットは、概ね長方形の形で形成することができるが、磁気コアのＢ−Ｈループに対する他の所望の効果を達成するべくテーパを施し、あるいは輪郭を付けることも可能である。本発明による誘導デバイスの構築には、さらに、磁気コア上への少なくとも１つの環状巻線の準備が含まれている。
【００３１】
必要な形状を有する層は、それらに限定されないが、非晶質金属リボン若しくは条片の写真印刷エッチングあるいは押抜きを始めとする任意の方法を使用して製造することができる。比較的容易に自動化することができ、且つ、最終的な層の寸法を厳密に再現可能に制御することができるため、微小部品の製造には写真印刷エッチング過程がとりわけ好ましい。このような制御により、一様なサイズの薄片を備えた、延いては明確に定義された一様な磁気特性を有する磁気コアを大量に生産することができる。また、本発明による製造方法により、条片を螺旋構造に曲げることによって不可避的に生じる圧縮応力及び引張り応力が平らな薄片に存在しない点でテープ巻磁気コア構造に勝る利点が得られる。切断、押抜き、エッチング等によって生じるあらゆる応力は、ただ単に個々の薄片の周辺の微小領域若しくは周辺近傍の微小領域に閉じ込められるようである。
【００３２】
本発明の他の態様では、同様の製造過程を使用して、全体の形状が概ね「Ｃ」、「Ｕ」、「Ｅ」及び「Ｉ」などの特定の活字体（これらによって形状が識別される）の形状と同様のバルク非晶質金属製の磁気の構成部品に組み込まれる層が形成されている。構成部品の各々は、複数の平らな非晶質金属層を備えている。非晶質金属層は、本発明による誘導デバイスのための構成部品を形成するべく実質的に同じ高さ及び同じ実装密度になるように積み重ねられ、位置決めされ、且つ、互いに結合される。デバイスは、構成部品を固着手段を使用して隣接する関係で固着することによって組み立てられ、それにより少なくとも１つの磁気回路が形成される。組み立てられた構成では、全ての構成部品中の非晶質金属製の条片の層は、実質的に平行の平面内に位置している。構成部品の各々は、他の構成部品上の同じ数の相補整合面に近接し、且つ、平行に配置される少なくとも２つの整合面を有している。いくつかの形状、例えばＣ字形、Ｕ字形及びＥ字形は、概ね実質的に共面である整合面で終端している。Ｉ（すなわち直方柱）形は、その両端に２つの平行な整合面を有するか、その長辺に１つまたは複数の整合面を有することができ、あるいはその両方が可能である。コア損失を最小化するためには、整合面は、構成部品中の構成リボンの平面に対して直角をなしていることが好ましい。本発明のいくつかの実施形態は、さらに、構成部品のフィーチャの延長方向に対して留継ぎが施された整合面を有するバルク磁気の構成部品を備えている。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態では、単一の磁気回路を備えた誘導デバイスを形成する場合、それぞれ２つの整合面を有する２つの磁気の構成部品が使用される。他の態様では、構成部品が３つ以上の整合面を有しているか、あるいはデバイスが３つ以上の構成部品を有しており、従ってこれらの実施形態のいくつかは、複数の磁気回路を提供している。本明細書に使用されているように、磁気回路という用語は、磁気回路の少なくとも一部を取り巻く電流巻線によって生成される起磁力を付与することによって連続する磁束線が流れる経路を意味している。閉磁気回路は、磁気材料の磁気コアの内部に磁束が排他的に位置する磁気回路であり、一方、開回路では、磁束経路の一部が磁気コア材料の外側に位置しており、例えば磁気コア部分と磁気コア部分の間のエアギャップ若しくは非磁気スペーサを磁束が通過する。本発明によるデバイスの磁気回路は、どちらかと言えば閉回路であることが好ましく、磁束経路がデバイスの構成部品の磁気層内に優勢に位置し、且つ、対応する構成部品の近接している整合面と整合面の間の少なくとも２つのエアギャップを横切っている。磁気回路の開きの程度は、エアギャップ及び磁気透過性磁気コア材料が寄与する総磁気抵抗の一部によって指定することができる。本発明によるデバイスの磁気回路は、磁気抵抗に対するエアギャップの寄与が透過性構成部品の寄与のせいぜい１０倍である磁気抵抗を有していることが好ましい。
【００３４】
図１を詳細に参照すると、「Ｃ」字形磁気の構成部品２及び「Ｉ」字形磁気の構成部品３を備えた本発明による「Ｃ−Ｉ」字形誘導デバイス１の一形態の全体が示されている。「Ｃ」構成部品２は、さらに、第１の側脚部１０及び第２の側脚部１４を備えている。第１の側脚部１０及び第２の側脚部１４は、それぞれ背部分４の共通面から直角に展開し、第１の長方形整合面１１及び第２の長方形整合面１５でそれぞれ遠位終端している。これらの整合面は、概ね実質的に共面をなしている。側脚部１０及び１４は、背部分４の面の両端にかかっている。「Ｉ」構成部品３は、第１の長方形整合面１２及び第２の長方形整合面１６を有する直方柱である。第１の長方形整合面１２及び第２の長方形整合面１６は、いずれも構成部品３の共通面に配置されている。整合面１２及び１６は、構成部品２の脚部１０及び１４の端部の整合面１１及び１５とそれぞれ相補をなす一定のサイズ及び間隔を有している。側脚部１０及び１４、側脚部１０と１４の間の背部分４及びＩ構成部品３の各々は、概ね長方形の幾何学断面を有している。これらは全て実質的に同じ高さ、幅及び実効磁界面積を有していることが好ましい。実効磁界面積は、幾何学断面内における磁気材料が占める面積であり、総幾何学面積に積層フラクションを掛け合わせた面積に等しい。
【００３５】
図２Ａに最も良好に示す本発明の一態様では、相補整合面１１、１２及び１５、１６は、Ｃ−Ｉデバイス１を組み立てている間、それぞれ直接接触している。この配置により、デバイス１の磁気抵抗が小さくなり、それに伴って比較的正方形に近いＢ−Ｈ磁化ループが得られる。図２Ｂに示す他の態様では、構成部品２及び３の対応する整合面と整合面の間に任意選択のスペーサ１３及び１７が介在しており、磁気回路内の構成部品と構成部品の間に、エアギャップとしても知られているギャップを提供している。スペーサ１３及び１７は、組立中及び動作中に遭遇する温度によるデバイス１の劣化若しくは変形を防止するだけの十分な熱抵抗を有する非導電性非磁気材料から構成されていることが好ましい。スペーサに適した材料には、セラミック材料、重合体材料、及びポリイミドフィルム及びクラフト紙などの塑性材料がある。ギャップの幅は、スペーサ１３及び１７の厚さによってセットされることが好ましく、また、所与の電気回路への適用に必要なデバイス１の所望の磁気抵抗、減磁率が達成されるように選択され、これは関連するＢ−Ｈループの剪断度を決定する。
【００３６】
「Ｃ−Ｉ」デバイス１は、さらに、少なくとも１つの電気巻線を備えている。図１及び図２Ａに示す態様では、それぞれ脚部１０及び１４を取り巻く第１の電気巻線２５及び第２の電気巻線２７が提供されている。端子２５ａに流入し、端子２５ｂから流出する正の方向に流れる電流によって、右手の法則に従って、概ね経路２２に沿って２３で示す方向に磁束が強制される。Ｃ−Ｉデバイス１は、巻線２５及び２７のいずれか一方を使用して、あるいは巻線２５及び２７を直列に接続してインダクタンスの増加を促進することによって誘導子として動作させることができる。別法としては、Ｃ−Ｉデバイス１は、例えば電気変圧器の分野で良く知られている方法で巻線２５を一次巻線として接続し、巻線２７を二次巻線として接続することによって変圧器として動作させることも可能である。個々の巻線の巻数は、知られている変圧器設計あるいは誘導子設計の原理に従って選択される。図２Ｂには、さらに、単一の巻線２８がＩ構成部品３の上に配置された代替的な誘導子構成が示されている。
【００３７】
デバイス１の電気巻線の少なくとも１つは、構成部品２及び３のいずれか一方の任意の場所に配置することができるが、巻線は、いかなるエアギャップにも影響を及ぼさないことが好ましい。巻線を提供するための便利な手段の１つは、脚部１０及び１４のうちのいずれか一方若しくはＩ構成部品３に嵌め込むことができる寸法の中空内部体積を有するボビンに導線、一般的には銅線若しくはアルミニウム線を巻き付けることである。図３は、本体部分１５２、端フランジ１５４、及び必要とする磁気の構成部品に嵌め込むことができる寸法の内部開口１５６を有するボビン１５０の一形態を示したものである。１つまたは複数の巻線１５８が本体部分１５２を取り巻いている。有利には、誘導デバイスの組立に先立って、単純な巻線設備を使用して個別の操作でボビン１５０に導線を巻き付けることができる。ポリエチレンテレフタラート樹脂などの非導電性プラスチックから構成されていることが好ましいボビン１５０は、巻線と磁気コアの間に追加電気絶縁を提供している。また、ボビンは、デバイスの製造中及び使用中、磁気コア及び巻線を機械的に保護している。別法としては、構成部品２及び３のいずれか一方の一部に導線を直接巻き付けることも可能である。円形、長方形及びテープ形態を始めとする、知られている任意の導線形態を使用することができる。
