JP2010118484A - インダクタンス素子およびインダクタンス素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも低い温度での熱処理によってコア損失が少なく高効率なインダクタンス素子を提供する。
【解決手段】インダクタンス素子１００はＦｅ基非晶質粉末と結合材を含む成形体１と、成形体１の内部に設けられたコイル２を有している。
インダクタンス素子１００は一体成形型のインダクタであり、成形体１は磁心部分３を構成し、コイル２の両端は成形体１から露出して端子部分４ａ、４ｂを構成している。
Ｆｅ基非晶質粉末は、コイル２を直流重畳特性の優れ大電流に対応可能な一体成形コイルとするために必須の材料であり、結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下となるような組成であるのが望ましい。
これは、このような条件とすることにより、後述する最適歪取り熱処理を低い温度で行うことができ、また、コア（磁心部分３）の絶縁性と低損失化の両立が図れるからである。
【選択図】図１

Description

本発明は、インダクタンス素子およびその製造方法、トロイダルコアおよびトロイダルコアを用いたインダクタンス素子、インダクタンス素子を用いたチョークコイルおよび電源回路に関する。

近年、ノートパソコンやＰＤＡ用のＣＰＵ（Central Processing Unit）の高性能化に伴う大電流化により、これら電源回路に用いられる素子の電力効率の改善および小型化の要求が強まっている。

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ンス素子の磁心には、磁気飽和を起こさない高い飽和磁束密度を有する軟磁性金属粉末を成形したコアが用いられている。

また近年、素子の小型化要求に伴って、デットスペースの極めて少ない、圧粉磁心とコイル部を一体成形したインダクタンス素子が提案されている（特許文献１）。

これらの金属粉末を用いた一体成形型のインダクタンス素子は、優れた直流重畳特性を示す反面、コイル被覆が分解し絶縁性が損なわれるため、一般的な圧粉磁心で行われる応力緩和を目的とする高温での熱処理が困難である。

そのため、これらの一体成形型のインダクタンス素子は、コア中の残留応力に起因するコア損失が大きく、Ｍｎ−Ｚｎフェライトに代表される低損失磁性材料を用いて作製したインダクタンス素子に比べて電源回路に実装した場合の効率が低いという問題があった。

この問題を解決するために、コア材料として、非晶質粉末を結晶質の金属粉末と混合したものを用い、不活性雰囲気中４４０℃〜４８０℃での熱処理を行う方法が提案されている（特許文献２）。

また特許文献３においては、金属ガラス合金粉末と高温でも熱収縮の少ないシリコンエラストマーとから作製した一体成形コアを３９０℃以上、４７０℃以下の温度で熱処理する方法が提案されている（特許文献３）。

特許第３１０８９３１号 特開２００４−３６３４６６公報 特開２００２−１８４６１６号公報

このように、上記の一体成形型のインダクタンス素子においては、低損失な製品を得るには４００℃以上での熱処理が必要であった。

しかしながら、このような高温での熱処理により得られたインダクタンス素子は、磁気特性を向上させる反面、アレニウスの法則などで一般的に知られるようにコイルの寿命を著しく低下させるため、品質上大きな問題があった。

本発明は、このような問題点を鑑みてなされたものであり、その課題は、従来よりもコイルの寿命が長く、コア損失が少なく、かつ高効率なインダクタンス素子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の第１の態様は、結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下のＦｅ基非晶質粉末を含む金属磁性材料と、結合材とを含む混和物と、前記混和物の内部に一体成形されたコイルと、を有し、３００℃以上４００℃以下の温度での熱処理により形成されたことを特徴とするインダクタンス素子である。

本発明の第２の態様は、結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下のＦｅ基非晶質粉末を含む金属磁性材料と結合材とを混合して混和物を生成し、前記混和物の内部にコイルを一体成形し、その後、前記混和物の内部にコイルを一体成形したものを３００℃以上４００℃以下の温度で熱処理する工程を有することを特徴とするインダクタンス素子の製造方法である。

本発明の第３の態様は、結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下のＦｅ基非晶質粉末を含む金属磁性材料と、結合材とを含む混和物と、を有し、３００℃以上４００℃以下の温度での熱処理により形成されたことを特徴とするトロイダルコアである。

