JP4561988B2 - 軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末の製造方法、及び軟磁性金属圧粉磁心 - Google Patents

Description

本発明は、モーター、スイッチング電源、ＤＣ−ＤＣコンバーター、トランス、チョークコイル等の電子部品に使用される軟磁性金属圧粉磁心の原料となる軟磁性金属粉末、及びその製造方法、並びに該軟磁性金属粉末を用いた軟磁性金属圧粉磁心に関する。更に詳しくは、低周波帯域から１ＭＨｚ以上の高周波帯域までほぼ一定の高い透磁率を有する軟磁性金属圧粉磁心、及びその原料となる粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末、並びにその製造方法に関する。

従来、上記電子部品に用いられる軟磁性磁心には、その用途に応じて軟磁性フェライト磁性材料、又は軟磁性金属磁性材料が使用されている。軟磁性フェライト材料は飽和磁束密度が低いが、電気抵抗が高い為、渦電流損失が少なく、高い周波帯域まで使用することができる。

一方、軟磁性金属磁心に使われる軟磁性金属材料として、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ系非晶質合金等が挙げられる。これらの材料は大きな飽和磁束密度を有し低周波帯域では高い透磁率を示すことから、それを用いた軟磁性金属磁心は、前記種々の用途に数多く使用されている。但し、電気抵抗が低いことに起因して、高周波帯域において透磁率が低下するので磁性材料として機能しなくなる問題がある。

上記電子部品に対する小型化、高性能化の要求は止まるところがなく、その要求に応えるため従来よりも高い周波数帯域で動作する軟磁性磁心の開発が進められている。

例えば、軟磁性金属材料を粉末化し、その軟磁性金属粒子表面を絶縁処理することによって電気抵抗を高めることが行われている。そして、絶縁処理された軟磁性金属粉末を成型した後、その際に生ずる加工歪を熱処理によって除去することで透磁率の回復を図り、低周波帯域から高周波帯域まで一定の透磁率を有する軟磁性金属圧粉磁心を製造することが行われている。

その際、絶縁層を厚くすると電気抵抗は高くなり、また耐熱性も向上するので、高い温度で熱処理することができるようになるが、反磁界の影響によって透磁率が大きく低下する。つまり、この場合、低周波帯域から高周波帯域まで透磁率は一定ではあるが、それは低い値しか示さない。

逆に、絶縁層を薄くすると、反磁界の影響による透磁率の低下は少なくなり、低周波帯域においては高い透磁率が得られるが、電気抵抗が低いことに起因して１ＭＨｚ以上の高周波帯域において透磁率が著しく低下する。また、絶縁層の耐熱性も低くなるため、高い温度で熱処理することができなくなり、成型時の加工歪を除去し透磁率の回復を図ることが困難になる。

上述の軟磁性金属圧粉磁心に関する技術として、シリカゾルやアルミナゾルで軟磁性金属粒子表面を絶縁処理する技術（特許文献１）、ケイ素を含有する有機物を混合・加熱することで軟磁性金属粒子表面に酸化ケイ素の被膜を形成する技術（特許文献２）、軟磁性金属粒子表面を微粒子の酸化ケイ素で被覆する技術（特許文献３）、水ガラスと絶縁酸化物粉末からなる無機バインダ成分で軟磁性金属粒子表面を被覆する方法（特許文献４）、平均粒子径が３０〜６５μｍのＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金噴霧粉と樹脂を混合する方法（非特許文献１）が提案されている。

特開昭６１−２２２２０７号公報 特開平４−２１９９０２号公報 特開平９−１８０９２４号公報 特開２００１−３０７９１４号公報 斉藤貴伸、矢萩慎一郎、電気製鋼、１９９７年８月、第６９巻、第３号、ｐ．１８１−１８７

前出特許文献１は、シリカゾルやアルミナゾルを軟磁性金属粒子表面に単に付着させたものであるので、粒子状のシリカやアルミナが粒子表面に存在しており、均一な絶縁膜を形成しているとは言い難い。

前出特許文献２では、加水分解させたエチルシリケートを混合した軟磁性金属圧粉磁心が開示されているが、ケイ素化合物のみからなる絶縁処理では、耐熱性及び絶縁性の点で十分とは言い難いものである。

前出特許文献３では、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚにおける透磁率が示されているが、透磁率が一定であるのは１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲であることから、ケイ素化合物のみからなる絶縁処理では、耐熱性及び絶縁性の点で十分とは言い難いものであり、低周波帯域から１ＭＨｚ以上の高周波帯域までほぼ一定の高い透磁率を有する軟磁性金属圧粉磁心への応用は困難である。

