JP2019201155A - 圧粉磁芯およびインダクタ素子 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)断面において、平均粒径が3μm以上15μm以下にある大粒子と、平均粒径が300nm以上900nm以下にある小粒子とが観察される圧粉磁芯であって、
前記断面において前記大粒子が占める面積と前記小粒子が占める面積との比が9:1〜5:5であり、
前記大粒子および前記小粒子のビッカース硬度(Hv)がそれぞれ150以上600以下であり、
前記小粒子がFeと少なくともSiまたはNiのいずれかとを含む合金粉である圧粉磁芯。
本実施形態に係る圧粉磁芯は、インダクタ素子の磁芯として好適に用いられる。
そして、本実施形態に係るインダクタ素子は、たとえば、所定形状の圧粉磁芯内部に、ワイヤが巻回された空芯コイルが埋設されたコイル型電子部品であってもよい。
本実施形態に係る圧粉磁芯では、その断面(切断面)において大粒子と小粒子とが観察される。大粒子と小粒子とは、図2に示すような粒度分布で区別できる。粒度分布で示されるピークはその粒子群の平均粒径である。なお、図2は、平均粒径が10μmの大粒子と、平均粒径が450nmの小粒子とを表示する、粒度分布の一例である。
圧粉磁芯は、後述するように、大粒子および小粒子の原料粒子を含む軟磁性材料粉を金型内で圧縮することで成形される。圧粉磁芯を金型から脱型するとき、圧粉磁芯側面は金型の内部表面と強く擦れ合う。ビッカース硬度(Hv)が低すぎると、脱型時に圧粉磁芯側面の軟磁性材料粉が伸びて変形し、その結果、耐電圧が低下するおそれがある。またビッカース硬度(Hv)が大きすぎると、粒子の充填量が低下して直流重畳特性が低下するおそれがある。なお、ビッカース硬度(Hv)は、上記の範囲内であれば、大粒子と小粒子とで同じ値でもよく、異なる値でもよい。
ビッカース硬度(Hv)=F/S=1.854×F/d2
圧粉磁芯は、結合材を含むことができる。結合材としては、特に制限はないが、各種有機高分子樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、および水ガラス等が例示される。結合剤の含有量には特に制限はない。例えば、圧粉磁芯全体を100質量%とすると、原料大粒子および原料小粒子の合計含有量を90質量%〜98質量%とし、結合材の含有量を2質量%〜10質量%とすることができる。
圧粉磁芯の製造方法としては、特に制限されず、公知の方法を採用できる。例えば、次のような方法が挙げられる。まず、大粒子の材料となる原料大粒子および小粒子の材料となる原料小粒子を所定割合で混合し軟磁性材料粉とする。絶縁された軟磁性材料粉と結合材とを混合し、混合粉を得る。また、必要に応じて、得られた混合粉を造粒粉としてもよい。そして、混合粉または造粒粉を金型内に充填して圧縮成形し、作製すべき磁性体(圧粉磁芯)の形状を有する成形体を得る。得られた成形体に対して、必要に応じて熱処理を行うことにより、金属磁性粉が固定された所定形状の圧粉磁芯が得られる。熱処理の条件に特に制限はなく、例えば、熱処理温度を150〜220℃とし、熱処理時間を1〜10時間とすることができる。また、熱処理時の雰囲気にも特に制限はなく、例えば大気雰囲気、またはアルゴンや窒素等の不活性ガス雰囲気中で熱処理できる。得られた圧粉磁芯に、ワイヤを所定回数だけ巻回することにより、インダクタ素子が得られる。
<透磁率>
周波数3MHzにおける圧粉磁芯のインダクタンスを測定し、インダクタンスから圧粉磁芯の透磁率を算出する。本実施形態の圧粉磁芯において、直流重畳磁界が0A/mおよび8000A/mのときの透磁率を、それぞれ初期透磁率μi(0A/m)および直流透磁率μdc(8000A/m)とする。
本実施形態の圧粉磁芯の初期透磁率μiは、好ましくは35以上、より好ましくは36以上、さらに好ましくは48以上である。
また、本実施形態の圧粉磁芯の直流透磁率μdcは、好ましくは30以上、より好ましくは36以上、さらに好ましくは42以上である。
渦電流損失(コアロス)は、周波数3MHzおよび5MHz、測定磁束密度10mTの条件で測定する。
本実施形態の圧粉磁芯の周波数3MHzにおけるコアロスは、好ましくは495kW/m3以下、より好ましくは400kW/m3以下、さらに好ましくは300kW/m3以下、特に好ましくは250kW/m3以下である。
また、本実施形態の圧粉磁芯の周波数5MHzにおけるコアロスは、好ましくは990kW/m3以下、より好ましくは800kW/m3以下、さらに好ましくは570kW/m3以下、特に好ましくは485kW/m3以下である。
直径12.7mm、高さ5mmの円柱状に成形した圧粉磁芯を一対の銅板で挟み、銅板に電圧を印加して、0.5mAの電流が流れたときの電圧を耐電圧とする。
本実施形態の圧粉磁芯の耐電圧は、好ましくは500V/5mm以上、より好ましくは700V/5mm以上、さらに好ましくは1000V/5mm以上である。
平均粒径、面積比、ビッカース硬度(Hv)、小粒子の電気抵抗、初期透磁率(μi)、直流透磁率(μdc)、およびコアロスは以下のように測定した。結果を表1に示す。
圧粉磁芯を冷間埋め込み樹脂で固定し、断面を切り出し、鏡面研磨してSEMで観察を行った。画像解析ソフト(マウンテック社製Mac−View)を用いてSEM画像中の軟磁性材料粉の粒度分布を測定し、大粒子および小粒子の平均粒径(D50)を得た。平均粒径が3〜15μmの範囲にある粒子群を大粒子とし、平均粒径が300〜900nmの範囲にある粒子群を小粒子とした。圧粉磁芯の断面における大粒子の占める面積と小粒子の占める面積との比を求めた。
ビッカース硬度(Hv)は、微小硬度計(明石製作所製MVK―03)を用いて測定した。
小粒子と同じ組成を有するよう作製した試料粒子の電気抵抗を測定し、それを小粒子の電気抵抗とした。すなわち、小粒子と同じ組成を有する、直径およそ10μmの試料粒子を樹脂で固定し、断面を切り出し、そこにタングステンからなる4本の測定端子をあてて電圧を印可し、その際の電流を測定して電気抵抗を求めた。電気抵抗は組成に大きく依存するため、上記試料粒子の電気抵抗は、粒径がより小さい小粒子の電気抵抗と同じと考えられる。
LCRメータ(アジレント・テクノロジー社製4284A)および直流バイアス電源(アジレント・テクノロジー社製42841A)を用いて、周波数3MHzにおける圧粉磁芯のインダクタンスを測定し、インダクタンスから圧粉磁芯の透磁率を算出した。直流重畳磁界が0A/mの場合と8000A/mの場合について測定し、それぞれの透磁率をμi(0A/m)、μdc(8000A/m)とした。
