JP2019201154A - 圧粉磁芯およびインダクタ素子 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)断面において、平均粒径が8μm以上15μm以下にある大粒子と、平均粒径が1μm以上5μm以下にある中粒子と、平均粒径が300nm以上900nm以下にある小粒子とが観察される圧粉磁芯であって、
前記断面において、前記大粒子、前記中粒子および前記小粒子が占める面積の合計を100%とするとき、前記大粒子が占める面積が50〜90%、前記中粒子が占める面積が0〜30%、前記小粒子が占める面積が5〜30%であり、
前記大粒子、前記中粒子および前記小粒子のビッカース硬度(Hv)がそれぞれ150以上600以下であり、
前記小粒子がFeと少なくともSiまたはNiのいずれかとを含む合金粉である圧粉磁芯。
本実施形態に係る圧粉磁芯は、インダクタ素子の磁芯として好適に用いられる。
そして、本実施形態に係るインダクタ素子は、たとえば、所定形状の圧粉磁芯内部に、ワイヤが巻回された空芯コイルが埋設されたコイル型電子部品であってもよい。
本実施形態に係る圧粉磁芯では、その断面(切断面)において大粒子と中粒子と小粒子とが観察される。大粒子と中粒子と小粒子とは、図2に示すような粒度分布で区別できる。粒度分布で示されるピークはその粒子群の平均粒径である。なお、図2は、平均粒径が10μmの大粒子と、平均粒径が3μmの中粒子と、平均粒径が500nmの小粒子とを表示する、粒度分布の一例である。
圧粉磁芯は、後述するように、大粒子、中粒子および小粒子の原料粒子を含む軟磁性材料粉を金型内で圧縮することで成形される。圧粉磁芯を金型から脱型するとき、圧粉磁芯側面は金型の内部表面と強く擦れ合う。ビッカース硬度(Hv)が低すぎると、脱型時に圧粉磁芯側面の軟磁性材料粉が伸びて変形し、その結果、耐電圧が低下するおそれがある。またビッカース硬度(Hv)が大きすぎると、直流重畳特性が低下するおそれがある。なお、ビッカース硬度(Hv)は、上記の範囲内であれば、大粒子、中粒子および小粒子で同じ値でもよく、異なる値でもよい。
ビッカース硬度(Hv)=F/S=1.854×F/d2
圧粉磁芯は、結合材を含むことができる。結合材としては、特に制限はないが、各種有機高分子樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、および水ガラス等が例示される。結合剤の含有量には特に制限はない。例えば、圧粉磁芯全体を100重量%とすると、原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計含有量を90重量%〜98重量%とし、結合材の含有量を2重量%〜10重量%とすることができる。
圧粉磁芯の製造方法としては、特に制限されず、公知の方法を採用できる。例えば、次のような方法が挙げられる。まず、大粒子の材料となる原料大粒子、中粒子の材料となる原料中粒子および小粒子の材料となる原料小粒子を所定割合で混合し軟磁性材料粉とする。絶縁された軟磁性材料粉と結合材とを混合し、混合粉を得る。また、必要に応じて、得られた混合粉を造粒粉としてもよい。そして、混合粉または造粒粉を金型内に充填して圧縮成形し、作製すべき磁性体(圧粉磁芯)の形状を有する成形体を得る。得られた成形体に対して、必要に応じて熱処理を行うことにより、金属磁性粉が固定された所定形状の圧粉磁芯が得られる。熱処理の条件に特に制限はなく、例えば、熱処理温度を150〜220℃とし、熱処理時間を1〜10時間とすることができる。また、熱処理時の雰囲気にも特に制限はなく、例えば大気雰囲気、またはアルゴンや窒素等の不活性ガス雰囲気中で熱処理できる。得られた圧粉磁芯に、ワイヤを所定回数だけ巻回することにより、インダクタ素子が得られる。
<透磁率>
周波数3MHzにおける圧粉磁芯のインダクタンスを測定し、インダクタンスから圧粉磁芯の透磁率を算出する。本実施形態の圧粉磁芯において、直流重畳磁界が0A/mおよび8000A/mのときの透磁率を、それぞれ初期透磁率μi(0A/m)および直流透磁率μdc(8000A/m)とする。
本実施形態の圧粉磁芯の初期透磁率μiは、好ましくは33以上、より好ましくは38以上、さらに好ましくは43以上である。
また、本実施形態の圧粉磁芯の直流透磁率μdcは、好ましくは22以上、より好ましくは28以上、さらに好ましくは33以上である。
渦電流損失(コアロス)は、周波数3MHzおよび5MHz、測定磁束密度10mTの条件で測定する。
本実施形態の圧粉磁芯の周波数3MHzにおけるコアロスは、好ましくは505kW/m3以下、より好ましくは458kW/m3以下、さらに好ましくは335kW/m3以下である。
また、本実施形態の圧粉磁芯の周波数5MHzにおけるコアロスは、好ましくは1170kW/m3以下、より好ましくは970kW/m3以下、さらに好ましくは770kW/m3以下である。
直径12.7mm、高さ5mmの円柱状に成形した圧粉磁芯を一対の銅板で挟み、銅板に電圧を印加して、0.5mAの電流が流れたときの電圧を耐電圧とする。
本実施形態の圧粉磁芯の耐電圧は、好ましくは200V/5mm以上、より好ましくは450V/5mm以上、さらに好ましくは800V/5mm以上、特に好ましくは1000V/5mm以上である。
平均粒径、面積百分率、ビッカース硬度(Hv)、小粒子の電気抵抗、初期透磁率(μi)、直流透磁率(μdc)、およびコアロスは以下のように測定した。結果を表1、2に示す。
圧粉磁芯を冷間埋め込み樹脂で固定し、断面を切り出し、鏡面研磨してSEMで観察を行った。画像解析ソフト(マウンテック社製Mac−View)を用いてSEM画像中の軟磁性材料粉の粒度分布を測定し、大粒子、中粒子および小粒子の平均粒径(D50)を得た。平均粒径が8〜15μmの範囲にある粒子群を大粒子とし、平均粒径が1〜5μmの範囲にある粒子群を中粒子とし、平均粒径が300〜900nmの範囲にある粒子群を小粒子とした。圧粉磁芯の断面において、大粒子、中粒子および小粒子が占める面積の合計を100%とし、大粒子、中粒子および小粒子が占めるそれぞれの面積百分率を求めた。
ビッカース硬度(Hv)は、微小硬度計(明石製作所製MVK―03)を用いて測定した。
