(57)【要約】【課題】  高周波帯域での透磁率が高く、かつ、直流重畳特性に優れた圧粉磁心を提供する。【解決手段】  絶縁体で被覆された金属磁性粒子の磁化容易軸を磁路に垂直な方向に配向させて圧縮成型して作成され、該金属磁性粒子表面の磁路に垂直な方向の絶縁膜の厚さが、磁路方向の絶縁膜の厚さより厚いことを特徴とする圧粉磁心。【選択図】  図２
2006080166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体で被覆された金属磁性粒子の磁化容易軸を磁路に垂直な方向に配向させて圧縮成型して作成され、該金属磁性粒子表面の磁路に垂直な方向の絶縁膜の厚さが、磁路方向の絶縁膜の厚さより厚いことを特徴とする圧粉磁心。
【請求項２】
前記金属磁性粒子が偏平状であり、該偏平金属磁性粒子の長軸方向と、絶縁被膜の最も厚い方向が一致していることを特徴とする請求項1記載の圧粉磁心。
【請求項３】
前記絶縁体が酸化物軟磁性体であることを特徴とする請求項１または２記載の圧粉磁心。
【請求項４】
酸化物軟磁性体がフェライトであることを特徴とする請求項３記載の圧粉磁心。
【請求項５】
前記絶縁体で被覆された偏平化金属磁性粒子のアスペクト比が２〜１０であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の圧粉磁心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源などに搭載されるトランスやリアクトルなどの磁気部品に用いる圧粉磁心に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種電子機器は小型・軽量化されてきており、なおかつ、低消費電力化が求められている。これに伴い、電子機器に搭載される電源として高効率かつ小型のスイッチング電源に対する要求が高まっている。特にノート型パソコンや携帯電話等の小型情報機器、薄型ＣＲＴ、テレビのフラットパネルディスプレイ等に用いられるスイッチング電源では、小型・薄型化が強く求められている。
しかし、従来のスイッチング電源では、その主要な構成部品であるトランスやリアクトルなどの磁気部品が大きな体積を占めており、スイッチング電源を小型・薄型化するためには、これら磁気部品の体積を縮小することが必要不可欠となっていた。
【０００３】
従来、このようなスイッチング電源に使用されているトランス又はリアクトルなどの磁気部品の磁心材料としては、センダストやパーマロイなどの金属磁性材料や、フェライトなどの酸化物磁性材料が使用されていた。
【０００４】
金属磁性材料は、一般に高い飽和磁束密度と透磁率を有する。しかしながら、金属磁性材料は電気抵抗率が低いため、特に高周波数領域では渦電流損失が大きくなってしまう。スイッチング電源では、近年、電源回路を高周波駆動して必要なインダクタンス値を下げることにより、高効率化および小型化する傾向にあるが、上記の渦電流損失の影響から金属磁性材料を高周波で使用することはできない。
【０００５】
一方、酸化物磁性材料は、金属磁性材料に比べ電気抵抗率が高いため、高周波数領域でも発生する過電流損失が小さい。しかしながら、飽和磁束密度は金属磁性材料に比べて小さいため、その体積を小さくすることはできなかった。
つまり、いずれの場合でも磁性材料自体の体積がインダクタンス値を決定付ける一番大きな要因となっていて、磁性材料自体の磁気特性を向上させない限り、小型・薄型化が困難となっていた。
【０００６】
また、磁気部品の小型化のためには、飽和磁束密度だけではなく、直流重畳特性(直流磁界印加時の実効透磁率)、特に高磁界下での直流重畳特性が優れることが重要である。磁気部品を小型化した場合、磁路長が短くなるために動作磁界が高磁界側にシフトするためである。
直流重畳特性を向上させるために、金属磁性粉末を偏平化して形状異方性を発現させたものを磁路の方向に対して垂直な磁場により配向させた状態で圧粉成型して圧粉磁心とする提案がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−６８３６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記提案では１００ｋＨｚ程度の周波数では良好な直流重畳特性を示すが、１ＭＨｚ以上という高周波帯域では透磁率が低いという問題があった。
