JP2009283774A - 軟磁性粉末 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波特性に優れた圧粉磁心を製造することができる軟磁性材料を提供する。
【解決手段】軟磁性金属粒子と、軟磁性金属粒子の外周を実質的に覆う金属酸化膜と、金属酸化膜の外周を実質的に覆うシリコーン被膜とを備える軟磁性材料とする。この軟磁性材料は、複数の絶縁膜（金属酸化膜とシリコーン樹脂被膜）を備えるので、圧粉磁心としたときに、軟磁性金属粒子間の接触を効果的に防止することができる。その結果、圧粉磁心の渦電流損が増加することを防止できる。また、これらシリコーン被膜と金属酸化膜は、耐熱性に優れるため、歪みとりのための熱処理を高温にできるので、圧粉磁心のヒステリシス損が増加することを防止できる。このような軟磁性材料であれば、高周波特性に優れた圧粉磁心を製造することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えば、リアクトルのコアなどに使用される圧粉磁心の材料である軟磁性材料に関するものである。

ハイブリッド自動車などは、モータへの電力供給系統に昇圧回路を備えている。この昇圧回路の一部品として、リアクトルが利用されている。リアクトルは、コアにコイルを巻回した構成である。このようなリアクトルを交流磁場で使用した場合、コアに鉄損と呼ばれるエネルギー損失が生じる。鉄損は、概ね、ヒステリシス損と渦電流損との和で表され、特に、高周波での使用において顕著になる。

上記鉄損を低減するために、リアクトルのコアとして圧粉磁心を用いることがある（例えば、特許文献１〜３を参照）。圧粉磁心は、軟磁性金属粒子の表面に絶縁膜を形成した複合磁性粒子からなる軟磁性材料を加圧成形して得られるので、渦電流損が少ないコアとして使用できる。また、この圧粉磁心は、加圧成形時に軟磁性金属粒子に導入され、ヒステリシス損を増加させる要因となる歪みや転移を除去するため、加圧成形後に熱処理を経て作製されている。

特開平８−２３６３３２号公報 特表２０００−５０４７８５号公報 特開２００６−２０２９５６号公報

しかし、近年では、圧粉磁心の高周波特性を改善することが望まれており、従来の絶縁膜を備える軟磁性材料では、その要請に応えることが難しい。

例えば、特許文献１の技術のように絶縁膜をガラス状絶縁体から構成すると、加圧成形時の圧力により絶縁膜が損傷する虞がある。その結果、圧粉磁心における軟磁性金属粒子同士が接触して渦電流損の増大を招き、圧粉磁心の高周波特性が低下する。

また、特許文献２の技術のようなリン酸塩からなる絶縁膜は、耐熱性が低いため、加圧成形後の熱処理温度を高くすることができない。熱処理温度が十分でないと、金属粒子に導入された歪みなどを十分に除去することができず、その結果、ヒステリシス損の増大を招き、圧粉磁心の高周波特性が低下する。

その他、特許文献３のように、複数の被膜を形成することも提案されているが、そのような軟磁性材料であっても、圧粉磁心の高周波特性がなお十分とは言い難い。

そこで、本発明の目的の一つは、高周波特性に優れた圧粉磁心を製造することができる軟磁性材料を提供することにある。

本発明軟磁性材料は、圧粉磁心の製造に用いられる軟磁性材料であって、軟磁性金属粒子と、軟磁性金属粒子の外周を実質的に覆う金属酸化膜と、金属酸化膜の外周を実質的に覆うシリコーン被膜とを備える。

本発明軟磁性材料は、複数の絶縁膜（金属酸化膜とシリコーン樹脂被膜）を備えるので、圧粉磁心としたときに、軟磁性金属粒子間の接触を効果的に防止することができる。その結果、圧粉磁心の渦電流損が増加することを防止できる。また、これらシリコーン被膜と金属酸化膜は、耐熱性に優れるため、歪みとりのための熱処理を高温にできるので、圧粉磁心のヒステリシス損が増加することを防止できる。このように、本発明軟磁性材料によれば、高周波特性に優れた圧粉磁心を製造することができる。

