JPWO2014126220A1 - Ｆｅ基ナノ結晶軟磁性合金を用いた環状磁心、及びそれを用いた磁性部品 - Google Patents
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Abstract
Feの一部をNi及び／又はCoで置換したFe基ナノ結晶軟磁性合金からなり、周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mでの交流比透磁率μr100k(50)が4000以上であり、周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr100k(150)が2500以上であり、直流印加磁界強度が400 A/mでの最大透磁率μMaxが8000以下で、磁束密度B400が1.3 T以上である環状磁心。
Description
本発明は、大電流におけるノイズを抑制するために電源と電子機器との間に配置されるノイズフィルタ等に用いられる環状磁心、及びそれを用いた磁性部品に関する。
図9に示すように電源201、インバータ202、電子機器203等を含む電子回路では、電源201側のコンバータ部から発生する高周波スイッチングノイズ、モータ等の電子機器203から発生する高電圧パルス性ノイズ等のノイズがあり、誤動作の原因となる。このようなノイズを防ぐため、電源201とインバータ202及び電子機器203の間にノイズフィルタ10が挿入されている。
図10は三相電源用のノイズフィルタ10の一般的な構成を示す。このノイズフィルタ10では、電源側の入力端子101aと電子機器側の出力端子101bとの間に、ノーマルモードノイズを低減する相間コンデンサC11，C12，C13，C21，C22，C23と、コモンモードノイズを低減するコモンモードチョークコイル5と、接地コンデンサC31，C32，C33とが配置されている。電源経路と直列にノーマルモードノイズを抑制するためのチョークコイルを配置することもある。
図11はコモンモードチョークコイル5の一例を示す。このコモンモードチョークコイル5は、例えば特開2000-340437号に記載されるように、Mn-Zn系フェライトや、Fe-Si-B系アモルファス合金又はナノ結晶軟磁性合金等からなる環状磁心1と、環状磁心1に巻回された複数のコイル7a，7b，7cにより構成されている。コイルをバイファイラ巻としても良い。コモンモードチョークコイル5は、電源経路を流れるコモンモードノイズに対して大きなインピーダンスを示し、各コイル7a，7b，7cによるインダクタンスと接地コンデンサC31，C32，C33により電源からのコモンモードノイズを減衰させ、入力端子の各相間に接続された相間コンデンサC11，C12，C13と、出力端子の各相間に接続された相間コンデンサC21，C22，C23と、各コイルの漏洩インダクタンスによって、入力端子へのノーマルモードノイズを減衰させ、電源及び電子機器のノイズが相互に侵入するのを防止する。
例えば、VCCI規格又はCISPR規格のノイズ規制では、150 kHz〜30 MHzの周波数帯における雑音端子電圧の限度が定められており、ノイズフィルタとして高電圧のノイズの低減だけでなく、広い周波数範囲におけるノイズの低減も求められている。高電圧のノイズの抑制には、コモンモードチョークコイル用磁心に用いられる磁性材料の飽和磁束密度が重要であり、ノイズ低減の広周波数帯域化には磁性材料の透磁率及びその周波数特性が重要である。
特公平7-74419号は、一般式：(Fe1-aMa)100-X-Y-Z-αCuXSiYBZM′α（ただし、MはCo及び／又はNiであり、M′はNb，W，Ta，Zr，Hf，Ti及びMoからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、a，x，y，z及びαはそれぞれ0≦a≦0.5，0.1≦x≦3，0≦y≦30，0≦z≦25，5≦y＋z≦30及び0.1≦α≦30を満たす。）により表される組成を有し、組織の少なくとも50％が100 nm以下の平均粒径を有する微細な結晶粒からなり、残部が実質的に非晶質であるFe基軟磁性合金を開示している。このFe基軟磁性合金は高周波でも高透磁率を有するが、大電流に対して磁気飽和しやすく、チョークコイルとして十分に機能できないおそれがある。大電流により磁心が磁気飽和すると、透磁率が小さくなりインダクタンスは低下する。そのため、ノイズフィルタに用いた場合、コモンモードノイズ及びノーマルモードノイズの減衰性能が低い。減衰性能の低下を防ぐために磁心に磁気ギャップを設けると、磁心損失が増加するだけでなく、磁気ギャップでの漏洩磁束の問題も生じる。
