JP2006128215A - 複合磁性粒子および複合磁性部品 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高周波領域における高透磁率と低渦電流損失とを両立可能な複合磁性材料の提供。
【解決手段】 金属磁性粒子の表面が金属材料被膜により被覆されており、該金属材料被膜がさらに酸化物磁性材料被膜により被覆されている複合磁性粒子において、（ａ）前記金属磁性粒子中のＦｅ比率が２５重量％以上であり、（ｂ）前記金属材料がＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金であり、および（ｃ）前記金属材料被膜の膜厚が１０〜１００ｎｍであることを特徴とする複合磁性粒子。
【選択図】 図１
【解決手段】 金属磁性粒子の表面が金属材料被膜により被覆されており、該金属材料被膜がさらに酸化物磁性材料被膜により被覆されている複合磁性粒子において、（ａ）前記金属磁性粒子中のＦｅ比率が２５重量％以上であり、（ｂ）前記金属材料がＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金であり、および（ｃ）前記金属材料被膜の膜厚が１０〜１００ｎｍであることを特徴とする複合磁性粒子。
【選択図】 図１
Description
本発明は、複合磁性粒子およびこれを用いた複合磁性部品に関する。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といった磁気部品に用いられ、高周波領域における高透磁率と低渦電流損失とを両立可能な複合磁性材料に関する。
近年、各種電子機器が小型・軽量化され、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。そして、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いることから、スイッチング電源を小型・薄型化するためには、これら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には、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ため、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に使用することは困難である。他方、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て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、トランスやリアクトルをスイッチング電源等のパワー用途に使用する場合、コイルに直流電流を重畳された状態で交流電流を印加することが多く、また一般にフェライトの飽和磁束密度が金属磁性材料に比べて小さいため、直流磁場がかかると磁気的に飽和して、透磁率が著しく低下してしまう。このように、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駆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。
そこで最近、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被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−ＦｅｘＯ４（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材料が提案されている（特許文献２参照）。さらに、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界を形成するものであることを特徴とする複合磁性材料も提案されている（特許文献３参照）
酸化物磁性材料（フェライト等）被膜で被覆された金属磁性粒子は、圧縮成形後に熱処理することによって高透磁率が得られる。これは酸化物磁性材料被膜と金属磁性粒子間での元素拡散により磁気的に結合された界面層が形成されるためである。しかし、金属磁性粒子中のＦｅの比率が高いと、圧縮成形後に熱処理を行った場合に得られる透磁率に負の影響を与えることがわかってきた。これは、界面層中にＦｅＯ等の非磁性鉄酸化物が生じてしまうことが大きな要因と思われる。
