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JP2017208462A - 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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JP2017208462A JP2016100194A JP2016100194A JP2017208462A JP 2017208462 A JP2017208462 A JP 2017208462A JP 2016100194 A JP2016100194 A JP 2016100194A JP 2016100194 A JP2016100194 A JP 2016100194A JP 2017208462 A JP2017208462 A JP 2017208462A
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Akinobu Kojima
章伸 小島
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桂一郎 佐藤
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Akira Sato
昭 佐藤
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Yoichi Abiko
世一 安彦
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Takao Mizushima
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Abstract

【課題】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について、絶縁耐圧特性に優れるとともに、鉄損が低減された良好なインダクタを与える圧粉コアを提供すること。【解決手段】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である第一混合比率は、40質量%以上90質量%以下である。【選択図】図7

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、および当該インダクタが実装された電子・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、鉄損が低いことと絶縁耐圧特性に優れること(本発明において、インダクタに直流電圧または60Hz以下の周波数の交流電圧が印加されたときに絶縁破壊が生じる電圧(絶縁破壊電圧)が高いことを意味する。)とを兼ね備えることが求められている。
特許文献1には、高温環境下における絶縁抵抗の低下を改善する手段として、鉄系の結晶質合金磁性粉と鉄系の非晶質合金磁性粉とを混合してなる混合磁性粉において、結晶質合金磁性粉と非晶質合金磁性粉の配合比をそれぞれ60〜90wt%、40〜10wt%とした複合磁性材料が開示されている。
特許文献2には、圧粉磁心の絶縁性および耐食性を良好にする手段として、非晶質磁性合金の粉末および結晶質のFe−Cr系合金粉末を混合した混合磁性材料粉末と、絶縁性結着剤とからなる磁心材料において、非晶質磁性合金の粉末とFe−Cr合金粉末との混合比率を、Fe−Cr系合金粉末の、混合磁性材料粉末に占める重量比率を10〜60wt%とした複合磁性材料が開示されている。
特開2004−197218号公報 特開2007−134381号公報
特許文献1および特許文献2はいずれも、結晶質合金粉末の配合量が多くなると、圧粉コアの絶縁抵抗が低下することに着目し、混合磁性粉における結晶質合金磁性粉と非晶質合金磁性粉との配合比を調整することにより、絶縁抵抗の低下を防いでいる。しかしながら、特許文献1および特許文献2はいずれも、圧粉コアの絶縁耐圧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、絶縁耐圧特性に優れるとともに、鉄損が低減された良好なインダクタを与える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、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である第一混合比率を適切に調整することにより、圧粉コアの絶縁耐圧特性を向上させることが可能であり、好ましい一形態では、圧粉コアが含有する結晶質磁性材料の粉末と非晶質磁性材料の粉末との混合比率から推測される範囲を超えて、非線形的に圧粉コアの絶縁耐圧特性を向上させること、および鉄損が低減された良好なインダクタを与える圧粉コアとな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である第一混合比率は、40質量%以上90質量%以下の圧粉コアである。
上記第一混合比率が上記の関係を満たす場合には、前記結晶質磁性材料または前記非晶質磁性材料の粉末単体から推測される範囲を超えて、非線形的に、圧粉コアの絶縁耐圧特性を向上させること、およびインダクタの鉄損を低減させる圧粉コアとすることが可能である。
前記圧粉コアは、第一混合比率が、50質量%以上70質量%以下であってもよい。
前記圧粉コアは、絶縁耐圧値が、磁性粉末として前記非晶質磁性材料の粉末のみを含有する圧粉コアの絶縁耐圧値を基準(100%)として、120%以上であってもよい。
前記圧粉コアは、絶縁耐圧値が、磁性粉末として前記結晶質磁性材料の粉末のみを含有する圧粉コアの絶縁耐圧値を基準(100%)として、110%以上であってもよい。
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いてもよい。
