JP2018152559A - 圧粉磁心 - Google Patents

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Abstract

【課題】直流重畳特性に優れた圧粉磁心を提供する。【解決手段】金属磁性材料11および樹脂12を含む。金属磁性材料11の表面に接し、金属磁性材料を被覆している絶縁膜13が存在する。絶縁膜13は第1膜13aおよび第2膜13bを有する。金属磁性材料11の表面に接している膜を第1膜13a、第1膜の表面に接している膜を第2膜13bとする場合において、第1膜13aの密度が第2膜13bの密度よりも高い。【選択図】図2

Description

本発明は、圧粉磁心に関する。
近年、インダクタ、チョークコイル、トランス等といったコイル部品やモータなどの小型化が求められていることから、フェライトと比較して飽和磁束密度が大きく、直流重畳特性が高磁界まで保たれる金属磁性材料が広く用いられるようになっている。ここで、金属磁性材料を所望の形状に保形するためには、圧力成形が必要となる。しかし、圧力成形を行うと、金属磁性材料間の距離にバラツキが生じ、一部の金属磁性材料同士が過度に近接してしまう。その結果、磁気印加時に磁気飽和が容易に起こってしまい、直流重畳特性が相対的に低下してしまう。
したがって、一部の金属磁性材料同士が過度に近接することを防止するための様々な方法が検討されてきた。
特許文献1には、金属磁性材料を無機物コート(リン酸塩)で被覆した例が記載されている。しかし、リン酸塩は靱性が低く、成形圧力を増加させた場合にコーティング膜が破損してしまう場合がある。
特許文献2には、金属磁性材料表面に樹脂をコーティングした例が記載されている。しかし、樹脂は軟化性を有しているため、成形後の熱処理時に樹脂が流動してしまい、金属磁性材料同士が過度に近接してしまう場合がある。
特許文献3には、金属磁性材料同士の距離を大きくするため、スペーシング材としてMgO粒子を含有させた例が記載させている。しかし、MgO粒子は非常に細かく、かつ凝集性が高い。そのため、圧粉磁心中に均一に分散させることが困難である。MgO粒子が均一に分散しない場合には、MgO粒子の少ない箇所で金属磁性材料同士が過度に近接してしまう場合がある。
特開2009−120915号公報 特許第5190331号公報 特許第3624681号公報
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、直流重畳特性に優れた圧粉磁心を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係る圧粉磁心は、
金属磁性材料および樹脂を含み、
前記金属磁性材料の表面に接し、前記金属磁性材料を被覆している絶縁膜が存在し、
前記絶縁膜は第1膜および第2膜を有し、前記金属磁性材料の表面に接している膜を前記第1膜、前記第1膜の表面に接している膜を前記第2膜とする場合において、
前記第1膜の密度が前記第2膜の密度よりも高いことを特徴とする。
本発明に係る圧粉磁心は、上記の特徴を有することで、直流重畳特性に優れた圧粉磁心となる。
前記第1膜および前記第2膜がいずれもSi−O系の酸化物からなることが好ましい。
前記第1膜と前記第2膜とがTEM観察にて互いに異なるコントラストを有していてもよい。
前記第1膜および前記第2膜についてTEM−EDS分析を行う場合において、第1膜のSi検出強度をI、第2膜のSi検出強度をIとした場合に、1.25<I/I<10.0を満たす。
さらに、前記第1膜の厚みをD、前記第2膜の厚みをDとする場合において、
0.075<D/D<10.0を満たすことが好ましい。
前記金属磁性材料が、Feを主成分として含んでもよい。
前記金属磁性材料が、FeおよびSiを主成分として含んでもよい。
