JPS63161602A - 高周波磁気特性に優れた圧粉磁心 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、ノイズフィルターや平滑チョークなどに用
いて好適な鉄粉製の圧粉磁心に関し、とくに高周波磁気
特性のより一層の向上を図ったものである。

（従来の技術） 最近の電気電子機器の多様化に伴い、磁性材料に対して
も、種々の特性が要求されている。

このうち鉄粉等の強磁性粉末を樹脂等とともに成形して
なる圧粉磁心は、磁束密度が印加磁界の増加に対して飽
和しにくいために直流重畳特性が優れていること、また
渦電流が流れにくいために周波数特性が優れていること
等の理由により、電源ノイズフィルターや平滑チョーク
などに利用されている。しかしながらこのような圧粉磁
心に対しても、ノイズ規制の強化や機器の高周波化など
を背景に、より一層の高周波特性の改善が要求され、し
かもかような特性改善によるコズト上界については最低
限に抑制しなければならない状況にある。

一般に、圧粉磁心の特性評価は、直流透磁率：μＤＣお
よび限界周波数：、ｆｃｒによって行うことができる。

ここでその評価方法について説明すると、まず第１図に
示すように、透磁率（初透磁率）の周波数依存性を測定
する。ここに周波数「が十分に小さくなると、透磁率μ
は一定値に近づき、通常この値をμ。。で表す。一方、
周波数が高くなると、透磁率は低下してくる。これは磁
心に流れる渦電流に起因するのであるが、透磁率がμ８
．の８０％にまで低下した時の周波数をｆｃｒとすると
、周波数特性の優れた磁心とは、μ、Ｃは一定以上の水
準に維持された上で、このｆｃｒができるだけ大きい磁
心である。

最も一般的な鉄粉製の圧粉磁心は、平均粒径：８０μｍ
程度の電解鉄粉やアトマイズ鉄粉あるいは還元鉄粉を、
樹脂や水ガラスなどのバインダーとともに成形して固め
たものである。このタイプのものは製法が筒車であるか
ら、低コストという利点があり、その特性水準はμ。。

が６０〜８０、ｆｃｒが０．５〜１．２ヒｌｌｚ程度で
ある。

ところで圧粉磁心の周波数特性を決定するのは、磁心に
流れる渦電流であるが、渦電流には、鉄粉粒子内部で閉
じて流れる粒内渦電流と、粒子間にわたって流れる粒間
渦電流とがある。粒内渦電流を抑制するためには、鉄粉
を合金粉として粒子固有の電気抵抗を高めるか、または
粒子を小さくする必要がある。一方粒間渦電流を抑制す
るには、粒子間の電気的な絶縁を良好にする必要がある
。

そしてこれら双方の渦電流を抑制してはじめて、ｆｃｒ
を大きくすることができるのである。

そこで従来から、鉄粉の粒度を細かくすると共に、粒子
間の絶縁を高める工夫がなされてきた。

たとえば“Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｈｅａｔｉｎｇ　Ｍ
ａｙ、　１９８２　＋　ｐａｇｅ１４”では、粒子を電
気的絶縁物でコーティングする方法で上記の目的を達成
している。

しかしながらこの方法は、コーティングに手間がかかり
、大幅なコストの上昇を招く不利があった。

この発明は、上記の問題を解決するもので、簡便かつ低
コストで高周波特性に優れた圧粉磁心を得ることができ
る有利な製造方法を提案することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） さて発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意検討を重
ねた結果、鉄粉粒子を細かくするとともに、バインダー
としての樹脂と、潤滑剤とを添加しで成形することによ
り、特別な絶縁コーティング処理を施さずとも、ｆｃｒ
の高い磁心が得られることを見出した。

この発明は、上記の知見に立脚するものであり、この発
明における最も重要なポイントは、鉄粉粒子が細かい場
合には、潤滑剤が粒子間の絶縁を高めるのに極めて有効
に作用するという新事実である。

すなわち、この発明は、鉄粉と樹脂と潤滑剤との混合物
を成形してなる圧粉磁心であって、鉄粉の平均粒径をｄ
（μｆｆ１）、潤滑剤の含有量をＸ（ｗｔχ（以下単に
％で示す））、磁路に垂直な磁心の断面積をＡ　（ｃｎ
りで表したとき、これらが次式（１）、　（２＋ ｄ≦７０（μｍ）　　　　　　　　　　　・・・（１）
１０　（Ａ／ｄ　”）　０・’≦Ｘ≦２．５　　　　　
　　・１２））の関係を満足することを特徴とする、高
周波磁気特性に優れた圧粉磁心である。

