JP2020164899A - 複合磁性体およびこれを用いたインダクタ - Google Patents
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Abstract
Description
金属磁性体粒子は、メジアン径D50が1.3μm以上5.0μm以下の第1粒子と、第1粒子よりメジアン径D50が大きい第2粒子とを含み、
第1粒子および第2粒子は、金属磁性体材料で構成されるコア部と、コア部の表面に設けられた絶縁性被膜とを含み、
第2粒子の絶縁性被膜は、平均厚みが40nm以上100nm以下であり、
第1粒子の絶縁性被膜は、第2粒子の絶縁性被膜より平均厚みが小さい、複合磁性体が提供される。
本発明の一の実施形態に係る複合磁性体は、金属磁性体粒子を含む。金属磁性体粒子は、メジアン径D50が1.3μm以上5.0μm以下の第1粒子と、第1粒子よりメジアン径D50が大きい第2粒子とを含む。なお、本明細書において、「メジアン径D50」は、体積基準のメジアン径を意味し、「第1粒子のメジアン径D50」および「第2粒子のメジアン径D50」はそれぞれ、第1粒子および第2粒子の表面に存在する絶縁性被膜の厚みを含む値である。第2粒子は、平均厚みが40nm以上100nm以下の絶縁性被膜を有する。第1粒子は、第2粒子の絶縁性被膜より平均厚みが小さい絶縁性被膜を有する。なお、本明細書において、絶縁性被膜の「平均厚み」とは、広義には、金属磁性体粒子(第1粒子または第2粒子)の断面において複数の点で測定した絶縁性被膜の厚みの平均値を意味し、狭義には以下に説明する手順で導出した値を意味する。STEM/EDXにより、金属磁性体粒子(第1粒子または第2粒子)の断面を、1個の粒子につき3視野分撮影し、それぞれのEDX画像について、絶縁性被膜の厚みを等間隔の任意の4点において設定して測定する。3個の粒子について上述の測定を行い、全ての点(3視野×4点×3個=36点)で測定した絶縁性被膜の厚みから求めた平均値を「平均厚み」と定義する。絶縁性被膜の厚みの解析方法の詳細については後述する。本実施形態に係る複合磁性体は、このように金属磁性体粒子の粒径および被膜の厚みを設定することにより、以下に詳述するようにより高い透磁率およびより優れた直流重畳特性の両方を達成することができる。
次に、本実施形態に係る複合磁性体の製造方法について説明する。ただし、以下に説明する方法は一例に過ぎず、本実施形態に係る複合磁性体の製造方法は以下の方法に限定されるものではない。
第1粒子および第2粒子の絶縁性被膜の平均厚みは、以下に説明する手順で求めることができる。絶縁性被膜の平均厚みの測定は、STEM/EDX(走査型透過電子顕微鏡/エネルギー分散型X線分析)を用いて行うことができる。まず、測定する粒子を樹脂埋めして研磨し、FIB(集束イオンビーム)加工によりSTEM/EDX観察用サンプルを作製する。STEM/EDXにより、倍率400k倍で絶縁性被膜に含まれる元素のEDX像を得る。1個の粒子につきEDX画像を3視野分撮影し、それぞれのEDX画像について、絶縁性被膜の厚みを、コア部の表面上で30nmの等間隔の4点において設定して測定する。3個の粒子について上述の測定を行い、全ての点(3視野×4点×3個=36点)で測定した絶縁性被膜の厚みから計算した平均値を絶縁性被膜の平均厚みとする。なお、第1粒子および第2粒子の絶縁性被膜の厚みは、複合磁性体で構成される成形体の断面において、上述の方法と同様の手順でSTEM/EDXによる解析を行うことによって求めることもできる。絶縁性被膜の厚みは成形の前後でほぼ同一の値であると考えて差し支えない。
本実施形態に係る複合磁性体に含まれる第1粒子と第2粒子との体積比率、ならびに第2粒子および第1粒子のメジアン径D50は、複合磁性体からなる成形体の断面を撮影したSEM(走査型電子顕微鏡)画像を解析することにより求めることができる。
次に、本発明の一の実施形態に係るインダクタについて以下に説明する。本実施形態に係るインダクタは、本発明の複合磁性体を用いたインダクタである。本実施形態に係るインダクタは、より高い透磁率およびより優れた直流重畳特性の両方を達成することができる。インダクタの構成例を以下に例示するが、本実施形態に係るインダクタは以下の構成例に限定されるものではない。
第1粒子のコア部としてカルボニル鉄粉を用いた。気流分級により、メジアン径D50がそれぞれ1.06μm、1.36μm、1.56μm、4.56μm、5.06μmおよび5.6μmの粒子に分級した。分級したカルボニル鉄粉それぞれをゾルゲル処理することにより、粒子の表面にシリカの絶縁性被膜を形成した。このようにして、粒径の異なる第1粒子A1〜A6を得た。
