研究背景
我々の研究のキーワード ⇒ Panoscopic Assembling
原子・ナノレベルで構造制御した材料創製
母材⇒ 処理 ⇒ 高次機能の発現理論と実験値の一致
磁気損失の周波数特性

磁気特性の劣化が起こるコア径（限界コア径）
限界コア径の温度による変化と磁気特性の関係

1

研究背景
研究対象 → 電源回路で用いられるチョークコイル（小電力用透磁率制御軟磁性材料）
高調波サージ
Voltage

CPU駆動用DC-DCコンバータ

Current

iac

Idc
Time

ASUSTeKのホームページより

直流重畳下で動作 ⇒ 数百程度に透磁率を制御
2

研究背景
チョークコイル内の磁界

磁気飽和 → r ≈ 1

Hin = HDC + hac
hac

HinBs

B

DC-bias field

HDC

H
HDC

* hac :ノイズ成分

Input hac* r  100  500 が適当*J. K. Watson, Applications of Magnetism, New York: John Wiley & Sons, (1980) 241. 3

研究背景
透磁率制御コア材料に所望される特性B

Bs

1. 高Bs (小型化)
2. 高キュリー温度 Tc (広い動作温度帯域)
H

3. 高電気抵抗率 (うず電流の抑制)
4. 低磁気損失 (効率改善)
5. 良好な透磁率の制御性

TC

Bs

6. 簡素な作製過程

TC

7. 良好なループの線形性（回路設計に有利）T [ C ]
4

B[T]

研究背景
ギャップ付きフェライト

-2000

-1000

0.4
0.2
0-0.2

1000
H[A/m]-0.4

小型・大電流化

Ex.ノートパソコン
0～数十A

2000

Gapped ferrite core
Gapless ferrite core

移行
Amorphous powder
Sendust powder
Fe element (Mechanical alloying)

圧粉磁心

小型・大電流高周波化

次世代??

コア米粒

我々の提案してきたコア
磁気特性@室温5研究背景
Fe-Cu-Nb-Si-B系アモルファス
金属薄帯の作製

@日立金属
溶解金属

応力下熱処理

TEM像

@物材機構

FINEMET (高)Cu ロール

ナノ結晶化 + 異方性付与（一軸）SEM像

コアボビンにトロイダル成形
巻線を施しコアに長手方向@長崎大@東北大，九工大
6

試料
Amorphous ribbon ( Hitachi Metals Ltd. )Composition : Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7Dimension

20 µm

Fe96-(x+y)Cu1Nb3SixBy

Ku

s

2 mm
熱処理後の試料：
1 ppm以下の小さな磁気ひずみ*G. Herzer, IEEE Trans. Magn., 30 (1994) 4800.

7

実験結果（理論と実験値の一致 1）

1-yen coin

50

10300
Bm = 0.1 T

D = 3 mm

Relative permeability rAnnealed-ribbon

33 mm Ceramics
bobbinMagnetic loss per cycle ( J/m )1002005D = 10 mm

10.50.1

Eddy current loss
( Calculation )100

Gapped ferrite coreSendust powder core
Amorphous powder core

0.05 0.1
0.5 1
5Frequncy in log scale ( MHz )0

うず電流損失の計算値と実測値が一致

8

実験結果

理論と実験値の一致
磁気損失の周波数特性
磁気特性の劣化が起こるコア径
そのコア径の温度による変化と磁気特性の関係

93Magnetic loss in per cycle ( J/m )実験結果（トロイダルコアの作製と限界コア径Dc）
10510.50.1

Fe73.5Cu1Nb3 Si13.5B9

Eddy current loss
( Calculation )B m = 0.1 T

Diameter of cores
10 mm
15 mm
20 mm
25 mm
32 mm

0.10.51
Frequncy in log scale ( MHz )コア径の減少に伴い，損失は増加
機械的応力の増加 ⇒ 良好な磁気特性を維持できない10

トロイダルコアの作製と限界コア径DcCenter ofribbon

s > 0DTensile stress
Magnetoelastic
anisotropy

Ceramics

Compressive stressAnnealed ribbon
D : Diameter of core//

Induced anisotropy  

曲げ応力が磁気ひずみを介して新たな異方性を誘起

11限界コア径Dc （理論と実験値の一致 2）
付与した異方性のエネルギー < 磁気弾性エネルギー
Magnetic loss per cycle
Pcv /f ( J/m3 )5f =0.1 MHz, Bm = 0.1 T

