JP6816663B2 - 複合磁性材料および磁心 - Google Patents

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Description

本発明は、複合磁性材料および磁心に関する。
近年、携帯電話機や携帯情報端末等の無線通信機器の利用周波数帯域の高周波化が進行し、使用される無線信号周波数はＧＨｚ帯となっている。そこで、そのようなＧＨｚ帯の高周波領域で使用される電子部品に対して、ＧＨｚ帯の高周波領域においても透磁率が比較的大きい磁性材料を適用することで、フィルタ特性の改善やアンテナ寸法の小型化を図る試みがなされている。また、高周波領域磁気損失も低下させることが望まれている。その中で、磁心に用いられる磁性材料のアスペクト比などを大きくすることが試みられてきた。
例えば、特許文献１には、ＦｅＳｉＡｌ系の針状粉および球状粉を用いる複合材が記載されている。特許文献２には、アモルファス系の針状粉および球状粉を用いる複合材が記載されている。
しかし、現在では、さらに比透磁率μｒが高く磁気損失ｔａｎδが低い磁心が求められている。
特開平１１−２６０６１７号公報 特開２００２−１０５５０２号公報
本発明は、ＧＨｚ帯の高周波領域において、比透磁率μｒが高く磁気損失ｔａｎδが低い磁心に用いられる複合磁性材料および磁心を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の複合磁性材料は、
針状粉および球状粉を含む複合磁性材料であり、
前記針状粉は軟磁性材料からなり、平均短軸長が１００ｎｍ以下、かつ、平均アスペクト比が３．０以上１０．０以下であり、
前記球状粉は軟磁性材料からなり、平均長軸長が１００ｎｍ以下、かつ、平均アスペクト比が３．０未満であることを特徴とする。
前記複合磁性材料を含む磁心は、高周波領域において比透磁率μｒを増加させ、磁気損失ｔａｎδを低下させることができる。
前記複合磁性材料は、さらに樹脂を含んでもよい。
前記針状粉および前記球状粉において、前記軟磁性材料がＦｅまたはＦｅおよびＣｏを主成分としてもよい。
前記針状粉において、主成分に対するＣｏの含有割合が０〜４０ａｔｏｍ％（０ａｔｏｍ％を含まない）であってもよい。
前記針状粉と前記球状粉との合計に対する前記針状粉の含有割合が６０ｖｏｌ％以上９０ｖｏｌ％以下であってもよい。
前記球状粉の平均アスペクト比が１．５以上２．５以下であってもよい。
本発明に係る磁心は上記の複合磁性材料を含む。
前記磁心全体に対する前記針状粉と前記球状粉との合計の含有割合を３５ｖｏｌ％以上としてもよい。
複合磁性材料における長軸長および短軸長を示す図面である。 磁心の断面におけるＳＥＭ画像である。 図２のノイズを除去して二値化した画像である。
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
本実施形態の磁心（コア）は、針状粉および球状粉を含む複合磁性材料からなる。
そして、針状粉が軟磁性材料からなり、平均短軸長が１００ｎｍ以下、かつ、平均アスペクト比が３．０以上１０．０以下である。さらに、球状粉が軟磁性材料からなり、平均長軸長が１００ｎｍ以下、かつ、平均アスペクト比が３．０未満である。
また、針状粉の形状には特に制限はない。針状であってもよく、擬針状、回転楕円体状または擬回転楕円体状であってもよい。
針状粉の短軸長、長軸長およびアスペクト比の算出は、以下に示す方法により行う。なお、球状粉の短軸長、長軸長およびアスペクト比についても同様である。
まず、ＳＥＭまたはＴＥＭ等を用いて、長軸長、短軸長およびアスペクト比を測定する針状粉１を二次元画像にて撮影する。撮影した二次元画像上において、図１に示すように当該針状粉１に外接する楕円１ａを描き、当該楕円１ａの長軸Ｌ１の長さを長軸長、短軸Ｌ２の長さを短軸長とする。そして、アスペクト比はＬ１／Ｌ２とする。
本実施形態に係る複合磁性材料は、長軸長、短軸長およびアスペクト比の異なる２種類の粉末（針状粉および球状粉）からなり、それぞれの粉末の平均短軸長、平均長軸長および／または平均アスペクト比を所定の範囲内である。上記の構成を有する複合磁性材料を用いた磁心（コア）は比透磁率μｒが向上する。
なお、針状粉および球状粉は、各粉末の組成が異なる場合には、組成の違いにより区別することが可能である。各粉末の組成が同一である場合には、アスペクト比の頻度分布を測定してグラフ化した場合に二つの山が存在する場合において、アスペクト比の大きな側の山を針状粉、アスペクト比の小さな側の山を球状粉とすることで区別することが可能である。
