JP2017098482A - 磁性材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直流の大電流が重畳した交流電流に対しても良好な透磁率を呈する磁性材料を提供すること。【解決手段】Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト粒子に鉄粒子を混合し、４００ＭＰａの圧力下で成形した。成形したサンプルを３℃／ｍｉｎの昇温速度にて１１００℃（１１００℃で２時間保持）で焼結した。こうして得られた磁性材料の透磁率を測定した。フェライト粒子に対して鉄粒子を１重量％又は５重量％又は１０重量％混合した○又は△又は◇で示す試料は、何れも、直流重畳磁界が２００〜７０００Ａ／ｍとなる大電流の重畳時に、鉄粒子を混合しなかった□で示す試料に比べて高い透磁率を呈した。【選択図】図２

Description

本発明は、磁性材料及びその製造方法に関する。

近年、パワーエレクトロニクス機器の増加に伴って、大電流用ノイズフィルタの必要性が高まっている。そこで、フェライト粉末にシリコン粉末又はシリカ粉末又はアルミナ粉末を添加して焼結することにより、ノイズフィルタ用の磁性材料を製造することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−１４５７８１号公報

特許文献１に記載の磁性材料では、３００〜５００Ａ／ｍ以上の直流印加磁界に対して透磁率を向上させることができるとされている。ところが、当該磁性材料では、焼結後にもフェライト粉末とシリコン粉末等との間に隙間が残るため、透磁率（比透磁率）の向上には限界があった。そこで、本発明は、直流の大電流が重畳した交流電流に対しても良好な透磁率を呈する磁性材料の提供を目的としてなされた。

本願出願人は、フェライト粒子を焼結して磁性材料を製造する際に、当該フェライト粒子に金属鉄粒子（すなわち、酸化されていない鉄原子を含む金属としての鉄を含む粒子）を混合し、焼結すると、得られる磁性材料の透磁率特性が変化することを発見した。すなわち、このようにして得られた磁性材料は、１００Ａ／ｍ以上の磁界を発生するような直流の大電流が重畳した交流に対して、金属鉄粒子を混合しなかった場合に比べて高い透磁率を呈した。

このようにして製造された磁性材料が高い透磁率を呈する原因は、詳細には解明されていないが、良好な展性・延性を有する金属鉄粒子が焼結時にフェライト粒子の隙間を良好に埋めることや、鉄単体の透磁率が直流に対しては高い値を示すことが原因と考えられる。なお、前記金属鉄粒子を構成する金属鉄は、焼結工程中又は焼結後に酸化鉄に変化している可能性もある。前記酸化鉄は、ＦｅＯ、Ｆｅ₃Ｏ₄、Ｆｅ₂Ｏ₃等、何れの酸化鉄である可能性もある。

本発明の磁性材料は、フェライト粒子間に鉄又は酸化鉄が存在する焼結体によって構成されたことを特徴としている。このため、前述のような直流の大電流が重畳した信号に対して、良好な透磁率を呈する。

また、本発明の磁性材料の製造方法は、フェライト粒子及び金属鉄粒子を混合し、焼結することを特徴としている。このため、本製造方法で製造された磁性材料は、前述のような直流の大電流が重畳した信号に対して良好な透磁率を呈する。

なお、前記磁性材料又はその製造方法において、磁性材料における鉄又は酸化鉄に含まれる鉄原子の重量（すなわち、製造時に混合される金属鉄粒子の重量）は、フェライト粒子の重量の１〜１０％であることが望ましい。また、前記フェライト粒子は、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトからなることが望ましい。

実施形態の磁性材料の製造方法を模式的に表す説明図である。 その磁性材料の透磁率の直流重畳磁界に対する変化を表すグラフである。 その磁性材料の透磁率の直流重畳電流に対する変化を表すグラフである。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。
［１．磁性材料の製造方法］
本願出願人は、図１（Ａ）に示すように、平均粒径１．７５μｍのＮｉ−Ｚｎ系のフェライト粒子１に対して、平均粒径１００μｍの金属鉄粒子（以下、単に鉄粒子という）３を混合した。平均粒径の測定方法は種々存在するが、前記平均粒径は空気透過法によって測定した平均粒径である。なお、Ｎｉ−Ｚｎ系のフェライト粒子１は、（Ｎｉ_xＣｕ_yＺｎ_(1-x-y)）Ｆｅ₂Ｏ₄ の組成になるように秤量・混合し、仮焼した後に粉砕して粒径を調整したものである。

このように混合されたフェライト粒子１と鉄粒子３とを、図１（Ｂ）に示すように型５に入れ、４００ＭＰａの圧力下でプレス成形した。成形したサンプルを、大気雰囲気下で３℃／ｍｉｎの昇温速度にて１１００℃まで昇温させ、１１００℃で２時間保持して焼結した。これにより、図１（Ｃ）に示すように、フェライト粒子１と鉄粒子３とからなる磁性材料１０を得た。なお、図１では模式的に図示したが、型５は、磁性コアの形状に対応したトロイダル型等であってもよい。

