JPWO2018062409A1 - 磁心 - Google Patents

Abstract

磁心は、平均結晶粒径１００ｎｍ以下の結晶構造を有する複数の鉄基軟磁性合金板と、複数の鉄基軟磁性合金板の一つと他の一つとの間に設けられた絶縁層と、を具備する。磁心における複数の鉄基磁性合金板の占積率は、６５％以上であり、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率は、２５０００以上である。

Description

実施形態は、磁心に関する。

高周波領域で使用される従来のスイッチングレギュレータ等の磁心は、パーマロイやフェライト等の結晶質材料を含む。しかしながら、パーマロイは比抵抗が小さいので高周波領域での鉄損が大きい。フェライトは、高周波領域での鉄損が小さいが、磁束密度が低く、５００ガウス（Ｇ）程度である。そのため、大きな動作磁束密度での使用時に飽和に近づき鉄損が増大する。これに対し、平均結晶粒径５０ｎｍ以下の微細結晶構造を有する鉄基軟磁性合金が開発されている。上記鉄基軟磁性合金の周波数１ｋＨｚでの透磁率μは約１０００００である。

スイッチングレギュレータに使用される電源トランス、平滑チョークコイル、コモンモードチョークコイル等の部品は、磁心の小型化を必要とする。同様に、ノイズフィルタやアンテナ等の部品も磁心の小型化を必要とする。

スイッチングレギュレータは、スイッチング電源の一種である。スイッチング電源は、商用電源の電力変換装置等として広く利用されている。スイッチング電源は、フィードバック回路によって半導体スイッチング素子のオン・オフ時間比率（デューティ比）を制御することにより出力を安定させる電源装置である。スイッチング電源は、医療機器、産業機器、鉄道、通信機器等の様々な機器に用いられている。半導体スイッチング素子の高性能化に伴い動作周波数が５０ｋＨｚ以上と高い。周波数１ｋＨｚでの透磁率μが１０００００である磁心において、周波数１００ｋＨｚでの透磁率μは２００００程度しかない。このため、周波数５０ｋＨｚ以上の高周波領域での磁心の小型化は困難である。

特開平１０−００８２２４号公報

本発明が解決しようとする課題は、磁心の透磁率を向上させることである。

実施形態の磁心は、平均結晶粒径１００ｎｍ以下の結晶構造を有する複数の鉄基軟磁性合金板と、複数の鉄基軟磁性合金板の一つと他の一つとの間に設けられた絶縁層と、を具備する。磁心における複数の鉄基磁性合金板の占積率は、６５％以上であり、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率は、２５０００以上である。

券回型磁心の構造例を示す断面模式図である。 積層型磁心の構造例を示す断面模式図である。 鉄基軟磁性合金板と絶縁層との境界の一例を示す断面図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。図面は模式的であり、例えば各構成要素の厚さ、幅等の寸法は実際の構成要素の寸法と異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付け、説明を省略する場合がある。

図１は、巻回型磁心の構造例を示す断面模式図である。図２は積層型磁心の構造例を示す断面図模式図である。図１および図２に示す磁心１は、鉄基軟磁性合金板２と、絶縁層３と、を具備する。

図１に示す磁心１は、券回型磁心であり、絶縁層３を挟んで複数の鉄基軟磁性合金板２の一つと他の一つとを積層し、当該積層体を巻回することにより形成される巻回体である。券回型磁心はトロイダルコアとも呼ばれている。図１に示す磁心１は、磁心１の中心に中空部４を有する。

図２に示す磁心は、積層型磁心であり、複数の鉄基軟磁性合金板２の一つと他の一つとを間に絶縁層３を挟んで積層することにより形成される積層体である。

図１および図２に示す磁心１にコイルが巻き付けられていてもよい。磁心１は、必要に応じてケースに収納してもよい。磁心１をケースに収納してから、コイルを巻いてもよい。

鉄基軟磁性合金板２は、例えば鉄（Ｆｅ）を５０原子％以上含む軟磁性合金薄板により構成される。鉄基軟磁性合金板２は、平均結晶粒径１００ｎｍ以下の微細結晶構造を有する。平均結晶粒径が１００ｎｍを超えると軟磁気特性が低下する。このため、平均結晶粒径は１００ｎｍ以下、さらには５０ｎｍ以下であることが好ましい。また、平均結晶粒径は１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下、さらには１０ｎｍ以上３０ｎｍ未満であることがより好ましい。

平均結晶粒径は、Ｘ線回折（Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）分析により求められる回折ピークの半値幅からシェラー（Ｓｃｈｅｒｒｅｒ）の式により求められる。シェラーの式は、Ｄ＝（Ｋ・λ）／（βｃｏｓθ）、で示される。ここでＤは平均結晶粒径、Ｋは形状因子、λはＸ線の波長、βはピーク半値全幅（ＦＷＨＭ）、θはブラッグ角である。形状因子Ｋは０．９とする。ブラッグ角は回折角２θの半分である。ＸＲＤ分析は、Ｃｕターゲット、管電圧４０ｍＶ、管電流４０ｍＡ、スリット幅（ＲＳ）０．２０ｍｍの条件下で行われる。

