(57)【要約】      （修正有）【課題】  磁性粉末と結合材の混和物を成形した圧粉磁芯の内部にコイルを内蔵した磁芯一体型構造のインダクタにおける、圧粉磁芯の磁性粉末の充填率を向上させることで、飽和磁束密度を増加させ、より小型化が可能な、インダクタ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  降伏応力が１．５倍以上異なる二種類以上の磁性粉末を混合した混合磁性粉末と結合材からなる混和物を２００ＭＰａ以上の圧力で成形することで十分な圧粉密度を有し、この圧粉体を１５０℃以上の温度で熱処理するで高いμを発現する圧粉磁芯を使用することで、高飽和磁束密度を有する磁芯一体型のインダクタを得ることができる。また、バイアス磁石を配置することで、定格電流を増加することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性粉末と結合材からなる混和物を成形してなる圧粉磁芯と、前記圧粉磁芯に内蔵されるコイルを有する磁芯一体型構造のインダクタにおいて、前記磁性粉末は、少なくとも１種類の磁性粉末からなる第一の磁性粉末と、他の少なくとも１種類の磁性粉末からなる第二の磁性粉末を含む混合磁性粉末であり、前記第一の磁性粉末の降伏応力は、前記第二の磁性粉末の降伏応力の１．５倍以上であることを特徴とするインダクタ。
【請求項２】
前記第一の磁性粉末は、非晶質磁性金属及びナノ微結晶磁性金属の少なくともいずれかを含み、前記第二の磁性粉末は、結晶質磁性金属を含むことを特徴とする、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項３】
前記圧粉磁芯内部に、前記コイルが形成する磁束の方向と、磁化の方向が平行で、かつ磁化の向きが逆となるように、永久磁石を配置してなることを特徴とする、請求１または請求項２に記載のインダクタ。
【請求項４】
前記永久磁石は、２−１７型Ｓｍ−Ｃｏ系磁石粉末、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ系磁石粉末から選ばれる磁石粉末を結合材により成形したボンド磁石であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のインダクタ。
【請求項５】
前記混合磁性粉末を、２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮成形し、前記第二の磁性粉末を塑性変形させる工程を有することを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のインダクタの製造方法。
【請求項６】
前記圧縮成形した前記圧粉磁芯に、１５０℃以上の温度で熱処理する工程を有することを特徴とする、請求項５に記載のインダクタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟磁性材料粉末と結合材の混和物を成形した圧粉磁芯の中にコイルが埋め込まれた磁芯一体型構造のインダクタ及びその製造方法に関するもので、特に圧粉磁芯の軟磁性材料粉末の充填率を向上したインダクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気機器、電子機器の小型化が一層進み、これらに用いられる部品に対しても小型化の要求は留まるところがないのが実情である。このような背景において、電気機器、電子機器に用いられる重要な部品であるインダクタについても、小型化、高効率化の要求が、ますます高まっている。
【０００３】
また、インダクタの構造には種々のものがあり、高効率化を目的としてコイルの周囲に閉磁路を構成する磁芯を配置した構造のものが多用されている。このようなインダクタに用いられる磁芯には、一般的にフェライトの焼結体からなるフェライト磁芯、アモルファス合金薄帯や高珪素鋼などの板材を積層した積層磁芯、アモルファス鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ粉末、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ粉末、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ粉末などの磁性金属の粉末を、結合材を用いて圧縮成形した圧粉磁芯が用いられる。
