JPWO2016185940A1 - 圧粉コア、当該圧粉コアの製造方法、該圧粉コアを備えるインダクタ、および該インダクタが実装された電子・電気機器 - Google Patents

圧粉コア、当該圧粉コアの製造方法、該圧粉コアを備えるインダクタ、および該インダクタが実装された電子・電気機器 Download PDF

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Abstract

結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアであって、かかる圧粉コアを備えるインダクタについて、直流重畳特性を向上させることおよび鉄損を低減させることが可能な圧粉コアとして、結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアであって、結晶質磁性材料の粉末の含有量と非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和は、83質量%以上であり、上記の総和に対する結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率は、20質量%以下であり、非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50は結晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50以上であり、非晶質磁性材料の粉末の体積基準の累積粒度分布における10%累積径D10aの、結晶質磁性材料の粉末の体積基準の累積粒度分布における90%累積径D90bに対する比は、0.3以上2.6以下である圧粉コアが提供される。

Description

本発明は、圧粉コア、当該圧粉コアの製造方法、該圧粉コアを備えるインダクタ、および該電子・電気部品が実装された電子・電気機器に関する。本明細書において、「インダクタ」とは、圧粉コアを含む芯材およびコイルを備える受動素子であって、リアクトルの概念を含むものとする。
ハイブリッド自動車等の昇圧回路や、発電、変電設備に用いられるリアクトル、トランスやチョークコイル等のインダクタに使用される圧粉コアは、軟磁性粉末を圧粉成形することにより得ることができる。こうした圧粉コアを備えるインダクタは、鉄損が低いことと直流重畳特性に優れることとを兼ね備えることが求められている。
特許文献1には、上記の課題(鉄損が低いことと直流重畳特性に優れることとを兼ね備えること)を解決する手段として、磁性粉末及びバインダーを混合した混合粉末を加圧して成形されたコア内にコイルが一体に埋設されたインダクタにおいて、カルボニル鉄粉末にセンダスト粉末を5〜20wt%混合した粉末を、前記磁性粉末として用いたインダクタが開示されている。
特許文献2には、鉄損をさらに低減させうるインダクタとして、90〜98mass%の非晶質軟磁性粉末と2〜10mass%の結晶質軟磁性粉末の配合比からなる混合粉末と、絶縁性材料との混合物が固化したものを含む磁心(圧粉コア)を備えるインダクタが開示されている。かかる磁心(圧粉コア)では、非晶質軟磁性粉末はインダクタのコア損失を低くするための材料であり、結晶質軟磁性粉末は混合粉末の充填率を向上させ、透磁率を増加させるとともに、非晶質軟磁性粉末同士を接着するバインダーの役割を果たす材料と位置付けられている。
特開2006−13066号公報 特開2010−118486号公報
特許文献1では、異なる種類の結晶質磁性材料の粉末を圧粉コアの原料として用いて直流重畳特性を向上させることを目指し、特許文献2では、鉄損のさらなる低減を目指して、結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を圧粉コアの原料として用いている。しかしながら、特許文献2では、直流重畳特性の評価は行われていない。
そこで、本発明は、結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアであって、かかる圧粉コアを備えるインダクタについて、直流重畳特性を向上させることおよび鉄損を低減させることが可能な圧粉コアを提供することを目的とする。本発明は、上記の圧粉コアの製造方法、当該圧粉コアを備えるインダクタ、および当該インダクタが実装された電子・電気機器を提供することも目的とする。
上記課題を解決するために本発明者らが検討した結果、結晶質磁性材料の粉末の粒径分布および非晶質磁性材料の粉末の粒径分布を適切に調整することにより、結晶質磁性材料の粉末の含有量(本明細書において、「粉末の含有量」(単位:質量%)は、圧粉コアに対する含有量を意味する。)と非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和(本明細書においてこの総和を「コア合金比率」ともいう。)が高まり、上記の課題を解決しうるとの新たな知見を得た。
かかる知見により完成された発明は次のとおりである。
本発明の一態様は、結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアであって、前記結晶質磁性材料の粉末の含有量と前記非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和(コア合金比率)は、83質量%以上であり、上記の総和(コア合金比率)に対する結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率(第一混合比率)は、20質量%以下であり、前記非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50は前記結晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50以上であり、前記非晶質磁性材料の粉末の体積基準の累積粒度分布における10%累積径D10の、前記結晶質磁性材料の粉末の体積基準の累積粒度分布における90%累積径D90に対する比(第一粒度比)は、0.3以上2.6以下である圧粉コアである。
結晶質磁性材料の粉末の粒径分布および非晶質磁性材料の粉末の粒径分布が上記の関係を満たす場合には、上記の第一混合比率が20質量%以下であるときに上記のコア合金比率を83質量%以上とすることが安定的に実現されやすくなる。その結果、上記の圧粉コアを備えるインダクタについて、直流重畳特性を向上させることおよび鉄損を低減させることが可能となる。
