(57)【要約】【課題】パワーエレクトロニクス用の磁性材料の磁気特性の測定の手間を簡素化すること。【解決手段】磁界発生コイル（６）の軸部（６ａ）の内部に、一対の中空の軸部（１１ａ，１１ｂ）に８の字状に電線（１１ｃ）が巻かれたピックアップコイル（１１）と磁界検出コイル（７）とを挿入し、ピックアップコイル（１１）の一方の軸部（１１ａ）の内部に磁性材料（１４）を収容し、磁界発生コイル（６）に交番電流を流した場合に、磁界検出コイル（７）の検出結果から磁場の強度（Ｈ）を導出すると共に、ピックアップコイル（１１）の検出結果から磁化（Ｍ）を導出し、磁場の強度（Ｈ）と磁化（Ｍ）の周波数特性を導出することを特徴とするパワーエレクトロニクス用の磁性材料の磁気特性測定方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の軸部の外周に電線が巻かれた磁界発生コイルに対して、前記磁界発生コイルの軸部の内部に、一対の中空の軸部に８の字状に電線が巻かれたピックアップコイルと磁界検出コイルとを挿入し、
ピックアップコイルの一方の軸部の内部に磁性材料を収容し、
前記磁界発生コイルに交番電流を流した場合に、前記磁界検出コイルの検出結果から磁場の強度を導出すると共に、前記ピックアップコイルの検出結果から磁化を導出し、
磁場の強度と磁化の周波数特性を導出する
ことを特徴とするパワーエレクトロニクス用の磁性材料の磁気特性測定方法。
【請求項２】
中空の軸部の外周に電線が巻かれた磁界発生コイルと、
前記磁界発生コイルの軸部の内部に挿入され、一対の中空の軸部に８の字状に電線が巻かれたピックアップコイルと、
前記磁界発生コイルの軸部の内部に挿入された磁界検出コイルと、
ピックアップコイルの一方の軸部の内部に収容され、内部に磁性材料が収容された容器と、
前記磁界発生コイルに交番電流を流した場合に、前記磁界検出コイルの検出結果から磁場の強度を導出すると共に、前記ピックアップコイルの検出結果から磁化を導出し、磁場の強度と磁化の周波数特性を導出する制御部と、
を備えたことを特徴とするパワーエレクトロニクス用の磁性材料の磁気特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性材料の磁気特性測定方法および磁性材料の磁気特性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクス技術の深化において、高機能なトランス材料の開発は急務である。産業界では、省電力用途から大電力用途まで幅広くそれぞれ最適な材料の探索が行われている。
高機能なトランス材料を評価する技術として、ＢＨループトレーサが一般的に使用されている。
【０００３】
図６は従来のＢＨループトレーサの説明図である。
図６において、従来のＢＨループトレーサ０１では、リング状の測定試料０２に１次側の導線０３と、２次側の導線０４を巻きつけて、１次側に電流ｉ（ｔ）を供給した時に、２次側で発生する電流ｅを測定し、磁界Ｈ（ｔ）と磁束密度Ｂ（ｔ）を導出する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
（従来技術の問題点）
従来のＢＨループトレーサ０１では、軟磁性材料の磁気特性を測定する場合、磁気回路を組めるように測定試料０２の加工（材料をリング状や井桁状に整形し、コイル０３，０４を巻く等の作業）が必要であった。したがって、磁性材料評価を行うためには、リング形状や井桁形状を構成できるように、ある程度の量の試料が必要となり、材料によっては加工が大変だったり、コイル０３，０４を巻く作業が面倒で、磁気特性を測定するまでに大変な手間がかかる問題がある。よって、パワーエレクトロニクス用の新素材の磁気特性の解明までに時間がかかる問題があった。
