JP2004363466A - 複合磁性材料とそれを用いたインダクタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形体の実効透磁率を上げるには金属磁性粉の充填密度を高くすればよいが、バインダ量を減らすと絶縁性の低下や強度不足を招き、成形圧力を高くすると金属磁性粉の粒子間の絶縁劣化やコイルの絶縁皮膜の破損を生じる問題があった。
【解決手段】硬質な非晶質合金磁粉に、延性のある金属粉末であるＦｅ−Ｎｉ系合金磁粉を混合して混合磁性粉とし、この混合磁性粉のそれぞれの粒子を熱硬化性樹脂で被覆して複合磁性材料とする。この複合磁性材料の粉末中に空芯コイルを埋設して加圧成形した後、不活性ガス雰囲気中において熱処理する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バワーインダクタ等に用いられる複合磁性材料と、この複合磁性材料を使用して構成するインダクタの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電源電圧の低電圧化に伴って、小型で大電流に対応したパワーインダクタが求められている。大電流化と小型化を同時に実現できるものとして、特許文献１に記載されているような一体成形型インダクタが用いられている。これは金属磁性粉を含む複合磁性粉の中に空芯コイルを埋設して加圧成形したもので、図１に示すような構造である。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１２０９２６号公報
【０００４】
図１のインダクタは、金属磁性粉とバインダを混合した複合磁性粉の中に空芯コイル１を埋設して加圧成形したものである。成形体２の金属磁性粉の粒子表面は絶縁処理されている。図には、平角線からなるコイル１の両端末を外部に引き出して折り曲げ、そのまま電極３としたインダクタの例を示してある。
【０００５】
従来、金属磁性粉としては、カーボニル鉄粉やＦｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金等が用いられている。そして、リン酸塩処理や酸化膜形成等の手段で金属磁性粉の粒子の表面に絶縁皮膜を形成し、さらに有機樹脂バインダを混入することで絶縁性を高めている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
金属磁性粉を使用した一体成形型インダクタにおいて成形体の実効透磁率を上げるには、バインダ量を減らすか、あるいは成形圧力を高めることにより、金属磁性粉の充填密度を高くすればよい。しかし、バインダ量を減らすと絶縁性の低下や強度不足を招き、成形圧力を高くすると金属磁性粉の粒子間の絶縁劣化やコイルの絶縁皮膜の破損を生じる。このため高い透磁率が得られず実効透磁率は２５前後に留まっている。その結果、コイルの巻数が多くなって銅損失が大きくなる欠点があった。
金属磁性粉として粉末自体の透磁率が高い鉄系の非晶質合金磁性粉を用いることも考えられる。ところが、非晶質合金磁性粉は硬いため低圧プレスでは充填密度が上がらず、実効透磁率が高くならない。また、粉末同士の結着力が殆どなくバインダの結合力だけで固まるので、成形体の強度が弱くなる問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、硬質な非晶質合金磁性粉に、延性のある金属磁性粉であるＦｅ−Ｎｉ系合金磁性粉を混合して混合磁性粉とし、この混合磁性粉のそれぞれの粒子を熱硬化性樹脂で被覆した複合磁性材料の構成を特徴とする。さらに本発明は、この複合磁性材料粉末中に空芯コイルを埋設して加圧成形した後、不活性ガス雰囲気中において非晶質合金磁性粉の結晶化温度を超えない温度で熱処理を行うインダクタの製造方法を特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の複合磁性材料の好ましい実施形態を説明する。非晶質合金磁性粉と、延性金属であるＦｅ−Ｎｉ系合金磁性粉とを、それぞれ３０〜６０ｗｔ％、７０〜４０ｗｔ％の割合で混合して混合磁性粉とする。非晶質合金磁性粉は、絶縁性の高いＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒを主成分としたものが好ましい。この混合磁性粉の粒子の表面を、粒子間の絶縁とバインダ剤の両方の役目を担う熱硬化性の有機樹脂で被覆して複合磁性粉を生成する。有機樹脂としてはエポキシ樹脂等を用い、その量は混合磁性粉の１．５〜３．０ｗｔ％とする。
【０００９】
この複合磁性粉材料で形成した圧粉磁心は、非晶質合金磁性粉又はＦｅ−Ｎｉ系合金磁性粉の一方のみを使用した圧粉磁心よりも高い実効透磁率が得られる。粒子間の滑性を高めるため、この複合磁性粉にさらにステアリン酸塩などの潤滑剤を０．１〜１．０ｗｔ％添加してもよい。本発明の複合磁性粉材料は、有機樹脂のみによって絶縁性を保つこともできるが、有機樹脂以外の絶縁材を含んでもよい。粉末の粒子を低融点ガラスで被覆することにより、熱処理後の圧粉磁心の絶縁性及び耐圧性を向上させることが出来る。
【００１０】