前記結晶質磁性材料は、Fe−Si−Cr系合金、Fe−Ni系合金、Fe−Co系合金、Fe−V系合金、Fe−Al系合金、Fe−Si系合金、Fe−Si−Al系合金、カルボニル鉄および純鉄からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料を含んでいてもよい。
前記結晶質磁性材料はカルボニル鉄からなることが好ましい。
前記非晶質磁性材料は、Fe−Si−B系合金、Fe−P−C系合金およびCo−Fe−Si−B系合金からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料を含んでいてもよい。
前記非晶質磁性材料はFe−P−C系合金からなることが好ましい。
前記結晶質磁性材料の粉末は絶縁処理が施された材料からなることが好ましい。上記の範囲内にあることにより、圧粉コアの絶縁抵抗の向上や高周波帯域での鉄損Pcvの低減がより安定的に実現される。
前記結晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50は10μm以下であることが好ましい。第一粒度比に関する上記の規定を満たすことが容易になる。
前記結晶質磁性材料の粉末および前記非晶質磁性材料の粉末を、前記圧粉コアに含有される他の材料に対して結着させる結着成分を、上記の圧粉コアが含有していてもよい。この場合において、前記結着成分は、樹脂材料に基づく成分を含むことが好ましい。
本発明の別の一態様は、上記の圧粉コアの製造方法であって、前記結晶質磁性材料の粉末および前記非晶質磁性材料の粉末ならびに前記樹脂材料からなるバインダー成分を含む混合物の加圧成形を含む成形処理により成形製造物を得る成形工程を備えることを特徴とする圧粉コアの製造方法である。かかる製造方法により、上記の圧粉コアをより効率的に製造することが実現される。
上記の製造方法は、前記成形工程により得られた前記成形製造物が前記圧粉コアであってもよい。あるいは、前記成形工程により得られた前記成形製造物を加熱する熱処理により前記圧粉コアを得る熱処理工程を備えていてもよい。
本発明のさらに別の一態様は、上記の圧粉コア、コイルおよび前記コイルのそれぞれの端部に接続された接続端子を備えるインダクタであって、前記圧粉コアの少なくとも一部は、前記接続端子を介して前記コイルに電流を流したときに前記電流により生じた誘導磁界内に位置するように配置されているインダクタである。かかるインダクタは、上記の圧粉コアの優れた特性に基づき、優れた直流重畳特性および低損失を両立することが可能である。
本発明のさらにまた別の一態様は、上記のインダクタが実装された電子・電気機器であって、前記インダクタは前記接続端子にて基板に接続されている電子・電気機器である。かかる電子・電気機器として、電源スイッチング回路、電圧昇降回路、平滑回路等を備えた電源装置や小型携帯通信機器等が例示される。本発明に係る電子・電気機器は、上記のインダクタを備えるため、大電流化に対応しやすい。
上記の発明に係る圧粉コアは、結晶質磁性材料の粉末の粒径分布および非晶質磁性材料の粉末の粒径分布が適切に調整されているため、かかる圧粉コアを備えるインダクタについて、直流重畳特性を向上させることおよび鉄損を低減させることが可能である。また、本発明によれば、上記の圧粉コアの製造方法、当該圧粉コアを備えるインダクタ、および当該インダクタが実装された電子・電気機器が提供される。
本発明の一実施形態に係る圧粉コアの形状を概念的に示す斜視図である。 造粒粉を製造する方法の一例において使用されるスプレードライヤー装置およびその動作を概念的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る圧粉コアを備えるインダクタの一種であるトロイダルコイルの形状を概念的に示す斜視図である。 本発明の実施例に基づく、μ5500とコア合金比率との関係を示すグラフである。 本発明の実施例に基づく、鉄損Pcvと第一混合比率との関係を示すグラフである。 本発明の実施例に基づく、μ5500と第一混合比率との関係に第一粒度比が与える影響を示すグラフである。 本発明の実施例に基づく、鉄損Pcvと第一混合比率との関係に第一粒度比が与える影響を示すグラフである。 図6に示されるグラフ(μ5500と第一混合比率との関係)における各第一粒度比のプロットを直線近似したときの傾きS1と、図7に示されるグラフ(鉄損Pcvと第一混合比率との関係)における各第一粒度比のプロットを直線近似したときの傾きS2とを、第一粒度比を横軸としてプロットしたグラフである。 実施例7,10,11,20および25から27の測定結果を示すグラフである。 実施例25に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。 実施例10に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。 図11に示される二値化画像を得る前の段階の二値化画像であって、磁性粉末の空孔に基づく空隙部が残っている二値化画像である。 実施例26に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。 実施例27に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。 実施例7に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。 実施例20に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。 実施例11に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。 図10に示される実施例25に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。 図11に示される実施例10に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。 図19に示されるボロノイ図を得る前の段階のボロノイ図であって、周縁多角形が除去される前のボロノイ図である。 図13に示される実施例26に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。 図14に示される実施例27に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。 図15に示される実施例7に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。 図16に示される実施例20に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。 図17に示される実施例11に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。 空隙分散度(平均値)と第一粒度比との関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態について詳しく説明する。
