JP2014204108A - 軟磁性材料、コア及びインダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】高い透磁率を有する軟磁性材料、コア及びインダクタを提供することである。
【解決手段】第１の軟磁性粒子が絶縁材料により被覆されてなる第１の粒子からなる第１の軟磁性粉末であって、２０μｍ以上５０μｍ以下の平均粒子径を有する第１の軟磁性粉末と、第２の軟磁性粒子が絶縁材料により被覆されてなる第２の粒子からなる第２の軟磁性粉末であって、１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径を有する第２の軟磁性粉末と、樹脂とを含む軟磁性材料である。前記第１の軟磁性粉末の質量％と前記第２の軟磁性粉末の質量％との比は、Ａ：Ｂである。Ａ＋Ｂ＝１００、１５≦Ａ≦３５及び６５≦Ｂ≦８５の条件を満たしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、軟磁性材料、コア及びインダクタに関し、例えば、インダクタのコアの材料として用いられる軟磁性材料、コア及びインダクタに関する。

従来の軟磁性材料に関する発明としては、例えば、特許文献１に記載の圧粉磁心が知られている。該圧粉磁心は、平均粒子径（Ｄ５０）が０．５〜５μｍであり、Ｘ線回折測定によるα−Ｆｅの（１１０）回折線の半値幅が０．２〜５．０°であり、Ｆｅ含有量が９７．０質量％以上である軟磁性金属粉末を含有している。これにより、低損失かつ高飽和磁束密度な圧粉磁心が得られる。

しかしながら、特許文献１に記載の圧粉磁心が用いられたインダクタでは、以下に説明する理由により、高いインダクタンス値を得ることが困難である。圧粉磁心に用いられている軟磁性金属粉末の平均粒子径（Ｄ５０）は、０．５〜５μｍと小さい。軟磁性金属粉末の平均粒子径（Ｄ５０）が小さくなると、軟磁性金属粉末の透磁率が低くなる。その結果、圧粉磁心が用いられたインダクタでは、高いインダクタンス値を得ることが困難である。

特開２０１１−２１６８３９号公報

そこで、本発明の目的は、高い透磁率を有する軟磁性材料、コア及びインダクタを提供することである。

本発明の一形態に係る軟磁性材料は、第１の軟磁性粒子が絶縁材料により被覆されてなる第１の粒子からなる第１の軟磁性粉末であって、２０μｍ以上５０μｍ以下の平均粒子径を有する第１の軟磁性粉末と、第２の軟磁性粒子が絶縁材料により被覆されてなる第２の粒子からなる第２の軟磁性粉末であって、１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径を有する第２の軟磁性粉末と、樹脂とを含む軟磁性材料であって、前記第１の軟磁性粉末の質量％と前記第２の軟磁性粉末の質量％との比は、Ａ：Ｂであり、Ａ＋Ｂ＝１００、１５≦Ａ≦３５及び６５≦Ｂ≦８５の条件を満たしていること、を特徴とする。

本発明の一形態に係るコアは、前記軟磁性材料により作製されていること、を特徴とする。

本発明の一形態に係るインダクタは、前記コアを備えていること、を特徴とする。

本発明によれば、高い透磁率を有する軟磁性材料、コア及びインダクタを得ることができる。

インダクタの断面図である。

以下に本発明の実施形態に係る軟磁性材料について説明する。

（軟磁性材料の構成）
軟磁性材料は、第１の軟磁性粉末、第２の軟磁性粉末及び樹脂粉末が混合されてなる。第１の軟磁性粉末は、第１の軟磁性粒子が絶縁材料により被覆されてなる第１の粒子からなる。第１の軟磁性粒子は、例えば、Ｆｅの粒子や、Ｆｅを含有する合金の粒子等である。本実施形態では、第１の軟磁性粒子は、Ｆｅ−Ｓｉ系合金（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金）からなる粒子である。また、絶縁材料は、酸化被膜、Ｐを含有する絶縁材料又はＳｉを含有する絶縁材料である。本実施形態では、絶縁材料は、リン酸である。以上のような第１の軟磁性粉末は、２０μｍ以上５０μｍ以下の平均粒子径を有する。本実施形態では、第１の軟磁性粉末の平均粒子径は、３０μｍである。本実施形態における「平均粒子径」は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値５０％での粒径を意味する。「平均粒子径」を比表面積測定法によって測定してもよい。

