JP2008195970A - 複合磁性材料、圧粉磁心および磁性素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 直流重畳特性に優れ、高周波にて優れた磁気特性が得られる複合磁性材料とそれを用いた圧粉磁心および磁性素子を提供すること。
【解決手段】 成分組成が金属磁性材料全体に対して、Ｓｉが６重量％以上７重量％以下、Ｃｒが５重量％以下（０重量％を含む）、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、常温での飽和磁束密度が１．２Ｔ以上、固有抵抗が０．８μΩｍ以上となる金属磁性材料の粉末に焼鈍を施し、その金属磁性材料粉末に対して１重量％以上１０重量％以下の絶縁性結着剤を混合してなる複合磁性材料を得る。また、その複合磁性材料を用いて圧粉磁心または磁性素子を作製する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、チョークコイル、インダクタなどのインダクタンス部品用の複合磁性材料とそれを用いた圧粉磁心および磁性素子に関する。

電源電圧の低電圧化に伴い、近年、パワーインダクタは大電流対応が求められている。特に電子機器の小型化と電源の高周波化が進み、それらに対応可能な磁性材料と高性能な磁性素子が要求されている。従来より高周波数帯で使用されるインダクタなどの磁心にはフェライトが多く使用されている。フェライトは金属磁性材料粉末よりも安価なため、それまで主流だった金属磁性材料粉末に変わる磁性素子材料として多くのチョークコイルやノイズフィルタなどに用いられてきたが、フェライトは飽和磁束密度が低い欠点があり、近年の小型で大電流対応の要求には、再び飽和磁束密度の高い金属磁性材料粉末が磁性素子用磁心として利用されてきている。特に金属磁性材料粉末の圧粉磁心は高周波数帯でも特性が安定しているため、近年の電子部品の高周波化に対応する磁性素子として注目されている。

特許文献１に軟磁性合金粉末と絶縁性結着剤からなる複合磁性材料が提案されている。これは、絶縁性結着剤を添加する前のその金属磁性粉、もしくは複合磁性材料として加圧成形した後に、窒素雰囲気にて５００〜１０００℃の温度で熱処理を施すものである。前記文献によれば、加圧成形体を非酸化性雰囲気にて７００〜１０００℃の温度で焼鈍を施す前に、その窒素雰囲気にて５００〜１０００℃の温度で熱処理を施すことで、優れた磁気特性が得られる。この方法は、結果的に高温での熱処理を２度行う必要があり、しかも、非酸化性雰囲気での７００〜１０００℃の焼鈍を複合磁性材料を加圧成形した後に施す必要があるため、工数増の他に、表面が被覆された導線からなる空芯コイルを含むように複合磁性材料を圧粉成形してなる磁性素子においては、導線の被覆が熱分解されてしまいレアショートしてしまう危険性が高い方法である。

特許文献２に軟磁性合金粉末と絶縁性結着剤からなる複合磁性材料とその磁性素子が提案されている。この文献によれば、金属磁性材料粉末と絶縁性結着剤からなる複合磁性材料を用いて圧粉磁性素子を形成した後、空気中で８０℃以上の低温で絶縁性結着剤の硬化および金属磁性材料を酸化させる熱処理を施すことで耐食性に優れ、優れた磁気特性が得られる磁性素子を作製することができる。一般に金属磁性材料は材料中の歪を低減することで鉄損、特にヒステリシス損失が低減されるため、歪を緩和する焼鈍を施すことが望ましいが、前記文献では金属磁性材料粉末の焼鈍が施されていない。

金属磁性材料にて歪の影響を低減するには、磁性材料的にセンダストや ニッケルが８０重量％前後のＰＣパーマロイのような磁歪定数が０近傍の磁性材料の粉末を用いることが望ましい。しかし、ニッケルが８０重量％前後のＰＣパーマロイは低磁気損失、高透磁率材料であるが、飽和磁束密度が低いため、優れた直流重畳特性が得られない。また、体積固有抵抗も低く、高周波での磁気損失が大きくなってしまう問題もあり、高周波にて使用する圧粉磁心としては適していない。しかも高価なニッケルを８０重量％程度含有するため成分組成的に素材コストが高価になってしまう問題もある。

