JPH01180944A - チョークコイル用非晶質磁性合金とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はチョークコイルの磁心材料に用いる高飽和磁束
密度、低保磁力、低鉄損の非晶質磁性合金とその製造方
法に関するものである。

（従来の技術） 電子回路に用いられる部品にチョークコイルがある。チ
ョークコイルはインダクタンス素子の一種で、直流成分
を通し、交流成分の流れを阻止する機能を有している。

さらにチョークコイルに要求される特性は、直流成分の
大きさに依らずインダクタンスが一定であること、発熱
か小さいこと、コアが小さいことである。したがってチ
ョークコイルの磁心材料に要求される特性は、飽和磁束
密度が高く、鉄損が低いことである。

現在、チョークコイルに用いられる磁性材料はパーマロ
イ、薄けい素鋼、ソフトフェライトが主流である。しか
し近年の電子機器の小型化とそれに伴う高周波化の趨勢
に対して、いずれも特性上不充分であることが指摘され
ている。

パーマロイ、薄けい素鋼は高周波で鉄損が大きいためコ
アの発熱が問題であり、フェライトは飽和磁束密度が低
いためコアが大きい欠点を持っている。

現用材の有する欠点が少ない材料として最近注目されて
いるのが、非晶質合金（アモルファス合金）である。非
晶質合金は、原子の配列が液体に億だ不規則構造をもつ
ため、磁気特性などに従来の結晶質金属とは違う特異な
性質を示すことが知られている。

例えば機械的に硬いが軟磁性であり、等友釣であり、電
気抵抗が大きいなどの特性上の特徴のほか、製造方法が
融体から急冷する（液体急冷法、または融体急冷法）と
いう元来薄い材料をつくるのに適しているなど、高周波
で用いられる磁性材料に有利な要件を具備している。

このような理由で、非晶質合金をチョークコイルなどの
磁心材料として用いる試みは既になされ、一部で実用化
されている。

今日、高周波磁心材料として実用化されている非晶質合
金のほとんどはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの強磁性金属を主成分
とし、半金属としてＢとＳｉを含有する。これに補助元
素としてＣｒ、Ｍｎ＝Ｍｏ、Ｎｂなどを添加したものも
ある。

強磁性金属の成分配合比は用途に応して選択される。例
えば高磁束密度、高磁歪を要求する場合にはＦｅを主成
分とし、低保磁力、低磁歪を必要とする場合にはＣＯを
主成分とする。

いずれの場合もＢとＳｉは非晶質形成元素として不可欠
である。ＰとＣも非晶質形成元素であるが、Ｐは脆化を
促進すること、飽和磁束密度の低減率が他の半金属より
大きいことなどの理由で実用的にはほとんど用いられて
いない。Ｃは単独では非晶質形成能が低いこと、熱的安
定性を損なうなどの理由で、添加する場合でも２原子（
ａｔ）％以下の少量に限られている。

この他の補助元素は、磁性の改善、熱的安定性の向上を
意図して用いられるが、添加量が増すと飽和磁束密度を
大幅に低下させるので、実用的には５％程度以下に抑え
られているのが実情である。

高磁束密度かつ低保磁力（低鉄損）を要求するチョーク
コイルのコアに用いられる非晶質合金としてはＦｅ−Ｂ
−Ｓｉ合金が代表的である。Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ合金は高磁
束密度かつ商用周波数で低鉄損であることが特徴で、元
来型カドランスの鉄心に適した成分であるが、若干の組
成変更とアニール条件の工夫により高周波鉄損を下げる
ことに成功している（例えばＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　
ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｏｕｒｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｒａｐｉｄ　Ｑｕ
ｅｎｃｈｅｄ　Ｍｅｔａｌｓ、　５ｅｎｄａｉ　Ｅｄｉ
ｔｅｄ　ｂｙ　Ｔ、Ｍａｓｕｍｏｔｏ　ａｎｄ　Ｋ。