43 S Yd3Ku 
S  m 
22DD < Dc|RTD > Dc|RT

3Dc|RT : Critical Diameter
2Eddy current loss(Calculation)10

等号成立時のD ⇒ 限界コア径Dc 0123D/Dc|RT4

s, Y, Kuは温度により変化|RTの添字で表記

5Dc| RT 

3 S Yd2Ku
3 S |RT Y|RT d
2 K u| RTKu:異方性エネルギー，s磁気ひずみ，Y:ヤング率, D:コア径, d:試料の厚さ 12実験結果

理論と実験値の一致
磁気損失の周波数特性
磁気特性の劣化が起こるコア径
そのコア径の温度による変化と磁気特性の関係

13

600
10Bm = 0.1 T
D/Dc|RT = 1.170.5 MHz□1 MHz△50040053000透磁率磁気損失

0100200
Temperature ( °C )250 Cまで一定

200
300

Relative permeability rMagnetic loss per cycle
Pcv /f ( J/m3 )D/DC|RT > 1のコアの高温特性

磁気特性の劣化なし

143Bm = 0.1 T

15D/D c|RT = 0.32

300
△0.5 MHz□ 1 MHz200

1050100200
Temperature ( °C )透磁率： 300 Cまでほぼ一定
磁気損失：温度の増加に伴い減少

300

100

Relative permeability r

20Pcv /f ( J/m )Magnetic loss per cycle

D/DC|RT < 1のコアの高温特性

磁気特性の劣化なし

15

考察（透磁率に関して）
透磁率： 温度の影響をほぼ受けない
一軸異方性を有する磁性体の困難軸方向の透磁率2一般にIsr 2K uIsとKuは温度により変化

実験結果

rは温度に依存しない

高温下で Ku  Is2 が成立？
高温下で Ku  Is2 が成立（Fig.6, 7） ⇒ rは温度に依らず一定
16

考察（損失）・ D/Dc|RT = 1.17のコア・ D/Dc|RT = 0.32のコア
D < Dc|RTのコア温度増加に伴い減少

5
Magnetic loss per cycle
Pcv /f ( J/m3 )D > Dc|RTのコア温度に依らずほぼ一定

Dc|RT 2 K u|RTf =0.1 MHz, Bm = 0.1 T

4

D < Dc|RT
D > Dc|RT

3Dc|RT : Critical Diameter
2Eddy current loss(Calculation)

10

D > Dc|RTのコアの損失値に近づく傾向

3 S |RT Y|RT d0123D/Dc|RT45

高温下でDcが変化？
17温度によるDcの変化

Dc| RT Ku

10.80.8
Room temp.

0.60.4 s[2]
03 S |RT Y|RT d2 K u| RT

150100150Temperature ( °C )0.6

Ys/Ys|RTKu/Ku|RT , s/s|RT

異方性エネルギー，磁気ひずみ，ヤング率*（鉄鋼）の温度特性
Ys[1]

0.4

Kuの減少率よりもsとYの積の減少率大
温度増加によりDcが減少 ⇒ Fig.9[1] 日本機械学会, 金属材料の弾性係数, 明善印刷, (1980) 19.
[2] K. Twarowski et al., J. Magn. Magn. Mater., 150 (1995) 85.

1820Bm = 0.1 T

15D/Dc|RT = 0.320.5 MHz□ 1 MHz2D/Dc = 11.5

△10

150.5
0100
200Temperature ( °C )

300

D /Dc

3Pcv /f ( J/m )Dcの変化と磁気損失の関係（理論と実験値の一致 3）

0

DとDcの大小関係が反転 ⇒ 損失の減少が飽和温度増加によりD/Dcが増加（Dcが減少） ⇒ 損失減少
19

まとめ
理論と実験値の一致に関して
磁気損失の周波数特性
磁気特性の劣化が起こるコア径（限界コア径）
限界コア径の温度による変化と磁気特性の関係
D > Dc|RT，D < Dc|RTのコア共に→ 250 Cまで磁気特性の劣化なし
温度増加により限界コア径が減少することを確認
各物理定数の温度依存性から,その温度依存性を予測したところ,実験結果とよく一致
20