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JP2018170304A - 圧粉コア、該圧粉コアの製造方法、該圧粉コアを備える電気・電子部品、および該電気・電子部品が実装された電気・電子機器 - Google Patents

圧粉コア、該圧粉コアの製造方法、該圧粉コアを備える電気・電子部品、および該電気・電子部品が実装された電気・電子機器 Download PDF

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Akira Nakabayashi
亮 中林
世一 安彦
Yoichi Abiko
世一 安彦
小島 章伸
Akinobu Kojima
章伸 小島
水嶋 隆夫
Takao Mizushima
隆夫 水嶋
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Abstract

【課題】カルボニル鉄のような結晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアであって、優れた磁気特性を備える圧粉コアを提供する。
【解決手段】結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コア1であって、結晶質磁性材料の粉末の含有量と非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和に対する結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率である第一混合比率が、75質量%以上95質量%以下であることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、圧粉コア、該圧粉コアの製造方法、該圧粉コアを備える電気・電子部品、および該電気・電子部品が実装された電気・電子機器に関する。
ハイブリッド自動車等の昇圧回路や、発電、変電設備に用いられるリアクトル、トランスやチョークコイル等に使用される圧粉コアは、多数の軟磁性粉末を圧粉成形し、得られた成形製造物を熱処理することにより得ることができる。
特許文献1には、磁性粉末と、樹脂と、低沸点溶剤、高沸点溶剤とを混合し、スラリー状混合物を製造する混合物製造工程と;前記スラリー状混合物を加熱して、前記低沸点溶剤を蒸発させ、ペースト状混合物を製造する第1乾燥工程と;前記ペースト状混合物を、メッシュを通して解砕することによって製粒し、粒子を得る整粒工程と;前記粒子を加熱して前記高沸点溶剤を蒸発させて、磁性粒子を得る第2乾燥工程と;を備えることを特徴とする、造粒物の製造方法およびその造粒物の製造方法により製造された造粒物を使用したインダクタが開示されている。
特開2014−125655号公報
上記の特許文献1には、粒子径が3〜5μmのカルボニル鉄粉(Carbonyl Iron Powder、以下、「CIP」ということがある。)からなる磁性粉末が用いられた場合が具体例として示されている。CIPを主として使用することが、透磁率が高く、直流重畳特性が向上するために好ましいとされている。
本発明は、CIPのような結晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアであって、優れた磁気特性を備える圧粉コアを提供することを目的とする。本発明は、かかる圧粉コアの製造方法を提供すること、かかる圧粉コアを備える電気・電子部品を提供すること、およびかかる電気・電子部品が実装された電気・電子機器を提供することも課題とする。
上記課題を解決するために本発明者らが検討した結果、圧粉コアが、CIPのような結晶質磁性材料の粉末だけでなく、所定量の非晶質磁性材料の粉末を含有することにより、磁気特性を改善させることが可能であるとの新たな知見を得た。
かかる知見に基づき完成された本発明は、一態様において、結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアであって、前記結晶質磁性材料の粉末の含有量と前記非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和に対する前記結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率である第一混合比率が、75質量%以上95質量%以下であることを特徴とする圧粉コアである。圧粉コアが、結晶質磁性材料の粉末だけでなく、所定量の非晶質磁性材料の粉末を含有することにより、鉄損Pcvが低下しやすくなる。
前記第一混合比率が80質量%以上90質量%以下であることが、圧粉コアの磁気特性がより安定的に改善するため、好ましい。
前記結晶質磁性材料の粉末は絶縁処理が施された材料からなることが好ましい場合がある。
前記結晶質磁性材料は、Fe−Si−Cr系合金、Fe−Ni系合金、Fe−Co系合金、Fe−V系合金、Fe−Al系合金、Fe−Si系合金、Fe−Si−Al系合金、カルボニル鉄(CIP)および純鉄からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料を含んでいてもよい。これらの中でも、前記結晶質磁性材料はカルボニル鉄(CIP)からなることが好ましい場合がある。
前記非晶質磁性材料は、Fe−Si−B系合金、Fe−P−C系合金およびCo−Fe−Si−B系合金からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料を含んでいてもよい。これらの中でも、前記非晶質磁性材料はFe−P−C系合金からなることが好ましい場合がある。
前記非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50は20μm以下であることが好ましい場合がある。
前記結晶質磁性材料の粉末および前記非晶質磁性材料の粉末を、前記圧粉コアに含有される他の材料に対して結着させる結着成分を含有してもよい。この場合において、前記結着成分は、樹脂材料に基づく成分を含むことが好ましい。
本発明は、他の一態様において、上記の本発明に係る圧粉コアの製造方法であって、前記結晶質磁性材料の粉末および前記非晶質磁性材料の粉末ならびに前記樹脂材料からなるバインダー成分を含む混合物の加圧成形を含む成形処理により成形製造物を得る成形工程を備えることを特徴とする圧粉コアの製造方法である。
前記成形工程により得られた前記成形製造物が前記圧粉コアであってもよい。あるいは、前記成形工程により得られた前記成形製造物を加熱する熱処理により前記圧粉コアを得る熱処理工程を備えてもよい。