1.圧粉コア
図1に示す本発明の一実施形態に係る圧粉コア1は、その外観がリング状であって、結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を含有する。本実施形態に係る圧粉コア1は、これらの粉末を含む混合物の加圧成形を含む成形処理を備える製造方法により製造されたものである。限定されない一例として、本実施形態に係る圧粉コア1は、結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を、圧粉コア1に含有される他の材料(同種の材料である場合もあれば、異種の材料である場合もある。)に対して結着させる結着成分を含有する。
圧粉コア1における、結晶質磁性材料の粉末の含有量と非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和(コア合金比率)は、83質量%以上である。コア合金比率が83質量%以上であることにより、圧粉コア1を備えるインダクタの直流重畳特性を向上させることができる。この点に関し、初透磁率が同等の圧粉コアであっても、圧粉コアのコア合金比率が高いほど、直流を重畳した状態での透磁率は低下しにくい傾向を有する。コア合金比率が83質量%以上の場合には、バイアス磁界印加が5500A/mであっても、比透磁率が40以上となりやすい。
(1)結晶質磁性材料の粉末
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する結晶質磁性材料の粉末を与える結晶質磁性材料は、結晶質であること(一般的なX線回折測定により、材料種類を特定できる程度に明確なピークを有する回折スペクトルが得られること)、および強磁性体であることを満たす限り、具体的な種類は限定されない。結晶質磁性材料の具体例として、Fe−Si−Cr系合金、Fe−Ni系合金、Fe−Co系合金、Fe−V系合金、Fe−Al系合金、Fe−Si系合金、Fe−Si−Al系合金、カルボニル鉄および純鉄が挙げられる。上記の結晶質磁性材料は1種類の材料から構成されていてもよいし複数種類の材料から構成されていてもよい。結晶質磁性材料の粉末を与える結晶質磁性材料は、上記の材料からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料であることが好ましく、これらの中でも、カルボニル鉄を含有することが好ましく、カルボニル鉄からなることがより好ましい。カルボニル鉄は飽和磁束密度が高く、柔らかく塑性変形しやすいため成形時に圧粉コアの密度を上げやすく、また、メジアン径D50が5μm以下と微細なため、渦電流損失を抑えることが可能となる。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する結晶質磁性材料の粉末の形状は限定されない。粉末の形状は球状であってもよいし非球状であってもよい。非球状である場合には、鱗片状、楕円球状、液滴状、針状といった形状異方性を有する形状であってもよいし、特段の形状異方性を有しない不定形であってもよい。不定形の粉体の例として、球状の粉体の複数が、互いに接して結合していたり、他の粉体に部分的に埋没するように結合していたりする場合が挙げられる。このような不定形の粉体は、カルボニル鉄において観察されやすい。
粉末の形状は、粉末を製造する段階で得られた形状であってもよいし、製造された粉末を二次加工することにより得られた形状であってもよい。前者の形状としては、球状、楕円球状、液滴状、針状などが例示され、後者の形状としては、鱗片状が例示される。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する結晶質磁性材料の粉末の粒径は、後述するように、圧粉コア1が含有する非晶質磁性材料の粉末の粒径との関係で設定される。
圧粉コア1における結晶質磁性材料の粉末の含有量は、結晶質磁性材料の粉末の含有量と非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和(コア合金比率)に対する結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率(第一混合比率)が20質量%以下となる量である。第一混合比率が20質量%以下であることにより、圧粉コア1の鉄損Pcvの過度の上昇を抑制することが可能となる。また、基本的傾向として第一混合比率が高いほど圧粉コア1を備えるインダクタの直流重畳特性は向上するものの、第一混合比率が20質量%を超えると、上記の傾向が明確でなくなり、結晶質磁性材料の粉末を用いるメリットが得られにくくなる。圧粉コア1を備えるインダクタの直流重畳特性の改善および鉄損Pcvの上昇の抑制をより安定的に実現させる観点から、第一混合比率は、18質量%以下であることが好ましく、15質量%以下であることがより好ましく、12質量%以下であることが特に好ましい。
結晶質磁性材料の粉末の少なくとも一部は絶縁処理が施された材料からなることが好ましく、結晶質磁性材料の粉末は絶縁処理が施された材料からなることがより好ましい。結晶質磁性材料の粉末に絶縁処理が施されている場合には、圧粉コア1の絶縁抵抗が向上する傾向がみられる。また、高周波帯域のみならず、低周波帯域においても鉄損Pcvが低下する傾向がみられる場合がある。結晶質磁性材料の粉末に施す絶縁処理の種類は限定されない。リン酸処理、リン酸塩処理、酸化処理などが例示される。
(2)非晶質磁性材料の粉末
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する非晶質磁性材料の粉末を与える非晶質磁性材料は、非晶質であること(一般的なX線回折測定により、材料種類を特定できる程度に明確なピークを有する回折スペクトルが得られないこと)、および強磁性体、特に軟磁性体であることを満たす限り、具体的な種類は限定されない。非晶質磁性材料の具体例として、Fe−Si−B系合金、Fe−P−C系合金およびCo−Fe−Si−B系合金が挙げられる。上記の非晶質磁性材料は1種類の材料から構成されていてもよいし複数種類の材料から構成されていてもよい。非晶質磁性材料の粉末を構成する磁性材料は、上記の材料からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料であることが好ましく、これらの中でも、Fe−P−C系合金を含有することが好ましく、Fe−P−C系合金からなることがより好ましい。
