JP2007035826A - 複合磁性材料とそれを用いた圧粉磁心および磁性素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 飽和磁束密度が高く、固有抵抗が大きく、耐食性に富み、圧粉成形性のよい、複合磁性材料とそれを用いた圧粉磁心および磁性素子を提供すること。
【解決手段】 金属磁性材料粉末と、その金属磁性粉末に対して１重量％〜１０重量％の絶縁性結着剤とを混合してなる複合磁性材料であり、その金属磁性材料の組成は、金属磁性材料の全体に対して、８重量％≦Ｃｒ≦１８重量％、０．８重量％≦成分Ｘ≦４重量％、残部が主にＦｅからなり、その成分ＸはＳｉ，Ａｌの内のいずれかまたは両方からなる複合磁性材料を用いて圧粉磁心および磁性素子を作製する。また、その金属磁性材料について、常温での飽和磁束密度が１Ｔ以上、固有抵抗が０．７μΩｍ以上である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、チョークコイル、インダクタなどのインダクタンス部品に用いられる複合磁性材料と、その複合磁性材料を用いた圧粉磁心および磁性素子に関するものである。

電源電圧の低電圧化に伴い、近年、パワーインダクタは大電流対応が求められている。特に電子機器の小型化と電源の高周波化が進み、それらに対応可能な磁性材料と高性能な磁性素子が要求されている。従来より高周波数帯で使用されるインダクタなどの磁心にはフェライトが多く使用されている。フェライトは金属磁性材料粉末よりも安価なため、それまで主流だった金属磁性材料粉末に変わる磁性素子材料として多くのチョークコイルやノイズフィルタなどに用いられてきたが、フェライトは飽和磁束密度が低い欠点があり、近年の小型で大電流対応の要求には、再び飽和磁束密度の高い金属磁性材料粉末が磁性素子用磁心として利用されてきている。特に金属磁性材料粉末の圧粉磁心は高周波数帯でも特性が安定しているため、近年の電子部品の高周波化に対応する磁性素子として注目されている。

しかし、金属磁性材料粉末は鉄損が大きく、特に高周波で使用される磁性素子用の場合、渦電流損失の抑制も考慮しなくてはならない。また、磁性素子の小型化と共に、搭載する製品たとえば携帯電話やノート型パソコンなどの使用環境が厳しくなっており、磁性素子としての耐食性も重要となってきている。

磁性素子用の金属磁性材料粉末としては、Ｆｅ粉、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末などＦｅ基合金の粉末が用いられているが、成分組成的に酸化しやすく、耐食性に問題があった。特許文献１にＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系粉末を用いることを特徴とするメタルコンポジット用粉末があるが、耐食性に問題がある。その他にＮｉ−Ｆｅ系の合金粉末も磁性素子に用いられるが、Ｎｉ：８０重量％前後のＰＣパーマロイ系の合金は高透磁率を有し、耐食性も良いものの、飽和磁束密度が低く、高価なＮｉを８０重量％程度含有するため成分組成的に素材コストが高価になってしまう。Ｎｉ量が４０〜５０重量％程度のＰＢパーマロイ系の合金は飽和磁束密度が高いものの、耐食性が良くなく、ＰＣパーマロイよりはＮｉ量が少ないもののＮｉを含有する分、素材コストは高価となってしまう。またＮｉ−Ｆｅ系合金は固有抵抗が低い問題もある。Ｆｅ基の非晶質合金粉末を用いた磁性素子も開発されてきているが、非晶質合金粉末は鉄損の低減に優れているが、粉末硬度が高いため磁性素子の成形性が悪く、磁心の粉末密度が上がらないため、磁性素子の実効透磁率が向上しない問題がある。また非晶質合金は熱処理することにより、材料内部に残留する歪の緩和により本来の良好な磁気特性が得られるが、圧粉磁心の場合は絶縁性結着剤の耐熱性の問題、コイル一体成形品についてはさらにマグネットワイヤーの被覆の耐熱性の問題があり、磁性素子成形後の熱処理は難しい問題がある。