特許文献３にはメタルコンポジットコア用のセンダスト粉末が提案されている。保磁力が低く、磁気損失も低い良好な特性が得られている。しかし、センダストの飽和磁束密度が１．１Ｔ以下と、優れた直流重畳特性を必要とする磁性素子には飽和磁束密度が低いため、センダスト粉末を使用することは難しい。

特開２００３−２４３２１５号公報 特開２００３−１６０８４７号公報 特開２００３−６８５１３号公報

一般にＦｅ基合金からなる金属磁性材料は、材料中に残存する歪を緩和するためには、少なくとも６００℃〜７００℃以上の温度で焼鈍を施す必要がある。ゆえに金属磁性材料粉末による圧粉磁心は、成形加工後に６００℃〜７００℃以上の温度で焼鈍することが好ましい。しかし、複合磁性材料では混合される絶縁性結着剤が熱分解されてしまう問題があり、成形加工後に歪を緩和する焼鈍が難しい。また、表面が被覆された導線からなる空芯コイルと複合磁性材料を一体成形する磁性素子においては、内蔵する空芯コイルの導線の被覆が熱分解してしまい、レアショートを起こす危険性が高いため、その磁性素子の焼鈍は難しい。そのような問題により、複合磁性材料および複合磁性材料による磁性素子は成形加工後に焼鈍を施せないものが多く、複合磁性材料による磁性素子では、複合磁性材料を焼鈍しなくても良好な特性が得られる磁性材料の粉末や方法を検討する必要がある。

この状況にあって、本発明の課題は、直流重畳特性に優れ、高周波にて優れた磁気特性が得られる複合磁性材料とそれを用いた圧粉磁心および磁性素子を提供することにある。

電源電圧の低電圧化に伴い、大電流対応が求められる磁性素子は、電子部品の高周波化に対応することが求められている。ゆえに磁性素子に求められる複合磁性材料も高周波にて優れた磁気特性を有する磁性材料が求められる。

磁性材料の飽和磁束密度は高いほど優れた直流重畳特性を有する磁性素子が得られるため、磁性材料としては飽和磁束密度が１．２Ｔ以上有することが好ましい。また、体積固有抵抗も大きい方が、高周波での鉄損低減が図れるため、磁性材料としては体積固有抵抗が０．８μΩｍ以上有することが好ましい。しかし、Ｆｅ基合金からなる金属磁性材料は、体積固有抵抗が大きくなるほど飽和磁束密度が低下していく傾向が見られるため、飽和磁束密度と体積固有抵抗の兼ね合いを考慮しなくてはならない。

粉末を成型加工するものについては、成型加工性に優れ、かつ圧粉磁心にて優れた磁気特性が得られる金属磁性材料の粉末であることが好ましい。また、歪を緩和する焼鈍が施せない複合磁性材料およびその複合磁性材料を用いた磁性素子に用いる金属磁性材料の粉末は、圧粉成型後に良好な磁気特性が得られる磁性材料の粉末が好ましく、歪の影響を受けにくい磁歪定数が０近傍である磁性材料の粉末がより好ましい。

その金属磁性材料の粉末を絶縁性結着剤と混合する前に非酸化雰囲気中で６００℃以上８００℃以下の温度で焼鈍することにより、金属磁性材料粉末中の歪を緩和することができる。Ｆｅ基合金からなる金属磁性材料は一般に融点の１／２程度の温度で焼鈍することで歪が緩和されるため、少なくとも６００℃以上、好ましくは７００℃以上で熱処理することが望ましい。しかしながら、金属磁性材料粉末と絶縁性結着剤を混合してなる複合磁性材料においては、６００℃以上で焼鈍すると絶縁性結着剤が熱分解してしまうため、複合磁性材料の焼鈍は困難である。また、複合磁性材料化前の金属磁性材料の粉末を焼鈍する場合、９００℃以上の温度で焼鈍すると粉末が焼結化してしまう問題がある。

高周波での磁性素子の鉄損低減には、渦電流損失の低減が必要である。この高周波での渦電流損失を低減させるには、金属磁性材料の粒径を小さくすることや金属磁性材料の固有抵抗を高めることが効果的である。粒径は小さいほど、渦電流損失の抑制効果が期待され、５０μｍを超えると渦電流損失が大きくなり、また粉末形状が異形状化しやすいため、粉末密度の低下も懸念される。逆に粒径が１μｍ未満になると成形体の実効透磁率が上がらず、また粉末収率も悪くなる問題があり、金属粉末粒径は１μｍ以上５０μｍ以下が適当である。

