(57)【要約】【課題】  高い耐熱性を有するガラス系材料からなり、コイル製造後の使用中にクラックや亀裂等が発生しにくい絶縁被覆をその導体外周に有する耐熱絶縁コイルの製造方法を提供する。【解決手段】  （１）Ｐ酸化物及びＢ酸化物並びに（２）２種類以上のアルカリ金属酸化物を含有し、かつガラス転移点における熱膨張率が８〜２３×１０−６／℃であるガラスの粉末を分散させた分散液に、前記ガラスより高融点を有する絶縁性の無機系繊維で被覆された導体を浸漬する浸漬工程、前記無機系繊維で被覆された導体に、コイル巻き加工を施すコイル巻き工程、及び浸漬工程後に、前記無機系繊維で被覆された導体を、前記無機系繊維の融点未満であって、かつ前記ガラスの融点以上の温度に加熱する熱処理工程、を有する耐熱絶縁コイルの製造方法。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）Ｐ酸化物及びＢ酸化物並びに（２）２種類以上のアルカリ金属酸化物を、（１）：（２）のモル比が１：０．１〜１．２の組成で含有し、かつガラス転移点における熱膨張率が８〜２３×１０−６／℃であるガラスの粉末を分散させた分散液に、前記ガラスより高融点を有する絶縁性の無機系繊維で被覆された導体を浸漬する浸漬工程、
前記無機系繊維で被覆された導体に、コイル巻き加工を施すコイル巻き工程、及び
浸漬工程後に、前記無機系繊維で被覆された導体を、前記無機系繊維の融点未満であって、かつ前記ガラスの融点以上の温度に加熱する熱処理工程、
を有することを特徴とする耐熱絶縁コイルの製造方法。
【請求項２】
（１）Ｐ酸化物及びＢ酸化物が、それぞれ、Ｐ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３であり、Ｐ２Ｏ５：Ｂ２Ｏ３のモル比が、１：０．９〜１：３．５の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の耐熱絶縁コイルの製造方法。
【請求項３】
（２）２種類以上のアルカリ金属酸化物が、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏから選ばれ、かつ１種類のアルカリ金属酸化物の含有量１モルに対し、他のアルカリ金属酸化物の含有量が０．８〜１．２モルであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の耐熱絶縁コイルの製造方法。
【請求項４】
前記ガラスが、さらに（３）Ｐ酸化物及びＢ酸化物より融点の高い酸化物を、（１）Ｐ酸化物及びＢ酸化物の合計含有量１モルに対する（３）Ｐ酸化物及びＢ酸化物より融点の高い酸化物の合計含有量が０．００１５〜０．１５モルとなる範囲で含有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の耐熱絶縁コイルの製造方法。
【請求項５】
（３）Ｐ酸化物及びＢ酸化物より融点の高い酸化物が、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項４に記載の耐熱絶縁コイルの製造方法。
【請求項６】
コイル巻き工程を、浸漬工程と同時又は浸漬工程後に行い、かつコイル巻き工程後に熱処理工程を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の耐熱絶縁コイルの製造方法。
【請求項７】
コイル巻き工程後に浸漬工程を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の耐熱絶縁コイルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い耐熱性を有し、小型かつ高出力モータ用のコイル等に好適に用いられる耐熱絶縁コイルの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータの小型、高出力化のためには、モータ用コイルへの電流密度は高い方が好ましい。しかし、高い電流密度によりコイルの発熱が大きくなるので、コイルを被覆する絶縁材料に耐熱性の優れた材料が求められる。
【０００３】
耐熱性の優れた絶縁材料としてはポリイミド樹脂が知られている。しかしより高い耐熱性を達成するために、ポリイミド樹脂より高い耐熱性を有する絶縁材料として、無機のガラス系絶縁材料が期待されている。ガラス系絶縁材料は、通常、ポリイミド線の耐熱寿命の温度（約２５０℃）よりはるかに高いガラス転移点や軟化点を有し、耐熱性に優れる場合が多い。
