(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金、その製造方法、およびその使用を提供する。【解決手段】Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金は、ＦｅaＣｏbＰcＢdＳｉeからなるＦｅ系非晶質軟磁性成分を含む三次元（３Ｄ）構造を有し、式中、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、およびｅは、７６≦ａ≦８０、１≦ｂ≦４、９≦ｃ≦１１、３≦ｄ≦５、および５≦ｅ≦７を満たすための各成分の原子パーセント値（原子％）である。さらに、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、およびｅが、７６≦ａ≦７８、２≦ｂ≦４、９≦ｃ≦１１、３≦ｄ≦５、および５≦ｅ≦７を満たすための各成分の原子パーセント値（原子％）であり、前記３Ｄ構造が、約２センチメートル（ｃｍ）の厚さ、１．３テスラ（Ｔ）〜１．７Ｔの範囲の磁束（Ｂｓ）、８Ａ／ｍ〜１６Ａ／ｍの範囲の保磁力（Ｈｃ）、および約２００μΩ・ｃｍの抵抗を有するグリッド構造である。【選択図】図１
2018082159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦｅaＣｏbＰcＢdＳｉeからなるＦｅ系非晶質軟磁性成分を含む三次元（３Ｄ）構造を有するＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金であって、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、およびｅは、７６≦ａ≦８０、１≦ｂ≦４、９≦ｃ≦１１、３≦ｄ≦５、および５≦ｅ≦７を満たすための各成分の原子パーセント値（原子％）である、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金。
【請求項２】
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、およびｅが、７６≦ａ≦７８、２≦ｂ≦４、９≦ｃ≦１１、３≦ｄ≦５、および５≦ｅ≦７を満たすための各成分の原子パーセント値（原子％）であり、前記３Ｄ構造が、約２センチメートル（ｃｍ）の厚さ、１．３テスラ（Ｔ）〜１．７Ｔの範囲の磁束（Ｂｓ）、８Ａ／ｍ〜１６Ａ／ｍの範囲の保磁力（Ｈｃ）、および約２００μΩ・ｃｍの抵抗を有するグリッド構造である、請求項１に記載のＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金。
【請求項３】
Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金の製造方法であって、
請求項１に記載のＦｅ系非晶質軟磁性成分を提供するステップと、
霧化プロセスを行って前記Ｆｅ系非晶質軟磁性成分を複数の粒子に分割するステップと、
前記粒子の焼結または溶融を行って３Ｄ構造を形成するステップと、
前記３Ｄ構造に対して熱焼きなましプロセスを行うステップと、
を含む方法。
【請求項４】
前記霧化プロセスが、
前記Ｆｅ系非晶質軟磁性成分を溶融させて溶融溶液を形成するステップと、
流体によって前記溶融溶液を複数の液滴に分割するステップと、
前記液滴を冷却して複数の前記粒子を形成するステップとを含み、前記３Ｄ構造を形成するためのプロセスが、
基材の表面を覆うように前記粒子を配置するステップと、
前記粒子２０４の焼結または溶融のために、エネルギーの集束ビームを、あらかじめ決定されたレーザー走査経路に沿って前記基材の前記表面に向けて、前記基材の前記表面上に複数のバンピングを形成するステップであって、前記バンピングのそれぞれが、前記基材の前記表面に対して非平角を形成し、前記バンピングが集合してグリッド構造が画定されるステップとを含み、前記エネルギーの集束ビームが、２００Ｗ〜３４０Ｗの範囲の平均出力および１５００ミリメートル／秒（ｍｍ／ｓ）〜４５００ｍｍ／ｓの範囲の走査速度を有するレーザービームであるステップとを含み、前記熱焼きなましプロセスが、空気雰囲気中、０．５時間（ｈｒ）〜２時間の範囲の処理時間および３００℃〜６００℃の範囲の焼きなまし温度で行われる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
磁気モーター装置であって、
請求項１に記載のＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金でできた鉄心を含むステーターと、
前記鉄心を貫通する回転シャフトと、
磁石を含み前記回転シャフトに接続されたローターとを含み、
