JP6891551B2 - 圧粉磁心 - Google Patents

Description

本発明は、圧粉磁心に関する。

近年、インダクタ、チョークコイル、トランス等といったコイル部品やモータなどの小型化が求められていることから、フェライトと比較して飽和磁束密度が大きく、直流重畳特性が高磁界まで保たれる金属磁性材料が広く用いられるようになっている。また、これらの圧粉磁心は、様々な環境下での使用も期待されているため、信頼性の向上が望まれている。

そして、信頼性の中でも特に耐食性の向上が望まれている。現在使用されている圧粉磁心の大部分はＦｅ系合金粒子で構成されているため、特に耐食性の向上が望まれている。

特許文献１には、金属磁性材料としてＣｒを含有させることで耐食性を向上させた例が記載されている。しかし、Ｃｒを必須とする場合には、材料選択の幅が狭くなる。

特許文献２には、金属磁性材料を無機物コート（リン酸塩）で被覆した例が記載されている。しかし、リン酸塩は靱性が低く、成形圧力を増加させた場合にコーティング膜が破損してしまう場合がある。

特許文献３には、磁性製品をセラミックスおよび樹脂でコーティングすることによって耐食性を向上させた例が記載されている。しかし、特許文献３に記載の方法では圧粉磁心を８００℃以上の高温で熱処理する必要がある。圧粉磁心中に絶縁処理した銅の巻線などを含む場合には、巻線の絶縁性が破壊されてしまう場合がある。

特開２０１０−０６２４２４号公報 特開２００９−１２０９１５号公報 特許第５１９０３３１号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、耐食性に優れた圧粉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、本発明に係る圧粉磁心は、
金属磁性材料および樹脂を含み、
前記金属磁性材料を被覆している絶縁膜が存在し、
前記金属磁性材料と前記絶縁膜との間に、前記金属磁性材料の表面および前記絶縁膜と接する中間層が存在し、
前記金属磁性材料は前記金属磁性材料全体を１００ｗｔ％として８５〜９９．５ｗｔ％のＦｅ、０．５〜１０ｗｔ％のＳｉ、および、０〜５ｗｔ％のその他の元素を含み、
前記中間層はＦｅ−Ｓｉ−Ｏ系の酸化物からなり、
前記絶縁膜はＳｉ−Ｏ系の酸化物からなることを特徴とする。

本発明に係る圧粉磁心は上記の構成を有することにより、耐食性を向上させることができる。

さらに、前記中間層に含まれるＦｅの含有量およびＳｉの含有量の合計を１００ｗｔ％とし、前記中間層に含まれるＦｅの含有量をＷ_Ｆｅ（ｗｔ％）、前記中間層に含まれるＳｉの含有量をＷ_Ｓｉ（ｗｔ％）とする場合において、６．０＜Ｗ_Ｆｅ／Ｗ_Ｓｉ＜９．０を満たすことが好ましい。

さらに、前記中間層の厚みをＤ（ｎｍ）とする場合において、０＜Ｄ＜５０ｎｍを満たすことが好ましい。

本発明の一実施形態に係る圧粉磁心の断面の模式図である。 図１に示す圧粉磁心を構成する金属磁性材料の表面近傍の模式図である。 金属磁性材料の表面近傍をＴＥＭ観察して得られるＴＥＭ像である。 表１の実施例におけるＷ_Ｆｅ／Ｗ_Ｓｉと錆面積比率との関係を示すグラフである。 表２の実施例および比較例におけるＤと、錆面積比率および初透磁率μ_ｉと、の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

本実施形態に係る圧粉磁心１は図１に示すように、金属磁性材料１１および樹脂１２を含む。さらに、金属磁性材料１１を被覆している絶縁膜１３を含む。

本実施形態に係る金属磁性材料１１は前記金属磁性材料全体を１００ｗｔ％として８５〜９９．５ｗｔ％のＦｅ、０．５〜１０ｗｔ％のＳｉ、および、０〜５ｗｔ％のその他の元素を含む。その他の元素は含有量０ｗｔ％であってもよい。すなわち、金属磁性材料１１がＦｅおよびＳｉのみからなっていてもよい。なお、その他の元素の種類には特に制限はない。例えば、Ｎｉ、Ｃｏなどが挙げられる。

樹脂１２の種類には特に制限はないが、エポキシ樹脂および／またはイミド樹脂を用いてもよい。エポキシ樹脂としては、例えばクレゾールノボラックなどが挙げられる。イミド樹脂としては、例えばビスマレイミドなどが挙げられる。