以下に、本発明軟磁性材料を製造するための方法を説明すると共に、製造方法の各工程で、本発明軟磁性材料の構成要素について詳述する。

＜軟磁性材料の製造方法＞
まず、本発明の軟磁性材料の製造方法は、以下の工程を備えるようにすると良い。なお、後段で詳述するが、以下に示す工程（Ｄ）は省略することもできる。
（Ａ） 軟磁性金属粒子を含む材料粉末を用意する工程。
（Ｂ） 金属アルコキシオリゴマーに安定化剤を添加して金属ゾルを作製する工程。
（Ｃ） 前記材料粉末と金属ゾルとを混合し、軟磁性金属粒子の外周を実質的に覆うゾル被膜を形成する工程。
（Ｄ） ゾル被膜を乾燥処理し、金属酸化膜を形成する工程。
（Ｅ） 加水分解・縮重合反応によりシリコーン樹脂となる樹脂材料を用意する工程。
（Ｆ） 金属酸化膜もしくはゾル被膜を有する複合磁性粒子と樹脂材料とを加熱雰囲気で混合し、金属酸化膜の表面にシリコーン樹脂被膜を形成した軟磁性材料とする工程。

≪工程Ａ：材料粉末の用意≫
用意する材料粉末は、軟磁性金属粒子の集合体であっても良いし、金属粒子の表面に絶縁被膜を有する複合磁性粒子の集合体であっても良い。

軟磁性金属粒子の平均粒径は、１μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましい。軟磁性金属粒子の平均粒径を１μｍ以上とすることによって、軟磁性材料の流動性を落とすことがなく、軟磁性材料を用いて製作された圧粉磁心の保磁力およびヒステリシス損の増加を抑制できる。逆に、軟磁性金属粒子の平均粒径を５００μｍ以下とすることによって、１ｋＨｚ以上の高周波域において発生する渦電流損を効果的に低減できる。より好ましい軟磁性金属粒子の平均粒径は、５０μｍ以上７０μｍ以下である。この平均粒径の下限が５０μｍ以上であれば、渦電流損の低減効果が得られると共に、軟磁性材料の取り扱いが容易になり、より高い密度の成形体とすることができる。なお、この平均粒径とは、粒径のヒストグラム中、粒径の小さい粒子からの質量の和が総質量の５０％に達する粒子の粒径、つまり５０％粒径をいう。

また、軟磁性金属粒子は、そのアスペクト比が１．５〜１．８となるような形状とすると良い。上記範囲のアスペクト比を有する軟磁性金属粒子は、アスペクト比が小さな（１．０に近い）ものに比べて、圧粉磁心にしたときに反磁界係数を大きくでき、高周波特性に優れた圧粉磁心とすることができる。また、圧粉磁心の強度を向上させることができる。

軟磁性金属粒子はその表面に絶縁被膜を備えていても良い。軟磁性金属粒子の表面に絶縁被膜を備える複合磁性粒子とすることで、絶縁膜の総数が多くなるので、金属粒子間の絶縁をより確実にすることができる。

絶縁被膜としては、例えば、リン酸塩やチタン酸塩などを好適に利用できる。特に、リン酸塩からなる絶縁被膜は変形性に優れるので、軟磁性材料を加圧して圧粉磁心を作製する際に軟磁性金属粒子が変形しても、この変形に追従して変形することができる。また、リン酸塩被膜は鉄系の軟磁性金属粒子に対する密着性が高く、後述する金属酸化膜との密着性も高いので、金属粒子から絶縁膜が脱落し難い。リン酸塩としては、リン酸鉄やリン酸マンガン、リン酸亜鉛、リン酸カルシウムなどのリン酸金属塩化合物を利用することができる。

絶縁被膜は、特に、水和水を含むことが好ましい。絶縁被膜に水和水を含有させると、後述するゾル被膜が金属酸化膜になる反応が促進される。絶縁被膜に水和水を含有させる効果については、主に、材料粉末と金属ゾルとの混合工程（工程Ｃ）の説明の際に詳述する。なお、水和水を含む絶縁被膜は、水和水を含む原料を用いて形成すればよい。