本発明は、別の一態様において、上記の本発明に係る圧粉コア、コイルおよび前記コイルのそれぞれの端部に接続された接続端子を備える電気・電子部品であって、前記圧粉コアの少なくとも一部は、前記接続端子を介して前記コイルに電流を流したときに前記電流により生じた誘導磁界内に位置するように配置されている電気・電子部品である。かかる電気・電子部品は、上記の圧粉コアの優れた特性に基づいて、鉄損を低減させることが可能である。
本発明は、また別の一態様において、上記の本発明に係る電気・電子部品が実装された電気・電子機器であって、前記電気・電子部品は前記接続端子にて基板に接続されている電気・電子機器である。かかる電気・電子機器として、電源スイッチング回路、電圧昇降回路、平滑回路等を備えた電源装置や小型携帯通信機器等が例示される。本発明に係る電気・電子機器は、上記の本発明に係る電気・電子部品を備えるため、大電流化・高速化に対応しやすい。
上記の発明に係る圧粉コアは、結晶質磁性材料の粉末からなる磁性粉末を備える圧粉コアに比べて優れた磁気特性を有することができる。また、本発明によれば、上記の圧粉コアの製造方法、上記の圧粉コアを備える電気・電子部品、およびこの電気・電子部品が実装された電気・電子機器が提供される。
本発明の一実施形態に係る圧粉コアの形状を概念的に示す斜視図である。 造粒粉を製造する方法の一例において使用されるスプレードライヤー装置およびその動作を概念的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る圧粉コアを備える電気・電子部品であるトロイダルコアの形状を概念的に示す斜視図である。 本発明の別の一実施形態に係る圧粉コアを備える電気・電子部品であるインダクタンス素子の全体構成を一部透視して示す斜視図である。 図4に示すインダクタンス素子を実装基板上に実装した状態を示す部分正面図である。 メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおける常数kの第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果を示すグラフである。 メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおける常数kの第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果を示すグラフである。 メジアン径D50が8μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおける常数kの第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果を示すグラフである。 メジアン径D50が8μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおける常数kの第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果を示すグラフである。 メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおける比透磁率μ’の第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果を示すグラフである。 メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおけるIsatの第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果を示すグラフである。 メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有し、第一混合比率が50質量%から100質量%の範囲にある圧粉コアについて、鉄損比、初透磁率比およびIsat比をまとめて示したグラフである。
以下、本発明の実施形態について詳しく説明する。
1.圧粉コア
図1に示す本発明の一実施形態に係る圧粉コア1は、その外観がリング状であって、結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を含有する。本実施形態に係る圧粉コア1は、これらの粉末を含む混合物の加圧成形を含む成形処理を備える製造方法により製造されたものである。限定されない一例として、本実施形態に係る圧粉コア1は、結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を、圧粉コア1に含有される他の材料(同種の材料である場合もあれば、異種の材料である場合もある。)に対して結着させる結着成分を含有する。以下、これらの成分について説明する。
(1)結晶質磁性材料の粉末
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する結晶質磁性材料の粉末を与える結晶質磁性材料は、結晶質であること(一般的なX線回折測定により、材料種類を特定できる程度に明確なピークを有する回折スペクトルが得られること)、および強磁性体であることを満たす限り、具体的な種類は限定されない。結晶質磁性材料の具体例として、Fe−Si−Cr系合金、Fe−Ni系合金、Fe−Co系合金、Fe−V系合金、Fe−Al系合金、Fe−Si系合金、Fe−Si−Al系合金、カルボニル鉄(CIP)および純鉄が挙げられる。上記の結晶質磁性材料は1種類の材料から構成されていてもよいし複数種類の材料から構成されていてもよい。結晶質磁性材料の粉末を与える結晶質磁性材料は、上記の材料からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料であることが好ましく、これらの中でも、CIPを含有することが好ましく、CIPからなることがより好ましい。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する結晶質磁性材料の粉末の形状は限定されない。粉末の形状は球状であってもよいし非球状であってもよい。非球状である場合には、鱗片状、楕円球状、液滴状、針状といった形状異方性を有する形状であってもよいし、特段の形状異方性を有しない不定形であってもよい。不定形の粉体の例として、球状の粉体の複数が、互いに接して結合していたり、他の粉体に部分的に埋没するように結合していたりする場合が挙げられる。このような不定形の粉体は、CIPにおいて観察されやすい。