小粒子と同じ組成を有するよう作製した試料粒子の電気抵抗を測定し、それを小粒子の電気抵抗とした。すなわち、小粒子と同じ組成を有する、直径およそ10μmの試料粒子を樹脂で固定し、断面を切り出し、そこにタングステンからなる4本の測定端子をあてて電圧を印可し、その際の電流を測定して電気抵抗を求めた。電気抵抗は組成に大きく依存するため、上記試料粒子の電気抵抗は、粒径がより小さい小粒子の電気抵抗と同じと考えられる。
LCRメータ(アジレント・テクノロジー社製4284A)および直流バイアス電源(アジレント・テクノロジー社製42841A)を用いて、周波数3MHzにおける圧粉磁芯のインダクタンスを測定し、インダクタンスから圧粉磁芯の透磁率を算出した。直流重畳磁界が0A/mの場合と8000A/mの場合について測定し、それぞれの透磁率をμi(0A/m)、μdc(8000A/m)とした。
BHアナライザ(岩通計測社製SY−8258)を用いて、周波数3MHzおよび5MHz、測定磁束密度10mTの条件で測定した。
直径12.7mm、高さ5mmの円柱状に成形した圧粉磁芯を一対の銅板で挟み、銅板に電圧を印加して、0.5mAの電流が流れたときの電圧を測定した。
水アトマイズ法にて、組成がFe1.5Siで平均粒径が10μmである原料大粒子を得た。また、水アトマイズ法にて、組成がFe6.5Siで平均粒径が3μmである原料中粒子を得た。さらに、液相法にて、組成がFe6.5Siで平均粒径が700nmである原料小粒子を得た。
絶縁被膜を形成した軟磁性材料粉の合計100重量%に対して、シリコーン樹脂が3重量%となるようにキシレンにて希釈して添加し、ニーダーで混練し、乾燥して得られた凝集物を355μm以下となるように整粒して、顆粒を得た。これを外径17.5mm、内径11.0mmのトロイダル形状の金型に充填し、成形圧6t/cm2で加圧し成形体を得た。コア重量は5gとした。得られた成形体をベルト炉にて750℃で30min、窒素雰囲気中で熱処理して圧粉磁芯を得た。
また、全ての実施例において、原料大粒子の平均粒径は、圧粉磁芯の断面における大粒子の平均粒径と略一致した。原料中粒子の平均粒径は、圧粉磁芯の断面における中粒子の平均粒径と略一致した。さらに、原料小粒子の平均粒径は、圧粉磁芯の断面における小粒子の平均粒径と略一致した。
組成がFe4.5Siの原料大粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe6.5Siの原料大粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe7.5Siの原料大粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe0.5Siの原料大粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe9.5Si5.5Alの原料大粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe1.5Siの原料中粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe4.5Siの原料中粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe7.5Siの原料中粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe0.5Siの原料中粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe9.5Si5.5Alの原料中粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe1.5Siの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe4.5Siの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe7.5Siの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe0.5Siの原料小粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe8.2Siの原料小粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe48Niの原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
平均粒径が8μmの原料大粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
平均粒径が13μmの原料大粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
平均粒径が15μmの原料大粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
平均粒径が6μmの原料大粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が8μm以上15μm以下にある粒子の存在が確認できなかった。
平均粒径が20μmの原料大粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が8μm以上15μm以下にある粒子の存在が確認できなかった。
平均粒径が1μmの原料中粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
平均粒径が5μmの原料中粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
平均粒径が0.7μmの原料中粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が1μm以上5μm以下にある粒子の存在が確認できなかった。
平均粒径が6μmの原料中粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が1μm以上5μm以下にある粒子の存在が確認できなかった。