前記結晶質磁性材料はFe−Si−Cr系合金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。絶縁処理が施されることにより、圧粉コアの絶縁耐圧特性や絶縁抵抗の向上や高周波帯域での鉄損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、優れた絶縁耐圧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、高電圧化や高周波化に対応しやすい。
上記の発明に係る圧粉コアは、第一混合比率が適切に調整されているため、かかる圧粉コアの絶縁耐圧特性を向上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コイル埋設型インダクタの形状を概念的に示す斜視図である。 実施例1における、絶縁耐圧の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。 実施例2における、絶縁耐圧の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。 実施例1および実施例2における、絶縁耐圧の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。 実施例1および実施例2における、非晶質磁性材料の粉末単体を基準とした各第1混合比率における絶縁耐圧比を示したグラフである。 実施例1および実施例2における、結晶質磁性材料の粉末単体を基準とした各第1混合比率における絶縁耐圧比を示したグラフである。 実施例1における、絶縁抵抗の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。 実施例1における、コア密度の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。 実施例1における、透磁率の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。 実施例2における、絶縁抵抗の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。 実施例2における、コア密度の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。 実施例2における、透磁率の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。
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のトロイダルコアであって、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を加圧成形すること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。
(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、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。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、Fe−Si−Cr系合金を含有することが好ましく、Fe−Si−Cr系合金からなることがより好ましい。Fe−Si−Cr系合金は結晶質磁性材料の中では鉄損Pcvを比較的低くすることが可能な材料であるため、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に対する結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率(本明細書において「第一混合比率」ともいう。)を高めても、圧粉コア1を備えるインダクタの鉄損Pcvが高まりにくい。Fe−Si−Cr系合金におけるSiの含有量およびCrの含有量は限定されない。限定されない例示として、Siの含有量を2〜7質量%程度とし、Crの含有量を2〜7質量%程度とすることが挙げられる。
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限定されない。結晶質磁性材料の粉末における、体積基準の粒度分布において小粒径側からの積算粒径分布が50%となる粒径(本明細書において「メジアン径」ともいう。)D50Cが15μm以下であることが好ましい場合がある。非晶質磁性材料の粉末に比べて結晶質磁性材料の粉末は軟質であるため、圧粉コア1の内部で結晶質磁性材料の粉末は変形している可能性が高い。このため、粒径の大小が圧粉コア1の特性に与える影響は比較的低い。結晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50Aは、10μm以下であることが好ましい場合があり、5μm以下であることがより好ましい場合があり、2μm以下であることが特に好ましい場合がある。
圧粉コア1における結晶質磁性材料の粉末の含有量は、第一混合比率が40質量%以上90質量%以下となる量である。第一混合比率が40質量%以上90質量%以下であることにより、非晶質磁性材料のみからなる場合に比べて、圧粉コア1の絶縁耐圧特性が向上する。この絶縁耐圧特性の向上は、圧粉コア1が結晶質磁性材料の粉末を上記範囲で含むことにより、絶縁破壊エネルギーが全体に分散されたためと考えられる。圧粉コア1の絶縁耐圧特性を安定的に向上させる観点から、第一混合比率は、45質量%以上85質量%以下であることがより好ましく、50質量%以上80質量%以下であることが特に好ましい。第一混合比率を上記範囲内にすることにより、例えば、D50Aが3μm以上20μm程度の非晶質磁性材料を用いて絶縁耐圧特性の良好な圧粉コア1を作製することができる。
圧粉コア1の絶縁耐圧値が、磁性粉末として非晶質磁性材料の粉末のみを含有する圧粉コアの絶縁耐圧値の1.2倍以上であることが好ましく、1.25倍以上であることがより好ましく、1.3倍以上であることが好ましい。ここで、「磁性粉末」とは、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をいう。「磁性粉末として前記非晶質磁性材料の粉末のみを含有する圧粉コア」とは、圧粉コア中の結晶質磁性材料をすべて非晶質磁性材料に置換したこと以外は、同じ成分および条件で製造した圧粉コアのことをいう。