以上のような第１の軟磁性粉末の作製手順は以下の通りである。まず、アトマイズ法により、Ｆｅ−Ｓｉ系合金からなる第１の軟磁性粒子を作製する。次に、第１の軟磁性粒子に対して表面処理を施してリン酸の絶縁被膜を形成する。表面処理の方法としては、例えば、ガラスコーティング、絶縁コーティング、酸化皮膜処理等が挙げられる。

第２の軟磁性粉末は、第２の軟磁性粒子が絶縁材料により被覆されてなる第２の粒子からなる。第２の軟磁性粒子は、例えば、Ｆｅの粒子や、Ｆｅを含有する合金の粒子等である。本実施形態では、第２の軟磁性粒子は、Ｆｅを主成分として含み、Ｃを０．１質量％以上５質量％以下含有する合金からなる粒子である。また、絶縁材料は、酸化被膜、Ｐを含有する絶縁材料又はＳｉを含有する絶縁材料である。本実施形態では、絶縁材料は、リン酸である。以上のような第２の軟磁性粉末は、第１の軟磁性粉末よりも小さな平均粒子径を有し、１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径を有する。本実施形態では、第２の軟磁性粉末の平均粒子径は、５μｍである。

以上のような第２の軟磁性粉末の作製手順は以下の通りである。まず、カルボニル法により、Ｆｅを主成分として含み、Ｃを０．１質量％以上５質量％以下含有する合金からなる第２の軟磁性粒子を作製する。次に、第２の軟磁性粒子に対して表面処理を施してリン酸の絶縁被膜を形成する。

ここで、第１の軟磁性粉末の質量％と第２の軟磁性粉末の質量％との比は、Ａ：Ｂである。ただし、Ａ及びＢは、以下の条件を満たしている。

Ａ＋Ｂ＝１００・・・（１）
１５≦Ａ≦３５・・・（２）
６５≦Ｂ≦８５・・・（３）

本実施形態では、Ａは２５であり、Ｂは７５である。

樹脂粉末は、熱硬化性樹脂であり、本実施形態ではエポキシである。樹脂粉末は、コアの成形時において、１５０℃の加熱及び１ｔ／ｃｍ²の加圧によって溶融した後、冷却によって固化することによって、軟磁性材料を所定の形状に保持する役割を果たす。したがって、樹脂粉末が軟磁性材料に含まれる割合は、軟磁性材料を所定の形状に保持するのに適した割合であることが好ましい。よって、樹脂粉末は、例えば、軟磁性材料に対して１質量％以上８質量％以下の割合で含まれていることが好ましい。本実施形態では、樹脂粉末は、軟磁性材料に対して２質量％以上４質量％以下の割合で含まれている。

以上のような軟磁性材料はインダクタのコアの材料として用いられる。以下に、かかるインダクタの構成について図面を参照しながら説明する。

（インダクタの構成及び製造方法）
図１は、インダクタの断面図である。図１において、巻芯部１４の中心軸が延在している方向をｚ軸方向と定義する。また、ｚ軸方向から平面視したとき、鍔部１６の各辺に沿った方向をｘ軸方向及びｙ軸方向と定義する。なお、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は互いに直交している。

インダクタ１は、図１に示すように、コア１２、カバー１５、巻線２０及び外部電極２２，２４を備えている。

コア１２は、例えば前記軟磁性材料により作製され、逆Ｔ字型の断面形状をなしている。巻芯部１４及び鍔部１６を含んでいる。

巻芯部１４は、図１に示すように、ｚ軸方向に延在している柱状の部材である。鍔部１６は、巻芯部１４におけるｚ軸方向の負方向側の端部に設けられている。また、鍔部１６は、ｚ軸方向から平面視したときに、巻芯部１４からｘ軸方向の両側及びｙ軸方向の両側に張り出した長方形状をなしている。