絶縁被膜の厚みは、１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。絶縁被膜の厚みを１０ｎｍ以上とすることによって、金属粒子同士の接触の抑制や渦電流によるエネルギー損失を効果的に抑制することができる。また、絶縁被膜の厚みを１μｍ以下とすることによって、複合磁性粒子に占める絶縁被膜の割合が大きくなりすぎず、複合磁性粒子の磁束密度が著しく低下することを防止できる。

上記絶縁被膜の厚さは、以下のようにして調べることができる。まず、組成分析(ＴＥＭ−ＥＤＸ：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ)によって得られる膜組成と、誘導結合プラズマ質量分析(ＩＣＰ−ＭＳ：ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ−ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ)によって得られる元素量とを鑑みて相当厚さを導出する。そして、ＴＥＭ写真により直接、被膜を観察し、先に導出された相当厚さのオーダーが適正な値であることを確認して決定される平均的な厚さとする。なお、この定義は、後述する金属酸化膜およびシリコーン樹脂被膜の厚さにも適用できる。

≪工程Ｂ：金属ゾルの作製≫
用意する金属アルコキシオリゴマーとしては、加水分解・縮重合反応により金属酸化物となるものであれば特に限定されない。代表的には、Ｍ_ｍ（ＯＲ）_ｎ（ｍ、ｎは自然数）で表される化合物を利用することができる。Ｍは、金属であって、例えば、ＡｌやＴｉ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｚｎなどから選択される少なくとも１種とすることができる。また、ＯＲは、加水分解基であるアルコキシ基であって、例えば、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロポキシ、ブトキシ、ｓｅｃ−ブトキシ、ｔｅｒｔ−ブトキシを挙げることができる。特に、加水分解後の反応生成物を除去する手間を考慮すると、加水分解基はメトキシが良い。

金属アルコキシオリゴマーは、加水分解・縮重合することで金属酸化物となる。しかし、金属アルコキシオリゴマーは、一般的に非常に反応性が高く、金属酸化物となり易い。そこで、金属アルコキシオリゴマーの加水分解・縮重合反応を抑制する安定化剤を上記オリゴマーに添加する。

安定化剤は、金属アルコキシオリゴマーの溶剤として働き、同オリゴマーを含むゾル（金属ゾル）を形成すると共に、オリゴマーの加水分解・縮重合の反応速度を抑えて、オリゴマーの凝集を抑制する。安定化剤としては、β−ジケトン（例：アセチルアセトンＣＨ_３ＣＯＣＨ_２ＣＯＣＨ_３）、アルカノールアミン（例：エタノールアミンＨ_２ＮＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ）、グリコール（エチレングリコールＨＯＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ）、エステル（例：酢酸ブチルＣＨ_３ＣＯＯ（ＣＨ_２）_３ＣＨ_３）、あるいは、有機酸（例：蟻酸ナトリウムＮａＨＣＯ_２）などを挙げることができる。

金属アルコキシオリゴマーと安定化剤との混合割合は、両者に何を使用するかによって好適な値が異なるが、モル比で、概ね以下のような配合割合とすると良い。
オリゴマー：安定化剤＝１：０．５〜０．８（好ましくは、１：０．７〜０．８）

なお、工程Ｂは、工程Ａの前に行ってもかまわない。

≪工程Ｃ：材料粉末と金属ゾルの混合≫
材料粉末と金属ゾルとを混合することにより、材料粉末を構成する金属粒子間に金属ゾルが配置された状態になる。そして、混合を継続する過程で金属ゾルにおける金属アルコキシオリゴマーの加水分解・縮重合反応が進行し、粒子表面にゾル被膜が形成される。ゾル被膜は、まだ安定化剤が含まれた状態にあるが、膜としての形態を保てる程度に流動性が抑えられている被膜であり、未反応のオリゴマーを含有することも許容する。なお、金属アルコシキオリゴマーに安定化剤を添加しなかった場合、オリゴマーが凝集を起こして、金属粒子の極限られた立体角の範囲にゾル被膜が偏って配置されることになる。

