JP2005123282A

JP2005123282A - 磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品

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Publication number: JP2005123282A
Application number: JP2003354502A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Fujiwara; 照彦藤原; Keita Isotani; 桂太磯谷
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】優れたコアロス特性と直流重畳特性を有する磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品を提供する。
【解決手段】磁路の少なくとも１箇所以上にギャップを有する磁芯１１であって、そのギャップに固有保磁力が１０×１０³×（１/４π）ｋＡ/ｍ以上、Ｔｃが５００℃以上の粉末平均粒径が２．５〜５０μｍの希土類磁石粉末で、かつその表面が低融点金属と金属酸化物で被覆された粉末であって、その粉末と樹脂とを混合した比抵抗が１．０Ω・ｃｍ以上の磁石３を挿入された磁芯１１と前記磁芯１１に巻かれた少なくとも１ターン以上の巻線４とで構成されたインダクタンス部品とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源などに使用されるチョークコイル用及びトランス用に好適な磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品に関する。

チョークコイル用及びトランス用磁芯には、良好な直流重畳特性が求められており、高周波用の磁芯にはフェライトや圧粉磁芯が使用されている。フェライト磁芯は初透磁率が高く飽和磁束密度が小さい、圧粉磁芯は初透磁率が低く飽和磁束密度が高い、という材料物性に由来した特徴がある。従って、圧粉磁芯はトロイダル形状で用いられることが多く、フェライトは、例えばＥ型コアの中足にギャップを挿入してＥＥ型コアで用いられることが多い。

しかし、近年の電子機器の小型化要請に伴う電子部品の小型化の要求により、より大きな重畳磁界における、より高い透磁率が強く求められている。一般に、直流重畳特性を向上させるためには、飽和磁化の高い磁芯を選択すること、つまり高磁界で磁気飽和しない磁芯の選択が必須とされている。しかし、飽和磁化は材料の組成で必然的に決まるものであり、無限に高く出来るものではない。そのため、従来の直流重畳特性を向上させる手段は、わずかな飽和磁化の向上に多大な労力が費やされている割には、直流重畳特性は期待されている程伸びていないのが現状であった。

その解決手段として、磁路の一箇所以上にギャップを挿入し、そのギャップに永久磁石を挿入することが従来から検討されてきた。この方法は、直流重畳特性を向上させるには優れた方法であるが、一方で金属焼結磁石を用いると磁芯のコアロスの増大が著しく、またフェライト磁石を用いると重畳特性が安定しないなど、とても実用に耐え得るものではなかった。これらを解決する手段として、例えば特許文献１では、永久磁石として保磁力の高い希土類磁石粉末とバインダーとを混合し圧縮成形したボンド磁石を挿入することが示されており、直流重畳特性とコアの温度上昇が改善されたことが示されている。

しかし近年、電源に対する電力変換効率向上の要求は、ますます厳しくなっており、チョークコイル用及びトランス用のコアについても単にコア温度を測定するだけでは優劣が判断不能なレベルとなっている。そのため、コアロス測定装置による測定結果の判断が不可欠であり、実際本発明者等が検討を行った結果、特許文献１に示された低抗率の値ではコアロス特性が劣化することが明らかになった。

そこで我々は、先願特許として特許文献２にギャップに挿入する永久磁石として、１０×１０³×（１/４π）ｋＡ/ｍの固有保磁力、５００℃以上のＴｃ、１．０ΩＣｍ以上の比抵抗の永久磁石を挿入することでコアロスを低下させることなく、良好な直流重畳特性が得られることを発見している。また、希土類磁石粉末の磁気特性の信頼性を向上させるために、粉末表面を低融点金属で被覆すれば良い事も発見した。しかしながら、昨今の電力変換効率の更なる改善要求を満足するためには、永久磁石のヒステリシス損失の低減が新たに求められている。また、磁芯の更なる小型化を図るためには、ボンド磁石の更なる高特性化を比抵抗を維持しながら達成することが求められている。