【０００５】
本発明は、パワーエレクトロニクス用の磁性材料の磁気特性の測定の手間を簡素化することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明のパワーエレクトロニクス用の磁性材料の磁気特性測定方法では、
中空の軸部の外周に電線が巻かれた磁界発生コイルに対して、前記磁界発生コイルの軸部の内部に、一対の中空の軸部に８の字状に電線が巻かれたピックアップコイルと磁界検出コイルとを挿入し、
ピックアップコイルの一方の軸部の内部に磁性材料を収容し、
前記磁界発生コイルに交番電流を流した場合に、前記磁界検出コイルの検出結果から磁場の強度を導出すると共に、前記ピックアップコイルの検出結果から磁化を導出し、
磁場の強度と磁化の周波数特性を導出する
ことを特徴とする。
【０００７】
前記技術的課題を解決するために、請求項２に記載の発明のパワーエレクトロニクス用の磁性材料の磁気特性測定装置は、
中空の軸部の外周に電線が巻かれた磁界発生コイルと、
前記磁界発生コイルの軸部の内部に挿入され、一対の中空の軸部に８の字状に電線が巻かれたピックアップコイルと、
前記磁界発生コイルの軸部の内部に挿入された磁界検出コイルと、
ピックアップコイルの一方の軸部の内部に収容され、内部に磁性材料が収容された容器と、
前記磁界発生コイルに交番電流を流した場合に、前記磁界検出コイルの検出結果から磁場の強度を導出すると共に、前記ピックアップコイルの検出結果から磁化を導出し、磁場の強度と磁化の周波数特性を導出する制御部と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１，２に記載の発明によれば、ＢＨループトレーサを使用する場合に比べて、パワーエレクトロニクス用の磁性材料の磁気特性の測定の手間を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は本発明の実施例１のパワーエレクトロニクス用の磁性材料の磁性特性測定装置の説明図である。
【図２】図２は実施例１のＬＣ共振回路の説明図である。
【図３】図３は磁界発生コイルとその内部に収容される部材の説明図である。
【図４】図４は実施例１の制御部の機能ブロック図である。
【図５】図５は保磁力と飽和磁化の説明図である。
【図６】図６は従来のＢＨループトレーサの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例である実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
【実施例１】
【００１１】
図１は本発明の実施例１のパワーエレクトロニクス用の磁性材料の磁性特性測定装置の説明図である。
本発明の実施例１のパワーエレクトロニクス用の磁性材料の磁性特性測定装置１は、高周波電源装置２を有する。実施例１の高周波電源装置は、一例として出力１ｋＷ、周波数帯は、０〜１ＭＨｚのものを使用可能である。
高周波電源装置２には、変圧器（トランス、変成器）３の入力側が接続されている。実施例１では、トランス３により、インピーダンス整合を行っている。すなわち、トランス３により、入出力インピーダンスを合わせ、電力の反射を抑えている。
【００１２】
図２は実施例１のＬＣ共振回路の説明図である。
トランス３の出力側には、ＬＣ共振回路４が接続されている。ＬＣ共振回路４には、磁界発生コイル６が直列に接続されている。
図２において、実施例１のＬＣ共振回路４は、静電容量が固定の７個のコンデンサ４ａ〜４ｇと、静電容量が可変の可変コンデンサ４ｈとを有する。なお、実施例１では、一例として、コンデンサ４ａ〜４ｇは、それぞれ４０［ｎＦ］のコンデンサを使用し、可変コンデンサ４ｈは、容量を０〜４［ｎＦ］の範囲で変化可能なコンデンサを使用可能である。