Ｎｉ含有量の異なる数種類のＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉を評価検討した結果、延性金属のＦｅ−Ｎｉ系合金磁性粉の中でも、Ｎｉを４０〜６０ｗｔ％含むものが適することが分かった。Ｎｉ含有量がこれよりも少なくなると、絶縁性や透磁率、コア損失、飽和特性等の磁気特性が劣り、Ｎｉ含有量が多くなると透磁率は高くなるものの絶縁性、コア損失、特に飽和特性が悪化してしまう。
【００１１】
本発明のインダクタの製造方法は、前記の複合磁性材料粉末中に空芯コイルを埋設し加圧成形して成形体を得る工程と、不活性ガス雰囲気中において熱処理を行う工程とを含むことを特徴とする。熱処理は圧粉磁心の応力歪みを緩和させて軟磁気特性等の材料特性を高めるために行う。熱処理温度は非晶質合金磁性粉の結晶化温度を超えない温度とし、４４０℃〜４８０℃の範囲内の温度とするのが好ましい。これを超える温度では非晶質合金の結晶化が進み軟磁気特性の低下を招くからである。
【００１２】
４４０℃〜４８０℃の温度で成形体を大気中で熱処理すると、熱と酸素によってコイルの絶縁皮膜やバインダに使用される有機樹脂の熱分解が加速されて、成形体の強度が大幅に低下するうえ絶縁不良を生じやすい。本発明では不活性ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、このような問題を解決している。
【００１３】
ここで、非晶質合金磁性粉とＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉の配合比を、それぞれ３０〜６０ｗｔ％、７０〜４０ｗｔ％とする理由を説明する。非晶質合金磁性粉にＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉を添加する割合を重量比で０から１００％まで１０％単位で増加した混合磁性粉を１１種類、各１ｇ用意し、本発明の方法によって、内径１０ｍｍ、外径１４ｍｍの環状の圧粉磁心を試作した。そして、各圧粉磁心の透磁率とコア損失を測定した。配合比に対する透磁率の変化を図２に、配合比に対するコア損失の変化を図３に示す。いずれも交流Ｂ−Ｈカーブ測定器を用い、周波数３００ＫＨｚ、磁束密度４０ｍＴで測定を行った。
【００１４】
非晶質合金磁性粉の比率が高いと、非晶質合金磁性粉自身の透磁率は高くても硬質のため成形体での充填密度が上がらず、実効透磁率は高くならない。逆に、延性のあるＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉の配合比率が高くなると充填密度は上がるものの、粉末自身の透磁率の高い非晶質合金磁性粉の割合が減るため実効透磁率が高くならない。最も高い実効透磁率となるのは、図２から明らかなように非晶質合金磁性粉とＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉との配合比が６：４〜３：７の範囲であり、このとき実効透磁率は４５以上となる。
【００１５】
コア損失についてみると、延性金属であるＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉は非晶質合金磁性粉に比べてコア損失が大きい。このため、図３に示すようにＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉の比率が高くなるにつれて混合磁性粉のコア損失は増加傾向となるため、Ｆｅ−Ｎｉ合金磁性粉の比率は７／１０以下が望ましい。そこで、図２の透磁率の結果を勘案すると、非晶質合金磁性粉とＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉の最適な配合比は、やはり６：４〜３：７の範囲と考えられる。
【００１６】
同様な試料を用いて、配合比を変えたときの成形体の強度変化を測定した結果を図４に示す。この図から、延性のＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉の多い方が成形体の強度が増すことが分かる。強度が向上する理由は、延性のＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉が硬質の非晶質合金磁性粉の粒子間に詰まるだけでなく、母体を包んで塑性変形を生じ、粒子間の結合力を増大させているものと考えられる。
【００１７】
熱処理を、大気中で行った場合と不活性ガス雰囲気中で行った場合の成形体の強度を比較したものを図５に示す。不活性ガスとしては窒素を用いている。図には、非晶質合金磁性粉とＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉の配合比を５：５としたものをＡで示し、７．５：２．５としたものをＢで示してある。Ｆｅ−Ｎｉ合金磁性粉の配合比率が低いと、焼鈍を窒素雰囲気中で行ったものでも成形体の強度が弱く、Ｆｅ−Ｎｉ合金磁性粉の配合比率を上げても大気中で行ったものは弱くなることが、この図から分かる。非晶質合金磁性粉とＦｅ−Ｎｉ合金磁性粉との配合比を３：７〜６：４の範囲とし、不活性ガス雰囲気中で熱処理することにより、成形体の強度を確保できることを確認した。
