JP5248065B2

JP5248065B2 - コア材とそれを用いたコア、そのコアを使用したチョークコイル

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Publication number: JP5248065B2
Application number: JP2007225198A
Authority: JP
Inventors: 和宏田上; 泰雄大島; 学冨田; 進繁田
Original assignee: Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: JP2009059848A

Description

本発明は、デジタルアンプ用出力チョークコイルなどのコイルを小型化するために使用されるコア材とそれを用いたコア、及びそのコアを使用したチョークコイルに関するものである。

まず、デジタルアンプにおける出力チョークコイルの働きを記す。デジタルアンプの出力はＰＷＭ(パルス幅制御)信号であり、このままではスピーカーを駆動できない。そこで、ＰＷＭ信号をアナログ信号に変換するために、デジタルアンプとスピーカーとの間にＬＣローパスフィルタ(チョークコイルとコンデンサ)が必要になる。

このようなデジタルアンプ用出力チョークコイルでは、ＰＷＭ信号からアナログ信号に変換する際に音声に歪が生じないことが要求されるため、以下の特性が要求される。

(1) 電流，周波数，温度などに対して、インダクタンス値が安定であること。例えば、図７のようなコイル１ａまたは１ｂに対して、入力２と出力３が接続されている回路において、コイル１ａのように電流の増加に伴ってインダクタンスが減少するようなコイルを使用すると、入力信号に対する出力信号として歪み成分が発生するが、コイル１ｂのような電流の増加にもかかわらずインダクタンスが一定のコイルの場合には、出力信号には歪みが生じない。

(2) 損失が極力少ないこと。すなわち、音声信号がゼロであっても、チョークコイルには高い周波数の高い電圧が常に印加される。従って、チョークコイルには鉄損が低くなるような設計が要求される。目標のインダクタンス（２０μＨ程度）を得るためには、透磁率μが高いコアで巻数を少なくするよりも、透磁率μが低いコアで巻数を多くする方が有利である。
(3) 不要輻射ノイズが少ないこと。

上記の特性を有するチョークコイルを得るのに適したコア材として、従来から特許文献１に示すように、カーボニル鉄(ダストコア)が提案されている。このカーボニル鉄を使用したコアの特徴を以下に示す。

(1) 透磁率が小さい。(μ＝１０)
(2) 直流重畳特性がフラットである。
(3) 磁性体粉末の粒径が小さい。
(4) トロイダル形状である。

特開２００２-３５９１１８号公報

ところが、前記のようなカーボニル鉄を使用したコアには、次のような問題点があった。
(1) 外形寸法が大きくなる。
(2) 透磁率が小さいため、必要なインダクタンス(数十μH程度)を得るためのコイルの巻数が多くなる。
(3) 他のコア材に比較して、高価である。

すなわち、現状においてチョークコイル用のコア及びそれを使用したコイルには、次のような特性が要求されているが、従来技術ではこれらの要望を満足することはできなかった。

(a) カーボニル鉄コイルよりも小型化することが目的であるため、カーボニル鉄コア（μ＝１０）よりも透磁率の値を高くする。例えば、μ＝２０程度とする。
(b) 印加される方形波は周波数が高く、電圧も高いため、鉄損をできるだけ抑える。一例として、評価回路は、３００ＫＨｚ、±４２Ｖの周波数と電圧を印加する。

(c) 方形波電圧を減衰させるため、５００ＫＨｚ程度までインダクタンスが低下しない。(d) 動作周波数の高調波成分やスパイク性ノイズを減衰させるため、コイルとしての自己共振周波数を２０ＭＨｚ以上とする。
(e) 歪率を低く抑えるため、直流重畳特性をフラットとする。例えば、２０μＨのコイルで１０Ａ程度までとすることが望ましい。

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、カーボニル鉄コアに比較して小型化及びコイルの巻数の低減化が可能で、しかもデジタルアンプ出力の歪率を低下することがないコア材とこれを用いたチョークコイルを提供することにある。

