JP2009105170A

JP2009105170A - 複合磁性材料およびそれを用いた圧粉磁心およびインダクタ

Info

Publication number: JP2009105170A
Application number: JP2007274542A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Konno; 陽介今野; Tadao Katahira; 忠夫片平
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2009-05-14

Abstract

【課題】圧粉磁心のコアロスを低減し得る複合磁性材料並びにこれを用いた圧粉磁心およびインダクタを提供する。
【解決手段】熱硬化性高分子を含む樹脂に可塑剤または滑剤を添加した結合材を用いることで、軟磁性合金粉末に加わる歪を低減し、透磁率及びコアロスを改善する。
【選択図】なし

Description

本発明は、軟磁性合金粉末と結合材を混合してなる複合磁性材料と、これを圧縮成形して作製された圧粉磁心、及び前記圧粉磁心の周囲に巻線を施すか、磁心内部にコイルを封入することで作製されるインダクタに関するものである。

近年のＣＯ₂排出量削減の動きに関わる電気機器等の省エネルギー化に応じて、省電力化のため、パソコンに使用する電子部品の低電圧化が図られてきた。しかし、一方では、多機能化により回路内を流れる電流は増加するという、相反する傾向が生じている。また、機器全体が小型化される傾向にあるため、回路内部に使用される電子部品の一つ一つも小型化されてきている。電源ユニットについても例外ではなく、電源部品の小型化・低損失化が求められている。

電源内の回路には、電源電圧を平滑化するため、インダクタが使用されている。このインダクタについても同様に、小型化、低損失化及び回路内を流れる電流の大電流化への対応が求められている。

インダクタは通常、純鉄、珪素鋼、非晶質合金、ナノ結晶合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金などの軟磁性金属またはフェライトにより作製された磁心の内部、もしくは外部にコイルを配置した構造をとる。磁心の種類も幾つかあり、軟磁性金属薄帯を積層させた積層磁心や巻いて作製する巻磁心、軟磁性金属粉末を樹脂と混合・成形した圧粉磁心、フェライトの焼結体からなるフェライト磁心などが知られている。

インダクタを小型化・低損失化し、かつ大電流対応させるには、透磁率、飽和磁束密度などの磁気特性を高くする必要がある。この観点から、使用する材料について考えると、フェライトよりも飽和磁束密度の大きい金属材料を使用することで、大電流下においても高透磁率を維持することができ、部品の小型化も可能である。

また、インダクタで生じる損失の低減について考える際、磁心自体で生じる損失、いわゆるコアロスの低減が重要となる。コアロスは、ヒステリシス損失と渦電流損失及び残留損失の和として表される。しかし、金属材料は電気抵抗が小さいため、渦電流が発生し易く、渦電流損失が大きくなる。この渦電流損失は周波数の２乗に比例して増加するため、金属材料で作製したインダクタを高周波下において使用することは困難である。しかし、金属粉末同士を樹脂によって絶縁する圧粉磁心では、渦電流が磁心全体に流れることを抑制できるため、渦電流損失は低減され、高周波下においても使用できるようになる。

圧粉磁心は上述した通り、軟磁性金属粉末を樹脂と混合・成形することで作製される。金属粉末表面を樹脂によって被覆することで、粉末粒子間が電気的に絶縁され、渦電流損失が抑制されるだけでなく、磁気的に飽和しにくくなるため、大電流・高周波下における磁気特性の維持が可能となる。また、粉末を金型に充填・圧縮成形することで作製するため、形状自由度が高く、様々な形状付与ができるという点から、磁心設計の際に有利である。

圧粉磁心に使用される樹脂としては、エポキシ樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂が一般的である。これらの樹脂は、金属粉末表面を覆うことで、圧縮成形の際には接着剤としての役割を果たし、更に加熱硬化することによって磁心に強度も付与する。樹脂量を多くすると磁心の強度が大きくなり、また絶縁層が増加するため、電気抵抗は大きくなる。しかし、磁心中における磁性粉末の割合が少なくなるため、結果的に磁束密度の低下を招いてしまう。

インダクタとしての特性を向上させるための手段の一つとして、磁心の密度を大きくすることで、飽和磁束密度を向上させることが有効である。しかし、圧粉磁心においては、粉末と樹脂の混和物を圧縮成形して作製するため、粉末粒子間に空隙が生じてしまう。

前記のような圧粉磁心内部の空隙率を減少させる方法として、特許文献１には、スペーシング材を使用する技術が開示されている。しかし、本文献には、スペーシング材として種々の材料が開示されているものの、結合材に起因する特性低下の抑制方法については、十分な開示がなされていない。

