JP2014156635A - 軟磁性粉末、圧粉磁心、磁性素子および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】チョークコイル(磁性素子)10は、リング状(トロイダル形状)の圧粉磁心11と、この圧粉磁心11に巻き回された導線12と、を有する。また、圧粉磁心11は、本発明の軟磁性粉末と結合材とを混合し、得られた混合物を成形型に供給するとともに、加圧・成形して得られたものである。また、本発明の軟磁性粉末は、非晶質合金で構成され、保磁力が0.1[Oe](7.96[A/m])以上1[Oe](79.6[A/m])以下であり、平均粒径が5μm以上20μm以下であり、タップ密度が3.8g/cm3以上4.8g/cm3以下であることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
このように、モバイル機器の小型化および高性能化を図るためには、スイッチング電源の高周波数化が必要となる。現在、スイッチング電源の駆動周波数は数100kHz程度まで高周波数化が進んでいるが、それに伴って、モバイル機器に内蔵されたチョークコイルやインダクター等の磁性素子の駆動周波数も高周波数化への対応が必要となる。
かかる問題を解決するため、軟磁性粉末と結合材(バインダー)との混合物を加圧・成形した圧粉磁心が使用されている。圧粉磁心では、粒子間を絶縁することにより、電流経路が短く分断され、渦電流損失を抑制することができる。
しかしながら、従来のFe基非晶質合金で構成された軟磁性粉末は、圧粉磁心の成形密度を十分に高められないという課題を抱えていた。
本発明の軟磁性粉末は、非晶質合金で構成され、保磁力が0.1[Oe]以上1[Oe]以下であり、平均粒径が5μm以上20μm以下であり、タップ密度が3.8g/cm3以上4.8g/cm3以下であることを特徴とする。
これにより、圧粉成形されたときの充填性が高いので、高飽和磁束密度と低鉄損とを安定的に両立する圧粉磁心を製造可能な軟磁性粉末が得られる。
この非晶質合金は、十分な低保磁力化が可能であり、かつ、溶融して粉末を製造する際の粒子形状の制御が容易である。したがって、本発明の軟磁性粉末を安定的に製造可能である点で有用である。
Siを2質量%以上9質量%以下の割合で含み、
Bを2質量%以上5質量%以下の割合で含み、
Crを1質量%以上3質量%以下の割合で含み、
Cを0.1質量%以上1質量%以下の割合で含むものであることが好ましい。
これにより、結晶化温度が比較的高くなるため、熱処理等における制約を比較的緩くすることができる。したがって、圧粉成形の際の加熱条件をより広く設定することができ、成形効率を高めるとともに、成形後の特性低下を最小限に抑えることができる。
これにより、充填性が高められることによる飽和磁束密度の向上と、粒径が比較的揃うことによる鉄損の抑制とを両立させることができ、かつ、そのような軟磁性粉末を安定的に得ることができる。
本発明の軟磁性粉末では、粒子断面の中心部のビッカース硬度は、850以上2000以下であることが好ましい。
このような硬度の粒子で構成された軟磁性粉末は、高硬度ではあるものの、成形時にはわずかに塑性変形可能であり、軟磁性粉末の充填性を高めるのに寄与する。
これにより、高性能の圧粉磁心が得られる。
本発明の磁性素子は、本発明の圧粉磁心を備えることを特徴とする。
これにより、高性能の磁性素子が得られる。
本発明の電子機器は、本発明の磁性素子を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
[軟磁性粉末]
本発明の軟磁性粉末は、非晶質合金で構成された粉末である。非晶質合金は、比較的電気抵抗値が高く、保磁力が小さいため、高周波数下においても低鉄損を実現する圧粉磁心を形成可能な軟磁性材料として用いられている。ところが、このような低保磁力の軟磁性粉末は、従来、充填性が乏しいという課題を抱えていた。このため、圧粉成形により圧粉磁心を製造したとしても、飽和磁束密度が十分に高くならず、磁気特性の改善が課題となっていた。
