(57)【要約】【課題】軟磁性金属箔体をゴムまたはプラスチックのような絶縁体マトリックス中に分散させた複合材料をシート状に成形してなる高透磁率シートにおいて、従来のシートでは、磁性粉末の向きがランダム、またはシート面に平行になり、垂直方向の透磁率が低くなっていた。面内方向の透磁率を向上するためには磁性粉末を増加すればよいが、逆に絶縁体である結合剤の量が減り、シート自体が剥離してしまうという問題があった。シートの諸特性は現状のままで、膜厚方向の透磁率が向上した製品を製造することが課題である。【解決手段】軟磁性金属箔体と、軟磁性金属箔体の間に介在する非磁性体からなる複合磁性体を加圧、圧延する工程の前後において、膜厚方向に磁界を印加し、加圧、圧延する工程の前後において、所定の温度以上の高温にし、軟磁性金属粉末の自由な動きを保つ。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性金属箔体片を、熱可塑性を有する絶縁性マトリックス中に分散させた複合材料をシート状に成形してなる高透磁率シートにおいて、シートの厚さ方向に軟磁性金属箔体片を配向させたことを特徴とする厚さ方向の透磁率の高いシート。
【請求項２】
軟磁性金属箔体片を、熱可塑性を有する絶縁性マトリックス中に分散させた複合材料をシート状に成形して高透磁率シートを製造する際に、シート状に成形する工程の前または後の少なくとも一方において、絶縁性マトリックスの温度をガラス転移温度Ｔｇ、または軟化温度以上の高温にするとともに、シートの厚さ方向に磁界を印加することを特徴とする高透磁率シートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として磁束が通り易い高透磁率シートおよびその製造法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器は、いわゆる高クロック化、すなわち使用する周波数がより高周波の側に移行する傾向にあり、それに伴って外部へ放射されるノイズ電磁波の強度が増し、かつ、より広範囲の周波数成分を含むようになっている。このようなノイズ電磁波の抑制策としては、軟磁性金属粉末をゴムまたはプラスチックの結合材中に分散させてシート状に成形した複合形態の電磁波吸収シートが用いられているが、この種の材料に対してさらなる高透磁率化のニーズが高まりつつある。
【０００３】
一方で、電気機器におけるトランスなどの鉄心の突合せ接合部には隙間が生じるが、このような隙間はコアの特性を劣化させる要因である。この隙間を埋めるシートとして、ノイズ電磁波抑制の場合と同様に、ゴムまたはプラスチックからなる絶縁性マトリックス中に軟磁性金属粉末を分散させてシート状に成形した複合磁性シートが開発され、実用化されている。
【０００４】
しかしながら、磁性粉末を絶縁性マトリックスに混入する場合、複合磁性シートに対する磁性粉末の体積割合、すなわち充填率はシートへの成形性確保上９５％が上限となることや、磁気回路としては磁性粉末と絶縁体の直列回路となるため、特にシートの厚さ方向に十分な透磁率が得られず、鉄心の特性改善効果はあまり大きくなかった。
【０００５】
特許文献１のような従来の複合磁性シートでは、磁性粉末をゴムまたはプラスチックなどの絶縁性材料に単に混練して成形、または成形する際に面内に平行に磁場を印加したものがあるが、磁性粉末の向きがそれぞれランダム、またはシート面に平行になったものであり、シートの厚さ方向の透磁率は低くなっていた。したがって、トランス鉄心の突合せ接合部の隙間に前記シートを挿入配置した場合、突合せ面に垂直方向の透磁率があまり大きくならず、十分な励磁特性が得られていなかった。
【特許文献１】特開２０００−４０９７号公報
【０００６】
