JP2010080978A - 軟磁性合金粉末および圧粉磁芯 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的大きな直流（磁界）が印加されたときであっても比透磁率が大きく、コアロスも小さい圧粉磁芯に適した軟磁性合金粉末を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｓｉ：０．５〜８．０％を含み、Ｏ：０．５％以下に規制し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するアトマイズ粉末からなり、該アトマイズ粉末は、溶湯のガス噴霧アトマイズ粉末、溶湯のガス噴霧およびこれに続く水噴霧アトマイズ粉末、溶湯のガス噴霧およびこの直後の水冷却アトマイズ粉末の少なくとも１種であり、粉末の粒子形状を２次元的に観察したときの長軸の長さＬ_Ｌと短軸の長さＬ_Ｓとの比Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓが平均して１．１から２．１までの間にあるＦｅ−Ｓｉ系軟磁性合金粉末、および、軟磁性合金粉末と絶縁剤兼結合剤を配合して圧粉成形してなる圧粉磁芯。
【選択図】 なし

Description

本発明は、比較的大きな直流が印加されたときであっても比透磁率が大でありかつまたコアロスが小さい圧粉磁芯およびこの圧粉磁芯の素材として適した軟磁性合金粉末に関するものである。

従来、スイッチング電源の直流出力側の平滑用チョークコイルや交流入力側のノーマルモード用ノイズフィルタや、アクティブフィルタ用チョークコイルなどには、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系磁性合金（センダスト合金）よりなる圧粉磁芯が多く用いられている。

このようなセンダスト合金よりなる圧粉磁芯は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ系合金（モリブデンパーマロイ合金）よりなる圧粉磁芯に比べて原料費が安価であるが、透磁率およびコアロス（電力損失）〉については優れているとはいいがたい。

また、チョークコイルやインダクターに使用する磁芯では、コアロスが大きいと磁芯の温度上昇が大きくなって小型化が難しくなる傾向となる。

そこで、センダスト合金よりなる圧粉磁芯のコアロス低減に関しては、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系磁性合金（センダスト合金）のインゴットを７００〜１１００℃で焼鈍した後粉砕し、ここで得た粉末をプレス成形したあとさらに水素雰囲気中６００〜８００℃で焼成することにより、モリブデンパーマロイよりも高い透磁率と低いコアロスの圧粉磁芯を得る技術もあった（特許文献１）。
特公昭６２−２１０４１号公報

しかしながら、センダスト合金よりなる圧粉磁芯をスイッチング電源の平滑用チョークコイルやアクティブフィルタ用チョークコイルなどに使用した場合には、大きな直流が印加された状態で用いられるため、初透磁率は高いとしても、大きな直流磁界が印加されたときには磁芯が飽和し、透磁率が低下してしまうという問題点があった。

本発明は、このような従来の課題にかんがみてなされたものであって、大きな直流磁界が印加されたときでも従来のセンダスト合金からなる圧粉磁芯のように透磁率が低下せず、コアロスも小さく、小型化も可能である圧粉磁芯およびこの圧粉磁芯の素材として適した軟磁性合金粉末を提供することを目的としている。

本発明に係わる軟磁性合金粉末は、請求項１に記載しているように、質量％で、Ｓｉ：０．５〜８．０％を含み、Ｏ：０．５％以下に規制し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するアトマイズ粉末からなり、粉末の粒子形状を２次元的に観察したときに長軸の長さＬ_Ｌと短軸の長さＬ_Ｓとの比Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓが平均して１．１から２．１までの間にあるものとしたことを特徴としている。

そして、本発明に係わる軟磁性合金粉末は、請求項１に記載しているように、アトマイズ粉末は、溶湯のガス噴霧アトマイズ粉末、溶湯のガス噴霧およびこれに続く水噴霧アトマイズ粉末、溶湯のガス噴霧およびこの直後の水冷却アトマイズ粉末の少なくとも１種である。

本発明に係わる圧粉磁芯は、請求項３に記載しているように、請求項１または２に記載のＦｅ−Ｓｉ系軟磁性合金粉末と絶縁剤兼結合剤を配合して圧粉成形した圧粉成形体よりなり、２０Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が５０以上であり、５０Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が４０以上であり、１００Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が３０以上であるものとしたことを特徴としている。

そして、本発明に係わる圧粉磁芯の実施態様においては、請求項４に記載しているように、絶縁剤は、シリコーン樹脂であるものとすることができる。

また、本発明に係わる別の圧粉磁芯は、請求項５に記載しているように、請求項３または４に記載の圧粉成形体に樹脂を含浸してなるものとしたことを特徴としている。

そして、この圧粉磁芯の実施態様においては、請求項６に記載しているように、樹脂は、シリコーン樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂のうちから選ばれるものとすることができる。