【０００４】
しかし、ガラス系絶縁材料は脆く、振動や曲げ等の変形により割れやクラック等の破断が生じやすい。従って、コイル巻加工を絶縁被覆形成後に行うことは困難であった。又、従来のガラス系絶縁材料は、その熱膨張係数がコイルの導体とは異なり、モータ内等での使用中に、環境温度の変化によりクラックが発生しやすいとの問題もあった。
【０００５】
特開平０９−０８７０４９号公報には、セラミックス長繊維（無機繊維）からなる繊維束でプリフォームを形成し、このプリフォームにマトリックス原料を含浸させ、反応焼結によってセラミックスマトリックスを生成させるセラミックス基繊維複合材料の製造方法が記載されている。この方法に準じ、セラミックス長繊維を、コイルを形成する導体に巻付け、この導体をコイル巻加工し、焼結後高耐熱の材料となるマトリックス原料をセラミックス長繊維に含浸させ、その後反応焼結することにより、高耐熱の絶縁被覆層を有するコイルを形成できると考えられる。
【０００６】
しかし、マトリックス原料として既存の高耐熱材料を使用した場合、このような方法により得られたセラミック系絶縁被覆は、その熱膨張係数が導体とは異なるので、モータ内での使用中にクラックが発生するとの問題は、依然解決されていない。そこで、前記のような優れた特徴を有しながらも、使用中でのクラックが発生することのない、無機系の絶縁被覆層の開発が望まれていた。
【特許文献１】特開平０９−０８７０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、高い耐熱性を有するガラス系材料からなり、コイル製造後の使用中にクラックや割れ等が発生しにくい絶縁被覆をその導体外周に有する耐熱絶縁コイルの製造方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】
本発明者は検討の結果、コイルを形成する導体を、高融点の無機系繊維で覆い、その繊維内に、前記無機系繊維より低い融点を有するガラスの粉末を分散する分散液を含浸させた後、前記無機系繊維の融点未満であって、かつ前記ガラスの融点以上の温度に加熱して焼成することにより耐熱絶縁被覆層を容易に形成できるとともに、前記ガラスとして特定の組成のものを用いることにより、コイルの使用中のクラック等の発生を防ぐことができることを見出し、本発明を完成した。
【０００９】
本発明は、（１）Ｐ酸化物及びＢ酸化物並びに（２）２種類以上のアルカリ金属酸化物を、（１）：（２）のモル比が１：０．１〜１．２の組成で含有し、かつガラス転移点における熱膨張率が８〜２３×１０−６／℃であるガラスの粉末を、分散させた分散液に、前記ガラスより高融点を有する絶縁性の無機系繊維で被覆された導体を浸漬する浸漬工程、前記無機系繊維で被覆された導体に、コイル巻き加工を施すコイル巻き工程、及び浸漬工程後に、前記無機系繊維で被覆された導体を、前記無機系繊維の融点未満であって、かつ前記ガラスの融点以上の温度に加熱する熱処理工程、を有することを特徴とする耐熱絶縁コイルの製造方法を提供する。
【００１０】
ここで、導体とは、線状のものであり、銅又は銅を主成分とする合金からなるものが例示される。又、導体の外周を被覆する絶縁性の無機系繊維とは、高融点の絶縁性無機材料からなる繊維であって、ガラス粉末を分散させた分散液に含浸されたときにその分散液を吸収する連続空間を有するものである。その融点は、ガラス粉末を形成するガラスより高い。
【００１１】
絶縁性の無機系繊維としては、ＳｉＯ２系ガラス繊維、アルミナファイバー、これらの織布、不織布等が挙げられる。これらの無機系繊維を、導体の外周に巻付ける等の方法により、絶縁性無機系繊維の被覆層を導体の外周に形成する。無機系繊維の被覆層の厚みは、コイルの製造後の絶縁被覆の目的とする厚みに基づき設定される。
【００１２】
絶縁性の無機系繊維の被覆層がその外周に形成された導体は、ガラス粉末が溶剤に分散された分散液に浸漬され、分散液は、無機系繊維の連続空間内に吸収される。この吸収と同時にガラス粉末も吸収されて、無機系繊維内に分散される。浸漬の条件（温度、時間等）は、ガラス粉末が、無機系繊維内に均一に分散されるように設定することが望まれる。
【００１３】
前記分散液に分散されるガラス粉末を構成するガラスは、（１）Ｐ酸化物及びＢ酸化物、並びに（２）２種類以上のアルカリ金属酸化物を含有し、ガラス転移点における熱膨張率が８〜２３×１０−６／℃であり、前記無機系繊維より融点が低いことを特徴とする。後述する熱処理により容易に溶融され均一な絶縁層を容易に形成するためには、融点は、４００〜５００℃程度と低いことが好ましい。Ｐ酸化物、Ｂ酸化物を含有するガラスは通常このような低い融点を有する。
