EP4769455A1

EP4769455A1 - Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen werkstoff, kern eines magnetfeldempfindlichen bauelements aus dem schichtmaterial und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: EP4769455A1
Application number: EP24220811.4A
Authority: EP
Inventors: Erfindernennung liegt noch nicht vor Die
Original assignee: Magnetec GmbH
Current assignee: Magnetec GmbH
Priority date: 2024-12-17
Filing date: 2024-12-17
Publication date: 2026-07-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Schichtmaterial (1) aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, zur Herstellung eines Kerns (3) eines magnetfeldempfindlichen Bauelements, insbesondere mit einer Mehrzahl Schichten, wobei das Schichtmaterial dadurch gekennzeichnet ist, dass das Schichtmaterial (1) auf wenigstens einer Seite mit einer Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure ausgeführt ist.

Die vorliegende Erfindung offenbart außerdem einen Kern (3) eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial (1) aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, wobei der Kern (3) des magnetfeldempfindlichen Bauelements dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen wenigstens zwei Schichten des Schichtmaterials (1) eine Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure ausgebildet ist.

Die vorliegende Erfindung offenbart außerdem Verfahren zum Herstellen eines Kerns (3) eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial (1) aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, zur Herstellung eines Kerns eines magnetfeldempfindlichen Bauelements, insbesondere mit einer Mehrzahl Schichten.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein magnetfeldempfindliches Bauelement mit einem Kern mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Kerns eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, umfassend die Schritte Anordnen der Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial unter Bildung des Kerns, und Glühen des Kerns.
Aus dem Stand der Technik sind weichmagnetische Werkstoffe, insbesondere amorphe, weichmagnetische Werkstoffe, weiter insbesondere metallisches Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, bekannt, die beispielsweise in der Elektrotechnik aufgrund ihrer elektromagnetischen Eigenschaften für vielfältige Einsatzbereiche verwendet werden. Anwendungen dafür umfassen beispielhaft die Erfassung oder Messung von Strömen in elektrischen Leitern oder das Filtern von Strömen.
Dazu werden beispielsweise die weichmagnetischen Werkstoffe in dünnen Schichten bereitgestellt und zu Kernen kombiniert, indem die Schichten übereinander angeordnet werden. Weiter beispielhaft können solche Kerne werden mittels Aufwickelns eines sehr dünnen Bandes des weichmagnetischen Werkstoffs hergestellt werden. Beispielsweise können die Schichten des weichmagnetischen Werkstoffs in einem amorphen Zustand vorliegen und in einem anschließendem Glühverfahren in einem speziellen Ofen behandelt werden, wodurch die Kerne eine kristalline oder nanokristalline Struktur annehmen und insgesamt spröde werden können. Dies macht die Handhabung dieser Kerne nach dem Glühen sehr schwierig, da die Lagen der einzelnen Schichten leicht auseinanderbrechen können, was typischerweise die elektrischen Werte und weitere Eigenschaften des Kerns beeinträchtigt. Dieses Problem erschwert nicht nur die Produktion, insbesondere bei größeren Kernen, sondern auch den Transport und die Weiterverwendung dieser Kerne. Beispielsweise kann es vorkommen, dass die Kerne zwischen verschiedenen Produktionsstätten transportiert werden müssen, um beispielsweise Kerne in einer Endanwendung zu vergießen. Für den Transport werden üblicherweise ein Transportgehäuse oder eine spezielle Verpackung verwendet, um die Gefahr von Beschädigungen der Kerne zu reduzieren. Jedoch kann bereits das Ein- und Auspacken der Kerne zu Problemen und Beschädigungen des Kernmaterials führen und damit die Produkteigenschaften beeinträchtigen. Darüber hinaus bestehen hohe Anforderungen an die Reinheit der Kerne, und es gilt Verschmutzungen und Einlagerungen von Fremdkörpern zu vermeiden. Beispielsweise können Verunreinigungen durch kleine Metallpartikel zu Problemen führen können, indem z.B. Beeinträchtigungen der Kriech-/Luftstrecke auftreten oder Kurzschlüsse in einer elektrischen Schaltung entstehen können. Auch solche Verschmutzungen und Einlagerungen können bei der Handhabung der Kerne zum Transport vermehrt auftreten.
Die oben genannten Probleme werden im Stand der Technik beispielsweise durch die Behandlung der Kerne mit verschiedenen Chemikalien, in der Regel Epoxidharzen, gelöst, wobei die Kerne im Vakuum damit imprägniert werden oder die Chemikalien als Beschichtung auf die Schichten des weichmagnetischen Werkstoffs aufgetragen werden. Dies hat beispielsweise Nachteile bei der Produktion, da die Chemikalien zusätzliche Kosten verursachen, die Verarbeitung sehr aufwendig ist und für die Anwendung der Chemikalien spezielle Geräte erforderlich sind. Außerdem sind beispielsweise viele der aktuell dafür verwendeten Epoxidharze mit erheblichen Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsrisiken behaftet.
Eine wichtige Einschränkung in Bezug auf die Anwendung von Epoxidharzen ist, dass die Behandlung mit den Epoxidharzen erst nach dem Glühen der Kerne erfolgen kann, da die Epoxidharze die hohen Temperaturen beim Glühen der Kerne nicht vertragen. Dies bedeutet, dass die Kerne nach dem Glühen zunächst spröde und schwer zu bearbeiten sind, was auch die Formgebung erschwert.
Ein weiterer Nachteil in der Verwendung von Epoxidharzen besteht darin, dass die maximale Betriebstemperatur des Harzes typischerweise niedriger als die des weichmagnetischen Werkstoffs, wodurch die Verwendung eines so behandelten Kerns eingeschränkt sein kann gegenüber nicht mit Epoxidharzen behandelten Kernen.
Allgemein ist es schwierig, die Kerne in gewünschte Formen zu bringen, weshalb die Kerne oftmals in einer einfachen Ringform hergestellt werden. Allerdings wäre es oftmals vorteilhaft, die Kerne in komplexe Geometrien zu bringen, um den Platzbedarf in der Endanwendung zu minimieren oder um bestimmte magnetische Längen und Querschnitte zu gewährleisten.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, zur Herstellung eines Kerns eines magnetfeldempfindlichen Bauelements, insbesondere mit einer Mehrzahl Schichten, bereitzustellen, mit dem die oben genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden werden können. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein solches Schichtmaterial bereitzustellen, welches die Handhabung des Schichtmaterials selbst wie auch die Herstellung eines Kerns eines magnetfeldempfindlichen Bauelements, insbesondere mit einer Mehrzahl Schichten, sowie dessen Handhabung verbessert, insbesondere nach einem Glühen des Schichtmaterials bzw. des Kerns.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Kern eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, bereitzustellen, mit dem die oben genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden werden können. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen solchen Kern mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen Werkstoff bereitzustellen, dessen Handhabung verbessert ist, insbesondere nach einem Glühen des Schichtmaterials bzw. des Kerns.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit ebenfalls die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Kerns eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, umfassend die Schritte Anordnen der Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial unter Bildung des Kerns, und Glühen des Kerns, bereitzustellen, mit dem die oben genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden werden können. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zum Herstellen eines Kerns eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen Werkstoff bereitzustellen, mit dem ein solcher Kern hergestellt werden kann, dessen Handhabung verbessert ist, insbesondere nach einem Glühen des Schichtmaterials bzw. des Kerns.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Schichtmaterial mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Schichtmaterials ist in dem von Anspruch 1 abhängigen Anspruch 2 beschrieben.
Im Genaueren wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch ein Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, zur Herstellung eines Kerns eines magnetfeldempfindlichen Bauelements, insbesondere mit einer Mehrzahl Schichten, gelöst.
Der erfindungsgemäße Schichtmaterial ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtmaterial auf wenigstens einer Seite mit einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure ausgeführt ist.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem durch einen Kern eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kerns des magnetfeldempfindlichen Bauelements sind in den von Anspruch 3 abhängigen Ansprüchen 4 bis 6 beschrieben.
Im Genaueren wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch einen Kern eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, gelöst.
Der erfindungsgemäße Kern des magnetfeldempfindlichen Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei Schichten des Schichtmaterials eine Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure ausgebildet ist.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 oder des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der entsprechenden Verfahren sind in den von den Ansprüchen 7 bzw. 8 abhängigen Ansprüchen 9 bis 16 beschrieben.
Im Genaueren wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kerns eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, umfassend die Schritte

Anordnen der Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial unter Bildung des Kerns, und
Glühen des Kerns,
gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist einerseits dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende zusätzliche Schritte umfasst zum

Herstellen einer Wasserglaslösung;
Einbringen der Wasserglaslösung zwischen wenigstens zwei der Schichten des Kerns, und zum
Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist alternativ dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende zusätzliche Schritte umfasst zum

Herstellen einer Wasserglaslösung;
Aufbringen der Wasserglaslösung auf wenigstens einer Seite des Schichtmaterials, und zum
Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure.