本発明による軟磁性合金粉末では、請求項１に記載しているように、重量％で、Ｓｉ：０．５〜８．０％を含み、Ｏ：０．５％以下に規制し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するアトマイズ粉末からなり、粉末の粒子形状を２次元的に観察したときに長軸の長さＬ_Ｌと短軸の長さＬ_Ｓとの比Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓが平均して１．１から２．１までの間にあるものとしたから、比較的大きな直流（磁界）が印加されたときでも比透磁率の低下が小さく、比透磁率を大きな値のものとすることが可能であると共に、コアロスの小さい圧粉磁芯に適した軟磁性合金粉末を提供することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。

そして、請求項１に記載しているように、アトマイズ粉末は、溶湯のガス噴霧アトマイズ粉末、溶湯のガス噴霧およびこれに続く水噴霧アトマイズ粉末、溶湯のガス噴霧およびこの直後の水冷却アトマイズ粉末の少なくとも１種であるものとすることによって、密度を高いものにできる圧密性や形状精度を良好なものにできる成形性（ないしは保形性）を考慮した軟磁性合金粉末を提供することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。

本発明による圧粉磁芯では、請求項３に記載しているように、請求項１または２に記載のＦｅ−Ｓｉ系軟磁性合金粉末と絶縁剤兼結合剤を配合して圧粉成形した圧粉成形体よりなり、２０Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が５０以上であり、５０Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が４０以上であり、１００Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が３０以上であるものとしたから、比較的大きな直流（磁界）が印加された状態であっても比透磁率が大であり、かつまたコアロスが小さい圧粉磁芯を提供することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。

そして、請求項４に記載しているように、絶縁剤は、シリコーン樹脂であるものとすることによって、高温に加熱されたときでも絶縁特性や接合特性が低下せず、周波数特性の良好な圧粉磁芯を提供することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。

また、本発明に係わる別の圧粉磁芯によれば、請求項５に記載しているように、請求項３または４に記載の圧粉成形体に樹脂を含浸してなるものとしたから、比較的大きな直流（磁界）が印加された状態であっても比透磁率が大であり、かつまたコアロスが小さく、機械的強度にも優れた圧粉磁芯を提供することが可能であるという著大なる効果がもたらされる。

そして、請求項６に記載しているように、樹脂は、シリコーン樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂のうちから選ばれるものとすることによって、機械的強度をかなり高めた圧粉磁芯を提供することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。

本発明に係わる軟磁性合金粉末は、質量％で、Ｓｉ：０．５〜８．０％を含み、Ｏ：０．５％以下に規制し、残部がＦｅおよび不純物よりなるものであるが、この限定理由について説明する。

Ｓｉは磁性合金の透磁率および磁束密度を向上させるのに有用な元素であるが、Ｓｉ含有量が０．５％よりも少ないと純鉄に近くなってコアロス（電力損失）が大きくなるので、０．５％以上、望ましくは１．０％以上、さらに望ましくは２．０％以上とするのが良い。

しかしながら、Ｓｉ含有量が多すぎると透磁率が低下し、磁束密度も低下し、直流重畳特性が劣化して大きな直流が印加された状態で使用されたときに透磁率が低下することとなるので、８．０％以下、より好ましくは７．５％以下、さらに望ましくは７．０％以下とするのが良い。

また、酸素含有量が多いと保磁力が増大し、その結果としてコアロスが増大するので、酸素量は少ない方が望ましく、０．５％以下、好ましくは０．４％以下、さらに好ましくは０．３％以下とするのが良い。

本発明に係わる上記成分組成のＦｅ−Ｓｉ系軟磁性合金粉末は、アトマイズ粉末よりなるものであって、
・ガス噴霧アトマイズ粉末（溶湯流にガスを吹きつけてアトマイズ化する手法であって、比較的丸い（アスペクト比が１に近い）形状で圧密性の良好な粉末を得る方法)
・ガス噴霧およびこれに続く水噴霧アトマイズ粉末(溶湯流にガスを吹きつけたのち水を吹きつけてアトマイズ化する手法であって、比較的小径のものは丸い（アスペクト比が１に近い）形状にすると共に比較的大径のものはやや不規則な（アスペクト比が２〜４の）形状に変えて凝固させることによって全体としてアスペクト比が１〜４程度の成形性（保形性）および圧密性が共に良好な粉末を得る方法）
・ガス噴霧およびこの直後の水冷却アトマイズ粉末（溶湯流にガスを吹きつけたのち水中で冷却する手法であって、比較的小径のものは丸い(アスペクト比が１に近い）形状にすると共に比較的大径のものはやや不規則な（アスペクト比が２〜４の）形状にして凝固させることによって全体としてアスペクト比が１〜４程度で成形性（保形性）および圧密性が共に良好な粉末を得る方法)が用いられる。

