JP6515719B2

JP6515719B2 - 磁性シート用扁平状軟磁性金属粉末、磁性シート、及び、アンテナコイル

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Publication number: JP6515719B2
Application number: JP2015144962A
Authority: JP
Inventors: 良浩本荘; 光浩松橋; 篤人松川; 孝友遠田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2019-05-22
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: JP2017028087A

Description

本発明は、非接触通信端末向け磁性シートとして好適な、高透磁率かつ低損失の磁性シートに用いられる扁平状軟磁性金属粉末に関する。

非接触通信端末、特にアンテナコイル等を用いた端末やカード間での通信性能向上の目的で、軟磁性材料をシート状に加工した磁性シートが用いられる。
磁性シートの材料としてはフェライトシートを用いたシート、扁平状軟磁性金属粉末を用いたポリマーシート等があるが、従来技術によるこれらの材料は、部材に要求される性能、コストを十分に満足するものではなかった。

特許文献１には通信距離向上の手段としてフェライトシート及び金属粉末を用いたポリマーシート等が開示されているが、フェライトシートは磁気特性に優れるが可とう性に乏しいため、保護フィルム等の部材を併用することが必要となり省部材化、低コスト化が困難である欠点を有する。また、金属粉末を用いたポリマーシートは、部材の可とう性に優れるため部材全体の構造の簡素化やコストダウンが期待されるが、磁気特性が十分でなかった。

特開２００５−３４０７５９号公報

通信性能を向上させるためにはμ´×Ｑ（複素透磁率（μ＝μ´−ｉ・μ´´、ｉは虚数単位）の実部μ´及び虚部μ´´で表される損失係数（ｔａｎδ＝μ´´／μ´）の逆数をＱ（μ´／μ´´）とする）等の特性が優れることが重要であり、磁性材料として複素透磁率の実数部（μ´）が大きく、虚数部（μ´´）が小さいことが要求される。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、特定の金属材料組成を有する金属粉末を扁平化形状とし、所定の樹脂等と混合して磁気特性を向上した磁性シートを得ることで通信性能を向上させるものである。
合金成分としては、ａｔｍ％でＳｉ１４〜２２％、Ｃｒ０．１〜５％、Ｃｏ１．０〜５．０％、及びＦｅを少なくとも含有することで本発明の目的を達成することができる。
また、金属粉末を扁平化形状とすることで反磁界が小さくなりμ´特性が向上する。

上記扁平状軟磁性金属粉末（以下、場合により「扁平粉」という）は、扁平粉の重量平均粒径Ｄ_５０が１０〜１００μｍ、平均厚さが０．５〜５μｍであると、より高透磁率磁性シートが得られやすく、かつ、シートの密度も向上する。Ｄ_５０が１０μｍ未満であると、保磁力Ｈｃが小さな扁平粉が得られ難く、シート化した際にも扁平粉同士の隙間の数が多くなるため高透磁率磁性シートが得られ難くなる。一方、Ｄ_５０が１００μｍを超えると、シートの表面が粗くなり厚さから算出されるシートの密度が低下する傾向がある。
また、扁平粉の平均厚さを０．５μｍ未満とすることは製造上、扁平化やシート化が困難となり、一方５μｍを超えると反磁界が大きくなりμ´特性が低下する。

本発明は、磁性シート用の扁平状軟磁性金属粉末を特定の金属材料組成、及び粒子形状とすることで磁気特性を向上し、通信性能を向上することができるという効果を奏する。

＜扁平状軟磁性金属粉末＞
本実施形態の扁平状軟磁性金属粉末は、ＦｅＳｉＣｒＣｏ系合金において、ａｔｍ％でＳｉ１４〜２２％、Ｃｒ０．１〜５％、Ｃｏ１．０〜５．０％、及びＦｅを少なくとも含有することで高透磁率（μ´）及び低損失（μ´´）の磁性シートが得られる。Ｃｏを合金成分として上記の範囲で添加すると、磁性材料の飽和磁化が上がり、良好な特性が得られると考えられる。
また、扁平粉の重量平均粒径Ｄ_５０が１０μｍ以上１００μｍ以下、平均厚さが０．５〜５μｍであると高透磁率の磁性シートが得られる。以下にその作製方法の一例を記載する。

軟磁性合金粉末は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法又はガス噴霧水アトマイズ法などのアトマイズ法で作製するのが簡便である。本発明においては、低コストで合金粉末を得ることが可能な水アトマイズ法で製造された軟磁性合金粉末を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。