そこで、本発明は熱処理における酸化物磁性材料被膜と金属磁性粒子間での元素拡散により磁気的に結合された界面層の形成で、界面層中にＦｅＯ等の非磁性鉄酸化物が生じるのを防ぐことにより、高周波領域における高透磁率と低渦電流損失とを両立可能とする複合磁性粒子ないし複合磁性部品を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の第一の実施態様である複合磁性粒子は、金属磁性粒子の表面が金属材料被膜により被覆されており、該金属材料被膜がさらに酸化物磁性材料被膜により被覆されている複合磁性粒子において、（ａ）前記金属磁性粒子中のＦｅ比率が２５重量％以上であり、（ｂ）前記金属材料がＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金であり、および（ｃ）前記金属材料被膜の膜厚が１０〜１００ｎｍであることを特徴とする。
また、本発明の第二の実施態様である複合磁性部品は、上記複合磁性粒子の粉末を成形後、熱処理したことを特徴とする。
本発明の複合磁性粒子は、金属磁性粒子の表面がＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金被膜により被覆されているので、熱処理時に該金属磁性粒子とフェライト等の酸化物磁性材料との元素拡散により磁気的に結合された界面層の形成を妨げることなく、界面層中にＦｅＯ等の非磁性鉄酸化物が生じるのを防ぐことができ、高周波領域における高透磁率と低渦電流損失とを両立可能とすることができる。
１ 本発明の第一の実施態様では、金属磁性粒子の表面が金属材料被膜により被覆されており、該金属材料被膜がさらに酸化物磁性材料被膜により被覆されている複合磁性粒子において、（ａ）前記金属磁性粒子中のＦｅ比率が２５重量％以上であり、（ｂ）前記金属材料がＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金であり、および（ｃ）前記金属材料被膜の膜厚が１０〜１００ｎｍであることを特徴とする複合磁性粒子を提供する。
本発明の複合磁性粒子の断面概略図を図１に示す。
（１）本発明の金属磁性粒子１１とは、軟磁気特性を有する金属からなる粒子であって、該金属磁性粒子中のＦｅ比率が２５重量％以上である（要件（ａ））ものをいう。
（１）本発明の金属磁性粒子１１とは、軟磁気特性を有する金属からなる粒子であって、該金属磁性粒子中のＦｅ比率が２５重量％以上である（要件（ａ））ものをいう。
ここで、Ｆｅ比率とは該金属磁性粒子中のＦｅ含有率（重量％）のことをいい、該金属磁性粒子中のＦｅ比率を２５重量％以上、好ましくは３０重量％以上とすることにより、充分に大きい飽和磁束密度を有することができる。
また、該金属磁性粒子は、圧粉体における高い透磁率を得るとの観点から、Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ合金などのＦｅ系アモルファス金属、Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金などのＣｏ系アモルファス金属等から選ばれる１種または複数種からなることが好ましく、特にＮｉ−Ｆｅ合金が好ましい。もちろん、本発明の目的を損なわない範囲で他の任意の成分が含まれていてもよい。
また、該金属磁性粒子の平均粒子径（５０％粒子径：レーザー回折・散乱式粒度分布測定器で測定）は、取り扱いの容易性および成形時の良好な充填密度を得るとの観点から、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上であり、渦電流による高周波数時における損失の発生を抑える観点から、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは２５μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以下である。
該金属磁性粒子は、金属磁性体の粉砕法、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法等の当業者に知られている任意の方法により製造できるが、粒子形状の安定性と量産性の観点から、高圧水を用いて溶融金属の粉砕と急冷凝固を瞬時に行い金属粉を作製する方法である水アトマイズ法によるのが好ましい。
（２）本発明の金属材料とは、前記金属磁性粒子の表面を被覆する材料であって、該金属材料がＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金からなるものであり（要件（ｂ））、本発明では、該金属材料により前記金属磁性材料を被覆して形成された金属材料被膜１２の膜厚を１０〜１００ｎｍとする（要件（ｃ））。
