JP6197309B2 - 非晶質合金粉末、圧粉磁心、磁性素子および電子機器 - Google Patents
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Description
このように、モバイル機器の小型化および高性能化を図るためには、スイッチング電源の高周波数化が必要となる。現在、スイッチング電源の駆動周波数は数100kHz程度まで高周波数化が進んでいるが、それに伴って、モバイル機器に内蔵されたチョークコイルやインダクター等の磁性素子の駆動周波数も高周波数化への対応が必要となる。
かかる問題を解決するため、軟磁性粉末と結合材(バインダー)との混合物を加圧・成形した圧粉磁心が使用されている。
しかしながら、Fe基非晶質合金は磁歪が高いことから、特定周波数下でうなりを発生させるとともに、磁気特性の向上(例えば高透磁率化)を阻害するという問題がある。
本発明の非晶質合金粉末は、Fe、Cr、Mn、Si、BおよびCを含む非晶質合金粉末であって、
Crが1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
Mnが0.1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
Siが10原子%以上14原子%以下の割合で含まれ、
Bが8原子%以上13原子%以下の割合で含まれ、
Cが1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
保磁力が4[Oe]以下であり、
酸素含有率が質量比で150ppm以上3000ppm以下であり、
残部がFeおよび不純物であることを特徴とする。
これにより、磁心として用いられたときに鉄損の低下と磁気特性の向上とを両立し得る非晶質合金粉末が得られる。
また、これにより、ヒステリシス損を確実に抑制することができ、鉄損を十分に低下させることができる。
当該非晶質合金粉末は、0.2≦b/(a+b)≦0.72の関係であることが好ましい。
これにより、非晶質合金粉末の耐食性の向上と保磁力の低下とのバランスを最適化することができる。
当該非晶質合金粉末は、1.5≦a+b≦5.5の関係であることが好ましい。
これにより、非晶質合金粉末の飽和磁束密度の低下を抑えつつ、非晶質合金粉末の耐食性を向上させ、かつ保磁力を低下させることができる。
当該非晶質合金粉末は、0.05≦(a+b)/(c+d+e)≦0.25の関係であることが好ましい。
これにより、主に保磁力や耐食性等に影響する元素と、主に透磁率や比抵抗、非晶質化等に影響する元素とのバランスが最適化されるため、保磁力、透磁率等の磁気特性と耐食性とを高度に両立させるとともに、非晶質合金粉末を構成する非晶質合金材料の非晶質化と非晶質合金粉末の微小化を図ることができる。
当該非晶質合金粉末は、0.07≦e/(b+c)≦0.27の関係であることが好ましい。
これにより、優れた磁気特性を維持しつつ非晶質合金材料の非晶質化および非晶質合金粉末の球形化を確実に果たすことができる。
これにより、渦電流が流れる経路を短くすることができるので、渦電流損失が十分に抑制された圧粉磁心を製造し得る非晶質合金粉末が得られる。
前記非晶質合金粉末は、
Crが1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
Mnが0.1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
Siが10原子%以上14原子%以下の割合で含まれ、
Bが8原子%以上13原子%以下の割合で含まれ、
Cが1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
保磁力が4[Oe]以下であり、
酸素含有率が質量比で150ppm以上3000ppm以下であり、
残部がFeおよび不純物であるものであることを特徴とする。
これにより、鉄損が小さく、磁気特性が高い圧粉磁心が得られる。
本発明の磁性素子は、本発明の圧粉磁心を備えることを特徴とする。
