(57)【要約】 【課題】  絶縁性が高く周波数特性が良好で、かつ磁性体の充填率が高く高透磁率な圧粉磁心と、それを用いた高電力効率なインダクタを提供すること。【解決手段】  ＡｌおよびＣｒの少なくともいずれかを含みアスペクト比が２以上の扁平形状で表面に絶縁層を有するＦｅ-Ｓｉ系の軟磁性合金粉末が用いられ軟磁性合金粉末の扁平方向を加圧方向２と垂直に配向させるようにバインダーと共に加圧成形された成形体１が、複数個、加圧方向２の方向に重ねられ接合された圧粉磁心である。その軟磁性合金粉末は、（１）８２〜８８重量％Ｆｅ - ８〜１０重量％Ｓｉ - ４〜８重量％Ａｌの組成の軟磁性合金、（２）７９〜９３重量％Ｆｅ - ５〜９重量％Ｓｉ - ２〜１２重量％Ｃｒの組成の軟磁性合金から選ばれるいずれか１種、または２種の混合物である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌおよびＣｒの少なくともいずれかを含みアスペクト比が２以上の扁平形状で表面に絶縁層を有するＦｅ-Ｓｉ系の軟磁性合金粉末が用いられ前記軟磁性合金粉末の扁平方向を加圧方向と垂直に配向させるようにバインダーと共に加圧成形された成形体が、複数個、前記加圧方向に重ねられ接合されたことを特徴とする圧粉磁心。    
【請求項２】
前記軟磁性合金粉末は、（１）８２〜８８重量％Ｆ - ８〜１０重量％Ｓｉ - ４〜８重量％Ａｌの組成の軟磁性合金、（２）７９〜９３重量％Ｆｅ - ５〜９重量％Ｓｉ - ２〜１２重量％Ｃｒの組成の軟磁性合金から選ばれるいずれか１種、または２種の混合物であることを特徴とする、請求項１記載の圧粉磁心。
【請求項３】
前記絶縁層は、大気中熱処理によって形成されるＡｌもしくはＣｒの不動態膜、またはリン酸を含む溶液による酸処理膜の、少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧粉磁心。
【請求項４】
前記軟磁性合金粉末の粉末充填率が７０％以上、初透磁率が４０以上、磁気共鳴周波数が１ＭＨｚ以上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１項に記載の圧粉磁心。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の圧粉磁心の内部を通り、前記軟磁性合金粉末の扁平方向と垂直な方向に電流が流れるように導体を配置してなることを特徴とするインダクタ。
【請求項６】
前記圧粉磁心は前記成形体を前記軟磁性合金粉末の扁平面に平行な面で接合してなることを特徴とする請求項５記載のインダクタ。
【請求項７】
前記圧粉磁心の初透磁率が４０以上、前記導体の直流抵抗が１ｍΩ以下であること特徴とする請求項５または請求項６記載のインダクタ。
【請求項８】
前記導体は１本または２本であり、２本の場合には前記導体が電磁的に結合したことを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載のインダクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧粉磁心およびそれを用いたインダクタに関し、特に電源回路用に好適な圧粉磁心およびそれを用いたインダクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンやＰＤＡ用などのＣＰＵの高性能化に伴った大電流化により、これら電源回路に用いられる素子の電力効率の改善要求が大きくなっている。
【０００３】
これらの大電流を要する電源回路にチョークコイルとして用いられるインダクタの磁心には、磁気飽和を起こさないための高い飽和磁束密度が必要とされるため、フェライト材料にくらべて飽和磁束密度が高い、軟磁性金属粉末とバインダーを混練した圧粉磁心が用いられている。
【０００４】
しかし、バインダーとの混練により製造される圧粉磁心は、バインダーによって粒子間距離が広げられることで透磁率が低下するため、高いインダクタンス素子の磁心として利用する場合には、巻き数を増やしたり、素子自体のサイズを大きくする必要があった。その結果、高いインダクタンスを得るために巻き数を増やした場合、導体の長さの増加により、素子の直流抵抗が増加し、銅損失が大きくなるという問題や、小型化が困難であるという問題がある。
【０００５】