【０００４】
これらの磁芯のうち、フェライト磁芯は、低損失の点で優れているものの飽和磁束密度が小さいという欠点を有する。これに対し、積層磁芯や圧粉磁芯は、渦電流などに起因する損失を抑制しながら金属磁性体の有する高飽和磁束密度を活用し得る磁芯である。従って、部品の小型化には、積層磁芯や圧粉磁芯が適している。
【０００５】
しかしながら、近年の電気機器、電子機器の小型化は、非常に急激なものがあり、これに使用されるインダクタに対しては、小型化と同時に、大きな直流電流下における高インダクタンスが求められている。
【０００６】
この要求を達成するには、磁芯の飽和磁束密度と高周波帯域での損失特性及び大電流におけるインダクタンス特性を一層向上させることが必要である。
【０００７】
このような観点から積層磁芯と圧粉磁芯とを比較すると、積層磁芯においては、材料として用いる高珪素鋼やアモルファス合金それ自体の飽和磁束密度は高いものの、高周波数帯域に対応させるには、積層する材料自体を薄くし積層枚数を多くする必要がある。
【０００８】
しかしながら、積層枚数が多なるに伴い、積層する材料間の絶縁層が増加し、積層材料自体の占積率が低下することになり、積層磁芯の飽和磁束密度の低下を招くという問題がある。
【０００９】
ところで、圧粉磁芯においては、粒度を微細化した軟磁性金属粉末の粒子間に、高分子材料などの絶縁材を介在させることで、比抵抗の向上が可能であり、かつ、鉄系の軟磁性金属粉末を用いることで、高い飽和磁束密度を発現し得ることから、高周波帯域に対応した上に、大電流を必要とするチョークコイル、トランスなどのインダクタンス部品に適した材料と言える。また、小型のインダクタにおいて、圧粉磁芯は、積層磁芯より所要形状を得るのが容易であるという利点もある。
【００１０】
インダクタの特性を向上するには、磁芯の飽和磁束密度の向上が不可欠であるが、圧粉磁芯は、磁性粉末と結合材の混和物を圧縮成型して作製するため、粉末粒子間に空隙が介在し、この空隙が磁性粉末の高密度化の弊害となり、当然のことながら飽和磁束密度の向上に全く寄与していないのが現状である。
【００１１】
これに対処するため、軟磁性金属粉末の粒度を調整し、大きな粒子間の空隙に小さな粒子を充填することが行われている。しかしながら、空隙の減少にも限界があると同時に、軟磁性金属粉末の粒度調整は、材料のコスト増や工程の複雑化につながる。
【００１２】
特許文献1には、スペーシング材と称する材料を用いて、圧粉磁芯における軟磁性金属粉末粒子間の空隙を減少する技術が開示されている。しかし、ここに開示されているスペーシング材は磁性体である必要はなく、しかも空隙を減少する方法、つまり圧粉磁芯の密度を向上する方法については十分に開示されていない。
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−２３８６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、本発明は、上記の課題を解決するために成されたもので、磁性粉末と結合材の混和物を成形した圧粉磁芯の内部にコイルを内蔵した磁芯一体型構造のインダクタにおける、圧粉磁芯の磁性粉末の充填率を向上させることで、飽和磁束密度を増加させ、より小型化が可能なインダクタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、前記の課題を解決するために、圧粉磁芯を構成する磁性粉末として非晶質鉄粉末などの非晶質磁性金属や、Ｆｅ−Ｓｉ粉末、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ粉末などの結晶質磁性金属が使用される。
【００１６】
また、非晶質磁性金属は、原子配列が不規則なため、結晶質磁性金属に存在する結晶格子に特定の滑り面がなく、機械的な強度に優れている。そして一般的には、非晶質磁性金属の降伏応力は、結晶質磁性金属の降伏応力の約２倍に達する。
【００１７】
本発明者らは、これらの非晶質磁性金属またはナノ微結晶磁性金属と、結晶質磁性金属を適当な比率で混合した磁性粉末を、一定以上の圧力で圧縮成形することで、前者の粒子の間に介在する後者の粒子が塑性変形を起こして、粒子間の間隙が減少することに着目し、本発明をなすに至ったものである。
【００１８】
