JP2007012999A - 磁心の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ガラス合金粉末を、溶射堆積法により高密度で成形して磁気特性に優れた磁芯を提供すること。
【解決手段】金属ガラス合金粉末を、コールドスプレー法あるいはＨＶＯＦ法、ＨＶＡＦ法などの、噴射ノズルから圧縮気体により加速させて堆積賦形するメカニカルディポジション方式を用いて磁心を製造する方法。例えば、棒体１２を回転させるとともに、噴射ノズルを棒体１２に沿わせて軸心方向に移動させることにより、棒体１２の所定長さ範囲に金属ガラス合金粉末を筒状体１４に堆積させ、さらに、該筒状体１４を適宜長さに裁断して磁心１６とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁性粉末である金属ガラス合金粉末を堆積（積層）させて磁心を製造する方法、およびそれらの方法で製造された磁心に関する。

特に、交番磁界を採用するコンバータ、トランス、インバータ、モータ、各種アクチュエータなどの電子部品に組み込まれる磁性素子に好適な磁心の製造方法の発明に係るものである。

上記ような磁性素子の磁心には、それらの用途に応じた、優れた磁性特性が要求される。例えば、１）交番磁界中で大きな磁束密度が得られること、２）交番磁界中で使用したときにその周波数に応じて生じる高周波損失が少ないこと、３）飽和磁化が大きいことあるいは直流重畳特性に優れることなどがある。

一方、電子機器の小型化が進み、それに伴って電子部品に用いられる材料においても小型で高効率を有するものが要求される。金属磁性粉を用いて製造される圧粉磁心は、以前から使用されているフェライト磁心よりも高い飽和磁束密度を得ることができるため電子部品の小型化には有利である。

また、圧粉磁心においては、磁気特性と成形体の充填率（又は相対密度）（％）（１００×嵩密度（ρb）／真密度（ρa）をいう。以下同じ。）とは強い相関関係があることが判っている（特許文献１要約等）。粉末冶金法で得られる成形体では、飽和磁束密度などの特性は溶解（溶融）材で得た成形体に劣る（非特許文献１）。さらに、圧粉磁心においては粉末相互の絶縁を確保するためにバインダーの添加が不可欠で、充填率向上に限界がある。

このような問題への対処として、製品化に際して、充填率を改善するために粒度調整が不可欠である。このため、原料磁性粉末の粒子サイズ、分布が限定される（特許文献２〜６等）。これらの理由により、磁性粉末本来の特性が十分に発揮されないまま使用されているのが現状である。

特に次期磁性材料として期待されている鉄基アモルファス合金（鉄基金属ガラス合金）粉末等の金属ガラス合金粉末及びそれらを用いたアモルファスコア（粉末磁心）に関する発明も種々提案されている（特許文献７〜１１）。

しかし、金属ガラス合金粉末、特に、鉄基金属ガラス合金粉末は、相対的に高硬度かつ高強度であり、特に充填が困難で、例えば、成形圧１０〜１５t／ｃｍ²の冷間高圧プレスを用いても充填率８０％が限界であった。さらに、ある一定の温度以上で結晶化が起こるために、加熱を用いた高密度成形法では量産対応が難しい。

一部特殊な例として、ホットプレス法、ＳＰＳ法（Spark Plasma Sintering:放電プラズマ焼結法）などの適用が検討されている。
若山勝彦 「焼結高透磁率合金」Electronic Monthly、1998.10、ｐ30 三谷他「圧粉磁心の強度および磁気特性の向上」神戸製鋼技法、Vol.54 No.1(Apr.2004）、ｐ39 特開２００２−３４３６５７号公報 特開平５−３３５１３０号公報 特開２００２−７５７２０号公報 特開２００３−３４７１１３号公報 特開２００４−２８８９８３号公報 特開２００４−１４６８０４号公報 特開平７−６６０２９号公報 特開平１１−７１６５９号公報 特開２００２−２８０２２４号公報 特開２００４−２０４２９６号公報 特開２００４−１５６１３４号公報

本発明は、上記にかんがみて、金属ガラス合金粉末を用いて、簡便な方式で高密度の製品（磁心）を得ることができる磁心の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、「金属ガラス合金粉末を圧縮気体により加速させて噴射ノズルから噴射して、賦形治具上に堆積（積層）させて形成する」構成とすれば、高い充填率（％）（１００×嵩密度（ρb）／真密度（ρa）をいう。以下同じ。）の磁心（magnetic core）、すなわち、磁気特性に優れた磁心を得ることに成功した。

