JP2003332149A - 磁心及びそれを用いたインダクタンス部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子機器への小型化要請に伴う電子部品への
小型化の要求に対応するため、ヒステリシス損失を低減
し、優れたコアロス特性と直流重畳特性を有する磁心
を、容易かつ安価に提供すること。 【解決手段】 磁心の磁路中に少なくとも１箇所のギャ
ップを設け、前記ギャップに、固有保磁力が１５９０ｋ
Ａ／ｍ以上、キュリー温度が３００℃以上、粉末粒径が
２.５〜５０μｍの希土類磁石粉末を、結合材により成
形したＳｍ−Ｃｏボンド磁石を挿入する。固有保磁力を
１５９０ｋＡ／ｍ以上とすることで、ヒステリシス損が
減少し、キュリー温度を３００℃以上とすることで、リ
フローによる磁気特性低下を防止し、粉末粒径を２.５
〜５０μｍとすることで、コアロス特性を確保しながら
粉末の酸化を抑制することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばスイッチ
ング電源などに好適な、チョークコイル及びトランスに
用いる磁心、及びインダクタンス部品に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】チョークコイルやトランスに用いる磁心
には、良好な直流重畳特性が求められており、高周波用
の磁心には、フェライト磁心や圧粉磁心が使用されてい
る。フェライト磁心は初透磁率が高く飽和磁束密度が小
さい、圧粉磁心は初透磁率が低く飽和磁束密度が高い、
という材料物性に由来する特徴がある。

【０００３】従って、圧粉磁心は、トロイダル形状で用
いられることが多く、フェライト磁心は、たとえばＥ型
に形成した磁心の３箇所の足を突き合わせた際に、中足
の突き合せ部にギャップが形成されるようにして、ＥＥ
型で用いられることが多い。しかし、近年の電子機器へ
の小型化要請に伴う電子部品への小型化の要求により、
より大きな重畳磁界における、より高い透磁率が強く求
められている。

【０００４】一般に直流重畳特性を向上させるために
は、飽和磁化の高い磁心を選択すること、つまり高磁界
で磁気飽和しない磁心の選択が必須とされている。しか
し、飽和磁化は、材料の組成で必然的に決まるものであ
り、理論値以上に高くできるものではない。そのため、
従来、直流重畳特性を向上させる手段として、飽和磁化
の向上が検討されてきたが、多大の労力が費やされてい
る割には、期待されている直流重畳特性が得られていな
いのが現状であった。

【０００５】その解決手段として磁路の一箇所以上にギ
ャップを挿入し、そのギャップに永久磁石を挿入する方
法が従来から検討されてきた。この方法は、直流重畳特
性を向上させるには優れた方法であるが、一方で金属焼
結磁石を用いると磁心のコアロスの増大が著しく、また
フェライト磁石を用いると重畳特性が安定しないなど、
とても実用に耐え得るものではなかった。

【０００６】これらを解決する手段として、例えば特開
昭５０−１３３４５３では、永久磁石として保磁力の高
い希土類磁石粉末とバインダーとを混合し圧縮成形した
ボンド磁石を挿入することが開示されており、直流重畳
特性とコアの温度上昇が改善されたことが示されてい
る。

【０００７】しかし、近年、電源に対する電力変換効率
向上の要求は、ますます厳しくなっており、チョークコ
イル用及びトランス用のコアについても単にコアの温度
変化を測定するだけでは優劣が判断不能なレベルとなっ
ている。そのため、コアロス測定装置による測定結果の
判断が不可欠であり、実際に本発明者らが検討した結
果、特開昭５０−１３３４５３に示された抵抗率の値で
は、コアロス特性が劣化することが明らかになった。

