JP3973968B2

JP3973968B2 - 磁心及びそれを用いたインダクタンス部品

Info

Publication number: JP3973968B2
Application number: JP2002140129A
Authority: JP
Inventors: 政義石井; 照彦藤原; 桂太磯谷; 晴輝保志
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2022-05-15
Also published as: JP2003332111A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁心、及びそれを用いたインダクタンス部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
チョークコイルやトランスに用いる磁心には、良好な直流重畳特性が求められており、高周波用の磁心にはフェライト磁心や圧粉磁心が使用されている。フェライト磁心は初透磁率が高く飽和磁束密度が小さい、圧粉磁心は初透磁率が低く飽和磁束密度が高い、という材料物性に由来する特徴がある。
【０００３】
従って、圧粉磁心はトロイダル形状で用いられることが多く、フェライト磁心は、たとえばＥ型に形成した磁心の３箇所の磁脚を突き合せた際に、中脚の突き合せ部にギャップが形成されるようにして、ＥＥ型で用いられることが多い。しかし、近年の電子機器への小型化要請に伴う電子部品への小型化の要求により、より大きな重畳磁界における、より高い透磁率が強く求められている。
【０００４】
一般に、直流重畳特性を向上させるためには、飽和磁化の高い磁心を選択すること、つまり高磁界で磁気飽和しない磁心の選択が必須とされている。しかし、飽和磁化は材料の組成で必然的に決まるものであり、理論値以上に高くできるものではない。そのため、従来、直流重畳特性を向上させる手段として、飽和磁化の向上が検討されてきたが、多大の労力が費やされている割には、期待されている直流重畳特性が得られていないのが現状であった。
【０００５】
その解決手段として、磁路の一箇所以上にギャップを挿入し、そのギャップに永久磁石を挿入する方法が従来から検討されてきた。この方法は直流重畳特性を向上させるには優れた方法であるが、一方で金属焼結磁石を用いると磁心のコアロスの増大が著しく、またフェライト磁石を用いると重畳特性が安定しないなど、とても実用に耐え得るものではなかった。
【０００６】
これらを解決する手段として、たとえば特開昭５０−１３３４５３公報には、永久磁石として、保磁力の高い希土類磁石粉末とバインダーとを混合した混和物を、圧縮成形したボンド磁石を挿入することが開示されており、直流重畳特性とコアの温度上昇が改善されたことが示されている。
【０００７】
しかし、近年、電源に対する電力変換効率向上の要求は、ますます厳しくなっており、チョークコイル用及びトランス用の磁心についても、単に磁心の温度変化を測定するだけでは、優劣が判断不能なレベルとなっている。そのため、コアロス測定装置による測定結果の判断が不可欠であり、実際に本発明者らが検討した結果、特開昭５０−１３３４５３公報に示された抵抗率の値では、コアロス特性が劣化することが明らかになった。
【０００８】