鉄基軟磁性合金板２の組成は、例えば下記一般式（組成式）により表される。
一般式：Ｆｅ_ａＣｕ_ｂＭ_ｃＭ’_ｄＭ”_ｅＳｉ_ｆＢ_ｇ
（式中、Ｍは周期表の４族元素、５族元素、６族元素および希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、Ｍ’はＭｎ、Ａｌおよび白金族元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、Ｍ”はＣｏおよびＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ａはａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１００原子％を満足する数であり、ｂは０．０１≦ｂ≦８原子％を満足する数であり、ｃは０．０１≦ｃ≦１０原子％を満足する数であり、ｄは０≦ｄ≦１０を満足する数であり、ｅは０≦ｅ≦２０原子％を満足する数であり、ｆは１０≦ｆ≦２５原子％を満足する数であり、ｇは３≦ｇ≦１２原子％を満足する数である。）

Ｃｕは耐食性を高め、結晶粒の粗大化を防ぎ、鉄損、透磁率等の軟磁気特性の改善に有効である。Ｃｕの含有量は０．０１原子％以上８原子％以下（０．０１≦ｂ≦８）であることが好ましい。含有量が０．０１原子％未満では添加の効果が小さく、８原子％を超えると磁気特性が低下する。

Ｍは、周期表の４族元素、５族元素、６族元素、および希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。４族元素の例は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）等を含む。５族元素の例は、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）等を含む。６族元素の例は、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）等を含む。希土類元素の例は、Ｙ（イットリウム）、ランタノイド元素、アクチノイド元素等を含む。Ｍ元素は、結晶粒径の均一化や温度変化に対する磁気特性の安定化に有効である。Ｍ元素の含有量は０．０１原子％以上１０原子％以下（０．０１≦ｃ≦１０）であることが好ましい。

Ｍ’は、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミニウム）、および白金族元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。白金族元素の例は、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）等を含む。Ｍ’元素は、飽和磁束密度等の軟磁気特性の向上に有効である。Ｍ’元素の含有量は０原子％以上１０原子％以下（０≦ｄ≦１０）であることが好ましい。

Ｍ”元素はＣｏ（コバルト）およびＮｉ（ニッケル）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。Ｍ”元素は飽和磁束密度等の軟磁気特性の向上に有効である。Ｍ”元素の含有量は０原子％以上２０原子％以下（０≦ｅ≦２０）であることが好ましい。

Ｓｉ（珪素）およびＢ（ホウ素）は、製造時における合金の非晶質化または微結晶の析出を助成する。ＳｉおよびＢは、結晶化温度の改善や、磁気特性向上のための熱処理に対して有効である。特に、Ｓｉは微細結晶粒の主成分であるＦｅに固溶し、磁歪や磁気異方性の低減に有効である。Ｓｉの含有量は１０原子％以上２５原子％以下（１０≦ｆ≦２５）であることが好ましい。Ｂの含有量は３原子％以上１２原子％以下（３≦ｇ≦１２）であることが好ましい。

上記一般式を満たす場合、Ｆｅ_３Ｓｉ相が形成される。平均結晶粒径１００ｎｍ以下の微細結晶は、主に、α−Ｆｅ相、Ｆｅ_３Ｓｉ相、およびＦｅ_２Ｂ相からなる群より選ばれる少なくとも一つの相を有する。各結晶は、一般式を満たす構成元素を含んでいてもよい。

Ｆｅ_３Ｓｉ結晶相に対して平行方向には引っ張り応力、垂直方向には圧縮応力が生じていることが好ましい。引っ張り応力および圧縮応力の有無の解析は、ＸＲＤの残留応力解析手法を用いて行われる。平行方向は、鉄基軟磁性合金板２の長手方向である。つまり、ロール急冷法で作製した薄帯の長手方向である。垂直方向とは薄帯の幅方向である。

ＸＲＤ分析による残留応力解析は、以下の手法で行われる。ＸＲＤ分析は、Ｃｕターゲット、管電圧４０ｍＶ、管電流４０ｍＡ、スリット幅（ＲＳ）０．２０ｍｍの条件で行われる。

回折角（２θ）が１４０度以上１８０度以下の範囲に現れる一番大きなピークを基準とする。Ｘ線の照射角度を１５度単位で４５度までずらしながら測定する。このピークの位置が向かって右側にずれると引っ張り応力、左側にずれると圧縮応力となる。

Ｆｅ_３Ｓｉ結晶相への引っ張り応力および圧縮応力の発生は、鉄基軟磁性合金板が磁気異方性を有していることを示す。前述のとおり、Ｆｅ（鉄）、Ｓｉ（珪素）、Ｂ（ホウ素）を構成元素として含有する鉄基軟磁性合金板２は、α−Ｆｅ、Ｆｅ_３Ｓｉ、およびＦｅ_２Ｂからなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶相を有する。従来の微細結晶を有する磁性材料は、磁気異方性を無くすことにより軟磁気特性を付与することができる。この方法ではこれ以上の初透磁率の向上は困難である。

実施形態の磁心は、Ｆｅ_３Ｓｉ結晶相に磁気異方性を付与することにより、初透磁率を大きくすることができる。特に、周波数１００ｋＨｚの初透磁率を２５０００以上、さらには３００００以上と大きくすることができる。磁気異方性を付与することにより、熱処理後の磁心の直流保磁力を大きくすることができる。

