JP2004063885A

JP2004063885A - 磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品

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Publication number: JP2004063885A
Application number: JP2002221644A
Authority: JP
Inventors: Haruki Hoshi; 保志　晴輝; Teruhiko Fujiwara; 藤原　照彦; Masayoshi Ishii; 石井　政義; Keita Isotani; 磯谷　桂太
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】優れた直流重畳特性とコアロス特性と耐酸化性を有する磁芯を得る。
【解決手段】磁路の少なくとも１箇所以上にギャップを有する磁芯であって、そのギャップにギャップ長の９０％以下の高さを有する、固有保磁力が１０ｋＯｅ以上、Ｔｃが３００℃以上の粉末平均粒径が３００μｍ〜２５μｍの希土類磁石粉末で、かつこの粉末が金属によりコーティングされ、成形体の粉末充填率が５５〜７０％、かつ比抵抗が１Ω・ｃｍ以上であるボンド磁石を挿入する磁芯とする。
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源などに使用されるチョークコイル用およびトランス用の磁芯並びにそれを用いたインダクタンス部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チョークコイル用及びトランス用磁芯には、良好な直流重畳特性が求められており、高周波用の磁芯には、フェライトや圧粉磁芯が使用されている。フェライト磁芯は、初透磁率が高く飽和磁束密度が小さい、圧粉磁芯は、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した特徴がある。従って、圧粉磁芯は、トロイダル形状で用いられることが多く、フェライトは、例えばＥ型コアの中足にギャップを挿入してＥＥコアで用いられることが多い。
【０００３】
しかし、近年の電子機器の小型化の要請に伴う電子部品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。一般に、直流重畳特性を向上させるためには、飽和磁化の高い磁芯を選択すること、つまり高磁界で磁気飽和しない磁芯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、無限に高く出来るものではない。そのため、従来の直流重畳特性を向上させる手段は、わずかな飽和磁化の向上に多大な労力が費やされている割には、直流重畳特性は期待されている程、伸びていないのが現状であった。
【０００４】
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こと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芯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。
【０００５】
これらを解決する手段として、例えば特開昭５０−１３３４５３号公報では、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。
【０００６】
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、単にコア温度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、本発明者等が検討を行った結果、特開昭５０−１３３４５３号公報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。
【０００７】
そこで、我々は、特願２０００−２７２６５６号公報に、ギャップに挿入する永久磁石として５ｋＯｅ以上の固有保磁力、３００℃以上のＴｃ、１Ω・ｃｍ以上の比抵抗、１００〜４００ｍＴのＢｒ、０．９ｋＯｅ以上のｂＨｃ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提案している。
【０００８】