これにより、小型で高性能の磁性素子が得られる。
本発明の電子機器は、本発明の磁性素子を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
[非晶質合金粉末]
本発明の非晶質合金粉末は、合金組成がFe100−a−b−c−d−eCraMnbSicBdCe(a、b、c、d、eはいずれも原子%)で表され、1≦a≦3、0.1≦b≦3、10≦c≦14、8≦d≦13、および1≦e≦3の関係を満足する非晶質合金材料で構成された軟磁性粉末である。
このような非晶質合金粉末は、Fe基非晶質合金粉末であることから渦電流損失が小さく飽和磁束密度が高い上に、CrとMnとを含むことによって保磁力が低くかつ透磁率が高いものとなる。したがって、この非晶質合金粉末を用いることにより、高周波における鉄損が小さくかつ磁気特性が高いために小型化が容易な圧粉磁心を得ることができる。
上述したように、本発明の非晶質合金粉末は、合金組成がFe100−a−b−c−d−eCraMnbSicBdCe(a、b、c、d、eはいずれも原子%)で表される非晶質合金材料で構成された粉末である。そして、a、b、c、dおよびeは、1≦a≦3、0.1≦b≦3、10≦c≦14、8≦d≦13、および1≦e≦3の関係を満足している。
さらには、耐食性の高い不働態皮膜の形成により、粒子表面に強固な絶縁性皮膜が形成されることとなる。このため、粒子間に形成される電流経路における電気抵抗(粒子間抵抗)の増大が図られることとなり、渦電流の流れる経路をより小さく分断することができる。その結果、渦電流損失の小さい圧粉磁心を製造可能な非晶質合金粉末が得られる。
また、各元素のうち、Mn(マンガン)は、特に非晶質合金材料の磁歪を低下させるよう作用する。磁歪の低下によって保磁力も低下する。これにより、ヒステリシス損が減少し、鉄損が低下するため、高周波領域における鉄損の低減に有利となる。また、磁歪の低下に伴って透磁率が上昇し、高周波の外部磁界に対する磁気応答性が向上する。
また、Mnの含有率bは、0.5≦b≦2.7の関係を満足するのが好ましく、0.7≦b≦2.5の関係を満足するのがより好ましく、1≦b≦2.3の関係を満足するのがさらに好ましい。
非晶質合金材料におけるSiの含有率cは、10≦c≦14の関係を満足する。Siの含有率cが前記下限値を下回ると、非晶質合金材料の透磁率および電気抵抗値を十分に高めることができず、外部磁界に対する磁気応答性の向上や渦電流損失の低下を十分に果たすことができない。一方、Siの含有率bが前記上限値を上回ると、非晶質化が阻害されるとともに、飽和磁束密度が低下し、鉄損の低下と磁気特性の向上とを両立させることができない。
また、Siの含有率cは、10.3≦c≦13.5の関係を満足するのが好ましく、10.5≦c≦13の関係を満足するのがより好ましく、11≦c≦12.5の関係を満足するのがさらに好ましい。
非晶質合金材料におけるBの含有率dは、8≦d≦13の関係を満足する。Bの含有率dが前記下限値を下回ると、非晶質合金材料の融点を十分に低下させることができず、非晶質化が困難になる。一方、Bの含有率dが前記上限値を上回ると、やはり非晶質合金材料の融点を十分に低下させることができず、非晶質化が困難になるとともに飽和磁束密度が低下する。
また、Bの含有率dは、8.3≦d≦12の関係を満足するのが好ましく、8.5≦d≦11.5の関係を満足するのがより好ましく、8.8≦d≦11の関係を満足するのがさらに好ましい。
また、Cの含有率eは、1.3≦e≦2.8の関係を満足するのが好ましく、1.5≦e≦2.6の関係を満足するのがより好ましく、1.7≦e≦2.5の関係を満足するのがさらに好ましい。
したがって、b/(a+b)が前記関係を満足し、かつ、a+bが前記関係を満足するようにCrおよびMnを添加することが、非晶質合金粉末の磁気特性(飽和磁束密度や保磁力等)と耐食性とを高度に両立させるという観点で有用である。
また、Siの含有率cとBの含有率dとCの含有率eは、c>d>eの関係を満足するのが好ましい。これにより、低い鉄損と高い磁気特性とをより高度に両立した非晶質合金粉末が得られる。