【００１４】
ガラス中には、Ｐ酸化物、Ｂ酸化物、アルカリ金属酸化物が、それぞれ独立した分子としては存在しない。そこで「（１）並びに（２）を含有する。」とは、Ｐ酸化物、Ｂ酸化物及び２種類以上のアルカリ金属酸化物が、それぞれ独立した分子として存在していると仮定した場合と同じ組成を、前記のガラスが有することを意味する。
【００１５】
このガラスの、ガラス転移点における熱膨張率は、８〜２３×１０−６／℃の範囲内である。この結果、室温からガラス転移点の範囲の温度で、銅等の導体に近い熱膨張率を有することになり、前記の従来技術の問題であった、モータ使用中のクラックの発生等を防ぐことができる。熱膨張率は、Ｐ酸化物とＢ酸化物の比率や、アルカリ金属酸化物の含有量により変動するので、これらを、後述する範囲内で調整することにより、前記範囲の熱膨張率を得ることができる。
【００１６】
（１）Ｐ酸化物及びＢ酸化物と、（２）２種類以上のアルカリ金属酸化物の比率は、モル比で１：０．１〜１：１．２の範囲である。（２）の含有量が（１）の１モルに対し０．１モル未満になると熱膨張率が低下し、８〜２３×１０−６／℃の範囲とすることが困難になる。一方、１．２モルを越えるとガラス化しにくくなる。
【００１７】
（２）の含有量が（１）の１モルに対し０．６モルを越えると、ガラス転移点や軟化点が低下する。又絶縁抵抗も低下する。そこで、より高い耐熱性、絶縁抵抗を得るためには、（１）と（２）の比率は、モル比で１：０．１〜１：０．６の範囲が好ましい。
【００１８】
（１）Ｐ酸化物及びＢ酸化物としては、それぞれ、Ｐ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３が例示される。Ｐ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３を用いる場合、両者の比率はモル比で、１：０．９〜１：３．５の範囲が好ましい。より好ましくは、１：１〜１：３の範囲である。Ｐ２Ｏ５の比率が上記の範囲より大きくなると、ガラスの耐水性が低下する場合があり、吸湿による絶縁性の低下により劣化しやすくなる。一方、Ｂ２Ｏ３の比率が上記の範囲より大きくなると、ガラスの熱膨張率が低下し、８〜２３×１０−６／℃の範囲とすることが困難になる。又ガラスが硬く脆くなる傾向がある。請求項２は、この好ましい態様に該当し、前記の耐熱絶縁コイルの製造方法であって、（１）Ｐ酸化物及びＢ酸化物が、それぞれ、Ｐ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３であり、Ｐ２Ｏ５：Ｂ２Ｏ３のモル比が、１：０．９〜１：３．５の範囲であることを特徴とする耐熱絶縁コイルの製造方法を提供するものである。
【００１９】
ガラス粉末の原料のガラスは、アルカリ金属を２種類以上含有することを特徴とする。アルカリ金属は、イオン伝導性が大きいので、ガラスの絶縁性を低下させる。しかし、２種類以上のアルカリ金属をガラス中に含有させると、ガラスの絶縁性の低下を防ぐことができる。
【００２０】
２種類以上のアルカリ金属酸化物としては、その入手しやすさ等から、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ又はＫ２Ｏが好ましい。又、２種類以上のアルカリ金属酸化物間の比率は、等モルに近い程絶縁性の低下を防ぐ効果が大きい。従って、それらの組成は、その中の１種類のアルカリ金属酸化物の含有量１モルに対し、他のアルカリ金属酸化物の含有量が０．８〜１．２モルであることが好ましい。請求項３は、この好ましい態様に該当し、前記の耐熱絶縁コイルの製造方法であって、（２）アルカリ金属酸化物が、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏから選ばれ、かつ１種類のアルカリ金属酸化物の含有量１モルに対し、他のアルカリ金属酸化物の含有量が０．８〜１．２モルであることを特徴とする耐熱絶縁コイルの製造方法を提供するものである。Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏから選ばれる組合せの中でも、Ｌｉ２Ｏ及びＫ２Ｏの組合せが、絶縁性の低下を防ぐ点から、特に好ましい。
【００２１】
