JP2005303019A

JP2005303019A - 直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品

Info

Publication number: JP2005303019A
Application number: JP2004117419A
Authority: JP
Inventors: Keita Isotani; 桂太磯谷; Teruhiko Fujiwara; 照彦藤原
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】優れたコアロス特性と直流重畳特性を有する直流磁気バイアス用磁石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、そのギャップ部に固有保磁力が５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上、Ｔｃが３００℃以上の希土類磁石薄膜をスパッタリング、または蒸着する直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯であって、前記希土類磁石薄膜は、フェライト系の基板の上に形成されており、前記フェライト系の基板が、前記ギャップに配置されており、前記直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯と、前記磁芯の磁路に施された、少なくとも１ターン以上の巻線４とで構成されたインダクタンス部品１０とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、スイッチング電源などに使用されるのに好適な、直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯およびそれを用いたインダクタンス部品に関する。

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。

しかし、近年の電子機器の小型化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。

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等、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。

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ことが明らかになった。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１０ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上の固有保磁力、３００℃以上のＴｃ、１．０Ω・ｃｍ以上の比抵抗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。

特開昭５０−１３３４５３号特開２００３−１２４０３４

しかしながら、これらは磁石粉末を樹脂と混合し、ボンド磁石として作製するために、膜厚は数十ミクロン以上になり、超小型の磁芯に挿入するには膜厚が大きすぎた。これらを解決するために、磁石粉末粒径を小さくして膜厚を小さくしようとすると、保磁力や角型性が悪くなり、磁石特性が劣化するという問題が生じる。電子機器の小型化のニーズに対応させるため、ギャップに挿入する永久磁石が低膜厚化でき、且つ、高保磁力と高残留磁束密度、高Ｔｃ、低損失をあわせ持つバイアス磁石の開発が必要である。

本発明の課題は、上記問題点に鑑み、優れたコアロス特性と直流重畳特性を有する直流磁気バイアス用磁石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。

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、磁芯のギャップ部に希土類磁石をスパッタリングすることにより、高保磁力、高残留磁束密度、且つ、数ミクロンオーダーからサブミクロンオーダーの低膜厚の磁石を挿入することに成功した。これらは、樹脂を使わないので、ボンド磁石に比べ高Ｂｒ化ができ、しかも、配向が容易なことより、更なる高バイアスが期待される。しかしながら、これらは磁石部分の抵抗が低く、磁芯を高周波で使う際に大きな渦電流損失が生じ、効率が悪くなるという大きな問題点が生じる。

そこで我々は、この問題を解決すべく、スパッタリングした薄膜をメッシュ状に切断加工、もしくはスパッタ時にメッシュ状のマスクをすることにより、高周波使用時の渦電流半径を小さくし、渦電流損失を改善することに成功した。これにより、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超小型バイアス磁芯を形成できることを発見した。スパッタリング、または蒸着する希土類磁石の種類は、ＲｅＣｏ₅系、Ｒｅ₂Ｆｅ₁₄Ｂ系、Ｒｅ（Ｆｅ_1-xＴＭ_x）₁₂系などあるが、リフロー条件及び耐酸化性、信頼性を考慮すると、Ｔｃが３００℃以上、保磁力が５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上の磁石薄膜に限定される。

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系フェライト又は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、そのギャップに希土類永久磁石をスパッタ、または蒸着する。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。次に、ギャップにスパッタ、または蒸着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信頼性の確保とヒステリシス損失を抑えるため５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上の保磁力が必要である。また、スパッタ、または蒸着時にメッシュ状のマスクをするか、もしくはスパッタ・蒸着時に切断加工により細分化することにより、渦電流損失の劣化を抑えることができる。

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する磁芯であって、そのギャップ部に固有保磁力が５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上、Ｔｃが３００℃以上の希土類磁石薄膜をスパッタリング、または蒸着する直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯である。

また、本発明は、前記希土類磁石薄膜は、スパッタリング、または蒸着時にマスクすることにより、蒸着後の面内方向の薄膜の平均径が１ｍｍ以下に細分化された直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯である。

また、本発明は、前記希土類磁石薄膜はスパッタリング、または蒸着後に加工することにより、面内方向の薄膜の平均粒径が１ｍｍ以下に細分化されている直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯である。

また、本発明は、前記希土類磁石薄膜は、フェライト系の基板の上に形成されており、前記フェライト系の基板が、前記ギャップに配置された直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯である。

また、本発明は、前記希土類磁石薄膜は非磁性材料の基板の上に形成されており、前記非磁性材料の基板が、前記ギャップに配置された直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯である。

