JP2014241314A

JP2014241314A - 磁心およびコイル部材

Info

Publication number: JP2014241314A
Application number: JP2013122496A
Authority: JP
Inventors: 甫根金; Bo Geun Kim
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-12-25

Abstract

【課題】損失を低減可能であり、良好な製造性を有する磁心を提供する。
【解決手段】磁心１は、磁性粉末２と、磁性粉末２を内部に収容する容器３とを有する。磁性粉末２の平均粒径は、１〜２０ｎｍの範囲内とすることができる。磁性粉末２は、鉄、コバルト、クロム、ニッケル、マンガン、および、亜鉛から選択される１種または２種以上の金属またはこれら金属の合金あるいは上記金属の酸化物より構成することができる。容器３は、樹脂製であることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁心およびコイル部材に関する。

従来、トランス、インダクタ、リアクトル等のコイル部材に用いられる磁心（コア）としては、電磁鋼板、鉄系ダスト材等の鉄系磁性材料や、フェライト等の酸化物系磁性材料を用いたものが知られている。

例えば、特許文献１には、磁性粉末と結合剤との混合粉末を成形、焼成してなる圧粉成形体から構成される内側コア部と、磁性粉末が分散された樹脂を硬化された成形硬化体から構成される外側コア部とを有する磁心を備えたリアクトルが開示されている。

特開２０１３−２６４７８号公報

従来一般に使用されている磁心は、以下の点で改善の余地がある。すなわち、近年、コイル部材を利用するスイッチング電源等の高周波化に伴い、磁心における渦電流損失が増加している。そのため、電気抵抗の高いフェライト等を磁心に用いることによって渦電流を低減し、渦電流損失の低減が図られてきている。しかしながら、電気抵抗の高いフェライトを用いても損失の低減は十分でなく、さらなる損失の低減を図ることが可能な磁心が求められている。

また、通常、磁心は、磁性粉末とバインダーとの混合材料を加圧成形して作製される。しかしながら、磁性粉末の粒径が細かくなるにつれ、加圧成形時に粒子が金型の隙間に逃げやすくなって成形できなくなる等、粉末成形が困難となり、製造性が悪くなる。また、ＨＩＰ等によって熱を加えた場合には、細かな粒子同士が焼結したり、新たな組成の副生成物が生成したりし、これによって磁気特性が劣化してしまうことがある。

本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、損失を低減可能であり、良好な製造性を有する磁心を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、磁性粉末と、該磁性粉末を内部に収容する容器とを有することを特徴とする磁心にある。

本発明の他の態様は、上記磁心を有することを特徴とするコイル部材にある。

上記磁心は、磁性粉末と、該磁性粉末を内部に収容する容器とを有する。すなわち、上記磁心は、容器内に磁性粉末が収容されている。そのため、上記磁心は、容器内において粒子同士の間に隙間が形成される。その結果、上記磁心は、渦電流が流れ難く、渦電流損失を低減することができ、損失を低減することが可能となる。さらに、容器に収容する磁性粉末の充填量を変化させることにより、粒子同士の間の隙間を調節することができるので、渦電流損失の制御を実施しやすくなる。また、上記磁心は、磁性粉末をそのまま使用しているので、その製造時に成形プロセスや圧粉磁心を成形するときに用いられるバインダー等の材料の使用を省略することができる。また、ＨＩＰ等も不要であるため、粒子同士が焼結したり、新たな組成の副生成物が生じたりすることがなく、これによる磁気特性の劣化も抑制することができる。このように上記磁心は、上記構成を採用したことにより、良好な製造性を有する。

上記コイル部材は、上記損失を低減可能な磁心を有している。そのため、より高効率なコイル部材を実現することが可能となる。

実施例１の磁心の外観図である。実施例１の磁心のＩＩ−ＩＩ断面図である。実施例１の磁心のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。実施例１のコイル部材を模式的に示した図である。実施例２の磁心の外観図である。実施例２の磁心のＶＩ−ＶＩ断面図である。実施例２のコイル部材を模式的に示した図である。実験例にて作製した試料１の磁心に封入した磁性粉末のＴＥＭ写真である。実験例にて作製した試料１の磁心に封入した磁性粉末の粒度分布を示す図である。