【００３８】
Ｃ−Ｉデバイス１の組立体は、完成デバイスに機械的な完全性を提供し、且つ、構成部品２、３、電気巻線２５、２７、ギャップスペーサ１３、１７（存在している場合）及び付随するハードウェアの相対位置を維持するべく固着される。この固着は、機械的な帯止め、締付け、接着、ポッティング等を任意に組み合わせることができる。デバイス１は、さらに、構成部品２及び３の外部表面の少なくとも一部に絶縁コーティングを施すことができる。このようなコーティングは、可能な最小磁気抵抗が望ましく、且つ、構成部品が直接接触していることが望ましい態様の場合、整合表面１１、１２、１５及び１６の全てに存在しないことが好ましい。巻線が構成部品２及び３に直接適用される場合、摩耗、短絡若しくは導線巻線の絶縁に対する他の損傷が生じる可能性があるため、絶縁コーティングはとりわけ有用である。絶縁コーティングには、エポキシ樹脂、紙若しくは重合体が裏打ちされたテープを使用することができ、あるいはいずれかの構成部品の表面の周りに巻き付けられる、知られている他の絶縁材を使用することができる。
【００３９】
図２Ｃは、本発明によるＣ−Ｉ磁気コアの他の実施態様を示したものである。この態様では、磁気コア５１は、Ｃ字形構成部品５２及び台形構成部品５３を備えている。Ｃ構成部品５２の脚部１０及び１４の遠位端は、４５°であることが好ましい内側に傾斜した角度で留継ぎが施され、留継ぎが施された整合面３３及び３６で終端している。また、Ｃ構成部品５２は、角の各々に丸みが付けられた外部頂点４２及び内部頂点４３を有している。このような丸みが付けられた頂点は、本発明による実施態様に使用される多くの構成部品に存在している。台形構成部品５３は、留継ぎが施された整合面３４及び３７で終端している。構成部品５３の留継ぎの角度は、Ｃ構成部品５２の留継ぎの角度と相補をなしており、好ましくは同じく４５°である。この構成の留継ぎ角度により、構成部品５２及び５３の対応する整合面が直接接触するか、あるいは図２Ｃに示すように、任意選択でスペーサ３３及び３８が挿入されるエアギャップを形成するべく若干の間隔を隔てるように構成部品５２及び５３を並置することができる。
【００４０】
図４乃至図６は、本発明による、「Ｅ」字形及び「Ｉ」字形の構成部品を備えた「Ｅ−Ｉ」デバイス１００を提供する態様を示したものである。Ｅ構成部品１０２は、強磁性金属製の条片から構築された複数の層を備えている。各々の層の形状は実質的に全く同じＥ字形である。これらの層は、背部分１０４、中央脚部１０６、第１の側脚部１１０及び第２の側脚部１１４を有する、実質的に一様な厚さのＥ構成部品１０２を形成するべく互いに結合されている。中央脚部１０６、側脚部１１０及び１１４の各々は、背部分１０４の共通面から直角に展開し、長方形の面１０７、１１１及び１１４でそれぞれ遠位終端している。中央脚部１０６は、背部分１０４の中央にかかっており、側脚部１１０及び１１４は、それぞれ背部分１０４の同じ面の両端にかかっている。中央脚部１０６、側脚部１１０及び１１４の長さは、概ね実質的に全く同じ長さであり、従って個々の面１０７、１１１及び１１４は実質的に共面である。図４に示すように、中央脚部１０４と側脚部１１０若しくは１１４のいずれかとの間の背部分１０４の断面Ａ−Ａは実質的に長方形であり、その厚さ及び幅は、積み重ねられた層の高さ及び個々の層の幅によってそれぞれ画定されている。背部分１０４の断面Ａ−Ａの幅は、少なくとも面１０７、１１１及び１１４のいずれかの幅と同じ幅になるように選択されることが好ましい。
【００４１】
Ｉ構成部品１０１の形状は直方柱であり、Ｅ構成部品１０２の層と同じ強磁性金属条片を使用して構築された複数の層を備えている。これらの層は、実質的に一様な厚さのＩ構成部品１０１を形成するべく互いに結合されている。Ｉ構成部品１０１は、断面Ａ−Ａにおける背部分１０４の厚さ及び幅と実質的に同じ厚さ及び幅を有しており、また、側脚部１１０の外部表面と１１４の外部表面の間で測定したＥ構成部品１０２の長さと実質的に全く同じ長さを有している。Ｉ構成部品１０１の中央部分の一方の面は、中央整合面１０８を備えており、第１の端部整合面１１２及び第２の端部整合面１１６は、構成部品１０１の両端に配置されている。整合面１０７、１１１及び１１５の各々のサイズは、それぞれ相補面１０８、１１２及び１１６のサイズと実質的に全く同じである。
【００４２】
図４及び図６にさらに示すように、デバイス１００の組立体は、（ｉ）構成部品１０２若しくは１０１の１つまたは複数の部分を取り巻く巻線１２０、１２１及び１２２などの１つまたは複数の電気巻線を提供するステップと、（ｉｉ）Ｅ構成部品１０２及びＩ構成部品１０１を極めて近接して位置合せするステップであって、構成部品中の全ての層が実質的に平行の平面内に位置するように位置合せするステップと、（ｉｉｉ）構成部品１０１及び１０２を並置の関係で機械的に固着するステップとからなっている。構成部品１０２及び１０１は、それぞれ面１０７と１０８、１１１と１１２及び１１４と１１５が近接するように位置合せされる。対応する面と面との間の空間は、実質的に全く同じ厚さの３つのエアギャップを画定している。スペーサ１０９、１１３及び１１７は、デバイス１００の磁気回路の各々の磁気抵抗を大きくし、且つ、デバイス１００の磁気回路の各々のエネルギー蓄積容量を大きくするべく、任意選択でこれらのギャップに挿入される。別法としては、エアギャップを最小化し、初期インダクタンスを大きくするべく、対応する面を直接整合接触させることも可能である。
【００４３】
「Ｅ−Ｉ」デバイス１００は、一次巻線及び二次巻線を有する単相変圧器に組み込むことができる。このような実施態様の１つでは、巻線１２２が一次巻線として機能し、直列に接続された巻線１２０及び１２１が二次巻線としての機能を補助している。この実施態様では、側脚部１５１及び１５２の各々の幅は、中央脚部１４０の幅の少なくとも半分であることが好ましい。
【００４４】
図４乃至図６に示す実施態様は、「Ｅ−Ｉ」デバイス１００中に図式的に示す経路１３０、１３１及び１３２を有する３つの磁気回路を提供している。従ってデバイス１００は、３つの脚部の各々がそれぞれ３つの相のうちの１つの相に対する巻線を支えた三相誘導子として使用することができる。さらに他の実施態様では、「Ｅ−Ｉ」デバイス１００は、脚部の各々が３つの相のうちの１つの相に対する一次巻線及び二次巻線の両方を支えた三相変圧器として使用することができる。三相回路での使用を意図したＥ−Ｉデバイスのほとんどの実施態様では、脚部１０６、１１０及び１１４の幅は、３つの相をより良好に平衡させるべく同じ幅であることが好ましい。特定の特殊な設計では、異なる脚部に異なる断面、異なるギャップあるいは異なる巻数を持たせることができる。様々な多相への適用に適した他の形態については、当業者には明らかであろう。
【００４５】
図７は、Ｅ−Ｉデバイス１８０が、留継ぎが施されたＥ構成部品１８２及び同じく留継ぎが施されたＩ構成部品１８１を備えた他のＥ−Ｉ実施態様を示したものである。構成部品１８２の中央脚部１０６の遠位端には、整合面１４０ａ及び１４０ｂを形成するべく、遠位端の両側に左右対称にテーパが施された留継ぎが施されており、外側の脚部１１０及び１１４の遠位端には、留継ぎが施された整合面１４４及び１４７を形成するべく内側に傾斜した留継ぎが施されている。Ｉ構成部品１８１の両端は、留継ぎが施された端部整合面１４５及び１４８を形成するべく、脚部１１０及び１１４の留継ぎと相補をなす角度で留継ぎが施されている。また、Ｉ構成部品１８１の中央部分には概ねＶ字形の切欠きが施されており、脚部１０６の留継ぎと相補をなす整合面１４１ａ及び１４１ｂを形成している。整合面の各々は、整合面が配置されている構成部品のそれぞれの部分の長手方向に対して４５°の角度で留継ぎが施されていることが好ましい。脚部１０６、１１０及び１１４の長さは、直接接触させるにせよ、あるいは任意選択のスペーサ１４２、１４６及び１４９が挿入されるギャップで間隔を隔てるにせよ、対応する整合面で構成部品１８１及び１８２を並置することができるように選択される。有利には、図２Ｃ及び図７に示す整合面に留継ぎを施すことによって整合面の面積が広くなり、且つ、漏れ磁束及び過度の局部渦電流損が減少する。
【００４６】
