JP2021021096A - 複合磁性粉及びこれを用いた圧粉磁心、並びに、複合磁性粉の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高温環境下に長時間放置する耐熱試験を行った場合であっても高い絶縁性を確保することが可能な複合磁性粉を提供する。【解決手段】複合磁性粉２は、鉄を含む磁性粉４の表面が酸化シリコンからなる絶縁層６で被覆された構造を有している。絶縁層６には空隙８が含まれており、絶縁層６の断面における空隙８の面積比率が５％以下である。これによれば、磁性粉４に含まれる鉄の拡散が抑制される。このため、高温環境下に長時間放置する耐熱試験を行った場合であっても、絶縁層６の絶縁性を十分に確保することが可能となる。【選択図】図２
Description
本発明は複合磁性粉及びこれを用いた圧粉磁心に関し、特に、鉄を含む磁性粉の表面が絶縁層で被覆されてなる複合磁性粉及びこれを用いた圧粉磁心に関する。また、本発明は、このような複合磁性粉の製造方法に関する。
鉄粉の表面が絶縁層で被覆されてなる複合磁性粉としては、特許文献１及び２に記載された複合磁性粉が知られている。特許文献１には、鉄粉の表面をリン酸処理することによって絶縁層を形成する方法が開示されている。また、特許文献２には、チタンやアルミニウムなどを有する有機物由来の有機基を含む絶縁層によって鉄粉を覆う方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１及び２に記載された複合磁性粉は、高温環境下に長時間放置する耐熱試験を行うと、絶縁層の絶縁性が大幅に低下するという問題があった。このため、特許文献１及び２に記載された複合磁性粉は、高温環境下で使用される可能性のある用途には必ずしも適していない。
したがって、本発明は、高温環境下に長時間放置する耐熱試験を行った場合であっても高い絶縁性を確保することが可能な複合磁性粉及びこれを用いた圧粉磁心、並びに、このような複合磁性粉の製造方法を提供することを目的とする。
本発明による複合磁性粉は、鉄を含む磁性粉の表面が酸化シリコンからなる絶縁層で被覆されてなる複合磁性粉であって、絶縁層には空隙が含まれており、絶縁層の断面における空隙の面積比率が５％以下であることを特徴とする。また、本発明による圧粉磁心は、上記の複合磁性粉と樹脂を含む。
本発明によれば、絶縁層の断面における空隙の面積比率が５％以下であることから、磁性粉に含まれる鉄の拡散が抑制される。このため、高温環境下に長時間放置する耐熱試験を行った場合であっても、絶縁層の絶縁性を十分に確保することが可能となる。
本発明において、絶縁層を構成する酸化シリコンの平均粒径は６ｎｍ以下であっても構わない。これによれば、空隙の面積比率をより小さくすることが可能となる。
本発明の一側面による複合磁性粉の製造方法は、鉄を含む磁性粉が分散された液体にシリコンエトキシドを滴下することによって、磁性粉の表面を酸化シリコンからなる絶縁層で被覆する方法であって、滴下時における液体の温度を４０℃以下とし、且つ、滴下速度を液体１００ｍｌ当たり３ｇ／時間以下とすることを特徴とする。
本発明の他の側面による複合磁性粉の製造方法は、鉄を含む磁性粉が分散された液体にシリコンエトキシドを滴下することによって、磁性粉の表面を酸化シリコンからなる絶縁層で被覆する方法であって、滴下時における液体の温度を３０℃以下とし、且つ、滴下速度を液体１００ｍｌ当たり６ｇ／時間以下とすることを特徴とする。
これらの方法によれば、絶縁層の断面における空隙の面積比率が５％以下である複合磁性粉を作製することが可能となる。
