JP5439888B2 - 複合磁性材料およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は電子機器のインダクタ、チョークコイル、トランスその他に用いられる複合磁性材料およびその製造方法に関するものである。

近年の電気・電子機器の小型化に伴い、磁性体についても小型かつ高効率のものが要求されている。従来の磁性体としては、例えば高周波回路で用いられるチョークコイルではフェライト粉末を用いたフェライト磁芯および金属磁性粉末の成形体である圧粉磁芯がある。

このうち、フェライト磁芯は飽和磁束密度が小さく、直流重畳特性に劣るという欠点を有している。このため、従来のフェライト磁芯においては、直流重畳特性を確保すべく磁路に対して垂直な方向に数１００μｍのギャップを設け、直流重畳時のインダクタンスＬ値の低下を防止している。しかし、このような広いギャップはうなり音の発生源となるほか、ギャップから発生する漏洩磁束が特に高周波帯域において巻線に銅損失の著しい増加をもたらす。

これに対して、金属磁性粉末を成形して作製される圧粉磁芯は、フェライト磁芯に比べて著しく大きい飽和磁束密度を有しており小型化には有利といえる。また、フェライト磁芯と異なりギャップ無しで使用できるため、うなり音や漏洩磁束による銅損失が小さいという特徴を持っている。

しかしながら、圧粉磁芯は透磁率およびコア損失についてはフェライト磁芯より優れているとはいえない。特にチョークコイルやインダクターに使用する圧粉磁芯では、コア損失が大きい分コアの温度上昇が大きくなり、小型化が図りにくい。また、圧粉磁芯はその磁気特性を向上するために成形密度を上げる必要があり、その製造時に通常５ｔｏｎ／ｃｍ²以上の成形圧力を、製品によっては１０ｔｏｎ／ｃｍ²以上の成形圧力を必要とする。

ここに、圧粉磁芯のコア損失は、通常、ヒステリシス損失と渦電流損失とからなる。金属材料においては、その固有抵抗値が低いため、磁界の変化に対して、その変化を抑制するように渦電流が流れることから、渦電流損失が問題となる。渦電流損失は周波数の二乗および渦電流が流れるサイズの二乗に比例して増大する。従って、金属磁性粉末の表面を絶縁材で被覆することにより渦電流が流れるサイズを金属磁性粉末粒子間にわたるコア全体から、金属磁性粉末粒子内のみに抑えることが可能となり、渦電流損失を低減させることができる。

一方、ヒステリシス損失について、圧粉磁芯は高い圧力で成形されるため、磁性体に多数の加工歪が導入され、透磁率が低下し、ヒステリシス損失が増大する。これを回避するため、成形後、必要に応じて歪みを解放するための熱処理が施される。一般的に金属材料において回復は融点の１／２以上の温度で起こる現象であり、Ｆｅリッチ組成の合金において歪みを十分開放するためには少なくとも６００℃以上好ましくは７００℃以上で熱処理する必要がある。

すなわち、圧粉磁芯においては、金属磁性粉末間の絶縁性を確保したままの状態で、高温熱処理を実現することが重要となる。

しかしながら、従来圧粉磁芯の絶縁結着剤として使用されるエポキシ樹脂、フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂等のほとんどの有機系樹脂は歪みを開放するために高温熱処理を施すとその耐熱性が低く熱分解されるために使用が不可能である。

前記課題に対する解決策としては、例えば、特許文献１のように、ポリシロキサン樹脂を用いる方法が提案されている。
特開平６−２９１１４号公報

しかしながら、前記従来の技術では、耐熱温度は５００〜６００℃程度でありそれ以上の温度での熱処理は困難であるという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決するもので、高温熱処理を可能とし優れた磁気特性を実現する複合磁性材料およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、磁心用の金属磁性粉末と結合材とを加圧成形した複合磁性材料であり、前記結合材が少なくとも官能基としてシリル基を有するアクリル樹脂を含むものである。

本発明の複合磁性材料は、結合材に少なくとも官能基としてシリル基を有するアクリル樹脂を用いることにより、耐熱性を高め、高温熱処理を可能とし、磁気特性に優れた複合磁性材料を実現できる。

（実施の形態１)
以下、本発明の実施の形態１における複合磁性材料について説明する。

本実施の形態に用いられる金属磁性粉末は、少なくとも飽和磁化の高いＦｅを含むものであり、好ましくはＦｅ、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系から選ばれる少なくとも一種である。

本実施の形態に用いられるＦｅ−Ｓｉ系粉末は、Ｓｉの含有量が１ｗｔ％以上８ｗｔ％以下であり残部がＦｅ及び不可避な不純物からなるものである。本発明におけるＳｉの役割は磁気特性を向上させるものであり、磁気異方性、磁歪定数を小さくし、また電気抵抗を高め渦電流損失を低減させる効果がある。Ｓｉ添加量としては１ｗｔ％以上８ｗｔ％以下が好ましい。１ｗｔ％より少ないと磁気特性の改善効果に乏しく、８ｗｔ％より多いと飽和磁化の低下が大きく直流重畳特性が低下する。

