JP2010073967A

JP2010073967A - 圧粉磁心

Info

Publication number: JP2010073967A
Application number: JP2008240963A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Hirose; 隆之広瀬; Masaharu Edo; 雅晴江戸
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】高透磁率で高周波特性の優れた飽和磁化の高い圧粉磁心を提供する。
【解決手段】表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子をプレス成形して形成されてなる圧粉磁心において、前記軟磁性金属粒子が鉄を含有し、前記軟磁性金属粒子と前記絶縁酸化被膜の間に、鉄より平衡酸素圧の高い磁性元素を主成分とする金属層を有することを特徴とする圧粉磁心。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源用トランスやリアクトルなどに用いられる圧粉磁心に関する。

近年、各種電子機器は、小形化、軽量化されてきており、これに伴い電子機器に搭載されているスイッチング電源も小形化の要求が高まっている。特にノート型パソコンや小型携帯機器、薄型ＣＲＴ、フラットパネルディスプレイに用いられるスイッチング電源では、小型化、薄型化が強く求められている。しかしながら、従来のスイッチング電源は、その主要な構成部品であるトランス、リアクトル等の磁気部品が、大きな体積を占め、小型化、薄型化することに限界があった。これら磁気部品の体積を小型、薄型化しない限り、スイッヂング電源を小型化、薄型化することは困難となっていた。

従来、このようなスイッチング電源に使用されているトランス、リアクトルなどの磁気部品には、センダストやパーマロイなどの金属磁性材料や、フェライトなどの酸化物磁性材料が使用されていた。そのうち金属磁性材料は、一般に高い飽和磁束密度と透磁率を有するが、電気抵抗率が低いため、特に高周波数領域では渦電流損失が大きくなってしまう。

近年、電源回路を高周波駆動して必要なインダクタンス値を下げることにより磁気部品を小型化する傾向にあるが、渦電流損失の影響から金属磁性材料を高周波で使用することはできない。

一方、酸化物磁性材料は、金属磁性材料に比べ、電気抵抗率が高いため、高周波数領域でも発生する渦電流損失が小さい。しかしながら、飽和磁束密度が小さいため、磁気飽和しやすいことから、その体積を小さくすることができなかった。つまり、いずれの場合でも、磁性体コアの体積がインダクタンス値を決定付ける一番大きな要因となっていて、磁性材料の磁気特性を向上させない限り、小型化、薄型化が困難となっていた。

このように、従来の磁気部品では、小型化に限界があり、電子機器の小型化、薄型化の要求に充分に応えられるものではなかった。

この課題を解決する方法として、１〜１０μｍの粒子からなる金属磁性材料の表面をＭ−Ｆｅ_xＯ₄（但しＭ＝Ｎｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、ｘ≦２）で表されるスピネル組成の金属酸化物磁性材で被覆してなる高密度焼結磁性体が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、表面に超音波励起フェライトめっきによって形成されたフェライト層の被覆を有する金属または金属間化合物の強磁性体微粒子粉末が圧縮成形され、前記フェライト層を介して前記強磁性体粒子間に磁路を形成するものであることを特徴とする複合磁性材料の提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

また、高密度で、かつ、比抵抗が高い軟磁性成形体を得る方法として、軟磁性の金属粒子と、その表面に被覆された高抵抗物質と、該高抵抗物質の表面に被覆されたリン酸系化成処理被膜とよりなることを特徴とする軟磁性粒子も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

また、我々は先に、金属磁性材料の欠点である抵抗率を向上するために、飽和磁束密度および透磁率が高い軟磁性金属粒子の表面に、電気抵抗率の高い非磁性絶縁酸化物の被膜を形成した磁性材料を提案した（例えば、特許文献４参照。）。この被膜形成軟磁性金属粒子を用いて得られる圧粉磁心は、非磁性絶縁膜の効果により電気抵抗率が向上することで渦電流を抑制できる、つまりＭＨｚ帯域などの高周波でも使用することができる。

また、我々は先に、金属磁性材料の欠点である抵抗率を向上するために、飽和磁束密度および透磁率が高い軟磁性金属粒子の表面に、高抵抗酸化物磁性材料の被膜を形成するとともに、軟磁性金属粒子と高抵抗酸化物磁性材料の被膜の間に所定の条件を満たす酸化物磁性材料からなる中間層を設けた磁性材料を提案した（例えば、特許文献５参照。）。

