JP2000252111A - 高周波用可飽和磁心ならびにこれを用いた装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波用に適する可飽和磁心およびこれを用
いた高性能な装置を提供する。 【解決手段】 組織の少なくとも５０％が平均粒径５０
ｎｍ以下の結晶粒からなり、かつ飽和磁束密度が１．２
Ｔ未満であるナノ結晶合金薄帯から構成されており、周
波数１００ｋＨｚ、最大印加磁界２００Ａ／ｍにおける
交流Ｂ−Ｈカーブの角形比が９７％以上、磁心損失が１
４０００ｋＷ／ｍ^３以下とした高周波用可飽和磁心。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスイッチング電源等
の電源の制御用可飽和リアクトル、ノイズアブソーバ、
ビーズコアや加速器、レーザ等のパルスパワー用磁気ス
イッチ等の磁性部品に用いられるナノ結晶軟磁性合金薄
帯からなる高周波用可飽和磁心ならびにこれを用いた装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、スイッチング電源等の電源の制御
用可飽和リアクトル、ノイズアブソーバ、ビーズコアや
磁気スイッチ等の磁性部品には、磁化曲線の角形性に優
れたパーマロイ、Ｃｏ基アモルファス合金やフェライト
からなる磁心が用いられていた。角形性の向上はスイッ
チング電源の制御用可飽和リアクトルの用途では出力電
圧の制御性改善のために必要であり、高周波で使用する
ために、さらに磁心損失が低く、制御磁化力が小さいこ
とも磁心材料には必要である。これらの要求特性を満足
するものとして、Ｃｏ基アモルファス合金磁心が最もス
イッチング電源用の可飽和磁心に使用されている。ま
た、最近になりナノ結晶軟磁性合金からなる磁心もこれ
らの用途に検討されている。

【０００３】ナノ結晶合金は優れた軟磁気特性を示すた
め、コモンモードチョークコイル、高周波トランス、パ
ルストランス等の磁心に使用されている。代表的組成系
は特公平４−４３９３号公報や特開平１−２４２７５５
号公報に記載のＦｅ−Ｃｕ−（Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ）−Ｓｉ−Ｂ系合金やＦｅ−Ｃｕ−
（Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ）−Ｂ系合
金等が知られている．これらのナノ結晶合金は、通常液
相や気相から急冷し非晶質合金とした後、これを熱処理
により微結晶化することにより作製されている。液相か
ら急冷する方法としては単ロール法、双ロール法、遠心
急冷法、回転液中紡糸法、アトマイズ法やキャピテーシ
ョン法等が知られている。また、気相から急冷する方法
としてはスパッタ法、蒸着法、イオンプレーテイング法
等が知られている。ナノ結晶合金はこれらの方法により
作製した非晶質合金を微結晶化したもので、非晶質合金
にみられるような熱的不安定性がほとんどなく、Ｆｅ系
アモルファス合金と同程度の高い飽和磁束密度と低磁歪
で優れた軟磁気特性を示すことが知られている。更にナ
ノ結晶合金は経時変化が小さく、温度特性にも優れてい
ることが知られている。ナノ結晶合金は磁界中熱処理に
より、磁化曲線の角形性を向上することが可能であり、
磁界中熱処理した合金磁心は可飽和リアクトルなどの用
途に好適であることが知られており、前述のようにスイ
ッチング電源用の可飽和磁心に検討が行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】高周波用可飽和磁心に
現在最も用いられているＣｏ基アモルファス合金磁心
は、原料価格が高いため安価にならないという欠点や、
キュリー温度が低いため磁束密度の温度変化が大きい問
題がある。一方、ナノ結晶軟磁性合金磁心は原料がＦｅ
が主体でＣｏ基アモルファスよりも安価であり、飽和磁
束密度が高く、キュリー温度も高いため熱的に安定であ
る。しかし、高角形化したナノ結晶軟磁性合金磁心は、
高角形比Ｃｏ基アモルファス合金磁心の中で最も優れた
ものに比べて、磁心損失が大きく制御磁化力が大きくな
る問題や同一の角形比であっても制御性に悪影響を与え
る△Ｂｂ（＝Ｂｍ−Ｂｒ）がＣｏ基アモルファス合金な
どに比べて大きくなってしまう問題がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明者らは、鋭意検討の結果、 一般式：Ｆｅ_{１００−ｘ−ｙ−ｃ}Ａ_ｘＭ’_ｙＸ’_ｃ（原
子％）で表され、式中ＡはＣｕ，Ａｕから選ばれた少な
くとも１種の元素、Ｍ’はＺｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔ
ａおよびＷから選ばれた少なくとも１種の元素、Ｘ’は
ＳｉおよびＢから選ばれる少なくとも１種の元素を示
し、ｘ，ｙおよびｃはそれぞれ０．１≦ｘ≦３、１≦ｙ
≦１０、５≦ｃ≦３０を満足する数で表される範囲の組
成であり、組織の少なくとも５０％が平均粒径５０ｎｍ
以下の結晶粒からなり、かつ飽和磁束密度が１．２Ｔ未
満であるナノ結晶合金薄帯から構成されており、周波数
１００ｋＨｚ、最大印加磁界２００Ａ／ｍにおける交流
Ｂ−Ｈカーブの角形比が９７％以上、磁心損失が１４０
００ｋＷ／ｍ^３以下であることを特徴とする高周波用可
飽和磁心が飽和領域を含む動作をしている場合の磁心損
失や電源の電圧制御に使用する場合の制御磁化力が小さ
く、しかも△Ｂｂ（＝Ｂｍ−Ｂｒ）が小さく高周波用可
飽和磁心として好適であることを見出し本発明に想到し
た。

