JP7003046B2 - core - Google Patents
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Description
実施形態は、磁心に関する。 The embodiment relates to a magnetic core.
高周波領域で使用される従来のスイッチングレギュレータ等の磁心は、パーマロイやフェライト等の結晶質材料を含む。しかしながら、パーマロイは比抵抗が小さいので高周波領域での鉄損が大きい。フェライトは、高周波領域での鉄損が小さいが、磁束密度が低く、500ガウス(G)程度である。そのため、大きな動作磁束密度での使用時に飽和に近づき鉄損が増大する。これに対し、平均結晶粒径50nm以下の微細結晶構造を有する鉄基軟磁性合金が開発されている。上記鉄基軟磁性合金の周波数1kHzでの透磁率μは約100000である。 Magnetic cores of conventional switching regulators and the like used in the high frequency region include crystalline materials such as permalloy and ferrite. However, since permalloy has a small resistivity, iron loss in a high frequency region is large. Ferrite has a small iron loss in a high frequency region, but has a low magnetic flux density, and is about 500 gauss (G). Therefore, when used at a large operating magnetic flux density, it approaches saturation and iron loss increases. On the other hand, iron-based soft magnetic alloys having a fine crystal structure having an average crystal grain size of 50 nm or less have been developed. The magnetic permeability μ of the iron-based soft magnetic alloy at a frequency of 1 kHz is about 100,000.
スイッチングレギュレータに使用される電源トランス、平滑チョークコイル、コモンモードチョークコイル等の部品は、磁心の小型化を必要とする。同様に、ノイズフィルタやアンテナ等の部品も磁心の小型化を必要とする。 Parts such as power transformers, smoothing choke coils, and common mode choke coils used in switching regulators require miniaturization of the magnetic core. Similarly, parts such as noise filters and antennas also require miniaturization of the magnetic core.
スイッチングレギュレータは、スイッチング電源の一種である。スイッチング電源は、商用電源の電力変換装置等として広く利用されている。スイッチング電源は、フィードバック回路によって半導体スイッチング素子のオン・オフ時間比率(デューティ比)を制御することにより出力を安定させる電源装置である。スイッチング電源は、医療機器、産業機器、鉄道、通信機器等の様々な機器に用いられている。半導体スイッチング素子の高性能化に伴い動作周波数が50kHz以上と高い。周波数1kHzでの透磁率μが100000である磁心において、周波数100kHzでの透磁率μは20000程度しかない。このため、周波数50kHz以上の高周波領域での磁心の小型化は困難である。 A switching regulator is a type of switching power supply. Switching power supplies are widely used as power conversion devices for commercial power supplies. The switching power supply is a power supply device that stabilizes the output by controlling the on / off time ratio (duty ratio) of the semiconductor switching element by a feedback circuit. Switching power supplies are used in various devices such as medical devices, industrial devices, railways, and communication devices. The operating frequency is as high as 50 kHz or more as the performance of semiconductor switching elements increases. In a magnetic core having a magnetic permeability μ of 100,000 at a frequency of 1 kHz, the magnetic permeability μ at a frequency of 100 kHz is only about 20000. Therefore, it is difficult to reduce the size of the magnetic core in a high frequency region having a frequency of 50 kHz or higher.
本発明が解決しようとする課題は、磁心の透磁率を向上させることである。 The problem to be solved by the present invention is to improve the magnetic permeability of the magnetic core.
実施形態の磁心は、平均結晶粒径100nm以下の結晶構造を有する複数の鉄基軟磁性合金板と、複数の鉄基軟磁性合金板の一つと他の一つとの間に設けられた絶縁層と、を具備する。複数の鉄基軟磁性合金板のそれぞれの平均厚さは、30μm以下である。絶縁層の厚さは、0.1μm以上10μm以下である。絶縁層は、平均粒径0.001μm以上0.1μm以下の絶縁性微粒子を含む。絶縁性微粒子は、酸化珪素、酸化マグネシウム、および酸化アルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも一つの酸化物を含む。磁心における複数の鉄基軟磁性合金板の占積率は、65%以上であり、周波数100kHzにおける初透磁率は、25000以上である。 The magnetic core of the embodiment is a plurality of iron-based soft magnetic alloy plates having a crystal structure having an average crystal grain size of 100 nm or less, and an insulating layer provided between one of the plurality of iron-based soft magnetic alloy plates and the other. And. The average thickness of each of the plurality of iron-based soft magnetic alloy plates is 30 μm or less. The thickness of the insulating layer is 0.1 μm or more and 10 μm or less. The insulating layer contains insulating fine particles having an average particle size of 0.001 μm or more and 0.1 μm or less. The insulating fine particles contain at least one oxide selected from the group consisting of silicon oxide, magnesium oxide, and aluminum oxide. The space factor of the plurality of iron-based soft magnetic alloy plates in the magnetic core is 65% or more, and the initial magnetic permeability at a frequency of 100 kHz is 25,000 or more.
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。図面は模式的であり、例えば各構成要素の厚さ、幅等の寸法は実際の構成要素の寸法と異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付け、説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The drawings are schematic, for example, dimensions such as thickness and width of each component may differ from the dimensions of the actual component. Further, in the embodiment, substantially the same components may be designated by the same reference numerals and the description thereof may be omitted.
図1は、巻回型磁心の構造例を示す断面模式図である。図2は積層型磁心の構造例を示す断面図模式図である。図1および図2に示す磁心1は、鉄基軟磁性合金板2と、絶縁層3と、を具備する。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structural example of a wound magnetic core. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a laminated magnetic core. The
図1に示す磁心1は、券回型磁心であり、絶縁層3を挟んで複数の鉄基軟磁性合金板2の一つと他の一つとを積層し、当該積層体を巻回することにより形成される巻回体である。券回型磁心はトロイダルコアとも呼ばれている。図1に示す磁心1は、磁心1の中心に中空部4を有する。
The
図2に示す磁心は、積層型磁心であり、複数の鉄基軟磁性合金板2の一つと他の一つとを間に絶縁層3を挟んで積層することにより形成される積層体である。
The magnetic core shown in FIG. 2 is a laminated magnetic core, and is a laminated body formed by laminating one of a plurality of iron-based soft
図1および図2に示す磁心1にコイルが巻き付けられていてもよい。磁心1は、必要に応じてケースに収納してもよい。磁心1をケースに収納してから、コイルを巻いてもよい。
A coil may be wound around the
鉄基軟磁性合金板2は、例えば鉄(Fe)を50原子%以上含む軟磁性合金薄板により構成される。鉄基軟磁性合金板2は、平均結晶粒径100nm以下の微細結晶構造を有する。平均結晶粒径が100nmを超えると軟磁気特性が低下する。このため、平均結晶粒径は100nm以下、さらには50nm以下であることが好ましい。また、平均結晶粒径は10nm以上30nm以下、さらには10nm以上30nm未満であることがより好ましい。
The iron-based soft
平均結晶粒径は、X線回折(X-ray Diffraction:XRD)分析により求められる回折ピークの半値幅からシェラー(Scherrer)の式により求められる。シェラーの式は、D=(K・λ)/(βcosθ)、で示される。ここでDは平均結晶粒径、Kは形状因子、λはX線の波長、βはピーク半値全幅(FWHM)、θはブラッグ角である。形状因子Kは0.9とする。ブラッグ角は回折角2θの半分である。XRD分析は、Cuターゲット、管電圧40mV、管電流40mA、スリット幅(RS)0.20mmの条件下で行われる。 The average crystal grain size is obtained by the Scherrer equation from the half width of the diffraction peak obtained by X-ray diffraction (XRD) analysis. Scherrer's equation is expressed by D = (K · λ) / (βcosθ). Here, D is the average crystal grain size, K is the scherrer, λ is the wavelength of the X-ray, β is the full width at half maximum (FWHM), and θ is the Bragg angle. The shape factor K is 0.9. The Bragg angle is half of the diffraction angle 2θ. The XRD analysis is performed under the conditions of a Cu target, a tube voltage of 40 mV, a tube current of 40 mA, and a slit width (RS) of 0.20 mm.