この混合工程は、加熱雰囲気（１００〜１５０℃程度）で実施しても良い。加熱雰囲気で混合することにより、ゾル被膜の形成を促進することができる。また、材料粉末が、水和水を含む絶縁被膜を有するものであれば、加熱雰囲気を８０〜１５０℃とすることもできる。加熱雰囲気であれば、絶縁被膜に含まれる水和水が離脱して、金属アルコキシオリゴマーの加水分解・縮重合反応を促進することができる。水和水の離脱は、約８０℃程度から始まり、高温になるほど離脱の速度が上がるし、樹脂材料の加水分解・縮重合反応も促進する。そのため、加熱雰囲気は１００〜１５０℃とすることが好ましい。高温にすると、加水分解・縮重合時に生成する有機物、例えば、加水分解基がメトキシであればメタノールを容易に除去することができる。

絶縁被膜に水和水が含まれている場合、金属ゾルのゾル被膜化を促進する水分子の発生源が、ゾル被膜の形成箇所である絶縁被覆表面となるので、厚さの均一なゾル被膜を形成することができる。また、水分子の発生源が金属ゾルの近傍に存在することになるので、非常に短時間でゾル被膜を形成することができるし、数１０ｋｇオーダーの大バッチでの混合を行うこともできる。

材料粉末と金属ゾルとを配合する割合は、作製する圧粉磁心に要求される特性を満たすような金属酸化膜の厚さとなるように適宜選択することができる。金属酸化膜の厚さは、磁束密度が低下し過ぎることなく、軟磁性金属粒子間の絶縁を確保することができるように、１０ｎｍ〜０．２μｍの範囲とすることが好ましい。

以上のようにして作製された軟磁性材料は、軟磁性金属粒子と、この金属粒子の外周を実質的に覆う金属アルコキシオリゴマーのゾル被膜を備える。金属粒子の外周を実質的に覆うとは、限られた立体角の範囲にだけゾル被膜が偏って形成されているのではなく、金属粒子の外周に分散してゾル被膜が存在することを意味する。また、ゾル被膜の膜厚は、全周にわたって均等に近いほど好ましい。

≪工程Ｄ：乾燥処理≫
ゾル被膜を備える複合磁性粒子に熱を加えて、ゾル被膜を金属酸化膜とする場合は、この工程Ｄの乾燥処理を行う。乾燥処理を行うと、ゾル被膜に含まれる安定化剤が蒸発し、実質的に金属酸化物からなる被膜（金属酸化膜）を備える複合磁性粒子となる。金属粒子とゾル被膜との間に絶縁被覆を有する複合磁性粒子を乾燥処理すれば、金属粒子と金属酸化物との間に絶縁被覆を備える複合磁性粒子とすることができる。

熱処理の条件は、金属ゾル中に含まれている安定化剤の種類や濃度にもよるが、概ね３５０〜５５０℃×１０〜６０分程度である。

ゾル被膜を乾燥処理により金属酸化膜とすると、微細な結晶粒からなる金属酸化膜となるので、後述する圧粉磁心の製造の際に軟磁性材料を加圧成形しても、金属酸化膜に損傷が生じ難い。例えば、気相法により形成した金属酸化膜は、結晶粒が粗大になるし、成膜の時点で膜に応力が付与されるので変形性に乏しい。

一方、ゾル被膜の状態のままで複合磁性粒子にシリコーン樹脂被膜を形成する場合は、この工程Ｄの乾燥処理を省略することができる。この場合、ゾル被膜に含まれるオリゴマーの加水分解反応を促進させるために、水和水を含有する絶縁被覆がゾル被膜の下にあることが好ましい。