【０００６】本発明合金において、飽和磁束密度は１．
２Ｔ未満である必要があり、これ以上になると飽和領域
を含む動作をしている場合の磁心損失の増加や高周波に
おける保磁力の増加を招き好ましくない。前記結晶粒は
組織の少なくとも５０％以上の割合であることが望まし
く、この揚合には角形比が高い特性を実現することがで
きる。特に好ましい範囲は７０％以上であり、この場合
応力による劣下を小さくできるため好ましい。ＡはＣ
ｕ，Ａｕから選ばれた少なくとも１種の元素であり、熱
処理後形成する結晶粒を微細化する効果および透磁率を
向上させる効果がある。Ａ量ｘが０．１原子％未満では
高周波における磁心損失や保磁力の増加が起こり好まし
くなく、３原子％を越えると材料が脆化しやすくなり好
ましくない。特に好ましいｘの範囲は０．５≦ｘ≦１．
５であり、この範囲で特に角形比が高く、△Ｂｂが小さ
い。Ｍ’およびＸ’はアモルフアス形成を促進する元素
であり、Ｍ’量ｙは１≦ｙ≦１０、Ｘ’量ｃは５≦ｃ≦
３０の範囲である。ｙが１原子％未満では熱処理後に微
細な結晶粒組織が得られず、高周波における磁心損失の
増加や保磁力の増加が起こり好ましくなく、ｙが１０原
子％を超えると脆化が著しくなり好ましくない。Ｘ’量
ｃが５原子％未満では熱処理後の結晶粒が微細化されに
くく軟磁気特性が劣下し好ましくなく、ｃが３０原子％
を越えると高周波における磁心損失などが増加し好まし
くない。

【０００７】このような磁心は、周波数１００ｋＨｚ，
最大印加磁界８０Ａ／ｍにおける保磁力Ｈｃが２５Ａ／
ｍ以下となり、高周波における制御磁化力なども小さく
できる。また、Ｍ’の一部をＣｒ，Ｍｎ，Ｓｎ，Ｚｎ，
Ａｇ，Ｉｎ，白金属元素，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｂ
ｉ，Ｙ，希土類元素，Ｎ，ＯおよびＳから選ばれた少な
くとも１種の元素で置換しても良い。これらの元素は耐
食性改善や磁歪等の調整に効果がある。また、Ｘ’の一
部をＣ，Ｇｅ，Ｇａ，ＡｌおよびＰから選ばれた少なく
とも１種の元素で置換しても良い。これらの元素は磁歪
調整や結晶粒微細化に効果がある。また、Ｆｅの５０％
未満をＣｏ，Ｎｉから選ばれた少なくとも１種の元素で
置換しても良い。Ｃｏ，Ｎｉは高角形比化に効果があ
る。特にＡがＣｕであり、Ｍ’がＮｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｖ
およびＷから選ばれた少なくとも１種の元素である場合
は大気中で合金薄帯の製造が容易であるため量産性に優
れ、大量に安価に製造ができるため、特に好ましい。

