JP2018174225A - 磁性体、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１Ａ〜１００Ａ程度の直流が重畳される条件下であっても、既存のフェライト系磁性体に比べて透磁率が低下しにくい磁性体、及びその製造方法を提供すること。【解決手段】本開示の磁性体は、フェライト粉末とＮｉ粉末とが９９．５：０．５〜９０：１０の範囲内となる質量比で混合された磁性体原料粉末に対し、更にバインダーが混合されてなる混合物を成形及び焼成してなる焼結体である。本開示の焼結体は、かさ密度が４．６ｇ／ｃｍ3以上とされている。【選択図】なし

Description

本開示は、磁性体、及びその製造方法に関する。

地球温暖化問題への対応策として、電気自動車、太陽光発電、風力発電、あるいはゼロエネルギーハウス等、二酸化炭素を排出しない電力システムが重視されている。このような電力システムで用いられるパワーエレクトロニクス部品の技術分野では、例えば、ノイズフィルタ、電流センサ、コイル、モータ等を構成するに当たって、高透磁率、高飽和磁束密度、高キュリー温度、及び低ロスといった特性を有する磁性材料が要望されている。

また、焼結過程で磁性体の寸法変化率及び変形を極度に小さくし、後加工が必要ない磁性体を提供可能な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、磁性体の原料組成物の一成分として、金属Ｎｉ粉が配合され得る旨が開示されている。

特開平７−１６５４２５号公報

ところで、パワーエレクトロニクス分野では、１Ａ以上の大きな直流が重畳される条件下で磁性体が使用されることも多い。しかし、フェライト系の磁性体は、１Ａ〜１００Ａ程度の直流が重畳される条件下では、磁気飽和しやすく、透磁率が低下するという問題があった。

本開示の一局面においては、１Ａ〜１００Ａ程度の直流が重畳される条件下であっても、既存のフェライト系磁性体に比べて透磁率（複素透磁率）が低下しにくい磁性体、及びその製造方法を提供することが望ましい。

本開示の一局面における磁性体は、フェライト粉末とＮｉ粉末とが９９．５：０．５〜９０：１０の範囲内となる質量比で混合された磁性体原料粉末に対し、更にバインダーが混合されてなる混合物を成形及び焼成してなる焼結体であり、当該焼結体のかさ密度が４．６ｇ／ｃｍ³以上とされている。このように構成された磁性体によれば、１Ａ〜１００Ａ程度の直流が重畳される条件下において、既存のフェライト系磁性体に比べて透磁率が低下しにくい磁性体となる。したがって、１Ａ〜１００Ａ程度の直流が重畳される条件下で使用される場合でも、磁気飽和に至るのを抑制することができる。

また、本開示の一局面における磁性体の製造方法は、フェライト粉末とＮｉ粉末とを９９．５：０．５〜９０：１０の範囲内となる質量比で混合することによって得られる磁性体原料粉末に対し、更に有機材料のバインダーを混合して混合物を得る第一の工程と、第一の工程によって得られる混合物を加圧成形して成形体を得る第二の工程と、第二の工程によって得られる成形体を焼成して焼結体を得る第三の工程とを含み、第三工程によって得られる焼結体のかさ密度が４．６ｇ／ｃｍ³以上となるように、第二の工程における加圧条件、及び第三の工程における焼成条件が設定されている。このように構成された磁性体の製造方法によれば、上述した磁性体を製造することができる。