≪工程Ｅ：樹脂材料の用意≫
用意する樹脂材料としては、加水分解・縮重合反応によりシリコーン樹脂となるものであれば特に限定されない。代表的には、Ｓｉ_ｍ（ＯＲ）_ｎ（ｍ、ｎは自然数）で表される化合物を利用することができる。ＯＲは、加水分解基であり、例えば、アルコキシ基やアセトキシ基、ハロゲン基、イソシアネート基、ヒドロキシル基などを挙げることができる。特に、分子末端がアルコキシシリル基（≡Ｓｉ―ＯＲ）で封鎖されたアルコキシオリゴマーを好適に利用可能である。アルコキシ基としては、例えば、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロポキシ、ブトキシ、ｓｅｃ−ブトキシ、ｔｅｒｔ−ブトキシを挙げることができる。特に、加水分解後の反応生成物を除去する手間を考慮すると、加水分解基はメトキシが良い。これら樹脂材料は、単独で用いても、組み合わせて用いてもかまわない。なお、加水分解基を有する樹脂材料の存在下、シラノール基を有する樹脂を混合すると、架橋反応を促進することができる。

樹脂材料が加水分解・縮重合して形成されるシリコーン樹脂被膜は、変形性に優れるので、軟磁性材料を加圧する際に割れや亀裂が生じ難く、絶縁被膜の表面から剥離することも殆どない。しかも、シリコーン樹脂被膜は、耐熱性に優れるので、軟磁性材料を加圧成形した後の熱処理温度を高温にしても、優れた絶縁性を維持することができる。

なお、工程Ｅは、次段の工程Ｆ以前であればどのタイミングで行ってもかまわない。

≪工程Ｆ：複合磁性粒子と樹脂材料の混合≫
金属酸化膜もしくはゾル被膜を有する複合磁性粒子と樹脂材料の混合は、１００〜１５０℃の加熱雰囲気で行う。混合により、複合磁性粒子の表面に樹脂材料がまぶされた状態になる。このとき、加熱雰囲気のために、雰囲気中に含まれる水分子が、樹脂材料の加水分解を促進する。加熱雰囲気を高くすると、加水分解・縮重合反応が促進されるし、同反応時に生成する有機物、例えば、加水分解基がメトキシであればメタノールを容易に除去することもできる。

ここで、工程Ｄの乾燥処理を行わずにゾル被膜の上に樹脂材料がまぶされた状態となると、加熱雰囲気によりゾル被膜が加水分解され金属酸化膜になる。また、ゾル被膜のオリゴマーが加水分解されるときに生じるオリゴマーの分子末端（−ＯＨ）と樹脂材料とが反応して樹脂材料の硬化（シリコーン樹脂被膜化）が促進される。つまり、ゾル被膜が金属酸化膜になる反応と、樹脂材料がシリコーン樹脂被膜になる反応とが同時進行するので、本工程Ｆの温度が工程Ｄの乾燥処理よりも低い温度であるにもかかわらず、ゾル被膜が金属酸化膜になり易い（この時点では未反応のオリゴマーを含むことも許容する）。特に、水和水を含有する絶縁被覆がある場合、加熱雰囲気の温度を８０℃からに設定することができる。

材料粉末と樹脂材料とを配合する割合は、作製する圧粉磁心に要求される特性を満たすように適宜選択することができる。特に、直流重畳特性の向上を目的とするのであれば、混合する際の樹脂材料の割合、つまり、材料粉末と樹脂材料とを合計したもののうち、樹脂材料の占める割合を０．５〜２．５質量％とすることが好ましい。樹脂材料の占める割合が０．５〜２．５質量％の範囲であれば、複合磁性粒子の表面全体を実質的にシリコーン樹脂被膜で覆うことができるので、軟磁性金属粒子間の絶縁性を高めることができる。また、形成されるシリコーン樹脂被膜の厚さを従来よりも厚くできるので、後述する圧粉磁心の製造の際に、加圧成形後の熱処理温度を高くすることができる。

混合により形成されるシリコーン樹脂被膜の厚さは、１０ｎｍ〜０．２μｍとすることが好ましい。この範囲の厚さのシリコーン樹脂被膜であれば、磁束密度が低下し過ぎることなく、軟磁性金属粒子間の絶縁を確保することができる。

