(57)【要約】【課題】    従来の一体成形型インダクタは実効透磁率が低く、フェライトを使用したインダクタと同じインダクタンスを得るには巻数が増え、銅損失が大きくなる欠点があった。また、バインダの量を減らして実効透磁率を高くすると絶縁性、耐電圧が低下する問題があった。【解決手段】硬質なＦｅ−Ｓｉ系合金磁性粉や延性のあるＦｅ−Ｎｉ系合金磁性粉などの磁性金属粉末の表面をガラス膜で覆い、さらにその外側を、絶縁材と結着材を兼ねる熱硬化性樹脂で被覆した磁性材料。また、このような磁性材料からなる粉末中に、空芯コイルを埋設し加圧成形してインダクタを構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属磁性粉の粒子の表面をガラス膜で覆い、さらにその外側を熱硬化性樹脂で被覆したことを特徴とする磁性材料。
【請求項２】
金属磁性粉がＦｅ−Ｓｉ系合金である請求項１の磁性材料。
【請求項３】
金属磁性粉がＦｅ−Ｎｉ系合金である請求項１の磁性材料。
【請求項４】
金属磁性粉が、Ｆｅ−Ｓｉ系合金からなる第１の磁性粉と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金からなる第２の磁性粉とからなり、第１の磁性粉と第２の磁性粉を混合した請求項１の磁性材料。
【請求項５】
第１の磁性粉と第２の磁性粉の配合比を３０〜７０ｗｔ％：７０〜３０ｗｔ％とした請求項４の磁性材料。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つの請求項の磁性材料からなる粉末中に、空芯コイルを埋設して加圧成形したことを特徴とするインダクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョークコイルやパワーインダクタ等に用いられる磁性材料と、この磁性材料を使用して構成したインダクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンやサーバに使用されるＭＰＵの処理速度の高速化は目覚しく、それに伴って供給電源の大電流化が急速に進んでいる。また省エネルギー化の観点からパワーインダクタを含む回路の高効率化の要求もある。金属磁性粉末を圧縮成形して作製される圧粉磁心は直流重畳特性に優れており、大電流化と小型化を実現できる。このような圧粉磁心を利用したものとして、特許文献１に記載されているような一体成形型インダクタが知られている。
【０００３】
これは図１に示すような構造であり、金属磁性粉とバインダを混合した複合磁性粉の中に空芯コイル１を埋設して加圧成形したものである。成形体２の金属磁性粉の粒子表面は絶縁処理されている。平角線からなるコイル１の両端末を外部に引き出して折り曲げ、そのまま電極３としてある。
【特許文献１】特開平９−１２０９２６号公報
【特許文献２】特開２０００−１６０２０４号公報
【０００４】
従来は、金属磁性粉としてカーボニル鉄粉やＦｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金（パーマロイ）、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金、鉄基非晶質合金等が用いられている。金属磁性粉の粒子の表面には、リン酸塩等による化成処理や熱処理を施す自己酸化法、あるいは無機絶縁材の微粒子を付着させる等の手段で絶縁被膜を形成している。この金属磁性粉に、有機系樹脂バインダを混合して混合磁性粉とした後、加圧成形して一体成形型インダクタを得ていた。
【０００５】
圧粉磁心の透磁率を上げるには金属磁性粉の充填率を上げればよい。そのためには、
・圧縮するプレス圧を高くする。
・バインダの量を減らす。
・磁性粉の粒径を大きくする。
・圧縮成形時の金型温度を上げる。
などの手段が考えられる。
【０００６】
ところが、いずれの手段も空芯コイルを埋設して加圧成形する一体成形型インダクタを製作する上では問題が多い。
【０００７】
たとえば、
・プレス圧を高くすると、埋設されたコイルの絶縁被膜がダメージを受け、導線間の短絡不良が発生し易くなる。金型の耐久性も低下する。
・バインダ量を減らすと、圧粉体の絶縁性、耐電圧が低下する。
・磁性粉の粒径を大きくすると、高周波特性が低下する。