そこで、本発明者らは、これまで検討してきた中で、ギャップに挿入する永久磁石として８００ｋＡ／ｍ以上の固有保磁力、３００℃以上のキュリー温度（以下、Ｔｃと記す）、１Ω・ｃｍ以上の比抵抗の永久磁石を挿入することでコアロスを低下させることなく、良好な直流重畳特性が得られることを見出している。また、近年、表面実装タイプのコイルの需要が多く、そのような磁心には耐酸化性の希土類粉末が必須である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでの検討は、比抵抗の向上による渦電流損失の低減に主眼をおいたもので、ヒステリシス損失の低減については、なお検討の余地があった。従って、本発明の技術的な課題は、上記問題点解決のため、ヒステリシス損失を低減し、優れたコアロス特性と直流重畳特性を有し、しかも耐酸化性をも具備した磁心を、容易かつ安価に提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決すべく、挿入する永久磁石について検討し、磁路のギャップに挿入する永久磁石の比抵抗を１Ω・ｃｍ以上とし、固有保磁力を８００ｋＡ／ｍ以上とすることで、優れた直流重畳特性が得られ、しかもコアロス特性の劣化が生じない磁心を形成できることが見出された結果なされたものである。これは、優れた直流重畳特性を得るのに必要な磁石特性は、エネルギー積よりもむしろ固有保磁力であり、従って、比抵抗の高い永久磁石を使用しても、固有保磁力が高ければ充分に高い直流重畳特性が得られることを見出したことによる。
【００１２】
即ち、本発明は、磁路の少なくとも１箇所に設けられたギャップに、高さが前記ギャップ幅の９０％以下の永久磁石が配置されてなる磁心において、前記永久磁石は、固有保磁力が８００ｋＡ／ｍ以上、Ｔｃが３００℃以上のＳｍ _２Ｃｏ _１７系希土類磁石を、２ . ５〜５０μｍの平均粒径に粉砕してなる粉末と結合材からなり、前記結合材の量が体積比で２０％以上であり、比抵抗が１Ω・ｃｍ以上、角形比が６０％以上のボンド磁石であることを特徴とする磁心である。
【００１３】
また、本発明は、前記の磁心に、少なくとも０.５ターン以上の巻線を施してなることを特徴とするインダクタンス部品である。
【００１４】
比抵抗が高く、しかも固有保磁力が高い磁石としては、一般的には希土類磁石粉末をバインダーとともに混合して成形した希土類ボンド磁石が挙げられるが、保磁力の高い磁石粉末であれば、どのような組成のものでも可能である。この中で、希土類磁石の種類はＳｍＣｏ系、ＮｄＦｅＢ系、ＳｍＦｅＮ系が挙げられ、リフロー条件及び耐酸化性を考慮するとＴｃが３００℃以上、保磁力が８００ｋＡ／ｍ以上の特性が必要であり、現状ではＳｍ_２Ｃｏ_１７系磁石に限定される。
【００１５】
そして、ヒステリシス損失低減についての、さらなる検討の結果、ギャップに挿入する磁石の角形比を向上させることで、磁心のヒステリシス損失が低減することが見出された。この理由は、一般的に軟磁性材料であればヒステリシス損失はヒステリシスループの面積であるが、永久磁石の場合は、マイナーループの面積であり、角形比を向上させることでマイナーループの面積が小さくなるためと解される。
【００１６】
チョークコイル用及びトランス用磁心としては、軟磁気特性を有する材料であれば、いずれも使用できるが、一般的には、ＭｎＺｎ系またはＮｉＺｎ系フェライト、圧粉磁心、珪素鋼板、アモルファス合金などが用いられる。また、磁心の形状についても特に制限があるわけではなく、トロイダル磁心、ＥＥ磁心、ＥＩ磁心など、あらゆる形状の磁心に本発明の適用が可能である。
【００１７】
また、本発明においては、これら磁心の磁路の少なくとも１箇所以上にギャップを設け、そのギャップに永久磁石を挿入するが、ギャップ幅に特に制限はない。しかし、ギャップ幅が狭過ぎると直流重畳特性が劣化し、またギャップ幅が広過ぎると、所要の透磁率が得られないので、自ずからギャップ幅は限定される。
【００１８】
次に、ギャップに挿入される永久磁石に対する要求特性について言及すると、固有保磁力については、８００ｋＡ／ｍ未満では磁心に印加される直流磁界によって保磁力が消失するので、それ以上の固有保磁力が必要であり、また比抵抗は大きいほど良いが、１Ω・ｃｍ以上であれば渦電流損失劣化の大きな要因にはならない。