前記回転シャフトが、前記鉄心と前記磁石との間で発生する磁力によって駆動して同軸回転する、磁気モーター装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野は、高い磁束密度および透磁率を有する金属軟磁性材料、その製造方法、およびその使用に関し、特にＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金、その製造方法、およびその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気モーター装置の鉄心の製造に使用される材料は、高い磁束密度および透磁率を有するべきである。ケイ素鋼は、磁気モーター装置の鉄心の製造に従来使用されている材料である。しかし、磁気モーター装置の鉄心は、その低い抵抗率のために低周波直流（ＤＣ）／低周波交流（ＡＣ）動作でのみ適切となりうる。鉄心を使用する磁気モーター装置を低周波電流で動作させる場合、渦電流損によって、ますます望ましくない電力損失の増加および発生が起こりうる。磁気モーター装置の渦電流損および望ましくない電力損失を減少させるために、ケイ素鋼および絶縁層を交互に積層することで形成された静的鉄心が磁気モーター装置の製造用に提供されている。しかし、静的鉄心の製造方法は、むしろ複雑になり、その製造コストは従来のものよりも高くなり、その複雑な構造のためスケールダウンが困難である。
【０００３】
Ｆｅ系非晶質軟磁性材料は、高い飽和磁束密度、高い抵抗率、および低い保磁力（Ｈｃ）の利点を特徴とし、磁気モーター装置の渦電流損および望ましくない電力損失を減少させるために、磁気モーター装置の鉄心の製造に使用されている。しかし、Ｆｅ系非晶質軟磁性材料は、機械による切断、仕上げ、および加工が困難な硬質脆性材料である。磁気モーター装置における現在の設計要求を満たすために複雑な構造を有する装置の製造への使用は困難である。Ｆｅ系非晶質軟磁性材料の従来の加工方法は、サイズに関して加工の限界を有する出湯鋳造技術に一般に基づいている。さらに、Ｆｅ系非晶質軟磁性材料の用途は、その多い材料損失および低いコイル占積率のためにむしろ制限されうる。
【０００４】
したがって、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金、その製造方法、およびその使用の提供が必要とされている。
【０００５】
従来技術の開示／参考文献
２０１０年１２月２日に公開された（特許文献１）には、優れた加工性および靱性を有する強靱な鉄系バルク金属ガラス合金、そのような合金の形成方法、およびそれより物品を製造する方法が提供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３００１４８  Ａ１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様として、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金が提供される。このＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金は、ＦｅaＣｏbＰcＢdＳｉeからなるＦｅ系非晶質軟磁性成分を含む三次元（３Ｄ）構造を有し、式中、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、およびｅは、７６≦ａ≦８０、１≦ｂ≦４、９≦ｃ≦１１、３≦ｄ≦５、および５≦ｅ≦７を満たすための各成分の原子パーセント値（原子％）である。
【０００８】
本開示の別の一態様は、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金の製造方法が提供され、この方法は以下のようなステップを含む。前述のＦｅ系非晶質軟磁性成分が提供される。次に霧化プロセスが行われて、Ｆｅ系非晶質軟磁性成分が複数の粒子に分割される。次に、得られた粒子の焼結または溶融が行われて３Ｄ構造が形成される。続いて、得られた３Ｄ構造に対して熱焼きなましプロセスが行われる。
【０００９】
本開示の実施形態によると、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金およびその製造方法が提供される。霧化プロセスによって、高い真円度を有する複数のＦｅ系非晶質軟磁性粒子が製造される。次にＦｅ系非晶質軟磁性粒子は、焼結または溶融が行われて、３Ｄ構造を有するＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金が形成され、それによって、バルク構造を形成するためにその厚さが増加することで、Ｆｅ系非晶質軟磁性成分の加工性を顕著に改善することができ、それによってＦｅ系非晶質軟磁性成分の用途範囲を広げることができる。Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金が磁気モーター装置の鉄心の製造に採用される場合、磁性鉄心の磁束（Φ＝Ｂｓ）および抵抗を増加させながら、磁性鉄心のＨｃおよび磁気モーター装置の渦電流損を減少させることができる。