本実施の形態に用いられるＦｅ−Ｎｉ系粉末は、Ｎｉの含有量が４０ｗｔ％以上９０ｗｔ％以下であり残部がＦｅ及び不可避な不純物からなるものである。本発明におけるＮｉの役割は磁気特性を向上させるものであり、添加量としては４０ｗｔ％以上９０ｗｔ％以下が好ましい。４０ｗｔ％より少ないと磁気特性の改善効果に乏しく、９０ｗｔ％より多いと飽和磁化の低下が大きく直流重畳特性が低下する。さらに、透磁率改善のため１〜６ｗｔ％のＭｏを添加することも可能である。

本実施の形態に用いられるＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系粉末は、Ｓｉの含有量が８ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下、Ａｌの含有量が４ｗｔ％以上６ｗｔ％以下であり残部がＦｅ及び不可避な不純物からなるものである。本発明におけるＳｉ、Ａｌの役割は磁気特性を向上させるものであり、上記組成範囲とすることが好ましい。Ｓｉ、Ａｌの添加量が上記組成範囲より少ないと磁気特性の改善効果に乏しく、上記組成範囲より多いと飽和磁化の低下が大きく直流重畳特性が低下する。

本実施の形態に用いられる金属磁性粉末の平均粒径としては、１μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。平均粒径が１μｍより小さいと成形密度が低くなり、透磁率が低下するため好ましくない。平均粒径が１００μｍより大きくなると高周波での渦電流損失が大きくなり好ましくない。さらに好ましくは５０μｍ以下とすることが良い。

本実施の形態に用いられる金属磁性粉末の作成方法は特に限定されるものでなく、各種アトマイズ法や各種粉砕粉を用いることが可能である。

本実施の形態に用いられる金属磁性粉末の形状は特に限定されるものではなく、略球状、扁平形状等使用目的に応じて選定すればよい。

本実施の形態に用いられる結合材は、主鎖がアクリル系重合体であり、官能基として（化１）に示すシリル基を有するアクリル樹脂を少なくとも含むものである。なお、式中Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は有機体である。

前記アクリル樹脂は、官能基としてシリル基を有しており絶縁性の酸化物を形成するＳｉを含んでいる。これらＳｉは、後記する脱脂工程や熱処理工程において前記アクリル樹脂の熱分解時に、前記アクリル樹脂骨格中又は前記脱脂工程又は熱処理工程雰囲気中の酸素と結合し絶縁性酸化物となり、金属磁性粉末間に介在するため、耐熱性が向上し、高温熱処理が可能となる。

なお、前記効果は、Ｓｉ酸化物である酸化珪素粉末とアクリル樹脂の複合添加により得られるものではない。酸化珪素を添加した場合、酸化珪素粉末は硬く、又破壊強度が高く且つ変形しづらいため、加圧成形時において高密度化しにくく、成形密度が低くなり透磁率が低下する。

本実施の形態においては、結合材は有機体であり、加圧成形することにより高密度化を実現でき、且つ加圧成形後の脱脂工程、熱処理工程等において有機体に含まれるＳｉを絶縁性酸化物と変化させることにより耐熱性が向上し、高温熱処理が可能となる。

また、前記アクリル樹脂は主鎖がアクリル系重合体であり熱分解性が良好であることから、２００〜４００℃程度の低温にて脱脂可能であり、又残留炭素量を著しく低減できる。

炭素は還元性が強く高温雰囲気下においては金属磁性粉末表面を活性化させるため、金属磁性粉末同士の焼結を促進させ、渦電流損失の増大を招く。又、高温雰囲気下においては金属磁性粉末への拡散が生じ磁気特性の低下の原因となる。

前記アクリル樹脂は前記したように残留炭素量を著しく低減できるため、７００℃以上の高温雰囲気下においても金属磁性粉末同士の焼結を抑制し高温熱処理を可能とするとともに、金属磁性粉末への炭素の拡散を抑制し、優れた磁気特性を実現し得る。

本実施の形態に用いられるアクリル樹脂に含まれるシリル基は、少なくとも一つのアルコキシ基を有することが好ましい。すなわち、（化１）中Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の少なくとも一つがアルコキシ基であることが好ましい。無機物質表面には通常ヒドロキシ基が存在しており、アルコキシ基は金属磁性粉末表面に存在するヒドロキシ基との縮合反応により金属磁性粉末表面に化学的に結合する。このため、金属磁性粉末に対するアクリル樹脂の分散性が向上するとともに、シリル基による金属磁性粉末表面の被覆性、均一性が向上し、より高密度化が図れ且つ絶縁性もより向上する。