本発明の一実施形態に係る圧粉磁心の断面の模式図である。 図1に示す圧粉磁心を構成する金属磁性材料の表面近傍の模式図である。 金属磁性材料の表面近傍をTEM観察して得られるTEM像である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本実施形態に係る圧粉磁心1は図1に示すように、金属磁性材料11および樹脂12を含む。さらに、金属磁性材料11の表面11aに接し、金属磁性材料11を被覆している絶縁膜13を含む。
金属磁性材料11の成分には特に制限はないが、金属磁性材料11がFeを主成分として含むことが、飽和磁化が高くなるため好ましい。また、金属磁性材料11がFeおよびSiを主成分として含むことが、透磁率が高くなるため好ましい。なお、本実施形態での「主成分として含む」とは、金属磁性材料全体を100重量%とする場合において、含有量が合計80重量%以上であることを指す。すなわち、Feを主成分として含む場合には、Feの含有量が80重量%以上である。また、FeおよびSiを主成分として含む場合には、FeおよびSiの含有量が合計80重量%以上である。また、FeとSiとの比率には特に制限はないが、重量比でSi/Fe=0/100〜10/90であることが、飽和磁化が高くなるため好ましい。なお、本実施形態の金属磁性材料における主成分以外の成分の種類には特に制限はない。主成分以外の成分の種類としては、例えば、Ni、Coなどが挙げられる。
樹脂12の種類には特に制限はなく、エポキシ樹脂および/またはイミド樹脂を用いてもよい。エポキシ樹脂としては、例えばクレゾールノボラックなどが挙げられる。イミド樹脂としては、例えばビスマレイミドなどが挙げられる。
金属磁性材料11および樹脂12の含有量には特に制限はない。圧粉磁心1全体に占める金属磁性材料11の含有量は90重量%〜98重量%であることが好ましく、樹脂12の含有量は2重量%〜10重量%であることが好ましい。
図1に示すように、絶縁膜13は金属磁性材料11の表面11aに接し、金属磁性材料11を被覆していることに特徴がある。
絶縁膜13は金属磁性材料11の表面11aの全体を被覆していなくてもよく、金属磁性材料11の表面11a全体の90%以上を被覆していればよい。当該構成により、防錆効果を高めることができる。
図1の金属磁性材料11における表面近傍を拡大した概略図が図2である。本実施形態に係る絶縁膜13は、第1膜13aおよび第2膜13bからなる。第1膜13aは金属磁性材料11の表面11aに接し、第2膜13bは第1膜13aの表面に接している。
本実施形態に係る金属磁性材料11は、第1膜13aの密度が第2膜13bの密度よりも高い。すなわち、第1膜13aの方が「密な膜」であり、第2膜13bの方が「疎な膜」である。一般的に、「疎な膜」はクッション性が高いと考えられ、「密な膜」は均一性が高いと考えられる。本実施形態に係る絶縁膜13は、金属磁性材料11と接する側に「密な膜」を有し、「密な膜」の外側に「疎な膜」を有することで、クッション性と均一性とが両立していると考えられる。このことにより、各金属磁性材料11の間の距離を比較的等間隔に保つことができると考える。その結果、磁界印加時における磁気飽和が比較的均一に起こるようになり、直流重畳特性が良好になっていると考えられる。
第1膜13aは金属磁性材料11の表面11aの全体と接していなくてもよく、金属磁性材料11の表面11a全体の90%以上と接していればよい。また、第2膜13bは第1膜13aの表面の全体と接していなくてもよく、第1膜13aの表面全体の90%以上と接していればよい。
また、第1膜13aおよび第2膜13bの材質は任意である。第1膜13aおよび第2膜13bがいずれもSi−O系酸化物からなることが好ましい。以下、第1膜13aおよび第2膜13bがいずれも同一種類のSi−O系酸化物からなる場合について述べる。
なお、Si−O系酸化物の種類には特に制限はない。例えば、SiOなどのSiの酸化物の他、Siおよびその他の元素を含む複合酸化物などであってもよい。
