JP6213809B2

JP6213809B2 - 圧粉磁心、これを用いたコイル部品および圧粉磁心の製造方法

Info

Publication number: JP6213809B2
Application number: JP2013048908A
Authority: JP
Inventors: 加藤　哲朗; 哲朗加藤; 野口　伸; 伸野口; 西村　和則; 和則西村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-03-12
Also published as: JP2014175580A

Description

本発明は、例えば、テレビ・エアコンなど家電機器、太陽光発電、モータ駆動車両の電源回路等に使用される圧粉磁心、これを用いたコイル部品および圧粉磁心の製造方法に関するものである。

家電機器の電源回路の初段部は、ＡＣ（交流）電圧からＤＣ（直流）電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ回路で構成されている。このＡＣ／ＤＣコンバータ回路では、ＡＣ入力電流の波形を、ＡＣ入力電圧と同様な位相や波形に整形するように制御し、無効電力及び高調波ノイズを低減するためにＰＦＣ回路が用いられる。かかるＰＦＣ回路で使用されるチョークを小型化、低背化するために、それに用いられる磁心には、高飽和磁束密度、低コアロス、優れた直流重畳特性が要求されている。

また、近年、急速に普及しはじめたハイブリッド車、電気自動車等のモータ駆動車両や太陽光発電装置などに搭載されている電源装置では、大電流に耐えるリアクトルが用いられている。かかるリアクトル用の磁心においても、同様に高飽和磁束密度、低損失が要求されている。

上記要求に応えるものとして、高飽和磁束密度と低損失のバランスに優れる圧粉磁心が採用されている。圧粉磁心は、Ｆｅ−Ｓｉ系等の軟磁性材料粉を成形して得られるものであり、粉末の絶縁処理等により電気抵抗が高められ、渦電流損失が抑制されている。また、より低損失な軟磁性材料粉としてＦｅ基アモルファス合金も用いられている。Ｆｅ基アモルファス合金の粉末としては、例えば、水アトマイズ法等によって得られるアトマイズ粉が商用に供されている。特許文献１には、損失が低い軟磁性材料粉として非晶質（アモルファス）軟磁性合金粉末を用い、該粉末にガラス粉末および結着性樹脂を混合して低損失な圧粉磁心を得る製造方法が開示されている。

特開２０１０−２７８５４号公報

特許文献１のように、ガラス粉末等の絶縁材料を添加することで渦電流損失を低減することは可能である。しかしながら渦電流損失を低減しようとすればするほど絶縁材料の比率が増えるため、同時に圧粉磁心の占積率や透磁率等の磁気特性は大きく低下してしまうという問題があった。

そこで、上記問題点に鑑み、本発明は、占積率の低下等を抑えながら、コアロスを効果的に低減することが可能な圧粉磁心、これを用いたコイル部品および圧粉磁心の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の圧粉磁心は、軟磁性材料粉を用いて構成された圧粉磁心であって、前記軟磁性材料粉がＦｅ基アモルファス合金アトマイズ粉であり、前記軟磁性材料粉の間にＣｕ粉が分散し、粉体どうしは低融点ガラス又はシリコーンレジンの無機バインダで結着され、前記軟磁性材料粉と前記Ｃｕ粉の合計質量に対して、前記Ｃｕ粉の含有量が０．０１〜７質量％であり、周波数２０ｋＨｚ、磁束密度１５０ｍＴにおけるコアロスＰｃｖが１００ｋＷ／ｍ ^３以下であることを特徴とする。Ｃｕを軟磁性材料粉の間に分散させる構成を採用することで、占積率の低下を抑えながらコアロスを低減することが可能となる。

また、前記圧粉磁心において、前記軟磁性材料粉と前記Ｃｕ粉の合計質量に対して、前記Ｃｕ粉の含有量が１〜３質量％であり、初透磁率μｉが５０以上であることが好ましい。

本発明のコイル部品は、前記いずれかの圧粉磁心と、前記圧粉磁心の周囲に巻装されたコイルとを備えることを特徴とする。

本発明の圧粉磁心の製造方法は、軟磁性材料粉を用いて構成された圧粉磁心の製造方法であって、前記軟磁性材料粉がＦｅ基アモルファス合金アトマイズ粉であり、前記Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉とＣｕ粉とバインダを混合する第１の工程と、前記第１の工程で得られた混合粉を加圧成形する第２の工程と、前記第２の工程で得られた成形体を３５０℃以上でＦｅ基アモルファス合金アトマイズ粉の結晶化温度以下で、かつ４２０℃以下で熱処理する第３の工程とを有し、もって、前記Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉の間にＣｕ粉が分散し、Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉とＣｕ粉がバインダで結着している圧粉磁心を得ることを特徴とする。