さらに好ましくは、前記アルコキシ基の炭素数が１〜４の範囲である。炭素数を１〜４とすることにより、前記金属磁性粉末表面との反応性を高めることができ、より金属磁性粉末に対するアクリル樹脂の分散性が向上するとともに、シリル基による金属磁性粉末表面の被覆性、均一性がより向上し、さらに高密度化が図れ且つ絶縁性がさらに向上する。

本実施の形態に用いられるアクリル樹脂の主鎖であるアクリル系重合体は、特に限定されるものではなく、アクリル酸、メタクリル酸やアクリル酸エステル系、メタクリル酸エステル系等の各種モノマーの重合体を用いることができる。

本実施の形態に用いられる結合材は、前記アクリル樹脂に加え、分散性や成形体強度向上目的に、例えば、シラン系、チタン系、クロム系、アルミニウム系等各種カップリング剤や、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂（シリル基無し）、ブチラール樹脂、フェノール樹脂等を助剤として添加することも可能である。

本実施の形態に用いられる結合剤の添加量は、金属磁性粉末１００重量部に対し０．２〜５．０重量部の範囲が好ましい。０．２重量部より少ないと、耐熱性が低下するため好ましくなく、５．０重量部より多いと成形体密度が低下し磁気特性が低下するため好ましくない。

本実施の形態における結合材の混合分散方法は特に限定されるものでなく、例えば、回転ボールミル、遊星型ボールミル等各種ボールミル、Ｖブレンダー、プラネタリーミキサー等を用いることが可能である。

本実施の形態における加圧成形方法は特に限定されるものではなく、通常の加圧成形法が用いられる。成形圧力としては５ｔｏｎ／ｃｍ²以上２０ｔｏｎ／ｃｍ²以下の範囲が好ましい。５ｔｏｎ／ｃｍ²より低いと金属磁性粉末の充填率が低く高い磁気特性が得られない。２０ｔｏｎ／ｃｍ²より高いと加圧成形時の金型強度を確保するため金型が大型化し、また、成形圧力を確保するためプレス機が大型化する。さらに、金型、プレス機の大型化により生産性が低くなり、コストアップにつながる。

本実施の形態における加圧成形後の熱処理は、加圧成形時に金属磁性粉に導入される加工歪みによる磁気特性の低下を防ぐものであり、加工歪みの開放が目的である。熱処理温度としてはより高温とするほうが良いが、あまり温度を上げると粉末粒子間絶縁が不充分となり渦電流損失が増大するため好ましくない。好ましくは７００〜１０００℃の範囲である。７００℃より低いと加工歪の開放が十分とは言えず磁気特性が低く、１０００℃より高いと金属磁性粉末間の絶縁性を十分確保することが難しく渦電流損失が増大するため好ましくない。

熱処理雰囲気としては、金属磁性粉末の酸化による磁気特性低下を抑制するため非酸化性雰囲気が好ましく、例えば、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス等不活性雰囲気である。前記不活性ガス純度としては４Ｎ〜５Ｎのものが使用可能である。前記純度のガスにおいては数ｐｐｍ程度の酸素が含まれるが、金属磁性粉末において著しい酸化は生じず、磁気特性の劣化には至らない。なお、５Ｎより高純度のガスにおいても使用可能であることは言うまでもない。

また、本発明の実施の形態においては、熱処理工程の前工程として脱脂工程として酸化雰囲気中熱処理を行うことも可能である。脱脂工程の温度範囲としては２００〜４００℃が好ましい。２００℃より低いと前記アクリル樹脂の熱分解が十分でなく、４００℃より高いと金属磁性粉末の酸化による磁気特性の低下を招くため好ましくない。より好ましくは２００〜３５０℃の範囲である。

以下、本発明の複合磁性材料の実施例について説明する。

（実施例１）
平均粒径が２４μｍで、組成が重量％で９．１Ｓｉ、５．６Ａｌ、ｂａｌ．Ｆｅの金属磁性粉末を準備した。準備した金属磁性粉末に対し、結合材として（表１）記載のアクリル樹脂を１．５重量部添加した後、トルエンを少量加え混合分散を行いコンパウンドを作成した。得られたコンパウンドを１５ｔｏｎ／ｃｍ²にて加圧成形を行い、純度５Ｎのアルゴンガス雰囲気にて８２０℃で１ｈ熱処理を行った。なお、作成した試料形状は外形１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ２ｍｍ程度のトロイダルコアである。

得られたサンプルについて直流重畳特性及びコア損失について評価を行った。直流重畳特性については、印加磁場５５Ｏｅ、周波数１２０ｋＨｚにおける透磁率をＬＣＲメータにて測定し評価した。コア損失は交流Ｂ−Ｈカーブ測定機を用いて測定周波数１２０ｋＨｚ、測定磁束密度０．１Ｔで測定を行った。得られた結果を（表１）に示す。