鉄基軟磁性合金板２の平均厚さは、３０μｍ以下であることが好ましい。鉄基軟磁性合金板２が厚くなると渦電流損失が大きくなる。渦電流損失Ｘは、式：Ｘ＝Ｂ^２ｆ^２ｄ^２／ρにより表される。Ｂは磁心１の磁束密度を表し、ｆは磁心１の周波数を表し、ｄは鉄基軟磁性合金板２の平均厚さを表し、ρは磁心１の電気抵抗率を表す。鉄基軟磁性合金板２の平均厚さは２０μｍ以下、さらには１８μｍ以下であることがより好ましい。平均厚さは、鉄基軟磁性合金板２の断面を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を使用して観察したとき、任意の５ヶ所の厚さの平均値により定義される。

鉄基軟磁性合金板２の密度の実測値に対する当該密度の計算値の比Ｋｓは、１．００≦Ｋｓ≦１．５０を満足する数であることが好ましい。密度の計算値は、鉄基軟磁性合金板２の組成から求められる理論値である。鉄基軟磁性合金板２の組成が式：Ｆｅ_７３Ｃｕ_１Ｎｂ_４Ｓｉ_１５Ｂ_７により表されるときの密度の計算値は以下のとおり算出される。Ｆｅの密度を７．８７ｇ／ｃｍ^３とし、Ｃｕの密度を８．９６ｇ／ｃｍ^３とし、Ｎｂの密度を８．５６ｇ／ｃｍ^３とし、Ｓｉの密度を２．３３ｇ／ｃｍ^３とし、Ｂの密度を２．３７ｇ／ｃｍ^３としたとき、鉄基軟磁性合金板２の密度の計算値は、７．８７×０．７３＋８．９６×０．０１＋８．５６×０．０４＋２．３３×０．１５＋２．３７×０．０７＝６．６９２５ｇ／ｃｍ^３（≒６．６９ｇ／ｃｍ^３）である。また、密度の実測値は以下のとおり算出される。鉄基軟磁性合金板２から面積１ｃｍ^２分だけ切り取り、密度を測定する。密度の実測値は、測定された密度を鉄基軟磁性合金板２の平均厚さで割った値である。Ｋｓが１．００に近いほど密度の実測値が理論値に近いことを示す。

Ｋｓが１．５０を超えることは、鉄基軟磁性合金板２の表面の凹凸が大きいまたは凸部が多いことを示す。表面凹凸が大きすぎると、磁心１における複数の鉄基軟磁性合金板２の占積率を大きくすることが困難となる。後述するように、鉄基軟磁性合金板２と絶縁層３との間の空隙を小さくすることも困難となる。Ｋｓは１．００以上１．３０以下であることがより好ましい。

鉄基軟磁性合金板２の組成の情報を有していれば、磁心１をそのまま用いてＫｓを算出することができる。後述するように、例えば酸化物により形成された厚さ１０μｍ以下の絶縁層３を有する場合、磁心１をそのまま用いて密度の実測値を測定してもよい。薄い酸化物層からなる絶縁層３であれば、磁心１の質量に対する絶縁層３の質量の割合が３％以下であるため絶縁層３の質量を考慮せずにＫｓを算出してもよい。磁心１をそのまま用いて測定されたＫｓを磁心１全体から求めたＫｓとみなすことができる。磁心１全体から求められたＫｓは１．００以上１．５０以下であることが好ましい。Ｋｓは１．１以上１．３以下であることがより好ましい。

磁心１全体から求められたＫｓをＫｓ_１としたとき、鉄基軟磁性合金板２の平均厚さは、２０μｍ以下であり、Ｋｓ_１は、１．００≦Ｋｓ_１≦１．５０を満足する数であることが好ましい。また、Ｋｓ_１が１．００≦Ｋｓ_１≦１．５０を満足する数であり、磁心１を４等分して得られる４つの分割片のそれぞれにおける密度の実測値に対する計算値の比ＫｓをＫｓ_２としたとき、Ｋｓ_２とＫｓ_１との差は、±０．２以内であることが好ましい。Ｋｓ_１、Ｋｓ_２は、以下のように算出される。磁心１を４等分し、４つの分割片のそれぞれの密度を測定して得られる密度の実測値をＫｓ_２する。また、Ｋｓ_１は４つの分割片におけるＫｓ_２の平均値により定義される。上記差を算出することにより、磁心１の部分的なばらつきの有無を確認できる。Ｋｓの部分的なばらつきを小さくすることにより、薄い絶縁層３を設けることができ、磁心１における複数の鉄基軟磁性合金板２の占積率を大きくすることができる。

磁心１は、絶縁層３を有するともに、複数の鉄基軟磁性合金板２の占積率が６５％以上であることが好ましい。絶縁層３を設けない場合、（１）鉄基軟磁性合金板２同士が接触する構造、（２）鉄基軟磁性合金板２同士の間隔が大きい構造、の２つが考えられる。鉄基軟磁性合金板２同士が直接接触すると透磁率が低下する。鉄基軟磁性合金板２同士の間隔が大きいと鉄基軟磁性合金板２の占積率が下がるため、透磁率が下がる。つまり、透磁率を上げるには、鉄基軟磁性合金板２同士が直接接触しないように鉄基軟磁性合金板２の間を絶縁したうえで、占積率を高くすることが必要である。占積率は、７５％以上であることがより好ましい。占積率の上限は特に限定されないが９５％以下であることが好ましい。占積率が９５％を超えると、層間絶縁が不十分になる場合がある。

