(57)【要約】【課題】ガラスフィラの含有量を低減したコアケース等、硬度の低いコアケースに適用可能で、且つ磁気特性の変化を生じ難い巻磁心、および該巻磁心を用いることで製造コストを低減したコイル及びその製造方法を提供する。【解決手段】軟磁性合金薄帯を巻き回し、含浸してなる巻磁心であって、軟磁性合金薄帯の占積率が７０〜９０％、空隙部の樹脂充填率が０．１〜２０％である巻磁心。巻磁心はコアケースに挿入し、該コアケースに巻線してコイルとする場合、コアケースは樹脂とガラスフィラの混合体であり、前記ガラスフィラの混合率が１５ｖｏｌ％以下であることが好ましい。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性合金薄帯を巻き回し、含浸してなる巻磁心であって、軟磁性合金薄帯の占積率が７０〜９０％、空隙部の樹脂充填率が０．１〜２０％であることを特徴とする巻磁心。
【請求項２】
軟磁性合金薄帯はナノ結晶軟磁性合金であることを特徴とする請求項１に記載の巻磁心。
【請求項３】
請求項１または２に記載の巻磁心をコアケースに挿入し、該コアケースに巻線してなることを特徴とするコイル。
【請求項４】
コアケースは樹脂とガラスフィラの混合体であり、前記ガラスフィラの混合率が１５ｖｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のコイル。
【請求項５】
占積率が７０〜９０％となるよう軟磁性合金薄帯を巻き回した巻磁心を、大気圧に対し−０．０５〜０ＭＰａの圧力下で粘度が０．３〜１０ｍＰａ・ｓ以下の樹脂中に１〜１２０ｓ浸漬することを特徴とする巻磁心の製造方法。
【請求項６】
樹脂充填率を０．１〜２０％とすることを特徴とする請求項５に記載の巻磁心の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コモンモードチョークコイル等に用いられるインダクタンスが高く、強度に優れる超急冷薄帯からなる巻磁心、これを用いてなるコイル及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パワー半導体デバイスの高性能化に伴うインバータの高周波数化により、電流・電圧制御能力の向上や騒音・振動の抑制が可能となる反面、インバータが発生するコモンモード電圧に起因する高周波漏れ電流や、モータの軸電圧などが問題になっている。
その抑制には、従来よりコモンモードチョークコイルが用いられており、その磁心としてフェライトの他にアモルファス合金、ナノ結晶軟磁性合金等の金属磁性材料が用いられてきた。
【０００３】
アモルファス合金、ナノ結晶軟磁性合金を用いる場合には、これらの合金を単ロール法などにより薄帯として製造し、薄帯を層状に巻回してなる巻磁心として用いられることが一般的である。巻磁心では、磁気特性の向上のために層間絶縁を確実に行うことが重要である。層間絶縁を行う簡便な方法として、薄帯を巻回して巻磁心とする際に、巻回した薄帯間に空隙が出来るように緩く巻回すことが行われる。しかし薄帯間に空隙を設けて巻回したままでは、巻磁心使用時に外部からの応力により容易に薄帯が変形し、隣接する薄帯同士が接触して層間絶縁を確保できなくなる。また、特にナノ結晶軟磁性合金は脆いので変形して層間絶縁を確保できないのみならず、破断する場合もある。
そのためこのような巻磁心では、薄帯間の空隙部に樹脂を含浸し、樹脂により層間絶縁を確保するか、または外部からの応力により容易に変形しない十分な強度を有するコアケースに入れて用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
樹脂にて含浸する場合は、樹脂が巻磁心を構成する薄帯の各層間に充填されるとともに、巻磁心周囲を被覆する。その為、磁歪の大きいアモルファス合金のみならず、磁歪が十分に小さいナノ結晶軟磁性合金の場合においても樹脂での層間充填、被覆により生じた応力により、磁気特性が変化してしまう問題を生じている。
【０００５】
巻磁心を強固なコアケースに入れて使用する場合には、応力による磁気特性の変化は生じない。しかしながら製造コストが高くなる問題がある。これは、巻線による変形に耐えうるだけの硬度を付与するためには、一般にコアケースにガラスフィラを混入するが、このガラスフィラが高価であるためである。ガラスフィラの含有量を低くすることで製造コストを低減することが出来るが、この場合コアケース硬度が不足し、内部に収めた巻磁心を圧迫して磁気特性を変化させる問題を生じる。
【０００６】
