(57)【要約】【課題】鉄合金の磁性粉を加圧成形した従来の一体成形型インダクタは、高温環境下に置かれると絶縁抵抗が急速に低下する問題があった。【解決手段】鉄系の結晶質合金磁性粉と鉄系の非晶質合金磁性粉とを混合してなる混合磁性粉に、この混合磁性粉の１〜１０ｗｔ％の絶縁性結着剤をさらに混合して電子部品用の複合磁性材料とする。また、この複合磁性材料を加圧成形してコアを形成し、このコアの中にコイルを埋設してインダクタ等の磁性素子を構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系の結晶質合金磁性粉と鉄系の非晶質合金磁性粉とを混合してなる混合磁性粉に、該混合磁性粉の１〜１０ｗｔ％の絶縁性結着剤をさらに混合したことを特徴とする複合磁性材料。
【請求項２】
混合磁性粉における結晶質合金磁性粉と非晶質合金磁性粉の配合比をそれぞれ６０〜９０ｗｔ％、４０〜１０ｗｔ％とした請求項１の複合磁性材料。
【請求項３】
結晶質合金磁性粉の組成が３〜１２ｗｔ％の成分Ｘと残部の鉄からなり、非晶質合金磁性粉の組成が６〜２０ｗｔ％の成分Ｙと残部の鉄からなり、成分ＸがＳｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｍｇのうち少なくとも一つを含み、成分ＹがＳｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｂ、Ｃのうち少なくとも一つを含む請求項１または請求項２の複合磁性材料。
【請求項４】
結晶質合金磁性粉及び非晶質合金磁性粉の粉末粒子の平均粒径を、共に１〜５０μｍとした請求項１、請求項２又は請求項３の複合磁性材料。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか一つの請求項の複合磁性材料を加圧成形してなるコア。
【請求項６】
請求項５のコアの中に、少なくとも一つの巻線コイルを埋設した磁性素子。
【請求項７】
請求項５のコアの中に、少なくとも一つの平板導体を埋設した磁性素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄合金からなる磁性材料と、この磁性材料を使用して構成したコア及びインダクタ等の磁性素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコン、サーバ用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。
一方、ＤＣ／ＤＣコンバータの小型化を狙ったスイッチング周波数の高周波化の進展にも著しいものがあり、これに伴いＤＣ／ＤＣコンバータに用いるパワーインダクタの低インダクタンス化が進んでいる。
【０００３】
従来、この種のパワーインダクタはフェライト磁性体を用いて実現されていたが、フェライト磁性体の場合は透磁率が高く、高インダクタンスには向いているものの、飽和磁束密度が０．３Ｔ（テスラ）ないしは０．４Ｔと比較的低いため大電流印加時に磁気飽和状態に陥り易く、大電流化の要求には適さない。これに対し金属磁性体によるダストコアは飽和磁束密度が０．８Ｔ程度あり、大電流印加時でも磁気飽和を起こさず、大電流化の要求に対応できる。
【０００４】
飽和磁束密度がフェライトの約２倍ある金属磁性材料によるダストコアは小型化にも威力を発揮する。図３のような平均磁路長がＡ、断面積がＳ、コイル巻数をＮとするトロイダルコアによるコイルのインダクタンスＬｏおよび飽和電流値Ｉｓは透磁率をμ、飽和磁束密度をＢｍとすると、次式が成立する。
Ｉｓ＝Ｂｍ・Ａ／（μ・Ｎ）‥‥‥‥‥‥（１）
Ｌｏ＝μ・Ｓ・Ｎ2 ／Ａ  ‥‥‥‥‥‥‥（２）
平均磁路長Ａは（１）式から
Ａ＝μ・Ｎ・Ｉｓ／Ｂｍ  ‥‥‥‥‥‥‥（３）
これを（２）式に代入すると断面積Ｓは
Ｓ＝Ｉｓ・Ｌｏ／（Ｎ・Ｂｍ）‥‥‥‥‥（４）