特許文献２に優れた耐食性を有する複合磁性材料がある。これはＣｒやＳｉ，Ａｌ，Ｔｉのうち一つ以上の元素などからなるＦｅ基軟磁性合金粉末を空気中で８０℃以上の温度で熱処理することにより、粉体表層の不動態膜を強固にする方法であるが、この方法はその粉末の耐食性を向上させる方法としては良好であるが、粉末表層を酸化させるため、粉末の非磁性層の増加により、粉末の磁気特性を低下させてしまう可能性がある。また粉末表層の酸化は、粉末の流動性や磁性粉の密度を低下させてしまう可能性があり、磁性素子の粉末密度が低下し、磁気特性が低下してしまう可能性がある。

特開２００３−６８５１３号公報 特開２００３−１６０８４７号公報

一般に、Ｆｅ基合金からなる金属磁性材料粉末を用いた複合磁性材料の場合、Ｆｅの含有量が多い程、飽和磁束密度が高く、直流重畳特性が良いものの、耐食性が悪く、また固有抵抗が低いため、高周波で渦電流損失が増大する傾向にある。

従来より軟磁気特性の改善や固有抵抗の向上効果として、ＦｅにＳｉやＡｌを添加することが検討されてきた。しかし軟磁性材料として最も汎用されているＦｅ−Ｓｉ合金やＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金の粉末は、Ｆｅよりも固有抵抗は高く、軟磁気特性も良いが、耐食性は良くない。

Ｆｅ基の磁性材料にＣｒを添加することで耐食性の向上を図ることができる。しかしＣｒ添加量が少な過ぎると十分な耐食性の効果は発揮されない。Ｆｅ基合金粉末を大気中で熱処理して粉末表層に酸化被膜を形成させる方法もあるが、酸化被膜の厚くなることで磁性体としての体積が減少し、磁気特性を低下させてしまう可能性がある。また金属粉末の酸化被膜は粉末の流動性やタップ密度を低下させてしまう問題があり、圧粉磁心の密度が低下し、磁気特性が向上しない可能性がある。

圧粉磁心の場合、磁性材料粉末を結着させて磁心を成形するが、絶縁性結着剤の量が多い程、圧粉磁心の機械的強度は向上する。また粉末間の絶縁性も向上するため、粒子間の渦電流損失の抑制効果も向上する。しかし絶縁性結着剤が多いほど圧粉磁心の粉末充填率が低下してしまうため、磁性素子としての磁気特性が低下してしまう。硬度が高い粉末においては延性が得られないため、粉末間の接合は結着剤による強度となってしまうため脆くなりやすく、また圧粉磁心としても空隙が多くなるため、粉末充填率が向上せず、実効透磁率が向上しない問題がある。

この状況にあって、本発明の課題は、飽和磁束密度が高く、固有抵抗が大きく、耐食性に富み、圧粉成形性のよい、複合磁性材料とそれを用いた圧粉磁心および磁性素子を提供することにある。

従来より軟磁気特性の改善として、ＦｅにＳｉやＡｌを添加することが検討されてきた。特に交流磁気特性向上にはＳｉやＡｌの添加が効果的である。しかし、Ｓｉは添加量が多くなると塑性加工性が悪化していく。一方Ａｌは比較的その傾向が少ないものの、プレス成形性を阻害してしまう問題がある。また、それらの添加量が多すぎると飽和磁束密度が低下してしまう問題がある。飽和磁束密度の低下は直流重畳性の向上や磁性素子の小型化に不利となる。飽和磁束密度は大きいほど望ましく、磁性素子の小型化には、１Ｔ以上の飽和磁束密度を有する金属磁性材料が必要である。

