KR20130111357A

KR20130111357A - 연자성 분말, 압분 자심 및 자성 소자

Info

Publication number: KR20130111357A
Application number: KR1020130031922A
Authority: KR
Inventors: 이사무 오쯔까; 유 마에따; 도시꾸니 사또
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2013-10-10
Also published as: US9196404B2; US20130255836A1; CN103366913B; JP2013213247A; TW201339326A; CN103366913A; TWI577809B; KR102088534B1; JP6089430B2

Abstract

조성이 Fe₁₀₀ _{－a－b－c－} _dMn_aSi_bB_cC_d(a, b, c, d는 모두 원자％), 단 0.1≤a≤10, 3≤b≤15, 3≤c≤15, 0.1≤d≤3인 비정질 합금 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연자성 분말.

Description

연자성 분말, 압분 자심 및 자성 소자{SOFT MAGNETIC POWDER, DUST CORE, AND MAGNETIC DEVICE}

본 발명은, 연자성 분말, 압분 자심 및 자성 소자에 관한 것이다.

최근, 노트북 컴퓨터와 같은 모바일 기기의 소형화·경량화가 현저하다. 또한, 노트북 컴퓨터의 성능은, 데스크탑형 퍼스널 컴퓨터의 성능으로 손색없을 정도까지 향상이 도모되고 있다.

이와 같이, 모바일 기기의 소형화 및 고성능화를 도모하기 위해서는, 스위칭 전원의 고주파수화가 필요해진다. 이로 인해, 스위칭 전원의 구동 주파수는, 수 100㎑ 정도까지 고주파수화가 진행되고 있다. 또한, 그에 수반하여, 모바일 기기에 내장된 초크 코일이나 인덕터 등의 자성 소자의 구동 주파수도 고주파수화에의 대응이 필요해진다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, Fe, M(단, M은, Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W로부터 선택된 적어도 1종의 원소), Si, B, C를 포함하는 비정질 합금으로 이루어지는 박대(薄帶)가 개시되어 있다. 또한, 이 박대를 적층하고, 펀칭 가공 등을 실시함으로써 제조된 자심이 개시되어 있다. 이러한 자심에 의해, 교류 자기 특성의 향상이 도모되는 것이 기대되고 있다.

그러나 박대로부터 제조된 자심에서는, 자성 소자의 구동 주파수가 더욱 고주파수화된 경우, 와전류에 의한 쥴 손실(와전류 손실)의 현저한 증대를 피할 수 없다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 연자성 분말과 결합재(바인더)와의 혼합물을 가압·성형한 압분 자심이 사용되고 있다.

한편, 비정질 합금 재료로 구성된 연자성 분말은, 고유 저항값이 높으므로, 이러한 연자성 분말을 포함하는 자심에서는, 와전류 손실의 억제가 도모되게 된다. 그 결과, 고주파에 있어서의 철손을 저하시킬 수 있다. 특히 Fe기 비정질 합금은, 포화 자속 밀도가 높으므로, 자성 디바이스용 연자성 재료로서 유용하다.

그러나 Fe기 비정질 합금은 자왜가 높으므로, 특정 주파수하에서 맥놀이를 발생시킴과 함께, 자기 특성의 향상(예를 들면 저보자력화 및 고투자율화)을 저해한다고 하는 문제가 있다.

일본 특허 출원 공개 제2007-182594호 공보

본 발명의 목적은, 자심으로서 이용되었을 때에 철손의 저하와 자기 특성의 향상을 양립할 수 있는 연자성 분말, 이 연자성 분말을 이용하여 제조된 압분 자심, 및 이 압분 자심을 구비한 자성 소자를 제공하는 것에 있다.

상기 목적은, 하기의 본 발명에 의해 달성된다.

본 발명의 연자성 분말은, 조성이 Fe₁₀₀ _{－a－b－c－} _dMn_aSi_bB_cC_d(a, b, c, d는 모두 원자％), 단, 0.1≤a≤10, 3≤b≤15, 3≤c≤15, 0.1≤d≤3인 비정질 합금 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 비정질 합금 재료의 자왜를 저하시킴으로써, 자심으로서 이용되었을 때에 철손의 저하와 자기 특성의 향상을 고도로 양립한 연자성 분말이 얻어진다.

본 발명의 연자성 분말에서는, 상기 비정질 합금 재료는, 0.05≤c/(a＋b)≤1.5의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

이에 의해, B의 첨가에 의해 자기 특성의 향상을 저해하는 일 없이 비정질 합금 재료의 융점을 확실하게 저하시킬 수 있다.

본 발명의 연자성 분말에서는, 상기 비정질 합금 재료는, 6≤b＋c≤30의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

이에 의해, 포화 자속 밀도의 현저한 저하를 초래하는 일 없이, 비정질 합금 재료의 철손의 저하와 자기 특성의 향상을 고도로 양립시킬 수 있다.

본 발명의 연자성 분말에서는, 상기 비정질 합금 재료는, 0.01≤d/(a＋b)≤0.3의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

이에 의해, 우수한 자기 특성을 유지하면서 비정질 합금 재료의 비정질화 및 연자성 분말의 구형화를 확실하게 할 수 있다.

본 발명의 연자성 분말에서는, 평균 입경이 3㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 바람직하다.

이에 의해, 와전류가 흐르는 경로를 짧게 할 수 있으므로, 와전류 손실이 충분히 억제된 압분 자심을 얻을 수 있다.

본 발명의 연자성 분말에서는, 보자력이 4[Oe] 이하인 것이 바람직하다.

이에 의해, 히스테리시스손을 확실하게 억제할 수 있어, 철손을 충분히 저하시킬 수 있다.