図１は直流重畳電流と透磁率μ_r′との対応関係を磁性体のＮｉ配合量毎に示すグラフである。 図２は直流重畳電流と透磁率μ_r″との対応関係を磁性体のＮｉ配合量毎に示すグラフである。 図３は磁性体のＮｉ配合量と透磁率μ_r′との対応関係を直流重畳電流毎に示すグラフである。 図４は磁性体のＮｉ配合量と透磁率μ_r″との対応関係を直流重畳電流毎に示すグラフである。 図５はＮｉが配合されていない場合、Ｎｉが配合されている場合、ＮｉＯが配合されている場合のそれぞれについて、直流重畳電流と透磁率μ_r′との対応関係を示すグラフである。 図６はＮｉが配合されていない場合、Ｎｉが配合されている場合、ＮｉＯが配合されている場合のそれぞれについて、直流重畳電流と透磁率μ_r″との対応関係を示すグラフである。 図７は温度と透磁率μ_r′との対応関係を磁性体のＮｉ配合量毎に示すグラフである。 図８は温度と透磁率μ_r″との対応関係を磁性体のＮｉ配合量毎に示すグラフである。

次に、上述の磁性体、及びその製造方法について、更に詳細に説明する。
（１）本開示の磁性体の詳細
複素透磁率μと真空の透磁率μ₀との比μ_r＝μ／μ₀は比透磁率と呼ばれる。但し、比透磁率と透磁率とは比例関係にあるので、本明細書中では、比透磁率と透磁率とを区別せずに、比透磁率のことを透磁率とも呼ぶ。

本開示の磁性体は、フェライト粉末及びＮｉ粉末が本開示で規定する配合比で配合された原料で構成された焼結体である点、及びその焼結体のかさ密度が４．６ｇ／ｃｍ³以上とされている点に特徴がある。

フェライト粉末及びＮｉ粉末が配合された原料で焼結体を構成する技術としては、例えば上記特許文献１に記載の技術がある。しかし、特許文献１に記載の技術は、焼成過程で磁性体の寸法変化率及び変形を極度に小さくする技術である。そのため、磁性体の寸法変化率及び変形が極度に小さい焼結体の場合、当該焼結体のかさ密度は４．６ｇ／ｃｍ³以上に至るものではなく、この点で、引用文献１に記載の技術と本開示の磁性体は相違する。

また、本開示でいうフェライト粉末は、その記載の通り、フェライトの粉末であって、フェライトになり得る原料の粉末ではなく、この点においても上記特許文献１に記載の技術と本開示は相違する。すなわち、本開示でいうフェライト粉末としては、Ｎｉ粉末及びバインダーと混合される前の段階で、既にフェライト化されている粉末が利用される。これにより、本開示の場合、フェライト粉末由来の組織間には、Ｎｉ粉末由来の組織（すなわち、金属Ｎｉないしは酸化Ｎｉの組織。）が形成される。

詳しくは後述するが、本開示の場合、Ｎｉ粉末由来の組織中には、恐らく金属Ｎｉが残留しているものと推察される。すなわち、焼結体が焼成される際、焼結体中におけるＮｉ粉末由来の部分において、一部のＮｉは酸化され得るが、同時に、残りの一部のＮｉは酸化されないままとなる。このような酸化されないＮｉが残留していることにより、本開示の磁性体は、１Ａ〜１００Ａ程度の直流が重畳される条件下において、既存のフェライト
系磁性体に比べて透磁率が低下しにくくなっている可能性がある。これは、後述する実験の結果から推察される事項である。

一方、特許文献１に記載の技術の場合、Ｎｉ粉末が配合される例を見ると、フェライト粉末の他に、金属Ｆｅ及び酸化Ｆｅのうちのいずれか一方又は両方が配合され、更に他の金属酸化物等も配合される。そのため、特許文献１に記載の技術の場合、フェライト粉末由来の組織間には、Ｎｉに加えて、金属Ｆｅ、酸化Ｆｅ、及び他の金属酸化物等も存在し、これら全体としてはフェライトに類似する組成を持つことになる。このような組成を持つ部分はある程度はフェライト化する可能性もあるし、フェライト化しないまま焼結される可能性もあるが、少なくとも本開示の磁性体のように、金属Ｎｉないしは酸化Ｎｉによって構成される組織にならないことは明らかである。よって、この点においても、本開示の磁性体と特許文献１に記載の構成とでは相違点がある。