ガラス粉末の原料のガラスは、前記の（１）及び（２）に、さらに、（３）Ｐ酸化物及びＢ酸化物より融点の高い酸化物を加えると、ガラスの耐水性を向上させることができるので好ましい。特に、Ｐ酸化物のＢ酸化物に対する比率が大きい場合は、耐水性が低下する傾向があるので、（３）の添加が好ましい。（３）は、いわゆる無機修飾酸化物であり、ガラスを形成するものではないが、ガラスを形成する原子間の隙間に入り、ガラスの物性を変える効果を有するものである。
【００２２】
Ｐ酸化物及びＢ酸化物より融点の高い酸化物の含有量としては、（１）Ｐ酸化物及びＢ酸化物の合計１モルに対して、（３）Ｐ酸化物及びＢ酸化物より融点の高い酸化物の合計含有量が、０．００１５〜０．１５モルとなる範囲が好ましい。（３）の含有量が、（１）の１モルに対して０．００１５モル未満となると、耐水性向上の効果が充分に得られない場合がある。一方、０．１５モルを越えると、熱膨張率が低下し、８〜２３×１０−６／℃の範囲とすることが困難になる場合がある。
【００２３】
請求項４は、この好ましい態様に該当するものである。すなわち、前記の耐熱絶縁コイルの製造方法であって、前記ガラスが、さらに（３）Ｐ酸化物及びＢ酸化物より融点の高い酸化物を、（１）Ｐ酸化物及びＢ酸化物の合計含有量１モルに対する（３）Ｐ酸化物及びＢ酸化物より融点の高い酸化物の合計含有量が０．００１５〜０．１５モルとなる範囲で含有することを特徴とする耐熱絶縁コイルの製造方法を提供するものである。ここで含有するとは、前記の（１）及び（２）の場合と同様に、（３）を必ずしも独立した分子として含有するものではないが、（３）を分子として含有したと仮定した場合と同じ組成をガラスが有することを意味する。
【００２４】
（３）Ｐ酸化物及びＢ酸化物より融点の高い酸化物としては、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２が好ましく例示される。請求項５は、この好ましい態様に該当し、請求項４の耐熱絶縁コイルの製造方法であって、（３）Ｐ酸化物及びＢ酸化物より融点の高い酸化物が、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする耐熱絶縁コイルの製造方法を提供するものである。
【００２５】
ガラス粉末の原料のガラスは、Ｐ、Ｂ、アルカリ金属又は酸素を含有する原料化合物を混合して溶融し、その後固化することにより得ることができる。（３）Ｐ酸化物及びＢ酸化物より融点の高い酸化物を含有させる場合は、さらに、（３）の酸化物を形成することができる元素（ＡｌやＳｉ等）を含有する原料化合物を、前記原料化合物に混合して溶融する。
【００２６】
原料化合物としては、Ｐ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３やＡｌ２Ｏ３等を用いることもできるし、Ａｌ（ＰＯ３）や、Ｋ２ＰＯ３、Ｌｉ２ＰＯ３等のアルカリ金属とＰ等を共に含有した化合物を用いることもできる。これらの原料を、混合物中の各成分の比率が所望の範囲となるように、混合して用いる。
【００２７】
前記のようにして得られたガラスは、粉砕されて、本発明に使用されるガラス粉末が製造される。粉砕後、ガラス粉末の粒径を所望の範囲とするため、好ましくは篩にかけられる。得られた、ガラス粉末は、溶剤に分散されて分散液を構成し、この分散液に絶縁性の無機系繊維で被覆された導体が浸漬される（浸漬工程）。
【００２８】
ガラス粉末を分散する溶剤としては、１５０℃以上の高沸点を有するものが好ましく、ポリエチレングリコールやα−テルピネオールが例示される。さらに、粘度を下げるため、好ましくは１−メチル−２−ピロリドン等が該溶剤に添加される。１−メチル−２−ピロリドンを加えたα−テルピネオールを用いる場合、ガラス粉末の濃度は、３０〜７０重量％が好ましい。又、１−メチル−２−ピロリドンの量は、α−テルピネオールに対して１〜１５重量％が好ましい。１−メチル−２−ピロリドンの添加量が１重量％以下の場合は塗料の粘度が上昇して扱いにくくなる場合があり、１５重量％以上となると粘度が低くなりすぎる場合がある。
【００２９】
ガラス粉末の粒径の範囲は、無機系繊維内の間隙等により変動し、特に限定されない。ただし、最大粒径が５０μｍを越えると、ボイドの発生が多くなり、又１μｍ未満の場合は、ガラス粉末が凝集しやすくなるので、通常は、１μｍ以上で５０μｍ以下の範囲が好ましい。
【００３０】
本発明において、無機系繊維で被覆された導体は、コイル巻き加工が施され（コイル巻き工程）、所定のコイル形状に加工される。所定のコイル形状は、モータ内へ設置された後の形状とは異なっていてもよく、この場合は、モータ内へ設置するときに多少の変形がされる。例えば、モータ内へ設置するときと同じ巻き径を有しながらも、導体間に間隙を有する形状に加工され、モータへの設置のときに、その間隙を０とするようにコイルを長さ方向に圧縮する方法も採用することができる。