広範囲に渡る様々な構成を有する磁気デバイスをいくつかの標準Ｉ構成部品から組み立てることができる限りにおいては、形状がＩ字形の構成部品は、本発明を実践するためにはとりわけ好都合である。このような構成部品を使用することにより、設計者は、所与の回路への適用に必要な電気特性を有するデバイスを製造するための構成を容易にカスタマイズすることができる。例えば、図４に示すＥ−Ｉデバイス１００が概ね適した適用品の多くは、図８に示すような５つの直方柱磁気の構成部品構造を有するデバイス２００を使用して満足することも可能である。この５つの構成部品は、実質的に全く同じサイズの第１の背部構成部品２１０及び第２の背部構成部品２１１、中央脚部構成部品２４０、実質的に全く同じサイズの第１の端脚部構成部品２５０及び第２の端脚部構成部品２５１からなっている。これらの５つの構成部品２１０、２１１、２４０、２５０及び２５１の各々は、積重ね体の高さが実質的に同じであり、背部構成部品と脚部構成部品の長さ及び幅がそれぞれ一般的に異なる構成部品を製造するべく積層された強磁性条片層を備えている。これらの構成部品は、構成部品中の全ての非晶質金属層が平行な平面内に位置するように配置されている。これらの構成部品の寸法を適切に選択することにより、当分野で認められている原理を使用して最適化された電気巻線に適応する窓が提供される。電気巻線は、デバイス１００の構成に類似した方法で脚部２４０、２５０及び２５１の上に配置されることが好ましい。別法として、あるいは追加として、背部構成部品２１０及び２１１のいずれか一方若しくは両方に、脚部と脚部との間に位置するように電気巻線を配置することも可能である。スペーサは、デバイス１００に関連して上で考察した方法でデバイス２００の磁気回路の磁気抵抗を調整するべく、デバイス２００の構成部品と構成部品の間のギャップに任意選択で挿入される。いくつかの実施例では、図２Ｃ及び図７に示す留継ぎ継手と同様の留継ぎ継手が有利である。
【００４７】
図９は、本発明による一実施形態を示したもので、実質的に全く同じ４つの直方柱構成部品３０１が概ね正方形の構成で組み立てられている。この４つの構成部品を使用して形成されたデバイス３００は、いくつかの適用品では、図２に示す「Ｃ−Ｉ」デバイスの代替として使用することができる。本発明による誘導デバイスを構築する場合は、形状が長方形の１つまたは複数のサイズの構成部品を使用した他の構成が有用である。誘導デバイスを構築するための構成及び方法は当業者には明らかであり、本発明の範囲内である。
【００４８】
既に指摘したように、本発明によるデバイスには、少なくとも１つの多面体形構成部品が利用されている。本明細書に使用されているように、多面体という用語は、複数の面すなわち辺を有する立体を意味している。この多面体には、それらに限定されないが、三次元的な長方形、正方形、互いに直角をなす辺を有する角柱形状、及びいくつかの非直交辺を有する台形角柱などの他の形状が含まれている。また、上で言及した全ての幾何学形状は、形状が概ね弓形の構成部品を形成するべく、互いに対向して配置される少なくとも１つ、好ましくは２つの弓状の表面若しくは辺を含むことができる。次に図１０を参照すると、本発明によるデバイスの構築に使用される、形状が直方柱の磁気の構成部品５６の一形態が示されている。構成部品５６は、実質的に同様の形状の概ね平らな複数の非晶質金属製の条片材料の層５７からなっており、互いに結合されている。本発明の一態様では、この層は、焼きなましされた後、低粘性エポキシ樹脂であることが好ましい接着剤５８を含浸させることによって積層化されている。図１１は、本発明による誘導デバイスの構築に有用な構成部品８０の他の形態を示したものである。弓形構成部品８０は、複数の弓形積層８１を備えており、弓形積層の各々は、環の切片であることが好ましい。弓形積層８１は互いに結合され、外部弓形表面８３、内部弓形表面８４及び端部整合表面８５及び８６を有する多面体形構成部品を形成している。構成部品８０には、隣接する層と層との間の空間に浸透する接着剤８２が含浸していることが好ましく、また、整合表面８５及び８６は、実質的に同じサイズで、条片層８１の平面に対して直角をなしていることが好ましい。
【００４９】
表面８５及び８６が共面である「Ｕ」字形弓状構成部品８０であることがとりわけ有用である。また、表面８５及び８６が互いに１２０°若しくは９０°の角度をなしている弓状構成部品であることが好ましい。２つあるいは３つ若しくは４つのこのような構成部品がそれぞれ容易に組み立てられ、実質的に閉磁気回路である環状磁気コアが形成される。
【００５０】
構成部品のさらに他の有用な形状は台形角柱である。本発明によるデバイスの一実施形態は、個々の対の部材が実質的に同じ寸法を有する２対の台形構成部品を備えている。構成部品の各々は、整合面を形成するべく延長軸から４５°の角度で留継ぎが施された端部を有している。この２対の構成部品は、図１２に示すように４５°の面を整合させることによって組み立てられ、留継ぎが施された角継手を有する、四辺形の対辺に対の各々の部材が配置された四辺形長方形構成９９が形成される。有利には、留継ぎ継手によって個々の接合部の接触面積が広くなり、漏れ磁束による悪影響が軽減され、且つ、コア損失が大きくなる。
【００５１】
有利には、本発明によるバルク非晶質金属製の磁気の構成部品から構築される誘導デバイスはコア損失が小さい。磁気材料の分野では知られているように、デバイスのコア損失は、励磁周波数「ｆ」及びデバイスが励磁されるピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」の関数である。一態様では、磁気デバイスは、（ｉ）約６０Ｈｚの周波数で、且つ、約１．４テスラ（Ｔ）の磁束密度で動作させた場合、１ワット／キログラム未満若しくはほぼ１ワット／キログラムの非晶質金属材料のコア損失、（ｉｉ）約１０００Ｈｚの周波数で、且つ、約１．４Ｔの磁束密度で動作させた場合、２０ワット／キログラム未満若しくはほぼ２０ワット／キログラムの非晶質金属材料のコア損失、あるいは（ｉｉｉ）約２０，０００Ｈｚの周波数で、且つ、約０．３０Ｔの磁束密度で動作させた場合、７０ワット／キログラム未満若しくはほぼ７０ワット／キログラムの非晶質金属材料のコア損失を有している。他の態様によれば、励磁周波数「ｆ」でピーク誘導レベル「Ｂｍａｘ」に励磁されるデバイスは、室温で「Ｌ」未満のコア損失を有している。Ｌは、式Ｌ＝０．００５ｆ（Ｂｍａｘ）１．５＋０．００００１２ｆ１．５（Ｂｍａｘ）１．６で与えられ、コア損失、励磁周波数及びピーク誘導レベルは、それぞれワット／キログラム、ヘルツ及びテスラで測定される。
【００５２】
有利には、本発明による構成部品は、構成部品若しくは構成部品の任意の部分が、構成部品内に包含されている非晶質金属片の実質的に平面内の任意の方向に沿って磁気励磁される場合のコア損失が小さい。従って、デバイスを構成している磁気の構成部品のコア損失が小さいため、本発明による誘導デバイスは効率が高くなっている。結果として得られるデバイスの小さいコア損失値が、デバイスを高周波数での動作、例えば少なくとも約１ｋＨｚの周波数での磁気励磁を意図した誘導子若しくは変圧器としての使用にとりわけ適したものにしている。従来の鋼の高周波数におけるコア損失が、概して従来の鋼をこのような誘導デバイスにおける使用を不適切なものにしている。これらのコア損失性能値は、誘導デバイスの構築に使用されるバルク非晶質金属製の構成部品の特定の幾何学に無関係に本発明の様々な実施形態に適用される。
【００５３】
さらに、本発明によるデバイスに使用されるバルク非晶質金属製の構成部品を構築する方法が提供される。また、本発明によれば、バルク非晶質金属製の構成部品を構築する方法が提供される。一実施形態では、この方法には、必要な形状を有する薄片を強磁性非晶質金属製の条片の供給材料から打ち抜くステップ、三次元物体を形成するべく薄片を積み重ねるステップ、薄片を互いに粘着させ、構成部品に十分な機械的完全性を付与するべく接着手段を塗布し、且つ、活性化させるステップ、及びあらゆる過剰接着剤を除去し、且つ、適切な表面仕上げ及び最終構成部品寸法を付与するべく構成部品を仕上げるステップが含まれている。この方法には、さらに、構成部品の磁気特性を改善するための焼きなましステップを任意選択で含めることも可能である。これらのステップは、様々な順序で実施することができ、また、以下に示す技法及び当業者には明らかである他の技法を含む様々な技法を使用して実施することができる。
【００５４】
歴史的には、３つの要因が相俟って、非晶質金属部品を形成するための実行可能な手法としての打抜きの使用を妨げている。最も重要な第１の要因は、非晶質金属製の条片が一般的に非配向（非延伸）電気鋼板などの従来の磁気材料条片より薄いことである。より薄い材料を使用することは、所与の形状の部品を構築するためにはより多くの薄片が必要であることを意味している。また、より薄い材料を使用するためには、より小形の工具及び押出し具の隙間を打抜き過程に使用しなければならない。
【００５５】
第２の要因は、非晶質金属が典型的な金属押抜き材料及び押出し具材料より著しく硬くなる傾向にあることである。鉄をベースとする非晶質金属の硬度は、通常、１１００ｋｇ／ｍｍ２を超えている。因みに、空冷油焼入れ工具鋼及び空冷水焼入れ工具鋼の硬度は、８００ないし９００ｋｇ／ｍｍ２の範囲に限定されている。従って、その硬度が固有の原子構造及び化学的性質に由来している非晶質金属は、従来の金属押抜き材料及び押出し具材料より硬い。
【００５６】