本発明の第４の態様は、第３の態様に記載のトロイダルコアに巻線を施して形成されることを特徴とするインダクタンス素子である。

本発明の第５の態様は、第１の態様または第４の態様に記載のインダクタンス素子を有することを特徴とするチョークコイルである。

本発明の第６の態様は、第１の態様または第４の態様に記載のインダクタンス素子を有することを特徴とする電源回路である。

本発明によれば、従来よりもコイルの寿命が長く、コア損失が少なく、かつ高効率なインダクタンス素子を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。

まず、図１を用いて本実施形態に係るインダクタンス素子１００の構造について簡単に説明する。

図１に示すように、インダクタンス素子１００は、後述するＦｅ基非晶質粉末を含む金属磁性材料と結合材とを含む成形体１と、成形体１の内部に設けられたコイル２を有している。

図１から明らかなように、インダクタンス素子１００は一体成形型のインダクタンス素子であり、成形体１は磁心部分３を構成し、コイル２の両端は成形体１から露出して端子部分４ａ、４ｂを構成している。

金属磁性材料に含まれるＦｅ基非晶質粉末は、インダクタンス素子１００を直流重畳特性の優れ大電流に対応可能な一体成形のインダクタンス素子１００とするために必須の材料であり、結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下となるような組成であるのが望ましい。

これは、このような条件とすることにより、後述する最適歪取り熱処理を低い温度で行うことができ、また、コア（磁心部分３）の絶縁性と低損失化の両立が図れるからである。

Ｆｅ基非晶質粉末の具体的な組成としては、式：（Ｆｅ_１-ａＴＭ_ａ）_{１００−ｗ−ｘ−ｙ−ｚ}Ｐ_ＷＢ_ｘＬ_ｙＳｉ_Ｚ（但し、不可避不純物が含まれ、ＴＭはＣｏ、Ｎｉから選ばれる１種以上、ＬはＡｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗから選ばれる１種以上であって、０≦ａ≦０．９８、２≦ｗ≦１６原子％、２≦ｘ≦１６原子％、０＜ｙ≦１０原子％、０≦ｚ≦８原子％）で表される組成であるのが望ましい。

なお、Ｆｅ基非晶質粉末は金属磁性材料に少なくとも一種が含まれていればよい。

結合材は金属磁性材料同士を結合する部材であり、例えばフェノール樹脂が用いられる。

コイル２は例えば導体に絶縁被覆を施したものが用いられる。

次に、インダクタンス素子１００の製造方法について簡単に説明する。

まず、水アトマイズ法等を用いてＦｅ基非晶質粉末を含む金属磁性材料を作製し、結合材と混練して造粒粉末（混和物）を作製し、造粒粉末とコイル２を金型中にて加圧成形し、成形体１を得る。

最後に、成形体１を例えば窒素雰囲気中で３００℃以上４００℃以下の温度範囲で熱処理することにより、インダクタンス素子１００が完成する。

ここで、熱処理温度を４００℃以下にすることにより、アレニウスの法則で知られるようなコイルの寿命の低下を従来よりも抑制できる。

なお、コイル２と磁心部分３を一体成形せず、磁心部分３をトロイダルコアとして構成し、これに巻線を施してインダクタンス素子を構成してもよい。

このように、本実施形態によれば、インダクタンス素子１００は結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下のＦｅ基非晶質粉末を含む金属磁性材料と、結合材を含む成形体１と、成形体１の内部に設けられたコイル２を有し、３００℃以上４００℃以下の温度範囲で熱処理することにより、形成されている。

そのため、インダクタンス素子１００は従来よりもコイルの寿命が長く、コア損失が少なく、かつ高効率である。

以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。

（実施例１）
最初に本発明に係るインダクタンス素子１００の磁心部分３に用いられるＦｅ基非晶質粉末を作成し、一般的なＦｅ基非晶質粉末および、Ｃｏ基非晶質粉末と物性を比較した。

まず、本発明に係る実施例として、水アトマイズ法を用いて平均粒子径１０μｍの非晶質Ｆｅ_７５Ｐ_１２Ｂ_８Ｎｂ_３Ｃｒ_２粉末を作製した。比較例として、平均粒子径１０μｍの非晶質Ｆｅ_７６Ｓｉ_９Ｂ_１３Ｃｒ_２粉末、非晶質Ｃｏ_６４Ｆｅ_４Ｓｉ_１１Ｂ_１９Ｃｒ_２粉末および結晶質Ｆｅ−６．５ｗｔ％Ｓｉ−３ｗｔ％Ｃｒ粉末を作製した。