また特表2006-525655号は、500〜15000の比透磁率μ、及び15 ppm未満の飽和磁気歪λを有する超微結晶合金からなり、直線的なB-Hループ及び交流及び直流で高い動作特性を有する磁心であって、超微結晶合金の少なくとも50％が平均粒径100 nm以下の微細結晶粒子により占められており、かつ前記超微結晶合金が一般式：FeaCobNicCudMeSifBgXh（ただし、MはV、Nb、Ta、Ti、Mo、W、Zr、Cr、Mn及びHfの少なくとも一種であり、XはP、Ge、C及び不可避的不純物であり、a、b、c、d、e、f、g及びhは原子％で表され、0≦b≦40、2＜c＜20、0.5≦d≦2、1≦e≦6、6.5≦f≦18、5≦g≦14、5≦b＋c≦45、a＋b＋c＋d＋e＋f＝100、及びh＜5、の条件を満たす。）により表される磁心を開示している。しかし、特表2006-525655号に具体的に記載された組成の磁心では、直流印加磁界強度が150 A/m以上になると、高い交流比透磁率μrを維持するのが難しくなるという欠点を有することが分った。
従って、本発明の目的は、大電流に対して磁気飽和し難く、高い透磁率を維持できる環状磁心、及び優れたノイズ低減効果を発揮できるチョークコイル等の磁性部品を提供することである。
本発明の環状磁心はFeの一部をNi及び／又はCoで置換したFe基ナノ結晶軟磁性合金からなり、
周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mでの交流比透磁率μr100k(50)が4000以上であり、
周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr100k(150)が2500以上であり、
直流印加磁界強度が400 A/mでの最大透磁率μMaxが8000以下で、磁束密度B400が1.3 T以上であることを特徴とする。
周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mでの交流比透磁率μr100k(50)が4000以上であり、
周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr100k(150)が2500以上であり、
直流印加磁界強度が400 A/mでの最大透磁率μMaxが8000以下で、磁束密度B400が1.3 T以上であることを特徴とする。
上記環状磁心は、周波数10 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr10k(150)が4000以上であり、周波数10 kHz及び直流印加磁界強度200 A/mでの交流比透磁率μr10k(200)が2000以上であるのが好ましい。
上記Fe基ナノ結晶軟磁性合金は、Fe及びNi及び／又はCoを合計で75.5原子％超、Ni及び／又はCoを6原子％以下、Cuを0.1〜2原子％、Nbを0.1〜4原子％、Siを8〜12原子％、及びBを9〜12原子％含有するのが好ましい。Fe基ナノ結晶軟磁性合金のより好ましい組成は、Fe及びNi及び／又はCoが合計で75.5原子％超、Ni及び／又はCoが4〜6原子％、Siが10〜11.5原子％、及びBが9.2〜10原子％である。
上記Fe基ナノ結晶軟磁性合金は厚さ10〜25μmの薄帯状であるのが好ましい。上記薄帯の厚さは14〜25μmであるのがより好ましい。
本発明の磁性部品は、上記環状磁心を樹脂製ケース内に収容し、前記環状磁心の一部を接着剤により固定したことを特徴とする。第一の例では、前記環状磁心の中空部に導体が貫通している。第二の例では、前記環状磁心に導体が巻回されている。前記導体は導線又はバスバーである。
本発明の環状磁心は磁気飽和しにくく、かつ大電流でも高い透磁率を維持できるので、高電圧ノイズの低減性能及びパルス減衰特性に優れ、広周波数帯域のノイズを低減する小型軽量のチョークフィルタに好適である。また、高透磁率のFe基ナノ結晶軟磁性合金を用いる場合に必要な磁気ギャップが必要ないので、加工工数を低減できる。さらに、Fe基アモルファス合金のような磁歪による特性変化が少ないという利点もある。
添付図面を参照して本発明の実施形態を以下詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の思想を逸脱しない限り種々の変更をすることができる。また各実施形態の説明は特に断りがなければ他の実施形態にも当てはまる。
[1] Fe基ナノ結晶軟磁性合金
本発明の環状磁心に用いるFe基ナノ結晶軟磁性合金は、Feの一部をNi及び／又はCoで置換した組成を有するが、望ましいB-H特性を有するためには、不純物を除いて、一般式：Fea(Ni, Co)bCucNbdSieBf（原子％）（ただし、75.5＜a＋b、b≦6、0.1≦c≦2、0.1≦d≦4、8≦e≦12、9≦f≦12、及びa＋b＋c＋d＋e＋f＝100）により表される組成を有するのが好ましい。ただし、上記式中の(Ni, Co)はNiおよび／又はCoを表す。
本発明の環状磁心に用いるFe基ナノ結晶軟磁性合金は、Feの一部をNi及び／又はCoで置換した組成を有するが、望ましいB-H特性を有するためには、不純物を除いて、一般式：Fea(Ni, Co)bCucNbdSieBf（原子％）（ただし、75.5＜a＋b、b≦6、0.1≦c≦2、0.1≦d≦4、8≦e≦12、9≦f≦12、及びa＋b＋c＋d＋e＋f＝100）により表される組成を有するのが好ましい。ただし、上記式中の(Ni, Co)はNiおよび／又はCoを表す。
(1) Fe、及びNi及び／又はCo