前出特許文献４では、軟磁性金属粉末を水ガラス及び耐火粘土粉末からなる無機バインダで被覆した圧粉磁心用磁性粉末が記載され、１００ｋＨｚにおけるコアロスが記載されているが、低周波帯域から高周波帯域までほぼ一定の高い透磁率を有する軟磁性金属圧粉磁心への応用は困難である。

前出非特許文献１では、平均粒子径が３０〜６５μｍのＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金噴霧粉と樹脂を混合する方法が開示されており、平均粒径を小さくすることで１００ｋＨｚにおけるコアロスをほぼ半減できることが記載されている。但し、１ＭＨｚ以上の高周波帯域における透磁率の記載はされていないが、十分な絶縁処理がなされていないので、高周波帯域で高い透磁率を有するとは言い難いものである。

このように、コアロスが小さく、更に低周波帯域から１ＭＨｚ以上の高周波帯域までほぼ一定の高い透磁率を有する軟磁性金属圧粉磁心は、現在最も要求されているところであるが、このような特性を有する軟磁性金属圧粉磁心は未だ得られていない。

そこで、本発明は、粒子表面に絶縁層を有し、平均粒子径が３〜５０μｍである軟磁性金属粉末を用いることで、コアロスが小さく、更に低周波帯域から１ＭＨｚ以上の高周波帯域までほぼ一定の高い透磁率を有する軟磁性金属圧粉磁心を提供することを技術的課題とする。

前記技術的課題は、次の通りの本発明によって達成できる。

すなわち、本発明は、粒子表面に絶縁層を有し、平均粒子径が３〜５０μｍである軟磁性金属粉末であって、該絶縁層がケイ素と、マグネシウム及び／又はアルミニウムを含有する化合物からなることを特徴とする軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末である（本発明１）。

また、本発明は、軟磁性金属粉末を分散させた懸濁液を加熱してｐＨを６〜１０に保ちながら、該懸濁液にケイ素と、マグネシウム及び／又はアルミニウムとを含有する水溶液を添加することによって、該軟磁性金属粉末の粒子表面にケイ素と、マグネシウム及び／又はアルミニウムとを含有する化合物からなる絶縁層を形成することを特徴とする軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末の製造方法である（本発明２）。

また、本発明は、本発明１の軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末を用いて得られる軟磁性金属圧粉磁心である（本発明３）。

本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末は、絶縁性に優れるとともに高い耐熱性を有するので、圧粉磁心用軟磁性金属粉末として好適である。

本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末の製造方法は、軟磁性金属粉末の表面に絶縁膜が均一、かつ緻密に形成できるので、圧粉磁心用軟磁性金属粉末の製造方法として好適である。

本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心は、コアロスが小さいとともに、１ＭＨｚ以上の高周波数帯においても高い透磁率を有するので、圧粉磁心として好適である。

本発明の構成をより詳しく説明すれば次の通りである。

本発明における軟磁性金属粉末の種類としては、公知の軟磁性金属粉末を用いることができる。例えば、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ軽合金、Ｆｅ系非晶質合金から選ばれた少なくとも１種以上の軟磁性金属粉末である。必要に応じて上記軟磁性金属粉末を混合して用いることができる。

本発明における絶縁層はケイ素と、マグネシウム及び／又はアルミニウムとを含有する化合物からなる。

絶縁層中のケイ素の含有量は、粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末に対して５０〜５０００ｐｐｍが好ましい。ケイ素の含有量が５０ｐｐｍ未満の場合は、絶縁層が均一に形成されないので絶縁性と耐熱性が低くなり、高周波帯域における透磁率が低下する。含有量が５０００ｐｐｍを越えると、絶縁層が厚くなるので反磁界の影響が大きくなり透磁率が低くなる。より好ましくは１００〜４０００ｐｐｍである。

絶縁層中のマグネシウムの含有量は、絶縁層中のケイ素の含有量に対して３〜３０ｍｏｌ％が好ましい。含有量が３０ｍｏｌ％を超える場合は、絶縁性と耐熱性を向上させる効果を発揮できない。更に好ましい含有量は、５〜２０ｍｏｌ％である。

絶縁層中のアルミニウムの含有量は、絶縁層中のケイ素の含有量に対して３〜３０ｍｏｌ％が好ましい。含有量が３０ｍｏｌ％を超える場合は、絶縁性と耐熱性を向上させる効果を発揮できない。更に好ましい含有量は、５〜２０ｍｏｌ％である。

粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末の平均粒径は、３〜５０μｍである。平均粒径が３μｍ未満であると成型が困難となり、５０μｍを越えるとコアロスが大きくなるので軟磁性金属圧粉磁心として使用できなくなる。好ましい平均粒径は５〜４０μｍである。