針状粉の平均短軸長は３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。針状粉の平均アスペクト比は４．０以上１０．０以下であることが好ましい。球状粉の平均長軸長は８０ｎｍ以下であることが好ましい。球状粉の平均アスペクト比は１．５以上２．５以下であることが好ましい。
針状粉の平均短軸長が長すぎる場合には、磁気損失ｔａｎδが大きくなる傾向にある。
針状粉と球状粉との混合割合には特に制限はないが、針状粉と前記球状粉との合計に対する前記針状粉の含有割合を６０ｖｏｌ％以上９０ｖｏｌ％以下とすることが好ましい。
針状粉および球状粉の材質には特に制限はないが、ＦｅまたはＦｅおよびＣｏを主成分として含むことが好ましい。特に針状粉について、主成分であるＦｅおよびＣｏの合計含有量に対するＣｏの含有量は０〜４０ａｔｏｍ（０ａｔｏｍ％を含まない）であることが好ましく、１０〜４０ａｔｏｍ％であることがさらに好ましい。
また、針状粉および／または球状粉には、その他の元素、例えばＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、希土類元素、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｎ、Ａｌ、ＧａおよびＳｉなどが含まれていてもよく、特に耐酸化性を向上させるためにＡｌ、Ｓｉおよび／またはＮｉが含まれていてもよい。その他の元素の含有量には特に制限はないが、針状粉および／または球状粉全体に対して合計で５質量％以下であることが好ましい。
また、針状粉および／または球状粉に対して酸化物層が被覆されていてもよい。酸化物層を構成する酸化物の種類および酸化物層の厚みには特に制限はない。例えばＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、希土類元素、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｎ、Ａｌ、ＧａおよびＳｉから選ばれる１種以上の非磁性金属を含む酸化物であってもよい。酸化物層の厚さは、例えば１．０ｎｍ以上１０．０ｎｍ以下としてもよく、１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下としてもよい。針状粉および／または球状粉を酸化物層で被覆することにより、針状粉および／または球状粉の酸化を防止しやすくなる。
針状粉および球状粉は、さらに樹脂で被覆することが好ましい。樹脂の種類には特に制限はない。例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂が例示される。樹脂で被覆する場合には、絶縁性を向上させる効果が大きく、後述する磁化回転を抑制する粉体間での渦電流の発生を抑制できる効果が大きく、比透磁率μｒを大きく向上させやすくなる。
特に高周波領域において、針状粉および球状粉の両方を混合して作製する磁心の比透磁率μｒが向上する理由は以下の通りであると考えられる。
特に高周波領域において発現する磁化の大きさは、磁性粒子内部における磁化の歳差運動の変位の大きさに強く依存すると考えられる。歳差運動の変位が大きいほど、発現する磁化が大きくなり、高透磁率になる。
ここで、形状異方性が大きい磁性粒子、すなわちアスペクト比の大きな磁性粒子を用いる場合ほど、外部磁界を掛けた場合に、反磁界によって単磁区構造が自己組織化しやすい。
その結果、アスペクト比の大きな針状粉のみを用いる場合には、磁化の歳差運動が抑制され、比透磁率μｒが低くなりやすい。ただし、自己組織化により内部組織は均一なため、有効磁化が増加し、周波数特性は高周波数化する。
これに対し、アスペクト比の小さな球状粉のみを用いる場合には、磁化の歳差運動が増加し、比透磁率μｒが高くなりやすい。ただし、自己組織化しにくく内部組織は不均一であるため、有効磁化が減少し、周波数特性は低周波数化する。
ここで、針状粉および球状粉を混合する場合には、針状粉が優先的に自己組織化する。このときに磁性粒子間に交換相互作用が生じ、球状粉も針状粉と同一方向に自己組織化しやすくなる。したがって、針状粉の自己組織化を起点として球状粉の内部組織も均一化され、有効磁化が増加する。そして、周波数特性が高周波数化する。
逆に、球状粉は歳差運動が増加している。このときに磁性粒子間に交換相互作用が生じ、針状粉の歳差運動も増加しやすくなる。したがって、球状粉の歳差運動を起点として針状粉の歳差運動も増加する。そして、比透磁率μｒが増加する。
