JP2018142642A

JP2018142642A - 圧粉磁芯

Info

Publication number: JP2018142642A
Application number: JP2017036569A
Authority: JP
Inventors: 慶太朗丹野; Keitaro Tanno
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2018-09-13

Abstract

【課題】より優れた直流重畳特性を有する圧粉磁芯を提供すること。【解決手段】圧粉磁芯は、磁性金属粒子と、軟磁性金属微粒子とを含んでいる。軟磁性金属粒子同士は、１０μｍ以上の長さに亘って所定の粒子間距離をおいて配置されている。所定の粒子間距離の平均値は、１．０〜３．５μｍの範囲にある。【選択図】図１

Description

本発明は、軟磁性金属粒子と軟磁性金属微粒子とを含む圧粉磁芯に関する。

特許文献１には、軟磁性金属粒子と軟磁性金属微粒子とを含む圧粉磁芯が開示されている。ここで軟磁性金属粒子の表面には、絶縁層が形成されている。特許文献１の圧粉磁芯は、以下に説明するように作製される。まず、軟磁性金属粒子とシリコーン樹脂との混合物を１００℃〜２００℃にて加熱処理した後、シリコーン樹脂の分解温度よりも高い温度にて更に加熱処理してから解砕することにより、酸化ケイ素を主成分とする絶縁層が表面に形成された軟磁性金属粒子を得る。その後、絶縁層が形成された軟磁性金属粒子と、軟磁性金属微粒子と、成形用樹脂と、焼成用樹脂とを混合して加圧成形及び熱処理を行うことにより、特許文献１の圧粉磁芯が作製される。

特開２０１０−２４５２１６号公報

特許文献１の圧粉磁芯に用いられる軟磁性金属粒子は、シリコーン樹脂の分解温度よりも高い温度で加熱処理して、酸化ケイ素を主成分とする高硬度の絶縁層を形成してから解砕して製造されているため、解砕される際に軟磁性金属粒子の表面に形成された絶縁層の一部が剥離して軟磁性金属粒子の表面が部分的に露出する可能性がある。よってこのような軟磁性金属粒子を用いて圧粉磁芯を作製した場合、軟磁性金属粒子の露出した表面が互いに接触して絶縁が不十分となり、均一な磁気ギャップが得られないため、零磁場と強磁場でのインダクタンスの差が大きくなり、良好な直流重畳特性が得られない可能性がある。

そこで、本発明は、より優れた直流重畳特性を有する圧粉磁芯を提供することを目的とする。

本発明は、第１の圧粉磁芯として、
軟磁性金属粒子と、軟磁性金属微粒子とを含む圧粉磁芯であって、
前記軟磁性金属粒子同士は、１０μｍ以上の長さに亘って所定の粒子間距離をおいて配置されており、
前記所定の粒子間距離の平均値は、１．０〜３．５μｍの範囲にある
圧粉磁芯を提供する。

また、本発明は、第２の圧粉磁芯として、第１の圧粉磁芯であって、
前記軟磁性金属粒子と前記軟磁性金属微粒子との粒径比は、４以上である
圧粉磁芯を提供する。

本発明の圧粉磁芯において、軟磁性金属粒子同士は、１０μｍ以上の長さに亘って所定の粒子間距離をおいて配置されている。これにより、本発明の圧粉磁芯に含まれる軟磁性金属粒子は、互いに絶縁を保ちつつ高密度に充填される。従って本発明の圧粉磁芯は、特許文献１の圧粉磁芯と比較して、より優れた直流重畳特性を具備することができる。

本発明の実施の形態による圧粉磁芯を示す模式的概念図である。本発明の実施例１の圧粉磁芯の断面の一例を示す電子顕微鏡写真である。比較例１の圧粉磁芯の断面の一例を示す電子顕微鏡写真である。実施例１，２及び比較例１，２の圧粉磁芯における印加磁界と透磁率との関係を示すグラフである。

図１を参照すると、本発明の実施の形態による圧粉磁芯１０は、軟磁性金属粒子１００と、軟磁性金属微粒子２００とを含んでいる。より具体的には、本実施の形態の圧粉磁芯１０は、軟磁性金属粒子１００と、軟磁性金属微粒子２００と、バインダ３００とを含んでいる。

