JP4775293B2 - 軟磁性粉末、圧粉磁心および磁性素子 - Google Patents
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Description
このように、モバイル機器の小型化および高性能化を図るためには、スイッチング電源の高周波数化が必要となる。このため、スイッチング電源の駆動周波数は、数100kHz程度まで高周波数化が進んでいる。また、それに伴い、モバイル機器に内蔵されたチョークコイルやインダクタ等の磁性素子の駆動周波数も高周波数化への対応が必要となる。
かかる問題を解決するため、前述のような磁性素子が備える磁心として、軟磁性粉末と結合材(バインダ)との混合物を加圧・成形した圧粉磁心が使用されている。
本発明の軟磁性粉末は、Fe、Si、Cr、AlおよびMnを含んでおり、以下の(a)〜(h)の条件を全て満たすことを特徴とする軟磁性粉末。
(a)Feを主成分とし、Si、Cr、AlおよびMn以外の残部がFeおよび不可避元素である
(b)Siの含有率が1wt%以上8wt%以下である
(c)Crの含有率が8wt%超13wt%以下である
(d)アトマイズ法により製造されたものである
(e)平均粒径が5〜30μmである
(f)タップ密度が3.5g/cm3以上である
(g)Mnの含有率が0.2wt%超1wt%以下である
(h)Alの含有率が1wt%以上8wt%以下である
これにより、長期にわたる耐食性に優れるとともに、損失(鉄損)が小さい低損失の圧粉磁心を製造可能な軟磁性粉末が得られる。
また、これにより、より球形に近い軟磁性粉末が得られる。そして、球形に近い軟磁性粉末は、結合材とともに加圧・成形される際、その形状作用により、粒子間に隙間が生じ難くなって、充填率が高くなる。このため、より密度が高く、磁束密度および透磁率の高い圧粉磁心が得られる。
また、Alは、大気中の酸素と結合して、化学的に安定な酸化物を容易に生成するので、Alを含む軟磁性粉末は、耐食性により優れたものとなる。また、Alの酸化物は、Crの酸化物よりも強固で安定性が高く比抵抗が大きいため、軟磁性粉末の各粒子の表面付近にAlの酸化物層が形成されることにより、粒子間をより確実に絶縁することができる。その結果、圧粉磁心における渦電流損失のさらなる低減を図ることができる。
これにより、軟磁性粉末の各粒子の表面に、Cr2O3等の酸化物が確実に形成される。その結果、耐食性に特に優れた軟磁性粉末を容易に製造することができる。
本発明の軟磁性粉末では、前記水アトマイズ法において、噴射させた水が形成する円錐の頂角は、10〜40°であることが好ましい。
これにより、溶融金属を水に確実に接触させることができるようになる。このため、本発明のように、Crの含有率が比較的高く、凝固し易いような組成の溶融金属であっても、確実に粉末化することができる。
これにより、耐食性に優れた圧粉磁心が得られる。
本発明の圧粉磁心では、前記軟磁性粉末に対する前記結合材の割合は、0.5〜5wt%であることが好ましい。
これにより、軟磁性粉末の各粒子同士を確実に絶縁しつつ、圧粉磁心の密度をある程度確保して、圧粉磁心の透磁率が著しく低下するのを防止することができる。その結果、より透磁率が高く、かつ、より低損失の圧粉磁心が得られる。
本発明の磁性素子は、本発明の圧粉磁心を備えたことを特徴とする。
これにより、高性能の磁性素子が得られる。
[軟磁性粉末]
まず、本発明の軟磁性粉末について説明する。
圧粉磁心を構成する粉末材料として、種々の軟磁性粉末が以前より用いられてきた。圧粉磁心は、一般に、軟磁性粉末と結合材(バインダ)とを混合し、得られた混合物を加圧・成形することにより作製される。このようにして得られた圧粉磁心では、軟磁性粉末の各粒子同士の間に結合材が介在するために、各粒子間の絶縁が確保される。その結果、圧粉磁心に発生する渦電流が各粒子間で分断されることとなり、圧粉磁心をたとえ高い周波数で使用したとしても、渦電流によるジュール損失、すなわち渦電流損失を減少させることができる。
(a)Feを主成分とし、Si、Cr、AlおよびMn以外の残部がFeおよび不可避元素である。
(b)Siの含有率が1wt%以上8wt%以下である。
(c)Crの含有率が8wt%超13wt%以下である。
(d)アトマイズ法により製造されたものである。
(e)平均粒径が5〜30μmである。
(f)タップ密度が3.5g/cm3以上である。
(g)Mnの含有率が0.2wt%超1wt%以下である。
(h)Alの含有率が1wt%以上8wt%以下である。