つまり、かさ密度の観点から見ても、フェライト粉末、Ｎｉ粉末、及びバインダー以外に金属Ｆｅ、酸化Ｆｅ、及び他の金属酸化物が配合されるか否かという観点から見ても、本開示の磁性体と特許文献１に記載の技術とでは、得られる焼結体の微視的構造が相違する。そのため、特許文献１に記載の技術では、本開示の磁性体ほど高い透磁率が得られない可能性がある。

ただし、本開示の磁性体においても、焼結体中におけるＮｉ粉末由来の組織の構造又は特性を、測定に基づいて解析・特定することは不可能又は非実際的である。例えば、焼結体の表面や断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観測することはできても、焼結体中におけるＮｉ粉末由来の組織の三次元的な構造を特定するには至らない。また、Ｘ線回折（ＸＲＤ）のような分析機器を用いたとしても、他の微量成分のノイズ等もあって、微量な金属Ｎｉのデータを取得することは難しい。そこで、本開示では、フェライト粉末とＮｉ粉末の配合比を特定するとともに、焼結体のかさ密度を特定することにより、特許文献１に記載の技術とは相違する技術であることが特定されている。

（２）磁性体の製造方法
次に、磁性体の製造方法について、一例を挙げて説明する。フェライト粉末（平均粒子径１．７５μｍ。）とＮｉ粉末（平均粒子径３μｍ。）を９９．５：０．５〜９０：１０の範囲内となる質量比で混合し、これらの成分の配合比が異なる６種の磁性体原料粉末を用意した。より具体的には、Ｎｉ粉末：フェライト粉末の配合比を、０．５：９９．５、１：９９、３：９７、５：９５、７：９３、１０：９０の６通りに変更した磁性体原料粉末を用意した。このような磁性体原料粉末１００質量部に対し、１質量部のバインダー（本実施形態の場合はポリビニルアルコール。）を混合した（第一の工程。）。フェライト粉末としては、仮焼されてフェライト化（Ｎｉ_0.25Ｚｎ_0.65Ｃｕ_0.12Ｆｅ₂Ｏ₄）され、更に粉砕及び粒度調整が施された粉末を利用した。

フェライト粉末の平均粒子径については、実用的な範囲内で適宜選定されていればよいが、目安としては平均粒子径５０ｎｍ〜１０μｍ程度の粉末であると好ましい。また、Ｎｉ粉末の平均粒子径についても、実用的な範囲内で適宜選定されていればよいが、目安としては平均粒子径１μｍ〜１００μｍ程度の粉末であると好ましい。

バインダーは焼成後に消失する成分なので、その配合量は適宜調節されていればよいが、過剰に多くても焼結体のかさ密度が低下する要因になり得る。よって、最終的に得られる焼結体のかさ密度も考慮して、バインダーの配合量を調節することが好ましい。

続いて、上記第一の工程によって得られる６通りの磁性体原料組成物を型に入れて、４００ＭＰａの圧力をかけて加圧成形した（第二の工程。）。第二の工程によって得られる
成形体を、大気雰囲気下、３℃／ｍｉｎの昇温速度で、１１００℃まで昇温させ、１１００℃で２時間保持して焼成した（第三の工程。）。第三の工程によって得られた６種の焼結体は、いずれもリング型コアとして利用可能な環状の磁性体であり、その外径は約１８ｍｍ、内径は約９ｍｍ、軸方向高さは約３ｍｍ〜４ｍｍである。