また、本発明によるインダクタにおいて、小型化、大きな直流電流下における高インダクタンス化のために、磁芯に永久磁石を挿入するが、この永久磁石も、小型、薄型にする必要があり、高磁束密度を有する、２−１７型Ｓｍ−Ｃｏ系磁石粉末、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ系磁石粉末を結合材により成形したボンド磁石が適している。
【００１９】
また、圧粉磁芯に使用する磁性粉末としては、各種の非晶質磁性金属、鉄系の結晶質磁性金属が用いられるが、高透磁率を有し、前記合金の粉末よりも小粒径のフェライト粉末を混合すると、結果的に磁性金属粉末粒子間の絶縁層として機能し、圧粉磁芯の損失低減に寄与することになる。
【００２０】
また、圧粉磁芯の成形の際に、結晶質磁性金属に塑性変形が起こる程度に圧力を加えるので、磁性粉末に歪みが生じ、特性が低下することがある。これ対しては、熱処理を施すことで特性を向上させることができる。本発明者らの検討結果では、熱処理温度の適正値は１５０℃以上である。ただし、一定以上の温度で加熱すると、結合材の熱分解が起こるばかりでなく、磁性金属粉末の酸化による特性低下も見られるようになるので、熱処理温度には上限値がある。
【００２１】
即ち、本発明は、磁性粉末と結合材からなる混和物を成形してなる圧粉磁芯と、前記圧粉磁芯に内蔵されるコイルを有する磁芯一体型構造のインダクタにおいて、前記磁性粉末は、少なくとも１種類の磁性粉末からなる第一の磁性粉末と、少なくとも１種類の磁性粉末からなる第二の磁性粉末を含む混合磁性粉末であり、前記第一の磁性粉末の降伏応力は、前記第二の磁性粉末の降伏応力の１．５倍以上であることを特徴とするインダクタである。  
【００２２】
また、本発明は、前記第一の磁性粉末は、非晶質磁性金属及びナノ微結晶磁性金属の少なくともいずれかを含み、前記第二の磁性粉末は、結晶質磁性金属を含むことを特徴とする、前記のインダクタである。
【００２３】
また、本発明は、前記圧粉磁芯内部に、前記コイルが形成する磁束の方向と、磁化の方向が平行で、かつ磁化の向きが逆となるように、永久磁石を配置してなることを特徴とする、前記のインダクタである。
【００２４】
また、本発明は、前記永久磁石は、２−１７型Ｓｍ−Ｃｏ系磁石粉末、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ系磁石粉末から選ばれる磁石粉末を結合材により成形したボンド磁石であることを特徴とする、前記のインダクタである。
【００２５】
また、本発明は、前記混合磁性粉末を、２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮成形し、前記第二の磁性粉末を塑性変形させる工程を有することを特徴とする、前記のインダクタの製造方法である。
【００２６】
また、本発明は、圧縮成形した前記圧粉磁芯に、１５０℃以上の温度で熱処理することを特徴とする、前記のインダクタの製造方法である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、圧粉磁芯における磁性粉末間の空隙が少なくなるため、圧粉磁芯の透磁率や飽和磁束密度などの特性が向上し、小型化が可能となるインダクタ及びその製造方法が得られる。
【００２８】
また、一般に磁芯を小型化すると、磁気飽和のため、電源部として扱える電流値が小さくなってしまうという問題があるが、本発明では、これに対処するために、磁芯の一部にギャップを設けたり、ギャップに永久磁石を挿入して磁芯に直流の磁気バイアスを与え、ギャップを通過し得る磁束を増加させたりする技術が開示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、具体的な例を挙げ、本発明の実施の形態について説明する。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態に係るインダクタの外観を示す斜視図で、内蔵されるコイルと永久磁石を透視して示してある。図１において、１はインダクタ、２はコイル、３は永久磁石、４は圧粉磁芯を示す。ここでは、内蔵されるコイル２として、エッジワイズ巻、つまり長さ方向に垂直な断面の形状が長方形の平角導体を、断面の長辺が巻線の中心軸に対して垂直となるように、巻き回したコイルを用いた例を示した。
【００３１】