본 발명의 연자성 분말에서는, 산소 함유율이 질량비로 150ppm 이상 3000ppm 이하인 것이 바람직하다.

이에 의해, 연자성 분말은, 철손, 자기 특성 및 내후성을 고도로 양립할 수 있는 것으로 된다.

본 발명의 압분 자심은, 합금 조성이 Fe₁₀₀ _－a－b－ _c-dMn_aSi_bB_cC_d(a, b, c, d는 모두 원자％)로 표시되고, 0.1≤a≤10, 3≤b≤15, 3≤c≤15, 및 0.1≤d≤3의 관계를 만족하는 비정질 합금 재료로 구성된 연자성 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 저철손과 고자기 특성이 고도로 양립한 압분 자심이 얻어진다.

본 발명의 자성 소자는, 본 발명의 압분 자심을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 소형이며 고성능의 자성 소자가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 자성 소자의 제1 실시 형태를 적용한 초크 코일을 도시하는 모식도(평면도).
도 2는 본 발명의 자성 소자의 제2 실시 형태를 적용한 초크 코일을 도시하는 모식도(투과 사시도).
도 3은 표 1에 나타내는 포화 자속 밀도, 투자율 및 보자력과 연자성 분말 중의 Mn의 함유율과의 관계를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 연자성 분말, 압분 자심 및 자성 소자에 대해, 첨부 도면에 나타내는 양호한 실시 형태에 기초하여 상세하게 설명한다.

[연자성 분말]

본 발명의 연자성 분말은, 합금 조성이 Fe₁₀₀ _{－a－b－c－} _dMn_aSi_bB_cC_d(a, b, c, d는 모두 원자％)로 표시되고, 0.1≤a≤10, 3≤b≤15, 3≤c≤15, 및 0.1≤d≤3의 관계를 만족하는 비정질 합금 재료로 구성된 분말이다.

이러한 연자성 분말은, Fe기 비정질 합금 분말이므로 와전류 손실이 작고 포화 자속 밀도가 높은 데다, Mn을 포함함으로써 보자력이 낮고 또한 투자율이 높다. 따라서, 이 연자성 분말을 이용함으로써, 고주파에 있어서의 철손이 작고 또한 소형화가 용이한 압분 자심을 얻을 수 있다.

이하, 연자성 분말에 대해 더욱 상세하게 서술한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 연자성 분말은, 합금 조성이 Fe₁₀₀ _{－a－b－c－d}Mn_aSi_bB_cC_d(a, b, c, d는 모두 원자％)로 표시되는 비정질 합금 재료로 구성된 분말이다. 그리고 a, b, c, d는, 0.1≤a≤10, 3≤b≤15, 3≤c≤15, 및 0.1≤d≤3의 관계를 만족하고 있다.

각 원소 중, Mn(망간)은, 비정질 합금 재료의 자왜를 저하시키도록 작용한다. 자왜의 저하에 의해, 보자력도 저하된다. 이에 의해, 히스테리시스손이 감소하고, 철손이 저하되므로, 고주파 영역에 있어서의 철손의 저감에 유리해진다. 또한, 자왜의 저하에 수반하여 투자율이 상승하고, 외부 자계에 대한 응답성이 향상된다.

이러한 현상이 일어나는 이유는 명확하지는 않지만, Mn의 원자 사이즈가 Fe의 원자 사이즈에 매우 가깝고, Fe의 원자를 Mn의 원자에 의해 용이하게 치환 가능하므로, 일정량의 Mn을 포함함으로써 비정질의 원자 배치를 저해하는 일 없이, 자왜를 저하시키는 것이 비교적 용이하기 때문이라고 생각된다. 이로 인해, 저보자력화 및 고투자율화가 도모되는 것으로 생각된다. 그러나 과잉의 Mn의 첨가는, 포화 자속 밀도의 저하를 초래하므로, Mn 첨가량에 있어서의 자속 밀도의 설정이 중요하다.

또한, Mn은 Si보다도 산화되기 쉬우므로, 연자성 분말의 제조 시에 표면에 산화 망간을 석출시킨다. 이 산화 망간은, 입자의 표면에 점재하도록 석출되는 경향이 높고, 그 간극을 메우도록, Mn에 이어서 산화되기 쉬운 원소의 산화물(예를 들면 산화 규소 등)이 석출된다고 생각된다. 이와 같이 다른 조성의 산화물로 이루어지는 불연속적인 석출물에 의해 입자 표면이 덮여지게 되므로, 입자 표면의 절연성이 향상되고, 입자간 저항이 증대한다. 이에 의해, 자속 밀도 및 투자율이 높고, 와전류 손실이 작은 압분 자심을 제조 가능한 연자성 분말이 얻어진다.

비정질 합금 재료에 있어서의 Mn의 함유율 a는, 0.1≤a≤10의 관계를 만족한다. Mn의 함유율 a가 상기 하한값을 하회하면, 자왜의 저하가 한정적으로 되고, 철손의 저하와 자기 특성의 향상을 양립시킬 수 없다. 한편, Mn의 함유율 a가 상기 상한값을 상회하면, 비정질화가 저해됨과 함께, 포화 자속 밀도가 저하되고, 역시 철손의 저하와 자기 특성의 향상을 양립시킬 수 없다.

또한, Mn의 함유율 a는, 0.5≤a≤9의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 0.7≤a≤8.5의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 1≤a≤8의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다.