（３）性能試験
上述の６種の磁性体について、ＪＩＳ Ｃ ２５６０−２（２００６）に準拠して、透磁率（複素透磁率）を測定した。測定には、市販のＢ−Ｈアナライザ（岩通計測株式会社製、ＳＹ−８２１８）を使用した。透磁率を測定する際の測定条件は、測定周波数１５０ｋＨｚ、雰囲気温度２５℃とし、直流重畳電流を０．０１Ａ〜３００Ａの範囲内で変更した。また、各磁性体のかさ密度を測定した。かさ密度については、各磁性体の質量を電子天秤で測定し、各磁性体の寸法をノギスで測定して、その寸法に基づいて各磁性体の体積を算出し、各磁性体の質量を体積で除算することにより、かさ密度を算出した。また、比較のため、Ｎｉ粉末が配合されていない磁性体（フェライト粉末１００質量部とバインダー１質量部を混合、成形、焼成してなる焼結体。）を用意して、同様の測定を実施した。実験結果の一部を抜粋して表１に示す。

表１に示すように、本実験例では、いずれの磁性体についても、かさ密度が４．７ｇ／
ｃｍ³以上となっている。焼成条件により多少の誤差は見込まれるが、かさ密度が４．６ｇ／ｃｍ³以上あれば、相応に緻密な焼結体となり、所期の透磁率を確保することができるものと考えられる。ちなみに、本実験例で例示した焼結体は、いずれも焼成過程で収縮変形し、その結果としてかさ密度が４．７ｇ／ｃｍ³以上となっている。この点、上述の特許文献１に記載の磁性体の場合は、本実験例で示した磁性体と類似する各種金属酸化物で構成されているものの、焼成過程における寸法変化が極めて小さいものとなっている。よって、特許文献１に記載の磁性体の場合は、本実験例で示した磁性体ほど緻密な焼結体とはならず、そのかさ密度は４．６ｇ／ｃｍ³未満になっているものと推察される。

また、表１において、０．１Ａの直流が重畳されている場合には、Ｎｉが０．５ｍａｓｓ％配合されていることにより、Ｎｉ未配合のものよりも複素透磁率の実数部μ_r′の値が大きくなることがわかる。いずれの磁性体においても、重畳される直流の電流値が大きくなるほど透磁率は低くなる傾向が見受けられるが、１Ａの直流が重畳されている場合は、Ｎｉが０．５ｍａｓｓ％〜１ｍａｓｓ％配合されていることにより、Ｎｉ未配合のものよりも複素透磁率の実数部μ_r′の値が大きくなる。また、１０Ａの直流が重畳されている場合は、Ｎｉが０．５ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％配合されていることにより、Ｎｉ未配合のものよりも複素透磁率の実数部μ_r′の値が大きくなる。したがって、１Ａ以上の直流重畳電流が流される条件下で磁気飽和を抑制するには、Ｎｉを配合することが有効であると示唆される。

図１及び図２は、横軸を直流重畳電流、縦軸を透磁率として、Ｎｉ配合量が異なる７種の磁性体について直流重畳電流に対する透磁率の変化を示したグラフである。Ｎｉ未配合の磁性体の場合、直流重畳電流が１Ａ以上となる領域では、急激に透磁率が低下することがわかる。一方、Ｎｉが１ｍａｓｓ％配合されている場合、直流重畳電流が１Ａ以上となる領域で、Ｎｉ未配合の磁性体よりも複素透磁率の実数部μ_r′の値が大となる。Ｎｉが１０ｍａｓｓ％配合されている場合、直流重畳電流が９Ａ以上となる領域で、Ｎｉ未配合の磁性体よりも複素透磁率の実数部μ_r′の値が大となる。したがって、ターゲットとなる直流重畳電流の大きさを考慮してＮｉ配合量を最適化することにより、直流重畳電流が１Ａ以上となる領域において、Ｎｉ未配合の磁性体よりも磁気飽和を抑制できるものと考えられる。

図３及び図４は、横軸をＮｉ配合量、縦軸を透磁率として、直流重畳電流の電流値を４通りに変えた場合それぞれにおける透磁率の変化を示したグラフである。直流重畳電流が１Ａの場合は、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％〜１ｍａｓｓ％程度配合することにより、磁性体の透磁率μ_r′，μ_r″を高めることができる。直流重畳電流が１０Ａ又は１００Ａの場合は、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％程度配合することにより、磁性体の透磁率μ_r′，μ_r″を高めることができる。