特開昭５６−３８４０２号公報国際公開第０３／０１５１０９号パンフレット特開２００１−８５２１１号公報特開２００８−１５０６６４号公報特開２００６−７７２９４号公報

圧粉磁心には高透磁率、高周波数特性の他、良好な直流重畳特性が期待される。良好な直流重畳特性を得るためには軟磁性金属粒子に高飽和磁化材料を用いる必要があり、Ｆｅ含有量の多い磁性体が有利である。例えば７８パーマロイの飽和磁化は０．７Ｔ程度であるが、４７パーマロイでは１．４Ｔ程度となり、後者を軟磁性粒子として使用できると良好な直流重畳特性が得られる。また、より比抵抗が高く周波数特性が良好な軟磁性成形体を得るためには、軟磁性金属粒子の表面に、高抵抗酸化物磁性材料ではなく電気抵抗率の高い非磁性絶縁酸化物の被膜を設けたようがよい。しかし、軟磁性金属粒子にＦｅ含有量の多い磁性体を用いると高温熱処理によって周波数特性が悪化しやすいという欠点がある。

圧粉磁心は、その透磁率を向上させるために、通常、プレス成型後、熱処理を実施する。熱処理を実施すると、軟磁性金属粒子の成分元素が絶縁酸化被膜（例えばＳｉＯ₂被膜）へ拡散することによる絶縁酸化被膜（例えばＳｉＯ₂被膜）の絶縁性低下を起こし、抵抗率が減少し、周波数特性を悪化させてしまう。軟磁性金属粒子の歪みを除去するために高温熱処理が必要であるが、高温熱処理ではさらに周波数特性が悪化してしまう。

軟磁性金属粒子に鉄（Ｆｅ）が含まれると、Ｆｅは酸化されやすいことから、その影響は顕著である。例えば、軟磁性金属粒子としてＮｉ含有量が７８重量％の７８パーマロイと４７重量％の４７パーマロイを比較すると、Ｆｅ量が多い４７パーマロイは低温で周波数特性が悪化してしまう。

また、特許文献４の軟磁性金属粒子を用いて得られる圧粉磁心は、酸化物磁性材料からなる中間層の働きにより、熱処理によるフェライト等の高抵抗酸化物磁性材料被膜の抵抗率の低下を防止することができるとしているが、これは最表面の被膜が高抵抗酸化物磁性材料であることを前提としているものであり、当該被膜が非磁性絶縁酸化物である場合の知見は開示されていない。

本発明の目的は、高周波特性、透磁性に優れた飽和磁化の高い圧粉磁心を提供することにある。

本発明の圧粉磁心は、表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子をプレス成形して形成する圧粉磁心において、鉄を含む軟磁性金属粒子と絶縁酸化被膜の間に、鉄より平衡酸素圧の高い磁性元素を主成分とする金属層（軟磁性金属粒子よりＦｅの割合が多い金属層）を有することを特徴とする。

圧粉磁心をこのような構造にすることによって、金属層が最初に酸化され、軟磁性金属粒子に含まれる鉄の絶縁酸化被膜中への拡散を抑制することにより、熱処理による周波数特性の悪化を抑制する（遅らせる）ことができる。

本発明の圧粉磁心は、表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子をプレス成形して形成されている。この軟磁性金属粒子は鉄を含有する粒子であり、その具体例としては、例えばパーマロイ、センダストなどの透磁率が高い磁性合金や、高飽和磁化を有するコバルト鉄を挙げることができる。

特にパーマロイを軟磁性金属粒子として用いると、高透磁率で良好な高周波特性を有する圧粉磁心を得ることができる。

絶縁酸化被膜としてはＳｉＯ₂被膜が好ましく用いられ、ＳｉＯ₂被膜の形成方法としては、水ガラス法が好ましく用いられる。この絶縁酸化被膜の形成によって軟磁性粒子間の絶縁性を維持することができる。ただし、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＭｇＯなど、ＳｉＯ₂以外の材料を用いてもよい。

本発明の表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子は、軟磁性金属粒子と絶縁酸化被膜の間に、鉄より平衡酸素圧の高い磁性元素を主成分とする金属層を有する。

軟磁性金属粒子と絶縁酸化被膜の間に形成する金属層として、例えば軟磁性金属粒子に４７パーマロイを用いた場合、ニッケルの割合を増加した７８パーマロイ、あるいはニッケルを用いることが好ましい。ニッケルは鉄より平衡酸素圧の高い磁性元素であり、軟磁性金属粒子に４７パーマロイを用いた場合、軟磁性金属粒子に用いたパーマロイよりもニッケルの割合を増加した７８パーマロイは鉄より平衡酸素圧の高いニッケルの量が多いので、軟磁性金属粒子の４７パーマロイよりも平衡酸素圧が高くなる。

