JP2005167097A - 磁気部品の製造方法及びその磁気部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡便な方法で粒子間の隙間に磁路を形成しやすくし、容易に透磁率の向上を可能とした磁気部品の製造方法及びその磁気部品を提供すること。
【解決手段】 複数のフェライト被覆金属磁性粒子１の隙間は、非フェライト被覆金属磁性粒子３により、フェライト被覆金属磁性粒子１のフェライト皮膜２を介して相互に接触するようにして埋められており、各フェライト被覆金属磁性粒子１間の磁路形成が、非フェライト被覆金属磁性粒子３として高透磁率材料である金属磁性粒子を介して行われるため、磁気部品全体としての透磁率を大きく向上させることができる。各フェライト被覆金属磁性粒子１同士は、フェライト皮膜２を介して接触しているので電気的な絶縁性は保たれており、渦電流損失が抑えられるために高周波領域で使用することが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フェライトにより被覆された金属磁性粒子と、フェライトにより被覆されていない金属磁性粒子との混合粉末を圧縮成型して作製した磁気部品の製造方法及びその磁気部品に関し、より詳細には、スイッチング電源などに搭載されるトランスやリアクトルなどの磁気部品の製造方法及びその磁気部品に関する。

近年、各種電子機器は小型・軽量化されてきており、なおかつ低消費電力化が求められている。これに伴い電子機器に搭載される電源として小型のスイッチング電源に対する要求が高まっている。特にノート型パソコンや携帯電話などの小型携帯機器、薄型ＣＲＴ、テレビのフラットパネルディスプレイに用いられるスイッチング電源では、小型・薄型化が強く求められている。

しかしながら、このような従来のスイッチング電源では、その主要な構成部品であるトランスやリアクトルなどの磁気部品が大きな体積を占め、小型・薄型化することに限界があった。これら磁気部品の体積を縮小しない限り、スイッチング電源を小型・薄型化することは困難となっていた。

従来、このようなスイッチング電源に使用されているトランスやリアクトルなどの磁気部品には、センダストやパーマロイなどの金属磁性材料や、フェライトなどの酸化物磁性材料が使用されていた。金属磁性材料は、一般に高い飽和磁束密度と透磁率を有するが、電気抵抗率が低いため、特に高周波数領域では渦電流損失が大きくなってしまう。近年、電源回路を高周波駆動して必要なインダクタンス値を下げることにより磁気部品を小型化する傾向にあるが、渦電流損失の影響から金属磁性材料を高周波で使用することはできない。

一方、酸化物磁性材料は、金属磁性材料に比べ電気抵抗率が高いため、高周波数領域でも発生する渦電流損失が小さい。しかしながら、飽和磁束密度が小さいため、その体積を小さくすることができなかった。つまり、いずれの場合でも、磁性コアの体積が、インダクタンス値を決定付ける一番大きな要因となっていて、磁性材料自体の磁気特性を向上させない限り、小型・薄型化が困難となっていた。

このように、従来の磁気部品では、小型化に限界があり、電子機器の小型・薄型化の要求に充分に応えられるものではなかった。

最近、金属磁性材料および酸化物磁性材料の両者の長所を有する磁性材料として、飽和磁束密度および透磁率が高い金属磁性材料の表面に、電気抵抗率の高い酸化物磁性材料の皮膜を形成した磁性材料が提案されている。

例えば、金属磁性材料の粉末の表面に高透磁率金属酸化物の皮膜を形成した高透磁率材料が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、１〜１０μｍの粒子からなる金属磁性材料の表面をＭ−Ｆｅ_ｘＯ_４（但しＭ＝Ｎｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、ｘ≦２）で表されるスピネル組成の金属酸化物磁性材料で被覆してなる高密度焼結磁性体も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、特願２００２−９２１０号では、表面がフェライト層で被覆された金属または金属間化合物の強磁性体微粒子粉末が圧縮成形され、フェライト層を介して、強誘電体粒子粉末の粒子間に磁路を形成するような複合磁性材料が提案されている。また、表面をフェライト層により被覆された金属または金属間化合物の強磁性体微粒子粉末に、フェライト超微粒子粉末が混合されて圧縮成型され、複合体を形成するような複合磁性材料が提案されている。さらに、表面がフェライト層で被覆された金属または金属間化合物強磁性体微粒子が粒度分布をもって配合されており、大きい粒子が充填されて生じた粒子の隙間を小さい粒子が順次埋めていくことにより、粒子の充填率を高めた構造が模式的に示されている。

特開昭５３−９１３９７号公報 特開昭５６−３８４０２号公報 D.R Hudson, J.Appl.Phys. 20, 154(1949)

