JP5158163B2 - 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。例えば、特許文献1には、Fe、Al、Siを主成分とする合金粉末と結着剤とからなる混合物を圧縮成形した後、酸化性雰囲気中で熱処理をしてなる圧粉磁心が提案されている。
そこで、軟磁性粉末の平均粒径を小さくすることにより、圧粉磁心における渦電流損失の低減を図ることも行われているが、期待されるような高い効果が得られていないという問題がある。
本発明の圧粉磁心は、Siの含有率が2〜6wt%であり、Crの含有率が2〜10wt%であるFe−Si−Crを主成分として含み、平均粒径が7〜15μmであり、かつ、最大粒径が63μm未満である軟磁性粉末と、結合材と、の混合物を、加圧・成形してなる圧粉磁心であって、
当該圧粉磁心に適用する周波数が300[kHz]のときの損失P(300)と適用する周波数が500[kHz]のときの損失P(500)との比P(300)/P(500)が0.6以上であり、かつ、当該圧粉磁心に適用する周波数をf[kHz](ただし、fは300kHz)とし、前記軟磁性粉末の最大粒径をd[μm]としたとき、f×dが15000以下であることを特徴とする。
これにより、高周波数域での損失(鉄損)が小さい低損失の圧粉磁心が得られる。
また、このような条件を満足するように軟磁性粉末の最大粒径dを設定すれば、300kHz以上の特に高い周波数域で使用される圧粉磁心の渦電流損失を、各周波数域において、相対的に特に低減することができる。すなわち、低損失の高周波数用圧粉磁心が得られる。
また、これにより、軟磁性粉末の透磁率を高めることができる。また、軟磁性粉末の比抵抗を高くすることができるので、圧粉磁心に発生する誘導電流を低減し、渦電流損失を低減することができる。
また、これにより、耐食性に優れた軟磁性粉末を得ることができる。また、軟磁性粉末の比抵抗が高くなるため、圧粉磁心の渦電流損失を低減することができる。
これにより、軟磁性粉末の各粒子の形状が球形状に近くなるため、圧粉磁心における軟磁性粉末の充填率を高くすることができる。その結果、より密度の高い圧粉磁心を製造することができ、高透磁率・高磁束密度の圧粉磁心を得ることができる。
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、圧粉磁心の透磁率および磁束密度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。
本発明の圧粉磁心では、前記損失P(300)が3600kW/m 3 以下であり、かつ、前記損失P(500)が5900kW/m3以下であることが好ましい。
これにより、小型で発熱量の小さい磁性素子が得られる。
本発明の磁性素子では、コイル状に成形された導線を前記圧粉磁心に埋設してなることが好ましい。
[軟磁性粉末]
まず、本発明の軟磁性粉末について説明する。
本発明の軟磁性粉末は、Fe(鉄)を主成分とする金属粉末で構成されている。そして、本発明の軟磁性粉末は、平均粒径が5〜25μmであり、かつ、最大粒径が63μm未満であるという特徴を有する。このような軟磁性粉末は、例えば、結合材(バインダ)とともに加圧・成形され、圧粉磁心を得るための材料となる。
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、50〜99.5wt%程度であるのが好ましく、60〜95wt%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。
このような課題に対し、本発明者は、高周波数域でも損失の小さい圧粉磁心を製造可能な軟磁性粉末を提供するための条件について鋭意検討した結果、高周波数域では、軟磁性粉末の平均粒径だけでなく、最大粒径を制御することによって、圧粉磁心の渦電流損失が大幅に変化することを見出した。
すなわち、本発明の軟磁性粉末は、Feを主成分とする軟磁性粉末であって、平均粒径を5〜25μmと小さくしただけでなく、最大粒径を63μm未満と規定したことを特徴とする。これにより、高周波数域で使用しても、渦電流損失が十分に小さい圧粉磁心を製造可能な軟磁性粉末が得られる。
さらに、平均粒径および最大粒径を上記のように制御することにより、粒子の充填率を高めることができるので、より密度の高い圧粉磁心が得られる。これにより、特に透磁率や磁束密度の高い圧粉磁心を得ることができる。その結果、磁気特性を維持しつつ圧粉磁心を小型化したり、サイズを維持しつつ圧粉磁心の磁気特性を高めることができる。
なお、本発明における「最大粒径」とは、累積重量が99.9%となる粒径のことを言う。
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。
Siは、軟磁性粉末の透磁率を高め得る成分である。また、Siを添加することにより、軟磁性粉末の比抵抗が高くなるため、圧粉磁心に発生する誘導電流を低減し、渦電流損失を低減し得る成分でもある。
このようなSiの含有率は、1〜8wt%程度であるのが好ましく、2〜6wt%程度であるのがより好ましい。Siの含有率を前記範囲内に設定すれば、軟磁性粉末の密度が著しく低下するのを防止しつつ、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。
Crは、大気中の酸素と結合して、化学的に安定な酸化物(例えば、Cr2O3等)を容易に生成する。このため、Crを含む軟磁性粉末は、耐食性に優れたものとなる。また、Crを添加することにより、軟磁性粉末の比抵抗が高くなるため、Crは、圧粉磁心の渦電流損失を低減し得る成分でもある。
このようなCrの含有率は、1〜13wt%程度であるのが好ましく、2〜10wt%程度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、密度の著しい低下を防止しつつ、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。
一方、低損失の圧粉磁心を得るためには、平均粒径とともに最大粒径もできるだけ小さい方が好ましいが、製造可能性、生産効率および製造コストを考慮した場合には、平均粒径および最大粒径ができるだけ大きい方が好ましい。
具体的には、圧粉磁心が使用される周波数をf[kHz]とし、圧粉磁心を構成する軟磁性粉末の最大粒径をd[μm]としたとき、f×dが15000以下であるのが好ましく、13500以下であるのがより好ましく、12000以下であるのがさらに好ましい。このような条件を満足するように軟磁性粉末の最大粒径dを設定すれば、300kHz以上の特に高い周波数域で使用される圧粉磁心の渦電流損失を、各周波数域において、相対的に特に低減することができる。すなわち、低損失の高周波数用圧粉磁心が得られる。
