1

研究背景

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

理論と実験値の一致

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

2

ASUSTeKのホームページより

研究背景

直流重畳下で動作 ⇒ 数百程度に透磁率を制御

研究対象 → 電源回路で用いられるチョークコイル

CPU駆動用DC-DCコンバータ

Time C

urre

nt

Idc

iacVol

tage

高調波サージ

（小電力用透磁率制御軟磁性材料）

3

研究背景

磁気飽和 → r ≈ 1

H

B

Input hacHDC

DC-bias field

チョークコイル内の磁界

Hin = HDC + hac Bs

Hin

HDC

hac

* hac :ノイズ成分

*500100r

*J. K. Watson, Applications of Magnetism, New York: John Wiley & Sons, (1980) 241.

が適当

4

研究背景

透磁率制御コア材料に所望される特性

1. 高Bs (小型化)

2. 高キュリー温度 Tc (広い動作温度帯域)

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

6. 簡素な作製過程

7. 良好なループの線形性（回路設計に有利）

H

B Bs

T [ C ]

B s

TCTC

5

研究背景

圧粉磁心

ギャップ付きフェライト

次世代??

移行Amorphous powderSendust powder

Fe element (Mechanical alloying)

我々の提案してきたコア

磁気特性@室温

小型・大電流化

小型・大電流高周波化

Ex.ノートパソコン0～数十A

米粒コア

-2000 -1000 1000 2000

-0.4

-0.2

0.2

0.4

0H [ A / m ]

B [

T ]

Gapped ferrite core Gapless ferrite core

6

研究背景Fe-Cu-Nb-Si-B系アモルファス

金属薄帯の作製

応力下熱処理

ナノ結晶化 + 異方性付与

コアボビンにトロイダル成形

巻線を施しコアに

TEM像

長手方向

SEM像

Cu ロール

溶解金属

（一軸）

FINEMET (高)

@日立金属

@物材機構

@東北大，九工大@長崎大

7

試料

Composition : Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7

Amorphous ribbon ( Hitachi Metals Ltd. )

Dimension2 mm

20 µm

熱処理後の試料：1 ppm以下の小さな磁気ひずみ

sKu

Fe96-(x+y)Cu1Nb3SixBy

*G. Herzer, IEEE Trans. Magn., 30 (1994) 4800.

8

実験結果（理論と実験値の一致 1）

1-yen coin

Annealed-ribbon

Ceramics bobbin

3 mm

うず電流損失の計算値と実測値が一致

0.05 0.1 0.5 1 50.1

0.5

1

5

10

50

100

0

100

200

300

Frequncy in log scale ( MHz )

Mag

netic

loss

per

cyc

le (

J/m

3 )

Bm = 0.1 T

Gapped ferrite coreSendust powder coreAmorphous powder core

Rel

ativ

e pe

rmea

bilit

y r

D = 10 mm

D = 3 mm

Eddy current loss ( Calculation )

9

実験結果

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

理論と実験値の一致

10

実験結果（トロイダルコアの作製と限界コア径Dc）

0.1 0.5 10.1

0.51

510

Frequncy in log scale ( MHz )Mag

netic

loss

in p

er c

ycle

( J/

m3 )

Diameter of cores10 mm15 mm20 mm25 mm32 mm

Bm = 0.1 T

Eddy current loss( Calculation )

Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9

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

11

トロイダルコアの作製と限界コア径Dc

Compressive stress

Tensile stress

Center of ribbon

Induced anisotropy

Magnetoelasticanisotropy

//Annealed ribbon

D : Diameter of core

CeramicsD

曲げ応力が磁気ひずみを介して新たな異方性を誘起

s > 0

12

限界コア径Dc （理論と実験値の一致 2）

DYd

K SmSu 2

323

RTu

RTRTSRTc K

dYD

|

||| 2

3

付与した異方性のエネルギー < 磁気弾性エネルギー

u

Sc K

YdD

23

等号成立時のD⇒ 限界コア径

s, Y, Kuは温度により変化

|RTの添字で表記

Ku: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

0 1 2 3 4 50

1

2

3

4

5

D/Dc|RT

Mag

netic

loss

per

cyc

le

D < Dc|RTD > Dc|RT

f =0.1 MHz, Bm = 0.1 T

Dc|RT : Critical Diameter

Pcv

/f (

J/m

3 )

Eddy current loss(Calculation)

13

実験結果

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

理論と実験値の一致

14

D/DC|RT > 1のコアの高温特性

透磁率

磁気損失磁気特性の劣化なし250 Cまで一定

0 100 200 3000

5

10

200

300

400

500

600

Rel

ativ

e pe

rmea

bilit

y r

Mag

netic

loss

per

cyc

le

Temperature ( °C )

0.5 MHz1 MHzD/Dc|RT = 1.17

Pcv

/f (

J/m

3 )△

□

Bm = 0.1 T

15

D/DC|RT < 1のコアの高温特性

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磁気特性の劣化なし

0 100 200 300

5

10

15

20

100

200

300

Temperature ( °C )

Mag

netic

loss

per

cyc

le

Rel

ativ

e pe

rmea

bilit

y r

0.5 MHz1 MHzD/Dc|RT = 0.32

Pcv

/f (

J/m

3 ) △

□

Bm = 0.1 T

16

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

u

sr K

I2

2

高温下で Ku Is2が成立？

IsとKuは温度により変化 rは温度に依存しない

一般に 実験結果

高温下で Ku Is2が成立（Fig.6, 7） ⇒ rは温度に依らず一定

17

考察（損失）

高温下でDcが変化？

D > Dc|RTのコア

温度に依らずほぼ一定

D < Dc|RTのコア

温度増加に伴い減少

D > Dc|RTのコアの

損失値に近づく傾向

RTu

RTRTSRTc K

dYD

|

||| 2

3

・ D/Dc|RT = 0.32のコア

・ D/Dc|RT = 1.17のコア

0 1 2 3 4 50

1

2

3

4

5

D/Dc|RTM

agne

tic lo

ss p

er c

ycle

D < Dc|RTD > Dc|RT

f =0.1 MHz, Bm = 0.1 T

Dc|RT : Critical Diameter

Pcv

/f (

J/m

3 )

Eddy current loss(Calculation)

18

温度によるDcの変化

異方性エネルギー，磁気ひずみ，ヤング率*（鉄鋼）の温度特性

[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.

RTu

RTRTSRTc K

dYD

|

||| 2

3

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

0 50 100 1500.4

0.6

0.8

1

0.4

0.6

0.8

1

Temperature ( °C )

Room temp.

Ku

s[2]

Ku/

Ku|

RT

Ys[1]

Ys/Y

s|R

T

s/

s|R

T,

19

Dcの変化と磁気損失の関係（理論と実験値の一致 3）

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

0 100 200 300

5

10

15

20

0

0.5

1

1.5

2

Temperature ( °C )

D /D

c

0.5 MHz1 MHz

D/Dc|RT = 0.32P

cv /f

( J/

m3 )

△

□

Bm = 0.1 T

D/Dc = 1

20

まとめ

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

理論と実験値の一致に関して

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