前記金属磁性粒子の表面をＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金からなる金属材料被膜で被覆することによって、後記される複合磁性粒子の焼結時において、従来では４００℃以上の高温焼成時に生じていたフェライト等の酸化物磁性材料の被膜と金属磁性粒子との間の界面層におけるＦｅＯなどの非磁性鉄酸化物の生成を防ぎ、もって高周波領域における高透磁率が可能となる。
ここで、Ｎｉ比率とは、金属材料被膜におけるＮｉ含有率（重量％）のことをいい、これが、７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金またはＮｉ、より好ましくは７５重量％以上のＮｉ−Ｆｅ合金またはＮｉ、さらに好ましくは９０重量％以上のＮｉ−Ｆｅ合金またはＮｉを用いることで、界面層中のＦｅＯ等の非磁性鉄酸化物の生成を抑制できる。また、該金属材料には、本発明の効果を損なわない範囲で他の任意の成分を含めてもよい。
また、該金属材料により前記金属磁性材料を被覆して得られた金属材料被膜の膜厚は、界面層の形成に大きく影響し、金属磁性粒子の材質や表面の凹凸、あるいは後に形成するフェライト等の酸化物磁性材料の被膜の材質や膜厚、さらには熱処理温度、熱処理時間などに応じて最適な厚みに制御する必要があることから、該膜厚は１０〜１００ｎｍ、好ましくは１０〜５０ｎｍとする。
該金属材料により前記金属磁性材料を被覆する方法としては、真空蒸着、ＣＶＤ、スパッタリングなどの乾式方法や、化学的なめっきや無電解めっきといったプロセスを用いた湿式方法等、当業者に知られている任意の方法を用いることができるが、後者の湿式方法である化学的なめっきや無電解めっきといった化学的生成法が、量産性の観点で好ましい。
なお、該金属材料により前記金属磁性材料被膜で被覆された粒子を、便宜上、一次複合磁性粒子と呼ぶことにする。
（３）本発明の酸化物磁性材料とは、軟磁気特性を有する酸化物のことをいい、高い透磁率を有するとの観点から、好ましくはフェライト、特に高周波対応のためにはＮｉ−Ｚｎフェライトがより好ましく用いられる。
前記一次複合磁性粒子を、該酸化物磁性材料で被覆することにより、本発明の複合磁性粒子を得ることができる。
該酸化物磁性材料の被覆１３の膜厚としては、高周波数に対応でき、かつ高い透磁率を得るという観点から、好ましくは１０〜２００ｎｍの範囲、より好ましくは２５〜１００ｎｍの範囲にある。
また、該酸化物磁性材料の被覆を形成する方法としては、たとえば特許文献３にも記載されている超音波励起フェライトメッキ法により行うことができる。
２ 本発明はまた、上記複合磁性粒子の粉末を成形後、熱処理したことを特徴とする複合磁性部品を提供する。
（１）複合磁性粒子の粉末の成形では、上記のようにして作製した複合磁性粒子をプレスにより所望の磁気コア形状に成形し圧粉体とする。たとえば、上記複合磁性粒子を超硬合金製の金型に充填し、一軸プレスにより環状に成形することができる。
（２）次いで、上記圧粉体を熱処理する。
（１）複合磁性粒子の粉末の成形では、上記のようにして作製した複合磁性粒子をプレスにより所望の磁気コア形状に成形し圧粉体とする。たとえば、上記複合磁性粒子を超硬合金製の金型に充填し、一軸プレスにより環状に成形することができる。
（２）次いで、上記圧粉体を熱処理する。
熱処理温度は、界面層を形成させ、透磁率が低下しないようにする観点から、好ましくは５００℃以上、より好ましくは６５０℃以上であり、金属材料被膜の拡散の行き過ぎによる金属材料被膜のバリア効果の低下や、界面層中にＦｅＯ等の非磁性鉄酸化物が生成することによる透磁率の低下を防止する観点から、好ましくは９００℃以下、より好ましくは７５０℃以下である。また、熱処理時間は、圧粉体の内部にまで充分に熱が入らないことによる透磁率の低下を抑制するという観点から、サンプルが５００℃以上になっている時間が１秒以上あることが好ましく、金属材料被膜の拡散の行き過ぎにより金属材料被膜のバリア効果が低下し、界面層中にＦｅＯ等の非磁性鉄酸化物が生成して透磁率が低下することを防止する観点から、サンプルが５００℃以上になっている時間が好ましくは１０分以内、より好ましくは３分以内である。
なお、図２には、金属磁性粒子の作製にはじまって、熱処理により本発明の複合磁性部品を得るまでの製造プロセスのフローチャートの一例を示す。
以下、実施例を用いて、本発明をより具体的に説明する。
（実施例１）