となり、トロイダルコアの体積Ｖ（Ｖ＝Ａ・Ｓ）は
Ｖ＝（μ／Ｂｍ2 ）・Ｉｓ2 ・Ｌｏ‥‥‥（５）
となる。したがって、ＩｓとＬｏの仕様が決まるとコアの所要体積はμ／Ｂｍ2 に比例することになる。
【０００５】
フェライト磁性体をパワーインダクタに使用する場合、磁気飽和特性を改善するために、一般的に磁気回路に空隙が設けられる。フェライト材自体の透磁率は高いが、空隙を設けると実効的な透磁率μe は４０程度になり金属磁性体と同等になる。このように金属磁性体によるダストコアとフェライトコアの実効透磁率μe を略等しくすると、コアの所要体積はＢｍ2に逆比例して小さくなる。金属磁性体によるダストコアの飽和磁束密度Ｂｍはフェライトの約２倍になるので、金属磁性体で構成したパワーインダクタはフェライトに比べて磁性体の体積を約１/ ４にでき、形状の大幅な小型化が可能となる。
【０００６】
磁性粉に絶縁性結着剤を加えてなる複合磁性粉の中に、巻線コイルまたは平板状導体を埋設した一体成形型インダクタは、大電流化と小型化を同時に実現でき、前記ニーズ動向に合ったインダクタといえる。また、構造も非常に単純で作りやすく、製品の低コスト化も容易である。一体成形型インダクタの構成例を図１及び図２に示す。
【０００７】
図１のインダクタは、粒子表面が絶縁処理された磁性粉を加圧成形してなる成形体１のなかに、巻線型のコイル２を埋設したものである。成形体１には接着あるいはその一部を成形体１の中に埋め込むなどの手段で電極３が取り付けられ、コイル２の端末が電極３に接続されている。
【０００８】
図２に示すインダクタは、図１の巻線型のコイル２に代えて蛇行した平板状導体４を用いたもので、成形体１のなかに平板状導体４が埋設され、平板状導体４の端末が成形体１の外部に引き出されて電極３を構成している。
【０００９】
一体成形型インダクタは、等価的に図４のように二つの電極３の間にインダクタンスＬと成形体１の絶縁抵抗Ｒｚが並列に接続されたものとなる。この絶縁抵抗Ｒｚが高温劣化などにより低下すると、絶縁抵抗Ｒｚに流れる電流が増加して発熱し、成形体の温度が上昇する。成形体の温度が上昇すると熱的劣化が進んで絶縁抵抗Ｒｚがさらに低下し、発熱がますます増加する。次第にこの現象が加速されて、最終的にインダクタは熱暴走し、インダクタの破損ひいては基板を含む周辺電子部品の破損にいたることがあった。
【００１０】
図５は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいてインダクタＬに並列接続した抵抗Ｒの値を変えたときの変換効率の変化を測定した結果を示すものである。並列抵抗Ｒの値が大きい場合は効率の変化は無いが、１０ＫΩを切るあたりから効率が低下し始め、以降急激に低下している。従って、一体成形型インダクタにおける前述の絶縁抵抗Ｒｚは１０ＫΩが下限と考えられる。
【００１１】
純鉄の磁性粉を用いた従来の加圧成形型インダクタとしては特許文献１に記載のものがある。また、ＣｒやＳｉなどを加えた鉄合金磁性粉を用いたものは、特許文献２に開示されている。このような磁性粉にリン酸やホウ酸等により酸化皮膜を形成し、さらに耐熱性に優れた熱硬化性樹脂で磁性粉の粒子をコーティングして絶縁性を高め結着力を付与した複合磁性粉を用いて、図１のようなインダクタを試作してみた。複合磁性粉を加圧成形して形成したそれぞれの成形体１は、縦７ｍｍ、横７ｍｍ、高さ３ｍｍの寸法とし、加圧成形後１５０℃で１時間加熱し硬化させた。
【特許文献１】特開平９−１２０９２６号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９４１７号公報
【００１２】