각 원소 중, Si(규소)는, 비정질 합금 재료의 투자율을 높이는 것에 기여한다. 또한, 일정량의 Si를 첨가함으로써, 비정질 합금 재료의 고유 저항값을 높일 수 있으므로, 연자성 분말의 와전류 손실을 억제할 수 있다. 나아가서는, 일정량의 Si를 첨가함으로써, 보자력도 저하시킬 수 있다.

비정질 합금 재료에 있어서의 Si의 함유율 b는, 3≤b≤15의 관계를 만족한다. Si의 함유율 b가 상기 하한값을 하회하면, 비정질 합금 재료의 투자율 및 고유 저항값을 충분히 높일 수 없어, 외부 자계에 대한 응답성 향상이나 와전류 손실의 저하를 충분히 달성할 수 없다. 한편, Si의 함유율 b가 상기 상한값을 상회하면, 비정질화가 저해됨과 함께, 포화 자속 밀도가 저하되고, 철손의 저하와 자기 특성의 향상을 양립시킬 수 없다.

또한, Si의 함유율 b는, 4.5≤b≤13의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 5.5≤b≤12.5의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 6≤b≤11.5의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다.

각 원소 중, B(붕소)는, 비정질 합금 재료의 융점을 저하시켜, 비정질화를 용이하게 한다. 이로 인해, 비정질 합금 재료의 고유 저항값을 높일 수 있고, 연자성 분말의 와전류 손실을 억제할 수 있다.

비정질 합금 재료에 있어서의 B의 함유율 c는, 3≤c≤15의 관계를 만족한다. B의 함유율 c가 상기 하한값을 하회하면, 비정질 합금 재료의 융점을 충분히 저하시킬 수 없어, 비정질화가 곤란해진다. 한편, B의 함유율 c가 상기 상한값을 상회하면, 역시 비정질 합금 재료의 융점을 충분히 저하시킬 수 없어, 비정질화가 곤란해짐과 함께 포화 자속 밀도가 저하된다.

또한, B의 함유율 c는, 4.5≤c≤13의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 5.5≤c≤12.5의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 6.5≤c≤11.5의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다.

각 원소 중, C(탄소)는, 비정질 합금 재료의 용융 시의 점성을 낮추고, 비정질화 및 분말화를 용이하게 한다. 이로 인해, 비정질 합금 재료의 고유 저항값을 보다 높임과 함께 연자성 분말의 구형도를 높일 수 있고, 이 연자성 분말을 이용하여 압분 자심을 제조하면, 입자간의 간극이 작아져 충전율을 높일 수 있다. 또한, 입경이 고르게 된 연자성 분말 및 소직경의 연자성 분말을 효율적으로 제조할 수 있다.

비정질 합금 재료에 있어서의 C의 함유율 d는, 0.1≤d≤3의 관계를 만족한다. C의 함유율 d가 상기 하한값을 하회하면, 비정질 합금 재료를 용융하였을 때의 점성이 지나치게 높아, 연자성 분말이 다른 형상으로 된다. 이로 인해, 압분 자심을 제조하였을 때의 충전성을 충분히 높일 수 없어, 압분 자심의 포화 자속 밀도나 투자율을 충분히 높일 수 없다. 한편, C의 함유율 d가 상기 상한값을 상회하면, 비정질화를 저해하고 보자력이 증가한다.

또한, C의 함유율 d는, 0.5≤d≤2.8의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 0.7≤d≤2.6의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 1.2≤d≤2.5의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, Si의 함유율 b와 B의 함유율 c의 합 (b＋c)는, 6≤b＋c≤30의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 12≤b＋c≤28의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 15≤b＋c≤25의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다. 이 관계를 만족하도록 Si 및 B를 첨가함으로써, 포화 자속 밀도의 현저한 저하를 초래하는 일 없이, 비정질 합금 재료의 철손의 저하와 자기 특성의 향상을 고도로 양립시킬 수 있다.

또한, Si의 함유율 b와 B의 함유율 c와 C의 함유율 d는, b＞c＞d의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 낮은 철손과 높은 자기 특성을 보다 고도로 양립한 연자성 분말이 얻어진다.

한편, 상기 합 (b＋c)에 대한 Mn의 함유율 a의 비율은, 0.01≤a/(b＋c)≤3의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 0.03≤a/(b＋c)≤2의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 0.05≤a/(b＋c)≤1의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다. 이에 의해, Mn의 첨가에 의한 자왜의 저감과 Si 및 B에 의한 고유 저항값의 상승이 서로 상쇄되는 일 없이 최적화가 도모된다. 그 결과, 와전류 손실의 최소화를 도모할 수 있다. 또한, 비정질 합금 재료의 용융 시에 있어서 융점이 낮은 상태에서 산화 망간과 산화 규소의 쌍방이 확실하게 석출되고, 연자성 분말의 입자 표면의 절연성의 향상을 확실하게 달성할 수 있다. 이에 의해, 자속 밀도 및 투자율이 높고, 또한 와전류 손실이 작은 압분 자심을 확실하게 제조 가능한 연자성 분말이 얻어진다.

또한, Mn의 함유율 a와 Si의 함유율 b의 합 (a＋b)에 대한 B의 함유율 c의 비율은, 0.05≤c/(a＋b)≤1.5의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 0.07≤c/(a＋b)≤1.2의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 0.1≤c/(a＋b)≤1의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다. 이에 의해, B의 첨가에 의해 자기 특성의 향상을 저해하는 일 없이 비정질 합금 재료의 융점을 확실하게 저하시킬 수 있다. 그 결과, 자속 밀도 및 투자율이 높고, 또한 와전류 손실이 작은 압분 자심을 확실하게 제조 가능한 연자성 분말이 얻어진다.