【００１９】
また、粉末の平均粒径が５０μｍを超えると、コアロス特性が劣化するので、粉末の平均粒径は５０μｍ以下であることが望ましく、平均粒径が２.５μｍ未満になると、粉末熱処理及びリフローの際に粉末の酸化による磁化の減少が顕著になるため、２.５μｍ以上の平均粒径が必要である。
【００２０】
また、本発明においては、ボンド磁石を磁心のギャップに挿入するので、ボンド磁石の形状はシート状となる。シート状のボンド磁石を得るには、押出成形法、プレス成形法、射出成形法、塗布法などを用いることができる。成形の際に、ボンド磁石に磁場を印加することで、磁石粉末を配向させ、特性を向上できる。
【００２１】
ここで、磁場配向の方法について言及すると、成形方法には、押出成形法、プレス成形法、射出成形法があり、プレス成形法の場合は、成形に際して磁場を印加しても格別の支障はないが、塗布法で作製するシート状の磁石の場合は、液体の結合材もしくは固体の結合材の溶液に、磁石粉末を分散させたスラリーを塗布するので、結合材が硬化していない状態で、磁場を印加すると粉末が磁界の方向に配列してしまい、穴だらけのシートになってしまう。
【００２２】
これには、たとえば徐々に温度を上げながら、結合材の硬化が徐々に進行するようにして、シートの硬化の進行度合いに従って、印加する磁場強度を高めるという方法が好適である。
【００２３】
そして、このような方法によれば、角形比が６０％以上の磁石が得られる。また、角形比の限定理由は、６０％未満では、ヒステリシス損失がほとんど低減しないためである。また、本発明で結合材の量を体積比で２０％以上に限定したのは、これ未満の量では、磁石粉末の結合が不十分で、ボンド磁石の形状を保持するのが困難となるためである。また、ボンド磁石の高さをギャップ幅の９０％以下としたのは、これを超える高さでは、挿入の作業性が低下するからである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
前記のように、磁気特性の制約から、本発明では、主にＳｍ₂Ｃｏ₁₇系磁石を用いる。これを、平均粒径が２.５〜５０μｍとなるように粉砕するが、粗粉砕には、ジョークラッシャーなどが、微粉砕には、ボールミルなどが使用可能である。乾式で粉砕を行う場合は、酸化による特性劣化を防止するために、非酸化性雰囲気中で行うことが望ましい。
【００２６】
また、磁石粉末と結合材の混合方法には、結合材が固体の熱可塑性高分子材料であれば、加圧ニーダー、ロールなどが使用可能であり、結合材が液体の熱硬化性高分子材料や溶液であれば、三本ロールミル、ホモジナイザー、サンドミルなどが使用可能である。そして、前記の方法で得られるシート状のボンド磁石を、磁心に設けられたギャップに挿入して用いる。
【００２７】
【実施例】
次に、具体的な例を挙げ、本発明の実施例について説明する。
【００２８】
（実施例１）
エネルギー積が約２２３ｋＪ／ｍ³のＳｍ₂Ｃｏ₁₇系焼結磁石を、ジョークラッシャーで粗粉砕後、ボールミルで微粉砕を行い、Ｄ₅₀＝１５μｍの粉末を作製した。次に、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇系磁石粉末とポリアミドイミド樹脂の体積比が、乾燥後で、それぞれが５０％となるように、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇系磁石粉末とポリアミドイミド樹脂（東洋紡製：バイロマックスＨＲ１１ＮＮ）を秤量し、溶媒としてｎ−メチルピロリドンを加え、円心脱泡機で５分攪拌後、３本ロールで混練を行ってスラリーを作製した。溶媒の配合比は、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇系磁石粉末とポリアミドイミド樹脂を合わせた重量と溶媒の重量の比率が、７０／１０となるようにした。
