JP2688769B2 - 高周波用コイル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は各種電子機器の部品、例えばスイッチング電
源等のインダクターとして優れた磁気特性を有する高周
波用コイルに関し、特に高周波域において電気抵抗率、
透磁率及び飽和磁束密度が大きく、コア損失が小さい磁
心を用いた直流重畳特性が優れている高周波用コイルに
関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕

従来、FA機器、OA機器等のスイッチング電源用コイル
として、電気抵抗率、透磁率、飽和磁束密度、コア損失
等の電気・磁気特性の優れた磁心材料を用いた種々のコ
イルが使われている。

しかしながら、近年機器の高特性化、とくに小型化を
計るために高周波数を使用する傾向にあり、例えば、従
来は10〜20KHz以下で使用されていたものが、最近では
一般的に50〜100KHz又はそれ以上で使用されるようにな
り、またメガヘルツ（MHz）に達する高周波用スイッチ
ング電源も試作されている。

このようなスイッチング電源の高周波化に伴い、高周
波域における特性の優れたチョークコイル用の高周波用
コイルが求められている。

現在使われているスイッチング電源用の高周波用コイ
ルは、一般にリング状の軟磁性の磁心（コア）に銅線を
巻きつけた構造を有しており、磁心の特性はコイルの特
性に最も大きな影響を与えている。このような高周波用
コイルの磁心として （１）軟磁性の優れた強磁性酸化物の粉末を焼結したフ
ェライトコア、 （２）センダスト、パーマロイ、鉄等の軟磁性の優れた
強磁性金属の粉末を圧粉成形したコア、及び （３）軟磁性の優れた強磁性アモルファス合金のリボン
をトロイダル状にした巻磁心 等が挙げられる。

しかしながら、フェライトコア（１）は、例えば100K
Hzを超えるような高周波域において、透磁率は大きい
が、飽和磁束密度が5000G以下と小さいために、コイル
に直流電流が流れると直ちに磁気飽和を起し、インダク
タンスが大きく劣化する。スイッチング電源の出力側回
路においては比較的大きな直流電流がコイルに流れるの
で、スイッチング電源に用いられるコイルはそのような
状態においてもインダクタンスが低下しない性質、すな
わち直流重畳特性が優れていることが要求されるので、
フェライトコア（１）を有する高周波用コイルはスイッ
チング電源に用いるのに十分な特性を備えてはいない。

次に、コア（２）については、センダスト、パーマロ
イ粉末の圧粉成形体からなる場合、実質的な体積割合
（占積率）が約70％程度と低いので、高周波域における
見かけの飽和磁束密度は各々7500G、7000G程度と低い。
このため、直流重畳特性が不十分である。また、鉄粉末
の圧粉成形体コアの場合、コアの見かけの飽和磁束密度
が15000G以上と高いので直流重畳特性は優れているが、
電気抵抗率が小さく、高周波域における鉄損が大きいた
め、発熱により電力損失が生じるとともに、インダクタ
ンスの低下も著しい。従ってセンダスト、パーマロイ及
び鉄等の粉末を圧粉成形したコア（２）を有する高周波
用コイルもスイッチング電源に用いるのに十分な特性を
備えていない。

さらに、アモルファスリボンコア（３）は、高周波域
における飽和磁束密度が15000G以上で実質的な体積割合
（占積率）が80％以上であるため、高周波域におけるコ
アの見かけの飽和磁束密度を12000G以上とすることがで
きるが、透磁率が非常に大きいために、コイルにわずか
な直流電流が流れただけで磁気飽和を起こすので、直流
重畳特性が低いという問題がある。そこでコアの磁路に
空隙を設け磁気抵抗を上げることにより、直流重畳特性
を改良することが行われているが、適当な空隙を安定し
て設けることの困難さや、うなりの発生の問題がある。
また、飽和磁束密度の高いアモルファス合金として代表
的なものであるFe−Si−Ｂ系アモルファス合金は磁歪が
大きいため、このような磁心を有するコイルを高周波域
で使用すると、磁歪振動等の電気振動によるうなりを発
生するという問題がある。さらに、アモルファス合金材
はコストが高いという問題もある。

このように、100KHzを超えるような高周波域において
コア損失が小さく直流重畳特性が良好な高周波用コイル
は、未だに提供されていない。

従って、本発明の目的は、100KHzを超えるような高周
波域においても直流重畳特性が良好で、使用時の発熱に
よる温度上昇が少なく、高インダクタンスを保持できる
スイッチング電源等への使用に適する高周波用コイルを
提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、特定の
組成のFe−Cr−Al−Si系合金の粉末を主成分とする磁心
材料を用いたコイルは高周波域において優れた特性を有
することを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の高周波用コイルは、磁心材料の少
なくとも60％が、１重量％以上のAlと、１重量％以上の
Siと、15重量％以下のCrと、残部実質的にFeからなり、
AlとSiの合計が10重量％以下である組成を有するFe−Cr
−Al−Si系合金の粉末からなることを特徴とする。