鉄基軟磁性合金板2の組成は、例えば下記一般式(組成式)により表される。
一般式:FeaCubMcM’dM”eSifBg
(式中、Mは周期表の4族元素、5族元素、6族元素および希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、M’はMn、Alおよび白金族元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、M”はCoおよびNiからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、aはa+b+c+d+e+f+g=100原子%を満足する数であり、bは0.01≦b≦8原子%を満足する数であり、cは0.01≦c≦10原子%を満足する数であり、dは0≦d≦10を満足する数であり、eは0≦e≦20原子%を満足する数であり、fは10≦f≦25原子%を満足する数であり、gは3≦g≦12原子%を満足する数である。)The composition of the iron-based soft
General formula: Fe a Cu b M c M'd M " e Si f B g
(In the formula, M is at least one element selected from the group consisting of
Cuは耐食性を高め、結晶粒の粗大化を防ぎ、鉄損、透磁率等の軟磁気特性の改善に有効である。Cuの含有量は0.01原子%以上8原子%以下(0.01≦b≦8)であることが好ましい。含有量が0.01原子%未満では添加の効果が小さく、8原子%を超えると磁気特性が低下する。 Cu enhances corrosion resistance, prevents coarsening of crystal grains, and is effective in improving soft magnetic properties such as iron loss and magnetic permeability. The Cu content is preferably 0.01 atomic% or more and 8 atomic% or less (0.01 ≦ b ≦ 8). If the content is less than 0.01 atomic%, the effect of addition is small, and if it exceeds 8 atomic%, the magnetic properties deteriorate.
Mは、周期表の4族元素、5族元素、6族元素、および希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。4族元素の例は、Ti(チタン)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)等を含む。5族元素の例は、V(バナジウム)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)等を含む。6族元素の例は、Cr(クロム)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)等を含む。希土類元素の例は、Y(イットリウム)、ランタノイド元素、アクチノイド元素等を含む。M元素は、結晶粒径の均一化や温度変化に対する磁気特性の安定化に有効である。M元素の含有量は0.01原子%以上10原子%以下(0.01≦c≦10)であることが好ましい。
M is at least one element selected from the group consisting of
M’は、Mn(マンガン)、Al(アルミニウム)、および白金族元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。白金族元素の例は、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)等を含む。M’元素は、飽和磁束密度等の軟磁気特性の向上に有効である。M’元素の含有量は0原子%以上10原子%以下(0≦d≦10)であることが好ましい。 M'is at least one element selected from the group consisting of Mn (manganese), Al (aluminum), and platinum group elements. Examples of platinum group elements include Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Pd (palladium), Os (osmium), Ir (iridium), Pt (platinum) and the like. The M'element is effective in improving soft magnetic properties such as saturation magnetic flux density. The content of the M'element is preferably 0 atomic% or more and 10 atomic% or less (0 ≦ d ≦ 10).
M”元素はCo(コバルト)およびNi(ニッケル)からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。M”元素は飽和磁束密度等の軟磁気特性の向上に有効である。M”元素の含有量は0原子%以上20原子%以下(0≦e≦20)であることが好ましい。 The M "element is at least one element selected from the group consisting of Co (cobalt) and Ni (nickel). The M" element is effective in improving soft magnetic properties such as saturation magnetic flux density. The content of the M "element is preferably 0 atomic% or more and 20 atomic% or less (0 ≦ e ≦ 20).
Si(珪素)およびB(ホウ素)は、製造時における合金の非晶質化または微結晶の析出を助成する。SiおよびBは、結晶化温度の改善や、磁気特性向上のための熱処理に対して有効である。特に、Siは微細結晶粒の主成分であるFeに固溶し、磁歪や磁気異方性の低減に有効である。Siの含有量は10原子%以上25原子%以下(10≦f≦25)であることが好ましい。Bの含有量は3原子%以上12原子%以下(3≦g≦12)であることが好ましい。 Si (silicon) and B (boron) aid in the amorphization of the alloy or the precipitation of microcrystals during production. Si and B are effective for improving the crystallization temperature and heat treatment for improving the magnetic properties. In particular, Si dissolves in Fe, which is the main component of fine crystal grains, and is effective in reducing magnetostriction and magnetic anisotropy. The Si content is preferably 10 atomic% or more and 25 atomic% or less (10 ≦ f ≦ 25). The content of B is preferably 3 atomic% or more and 12 atomic% or less (3 ≦ g ≦ 12).
上記一般式を満たす場合、Fe3Si相が形成される。平均結晶粒径100nm以下の微細結晶は、主に、α-Fe相、Fe3Si相、およびFe2B相からなる群より選ばれる少なくとも一つの相を有する。各結晶は、一般式を満たす構成元素を含んでいてもよい。When the above general formula is satisfied, a Fe 3 Si phase is formed. A fine crystal having an average crystal grain size of 100 nm or less has at least one phase selected from the group consisting mainly of an α-Fe phase, a Fe 3 Si phase, and a Fe 2 B phase. Each crystal may contain a constituent element that satisfies the general formula.
Fe3Si結晶相に対して平行方向には引っ張り応力、垂直方向には圧縮応力が生じていることが好ましい。引っ張り応力および圧縮応力の有無の解析は、XRDの残留応力解析手法を用いて行われる。平行方向は、鉄基軟磁性合金板2の長手方向である。つまり、ロール急冷法で作製した薄帯の長手方向である。垂直方向とは薄帯の幅方向である。It is preferable that tensile stress is generated in the direction parallel to the Fe 3 Si crystal phase and compressive stress is generated in the vertical direction. The analysis of the presence or absence of tensile stress and compressive stress is performed using the residual stress analysis method of XRD. The parallel direction is the longitudinal direction of the iron-based soft
XRD分析による残留応力解析は、以下の手法で行われる。XRD分析は、Cuターゲット、管電圧40mV、管電流40mA、スリット幅(RS)0.20mmの条件で行われる。 Residual stress analysis by XRD analysis is performed by the following method. The XRD analysis is performed under the conditions of a Cu target, a tube voltage of 40 mV, a tube current of 40 mA, and a slit width (RS) of 0.20 mm.
回折角(2θ)が140度以上180度以下の範囲に現れる一番大きなピークを基準とする。X線の照射角度を15度単位で45度までずらしながら測定する。このピークの位置が向かって右側にずれると引っ張り応力、左側にずれると圧縮応力となる。 The largest peak that appears in the range where the diffraction angle (2θ) is 140 degrees or more and 180 degrees or less is used as a reference. The X-ray irradiation angle is measured while shifting it by 15 degrees to 45 degrees. When the position of this peak shifts to the right side, it becomes tensile stress, and when it shifts to the left side, it becomes compressive stress.