以上より、針状粉および球状粉を混合する場合には、周波数特性の高周波数化および比透磁率μｒの増加が同時に達成される。
なお、針状粉のアスペクト比が小さすぎる場合、および、球状粉のアスペクト比が大きすぎる場合には上記の効果が十分に発揮されない。また、針状粉のアスペクト比が大きすぎる場合には、当該粉末を用いて作製する磁心の密度が低下することで比透磁率μｒが低下する。
本実施形態に係る磁心は上記の複合磁性粒子を含んでいればよい。また、磁心の種類にも特に制限はなく、例えば、圧粉磁心であってもよい。磁心を製造する際には、必要に応じて複合磁性粒子にその他の化合物を添加してもよい。例えば、複合磁性粒子に結合剤として樹脂を添加してもよい。樹脂の種類には特に制限はなく、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂またはアクリル樹脂を用いることができる。
また、磁心全体に対する前記針状粉と前記球状粉との合計の含有割合（以下、充填率とも呼ぶ）は３５ｖｏｌ％以上とすることが好ましい。充填率を十分に高くすることにより、比透磁率μｒを十分に向上させることができる。
ここで、充填率の算出方法に特に制限はない。例えば以下に示す方法が挙げられる。
まず、磁心を切断して得られた断面を研磨して観察面を作製する。次に、当該観察面に対して電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察する。観察面全体の面積に対する前記針状粉と前記球状粉との合計の面積割合を算出する。そして、本実施形態では当該面積割合と充填率とが等しいとみなし、当該面積割合を充填率とする。
観察面全体の面積に対する前記針状粉と前記球状粉との合計の面積割合を算出する方法について、図面を用いて説明する。
電子顕微鏡を用いて得られるＳＥＭ画像は、例えば図２の画像となる。ここで、当該ＳＥＭ画像に対して、ノイズを除去して二値化する。図２の画像に対してノイズを除去して二値化した結果が図３である。そして、図３の白い部分が前記針状粉または前記球状粉であるとし、観察面全体の面積に対する白い部分の面積割合を算出する。当該面積割合が観察面全体の面積に対する前記針状粉と前記球状粉との合計の面積割合である。
また、充填率を算出する上で、観察面は、前記針状粉と前記球状粉とを合計で１０００粒子以上含む大きさとする。なお、観察面は複数であってもよく、合計で１０００粒子以上含む大きさとしていればよい。
以下、本実施形態に係る複合磁性粒子および磁心の製造方法について説明するが、本実施形態に係る複合磁性粒子および磁心の製造方法は以下の方法に限定されない。
まず、主成分がＦｅまたはＦｅおよびＣｏである軟磁性材料からなる針状粉および球状粉を作製する。針状粉および球状粉の作製方法には特に制限はなく、本技術分野における通常の方法を用いることができる。例えば、α−ＦｅＯＯＨ、ＦｅＯまたはＣｏＯ等の化合物からなる原料粉末を加熱還元する公知の方法により作製してもよい。原料粉末におけるＦｅ、Ｃｏおよび／またはその他の元素の含有量を制御することにより、得られる針状粉および球状粉の組成を制御することができる。
ここで、原料粉末の平均短軸長および平均アスペクト比を制御することで、針状粉および球状粉の平均短軸長、平均長軸長および平均アスペクト比を制御することができる。なお、針状粉および球状粉の平均短軸長、平均長軸長および平均アスペクト比を制御する方法は上記の方法に限定されない。
また、針状粉および球状粉に非磁性金属の酸化物層を被覆させる場合としては、原料粉末に対して、非磁性金属を含有させた後に加熱還元を行う方法が例示される。原料粉末に対して非磁性金属を含有させる方法には特に限定は無いが、例えば原料粉末と非金属元素を含む溶液とを混合させた後にｐＨ調製を行い、ろ過して乾燥させる方法が挙げられる。また、非金属元素を含む溶液の濃度、ｐＨおよび混合時間等を制御することで酸化物層の厚みを制御することができる。
上記の方法により加熱還元させて得られた針状粉および球状粉と樹脂とを混合させて針状粉および球状粉に樹脂を被覆させることができる。樹脂を被覆させる方法に特に制限はない。例えば磁性粉末１００体積％に対して樹脂を２０〜６０体積％含む溶液を添加し、混合した後に乾燥させることで樹脂を被覆させることができる。
そして、針状粉および球状粉を所定の割合で混合させることで本実施形態に係る複合磁性材料を得ることができる。