本発明に係る軟磁性粉末は、必要に応じて粒子表面に絶縁膜が形成され、絶縁性の結着剤を介して粒子同士を結着させるとともに所定の形状に成形されることで、圧粉磁心となる。このような圧粉磁心は、高周波数下での磁気特性に優れることから、各種の磁性素子に用いられている。
したがって、本発明によれば、高飽和磁束密度と低鉄損とを両立する圧粉磁心の製造が可能である。このような圧粉磁心は、高周波数下において電子機器の性能向上を図ったり、消費電力の低減を図ることができる。
なお、軟磁性粉末の保磁力は、軟磁性粉末を圧粉成形した圧粉磁心に対し、交流磁気特性を測定可能な交流磁気測定装置により測定することができる。
なお、軟磁性粉末のタップ密度は、JIS Z 2512に規定された方法により測定することができる。
また、Fe−Si−B−Cr−C系の非晶質合金は、結晶化温度が比較的高いため、熱処理等における制約を比較的緩くすることができる。したがって、圧粉成形の際の加熱条件をより広く設定することができ、成形効率を高めるとともに、成形後の特性低下を最小限に抑えることができる。
Fe−Si−B−Cr−C系の非晶質合金は、Siを4質量%以上9質量%以下の割合で含み、Bを2質量%以上5質量%以下の割合で含み、Crを1質量%以上3質量%以下の割合で含み、Cを0.1質量%以上1質量%以下の割合で含み、残部がFeおよび不可避元素で占められた材料である。
Fe−Si−B−Cr−C系非晶質合金を構成する各元素のうち、Fe(鉄)は、最も含有率が高い主成分である。このため、Feは、軟磁性粉末の基本的な磁気特性や機械的特性に大きな影響を与える。
非晶質合金におけるSiの含有率は、2質量%以上9質量%以下であるのが好ましく、4.5質量%以上8.5質量%以下であるのがより好ましく、5質量%以上8質量%以下であるのがさらに好ましい。Siの含有率を前記範囲内に設定することにより、非晶質合金の透磁率と電気抵抗値とを十分に高めつつ、保磁力の小さい軟磁性粉末が得られる。なお、Siの含有率が前記下限値を下回ると、組成比によっては、透磁率が低下し、飽和磁束密度が低下するおそれがある。また、組成比によっては、電気抵抗値が低下したり、保磁力が上昇したりして、鉄損が増大するおそれがある。一方、Siの含有率が前記上限値を上回ると、組成比によっては、非晶質合金の硬度が著しく上昇して、塑性変形し難くなり、軟磁性粉末の充填性が低下するおそれがある。また、相対的にFeの含有率が低下する分、飽和磁束密度が低下し、また、結晶磁気異方性が小さくなり保磁力が上昇するおそれがある。
また、耐食性の高い不働態皮膜の形成により、粒子表面に強固な絶縁性皮膜が形成されることとなる。このため、粒子間に形成される電流経路における電気抵抗(粒子間抵抗)の増大が図られることとなり、渦電流の流れる経路をより小さく分断することができる。その結果、渦電流損失の小さい圧粉磁心を製造可能な軟磁性粉末が得られる。
また、Fe−Si−B−Cr−C系非晶質合金は、必要に応じてMnを含んでいてもよい。この場合、Mnの含有率は、1質量%以上3質量%以下であるのが好ましく、1.5質量%以上2.5質量%以下であるのがより好ましい。これにより、透磁率をより高めるとともに、保磁力をより下げることができる。
さらに、N(窒素)およびO(酸素)の特定に際しては、特に、JIS G 1228に規定された鉄および鋼の窒素定量方法、JIS Z 2613に規定された金属材料の酸素定量方法も用いられる。具体的には、LECO社製酸素・窒素分析装置、TC−300/EF−300が挙げられる。
また、本発明の軟磁性粉末の粒度分布についても、充填性の観点から最適化が図られるのが好ましい。
標準偏差σ=(d84%−d16%)/2
ただし、d16%は、質量基準で小さい方からの累積量が16%になるときの粒径であり、d84%は、質量基準で小さい方からの累積量が84%になるときの粒径である。
なお、軟磁性粉末の最大粒径は、レーザー回折法により、質量基準で取得された粒度分布において、小さい方からの累積量が99.9%となるときの粒径である。