特開昭５０−１３３４５３号公報特開２００３−００７５１９号公報

本発明の課題は、上記問題点に鑑み、優れたコアロス特性と直流重畳特性を有する磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品を提供することである。

本発明の磁芯は、前記課題を達成するべく挿入する永久磁石について検討した結果、固有保磁力が１０×１０³×（１/４π）ｋＡ/ｍ以上で、磁石の比抵抗が１．０Ω・ｃｍ以上の永久磁石を使用した時、優れた直流重畳特性が得られ、しかもコアロス特性の劣化が生じない磁芯を形成できることを発見した。比抵抗が高く、しかも固有保磁力が高い磁石は、一般的には希土類磁石粉末をバインダーとともに混合して成形した希土類ボンド磁石である。希土類磁石粉末の種類は、ＳｍＣｏ系、ＮｄＦｅＢ系、ＳｍＦｅＮ系がある。リフロー条件及び耐酸化性を考慮すると、Ｔｃが５００℃以上、保磁力が１０×１０³×（１/４π）ｋＡ/ｍ以上の磁石が、最も有望である。

ここで、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇系磁石のような希土類磁石について、耐食、耐酸化性を向上させるために、低融点金属の添加量として３重量％〜７重量％、金属酸化物の添加量として０．５重量％〜３重量％で被覆されることにより、耐食・耐酸化性および磁気特性の両方を兼ね備えた永久磁石が得られる。

即ち、本発明は、磁路の少なくとも１箇所以上にギャップを有する磁芯であって、そのギャップに固有保磁力が１０×１０³×（１/４π）ｋＡ/ｍ以上、Ｔｃが５００℃以上の粉末平均粒径が２．５〜５０μｍの希土類磁石粉末で、かつその表面が低融点金属と金属酸化物で被覆された粉末であって、その粉末と樹脂とを混合した比抵抗が１．０Ω・ｃｍ以上のボンド磁石を挿入した磁芯である。

また、本発明は、前記低融点金属は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｓｎの中から選択された少なくとも一種またはその合金であって、前記金属酸化物は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃の何れか、またはＳｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯとの何れか１種または２種以上の混合物である磁芯である。

また、本発明は、前記金属酸化物のＳｉＯ₂またはＡｌ₂Ｏ₃は、有機金属化合物を加水分解するか、微小粒径のＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃を適当な溶媒に分散させたコロイド溶液から得られたものである磁芯である。

また、本発明は、前記ボンド磁石において、磁石粉末は重量比で３重量％〜７重量％の低融点金属と０．５重量％〜３重量％の金属酸化物で被覆された磁芯である。

また、本発明は、前記ボンド磁石は、２７０℃、大気中で３０分熱処理をした時の減磁率（不可逆減磁率＋永久減磁率）が８％以内で、かつ挿入前に比べて、その磁芯のヒステリシス損失の増加が２０％以内であるボンド磁石を挿入した磁芯である。

また、本発明は、前記磁芯と、前記磁芯に巻かれた少なくとも１ターン以上の巻線とで構成されたインダクタンス部品である。

本発明によれば、優れたコアロス特性と直流重畳特性を有する磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品提供できる。

本発明の実施の形態による磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品について、以下に説明する。

本発明の磁芯は、磁路の少なくとも１箇所以上にギャップを有する磁芯であって、そのギャップに固有保磁力が１０×１０³×（１/４π）ｋＡ/ｍ以上、Ｔｃが５００℃以上で、粉末平均粒径が２．５〜５０μｍの希土類磁石粉末で、かつ、その表面が低融点金属と金属酸化物で被覆され、比抵抗が１．０Ω・ｃｍ以上のボンド磁石を使用して優れた直流重畳特性を得、しかもコアロス特性の劣化が生じない磁芯である。希土類磁石粉末の種類は、ＳｍＣｏ系、ＮｄＦｅＢ系、ＳｍＦｅＮ系とあるが、リフロー条件及び耐酸化性を考慮するとＴｃが５００℃以上、保磁力が１０×１０^３×（１/４π）ｋＡ/ｍ以上の磁石は、現状ではＳｍ₂Ｃｏ₁₇系磁石を用いることができる。