第３の要因は、非晶質金属は、打抜きの間、押抜き具（パンチ）と押出し具（ダイ）の間に拘束されると、故障する前に破壊ではなく著しく変形することである。非晶質金属は、高度に局部化された剪断流によって変形する。例えば非晶質金属製の条片を引っ張った場合のように非晶質金属製の条片が張力変形すると、単一の剪断バンドが形成され、全体的なわずかな変形で故障することになる。張力の場合、１％未満の伸びで故障することがある。しかしながら、打抜き時における工具と押出し具の間での曲がりのように、機械的な拘束が塑性不安定性を排除する形で変形する場合、複数の剪断バンドが形成され、大きな局部変形が生じることになる。このような変形モードでは、故障発生時の伸びが局部的に１００％を超える場合がある。
【００５７】
後者の２つの要因、つまり例外的な硬度と大きな変形が相俟って、従来の打抜き設備、道具だて及び過程を使用した打抜きプレス機の押抜き具構成部品及び押出し具構成部品の異常な摩耗をもたらしている。押抜き具及び押出し具の摩耗は、故障に至るまでの変形の間に、より軟らかい押抜き具材料及び押出し具材料との摩擦によって硬い非晶質金属が直接摩耗することによって生じる。
【００５８】
本発明により、打抜き過程中における押抜き具及び押出し具の摩耗を最少化するための方法が提供される。この方法には、超硬合金材から押抜き具及び押出し具工具を製造するステップ、押抜き具と押出し具との間の隙間が小さく、且つ、一様になるような工具を製造するステップ、及び高歪み速度で打抜き過程を操作するステップが含まれている。押抜き具及び押出し具工具に使用される超硬合金材は、少なくとも１１００ｋｇ／ｍｍ２、好ましくは１３００ｋｇ／ｍｍ２以上の硬度を有していなければならない。非晶質金属の硬度に等しいか、あるいはそれ以上の硬度を有する超硬合金工具は、打抜き過程中における非晶質金属による直接摩耗に耐えることができるため、押抜き具及び押出し具の摩耗が最少化される。押抜き具と押出し具との間の隙間は、０．０５０ｍｍ（０．００２インチ）未満、好ましくは０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）未満でなければならない。打抜き過程に使用される歪み速度は、少なくとも１押抜き行程／秒、好ましくは少なくとも５押抜き行程／秒によって生成される歪み速度でなければならない。厚さが０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）の非晶質金属製の条片の場合、この範囲の行程速度は、少なくとも１０５／秒、好ましくは少なくとも５×１０５／秒の変形速度と概ね等値である。押抜き具と押出し具との間の微小隙間と打抜き過程に使用される高歪み速度が相俟って、打抜き過程中における故障に至るまでの非晶質金属の機械的な変形量を制限している。押出し具空洞内における非晶質金属の機械的な変形を制限することにより、過程中における非晶質金属と押抜き具及び押出し具の間の直接摩耗が制限され、延いては押抜き具及び押出し具の摩耗が最少化される。
【００５９】
本発明による構成部品のための薄片を押し抜く方法の一形態を説明する。強磁性非晶質金属製の条片材料のロールが、条片の磁気特性を改善するだけの十分な時間の間、十分なレベルの温度に上昇する焼きなましオーブンを介して連続的に供給される。条片は、次に、グラビアローラを備えた接着剤塗布手段を通過する。接着剤貯蔵容器から低粘性熱活性エポキシ樹脂がグラビアローラに供給され、ローラから条片の下面にエポキシ樹脂が引き渡される。焼きなましオーブンと接着剤塗布手段の間は、条片の温度を条片の通過時間内に少なくともエポキシ樹脂の熱活性化温度未満まで冷却させるだけの十分な距離を隔てている。別法としては、冷却手段を使用して、オーブンと塗布手段との間の条片をより迅速に冷却することも可能である。条片材料は、次に、高速自動押抜き具プレス機及び押抜き具と開放底部押出し具の間に引き渡される。押抜き具が押出し具の中に駆動され、必要な形状を有する層状構造が形成される。形成された層状構造は、落下するかあるいは収集貯蔵庫に移送され、押抜き具が元の位置に復帰する。層状構造が除去された後の孔を含んだ条片材料の骨組が残される。骨組は、巻取りスプールに巻き取られる。別の押抜きサイクルのための準備を施すべく、押抜き行為毎に条片が指標付けされる。押抜き過程が継続され、複数の層状構造が貯蔵庫に十分良好に整列した位置決め状態で収集される。必要な数の層状構造が押し抜かれ、貯蔵庫内に配置されると、押抜き具プレス機の運転が中断される。必要な数は予め選択可能であるか、あるいは貯蔵庫に収集された層状構造の高さ若しくは重量によって決定することができる。次に、押抜き具プレス機から貯蔵庫が除去され、さらに処理される。貯蔵庫の壁によって正しく位置決めされた状態を維持している層状構造と層状構造との間の空間に追加の低粘性熱活性エポキシ樹脂を浸透させることができる。このエポキシ樹脂は、次に、エポキシ樹脂を硬化させるだけの十分な時間の間、貯蔵庫及び貯蔵庫に収納されている層状構造全体を熱源に晒すことによって活性化される。この時点で層状構造の積層積重ね体が貯蔵庫から除去され、あらゆる過剰エポキシ樹脂を除去することによって任意選択で積重ね体の表面に仕上げが施される。
【００６０】
複雑な形状の微小層状構造の切断にとりわけ好ましい方法は、しばしば単純に写真エッチングと呼ばれている写真印刷エッチングである。要約すると、写真印刷エッチングは、比較的薄いシート、条片若しくはリボンの形態で供給される金属片を形成する金属加工分野で知られている技法である。写真エッチング過程は、（ｉ）衝突する光に応答する光導電物質の層をシートに塗布するステップ、（ｉｉ）光導電物質とフォトレジストが応答する光源の間に、予め選択済みの形状を画定する相対透明度領域及び相対不透明度領域を有するフォトグラフィックマスクを挿入するステップ、（ｉｉｉ）光導電物質の、マスクの透明領域の背後に位置する領域を選択的に露光するべく、マスクに光を衝突させるステップ、（ｉｖ）熱処理若しくは光導電層の露光領域を未露光領域から区別する化学薬品処理によって光導電物質を現像するステップ、（ｖ）現像済み光導電層の露光部分を選択的に除去するステップ、及び（ｖｉ）現像済みのフォトレジストが除去されたシート部分を選択的にエッチングするか、あるいはそれらの部分の材料を腐食させ、且つ、フォトレジストが残留している部分を腐食させない腐食性薬品の槽にシートを浸し、それにより予め選択済みの形状を有する層状構造を形成するステップで構成することができる。ほとんどの場合、マスクには、個々の層状構造をシートに軽く接続された状態にする、最終組立に先立つ取扱いを容易にするための微小保持領域を画定するフィーチャが含まれている。これらの保持領域は、主シートからの個々の層状構造の除去を可能にするべく容易に切り離すことができる。通常、同じく他の化学ステップを使用して、腐食エッチングステップ後の層状構造から残留フォトレジストが除去される。また、相補フォトレジスト材を使用している写真印刷エッチング過程では、上記ステップ（ｖ）でフォトレジストの露光部分の代わりに未露光部分が選択的に除去されることは当業者には認識されよう。また、このような変更には、同じ最終層状構造を生成するためにはフォトマスクの不透明領域と透明領域の置換が必要である。
【００６１】
バリ若しくは他の縁欠陥を生成することなく層状構造を形成する方法がとりわけ好ましい。より詳細には、これらの欠陥及び層状構造の平面から突出した他の欠陥は、特定の条件の下でいくつかの過程で形成される。層間短絡は、このような欠陥を有する層状構造を備えた、そのコア損失が著しく増加した磁気の構成部品をしばしばもたらしている。
【００６２】
有利には、一般的にフォトエッチングによって部分的にこの目的が促進されることが分かっている。通常、フォトエッチングが施された部品は縁が丸くなり、縁の直ぐ近傍におけるその部品の厚さにテーパが施され、それによりこのような部品の層状構造積重ね体における前述の層間短絡の尤度が最小化される。また、テーパが施された縁の近傍における吸上作用及び毛管作用が強化され、それによりこのような積重ね体に接着剤を容易に含浸させることができる。また、個々の層状構造を貫通する１つまたは複数の微小孔を準備することにより、含浸の効力をさらに強化することができる。個々の層状構造を正しく位置決めされた状態で積み重ねる場合、このような孔を整列させることにより、含浸剤が容易に流れることができる通路が生成され、それにより、隣接する層状構造と整合している個々の層状構造の表面の少なくとも実質的な面積に渡って含浸剤が存在することが保証される。同じく含浸剤の流れを促進する手段として機能させることができる表面通路及びスロットなどの他の構造を個々の層状構造に組み込むことも可能である。前述の孔及び流れ促進手段は、フォトエッチングが施された層状構造中に容易に、且つ、有効に生成することができる。また、層状構造積重ね体に様々なスペーサを挿入することによって流れの強化を促進することも可能である。
【００６３】
本発明によるバルク非晶質金属製の磁気の構成部品の形成に必要な層状構造は、打抜き過程によって形成することも可能である。
【００６４】
