JP2007042931A

JP2007042931A - 線輪部品およびその製造方法

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Publication number: JP2007042931A
Application number: JP2005226638A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Kawakazu; 拓央川和; Eikichi Yoshida; 栄吉吉田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-02-15

Abstract

【課題】損失を低減しつつ成形性も良い、密度が良好な、高周波帯域における軟磁気特性が良い、圧粉磁芯を用いた線輪部品およびその製造方法を得る。
【解決手段】軟磁性体粉末を圧粉、固化してなる高周波用圧粉磁芯に、巻線を設けてなる線輪部品において、前記軟磁性体粉末は、長軸と短軸の比で与えられるアスペクト比が１．０以上から４．０以下の範囲である軟磁性体粉末であり、前記高周波用圧粉磁芯は、前記軟磁性体粉末の結晶磁気異方性や、磁気弾性効果による異方性、および形状によってもたらされる形状磁気異方性のベクトル和に由来して現れる磁気異方性を有し、前記軟磁性体粉末の磁化容易軸の方向が、前記高周波用圧粉磁芯に設けられた巻線に流れる電流によってもたらされる磁界に対して直交する線輪部品とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気異方性を持つ高周波用圧粉磁芯を用いた線輪部品に関し、特に高周波帯域用として好適な線輪部品とその製造方法に関する。

近年、電気機器の省エネルギー化、高効率化および小型化等が求められており、そのため、電気機器の動作周波数を高周波化することが行われている。このため、ノイズフィルター、チョークコイル等の磁芯に用いられる磁性材料には優れた高周波軟磁気特性が要求される。

スイッチング電源の動作周波数の高周波化は、各素子でのヒステリシス損や渦電流損からなる鉄損の増大を引き起こす。それは、ヒステリシス損は周波数に比例し、渦電流損は周波数の２乗に比例して増大するからである。したがって、高周波帯域での電磁気部品には低鉄損のものが望まれる。

現在、高周波帯域において優れた特性をもつフェライトは、金属材料に比較し飽和磁束密度が低く、割れやすいという特性のため、小型化の要求に十分な対応が出来ていない。一方、飽和磁束密度が高い珪素鋼板などの金属材料は、小型化が図れるものの高周波帯域での損失が大きい。このため、珪素鋼板では、薄手化などの対策を施しているものの高周波磁気特性が良いとは言えない。

一方、鉄やニッケルおよびコバルトを主成分とする軟磁性体粉末を用いた圧粉磁芯は、フェライトよりも高磁束密度であり、小型化のニーズに対応できる磁芯として開発が進んでいる。この圧粉磁芯においては、鉄損の低減を図るため、軟磁性体粉末個々の絶縁を強化するための絶縁物の添加や軟磁性体粉末の微粉化などの方法が取られていた。しかし、この方法では、圧粉磁芯における軟磁性体粉末の占有率が低下し、透磁率の低下が懸念されていた。

このような問題を解決するため、特許文献１に記載されているように、扁平粉を用いて長軸が磁芯のリングの径方向を向くように配向させて、ヒステリシス損失を抑えた圧粉磁芯が提案されている。しかしながら、この方法では反磁界係数が高くなり、高周波軟磁気特性が向上するものの、扁平粉のみで構成されるために圧粉磁芯としての密度が上がらず、成形性が良くないという問題を抱えている。

特開平８−１６７５１８号報

本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、損失を低減しつつ成形性も良い、密度が良好な、高周波帯域における軟磁気特性が良い、圧粉磁芯を用いた線輪部品およびその製造方法を提供することにある。

上記の低損失で高周波における軟磁気特性が良い圧粉磁芯を実現するために、本発明では、鉄やニッケルおよびコバルトを主成分としてなる軟磁性体粉末を、磁場中プレスにより粉末の磁化容易軸の方向を導体に流れる電流によってもたらされる磁束に対して直交するように配向させた状態で圧粉成型してなる圧粉磁芯によって達成される。

即ち、本発明は、軟磁性体粉末を圧粉、固化してなる高周波用圧粉磁芯に、巻線を設けてなる線輪部品において、前記軟磁性体粉末は、長軸と短軸の比で与えられるアスペクト比が１．０以上から４．０以下の範囲である軟磁性体粉末であり、前記軟磁性体粉末の長軸方向が、前記高周波用圧粉磁芯に設けられた巻線に流れる電流によってもたらされる磁界の方向に対して直交するように配向された線輪部品である。