占積率の測定方法について以下に説明する。まず、磁心１の任意の断面をＳＥＭ観察して、観察像における鉄基軟磁性合金板２の合計面積を求める。断面のＳＥＭ観察により単位面積５００μｍ×５００μｍの５ヶ所の領域の占積率を算出し、その平均値を磁心の占積率（％）とする。

絶縁層３の厚さは、０．１μｍ以上であることが好ましい。絶縁層３の厚さが０．１μｍ未満であると、部分的に層間絶縁が不十分となる箇所が生じる場合がある。絶縁層３の厚さは、１０μｍ以下であることが好ましい。絶縁層３の厚さが１０μｍを超えると、占積率を大きくすることが困難である。すなわち、絶縁層３の厚さは、０．１μｍ以上１０μｍ以下、さらには０．５μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。絶縁層３の厚さは、磁心１の任意の断面において測定される。この作業を任意の５ヶ所で行い、その平均値を絶縁層の厚さ（平均厚さ）とする。

絶縁層３は、平均粒径０．００１μｍ以上（１ｎｍ以上）の絶縁性微粒子を堆積することにより形成される絶縁膜であることが好ましい。絶縁性微粒子を堆積することにより、鉄基軟磁性合金板２に応力が加わらないようにすることができる。絶縁性微粒子としては、酸化物が好ましく、絶縁性微粒子の例は、酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の酸化物、樹脂粉末を含む。酸化珪素（ＳｉＯ_２）を用いることが特に好ましい。酸化物は乾燥の際に収縮を伴わないため、応力の発生を抑制することができる。特に、酸化珪素は鉄基軟磁性合金板２とのなじみがよいので透磁率のばらつきを低減することができる。これは、酸化珪素と鉄基軟磁性合金板２が共に、必須の構成元素として珪素を含有しているためであると考えられる。

絶縁性微粒子の平均粒径は０．００１μｍ以上０．１μｍ以下であることが好ましい。絶縁性微粒子の平均粒径が０．１μｍ（１００ｎｍ）を超えると、絶縁性微粒子同士の隙間が広くなるため、占積率を向上させることが困難である。前述のように、鉄基軟磁性合金板２の表面に微小な凹凸があった場合に、鉄基軟磁性合金板２と絶縁層３の境界に隙間が形成されやすくなってしまう。絶縁性微粒子を用いる場合は、絶縁性微粒子を含有した溶液に鉄基軟磁性合金板２を浸漬し、乾燥させる方法により絶縁層３を形成することができる。この方法であれば、絶縁材料の収縮を伴わないため鉄基軟磁性合金板２に応力が加わらない。このため、絶縁性微粒子の平均粒径は、０．００１μｍ以上０．１μｍ以下、さらには０．００５μｍ以上０．０５μｍ以下（５ｎｍ以上５０ｎｍ以下）であることが好ましい。堆積された絶縁性微粒子を含む絶縁層３であるか否かは、例えばＳＥＭ観察等により得られる拡大写真により判別可能である。

図３は、鉄基軟磁性合金板２と絶縁層３との境界の一例を示す断面模式図である。後述するように鉄基軟磁性合金板２は、ロール急冷法により作製される非晶質鉄基合金薄帯を原材料として用いて形成される。ロール急冷法で作製した薄帯は、冷却ロール表面の微小な凹凸が薄帯表面の表面性に影響を与える。このため、ミクロに拡大すると鉄基軟磁性合金板２の表面には微小な凹凸が形成されている。絶縁性微粒子を用いると、磁性薄帯の微小な凹凸を埋めるように絶縁層３を設けることができる。一方、樹脂ペーストの場合、加熱により固化する際に樹脂層の収縮を伴うため、鉄基軟磁性合金板２に応力が生じてしまう。鉄基軟磁性合金板２に応力が生じると透磁率の低下につながる。

鉄基軟磁性合金板２と絶縁層３との境界において、単位長さＬが１００μｍあたりの空隙５の合計長さＰが５μｍ以下（ゼロ含む）であることが好ましい。鉄基軟磁性合金板２と絶縁層３の境界の空隙（隙間）を小さくすることにより、薄い絶縁層３で占積率を向上させることができる。この結果、透磁率を向上させることができる。図３では空隙５が１個の例を示すが、複数個の場合もある。その合計長さが５μｍ以下であれば占積率を向上させることができる。

鉄基軟磁性合金板２と絶縁層３との境界の空隙の割合（面積割合）は、ＳＥＭ観察により得られる断面写真により測定される。ＳＥＭ観察像において、空隙５は、鉄基軟磁性合金板２および絶縁層３とコントラストが異なる。空隙の割合は、例えば５％以下、さらには２％以下であることが好ましい。

以上のような磁心は、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率μが２５０００以上である。さらに、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率μを３００００以上とすることができる。初透磁率μの測定方法はインピーダンスアナライザにて、室温、１ｔｕｒｎ、１Ｖとする。インピーダンスアナライザは日本ヒューレットパッカート社ＹＨＰ４１９２Ａとする。

従来の微細結晶構造を有する鉄基軟磁性合金を用いた磁心は、動作周波数５０ｋＨｚ以上の領域では小型化に限界がある。この原因は、微細結晶構造を有する鉄基軟磁性合金板の透磁率が低く、さらに、占積率が低いことであると考えられる。

実施形態に係る磁心は、鉄基軟磁性合金板の占積率を６５％以上と高くしつつ損失を抑制し、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率μが高く２５０００以上である。これにより、磁心１を小型化することができる。