すなわち、このような各条件を全て満たしたFe基合金粉末は、長期にわたる耐食性に優れるとともに、高周波数域での損失が小さい圧粉磁心を製造し得るものとなる。
(a) Feは、本発明の軟磁性粉末を構成する主要な元素となっており、軟磁性粉末の基本的な磁気的特性や機械的特性に大きな影響を与える元素である。そして、Feを主成分とする金属粉末は、高磁束密度かつ高強度の圧粉磁心を製造可能なものとなる。なお、本発明において、「主成分」とは、軟磁性粉末を構成する各成分の中で、最も含有率の高いもののことを言う。
軟磁性粉末中のFeの含有率は、60〜90wt%程度であるのが好ましく、70〜88wt%程度であるのがより好ましい。これにより、より高磁束密度で、かつ、より高強度の圧粉磁心を確実に製造可能な軟磁性粉末が得られる。このため、圧粉磁心の各種特性を維持しつつ、その小型化を図ることができる。
このようなSiの含有率は、1wt%以上8wt%以下とされるが、2wt%以上6wt%以下であるのが好ましい。Siの含有率を前記範囲内に設定すれば、磁気特性の著しい悪化を防止しつつ、透磁率がより高く、かつ、渦電流損失のより小さい圧粉磁心を製造可能な軟磁性粉末を得ることができる。
このようなCrの含有率は、8wt%超13wt%以下とされるが、10wt%以上12wt%以下であるのがより好ましい。Crの含有率を前記範囲内に設定すれば、磁気特性の著しい悪化を防止しつつ、耐食性により優れ、かつ、渦電流損失のより小さい圧粉磁心を製造可能な軟磁性粉末を得ることができる。
また、水アトマイズ法によれば、微粉化した溶湯が水と接触した際に、水の作用によって急速に酸化する。このため、得られた軟磁性粉末の各粒子の表面には、Cr2O3等の酸化物が確実に形成される。したがって、水アトマイズ法によれば、耐食性に特に優れた軟磁性粉末を容易に製造することができる。
なお、水アトマイズ法を用いた場合、噴射するアトマイズ水(流体3)の圧力は、特に限定されないが、好ましくは75〜120MPa(750〜1200kgf/cm2)程度とされ、より好ましくは、90〜120MPa(900〜1200kgf/cm2)程度とされる。
また、アトマイズ水の水温も、特に限定されないが、好ましくは、1〜20℃程度とされる。
なお、アトマイズ法により製造された軟磁性粉末に対し、必要に応じて、分級を行ってもよい。分級の方法としては、例えば、ふるい分け分級、慣性分級、遠心分級のような乾式分級、沈降分級のような湿式分級等が挙げられる。
また、必要に応じて、得られた軟磁性粉末を造粒してもよい。
なお、軟磁性粉末の平均粒径が前記下限値を下回った場合、軟磁性粉末と結合材とを混合し、加圧・成形する際に、混合物の成形性が低下するため、得られる圧粉磁心の透磁率が低下するおそれがある。一方、軟磁性粉末の平均粒径が前記上限値を上回った場合、圧粉磁心中で渦電流が流れる経路が著しく長くなるため、渦電流損失が急激に増大するおそれがある。
なお、本発明におけるタップ密度は、JIS Z 2512に規定の方法で測定されたものとする。
このようなMnの含有率は、0.2wt%超1wt%以下であるが、0.3〜1wt%程度であるのが好ましく、0.3〜0.8wt%程度であるのがより好ましい。Mnの含有率を前記範囲内に設定することにより、軟磁性粉末の磁気特性(例えば、磁束密度、透磁率、保磁力等)の低下を防止しつつ、軟磁性粉末の各粒子を十分に球形化することができる。
なお、Mnの含有率が前記下限値を下回った場合、軟磁性粉末の各粒子が十分に球形化されないおそれがある。一方、Mnの含有率が前記上限値を上回った場合、軟磁性粉末の磁束密度や透磁率が著しく低下したり、保磁力が著しく増大したりして、磁気特性が大幅に悪化するおそれがある。
さらに、このAlの酸化物は、Crの酸化物(例えば、Cr2O3等)よりも強固で安定性が高く比抵抗が大きいため、軟磁性粉末の各粒子の表面付近にAlの酸化物層が形成されることにより、粒子間をより確実に絶縁することができる。その結果、圧粉磁心における渦電流損失のさらなる低減を図ることができる。また、Alは透磁率、保磁力を改善する元素であり磁気特性の向上に有効な元素である。
また、このような軟磁性粉末は、その他の成分、例えば、製造過程で不可避的に混入するC(炭素)、P(リン)、S(硫黄)等の成分を含んでいてもよい。その場合、その他の成分の含有率の総和は、1wt%以下とするのが好ましい。