Fe−P−C系合金の具体例として、組成式が、Fe100原子%−a−b−c−x−y−z−tNiSnCrSiで示され、0原子%≦a≦10原子%、0原子%≦b≦3原子%、0原子%≦c≦6原子%、6.8原子%≦x≦13原子%、2.2原子%≦y≦13原子%、0原子%≦z≦9原子%、0原子%≦t≦7原子%であるFe基非晶質合金が挙げられる。上記の組成式において、Ni,Sn,Cr,BおよびSiは任意添加元素である。
Niの添加量aは、0原子%以上6原子%以下とすることが好ましく、0原子%以上4原子%以下とすることがより好ましい。Snの添加量bは、0原子%以上2原子%以下とすることが好ましく、1原子%以上2原子%以下の範囲で添加されていても良い。Crの添加量cは、0原子%以上2原子%以下とすることが好ましく、1原子%以上2原子%以下とすることがより好ましい。Pの添加量xは、8.8原子%以上とすることが好ましい場合もある。Cの添加量yは、4原子%以上10原子%以下とすることが好ましく、5.8原子%以上8.8原子%以下とすることがより好ましい場合もある。Bの添加量zは、0原子%以上6原子%以下とすることが好ましく、0原子%以上2原子%以下とすることがより好ましい。Siの添加量tは、0原子%以上6原子%以下とすることが好ましく、0原子%以上2原子%以下とすることがより好ましい。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する非晶質磁性材料の粉末の形状は限定されない。粉末の形状の種類については結晶質磁性材料の粉末の場合と同様であるから説明を省略する。製造方法の関係で非晶質磁性材料は球状または楕円球状とすることが容易である場合もある。また、一般論として非晶質磁性材料は結晶質磁性材料よりも硬質であるから、結晶質磁性材料を非球状として加圧成形の際に変形しやすいようにすることが好ましい場合もある。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する非晶質磁性材料の粉末の形状は、粉末を製造する段階で得られた形状であってもよいし、製造された粉末を二次加工することにより得られた形状であってもよい。前者の形状としては、球状、楕円球状、針状などが例示され、後者の形状としては、鱗片状が例示される。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1が含有する非晶質磁性材料の粉末の粒径は、前述のように、圧粉コア1が含有する非晶質磁性材料の粉末の粒径との関係で設定される。具体的には、非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50(本明細書において、「第一メジアン径d1」ともいう。)は結晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50(本明細書において、「第二メジアン径d2」ともいう。)以上である。非晶質磁性材料の粉末および結晶質磁性材料の粉末が上記の関係を満たすことにより、比較的硬質な非晶質磁性材料の粉末が作る隙間に比較的軟質な結晶質磁性材料の粉末が入り込みやすく、コア合金比率が高まりやすい。第二メジアン径d2が過度に大きいと、圧粉コア1を備えるインダクタの鉄損Pcvが高まりやすくなる場合があるため、第二メジアン径d2は10μm以下であることが好ましいこともある。
圧粉コア1が含有する非晶質磁性材料の粉末の体積基準の累積粒度分布における10%累積径D10の、圧粉コア1が含有する結晶質磁性材料の粉末体積基準の累積粒度分布における90%累積径D90に対する比(第一粒度比)は、0.3以上2.6以下である。第一粒度比を上記の範囲とすることにより、圧粉コア1を備えるインダクタの直流重畳特性を高めることと鉄損Pcvの上昇を抑制することとを両立させることができる。第一粒度比が過度に低い場合には、第一混合比率が増大すると圧粉コア1を備えるインダクタの鉄損Pcvが著しく上昇する傾向がみられる。第一粒度比が高くなると第一混合比率の増大に伴って圧粉コア1を備えるインダクタの直流重畳特性が改善しやすい。その一方で、第一粒度比が過度に高い場合には、第一混合比率に関わらず、圧粉コア1を備えるインダクタの鉄損Pcvが高くなる傾向がみられる。したがって、第一粒度比は、0.5以上2.6以下とすることが好ましく、0.5以上2.3以下とすることがより好ましく、0.8以上2.3以下とすることがより好ましく、0.95以上2.3以下とすることが特に好ましい。
(3)結着成分
圧粉コア1は、結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を圧粉コア1に含有される他の材料に対して結着させる結着成分を含有していてもよい。結着成分は、本実施形態に係る圧粉コア1に含有される結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末(本明細書において、これらの粉末を「磁性粉末」と総称することもある。)を固定することに寄与する材料である限り、その組成は限定されない。結着成分を構成する材料として、樹脂材料および樹脂材料の熱分解残渣(本明細書において、これらを「樹脂材料に基づく成分」と総称する。)などの有機系の材料、無機系の材料などが例示される。樹脂材料として、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂などが例示される。無機系の材料からなる結着成分は水ガラスなどガラス系材料が例示される。結着成分は一種類の材料から構成されていてもよいし、複数の材料から構成されていてもよい。結着成分は有機系の材料と無機系の材料との混合体であってもよい。
結着成分として、通常、絶縁性の材料が使用される。これにより、圧粉コア1としての絶縁性を高めることが可能となる。
2.圧粉コアの製造方法
上記の本発明の一実施形態に係る圧粉コア1の製造方法は特に限定されないが、次に説明する製造方法を採用すれば、圧粉コア1をより効率的に製造することが実現される。
本発明の一実施形態に係る圧粉コア1の製造方法は、次に説明する成形工程を備え、さらに熱処理工程を備えていてもよい。
(1)成形工程
まず、磁性粉末、および圧粉コア1において結着成分を与える成分を含む混合物を用意する。結着成分を与える成分(本明細書において、「バインダー成分」ともいう。)とは、結着成分そのものである場合もあれば、結着成分と異なる材料である場合もある。後者の具体例として、バインダー成分が樹脂材料であって、結着成分がその熱分解残渣である場合が挙げられる。