また、前記圧粉磁心の製造方法において、前記軟磁性材料粉と前記Ｃｕ粉の合計質量に対して、前記Ｃｕ粉の含有量が１〜７質量％であり、コアロスＰｃｖが８０ｋＷ／ｍ ^３以下であり、前記軟磁性材料粉がＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ系のＦｅ基アモルファス合金アトマイズ粉であることが好ましい。

さらに、前記圧粉磁心の製造方法において、前記第１の工程では、軟磁性材料粉とＣｕ粉とを先に混合し、その後に、バインダを加えてさらに混合し、前記バインダがアクリル系樹脂又はポリビニルアルコールの有機バインダと、低融点ガラス又はシリコーンレジンの無機バインダであることが好ましい。

本発明によれば、占積率の低下を抑えながら、コアロスを効果的に低減することが可能な圧粉磁心、これを用いたコイル部品および圧粉磁心の製造方法を提供することができる。

本発明に係る圧粉磁心の概念を示すための、圧粉磁心断面の模式図である。

以下、本発明に係る圧粉磁心およびコイル部品の実施形態を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は本発明に係る圧粉磁心の断面を示す模式図である。圧粉磁心１００は、軟磁性材料粉を用いて構成されている。軟磁性材料粉１として、Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉を用いている。Ｆｅ基アモルファス合金は、Ｆｅ−Ｓｉ系などの結晶質の軟磁性材料粉に比べて損失が低い。また、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法などのアトマイズ法によって得られるアトマイズ粉は、典型的には粒状をなしており、扁平粉や針状粉に比べて流動性に優れる。

図１における圧粉磁心１００は、粒状の軟磁性材料粉１の間にＣｕ（金属銅）２が分散している。かかる構成は、軟磁性材料粉とＣｕ粉との混合粉を圧密化することで得られる。混合されたＣｕ粉は、軟磁性材料粉１の間に介在している。なお、以下の説明では、圧粉磁心中で軟磁性材料粉１の間に介在しているＣｕも便宜上Ｃｕ粉と称する場合がある。

通常Ｃｕは軟磁性材料粉よりも柔らかいためは圧密化の際に塑性変形しやすく、かかる点において密度向上に寄与する。また、かかる塑性変形によって、軟磁性材料粉への応力が緩和される効果も期待できる。また、軟磁性材料粉の間にＣｕを分散させるために、製造工程中にＣｕ粉を添加する方法を採用することができる。このときＣｕ粉は球状であることが好ましい。かかるＣｕ粉を含有することによって、加圧成形する際、粉体の流動性が改善され、圧粉磁心の密度、占積率も向上する。

ここで、本発明の重要な特徴について説明する。本発明者は、特許文献１に開示されるようなガラス粉末等の絶縁材料の添加とは異なる、Ｃｕ粉の添加による特有かつ顕著な効果を見出し、本発明に至ったものである。すなわち、Ｃｕ粉の添加により、軟磁性材料粉の間にＣｕを分散させることは上記のような高密度化のみならず、低ロス化にも特に顕著な効果を示すのである。

軟磁性材料粉よりも小さいＣｕ粉を用いることで、軟磁性材料粉１の間にＣｕ２を分散させることが可能である。かかる構成によって、Ｃｕ粉を含まない、すなわちＣｕが分散していない場合に比べてコアロスが低下する。Ｃｕはごく微量でも顕著なコアロス低減の効果を発揮するため、その使用量も少なく抑えることができる。逆に使用量を多くすれば、大幅なコアロス低減の効果が得られる。したがって、Ｃｕ粉を含有し、軟磁性材料粉の間にＣｕを分散させる構成は、コアロスの低減に好適な構成であると言える。

上記Ｃｕ分散による顕著な効果は、Ｆｅ−６.５Ｓｉ系軟磁性材料、Ｆｅ−３.５Ｓｉ系軟磁性材料のような結晶質系の低損失材に対しては得ることはできない。Ｆｅ−６.５Ｓｉ系軟磁性材料等の磁歪定数は１×１０^−５以下であるのに対して、Ｆｅ基アモルファス合金の磁歪定数は１×１０^−５を超えて、桁違いに大きい。Ｆｅ基アモルファス合金の代表的な磁歪定数は２.７×１０^−５である。かかるＦｅ基アモルファス合金のアトマイズ粉に対してＣｕ分散の構成を適用することで、特有かつ顕著なコアロス低減の効果が得られる。Ｃｕ分散は、成形時の軟磁性材料粉への応力緩和を通じてコアロス低減に寄与していると考えられる。