また、本発明は、前記軟磁性体粉末を、鉄、ニッケルまたはコバルトを主成分とする磁性材料か、あるいは鉄系のアモルファス材料、あるいはコバルト系のアモルファス材料とする線輪部品である。

また、本発明は、前記高周波用圧粉磁芯が、前記軟磁性体粉末の形状によってもたらされる形状磁気異方性と、前記軟磁性体粉末の結晶磁気異方性と、前記軟磁性体粉末の磁気弾性効果による磁気異方性とのベクトル和に起因する、磁気異方性を有する線輪部品である。

また、本発明は、軟磁性体粉末と巻線とを、同時に圧粉、固化してなる線輪部品において、前記軟磁性体粉末は、長軸と短軸の比で与えられるアスペクト比が１．０以上から４．０以下の範囲である軟磁性体粉末であり、前記軟磁性体粉末の長軸方向が、前記線輪部品に設けられた前記巻線に流れる電流によってもたらされる磁界の方向に対して直交するように配向されてなる線輪部品である。

また、本発明は、軟磁性体粉末を圧粉、固化して高周波用圧粉磁芯を形成し、前記高周波用圧粉磁芯に、巻線を設けてなる線輪部品の製造方法において、前記軟磁性体粉末を、アスペクト比が１．０以上から４．０以下の範囲である軟磁性体粉末とし、前記高周波用圧粉磁芯を、軟磁性体粉末の長軸方向が巻線による磁界の方向と略直交するように外部磁界中にて成形する線輪部品の製造方法である。

また、本発明は、軟磁性体粉末と、巻線とを、同時に圧粉、固化してなる線輪部品の製造方法において、前記軟磁性体粉末を、アスペクト比が１．０以上から４．０以下の範囲である軟磁性体粉末とし、前記線輪部品を、軟磁性体粉末の長手方向が、巻線による磁界と、略直交するように、外部磁界中にて成形する線輪部品の製造方法である。

このように、磁場中プレスによって配向された軟磁性体粉末の長軸方向が、巻線に流れる電流によってもたらされる磁界の方向に対して直交する方向に配向させた状態で圧粉成型することより、成形性と密度を損なわずに損失が低減でき、また、高周波帯域での磁気特性の改善が得られる。

本発明によれば、磁場中プレスにより、磁気異方性を持つ軟磁性体粉末の長軸方向が巻線に流れる電流によってもたらされる磁界方向に対して直交する方向に配列できるため、磁化困難軸励振により磁気共鳴周波数が高周波側に伸び、より高周波帯での使用が可能となる。また、保磁力が低減するため、ヒステリシス損失が低減するので損失の小さい線輪部品が得られる。

また、本発明によれば、軟磁性体粉末の扁平化という工程を加えなくとも、磁場をかけながらプレスすることによって、製造上がりの軟磁性体粉末が元々持っている結晶磁気異方性や、磁気弾性効果による磁気異方性、および形状によってもたらされる形状磁気異方性による磁気異方性を利用し、高周波域での磁気特性の改善が得られる。

以上、本発明によれば、損失を低減しつつ成形性も良い、密度が良好な、高周波帯域における軟磁気特性が良い、線輪部品およびその製造方法を提供することができる。

本発明による線輪部品およびその製造方法について説明する。

本発明の線輪部品は、軟磁性体粉末を圧粉、固化してなる高周波用圧粉磁芯に、巻線を設けてなる線輪部品であって、前記軟磁性体粉末は、アスペクト比が１．０以上から４．０以下の範囲である軟磁性体粉末であり、前記軟磁性体粉末の長軸の方向が、前記高周波用圧粉磁芯に設けられた巻線に流れる電流によってもたらされる磁界の方向に対して直交するように配向された線輪部品である。

ここで、前記軟磁性体粉末は、鉄、ニッケルまたはコバルトを主成分とする磁性材料であるか、あるいは、鉄系のアモルファス材料、あるいはコバルト系のアモルファス材料である。

更に、前記高周波用圧粉磁芯は、前記軟磁性体粉末の形状によってもたらされる形状磁気異方性と、前記軟磁性体粉末の結晶磁気異方性と、前記軟磁性体粉末の磁気弾性効果による磁気異方性とのベクトル和に起因する、磁気異方性を有している。