Feは飽和磁束密度Bsを大きく支配する元素である。直流印加磁界強度が400 A/mでの磁束密度B400を1.3 T以上とするには、Fe及びNi及び／又はCoは合計で75.5原子％超とするのが好ましい。
Feは飽和磁束密度Bsを大きく支配する元素である。直流印加磁界強度が400 A/mでの磁束密度B400を1.3 T以上とするには、Fe及びNi及び／又はCoは合計で75.5原子％超とするのが好ましい。
Feの一部をNi及び／又はCoで置換することにより、誘導磁気異方性を大きくできるため、磁場中の熱処理により飽和磁束密度を大きく低下することなく、比透磁率を意図的に低下させることができ、もって大電流に対して磁気飽和しにくい特性を付与することができる。また、Ni及び／又はCoの添加により、磁心損失Pcvを低減することもできる。Ni及び／又はCoの含有量は6原子％以下であるのが好ましい。Ni及び／又はCoが6原子％を超えると透磁率の低下が大きくなり、周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mでの交流比透磁率μr100k(50)を4000以上とし、周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr100k(150)を2500以上とするのが困難となる。そのため、必要なインピーダンスを得るために巻線数を増やさなければならなくなり、チョークコイル用に適さなくなる。なお、上記透磁率は、熱処理中に磁心の磁路方向に垂直（合金の幅方向）に磁場を印可させることにより得られる。
Niは飽和磁束密度Bsを低下させるので、単独添加の場合には含有量が6原子％超えると磁束密度B400を1.3 T以上とするのが困難となる。また、6原子％以下の範囲でCoよりB-H曲線を傾斜させる効果（比透磁率を低下させる効果）が大きいので、Coより添加量を少なくできる。
Coは僅かに飽和磁束密度Bsを上昇させるが、Niより高価であるのでコスト増の問題がある。Niと併用するとCoの割合に応じて飽和磁束密度Bsの低下を抑えることができるので好ましい。
Cuは熱処理による微細結晶粒の析出に必要な元素である。Cu含有量が0.1原子％未満であると、合金組織の50体積％以上を平均結晶粒径100 nm以下の微細結晶粒とすることが困難である。またCu含有量が2原子％超であると、熱処理前のアモルファス合金薄帯が脆く、巻回や打ち抜きが困難である。従って、Cu含有量は0.1〜2原子％が好ましい。より好ましいCu含有量は0.5〜1.5原子％である。
NbはCuとともに微細結晶粒の析出に寄与する。Nbが0.1原子％未満であると上記効果が十分に得られない。一方、Nbを4原子％超にしても微細結晶粒を析出させる効果に大きな変化はないが、その含有量の分だけ他の金属元素の含有量を減少させ、磁気特性を悪化させるおそれがある。そのため、Nb含有量は0.1〜4原子％が好ましい。より好ましいNb含有量は1〜3.5原子％である。なお、Nbの一部又は全部を、同様の作用をする元素（Ti，Zr，Hf，Mo，W又はTa）で置換しても良い。
Si及びBはともにアモルファス相形成元素である。Siが8原子％以上であると、急冷によりアモルファス相が安定的に形成できるとともに、保磁力Hc及び磁心損失Pcvが低下する。しかし、Si含有量が12原子％超にすると、飽和磁束密度Bsが低下する。誘導磁気異方性はbcc構造のFe結晶粒中のSi量に影響される。従って、Si含有量は8〜12原子％が好ましい。より好ましいSi含有量は10〜11.5原子％である。
Bの含有量が9原子％以上であると、急冷によりアモルファス相が安定的に形成できるとともに、熱処理後に均一なナノ結晶相が得られる。しかし、B含有量が12原子％超であると飽和磁束密度Bsが低下する。そのため、B含有量は9〜12原子％が好ましい。また、広い周波数範囲にわたって大電流下（強い磁界中）で透磁率が飽和するのを防止するために、B含有量は9.2〜10原子％であるのがより好ましい。Si及びBの合計量は好ましくは22原子％以下であり、より好ましくは21原子％以下である。
[2] Fe基ナノ結晶軟磁性合金薄帯
Fe基ナノ結晶軟磁性合金薄帯の厚さは10〜25μmであるのが好ましい。厚さが10μm未満では、薄帯の機械的強度が不十分でハンドリングの際に破断しやすいだけでなく、保磁力Hcが高くなってしまう。また厚さが25μmを超えると、アモルファス状態を安定に得られにくくなるだけでなく、渦電流損失が大きくなる。渦電流損失を考慮しない場合、薄帯の厚さは14〜25μmが好ましい。
Fe基ナノ結晶軟磁性合金薄帯の厚さは10〜25μmであるのが好ましい。厚さが10μm未満では、薄帯の機械的強度が不十分でハンドリングの際に破断しやすいだけでなく、保磁力Hcが高くなってしまう。また厚さが25μmを超えると、アモルファス状態を安定に得られにくくなるだけでなく、渦電流損失が大きくなる。渦電流損失を考慮しない場合、薄帯の厚さは14〜25μmが好ましい。
図1は本発明のFe基ナノ結晶軟磁性合金薄帯100を巻回してなる環状磁心1の一例を示す。図1に示す巻磁心以外に、薄帯をドーナツ状に打ち抜き、複数枚積層した磁心でも良い。環状磁心1は円形状に限定されず、レーストラック状、矩形状等でも良い。
