(57)【要約】【課題】  使用周波数と使用粉末の粒径との関係を規定ことにより、低コアロスの磁性体（圧粉磁心）を提供する。【解決手段】  Ｆｅ−Ｓｉ系軟磁性粉末を用いた磁性体において、その磁性体を所望する使用周波数で作動させたときに、磁性体のコアロスが、最小コアロスとその１．１倍値のコアロスとの範囲内に位置するように、軟磁性粉末の重量平均粒径が制御されていて、具体的には、軟磁性粉末の重量平均粒径をＤ（μｍ）とし、磁性体を作動させるときの使用周波数をＦ（ｋＨｚ）としたとき、Ｄとｆの間では次式：  −０．５×ｌｏｇ10ｆ＋１．７≦ｌｏｇ10Ｄ≦−０．５×ｌｏｇ10ｆ＋２．５（ただし、５００Ｈｚ≦ｆ≦３０ｋＨｚ）の関係が成立している。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ−Ｓｉ系軟磁性粉末を用いた磁性体において、
前記磁性体を所望する使用周波数で作動させたときに、前記磁性体のコアロスが、最小コアロスとその１．１倍値のコアロスとの範囲内に位置するように、前記軟磁性粉末の重量平均粒径が制御されていることを特徴とする磁性体。
【請求項２】
前記軟磁性粉末の重量平均粒径をＤ（μｍ）とし、前記磁性体を作動させるときの使用周波数をｆ（ｋＨｚ）としたとき、Ｄとｆの間では、次式：
−０．５×ｌｏｇ10ｆ＋１．７≦ｌｏｇ10Ｄ≦−０．５×ｌｏｇ10ｆ＋２．５
（ただし、５００Ｈｚ≦ｆ≦３０ｋＨｚ）
の関係が成立している請求項１の磁性体。
【請求項３】
１００００Ａ／ｍの直流磁界を印加したときの磁束密度が０．８Ｔ以上の値を示す請求項１または２の磁性体。
【請求項４】
前記Ｆｅ−Ｓｉ系軟磁性粉末におけるＳｉの含有量が０．２〜８質量％である請求項１〜３のいずれかの磁性体。
【請求項５】
更に、前記Ｆｅ−Ｓｉ系軟磁性粉末には、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｂ、Ｃ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＭｏおよびＶの群から選ばれる少なくとも１種が含有されている（ただし、その含有量はＳｉとの合計量が０．２〜８質量％を満たす量である）請求項４の磁性体。
【請求項６】
圧粉磁芯である請求項１〜５のいずれかの磁性体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＦｅ−Ｓｉ系の軟磁性粉末を用いて製造された磁性体に関し、更に詳しくは、その磁性体を所望の使用周波数で作動させたときのコロアスを制御できるように設計されている磁性体、とりわけ圧粉磁心として有用な磁性体に関する。
【背景技術】
【０００２】
デスクトップパソコン、ノートパソコン、パソコンサーバ、ゲーム機、エアコン、冷蔵庫、太陽光発電装置、自動車の直噴エンジン制御や高輝度放電型のベッドライトなどの制御用電源には、スイッチング電源やＤＣ−ＤＣコンバータが不可欠になっている。そして、これら電源の平滑用コイルや昇圧チョッパ用チョークコイルには、磁性体の１種である例えば圧粉磁心が組み込まれている。
【０００３】
この圧粉磁心は、一般に、次のようにして製造されている。
まず、所定組成の軟磁性合金に機械粉砕やアトマイズ法を適用して所定の粒度分布を有する軟磁性粉末を製造する。ついで、この軟磁性粉末に、例えば水ガラス、リン酸、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、イミド樹脂のような絶縁材料であると同時に結着能を有する材料の所定量を混合して、絶縁皮膜で被覆された軟磁性粉末を製造する。
そして、この軟磁性粉末を、例えばステアリン酸亜鉛のような潤滑剤と一緒に金型に充填したのち例えばプレス成形して所定形状をした圧粉磁心の成形体を製造する。
【０００４】
そして最後に、この成形体の磁気焼鈍を行って成形時の蓄積歪みを除去して目的とする圧粉磁心にする。
このような圧粉磁心を前記したような用途に用いる場合に重要な問題は、使用時におけるコロアスが可及的に小さいことである。コロアスが大きい場合には、電力エネルギのロスが大きくなり、低効率化が不可避となるからである。
【０００５】