絶縁性結着剤としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化型樹脂材料であれば問題ない。絶縁性結着剤の混合量は金属磁性材料粉末に対して１重量％未満では金属磁性材料粉末間の結着力が弱く、１０重量％超では磁心の粉末充填率が低下し、磁性素子の磁気特性が低下してしまうため、絶縁性結着剤の混合量は金属磁性材料粉末（１００重量％）に対して１重量％以上１０重量％以下が好ましい。

また、これら熱硬化型の樹脂と金属磁性材料粉末からなる複合磁性材料粉末は、圧粉磁心の加圧成形中または加圧成形後に不活性ガス中で絶縁性結着剤を加熱硬化させることで磁性素子を製造することが望ましい。

以上をまとめると、本発明の複合磁性材料は、金属磁性材料粉末と、この粉末の全重量に対する比率で表して１重量％以上１０重量％以下の絶縁性結着剤とを混合してなる複合磁性材料において、前記金属磁性材料粉末は、この粉末の全重量に対して、Ｓｉが６重量％以上７重量％以下、Ｃｒが５重量％以下（０重量％を含む）、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる成分組成を有し、前記絶縁性結着剤と混合する前に非酸化雰囲気中で６００℃以上８００℃以下の温度で焼鈍されたことを特徴とする。また、前記金属磁性材料の飽和磁束密度が１．２Ｔ以上、体積固有抵抗が０．８μΩｍ以上であることを特徴とする。また、前記金属磁性材料粉末の平均粒径は１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明の圧粉磁心は、前記複合磁性材料を用いてなることを特徴とする。

そして、本発明の磁性素子は、表面が被覆された導線からなる空芯コイルを含むように前記複合磁性材料を圧粉成形してなることを特徴とする。

本発明によれば、飽和磁束密度が高く、高周波でも優れた磁気特性が得られる複合磁性材料を提供することができ、その複合磁性材料により直流重畳特性が優れ、高周波でも優れた磁気特性が得られる圧粉磁心を提供することができる。また、その圧粉磁心に巻線を施すことで優れた特性の磁性素子を得ることが可能となり、さらには高周波でも有効な特性を有する、表面が被覆された導線からなる空芯コイルと複合磁性材料を一体成形した小型の磁性素子を提供することが可能である。

本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）まず、本発明に係る磁性素子とそれに用いる磁心について説明する。図１は圧粉磁心形状の例を示し、図１（ａ）はＥ型コアの斜視図、図１（ｂ）は円筒型あるいはトロイダルコアの斜視図、図１（ｃ）は鍔つきコアの斜視図である。図２は磁性素子の例を示し、図２（ａ）はＥＩ型コアによるインダクタンス部品を示す斜視図、図２（ｂ）は一体成形型インダクタンス部品を示す斜視図であり、２１は磁心、２２は巻線部、２３は一体成形型磁心、２４は巻線部である。

次に、このような磁心に用いる複合磁性材料について説明する。

始めに金属磁性材料の選定を行った。代表的な軟磁性材料とＦｅ−Ｃｒ合金系の磁性材料を水アトマイズ法で作製し、常温の飽和磁束密度、体積固有抵抗の比較を行った。その結果を表１に示す。

常温の飽和磁束密度が１．２Ｔ以上のものは○、１．２Ｔ未満のものは×、また、体積固有抵抗が０．８μΩｍ以上のものは○、０．８μΩｍ未満のものは×と表示した。純鉄や１〜３％珪素鋼組成の材質は、飽和磁束密度が高いものの、体積固有抵抗が低いことがわかる。センダストは、体積固有抵抗は高いが飽和磁束密度が低く、ＰＣパーマロイは飽和磁束密度、体積固有抵抗ともに低いのがわかる。