BHアナライザ(岩通計測社製SY−8258)を用いて、周波数3MHzおよび5MHz、測定磁束密度10mTの条件で測定した。
直径12.7mm、高さ5mmの円柱状に成形した圧粉磁芯を一対の銅板で挟み、銅板に電圧を印加して、0.5mAの電流が流れたときの電圧を測定した。
水アトマイズ法にて、組成がFe6.5Siで平均粒径が3μmである原料大粒子を得た。また、液相法にて、組成がFe6.5Siで平均粒径が300nmである原料小粒子を得た。
軟磁性材料粉にリン酸亜鉛を用いて厚さ10nmの絶縁被膜を形成した。
また、全ての実施例において、原料大粒子の平均粒径は、圧粉磁芯の断面における大粒子の平均粒径と略一致した。さらに、原料小粒子の平均粒径は、圧粉磁芯の断面における小粒子の平均粒径と略一致した。
原料大粒子として平均粒径5μmの粒子、および原料小粒子として平均粒径450nmの粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子として平均粒径10μmの粒子、および原料小粒子として平均粒径700nmの粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子として平均粒径15μmの粒子、および原料小粒子として平均粒径900nmの粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe4Si2Crの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFeNi2Si3Coの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe48Niの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe1.5Siの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe7.5Siの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe4.5Siの原料大粒子、および組成がFe4.5Siの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成をFe3Siの原料大粒子、および組成がFe3Siの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe4Si2Crの原料大粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFeNi2Si3Coの原料大粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe1.5Siの原料大粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe7.5Siの原料大粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子と原料小粒子とを9:1の重量比で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子と原料小粒子とを8:2の重量比で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子と原料小粒子とを6:4の重量比で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子と原料小粒子とを5:5の重量比で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料大粒子と原料小粒子とを4:6の重量比で配合した他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
平均粒径10μmの原料大粒子のみを用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が3μm以上15μm以下にある粒子のみが観察された。
組成がFeの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe9.5Si5.5Alの原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
組成がFe81Si9Nb7B3の原料小粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。
原料小粒子として平均粒径150nmの粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が300nm以上900nm以下にある粒子の存在が確認できなかった。
原料小粒子として平均粒径1200nmの粒子を用いた他は、実施例3と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が300nm以上900nm以下にある粒子の存在が確認できなかった。
原料大粒子として平均粒径25μmの粒子、および原料小粒子として平均粒径500nmの粒子を用いた他は、実施例1と同様にして圧粉磁芯を得た。なお、圧粉磁芯の断面のSEM画像から得られた粒度分布では、平均粒径が3μm以上15μm以下にある粒子の存在が確認できなかった。
110 コア
120 コイル
10 圧粉磁芯
11 大粒子
12 小粒子
13 絶縁被膜
14 間隙
Claims (4)
- 断面において、平均粒径が3μm以上15μm以下にある大粒子と、平均粒径が300nm以上900nm以下にある小粒子とが観察される圧粉磁芯であって、
前記断面において前記大粒子が占める面積と前記小粒子が占める面積との比が9:1〜5:5であり、
前記大粒子および前記小粒子のビッカース硬度(Hv)がそれぞれ150以上600以下であり、
前記小粒子がFeと少なくともSiまたはNiのいずれかとを含む合金粉である圧粉磁芯。 - 前記小粒子の電気抵抗が40μΩ・cm以上である、請求項1に記載の圧粉磁芯。
- 前記小粒子がCoおよびCrからなる群から選択される1以上の元素を含む、請求項1または2に記載の圧粉磁芯。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の圧粉磁芯を有するインダクタ素子。
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