結晶質磁性材料の粉末の少なくとも一部は表面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表面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表面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。結晶質磁性材料の粉末に施す表面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、非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50Aが50μm以下であることが好ましい場合がある。非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50Aが50μm以下であることにより、圧粉コア1の絶縁抵抗を向上させつつ鉄損Pcvを低減させることが容易となる場合がある。圧粉コア1の絶縁抵抗を向上させつつ鉄損Pcvを低減させることをより安定的に実現させる観点から、非晶質磁性材料の粉末のメジアン径D50Aは、20μm以下であることが好ましい場合があり、10μm以下、さらに好ましくは7μm以下であることが好ましい場合があり、5μm以下であることが特に好ましい場合がある。
(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4000〜8000rpm、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製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、実効最大磁束密度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.インダクタ、電子・電気機器
本発明の一実施形態に係るインダクタは、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。本発明の一実施形態に係るインダクタは、上記の本発明の一実施形態に係る圧粉コア1を備えるため、絶縁耐圧特性に優れるとともに、高周波であっても鉄損が増大しにくい。したがって、従来技術に係るインダクタに比べて、小型化することも可能である。
このようなインダクタの一例として、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、本実施形態に係るインダクタは、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。
本発明の一実施形態に係るインダクタの他の一例として、図4に示されるコイル埋設型インダクタ20が挙げられる。コイル埋設型インダクタ20は、数mm角の小形のチップ状に形成することが可能であり、箱型の形状を有する圧粉コア21を備え、その内部に、被覆導電線22におけるコイル部22cが埋設されている。被覆導電線22の端部22a,22bは、圧粉コア21の表面に位置し、露出している。圧粉コア21の表面の一部は、互いに電気的に独立な接続端部23a,23bによって覆われている。接続端部23aは被覆導電線22の端部22aと電気的に接続され、接続端部23bは被覆導電線22の端部22bと電気的に接続されている。図4に示されるコイル埋設型インダクタ20では、覆導電線22の端部22aは接続端部23aによって覆われ、覆導電線22の端部22bは接続端部23bによって覆われている。
被覆導電線22のコイル部22cの圧粉コア21内への埋設方法は限定されない。被覆導電線22を巻回した部材を金型内に配置し、さらに磁性粉末を含む混合物(造粒粉)を金型内に供給して、加圧成形を行ってもよい。あるいは、磁性粉末を含む混合物(造粒粉)をあらかじめ予備成形してなる複数の部材を用意し、これらの部材を組み合わせ、その際画成される空隙部内に被覆導電線22を配置して組立体を得て、この組立体を加圧成形してもよい。コイル部22cを含む被覆導電線22の材質は限定されない。例えば、銅合金とすることが挙げられる。コイル部22cはエッジワイズコイルであってもよい。接続端部23a,23bの材質も限定されない。生産性に優れる観点から、銀ペーストなどの導電ペーストから形成されたメタライズ層とこのメタライズ層上に形成されためっき層とを備えることが好ましい場合がある。このめっき層を形成する材料は限定されない。当該材料が含有する金属元素として、銅、アルミ、亜鉛、ニッケル、鉄、スズなどが例示される。
本発明の一実施形態に係る電子・電気機器は、上記の本発明の一実施形態に係るインダクタが実装された電子・電気機器であって、前記接続端子にて基板に接続されているものである。本発明の一実施形態に係る電子・電気機器は、本発明の一実施形態に係るインダクタが実装されているため、機器内に高電圧が印加されたり、高周波信号が印加されたりすることがあっても、インダクタの機能低下や発熱に起因する不具合が生じにくく、機器の小型化も容易である。
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
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)
(1)Fe基非晶質合金粉末の作製
Fe残部Ni5〜7原子%Cr2〜4原子%10〜13原子%5〜6原子%2〜4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た。体積基準の粒度分布において小粒径側からの積算粒径分布が50%となる粒径(メジアン径)D50Aは5μmであった。
また、結晶質磁性材料の粉末として、Fe−Si−Cr系合金、具体的には、Siの含有量が6〜7質量%、Crの含有量が3〜4質量%であって、残部はFeおよび不可避的不純物からなる合金からなり、メジアン径D50Cが2μmの粉末を用意した。
