JP2004103658A

JP2004103658A - 磁芯及びそれを用いたインダクタンス部品

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Publication number: JP2004103658A
Application number: JP2002260316A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Ishii; 石井　政義; Teruhiko Fujiwara; 藤原　照彦; Haruki Hoshi; 保志　晴輝; Keita Isotani; 磯谷　桂太
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】優れた直流重畳特性の温度特性とコアロス特性を有する磁芯を容易かつ安価に提供する事。
【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５ＫＯｅ（３９５ｋＡ／ｍ）以上、Ｔｃが３００℃以上の粉末最大粒径が５００μｍ〜５０μｍの希土煩磁石粉末と樹脂からなる比抵抗が０．１Ωｃｍ以上のボンド磁石を挿入した。
【選択図】　　　図１

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及びトランス用磁芯に関する。
【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事、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事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。これらを解決する手段として、例えば、特許文献１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。
【０００５】
しかし近年、電源に剥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湿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、特許文献１に示された抵抗率の値ではコアロス特性が劣化する事が明らかになった。そこで我々は、先願特許として、特許文献２等にギャップに挿入する永久磁石として５ＫＯｅ（３９５ｋＡ／ｍ）以上の固有保磁力、３００℃以上のＴｃ、０．１Ω・ｃｍ以上の比抵抗、１０００〜４０００Ｇ（０．１〜０．４Ｔ）のＢｒ、０．９ＫＯｅ（７５．１ｋＡ／ｍ）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発見している。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５０−１３３４５３号公報
【０００７】
【特許文献２】
国際公開第ＷＯ　０２／２１５４３　Ａ１号パンフレット
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際、永久磁石をコアに挿入する場合、ギャップ（ＧＡＰ）部には、精度、接着部分、膨張を考慮し、ＧＡＰに対して約１０％の隙間（ＡｉｒＧＡＰ）が出来てしまう。よって、先願発明のＢｒ＝１０００〜４０００Ｇ（０．１〜０．４Ｔ）より高いＢｒか必要になると考えられる。
【０００９】
また近年、表面実装タイプのコイルが所望されており、直流重畳特性の温度特性も重要視されている。
【００１０】
そこで、本発明の技術的課題は上記問題点に鑑み、優れた直流重畳特性の温度特性とコアロス特性を有する磁芯を容易かつ安価に提供する事にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決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０．１Ω・ｃｍ以上で固有保磁力が５ＫＯｅ（３９５ｋＡ／ｍ）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事を発見した。
【００１２】
即ち、本発明によれば、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５ＫＯｅ（３９５ｋＡ／ｍ）以上、Ｔｃが３００℃以上の粉末最大粒径が５００μｍ〜５０μｍの希土煩磁石粉末と樹脂からなる比抵抗が０．１Ωｃｍ以上のボンド磁石を挿入したことを特徴とする磁芯が得られる。
【００１３】
これは、本発明者らが、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。
【００１４】
比抵抗が高くしかも固有保磁力が高い磁石は、一般的には希士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。
【００１５】
さらに、本発明者等は種々検討を重ねた結果、ボンド磁石のＢｒが５０００Ｇ（０．５Ｔ）以下で熱減磁の影響が少ないということがわかった。
【００１６】
即ち、本発明によれば、前記磁芯において，前記ボンド磁石は、Ｂｒが３０００〜５０００Ｇ（０．３〜０．５Ｔ）で、ｂＨｃが２．０ＫＯｅ（１５８ｋＡ／ｍ）以上である事を特徴とする磁芯が得られる。
【００１７】
これは、パーミアンスが低いボンド磁石ではＢｒが５０００Ｇ（０．５Ｔ）以上の場合、ｂＨｃがＢ‐Ｈカーブ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５０００Ｇ（０．５Ｔ）以下の場合、ｂＨｃがＢ−Ｈカーブ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。
【００１８】
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、磁芯の温度特性によって１００〜１５０℃でＢｍが約２０００Ｇ（０．２Ｔ）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、ＧＡＰに挿入する磁石のＢｒは３０００Ｇ（０．３Ｔ）以上必要になり、逆に４０００Ｇ（０．４Ｔ）以上では△Ｂが大きすぎてμ０が低下する問題がある。
【００１９】