本発明の実践には、互いに適切な位置合せ状態で複数の非晶質金属製の条片材料片すなわち層状構造を接着するための接着手段が使用され、それにより大きな三次元物体が提供される。この結合により、大きなコア損失あるいは他の許容不可能な磁気特性の劣化の原因になる過度の応力の生成を伴うことなく、本発明による構成部品の取扱い及びより大きな構造への組込みを可能にする十分な構造的完全性が得られる。エポキシ樹脂、ワニス、嫌気性接着剤、シアノアクリレート及び室温加硫（ＲＴＶ）シリコーン材料から構成される接着剤を始めとする様々な接着剤が適している。接着剤は、粘性、収縮性及び弾性係数が小さく、且つ、剥離強度及び絶縁耐力が大きいことが望ましい。接着剤は、個々の層状構造の表面積のあらゆるフラクションを十分にカバーし、隣接する層状構造を互いに適切に結合することができるため、完成した構成部品に機械的完全性を与えるだけの十分な強度を付与することができる。また、接着剤は、実質的に全ての表面積をカバーすることができる。エポキシ樹脂は、その硬化が化学的に活性化される多重部品であっても、あるいはその硬化が熱的に活性化されるか、紫外放射への露光によって活性化される単一部品のいずれであっても良い。接着剤は、粘性が１０００ｃｐｓ未満であり、且つ、熱膨張係数が非晶質金属の熱膨張係数にほぼ等しいこと、すなわち約１０ｐｐｍであることが好ましい。
【００６５】
接着剤の塗布に適した方法には、液浸方式、噴霧方式、はけ塗り方式及び静電蒸着方式がある。条片形態若しくはリボン形態の非晶質金属の場合、それらを非晶質金属に接着剤を引き渡すロッド若しくはローラ上を通過させることによってコーティングを施すことも可能である。表面に模様が施された、グラビアローラあるいはワイヤラップローラなどのローラ若しくはロッドは、非晶質金属上への接着剤の一様なコーティングにとりわけ有効である。接着剤は、切断前の条片材料若しくは切断後の層状構造のいずれかに対して、個々の非晶質金属層に一度に塗布することができる。別法としては、層状構造を積み重ねた後、それらを一まとめにして接着手段を塗布することも可能である。層状構造の積重ね体は、層状構造と層状構造との間の接着剤の毛管流によって含浸されていることが好ましい。含浸ステップは、周囲温度及び大気圧で実施することができる。別法としては、しかし好ましくは、より完全な充填を実施し、追加する接着剤の総量をさらに最少化するべく、層状構造の積重ね体を真空中若しくは低静水圧のいずれかに置くことも可能である。この手順により高積層係数が保証され、従ってこの手順は好ましい手順である。エポキシ樹脂あるいはシアノアクリレートなどの粘性の小さい接着剤が使用されることが好ましい。また、接着剤の粘性を小さくするべく軽く加熱することも可能であり、それにより層状構造の層と層との間の接着剤の浸透が促進される。接着剤は、その結合を促進するべく必要に応じて活性化される。接着剤に必要な全ての活性化及び硬化が完了すると、全ての過剰接着剤の除去、適切な表面仕上げ、及び最終的な必要な構成部品寸法の付与を施すことによって構成部品を完成させることができる。少なくとも約１７５℃の温度で実施する場合、接着剤の活性化及び硬化は、さらに、以下で極めて詳細に考察するように、磁気特性に影響を及ぼす役割を果たすことになる。
【００６６】
好ましい接着剤の１つは、Ｐ．Ｄ．Ｇｅｏｒｇｅ  Ｃｏ．がＥｐｏｘｙｌｉｔｅ  ８８９９の商品名で販売している熱活性エポキシ樹脂である。本発明によるデバイスは、粘性を小さくし、且つ、リボンの層と層との間の浸透を促進するべく、アセトンを使用して体積比で１：５の割合で希釈されたこのエポキシ樹脂を含浸させて結合することが好ましい。このエポキシ樹脂は、約２時間から３時間に渡って、高められた温度、例えば約１７０℃から１８０℃までの範囲の温度に晒すことによって活性化させ、且つ、硬化させることができる。好ましい接着剤であることが分かっているもう１つの接着剤は、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｔａｒｃｈ  ａｎｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ＣｏｍｐａｎｙがＰｅｒｍａｂｏｎｄ  ９１０ＦＳの商品名で販売しているメチルシアノアクリレートである。本発明によるデバイスは、毛管作用によってリボンの層と層との間を浸透するようにこの接着剤を塗布して結合することが好ましい。Ｐｅｒｍａｂｏｎｄ  ９１０ＦＳは、湿気のある室温で５秒で硬化する、粘性の小さい液体の単一部品である。
【００６７】
本発明により、さらに、磁気コアを有する誘導デバイスを形成するための、複数のバルク非晶質金属製の磁気の構成部品を組み立てる方法が提供される。この方法には、（ｉ）複数の構成部品のうちの少なくとも１つに電気巻線を巻き付けるステップと、（ｉｉ）少なくとも１つの磁気回路を有する磁気コアを形成するべく、構成部品を並置の関係で位置決めするステップであって、構成部品の各々の層が実質的に平行な平面内に位置するステップと、（ｉｉｉ）構成部品を並置の関係で固着するステップが含まれている。
【００６８】
本発明によるデバイスに組み立てられる構成部品の構造は、適切な任意の固着手段によって固着される。固着手段は、透磁率及びコア損失などの磁気特性を劣化させることになる大きい応力を構成部品に付与しないことが好ましい。構成部品は、巻付け帯、条片、テープあるいは金属、重合体若しくは織物でできたシートを使用して帯止めされることが好ましい。本発明の他の実施形態では、固着手段は、塑性材料若しくは重合体材料でできていることが好ましい、構成部品が嵌合する１つまたは複数の凹所を有する比較的剛直なハウジング若しくはフレームからなっている。ハウジングに適した材料には、ナイロン及びガラス充填ナイロンがある。より好ましい材料には、ＤｕＰｏｎｔがＲｙｎｉｔｅ  ＰＥＴ熱可塑性ポリエステルの商品名で市販しているポリエチレンテレフタラート及びポリブチレンテレフタラートがある。凹所の形状及び配置が構成部品を必要な整合具で固着している。さらに他の実施形態では、固着手段は、硬質若しくは半硬質の外部誘電体コーティング若しくはポッティングからなっている。必要な整合具で構成部品が配置され、続いて構成部品を固着するべくデバイスの外部表面の少なくとも一部にコーティング若しくはポッティング（注封）が施され、適切に活性化且つ硬化される。いくつかの実施態様では、コーティング若しくはポッティングの塗布に先立って１つまたは複数の巻線が適用される。エポキシ樹脂を始めとする様々なコーティング剤及び方法が適切である。仕上げ操作には、必要に応じて全ての過剰コーティング剤の除去を含めることができる。外部コーティングは、構成部品上の電気巻線の絶縁剤を鋭い金属縁部分の摩耗から有利に保護し、且つ、構成部品から剥離する傾向にある、デバイス中若しくは近傍の他の構造中に不適切に留まることになるあらゆる薄片若しくは他の物質を拘束する作用をしている。
【００６９】
仕上げには、さらに、平らな整合表面を提供するための表面研削、切断、研磨、化学エッチング及び電気化学エッチング若しくは類似操作のうちの少なくとも１つが任意選択で含まれている。通常、このような構成部品の整合面の精製、及び面上のあらゆる凹凸すなわち非平面性の除去には、このような過程が使用される。
【００７０】
動作中における構成部品の励磁に付随して外部から強制される機械力及び磁気力に対する追加強度を提供するべく、様々な固着技法を組み合わせて実践することができる。
【００７１】
本発明に従って構築された、バルク非晶質金属製の磁気の構成部品が組み込まれた誘導デバイスは、とりわけ電源、電圧変換器などの電力調節回路デバイス、及びスイッチモード技法を使用して１ｋＨｚ以上のスイッチング周波数で動作する同様の電力調節デバイスを備えた広範囲に渡る様々な電子回路デバイスのための誘導子及び変圧器としてとりわけ適している。有利には、本発明による誘導デバイスの低損失により、このような電子回路デバイスの効率が改善される。磁気の構成部品の製造が単純化され、且つ、製造時間が短縮される。バルク非晶質金属製の構成部品の構築中に遭遇することになる応力が最小化される。完成したデバイスの磁気性能が最適化される。
【００７２】
本発明の実践に使用されるバルク非晶質金属製の磁気の構成部品は、様々な非晶質金属合金を使用して製造することができる。要約すると、本発明による構成部品の構築における使用に適した合金は、式Ｍ７０乃至８５Ｙ５乃至２０Ｚ０乃至２０で定義される。下付きの数字は原子百分率であり、「Ｍ」は、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏのうちの少なくともいずれか１つである。「Ｙ」は、Ｂ、Ｃ及びＰのうちの少なくともいずれか１つであり、「Ｚ」は、Ｓｉ、Ａｌ及びＧｅのうちの少なくともいずれか１つである。ただし、（ｉ）成分「Ｍ」の最大１０原子百分率は、金属種Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ及びＷのうちの少なくともいずれか１つと置換することができ、（ｉｉ）成分（Ｙ＋Ｚ）の最大１０原子百分率は、非金属種Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ及びＰｂのうちの少なくともいずれか１つと置換することができる。本明細書に使用されているように、「非晶質金属合金」という用語は、実質的にあらゆる長距離秩序が欠乏している、液体若しくは無機酸化物ガラスに見られる最大Ｘ線回折強度に性質が類似している最大Ｘ線回折強度によって特性化される金属合金を意味している。
