CN109961917B - 压粉磁芯及电感元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在数MHz左右的高频段，直流叠加特性优异且涡流损耗小的压粉磁芯、及使用了该压粉磁芯的电感元件。本发明的压粉磁芯，其中，所述压粉磁芯含有被绝缘的软磁性材料粉末的大颗粒及小颗粒，大颗粒及小颗粒的饱和磁通密度为1.4T以上，在以压粉磁芯的截面观察的软磁性材料粉末中，将粒径为3μm以上15μm以下的颗粒群设为大颗粒，将粒径为300nm以上900nm以下的颗粒群设为小颗粒时，该截面上的大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比为9:1～5:5。

Description

压粉磁芯及电感元件
技术领域
本发明涉及压粉磁芯及使用了压粉磁芯的电感元件。
背景技术
近年来，电源的高频化正在进展，寻求适于数MHz左右的高频段使用的电感元件。另外，寻求使用为了小型化而直流叠加特性优异另外为了电源的高效化而涡流损耗(磁芯损耗)降低的材料的电感元件。
专利文献1中公开有一种可以在高频段使用的电感元件，但在小型化时，导磁率小，直流叠加特性也不充分，另外，磁芯损耗大。
专利文献2中公开有能够在高频段使用的电感元件，但导磁率小。另外，直流叠加特性及磁芯损耗未公开。因此，不能获得小型化及电源的高效化的见解。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-12715号公报
专利文献2：日本特开2017-120924号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明是鉴于这样的实际情况而完成的，其目的在于，提供一种在数MHz左右的高频段，直流叠加特性优异且涡流损耗小的压粉磁芯、及使用了该压粉磁芯的电感元件。
用于解决问题的技术方案
本发明人等发现，通过压粉磁芯以规定的比率含有具有规定以上的饱和磁通密度的软磁性材料粉末的大颗粒及小颗粒，在数MHz左右的高频段，直流叠加特性优异，另外涡流损耗能够降低。
本申请发明的宗旨如下。
(1)一种压粉磁芯，其中，
所述压粉磁芯含有被绝缘的软磁性材料粉末的大颗粒及小颗粒，
大颗粒及小颗粒的饱和磁通密度为1.4T以上，
在以压粉磁芯的截面观察的软磁性材料粉末中，将平均粒径为3μm以上15μm以下的颗粒群设为大颗粒，将平均粒径为300nm以上900nm以下的颗粒群设为小颗粒时，该截面上的大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比为9:1～5:5。
(2)根据(1)所述的压粉磁芯，其中，小颗粒的电阻为40μΩ·cm以上。
(3)根据(1)或(2)所述的压粉磁芯，其中，小颗粒为至少含有Fe及Si的合金粉末。
(4)根据(3)所述的压粉磁芯，其中，小颗粒含有选自Ni、Co及Cr中的一种以上的元素。
(5)一种电感元件，其中，所述电感元件具有上述(1)～(4)中任一项所述的压粉磁芯。
(6)一种压粉磁芯，其中，
所述压粉磁芯含有被绝缘的软磁性材料粉末的大颗粒及小颗粒，
大颗粒及小颗粒的饱和磁通密度为1.4T以上，
在以压粉磁芯的截面观察的软磁性材料粉末中，将粒径为3μm以上15μm以下的颗粒群设为大颗粒，将粒径为300nm以上900nm以下的颗粒群设为小颗粒时，该截面上的大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比为9:1～5:5，
小颗粒为至少含有Fe及Si的合金粉末，
小颗粒的电阻为40μΩ·cm以上。
(7)根据(6)所述的压粉磁芯，其中，小颗粒含有选自Ni、Co及Cr中的一种以上的元素。
(8)根据(6)或(7)所述的压粉磁芯，其中，小颗粒为Fe-Si系合金、Fe-Si-Cr系合金或Fe-Ni-Si-Co系合金中的任一种。
(9)一种电感元件，其中，所述电感元件具有上述(6)～(8)中任一项所述的压粉磁芯。
发明效果
根据本发明，能够提供一种在数MHz左右的高频段，直流叠加特性优异且涡流损耗小的压粉磁芯、及使用了该压粉磁芯的电感元件。
具体实施方式
以下，基于具体的实施方式说明本发明，但在不脱离本发明的宗旨的范围内允许各种改变。
(压粉磁芯)
构成本实施方式的压粉磁芯的软磁性材料粉末含有大颗粒和小颗粒。