フェライトにより被覆された金属磁性粒子を圧縮成型して作製した複合磁性材料の透磁率は、粒子の充填率によって大きく左右される。これは、粒子間に隙間が存在すると粒子間の磁路が切断されてしまい、粒子の表面に磁極が現れて粒子内に反磁場が生じるためである。したがって、複合磁性材料の透磁率を高めるためには、充填率をできるだけ１００％に近づけることが重要である。しかしながら、粒径の均一な粉末のみを圧縮成型した場合、最密充填したとしても、約２６％の隙間ができてしまうという問題がある。

そこで、粒子の充填率を向上させる方法として、例えば、上述した特願２００２−９２１０号では、表面がフェライト層で被覆された金属または金属間化合物強磁性体粒子の隙間に、フェライト超微粒子あるいは粒径のより小さいフェライト被覆された金属または金属間化合物粒子を埋めていくことにより充填率を上げることが提案されている。

しかしながら、フェライトの透磁率は金属磁性材料に比べて小さく、金属または金属間化合物粒子間を電気的に絶縁するのが主たる効果であり、粒子間の隙間を埋めて磁路を形成する点においては、より透磁率の高い材料を使用することが望まれている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡便な方法で粒子間の隙間に磁路を形成しやすくし、容易に透磁率の向上を可能とした磁気部品の製造方法及びその磁気部品を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、酸化物磁性材料であるフェライトにより金属磁性材料の粒子を被覆したフェライト被覆金属磁性粒子と、フェライトにより金属磁性材料の粒子が被覆されていない非フェライト被覆金属磁性粒子との混合粉末を圧縮成型して作製された磁気部品であって、前記フェライト被覆金属磁性粒子と前記非フェライト被覆金属磁性粒子の粒径比率及び混合比率を調節することにより、渦電流損失を抑えつつ透磁率が決められていることを特徴とする。

このような構成により、フェライト被覆金属磁性粒子の隙間が、非フェライト被覆金属磁性粒子で埋められており、フェライト被覆金属磁性粒子間の磁路形成が、高透磁率材料である金属磁性粒子を介して行われるために、磁気部品全体としての透磁率を大きく向上させることができる。なおかつ、粒子同士はフェライト皮膜を介して接触しているので電気的な絶縁性は保たれており、渦電流損失が抑えられるために高周波領域で使用することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成において、前記フェライト被覆金属磁性粒子に対する前記非フェライト被覆金属磁性粒子の粒径比率ｒ及び相対個数ｎが、以下の式（３）及び式（４）を満たすように調整されていることを特徴とする。

このような構成により、最密充填したフェライト被覆金属磁性粒子によって囲まれた隙間に、非フェライト被覆金属磁性粒子をちょうど埋め込むことができるので、最密充填構造を崩すことなく充填率を高めることができ、磁気部品の透磁率は大きく向上する。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の製造方法によって製造されることを特徴とする磁気部品である。

以上に説明したように、本発明によれば、フェライト被覆金属磁性粒子と非フェライト被覆金属磁性粒子との粒径比率及び混合比率を調節することにより、渦電流損失を抑えつつ透磁率が決められるので、フェライト被覆金属磁性粒子のみを圧縮成型して作製された場合に比べて高透磁率を有した、１ＭＨｚ以上の高周波帯域で使用可能な磁気部品を容易に作製することができる。

また、ノート型パソコン・小型携帯機器・薄型ディスプレイなどのスイッチング電源に向けた、高機能でかつ小型・薄型の磁気部品を作ることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係る磁気部品の一実施形態を説明するための構成図で、酸化物磁性材料であるフェライトにより被覆された金属磁性粒子の隙間に、フェライトにより被覆されていない金属磁性粒子が充填されている状態を模式的に示した図である。図中符号１は、酸化物磁性材料であるフェライトにより被覆された金属磁性粒子（フェライト被覆金属磁性粒子）、２はフェライト皮膜、３はフェライトにより被覆されていない金属磁性粒子（非フェライト被覆金属磁性粒子）を示している。

本発明の磁気部品は、フェライト被覆金属磁性粒子１と、非フェライト被覆金属磁性粒子３との混合粉末を圧縮成型して作製されており、フェライト被覆金属磁性粒子１と非フェライト被覆金属磁性粒子３の粒径比率及び混合比率を調節することにより渦電流損失を抑えつつ透磁率が決められている。