ここで平均粒径とは、鉄粉の粒度分布をふるい分は祉あ
るいはマイクロトラック法で測定した重量粒度分布のメ
ジアン径で表される。また、磁心断面積は、外径＝Ｄ０
、内径：Ｄい高さ＝Ｈのトロイダル状磁心であれば、Ａ
　＝Ｈ（ＤＯ−ＤＩ）／２で与えられる。

以下、この発明を具体的に説明する。

まずこの発明では、鉄粉の平均粒径を７０Ａ！ｍ以下と
するが、これは、限界周波数ｆｃｒを増すために必須の
条件の一つである粒内渦電流の低減を図るためであり、
仮に粒子間の絶縁が十分だとすると、平均粒径が小さい
ほどｆ　ｃｒは大きくなる。

第２図に、鉄粉の平均結晶粒径が限界周波数に及ぼす影
響について調べた結果を示す。なお実験は次の要領で行
った。

ミルスケール還元鉄粉をふるい分けて、次の平均粒径を
もつ鉄粉ａ　−ｅを得た。なお平均粒径は一マイクロト
ラック法により計測した重量粒度分布のメジアン値とし
て求めた。

ａ：２３μｍ、　　　ｂ：５１　　μｍ、　　　ｃ：６
７μ積　。

ｄ　　：８４μｍ　　、　　　ｅ　　：１１１　　μｍ
各鉄粉ａ　”−ｅに、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛ヲ
１．４％、エポキシ樹脂粉末（−２５０メツシユ）を０
．５％混合し、７ｔ／ｃＩ＋！の圧力でφ１３×φ８×
Ｈ１１１のリング状に成形した。ついでこの成形体を大
気中１５０℃で１時間キユアリングし、圧粉磁心とした
。

かくして得られた磁心に、φ０．５鰭のホルマル銅線を
２０＠巻き、インピーダンスメーターによって初透磁率
の周波数依存性を１０　ｋＨｚ〜１０　ＭＨｚの周波数
範囲で測定し、限界周波数ｆｅｒを求めた。

同図より明らかなように、平均粒径が７０μｍ以下の鉄
粉を用いた場合にｆｃｒが１．５　ＭＨｚ以上の優れた
周波数特性を示した。

なおこのときのＡは０．１２５　Ｃ艷であり、各鉄粉に
対する発明法における潤滑剤添加量の下限値：１０（Ａ
／ｄ２）’・３の値は、それぞれａ：０．８２％、　　
　ｂ：ｏ、ｓｉ％、　　　ｃ：ｏ、４３％。

ｄ：ｏ、３８％、　　　ｅ：０．３２％である。

そ−こてこの発明で１よ、鉄粉の平均粒径の上限を７０
μｍに定めたのである。

さてかかる鉄粉は、樹脂および潤滑剤とともにｉ　　成
形されて磁心を形成する。ここに樹脂は、鉄粉の成形体
を固めるバインダーの役割をもつとともに、粒子間の電
気的絶縁に寄与し、例えば、エポキシ樹脂粉末などが好
適である。なお、液状樹脂も使用できないことはないが
、粉末にくらべると鉄粉に添加した時のハンドリングに
難点がある。

また潤滑剤は、本来、鉄粉を成形する際に、鉄粉粒子ど
うしないしは粒子と金型との間の摩擦を低減し、成形密
度ひいては、透磁率を高め、かつ金型摩耗を抑制するた
めに添加するものであり、たとえばステアリン酸亜鉛な
どの粉末が有利に適合する。

ところで従来は、潤滑剤は鉄粉粒子間の電気絶縁効果と
しては期待されていなかったものであるが、発明者らの
実験によれば、鉄粉粒子が細かい場合には、むしろ樹脂
よりも大きな絶縁効果を有することが究明されたのであ
る。

この事実は高特性の磁心を低コストで実現する上で、極
めて重要な意義をもつ。なぜならば、粒子間絶縁を、樹
脂量を増すことによって実現しようとする場合、樹脂量
がある限度を越えると成形しにくくなって製造に支障を
きたすことになるが、潤滑剤の増量によって粒子間絶縁
をはかるならばかかる問題がなくなるからであり、しか
も、少量で高い効果が得られるからである。

潤滑剤の絶縁効果が高い理由は、潤滑剤の粉末は、鉄粉
と混合した時に、鉄粉粒子の表面に付着しやすく、樹脂
粉末にくらべると、均一に鉄粉粒子を覆うためであると
考えられる。そのために、とくに鉄粉粒子が細かい場合
に、その効果が樹脂の場合よりも一層大きくなるものと
推察される。

