JP2005311078A

JP2005311078A - 複合磁気部品の製造方法および複合磁気部品

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Publication number: JP2005311078A
Application number: JP2004126014A
Authority: JP
Inventors: Shinji Uchida; 真治内田; Takayuki Hirose; 隆之広瀬; Sanehiro Okuda; 修弘奥田; Masaharu Edo; 雅晴江戸
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】金属磁性粒子とフェライト被膜の空隙を少なくし、化学的結合性を向上させて、磁路の形成を容易にすることにより、より高い透磁率の複合磁性材料および電気部品を提供する。
【解決手段】金属磁性粒子とフェライトを含む複合磁気部品の製造方法であって、（１）金属磁性粒子にフェライトを被覆し、フェライト被覆金属磁性粒子を作製する工程と、（２）フェライト被覆金属磁性粒子を圧縮成形し、複合磁気部品を作製する工程と、（３）複合磁気部品を、最高到達温度が５００℃以上、５００℃以上を保持する時間が５分以内で熱処理する工程とを含むことを特徴とする複合磁気部品を製造する方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フェライトにより金属磁性粒子を被覆した複合磁性材料およびそれを圧縮成形した後、熱処理により作製した複合磁気部品に関する。より詳細には、本発明は、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高効率かつ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等の小型情報機器、薄型ＣＲＴ、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。

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ており、スイッチング電源を小型・薄型化するためには、これらの磁気部品の体積を縮小することが必要不可欠となっていた。

従来、このような磁気部品の磁芯は、センダストやパーマロイ等の金属磁性材料や、フェライト等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。スイッチング電源では、回路を高周波駆動することにより、高効率化および小型化する傾向にあるが、上記の渦電流損失の影響から金属磁性材料をスイッチング電源用の磁気部品の磁芯として使用することは困難である。

一方、フェライトに代表される酸化物磁性材料は、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、トランスやリアクトルを小型化した場合、コイルに流す電流は同じでも磁芯にかかる磁場は強くなってしまう。一般に、フェライトの飽和磁束密度は金属磁性材料に比べて小さく、スイッチング電源の磁気部品の磁芯として使用した場合、上記の理由によりその小型化には限界がある。

つまり、いずれの材料を用いても、スイッチング電源の磁気部品に対して要求される高周波行動と小型化の双方を満足させることは困難となっていた。

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（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で被覆してなる高密度焼結磁性体が提案されている（特許文献２参照）。

さらに、特許文献３では、表面に超音波励起フェライトめっきによって形成されたフェライト層の被覆を有する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、前記フェライト層を介して前記強磁性体粒子間に磁路を形成するものであることを特徴とする複合磁性材料が提案されている。

特開昭５３−９１３９７号公報特開昭５６−３８０４２号公報国際公開第０３／０１５１０９パンフレット特開平１１−１７０２号公報特開平０４−２２６００３号公報

前記フェライト被覆金属磁性粒子を圧縮成形した磁気部品において、高い透磁率を実現させるためには、金属磁性粒子間の磁路形成を妨げないようにしなければならない。そのためには、金属磁性粒子とフェライト被膜の界面に空隙がなく、かつ化学的に結合している必要がある。金属磁性粒子をフェライト被覆する方法としては、前述の特許文献３に記載の超音波励起フェライトめっき法があるが、この方法では、金属粒子表面のＯＨ基を核としてＦｅ等のイオンが吸着することによって反応が進むので、金属磁性粒子とフェライト被膜の化学的な結合性が十分とはいえない。また、フェライトの成長形態が完全な膜状ではなくて、微粒子が付着したような状態であるため、界面における空隙も少なくない。よって、フェライト被覆した粒子を圧縮成形しただけの複合磁気部品では、従来材料に比べて飛躍的に高い透磁率を得るには不十分であった。

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、金属磁性粒子とフェライト被膜の境界に、原子の相互拡散による界面層を形成して空隙を少なくし、化学的結合性を向上させて、磁路の形成を容易にすることにより、より高い透磁率の複合磁性材料および電気部品を提供することにある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、複合磁気部品の圧縮成形後、本発明の条件で熱処理することにより、透磁率が高まることを見出し、本発明に至った。