또한, Mn의 함유율 a와 Si의 함유율 b의 합 (a＋b)에 대한 C의 함유율 d의 비율은, 0.01≤d/(a＋b)≤0.3의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 0.02≤d/(a＋b)≤0.25의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 0.03≤d/(a＋b)≤0.2의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다. 이에 의해, 우수한 자기 특성을 유지하면서 비정질 합금 재료의 비정질화 및 연자성 분말의 구형화를 확실하게 달성할 수 있다.

또한, B의 함유율 c와 C의 함유율 d의 합 (c＋d)에 대한 Mn의 함유율 a의 비율은, 0.01≤a/(c＋d)≤1의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 0.03≤a/(c＋d)≤0.85의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 0.05≤a/(c＋d)≤0.7의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다. 이에 의해, 자기 특성의 향상과 비정질화를 고도로 양립시킬 수 있다.

또한, Mn, Si, B, C 이외의 나머지는, Fe 또는 불가피 원소이다.

Fe는, 비정질 합금 재료의 주성분이며, 연자성 분말의 기본적인 자기 특성이나 기계적 특성에 큰 영향을 준다.

또한, 불가피 원소는, 원료 또는 연자성 분말의 제조 시에 의도하지 않게 혼입되는 원소이다. 불가피 원소는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 일례를 들면, O(산소), N(질소), P(인), S(황), Al(알루미늄) 등이다. 혼입량은, 원료나 제법에 따라 다르지만, 0.1원자％ 미만인 것이 바람직하고, 0.05원자％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명의 연자성 분말의 평균 입경은, 3㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 바람직하고, 4㎛ 이상 80㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 5㎛ 이상 60㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이러한 입경의 연자성 분말을 이용함으로써, 와전류가 흐르는 경로를 짧게 할 수 있으므로, 와전류 손실이 충분히 억제된 압분 자심을 얻을 수 있다.

또한, 평균 입경은, 레이저 회절법에 의해, 질량 기준으로 누적량이 50％로 될 때의 입경으로서 구해진다.

또한, 연자성 분말의 평균 입경이 상기 하한값을 하회한 경우, 연자성 분말을 가압·성형할 때의 성형성이 저하되므로, 얻어지는 압분 자심의 밀도가 저하되고, 포화 자속 밀도나 투자율이 저하될 우려가 있다. 한편, 연자성 분말의 평균 입경이 상기 상한값을 상회한 경우, 압분 자심 안에서 와전류가 흐르는 경로가 길어지므로, 와전류 손실이 증대할 우려가 있다.

또한, 연자성 분말의 입도 분포는, 될 수 있는 한 좁은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 연자성 분말의 평균 입경이 상기 범위 내이면, 최대 입경이 200㎛ 이하인 것이 바람직하고, 150㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 연자성 분말의 최대 입경을 상기 범위 내로 제어함으로써, 연자성 분말의 입도 분포를 보다 좁게 할 수 있고, 국소적으로 와전류 손실이 증대하는 등의 문제가 해소된다.

또한, 상기한 최대 입경이라 함은, 질량 기준으로 누적량이 99.9％로 될 때의 입경을 말한다.

또한, 연자성 분말의 입자의 짧은 직경을 S[㎛]로 하고, 긴 직경을 L[㎛]로 하였을 때, S/L로 정의되는 어스펙트비의 평균값은, 0.4 내지 1 정도인 것이 바람직하고, 0.7 내지 1 정도인 것이 보다 바람직하다. 이러한 어스펙트비의 연자성 분말은, 그 형상이 비교적 구형에 가까워지므로, 압분 성형되었을 때의 충전율이 높여진다. 그 결과, 포화 자속 밀도 및 투자율이 높은 압분 자심을 얻을 수 있다.

또한, 상기 긴 직경이라 함은, 입자의 투영상에 있어서 취할 수 있는 최대 길이를 말하며, 상기 짧은 직경이라 함은, 그 최대 길이에 직교하는 방향의 최대 길이를 말한다.

또한, 본 발명의 연자성 분말의 외관 밀도는, 3g/㎤ 이상인 것이 바람직하고, 3.5g/㎤ 이상인 것이 보다 바람직하다. 이와 같이 외관 밀도가 큰 연자성 분말을 이용하여 압분 자심을 제조한 경우, 각 입자의 충전율이 높아지므로, 특히 고밀도의 압분 자심이 얻어진다. 이에 의해, 투자율 및 자속 밀도가 특히 높은 압분 자심이 얻어진다.

또한, 본 발명에 있어서의 외관 밀도는, JIS Z 2504에 규정된 방법으로 측정된 것으로 한다.

또한, 본 발명의 연자성 분말은, 전술한 바와 같은 합금 조성을 가짐으로써, 바람직하게는 4Oe(318A/m) 이하, 보다 바람직하게는 1.5Oe(119A/m) 이하까지 저보자력화가 도모된다. 이러한 범위까지 저보자력화가 도모됨으로써, 히스테리시스손을 확실하게 억제할 수 있어, 철손을 충분히 저하시킬 수 있다.

또한, 연자성 분말의 포화 자속 밀도는, 될 수 있는 한 크면 좋지만, 0.8T 이상인 것이 바람직하고, 1.0T 이상인 것이 보다 바람직하다. 연자성 분말의 포화 자속 밀도가 상기 범위 내이면, 성능을 떨어뜨리는 일 없이 압분 자심을 충분히 소형화할 수 있다.