近年は、半導体素子（半導体スイッチング素子）の高性能化に伴い、動作周波数が５０ｋＨｚ以上と高い。半導体素子の動作周波数は４００ｋＨｚまで高くなっている。実施形態に係る磁心は、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率を２５０００以上としている。このため、動作周波数５０ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下の半導体素子を有する電子機器に搭載する磁心として優れた特性を示す。

動作周波数５０ｋＨｚ以上４００ｋＨｚの半導体素子を有する電子機器は、スイッチング電源、アンテナ装置、インバータ等が挙げられる。電子機器は、通信基地局、太陽光発電所、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（Ｈｙｂｒｉｄ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＰＨＶ）のような自動車、産業機器等に使用される。これ以外にも、パソコンやサーバ等のオフィスオートメーション（ＯＡ）機器に使うこともできる。

実施形態の磁心は、ＡＬ値を大きくすることができる。ＡＬ値は、式：ＡＬ値∝μ×Ａｅ／Ｌｅの関係を満たす。μは初透磁率を表し、Ａｅは平均磁路長を表し、Ｌｅは有効断面積を表す。ＡＬ値は、磁心１の性能を示す指標である。ＡＬ値が高いほど、インダクタンス値が高いことを示す。

磁心のサイズ（Ａｅ／Ｌｅ）が同じとき、初透磁率μが大きいほどＡＬ値は高くなる。有効断面積Ｌｅを小さくすること、または、平均磁路長Ａｅを大きくすることによりＡＬ値は大きくなる。平均磁路長Ａｅを長くすることによりＡＬ値は大きくなる。有効断面積Ｌｅを小さくすることにより、ＡＬ値は大きくなる。

磁心１を大型化すればＡＬ値は大きくなる。一方で、磁心１の大型化は電子機器内の配置スペースの問題が生じる。実施形態にかかる磁心は、初透磁率μを大きくし、かつ、鉄基軟磁性合金板の占積率を大きくしている。占積率を向上させると、鉄基軟磁性合金板の使用量が同じであれば、磁心の体積を小さくすることができる。これにより、磁心の有効断面積Ｌｅを小さくすることができる。占積率を向上させると、磁心のサイズが同じであるとき、鉄基軟磁性合金板２の使用量が増えるため平均磁路長Ａｅを長くすることができる。実施形態にかかる磁心は、初透磁率、占積率の両方が高いため、ＡＬ値を高くすることができる。ＡＬ値の向上が磁心の小型化を可能とする。これにより、磁心の軽量化と電子機器への配置スペースを確保しやすくなる。よって、電子機器内の設計の自由度を向上させることができる。例えば、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率μが１７０００の磁心と３００００の磁心を比較した場合、初透磁率３００００の磁心の直径は約２０％小型化できる。

磁心１を小型にすると、磁心１を構成する材料が少なくて済むのでコストダウンも可能である。巻線回数を減らしても、同等の特性を得ることができる。巻線回数の減少は、巻線の使用量を減らすことができるためコストダウンにつながる。さらに、巻線回数を減らすことにより、巻線工程中に磁心が破損する確率を減らすことができる。このため、巻線工程での歩留りを向上させることができる。巻線回数を減少させると、巻き線の発熱量を低減できる。

磁心１の小型化は軽量化にもつながる。つまり、磁心１の特性が従来の磁心の特性と同等の場合、小型軽量化が可能となる。磁心１の小型軽量化は、スイッチング電源、アンテナ装置、インバータ等の電子機器の小型軽量化につながる。

次に、実施形態に係る磁心１の製造方法について説明する。磁心１の製造方法は、上記構成を磁心１が有していれば特に限定されないが、歩留り良く得るための方法として次の方法が挙げられる。

まず、鉄基非晶質合金薄帯を作製する。鉄基非晶質合金は前述の一般式（組成式）を満たすように、各構成成分を混合した原料粉末を調製する。次に、この原料粉末を溶解して原料溶湯を作製する。原料溶湯を用いてロール急冷法により、長尺の鉄基非晶質合金薄帯を作製する。ロール急冷法を行う際に、冷却ロールの表面粗さＲａを１μｍ以下にすることが好ましい。冷却ロールの表面を平坦にすることにより、得られた鉄基非晶質合金薄帯の表面にある凹凸を小さくすることができる。これにより、Ｋｓを１．００以上１．３０以下にすることができる。表面凹凸を小さくするためには、不活性雰囲気中で行うことも有効である。不活性雰囲気としてはアルゴンが好ましい。冷却ロールの回転速度や雰囲気の温度等を制御することにより平均厚さを制御することができる。

次に、絶縁層３を形成する。絶縁層３は、例えば平均粒径０．００１μｍ以上０．１μｍ以下の絶縁性微粒子を用いて形成される。絶縁性微粒子は、酸化物または樹脂を用いて形成されることが好ましい。特に、酸化珪素、酸化マグネシウム、および酸化アルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも一つの酸化物を含むことが好ましい。絶縁性微粒子を含有する溶液中に鉄基非晶質合金薄帯から形成された合金板を浸漬する。その後、乾燥させて合金板上に絶縁層３を設ける。必要に応じ、浸漬と乾燥を交互に繰り返してよい。絶縁層３を形成する工程は、予め合金板を目的とする磁心のサイズに切断してから行ってもよいし、長尺の磁性薄帯のまま行ってもよい。

