JP2010027871A - 圧粉磁心及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アクリル系樹脂などの有機絶縁剤が焼鈍時にできた空隙を塞ぐように絶縁層を形成することにより、低損失な圧粉磁心とその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ−Ｃ系のＦｅ系非晶質軟磁性合金粉末と、軟化点が前記非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度より低いガラス粉末と、結着性樹脂を混合する。これらの混合物を加圧成形して成形体を作製する。その成形体を前記非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度より低い温度で焼鈍処理する。この焼鈍処理した成形体を、有機絶縁剤で真空含浸処理し、有機絶縁剤により焼鈍時にできた空隙を塞ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源等に用いられる平滑用チョークコイル等の磁心とその製造方法に関する。

各種電子機器の高性能化及び多機能化に伴い大電流化が進み、それに使用されるチョークコイル等の磁心に用いられる軟磁性材料においては、大電流でも特性変化が小さい特性、すなわち、優れた直流重畳特性と低損失が求められている。

高周波で用いられるチョークコイルとして、フェライト磁心や圧粉磁心が使用されている。これらの中で、フェライト磁心は飽和磁束密度が小さいという欠点を有している。これに対して、金属合金粉末を成形して作製される圧粉磁心は、軟磁性フェライトに比べて高い飽和磁束密度を持つため、直流重畳特性に優れている。

この金属合金粉末として、珪素とアルミと鉄の合金であるセンダスト、ニッケルと鉄の合金であるパーマロイ、珪素と鉄の合金である珪素鋼等が用いられている。また、より低損失な合金として、非晶質軟磁性合金であるアモルファス合金を使用することが検討されている。

非晶質軟磁性合金を用いて圧粉磁心を作製するためには、非晶質軟磁性合金粉末を低融点ガラスと有機バインダーなどと混合して高圧で圧縮成形した後、熱処理を行う方法が知られている。

例えば、従来技術として、特許文献１のように、成形時に金型と粉末を高温にして高密度成形を行う方法や、特許文献２のように、金属合金粉末を低融点ガラスと有機バインダーなどと混合して、室温にて高圧で成形を行う方法がある。

しかしながら、特許文献１や特許文献２の方法は、低損失の圧粉磁心を得ることは可能であるが、非晶質軟磁性合金粉末の表面に低融点ガラス粉末を固着させ、ガラスの軟化点より高く、しかも非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度よりも低い温度で加圧成形を行うものであり、装置が高価且つ工程が複雑であるために、量産化に向いていない。

さらに、特許文献１や特許文献２の方法は、ガラス粉末の添加量もしくは結着性樹脂の種類及び添加量については特別な配慮をしていない。また、磁気特性も透磁率のみしか評価しておらず、鉄損については測定対象となっていない。

そこで、特許文献３のように、２種類の粒径の違う非晶質軟磁性合金粉末とガラス粉末を用い、成形圧力が低くても小さな粒径の粉末が隙間を埋めることにより成形密度を高くし、圧粉磁心の特性を高める方法が提案されている。

特開平１０−２１２５０３ 特開２００１−７３０６２ 特開２００６−１７６８１７

ところが、特許文献３の方法は、小さな粒径の非晶質軟磁性合金粉末を得るために、非晶質軟磁性合金に対して、水素雰囲気中で脆化処理を行い、その後、脆化処理した非晶質軟磁性合金を粉砕する。しかし、この方法では、工程が複雑になってしまい量産には向いていない。また、粉砕することで、微粉末内部に歪みが発生してヒステリシス損失の増加の問題が起こる。

以上のように、非晶質軟磁性合金粉末による圧粉磁心においては、その優れた磁気特性にもかかわらず成形性が他の金属と比較して悪く、量産上の点で問題がある。また、粉末自身が固いため、成形時圧力を高くすると絶縁被膜が破壊（破れる）するため、渦電流損失が増加する。。そのため十分な密度が得られず、優れた直流特性を得ることができない。

本発明の目的は、上記問題点を解決するために、非晶質軟磁性合金粉末とガラス粉末と結着性樹脂を混合した圧粉磁心に、有機絶縁剤、例えばアクリル系樹脂を真空含浸することで、鉄損を低減させ低損失な圧粉磁心とその製造方法を提供することである。

