JP2007088316A - 磁性粉末および電波吸収体 - Google Patents

Abstract

【課題】軟磁性鉄合金を使用して電波吸収体に適した絶縁性の高い磁性粉末を提供する。
【解決手段】粒径１００μｍ以下、アスペクト比５以上の軟磁性鉄合金粒子１の表面周囲に平均粒径５μｍ以下のソフトフェライト粒子２が有機質または無機質の結合材３を介して付着した複合粒子で構成される粉末であって、当該粉末中には軟磁性鉄合金１００質量部に対しソフトフェライトが４０〜８０質量部の割合で含まれている磁性粉末。軟磁性鉄合金としては、Ｓｉ：４〜１３質量％、Ａｌ：４〜７質量％、残部実質的にＦｅの組成、またはＳｉ：３〜７質量％、残部実質的にＦｅの組成を有するものが好適に使用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鱗片状の軟磁性鉄合金を使用した磁性粉末、およびそれを用いた電波吸収体に関する。

近年、電子技術、情報技術の発展に伴い数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの周波数帯域で使用される電子機器が急増している。これらの電子機器の誤動作や相互干渉を防止するには電波吸収体を使用することが効果的であり、昨今その重要性がますます高まりつつある。

電波吸収体は一般的に、電波吸収性の磁性粉末を合成ゴム、熱可塑性エラストマー、プラスチック等の高分子マトリクス中に混ぜ込むことによって作られる。電波吸収性粉末としては使用周波数帯域において複素透磁率の虚数部μ''が高い値を呈する材料が選択される。μ''は電波吸収性能に大きく寄与するからである。そのような材料として、現在では軟磁性鉄合金粉末が多く用いられている。

高い透磁率を呈する金属材料としてはパーマロイのようなＦｅ−Ｎｉ系合金や、センダスト（Ｆｅ−９.５Ｓｉ−５Ａｌ合金）、Ｆｅ−６.５Ｓｉ合金などが知られている。なかでもパーマロイは透磁率が極めて高く板材への加工も容易であることから、磁気ヘッド、トランスコアをはじめとする軟磁性部品に広く使用されている。しかしパーマロイはＮｉを多量に含むため高価であり、またアトマイズ法等の特殊な製法を用いなければ粉末を得ることが難しいので電波吸収体用の磁性粉末としては普及していない。センダストやＦｅ−６.５Ｓｉ合金についても導電性が高いことから、そのままでは絶縁性の良い電波吸収体を得るための粉末としては採用し難い。

一方、ソフトフェライトは一般式ＭＦｅ₂Ｏ₄（ＭはＭｎ、Ｚｎ等）で表されるスピネル構造の物質であり、高抵抗・高絶縁という特徴があるが、軟磁性鉄合金に比べ透磁率が低い。軟磁性鉄合金とソフトフェライトの欠点を補う技術として、軟磁性鉄合金の表面をフェライトでめっきする方法も検討されているが、工程が複雑になり大量生産する上であまり生産性が良いとは言えない。

特公昭５５−３５００２号公報 特開平５−２９９８７２号公報 特開平６−２０４０２１号公報 特開２００５−６４３９６号公報

センダストやＦｅ−Ｓｉ合金のような軟磁性鉄合金は高価な元素を含まないことから、原料コストはあまり高くない。特許文献３にはこのような鉄合金を使用した複合磁性材料が開示されている。特許文献３の複合磁性材料は、アトマイズ法によって得られた球状のセンダストまたはＦｅ−Ｓｉ系の鉄合金粉末の表面に酸化皮膜を形成した上で、その鉄合金粉末とフェライト粉末とを有機質または無機質バインダーを介して結合させた「成形体」である。しかしこの成形体は、複素透磁率μ''が小さいことから、電波吸収体としての良好な特性を発揮するものではない。

数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの周波数帯域で使用される電子機器に用いる電波吸収体を構成したときに高いμ''と良好な絶縁性を示すような粉末素材を得る技術が確立されていない。本発明は、センダストやＦｅ−Ｓｉ合金等の軟磁性鉄合金を使用して電波吸収体に適した磁性粉末を開発し、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの周波数帯域で使用可能な新たな電波吸収体を提供しようというものである。