本発明において、軟磁性材料粉の間にＣｕが分散している、とは、必ずしも全ての軟磁性材料粉同士の間隙にＣｕが介在している必要はなく、少なくとも一部の軟磁性材料粉同士の間隙においてＣｕが介在していればよいという趣旨である。また、分散しているＣｕが多いほどコアロスが低減するため、コアロス低減の観点からはＣｕの含有量を限定するものではない。ただし、Ｃｕ自体は非磁性体であるため、磁性コアとしての機能を考慮すれば、Ｃｕ（Ｃｕ粉）の含有量は軟磁性材料粉とＣｕ（Ｃｕ粉）の合計質量に対して、例えば１５質量％以下が実用的な範囲である。

Ｃｕは微量でも十分な低ロス化の効果を発揮する一方、Ｃｕの含有量が多くなりすぎると透磁率が減少する。Ｃｕ（Ｃｕ粉）の含有量は、軟磁性材料粉とＣｕ（Ｃｕ粉）の合計質量に対して０.０１〜３質量％であることがより好ましい。かかる構成によれば、低ロス化の効果を高めつつ、Ｃｕを含有しない場合に対して透磁率の減少率を２％以内に抑えることが可能である。

本発明においては、軟磁性材料粉にＣｕを分散させることによって、コアロスのうち、主にヒステリシス損失を低減することができる。従来から行われていた酸化物等の絶縁材料を添加する手法は、絶縁抵抗の向上による渦電流損失の低減を目的としている。そのため渦電流損失の低減のためには、添加量を多くする必要があり、前記手法は占積率や透磁率等、他の特性の犠牲を伴うものであった。これに対して、本発明では、Ｃｕを分散させて、ヒステリシス損失の割合を低減することで、占積率等の低下を抑制しながら、コアロスを低減することができる。

例えば、周波数２０ｋＨｚ、印加磁束密度１５０ｍＴの測定条件おけるヒステリシス損失を、８０ｋＷ／ｍ^３以下にして、コアロス全体を低減することが可能である。コアロスが低減されることで、それを用いたコイル部品や装置の高効率化や小型化が可能である。

分散しているＣｕの形態は特に限定されるものではない。また、圧粉磁心内で分散するＣｕの原料とすることができるＣｕ粉の形態も、これを限定するものではない。しかし、加圧成形時の流動性向上の観点からは、Ｃｕ粉は、粒状、特に球状であることがより好ましい。かかるＣｕ粉は、例えばアトマイズ法によって得られるが、これに限定するものではない。また、Ｃｕ粉がＣｕ以外の元素を含むことも可能であるが、不可避不純物以外はＣｕで構成されることが好ましい。

Ｃｕ粉の粒径は、軟磁性材料粉よりも小さく、軟磁性材料粉の間に分散させることができる程度の大きさであればよい。Ｃｕ粉のように軟磁性合金よりも柔らかい粒状粉は、軟磁性材料粉の流動性を高めるとともに、圧密化の際に塑性変形し、それによって軟磁性材料粉間の空隙は減少する。圧粉磁心に供するＣｕ粉の平均粒径（メジアン径Ｄ５０）は、軟磁性材料粉の平均粒径（メジアン径Ｄ５０）の５０％以下がより好ましい。Ｃｕ粉は、より細かい方が軟磁性材料粉間に分散させやすく、適用できる軟磁性材料粉の平均粒径の範囲も広くなるため、Ｃｕ粉の平均粒径は２０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましい。一方、粒径が小さくなりすぎると、Ｃｕ粉同士の凝集力が大きくなり、分散が困難となるため、Ｃｕ粉の平均粒径は２μｍ以上がより好ましい。