In der Praxis hat sich herausgestellt, dass die Kieselsäureschicht aus der wasserunlöslichen Kieselsäure die Eigenschaften des Schichtmaterials dahingehend beeinflusst, dass die Kombination des Schichtmaterials mit der Kieselsäureschicht weniger spröde ist und entsprechend weniger zum Brechen neigt. Die Kombination des Schichtmaterials mit der Kieselsäureschicht führt gegenüber der Verwendung von Schichtmaterial ohne Kieselsäureschicht zu einer insgesamt erhöhten Stabilität. Dabei werden die elektromagnetischen Eigenschaften im Wesentlichen durch das Schichtmaterial selbst bestimmt. Eine Beeinträchtigung der elektromagnetischen Eigenschaften durch die Kieselsäureschicht ist nur gering. Dies gilt bereits für das Schichtmaterial selbst, d.h. vor der Bildung des Kerns. Entsprechend kann das Schichtmaterial mit der Kieselsäureschicht einfach zu einem Kern verarbeitet werden. Dies gilt jedoch auch für den fertigen Kern mit der Mehrzahl Schichten des Schichtmaterials.
Dabei ist es prinzipiell unerheblich, zu welchem Zeitpunkt die Kieselsäureschicht aufgebracht oder eingebracht wird. Für den fertigen Kern ist lediglich das Vorhandensein der Kieselsäureschicht(en) relevant. Bereits das Vorhandensein einer Kieselsäureschicht zwischen zwei Schichten des Schichtmaterials kann dazu führen, dass der Kern insgesamt weniger spröde ist und entsprechend weniger zum Brechen neigt. Vorteilhaft ist jedoch zwischen mehreren der Schichten und besonders bevorzugt zwischen allen Schichten des Kerns eine entsprechende Kieselsäureschicht ausgebildet, wodurch die Eigenschaften des Kerns weiter verbessert werden.
Für die Verfahren gilt entsprechend, dass die Wasserglaslösung vor dem Herstellen des Kerns durch das Anordnen der Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial auf das Schichtmaterial aufgetragen werden kann, oder der Kern wird zunächst wie im Stand der Technik aus dem Schichtmaterial gefertigt, und die Wasserglaslösung wird danach zwischen wenigstens zwei der Schichten des Kerns eingebracht. Durch das Trocknen der Wasserglaslösung verkieselt diese, und es bildet sich die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure.
Durch die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure auf bzw. zwischen den Schichten des Schichtmaterials können im Ergebnis feste Kerne hergestellt werden, die mechanisch stabil sind. Die Kerne sind gegenüber dem Stand der Technik weniger spröde, wodurch das Brechen von Schichten während der Herstellung, Verpackung und Transport der Kerne reduziert wird. Andererseits werden auch Probleme mit der technischen Sauberkeit verhindert, d.h. die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure verhindert Verschmutzungen und das Eindringen von Fremdkörpern.
Die Kieselsäureschicht ist außerdem sehr einfach und kostengünstig auszubilden, beispielsweise durch das Aufbringen bzw. Einbringen und das anschließende Trocknen von Wasserglaslösung. Werden die Alkali-Kationen des Wasserglases von den negativ geladenen SiO-Gruppen chemisch entfernt, beginnt sich Kieselsäure zu bilden. Die ausfallende Kieselsäure liegt zunächst in amorpher Form vor, bevor sie irreversibel in ihren kristallinen Zustand übergeht. Irreversibel heißt, dass durch Zugabe von Wasser zur Kieselsäure nicht wieder Wasserglas entsteht.
Ein weiterer Vorteil der Kieselsäureschicht besteht darin, dass die Kieselsäureschicht sehr temperaturbeständig ist und hohe Temperaturen verträgt, wie sie beim Glühen der Kerne auftreten können. Daher kann die Kieselsäureschicht wie im Stand der Technik üblich nach dem Glühen der Kerne bzw. des Schichtmaterials aufgebracht werden, oder auch vor dem Glühen der Kerne bzw. des Schichtmaterials. Somit können die Kerne bereits unmittelbar nach dem Glühen, wenn sie im Stand der Technik zunächst spröde und schwer zu bearbeiten sind, einfach gehandhabt werden, beispielweise zum Transport oder zum Verpacken.
Weiter vorteilhaft wird durch die Temperaturstabilität der Kieselsäureschicht, die üblicherweise im Bereich des maximalen Betriebstemperatur des weichmagnetischen Werkstoffs oder darüber liegt, die Verwendung des Kerns gegenüber unbehandelten Kernen durch die Kieselsäureschicht nicht eingeschränkt.
Ein weiterer Vorteil eines solchen Kerns besteht darin, dass die Kerne eine so große Stabilität aufweisen können, dass die Kerne in gewünschte Formen gebracht werden können durch eine nachträgliche Formgebung. Dadurch kann der Platzbedarf in der Endanwendung minimiert werden, oder bestimmte magnetische Längen und Querschnitte können gewährleistet werden. Insbesondere vor dem Glühen, wenn das Schichtmaterial und damit auch die Kerne leicht zu bearbeiten sind, können die Kerne mit der Kieselsäureschicht leicht geformt und anschließend gehärtet werden. Dies gilt insbesondere, wenn sich das Schichtmaterial vor dem Glühen noch in einem amorphen Zustand befindet, in dem es nicht spröde und somit leicht zu handhaben ist, und erst im Anschluss durch das Glühen in einen kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand übergehen. Nach dem Glühen bleiben die Kerne durch die Kieselsäureschicht hart und stabil. Dies kann dazu führen, dass die Kerne sogar ohne spezielle Transportgehäuse und -verpackungen transportiert werden können.
Wenn der Kern bereits gebildet ist, kann die Wasserglaslösung beispielsweise aufgrund der Kapillarwirkung zwischen den wenigstens zwei der Schichten des Kerns eindringen. Das Einbringen der Wasserglaslösung kann also erfolgen, indem die Wasserglaslösung von außen auf einen Randbereich des Kerns aufgebracht wird, und von dort aus zwischen den Schichten eindringt.
Als Kieselsäuren werden die Sauerstoffsäuren des Siliciums bezeichnet. Die einfachste Kieselsäure ist Monokieselsäure (Orthokieselsäure) Si(OH)4 oder auch H₄SiO₄. Allgemeine Summenformel aller Kieselsäuren ist H_2n+2Si_nO_3n+1. Als Summenformel wird typischerweise SiO₂ · n H₂O angegeben. Die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure basiert daher typischerweise auf Siliziumdioxid (SiO₂), welches beispielsweise in einem amorphen Zustand vorliegen kann. Die wasserunlösliche Kieselsäure verbleibt beispielsweise nach dem Trocknen von Wasserglaslösung, wobei das Trocknen von Wasserglaslösung ein irreversibler Prozess ist, d.h. nach dem Trocknen kann die Kieselsäureschicht nicht wieder durch Wasser gelöst werden. Auch kann die Kieselsäureschicht durch Zugabe von Wasser nicht wieder in Wasserglas überführt werden.
Das Schichtmaterial ist vorzugsweise in der Form von Blechen oder Bändern bereitgestellt und kann in Übereinstimmung mit den weiteren Ausführungen zu dem Kern und den Verfahren zu Herstellung des Kerns beispielsweise den weichmagnetischen Werkstoff in geglühter oder ungeglühter Form aufweisen.
Die Schichtdicke des Schichtmaterials kann mindestens 5 µm, insbesondere mindestens 10 µm, und/oder höchstens 200 µm, insbesondere höchstens 100 µm, bevorzugt höchstens 25 µm betragen. Besonders bevorzugt beträgt die Schichtdicke 14 bis 24 µm, insbesondere etwa 20 µm.
Der Kern kann mit einer unterschiedlichen Anzahl Schichten des Schichtmaterials gebildet werden. Die Anzahl der Schichten kann insgesamt mindestens 100, insbesondere mindestens 250, bevorzugt mindestens 400, und/oder höchstens 1.500, insbesondere höchstens 1.000, bevorzugt höchstens 600 betragen. Besonders bevorzugt umfasst der Kern etwa 500 Schichten.
Unter einem "weichmagnetischen Werkstoff" wird ein Stoff verstanden, welcher sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lässt. Vorzugsweise weist ein weichmagnetischer Stoff eine Koerzitivfeldstärke von weniger oder gleich 1.000 A/m auf.
Der weichmagnetische Werkstoff kann insbesondere ein amorpher weichmagnetischer Stoff sein, insbesondere ein metallisches Glas, das bevorzugt eine nanokristalline Struktur aufweist.
Vorzugsweise ist der weichmagnetische Werkstoff eine Legierung aufweisend Eisen, Nickel und/oder Cobalt.
Die für Metalle sehr ungewöhnliche amorphe Atomanordnung ermöglicht vorteilhaft besondere physikalische Stoffeigenschaften. Insbesondere kann durch die Verwendung von metallischem Glas die Koerzitivfeldstärke des magnetfeldempfindlichen Bauelements vorteilhaft reduziert werden und/oder die Permeabilität vorteilhaft erhöht werden.
Unter einem "metallischen Glas" wird eine metallbasierte Legierung eines Stoffes verstanden, welche auf atomarer Ebene keine kristalline, sondern eine amorphe Struktur aufweist und trotzdem metallische Leitfähigkeit als Eigenschaft aufweist. Vorzugsweise kann metallisches Glas neben metallischen Legierungsbestandteilen auch nichtmetallische Legierungsbestandteile aufweisen.
Vorzugsweise kann ein weichmagnetischer Werkstoff folgende atomare Zusammensetzung aufweisen:

[Fe_1-aNi_a]_{100-x-y-z-α-β-γ} CU_xS i_yB_zNb_αM'_βM"_γ

mit a ≤ 0,3, 0, 6 ≤ x ≤ 1,5, 10 ≤ y ≤ 17, 5 ≤ z ≤ 14, 2 < α < 6, β ≤ 7, γ ≤ 8, wobei M' mindestens eines der Elemente V, Cr, Co, Al und Zn ist, wobei M" mindestens eines der Elemente C, Ge, P, Ga, Sb, In und Be ist.
Weiterhin vorzugsweise kann ein weichmagnetischer Werkstoff 73,5 Gew.-% Eisen aufweisen und/oder 1 Gew.-% Kupfer und/oder 3 Gew.-% Niob und/oder 13,5 Gew.-% Silizium und/oder 9 Gew.-% Bor. Zweckmäßig kann ein weichmagnetischer Werkstoff 74,5 Gew.-% Eisen und Kupfer aufweisen, wobei der Kupferanteil kleiner oder gleich 1 Gew.-% beträgt.
Das Aufbringen der Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure auf wenigstens einer Seite des Schichtmaterials kann dabei in Übereinstimmung mit den nachstehenden detaillierten Ausführungen zu den Verfahren zum Herstellen des Kerns erfolgen.
Vorzugsweise wird die Kieselsäureschicht aufgebracht, indem zunächst eine Wasserglaslösung hergestellt wird, die auf die wenigstens eine Seite des Schichtmaterials aufgebracht und dort getrocknet wird, sodass die Wasserglaslösung verkieselt und die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure bildet. Das Aufbringen der Wasserglaslösung kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen, beispielsweise durch Sprühen, Eintauchen oder mit einer Walze, einer Bürste, einem Schwamm oder einem Pinsel.
Die Herstellung des Schichtmaterials mit der Kieselsäureschicht auf wenigstens einer Seite davon kann also beispielsweise erfolgen, indem die Wasserglaslösung auf das Schichtmaterial im ungeglühten Zustand aufgebracht und dort getrocknet wird, oder indem die Wasserglaslösung auf das Schichtmaterial im geglühten Zustand aufgebracht und dort getrocknet wird. Eine weitere Alternative zur Herstellung des Schichtmaterials mit der Kieselsäureschicht auf wenigstens einer Seite davon besteht darin, dass die Wasserglaslösung auf das Schichtmaterial im ungeglühten Zustand aufgebracht und dort getrocknet wird, und das Schichtmaterial nachträglich geglüht wird, insbesondere als Kern.
Bei einer Verwendung des Schichtmaterials zur Herstellung des Kerns des magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial werden für den Kern mehrere Schichten des Schichtmaterials aufeinander angeordnet. Daher ist die Kieselsäureschicht nur auf einer Seite des Schichtmaterials erforderlich, um das Schichtmaterial zur Herstellung eines Kerns zu verwenden, bei dem zwischen allen Schichten des Schichtmaterials eine Kieselsäureschicht angeordnet ist.
In Übereinstimmung mit den nachstehenden detaillierten Ausführungen zu der Ausgestaltung des Kerns und zu den Verfahren zum Herstellen des Kerns, kann die Kieselsäureschicht auf dem Schichtmaterial eine Masse aufweisen, die mehr als 0,001% und weniger als 10% der Masse des Schichtmaterials entspricht, vorzugsweise mehr als 0,005% und weniger als 5% der Masse des Schichtmaterials, besonders bevorzugt mehr als 0,01% und weniger als 1% der Masse des Schichtmaterials, ganz besonders bevorzugt mehr als 0,05% und weniger als 0,5% der Masse des Schichtmaterials.
Das Herstellen einer Wasserglaslösung betrifft ein Herstellen der Wasserglaslösung als wässrige Lösung von Wasserglas. Wasserglas wird oftmals bereits als wässrige Lösung bereitgestellt, wobei das Herstellen der Wasserglaslösung ein Herstellen der Wasserglaslösung mit einer gewünschten Konzentration umfasst, d.h. die bereitgestellte Wasserglaslösung wird in gewünschter Weise mit Wasser verdünnt.
Das Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure betrifft einen Trocknungsprozess, bei dem das Wasser aus der Wasserglaslösung entfernt wird, und sich durch eine sogenannte Verkieselung die entsprechende Kieselsäureschicht ausbildet. Die Kieselsäureschicht umfasst wie oben ausgeführt als Hauptbestandteil Siliziumdioxid und kann weitere Bestandteile enthalten, wie beispielsweise Metallsalze der entsprechenden Wasserglaslösung.
Weiter vorzugsweise ist bei dem Schichtmaterial die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure vollflächig auf der auf wenigstens einen Seite des Schichtmaterials ausgeführt, oder die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure ist derart auf der auf wenigstens einen Seite des Schichtmaterials ausgeführt, dass sie die wenigstens eine Seite des Schichtmaterials nur teilweise bedeckt. Die Ausführung des Schichtmaterials mit der vollflächigen Kieselsäureschicht ist einfach herzustellen und stellt die Eigenschaften des Schichtmaterials mit der Kieselsäureschicht gleichmäßig sicher. Teilweise kann es aber ausreichend sein, wenn die entsprechende Seite des Schichtmaterials nur teilweise bedeckt ist, so dass Kieselsäure eingespart werden kann. Bei einer Ausführung der Kieselsäureschicht, welche die wenigstens eine Seite des Schichtmaterials nur teilweise bedeckt, kann die Kieselsäureschicht beispielsweise in regelmäßigen Mustern darauf aufgebracht sein, beispielsweise in beabstandeten Streifen, oder in einer zufälligen oder quasizufälligen Weise, beispielsweise mit einer Sprühtechnik oder nach der Art von Tropfen.
Weiter vorzugsweise ist bei dem Kern die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure vollflächig zwischen den wenigstens zwei Schichten des Schichtmaterials ausgeführt, oder die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure ist derart zwischen den wenigstens zwei Schichten des Schichtmaterials ausgeführt ist, dass sie nur teilweise zwischen den wenigstens zwei Schichten des Schichtmaterials ausgeführt ist. Die obigen Ausführungen zu der Ausgestaltung des Schichtmaterials mit der Kieselsäureschicht, die vollflächig auf der wenigstens einen Seite des Schichtmaterials ausgeführt ist oder die wenigstens eine Seite des Schichtmaterials nur teilweise bedeckt, gelten entsprechend.
Weiter vorzugsweise ist bei dem Kern die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure eine verkieselte Schicht aus getrockneter Wasserglaslösung, insbesondere basierend auf Kaliumwasserglas, Natriumwasserglas oder Lithiumwasserglas oder einer Mischung davon. Die Mischung kann Kaliumwasserglas und/oder Natriumwasserglas und/oder Lithiumwasserglas in beliebiger Kombination enthalten. Die Verwendung von Wasserglas bzw. einer Wasserglaslösung stellt eine einfache Möglichkeit dar zur Herstellung der Kieselsäureschicht. Wasserglas ist üblicherweise kostengünstig und gut verfügbar und damit gut zur Herstellung der Kieselsäureschicht geeignet. Dabei können die verschiedenen Arten von Wasserglas abhängig von gewünschten Eigenschaften für die Verarbeitung und das fertige Produkt gewählt werden. Kaliumwasserglas und Natriumwasserglas sind sehr kostengünstig verfügbar, während Lithiumwasserglas das teuerste Wasserglas aus der genannten Gruppe ist. Gegenüber Kaliumwasserglas und Natriumwasserglas ist Lithiumwasserglas dünnflüssiger und weist eine niedrigere Viskosität auf, wodurch es bei dem Kern gut zwischen Schichten des Schichtmaterials eindringen und beispielsweise vorhandene Hohlräume vollständig füllen kann. Zudem ist es besonders wasserfest. Bei der Verwendung von Lithiumwasserglas besteht zudem eine geringere Gefahr, dass sich nach dem Trocknen Risse in der Kieselsäureschicht bilden.
Weiter vorzugsweise weist bei dem Kern die Kieselsäureschicht zwischen den wenigstens zwei Schichten des Schichtmaterials eine Masse auf, die mehr als 0,001% und weniger als 10% der Masse des Schichtmaterials des Kerns entspricht, vorzugsweise mehr als 0,005% und weniger als 5% der Masse des Schichtmaterials des Kerns, besonders bevorzugt mehr als 0,01% und weniger als 1% der Masse des Schichtmaterials des Kerns, ganz besonders bevorzugt mehr als 0,05% und weniger als 0,5% der Masse des Schichtmaterials des Kerns. Dabei ist es prinzipiell vorteilhaft, dass die Kieselsäureschicht eine ausreichende Stärke aufweist, damit der Kern mit dem Schichtmaterial mit der Kieselsäureschicht insgesamt eine erhöhte Stabilität aufweist. Andererseits ist es wünschenswert, dass der Kern einen möglichst großen Anteil des Schichtmaterials aus dem weichmagnetischen Werkstoff aufweist, um die elektromagnetischen Eigenschaften des Kerns und damit des magnetfeldempfindlichen Bauelements sicherzustellen und ausnutzen zu können. Eine Beeinträchtigung der elektromagnetischen Eigenschaften durch die Kieselsäureschicht ist in vorteilhafter Weise nur gering. Dies gilt bereits für das Schichtmaterial selbst, d.h. vor der Herstellung des Kerns, wie auch für den fertigen Kern mit der Mehrzahl Schichten. Entsprechend kann das Schichtmaterial mit der Kieselsäureschicht einfach zu einem Kern verarbeitet werden.
Weiter vorzugsweise umfasst bei dem Verfahren das Anordnen der Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial zur Bildung des Kerns ein Wickeln des Schichtmaterials zur Bildung des Kerns. Entsprechend wird das Schichtmaterial beispielsweise als Band bereitgestellt. Auf diese Weise kann der Kern einfach mit der Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial gebildet werden. Die Handhabung des Schichtmaterials ist besonders einfach möglich für das Wickeln, und eine Positionierung des Schichtmaterials muss im Wesentlichen in lateraler Richtung erfolgen, damit die einzelnen Schichten in dem Kern übereinander liegen. In Längsrichtung des Bandes erfolgt die Positionierung des Schichtmaterials automatisch.
Weiter vorzugsweise umfasst bei dem Verfahren das Herstellen der Wasserglaslösung ein Herstellen der Wasserglaslösung als wässrige Wasserglaslösung mit einem Gewichtsanteil von 0,01 % bis 99,9 % Wasserglas an der Wasserglaslösung, vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil von 0,1 % bis 25 % Wasserglas an der Wasserglaslösung, weiter vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil von 1 % bis 10 % Wasserglas an der Wasserglaslösung, besonders bevorzugt mit einem Gewichtsanteil von 3 % bis 7 % Wasserglas an der Wasserglaslösung. Auch wenn die Kieselsäureschicht durch Trocknen der Wasserglaslösung und eine einsetzende Verkieselung ausgebildet wird, kann die Konzentration der Wasserglaslösung sehr wohl einen Unterschied machen für deren Handhabung und das Aufbringen bzw. Einbringen der Wasserglaslösung. Beispielsweise kann die Wasserglaslösung eine unterschiedliche Viskosität aufweisen, was insbesondere für das Einbringen der Wasserglaslösung zwischen wenigstens zwei der Schichten des Kerns relevant ist. Die Viskosität hat unmittelbar eine Wirkung auf den Kapillareffekt zum Einbringen der Wasserglaslösung zwischen den wenigstens zwei Schichten des Kerns.
Die Konzentration der Wasserglaslösung kann dabei beispielsweise abhängig von Abmessungen des herzustellenden Kerns gewählt werden, da die Wasserglaslösung bei größeren Kernen über eine grö-βere Strecke zwischen den Schichten des Schichtmaterials eingebracht werden muss. Daher ist ein verbesserter Kapillareffekt für größere Kerne wünschenswert. Ein weiterer Faktor für die Auswahl der Wasserglaslösung kann dabei beispielsweise ein gewünschter Füllfaktor des Kerns sein, d.h. eine gewünschte Menge der einzubringenden Wasserglaslösung bzw. eine gewünschte Materialmenge für die Kieselsäureschicht. Auch eine Geometrie des Kerns kann relevant sein für die Auswahl der Konzentration der Wasserglaslösung. Eine komplexe Geometrie kann das Eindringen der Wasserglaslösung erschweren, so dass ein verbesserter Kapillareffekt wünschenswert ist. Auch kann die Auswahl der Wasserglaslösung abhängig von Zielwerten für beispielsweise eine gewünschte Kern-Härte oder von elektrischen Eigenschaften des Kerns erfolgen. Durch die Verwendung von Wasserglaslösung mit einer geringeren Konzentration von Wasserglas werden die Auswirkungen auf die elektrischen Werte der Kerne reduziert.