Fe3Si結晶相への引っ張り応力および圧縮応力の発生は、鉄基軟磁性合金板が磁気異方性を有していることを示す。前述のとおり、Fe(鉄)、Si(珪素)、B(ホウ素)を構成元素として含有する鉄基軟磁性合金板2は、α-Fe、Fe3Si、およびFe2Bからなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶相を有する。従来の微細結晶を有する磁性材料は、磁気異方性を無くすことにより軟磁気特性を付与することができる。この方法ではこれ以上の初透磁率の向上は困難である。The generation of tensile stress and compressive stress on the Fe 3 Si crystal phase indicates that the iron-based soft magnetic alloy plate has magnetic anisotropy. As described above, the iron-based soft
実施形態の磁心は、Fe3Si結晶相に磁気異方性を付与することにより、初透磁率を大きくすることができる。特に、周波数100kHzの初透磁率を25000以上、さらには30000以上と大きくすることができる。磁気異方性を付与することにより、熱処理後の磁心の直流保磁力を大きくすることができる。The magnetic core of the embodiment can increase the initial magnetic permeability by imparting magnetic anisotropy to the Fe 3 Si crystal phase. In particular, the initial magnetic permeability at a frequency of 100 kHz can be increased to 25,000 or more, and further to 30,000 or more. By imparting magnetic anisotropy, the DC coercive force of the magnetic core after heat treatment can be increased.
鉄基軟磁性合金板2の平均厚さは、30μm以下であることが好ましい。鉄基軟磁性合金板2が厚くなると渦電流損失が大きくなる。渦電流損失Xは、式:X=B2f2d2/ρにより表される。Bは磁心1の磁束密度を表し、fは磁心1の周波数を表し、dは鉄基軟磁性合金板2の平均厚さを表し、ρは磁心1の電気抵抗率を表す。鉄基軟磁性合金板2の平均厚さは20μm以下、さらには18μm以下であることがより好ましい。平均厚さは、鉄基軟磁性合金板2の断面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)を使用して観察したとき、任意の5ヶ所の厚さの平均値により定義される。The average thickness of the iron-based soft
鉄基軟磁性合金板2の密度の実測値に対する当該密度の計算値の比Ksは、1.00≦Ks≦1.50を満足する数であることが好ましい。密度の計算値は、鉄基軟磁性合金板2の組成から求められる理論値である。鉄基軟磁性合金板2の組成が式:Fe73Cu1Nb4Si15B7により表されるときの密度の計算値は以下のとおり算出される。Feの密度を7.87g/cm3とし、Cuの密度を8.96g/cm3とし、Nbの密度を8.56g/cm3とし、Siの密度を2.33g/cm3とし、Bの密度を2.37g/cm3としたとき、鉄基軟磁性合金板2の密度の計算値は、7.87×0.73+8.96×0.01+8.56×0.04+2.33×0.15+2.37×0.07=6.6925g/cm3(≒6.69g/cm3)である。また、密度の実測値は以下のとおり算出される。鉄基軟磁性合金板2から面積1cm2分だけ切り取り、密度を測定する。密度の実測値は、測定された密度を鉄基軟磁性合金板2の平均厚さで割った値である。Ksが1.00に近いほど密度の実測値が理論値に近いことを示す。The ratio Ks of the calculated value of the density to the measured value of the density of the iron-based soft
Ksが1.50を超えることは、鉄基軟磁性合金板2の表面の凹凸が大きいまたは凸部が多いことを示す。表面凹凸が大きすぎると、磁心1における複数の鉄基軟磁性合金板2の占積率を大きくすることが困難となる。後述するように、鉄基軟磁性合金板2と絶縁層3との間の空隙を小さくすることも困難となる。Ksは1.00以上1.30以下であることがより好ましい。
When Ks exceeds 1.50, it indicates that the surface of the iron-based soft
鉄基軟磁性合金板2の組成の情報を有していれば、磁心1をそのまま用いてKsを算出することができる。後述するように、例えば酸化物により形成された厚さ10μm以下の絶縁層3を有する場合、磁心1をそのまま用いて密度の実測値を測定してもよい。薄い酸化物層からなる絶縁層3であれば、磁心1の質量に対する絶縁層3の質量の割合が3%以下であるため絶縁層3の質量を考慮せずにKsを算出してもよい。磁心1をそのまま用いて測定されたKsを磁心1全体から求めたKsとみなすことができる。磁心1全体から求められたKsは1.00以上1.50以下であることが好ましい。Ksは1.1以上1.3以下であることがより好ましい。
If the information on the composition of the iron-based soft
磁心1全体から求められたKsをKs1としたとき、鉄基軟磁性合金板2の平均厚さは、20μm以下であり、Ks1は、1.00≦Ks1≦1.50を満足する数であることが好ましい。また、Ks1が1.00≦Ks1≦1.50を満足する数であり、磁心1を4等分して得られる4つの分割片のそれぞれにおける密度の実測値に対する計算値の比KsをKs2としたとき、Ks2とKs1との差は、±0.2以内であることが好ましい。Ks1、Ks2は、以下のように算出される。磁心1を4等分し、4つの分割片のそれぞれの密度を測定して得られる密度の実測値をKs2する。また、Ks1は4つの分割片におけるKs2の平均値により定義される。上記差を算出することにより、磁心1の部分的なばらつきの有無を確認できる。Ksの部分的なばらつきを小さくすることにより、薄い絶縁層3を設けることができ、磁心1における複数の鉄基軟磁性合金板2の占積率を大きくすることができる。When Ks 1 is obtained from the entire
磁心1は、絶縁層3を有するともに、複数の鉄基軟磁性合金板2の占積率が65%以上であることが好ましい。絶縁層3を設けない場合、(1)鉄基軟磁性合金板2同士が接触する構造、(2)鉄基軟磁性合金板2同士の間隔が大きい構造、の2つが考えられる。鉄基軟磁性合金板2同士が直接接触すると透磁率が低下する。鉄基軟磁性合金板2同士の間隔が大きいと鉄基軟磁性合金板2の占積率が下がるため、透磁率が下がる。つまり、透磁率を上げるには、鉄基軟磁性合金板2同士が直接接触しないように鉄基軟磁性合金板2の間を絶縁したうえで、占積率を高くすることが必要である。占積率は、75%以上であることがより好ましい。占積率の上限は特に限定されないが95%以下であることが好ましい。占積率が95%を超えると、層間絶縁が不十分になる場合がある。
It is preferable that the
占積率の測定方法について以下に説明する。まず、磁心1の任意の断面をSEM観察して、観察像における鉄基軟磁性合金板2の合計面積を求める。断面のSEM観察により単位面積500μm×500μmの5ヶ所の領域の占積率を算出し、その平均値を磁心の占積率(%)とする。
The method for measuring the space factor will be described below. First, an arbitrary cross section of the
絶縁層3の厚さは、0.1μm以上であることが好ましい。絶縁層3の厚さが0.1μm未満であると、部分的に層間絶縁が不十分となる箇所が生じる場合がある。絶縁層3の厚さは、10μm以下であることが好ましい。絶縁層3の厚さが10μmを超えると、占積率を大きくすることが困難である。すなわち、絶縁層3の厚さは、0.1μm以上10μm以下、さらには0.5μm以上3μm以下であることが好ましい。絶縁層3の厚さは、磁心1の任意の断面において測定される。この作業を任意の5ヶ所で行い、その平均値を絶縁層の厚さ(平均厚さ)とする。
The thickness of the insulating
絶縁層3は、平均粒径0.001μm以上(1nm以上)の絶縁性微粒子を堆積することにより形成される絶縁膜であることが好ましい。絶縁性微粒子を堆積することにより、鉄基軟磁性合金板2に応力が加わらないようにすることができる。絶縁性微粒子としては、酸化物が好ましく、絶縁性微粒子の例は、酸化珪素(SiO2)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)等の酸化物、樹脂粉末を含む。酸化珪素(SiO2)を用いることが特に好ましい。酸化物は乾燥の際に収縮を伴わないため、応力の発生を抑制することができる。特に、酸化珪素は鉄基軟磁性合金板2とのなじみがよいので透磁率のばらつきを低減することができる。これは、酸化珪素と鉄基軟磁性合金板2が共に、必須の構成元素として珪素を含有しているためであると考えられる。The insulating