これに対し、特許文献１では扁平粉末を磁路方向に平行となるように配向させることによって、高透磁率を得る方法が提案されている。
【０００６】
しかしながら、球状粉を扁平化することにより粉末表面の比表面積が増加するため、バインダー混練時にバインダーが粉末表面に均一に被覆されず、絶縁性が低下することで、渦電流が増大し、結果的に初透磁率の周波数特性が低下するという問題があった。
【０００７】
また一般的にバインダーには熱硬化性樹脂が用いられるが、この場合扁平粉と樹脂バインダーとの混練物の成形体は、通常の球状粉と樹脂バインダーとの混練物の成形体とくらべて成形後のスプリングバックが大きく、成形体に占める磁性体の充填率が極めて上がりにくいという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−９７２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は前記の問題を解決し、絶縁性が高く周波数特性が良好で、かつ磁性体の充填率が高く高透磁率な圧粉磁心と、それを用いた高電力効率なインダクタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はＡｌまたはＣｒの少なくともいずれかを含む扁平粉末の表面に絶縁層を形成し、成形体を分割成形ののち接合することにより得られる初透磁率が高く周波数特性も良好な圧粉磁心を、全長が短く低直流抵抗な導体と組み合わせ、インダクタを作製することを検討した結果なされたものである。
【００１１】
即ち、本発明は、ＡｌおよびＣｒの少なくともいずれかを含みアスペクト比が２以上の扁平形状で表面に絶縁層を有するＦｅ-Ｓｉ系の軟磁性合金粉末が用いられ前記軟磁性合金粉末の扁平方向を加圧方向と垂直に配向させるようにバインダーと共に加圧成形された成形体が、複数個、前記加圧方向に重ねられ接合されたことを特徴とする圧粉磁心である。  
【００１２】
また本発明は、前記軟磁性合金粉末は、（１）８２〜８８重量％Ｆｅ - ８〜１０重量％Ｓｉ - ４〜８重量％Ａｌの組成の軟磁性合金、（２）７９〜９３重量％Ｆｅ - ５〜９重量％Ｓｉ - ２〜１２重量％Ｃｒの組成の軟磁性合金から選ばれるいずれか１種、または２種の混合物であることを特徴とする前記の圧粉磁心である。
【００１３】
また本発明は、前記絶縁層が大気中熱処理によって形成されるＡｌもしくはＣｒの不動態膜、またはリン酸を含む溶液による酸処理膜の、少なくともいずれかであることを特徴とする前記の圧粉磁心である。
【００１４】
また本発明は、前記軟磁性合金粉末の粉末充填率が７０％以上、初透磁率が４０以上、磁気共鳴周波数が１ＭＨｚ以上であることを特徴とする前記の圧粉磁心である。このように、粉末充填率を７０％以上とすることで、飽和磁束密度が高くなり大電流用のインダクタに適した圧粉磁心となる。また軟磁性合金粉末の扁平化により初透磁率を４０以上とすることで、インダクタを構成したとき、必要なインダクタンスを確保できる。さらに磁気共鳴周波数を１ＭＨｚ以上とすることで、高周波帯での透磁率を確保することができる。
【００１５】
また本発明は、前記圧粉磁心の内部を通り、前記軟磁性合金粉末の扁平方向と垂直な方向に電流が流れるように導体を配置してなることを特徴とするインダクタである。
【００１６】
また本発明は、前記圧粉磁心が前記成形体を前記軟磁性合金粉末の扁平面に平行な面で接合してなることを特徴とする前記のインダクタである。
【００１７】
また本発明は、前記圧粉磁心の初透磁率が４０以上、前記導体の直流抵抗が１ｍΩ以下であること特徴とする前記のインダクタである。このように圧粉磁心の初透磁率を４０以上とし、導体の直流抵抗を１ｍΩ以下とすることで小型で電力効率の高いインダクタを得る。
【００１８】
また本発明は、前記導体が１本または２本であり、２本の場合には前記導体が電磁的に結合したことを特徴とする前記のインダクタである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の圧粉磁心は磁路方向に扁平粉末の扁平面を配向することにより、反磁界が低減されるため高い透磁率を示し、かつ粉末表面の絶縁層により渦電流を抑制するため、高周波での利用が可能となる。
【００２０】
また、圧粉磁心を分割し成形した後に接合することにより、従来の扁平粉で作製した圧粉磁心に比べて高密度な圧粉磁心を得ることが出来る。そのように高密度の圧粉磁心を実用化することにより、高透磁率、高飽和磁束密度な圧粉磁心が実用化され、その結果インダクタの高性能化および小型化が可能となる。