発明者らは詳細な研究の結果、上記目的を達成するためには、
i) 球状ではなく扁平形状の軟磁性鉄合金粒子を基材粒子として使用すること、
ii) 磁性粉末を構成する粒子は、基材粒子の表面をとり囲むようにしてソフトフェライト粒子が基材粒子に付着している「複合粒子」であること、
が極めて有効であることを見出した。

すなわち本発明では、粒径１００μｍ以下、アスペクト比５以上の扁平形状を呈する軟磁性鉄合金粒子（本明細書ではこれを「基材粒子」と呼んでいる）の表面周囲に平均粒径５μｍ以下のソフトフェライト粒子が有機質または無機質の結合材を介して付着した複合粒子で構成される粉末であって、当該粉末中には軟磁性鉄合金１００質量部に対しソフトフェライトが４０〜８０質量部の割合で含まれている磁性粉末が提供される。
ここで、粒径は粒子の長軸長（長径）である。アスペクト比は「長径／厚さ」である。

上記軟磁性鉄合金としては、Ｓｉ：４〜１３質量％、Ａｌ：４〜７質量％、残部実質的にＦｅの組成、またはＳｉ：３〜７質量％、残部実質的にＦｅの組成を有するものを採用することができる。特に前者はセンダスト（Ｆｅ−９.５Ｓｉ−５Ａｌ合金）として知られる高透磁率合金を中心とした軟磁性領域を規定したものである。
「残部実質的にＦｅ」とは、残部として本発明の効果を阻害しない範囲でＦｅ以外の元素の混入を許容する趣旨であり、「残部Ｆｅおよび不可避的不純物」の場合が含まれる。

また本発明では上記の磁性粉末が高分子マトリクス中に分散配合されている電波吸収体が提供される。高分子マトリクスは、ゴム、熱可塑性エラストマー、プラスチック等の高分子物質である。

本発明によれば、比較的低廉でかつ粉砕により薄片状の粒子を作りやすい軟磁性鉄合金を基材に使用する。そして、その基材の表面は高抵抗・高絶縁であるソフトフェライトで覆われている。このため、粉末の全量を軟磁性鉄合金で賄う従来の電波吸収体に比べ絶縁性の良好な電波吸収体が実現できる。したがって本発明は、軟磁性鉄合金を使用する従来の電波吸収体に代わる新たなタイプの電波吸収体の提供に寄与するものである。

本発明では前述のように、平たい形状の軟磁性鉄合金粒子の表面周囲にソフトフェライト粒子が付着している「複合粒子」を磁性粉末の構成粒子として採用する。
図１に、その複合粒子の断面構造を模式的に示す。平たい形状の軟磁性鉄合金からなる基材粒子１の表面周囲には、ソフトフェライト粒子２が存在する。ソフトフェライト粒子２は結合材３を介して基材粒子１の表面に付着している。結合材３は非磁性かつ絶縁性の物質、例えば熱可塑性樹脂などである。なお、図１は断面構造の概念を説明するための模式図であるからソフトフェライト粒子２のサイズや結合材３の厚みなどはかなり誇張して描いてある。

基材粒子１は平たい形状であることにより、電波吸収体において複素透磁率μ''の向上をもたらす。基材粒子１の周囲を取り巻くソフトフェライト粒子２は、電波吸収体の高分子マトリクス中において、隣接する基材粒子１どうしの直接的な接触を顕著に低減し、電波吸収体の絶縁性向上に寄与する。また、ソフトフェライト自体のもつ優れた高透磁率性能によって、他の絶縁物質で被覆した場合よりも高いμ''が実現される。結合材３は当該複合粒子が高分子マトリクスに混ぜ込まれて電波吸収体を構築するまでの間、基材粒子１からソフトフェライト粒子２が容易に脱落するのを防ぐ機能を担う。

以下、本発明を特定する事項について説明する。
〔基材粒子〕
本発明の磁性粉末を構成する複合粒子は、その基材として扁平形状を有する軟磁性鉄合金を採用する。基材粒子のサイズは粒径が１００μｍ以下であることが望ましい。１００μｍを超えるような大きい粒子が含まれると電波吸収体シートに使用したときにシートの表面平滑性が損なわれ、粗表面から粉の剥離が生じて電子機器のトラブルを招く恐れがある。一方、粒径が小さい粒子があまり多くなると電波吸収体を作るとき高分子マトリクスとの混練に多大なトルクが必要となり、混練機器の部品消耗を早める。したがって、基材粒子の平均粒径は３〜５０μｍの範囲にあることが望ましく、５〜２０μｍが一層好ましい。また、基材粒子の平均粒径は後述のソフトフェライトの平均粒径よりも大きくなければならない。