絶縁性微粒子の平均粒径は0.001μm以上0.1μm以下であることが好ましい。絶縁性微粒子の平均粒径が0.1μm(100nm)を超えると、絶縁性微粒子同士の隙間が広くなるため、占積率を向上させることが困難である。前述のように、鉄基軟磁性合金板2の表面に微小な凹凸があった場合に、鉄基軟磁性合金板2と絶縁層3の境界に隙間が形成されやすくなってしまう。絶縁性微粒子を用いる場合は、絶縁性微粒子を含有した溶液に鉄基軟磁性合金板2を浸漬し、乾燥させる方法により絶縁層3を形成することができる。この方法であれば、絶縁材料の収縮を伴わないため鉄基軟磁性合金板2に応力が加わらない。このため、絶縁性微粒子の平均粒径は、0.001μm以上0.1μm以下、さらには0.005μm以上0.05μm以下(5nm以上50nm以下)であることが好ましい。堆積された絶縁性微粒子を含む絶縁層3であるか否かは、例えばSEM観察等により得られる拡大写真により判別可能である。
The average particle size of the insulating fine particles is preferably 0.001 μm or more and 0.1 μm or less. If the average particle size of the insulating fine particles exceeds 0.1 μm (100 nm), the gap between the insulating fine particles becomes wide, and it is difficult to improve the space factor. As described above, when the surface of the iron-based soft
図3は、鉄基軟磁性合金板2と絶縁層3との境界の一例を示す断面模式図である。後述するように鉄基軟磁性合金板2は、ロール急冷法により作製される非晶質鉄基合金薄帯を原材料として用いて形成される。ロール急冷法で作製した薄帯は、冷却ロール表面の微小な凹凸が薄帯表面の表面性に影響を与える。このため、ミクロに拡大すると鉄基軟磁性合金板2の表面には微小な凹凸が形成されている。絶縁性微粒子を用いると、磁性薄帯の微小な凹凸を埋めるように絶縁層3を設けることができる。一方、樹脂ペーストの場合、加熱により固化する際に樹脂層の収縮を伴うため、鉄基軟磁性合金板2に応力が生じてしまう。鉄基軟磁性合金板2に応力が生じると透磁率の低下につながる。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the boundary between the iron-based soft
鉄基軟磁性合金板2と絶縁層3との境界において、単位長さLが100μmあたりの空隙5の合計長さPが5μm以下(ゼロ含む)であることが好ましい。鉄基軟磁性合金板2と絶縁層3の境界の空隙(隙間)を小さくすることにより、薄い絶縁層3で占積率を向上させることができる。この結果、透磁率を向上させることができる。図3では空隙5が1個の例を示すが、複数個の場合もある。その合計長さが5μm以下であれば占積率を向上させることができる。
At the boundary between the iron-based soft
鉄基軟磁性合金板2と絶縁層3との境界の空隙の割合(面積割合)は、SEM観察により得られる断面写真により測定される。SEM観察像において、空隙5は、鉄基軟磁性合金板2および絶縁層3とコントラストが異なる。空隙の割合は、例えば5%以下、さらには2%以下であることが好ましい。
The ratio (area ratio) of the voids at the boundary between the iron-based soft
以上のような磁心は、周波数100kHzにおける初透磁率μが25000以上である。さらに、周波数100kHzにおける初透磁率μを30000以上とすることができる。初透磁率μの測定方法はインピーダンスアナライザにて、室温、1turn、1Vとする。インピーダンスアナライザは日本ヒューレットパッカート社YHP4192Aとする。 The magnetic core as described above has an initial magnetic permeability μ of 25,000 or more at a frequency of 100 kHz. Further, the initial magnetic permeability μ at a frequency of 100 kHz can be set to 30,000 or more. The method for measuring the initial magnetic permeability μ is room temperature, 1 turn, and 1 V with an impedance analyzer. The impedance analyzer is Hewlett-Packard Japan YHP4192A.
従来の微細結晶構造を有する鉄基軟磁性合金を用いた磁心は、動作周波数50kHz以上の領域では小型化に限界がある。この原因は、微細結晶構造を有する鉄基軟磁性合金板の透磁率が低く、さらに、占積率が低いことであると考えられる。 The magnetic core using the conventional iron-based soft magnetic alloy having a fine crystal structure has a limit in miniaturization in the region where the operating frequency is 50 kHz or more. It is considered that the cause of this is that the iron-based soft magnetic alloy plate having a fine crystal structure has a low magnetic permeability and a low space factor.
実施形態に係る磁心は、鉄基軟磁性合金板の占積率を65%以上と高くしつつ損失を抑制し、周波数100kHzにおける初透磁率μが高く25000以上である。これにより、磁心1を小型化することができる。
The magnetic core according to the embodiment has a high initial magnetic permeability μ of 25,000 or more at a frequency of 100 kHz, suppresses loss while increasing the space factor of the iron-based soft magnetic alloy plate to 65% or more. Thereby, the
近年は、半導体素子(半導体スイッチング素子)の高性能化に伴い、動作周波数が50kHz以上と高い。半導体素子の動作周波数は400kHzまで高くなっている。実施形態に係る磁心は、周波数100kHzにおける初透磁率を25000以上としている。このため、動作周波数50kHz以上400kHz以下の半導体素子を有する電子機器に搭載する磁心として優れた特性を示す。 In recent years, as the performance of semiconductor devices (semiconductor switching devices) has improved, the operating frequency has been as high as 50 kHz or more. The operating frequency of the semiconductor element is as high as 400 kHz. The magnetic core according to the embodiment has an initial magnetic permeability of 25,000 or more at a frequency of 100 kHz. Therefore, it exhibits excellent characteristics as a magnetic core mounted on an electronic device having a semiconductor element having an operating frequency of 50 kHz or more and 400 kHz or less.
動作周波数50kHz以上400kHzの半導体素子を有する電子機器は、スイッチング電源、アンテナ装置、インバータ等が挙げられる。電子機器は、通信基地局、太陽光発電所、電気自動車(Electric Vehicle:EV)、ハイブリッド電気自動車(Hybrid-Electric Vehicle:HEV)、プラグインハイブリッド自動車(Plug-in Hybrid Vehicle:PHV)のような自動車、産業機器等に使用される。これ以外にも、パソコンやサーバ等のオフィスオートメーション(OA)機器に使うこともできる。 Examples of electronic devices having semiconductor elements having an operating frequency of 50 kHz or more and 400 kHz include switching power supplies, antenna devices, inverters, and the like. Electronic devices include communication base stations, solar power plants, electric vehicles (EVs), hybrid-electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid vehicles (Plug-in Hybrid Vehicles: PHVs), and the like. Used for automobiles, industrial equipment, etc. In addition to this, it can also be used for office automation (OA) equipment such as personal computers and servers.