（表１）より、本実施の形態の複合磁性材料は優れた直流重畳特性、低いコア損失を示すことがわかる。

また、試料Ｎｏ．１〜４と試料Ｎｏ．５〜１０を比較すると、官能基が少なくとも一つアルコキシ基を有することにより、より高密度化且つ高絶縁性が確保され、より優れた直流重畳特性及び低いコア損失を示すことがわかる。

さらに、試料Ｎｏ．５、６、１０と試料Ｎｏ．８を比較すると、アルコキシ基の炭素数が１〜４の範囲にて、さらに高密度化且つ高絶縁性が確保され、さらに優れた直流重畳特性及び低いコア損失を示すことがわかる。

（実施例２）
平均粒径が１５μｍで組成が重量％で４９．１Ｎｉ、ｂａｌ．Ｆｅの金属磁性粉末を準備した。準備した金属磁性粉末に対し結合材として、官能基としてトリエトキシシリル基を有するアクリル樹脂を（表２）記載の量添加した後、トルエンを少量加え混合分散を行いコンパウンドを作成した。得られたコンパウンドを９ｔｏｎ／ｃｍ²にて加圧成形を行い、純度４Ｎの窒素ガス雰囲気にて７８０℃で０．５ｈ熱処理を行った。なお、作成した試料形状は外形１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ２ｍｍ程度のトロイダルコアである。

得られたサンプルについて直流重畳特性及びコア損失について評価を行った。直流重畳特性については、印加磁場５０Ｏｅ、周波数１２０ｋＨｚにおける透磁率をＬＣＲメータにて測定し評価した。コア損失は交流Ｂ−Ｈカーブ測定機を用いて測定周波数１１０ｋＨｚ、測定磁束密度０．１Ｔで測定を行った。得られた結果を（表２）に示す。

（表２）より、結合材の添加量が０．２〜５．０重量部の範囲にて、優れた直流重畳特性、低いコア損失を示すことがわかる。

（実施例３）
平均粒径が２０μｍで組成が重量％で５．１Ｓｉ、ｂａｌ．Ｆｅの金属磁性粉末を準備した。準備した金属磁性粉末に対し結合材として、官能基としてトリメトキシシリル基を有するアクリル樹脂を２．５重量部添加した後、キシレンを少量加え混合分散を行いコンパウンドを作成した。得られたコンパウンドを１２ｔｏｎ／ｃｍ²にて加圧成形を行い成形体とした。得られた成形体を３００℃で４ｈ大気中熱処理により脱脂を行い、その後純度６Ｎのヘリウムガス雰囲気にて（表３）記載の温度で１ｈ熱処理を行った。なお、作成した試料形状は外形１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ２ｍｍ程度のトロイダルコアである。

得られたサンプルについて直流重畳特性、コア損失について評価を行った。直流重畳特性については、印加磁場５２Ｏｅ、周波数１２０ｋＨｚにおける透磁率をＬＣＲメータにて測定し評価した。コア損失は交流Ｂ−Ｈカーブ測定機を用いて測定周波数１１０ｋＨｚ、測定磁束密度０．１Ｔで測定を行った。得られた結果を（表３）に示す。

（表３）より、熱処理温度が７００〜１０００℃の範囲にて優れた直流重畳特性、低いコア損失を示すことがわかる。

本発明にかかる複合磁性材料およびその製造方法は、優れた直流重畳特性、低いコア損失を有し、特にトランスコア、チョークコイル、あるいは磁気ヘッド等に用いられる磁性材料として有用である。

Claims (6)

1. 磁心用の金属磁性粉末と結合材とを加圧成形した後に、熱処理を施した複合磁性材料であり、前記結合材が少なくとも官能基としてシリル基を有するアクリル樹脂を含むことを特徴とする複合磁性材料。
2. 前記金属磁性粉末はＦｅ、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系より選ばれる少なくとも一種である請求項１に記載の複合磁性材料。
3. 前記官能基が少なくとも一つのアルコキシ基を有するシリル基であることを特徴とする請求項１記載の複合磁性材料。
4. 前記アルコキシ基の炭素数が１〜４であることを特徴とする請求項３記載の複合磁性材料。
5. 前記結合材の添加量が金属磁性粉末１００重量部に対し０．２重量部以上５．０重量部以下の範囲であることを特徴とする請求項１記載の複合磁性材料。
6. 磁心用の金属磁性粉末と結合材とを加圧成形した後に、熱処理を施した複合磁性材料であり、前記結合材が少なくとも官能基としてシリル基を有するアクリル樹脂を含む複合磁性材料の製造方法において、
   前記熱処理は非酸化性雰囲気中で、且つ７００℃以上１０００℃以下としたことを特徴とする複合磁性材料の製造方法。