本発明の目的は、ガラスフィラの含有量を低減したコアケース等、硬度の低いコアケースに適用可能で、且つ磁気特性の変化を生じ難い巻磁心、および該巻磁心を用いることで製造コストを低減したコイル及びその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記従来技術の問題点について検討した結果、樹脂で含浸を行う場合であっても、薄帯間の空隙への樹脂充填率を制御することにより、応力に起因する磁気特性の劣化を抑制できることを見いだし、本発明に到達した。
すなわち本発明は、軟磁性合金薄帯を巻き回し、含浸してなる巻磁心であって、軟磁性合金薄帯の占積率が７０〜９０％、空隙部の樹脂充填率が０．１〜２０％である巻磁心である。
軟磁性合金薄帯はナノ結晶軟磁性合金であることが好ましい。
さらに上記の巻磁心をコアケースに挿入し、該コアケースに巻線してなるコイルである。この際コアケースは樹脂とガラスフィラの混合体であり、前記ガラスフィラの混合率が１５ｖｏｌ％以下であることが好ましい。
【０００８】
また、もう一つの本発明は、占積率が７０〜９０％となるよう軟磁性合金薄帯を巻き回した巻磁心を、大気圧に対し−０．０５〜０ＭＰａの圧力下で粘度が０．３〜１０ｍＰａ・ｓ以下の樹脂中に１〜１２０ｓ浸漬する巻磁心の製造方法である。この際、樹脂充填率を０．１〜２０％とすることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上述したように、本発明の巻磁心の重要な特徴は薄帯間の空隙部への樹脂充填率を制御することである。以下に本発明について詳細に述べる。
まず、本発明の巻磁心では軟磁性合金薄帯の占積率は７０〜９０％とする。
本発明で軟磁性合金薄帯の占積率とは、巻軸を含む面で巻磁心を切断し、切断面を観察した際の全断面積（巻磁心の表面に付着した樹脂を除く）Ｓｔｏｔａｌと軟磁性合金薄帯の断面積Ｓｒｉｂｏｎから算出する両者の体積割合、Ｓｒｉｂｏｎ／Ｓｔｏｔａｌである。この占積率が７０％未満では、同一巻磁心寸法で比較した場合の巻磁心の有効断面積が少なくなり、寸法と対比した場合に必要とされる磁気特性を満足することができなくなってしまう。７０％以上であれば、十分な有効断面積を確保することができるため、要求される磁気特性を満たすことができ、軟磁性合金薄帯が本来有する優れた磁気特性を生かすことができる。
【００１０】
一方、占積率を高くしすぎると、樹脂で含浸を行った場合でも層間の絶縁が困難となり、磁気特性が劣化する。磁気特性の劣化は、特に１００ｋＨｚを超える周波数で使用する場合に顕著となる。これは、樹脂の含浸により確実な層間絶縁を達成するには、巻磁心の内部まで樹脂が分散していることが好ましいが、軟磁性合金薄帯の占積率を高くしすぎると、樹脂を磁心の内部まで分散させることが困難となるからである。
軟磁性合金薄帯の占積率が９０％以下であれば、巻磁心の内部まで樹脂を分散させることが容易となり、確実な層間絶縁を達成することが出来る。よって樹脂の進入経路を確保する為、本発明では軟磁性合金薄帯の占積率は９０％以下とする。
【００１１】
本発明では空隙部の樹脂充填率は、０．１〜２０％とする。
本発明で空隙部の樹脂充填率とは、巻磁心の層間に形成した空隙部において樹脂が占める体積割合であり、巻軸を含む面で巻磁心を切断し、切断面を観察した際の全断面積（巻磁心の表面に付着した樹脂を除く）Ｓｔｏｔａｌ、軟磁性合金薄帯の断面積Ｓｒｉｂｏｎ、巻回した軟磁性合金薄帯の間に存在する樹脂の断面積Ｓｒｅｓｉｎから、Ｓｒｅｓｉｎ／（Ｓｔｏｔａｌ−Ｓｒｉｂｏｎ）として算出する値である。
【００１２】
図１に空隙部の樹脂充填率を０．１〜２０％とした本発明の巻磁心の模式図を示す。図１（ａ）は巻磁心１の全体図、図１（ｂ）は断面形態を示す模式図である。
樹脂充填率が０．１％以上であれば、巻線時の応力等に起因する外部からの多少の応力がかかった場合でも、層間で硬化している樹脂３によりの隣在する軟磁性合金薄帯２間での絶縁が確実に確保される。そのため、巻線を施してコイルとする際に、ガラスフィラの含有量を低減した硬度の低いコアケースを適用して製造コストを低減することが可能となる。
【００１３】
一方、２０％を越えると層間の樹脂３の応力が大きくなり磁気特性が劣化してしまう。樹脂充填率を２０％以下とすることにより、劣化のない安定した磁気特性を得ることができる。また、巻磁心をコイル等として用いた場合、磁歪により巻回された薄帯自体の体積にも変化を生じる。層間の樹脂充填率が高すぎると、この体積変化に起因して生じる応力を緩和することが出来ず、巻磁心の磁気特性を劣化させる。樹脂充填率が２０％以下であれば、残りの空隙部４は磁歪による体積変化を逃がすための遊びとして十分機能する為、巻磁心の使用時に生じ得る磁気特性の劣化を低減することも出来る。