実施形態の磁心は、AL値を大きくすることができる。AL値は、式:AL値∝μ×Ae/Leの関係を満たす。μは初透磁率を表し、Aeは平均磁路長を表し、Leは有効断面積を表す。AL値は、磁心1の性能を示す指標である。AL値が高いほど、インダクタンス値が高いことを示す。
The magnetic core of the embodiment can increase the AL value. The AL value satisfies the relationship of the formula: AL value ∝μ × Ae / Le. μ represents the initial magnetic permeability, Ae represents the average magnetic path length, and Le represents the effective cross-sectional area. The AL value is an index showing the performance of the
磁心のサイズ(Ae/Le)が同じとき、初透磁率μが大きいほどAL値は高くなる。有効断面積Leを小さくすること、または、平均磁路長Aeを大きくすることによりAL値は大きくなる。平均磁路長Aeを長くすることによりAL値は大きくなる。有効断面積Leを小さくすることにより、AL値は大きくなる。 When the size of the magnetic core (Ae / Le) is the same, the larger the initial magnetic permeability μ, the higher the AL value. The AL value is increased by reducing the effective cross-sectional area Le or increasing the average magnetic path length Ae. By increasing the average magnetic path length Ae, the AL value increases. By reducing the effective cross-sectional area Le, the AL value becomes large.
磁心1を大型化すればAL値は大きくなる。一方で、磁心1の大型化は電子機器内の配置スペースの問題が生じる。実施形態にかかる磁心は、初透磁率μを大きくし、かつ、鉄基軟磁性合金板の占積率を大きくしている。占積率を向上させると、鉄基軟磁性合金板の使用量が同じであれば、磁心の体積を小さくすることができる。これにより、磁心の有効断面積Leを小さくすることができる。占積率を向上させると、磁心のサイズが同じであるとき、鉄基軟磁性合金板2の使用量が増えるため平均磁路長Aeを長くすることができる。実施形態にかかる磁心は、初透磁率、占積率の両方が高いため、AL値を高くすることができる。AL値の向上が磁心の小型化を可能とする。これにより、磁心の軽量化と電子機器への配置スペースを確保しやすくなる。よって、電子機器内の設計の自由度を向上させることができる。例えば、周波数100kHzにおける初透磁率μが17000の磁心と30000の磁心を比較した場合、初透磁率30000の磁心の直径は約20%小型化できる。
If the size of the
磁心1を小型にすると、磁心1を構成する材料が少なくて済むのでコストダウンも可能である。巻線回数を減らしても、同等の特性を得ることができる。巻線回数の減少は、巻線の使用量を減らすことができるためコストダウンにつながる。さらに、巻線回数を減らすことにより、巻線工程中に磁心が破損する確率を減らすことができる。このため、巻線工程での歩留りを向上させることができる。巻線回数を減少させると、巻き線の発熱量を低減できる。
If the
磁心1の小型化は軽量化にもつながる。つまり、磁心1の特性が従来の磁心の特性と同等の場合、小型軽量化が可能となる。磁心1の小型軽量化は、スイッチング電源、アンテナ装置、インバータ等の電子機器の小型軽量化につながる。
The miniaturization of the
次に、実施形態に係る磁心1の製造方法について説明する。磁心1の製造方法は、上記構成を磁心1が有していれば特に限定されないが、歩留り良く得るための方法として次の方法が挙げられる。
Next, a method for manufacturing the
まず、鉄基非晶質合金薄帯を作製する。鉄基非晶質合金は前述の一般式(組成式)を満たすように、各構成成分を混合した原料粉末を調製する。次に、この原料粉末を溶解して原料溶湯を作製する。原料溶湯を用いてロール急冷法により、長尺の鉄基非晶質合金薄帯を作製する。ロール急冷法を行う際に、冷却ロールの表面粗さRaを1μm以下にすることが好ましい。冷却ロールの表面を平坦にすることにより、得られた鉄基非晶質合金薄帯の表面にある凹凸を小さくすることができる。これにより、Ksを1.00以上1.30以下にすることができる。表面凹凸を小さくするためには、不活性雰囲気中で行うことも有効である。不活性雰囲気としてはアルゴンが好ましい。冷却ロールの回転速度や雰囲気の温度等を制御することにより平均厚さを制御することができる。 First, an iron-based amorphous alloy strip is prepared. For the iron-based amorphous alloy, a raw material powder in which each component is mixed is prepared so as to satisfy the above-mentioned general formula (composition formula). Next, the raw material powder is melted to prepare a raw material molten metal. A long iron-based amorphous alloy strip is produced by a roll quenching method using a molten metal as a raw material. When the roll quenching method is performed, it is preferable that the surface roughness Ra of the cooling roll is 1 μm or less. By flattening the surface of the cooling roll, the unevenness on the surface of the obtained iron-based amorphous alloy strip can be reduced. Thereby, Ks can be set to 1.00 or more and 1.30 or less. In order to reduce the surface unevenness, it is also effective to perform it in an inert atmosphere. Argon is preferred as the inert atmosphere. The average thickness can be controlled by controlling the rotation speed of the cooling roll, the temperature of the atmosphere, and the like.
次に、絶縁層3を形成する。絶縁層3は、例えば平均粒径0.001μm以上0.1μm以下の絶縁性微粒子を用いて形成される。絶縁性微粒子は、酸化物または樹脂を用いて形成されることが好ましい。特に、酸化珪素、酸化マグネシウム、および酸化アルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも一つの酸化物を含むことが好ましい。絶縁性微粒子を含有する溶液中に鉄基非晶質合金薄帯から形成された合金板を浸漬する。その後、乾燥させて合金板上に絶縁層3を設ける。必要に応じ、浸漬と乾燥を交互に繰り返してよい。絶縁層3を形成する工程は、予め合金板を目的とする磁心のサイズに切断してから行ってもよいし、長尺の磁性薄帯のまま行ってもよい。
Next, the insulating
次に、磁心1を作製する。巻回型磁心の場合は、絶縁層を設けた長尺の磁性薄帯(鉄基軟磁性合金板2)を巻回していく。券回の最外周をスポット溶接、接着剤で固定する。絶縁層3の厚さを4μm以下に調整しておけば、巻回工程で絶縁層が剥がれ難い。
Next, the
積層型磁心の場合は、絶縁層3が設けられた長尺の磁性薄帯(鉄基軟磁性合金板2)を積層してから、必要なサイズに切断する方法が挙げられる。絶縁層3が設けられた長尺の磁性薄帯を必要なサイズに切断してから積層してもよい。積層体の側面を接着剤で固定する。磁心の表面に樹脂をコーティングすることが好ましい。樹脂コーティングにより、磁心の強度を向上させることができる。
In the case of a laminated magnetic core, a method of laminating a long magnetic strip (iron-based soft magnetic alloy plate 2) provided with an insulating
次に、合金板を熱処理して微細結晶を析出させて、鉄基軟磁性合金板2を形成する。巻回型磁心の場合は巻回してから熱処理することが好ましい。積層型磁心の場合は、積層してから熱処理してもよし、予め熱処理した鉄基軟磁性合金板2を積層してもよい。鉄基非晶質合金板は微細結晶を析出させることにより脆くなるので、磁心を作製してから熱処理することが好ましい。
Next, the alloy plate is heat-treated to precipitate fine crystals to form the iron-based soft
熱処理温度は結晶化温度近傍の温度またはそれよりも高い温度であることが好ましい。結晶化温度の-20℃よりも高い温度が好ましい。前述の一般式を満たす鉄基軟磁性合金板2であれば、結晶化温度は500℃以上515℃以下である。このため、熱処理温度は480℃以上600℃以下であることが好ましい。さらに好ましくは510℃以上560℃以下であることが好ましい。
The heat treatment temperature is preferably a temperature near or higher than the crystallization temperature. A temperature higher than the crystallization temperature of −20 ° C. is preferable. In the case of the iron-based soft
熱処理温度は磁心1の温度が480℃以上600℃以下になるように制御する。例えば、電気炉である場合、電熱器の温度を調整することにより磁心の温度を制御することができる。電熱器に近いところと遠いところでは温度に差が生じる。複数の磁心1を配置して熱処理すると、炉内の温度ばらつきが生じる。磁心1の熱処理温度を制御するためには、熱処理中の磁心1の温度を温度センサを用いて測定することが好ましい。例えば、熱電対を使って磁心1の温度を直接測定する方法が有効である。
The heat treatment temperature is controlled so that the temperature of the
炉の温度ばらつきが抑制できる個数の磁心1を熱処理することにより熱処理温度を制御しやすくすることができる。炉内の電熱器を複数個所設けることにより熱処理温度を制御してもよい。炉内の雰囲気を循環させることにより熱処理温度を制御しやすくすることができる。大型の熱処理炉を使うことにより熱処理温度を制御してもよい。炉内を熱伝導率が高い材料で囲み、放熱性を均一にすることにより熱処理温度を制御しやすくすることができる。
The heat treatment temperature can be easily controlled by heat-treating a number of
熱処理時間は30時間以下であることが好ましい。熱処理時間とは、磁心の温度が480℃以上600℃以下であるときの時間である。30時間を超えると微細結晶粒の平均粒径が100nmを超える場合がある。熱処理時間は20分以上20時間以下であることがより好ましい。熱処理時間は1時間以上10時間以下であることがより好ましい。この範囲であれば平均結晶粒径を50nm以下に制御しやすい。 The heat treatment time is preferably 30 hours or less. The heat treatment time is the time when the temperature of the magnetic core is 480 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. If it exceeds 30 hours, the average particle size of the fine crystal grains may exceed 100 nm. The heat treatment time is more preferably 20 minutes or more and 20 hours or less. The heat treatment time is more preferably 1 hour or more and 10 hours or less. Within this range, it is easy to control the average crystal grain size to 50 nm or less.