また、Feは、非晶質合金材料のうち含有率(原子比)が最も高い成分、すなわち主成分であり、非晶質合金粉末の基本的な磁気特性や機械的特性に大きな影響を与える。
さらに、N(窒素)およびO(酸素)の特定に際しては、特に、JIS G 1228に規定された鉄および鋼の窒素定量方法、JIS Z 2613に規定された金属材料の酸素定量方法も用いられる。具体的には、LECO社製酸素・窒素分析装置、TC−300/EF−300が挙げられる。
なお、非晶質合金粉末を構成する非晶質合金材料が「非晶質」であるか否かは、例えばX線回折法により得られるスペクトルから判断することができる。具体的には、X線回折スペクトルにおいて、明瞭な回折ピークが認められない場合、その被検物は非晶質であると判断することができる。
なお、平均粒径は、レーザー回折法により、質量基準で累積量が50%になるときの粒径として求められる。
なお、上記の最大粒径とは、質量基準で累積量が99.9%となるときの粒径のことをいう。
なお、前記長径とは、粒子の投影像においてとりうる最大長さであり、前記短径とは、その最大長さに直交する方向の最大長さである。
なお、粒子断面の中心部とは、粒子の最大長さである長軸を通過するように粒子を切断したとき、その切断面上の長軸の中点にあたる部位である。また、中心部のビッカース硬度は、マイクロビッカース硬さ試験機により測定することができる。
なお、本発明における見かけ密度は、JIS Z 2504に規定の方法で測定されたものとする。
なお、非晶質合金粉末の飽和磁束密度は、できるだけ大きければよいが、0.8T以上であるのが好ましく、1.0T以上であるのがより好ましい。非晶質合金粉末の飽和磁束密度が前記範囲内であれば、性能を落とすことなく圧粉磁心を十分に小型化することができる。
このうち、本発明の非晶質合金粉末は、アトマイズ法により製造されたものであるのが好ましく、水アトマイズ法または高速回転水流アトマイズ法により製造されたものであるのがより好ましい。アトマイズ法は、溶融金属(溶湯)を、高速で噴射された流体(液体または気体)に衝突させることにより、溶湯を微粉化するとともに冷却して、金属粉末(非晶質合金粉末)を製造する方法である。非晶質合金粉末をこのようなアトマイズ法によって製造することにより、極めて微小な粉末を効率よく製造することができる。また、得られる粉末の粒子形状が表面張力の作用により球形状に近くなる。このため、圧粉磁心を製造したとき充填率の高いものが得られる。すなわち、透磁率および飽和磁束密度の高い圧粉磁心を製造可能な非晶質合金粉末を得ることができる。
また、アトマイズ水の水温も、特に限定されないが、好ましくは1℃以上20℃以下程度とされる。
また、アトマイズ法において溶湯を冷却する際の冷却速度は、1×104℃/s以上であるのが好ましく、1×105℃/s以上であるのがより好ましい。このような急速な冷却により、溶湯の状態における原子配列、すなわち、各種の原子が均一に混じり合った状態が保存されたまま固化に至るので、とりわけ非晶質化度の高い非晶質合金粉末が得られるとともに、非晶質合金粉末の粒子間における組成比のバラツキが抑えられることとなる。その結果、均質で磁気特性の高い非晶質合金粉末が得られる。
また、必要に応じて、得られた非晶質合金粉末を造粒するようにしてもよい。
さらには、必要に応じて、得られた非晶質合金粉末の各粒子表面に絶縁膜を成膜するようにしてもよい。この絶縁膜の構成材料としては、例えば、後述する結合材の構成材料と同様のものが挙げられる。
本発明の磁性素子は、チョークコイル、インダクター、ノイズフィルター、リアクトル、トランス、モーター、発電機のように、磁心を備えた各種磁性素子に適用可能である。また、本発明の圧粉磁心は、これらの磁性素子が備える磁心に適用可能である。
以下、磁性素子の一例として、2種類のチョークコイルを代表に説明する。
まず、本発明の磁性素子の第1実施形態を適用したチョークコイルについて説明する。
図1は、本発明の磁性素子の第1実施形態を適用したチョークコイルを示す模式図(平面図)である。