【００１０】
本開示の上記およびその他の態様は、好ましいが非限定的である実施形態の以下の詳細な説明を考慮すればより十分に理解されるであろう。以下の説明は、添付の図面を参照しながら行われる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の一実施形態によるＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金の製造方法を示すプロセスフロー図である。
【図２Ａ】霧化プロセスの実施に使用される装置を示す概略図である。
【図２Ｂ】図１のステップＳ２に記載の方法によって作製したＦｅ系非晶質軟磁性粒子を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図３】図１のステップＳ３に記載の方法によって形成された３Ｄ構造を示す断面図である。
【図４】本開示の一実施形態によるＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金を採用する鉄心を有する磁気モーター装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示によると、従来の磁気モーター装置において発生する渦電流損およびＦｅ系非晶質軟磁性材料の不十分な加工性の問題を解決するために、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金、その製造方法、およびその使用が提供される。添付の図面を参照しながら、本開示の多数の実施形態が以下に開示される。
【００１３】
しかし、これらの実施形態に開示される構造および内容は例示および説明のみを目的としたものであり、本開示の保護範囲がこれらの実施形態に限定されるものではない。添付の図面および実施形態に共通の名称は、同一または類似の要素を示すために使用される。本開示は、すべての可能性のある実施形態を説明するものではなく、本発明の技術分野の当業者であれば、本発明の意図から逸脱することなく実際の要求を満たすために、以下に開示される本明細書に基づいて適切な修正または変更を行うことが可能なことに留意すべきである。本開示は、本明細書に開示されない別の実施に適用可能である。さらに、実施形態の内容を明確に記載できるように図面は簡略化され、要素の形状、寸法、および縮尺は、説明および例示の目的でのみ図面中に概略的に示されており、本開示の保護範囲を限定するためのものではない。
【００１４】
図１は、本開示の一実施形態によるＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００の製造方法を示すプロセスフロー図である。Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００の製造方法は以下のステップを含む。最初に、Ｆｅ系非晶質軟磁性成分が提供され（図１に示されるステップＳ１参照）、このＦｅ系非晶質軟磁性成分はＦｅaＣｏbＰcＢdＳｉeからなり、式中のａ、ｂ、ｃ、ｄ、およびｅは、７６≦ａ≦８０、１≦ｂ≦４、９≦ｃ≦１１、３≦ｄ≦５、および５≦ｅ≦７を満たすための各成分の原子％である。しかし、各成分の鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、またはケイ素（Ｓｉ）の原子％は、これに限定されない場合がある。本開示のある実施形態では、各成分の原子％は、７６≦ａ≦７８、２≦ｂ≦４、９≦ｃ≦１１、３≦ｄ≦５および５≦ｅ≦７を満たすことができる。
【００１５】
次に、Ｆｅ系非晶質軟磁性成分を複数の粒子２０４に分割するために霧化プロセスが行われる（図に示されるステップＳ２参照）。図２Ａに関して、図２Ａは、霧化プロセスを実施するために使用される装置を示す概略図である。霧化プロセスは、以下のステップを含む。最初に、Ｆｅ系非晶質軟磁性成分に対して溶融プロセスを実施して、溶融溶液２０１を形成する。次に、溶融溶液２０１は、水または空気などの流体２０２によって分割されて複数の液滴２０３となり、次に液滴２０３は冷却されて複数の粒子２０４が形成される。
【００１６】
図２Ｂは、図１のステップＳ２に記載の方法によって作製されたＦｅ系非晶質軟磁性粒子２０４を示すＳＥＭ画像である。本開示のある実施形態では、Ｆｅ系非晶質軟磁性粒子２０４は、２５マイクロメートル（μｍ）〜７０μｍの範囲の平均粒度を有する。さらに、Ｆｅ系非晶質軟磁性粒子２０４のそれぞれが高い真円度を有することをＳＥＭ画像から確認することができる。この実施形態では、Ｆｅ系非晶質軟磁性粒子２０４は約３５μｍの平均粒度を有する。
【００１７】
本開示のある実施形態では、霧化プロセスは、水霧化プロセス、気流霧化プロセス、遠心分離霧化プロセス、および超音波インターガス（ｉｎｔｅｒ−ｇａｓ）霧化からなる群から選択することができる。この実施形態では、溶融溶液２０１を複数の液滴２０３に分割するために純アルゴン（Ａｒ）流２０２が使用される。次に液滴２０３は、重力下で落下してインターガス流２０５を通過することができ、それによって落下する液滴２０３は冷却され固化して、複数の固体粒子２０４が形成される。
