(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流角形比（Ｂｒ／Ｂｓ）が５０％以下、直流保磁力が０．３５〜１０Ｏｅ、１ＭＨｚの角形比（Ｂｒ／Ｂ１）が５〜３０％の範囲であるＦｅ基アモルファス合金薄帯からなる低損失磁心において、該Ｆｅ基アモルファス合金薄帯のアモルファス相中にはα−Ｆｅを主成分とする結晶が面積比で５〜５０％含まれると共に、該結晶の平均粒径が５〜１００ｎｍの範囲であると共に、該Ｆｅ基アモルファス合金組成が次の一般式を満たすことを特徴とする低損失磁心。
一般式：（Ｆｅ1-aＭa）100-c（Ｓｉ1-bＢb）c
Ｍ：Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗから選ばれる少なくとも１種以上
０≦ａ≦０．１
０．２≦ｂ≦１
１２≦ｃ≦２８    （ａｔ．％）
【請求項２】
該Ｆｅ基アモルファス合金薄帯の板厚が３〜１２μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の低損失磁心。
【請求項３】
該一般式におけるａ値が０．０１〜０．０８であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の低損失磁心。
【請求項４】
１ＭＨｚ、０．１Ｔにおける鉄損が３．０ｍＷ／ｃｃ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の低損失磁心。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、スイッチング電源等に用いられる磁心に係り、特にＭＨｚレベルの高周波領域において有効な低損失磁心に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器に対する小形軽量化、高性能化の要求に伴って、これらを構成する機能部品である磁性部品においても優れた磁気特性を持つ材料を用いて高性能化を図ることが求められている。
【０００３】
例えば、電子機器の安定化電源として、近年、スイッチング電源が幅広く用いられているが、電源に対する小形軽量化の要求が強まるにつれて、スイッチング周波数の高周波化が求められている。しかし、例えば磁気増幅器を組み込んだスイッチング電源の場合、金属材料の中で高周波特性の良好なアモルファス合金を用いたとしても、実用的には２００〜５００ｋＨｚが限度であり、一層の高周波化対応が望まれていた。
【０００４】
これと同様に、恒透磁率性が要求されるトランス、チョークコイルなどについても、高周波化が要求されている。従来よりトランスに用いられる材料はフェライトがその主流を占めている。しかしながら、フェライトを用いたトランスでは前述したような高周波化に対する要求を充分に満足させることができないという問題点があった。
【０００５】
また、一般に金属材料では板厚を薄くすることにより鉄損を抑え、高周波特性を改善できることが知られており、アモルファス合金においても厚さを低減して更に磁気特性を改善させることが検討されている。しかしながら、アモルファス合金薄帯は、一般に大気中で単ロール法など液体急冷法により作製されているが、この方法では板厚の低減が不十分であり、更に気泡の巻き込みなどによるピンホールが発生し、高周波化を含めた実用性の面においても問題があった。
【０００６】
さらに、本願発明の磁心には、低損失と同時に高保磁力が求められている。通常低損失化を図るためには、保磁力を少なくとも０．２Ｏｅ未満まで下げるという低保磁力化をその手段としてとるため、従来は、金属薄帯を得たのち、磁心を製造する段階でトロイダル状に巻回した後、樹脂含浸、キュアを経て、切断し、磁気的ギャップを設ける等の処理を施すことにより後天的に保磁力を高めていた。しかしながら、このプロセスにおいては各種応力、切断面の仕上がり状態などにより損失が増大するため材料の磁気特性を十分に生かしきれないという問題があった。さらに、ギャップを設けたことにより使用時に磁束の漏れが生じ、ノイズの原因となるという問題もあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、各種電子機器に対する高効率化、小形軽量化、また磁心に対する小形化、高性能化の要求に伴い、スイッチング電源等に用いられる磁心の高周波領域での低損失化が強く望まれている。