这种压粉磁芯适宜用作电感元件等线圈型电子部件的磁芯。例如，可以是在规定形状的压粉磁芯内部埋设有卷绕有导线的空芯线圈的线圈型电子部件，也可以是在规定形状的压粉磁芯的表面卷绕规定卷数的导线而成的线圈型电子部件。作为卷绕导线的磁芯的形状，可示例FT型、ET型、EI型、UU型、EE型、EER型、UI型、鼓型、环型、壶型、杯型等。
(软质磁性材料粉末)
在构成本实施方式的压粉磁芯的软磁性材料粉末中，大颗粒及小颗粒的饱和磁通密度为1.4T以上，优选为1.6T以上，更优选为1.7T以上。饱和磁通密度的上限没有特别限制。通过将饱和磁通密度设为上述范围，能够实现电感元件的小型化。此外，饱和磁通密度在大颗粒和小颗粒中可以是相同的值也可以是不同的值。
在本实施方式的压粉磁芯中，在以其截面观察的软磁性材料粉末中，将粒径为3μm以上15μm以下的颗粒群设为大颗粒，将粒径为300nm以上900nm以下的颗粒群设为小颗粒时，其截面上的大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比[大颗粒:小颗粒]为9:1～5:5，优选为8.5:1.5～6.0:4.0，更优选为8.0:2.0～6.5:3.5。通过将大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比设为上述范围，获得直流叠加特性优异的压粉磁芯。
此外，压粉磁芯的截面可通过SEM图像进行观察。而且，对通过该截面图像观察的软磁性材料粉末算出等效圆直径，将其作为粒径。此时，粒径不包括后述的绝缘被膜的厚度。在本实施方式中，因为软磁性材料粉末含有大颗粒及小颗粒，所以在压粉磁芯的截面上，作为软磁性材料粉末，观察粒径大的颗粒及粒径小的颗粒。特别是，在本实施方式中，其特征在于，在压粉磁芯的截面上观察作为粒径大的颗粒(大颗粒)的粒径为3μm以上15μm以下的颗粒、及作为粒径小的颗粒(小颗粒)的粒径为300nm以上900nm以下的颗粒。进而，在本实施方式中，通过在该压粉磁芯的截面上将大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比设为上述范围，获得直流叠加特性优异、且涡流损耗小的压粉磁芯。
在本实施方式中，压粉磁芯的截面上的大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比与压粉磁芯中所含的大颗粒和小颗粒的重量比大致相等。因此，在本实施方式中，能够将压粉磁芯中所含的大颗粒和小颗粒的重量比作为压粉磁芯的截面上的大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比进行处理。
此外，在构成本实施方式的压粉磁芯的软磁性材料粉末中，大颗粒和小颗粒的重量比为9:1～5:5，优选为8.5:1.5～6.0:4.0，更优选为8.0:2.0～6.5:3.5。
在本实施方式中，小颗粒的电阻优选为40μΩ·cm以上，更优选为60μΩ·cm以上，进一步优选为70μΩ·cm以上。另外，小颗粒的电阻的上限没有特别限制。通过将小颗粒的电阻设为上述范围，能够在高频段降低涡流损耗(磁芯损耗)。小颗粒的电阻可通过调整小颗粒的组成而进行控制。
在本实施方式中，小颗粒为优选含有Fe，更优选至少含有Fe及Si的合金粉末。另外，小颗粒还可以含有选自Ni、Co及Cr中的一种以上的元素。因此，作为小颗粒，例如能够使用纯铁、Fe-Si系合金、Fe-Si-Cr系合金及Fe-Ni-Si-Co系合金。另外，小颗粒也可以含有Fe-Si系合金、Fe-Si-Cr系合金或Fe-Ni-Si-Co系合金的任一种。通过小颗粒含有上述的元素，获得直流叠加特性优异的压粉磁芯。
另外，在本实施方式中，大颗粒优选为至少含有Fe及Si的合金粉末。另外，大颗粒还可以含有选自Ni、Co及Cr中的一种以上的元素。因此，作为大颗粒，例如能够使用Fe-Si系合金、Fe-Si-Cr系合金及Fe-Ni-Si-Co系合金。通过大颗粒含有上述的元素，获得直流叠加特性优异的压粉磁芯。
在本实施方式中，大颗粒和小颗粒可以是相同的组成也可以是不同的组成。
大颗粒的制造方法没有特别限制，但例如通过雾化法(例如水雾化法、气体雾化法、高速旋转水流雾化法等)、还原法、羰基法、粉碎法等的各种粉末化法制造。优选为水雾化法。
另外，小颗粒的制造方法没有特别限制，但例如通过粉碎法、液相法、喷雾热分解法、熔融法等各种粉末化法制造。