本実施の形態の軟磁性金属粒子１００及び軟磁性金属微粒子２００は、Ｆｅ−Ｓｉからなるものである。図１を参照すると、本実施の形態の軟磁性金属粒子１００は、概ね球状の形状を有しており、平均粒径は１５０〜１６０μｍである。より詳しくは、本実施の形態の軟磁性金属粒子１００は、径方向（Ｙ方向）と直交する平坦部１１０を有している。また、軟磁性金属粒子１００の平坦部１１０は、径方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）において１０μｍ以上の長さを有している。本実施の形態の軟磁性金属微粒子２００の平均粒径は１０μｍである。

なお本発明の軟磁性金属粒子１００及び軟磁性金属微粒子２００は、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ａｌ、及びＦｅ系アモルファスからなる群から選択されたものであってもよい。また本発明の軟磁性金属粒子１００の原料となる軟磁性金属粒子の形状は、特に制限されないが、略球状が好ましい。この理由については後述する。略球状の軟磁性金属粒子は、例えばガスアトマイズ法によって得られる。

本実施の形態のバインダ３００は、軟磁性金属粒子１００及び軟磁性金属微粒子２００を結着している。本実施の形態のバインダ３００の原料は、シリコーン樹脂である。なお本発明のバインダ３００の原料としては、熱硬化性であれば特に制限されず、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、水ガラス等であってもよいが、耐熱性及び絶縁性の観点から特にシリコーン樹脂が好ましい。

図１を参照すると、軟磁性金属粒子１００同士は、１０μｍ以上の長さに亘って所定の粒子間距離Ｄをおいて配置されている。ここで所定の粒子間距離Ｄの平均値は、１．０〜３．５μｍの範囲にある。粒子間距離Ｄの平均値が１．０μｍ以上であると、軟磁性金属粒子１００同士の絶縁及び磁気抵抗が確保され、渦電流損失の増大と直流重畳特性の悪化を抑制でき、また、粒子間距離Ｄの平均値が３．５μｍ以下であると、透磁率の低下と飽和磁束密度の低下を抑制することができる。

図１を参照すると、軟磁性金属粒子１００同士は、平坦部１１０が径方向（Ｙ方向）において対向するように所定の粒子間距離Ｄをおいて配置されている。即ち、軟磁性金属粒子１００の平坦部１１０同士は、平坦部１１０と直交する方向（Ｙ方向）において、バインダ３００を挟みつつ所定の粒子間距離Ｄをおいて配置されている。

図１を参照すると、軟磁性金属微粒子２００は、軟磁性金属粒子１００の平坦部１１０同士が対向している箇所以外の部分において、バインダ３００中に分散している。即ち、軟磁性金属粒子１００の平坦部１１０同士が対向している箇所の間には、軟磁性金属微粒子２００は殆ど位置していない。

図１を参照すると。軟磁性金属粒子１００と軟磁性金属微粒子２００との粒径比は、４以上が好ましい。軟磁性金属粒子１００と軟磁性金属微粒子２００との粒径比が４以上であると、平坦部１１０以外の軟磁性金属粒子１００間の隙間に軟磁性金属微粒子２００が入り込みやすくなるため、圧粉磁芯１０の充填率及び透磁率が向上する。粒径比の増大と共に充填率及び透磁率は向上するため、粒径比は８以上であることが更に好ましい。なお、粒径比を算出するための粒径は、以下のように求めた。まず圧粉磁芯１０の断面において軟磁性金属粒子１００の粒子と軟磁性金属微粒子２００の粒子の各々についてｎ個抽出する。次に、これらｎ個の粒子の夫々について長径及び短径を測定し、この長径及び短径の平均径を算出して、この平均径を個別粒径とする。そしてｎ個すべての個別粒径を平均し、軟磁性金属粒子１００の粒径及び軟磁性金属微粒子２００の粒径とした。

本実施の形態の圧粉磁芯１０は、以下に説明するように作製される。まず軟磁性金属粒子とシリコーン樹脂との混合物を加熱処理して、軟磁性金属粒子に柔軟性のあるコーティング層を形成し、加熱後の混合物を粉砕する。その後、コーティング層を形成した軟磁性金属粒子と軟磁性金属微粒子とバインダ原料との混合組成物を、圧縮成型及び加熱処理して圧粉磁芯１０を作製する。