第1膜13aおよび第2膜13bは、TEM(Transmission Electron Microscopy)により観察すると異なるコントラストを有することで区別できる。第1膜13aと第2膜13bとで材質が同一であっても密度が異なる場合には異なるコントラストを有する。そして、材質が同一である場合には、密度が高いほど相対的に暗視野となり、密度が低いほど相対的に明視野となる。本実施形態に係る圧粉磁心1では、第1膜13aの方が相対的に暗視野となる。
さらに、第1膜13aおよび第2膜13bにおいてTEM−EDS(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)分析を行い、Si検出強度を測定することができる。Si検出強度はSiの存在比を反映している。すなわち、材質が同一であれば、密度が高い方が、Si検出強度が高くなる。本実施形態に係る圧粉磁心1では、第1膜13aのSi検出強度をI、第2膜13bのSi検出強度をIとした場合において、1.25<I/I<10.0であることが、クッション性と均一性とを両立させて直流重畳特性をさらに向上させるためには好ましい。I/Iが低すぎる場合には、クッション性と均一性とが両立しにくくなり、直流重畳特性が低下しやすくなる。また、I/Iが高すぎる場合には、密な膜(第1膜13a)が金型成形時に破損しやすくなるため、直流重畳特性が低下しやすくなる。また、I/Iは1.26≦I/I≦9.92であってもよい。なお、IおよびIは、それぞれの膜において最低5点以上、好ましくは10点以上の測定点をランダムに設定して測定した平均のSi検出強度である。
また、第1膜13aの厚みおよび第2膜13bの厚みには特に制限はないが、第1膜13aの厚みをD、第2膜13bの厚みをDとする場合に、0.075<D/D<10.0であることが好ましい。D/Dが上記の数値範囲内であることにより、各金属磁性材料11の間の距離がさらに均一化しやすくなり、直流重畳特性がさらに良好になる。なお、DおよびDは、それぞれの膜において最低5点以上、好ましくは10点以上の測定点をランダムに設定して測定した平均厚みである。
本実施形態に係る圧粉磁心1の製造方法を以下に示すが、圧粉磁心1の製造方法は下記の方法に限定されない。
まず、金属磁性材料11となる金属粒子を作製する。金属粒子の作製方法には特に制限はないが、例えばガスアトマイズ法,水アトマイズ法などが挙げられる。金属粒子の粒子径および円形度には特に制限はないが、粒子径の中央値(D50)は1μm〜100μmであることが、透磁率が高くなるため好ましい。
次に、金属磁性材料11にSi−O系の酸化物からなる第1膜13aを形成するためのコーティングを行った。コーティング方法には特に制限はないが、例えばアルコキシシラン溶液を金属磁性材料11へ塗布する方法が例示される。アルコキシシラン溶液を金属磁性材料11へ塗布する方法には特に制限はなく、例えば湿式噴霧による方法が挙げられる。アルコキシシランの種類には特に制限はなく、トリメトキシシランなどが用いられる。また、アルコキシシラン溶液の濃度および溶媒にも特に制限はない。アルコキシシラン溶液の濃度は50〜95重量%であることが好ましい。また、アルコキシシラン溶液の溶媒にも特に制限はない。例えば水,エタノールなどが挙げられる。
湿式噴霧後の粉体に対し、750〜1000℃、3〜12時間で加熱処理を行うことで、Si−O系の酸化物からなる第1膜13aを形成した。
次に、第1膜13aの形成に用いたアルコキシシラン溶液を再度、湿式噴霧した。そして、湿式噴霧後の粉体に対し、再度、加熱処理を400〜600℃、0.5〜2時間で行うことで、Si−O系の酸化物からなる第2膜13bを形成した。