このように、本発明によれば、高温環境下に長時間放置する耐熱試験を行った場合であっても高い絶縁性を確保することが可能な複合磁性粉及びこれを用いた圧粉磁心、並びに、このような複合磁性粉の製造方法を提供することが可能となる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の好ましい実施形態による複合磁性粉２の模式的な断面図である。
図１に示すように、本実施形態による複合磁性粉２は、鉄を含む磁性粉４の表面が酸化シリコンからなる絶縁層６で被覆された構成を有している。図１に示す例では、磁性粉４が球形であるが磁性粉４の形状については特に限定されない。磁性粉４を構成する材料としては、鉄を含み、且つ、軟磁性を有していれば特に限定されず、純鉄であっても構わないし、Ｆｅ−Ｎｉ系の磁性合金や、Ｆｅ−Ｓｉ系の磁性合金であっても構わない。磁性粉４の粒径についても特に限定されないが、磁性粉４が球形である場合、１〜１００μｍ程度とすることができる。また、粒度分布の異なる複数の磁性粉４が混在していても構わない。絶縁層６は、酸化シリコンからなる無機膜である。本発明において、絶縁層６が完全なＳｉＯ２であることは必須でなく、酸素リッチな酸化シリコンであっても構わない。
図２は、図１に示す領域Ａの模式的な拡大図である。
図２に示すように、磁性粉４の表面を被覆する絶縁層６には多数の空隙８が含まれている。つまり、絶縁層６は完全に緻密な膜ではなく、酸化シリコンが存在しない部分を有している。特に限定されるものではないが、絶縁層６の厚さは５〜２００ｎｍ程度とすることができる。耐熱試験後における絶縁性を十分に保つためには、絶縁層６はより緻密であることが好ましい。つまり、空隙８が占める割合が小さいことが好ましい。これは、空隙８が占める割合が大きいと、熱によって磁性粉４に含まれる鉄が酸化し、この酸化鉄が空隙８に沿って絶縁層６の表面へと拡散するからである。具体的には、耐熱試験後における絶縁性を十分に保つためには、絶縁層６の断面における空隙８の面積比率が５％以下である必要がある。空隙８の面積比率を小さくするためには、絶縁層６を構成する酸化シリコンの粒径ができるだけ小さいことが好ましい。これは、粒径の大きい酸化シリコンの集合体によって絶縁層６が構成されると、必然的に空隙８のサイズが大きくなり、酸化鉄の拡散が生じやすくなるからである。具体的には、絶縁層６を構成する酸化シリコンの平均粒径は、６ｎｍ以下であることが好ましい。
このように、本実施形態による複合磁性粉２は、鉄を含む磁性粉４の表面が酸化シリコンからなる絶縁層６で被覆された構造を有しており、絶縁層６の断面における空隙の面積比率が５％以下であることから、高温に晒された場合であっても、磁性粉４に含まれる鉄の拡散が抑制される。このため、高温環境下に長時間放置する耐熱試験を行った場合であっても、絶縁層６の絶縁性を十分に確保することが可能となる。
絶縁層６を構成する酸化シリコンのＯ／Ｓｉ比は、２．１以上、２．２以下の範囲内であっても構わない。酸化シリコンの理論上のＯ／Ｓｉ比は２であるが、シリコンエトキシドの加水分解によって酸化シリコンからなる絶縁層６を形成すると、酸化シリコンが酸素リッチとなり、Ｏ／Ｓｉ比が２．２を超える。Ｏ／Ｓｉ比が２．２を超える酸化シリコンは、高温環境下で酸素を透過しやすいため、磁性粉４に含まれる鉄が酸化し、この酸化鉄が絶縁層６の表面へと拡散しやすくなる。これに対し、絶縁層６を構成する酸化シリコンのＯ／Ｓｉ比が２．２以下であれば、膜質が緻密であり高温環境下においても酸素を透過しにくいため、磁性粉４に含まれる鉄が酸化されにくくなるとともに、拡散が生じにくくなる。酸素の透過性は、酸化シリコンのＯ／Ｓｉ比が２に近づくほど低下するが、シリコンエトキシドの加水分解によって形成された酸化シリコンのＯ／Ｓｉ比を２．１未満に下げることは困難である。