[3] 環状磁心の製造方法
(1) Fe基ナノ結晶軟磁性合金薄帯の製造
Fe基ナノ結晶軟磁性合金薄帯は、例えば、所定の組成の合金溶湯を公知の単ロール法により急冷し、厚さ十数μm〜30μm程度、好ましくは10〜25μm、より好ましくは14〜25μmのFe基アモルファス合金薄帯を作製する。なお、Fe基アモルファス合金薄帯は組織中に微細結晶粒を部分的に含んでも良い。Fe基アモルファス合金薄帯を巻回又は積層して環状磁心とする。その際、薄帯間に絶縁を施すのが好ましい。
(1) Fe基ナノ結晶軟磁性合金薄帯の製造
Fe基ナノ結晶軟磁性合金薄帯は、例えば、所定の組成の合金溶湯を公知の単ロール法により急冷し、厚さ十数μm〜30μm程度、好ましくは10〜25μm、より好ましくは14〜25μmのFe基アモルファス合金薄帯を作製する。なお、Fe基アモルファス合金薄帯は組織中に微細結晶粒を部分的に含んでも良い。Fe基アモルファス合金薄帯を巻回又は積層して環状磁心とする。その際、薄帯間に絶縁を施すのが好ましい。
(2) 磁場中熱処理
得られた環状磁心に対して、磁場を印加しながら窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中又は大気中で、結晶化開始温度以上の温度で10分以上熱処理することにより、合金組織の50体積％以上が平均結晶粒径100 nm以下の微細なbcc構造のFe結晶粒が占めるFe基ナノ結晶軟磁性合金からなる環状磁心を得る。Fe基ナノ結晶軟磁性合金の組成にもよるが、bcc構造のFe結晶粒が析出する温度（結晶化開始温度）は480〜560℃程度である。結晶化開始温度は示差走査熱量測定により求めた発熱開始温度である。Fe2B等の化合物相が析出すると、保磁力Hcが増加し、恒透磁率性が失われる。そのため、熱処理温度の上限は化合物相が析出しない温度とするのが好ましい。
得られた環状磁心に対して、磁場を印加しながら窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中又は大気中で、結晶化開始温度以上の温度で10分以上熱処理することにより、合金組織の50体積％以上が平均結晶粒径100 nm以下の微細なbcc構造のFe結晶粒が占めるFe基ナノ結晶軟磁性合金からなる環状磁心を得る。Fe基ナノ結晶軟磁性合金の組成にもよるが、bcc構造のFe結晶粒が析出する温度（結晶化開始温度）は480〜560℃程度である。結晶化開始温度は示差走査熱量測定により求めた発熱開始温度である。Fe2B等の化合物相が析出すると、保磁力Hcが増加し、恒透磁率性が失われる。そのため、熱処理温度の上限は化合物相が析出しない温度とするのが好ましい。
磁場中熱処理においては温度とともに保持時間も重要である。誘導磁気異方性はbcc構造のFe結晶粒中のSi量に影響されるため、結晶化の際にFeにSiを十分に固溶させる必要がある。そのため、最高温度の保持時間は10分以上とするのが好ましい。熱処理温度が低下すれば保持時間は長くなるが、生産性を考慮して上限を60分とするのが好ましい。
環状磁心の磁路と直角方向（薄帯の幅方向）に磁場を印加しながら熱処理すると、B-H曲線が傾斜するとともに直線性が向上して比透磁率が低下し、低角形比で恒透磁率性に優れたものとなる。磁場中熱処理自体は、例えば特公平7-74419号に開示されているように公知の方法である。印加する磁場は合金を飽和させるため、少なくとも1000 A/m以上とするのが好ましい。
結晶化の初期段階ではSiの固溶が不十分で異方性が誘導されないが、Siの固溶が進むにつれて急激に異方性の誘導が進む。従って、結晶化温度より低い温度から磁場を印加するのが好ましい。
磁場の印加開始から保持温度に到達するまでの間の昇温速度は5℃／分以下であるのが好ましい。昇温速度が速すぎると、結晶化に伴う発熱によって結晶化が早く完了してしまう。結晶化後でも異方性の誘導は可能だが、結晶化進行中に得られる異方性に比較して不十分である。また、Siの固溶が不十分な状態で結晶化が完了するおそれもある。異方性の誘導を十分に得ようとすれば、昇温速度は1℃／分未満とするのがより望ましい。
[4] 環状磁心の特性
高飽和磁束密度、低損失及び低磁歪という優れた磁気性能を保持しつつ、Fe基ナノ結晶軟磁性合金を磁性部品（特にチョークコイル）に用いる場合の問題点を解消するための検討を行った結果、優れたノイズ抑制効果を発揮するためには、(a) 周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mでの交流比透磁率μr100k(50)が4000以上であり、(b) 周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr100k(150)が2500以上であり、(c) 直流印加磁界強度が400 A/mでの最大透磁率μMaxが8000以下で、磁束密度B400が1.3 T以上である必要があることが分った。