本実施例では、図１におけるフローチャートに従って複合磁性粒子を作製した。
（実施例１）
本実施例では、図１におけるフローチャートに従って複合磁性粒子を作製した。
先ず、金属磁性粒子１１としては、水アトマイズ法で作製した平均粒子径８μｍの４７パーマロイ（４７重量％Ｎｉ−５３重量％Ｆｅ）粒子を準備した。
次に、４７パーマロイ粒子を、Ｎｉ無電解メッキの前処理として、この粒子を０．２％Ｈ２ＳＯ４かつ０．０２５％ＨＣｌの水溶液中（液温７０℃）に投入して５分間攪拌した。次に、前処理を行った４７パーマロイ粒子を純水で洗浄し、市販の無電解Ｎｉめっき液（液温５０℃）に投入した。攪拌羽根により粒子を攪拌させながら、１分間めっき処理を行った。
市販のＮｉめっき液は通常は８０℃程度で行うものであるが、被膜を厚くしないために、液温を５０℃に下げ、Ｎｉ金属被膜の厚さが１０ｎｍ程度となるように制御した。
次に、得られた一次複合磁性粒子の表面に、以下のような手順によりフェライト被膜１３を形成した。すなわち、純水を入れたガラス製のめっき反応容器中に該一次複合磁性粒子を移し替え、１９．５ｋＨｚの超音波を印加した。この反応容器に金属イオン溶液（Ｈ２Ｏ：５００ｍｌ、ＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏ：７．９５ｇ、ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ：２．３８ｇ、ＺｎＣｌ２：１．３６ｇ、ＭｎＣｌ２・４Ｈ２Ｏ：０．０２６ｇ）および酸化剤溶液（Ｈ２Ｏ：５００ｍｌ、ＮａＮＯ２：１．００ｇ）をそれぞれ一定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３０分間行った後、粒子を分級・乾燥させ、平均粒子径８μｍの４７パーマロイ粒子を、約１０ｎｍ厚さのＮｉ金属被膜１２と、約５０ｎｍのフェライト被膜１３で２重に被覆した複合磁性粒子を形成した。
上記の複合磁性粒子を超硬合金製の金型に充填し、９８０ＭＰａ（１０ｔｏｎ／ｃｍ２）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、圧粉体を作製した。
熱処理は、次のように比較的急昇温、急降温で行った。特に５００℃以上の温度では、１００℃／分以上の温度で昇温させ、７００℃で１０秒間保持した。さらに５００℃以下の温度になるまでは１００℃／分以上の速度で降温させた。
（実施例２〜４および比較例１）
実施例１の手順で、Ｎｉ無電解メッキのかわりに、以下に示すようにＮｉ−Ｆｅ複合めっきを行い実施した。
実施例１の手順で、Ｎｉ無電解メッキのかわりに、以下に示すようにＮｉ−Ｆｅ複合めっきを行い実施した。
すなわち、実施例１と同様に４７パーマロイ粒子を、無電解メッキの前処理を行い純水で洗浄した。次に、各種Ｎｉ−Ｆｅめっき液（硫酸ニッケル、硫酸第一鉄、ロッセル塩、次亜りん酸ナトリウム、乳酸、プロピオン酸を含む水溶液）を準備し、前処理を行った４７パーマロイ粒子を投入した。攪拌羽根により粒子を攪拌させながら、１分間めっき処理を行った。被膜を厚くしないために、液温を５０℃にし、Ｎｉ−Ｆｅ合金被膜の厚さが１０ｎｍ程度となるように制御した。このようにして一次複合磁性粒子を得た。
その後、フェライト被覆、成形、熱処理は実施例１と同様に行った。
（実施例５〜６および比較例２）
実施例１の手順で、金属磁性粒子１１として各種組成の金属材料を用いて実施した。Ｎｉ金属材料被覆、フェライト被覆、成形、熱処理は実施例１と同様に行った。
実施例１の手順で、金属磁性粒子１１として各種組成の金属材料を用いて実施した。Ｎｉ金属材料被覆、フェライト被覆、成形、熱処理は実施例１と同様に行った。
（比較例３）
実施例１において、金属材料被膜を形成する工程を省くことにより、金属材料被膜のない複合磁性粒子を作製した。
実施例１において、金属材料被膜を形成する工程を省くことにより、金属材料被膜のない複合磁性粒子を作製した。
（試験例）
実施例１〜６および比較例１〜３の複合磁性粒子をリング型圧粉成形体に成形した後、絶縁被覆された導体線を巻きつけてインダクタを作製し、交流のＢ−Ｈアナライザーを用いて周波数１ＭＨｚでの比透磁率μｓを測定した。結果を表１に示す。
実施例１〜６および比較例１〜３の複合磁性粒子をリング型圧粉成形体に成形した後、絶縁被覆された導体線を巻きつけてインダクタを作製し、交流のＢ−Ｈアナライザーを用いて周波数１ＭＨｚでの比透磁率μｓを測定した。結果を表１に示す。