このように、複数のフェライト被覆金属磁性粒子１の隙間は、非フェライト被覆金属磁性粒子３により、フェライト被覆金属磁性粒子１のフェライト皮膜２を介して相互に接触するようにして埋められており、各フェライト被覆金属磁性粒子１間の磁路形成が、非フェライト被覆金属磁性粒子３、つまり、高透磁率材料である金属磁性粒子を介して行われるため、磁気部品全体としての透磁率を大きく向上させることができる。また、各フェライト被覆金属磁性粒子１同士は、フェライト皮膜２を介して接触しているので電気的な絶縁性は保たれており、渦電流損失が抑えられるために高周波領域で使用することが可能となる。

また、フェライト被覆金属磁性粒子１に対する非フェライト被覆金属磁性粒子３の粒径比率ｒ及び相対個数ｎが、以下の式（５）及び式（６）を満たすように調整されている。

最密充填している粒子（一次粒子という）の隙間に、粒子の小さい粒子（二次粒子という）を埋め込むことによって充填率を高めることができる。隙間に入る二次粒子の個数ｎは、一次粒子と二次粒子の粒径比率ｒによって決まる。ｎ＝１の時のｒを計算すると０．４１となり、以降、ｎ＝２，３，・・・とした時のｒを計算した結果を、図２のデータ点Ａに示す（非特許文献１参照）。これらのｎとｒの関係を１つの式で完全に表すことはできないが、近似的には、図２の曲線Ｂに示したように、上述した式（５）で表すことができる。

図３は、本発明に係る磁気部品の一実施形態を説明するための構成図で、最密充填しているフェライト被覆金属磁性粒子によって囲まれた隙間に、非フェライト被覆金属磁性粒子が充填されている状態を模式的に示した図である。図中符号４は、フェライト被覆金属磁性粒子１に対する粒径比率が０．１５である非フェライト被覆金属磁性粒子を示している。なお、図１と同じ機能を有する構成要素については同一の符号を付してある。

このように、図３には、上述した式（５）及び式（６）において、例えば、ｒ＝０．１５、ｎ＝２１とした場合における金属磁性粒子の充填の状態を模式的に示してあり、最密充填した複数のフェライト被覆金属磁性粒子１によって囲まれた隙間Ｃに、非フェライト被覆金属磁性粒子４をちょうど埋め込むことができるので、最密充填構造を崩すことなく充填率を高めることができ、磁気部品の透磁率は大きく向上させることができる。

以下、具体的な実施例について説明する。

フェライト被覆金属粒子粉末の作製は、上述した特願２００２−９２１０号に記載の超音波励起フェライトめっき法を用いて以下のように行った。

まず、金属磁性材料の粒子としては、水アトマイズ法により作製したＮｉ４７Ｆｅ粒子（平均粒子径８μｍ）を１０ｇ用いた。フェライトめっきの前処理として、これらの粒子をＨ_２Ｏ ３００ｍｌ＋４７％Ｈ_２ＳＯ_４ １２５０μｌ＋２ｍｏｌ／ｌ ＨＣｌ １２５０μｌの溶液中（液温７０℃）に入れて、５分間超音波を印加した。

その後、純水を入れたガラス製の反応容器中にＮｉ４７Ｆｅ粒子を移し替え、１９．５ｋＨｚの超音波を印加した。この反応容器に反応液（Ｈ_２Ｏ １０００ｍｌ＋ＦｅＣｌ_２・４Ｈ_２Ｏ １０ｇ＋ＮｉＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ ２．３９ｇ＋ＺｎＣｌ_２ ０．２７ｇ）および酸化液（Ｈ_２Ｏ １０００ｍｌ＋ＮａＮＯ_２ ２ｇ）をそれぞれ３ｍｌ／ｍｉｎ、２ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給しながら、適宜アンモニア水を滴下することによりｐＨを８．０に保った。このめっき処理を１時間行った。めっき処理後、粒子を分級・乾燥させた。以上の処理により、金属磁性粒子の表面に約２００ｎｍのＮｉ−Ｚｎ系フェライト皮膜が形成された。

このようにして得られたフェライト被覆Ｎｉ４７Ｆｅ粒子を０．８ｇ秤量し、また、フェライト被覆されていない平均粒径４μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子を０．１ｇ秤量して、両者を純水中に投入して超音波を印加した。この操作により、両者の粒子は均一に混合した。上述した重量比率で混合すると、前者の粒子に対する後者の粒子の相対個数は１となる。

このようにして得られたフェライト被覆Ｎｉ４７Ｆｅ粒子と、フェライト被覆されていないＮｉ４７Ｆｅ粒子との混合粉末を超硬合金製の金型に充填し、１０ｔｏｎ／ｃｍ^２の一軸プレスにより内径３ｍｍφ、外形８ｍｍφ、高さ約３ｍｍのリングコア形状に成型した。