Ｓｉは少量添加で軟磁気特性を向上できるほか、固有抵抗も向上させる効果がある。しかし一方で添加量の増加とともに延性が低下していく欠点がある。Ｓｉを６．５重量％添加したＦｅ基合金の固有抵抗は比較的高く、しかも磁歪λ＝０近傍にあり良好な軟磁気特性を示すものの、その一方で脆く、延性が得られないことが知られている。磁歪λ＝０近傍、結晶磁気異方性Ｋ＝０近傍であるＳｉが１０重量％、Ａｌが６重量％となる組成のセンダスト合金は、さらに軟磁気特性が良好で固有抵抗も高いことが知られている。しかし、飽和磁束密度が１Ｔ以下と低く、延性も得られない。また、いずれの合金も耐食性が良くない欠点がある。Ｆｅ基合金の耐食性の向上にはＣｒ添加が効果的である。これはＣｒを添加することでＦｅ基合金の表層に３酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）組成の不動態皮膜が生成されるためであるが、Ｃｒの添加量が少な過ぎると十分な耐食性の効果は発揮されない。Ｃｒ量が多い程、酸素を含有する大気中では不動態皮膜が安定するので、Ｃｒ量は８重量％以上、好ましくは１０重量％以上添加することで安定した耐食性が得られる。また、Ｃｒの添加はＦｅ基合金の固有抵抗も向上させる効果を持ち、延性も向上していく。しかし一方でＣｒの添加量とは逆に飽和磁束密度が低下するため、著しくＣｒを添加することは磁気特性的に良好ではなく、飽和磁束密度的には１８重量％を超えるＣｒの添加は好ましくない。

延性の悪い金属粉末は、磁心のプレス成形性が悪く、プレス成形圧が低いと粉末充填率が向上しないため、磁性素子の磁気特性が向上しない。延性のある金属磁性材料は成形性が良く、成形圧が低くても粉末充填率が高くなるため、低圧成形でも必要とする磁気特性が得られる。さらに圧粉磁心の成形時に粉末は絶縁性結着剤に覆われたまま塑性変形するため、粉末間の絶縁性が低下することなく磁心が成形される。ゆえに圧粉磁心に使用する金属磁性材料は延性のある粉末が好ましい。

高周波での渦電流損失を低減させるには、金属磁性材料の粒径を小さくすることと金属磁性材料の固有抵抗を高めることが効果的である。粒径が小さい程、渦電流損失の抑制効果が期待され、５０μｍを超えると渦電流損失が増大しやすく、また粉末形状が異形状化しやすいため、粉末密度の低下も懸念される。逆に粒径が１μｍ未満になると成形体の実効透磁率が上がらず、また粉末収率も悪くなる問題があり、金属粉末粒径は１〜５０μｍが適当である。一方、金属磁性材料の固有抵抗は高いほど渦電流損失の低減に効果的であるが、軟磁性材料としての磁気特性との兼ね合いを考えなくてはならない。

絶縁性結着剤としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などの熱硬化型樹脂材料であれば問題ない。絶縁性結着剤の混合量は金属磁性材料粉末に対して１重量％未満では金属磁性材料粉末間の結着力が弱く、１０重量％超では磁心の粉末充填率が低下し、磁性素子の磁気特性が低下してしまうため、絶縁性結着剤の混合量は金属磁性材料粉末に対して１〜１０重量％が好ましい。

また、これら熱硬化型の樹脂と金属磁性材料粉末からなる複合磁性材料粉末は、圧粉磁心の加圧成形中または加圧成形後に不活性ガス中で絶縁性結着剤を加熱硬化させることで磁性素子を製造することが望ましい。

以上をまとめて、本発明の複合磁性材料は、金属磁性材料粉末と、その金属磁性粉末に対して１重量％〜１０重量％の絶縁性結着剤とを混合してなる複合磁性材料において、前記金属磁性材料の組成は、金属磁性材料の全体に対して、８重量％≦Ｃｒ≦１８重量％、０．８重量％≦成分Ｘ≦４重量％、残部が主にＦｅからなり、前記成分ＸはＳｉ，Ａｌの内のいずれかまたは両方からなることを特徴とする。