【００１８】
本開示の方法によって作製される種々の原子％を有するＦｅ系非晶質軟磁性粒子２０４の複数の実施形態、ならびにそれらの磁束（Ｂｓ）および保磁力（Ｈｃ）を表１に列挙する。
【００１９】
【表１】
2018082159.tif 000003
【００２０】
次に、Ｆｅ系非晶質軟磁性粒子２０４の焼結または溶融を行うことで３Ｄ構造が形成される（図１のステップＳ３参照）。続いて、この３Ｄ構造に対して熱焼きなましプロセスが行われる。図３は、図１のステップＳ３に記載の方法によって形成された３Ｄ構造を示す断面図である。３Ｄ構造の形成方法は以下のステップを含む。最初にＦｅ系非晶質軟磁性粒子２０４が、基材３０１の表面３０１ａを覆うように配置される。次に、Ｆｅ系非晶質軟磁性粒子２０４の焼結または溶融のために、エネルギーの集束ビーム３０２が、あらかじめ決定されたレーザー走査経路３０５に沿って基材３０１の表面３０１ａに向けられ、それによって複数のバンピング３０３が基材３０１の表面３０１ａ上に形成され、それぞれバンピング３０３は基材３０１の表面３０１ａと非平角（ｎｏｎ−ｓｔｒａｉｇｈｔ  ａｎｇｌｅ）θを形成することができ、バンピング３０３は集合して基材３０１の表面３０１ａ上にグリッド構造３０４を画定することができる。
【００２１】
本開示のある実施形態では、基材３０１は可撓性または剛性の金属板であってよい。エネルギーの集束ビーム３０２はレーザービームであってよい。この実施形態では、金属基材上にグリッド構造３０４が形成されるように、Ｆｅ系非晶質軟磁性粒子２０４の焼結または溶融を行うために、２００Ｗ〜３４０Ｗの範囲の平均出力、１５００ミリメートル／秒（ｍｍ／ｓ）〜４５００ｍｍ／ｓの範囲の走査速度を有するレーザービームが基材３０１の表面３０１ａに向けられる。グリッド構造３０４は、約２センチメートル（ｃｍ）の厚さを有する単層構造または多層層構造であってよい。
【００２２】
続いて、３Ｄグリッド構造３０４に対して熱焼きなましプロセスが行われ（図１に示されるステップＳ４参照）、同時にＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００の製造方法が実施される。本開示のある実施形態では、熱焼きなましプロセスは、空気雰囲気中、０．５時間（ｈｒ）〜２時間の範囲の処理時間および３００℃〜６００℃の範囲の焼きなまし温度で行われる。
【００２３】
Ｆｅ系非晶質軟磁性粒子２０４、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００は、３Ｄの寸法を有するだけでなく、Ｆｅ系非晶質軟磁性粒子２０４とは異なる磁束（Ｂｓ）、Ｈｃ、および抵抗などの電磁気的性質も有する。本開示のある実施形態では、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００は、１．３テスラ（Ｔ）〜１．７Ｔの範囲の磁束（Ｂｓ）、８Ａ／ｍ〜１６Ａ／ｍの範囲のＨｃ、および約２００μΩ−ｃｍの抵抗を有することができる。
【００２４】
本開示の方法によって作製される種々の原子％を有するＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００の複数の実施形態、ならびにそれらの磁束（Ｂｓ）、保磁力（Ｈｃ）、および抵抗を表２に列挙する。
【００２５】
【表２】
2018082159.tif 000004
【００２６】
Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００（表２に記載）とＦｅ系非晶質軟磁性粒子２０４（表１に記載）とを比較すると、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００とＦｅ系非晶質軟磁性粒子２０４とは、同一の磁性材料でできているにもかかわらず、異なる磁束（Ｂｓ）、保磁力（Ｈｃ）、および抵抗を有し、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００は、Ｆｅ系非晶質軟磁性粒子２０４よりも高い磁束（Ｂｓ）、高い抵抗、および低い保磁力を有することを示すことができる。
【００２７】