粉末の形状は、粉末を製造する段階で得られた形状であってもよいし、製造された粉末を二次加工することにより得られた形状であってもよい。前者の形状としては、球状、楕円球状、液滴状、針状などが例示され、後者の形状としては、鱗片状が例示される。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する結晶質磁性材料の粉末の粒径は限定されない。かかる粒径を、メジアン径D50(レーザー回折散乱法により測定された軟磁性粉末の粒径の体積分布における体積累積値が50%のときの粒径)により規定すれば、通常、1μmから20μmの範囲とされる。取扱い性を高める観点、圧粉コアにおける結晶質磁性材料の粉末の充填密度を高める観点などから、結晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50(本明細書において、「第一メジアン径d1」ともいう。)は、1μm以上15μm以下とすることが好ましく、1μm以上10μm以下とすることがより好ましく、1μm以上5μm以下とすることが特に好ましい。
結晶質磁性材料の粉末の少なくとも一部は絶縁処理が施された材料からなることが好ましく、結晶質磁性材料の粉末は絶縁処理が施された材料からなることがより好ましい。結晶質磁性材料の粉末に絶縁処理が施されている場合には、圧粉コアの絶縁抵抗が向上する傾向がみられる。
結晶質磁性材料の粉末に施す絶縁処理の種類は限定されない。リン酸処理、リン酸塩処理、酸化処理、ゾル・ゲル法などが例示される。
結晶質磁性材料の粉末の含有量と非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和に対する結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率(単位:質量%、本明細書において、「第一混合比率」ともいう。)は、75質量%以上95質量%以下であることが好ましい。第一混合比率が上記の範囲内であることにより鉄損Pcvが低下しやすくなる傾向がみられる。透磁率など他の磁気特性とのバランスに優れる観点から、第一混合比率は、78質量%以上93質量%以下であることがより好ましく、80質量%以上90質量%以下であることがさらに好ましい。
(2)非晶質磁性材料の粉末
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する非晶質磁性材料の粉末を与える非晶質磁性材料は、非晶質であること(一般的なX線回折測定により、材料種類を特定できる程度に明確なピークを有する回折スペクトルが得られないこと)、および強磁性体、特に軟磁性体であることを満たす限り、具体的な種類は限定されない。非晶質磁性材料の具体例として、Fe−Si−B系合金、Fe−P−C系合金およびCo−Fe−Si−B系合金が挙げられる。上記の非晶質磁性材料は1種類の材料から構成されていてもよいし複数種類の材料から構成されていてもよい。非晶質磁性材料の粉末を構成する磁性材料は、上記の材料からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料であることが好ましく、これらの中でも、Fe−P−C系合金を含有することが好ましく、Fe−P−C系合金からなることがより好ましい。
Fe−P−C系合金の具体例として、組成式が、Fe100原子%−a−b−c−x−y−z−tNiSnCrSiで示され、0原子%≦a≦10原子%、0原子%≦b≦3原子%、0原子%≦c≦6原子%、6.8原子%≦x≦12.8原子%、2.2原子%≦y≦11.8原子%、0原子%≦z≦9.6原子%、0原子%≦t≦7原子%であるFe基非晶質合金が挙げられる。上記の組成式において、Ni,Sn,Cr,BおよびSiは任意添加元素である。
Niの添加量aは、0原子%以上6原子%以下とすることが好ましく、0原子%以上4原子%以下とすることがより好ましい。Snの添加量bは、0原子%以上2原子%以下とすることが好ましく、1原子%以上2原子%以下とすることがより好ましい。Crの添加量cは、0原子%以上3原子%以下とすることが好ましく、1原子%以上2.5原子%以下とすることがより好ましい。Pの添加量xは、8.8原子%以上とすることが好ましい場合もある。Cの添加量yは、5.8原子%以上8.8原子%以下とすることが好ましい場合もある。Bの添加量zは、0原子%以上9原子%以下とすることが好ましく、0原子%以上8原子%以下とすることがより好ましい。Siの添加量tは、0原子%以上6原子%以下とすることが好ましく、0原子%以上5.5原子%以下とすることがより好ましい。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する非晶質磁性材料の粉末の形状は限定されない。粉末の形状の種類については結晶質磁性材料の粉末の場合と同様であるから説明を省略する。製造方法の関係で非晶質磁性材料は球状または楕円球状とすることが容易である場合もある。また、一般論として非晶質磁性材料は結晶質磁性材料よりも硬質であるから、結晶質磁性材料を非球状として加圧成形の際に変形しやすいようにすることが好ましい場合もある。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する非晶質磁性材料の粉末の形状は、粉末を製造する段階で得られた形状であってもよいし、製造された粉末を二次加工することにより得られた形状であってもよい。前者の形状としては、球状、楕円球状、針状などが例示され、後者の形状としては、鱗片状が例示される。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する非晶質磁性材料の粉末の粒径は限定されない。かかる粒径をメジアン径D50により規定すれば、20μm以下とすることが好ましい場合がある。取扱い性を高める観点から、非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50(本明細書において、「第二メジアン径d2」ともいう。)を、1μm以上とすることが好ましく、2μm以上とすることがより好ましく、3μm以上とすることが特に好ましい。圧粉コア1における非晶質および結晶質の磁性材料の粉末の充填密度を高める観点などから、非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50を、15μm以下とすることが好ましく、12μm以下とすることがより好ましく、8μm以下とすることが特に好ましい。