平均粒径が300nmの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
平均粒径が500nmの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
平均粒径が900nmの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
平均粒径が200nmの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が300nm以上900nm以下にある粒子の存在が確認できなかった。
平均粒径が1000nmの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が300nm以上900nm以下にある粒子の存在が確認できなかった。
原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を90重量%、原料中粒子を5重量%、および原料小粒子を5重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を70重量%、原料中粒子を20重量%、および原料小粒子を10重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を70重量%、原料中粒子を10重量%、および原料小粒子を20重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を65重量%、原料中粒子を30重量%、および原料小粒子を5重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を65重量%、原料中粒子を5重量%、および原料小粒子を30重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を60重量%、原料中粒子を20重量%、および原料小粒子を20重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を50重量%、原料中粒子を30重量%、および原料小粒子を20重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を50重量%、原料中粒子を20重量%、および原料小粒子を30重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料中粒子および原料小粒子を用いず、原料大粒子のみを用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が1μm以上5μm以下にある粒子、および平均粒径が300nm以上900nm以下にある粒子の存在が確認できなかった。
原料小粒子を用いず、原料大粒子および原料中粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を80重量%、原料中粒子を20重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が300nm以上900nm以下にある粒子の存在が確認できなかった。
原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を50重量%、原料中粒子を45重量%、および原料小粒子を5重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を50重量%、原料中粒子を5重量%、および原料小粒子を45重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子、原料中粒子および原料小粒子の合計重量を100重量%として、原料大粒子を40重量%、原料中粒子を30重量%、および原料小粒子を30重量%の割合で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe4Si2Crの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFeNi2Si3Coの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
110 コア
120 コイル
10 圧粉磁芯
11 大粒子
12 中粒子
13 小粒子
14 絶縁被膜
15 間隙
平均粒径、面積百分率、ビッカース硬度(Hv)、小粒子の電気抵抗率、初期透磁率(μi)、直流透磁率(μdc)、およびコアロスは以下のように測定した。結果を表1、2に示す。
小粒子と同じ組成を有するよう作製した試料粒子の電気抵抗率を測定し、それを小粒子の電気抵抗率とした。すなわち、小粒子と同じ組成を有する、直径およそ10μmの試料粒子を樹脂で固定し、断面を切り出し、そこにタングステンからなる4本の測定端子をあてて電圧を印可し、その際の電流を測定して電気抵抗率を求めた。電気抵抗率は組成に大きく依存するため、上記試料粒子の電気抵抗率は、粒径がより小さい小粒子の電気抵抗率と同じと考えられる。
Claims (4)
- 断面において、平均粒径が8μm以上15μm以下にある大粒子と、平均粒径が1μm以上5μm以下にある中粒子と、平均粒径が300nm以上900nm以下にある小粒子とが観察される圧粉磁芯であって、
前記断面において、前記大粒子、前記中粒子および前記小粒子が占める面積の合計を100%とするとき、前記大粒子が占める面積が50〜90%、前記中粒子が占める面積が0〜30%、前記小粒子が占める面積が5〜30%であり、
前記大粒子、前記中粒子および前記小粒子のビッカース硬度(Hv)がそれぞれ150以上600以下であり、
前記小粒子がFeと少なくともSiまたはNiのいずれかとを含む合金粉である圧粉磁芯。 - 前記小粒子の電気抵抗が40μΩ・cm以上である、請求項1に記載の圧粉磁芯。
- 前記小粒子がCoおよびCrからなる群から選択される1以上の元素を含む、請求項1または2に記載の圧粉磁芯。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の圧粉磁芯を有するインダクタ素子。
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