JP6545734B2 - 複合磁性粉末材料、メタルコンポジットコア及びメタルコンポジットコアの製造方法 - Google Patents
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[1−1.構成]
本実施形態の磁性粉末材料は、磁性粉末と樹脂とを含み構成される。磁性粉末材料に含まれる磁性粉末として平均粒子径の異なる2種類の磁性粉末を使用する。磁性粉末のうち平均粒子径の大きいほうの粉末の周囲に、チタンオリゴマー由来の絶縁被膜を形成しておく。そして、2種類の磁性粉末と樹脂とを混合すること粘土状の磁性粉末材料を得る。また、本実施形態のメタルコンポジットコアは、粘土状の磁性粉末材料を、所定の容器に充填し、加圧することでコアを所定の形状とする。コアの形状は、例えば、トロイダル状コア、I型コア、U型コア、θ型コア、E型コア、EER型コアなど、種々の形状とすることができる。
磁性粉末は、平均粒子径の異なる2種類の磁性粉末から構成する。磁性粉末は、第1の磁性粉末と、第1の磁性粉末より平均粒子径の小さい第2の磁性粉末とから構成される。第1の磁性粉末及び第2の磁性粉末の重量比率は、第1の磁性粉末:第2の磁性粉末=80:20〜60:40とすることが好ましい。この範囲とすることで密度が向上し、透磁率も向上するともに、鉄損を小さくすることができる。
コアを成型する第1の磁性粉末は、絶縁性を有する絶縁被膜で覆われる。絶縁被膜は、チタンオリゴマー由来の被膜である。絶縁被膜の厚さは、10nm〜100nmであることが好ましい。チタンオリゴマーを磁性粉末に対して被覆させることで、10nm〜100nmの絶縁被膜を形成することが可能となる。絶縁被膜は、チタンオリゴマーが固化することで形成され、酸化チタンが含まれる。使用するチタンオリゴマーとしては、チタン含有量が6.7wt%のチタンオリゴマーを使用する。また、チタンオリゴマーの添加量は、第1の磁性粉末に対して0.25〜1.0wt%の範囲が好ましい。所定のチタン含有量のチタンオリゴマーを所定量添加することで、第1の磁性粉末の周囲に10nm〜100nmの絶縁被膜を形成することが可能となる。一方、チタンオリゴマーの添加量が0.25wt%未満になると、絶縁被膜の厚さが10nmより薄くなるため渦電流損失(Pe)の低減効果が低い。チタンオリゴマーの添加量が、1.0wt%超になると絶縁被膜の厚さが100nmより厚くなり、渦電流損失(Pe)を低減することは可能であるが、MCコアの密度が低下し、MCコアの磁気特性に悪影響を与える。磁気特性の悪化とは、例えば、Phの増加、初透磁率μ0の低下である。
樹脂は、磁性粉末と混合し、混合した磁性粉末を保持する。磁性粉末が平均粒子径の異なる種類の粉末で構成される場合、各粉末を均質に混合した状態で保持する。樹脂としては、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂が使用できる。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂などが使用できる。紫外線硬化性樹脂としては、ウレタンアクリレート系、エポキシアクリレート系、アクリレート系、エポキシ系の樹脂を使用できる。熱可塑性樹脂としては、ポリイミドやフッ素樹脂などの耐熱性に優れた樹脂を使用することが好ましい。硬化剤を添加することにより硬化するエポキシ樹脂は、硬化剤の添加量などによってその粘度を調整できることから、本発明に適している。熱可塑性のアクリル樹脂やシリコーン樹脂も使用可能である。
コイルは、絶縁被覆が施された導線であり、線材として銅線やアルミニウム線を用いることができる。コイルは、コアの少なくとも一部に導線が巻き回されて形成され或いは装着されており、コアの少なくとも一部の周囲に配置される。コイルの巻き方や線材の材料、形状は特に限定されない。