【０００８】そこで、本発明者らは、これまで検討して
きた中で、ギャップに挿入する永久磁石として、７９６
ｋＡ／ｍ以上の固有保磁力、３００℃以上のキュリー温
度（以下、Ｔｃと記す）、１.０Ω・ｃｍ以上の比抵抗
の永久磁石を挿入することでコアロスを低下させること
なく、良好な直流重畳特性が得られることを見出してい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
での検討は、比抵抗の向上による渦電流損失の低減に主
眼をおいたもので、ヒステリシス損失の低減について
は、なお検討の余地があった。従って、本発明の技術的
な課題は、上記問題点解決のため、ヒステリシス損失を
低減し、優れたコアロス特性と直流重畳特性を有する磁
心を、容易かつ安価に提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決すべく、挿入する永久磁石について検討した結果、磁
路のギャップに挿入する永久磁石の比抵抗を、１Ω・ｃ
ｍ以上にすることで、優れた直流重畳特性が得られ、し
かもコアロス特性の劣化が生じない磁心を形成できるこ
とを見出した。これは、優れた直流重畳特性を得るのに
必要な磁石特性は、エネルギー積よりも、むしろ固有保
磁力であり、従って、比抵抗の高い永久磁石を使用して
も、固有保磁力が高ければ充分に高い直流重畳特性が得
られることを見出したことによる。

【００１１】即ち、本発明は、磁路の少なくとも１箇所
に設けられたギャップに、永久磁石が配置されてなる磁
心であって、前記永久磁石は、固有保磁力が１５９０ｋ
Ａ／ｍ以上、キュリー温度が３００℃以上、粉末粒径が
２.５〜５０μｍの希土類磁石粉末を、結合材により成
形したボンド磁石であることを特徴とする磁心である。

【００１２】また、本発明は、前記の磁心において、前
記ボンド磁石は、結合材の量が体積比で２０％以上であ
り、比抵抗が１Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする磁
心である。

【００１３】また、本発明は、前記の磁心に、少なくと
も１ターン以上の巻線を施してなることを特徴とするイ
ンダクタンス部品である。

【００１４】比抵抗が高く、しかも固有保磁力が高い磁
石として、一般的には希土類磁石粉末をバインダーとと
もに混合して成形した希土類ボンド磁石が挙げられる。
さらに、本発明者らは、ヒステリシス損失に着目して検
討を行った結果、固有保磁力が１５９０ｋＡ／ｍ以上で
ある磁石の粉末を使用すると、ヒステリシス損失が低減
することを見出した。

【００１５】これは、一般的に軟磁気特性を有する材料
であればヒステリシス損失はヒステリシスループの面積
であるが、永久磁石の場合は、マイナーループの面積で
あり、固有保磁力を向上させることでマイナーループの
面積が小さくなることを見出したことによるものであ
る。希土類磁石には、ＳｍＣｏ系、ＮｄＦｅＢ系、Ｓｍ
ＦｅＮ系とあるが、リフローによる特性低下を考慮する
と、Ｔｃは３００℃以上であることが必要であり、耐酸
化性も考慮すると、固有保磁力が１５９０ｋＡ／ｍ以上
の磁石は、現状ではＳｍ_２Ｃｏ_１７系磁石に限定され
る。

【００１６】チョークコイル用及びトランス用磁心とし
ては、軟磁気特性を有する材料であれば、いずれの使用
可能であるが、一般的にはＭｎＺｎ系またはＮｉＺｎ系
フェライト、圧粉磁心、珪素鋼板、アモルファス合金な
どが用いられる。また、磁心の形状についても特に制限
があるわけではなく、トロイダル磁心、ＥＥ磁心、ＥＩ
磁心等あらゆる形状の磁心に本発明の適用が可能であ
る。

【００１７】そして、これらの磁心の磁路の少なくとも
１箇所以上にギャップを設け、そのギャップに永久磁石
を挿入する。ギャップ長に特に制限はないが、ギャップ
長が短過ぎる直流重畳特性が劣化し、またギャップ長が
長過ぎると透磁率が低下し過ぎるので、おのずから挿入
するギャップ長は決まってくる。

【００１８】次に、ギャップに挿入される永久磁石に対
する要求特性は、固有保磁力についてはヒステリシス損
失を抑えるため、１５９０ｋＡ／ｍ以上が必要であり、
また比抵抗は大きいほど良いが１.０Ω・ｃｍ以上であ
れば渦電流損失劣化の大きな要因にはならない。