すなわち、本発明の目的は、高周波帯域での透磁率が高く、かつ、直流重畳特性に優れた圧粉磁心を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明の圧粉磁心は、絶縁体で被覆された金属磁性粉末の磁化容易軸を磁路に垂直な方向に配向させて圧縮成型して作成され、該金属磁性粉末表面の磁路に垂直な方向の絶縁膜の厚さが、磁路方向の絶縁膜の厚さより厚いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の圧粉磁心は絶縁体で被覆された金属磁性粉末の磁化容易軸を磁路に垂直な方向に配向して圧縮成型しているので、直流重畳特性に優れた圧粉磁心となる。また、磁路に垂直な方向の絶縁膜の厚さを、磁路方向の絶縁膜の厚さより厚くしているので、高周波帯域における透磁率の高い磁心となる。これにより、ノート型パソコンや携帯電話等の小型情報機器、薄型ＣＲＴ、テレビのフラットパネルディスプレイ等に用いられるスイッチング電源に向けた、高性能でかつ小型・薄型の磁気部品を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明を説明する。
図１は絶縁体で被覆された偏平化金属磁性粒子を示す模式図である。
本発明で用いる金属磁性粒子１における金属としては、例えば、鉄、コバルト、ニッケルなどの単金属、あるいはパーマロイ、センダストなどそれらを基とする合金などの透磁率が高い金属材料からなる粒子を用いることができる。
金属磁性粒子１の粒径（球換算）は特に限定されるものではないが、１〜３０μｍであることが好ましい。
【００１２】
金属磁性粒子の表面を被覆する絶縁体としては、フェライト、鉄酸化物等の高い電気抵抗率の酸化物、ガラス、シリカ、アルミナなどの絶縁性酸化物、シリコーン樹脂などの樹脂等を挙げることができる。
ガラスとしてはＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、Ｓｂ２Ｏ３等を主成分とするガラスを挙げることができる。
これらのなかでは金属磁性粒子間の反磁界を低減することで透磁率を高めることができることからフェライト、コバルタイト、クロマイト、マンガナイトなどの酸化物軟磁性体が好ましく、優れた軟磁気特性を示すフェライトが最も好ましい。
フェライトとしては、ＮｉＺｎフェライト、Ｃｏフェライト、ＣｏＺｎフェライト、Ｍｇフェライトやこれらを主成分とする複合フェライトを例示できる。すなわち、フェライトを構成する金属イオンとしては、鉄イオン、ニッケルイオン、亜鉛イオン、コバルトイオン、マグネシウムイオン、モリブデンイオン等を挙げることができる。もちろんこれらの金属イオンは所望のフェライトを構成するような金属イオンの種類、モル比とする。
【００１３】
絶縁体被覆した金属磁性粒子の平均被覆膜厚は圧縮成型後の成形体における絶縁体被覆層が保たれることにより粒子間の電気抵抗を高めることができる厚さであれば特に限定されないが、１０ｎｍ以上であることが好ましく、透磁率を高める観点から、２００ｎｍ以下であることが好ましい。
本発明においては、絶縁体被覆の膜厚は磁路に垂直な方向の絶縁膜の厚さが、磁路方向の絶縁膜の厚さより厚い必要がある。すなわち、磁路方向の絶縁膜の厚さが薄いと反磁界が小さくなり高い透磁性を得ることが可能となる。また、磁路に垂直な方向の絶縁膜が厚いと、全体の抵抗率の低下がなく、高周波特性に優れる圧粉磁心を得ることができる。
【００１４】
金属磁性粒子を偏平化すると、その磁化困難軸が偏平な粒子の面に垂直な方向に現れる。これを磁心に予定される磁路の方向に対して垂直な方向の磁場の下に置くと、粒子の磁化容易軸が磁場の方向に配向する。従って、偏平化した金属磁性粒子を用い、絶縁膜の厚さを、短軸方向に薄く、長軸方向に厚くすると、これを上述のような磁場の下に置いたとき、長軸が磁路に垂直な方向を向くので、磁路に垂直な方向の絶縁膜の厚さが、磁路方向の絶縁膜の厚さより厚くなるので、金属磁性粒子として、偏平化金属磁性粒子を用いることが好ましい。偏平化金属磁性粒子としては、絶縁膜被覆前に偏平化したものでもよく、絶縁膜被覆後に偏平化したものでもよい。
偏平化方法としては、一般的にボールミルが用いられる。
【００１５】