・金型温度を上げる方法は、作業性の低下や設備のコスト高を招く。
などの問題がある。
【０００８】
このため、透磁率を上げる大幅な改善は困難な状況にあり、一体成形型インダクタ用の混合磁性粉の実効透磁率は２５前後の低い値に留まっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように従来の一体成形型インダクタは実効透磁率が低いため、フェライトを使用したインダクタと同じインダクタンスを得るには巻数が増え、銅損失が大きくなる欠点を有していた。また、バインダの量を減らして実効透磁率を高くした場合には絶縁性、耐電圧が低いものとなっていた。本発明は、インダクタにおいて高い絶縁性、耐電圧特性と共に高い実効透磁率を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による磁性材料は、硬質なＦｅ−Ｓｉ系合金磁性粉や延性のあるＦｅ−Ｎｉ系合金磁性粉などの磁性金属粉末の表面をガラス膜で覆い、さらにその外側を、絶縁材と結着材を兼ねる熱硬化性樹脂で被覆した構成を特徴とする。
また本発明は、このような磁性材料からなる粉末中に、空芯コイルを埋設して加圧成形したインダクタの構成を特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による磁性材料は、粒子の表面が硬質なガラス膜で絶縁被覆されるので、従来品と同等の絶縁性、耐電圧を確保するのに要する樹脂バインダの量を減らすことができる。また、延性のあるＦｅ−Ｎｉ系合金を混合することで金属磁性粉の充填率が上がるので、金属磁性粉の平均粒径をあまり大きくしなくても圧粉磁心の実効透磁率を高くでき、一体成形型インダクタのインダクタンスの値も高くなる。一方、同じインダクタンス値にする場合は、巻数及び巻線抵抗が減少し、銅損失の低減が可能となる。
【００１２】
本発明による磁性材料で加圧成形体を試作したところ、実効透磁率は３０以上となり従来の同型品の約１．４倍となった。絶縁熱劣化特性及びコア損失は従来の圧粉磁心と同等レベルであることを確認した。したがって、この磁性材料を使用して一体成形型インダクタを構成することにより、高効率で絶縁性及び成形体強度に優れた信頼性の高いものが得られる。
【実施例】
【００１３】
［第１実施例］
平均粒径２０μｍのＦｅ−Ｓｉ系合金粉末からなる金属磁性粉と軟化温度が５００℃以下の低融点ガラス粉末を用意し、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末１００ｗｔ％に対して低融点ガラス粉末を０．７８ｗｔ％添加して混合する。この混合粉を粒子複合化装置炉内に入れ、回転数最大負荷にて３０分間攪拌すると、混合粉に強力な圧縮、剪断力が作用し、磁性粉末の粒子表面にガラス質層の薄い絶縁膜が形成される。粒子複合化装置炉内の雰囲気は、金属磁性粉の表面が酸化されてガラスとの濡れ性が増すので、大気中とするのがよい。
【００１４】
次いで、このガラス膜で被覆された磁性粉末１００ｗｔ％に対して２．５ｗｔ％の、絶縁材と結着材を兼ねる熱硬化性有機樹脂を攪拌式造粒装置に入れて約２０分攪拌して混合し、予備乾燥することにより、ガラス膜の外側をさらに熱硬化性樹脂で被覆した粉末状の磁性材料を作製した。この二重に絶縁処理を施した磁性材料を加圧成形して得た圧粉磁心を試料Ｎｏ．１とする。
【００１５】
［第２実施例］
平均粒径１０μｍのＦｅ−Ｎｉ系合金粉末と軟化温度が５００℃以下の低融点ガラス粉末を用意し、Ｆｅ−Ｎｉ系合金粉末１００ｗｔ％に対して低融点ガラス粉末を０．７８ｗｔ％添加して混合する。この混合粉末を粒子複合化装置炉内に入れて３０分間攪拌し、ガラス膜で被覆された磁性粉末を得る。次いで、この磁性粉末１００ｗｔ％に対して２．５ｗｔ％の絶縁、結着用の熱硬化性有機樹脂を攪拌式造粒装置に入れて、約２０分攪拌して混合し、予備乾燥することにより、ガラス膜の外側をさらに熱硬化性樹脂で被覆した粉末状の磁性材料を作製した。この磁性材料を加圧成形して得た圧粉磁心を試料Ｎｏ．２とする。
【００１６】
［比較例１、２］