【００１９】粉末の平均最大粒径が５０μｍ以上になる
とコアロス特性が劣化するので、粉末の最大粒径は、５
０μｍ未満であることが望ましく、最小粒径が２.５μ
ｍ以下になると粉末熱処理及びリフロー時に粉末の酸化
による磁化の減少が顕著になるため、２.５μｍ以上の
粒径が必要である。また、本発明では、用いる磁石粉末
の固有保磁力を１５９０ｋＡ／ｍ以上に限定している、
その理由は、１５９０ｋＡ／ｍ未満ではヒステリシス損
失が、挿入しない場合、即ちギャップのみの場合の２倍
以上に増加するためである。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００２１】一般にボンド磁石は、エポキシ樹脂を代表
とする熱硬化性高分子と磁石の粉末からなる混和物の成
形体を、硬化処理して得られる。本発明に用いるボンド
磁石は、薄いシート形状で用いるので、磁石粉末、結合
材、結合材を溶解する溶媒からなるペーストを原材料と
して、ドクターブレードで成膜して製作することが望ま
しい。

【００２２】リフロー処理を行うので、結合材には、こ
れに応じた耐熱性が必要であり、材質としては、ポリア
ミドイミド樹脂などが好適であり、この材質の場合、溶
媒にはｎ−メチルピロリドンなどが用いられる。ペース
トの作製には、３本ロールなどが用いられる。

【００２３】また、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇磁石の固有保磁力は、
原料として用いる合金の組成、焼結や熱処理の条件に依
存する。具体的に合金組成について述べると、主成分で
あるＳｍとＣｏ以外の元素が特性確保を目的として添加
されているが、概ねＳｍ（Ｃｏ_0.72Ｆｅ_0.20Ｃｕ_0.06Ｚ
ｒ_0.02）_7.5前後の組成で、固有保磁力が２４００ｋＡ
／ｍにも達する。

【００２４】ここでは、固有保磁力が１５９０ｋＡ／ｍ
以上の磁石を調製したが、比較のため、固有保磁力が１
５９０ｋＡ／ｍ未満の磁石も調製した。粉末の作製は、
焼結磁石をジョークラッシャにより粗粉砕し、次いで、
ボールミルで微粉砕して所要の粒度に調整した。

【００２５】

【実施例】次に、具体的な例を挙げ、本発明の実施例に
ついて説明する。

【００２６】０.９〜３.２ＭＡ／ｍの範囲で固有保磁力
が異なるＳｍ−Ｃｏ焼結磁石を１６種類準備し、粒度を
Ｄ５０＝１５μｍに調製した。結合材にはポリアミドイ
ミド樹脂（東洋紡；バイロマックスＨＲ１１ＮＮ）を用
い、ｎ−メチルピロリドンを溶媒として用いた。これら
を、乾燥後のＳｍ−Ｃｏ磁石粉末と結合材の占積率がそ
れぞれ５０％となるように秤量して、遠心脱泡機で５分
間攪拌後、３本ロールで混練を行い、ペーストを得た。

【００２７】この際、溶媒の混合比は、Ｓｍ−Ｃｏ磁石
粉末と結合材の合計重量と溶媒の重量を７０／１０とし
た。作製したペーストを用いてドクターブレード法によ
りシート成形し、１５０℃で１時間乾燥し、厚さが約２
００μｍのシート状のＳｍ−Ｃｏボンド磁石を作製し
た。このＳｍ−Ｃｏボンド磁石を挿入する磁心は、Ｍｎ
−Ｚｎ系フェライトからなる、磁路長が５.９３ｃｍ、
実効断面積が０.８３ｃｍ ²のＥＥ型磁心であり、その中
足の突合せ部に、５００μｍのギャップが形成されるよ
うに加工を施した。

【００２８】次に、Ｓｍ−Ｃｏボンド磁石を、形状がフ
ェライト磁心の中足断面形状で、かつ厚さが５００μｍ
の形状に加工した。その後、約１０Ｔのパルス磁場で磁
路方向に着磁後、そのギャップ部に挿入した。Ｓｍ−Ｃ
ｏボンド磁石を挿入したフェライト磁心のコアロスを、
岩崎通信機製の交流ＢＨトレーサー（型式；ＳＹ８２３
２）で５０ｋＨｚ、５０ｍＴ、５０℃の条件で測定し
た。