次に、磁心１を作製する。巻回型磁心の場合は、絶縁層を設けた長尺の磁性薄帯（鉄基軟磁性合金板２）を巻回していく。券回の最外周をスポット溶接、接着剤で固定する。絶縁層３の厚さを４μｍ以下に調整しておけば、巻回工程で絶縁層が剥がれ難い。

積層型磁心の場合は、絶縁層３が設けられた長尺の磁性薄帯（鉄基軟磁性合金板２）を積層してから、必要なサイズに切断する方法が挙げられる。絶縁層３が設けられた長尺の磁性薄帯を必要なサイズに切断してから積層してもよい。積層体の側面を接着剤で固定する。磁心の表面に樹脂をコーティングすることが好ましい。樹脂コーティングにより、磁心の強度を向上させることができる。

次に、合金板を熱処理して微細結晶を析出させて、鉄基軟磁性合金板２を形成する。巻回型磁心の場合は巻回してから熱処理することが好ましい。積層型磁心の場合は、積層してから熱処理してもよし、予め熱処理した鉄基軟磁性合金板２を積層してもよい。鉄基非晶質合金板は微細結晶を析出させることにより脆くなるので、磁心を作製してから熱処理することが好ましい。

熱処理温度は結晶化温度近傍の温度またはそれよりも高い温度であることが好ましい。結晶化温度の−２０℃よりも高い温度が好ましい。前述の一般式を満たす鉄基軟磁性合金板２であれば、結晶化温度は５００℃以上５１５℃以下である。このため、熱処理温度は４８０℃以上６００℃以下であることが好ましい。さらに好ましくは５１０℃以上５６０℃以下であることが好ましい。

熱処理温度は磁心１の温度が４８０℃以上６００℃以下になるように制御する。例えば、電気炉である場合、電熱器の温度を調整することにより磁心の温度を制御することができる。電熱器に近いところと遠いところでは温度に差が生じる。複数の磁心１を配置して熱処理すると、炉内の温度ばらつきが生じる。磁心１の熱処理温度を制御するためには、熱処理中の磁心１の温度を温度センサを用いて測定することが好ましい。例えば、熱電対を使って磁心１の温度を直接測定する方法が有効である。

炉の温度ばらつきが抑制できる個数の磁心１を熱処理することにより熱処理温度を制御しやすくすることができる。炉内の電熱器を複数個所設けることにより熱処理温度を制御してもよい。炉内の雰囲気を循環させることにより熱処理温度を制御しやすくすることができる。大型の熱処理炉を使うことにより熱処理温度を制御してもよい。炉内を熱伝導率が高い材料で囲み、放熱性を均一にすることにより熱処理温度を制御しやすくすることができる。

熱処理時間は３０時間以下であることが好ましい。熱処理時間とは、磁心の温度が４８０℃以上６００℃以下であるときの時間である。３０時間を超えると微細結晶粒の平均粒径が１００ｎｍを超える場合がある。熱処理時間は２０分以上２０時間以下であることがより好ましい。熱処理時間は１時間以上１０時間以下であることがより好ましい。この範囲であれば平均結晶粒径を５０ｎｍ以下に制御しやすい。

結晶化温度時点での昇温速度は７℃／分以上３０℃／分以下であることが好ましい。この範囲であれば前述の引っ張り応力および圧縮応力を付与しやすい。昇温速度が３０℃／分を超えると急激な粒成長が起きて磁気特性が低下する場合がある。昇温速度の下限は特に限定されないが、１℃／分以上であることが好ましい。１℃／分未満であると、昇温時間が長すぎて量産性が低下する。このため、結晶化温度時点での昇温速度は７℃／分以上３０℃／分以下、さらには１０℃／分以上２０℃／分以下であることが好ましい。

以上のような熱処理を行うことにより、磁心１の直流保磁力を２Ａ／ｍ以上４Ａ／ｍ以下にすることができる。従来の磁心は、熱処理後の直流保磁力が１Ａ／ｍ程度である。保磁力を２Ａ／ｍ以上４Ａ／ｍ以下にすることにより、初透磁率を大きくすることができる。直流保磁力が４Ａ／ｍを超えると軟磁気特性が低下する。

次に、必要に応じ、磁場中での熱処理をさらに行ってもよい。磁場中での熱処理では、磁場を鉄基軟磁性合金板２の短辺方向に印加することが好ましい。巻回型磁心では、鉄基軟磁性合金板２の幅方向に磁場を印加する。積層型磁心では、鉄基軟磁性合金板２の短辺側方向に磁場を印加する。鉄基軟磁性合金板２の短辺方向に磁場を印加しながら熱処理を行うことにより、鉄基軟磁性合金板２の磁壁を消失させることができる。磁壁を低減させることにより損失が低減されるため透磁率が向上する。印加する磁場は８０ｋＡ／ｍ以上、さらには１００ｋＡ／ｍ以上であることが好ましい。熱処理温度は２００℃以上７００℃以下であることが好ましい。磁場中熱処理の熱処理時間は、２０分以上１０時間以下であることが好ましい。磁場中熱処理は、前述の微細結晶析出のための熱処理と一つの工程で行ってもよい。必要に応じ、磁心をケースに収納してもよい。各種電子機器に搭載する際は、必要に応じ、巻線処理を施してもよい。