次に、パーキンエルマー社製 PYRIS Diamond DSCを用いて作製した非晶質Ｆｅ_７５Ｐ_１２Ｂ_８Ｎｂ_３Ｃｒ_２粉（実施例）、および非晶質Ｆｅ_７６Ｓｉ_９Ｂ_１３Ｃｒ_２粉（比較例）、非晶質Ｃｏ_６４Ｆｅ_４Ｓｉ_１１Ｂ_１９Ｃｒ_２粉末（比較例）のＤＳＣ（Differential Scanning Calorimetry）曲線を求め、ＤＳＣ曲線から結晶化温度Ｔｘを測定した。

また、理研電子社製振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて非晶質Ｆｅ_７５Ｐ_１２Ｂ_８Ｎｂ_３Ｃｒ_２粉（実施例）、および非晶質Ｆｅ_７６Ｓｉ_９Ｂ_１３Ｃｒ_２粉（比較例）、非晶質Ｃｏ_６４Ｆｅ_４Ｓｉ_１１Ｂ_１９Ｃｒ_２粉末（比較例）の飽和磁束密度Ｂｓを測定した。

ＤＳＣ（Differential Scanning Calorimetry）曲線を図２に、結晶化温度Ｔｘおよび飽和磁束密度Ｂｓを表１に示す。

表１に示すように、一般的なＦｅ基非晶質粉末である非晶質Ｆｅ_７６Ｓｉ_９Ｂ_１３Ｃｒ_２粉における結晶化温度Ｔｘが５７５℃であるのに対し、非晶質Ｆｅ_７５Ｐ_１２Ｂ_８Ｎｂ_３Ｃｒ_２粉のＴｘは５１２℃、非晶質Ｃｏ_６４Ｆｅ_４Ｓｉ_１１Ｂ_１９Ｃｒ_２粉のＴｘは５１３℃と非常に低い値を示した。またＦｅ基非晶質粉末である非晶質Ｆｅ_７５Ｐ_１２Ｂ_８Ｎｂ_３Ｃｒ_２粉、および非晶質Ｆｅ_７６Ｓｉ_９Ｂ_１３Ｃｒ_２粉がそれぞれ約１．３Ｔ、１．２Ｔと高いＢｓを示すのに対して、Ｃｏ基非晶質粉末である非晶質Ｃｏ_６４Ｆｅ_４Ｓｉ_１１Ｂ_１９Ｃｒ_２は０．７Ｔと低い値を示した。またＦｅ_７５Ｐ_１２Ｂ_８Ｎｂ_３Ｃｒ_２粉においては、ガラス転移温度Ｔｇを示す吸熱が４７１℃に確認されており、この組成が結晶化温度Ｔｘ以下にガラス転移温度Ｔｇをもつ金属ガラスであることがわかる。

次に、作製した粉末を用いて磁心部分３を作製し、種々の熱処理温度でインダクタンス素子およびトロイダルコアを製造した。

まず、作製した粉末と結合材となるフェノール樹脂５mass％とを混練し、平均粒径１００μｍ〜８００μｍの範囲になるように造粒した。

造粒粉末（混和物）とコイル２を金型中にて面圧７Ｔｏｎ／ｃｍ^２（７×１０^９Ｐａ）で加圧成形し、図１の１０ｍｍ角×高さ３．８ｍｍの成形体１を得た。また、同じ造粒粉末を用いて鉄損評価用の直径１３−８ｍｍ×高さ５ｍｍのトロイダルコアも成形した。