鉄より平衡酸素圧の高い磁性元素としては、ニッケル以外にもコバルトを挙げることができ、軟磁性金属粒子と絶縁酸化被膜の間に形成する金属層を構成する金属としては、ニッケルあるいはコバルト、あるいはこれらを含む合金などを挙げることができる。これらの中ではニッケルあるいは前記軟磁性金属粒子よりニッケル成分の多い金属を用いることが好ましい。

この金属層は、めっきやスパッタ法によって形成することもできるが、圧縮せん断型の機械式粒子複合化装置と呼ばれる装置に粒径の大きい母粒子と粒径の小さい子粒子の混合物を投入し、圧縮・せん断作用を機械的に繰り返し、母粒子上に子粒子を固着（融合）させる表面融合処理法で形成してもよい。

軟磁性金属粒子と絶縁酸化被膜の間に鉄より平衡酸素圧の高い磁性元素を主成分とする金属層を配置すると、平衡酸素圧の低い磁性元素より外側にある平衡酸素圧の高い元素が軟磁性粒子の表面より進入してきた酸素とまず結合して酸化物になり、軟磁性金属粒子と絶縁被膜間に金属酸化物が形成され、それが軟磁性粒子内の平衡酸素圧の低い磁性元素をブロックして拡散を抑制するのである。また、平衡酸素圧が高いということは酸素との親和力が小さいということで、平衡酸素圧の低い磁性元素に比べ外部から進入してきた酸素の進入を抑制する効果があり、これによっても軟磁性金属粒子全体の酸化を抑制する効果を得ることができる。

特許文献４の磁性材料で軟磁性金属粒子と高抵抗酸化物磁性材料被膜の間に酸化物の中間層を設けたのに対し、本発明では金属の中間層を設けている。これにより、この中間層の金属が軟磁性粒子の表面より進入してきた酸素と結合し酸化物を形成するので、酸化物を中間層に設ける場合よりさらに軟磁性金属粒子の酸化を抑制することができる。

以下、実施例を用いて、本発明の実施の形態を説明する。

図１に、軟磁性金属粒子１に金属層２を形成した後、絶縁酸化被膜３を形成した絶縁被膜付き軟磁性金属粒子の模式断面図を示す。

＜実施例１＞
本実施例では、軟磁性金属粒子１として水アトマイズ法にて作製した４７パーマロイ粒子（Ｎｉが４７重量％、残りがＦｅからなる粒子、以下同様）（平均粒径８μｍ）を用いた。

金属層２には７８パーマロイ粒子（Ｎｉが７８重量％、Ｍｏが５重量％、残りがＦｅからなる粒子、以下同様）（平均粒径０．１μｍ）を用い、絶縁酸化被膜３には水ガラス法で形成したＳｉＯ₂被膜を用いた。

本実施例では、平均粒径８μｍの４７パーマロイからなる軟磁性金属粒子１に、平均粒径０．１μｍの７８パーマロイ粒子を重量比で２％混合して、圧縮せん断型の機械式粒子複合化装置に投入し、圧縮・せん断作用を機械的に連続的に繰り返し、軟磁性金属粒子１表面上に７８パーマロイからなる金属層２を固着させた。

こうして得られた絶縁被膜付き軟磁性金属粒子は図１に示すように、軟磁性金属粒子１の周りに０．１μｍの７８パーマロイ粒子がところどころ固着（融合）した構造の金属膜２となっていた。

次いで、こうして得られた金属層２を有する軟磁性金属粒子の表面に、ＳｉＯ₂からなる絶縁酸化被膜３を、平均被膜厚さが２０ｎｍになるように形成した。即ち、Ｎａ₂Ｏ・ｘＳｉＯ₂・ｎＨ₂Ｏ（ｘ＝２〜４）の組成の水ガラス（この水ガラスの水溶液はアルカリ性を示す）を水に溶かした水溶液に乾式被膜付き軟磁性金属粒子を入れ、塩酸を溶液に加え、ｐＨをコントロールして加水分解してゲル状の珪酸（Ｈ₂ＳｉＯ₃）を乾式被膜付き軟磁性金属粒子表面に付着させた。この後、この乾式被膜付き軟磁性金属粒子を乾燥させることでＳｉＯ₂被膜を形成した。水ガラス水溶液の濃度を調節することで、ＳｉＯ₂被膜の膜厚を２０ｎｍに制御した。