なお、粒子断面の中心部とは、粒子の最大長さである長軸を通過するように粒子を切断したとき、その切断面上の長軸の中点にあたる部位である。また、中心部のビッカース硬度は、マイクロビッカース硬さ試験機により測定することができる。
本発明の軟磁性粉末は、いかなる製造方法で製造されたものであってもよいが、例えばアトマイズ法により製造することができる。アトマイズ法は、溶融金属(溶湯)を、冷却媒(液体やガス等)に衝突させることにより粉末化する方法である。溶融金属は、噴霧されたり、冷却媒と衝突させることにより、微細な液滴となるとともに、この液滴が冷却媒と接触することにより急速に冷却され固化する。この際、液滴は自然落下しつつ冷却されるため、自らの表面張力によって形状が球形化される。これにより、球形に近い形状をなし、かつ、異形状の粒子が少なくなるので、粒径の揃った粒子(軟磁性粉末)を効率よく製造することができる。
高速回転水流アトマイズ法では、冷却用筒体の内周面に沿って冷却液を噴出供給し、冷却用筒体内周面に沿って旋回させることにより、内周面に冷却液層を形成する。一方、非晶質合金の原材料を溶融し、得られた溶融金属を自然落下させつつ、これに液体または気体のジェットを吹き付ける。これにより溶融金属が飛散し、冷却液層に取り込まれる。その結果、飛散して微粉化した溶融金属が急速冷却されて固化し、軟磁性粉末が得られる。
図1に示す粉末製造装置30は、内周面に冷却液層9を形成するための冷却用筒体1と、冷却液層9の内側の空間部23に溶融金属25を流下供給するための供給容器である坩堝15と、冷却用筒体1に冷却液を供給するための手段であるポンプ7と、流下した細流状の溶融金属25を液滴に分断するとともに冷却液層9に供給するためのガスジェット26を噴出するジェットノズル24と、を備えている。
また、冷却用筒体1の内周面下部には、冷却液層9の層厚を調整する層厚調整用リング16が着脱自在に設けられている。この層厚調整用リング16を設けることにより、冷却液の流下速度が抑えられ、冷却液層9の層厚を確保するとともに、層厚の均一化を図ることができる。
また、空間部23には、空気や不活性ガス等の気体を噴出させるためのジェットノズル24が設けられている。このジェットノズル24は、蓋体2の開口部3を介して挿入されたガス供給管27の先端に取り付けられたものであり、その噴出口が、細流状の溶融金属25を指向し、さらにその先の冷却液層9を指向するよう配置されている。
また、ガスジェット26によって一定の大きさに微細化された溶融金属25は、冷却液層9に巻き込まれるまで惰性落下するので、その際に液滴の球形化が図られる。その結果、平均粒径とタップ密度とが前記範囲内に最適化された軟磁性粉末を製造することができる。
例えば、坩堝15から流下させる溶融金属25の流下量については、装置サイズにもよるが、1分あたり1kg以下に抑えることが好ましい。これにより、溶融金属25が飛散するとき、適度な大きさの液滴として飛散するため、上述したような平均粒径およびタップ密度が実現される。また、一定時間に供給される溶融金属25の量が抑えられることにより、冷却速度も十分に得られるので、非晶質化度が高くなり、低保磁力化も図られる。なお、例えば、溶融金属25の流下量を前記範囲内で少なくすることにより、平均粒径を小さくすることができる。
また、この他の条件としては、例えば、冷却用筒体1に供給する冷却液の噴出時の圧力を50MPa以上200MPa以下程度、液温を−10℃以上40℃以下程度に設定するのが好ましい。これにより、冷却液層9の流速の最適化が図られ、微粉化された溶融金属25を適度にかつムラなく冷却することができる。
なお、ガスジェット26は、必要に応じて液体ジェットで代替することもできる。
また、上述したような方法で製造された後、軟磁性粉末に対しては必要に応じて焼鈍処理を施すようにしてもよい。この焼鈍処理における加熱条件は、非晶質合金における結晶化温度Tx−250℃以上Tx未満の温度範囲であれば、5分以上120分以下の時間範囲であるのが好ましく、非晶質合金の結晶化温度Tx−100℃以上Tx未満の温度範囲であれば、10分以上60分以下の時間範囲であるのがより好ましい。