【００７３】
本発明の実践における供給材料として適している非晶質金属合金は、通常、連続した薄条片すなわち幅が最大２０ｃｍあるいはそれ以上で、厚さが約２０乃至２５μｍのリボンの形態で市販されている。これらの非晶質金属合金は、実質的に完全なガラス状超微小構造で形成されている（例えば体積で少なくとも約８０％の非結晶質構造材料）。非晶質金属合金は、本質的に１００％の非結晶質構造材料で形成されていることが好ましい。非結晶質構造の体積フラクションは、ｘ線回折、中性子回折あるいは電子回折、透過電子顕微鏡法あるいは示差走査熱分析などの当分野で知られている方法によって決定することができる。低コストにおける最大誘導値は、「Ｍ」、「Ｙ」及び「Ｚ」がそれぞれ鉄、ホウ素及びケイ素が少なくとも優勢である合金の場合に達成される。従って非晶質金属合金は、少なくとも７０原子百分率のＦｅ、少なくとも５原子百分率のＢ及び少なくとも５原子百分率のＳｉを含有していることが好ましい。ただし、Ｂ及びＳｉの総含有量は、少なくとも１５原子百分率である。また、非晶質金属製の条片は、鉄−ホウ素−ケイ素合金から構成されていることが好ましく、本質的に約１１原子百分率のホウ素及び約９原子百分率のケイ素からなる組成を有し、その残余が鉄及び付随的な不純物であることが最も好ましい。飽和磁気誘導が約１．５６Ｔであり、抵抗率が約１３７μΩ・ｃｍであるこの条片は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．がＭＥＴＧＬＡＳ（登録商標）合金２６０５ＳＡ−１の商品名で販売している。もう１つの適切な非晶質金属製の条片は、本質的に約１３．５原子百分率のホウ素、約４．５原子百分率のケイ素及び約２原子百分率の炭素からなる組成を有しており、その残余は鉄及び付随的な不純物である。飽和磁気誘導が約１．５９Ｔであり、抵抗率が約１３７μΩ・ｃｍであるこの条片は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．がＭＥＴＧＬＡＳ（登録商標）合金２６０５ＳＣの商品名で販売している。もっと大きい飽和磁気誘導が望ましい適用品の場合は、約１８原子百分率のＣｏ、約１６原子百分率のホウ素及び約１原子百分率のケイ素と共に本質的に鉄からなる組成を有し、その残余が鉄及び付随的な不純物である条片が適している。このような条片は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．がＭＥＴＧＬＡＳ（登録商標）合金２６０５ＣＯの商品名で販売している。しかしながら、この材料を使用して構築される構成部品の損失は、ＭＥＴＧＬＡＳ  ２６０５ＳＡ−１を使用して構築される構成部品の損失より若干大きくなる傾向がある。
【００７４】
当分野で知られているように、強磁性体は、その飽和磁気誘導若しくは等価的にその飽和磁束密度すなわち磁化によって特性化することができる。本発明における使用に適した合金は、少なくとも１．２テスラ（Ｔ）の飽和磁気誘導を有していることが好ましく、少なくとも約１．５Ｔの飽和磁気誘導を有していることがより好ましい。また、この合金は、少なくとも約１００μΩ・ｃｍであることが好ましく、少なくとも約１３０μΩ・ｃｍであることが最も好ましい大きい電気抵抗率を有している。
【００７５】
構成部品に使用されることになる非晶質金属製の条片の機械特性及び磁気特性は、通常、ある温度における、その条片の実質的に完全なガラス状超微小構造を変化させることなく必要な強化を提供するだけの十分な時間の熱処理によって強化することができる。通常、この熱処理温度は、その合金の結晶化温度より約１００乃至１７５℃低い温度になるように選択され、熱処理時間の範囲は、約０．２５乃至８時間である。熱処理は、加熱部分、任意選択の均熱部分及び冷却部分からなっている。熱処理における少なくともある部分の間、例えば少なくとも冷却部分の間、任意選択で条片に磁界を印加することができる。構成部品の動作中に磁束が位置する方向に実質的に沿って導かれることが好ましいこの磁界の印加により、場合によっては磁気特性がさらに改善され、構成部品のコア損失が小さくなる。この熱処理は、任意選択で複数のこのような熱サイクルから構成される。また、様々な構成部品製造段階で１つまたは複数の熱処理サイクルを実行することができる。例えば個別の層状構造を処理することができ、あるいは接着剤による結合の前若しくは結合後に層状構造の積重ね体を熱処理することができる。多くの接着剤は魅力的ではあるが、必要な熱処理温度に耐えることができないため、結合に先立って熱処理が実行されることが好ましい。
【００７６】
非晶質金属の熱処理には、必要な熱プロファイルを非晶質金属に付与することができる任意の加熱手段を使用することができる。適切な加熱手段には、赤外線熱源、オーブン、流動床、高められた温度に維持されたヒートシンクとの熱接触、条片に流れる電流による抵抗加熱効果及び誘導（ＲＦ）加熱がある。加熱手段の選択は、上に挙げた必要な処理ステップの順序によって決まる。
【００７７】
また、熱処理は、本発明による構成部品及びデバイスの処理進行過程における様々な段階で実施することができる。場合によっては、供給材料である条片材料が個別層状構造の形成に先立って熱処理されることが好ましい。バルクスプールは、オフタイムで、好ましくはオーブン若しくは流動床の中で処理することができ、あるいは条片がペイオフスプールから加熱ゾーンを通って巻取りスプールへ通過するインライン連続スプール−スプール過程を使用することができる。また、スプール−スプール過程は、連続押抜き若しくは写真印刷エッチング過程と統合することも可能である。
【００７８】
また、熱処理は、写真印刷エッチング若しくは押抜きステップ後の、且つ、積重ね前の個別層状構造に対して実施することも可能である。この実施形態では、切断過程を終了した後の層状構造が、層状構造を加熱ゾーンを通って搬送する移動ベルト上に直接配置され、それにより層状構造が適切な時間−温度プロファイルを経ることが好ましい。
【００７９】
さらに他の実施態様では、個別層状構造を正しく位置決めされた状態で積み重ねた後に熱処理が実施される。このような積重ね体の焼きなましに適した加熱手段には、オーブン、流動床及び誘導加熱がある。
【００８０】
打抜きに先立つ条片材料の熱処理によって非晶質金属の機械特性を変化させることができる。詳細には、熱処理によって非晶質金属の延性が減少し、それにより打抜き過程中における破損に至るまでの非晶質金属の機械的な変形量が制限される。また、非晶質金属の延性の減少により、直接摩耗が減少し、且つ、非晶質金属の変形による押抜き具材料及び押出し具材料の摩耗が減少する。
【００８１】
本発明による構成部品における使用に適した特定の非晶質合金の磁気特性は、非晶質合金を熱処理してナノ結晶質超微小構造を形成することによって著しく改善することができる。この超微小構造は、平均のサイズが約１００ｎｍ未満、好ましくは５０ｎｍ未満、より好ましくは約１０乃至２０ｎｍの高密度粒子の存在によって特性化される。粒子は、鉄ベース合金の体積の少なくとも５０％を占めていることが好ましい。好ましいこれらの材料はコア損失及び磁気歪みが小さく、特に後者の特性により、これらの材料は、構成部品を備えたデバイスの製造及び／または動作に起因する応力による磁気特性の劣化が少ない材料になっている。所与の合金にナノ結晶質構造を生成するために必要な熱処理は、その合金に実質的に完全なガラス状超微小構造を維持するために設計される熱処理に必要な温度及び時間より高い温度で、且つ、長い時間に渡って実施しなければならない。本明細書に使用されているように、非晶質金属及び非晶質合金という用語には、さらに、最初に実質的に完全なガラス状超微小構造で形成され、続いて熱処理若しくは他の処理によってナノ結晶質超微小構造を有する材料に変換された材料が含まれている。ナノ結晶質超微小構造を形成するべく熱処理を施すことができる非晶質合金は、しばしば単純にナノ結晶質合金とも呼ばれている。本発明による方法によれば、完成したバルク磁気の構成部品に必要な幾何学形状でナノ結晶質合金を形成することができる。有利には、このような形成が達成される一方で、一般的に非晶質合金をより脆く、且つ、取扱いをより困難にするナノ結晶質超微小構造を形成するための熱処理前の合金は依然として鋳物のままであり、延性があり、実質的に非結晶質形態である。通常、ナノ結晶化熱処理は、その合金の結晶化温度より約５０℃低い温度から結晶化温度より約５０℃高い温度までの範囲で実施される。