さらに透磁率を向上するためには磁性粉末を増加すればよいが、その場合には絶縁体である結合剤の量が減り、シート自体の可塑性が低下するという問題があった。磁性粉末に磁界を作用させてシートの厚さ方向に磁性粉末を配向させたシートにおいても、磁性粉末同士の間に隙間ができるため限界があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、シートへの成形加工性などは現状レベルを維持しつつ、シートの厚さ方向の透磁率を向上させる製品シートおよびその製造法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の具体的な手段は以下の通りである。
（１）軟磁性金属箔体片を、絶縁性の熱可塑性を有する絶縁性マトリックス中に分散させた複合材料をシート状に成形してなる高透磁率シートにおいて、シートの厚さ方向に軟磁性金属箔体片を配向させたことを特徴とする厚さ方向の透磁率の高いシート。
（２）軟磁性金属箔体片を、絶縁性の熱可塑性を有する絶縁性マトリックス中に分散させた複合材料をシート状に成形して高透磁率シートを製造する際に、シート状に成形する工程の前または後の少なくとも一方において、絶縁性マトリックスの温度をガラス転移温度Ｔｇ、または軟化温度以上の高温にするとともに、シートの厚さ方向に磁界を印加することを特徴とする高透磁率シートの製造方法。
【０００９】
本発明の高透磁率シートは、軟磁性金属箔体片をゴムまたはプラスチック等の絶縁性マトリックス中に分散させた複合材料をシートにし、その製造工程で、シートの垂直厚さ方向に磁場を印加し、磁性箔体片を厚さ方向に配置する配向させることで、従来と同程度の充填率で厚さ方向の透磁率を高くしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、軟磁性金属箔体片と、軟磁性金属箔体片の間に介在する絶縁性マトリックスからなる複合材料を加圧、あるいは圧延する工程の前後において、前記複合材料を加熱して高温にし、軟磁性金属箔体片の自由な動きを可能としつつ、シートの厚さ方向に磁界を印加することにより、シートの厚さ方向に磁性箔体片を配向することで、従来と同程度の充填率で厚さ方向の透磁率が高い高透磁率シートを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態としての製造工程を順に記す。
本発明のシートは軟磁性金属箔体片と、ゴム、プラスチック等の絶縁体性マトリックスからなる複合磁性体である。軟磁性金属箔体としては、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、スーパーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金）、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ合金等が取り扱える。その形状は、５〜２００μｍ厚とし、幅、長さは下記に示すような望ましい形状にすればよい。幅、長さが短いと磁場中で配向しやすくなるが、その分、金属箔体片の個体数が増し、充填率が低下する。
【００１２】
金属箔体片の形状としては、長さを高透磁率シートの厚さの１〜２倍、幅を長さの１／２以下にすることが必要である。長さを前記の範囲とするとシートの上下表層に箔体の先端が接触し、透磁率が効果的に上がる。
【００１３】
絶縁性マトリックスとしては、無機系ポリマーのペルヒドロポリシラザン、または天然ゴム、またはクロロブチレンやシリコンゴム等の各種合成ゴムの少なくとも１種を用いることができる。また、カップリング剤を絶縁材料として用いることもできる。さらに、シリカゾル、チタニアゾル、マグネシアゾル、アルミナゾル、粉ガラス、ボロンナイトライドの無機絶縁材料のうちの１種または２種以上を絶縁性マトリックスとしてもよい。ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂等の耐熱性を有する樹脂材料の少なくとも１種で絶縁体性マトリックスを形成することもできる。
【００１４】