また、必要に応じて、得られた軟磁性粉末を造粒するようにしてもよい。
さらには、必要に応じて、得られた軟磁性粉末の各粒子表面に絶縁膜を成膜するようにしてもよい。この絶縁膜の構成材料としては、例えば、後述する結合材の構成材料と同様のものが挙げられる。
本発明の磁性素子は、チョークコイル、インダクター、ノイズフィルター、リアクトル、トランス、モーター、発電機のように、磁心を備えた各種磁性素子に適用可能である。また、本発明の圧粉磁心は、これらの磁性素子が備える磁心に適用可能である。
以下、磁性素子の一例として、2種類のチョークコイルを代表に説明する。
まず、本発明の磁性素子の第1実施形態を適用したチョークコイルについて説明する。
図2は、本発明の磁性素子の第1実施形態を適用したチョークコイルを示す模式図(平面図)である。
図2に示すチョークコイル10は、リング状(トロイダル形状)の圧粉磁心11と、この圧粉磁心11に巻き回された導線12とを有する。このようなチョークコイル10は、一般に、トロイダルコイルと称される。
圧粉磁心11の作製に用いられる結合材の構成材料としては、例えば、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリフェニレンサルファイド系樹脂等の有機材料、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸亜鉛、リン酸マンガン、リン酸カドミウムのようなリン酸塩、ケイ酸ナトリウムのようなケイ酸塩(水ガラス)等の無機材料等が挙げられるが、特に、熱硬化性ポリイミドまたはエポキシ系樹脂が好ましい。これらの樹脂材料は、加熱されることによって容易に硬化するとともに、耐熱性に優れたものである。したがって、圧粉磁心11の製造容易性および耐熱性を高めることができる。
なお、前記混合物中には、必要に応じて、任意の目的で各種添加剤を添加するようにしてもよい。
なお、導線12の表面は、必要に応じて絶縁性を有する表面層で被覆される。これにより、圧粉磁心11と導線12との短絡を確実に防止することができる。かかる表面層の構成材料としては、例えば、各種樹脂材料等が挙げられる。
まず、本発明の軟磁性粉末と、結合材と、各種添加剤と、有機溶媒とを混合し、混合物を得る。
次いで、混合物を乾燥させて塊状の乾燥体を得た後、この乾燥体を粉砕することにより、造粒粉を形成する。
この場合の成形方法としては、特に限定されないが、例えば、プレス成形、押出成形、射出成形等の方法が挙げられる。なお、この成形体の形状寸法は、以後の成形体を加熱した際の収縮分を見込んで決定される。
なお、圧粉磁心11の形状は、上述したリング状に限定されず、例えば棒状、E型、I型等の形状であってもよい。
次に、本発明の磁性素子の第2実施形態を適用したチョークコイルについて説明する。
図3は、本発明の磁性素子の第2実施形態を適用したチョークコイルを示す模式図(透過斜視図)である。
以下、第2実施形態にかかるチョークコイルについて説明するが、それぞれ、前記第1実施形態にかかるチョークコイルとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
このような形態のチョークコイル20は、比較的小型のものが容易に得られる。そして、このような小型のチョークコイル20を製造するにあたって、飽和磁束密度および透磁率が大きく、かつ、損失の小さい圧粉磁心21を用いることにより、小型であるにもかかわらず、大電流に対応可能な低損失・低発熱のチョークコイル20が得られる。
以上のような本実施形態にかかるチョークコイル20を製造する場合、まず、成形型のキャビティ内に導線22を配置するとともに、キャビティ内を本発明の軟磁性粉末で充填する。すなわち、導線22を包含するように、軟磁性粉末を充填する。
次に、導線22とともに、軟磁性粉末を加圧して成形体を得る。