結晶化温度時点での昇温速度は7℃/分以上30℃/分以下であることが好ましい。この範囲であれば前述の引っ張り応力および圧縮応力を付与しやすい。昇温速度が30℃/分を超えると急激な粒成長が起きて磁気特性が低下する場合がある。昇温速度の下限は特に限定されないが、1℃/分以上であることが好ましい。1℃/分未満であると、昇温時間が長すぎて量産性が低下する。このため、結晶化温度時点での昇温速度は7℃/分以上30℃/分以下、さらには10℃/分以上20℃/分以下であることが好ましい。 The rate of temperature rise at the crystallization temperature is preferably 7 ° C./min or more and 30 ° C./min or less. Within this range, the above-mentioned tensile stress and compressive stress can be easily applied. If the rate of temperature rise exceeds 30 ° C./min, rapid grain growth may occur and the magnetic characteristics may deteriorate. The lower limit of the temperature rising rate is not particularly limited, but is preferably 1 ° C./min or more. If it is less than 1 ° C./min, the temperature rise time is too long and the mass productivity is lowered. Therefore, the rate of temperature rise at the crystallization temperature is preferably 7 ° C./min or more and 30 ° C./min or less, and more preferably 10 ° C./min or more and 20 ° C./min or less.
以上のような熱処理を行うことにより、磁心1の直流保磁力を2A/m以上4A/m以下にすることができる。従来の磁心は、熱処理後の直流保磁力が1A/m程度である。保磁力を2A/m以上4A/m以下にすることにより、初透磁率を大きくすることができる。直流保磁力が4A/mを超えると軟磁気特性が低下する。
By performing the heat treatment as described above, the DC coercive force of the
次に、必要に応じ、磁場中での熱処理をさらに行ってもよい。磁場中での熱処理では、磁場を鉄基軟磁性合金板2の短辺方向に印加することが好ましい。巻回型磁心では、鉄基軟磁性合金板2の幅方向に磁場を印加する。積層型磁心では、鉄基軟磁性合金板2の短辺側方向に磁場を印加する。鉄基軟磁性合金板2の短辺方向に磁場を印加しながら熱処理を行うことにより、鉄基軟磁性合金板2の磁壁を消失させることができる。磁壁を低減させることにより損失が低減されるため透磁率が向上する。印加する磁場は80kA/m以上、さらには100kA/m以上であることが好ましい。熱処理温度は200℃以上700℃以下であることが好ましい。磁場中熱処理の熱処理時間は、20分以上10時間以下であることが好ましい。磁場中熱処理は、前述の微細結晶析出のための熱処理と一つの工程で行ってもよい。必要に応じ、磁心をケースに収納してもよい。各種電子機器に搭載する際は、必要に応じ、巻線処理を施してもよい。
Next, if necessary, further heat treatment in a magnetic field may be performed. In the heat treatment in a magnetic field, it is preferable to apply the magnetic field in the short side direction of the iron-based soft
以上のような製造方法であれば、占積率を向上させるとともに、周波数100kHzにおける初透磁率μを25000以上、さらには30000以上にすることができる。占積率、微細結晶析出のための熱処理、磁場中熱処理を1つまたは2つ以上組み合わせることにより、周波数100kHzでの初透磁率μを25000以上、さらには30000以上と大きくすることができる。 With the above manufacturing method, the space factor can be improved and the initial magnetic permeability μ at a frequency of 100 kHz can be 25,000 or more, further 30,000 or more. By combining one or two or more of the space factor, the heat treatment for fine crystal precipitation, and the heat treatment in a magnetic field, the initial magnetic permeability μ at a frequency of 100 kHz can be increased to 25,000 or more, and further to 30,000 or more.
(実施例1~8、比較例1~2)
ロール急冷法を用いて鉄基非晶質合金薄帯を作製した。ロール急冷法の条件を変えることにより平均厚さおよびKsを変えた。この作業により、試料1~4に係る鉄基非晶質合金板を用意した。鉄基非晶質合金板の平均厚さ、Ksは表1に示すとおりである。試料1~4の結晶化温度は500℃以上515℃以下である。(Examples 1 to 8, Comparative Examples 1 to 2)
An iron-based amorphous alloy strip was prepared using the roll quenching method. The average thickness and Ks were changed by changing the conditions of the roll quenching method. By this work, iron-based amorphous alloy plates according to
次に、鉄基非晶質合金板の表面に絶縁層を形成した。実施例1~8、比較例1では、表2に示すように試料1~4のいずれかの合金板の表面に酸化珪素(SiO2)、酸化マグネシウム(MgO)、または酸化アルミニウム(Al2O3)の絶縁性微粒子を用いて前述の方法により絶縁層を形成した。比較例2では試料1の合金板の表面に樹脂ペーストを塗布して絶縁層を形成した。絶縁性微粒子の材質、平均粒径、絶縁層の厚さを表2に示す。Next, an insulating layer was formed on the surface of the iron-based amorphous alloy plate. In Examples 1 to 8 and Comparative Example 1, as shown in Table 2, silicon oxide (SiO 2 ), magnesium oxide (MgO), or aluminum oxide (Al 2 O) is formed on the surface of any of the alloy plates of
絶縁層を形成した後に合金板を巻回して巻回型磁心を作製した。その後、微細結晶を析出させるための第1の熱処理と、磁場中での第2の熱処理と、を行った。これにより、実施例1~8および比較例1~2にかかる巻回型磁心を作製した。実施例および比較例に係る磁心のサイズは、外径12mm×内径10mm×幅2mmに統一した。第1の熱処理および第2の熱処理の条件を表3に示す。第1の熱処理後に磁心の保磁力を測定した。結果を表3に示す。 After forming the insulating layer, an alloy plate was wound to prepare a wound magnetic core. Then, a first heat treatment for precipitating fine crystals and a second heat treatment in a magnetic field were performed. As a result, the wound type magnetic cores according to Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 were produced. The size of the magnetic core according to the examples and comparative examples was unified to an outer diameter of 12 mm × an inner diameter of 10 mm × a width of 2 mm. The conditions of the first heat treatment and the second heat treatment are shown in Table 3. The coercive force of the magnetic core was measured after the first heat treatment. The results are shown in Table 3.