基材粒子のアスペクト比は５以上であることによって電波吸収体のμ''が顕著に向上する。ただし、アスペクト比の大きい複合粒子があまり多くなると高分子マトリクス中への分散性が悪くなるので、平均アスペクト比は５〜５０の範囲にあることが望ましく、１０〜３５の範囲にあることが一層好ましい。

基材粒子の材質は軟磁性鉄合金である。特にセンダストやＦｅ−Ｓｉ合金等の代表的な軟磁性鉄合金に近い組成の高透磁率合金が好適な対象となる。前者の例としてはＳｉ：４〜１３質量％、Ａｌ：４〜７質量％、残部実質的にＦｅの組成をもつ合金が挙げられる。後者の例としてはＳｉ：３〜７質量％、残部実質的にＦｅの組成をもつものが挙げられる。

センダストや上記のＦｅ−Ｓｉ合金に近い組成域の鉄合金は、鋳塊を粉砕することにより鱗片状の扁平な粉体粒子を得ることができる。粉砕の強度を調整し、篩いを通すことで本発明に適用可能な前記サイズ・形状の基材粒子を製造することができる。

〔ソフトフェライト粒子〕
本発明では従来から電波吸収体に使用されている一般的なソフトフェライト粉末が使用できる。特に数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚ帯域で電波吸収性能を呈するものが好ましく、例えばＭｇ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｚｎ系等のフェライトが使用できる。本発明に適用するソフトフェライト粒子は、基材粒子の周囲を取り囲むようにして存在させるものであるため、その平均粒径は少なくとも基材粒子の平均粒径より小さくなければならない。具体的にはソフトフェライト粒子の平均粒径は５μｍ以下である必要があり、平均粒径１μｍ以下（例えば平均粒径０.０５〜１μｍ）であることが一層好ましい。基材粒子とのサイズ比としては、「ソフトフェライトの平均粒径／基材粒子の平均粒径」の値が０.００１〜０.３５であることが望ましく、例えば０.０１〜０.３とすることができる。
このようなソフトフェライト粉末は従来一般的な製法を利用して製造できる。

〔基材粒子とソフトフェライト粒子の混合割合〕
本発明の磁性粉末を構成する複合粒子は、ソフトフェライト粒子が基材粒子の表面を取り囲むようにして存在することによって、電波吸収体の絶縁性を確保するものである。発明者らの詳細な検討によれば、サイズが前述のように適正化された基材粒子とソフトフェライト粒子を使用する場合、本発明の磁性粉末中には基材粒子を構成する軟磁性鉄合金１００質量部に対しソフトフェライトが４０〜８０質量部の割合で含まれていることが望ましい。このとき、電波吸収体の絶縁性が十分確保されるとともに、平たい粒子形状に起因する複素透磁率μ''の向上作用も維持される。軟磁性鉄合金１００質量部に対しソフトフェライトが４５〜７０質量部の範囲で含まれていることが一層好ましい。

〔結合材〕
結合材はソフトフェライト粒子を基材粒子の表面に付着する役割を担う。その物質は、複合粒子が電波吸収体の高分子マトリクスに混ぜ込まれて電波吸収体を構築するまでの間、ソフトフェライト粒子の脱落を防止する機能が発揮され、非磁性かつ絶縁性を有するものであれば特に制限はない。具体的には例えば、シリコーン等の樹脂が好適に使用できる。

〔複合粒子の製造〕
前記の基材粒子の粉末とソフトフェライト粒子の粉末を、結合材とともに所定の割合で混ぜ合わせることにより、基材粒子の表面周囲にソフトフェライト粒子を付着させる。結合材として高分子樹脂を使用する場合、その樹脂の溶剤となる物質を加えて樹脂に流動性を付与した状態で、溶剤が揮発しやすい温度域に加熱しながら攪拌機等により十分に攪拌混合する。攪拌を行いながら溶剤を揮発させていき、溶剤を十分に揮発させると、図１に示したような構造の複合粒子が得られる。結合材として例えばシリコーンを使用する場合、溶剤としてはトルエン等の揮発性有機溶剤が使用でき、攪拌時の加熱温度は１２０℃前後とすればよい。