本発明のコア材は、９８％以上の鉄と微量の珪素Ｓｉ及び硼素Ｂを含む平均粒径が６μｍ以上１１μｍ以下の、還元雰囲気中で熱処理した金属磁性粉末であって、その粒子形状が平均アスペクト比が１〜３の金属磁性粉末の表面に、有機金属カップリング剤が０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下、有機金属樹脂が０．２ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下の絶縁被膜を形成したことを特徴とする。

本発明のコアは、９８％以上の鉄と微量の珪素Ｓｉ及び硼素Ｂを含む平均粒径が６μｍ以上１１μｍ以下の、還元雰囲気中で熱処理した金属磁性粉末であって、その粒子形状が平均アスペクト比が１〜３の金属磁性粉末の表面に、有機金属カップリング剤が０．１〜１．０ｗｔ％、有機金属樹脂が０．２〜０．５ｗｔ％の絶縁被膜を形成したコア材を、加圧成型した後、焼成して成ることを特徴とする。

前記有機金属カップリング剤としてシランカップリング剤を、有機金属樹脂としてシリコーン樹脂を使用することも本発明の一態様である。また、絶縁被膜の形成後、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）やＰＶＢ（ポリビニルブチラール）やメチル系などのシリコーン粘着剤などのバインダーを混合して造粒して得られたコア材や、造粒されたコア材を加圧成型後焼成して成るコアに巻線を巻回して作製したチョークコイルも本発明の一態様である。

前記のような構成を有する本発明のコア材から作製されたコアによると、９８％以上の鉄に含まれている微量の珪素Ｓｉの存在により、比抵抗が高くなり、渦電流損失と周波数特性の向上が期待できる。

また、硼素Ｂの存在により、金属磁性粉末が球形になり、その結果として、直流重畳特性（コイルに電流を流すと、コア材料の磁気飽和現象によりインダクタンスが低下するという性質があり、この度合いを一般に直流重畳特性という）の改善が可能となる。さらに、前記金属磁性粉末として、水アトマイズ法により粉末化されたものを使用することが、粒子形状を球形とする上で好ましい。

さらに、金属磁性粉末の表面に有機金属カップリング剤が０．１〜１．０ｗｔ％、有機金属樹脂が０．２〜０．５ｗｔ％の絶縁被膜を形成した結果、コアロス、特に渦電流損失を小さくすることができる。また、金属磁性粉末自体を還元雰囲気にて熱処理することにより、ヒステリシス損失の低減を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態を具体的に説明する。
本発明における金属磁性粉末は、９８％以上の鉄と微量の珪素Ｓｉ及び硼素Ｂを含む平均粒径が６μｍ以上１１μｍ以下であって、その粒子形状が平均アスペクト比が１〜３のものである。下記の表１は、そのような金属磁性粉末における鉄以外の成分の一例を示すものである。なお、本実施形態では、このような金属磁性粉末として、エプソンアトミック社のＰＦ２０鉄粉（商品名）を使用した。

この金属磁性粉末の粒度分布は、次の通りである。なお、本実施形態で使用した金属磁性粉末の平均粒径については、各粒径寸法ごとに規格値として最大または最小％が規定されているが、その実績値は表２に示す通りである。
・公称粒度…−４２３ｍｅｓｈ
・平均粒径…９〜１１μｍ（規格値）、１０．７８μｍ（実績値）
・タップ密度…４．５３ｇ/ｃｍ^３

本実施形態において、この金属磁性粉末は、水アトマイズ法により作製されたものであり、その粒子形状は、一例として、図１に示すように球形をなしている。

本実施形態のコア材は、前記のような金属磁性粉末に、シランカップリング剤（０．１ｗｔ％）、シリコーン樹脂（０．５ｗｔ％）を混合することで、金属磁性粉末の表面に絶縁被膜を形成したものである。このコア材を５ｔｏｎ/ｃｍ^２で成型し、更に窒素雰囲気中で４００℃にて熱処理することにより、作製される。