本実施形態に係るメタルコンポジットコアの製造方法について、図面を参照しつつ説明する。本メタルコンポジットコアの製造方法は、図1に示すように、(1)被覆工程、(2)混合工程、(3)成型工程、(4)加圧工程、及び(5)硬化工程を備える。
被覆工程は、磁性粉末を被覆する被覆工程である。被覆工程では、チタンオリゴマー由来の絶縁被膜により、少なくとも第1の磁性粉末を被覆する。被覆工程では、第1の磁性粉末とチタンオリゴマーとを混合し、乾燥することで、第1の磁性粉末の周囲に酸化チタンを含む被膜を形成する。被覆工程においては、所定の混合器を用いて自動で、又は手動で行うことができる。各被覆工程の混合時間は、適宜設定することができ、特に限定されるものではないが、例えば2分間とする。また、被覆工程における乾燥温度及び時間は、酸化チタンを含む被覆が形成するに必要な温度及び時間であれば、適宜設定することができる。被覆工程を経ることで、第1の磁性粉末の周囲にチタンオリゴマー由来の酸化チタンを含む絶縁被膜が形成される。
混合工程は、磁性粉末と樹脂とを混合する工程である。混合工程は、第1の磁性粉末と、第1の磁性粉末より平均粒子径の小さい第2の磁性粉末とを混合し、磁性粉末を構成する磁性粉混合工程と、磁性粉末に対して3〜5wt%の樹脂を添加し、磁性粉末と樹脂とを混合する樹脂混合工程とを有する。
成型工程は、複合磁性粉末を所定形状の容器に入れて所定の形状に成型する工程である。成型工程では、複合磁性粉末とともにコイルを入れて成型しても良い。
加圧工程は、成型工程時に、複合磁性材料を押圧部材で押圧する工程である。容器に入れられた粘土状の複合磁性材料を、押圧部材で押圧することにより、容器の形状に複合磁性材料を押し広げるとともに、複合磁性材料に含まれていた空隙を減少させ、見かけ密度、及び初透磁率を向上させる。
硬化工程は、成型工程で得た成型体中の樹脂を硬化させる工程である。成型体中の樹脂の乾燥により硬化させる場合、乾燥雰囲気は、大気雰囲気とすることができる。硬化工程では、樹脂の乾燥状態に基づいて乾燥温度及び時間を制御する乾燥プロファイルにより、樹脂を硬化させる。乾燥時間は、樹脂の種類、含有量、乾燥温度等に応じて適宜変更可能であるが、例えば、1時間〜4時間とすることができるが、これに限定されない。乾燥温度は、樹脂の種類、含有量、乾燥時間等に応じて適宜変更可能であるが、例えば、85℃〜150℃とすることができるが、これに限定されない。なお、乾燥温度は、乾燥雰囲気の温度である。
(1)本実施形態のメタルコンポジットコアの製造方法は、磁性粉末及び樹脂を含むコアと、コアに装着されたコイルとを備えたメタルコンポジットコアの製造方法であって、磁性粉末は、所定の平均粒子径の第1の磁性粉末と、平均粒子径が第1の磁性粉末より小さい第2の磁性粉末と、からなる。この磁性粉末に対して0.25〜1.0wt%のチタンオリゴマーを添加し、前記磁性粉末に酸化チタンを含む絶縁被膜を形成する被覆工程と、前記磁性粉末に対して前記樹脂を混合する混合工程と、前記混合工程で得た混合物を所定の容器に入れて成型する成型工程と、前記成型工程で得た成型体中の前記樹脂を硬化させる硬化工程と、を備えるようにした。
これにより、渦電流損失を低減した優れた磁気特性のメタルコンポジットコアを得ることができる。MCコアにおいては、成型工程や加圧工程で、磁性粉末に対して応力が加えられる。この応力により、磁性粉末同士が接触する可能性がある。軟磁性粉末の表面をチタンオリゴマー由来の酸化チタンを含む絶縁被膜で被覆することにより、軟磁性粉末同士の接触を抑制することができる。軟磁性粉末の大きさに応じた渦電流が発生するため、軟磁性粉末同士が接触することで、より大きな渦電流が発生する。これは、軟磁性粉末の種類は問われない。また、接触する磁性粉末の数も限らない。