上記の複合磁性材料から磁心を作製する方法には特に制限はなく、本実施形態に係る通常の方法を用いることができる。
例えば、上記の針状粉および球状粉に樹脂を添加して混合することで原料混合物を得ることができる。当該原料混合物を金型に充填して加圧することで圧粉体からなる磁心を製造することができる。
本実施形態に係る磁心の用途には特に制限はない。例えば、コイル部品、ＬＣフィルタ、アンテナ等が挙げられる。
次に、本発明を具体的な実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されない。
まず、磁性粉末を作製した。磁性粉末は、α−ＦｅＯＯＨからなる粉末をＨ２中で加熱還元する公知の方法により作製した。
このときに、針状のα−ＦｅＯＯＨからなる粉末および球状のα−ＦｅＯＯＨからなる粉末を準備した。針状のα−ＦｅＯＯＨからなる粉末から最終的に針状粉が得られ、球状のα−ＦｅＯＯＨからなる粉末から最終的に球状粉が得られた。このときの針状のα−ＦｅＯＯＨからなる粉末および球状のα−ＦｅＯＯＨからなる粉末の短軸長、長軸長およびアスペクト比を制御することで、表１に記載の短軸長、長軸長およびアスペクト比を有する針状粉および球状粉を得た。
さらに、α−ＦｅＯＯＨからなる粉末におけるＣｏの含有量を制御することで、針状粉および球状粉の組成を制御した。
上記の方法により得られた針状粉および球状粉に対して、表１に記載の樹脂を添加した。ミキシングロールを用いて、９５℃で混錬し７０℃まで徐冷しながら混錬を続け７０℃以下では混錬をとめ室温まで急冷することで原料混合物を得た。また、このときの樹脂の量を制御することで最終的に得られる磁心における針状粉および球状粉の合計含有量を表１に示す量に制御した。なお、樹脂としてはエポキシ樹脂であるＪＥＲ８０６：三菱ケミカルを用いた。
次に、得られた原料混合物を１００℃に加熱した金型に投入し、９８０ＭＰａの成形圧で成形を行う。得られた成形体を１８０℃で熱硬化してから切り出し加工することで各実施例及び比較例の磁心を得た。なお、磁心の形状は１ｍｍ×１ｍｍ×１００ｍｍの直方体とした。
周波数２．４ＧＨｚとした場合において、実施例および比較例の磁心の比透磁率μｒは及び磁気損失ｔａｎδはネットワークアナライザ（アジレント・テクノロジー（株）製、ＨＰ８７５３Ｄ）と空洞共振器（（株）関東電子応用開発製）を用いて摂動法により測定した。本実施例では比透磁率μｒは１．７０以上を良好とし、１．８０以上をさらに良好とし、１．８５以上をさらに良好とし、１．９１以上をさらに良好とし、２．００以上を最も良好とした。磁気損失ｔａｎδは０．０３０以下を良好とした。結果を表１に示す。
Figure 0006816663
表１より、本願発明の範囲内である針状粉および球状粉を用いて作製された実施例の磁心は比透磁率μｒが高くなり磁気損失ｔａｎδが小さくなった。
これに対し、本願発明の範囲外である比較例１〜６の磁心は比透磁率μｒが低下した。さらに、比較例２、３および６の磁心は磁気損失ｔａｎδも大きくなった。
１・・・針状粉
１ａ・・・（針状粉に外接する）楕円

Claims (8)

  1. 針状粉および球状粉を含む複合磁性材料であり、
    前記針状粉は軟磁性材料からなり、平均短軸長が１００ｎｍ以下、かつ、平均アスペクト比が３．０以上１０．０以下であり、
    前記球状粉は軟磁性材料からなり、平均長軸長が１００ｎｍ以下、かつ、平均アスペクト比が３．０未満であることを特徴とする複合磁性材料。
  2. さらに樹脂を含む請求項１に記載の複合磁性材料。
  3. 前記針状粉および前記球状粉において、前記軟磁性材料がＦｅまたはＦｅおよびＣｏを主成分とする請求項１または２に記載の複合磁性材料。
  4. 前記針状粉において、主成分に対するＣｏの含有割合が０〜４０ａｔｏｍ％（０ａｔｏｍ％を含まない）である請求項３に記載の複合磁性材料。
  5. 前記針状粉と前記球状粉との合計に対する前記針状粉の含有割合が６０ｖｏｌ％以上９０ｖｏｌ％以下である請求項１〜４のいずれかに記載の複合磁性材料。
  6. 前記球状粉の平均アスペクト比が１．５以上２．５以下である請求項１〜５のいずれかに記載の複合磁性材料。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の複合磁性材料を含む磁心。
  8. 磁心全体に対する前記針状粉と前記球状粉との合計の含有割合が３５ｖｏｌ％以上である請求項７に記載の磁心。
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