図６は、これらのインダクタを１５０℃の高温環境下に置いたときの絶縁抵抗の低下状況を示している。図６から明らかなように、絶縁抵抗の初期値は高いものの、１５０℃環境下では時間の経過とともに絶縁抵抗が低下する。純鉄磁性粉の場合、先の回路動作からくる絶縁抵抗の下限である１０ｋΩに低下するのが１００時間、同じくＣｒが５％、Ｓｉが３％で残部がＦｅの合金磁性粉では同じく２０００時間となっている。
【００１３】
一般的に高温時の絶縁抵抗の低下を防ぐには、シリコン系などの耐熱性樹脂やガラス等で金属磁性粉をコーティングし、加圧成形した後、数百度で焼鈍することが有効であることは良く知られている。ただし、図１や図２の構造のインダクタでは、絶縁性結着剤としてエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を、またコイル線材の絶縁皮膜としてウレタン樹脂皮膜などが使われるため、加圧成形時の残留応力を取り除く目的で一般的に行われる数百℃での焼鈍は、これら樹脂が炭化するため行うことが出来ない。
【００１４】
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従って低下することが実験的に確かめられている。すなわち、絶縁抵抗がある値まで低下する時間を、温度Ｔａ℃の環境下ではＬａ時間、温度Ｔｂ℃の環境下ではＬｂ時間とし、Ｔｂ＞Ｔａとすると、アレニウスの反応式により、次のように表すことができる。
Ｌａ＝Ｌｂ・２(Tb-Ta)/10 ‥‥（６）
【００１５】
パソコン、サーバなどの実際の使用状態における最高温度は１００℃程度と考えられる。そこで、図６に示した１５０℃における「絶縁抵抗が１０ｋΩに低下する時間（以下、寿命時間という）」を基にして、１００℃における寿命時間を（６）式により推定すると、純鉄磁性粉では３，２００時間、鉄合金磁性粉では６４，０００時間となる。この程度の寿命時間ではサーバなど１０年間無停止運転が通常となる製品寿命から考えて、いかにも短い。近年は電源装置の小型化や大容量化に伴って、要求されるインダクタの使用温度環境が年々厳しくなり最低でも１００℃、１０年の寿命保障が要求される。
【００１６】
一方、非晶質合金磁性粉は結晶質合金磁性粉に比べて粒子表面に安定な酸化不動態膜をつくり、また結晶質合金磁性粉にあるような粒子内の結晶粒界がなく、粒子表面が安定な構造となっている。図６には、複合磁性材料として非晶質合金磁性粉を使用した場合の絶縁抵抗低下特性も併せて示したが、他の材料と比較して低下が少なく、非常に安定であることが分かる。
【００１７】
表１は磁性粉材料を変えたときの圧粉磁心の特性を比較したものである。（ハ）の非晶質合金磁性粉は素晴らしい耐絶縁抵抗低下特性を持っているが、磁気的、電気的な特性は（イ）の純鉄磁性粉あるいは（ロ）の鉄系の結晶質合金磁性粉に劣る点が多い。また、鉄系の非晶質合金磁性粉（ハ）は材料自体が非常に硬くて加圧成形加工したときの塑性変形が少ないため粒子間のくいつきが悪く、圧粉磁心成形体の強度が弱いという問題もある。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
非晶質合金磁性粉の持つ本来の磁気特性を得るためには、加圧成形時の残留応力などを焼鈍により緩和させる必要がある。非晶質合金磁性粉は焼鈍処理することによって表１の（ニ）のように加圧成形性以外の諸特性が改善される。ところが、焼鈍温度は非晶質合金のガラス遷移温度と結晶化開始温度の範囲内である約４７０℃と高温になる。この温度では結着用樹脂や線材の絶縁皮膜樹脂が炭化してしまうため前述した図１や図２の構造の一体成形インダクタには適用できなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