例えば、最近、電力変換用のスイッチング電源に用いられる大電力用のリアクトル磁心として圧粉磁心の使用が検討されているが、その場合、圧粉磁心に対する使用周波数は、数百〜３０ｋＨｚ程度になる。そして、その使用周波数において、省エネルギ化のために当該スイッチング電源を高効率化することが必要であり、そのためには、組み込まれている圧粉磁心のその使用周波数におけるコロアスを低減させることが必要になる。
【０００６】
ところで、圧粉磁心のコアロスは、当該圧粉磁心がある組成の軟磁性粉末で構成されている場合には、その重量平均粒径によって大きな影響を受けることが知られている（非特許文献１を参照）。
この非特許文献１では、製造条件を一定にした状態で、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系のアトマイズ粉を用いて製造した各種の圧粉磁心の場合、粉末の重量平均粒径を７〜１１μｍにすると、得られた圧粉磁心の、励磁磁束密度０．１Ｔ、周波数１００ｋＨｚにおけるコアロスは２２０〜２７０Ｗ／ｍ3にまで低減することが報告されている。
【０００７】
したがって、ある組成を有する軟磁性粉末を用いてある使用周波数におけるコアロスが低減した圧粉磁心を製造する場合には、適正な粒径の軟磁性粉末を用いていればよく、特定の粒径でその使用周波数におけるコアロスを最小にすることが可能である。
一方、圧粉磁心は、その用途に応じて、作動時に採用する使用周波数が変化する。そして、ある使用周波数でコアロスを最小にする粒径の軟磁性粉末で構成した圧粉磁心であっても、それを別の使用周波数で作動させた場合には、当該圧粉磁心のコアロスが増大することもあり得ることは経験的事実として知られている。
【０００８】
このように、ある組成を有する軟磁性粉末で構成した圧粉磁心のコアロスは、使用粉末の粒径と使用周波数の影響を受けて変化する。
しかしながら、コアロス、粉末の粒径、および使用周波数との相関関係についての検討は、現在のところ報告されていない。
【非特許文献１】電気製鋼、第７４巻４号、２４１〜２４５頁、２００３年１０月。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記したように、使用粉末の粒径を最適化することにより、ある使用周波数（ｆとする）における圧粉磁心のコアロスを最小にすることが可能である。それを最小コアロス（Ｐmin）とする。そして、最小コアロスが得られる軟磁性粉末の重量平均粒径をＤ（μｍ）とし、ＤがＤ＋ΔＤに変化すると、通常、その圧粉磁心のコアロスは増大する。
しかしながら、そのときのコアロス（Ｐmin＋ΔＰ）が当該圧粉磁心の実使用に支障を与えなければ、その圧粉磁心は、粒径範囲ΔＤを有する粉末粒径で実使用が可能である。この場合、粉末の粒径をΔＤの範囲内で変化させても、圧粉磁心のコアロス（Ｐ）が最小コアロス（Ｐmin）に対してΔＰまで増大することは、実際問題として許容されることになる。
【００１０】
本発明は、上記した観点に立ち、コアロスの許容量（ΔＰ）を最小コアロス（Ｐmin）の１０％量と設定し、使用周波数に対応した所定粒径の軟磁性粉末を用いることにより、製造した圧粉磁心のコアロスが、Ｐmin〜１．１×Ｐminの範囲内におさまるように設計された磁性体（圧粉磁心）の提供を目的とする。
なお、コアロスの許容量（ΔＰ）を最小コアロス（Ｐmin）の１０％量と設定した理由は、この間のユーザー側からの圧粉磁心に対する要求特性を整理した結果に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成するために、本発明においては、Ｆｅ−Ｓｉ系軟磁性粉末を用いた磁性体において、
前記磁性体を所望する使用周波数で作動させたときに、前記磁性体のコアロスが、最小コアロスとその１．１倍値のコアロスとの範囲内に位置するように、前記軟磁性粉末の重量平均粒径が制御されていることを特徴とする磁性体、具体的には、
前記軟磁性粉末の重量平均粒径をＤ（μｍ）とし、前記磁性体を作動させるときの使用周波数をｆ（ｋＨｚ）としたとき、Ｄとｆの間では、次式：
−０．５×ｌｏｇ10ｆ＋１．７≦ｌｏｇ10Ｄ≦−０．５×ｌｏｇ10ｆ＋２．５・・・(1)
（ただし、５００Ｈｚ≦ｆ≦３０ｋＨｚ）