圧粉磁心の原料として使用するＣｕ粉の粒径は、レーザー回折・散乱法によって測定されたメジアン径Ｄ５０（累積５０体積％に相当する粒子径）として評価できる。軟磁性材料粉の間に分散して塑性変形したＣｕ粒子の径は、上記粉体の状態でのＣｕ粉の粒径よりもやや大きくなるが、圧密化後の圧粉磁心を走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと記載する）によって観察し、測定したＣｕ粉の粒径の数値は、原料としてのＣｕ粉のメジアン径Ｄ５０と概ね一致するものである。したがって、圧粉磁心のＳＥＭ観察においても、Ｃｕの粒径が軟磁性材料粉よりも小さく、Ｃｕが軟磁性材料粉の間に分散されている状態を確認することができる。

軟磁性材料粉として用いるアトマイズ粉は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法などのように、軟磁性材料合金の溶湯を、流体を用いて急冷することによって得られる。具体的な合金組成はこれを特に限定するものではなく、必要とされる特性に応じて選定することができる。例えば、１.４Ｔ以上の高い飽和磁束密度Ｂｓを有するＦｅ基アモルファス合金アトマイズ粉として、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系等のアモルファス合金アトマイズ粉を用いることができる。

一方、Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉の代わりに、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｂ系等の、１×１０^−５を超える大きな磁歪定数を有するＦｅ基ナノ結晶合金アトマイズ粉を用いることもできる。このように磁性体にＦｅ基ナノ結晶合金アトマイズ粉を用いる場合、最終的に得られる圧粉磁心において軟磁性材料粉がナノ結晶組織を有していればよい。したがって、成形に供する時点では、軟磁性材料粉がＦｅ基ナノ結晶合金でもよいし、Ｆｅ基ナノ結晶組織を発現しうるＦｅ基アモルファス合金でもよい。Ｆｅ基ナノ結晶組織を発現しうる合金とは、成形時等ではアモルファス合金の状態であっても、結晶化処理を経た最終的な圧粉磁心において軟磁性材料粉がＦｅ基ナノ結晶組織を有しているものをいう。例えば、結晶化熱処理を成形後に行う場合などが、これに該当する。

圧粉磁心に供する軟磁性材料粉の粒径は、必要とされる特性に応じて選択することができる。例えば、平均粒径５〜１００μｍの軟磁性材料粉を用いることができる。成形性やコストの観点からは軟磁性材料粉の平均粒径は４０μｍ以上が好ましい。一方、周波数特性を重視する場合は、平均粒径は２０μｍ以下であることが好ましい。圧粉磁心に供する軟磁性材料粉の平均粒径も、レーザー回折・散乱法によって測定されたメジアン径Ｄ５０（累積５０体積％に相当する粒子径）として評価できる。

また、本発明においては、上述のアトマイズ粉に加えて、それ以外の磁性粉を含むことも可能である。但し、Ｃｕ粉の効果を最大限に発揮させるためには、磁性粉は上記アトマイズ粉のみで構成することがより好ましい。また、本発明においては、Ｃｕ粉以外の非磁性金属粉を含むことも可能である。しかし、Ｃｕ粉の効果を最大限に発揮させるためには、非磁性金属粉はＣｕ粉のみであることがより好ましい。

圧粉磁心においては、軟磁性材料粉間の絶縁のための手段を適用することにより、渦電流損失を抑制し、低いコアロスを実現することもできる。そのため、軟磁性材料粉の表面に薄い絶縁被膜を設けることが好ましい。軟磁性材料粉自体を酸化させて表面に酸化被膜を形成することも可能である。しかし、かかる方法で軟磁性材料粉へのダメージを抑えながら、均一かつ信頼性の高い酸化被膜を形成することは必ずしも容易ではないため、軟磁性材料粉の合金成分の酸化物とは別の酸化物被膜を設けることが好ましい。

この点、軟磁性材料粉の表面に、シリコン酸化物被膜が設けられている構成が好ましい。シリコン酸化物は絶縁性に優れるとともに、後述する方法によって均質な被膜を形成するのが容易である。絶縁を確実にするためには、シリコン酸化物被膜の厚さは５０ｎｍ以上が好ましい。一方、シリコン酸化物被膜が厚くなりすぎると圧粉磁心の占積率が低下し、軟磁性材料粉間の距離が大きくなり、透磁率が低下するため、かかる被膜は５００ｎｍ以下が好ましい。