図５及び図６は、横軸を直流重畳電流、縦軸を透磁率として、Ｎｉが配合されていない場合、Ｎｉが配合されている場合、ＮｉＯが配合されている場合のそれぞれについて、直流重畳電流に対する透磁率の変化を示したグラフである。Ｎｉが配合されている場合とＮｉＯが配合されている場合とでは、その特性に違いがある。Ｎｉが配合されている場合、仮に焼結体に含まれるＮｉ全てが酸化されているとすれば、ＮｉＯが配合されている場合と類似の特性になる可能性が高い。しかし、両者の特性には違いがあり、Ｎｉが配合されている場合の方が、透磁率μ_r′，μ_r″は高くなる。よって、このような違いが生じることから、焼結体に含まれるＮｉは全てが酸化されるわけではなく、その一部は金属Ｎｉのまま焼結体の内部に含まれているものと推察される。

図７及び図８は、横軸を温度、縦軸を透磁率として、Ｎｉ配合量が異なる７種の磁性体について温度に対する透磁率の変化を示したグラフである。Ｎｉ未配合の磁性体の場合、
温度が１００℃以上となる領域では、急激に透磁率が低下することがわかる。一方、Ｎｉが増大するほど、透磁率μ_r′，μ_r″の絶対値は幾らか低下するものの、高温領域における透磁率の低下が抑制される。したがって、例えば１１０℃〜１４０℃といった高温環境下で磁性体を使用する場合には、Ｎｉが配合された磁性体を使用することにより、Ｎｉ未配合の磁性体よりも磁気飽和を抑制できるものと考えられる。

（４）他の実施形態
以上、磁性体、及びその製造方法について、例示的な実施形態を挙げて説明したが、上述の実施形態は本開示の一態様として例示されるものにすぎない。すなわち、本開示は、上述の例示的な実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想を逸脱しない範囲内において、様々な形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、幾つかの配合比を具体的に示したが、配合比は本開示で規定する範囲内で適宜変更可能である。また、成形時の加圧条件、焼成条件なども、常法に従って適宜設定可能である。

Claims (4)

1. フェライト粉末とＮｉ粉末とが９９．５：０．５〜９０：１０の範囲内となる質量比で混合された磁性体原料粉末に対し、更にバインダーが混合されてなる混合物を成形及び焼成してなる焼結体であり、当該焼結体のかさ密度が４．６ｇ／ｃｍ³以上とされている
   磁性体。
2. 請求項１に記載の磁性体であって、
   測定周波数１５０ｋＨｚ、直流重畳電流１０Ａの条件下で測定される複素透磁率の実数部μ_r′が８０以上とされている
   磁性体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の磁性体であって、
   測定周波数１５０ｋＨｚ、直流重畳電流１Ａの条件下で測定される複素透磁率の実数部μ_r′が８９以上、かつ、周波数１５０ｋＨｚ、直流重畳電流１００Ａの条件下で測定される複素透磁率の実数部μ_r′が２７以上とされている
   磁性体。
4. フェライト粉末とＮｉ粉末とを９９．５：０．５〜９０：１０の範囲内となる質量比で混合することによって得られる磁性体原料粉末に対し、更に有機材料のバインダーを混合して混合物を得る第一の工程と、
   前記第一の工程によって得られる混合物を加圧成形して成形体を得る第二の工程と、
   前記第二の工程によって得られる成形体を焼成して焼結体を得る第三の工程と
   を含み、
   前記第三工程によって得られる焼結体のかさ密度が４．６ｇ／ｃｍ³以上となるように、前記第二の工程における加圧条件、及び前記第三の工程における焼成条件が設定されている
   磁性体の製造方法。