また、本発明は、前記記載の直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯と、前記磁芯の磁路に施された、少なくとも１ターン以上の巻線とで構成されたインダクタンス部品である。

本発明によれば、優れたコアロス特性と直流重畳特性を有する直流磁気バイアス用磁石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。

本発明の実施の形態による直流磁気バイアス用磁石を有す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、以下説明する。

本発明の直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯は、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、そのギャップ部に固有保磁力が５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上、Ｔｃが３００℃以上の希土類磁石薄膜をスパッタリング、または蒸着する直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯であって、前記希土類磁石薄膜は、スパッタリング、または蒸着時にマスクすることにより、蒸着後の面内方向の薄膜の平均径が１ｍｍ以下に細分化されている。

また、本発明の直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯は、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、そのギャップ部に固有保磁力が５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上、Ｔｃが３００℃以上の希土類磁石薄膜をスパッタリング、または蒸着する直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯であって、前記希土類磁石薄膜は、スパッタリング、または蒸着後に加工することにより、面内方向の薄膜の平均粒径が１ｍｍ以下に細分化されている。

ここで、前記希土類磁石薄膜は、フェライト系の基板の上に形成されており、前記フェライト系の基板が、前記ギャップに配置されている。

このように、スパッタリングした薄膜をメッシュ状に切断加工、もしくはスパッタ時にメッシュ状のマスクをすることにより、高周波使用時の渦電流半径を小さくし、渦電流損失を改善することに成功した。これにより、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超小型バイアス磁芯を形成できる。スパッタリング、または蒸着する希土類磁石の種類はＲｅＣｏ₅系、Ｒｅ₂Ｆｅ₁₄Ｂ系、Ｒｅ（Ｆｅ_1-xＴＭ_x）１２系などあるが、リフロー条件及び耐酸化性、信頼性を考慮するとＴｃが３００℃以上、保磁力が５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上の磁石薄膜に限定される。

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系フェライト又は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。

ここで、ギャップにスパッタ、または蒸着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信頼性の確保とヒステリシス損失を抑えるため５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上の保磁力が必要である。またスパッタ、または蒸着時にメッシュ状のマスクをするか、もしくはスパッタ・蒸着時に切断加工により細分化することにより、渦電流損失の劣化を抑えることができる。

また、前記希土類磁石薄膜は、アルミナ系の基板の上に形成されており、前記アルミナ系の基板が、前記ギャップに配置されている。ここで、前記の直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯と、前記磁芯の磁路に施された、少なくとも１ターン以上の巻線とでインダクタンス部品が構成される。

以下に、フェライトコアのギャップ上にＳｍＣｏ₅薄膜を作製し、そのコアの特性を測定し、比較を行った例を示す。試料はＳｍＣｏ₅ターゲット（ターゲット直径：３８ｍｍ）を用い、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いてフェライトコア基板上に作製した。製膜速度は５０ｎｍ／ｍｉｎで０．１ｍｂａｒのＡｒ（９９．９９９９％）雰囲気中で作製した。また、スパッタ時に線径：０．１ｍｍで目開きが、それぞれ０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍの３種類のメッシュでマスクをして、１０．９ｍｍ×７．５ｍｍ×３ｍｍのファライトコア板に約３０μｍの膜厚までスパッタを行なった。その後、作製されたＳｍＣｏ₅薄膜を８００℃・Ａｒ雰囲気中で２０分間加熱を行った。

（実験方法）
作製条件
ＤＣマグネトロンスパッタ装置
基板：ＭｎＺｎフェライト板：１０．９ｍｍ×７．５ｍｍ×３ｍｍ
マスク：メッシュ（線径：０．１ｍｍ、目開き：０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ）
着磁：４Ｔパルス着磁
雰囲気：Ａｒ・０．１ｍｂａｒ

（Ｂ−Ｈ特性測定）
・測定装置：ＶＳＭ
・最大印加磁界：２５ｋ×１０³／４πＡ／ｍ
（周波数特性）
・Ｙｏｋｏｇａｗａ・ＨｅｗｌｅｔｔＰａｃｋａｒｄ製４１９４Ａインピーダンスアナライザー
・交流磁場周波数：１ｋＨｚ〜１５ＭＨｚ
（直流重畳特性）
・ＨｅｗｌｅｔｔＰａｃｋａｒｄ製４２８４ＡＬＣＲメーター
・交流磁場周波数：１００ｋＨｚ
・重畳磁場：０〜５００×１０³／４πＡ／ｍ