【００２９】
次に、作製したスラリーを、ドクターブレード法により、厚さが３００μｍのグリーンシートとして、電磁石のポールピース間に挿入し、初めに０.０５Ｔの磁場を印加して、５分間配向を行った。次に、グリーンシートに、温度を５０℃に設定した温風を５分間吹き付け、表面近傍を硬化させ、印加する磁場を上げ、０.１Ｔ、０.２Ｔ、０.４Ｔ、０.８Ｔとした。
【００３０】
また、ここでは、上記の配合比で作製したが、これ以外の成分、配合比でも、グリーンシート作製可能なスラリーが得られるものであれば、前記のような磁場配向方法を適用できる。これらの予備硬化を終えたシートを、温度を２００℃に設定した乾燥炉に装入し、１時間保持して本硬化を行い、厚さが２６５μｍのシート状のボンド磁石とした。
【００３１】
次に、これらのシート状のボンド磁石の比抵抗を測定したが、すべて１Ω・ｃｍ以上であることが確認された。また、これらを直径１０ｍｍの形状に打ち抜き、２０枚積層した試料を用いて、ＢＨトレーサーで角形比を測定した。表１は、角形比の測定結果を示したものである。表１には、比較に供するために、磁場を印加せずに、上記と同様に調製した試料の測定結果も併記した。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１によれば、角形比は、磁場を印加しなかった試料に比べ向上していることが明らかで、磁場が１００ｍＴにおいても、６０％以上となっている。次に、シート状のボンド磁石を、７.０×１０.０ｍｍの形状に切断し、厚さ方向に１０Ｔのパルス磁場を印加して着磁を行った。そして、一般的なＭｎＺｎ系フェライト材で作製された、磁路長７.８ｃｍ、実効断面積１.７４ｃｍ^２のＥＥ型磁心を調製し、中脚を突き合わせた際に、３００μｍのギャップが形成されるように、加工を施した。
【００３４】
そのギャップ部に、７.０×１０.０ｍｍに切断したシート状のボンド磁石を挿入して巻線を施し、直流重畳特性を測定した。図１は、得られた直流重畳特性を示した図である。比較のために、磁場を印加しないで調製した無配向のシート状のボンド磁石を、ギャップに挿入して測定した結果と、ギャップのみで測定した結果も、同じく図１に示す。
【００３５】
次に、１次巻線を１５ターン、２次巻線を１５ターン施し、ＢＨアナライザー（岩崎通信機製：ＳＹ８２３２）でロス特性を測定した。図２は、励磁条件が５０ｍＴで、２００ｋＨｚの場合のコアロス測定結果、図３は、励磁条件が５０ｍＴで、５００ｋＨｚの場合のコアロス測定結果を示す。比較のため、磁場を印加しないで調製した無配向のシート状のボンド磁石を、ギャップに挿入して測定した結果と、ギャップのみで測定した結果も、同じく図２、図３に示す。なお、図２、図３において、破線は、ギャップのみの場合の測定値である。
【００３６】
図１より、直流重畳特性は、比較例のギャップのみより大幅に改善され、また、無配向のシート状のボンド磁石を挿入した場合よりも、高磁界まで伸びていることが分かる。また、図２、図３より、コアロスは角形比の増加に伴い、低減しているのが分かる。特に角型比６０％以上で、ほぼギャップのみのロス特性と同等である。この理由は、シート状のボンド磁石の比抵抗が、すべての試料でほぼ同等だったことを考慮すると、磁場配向によりヒステリシス損失が低減したためと解される。
【００３７】
以上の結果から、磁石粉末を磁場配向することで、角形比を６０％以上とした、シート状のボンド磁石を挿入することで、コアロスを劣化させることなく、良好な直流重畳特性が得られることが分かった。
【００３８】
（実施例２）