このリングコアに１次および２次巻線をそれぞれ５ターン巻回し、Ｂ−Ｈアナライザにて複素透磁率μ＝μ′＋１μ″を１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数領域で測定した。図４に示したデータＥは、複素透磁率の実部μ′の周波数依存性を示したものである。つまり、フェライト被覆された平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子に対して、フェライト被覆されていない平均粒径４μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子が相対個数１で混合された粉末のμ′を示している。

また、データＦは、複素透磁率の虚部μ″の周波数依存性を示したものである。つまり、フェライト被覆された平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子に対して、フェライト被覆されていない平均粒径４μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子が相対個数１で混合された粉末のμ″を示している。

（比較例１）
比較用のデータとして、平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子を実施例１で説明したのと同様の条件でフェライトめっきし、それを単独で圧縮成型（プレス圧力は１０ｔｏｎ／ｃｍ^２）したものの複素透磁率を測定した。その実部μ′および虚部μ″の周波数依存性をそれぞれ図４のデータＧとＨに示す。つまり、データＧは、フェライト被覆された平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子のμ′を示している。また、データＨは、フェライト被覆された平均粒径８μｍのＮｉ４７粒子のμ″を示している。

（比較例２）
また、比較用のデータとして、前記平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子を、フェライトめっきせずに、単独で圧縮成型（プレス圧力は１０ｔｏｎ／ｃｍ^２）したものの複素透磁率を測定した。その実部μ′および虚部μ″の周波数依存性をそれぞれ図４のデータＩとＪに示す。つまり、データＩは、フェライト被覆されていない平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子のμ′を示している。また、データＪは、フェライト被覆されていない平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子のμ″を示している。

実施例１の混合粉末のμ′は、比較例１の粉末のμ′よりも、約１０％向上している。一方、実施例１の混合粉末のμ″は、２〜３ＭＨｚまでほぼゼロであるのに対して、比較例２の粉末は、５００ｋＨｚでμ″がピークを示し、それに伴いμ′が減少している。このことから、実施例１の混合粉末では、粒子同士が電気的に絶縁されて渦電流損失が抑えられていることが分かる。

これらの結果から明らかなように、混合粉末を圧縮成型した磁気部品により、渦電流損失が抑えられ、なおかつ高い透磁率を得ることが可能となった。

平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子を、実施例１で説明したのと同様の条件でフェライトめっきした後、０．９０ｇを秤量した。また、フェライト被覆されていない平均粒径１．２μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子を０．０６４ｇ秤量した。これらの粒子を純水中に投入し、超音波を印加して均一に混合した。これにより、フェライト被覆されたＮｉ４７Ｆｅ粒子に対する、フェライト被覆されていないＮｉ４７Ｆｅ粒子の粒径比率が０．１５で、相対個数が２１である混合粉末が作製された。この粒径比率と相対個数は、上述した式（５）及び式（６）の関係を満たしている。

上述した混合粉末を１０ｔｏｎ／ｃｍ^２のプレス圧力で圧縮成型し、複素透磁率を測定した。その実部μ′の周波数依存性を図５のデータＫに示す。つまり、このデータＫは、フェライト被覆された平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子に対して、フェライト被覆されていない平均粒径１．２μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子が相対個数２１で混合された粉末のμ′を示している。

（比較例３）
比較用のデータとして、実施例２で説明したフェライト被覆されたＮｉ４７Ｆｅ粒子とフェライト被覆されていないＮｉ４７Ｆｅ粒子を、それぞれ０．９０ｇと０．１２ｇ秤量して混合した。これにより、フェライト被覆されたＮｉ４７Ｆｅ粒子に対する、フェライト被覆されていないＮｉ４７Ｆｅ粒子の粒径比率が０．１５で、相対個数が４０である混合粉末が作製された。この粒径比率と相対個数は、上述した式（６）は満たしているが、式（５）の関係を満たしていない。

上述した混合粉末を１０ｔｏｎ／ｃｍ^２のプレス圧力で圧縮成型し、複素透磁率を測定した。その実部μ′の周波数依存性を図５のデータＬに示す。つまり、このデータＬは、フェライト被覆された平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子に対して、フェライト被覆されていない平均粒径１．２μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子が相対個数４０で混合された粉末のμ′を示している。

