JP2005136078A

JP2005136078A - 高周波損失性を有する材料用の粉末

Info

Publication number: JP2005136078A
Application number: JP2003369128A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Saito; 章彦齋藤
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】高周波損失性の材料を製造するときに用いて有用な粉末を提供する。
【解決手段】マトリックスに配合して電磁波を吸収する材料を製造する際に用いる粉末であって、少なくとも表層部は電気伝導性を有し、Ｄ₅₀値は、材料への使用周波数域が０.１〜４GHzであるときに１０〜４０μｍ、使用周波数域が４〜１１GHzであるときに４〜１０μｍ、使用周波数域が１１〜１６GHzであるときに２〜４μｍ、使用周波数が１６GHz以上であるときに２μｍ以下であり、かつ、製造した材料は、それぞれの使用周波数域内にある周波数で複素比透磁率を測定したときの虚部を、材料における粉末の体積割合で除算した値が３〜２０を示す、高周波損失性を有する材料用の粉末。
【選択図】図２

Description

本発明は高周波損失性を有する材料を製造する際に用いる粉末に関し、更に詳しくは、GHz帯の高周波域にある電磁波に対する損失が大きいので、当該電磁波の吸収特性が優れている材料を製造する際に用いて好適な粉末に関する。

各種の軟磁性粉末を、例えばゴムや樹脂などのマトリックスに所定の体積割合で配合したのち、その配合物を例えばロール成形した材料は、電磁波吸収体として各種の電気・電子機器に組み込まれて使用されている。
そして、最近の動向として、各種の電子機器では使用周波数の高周波化が進んでおり、これら機器に組み込まれる電磁波吸収体に対しては、例えばGHz帯のような高周波域においても高い電磁波吸収能を発揮することが強く要求されるようになっている。

また、高周波域の電磁波吸収特性が優れた電子回路基板や、それを組み込んだ高周波用の低域通過型フィルタや帯域通過型フィルタに対する要求も強まっている。
このような高周波域で使用可能な電磁波吸収体としては、例えば平均粒径３μｍ以下の軟磁性粉末をポリプロピレンに２５〜４０体積％配合した電磁波吸収シートが提案されている（特許文献１を参照）。
特開２００３−６０３８３号公報

本発明は、上記した要求に応えて、GHz帯の高周波域にある電磁波に対する吸収特性が優れている材料を製造する際に用いて有効な粉末、とりわけ、製造された材料に、それにとっての使用周波数に対応して最適な吸収特性を発揮させることを可能にする作用効果を有する粉末の提供を目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明においては、マトリックスに配合して電磁波を吸収する材料を製造する際に用いる粉末であって、
少なくとも表層部は電気伝導性を有し、Ｄ₅₀値は、前記材料への使用周波数域が０.１〜４GHzであるときに１０〜４０μｍ、使用周波数域が４〜１１GHzであるときに４〜１０μｍ、使用周波数域が１１〜１６GHzであるときに２〜４μｍ、使用周波数域が１６GHz以上であるときに２μｍ以下であり、かつ、
製造した前記材料は、それぞれの前記使用周波数域内にある周波数で複素比透磁率を測定したときの虚部を、前記材料における前記粉末の体積割合で除算した値が３〜２０を示すことを特徴とする高周波損失性を有する材料用の粉末が提供される。

好ましくは、使用周波数をｆ（GHz）としたとき、Ｄ₅₀値（μｍ）とｆ値との間には、次式：
Ｄ₅₀＝−５.７０２３・ｌｎ（ｆ）＋１８.０２４
が成立している高周波損失性を有する材料用の粉末が提供される。

以上の説明で明らかなように、本発明の粉末を用いると、それぞれの使用周波数において、高周波損失が大きく高周波吸収能が優れている材料を製造することができる。

本発明者は、上記した目的を達成するための研究過程で、電磁波吸収材料の場合、ある周波数域内の入射電磁波の作用で、材料内に配合されている粉末の表面では渦電流損失が発生すること、そして、その損失は、使用した入射電磁波の周波数で測定した複素比透磁率の虚部（μ_r”）の関数であることに着目した。例えば損失がなければ、μ_r”＝０であり、その材料は使用周波数の電磁波を吸収しない。そして、損失が大きければ大きいほど、その材料は、使用周波数の電磁波に対する吸収特性が優れていることを意味する。