【００８２】
ナノ結晶質超微小構造の形成によって磁気特性が著しく改善された２つの好ましい等級の合金は、下付きの数字が原子百分率を表す次の式によって与えられる。
【００８３】
第１の好ましい等級のナノ結晶質合金は、Ｆｅ１００−ｕ−ｘ−ｙ−ｚ−ｗＲｕＴｘＱｙＢｚＳｉｗである。ＲはＮｉ及びＣｏのうちの少なくともいずれかであり、Ｔは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷのうちの少なくともいずれか１つであり、Ｑは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ及びＰｔのうちの少なくともいずれか１つである。ｕの範囲は０から約１０であり、ｘの範囲は約３から１２、ｙの範囲は０から約４、ｚの範囲は約５から１２、また、ｗの範囲は０から約８未満である。ナノ結晶質超微小構造を形成するためのこの合金の熱処理が終了すると、この合金は、その飽和磁気誘導が大きくなり（例えば少なくとも約１．５Ｔ）、コア損失が小さくなり、且つ、飽和磁気歪みが小さくなる（例えば絶対値が４×１０−６未満の磁気歪み）。最小サイズのデバイスが要求される適用品の場合、このような合金がとりわけ好ましい。
【００８４】
第２の好ましい等級のナノ結晶質合金は、Ｆｅ１００−ｕ−ｘ−ｙ−ｚ−ｗＲｕＴｘＱｙＢｚＳｉｗである。この場合、ＲはＮｉ及びＣｏのうちの少なくともいずれかであり、Ｔは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷのうちの少なくともいずれか１つであり、Ｑは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ及びＰｔのうちの少なくともいずれか１つである。ｕの範囲は０から約１０であり、ｘの範囲は約１から５、ｙの範囲は０から約３、ｚの範囲は約５から１２、また、ｗの範囲は約８から約１８である。ナノ結晶質超微小構造を形成するためのこの合金の熱処理が終了すると、この合金は、その飽和磁気誘導が少なくとも約１．０Ｔになり、とりわけコア損失が小さくなり、且つ、飽和磁気歪みが小さくなる（例えば絶対値が４×１０−６未満の磁気歪み）。例えば１０００Ｈｚ以上の励磁周波数での動作が要求されるデバイスに使用する場合、このような合金がとりわけ好ましい。
【００８５】
バルク非晶質磁気の構成部品は、他の鉄ベースの磁気材料から構築された構成部品より磁化及び減磁が効率的である。誘導デバイスに組み込まれたバルク非晶質金属製の構成部品が発生する熱は、全く同じ誘導及び周波数で磁化した場合、他の鉄ベースの磁気金属から構築された匹敵する構成部品が発生する熱より少ない。従ってバルク非晶質金属製の構成部品を使用した誘導デバイスは、他の鉄ベースの磁気金属から構築された構成部品が組み込まれた誘導デバイスと比較した場合、（ｉ）より低い動作温度で、（ｉｉ）サイズ及び重量を低減し、且つ、エネルギーの蓄積若しくは伝達を大きくするべくより大きい磁気誘導で、あるいは（ｉｉｉ）サイズ及び重量を低減するべくより高い周波数で動作するように設計することができる。
【００８６】
当分野で知られているように、コア損失とは、強磁性体を磁化する際に強磁性体内に生じるエネルギーの散逸が時間と共に変化することである。所与の磁気の構成部品のコア損失は、通常、構成部品を周期的に励磁することによって決定される。磁気誘導すなわち磁束密度の対応する時間変化を構成部品内に生成するべく、時間によって変化する磁界が構成部品に印加される。測定を標準化するために、励磁は、通常、サンプル内の磁気誘導が均一であり、且つ、周波数「ｆ」の時間で、且つ、ピーク振幅Ｂｍａｘで正弦的に変化するように選択される。次に、知られている電気測定計器及び技法によってコア損失が決定される。コア損失は、従来、励磁される磁気材料の単位質量若しくは体積当たりのワットで報告されている。ｆ及びＢｍａｘと共にコア損失が単調に増加することは当分野で知られている。誘導デバイスに使用される軟磁気材料のコア損失を試験するための最も標準的なプロトコル（例えばＡＳＴＭ規格Ａ９１２−９３及びＡ９２７（Ａ９２７Ｍ−９４））には、このような材料のサンプルが必要である。サンプルは、実質的に閉磁気回路内、つまり、閉磁束線が実質的にサンプルの体積内に含まれ、且つ、磁気材料の断面が磁気回路全体を通して実質的に全く同じである構成中に置かれる。一方、実際の誘導デバイス、とりわけ水平偏向出力変成器内あるいはエネルギー蓄積誘導子内の磁気回路は、磁束線が横切らなければならない、磁気抵抗の大きいギャップが存在しているため、比較的オープンにすることができる。フリンジング磁界効果及び磁界の非一様性のため、開回路で試験される所与の材料は、通常、コア損失がより大きくなる。つまり、単位質量若しくは体積当たりのワットの値が閉回路測定で得られる値より大きくなる。有利には、本発明によるバルク磁気の構成部品は、どちらかと言えば開回路構成であっても、比較的広範囲の磁束密度及び周波数に渡ってそのコア損失が小さい。
【００８７】
いかなる理論にも束縛されることなく、本発明による低損失バルク非晶質金属デバイスの総コア損失は、ヒステリシス損及び渦電流損による寄与からなっているものと思われる。これらの２つの寄与の各々は、ピーク磁気誘導Ｂｍａｘ及び励磁周波数ｆの関数である。非晶質金属のコア損失の従来技術による解析（例えば、Ｇ．Ｅ．Ｆｉｓｈ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５７，３５６９（１９８５）及びＧ．Ｅ．Ｆｉｓｈ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６４，５３７０（１９８８）を参照されたい）は、概して閉磁気回路における材料に対して得られたデータに限定されている。
【００８８】
単一の磁気回路及び実質的に全く同じ実効磁気材料断面積を有する構成の場合、本発明によるデバイスの単位質量当たりの総コア損失Ｌ（Ｂｍａｘ、ｆ）の解析は最も単純である。その場合、通常、
Ｌ（Ｂｍａｘ、ｆ）＝ｃ１ｆ（Ｂｍａｘ）ｎ＋ｃ２ｆｑ（Ｂｍａｘ）ｍ
の形態を有する関数によってコア損失を定義することができる。係数ｃ１、ｃ２及び指数ｎ、ｍ、ｑは、全て実験によって決定しなければならず、これらの値を正確に決定するための知られている理論は存在していない。この式を使用することにより、必要な任意の動作磁気誘導及び励磁周波数における本発明によるデバイスの総コア損失を決定することができる。誘導デバイスの特定の幾何学によっては、とりわけ複数の磁気回路及び材料断面を有する実施態様、例えば一般に三相デバイスに使用されるような実施態様の場合、誘導デバイス内の磁界が空間的に一様でない場合があることがしばしば観察されている。有限要素モデル化などの技法により、実際のデバイスで測定した磁束密度分布に極めて近いピーク磁束密度の空間的且つ一時的な変動の予測が提供されることは当分野で知られている。これらの技法を使用して、空間的に一様な磁束密度の下で所与の材料の磁気コア損失を与える適切な実験式を入力として使用することにより、デバイスの体積に対する数値積分によって所与の構成部品の動作構成における対応する実際のコア損失を妥当な精度で予測することができる。
【００８９】
本発明による磁気デバイスのコア損失の測定は、当分野で知られている様々な方法を使用して達成することができる。断面が実質的に一定の単一磁気回路をデバイスが備えている場合、コア損失の決定はとりわけ容易である。コア損失の決定に適した方法には、それぞれデバイスの１つまたは複数の構成部品に巻き付いた一次及び二次電気巻線をデバイスに準備するステップが含まれている。一次巻線を流れる電流によって起磁力が印加される。この起磁力によって生じる磁束密度が、二次巻線に誘導される電圧からファラデーの法則によって決定される。印加された磁界は、起磁力からアンペアの法則によって決定される。次に、従来の方法を使用して、印加された磁界及び得られた磁束密度からコア損失が計算される。
【００９０】
以下の実施例は、本発明をより完全に理解するために提供したものである。本発明の原理及び実践を例証するために示した特定の技法、条件、材料、比率及び報告データは例示的なものであり、本発明の範囲を制限するものとして解釈してはならない。
【実施例１】
【００９１】
（打抜き非晶質金属製の弓形構成部品を備えた誘導デバイスの準備及び電気−磁気試験）