【００２９】表１は、これらの測定結果のうちで、固有
保磁力が２１５０ｋＡ／ｍの磁石粉末を用いたＳｍ−Ｃ
ｏボンド磁石を挿入した場合の、コアロス；ＰｃｖとＰ
ｃｖを周波数；ｆで除したＰｃｖ／ｆの結果を、まとめ
て示したものである。

【００３０】

【表１】

【００３１】また、図１は、表１に示した測定結果を、
周波数；ｆについて、Ｐｃｖ／ｆをプロットしたグラフ
である。この結果から関係式を最小２乗法より１次式で
導き出し、ヒステリシス損失としてその０次の項（切片
の値）、０.１７８５ｍＷ／ｃｃ・ｋＨｚを得た。磁心
のギャップに挿入する、固有保磁力の異なるＳｍ−Ｃｏ
ボンド磁石のそれぞれについて得られた結果を、同様に
データ処理し、固有保磁力とヒステリシス損失の関係を
求めた。図２は、固有保磁力についてヒステリシス損失
をプロットしたグラフである。

【００３２】図２より、固有保磁力が増大するに従い、
ヒステリシス損失は単調に減少する傾向にあること分か
る。また、破線で示した値は、ギャップにＳｍ−Ｃｏボ
ンド磁石を挿入していない場合のヒステリシス損失の値
であり、約０.１０３ｍＷ／ｃｃ・ｋＨｚである。固有
保磁力が１５９０ｋＡ／ｍ以下の磁石を挿入した場合で
は、ヒステリシス損失がギャップのみの場合の２倍以上
の値になり、トランスなど、効率が重要となる用途で
は、実用上問題があることが明らかになった。

【００３３】これらの結果より、固有保磁力が１５９０
ｋＡ／ｍ以上のＳｍ−Ｃｏボンド磁石を挿入した場合、
ヒステリシス損失の増加がギャップのみで測定したヒス
テリシス損失値の２倍以下に抑えられ、優れた特性を示
すことが分かった。

【００３４】次に、固有保磁力がそれぞれ７９６、１１
９０、１５９０、１９９０、２３９０ｋＡ／ｍのＳｍ−
Ｃｏボンド磁石を、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトコアの磁路
の一部に挿入した場合の効率を測定し、比較を行った例
を示す。上記の固有保磁力を有するＳｍ₂Ｃｏ₁₇系焼結
磁石を、それぞれ粗粉砕後、ボールミルで微粉砕を行
い、Ｄ５０＝１５μｍの粉末を作製した。

【００３５】次に、乾燥後の体積比がＳｍ₂Ｃｏ₁₇磁石
粉末が５０％、ポリアミドイミド樹脂が５０％となるよ
うに、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇磁石粉末とポリアミドイミド樹脂
（東洋紡；バイロマックスＨＲ１１ＮＮ）を秤量し、溶
媒として、ｎ−メチルピロリドンを加え、円心脱泡機で
５分攪拌後、３本ロールで混練を行い、ペーストを作製
した。

【００３６】溶媒の添加量は、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇磁石粉末と
ポリアミドイミド樹脂の合計重量と、ｎ−メチルピロリ
ドンの重量比を、７０／１０とした。作製したペースト
を用いてドクターブレード法により作製したグリーンシ
ートを１５０℃で１時間乾燥し、約２００μｍのシート
状のＳｍ−Ｃｏボンド磁石を作製した。これらのＳｍ−
Ｃｏボンド磁石の比抵抗を測定したところ、全て１.０
Ω・ｃｍ以上であることを確認した。

【００３７】次に、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト材からなる
磁路長５.９３ｃｍ、実効断面積０.８３ｃｍ²のＥＥ型
磁心を調製し、その中足の突合せ部に５００μｍのギャ
ップが形成されるように、加工を施した。Ｓｍ−Ｃｏボ
ンド磁石を、形状がフェライトコアの中足断面形状で、
かつ厚さが５００μｍの形状に加工した。その後、約１
０Ｔのパルス磁場で磁路方向に着磁後、フェライト磁心
のギャップ部に挿入した。