そして、本発明に係わる軟磁性合金粉末は、より好ましくは、上記の手法により得られるアトマイズ粉末からなり、粉末の粒子形状を二次元的に観察したときに長軸の長さＬ_Ｌと短軸の長さＬ_Ｓとの比（アスペクト比）Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓが平均して１．１から２．１までの間にあるものとする。

この場合、Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓの値が１．０〜３．５の適度のものであれば、良好なる成形性を有するものとなり、このＬ_Ｌ／Ｌ_Ｓの値が大きいと、透磁率は大きいものになりやすいが、この比が大きすぎる（すなわち、偏平なものが多くなりすぎる）と成形性が低下するので、２．１以下となっているものとするのが良い。

本発明による圧粉磁芯は、上記したＦｅ−Ｓｉ系軟磁性合金粉末と絶縁剤（ないしは結合剤）をプレス成形等により圧粉成形した圧粉成形体よりなるものであるが、この場合の絶縁剤（ないしは結合剤）としては水ガラスを使用することも可能ではあるが、この水ガラスは接着強度が低いと共に高温に加熱した場合に絶縁特性が低下する傾向となって圧粉磁芯の周波数特性を劣化させる可能性があるので、シリコーン樹脂を用いるのが好ましい。

そして、この場合のシリコーン樹脂としては、広義におけるシリコーンオイルやシリコーンゴムなども含まれる。そして、このシリコーン樹脂は０．５〜５．０重量％程度の配合量とすることができ、０．５重量％よりも少ないと絶縁剤、結合剤としての十分な作用を得ることが困難な傾向となり、５．０重量％よりも多いと透磁率が低下する傾向となる。

また、圧粉成形の際の潤滑剤として、ステアリン酸、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸アルミニウム、ワックス、二硫化モリブデン、二硫化タングステンなどを０．１〜１．０重量％程度用いることもできる。

そして、圧粉磁芯に対しては適度な温度範囲、例えば、５００〜１０００℃での熱処理を行うことにより、圧縮歪が解放され、合金相が安定化し、シリコ一ン樹脂の分解に伴う体積収縮によって磁性粉末の充填率が向上し、高飽和磁束密度を有する高比透磁率の圧粉磁芯とすることが可能となる。

このとき、シリコーン樹脂の分解に伴ってシリコン化合物が残存することとなるが、このシリコン化合物は基本的に強い結合力を有するため、圧粉磁芯の十分な強度を確保することができることとなる。

さらに、本発明による圧粉磁芯においては、前記圧粉成形体中の気孔部分に、樹脂を含浸させることによってその強度をさらに増大させたものとすることも必要に応じて望ましく、この際の樹脂としては、シリコーン樹脂やエポキシ系樹脂やフェノール系樹脂などの液状樹脂を用いることができ、エポキシ系樹脂やフェノール系樹脂では２００℃程度で熱分解するが、シリコーン樹脂を用いた場合には８００〜９００℃程度の高温であっても十分な機械的強度を確保できるものとなる。

そして、本発明に係わる圧粉磁芯は、２０Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が５０以上であり、５０Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が４０以上であり、１００Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が３０以上であるものであって、大きな直流磁界が印加されたときでも透磁率がさほど低下しないことを特徴とするものである。

本発明による圧粉磁芯では、上記したように、磁束密度の高いＦｅ−Ｓｉ系合金を用いることによって、大きな直流が印加された状態でも高い微分比透磁率を得ることができるものであり、直流重畳性がかなり良好なものである。

本発明に係わる圧粉磁芯は、上述した構成としたものであるが、その形状はとくに限定されるものではなく、いわゆるＥＥ型、ＥＩ型、ＥＲ型、ＥＰＣ型、カップ型、ポット型、ドラム型、ロイダル型等々のものとして適用することができる。

以下、本発明の実施例について比較例とともに説明するが、本発明はこのような実施例にのみ限定されないことはいうまでもない。

表１に示すようにＳｉ含有量を変化させたＦｅ−Ｓｉ系合金の溶湯を溶製したのち、同じく表１に示す噴霧方法でアトマイズ化した。

次いで、ここで得た各アトマイズ粉末を１００メッシュ以下の大きさにふるい分けした後、各粉末粒子（各々約１０００個）を二次元に投影した際の長軸方向の長さＬ_Ｌと短軸方向の長さＬ_Ｓとの比（アスペクト比）Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓを測定し、その平均を求めたところ、同じく表１に示す結果であった。このように、各粉末の粒子径の比（Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓ）は、最大で３．１となっており、各粒子は成形性が低下するほどには偏平化していないものであった。