混合工程におけるシリコーン樹脂被膜の形成を促進する手段として、触媒を添加しても良い。触媒としては、蟻酸、マレイン酸、フマル酸、酢酸などの有機酸や、塩酸、リン酸、硝酸、ほう酸、硫酸などの無機酸などを用いることができる。触媒の添加量は、多すぎると樹脂材料のゲル化を招くので、適切な量を選択すると良い。

また、材料粉末と樹脂材料とを混合した後、熱処理することで得られる従来の軟磁性材料と、混合と熱処理を同時に行うことで得られる本発明の軟磁性材料とを比較すると、混合時の樹脂材料の配合割合が同じであっても、本発明の軟磁性材料の方が、圧粉磁心にしたときに磁気特性に優れることが、本発明者らの検討により明らかになった。

＜圧粉磁心の製造方法＞
以上のようにして作製された軟磁性材料を使用して圧粉磁心を製造するには、以下の工程を実施すると良い。

≪加圧成形≫
加圧成形工程は、代表的には、所定の形状の成形金型内に軟磁性材料を注入し、圧力をかけて押し固めることで行うことができる。このときの圧力は、適宜選択することができるが、例えば、リアクトルのコアとなる圧粉磁心を製造するのであれば、約９００〜１３００ＭＰａ（好ましくは、９６０〜１２８０ＭＰａ）程度とすることが好ましい。ここで、本発明軟磁性材料は、金属酸化膜とシリコーン樹脂被膜の絶縁膜を備えるので、加圧成形を行っても、絶縁膜が損傷を抑制することができる。そのため、軟磁性材料の軟磁性金属粒子間の絶縁を確保することができるので、圧粉磁心の渦電流損を低減することができる。

≪熱処理≫
熱処理は、加圧成形時に軟磁性金属粒子に導入された歪みを除去するために行う。熱処理温度が高いほど、歪みの除去を十分に行うことができることから、熱処理温度は、４００℃以上、特に５５０℃以上、さらに６５０℃以上が好ましい。金属粒子の歪みなどを除去する観点から、熱処理の上限は約８００℃程度とする。このような熱処理温度であれば、歪みの除去と共に、加圧時に金属粒子に導入される転移などの格子欠陥も除去できる。熱処理温度を高くすることができるのは、本発明軟磁性材料が、比較的耐熱性の高い金属酸化膜とシリコーン樹脂被膜を絶縁膜として有するからである。熱処理温度が高いということは、軟磁性金属粒子に導入された歪みや転移を十分に除去することができるということであるので、圧粉磁心のヒステリシス損を効果的に低減することができる。なお、工程Ｄを経ずにゾル被膜の上にシリコーン樹脂被膜を形成した場合、この熱処理により、未反応のオリゴマーはほぼ完全に金属酸化物になる。

本発明軟磁性材料は、圧粉磁心とする際の加圧成形でも、加圧成形後の熱処理でも損傷し難い複数の絶縁膜（金属酸化膜とシリコーン樹脂被膜）を備えるので、高周波特性に優れた圧粉磁心を製造することができる。

以下の工程（Ａ）〜（Ｅ）により、軟磁性金属粒子の表面に絶縁被覆、金属酸化膜およびシリコーン樹脂被膜を備える軟磁性材料を原料とする圧粉磁心（試作材）を作製した。また、軟磁性金属粒子の表面に絶縁被膜およびシリコーン樹脂被膜を備える軟磁性材料を原料として圧粉磁心（比較材）を作製した。そして、両者の圧粉磁心としての性能を比較した。性能の評価は、圧粉磁心の比抵抗を測定することで、圧粉磁心中に含まれる軟磁性金属粒子間の絶縁が保持されているかで判断する。

