JP2016012688A - 圧粉磁心、及びコイル部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧粉磁心1は、絶縁被膜14を備える被覆鉄粉10と、潤滑剤30とを含む。被覆鉄粉は、平均粒径が200μm以上450μm以下であり、粒径が75μm以下の粉末粒子の割合が10質量%以下である。潤滑剤は、含有量が0.3質量%以上0.8質量%以下であり、脂肪酸アミドを含む。
【選択図】図1
Description
本発明者らは、高い透磁率を有し、コアロスが低い圧粉磁心を製造するにあたり、被覆粉末を用いて種々検討した結果、以下の知見を得た。
・透磁率を高めるには、圧粉磁心を構成する軟磁性粉末は、磁束が通過し易いように、粉末粒子が多いことが好ましい。
・コアロスを低くするには、圧粉磁心の絶縁性を高めるために(電気抵抗を高めるために)、製造過程での絶縁被膜の損傷を低減することが効果的である。絶縁被膜の損傷を低減するには、変形能が高く、比較的大きな粒径の鉄粉を利用すること、熱処理を省略すること、原料粉末に潤滑性に優れる潤滑剤を十分に添加することが好ましい。
・上述の絶縁被膜の損傷を低減するための対策は、圧粉磁心の製造性を向上できる。
・熱処理の省略によって、原料粉末に添加した潤滑剤は、熱処理を行った場合とは異なり、実質的に熱変性せず、原料と同じ成分及び添加量を実質的に維持する。
以下、適宜図面を参照して、本発明の実施形態に係る圧粉磁心、及びその製造方法、コイル部品を詳細に説明する。図1では、説明の便宜上、粉末粒子の大きさ、形状や、粉末の配合割合などを模式的に示しており、実際の大きさや形状、配合割合は異なる場合がある。
実施形態の圧粉磁心1は、軟磁性粉末を主体とする成形体であり、図1に示すように鉄粒子12の外周が絶縁被膜14で覆われた被覆鉄粒子から構成される被覆鉄粉10を含む。圧粉磁心1は、代表的には、原料粉末Pが加圧圧縮されて、被覆鉄粉100を構成する各粉末粒子同士が塑性変形して相互に噛み合うなどして、形状が保持される。圧粉磁心1は、更に潤滑剤30を含む。また、圧粉磁心1は、被覆鉄粉10に加えて裸鉄粉20を含み得る。以下、各構成を詳細に説明する。
・・鉄粉(鉄粒子)
実施形態の圧粉磁心1は、磁性成分を純鉄とすることを特徴の一つとする。主成分を純鉄にすることで、圧粉磁心1は、透磁率や飽和磁束密度が高い。また、主成分を純鉄にすることで、圧粉磁心1は、原料粉末Pの主成分も純鉄となるため、塑性変形性に優れて成形し易く製造性にも優れる、緻密化し易く磁気特性(特に透磁率)を高め易い、粉末粒子同士が十分に噛み合って機械的強度に優れる、という効果を奏する。従って、圧粉磁心1では、必須成分である被覆鉄粉10の鉄粒子12、及び任意成分である裸鉄粉20のいずれも純鉄とする。
絶縁被膜14は、主として、鉄粒子12同士の直接接触を妨げて、圧粉磁心1の電気抵抗を高める絶縁材として機能する。実施形態の圧粉磁心1は、代表的には、後述するように原料粉末Pに潤滑剤300を特定量含むと共に特定成分を含み、かつ圧縮後に熱処理を行わないという特定の製造方法によって得られる。そのため、製造過程での絶縁被膜140の損傷が効果的に防止され、鉄粒子12は残存する絶縁被膜14によって十分に覆われた状態を維持できる。鉄粒子12の表面全体が絶縁被膜14で覆われていれば、渦電流損を低減し易く好ましい。鉄粒子12間や鉄粒子12と裸鉄粒子との間を絶縁できれば、絶縁被膜14は、鉄粒子12の全表面を覆っていなくてもよく、鉄粒子12の一部が露出されるような存在状態を許容する。