また、他の例として、本発明の線輪部品は、軟磁性体粉末と、巻線とを、同時に圧粉、固化してなる線輪部品であって、前記軟磁性体粉末は、アスペクト比が１．０以上から４．０以下の範囲である軟磁性体粉末であり、前記線輪部品は、前記軟磁性体粉末の長軸の方向が、前記巻線に流れる電流によってもたらされる磁界に対して直交するように配向されてなることを特徴とする線輪部品である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による線輪部品の説明図である。図１に示すように、磁場中プレスによって軟磁性体粉末の長軸方向２が圧粉磁芯１内の巻線４１による磁界の方向３と直交している。巻線４１は、圧粉磁芯１がリング型であり、このリング型の形状に巻線４１がトロイダルに巻かれているので、巻線４１による磁界の方向３は、リング型の円方向となる。引用文献１では、軟磁性体粉末は偏平形状であり、長軸方向が磁界の方向と直交する方向だけでなく、平行な方向も向いており、本発明とは異なっている。

ここで、軟磁性体粉末のアスペクト比は、１．５とし、材質は、鉄とした。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２による線輪部品の説明図である。図２では、磁場中プレスによって配向された圧粉磁芯１の軟磁性体粉末の長軸方向２が巻線４２に流れる電流によってもたらされる磁界の方向３に対して直交している様子が分かる。ここで、圧粉磁芯１は板状であり、厚み方向に磁場を印加することで、軟磁性体粉末の長軸方向２は圧粉磁芯１の厚み方向と一様にそろっている。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３による線輪部品の説明図である。図３に示すように、磁場中プレスにより軟磁性体粉末と巻線を一体成型して作製した形状である。図３において、磁場中プレスによって配向された粉末の磁化容易軸の方向が、導体コイルに流れる電流によってもたらされる磁束方向に対して大部分が直交している様子が分かる。このように磁性体内の磁路の方向が一方向ではなく複雑になっている場合は、軟磁性体粉末の長軸方向は磁気回路での主要な磁路と直交するように配向して作製する。

本発明によれば、圧粉磁芯を磁場中プレスにより形成し、磁気異方性を持つ軟磁性体粉末の長軸の方向が巻線に流れる電流によってもたらされる磁界方向に対して直交する方向に配列できる。これによって、磁化困難軸励振が行われ、磁気共鳴周波数が高周波側に伸び、より高周波帯での使用が可能となる。また、保磁力が低減するため、ヒステリシス損失が低減するので損失の小さい線輪部品が得られる。

このように、本発明の線輪部品は、軟磁性体粉末の扁平化という工程を加えなくとも、磁場をかけながらプレスすることによって、製造上がりの軟磁性体粉末が元々持っている結晶磁気異方性や、磁気弾性効果による異方性、および等方性の形状でないことによってもたらされる磁気異方性を利用し、高周波領域まで高い透磁率を保持できる。

一般的な軟磁性体粉末のアスペクト比分布を測定するために、水アトマイズ法で作製した平均粒径が約１００μｍの鉄を主成分とする軟磁性体粉末を磁場配向させ、粉末の磁化容易軸が一方向を向くようにしてから粉末の形状が著しく変わらない程度に１ｔｏｎ／ｃｍ² （９８ＭＰａ）でプレスした。その後、樹脂埋め込みをし、その断面写真から粉末の長軸と短軸を実測することでアスペクト比を測定した。

図４は、水アトマイズ法により作製された軟磁性体粉末のアスペクト比の存在率を示すグラフである。図４に示すように、この軟磁性体粉末はアスペクト比が１．５をピークに分布しており、この測定では最大で３．５のアスペクト比を持つ粉末が存在した。このことから、一般に、偏平形状、針状等に分類されずに不定形状といわれる粉末にも長軸と短軸が定義でき、その比率の最大値は４程度であることが分かった。

次に、本発明の磁場中プレスによる製法にて作製した磁芯と、磁場をかけずに従来通りの製法で作製した磁芯のヒステリシス損失の周波数特性を比較するため、それぞれ試料を作製した。材料はそれぞれ鉄を主成分とする同一軟磁性体粉末を用い、絶縁用樹脂を混合することにより粉末の絶縁処理を行った。