＜試作材の作製＞
（Ａ） 軟磁性金属粒子を含む材料粉末を用意する工程。
（Ｂ） 金属アルコキシオリゴマーに安定化剤を添加して金属ゾルを作製する工程。
（Ｃ） 前記材料粉末と金属ゾルとを混合し、軟磁性金属粒子の外周を実質的に覆うゾル被膜を形成する工程。
（Ｄ） ゾル被膜を乾燥処理し、金属酸化膜を形成する工程。
（Ｅ） 加水分解・縮重合反応によりシリコーン樹脂となる樹脂材料を用意する工程。
（Ｆ） 金属酸化膜を有する複合磁性粒子と樹脂材料とを加熱雰囲気で混合し、金属酸化膜の表面にシリコーン樹脂被膜を形成する工程。
（Ｇ） 軟磁性粉末を加圧成形する工程。
（Ｈ） 加圧成形体を熱処理する工程。

≪工程Ａ≫
水アトマイズ法により作製された、純度が９９．８％以上である異形状（平均粒径が５０μｍ、アスペクト比は１．５１）の鉄粉を軟磁性金属粒子として用意した。そして、この金属粒子の表面にリン酸塩化成処理を施して、リン酸鉄からなる絶縁被膜を形成した材料粉末を作製した。絶縁被膜は、軟磁性金属粒子の表面全体を実質的に覆い、その平均厚さは、５０ｎｍであった。また、絶縁被膜に含有される水和水を昇温脱離ガス分析により測定したところ、質量％で７．７８であった。

≪工程Ｂ≫
加水分解・縮重合反応により金属酸化物となる金属アルコキシオリゴマーとして、アルミニウム−ｓｅｃ−ブトキシド（関東化学株式会社製）を用意した。出来上がる金属酸化膜はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）である。

また、金属アルコキシオリゴマーの加水分解・縮重合反応を抑制する安定化剤として、酢酸ブチル（ＣＨ_３ＣＯＯＣ_４Ｈ_９：和光純薬株式会社製）を用意した。

上記オリゴマーと酢酸ブチルとを、相対湿度３０％以下のグローブボックス中にて室温で３時間撹拌し、金属ゾルを作製した。オリゴマーと酢酸ブチルの混合割合は、モル比で、１（オリゴマー）：０．８（酢酸ブチル）であった。なお、工程Ａと工程Ｂは順番を入れ換えることができる。

≪工程Ｃ≫
工程Ａで用意した材料粉末と、工程Ｂで用意した金属ゾルとをミキサー内に投入し、１５０℃の加熱雰囲気で１０分間混合した。ミキサーに投入された材料に占める金属ゾルの割合は０．３質量％であった。また、ミキサーの回転数は、３００ｒｐｍであった。

この工程Ｃにより複合磁性粒子の表面にゾル被膜がコートされた軟磁性材料を得た。ここで、軟磁性金属粒子の表面に形成されるリン酸塩被膜が水和水を含まない場合、金属ゾル中に含まれる金属アルコキシオリゴマーの加水分解に消費される水分子は、混合時の雰囲気に由来することになる。従って、金属ゾルがゾル被膜としてリン酸塩被膜の表面に定着するまでの時間が長くなる、即ち、混合時間が長くなることが予想される。

≪工程Ｄ≫
工程Ｃで得られた粉末を大気中、３００℃で１時間、乾燥処理することで、ゾル被膜をＡｌ_２Ｏ_３膜とした。乾燥処理された粉末を走査型電子顕微鏡で調べたところ、金属粒子の表面が絶縁被覆で覆われ、さらに絶縁被覆の外周がほぼ均等な厚さのＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われていることが明らかになった。形成されるＡｌ_２Ｏ_３膜の平均厚さは、１００ｎｍであった。

≪工程Ｅ≫
加水分解・縮重合反応によりシリコーン樹脂となる樹脂材料として、ＧＥ東芝シリコーン株式会社製のＴＳＲ１１６と、同社製のＸＣ９６−Ｂ０４４６とを用意した。これらは、分子末端がアルコキシシリル基（≡Ｓｉ−Ｒ）で封鎖されたアルコキシレジンタイプのシリコーンオリゴマーであって、加水分解基（−Ｒ）がメトキシである。なお、工程Ａと工程Ｂは順番を入れ換えることができる。