なお、樹脂充填率は０．５〜５％であることがより好ましい。
【００１４】
本発明に用いられる軟磁性材料は、ナノ結晶軟磁性合金を用いることが好ましい。ナノ結晶軟磁性合金では、Ｆｅ系アモルファス合金とくらべて低磁歪を達成することが可能であり、含浸による磁気特性の劣化を低く抑えることが出来るからである。ナノ結晶軟磁性合金としては、例えば特公平４−４３９３号公報等に開示される合金がある。これらはＦｅ系の合金溶湯を急冷凝固してアモルファス合金薄帯とし、得られたアモルファス合金薄帯を結晶化温度近傍の温度で熱処理し、組織の５０％以上が平均結晶粒径１００ｎｍ以下のような微細な結晶組織に調整することにより得られるものである。
【００１５】
含浸した巻磁心はコアケースに装入した後、巻線を行う。これは直接巻磁心に直接巻線を施してコイルとした場合、含浸後の巻磁心のエッジにより電線にキズが発生したり、含浸した巻磁心のエッジが十分樹脂で被覆されていない等の絶縁上の不具合が発生したりするなどして、そのまま使用すると火災などの重大な事故につながる可能性があるためである。
この際、本発明の巻磁心では硬度の低いコアケースを用いて製造コストの低減を図ることが可能である。この場合、コアケースは樹脂とガラスフィラの混合体であり、前記ガラスフィラの混合率は１５ｖｏｌ％以下とすることが好ましい。
【００１６】
既に述べたように、通常、巻磁心を収納するコアケースは、巻線による変形に耐えうるだけの硬度を付与するためガラスフィラが混入されており、一般にガラスフィラの含有率は３０％程度である。ガラスフィラにより十分な硬度をコアケースに付与することで、巻線による応力がコアケース内部の巻磁心に影響しないようにしている。
本発明の巻磁心は適度に含浸されている為、巻線により発生する程度の応力では容易には変形しない。よって、硬度の低いコアケースを用いることができる。ガラスフィラの混合率を１５ｖｏｌ％以下に下げることにより低コストの実現が可能である。
【００１７】
加えて、ガラスフィラの含有量を１５ｖｏｌ％以下とすることでガラスフィラのコストを低減することのみならず、コアケースの成型に用いる金型の交換頻度を低減することができ、含有率３０％の時と比較してショット数で１００ｋ〜２００ｋショット延ばすことができる。よって、原料費、設備費の両面からコアケース１個あたりのコストを低減できる。
尚、本発明でガラスフィラとは樹脂の強化材としてのグラスファイバである。
【００１８】
以上に述べた本発明の巻磁心は樹脂を含浸する際に、含浸時の圧力、樹脂の粘度、樹脂への浸漬時間を適度な条件となるよう組み合わせることにより製造することができる。
安価に製造するためには浸漬時間は短い方が効率的であり、数分以内に抑えることが好ましい。本発明は、薄帯間の空隙への樹脂充填率を１〜１２０ｓという短時間の浸漬時間を、占積率が７０〜９０％となるよう軟磁性合金薄帯を巻き回した巻磁心を、大気圧に対し−０．０５〜０ＭＰａの圧力下で粘度が０．３〜１０ｍＰａ・ｓ以下の樹脂中に浸漬することにより達成するものである。
【００１９】
樹脂を浸漬する際の圧力は、低すぎると溶媒が著しく気化してしまう。気化による溶媒の消費を抑え、作業効率を上げるためには大気圧に対し−０．０５ＭＰａ以上が望ましい。逆に大気圧より高いと加圧されてしまい、層間の空気が押し出されず、樹脂の層間への進入を妨げてしまう。よって、含浸時の圧力としては、大気圧に対し−０．０５ＭＰａ〜０ＭＰａが好ましい。
【００２０】
樹脂の粘度は、層間への樹脂の進入し易さに影響を与える。０．３ｍＰａ・ｓ未満では樹脂が層間へ進入しやすいため、樹脂充填率を０．１〜２０％とすることが困難である。一方、１０ｍＰａ・ｓより高いと、逆に層間に樹脂が十分に入らない。０．３〜１０ｍＰａ・ｓの範囲とすることによって、上記の圧力、含浸時間による充填率の制御が容易となる。
本発明で使用する樹脂としては、エポキシ系、ポリイミド系等考えられるが、耐熱性、温度特性の点でエポキシ系が好ましい。
【００２１】
【実施例】
以下本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施例１）