また、作製された試料の磁気特性の結果を表１に示す。

固有保磁力については、信頼性の確保するため５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上の保磁力が必要である。スパッタされたＳｍＣｏ₅薄膜は、保磁力が５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上となり、Ｂｒも７５００×１０^-4Ｔと、ボンド磁石に比較し、大きな値を示した。実験に用いたフェライトコアは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト材（ＮＥＣトーキン製ＢＨ２コア）で作製された磁路長７．５ｃｍ、実効断面積０．７４ｃｍ²のＥＥコアであり、その中芯に３．０５ｍｍのギャップ加工をした。厚さ３ｍｍフェライト板にスパッタされた３種類のＳｍＣｏ₅磁石を約４Ｔのパルス磁場で磁路方向に着磁後、そのギャップ部に挿入した。

このコアの直流重畳特性、周波数特性の測定を行なった。また、比較のため、スパッタされていないフェライト板のみを挿入したコアの測定も行なった（挿入後はＧＡＰ５０μｍ）。この結果をそれぞれ図１、図２に示す。

図１より、フェライトコアのみに比べ、ＳｍＣｏ薄膜を挿入したコアは、５０％以上重畳特性が伸び、良好な特性を示すことが分かった。また、メッシュの異なる３試料については重畳特性にほとんど違いは見られなかった。

図２より、周波数特性はＳｍＣｏ薄膜を挿入したコアは０．５ｍｍ、１．０ｍｍメッシュについては、フェライトコアのみの値とほぼ変わらない良好な特性を示すことが分かった。また、１．５ｍｍメッシュについては１０００ｋＨｚから周波数特性が落ち始め、大きく特性が劣化することが分かった。これは渦電流半径が大きくなったために、周波数統制が劣化したものと理解される。

以上より、スパッタにより作製された１．０ｍｍ以下に細分化されたＳｍＣｏ₅薄膜は、良好な直流重畳特性を示し、周波数特性も磁石を挿入しないコアとほぼ変わらない優れた特性を示すことが分かった。本実施例では、ＳｍＣｏ₅をスパッタしたが、保磁力さえ５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上あれば、ＮｄＦｅＢ系等の他の希土類磁石を挿入しても同様な特性が出ることは容易に想像がつく。また、同様に、本実施例ではスパッタ時にメッシュをマスクにして行い、磁石を細分化させたが、マスクをしないでスパッタを行い、その後、レーザー加工等でスパッタ膜を切断しても同様な特性が出ることは容易に想像がつく。

図３は、インダクタンス部品の説明図である。図３に示すように、Ｅ型フェライトコア１と、Ｅ型フェライトコア２と、その合体した中足部に、フェライト基板３ｂと、その上に形成された希土類磁石薄膜３ａとで磁芯１１が形成され、中足部に巻線４が巻かれて、インダクタンス部品１０が構成されている。Ｅ型フェライトコア１と、Ｅ型フェライトコア２は、ＭｎＺｎ系フェライト、あるいはＮｉＺｎ系フェライトが選択される。また、フェライト基板３ｂは、同じくＭｎＺｎ系フェライト、あるいはＮｉＺｎ系フェライトが選択され、Ｅ型フェライトコア１と、Ｅ型フェライトコア２と同じ材質でも良いし、あるいは、異なる材質でも良い。

本発明の実施例による直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯の透磁率対保磁力特性の説明図。本発明の実施例による直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯の透磁率対周波数特性の説明図。本発明の実施例によるインダクタンス部品の説明図。

符号の説明

１，２Ｅ型フェライトコア
３ａ希土類磁石薄膜
３ｂフェライト基板
４巻線
１０インダクタンス部品

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、そのギャップ部に固有保磁力が５Ｋ×１０³／４πＡ／ｍ以上、Ｔｃが３００℃以上の希土類磁石薄膜がスパッタリング、または蒸着により形成されたことを特徴とする直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯。
前記希土類磁石薄膜は、スパッタリング、または蒸着時にマスクすることにより、蒸着後の面内方向の薄膜の平均径が１ｍｍ以下に細分化されたことを特徴とする請求項１に記載の直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯。
前記希土類磁石薄膜は、スパッタリング、または蒸着後に加工することにより、面内方向の薄膜の平均粒径が１ｍｍ以下に細分化されていることを特徴とする請求項１に記載の直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯。
前記希土類磁石薄膜は、フェライト系の基板の上に形成されており、前記フェライト系の基板が、前記ギャップに配置されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯。
前記希土類磁石薄膜は、非磁性材料の基板の上に形成されており、前記非磁性材料の基板が、前記ギャップに配置されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯。
請求項１なし５のいずれかに記載の直流磁気バイアス用磁石を有する磁芯と、前記磁芯の磁路に施された、少なくとも１ターン以上の巻線とで構成されたことを特徴とするインダクタンス部品。