絶縁層の厚さは５〜５０ｎｍが好ましい。厚さが５ｎｍ未満の場合には均一に絶縁層を形成することが困難になり、絶縁性と耐熱性が低下する。厚さが５０ｎｍを越える場合には反磁界の効果により透磁率が小さくなる。より好ましい厚さは５〜４０ｎｍである。

次に、本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末の製造方法について述べる。

まず、水中に軟磁性金属粉末を分散させた懸濁液を加熱してｐＨを６．０〜１０．０に保ちながら、ケイ素を含む化合物と、マグネシウムを含む化合物及び／又はアルミニウム含む化合物とを溶解させた水溶液を前記懸濁液に添加する。得られた懸濁液を濾過・水洗・乾燥することにより、本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末を得ることができる。

懸濁液は５０〜１３０℃の温度範囲に加熱することが好ましい。前記範囲外の場合には、ケイ素と、マグネシウム及び／又はアルミニウムとを含有する化合物が析出し難くなる。より好ましい温度範囲は６０〜１００℃である。

懸濁液のｐＨは６．０〜１０．０である。この範囲外であると、ケイ素と、マグネシウム及び／又はアルミニウムとを含有する化合物が析出し難くなる。

ケイ素を含む化合物としては、水に溶解してケイ素を含む水溶液となる化合物であれば特に制限はなく、例えば水ガラス、メタケイ酸ナトリウム等がある。

マグネシウムを含む化合物としては、水に溶解してマグネシウムを含む水溶液となる化合物であれば特に制限はなく、例えば硫酸マグネシウム、硫酸二ナトリウムマグネシウム等がある。

アルミニウムを含む化合物としては、水に溶解してアルミニウムを含む水溶液となる化合物であれば特に制限はなく、例えば硫酸アルミニウム、アルミン酸ナトリウム、アルミン酸カリウム、硫酸ナトリウムアルミニウム、硫酸カリウムアルミニウム等がある。

更に、上記の方法により得られた粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末を２００〜６００℃の温度範囲で加熱処理することで、絶縁層に含まれる水酸化物を脱水反応により酸化物に転化させることができる。この場合、更に絶縁性が向上した軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末を得ることができる。

次に、本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心について述べる。

軟磁性金属圧粉磁心の１０ｋＨｚにおける透磁率は、７０以上であることが好ましい。透磁率が７０未満であると、十分なインダクタンスが得られない。

軟磁性金属圧粉磁心の透磁率の周波数特性は次の指標で評価する。つまり、透磁率が１ＭＨｚ以上の高周波帯域までほぼ一定であること表す指標として、１０ｋＨｚにおける透磁率μ_{１０ｋＨｚ}と１０ＭＨｚにおける透磁率μ_{１０ＭＨｚ}の比μ_{１０ＭＨｚ}／μ_{１０ｋＨｚ}を採用する。μ_{１０ＭＨｚ}／μ_{１０ｋＨｚ}は０．９５以上であることが好ましい。μ_{１０ＭＨｚ}／μ_{１０ｋＨｚ}が０．９５未満であると、損失が大きくなるので１〜１０ＭＨｚの周波数帯域において磁性体として機能しなくなる。更に好ましくは０．９７以上である。

次に、本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心の製造方法について述べる。

本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心は、本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末を加圧・成型した後、熱処理する方法、ホットプレス法や放電プラズマ焼結法のように加圧下で熱処理する方法等の常法に従って製造すればよく、例えば、本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末を８００〜２０００ＭＰａの成型圧力で成型した後、４００〜９００℃の温度で５秒〜２時間熱処理することによって得られる。尚、必要に応じて成型時に公知の結着剤を添加することができる。

＜作用＞
本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末は、絶縁層中にケイ素とともにマグネシウム及び／又はアルミニウムを存在させたことによって、ケイ素化合物のみからなる場合と比べて絶縁層が緻密に形成されるので絶縁性と耐熱性が高くなる。

しかも、本発明に係る軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末は、水溶液中に溶解したケイ素と、マグネシウム及び／又はアルミニウムとを、該元素と酸素及び水酸基がネットワークを形成した化合物の被膜として軟磁性金属粒子表面に直接析出させることにより得られるので、例えば、軟磁性金属粒子表面に酸化ケイ素等の微粒子を粒状に付着させる方法と比較して、均一な絶縁層の形成が可能になり、その結果、絶縁層が薄くても絶縁性が高く、耐熱性の高い軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末を得ることができる。

従って、この粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末を成型した後、熱処理することで得られる軟磁性金属圧粉磁心は、低周波帯域から１ＭＨｚ以上の高周波帯域までほぼ一定の高い透磁率を発現することができる。また、平均粒径が３〜５０μｍである軟磁性金属粉末を使用することにより、軟磁性金属圧粉磁心のコアロスを低減できる。