【０００８】前述の本発明合金中に形成する結晶は主に
ｂｃｃＦｅ相であり、Ｓｉ，Ｂ，Ａｌ，ＧｅやＺｒ等を
固溶している場合もある。また、規則格子を含む場合も
ある。前記結晶相以外の残部は主にアモルファス相であ
るが、実質的に結晶相だけからなる合金も本発明に含ま
れる。また、ｂｃｃ相以外に一部にＣｕやＡｕを含むｆ
ｃｃ相結晶粒も存在する。また、強磁性化合物相は含ま
ない方が望ましいが、一部に化合物相を含んでも良い。
本発明合金は、前記組成の溶湯を単ロール法等の超急冷
法により急冷し、一旦アモルフアス合金を作製後これを
磁心の形状に加工し、結晶化温度以上に昇温して熱処理
を行い平均粒径５０ｎｍ以下の微結晶を形成することに
より作製する。熱処理前のアモルファス合金は結晶相を
含まないのが望ましいが一部に結晶相を含んでも良い。
熱処理は通常はアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス
中で行なうが大気中など酸素を含む雰囲気で行っても良
い。熱処理期間の少なくとも一部の期間合金が飽和する
強さの磁界を印加して磁界中熱処理を行い誘導磁気異方
性を付与することにより高角形比化が可能となる。

【０００９】合金磁心の形状にも依存するが一般には薄
帯の長手方向（巻磁心の場合は磁心の磁路方向）に８Ａ
／ｍ以上磁界を印加する場合が多い。熱処理は露点が−
３０℃以下の不活性ガス雰囲気中で行なうことが望まし
く、露点が−６０℃以下の不活性ガス雰囲気中で熱処理
を行なうと特に高い角形比が得られ、より好ましい結果
が得られる。熱処理の際の最高到達温度は結晶化温度以
上であり、通常４５０℃から６５０℃の範囲である。熱
処理で一定温度に保持する場合は、一定温度での保持時
間は通常は量産性の観点から２４時間以下であり、好ま
しくは４時間以下である。熱処理の際の平均昇温速度は
好ましくは０．１℃／ｍｉｎから２００℃／ｍｉｎ、よ
り好ましくは１℃／ｍｉｎから４０℃／ｍｉｎ、平均冷
却速度は好ましくは０．１℃／ｍｉｎから３０００℃／
ｍｉｎ、より好ましくは０．１℃／ｍｉｎから２００℃
／ｍｉｎであり、この範囲で特に低い△Ｂｂが得られ
る。また、熱処理は１段ではなく多段の熱処理や複数回
の熱処理を行なうこともできる。更には合金に直流、交
流あるいはパルス電流を流して合金を発熱させ熱処理す
ることもできる。また、合金に張力や圧力を印加しなが
ら熱処理し異方性を付与することにより磁気特性を改良
することも可能である。

【００１０】もう一つの本発明は、前記高周波用可飽和
磁心を回路の一部に使用したことを特徴とする装置であ
る。特に高周波で駆動するスイッチング電源などの電圧
制御に使用する場合、高効率で制御性の優れた電源を実
現できる。また、レーザの電源のパルス圧縮に使用した
場合にも損失が低く優れた性能を発揮できる。本発明磁
心に使用される合金は必要に応じてＳｉＯ２、ＭｇＯ、
Ａｌ２Ｏ３等の粉末あるいは膜で合金薄帯表面を覆った
り、化成処理により表面を処理したり、アノード酸化処
理により表面に酸化物層を形成し層間絶縁が行われる場
合がある。これは特に高周波における渦電流の影響を低
減し、磁心損失を改善する効果がある。この効果は表面
状態が良好でかつ広幅の薄帯から構成された磁心の場合
に著しい。更に、本発明磁心は必要に応じて含浸やコー
ティング等を行なう場合がある。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明を実施例にしたがって
説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。 （実施例１）原子％でＣｕ０．５％，Ｎｉ５％，Ｎｂ５
％，Ｓｉ１５．８％，Ｂ８．５％残部実質的にＦｅから
なる合金溶湯を単ロール法により急冷し、幅５ｍｍ厚さ
１８μｍのアモルフアス合金薄帯を得た．このアモルフ
アス合金薄帯を外径１９ｍｍ、内径１５ｍｍに巻回し、
トロイグル磁心を作製した。比較のため原子％でＣｕ
１．１％、Ｎｂ３．１％、Ｓｉ１５．６％、Ｂ６．９％
残部実質的にＦｅからなる合金磁心も作製した。作製し
た磁心を窒素ガス雰囲気、４５０℃に保った熱処理炉に
挿入し、図１に示す熱処理パターンで磁界中熱処理を行
った．熱処理後の合金は結晶化しており、電子顕微鏡観
察の結果組織のほとんどが粒径１０ｎｍ程度の微細な結
晶粒からなっていることが確認された。残部はアモルフ
アス相であり２５％程度と見積もられた。次にこの合金
磁心の飽和磁束密度Ｂｓ、周波数１００ｋＨｚ，印加磁
界の波高値２００Ａ／ｍにおける単位体積当たりの磁心
根失Ｐｃｖおよび角形比Ｂｒ／Ｂｍを、周波数１００ｋ
Ｈｚ，印加磁界の波高値８０Ａ／ｍにおける交流Ｂ−Ｈ
カーブの保磁力Ｈａｃを測定した。得られた結果を表１
に示す。比較のため本発明外の合金の特性も示す。