上記構成において、さらに金属ガラス合金粉末及び／又は圧縮気体の加熱を行うことが望ましい。より高い充填率の磁心を得やすくするためである。

そして、磁心の製造方法の態様としては、磁心体内面を賦形する賦形治具である棒体を回転させるとともに、該棒体の軸心方向に、金属ガラス合金粉末を噴射ノズルから噴射させながら移動させることにより、前記棒体の所定長さ範囲に金属ガラス合金粉末を筒状体に堆積させ、さらに、該筒状体を適宜、裁断して磁心（製品）とする構成が望ましい。

この構成の場合、賦形治具の形態が単純で汎用の棒材を選定することができ、均一堆積性も良好である。

なお、賦形治具としては、一方を開口とする賦形キャビティを備えた賦形型としたり、金属ガラス合金粉末の被堆積面を備えた堆積支持部材と、該被堆積面に対向して配され、磁心の断面形状に対応する空間を形成するマスキング材とを備えたものにしたりすることができる。

そして、上記各方法で製造された磁心は、該磁心を形成する前記合金粉末の充填率（％）（１００×嵩密度（ρb）／真密度（ρa）をいう。以下同じ。）が８０％以上のものとすることができる。

なお、前記磁心における金属ガラス合金粉末は、鉄基金属ガラス合金であることが望ましい。

また、本発明の磁心の製造方法に係る技術的思想は、「金属ガラス合金粉末を圧縮気体により加速させて噴射ノズルから噴射して、賦形治具上に堆積させてブロック体を形成することを特徴とする金属ガラス合金粉末のブロック体の製造方法。」として、磁心以外の製品にも適用することができる。

磁心の製造方法及び製造された磁心に係る本発明の効果をまとめると下記の如くになる。

(1)酸化させながら粉末の堆積、成形が可能であるから、バインダーレスで充填率（相対密度）８０％以上の磁心（成形体）を得ることができる。

(2)従来の圧粉磁心製造に必要な高圧プレス機が不要であるから、高圧に耐える母型（賦形治具）も不要となる。

(3)製造工程が、バインダーの混練、粉末の混合、熱処理調整などが不要でシンプルとなる。

(4)成形体の形状が、複雑形状、大型形状であっても対応し易い。

(5)軟磁気特性（直流重畳特性、コアロスなど）に優れた複合磁性材料を実現できる。

(6)小型で大電流および高周波領域で使用可能な磁心を有する磁性素子を実現できる。

以下、本発明について、本発明をより詳しく説明する。

本発明の磁心の製造方法は、金属ガラス合金粉末を圧縮気体により加速させて噴射ノズルから噴射して、賦形治具上に堆積させて形成することを基本構成とする。

（１）上記において、金属ガラス合金としては、磁性特性が良好なものなら特に限定されないが、良好な磁性特性を得やすい鉄基金属ガラス合金が望ましい。特に、本願出願人が出願人の一人として共同出願した「特願２００４−１０６４４」（出願時未公開）において提案した下記構成のものが望ましい。

前記金属ガラス合金粉末が、
組成式（Ｆｅ_1-s-tＣｏ_sＮｉ_t）_100-x-y｛（Ｓｉ_aＢ_b）_m（Ｐ_cＣ_d）_n｝_xＭ_y
で表される、上記鉄基金属元素群、半金属元素群、及び、過冷度改善元素群（Ｍ：Ｎｂ、Ｍｏ）からなる鉄基金属ガラス合金において、
各元素群の組成比率が、１９≦ｘ≦３０、０≦ｙ≦６、であり、また、
前記鉄基金属元素群の組成比率が、０≦ｓ≦０．３５、０≦ｔ≦０．３５、かつ、ｓ＋ｔ≦０．３５であり、さらに、
前記半金属元素群の元素比率が、
（０．５：１）≦（ｍ：ｎ）≦（６：１）
（２．５：７．５）≦（ａ：ｂ）≦（５．５：４．５）
（５．５：４．５）≦（ｃ：ｄ）≦（９．５：０．５）である
ことを特徴とする。

これらの鉄基ガラス合金のうち、過冷度（△Ｔｘ）≧４０Ｋを示すものが望ましい。こ
こで、過冷度（△Ｔｘ）は、△Ｔｘ＝Ｔｘ−Ｔｇ（Ｔｘ：再結晶化開始温度、Ｔｇ：ガラ
ス転移温度）で定義されるものである。