図２は、７００ＭＰａで成形した図１に示す圧粉磁芯４の断面を模式的に示した図で、５は非晶質磁性金属粉末の粒子、６は結晶質磁性金属粉末の粒子を示す。ここでは、図１に示す圧粉磁芯４に使用する磁性金属粉末として、平均粒径が２２μｍの非晶質鉄粉末と、平均粒径が１０μｍのＦｅ−Ｓｉ合金の粉砕粉末を、重量比で７０／３０に混合した粉末を用いた。なお、ここで用いた磁性金属粉末の降伏応力は、非晶質鉄粉末が４．２ＧＰａ、Ｆｅ−Ｓｉ合金の粉砕粉末が１．７ＧＰａである。
【００３２】
また、非晶質磁性金属粉末として、ガスアトマイズ法による粉末を用いているので、その形状は球形に近くなっている。そして、図２に示したように、結晶質磁性金属粉末の粒子６は、塑性変形により、非晶質磁性金属粉末の粒子５間の空隙の形状に近い形状となり、非晶質磁性金属粉末の粒子５間の空隙を占めている。
【００３３】
次に、圧粉磁芯４の特性を向上するには、圧粉磁芯４の磁性粉末粒子間の空隙を減少すること、つまり、圧粉磁芯４の密度を向上することが必要である。これに対する本発明の効果を検証するため、成形圧力と圧粉体の密度の関係を求めた。前記の非晶質鉄粉末とＦｅ−Ｓｉ合金の粉砕粉末からなる混合粉末を、１００〜１１００ＭＰａの成形圧力で圧縮成形し、圧粉体の密度を測定した。また、比較のため同様の条件で、非晶質鉄粉末とＦｅ−Ｓｉ合金の粉砕粉末を単独で圧縮成形に供し、圧粉体の密度を測定した。
【００３４】
これらの圧粉体における成形圧力と相対密度の関係を図３に示す。なお、図３では、相対密度の比較の便宜を図るため、各粉末が空隙のない状態で充填されたときの密度を算出し、この数値を１００として表示した相対値を用いた。
【００３５】
図３において、円形で示したプロットは非晶質鉄粉とＦｅ−Ｓｉ合金の粉砕粉末からなる混合粉末における成形圧力と相対密度の関係で、三角形で示したプロットは非晶質鉄粉末単独、四角形で示したプロットはＦｅ−Ｓｉ合金粉末単独での成形圧力と相対密度の関係である。
【００３６】
図３の結果から明らかなように、成形圧力が２００ＭＰａ未満の領域では、成形圧力と圧粉体の密度の関係における勾配が大きく、十分に磁性粉末粒子間の空隙が減少していない。つまり、十分な圧粉体の密度を得るには、２００ＭＰａ以上の成形圧力が必要であることが分かる。
【００３７】
また、非晶質鉄粉末とＦｅ−Ｓｉ合金の粉砕粉末からなる混合粉末では、他の２種類の粉末よりも、大きな密度の圧粉体が得られ、Ｆｅ−Ｓｉ合金の粉砕粉末の塑性変形効果が現れていることが分かる。
【００３８】
次に、圧縮成形の際に生じる磁性粉末の歪みについて述べる。磁性粉末の歪みは、特性低下に繋がり、これを解消するには熱処理が有効であることから、熱処理の適正温度を検証するために、７５〜５００℃で１０分間の熱処理を行った際の、圧粉磁芯の透磁率（μ）を測定した。
【００３９】
また、特性測定用の試料は、１００重量部の、前記の非晶質鉄粉末とＦｅ−Ｓｉ合金の粉砕粉末からなる混合粉末に対して、結合材として３重量部のエポキシ樹脂を加え、外径が２０ｍｍ、内径が１０ｍｍ、高さが５ｍｍのトロイダル圧粉磁芯とした。その後、結合材を硬化させ、巻線を施して調査用試料を製作した。なお、ここでは成形圧力を７００ＭＰａとした。
【００４０】
図４は、各熱処理温度における圧粉磁芯の透磁率μの値をプロットした図である。図４から明らかなように、１５０℃未満の温度領域では、μの変化が殆ど見られず、１５０℃以上の温度領域で熱処理の効果が現れることが分かり、透磁率としては、２５０℃以上で処理することが望ましい。また、この温度範囲では、高温側においても、顕著なμの低下が見られなかったので、磁性粉末の酸化は起こっていないと考えられる。しかし、５００℃付近の温度領域で、１０分程度以上保持すると結合材の酸化劣化が認められたので、この温度が熱処理温度の上限値と考えられる。
【００４１】
次に、圧粉磁芯４に内蔵されるコイル２が形成する磁束の方向と、磁化の方向が平行となるように配置した永久磁石３、つまりバイアス磁石３を配置したインダクタの特性を検討した結果について説明する。
【００４２】
ここで調査用試料として製作したインダクタは、外形が１０ｍｍ×１０ｍｍ×４ｍｍであり、前記のトロイダル圧粉磁芯４において、μが約３４を示した条件、つまり圧縮成形後に４５０℃で熱処理を施したものである。
【００４３】