この混合物の加圧成形を含む成形処理により成形製造物を得ることができる。加圧条件は限定されず、バインダー成分の組成などに基づき適宜決定される。例えば、バインダー成分が熱硬化性の樹脂からなる場合には、加圧とともに加熱して、金型内で樹脂の硬化反応を進行させることが好ましい。一方、圧縮成形の場合には、加圧力が高いものの、加熱は必要条件とならず、短時間の加圧となる。
以下、混合物が造粒粉であって、圧縮成形を行う場合について、やや詳しく説明する。造粒粉は取り扱い性に優れるため、成形時間が短く生産性に優れる圧縮成形工程の作業性を向上させることができる。
(1−1)造粒粉
造粒粉は、磁性粉末およびバインダー成分を含有する。造粒粉におけるバインダー成分の含有量は特に限定されない。かかる含有量が過度に低い場合には、バインダー成分が磁性粉末を保持しにくくなる。また、バインダー成分の含有量が過度に低い場合には、熱処理工程を経て得られた圧粉コア1中で、バインダー成分の熱分解残渣からなる結着成分が、複数の磁性粉末を互いに他から絶縁しにくくなる。一方、上記のバインダー成分の含有量が過度に高い場合には、熱処理工程を経て得られた圧粉コア1に含有される結着成分の含有量が高くなりやすい。圧粉コア1中の結着成分の含有量が高くなると、圧粉コア1の磁気特性が低下しやすくなる。それゆえ、造粒粉中のバインダー成分の含有量は、造粒粉全体に対して、0.5質量%以上5.0質量%以下となる量にすることが好ましい。圧粉コア1の磁気特性が低下する可能性をより安定的に低減させる観点から、造粒粉中のバインダー成分の含有量は、造粒粉全体に対して、1.0質量%以上3.5質量%以下となる量にすることが好ましく、1.2質量%以上3.0質量%以下となる量にすることがより好ましい。
造粒粉は、上記の磁性粉末およびバインダー成分以外の材料を含有してもよい。そのような材料として、潤滑剤、シランカップリング剤、絶縁性のフィラーなどが例示される。潤滑剤を含有させる場合において、その種類は特に限定されない。有機系の潤滑剤であってもよいし、無機系の潤滑剤であってもよい。有機系の潤滑剤の具体例として、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸アルミニウムなどの金属石鹸が挙げられる。こうした有機系の潤滑剤は、熱処理工程において気化し、圧粉コア1にはほとんど残留していないと考えられる。
造粒粉の製造方法は特に限定されない。上記の造粒粉を与える成分をそのまま混錬し、得られた混練物を公知の方法で粉砕するなどして造粒粉を得てもよいし、上記の成分に分散媒(水が一例として挙げられる。)を添加してなるスラリーを調製し、このスラリーを乾燥させて粉砕することにより造粒粉を得てもよい。粉砕後にふるい分けや分級を行って、造粒粉の粒度分布を制御してもよい。
上記のスラリーから造粒粉を得る方法の一例として、スプレードライヤーを用いる方法が挙げられる。図2に示されるように、スプレードライヤー装置200内には回転子201が設けられ、スプレードライヤー装置200の上部からスラリーSを回転子201に向けて注入する。回転子201は所定の回転数により回転しており、スプレードライヤー装置200内部のチャンバーにてスラリーSを遠心力により小滴状として噴霧する。さらにスプレードライヤー装置200内部のチャンバーに熱風を導入し、これにより小滴状のスラリーSに含有される分散媒(水)を、小滴形状を維持したまま揮発させる。その結果、スラリーSから造粒粉Pが形成される。この造粒粉Pをスプレードライヤー装置200の下部から回収する。回転子201の回転数、スプレードライヤー装置200内に導入する熱風温度、チャンバー下部の温度など各パラメータは適宜設定すればよい。これらのパラメータの設定範囲の具体例として、回転子201の回転数として4000〜6000rpm、スプレードライヤー装置200内に導入する熱風温度として130〜170℃、チャンバー下部の温度として80〜90℃が挙げられる。またチャンバー内の雰囲気およびその圧力も適宜設定すればよい。一例として、チャンバー内をエアー(空気)雰囲気として、その圧力を大気圧との差圧で2mmHO(約0.02kPa)とすることが挙げられる。得られた造粒粉Pの粒度分布をふるい分けなどによりさらに制御してもよい。
(1−2)加圧条件
圧縮成形における加圧条件は特に限定されない。造粒粉の組成、成形品の形状などを考慮して適宜設定すればよい。造粒粉を圧縮成形する際の加圧力が過度に低い場合には、成形品の機械的強度が低下する。このため、成形品の取り扱い性が低下する、成形品から得られた圧粉コア1の機械的強度が低下する、といった問題が生じやすくなる。また、圧粉コア1の磁気特性が低下したり絶縁性が低下したりする場合もある。一方、造粒粉を圧縮成形する際の加圧力が過度に高い場合には、その圧力に耐えうる成形金型を作成するのが困難になってくる。圧縮加圧工程が圧粉コア1の機械特性や磁気特性に悪影響を与える可能性をより安定的に低減させ、工業的に大量生産を容易に行う観点から、造粒粉を圧縮成形する際の加圧力は、0.3GPa以上2GPa以下とすることが好ましく、0.5GPa以上2GPa以下とすることがより好ましく、0.8GPa以上2GPa以下とすることが特に好ましい。
圧縮成形では、加熱しながら加圧を行ってもよいし、常温で加圧を行ってもよい。
(2)熱処理工程
成形工程により得られた成形製造物が本実施形態に係る圧粉コア1であってもよいし、次に説明するように成形製造物に対して熱処理工程を実施して圧粉コア1を得てもよい。
熱処理工程では、上記の成形工程により得られた成形製造物を加熱することにより、磁性粉末間の距離を修正することによる磁気特性の調整および成形工程において磁性粉末に付与された歪を緩和させて磁気特性の調整を行って、圧粉コア1を得る。
熱処理工程は上記のように圧粉コア1の磁気特性の調整が目的であるから、熱処理温度などの熱処理条件は、圧粉コア1の磁気特性が最も良好となるように設定される。熱処理条件を設定する方法の一例として、成形製造物の加熱温度を変化させ、昇温速度および加熱温度での保持時間など他の条件は一定とすることが挙げられる。
熱処理条件を設定する際の圧粉コア1の磁気特性の評価基準は特に限定されない。評価項目の具体例として圧粉コア1の鉄損Pcvを挙げることができる。この場合には、圧粉コア1の鉄損Pcvが最低となるように成形製造物の加熱温度を設定すればよい。鉄損Pcvの測定条件は適宜設定され、一例として、周波数を100kHz、実行最大磁束密度Bmを100mTとする条件が挙げられる。
熱処理の際の雰囲気は特に限定されない。酸化性雰囲気の場合には、バインダー成分の熱分解が過度に進行する可能性や、磁性粉末の酸化が進行する可能性が高まるため、窒素、アルゴンなどの不活性雰囲気や、水素などの還元性雰囲気で熱処理を行うことが好ましい。