特開平１１−２３８６１３号公報

磁性粉末に歪が加わるとヒステリシス損失が大きくなり、コアロスが増加する。このような歪は、通常は熱処理により除去が可能だが、圧粉磁心では有機物である樹脂が耐熱性に乏しいため、熱処理温度が樹脂に依存してしまい、除去できる歪量にも限界が生じる。そこで、磁性粉末に加わる歪量を低減するような圧粉磁心の作製プロセス開発が必要である。

そこで、本発明は、圧粉磁心のコアロスを低減し得る複合磁性材料およびこれを用いた圧粉磁心およびインダクタを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では使用する結合材について検討を試みた結果、熱硬化性高分子を含む樹脂、好ましくは、フェノール樹脂もしくはキシレン樹脂に、可塑剤もしくは滑剤を添加したものが、軟磁性合金粉末の結合材として効果的であることを見出した。

即ち、本発明は、軟磁性合金粉末と熱硬化性高分子を含む樹脂との混和物である複合磁性材料と、これを成形してなる圧粉磁心において、特に、前記熱硬化性高分子にフェノール樹脂もしくはキシレン樹脂を使用し、更に可塑剤もしくは滑剤を添加したものを結合材として使用し、磁性粉末に加わる歪を低減させることでヒステリシス損失を小さくし、圧粉磁心のコアロスを低減するよう構成する。

本発明によれば、軟磁性合金粉末と結合材を含む複合磁性材料において、前記結合材は、可塑剤及び滑剤の少なくともいずれかと、熱硬化性高分子を含むことを特徴とする複合磁性材料が得られる。

本発明によれば、前記軟磁性合金粉末が、非晶質軟磁性合金粉末を含むことを特徴とする、複合磁性材料が得られる。

本発明によれば、前記熱硬化性高分子は、フェノール樹脂またはキシレン樹脂を含むことを特徴とする複合磁性材料が得られる。

なお、レゾール型のキシレン樹脂を含むフェノール樹脂もしくはキシレン樹脂がよりこのましい。

本発明によれば、前記可塑剤は、フタル酸エステル、トリメリット酸エステルの少なくともいずれかを含むことを特徴とする複合磁性材料が得られる。

本発明によれば、前記滑剤は、高級脂肪酸、高級アルコール、金属石鹸、脂肪酸アミド及びそれらの誘導体から選ばれるすくなくとも１種を含むことを特徴とする複合磁性材料が得られる。

本発明によれば、前記混和物の軟磁性合金粉末の含有量は、質量比で９４%以上、９９%以下であることを特徴とする複合磁性材料が得られる。

本発明によれば、前記複合磁性材料を圧縮成形してなることを特徴とする圧粉磁心が得られる。

本発明によれば、前記圧粉磁心の近傍、すなわち、圧粉磁心の内部または外部の少なくともいずれか一方に、１ターン以上の巻線を配置してなることを特徴とするインダクタが得られる。

前記結合材を軟磁性合金粉末と混合した複合磁性材料を使用することで、圧縮成形時に軟磁性合金粉末に加わる歪を軽減し、透磁率の向上及び低損失化を実現した圧粉磁心の提供が可能となった。

また、前記圧粉磁心に巻線を施すことで、低損失で良好な重畳特性を有するインダクタの提供が可能となった。

本発明によるインダクタを作製する工程は、樹脂及び前記可塑剤または滑剤からなる添加剤を有する結合材と、一般的に圧粉磁心に用いられる軟磁性合金粉末とを混合して混和物たる複合磁性材料を得る混合工程、前記混和物を乾燥し、篩を通すことで適当な粒度を有する顆粒からなる原料粉末を得る造粒工程、原料粉末を金型に充填して圧縮成形して磁心を得る、もしくは金型にコイルを配置して原料粉末と一体成形する成形工程に大別される。

前記混合工程では、軟磁性合金粉末表面に均一に前記結合材を被覆し、更に可塑剤や滑剤といった添加剤を全体に均一に分散させる必要がある。まず、結合材に対してエチルアルコールやメチルアルコールなどの適当な有機溶媒を添加することで液状にする。これを混合機に投入した軟磁性合金粉末に対して添加し、更に適当な量の可塑剤もしくは滑剤を入れてから、均一になるまで混合機内で攪拌することで、混和物を得る。

造粒工程においては、前記混合工程で得た混和物を乾燥させた後に粉砕し、適当な目開きの篩を通すことで原料粉末を得る。

成形工程では、適当な形状の金型に対して原料粉末を注入することで磁心を作製する。もしくは、原料粉末を金型内に配置されたコイルと共に圧縮成形して、コイルを磁心内部に配置した構造のインダクタを得ることが出来る。

