JP2005136268A

JP2005136268A - 複合磁性粒子および磁性体コアならびに磁気素子

Info

Publication number: JP2005136268A
Application number: JP2003371829A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Fukuda; 泰隆福田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【要約】
【課題】本発明は、スイッチング電源に搭載する磁気素子に関するものであり、特に高周波特性の向上を図り、スイッチング周波数を高周波化した場合でも損失の小さな磁気素子が得られるようにし、スイッチング電源の小型化に対応可能とする。
【解決手段】 Fe、Co、Niの少なくとも１種を含む強磁性相合金粒子の表面に、該強磁性相合金粒子よりも固有電気抵抗の大きな物質からなる被覆層を設けてなることを特徴とする複合磁性粒子を、50体積％以上の密度で成型して磁性体コアとし、該磁性体コアに導体配線を施してスイッチング電源用の磁気素子とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源に搭載する磁気素子、ならびに、該磁気素子を構成する磁性体コア、さらには該磁性体コアの素材となる複合磁性粒子に関し、特に高周波特性の向上に寄与するものである。

近年、ノートパソコンなど電子機器の小型化が進んでいる。このような電子機器には、従来からより一層の小型・軽量化が望まれており、当然そこに搭載される電源の小型化の要求が強い。そこで、電子機器の小型・軽量化と高機能化を両立させるために、電源に搭載するトランスやインダクタ等の磁気素子についても、その小型・軽量化を進めることが重要な課題となっている。

電源の小型化を達成するには、スイッチング周波数を大きくすることが有効である。電源に搭載するトランス、インダクタ、コンデンサ等は、ほぼスイッチング周波数に反比例して小型化することができるためである。また、電源に要求されるのは小型化だけでなく、高効率化をも同時に達成しなくてはならない。そのためには、使用するスイッチング周波数帯域で損失の小さな構成デバイスを使う必要がある。

このような理由で、従来からトランスやインダクタなどの磁気素子については、MnZn系やNiZn系のフェライトが用いられてきている。フェライトは、金属に対して大きな固有抵抗を持つため、高周波での損失低減が実現できるからである。

例えば、本発明者は、特許文献１において、数ＭHzでスイッチングさせることを可能とした磁気素子を既に開示している。
特開2001-244124号公報

しかしながら、フェライト材料にはスヌークの限界周波数といわれる、共鳴現象により透磁率が低下する現象があり、その限界周波数がフェライト材料をコア材としたときの使用周波数限界となることが知られている。

特許文献１に記載の磁気素子も、磁性体としてフェライトを用いていることから、その使用周波数がおおよそ10ＭHz以下に制限されるという問題を有していた。

本発明は、上記の問題を有利に解決することを目的とするものであり、スイッチング周波数を高周波化した場合であっても損失を小さくすることができ、スイッチング電源の小型化に対応できる磁気素子、ならびに、該磁気素子を構成する磁性体コア、さらには該磁性体コアの素材となる複合磁性粒子を提案するものである。

本発明者は、上記目的を達成するため研究を重ねた結果、高周波域での透磁率を維持するには、高い電気抵抗層で分離された微細な金属系の磁性体を用いる必要があることを知得し、その実現に鋭意努力して本発明を完成させたのである。

すなわち、本発明では、微細な金属微粒子を高い電気抵抗層で被覆することで分離して構成することから、高周波での損失を抑えることが可能となり、かつ大きな透磁率を維持することが可能となる。

その結果、本発明によって、高周波のスイッチング電源用の磁気素子を提供することができるようになり、その磁気素子を搭載した小型・高効率な高周波スイッチング電源を実用に供することができるのである。

本発明は、下記の各項記載の複合磁性粒子、磁性体コア、スイッチング電源用の磁気素子である。
(1) Fe、Co、Niの少なくとも１種を含む強磁性相合金粒子の表面に、該強磁性相合金粒子よりも固有電気抵抗の大きな物質からなる被覆層を設けてなることを特徴とする複合磁性粒子。
(2) 前記強磁性相合金粒子の粒径が、平均で0.03〜3μmであることを特徴とする上記(1)に記載の複合磁性粒子。
(3) 前記の被覆層がフェライトであることを特徴とする上記(1)または(2)に記載の複合磁性粒子。
(4) 前記の被覆層の平均厚みが、前記強磁性相合金粒子の平均粒径の１〜20％であることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の複合磁性粒子。
(5) 上記(1)〜(4)のいずれかに記載の複合磁性粒子を、50体積％以上の圧密度で成型してなることを特徴とする磁性体コア。
(6) 上記(5)に記載の磁性体コアに導体配線を施してなることを特徴とするスイッチング電源用の磁気素子。

本発明によって、高周波特性に優れたスイッチング電源用の磁気素子を得ることが可能となり、小型で高効率の高周波スイッチング電源を実現することができた。

図１に、本発明に従う複合磁性粒子３の好適例を断面図として示す。ここで、１は強磁性相合金粒子であり、金属系強磁性体粒子からなる核材である。また、２は、強磁性相合金粒子よりも固有電気抵抗の大きな被覆層（フェライト）である。

ここで、Ｄは、強磁性相合金粒子の粒径を示し、0.01Ｄ〜0.20Ｄとは、被覆層の厚みを示す。

金属系強磁性体は、フェライトに比べると限界周波数が高いので、より高周波での使用に適しているとともに、フェライトに比べて大きな飽和磁化を持っていることから、本発明の目的に好適な素材である。その材料としては、パーマロイ（Fe-Ni合金）、センダスト（Fe-Al-Si）、Fe-Si、Feなどが代表的な例であるが、上述の金属系強磁性体としての効果を保持するには材料中にFe、Co、Niから選ばれた少なくとも1種類を含める必要があるが、残余の素材を特に限定するものではない。