この場合、絶縁処理後の金属磁性粉末にバインダーを混合して造粒粉末を作製した後、成型した方が粉末の取り扱いが良い利点がある。また、金属磁性粉末を還元雰囲気（Ｎ_２＋Ｈ_２）で熱処理を行うと、完成されたコア材のヒステリシス損失が低減できる。

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。

［実施例１］
下記の工程で作製した圧粉磁心のコアロスを測定した結果、下記の表３に示すように、添加するシリコーン樹脂とシランカップリング剤の割合に応じてコアロスが変化することが認められた。

・大きさ：外径１６ｍｍ、内径８ｍｍ、高さ５ｍｍ
・成型条件：室温で、１０ｔｏｎ/ｃｍ^２にて成型
・焼鈍条件：窒素雰囲気中で４００℃、３０分にて焼鈍
・測定条件：１００ＫＨｚ、３０ｍＴ

コアロスＰｃは、Ｐｈ(ヒステリシス損失）とＰｅ（渦電流損失）と異常渦電流損Ｐａｅで表すことができ、次の式に示すように、Ｐｈは周波数に比例し、Ｐｅは周波数の二乗に比例する。

Ｐｃ＝Ｐｈ+Ｐｅ＋Ｐａｅ＝Ｋｈ・ｆ＋Ｋｅ・ｆ２＋Ｋａｅ・ｆｎ
ｆ：周波数Ｋｈ，Ｋｅ，Ｋａｅ：比例定数

前記表３から明らかなように、シランカップリング剤が０．１ｗｔ％以下だと渦電流損失（Ｐｅｖ)が大きい。シリコーン樹脂が０ｗｔ％だと、渦電流損失が大きい。よって、金属磁性粉末の表面に有機金属カップリング剤が０．１〜１．０ｗｔ％、有機金属樹脂が０．２〜０．５ｗｔ％の絶縁被膜を形成した結果、コアロス、特に渦電流損失を小さくすることができることが確認された。

［実施例２］
下記の工程で作製した圧粉磁心の磁気特性（(1) 透磁率の周波数特性と(2) 最大磁束密度）を測定した。比較例として、同様な大きさ及び成型条件で作製した従来のカーボニル鉄コイルについても、その磁気特性を測定した。その結果が図２のグラフ及び表４である。

・絶縁被膜：カップリング剤０．１ｗｔ％、シリコーン樹脂０．５ｗｔ％
・大きさ：外径２９ｍｍ、内径１２ｍｍ、高さ８ｍｍ、密度５．６３ｇ/ｃｍ^３
・成型条件：室温で、５ｔｏｎ／ｃｍ^２にて成型
・焼鈍条件：窒素雰囲気中で４００℃、３０分にて焼鈍

(1) 透磁率の周波数特性
図２のグラフに記載のように、実施例２によるコアは、５００ｋＨｚで透磁率μ’＝２０の目標値を達成した。一方、比較例として作製したカーボニル鉄コイルは、透磁率μ’＝１０〜１１程度であった。

(2) 最大磁束密度
Ｈ＝８０００Ａ/ｍでの最大磁束密度は、下記の表４に示すとおり、実施例２のほうが高い磁束密度が得られた。

［実施例３］
下記の工程で作製した本発明のコアにより作製したコイルと、従来のカーボニル鉄コイルとを比較評価した。

(1) 本発明のコアの製造工程
工程１) 鉄粉に絶縁剤を混合
工程２) ５ｔｏｎ/ｃｍ^２で圧縮成型
工程３) ４００℃熱処理

(2) チョークコイルの構成
従来のカーボニル鉄コイルと本発明のコアを使用したコイルとの比較評価のために、それぞれのコアで同等の特性のチョークコイルを設計した。

(a) 実施例３のコア材によるコイル（実施例３のコイル）
・外形寸法φ２９ｍｍ×１２ｍｍ
・体積７．９３ｃｍ^３
・インダクタンス２０μＨ

(b) カーボニル鉄コイル(従来品)
・外形寸法φ３０ｍｍ×１４ｍｍ
・体積９．９０ｃｍ^３
・インダクタンス２０μＨ

(3) チョークコイル単体の比較評価
・外形寸法…実施例３のコイルは、従来品に対して体積比で２０％減となった。
・直流重畳特性…図３に示すように、実施例３のコイルは、従来品に対してほぼ同等の特性を示した。
・コアロス…図４に示すように、コアとしては、実施例３のコイルと従来品とはほぼ同等の特性となった。