軟磁性金属箔体は市販されているものを利用し、これを適当な大きさに剪断する方法や、さらに圧延して５〜２００μｍの厚さに仕上げる方法がある。例えば、圧延して所望の厚さにする場合は、冷延率の調整により透磁率または８００Ａ／ｍでの磁束密度（Ｂ8 ）が変わるため、パス回数を５〜１０回、圧下率を５０〜９０％の範囲で最適化し、７５０〜１０００℃の範囲で３０〜６００秒間の焼鈍を施し、箔体を再結晶させるとよい。
一方、市販の箔体をその厚さのままで用いる場合は、Ｂ8 が高い製品を選択することが特性を向上させる上で有効である。
【００１５】
剪断工程後に行う熱処理工程では、軟磁性金属箔体を酸化させないように不活性ガス、窒素あるいは水素中で６００で℃×６０分程度の条件で焼鈍する。これにより、軟磁性金属箔体の剪断による歪みが除去される。さらに、剪断機の機械油に含まれる炭素を高温で蒸発させ、端面の磁性劣化を防ぐことができる。
【００１６】
従来用いられている扁平状軟磁性金属粉末の場合、充填占積率は５０％以上９５％程度とすることが可能であるが、本発明の軟磁性金属箔体片を用いる場合の充填率も５０〜９５％程度とすることが可能である。軟磁性金属箔体片の充填率の望ましい範囲は６０〜９０％、さらに望ましい範囲は７０〜８５％である。軟磁性金属箔体片の充填率が５０％未満になると、磁気特性が低下してしまう。一方、軟磁性金属箔体片の充填率が９５％を超えると、シートへの成形性が低下してしまう。
【００１７】
次の加圧・圧延工程では、所定の厚さにシートを加圧、または圧延する。本発明ではこの加圧・圧延の前後においてシートの厚さ方向に磁界を印加することを特徴とする。
加圧による高透磁率シートの作製法の１例を図１（ａ）に示す。図において１は矢印の方向に圧下を加える加圧手段であり、基台上に高透磁率シート４を加熱装置（ヒータ）３で挟圧する構造としている。図１の（ｂ）および（ｃ）図は（ａ）図の丸印部分における高透磁率シート４の断面拡大図であって、（ｂ）図は厚さ６が１ｍｍの加圧前シートであり、ステンレス板１６間に支持される絶縁性マトリックス１７中に、軟磁性金属箔体片５が所定の量充填されている。（ｃ）図は同シートを厚さ７が０．５ｍｍになるように加圧した高透磁率シート４を示している。
【００１８】
これは通常のプレスと同様の構造であるが、同時に加熱ヒータ３による熱と磁界２を加えることができる。これは絶縁体性マトリックスに熱を加えることでシートを変形しやすくすると同時に、内部に配置した軟磁性金属箔体片の配向を容易にするためである。そのために絶縁体性マトリックスの温度は、ガラス転移温度Ｔｇ、または軟化温度以上とすることが必要である。また配向方向をシートの厚さ方向にするため、磁界はシートに対して垂直に加えるようにしている。
【００１９】
絶縁性マトリックスが流動性を持った状態では、軟磁性金属箔体片は絶縁性マトリックスの中で姿勢や位置を自由に変えられる状態を維持している。この時、軟磁性金属箔体片を通過する磁力線の方向と、シートの厚さ方向即ち透磁率を高める方向とが一致するように、永久磁石、電磁石または電磁コイル等の磁場生成手段を用いて磁場を形成する。
【００２０】
箔体片の場合は磁場を印加すると磁場に平行に箔体片が配向する。通常用いられている軟磁性金属粉末の場合は、図２に示したように絶縁マトリックス１７中に軟磁性金属粉末９がランダムに存在しており、透磁率はどの方向でも差はない。図２の絶縁マトリックス１７に磁性体コア８から磁場を印加し、金属粉末９を配向させた例も既に存在しているが、磁場方向に連続した状態で配置しうる金属箔体片に対し、金属粉末の場合は不連続状態であるので、本発明のように高い透磁率は得られない。
【００２１】
図３は圧延により所定の厚さのシートを得る方法である。高導磁率シート４に対し、圧延ロール１３の前後に励磁コイル１２を配置して圧延前後で磁界２が加えられ、雰囲気を暖めて軟磁性金属箔体片が配向しやすくしている。この時得られた高透磁率シート４の磁気特性を図４に示す。横軸はシートの厚さ方向へ垂直に流れた磁束密度Ｂ（Ｔ）で、縦軸は比透磁率（μｒ）である。磁束を増やしていくにつれ透磁率μｒは上昇し、Ｂ−Ｈ曲線の上昇がなだらかになると透磁率は低下する。圧延前後に加える磁界強度を２５０〜３０００Ａ／ｍの範囲で変化させた場合、図４に示すように軟磁性金属箔体片の配向性により比透磁率が大きく変化し、３０００Ａ／ｍではμｒ＝１４００程度で、２５０Ａ／ｍでは５００程度になることが実験により確認された。