しかし、実際、永久磁石をコアに挿入する場合、ギャップ部には、精度、接着部分、膨張を考慮し、ギャップに対して約１０％の隙間（エアギャップ）が出来てしまう。よって、特願２０００−２７２６５６号公報のＢｒ＝１００〜４００ｍＴより高いＢｒが必要になると考えられる。また、近年、表面実装タイプのコイルが所望されており、直流重畳特性の温特も重要視されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記問題点に鑑み、優れた直流重畳特性とコアロス特性とを有する磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品を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、前記課題を達成するべく挿入する永久磁石について検討した結果、磁石の比抵抗が１Ω・ｃｍ以上で固有保磁力が１０ｋＯｅ以上の永久磁石を使用した時、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芯を形成できることを発見した。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事を見出したことによる。比抵抗が高く、しかも固有保磁力が高い磁石は、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で得られるが、保磁力の高い磁石粉末であれば、どのような組成のものでも可能である。
【００１１】
即ち、本発明は、磁路の少なくとも１箇所以上にギャップを有し、前記ギャップにギャップ長の９０％以下の高さを有するボンド磁石が挿入された磁芯であって、前記ボンド磁石が、固有保磁力が１０ｋＯｅ以上、Ｔｃが３００℃以上の粉末平均粒径が２５μｍ〜３００μｍの希土類磁石粉末で形成され、かつ、この粉末が金属によりコーティングされ、成形体の粉末充填率が５５〜７０％、かつ比抵抗が１Ω・ｃｍ以上で、Ｂｒが３００〜５００ｍＴで、Ｈｃが２．０ｋＯｅ以上とする磁芯である。
【００１２】
また、本発明は、前記磁芯において、少なくとも１ターン以上の巻線を施すインダクタンス部品である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品について、以下に説明する。
【００１４】
本発明は、磁路の少なくとも１箇所以上にギャップを有する磁芯において、そのギャップにギャップ長の９０％以下の高さを有するボンド磁石が挿入され、前記ボンド磁石が、固有保磁力が１０ｋＯｅ以上、Ｔｃが３００℃以上の粉末平均粒径が２５μｍ〜３００μｍの希土類磁石粉末で形成され、かつ、この粉末が金属によりコーティングされ、成形体の粉末充填率が５５〜７０％、かつ比抵抗が１Ω・ｃｍ以上とする磁芯である。
【００１５】
我々は、種々検討を重ねた結果、ボンド磁石のＢｒが５００ｍＴ以下で熱減磁の影響が少ないということがわかった。これは、パーミアンスが低いボンド磁石では、Ｂｒが５００ｍＴを超えた場合、Ｈｃ（保磁力）がＢ−Ｈカーブの減磁曲線のクニック点より下にあることにより、不可逆減磁領域に入ってしまうためで、一方、Ｂｒが５００ｍＴ以下の場合、ＨｃがＢ−Ｈカーブの減磁曲線のクニック点より上にあり、可逆減磁の領域内に入り熱減磁の影響が少なくなるためである。
【００１６】
また、チョークコイル用及びトランス用磁芯にＭｎＺｎ系又はＮｉＺｎ系フェライトを用いた場合、磁芯の温特によって１００〜１５０℃でＢｍが約２００ｍＴ程度低下してしまうことが知られている。よって、常温とほぼ同等の直流重畳特性を得るためには、ギャップに挿入する磁石のＢｒは、３００ｍＴ以上必要になり、逆に４００ｍＴ以上ではΔＢ（飽和磁束密度の変化分）が大きすぎて、μ（透磁率）が低下する問題がある。
【００１７】
しかし、実際コアに挿入して使用する場合には、ギャップ部には、若干の隙間（エアギャップ）が有り、Ｂｒ＝ΔＢにはならず、μ（透磁率）が低下しない最大のＢｒは、約５００ｍＴ程度であると考えられる。よって、ボンド磁石のＢｒが３００ｍＴ〜５００ｍＴであれば、直流重畳特性の温特の優れた高い信頼性のコアが得られることを発見した。
【００１８】
チョークコイル用及びトランス用磁芯としては、軟磁気特性を有する材料であれば、いずれでも有効であるが、一般的には、ＭｎＺｎ系又はＮｉＺｎ系フェライト、圧粉磁芯、珪素鋼板、アモルファス等が用いられる。また、磁芯の形状についても特に制限があるわけではなく、トロイダルコア、ＥＥコア、ＥＩコア等あらゆる形状の磁芯に本発明の適用が可能である。これらコア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、ギャップ長が狭すぎると直流重畳特性が劣化し、またギャップ長が広すぎると透磁率が低下しすぎるので、おのずから挿入するギャップ長は決まってくる。
【００１９】
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１０ｋＯｅ以下では磁芯に印加される直流磁界によって保磁力が消失するので、それ以上の保磁力が必要であり、また比抵抗は大きいほど良いが、１Ω・ｃｍ以上であればコアロスの劣化の大きな要因にはならない。
【００２０】
また、粉末の平均粒径は、大きいほどボンド磁石のＢｒは高くなるが、３００μｍを超えるとコアロス特性が劣化するので、粉末の平均粒径は３００μｍ以下であることが望ましく、また、粉末の平均粒径が２５μｍ未満では、表面酸化の影響によりＢｒが低下するため好ましくない。