つまり、複数の磁性粉末が接触することで、より大きな渦電流が発生する可能性がある。本実施形態のメタルコンポジットコアにおいては、絶縁被膜により磁性粉末同士の接触を抑制することで大きな渦電流の発生を抑制することが可能となる。この絶縁被膜による渦電流損失抑制の効果は、第1の磁性粉末のみを絶縁被膜で覆った場合に限られない。すなわち、第1の磁性粉末と第2の磁性粉末共に絶縁被膜で覆った場合も渦電流損失抑制される。また、効果は限定的ではあるが、第2の磁性粉末のみを絶縁被膜で覆った場合にも渦電流損失の抑制効果は期待することができる。一方、MCコアの製造においては、チタンオリゴマーや、樹脂の割合が増えるに従って、その密度が低下する。
本実施形態の磁性粉末の周囲に形成される絶縁被膜は、チタンオリゴマー由来の酸化チタンを含む。MCコアにおける被覆工程では、チタンオリゴマーを使用することにより、磁性粉末の周囲に10〜100nmの絶縁被膜を形成することができる。これにより、密度の低下を抑制しつつMCコアの渦電流損失の抑制することが可能となる。チタンオリゴマーは、成膜性が良い。そのため、被覆工程において、磁性粉末の表面をチタンオリゴマーで覆う際のボイドの発生を抑制することができる。また、チタンオリゴマーは、分解しにくいため、チタンオリゴマーが分解することによるボイドの発生も抑制することができる。さらに、形成した絶縁被膜は、安定した金属であるチタンの酸化物被膜で形成される。それ故に、強度と耐性のある絶縁被膜となる。
本発明の実施例を、表1〜表3及び図3〜図5を参照して、以下に説明する。
(1)測定項目
測定項目は、密度、透磁率、鉄損、及びインダクタンス値(L値)である。作製された各コアのサンプルに対して、φ1.2mmの銅線で40ターンの巻線を施してメタルコンポジットコアを作製した。各コアのサンプルの形状は、外径35mm、内径20mm、高さ11mmのトロイダル形状とした。また、作製したリアクトルの透磁率、及び鉄損を下記の条件で算出した。
コアの密度は、見かけ密度である。すなわち、各コアのサンプルの外径、内径、及び高さを測り、これらの値からサンプルの体積(cm3)を、π×(外径2−内径2)×高さに基づき算出した。そして、サンプルの質量を測定し、測定した質量を算出した体積で除してコアの密度を算出した。
透磁率及び鉄損の測定条件は、周波数20kHz、最大磁束密度Bm=30mTとした。透磁率は、鉄損Pcv測定時に最大磁束密度Bmを設定したときの振幅透磁率とした。鉄損については、磁気計測機器であるBHアナライザ(岩通計測株式会社:SY−8232)を用いて算出した。この算出は、鉄損の周波数曲線を次の(1)〜(3)式で最小2乗法により、ヒステリシス損係数、渦電流損失係数を算出することで行った。
Phv =Kh×f…(2)
Pev =Ke×f2…(3)
Pcv:鉄損
Kh :ヒステリシス損失係数
Ke :渦電流損失係数
f :周波数
Phv:ヒステリシス損失
Pev:渦電流損失
会社名:Malvern
装置名:morphologi G3S
比表面積は、BET法により測定した。
第1の特性比較では、第1の磁性粉末と混合するチタンオリゴマーの量を変化させ特性の比較を行う。
コアのサンプルは、下記のように、チタンオリゴマーの添加量を変化させ複数のサンプルを作製した。これらの作製方法と、その結果について下記に順に示す。
図5は、比較例1のコア断面のSEM写真(500倍)である。図5において、符号1は、平均粒子径が大きい第1の磁性粉末を示し、符号2は平均粒子径が小さい第2の磁性粉末を示す。図5に示すように、比較例1のサンプルにおいては、大きい粉末である第1の磁性粉末と第1の磁性粉末とが部分的に直接接触(領域A)している。このため、2つの第1の磁性粉末は、電気的に接続されることとなる。そのため、2つの第1の磁性粉末の大きさに起因する渦電流が発生することとなる。