上記合金粉末を乾燥後、扁平化処理を行う。
扁平化方法は、特に制限はなく、例えば、アトライタ、ボールミル、振動ミル等を用いて行なうことができる。中でも、ボールミルや振動ミルに比べ、短時間で処理できるアトライタを用いることが好ましい。また、扁平化処理は有機溶媒を用いて湿式で行なうことが好ましい。
有機溶媒を添加することにより脆い軟磁性合金粉末を用いた場合でも、その粒子径が大きく、十分に扁平化された扁平粉を高い歩留りで作製できる。
上記有機溶媒としては、例えば、トルエン、ヘキサン、アセトン、メタノール及び炭素数２〜４の１価アルコールを用いることができる。
有機溶媒の添加量は、合金粉末１００質量部に対して、２００〜２０００質量部であることが好ましく、５００〜１０００質量部であることがより好ましい。有機溶媒の添加量が２００質量部未満では、扁平粉の粒径が小さくなる傾向があり、２０００質量部を超えると、処理時間が長くなり生産性が低下する。

扁平粉の粒径を大きくするために、有機溶媒と共に扁平化助剤を用いてもよい。扁平化助剤としては、例えば、ステアリン酸等の脂肪酸を好適に用いることができる。扁平化助剤の添加量は、熱処理粉末１００質量部に対して、０．１〜５質量部であることが好ましく、０．５〜２質量部であることがより好ましい。扁平化助剤の添加量が５質量部を超えても扁平粉の粒径はそれ以上大きくならない上に、有機溶媒の回収利用が困難になり、熱処理炉の汚染が激しくなる。また、有機溶媒として炭素数２〜４の１価アルコール類を使用した場合、扁平化助剤を添加しなくても粒径の大きな扁平粉が得られる。

扁平化時間は、所定の平均粒径及び平均厚さとなる時間とする。扁平化の装置や条件にもよるが、滞留時間（合金粉末に有機溶媒を加えたスラリーが処理装置内を通過して処理される実時間）として１〜５時間程度が所定の粒径及び厚さを得るために好適である。扁平粉の粒径が大きくなるにつれ平均厚さは小さくなり、平均粒径Ｄ_５０／平均厚さで定義されるアスペクト比が大きくなる。アスペクト比が大きくなるとかさ密度ＢＤは小さくなるため、アスペクト比の代用特性として、扁平粉のかさ密度ＢＤを用いることができる。本発明において、アスペクト比が２０以上５０以下となると透磁率特性が向上するが、その際のかさ密度は本実施例記載のＦｅＳｉＣｒＣｏ系合金では、０．１５〜０．５０Ｍｇ／ｍ^３である。ＢＤは、ＪＩＳＫ−５１０１に準拠する方法でカサ比重測定器を用いて測定することができる。

扁平粉の重量平均粒径Ｄ_５０及び平均厚さは、次の方法で測定した値とする。
Ｄ_５０はフランホーファーの回折理論を利用したレーザー回折式の粒度分布測定装置により測定され、体積分布の積算で５０％になるときの粒径とする。本実施例では、乾式分散ユニットを有する日本レーザー社製の「ＨＥＬＯＳＳＹＳＴＥＭ」を用いた測定値とした。
平均厚さは扁平粉を樹脂埋め後、研磨面と垂直な方向の磁束を有する磁石の上で硬化し、鏡面加工後、断面をＳＥＭで観察した値とした。
アスペクト比は上記平均粒径及び平均厚さを用いて「Ｄ_５０／厚さ」の値とした。

なお、扁平化処理後、得られた扁平状軟磁性金属粉末を不活性雰囲気中で熱処理することが好ましい。これにより、保磁力Ｈｃが小さくなり高透磁率磁性シートが得られやすくなる。熱処理温度や保持時間は、扁平状軟磁性金属粉末の組成や積載量により選択する。保磁力Ｈｃは市販のＨｃメーター（本実施例では、東北特殊鋼株式会社製、商品名「Ｋ−ＨＣ１０００」）を用いて測定することができる。

＜磁性シート＞
磁性シートは、上記扁平状軟磁性金属粉末を用いて作製することができる。本発明の磁性シートの作製方法について一例を示すと次のようになる。
扁平状軟磁性金属粉末とバインダーとしてポリウレタン樹脂、希釈溶剤としてトルエン、キシレン、酢酸ブチル等から選択される溶剤と、メチルエチルケトン等の溶剤との混合溶剤を含む磁性塗料を混練する。混練方法は特に限定されないが、本実施例ではプラネタリーミキサーを用いた。混練終了直前に硬化剤としてイソシアネート化合物を加え、最後に真空脱泡し塗料に含まれる気泡を除去する。

バインダーの配合比は、扁平状軟磁性金属粉末１００重量部に対し、好ましくは８重量部以上２２重量部以下の範囲内に、さらに好ましくは８重量部以上１８重量部以下の範囲内に設定される。
硬化剤の添加量は、バインダー１００重量部に対して５重量部以上３０重量部以下の範囲内に、さらに好ましくは１０重量部以上２０重量部以下の範囲内に設定される。
揮発性溶剤の添加量は、塗料粘度が一定範囲になるように調整する。塗料粘度の範囲は４００〜１５００ｍＰａ・ｓが好ましい。塗料粘度が４００ｍＰａ・ｓ未満であると、塗布直後に行なう磁場配向の痕跡が残りやすく、塗料粘度が高いと乾燥後のシート表面に凹凸が残りやすく外観が悪くなる。