試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．２との特性比較用に上述のＦｅ−Ｓｉ系合金粉末とＦｅ−Ｎｉ系合金粉末とを、熱硬化性樹脂のみで絶縁被覆処理した二つの磁性材料を用意した。それぞれの磁性材料を加圧成形して得た圧粉磁心を試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４とする。試料Ｎｏ．１と試料Ｎｏ．３、試料Ｎｏ．２と試料Ｎｏ．４の透磁率がそれぞれ同等の値となるように、試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４における熱硬化性樹脂の量を合金粉末１００ｗｔ％に対して３．５ｗｔ％としてある。
【００１７】
［第３実施例］
前述のガラス被覆したＦｅ−Ｓｉ系合金粉末とガラス被覆したＦｅ−Ｎｉ系合金粉末の二種の金属磁性粉を、それぞれ７５ｗｔ％：２５ｗｔ％、５０ｗｔ％：５０ｗｔ％、２５ｗｔ％：７５％ｗｔ％の割合で混合した３種類の混合磁性粉を用意し、これらの混合磁性粉１００ｗｔ％に対して２ｗｔ％の熱硬化性有機樹脂を混合して粉末状の磁性材料を作製した。そして、各磁性材料を加圧成形して得た圧粉磁心をそれぞれ試料Ｎｏ．５、Ｎｏ．６、Ｎｏ．７とする。Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末とＦｅ−Ｎｉ系合金粉末の平均粒径は、それぞれ２０μｍ、１０μｍとした。
【００１８】
なお、混合磁性粉には粒子間の滑性を高めるため、さらにステアリン酸塩などの潤滑剤を０．１〜０．５ｗｔ％添加してもよい。金属磁性粉の平均粒径は１０μｍ〜３０μｍ程度が好ましい。粒径がこれよりも大きくなるとコア損失が増大し、これよりも小さくなると高い透磁率が得難くなると同時にガラス被膜の形成が難しくなる。また、ガラス粉末の平均粒径は被覆する磁性粉末の平均粒径の１／５〜１／１０の範囲から選ぶのがよい。
【００１９】
上述した試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７の各圧粉磁心の電気、磁気特性を測定した結果は図２のとおりである。本発明の磁性材料を使用した試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．２の圧粉磁心は、透磁率が比較品の試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４とほぼ同じであるにもかかわらず、絶縁抵抗と耐電圧は高い値を示していることが分かる。絶縁抵抗と耐電圧特性が試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４と同等レベルとするならば、試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．２で使用した有機樹脂量２．５ｗｔ％をさらに低減することが可能となり、透磁率２９、２７以上にできることは容易に推定できる。しかし、試料Ｎｏ．１のようなＦｅ−Ｓｉ系合金粉のみではコア損失がやや大きくなり、Ｎｏ．２のようなＦｅ−Ｎｉ系合金粉のみでは材料費が高価となる。これらの問題はＦｅ−Ｓｉ系合金粉とＦｅ−Ｓｉ系合金粉の平均粒径よりも小さいＦｅ−Ｎｉ系合金粉を混合することで解消できる。
【００２０】
図２に示した特性の測定にあたっては、粉末状の磁性材料１ｇを金型に入れて圧力５トン／ｃｍ２でプレス成形し、外径が１４．４ｍｍ、内径が１０．３、厚みが約２ｍｍのリング状の圧粉磁心としたものを、透磁率、コア損失測定用の試料とした。そして交流Ｂ−Ｈカーブ測定器を用い、測定周波数３００ＫＨｚで印加磁束密度４０ｍＴとした時の交流比透磁率（μａ）とコア損失を測定した。
【００２１】
また、絶縁抵抗、耐電圧測定用試料は、粉末状の磁性材料０．４５ｇを金型に入れて圧力５トン／ｃｍ２でプレス成形し、外径が７．２ｍｍφ、厚みが約２ｍｍの円柱状の圧粉磁心とした。そして、上下面に５ｍｍ×５ｍｍの電極を付け、絶縁抵抗測定器及び耐圧試験器によって電極間の面間抵抗と耐電圧を測定した。
【００２２】
本発明による圧粉磁心の試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．２と比較例の試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４の絶縁抵抗の熱劣化特性を図３に示す。試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４に比べて、本発明の圧粉磁心は長時間、高い温度に曝されても絶縁抵抗の劣化が少ないことが明らかである。絶縁抵抗・熱劣化特性が優れている圧粉磁心を使用することにより信頼性の高いパワーインダクタが製作可能となる。