（２）また、噴射方式は、粒子速度が４００ｍ／ｓ以上の、さらには１００ｍ／ｓ以上の高速で、作動ガス温度が噴射粒子を実質的に溶融させず、磁気特性に影響を与える組成変化（化学反応）を発生させない相対的に低温の３５００℃以下、望ましくは１０００℃以下の条件で行えるものが望ましい。例えば、コールドスプレー、エアロゾルデポジッション法、ＨＶＯＦ（High Velocity Oxygen Fuel）、ＨＶＡＦ（High Velocity Aero Fuel）、等のメカニカルディポジション方式を採用できる。これらのうちで、コールドスプレー法が、相対的に高圧で低温の噴射条件を採用できるため望ましい。

コールドスプレー方式は、３００〜５００℃の超音速のガスにより粒子を加速堆積（deposit）させるもので、噴射粒子の酸化、熱変質がほとんどないことを特徴とする。この他製膜の特徴として、高密度の厚膜形成（堆積）に適しているといわれている。これらを生かし金属ガラス合金粉末を原料（材料）とする磁心の製造方法への適用を図った。図１にコールドスプレー方式のシステム図を示す。

また、ＨＶＯＦとは、高速フレーム噴射（溶射）のひとつで、燃料の燃焼に酸素を使用するものをいう。なお、高速フレーム噴射（溶射）装置は、噴射（溶射）飛行粒子の高速化によって強い衝突力を発生させ、緻密で高い密着力を有する被膜を得るために開発されたものである。図２にＨＶＯＦ方式のシステム図を示す。チャンバ部へ供給される燃料ならびに酸素ガスは点火プラグ１４で燃焼が促進され、フレーム速度で２０００ｍ／ｓ以上、粒子速度で７５０ｍ／ｓ前後が達成される。

ＨＶＡＦとは、ＨＶＯＦの酸素の代わりに圧縮エアーを用いるもので、燃焼温度が低く抑えられるが、粒子速度ならびに温度は低下する。ＨＶＡＦは、堆積（積層）粒子の温度特性ならびにその変形程度を抑えたいときに使用する。また、製膜コストも安くなる。

そして、コールドスプレー方式やエアロゾルデポジション法における粉末噴射に際して、噴射粉末を、金属ガラス特有の過冷却温度域に粒子を加熱して成膜する方式がある。この過冷度が大きい（例えば、△Ｔｘ：４０Ｋ以上）と、大きな塑性変形が起きやすいこと
が分かっている。このため、粉末原料を加熱して、噴射粉末（金属ガラス合金粉末）に噴射ノズルへの供給から被噴射面（被堆積面）への到達までの間で過冷却温度域が発現するようにすることが望ましい。より、充填率の高い堆積層を得ることが期待できる。

（３）次に、磁心の製造方法の各例を示す。

１）リング切断方式（図３）
磁心体内面を賦形する賦形治具である棒体１２を回転させるとともに、前記噴射ノズルを前記棒体に沿わせて軸心方向に移動（片道・往復移動及びそれらの繰り返しを含む。）させることにより、前記棒体１２の所定長さ範囲に前記合金粉末を筒状体１４に堆積（積層）させ、さらに、該筒状体１４を適宜、裁断してリング状の磁心１６（製品）とする。

なお、棒体１２の材料としては、噴射条件（温度・圧等）に耐える強度を有するものなら特に限定されないが、例えば、鉄系材料（例えばＳＳ材）、セラミック、プラスチック等を用いる。また、裁断は、通常、棒体１２とともに、汎用の金属カッター、カットワイヤー等で裁断した後、裁断棒体（コア）１２ａを押出す。本方式の場合、以下に記載の他の方式に比して量産化がし易い。

２）金型押出方式（図４）
一方を開口とする賦形キャビティ１８を備えた賦形型（金型）２０を用いて製造する方式である。この賦形型２０の材料は、前述の棒体と同様の材料を使用できる。また、成形品（磁心）１６は、突き出しピン（エジェクタピン）２２で押し出して離型する。本方式の場合、他の方式に比して寸法精度の高い製品を得られる。

３）マスキング方式（図５）
賦形治具として、記金属ガラス合金粉末の端面賦形面２４ａを備えた堆積部支持材２４と、該堆積面２４ａに対向して配され、磁心の断面形状に対応する空間を形成するマスキング材３０とを備えたものを使用する方式である。堆積成形体（磁心）１６は、上記金型の場合と同様、突き出しピン２２で押出して離型する。本方式の場合、一式のマスキングをそろえることで、種々の大きさ・形状の製法を得ることができる。