上記磁心において、磁性粉末の平均粒径は１〜２０ｎｍの範囲内とすることができる。

この場合は、磁性粉末を構成する磁性粒子が単磁区構造をとりやすくなり、磁区構造を有し難くなる。そのため、この場合は、ヒステリシス損失を低減させやすく、損失が低減された磁心を得やすくなる。また、難易度の高いナノサイズの磁性粉末の成形を行わずに済み、成形プロセスやバインダー材料の使用等を省略することができる。また、ナノサイズの粒子同士が焼結したり、新たな組成の副生成物が生じたりし難く、これによる磁気特性の劣化も抑制することができる。そのため、この場合は、良好な磁気特性を有する磁心を得やすくなる利点がある。

上記磁性粉末の平均粒径は、粉末の製造性などの観点から、好ましくは１．５ｎｍ以上、より好ましくは２ｎｍ以上、さらに好ましくは２．５ｎｍ以上とすることができる。また、磁性粉末の平均粒径は、ヒステリシス損失の低減効果を確実なものとしやすくなるなどの観点から、好ましくは１５ｎｍ以下、より好ましくは１３ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以下とすることができる。なお、上記にいう磁性粉末の平均粒径は、動的光散乱法による粒度分布測定装置により測定される体積基準の累積度数分布が５０％を示すときの粒子径（直径）ｄ５０を意味する。

上記磁心において、磁性粉末は、鉄、コバルト、クロム、ニッケル、マンガン、および、亜鉛から選択される１種または２種以上の金属またはこれら金属の合金あるいは上記金属の酸化物より構成することができる。

この場合は、高い飽和磁束密度を実現しやすくなるなどの利点がある。

磁性粉末を構成することができる金属、合金としては、具体的には、Ｆｅ、Ｆｅ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金、Ｃｒ、Ｃｒ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｍｎ、Ｍｎ合金、Ｚｎ、Ｚｎ合金等の金属、合金を例示することができる。Ｆｅ合金としては、より具体的には、Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金などを、Ｃｏ合金としては、より具体的には、Ｃｏ−Ａｌ合金、Ｃｏ−Ｓｉ合金、Ｃｏ−Ｓｉ−Ａｌ合金などを、それぞれ例示することができる。これら金属、合金には、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、および、Ｅｒから選択される１種または２種以上の希土類元素が添加されていてもよい。また、磁性粉末を構成することができる金属酸化物としては、より具体的には、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）、フェライト、ニッケルフェライト、マンガン亜鉛フェライトなどを例示することができる。これらのうち、好ましくは、高い飽和磁束密度を実現しやすい、比透磁率が高い、保磁力が低いなどの観点から、磁性粉末は、Ｆｅ、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金などで構成されているとよい。

上記磁心において、容器の材質は、非磁性かつ高電気抵抗（好ましくは絶縁性）のものであれば、特に制限されない。容器は、具体的には、樹脂製とすることができる。

この場合は、成形性に優れ、高い形状自由度を有する、磁心の軽量化の促進、磁心の耐腐食性向上などの利点がある。

上記樹脂は、磁心を用いるコイル部材の応用先等を考慮し、適宜最適な材料を選択することが可能であり、各種の熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂を適用することができる。上記樹脂は、具体的には、例えば、（メタ）アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン等のオレフィン樹脂などを例示することができる。「（メタ）アクリル樹脂」は、アクリル樹脂のみならず、メタクリル樹脂をも含む意味である。なお、容器は、１または２以上の樹脂を用いて構成されていてもよい。

上記磁心において、容器は、内部の収容空間に繋がる開口部を有する容器本体部と、開口部を閉じる蓋部とを有する構成とすることができる。

この場合は、開口部より磁性粉末を収容空間に充填した後、開口部に蓋部を取り付けることにより、比較的簡単に容器内に磁性粉末を封入して磁心を構成することができる。

なお、容器の形状は、磁心を適用するコイル部材の構造に合わせて最適な形状を選択することができる。上記容器における容器本体部は、具体的には、例えば、環状の底部と、底部の内周縁に立設された内筒部と、底部の外周縁から内筒部と同側に立設された外筒部とを有する構成とすることができる。蓋部は、内筒部および外筒部における底部と反対側の端部に形成された開口部に嵌合や螺合などによって付けることができる。この場合は、内筒部と外筒部の間に形成される空洞部を、磁性粉末を収容する収容空間とすることができる。また、上記容器における容器本体部は、有底の筒部から構成することができる。この場合も、蓋部は、筒部における底部と反対側の端部に形成された開口部に嵌合や螺合などによって付けることができる。