しかし、実際コアに挿入して使用する場合には、ＧＡＰ部には、若干の隙間（ＡｉｒＧＡＰ）が有り、Ｂｒ＝△Ｂにはならず、μ０が低下しない最大のＢｒは、約５０００Ｇ（０．５Ｔ）程度であると考えられる。よって、ホンド磁石のＢｒが３０００〜５０００Ｇ（０．３〜０．５Ｔ）であれば直流重畳特性の温度特性の優れた高い信頼性のコアが得られることを発見した。
【００２０】
また、本発明によれば、前記いずれかの磁芯に、少なくとも１ターン以上の巻線を施したことを特徴とするインダクタンス部品が得られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
まず、本発明についてさらに詳しく説明する。
【００２３】
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５ＫＯｅ（３９５ｋＡ／ｍ）以上、Ｔｃが３００℃以上の粉末最大粒径か５００μｍ〜５０μｍの希土煩磁石粉末と樹脂からなる比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以上のボンド磁石を挿入した磁芯を提供するものである。
【００２４】
また、この磁芯において使用されるボンド磁石は、Ｂｒが３０００〜５０００Ｇ（０．３〜０．５Ｔ）で、ｂＨｃが２．０ＫＯｅ（１５８ｋＡ／ｍ）以上である事が好ましい。
【００２５】
そして、本発明のインダクタンス部品では、これらの磁芯に、少なくとも１ターン以上の巻線を施したものである。
【００２６】
ここで、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なんでも有効であるが、一般的にはＭｎＺｎ系又はＮｉＺｎ系フェライド圧粉磁芯、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。
【００２７】
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５ＫＯｅ（３９５ｋＡ／ｍ）以下では磁芯に印加される直流磁界によって減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０．１Ω・ｃｍ以上であればコアロス劣化の大きな要因にはならない。また、粉末の最大粒径は大きいほどボンド磁石のＢｒは高くなるが、５００μｍ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５００μｍ以下である事か望ましく、また、粉末の最大粒径が５０μｍ以下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。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度特性を考慮すると、ボンド磁石のＢｒを３０００〜５０００Ｇ（０．３〜０．５Ｔ）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度特性に優れた、信頼性の高い磁芯が得られる。
【００２８】
それでは、本発明の実施の形態について説明する。
【００２９】
（第１の実施の形態）
Ｓｍ_２Ｃｏ_１７系でエネルギー積が約２８ＭＧＯｅ（約２．２４×１０^５Ｊ／ｍ^３）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。次にこれら作製した各磁石粉末にバインダーとしてエポキシ樹脂を質量で５％（以下、ｗｔ％で示す）混合し、無磁場中でプレス圧約３ｔｏｎ／ｃｍ^２（２．８４ＭＰａ）で金型成形する事により各ボンド磁石を作製した。このボンド磁石の磁気特性を下記表１に示す。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４Ｔでパルス着磁を行った。次に一般的なＭｎＺｎ系フェライト材で形成された磁路長７．８ｃｍ、実効断面積１．７４ｃｍ^２のＥＥコアの中芯に１．５ｍｍのギャップ加工をした。そのギャップ部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（ＡｉｒＧＡＰ）が０．２ｍｍ程度あいている）。次に巻き線を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１〜図６に示す。
【００３０】
また、インピーダンスアナライザーで同コアを用い透磁率μの周波数特性も測定し結果を図７に示す。比較例としてＡｉｒＧＡＰのみの周波数特性を同図７に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
上記表１より、Ｂｒは最大粒径が大きくなるほど高くなることがわかった。
【００３３】
Ｈｃは、ほぼ同等である。比抵抗は、最大粒径が細かいほうが高い傾向である。
【００３４】
また、図１〜図６より直流重畳特性は、最大粒径が大きい（Ｂｒが高い）ほうが高磁界まで伸び、最大粒径５０μ以下のボンド磁石では、１００℃においても直流重畳特性の劣化は見られない。
【００３５】
μの周波数特性は図７より最大粒径か細かいほうが良好で、最大粒径７５０μｍ以外のボンド磁石では、高周波まで伸びておりＡｉｒＧＡＰとほぼ同等である。
【００３６】
以上より、最大粒径２０μｍ〜５００μｍの粉末においてＡｉｒＧＡＰとμの周波数特性はほぼ同等で、直流重畳特性の温度特性が優れたコアができることがわかった。
【００３７】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態と同様にＳｍ_２Ｃｏ_１７系でエネルギー積が約２８ＭＧＯｅ（約２．２４×１０^５Ｊ／ｍ^３）の焼結磁石を粗粉砕後、飾２５０μｍ以下に分級し粉末を作製した。次に第１の実施の形態と同様に、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。この時、バインダー量、プレス圧を調整する事によりＢｒを５２００、５０００、４２００、３５００、３０００、２６００Ｇ（０．５２，０．５０，０．４２，０．３５，０．３０，０．２６Ｔに夫々相当）の各ボンド磁石を作製した。このボンド磁石を第１の実施の形態と同様に加工、４Ｔ着磁、ＭｎＺｎ系フェライト材のＧＡＰ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（ＡｉｒＧＡＰ）が０．２ｍｍ程度あいている）。次に第１の実施の形態と同様に巻き線を施しＬＣＲメーターで温度特性と１００℃での直流重畳特性を測定し、０Ａと１２０ＡでのＬ値を抜き取り下記表２に示す。
【００３８】
【表２】