本発明の絶縁体で被覆された偏平化金属磁性粉末のアスペクト比は２〜１０であることが好ましい。アスペクト比が２未満であると、偏平化率が不十分で充分高い透磁性の圧粉磁心を得難くなる。一方、アスペクト比が１０を超えると、絶縁体被覆金属磁性粒子を偏平化する場合は、偏平化時に絶縁体被覆が破れて金属磁性体が露出し、金属磁性体粒子同士が導通して、低電気抵抗の層が形成されるおそれがあることや、圧縮成型時の充填率が向上できなくなるという不具合が生じる。。
【００１６】
絶縁体被覆の膜厚を、磁路に垂直な方向の絶縁膜の厚さが、磁路方向の絶縁膜の厚さより厚くする方法としては、シリコーン樹脂などの展延性に優れた樹脂を被覆した金属磁性粒子をボールミル等により押し潰し、偏平化する方法、偏平化金属磁性粒子表面にフェライトめっきする方法などを挙げることができる。展延性に優れた樹脂を被覆した金属磁性粒子を押し潰すと、押し潰されて形成された金属磁性粒子の短軸方向の絶縁膜はその圧力により展延されて長軸方向に移動するため、短軸方向が薄く、長軸方向が厚くなる。
偏平化金属磁性粒子表面にフェライトめっきすると、曲率半径の大きな短軸方向の膜厚が薄く、曲率半径の小さな長軸方向の膜厚が厚くなるという性質があり、これを利用することにより、短軸方向が薄く、長軸方向が厚いフェライトめっき膜を得ることができる。
【００１７】
フェライトめっき膜を形成するにあたっては、超音波励起を用いた超音波励起フェライトめっきを用いると、均質なめっき膜を形成することができるので好ましい。
【００１８】
フェライトめっき層は、例えば、次のようにして形成できる。
ＦｅＣｌ２あるいはその他の２価金属の塩化物などの２価金属イオン塩、および必要に応じてＦｅＣｌ３などの３価の鉄イオンを含むフェライトめっき反応液に偏平化金属磁性粒子を分散させ、液の温度を室温から１００℃未満の温度、例えば６０〜８０℃の範囲内で一定に保ちながら、フェライトめっきを行う。ここで、フェライトめっきは、例えば超音波ホーンにより超音波を加えることにより液を激しく運動させながら、亜硝酸などの酸化剤を徐々に加えて酸化することによって進行させ、また、ｐＨコントローラーにより、水酸化アンモニウムなどでｐＨを調整してほぼ中性の反応液中に金属磁性粒子を浸漬して行うことができる。また、金属磁性粒子の分散液のｐＨを調整してほぼ中性に保ちつつ、この分散液にフェライトを構成する金属イオンを溶解させた溶液と酸化剤溶液とをそれぞれ一定の速度で滴下して金属磁性粒子の表面にフェライト被膜を形成させてもよい。
【００１９】
フェライトめっき工程の実施にあたって、金属磁性粒子を例えば、硫酸と塩酸の混合水溶液中に浸漬する前処理を行うことが好ましい。この前処理時には例えば１９．５ｋＨｚの超音波など、超音波を印加しながら行うことが好ましい。この前処理時の溶液温度は６０〜８０℃とすることが好ましい。
【実施例】
【００２０】
以下に実施例により本発明をさらに説明する。
【００２１】
［実施例１］
金属磁性粒子として、水アトマイズ法により作製したＮｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粉末（平均粒径：８μｍ）を用いた。この粉末と、シリコーン樹脂（東芝シリコーン社製ＴＳＥ３９９１）とを混ぜ合わせ、その混合物をボールミル（φ１０ｍｍのステンレス製ボール、乾式、３０分間）で偏平化した。
偏平化後の粉末のアスペクト比は約１０であった。この偏平化処理では、シリコーン樹脂で被覆した金属磁性粉末を押し潰しているため、シリコーン樹脂被膜の厚さは短軸方向で薄くなる。偏平化処理で得られた粒子の絶縁膜の厚さは短軸方向で約０．１μｍ、長軸方向で約０．３μｍであった。
【００２２】
この偏平化された粉末を外径８ｍｍ、内径３ｍｍのリング状の超硬合金製金型に入れ、ラジアル方向に磁場を印加した状態で、１０ｔｏｎ／ｃｍ２（９８０．７ＭＰａ）の一軸プレスにより高さ３ｍｍのリング状圧粉体（リングコア）を得た。
得られたリングコア内部の偏平化金属磁性粒子の配向状態を示す模式図を図２に示す。磁路方向（Ａ方向）から見た断面図では磁路に垂直な方向に偏平粒子の長軸が揃い、磁路方向の絶縁膜の厚さは磁路に垂直な方向の絶縁膜の厚さより薄くなっている。
【００２３】
このリングコアに１次および２次巻線をそれぞれ５ターン巻き回し、Ｂ−Ｈアナライザにて複素透磁率μ＝μ’＋ｉμ”を１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数領域で測定した。
透磁率の周波数特性は、１０ｋＨｚから１０ＭＨｚまで平坦であった。