【００２１】
加えて、本発明のインダクタは、導体の直流抵抗が１ｍΩ以下と低いため、動作時における直流抵抗による銅損失が低く抑えられ、極めて高い電力効率を有するインダクタの提供が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、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。
【００２３】
図１に本発明に係る成形体の斜視図を示す。図１において１は成形体、２は加圧方向、３は成形体断面を示す。
【００２４】
また、図２は成形体の原料となる軟磁性合金の扁平粉の走査電子顕微鏡像を示す。ここでは水アトマイズ法で作製した平均粒径２０μｍのＦｅ−Ｓｉ基合金を、ビーズミルを用いトルエン中、２時間で粉砕することにより扁平化した。
【００２５】
得られた図２の扁平粉末を、大気中６００℃で１時間熱処理することにより、粉末表面に絶縁層を形成した粉末を、熱硬化性樹脂５．０重量％と混練し、乾燥、擂潰し平均粒径２００μｍの造粒粉とした。
【００２６】
得られた造粒粉を金型中に充填し、加圧方向２より７００ＭＰａで加圧成形し、１５０℃で熱硬化させ成形体１を得た。
【００２７】
図３に成形体断面３（図１参照）の実体顕微鏡像を示す。加圧方向に対して垂直方向に扁平粉末の長軸方向が配向していることがわかる。なお、ａおよびｂは図１で指示した断面内の位置に対応している、
【００２８】
図４に、重量比率で表した、Ｆｅ−９．５％Ｓｉ−２．０％Ａｌ、Ｆｅ−９．５％Ｓｉ−４．０％Ａｌ、Ｆｅ−９．５％Ｓｉ−５．５％Ａｌ、およびＦｅ−９．５％Ｓｉ−８．０％ＡｌとＡｌ添加量を変化させた扁平粉を用いて作製した成形体の扁平粉の配向方向に測定した複素透磁率の実部μ’の周波数特性を示す。Ａｌ添加量が少ないＦｅ−９．５％Ｓｉ−２．０％Ａｌ組成の粉末を用いた成形体ではμ’が１００ｋＨｚ以上で減衰していく。これに対してＡｌ添加量が４．０％以上のＦｅ−９．５％Ｓｉ−４．０％Ａｌ、Ｆｅ−９．５％Ｓｉ−５．５％Ａｌ、およびＦｅ−９．５％Ｓｉ−８．０％Ａｌ組成の粉末を用いた成形体ではμ’が５０００ｋＨｚ以上で減衰しており、Ａｌ添加量が２．０％の粉末を用いて作製した成形体と比較して優れた周波数特性を有している。
【００２９】
またＡｌ添加量が４．０％以上の粉末を用いて作製した成形体ではμ’減衰の直前に磁気共鳴によるピークが観察されており、μ’の減衰が磁気共鳴によるものと推察される。Ａｌ添加量２．０％の粉末を用いて作製した成形体はμ’の減衰直前に磁気共鳴のピークが見られず、渦電流による周波数の減衰と考えられる。
【００３０】
図５に、重量比率で表した、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ−１．０％Ｃｒ、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ−２．０％Ｃｒ、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ−６．０％Ｃｒ、およびＦｅ−６．５％Ｓｉ−１２．０％ＣｒとＣｒ添加量を変化させた扁平粉を用いて作製した成形体の扁平粉の配向方向に測定したμ’の周波数特性を示す。Ｃｒ添加量が少ないＦｅ−６．５％Ｓｉ−１．０％Ｃｒ組成の粉末を用いた成形体ではμ’が１０ｋＨｚ以上で減衰していく。これに対してＣｒ添加量が２．０％以上のＦｅ−６．５％Ｓｉ−２．０％Ｃｒ、Ｆｅ−６．５％Ｓｉ−６．０％Ｃｒ、およびＦｅ−６．５％Ｓｉ−１２．０％Ｃｒ組成の粉末を用いた成形体ではμ’が５０００ｋＨｚ以上で減衰しており、前述のＣｒ添加量が１．０％の粉末を用いて作製した成形体と比較して優れた周波数特性を有している。
【００３１】
またＣｒ添加量が２．０％以上の粉末を用いて作製した成形体ではμ’減衰の直前に磁気共鳴によるピークが観察されており、μ’の減衰が磁気共鳴によるものと推察される。Ｃｒ添加量１．０％の粉末を用いて作製した成形体はμ’の減衰直前に磁気共鳴のピークが見られず、渦電流による周波数の減衰と考えられる。
【００３２】