圧粉磁心1における被覆鉄粉10は、比較的大きい粉末粒子を含むことを特徴の一つとする。被覆鉄粉10が大きいことで、圧粉磁心1は、磁束の通路を十分に確保できて高い透磁率を有することができる。具体的には、被覆鉄粉10の平均粒径は200μm以上450μm以下が好ましい。被覆鉄粉10の平均粒径が200μm以上であれば、高透磁率に加えて、1.絶縁被膜14を良好に備えてコアロスを低くし易い、2.緻密化し易く製造性に優れる、3.粉末粒子同士が十分に噛み合って機械的強度に優れる、4.高密度化によっても透磁率を高め易い、といった効果を奏する。上記1.〜3.の効果を奏する理由は以下の通りである。被覆鉄粉10の平均粒径が上述の範囲である圧粉磁心1は、代表的には、平均粒径が上記の範囲を満たす被覆鉄粉100を原料粉末Pに用いることで製造できる。原料粉末Pの被覆鉄粉100の平均粒径が200μm以上であれば、圧縮成形性に優れるため、比較的低圧でも緻密化し易い。成形圧力を小さくすれば、成形時の絶縁被膜140の損傷を抑制でき、絶縁被膜14が健全な状態で存在し易い。原料粉末Pの被覆鉄粉100の平均粒径が大きいほど粉末粒子同士が噛み合い易く圧縮成形性に優れる、流動性に優れて金型に充填し易い、成形圧力を低減しても緻密化できるなどの点から製造性に優れる。上述の効果はいずれも、平均粒径が大きいほど得易いことから、圧粉磁心1における被覆鉄粉10の平均粒径は、220μm以上、更に235μm以上、更には300μm以上とすることができる。
圧粉磁心1の磁性成分における被覆鉄粉10の含有量が高いほど、特に高透磁率、低コアロスといった効果を得易い。従って、被覆鉄粉10の含有量は、圧粉磁心1の磁性成分を100質量%として、50質量%以上、50質量%超、更に55質量%以上、更には60質量%以上とすることができる。被覆鉄粉10の含有量が100質量%未満の場合、磁性成分の残部は、後述する裸鉄粉20が好ましい。被覆鉄粉10の含有量が100質量%の場合には、更に高透磁率及び低コアロスとし易い。圧粉磁心1の磁性成分の質量は、圧粉磁心の質量から潤滑剤の質量(後述の添加材を含む場合には潤滑剤及び添加材の合計質量)を除した値とする。
実施形態の圧粉磁心1は、特定量の潤滑剤30を含むと共に、潤滑剤30に特定成分を含むことを特徴の一つとする。圧粉磁心1における潤滑剤30は、主として、製造過程における原料粉末Pの粉末粒子同士の擦れ合い、脱型時の圧縮物と金型との擦れ合い(摩擦)などを低減する機能を有する。更に、潤滑剤30は、絶縁体であることから、上述のように鉄粒子12が露出した箇所がある場合に、鉄粒子12,12間や鉄粒子12と裸鉄粒子間に介在して絶縁材としても機能する。
実施形態の圧粉磁心1は、圧粉磁心1を100質量%として、潤滑剤30を0.3質量%以上0.8質量%以下含む。潤滑剤30を0.3質量%以上含むことで、上述の製造過程での擦れ合いなどを効果的に低減できて絶縁被膜140の損傷を低減できる上に、鉄粒子12,12間や鉄粒子12と裸鉄粒子間に十分に介在できる。従って、潤滑剤30を0.3質量%以上含む圧粉磁心1は、絶縁被膜14を良好に備えて絶縁性に優れ、コアロスが低い。圧粉磁心1における潤滑剤30の含有量は、0.36質量%以上、更に0.40質量%以上とすることができる。
実施形態の圧粉磁心1は、潤滑剤30に脂肪酸アミドを含むことを特徴の一つとする。脂肪酸アミドは、代表的には融点が70℃以上150℃以下程度、更に90℃以上120℃以下程度であり、比較的融点が高い。そのため、製造過程では、(1)融点以下の使用環境(例えば、20℃〜25℃程度の室温)であれば、原料粉末Pが流動性に優れて金型に均一的に充填し易い、(2)液状化した潤滑剤が金型に滞留し、この滞留物を原料粉末Pが巻き込むことによる圧縮物の低密度化を抑制できる、(3)脱型性に優れて絶縁被膜140の損傷を低減し易い、(4)原料粉末Pを取り扱い易く作業性に優れる、という効果を奏する。また、圧粉磁心1の使用温度が室温(気温)程度〜融点以下であれば、液状化を抑制でき、液状化に伴う潤滑剤30の過度の流出を防止して、潤滑剤30を絶縁材として機能できる。