また、各粉末におけるＳｉ含有量およびＯ含有量を測定したところ、同じく表１に示す結果であった。

次いで、各アトマイズ粉末に対し、真空中１０００℃で１時間の歪取り熱処理を施したのち、絶縁剤（兼結合剤）としてシリコーン樹脂を４．０重量％混合して撹拌した後乾燥し、さらに潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．５重重％混合し、次いで、室温にて圧力１３tonf/cm²でプレス成形することによって、外径が２８mm、内径が２０mm、高さが５mmのリング形状をなす圧粉磁芯を作製した。そして、得られた各圧粉磁芯に対して真空中８００℃で１時間の熱処理を施した。

さらに、実施例１〜４、比較例１〜４の圧粉磁芯に対しては、圧粉成形体中の気孔内にシリコーン樹脂またはエポキシ系樹脂の含浸処理を行い、シリコーン樹脂の含浸を行った圧粉成形体に対しては真空中８００℃で１時間の硬化処理を施し、エポキシ系樹脂の含浸を行った圧粉成形体に対しては大気中１５０℃で１時間の硬化処理を施した。

次いで、各圧粉磁芯について、周波数ｆ＝１００ｋＨｚでかつ２０Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率μ'、同周波数(f:１００kHz)でかつ５００Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率μ'、同周波数（ｆ＝１００ｋＨｚ）でかつ１００Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率μ'をそれぞれ測定したところ、同じく表１に示す結果であった。

さらに、各圧粉磁芯について、周波数ｆ＝１００ｋＨｚ、磁束密度Ｂｍ＝３００Ｇでのコアロス（鉄損）Ｐｃを測定したところ、同じく表１に示す結果であった。

さらにまた、各圧粉磁芯の圧環強度を調べたところ、同じく表１に示す結果であった。なお、このときの圧環強度は、圧粉磁芯を径方向に立てた状態にして上方から圧力を加えたときに、圧粉磁心が破壊したときの荷重として調べた。この結果を同じく表１に示す。

表１に示した結果より明らかなごとく、本発明実施例１〜６の各圧粉磁芯では、大きな直流磁界が印加されたときでも、透磁率の低下が小さく、直流重畳掛生が良好であると共に、コアロスもさほど大きくなく、圧環強度にも優れたものであることが認められた。

これに対して、表１に示す比較例１の圧粉磁芯では、Ｓｉ含有量が少なすぎるため純鉄に近くなってコアロスがかなり大きいものとなっており、比較例２の圧粉磁芯では、Ｓｉ含有量が多すぎるため比透磁率がかなり低いものとなっており、比較例３のセンダスト合金に相当する圧粉磁芯では２０Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの比透磁率は良好な値を示すものの直流磁界の強さが増大すると磁束密度が低いため飽和してしまうことから比透磁率の低下がかなり大きいものとなっており、実施例５，６および参考例３の圧粉磁芯では磁気特性は良好であるものの樹脂の含浸処理がないため圧環強度が低いものとなっていて、ある程度の圧環強度が要求される場合には適していないものとなっていた。

さらに、比較例４の圧粉磁芯ではＯ含有量が多すぎるためコアロスがかなり大きいものとなっていた。

Claims (6)

1. 質量％で、Ｓｉ：０．５〜８．０％を含み、Ｏ：０．５％以下に規制し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有するアトマイズ粉末からなり、該アトマイズ粉末は、溶湯のガス噴霧アトマイズ粉末、溶湯のガス噴霧およびこれに続く水噴霧アトマイズ粉末、溶湯のガス噴霧およびこの直後の水冷却アトマイズ粉末の少なくとも１種であり、前記アトマイズ粉末の粒子形状を２次元的に観察したときの、長軸の長さＬ_Ｌと短軸の長さＬ_Ｓとの比Ｌ_Ｌ／Ｌ_Ｓが平均して１．１から２．１までの間にあることを特徴とするＦｅ−Ｓｉ系軟磁性合金粉末。
2. アトマイズ粉末が、溶湯のガス噴霧およびこの直後の水冷却アトマイズ粉末である請求項１に記載のＦｅ−Ｓｉ系軟磁性合金粉末。
3. 請求項１または２に記載のＦｅ−Ｓｉ系軟磁性合金粉末と絶縁剤を配合して圧粉成形した圧粉成形体よりなり、２０Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が５０以上であり、５０Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が４０以上であり、１００Ｏｅのバイアス直流磁界のもとでの微分比透磁率が３０以上であることを特徴とする圧粉磁芯。
4. 絶縁剤が、シリコーン樹脂である請求項３に記載の圧粉磁芯。
5. 請求項３または４に記載の圧粉成形体に樹脂を含浸してなることを特徴とする圧粉磁芯。
6. 樹脂が、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール系樹脂のうちから選ばれる請求項５に記載の圧粉磁芯。