高飽和磁束密度、低損失及び低磁歪という優れた磁気性能を保持しつつ、Fe基ナノ結晶軟磁性合金を磁性部品（特にチョークコイル）に用いる場合の問題点を解消するための検討を行った結果、優れたノイズ抑制効果を発揮するためには、(a) 周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mでの交流比透磁率μr100k(50)が4000以上であり、(b) 周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr100k(150)が2500以上であり、(c) 直流印加磁界強度が400 A/mでの最大透磁率μMaxが8000以下で、磁束密度B400が1.3 T以上である必要があることが分った。
交流比透磁率μrは、漏れ磁束が無視できる閉磁路磁心を有するコイルの実効自己インダクタンスから下記式(1) により求められる透磁率である。
μr＝(L×C1)/(μ0×N2)・・・(1)
L：実効自己インダクタンス（H）
N：全巻回数
μ0：真空透磁率（4×π×10-7）
C1：磁心定数（mm-1）
実効自己インダクタンスLはLCRメータ（Agilent Technologies, Inc.製4284A）とインピーダンス／ゲイン・フェイズアナライザ（Agilent Technologies, Inc.製4194A）で測定した。
μr＝(L×C1)/(μ0×N2)・・・(1)
L：実効自己インダクタンス（H）
N：全巻回数
μ0：真空透磁率（4×π×10-7）
C1：磁心定数（mm-1）
実効自己インダクタンスLはLCRメータ（Agilent Technologies, Inc.製4284A）とインピーダンス／ゲイン・フェイズアナライザ（Agilent Technologies, Inc.製4194A）で測定した。
磁場と比透磁率μrとの関係は、LCRメータ4284Aとバイアス・カレント・ソース（Agilent Technologies, Inc.製42841A）とを組み合わせた最大20 Aまでの直流電流重畳が可能な測定装置により、直流電流重畳インダクタンスの測定により求めた。交流比透磁率μrは、所定の周波数（例えば、100 kHz）における実効自己インダクタンスLから上記式(1) により求めた。また、所定の直流印加磁界強度H（例えば、50 A/m）を発生させるバイアス電流Iは、下記式(2) により求めた。
H＝I×N/Le・・・(2)
H：直流印加磁界強度（A/m）
I：バイアス電流（A）
N：全巻回数
Le：平均線路長（m）
H＝I×N/Le・・・(2)
H：直流印加磁界強度（A/m）
I：バイアス電流（A）
N：全巻回数
Le：平均線路長（m）
交流比透磁率μrの周波数特性は、インピーダンス／ゲイン・フェイズアナライザ4194Aを使用し、0.05 A/mの動作磁界及び10 kHz〜10 MHzの周波数で測定した。直流印加磁界強度が400 A/mでの最大透磁率μMax、磁束密度B400及び保磁力Hcはとともに、直流磁化特性試験装置（メトロン技研（株）製SK-110型）により測定した。
本発明では、ノイズを含む突入電流を想定し、周波数100 kHzにおいて50 A/m及び150 A/mの直流印加磁界強度での交流比透磁率μr100k(50)及びμr100k(150)をそれぞれ4000以上及び2500以上と規定する。交流比透磁率μr100k(50)が4000以上で、交流比透磁率μr100k(150)が2500以上であれば、透磁率の低下に伴うコモンモードノイズ、ノーマルモードノイズの減衰性能の低下は抑えられ、優れたノイズ抑制効果を発揮する。周波数10 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr10k(150)が4000以上であり、かつ周波数10 kHz及び直流印加磁界強度200 A/mでの交流比透磁率μr10k(200)が2000以上であるのがより好ましい。
直流印加磁界強度が400 A/mでの最大透磁率μMaxが8000以下で、磁束密度B400が1.3 T以上であると、高電圧のノイズを低減するとともに、過渡的な電流のピーク値の上昇に伴う大電流に対しても磁気飽和を招くことがなく、またインダクタンスの著しい低下を防ぐことができる。
本発明の環状磁心に用いるFe基ナノ結晶軟磁性合金は、高周波であっても相対的に他の磁性材料より高い透磁率が得られるという特徴を維持するので、本発明の環状磁心で構成された磁性部品（チョークコイル）を用いたノイズフィルタもまた、高電圧のノイズの低減とともに、広周波数帯域におけるノイズ低減に優れたものとなる。
[5] 磁性部品
本発明の磁性部品は、上記環状磁心を絶縁性コアケースに入れるか、絶縁コーティングを施した後、(a) 環状磁心の中空部に導体を貫通させるか、(b) 環状磁心に導体を巻回することにより得られる。環状磁心の中空部に導体を貫通した磁性部品の一例として、環状磁心5’に3本の導体a，b，cが貫通した構成の三相コモンモードチョークコイルを図11(a) に示す。また、環状磁心に導体を巻回した磁性部品の一例として、環状磁心5’に3本の導体a，b，cが巻回された三相コモンモードチョークコイルを図11(b) に示す。環状磁心5’を、上ケース11及び従ってケース12からなる絶縁性コアケースに入れる様子を図12に示す。