【００２１】
ここで、ボンド磁石の熱減磁を抑えること、また、チョークコイル用及びトランス用磁芯にＭｎＺｎ系又はＮｉＺｎ系フェライトを用いた場合の直流重畳特性の温特を考慮すると、ボンド磁石のＢｒを３００〜５００ｍＴにすることが望ましく、このボンド磁石を用いることで直流重畳特性の温特に優れた、信頼性の高い磁芯が得られる。また、希土類磁石粉末をバインダーと混合する際、予め体積比で１．０〜３．０ｗｔ％の樹脂でコーティングを施し樹脂を硬化させた希土類磁石粉末を用いると容易に比抵抗を高くすることが出来るため、ボンド磁石成形のためのトータル樹脂量を減らすことができ、ボンド磁石の充填率の向上もはかれる。
【００２２】
【実施例】
本発明の実施例による磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品について、以下に説明する。
【００２３】
（実施例１）
実施例１による磁芯は、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７系でエネルギー積が約２８ＭＧＯｅの焼結磁石を粗粉砕後、篩により７５０μｍ以下、５００μｍ以下、２５０μｍ以下、１００μｍ以下に分級し４種類の粉末を作製、また、粗粉砕後、ボールミルで微粉砕を行い、その粉末を篩により５０μｍ以下、２０μｍ以下に分級し２種類の粉末を作製、計６種類の粉末を作製した。
【００２４】
次に、これら作製した各磁石粉末にＺｎ金属粉末（粉末平均粒径約５μｍ）を３ｗｔ％混合し、アルゴン雰囲気下で５００℃×２時間熱処理を施した。これら各粉末の粒度分布を乾式の粒度分布計で測定したので、各粉末の平均粒径Ｄ５０の値を表１に示す。加圧ニーダを用いてこの粉末にエポキシ樹脂を３．０ｗｔ％混練を行った。その後、この混練物を１５０℃で硬化を行い、この塊をライカイ機で解砕し粉末化を行った。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１より、Ｂｒは、平均粒径が大きくなるほど高くなることがわかった。Ｈｃは、ほぼ同等である。比抵抗は、平均粒径が細かいほうが高い傾向である。
【００２７】
これらの樹脂コーティングを行った粉末にトータルの樹脂量が総重量の１０ｗｔ％になるように各試料にバインダー（エポキシ樹脂）を混合した後、無磁場中でプレス圧約３ｔｏｎ／ｃｍ^２で金型成形することにより、各ボンド磁石を作製した。このボンド磁石の充填率および磁気特性を表１に並べて示す。このボンド磁石を７．０×１０．０×１．３ｍｍの形状に加工し、厚さ方向にでパルス着磁を行った。
【００２８】
図１は、本発明におけるインダクタンス部品の説明図である。本発明のインダクタンス部品は、一般的なＭｎＺｎ系フェライト材で作製された磁路長７．８ｃｍ、実効断面積１．７４ｃｍ^２のＥ型コア１、Ｅ型コア２の中芯に１．５ｍｍのギャップ加工をした構成であり、ギャップに上記作製したボンド磁石を挿入し作製した。実際には、磁石とフェライトコアの間には隙間が０．２ｍｍ程度あいている。
【００２９】
次に、巻線４を５ターン施し、ＬＣＲメーターで常温と１００℃での直流重畳特性を測定した結果を図２〜図７に示す。
【００３０】
図２〜図７より、直流重畳特性は、平均粒径が大きい（Ｂｒが高い）ほうが高磁界まで伸び、平均粒径２０μｍ以上のボンド磁石では、１００℃において直流重畳特性の劣化がみられない。
【００３１】
同コアのμの周波数特性をインピーダンスアナライザーで測定したので、この結果を図８に示す。比較例として、エアギャップのみの周波数特性を図７に示す。
【００３２】
μの周波数特性は、図８より、最大粒径が細かいほうが良好で、平均粒径３００μｍ以外のボンド磁石では、高周波まで伸びており、エアギャップとほぼ同等である。
【００３３】
以上より、平均粒径２０μｍ〜３００μｍの粉末において、エアギャップとμの周波数特性は、ほぼ同等で、直流重畳特性の温特が優れたコアができることがわかった。
【００３４】
（実施例２）
実施例２の磁芯は、実施例１と同様に、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７系でエネルギー積が約２８ＭＧＯｅの焼結磁石を粗粉砕後、篩で２５０μｍ以下に分級し粉末を作製した。
【００３５】
次に、実施例１と同様に、各磁石粉末にＺｎ金属粉末（粉末平均粒径約５μｍ）を３ｗｔ％混合し、アルゴン雰囲気下で５００℃×２時間熱処理を施した。加圧ニーダを用いてこの粉末にエポキシ樹脂を２ｗｔ％混練を行った。その後、この混練物を１５０℃で硬化を行い、この塊をライカイ機で解砕し粉末化を行った。これらの樹脂コーティングを行った粉末にトータルの樹脂量が総重量の８ｗｔ％になるように各試料にバインダー（エポキシ樹脂）を混合した後、この粉末にバインダーとしてエポキシ樹脂を混合、無磁場中でプレスによる金型成形を行い、ボンド磁石を作製した。
【００３６】