第2粒子のコア部として、メジアン径D50が26μmのFeSiCrBCアモルファス粒子を用いた。メカノケミカル法により、アモルファス粒子の表面にリン酸ガラスの絶縁性被膜を形成した。リン酸ガラスの添加量を調節することにより絶縁性被膜の厚みを調整して、リン酸ガラスの絶縁性被膜の厚みが異なる第2粒子B1〜B8を得た。
第1粒子A4と、絶縁性被膜の厚みが異なる第2粒子B1〜B8とを用いて、以下に説明する実施例1〜5および比較例1〜3の成形体を作製し、物性評価を行った。
第1粒子と第2粒子との体積比率が30:70となるように第1粒子および第2粒子を秤量し、混合して金属磁性体粒子を得た。各実施例および比較例で用いた粒子の種類は表3に示すとおりである。樹脂固形分としてエポキシ系樹脂、溶媒としてグリコール系溶媒を含むワニスを樹脂の原料として用いた。ワニス中のワニス固形分含有量(樹脂固形分/(樹脂固形分+溶媒))は50重量%であった。スラリー固形分含有量(樹脂固形分/(金属磁性体粒子+樹脂固形分+溶媒))が4.0重量%となるように金属磁性体粒子およびワニスを秤量し、混合してスラリーを得た。
ドクターブレード法により、シート厚みが300μmとなるように、PETフィルム上にスラリーを適用してシートを形成した。シートを95℃で60分間乾燥させて溶媒を蒸発させた後、PETフィルムからシートを剥がした。
PETフィルムから剥がしたシートを外径13mm、内径9mmのリング状に加工した。複数のリング状シートを外径13mm、内径9mmの金型内に積層して成形した。金型による成形は、金型を80℃および7MPaの条件で10分間加圧した後、170℃および4.3MPaの条件で30分間加圧することにより行った。このようにして、リング状の成形体を得た。
成形体を構成する磁性体材料に含まれる第1粒子と第2粒子との体積比率、ならびに第2粒子および第1粒子のメジアン径D50は、成形体の断面を撮影したSEM画像を解析することにより導出することができる。解析手法の詳細については、別途作製した試料の解析を例として以下に説明する。
実施例1〜5および比較例1〜3の成形体それぞれについて、比透磁率測定および重畳測定を行った。まず、成形したリングの寸法(内径、外径および厚み)を測定した後、比透磁率測定および重畳測定を行った。比透磁率測定はインピーダンスアナライザ(Keysight社製E4991A)を用いて行った。比透磁率測定では1MHzの値を採用した。重畳測定はLCRメーター(Keysight社製4284A)を用いて行った。重畳測定は、リングに銅線で巻き線をした。銅線は直径0.35mmのものを使用し、巻回数は24とした。銅線に0〜30Aの直流電流を印加してインダクタンス(L値)を取得した。L値から比透磁率(μ値)を計算し、電流がゼロのときのμ値から80%のμ値に低下したときの電流値(Isat)を得た。Isat、リングの寸法および銅銭の巻回数より、μ値が80%となる磁場(Hsat)を計算した。結果を表3に示す。なお、本実施例では、比透磁率が22.0以上であればインダクタとして所望のL値を実現することができると判断し、Hsatが13.0kA/m以上であればインダクタとして所望の直流重畳特性を実現することができると判断した。
メジアン径D50が異なる第1粒子A1〜A6と、第2粒子B5とを用いて、実施例6〜8および比較例4〜5の成形体を作製し、物性評価を行った。成形体の作製は、上述の実施例1〜5および比較例1〜3と同様の手順で行った。各実施例および比較例で用いた粒子の種類は表4に示すとおりである。得られた成形体それぞれについて、上述の実施例1〜5および比較例1〜3と同様の手順で物性評価を行った。結果を表4に示す。なお、表4に示す第1粒子のメジアン径D50は、絶縁性被膜を形成する前のカルボニル鉄粉(コア部)について測定した値であるが、表1に示すように第1粒子の絶縁性被膜の厚みはカルボニル鉄粉のメジアン径D50の約1/100以下と非常に小さい値であったので、絶縁性被膜を含む第1粒子のメジアン径D50は、絶縁性被膜形成前のカルボニル鉄粉のメジアン径D50とほぼ同じ値であると考えて差し支えない。
(態様1)
金属磁性体粒子を含む複合磁性体であって、
金属磁性体粒子は、メジアン径D50が1.3μm以上5.0μm以下の第1粒子と、第1粒子よりメジアン径D50が大きい第2粒子とを含み、
前記第1粒子および前記第2粒子は、金属磁性体材料で構成されるコア部と、該コア部の表面に設けられた絶縁性被膜とを含み、
第2粒子の絶縁性被膜は、平均厚みが40nm以上100nm以下であり、
第1粒子の絶縁性被膜は、第2粒子の絶縁性被膜より平均厚みが小さい、複合磁性体。
(態様2)
第1粒子の絶縁性被膜は、平均厚みが10nm以下である、態様1に記載の複合磁性体。