次に、これらのＡｌおよびＣｒ添加量と成形体の比抵抗の関係を図６に示す。Ａｌ添加量が４．０％以上、Ｃｒ添加量が２．０％以上で成形体の比抵抗が著しく増加していることがわかる。その結果ＡｌまたはＣｒ添加によるμ’の周波数特性の改善はＣｒおよびＡｌの添加により形成されたＡｌおよびＣｒの不動態膜が成形体の比抵抗を増加させたことによるものであることがわかる。
【００３３】
また比較として、重量比率で表して、Ｆｅ−９．５％Ｓｉ−５．５％Ａｌ、およびＦｅ−６．５％Ｓｉ−６．０％Ｃｒ粉末をビーズミルで扁平化したのち、大気中の熱処理を行わずに造粒した未熱処理粉末で作製した成形体のμ’の周波数特性を熱処理粉末で作製した成形体のμ’と共に図７に示した。５．５％Ａｌ添加および６．０％Ｃｒ添加のどちらにおいても、未熱処理粉末を用いて作製した成形体にくらべて、熱処理粉末を用いて作製した成形体の方が良好な周波数特性を示した。これは大気中熱処理によって粉末中のＡｌまたはＣｒが酸化物からなる不動態膜を粉末表面に形成し、絶縁性を改善するためと考えられる。以上よりＡｌを４．０％以上またはＣｒを２．０％以上含む軟磁性合金粉末に対して、熱処理により絶縁層を形成した粉末を用いて作製する成形体が、優れた周波数特性を持つことが明らかである。またＡｌとＣｒを共に含有させてもよい。
【００３４】
図８にビーズミルによる粉砕時間を変化させることによって、アスペクト比１〜５０と扁平化度を変化させた種々のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ扁平粉末に対し、熱硬化性樹脂からなるバインダー量を変化させることによって、成形体内の磁性粉末の充填率を変化させた場合の、初透磁率μiの関係を示した。扁平化を行う前のアスペクト比１（球状）粉末を用いて作製した成形体のμiは２５〜３０であるが、ビーズミル粉砕によりアスペクト比２まで弱扁平化した扁平粉末を用いて作製した成形体ではμiは３８〜４２と大きく増加している。さらに扁平化を進めることによりμiは著しく増加していく。以上により扁平粉のアスペクト比は２以上であれば、透磁率の向上に十分な効果を発現できることが確認された。
【００３５】
ただし、扁平化が進むにつれてスプリングバックの影響が大きくなり、成形体充填率が減少するため、透磁率と飽和磁束度を考慮して、所望の特性を満たすアスペクト比の扁平粉を用いて成形体を作製することが必要となる。
【００３６】
そこで、種々のアスペクト比の粉末を用いて高さ３ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍと異なる高さで成形し１５０℃で硬化した成形体の成形後およびキュア後の磁性粉末充填率を図９に示す。アスペクト比が大きくなるにつれてキュア時のスプリングバックによる膨張によって成形体に占める磁性粉末充填率が大きく低下する。しかし、成形体の高さを低くすることにより、成形後のスプリングバックが大幅に減少する。その理由を図面に基づいて説明する。図１０は高さが異なる成形体内部での磁性粉末充填率の分布を示し、図１０（ａ）は成形高さが大の場合、図１０（ｂ）は成形高さが小の場合を示す。同図のように、成形体高さが小さい方が、成形体内部まで成形圧力が伝達し、充填率の高く緻密な成形体が得られるからである。
【００３７】
図１１にこれらの成形体の、扁平粉の配向方向に測定した初透磁率を示す。アスペクト比が低い状態ではスプリングバックの影響が少ないため、成形後およびキュア後で成形体の初透磁率は大差ないが、アスペクト比が５０の粉末で作製した成形体では、各々の成形体が薄いほど透磁率の減少が少ない。これは前述のスプリングバックの低減効果により磁性体充填率が高く、反磁界が少ない成形体が実現されるためである。
【００３８】
次に、種々の高さで作製した前述の成形体１をエポキシ樹脂で接着することにより、図１２に斜視図で示すように接合した圧粉磁心を作製した。接着後の圧粉磁心は高さ１２ｍｍの一定とした。表１に、各々の成形体の高さ、接合した個数、圧粉磁心の密度および初透磁率を示した。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
前述のように成形体高さを削減することにより磁性粉末充填率は増加するため、接着後の圧粉磁心の密度も増加し、これに従って初透磁率も増加する。以上により本発明によって、従来の扁平粉を用いた圧粉磁心より優れた圧粉磁心の提供が可能となった。
【００４１】