図1に示すチョークコイル10は、リング状(トロイダル形状)の圧粉磁心11と、この圧粉磁心11に巻き回された導線12とを有する。このようなチョークコイル10は、一般に、トロイダルコイルと称される。
圧粉磁心11の作製に用いられる結合材の構成材料としては、例えば、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリフェニレンサルファイド系樹脂等の有機材料、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸亜鉛、リン酸マンガン、リン酸カドミウムのようなリン酸塩、ケイ酸ナトリウムのようなケイ酸塩(水ガラス)等の無機材料等が挙げられるが、特に、熱硬化性ポリイミドまたはエポキシ系樹脂が好ましい。これらの樹脂材料は、加熱されることによって容易に硬化するとともに、耐熱性に優れたものである。したがって、圧粉磁心11の製造容易性および耐熱性を高めることができる。
なお、前記混合物中には、必要に応じて、任意の目的で各種添加剤を添加するようにしてもよい。
また、このジュール損失は、圧粉磁心11の発熱を招くこととなるため、ジュール損失を抑えることにより、チョークコイル10の発熱量を減らすこともできる。
なお、導線12の表面に、絶縁性を有する表面層を備えているのが好ましい。これにより、圧粉磁心11と導線12との短絡を確実に防止することができる。かかる表面層の構成材料としては、例えば、各種樹脂材料等が挙げられる。
まず、本発明の非晶質合金粉末と、結合材と、各種添加剤と、有機溶媒とを混合し、混合物を得る。
次いで、混合物を乾燥させて塊状の乾燥体を得た後、この乾燥体を粉砕することにより、造粒粉を形成する。
この場合の成形方法としては、特に限定されないが、例えば、プレス成形、押出成形、射出成形等の方法が挙げられる。なお、この成形体の形状寸法は、以後の成形体を加熱した際の収縮分を見込んで決定される。
また、本発明の非晶質合金粉末によれば、磁気特性に優れた圧粉磁心11を容易に得ることができる。これにより、圧粉磁心11の磁束密度の向上や、それに伴うチョークコイル10の小型化や定格電流の増大、発熱量の低減を容易に実現することができる。すなわち、高性能のチョークコイル10が得られる。
なお、圧粉磁心11の形状は、上述したリング状に限定されず、例えば棒状、E型、I型等の形状であってもよい。
次に、本発明の磁性素子の第2実施形態を適用したチョークコイルについて説明する。
図2は、本発明の磁性素子の第2実施形態を適用したチョークコイルを示す模式図(透過斜視図)である。
以下、第2実施形態にかかるチョークコイルについて説明するが、それぞれ、前記第1実施形態にかかるチョークコイルとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
このような形態のチョークコイル20は、比較的小型のものが容易に得られる。そして、このような小型のチョークコイル20を製造するにあたって、飽和磁束密度および透磁率が大きく、かつ、損失の小さい圧粉磁心21を用いることにより、小型であるにもかかわらず、大電流に対応可能な低損失・低発熱のチョークコイル20が得られる。
以上のような本実施形態にかかるチョークコイル20を製造する場合、まず、成形型のキャビティ内に導線22を配置するとともに、キャビティ内を本発明の非晶質合金粉末で充填する。すなわち、導線22を包含するように、非晶質合金粉末を充填する。
次に、導線22とともに、非晶質合金粉末を加圧して成形体を得る。
次いで、前記第1実施形態と同様に、この成形体に熱処理を施す。これにより、チョークコイル20が得られる。
次いで、本発明の磁性素子を備える電子機器(本発明の電子機器)について、図3〜図5に基づき、詳細に説明する。
図3は、本発明の磁性素子を備える電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、例えばスイッチング電源用のチョークコイルやインダクター、モーター等の磁性素子1000が内蔵されている。
ディジタルスチルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて撮像した画像を表示する構成になっており、表示部は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
例えば、前記実施形態では、本発明の非晶質合金粉末の用途例として圧粉磁心を挙げて説明したが、用途例はこれに限定されず、例えば磁性流体、磁気遮蔽シート、磁気ヘッド等の磁性デバイスであってもよい。
1.圧粉磁心およびチョークコイルの製造
(サンプルNo.1)
[1]まず、原材料を高周波誘導炉で溶融するとともに、高速回転水流アトマイズ法(各表では、「回転水」と表記する。)により粉末化して非晶質合金粉末を得た。次いで、目開き150μmの標準ふるいを用いて分級した。得られた非晶質合金粉末の合金組成を表1に示す。なお、合金組成の特定には、SPECTRO社製固体発光分光分析装置(スパーク発光分析装置)、モデル:SPECTROLAB、タイプ:LAVMB08Aを用いた。また、C(炭素)の定量分析には、LECO社製炭素・硫黄分析装置、CS−200を用いた。
[3]次に、得られた非晶質合金粉末と、エポキシ樹脂(結合材)、トルエン(有機溶媒)とを混合して、混合物を得た。なお、エポキシ樹脂の添加量は、非晶質合金粉末100質量部に対して2質量部とした。
[4]次に、得られた混合物を撹拌したのち、温度60℃で1時間加熱して乾燥させ、塊状の乾燥体を得た。次いで、この乾燥体を、目開き500μmのふるいにかけ、乾燥体を粉砕して、造粒粉末を得た。
<成形条件>
・成形方法 :プレス成形
・成形体の形状:リング状
・成形体の寸法:外径28mm、内径14mm、厚さ10.5mm
・成形圧力 :20t/cm2(1.96GPa)
[6]次に、成形体を、大気雰囲気中において、温度450℃で0.5時間加熱して、結合材を硬化させた。これにより、圧粉磁心を得た。
<コイル作製条件>
・導線の構成材料:Cu
・導線の線径 :0.5mm
・巻き数(透磁率測定時):7ターン
・巻き数(鉄損測定時) :1次側30ターン、2次側30ターン
非晶質合金粉末として表1に示すものをそれぞれ用いるようにした以外は、サンプルNo.1と同様にして圧粉磁心を得るとともに、この圧粉磁心を用いてチョークコイルを得た。
非晶質合金粉末として表2に示すものをそれぞれ用いるようにした以外は、サンプルNo.1と同様にして圧粉磁心を得るとともに、この圧粉磁心を用いてチョークコイルを得た。
非晶質合金粉末として表3に示すものをそれぞれ用いるようにした以外は、サンプルNo.1と同様にして圧粉磁心を得るとともに、この圧粉磁心を用いてチョークコイルを得た。
(サンプルNo.33〜42)
非晶質合金粉末として表4に示すものをそれぞれ用いるようにした以外は、サンプルNo.1と同様にして圧粉磁心を得るとともに、この圧粉磁心を用いてチョークコイルを得た。
(サンプルNo.43〜51)
非晶質合金粉末として表5に示すものをそれぞれ用いるようにした以外は、サンプルNo.1と同様にして圧粉磁心を得るとともに、この圧粉磁心を用いてチョークコイルを得た。
また、各表においては、各サンプルNo.の非晶質合金粉末のうち、本発明に相当するものについては「実施例」、本発明に相当しないものについては「比較例」と示した。
2.1 非晶質合金粉末の酸素含有率の測定
各実施例および各比較例で得られた非晶質合金粉末について、その酸素含有率を酸素窒素同時分析装置(LECO社製、TC−300/EF−300)により測定した。
2.2 非晶質合金粉末の磁気特性の測定
各実施例および各比較例で得られた非晶質合金粉末について、その保磁力および飽和磁束密度を以下の測定条件に基づいて測定した。
<測定条件>
・測定最大磁界:10kOe
・測定装置 :振動試料型磁力計(玉川製作所製、VSM1230−MHHL)
各実施例および各比較例で得られたチョークコイルについて、それぞれの透磁率μ’および鉄損(コアロスPcv)を以下の測定条件に基づいて測定した。
<透磁率μ’の測定条件>
・測定周波数 :100kHz、1000kHz