第１のコンデンサ４ａの一端側には、第４スイッチＳＷ４を介して磁界発生コイル６側の端子５Ｂに接続されている。第１のコンデンサ４ａの他端側には、第７スイッチＳＷ７を介して磁界発生コイル６側の端子５Ｂに接続されている。第１のコンデンサ４ａの他端側には、第５スイッチＳＷ５を介してトランス３側の端子５Ａに接続されている。
【００１３】
第１のコンデンサ４ａの一端側には第２のコンデンサ４ｂの一端側が接続されている。
第２のコンデンサ４ｂの他端側には、第３スイッチＳＷ３を介してトランス３側の端子５Ａに接続されている。
第２のコンデンサ４ｂの他端側には第３のコンデンサ４ｃの他端側が接続されている。
第３のコンデンサ４ｃの一端側には第４のコンデンサ４ｄの一端側が接続されている。
第４のコンデンサ４ｄの他端側には第５のコンデンサ４ｅの他端側が接続されている。
第５のコンデンサ４ｅの一端側には、第１スイッチＳＷ１を介して磁界発生コイル６側の端子５Ｂに接続されている。第５のコンデンサ４ｅの一端側には、第６スイッチＳＷ６を介してトランス３側の端子５Ａに接続されている。第５のコンデンサ４ｅの一端側には、第６のコンデンサ４ｆの一端側が接続されている。
【００１４】
第６のコンデンサ４ｆの他端側には、第７のコンデンサ４ｇの他端側が接続されている。第７のコンデンサ４ｇの一端側には、第２スイッチＳＷ２を介してトランス３側の端子５Ａに接続されている。
第７のコンデンサ４ｇの一端側には、可変コンデンサ４ｈの一端側が接続されている。可変コンデンサ４ｈの他端側は、磁界発生コイル６側の端子５Ｂに接続されている。
したがって、実施例１では各スイッチＳＷ１〜ＳＷ７のオンオフを制御することで、ＬＣ共振回路４の静電容量Ｃを変化させることが可能である。一例として、共振周波数が１００ｋＨｚの場合は、第１スイッチＳＷ１〜第５スイッチＳＷ５をオンにする等、共振周波数に応じて、共振するのに必要な静電容量Ｃを設定可能である。
【００１５】
よって、実施例１のＬＣ共振回路４は、静電容量を変化させることで、回路の共振周波数を変化可能な回路である。よって、静電容量をＣとし、磁界発生コイル６のインダクタンスをＬとし、共振周波数をｆとした場合に、以下の式（１）に基づいて、目的の共振周波数ｆとなるように静電容量Ｃをスイッチのオンオフで変化させる。なお、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５の切替は手動でも可能であるし、制御信号に応じて自動で切り替える構成とすることも可能である。
Ｃ＝１／（４π2ｆ2Ｌ）  …式（１）
なお、インダクタンスＬは、磁界発生コイル６の巻数等に応じて予め設定された既知の値である。
【００１６】
図３は磁界発生コイルとその内部に収容される部材の説明図である。
図１、図３において、磁界発生コイル６は、中空の軸部６ａと、軸部６ａの外周に巻かれた電線６ｂとを有する。軸部６ａの内部には、磁界検出コイル７が収容されている。磁界検出コイル７は、軸部７ａと、軸部７ａの外周に巻かれた電線７ｂとを有する。なお、実施例１の磁界検出コイル７では、電線７ｂは、軸部７ａの外周に対して１回巻に設定されている。
電線７ｂの両端には、磁界検出用の電圧計８が接続されている。
【００１７】
磁界発生コイル６の軸部６ａの内部には、ピックアップコイル１１が収容されている。ピックアップコイル１１は、一対の軸部１１ａ，１１ｂを有する。各軸部１１ａ，１１ｂは中空の円筒状に形成されている。２つの軸部１１ａ，１１ｂには、導線１１ｃが巻かれている。図３において、実施例１のピックアップコイル１１では、導線１１ｃが、一方の軸部１１ａを１周巻いた後、他方の軸部１１ｂを１周巻き、次に一方の軸部１１ａを１周巻く、…、と言った形で、導線１１ｃは２つの軸部１１ａ，１１ｂに対して、８の字状に巻かれている。また、実施例１では、導線１１ｃは、２つの軸部１１ａ，１１ｂそれぞれに対して２５回巻き分巻かれている。