潤滑剤30の存在形状として、例えば、粉末状が挙げられる。原料粉末Pの潤滑剤300として粉末状のものを利用すれば、圧縮成形後にも粉末状で存在し得る。その他、成形時に変形して、潤滑剤30は被覆鉄粒子や裸鉄粒子に沿った任意の形状で存在したり、より小さな粉末状やより大きな粉末状になって存在したりする。
実施形態の圧粉磁心1は、磁性成分が被覆鉄粉10のみである形態の他、絶縁被膜14を備える被覆鉄粉10と、絶縁被膜を備えていない裸鉄粉20との双方を含む形態(図1)とすることができる。裸鉄粉20の成分は上述の鉄粒子12と同様である。裸鉄粉20を含む形態は、特に強度に優れることが期待できる。裸鉄粉20は成分及び構造(絶縁被膜無し)から塑性変形性により優れるため、被覆鉄粒子間に変形して介在する場合には、裸鉄粉20によって被覆鉄粒子同士を強固に結合できるからである。また、裸鉄粉20は、絶縁被膜を有さず、表面が比較的凹凸している傾向にあることからも、被覆鉄粒子に噛み合い易いと考えられるからである。
裸鉄粉20を含む場合には、裸鉄粉20は、被覆鉄粉10よりも小さいことが好ましい。裸鉄粒子が小さければ、大きい被覆鉄粒子がつくる隙間に介在して緻密化、高密度化を図れる。その結果、小さい裸鉄粉20を含む圧粉磁心1は、絶縁被膜による磁性成分の割合の低下を抑制しつつ、高密度化によって透磁率を高められると期待される。また、裸鉄粒子が小さければ、裸鉄粒子間に介在する潤滑剤30によって裸鉄粒子間の絶縁を確保し易い。その結果、圧粉磁心1は、裸鉄粉20を含むものの、絶縁性に優れると考えられる。更に、裸鉄粒子が小さければ、粒子内に生じる渦電流を低減し易い。この点から、裸鉄粉20を含んでいながら、低コアロスの圧粉磁心1とすることができる。
圧粉磁心1の磁性成分における裸鉄粉20の含有量は、圧粉磁心1の磁性成分を100質量%として、10質量%以上であれば、裸鉄粉20を含む効果(緻密化、高強度、優れた変形性など)が得られる。また、被覆鉄粉100の使用量を低減でき、低コスト化に寄与できる。裸鉄粉20の含有量が15質量%以上、更に20質量%以上、更には30質量%以上であれば、上記の効果を得易い上に、透磁率がより高くなったり、コアロスがより低くなったりすることがある。一方、裸鉄粉20の含有量が45質量%以下であれば、圧粉磁心1は、大きな被覆鉄粉10を十分に含むことから、絶縁性を高め易い。裸鉄粉20の含有量は、35質量%以下、更に30質量%以下とすることができる。
圧粉磁心1は、その他の添加材として、樹脂などを含有することができる。具体的には、ポリアセタール(POM)、ポリアミド(PA)、ポリカーボネート(PC)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、変性ポリフェニレンエーテル(m−PPE)、ポリフェニレンスルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルイミド(PEI)などのエンジニアリングプラスチックが挙げられる。添加材の含有量は、圧粉磁心1を100質量%として、0超0.5質量%以下が好ましい。この範囲で樹脂などを含むことで、成形性や保形性を高められ、かつ樹脂の含有による磁性成分の割合の低下を防止できる。特に、ポリアミド系樹脂は、成形強度を高められて好ましい。ポリアミド系樹脂は、上述のように絶縁被膜14として存在する形態、粉末状に存在する形態などが挙げられる。粉末の場合には、原料粉末Pに樹脂粉末を混合するとよい。
実施形態の圧粉磁心1は、種々の形状の金型を用いることで、種々の形状をとり得る。代表的には、対向する二面を端面とする柱状体、両端面を貫通する貫通孔を有する筒状体が挙げられる。より具体的には、円柱、円筒、円環(厚さが薄いもの)、直方体などの角柱、端面が矩形枠状の角筒などが挙げられる。その他、一つ又は複数の段差を有する形状や、端部に一つ又は複数のフランジ部を備える形状といった外形が凹凸形状の異形の柱状体や筒状体などとすることができる。