또한, 본 발명의 연자성 분말은, 산소 함유율이 질량비로 150ppm 이상 3000ppm 이하인 것이 바람직하고, 200ppm 이상 2500ppm 이하인 것이 보다 바람직하고, 200ppm 이상 1500ppm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 산소 함유율을 상기 범위 내로 억제함으로써, 연자성 분말은, 철손, 자기 특성 및 내후성을 고도로 양립할 수 있는 것으로 된다. 즉, 산소 함유율이 상기 하한값을 하회하는 경우에는, 연자성 분말의 입자에 적절한 두께의 산화물 피막이 형성되지 않는 등의 이유로부터 연자성 분말의 입자간 절연성이 저하되고 철손이 증대하거나 내후성이 저하될 우려가 있고, 한편, 산소 함유율이 상기 상한값을 상회하는 경우에는, 산화물 피막이 지나치게 두꺼워지고, 그만큼 자기 특성이 저하될 우려가 있다.

자성 분말 중의 산소 함유율은, 예를 들면, 원자 흡광 분석 장치, ICP 발광 분광 분석 장치, 산소 질소 동시 분석 장치 등에 의해 측정할 수 있다.

이상과 같은 연자성 분말은, 예를 들면, 분사법(예를 들면, 물 분사법, 가스 분사법, 고속 회전 수류 분사법 등), 환원법, 카르보닐법, 분쇄법 등의 각종 분말화법에 의해 제조된다.

이 중, 본 발명의 연자성 분말은, 분사법에 의해 제조된 것인 것이 바람직하고, 고속 회전 수류 분사법에 의해 제조된 것인 것이 보다 바람직하다. 분사법은, 용융 금속(용탕)을, 고속으로 분사된 유체(액체 또는 기체)에 충돌시킴으로써, 용탕을 미분화함과 함께 냉각하여, 금속 분말(연자성 분말)을 제조하는 방법이다. 연자성 분말을 이러한 분사법에 의해 제조함으로써, 극히 미소한 분말을 효율적으로 제조할 수 있다. 또한, 얻어지는 분말의 입자 형상이 표면 장력의 작용에 의해 구 형상에 가까워진다. 이로 인해, 압분 자심을 제조하였을 때 충전율이 높은 것이 얻어진다. 즉, 투자율 및 포화 자속 밀도가 높은 압분 자심을 제조 가능한 연자성 분말을 얻을 수 있다.

또한, 분사법으로서, 물 분사법을 이용한 경우, 분사하는 분사 물의 압력은, 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 75㎫ 이상 120㎫ 이하(750kgf/㎠ 이상 1200kgf/㎠ 이하) 정도로 되고, 보다 바람직하게는, 90㎫ 이상 120㎫ 이하(900kgf/㎠ 이상 1200kgf/㎠ 이하) 정도로 된다.

또한, 분사 물의 수온도, 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 1℃ 이상 20℃ 이하 정도로 된다.

또한, 분사 물은, 용탕의 낙하 경로 상에 정점을 갖고, 외경이 하방을 향해 점감하는 원추형으로 분사되고 있다. 이 경우, 분사 물이 형성하는 원추의 꼭지각 θ는, 10 내지 40° 정도인 것이 바람직하고, 15 내지 35° 정도인 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 전술한 바와 같은 조성의 연자성 분말을, 확실하게 제조할 수 있다.

또한, 물 분사법(특히 고속 회전 수류 분사법)에 따르면, 특히 빠르게 용탕을 냉각할 수 있다. 이로 인해, 넓은 합금 조성에 있어서 비정질화도가 높은 연자성 분말이 얻어진다.

또한, 분사법에 있어서 용탕을 냉각할 때의 냉각 속도는, 1×10⁴℃/s 이상인 것이 바람직하고, 1×10⁵℃/s 이상인 것이 보다 바람직하다. 이러한 급속한 냉각에 의해, 용탕의 상태에 있어서의 원자 배열, 즉, 각종의 원자가 균일하게 섞인 상태가 보존된 채 고화에 이르므로, 특히 비정질화도가 높은 연자성 분말이 얻어짐과 함께, 연자성 분말의 입자간에 있어서의 조성비의 차이가 억제되게 된다. 그 결과, 균질하며 자기 특성이 높은 연자성 분말이 얻어진다.

또한, 비정질 합금 재료로 구성된 연자성 분말은, 어닐링 처리를 실시한 것이 바람직하다. 이 어닐링 처리에 있어서의 가열 조건은, 비정질 합금 재료에 있어서의 결정화 온도 Tx －250℃ 이상 Tx 미만×5분 이상 120분 이하의 범위인 것이 바람직하고, 비정질 합금 재료의 결정화 온도 Tx －100℃ 이상 Tx 미만×10분 이상 60분 이하의 범위인 것이 보다 바람직하다. 이러한 가열 조건에서 어닐링 처리를 실시함으로써, 비정질 합금 재료로 구성된 연자성 분말이 어닐링되고, 분말 제조 시에 발생한 급냉 응고에 의한 잔류 응력을 완화할 수 있다. 이에 의해, 잔류 응력에 수반하는 비정질 연자성 분말의 왜곡이 완화되어 자기 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 이와 같이 하여 얻어진 연자성 분말에 대하여, 필요에 따라, 등급 분류를 행해도 된다. 등급 분류의 방법으로서는, 예를 들면, 체선별 등급 분류, 관성 등급 분류, 원심 등급 분류와 같은 건식 등급 분류, 침강 등급 분류와 같은 습식 등급 분류 등을 들 수 있다.

또한, 필요에 따라, 얻어진 연자성 분말을 조립(造粒)하도록 해도 된다.

[압분 자심 및 자성 소자]

본 발명의 자성 소자는, 초크 코일, 인덕터, 노이즈 필터, 리액터, 트랜스, 모터, 발전기와 같이, 자심을 구비한 각종 자성 소자에 적용 가능하다. 또한, 본 발명의 압분 자심은, 이들 자성 소자가 구비하는 자심에 적용 가능하다.