この際に、加熱処理の温度および時間を制御することで、得られる第1膜13aおよび第2膜13bの密度を制御することができ、ひいては、I/Iを制御することができる。具体的には、加熱処理の温度が高いほど密度が高くなる。また、加熱処理の時間が長いほど密度が高くなる。なお、第1膜13aの形成時および/または第2膜13bの形成時における加熱処理の時間を短くした場合には、第1膜13aおよび/または第2膜13bの密度は低下するが、第1膜13aおよび/または第2膜13bの膜厚は大きく変化せず、第1膜13aおよび/または第2膜13bの体積も大きく変化しない。このことは、塗布したアルコキシドシラン溶液に含まれるSi−O系酸化物が全量、第1膜13aおよび/または第2膜13bとはならないことを示している。
次に、樹脂溶液を作成した。樹脂溶液には、上記したエポキシ樹脂および/またはイミド樹脂の他、硬化剤を添加してもよい。硬化剤の種類には特に制限はなく、例えばエピクロルヒドリンなどが挙げられる。また、樹脂溶液の溶媒についても特に制限はないが、揮発性の溶媒であることが好ましい。例えば、アセトン,エタノール等を用いることができる。また、樹脂溶液全体を100重量%とした場合における樹脂および硬化剤の合計濃度は0.01〜0.1重量%とすることが好ましい。
次に、第1膜13aおよび第2膜13bを形成した粉末および樹脂溶液を混合した。そして、樹脂溶液の溶媒を揮発させて顆粒を得た。得られた顆粒はそのまま金型に充填してもよいが、整粒してから金型に充填してもよい。整粒する場合の整粒方法には特に制限はなく、例えば、目開き45〜500μmのメッシュを用いてもよい。
次に得られた顆粒を所定の形状の金型に充填し、加圧して圧粉体を得た。加圧時の圧力には特に制限はなく、例えば600〜1500MPaとすることができる。
作製した圧粉体に対し、熱硬化処理を行うことで、圧粉磁心が得られる。熱硬化処理の条件に特に制限はなく、例えば150〜220℃で1〜10時間、熱処理を行う。また、熱処理時の雰囲気にも特に制限はなく、大気中で熱処理をしてもよい。
以上、本実施形態に係る圧粉磁心およびその製造方法について説明したが、本発明の圧粉磁心およびその製造方法は上記の実施形態に限定されない。なお、本発明の圧粉磁心は軟磁性圧粉磁心であってもよい。
また、本発明の圧粉磁心の用途にも特に制限はない。例えば、インダクタ、チョークコイル、トランス等のコイル部品が挙げられる。
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
実験例1
金属磁性材料として、重量比でSi/Fe=4.5/95.5であり、FeとSiとの合計量が99重量%であるFe−Si系合金粒子をガスアトマイズ法で作製した。なお、当該Fe−Si系合金粒子の粒子径の中央値(D50)は30μmであった。
次に、前記金属磁性材料に第1膜を形成するため、アルコキシシラン溶液を前記金属磁性材料へ湿式噴霧することで湿式塗布した。なお、前記アルコキシシラン溶液としてトリメトキシシランの50wt%水溶液を用いた。
ここで、湿式噴霧量は5mL/minとし、必要に応じて塗布時間を調整した。
湿式噴霧後の粉体を大気中、800℃で1〜12時間、加熱処理を行い、Si−O系の酸化物からなる第1膜を形成した。
次に、第1膜を形成した金属磁性材料に、第1膜の形成に用いたアルコキシシラン溶液を再度、湿式噴霧することで湿式塗布した。湿式噴霧量は5mL/minとし、必要に応じて塗布時間を調整した。そして、湿式噴霧後の粉体を大気中、500℃で0.5〜2時間、加熱処理を行い、Si−O系の酸化物からなる第2膜を形成した。
上記の第1膜および第2膜を形成する際に、表1〜表3に示す各実施例の膜厚になるように、湿式噴霧時のアルコキシシラン溶液の噴霧量(塗布量)を噴霧時間(塗布時間)によって制御した。なお、比較例Aでは2回目のアルコキシシラン溶液の噴霧および2回目の加熱処理を行わなかった。
次に、エポキシ樹脂、硬化剤、イミド樹脂およびアセトンを混合して樹脂溶液を作成した。エポキシ樹脂としてはクレゾールノボラックを用いた。硬化剤としてはエピクロルヒドリンを用いた。イミド樹脂としてはビスマレイミドを用いた。エポキシ樹脂、硬化剤およびイミド樹脂の重量比が96:3:1であり、樹脂溶液全体を100重量%としてエポキシ樹脂、硬化剤およびイミド樹脂の合計が4重量%となるように各成分を混合した。