こうして製造した磁心は、図６に示す如く、絶縁紙２６で被覆してコイル２８を巻いて磁性素子３０とする。

以下、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明をする。

金属ガラス合金粉末は、組成式
（Ｆｅ_1-s-tＣｏ_sＮｉ_t）_100-x-y｛（Ｓｉ_aＢ_b）_m（Ｐ_cＣ_d）_n｝_xＭ_y
において、表１〜３のものを使用した。
基板（ＳＳ４１、５．０ｍｍｔ）上に、各噴射方式で成膜（堆積厚み３．０ｍｍ）を行った。

＜実施例１＞
コールドスプレー方式により、表１に示す装置及び金属ガラス合金粉末を用いて、表示の条件で堆積成膜を行った。

＜実施例２＞
実施例１において、表１に示す装置及び金属ガラス合金粉末を用いて、材料（粉末）を過冷温度領域になるように加熱した以外は、同じ条件で堆積成膜を行った。

＜実施例３＞
ＨＶＯＦ方式より、表２に示す装置及び金属ガラス合金粉末を用いて、表示の条件で堆積成膜を行った。

＜実施例４＞
ＨＶＡＦ方式より、表３に示す装置及び金属ガラス合金粉末を用いて、表示の条件で堆積成膜を行った。

＜試験結果＞
１）上記で調製した各堆積品（成膜）の磁気特性（密度との相関）データの一例を、図７に示す。

なお、参考のために、その他の実施例におけるデータ及び従来の圧粉磁心方式のデータも記入した。μ値が充填密度の向上により大幅に改善されていることが分かる。

２）実施例１で使用した組成の金属ガラス合金粉末のＤＳＣ（示差走査熱量計）による熱分析曲線を図８に示す。過冷度（△Ｔｘ）が46.5Ｋ（過冷温度領域であるＴｇ：800.5
ＫとＴｘ：847.0Ｋとの差）であることが分かる。

３）実施例１における堆積成膜のＸＲＤ分析した結果を示す図９から、膜全体に渡りアモルファス化（ガラス化）していることが分かる。

本発明で使用する噴射方式の一例であるコールドスプレー方式のシステム図である。 同じくＨＶＯＦ／ＨＶＡＦ方式のシステム図である。 本発明の磁心の製造方法における一例であるリング切断方式を示すモデル図である。 同じく他の例である金型押出方式を示すモデル図である。 同じくさらに他の例であるマスキング方式を示すモデル図である。 本発明の磁心を磁性素子とした適用例を示す斜視図である。 各実施例における成膜の磁気特性（密度との相関）データを示すグラフ図である。 実施例１で用いた金属ガラス合金粉末のＤＳＣ分析の結果を示すグラフ図である。 実施例１における成膜のＸＲＤ分析の結果を示すグラフ図である。

符号の説明

１２ 棒体
１４ 堆積筒状体
１６ 磁心（製品）

Claims (8)

1. 金属ガラス合金粉末を圧縮気体により加速させて噴射ノズルから噴射して、賦形治具上に堆積させて磁心を形成することを特徴とする磁心の製造方法。
2. 前記金属ガラス合金粉末及び／又は圧縮気体の加熱を行うことを特徴とする請求項１記載の磁心の製造方法。
3. 磁心体内面を賦形する賦形治具である棒体を回転させるとともに、前記噴射ノズルを前記棒体に沿わせて軸心方向に移動させることにより、前記棒体の所定長さ範囲に前記金属ガラス合金粉末を筒状体に堆積させ、さらに、該筒状体を適宜、裁断して磁心（製品）とすることを特徴とする請求項１又は２記載の磁心の製造方法。
4. 前記賦形治具が一方を開口とする賦形キャビティを備えた賦形型であることを特徴とする請求項１又は２記載の磁心の製造方法。
5. 前記賦形治具が、前記金属ガラス合金粉末の被堆積面を備えた堆積部支持材と、該被堆積面に対向し、磁心の断面形状に対応する空間を形成するマスキング材とを配したものであることを特徴とする請求項１又は２記載の磁心の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれかの方法で製造された磁心であって、該磁心を形成する前記合金粉末の充填率（％）（１００×嵩密度（ρb）／真密度（ρa）をいう。以下同じ。）が８０％以上であることを特徴とする磁心。
7. 前記金属ガラス合金粉末が、鉄基金属ガラス合金であることを特徴とする請求項６記載の磁心。
8. 前記金属ガラス合金粉末を圧縮気体により加速させて噴射ノズルから噴射して、賦形治具上に堆積させてブロック体を形成することを特徴とする金属ガラス合金粉末のブロック体の製造方法。

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