次に、Ｃｕが分散する圧粉磁心の製造工程について説明する。本発明の製造方法は、軟磁性材料粉を用いて構成された圧粉磁心の製造方法であって、前記軟磁性材料粉がＦｅ基アモルファス合金アトマイズ粉であり、前記Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉とＣｕ粉を混合する第１の工程と、前記第１の工程で得られた混合粉を加圧成形する第２の工程とを有する。かかる第１の工程と第２の工程を経て、前記Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉の間にＣｕが分散している圧粉磁心を得る。Ｃｕ（Ｃｕ粉）の含有量については、上記のように軟磁性材料粉とＣｕ（Ｃｕ粉）の合計質量に対して０.０１〜３質量％であることがより好ましい。Ｃｕ（Ｃｕ粉）の含有量以外の構成の好適範囲等についても上述の通りである。

第１の工程と第２の工程以外の部分は、従来から知られている圧粉磁心の製造方法に係る構成を必要に応じて適宜適用すればよい。

まず、前記第１の工程に供する軟磁性材料粉の作製方法の例について説明する。軟磁性材料粉として用いるアトマイズ粉は、上述のように軟磁性材料合金の溶湯を、流体を用いて急冷することによって得られる。得られたアトマイズ粉はそのまま使用してもよいし、粒径分布を制御するためにさらに分級してもよい。分級の方法はこれを特に限定するものではないが、篩による方法が簡便であり、好適である。

軟磁性材料粉に対して、上述のように損失を低減するために絶縁被膜を形成することもできる。その形成方法を以下に説明する。例えば、Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉を湿潤雰囲気において１００℃以上で熱処理することにより、表面のＦｅが酸化または水酸化され、酸化鉄または水酸化鉄の絶縁被膜を形成することができる。

また、軟磁性材料粉をＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）、エタノール、アンモニア水の混合溶液に含浸、撹拌後、乾燥することで、軟磁性材料粉の表面に、シリコン酸化物被膜を形成することもできる。この方法によれば、軟磁性材料粉の表面自体の酸化を必要とせず、しかもシリコンと酸素が結合し、軟磁性合金粉の表面に平面状かつネットワーク状にシリコン酸化被膜が形成されるため、軟磁性材料粉の表面に均一な厚さで、強固な絶縁被膜を形成できる。

次に、軟磁性材料粉とＣｕ粉を混合する第１の工程について説明する。軟磁性材料粉とＣｕ粉との混合方法はこれを特に限定するものではないが、例えば乾式撹拌混合機を用いることができる。さらに、第１の工程において、後述する有機バインダ等を混合することができる。軟磁性材料粉、Ｃｕ粉、有機バインダ等を同時に混合することもできる。但し、軟磁性材料粉とＣｕ粉とを均一に、かつ効率よく混合する観点からは、第１の工程では、軟磁性材料粉とＣｕ粉とを先に混合し、その後に、バインダを加えてさらに混合することがより好ましい。こうすることで、より短時間で均一な混合が可能となり、混合時間の短縮化が図られる。

粉体同士を結着して成形体強度を維持するために、有機バインダを用いることができる。一方、成形の加工歪を除去するために、後述する成形後熱処理の適用が有効である。該熱処理を適用する場合、有機バインダは熱分解によって概ね消失してしまう。したがって、有機バインダのみの場合、熱処理後に軟磁性材料粉及びＣｕ粉の各粉末同士の結着力が失われ、成形体強度が維持できなくなる場合がある。そこで、かかる熱処理後においても各粉末同士を結着させるために、高温用バインダを有機バインダと共に添加することが有効である。無機バインダに代表される高温用バインダは、有機バインダが熱分解する温度領域で流動性を発現し始め、粉末表面に濡れ広がり、粉末同士を結着させるものが好ましい。高温用バインダの適用により、室温に冷却後も結着力を保持することが可能である。

有機バインダは、成形工程および熱処理前のハンドリングで、成形体に欠けやクラックが発生することがないように粉体間の結着力を維持する一方、成形後の熱処理で容易に熱分解するものが好ましい。成形後熱処理で熱分解が概ね終了するバインダとしてはアクリル系樹脂や、ポリビニルアルコールが好ましい。

高温用バインダとしては、比較的低温で流動性が得られる低融点ガラスや、耐熱性、絶縁性に優れるシリコーンレジンが好ましい。シリコーンレジンとしては、メチルシリコーンレジンやフェニルメチルシリコーンレジンがより好ましい。添加する量は、高温用バインダの流動性や粉末表面との濡れ性や結着力、金属粉末の表面積と熱処理後のコアに求められる機械的強度、更には求められるコアロスＰｃｖにより決定される。高温用バインダの添加量を増やすと、圧粉磁心の機械的強度は増加するが、軟磁性材料粉への応力も同時に増加する。このため、コアロスＰｃｖも増加する。よって、低いコアロスＰｃｖと高い機械的強度はトレードオフの関係となっている。要求されるコアロスＰｃｖと機械的強度に鑑み、添加量は適正化される。