前記金属磁性材料について、常温での飽和磁束密度が１Ｔ以上、固有抵抗が０．７μΩｍ以上であるとよい。

前記金属磁性材料は耐食性と延性を有するとよい。

前記金属磁性材料粉末の平均粒径は１〜５０μｍであるとよい。

また、本発明の圧粉磁心は前記複合磁性材料を用いてなることを特徴とする。

そして、本発明の磁性素子は表面が被覆された導線からなる空芯コイルを含むようにように前記複合磁性材料を圧粉成形してなることを特徴とする。

以上述べた通り本発明によれば、高周波でも必要とされる磁気特性が得られ、かつ渦電流損失の低減と耐食性の良い、低圧成形性が良好な複合磁性材料を提供することができ、その複合磁性材料により、耐食性の良い圧粉磁心を提供することができる。またその圧粉磁心に巻線を施すことで優れた特性の磁性素子を得ることが可能となり、さらには高周波でも有効な特性を有するマグネットワイヤーと複合磁性材料を一体成形する磁性素子を提供することが可能である。

次に本発明の実施の形態を説明する。まず、一般的な磁性素子とそれに用いる磁心について説明する。図１は圧粉磁心形状の例を示し、図１（ａ）はＥ型コアの斜視図、図１（ｂ）は円筒型あるいはトロイダルコアの斜視図、図１（ｃ）は鍔つきコアの斜視図である。図２は磁性素子の例を示し、図２（ａ）はＥＩ型コアによるインダクタンス部品を示す斜視図、図２（ｂ）は一体成形型インダクタンス部品を示す斜視図であり、２１は磁心、２２は巻線部、２３は一体成形型磁心、２４は巻線である。

本実施の形態では、始めに磁性材料の選定を行った。代表的な軟磁性材料とＦｅ−Ｃｒ合金系の磁性材料について、飽和磁束密度、固有抵抗、延性、耐食性の比較を行った。その結果を表１に示す。

そのとき、延性についてはバルク材の圧延の可否で判断した。耐食性については、各組成の板材を５％ＮａＣｌ，３５℃，２４ｈ塩水噴霧試験後の金属表面の発錆状況を確認した。確認方法は目視確認にて行い、発錆のないものを○、著しく発錆したものを×、点状に１ヶ以上発錆したものを△と判定とした。Ｃｒが添加されていないＦｅ基合金はＮｉが８０重量％前後混合するＰＣパーマロイ以外は耐食性が良くないことが分かる。ＰＣパーマロイ系組成は耐食性が良く、延性も有するものの、飽和磁束密度が１Ｔ未満、固有抵抗も０．７μΩｍ未満と低く、また高価なＮｉを８０重量％程度含有するため、成分組成的に素材コストが高価である。Ｃｒを含有するＦｅ基合金は、耐食性が良く、延性を有しており、しかも比較的高い固有抵抗を有している。

図３にＦｅおよび３重量％Ｓｉ含有のＦｅ−Ｓｉ合金におけるＣｒ成分による飽和磁束密度の変化、図４にＦｅおよび３重量％Ｓｉ含有のＦｅ−Ｓｉ合金におけるＣｒ成分による固有抵抗の変化を示す。Ｃｒ量の増加により、飽和磁束密度Ｂｓが低下していくのと固有抵抗ρが上昇していくのが分かる。また、図５にＣｒが１３重量％含有するＦｅ基合金におけるＳｉ成分またはＡｌ成分による飽和磁束密度Ｂｓの変化を示す。Ｓｉ，Ａｌは添加量１重量％までは飽和磁束密度が向上するが、１重量％を超えると飽和磁束密度は低下していくことが分かる。

軟磁性材料の代表的なものである珪素鋼板組成およびセンダスト合金組成（表１の試料Ｎｏ.２，Ｎｏ.４）と、表１にて耐食性と延性を有し、かつ常温での飽和磁束密度Ｂｓが１Ｔ以上、固有抵抗が０．７μΩｍ以上となる（材質判定○とした）成分組成の粉末を水アトマイズ法にて作製し、リング形状の圧粉磁心を作製した。各粉末の平均粒径は約１０〜１２μｍ程度の範囲に揃えた。絶縁性結着剤には熱硬化性エポキシ樹脂を用い、これら粉末に対して５重量％となる量を混合し、混練した。造粒した複合磁性粉末はその後、篩にて５００μｍ以下に整粒した。その複合磁性粉末にステアリン酸亜鉛を０．５重量％混合し、プレス金型に充填して約１０トン／ｃｍ^２で加圧成形し、外径φ１４ｍｍ、内径φ１０ｍｍ、高さ５ｍｍ程度のリングコアを成形し、不活性ガス中１５０℃で熱硬化させた。