ピックアップコイル１１の導線１１ｃの両端には、磁化検出用の電圧計１２が接続されている。
【００１８】
前記ピックアップコイル１１の軸部１１ａ，１１ｂの一方には、容器１３が収容される。容器１３には、磁場および磁化の検出対象の測定試料１４が収容されている。測定試料１４は粉状の磁性材料が収容されている。
また、実施例１の磁性特性測定装置１は、制御装置の一例としてのパーソナルコンピュータ２１が接続されている。パーソナルコンピュータ２１は、コンピュータ本体２１ａと、表示器の一例としてのディスプレイ２１ｂと、入力部材の一例としてのキーボード２１ｃおよびマウス２１ｄを有する。
【００１９】
（制御部の説明）
図４は実施例１の制御部の機能ブロック図である。
実施例１の磁性特性測定装置１のパーソナルコンピュータ２１の制御部Ｃは、外部との信号の入出力等を行う入出力インターフェースＩ／Ｏを有する。また、制御部Ｃは、必要な処理を行うためのプログラムおよび情報等が記憶されたＲＯＭ：リードオンリーメモリを有する。また、制御部Ｃは、必要なデータを一時的に記憶するためのＲＡＭ：ランダムアクセスメモリを有する。また、制御部Ｃは、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに応じた処理を行うＣＰＵ：中央演算処理装置を有する。したがって、実施例１の制御部Ｃは、小型の情報処理装置、いわゆるマイクロコンピュータにより構成されている。よって、制御部Ｃは、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムを実行することにより種々の機能を実現することができる。
実施例１の制御部Ｃは、高周波電源装置２やＬＣ共振回路４への制御信号を出力したり、キーボード２１ｃやマウス２１ｄ等の入力部材や、電圧計８，１２からの入力に応じて種々の機能を実現する。
実施例１の制御部Ｃは、次の機能（プログラムモジュール）を有している。
【００２０】
高周波電源の制御手段Ｃ１は、高周波電源装置２を制御して、磁性特性測定装置１を構成する回路に高周波電源を供給する。
共振周波数の演算手段Ｃ２は、磁性特性測定装置１を構成する回路の共振周波数ｆを演算する。実施例１の共振周波数の演算手段Ｃ２は、式（１）に基づいて、共振周波数ｆを演算する。
【００２１】
印加磁界の誘導起電力検出手段Ｃ３は、磁界検出用の電圧計８の検出結果に基づいて、磁界検出コイル７で発生する誘導起電力ＶＨを検出する。
印加磁界の演算手段Ｃ４は、磁界検出コイル７での誘導起電力ＶＨから印加磁界Ｈを検出する。実施例１の印加磁界の演算手段Ｃ４は、電線７ｂの巻数をｎ、磁界検出コイル７の断面積をＳとした場合に、以下の式（２）に基づいて印加磁界Ｈを演算する。
Ｈ＝−（∫ＶＨｄｔ）／ｎＳ  …式（２）
なお、実施例１では、積分は、デジタルオシロスコープの機能（積分器）を使用して積分を行った。
【００２２】
なお、デジタルオシロスコープを使用してサンプリングしたデータは、ドリフト等のＤＣオフセットを含むことがある。したがって、このまま積分して磁化や磁場とすると、磁化曲線が閉じない場合があり、磁化や磁場の導出ができないことがある。よって、実施例１では、ｄＨ／ｄｔのカーブをデジタルオシロスコープで測定した後、１周期分積分してドリフト（定数）を導出し、導出されたドリフト値をキャンセルするように演算することで、ドリフトの影響をキャンセルしている。
【００２３】