本実施の形態の圧粉磁芯１０は上述のように作製されるため、圧粉磁芯１０の作製過程において、軟磁性金属粒子１００のコーティング層が一部剥離して表面が露出することはない。すなわち、上述の加熱処理によって軟磁性金属粒子１００に柔軟性のあるコーティング層が形成されているため、粉砕する際に軟磁性金属粒子１００のコーティング層が一部剥離して表面が露出することはない。よって、特許文献１の圧粉磁芯の軟磁性金属粒子と異なり、本実施の形態の圧粉磁芯１０においては、軟磁性金属粒子の露出した表面が互いに接触して絶縁が不十分となることや、磁気ギャップが不均一となることもない。また、特許文献１の圧粉磁心の軟磁性金属粒子では、シリコーン樹脂硬化後の軟磁性粉末をほぐし処理した後、熱処理によって酸化ケイ素を主成分とする高硬度の絶縁層を形成し、結合した軟磁性金属粒子を解砕する工程が必要であるが、本実施の形態の圧粉磁心１０においては、解砕工程が不要のため製造が容易である。なお、本発明の圧粉磁芯の作製方法は、上述の方法に限定されず、軟磁性金属粒子同士が１０μｍ以上の長さに亘って所定の粒子間距離をおいて配置される限り、いかなる作製方法であってもよい。

また、上述の圧粉磁芯１０の作製過程において、略球状の軟磁性金属粒子を軟磁性金属粒子１００の原料として用いた場合、混合組成物の流動性が高くなるため、混合組成物における軟磁性金属粒子１００の充填率を向上させることができる。

また、上述の圧粉磁芯１０の作製過程から理解されるように、軟磁性金属粒子１００の平坦部１１０は、混合組成物を圧縮成型する際に形成されるものである。

以下、実施例及び比較例によって本発明を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらによって限定されるものではない。

（実施例１）
まず、Ｆｅ−Ｓｉからなり且つ平均粒径が１５０μｍである軟磁性金属粒子に対して、シリコーン樹脂を添加して均一に混合する。ここで、シリコーン樹脂の添加量は、混合物全体に対して０．３ｗｔ％とした。

次に、軟磁性金属粒子とシリコーン樹脂との混合物を大気雰囲気中で加熱処理して軟磁性金属粒子に柔軟性のあるコーティング層を形成し、加熱後の混合物を粉砕した。

更に、コーティング層が形成された軟磁性金属粒子と、Ｆｅ−Ｓｉからなり且つ平均粒径が１０μｍである軟磁性金属微粒子と、シリコーン樹脂とを混合し、混合組成物を得た。ここで、軟磁性金属粒子と軟磁性金属微粒子との重量比率は４：１とし、またシリコーン樹脂の添加量は、混合組成物全体に対して０．８ｗｔ％とした。

軟磁性金属粒子と軟磁性金属微粒子とシリコーン樹脂との混合組成物を、金属製の円筒金型内に封入し、室温下で１５ｔ／ｃｍ^２の成型圧で圧縮成形することにより、リング状の圧粉体を形成した。

リング状の圧粉体を大気雰囲気中で加熱して熱硬化処理を実施し、更に不活性ガス雰囲気中にて熱処理を実施して、圧粉磁芯１０を得た。熱処理後の圧粉磁芯１０のコア密度は、６．６６ｇ／ｃｃであった。

（実施例２）
まず、Ｆｅ−Ｓｉからなり且つ平均粒径が１５０μｍである軟磁性金属粒子に対して、シリコーン樹脂を添加して均一に混合する。ここで、シリコーン樹脂の添加量は、混合物全体に対して０．５ｗｔ％とした。

軟磁性金属粒子と軟磁性金属微粒子とシリコーン樹脂との混合物を、金属製の円筒金型内に封入し、室温下で１５ｔ／ｃｍ^２の成型圧で圧縮成形することにより、リング状の圧粉体を形成した。

リング状の圧粉体を大気雰囲気中で加熱して熱硬化処理を実施し、更に不活性ガス雰囲気中にて熱処理を実施して、圧粉磁芯１０を得た。熱処理後の圧粉磁芯１０のコア密度は、６．５８ｇ／ｃｃであった。