3.電子・電気部品
本発明の一実施形態に係る電子・電気部品は、上記の本発明の一実施形態に係る圧粉コア1、コイルおよびこのコイルのそれぞれの端部に接続された接続端子を備える。ここで、圧粉コア1の少なくとも一部は、接続端子を介してコイルに電流を流したときにこの電流により生じた誘導磁界内に位置するように配置されている。
このような電子・電気部品の一例として、図3に示されるトロイダルコイル10が挙げられる。トロイダルコイル10は、リング状の圧粉コア(トロイダルコア)1に、被覆導電線2を巻回することによって形成されたコイル2aを備える。巻回された被覆導電線2からなるコイル2aと被覆導電線2の端部2b,2cとの間に位置する導電線の部分において、コイル2aの端部2d,2eを定義することができる。このように、本実施形態に係る電子・電気部品は、コイルを構成する部材と接続端子を構成する部材とが同一の部材から構成されていてもよい。
以下、実施例等により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例等に限定されるものではない。
(実施例1から24)
(1)Fe基非晶質合金粉末の作製
Fe71.4原子%Ni6原子%Cr2原子%10.8原子%7.8原子%2原子%なる組成になるように原料を秤量して、水アトマイズ法を用いて粒度分布が異なる7種類の非晶質磁性材料の粉末(アモルファス粉末)を作製した。得られた非晶質磁性材料の粉末の粒度分布を日機装社製「マイクロトラック粒度分布測定装置 MT3300EX」を用いて体積分布で測定し、体積基準の累積粒度分布における10%累積径D10、体積基準の累積粒度分布における50%累積径(第一メジアン径d1)D50、体積基準の累積粒度分布における90%累積径D90を求めた。また、結晶質磁性材料の粉末として、絶縁処理を施されたカルボニル鉄の粉末を用意した。この粉末の次の粒度分布に関するパラメータは次のとおりであった。
体積基準の累積粒度分布における10%累積径D10:2.13μm
体積基準の累積粒度分布における50%累積径(第二メジアン径d2)D50:4.3μm
体積基準の累積粒度分布における90%累積径D90:7.55μm
これらの値から、第一粒度比を算出した。その結果を表1に示す。
(2)造粒粉の作製
上記の非晶質磁性材料の粉末および結晶質磁性材料の粉末を表1に示される第一混合比率となるように混合して磁性粉末を得た。得られた磁性粉末98.4質量部およびアクリル樹脂からなる絶縁性結着材1.4質量部を、溶媒としての水に混合してスラリーを得た。
得られたスラリーを乾燥後に粉砕し、目開き300μmのふるいを用いて、300μmメッシュを通過した粉末からなる造粒粉を得た。
(3)圧縮成形
得られた造粒粉を金型に充填し、面圧1.96GPaで加圧成形して、外径20mm×内径12.7mm×厚さ7mmのリング形状を有する成形体を得た。
(4)熱処理
得られた成形体を、窒素気流雰囲気の炉内に載置し、炉内温度を、室温(23℃)から昇温速度10℃/分で370℃まで加熱し、この温度にて1時間保持し、その後、炉内で室温まで冷却する熱処理を行い、圧粉コアからなるトロイダルコアを得た。
(試験例1)鉄損Pcvの測定
実施例1から24により作製したトロイダルコアに被覆銅線をそれぞれ1次側40回、2次側10回巻いて得られたトロイダルコイルについて、BHアナライザー(岩崎通信機社製「SY−8218」)を用いて、実効最大磁束密度Bmを100mTとする条件で、測定周波数100kHzで鉄損Pcv(単位:kW/m)を測定した。その結果を表2に示す。
(試験例2)透磁率の測定
実施例により作製したトロイダルコアに被覆銅線を34回巻いて得られたトロイダルコイルについて、インピーダンスアナライザー(HP社製「42841A」)を用いて、100kHzの条件で、初透磁率μ0、および直流電流を重畳し、それによる直流印加磁場が5500A/mのときの比透磁率μ5500を測定した。結果を表2に示す。
(試験例3)コア密度およびコア合金比率の測定
実施例により作製したトロイダルコアの寸法および重量を測定して、これらの数値から各トロイダルコアの密度を算出した。その結果を表2に示す。非晶質磁性材料の比重は7.348g/cm、結晶質磁性材料の比重は7.874g/cmであったことから、これらの数値および第一混合比率を用いて、各トロイダルコアに含有される磁性粉末の合金比重を求めた。先に求めたコア密度を求めた合金比重により除して、各トロイダルコアのコア合金比率を求めた。その結果を表2に示す。
図4は、μ5500とコア合金比率との関係を示すグラフである。図4に示されるように、コア合金比率が高い圧粉コアほどμ5500が高くなり、直流重畳特性が向上する傾向がみられた。
図5は、鉄損Pcvと第一混合比率との関係を示すグラフである。第一混合比率が高くなる、すなわち、結晶質磁性材料の粉末の含有量が増加することに伴い、鉄損Pcvは高くなる傾向がみられた。
図6は、μ5500と第一混合比率との関係に第一粒度比が与える影響を示すグラフである。第一粒度比が高いほど第一混合比率の増加に伴うμ5500の増加は顕著となる傾向がみられた。また、第一粒度比が1.25の場合を例として確認したように、第一混合比率が20質量%以上となると、第一混合比率を増加させてもμ5500は増加しにくくなる傾向を有することが確認された。この傾向および上記の第一混合比率と鉄損Pcvとの関係から、第一混合比率は20質量%程度に上限を設定するべきであることが確認された。
図7は、鉄損Pcvと第一混合比率との関係に第一粒度比が与える影響を示すグラフである。第一粒度比が低いほど第一混合比率の増大に伴う鉄損Pcvの増加は顕著となる傾向がみられた。また、第一粒度比が高いほど鉄損Pcvは高くなる傾向も確認された。
図6および7においてみられた傾向を確認するために、図6に示されるグラフ(μ5500と第一混合比率との関係)における各第一粒度比のプロットを直線近似したときの傾きS1と、図7に示されるグラフ(鉄損Pcvと第一混合比率との関係)における各第一粒度比のプロットを直線近似したときの傾きS2とを求めた。その結果を表3および図8に示す。図8は、傾きS1と傾きS2とを第一粒度比を横軸としてプロットしたグラフである。

表3および図8に示されるように、傾きS1は第一粒度比が高いほど大きく、これは、μ5500が第一混合比率に対する依存性が強いことを示している。これは、第一粒度比が高い場合には、非晶質磁性材料の粉末の粒径が比較的大きいため、非晶質磁性材料の粉末の表面積が比較的小さく、少ない結晶質磁性材料の粉末により非晶質磁性材料の粉末を覆うことができているためである可能性がある。
