JP2005228869A - 磁性厚膜およびそれを用いた基板と磁気素子 - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課 題】 スイッチング周波数を大きくした場合にもエネルギー損失を低減し、電源装置の小型軽量化を達成できる磁気素子、およびその磁気素子に好適な磁性厚膜を提案する。
【解決手段】 アスペクト比が0.8以下の金属微粒子の表面を、その金属微粒子よりも比抵抗の大きい皮膜で被覆した金属磁性微粒子を体積密度85％以上で堆積させてなる磁性厚膜を使用して磁性厚膜を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波特性に優れた磁性厚膜およびそれを用いた基板と磁気素子に関するものである。

近年、ノートパソコンや携帯電話等のような電子機器の小型化および軽量化が急速に進んでおり、電子機器に搭載される各種部品の小型軽量化のニーズが高まっている。なかでもスイッチング電源（以下、電源装置という）は電子機器に不可欠なものであるから、電源装置で使用されるトランスやインダクタ等に装着される磁気素子の小型軽量化は、重要な検討課題である。トランスやインダクタは、スイッチング周波数が高周波であるほど小型化することが可能であるから、電源装置の小型化を達成するためには、スイッチング周波数を大きくすることが有効である。

その一方で電源装置は、スイッチング周波数が高周波であれば、エネルギー損失が発生しやすくなる。したがって、スイッチング周波数を大きくしてもエネルギー損失を抑制できる磁気素子を使用しなければならない。そこで、従来からフェライトが、トランスやインダクタのコア材料（すなわち磁気素子）として広く使用されている。

たとえば特開2001-244124 号公報には、平面磁気素子およびスイッチング電源が開示されている。この技術は、フェライト磁性膜からなる磁気素子を電源装置に装着するものである。

しかしながらフェライトは、スイッチング周波数が増加すると、共鳴現象が生じて透磁率が低下する。そのため、フェライトを磁気素子として使用する場合には、実用化できるスイッチング周波数に限界（いわゆるスヌークの限界周波数）があり、スイッチング周波数を大きくして小型軽量化を図る上で制約を受けるのは避けられない。たとえば特開2001-244124 号公報に開示された技術で使用できるスイッチング周波数は、約10MHz 以下に制限される。

またフェライトの他に、ダストコアと呼ばれる磁気素子をトランスやインダクタで使用する検討がなされている。ダストコアは、金属微粒子の表面を樹脂で被覆した粒子を圧縮成形したものである。しかしながらダストコアの密度を高めることは困難であるから、スイッチング周波数が大きい領域で透磁率が低下するのは避けられない。したがってフェライトと同様に、スイッチング周波数を大きくして小型軽量化を図る上で、実用化できるスイッチング周波数が制約を受ける。
特開2001-244124 号公報

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、スイッチング周波数を大きくした場合にもエネルギー損失を低減し、電源装置の小型軽量化を達成できる磁気素子、およびその磁気素子に好適な磁性厚膜と基板を提案することを目的とする。

本発明者は、電源装置の小型軽量化を達成するために、磁性厚膜とそれを用いた基板と磁気素子について鋭意研究を重ねた。その結果、下記の (1)〜(4) の条件を満たす磁性厚膜は、スイッチング周波数の大きい領域で高い透磁率を維持できることを見出した。

(1) 磁性厚膜中の金属微粒子をそれぞれ電気的に分離するために、電気抵抗の大きい皮膜（以下、高抵抗皮膜という）を金属微粒子の表面に形成する。

(2) 金属微粒子は、アスペクト比0.8 以下のものを使用する。

(3) 高抵抗皮膜は、金属微粒子よりも比抵抗が大きい物質で形成する。

(4) 金属微粒子の表面に高抵抗皮膜を形成した粒子（以下、金属磁性微粒子という）は、体積密度85％以上で磁性厚膜を形成させる。

これらの (1)〜(4) を満たす磁気厚膜を用いて磁気素子を製作し、その磁気素子を電源装置に装着することによって、電源装置の小型軽量化を達成できる。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち本発明は、アスペクト比が0.8以下の金属微粒子の表面を、その金属微粒子よりも比抵抗の大きい皮膜で被覆した金属磁性微粒子で形成された厚膜であって、該厚膜中の体積密度が85％以上である磁性厚膜である。

本発明は、上記した磁性厚膜が形成されている基板である。

また本発明は、上記した磁性厚膜または、上記した磁性厚膜および基板で導体を囲んだ磁気素子、あるいは上記した磁性厚膜または、上記した磁性厚膜および基板が導体で囲まれた磁気素子である。

なお、ここで磁性厚膜とは、金属磁性微粒子から形成されたものを指す。

本発明によれば、電子機器の電源装置のスイッチング周波数を大きくした場合にも、トランスやインダクタに装着する磁気素子のエネルギー損失を低減できる。その結果、小型軽量かつ高効率の電源装置を製造することが可能である。