そして、同時に、本発明者は、この損失が材料内に分散している粉末の粒径や、粉末の材料内における体積割合などによって影響を受けるという経験的事実にも着目した。
なお、ここでいう体積割合とは、製造した材料の体積を１とした場合、ここに占める粉末の体積のことである。今、これをＶで表せば、Ｖは１より小さい数となり、マトリックスの体積とこのＶ値との和が１であるという関係にある。

したがって、粒径をある値に設定した場合、材料の損失を規定する複素比透磁率の虚部（μ_r”）は粉末の体積割合で規定されることになる。
そこで、ある材料について、その虚部（μ_r”）を粉末の体積割合（Ｖ）で除算してμ_r”をＶで規格化すれば、その規格値は、粉末の体積割合とは無関係に、この材料における損失の大小を表現することになる。

この値（μ_r”／Ｖ）が大きければ、その材料は電磁波吸収能に優れ、この値が小さければ電磁波吸収能が低いことになる。
なお、上記した規格値（μ_r”／Ｖ）のことを、以後、材料において上記した損失が発現しやすいか否かという作用効果を示す指標であるという意味で損失効果ともいう。
そして、本発明者は、対象とする使用周波数が高周波域であるとの立場から、虚部（μ_r”）測定時の周波数を０.１GHz以上とし、そのときに目標とする損失効果を３〜２０と設定した。

一方、研究過程では、各種粒径の粉末を用いて材料を製造し、使用周波数と材料の損失効果との関係を調べたところ、粉末の材質の種類が異なっていても、粒径と使用周波数との間には、損失を極大にする最適な関係があるとの新たな知見を得た。
本発明の粉末は、これら着想と知見に基づいて開発されたものであり、その構成は上記したとおりである。

本発明の粉末の粒径は、製造された材料への使用周波数に対応して次のように選択される。
すなわち、使用周波数が０.１〜４GHz域内にある場合は、Ｄ₅₀値で１０〜４０μｍのもの、使用周波数が４〜１０GHz域内にある場合は、Ｄ₅₀値で４〜１０μｍのもの、使用周波数が１２〜１６GHz域内にある場合は、２〜４μｍのもの、そして使用周波数が１６GHz以上の場合は、２μｍ以下のものである。

ここで、Ｄ₅₀値とは、粉末の粒度累積曲線における相対累積頻度が５０％のときの粒子径（μｍ）のことである。
このような粉末は次のようにして製造することができる。
例えば、水アトマイズ法で、噴霧ノズルの口径、溶湯の吐出流速、水渦流ジェットの圧力などを適切に選定して粉体とし、ついでそれを分級して得ることができる。また、水アトマイズ法で得られた粉体を、更に、例えばアトライタで粉砕したのち分級して得ることもできる。

粉末は、少なくとも表層部が導電性を備えていることを必要とする。少なくとも表層部が導電性を備えていないと、周波数印加時に粉末表面では渦電流損失が発生せず、そのため電磁波を吸収できないからである。その導電性としては、電気抵抗率として、１００００μΩ・cm以下であれば充分である。
このような粉末の材料としては、従来から使用されている各種の軟磁性材料をあげることができるが、このような軟磁性材料に限定されることなく、少なくとも表層部が導電性を備えていればよく、例えばＡｌ粉末、Ｃｕ粉末、カーボン粉末のような非磁性材料の粉末であってもよい。

そして、この粉末は中実であってもよいが、バルーン状の中空であってもよい。また、芯体は例えばセラミックスや絶縁材料であるが、その表面を例えば導電性材料をめっきして表面に導電性を付与した粉末であってもよい。
本発明の粉末を用いて得られる材料は、上記した粉末の所定量をマトリックスに混練し、その混練物を例えばシート成形して製造することができる。

マトリックスとしては、例えばゴムや、塩素化ポリエチレン、エポキシ、ポリフェニレンスルフィド、ナイロンのような樹脂を用いることができる。
このとき、粉末の量とマトリックスの量を調整することにより、得られた成形シートのμ_r”／Ｖが３〜２０となるようにする。