ここで、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇系磁石について、耐食、耐酸化性を向上させるために、低融点金属の添加量として３重量％〜７重量％、金属酸化物の添加量として０．５重量％〜３重量％にすることにより、耐食・耐酸化性および磁気特性の両方を兼ね備えたＳｍ₂Ｃｏ₁₇系磁石を提供することが可能になる。

このように、ギャップに挿入される永久磁石に対する要求特性は、固有保磁力については信頼性の確保とヒステリシス損失を抑えるため１０×１０³×（１/４π）ｋＡ/ｍ以上の保磁力が必要であり、また比抵抗は大きいほど良いが、１．０Ω・ｃｍ以上であれば渦電流損失劣化の大きな要因にはならない。粉末の平均最大粒径が５０μｍ以上になるとコアロス特性が劣化するので、粉末の最大粒径は５０μｍ以下であることが望ましく、最小粒径が２．５μｍ以下になると粉末熱処理及びリフロー時に粉末の酸化による磁化の減少が顕著になるため２．５μｍ以上の粒径が必要で有る。

また、耐食性を向上させるために行う低融点金属の添加は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｓｎの中から適宜選択して、３重量％〜７重量％を混合し、不活性雰囲気中３００℃〜６００℃で熱処理することにより、２７０℃・大気中で３０分熱処理をした時のボンド磁石の減磁率が８％以内とすることができる。また、金属酸化物について０．５重量％〜３重量％混合したとき比抵抗が高く、しかも耐食性、高効率を満足するボンド磁石を得ることが可能になる。

使用したＳｍ₂Ｃｏ₁₇磁石粉末、Ｚｎ粉末の平均粒径は、それぞれ１２μｍ、７μｍであり、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇磁石粉末に対し低融点金属としてＺｎを総重量の２〜８重量％をそれぞれ加え、Ｖ型混合機で３０分間、混合した。これらの粉末を真空中で３５０℃熱処理し、ＳｍＣｏ粉末にＺｎコーティングを施した。

次に、その粉末を平均粒径が１０ｎｍのＳｉＯ₂粉末がＩＰＡ溶液に分散されたシリカゾル溶液の中に投入し、溶媒が乾燥するまで攪拌した。この時、シリカゾル溶液はシリカ純分として０．２５〜４．０重量％になるように添加した。

このＳｍ₂Ｃｏ₁₇磁石粉末に５重量％に相当する量のバインダー（エポキシ樹脂）を混合した後、プレス圧５ｔｏｎ／ｃｍ²・無磁場中で金型成形を行い、その後、１５０℃・３０分、大気中で乾燥を行った。以下に試料の作製条件・測定条件の詳細を示す。

〔作製条件〕
組成：Ｓｍ（Ｆｅ_0.2Ｃｕ_0.7Ｚｒ_0.028Ｃｏ_Bal）_8.3
平均粉末粒径：１２μｍ
バインダー：エポキシ樹脂（ＥＰ１２８：セメダイン社製）５重量％
ボンド磁石形状：円柱φ１３ｍｍ×高さ９ｍｍ（磁気特性測定用）
：１０．９ｍｍ×７．５ｍｍ×１．５ｍｍ（減磁率測定用）
：１０．２ｍｍ×７．８ｍｍ×０．５ｍｍ（ヒステリシス損失評価用）
プレス圧：５ｔｏｎ／ｃｍ²
着磁：４Ｔパルス着磁

〔ヒステリシス損失測定〕
・測定装置：東英工業社製Ｂ−Ｈトレーサー（軟磁性測定）
・測定コア材：ＦＥＥフェライトコア（ＢＨ２）に５００μｍのＳｍＣｏボンド挿入
・測定磁場：Ｈｍ＝８００〜１２００Ａ／ｍ
・巻線：１次７５ターン、２次３０ターン
・測定温度：５０℃（恒温層内にて測定）