【００１２】

【表１】

【００１３】本発明磁心のＢｓは０．９８Ｔ、Ｐｃｖは
７５００ｋＷ／ｍ^３、Ｂｒ／Ｂｍは９８．９％、Ｈａｃ
は１６．１Ａ／ｍであり、Ｂｒ／Ｂｍが高くかつ比較例
に比べてＰｃｖ、Ｈａｃが低く高周波の用途に適してい
る。

【００１４】（実施例２）表２に示す組成の合金溶湯を
単ロール法により急冷し、幅５ｍｍ厚さ１８μｍのアモ
ルフアス合金薄帯を得た。このアモルフアス合金薄帯を
外径１９ｍｍ、内径１５ｍｍに巻回し、トロイダル磁心
を作製した。この合金磁心を図２に示す熱処理パターン
で熱処理し磁気測定を行った。熱処理後の合金は組織の
５０％以上が粒径５０ｎｍ以下の極微細な結晶粒からな
っていた。表２に飽和磁束密度Ｂｓ、周波数１００ｋＨ
ｚ，印加磁界の波高値２００Ａ／ｍにおける単位体積当
たりの磁心損失Ｐｃｖおよび角形比Ｂｒ／Ｂｍを、周波
数１００ｋＨｚ，印加磁界の波高値８０Ａ／ｍにおける
交流Ｂ−Ｈカーブの保磁力Ｈａｃを示す。

【００１５】

【表２】

【００１６】合金溶湯を単ロール法により急冷し、幅５
ｍｍ厚さ１８μｍのアモルフアス合金薄帯を得た。この
アモルフアス合金薄帯を外径１９ｍｍ、内径１５ｍｍに
巻回し、トロイダル磁心を作製した。この合金磁心を図
２に示す熱処理パターンで熱処理し磁気測定を行った。
熱処理後の合金は組織の５０％以上が粒径５０ｎｍ以下
の極微細な結晶粒からなっていた。表２に飽和磁束密度
Ｂｓ、周波数１００ｋＨｚ，印加磁界の波高値２００Ａ
／ｍにおける単位体積当たりの磁心損失Ｐｃｖおよび角
形比Ｂｒ／Ｂｍを、周波数１００ｋＨｚ，印加磁界の波
高値８０Ａ／ｍにおける交流Ｂ−Ｈカーブの保磁力Ｈａ
ｃを示す。

【００１７】（実施例３）組成式Ｆｅ_{７６．８−ａ}Ｃｕ
_１Ｎｂ_ａＳｉ_１５．３Ｂ_６．９（原子％）で表される合
金溶湯を単口ール法により急冷し、幅５ｍｍ厚さ１５μ
ｍのアモルフアス合金薄帯を得た。このアモルフアス合
金薄帯を外径１９ｍｍ、内径１５ｍｍに巻回し、トロイ
ダル磁心を作製した。この合金磁心を図２に示す熱処理
パターンで熱処理し磁気測定を行った。熱処理後の合金
は組織の５０％以上が粒径５０ｎｍ以下の極微細な結晶
粒からなっていた。図３に飽和磁束密度Ｂｓと周波数１
００ｋＨｚ，印加磁界の波高値２００Ａ／ｍにおける単
位体積当たりの磁心持失Ｐｃｖ、角形比Ｂｒ／Ｂｍ、制
御不能磁束密度△Ｂｂ、周波数１００ｋＨｚ，印加磁界
の波高値８０Ａ／ｍにおける交流Ｂ−Ｈカーブの保磁力
Ｈａｃの関係を示す。飽和磁束密度Ｂｓが１．２Ｔ未満
になると磁心損失Ｐｃｖ、制御不能磁束密度△Ｂｂ、交
流の保磁力Ｈａｃは減少するため、特に高周波で駆動す
るスイッチング電源に適している。