実施形態の圧粉磁心1の一例として、密度が7.3g/cm3以上7.7g/cm3以下を満たすものが挙げられる。密度が7.3g/cm3以上であれば、相対密度((見掛け密度/真密度)×100。真密度=純鉄粉の密度)が92%以上と緻密であり、透磁率が高く、強度に優れる。密度が高いほど、透磁率や強度が高まることから、圧粉磁心1の密度は、7.35g/cm3以上、更に7.4g/cm3以上を満たすことが好ましい。一方、圧粉磁心1の密度が7.7g/cm3以下であれば、比較的低い成形圧力で製造されて、成形時の絶縁被膜の損傷が低減されているといえ、コアロスを低くできる。従って、圧粉磁心1の密度は、7.65g/cm3以下、更に7.6g/cm3以下とすることができる。
実施形態の圧粉磁心1は、高い透磁率を有する。例えば、圧粉磁心1の交流透磁率は、測定条件を0.1T/10kHzとするとき、150以上、更に160以上、更には170以上が挙げられる。
実施形態の圧粉磁心1は、磁路の構成部材として利用できる。例えば、巻線を螺旋状に巻回してなるコイルと、このコイルが配置されて磁路を構成する磁性コアとを備えるコイル部品において、磁性コアの少なくとも一部に圧粉磁心1を利用できる。図2〜図7は、コイル部品の一例を示す。図中、同一符号は同一名称物を示す。
実施形態の圧粉磁心1は、例えば、以下の準備工程と、成形工程とを備え、成形工程後に熱処理を行わない製造方法によって製造できる。
(準備工程) 平均粒径が200μm以上450μm以下であり、粒径が75μm以下の粉末粒子の割合が10質量%以下である被覆鉄粉と、脂肪酸アミドを含み、0.3質量%以上0.8質量%以下の潤滑剤とを含む原料粉末を準備する工程
(成形工程) 上記原料粉末を金型に充填して加圧圧縮し、圧粉磁心を製造する工程
裸鉄粉20を含む圧粉磁心1を製造する場合には、上記準備工程では、上記被覆鉄粉と、上記潤滑剤と、平均粒径が40μm以上150μm以下であり、粒径が200μm以上の粉末粒子の割合が10質量%以下である裸鉄粉とを含む原料粉末を準備する。
原料粉末Pに用いる被覆鉄粉100は、純鉄粉に絶縁被膜140を形成することで製造できる。被覆鉄粉100及び裸鉄粉200に用いる純鉄粉は、ガスアトマイズ法や水アトマイズ法といったアトマイズ法などの公知の方法によって製造できる。絶縁被膜140の形成には、例えば、燐酸塩化成処理といった化成処理、溶剤の吹きつけ、前駆体を用いたゾルゲル処理などが利用できる。シリコーン系有機化合物の被覆を形成する場合、有機溶剤を用いた湿式被覆処理や、ミキサーによる直接被覆処理などを利用できる。被覆鉄粉100として、市販の被覆鉄粉を利用できる。被覆鉄粉100の大きさや裸鉄粉200の大きさは、純鉄粉を粉砕するなどしてその大きさを調整したり、被覆鉄粉100や裸鉄粉200を篩法などによって分級したりすることで調整できる。
準備した原料粉末P(混合粉末)を加圧圧縮する金型は、代表的には、貫通孔を有するダイと、原料粉末Pを加圧圧縮する一対のパンチとを備えるものが挙げられる。詳しくは、ダイの内周面の一部と、一方のパンチの一面(他方のパンチとの対向面)とで有底筒状の成形空間を形成し、この成形空間に原料粉末Pを充填して両パンチによって加圧圧縮して、所望の形状に成形する。そして、ダイから抜き出した圧縮物が圧粉磁心1である。貫通孔を有する筒状や環状の圧粉磁心(図7のコア片10fなど)を製造する場合には、金型として、ダイの貫通孔に挿通配置されて、圧縮物の貫通孔を形成するロッドを備えるものを利用するとよい。段差を有する形状の圧縮物を成形する場合には、一対のパンチをそれぞれ、複数に分割した組物を利用することができる。金型の構成は、公知の構成を利用できる。