(態様3)
第1粒子と第2粒子との体積比率は、6:34と6:9との間の範囲である、態様1または2に記載の複合磁性体。
(態様4)
第2粒子のメジアン径D50は、第1粒子のメジアン径D50の3.8倍以上40倍以下である、態様1〜3のいずれか1つに記載の複合磁性体。
(態様5)
第2粒子のメジアン径D50は20.0μm以上30.0μm以下である、態様1〜4のいずれか1つに記載の複合磁性体。
(態様6)
第1粒子のコア部は、FeSi系合金、FeSiCr系合金、FeSiAl系合金、FeCo系合金およびFe系アモルファス合金からなる群から選択される少なくとも1種の合金またはFeで構成される、態様1〜5のいずれか1つに記載の複合磁性体。
(態様7)
第2粒子のコア部は、FeSi系合金、FeSiCr系合金、FeSiAl系合金、FeCo系合金、FeNi系合金およびFe系アモルファス合金からなる群から選択される少なくとも1種の合金で構成される、態様1〜6のいずれか1つに記載の複合磁性体。
(態様8)
第1粒子の絶縁性被膜は、第2粒子の絶縁性被膜と異なる組成を有する、態様1〜7のいずれか1つに記載の複合磁性体。
(態様9)
第1粒子の絶縁性被膜および第2粒子の絶縁性被膜のいずれか一方はSiを含み、他方はSiを含まない、態様8に記載の複合磁性体。
(態様10)
第1粒子の絶縁性被膜および第2粒子の絶縁性被膜の少なくとも一方は非磁性である、態様1〜9のいずれか1つに記載の複合磁性体。
(態様11)
樹脂を更に含む、態様1〜10のいずれか1つに記載の複合磁性体。
(態様12)
態様1〜11のいずれか1つに記載の複合磁性体を用いたインダクタ。
2、20 素体
3、30 コイル導体
40 引出導体
5、50 外部電極
Claims (12)
- 金属磁性体粒子を含む複合磁性体であって、
前記金属磁性体粒子は、メジアン径D50が1.3μm以上5.0μm以下の第1粒子と、該第1粒子よりメジアン径D50が大きい第2粒子とを含み、
前記第1粒子および前記第2粒子は、金属磁性体材料で構成されるコア部と、該コア部の表面に設けられた絶縁性被膜とを含み、
前記第2粒子の絶縁性被膜は、平均厚みが40nm以上100nm以下であり、
前記第1粒子の絶縁性被膜は、前記第2粒子の絶縁性被膜より平均厚みが小さい、複合磁性体。 - 前記第1粒子の絶縁性被膜は、平均厚みが10nm以下である、請求項1に記載の複合磁性体。
- 前記第1粒子と前記第2粒子との体積比率は、6:34と6:9との間の範囲である、請求項1または2に記載の複合磁性体。
- 前記第2粒子のメジアン径D50は、前記第1粒子のメジアン径D50の3.8倍以上40倍以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合磁性体。
- 前記第2粒子のメジアン径D50は20.0μm以上30.0μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合磁性体。
- 前記第1粒子のコア部は、FeSi系合金、FeSiCr系合金、FeSiAl系合金、FeCo系合金およびFe系アモルファス合金からなる群から選択される少なくとも1種の合金またはFeで構成される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合磁性体。
- 前記第2粒子のコア部は、FeSi系合金、FeSiCr系合金、FeSiAl系合金、FeCo系合金、FeNi系合金およびFe系アモルファス合金からなる群から選択される少なくとも1種の合金で構成される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合磁性体。
- 前記第1粒子の絶縁性被膜は、前記第2粒子の絶縁性被膜と異なる組成を有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の複合磁性体。
- 前記第1粒子の絶縁性被膜および前記第2粒子の絶縁性被膜のいずれか一方はSiを含み、他方はSiを含まない、請求項8に記載の複合磁性体。
- 前記第1粒子の絶縁性被膜および前記第2粒子の絶縁性被膜の少なくとも一方は非磁性である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の複合磁性体。
- 樹脂を更に含む、請求項1〜10のいずれか1項に記載の複合磁性体。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の複合磁性体を用いたインダクタ。
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