さらに、加圧成形時の粉末と金型との摩擦を低減するために、ステリアン酸、またはステアリン酸亜鉛等のステリアン酸塩を、軟磁性材料粉とＣｕ粉、有機バインダ、高温用バインダの合計質量に対して０.５〜２.０質量％添加するのが好ましい。有機バインダが混合された状態では、有機バインダの結着作用により、混合粉は広い粒度分布をもった凝集粉となっている。振動篩等を用いて、篩に通すことによって、粒径の揃った造粒粉が得られる。

第１の工程で得られた混合粉は上述のように造粒されて、第２の工程に供される。第２の工程では、造粒された混合粉は、成形金型を用いてトロイダル形状、直方体形状等の所定形状に加圧成形される。例えば１ＧＰａ以上、かつ３ＧＰａ以下の圧力で、数秒程度の保持時間で成形を行う。前記有機バインダの含有量や必要な成形体強度によって圧力及び保持時間は適正化される。圧粉磁心は、強度・特性の観点から、実用的には５.３×１０^３ｋｇ／ｍ^３以上に圧密化しておくことが好ましい。

良好な磁気特性を得るためには、成形に係る第２の工程での応力歪を緩和することが好ましい。Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉の場合、３５０℃以上、かつ結晶化温度以下(典型的に４２０℃以下)の温度範囲で熱処理すると応力歪の緩和の効果が大きく、低いコアロスＰｃｖを得ることができる。結晶化温度は示差走査熱量計（ＤＳＣ）で発熱挙動を測定することで決定できる。３５０℃未満では応力緩和が不十分であり、結晶化温度を超えると軟磁性材料粉の一部に粗大な結晶粒が析出するため、コアロスＰｃｖが著しく増加する。更に、安定して低いコアロスＰｃｖを得るためには熱処理温度は３８０℃以上、かつ４１０℃以下がより好ましい。保持時間は、圧粉磁心の大きさ、処理量、特性ばらつきの許容範囲などによって適宜設定されるものであるが、０.５〜３時間が好ましい。

本発明のコイル部品は、上記のようにして得られた圧粉磁心と、前記圧粉磁心の周囲に巻装されたコイルとを有する。コイルは導線を圧粉磁心に巻回して構成してもよいし、ボビンに巻回して構成してもよい。コイル部品は、例えばチョーク、インダクタ、リアクトル、トランス等である。該コイル部品は、例えばテレビやエアコンなど家電機器で採用されているＰＦＣ回路や、太陽光発電やハイブリッド車・電気自動車などの電源回路等に使用され、これらの機器、装置における低損失、高効率化に寄与する。

（第１の工程（軟磁性材料粉とＣｕ粉の混合））
圧粉磁心の原料として、平均粒径５０μｍの、球状のＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ系のＦｅ基アモルファス合金アトマイズ粉（エプソンアトミックス株式会社 KUAMET 6B2）と、平均粒径５μｍの球状のＣｕ粉（日本アトマイズ株式会社 HXR-Cu M-01）を用いた。表１に示す比率になるように秤量した軟磁性材料粉とＣｕ粉合計１００重量部に対して、高温用バインダとしてフェニルメチルシリコーン（旭化成ワッカーシリコーン株式会社製ＳＩＬＲＥＳＨ４４）１.４重量部、有機バインダとしてアクリル樹脂（昭和高分子株式会社製ポリゾールＡＰ−６０４）２.０重量部を加えて混合した後、１２０℃で１０時間乾燥し混合粉を得た。

（第２の工程（加圧成形）及び熱処理）
第１の工程により得られた各混合粉を目開き４２５μｍの篩を通して造粒粉を得た。目開き４２５μｍの篩を通すことで、約６００μｍ以下の粒径の造粒粉が得られる。この造粒粉に、軟磁性材料粉とＣｕ粉合計１００重量部に対して０.４重量部の割合でステアリン酸亜鉛を混合した後、外径１４ｍｍ、内径８ｍｍ、高さ６ｍｍのトロイダル形状になるように、金型を用いて、圧力２ＧＰａ、保持時間２秒でプレス成形した。得られた成形体に、オーブンにて、大気雰囲気中、４５０℃、１時間の熱処理を施し、圧粉磁心を得た（Ｎｏ１〜８）。