第1の熱処理では、磁心の温度を熱電対で測定した。実施例1~8では、熱処理温度が磁心の結晶化温度近傍であった。表3の範囲内になるように「電気容量が大きい炉」を用いて熱処理温度を制御した。実施例では第1の熱処理後の保磁力が2A/m以上4A/m以下であった。 In the first heat treatment, the temperature of the magnetic core was measured with a thermocouple. In Examples 1 to 8, the heat treatment temperature was close to the crystallization temperature of the magnetic core. The heat treatment temperature was controlled by using a "furnace with a large electric capacity" so as to be within the range of Table 3. In the examples, the coercive force after the first heat treatment was 2 A / m or more and 4 A / m or less.
一方、比較例1、2では、昇温速度が50℃/分であり、好ましい範囲から外れている。実施例および比較例にかかる巻回型磁心について、微細結晶構造の平均結晶粒径およびFe3Si結晶相の応力について測定した。微細結晶構造の平均結晶粒径は、前述のとおりXRDにより求められる回折ピークの半値幅からシェラーの式で求めたものである。Fe3Si結晶相の応力はXRDの残留応力解析法で行った。Fe3Si結晶相の長手方向成分に引っ張り応力および垂直方向成分に圧縮応力の両方が観察されたものを「○(Good)」とし、そうでないものを「×(Bad)」とした。長手方向とは鉄基軟磁性合金板の長手方向、垂直方向とは鉄基軟磁性合金板の幅方向のことである。その結果を表4に示す。On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the temperature rising rate was 50 ° C./min, which was out of the preferable range. For the wound cores of Examples and Comparative Examples, the average crystal grain size of the fine crystal structure and the stress of the Fe 3 Si crystal phase were measured. The average crystal grain size of the fine crystal structure is obtained by Scherrer's formula from the half width of the diffraction peak obtained by XRD as described above. The stress of the Fe 3 Si crystal phase was measured by the residual stress analysis method of XRD. Those in which both tensile stress and compressive stress were observed in the longitudinal component of the Fe 3 Si crystal phase were designated as "○ (Good)", and those in which they were not observed were designated as "× (Bad)". The longitudinal direction is the longitudinal direction of the iron-based soft magnetic alloy plate, and the vertical direction is the width direction of the iron-based soft magnetic alloy plate. The results are shown in Table 4.
表からわかるとおり、実施例にかかる磁心の平均結晶粒径は50nm以下であった。XRD分析による残留応力解析でも長手方向に引っ張り応力、垂直方向に圧縮応力が付与されていることが確認された。比較例の平均結晶粒径は50nm以下であった。しかしながら、引っ張り応力および圧縮応力の両方の付与は確認されなかった。 As can be seen from the table, the average crystal grain size of the magnetic core according to the examples was 50 nm or less. In the residual stress analysis by XRD analysis, it was confirmed that tensile stress was applied in the longitudinal direction and compressive stress was applied in the vertical direction. The average crystal grain size of the comparative example was 50 nm or less. However, it was not confirmed that both tensile stress and compressive stress were applied.
実施例および比較例にかかる巻回型磁心に対して、占積率(%)、初透磁率μ、損失(kW/m3)を測定した。占積率は、磁心の任意の断面をSEM観察し、単位面積500μm×500μmを5ヶ所で鉄基軟磁性合金板の面積割合を測定し、鉄基軟磁性合金板の面積割合の平均値を占積率(%)とした。The space factor (%), the initial magnetic permeability μ, and the loss (kW / m 3 ) were measured for the wound cores of the examples and comparative examples. For the space factor, the area ratio of the iron-based soft magnetic alloy plate is measured at five locations with a unit area of 500 μm × 500 μm by observing an arbitrary cross section of the magnetic core by SEM, and the average value of the area ratio of the iron-based soft magnetic alloy plate is calculated. The area ratio (%) was used.
初透磁率μの測定方法は、インピーダンスアナライザ(日本ヒューレットパッカート社YHP4192A)にて、室温、1turn、1V、で行った。初透磁率μについては周波数10kHzでの初透磁率と周波数100kHzでの初透磁率を測定した。 The method for measuring the initial magnetic permeability μ was performed with an impedance analyzer (YHP4192A, Hewlett-Packard Company, Japan) at room temperature, 1 turn, and 1 V. For the initial magnetic permeability μ, the initial magnetic permeability at a frequency of 10 kHz and the initial magnetic permeability at a frequency of 100 kHz were measured.
損失は、BHアナライザ(岩崎通信機株式会社SY-8216)を用いて、室温、1次側2turn、2次側2turn、周波数100kHz、200mT、として測定した。結果を表5に示す。 The loss was measured using a BH analyzer (SY-8216, Iwatsu Electric Co., Ltd.) at room temperature, 2 turns on the primary side, 2 turns on the secondary side, a frequency of 100 kHz, and 200 mT. The results are shown in Table 5.
表からわかるとおり、実施例に係る磁心の周波数100kHzにおける初透磁率μは25000以上、さらには30000以上であった。占積率、第1の熱処理、第2の熱処理を好ましい条件にすることにより、周波数100kHzでの初透磁率μを大きくできることがわかる。これに対し、比較例のように絶縁材が厚い磁心では占積率が大きく低下し、併せて透磁率も低下した。実施例にかかる磁心は損失に関してもいずれも低い値であった。比較例にかかる磁心の周波数10kHzにおける初透磁率は高く、90000以上95000であった。しかしながら、周波数100kHzにおける初透磁率は低下した。 As can be seen from the table, the initial magnetic permeability μ of the magnetic core according to the example at a frequency of 100 kHz was 25,000 or more, and further was 30,000 or more. It can be seen that the initial magnetic permeability μ at a frequency of 100 kHz can be increased by setting the space factor, the first heat treatment, and the second heat treatment as preferable conditions. On the other hand, in the magnetic core with a thick insulating material as in the comparative example, the space factor greatly decreased, and the magnetic permeability also decreased. The magnetic cores of the examples were all low in terms of loss. The initial magnetic permeability of the magnetic core in the comparative example at a frequency of 10 kHz was high, and was 90,000 or more and 95,000. However, the initial magnetic permeability at a frequency of 100 kHz decreased.
実施例1と比較例1の周波数1kHzにおける初透磁率μを測定したところ、実施例1は63000、比較例1は100000とあまり大きな差は無かった。このため、動作周波数を50kHz以上と高くする場合には、特に有効であることがわかる。 When the initial magnetic permeability μ of Example 1 and Comparative Example 1 at a frequency of 1 kHz was measured, there was no significant difference between Example 1 at 63000 and Comparative Example 1 at 100,000. Therefore, it can be seen that it is particularly effective when the operating frequency is as high as 50 kHz or more.