図１は、本発明の金属磁性微粒子により形成された状態を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本発明では、前述のように金属微粒子１の表面に高抵抗皮膜２を形成したものを便宜上金属磁性微粒子と呼ぶ。

本発明では、金属微粒子１の素材は、特定の材質に限定しないが、Fe，CoおよびNiのうちの少なくとも１種を含む金属であれば良い。とりわけFe−Ni合金（いわゆるパーマロイ），Fe−Al−Si合金（いわゆるセンダスト），Fe−Si合金，Fe等を使用するのが好ましい。これらの金属は、フェライトに比べてスヌークの限界周波数が高く、しかも飽和磁化が大きいので、スイッチング周波数が大きい領域で使用するのに適している。

金属微粒子１の大きさは、特定の寸法に限定しないが、スイッチング周波数が大きい領域で使用することを考慮すると、粒径Ｄが0.03〜３μｍの範囲内を満足するのが好ましい。何故なら、粒径Ｄが0.03μｍ以下では、金属微粒子１の酸化に起因して磁気特性が劣化しやすく、３μｍを超えると、エネルギー損失が大きくなるからである。ここで粒径Ｄとは、それぞれ形状の異なる金属微粒子１の体積を、同一体積の球形に換算して算出した直径を指す。

金属微粒子１の形状は、アスペクト比を 0.8以下とする。ここでアスペクト比とは、磁性厚膜が基板に形成されている場合は、基板に垂直な断面において、基板がない場合は、磁性厚膜の薄手に平行な断面における金属微粒子１の短径ａと長径ｂの比ａ／ｂを指す。図１に示すように、扁平な形状の金属微粒子１が横に広がって堆積すると、磁界が横方向に印加された場合に透磁率が増大する。アスペクト比が 0.8以下の場合に、その効果が顕著に発揮される。アスペクト比が 0.8を超えると、スイッチング周波数が大きい領域で透磁率の著しい増大は認められない。

金属微粒子１の製造方法は、特定の技術に限定しないが、蒸発凝固法，噴霧熱分解法，ＣＶＤ法等の従来から知られている技術の中から適宜選択して採用すれば良い。

金属微粒子１の表面は、高抵抗皮膜２で被覆される。高抵抗皮膜２は、金属微粒子１よりも比抵抗が大きく、各々の金属微粒子１を電気的に分離するものである。本発明では高抵抗皮膜２の素材は、特定の材質に限定しないが、樹脂やフェライト等を使用するのが好ましい。特にフェライトは、金属微粒子１を電気的に分離する機能と磁性材料としての特性とを兼ね備えているので、高抵抗皮膜２の素材として好適である。

金属微粒子１の表面に、フェライトの高抵抗皮膜２を形成する方法は、特定の技術に限定しないが、
(a) 雰囲気ガス中で金属微粒子１を攪拌しながら蒸着めっきを行なう、
(b) 液体中で金属微粒子１に化学的手法でめっきを行なう、
(c) 酸化雰囲気中で金属微粒子１の表面を酸化させる
等の方法が好適である。

高抵抗皮膜２の厚さは、粒径Ｄの１〜20％の範囲内が好ましい。厚さが粒径Ｄの20％を超えると、金属磁性微粒子に占める金属微粒子１の体積割合が減少する。その結果、スイッチング周波数が大きい領域で透磁率が低下する。一方、１％未満では、高抵抗皮膜２に空隙（いわゆるポア）等の欠陥が生じやすくなる。

このようにして金属微粒子１の表面を高抵抗皮膜２で被覆した金属磁性微粒子により、形成させた磁性厚膜とする際には、体積密度が85％以上となるようにする。ここで体積密度とは、磁性厚膜中に占める金属磁性微粒子の体積ｍと、磁性厚膜の体積Ｍとの比を百分率で示した値（＝ 100×ｍ／Ｍ）を指す。磁性厚膜の体積密度が85％未満では、金属磁性微粒子同士の接触面積が減少するので、スイッチング周波数が大きい領域で所定の透磁率が得られ難くなる。

また、所定の形状の磁性厚膜を形成するためには、基板の上に金属磁性微粒子を堆積させるのが好ましい。基板の素材は、特定の材質に限定しないが、ガラス，アルミナ，フェライト，窒化アルミナ，シリコン，樹脂等が好適である。

磁性厚膜を形成する方法は、特定の技術に限定しないが、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法という）あるいは加圧成形法を採用するのが好ましい。

ＡＤ法では、図２に示すように、金属磁性微粒子はエアロゾル化チャンバー４内で高圧ガス３によって攪拌混合される。一方、成膜チャンバー６内は真空ポンプ８によって減圧されており、エアロゾル化チャンバー４と成膜チャンバー６の圧力差によって生じるガス流によって、金属磁性微粒子がエアロゾル化チャンバー４から、輸送用配管５を通って、成膜チャンバー６に送給され、噴射ノズル７から基板10に噴射される。このようにして基板10上に磁性厚膜９が形成される。