以上のような製造方法であれば、占積率を向上させるとともに、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率μを２５０００以上、さらには３００００以上にすることができる。占積率、微細結晶析出のための熱処理、磁場中熱処理を１つまたは２つ以上組み合わせることにより、周波数１００ｋＨｚでの初透磁率μを２５０００以上、さらには３００００以上と大きくすることができる。

（実施例１〜８、比較例１〜２）
ロール急冷法を用いて鉄基非晶質合金薄帯を作製した。ロール急冷法の条件を変えることにより平均厚さおよびＫｓを変えた。この作業により、試料１〜４に係る鉄基非晶質合金板を用意した。鉄基非晶質合金板の平均厚さ、Ｋｓは表１に示すとおりである。試料１〜４の結晶化温度は５００℃以上５１５℃以下である。

次に、鉄基非晶質合金板の表面に絶縁層を形成した。実施例１〜８、比較例１では、表２に示すように試料１〜４のいずれかの合金板の表面に酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、または酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の絶縁性微粒子を用いて前述の方法により絶縁層を形成した。比較例２では試料１の合金板の表面に樹脂ペーストを塗布して絶縁層を形成した。絶縁性微粒子の材質、平均粒径、絶縁層の厚さを表２に示す。

絶縁層を形成した後に合金板を巻回して巻回型磁心を作製した。その後、微細結晶を析出させるための第１の熱処理と、磁場中での第２の熱処理と、を行った。これにより、実施例１〜８および比較例１〜２にかかる巻回型磁心を作製した。実施例および比較例に係る磁心のサイズは、外径１２ｍｍ×内径１０ｍｍ×幅２ｍｍに統一した。第１の熱処理および第２の熱処理の条件を表３に示す。第１の熱処理後に磁心の保磁力を測定した。結果を表３に示す。

第１の熱処理では、磁心の温度を熱電対で測定した。実施例１〜８では、熱処理温度が磁心の結晶化温度近傍であった。表３の範囲内になるように「電気容量が大きい炉」を用いて熱処理温度を制御した。実施例では第１の熱処理後の保磁力が２Ａ／ｍ以上４Ａ／ｍ以下であった。

一方、比較例１、２では、昇温速度が５０℃／分であり、好ましい範囲から外れている。実施例および比較例にかかる巻回型磁心について、微細結晶構造の平均結晶粒径およびＦｅ_３Ｓｉ結晶相の応力について測定した。微細結晶構造の平均結晶粒径は、前述のとおりＸＲＤにより求められる回折ピークの半値幅からシェラーの式で求めたものである。Ｆｅ_３Ｓｉ結晶相の応力はＸＲＤの残留応力解析法で行った。Ｆｅ_３Ｓｉ結晶相の長手方向成分に引っ張り応力および垂直方向成分に圧縮応力の両方が観察されたものを「○（Ｇｏｏｄ）」とし、そうでないものを「×（Ｂａｄ）」とした。長手方向とは鉄基軟磁性合金板の長手方向、垂直方向とは鉄基軟磁性合金板の幅方向のことである。その結果を表４に示す。

表からわかるとおり、実施例にかかる磁心の平均結晶粒径は５０ｎｍ以下であった。ＸＲＤ分析による残留応力解析でも長手方向に引っ張り応力、垂直方向に圧縮応力が付与されていることが確認された。比較例の平均結晶粒径は５０ｎｍ以下であった。しかしながら、引っ張り応力および圧縮応力の両方の付与は確認されなかった。

実施例および比較例にかかる巻回型磁心に対して、占積率（％）、初透磁率μ、損失（ｋＷ／ｍ^３）を測定した。占積率は、磁心の任意の断面をＳＥＭ観察し、単位面積５００μｍ×５００μｍを５ヶ所で鉄基軟磁性合金板の面積割合を測定し、鉄基軟磁性合金板の面積割合の平均値を占積率（％）とした。

初透磁率μの測定方法は、インピーダンスアナライザ（日本ヒューレットパッカート社ＹＨＰ４１９２Ａ）にて、室温、１ｔｕｒｎ、１Ｖ、で行った。初透磁率μについては周波数１０ｋＨｚでの初透磁率と周波数１００ｋＨｚでの初透磁率を測定した。

損失は、ＢＨアナライザ（岩崎通信機株式会社ＳＹ−８２１６）を用いて、室温、１次側２ｔｕｒｎ、２次側２ｔｕｒｎ、周波数１００ｋＨｚ、２００ｍＴ、として測定した。結果を表５に示す。

表からわかるとおり、実施例に係る磁心の周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率μは２５０００以上、さらには３００００以上であった。占積率、第１の熱処理、第２の熱処理を好ましい条件にすることにより、周波数１００ｋＨｚでの初透磁率μを大きくできることがわかる。これに対し、比較例のように絶縁材が厚い磁心では占積率が大きく低下し、併せて透磁率も低下した。実施例にかかる磁心は損失に関してもいずれも低い値であった。比較例にかかる磁心の周波数１０ｋＨｚにおける初透磁率は高く、９００００以上９５０００であった。しかしながら、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率は低下した。

実施例１と比較例１の周波数１ｋＨｚにおける初透磁率μを測定したところ、実施例１は６３０００、比較例１は１０００００とあまり大きな差は無かった。このため、動作周波数を５０ｋＨｚ以上と高くする場合には、特に有効であることがわかる。