５ｕｚｕｋｉ　（１９８２）　　Ｐ、９２９　　参照）
。

また具体的成分例として、上記文献にはＦｅ−Ｎ　ｉ　
−Ｍ　ｏ　−Ｂ　−Ｓ　ｉ非晶質合金の磁気特性例が示
されている。具体的にはＦ　ｅ　７９−Ｘ　Ｎ　ｉ　ｘ
　Ｍ　Ｏ３Ｂ、、、Ｓｉ□系の高周波数鉄損（５０ＫＨ
ｚ、０．１Ｔ）はＸ＝４％、Ｚ＝２％のとき最小で約Ｌ
ｏｗ／ｋｇであること、直流の保磁力が２　Ａ　／　ｍ
（０，０２５０ｅ）よりやや大きい程度であることが示
されている。

このほか、特開昭５３−８４８０２号公報には半金属が
ＢあるいはＢとＣを含有する非晶質合金組成と特性の具
体例が示されている。それはＦｅ８１Ｍ０２Ｂ＋７、Ｆ
　ｅ　７８Ｍ　Ｏ２Ｂｚｏ＝　Ｆ　ｅ　７６Ｍ　ＯａＢ
２７、Ｆ　ｅ４ｏＮ　；３６Ｍｏ４Ｂ２０％　Ｆ　ｅ７
ｏｃ　０６　ＭＯ，Ｃ１，Ｂ２．、Ｆｅ７ｚＭｏｅ　Ｃ
１６Ｂ２．、Ｆｅ、Ｎｉ６　ＭＯ，Ｃｌ８Ｂ２である。

すなわち、半金属はＢ単独か、あるいはＢとＣの複合の
場合、いずれもＣが主成分でＢは２原子％の少量の例だ
けが示されている。

また、上記特開昭５３−８４８０２号公報にはＣ，Ｂを
含有する合金Ｆｅ　７６−ｙＮ　１　ｙ　Ｍ　Ｏ４Ｃ＋
ｅＢ２系のアニール後の磁気特性が示されている。

そこではＹ＝Ｏ１３，９の場合に直流保磁力がそれぞれ
０．０５．０．０６．０６０ｅ　（エルステノト）であ
る。

このようにこれまで開示されているＦｅを主成分とする
非晶質合金では、充分低い保磁力（０，０２０ｅ以下）
が得られないため、鉄損も大きくなり、５０Ｋｌ（ｚを
超える高周波域での使用には問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明はチョークコイルの磁心に用いられる高飽和磁束
密度かつ低保磁力、低鉄損の新規なＦｅ基非晶質合金お
よびその製造方法を提供するものである。

（課題を解決するための手段・作用） 本発明は組成がＦ　ｅａＮ　ｉ、ＭｏｃＢａ　Ｃｅで表
示される高飽和磁束密度、低保磁力、低鉄損を兼ね備え
た新規な非晶質合金とその製造方法である。

すなわち、本発明は組成がＦｅ□Ｎ　Ｉ　Ｂ　Ｍ　０ｃ
ＢａＣ８で表わされ、７０≦ａ≦８０．３≦ｂ≦７．２
≦ｃ≦５．１０≦ｄ≦１４．３≦ｅ≦５、但し、ａ＋ｂ
＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１００　　（原子％）、かつ焼鈍後の磁
気特性が飽和磁束密度１．２テスラ（Ｔ）以上、直流の
保磁力０．０２エルステッド（Ｏｅ）以下であるチョー
クコイル用非晶質磁性合金および組成がＦ　ｅ　ｎ　Ｎ
　ｌｂ　Ｍ　ｏ　ｃ　Ｂ　ｄＣｅで表わされ、７０≦ａ
≦８０．３≦ｂ≦７．２≦ｃ≦５．１０≦ｄ≦１４．３
≦ｅ≦５、但しａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１００　（原子％
）である非晶質合金を、不活性ガス中で１エルステッド
（Ｃｅ）以上の磁界を印加しつつ２６０〜３５０°Ｃの
温度で１０〜１８０分間焼鈍し、焼鈍後の磁気特性が飽
和磁束密度１．２テスラ（Ｔ）以上、直流の保磁力０．
０２エルステッド（Ｏｅ）以下とすることを特徴とする
チョークコイル用非晶質磁性合金の製造方法である。