上記の目的をふまえ、本発明の圧粉磁心は、非晶質軟磁性合金粉末と、軟化点が前記非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度より低いガラス粉末と、結着性樹脂を混合し、これらの混合物を加圧成形して成形体を作製し、その成形体を前記非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度より低い温度で焼鈍処理してなる圧粉磁心において、前記焼鈍処理した成形体に有機絶縁剤を含浸してあることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、焼鈍処理により作製された圧粉磁心に有機絶縁剤で真空含浸すると、この有機絶縁剤により焼鈍時にできた、空隙を塞ぐことができる。また、有機絶縁体を使用することにより、圧粉磁心の導電率を下げ渦電流損失の増加の影響を低減させることができる。また、焼鈍処理後に有機絶縁剤を含浸させるため、有機絶縁剤は高温で加熱させられないため、熱による絶縁剤の破壊や焼失による渦電流損失の低下は起こらず、鉄損の増加を防止することができる。

本発明の他の態様は、有機絶縁剤は、アクリル系樹脂であることを特徴とする。この態様によれば、有機絶縁剤として、アクリル系樹脂を使用すると、無機絶縁剤の無水ガラスなどを使用した場合に比べて、含浸処理時の封孔効果への信頼性及び生産性が向上する。アクリル系樹脂は焼鈍時にできた空隙を塞いだ後に、重合することにより強固なコア間接合を実現することができる。このため、アクリル系樹脂を使用することで、さらに丈夫な絶縁層が形成され渦電流損失が低減でき、それにより鉄損を低減することができる。

なお、前記の様な、非晶質軟磁性合金粉末と、軟化点が前記非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度より低いガラス粉末と、結着性樹脂を混合し、加圧成形し、焼鈍処理した後、この成形体を有機絶縁剤で含浸処理することによって、低損失な圧粉磁心を得る製造方法も本発明の一態様である。

以上のような本発明によれば、アクリル系樹脂などの有機絶縁剤が焼鈍時にできた空隙を塞ぐように絶縁層を形成することにより、低損失な圧粉磁心とその製造方法を提供できる。

本実施形態の圧粉磁心の製造方法は、次のような各工程を有する。
（１）Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ−ＣのＦｅ系非晶質軟磁性合金粉末とガラス粉末と結着性樹脂を混合する混合工程。
（２）非晶質軟磁性合金粉末とガラス粉末と結着性樹脂の混合物に圧力を加えて成形体を作製する成形工程。
（３）成形工程で得られた成形体を非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度より低い温度で焼鈍処理する焼鈍工程。
（４）焼純工程で得られた焼純した成形体に、有機絶縁剤であるアクリル系樹脂で含浸させる含浸工程。

以下、各工程を具体的に説明する。
（１）混合工程
本実施形態の混合工程では、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ−Ｃ系のＦｅ系非晶質軟磁性合金粉末にシランカップリング剤を１ｗｔ％混合して、２４時間室温で乾燥する。その後、ガラス粉末０．５ｗｔ％を混合機を使用して２４時間混合する。さらに、結着性樹脂として、結着剤として平均粒径が５μｍのポリエチレン粉末もしくはポリプロピレン粉末などを２．０ｗｔ％混合させる。

本実施形態の混合工程でシランカップリング剤を混合するのは、当該非晶質軟磁性合金粉末の表面に耐熱性保護皮膜を形成するためであり、当該カップリング剤を使用しない手法よりも、渦電流損失を格段に低減させ、鉄損を低下させることができる。

（２）成形工程
本実施形態の成形工程では、非晶質軟磁性合金粉末とガラス粉末と結着性樹脂の混合物に、ステアリン酸０．２ｗｔを混合し、１７００ＭＰの成形圧力で、外径１６ｍｍ、内径８ｍｍ、高さ５ｍｍの圧粉磁心を作製する。ここで、加圧乾燥された結着性樹脂の被膜は、非晶質軟磁性合金粉末の表面に残り、バインダーとして作用する。

また、潤滑剤としてステアリン酸の金属塩であるステアリン酸亜鉛を使用した。

（３）焼鈍工程
焼鈍工程では、前記成形体に対して、非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度以下、例えば４８０℃以下で焼鈍処理を行うことで圧粉磁心を作製する。ここで、非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度以下で熱処理を行うのは、ある程度の圧環強度を維持するためである。一方で、焼鈍温度を上げ過ぎると絶縁性能の劣化から磁気特性が劣化し、特に渦電流損失が大きく増加してしまうことで、鉄損が増加してしまうが、このような不都合を抑制するためでもある。