【００３８】各磁石を挿入したフェライト磁心につい
て、効率測定機を用いて入力１２Ｖ、出力１.６Ｖ、駆
動周波数３００ｋＨｚ、ΔＢ＝約３５ｍＴにおける効率
特性を測定した。図３は、これら重畳電流と効率の関係
をまとめたグラフである。図３において、３１は、Ｓｍ
−Ｃｏボンド磁石の固有保磁力が７９６ｋＡ／ｍの結
果、３２は、１１９０ｋＡ／ｍの結果、３３は、１５９
０ｋＡ／ｍの結果、３４は、１９９０ｋＡ／ｍの結果、
３５は、２３９０ｋＡ／ｍの結果、３６は、ギャップの
みの結果である。

【００３９】図３より、挿入する磁石の固有保磁力が小
さくなるに従い、効率は単調に減少する傾向にあること
が分かる。ちなみに３.０Ａにおける重畳電流の効率で
比べると、固有保磁力が１５９０ｋＡ／ｍ以上のＳｍ−
Ｃｏボンド磁石を挿入した場合では、ＧＡＰのみの場合
に比べ２％の以内の減少率であるが、固有保磁力が１１
９０ｋＡ／ｍのＳｍ−Ｃｏボンド磁石を挿入した場合で
は、効率は３％以上減少し、固有保磁力が７９６ｋＡ／
ｍのＳｍ−Ｃｏボンド磁石を挿入した場合では、４％以
上とさらに大きく効率は減少した。

【００４０】これらの結果より、固有保磁力が１５９０
ｋＡ／ｍより小さいＳｍ−Ｃｏボンド磁石を挿入した場
合は、効率が著しく低下し、トランスなど、効率が非常
に重要となる用途では、実用上問題があることが明らか
である。つまり、固有保磁力が１５９０ｋＡ／ｍ以上の
Ｓｍ−Ｃｏボンド磁石を挿入することで、効率の減少が
少なく、優れた特性を示すフェライト磁心が得られるこ
とが分かった。

【００４１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、磁路に設けたギャップに、固有保磁力が１５９０ｋ
Ａ／ｍ以上のＳｍ−Ｃｏボンド磁石を挿入することで、
フェライト磁心のヒステリシス損失を減少することが可
能となる。従って、本発明により、優れたコアロス特性
と直流重畳特性を有する磁心を、容易かつ安価に提供す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】周波数；ｆについて、Ｐｃｖ／ｆをプロットし
たグラフ。

【図２】固有保磁力についてヒステリシス損失をプロッ
トしたグラフ。

【図３】重畳電流と効率の関係をまとめたグラフ。

【符号の説明】

３１ Ｓｍ−Ｃｏボンド磁石の固有保磁力が７９６ｋ
Ａ／ｍの結果 ３２ Ｓｍ−Ｃｏボンド磁石の固有保磁力が１１９０
ｋＡ／ｍの結果 ３３ Ｓｍ−Ｃｏボンド磁石の固有保磁力が１５９０
ｋＡ／ｍの結果 ３４ Ｓｍ−Ｃｏボンド磁石の固有保磁力が１９９０
ｋＡ／ｍの結果 ３５ Ｓｍ−Ｃｏボンド磁石の固有保磁力が２３９０
ｋＡ／ｍの結果 ３６ ギャップのみの結果

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁路の少なくとも１箇所に設けられたギ
   ャップに、永久磁石が配置されてなる磁心であって、前
   記永久磁石は、固有保磁力が１５９０ｋＡ／ｍ以上、キ
   ュリー温度が３００℃以上、粉末粒径が２.５〜５０μ
   ｍの希土類磁石粉末を、結合材により成形したボンド磁
   石であることを特徴とする磁心。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の磁心において、前記ボ
   ンド磁石は、結合材の量が体積比で２０％以上であり、
   比抵抗が１Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする磁心。
3. 【請求項３】 請求項１もしくは請求項２のいずれかに
   記載の磁心に、少なくとも１ターン以上の巻線を施して
   なることを特徴とするインダクタンス部品。