【００３９】
上記表２より、Ｂｒが５０００Ｇ（０．５Ｔ）以上では、１００℃でのμ０が低下してしまい、３０００Ｇ（０．３０Ｔ）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３０００〜５０００Ｇ（０．３〜０．５Ｔ）で直流重畳特性の温度特性が優れたコアかできることかわかった。
【００４１】
また、本実施の形態では、Ｂｒについて述べたが、固有保磁力５ＫＯｅ（３９５ｋＡ／ｍ）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。さらに、ｂＨｃも２．０ＫＯｅ（１５８ｋＡ／ｍ）以上で直流重畳特性の温特が良好であった。
【００４２】
（第３の実施の形態）
第１の実施の形態と同様にＳｍ_２Ｃｏ_１７系でエネルギー積が約２８ＭＧＯｅ（約２．２４×１０^５Ｊ／ｍ^３）の焼結磁石を粗粉砕後、篩２５０μｍ以下に分級し粉末を作製した。次に、第１の実施の形態と同様に、この粉末にバインダーとしてエポキシ横脂を混合、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この時、バインダー量、プレス圧を調整する事により、比抵抗を０．０１、０．１、０．５、１．０、３．５Ω・ｃｍの各ボンド磁石を作製し、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４Ｔでパルス着磁を行い、次に第１の実施の形態と同様にＭｎＺｎ系フェライト材のＧＡＰ部に挿入しコアを作製した。次に巻き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、結果を図８に示す。比較例としてＡｉｒＧＡＰのみのμの周波数特性も同図８に示す。
【００４３】
図８より比抵抗０．１以上で高周波まで透磁率μが伸びていることがわかった。
【００４４】
以上より、比抵抗０．１Ω・ｃｍ以上のボンド磁石においてＡｉｒＧＡＰとほぼ同等のμの周波数特性が得られることがわかった。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、優れた直流重畳特性の温度特性とコアロス特性を有する磁芯とそれを用いたインダクタンス部品とを容易かつ安価に提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における各粒径での常温と１００℃での直流重畳特性を示す図である。
【図２】第１の実施の形態における各粒径での常温と１００℃での直流重畳特性を示す図である。
【図３】第１の実施の形態における各粒径での常温と１００℃での直流重畳特性を示す図である。
【図４】第１の実施の形態における各粒径での常温と１００℃での直流重畳特性を示す図である。
【図５】第１の実施の形態における各粒径での常温と１００℃での直流重畳特性を示す図である。
【図６】第１の実施の形態における各粒径での常温と１００℃での直流重畳特性を示す図である。
【図７】第１の実施の形態における各粒径でのμの周波数特性を示す図である。
【図８】第３の実施の形態における各比抵院でのμの周波数特性を示す図である。

Claims

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５ＫＯｅ（３９５ｋＡ／ｍ）以上、Ｔｃが３００℃以上の粉末最大粒径が５００μｍ〜５０μｍの希土煩磁石粉末と樹脂からなる比抵抗が０．１Ωｃｍ以上のボンド磁石を挿入したことを特徴とする磁芯。
請求項１記載の磁芯において、前記ボンド磁石は、Ｂｒが３０００〜５０００Ｇ（０．３〜０．５Ｔ）で、ｂＨｃが２．０ＫＯｅ（１５８ｋＡ／ｍ）以上である事を特徴とする磁芯。
請求項１又は２記載の磁芯に、少なくとも１ターン以上の巻線を施したことを特徴とするインダクタンス部品。