一方、傾きS2は第一粒度比が低いほど大きく、これは、鉄損Pcvが第一混合比率に対する依存性が強いことを示している。傾きS2は0.95以上になると傾きS2の変化は小さくなる。よって、第一粒度比は0.95以上とすることでより安定的に鉄損Pcvを小さく出来ることがわかる。これは、第一粒度比が低い場合には、非晶質磁性材料の粉末の粒径が比較的小さいため、非晶質磁性材料の粉末間の空隙が狭くなり、結晶質磁性材料の粉末はこの空隙に入り込むように強く変形を受けているためである可能性がある。
(実施例25から27)
Fe71.4原子%Ni6原子%Cr2原子%10.8原子%7.8原子%2原子%なる組成になるように原料を秤量して、水アトマイズ法を用いて粒度分布が異なる3種類の非晶質磁性材料の粉末(アモルファス粉末)を作製した。得られた非晶質磁性材料の粉末の粒度分布を日機装社製「マイクロトラック粒度分布測定装置 MT3300EX」を用いて体積分布で測定し、体積基準の累積粒度分布における10%累積径D10および体積基準の累積粒度分布における50%累積径(第一メジアン径d1)D50を求めた。これらの結果を表4に示す。また、結晶質磁性材料の粉末として、絶縁処理を施されたカルボニル鉄の粉末を用意した。この粉末の次の粒度分布に関するパラメータは次のとおりであった。
体積基準の累積粒度分布における10%累積径D10:2.13μm
体積基準の累積粒度分布における50%累積径(第二メジアン径d2)D50:4.3μm
体積基準の累積粒度分布における90%累積径D90:7.55μm
これらの値から、第一粒度比を算出した。その結果を表4に示す。表4には、傾向の把握を容易にする観点から前述の実施例の一部の結果も合わせて示した。
上記の非晶質磁性材料の粉末および結晶質磁性材料の粉末を表4に示される第一混合比率となるように混合して磁性粉末を得た。以下、実施例1から24の場合と同様の操作を行って、圧粉コアからなるトロイダルコアを得た。
上記の試験例2と同様の試験を行って、初透磁率μ0および比透磁率μ5500を測定した。上記の試験例3と同様の試験を行って、コア合金比率を測定した。測定結果および変化率を表4に示す。図9は、実施例25から27の測定結果を、実施例7,10,11および20の測定結果とともに示したグラフである。図9中、白丸(○)は第一混合比率が10質量%の場合(実施例10および25から27)の結果であり、黒丸(●)は第一混合比率が20質量%の場合(実施例7,11および20)の結果である。図9に示されるように、第一混合比率が10質量%であっても20質量%であっても、第一粒度比が増加するとμ5500が増加する傾向が確認された。
(試験例4)空隙分散度の測定
実施例25から28に係るトロイダルコアのそれぞれを切断して断面観察を行った。断面における任意の3カ所を観察部として設定し、1か所あたりの視野を約120μm×約90μmとして、二次電子顕微鏡を用いて観察画像を得た。
図10は、実施例25に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。図11は、実施例10に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。図12は、図11に示される二値化画像を得る前の段階の二値化画像であって、磁性粉末の空孔に基づく空隙部が残っている二値化画像である。図13は、実施例26に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。図14は、実施例27に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。図15は、実施例7に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。図16は、実施例20に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。図17は、実施例11に係るトロイダルコアに関する3つの断面観察画像の1つについて二値化した結果を示す画像である。
各観察画像について、次に説明する自動二値化を行った。まず、測定対象である対象画像のヒストグラムの最小値を最初のしきい値に設定した。このしきい値以下の輝度の画素の平均輝度と、このしきい値よりも高い輝度の画素の平均輝度とを求め、これらの平均輝度の中間値を新たなしきい値とした。この新たなしきい値以下の輝度の画素の平均輝度と、この新たなしきい値よりも高い輝度の画素の平均輝度とを求め、これらの平均輝度の中間値を新たなしきい値とした。こうして新たなしきい値を繰り返し求め、新しいしきい値が直前のしきい値よりも小さくなったときに、その新しいしきい値を最終的なしきい値として、二値化を行った。さらに、ノイズ除去のために中央値フィルタを掛けた後に、空隙部に相当する領域に対して極限浸食点を求めそれにより空隙部を分割した。こうして、観察画像における空隙部を特定した。
ここで、空隙部であると特定された一群の領域(画像中の輝度階調値は0)のうち、磁性粉末の内部に形成された空孔に由来することが当初の観察画像から明らかであるものについては、空隙部ではないと判断して、磁性粉末の一部であるとする処理(具体的には、空隙部である場合の輝度階調値(0)から磁性粉末である場合の輝度階調値(1)に置き換える処理)を行った(図11および図12参照)。こうして、各観察画像から、互いに独立した複数の空隙部(輝度階調値:0)とこれらの空隙部を取り囲むように位置する背景(輝度階調値は1であって磁性粉末を含む。)とからなる二値化画像を得た(図10、図11および図13から図17)。
図18は、図10に示される実施例25に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。図19は、図11に示される実施例10に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。図20は、図19に示されるボロノイ図を得る前の段階のボロノイ図であって、周縁多角形が除去される前のボロノイ図である。図21は、図13に示される実施例26に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。図22は、図14に示される実施例27に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。図23は、図15に示される実施例7に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。図24は、図16に示される実施例20に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。図25は、図17に示される実施例11に係る二値化画像に基づいて作成したボロノイ図である。