同様に、f=400kHzである場合、dは、37μm以下であるのが好ましく、33μm以下であるのがより好ましく、30μm以下であるのがさらに好ましい。
同様に、f=500kHzである場合、dは、30μm以下であるのが好ましく、27μm以下であるのがより好ましく、24μm以下であるのがさらに好ましい。
同様に、f=600kHzである場合、dは、25μm以下であるのが好ましく、22μm以下であるのがより好ましく、20μm以下であるのがさらに好ましい。
なお、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)、Mn(マンガン)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。
このうち、本発明の軟磁性粉末は、アトマイズ法により製造されたものであるのが好ましい。アトマイズ法によれば、極めて微小な粉末を効率よく製造することができる。また、粉末の各粒子の形状が球形状に近くなるため、圧粉磁心を製造した際に、軟磁性粉末の充填率を高くすることができる。これにより、より密度の高い圧粉磁心を製造することができ、高透磁率・高磁束密度の圧粉磁心を得ることができる。
また、このようにして得ら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。
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。
以下、磁性素子の一例として、2種類のチョークコイルを代表に説明する。
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1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1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。
次に、チョークコイル(本発明の磁性素子)の第2実施形態について説明する。
図2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。
以上のような本実施形態にかかるチョークコイル20を製造する場合、まず、成形型のキャビティ内に導線22を配置するとともに、キャビティ内を本発明の軟磁性粉末で充填する。すなわち、導線22を包含するように、軟磁性粉末を充填する。
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。
以上、本発明の軟磁性粉末、軟磁性粉末の製造方法、圧粉磁心および磁性素子について、好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
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
(実施例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。
[2]次に、得られた軟磁性粉末を、目開き20μmのふるいにかけ、ふるい分けを行った。これにより、目開き以上の粒径の粒子を除去した。
また、ふるい分けにより、ふるいの目開きより粒径の大きい粒子は除去されるので、ふるい分けに用いたふるいの目開きを軟磁性粉末の最大粒径とみなすこととした。
[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 :6t/cm2(588MPa)
[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1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に示す平均粒径および最大粒径を示す粉末をそれぞれ用いた以外は、前記実施例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1〜4)
軟磁性粉末として、表1に示す平均粒径および最大粒径を示す粉末をそれぞれ用いた以外は、前記実施例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。
各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、それぞれの透磁率および損失(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または500kHz
・最大磁束密度:20mT
・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)
測定結果を表1に示す。また、表1のうち、軟磁性粉末の最大粒径と圧粉磁心の損失との関係を示すグラフを、図3に示す。
一方、各比較例で得られた圧粉磁心、すなわち、最大粒径が63μm以上の軟磁性粉末を含む圧粉磁心は、いずれも、損失が大きいものであった。
また、各実施例で得られた圧粉磁心の中でも、周波数fと最大粒径dとの積f×dが15000以下という条件を満たすもの(図3中の楕円の破線で囲んだもの)は、各周波数において、その損失が相対的に特に小さく抑えられていた。なお、この傾向は、周波数が高いもの(500kHz)ほど、より顕著に認められた。
Claims (7)
- Siの含有率が2〜6wt%であり、Crの含有率が2〜10wt%であるFe−Si−Crを主成分として含み、平均粒径が7〜15μmであり、かつ、最大粒径が63μm未満である軟磁性粉末と、結合材と、の混合物を、加圧・成形してなる圧粉磁心であって、
当該圧粉磁心に適用する周波数が300[kHz]のときの損失P(300)と適用する周波数が500[kHz]のときの損失P(500)との比P(300)/P(500)が0.6以上であり、かつ、当該圧粉磁心に適用する周波数をf[kHz](ただし、fは300kHz)とし、前記軟磁性粉末の最大粒径をd[μm]としたとき、f×dが15000以下であることを特徴とする圧粉磁心。 - 前記軟磁性粉末は、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1または2に記載の圧粉磁心。
- 当該圧粉磁心に適用する周波数をf[kHz](ただし、fは500kHz)とし、前記軟磁性粉末の最大粒径をd[μm]としたとき、f×dが16000以下である請求項1ないし3のいずれかに記載の圧粉磁心。
- 前記損失P(300)が3600kW/m 3 以下であり、かつ、前記損失P(500)が5900kW/m3以下である請求項1ないし4のいずれかに記載の圧粉磁心。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載の圧粉磁心を備えたことを特徴とする磁性素子。
- コイル状に成形された導線を前記圧粉磁心に埋設してなる請求項6に記載の磁性素子。
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