金属磁性材料１１および樹脂１２の含有量には特に制限はない。圧粉磁心１全体に占める金属磁性材料１１の含有量は９０重量％〜９８重量％であることが好ましく、樹脂１２の含有量は２重量％〜１０重量％であることが好ましい。

図１に示すように、絶縁膜１３は金属磁性材料１１を被覆していることに特徴がある。また、絶縁膜１３はＳｉ−Ｏ系酸化物からなる。

絶縁膜１３は金属磁性材料１１全体を被覆していなくてもよく、金属磁性材料１１全体の９０％以上を被覆していればよい。当該構成により、防錆効果を高めることができる。

また、Ｓｉ−Ｏ系酸化物の種類には特に制限はない。例えば、ＳｉＯ_２などのＳｉの酸化物の他、Ｓｉおよびその他の元素を含む複合酸化物などであってもよい。また、絶縁膜１３の膜厚にも特に制限はない。例えば１０〜３００ｎｍであってもよい。さらに、図１では絶縁膜１３を１層構造で記載しているが、絶縁膜１３が２層以上からなる構造であってもよい。

図１の金属磁性材料１１における表面近傍を拡大した概略図が図２である。本実施形態に係る圧粉磁心では、金属磁性材料１１と絶縁膜１３との間に、金属磁性材料１１の表面１１ａおよび絶縁膜１３と接する中間層１４が存在している。なお、中間層１４は図１には図示せず図２にのみ図示したが、これは中間層１４が絶縁膜１３より薄いことを必ずしも意味しない。すなわち、中間層１４が絶縁膜１３より厚くてもよい。

中間層１４はＦｅ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物からなる。Ｆｅ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物の種類には特に制限はなく、中間層１４全体を１００ｗｔ％とする場合にＦｅを５０ｗｔ％以上、Ｓｉを１ｗｔ％以上、Ｏを５ｗｔ％以上、それぞれ含有していればよい。また、Ｆｅ，ＳｉおよびＯ以外の元素を含有していてもよい。

本実施形態に係る圧粉磁心は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物からなる中間層１４を有する上記の構成をとることにより、耐食性を向上させることができる。耐食性が向上する理由は、Ｆｅ−Ｓｉ系合金からなる金属磁性材料１１およびＳｉ−Ｏ系酸化物からなる絶縁膜１３の間にＦｅ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物からなる中間層１４が形成されることで、金属磁性材料１１および絶縁層１３の間の接合性が向上するためであると考えられる。接合性の向上により、後述する金型成形時における絶縁膜１３の剥がれが軽減され、耐食性が改善すると考えられる。

好ましくは、中間層１４に含まれるＦｅの含有量およびＳｉの含有量の合計を１００ｗｔ％とし、中間層１４に含まれるＦｅの含有量をＷ_Ｆｅ（ｗｔ％）、中間層１４に含まれるＳｉの含有量をＷ_Ｓｉ（ｗｔ％）とする場合において、６．０＜Ｗ_Ｆｅ／Ｗ_Ｓｉ＜９．０を満たす。Ｗ_Ｆｅ／Ｗ_Ｓｉが上記の範囲内であることにより、金属磁性材料１１と絶縁膜１３との間の接合強度がさらに向上する。より好ましくは、６．１≦Ｗ_Ｆｅ／Ｗ_Ｓｉ≦８．９を満たし、さらに好ましくは、６．３≦Ｗ_Ｆｅ／Ｗ_Ｓｉ≦８．６を満たす。また、Ｗ_ＦｅおよびＷ_Ｓｉは、最低５点以上、好ましくは１０点以上の測定点をランダムに設定して測定した平均含有量である。

中間層１４は金属磁性材料１１の表面１１ａの全体と接していなくてもよく、金属磁性材料１１の表面１１ａ全体の８０％以上と接していればよい。

また、中間層１４の厚みには特に制限はないが、中間層１４の厚みをＤとする場合に、０＜Ｄ＜５０ｎｍであることが好ましい。Ｄの下限には特に制限はないが、Ｄが１ｎｍ未満である場合には、中間層１４が存在しないとみなす。また、Ｄは、最低５点以上、好ましくは１０点以上の測定点をランダムに設定して測定した平均厚みである。Ｄが０＜Ｄ＜５０ｎｍであることにより、中間層１４が存在することによる初透磁率μ_ｉの低下を抑制することができる。