得られた二値化画像を用いてボロノイ図を得た。ボロノイ図は最近位空隙部間の二等分線を結線して得られる図であり、ボロノイ図に示される複数の多角形の面積を用いることにより、空隙部の分散解析を行うことができる。ここで、上記の二値化画像から得られたボロノイ図において、周辺(図の端部を構成する辺)に接するように設定された多角形は、最近位空隙部間の情報を適切に含んでいない可能性がある。そこで、ボロノイ図を用いて空隙部の分散解析を行う前に、ボロノイ図を構成する複数の多角形のうち周辺に接する多角形(周縁多角形)を除去し(図19および図20参照)、この周縁多角形が除去されたボロノイ図を用いて空隙部の分散解析を行った。
各実施例に係るボロノイ図から求めた空隙分散度およびその平均値を、各実施例の第一粒度比とともに表5に示す。空隙分散度とは、ボロノイ図に示される複数の多角形における平均面積および面積標準偏差を求め、面積標準偏差を平均面積で除した値を意味する。表5には、ボロノイ図から求めた多角形の平均面積および面積標準偏差も示した。
図26は、表5に基づき作成した、空隙分散度(平均値)と第一粒度比との関係を示すグラフである。図26中、白丸(○)は第一混合比率が10質量%の場合(実施例10および25から27)の結果であり、黒丸(●)は第一混合比率が20質量%の場合(実施例7,11および20)の結果である。図26に示されるように、空隙分散度(平均値)と第一粒度比とは優れた線形性を有し、相関係数の二乗は0.9015となった。したがって、圧粉コアの断面を観察して前述の手順にてボロノイ図を作成し、このボロノイ図から求めた空隙分散度に基づいて、圧粉コアの第一粒度比を見積もることが可能である。
本発明の圧粉コアを用いた電子・電気部品は、ハイブリッド自動車等の昇圧回路や、発電、変電設備に用いられるリアクトル、トランスやチョークコイル等のインダクタとして好適に使用されうる。
1…圧粉コア(トロイダルコア)
10…トロイダルコイル
2…被覆導電線
2a…コイル
2b,2c…被覆導電線2の端部
2d,2e…コイル2aの端部
200…スプレードライヤー装置
201…回転子
S…スラリー
P…造粒粉

Claims (14)

  1. 結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を含有する圧粉コアであって、
    前記結晶質磁性材料の粉末の含有量と前記非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和は、83質量%以上であり、
    前記結晶質磁性材料の粉末の含有量と前記非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和に対する前記結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率は、20質量%以下であり、
    前記非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50は前記結晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50以上であり、
    前記非晶質磁性材料の粉末の体積基準の累積粒度分布における10%累積径D10の、前記結晶質磁性材料の粉末の体積基準の累積粒度分布における90%累積径D90に対する比は、0.3以上2.6以下であること
    を特徴とする圧粉コア。
  2. 前記結晶質磁性材料は、Fe−Si−Cr系合金、Fe−Ni系合金、Fe−Co系合金、Fe−V系合金、Fe−Al系合金、Fe−Si系合金、Fe−Si−Al系合金、カルボニル鉄および純鉄からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料を含む、請求項1項に記載の圧粉コア。
  3. 前記結晶質磁性材料はカルボニル鉄からなる、請求項2に記載の圧粉コア。
  4. 前記非晶質磁性材料は、Fe−Si−B系合金、Fe−P−C系合金およびCo−Fe−Si−B系合金からなる群から選ばれた1種または2種以上の材料を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  5. 前記非晶質磁性材料はFe−P−C系合金からなる、請求項4に記載の圧粉コア。
  6. 前記結晶質磁性材料の粉末は絶縁処理が施された材料からなる、請求項1から5のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  7. 前記結晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50は10μm以下である、請求項1から6のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  8. 前記結晶質磁性材料の粉末および前記非晶質磁性材料の粉末を、前記圧粉コアに含有される他の材料に対して結着させる結着成分を含有する、請求項1から7のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  9. 前記結着成分は、樹脂材料に基づく成分を含む、請求項8に記載の圧粉コア。
  10. 請求項9に記載される圧粉コアの製造方法であって、前記結晶質磁性材料の粉末および前記非晶質磁性材料の粉末ならびに前記樹脂材料からなるバインダー成分を含む混合物の加圧成形を含む成形処理により成形製造物を得る成形工程を備えることを特徴とする圧粉コアの製造方法。
  11. 前記成形工程により得られた前記成形製造物が前記圧粉コアである、請求項10に記載の製造方法。
  12. 前記成形工程により得られた前記成形製造物を加熱する熱処理により前記圧粉コアを得る熱処理工程を備える、請求項11に記載の製造方法。
  13. 請求項1から9のいずれかに記載される圧粉コア、コイルおよび前記コイルのそれぞれの端部に接続された接続端子を備えるインダクタであって、前記圧粉コアの少なくとも一部は、前記接続端子を介して前記コイルに電流を流したときに前記電流により生じた誘導磁界内に位置するように配置されているインダクタ。
  14. 請求項13に記載されるインダクタが実装された電子・電気機器であって、前記電子・電気部品は前記接続端子にて基板に接続されている電子・電気機器。
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