〔電波吸収体の製造〕
上記のようにして得た複合粒子で構成される磁性粉末と電波吸収体のマトリクスとなる高分子材料とを所定割合で混合し、混練機で混練する。混練温度は高分子にある程度の流動性が付与され、磁性粉末を十分に分散混合することができる温度域とする。磁性粉末の配合量はできるだけ多い方が電波吸収特性の向上に繋がり効果的であるが、あまり多すぎると混練物の成形性が維持できなくなったり、電波吸収体の機械的特性が劣化したりするので、電波吸収体に含まれる磁性粉末の配合量は６０〜９５質量％程度とすることが望ましい。この混練物をロールでシート状に成形することにより電波吸収体が得られる。高分子マトリクスの材料は、例えば合成ゴム、熱可塑性エラストマー、プラスチック等の非磁性かつ絶縁性の物質が選択される。

〔実施例１〕
軟磁性鉄合金として、Ｓｉ：９質量％、Ａｌ：６質量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の組成を有するセンダスト粉末を使用した。これは粉砕により扁平化されたもので、長軸長による平均粒径９.０μｍ、平均アスペクト比１８である。
ソフトフェライトとして、Ｍｇ_0.5Ｚｎ_0.5Ｏ・Ｆｅ₂Ｏ₃組成のスピネル型フェライトを使用した。これは平均粒径約０.８μｍの粉末である。

上記センダスト粉末１００質量部と、上記ソフトフェライト粉末５６.５質量部と、結合材としてシリコーン１８.７５質量部と、溶剤としてトルエン１００質量部をオイルバス付き万能攪拌機に入れて１２０℃で攪拌混合した。攪拌しながらトルエンを揮発させ、約０.５ｈで攪拌を終了し、薄片状センダスト粒子の表面周囲にシリコーンを介してソフトフェライト粒子が付着した複合粒子からなる磁性粉末を得た。

この磁性粉末の体積固有抵抗を以下のように測定した。
銅板の上に２５.４ｍｍ径のリング状の軟質塩ビパイプを置き、その塩ビパイプの中に試料粉末を入れたのち塩ビパイプの上部に別の銅板を乗せて、試料粉末が入った塩ビパイプを２枚の銅板で挟むようにする。銅板の上下からアクリル板を介して圧縮試験器により１.３ＭＰａで加圧する。この加圧により塩ビパイプは容易に潰れ、試料粉末に１.３ＭＰａの圧力が付与された状態となる。この加圧状態において上下２枚の銅板間の電気抵抗を測定する。この試験後に潰れた塩ビパイプの寸法を測定して、試験中の粉末の体積を算出するそして、前記の電気抵抗値と粉末体積から、試料粉末の体積固有抵抗を求める。
その結果、体積固有抵抗は２４.５Ω・ｍであった。粉体特性について表１にまとめて示してある（以下の比較例において同じ）。このような圧粉状態で体積固有抵抗がゼロにならないということは、導電性をもつ基材粒子の直接的な接触が周囲の絶縁粒子（フェライト粒子）によって顕著に防止されていることを意味し、電波吸収体に使用した際には良好な絶縁性が確保される。

次に、この磁性粉末を用いて電波吸収体シートを作製した。マトリクスとなる高分子物質としてＮＢＲゴム系樹脂を使用した。
磁性粉末８５質量％とＮＢＲ１５質量％をラボプラストミル（東洋精機株式会社製、Ｒ−６０）により８０℃で１０ｍｉｎ混練し、一旦排出後、再度同条件で混練した。得られた混練物を６インチ径の電熱圧延ロールにより圧延し、厚さ２ｍｍの電波吸収体シートを得た。

得られた電波吸収体シートについてＳパラメーター法により電波吸収特性を調べた。シートから切り出した小片を外径７ｍｍ、内径３ｍｍの円筒状測定ピースに成形し、これをφ７ｍｍ×φ３.０４ｍｍの同軸管に装入し、ネットワークアナライザー（ヒュレットパッカード社製、商品名；ＨＰ８５０７１Ｂ）を用いて０.０５〜２０ＧＨｚにわたって反射・透過係数（Ｓパラメーター）を測定した。図２に複素透磁率の実数部μ'と虚数部μ''測定結果の一例を示す。表１にはμ''の最大値を記載した（以下の比較例において同じ）。