이하, 자성 소자의 일례로서, 2종류의 초크 코일을 대표로 설명한다.

<제1 실시 형태>

우선, 본 발명의 자성 소자의 제1 실시 형태를 적용한 초크 코일에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 자성 소자의 제1 실시 형태를 적용한 초크 코일을 도시하는 모식도(평면도)이다.

도 1에 도시하는 초크 코일(10)은, 링 형상(토로이달 형상)의 압분 자심(11)과, 이 압분 자심(11)에 권회된 도선(12)을 갖는다. 이러한 초크 코일(10)은, 일반적으로, 토로이달 코일이라고 칭해진다.

압분 자심(11)은, 본 발명의 연자성 분말과 결합재(바인더)와 유기 용매를 혼합하고, 얻어진 혼합물을 성형틀에 공급함과 함께, 가압·성형하여 얻어진 것이다.

압분 자심(11)의 제작에 이용되는 결합재의 구성 재료로서는, 예를 들면, 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리페닐렌설파이드계 수지 등의 유기 바인더, 인산 마그네슘, 인산 칼슘, 인산 아연, 인산 망간, 인산 카드뮴과 같은 인산염, 규산 나트륨과 같은 규산염(물유리) 등의 무기 바인더 등을 들 수 있지만, 특히, 열경화성 폴리이미드 또는 에폭시계 수지가 바람직하다. 이들 수지 재료는, 가열됨으로써 용이하게 경화됨과 함께, 내열성이 우수한 것이다. 따라서, 압분 자심(11)의 제조 용이성 및 내열성을 높일 수 있다.

또한, 연자성 분말에 대한 결합재의 비율은, 제작하는 압분 자심(11)이 목적으로 하는 자속 밀도나, 허용되는 와전류 손실 등에 따라 약간 다르지만, 0.5질량％ 이상 5질량％ 이하 정도인 것이 바람직하고, 1질량％ 이상 3질량％ 이하 정도인 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 연자성 분말의 각 입자끼리를 확실하게 절연하면서, 압분 자심(11)의 밀도를 어느 정도 확보하여, 압분 자심(11)의 투자율이 현저하게 저하되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 보다 투자율이 높고, 또한, 보다 저손실의 압분 자심(11)이 얻어진다.

또한, 유기 용매로서는, 결합재를 용해할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 톨루엔, 이소프로필 알코올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 클로로포름, 아세트산에틸 등의 각종 용매를 들 수 있다.

또한, 상기 혼합물 중에는, 필요에 따라, 임의의 목적으로 각종 첨가제를 첨가하도록 해도 된다.

이상과 같은 결합재에 의해, 연자성 분말의 표면이 피복되어 있다. 이에 의해, 연자성 분말의 각 입자는, 각각 절연성의 결합재에 의해 절연되어 있으므로, 압분 자심(11)에 고주파수에서 변화하는 자장을 부여해도, 이 자장 변화에 대한 전자 유도로 발생하는 기전력에 수반하는 유도 전류는, 각 입자의 비교적 좁은 영역에밖에 미치지 않는다. 이로 인해, 이 유도 전류에 의한 쥴 손실을 작게 억제할 수 있다.

또한, 이 쥴 손실은, 압분 자심(11)의 발열을 초래하게 되므로, 쥴 손실을 억제함으로써, 초크 코일(10)의 발열량을 줄일 수도 있다.

한편, 도선(12)의 구성 재료로서는, 도전성이 높은 재료를 들 수 있고, 예를 들면, Cu, Al, Ag, Au, Ni 등의 금속 재료, 또는 이러한 금속 재료를 포함하는 합금 등을 들 수 있다.

또한, 도선(12)의 표면에, 절연성을 갖는 표면층을 구비하고 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 압분 자심(11)과 도선(12)과의 단락을 확실하게 방지할 수 있다.

이러한 표면층의 구성 재료로서는, 예를 들면, 각종 수지 재료 등을 들 수 있다.

다음으로, 초크 코일(10)의 제조 방법에 대해 설명한다.

우선, 본 발명의 연자성 분말과, 결합재와, 각종 첨가제와, 유기 용매를 혼합하고, 혼합물을 얻는다.

이어서, 혼합물을 건조시켜 괴상의 건조체를 얻은 후, 이 건조체를 분쇄함으로써, 조립분을 형성한다.

다음으로, 이 혼합물 또는 조립분을, 제작해야 하는 압분 자심의 형상으로 성형하고, 성형체를 얻는다.

이 경우의 성형 방법으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 프레스 성형, 압출 성형, 사출 성형 등의 방법을 들 수 있다. 또한, 이 성형체의 형상 치수는, 이후의 성형체를 가열하였을 때의 수축분을 예상하여 결정된다.

다음으로, 얻어진 성형체를 가열함으로써, 결합재를 경화시키고, 압분 자심(11)을 얻는다. 이때, 가열 온도는, 결합재의 조성 등에 따라 약간 다르지만, 결합재가 유기 바인더로 구성되어 있는 경우, 바람직하게는 100℃ 이상 500℃ 이하 정도로 되고, 보다 바람직하게는 120℃ 이상 250℃ 이하 정도로 된다. 또한, 가열 시간은, 가열 온도에 따라 다르지만, 0.5시간 이상 5시간 이하 정도로 된다.