(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。磁性粉末を97.2質量部、アクリル樹脂またはフェノール樹脂からなる絶縁性結着材を2〜3質量部、およびステアリン酸亜鉛からなる潤滑剤0〜0.5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、図2に示されるスプレードライヤー装置200を用いて、上述した条件にて造粒し、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0.5〜1.5GPaで加圧成形して、外径20mm×内径12mm×厚さ3mm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℃/分で最適コア熱処理温度である200〜400℃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。
下記表1に示す、第一混合比率の異なるトロイダルコアを作製し、下記の測定方法により、コア密度、絶縁抵抗、絶縁耐圧、透磁率および鉄損Pcvを測定した。
(試験例1)絶縁耐圧の測定
測定装置としてKikusui社製「TOS5051A」なる耐圧測定器を用い、平行平板電極でサンプルとしてのトロイダルコアをはさみ、AC(50Hz)にて印加電圧を加えた。絶縁破壊する電圧を絶縁耐圧として求めた。
上記のようにして測定した、実施例1−2〜実施例1−8の絶縁耐圧値を、磁性粉末として非晶質磁性材料の粉末のみを含有する実施例1−1のトロイダルコアの絶縁耐圧値を基準(100%)とした場合の絶縁耐圧比(非晶質100%基準)および、磁性粉末として結晶質磁性材料の粉末のみを含有する実施例1−8のトロイダルコアの絶縁耐圧値を基準(100%)とした場合の絶縁耐圧比(結晶質100%基準)を求めた。
(試験例2)絶縁抵抗の測定
測定装置として旧Agilent(現Keysight)社「4339B」なる高抵抗測定器を用い、印加電圧20Vにて2端子法で測定した。
(試験例3)コア密度ρの測定
実施例1において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ρ(単位:g/cc)を算出した。
(試験例4)透磁率の測定
実施例1において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、インピーダンスアナライザー(HP社製「4192A」)を用いて、100kHzの条件で初透磁率μ0を測定した。
(試験例5)鉄損Pcvの測定
実施例1において作製したトロイダルコアに被覆銅線をそれぞれ1次側15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−8217」)を用いて、実効最大磁束密度Bmを15mTとする条件で、測定周波数2MHzで鉄損Pcv(単位:kW/m)を測定した。
上述した試験例1〜5の方法を用いて測定した結果を表1に示す。
図5は、実施例1についての絶縁耐圧の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。同図の絶縁耐圧のグラフに示されるように、実施例1では、非晶質磁性材料の粉末に結晶質磁性材料の粉末を混合することにより、各磁性粉末を単独で用いた場合と比較して、絶縁耐圧特性が向上した。すなわち、上記の異なる磁性粉末を混合することにより、相乗的に圧粉コアの絶縁耐圧値を増加させる効果が得られた。実施例1では、第一混合比率が30質量%〜40質量%付近から絶縁耐圧値が急激に高くなり、40質量%〜70質量%の範囲では絶縁耐圧比が120%以上となり、50質量%〜70質量%の範囲では絶縁耐圧比が130%以上となり、実施例1−1の非晶質磁性材料の粉末単体を基準(100%)とする絶縁耐圧比の値が30%以上向上した。
(実施例2)
実施例1において用いた磁性粉末とは、非晶質磁性材料の粉末の粒径、結晶質磁性材料の粉末の表面処理および粒径が異なる磁性粉末を用いて、実施例1と同様にして圧粉コアからなるトロイダルコアを得た。
具体的には、非晶質磁性材料の粉末として、組成が実施例1と同じであり、メジアン径D50Aが15μmであるFe基非晶質合金粉末を作製した。なお、実施例2において用いた非晶質磁性材料の粉末は、ガスアトマイズと水アトマイズとを連続的に行うアトマイズ法により作製した。
結晶質磁性材料の粉末として、Fe−Si−Cr系合金、具体的には、Siの含有量が6〜7質量%、Crの含有量が3〜4質量%であって、残部はFeおよび不可避的不純物からなる合金からなり、メジアン径D50Cが4μmの粉末を用意した。結晶質磁性材料の粉末は、リン酸塩系の表面絶縁処理が施されたものを用いた。
加圧成形の加圧力は0.5〜1.5GPaであって、熱処理では、窒素雰囲気内にて200〜400℃で1時間加熱した。
下記表2に示す、第一混合比率の異なるトロイダルコアを作製し、絶縁耐圧、絶縁抵抗、コア密度、透磁率および鉄損Pcvを測定した。
(試験例1〜5)
絶縁耐圧の測定、絶縁抵抗の測定、コア密度ρの測定、透磁率の測定および鉄損Pcvの測定を実施例1と同様にして行った。
非晶質磁性材料の粉末のみを含有する実施例2−1のトロイダルコアの絶縁耐圧値を基準(100%)とした場合の絶縁耐圧比(非晶質100%基準)および、磁性粉末として結晶質磁性材料の粉末のみを含有する実施例2−7のトロイダルコアの絶縁耐圧値を基準(100%)とした場合の絶縁耐圧比(結晶質100%基準)を求めた。
透磁率は、初透磁率μ0に加えて、トロイダルコイルに、100kHzの条件で直流電流を重畳し、それによる直流印加磁場が5500A/mのときの比透磁率μ5500をも測定した。測定結果を表2に示す。
図6は、実施例2についての絶縁耐圧の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。図6の絶縁耐圧のグラフに示されるように、実施例2でも実施例1同様、非晶質磁性材料の粉末に結晶質磁性材料の粉末を混合することにより、各粉末を単独で用いた場合と比較して絶縁耐圧特性が向上し、相乗的な効果が認められた。実施例2では、第一混合比率が40質量%付近から非晶質磁性材料の粉末よりも絶縁耐圧値が高くなり、70質量%〜90質量%の範囲で絶縁耐圧比が180%以上となり、実施例2−6の非晶質磁性材料の粉末単体を基準(100%)とする絶縁耐圧比の値が80%以上も向上した。