【０００８】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、磁心の高周波領域での低損失化ならびに高保磁力化を図り、これによって電源の高周波化に対応すると共に使用励磁範囲内での恒透磁率性を有する磁心を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明の低損失磁心は、直流角形比（Ｂｒ／Ｂｓ；Ｂｒは残留磁束密度，Ｂｓは飽和磁束密度）が５０％以下、保磁力が０．３５〜１０Ｏｅ、１ＭＨｚでの角形比（Ｂｒ／Ｂ１；Ｂ１は１Ｏｅ磁場を印加したときの磁束密度）が５〜３０％であるＦｅ基アモルファス合金薄帯からなることを特徴とする。
【００１０】
本願発明者らは、ＭＨｚレベルの高周波領域において、保磁力を下げずに低損失を得るために鋭意検討した結果、直流角形比（Ｂｒ／Ｂｓ）が５０％以下、１ＭＨｚでの角形比（Ｂｒ／Ｂ１）が５〜３０％の範囲においては、保磁力が０．３５〜１０（Ｏｅ）の範囲において、ＭＨｚレベルの高周波領域における低損失化が容易に得られることを見出だし、本発明の完成に至った。
【００１１】
本願発明の低損失磁心は、その直流角形比（Ｂｒ／Ｂｓ）を５０％以下とすることが好ましい。直流角形比が５０％以上であると、磁壁の移動によって渦電流損の低減が図れず、損失が大きくなる。よって、好ましくは４５％以下、さらには３０％以下が好ましい。
【００１２】
また、本願発明の低損失磁心は、１ＭＨｚでの角形比（Ｂｒ／Ｂ１）が５〜３０％の範囲とすることが好ましい。１ＭＨｚでのＢｒ／Ｂ１が５％未満であると、ヒステリシス損ならびに励磁電力が大きくなる。一方、３０％以上では、磁壁の移動が起こり十分な渦電流損の低減が図れず、損失が大きくなる。よって、好ましくは５〜２５％であり、さらには５〜２０％の範囲が好ましい。
【００１３】
更に、本願発明の低損失磁心は、その保磁力が０．３５〜１０Ｏｅの範囲が好ましい。前述したように従来の磁心材料としては保磁力は小さいほうが好ましかったが、本願発明では、特に従来の慣用的な定義では磁心材料の範疇ではなかった保磁力１Ｏｅ以上でも、前記角形比の範囲にすることによって十分低損失が得られている。なお、直流保磁力が１０Ｏｅ以上になると、ヒステリシス損が極めて大きくなるため、全損失が大きくなる。よって、好ましくは０．３５〜８Ｏｅ、さらには０．５〜８Ｏｅの範囲が好ましい。
【００１４】
また、本願発明のＦｅ基アモルファス合金薄帯には、α−Ｆｅを主成分とする結晶を面積比で５〜５０％析出させることが好ましい。α−Ｆｅ結晶の析出はＦｅ基アモルファス合金の磁歪を低減する効果をもたらし、ハンドリングに対する磁気特性の敏感性を改善する。さらに磁歪と磁路長で決まる共鳴もα−Ｆｅ結晶の存在によって小さくなるため使用周波数の制限がなくなり、ＭＨｚレベルの高周波領域においても良好な磁気特性が得られる。さらに、α−Ｆｅ結晶が磁壁の移動を妨げるため、ヒステリシス損は大きくなっても、特に高周波鉄損での寄与が大きい渦電流損を大幅に低減させることができる。よって、好ましくは、８〜４０％、さらには１０〜３０％の範囲が好ましい。
【００１５】
更に、前記α−Ｆｅを主成分とする結晶の平均結晶粒径は５〜１００ｎｍの範囲が好ましい。結晶粒径が５ｎｍ以下では磁壁のピンニングが起こりにくく、渦電流損の低減が図り難い。一方、１００ｎｍ以上では過剰のピンニング効果により、ヒステリシス損が大きくなりすぎる。よって、磁壁移動を妨げ最適なヒステリシス損を得るためには、平均結晶粒径８〜８０ｎｍが好ましく、さらには１０〜５０ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００１６】
ここで、このα−Ｆｅ結晶の析出量ならびに平均結晶粒径は、熱処理条件すなわち、熱処理温度ならびに熱処理時間によって制御することができる。α−Ｆｅ結晶の析出は、少なくとも結晶化温度（１０℃／分の昇温速度で熱分析した値）以下での歪取り熱処理で実現できるが，１０分以下の短時間の場合、結晶化温度以上でも可能である。