（４）含浸工程
含浸工程では、前記焼鈍体に対して、有機絶縁剤であるアクリル系結着樹脂のビステックスＶ１０１（商標：マツモトファインケミカル株式会社販売）を使用して真空中で含浸を行い、その後１７０℃で加熱乾燥した。真空中で含浸を行うことにより、内部の空気を追い出し隅々までアクリル系樹脂を行き渡らせることによって、効率よく圧粉磁心の渦電流損失を低減することができる。

次に、本実施形態に係る複数の実施例の特性比較試験について、図１及び表１を参照して、以下に説明する。

［１．測定項目］
特性比較試験における測定項目として、鉄損を次のような手法により測定した。鉄損については、各圧粉磁心に１次巻線及び２次巻線を施し、磁気計測機器であるＢＨアナライザ（岩通計測株式会社：ＳＹ−８２３２）を用いて、最大磁束密度Ｂｍ＝０．１Ｔの条件下で鉄損を算出した。この算出は、鉄損の周波数曲線を次の（１）〜（３）式で最小２乗法により、ヒステリシス損係数、渦電流損失係数を算出することで行った。

Ｐｃ＝Ｋｈ×ｆ＋Ｋｅ×ｆ２・・・（１）
Ｐｈ＝Ｋｈ×ｆ・・・（２）
Ｐｅ＝Ｋｅ×ｆ２・・・（３）
Ｐｃ：鉄損
Ｋｈ：ヒステリシス損係数
Ｋｅ：渦電流損係数
ｆ：周波数
Ｐｈ：ヒステリシス損失
Ｐｅ：渦電流損失

［２．特性比較結果］
特性比較で使用する試料は、下記のように作製した。まず、平均粒径が４５μｍのＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ−ＣのＦｅ系非晶質軟磁性合金粉末により、鉄損が異なる４種類の試料（実施例１〜４）の圧粉磁心を作製した。この作製方法は、前記本実施形態の圧粉磁心の製造方法の（１）〜（４）に記載の通りである。

この実施例１〜４の圧粉磁心を含浸処理する前の鉄損を計測した後に、アクリル系含浸剤であるビステックスＶ１０１を使用して真空中で含浸を行い、その後１７０℃で加熱乾燥し、その後各磁心についての鉄損の計測を行った。

表１は、実施例１〜４について、含浸処理の前後での鉄損の関係について示した表である。また、図１は、含浸処理の前後での鉄損の関係を示したグラフである。

表１から判るように、実施例１〜４は、それぞれ有機絶縁剤であるアクリル結着樹脂のビステックスＶ１０１を使用して、真空中で含浸処理を行うことにより鉄損が減少する。また、図１からは、含浸処理を行うことにより、減少できる鉄損の割合は、含浸前の鉄損の大小にかかわらず、ほぼ一定で約１０パーセントの割合で減少することが判る。

本実施形態における含浸処理の前後での磁心の最大磁束密度１００ｍＴにおける鉄損の周波数特性を示したグラフ。

Claims (4)

1. 非晶質軟磁性合金粉末と、軟化点が前記非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度より低いガラス粉末と、結着性樹脂を混合し、これらの混合物を加圧成形して成形体を作製し、その成形体を前記非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度より低い温度で焼鈍処理してなる圧粉磁心において、
   前記焼鈍処理した成形体に有機絶縁剤を含浸したことを特徴とする圧粉磁心。
2. 前記有機絶縁剤は、アクリル系樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
3. 非晶質軟磁性合金粉末と、軟化点が前記非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度より低いガラス粉末と結着性樹脂を混合する混合工程と、
   前記混合工程で得られた混合物を加圧成形し、成形体を作製する成形工程と、
   成形工程で得られた成形体を、前記非晶質軟磁性合金粉末の結晶化温度より低い温度で焼鈍処理する焼鈍工程と、
   前記焼鈍した成形体に、有機絶縁剤を含浸する含浸工程を有することを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
4. 前記含浸工程において、前記焼鈍した成形体に、有機絶縁剤であるアクリル系樹脂を含浸することを特徴とする請求項３に記載の圧粉磁心の製造方法。

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