本実施形態による複合磁性粉２は、樹脂を用いて成型することにより、インダクタ、リアクトル、チョークコイル、トランスなどのコイル部品に用いられる圧粉磁心、或いは、モータなどに用いられる圧粉磁心として利用可能である。この場合、コイル部品やモータの使用温度環境が過酷であっても、絶縁層６の絶縁性が十分に確保されることから、製品の信頼性を高めることが可能となる。
次に、本実施形態による複合磁性粉２の製造方法について説明する。
本実施形態による複合磁性粉２の製造方法は次の通りである。まず、磁性粉４を用意し、エタノールなどの液体中に磁性粉４を加えることによって、液体中に磁性粉４を分散させる。次に、磁性粉４が分散された液体を所定の温度に保った状態で、シリコンエトキシド（ＴＥＯＳ）を徐々に滴下する。これにより、シリコンエトキシドが徐々に加水分解し、磁性粉４の表面が酸化シリコンからなる絶縁層６で被覆される。この時、シリコンエトキシドの加水分解によって生成される酸化シリコンは、磁性粉４の表面にのみ析出するのではなく、自己反応によって液体中においても生成される。ここで、液体中の自己反応による酸化シリコンの析出が優勢であると、自己反応によって液体中で結晶粒が成長し、粒径の大きな酸化シリコンが磁性粉４の表面に付着する。その結果、絶縁層６に形成される空隙８のサイズが大きくなることから、絶縁層６の断面における空隙８の面積比率も大きくなる。
したがって、絶縁層６の断面における空隙８の面積比率を５％以下に抑えるためには、液体中におけるシリコンエトキシドの自己反応を抑制する必要がある。液体中におけるシリコンエトキシドの自己反応を抑制する方法としては、液体の温度を４０℃以下、好ましくは２０℃〜３０℃に設定するとともに、液体中におけるシリコンエトキシドの濃度を低く保つ方法が挙げられる。液体中におけるシリコンエトキシドの濃度を低く保つためには、所定量のシリコンエトキシドを液体中に一度に投入するのではなく、時間をかけて徐々に滴下すれば良い。具体的には、液体１００ｍｌ当たり６ｇ／時間以下でシリコンエトキシドを滴下することが好ましく、液体１００ｍｌ当たり３ｇ／時間以下でシリコンエトキシドを滴下することがより好ましい。
反応後、液体を希釈及び洗浄し、濾過することによって複合磁性粉２を取り出す。取り出された複合磁性粉２を乾燥させた後、窒素雰囲気で熱処理すれば、本実施形態による複合磁性粉２が完成する。
上記の熱処理は、水素を含有する雰囲気中で６００℃以上、９００℃以下で行っても構わない。水素を含有する雰囲気中で熱処理を行うと、不完全であった酸化シリコンが徐々に完全な状態へと変化し、絶縁層６の緻密さが高められる。この過程により、初期状態ではＯ／Ｓｉ比が２．２を超えていた酸化シリコンが改質され、Ｏ／Ｓｉ比が２．１以上、２．２以下の範囲内となる。熱処理時間については、熱処理温度が６００〜８００℃であれば１時間程度、熱処理温度が８００〜９００℃であれば１０分程度とすればよい。熱処理開始時における昇温速度については、２００℃／時間〜４００℃／時間に設定すればよい。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
（実施例１）
平均粒径が３μｍであるＦｅ粉を容器に投入し、Ｆｅ粉３０ｇに対してエタノールを１００ｍｌ加えることによって、エタノールからなる液体中にＦｅ粉を分散させた。次に、容器をオイルバスに入れることによって、液体の温度を２０℃に保持した。この状態で、容器にアンモニア水（アンモニア濃度：２９ｗｔ％）２ｇと水１８ｇを添加し、攪拌しながら、エタノール６ｍｌに混合したシリコンエトキシド６ｇを２時間かけて滴下した。したがって、シリコンエトキシドの滴下速度は、エタノール１００ｍｌ当たり３ｇ／時間である。そして、シリコンエトキシドの滴下開始から３時間反応させた。反応後、十分の量のエタノールで希釈・洗浄した後、濾過することによって複合磁性粉を取り出した。取り出された複合磁性粉を真空乾燥機を用いて１８０℃で８時間乾燥した。乾燥後、回転式チューブ炉を用いて窒素雰囲気で６５０℃で３０分間加熱処理した。これにより、実施例１の複合磁性粉を得た。