【００２３】
絶縁抵抗・熱劣化特性の測定は、絶縁抵抗測定用圧粉磁心を１５０℃の恒温槽内に入れて時間ごとの絶縁抵抗の値を測定することにより行った。圧粉磁心の絶縁抵抗の低下が進行する速度は「温度が１０℃上がるごとに反応速度が２倍となる」というアレニウスの反応式に近い近似式をもって低下することが実験的に確かめられている。したがって、１５０℃―３０００時間後の絶縁抵抗値は１００℃―９６０００時間に相当するものとなり、製品の寿命、保証期間を見極める指標となる。
【００２４】
本発明の圧粉磁心の試料Ｎｏ．５、Ｎｏ．６、Ｎｏ．７の絶縁抵抗の熱劣化特性を図４に示す。これらの圧粉磁心比較品の試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４と比べて同等以上であることが分かる。また図２から明らかなように、高い透磁率と高い絶縁性が得られている。Ｆｅ−Ｓｉ系合金磁性粉の配合比率の高いＮｏ．５はコア損失が増加し、Ｆｅ−Ｎｉ系合金磁性粉の配合比率の高いＮｏ．７は耐電圧が低下している。この配合比はコア損失と耐電圧特性のどちらを重視するかで適宜選択すれば良い。総合的に最も優れた磁気特性は、Ｆｅ−Ｓｉ系合金磁性粉とＦｅ−Ｎｉ系合金磁性粉との配合比を、７０ｗｔ％：３０ｗｔ％〜３０ｗｔ％：７０ｗｔ％の範囲内としたときに得られた。
【００２５】
次に、本発明の磁性材料を使用した一体成形型インダクタの製造例について説明する。一番大きな効果が得られた試料Ｎｏ．５に用いた磁性材料を使用して試作を行った。この磁性材料は、ガラス膜と熱硬化性樹脂で粒子表面を二重に被覆したＦｅ−Ｓｉ系合金粉及びＦｅ−Ｎｉ系合金粉を混合したものである。
【００２６】
まず、断面寸法が縦０．８ｍｍ×横２ｍｍの絶縁被覆銅線である平角線を用い、内径５ｍｍφの２層にエッジワイズ巻きした２．５ターンの空芯コイルを用意する。この空芯コイルを成形金型の内部にセットし、空芯コイルが埋設された状態となるように、前記の磁性材料を３．３ｇ金型に充填した。
【００２７】
そして５トン／ｃｍ２の圧力で加圧成形し、型から取り出した成形品を８５℃で２時間、１５０℃にて３０分間予備加熱してバインダとなる熱硬化性樹脂を硬化させた。この後、コイルの端末を折り曲げ成形することにより、縦１２．５ｍｍ×横１２．２ｍｍ×高さ４．７ｍｍの図１に示したような一体成形型インダクタが完成した。
【００２８】
また、特性比較用にガラス被覆していない従来の磁性材料と、断面寸法が縦０．６ｍｍ×横２ｍｍの絶縁被覆銅線である平角線（内径５ｍｍφの２層にエッジワイズ巻きした２．５ターン）の空芯コイルを用意し、同一形状の一体成形型インダクタを作製した。この従来の製法によるインダクタと前述の本発明の製法によるインダクタのインダクタンス値及びコイルの抵抗値を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１から明らかなように、本発明の磁性材料を使用して製造したインダクタは抵抗値をほぼ２割低減された空芯コイルでありながら、従来品より高いインダクタンスが得られている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】インダクタの構成例を示す斜視図
【図２】圧粉磁心試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７の電気・磁気特性の測定データ図
【図３】圧粉磁心試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の絶縁抵抗・熱劣化特性図
【図４】圧粉磁心試料Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７の絶縁抵抗・熱劣化特性図
【符号の説明】
【００３２】
１  コイル
２  成形体
３  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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