以上のように本発明の非晶質合金は、Ｆｅを主成分とし
て、半金属に特定量のＢとＣ１補助元素として特定量の
Ｎ１とＭＯを用いることにより、焼鈍後の飽和磁束密度
が高く、保磁力が低いことを特徴としている。

本発明において飽和磁束密度（Ｂｓ）を１．２テスラ以
上とするのは、高周波で用いるチョークコイルのコアの
軽量化を目的とするものである。従来の非晶質合金では
、高周波帯域で低い鉄損あるいは保磁力を達成しようと
すると、Ｂｓが１テスラ以下に低下する傾向があった。

本発明はＢｓの低下を最小限に抑えることを目的として
成分を選定したもので、実用的観点からＢｓの下限を１
．２テスラとした。また保磁力（ＨＣ）は従来のＦｅ基
非晶質の最高水準が０．０２０ｅ程度であることから、
これを上まわる０、０２０ｅ以下とした点が特徴である
。Ｈｃを従来材に比べて低減することにより、発熱を抑
え、より高周波帯域での使用を可能にするものである。

以下本発明の非晶質合金において組成を限定した理由を
述べる。

Ｆｅの下限を７０　（原子％）としたのは、飽和磁束密
度を少なくとも１．２テスラとするためである。また上
限は非晶質形成能の低下を回避するために８０とした。

１０≦Ｂ≦１４．３≦ｃ≦５、としたのは、ＢとＣを非
晶質形成元素として用いるＦｅの基合金において、非晶
質形成能が最も高い組成範囲として本発明者らが実験的
に見い出した知見に基づいて決定した。

Ｎ１とＭｏは磁気特性とくに保磁力が低（なるように組
成範囲を定めた。

第１図は（Ｆ　ｅ、Ｎ　ｉ、ＭＯ）８４　Ｂ１２Ｃ４非
晶質合金においてアニール後の保磁力および飽和磁束密
度の組成依存性を示す。

第１図から明らかなように、Ｎ　ｉ　＝　５　、Ｍ　ｏ
　＝４において保磁力は０．００２０ｅの最小値を示し
、０．０２０ｅを超えない組成域は３≦Ｎ１≦７．２≦
ＭＯ≦１０、であった。しかしＭｏが５を超えると飽和
磁束密度が１．２テスラを下回り、本発明の目的に適し
ないのでＭｏの範囲を２〜５　（原子％）に限定した。

次に製造条件特に焼鈍条件について述べる。

Ｆｅ基合金のように磁歪の大きい非晶質合金は急冷まま
の状態では、残留歪が大きいため一般に軟磁性材料とし
て充分な特性を示さない。このため歪を除去し、かつ磁
区を制御して軟磁気特性を向上させるために、磁界中で
焼鈍（アニール）が行なわれる。焼鈍条件は合金の組成
と使用条件（周波数、磁束密度など）によって最適条件
は異なって（る。

本発明の合金は、主に１０ＫＨｚ以上での使用を目的と
して最適条件を定めた。

第２図はＦ　ｅ　ｇ５Ｎ　ｉ　５Ｍ　Ｏ４Ｂ　１２ｅ４
非晶質合金において焼鈍（アニール）時間を１２０分と
一定にしたとき、鉄損の焼鈍（アニール）温度依存性を
示している。

Ｗｏ、１１５０には５０ＫＨｚ、０．Ｉ　　Ｔｅ５ｆｆ
ａにおける鉄損を表わす。この合金では３２０℃で最小
鉄損を示した。焼鈍時間を１２０分間より長くすると最
適温度は低下し、短くすれば高温側にシフトする。また
最適条件は合金組成によっても異なる。