【００１８】
【実施例】
まず、本発明の複合磁性材料の一実施例について説明する。平均粒径が１０μｍの６．５ｗｔ％のＳｉ、２．５ｗｔ％のＣｒ、２．５ｗｔ％のＢ、０．７ｗｔ％のＣ、残部Ｆｅからなる非晶質合金磁性粉と、５０ｗｔ％のＦｅ、５０ｗｔ％のＮｉからなる合金磁性粉とを、重量比で各５０％の割合で混合して混合磁性粉を得た。次に、この混合磁性粉１００重量部に対して熱硬化性のエポキシ樹脂からなる２．０ｗｔ％のバインダを添加して攪拌すると、粒子の表面がバインダで被われた複合磁性粉となる。さらに、メッシュを通して粒径の大きなものを除去してから、潤滑剤としてステアリン酸Ｌｉと硫酸Ｂａをそれぞれ０．２ｗｔ％、０．５ｗｔ％を加えて、最終的な複合磁性粉を得た。
【００１９】
次に、この複合磁性粉を使用したインダクタの製造方法の実施例について説明する。まず、断面寸法が縦０．８ｍｍ×横２ｍｍの絶縁被覆銅線である平角線を用い、内径５．５ｍｍφの２層にエッジワイズ巻きした２ターンの空芯コイルを用意する。この空芯コイルを成形金型の内部にセットし、複合磁性粉中に空芯コイルが埋設された状態となるように、前述の複合磁性粉を４．５ｇほど金型に充填した。
【００２０】
そして１０トン／ｃｍ^２ の圧力で加圧成形し、型から取り出した成形品を８５℃で２時間、１５０℃にて３０分間予備加熱して熱硬化性樹脂であるバインダを硬化させた。次に、コイルの端末を折り曲げ成形して一体成形型インダクタの形とした後、窒素雰囲気中において昇温速度１０°Ｃ／分、ピーク温度４７０°Ｃで２５分の熱処理を施した。このようにして、縦１２．５ｍｍ×横１２．２ｍｍ×高さ５．４ｍｍの一体成形型インダクタ（パワーインダクタ）が完成した。
【００２１】
また、特性比較用に、同一形状で従来仕様の一体成形型インダクタを次のようにして作製した。絶縁被覆銅線である平角線（断面寸法が縦０．６ｍｍ×横２ｍｍ）を用い、内径５．５ｍｍφの３層にエッジワイズ巻きした３ターンの空芯コイル（厚さ約２ｍｍ、直流抵抗１．５ｍΩ）を金型にセットして、平均粒径１０μｍのＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金粉末にエポキシ樹脂４ｗｔ％、潤滑剤０．７ｗｔ％を添加混合した複合磁性粉（４ｇ）を、空芯コイルが埋設された状態になるように金型に充填し、３．５トン／ｃｍ^２ で加圧成形した。そして、金型から取り出した後、８５℃で２時間、１５０℃にて３０分間加熱処理して樹脂を硬化させ、一体成形型インダクタを完成させた。
【００２２】
この従来の製法によるインダクタと前述の本発明の製法によるインダクタのそれぞれの直流重畳特性を図６に示す。図から明らかなように、本発明の複合磁性材料を使用して製造したインダクタは、抵抗値をほぼ半減できる巻数の少ない空芯コイルでありながら、従来品と同程度のインダクタンスを得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明による複合磁性材料を用いて試作した加圧成形体の実効透磁率は４５以上で、従来の圧粉磁性体を使用した同型品の約２倍の値であり、またコア損失は従来の圧粉磁心に比べ半減できることを確認した。したがって、この複合磁性材料を一体成形型インダクタに使用することにより、同じインダクタンス値の仕様であれば、直流抵抗が小さく銅損失の少ないインダクタが得られ、同じ巻数の仕様であれば高いインダクタンス値のインダクタを実現できる。また、本発明の製造方法によれば、高効率で絶縁性及び成形体強度に優れた信頼性の高い一体成形型インダクタを得られる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】インダクタの構成例を示す斜視図
【図２】配合比と実効透磁率の関係を示す図
【図３】配合比とコア損失の関係を示す図
【図４】配合比と成形体強度の関係を示す図
【図５】熱処理条件と成形体強度の関係を示す図
【図６】直流重畳特性図
【符号の説明】
１ コイル
２ 成形体
３ 電極

Claims (6)

1. 非晶質合金磁性粉とＦｅ−Ｎｉ系合金磁性粉を混合してなる混合磁性粉の粒子の表面を、熱硬化性樹脂で被覆したことを特徴とする複合磁性材料。
2. 混合磁性粉における非晶質合金磁性粉とＦｅ−Ｎｉ系合金磁性粉の配合比をそれぞれ３０〜６０ｗｔ％、７０〜４０ｗｔ％とした請求項１の複合磁性材料。
3. 非晶質合金磁性粉がＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ系である請求項１の複合磁性材料。
4. Ｎｉを４０〜６０ｗｔ％含むＦｅ−Ｎｉ系合金磁性粉を使用した請求項１の複合磁性材料。
5. 請求項１〜４のいずれか一つの請求項の複合磁性材料粉末中に、空芯コイルを埋設して加圧成形した後、不活性ガス雰囲気中において熱処理を行うことを特徴とするインダクタの製造方法。
6. 有機樹脂系の絶縁体で被覆された銅線からなる空芯コイルを用いた請求項５のインダクタの製造方法。

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