이상에 의해, 본 발명의 연자성 분말을 가압·성형하여 이루어지는 압분 자심(본 발명의 압분 자심)(11), 및, 이러한 압분 자심(11)의 외주면을 따라 도선(12)을 권회하여 이루어지는 초크 코일(본 발명의 자성 소자)(10)이 얻어진다. 이러한 초크 코일(10)은, 장기간에 걸치는 내식성이 우수하고, 또한, 고주파수 영역에서의 손실(철손)이 작은 저손실의 것으로 된다.

또한, 본 발명의 연자성 분말에 따르면, 자기 특성이 우수한 압분 자심(11)을 용이하게 얻을 수 있다. 이에 의해, 압분 자심(11)의 자속 밀도의 향상이나, 그에 수반하는 초크 코일(10)의 소형화나 정격 전류의 증대, 발열량의 저감을 용이하게 실현할 수 있다. 즉, 고성능의 초크 코일(10)이 얻어진다.

<제2 실시 형태>

다음으로, 본 발명의 자성 소자의 제2 실시 형태를 적용한 초크 코일에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 자성 소자의 제2 실시 형태를 적용한 초크 코일을 도시하는 모식도(투과 사시도)이다.

이하, 제2 실시 형태에 따른 초크 코일에 대해 설명하지만, 각각, 상기 제1 실시 형태에 따른 초크 코일과의 상이점을 중심으로 설명하고, 마찬가지의 사항에 대해서는, 그 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 따른 초크 코일(20)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 코일 형상으로 성형된 도선(22)을, 압분 자심(21)의 내부에 매설하여 이루어지는 것이다. 즉, 초크 코일(20)은, 도선(22)을 압분 자심(21)으로 몰드하여 이루어진다.

이러한 형태의 초크 코일(20)은, 비교적 소형의 것이 용이하게 얻어진다. 그리고 이러한 소형의 초크 코일(20)을 제조하는 경우, 투자율 및 자속 밀도가 크고, 또한, 손실이 작은 압분 자심(21)이, 그 작용·효과를 보다 유효하게 발휘한다. 즉, 보다 소형임에도 불구하고, 대전류에 대응 가능한 저손실·저발열의 초크 코일(20)이 얻어진다.

또한, 도선(22)이 압분 자심(21)의 내부에 매설되어 있으므로, 도선(22)과 압분 자심(21)과의 사이에 간극이 발생하기 어렵다. 이로 인해, 압분 자심(21)의 자왜에 의한 진동을 억제하고, 이 진동에 수반하는 소음의 발생을 억제할 수도 있다.

이상과 같은 본 실시 형태에 따른 초크 코일(20)을 제조하는 경우, 우선, 성형틀의 캐비티 내에 도선(22)을 배치함과 함께, 캐비티 내를 본 발명의 연자성 분말로 충전한다. 즉, 도선(22)을 포함하도록, 연자성 분말을 충전한다.

다음으로, 도선(22)과 함께, 연자성 분말을 가압하여 성형체를 얻는다.

이어서, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 이 성형체에 열처리를 실시한다. 이에 의해, 초크 코일(20)이 얻어진다.

이상, 본 발명의 연자성 분말, 압분 자심 및 자성 소자에 대해, 양호한 실시 형태에 기초하여 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 본 발명의 연자성 분말의 적용예로서 압분 자심에 대해 설명하였지만, 적용예는 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 자성 유체, 자기 차폐 시트, 자기 헤드 등의 자성 디바이스여도 된다.

실시예

다음으로, 본 발명의 구체적 실시예에 대해 설명한다.

1. 압분 자심 및 초크 코일의 제조

(샘플 No.1)

[1] 우선, 원재료를 고주파 유도로에서 용융함과 함께, 고속 회전 수류 분사법(각 표에서는, 「SWAP」이라고 표기함.)에 의해 분말화하여 연자성 분말을 얻었다. 이어서, 눈금 150㎛의 표준 체를 이용하여 등급 분류하였다. 얻어진 연자성 분말의 합금 조성을 표 1에 나타낸다.

[2] 다음으로, 얻어진 연자성 분말에 대해, 입도 분포 측정을 행하였다. 또한, 이 측정은, 레이저 회절 방식의 입도 분포 측정 장치(마이크로 트랙, HRA9320―X100 니끼소우 가부시끼가이샤제)에 의해 행하였다. 그리고 입도 분포로부터 연자성 분말의 평균 입경을 구하였다.

[3] 다음으로, 얻어진 연자성 분말과, 에폭시 수지(결합재), 톨루엔(유기 용매)을 혼합하여, 혼합물을 얻었다. 또한, 에폭시 수지의 첨가량은, 연자성 분말 100질량부에 대하여 2질량부로 하였다.

[4] 다음으로, 얻어진 혼합물을 교반한 후, 온도 60℃에서 1시간 가열하여 건조시키고, 괴상의 건조체를 얻었다. 이어서, 이 건조체를, 눈금 500㎛의 체로 치고, 건조체를 분쇄하여, 조립 분말을 얻었다.

[5] 다음으로, 얻어진 조립 분말을, 성형틀에 충전하고, 하기의 성형 조건에 기초하여 성형체를 얻었다.

<성형 조건>

·성형 방법 : 프레스 성형

·성형체의 형상 : 링 형상

·성형체의 치수 : 외경 28㎜, 내경 14㎜, 두께 10.5㎜

·성형 압력 : 20t/㎠(1.96㎬)

[6] 다음으로, 성형체를, 대기 분위기 중에 있어서, 온도 450℃에서 0.5시간 가열하여, 결합재를 경화시켰다. 이에 의해, 압분 자심을 얻었다.

[7] 다음으로, 얻어진 압분 자심을 이용하고, 이하의 제작 조건에 기초하여, 도 1에 도시하는 초크 코일(자성 소자)을 제작하였다.