幅が約６０ｍｍ、厚さが約０．０２２ｍｍのＦｅ８０Ｂ１１Ｓｉ９である強磁性非晶質金属製のリボンが打ち抜かれ、それぞれ外径１００ｍｍ、内径７５ｍｍの環の９０°切片の形状を有する個別層状構造が形成される。図１１にその全体を示すように、約５００個の個別層状構造が正しく位置決めされた状態で積み重ねられ、高さ１２．５ｍｍ、外径１００ｍｍ、内径７５ｍｍの直円柱の９０°切片が形成される。円筒状切片の組立体が固定具内に置かれ、窒素雰囲気中で焼きなましされる。この焼きなましは、１）組立体を最大３６５℃に加熱するステップ、２）約２時間の間、約３６５℃の温度を保持するステップ、３）組立体を周囲温度まで冷却するステップからなっている。固定具から円筒状切片の組立体が除去される。円筒状切片の組立体が第２の固定具内に置かれ、エポキシ樹脂溶液が真空含浸され、約４．５時間の間、１２０℃で硬化される。完全に硬化すると、第２の固定具から円筒状切片の組立体が除去される。得られるエポキシ結合非晶質金属円筒状切片の組立体の重量は約７０ｇである。この過程が繰り返され、合計４つのこのような組立体が形成される。４つの同じ間隔のギャップを有する概ね円筒状の試験磁気コアを形成するべく、この４つの組立体が整合した関係で配置され、且つ、結合される。この円筒状試験磁気コアに一次及び二次電気巻線が取り付けられ、電気試験される。
【００９２】
約６０Ｈｚの周波数で、且つ、約１．４テスラ（Ｔ）の磁束密度でこの試験組立体を動作させた場合の非晶質金属材料のコア損失値は、１ワット／キログラム未満であり、約１０００Ｈｚの周波数で、且つ、約１．０Ｔの磁束密度で動作させた場合の非晶質金属材料のコア損失は、１２ワット／キログラム未満である。また、約２０，０００Ｈｚの周波数で、且つ、約０．３０Ｔの磁束密度で動作させた場合の非晶質金属材料のコア損失は、７０ワット／キログラム未満である。この試験磁気コアの低コア損失が、本発明による誘導デバイスにおける使用に適したものにしている。
【実施例２】
【００９３】
（打抜き非晶質金属製の弓形構成部品を備えた誘導デバイスの高周波電気−磁気試験）
実施例１の場合と同様、４つの打抜き非晶質金属製の弓形構成部品を備えた円筒状試験磁気コアが準備される。この試験組立体に一次及び二次電気巻線が取り付けられる。電気試験は、６０Ｈｚ、１０００Ｈｚ、５０００Ｈｚ及び２０，０００Ｈｚで、且つ、様々な磁束密度で実施される。コア損失値が測定され、且つ、同様の試験構成における他の強磁性材料のカタログ値と比較される（Ｎａｔｉｏｎａｌ−Ａｒｎｏｌｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，１７０３０  Ｍｕｓｋｒａｔ  Ａｖｅｎｕｅ，Ａｄｅｌａｎｔｏ，ＣＡ  ９２３０１（１９９５））。試験データは、表１、２、３及び４に示す通りである。表３及び４のデータで最も良好に示すように、５，０００Ｈｚ以上の励磁周波数におけるコア損失がとりわけ小さい。コア損失がこのように小さいため、本発明による磁気の構成部品は、本発明による誘導デバイスの構築における使用にとりわけ適している。この実施例に従って構築された円筒状試験磁気コアは、スイッチモード電源に使用される誘導子などの誘導デバイスにおける使用に適している。
【００９４】
【表１】
2010258477.tif 000003
【００９５】
【表２】
2010258477.tif 000004
【００９６】
【表３】
2010258477.tif 000005
【００９７】
【表４】
2010258477.tif 000006
【実施例３】
【００９８】
（打抜き非晶質金属製の弓形構成部品を備えた誘導デバイスの高周波挙動）
上記実施例２のコア損失データは、従来の曲線回帰法を使用して解析される。Ｆｅ８０Ｂ１１Ｓｉ９である非晶質金属リボンを使用して製造された構成部品からなる低損失バルク非晶質金属デバイスのコア損失が本質的に、
Ｌ（Ｂｍａｘ、ｆ）＝ｃ１ｆ（Ｂｍａｘ）ｎ＋ｃ２ｆｑ（Ｂｍａｘ）ｍ
の形態を有する関数によって定義することができることが決定される。
【００９９】
係数ｃ１、ｃ２及び指数ｎ、ｍ、ｑに適した値は、バルク非晶質金属製の構成部品の磁気損失に対する上限を画定するべく選択される。表５は、実施例２における構成部品の損失と上式による予測損失を示したもので、それぞれワット／キログラムで測定されている。ｆ（Ｈｚ）及びＢｍａｘ（テスラ）を関数とした予測損失は、係数ｃ１＝０．００７４、ｃ２＝０．０００２８２及び指数ｎ＝１．３、ｍ＝２．４、ｑ＝１．５を使用して計算されている。実施例２のバルク非晶質金属デバイスの損失は、上式によって予測された対応する損失より小さい。
【０１００】
【表５】
2010258477.tif 000007
【実施例４】
【０１０１】
（非晶質金属台形角柱及び誘導子の準備）
幅が約２５ｍｍ、厚さが約０．０２２ｍｍの組成がＦｅ８０Ｂ１１Ｓｉ９である強磁性非晶質金属製のリボンが、写真印刷エッチング技法によって台形層状構造に切断される。リボンの縁によって個々の台形の平行辺が形成され、互いに４５°の角度で残りの辺が形成される。約１３００層の切断強磁性非晶質金属製のリボンが積み重ねられ、且つ、位置決めされ、それぞれ厚さが約３０ｍｍの台形角柱形状が形成される。個々の形状は、約２時間の間、約３６５℃に保持された温度で焼きなましされた後、低粘性エポキシ樹脂に浸すことによって含浸され、続いて硬化される。平行長辺の長さが約１５０ｍｍ、短辺の長さが約１００ｍｍのこのような部品が４つ形成される。個々の層状構造の両端を角度を付けて切断することによって形成された留継ぎ整合面は、個々の角柱内のリボン層の平面に対して直角をなしている。整合面は、幅が約３５ｍｍで、その厚さは約３０ｍｍである。この厚さは、１３００層のリボンに相当している。軽い研削によって整合面が精製され、それにより過剰エポキシ樹脂が除去され、平らな表面が形成される。次に、硝酸水溶液中で整合面がエッチングされ、且つ、水酸化アンモニウム水溶液中で洗浄される。
【０１０２】
４つの角柱の各々の周りに電気巻線が巻き付けられ、次に、正方形の窓部を備えた正方形の額縁形状を有する変圧器を形成するべく組み立てられる。対向する構成部品上の巻線の各々は、一次及び二次巻線の形成を補助するべく直列に接続される。
【０１０３】
ＡＣ電流源を使用して一次巻線を駆動し、二次巻線に誘導される電圧を検出することによって変圧器のコア損失が試験される。変圧器のコア損失は、一次及び二次巻線に接続される従来のＹｏｋｏｇａｗａ  Ｍｏｄｅｌ  ２５３２電子電力計を使用して決定される。磁気コアを５ｋＨｚの周波数で０．３Ｔのピーク磁束レベルまで励磁した場合、約１０Ｗ／ｋｇ未満のコア損失が観察される。
【実施例５】
【０１０４】
ナノ結晶質合金直方柱の準備
直方柱は、公称組成がＦｅ７３．５Ｃｕ１Ｎｂ３Ｂ９Ｓｉ１３．５、幅が約２５ｍｍ、厚さが約０．０１８ｍｍの非晶質金属リボンを使用して準備される。約１６００個の長さが約１００ｍｍの長方形条片がフォトエッチング過程によって切断され、固定具内に正しく位置決めされた状態で積み重ねられる。この積重ね体が熱処理され、非晶質金属中にナノ結晶質超微小構造が形成される。次のステップを実行することによって焼きなましが実施される。１）部品を最大５８０℃に加熱するステップ、２）約１時間の間、約５８０℃の温度を保持するステップ、３）部品を周囲温度まで冷却するステップ。熱処理が完了すると、低粘性エポキシ樹脂に浸すことによって積重ね体が含浸される。エポキシ樹脂は、エポキシ樹脂が含浸した直方柱バルク磁気の構成部品を形成するべく約２．５時間の間、約１７７℃の温度で活性化され、硬化される。この過程が繰り返され、さらに３つの実質的に全く同様の構成部品が形成される。軽い研削技法によって個々の角柱に２つの整合表面が準備され、平らな表面が形成される。個々の角柱の一方の端部に一方の面が配置され、その角柱の同じ面の遠位端に、実質的に同じサイズのもう一方の表面が形成される。整合表面は、いずれも構成部品の個々の層の平面に対して実質的に直角をなしている。
【０１０５】
次にこの４つの角柱が組み立てられ、且つ、帯止めによって固着され、それにより図９に示す形態の正方形額縁形状を有する誘導デバイスが形成される。４つの角柱のうちの１つに一次電気巻線が巻き付けられ、その反対側の角柱に二次巻線が巻き付けられる。この巻線は、標準の電子電力計に接続される。次に、一次巻線に電流を流し、二次巻線に誘導される電圧を検出することによってデバイスのコア損失が試験される。コア損失は、Ｙｏｋｏｇａｗａ  ２５３２電力計を使用して決定される。
【０１０６】
５ｋＨｚで０．３Ｔにおけるこのナノ結晶質合金誘導デバイスのコア損失は約１０Ｗ／ｋｇ未満であり、高効率誘導子若しくは変圧器における使用に適している。
【０１０７】
以上、本発明について、可能な限り詳細に説明したが、当業者には、このような詳細を厳密に必要とすることなく、様々な変更及び改変が自ずから可能であり、これらの変更及び改変は全て、特許請求の範囲に定義されている本発明の範囲内であることを理解されたい。
【図１】
2010258477.tif 000008
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010258477.tif 000019
【図１１】
2010258477.tif 000020
【図１２】
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【外国語明細書】
2010258477000001.pdf