平均粒径が３μｍであるＦｅ粉を容器に投入し、Ｆｅ粉３０ｇに対してエタノールを１００ｍｌ加えることによって、エタノールからなる液体中にＦｅ粉を分散させた。次に、容器をオイルバスに入れることによって、液体の温度を２０℃に保持した。この状態で、容器にアンモニア水（アンモニア濃度：２９ｗｔ％）２ｇと水１８ｇを添加し、攪拌しながら、エタノール６ｍｌに混合したシリコンエトキシド６ｇを２時間かけて滴下した。したがって、シリコンエトキシドの滴下速度は、エタノール１００ｍｌ当たり３ｇ／時間である。そして、シリコンエトキシドの滴下開始から３時間反応させた。反応後、十分の量のエタノールで希釈・洗浄した後、濾過することによって複合磁性粉を取り出した。取り出された複合磁性粉を真空乾燥機を用いて１８０℃で８時間乾燥した。乾燥後、回転式チューブ炉を用いて窒素雰囲気で６５０℃で３０分間加熱処理した。これにより、実施例１の複合磁性粉を得た。
（実施例２）
エタノール６ｍｌに混合したシリコンエトキシド６ｇを１時間かけて滴下した他は、実施例１と同じ方法で実施例２の複合磁性粉を得た。したがって、シリコンエトキシドの滴下速度は、エタノール１００ｍｌ当たり６ｇ／時間である。
エタノール６ｍｌに混合したシリコンエトキシド６ｇを１時間かけて滴下した他は、実施例１と同じ方法で実施例２の複合磁性粉を得た。したがって、シリコンエトキシドの滴下速度は、エタノール１００ｍｌ当たり６ｇ／時間である。
（実施例３）
反応時における液体の温度を３０℃に設定した他は、実施例１と同じ方法で実施例３の複合磁性粉を得た。
反応時における液体の温度を３０℃に設定した他は、実施例１と同じ方法で実施例３の複合磁性粉を得た。
（実施例４）
反応時における液体の温度を４０℃に設定した他は、実施例１と同じ方法で実施例３の複合磁性粉を得た。
反応時における液体の温度を４０℃に設定した他は、実施例１と同じ方法で実施例３の複合磁性粉を得た。
（比較例１）
反応時における液体の温度を４０℃に設定した他は、実施例２と同じ方法で比較例１の複合磁性粉を得た。
反応時における液体の温度を４０℃に設定した他は、実施例２と同じ方法で比較例１の複合磁性粉を得た。
（空隙率の測定）
実施例１〜４及び比較例１の複合磁性粉をそれぞれエポキシ樹脂中に混錬し、硬化剤を添加した後、熱硬化させることによって測定用サンプルを作製した。次に、ＦＩＢ（集束イオンビーム）装置を用いて測定用サンプルを切断することによって薄片を切り出し、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）のサンプルホルダー上に薄片を固定した。さらに、ＦＩＢを用いて薄片の厚みを約１００ｎｍまで薄くした後、ＳＴＥＭ（走査透過電子顕微鏡）を用いて２０万倍の画像を得た。得られた画像の中から絶縁層の領域を二値化し、空隙の占める割合を面積換算することによって空隙率を算出した。
実施例１〜４及び比較例１の複合磁性粉をそれぞれエポキシ樹脂中に混錬し、硬化剤を添加した後、熱硬化させることによって測定用サンプルを作製した。次に、ＦＩＢ（集束イオンビーム）装置を用いて測定用サンプルを切断することによって薄片を切り出し、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）のサンプルホルダー上に薄片を固定した。さらに、ＦＩＢを用いて薄片の厚みを約１００ｎｍまで薄くした後、ＳＴＥＭ（走査透過電子顕微鏡）を用いて２０万倍の画像を得た。得られた画像の中から絶縁層の領域を二値化し、空隙の占める割合を面積換算することによって空隙率を算出した。