の関係が成立している磁性体が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の磁性体は、その製造に用いる粒末の重量平均粒径が使用周波数（ｆ）との間で後述するようにして導出された（１）式を満たすような値に設計されている。そのため、この磁性体を周波数（ｆ）で作動させると、そのときのコアロスは、最小コアロス（Ｐmin）と１．１×Ｐminの間におさまる。
したがって、使用周波数（ｆ）が指定されれば、（１）式に基づいて計算される粒径の粉末を用いることにより、低コアロスの磁性体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明でいう磁性体とは、例えば圧粉磁心、射出成形体、押出成形体、粉末圧延体、ゴムや樹脂などに混合してシート状または板状にした成形体のように、軟磁性粉末を主体として製造された成形体のことをいう。以後、その代表例である圧粉磁心で本発明を説明する。
本発明の圧粉磁心は、粉末粒径と使用周波数との間で（１）式で示した関係が成立しているＦｅ−Ｓｉ系の軟磁性粉末を用いているので、使用周波数で作動させたときに、そのコアロス（Ｐ：ｋＷ／ｍ3とする）が、Ｐmin〜１．１×Ｐminの範囲内におさまる低コアロス特性を備えている。
【００１４】
なお、この場合の使用周波数は５００Ｈｚ〜３０ＫＨｚの範囲内の周波数が選定される。この範囲から外れる低周波や高周波を使用すると、圧粉磁心のＰ値を上記範囲内におさめることが困難になるからである。
本発明の圧粉磁心は、低コアロスという特性だけではなく、高い磁束密度を示す。具体的には、１００００Ａ／ｍの直流磁界を印加したときの磁束密度が０．８Ｔ以上の値を示す。そのため、形状の小型化が可能な圧粉磁心になっている。
【００１５】
ここで、（１）式を導出した実験過程を説明する。
（１）実験用圧粉磁心の製造
公知の特開平１１−１５２５０４号公報に示されているアトマイズ法により、Ｆｅ−１％Ｓｉ粉末、Ｆｅ−３％Ｓｉ粉末、およびＦｅ−４％Ｓｉ粉末を製造した。各粉末については、粉末製造時の各種ファクタを調整して、重量平均粒径（Ｄ：μｍ）が異なる複数種の粉末を製造した。なお、アスペクト比は、１．１〜２程度にした。
【００１６】
各粉末１００質量部に対し、０．５質量部のシリコーン樹脂を混合して粉末表面を被覆する絶縁皮膜を形成したのち、適量のステアリン酸亜鉛とともに金型に充填して、圧力１３００ＭＰａで成形し、外径３９ｍｍ、内径３０ｍｍ、厚み１０ｍｍのリングを成形した。
最後にＡｒ雰囲気中において温度７５０℃で磁気焼鈍を行って各種の圧粉磁心を製造した。
（２）コアロスの測定
交流ＢＨアナライザを用い、励磁磁束密度を０．２Ｔと一定にし、周波数を変化させて各圧粉磁心のコアロスを測定した。その結果を図１〜図５に示した。
【００１７】
図１〜図５から次のことが明らかである。
まず、使用周波数が同一であれば、用いた粉末の組成が異なっていても、圧粉磁心のコアロスは用いた粉末のＤ値に対して同じような挙動を示している。また、使用周波数が高くなるにつれて、圧粉磁心の最小コアロス（Ｐmin）を可能にする粉末粒径は細くなっている。
【００１８】
例えば、ｆ＝６００Ｈｚの場合、最小コアロスはＤ値が２２０μｍ以上のときに実現しており、ｆ＝１ｋＨｚの場合は、Ｄ値が１２０〜１５０μｍ程度のときであり、ｆ＝３ｋＨｚの場合は、Ｄ値が１００〜１２０μｍ程度のときであり、ｆ＝１０ｋＨｚの場合は、５０μｍ近辺のときである。そして、ｆ＝３０ｋＨｚになると、最小コアロスを得るためには粒径は小さければ小さいほどよいということになる。
【００１９】
このようにして、各使用周波数において、圧粉磁心のコアロスが最小になるときの粉末の粒径が判明した。
（３）最大粒径と最小粒径の判定
設計目的は、各使用周波数において、コアロスをＰmin〜１．１×Ｐminの間におさめることである。
典型的な関係図である図３から明らかなように、この場合のＰminを実現する粒径は１００〜１２０μｍ程度であるが、粒径が１００μｍより小さくなったり、逆に１２０μｍより大きくなったりすると、コアロス（Ｐ）は増大している。
【００２０】