上記絶縁後、一方は磁場中にて圧粉成型し、粉末の磁化容易軸の方向が径方向に配向するように作製（実施例）し、また一方は磁場をかけずに圧粉成型した（従来品）。プレス圧力は双方とも５ｔｏｎ／ｃｍ²（４９０ＭＰａ）で行った。その後、この磁芯を樹脂の耐熱限界以下である５００℃にて歪み取り焼鈍を行い、得られた磁芯に巻線を施して磁気特性を調べた。

図５は、本発明の線輪部品と従来の線輪部品とのヒステリシス損失の周波数依存性を示すグラフである。図５に示すように、本発明の実施例における線輪部品は従来の製法による線輪部品に比べてヒステリシス損失が低いことが分かる。このことは、本発明の実施例に示すように、偏平形状、針状等に分類されずに不定形状といわれるような軟磁性体粉末でも、磁場中プレスによる配向によって損失が低減でき、また、高周波帯域での軟磁気特性の改善が得られることを示している。

本発明の実施の形態１による線輪部品の説明図。本発明の実施の形態２による線輪部品の説明図。本発明の実施の形態３による線輪部品の説明図水アトマイズ法により作製された軟磁性体粉末のアスペクト比の存在率を示すグラフ。本発明の線輪部品と従来の線輪部品とのヒステリシス損失の周波数依存性を示すグラフ。

符号の説明

１圧粉磁芯
２軟磁性体粉末の長軸の方向
３（巻線による）磁界の方向
４１，４２，４３巻線
５１巻線の引き出し線

Claims

軟磁性体粉末を圧粉、固化してなる高周波用圧粉磁芯と巻線とで構成される線輪部品において、前記軟磁性体粉末は、アスペクト比が１．０以上から４．０以下の範囲の軟磁性体粉末であり、前記軟磁性体粉末の長軸方向が、前記高周波用圧粉磁芯に設けられた巻線に流れる電流によってもたらされる磁界に対して直交するように配向されてなることを特徴とする線輪部品。
前記軟磁性体粉末は、鉄、ニッケルまたはコバルトを主成分とする磁性材料であることを特徴とする請求項１に記載の線輪部品。
前記高周波用圧粉磁芯は、前記軟磁性体粉末の形状によってもたらされる形状磁気異方性と、前記軟磁性体粉末の結晶磁気異方性と、前記軟磁性体粉末の磁気弾性効果による磁気異方性とのベクトル和に起因する、磁気異方性を有することを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の線輪部品。
軟磁性体粉末と巻線とを同時に圧粉、固化してなる線輪部品において、前記軟磁性体粉末は、アスペクト比が１．０以上から４．０以下の範囲である軟磁性体粉末であり、前記軟磁性体粉末の長軸方向が、前記線輪部品に設けられた前記巻線に流れる電流によってもたらされる磁界に対して直交するように配向されてなることを特徴とする線輪部品。
前記軟磁性体粉末は、鉄、ニッケルまたはコバルトを主成分とする磁性材料であることを特徴とする請求項４に記載の線輪部品。
前記高周波用圧粉磁芯は、前記軟磁性体粉末の形状によってもたらされる形状磁気異方性と、前記軟磁性体粉末の結晶磁気異方性と、前記軟磁性体粉末の磁気弾性効果による磁気異方性とのベクトル和に起因する、磁気異方性を有することを特徴とする請求項４または５のいずれか１項に記載の線輪部品。
軟磁性体粉末を圧粉、固化して高周波用圧粉磁芯を形成し、前記高周波用圧粉磁芯に巻線を設けてなる線輪部品の製造方法において、前記軟磁性体粉末を、アスペクト比が１．０以上から４．０以下の範囲である軟磁性体粉末とし、前記高周波用圧粉磁芯を、軟磁性体粉末の長軸方向が、巻線による磁界と略直交するように外部磁界中にて成形することを特徴とする線輪部品の製造方法。
軟磁性体粉末と巻線とを、同時に圧粉、固化してなる線輪部品の製造方法において、前記軟磁性体粉末を、アスペクト比が１．０以上から４．０以下の範囲である軟磁性体粉末とし、前記線輪部品を、軟磁性体粉末の長軸方向が、巻線による磁界と、略直交するように外部磁界中にて成形することを特徴とする線輪部品の製造方法。