熱硬化性樹脂を結着材とした複合磁性材料による一体成形型インダクタでは、通常、電極が加圧成形された複合磁性材料に接触するため、等価的にインダクタンスと並列に複合磁性材料の絶縁抵抗が入ることになる。純鉄磁性粉または鉄系合金磁性粉による複合磁性材料粉の場合、高温環境下に置かれると絶縁抵抗の急速な低下が始まる。回路の動作中にインダクタの絶縁抵抗値が１０ＫΩを切ると熱暴走状態に陥り、最終的には破壊に至るため、このような一体成形型インダクタの実用化が困難であった。そこで本発明は、一体成形型インダクタに好適な複合磁性材料において、高温環境下における絶縁抵抗の低下の改善を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、鉄系の結晶質合金磁性粉と鉄系の非晶質合金磁性粉とを混合してなる混合磁性粉に、この混合磁性粉の１〜１０ｗｔ％の絶縁性結着剤をさらに混合した複合磁性材料の構成を特徴とする。また本発明は、この複合磁性材料を加圧成形して構成したコアと、このコアの中に巻線コイルまたは平板導体を埋設した磁性素子の構成を特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による複合磁性材料を用いることにより、透磁率、コアロスなどの特性を改善し、更に高温環境下でも絶縁抵抗の低下の少ない信頼性の高いコアや磁性素子を実現することが出来る。また、この複合磁性材料は加圧成形性に優れ、得られるコアや磁性素子の機械的強度も高い。金属磁性材によるダストコアを用いた一体成形型インダクタは大電流に対応でき、小型薄型化、更には低コスト化も可能であることより理想のインダクタと考えられてきたが、本発明により電気的性能を改善しつつ高温時の絶縁抵抗低下特性をも改善出来たことは、その実用化に向けて大きく一歩を踏み出したものと考えられる。
【実施例】
【００２３】
次に、本発明の一実施例について説明する。まず、鉄系の結晶質合金磁性粉と鉄系の非晶質合金磁性粉とを、それぞれ１０〜９０ｗｔ％、９０〜１０ｗｔ％の範囲から選んだ異なる配合比で混合してなる混合磁性粉を数種類用意し、これらの混合磁性粉１００ｗｔ％に対して、混合磁性粉の３．５ｗｔ％の絶縁性結着剤を混合して数種類の複合磁性材料を得た。
【００２４】
これらの複合磁性材料の結晶質合金磁性粉は７ｗｔ％がＳｉ及びＣｒで残りを鉄とし、非晶質合金磁性粉は１２ｗｔ％がＳｉ及びＣｒ、Ｂ、Ｃで残りを鉄としてある。そして、絶縁性結着材をエポキシ樹脂とした複合磁性材料の造粒粉末１００ｗｔ％に対してステアリン酸塩等の潤滑剤を０．５ｗｔ％前後添加し混合した。この磁性粉末をプレス金型に充填して４トン／ｃｍ２前後の圧力で加圧成形して、外径１４ｍｍφ、内径１０ｍｍφ、高さ３ｍｍのリングコアを形成し、さらに１５０℃で１時間熱硬化させた。
【００２５】
なお、結晶質合金磁性粉と非晶質合金磁性粉のそれぞれの粉末粒子の平均粒径は、共に１〜５０μｍの範囲とするのが好ましい。平均粒径が１μｍより小さいと成形体の実効透磁率が上がらず、５０μｍより大きくなると渦電流損失が大きくなりすぎる。
【００２６】
図７〜図９は、結晶質合金磁性粉と非晶質合金磁性粉の混合比を変えた複合磁性材料粉末を加圧成形したリングコアの特性を示している。図７は１ＭＨｚにおける透磁率、図８は周波数が３００ｋＨｚで磁束密度が４０ｍＴの条件下におけるコアロスである。また図９は１５０℃で２００時間加熱した後に２５Ｖの直流電圧を印加して測定した絶縁抵抗の変化である。図７から分かるように、結晶質合金磁性粉の比率が２５〜９０ｗｔ％、非晶質合金磁性粉の比率が７５〜１０ｗｔ％の時に、各々の磁性粉が１００％の時よりも透磁率が高くなる。図８からは、同様にこのとき高周波、高電力時に問題となる磁性体のコアロスが改善されていることが分かる。
【００２７】
図９から明らかなように、結晶質合金磁性粉の比率が低いほど絶縁抵抗の低下は少なくなる。しかし、結晶質合金磁性粉が少なくなると成形体の強度が得にくくなる問題がある。成形体の強度を考えると、混合磁性粉における結晶質合金磁性粉の配合比は６０ｗｔ％以上とするのが好ましい。したがって、図７、図８の結果も併せて考慮すると、混合磁性粉の配合比は結晶質合金磁性粉を６０〜９０ｗｔ％、非晶質合金磁性粉を４０〜１０ｗｔ％とするのがよい。