・測定装置 :インピーダンスアナライザー(日本ヒューレットパッカード社製、HP4194A)
<鉄損(コアロスPcv)の測定条件>
・測定周波数 :100kHz
・最大磁束密度:50mT
・測定装置 :交流磁気特性測定装置(岩通計株式会社製、B−HアナライザSY8258)
各実施例および各比較例で得られたチョークコイルについて、それぞれの高温高湿環境下での外観を観察、比較することにより、圧粉磁心の耐食性を評価した。
なお、高温高圧環境の作製は恒温恒湿機(大研理化学器械製)で行い、温度85℃、相対湿度90%とした。この高温高湿環境下にチョークコイルを入れ、5日間経過後の外観を試験前のものと比較し、以下の評価基準にしたがって評価した。
◎◎:さびが発生した面積が表面積の1%未満である
◎ :表面積の1%以上10%未満にさびの発生が認められる
〇 :表面積の10%以上25%未満にさびの発生が認められる
△ :表面積の25%以上50%未満にさびの発生が認められる
× :表面積の50%以上にさびの発生が認められる
以上、評価結果を表1〜5に示す。
Claims (9)
- Fe、Cr、Mn、Si、BおよびCを含む非晶質合金粉末であって、
Crが1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
Mnが0.1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
Siが10原子%以上14原子%以下の割合で含まれ、
Bが8原子%以上13原子%以下の割合で含まれ、
Cが1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
保磁力が4[Oe]以下であり、
酸素含有率が質量比で150ppm以上3000ppm以下であり、
残部がFeおよび不純物であることを特徴とする非晶質合金粉末。 - Crの含有率をa[原子%]とし、Mnの含有率をb[原子%]とするとき、
当該非晶質合金粉末は、0.2≦b/(a+b)≦0.72の関係である請求項1に記載の非晶質合金粉末。 - Crの含有率をa[原子%]とし、Mnの含有率をb[原子%]とするとき、
当該非晶質合金粉末は、1.5≦a+b≦5.5の関係である請求項1または2に記載の非晶質合金粉末。 - Crの含有率をa[原子%]とし、Mnの含有率をb[原子%]とし、Siの含有率をc[原子%]とし、Bの含有率をd[原子%]とし、Cの含有率をe[原子%]とするとき、
当該非晶質合金粉末は、0.05≦(a+b)/(c+d+e)≦0.25の関係である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の非晶質合金粉末。 - Mnの含有率をb[原子%]とし、Siの含有率をc[原子%]とし、Cの含有率をe[原子%]とするとき、
当該非晶質合金粉末は、0.07≦e/(b+c)≦0.27の関係である請求項1ないし4のいずれか1項に記載の非晶質合金粉末。 - 平均粒径が3μm以上100μm以下である請求項1ないし5のいずれか1項に記載の非晶質合金粉末。
- Fe、Cr、Mn、Si、BおよびCを含む非晶質合金粉末を有する圧粉磁心であって、
前記非晶質合金粉末は、
Crが1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
Mnが0.1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
Siが10原子%以上14原子%以下の割合で含まれ、
Bが8原子%以上13原子%以下の割合で含まれ、
Cが1原子%以上3原子%以下の割合で含まれ、
保磁力が4[Oe]以下であり、
酸素含有率が質量比で150ppm以上3000ppm以下であり、
残部がFeおよび不純物であるものであることを特徴とする圧粉磁心。 - 請求項7に記載の圧粉磁心を備えることを特徴とする磁性素子。
- 請求項8に記載の磁性素子を備えることを特徴とする電子機器。
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