上記コイル部材は、具体的には、例えば、リアクトル、トランス、インダクタ等を例示することができる。

上記コイル部材はリアクトルとすることができ、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの周波数域で使用することができる。

上記周波数域では、周波数に依存してリアクトルの損失が大きくなりやすいので、より低損失なリアクトルが求められている。そのため、この場合は、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの周波数域において、より低損失なリアクトルを提供することができる。上記周波数域は、好ましくは３０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚ、より好ましくは５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚとすることができる。

なお、上述した各構成は、各作用効果等を得るなどのために必要に応じて任意に組み合わせることができる。

実施例の磁心、コイル部材について、図面を用いて説明する。なお、同一部材については同一の符号を用いて説明する。

（実施例１）
図１〜図３に示すように、本例の磁心１は、磁性粉末２と、磁性粉末２を内部に収容する容器３とを有している。

本例では、磁性粉末２は、軟磁性粉末であり、平均粒径が１〜２０ｎｍの範囲内にあるＦｅ_３Ｏ_４粒子の集合体よりなる。また、容器３は、アクリル樹脂より形成されており、内部の収容空間３０１に繋がる開口部３０２を有する容器本体部３０と、開口部３０２を閉じる蓋部３１とを有している。容器本体部３０は、具体的には、環状の底部３０３と、底部３０３の内周縁に立設された内筒部３０４と、底部３０３の外周縁から内筒部３０４と同側に立設された外筒部３０５とを有している。内筒部３０４と外筒部３０５の間に形成される空洞部が、磁性粉末２を収容する収容空間３０１とされる。また、内筒部３０４および外筒部３０５の上端部に開口部３０２が形成される。蓋部３１は、開口部３０２に嵌合する嵌合部３１０を有しており、嵌合部３１０が開口部３０２の中に嵌まり込むことによって開口部３０２に取り付けられる。本例の磁心１は、上述した形状を有する容器本体部３０の開口部３０２より磁性粉末２を収容空間３０１に充填した後、蓋部３１にて開口部３０２を閉じることによって製造することができる。なお、本例では、収容空間３０１の大部分を磁性粉末２にて満たした。

次に、本例の磁心の作用効果について説明する。

本例の磁心は、容器内に磁性粉末が収容されている。そのため、磁心は、容器内において粒子同士の間に隙間が形成される。その結果、本例の磁心は、渦電流が流れ難く、渦電流損失を低減することができ、損失を低減することが可能となる。さらに、容器に収容する磁性粉末の充填量を変化させることにより、粒子同士の間の隙間を調節することができるので、渦電流損失の制御を実施しやすくなる。また、本例の磁心は、磁性粉末をそのまま使用しているので、その製造時に成形プロセスや圧粉磁心を成形するときに用いられるバインダー等の材料の使用を省略することができる。また、ＨＩＰ等も不要であるため、粒子同士が焼結したり、新たな組成の副生成物が生じたりすることがなく、これによる磁気特性の劣化も抑制することができる。このように本例の磁心は、上記構成を採用したことにより、良好な製造性を有する。

（実施例２）
図４に示すように、本例のコイル部材４は、本例の磁心１を有している。

本例では、具体的には、実施例１と同じ構成の磁心１を用いている。また、コイル部材４は、具体的には、リアクトルであり、磁心１と、磁心１に巻回され、通電により磁束を発生するコイル５とを有している。コイル５は、より具体的には、一次コイル部５１と、二次コイル部５２とから構成されている。本例のリアクトルは、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの周波数域で使用されるものである。

次に、本例のコイル部材の作用効果について説明する。

本例のコイル部材は、損失を低減可能な磁心を有している。そのため、より高効率なコイル部材を実現することが可能となる。

（実施例３）
図５、図６に示すように、本例の磁心１は、磁性粉末２を収容する容器３の形状が異なる点において、実施例１の磁心１と相違している。その他は実施例１と同様の構成を有している。

本例の磁心１において、容器３は、有底の筒部３０６から構成される容器本体部３０と、筒部３０６における底部３０３と反対側の端部に形成された開口部３０２を閉じる蓋部３１とを有している。蓋部３１は、開口部３０２に嵌合する嵌合部３１０を有しており、嵌合部３１０が開口部３０２の中に嵌まり込むことによって開口部３０２に取り付けられる。