また、直流重畳特性はリングコアに２０ターン巻き回し、直流電流を通電して測定した。周波数１ＭＨｚにおける直流重畳特性の測定結果を図３に示す。
【００２４】
［比較例１］
金属磁性粒子として、水アトマイズ法により作製したＮｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粉末（平均粒径：８μｍ）を用い、この粉末を実施例１と同様にしてシリコーン樹脂で被覆した。絶縁膜の厚みは約０．２μｍであった。この絶縁体被覆金属磁性粉末を用いた以外は実施例１と同様にしてリングコアを作製し、複素透磁率と直流重畳特性を測定した。
透磁率の周波数特性は、１０ｋＨｚから１０ＭＨｚまで平坦であった。
周波数１ＭＨｚにおける直流重畳特性の測定結果を実施例１の結果とともに図３に示す。
【００２５】
［比較例２］
金属磁性粒子として、水アトマイズ法により作製したＮｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粉末（平均粒径：８μｍ）を用い、シリコーン樹脂で被覆する前に、実施例１と同様にしてボールミルで偏平化した。偏平化後の粉末のアスペクト比は約１０であった。
偏平化粉末を用いた以外は実施例１と同様にしてシリコーン樹脂で被覆した。絶縁膜の厚み波長軸方向、単軸方向ともほぼ等しく、その厚みは約０．２μｍであった。この絶縁体被覆金属磁性粉末を用いた以外は実施例１と同様にしてリングコアを作製し、複素透磁率と直流重畳特性を測定した。
透磁率の周波数特性は、１０ｋＨｚから１０ＭＨｚまで平坦であった。
周波数１ＭＨｚにおける直流重畳特性の測定結果を実施例１、比較例１の結果とともに図３に示す。
【００２６】
［実施例２］
金属磁性粒子として、水アトマイズ法により作製したＮｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粉末（平均粒径：８μｍ）を用いた。この粉末を用いた以外は実施例１と同様にしてボールミルで偏平化した。偏平化後の粉末のアスペクト比は約１０であった。
この扁平粉末２０ｇを用い、フェライトメッキの前処理として、これらの粒子をＨ２Ｏ：３００ｍｌ＋４７％Ｈ２ＳＯ４：１２５０μｌ＋２ｍｏｌ／ｌ、ＨＣｌ：１２５０μｌの溶液中（液温７０℃）に入れて、５分間超音波を印加した。その後、純水を入れたガラス製の反応容器中にＮｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子を移し替え、１９．５ｋＨｚの超音波を印加した。この反応容器に反応液（Ｈ２Ｏ：５００ｍｌ＋ＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏ：３．９８ｇ＋ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ：１．１９ｇ＋ＺｎＣｌ２：０．６８ｇ）および酸化液（Ｈ２Ｏ：５００ｍｌ＋ＮａＮＯ２：１．００ｇ）をそれぞれ３ｍｌ／ｍｉｎ、２ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給しながら、適宜アンモニア水を滴下することによりｐＨを１０．０に保った。この時、メッキ層の温度を湯浴により６０℃に保った。このメッキ処理を６０分間行った。メッキ処理後、粒子を分級・乾燥して酸化物被覆金属磁性粒子を得た。以上の処理により、金属磁性粒子の表面に短軸方向で約５０ｎｍ、長軸方向で約２００ｎｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト被膜が形成された。
【００２７】
こうして得られたフェライト被覆偏平化粉末を外径８ｍｍ、内径３ｍｍのリング状の超硬合金製金型に入れ、ラジアル方向に磁場を印加した状態で、１０ｔｏｎ／ｃｍ２（９８０．７ＭＰａ）の一軸プレスにより高さ３ｍｍのリングコア形状に成型した。このリングコアを大気中で６００℃の電気炉に１分間投入し、熱処理を行った。
得られたリングコア内部の構造は実施例１と同様、磁路方向から見た断面図では磁路に垂直な方向に偏平粒子の長軸が揃い、磁路方向の絶縁膜の厚さは磁路に垂直な方向の絶縁膜の厚さより薄くなっていた。
このリングコアに１次および２次巻線をそれぞれ５ターン巻回し、Ｂ−Ｈアナライザにて複素透磁率μ＝μ’＋ ｉμ”を１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数領域で測定した。