本発明の磁性素子は、チョークコイル、インダクタ、ノイズフィルタ、リアクトル、モータ、発電機のように、磁心を備えた各種磁性素子(電磁気部品)に適用可能である。すなわち、本発明の圧粉磁心は、これらの磁性素子が備える圧粉磁心に適用可能である。
<第1実施形態>
まず、チョークコイル(本発明の磁性素子)の第1実施形態について説明する。
図2は、チョークコイルの第1実施形態を示す模式図(平面図)である。
図2に示すチョークコイル10は、リング状(トロイダル形状)の圧粉磁心11と、この圧粉磁心11に巻き回された導線12とを有する。このようなチョークコイル10は、一般に、トロイダルコイルと称される。
圧粉磁心11の作製に用いられる結合材の構成材料としては、例えば、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリフェニレンサルファイド系樹脂等の有機バインダ、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸亜鉛、リン酸マンガン、リン酸カドミウムのようなリン酸塩、ケイ酸ナトリウムのようなケイ酸塩(水ガラス)等の無機バインダ等が挙げられるが、特に、熱硬化性ポリイミドまたはエポキシ系樹脂が好ましい。これらの樹脂材料は、加熱されることによって容易に硬化するとともに、耐熱性に優れたものである。したがって、圧粉磁心11の製造容易性および耐熱性を高めることができる。
なお、前記混合物中には、必要に応じて、任意の目的で各種添加剤を添加するようにしてもよい。
また、このジュール損失は、圧粉磁心11の発熱を招くこととなるため、ジュール損失を抑えることにより、チョークコイル10の発熱量を減らすこともできる。
なお、導線12の表面に、絶縁性を有する表面層を備えているのが好ましい。これにより、圧粉磁心11と導線12との短絡を確実に防止することができる。
かかる表面層の構成材料としては、例えば、各種樹脂材料等が挙げられる。
まず、本発明の軟磁性粉末と、結合材と、各種添加剤と、有機溶媒とを混合し、混合物を得る。
次いで、混合物を乾燥させて塊状の乾燥体を得た後、この乾燥体を粉砕することにより、造粒粉を形成する。
この場合の成形方法としては、特に限定されないが、例えば、プレス成形、押出成形、射出成形等の方法が挙げられる。
なお、この成形体の形状寸法は、以後の成形体を加熱した際の収縮分を見込んで決定される。
このとき、加熱温度は、結合材の組成等に応じて若干異なるものの、結合材が有機バインダで構成されている場合、好ましくは100〜250℃程度とされ、より好ましくは120〜200℃程度とされる。
また、加熱時間は、加熱温度に応じて異なるものの、0.5〜5時間程度とされる。
また、本発明の軟磁性粉末によれば、磁気特性に優れた圧粉磁心11を容易に得ることができる。これにより、圧粉磁心11の磁束密度の向上や、それに伴うチョークコイル10の小型化や定格電流の増大、発熱量の低減を容易に実現することができる。すなわち、高性能のチョークコイル10が得られる。
次に、本発明の圧粉磁心および磁性素子の第2実施形態について説明する。
図3は、チョークコイルの第2実施形態を示す模式図(斜視図)である。
以下、第2実施形態にかかるチョークコイルについて説明するが、それぞれ、前記第1実施形態にかかるチョークコイルとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
このような形態のチョークコイル20は、比較的小型のものが容易に得られる。そして、このような小型のチョークコイル20を製造する場合、透磁率および磁束密度が大きく、かつ、損失の小さい圧粉磁心21が、その作用・効果をより有効に発揮する。すなわち、より小型であるにもかかわらず、大電流に対応可能な低損失・低発熱のチョークコイル20が得られる。
また、導線22が圧粉磁心21の内部に埋設されているため、導線22と圧粉磁心21との間に隙間が生じ難い。このため、導線22の高周波スイッチングによる振動を抑制し、この振動に伴う騒音の発生を抑制することもできる。
次に、導線22とともに、軟磁性粉末を加圧して成形体を得る。
次いで、前記第1実施形態と同様に、この成形体に熱処理を施す。これにより、チョークコイル20が得られる。
例えば、前記実施形態では、本発明の磁性素子としてチョークコイルを例に説明したが、圧粉磁心を備える他の磁性素子においても、上記と同様の作用・効果が得られる。
1.圧粉磁心および磁性素子の製造
(参考例1)
[1]まず、表1に示す組成で原材料を調製した。そして、得られた原材料を高周波誘導炉で溶融するとともに、水アトマイズ法により粉末化して、軟磁性粉末を得た。なお、水アトマイズ法の条件は、以下の通りである。