以下、実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００２２】
従来の高透磁率シートは扁平な軟磁性金属粉末と絶縁体マトリックスを用いて構成されている。軟磁性金属粉末は、Ｆｅ−３％Ｓｉ合金の溶湯を窒素ガスで噴霧して作成した粉末であり、これをアトライタに入れ、５時間にわたって扁平化処理し、得られた扁平粉末を用いた。
【００２３】
一方、本発明の高透磁率シートに用いる軟磁性金属箔体の製造方法は、Ｆｅ−３％Ｓｉ合金を圧延し、熱処理した後、さらに０．３ｍｍ厚まで冷延を施すものである。その後、歪を開放するためにこの箔体に７５０℃程度の歪取焼鈍を施し、さらに所定の２０μｍ厚まで冷延した。これらを長さ５ｍｍ×幅１ｍｍ角に剪断した。
【００２４】
上述した２種の軟磁性金属と混合する絶縁体マトリックスは、塩素化ポリエチレンを用い、その溶媒としてトルエンを選び、次に記載する割合で配合し、撹拌機で混合して高透磁率シート用の分散液を用意した。割合は、Ｆｅ−３％Ｓｉ合金の金属粉末もしくは箔体（７００重量部）：塩素化ポリエチレン（１５０重量部）：トルエン（１７００重量部）の割合で材料を配合し、撹拌することにより用意した。
【００２５】
高透磁率シート全体の厚さが５０μｍから１００μｍとなるよう、温度を４００℃とし、磁界をシートの厚さ方向に３０００Ａ／ｍ加え、圧延工程を通過させた。シートの厚さ方向におけるの磁気特性の測定結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
上記のシートにおいて、軟磁性金属粉末を軟磁性金属箔体に代えると膜厚方向の比透磁率は約２．４倍増加し、５０００Ａ／ｍ当たりの磁束密度Ｂ50は約０．２Ｔ向上し、従来と比べて高透磁率のシートを得ることが出来た。
【実施例２】
【００２８】
比較例としての軟磁性金属粉末は、Ｆｅ−１６％Ａｌ合金の溶湯を窒素ガスで噴霧して得た粉末であり、これをアトライタに入れ、４時間にわたって扁平化処理し、得られた扁平粉末を用いた。
一方、本発明の高透磁率シートに用いる軟磁性金属箔体の製造方法は、Ｆｅ−１６％Ａｌ合金を圧延し、熱処理した後、さらに０．３ｍｍ厚まで冷延を施したものである。その後、歪を開放するためにこの箔体を７５０℃程度の歪取焼鈍を施し、さらに所定の２０μｍ厚まで冷延した。これらを長さ５ｍｍ×幅１ｍｍ角に剪断した。
【００２９】
上述した２種の軟磁性金属と混合する絶縁体マトリックスは、シリコンゴムを用い、その溶媒としてトルエンを選び、次に記載する割合で配合し、撹拌機で混合して高透磁率シート用の分散液を用意した。割合は、Ｆｅ−１６％Ａｌ合金の金属粉末もしくは箔体（８５０重量部）：塩素化ポリエチレン（１８０重量部）：トルエン（１６００重量部）の割合で材料を配合し、撹拌することにより用意した。
【００３０】
シート全体の厚さが５０μｍから１００μｍとなるよう、温度を３００℃とし、磁界をシートの厚さ方向に３０００Ａ／ｍ加え、圧延工程を通過させた。
磁気特性の測定結果を表２に示す。シートの比透磁率は本発明で約２．５倍の向上、Ｂ50は約２０％向上した。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
図５（ａ）に示すように、上記のシート４をカットコア１５の突合せ部に挿入した（図５（ｂ）は（ａ）を分解して示した図である。）。図５（ａ）に示すコア１５の形状は縦６８ｍｍ、横４０ｍｍ、高さ１３ｍｍ、巻厚１３ｍｍで、材料は方向性電磁鋼板３０ＺＨ１１０を用いた。カットコア１５のギャップに従来のシートと本発明のシートを挿入し、比較すると、１４％の励磁電力低減が得られることを確認した。
【実施例３】
【００３３】