本発明の磁性部品は、上記環状磁心を絶縁性コアケースに入れるか、絶縁コーティングを施した後、(a) 環状磁心の中空部に導体を貫通させるか、(b) 環状磁心に導体を巻回することにより得られる。環状磁心の中空部に導体を貫通した磁性部品の一例として、環状磁心5’に3本の導体a，b，cが貫通した構成の三相コモンモードチョークコイルを図11(a) に示す。また、環状磁心に導体を巻回した磁性部品の一例として、環状磁心5’に3本の導体a，b，cが巻回された三相コモンモードチョークコイルを図11(b) に示す。環状磁心5’を、上ケース11及び従ってケース12からなる絶縁性コアケースに入れる様子を図12に示す。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
実施例1
単ロール法により、Fe70.7Ni5.0Cu0.8Nb2.8Si10.9B9.8（原子％）の組成を有する溶湯を、ノズルより高速回転している銅ロール表面に噴出して急冷し、厚さがそれぞれ16μm、18μm及び23μmで、幅53 mmの合金薄帯を得た。X線回折測定により、これらの合金薄帯の組織が実質的にアモルファスであることを確認した。示差走査熱量測定により求めたこの合金の結晶化温度Tｘは490℃であった。
単ロール法により、Fe70.7Ni5.0Cu0.8Nb2.8Si10.9B9.8（原子％）の組成を有する溶湯を、ノズルより高速回転している銅ロール表面に噴出して急冷し、厚さがそれぞれ16μm、18μm及び23μmで、幅53 mmの合金薄帯を得た。X線回折測定により、これらの合金薄帯の組織が実質的にアモルファスであることを確認した。示差走査熱量測定により求めたこの合金の結晶化温度Tｘは490℃であった。
各薄帯をスリット加工し、幅25 mmの2条の薄帯を得た。各薄帯を巻回し、外径24.5 mm、内径21 mm及び高さ幅25 mmの円環状巻磁心（占積率：0.9）を得た。窒素雰囲気に制御された熱処理炉内に円環状巻磁心を入れ、420℃から550℃の最高温度まで0.54℃／分の速度で昇温し、最高温度で20分保持した後、炉冷する熱処理を行い、図1に示すFe基ナノ結晶軟磁性合金からなる環状巻磁心を得た。昇温中及び最高温度に保持中、環状磁心の高さ方向（薄帯の幅方向）に280 kA/mの磁場を印加した。磁場中熱処理により、いずれの薄帯中にも平均粒径100 nm以下の微細結晶粒がほぼ70％の体積比率で生成していた。
各環状磁心を絶縁性ケースに入れ、一次側に10ターン及び二次側に10ターンの巻線を施し、直流磁化特性試験装置SK-110型を用いて、25℃で最大透磁率μMax、磁束密度B400、保磁力Hc及び角型比を測定した。結果を表1に示す。また、厚さ16μmの薄帯を用いた環状磁心の直流B-Hループを代表例として図2に示す。
各環状磁心を絶縁性ケースに入れて10ターンの巻線を施し、25℃で周波数10 kHz及び100 kHzの直流印可磁界の強度50 A/m、150 A/m及び200 A/mに対する交流比透磁率μrの関係をLCRメータ4284Aにより求めた。周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mでの交流比透磁率μr100k(50)、周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr100k(150)、周波数10 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr10k(150)、及び周波数10 kHz及び直流印加磁界強度200 A/mでの交流比透磁率μr10k(200)を表1に示す。また、厚さ16μmの薄帯を用いた環状磁心の交流比透磁率μrと磁場強度（周波数10 kHz）との関係を図3に示す。
各環状磁心（試料No. 1〜5）を絶縁性ケースに入れて1ターンの巻線を施し、インピーダンス／ゲイン・フェイズアナライザ4194Aにより電圧振幅0.5 Vrms、周波数10〜100 kHz、温度25℃で交流比透磁率μr10k及びμr100kを測定した。また、周波数10 kHzにおける比透磁率μr10kの50％の比透磁率μrが得られる周波数f50を求めた。結果を表1に示す。また、厚さ16μmの薄帯を用いた比透磁率μrの周波数特性を図4に示す。
(2) 周波数10 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mで測定。
(3) 周波数10 kHz及び直流印加磁界強度200 A/mで測定。
(4) 周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mで測定。
(5) 周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mで測定。