第一メジアン径d1と第二メジアン径d2との関係は限定されない。一般論として、非晶質磁性材料は結晶質磁性材料よりも硬質であるから、第一メジアン径d1を相対的に小さくして、非晶質磁性材料の粉末が充填されたときに生じる空隙部を結晶質磁性材料の粉末が充填しやすいようにすることが好ましい場合もある。この場合において、d1/d2は0.8以下とすることが好ましく、0.5以下とすることが好ましいこともある。
(3)結着成分
結着成分は、本実施形態に係る圧粉コア1に含有される結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末(本明細書において、これらの粉末を「磁性粉末」と総称することもある。)を固定することに寄与する材料である限り、その組成は限定されない。結着成分を構成する材料として、樹脂材料および樹脂材料の熱分解残渣(本明細書において、これらを「樹脂材料に基づく成分」と総称する。)などの有機系の材料、無機系の材料などが例示される。樹脂材料として、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂などが例示される。無機系の材料からなる結着成分は水ガラスなどガラス系材料が例示される。結着成分は一種類の材料から構成されていてもよいし、複数の材料から構成されていてもよい。結着成分は有機系の材料と無機系の材料との混合体であってもよい。
結着成分として、通常、絶縁性の材料が使用される。これにより、圧粉コア1としての絶縁性を高めることが可能となる。
2.圧粉コアの製造方法
上記の本発明の一実施形態に係る圧粉コア1の製造方法は特に限定されないが、次に説明する製造方法を採用すれば、圧粉コア1をより効率的に製造することが実現される。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1の製造方法は、次に説明する、成形工程を備え、さらに熱処理工程を備えていてもよい。
(1)成形工程
まず、磁性粉末、および圧粉コア1において結着成分を与える成分を含む混合物を用意する。結着成分を与える成分(本明細書において、「バインダー成分」ともいう。)とは、結着成分そのものである場合もあれば、結着成分と異なる材料である場合もある。後者の具体例として、バインダー成分が樹脂材料であって、結着成分がその熱分解残渣である場合が挙げられる。
この混合物の加圧成形を含む成形処理により成形製造物を得ることができる。加圧条件は限定されず、バインダー成分の組成などに基づき適宜決定される。例えば、バインダー成分が熱硬化性の樹脂からなる場合には、加圧とともに加熱して、金型内で樹脂の硬化反応を進行させることが好ましい。一方、圧縮成形の場合には、加圧力が高いものの、加熱は必要条件とならず、短時間の加圧となる。
以下、混合物が造粒粉であって、圧縮成形を行う場合について、やや詳しく説明する。造粒粉は取り扱い性に優れるため、成形時間が短く生産性に優れる圧縮成形工程の作業性を向上させることができる。
(1−1)造粒粉
造粒粉は、磁性粉末およびバインダー成分を含有する。造粒粉におけるバインダー成分の含有量は特に限定されない。かかる含有量が過度に低い場合には、バインダー成分が磁性粉末を保持しにくくなる。また、バインダー成分の含有量が過度に低い場合には、熱処理工程を経て得られた圧粉コア1中で、バインダー成分の熱分解残渣からなる結着成分が、複数の磁性粉末を互いに他から絶縁しにくくなる。一方、上記のバインダー成分の含有量が過度に高い場合には、熱処理工程を経て得られた圧粉コア1に含有される結着成分の含有量が高くなりやすい。圧粉コア1中の結着成分の含有量が高くなると、圧粉コア1の磁気特性が低下しやすくなる。それゆえ、造粒粉中のバインダー成分の含有量は、造粒粉全体に対して、0.5質量%以上5.0質量%以下となる量にすることが好ましい。圧粉コア1の磁気特性が低下する可能性をより安定的に低減させる観点から、造粒粉中のバインダー成分の含有量は、造粒粉全体に対して、1.0質量%以上3.5質量%以下となる量にすることが好ましく、1.2質量%以上3.0質量%以下となる量にすることがより好ましい。
造粒粉は、上記の磁性粉末およびバインダー成分以外の材料を含有してもよい。そのような材料として、潤滑剤、シランカップリング剤、絶縁性のフィラーなどが例示される。潤滑剤を含有させる場合において、その種類は特に限定されない。有機系の潤滑剤であってもよいし、無機系の潤滑剤であってもよい。有機系の潤滑剤の具体例として、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸アルミニウムなどの金属石鹸が挙げられる。こうした有機系の潤滑剤は、熱処理工程において気化し、圧粉コア1にはほとんど残留していないと考えられる。
造粒粉の製造方法は特に限定されない。上記の造粒粉を与える成分をそのまま混錬し、得られた混練物を公知の方法で粉砕するなどして造粒粉を得てもよいし、上記の成分に分散媒(水が一例として挙げられる。)を添加してなるスラリーを調製し、このスラリーを乾燥させて粉砕することにより造粒粉を得てもよい。粉砕後にふるい分けや分級を行って、造粒粉の粒度分布を制御してもよい。
上記のスラリーから造粒粉を得る方法の一例として、スプレードライヤーを用いる方法が挙げられる。図2に示されるように、スプレードライヤー装置200内には回転子201が設けられ、スプレードライヤー装置200の上部からスラリーSを回転子201に向けて注入する。回転子201は所定の回転数により回転しており、スプレードライヤー装置200内部のチャンバーにてスラリーSを遠心力により小滴状として噴霧する。さらにスプレードライヤー装置200内部のチャンバーに熱風を導入し、これにより小滴状のスラリーSに含有される分散媒(水)を、小滴形状を維持したまま揮発させる。その結果、スラリーSから造粒粉Pが形成される。この造粒粉Pをスプレードライヤー装置200の下部から回収する。回転子201の回転数、スプレードライヤー装置200内に導入する熱風温度、チャンバー下部の温度など各パラメータは適宜設定すればよい。これらのパラメータの設定範囲の具体例として、回転子201の回転数として4000〜6000rpm、スプレードライヤー装置200内に導入する熱風温度として130〜170℃、チャンバー下部の温度として80〜90℃が挙げられる。またチャンバー内の雰囲気およびその圧力も適宜設定すればよい。一例として、チャンバー内をエアー(空気)雰囲気として、その圧力を大気圧との差圧で2mmHO(約0.02kPa)とすることが挙げられる。得られた造粒粉Pの粒度分布をふるい分けなどによりさらに制御してもよい。
(1−2)加圧条件