表２はそのようにして作製したリング形状の圧粉磁心の周波数１００ｋＨｚのμ’(透磁率）と渦電流損失（渦損）の一例を示す。また圧粉磁心の耐食性を確認するため、高温高湿試験：温度８５℃、湿度８５％、２００時間後の圧粉磁心の発錆状況を確認した。確認方法は目視確認にて行い、発錆のないものを○、著しく発錆したものを×、点で１ヶ以上発錆したものを△と判定とした。複合磁性粉末としてのμ’は２０以上でかつ耐食性の良いものが望ましい。

金属磁性材料の組成が、０．８重量％≦成分Ｘ≦４重量％、８重量％≦Ｃｒ≦１８重量％、残部がＦｅからなり、成分ＸがＳｉ，Ａｌのうち少なくとも一つを含むものは、常温での飽和磁束密度が１Ｔ以上、固有抵抗が０．７μΩｍ以上の特性が得られ、延性と耐食性を有していることが分かり、その金属磁性材料粉末と絶縁性結着剤から構成する複合磁性材料粉末は成形性が良く、磁性素子の特性も良好であることが分かる。

また、図６に、試料Ｎｏ.１２の粉末による複合磁性材料と非晶質合金粉末による複合磁性材料にてプレス成形圧による圧粉磁心の占積率を示す。延性を有する金属磁性粉末の方が、粉末硬度が高く延性を有さない非晶質合金粉末よりも低圧でも粉末占積率が高く、成形性が良いことが分かる。

また、本実施の形態の複合磁性材料を用い、表面が被覆されたマグネットワイヤー（電磁石の巻線などによく用いられる被覆導線）からなる空芯コイルを含むように一体成形した図２（ｂ）のような磁性素子についても、良好なプレス成形性が得られると共に、優れた磁気特性が得られた。

圧粉磁心形状の例を示し、図１（ａ）はＥ型コアの斜視図、図１（ｂ）は円筒型あるいはトロイダルコアの斜視図、図１（ｃ）は鍔つきコアの斜視図。 磁性素子の例を示し、図２（ａ）はＥＩ型コアによるインダクタンス部品を示す斜視図、図２（ｂ）は一体成形型インダクタンス部品を示す斜視図。 Ｆｅ−３Ｓｉ合金におけるＣｒ成分による飽和磁束密度の変化を示す図。 Ｆｅ−３Ｓｉ合金におけるＣｒ成分による固有抵抗の変化を示す図。 Ｆｅ−１３Ｃｒ合金におけるＳｉ成分およびＡｌ成分による飽和磁束密度の変化を示す図。 本発明の複合磁性材料と非晶質合金粉末からなる複合磁性材料のプレス成形圧による圧粉磁心の占積率の変化を示す図。

符号の説明

２１ 磁心
２２ 巻線部
２３ 一体成形型磁心
２４ 巻線

Claims (6)

1. 金属磁性材料粉末と、前記金属磁性粉末に対して１重量％〜１０重量％の絶縁性結着剤とを混合してなる複合磁性材料において、前記金属磁性材料の組成は、金属磁性材料の全体に対して、８重量％≦Ｃｒ≦１８重量％、０．８重量％≦成分Ｘ≦４重量％、残部が主にＦｅからなり、前記成分ＸはＳｉ，Ａｌの内のいずれかまたは両方からなることを特徴とする複合磁性材料。
2. 前記金属磁性材料について、常温での飽和磁束密度が１Ｔ以上、固有抵抗が０．７μΩｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の複合磁性材料。
3. 前記金属磁性材料は耐食性と延性を有することを特徴とする請求項１または２記載の複合磁性材料。
4. 前記金属磁性材料粉末の平均粒径は１〜５０μｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の複合磁性材料。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の複合磁性材料を用いてなることを特徴とする圧粉磁心。
6. 表面が被覆された導線からなる空芯コイルを含むように請求項１から５のいずれか１項に記載の複合磁性材料を圧粉成形してなることを特徴とする磁性素子。

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