<코일 제작 조건>

·도선의 구성 재료 : Cu

·도선의 선 직경 : 0.5㎜

·권취수(투자율 측정 시) : 7턴

·권취수(철손 측정 시) : 1차측 30턴, 2차측 30턴

(샘플 No.2 내지 12)

연자성 분말로서 표 1에 나타내는 것을 각각 이용하도록 한 것 이외는, 샘플 No.1과 마찬가지로 하여 압분 자심을 얻음과 함께, 이 압분 자심을 이용하여 초크 코일을 얻었다.

(샘플 No.13 내지 21)

연자성 분말로서 표 2에 나타내는 것을 각각 이용하도록 한 것 이외는, 샘플 No.1과 마찬가지로 하여 압분 자심을 얻음과 함께, 이 압분 자심을 이용하여 초크 코일을 얻었다.

(샘플 No.22 내지 30)

연자성 분말로서 표 3에 나타내는 것을 각각 이용하도록 한 것 이외는, 샘플 No.1과 마찬가지로 하여 압분 자심을 얻음과 함께, 이 압분 자심을 이용하여 초크 코일을 얻었다.

(샘플 No.31 내지 39)

연자성 분말로서 표 4에 나타내는 것을 각각 이용하도록 한 것 이외는, 샘플 No.1과 마찬가지로 하여 압분 자심을 얻음과 함께, 이 압분 자심을 이용하여 초크 코일을 얻었다.

(샘플 No.2a, 6a 내지 9a)

고속 회전 수류 분사법 대신에, 물 분사법(각 표에서는, 「W―atm」이라고 표기함.)을 이용하도록 한 것 이외는, 샘플 No.2, 6 내지 9와 마찬가지로 하여 압분 자심을 얻음과 함께, 이 압분 자심을 이용하여 초크 코일을 얻었다.

또한, 각 표에는, 각 샘플 No.의 연자성 분말 중, 본 발명에 상당하는 것에 대해서는 「실시예」, 본 발명에 상당하지 않는 것에 대해서는 「비교예」라고 나타냈다.

2. 연자성 분말, 압분 자심 및 초크 코일의 평가

2.1 연자성 분말의 산소 함유율의 측정

각 실시예 및 각 비교예에서 얻어진 연자성 분말에 대해, 그 산소 함유율을 산소 질소 동시 분석 장치(LECO사제, TC―136)에 의해 측정하였다.

2.2 초크 코일의 자기 특성의 측정

각 실시예 및 각 비교예에서 얻어진 초크 코일에 대해, 각각의 투자율 μ', 철손(코어 손실 Pcv), 보자력 및 포화 자속 밀도를 이하의 측정 조건에 기초하여 측정하였다.

<측정 조건>

·측정 주파수 : 100㎑, 1000㎑

·최대 자속 밀도 : 50mT

·측정 장치 : 교류 자기 특성 측정 장치(이와쯔게이소꾸 가부시끼가이샤제, B―H 애널라이저 SY8258)

이상, 평가 결과를 표 1 내지 4에 나타낸다.

표 1 내지 4로부터 명백해지는 바와 같이, 각 실시예에서 얻어진 초크 코일은, 포화 자속 밀도 및 투자율의 쌍방이 상대적으로 높고, 보자력이 상대적으로 낮은 것이 인정되었다. 즉, 이들 초크 코일은, 낮은 철손과 높은 자기 특성을 고도로 양립할 수 있는 것으로 되는 것이 확인되었다.

여기서, 표 1에 나타내는 포화 자속 밀도, 투자율 및 보자력과 연자성 분말 중의 Mn의 함유율과의 관계를 도 3에 나타낸다. 도 3으로부터도, 각 실시예에서 얻어진 초크 코일은, 저철손과 고자기 특성을 고도로 양립하고 있는 것이 확인되었다.

한편, 각 비교예에서 얻어진 초크 코일은, 포화 자속 밀도나 투자율 중 어느 한쪽이 상대적으로 낮거나, 또는 보자력이 상대적으로 높은 것이 확인되었다. 즉, 이들 초크 코일은, 낮은 철손과 높은 자기 특성을 양립하는 것이 곤란한 것으로 판단되었다.

10, 20 : 초크 코일
11, 21 : 압분 자심
12, 22 : 도선

Claims

조성이 Fe_{100－a－b－c－d}Mn_aSi_bB_cC_d(a, b, c, d는 모두 원자％), 단 0.1≤a≤10, 3≤b≤15, 3≤c≤15, 0.1≤d≤3인 비정질 합금 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연자성 분말.
제1항에 있어서,
상기 비정질 합금 재료는, 0.05≤c/(a＋b)≤1.5의 관계를 만족하는 연자성 분말.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 비정질 합금 재료는, 6≤b＋c≤30의 관계를 만족하는 연자성 분말.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비정질 합금 재료는, 0.01≤d/(a＋b)≤0.3의 관계를 만족하는 연자성 분말.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
평균 입경이 3㎛ 이상 100㎛ 이하인 연자성 분말.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
보자력이 4[Oe] 이하인 연자성 분말.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
산소 함유율이 질량비로 150ppm 이상 3000ppm 이하인 연자성 분말.
합금 조성이 Fe_{100－a－b－c－d}Mn_aSi_bB_cC_d(a, b, c, d는 모두 원자％)로 표시되고, 0.1≤a≤10, 3≤b≤15, 3≤c≤15, 및 0.1≤d≤3의 관계를 만족하는 비정질 합금 재료로 구성된 연자성 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 압분 자심.
제8항에 기재된 압분 자심을 구비하는 것을 특징으로 하는 자성 소자.