組成Ｆｅ−１Ｃｕ−２．５Ｎｂ−１３．５Ｓｉ−　７Ｂ、幅１２．５ｍｍ、厚さ１８μｍのアモルファス合金薄帯を、外径２５ｍｍ、内径１５ｍｍ、占積率が７５〜８０％に巻回した。これを窒素雰囲気中５８０℃で１時間熱処理を行い、組織の５０％以上が平均結晶粒径１００ｎｍ以下の結晶組織を有するナノ結晶合金薄帯とした。昇温速度は４℃／ｍｉｎ、冷却速度は３℃／ｍｉｎとした。
【００２２】
次にアセトンを溶媒とした粘度０．５ｍＰａ・ｓのエポキシ樹脂中に巻磁心を大気圧下で浸漬し、１５０℃で樹脂を硬化させ本発明の巻磁心とした。その際、浸漬時間をかえることによって樹脂充填率を調整し、０．１〜２０％の範囲で樹脂充填率の異なる巻磁心Ｎｏ．１〜３を作製した。
また比較例として、樹脂充填率が２０％より大、及び０．１％未満の巻磁心を上記と同様の方法で作製し、巻磁心Ｎｏ４、５とした。表１に各試料の樹脂充填率を示す。
更にそれぞれの巻磁心をガラスフィラの混合率が０．５％の樹脂製コアケースに入れ巻線を施しコイルとした。
【００２３】
以上の巻磁心Ｎｏ．１〜５について、樹脂含浸前後でのインダクタンス、及びコアケース装入、巻線前後でのインダクタンスを測定し、巻磁心の磁気特性における樹脂充填率の影響を調査した。インダクタンスは、１００ｋＨｚ　０．５Ａ／ｍの条件でＬＣＲメータにて測定した。結果をそれぞれ表１、２に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
【表２】
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【００２６】
表１に示すように樹脂充填率が高いＮｏ．４の巻磁心では、含浸後に磁気特性が大きく劣化するのに対し、樹脂充填率が２０％以下のＮｏ．１〜３の巻磁心では磁気特性の劣化が抑えられている。本発明であるＮｏ．１〜３の巻磁心で磁気特性の劣化が小さいのは、層間で硬化している樹脂によるナノ結晶合金薄帯への応力が小さい為と考えられる。
【００２７】
次に、表２に示す巻線前後での磁気特性の劣化を見ると、樹脂の充填率が０．１％未満であるＮｏ．５の巻磁心のみ、Ｎｏ．１〜４の巻磁心と比べて磁気特性が著しく劣化している。これはガラスフィラの混合率が低く、硬度の低いコアケースを用いている場合、巻線後にはコアケース内の巻磁心に応力が発生することになるが、樹脂充填率が０．１％未満の場合、この応力により巻磁心が変形し、層間絶縁を維持できない為と考えられる。樹脂充填率が０．１％以上となるように含浸したＮｏ．１〜４の巻磁心では、巻線により応力が発生しても層間絶縁が維持され、磁気特性の劣化が抑えられている。
最終的な磁気特性である、巻線後のインダクタンスの測定値で比較すると、層間で硬化している樹脂の応力、巻線による応力のどちらの作用も最小限に抑えている本発明Ｎｏ．１〜３で優れた特性を示している。
【００２８】
（実施例２）
実施例１と同様のアモルファス合金薄帯を用い、同様の方法で巻磁心を作製した。この際の占積率、圧力、樹脂粘度、浸漬時間を変化させ、これらのパラメータの樹脂充填率への影響の比較を行った。
前記パラメータの異なる条件による樹脂充填率を表３に示す。
【００２９】
【表３】
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【００３０】
表３に示すように本発明の巻磁心の製造方法によれば樹脂充填率０．１〜２０％を実現することができる。Ｎｏ．６は占積率と樹脂粘度が低く層間に樹脂が入りやすい状態で長時間浸漬する条件であり、Ｎｏ．７は占積率と樹脂粘度が高く層間に樹脂が入りにくい状態で短時間浸漬する条件である。よってＮｏ．６とＮｏ．７の間の条件であれば樹脂充填率０．１〜２０％を実現できることが確認できる。
また、Ｎｏ．１１の樹脂充填率はＮｏ．１０よりも大きく、大気圧以下の圧力下でコアを樹脂中に浸漬することで、同一浸漬時間でも樹脂充填率を向上できることを確認できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、含浸時の応力による巻磁心の特性の変化を抑えながらコイル巻線時の応力にも耐えうる層間絶縁を達成するという相反した課題を解決することができ、更にその巻磁心に巻線を施すことによって、安価で高性能なコイルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の巻磁心の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１．巻磁心、２．軟磁性合金薄帯、３．樹脂、４．空隙部
【図１】
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