磁心の断面をＳＥＭ観察し、鉄基軟磁性合金板と絶縁層の境界にある空隙の存在割合を測定した。任意の断面における単位長さ１００μｍ中の空隙の長さを測定した。結果を表６に示す。磁心全体から求めたＫｓ_１、磁心を４等分（１／４サイズに切断）した試料から求めたＫｓ_２を測定した。磁心を４等分した試料から求めたＫｓ_１と、４つのＫｓ_２の中から最小値と最大値とを表６に示す。

表からわかるとおり、実施例に係る磁心は鉄基軟磁性合金板と絶縁層の境界にある空隙が小さかった（ゼロ含む）。このことから空隙を低減することにより占積率を向上させることができることがわかる。

（実施例９、比較例３）
外形３７ｍｍ×内径２３ｍｍ×幅１５ｍｍにした以外は比較例１と同じ磁心を比較例３として作製した。また、同サイズ（外形３７ｍｍ×内径２３ｍｍ×幅１５ｍｍ）にした以外は実施例７と同じ磁心を実施例９として作製した。周波数１００ｋＨｚの初透磁率μは、比較例３が１７０００、実施例９は３５０００であった。

比較例３の磁心に巻線を８ターン巻いたもののＬ値は１．２ｍＨであった。それに対し、実施例９の巻線を６ターン巻いた磁心のＬ値は１．４ｍＨであった。磁心サイズが同じであった場合、周波数１００ｋＨｚの初透磁率μの大きい実施例９の方が巻線数が少ないにも関わらず、Ｌ値が大きくなった。このため、周波数１００ｋＨｚの初透磁率を大きくすることにより、巻線数を減らすことができる。

（実施例１０、比較例４）
比較例４の磁心（外形３７ｍｍ×内径２３ｍｍ×幅１５ｍｍ、巻線数８ターン、Ｌ値１．２ｍＨ）を用意した。巻線後の磁心のＬ値が同じ１．２ｍＨとなるように実施例９（周波数１００ｋＨｚの初透磁率μが３５０００）の磁心サイズを変えた以外は実施例９と同様の磁心を実施例１０として作製した。実施例１０の磁心サイズは、外形２９ｍｍ×内径２３ｍｍ×幅１５ｍｍと小型化できた。比較例４の磁心の質量は５７ｇであったのに対し、実施例１０は２１ｇであった。このように周波数１００ｋＨｚの初透磁率μを大きくした場合、同じ性能を求めると小型化ができることがわかる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims (13)

1. 平均結晶粒径１００ｎｍ以下の結晶構造を有する複数の鉄基軟磁性合金板と、
   前記複数の鉄基軟磁性合金板の一つと他の一つとの間に設けられた絶縁層と、を具備する磁心であって、
   前記磁心における前記複数の鉄基磁性合金板の占積率は、６５％以上であり、
   周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率は、２５０００以上である、磁心。
2. 前記平均結晶粒径が５０ｎｍ以下である、請求項１に記載の磁心。
3. 前記絶縁層の厚さは、０．１μｍ以上である、請求項１に記載の磁心。
4. 前記複数の鉄基軟磁性合金板のそれぞれの平均厚さは、３０μｍ以下である、請求項１に記載の磁心。
5. 前記複数の鉄基軟磁性合金板のそれぞれの組成は、
   式：Ｆｅ_ａＣｕ_ｂＭ_ｃＭ’_ｄＭ”_ｅＳｉ_ｆＢ_ｇ
   （式中、Ｍは周期表の４族元素、５族元素、６族元素、および希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を表し、Ｍ’はＭｎ、Ａｌ、および白金族元素からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を表し、Ｍ”はＣｏおよびＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を表し、ａはａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１００原子％を満足する数であり、ｂは０．０１≦ｂ≦８原子％を満足する数であり、ｃは０．０１≦ｃ≦１０原子％を満足する数であり、ｄは０≦ｄ≦１０原子％を満足する数であり、ｅは０≦ｅ≦２０を満足する数であり、ｆは１０≦ｆ≦２５原子％を満足する数であり、ｇは３≦ｇ≦１２原子％を満足する数である）により表される、請求項１に記載の磁心。
6. 前記磁心の密度の実測値に対する前記密度の計算値の比Ｋｓ_１は、１．００≦Ｋｓ_１≦１．５０を満足する数である、請求項１に記載の磁心。
7. 前記磁心を４等分したとき、４つの分割片のそれぞれの密度の実測値に対する前記密度の計算値の比Ｋｓ_２と前記Ｋｓ_１の値との差は、±０．２以内である、請求項６に記載の磁心。
8. 前記初透磁率は、３００００以上である、請求項１に記載の磁心。
9. 前記鉄基軟磁性合金板と前記絶縁層との境界において、単位長さ１００μｍあたりの空隙の合計長さは、０μｍ以上５μｍ以下である、請求項１に記載の磁心。
10. 動作周波数が５０ｋＨｚ以上である、請求項１に記載の磁心。
11. 前記絶縁層は、平均粒径０．００１μｍ以上０．１μｍ以下の絶縁性微粒子を含み、
    前記絶縁性微粒子は、酸化珪素、酸化マグネシウム、および酸化アルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも一つの酸化物を含む、請求項１に記載の磁心。
12. 前記絶縁性微粒子は、前記酸化珪素を含む、請求項１１に記載の磁心。
13. 前記結晶構造は、Ｆｅ_３Ｓｉ相を有する、請求項１に記載の磁心。

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