【００１７】
なお、結晶の析出状態ならびに平均結晶粒径は透過電子顕微鏡で観察した。結晶相の割合は、単位面積あたりのα−Ｆｅ結晶の析出量で、また平均結晶粒径はα−Ｆｅ結晶の最長径を求めたものである。
本発明のＦｅ基アモルファス合金は、一般式
（Ｆｅ１−ａＭａ）１００−ｃ（Ｓｉ１−ｂＢｂ）ｃ
Ｍ：Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗから選ばれる少なくとも１種以上
０≦ａ≦０．１
０．２≦ｂ≦１
１２≦ｃ≦２８  （ａｔ．％）
で表される。ここで、Ｍ元素は溶湯射出時の粘性を低減するため板厚の極薄化に有効な元素であるが、その量が０．１より大きいと十分な飽和磁化が得られない。よって、好ましくは０．０１〜０．０８、さらには０．０２〜０．０６の範囲が好ましい。なお、Ｍ元素としては特に低損失を得る場合、すなわちα−Ｆｅを容易に析出させる場合にはＶ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｃｕが好ましい。また最適熱処理温度の拡大にはＮｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗが好ましい。
【００１８】
ＳｉおよびＢはアモルファス化に必要な元素であるが、ｂが０．２未満のときにはアモルファス化が困難となる。また、Ｓｉの含有量は結晶化温度に寄与するため、熱処理の容易性を考慮するとｂは０．３〜０．９が好ましく、さらには０．４〜０．８の範囲が好ましい。さらに、このＳｉ量によりα−Ｆｅ結晶に固溶する量が決まり、０．５以上では規則相が見られる場合がある。
【００１９】
ＳｉとＢのトータル量は１２ａｔ％未満ではアモルファス化が困難であり、一方２８ａｔ％より大きいと良好な磁気特性が得難い。なお、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ３元系として考えると、ｃの値として１２〜２６ａｔ．％が好ましく、さらにα−Ｆｅ結晶の析出には、共晶組成よりもＦｅリッチ側、すなわち１２〜２２ａｔ％の範囲が好ましい。
【００２０】
上記アモルファス合金は大気中で通常の単ロール法で得られるが、特にピンホールが少なく、表面の平滑性を高める場合には、減圧下、あるいはＨｅ雰囲気中で作製することが好ましい。また、板厚は３〜１２μｍの範囲が高周波対応には有効であり、特に上記ピンホールレス、表面平滑性、磁心作製時の占積率を考慮すると４〜１２μｍの範囲が好ましい。
本願発明の低損失磁心は、例えば以下の方法により得られる。
【００２１】
すなわち、合金溶湯をノズルより高速移動する冷却体の上に噴出し、超急冷することによって、アモルファス合金薄帯を製造する際に、ノズルから噴出される合金溶湯が高速移動する冷却体に接触する雰囲気を、６０ｔｏｒｒ未満の不活性雰囲気または０．１ｔｏｒｒ以下の減圧下とする。
【００２２】
具体的には、母合金を入れた石英ノズルまわりを０．１ｔｏｒｒ  以下に真空排気する、またはその後不活性ガスを６０ｔｏｒｒ以下まで置換し、Ｆｅ基ロール、Ｎｉ基ロールまたはＣｕ基ロールを用いることにより、ピンホールの少ない良好な表面平滑性をもつ極薄アモルファス合金を作製することができる。なお、ここで不活性ガスは、Ｈｅ，Ａｒが好ましい。
【００２３】
また、ノズル先端のスリット形状における長辺は、得られる薄帯の幅を決めるものであり、２ｍｍ  以上の適当な値を設定できる。また、短辺は薄帯の板厚を決める重要な値であり、０．２ｍｍ  以下が好ましく、さらに０．１５ｍｍ以下が好ましい。ロール周速は２０ｍ／ｓｅｃ以上であればよく、２５ｍ／ｓ以上が好ましい。なお、上限は７０ｍ／ｓ  であり、これ以上では得られる薄帯が切れることがしばしばある。射出圧は、極薄薄帯を作製するには、０．０５ｋｇ／ｃｍ２以下であればよく、好ましくは０．０３ｋｇ／ｃｍ２であり、さらに好ましくは０．０２ｋｇ／ｃｍ２である。
【００２４】
本発明の低損失磁心は、上述した製造方法によって得られるアモルファス合金を巻回したり、あるいは１層または複数層積層することによって、所望の形状に成形した後、結晶化温度以下で歪取り熱処理を行うことをよって得られる。