本実施形態に係る圧粉磁心１の製造方法を以下に示すが、圧粉磁心１の製造方法は下記の方法に限定されない。

まず、Ｆｅ−Ｓｉ系合金からなる金属磁性材料１１となる金属粒子を作製する。金属粒子の作製方法には特に制限はないが、例えばガスアトマイズ法，水アトマイズ法などが挙げられる。金属粒子の粒子径および円形度には特に制限はないが、粒子径の中央値（Ｄ５０）は１μｍ〜１００μｍであることが、透磁率が高くなるため好ましい。

次に、金属磁性材料１１の表面１１ａと接し、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物からなる中間層１４を形成する。中間層１４の形成方法には特に制限はないが、Ｆｅ−Ｓｉ系合金からなる金属磁性材料１１に対して徐酸化処理を行うことが考えられる。徐酸化処理の方法には特に制限はないが、例えば大気中にて６００℃〜８００℃にて０．５時間〜１０時間加熱する方法がある。

次に、Ｓｉ−Ｏ系酸化物からなる絶縁膜１３を形成するためのコーティングを行った。コーティング方法には特に制限はないが、例えばアルコキシシラン溶液を、中間層１４を形成した金属磁性材料１１へ塗布する方法が例示される。アルコキシシラン溶液を金属磁性材料１１へ塗布する方法には特に制限はなく、例えば湿式噴霧による方法が挙げられる。アルコキシシランの種類には特に制限はなくトリメトキシシランなどが用いられる。また、アルコキシシラン溶液の濃度および溶媒にも特に制限はない。アルコキシシラン溶液の濃度は５０重量％〜９５重量％であることが好ましい。また、アルコキシシラン溶液の溶媒にも特に制限はない。例えば水，エタノールなどが挙げられる。

湿式噴霧後の粉体に対し、加熱処理を行うことで、Ｓｉ−Ｏ系の酸化物からなる絶縁膜１３を形成した。加熱処理の条件には特に制限はなく、例えば大気中、８００℃〜８５０℃で１〜３時間とすることができる。

次に、樹脂溶液を作成した。樹脂溶液には、上記したエポキシ樹脂および／またはイミド樹脂の他、硬化剤を添加してもよい。硬化剤の種類には特に制限はなく、例えばエピクロルヒドリンなどが挙げられる。また、樹脂溶液の溶媒についても特に制限はないが、揮発性の溶媒であることが好ましい。例えば、アセトン，エタノール等を用いることができる。また、樹脂溶液全体を１００重量％とした場合における樹脂および硬化剤の合計濃度は０．０１〜０．１重量％とすることが好ましい。

次に、中間層１４および絶縁膜１３を形成した粉末および樹脂溶液を混合した。そして、樹脂溶液の溶媒を揮発させて顆粒を得た。得られた顆粒はそのまま金型に充填してもよいが、整粒してから金型に充填してもよい。整粒する場合の整粒方法には特に制限はなく、例えば、目開き４５〜５００μｍのメッシュを用いてもよい。

次に得られた顆粒を所定の形状の金型に充填し、加圧して圧粉体を得た。加圧時の圧力には特に制限はなく、例えば６００〜１５００ＭＰａとすることができる。

作製した圧粉体に対し、熱硬化処理を行うことで、圧粉磁心が得られる。熱硬化処理の条件に特に制限はなく、例えば１５０〜２２０℃で１〜１０時間、熱処理を行う。また、熱処理時の雰囲気にも特に制限はなく、大気中で熱処理をしてもよい。

以上、本実施形態に係る圧粉磁心およびその製造方法について説明したが、本発明の圧粉磁心およびその製造方法は上記の実施形態に限定されない。なお、本発明の圧粉磁心は軟磁性圧粉磁心であってもよい。

また、本発明の圧粉磁心の用途にも特に制限はない。例えば、インダクタ、チョークコイル、トランス等のコイル部品が挙げられる。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

金属磁性材料として、重量比でＳｉ／Ｆｅ＝４．５／９５．５であり、ＦｅとＳｉとの合計量が９９重量％であるＦｅ−Ｓｉ系合金粒子をガスアトマイズ法で作製した。なお、当該Ｆｅ−Ｓｉ系合金粒子の粒子径の中央値（Ｄ５０）は３０μｍであった。

次に、前記金属磁性材料に接し、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物を含む中間層を形成するため、大気中、６００〜８４５℃で徐酸化処理を行った。ここで、中間層の厚さＤを表１および表２に記載した大きさにするため、徐酸化処理の時間を０．５〜１０時間の範囲内で制御した。また、中間層のＦｅ−Ｓｉ−Ｏ組成を変動させるために、徐酸化温度を６００〜８４５℃とした。一方、表１の比較例１では徐酸化処理を行わなかった。