巻線２０は、図１に示すように、巻芯部１４に巻き回されている平板状の断面形状を有する導線であり、銅や銀といった導電性材料を主成分とする芯線と、該芯線を被覆するポリウレタン等の絶縁材料により構成されている。巻線２０は、巻芯部１４のｚ軸方向の負方向側の半分において外周側から内周側へと向かうように巻きつけられた後に、ｚ軸方向の正方向側に引き出される。そして、巻線２０は、巻芯部１４のｚ軸方向の正方向側の半分において内周側から外周側へと向かうように巻きつけられる。また、巻線２０の両端はそれぞれ、鍔部１６のｚ軸方向の負方向側の面に引き出されている。

外部電極２２，２４は、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｕ，Ｎｉ等のＮｉ系合金やＡｇ、Ｃｕ、Ｓｎ等により構成されている。外部電極２２は、図１に示すように、鍔部１６におけるｚ軸方向の負方向側の面において巻線２０の一端を覆うように設けられている。外部電極２４は、図１に示すように、鍔部１６におけるｚ軸方向の負方向側の面において巻線２０の他端を覆うように設けられている。

カバー１５は、例えば前記軟磁性材料により作製され、コア１２及び巻線２０を覆うように設けられている。コア１２及びカバー１５は、組み合わされることによって直方体状をなしている。

次に、インダクタ１の製造方法について説明する。

まず、前記軟磁性材料を準備する。そして、軟磁性材料を雌型に充填する。充填した粉末を雄型で加圧することによって、巻芯部１４の形状及び鍔部１６，１８の形状を成形する。本実施形態では、コア１２のｘ軸方向及びｙ軸方向のサイズが共に３ｍｍ以下であり、コア１２のｚ軸方向のサイズが１ｍｍ程度である。

次に、コア１２の巻芯部１４に巻線２０を巻きつける。この際、巻線２０の両端を所定量だけ巻芯部１４から引き出しておく。引き出した巻線２０の両端を鍔部１６のｚ軸方向の負方向側の面に引き出す。なお、予め巻かれた巻線２０をコア１２の巻芯部１４に取り付けてもよい。

次に、コア１２及び巻線２０を覆うようにカバー１５をセットし、加熱及び加圧処理を行う。これにより、コア１２及びカバー１５が成形される。

次に、コア１２の鍔部１６に外部電極２２，２４を形成する。より詳細には、まず、Ａｇペーストが満たされた容器にコア１２の鍔部１６のｚ軸方向の負方向側の面を浸漬させて、各側面にＡｇペーストを付着させる。次に、付着したＡｇペーストを乾燥後に熱硬化させることによって、鍔部１６のｚ軸方向の負方向側の面に下地電極であるＡｇ膜を形成する。更に、電気めっきなどにより、Ｎｉ系合金の金属膜をＡｇ膜上に形成する。以上により、外部電極２２，２４が形成される。以上のような工程を経て、インダクタ１が完成する。

（効果）
以上の様に構成された軟磁性材料によれば、高い透磁率を得ることができる。より詳細には、特許文献１に記載の圧粉磁心が用いられたインダクタでは、圧粉磁心に用いられている軟磁性金属粉末の平均粒子径は、０．５〜５μｍと小さい。軟磁性金属粉末の平均粒子径が小さくなると、軟磁性金属粉末の透磁率が低くなる。

そこで、本実施形態に係る軟磁性材料は、２０μｍ以上５０μｍ以下の平均粒子径を有する第１の軟磁性粉末を含んでいる。第１の軟磁性粉末の平均粒径は、特許文献１に記載の圧粉磁心の軟磁性金属粉末の平均粒子径（Ｄ５０）よりも大きい。これにより、軟磁性材料では、特許文献１に記載の圧粉磁心に比べて高い透磁率を有する。すなわち、軟磁性材料が用いられたコアを備えたインダクタのインダクタンス値が大きくなる。

ところで、軟磁性材料において平均粒子径が大きくなると、各粒子において渦電流が発生しやすくなる。そのため、インダクタに高周波信号が流れた場合には、コアに渦電流が発生して、渦電流損が発生するおそれがある。

そこで、本実施形態に係る軟磁性材料は、１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径、すなわち、第１の軟磁性材料よりも小さな平均粒子径を有する第２の軟磁性粉末を含んでいる。これにより、軟磁性材料において、渦電流損が発生することが抑制されている。