種々の条件で圧粉磁心を製造し、透磁率とコアロスとを調べた。
・試料No.1−1,1−110は、被覆鉄粉(後述する被覆鉄粉2)と潤滑剤とを含み、裸鉄粉を含まない混合粉末を用いた試料である。
・試料No.1−2,1−120,1−3,1−130は、被覆鉄粉(後述する被覆鉄粉1)と潤滑剤と裸鉄粉とを含む混合粉末を用いた試料である。被覆鉄粉と裸鉄粉との配合割合は、両粉末の合計量(磁性成分の全量)を100質量%とした場合に、試料No.1−2,1−120は、被覆鉄粉を90質量%、裸鉄粉を10質量%とし、試料No.1−3,1−130は、被覆鉄粉を60質量%、裸鉄粉を40質量%とした。
・試料No.1−200は、微細な被覆鉄粉を用いた比較試料である。この微粒被覆鉄粉は、市販品である(平均粒径:55μm、絶縁被膜:燐酸鉄)。
いずれの試料も成形条件は、雰囲気を大気雰囲気とし、成形圧力は686MPa〜882MPa(7ton/cm2〜9ton/cm2)から選択し、金型温度(℃)は50℃〜60℃から選択した。特に、試料No.1−1〜1−3,1−110〜1−130については、密度が概ね等しくなるように成形圧力を上記の範囲から選択した。
原料粉末として、試験例1で述べた試料No.1−2の混合粉末(被覆鉄粉1(310μm)+裸鉄粉(配合割合10質量%)+潤滑剤)と、裸鉄粉を含まない混合粉末(被覆鉄粉1(310μm)+潤滑剤)とを用いて、試験例1と同様の密度になる条件で圧縮成形した後、熱処理を施していない圧粉磁心(試料No.2−1:裸鉄粉無し、試料No.2−2:裸鉄粉有り)を製造し、強度を調べた。
10 被覆鉄粉 12 鉄粒子 14 絶縁被膜 20 裸鉄粉
30 潤滑剤
P 原料粉末
100 被覆鉄粉 120 鉄粒子 140 絶縁被膜 200 裸鉄粉
300 潤滑剤
1A,1B,1C,1D,1E,1F コイル部品
10A,10B,10C,10D,10E,10F 磁性コア
10i I字状のコア片 10p Π字状のコア片 10e E字状のコア片
10f 矩形枠状のコア片 10h 貫通孔
G ギャップ C コイル
Claims (8)
- 絶縁被膜を備える被覆鉄粉と、潤滑剤とを含み、
前記被覆鉄粉は、平均粒径が200μm以上450μm以下であり、粒径が75μm以下の粉末粒子の割合が10質量%以下であり、
前記潤滑剤は、含有量が0.3質量%以上0.8質量%以下であり、脂肪酸アミドを含む圧粉磁心。 - 絶縁被膜を備えていない裸鉄粉を含み、
前記裸鉄粉は、平均粒径が40μm以上150μm以下であり、粒径が200μm以上の粉末粒子の割合が10質量%以下である請求項1に記載の圧粉磁心。 - 前記圧粉磁心の磁性成分における前記被覆鉄粉の含有量が50質量%以上100質量%以下である請求項1又は請求項2に記載の圧粉磁心。
- 前記圧粉磁心の磁性成分における前記裸鉄粉の含有量が10質量%以上45質量%以下である請求項2に記載の圧粉磁心。
- 前記脂肪酸アミドは、ステアリン酸アミドを含む請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の圧粉磁心。
- 前記潤滑剤は、脂肪酸金属塩を含む請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の圧粉磁心。
- ポリアミド系樹脂を0超0.5質量%以下含む請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の圧粉磁心。
- コイルと、磁性コアとを備えるコイル部品であって、
前記磁性コアの少なくとも一部に請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の圧粉磁心を備えるコイル部品。
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