（比較例４）
また、比較用のデータとして、フェライト被覆された平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子とフェライト被覆されていない平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子を、それぞれ１．０ｇと０．０７１ｇ秤量して混合した。これにより、フェライト被覆されたＮｉ４７Ｆｅ粒子に対する、フェライト被覆されていないＮｉ４７Ｆｅ粒子の粒径比率が１．０で、相対個数が０．７１である混合粉末が作製された。この粒径比率と相対個数は、上述した式（５）は満たしているが、式（６）の関係を満たしていない。

上述した混合粉末を１０ｔｏｎ／ｃｍ^２のプレス圧力で圧縮成型し、複素透磁率を測定した。その実部μ′の周波数依存性を図５のデータＭに示す。つまり、このデータＭは、フェライト被覆された平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子に対して、フェライト被覆されていない平均粒径８μｍのＮｉ４７Ｆｅ粒子が相対個数０．０７で混合された粉末のμ′を示している。

上述した式（５）及び式（６）を満たしている実施例２で説明した混合粉末のμ′は、満たしていない比較例３あるいは比較例４の粉末のμ′よりも、１０％から２０％大きくなっている。これは、実施例２で説明した混合粉末では、最密充填したフェライト被覆Ｎｉ４７Ｆｅ粒子の隙間に、フェライト被覆されていないＮｉ４７Ｆｅ粒子がちょうど良く埋め込まれているのに対して、比較例３の混合粉末では、フェライト被覆されていないＮｉ４７Ｆｅ粒子の粒径が大きすぎ、また、比較例４の混合粉末では、フェライト被覆されていないＮｉ４７Ｆｅ粒子の相対個数が多すぎるために、フェライト被覆Ｎｉ４７Ｆｅ粒子の最密構造が崩されて、充填率が下がってしまうためである。

これらの結果から明らかなように、上述した式（５）及び式（６）を満たす混合粉末を圧縮成型した磁気部品により透磁率を向上させることが可能となった。

なお、上述した実施例１及び実施例２では、金属磁性粒子としてＮｉ４７Ｆｅ粒子を用いているが、他の材料を用いても同様の効果が得られることは明らかである。例えば、種々の組成のＮｉ−Ｆｅ系合金やＣｏ−Ｆｅ系合金、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、センダスト合金、各種アモルファス合金などを用いることが可能である。

また、本発明における実施例においては、ノート型パソコンや携帯電話などの小型携帯機器、薄型ＣＲＴ、テレビのフラットパネルディスプレイに用いられるスイッチング電源の磁気部品について説明したが、本発明の磁気部品の機能と同様の機能が要求されているその他の電子機器などに対しても適用可能であることは明らかである。

本発明に係る磁気部品の一実施形態を説明するための構成図で、フェライト被覆された金属磁性粒子の隙間に、フェライト被覆されていない金属磁性粒子が充填されている状態を模式的に示した図である。 最密充填した一次粒子の隙間に、粒径比率ｒの二次粒子を埋め込んだ時に、入り得る個数ｎをグラフに示した図である。 本発明に係る磁気部品の一実施形態を説明するための構成図で、最密充填しているフェライト被覆金属磁性粒子によって囲まれた隙間に、フェライト被覆されていない金属磁性粒子が充填されている状態を模式的に示した図である。 本発明の実施例１、比較例１及び比較例２に記載した複素透磁率の実部μ′及び虚部μ″の周波数依存性をグラフに示した図である。 本発明の実施例２、比較例３及び比較例４に記載した複素透磁率の実部μ′の周波数依存性をグラフに示した図である。

符号の説明

１ フェライト被覆金属磁性粒子
２ フェライト皮膜
３ 非フェライト被覆金属磁性粒子
４ フェライト被覆金属磁性粒子に対する粒径比率が０．１５である非フェライト被覆金属磁性粒子

Claims (3)

1. 酸化物磁性材料であるフェライトにより金属磁性材料の粒子を被覆したフェライト被覆金属磁性粒子と、フェライトにより金属磁性材料の粒子が被覆されていない非フェライト被覆金属磁性粒子との混合粉末を圧縮成型して作製された磁気部品の製造方法であって、前記フェライト被覆金属磁性粒子と前記非フェライト被覆金属磁性粒子の粒径比率及び混合比率を調節することにより、渦電流損失を抑えつつ透磁率を決めることを特徴とする磁気部品の製造方法。
2. 前記フェライト被覆金属磁性粒子に対する前記非フェライト被覆金属磁性粒子の粒径比率ｒ及び相対個数ｎが、以下の式（１）及び式（２）を満たすように調整されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気部品の製造方法。
   

   
3. 請求項１又は２に記載の製造方法によって製造されることを特徴とする磁気部品。
   

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