(4) デジタルアンプ回路における評価
次に、それぞれのチョークコイルをデジタルアンプ回路に搭載して、比較評価を行った。デジタルアンプ回路は、評価用に出願人で製作したものを使用した。
・歪率…図５及び図６に示すように、実施例３のコイルを搭載した場合と従来品を搭載した場合の比較で、ほぼ同等の結果が得られた。

・コアロス…実施例３のコイルは、従来品に比べて、コア断面積が小さくなり、巻数も少なくなった。そのため、実施例３のコイルのコアロスが１．１９Ｗ（磁束密度Ｂｍ＝２７．７ｍＴ）であるのに対して、従来品のコアロスは０．３４Ｗ（磁束密度Ｂｍ＝１４．０ｍＴ）と、多少増加した。

(5) 実施例３の効果
前記の比較例との対比から明らかなように、本実施例においては、次のような効果が確認された。

・外形寸法…同等の特性を有するチョークコイルで、従来品に比べて体積比２０％減を実現した。
・特性…デジタルアンプ出力の歪率は、従来品に比べてほぼ同等であった。但し、コアロスは増大した。
・価格…カーボニル鉄コアに比較して、同等の特性となる本実施形態のコア材は、その工場原価が半減することが確認された。

［その他の実施形態］
本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、下記のような他の実施形態も包含する。
(1) 金属磁性粉末を還元雰囲気（窒素＋水素）にて７００℃〜１１００℃にて熱処理する。このようにすると、粉末内の結晶粒子を成長させてヒステリシス損失の低減を図ることができる。
(2) 絶縁被膜の形成後、バインダー（ＰＶＡ、ＰＶＢ、メチル系などのシリコーン粘着剤など）を混合して、造粒してもよい。このようにすると、成型性が向上し、成型後においてその形状を安定して保持することができる。
(3) 焼鈍温度は、実施例に記載の温度に限定されるものではなく、４００℃〜６００℃程度であれば、要求される特性を満足するコアを得ることができる。

本発明のコア材に使用する金属磁性粉末の一例を示す図面代用写真。本発明の実施例２におけるコイルの周波数特性を示すグラフ。本発明の実施例３におけるコイル単体の直流重畳特性を示すグラフ。本発明の実施例３におけるコイル単体のコアロスを示すグラフ。本発明の実施例３のコイル単体をデジタルアンプ回路に搭載した場合の歪率を示すグラフ。本発明の実施例３のコイル単体をデジタルアンプ回路に搭載した場合の歪率を示すグラフ。コイルの特性と、入力信号に対する出力信号の歪みとの関係を示す図。

符号の説明

１ａ，１ｂ…コイル
２…入力
３…出力

Claims

９８％以上の鉄と微量の珪素Ｓｉ及び硼素Ｂを含む平均粒径が６μｍ以上１１μｍ以下の、還元雰囲気中で熱処理した金属磁性粉末であって、その粒子形状が平均アスペクト比が１〜３の金属磁性粉末の表面に、有機金属カップリング剤が０．１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下、有機金属樹脂が０．２ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下の絶縁被膜を形成したことを特徴とするコア材。
前記有機金属カップリング剤としてシランカップリング剤を、有機金属樹脂としてシリコーン樹脂を使用したことを特徴とする請求項１に記載のコア材。
絶縁被膜の形成後、バインダーを混合して造粒してなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコア材。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコア材を、加圧成型した後、焼成して成ることを特徴とするコア。
請求項４に記載のコアに、巻線を巻回して作製されたことを特徴とするチョークコイル。