しかし、コアロス（Ｐ）の増大の許容量はＰmin値の１０％までであるから、設計目的との関係で用いる粉末の粒径は規制されなければならない。例えば、図３のＦｅ−３％Ｓｉ粉末を用いた圧粉磁心の場合、Ｐmin値は９０ｋＷ／ｍ3程度であるから、その１．１倍値は約１００ｋＷ／ｍ3となり、その間のコアロスを与えるＤ値の範囲は、約３０〜１８０μｍになっている。
【００２１】
すなわち、Ｆｅ−３％Ｓｉ粉末を用い、ｆ＝３ｋＨｚで設計目的を達成するためには、最大粒径が１８０μｍ、最小粒径が５０μｍである粉末を用いるべきであることがわかる。
ここで、Ｆｅ−３％Ｓｉ粉末につき、図１〜図５に基づき、各使用周波数において、上記したような方法で最大粒径と最小粒径を求め、許容される粒径と使用周波数の常用対数との関係を図６に示す。
【００２２】
図６において、線ａは各使用周波数において圧粉磁心が最小コアロス（Ｐmin）を示すときの粒径を示し、線ｂと線ｃは、それぞれ１．１×Ｐminを示すときの最大粒径と最小粒径を示している。
図６において、線ｂと線ｃに挟まれた領域内に含まれるＤ値の粉末を用いれば、その圧粉磁心の使用周波数におけるコアロス（Ｐ）は、Ｐmin〜１．１×Ｐminの範囲内におさまることになる。
【００２３】
なお、図１のｆ＝６００Ｈｚの場合、粒径２２０μｍ以上でコアロスは略一定となっているので、許容される計算上の最大粒径は非常に大きな値となってしまうが、粉末の粒径が大きくなると、成形時に絶縁皮膜が壊れやすくなり、コアロスの増大を招くという問題が生じてくるので、ここでは、最大で５００μｍに規制している。
また、図５のｆ＝３０ｋＨｚの場合、最小粒径に計算上は下限はないのであるが、粉末の粒径が小さくなりすぎると、粉末の製造時に歩留りが大きく低下するので、ここでは最小粒径を１０μｍに規制している。
（４）（１）式の導出
図６において粉末のＤ値の常用対数をとり、それとｌｏｇ10ｆとの関係を回帰式として求め、それを図７に示す。
【００２４】
図７において、回帰式である直線Ａ、直線Ｂ、直線Ｃは、それぞれ図６の線ａ、線ｂ、線ｃに対応しており、これらはいずれも同じ勾配を有する直線になっている。
ここで、各直線は次式で示される。
直線Ａ：ｌｏｇ10Ｄ＝−０．５ｌｏｇ10ｆ＋２．０
直線Ｂ：ｌｏｇ10Ｄ＝−０．５ｌｏｇ10ｆ＋２．５
直線Ｃ：ｌｏｇ10Ｄ＝−０．５ｌｏｇ10ｆ＋１．７
したがって、用いる粉末のＤ値と使用周波数（ｆ）の常用対数値がいずれも、直線Ｂと直線Ｃに挟まれた領域に位置するような粒径の粉末を用いれば、その圧粉磁心は、その使用周波数におけるコアロス（Ｐ）がＰmin〜１．１×Ｐminの範囲内におさまることになる。
【００２５】
すなわち、粉末のＤ値と使用周波数の間に、（１）式が成立していれば、設計目的を達成することができる。
本発明の圧粉磁心を製造するに際しては、まず、当該圧粉磁心を作動させるときの使用周波数ｆ（ｋＨｚ）を把握する。そして、（１）式に基づいて、許容される粉末の粒径範囲を計算する。
【００２６】
用いる粉末はＦｅ−Ｓｉ系の軟磁性粉末であり、それは、機械粉砕法やアトマイズ法で製造することができる。粒径制御が行いやすいという点でアトマイズ法で製造することが好ましい。
粉末組成において、Ｓｉの含有量を０．２〜８質量％に設定することが好ましい。Ｓｉの含有量が０．２質量％より少ない場合は、保磁力が大きくなり、コアロスが著しく増大するなどの磁気特性が劣化する。また８質量％より多くすると、例えば、１００００Ａ／ｍの直流磁界を印加しても、磁束密度０．８Ｔより大きくならないので、その圧粉磁心の形状を小型化することが困難になるからである。
【００２７】
また、この粉末組成においては、更に、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｂ、Ｃ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｖの１種または２種以上が含有されていてもよい。
ただし、その含有量は、Ｓｉとの合計量で０．２〜８質量％となる量であることが必要である。この条件を外れると、圧粉磁心には上記した不都合が生ずるからである。
【００２８】
目標粒径を決定した粉末に対し、従来と同様にして、絶縁皮膜の形成、プレス成形、磁気焼鈍の処理を順次施すことにより、本発明の圧粉磁心を製造することができる。