<水アトマイズ法の条件>
・アトマイズ水の圧力:100MPa(1000kgf/cm2)
・アトマイズ水の温度:10℃
・アトマイズ水の頂角:30°
また、JIS Z 2512に規定の方法により、得られた軟磁性粉末のタップ密度を測定した。なお、求めた平均粒径およびタップ密度を、表1に示す。
[4]次に、得られた混合物を撹拌したのち、温度60℃で1時間加熱して乾燥させ、塊状の乾燥体を得た。次いで、この乾燥体を、目開き500μmのふるいにかけ、乾燥体を粉砕して、造粒粉末を得た。
<成形条件>
・成形方法 :プレス成形
・成形体の形状:リング状
・成形体の寸法:外径28mm、内径14mm、厚さ5mm
・成形圧力 :5t/cm2(490MPa)
[7]次に、得られた圧粉磁心を用い、以下の作製条件に基づいて、図2に示すチョークコイル(磁性素子)を作製した。
<コイル作製条件>
・導線の構成材料:Cu
・導線の線径 :0.8mm
・巻き数 :1次側30ターン、2次側30ターン
軟磁性粉末として、表1に示す製造条件で製造された粉末をそれぞれ用いた以外は、前記参考例1と同様にして圧粉磁心を得、この圧粉磁心を用いてチョークコイルを得た。
(比較例1〜7)
軟磁性粉末として、表1に示す製造条件で製造された粉末をそれぞれ用いた以外は、前記参考例1と同様にして圧粉磁心を得、この圧粉磁心を用いてチョークコイルを得た。
2.1 透磁率および損失(コアロス)の測定・評価
各参考例、実施例および各比較例で得られたチョークコイルについて、それぞれの透磁率、損失(コアロス)を以下の測定条件に基づいて測定した。
<測定条件>
・測定周波数 :300kHz
・最大磁束密度:50mT
・測定装置 :交流磁気特性測定装置(岩通計株式会社製、B−HアナライザSY8232)
そして、得られた透磁率および損失を、以下の評価基準にしたがって評価した。
×:透磁率が低く、かつ、損失が大きいもの
△:透磁率が高いが損失が大きいもの、または、透磁率が低いが損失が小さいもの
○:透磁率が高く、かつ、損失が小さいもの
◎:上記○のうち、透磁率が特に高いか、または、損失が特に小さいもの
各参考例、実施例および各比較例で得られた圧粉磁心について、それぞれの高温高湿環境下での比抵抗値の変化を測定することにより、圧粉磁心の耐食性・安定性を評価した。
なお、加速試験は恒温恒湿機(大研理化学器械株式会社製)で行ない、試験環境は温度85℃、湿度90%とした。比抵抗の測定は、絶縁耐圧測定機(KIKUSUI ELECTRONICS製、TOS9000)を使用し、100V印加時の抵抗値を測定した。そして、加速試験前の初期の比抵抗R0と、100日(2400時間)経過後の比抵抗R100とをそれぞれ測定した。
<評価基準>
◎:R100が90以上100以下である
○:R100が70以上90未満である
△:R100が50以上70未満である
×:R100が50未満である
以上、2.1〜2.2の測定結果を表1に示す。
また、実施例1では、磁気特性と耐食性の双方が特に良好であった。
一方、各比較例で得られた圧粉磁心およびチョークコイルは、それぞれ、磁気特性または耐食性のいずれかが劣っていた。
Claims (6)
- Fe、Si、Cr、AlおよびMnを含んでおり、以下の(a)〜(h)の条件を全て満たすことを特徴とする軟磁性粉末。
(a)Feを主成分とし、Si、Cr、AlおよびMn以外の残部がFeおよび不可避元素である
(b)Siの含有率が1wt%以上8wt%以下である
(c)Crの含有率が8wt%超13wt%以下である
(d)アトマイズ法により製造されたものである
(e)平均粒径が5〜30μmである
(f)タップ密度が3.5g/cm3以上である
(g)Mnの含有率が0.2wt%超1wt%以下である
(h)Alの含有率が1wt%以上8wt%以下である - 水アトマイズ法により製造されたものである請求項1に記載の軟磁性粉末。
- 前記水アトマイズ法において、噴射させた水が形成する円錐の頂角は、10〜40°である請求項2に記載の軟磁性粉末。
- 請求項1ないし3のいずれかに記載の軟磁性粉末と結合材との混合物を、加圧・成形してなることを特徴とする圧粉磁心。
- 前記軟磁性粉末に対する前記結合材の割合は、0.5〜5wt%である請求項4に記載の圧粉磁心。
- 請求項4または5に記載の圧粉磁心を備えたことを特徴とする磁性素子。
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