本発明の環状磁心は、高い磁束密度を保持しながら、角型比が小さく、恒透磁率性に優れ、周波数に対する交流比透磁率の変化が小さいことが分かる。また、周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mでの交流比透磁率μr100k(50)及び周波数10 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr10k(150)がともに4000以上であり、周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr100k(150)が2500以上であり、かつ周波数10 kHz及び直流印加磁界強度200 A/mでの交流比透磁率μr10k(200)が2000以上である。このように、本発明の環状磁心は低磁場域から高磁場域まで高い交流比透磁率を有する。さらに、薄い薄帯を用いた環状磁心は、交流比透磁率の低下が少なく、周波数特性に優れていることがわかる。
比較例1
Fe基ナノ結晶軟磁性合金FT-3KL（日立金属株式会社製）の薄帯（厚さ18μm）を用いて外径36.0 mm、内径17.5 mm及び高さ幅25 mmの円環状巻磁心を作製し、これをケースに入れ、線径2.5 mmのエナメル線を8ターン巻いてチョークコイルを作製した。
Fe基ナノ結晶軟磁性合金FT-3KL（日立金属株式会社製）の薄帯（厚さ18μm）を用いて外径36.0 mm、内径17.5 mm及び高さ幅25 mmの円環状巻磁心を作製し、これをケースに入れ、線径2.5 mmのエナメル線を8ターン巻いてチョークコイルを作製した。
実施例2
実施例1で作製した薄帯（厚さ18μm）を用いて外径36.0 mm、内径17.5 mm及び高さ幅25 mmの円環状巻磁心を作製し、これをケースに入れ、線径2.5 mmのエナメル線を17ターン巻いてチョークコイルを作製した。チョークコイルのインピーダンスを図5に示す。図5から明らかなように、実施例2のチョークコイルは低周波域から高周波域まで優れたインピーダンス性能を発揮した。
実施例1で作製した薄帯（厚さ18μm）を用いて外径36.0 mm、内径17.5 mm及び高さ幅25 mmの円環状巻磁心を作製し、これをケースに入れ、線径2.5 mmのエナメル線を17ターン巻いてチョークコイルを作製した。チョークコイルのインピーダンスを図5に示す。図5から明らかなように、実施例2のチョークコイルは低周波域から高周波域まで優れたインピーダンス性能を発揮した。
実施例2のチョークコイル及び比較例1のチョークコイルの直流電流重畳インダクタンス特性を評価した。結果を図6に示す。図6から明らかなように、実施例2のチョークコイルは比較例1のチョークコイルより直流電流重畳インダクタンス特性に優れていた。
実施例3
実施例1で作製した薄帯（厚さ18μm）を用いて外径17.8 mm、内径13.8 mm及び高さ幅25 mmの円環状巻磁心を用いて、図7に示す三相コモンモードチョークコイルを作製した。環状磁心は絶縁性のケース6に入れ、ケース中央に巻線領域を区画する仕切板8が設けた。各相の巻線7a、7b、7cは線径2.5 mmのエナメル線を3ターン巻回して形成した。三相コモンモードチョークコイルのインピーダンスとインダクタンスの周波数特性を図8に示す。図中、実線はインダクタンスを示し、破線はインピーダンスを示す。図8から明らかなように、実施例3の三相コモンモードチョークコイルは低周波域から高周波域まで優れたインピーダンス性能を発揮した。
実施例1で作製した薄帯（厚さ18μm）を用いて外径17.8 mm、内径13.8 mm及び高さ幅25 mmの円環状巻磁心を用いて、図7に示す三相コモンモードチョークコイルを作製した。環状磁心は絶縁性のケース6に入れ、ケース中央に巻線領域を区画する仕切板8が設けた。各相の巻線7a、7b、7cは線径2.5 mmのエナメル線を3ターン巻回して形成した。三相コモンモードチョークコイルのインピーダンスとインダクタンスの周波数特性を図8に示す。図中、実線はインダクタンスを示し、破線はインピーダンスを示す。図8から明らかなように、実施例3の三相コモンモードチョークコイルは低周波域から高周波域まで優れたインピーダンス性能を発揮した。
実施例4
実施例2で得られた三相コモンモードチョークコイルを用いて、図9に示すノイズフィルタを作製した。得られたノイズフィルタは低周波ノイズ、高周波ノイズ、パルス性ノイズの減衰に優れ、150 kHz〜30 MHzの広い周波数帯における雑音端子電圧を低減する効果に優れていた。
実施例2で得られた三相コモンモードチョークコイルを用いて、図9に示すノイズフィルタを作製した。得られたノイズフィルタは低周波ノイズ、高周波ノイズ、パルス性ノイズの減衰に優れ、150 kHz〜30 MHzの広い周波数帯における雑音端子電圧を低減する効果に優れていた。
実施例5
実施例1と同様にして表2に示す組成（原子％）を有する各溶湯から厚さ16μmで、幅53 mmの合金薄帯を作製した。各薄帯をスリット加工し、幅25 mmの2条の薄帯を得た。各薄帯を巻回し、外径24.5 mm、内径21 mm及び高さ幅25 mmの円環状巻磁心（占積率：0.9）を得た。各円環状巻磁心に実施例1と同じ磁場中熱処理を施し、Fe基ナノ結晶軟磁性合金からなる環状巻磁心を得た。各環状巻磁心の交流比透磁率μr100k(50)、μr100k(150)、μr10k(150)及びμr10k(200)を実施例1と同様に測定した。結果を表2に示す。