【実施例１】
【００２９】
使用周波数が３ｋＨｚである圧粉磁心を製造目標にした。
まず、ガスアトマイズ法で、組成がＦｅ−３％Ｓｉから成り、各種粒径の粉末を製造した。
そして、各粉末１００質量部に対して、シリコーン樹脂０．５質量部を混合し、得られた混合物を適量のステアリン酸亜鉛とともに金型に充填し、圧力１３００ＭＰａでプレス成形して、外径３９ｍｍ、内径３０ｍｍ、厚み１０ｍｍのリングを成形した。
【００３０】
そして、Ａｒ雰囲気中において温度７５０℃で磁気焼鈍して圧粉磁心にした。
得られた各圧粉磁心の試料のそれぞれにつき、励磁磁束密度を０．２Ｔと一定にして周波数３ｋＨｚでコアロス（Ｐ）を測定した。その後、各圧粉磁心を切断し、その切断面を顕微鏡観察し、用いられている粉末の粒径を測定し、その重量平均粒径（Ｄ）を測定した。
【００３１】
なお、ｆ＝３ｋＨｚであるので、（１）式から計算されるＤ値は２９〜１８３μｍになるが、各試料で用いられている粉末の粒径が上記を満たしているか否かを調べた。結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
2006114695.tif 000003
【００３３】
これら試料のうち、コアロスが最小であるものは試料６である。そしてその試料に用いた粉末のＤ値は９５μｍであり、（１）式の関係を満たしている。
【００３４】
また、用いた粉末のＤ値が（１）式の関係を満たしている試料は、試料３、試料４、試料５、試料６、試料７、試料８であり、他の試料はいずれも（１）式の関係を満たしていない。
そして、（１）式の関係を満たす試料は、いずれも、そのコアロスが、最小コアロスを示した試料６の値の１．１倍値より小さい値になっている。しかし、（１）式の関係を満たさない試料は、そのコアロスが最小のコアロスの１．１倍値より大きくなっている。
【００３５】
このようなことから、（１）式の有効性は明白である。
【実施例２】
【００３６】
表２で示した組成の粉末で、重量平均粒径がいずれも１０〜５００μｍの範囲内にある粉末を用い、実施例１と同様の条件で圧粉磁心を製造した。
これらの圧粉磁心につき、１００００Ａ／ｍの直流磁界を印加して磁束密度を測定した。結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
2006114695.tif 000004
【００３８】
表２から明らかなように、Ｓｉ含有量が８質量％より多くなると、磁束密度は低下している。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の圧粉磁心は、５００Ｈｚ〜３０ｋＨｚの使用周波数に対して、Ｆｅ−Ｓｉ系の軟磁性粉末の重量平均粒径が、最小コアロスとその１．１倍値の間に作動時のコアロスがおさまるように設計されている。また、成分調整することにより、１００００Ａ／ｍの直流磁界の印加時における磁束密度が０．８Ｔ以上にすることができる。
そのため、この圧粉磁心は、例えば電力変接用スイッチング電源のリアクトル磁心、しかも形状小型の磁心として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】周波数６００Ｈｚにおける用いた粉末の重量平均粒径とコアロスとの関係を示すグラフである。
【図２】周波数１ｋＨｚにおける用いた粉末の重量平均粒径とコアロスとの関係を示すグラフである。
【図３】周波数３ｋＨｚにおける用いた粉末の重量平均粒径とコアロスとの関係を示すグラフである。
【図４】周波数１０ｋＨｚにおける用いた粉末の重量平均粒径とコアロスとの関係を示すグラフである。
【図５】周波数３０ｋＨｚにおける用いた粉末の重量平均粒径とコアロスとの関係を示すグラフである。
【図６】用いた粉末の重量平均粒径と使用周波数の常用対数との関係を示すグラフである。
【図７】用いた粉末の重量平均粒径の常用対数と使用周波数の常用対数との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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