在本实施方式中，成为大颗粒的材料的颗粒的平均粒径优选为3～15μm，更优选为3～10μm。另外，成为小颗粒的材料的颗粒的平均粒径优选为300～900nm，更优选为500～800nm。通过软磁性材料粉末含有粒径不同的大颗粒和小颗粒，由此，压粉磁芯中的软磁性材料粉末的密度提高，导磁率增加，其结果是直流叠加特性提高，另外，能够降低涡流损耗(磁芯损耗)。
在本实施方式中，大颗粒及小颗粒被绝缘。作为绝缘方法，例如可举出在颗粒表面形成绝缘被膜的方法、及通过热处理将颗粒表面氧化的方法等。在形成绝缘被膜的情况下，作为绝缘被膜的构成材料，例如可举出树脂或无机材料。作为树脂，可举出有机硅树脂、环氧树脂等。作为无机材料，可举出如磷酸镁、磷酸钙、磷酸锌、磷酸锰、磷酸镉般的磷酸盐、如硅酸钠般的硅酸盐(水玻璃)、钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、硅酸铝玻璃、硼酸盐玻璃、硫酸盐玻璃等。通过在大颗粒及小颗粒的表面形成绝缘被膜，能够提高各颗粒的绝缘性。
大颗粒中的绝缘被膜的厚度优选为10～400nm、更优选为20～200nm、进一步优选为30～150nm。另外，小颗粒中的绝缘被膜的厚度优选为3～30nm、更优选为5～20nm、进一步优选为5～10nm。如果绝缘被膜的厚度过小，则不能得到充分的耐蚀性，另外，电感器的耐电压性可能降低。如果过大，则磁性颗粒间的间隔变宽，在制成压粉磁芯时，导磁率μ降低。绝缘被膜可以覆盖大颗粒及小颗粒的表面整体，也可以仅覆盖一部分。
(结合材料)
压粉磁芯可以含有结合材料。作为结合材料，没有特别限制，可示例各种有机高分子树脂、有机硅树脂、苯酚树脂、环氧树脂、及水玻璃等。结合剂的含量没有特别限制。例如，如果将压粉磁芯整体设为100质量％，则可以将软磁性材料粉末的含量设为90质量％～98质量％，将结合材料的含量设为2质量％～10质量％。
(压粉磁芯的制造方法)
作为压粉磁芯的制造方法，没有特别限制，可采用公知的方法。例如，可举出如下方法。首先，将被绝缘的软磁性材料粉末和结合材料混合，获得混合粉末。另外，根据需要，也可以将获得的混合粉作为造粒粉末。而且，将混合粉末或造粒粉末充填到模具内进行压缩成型，获得具有应制作的磁性体(压粉磁芯)的形状的成型体。通过对获得的成型体进行热处理，获得金属磁性粉末被固定的规定形状的压粉磁芯。热处理的条件没有特别限制，例如，可以将热处理温度设为150～220℃，将热处理时间设为1～10小时。另外，热处理时的气氛也没有特别限制，例如，可以在大气气氛、或氩气或氮气等惰性气体气氛中进行热处理。通过在获得的压粉磁芯上卷绕规定圈数的导线，获得电感元件。
另外，也可以将上述的混合粉末或造粒粉末、和卷绕规定圈数的导线而形成的空心线圈充填到模具内进行压缩成型，获得内部埋设有线圈的成型体。通过对获得的成型体进行热处理，获得埋设有线圈的规定形状的压粉磁芯。这种压粉磁芯因为在其内部埋设有线圈，所以作为电感元件起作用。
以上说明了本发明的实施方式，但本发明不受上述实施方式任何限定，在本发明的范围内也可以以各种方式改变。
[实施例]
以下，使用实施例更详细地说明发明，但本发明不限于这些实施例限定。
面积比、饱和磁通密度、小颗粒的电阻、初期导磁率(μi)、直流导磁率(μdc)、直流叠加特性、及磁芯损耗如下进行测定。表1表示结果。
＜面积比＞
将压粉磁芯用冷埋树脂固定，切出截面，进行镜面抛光，用SEM进行观察。算出SEM图像中的软磁性材料粉末的等效圆直径，将其作为粒径。将粒径在3～15μm的范围的颗粒设为大颗粒，将粒径在300～900nm的范围的颗粒设为小颗粒。求出压粉磁芯的截面的大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比。
＜饱和磁通密度＞
使用试样振动型磁力计(VMS)(玉川制作所制)，向样品架加入大颗粒或小颗粒，以在振动时这些颗粒不动作的方式用石蜡固定，在室温下以施加磁场8kA/m进行测定。
＜小颗粒的电阻＞
由于电阻依赖于组成，因此，制作具有与小颗粒相同的组成的试样颗粒，测定该试样颗粒的电阻，将其作为小颗粒的电阻。即，将具有与小颗粒相同的组成的直径大约10μm的试样颗粒用树脂固定，切出截面，并在其上设置由钨构成的四个测定端子并施加电压，测定此时的电流而求出电阻。
＜初期导磁率(μi)、直流导磁率(μdc)、直流叠加特性＞