圧縮成形における加圧条件は特に限定されない。造粒粉の組成、成形工程により得られる成形製造物の形状などを考慮して適宜設定すればよい。造粒粉を圧縮成形する際の加圧力が過度に低い場合には、成形製造物の機械的強度が低下する。このため、成形製造物の取り扱い性が低下する、成形製造物から得られた圧粉コア1の機械的強度が低下する、といった問題が生じやすくなる。また、圧粉コア1の磁気特性が低下したり絶縁性が低下したりする場合もある。一方、造粒粉を圧縮成形する際の加圧力が過度に高い場合には、その圧力に耐えうる成形金型を作成するのが困難になってくる。圧縮加圧工程が圧粉コア1の機械特性や磁気特性に悪影響を与える可能性をより安定的に低減させ、工業的に大量生産を容易に行う観点から、造粒粉を圧縮成形する際の加圧力は、0.3GPa以上2GPa以下とすることが好ましく、0.5GPa以上2GPa以下とすることがより好ましく、0.8GPa以上2GPa以下とすることが特に好ましい。
圧縮成形では、加熱しながら加圧を行ってもよいし、常温で加圧を行ってもよい。
(2)熱処理工程
成形工程により得られた成形製造物が本実施形態に係る圧粉コア1であってもよいし、次に説明するように成形製造物に対して熱処理工程を実施して圧粉コア1を得てもよい。
熱処理工程では、上記の成形工程により得られた成形製造物を加熱することにより、磁性粉末間の距離を修正することによる磁気特性の調整および成形工程において磁性粉末に付与された歪を緩和させて磁気特性の調整を行って、圧粉コア1を得る。
熱処理工程は上記のように圧粉コア1の磁気特性の調整が目的であるから、熱処理温度などの熱処理条件は、圧粉コア1の磁気特性が最も良好となるように設定される。熱処理条件を設定する方法の一例として、成形製造物の加熱温度を変化させ、昇温速度および加熱温度での保持時間など他の条件は一定とすることが挙げられる。
熱処理条件を設定する際の圧粉コア1の磁気特性の評価基準は特に限定されない。評価項目の具体例として圧粉コア1の鉄損Pcvを挙げることができる。この場合には、圧粉コア1の鉄損Pcvが最低となるように成形製造物の加熱温度を設定すればよい。鉄損Pcvの測定条件は適宜設定され、一例として、周波数100kHz、最大磁束密度100mTとする条件が挙げられる。
熱処理の際の雰囲気は特に限定されない。酸化性雰囲気の場合には、バインダー成分の熱分解が過度に進行する可能性や、磁性粉末の酸化が進行する可能性が高まるため、窒素、アルゴンなどの不活性雰囲気や、水素などの還元性雰囲気で熱処理を行うことが好ましい。
3.電気・電子部品
本発明の一実施形態に係る電気・電子部品は、上記の本発明の一実施形態に係る圧粉コア1、コイルおよびこのコイルのそれぞれの端部に接続された接続端子を備える。ここで、圧粉コア1の少なくとも一部は、接続端子を介してコイルに電流を流したときにこの電流により生じた誘導磁界内に位置するように配置されている。
このような電気・電子部品の一例として、図3に示されるトロイダルコイル10が挙げられる。トロイダルコイル10は、リング状の圧粉コア(トロイダルコア)1に、被覆導電線2を巻回することによって形成されたコイル2aを備える。被覆導電線2の両端部における導電線が露出した部分(露出端部)2b,2cは接続端子を構成している。被覆導電線2におけるコイル2aと露出端部2b,2cとの間に位置する部分において、コイル2aの端部2d,2eを定義することができる。このように、本実施形態に係る電気・電子部品は、コイルを構成する部材と接続端子を構成する部材とが一つの部材から構成されていてもよい。
本発明の一実施形態に係る電気・電子部品は、上記の本発明の一実施形態に係る圧粉コア1とは異なる形状を有する圧粉コアを備えていてもよい。そのような電気・電子部品の具体例として、図4に示されるインダクタンス素子20が挙げられる。図4は、本発明の一実施形態に係るインダクタンス素子20の全体構成を一部透視して示す斜視図である。図4では、インダクタンス素子20の下面(実装面)が上向きの姿勢で示されている。図5は、図4に示すインダクタンス素子20を実装基板100上に実装した状態を示す部分正面図である。
図4に示すインダクタンス素子20は、圧粉コア3と、圧粉コア3の内部に埋め込まれたコイル5と、溶接によってコイル5に電気的に接続される接続端子としての一対の端子部4とを備えて構成される。
コイル5は、絶縁被膜された導線を螺旋状に巻回して形成されたものである。コイル5は、巻回部5aと巻回部5aから引き出された引出端部5b,5bとを有して構成される。コイル5の巻き数は必要なインダクタンスに応じて適宜設定される。
図4に示すように、圧粉コア3において、実装基板に対する実装面3aに、端子部4の一部を収納するための収納凹部30が形成されている。収納凹部30は、実装面3aの両側に形成されており、圧粉コア3の側面3b,3cに向けて解放されて形成されている。圧粉コア3の側面3b,3cから突出する端子部4の一部が実装面3aに向けて折り曲げられて、収納凹部30の内部に収納される。
端子部4は、薄板状のCu基材で形成されている。端子部4は圧粉コア3の内部に埋設されてコイル5の引出端部5b,5bに電気的に接続される接続端部40と、圧粉コア3の外面に露出し、前記圧粉コア3の側面3b,3cから実装面3aにかけて順に折り曲げ形成される第1曲折部42aおよび第2曲折部42bとを有して構成される。接続端部40は、コイル5に溶接される溶接部である。第1曲折部42aと第2曲折部42bは、実装基板100に対して半田接合される半田接合部である。半田接合部は、端子部4のうちの圧粉コア3から露出している部分であって、少なくとも圧粉コア3の外側に向けられる表面を意味している。
端子部4の接続端部40とコイル5の引出端部5bとは、抵抗溶接によって接合されている。
図5に示すように、インダクタンス素子20は、実装基板100上に実装される。
実装基板100の表面には外部回路と導通する導体パターンが形成され、この導体パターンの一部によって、インダクタンス素子20を実装するための一対のランド部110が形成されている。
図5に示すように、インダクタンス素子20においては、実装面3aが実装基板100側に向けられて、圧粉コア3から外部に露出している第1曲折部42aと第2曲折部42bが実装基板100のランド部110との間で半田層120にて接合される。
ハンダ付け工程は、ランド部110にペースト状の半田が印刷工程で塗布された後に、ランド部110に第2曲折部42bが対面するようにしてインダクタンス素子20が実装され、加熱工程で半田が溶融する。図4と図5に示すように、第2曲折部42bは実装基板100のランド部110に対向し、第1曲折部42aはインダクタンス素子20の側面3b,3cに露出しているため、フィレット状の半田層120は、ランド部110に固着するとともに、半田接合部である第2曲折部42bと第1曲折部42aの双方の表面に十分に広がって固着される。