透磁率の周波数特性は、１０ｋＨｚから１０ＭＨｚまで平坦であった。
また、直流重畳特性はリングコアに２０ターン巻き回し、直流電流を通電して測定した。
周波数１ＭＨｚにおける直流重畳特性の測定結果を図４に示す。
【００２８】
［比較例３］
金属磁性粒子として、水アトマイズ法により作製した偏平化前のＮｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粉末（平均粒径：８μｍ）を用いた以外は実施例２と同様にしてフェライトめっきを行い、メッキ処理後、粒子を分級・乾燥して酸化物被覆金属磁性粒子を得た。得られた粒子の平均粒径は１０μｍ、フェライト皮膜はどの方向にもほぼ均一で、その平均膜厚は約１００ｎｍであった。
この酸化物被覆金属磁性粒子を用いた以外は実施例１と同様にして、外径８ｍｍ、内径３ｍｍ、高さ約３ｍｍのリングコアを得た。
このリングコアに１次および２次巻線をそれぞれ５ターン巻回し、Ｂ−Ｈアナライザにて複素透磁率μ＝μ’＋ ｉμ”を１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数領域で測定した。
また、直流重畳特性はリングコアに２０ターン巻き回し、直流電流を通電して測定した。透磁率の周波数特性は、１０ｋＨｚから１０ＭＨｚまで平坦であった。
周波数１ＭＨｚにおける直流重畳特性の測定結果を実施例２の結果とともに、図４に示す。
【００２９】
図３から、直流重畳磁界がない場合、実施例１の透磁率が比較例１、２の透磁率よりも大きいことがわかる。これは比較例１では金属磁性粒子が球状、比較例２では金属磁性粒子が偏平状であっても、絶縁被膜が均一であるので特定の方向で反磁界が小さくなることがないのに対して、実施例１では短軸方向の絶縁被膜が他の方向に比べて薄く、この短軸方向が磁路方向を向いているので反磁界が小さくなり高い透磁率を示している。
また、直流重畳磁界を印加すると、比較例１では急激に透磁率が減少し、１６００Ａ／ｍの磁界でほぼ半減したことがわかる。一方、実施例１では、直流重畳磁界の印加に伴う透磁率の減少は小さく、直流重畳特性に優れていることがわかる。これは、偏平形状による形状異方性の効果によるものである。このように、磁路方向の絶縁体の厚さを磁路に垂直な方向の絶縁体の厚さより薄くした構造にすることによって、透磁率と直流重畳特性に優れた特性のものとすることができることがわかる。
【００３０】
図４から、直流重畳磁界がない場合、実施例２の透磁率が比較例３の透磁率よりも大きいことがわかる。また、直流重畳磁界を印加すると、比較例３では急激に透磁率が減少し、１１００Ａ／ｍの磁界でほぼ半減したことがわかる。一方、実施例２では、直流重畳磁界の印加とともに透磁率は減少したが、比較例３ほど顕著ではなく、２０００Ａ／ｍの磁界でも半減はしなかった。実施例１と比較例１、２の比較と同様、実施例２と比較例３の比較からも、本発明の構成にすることにより、透磁率と直流重畳特性に優れた圧粉磁心が得られることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の圧粉磁心は、ノート型パソコンや携帯電話等の小型情報機器、薄型ＣＲＴ、テレビのフラットパネルディスプレイ等に用いられるスイッチング電源用の高性能でかつ小型・薄型の磁気部品作製用として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】絶縁体で被覆された偏平化金属磁性粒子を示す模式図である。
【図２】絶縁体で被覆された偏平化金属磁性粒子の磁化容易軸を磁路に垂直な方向に配向させて圧粉成型した成型体における偏平化金属磁性粒子の配向状態を示す模式図である。
【図３】実施例１と比較例１、２の直流重畳特性を示す図である。
【図４】実施例２と比較例３の直流重畳特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    金属磁性粒子
２    絶縁体被膜
３    リングコア
４    リングコアの断面を示す図
５    磁路方向
【図１】
2006080166.tif 000003
【図２】
2006080166.tif 000004
【図３】
2006080166.tif 000005
【図４】
2006080166.tif 000006