（粒子径の測定）
上述した空隙率の算出に用いたサンプルをそのまま用い、ＳＴＥＭのＴＥＭモードで１００万倍の画像を得た。得られた画像から絶縁層を形成している粒子径の平均値を算出した。
上述した空隙率の算出に用いたサンプルをそのまま用い、ＳＴＥＭのＴＥＭモードで１００万倍の画像を得た。得られた画像から絶縁層を形成している粒子径の平均値を算出した。
（体積抵抗率の測定）
実施例１〜４及び比較例１の複合磁性粉をそれぞれ５ｇ秤量し、三菱ケミカルアナリテック社製のハイレスタＵＸ ＭＣＰ−ＨＴ８００の測定冶具に投入した後、直径１０ｍｍの測定電極に１Ｖの電圧を印加し、２０ｋＮの圧力を掛けた状態における体積抵抗率を測定した。体積抵抗率を測定は、複合磁性粉を１５０℃の環境に１０００時間放置する耐熱試験を行う前後において行った。
実施例１〜４及び比較例１の複合磁性粉をそれぞれ５ｇ秤量し、三菱ケミカルアナリテック社製のハイレスタＵＸ ＭＣＰ−ＨＴ８００の測定冶具に投入した後、直径１０ｍｍの測定電極に１Ｖの電圧を印加し、２０ｋＮの圧力を掛けた状態における体積抵抗率を測定した。体積抵抗率を測定は、複合磁性粉を１５０℃の環境に１０００時間放置する耐熱試験を行う前後において行った。
（評価結果）
評価結果を表１に示す。
評価結果を表１に示す。
表１に示すように、実施例１〜４の複合磁性粉は絶縁層の空隙率が４．８％以下であったのに対し、比較例１の複合磁性粉は絶縁層の空隙率が５．２％であった。また、実施例１〜４の複合磁性粉は絶縁層の粒子径が６ｎｍ以下であったのに対し、比較例１の複合磁性粉は絶縁層の粒子径が１０ｎｍであった。
また、耐熱試験を行う前の体積抵抗率については、実施例１〜４及び比較例１の間で著しい差は見られなかったが、耐熱試験を行った後は、比較例１の複合磁性粉は体積抵抗率が大きく低下した。これに対し、実施例１〜４の複合磁性粉は、耐熱試験を行う前後において体積抵抗率に大きな変化は見られなかった。
図３は、実施例１の複合磁性粉の空隙率測定に用いた画像の一部である。また、図４は、比較例１の複合磁性粉の空隙率測定に用いた画像の一部である。図３に示すように、実施例１の複合磁性粉は絶縁層が緻密であり、空隙がほとんど確認できないのに対し、比較例１の複合磁性粉は絶縁層が粗であり、多くの空隙が確認された。
２ 複合磁性粉
４ 磁性粉
６ 絶縁層
８ 空隙
Ａ 領域
４ 磁性粉
６ 絶縁層
８ 空隙
Ａ 領域
Claims (5)
- 鉄を含む磁性粉の表面が酸化シリコンからなる絶縁層で被覆されてなる複合磁性粉であって、
前記絶縁層には空隙が含まれており、前記絶縁層の断面における空隙の面積比率が５％以下であることを特徴とする複合磁性粉。 - 前記絶縁層を構成する酸化シリコンの平均粒径が６ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の複合磁性粉。
- 請求項１又は２に記載の複合磁性粉と樹脂を含む圧粉磁心。
- 鉄を含む磁性粉が分散された液体にシリコンエトキシドを滴下することによって、前記磁性粉の表面を酸化シリコンからなる絶縁層で被覆する方法であって、
滴下時における前記液体の温度を４０℃以下とし、且つ、滴下速度を前記液体１００ｍｌ当たり３ｇ／時間以下とすることを特徴とする複合磁性粉の製造方法。 - 鉄を含む磁性粉が分散された液体にシリコンエトキシドを滴下することによって、前記磁性粉の表面を酸化シリコンからなる絶縁層で被覆する方法であって、
滴下時における前記液体の温度を３０℃以下とし、且つ、滴下速度を前記液体１００ｍｌ当たり６ｇ／時間以下とすることを特徴とする複合磁性粉の製造方法。
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