第1の磁性粉末の周囲に形成する被膜を厚さとサンプルの密度とは、相関関係がある。すなわち、チタンオリゴマーの添加量を多くし絶縁被膜の厚さを厚くするに従って、MCコアの密度が徐々に低下する。MCコアの密度の低下は、ヒステリシス損失Phv、初透磁率、及び透磁率(12kH/m)に対して影響を与える。
表1及び図4に示すように、第1の磁性粉末の周囲に絶縁被膜を形成しない場合(比較例1)のヒステリシス損失Phvは18.7である。これに対して、チタンオリゴマーを0.25〜1.00%添加し、第1の磁性粉末の周囲に絶縁被膜を形成することで、密度は低下するがヒステリシス損失Phvは17.4〜17.8と低下する。しかしながら、チタンオリゴマーの添加量が1.00%超となることで、ヒステリシス損失Phvは18.4となる。これは、絶縁被膜によるヒステリシス損失Phvの低減の効果以上に、密度が低下することによるヒステリシス損失Phvが増加するためである。
表1及び図4に示すように、チタンオリゴマーを添加しMCコアの密度の低下することにより、初透磁率、及び透磁率(12kH/m)は低下する。チタンオリゴマーの添加量が1.00%超となることで、密度が5.92未満となる。このため、初透磁率、及び透磁率(12kH/m)に対して悪影響を与えることがわかる。
第2の特性比較では、絶縁被膜を形成する磁性粉末を変化させて特性の比較を行う。
第2の特性比較では、第1の特性比較で使用した比較例1及び実施例2、4のコアのサンプルに加えて、下記のように、チタンオリゴマーの添加量を変化させ複数のサンプルを作製した。これらの作製方法と、その結果について下記に順に示す。
渦電流損失の低減の効果は、第1の磁性粉末の絶縁被膜が大きな影響を与える。すなわち、表2に示すように、チタンオリゴマーを添加しない場合(比較例1)の渦電流損失Pevが6.0に対して、第1の磁性粉末に対してチタンオリゴマーを0.5%〜1.0%添加した場合(実施例2、4)には、渦電流損失Pevが5.2となる。また、第1及び第2の磁性粉末に対してチタンオリゴマーを0.5%〜1.0%添加した場合(実施例7、8)には、渦電流損失Pevが5.3〜5.5となる。さらに、第2の磁性粉末に対してチタンオリゴマーを0.5%〜1.0%添加した場合には、渦電流損失Pevが5.3〜5.8となる。
絶縁被膜を形成する磁性粉末の違いは、密度に対して影響を与える。すなわち、表2に示すように、チタンオリゴマーを添加しない場合(比較例1)の密度が6.06に対して、第1の磁性粉末に対してチタンオリゴマーを0.5%〜1.0%添加した実施例2、4では密度が5.93〜5.94となる。また、第1及び第2の磁性粉末に対してチタンオリゴマーを0.5%〜1.0%添加した実施例7、8では、密度が5.55〜5.63となる。
表2に示すように、第1の磁性粉末の周囲に絶縁被膜を形成しない場合(比較例1)のヒステリシス損失Phvは18.7である。これに対して、実施例2及び実施例4のヒステリシス損失は17.4〜17.5である。また、第1及び第2の磁性粉末に対してチタンオリゴマーを0.5%〜1.0%添加した実施例7、8では、ヒステリシス損失は20.3〜24.3となる。これは、絶縁被膜によるヒステリシス損失Phvの低減の効果以上に、密度が低下することによるヒステリシス損失Phvが増加するためである。
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
2…第2の磁性粉末
Claims (16)
- 磁性粉末及び樹脂を含むメタルコンポジットコアの製造方法であって、
前記磁性粉末は、
所定の平均粒子径の第1の磁性粉末と、
平均粒子径が前記第1の磁性粉末より小さい第2の磁性粉末と、
を含み、