本発明での非晶質合金では以上の要因および作業性等を
考慮して、製造に際して焼鈍条件を温度２６０〜３５０
℃、時間１０〜１８０分間の範囲とした。

Ｆ　ｅ　７５Ｎ　Ｉ　ｓ　Ｍ　０４　Ｂ　１２ｅ４合金
において、直流磁界１００ｅを印加しなからＮ２ガス中
で、３２０°ＣＸ２ｈ焼鈍した後の直流ヒステリシス曲
線は、第３図のようであった。

すなわち保磁力は約２ｍ０ｅであり、従来のＦｅ基非晶
質合金に比べて１桁小さい低い値を示した。

また同しサンプルの高周波特性は、第４図のように、１
００ＫＨｚにおいても従来材に比べて最憂水準の低鉄損
値を示すので、高周波用のチョークコイルに最適である
。

焼鈍雰囲気としては、不活性ガス、例えばＮ２、Ａｒ、
Ｈｅ、Ｈｚなどを使用する。焼鈍雰囲気中における空気
、０２、Ｎ２０などの存在は、一般に磁性を劣化させる
ことがあるので好ましくない。

また磁界の強さは薄帯の長平方向（鋳造方向）に印加す
る場合少なくとも１０ｅを必要とする。

高周波特性を向上させるために、薄帯の幅方向、あるい
は面に垂直な方向に磁界を印加する方法が開示されてい
る。本発明でもこの方法を採用することが出来る。保磁
力の若干の増加を伴うが鉄損低域に有効であることが確
認された。

本発明の非晶質合金は例えば単ロール法で作製される。

単ロール法は憂速回転する冷却用ロール（又はドラム）
の外周に溶湯を噴出、凝固させ、長いテープ状の薄帯を
作製する方法である。テープ状の材料はトロイダルコア
に成形するのに適している。

また、本発明の非晶質合金は繊維状あるいは粉末状に作
製することも出来る。繊維は単にロール法において、細
い開孔部をもつノズルを用いてつくることができる。

また回転液中紡糸法として知られる方法を用いれば、断
面の丸い線が得られる。

粉末はアトマイズ法、キャビテーション法、回転液中噴
霧法あるいはテープ、繊維をボールミルなどで粉砕する
方法など既知の方法によってつ（ることが出来る。

繊維はトロイダルコアだけでなく、織物状にし−Ｔｊ！
− て使用することもできる。粉末の成形のためには圧縮成
形、爆発成形、強制圧延、温間押出し法などが知られて
いる。粉末成形法は特殊な形状のコアを作製する場合に
適している。

（実施例） 化学組成Ｆ　ｅ　８ｏ−）＋Ｎ　Ｉ　Ｘ　Ｍ　０４Ｂ　
＋２０ａ　　（原子％）の母合金（Ｘ−０，３，５，７
，１０，１５，２０）を再溶解し、この溶湯をノズルを
通してＣＵ合金製の単ロール外周面に噴出させ、幅ＩＱ
ｍｓ、板厚約２０μｍの薄帯を作製した。

Ｘ線回折法により測定した結果ハローパターンを呈示し
たので、この薄帯は非晶質状態であることが確認された
。

この薄帯を内径２５１１、外径３０１１のトロイダルに
巻いた後、１００ｅ直流磁界中で３２０℃、２ｈ、Ｎ２
ガス中で焼鈍した。焼鈍後のサンプルはプラスチックの
ケースに入れ巻線した後磁気測定を行なった。

磁気特性は、保磁力を直流Ｂ−Ｈ）レーザで求め、鉄損
はディジタルメモリにヒステリシス曲線を記憶させ電算
機で算出した。

飽和磁束密度は振動試料型磁力計で、結晶化温度は示差
熱分析計で測定した。

各特性値を表１に示した。

本発明の合金組成であるＮ１−３〜７　（原子％）は、
いずれも飽和磁束密度１．２Ｔ（テスラ）以上、保磁力
０．０２０ｅ以下のすくれた軟磁性を示したが、範囲外
のＮ１−０、Ｎｉ≧１０では飽和磁束密度および保磁力
が本発明の要件を満たさず、鉄損が大きくなった。