次に、結合材として、熱硬化性高分子材料を用いた例について、説明する。実施例１と同様にして、エネルギー積が約２２３ｋＪ／ｍ³のＳｍ₂Ｃｏ₁₇系焼結磁石を粗粉砕、微粉砕し、Ｄ₅₀＝１５μｍの粉末を作製した。次に、この粉末に結合材として液状のエポキシ樹脂を、硬化後の結合材と磁石粉末との体積比が、５０／５０となるように、秤量して混合し、ボンド磁石用の混和物とした。
【００３９】
この混和物を金型に装入し、０.１Ｔ、０.２Ｔ、０.４Ｔ、０.８Ｔ、１.５Ｔの磁場をプレス方向と平行な方向に印加して成形を行い、結合材を硬化処理して、ボンド磁石を作製した。これらのボンド磁石の比抵抗を測定したが、すべて１Ω・ｃｍ以上であることが確認された。
【００４０】
次に、これらのボンド磁石について、ＢＨトレーサーを用いて角形比を測定した。表２は、角形比の測定結果を示したものである。比較のため、磁場を印加しないでプレス成形した試料も同様に測定し、結果を同じく表２に示した。
【００４１】
【表２】

【００４２】
表２に示した結果から、磁場を印加して成形したボンド磁石の角形比は、磁場を印加しない場合よりも向上し、２００ｍＴ以上の磁場を印加した場合で、６０％以上の角形比となることが分かる。
【００４３】
次に、これらボンド磁石を、７.０×１０.０×０.９ｍｍの形状に切断し、厚さ方向に１０Ｔのパルス磁場で着磁を行った。次に、一般的なＭｎＺｎ系フェライト材で作製された、磁路長７.８ｃｍ、実効断面積１.７４ｃｍ^２のＥＥ型磁心を調製し、中脚を突き合わせた際に、１ｍｍのギャップが形成されるように、加工を施した。
【００４４】
このギャップに、切断したボンド磁石を装入して、コアロス特性を測定した。図４は、励磁条件が５０ｍＴで、２００ｋＨｚの場合のコアロス測定結果、図５は、励磁条件が５０ｍＴで、５００ｋＨｚの場合のコアロス測定結果である。比較のため、磁場を印加しないで調製した無配向のシート状のボンド磁石を、ギャップに挿入して測定した結果と、ギャップのみで測定した結果も、同じく図４、図５に示す。
【００４５】
図４、図５に示した結果から、実施例１と同様に、やはり角形比の増加に伴い、コアロスが低減しているのが分かる。特に角形比が６０％以上で、ほぼギャップのみのロス特性と同等となっているが、これは、実施例１と同様の結果であり、実施例１の場合と同様に、磁場配向によりヒステリシス損失が低減したためと解される。
【００４６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、磁心の磁路に設けたギャップに、角形比が６０％以上の、シート状のボンド磁石を挿入することで、ヒステリシス損失を低減し、優れたコアロス特性と直流重畳特性を有し、しかも耐酸化性をも具備した磁心が得られる。従って、本発明によって得られる磁心及びインダクタンス部品は、各種電子機器の小型化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】直流重畳特性を示す図。
【図２】励磁条件が５０ｍＴで２００ｋＨｚの場合のコアロス測定結果を示す図。
【図３】励磁条件が５０ｍＴで５００ｋＨｚの場合のコアロス測定結果を示す図。
【図４】励磁条件が５０ｍＴで２００ｋＨｚの場合のコアロス測定結果を示す図。
【図５】励磁条件が５０ｍＴで５００ｋＨｚの場合のコアロス測定結果を示す図。

Claims

磁路の少なくとも１箇所に設けられたギャップに、高さが前記ギャップ幅の９０％以下の永久磁石が配置されてなる磁心において、前記永久磁石は、固有保磁力が８００ｋＡ／ｍ以上、キュリー温度が３００℃以上のＳｍ _２Ｃｏ ₁₇ 系希土類磁石を、２ . ５〜５０μｍの平均粒径に粉砕してなる粉末と結合材からなり、前記結合材の量が体積比で２０％以上であり、比抵抗が１Ω・ｃｍ以上、角形比が６０％以上のボンド磁石であることを特徴とする磁心。
請求項１に記載の磁心に、少なくとも０.５ターン以上の巻線を施してなることを特徴とするインダクタンス部品。