この結果から明らかなように、Ｆｅ比率が２５重量％以上の金属磁性粒子の表面が、ＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金により被覆されていることで、高い周波数での高い透磁率を得ることができることが分かる。
また、図３に、実施例１で得られた圧粉成形体のＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）パターン３１と、実施例４で得られた圧粉成形体のＸＲＤパターン３２と、比較のために、比較例３で得られた圧粉成形体のＸＲＤパターン３３を示す。
この結果から明らかなように、金属磁性粒子の表面を、ＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金により被覆することで、ＦｅＯ等の非磁性鉄酸化物の生成が抑えられていることがわかる。
本発明の複合磁性材料を用いることにより、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製することが可能となる。
１ 複合磁性粒子
１１ 金属磁性粒子
１２ ＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金である金属材料被膜
１３ 酸化物磁性材料の被膜（フェライト被膜）
３１ 実施例１で得られた圧粉成形体のＸＲＤパターン
３２ 実施例４で得られた圧粉成形体のＸＲＤパターン
３３ 比較例３で得られた圧粉成形体のＸＲＤパターン
１１ 金属磁性粒子
１２ ＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金である金属材料被膜
１３ 酸化物磁性材料の被膜（フェライト被膜）
３１ 実施例１で得られた圧粉成形体のＸＲＤパターン
３２ 実施例４で得られた圧粉成形体のＸＲＤパターン
３３ 比較例３で得られた圧粉成形体のＸＲＤパターン
Claims (5)
- 金属磁性粒子の表面が金属材料被膜により被覆されており、該金属材料被膜がさらに酸化物磁性材料被膜により被覆されている複合磁性粒子において、（ａ）前記金属磁性粒子中のＦｅ比率が２５重量％以上であり、（ｂ）前記金属材料がＮｉまたはＮｉ比率が７０重量％より大きいＮｉ−Ｆｅ合金であり、および（ｃ）前記金属材料被膜の膜厚が１０〜１００ｎｍであることを特徴とする複合磁性粒子。
- 前記酸化物磁性材料が、フェライトであることを特徴とする請求項１に記載の複合磁性材料。
- 前記金属磁性粒子が、Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ系アモルファス金属、Ｃｏ系アモルファス金属から選ばれる１種または複数種からなることを特徴とする請求項１〜２に記載の複合磁性粒子。
- 前記フェライトが、Ｎｉ−Ｚｎフェライトであることを特徴とする請求項２または３に記載の複合磁性材料。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の複合磁性粒子の粉末を成形後、熱処理したことを特徴とする複合磁性部品。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006186072A (ja) * | 2004-12-27 | 2006-07-13 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 複合磁気部品の製造方法 |
| JP2010073967A (ja) * | 2008-09-19 | 2010-04-02 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 圧粉磁心 |
| JP2014516207A (ja) * | 2011-05-09 | 2014-07-07 | メタマグネティクス，インコーポレイテッド | 工学設計された磁性結晶粒界フェライトコア材料 |
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| JPS63158810A (ja) * | 1986-12-23 | 1988-07-01 | Toshiba Corp | 圧粉磁心 |
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-
2004
- 2004-10-26 JP JP2004311326A patent/JP2006128215A/ja active Pending
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