4.電気・電子機器
本発明の一実施形態に係る電気・電子機器は、上記の本発明の一実施形態に係る圧粉コアを備える電気・電子部品が実装されたものである。そのような電気・電子機器として、大電流(例えば数mm角程度の小型インダクタの場合は1A程度以上)が流れる、電源スイッチング回路、電圧昇降回路、平滑回路等を備えた電源装置が例示される。
電源スイッチング回路、電圧昇降回路、平滑回路などを備える電源装置に大電流を流した場合に、電源装置に組み込まれた電気・電子部品が備える圧粉コアの鉄損Pcvが高いと発熱の程度が高くなり、装置の信頼性が著しく低下する。このため、かかる圧粉コアの鉄損Pcvを低くして高効率とすることが強く求められている。本発明の一実施形態に係る電気・電子機器が備える電気・電子部品に用いられている圧粉コアは鉄損Pcvが低いため、高効率であり、電気・電子機器に大電流を流した場合であっても、発熱の程度が比較的低い。このため、本発明の一実施形態に係る電気・電子機器は信頼性に優れる。
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。
(実施例1)
(1)Fe基非晶質合金粉末の作製
水アトマイズ法を用いて、Fe71原子%Ni6原子%Cr2原子%11原子%8原子%2原子%なる組成になるように秤量して得られた非晶質磁性材料の粉末を磁性粉末として作製した。第一混合比率(結晶質磁性材料の粉末の含有量と非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和に対する結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率)は0質量%であった。得られた磁性粉末の粒度分布は、日機装社製「マイクロトラック粒度分布測定装置 MT3300EX」を用いて体積分布で測定した。その結果、体積分布において50%となる粒径であるメジアン径D50は5μmであった。
(2)造粒粉の作製
上記の非晶質磁性材料の粉末97.2質量部と、アクリル樹脂およびフェノール樹脂からなる絶縁性結着材2.5質量部と、潤滑剤を0.3質量部とを、溶媒としての水に混合してスラリーを得た。得られたスラリーをスプレードライヤー装置を用いて乾燥、造粒し、メジアン径D50が80μmの造粒粉を得た。
(3)圧縮成形
得られた造粒粉を金型に充填し、面圧1.0GPaで加圧成形して、外径20mm×内径12mm×厚さ3mmのリング形状を有する成形製造物を得た。
(4)熱処理
得られた成形製造物を、窒素気流雰囲気の炉内に載置し、炉内温度を、室温(23℃)から昇温速度10℃/分で400℃まで加熱し、この温度にて1時間保持し、その後、炉内で室温まで冷却する熱処理を行い、圧粉コアからなるトロイダルコアを得た。
(実施例2から6)
磁性粉末を調製する際に、実施例1において使用した非晶質磁性材料の粉末と、絶縁処理が施されたカルボニル鉄(CIP)からなる結晶質磁性材料の粉末(メジアン径D50:4.3μm)とを混合して、第一混合比率が次の値となる磁性粉末を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、トロイダルコアを製造した。
実施例2 5質量%
実施例3 10質量%
実施例4 15質量%
実施例5 20質量%
実施例6 30質量%
(実施例7)
磁性粉末を調製する際に、実施例1において使用した非晶質磁性材料の粉末に代えて、実施例2などで使用した、絶縁処理が施されたCIPを全量用いたこと、すなわち磁性粉末の第一混合比率を100質量%としたこと以外は、実施例1と同様にして、トロイダルコアを製造した。
(実施例8)
メジアン径D50が8μmであること以外は実施例1の製造方法と同様にして非晶質磁性材料の粉末を調製した。この非晶質磁性材料の粉末を用いて、実施例1と同様にして、トロイダルコアを製造した。
(試験例1)鉄損Pcvの測定およびシミュレーション
実施例1から8により作製したトロイダルコアに被覆銅線をそれぞれ1次側15回、2次側10回巻いて得られたトロイダルコイルについて、BHアナライザー(岩崎通信機社製「SY−8217」)を用いて、実効最大磁束密度Bを15mTとする条件で、鉄損Pcv(単位:kW/m)の周波数依存性(測定周波数範囲:100kHz〜3MHz)を測定した。
鉄損Pcvの周波数依存性を表す式の一例として、下記式(1)に示される式が挙げられる。
Pcv=k×f×B 1.6+k×f×B (1)
ここで、fは周波数(単位:kHz)、Bは実効最大磁束密度(単位:mT)であり、kおよびkは常数であって、単位は、前者(常数k)がkW/m/kHz/(mT)1.6以下、後者(常数k)がkW/m/(kHz)/(mT)である。
実施例1から7に係るトロイダルコイルの鉄損Pcvの測定結果のうち、周波数が1MHzから3MHzの範囲の測定結果を用いて、2つの常数kおよびkを実施例ごとに求めた。その結果を表1に示す。表1では、常数kおよび常数kの単位の記載を省略している。
表1に示される結果から、メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおける2つの常数kおよびkのそれぞれについて、第一混合比率に対する依存性を求めた。その結果、図6に示されるように、常数kの第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果は下記式(2)により示される式となった。下記式(2)の相関係数は0.9980であった。一方、図7に示されるように、常数kの第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果は下記式(3)により示される式となった。下記式(3)の相関係数は0.9816であった。なお、下記式(2)および(3)において、xは第一混合比率(単位:質量%)である。
=2.290×10-7+4.737×10-6x−3.748×10-5 (2)
=2.193×10-11−6.411×10-10x+2.499×10-7 (3)
上記式(2)および(3)に基づいて、メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアの2つの常数kおよびkを、第一混合比率が50質量%から100質量%の範囲で求めた。そして、こうして求めた2つの常数kおよびkから、メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有し、第一混合比率が50質量%から100質量%の範囲にある圧粉コアの鉄損Pcv(周波数f:2MHz、実効最大磁束密度B:15mT)を算出した。その結果を表2に示す。表2には、第一混合比率が50質量%から90質量%の場合における圧粉コアの鉄損Pcvを、第一混合比率が100質量%の場合における圧粉コアの鉄損Pcvで規格化した値を鉄損比として示した。
