JP2561573B2 - 非晶質薄帯可飽和磁心 - Google Patents

非晶質薄帯可飽和磁心

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JP2561573B2 JP3143603A JP14360391A JP2561573B2 JP 2561573 B2 JP2561573 B2 JP 2561573B2 JP 3143603 A JP3143603 A JP 3143603A JP 14360391 A JP14360391 A JP 14360391A JP 2561573 B2 JP2561573 B2 JP 2561573B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はスイッチング電源に使用
されるマグアンプ(磁気増幅器)など高周波帯域で動作
する非晶質薄帯可飽和磁心に関するものである。
【0002】
【従来の技術】電子計算機やその周辺機器、通信機器な
どの小型化にともない、これらの機器に電力を供給する
電源に対して小型化要請が年々高まっている。現在、こ
れらの電源には主としてスイッチング電源が用いられて
おり、小型化対策としては回路の集積化やスイッチング
周波数の高周波化によるコンデンサや磁性部品の小型化
などが有効である。しかし、スイッチング周波数を上げ
ると磁性部品では磁心損失が大きくなるため、結果とし
て磁心冷却のための冷却ファンや放熱板のスペース増加
を招く。このため、高周波で損失の少ない磁性材料が求
められている。
【0003】高周波において損失の少ない磁心材料とし
て注目されているのは非晶質合金である。非晶質合金は
従来の軟磁性金属に比べて電気抵抗が大きく、板厚の薄
い材料が容易に製造できるため、高周波での磁心損失の
大部分を占める渦電流損失の増加が少ない。なかでも、
ゼロ磁歪Co基非晶質合金は磁心損失の残り部分である
ヒステリシス損失も小さいため、高周波損失が非常に小
さいという優れた特性を持っており、マグアンプやノイ
ズアブソーバ等の可飽和磁心として既に実用化されてい
る。
【0004】可飽和磁心に必要な磁気特性は、一般に低
鉄損と高角形比(飽和磁束密度に対して残留磁束密度の
比が高いこと)の2つである。ゼロ磁歪Co基非晶質合
金は磁界中アニールによって高い角形比が得られること
から、この点からも優れた材料といえる。今日知られて
いるゼロ磁歪Co基非晶質合金はいずれも菊地らの提案
したCoFeSiB合金をベースに各種の補助元素を含
むものである。特公昭63−28483号公報に記載の
合金がその代表である。これは、非晶質CoXSiB合
金薄帯のトロイダルコアを周方向に平行な磁場中でアニ
ールして角形比の高いコアを製造する方法である。ただ
し、XはTi,V,Cr,Mn,Ni,Zr,Nb,M
o,Ru,Hf,Ta,W,Re,Fe,Y,Ce,P
r,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dyの1種または
2種以上である。
【0005】現在マグアンプとして実用化されている磁
心は、上記組成を持つ厚さ20μm前後の非晶質合金薄
帯を使用したもので、低損失特性を活かすため主として
スイッチング周波数が50kHz以上の電源で使用され
ている。しかし、300kHz以上の高い周波数で使用
する場合は、動作磁束密度にもよるが一般に損失の増加
による発熱が大きく、冷却ファンや放熱板などによる温
度上昇防止対策が必要となる。磁心の発熱を抑えるに
は、薄帯厚みの減少による渦電流損低減が有効と考えら
れるが、薄帯厚みが15μmを下回ると板厚の減少に伴
って角形比が低下するという問題が生じた。このため、
このような高い周波数において低鉄損且つ角形比の高い
非晶質薄帯可飽和磁心を得ることは困難であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は300kHz
以上の高周波においても低鉄損、高角形比の要求を満足
する非晶質薄帯可飽和磁心を提供することを目的とする
ものである。
【0007】
【課題を解決するための手段および作用】本発明の要旨
とするところは、磁歪の小さいCo基非晶質合金からな
る可飽和磁心において、組成がCoa Feb Moc Sn
d Sie fであり、且つ磁歪が−0.1×10-6〜−
1×10-6の範囲にある厚み15μm以下の非晶質合金
薄帯を使用したことを特徴とする非晶質薄帯可飽和磁心
にある。ここで、a=67〜72(原子%、以下同
じ)、b=3〜5、c=1〜3、d=0.05〜1.