（実施例３）
まず、Ｆｅ−Ｓｉからなり且つ平均粒径が１５０μｍである軟磁性金属粒子に対して、シリコーン樹脂を添加して均一に混合する。ここで、シリコーン樹脂の添加量は、混合物全体に対して０．２２ｗｔ％とした。

リング状の圧粉体を大気雰囲気中で加熱して熱硬化処理を実施し、更に不活性ガス雰囲気中にて熱処理を実施して、圧粉磁芯１０を得た。熱処理後の圧粉磁芯１０のコア密度は、６．６７ｇ／ｃｃであった。

（比較例１）
まず、Ｆｅ−Ｓｉからなり且つ平均粒径が１５０μｍである軟磁性金属粒子に対して、シリコーン樹脂を添加して均一に混合する。ここで、シリコーン樹脂の添加量は、混合物全体に対して０．２ｗｔ％とした。

リング状の圧粉体を大気雰囲気中で加熱して熱硬化処理を実施し、更に不活性ガス雰囲気中にて熱処理を実施して、圧粉磁芯１０Ａを得た。熱処理後の圧粉磁芯１０Ａのコア密度は、６．６８ｇ／ｃｃであった。

（比較例２）
まず、Ｆｅ−Ｓｉからなり且つ平均粒径が１５０μｍである軟磁性金属粒子に対して、シリコーン樹脂を添加して均一に混合する。ここで、シリコーン樹脂の添加量は、混合物全体に対して０．６ｗｔ％とした。

リング状の圧粉体を大気雰囲気中で加熱して熱硬化処理を実施し、更に不活性ガス雰囲気中にて熱処理を実施して、圧粉磁芯を得た。熱処理後の圧粉磁芯のコア密度は、６．５２ｇ／ｃｃであった。

（圧粉磁芯の電子顕微鏡観察）
実施例１及び比較例１の圧粉磁芯１０，１０Ａの断面の電子顕微鏡観察を以下のように実施した。

実施例１の圧粉磁芯１０を研磨し、研磨された圧粉磁芯１０の断面を走査型電子顕微鏡にて撮影した。また比較例１の圧粉磁芯１０Ａについても、実施例１と同様に、研磨された圧粉磁芯１０Ａの断面を走査型電子顕微鏡にて撮影した。

図２に示されるように、実施例１の圧粉磁芯１０は、軟磁性金属粒子１００と、軟磁性金属微粒子２００とを含んでいることが分かる。より具体的には、圧粉磁芯１０は、軟磁性金属粒子１００と、軟磁性金属微粒子２００と、バインダ３００とを含んでいることが分かる。

図２に示されるように、実施例１の圧粉磁芯１０中の軟磁性金属粒子１００は、径方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）において約１２０μｍ程度の長さの平坦部１１０を有しており、また実施例１の軟磁性金属粒子１００の平坦部１１０は、隣接する軟磁性金属粒子１００の平坦部１１０と軟磁性金属粒子１００の径方向（Ｙ方向）において対向していることが分かる。

図２に示されるように、実施例１の圧粉磁芯１０において、軟磁性金属微粒子２００は、軟磁性金属粒子１００の平坦部１１０同士が対向している箇所以外の部分において、バインダ３００中に分散していることが分かる。即ち、実施例１の圧粉磁芯１０において、軟磁性金属粒子１００の平坦部１１０同士が対向している箇所の間には、軟磁性金属微粒子２００は位置していないことが分かる。

一方、図３に示されるように、比較例１の圧粉磁芯１０Ａは、軟磁性金属粒子１００Ａと、軟磁性金属微粒子２００Ａと、バインダ３００Ａとを含んでいることが分かる。また比較例１の圧粉磁芯１０Ａ中の軟磁性金属粒子１００Ａは、径方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）において約９０μｍ程度の長さの平坦部１１０Ａを有しており、軟磁性金属粒子１００Ａの平坦部１１０Ａは、隣接する軟磁性金属粒子１００Ａの平坦部１１０Ａと軟磁性金属粒子１００Ａの径方向（Ｙ方向）において対向していることが分かる。