前記Fe−Cr−Al−Si系合金の粉末は、好ましくはアス
ペクト比（最大長さ／最大厚さ）が２以上で粒径が１〜
500μｍのフレーク状のものである。

本発明を以下詳細に説明する。

本発明の高周波用コイルは磁心材料の少なくとも60％
をFe−Cr−Al−Cr系合金の粉末とする。このFe−Cr−Al
−Si系合金の組成は重量基準で Alの含有量が１％以上、 Siの含有量が１％以上、 AlとSiの合計量が10％以下、 Crの含有量が15％以下、 残部実質的にFe、 である。

上記Fe−Cr−Al−Si系合金のCr、Al、Si等の添加元素
は各々合金の電気抵抗率を高めるとともに、軟磁性を向
上する作用を有する。ただし、Cr、Al、Si等の添加量が
多すぎると飽和磁束密度が逆に低下する。つまり、Alと
Siの各々の含有量が１重量％未満の場合は電気抵抗率及
び軟磁性の改善に効果がなく、AlとSiの合計量が10重量
％を超える場合や、Crの含有量が15重量％を超える場合
は、飽和磁束密度が低下する。また、Crの含有量が0.01
％未満であると耐食性が低い。

上記組成範囲の条件を満たすことにより、飽和磁束密
度及び電気抵抗率の高い磁心を得ることができる。すな
わち、飽和磁束密度が13000G以上、好ましくは15000G以
上であり、電気抵抗率が50μΩ・cm以上、好ましくは80
μΩ・cm以上という要求を満足する。飽和磁束密度を高
くすることにより、比較的大きな直流電流がコイルに流
れても磁気飽和が起こりにくくなり、インダクタンスの
劣化を防ぐことができる。すなわち、直流重畳特性を向
上させることができる。また、電気抵抗率を大きくする
ことにより高周波域での鉄損を小さくし、発熱によるコ
イルの温度の上昇を防ぐとともに、インダクタンスの高
周波域での劣化を防ぐことができる。

Fe−Cr−Al−Si系合金の好ましい組成は重畳基準で、 Alの含有量:1〜７％ Siの含有量:3〜９％ AlとSiの合計量:2〜10％ Crの含有量:1〜13％ 残部実質的にFe の範囲である。

本発明に用いるFe−Cr−Al−Si系合金の粉末は最大厚
さに対する最大長さの比であるアスペクト比が２以上で
粒径が１〜500μｍのフレーク状（鱗片状）であるのが
好ましい。なお粒径は粉末粒子の長軸を測定することに
より求める。形状が球状や粒状であったり、フレーク状
でも粒径が500μｍより大きいと、得られる磁心の過電
流による電力損失が大きいため、高周波域で所望の特性
が得られない。また粒径が１μｍより小さいフレーク状
の粉末を磁心材料としたコイルは、透磁率が低いため、
やはり高周波域で所望の特性が得られない。より好まし
い形状はアスペクト比が５以上で粒径が10〜250μｍの
フレーク状である。

なお、Fe−Cr−Al−Si系合金の粉末形状については、
経済性の観点から、高周波特性を損なわない範囲で上記
範囲外のものが若干量混入してもよい。

このようなフレーク状のFe−Cr−Al−Si系合金の粉末
は、粉砕法や、例えば特開昭58−6907号に開示されたキ
ャビテーション法、すなわち、溶融金属に対して漏れ性
の小さな表面層を有し、高速で回転しているロール表面
に溶融金属を供給し、この溶融金属を微細な溶融金属滴
に分断した後、引き続いてこの溶融金属滴を高速で回転
する金属回転体に衝突させて急速凝固させるキャビテー
ション法にて作製することができる。

本発明に用いる磁心材料は、その60重量％以上を上記
Fe−Cr−Al−Si系合金の粉末とする。上記合金粉末の含
有量が60重量％未満であると本発明の効果が得られな
い。なお磁心材料の残部には、有機又は無機のバインダ
ー及び他の金属粉等を適宜用いることができる。

以上詳述したFe−Cr−Al−Si系合金の粉末をリング状
に成形し磁心を形成する。成形はプレス等による通常の
圧粉成形法で行うことができる。成形の際に通常使用さ
れている有機系バインダーや水硝子等の無機系バインダ
ーを用いることにより、成形性を高め、成形後の磁心の
強度を高めることができる。さらに、バインダーは粉末
の粒子間の電気的な絶縁性を高めるため、コイルの高周
波特性の改良に効果がある。さらに、無機系のバインダ
ーを用いて加圧成形を行うと、成形時の加圧歪の問題を
解消することができるので、磁心の磁気特性を向上する
ことができる。

このようにして得られる圧粉磁心の占積率は一般に60
％以上であり、好ましくは65以上である。

次に、リング状のコアを絶縁性ケースに入れた後で、
銅線を巻きつけることによって、本発明の高周波用コイ
ルを得ることができる。

第１図（ａ）及び（ｂ）図に、本発明の高周波コイル
の一例を示す。第１図（ａ）及び（ｂ）に示すように、
本発明の高周波用コイルは、磁心１に巻線２が巻きつけ
られた構造を有する。磁心１は圧粉磁心1aが絶縁ケース
又は皮膜1bにより覆われた構造を有している。