〔比較例１〕
軟磁性鉄合金として、Ｓｉ：９質量％、Ａｌ：６質量％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の組成を有するセンダスト粉末を使用した。ただしこの粉末はアトマイズ法により製造されたものであり、平均粒径３０.７μｍ、平均アスペクト比１.０２である。
ソフトフェライトは実施例１と同じものを使用した。

上記センダスト粉末１００質量部と、上記ソフトフェライト粉末１１.２質量部と、結合材としてシリコーン３質量部と、溶剤としてベンゼン１００質量部をオイルバス付き万能攪拌機に入れ、実施例１と同様の方法で球状センダスト粒子の表面周囲にシリコーンを介してソフトフェライト粒子が付着した複合粒子からなる磁性粉末を得た。この磁性粉末の体積固有抵抗を前記の方法で測定した結果、体積固有抵抗は０Ω・ｍであった。

次に、この磁性粉末を用いて実施例１と同様の配合量でマトリクスがＮＢＲである電波吸収体シートを作製した。この電波吸収体シートについて前記の方法で０.０５〜２０ＧＨｚの反射・透過係数（Ｓパラメーター）を測定した。図３に複素透磁率の実数部μ'と虚数部μ''測定結果の一例を示す。

〔比較例２〕
実施例１で使用した薄片状粒子からなるセンダスト粉末のみによって磁性粉末を構成した。この磁性粉末について体積固有抵抗を前記の方法で測定した結果、体積固有抵抗は０Ω・ｍであった。

次に、この磁性粉末を用いて実施例１と同様の配合量でマトリクスがＮＢＲである電波吸収体シートを作製した。この電波吸収体シートについて前記の方法で０.０５〜２０ＧＨｚの反射・透過係数（Ｓパラメーター）を測定した。図４に複素透磁率の実数部μ'と虚数部μ''測定結果の一例を示す。

本発明に従った実施例１の電波吸収体は、比較例１のものより複素透磁率μ''が大幅に向上しており、ＭＨｚ〜ＧＨｚの高周波帯域で良好な電波吸収性能を呈するものであった（図２、図３）。このμ''の向上は主として扁平化した形状（薄片状）の基材粒子を使用したことによるものである。また、実施例１の電波吸収体シートは、基材粒子表面がフェライト粒子に囲まれていることにより、良好な絶縁性を呈するものである。

比較例２の電波吸収体シートは、複素透磁率μ''が実施例１よりもさらに向上している（図２、図４）。しかし比較例２の電波吸収体シートは、磁性粉末が導電性を有することにより、絶縁性の面で劣っており、電子機器類（基板周辺）で使用する際に問題が生じてしまう。

本発明の磁性粉末を構成する複合粒子の断面構造を模式的に示した図。 実施例１の電波吸収体シートについて複素透磁率μ'およびμ''の測定結果の一例を示すグラフ。 比較例１の電波吸収体シートについて複素透磁率μ'およびμ''の測定結果の一例を示すグラフ。 比較例２の電波吸収体シートについて複素透磁率μ'およびμ''の測定結果の一例を示すグラフ。

符号の説明

１ 基材粒子
２ ソフトフェライト粒子
３ 結合材

Claims (3)

1. 粒径１００μｍ以下、アスペクト比５以上の軟磁性鉄合金粒子の表面周囲に平均粒径５μｍ以下のソフトフェライト粒子が有機質または無機質の結合材を介して付着している複合粒子で構成される粉末であって、当該粉末中には軟磁性鉄合金１００質量部に対しソフトフェライトが４０〜８０質量部の割合で含まれている磁性粉末。
2. 軟磁性鉄合金は、Ｓｉ：４〜１３質量％、Ａｌ：４〜７質量％、残部実質的にＦｅの組成、またはＳｉ：３〜７質量％、残部実質的にＦｅの組成を有するものである請求項１に記載の磁性粉末。
3. 請求項１または２に記載の磁性粉末が高分子マトリクス中に分散配合されている電波吸収体。

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