かかる潤滑剤の添加量は、鉄粉の粒度と磁心のサイズに
応じて適正量が定められる。

そこで次に、直流透磁率μｏｃおよび限界周波数ｆｃｒ
におよぼす潤滑剤および樹脂の添加量の影響について調
べた。なお実験は次の要領で行った。

平均粒径が２３μｍのミルスケール還元鉄粉に、潤滑剤
量を０．５〜３％（この時、樹脂量は０．５％と一定）
の範囲で、また、樹脂量を０．５〜３％（この時、潤滑
剤量は０．５％と一定）の範囲で種々に変化させてそれ
ぞれ添加し、前掲第２図の成績を得た実験と同様にして
リング状の圧粉磁心を作製した。

かくして得られた圧粉磁心の直流透磁率μＤＣと潤滑剤
および樹脂の添加量との関係について調べた結果を第３
図に、また同じく限界周波数と添加量との関係について
調べた結果を第４図にそれぞれ示す。

第３．４図より明らかなように、潤滑剤や樹脂の添加量
が増すにつれて粒子間の絶縁が向上するので、一般にｆ
ｃｒは向上するものの、μ、Ｃは逆に低下してくる。こ
こに樹脂よりも潤滑剤のほうが絶縁効果が大きく、ｒｃ
ｒがはるかに上昇しているとともに、μｎｃの大きさか
らも優れていることがわかる。第４図における例では、
潤滑剤が０．８％以上において、樹脂に対する潤滑剤の
絶縁効果の優位性が明らかである。またとくに潤滑剤が
１．４％の時に、ｆｃｒが大きく、しかもμ。。の低下
が小さいから、この例における最適潤滑剤添加量は、は
ぼ１．４％と言うことができる。一方、第３図および第
４図の例における添加樹脂量の上限は、添加量の増加と
ともにμＩｌｃが急激に減少しはじめる点である２、５
％と考えてよい。

このように、添加潤滑剤の上限はμ。。によって、下限
はｆｃｒによって定められる。ここにμ９．は、鉄粉の
粒度や磁心のサイズの影響をほとんど受けないから、上
に示した潤滑剤量の上限値２．５％は普遍的なものと言
うことができる。

しかしながらｆｃｒは鉄粉の粒度および磁心のサイズに
依存するから、−律に潤滑剤！　（Ｘ）の下限を定める
ことはできない。第３図および第４図で求めた下限値０
．８％は、平均粒径２３μｍかつ磁心サイズφ１３（外
径）×φ８　（内径）×５　（高さ）龍の時にのみ適用
される。

一般的にＸの下限を求めるには、与えられた鉄粉の平均
粒径と磁心サイズの関数として、適正なＸの値を見積っ
ておくことが必要である。これは次の−ように筒略化し
て求めることができる。

第４図の例で示すと、最適の潤滑剤量（Ｘ）は１．４％
である。この量は、Ｘを増していっても、ｆｃｒが飽和
に達する時の潤滑剤量である。Ｘが１．４％を超えると
、それ以上粒子間絶縁を向上させても、粒内渦電流は不
変だから、ｆｃｒはほとんど上昇しない。一方で、Ｘが
１．４％よりも小さい時は、粒子間の絶縁によってｆ。

が定まるから、Ｘの減少とともにｆｏが低下する。この
ように考えると、最適のＸとは、粒内と粒間の渦電流が
ちょうど同程度の大きさになった時に対応することがわ
かる。

粒内渦電流は粒子の大きさによって、粒間渦電流は磁心
の大きさによって、そのサイズ効果が定められている。

したがって、粒子の大きさと磁心の大きさとの比が一定
であれば、粒内と粒間の渦電流の大きさの比も一定にな
ると考えられる。ここに磁心の大きさとして、磁路に垂
直な磁心断面積Ａをとるならば、このＡは長さの２次元
量であるから、粒子の大きさとしては、平均粒径の２乗
ｄ２をとって、その比Ａ／ｄ２によって、最適のＸが表
されると考えることができる。

すなわち、最適のＸは、Ａ／ｄ２の関数ということがで
きる。

以下このＸとＡ／ｄ”との関係について調べた結果につ
いて述べる。

前掲した第１図および第２図の成績を得た実験と同様の
方法で圧粉磁心を作製したが、このとき鉄粉は平均粒径
２３μｍとし、樹脂添加量は０．５％に定めた。また磁
心サイズは以下に示す６種とし、潤滑剤の添加量を種々
に変化させて、ｆＣｒを測定した。

１４　　φ１３×φ８ＸＨ３１１１゜ ２、　　　　φ　１３　×　φ　８　×　Ｈ５１態。

３、　φ１３×φ８×Ｈ８１ｍ。

４、　φ２０×φ１２Ｘ１１８鰭。

５、　φ３８×φ２５ＸＨ６，５鰭。

６、　φ３８×φ２５Ｘｔｌ　１０＋ｕ。

各サイズに対応する断面積Ａは次のとおりである。

１、０．０７５ｃｒＡ、　　２．０．１２５ｃａｌ、　
　３．０．２０　ｃｒｙ。

４、　０．３２　　（Ｊ！、　　　５．　０．４２　　
ｃＩＩ！、　　　６゜０．６５　　ｃＩ１１各磁心にお
ける潤滑剤添加量と限界周波数との関係について調べた
結果を第５図にまとめて示す。