≪工程Ｆ≫
工程Ａで用意した材料粉末と、工程Ｂで用意した樹脂材料（ＴＳＲ１１６、ＸＣ９６−Ｂ０４４６）とをミキサー内に投入し、１５０℃の加熱雰囲気で１０分間混合し、軟磁性材料を得た。ミキサーに投入された材料のうち、ＴＳＲ１１６の割合は０．７５質量％、ＸＣ９６−Ｂ０４４６の割合は０．５質量％であった。また、ミキサーの回転数は、３００ｒｐｍであった。

この工程Ｆにより複合磁性粒子の表面にシリコーン樹脂被膜がコートされた軟磁性材料を得た。複合磁性粒子の表面に形成されるシリコーン樹脂被膜の平均厚さは、１００ｎｍであった。

≪工程Ｇ≫
工程Ｆで得られた軟磁性材料を所定の形状の金型内に注入し、９６０ＭＰａの圧力をかけて加圧成形することで、同じ形状の５つの試験片を得た。各試験片は、外形３４ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚み５ｍｍのリング状である。

≪工程Ｈ≫
工程Ｇで得られた５つの試験片を、それぞれ窒素雰囲気下で４００℃、５００℃、５５０℃、５７５℃、または６００℃の温度で１時間、熱処理した。熱処理を終えた試験片が、いわゆる圧粉磁心である。

＜比較材の作製＞
比較材は、工程Ｂ〜Ｄを省略し、リン酸塩被膜とシリコーン樹脂被膜との間に金属酸化膜を形成しなかった点が、試作材と相違する。

＜評価＞
上述のようにして作製した試作材と比較材のリング状の試験片を用いて、四端子法により電気抵抗（Ω）を測定し、比抵抗（μΩｍ）を算出した。その結果を図１に示す。

≪評価結果≫
図１の結果から、試作材および比較材の比抵抗は、歪みとりのための熱処理温度が低い場合（４００〜５７５℃）、ほとんど同じであることが判る。しかし、低温での熱処理では、加圧成形時に金属粒子に導入される歪みを十分に取り除くことができず、ヒステリシス損によるエネルギー損失が大きい。

また、図１から、歪みとりのための熱処理温度が高温になると（５７５℃を超える温度）、比較材の比抵抗が急激に低下するのに対して、試作材の比抵抗は低下が緩やかであることが判る。比較材の比抵抗が低下した原因は、高温の熱処理によりリン酸塩被膜が損傷し、圧粉磁心中の軟磁性金属粒子間の絶縁性が低下したためと推察される。一方で、試作材は、耐熱性の高いＡｌ_２Ｏ_３膜とシリコーン樹脂被膜がリン酸塩被膜の外周面全体を覆っているので、圧粉磁心中の軟磁性金属粒子同士の絶縁が維持されていると推察される。

なお、本発明の実施形態は、上述したものに限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、軟磁性金属粒子の表面にリン酸塩被膜を形成しなかった場合でも、実施形態の試作材に匹敵する比抵抗を有する圧粉磁心を製造できることが期待される。

本発明の軟磁性材料の製造方法により製造された軟磁性材料は、高周波特性に優れた圧粉磁心の作製に好適に利用可能である。

実施形態で作製した試験片について、加圧成形後の熱処理温度と比抵抗の関係を示すグラフであって、横軸は熱処理温度（℃）、縦軸は比抵抗（μΩｍ）である。

Claims (3)

1. 圧粉磁心の製造に用いられる軟磁性材料であって、
   軟磁性金属粒子と、
   軟磁性金属粒子の外周を実質的に覆う金属酸化膜と、
   金属酸化膜の外周を実質的に覆うシリコーン被膜とを備えることを特徴とする軟磁性材料。
2. 前記軟磁性金属粒子と金属酸化膜との間に絶縁被膜を備えることを特徴とする請求項１に記載の軟磁性材料。
3. 前記軟磁性金属粒子の平均粒径は、１μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の軟磁性材料。

Images