［２．評価］
フェライト粒子１に対して、鉄粒子３の分量を０〜１０重量％の範囲で変化させ、バインダーとしてのＰＶＡを１重量％添加した。得られた磁性材料１０の特性を、図２，図３に示す。図２は、０．０１〜１００００Ａ／ｍの磁界（直流重畳磁界）を伴う直流を１５０ＫＨｚの交流に重畳させた場合における、磁性材料１０の透磁率の直流重畳磁界に対する変化を表している。また、図３は、コイルを１巻の電線に換算した場合の電流値（直流重畳電流）が０．０１〜１０００Ａとなる直流を１５０ＫＨｚの交流に重畳させた場合における、磁性材料１０の透磁率の直流重畳磁界に対する変化を表している。

図２，図３の何れも、実線で透磁率の実数部を示し、破線で透磁率の虚数部を示している。また、図２，図３の何れのデータも、岩通計測株式会社製Ｂ−Ｈアナライザ（ＳＹ−８２１８）を用いて測定した。図２に示すように、鉄粒子３を１％又は５％又は１０％混合した○又は△又は◇で示す試料は、何れも、直流重畳磁界が２００〜７０００Ａ／ｍとなる大電流の重畳時に、鉄粒子３を混合しなかった□で示す試料に比べて高い透磁率を呈した。また、図３に示すように、鉄粒子３を１％又は５％又は１０％混合した○又は△又は◇で示す試料は、何れも、直流重畳電流が１０〜３００Ａとなる大電流の重畳時に、鉄粒子３を混合しなかった□で示す試料に比べて高い透磁率を呈した。なお、前記範囲において、○又は△又は◇で示す試料の透磁率は、実数部，虚数部の双方が□で示す試料に比べて高い値を呈した。このような透磁率の特性は、交流周波数が１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲で同様に表れるものと推測される。

この原因は詳細には解明されていないが、良好な展性・延性を有する鉄粒子３が焼結時にフェライト粒子１の隙間を図１（Ｃ）に示すように良好に埋めること（完全に埋めなくてもよい）や、鉄単体の透磁率が、直流に対しては５０００という高い値を示すことが原因と考えられる。また、鉄の飽和磁束密度は、２．２Ｔと、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトの０．４Ｔに比べて高い値を示すので、直流によって発生される磁界はフェライトよりも鉄の方に流れやすい。このため、フェライト粒子１の隙間に潰れて充填された鉄粒子３が直流電流に係る磁気シールドとして機能し、フェライト粒子１が高周波ノイズフィルタとしての機能を良好に発揮できることも考えられる。更に、フェライト粒子１の間に鉄粒子３が潰れて充填されることにより、フェライト粒子１の間で磁束の不連続性が生じやすくなる。これらの原因により、鉄粒子３をフェライト粒子１に混合して焼結した場合、透磁率の高い磁性材料１０が得られるものと推測される。

従って、このようにして製造された磁性材料１０を用いてノイズフィルタを製造すれば、パワーエレクトロニクス機器等における直流の大電流が重畳する電線に対しても、良好に高周波ノイズを除去することができる。なお、鉄粒子３を構成する金属鉄は、焼結工程中又は焼結後に酸化鉄に変化している可能性もある。当該酸化鉄は、ＦｅＯ、Ｆｅ₃Ｏ₄、Ｆｅ₂Ｏ₃等、何れの酸化鉄である可能性もある。また、本実施形態では、フェライト粒子１の結晶格子に鉄粒子３を構成していた鉄原子が入り込んだわけではないと推測される。

［３．他の実施形態］
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。例えば、フェライト粒子１としては種々のフェライト粒子１を使用することができ、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト粒子が使用されてもよく、平均粒径も１〜１００μｍの範囲で変化させることができる。鉄粒子３の平均粒径は、１〜１００μｍの範囲で変化させることができ、金属鉄粒子の形状としては、鱗片状，平板状等の各種形状のものが使用できる。

１…フェライト粒子 ３…鉄粒子 １０…磁性材料

Claims (6)

1. フェライト粒子間に鉄又は酸化鉄が存在する焼結体によって構成されたことを特徴とする磁性材料。
2. 前記鉄又は酸化鉄は、当該鉄又は酸化鉄に含まれる鉄原子の重量が前記フェライト粒子の重量の１〜１０％となる分量で存在することを特徴とする請求項１に記載の磁性材料。
3. 前記フェライト粒子は、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性材料。
4. フェライト粒子及び金属鉄粒子を混合し、焼結することを特徴とする磁性材料の製造方法。
5. 前記金属鉄粒子を、前記フェライト粒子に対して１〜１０重量％混合して、焼結することを特徴とする請求項４に記載の磁性材料の製造方法。
6. 前記フェライト粒子は、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトからなることを特徴とする請求項４又は５に記載の磁性材料の製造方法。