前記磁性粉末に対して0.25〜1.0wt%のチタンオリゴマーを添加し、前記磁性粉末に絶縁被膜を形成する被覆工程と、
前記磁性粉末に対して前記樹脂を混合する混合工程と、
前記混合工程で得た混合物を所定の容器に入れて成型する成型工程と、
前記成型工程で得た成型体中の前記樹脂を硬化させる硬化工程と、
を備えること、
を特徴とするメタルコンポジットコアの製造方法。 - 前記被覆工程では、
前記第1の磁性粉末と前記チタンオリゴマーとを混合し、第1の磁性粉末に絶縁被膜を形成することを特徴とする請求項1に記載のメタルコンポジットコアの製造方法。 - 前記第1の磁性粉末の平均粒子径は100〜200μmであり、
前記第2の磁性粉末の平均粒子径は5〜10μmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のメタルコンポジットコアの製造方法。 - 前記磁性粉末における前記第1の磁性粉末の添加量が60〜80wt%、前記第2の磁性粉末が20〜40wt%であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のメタルコンポジットコアの製造方法。
- 前記樹脂は、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のメタルコンポジットコアの製造方法。
- 前記成型工程時に、前記混合物を押圧する加圧工程を備えること、
を特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載のメタルコンポジットコアの製造方法。 - 前記加圧工程における加圧圧力が2.0〜10.0kg/cm2であることを特徴とする請求項6に記載のメタルコンポジットコアの製造方法。
- 前記加圧工程は、前記混合物を押圧する部材又は前記容器を常温よりも高い温度に保って行うこと、
を特徴とする請求項6または請求項7に記載のメタルコンポジットコアの製造方法。 - 前記加圧工程は、常温よりも高い温度に温めた前記混合物を前記容器に入れて行うこと、
を特徴とする請求項6乃至8の何れか1項に記載のメタルコンポジットコアの製造方法。 - 磁性粉末及び樹脂を備えるメタルコンポジットコアであって、
前記磁性粉末は、
所定の平均粒子径の第1の磁性粉末と、
平均粒子径が前記第1の磁性粉末より小さい第2の磁性粉末と、
を含み、
前記第1の磁性粉末は、チタンオリゴマー由来の絶縁被膜で覆われていることを特徴とするメタルコンポジットコア。 - 前記絶縁被膜は、前記チタンオリゴマーが固化したものであることを特徴とする請求項10に記載のメタルコンポジットコア。
- 前記絶縁被膜の厚さが10〜100nmであることを特徴とする請求項10または請求項11に記載のメタルコンポジットコア。
- 前記第1の磁性粉末の平均粒子径は100〜200μmであり、
前記第2の磁性粉末の平均粒子径は5〜10μmであることを特徴とする請求項10乃至12の何れか1項に記載のメタルコンポジットコア。 - 前記磁性粉末における前記第1の磁性粉末の添加量が60〜80wt%、前記第2の磁性粉末が20〜40wt%であることを特徴とする請求項10乃至13に記載のメタルコンポジットコア。
- コアの見かけ密度が76.47%超であることを特徴とする請求項10乃至14の何れか1項に記載のメタルコンポジットコア。
- 磁性粉末及び樹脂を備える複合磁性粉末材料であって、
前記磁性粉末は、
所定の平均粒子径の第1の磁性粉末と、
平均粒子径が前記第1の磁性粉末より小さい第2の磁性粉末と、
を含み、
前記第1の磁性粉末は、前記磁性粉末に対して0.25〜1.0wt%のチタンオリゴマーを添加して形成した絶縁被膜で覆われていることを特徴とする複合磁性粉末材料。
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