実施例8に係るトロイダルコイルの鉄損Pcvの測定結果のうち、周波数が1MHzから3MHzの範囲の測定結果を用いて、2つの常数kおよびkを求めた。その結果を表3に示す。
表3に示される実施例8に係る2つの常数kおよびkの結果は、表1に示される実施例1に係る2つの常数kおよびkの結果と近い結果となった。そこで、実施例8、実施例2から6、および実施例7における常数kおよび常数kの結果を用いて、メジアン径D50が8μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおける2つの常数kおよびkのそれぞれについて、第一混合比率に対する依存性を求めた。その結果、図8に示されるように、常数kの第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果は下記式(4)により示される式となった。下記式(4)の相関係数は0.9980であった。一方、図9に示されるように、常数kの第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果は下記式(5)により示される式となった。下記式(5)の相関係数は0.9843であった。なお、下記式(4)および(5)において、xは第一混合比率(単位:質量%)である。
=2.290×10-7+4.737×10-6x−3.748×10-5 (4)
=2.032×10-11−4.509×10-10x+2.468×10-7 (5)
上記式(4)および(5)に基づいて、メジアン径D50が8μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアの2つの常数kおよびkを、第一混合比率が50質量%から100質量%の範囲で求めた。そして、こうして求めた2つの常数kおよびkから、メジアン径D50が8μmの非晶質磁性材料の粉末を含有し、第一混合比率が50質量%から100質量%の範囲にある圧粉コアの鉄損Pcv(周波数f:2MHz、実効最大磁束密度B:15mT)を算出した。その結果および表2と同様にして求めた鉄損比を表4に示す。
(試験例2)透磁率の測定
実施例1から8により作製したトロイダルコアに被覆銅線をそれぞれ1次側40回、2次側10回巻いて得られたトロイダルコイルについて、インピーダンスアナライザー(HP社製「4192A」)を用いて、100kHzの条件で、初透磁率μ’を測定した。結果を表5に示す。表5におけるD50の列には、圧粉コアに含有される非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50を示した。
表5に示される結果から、メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおける初透磁率μ’の第一混合比率に対する依存性を求めた。その結果、図10に示されるように、初透磁率μ’の第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果は下記式(6)により示される式となった。下記式(6)の相関係数は0.9934であった。なお、下記式(6)において、xは第一混合比率(単位:質量%)である。
μ’=−7.244×10-4+1.529×10-1x+2.859×10 (6)
上記式(6)に基づいて、メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有し、第一混合比率が50質量%から100質量%の範囲にある圧粉コアの初透磁率μ’を算出した。その結果を表6に示す。表6には、第一混合比率が50質量%から90質量%の場合における圧粉コアの初透磁率μ’を、第一混合比率が100質量%の場合における圧粉コアの初透磁率μ’で規格化した値を初透磁率比として示した。
メジアン径D50が8μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおける初透磁率μ’の第一混合比率に対する依存性は一次直線により表されると仮定して、実施例8および7の初透磁率μ’の測定結果から、メジアン径D50が8μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおける第一混合比率が50質量%から100質量%の範囲での初透磁率μ’を算出した。その結果および表5と同様にして求めた初透磁率比を表7に示す。
(試験例3)直流重畳特性の測定
実施例1から8により作製したトロイダルコアから形成されたトロイダルコイルを用いて、JIS C2560−2に準拠して、直流電流をトロイダルコイルに重畳した。重畳電流の印加前(初期)のインダクタンスLの値Lに対するインダクタンスLの変化量ΔLの割合(ΔL/L)が30%となったときの印加電流値Isat(単位:A)により、直流重畳特性を評価した。結果を表8に示す。表8におけるD50の列には、圧粉コアに含有される非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50を示した。
表8に示される結果から、メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおけるIsatの第一混合比率に対する依存性を求めた。その結果、図11に示されるように、Isatの第一混合比率に対する依存性のフィッティング結果は下記式(7)により示される式となった。下記式(7)の相関係数は0.9954であった。なお、下記式(7)において、xは第一混合比率(単位:質量%)である。
Isat=6.602×10-2x+1.149×10 (7)
上記式(7)に基づいて、メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有し、第一混合比率が50質量%から100質量%の範囲にある圧粉コアのIsatを算出した。その結果を表9に示す。表9には、第一混合比率が50質量%から90質量%の場合における圧粉コアのIsatを、第一混合比率が100質量%の場合における圧粉コアのIsatで規格化した値をIsat比として示した。
メジアン径D50が8μmの非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアにおけるIsatの第一混合比率に対する依存性は一次直線により表されると仮定して、実施例8および7のIsatの測定結果から、メジアン径D50が8μmの非晶質磁性材料の粉末を含有し、第一混合比率が50質量%から100質量%の範囲にある圧粉コアのIsatを算出した。その結果および表9と同様にして求めたIsat比を表10に示す。