実施例1と同様にして表2に示す組成（原子％）を有する各溶湯から厚さ16μmで、幅53 mmの合金薄帯を作製した。各薄帯をスリット加工し、幅25 mmの2条の薄帯を得た。各薄帯を巻回し、外径24.5 mm、内径21 mm及び高さ幅25 mmの円環状巻磁心（占積率：0.9）を得た。各円環状巻磁心に実施例1と同じ磁場中熱処理を施し、Fe基ナノ結晶軟磁性合金からなる環状巻磁心を得た。各環状巻磁心の交流比透磁率μr100k(50)、μr100k(150)、μr10k(150)及びμr10k(200)を実施例1と同様に測定した。結果を表2に示す。
表2から明らかなように、特にBが9.32〜9.78原子％の範囲で良好な交流比透磁率特性が得られた。
本発明の環状磁心はFeの一部をNi及び／又はCoで置換したFe基ナノ結晶軟磁性合金からなり、
前記Fe基ナノ結晶軟磁性合金が、FeとNi及び／又はCoとを合計で75.5原子％超（ただし、Ni及び／又はCoを4〜6原子％）、Cuを0.1〜2原子％、Nbを0.1〜4原子％、Siを8〜12原子％、及びBを9〜12原子％含有し、
周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mでの交流比透磁率μr100k(50)が4000以上であり、
周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr100k(150)が2500以上であり、
直流印加磁界強度が400 A/mでの最大透磁率μMaxが8000以下で、磁束密度B400が1.3 T以上であることを特徴とする。
前記Fe基ナノ結晶軟磁性合金が、FeとNi及び／又はCoとを合計で75.5原子％超（ただし、Ni及び／又はCoを4〜6原子％）、Cuを0.1〜2原子％、Nbを0.1〜4原子％、Siを8〜12原子％、及びBを9〜12原子％含有し、
周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mでの交流比透磁率μr100k(50)が4000以上であり、
周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr100k(150)が2500以上であり、
直流印加磁界強度が400 A/mでの最大透磁率μMaxが8000以下で、磁束密度B400が1.3 T以上であることを特徴とする。
上記Fe基ナノ結晶軟磁性合金の好ましい組成では、Siは10〜11.5原子％であり、Bは9.2〜10原子％である。
Claims (9)
- Feの一部をNi及び／又はCoで置換したFe基ナノ結晶軟磁性合金を用いた環状磁心であって、
周波数100 kHz及び直流印加磁界強度50 A/mでの交流比透磁率μr100k(50)が4000以上であり、
周波数100 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr100k(150)が2500以上であり、
直流印加磁界強度が400 A/mでの最大透磁率μMaxが8000以下で、磁束密度B400が1.3 T以上であることを特徴とする環状磁心。 - 請求項1に記載の環状磁心において、周波数10 kHz及び直流印加磁界強度150 A/mでの交流比透磁率μr10k(150)が4000以上であり、周波数10 kHz及び直流印加磁強度界200 A/mでの交流比透磁率μr10k(200)が2000以上であることを特徴とする環状磁心。
- 請求項1又は2に記載の環状磁心において、前記Fe基ナノ結晶軟磁性合金が、Fe及びNi及び／又はCoを合計で75.5原子％超、Ni及び／又はCoを6原子％以下、Cuを0.1〜2原子％、Nbを0.1〜4原子％、Siを8〜12原子％、及びBを9〜12原子％含有することを特徴とする環状磁心。
- 請求項3に記載の環状磁心において、前記Fe基ナノ結晶軟磁性合金が、Fe及びNi及び／又はCoを合計で75.5原子％超、Ni及び／又はCoを4〜6原子％、Siを10〜11.5原子％、及びBを9.2〜10原子％含有することを特徴とする環状磁心。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の環状磁心において、前記Fe基ナノ結晶軟磁性合金が厚さ10〜25μmの薄帯状であることを特徴とする環状磁心。
- 請求項5に記載の環状磁心において、前記薄帯の厚さが14〜25μmであることを特徴とする環状磁心。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の環状磁心を樹脂製ケース内に収容し、前記環状磁心の一部を接着剤により固定したことを特徴とする磁性部品。
- 請求項7に記載の磁性部品において、前記環状磁心の中空部に導体が貫通していることを特徴とする磁性部品。
- 請求項7に記載の磁性部品において、前記環状磁心に導体が巻回されていることを特徴とする磁性部品。
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