この時、バインダー量、プレス圧を調整することにより、Ｂｒを５２０、５００、４３０、３４０、３００、２７０ｍＴの各ボンド磁石を作製した。このボンド磁石を実施例１と同様に、加工、着磁、ＭｎＺｎ系フェライト材のギャップ部に挿入しコアを作製した。実際には磁石とフェライトコアの間には隙間（エアギャップ）が０．２ｍｍ程あいている。
【００３７】
次に、実施例１と同様に、巻線を施しＬＣＲメーターで常温と１００℃での直流重畳特性を測定し、０Ａと１２０ＡでのＬ値を抜き取り表２に示す。
【００３８】
【表２】

【００３９】
表２より、Ｂｒが５００ｍＴ以上では、１００℃でのμが低下してしまい、３００ｍＴ以下では、１００℃での直流重畳特性が低下することがわかった。
【００４０】
以上より、Ｂｒは３００〜５００ｍＴで直流重畳特性の温特が優れたコアができることがわかった。また、本実施例では、Ｂｒについて述べたが、固有保磁力５ｋＯｅ以下では重畳磁界で磁石の磁化が反転することを確認した。Ｈｃも２．０ｋＯｅ以上で直流重畳特性の温特が良好であった。
【００４１】
（実施例３）
実施例３の磁芯は、実施例１同様に、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７系でエネルギー積が約２８ＭＧＯｅの焼結磁石を粗粉砕後、篩５０μｍ以下（平均粒径２５μｍ）に分級し粉末を作製した。このＳｍ−Ｃｏ磁石粉末とＺｎ金属粉末（粉末平均粒径約５μｍ）を３ｗｔ％混合し、アルゴン雰囲気下で５００℃×２時間熱処理を施した磁石粉末を使用した。この粉末にエポキシ樹脂を０．５ｗｔ％加圧ニーダを用いて混練を行った。
【００４２】
その後、この混練物を１５０℃で硬化を行い、この塊をライカイ機で解砕し粉末化を行った。この粉末にバインダーとしてエポキシ樹脂を３．０ｗｔ％混合、無磁場中でプレスによる金型成形を行いボンド磁石を作製した。成形圧を調整することにより、充填率は５０〜７５％とした。このボンド磁石を７．０×１０．０×１．３ｍｍの形状に加工し、厚さ方向にパルス着磁を行った。これら成形体の磁気特性、比抵抗を測定した。その結果を表３に示す。
【００４３】
【表３】

【００４４】
表３より、充填率が５５％以上でＢｒに関して３００ｍＴ以上が達成されることがわかる。
【００４５】
次に、実施例１と同様に、ＭｎＺｎ系フェライト材のギャップ部に、作製したこれらボンド磁石を挿入しコアを作製した。次に、巻線を施しインピーダンスアナライザーでμの周波数特性を測定した結果を図８に示す。比較例として、エアギャップのみのμの周波数特性も図８に示す。
【００４６】
図９より、比抵抗１Ω・ｃｍ以上で高周波までμが伸びていることがわかった。これは、充填率が７０％以下で達成されることがわかる。また、実施例２と同様に、巻線を施しＬＣＲメーターで２０℃と１００℃での直流重畳特性を測定し、Ｂｒが３００ｍＴ以下（充填率５５％以下）では、１００℃での直流重畳特性が低下することを確認した。ここでは結果を示さなかったが、５００μｍで分級した粉末（平均粒径３００μｍ）でも同様の実験を行い、充填率５５〜７０％で同様の結果を得られることを確認した。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた直流重畳特性とコアロス特性とを有する磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例におけるインダクタンス部品の説明図。
【図２】本発明の実施例１における磁芯において、粒径が７５０μｍの場合の直流重畳特性を示す図。
【図３】本発明の実施例１における磁芯において、粒径が５００μｍの場合の直流重畳特性を示す図。
【図４】本発明の実施例１における磁芯において、粒径が２５０μｍの場合の直流重畳特性を示す図。
【図５】本発明の実施例１における磁芯において、粒径が１００μｍの場合の直流重畳特性を示す図。
【図６】本発明の実施例１における磁芯において、粒径が５０μｍの場合の直流重畳特性を示す図。
【図７】本発明の実施例１における磁芯において、粒径が２０μｍの場合の直流重畳特性を示す図。
【図８】本発明の実施例１におけるμの周波数特性を示す図。
【図９】本発明の実施例３におけるμの周波数特性を示す図。
【符号の説明】
１，２　　Ｅ型コア
３　　ボンド磁石
４　　巻線

Claims

磁路の少なくとも１箇所以上にギャップを有し、前記ギャップに、ギャップ長の９０％以下の高さを有するボンド磁石が挿入された磁芯において、前記ボンド磁石が、固有保磁力が１０ｋＯｅ以上、Ｔｃが３００℃以上の粉末平均粒径が２５μｍ〜３００μｍの希土類磁石粉末で形成され、かつ、この粉末が金属によりコーティングされ、成形体の粉末充填率が５５〜７０％、かつ比抵抗が１Ω・ｃｍ以上で、Ｂｒが３００〜５００ｍＴで、Ｈｃが２．０ｋＯｅ以上であることを特徴とする磁芯。
請求項１記載の磁芯において、少なくとも１ターン以上の巻線を施すことを特徴とするインダクタンス部品。