図２及び図３から理解されるように、実施例１の軟磁性金属粒子１００において互いに対向する平坦部１１０間の粒子間距離は、比較例１の軟磁性金属粒子１００Ａにおいて互いに対向する平坦部１１０Ａ間の粒子間距離と比較して、より大きくなっていることが分かる。

（軟磁性金属粒子同士の粒子間距離の測定）
実施例１，２，３及び比較例１，２の圧粉磁芯における軟磁性金属粒子同士の粒子間距離の測定を以下のように実施した。

上述の電子顕微鏡観察と同様に、実施例１，２，３及び比較例１，２の夫々について、研磨された圧粉磁芯の断面の電子顕微鏡観察を行った。この電子顕微鏡観察において、軟磁性金属粒子同士が対向している平坦部の長さが１０μｍ以上となる箇所のうち５０箇所を選別したうえで選別された箇所の粒子間距離を測定し、得られた測定値の平均値を算出した。

上述の測定から、実施例１の粒子間距離の平均値は１．９μｍ、実施例２の粒子間距離の平均値は３．５μｍ、実施例３の粒子間距離の平均値は１．０μｍであり、また、比較例１の粒子間距離の平均値は０．７μｍ、比較例２の粒子間距離の平均値は４．３μｍであることが分かった。

（直流重畳特性の測定）
実施例１，２，３及び比較例１，２の圧粉磁芯における直流重畳特性の測定を以下のように実施した。

実施例１，２，３及び比較例１，２の夫々の圧粉磁芯に対して巻線を施したうえで、ＬＣＲメーターを用いて４０ｋＨｚにおいて印加磁界Ｈが０〜１２０００Ａ／ｍの範囲で圧粉磁芯の透磁率μ´を測定した。

印加磁界Ｈに対する透磁率μ´の測定結果を図４に示す。これにより、印加磁界が０Ａ／ｍの条件下では、比較例１、実施例３、実施例１、実施例２、比較例２の順に、透磁率μ´が低くなる傾向を示すことが明らかとなった。また、印加磁界１００００Ａ／ｍの条件下では透磁率μ´が３５以上となることが望ましいが、印加磁界１００００Ａ／ｍの条件下での実施例１，２，３の圧粉磁芯１０の透磁率μ´は夫々３７．８，３５．７，３５．３となり、何れも透磁率μ´が３５以上となることが明らかとなった。更に、印加磁界１００００Ａ／ｍの条件下では、比較例１及び比較例２の圧粉磁芯１０の透磁率μ´は夫々３３．３及び３３．９となり、双方とも透磁率μ´が３５未満となることが明らかとなった。加えて、印加磁界が１００００〜１２０００Ａ／ｍの範囲においては、実施例１の圧粉磁芯１０の透磁率μ´は、比較例１及び比較例２の圧粉磁芯の透磁率μ´を常に上回ることが明らかとなり、同様に、実施例２の圧粉磁芯１０の透磁率μ´は、比較例１及び比較例２の圧粉磁芯の透磁率μ´を常に上回ることが明らかとなった。

以上から、実施例１，２，３の圧粉磁芯１０は、軟磁性金属粒子１００同士が１０μｍ以上の長さに亘って所定の粒子間距離をおいて配置されていることから、比較例１及び比較例２の圧粉磁芯と比べて、より優れた直流重畳特性を有していることが分かる。

加えて、実施例１，２，３及び比較例１，２の圧粉磁芯の直流重畳特性から、軟磁性金属粒子に対してコーティング層を形成する際のシリコーン樹脂の添加量は、０．２２〜０．５ｗｔ％が好ましいことが分かる。

１０，１０Ａ圧粉磁芯
１００，１００Ａ軟磁性金属粒子
１１０，１００Ａ平坦部
２００，２００Ａ軟磁性金属微粒子
３００，３００Ａバインダ
Ｄ粒子間距離

Claims

軟磁性金属粒子と、軟磁性金属微粒子とを含む圧粉磁芯であって、
前記軟磁性金属粒子同士は、１０μｍ以上の長さに亘って所定の粒子間距離をおいて配置されており、
前記所定の粒子間距離の平均値は、１．０〜３．５μｍの範囲にある
圧粉磁芯。
請求項１記載の圧粉磁芯であって、
前記軟磁性金属粒子と前記軟磁性金属微粒子との粒径比は、４以上である
圧粉磁芯。