水アトマイズ法でＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系粉末を製造し、それを分級してＤ₅₀値が１μｍ、４μｍ、６μｍ、１０μｍ、１１μｍ、１７μｍである６種類の粉末を用意した。
マトリックスとして塩素化ポリエチレンを用意し、これに上記した各粉末を体積割合（Ｖ）が０.３となるように混練した。
得られた混練物をシート成形して、いずれも厚みが１mmであるシートを製造した。

これらのシートにつき、同軸Ｓパラメータ法を適用し、周波数を変化させて複素比透磁率を測定して、それぞれの場合の虚部（μ_r”）を求めた。
ついで、各シートにつき、虚部（μ_r”）の測定値を粉末の体積割合（＝０.３）で除算して損失効果を求めた。
使用周波数と損失効果の関係を図１に示した。

図１から明らかなように、シートの損失効果は、周波数で異なり、またＤ₅₀値によっても異なっている。例えば、Ｄ₅₀値が１μｍの粉末を用いたシートの場合、周波数域が９〜１０GHzで損失効果は極大となっていて、周波数３〜６GHz域、周波数７〜１３GHz域、および周波数１６GHz以上で目標とする損失効果（３〜２０）を満たしている。すなわち、このシートは、使用周波数が上記したそれぞれの周波数域内にある周波数であれば、満足すべき電磁波吸収能を示しているということができる。

そこで、各周波数において損失効果（Ｖ＝０.３で固定）が最適になるときのＤ₅₀値（μｍ）の範囲を実測した。その結果を図２に示した。そして、Ｄ₅₀値と使用周波数（ｆ：GHz）との回帰式を求めた。その結果、回帰式は、
Ｄ₅₀＝−５.７０２３・ｌｎ（ｆ）＋１８.０２４
であった。

図２から明らかなように、使用周波数に対応して、各シートの損失効果を最適（最大）にするための粉末粒径が存在する。
すなわち、使用周波数が０.１〜４GHz域内にある場合には、粉末のＤ₅₀値は１０〜２０μｍにすべきこと、使用周波数が４〜１１GHz域内にある場合には、粉末のＤ₅₀値は４〜１０μｍにすべきこと、使用周波数が１１〜１６GHz域内にある場合には、粉末のＤ₅₀値を２〜４μｍにすべきこと、使用周波数が１６GHz以上である場合には、粉末のＤ₅₀値を２μｍ以下にすべきこと、である。

なお、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系粉末に代えてＡｌ粉末を用いて同様のシートを成形し、その使用周波数と損失効果との関係、およびＤ₅₀値の回帰式を求めたところ、実施例と同様の効果が得られた。

本発明の粉末は、それを用いて製造した材料の損失効果が３〜２０であるため、電磁波吸収体、電子回路基板、その基板を用いた高周波低域通過型フィルタや帯域通過型フィルタを製造するときに用いて有用である。

Ｄ₅₀値が異なる粉末を用いた材料の、使用周波数と損失効果の関係を示すグラフである。最適な損失効果における使用周波数とＤ₅₀値との回帰式を示すグラフである。

Claims

マトリックスに配合して電磁波を吸収する材料を製造する際に用いる粉末であって、
少なくとも表層部は電気伝導性を有し、Ｄ₅₀値は、前記材料への使用周波数域が０.１〜４GHzであるときに１０〜４０μｍ、使用周波数域が４〜１１GHzであるときに４〜１０μｍ、使用周波数域が１１〜１６GHzであるときに２〜４μｍ、使用周波数域が１６GHz以上であるときに２μｍ以下であり、かつ、
製造した前記材料は、それぞれの前記使用周波数域内にある周波数で複素比透磁率を測定したときの虚部を、前記材料における前記粉末の体積割合で除算した値が３〜２０を示すことを特徴とする、高周波損失性を有する材料用の粉末。
使用周波数をｆ（GHz）としたとき、Ｄ₅₀値（μｍ）とｆ値との間には、次式：
Ｄ₅₀＝−５.７０２３・ｌｎ（ｆ）＋１８.０２４
が成立している請求項１の、高周波損失性を有する材料用の粉末。