また、比較のため、Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉の代わりに平均粒径２０μｍのＦｅ−３.５Ｓｉ粉を使用し、Ｃｕ粉を含有しないもの（Ｎｏ９）と２.０質量％含有したもの（Ｎｏ１０）の二種類の圧粉磁心を作製した。なお、バインダには、アクリル樹脂（昭和高分子株式会社製ポリゾールＡＰ−６０４）を使用し、その添加量は軟磁性材料粉とＣｕ粉合計１００重量部に対して１.５重量部とした。また、熱処理は大気雰囲気中、４５０℃、１時間の条件で行った。

得られた圧粉磁心の密度をその寸法および質量から算出し、算出された圧粉磁心の密度を、軟磁性材料粉とＣｕ粉の質量比率から計算した真密度で除して、占積率（相対密度）を算出した。また、圧粉磁心に一次側と二次側それぞれ２９ターンの巻線を施し、岩通計測株式会社製Ｂ−ＨアナライザーＳＹ−８２３２により、最大磁束密度１５０ｍＴ、周波数２０ｋＨｚの条件でコアロスＰｃｖを測定した。また、初透磁率μｉは、前記トロイダル形状の圧粉磁心に３０ターンの巻線を施し、ヒューレット・パッカード社製４２８４Ａにより、周波数１００ｋＨｚで測定した。結果を表１に示す。

また、一部の圧粉磁芯については、前記コアロス測定とは別に、周波数ｆを１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの間で変化させたときの、コアロスの周波数依存性を測定し、周波数ｆに比例する部分a×fをヒステリシス損失Ｐｈｖ、周波数ｆの二乗ｆ^２に比例する部分ｂ×ｆ^２を渦電流損失Ｐｅｖとして、ヒステリシス損失と渦電流損失を分離、評価した。結果を表２に示す。

表１のＮｏ１の試料はＣｕ粉を含んでいない比較例の圧粉磁心であり、コアロスＰｃｖは１１５ｋＷ／ｍ^３と大きいものであった。Ｎｏ.２の試料はＣｕ（Ｃｕ粉）を０.０１質量％含む本発明例の圧粉磁心であり、コアロスＰｃｖは１００ｋＷ／ｍ^３以下となり、Ｃｕを添加しない場合に比べて損失が１５％以上低減されている。すなわち、ごく微量でもＣｕ粉を含有することで、コアロスが大幅に減少することがわかる。

表１のＮｏ２〜８は、本発明例においてＣｕ粉の含有量を０.０１質量％から７.０質量％まで増やした場合の圧粉磁心のコアロスＰｃｖ等を示している。Ｃｕ粉が増えるにしたがいコアロスＰｃｖは低下した。表１の結果から、Ｃｕ粉の含有量が１.０質量％以上ではコアロスＰｃｖは４０％以上低減することができ、２.０質量％以上では５０％以上低減できることがわかる。また、Ｃｕ粉を添加した場合、Ｃｕ粉を添加しない場合に比べて、占積率は同等またはそれ以上であり、８０％以上の占積率が確保されていた。

さらに、Ｃｕ粉の含有量が比較的少ない場合には、Ｃｕ粉の含有量の増加に対する初透磁率の低下も抑えられていた。表１の結果は、Ｃｕ粉の含有量を５.０質量％以下、さらには３.０質量％以下の範囲にすることで、Ｃｕ粉を含有しない圧粉磁心に対する透磁率の減少をそれぞれ２５％以内、２％以内に抑えることが可能であることを示している。特に、Ｃｕ粉の含有量が２.０％以下では、Ｃｕが非磁性体であるにもかかわらず、Ｃｕ粉を含有しない圧粉磁心よりも高い初透磁率が得られることもわかる。

上述のようにＣｕを含有することで、占積率や初透磁率の低下を抑えながら、コアロスの低減が可能である。例えば、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率μｉが５０以上、かつ周波数２０ｋＨｚ、磁束密度１５０ｍＴにおけるコアロスＰｃｖが１００ｋＷ／ｍ^３以下の圧粉磁心を得ることが可能である。かかる圧粉磁心を用いることで、コイル部品やそれを用いた装置の高効率化、小型化も可能である。周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率μｉが５５以上、かつ周波数２０ｋＨｚ、磁束密度１５０ｍＴにおけるコアロスＰｃｖが８０ｋＷ／ｍ^３以下の圧粉磁心を用いて、コイル部品やそれを用いた装置をいっそう高効率化、小型化することも可能である。