【００１８】（実施例４）図４に示す回路のマグアンプ
方式のスイッチング電源の可飽和リアクトルとして実施
例１で作製した本発明磁心を使用し、出力電圧および電
源効率を測定した。比較のために従来のＦｅ_ｂａｌＣｕ
_１Ｎｂ_２．５Ｓｉ_１３．５Ｂ_７．２合金磁心（原子％）
を使用したマグアンプ方式のスイッチング電源の出力電
圧および電源効率を測定した。図において１はスイッチ
ング素子、２は主トランス、３，４は主トランス２の１
次巻緑及び２次巻線である。５は可飽和リアクトル、６
は整流回路、７は定電圧制御回路、８ａ，８ｂは直流出
力端子である。得られた結果を表３に示す。

【００１９】

【表３】

【００２０】本発明のスイッチング電源は従来のナノ結
晶合金磁心を可飽和リアクトルとして使用した電源より
も電圧の制御性や効率の点で優れている。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、高周波用に適する可飽
和磁心およびこれを用いた高性能な装置を実現できるた
めその効果は著しいものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱処理パターンを示した図であ
る。

【図２】本発明に係る他の熱処理パターンを示した図で
ある。

【図３】本発明に係る磁心の飽和磁束密度Ｂｓと周波数
１００ｋＨｚ，印加磁界の波高値２００Ａ／ｍにおける
単位体積当たりの磁心損失Ｐｃｖ、角形比Ｂｒ／Ｂｍ、
制御不能磁束密度△Ｂｂ、周波数１００ｋＨｚ，印加磁
界の波高値８０Ａ／ｍにおける交流Ｂ−Ｈカーブの保磁
力Ｈａｃの関係を示した図である。

【図４】本発明に係るマグアンプ方式のスイッチング電
源の回路の一例を示した図である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一般式：Ｆｅ_{ｌ００−ｘ−ｙ−ｃ}Ａ
   _ｘＭ’_ｙＸ’_ｃ（原子％）で表され、式中ＡはＣｕ，Ａ
   ｕから選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ’はＺｒ，Ｎ
   ｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｔｉ，ＶおよびＷから選ばれた
   少なくとも１種の元素、Ｘ’はＳｉおよびＢから選ばれ
   る少なくとも１種の元素を示し、ｘ，ｙおよびｃはそれ
   ぞれ０．１≦ｘ≦３、１≦ｙ≦１０、５≦ｃ≦３０を満
   足する数で表される範囲の組成であり、組織の少なくと
   も５０％が平均粒径５０ｎｍ以下の結晶粒からなり、か
   つ飽和磁束密度が１．２Ｔ未満であるナノ結晶合金薄帯
   から構成されており、周波数１００ｋＨｚ、最大印加磁
   界２００Ａ／ｍにおける交流Ｂ−Ｈカーブの角形比が９
   ７％以上、磁心損失が１４０００ｋＷ／ｍ^３以下である
   ことを特徴とする高周波用可飽和磁心。
2. 【請求項２】 周波数１００ｋＨｚ，最大印加磁界８０
   Ａ／ｍにおける保磁力Ｈｃが２５Ａ／ｍ以下であること
   を特徴とする請求項１に記載の高周波用可飽和磁心。
3. 【請求項３】 Ｍ’の一部をＣｒ，Ｍｎ，Ｓｎ，Ｚｎ，
   Ａｇ，Ｉｎ，白金属元素，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｂ
   ｉ，Ｙ，希土類元素，Ｎ，ＯおよびＳから選ばれた少な
   くとも１種の元素で置換したナノ結晶合金薄帯から構成
   されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高
   周波用可飽和磁心。
4. 【請求項４】 Ｘ’の一部をＣ，Ｇｅ，Ｇａ，Ａｌおよ
   びＰから選ばれた少なくとも１種の元素で置換したナノ
   結晶合金薄帯から構成されていることを特徴とする請求
   項１乃至３のいずれかに記載の高周波用可飽和磁心。
5. 【請求項５】 Ｆｅの５０％未満をＣｏ，Ｎｉから選ば
   れた少なくとも１種の元素で置換したナノ結晶合金薄帯
   から構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の
   いずれかに記載の高周波用可飽和磁心。
6. 【請求項６】 ＡがＣｕであり、Ｍ’がＮｂ，Ｍｏ，Ｔ
   ａおよびｗから選ばれる少なくとも１種の元素であるナ
   ノ結晶合金薄帯から構成されていることを特徴とする請
   求項１乃至５のいずれかに記載の高周波用可飽和磁心。
7. 【請求項７】 板厚が３μｍから２５μｍの範囲にある
   ナノ結晶合金薄帯から構成されていることを特徴とする
   請求項１乃至６のいずれかに記載の高周波用可飽和磁
   心。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれかに記載の高周
   波用可飽和磁心を回路の一部に使用したことを特徴とす
   る装置。