比較例としての軟磁性金属粉末は、４Ｍｏパーマロイ（７９Ｎｉ−４Ｍｏ−１Ｓｉ−ｂａｌ．Ｆｅ（ｍｏｌ％））の溶湯を窒素ガスで噴霧して得た粉末をアトライタに入れ、４時間にわたって扁平化処理し、得られた扁平粉末を用いた。
【００３４】
一方、本発明の高透磁率シートに用いる軟磁性金属箔体の製造方法は、同様の合金を圧延し、熱処理した後、さらに０．３ｍｍ厚まで冷延を施した。その後、歪を開放するためにこの箔体を７５０℃程度の歪取焼鈍を施し、さらに所定の２０μｍ厚まで冷延した。これらを長さ５ｍｍ×幅１ｍｍ角に剪断した。
【００３５】
次に両種の加工による歪みを取るため、水素中、６００℃で６０分の熱処理を行った。絶縁材料としてはペルヒドロポリシラザン（東燃ポリシラザンＬ１００、２０重量％キシレン溶液）を用いた。Ｍｏパーマロイ金属体に対するペルヒドロポリシラザン２０重量％キシレン溶液の添加量を３重量％にした。そして、Ｍｏパーマロイ金属箔体とペルヒドロポリシラザンを混合機で、室温で３０分混合した。その後、大気中、３００℃で６０分間保持し、ペルヒドロポリシラザンをＳｉＯ2 に転化し、Ｍｏパーマロイ金属体との表面に絶縁膜を形成した。
【００３６】
次に、図６に示すように、絶縁処理（１７）された前記金属体５をほぼ均等にステンレス基板１６上に堆積させた。このステンレス基板１６をロール径５０ｍｍの２段冷間圧延ロール１３を通過させて圧延し、磁界を加えた各金属体を前記基板に垂直な向きに配向させ、厚さ約５０μｍのシート状にした。
【００３７】
【表３】
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【００３８】
上記のシートを用い、図７に示すように、モータのステータに用いられる、分割コアを作製した。コアの形状は外径２４０ｍｍ、内径１４０ｍｍ、高さ４５ｍｍに成形した。
モータコアは方向性電磁鋼板の圧延方向と磁束の流れる方向に平行に配置した構造で、磁束が周方向に流れるヨーク部と、径方向に流れるティース部は別々に分割されている。材料は方向性電磁鋼板３５Ｚ１５５を用いた。シートの比透磁率は本発明で約２．５倍の向上、Ｂ50は約２０％向上した。モータの最大トルクは従来シートに対して５％の向上、単位トルク当たりの鉄損は約２０％減少したことを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】高透磁率シートを加圧して製造する工程を示す図であり、（ａ）は装置の側面図、（ｂ）及び（ｃ）は加圧前（ｂ）と加圧後（ｃ）のシートの断面拡大図である。
【図２】従来の金属粉末を用いた高透磁率シートを磁性体コアの突合部に適用した図である。
【図３】高透磁率シートを圧延して製造する工程を示す図である。
【図４】高透磁率シートの膜厚方向の比透磁率を示す図である。
【図５】カットコアに本発明シートを適用した図（ａ）とその分解図（ｂ）である。
【図６】高透磁率シートを圧延して製造する工程を示す図である。
【図７】高透磁率シートをモータコアの突合せ接合部に挿入した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：加圧
２：磁界
３：加熱ヒータ
４：高透磁率シート
５：磁性箔体
６：加圧前厚さ（１ｍｍ）
７：加圧後厚さ（０．５ｍｍ）
８：磁性体コア
９：磁性粉末
１０：磁性体コアの空隙
１１：保温カバー
１２：励磁コイル
１３：圧延ロール
１４：圧延後板厚（１００〜４００μｍ）
１５：カットコア
１６：ステンレス板
１７：絶縁材料（マトリックス）
【図１】
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【図２】
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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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