磁心の断面をSEM観察し、鉄基軟磁性合金板と絶縁層の境界にある空隙の存在割合を測定した。任意の断面における単位長さ100μm中の空隙の長さを測定した。結果を表6に示す。磁心全体から求めたKs1、磁心を4等分(1/4サイズに切断)した試料から求めたKs2を測定した。磁心を4等分した試料から求めたKs1と、4つのKs2の中から最小値と最大値とを表6に示す。The cross section of the magnetic core was observed by SEM, and the abundance ratio of voids at the boundary between the iron-based soft magnetic alloy plate and the insulating layer was measured. The length of the void in a unit length of 100 μm in an arbitrary cross section was measured. The results are shown in Table 6. Ks 1 obtained from the entire magnetic core and Ks 2 obtained from a sample obtained by dividing the magnetic core into four equal parts (cut into 1/4 size) were measured. Table 6 shows Ks 1 obtained from a sample obtained by dividing the magnetic core into four equal parts, and the minimum and maximum values among the four Ks 2 .
表からわかるとおり、実施例に係る磁心は鉄基軟磁性合金板と絶縁層の境界にある空隙が小さかった(ゼロ含む)。このことから空隙を低減することにより占積率を向上させることができることがわかる。 As can be seen from the table, the magnetic core according to the embodiment had small voids (including zero) at the boundary between the iron-based soft magnetic alloy plate and the insulating layer. From this, it can be seen that the space factor can be improved by reducing the voids.
(実施例9、比較例3)
外形37mm×内径23mm×幅15mmにした以外は比較例1と同じ磁心を比較例3として作製した。また、同サイズ(外形37mm×内径23mm×幅15mm)にした以外は実施例7と同じ磁心を実施例9として作製した。周波数100kHzの初透磁率μは、比較例3が17000、実施例9は35000であった。(Example 9, Comparative Example 3)
The same magnetic core as in Comparative Example 1 was produced as Comparative Example 3 except that the outer diameter was 37 mm, the inner diameter was 23 mm, and the width was 15 mm. Further, the same magnetic core as in Example 7 was produced as Example 9 except that the size was the same (outer diameter 37 mm × inner diameter 23 mm × width 15 mm). The initial magnetic permeability μ at a frequency of 100 kHz was 17,000 in Comparative Example 3 and 35,000 in Example 9.
比較例3の磁心に巻線を8ターン巻いたもののL値は1.2mHであった。それに対し、実施例9の巻線を6ターン巻いた磁心のL値は1.4mHであった。磁心サイズが同じであった場合、周波数100kHzの初透磁率μの大きい実施例9の方が巻線数が少ないにも関わらず、L値が大きくなった。このため、周波数100kHzの初透磁率を大きくすることにより、巻線数を減らすことができる。 The L value was 1.2 mH when the winding was wound around the magnetic core of Comparative Example 3 for 8 turns. On the other hand, the L value of the magnetic core obtained by winding the winding of Example 9 for 6 turns was 1.4 mH. When the magnetic core size was the same, the L value was larger in Example 9 having a frequency of 100 kHz and a large initial magnetic permeability μ, although the number of windings was smaller. Therefore, the number of windings can be reduced by increasing the initial magnetic permeability at a frequency of 100 kHz.
(実施例10、比較例4)
比較例4の磁心(外形37mm×内径23mm×幅15mm、巻線数8ターン、L値1.2mH)を用意した。巻線後の磁心のL値が同じ1.2mHとなるように実施例9(周波数100kHzの初透磁率μが35000)の磁心サイズを変えた以外は実施例9と同様の磁心を実施例10として作製した。実施例10の磁心サイズは、外形29mm×内径23mm×幅15mmと小型化できた。比較例4の磁心の質量は57gであったのに対し、実施例10は21gであった。このように周波数100kHzの初透磁率μを大きくした場合、同じ性能を求めると小型化ができることがわかる。(Example 10, Comparative Example 4)
The magnetic core of Comparative Example 4 (outer diameter 37 mm × inner diameter 23 mm × width 15 mm, number of windings 8 turns, L value 1.2 mH) was prepared. The same magnetic core as in Example 9 is used except that the magnetic core size of Example 9 (initial magnetic permeability μ at a frequency of 100 kHz is 35000) is changed so that the L value of the magnetic core after winding is the same 1.2 mH. Made as. The magnetic core size of Example 10 could be reduced to an outer diameter of 29 mm, an inner diameter of 23 mm, and a width of 15 mm. The mass of the magnetic core of Comparative Example 4 was 57 g, whereas that of Example 10 was 21 g. It can be seen that when the initial magnetic permeability μ at a frequency of 100 kHz is increased in this way, miniaturization can be achieved if the same performance is required.
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 Although some embodiments of the present invention have been exemplified above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, changes, etc. can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof. Each of the above embodiments can be implemented in combination with each other.
Claims (10)
前記複数の鉄基軟磁性合金板の一つと他の一つとの間に設けられた絶縁層と、を具備する磁心であって、
前記複数の鉄基軟磁性合金板のそれぞれの平均厚さは、30μm以下であり、
前記絶縁層の厚さは、0.1μm以上10μm以下であり、
前記絶縁層は、平均粒径0.001μm以上0.1μm以下の絶縁性微粒子を含み、
前記絶縁性微粒子は、酸化珪素、酸化マグネシウム、および酸化アルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも一つの酸化物を含み、
前記磁心における前記複数の鉄基軟磁性合金板の占積率は、65%以上であり、
周波数100kHzにおける初透磁率は、25000以上である、磁心。 A plurality of iron-based soft magnetic alloy plates having a crystal structure with an average crystal grain size of 100 nm or less,
A magnetic core comprising an insulating layer provided between one of the plurality of iron-based soft magnetic alloy plates and the other.
The average thickness of each of the plurality of iron-based soft magnetic alloy plates is 30 μm or less.
The thickness of the insulating layer is 0.1 μm or more and 10 μm or less.
The insulating layer contains insulating fine particles having an average particle size of 0.001 μm or more and 0.1 μm or less.
The insulating fine particles contain at least one oxide selected from the group consisting of silicon oxide, magnesium oxide, and aluminum oxide.
The space factor of the plurality of iron-based soft magnetic alloy plates in the magnetic core is 65% or more.
The initial magnetic permeability at a frequency of 100 kHz is 25,000 or more.
式:FeaCubMcM’dM”eSifBg
(式中、Mは周期表の4族元素、5族元素、6族元素、および希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を表し、M’はMn、Al、および白金族元素からなる群より選ばれる少なくとも1つの元素を表し、M”はCoおよびNiからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を表し、aはa+b+c+d+e+f+g=100原子%を満足する数であり、bは0.01≦b≦8原子%を満足する数であり、cは0.01≦c≦10原子%を満足する数であり、dは0≦d≦10原子%を満足する数であり、eは0≦e≦20を満足する数であり、fは10≦f≦25原子%を満足する数であり、gは3≦g≦12原子%を満足する数である)により表される、請求項1または請求項2に記載の磁心。 The composition of each of the plurality of iron-based soft magnetic alloy plates is
Formula: Fe a Cu b M c M'd M " e Si f B g
(In the formula, M represents at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, and rare earth elements in the periodic table, and M'consists of Mn, Al, and platinum group elements. Represents at least one element selected from the group, M "represents at least one element selected from the group consisting of Co and Ni, a is a number satisfying a + b + c + d + e + f + g = 100 atomic%, and b is 0.01 ≦. b is a number satisfying 8 atomic%, c is a number satisfying 0.01 ≦ c ≦ 10 atomic%, d is a number satisfying 0 ≦ d ≦ 10 atomic%, and e is a number satisfying 0 ≦ 0 ≦. 1 is a number that satisfies e ≦ 20, f is a number that satisfies 10 ≦ f ≦ 25 atomic%, and g is a number that satisfies 3 ≦ g ≦ 12 atomic%). Or the magnetic core according to claim 2 .
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