したがって、本発明は、（１）金属磁性粒子をフェライトで被覆する工程と、（２）得られたフェライト被覆金属磁性粒子を圧縮成形する工程と、（３）得られた複合磁気部品を、最高到達温度が５００℃以上であり、５００℃以上を保持する時間が５分以内で熱処理する工程とを含むことを特徴とする金属磁性粒子とフェライトからなる複合磁気部品の製造方法を提供する。

好ましくは、熱処理が、急速熱処理により行われ、昇温速度が１２０℃／分以上、降温速度が１２０℃／分以上であることを特徴とする。

本発明によれば、金属磁性粒子とフェライト被膜の組成を適当に選択し、本発明の条件で熱処理をすることにより、金属磁性粒子とフェライト被膜の化学的結合性が向上し、空隙も少なくなる。このため、従来材料に比べて飛躍的に高い透磁率を有する複合磁性材料および複合磁気部品の実現が可能となる。

本発明は、複合磁気部品の製造方法に関する。該方法は、（１）金属磁性粒子をフェライトで被覆する工程と、（２）得られたフェライト被覆金属磁性粒子を圧縮成形する工程と、（３）得られた複合磁気部品を、最高到達温度が５００℃以上であり、５００℃以上を保持する時間が５分以内で熱処理する工程とを含むことを特徴とする金属磁性粒子とフェライトからなる複合磁気部品を製造する方法である。以下、各工程について詳述する。

第１の工程は、（１）金属磁性粒子をフェライトで被覆する工程である。金属磁性材料としては、飽和磁化や磁気異方性などの磁気特性のほか、フェライトの被覆性、圧縮成形性などを考慮して選択することができる。例えば純鉄、鉄系合金、鉄−ケイ素合金、鉄−ニッケル合金、センダスト合金、コバルトおよびコバルト系合金、ニッケルおよびニッケル合金、各種アモルファス合金などの各種の軟磁性材料、あるいはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ、Ｓｍ−Ｃｏなどの磁気異方性の磁性材料など各種の金属磁性材料を用いることができる。これらの材料を、ガス還元法、固体還元法、熱分解法、電解法、機械的粉砕法、噴霧法（アトマイズ法）などの各種製法によって粒子状にして用いることができる。金属磁性粒子の形状は、球状、粒状、楕円体状、円板状、フレーク状、針状、鋭角状、樹枝状、繊維状、板状、立方体状その他各種形状が可能であり、これらを単独または複数種組み合わせて用いることができる。圧縮成形によって形状の変形を生じてもよい。金属磁性粒子の粒子サイズは、粒子内部での渦電流の発生が少なく、加圧成形時にフェライト被覆層の損傷が少なく、かつ高い電気抵抗率を保った成形体が容易に得られるような範囲とする。粒子内部での渦電流の発生が少なく、加圧成形時のフェライト被覆層の損傷を低減し、かつ高い電気抵抗率の成形体を得るには、平均粒子径が小さい方が有利である一方で、平均粒子径があまり小さくなると、磁気特性の確保および必要な比透磁率の獲得が困難になる。したがって、金属磁性粒子の粒子サイズは、１００ｎｍ〜３００μｍが好ましく、１μｍ〜３０μｍの範囲がさらに好ましい。

フェライトは、３価の鉄を含む複酸化物のことをいい、粒子間の電気抵抗を高めるには高い電気抵抗率を有するものが好ましい。そのようなフェライトの代表例としては、１０^４〜１０^５Ω・ｍの高い電気抵抗値を有するＮｉＺｎフェライト、Ｃｏフェライト、Ｍｇフェライトなどがあげられる。また、金属磁性粒子表面を被覆するには、高い飽和磁化を有することが好ましい。高い電気抵抗率と高い飽和磁化とを合わせ持つフェライトとしては、ＮｉＺｎフェライト、Ｃｏフェライト、ＣｏＺｎフェライトおよびこれらのフェライトを主成分とする複合フェライトが好ましい。

被覆は、従来の被覆方法で行うことができる。被覆方法としては、例えば、特許文献１に記載の湿式フェライト製造法、特許文献３に記載の超音波フェライトめっき法、特許文献４に記載の被覆方法および特許文献５に記載のメカノフュージョンなどがあげられる。