なお、ＡＤ法において、粒子速度を変化させることで、アスペクト比を調整できる。ここで粒子速度は、エアロゾル圧力と噴射ノズル７開口寸法で調整することが可能である。

加圧成形法では、基板10の上に所定の形状を有する型枠を載置し、その型枠の中に金属磁性微粒子を充填した後、圧力を加えて磁性厚膜９を成形する。

いずれの方法も基板10上に形成された磁性厚膜９を、基板10とともに使用しても良いし、あるいは基板10を取り外して使用しても良い。

このようにして製作した磁性厚膜９を磁気素子として使用する際には、図３に示すような導体が磁性厚膜９で囲まれた磁気素子とするか、あるいは図４に示すような磁性厚膜９が導体11で囲まれた磁気素子として使用する。

図３は、導体11が磁性厚膜９で囲まれた磁気素子の例を模式的に示す断面図である。図３(a) に示す磁気素子は、基板10の両側に導体11（すなわちスパイラルコイル）を配置し、その周囲に磁性厚膜９を形成したものであり、トランスとして使用される。図３(b) に示す磁気素子は、基板10の片側に導体11（すなわちスパイラルコイル）を配置し、その周囲に磁性厚膜９を形成したものであり、インダクタとして使用される。なお図３には基板10を図示したが、本発明の磁気素子は必ずしも基板10を使用する必要はなく、基板10を取り外しても支障なく機能を発現できる。

図４は、磁性厚膜９が導体11で囲まれた磁気素子の例を模式的に示す断面図である。図４(a) に示す磁気素子は、磁性厚膜９の外側に導体11（すなわちスパイラルコイル）を配置したものであり、スイッチング電源等に使用される。図４(b) に示す磁気素子は、
図４(a) に示す磁気素子の導体11の周囲に、さらに磁性厚膜９を形成したものであり、スイッチング電源等に使用される。なお図４には基板10を取り外した例を図示したが、本発明では、磁性厚膜９を形成する際に使用した基板10を、そのまま磁気素子に使用しても支障なく機能を発現できる。

表１に示す金属微粒子を水溶液中に懸濁した状態で、FeCl₂ ，FeCl₃ ，NiCl₂ ，ZnCl₂ の反応液を添加し、さらにアンモニアを添加して水溶液のｐＨを調整することによって、金属微粒子の表面にNiZn系フェライトの湿式めっきを施した。このフェライトのめっき層が高抵抗皮膜である。このようにして金属微粒子の表面に高抵抗皮膜を形成した金属磁性微粒子を、ＡＤ法でガラス基板上に噴射して、磁性厚膜を形成した。金属微粒子の粒径Ｄ，アスペクト比，高抵抗皮膜の厚さ、および磁性厚膜の体積密度は表１に示す通りである。

次いで、この磁性厚膜をリング状のコアに加工し、巻き線を施して、スイッチング周波数が20MHzのときの透磁率μ_x を測定した。その結果を表１に併せて示す。

なお、金属微粒子のアスペクト比は、表２に示す条件で調整した。

表１中の発明例は、金属微粒子のアスペクト比および磁性厚膜の体積密度が本発明の範囲を満足する例である。比較例は、金属微粒子のアスペクト比および磁性厚膜の体積密度が本発明の範囲を外れる例である。

表１から明らかなように、本発明の磁性厚膜を使用した磁気素子は、スイッチング周波数が大きい領域で高い透磁率が得られる。

本発明の金属磁性微粒子を堆積させた状態を模式的に示す断面図である。 エアロゾルデポジション法の手順を示す説明図である。 導体が本発明の磁性厚膜で囲まれた磁気素子の例を模式的に示す断面図である。 本発明の磁性厚膜が導体で囲まれた磁気素子の例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 金属微粒子
２ 高抵抗皮膜
３ 高圧ガス
４ エアロゾル化チャンバー
５ 輸送用配管
６ 成膜チャンバー
７ 噴射ノズル
８ 真空ポンプ
９ 磁性厚膜
10 基板
11 導体

Claims (4)

1. アスペクト比が0.8以下の金属微粒子の表面を前記金属微粒子よりも比抵抗の大きい皮膜で被覆した金属磁性微粒子で形成された厚膜であって、該厚膜中の体積密度が85％以上であることを特徴とする磁性厚膜。
2. 請求項１記載の磁性厚膜が形成されていることを特徴とする基板。
3. 導体が、請求項１記載の磁性厚膜または請求項２記載の磁性厚膜および基板で囲まれてなることを特徴とする磁気素子。
4. 請求項１記載の磁性厚膜または請求項２記載の磁性厚膜および基板が、導体で囲まれてなることを特徴とする磁気素子。

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