図３にＦｅおよびＦｅ−Ｓｉ合金におけるＣｒ成分による飽和磁束密度Ｂsの変化、図４にＦｅおよびＦｅ−Ｓｉ合金におけるＣｒ成分による体積固有抵抗ρの変化を示す。なお、Ｆｅ−３ＳｉおよびＦｅ−６．５Ｓｉはそれぞれ３重量％および６．５重量％のＳｉを含有することを示す。このデータより体積固有抵抗ρを上げるにはＳｉ量およびＣｒ量を増加させることが効果的であるが、飽和磁束密度Ｂsは逆に低下していく問題もあり、体積固有抵抗と飽和磁束密度の双方を考慮して材質を選定する必要がある。

このように選定した材質、すなわち、Ｓｉが６重量％以上７重量％以下、Ｃｒが５重量％以下（０重量％を含む）、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる成分組成を有するＳｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金を用いて本発明の複合磁性材料が得られる。

表１の試料Ｎｏ．４〜１３（常温の飽和磁束密度が１．２Ｔ以上、かつ体積固有抵抗が０．８μΩｍ以上となる成分組成を主に選択したもの）に相当する金属粉末を水アトマイズ法にて作製し、リング形状の圧粉磁心を作製した。各粉末の平均粒径は約１０〜１２μｍ程度の範囲に揃えた。絶縁性結着剤には熱硬化性エポキシ樹脂を用い、これら粉末に対して５重量％となる量を混合し混練した。造粒した複合磁性粉末はその後、篩にて５００μｍ以下に整粒した。その複合磁性粉末にステアリン酸亜鉛を０．５重量％混合し、外径φ１４ｍｍ、内径φ１０ｍｍのプレス成形金型に充填して、圧粉リングコアを加圧成形した。その後、窒素雰囲気中１５０℃で熱処理し、絶縁性結着剤を熱硬化させ、粉末占積率７５％の圧粉リングコアを作製した。この時、各金属磁性材料の粉末については、絶縁性結着剤を混合する前に焼鈍を施さないものと、アルゴン雰囲気中で７００℃の焼鈍を施したものを用意し、前記の条件にて各々の圧粉リングコアを作製した。

表２はそのように作製した圧粉リングコアの周波数：３００ｋＨｚの実効透磁率と鉄損の一例を示す。なお、金属磁性材料の粉末において、前記の焼鈍を施した方が圧粉リングコアとして実効透磁率が高く、結果的に金属磁性材料の粉末を焼鈍することによる特性向上の効果が見られたものを○と表示した。また同様に、金属磁性材料の粉末において、前記の焼鈍を施した方が圧粉リングコアとして鉄損が低く、結果的に金属磁性材料の粉末を焼鈍することによる鉄損低減効果が見られたものを○と表示した。

飽和磁束密度が１．２Ｔ以上、体積固有抵抗が０．８μΩｍ以上となる、Ｓｉが６重量％以上７重量％以下、Ｃｒが５重量％以下（０重量％を含む）、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる金属磁性材料の粉末と絶縁性結着剤を混合してなる複合磁性材料は良好な特性が得られている。なお、試料Ｎｏ．１３のセンダストでは粉末焼鈍効果は認められるが、飽和磁束密度が１．２Ｔに達していないので、実用的でない。

また、本実施の形態の複合磁性材料を用い、表面が被覆された導線からなる空芯コイルと複合磁性材料を一体成形した図２（ｂ）のような磁性素子についても、良好なプレス成形性が得られると共に、優れた磁気特性が得られた。

（実施の形態２）
表１にて試料Ｎｏ．４に相当するＳｉが６．５重量％、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる成分組成の金属磁性材料の粉末を水アトマイズ法にて作製した。その粉末を粒度分級し、平均粒径１０．４７μｍとなる粉末を得た後、リング形状の圧粉磁心を作製した。絶縁性結着剤には熱硬化性エポキシ樹脂を用い、この粉末に対して５重量％となる量を混合し混練した。造粒した複合磁性粉末はその後、篩にて５００μｍ以下に整粒した。その複合磁性粉末にステアリン酸亜鉛を０．５重量％混合し、外径φ１４ｍｍ、内径φ１０ｍｍのプレス成形金型に充填して、圧粉リングコアを加圧成形した。その後、窒素雰囲気中１５０℃で熱処理し、絶縁性結着剤を熱硬化させ、粉末占積率７５％の圧粉リングコアを作製した。この時、前記金属磁性材料の粉末については、絶縁性結着剤を混合する前に焼鈍を施さないものと、４００℃〜９００℃の温度にて非酸化雰囲気であるアルゴン雰囲気中で焼鈍を施したものを用意し、前記の条件にて各々の圧粉リングコアを作製した。表３はそのようにして作製した圧粉リングコアの周波数：３００ｋＨｚの鉄損の一例を示す。