次いで、前記第1実施形態と同様に、この成形体に熱処理を施す。これにより、チョークコイル20が得られる。
次いで、本発明の磁性素子を備える電子機器(本発明の電子機器)について、図4〜図6に基づき、詳細に説明する。
図4は、本発明の磁性素子を備える電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、例えばスイッチング電源用のチョークコイルやインダクター、モーター等の磁性素子1000が内蔵されている。
ディジタルスチルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて撮像した画像を表示する構成になっており、表示部は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
例えば、前記実施形態では、本発明の軟磁性粉末の用途例として圧粉磁心を挙げて説明したが、用途例はこれに限定されず、例えば磁性流体、磁気遮蔽シート、磁気ヘッド等の磁性デバイスであってもよい。
1.圧粉磁心およびチョークコイルの製造
(サンプルNo.1)
[1]まず、原材料を高周波誘導炉で溶融するとともに、高速回転水流アトマイズ法により粉末化して軟磁性粉末を得た。この際、坩堝から流下させる溶融金属の流下量を0.5kg/分、坩堝の流下口の内径を1mm、ガスジェットの流速を900m/sとした。次いで、目開き150μmの標準ふるいを用いて分級した。得られた軟磁性粉末の合金組成を表1に示す。なお、合金組成の特定には、SPECTRO社製固体発光分光分析装置(スパーク発光分析装置)、モデル:SPECTROLAB、タイプ:LAVMB08Aを用いた。また、C(炭素)の定量分析には、LECO社製炭素・硫黄分析装置、CS−200を用いた。
[4]次に、得られた混合物を撹拌したのち、温度60℃で1時間加熱して乾燥させ、塊状の乾燥体を得た。次いで、この乾燥体を、目開き500μmのふるいにかけ、乾燥体を粉砕して、造粒粉末を得た。
[5]次に、得られた造粒粉末を、成形型に充填し、下記の成形条件に基づいて成形体を得た。
・成形方法 :プレス成形
・成形体の形状:リング状
・成形体の寸法:外径28mm、内径14mm、厚さ10.5mm
・成形圧力 :20t/cm2(1.96GPa)
[7]次に、得られた圧粉磁心を用い、以下の作製条件に基づいて、図2に示すチョークコイル(磁性素子)を作製した。
<コイル作製条件>
・導線の構成材料:Cu
・導線の線径 :0.5mm
・巻き数(透磁率等測定時):7ターン
・巻き数(鉄損測定時) :1次側30ターン、2次側30ターン
軟磁性粉末として表1に示すものをそれぞれ用いるようにした以外は、サンプルNo.1と同様にして圧粉磁心を得るとともに、この圧粉磁心を用いてチョークコイルを得た。
なお、表1においては、各サンプルNo.の軟磁性粉末のうち、本発明に相当するものについては「実施例」、本発明に相当しないものについては「比較例」と示した。
2.1 圧粉磁心の成形密度の測定
各実施例および各比較例で得られた圧粉磁心について、アルキメデス法(JIS Z 2501に規定)に準じた方法により成形密度を測定した。そして、測定された成形密度を、以下の評価基準にしたがって評価した。
A:成形密度が5.2g/cm3以上である
B:成形密度が5.0g/cm3以上5.2g/cm3未満である
C:成形密度が4.8g/cm3以上5.0g/cm3未満である
D:成形密度が4.6g/cm3以上4.8g/cm3未満である
E:成形密度が4.4g/cm3以上4.6g/cm3未満である
F:成形密度が4.4g/cm3未満である
各実施例および各比較例で得られた軟磁性粉末について、その保磁力および飽和磁束密度を以下の測定条件に基づいて測定した。
<測定条件>
・測定最大磁界:10kOe
・測定装置 :振動試料型磁力計(玉川製作所製、VSM1230−MHHL)
各実施例および各比較例で得られたチョークコイルについて、それぞれの透磁率μ’および鉄損(コアロスPcv)を以下の測定条件に基づいて測定した。