【００２８】
図10は結晶質合金磁性粉７５ｗｔ％、非晶質合金磁性粉２５ｗｔ％の混合磁性粉において、絶縁性結着材の配合量を変えたときのリングコアの透磁率と絶縁抵抗の変化を示す図である。この図から、透磁率が大幅に低下せず、且つ、良好な絶縁抵抗の耐低下特性を得るためには３〜４．５ｗｔ％を絶縁性結着材の量として選択するのが好ましいことが分かる。
【００２９】
比較的軟らかい結晶質合金磁性粉と非常に硬い非晶質合金磁性粉を混合し加圧成形することにより、透磁率、コアロスがいずれの単品の時よりも改善されている。これは混合による新たな物理現象が起こっているものと推定される。この物理現象を以下、「最密充填効果」と呼ぶこととする。この「最密充填効果」は上述のように、結晶質合金磁性粉と非晶質合金磁性粉の混合により、初期の狙いとした絶縁抵抗の耐低下特性改善だけでなく、相乗効果による優れた磁気特性を実現するもので、今後の可能性には大きなものがあると考えられる。
【００３０】
図６に示した混合磁性粉の特性は、結晶質合金磁性粉を７０〜８０ｗｔ％、非晶質合金磁性粉を３０〜２０ｗｔ％の配合比としたときのものである。図６から明らかなように、この混合磁性粉の絶縁抵抗の低下の割合は、非晶質合金磁性粉単品よりは劣るものの、結晶質合金磁性粉単品よりは改善されている。結晶質合金磁性粉の１００℃における寿命時間が先の算定では６４，０００時間であったのに対して１２８，０００時間と算定される。これはノートＰＣ、サーバなどの通常の使用環境では十分な寿命時間と考えられる。
【００３１】
また「最密充填効果」により、透磁率、コアロスもそれぞれの単品よりも改善されており、結晶質合金磁性粉、非晶質合金磁性粉のそれぞれ単品時の特性に対し、混合比を選ぶことにより１０％から２０％改善されることが分かる。今回の試作では１０％から２０％の改善度合いであったが、今後、検討を重ねることにより更なる改善も期待できる。
【００３２】
本発明の複合磁性材料は、結晶質合金磁性粉と非晶質合金磁性粉とを混合し、さらに絶縁性結着剤を混合したものである。この複合磁性材料を加圧成形して得たコア及びこのコアに巻線コイルや平板導体を埋設した磁性素子は、高温時の絶縁抵抗低下特性が、非晶質合金磁性粉単独の磁性粉を使用した場合より劣っている。しかし、非晶質合金磁性粉材料を加圧成形して得た磁性素子の課題であった「透磁率が上がらない、成形体の機械強度が弱い、高温での焼鈍が必要」等の問題が、結晶質合金磁性粉と非晶質合金磁性粉との混合磁性粉の使用により大きく改善された。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】インダクタの第１の例を示す斜視図
【図２】インダクタの第２の例を示す斜視図
【図３】トロイダルコイルの斜視図
【図４】一体成形型インダクタの等価回路図
【図５】並列抵抗によるＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率の変化を示す図
【図６】１５０℃における絶縁抵抗の低下特性図
【図７】本発明の複合磁性材料の配合比に対する透磁率の特性図
【図８】本発明の複合磁性材料の配合比に対するコアロスの特性図
【図９】本発明の複合磁性材料の配合比に対する絶縁抵抗の特性図
【図１０】絶縁性結着材の配合量に対する成形体の透磁率と絶縁抵抗の変化を示す図
【符号の説明】
【００３４】
１  成形体
２  コイル
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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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