表２はＮｏ１〜７の圧粉磁心について渦電流損失Ｐｅｖとヒステリシス損失Ｐｈｖを評価した結果を示す。なお、Ｎｏ８の圧粉磁心はコアロス自体が非常に小さく、渦電流損失Ｐｅｖとヒステリシス損失Ｐｈｖを明確に分離することができなかったため、評価から除外した。表２から明らかなように、Ｃｕ粉の含有量によらず、渦電流損失Ｐｅｖは３０〜３３ｋＷ／ｍ^３の範囲であり、大きな変化は示していなかった。すなわち、Ｃｕ粉を含有することによるコアロス低減の効果は、主にヒステリシス損失の低減によってもたらされていることがわかる。周波数２０ｋＨｚ、印加磁束密度１５０ｍＴの測定条件おける渦電流損失Ｐｅｖとヒステリシス損失Ｐｈｖとの合計に対するヒステリシス損失Ｐｈｖの割合が、Ｃｕ粉の含有量が１.０質量％以上では６０％以下、Ｃｕ粉の含有量が３.０質量％以上では５０％以下まで低下し、それぞれ全体のコアロスの低減に寄与していた。

一方、Ｎｏ９および１０は、Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉の代わりにＦｅ−３.５Ｓｉ粉を使用した圧粉磁心である。Ｃｕ粉を含有しないＮｏ９の圧粉磁心のコアロスＰｃｖに対して、Ｃｕ粉を２.０質量％含有するＮｏ１０の圧粉磁心のコアロスＰｃｖは増加しており、同量のＣｕ粉を含むＮｏ５の圧粉磁心において確認されたＣｕ含有によるコアロス低減効果は得られなかった。すなわち、Ｃｕ粉を含有によるコアロス低減等の効果は、Ｆｅ−３.５Ｓｉ粉からなる磁性粉に適用した場合には得られないことが確認された。

１：軟磁性材料粉
２：Ｃｕ（Ｃｕ粉）

Claims

軟磁性材料粉を用いて構成された圧粉磁心であって、
前記軟磁性材料粉がＦｅ基アモルファス合金アトマイズ粉であり、
前記軟磁性材料粉の間にＣｕ粉が分散し、粉体どうしは低融点ガラス又はシリコーンレジンの無機バインダで結着され、前記軟磁性材料粉と前記Ｃｕ粉の合計質量に対して、前記Ｃｕ粉の含有量が０．０１〜７質量％であり、周波数２０ｋＨｚ、磁束密度１５０ｍＴにおけるコアロスＰｃｖが１００ｋＷ／ｍ ^３以下であることを特徴とする圧粉磁心。
前記軟磁性材料粉と前記Ｃｕ粉の合計質量に対して、前記Ｃｕ粉の含有量が１〜３質量％であり、初透磁率μｉが５０以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
請求項１または２に記載の圧粉磁心と、
前記圧粉磁心の周囲に巻装されたコイルとを備えるコイル部品。
軟磁性材料粉を用いて構成された圧粉磁心の製造方法であって、
前記軟磁性材料粉がＦｅ基アモルファス合金アトマイズ粉であり、
前記Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉とＣｕ粉とバインダを混合する第１の工程と、
前記第１の工程で得られた混合粉を加圧成形する第２の工程と、
前記第２の工程で得られた成形体を３５０℃以上でＦｅ基アモルファス合金アトマイズ粉の結晶化温度以下で熱処理する第３の工程とを有し、
もって、前記Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉の間にＣｕ粉が分散し、Ｆｅ基アモルファス合金アトマイズ粉とＣｕ粉がバインダで結着している圧粉磁心を得ることを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
前記軟磁性材料粉と前記Ｃｕ粉の合計質量に対して、前記Ｃｕ粉の含有量が１〜７質量％であり、コアロスＰｃｖが８０ｋＷ／ｍ ^３以下であり、前記軟磁性材料粉がＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ系のＦｅ基アモルファス合金アトマイズ粉であることを特徴とする請求項４に記載の圧粉磁心の製造方法。
前記第１の工程では、軟磁性材料粉とＣｕ粉とを先に混合し、その後に、バインダを加えてさらに混合し、
前記バインダがアクリル系樹脂又はポリビニルアルコールの有機バインダと、低融点ガラス又はシリコーンレジンの無機バインダであることを特徴とする請求項４または５に記載の圧粉磁心の製造方法。