これらの熱処理における雰囲気は特に問わず、窒素、Ａｒなどの不活性雰囲気中、大気中などのいずれでも良い。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって詳細に説明する。
【００２６】
実施例１
（Ｆｅ１−ｘＶｘ）８３（Ｓｉ０．３Ｂ０．７）１７［ここで、ｘは０，０．０２，０．０４，０．０６］
なる組成のアモルファス合金を真空中で単ロール法により作製し、板厚７．０μｍのアモルファス合金薄帯を得た。得られた薄帯を外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ５ｍｍ  に成形した後に、結晶化温度以下で、時間と温度を変化させて、１ＭＨｚ，０．１Ｔにおける高周波鉄損、直流角形比（Ｂｒ／Ｂｓ）、直流保磁力等の磁気特性を評価した。高周波鉄損、およびＢｒ／Ｂ１は磁気測定測定システム（岩崎通信機ＳＹ８６１７）で、直流磁気特性はＤＣＢＨフラックスメータを用いて測定した。
結果を図１に示すが、本発明の範囲の磁気特性の場合に高周波での低損失が得られていることがわかる。
【００２７】
実施例２〜４：比較例１〜３
（Ｆｅ０．９６Ｍｎ０．０４）８２（Ｓｉ０．３Ｂ０．７）１８なる組成のアモルファス合金を真空中で単ロール法により作製し、板厚７．０μｍのアモルファス合金薄帯を得た。得られた薄帯を外径１２ｍｍ、内径８ｍｍ  、高さ５ｍｍ  に成形した後に、表１に示す各熱処理温度で、時間を３０分一定として熱処理し、表１に示す粒径のα−Ｆｅ結晶を同じく表１に示す割合で析出させ、各種磁気特性のα−Ｆｅ結晶への依存性ならびに熱処理温度への依存性を調べた。高周波鉄損、直流角形比（Ｂｒ／Ｂｓ）、直流保磁力は実施例１と同じ条件で測定し、透磁率の周波数特性は、ＬＣＲメータを用いて、励磁界２ｍＯｅの条件で測定した。
【００２８】
各種磁気特性の評価結果を表１と図２に示す。表１から本発明のα−Ｆｅを主成分とする結晶が面積比で５〜５０％含まれ、またα−Ｆｅ結晶の平均粒径が５〜１００ｎｍの範囲である磁心は高周波領域において所望の磁気特性を満たしていることがわかる。また、図２から前記本願発明の面積率と粒径を満たすα−Ｆｅ結晶を有する本願発明の磁心では磁歪に基づく共鳴が小さくなっていることがわかる。
【００２９】
【表１】
0003638291.tif 000002
【００３０】
実施例６〜２０：比較例４〜５
表２に示した合金組成を真空中で単ロール法により作製し、表２に示す板厚のアモルファス合金薄帯を得た。得られた薄帯を外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ５ｍｍ  に成形して、それぞれの結晶化温度以下で３０分歪取り熱処理を行った。この後、実施例１と同様に磁気特性を評価した。結果を表２に示すが、本発明の磁心は高周波損失が極めて小さい事がわかる。また、直流での初磁化曲線から異方性磁界Ｈｓを求めたところ、本発明の磁心では大きな値が得られている。この磁場までのＢＨリニアリティは良く、優れた恒透磁率性をもつことがわかる。
【００３１】
【表２】
0003638291.tif 000003
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、磁心の高周波領域での低損失化ならびに高保磁力化を図り、これによって電源の高周波化に対応すると共に使用励磁範囲内での恒透磁率性を有する磁心を提供することができ、各種電子機器に対する高効率化、小形軽量化、また磁心に対する小形化、高性能化の要求に十分対応できるため極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１に示したＦｅ基アモルファス合金に対して、種々の熱処理を行ったときの１ＭＨｚ，０．１Ｔにおける直流角形比（Ｂｒ／Ｂｓ），直流保磁力（Ｈｃ）と鉄損の関係を示す図である。
【図２】  本発明の実施例２〜４ならびに比較例１〜３に示したＦｅ基アモルファス合金における透磁率の周波数特性を各熱処理温度毎に示す図である。
【図１】
0003638291.tif 000004
【図２】
0003638291.tif 000005