上記の方法を簡単に説明する。湿式フェライト製造法は、フェライト成分となる金属の硫酸塩溶液に金属磁性材料粒子を分散し、その溶液に水酸化ナトリウムをｐＨが１２〜１３になるまで添加してフェライト粒子を析出させ、この金属磁性材料と析出したフェライト粒子とを洗浄し、乾燥後に高温で焼結することによりフェライト被覆金属磁性粒子を製造する方法である。超音波フェライトめっき法は、金属または金属間化合物の強磁性体微粒子をフェライトめっき反応液中に分散し、金属または金属間化合物の強磁性体微粒子の表面をフェライトめっきによりフェライト層で被覆するフェライト被覆工程と、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を圧縮成形する圧縮成形工程とを備えたことを特徴とする複合磁性材料の製造方法である。特許文献４に記載の被覆方法は、鉄基金属磁性粉末を含むアルカリ水溶液に、鉄の金属塩と、鉄以外の２価の金属塩１種以上とを所定の配合比率として溶解した水溶液を、非酸化性雰囲気中で添加した後、所定の温度に加熱しつつ、アルカリ水溶液を添加してｐＨ７以上とし、その後、酸素を含む気体を吹き込み、前記鉄基金属磁性粉末の表面にフェライト酸化物の被膜を形成することを特徴とする鉄基金属−フェライト酸化物複合粉末の製造方法である。メカノフュージョンは、複数の異なる素材粒子間に、所定の機械的エネルギー、特に機械的歪力を加えてメカノケミカル的な反応を起こさせる技術により被覆する方法である。

上記方法により形成されるフェライト被覆の厚さは、圧縮成形後の成形体においてフェライト被覆層が保たれることにより粒子間の電気抵抗を高めることができる厚さであれば特に制限されない。その厚さは２０ｎｍ以上であることが好ましく、５０ｎｍ以上であることがさらに好ましい。しかしながら、フェライトの比率が大きくなると飽和磁化の大きい金属磁性材料を用いて複合化して飽和磁化の大きい複合磁性材料を得るという効果が小さくなってしまう。このため、複合磁性材料の体積比としては、フェライトの比率が５０％以下であることが好ましく、２０％以下であることがさらに好ましい。他方で高い電気抵抗率を得るには１％以上であることが好ましい。

第２の工程は、（２）得られたフェライト被覆金属磁性粒子を圧縮成形する工程である。圧縮成形方法は、金型を用いて、例えば上下方向から加圧圧縮する単軸圧縮成形、圧縮圧延成形、微粒子をゴム型などにつめて全方向から加圧圧縮する静圧圧縮成形、これらを温間で行う温間単軸圧縮成形、温間静圧圧縮成形（ＷＩＰ）、熱間で行う熱間単軸圧縮成形および熱間静圧圧縮成形（ＨＩＰ）などを用いることができる。これらの圧縮成形は、１回または複数回行ってもよく、その際異なる圧縮成形方法を用いてもよい。圧縮温度は、大気雰囲気中でもよいが、成形性が向上する温度であって、フェライト被覆層が保たれる温度であれば特に制限させるものではない。成形が容易であり、かつフェライト層が保たれる温度は、２００℃以上５００℃未満、好ましくは３００〜４００℃である。加熱手段としては、抵抗加熱、輻射加熱、熱媒による伝導加熱、誘導加熱、高周波誘導加熱、放電プラズマ加熱などの当該技術において知られている任意の加熱手段を用いることができる。圧縮圧力は、良好な成形体が得られ、フェライト被覆層が保たれる圧力であれば特に制限されない。例えば２００〜２０００ＭＰａ、好ましくは４００〜１０００ＭＰａである。

圧縮成形の温度と圧力の関係は、成形時の温度が高いほど、金属磁性粒子の可塑性が増し、より低い圧力で成形できる関係にある。したがって、温度および圧力はこの関係にしたがって、適宜変更するとよい。成形の際には、ステアリン酸塩、ワックスなどの潤滑剤、および成形のために、ポリビニルアルコール、セルロースなどの補助剤を用いることができる。しかし、これらは、加温時に成形体から揮発するなどして複合磁性材料に残留しないものであることが望ましい。潤滑剤の場合は、ダイの内面など金型と粒子とが接触する部分に用いることが特に有効である。