〔実施例〕

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明する。

参考例１ Fe−Cr−Al−Si系合金において、Cr含有量を３重量％
とし、Al及びSiの含有量を種々変更したときの合金の飽
和磁束密度（Bs）及び電気抵抗率（ρ）を測定した。結
果を第２図に示す。

第２図から明らかなように、Al、Siが各々１重量％以
上で、かつAl＋Siが２〜10重量％のとき、飽和磁束密度
（Bs）及び電気抵抗率（ρ）が高い。

実施例１ Cr2.7重量％、Al2重量％、Si6重量％、残部実質的にF
eとした組成を有する合金を製造した。この合金の飽和
磁束密度（Bs）は18000G、電気抵抗率（ρ）は90μΩ・
cmであった。次にこの合金を粉砕によりフレーク状の粉
末とした。第３図にその顕微鏡写真を示す。第３図から
明らかなように、フレーク状粒子のアスペクト比は５〜
100、粒径は20〜200μｍであった。

得られた粉末に水ガラスをバイダーとして用い、1500
0kg/cm²の圧力のプレスにより圧粉成形して外径20.3m
m、内径12.7mm、高さ6.4mmのリング状の磁心とした。こ
の磁心の占積率は70％であった。これに所定の絶縁ケー
スをセットし、線径が1.0mmφの銅線を巻数42で巻きつ
け、高周波用コイルを得た。

得られた高周波用コイルの高周波特性を調べるため
に、10KHz、100KHz及び1MHzにおけるインダクタンスを
測定した。結果を第１表に示す。

さらに、得られた高周波用コイルの見かけの磁束密度
（Ｂ）及び20KHzにおける種々の大きさの直流重畳磁場
のもとでのインダクタンス（Ｌ）を測定した。結果を第
２表に示す。なおインダクタンスは、直流重畳磁場が0A
TのときのインダクタンスをL₀として、相対値（L/L₀）
により示す。

なお第２表の直流重畳磁場とL/L₀との関係を第４図の
グラフに示す。

さらに10KHz及び50KHzにおいて、動作磁束密度（△
Ｂ）が2000Gの場合の高周波用コイルの電力損失を測定
した。結果を第３表に示す。

比較例１〜４ 磁心材料として各々センダスト（比較例１）、モリブ
デンパーマロイ（比較例２）、フェライト（比較例
３）、鉄（比較例４）の粉末を用いて、実施例１と同様
にして高周波用コイルを得た。

比較例１〜３の高周波用コイルの見かけの飽和磁束密
度（Ｂ）及びインダクタンス（Ｌ）を実施例１と同様に
測定した。結果を第２表及び第４図に合わせて示す。ま
た比較例４の高周波用コイルの電力損失を実施例１と同
様に測定した。結果を第３表に合わせて示す。

第２表及び第３表から、本発明の高周波用コイルは、
特に100KHz以上の高周波域のおけるインダクタンスの低
下が極めて小さく、直流重畳特性が優れており、また電
力損失も小さいことがわかる。

〔発明の効果〕

本発明の高周波用コイルは、その磁心材料の少なくと
も60％が特定の組成のFe−Cr−Al−Si系合金の粉末から
なるため、飽和磁束密度及び電気抵抗率が高く、高周波
域における直流重畳特性が優れているとともに、電力損
失が小さい。

さらにFe−Cr−Al−Si系合金の粉末を、アスペクト比
が２以上で粒径が１〜500μｍのフレーク状とすること
により、上記特性を一層向上することができる。

このような本発明の高周波用コイルは、高周波域にお
いて使用するOA機器やFA機器等のスイッチング電源のチ
ョークコイル等として特に好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明の高周波用コイルの一例を示す
平面図であり、 第１図（ｂ）は、（ａ）に示す高周波用コイルの一部破
断側面図であり、 第２図は、本発明に用いるFe−Cr−Al−Si系合金の一例
の組成と飽和磁束密度（Bs）及び電気抵抗率（ρ）との
関係を示す三角グラフであり、 第３図は、本発明に用いるFe−Cr−Al−Si系合金の一例
の粒子構造を示す電子顕微鏡写真（100倍）であり、 第４図は直流重畳磁場とインダクタンス（L/L₀）との関
係を示すグラフである。 １……磁心 1a……圧粉磁心 1b……絶縁ケース ２……巻線

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁心材料の少なくとも60％が、１重量％以
   上のAlと、１重量％以上のSiと、15重量％以下のCrと、
   残部実質的にFeからなり、AlとSiの合計量が10重量％以
   下である組成を有するFe−Cr−Al−Si系合金の粉末から
   なることを特徴とする優れた直流重畳特性を有する高周
   波用コイル。
2. 【請求項２】請求項１に記載の高周波用コイルにおい
   て、前記Fe−Cr−Al−Si系合金の粉末が１〜500μｍの
   粒径及び２以上のアスペクト比を有するフレーク状であ
   ることを特徴とする高周波用コイル。