得られた成形体１を１５０℃、１時間で硬化したのち、窒素雰囲気中で、種々の熱処理温度で１時間の熱処理を施した。

熱処理後、コイル一体成形体については端子分にソルディングを施し、コア側面に沿って折り曲げることにより、面実装のインダクタンス素子１００を得た。

またトロイダルコアについてはＵＥＷ（ポリウレタンエナメルワイヤ）線で巻線を施し、評価用のインダクタンス素子とした。

次に、得られたインダクタンス素子のコア損失、直流重畳特性、およびコアの比抵抗値の熱処理温度依存性を測定した。

まず、岩通計測社製SY-8258 B-ＨμANALYZERを用いて、得られたトロイダルコアのコア損失を１００ｋＨｚ、１００ｍＴの条件下で測定した。

結果を図３に示す。

図３に示すように、非晶質Ｆｅ_７６Ｓｉ_９Ｂ_１３Ｃｒ_２粉を用いて作製したコアのコア損失が熱処理温度４５０℃で最小値の１４２０ｋＷ／ｍ^３を示すのに対して、低Ｔｘ材である非晶質Ｆｅ_７５Ｐ_１２Ｂ_８Ｎｂ_３Ｃｒ_２粉および非晶質Ｃｏ_６４Ｆｅ_４Ｓｉ_１１Ｂ_１９Ｃｒ_２粉を用いたコアは３５０℃でのそれぞれ９５０ｋＷ／ｍ^３、５３２ｋＷ／ｍ^３と最小の値を示した。ここで非晶質Ｃｏ_６４Ｆｅ_４Ｓｉ_１１Ｂ_１９Ｃｒ_２粉末が最も低いコア損失を示すのは磁歪が低い組成系であるためである。

以上より、低Ｔｘ材である非晶質Ｆｅ_７５Ｐ_１２Ｂ_８Ｎｂ_３Ｃｒ_２および非晶質Ｃｏ_６４Ｆｅ_４Ｓｉ_１１Ｂ_１９Ｃｒ_２の最適歪取り熱処理が３５０℃と従来よりも１００℃低い値で実現されることが示された。

次に、アジレントテクノロジー社 4284A Precision LCR Meterを用いて３５０℃で熱処理した一体成形のインダクタンス素子１００の直流重畳特性を測定した。

図４にその結果を示す。

図４に示すように、重畳される電流が少ない領域では非晶質Ｃｏ_６４Ｆｅ_４Ｓｉ_１１Ｂ_１９Ｃｒ_２粉末を用いて作製したインダクタンス素子が最も高いインダクタンス値を示すが、重畳電流が増加するにつれて他の粉末材料を用いて作製したインダクタンス素子とインダクタンス値が逆転する。これは表１に示したように、Ｃｏ基である非晶質Ｃｏ_６４Ｆｅ_４Ｓｉ_１１Ｂ_１９Ｃｒ_２の飽和磁束密度Ｂｓが他の材料粉末よりも低く、飽和しやすいためである。

以上より、直流重畳特性の優れ大電流に対応可能な一体成形型のインダクタンス素子１００を提供するにはＢｓの高いＦｅ基合金粉末が必要であることが示された。

次にヒューレットパッカード社製HP4339A High resistance meterを用いて、これらのコア（磁心部分）の比抵抗値の熱処理温度依存性を測定した。

結果を図５にを示す。いずれのコア（磁心部分）においても熱処理温度が上がるにつれて比抵抗値が低下していた。特に４００℃以上においては低下が著しかった。これは結合材に用いたフェノール樹脂が分解を開始するのが原因と考えられる。

以上の結果からＴｘが高い非晶質Ｆｅ_７６Ｓｉ_９Ｂ_１３Ｃｒ_２粉末を用いたコア（磁心部分）では、絶縁性と低損失化の両立が困難であると考えられ、本発明の低Ｔｘな粉末を用いたコアの有用性が示された。

以上の検討によりＴｘが５２０℃以下のＦｅ基非晶質粉末を含む混和物を３００〜４００℃で熱処理したコア（磁心部分）を用いることにより、直流重畳に優れ、コア損失が少なく、かつ絶縁耐圧の高いインダクタンス素子が提供可能なことが示された。

本発明のインダクタンス素子とその製造方法は、チョークコイルや電源回路やその製造に適用できる。

なお、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態および実施例に左右されない。当業者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本実施形態に係るインダクタンス素子１００の斜視図であって、磁心部分３は外周を点線で表し、内部を透明に描いている。 実施例および比較例のＤＳＣ曲線を示す図である。 実施例および比較例の合金粉末を用いて作製したトロイダルコアの１００ｋＨｚ、１００ｍＴで測定したコア損失を示す図である。 実施例および比較例の一体成形型のインダクタンス素子の直流重畳特性と熱処理温度の関係を示す図である。 実施例および比較例の一体成形型のインダクタンス素子の絶縁耐圧と熱処理温度の関係を示す図である。