0、e=5〜19、f=7〜16、且つa+b+c+d
+e+f=100である。
【0008】すなわち、本発明の骨子は従来から知られ
ているCoFeSiB合金をベースにMoとSnを複合
添加し、且つ磁歪を−0.1×10-6〜−1×10-6
範囲にすることにより、15μm以下という薄い非晶質
合金薄帯を使用しながら、高い角形比の可飽和磁心を得
ることにある。以下に本発明についてさらに詳細に説明
する。
【0009】一般に、非晶質薄帯磁心の鉄損の大部分を
占める渦電流損失低減には、薄帯の薄手化が有効である
ことが知られている。しかし、本発明者らは従来の磁心
では薄帯をある板厚以下に薄くすると板厚減少とともに
角形比が低下するという現象に遭遇した。その具体例を
図1に示す。この図は、組成が(CoFe)72 Mo
2 (SiB)26 で磁歪が0.2×10-6の薄帯を巻回
し、周方向磁場中でアニールして作製した可飽和磁心に
ついて、薄帯厚みを変えた場合の保磁力Hcと角形比の
測定結果を示したものである。この図から、鉄損の指標
となる保磁力Hcは薄帯厚みにほぼ比例的に減少し、薄
手化が鉄損低減に有効であることがわかる。しかし、1
5μm以下の厚みでは角形比が低下するため、低鉄損と
高角形比を同時に達成することはできない。この角形比
低下の原因は明らかではないが、表面の薄い酸化層また
は部分結晶化層による応力効果あるいは表面の凹凸の影
響が板厚が薄くなると顕著になるためと推察される。そ
こで、本発明者らは低鉄損と高角形比を同時に達成する
ことを目的に種々検討を行った結果、合金組成の選択と
磁歪の適正化により上記の問題点の解決が可能であるこ
とを見出し、本発明の完成に到ったのである。
【0010】次に、本発明の合金組成を限定する理由に
ついて述べる。Snは本発明の目的とする薄手材での高
角形特性を付与するための必須元素で、0.05〜1.
0%(原子%、以下同じ)の範囲に限定した。その理由
は0.05%未満では本発明が目的とするSnの効果が
顕著に発現せず、また1.0%を超えて添加しても著し
い効果は認められないからである。なお、Sn添加のも
たらす効果はSnの表面改質作用のためと思われる。そ
の根拠として、図2に示すようにSn添加非晶質合金薄
帯の表面にSiが異常に濃縮されるという本発明者ら自
身が見出した現象がある。すなわち、Siの異常な表面
偏析が薄帯表面の状態を変化させ、後述する磁歪の範囲
において表面部分の影響による角形比低下を抑制してい
るものと推察される。
【0011】Moは非晶質合金の熱的安定性、非晶質形
成能を高めるとともに、高周波における磁気特性を改善
する効果を持つ元素で、その範囲を1〜3%に限定し
た。1%を下回ると上記の添加効果が不十分なため下限
を1%とし、3%を超えると飽和磁束密度が低下するの
で上限を3%とした。Co、Fe、Si、Bの4元素の
組成範囲は添加するSnとMoの量を考慮して次の条件
を満足するように決められた。第1の条件は磁歪が−
0.1×10-6〜−1×10-6、第2の条件は飽和磁束
密度が0.45T以上、第3の条件は磁心の周方向に印
加した磁場中アニール後の100kHzにおける交流磁
気特性が10μmの薄帯を使用した場合に角形比Br/
Bm>0.95、保磁力Hc<12A/m、好ましくは
角形比Br/Bm>0.97、保磁力Hc<10A/m
である(Br=残留磁束密度、Bm=印加最大磁場にお
ける磁束密度)。本発明においてはCoを67〜72
%、Fe3〜5%、Si5〜19%、B7〜16%に規
定する。Co、Feは規定した範囲を外れると磁歪およ
び飽和磁束密度に対する条件を満足しなくなる。また、
SiとBが規定した範囲を外れると非晶質合金の形成が
困難になるとともに所定の交流磁気特性を満足しなくな
る。
【0012】次に磁歪を限定した理由を述べる。図3は
組成が(CoFe)72 Mo2 Sn0.2(SiB)25.8 の合