本例の磁心１によっても、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例４）
図７に示すように、本例のコイル部材４は、本例の磁心１を有している。

本例では、具体的には、実施例３と同じ構成の磁心１を用いている。また、コイル部材４は、具体的には、リアクトルであり、磁心１と、磁心１に巻回され、通電により磁束を発生するコイル５とを有している。本例のリアクトルは、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの周波数域で使用されるものである。

本例のコイル部材も、実施例３と同様の作用効果を得ることができる。

＜実験例＞
以下、実験例を用いてより具体的に説明する。
Ｆｅアセチルアセトナートと、オレイルアミンとを混合し、Ｆｅアセチルアセトナートを熱分解することにより、Ｆｅ_３Ｏ_４粒子の集合体よりなるＦｅ_３Ｏ_４粉末を得た。得られたＦｅ_３Ｏ_４粉末のＴＥＭ写真を図８に示す。なお、図８中、２０はＦｅ_３Ｏ_４粒子であり、９はＦｅ_３Ｏ_４粉末を置いたステージである。また、動的光散乱法による粒度分布測定装置（ＭａｌｖｅｒｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製、「ＺｅｔａｓｉｚｅｒＮａｎｏＺＳ」）を用いて、得られた軟Ｆｅ_３Ｏ_４粉末の体積基準による平均粒径ｄ５０を測定したところ、３．７ｎｍであった。図９に、上記Ｆｅ_３Ｏ_４粉末の粒度分布を示す。

次いで、実施例１にて説明した形状の容器を準備した。なお、容器本体部における外筒部の外径は、直径２２ｍｍであり、内筒部の内径は、直径１２ｍｍであり、容器本体部の高さ（軸方向の距離）は、５ｍｍである。また、容器内部の容積は、４８０ｍｍ^３である。

次いで、容器の開口部より収容空間内に上記軟磁性粉末を充填し、開口部を蓋部にて閉じることにより、容器内に軟磁性粉末を封入した。これにより、試料１の磁心を作製した。また、上記Ｆｅ_３Ｏ_４粉末に代えて、平均粒径ｄ５０が２５μｍである鉄粉を用いた点以外は同様にして、試料２の磁心を作製した。また、市販の鉄粉とバインダーとの混合物を成形したリング形状の圧粉磁心を、試料３の磁心とした。

各試料について、ＢＨアナライザにて交流磁気特性を測定した。磁気特性の測定結果として、損失の周波数依存性を表１に示す。

表１によれば、試料１、試料２は、試料３に比べ、明確に損失が低下していることが確認された。特に、試料１は、磁性粉末の平均粒径が３．７ｎｍであり、試料２に比べ、より低い損失とすることができている。これは、磁性粉末の平均粒径が１〜２０ｎｍの範囲内であったため、ヒステリシス損失を低減させやすかったからである。また、この結果から、難易度の高いナノサイズの粉末成形を行わずに済むといえる。また、成形プロセスやバインダー材料の使用も省略することも可能である。また、ナノサイズの粒子同士が焼結したり、新たな組成の副生成物が生じたりし難いので、これによる磁気特性の劣化も抑制することができるといえる。よって、良好な磁気特性を有する磁心を得やすくなるといえる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、磁心の形状は、本例によって限定されるものではなく、コイル部材の種類に応じて最適な容器形状を採用することができる。

１磁心
２磁性粉末
３容器
４コイル部材

Claims

磁性粉末（２）と、該磁性粉末（２）を内部に収容する容器（３）とを有することを特徴とする磁心（１）。
上記磁性粉末（２）の平均粒径は、１〜２０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の磁心（１）。
上記磁性粉末（２）は、鉄、コバルト、クロム、ニッケル、マンガン、および、亜鉛から選択される１種または２種以上の金属またはこれら金属の合金あるいは上記金属の酸化物より構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の磁心（１）。
上記容器（３）は、樹脂製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁心（１）。
上記容器（３）は、上記内部の収容空間（３０１）に繋がる開口部（３０２）を有する容器本体部（３０）と、上記開口部（３０２）を閉じる蓋部（３１）とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁心（１）。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁心（１）を有することを特徴とするコイル部材（４）。
上記コイル部材（４）はリアクトルであり、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの周波数域で用いられることを特徴とする請求項６に記載のコイル部材（４）。