〔コアロス測定〕
・測定装置：岩崎通信機交流Ｂ−Ｈトレーサー（軟磁性測定）
・測定コア材：ＦＥＥフェライトコア（ＢＨ２）に５００μｍのＳｍＣｏボンド挿入
・測定条件：周波数；１００ｋＨｚ、Ｂｍ；０．２Ｔ
・測定温度：１００℃（恒温層内にて測定）

〔Ｂ−Ｈ特性測定（Ｂｒ測定）〕
・測定装置：東英工業社製Ｂ−Ｈトレーサー（硬磁性測定）
・形状：φ１３×９（ｍｍ）の円柱型
・最大印加磁界：２０００Ａ／ｍ（２０００Ａ／ｍ以上の保磁力は外挿して導出）
・検出コイル：２５ターン、１６ターン

〔減磁率測定〕
・測定装置：ＴＯＥＩＴＤＦ−５ＤＩＧＩＴＡＬＦＬＵＸＭＥＴＥＲ
・７６ターンの巻線を施した１５×１５×５０（ｍｍ）のパーマロイの磁芯にシート磁石を貼り付け、そこを零点とし、シート磁石を引き剥がした時の磁束の変化を測定し、この磁束の変化により、減磁率を求めた。
・測定５回の平均値であって、測定温度条件は、室温状態に保持した。

表１に、Ｚｎとシリカの添加量を変化させた場合の残留磁束密度Ｂｒと減磁率とコアロス特性についての結果を示す。なお、保磁力についてはどの水準についても、約２０×１０³×（１/４π）ｋＡ/ｍで、ほとんど変化は無かった。また、ヒステリシス損失についても、どの水準も挿入前の磁芯に対して約１０％以内の値を示した。

表１より、Ｎｏ．１ではＺｎ量が３％を下回ると減磁率が８％を超えるので、耐食性に問題が発生することがわかる。Ｎｏ．４では、シリカ添加重が０．５％を下回るとコアロス特性が急激に悪化することがわかる。これは、シリカ量が少ない時、ボンド磁石の比抵抗が劣化するために、磁石の渦電流損が大きくなるためと推測される。Ｎｏ．９では、シリカ添加量が多すぎても減磁率とコアロス特性に劣化が生じないのにＢｒが劣化するので、シリカ量が３％以内で充分なことが分かる。Ｎｏ．１２では、Ｚｎ添加量が多すぎるとＢｒとコアロス特性が劣化するのでＺｎ添加量は７％以内である必要が有ることが分かる。

使用したＳｍ₂Ｃｏ₁₇磁石粉末、Ｚｎ粉末の平均粒径は、それぞれ１２μｍ、７μｍであり、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇磁石粉末の総重量に対し５重量％のＺｎをＶ型混合機で３０分間、混合した。これらの粉末を不活性雰囲気において３５０℃で２時間熱処理し、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇磁石粉末にＺｎコーティングを施した。

これらのＺｎコーティングしたＳｍ₂Ｃｏ₁₇磁石粉末に１重量％に当たる量のシリカをエチルシリケートの加水分解でコーティングした。その後、更にＢ₂Ｏ₃をメタノールに溶解後、０．５〜３重量％添加後、４００℃、Ａｒ中で熱処理した。これにバインダーを３重量％混合し、プレス圧５ｔｏｎ／ｃｍ²・磁場零の状態で金型成形を行い、その後、１５０℃で３０分、大気中で乾燥を行った。

〔作製条件〕
組成：Ｓｍ（Ｆｅ_0.2Ｃｕ_0.7Ｚｒ_0.028Ｃｏ_Bal）_8.3
平均粉末粒径：１２μｍ
バインダー：エポキシ樹脂（ＥＰ１２８：セメダイン社製）３重量％
ボンド磁石形状：円柱φ１３ｍｍ×高さ９ｍｍ（磁気特性測定用）
：１０．９ｍｍ×７．５ｍｍ×１．５ｍｍ（減磁率測定用）
：１０．２ｍｍ×７．８ｍｍ×０．５ｍｍ（ヒステリシス損失評価用）
プレス圧：５ｔｏｎ／ｃｍ²
着磁：４Ｔパルス着磁