強磁性相合金粒子１の粒径は、0.03〜３μｍの範囲とすることを好適とする。これは、0.03μm以下だと材料の酸化などから磁気特性が劣化しやすくなり、また、３μｍを超えると損失が大きくなるためである。

ここで、粒径とは、平均粒子径をいうが、この平均粒子径とは、ＢＥＴ測定にて導出した比表面積測定値（ｍ²／ｇ）から、粒子を球形と仮定して算出した対象粒子の粒径を、測定した全個数について平均したものをいう。

また、形状については、図１では球形状として模式的に示したが、不定形でもよく、特にその形状を限定するものではない。なお、粒子は、蒸発凝固法、噴霧熱分解法、ＣＶＤ法などで合成することができるが、製法を特にこれらに限定するものではない。

核となる金属磁性粒子である強磁性相合金粒子１を覆って分離する被覆層２は、その強磁性相合金粒子１よりも固有電気抵抗を高くする必要がある。その材料としては樹脂なども適用できるが、好適な磁気特性と高い電気抵抗を両立することができる材料として、フェライトが特に好適である。フェライトを被覆するには、強磁性相合金粒子１が雰囲気ガスなどで撹拌されている状態で蒸着メッキする、あるいは液体中で化学的な手法でメッキする等の手段を採用することができるが、特にこれらに限定するものではない。

強磁性相合金粒子１に被覆するフェライト２の厚みは、強磁性相合金粒子１の粒径の1〜20％とすることを好適とする。１％未満であると被覆層中にポアが発生するなどの欠陥を生じやすくなり、一方20％を超えると強磁性相合金粒子１の体積割合が小さくなって、本発明の効果が薄れるためである。

次に、以上のようにして得られた素材である複合磁性粒子を、磁気素子のコア材である磁性体コアとするには、圧縮成型する必要がある。なお、圧縮成型の際の複合磁性粒子の圧密度は、体積率で50％以上とすることを好適とする。50％未満であると、粒子同士の接点が少なくなり十分なインダクタンスが得られにくいためである。

本発明では、更に、圧密して得られた磁性体コアに所望の配線を施してインダクタ、トランスなどの小型の磁気素子とすることを好適とする。このとき、配線は、磁性体コアの外側あるいは内部に自在に形成することが可能である。また、配線と磁性体コアとの間には、別途、必要に応じて絶縁層を設けることもできる。

なお、本発明の磁気素子と回路基板とを接続する手段としては、半田リフロー工程による半田付けが好ましいが、磁気素子の外部電極と回路基板の接続端子間を、ワイヤーボンディング法やバンプ接続法などの別の接続手段で接続するようにしてもよい。

本発明では、さらに上記の磁気素子をスイッチング電源に搭載することによって、小型化を実現した高周波用のスイッチング電源を得ることが可能となる。

本発明の複合磁性粒子と比較例の複合磁性粒子をそれぞれ圧密成型して磁気素子を作製し、それぞれの磁気特性（透磁率、鉄損）を測定して評価した。

なお、評価する磁気素子は、以下のようにして作製し、磁気特性を測定した。

まず、核となる強磁性相合金粒子を合成し、その強磁性相合金粒子を水溶液中に懸濁した状態として、FeCl₂、FeCl₃、NiCl₂、ZnCl₂の反応液とｐＨコントロールのためのアンモニアを添加することで、フェライトの湿式メッキを施し、所望の複合磁性粒子を得た。

次に、得られた複合磁性粒子をプレス成型することで圧密し、リング形状の磁性体コアを作製した。

そして、この磁性体コアに巻き線を施して透磁率と損失を測定した。

表１に、作製した磁気素子の粒子材料種類、粒径、フェライト厚み、圧密度、および、磁気特性の評価項目である透磁率と鉄損の測定値を示す。

粒径は、既に説明したように平均粒子径をいうが、この平均粒子径とは、ＢＥＴ測定にて導出した比表面積測定値（ｍ²／ｇ）から、粒子を球形と仮定して算出した対象粒子の粒径を、測定した全個数について平均したものをいう。フェライト厚みは、予め単位面積あたりのフェライトメッキ皮膜速度（ａと略す。単位は、ｍ^-1・ｓ^-1）を測定し、上述の平均粒子径のデータから、その粒子の表面積（ｂと略す。単位は、ｍ²）を算出する。メッキ時間がｔ（ｓ）であるとすると、メッキ厚をａ×ｂ×ｔ（ｍ）の式から導く。

圧密度は、圧縮成型の後、圧粉体の寸法および重量から測定した。

表1の結果から、本発明の磁気素子が比較例に比べ、高周波特性に優れていることは明らかである。

本発明の複合磁性粒子の断面を示す模式図である。

符号の説明

１強磁性相合金粒子
２被覆層（フェライト）
３複合磁性粒子

Claims

Fe、Co、Niの少なくとも１種を含む強磁性相合金粒子の表面に、該強磁性相合金粒子よりも固有電気抵抗の大きな物質からなる被覆層を設けてなることを特徴とする複合磁性粒子。
前記強磁性相合金粒子の粒径が、平均で0.03〜3μmであることを特徴とする請求項１に記載の複合磁性粒子。
前記の被覆層がフェライトであることを特徴とする請求項１または２に記載の複合磁性粒子。
前記の被覆層の平均厚みが、前記強磁性相合金粒子の平均粒径の１〜20％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合磁性粒子。
請求項１〜４のいずれかに記載の複合磁性粒子を、50体積％以上の圧密度で成型してなることを特徴とする磁性体コア。
請求項５に記載の磁性体コアに導体配線を施してなることを特徴とするスイッチング電源用の磁気素子。