Wassergläser weisen typischerweise Modulwerte zwischen 1,5 und 5 auf, je nach ihrem Gehalt an Siliziumdioxid. Je höher der Modulwert ist, umso viskoser ist das Wasserglas und umso mehr Siliziumdioxid enthält es.
Weiter vorzugsweise wird bei dem Verfahren das Glühen des Kerns zusammen mit dem Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure durchgeführt. Durch die Kombination der Schritte zum Glühen des Kerns und dem Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure kann das Verfahren in effizienter Weise durchgeführt werden. Aufgrund der Eigenschaften von Wasserglas, d.h. der Temperaturstabilität, kann dieses auch hohen Temperaturen ausgesetzt werden, wie sie beim Glühen des Kerns auftreten. Dasselbe gilt in entsprechender Weise für das Glühen des Schichtmaterials zusammen mit dem Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure
Weiter vorzugsweise umfasst das Verfahren einen zusätzlichen Schritt zum Waschen des Kerns, insbesondere mit Wasser, nach dem Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure. Durch das Waschen können außenseitige Verschmutzungen des Kerns entfernt werden. Auch Salzablagerungen durch das Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht können zumindest teilweise entfernt werden. Dies ist vorteilhaft, da die Salze Einfluss auf die elektromagnetischen Eigenschaften des Kerns haben können. Ein geringerer Salzgehalt bewirkt üblicherweise einen geringeren Einfluss auf die elektromagnetischen Eigenschaften des Kerns. Nach dem Waschen des Kerns erfolgt typischerweise ein zusätzlicher Schritt zum Trocknen des Kerns.
Weiter vorzugsweise umfasst bei dem Verfahren das Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure ein Trocknen der Wasserglaslösung mittels Heißluftstrom und/oder durch Erwärmen in einem Ofen. Entsprechende Verfahren können das Trocknen der Wasserglaslösung gegenüber einem Trocknen bei Umgebungstemperatur beschleunigen.
Weiter vorzugsweise umfasst bei dem Verfahren das Einbringen einer Wasserglaslösung zwischen wenigstens zwei der Schichten ein Eintauchen des Kerns in der Wasserglaslösung und/oder ein Besprühen des Kerns mit der Wasserglaslösung und/oder ein Bestreichen des Kerns mit der Wasserglaslösung und/oder ein Eintunken des Kerns in die Wasserglaslösung und/oder Ein Begießen bzw. Übergießen des Kerns mit der Wasserglaslösung. Es existieren verschiedene Möglichkeiten, um die Wasserglaslösung zwischen den wenigsten zwei Schichten des Kerns einzubringen. Das Eintauchen ermöglicht es, dass durch einen Überschuss der Wasserglaslösung diese besonders zuverlässig eingebracht werden kann. Allerdings kann auch durch das Besprühen des Kerns oder ein Bestreichen des Kerns mit der Wasserglaslösung die Wasserglaslösung in geeigneter Weise zwischen den wenigstens zwei Schichten eingebracht werden zur Bildung der Kieselsäureschicht. Da nach dem Bilden des Kerns die Wasserglaslösung nicht mehr unmittelbar auf das Schichtmaterial aufgetragen werden kann, wird die Wasserglaslösung durch einen Kapillareffekt in einen Zwischenraum bzw. Zwischenräume zwischen den wenigstens zwei Schichten eingebracht.
Weiter vorzugsweise umfasst das Verfahren einen zusätzlichen Schritt zum Bewegen des Kerns nach dem Einbringen der Wasserglaslösung zwischen wenigstens zwei der Schichten. Durch das Bewegen des Kerns können vorhandene Luftblasen mit der Wasserglaslösung gefüllt werden. Entsprechend kann in dem Kern verbliebene Luft von der Wasserglaslösung verdrängt werden. Das Bewegen des Kerns ist besonders effektiv, wenn der Kern in der Wasserglaslösung eingetaucht ist, und Wasserglaslösung in den Kern nachfließen kann. Beispielsweise kann der Kern im eingetauchten Zustand in der Wasserglaslösung bewegt werden, bis keine Luftblasen mehr aus dem Kern auftreten. Alternative Schritte wie beispielsweise ein Anregen des Kerns oder der Wasserglaslösung zum Schwingen, beispielsweise mit Ultraschall, können ebenso verwendet werden, um Luft zwischen den Schichten zu Entfernen und das Eindringen der Wasserglaslösung zwischen den Schichten zu verbessern.
Weiter vorzugsweise umfasst das Verfahren einen zusätzlichen Schritt zum Formen des Kerns, insbesondere durch Ausüben einer außenseitigen Kraft auf eine äußere Schicht des Schichtmaterials und/oder durch Verwendung von bestimmten Formen / Lehren. Der Kern mit der Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial und der Wasserglaslösung zwischen den wenigstens zwei Schichten des Kerns ist weniger spröde als die im Stand der Technik verwendeten Kerne, weshalb sich der Kern formen lässt, ohne dass die Schichten auseinanderbrechen. Prinzipiell ist es aber auch möglich, dass das Formen in mehreren einzelnen Schritten erfolgt.
Die einzelnen Schritte zur Herstellung des Kerns können bei den beiden Verfahren in unterschiedlichen Abfolgen durchgeführt werden, wie nachstehend anhand von fünf Ausführungsformen im Detail ausgeführt wird. Die nachstehenden Ausführungsformen sind rein beispielhaft, und für den Fachmann offensichtlich gibt es weitere Variationsmöglichkeiten für die Verfahren zur Herstellung des Kerns. Die beschriebenen Schritte können entsprechend gemäß den oben vorgeschlagenen Details für die einzelnen Schritte ausgeführt werden. Auch können die weiteren Verfahrensschritte, wie oben angegeben, ergänzt werden. Auch ist es möglich, beispielsweise das Trocknen der Wasserglaslösung in mehreren Teilschritten durchzuführen, d.h. das Trocknen kann mehrfach durchgeführt werden mit identischen oder unterschiedlichen Parametern. Das Herstellen der Wasserglaslösung kann bei den verschiedenen Ausführungsformen prinzipiell zu einem beliebigen Zeitpunkt vor dem Aufbringen bzw. Einbringen der Wasserglaslösung durchgeführt werden, und ist daher nicht weiter ausdetailliert für die fünf Ausführungsformen.
Bei einer ersten Ausführungsform des Verfahrens werden zunächst die Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial unter Bildung des Kerns angeordnet. Das Schichtmaterial liegt in amorpher Form vor und ist nicht geglüht. Im Anschluss wird der Kern geglüht, so dass das Schichtmaterial aus der amorphen Form übergeht in einen kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand, in dem das Schichtmaterial prinzipiell spröde wird. Es folgt das Einbringen der Wasserglaslösung zwischen wenigstens zwei der Schichten des Kerns mit dem anschließenden Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure. In diesem Zustand ist der Kern durch die Kombination der Schichten aus dem Schichtmaterial, auch im kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand, durch die Kombination mit der Kieselsäureschicht bzw. den Kieselsäureschichten zwischen den Schichten des Schichtmaterials stabilisiert.
Bei einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens werden zunächst die Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial unter Bildung des Kerns angeordnet. Das Schichtmaterial liegt in amorpher Form vor und ist noch nicht geglüht. Es folgt das Einbringen der Wasserglaslösung zwischen wenigstens zwei der Schichten des Kerns. Im Anschluss wird der Kern geglüht, so dass das Schichtmaterial aus der amorphen Form übergeht in einen kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand, wobei automatisch ein Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure erfolgt. Auch hier ist der Kern im Ergebnis durch die Kombination der Schichten aus dem Schichtmaterial, auch im kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand, zusammen mit der Kieselsäureschicht bzw. den Kieselsäureschichten zwischen den Schichten des Schichtmaterials, stabilisiert.
Bei einer dritten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt zunächst ein Aufbringen der Wasserglaslösung auf wenigstens einer Seite des Schichtmaterials. Danach wird die Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial unter Bildung des Kerns angeordnet. Das Schichtmaterial liegt in amorpher Form vor und ist noch nicht geglüht. Im Anschluss wird der Kern geglüht, so dass das Schichtmaterial aus der amorphen Form übergeht in den kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand, wobei automatisch ein Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure erfolgt. Auch hier ist der Kern im Ergebnis durch die Kombination der Schichten aus dem Schichtmaterial, auch im kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand, zusammen mit der Kieselsäureschicht bzw. den Kieselsäureschichten zwischen den Schichten des Schichtmaterials, stabilisiert.
Bei einer vierten Ausführungsform des Verfahrens liegt das Schichtmaterial in amorpher Form vor und wird zunächst geglüht, so dass das Schichtmaterial aus der amorphen Form übergeht in den kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand, in dem das Schichtmaterial prinzipiell spröde wird. Es folgt das Aufbringen der Wasserglaslösung auf wenigstens einer Seite des Schichtmaterials mit dem Anschließenden Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure. In diesem Zustand ist das Schichtmaterial durch die Kombination mit der Kieselsäureschicht bzw. den Kieselsäureschichten darauf stabilisiert. Im Anschluss werden eine Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial unter Bildung des Kerns angeordnet, so dass ebenfalls durch die Kombination der Schichten aus dem Schichtmaterial, auch im kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand, zusammen mit der Kieselsäureschicht bzw. den Kieselsäureschichten zwischen den Schichten des Schichtmaterials, ein stabilisierter Kern bereitgestellt wird.
Bei einer fünften Ausführungsform des Verfahrens liegt das Schichtmaterial zunächst in amorpher Form vor. Es folgt das Aufbringen der Wasserglaslösung auf wenigstens einer Seite des Schichtmaterials mit dem anschließenden Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure. Im Anschluss wird die Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial unter Bildung des Kerns angeordnet, wobei sich zwischen den Schichten des Schichtmaterials entsprechend die Kieselsäureschichten befinden in Übereinstimmung mit dem vorherigen Aufbringen der Wasserglaslösung. Danach wird das Schichtmaterial geglüht, so dass es aus der amorphen Form übergeht in den kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand. Die Kieselsäureschicht ist temperaturstabil bei der Glühtemperatur und wird durch das Glühen nicht beeinflusst. In diesem Zustand ist der Kern mit dem Schichtmaterial in Kombination mit der Kieselsäureschicht bzw. den Kieselsäureschichten darauf stabilisiert.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus den erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen im Einzelnen:

Figur 1:: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schichtmaterials mit einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure auf einer Seite des Schichtmaterials gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2:: eine schematische Darstellung eines Kerns eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial und zwischen den Schichten des Schichtmaterials ausgebildeten Kieselsäureschichten aus wasserunlöslicher Kieselsäure gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 3:: eine detaillierte, schematische Darstellung eines Aufbaus des Kerns aus Figur 2 mit einer Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial und zwischen den Schichten des Schichtmaterials ausgebildeten Kieselsäureschichten aus wasserunlöslicher Kieselsäure;
Figur 4:: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Kerns aus den Figuren 2 und 3 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 5:: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Kerns aus den Figuren 2 und 3 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 6:: eine schematische Darstellung eines Kerns nach einem Schritt zum Formen gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 7:: eine schematische Darstellung eines Kerns nach einem Schritt zum Formen gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 8:: eine schematische Darstellung eines Kerns nach einem Schritt zum Formen gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figur 9:: eine schematische Darstellung eines Kerns nach einem Schritt zum Formen gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In der nun folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bzw. gleiche Merkmale, so dass eine in Bezug auf eine Figur durchgeführte Beschreibung bezüglich eines Bauteils auch für die anderen Figuren gilt, sodass eine wiederholende Beschreibung vermieden wird. Ferner sind einzelne Merkmale, die in Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben wurden, auch separat in anderen Ausführungsformen verwendbar.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schichtmaterials 1 aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, zur Herstellung eines Kerns 3 eines magnetfeldempfindlichen Bauelements, insbesondere mit einer Mehrzahl Schichten, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Solche Kerne 3 sind beispielhaft in den Figuren 2 und 6 bis 9 dargestellt.
Das Schichtmaterial 1 kann beispielsweise für die nachfolgend beschriebene Herstellung eines ebenfalls nachfolgend beschriebenen Kerns 3 eines magnetfeldempfindlichen Bauelements verwendet werden.
Das Schichtmaterial 1 ist hier in der Form von Blechen oder Bändern bereitgestellt und kann in Übereinstimmung mit den weiteren Ausführungen zu dem Kern 3 und den Verfahren zu Herstellung des Kerns 3 beispielsweise den weichmagnetischen Werkstoff in geglühter oder nicht geglühter Form aufweisen.
Die Schichtdicke des Schichtmaterials 1 kann beispielsweise mindestens 5 µm, insbesondere mindestens 10 µm, und/oder höchstens 200 µm, insbesondere höchstens 100 µm, bevorzugt höchstens 25 µm betragen. Besonders bevorzugt beträgt die Schichtdicke 14 bis 24 µm, insbesondere etwa 20 µm.
Unter einem "weichmagnetischen Werkstoff" wird ein Stoff verstanden, welcher sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lässt. Vorzugsweise weist ein weichmagnetischer Stoff eine Koerzitivfeldstärke von weniger oder gleich 1.000 A/m auf.
Der weichmagnetische Werkstoff kann insbesondere ein amorpher weichmagnetischer Stoff sein, insbesondere ein metallisches Glas, das bevorzugt eine nanokristalline Struktur aufweist.
Vorzugsweise ist der weichmagnetische Werkstoff eine Legierung aufweisend Eisen, Nickel und/oder Cobalt.
Unter einem "metallischen Glas" wird eine metallbasierte Legierung eines Stoffes verstanden, welche auf atomarer Ebene keine kristalline, sondern eine amorphe Struktur aufweist und trotzdem metallische Leitfähigkeit als Eigenschaft aufweist. Vorzugsweise kann metallisches Glas neben metallischen Legierungsbestandteilen auch nichtmetallische Legierungsbestandteile aufweisen.
Vorzugsweise kann ein weichmagnetischer Werkstoff folgende atomare Zusammensetzung aufweisen:

[Fe_1-aNi_a]_{100-x-y-z-α-β-γ} Cu_xSi_yB_zNb_αM'_βM"_γ

mit a ≤ 0,3, 0, 6 ≤ x ≤ 1,5, 10 ≤ y ≤ 17, 5 ≤ z ≤ 14, 2 < α ≤ 6, β ≤ 7, γ ≤ 8, wobei M' mindestens eines der Elemente V, Cr, Co, Al und Zn ist, wobei M" mindestens eines der Elemente C, Ge, P, Ga, Sb, In und Be ist.
Weiterhin vorzugsweise kann ein weichmagnetischer Werkstoff 73,5 Gew.-% Eisen aufweisen und/oder 1 Gew.-% Kupfer und/oder 3 Gew.-% Niob und/oder 13,5 Gew.-% Silizium und/oder 9 Gew.-% Bor. Zweckmäßig kann ein weichmagnetischer Werkstoff 74,5 Gew.-% Eisen und Kupfer aufweisen, wobei der Kupferanteil kleiner oder gleich 1 Gew.-% beträgt.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist das Schichtmaterial 1 auf einer Seite mit einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure ausgeführt.
Als Kieselsäuren werden die Sauerstoffsäuren des Siliciums bezeichnet. Die einfachste Kieselsäure ist Monokieselsäure (Orthokieselsäure) Si(OH)4 oder auch H₄SiO₄. Allgemeine Summenformel aller Kieselsäuren ist H_2n+2Si_nO_3n+1. Als Summenformel wird typischerweise SiO₂ · n H₂O angegeben. Die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure basiert daher typischerweise auf Siliziumdioxid (SiO₂), welches beispielsweise in einem amorphen Zustand vorliegen kann. Die wasserunlösliche Kieselsäure verbleibt beispielsweise nach dem Trocknen von Wasserglas, wobei das Trocknen von Wasserglaslösung ein irreversibler Prozess ist, d.h. nach dem Trocknen kann die Kieselsäureschicht nicht wieder durch Wasser gelöst werden.
Die Kieselsäureschicht ist in diesem Ausführungsbeispiel durch das Aufbringen und das anschließende Trocknen von Wasserglaslösung vollflächig auf der einen Seite des Schichtmaterials 1 aufgebracht und ausgebildet.
Dazu wird zunächst die Wasserglaslösung hergestellt, beispielsweise indem eine handelsübliche Wasserglaslösung, die beispielsweise als 36%ige Lösung vorliegt, mit Wasser gemischt wird, so dass im Ergebnis eine Wasserglaslösung mit fünf Gewichtsprozent Wasserglas hergestellt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird Natriumwasserglas zur Herstellung der Wasserglaslösung verwendet.
Die so hergestellte Wasserglaslösung wird hier auf eine Seite des Schichtmaterials 1 vollflächig aufgebracht. Das Aufbringen der Wasserglaslösung kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen, beispielsweise durch Sprühen, Eintauchen oder mit einer Walze, einer Bürste, einem Schwamm oder einem Pinsel.
Im Anschluss wird die Wasserglaslösung auf der einen Seite des Schichtmaterials 1 getrocknet, sodass die Wasserglaslösung verkieselt und die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure bildet. Beim Trocknen werden Alkali-Kationen des Wasserglases von den negativ geladenen SiO-Gruppen chemisch entfernt, wodurch sich Kieselsäure zu bilden beginnt. Die ausfallende Kieselsäure liegt zunächst in amorpher Form vor, bevor sie irreversibel in ihren kristallinen Zustand übergeht. Irreversibel heißt, dass durch Zugabe von Wasser zur Kieselsäure nicht wieder Wasserglas entsteht.
In Übereinstimmung mit den nachstehenden detaillierten Ausführungen zu der Ausgestaltung des Kerns 3 und zu den Verfahren zum Herstellen des Kerns 3, kann die Kieselsäureschicht auf dem Schichtmaterial 1 eine Masse aufweisen, die mehr als 0,001% und weniger als 10% der Masse des Schichtmaterials 1 entspricht, vorzugsweise mehr als 0, 005% und weniger als 5% der Masse des Schichtmaterials 1, besonders bevorzugt mehr als 0,01% und weniger als 1% der Masse des Schichtmaterials 1, ganz besonders bevorzugt mehr als 0,05% und weniger als 0,5% der Masse des Schichtmaterials 1.
Das Aufbringen und Trocknen der Kieselsäureschicht kann dabei prinzipiell unabhängig von dem Glühen des Schichtmaterials 1 durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Wasserglaslösung auf das Schichtmaterial 1 im geglühten oder auch im ungeglühten Zustand aufgebracht werden. Entsprechendes gilt für das Trocken, das im geglühten oder auch im ungeglühten Zustand des Schichtmaterials 1 durchgeführt werden kann. Abhängig von der weitern Verwendung des Schichtmaterials 1 kann dieses auch erst zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise nach einem Formen des Schichtmaterials 1 zu einem Kern 3, geglüht werden. Auch das Trocknen der Wasserglaslösung kann prinzipiell zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise nach einem Formen des Schichtmaterials 1 zu einem Kern 3, durchgeführt werden.
Die Figuren 2 und 3 zeigen eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kerns 3 eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial 1 aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Kern 3 kann mit einer unterschiedlichen Anzahl Schichten des Schichtmaterials 1 gebildet werden. Die Anzahl der Schichten kann insgesamt mindestens 100, insbesondere mindestens 250, bevorzugt mindestens 400, und/oder höchstens 1.500, insbesondere höchstens 1.000, bevorzugt höchstens 600 betragen. Besonders bevorzugt umfasst der Kern 3 etwa 500 Schichten.
Die Schichtdicke des Schichtmaterials 1 kann mindestens 5 µm, insbesondere mindestens 10 µm, und/oder höchstens 200 µm, insbesondere höchstens 100 µm, bevorzugt höchstens 25 µm betragen. Besonders bevorzugt beträgt die Schichtdicke 14 bis 24 µm, insbesondere etwa 20 µm.
Unter einem "weichmagnetischen Werkstoff" wird ein Stoff verstanden, welcher sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lässt. Vorzugsweise weist ein weichmagnetischer Stoff eine Koerzitivfeldstärke von weniger oder gleich 1.000 A/m auf.
Der weichmagnetische Werkstoff kann insbesondere ein amorpher weichmagnetischer Stoff sein, insbesondere ein metallisches Glas, das bevorzugt eine nanokristalline Struktur aufweist.
Vorzugsweise ist der weichmagnetische Werkstoff eine Legierung aufweisend Eisen, Nickel und/oder Cobalt.
Unter einem "metallischen Glas" wird eine metallbasierte Legierung eines Stoffes verstanden, welche auf atomarer Ebene keine kristalline, sondern eine amorphe Struktur aufweist und trotzdem metallische Leitfähigkeit als Eigenschaft aufweist. Vorzugsweise kann metallisches Glas neben metallischen Legierungsbestandteilen auch nichtmetallische Legierungsbestandteile aufweisen.
Vorzugsweise kann ein weichmagnetischer Werkstoff folgende atomare Zusammensetzung aufweisen:

[Fe_1-aNi_a]_{100-x-y-z-α-β-γ} Cu_xSi_yB_zNb_aM'_βM"_γ

mit a ≤ 0,3, 0, 6 ≤ x ≤ 1,5, 10 ≤ y ≤ 17, 5 ≤ z ≤ 14, 2 ≤ α ≤ 6, β ≤ 7, γ ≤ 8, wobei M' mindestens eines der Elemente V, Cr, Co, Al und Zn ist, wobei M" mindestens eines der Elemente C, Ge, P, Ga, Sb, In und Be ist.
Weiterhin vorzugsweise kann ein weichmagnetischer Werkstoff 73,5 Gew.-% Eisen aufweisen und/oder 1 Gew.-% Kupfer und/oder 3 Gew.-% Niob und/oder 13,5 Gew.-% Silizium und/oder 9 Gew.-% Bor. Zweckmäßig kann ein weichmagnetischer Werkstoff 74,5 Gew.-% Eisen und Kupfer aufweisen, wobei der Kupferanteil kleiner oder gleich 1 Gew.-% beträgt.
Der Kern 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch Wickeln eines Bandes des Schichtmaterials 1 gebildet. Außerdem ist der so gebildete Kern 3 geglüht.
Wie in Figur 2 dargestellt ist, ist jeweils zwischen zwei Schichten des Schichtmaterials 1 eine Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure ausgebildet. Es gelten die in Bezug auf das Schichtmaterial 1 und die dortige Kieselsäureschicht angegebenen Details.
So ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure eine verkieselte Schicht aus getrockneter Wasserglaslösung, insbesondere Kaliumwasserglas, Natriumwasserglas oder Lithiumwasserglas. Auch kann eine Mischung von Kaliumwasserglas und/oder Natriumwasserglas und/oder Lithiumwasserglas in beliebiger Kombination verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird beispielhaft Natriumwasserglas verwendet. Bezogen auf den ganzen Kern 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel die Kieselsäureschicht zwischen den Schichten des Schichtmaterials 1 eine Masse auf, die mehr als 0,001% und weniger als 10% der Masse des Schichtmaterials 1 entspricht, vorzugsweise mehr als 0,005% und weniger als 5% der Masse des Schichtmaterials 1, besonders bevorzugt mehr als 0,01% und weniger als 1% der Masse des Schichtmaterials 1, ganz besonders bevorzugt mehr als 0,05% und weniger als 0,5% der Masse des Schichtmaterials 1.
Im Weiteren werden Verfahren zum Herstellen eines solchen Kerns 3 eines magnetfeldempfindlichen Bauelements, der in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial 1 aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, beschrieben. Entsprechend gelten die obigen Ausführungen in Bezug auf den weichmagnetischen Stoff auch für das in dem Verfahren verwendete Schichtmaterial 1.
Die Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramms eines solchen Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren der dritten Ausführungsform wird zunächst in Schritt S100 eine Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial 1 unter Bildung des Kerns 3 angeordnet.
Dazu wird das Schichtmaterial 1 beispielsweise als Band bereitgestellt und zur Bildung des Kerns 3 aufgewickelt. Das Schichtmaterial 1 liegt in einem amorphen Zustand vor und wird in diesem Zustand zu dem Kern 3 gewickelt.
In Schritt S110 erfolgt ein Glühen des Kerns 3. Das Schichtmaterial 1 wird aus seinem amorphen Zustand in einen kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand überführt.
Schritt S120 betrifft ein Herstellen einer Wasserglaslösung. Die Wasserglaslösung wird in diesem Ausführungsbeispiel als wässrige Lösung von Wasserglas bereitgestellt. Dazu wird eine bereits als wässrige Lösung bereitgestellte Wasserglaslösung verwendet und mit Wasser in gewünschter Weise verdünnt, um eine gewünschte Konzentration der Wasserglaslösung bereitzustellen. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Natriumwasserglaslösung verwendet.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Wasserglaslösung als wässrige Wasserglaslösung mit einem Gewichtsanteil von 0,01 % bis 99,9 % Wasserglas an der Wasserglaslösung hergestellt, vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil von 0,1 % bis 25 % Wasserglas an der Wasserglaslösung, weiter vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil von 1 % bis 10 % Wasserglas an der Wasserglaslösung, besonders bevorzugt mit einem Gewichtsanteil von 3 % bis 7 % Wasserglas an der Wasserglaslösung.
S130 betrifft ein Einbringen der Wasserglaslösung zwischen wenigstens zwei der Schichten des Kerns 3. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Wasserglaslösung zwischen allen Schichten des Kerns 3 zum Ausbilden einer entsprechenden Kieselsäureschicht eingebracht.
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt das Einbringen der Wasserglaslösung zwischen den Schichten des Kerns 3 ein Eintauchen des Kerns 3 in der Wasserglaslösung. Dabei kann die Wasserglaslösung beispielsweise aufgrund der Kapillarwirkung zwischen den Schichten des Kerns 3 dazwischen eindringen. Durch den Kapillareffekt wird vorzugsweise so viel Wasserglaslösung zwischen den Schichten des Kerns 3 eingebracht, dass die Schichten vollständig mit der Wasserglaslösung benetzt sind.
In einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Einbringen der Wasserglaslösung zwischen den Schichten des Kerns 3 durch ein Besprühen oder ein Bestreichen des Kerns 3 mit der Wasserglaslösung. Auch dabei wird die Wasserglaslösung durch den Kapillareffekt in Zwischenräume zwischen den Schichten des Kerns 3 eingebracht, weshalb die Wasserglaslösung erforderlichenfalls mehrfach auf den Kern 3 gesprüht oder gestrichen werden muss.
In Schritt S140 erfolgt ein Bewegen des Kerns 3, um vorhandene Luftblasen mit der Wasserglaslösung zu füllen. Entsprechend wird in dem Kern 3 verbliebene Luft von der Wasserglaslösung verdrängt.
Alternative Schritte wie beispielsweise ein Anregen des Kerns 3 oder der Wasserglaslösung zum Schwingen, beispielsweise mit Ultraschall, können ebenso verwendet werden, um Luft zwischen den Schichten zu Entfernen und das Eindringen der Wasserglaslösung zwischen den Schichten zu verbessern.
Schritt S150 betrifft ein Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure.
Das Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure betrifft einen Trocknungsprozess, bei dem das Wasser aus der Wasserglaslösung entfernt wird, und sich durch eine sogenannte Verkieselung die entsprechende Kieselsäureschicht ausbildet. Die Kieselsäureschicht umfasst wie oben ausgeführt als Hauptbestandteil Siliziumdioxid und kann weitere Bestandteile enthalten, wie beispielsweise Metallsalze abhängig von der verwendeten Wasserglaslösung.
Das Trocknen der Wasserglaslösung kann beispielhaft beim normalen Umgebungsbedingungen oder mittels Heißluftstrom und/oder durch Erwärmen in einem Ofen erfolgen.
Ausgehend von der vollständigen Benetzung der Schichten mit der Wasserglaslösung, ist nach dem Trocknen die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure jeweils vollflächig zwischen den Schichten des Schichtmaterials 1 ausgeführt.
Schritt S160 betrifft ein Waschen des Kerns 3, insbesondere mit Wasser, um außenseitige Verschmutzungen des Kerns 3 zu entfernen und/oder um Salzablagerungen durch das Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht zumindest teilweise zu entfernen.
Im Ergebnis weist bei dem so hergestellten Kern 3 die Kieselsäureschicht eine Masse auf, die mehr als 0,001% und weniger als 10% der Masse des Schichtmaterials 1 des Kerns 3 entspricht, vorzugsweise mehr als 0, 005% und weniger als 5% der Masse des Schichtmaterials 1 des Kerns 3, besonders bevorzugt mehr als 0,01% und weniger als 1% der Masse des Schichtmaterials 1 des Kerns 3, ganz besonders bevorzugt mehr als 0,05% und weniger als 0,5% der Masse des Schichtmaterials 1 des Kerns 3.
Das Verfahren der dritten Ausführungsform kann auch abgewandelt durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Herstellen der Wasserglaslösung gemäß Schritt S120 zu jedem beliebigen Zeitpunkt vor deren Verwendung erfolgen. Auch kann das Verfahren der dritten Ausführungsform abgewandelt durchgeführt werden, indem beispielsweise die Schritte S130 bis S150 zum Einbringen der Wasserglaslösung zwischen wenigstens zwei der Schichten des Kerns 3, zum Bewegen des Kerns 3 und zum Trocknen der Wasserglaslösung vor Schritt S110 zum Glühen des Kerns 3 erfolgen.
In einer alternativen Ausführungsform werden die Schritte S110 zum Glühen des Kerns 3 und S150 zum Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure zusammen durchgeführt, beispielsweise statt des einzelnen Schritts S150 zum Trocknen der Wasserglaslösung.
Die Figur 5 zeigt ein Ablaufdiagramms eines solchen Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei einem Verfahren einer vierten Ausführungsform wird zunächst in Schritt S200 eine Wasserglaslösung hergestellt. Die Wasserglaslösung wird in diesem Ausführungsbeispiel als wässrige Lösung von Wasserglas bereitgestellt. Dazu wird eine bereits als wässrige Lösung bereitgestellte Wasserglaslösung verwendet und mit Wasser in gewünschter Weise verdünnt, um eine gewünschte Konzentration der Wasserglaslösung bereitzustellen. In diesem Ausführungsbeispiel wird beispielhaft eine Natriumwasserglaslösung verwendet.
Weiterhin wird in diesem Ausführungsbeispiel die Wasserglaslösung als wässrige Wasserglaslösung mit einem Gewichtsanteil von 0,01 % bis 99,9 % Wasserglas an der Wasserglaslösung hergestellt, vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil von 0,1 % bis 25 % Wasserglas an der Wasserglaslösung, weiter vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil von 1 % bis 10 % Wasserglas an der Wasserglaslösung, besonders bevorzugt mit einem Gewichtsanteil von 3 % bis 7 % Wasserglas an der Wasserglaslösung.
In einem Schritt S210 erfolgt ein Aufbringen der Wasserglaslösung auf einer Seite eines Schichtmaterials 1. Dazu wird das Schichtmaterial 1 beispielsweise als Band bereitgestellt. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt das Aufbringen der Wasserglaslösung beispielsweise durch Sprühen, Eintauchen oder mit einer Walze, einer Bürste, einem Schwamm oder einem Pinsel. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Wasserglaslösung vollflächig auf die eine Seite des Schichtmaterials 1 aufgebracht.
In einem Schritt S220 erfolgt ein Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure.
Dies betrifft einen Trocknungsprozess, bei dem das Wasser aus der Wasserglaslösung entfernt wird, und sich durch eine sogenannte Verkieselung die entsprechende Kieselsäureschicht ausbildet. Die Kieselsäureschicht umfasst wie oben ausgeführt als Hauptbestandteil Siliziumdioxid und kann weitere Bestandteile enthalten, wie beispielsweise Metallsalze abhängig von der verwendeten Wasserglaslösung.
Das Trocknen der Wasserglaslösung kann beispielhaft beim normalen Umgebungsbedingungen oder mittels Heißluftstrom und/oder durch Erwärmen in einem Ofen erfolgen.
Ausgehend von dem vollflächigen Aufbringen der Wasserglaslösung auf die eine Seite des Schichtmaterials 1, ist nach dem Trocknen die Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure vollflächig auf der einen Seite des Schichtmaterials 1 ausgebildet.
In einem Schritt S230 wird das Schichtmaterial 1 unter Bildung des Kerns 3 in einer Mehrzahl Schichten angeordnet.
Dazu wird das hier beispielshaft als Band bereitgestellte Schichtmaterial 1 zur Bildung des Kerns 3 aufgewickelt. Das Schichtmaterial 1 liegt in einem amorphen Zustand vor und wird in diesem Zustand zu dem Kern 3 gewickelt.
In Schritt S240 erfolgt ein Glühen des Schichtmaterials 1 in dem bereits gebildeten Kern 3. Das Schichtmaterial 1 wird aus seinem amorphen Zustand in einen kristallinen bzw. nanokristallinen Zustand überführt.
In einem Schritt S250 erfolgt ein Waschen des Kerns 3, insbesondere mit Wasser, um außenseitige Verschmutzungen des Kerns 3 zu entfernen und/oder um Salzablagerungen durch das Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht zumindest teilweise zu entfernen.
Im Ergebnis weist bei dem mit dem Verfahren der vierten Ausführungsform hergestellten Kern 3 die Kieselsäureschicht eine Masse auf, die mehr als 0,001% und weniger als 10% der Masse des Schichtmaterials 1 des Kerns 3 entspricht, vorzugsweise mehr als 0,005% und weniger als 5% der Masse des Schichtmaterials 1 des Kerns 3, besonders bevorzugt mehr als 0,01% und weniger als 1% der Masse des Schichtmaterials 1 des Kerns 3, ganz besonders bevorzugt mehr als 0,05% und weniger als 0,5% der Masse des Schichtmaterials 1 des Kerns 3.
Das Verfahren der vierten Ausführungsform kann auch abgewandelt durchgeführt werden.
So kann beispielsweise der Schritt S220 zum Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung einer Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure erst nach dem Schritt S230 zum Anordnen des Schichtmaterials 1 unter Bildung des Kerns 3 in einer Mehrzahl Schichten durchgeführt werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform erfolgt das Glühen des Schichtmaterials 1 gemäß Schritt S240 noch vor dem Bilden des Kerns 3 gemäß Schritt S230. Das Glühen erfolgt also, indem das Schichtmaterial 1 noch vor dem Bilden des Kerns 3 geglüht wird. Die Schritte S210 und S220 zum Aufbringen der Wasserglaslösung auf einer Seite eines Schichtmaterials 1 und zum Trocknen der Wasserglaslösung können im Anschluss an das Glühen erfolgen, wobei die Schritte S210 und S220 vorzugsweise vor dem Bilden des Kerns 3 gemäß Schritt S230 durchgeführt werden. Alternativ können die Schritte S210 und S220 erst nach dem Bilden des Kerns 3 gemäß Schritt S230 durchgeführt werden.
Weiterhin kann beispielsweise auch hier ein entsprechender Schritt zum Bewegen des Kerns 3 in Übereinstimmung mit dem obigen Schritt S140 durchgeführt werden vor dem Trocknen der Wasserglaslösung gemäß Schritt S220.
In einer alternativen Ausführungsform werden die Schritte S220 zum Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht aus wasserunlöslicher Kieselsäure und S240 zum Glühen des Schichtmaterials 1 zusammen durchgeführt, beispielsweise statt des einzelnen Schritts S240 zum Glühen des Schichtmaterials 1.
Für die vorgenannten Verfahren gilt, dass diese einen zusätzlichen Schritt zum Formen des Kerns 3 umfassen können. Dieser Schritt kann beispielsweise unmittelbar nach dem Bilden des Kerns 3 durchgeführt werden. Abhängig von der Art der Formung kann das Formen des Kerns 3 auch integral mit dem Schritt zum Bilden des Kerns 3 durchgeführt werden. Das Formen kann erfolgen, indem beispielsweise eine außenseitige Kraft auf eine äußere Schicht des Schichtmaterials 1 ausgeübt wird, und/oder durch Verwendung von bestimmten Formen / Lehren. Dabei ist es prinzipiell möglich, dass das Formen in mehreren einzelnen Schritten erfolgt, um beispielsweise zunächst einen inneren Teil des Kerns 3 zu Formen und im Anschluss einen äußeren Teil des Kerns 3. Verschiedenen Ausgestaltungen eines so geformten Kerns 3 sind in den Figuren 6 bis 9 für Ausführungsbeispiele 5 bis 8 beispielhaft dargestellt.
Für die vorgenannten Verfahren gilt außerdem, dass diese einen zusätzlichen Schritt zum Weiterverarbeiten des Kerns 3 zu einem Endprodukt umfassen können. Beispielsweise kann der Kern 3 beispielsweise mit Epoxid-Pulver beschichtet oder lackiert werden. Auch ein Weiterer Glühschritt ist möglich. Alternativ oder zusätzlich kann der Kern 3 in ein Kunststoffgehäuse eingebracht werden. Eine weitere Art der Weiterverarbeitung besteht darin, den Kern 3 mit Draht zu bewickeln für eine spätere Verwendung.