外部磁界の誘導起電力検出手段Ｃ５は、磁化検出用の電圧計１２の検出結果に基づいて、ピックアップコイル１１において測定試料１４の磁化Ｍで発生する誘導起電力ＶＭを検出する。なお、実施例１では、導線１１ｃが８の字に巻かれており、一方のピックアップコイル１１ａ＋１１ｃで発生する誘導起電力に対して、他方のピックアップコイル１１ｂ＋１１ｃで発生する誘導起電力が、逆極性且つ絶対値が同一の電力となる。したがって、印加磁界Ｈによる誘導起電力は打ち消され、測定試料１４の磁化で発生する誘導起電力ＶＭのみが検出される。
【００２４】
磁化の演算手段Ｃ６は、ピックアップコイル１１での誘導起電力ＶＭに基づいて、測定試料１４の磁化Ｍを演算する。実施例１の磁化の演算手段Ｃ６は、真空の透磁率をμ0とし、導線１１ｃの巻数をｎとし、測定試料１４の密度をρとし、測定試料１４が測定される断面の断面積をＳｍとし、測定試料１４の充填率（試料の粒子と空隙で決まる全体積に対する粒子の占める割合、体積分率：Volume ratio）をＣとした場合に、以下の式（３）に基づいて、磁化Ｍを演算する。
Ｍ＝（∫ＶＭｄｔ）／（μ0・n・ρ・Ｓｍ・Ｃ）  …式（３）
【００２５】
図５は保磁力と飽和磁化の説明図である。
保磁力の検出手段Ｃ７は、測定試料１４の保磁力Ｈｃを測定する。特定の共振周波数ｆ（高周波電源の周波数）において、時間変化に伴って、図５に示すような印加磁界Ｈと磁化Ｍの関係が導出される。この時、磁化Ｍがゼロにおける磁場が、測定試料１４の保磁力Ｈｃであるため、保磁力の検出手段Ｃ７は、この保持力Ｈｃを検出（測定）する。そして、保磁力の検出手段Ｃ７は、高周波電源の周波数を変える度に、変化していく保磁力Ｈｃを検出していく。
【００２６】
飽和磁化の検出手段Ｃ８は、測定試料１４の飽和磁化Ｍｓを測定する。飽和磁化Ｍｓは、図５のグラフにおいて印加磁界Ｈに対して磁化Ｍが飽和した値であり、飽和磁化の検出手段Ｃ８は、この飽和磁化Ｍｓを検出（測定する）。なお、飽和磁化の検出手段Ｃ８は、保磁力の検出手段Ｃ７と同様に、周波数を変える度に飽和磁化Ｍｓを検出していく。
【００２７】
キャリブレーション手段Ｃ９は、測定試料１４として、特性が既知の材料を使用して、測定値と既知の特性値とのキャリブレーション（較正）を行う。特性が既知の材料として、例えば、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット、Yttrium Iron Garnet）の球状試料を使用することが可能である。そして、ＹＩＧの測定を行った時に、印加磁界Ｈと磁化Ｍの測定値と、ＹＩＧの既知の特性値とのずれを較正する較正データ（キャリブレーションデータ）を作成する。具体的には、ＹＩＧ球の測定時に、磁化曲線が飽和する磁界（飽和磁場：Ｈｓ）がＹＩＧ球の磁化（Ｍｓ）と、Ｈｓ＝μ・Ｍｓ／３の関係になることを利用して、磁性特性測定装置１の測定誤差を較正するキャリブレーションデータを作成する。なお、較正データは、印加磁界Ｈの演算や磁化Ｍの演算時に、較正パラメータとして使用する。
【００２８】
前記構成を備えた実施例１の磁性特性測定装置１では、高周波電源装置２で電圧が印加されると磁界発生コイル６の内部に磁界が発生する。この磁界Ｈは、磁界発生コイル６の磁界検出コイル６で発生する誘導電力ＶＨから導出される。また、発生した磁界Ｈは、ピックアップコイル１１内の容器１３に収容された測定試料１４を磁化させる。測定試料１４が磁化すると、磁化Ｍに応じて、ピックアップコイル１１に誘導電圧ＶＭが発生する。したがって、誘導電圧ＶＭから、測定試料１４の磁化Ｍが測定される。そして、印加磁界Ｈと磁化Ｍとの関係から、保磁力Ｈｃや飽和磁化Ｍｓが導出される。
【００２９】