〔減磁率測定〕
・測定装置：ＴＯＥＩＴＤＦ−５ＤＩＧＩＴＡＬＦＬＵＸＭＥＴＥＲ
・７６ターンの巻線を施した１５×１５×５０（ｍｍ）のパーマロイの磁芯にシート磁石を貼り付け、そこを零点とし、シート磁石を引き剥がした時の磁束の変化を測定し、この磁束の変化より、減磁率を求めた。
・測定５回の平均値であって、測定温度条件は、室温状態に保持した。

表２より、実施例１よりもバインダー添加量を少なくしているために、Ｎｏ．１３ではＢｒは向上しているが、コアロス特性が著しく劣化していることが分かる。また、Ｎｏ．１８ではＢ₂Ｏ₃の添加重が３％になると、即ちＳｉＯ₂との複合添加量で４％になるとＢｒが著しく劣化することが分かる。

以上の実験より、残留磁束密度Ｂｒ、減磁率特性、コアロス損失のすべてを満足する低融点金属添加量は３〜７重量％、金属酸化物添加量は０．５〜３．０重量％である。この条件下でＳｍ₂Ｃｏ₁₇磁石粉末を処理すれば、２７０℃、大気中で３０分熱処理をした時の減磁率が８％以内、コアロス特性がＭｎＺｎフェライトのコアに磁石を挿入しないときに比べ、２０％以内の増加に抑えることが可能になり、高耐食性、高効率を満足するバイアスコア用のボンド磁石が得られることが明らかになった。

図１は、本発明のインダクタンス部品の説明図である。図１のインダクタンス部品は、Ｅ型のフェライトコア１と、Ｅ型のフェライトコア２と、その合体した中足部に磁石３が配置された磁芯１１と、前記磁芯１１の中足部に巻かれた巻線４とで構成されている。ここで、前記磁石３は、実施例１と実施例２で説明した製造方法にて作製された磁芯が用いられる。また、巻線４は、少なくとも１ターン以上巻かれている。

本発明の実施例によるインダクタンス部品の説明図。

符号の説明

１，２フェライトコア
３磁石
４巻線
１１磁芯
１０インダクタンス部品

Claims

磁路の少なくとも１箇所以上にギャップを有する磁芯であって、そのギャップに固有保磁力が１０×１０³×（１/４π）ｋＡ/ｍ以上、Ｔｃが５００℃以上の粉末平均粒径が２．５〜５０μｍの希土類磁石粉末で、かつその表面が低融点金属と金属酸化物で被覆された粉末であって、その粉末と樹脂とを混合した比抵抗が１．０Ω・ｃｍ以上のボンド磁石を挿入したことを特徴とする磁芯。
前記低融点金属は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｓｎの中から選択された少なくとも一種またはその合金であって、前記金属酸化物は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃の何れか、またはＳｉＯ₂とＢ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯとの何れか１種または２種以上の混合物であることを特徴とする請求項１に記載の磁芯。
前記金属酸化物のＳｉＯ₂またはＡｌ₂Ｏ₃は、有機金属化合物を加水分解するか、微小粒径のＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃を溶媒に分散させたコロイド溶液から得られたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁芯。
前記ボンド磁石において、磁石粉末は重量比で３重量％〜７重量％の低融点金属と０．５重量％〜３重量％の金属酸化物で被覆されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁芯。
前記ボンド磁石は、２７０℃、大気中で３０分熱処理をした時の減磁率（不可逆減磁率＋永久減磁率）が８％以内で、かつ挿入前に比べて、その磁芯のヒステリシス損失の増加が２０％以内であるボンド磁石を挿入したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁芯。
請求項１ないし５のいずれかに記載の磁芯と、前記磁芯に巻かれた少なくとも１ターン以上の巻線とで構成されたことを特徴とするインダクタンス部品。