また、上述の水溶液中から得られた粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末の絶縁層中に含まれる水酸化物を、熱処理により酸化物に転化させることにより、成型後の熱処理時において、より安定な絶縁層として存在させることができる。

本発明の代表的な実施の形態は、次の通りである。

粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末の平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置（Ｓｙｍｐａｔｅｃ ＧｍｂＨ製）を用いて、水中に該粉末を超音波によって３００秒間分散させた後に測定した粒度分布のＸ_５０の値で示した。その際、試料濃度は約１０％に設定した。

絶縁層の厚さは、収束イオンビーム装置で形成した粒子断面を走査電子顕微鏡Ｓ−４８００（日立ハイテクノロジー（株）製）で観察することによって計測した。

ケイ素、マグネシウム、アルミニウムの含有量は、ＩＣＰ発光分光分析装置ＳＰＳ４０００（セイコー電子工業（株）製）により求めた。

透磁率は、インピーダンスアナライザーＨＰ４１９２Ａ（アジレントテクノロジー（株）製）を用いて、１０ｋＨｚ、１０ＭＨｚにおける透磁率を測定した。

実施例１
水ガラスと硫酸マグネシウムを純水中に溶解して、ケイ素の含有量が８３９ｐｐｍ、前記ケイ素に対するマグネシウムの含有量が６ｍｏｌ％、前記ケイ素に対するアルミニウムの含有量が１７ｍｏｌ％となるように計量した水溶液を、平均粒径が６μｍのＦｅ−Ｎｉ系合金（Ｎｉ＝５０％、Ｆｅ残部）粉末を分散させた懸濁液中に１時間かけて添加した。その際、懸濁液の温度は８０℃に、ｐＨは６．２に維持した。得られた懸濁液を濾過、水洗、乾燥することよって、粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末を得た。その絶縁層の厚さは９ｎｍであった。

実施例２〜７、比較例１〜２
軟磁性金属粉末の種類、絶縁層を形成する際の温度とｐＨ、ケイ素と、マグネシウム及び／又はアルミニウムの含有量を種々変化させた以外は、実施例１と同様にして粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末を製造した。
このときの製造条件及び得られた粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末の諸特性を表１に示す。

実施例８
実施例１で得られた粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末を金型に充填し、１２００ＭＰａの成型圧力で成型し、外径１２ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ２ｍｍのリング状成型体を得た。このリング状成型体を８５０℃で１０秒間熱処理することで軟磁性金属圧粉磁心を得た。その磁心のμ_{１０ｋＨｚ}は９５であり、μ_{１０ＭＨｚ}／μ_{１０ｋＨｚ}は０．９７であった。

実施例９〜１４、比較例３〜４
粒子表面に絶縁層を有する軟磁性金属粉末の種類、成型圧力、熱処理温度、熱処理時間を種々変化させた以外は、実施例８と同様にして軟磁性金属圧粉磁心を製造した。

このときの製造条件及び得られた軟磁性金属圧粉磁心の諸特性を表２に示す。

以上の結果から、本発明に係る粒子表面に絶縁層を有し、平均粒子径が３〜５０μｍである軟磁性金属粉末であって、該絶縁層がケイ素と、マグネシウム及び／又はアルミニウムを含有する化合物からなることを特徴とする軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末を用いることにより、低周波帯域から１ＭＨｚ以上の高周波帯域までほぼ一定の高い透磁率を有する軟磁性金属圧粉磁心を得ることができる。更に、軟磁性金属粉末の平均粒子径が３〜５０μｍであるので、軟磁性金属圧粉磁心のコアロスを従来よりも大きく低減できることが期待される。

本発明に係る複合圧粉磁心は、高い飽和磁束密度を有するとともに、高周波帯域でも高い透磁率を有する優れた圧粉磁心であるので、電子機器の小型化、高周波化に対応したモーター、トランス、チョークコイルなどの磁心を提供することができる。

Claims (2)

1. 軟磁性金属粉末を分散させた懸濁液を加熱してｐＨを６．０〜１０．０に保ちながら、該懸濁液にケイ素と、マグネシウム及び／又はアルミニウムとを含有する水溶液を添加することによって、該軟磁性金属粉末の粒子表面にケイ素と、マグネシウム及び／又はアルミニウムとを含有する水酸化物からなる絶縁層を形成することを特徴とする軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末の製造方法。
2. 請求項１記載の軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末の製造方法で得られた軟磁性金属圧粉磁心用軟磁性金属粉末を用いて得られる軟磁性金属圧粉磁心。