使用LCR计(Agilent Technologies Inc.制4284A)及直流偏压电源(AgilentTechnologies Inc.制42841A)，测定频率3MHz下的压粉磁芯的电感，根据电感算出压粉磁芯的导磁率。对直流叠加磁场为0A/m的情况和8000A/m的情况进行测定，将各自的导磁率设为μi(0A/m)、μdc(8000A/m)，将μdc/μi的值设为直流叠加特性。
＜磁芯损耗＞
使用BH分析器(岩通计测社制SY-8258)以频率3MHz及5MHz、测定磁通密度10mT的条件进行测定。
(实施例1)
通过水雾化法，获得组成为Fe6.5Si且平均粒径为3μm的大颗粒。另外，通过液相法，获得组成为Fe6.5Si且平均粒径为300nm的小颗粒。
将大颗粒和小颗粒以7:3的重量比配合，将其作为软磁性材料粉末。
使用磷酸锌在软磁性材料粉末上形成厚度10nm的绝缘被膜。
相对于形成有绝缘被膜的软磁性材料粉末的合计100质量％，将有机硅树脂以成为3质量％的方式用二甲苯稀释后添加，并用捏和机进行混炼，将干燥而获得的凝集物以成为355μm以下的方式进行整粒，获得颗粒。将其充填到外径17.5mm、内径11.0mm的环形状的模具内并以成型压2t/cm2进行加压，获得成型体。核重量为5g。将获得的成型体用带式炉以750℃在氮气氛中热处理30min，获得压粉磁芯。
将压粉磁芯用冷埋树脂固定，切出截面，进行镜面抛光，用SEM进行观察。算出SEM图像中的软磁性材料粉末的等效圆直径，将其作为粒径。将粒径为3μm以上15μm以下的颗粒群设为大颗粒，将粒径为300nm以上900nm以下的颗粒群设为小颗粒，求出压粉磁芯的截面的大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比，为7:3，与压粉磁芯包含的大颗粒和小颗粒的重量比一致。此外，在以下的实施例中，所获得的压粉磁芯的截面的、大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比与压粉磁芯所包含的大颗粒和小颗粒的重量比也一致。
(实施例2)
作为大颗粒使用平均粒径5μm的颗粒、及作为小颗粒使用平均粒径450nm的颗粒，除此之外，与实施例1同样地获得压粉磁芯。
(实施例3)
作为大颗粒使用平均粒径10μm的颗粒、及作为小颗粒使用平均粒径700nm的颗粒，除此之外，与实施例1同样地获得压粉磁芯。
(实施例4)
作为大颗粒使用平均粒径15μm的颗粒、及作为小颗粒使用平均粒径900nm的颗粒，除此之外，与实施例1同样地获得压粉磁芯。
(实施例5)
使用组成为Fe4Si2Cr的小颗粒，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(实施例6)
使用组成为FeNi2Si3Co的小颗粒，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(实施例7)
使用组成为Fe的小颗粒，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(实施例8)
使用组成为Fe4.5Si的大颗粒、及组成为Fe4.5Si的小颗粒，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(实施例9)
使用组成为Fe3Si的大颗粒、及组成为Fe3Si的小颗粒之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(实施例10)
使用组成为Fe4Si2Cr的大颗粒，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(实施例11)
使用组成为FeNi2Si3Co的大颗粒，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(实施例12)
将大颗粒和小颗粒以9:1的重量比配合，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(实施例13)
将大颗粒和小颗粒以8:2的重量比配合，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(实施例14)
将大颗粒和小颗粒以6:4的重量比配合，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(实施例15)