金についてCoとFeのバランスを変えて磁歪の異なる
非晶質合金薄帯を板厚約10μmで作製し、巻き磁心に
加工して角形比を測定した結果である。この図から明ら
かなように、磁歪が正の場合に比較して負の場合には角
形比の低下現象が軽減されている。このことから、磁歪
の上限を−0.1×10-6とした。また、−1×10-6
より負側になると保磁力Hcが大きくなり鉄損の増大を
招くため下限を−1×10 -6とした。
【0013】次に本発明の実施態様について述べる。ま
ず、上述の組成範囲となるように配合した原料あるいは
母合金を溶解し、通常の液体急冷法で非晶質の連続薄帯
とする。このとき使用するノズルは、薄手材の製造に適
する単一スリットノズルが望ましい。鋳造する雰囲気は
大気中、不活性ガス中、真空中のいずれでもよい。以上
説明した非晶質薄帯の製造方法は特に限定するものでは
なく、他の方法を採用することもできる。
【0014】非晶質薄帯は所定の寸法の巻き磁心に成形
された後、周方向の磁場中でアニールされる。磁界の強
さは合金の保磁力の10倍あれば十分である。アニール
温度は合金の結晶化開始温度をTxとするとき、Tx−
120℃からTx−20℃の範囲、保持時間は30〜1
20分が適当である。
【0015】
【実施例】表1に示す化学組成の薄帯を単ロール急冷法
を用いて作製した。薄帯の幅は5mm、板厚は約10〜
20μmである。作製した薄帯はX線回折法により非晶
質であることが確認された。また、磁歪は三端子静電容
量法によって測定した。この薄帯をそれぞれ内径12m
m、外径18mmの巻き磁心に成形した後、約400A
/mの直流磁界をかけながらAr気流中でアニールし
た。アニール条件は、保持時間を1時間に固定し、温度
は400〜480℃の範囲で変化させた。アニールした
磁心は樹脂コーティングした後、交流磁気特性を測定し
た。表1に各々の最適アニール温度における磁気特性を
示した。この表から明らかなように本発明による磁心は
板厚に関係なく高い角形比が得られている。これに対し
て、比較材の場合は15μm以下で角形比が低下してお
り、目標特性を満足できないことが判る。
【0016】
【表1】
【0017】
【発明の効果】本発明による非晶質薄帯可飽和磁心は、
高周波においても低鉄損と高角形比という要求をともに
満足できる。このため、300kHz以上のスイッチン
グ電源においてマグアンプなどに使用した場合、従来の
ものに比較して磁心発熱が小さく、電源の小型化や冷却
方法の簡素化が可能となり、その工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のSn添加なしの組成の非晶質合金薄帯で
作製した巻き磁心について薄帯厚みと保磁力Hc、角形
比Br/Bmの関係を示す図である。
【図2】グロー放電発光分析法(GDS)で分析した、
薄帯表面深さ方向の元素濃度を比較する図(ただし、
(a)は本発明のSnを含有する非晶質合金、(b)は
Snを含まない非晶質合金)である。
【図3】本発明磁心(Snを添加した組成の非晶質合金
薄帯で作製)についての角形比の磁歪依存性を示す図で
ある。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 磁歪の小さいCo基非晶質合金からなる
    可飽和磁心において、組成がCoa Feb Moc Snd
    Sie f であり、且つ磁歪が−0.1×10-6〜−1
    ×10-6の範囲にある厚み15μm以下の非晶質合金薄
    帯を使用したことを特徴とする非晶質薄帯可飽和磁心。
    ここで、a=67〜72(原子%、以下同じ)、b=3
    〜5、c=1〜3、d=0.05〜1.0、e=5〜1
    9、f=7〜16、且つa+b+c+d+e+f=10
    0である。
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