ここで、パワーエレクトロニクスの分野では高機能なトランス用の材料が求められており、産業界では小電力用途から大電力用途まで幅広くそれぞれに最適な材料の探索が求められている。パワーエレクトロニクス用の磁性材料としては、いわゆる軟磁性体、すなわち、磁性体の中でも、比較的簡単に磁極が消えたり反転しやすいものが好適である。したがって、保磁力Ｈｃは小さいほうが好ましい。また、飽和磁化Ｍｓは大きい方が、使用可能な磁化Ｍの範囲が広くなるため好ましい。すなわち、保磁力Ｈｃと飽和磁化Ｍｓを評価することで、パワーエレクトロニクス用の磁性材料としての適性を測定、評価することが可能である。
【００３０】
また、高周波電源装置２で印加される電圧の周波数を変更しながら、保磁力Ｈｃや飽和磁化Ｍｓを導出することで、測定試料１４の磁化Ｍや保磁力Ｈｃ、飽和磁化Ｍｓの周波数特性を測定することが可能である。特に、実施例１では、高周波電源装置２を使用して１００ｋＨｚ以上の高周波における保磁力Ｈｃ等の周波数特性を測定することも可能である。すなわち、パワーエレクトロニクスにおいて、高周波環境でも好適に使用可能な磁性材料としての適性を測定、評価することが可能である。
したがって、小電力用途から大電力用途まで、使用環境が低周波から高周波までで、必要とされる保磁力Ｈｃや飽和磁化Ｍｓに応じた材料の探索に資する。
【００３１】
また、実施例１では、粉状の測定試料１４で保磁力Ｈｃや飽和磁化Ｍｓの測定が可能である。従来のＢＨループトレーサでは、磁気回路を組めるように試料形状をリング状や井桁状等に加工して導線を巻きつける必要があり、粉状の試料では測定が不可能であった。したがって、実施例１では、従来技術に比べて、材料の磁気特性の評価を容易に行うことができる。また、ＢＨループトレーサでは、加工形状に応じた量の試料が必要になっていたが、実施例１では、ＢＨループトレーサに比べて、少量の測定試料１４で磁気特性の測定、評価が可能である。よって、従来に比べて、測定試料１４の磁気特性の測定が容易になる。
【００３２】
さらに、ＢＨループトレーサでは、測定されるものが、磁界Ｈと磁束密度Ｂであり、磁化Ｍは直接測定されない。したがって、従来のＢＨループトレーサでは、小さな磁気モーメントの試料については評価が困難であったのに対し、実施例１では、磁気モーメントが小さな試料でも直接磁化Ｍを測定して評価が可能となった。
【００３３】
また、実施例１では、ピックアップコイル１１において、８の字コイル１１ｃを使用することで、磁化Ｍに比例する成分のみを有効に検出できる。よって、８の字コイルではない通常のコイルを使用する場合に比べて、測定が用意になるとともに、測定精度の向上が期待できる。
さらに、実施例１では、ＬＣ共振回路４のスイッチＳＷ１〜ＳＷ７を切り替えることで、可変コンデンサを実現し、共振回路を実現することが可能である。よって、長波から中波領域での交流磁場の印加が可能となる。
【００３４】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、巻数やコンデンサ４ａ〜４ｈの数等の具体的な数値は例示したものに限定されず、任意に変更可能である。
また、ＬＣ共振回路４も実施例に例示した構成に限定されず、共振周波数を調整、設定可能な任意の構成とすることが可能である。
さらに、測定試料１４として、粉状の構成に限定されず、粒状、ブロック状等の任意の形状とすることも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１…磁気特性測定装置、
６…磁界発生コイル、
６ａ…軸部、
６ｂ…電線、
７…磁界検出コイル、
１１…ピックアップコイル、
１１ａ，１１ｂ…中空の軸部、
１１ｃ…電線、
１３…容器、
１４…磁性材料、
Ｃ…制御部、
Ｈ…磁場の強度、
Ｍ…磁化。
【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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