図7は、実施例1および実施例2における、絶縁耐圧の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。同図の結果から、非晶質磁性材料の粉末に結晶質磁性材料の粉末を混合することにより、各粉末を単独で用いた場合よりも、絶縁耐圧の高い圧粉コアが得られることが分かった。すなわち、図7は、圧粉コアに含まれる結晶質磁性材料の粉末と非晶質磁性材料の粉末との混合比率に基づき期待される以上に、すなわち、単なる加成性を超えた相乗的な効果により、絶縁耐圧特性に優れる圧粉コアが得られたことを示している。
図8は、実施例1および実施例2における、非晶質磁性材料の粉末単体を基準としたときの各第1混合比率における絶縁耐圧比を示したグラフであり、図9は、実施例1および実施例2における、結晶質材料の粉末単体を基準としたときの各第1混合比率における絶縁耐圧比を示したグラフである。
図5〜図9の結果から、この絶縁耐圧の値を向上させる効果は、非晶質磁性材料のメジアン径D50Aを適宜調整するともに、第一混合比率を40質量%以上90質量%以下の範囲内にすることにより、安定的に奏される。また、第1混合比率を50〜70質量%とすることで、非晶質磁性材料のメジアン径D50Aが大きい場合であっても小さい場合であっても、圧電コアの絶縁耐圧特性を向上させることが出来る。さらに、図9から上記のような第1混合比率(50〜70質量%)であると、磁性粉末として結晶質材料粉末のみを含有する圧粉コアを基準(100%)とした場合の絶縁耐圧比の値が110%以上、あるいは125%以上である圧粉コアが得られることがわかる。
図10〜図12は、この順に、実施例1についての絶縁抵抗、コア密度、および透磁率の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。
図13〜図15は、この順に、実施例2についての絶縁耐圧、絶縁抵抗、コア密度および透磁率の第一混合比率に対する依存性を示したグラフである。
表1および表2ならびに図5〜図15に示すように、非晶質磁性材料の粉末に結晶質磁性材料の粉末を混合することにより得られる優れる圧粉コアは、絶縁耐圧特性の向上に加えて、鉄損Pcvをほとんど増加させることなく絶縁耐圧を増加させることが可能となり、良好なインダクタを与えるものであった。
本発明によれば、絶縁耐圧特性に優れるとともに鉄損が低減された良好なインダクタを与える圧粉コアが得られ、その良好さの程度は、圧粉コアに含まれる結晶質磁性材料の粉末と非晶質磁性材料の粉末との混合比率に基づく期待を超える程度であることが本実施例により確認された。
本発明の圧粉コアを備えるインダクタは、ハイブリッド自動車等の昇圧回路の構成部品、発電・変電設備の構成部品、トランスやチョークコイル等の構成部品など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
20…コイル埋設型インダクタ
21…圧粉コア
22…被覆導電線
22a,22b…端部
23a,23b…接続端部
22c…コイル部
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 (16)

  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である第一混合比率は、40質量%以上90質量%以下である圧粉コア。
  2. 前記第一混合比率は、50質量%以上70質量%以下である請求項1に記載の圧粉コア。
  3. 前記圧粉コアは、絶縁耐圧値が、磁性粉末として前記非晶質磁性材料の粉末のみを含有する圧粉コアの絶縁耐圧値を基準(100%)として、120%以上である、請求項1または2に記載の圧粉コア。
  4. 前記圧粉コアは、絶縁耐圧値が、磁性粉末として前記結晶質磁性材料の粉末のみを含有する圧粉コアの絶縁耐圧値を基準(100%)として、110%以上である、請求項1、2、または3に記載の圧粉コア。
  5. 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から4のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  6. 前記結晶質磁性材料はFe−Si−Cr系合金からなる、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6のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  8. 前記非晶質磁性材料はFe−P−C系合金からなる、請求項7に記載の圧粉コア。
  9. 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8のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  10. 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9のいずれか一項に記載の圧粉コア。
  11. 前記結着成分は、樹脂材料に基づく成分を含む、請求項10に記載の圧粉コア。
  12. 請求項11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。
  13. 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12に記載の圧粉コアの製造方法。
  14. 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12に記載の圧粉コアの製造方法。
  15. 請求項1から11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。
  16. 請求項15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。
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