以下、実施例を用いて、詳述する。

（実施例１）
本発明を実施するに当たり、結合材に用いる樹脂としてレゾール型キシレン樹脂を使用した。また、軟磁性合金粉末には、平均粒径１５μｍのＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ系非晶質軟磁性合金粉末を使用した。

本発明の軟磁性合金粉末の含有量は、質量比で９４％以上９９％以下となるように調製する。これは、９４％未満では所要の磁気特性が得られず、９９％を超える領域では結合材の量が少ないために成形体の強度が確保できず、製造工程及び使用時において支障が生じるからである。本実施例では、９５％に調製したものを用いた。

使用する添加剤としては、可塑剤にはフタル酸エステルを含むフタル酸ジオクチルを、滑剤にはステアリン酸アミドを使用した。

前記結合材の重量に対して５重量％及び１０重量％の可塑剤を前記造粒工程の際に添加することで原料粉末を作製した。得られた原料粉末を金型に充填して７３５ＭＰａおよび９８０ＭＰａの圧力で圧縮成形することで、外径１４ｍｍ、内径８ｍｍ、高さ５ｍｍのトロイダルコアを作製し、磁気測定用の試料とした。上記可塑剤を添加した試料を本発明例１とする。

また、結合材の重量の５重量％の滑剤を造粒工程の際に添加し、混合することで得られた原料粉末を使用して、前記と同様の方法で圧縮成形し作製したトロイダルコアについても、磁気測定用の試料とした。上記滑剤を添加した試料を本発明例２とする。また、レゾール型キシレン樹脂のみを結合材として使用し、添加剤を使用していない試料についても同様に作製し、これを比較例１とした。

作製したトロイダルコアを恒温槽に挿入して、１５０℃で３０分保持することで、結合材の硬化を行った。その後、圧縮成形時に軟磁性合金粉末に加わった歪を除去するため、Ａｒ雰囲気にした炉内において、３５０℃で３０分間の熱処理を施した。熱処理後の試料表面に絶縁テープを巻きつけた後、所定回数の巻線を施し、μ'−ｆ特性及びコアロス特性を評価した。

図１は、本発明例１の可塑剤添加量に対する透磁率およびコアロスの変化を示す図で、図１（ａ）は、周波数が１ＭＨｚ時の透磁率μ'の変化を示し、図１（ｂ）は、コアロス（Ｐｃｖ）の変化を示す図である。

図２は、本発明例２の滑剤添加量に対する透磁率およびコアロスの変化を示す図で、図２（ａ）は、周波数が１ＭＨｚ時の透磁率μ'の変化を示し、図２（ｂ）は、コアロス（Ｐｃｖ）の変化を示す図である。

これらの評価結果から、可塑剤及び滑剤の添加によってμ'は増加し、コアロスは減少する傾向を示すことが明らかである。圧粉磁心におけるこれらの磁気特性は、磁心の密度と圧粉磁心作製プロセスにおいて軟磁性合金粉末に対して加わる歪量に大きく影響を受ける。

可塑剤は一般に、樹脂に添加することによって樹脂に柔軟性を付与し、成形性を向上する効果がある。また、滑剤は粉末に添加することで粉末粒子間に働く摩擦力を低減させ、粉末の流動性を向上させる。粒子間の滑りが良くなることから、可塑剤同様に成形性を向上させる効果がある。これらの添加剤の効果により成形性が向上することで、圧縮成形時に軟磁性合金粉末に加わる応力が緩和されることが、コアロスの低減及びμ'の増加に関わるものと考えられる。

図３は、本発明例１と比較例１の試料のコアロスを、ヒステリシス損失Ｐｈとそれ以外の損失（渦電流損失と残留損失）Ｐｃｖ−Ｐｈに分解した結果を示す図である。

これより、双方の、それ以外の損失（渦電流損失と残留損失）Ｐｃｖ−Ｐｈは、ほぼ同じであるが、本発明例１から得られたヒステリシス損失Ｐｈは、比較例１のものと比較して小さいことがわかる。つまり、比較例1におけるコアロスの低減は、主にヒステリシス損失が低下したことに起因することが考えられる。このヒステリシス損失を低減させるためのアプローチとして、熱処理による軟磁性合金粉末に残留している歪の除去が行われているが、本実施例のように可塑剤や滑剤を添加することで成形時に加わる歪を抑制することは、特に歪取熱処理温度を高くできない圧粉磁心においては有効な手段であるといえる。

また、結合材としてフェノール樹脂を使用した場合や、本実施例で示した以外の公知のフタル酸エステル、トリメット酸エステルを含む可塑剤、及び本実施例で示した以外の公知の高級脂肪酸、高級アルコール、金属石鹸、脂肪酸アミドおよびそれらの誘導体から選ばれる滑剤を使用した場合でも、各々同様の効果が得られることを確認した。