上記の第1膜および第2膜を形成した金属磁性材料に対し、上記の樹脂溶液を混合した。次にアセトンを揮発させて顆粒を得た。次に、目開き355μmのメッシュを用いて整粒した。得られた顆粒を外径17.5mm、内径11.0mmのトロイダル形状の金型に充填し、成形圧980MPaで加圧し、圧粉体を得た。圧粉体の重量が5gとなるように充填した。次に、作製した圧粉体を大気中にて200℃で5時間加熱することで熱硬化処理を行い、圧粉磁心を得た。最終的に得られる圧粉磁心全体を100重量%として、金属磁性材料が97重量%程度となるようにした。
<第1膜、第2膜の区別>
得られた圧粉磁心を切断し、研磨を行うことによって、圧粉磁心の断面を露出させた。露出させた断面を集束イオンビーム(FIB:Forcused Ion Beam)によって掘削加工し、面積1μm×1μm、厚み100nmの薄片を切り出した。得られた薄片をTEMにより観察し、500nm×500nmの視野で画像解析を行った。図3は表2の実施例30について実際に画像解析(TEM観察)を行った結果である。
まず、TEM−EDS観察によって、金属磁性材料を被覆しているSiおよびOを含む絶縁膜が存在していることを確認した。さらに、TEM観察において、当該絶縁膜がコントラストの異なる2つの膜からなっていることを確認した。
ここで、前記2つの膜のうち、前記金属磁性材料の表面に接している膜を第1膜、前記第1膜の表面に接している膜を第2膜とした。
実施例30など、本願の全ての実施例において、第1膜が相対的に暗視野となっており、第2膜が相対的に明視野となっていた。なお、図3からわかるように、TEM観察により得られた画像の中で、金属磁性材料が最も暗視野となっており、樹脂が最も明視野となっていた。すなわち、TEM観察により得られる画像では、暗いほうから金属磁性材料、第1膜、第2膜、樹脂の順となっていた。これに対し、比較例Aでは第2膜が存在せず、金属磁性材料、第1膜および樹脂のみが観察された。
<Si検出強度比測定>
TEM−EDS分析により第1膜および第2膜についてSi検出強度を測定した。第1膜のSi検出強度は、第1膜の中からランダムに10か所測定した。10か所のSi検出強度の平均値をIとした。第2膜についても第1膜と同様にランダムに10か所、Si検出強度を測定した。10か所のSi検出強度の平均値をIとした。その後、I/Iを算出した。
<膜厚測定>
第1膜および第2膜の膜厚をTEM観察によって計測した。金属磁性材料の表面に測定点を設定した。そして、当該測定点から第1膜および第2膜の方向に垂線を引き、当該垂線のうち第1膜にある部分の長さを当該測定点における第1膜の厚みとした。同様にして、第2膜にある部分の長さを当該測定点における第2膜の厚みとした。測定点を10点設定して各測定点について第1膜の厚みおよび第2膜の厚みを測定した。そして、第1膜の厚みの平均をD、第2膜の厚みの平均をDとした。その後、D/Dを算出した。
<直流重畳特性測定>
各実施例で得られたトロイダル形状の圧粉磁心について、巻き数を50ターンとして初透磁率をLCRメータ(HP社製LCR428A)により測定した。印加する直流磁界を0〜20000A/mで変化させて初透磁率の変化を観察した。直流磁界を印加していない状態での初透磁率をμとした場合において、初透磁率がμ*0.8になるときの直流磁界の値(Hμi*0.8)を評価した。Hμi*0.8≧4500A/ mの場合に直流重畳特性が良好であるとした。Hμi*0.8≧10000A/ mの場合に直流重畳特性がさらに良好であるとし、Hμi*0.8≧12000A/mの場合に直流重畳特性が特に良好であるとした。
Figure 2018152559
Figure 2018152559
Figure 2018152559