図12は、メジアン径D50が5μmの非晶質磁性材料の粉末を含有し、第一混合比率が50質量%から100質量%の範囲にある圧粉コアについて、鉄損比、初透磁率比およびIsat比を一つのグラフにまとめて示したものである。図12に示されるように、磁性粉末がCIPからなる圧粉コア(実施例7)との対比で、圧粉コアに含有される磁性粉末に非晶質磁性材料の粉末を含ませると、鉄損比、初透磁率比およびIsat比のいずれも低下するが、鉄損比が他の2つの比に比べて大きく低減することが確認された。この結果は、磁性粉末がCIPからなる圧粉コアに非晶質磁性材料の粉末からなる磁性粉末を混ぜることにより、初透磁率やIsatの低下を少なくしつつ、鉄損を大きく低減させることが可能であることを示している。そして、図12から明らかなように、圧粉コアに混ぜる非晶質磁性材料の粉末からなる磁性粉末の割合が大きくなるほど、鉄損Pcvの低下は顕著となる。
鉄損Pcvの低下の程度が他の磁気特性の低下の程度とどのような関係にあるかを確認するために、下記式(8)および下記式(9)により評価した。
R1=(1−C)/(1−P) (8)
R2=(1−C)/(1−I) (9)
ここで、Cは第一混合比率がi質量%のときの鉄損比であり、Pは第一混合比率がi質量%のときの初透磁率比である。したがって、R1は、第一混合比率がi質量%のときに、初透磁率μ’の低下量を基準にして鉄損Pcvがどの程度低下したかを示す指標である。また、Iは第一混合比率がi質量%のときのIsat比である。したがって、R2は、第一混合比率がi質量%のときに、Isatの低下量を基準にして鉄損Pcvがどの程度低下したかを示す指標である。これらの算出結果を表11に示す。
表11から、第一混合比率が大きいほど、すなわち、磁性粉末がCIPからなる圧粉コアに非晶質磁性材料の粉末からなる磁性粉末を混ぜる程度を少なくすることにより、より効果的に(他の磁気特性が受ける影響を少なくして)鉄損Pcvを低下させることができることが理解される。
本発明の圧粉コアを用いた電気・電子部品は、ハイブリッド自動車等の昇圧回路や、発電、変電設備に用いられるリアクトル、トランスやチョークコイル等として好適に使用されうる。
1…圧粉コア(トロイダルコア)
10…トロイダルコイル
2…被覆導電線
2a…コイル
2b,2c…露出端部
2d,2e…コイル2aの端部
20…インダクタンス素子
3…圧粉コア
3a…圧粉コア3の実装面
3b,3c…圧粉コア3の側面
4…端子部
5…コイル
5a…コイル5の巻回部
5b…コイル5の引出端部
30…収納凹部
40…接続端部
42a…第1曲折部
42b…第2曲折部
100…実装基板
110…ランド部
120…半田層
200…スプレードライヤー装置
201…回転子
S…スラリー
P…造粒粉

Claims (15)

  1. 結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアであって、
    前記結晶質磁性材料の粉末の含有量と前記非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和に対する前記結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率である第一混合比率が、75質量%以上95質量%以下であることを特徴とする圧粉コア。
  2. 前記第一混合比率が80質量%以上90質量%以下である、請求項1に記載の圧粉コア。
  3. 前記結晶質磁性材料の粉末は絶縁処理が施された材料からなる、請求項1または2に記載の圧粉コア。
  4. 前記結晶質磁性材料は、Fe−Si−Cr系合金、Fe−Ni系合金、Fe−Co系合金、Fe−V系合金、Fe−Al系合金、Fe−Si系合金、Fe−Si−Al系合金、カルボニル鉄および純鉄からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  5. 前記結晶質磁性材料はカルボニル鉄からなる、請求項4に記載の圧粉コア。
  6. 前記非晶質磁性材料は、Fe−Si−B系合金、Fe−P−C系合金およびCo−Fe−Si−B系合金からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料を含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  7. 前記非晶質磁性材料はFe−P−C系合金からなる、請求項6に記載の圧粉コア。
  8. 前記非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50は20μm以下である、請求項1から7のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  9. 前記結晶質磁性材料の粉末および前記非晶質磁性材料の粉末を、前記圧粉コアに含有される他の材料に対して結着させる結着成分を含有する、請求項1から8のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  10. 前記結着成分は、樹脂材料に基づく成分を含む、請求項9に記載の圧粉コア。
  11. 請求項10に記載される圧粉コアの製造方法であって、前記結晶質磁性材料の粉末および前記非晶質磁性材料の粉末ならびに前記樹脂材料からなるバインダー成分を含む混合物の加圧成形を含む成形処理により成形製造物を得る成形工程を備えることを特徴とする圧粉コアの製造方法。
  12. 前記成形工程により得られた前記成形製造物が前記圧粉コアである、請求項11に記載の製造方法。
  13. 前記成形工程により得られた前記成形製造物を加熱する熱処理により前記圧粉コアを得る熱処理工程を備える、請求項11に記載の製造方法。
  14. 請求項1から10のいずれかに記載される圧粉コア、コイルおよび前記コイルのそれぞれの端部に接続された接続端子を備える電気・電子部品であって、前記圧粉コアの少なくとも一部は、前記接続端子を介して前記コイルに電流を流したときに前記電流により生じた誘導磁界内に位置するように配置されている電気・電子部品。
  15. 請求項14に記載される電気・電子部品が実装された電気・電子機器であって、前記電気・電子部品は前記接続端子にて基板に接続されている電気・電子機器。
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