必要な場合には、５００℃未満で歪取りのためのアニール処理を行う。

第３の工程は、（３）得られた複合磁気部品を、最高到達温度が５００℃以上であり、５００℃以上を保持する時間が５分以内で熱処理する工程である。フェライト被覆金属磁性粒子は、熱処理していない状態ではフェライトの成長形態が完全な膜状ではなく、フェライト微粒子が金属磁性粒子表面に付着したような状態であるため、フェライト被覆部分における空隙が存在する傾向がある。また、金属磁性粒子とフェライト被膜との境界面に空隙が存在する。その結果、製造される複合磁気製品の透磁率が低下することとなる。しかし、本発明のように、最高到達温度が５００℃以上で熱処理を行うと、被覆したフェライト粒子間の結合（結晶成長）が生じる。それにより、フェライト被覆部分における空隙および金属磁性粒子とフェライト被膜の境界面の空隙が減少することとなる。そのため、金属磁性粒子間の磁気的結合が強くなり、透磁率が向上する。最高到達温度は、５００〜１０００℃の範囲、好ましくは６００〜８００℃、さらに好ましくは６５０〜７５０℃である。一方、最高到達温度が５００℃以上の熱処理を長時間行うと、フェライトと金属磁性粒子間で原子の相互拡散が発生することとなる。フェライトとしてＮｉＺｎを用いた磁気部品を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）とエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）によって分析した場合、被覆したフェライトの酸素と亜鉛が金属粒子に拡散しているのが観察された。そのため、長時間処理すると、原子の相互拡散によりフェライトが半導体化することで全体の抵抗率が低減し、渦電流損失が発生し、周波数特性が低下する。すなわち、長時間の加熱（すなわち５００℃以上の保持時間が５分を越える時間）は周波数特性の悪化をもたらす。したがって、透磁率を向上するにはごく短時間の加熱が好ましい。適当な加熱時間は、５分以内、好ましくは１秒〜３分、さらに好ましくは３０秒〜１分であるが、最高到達温度との関係によって変動する。これは、フェライト粒子間の結合が、ごく短時間で終了するのに対して、フェライトと金属磁性粒子間の原子の相互拡散が比較的ゆっくりとした反応であり、時間と共に拡散量が多くなっていくためである。５００℃以上にさらされる時間を短時間にするには、温度変化を急激に行う必要がある。昇温速度および降温速度が共に、１２０℃／分以上、具体的には１２０℃／分〜１２００℃／分の範囲、好ましくは１５０℃／分〜６００℃／分、さらに好ましくは３００℃／分〜６００℃／分の急速熱処理（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ；ＲＴＡ）が好ましい。ここでいう加熱時間、昇温速度および降温速度などの温度条件は、成形体を対象とするものであり、熱処理時の雰囲気温度を規定するものではない。熱容量のために、成形体の温度は雰囲気温度とは大きく異なるため、温度コントロールは成形体で行う。また成形体の温度は、大きさおよび形状などにより大きく異なる。そのため、例えば、成形体と同様の材質、形状のダミー成形体を作製し、そのダミー成形体に直接温度コントロールを行う熱電対を挿入し、本物の成形体の近くに設置するなどして温度コントロールを行うことが好ましい。加熱装置は、短時間で５００℃以上の加熱が可能な装置であれば特に制限されない。例えば、ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｃａｌｉｎｇ（ＲＴＡ）炉を用いることができる。

以上の製造方法を用いることにより、１ｋＨｚ時の比透磁率が１００以上であり、かつ透磁率が１ｋＨｚ時の透磁率の、８０％に低下する時の周波数であるカットオフ周波数が１０ＭＨｚ以上である金属磁性粒子とフェライトからなる複合磁気部品が得られる。

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。

フェライト被覆金属粒子粉末の作製は、上述した特許文献３に記載の超音波励起フェライトめっき法により、次のように行った。

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Ｎｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ粒子（Ｎｉが７８重量％、Ｍｏが５重量％、残りがＦｅからなる粒子）（平均粒子径８μｍ）を２０ｇ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／ｌＨＣｌ：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Ｎｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ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：５００ｍｌ＋ＦｅＣｌ_２・４Ｈ_２Ｏ：３．９８ｇ＋ＮｉＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ：１．１９ｇ＋ＺｎＣｌ_２：０．６８ｇ）および酸化液（Ｈ_２Ｏ：５００ｍｌ＋ＮａＮＯ_２：１．００ｇ）をそれぞれ３ｍｌ／分、２ｍｌ／分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１０．０に保った。このめっき処理を６０分間行った。めっき処理後、粒子を分級・乾燥させた。