上記のようにして得られた絶縁被膜付き軟磁性金属粒子を、超硬合金製の金型に充填し、１１７７ＭＰａ（１２ｔｏｎ／ｃｍ²）の一軸プレスにより内径３ｍｍφ、外形８ｍｍφ、高さ約０．５ｍｍのリングコア形状に成型した。成型後、電気炉にて大気中で熱処理をした。熱処理条件は設定温度６００℃、保持時間１時間とした。

こうして得られたリングコアに１次および２次巻線をそれぞれ５ターン巻回し、Ｂ−Ｈアナライザにて複素透磁率μ＝μ’＋１μ”をＩｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数領域で測定した。透磁率μ′の周波数特性を図２に示す。

＜実施例２＞
金属層２としてニッケルを用いた以外は実施例１と同様にして絶縁被膜付き軟磁性金属粒子を得た。即ち、軟磁性金属粒子として実施例１で用いたと同様の４７パーマロイ粒子（平均粒径８μｍ）を用い、平均粒径０．１μｍのニッケルを用いて実施例１と同様に、表面融合処理法で金属層２を形成した後、実施例１で行ったと同様に、水ガラス法でして膜厚２０ｎｍのＳｉＯ₂被膜を形成した。次に、実施例１と同じ条件で、この絶縁被膜付き軟磁性金属粒子をリングコア形状に成型した。

こうして得られたリングコアに１次および２次巻線をそれぞれ５ターン巻回し、Ｂ−Ｈアナライザにて複素透磁率μ＝μ’＋１μ”をＩｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数領域で測定した。透磁率μ′の周波数特性を実施例１の結果と共に図２に示す。

＜比較例１＞
金属層２を形成しなかった以外は実施例１と同様にして絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を得た。得られた絶縁被膜付き軟磁性金属粒子の模式断面図を図３に示す。

この絶縁被膜付き軟磁性金属粒子を用いた以外は実施例１と同様にしてリングコアの成型し、熱処理を行った。

こうして得られたリングコアに１次および２次巻線をそれぞれ５ターン巻回し、Ｂ−Ｈアナライザにて複素透磁率μ＝μ’＋１μ”をＩｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数領域で測定した。透磁率μ′の周波数特性を実施例１、２の結果と共に図２に示す。

実施例１、２と比較例の低周波数側での透磁率μ'は１１５程度とほぼ同等であるが、比較例では２００ｋＨｚ程度からμ'が低下している。

これに対し、金属層に７８パーマロイを用いた実施例１では３ＭＨｚ程度までμ'の低下が見られず、周波数特性の改善が認められる。さらに、金属層にニッケルを用いた実施例２ではより良好な周波数特性が得られた。

即ち、実施例、比較例の結果から、軟磁性金属粒子に比べ鉄の割合が少ない７８パーマロイやニッケルを用いることによって、絶縁酸化被膜への鉄元素の拡散が抑制され、抵抗率の低下が抑制されたために周波数特性が良好になったことがわかる。

本発明によれば、高飽和磁化を有する軟磁性金属粒子に含まれる鉄元素の絶縁酸化被膜への拡散を抑制し、高透磁率で高飽和磁化の圧粉磁心を得ることができる。この圧粉磁心はスイッチング電源用トランス、リアクトルなど用として有用である。

軟磁性金属粒子１に金属層２を形成した後、絶縁酸化被膜３を形成した絶縁被膜付き軟磁性金属粒子の模式断面図である。各実施例、比較例で得た圧粉磁心の周波数特性を示す図である。比較例で得た絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を示す模式図である。

符号の説明

１軟磁性金属粒子
２金属層
３絶縁酸化被膜

Claims

表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子をプレス成形して形成されてなる圧粉磁心において、前記軟磁性金属粒子が鉄を含有し、前記軟磁性金属粒子と前記絶縁酸化被膜の間に、鉄より平衡酸素圧の高い磁性元素を主成分とする金属層を有することを特徴とする圧粉磁心。
前記金属層がニッケルまたは前記軟磁性金属粒子よりニッケル成分の多い金属からなることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
前記軟磁性金属粒子がパーマロイ粒子であることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
前記パーマロイ粒子と前記絶縁酸化被膜の間の金属層が、前記軟磁性粒子を構成するパーマロイよりニッケル成分の多いパーマロイであることを特徴とする請求項３に記載の圧粉磁心。