なお図中・印は各サイズの磁心に対する最適の潤滑剤添
加量を表す。

次に第６図に、第５図に示した結果に基づいて磁心断面
積（Ａ）と最適のＸとの関係について調べた結果を示す
。

この結果によると、最適のＸはＡの０．３乗に比例して
いる。ということは最適のＸはＡ／ｄ　”の関数である
から、結局（Ａ／ｄ”）０・１に比例することになる。

このようにして求めた最適のＸは、ｘ　＝　２０（Ａ／
ｄ”）”　’ である。

ここにＸの許容下限値は、Ｃｏｎ５ｔ、　Ｘ　（Ａ／ｄ
”）　”　’の形で求まるわけであるが、第４図の例に
おいて、Ａ＝０．１２５　ｃｒＡ、　ｄ　＝２３．ｃｚ
ｍの時にｘ＝０．８％であるから、Ｃｏｎ５ｔ、　＃　
１０であり、従って最適なＸ量の下限は、次式、 Ｘ　≧　１０（八／ａ２）　＋１−３ で表されることになる。

（実施例） 下表１に示した混合物Ａ、ＢおよびＣを用意した。ここ
で、鉄粉は水アトマイズ純鉄分の、粒度の異なるものを
２種用い、その粒度はマイクロトラック粒度分析計によ
るメジアン平均粒径で表した。また、樹脂としては粉末
状エポキシ樹脂（平均粒径６μｍ　）　、潤滑剤はステ
アリン酸亜鉛を用いた。

表１ Ｂ　　３６　　０．６　　０．５ これらの混合物Ａ−Ｃを、７．１　ｔ／ａｄの成形圧力
で、外径１３ｍ１、内径３ｎ＋、高さ８ｆｌのリング状
に成形した。ついで成形体を大気中で１５０°Ｃに１時
間保持し、エポキシ樹脂のキユアリングを行った。

こ九らの例においては、１０（Ａ／ｄ”）　’・３の値
は、ＡとＢでは０，７２、Ｃでは０．４４である。した
がってＡは、通常より細かい鉄粉を用い、潤滑剤量を通
常潤滑に必要とされる量にくらべて大量に添ｆｉしてお
り、この発明の適正範囲を満足するものである。

この点Ｂは、鉄粉粒度は細かいが、潤滑剤添加量が不足
した場合の比較例、またＣは、粒度が通常の鉄粉並みに
粗い場合の比較例がある。

これらの成形体につき、μ。。とｆｃｒとを測定して、
次表２の結果を得た。

表　　２ Ａ　　６７．３　４．３５ Ｂ　　７０．２　０．７９ Ｃ６８，２０，７７ 同表より明らかなように、実施例Ａは、比較例Ｂ、Ｃに
くらべてμ。、の低下が僅少（１〜４％）であるにもか
かわらず、ｆｃＦが５倍以上と、飛躍的に向上すること
が確かめられた。

（発明の効果） かくしてこの発明によれば、格別の粒子間絶縁剤を必要
とすることがなく、したがって低コストで高周波特性に
優れた圧粉磁心を容易に得ることができ、ひいては圧粉
磁心の応用範囲拡大に偉効を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、圧粉磁心の周波数特性を示したグラフ、 第２図は、鉄粉の平均粒径ｄと限界周波数ｆｃｒとの関
係を示したグラフ、 第３図は、潤滑剤または樹脂の添加量と直流透磁率μ、
との関係を示したグラフ、 第４図は、同じく添加量と限界周波数ｆ　ｃｔとの関係
を示したグラフ、 第５図は、潤滑剤添加量と限界周波数ｆｃｒとの関係を
磁心サイズをパラメータとして示したグラフ、 第６図は、磁心サイズと適正潤滑剤添加量との関係を示
したグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、鉄粉と樹脂と潤滑剤との混合物を成形してなる圧粉
   磁心であって、鉄粉の平均粒径をｄ（μｍ）、潤滑剤の
   含有量をｘ（ｗｔ％）、磁路に垂直な磁心の断面積をＡ
   （ｃｍ＾２）で表したとき、これらが次式（１）、（２
   ） ｄ≦７０（μｍ）…（１） １０（Ａ／ｄ＾２）＾０＾．＾３≦ｘ≦２．５…（２）
   の関係を満足することを特徴とする、高周波磁気特性に
   優れた圧粉磁心。