９００℃で焼鈍したものは粉末が焼結してしまい、評価に至らなかった。未焼鈍の粉末による圧粉リングコアの鉄損と比べると６００℃〜８００℃の温度にて焼鈍を施した圧粉リングコアの方が鉄損は低く、焼鈍による圧粉磁心の鉄損低減効果が見られる。

（実施の形態３）
表１にて試料Ｎｏ．８に相当するＳｉが７重量％、Ｃｒが２重量％、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる成分組成の金属磁性材料の粉末を水アトマイズ法にて作製した。その粉末を粒度分級し、平均粒径１０．０１μｍとなる粉末を得た後、リング形状の圧粉磁心を作製した。絶縁性結着剤には熱硬化性フェノール樹脂を用い、これら粉末に対して４重量％となる量を混合し混練した。造粒した複合磁性粉末はその後、篩にて５００μｍ以下に整粒した。その複合磁性粉末にステアリン酸亜鉛を０．５重量％混合し、外径φ１４ｍｍ、内径φ１０ｍｍのプレス成形金型に充填して、圧粉リングコアを加圧成形した。その後、窒素雰囲気中１５０℃で熱処理し、絶縁性結着剤を熱硬化させ、粉末占積率７０％の圧粉リングコアを作製した。この時、前記金属磁性材料の粉末については、絶縁性結着剤を混合する前にアルゴン雰囲気中で７５０℃の焼鈍を施したものを用意し、前記の条件にて各々の圧粉リングコアを作製した。表４はそのようにして作製した圧粉リングコアの周波数：３００ｋＨｚの実効透磁率と渦電流損失の一例を示す。

このように金属磁性材料粉末の平均粒径が小さい方が実効透磁率は低く、平均粒径が大きい方が渦電流損失は大きくなる。実用的には、平均粒径が１μｍ以上、５０μｍ以下の条件の金属磁性材料の粉末において、実効透磁率を損なわず、低損失な圧粉磁心を得ることができる。

圧粉磁心形状の一例を示す図。図１（ａ）はＥ型コアの斜視図、図１（ｂ）は円筒型あるいはトロイダルコアの斜視図、図１（ｃ）は鍔つきコアの斜視図。 磁性素子の一例を示す図。図２（ａ）はＥＩ型コアによるインダクタンス部品を示す斜視図、図２（ｂ）は一体成形型インダクタンス部品を示す斜視図。 ＦｅおよびＦｅ−Ｓｉ合金におけるＣｒ成分による飽和磁束密度の変化を示す図。 ＦｅおよびＦｅ−Ｓｉ合金におけるＣｒ成分による固有抵抗の変化を示す図。

符号の説明

２１ 磁心
２２ 巻線部
２３ 一体成形型磁心
２４ 巻線部

Claims (5)

1. 金属磁性材料粉末と、この粉末の全重量に対する比率で表して１重量％以上１０重量％以下の絶縁性結着剤とを混合してなる複合磁性材料において、前記金属磁性材料粉末は、この粉末の全重量に対して、Ｓｉが６重量％以上７重量％以下、Ｃｒが５重量％以下（０重量％を含む）、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなる成分組成を有し、前記絶縁性結着剤と混合する前に非酸化雰囲気中で６００℃以上８００℃以下の温度で焼鈍されたことを特徴とする複合磁性材料。
2. 前記金属磁性材料は、常温での飽和磁束密度が１．２Ｔ以上、体積固有抵抗が０．８μΩｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の複合磁性材料。
3. 前記金属磁性材料粉末の平均粒径は１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の複合磁性材料。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合磁性材料を用いてなることを特徴とする圧粉磁心。
5. 表面が被覆された導線からなる空芯コイルを含むように請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合磁性材料を圧粉成形してなることを特徴とする磁性素子。

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