上記磁性塗料をドクターブレード法でベースフィルム上に所定の厚さで塗布し、磁場配向後、乾燥する。ベースフィルムは特に限定されないが本実施例では厚さ７５μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを用いた。
磁場配向後のシートを乾燥するが、乾燥方法は自然乾燥でも加熱による強制乾燥でも良い。

乾燥後の磁性シートは、密度及び磁気特性により評価する。密度は磁性シートを外径１８ｍｍ、内径１０ｍｍの金型を用いてロット毎に６枚ずつトロイダル形状に打ち抜き、その重量とスピンドル径が６ｍｍのマイクロメーターを用いて測定した厚さから求めた。磁気特性は上記トロイダル形状の試料を６枚重ねてインピーダンスアナライザ（ＡｇｉｌｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製、商品名「Ｅ４９９１Ａ」）と付属のテストフィクスチャー（１６４５４Ａ）を用いて１ターン法で測定した。

非接触通信端末の磁芯部材として使用される磁性シートの通信性能を向上させるためにはμ´×Ｑであらわされる性能指数が優れることが重要であり、本発明によればこの指数が２０００以上となるため良好な通信性能が得られる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
（実施例１〜７）
水アトマイズ法にて表１の合金組成となるように作製した合金粉末を乾燥後、質量比で７．３倍のイソプロピルアルコールを添加し、アトライタを用いてかさ密度ＢＤが約０．３０Ｍｇ／ｍ^３になるまで扁平化処理した。得られた扁平粉の平均粒径Ｄ_５０は２２〜３９μｍ、平均厚さは０．８〜１．５μｍであった。この扁平粉をＡｒガス雰囲気中で２時間熱処理し、保磁力Ｈｃが約４００Ａ／ｍの扁平状軟磁性金属粉末を得た。
上記扁平状軟磁性金属粉末に結合材と有機溶媒を添加し混練後、硬化剤を添加し、混練しながら真空脱泡した。
得られた磁性塗料を７５μｍ厚のＰＥＴ製のベースフィルムの一方の面上に、ブレード塗布方式により塗布厚さ４００μｍで塗布し、磁場配向後乾燥した。乾燥は常温（２５℃）にて行い磁性シートを作製した。

（比較例１〜３）
合金組成として、Ｃｏを含まないか、もしくはＣｏをａｔｍ％で５％を超える比率とした以外は実施例１〜７と同様の方法で磁性シートを作製した。
（比較例４〜５）
合金組成として、Ｃｒを含まないか、もしくはＣｒをａｔｍ％で５％を超える比率とした以外は実施例１〜７と同様の方法で磁性シートを作製した。
（比較例６〜７）
合金組成として、Ｓｉをａｔｍ％で１４％未満、もしくは２２％を超える比率とした以外は実施例１〜７と同様の方法で磁性シートを作製した。

表１に、合金組成を変えた時の実験結果を示した。

実施例１〜７は、Ｃｏ比率がａｔｍ％で１〜５％の範囲であり、μ´×Ｑの高い磁性シートが得られた。また、実施例７ではＣｏに加え、さらにＭｎを添加したが、良好な特性が得られた。一方、比較例１〜７はμ´×Ｑがいずれも低い値となった。

以上のように、本発明に関わる扁平状軟磁性金属粉末を用いることにより、高透磁率（μ´）、低損失（μ´´）の磁性シートが実現でき、非接触通信端末の通信距離を改善するために有用である。

Claims

磁性シート用扁平状軟磁性金属粉末であって、合金成分としてａｔｍ％でＳｉ１４〜２２％、Ｃｒ０．１〜５％、Ｃｏ１．０〜５．０％、及びＦｅを少なくとも含有し、
重量平均粒径Ｄ_５０が２２〜３９μｍ、平均厚さが０．８〜１．５μｍである、磁性シート用扁平状軟磁性金属粉末。
請求項１に記載の磁性シート用扁平状軟磁性金属粉末と、
結合剤を含む、
磁性シート。
請求項２に記載の磁性シートを有するアンテナコイル。
合金成分として、Ｓｉ１４〜２２ａｔｍ％、Ｃｒ０．１〜５ａｔｍ％、Ｃｏ１．０〜５．０ａｔｍ％、及びＦｅを含有する、磁性シート用扁平状軟磁性金属粉末
（ただし、質量％で、Ｓｉ：９〜１２％、Ａｌ：１〜５％、Ｃｒ：１〜５％、残部Ｆｅおよび不純物からなり、かつ該不純物としてのＮｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｕの何れも２％以下である扁平粉末を除く）。