また鉄損は従来の技術の項で述べたＦｅ−Ｎｉ−Ｍ　ｏ
　−Ｂ　−Ｓ　ｉ系に比べてやや大きい値であったが、
磁界の印加力向をトロイド試料の幅方向にするとさらに
低減する。

表１において特性の最も良いＦｅ７ＳＮｉＳＭＯ４Ｂ、
、Ｃ，合金の直流ヒステリシス曲線、鉄損−磁束密度の
関係を、それぞれ第３図、第４図に示した。

（以下余白、次頁へつづく） 表１ ＢＳ：飽和磁束密度（１０ＫＯｅ） ＨＣ：脩肋 Ｗｏ、１１５０に：　５０ＫＨｚ、０．１Ｔｅｓ、ｉ！
ａにおける鉄損（発明効果） 本発明の非晶質合金は飽和磁束密度が高（、保磁力が低
いために、チョークコイルの磁気コアに用いるとき、直
流バイアス磁界の広い範囲でインダクタンスが一定で、
小型化でき、発熱量の低減に寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は（Ｆ　ｅ　　Ｎ　ｉ　　Ｍ　０）８４　Ｂ１２
Ｃ４非晶質合金の焼鈍後における直流保磁力（単位ｍｏ
ｅ）および飽和磁束密度（Ｔｅｓβａ）の組成依存性を
示す図表、第２図はＦ　ｅ７５Ｎ　ｉ　ｓ　Ｍ　０４　
ＢＩ２Ｃ４非晶質合金における鉄損の焼鈍条件依存性を
示す図表、第３図はＦ　ｅ７５Ｎ　１５Ｍ　０４　Ｂ＋
２Ｃ４非晶質合金の焼鈍後の直流ヒステリシス曲線の図
表、第４図はＦｅ　７ＳＮ　Ｉ　Ｓ　Ｍ　Ｏ４Ｂ　１２
ｃ４非晶質合金の高周波磁界中における磁束密度と鉄損
の関係を示す図表である。 代理人　弁理士　茶　野　木　立　夫 ２　　　　　　　５　　　　　１０　　　　　　　／４
ＭＯ（原子Ｚ） （図中）８８　＋、ｔ　Ｈｃ　（ｙｎＯｅ　）を水１）
１０−２／θ−′　　　／ ａ、屋　（ｗ／Ｋｇ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．組成がＦｅ＿ａＮｉ＿ｂＭｏ＿ｃＢ＿ｄＣ＿ｅで表
   わされ、７０≦ａ≦８０、３≦ｂ≦７、２≦ｃ≦５、１
   ０≦ｄ≦１４、３≦ｅ≦５、但し、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ
   ＝１００（原子％）、かつ焼鈍後の磁気特性が飽和磁束
   密度１．２テスラ（Ｔ）以上、直流の保磁力０．０２エ
   ルステッド（Ｏｅ）以下であるチョークコイル用非晶質
   磁性合金。
2. ２．組成がＦｅ＿７＿５Ｎｉ＿５Ｍｏ＿４Ｂ＿１＿２Ｃ
   ＿４（数字は原子％）である特許請求の範囲第１項記載
   のチョークコイル用非晶質磁性合金。
3. ３．組成がＦｅ＿ａＮｉ＿ｂＭｏ＿ｃＢ＿ｄＣ＿ｅで表
   わされ、７０≦ａ≦８０、３≦ｂ≦７、２≦ｃ≦５、１
   ０≦ｄ≦１４、３≦ｅ≦５、但しａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝
   １００（原子％）である非晶質合金を、不活性ガス中で
   １エルステッド（Ｏｅ）以上の磁界を印加しつつ２６０
   〜３５０℃の温度で１０〜１８０分間焼鈍し、焼鈍後の
   磁気特性が飽和磁束密度１．２テスラ（Ｔ）以上、直流
   の保磁力０．０２エルステッド（Ｏｅ）以下とすること
   を特徴とするチョークコイル用非晶質磁性合金の製造方
   法。