また、ここで用いたコイル２は、銅からなる平角導体で、断面が幅１．２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍであり、ポリアミドイミドからなる絶縁層を有し、内径が３．６ｍｍとなるようにエッジワイズ巻した形状で、巻数は３．５ターンである。
【００４４】
また、バイアス磁石３は、平均粒径が６μｍの２−１７系Ｓｍ−Ｃｏ焼結磁石の粉砕粉末を、エポキシ樹脂を結合材として成形したボンド磁石であり、その形状は、径が３．５ｍｍ、厚さが０．５ｍｍの円盤状で、厚さ方向が磁化方向である。
【００４５】
このバイアス磁石３を、コイル２の内周側の中央部であって、バイアス磁石３の磁化の向きが、コイル２が形成する磁界方向と逆向きになるように配置した。また、比較に供するために、バイアス磁石を配置しない、同様の条件で製作したインダクタについても、同時に評価した。
【００４６】
図５に、前記２種類のインダクタにおける、負荷電流値とインダクタンスの変化率の関係を示した。図５において、円形でプロットした曲線は、バイアス磁石３を配置したインダクタの負荷電流値とインダクタンスの変化率の関係を示し、三角形でプロットした曲線はバイアス磁石を配置していないインダクタの負荷電流値とインダクタンスの変化率の関係を示している。
【００４７】
図５から明らかなように、バイアス磁石を配置していないインダクタでは、負荷電流の増加に伴うインダクタンスの低下が顕著で、直流重畳特性が低い。一般にインダクタのインダクタンス変化率は１０％以下であることが要求されるので、この場合の定格電流は１５Ａ程度が限界であることが分かる。
【００４８】
これに対しバイアス磁石を配置したインダクタは、４５Ａの電流値で、わずかなインダクタンスの低下が見られるだけであり、定格電流を４５Ａとしても問題なく使用できることが分かる。
【００４９】
以上に説明したように、降伏応力が１．５倍以上異なる磁性粉末を混合して用い、成形圧力を２００ＭＰａ以上とすることにより、十分な圧粉密度を有し、高いμを発現する磁芯一体型のインダクタを得ることができる。また、バイアス磁石を配置することで、定格電流を増加することができる。
【００５０】
つまり、本発明によるインダクタは、小型で大電流に対応可能であり、例えばクロック周波数の増加に伴う大電流を必要とする、次世代ＣＰＵなどの用途に適用可能で、電気機器、電子機器の小型化に寄与するところが非常に大きいと言える。
【００５１】
以上のことから、磁性粉末と結合材の混和物を成形した圧粉磁芯の内部にコイルを内蔵した磁芯一体型構造のインダクタによれば、圧粉磁芯の磁性粉末の充填率を向上させることができ、飽和磁束密度を増加させることが出来るため、より小型化が可能なインダクタ及びその製造方法を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によるインダクは、圧粉磁芯の磁性粉末の充填率を向上させることができ、飽和磁束密度を増加させることが出来るため、より小型化が可能であり、永久磁石の挿入による逆磁界効果により直流重畳特性の高い安定性を有することから、高周波で用いられる各種電子機器の電源用部品であるチョークコイル、トランス等への適用が好適である。また、４５アンペア以上の大電流を必要とする次世代の各種電子機器への応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態に係るインダクタの外観を示す斜視図。
【図２】圧粉磁芯の断面を模式的に示す図。
【図３】成形圧力と相対密度の関係を示す図。
【図４】熱処理温度に対する透磁率μをプロットした図。
【図５】負荷電流値とインダクタンスの変化率の関係を示す図。
【符号の説明】
【００５４】
１    インダクタ
２    コイル
３    永久磁石（バイアス磁石）
４    圧粉磁芯
５    非晶質磁性金属粉末の粒子
６    結晶質磁性金属粉末の粒子
【図１】
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【図２】
2006294733.tif 000004
【図３】
2006294733.tif 000005
【図４】
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【図５】
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