上記のフェライト被覆Ｎｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ粒子を超硬合金製の金型に充填し、１０トン重／ｃｍ^２（９８０ＭＰａ）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形した。

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’＋ｉμ”を１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数領域で測定した。その実部μ’および虚部μ”の周波数依存性を示したものがそれぞれ図１の符号１と符号２である（なお、図１において、複素透磁率の実部μ’および虚部μ”は、真空透磁率との比で示した）。

透磁率測定後のリングコアを大気中で、ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｃａｌｉｎｇ（ＲＴＡ）炉により、昇温速度３００℃／分、最高到達温度６００℃、最高到達温度保持時間１秒、降温速度３００℃／分（５００℃以上の時間４１秒）で、熱処理を行った。熱処理後の複素透磁率を上記と同様の条件で測定した。その実部μ’および虚部μ”の周波数依存性を示したものがそれぞれ図１の符号３と符号４である。

符号１のように、熱処理前は６０程度であった比透磁率（すなわち複素透磁率の実部μ’）が、熱処理をすることによって符号３のように１ＭＨｚまでフラットな周波数依存性を維持したまま、１２５に向上した。

実施例１と同様の方法で、フェライトめっきを施した複合磁性粒子により、リングコア形状に圧縮成形したものを準備し、ＲＴＡ炉により、熱処理条件を変更してサンプル１〜１７を作製し、比較実験を行った。

１ｋＨｚ時の比透磁率と、カットオフ周波数（透磁率が１ｋＨｚ時の透磁率の、８０％に低下する時の周波数）の結果を表１に示す。

この結果から、フェライト被覆金属磁性粒子を圧縮成形後に熱処理する場合、比透磁率を１００以上と大幅に向上させるためには、最高到達温度が５００℃以上で熱処理することが必要であることがわかる。また、５００℃以上の温度での熱処理時間が５分以内であることで、カットオフ周波数１０ＭＨｚ以上を達成することができることがわかる。さらに、急速熱処理速度を１２０℃／分以上にすることにより、比透磁率１００以上で、カットオフ周波数１０ＭＨｚ以上と、飛躍的に高い透磁率を有するメガヘルツ対応の高周波磁気部品が得られることがわかる。

これにより、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。

熱処理前および熱処理後におけるフェライト被覆Ｎｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ粒子の複素透磁率の実部μ’および虚部μ”を周波数に対してプロットしたグラフを示す図である。

符号の説明

１周波数に対する熱処理前におけるフェライト被覆Ｎｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ粒子の複素透磁率の実部μ’
２周波数に対する熱処理前におけるフェライト被覆Ｎｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ粒子の複素透磁率の虚部μ”
３周波数に対する熱処理後におけるフェライト被覆Ｎｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ粒子の複素透磁率の実部μ’
４周波数に対する熱処理後におけるフェライト被覆Ｎｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ粒子の複素透磁率の虚部μ”

Claims

（１）金属磁性粒子をフェライトで被覆する工程と、
（２）得られたフェライト被覆金属磁性粒子を圧縮成形する工程と、
（３）得られた複合磁気部品を、最高到達温度が５００℃以上であり、５００℃以上を保持する時間が５分以内で熱処理する工程と
を含むことを特徴とする金属磁性粒子とフェライトからなる複合磁気部品の製造方法。
熱処理が、急速熱処理により行われ、昇温速度が１２０℃／分以上、降温速度が１２０℃／分以上であることを特徴とする請求項１に記載の複合磁気部品の製造方法。
１ｋＨｚ時の比透磁率が１００以上であり、かつ透磁率が１ｋＨｚ時の透磁率の、８０％に低下する時の周波数であるカットオフ周波数が１０ＭＨｚ以上であることを特徴とする金属磁性粒子とフェライトからなる複合磁気部品。