【００３１】
コイル巻き工程は、浸漬工程と同時に行ってもよい。すなわち、無機系繊維で被覆された導体を、前記分散液に浸漬しながら、コイル巻き加工を行ってもよい。又コイル巻き加工を行った後、所定のコイル形状の導体を前記分散液に浸漬してもよい。さらに、浸漬工程後にコイル巻き加工を行ってもよい。
【００３２】
浸漬工程の後、無機系繊維で被覆され前記分散液を吸収した導体は、前記無機系繊維の融点未満であって、かつ前記ガラスの融点以上の温度に加熱される（熱処理工程）。この加熱により、溶剤が除去されるとともに、無機系繊維中に吸収されたガラス粉末が溶融し、絶縁被覆が形成される。
【００３３】
浸漬工程、コイル巻き工程及び熱処理工程の順序については、熱処理工程は浸漬工程後に行われることが条件とされる。しかし、この制限以外については、各工程の順序に特に制限はなく、（１）浸漬工程後、コイル巻き工程を行い、その後熱処理工程を行う態様、（２）浸漬工程とコイル巻き工程を同時に行い、その後熱処理工程を行う態様、（３）コイル巻き工程後、浸漬工程を行い、その後熱処理工程を行う態様等を採用することができる。請求項６は、（１）及び（２）の態様に該当するものである。又請求項７は、（３）の態様に該当するものである。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の耐熱絶縁コイルの製造方法によれば、高い耐熱性を有するガラス系材料からなり、コイル製造後の使用中に、環境温度の変化によるクラックや割れ等が発生しにくい絶縁被覆をその導体外周に有する耐熱絶縁コイルを、容易に製造することができる。本発明の製造方法により製造された耐熱絶縁コイルは、優れた耐熱性や絶縁性を有し、又使用中の環境温度の変化によるクラック等の発生の問題も少ないので、小型で高出力が求められるモータ等に好適に使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
次に発明を実施するための最良の形態を実施例により説明する。実施例は、本発明の範囲を限定するものではない。
【実施例】
【００３６】
［ガラスの製造］
原料として、Ｂ２Ｏ３（添川理化学株式会社製、純度９９．９％）、Ｌｉ２ＰＯ３（白辰化学研究所製、純度３Ｎ）、Ｋ２ＰＯ３（白辰化学研究所製、純度３Ｎ）、及びＡｌ２Ｏ３（片山化学工業株式会社製、純度９８％以上）を用いた。各原料の配合量は次のとおりである。
Ｂ２Ｏ３  ：１２．７２８ｇ        Ｌｉ２ＰＯ３：１５．７０２ｇ
Ｋ２ＰＯ３：２１．５６７ｇ        Ａｌ２Ｏ３：０．７７１ｇ
【００３７】
各原料を十分に混合し、ガラスバッチを作製した。次に、得られたガラスバッチを、高純度アルミナルツボを用いて、電気炉（１１００〜１３００℃、大気中）で０．５〜１時間溶融した。その後、炉から取り出し、ステンレス鋳型またはグラファイト板にキャストしてガラスを得た。その結果、Ｐ２Ｏ５：Ｂ２Ｏ３：Ｌｉ２Ｏ：Ｋ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３を、３３：３３：１６．５：１６．５：２の組成で含有するガラスが５０ｇ作製された。このガラスの融点（軟化点）は４７１℃であった。又熱膨張率は１３．７×１０−６／℃であった。
【００３８】
［分散液の作成］
このようにして得られたガラスを粉砕した後、５０μｍメッシュと４０μｍメッシュの篩を用いて特定の粒径のガラス粉末を得た。得られたガラス粉末５０重量部に、分散溶剤のα−テルピネオール５０重量部を加えて、ガラス粉末の分散液（絶縁塗料）を作成した。
【００３９】
［無機系繊維で被覆された導体の作成］
５×０．５ｍｍの断面を有する平角線（銅線）の１ｍ当たりに、ＳｉＯ２系ガラスからなるガラスファイバーテープ（厚さ０．１ｍ、幅２０ｍｍ）の６ｍ分を、均一に巻付け、無機系繊維で被覆された導体を作成した。ＳｉＯ２系ガラスからなるガラスファイバーテープの耐熱温度は１０００℃以上である。
【００４０】
［コイル巻き工程及び浸漬工程］
得られた導体を、径３ｃｍのコイルに加工し、その後前記の分散液に１分間浸漬した後引上げた。
【００４１】
［熱処理工程］
その後、コイルを、５７０℃のオーブン中に１０分間保持して熱処理した後冷却すると、導体外周に約３００μｍ厚の絶縁被覆を有するコイルが得られた。