Bezugszeichenliste

1: Schichtmaterial
2: Kieselsäureschicht
3: Kern

Claims

Schichtmaterial (1) aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, zur Herstellung eines Kerns (3) eines magnetfeldempfindlichen Bauelements, insbesondere mit einer Mehrzahl Schichten, wobei
das Schichtmaterial dadurch gekennzeichnet ist, dass
das Schichtmaterial (1) auf wenigstens einer Seite mit einer Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure ausgeführt ist.
Schichtmaterial (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kieselsäureschicht (3) aus wasserunlöslicher Kieselsäure vollflächig auf der auf wenigstens einen Seite des Schichtmaterials (1) ausgeführt ist, oder

die Kieselsäureschicht (3) aus wasserunlöslicher Kieselsäure derart auf der auf wenigstens einen Seite des Schichtmaterials (1) ausgeführt ist, dass sie die wenigstens eine Seite des Schichtmaterials (1) nur teilweise bedeckt.
Kern (3) eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial (1) aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, wobei der Kern (3) des magnetfeldempfindlichen Bauelements dadurch gekennzeichnet ist, dass
zwischen wenigstens zwei Schichten des Schichtmaterials (1) eine Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure ausgebildet ist.
Kern (3) eines magnetfeldempfindlichen Bauelements nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure vollflächig zwischen den wenigstens zwei Schichten des Schichtmaterials (1) ausgeführt ist, oder

die Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure derart zwischen den wenigstens zwei Schichten des Schichtmaterials (1) ausgeführt ist, dass sie nur teilweise zwischen den wenigstens zwei Schichten des Schichtmaterials (1) ausgeführt ist.
Kern (3) eines magnetfeldempfindlichen Bauelements nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure eine verkieselte Schicht aus getrockneter Wasserglaslösung ist, insbesondere basierend auf Kaliumwasserglas, Natriumwasserglas oder Lithiumwasserglas oder einer Mischung davon.
Kern (3) eines magnetfeldempfindlichen Bauelements nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kieselsäureschicht (2) zwischen den wenigstens zwei Schichten des Schichtmaterials (1) eine Masse aufweist, die mehr als 0,001% und weniger als 10% der Masse des Schichtmaterials (1) des Kerns (3) entspricht, vorzugsweise mehr als 0,005% und weniger als 5% der Masse des Schichtmaterials (1) des Kerns (3), besonders bevorzugt mehr als 0,01% und weniger als 1% der Masse des Schichtmaterials (1) des Kerns (3), ganz besonders bevorzugt mehr als 0,05% und weniger als 0,5% der Masse des Schichtmaterials (1) des Kerns (3).
Verfahren zum Herstellen eines Kerns (3) eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial (1) aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, umfassend die Schritte
Anordnen der Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial (1) unter Bildung des Kerns (3), und

Glühen des Kerns (3), wobei
das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass
das Verfahren folgende zusätzliche Schritte umfasst zum Herstellen einer Wasserglaslösung;

Einbringen der Wasserglaslösung zwischen wenigstens zwei der Schichten des Kerns (3), und zum

Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung einer Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure.
Verfahren zum Herstellen eines Kerns (3) eines magnetfeldempfindlichen Bauelements mit einer Mehrzahl Schichten aus einem Schichtmaterial (1) aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem amorphen weichmagnetischen Stoff, weiter insbesondere einem metallischen Glas, bevorzugt aufweisend eine nanokristalline Struktur, umfassend die Schritte
Anordnen der Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial (1) unter Bildung des Kerns (3), und

Glühen des Schichtmaterials (1), wobei
das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass
das Verfahren folgende zusätzliche Schritte umfasst zum Herstellen einer Wasserglaslösung;

Aufbringen der Wasserglaslösung auf wenigstens einer Seite des Schichtmaterials (1), und zum

Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung einer Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
das Anordnen der Mehrzahl Schichten aus dem Schichtmaterial (1) zur Bildung des Kerns (3) ein Wickeln des Schichtmaterials (1) zur Bildung des Kerns (3) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
das Herstellen der Wasserglaslösung ein Herstellen der Wasserglaslösung als wässrige Wasserglaslösung mit einem Gewichtsanteil von 0,01 % bis 99,9 % Wasserglas an der Wasserglaslösung umfasst, vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil von 0,1 % bis 25 % Wasserglas an der Wasserglaslösung, weiter vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil von 1 % bis 10 % Wasserglas an der Wasserglaslösung, besonders bevorzugt mit einem Gewichtsanteil von 3 % bis 7 % Wasserglas an der Wasserglaslösung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
das Glühen des Kerns (3) zusammen mit dem Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren einen zusätzlichen Schritt umfasst zum Waschen des Kerns (3), insbesondere mit Wasser, nach dem Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
das Trocknen der Wasserglaslösung zur Verkieselung und Ausbildung der Kieselsäureschicht (2) aus wasserunlöslicher Kieselsäure ein Trocknen der Wasserglaslösung mittels Heißluftstrom und/oder durch Erwärmen in einem Ofen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
das Einbringen einer Wasserglaslösung zwischen wenigstens zwei der Schichten ein Eintauchen des Kerns (3) in der Wasserglaslösung und/oder ein Besprühen des Kerns (3) mit der Wasserglaslösung und/oder ein Bestreichen des Kerns (3) mit der Wasserglaslösung und/oder ein Eintunken des Kerns (3) in die Wasserglaslösung und/oder Ein Begießen bzw. Übergießen des Kerns (3) mit der Wasserglaslösung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren einen zusätzlichen Schritt umfasst zum Bewegen des Kerns (3) nach dem Einbringen der Wasserglaslösung zwischen wenigstens zwei der Schichten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren einen zusätzlichen Schritt umfasst zum Formen des Kerns (3), insbesondere durch Ausüben einer außenseitigen Kraft auf eine äußere Schicht des Schichtmaterials (1) und/oder durch Verwendung von bestimmten Formen / Lehren.