これらの前述の実施形態において、実施形態４（Ｆｅ77Ｃｏ3Ｐ10Ｂ4Ｓｉ6を含む）は、磁気モーター装置の鉄心の製造に最も適した電磁気的性質（磁束（Ｂｓ）、保磁力（Ｈｃ）、および抵抗）を有する。図４は、本開示の一実施形態によるＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００を採用した鉄心を有する磁気モーター装置４００を示す断面図である。この実施形態では、磁気モーター装置４００は、ステーター鉄心４０１、ローター４０２、および回転シャフト４０３を含む軸方向磁束モーター装置であってよい。ステーター鉄心４０１は、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００によって構成される円板状構造であり、台座４０４上にしっかりと固定される。ローター４０２は、ステーター鉄心４０１とのシースとして機能する円板状鉄カバー４０２ａ、および円板状鉄カバー４０２ａとステーター鉄心４０１との間に配置された磁石４０２ｂを含む。ローター４０２は、台座４０４において同軸で回転可能に組み立てられステーター鉄心４０１を貫通する回転シャフト４０３に接続される。外部の電線（図示せず）からの外部電流がステーターコイル（図示せず）を通って磁界が形成されると、ステーター鉄心４０１は電磁石として機能することができ、回転シャフト４０３は、ステーター鉄心４０１と磁石４０２ｂとの間で発生する磁力によって駆動して同軸回転することができる。
【００２８】
Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００によって構成されるステーター鉄心４０１と、冷間圧延ケイ素鋼およびＦｅ系非晶質軟磁性の薄い鋳造ストリップによってそれぞれ構成される鉄心である異なる比較実施形態１および２（表３参照）とを比較することで、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００によって構成されるステーター鉄心４０１は、冷間圧延ケイ素鋼板およびＦｅ系非晶質軟磁性の薄い鋳造ストリップによってそれぞれ構成される鉄心よりも高い磁束（Ｂｓ）、高い抵抗、および低い保磁力を有することを示すことができる。
【００２９】
【表３】
2018082159.tif 000005
【００３０】
さらに、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００は２ｃｍを超える厚さの３Ｄグリッド構造３０４を有するので、Ｆｅ系非晶質軟磁性の薄い鋳造ストリップよりも高い破壊靱性および機械的応力抵抗性を有する。言い換えると、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００は、より複雑な構造を有する装置の製造に適したより良好な加工性を有することができ、それによってＦｅ系非晶質軟磁性成分の用途範囲を広げることができる。本開示の一実施形態では、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金１００は約９５０Ｈｖの硬度および約２８００ＭＰａの引張強度を有することができる。
【００３１】
本開示の実施形態によると、Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金およびその製造方法が提供される。霧化プロセスによって、高い真円度を有する複数のＦｅ系非晶質軟磁性粒子が作製される。次にＦｅ系非晶質軟磁性粒子は、焼結または溶融が行われて、３Ｄ構造を有するＦｅ系非晶質軟磁性バルク合金が形成され、それによって、バルク構造を形成するためにその厚さが増加することで、Ｆｅ系非晶質軟磁性成分の加工性を顕著に改善することができ、それによってＦｅ系非晶質軟磁性成分の用途範囲を広げることができる。Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金が磁気モーター装置の鉄心の製造に採用される場合、磁性鉄心の磁束（Φ＝Ｂｓ）および抵抗を増加させながら、磁性鉄心のＨｃおよび磁気モーター装置の渦電流損を減少させることができる。
【００３２】
本発明を例として好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明がそれらに限定されるものではないことを理解すべきである。それどころか、種々の修正、ならびに類似の配置および手順を含むことが意図され、したがって添付の請求項の範囲は、すべてのそのような修正、ならびに類似の配列および手順が含まれるように最も広い解釈がなされるべきである。
【符号の説明】
【００３３】
Ｓ１  ステップ
Ｓ２  ステップ
Ｓ３  ステップ
Ｓ４  ステップ
１００  Ｆｅ系非晶質軟磁性バルク合金
２０１  溶融溶液
２０２  流体
２０３  液滴
２０４  粒子
２０５  インターガス流
３０１  基材
３０１ａ  表面
３０２  エネルギーの集束ビーム
３０３  バンピング
３０４  グリッド構造
３０５  レーザー走査経路
４００  磁気モーター装置
４０１  ステーター鉄心
４０２  ローター
４０２ａ  鉄カバー
４０２ｂ  磁石
４０３  回転シャフト
４０４  台座
【図１】
2018082159.tif 000006
【図２Ａ】
2018082159.tif 000007
【図２Ｂ】
2018082159.tif 000008
【図３】
2018082159.tif 000009
【図４】
2018082159.tif 000010