表1の実施例1〜15は総膜厚(D+D)を200nm前後に固定してD/Dを変化させた実施例である。表2の実施例21〜37はDを12nm前後に固定してDを変化させた実施例である。表3の実施例41〜45はD/Dを0.09前後に固定して総膜厚を変化させた実施例である。いずれの実施例も第1膜の密度が第2膜の密度よりも高かった。第1膜の密度が第2膜の密度よりも高かったため、第1膜が第2膜よりも暗視野となっていた。さらに、1.25<I/I<10.0を満たしたため、直流重畳特性がさらに良好な結果となった。これに対し、第2膜が存在しない表1の比較例Aは直流重畳特性が劣る結果となった。
さらに、0.075<D/D<10.0を満たす実施例4〜12,21〜32および41〜45については直流重畳特性が特に良好な結果となった。
実験例2
本実験例では、アルコキシシラン溶液の湿式噴霧後の熱処理条件を変化させることでI/Iを変化させて各実施例および比較例を作成した。結果を表4および表5に示す。表4では第1膜の湿式塗布時間を0.3時間、第2膜の湿式塗布時間を6.1時間に固定した。表5では第1膜の湿式塗布時間を4.3時間、第2膜の湿式塗布時間を5.2時間に固定した。
Figure 2018152559
Figure 2018152559
表4および表5に記載した各実施例では第1膜の密度が第2膜の密度よりも高かった。第1膜の密度が第2膜の密度よりも高かったため、第1膜が第2膜よりも暗視野となっていた。さらに、I/I>1.00となっていた。そして、直流重畳特性が良好な結果となった。1.25<I/I<10.0を満たした実施例51〜59および61〜69は直流重畳特性がさらに良好な結果となった。1.25<I/I<10.0および0.075<D1/D2<10.0を満たす実施例61〜69は直流重畳特性が特に良好な結果となった。これに対し、第1膜の密度と第2膜の密度とが同等であった比較例4および14はI/I=1.00となっていた。第1膜の密度よりも第2膜の密度が高かった比較例6および16はI/I<1.00となっていた。さらに、第2膜が第1膜よりも暗視野となっていた。そして、比較例4,6,14および16は直流重畳特性が実施例よりも劣る結果となった。
実験例3
本実験例では、アルコキシシラン溶液を前記金属磁性材料へ湿式噴霧せず、絶縁膜を形成しなかった点以外は実験例1と同様に実施した。その結果、絶縁膜が存在しない場合には成型が困難であり、圧粉磁心を作製することができなかった。
1・・・圧粉磁心
11・・・金属磁性材料
11a・・・金属磁性材料11の表面
12・・・樹脂
13・・・絶縁膜
13a・・・第1膜
13b・・・第2膜

Claims (7)

  1. 金属磁性材料および樹脂を含み、
    前記金属磁性材料の表面に接し、前記金属磁性材料を被覆している絶縁膜が存在し、
    前記絶縁膜は第1膜および第2膜を有し、前記金属磁性材料の表面に接している膜を前記第1膜、前記第1膜の表面に接している膜を前記第2膜とする場合において、
    前記第1膜の密度が前記第2膜の密度よりも高いことを特徴とする圧粉磁心。
  2. 前記第1膜および前記第2膜がいずれもSi−O系の酸化物からなる請求項1に記載の圧粉磁心。
  3. 前記第1膜と前記第2膜とがTEM観察にて互いに異なるコントラストを有する請求項2に記載の圧粉磁心。
  4. 前記第1膜および前記第2膜についてTEM−EDS分析を行う場合において、第1膜のSi検出強度をI、第2膜のSi検出強度をIとした場合に、1.25<I/I<10.0を満たす請求項2または3に記載の圧粉磁心。
  5. 前記第1膜の厚みをD、前記第2膜の厚みをDとする場合において、
    0.075<D/D<10.0を満たす請求項1〜4のいずれかに記載の圧粉磁心。
  6. 前記金属磁性材料が、Feを主成分として含む請求項1〜5のいずれかに記載の圧粉磁心。
  7. 前記金属磁性材料が、FeおよびSiを主成分として含む請求項1〜5のいずれかに記載の圧粉磁心。
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