<透磁率μ’の測定条件>
・測定周波数 :100kHz
・測定装置 :インピーダンスアナライザー(日本ヒューレットパッカード社製、HP4194A)
<鉄損(コアロスPcv)の測定条件>
・測定周波数 :100kHz
・最大磁束密度:50mT
・測定装置 :交流磁気特性測定装置(岩通計株式会社製、B−HアナライザSY8258)
また、測定された透磁率μ’、鉄損および飽和磁束密度については、以下の評価基準にしたがって評価した。
<透磁率μ’(100kHz)の評価基準>
A:透磁率μ’が75以上である
B:透磁率μ’が70以上75未満である
C:透磁率μ’が65以上70未満である
D:透磁率μ’が60以上65未満である
E:透磁率μ’が55以上60未満である
F:透磁率μ’が55未満である
A:鉄損が150kW/m3未満である
B:鉄損が150kW/m3以上200kW/m3未満
C:鉄損が200kW/m3以上250kW/m3未満
D:鉄損が250kW/m3以上300kW/m3未満
E:鉄損が300kW/m3以上350kW/m3未満
F:鉄損が350kW/m3以上
A:飽和磁束密度が1.3T以上である
B:飽和磁束密度が1.2T以上1.3T未満である
C:飽和磁束密度が1.1T以上1.2T未満である
D:飽和磁束密度が1.0T以上1.1T未満である
E:飽和磁束密度が0.9T以上1.0T未満である
F:飽和磁束密度が0.9T未満である
上述したのとは製造ロットが異なる3種類の軟磁性粉末を用意した。そして、製造ロットが異なる合計4種類の軟磁性粉末について、保磁力および飽和磁束密度のバラツキを算出し、以下の評価基準にしたがって評価した。なお、上記バラツキとは、最大値と最小値との差のことをいう。
A:保磁力および飽和磁束密度のバラツキがそれぞれ平均値の5%未満である
B:保磁力および飽和磁束密度のいずれかのバラツキが5%以上15%未満である
C:保磁力および飽和磁束密度のいずれかのバラツキが15%以上30%未満である
D:保磁力および飽和磁束密度のいずれかのバラツキが30%以上45%未満である
E:保磁力および飽和磁束密度のいずれかのバラツキが45%以上60%未満である
F:保磁力および飽和磁束密度のいずれかのバラツキが60%以上である
以上の評価結果をそれぞれ表1に示す。
一方、各比較例で得られた軟磁性粉末およびチョークコイルでは、高飽和磁束密度と低鉄損とを安定的に両立させることはできなかった。
Claims (8)
- 非晶質合金で構成され、保磁力が0.1[Oe]以上1[Oe]以下であり、平均粒径が5μm以上20μm以下であり、タップ密度が3.8g/cm3以上4.8g/cm3以下であることを特徴とする軟磁性粉末。
- 前記非晶質合金は、Fe、Si、B、CrおよびCを含むものである請求項1に記載の軟磁性粉末。
- 前記非晶質合金は、Feを主成分とし、
Siを2質量%以上9質量%以下の割合で含み、
Bを2質量%以上5質量%以下の割合で含み、
Crを1質量%以上3質量%以下の割合で含み、
Cを0.1質量%以上1質量%以下の割合で含むものである請求項2に記載の軟磁性粉末。 - 粒径スケールが対数スケールである質量基準の粒度分布において、標準偏差が1μm以上10μm以下である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の軟磁性粉末。
- 当該軟磁性粉末の粒子断面の中心部のビッカース硬度は、850以上2000以下である請求項1ないし4のいずれか1項に記載の軟磁性粉末。
- 非晶質合金で構成され、保磁力が0.1[Oe]以上1[Oe]以下であり、平均粒径が5μm以上20μm以下であり、タップ密度が3.8g/cm3以上4.8g/cm3以下である軟磁性粉末を含むことを特徴とする圧粉磁心。
- 請求項6に記載の圧粉磁心を備えることを特徴とする磁性素子。
- 請求項7に記載の磁性素子を備えることを特徴とする電子機器。
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