将大颗粒和小颗粒以5:5的重量比配合，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(比较例1)
作为大颗粒使用平均粒径25μm的颗粒、及作为小颗粒使用平均粒径500nm的颗粒，除此之外，与实施例1同样地获得压粉磁芯。此外，从压粉磁芯的断面的SEM图像未能确认平均粒径为3μm以上15μm以下的颗粒群的存在。
(比较例2)
作为大颗粒使用平均粒径10μm的颗粒、及作为小颗粒使用平均粒径150nm的颗粒，除此之外，与实施例1同样地获得压粉磁芯。此外，从压粉磁芯的断面的SEM图像未能确认平均粒径为300nm以上900nm以下的颗粒群的存在。
(比较例3)
作为大颗粒使用平均粒径10μm的颗粒、及作为小颗粒使用平均粒径1200nm的颗粒，除此之外，与实施例1同样地获得压粉磁芯。此外，从压粉磁芯的断面的SEM图像未能确认平均粒径为300nm以上900nm以下的颗粒群的存在。
(比较例4)
作为小颗粒使用组成为Fe9.5Si5.5Al的颗粒，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
(比较例5)
作为小颗粒使用组成为Fe80Ni的颗粒，除此之外，与实施例3同样地获得压粉磁芯。
Figure BDA0001877096930000111
根据表1，如实施例1～15，在大颗粒及小颗粒的饱和磁通密度为1.4T以上且以压粉磁芯的截面观察的软磁性材料粉末中，将粒径为3μm以上15μm以下的颗粒群设为大颗粒，将粒径为300nm以上900nm以下的颗粒群设为小颗粒时，该截面的大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比为9:1～5:5的压粉磁芯中，直流叠加特性优异，磁芯损耗低。另一方面，在作为大颗粒使用平均粒径25μm的颗粒的情况下，磁芯损耗增大(比较例1)。另外，在作为小颗粒使用平均粒径为150nm的颗粒的情况(比较例2)及使用平均粒径为1200nm的颗粒的情况下(比较例3)，导磁率降低。在比较例1～3中，粒径为3μm以上15μm以下的大颗粒所占的面积和粒径300nm以上900nm以下的小颗粒所占的面积之比在9:1～5:5的范围外，因此，认为不能获得所希望的直流叠加特性，另外，磁芯损耗增大。另外，在使用饱和磁通密度小于1.4T的小颗粒的情况下(比较例4、5)，直流导磁率(μdc)降低，其结果不能获得所希望的直流叠加特性。

Claims (8)

1.一种压粉磁芯，其中，
所述压粉磁芯含有被绝缘的软磁性材料粉末的大颗粒及小颗粒，
大颗粒及小颗粒的饱和磁通密度为1.4T以上，
在以压粉磁芯的截面观察的软磁性材料粉末中，将粒径为3μm以上15μm以下的颗粒群设为大颗粒，将粒径为300nm以上900nm以下的颗粒群设为小颗粒时，该截面上的大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比为9:1～5:5，
小颗粒为至少含有Fe及Si的合金粉末，
小颗粒的电阻为40μΩ·cm以上。
2.根据权利要求1所述的压粉磁芯，其中，
小颗粒含有选自Ni、Co及Cr中的一种以上的元素。
3.根据权利要求1或2所述的压粉磁芯，其中，
小颗粒含有Fe-Si系合金、Fe-Si-Cr系合金或Fe-Ni-Si-Co系合金中的任一种。
4.一种电感元件，其中，
所述电感元件具有权利要求1～3中任一项所述的压粉磁芯。
5.一种压粉磁芯，其中，
所述压粉磁芯含有被绝缘的软磁性材料粉末的大颗粒及小颗粒，
大颗粒及小颗粒的饱和磁通密度为1.4T以上，
在以压粉磁芯的截面观察的软磁性材料粉末中，将粒径为3μm以上15μm以下的颗粒群设为大颗粒，将粒径为300nm以上900nm以下的颗粒群设为小颗粒时，该截面上的大颗粒所占的面积和小颗粒所占的面积之比为9:1～5:5，
小颗粒为至少含有Fe及Si的合金粉末。
6.根据权利要求5所述的压粉磁芯，其中，
小颗粒的电阻为60μΩ·cm以上。
7.根据权利要求5所述的压粉磁芯，其中，
小颗粒含有选自Ni、Co及Cr中的一种以上的元素。
8.一种电感元件，其中，
所述电感元件具有权利要求5～7中任一项所述的压粉磁芯。
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