符号の説明

１………成形体
２………コイル
３………磁心部分
４ａ……端子部分
４ｂ……端子部分
１００…インダクタンス素子

Claims (12)

1. 結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下のＦｅ基非晶質粉末を含む金属磁性材料と、結合材とを含む混和物と、
   前記混和物の内部に一体成形されたコイルと、
   を有し、
   ３００℃以上４００℃以下の温度での熱処理により形成されたことを特徴とするインダクタンス素子。
2. 前記Ｆｅ基非晶質粉末の組成は、式：（Ｆｅ_１-ａＴＭ_ａ）_{１００−ｗ−ｘ−ｙ−ｚ}Ｐ_ＷＢ_ｘＬ_ｙＳｉ_Ｚ（但し、不可避不純物が含まれ、ＴＭはＣｏ、Ｎｉから選ばれる１種以上、ＬはＡｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗから選ばれる１種以上であって、０≦ａ≦０．９８、２≦ｗ≦１６原子％、２≦ｘ≦１６原子％、０＜ｙ≦１０原子％、０≦ｚ≦８原子％）で表されることを特徴とし、結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下であることを特徴とする請求項１記載のインダクタンス素子。
3. 前記Ｆｅ基非晶質粉末は、ガラス転移点を示す金属ガラスであることを特徴とする、請求項１記載のインダクタンス素子。
4. 結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下のＦｅ基非晶質粉末を含む金属磁性材料と結合材とを混合して混和物を生成し、前記混和物の内部にコイルを一体成形し、その後、前記混和物の内部にコイルを一体成形したものを３００℃以上４００℃以下の温度で熱処理する工程を有することを特徴とするインダクタンス素子の製造方法。
5. 前記Ｆｅ基非晶質粉末の組成は、式：（Ｆｅ_１-ａＴＭ_ａ）_{１００−ｗ−ｘ−ｙ−ｚ}Ｐ_ＷＢ_ｘＬ_ｙＳｉ_Ｚ（但し、不可避不純物が含まれ、ＴＭはＣｏ、Ｎｉから選ばれる１種以上、ＬはＡｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗから選ばれる１種以上であって、０≦ａ≦０．９８、２≦ｗ≦１６原子％、２≦ｘ≦１６原子％、０＜ｙ≦１０原子％、０≦ｚ≦８原子％）で表されることを特徴とし、結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下であることを特徴とする請求項４記載のインダクタンス素子の製造方法。
6. 前記Ｆｅ基非晶質粉末は、ガラス転移点を示す金属ガラスであることを特徴とする、請求項５記載のインダクタンス素子の製造方法。
7. 結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下のＦｅ基非晶質粉末を含む金属磁性材料と、結合材とを含む混和物と、
   を有し、
   ３００℃以上４００℃以下の温度での熱処理により形成されたことを特徴とするトロイダルコア。
8. 前記Ｆｅ基非晶質粉末の組成は、式：（Ｆｅ_１-ａＴＭ_ａ）_{１００−ｗ−ｘ−ｙ−ｚ}Ｐ_ＷＢ_ｘＬ_ｙＳｉ_Ｚ（但し、不可避不純物が含まれ、ＴＭはＣｏ、Ｎｉから選ばれる１種以上、ＬはＡｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗから選ばれる１種以上であって、０≦ａ≦０．９８、２≦ｗ≦１６原子％、２≦ｘ≦１６原子％、０＜ｙ≦１０原子％、０≦ｚ≦８原子％）で表されることを特徴とし、結晶化温度Ｔｘが５２０℃以下であることを特徴とする請求項７記載のトロイダルコア。
9. 前記Ｆｅ基非晶質粉末は、ガラス転移点を示す金属ガラスであることを特徴とする、請求項８に記載のトロイダルコア。
10. 請求項７〜９のいずれかに記載のトロイダルコアに巻線を施して形成されることを特徴とするインダクタンス素子。
11. 請求項１〜３または請求項１０のいずれかに記載のインダクタンス素子を有することを特徴とするチョークコイル。
12. 請求項１〜３または請求項１０のいずれかに記載のインダクタンス素子を有することを特徴とする電源回路。

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