次に、前述の成形体を接合した圧粉磁心で図１３に斜視図で示す直線構造型インダクタを構成した。図中、１は成形体、４は圧粉磁心、５は平角銅線、６はインダクタである。挿入した平角銅線５は厚み０．５ｍｍ、幅２ｍｍで、表面をポリアミドイミド被覆された直線構造平角銅線であり、圧粉磁心とはエポキシ樹脂で接合した。
【００４２】
比較例として球状のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ粉末と巻き線構造の平角導体を用いて、図１４に斜視図で示す巻き線構造型インダクタを作製した。図中、７は巻き線状平角銅線、８は圧粉磁心、９はインダクタである。巻き線状平角銅線は巻き数３．５ターンで前述と同様な平角銅線を用い作製した。
【００４３】
作製した２つのインダクタのインダクタンスＬ（μＨ）、直流比抵抗Ｒdc（ｍΩ）および種々の電流値における銅損失Ｐcu（ｍＷ）の値を表２に示す。
【００４４】
【表２】
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【００４５】
どちらのインダクタも０．５６μＨとＬ値は同等であるが、Ｒdc値は本発明の直線構造型が０．４２ｍΩと極めて低い値を示す。銅損失Ｐcuの値もＲdcに比例するため、極めて優れたインダクタが実用化できたといえる。
【００４６】
次に、これらのインダクタをチョークコイルとして実装した降圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターを作製し、その電力効率を測定し図１５に示した。低電流側で両者の間の電力効率はほぼ変わらないが、１０Ａ以上の大電流領域で、本発明の直線構造型のインダクタが従来型の巻き線構造型インダクタにくらべて優れた電力効率を示している。これは本発明のインダクタのＲdcが極めて低いことから、大電流領域における銅損失を大幅に低減することが可能なためである。以上の本発明により、電力効率を大幅に改善するインダクタの提供が可能となった。
【００４７】
また本発明は、図１６に斜視図で示すように、平角銅線１１ａ，１１ｂのような導体を２本設置し、各々の導体が圧粉磁心を介し結合係数１以下で電磁的に結合して動作する４端子インダクタ構造をとることも可能である。
【００４８】
なお、上記実施の形態では大気中熱処理により軟磁性粉末の粒子表面に絶縁層を形成する例を示したが、リン酸処理などによって、すなわちリン酸を含む溶液による酸処理膜などで絶縁層を形成しても同様の効果が得られることを別途確認した。  
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る成形体の斜視図。
【図２】本発明に係る成形体の原料となる軟磁性合金の扁平粉の走査電子顕微鏡像。
【図３】成形体断面の実体顕微鏡像。
【図４】Ａｌ添加扁平粉で作製した成形体のμ’の周波数依存性を示す図。
【図５】Ｃｒ添加扁平粉で作製した成形体のμ’の周波数依存性を示す図。
【図６】ＡｌおよびＣｒ添加量に対する成形体の比抵抗を示す図。
【図７】熱処理粉および未熱処理粉で作製した成形体のμ’の周波数依存性を示す図。
【図８】アスペクト比毎のμｉと磁性粉末充填率との関係を示す図。
【図９】各種成形体高さで作製した圧粉磁心の磁性粉末充填率を示す図。
【図１０】高さが異なる成形体内部での磁性粉末充填率の分布を示し、図１０（ａ）は成形高さが大の場合、図１０（ｂ）は成形高さが小の場合を示す図。
【図１１】各種成形体高さで作製した圧粉磁心の初透磁率を示す図。
【図１２】本発明に係る接合した圧粉磁心の斜視図。
【図１３】本発明に係る直線構造型インダクタの斜視図。
【図１４】比較例の巻き線構造型インダクタの斜視図。
【図１５】本発明のインダクタを用いたＤＣ−ＤＣコンバータの電力効率を示す図。
【図１６】本発明に係る導体２本を有する４端子インダクタの斜視図。
【符号の説明】
【００５０】
１    成形体
２    加圧方向
３    成形体断面
４，８，１０    圧粉磁心
５，１１ａ，１１ｂ    平角銅線
６，９    インダクタ
７    巻き線状平角銅線
１２    ４端子インダクタ  
【図１】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２】
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【図３】
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