（実施例２）
次に、本発明の圧粉磁心をインダクタに応用した例について説明する。

図４は、本発明のインダクタの模式図で、図４（ａ）は圧粉磁心内部を透視図、図４（ｂ）は外観模式図である。

インダクタ１は、圧粉磁心３の内部に巻線２を配し、巻線端末４を引き出し、巻線端末４にフォーミング加工を施して表面実装端子５を形成している。

レゾール型キシレン樹脂を結合材とし、添加剤として可塑剤を樹脂重量の１０重量％添加した原料から得た圧粉磁心を用いたインダクタを本発明例３、結合材としてキシレン樹脂のみを使用して作製した圧粉磁心を用いたインダクタを比較例２、エポキシ樹脂を使用して作製した圧粉磁心を用いたインダクタを比較例３、及びフェノール樹脂を結合材として使用して作製した圧粉磁心を用いたインダクタを比較例４とする。

なお、エポキシ樹脂はビスフェノールＡ型の主剤とノボラック型フェノール樹脂の硬化剤から作製し、溶媒にはメチルエチルケトンを使用した。

また、巻線２は、断面が２ｍｍ×０．３ｍｍの寸法で、表面にポリアミドイミドの絶縁を施した平角導体をエッジワイズ巻きにしたもので、３．５ターンの巻き返し回数を有するものを用いて、図４に示した構造のインダクタを得た。インダクタ１の圧粉磁心３部分の外寸は、縦横が１０ｍｍ、厚さ５ｍｍとした。

インダクタの製造工程は、金型内部の所定位置に巻線２をあらかじめ設置した金型に原料粉末を所定量だけ投入し、７３５ＭＰａの圧力で圧縮成形を行った。成形後、実施例１と同様に結合材の硬化及び歪取熱処理を施した。

次に、圧粉磁心の外側に露出した巻線端末４にフォーミング加工を施して表面実装端子５を形成した。

図５は、本発明例および比較例によるインダクタの直流重畳特性を示す図である。直流重畳特性の測定は周波数１００ｋＨｚで行った。

図５に示した様に、本発明例３の直流重畳特性は、比較例２〜４の全てより、良好な特性を示した。電流値の増加に伴ってインダクタンス値は低下するものの、特にエポキシ樹脂、フェノール樹脂を結合材として使用した比較例３、比較例４と比べると十分大きいインダクタンス値を維持していた。

本発明例１の可塑剤添加量に対する透磁率およびコアロスの変化を示す図、図１（ａ）は、周波数が１ＭＨｚ時の透磁率μ'の変化を示し、図１（ｂ）は、コアロス（Ｐｃｖ）の変化を示す図。本発明例２の滑剤添加量に対する透磁率およびコアロスの変化を示す図、図２（ａ）は、周波数が１ＭＨｚ時の透磁率μ'の変化を示し、図２（ｂ）は、コアロス（Ｐｃｖ）の変化を示す図。本発明例１と比較例１の試料のコアロスを、ヒステリシス損失Ｐｈとそれ以外の損失（渦電流損失と残留損失）Ｐｃｖ−Ｐｈに分解した結果を示す図。本発明のインダクタの模式図で、図４（ａ）は圧粉磁心内部を透視図、図４（ｂ）は外観模式図。本発明例および比較例によるインダクタの直流重畳特性を示す図。

符号の説明

１インダクタ
２巻線
３圧粉磁心
４巻線端末
５表面実装端子

Claims

軟磁性合金粉末と結合材を含む複合磁性材料において、前記結合材は、可塑剤及び滑剤の少なくともいずれかと、熱硬化性高分子を含むことを特徴とする、複合磁性材料。
前記軟磁性合金粉末は非晶質軟磁性合金粉末を含むことを特徴とする、請求項１に記載の複合磁性材料。
前記熱硬化性高分子は、フェノール樹脂またはキシレン樹脂を含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の複合磁性材料。
前記可塑剤は、フタル酸エステル、トリメリット酸エステルの少なくともいずれかを含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の複合磁性材料。
前記滑剤は、高級脂肪酸、高級アルコール、金属石鹸、脂肪酸アミド及びそれらの誘導体から選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の複合磁性材料。
前記混和物の軟磁性合金粉末の含有量は、質量比で９４％以上９９％以下であることを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の複合磁性材料。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の複合磁性材料を圧縮成形してなることを特徴とする圧粉磁心。
請求項７に記載の圧粉磁心に巻線を配置してなることを特徴とするインダクタ。