以上のように、本実施形態に係る軟磁性材料では、相対的に大きな平均粒子径を有する第１の軟磁性材料と相対的に小さな平均粒子径を有する第２の軟磁性材料とが混合されている。これにより、軟磁性材料では、高い透磁率を得ると共に、渦電流損の発生を抑制している。

また、本実施形態に係る軟磁性材料では、１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径、すなわち、第１の軟磁性材料よりも小さな平均粒子径を有する第２の軟磁性粉末を含んでいる。これにより、軟磁性材料の平均粒子径が大きくなることが抑制されている。その結果、軟磁性材料を構成している粉末において磁気飽和が発生することが抑制される。すなわち、軟磁性材料が用いられたコアを備えたインダクタの直流重畳特性が向上する。

また、異なる平均粒子径を有する２種類の第１の軟磁性粉末及び第２の軟磁性粉末が混合されているので、第１の軟磁性粉末間の隙間に第２の軟磁性粉末が入りこむようになる。そのため、軟磁性材料の密度が高くなる。これにより、例えば、相対的に小さな平均粒子径を有する特許文献１に記載の圧粉磁心の透磁率に比べて、本実施形態に係る軟磁性材料の透磁率の方が高くなる。

次に、本願発明者は、本実施形態に係る軟磁性材料が奏する効果をより明確にするために以下に説明する実験を行った。具体的には、前記実施形態に係る軟磁性材料により作製されたコアを備えるインダクタを作製した。軟磁性材料及びインダクタの条件については前記実施形態において説明したとおりであるので説明を省略する。そして、インダクタを用いて、インダクタンス値、直流重畳特性及び高周波特性を測定した。直流重畳特性とは、高周波信号の周波数とインダクタンス値との関係である。また、高周波特性とは、高周波信号がインダクタに流れた際の損失（渦電流損）である。インダクタンス値及び直流重畳特性の測定条件は以下の通りである。

インダクタのサイズ：Ｌ：２５ｍｍ×Ｗ：２０ｍｍ×Ｔ：１０ｍｍ
測定器：４２８４Ａ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製）
高周波信号の周波数：１ＭＨｚ
ＯＳＣ ＬＥＶＥＬ：１Ｖ

実験結果を表１に示す。

表１によれば、Ａ≧１５である場合は、良好なインダクタンス値が得られていることが分かる。一方、Ｂ≧６５である場合に良好な直流重畳特性及び高周波特性が得られていることが分かる。以上より、式（１）ないし式（３）を満足していることが好ましいことが分かる。

以上のように、本発明は、軟磁性材料、コア及びインダクタに有用であり、特に、高い透磁率を有する点において優れている。

１ インダクタ
１２ コア
２０ 巻線

Claims (6)

1. 第１の軟磁性粒子が絶縁材料により被覆されてなる第１の粒子からなる第１の軟磁性粉末であって、２０μｍ以上５０μｍ以下の平均粒子径を有する第１の軟磁性粉末と、第２の軟磁性粒子が絶縁材料により被覆されてなる第２の粒子からなる第２の軟磁性粉末であって、１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径を有する第２の軟磁性粉末と、樹脂とを含む軟磁性材料であって、
   前記第１の軟磁性粉末の質量％と前記第２の軟磁性粉末の質量％との比は、Ａ：Ｂであり、
   Ａ＋Ｂ＝１００、１５≦Ａ≦３５及び６５≦Ｂ≦８５の条件を満たしていること、
   を特徴とする軟磁性材料。
2. 前記絶縁材料は、酸化被膜、Ｐを含有する絶縁材料又はＳｉを含有する絶縁材料であること、
   を特徴とする請求項１に記載の軟磁性材料。
3. 前記第１の軟磁性粒子及び前記第２の軟磁性粒子は、Ｆｅ又はＦｅを含有する合金であること、
   を特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の軟磁性材料。
4. 前記第２の軟磁性粒子は、カルボニル法により作製されていること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の軟磁性材料。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の軟磁性材料により作製されていること、
   を特徴とするコア。
6. 請求項５に記載のコアを備えていること、
   を特徴とするインダクタ。

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