得られた粉体にＳｉ−Ｏ系酸化物からなる絶縁膜を形成するため、前記金属磁性材料１００ｗｔ％に対して、アルコキシシラン溶液２．０ｗｔ％を湿式噴霧した。なお、前記アルコキシシラン溶液としてトリメトキシシランの５０ｗｔ％溶液を用いた。湿式塗布量は５ｍＬ／ｍｉｎとした。

次に、湿式噴霧後の粉体に対して大気中、８００℃で１０時間、加熱処理を行い、Ｓｉ−Ｏ系の酸化物からなる絶縁膜を形成した。以下、中間層および絶縁膜を形成した金属磁性材料をコーティング粉体と呼ぶ。なお、前記コーティング粉体における絶縁膜の膜厚は全ての実施例および比較例において１００ｎｍ付近であった。

次に、エポキシ樹脂、硬化剤、イミド樹脂およびアセトンを混合して樹脂溶液を作成した。エポキシ樹脂としてはクレゾールノボラックを用いた。硬化剤としてはエピクロルヒドリンを用いた。イミド樹脂としてはビスマレイミドを用いた。エポキシ樹脂、硬化剤およびイミド樹脂の重量比が９６：３：１であり、樹脂溶液全体を１００重量％としてエポキシ樹脂、硬化剤およびイミド樹脂の合計が４重量％となるように各成分を混合した。

上記のコーティング粉体に対し、上記の樹脂溶液を混合した。次にアセトンを揮発させて顆粒を得た。次に、目開き３５５μｍのメッシュを用いて整粒した。得られた顆粒を外径１７．５ｍｍ、内径１１．０ｍｍのトロイダル形状の金型に充填し、成形圧９８０ＭＰａで加圧し、圧粉体を得た。圧粉体の重量が５ｇとなるように充填した。次に、作製した圧粉体を大気中にて２００℃で５時間加熱することで熱硬化処理を行い、圧粉磁心を得た。樹脂の混合量は、最終的に得られる圧粉磁心を１００重量％とする場合において、金属磁性材料が９７重量％程度となるようにした。なお、圧粉磁心は、以下に記載する測定を全て行うために必要な数を作成した。

得られた圧粉磁心を切断し、研磨を行うことによって、圧粉磁心の断面を露出させた。露出させた断面を集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｒｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）によって掘削加工し、面積１μｍ×１μｍ、厚み１００ｎｍの薄片を切り出した。得られた薄片をＴＥＭにより観察し、５００ｎｍ×５００ｎｍの視野で画像解析を行った。図３は実施例６について実際に画像解析（ＴＥＭ観察）を行った結果である。

ＴＥＭ−ＥＤＳ観察によって、金属磁性材料を観察した。金属磁性材料ではＦｅおよびＳｉなどの金属磁性材料を構成する元素が検出されたが、酸素はほとんど検出されなかった。また、図３のＴＥＭ画像より、金属磁性材料はコーティング粉体に含まれる部分の中では最も暗視野となる。

ＴＥＭ−ＥＤＳ観察によって、絶縁膜を観察した。絶縁膜ではＳｉおよびＯといったＳｉ−Ｏ系酸化物を構成する元素が検出された。図３のＴＥＭ画像より、絶縁膜はコーティング粉体に含まれる部分の中では最も明視野となった。

ＴＥＭ−ＥＤＳ観察によって、中間層を観察した。中間層は、金属磁性材料の表面に接しており、金属磁性材料と絶縁膜との間に存在した。コントラストは、金属磁性材料と絶縁膜との中間程度であった。

また、中間層において組成分析を行った。測定対象をＦｅおよびＳｉとし、中間層の中からランダムに１０か所、定量分析を行った。各測定点におけるＦｅ濃度の平均値をＷ_Ｆｅ（ｗｔ％）、Ｓｉ濃度の平均値をＷ_Ｓｉ（ｗｔ％）とし、Ｗ_Ｆｅ／Ｗ_Ｓｉを算出した。

さらに、中間層の厚み（Ｄ）を算出した。金属磁性材料の表面に測定点をランダムに１０点、設定した。次に、各測定点から中間層の方向に垂線を引き、当該垂線のうち中間層にある部分の長さを当該測定点における中間層の厚みとした。そして、各測定点における中間層の厚みの平均をＤ_ｃとした。

次に、圧粉磁心の耐食性を評価するために、各圧粉磁心に対して塩水噴霧試験を行った。塩水噴霧試験はＷ９００ｍｍ、Ｄ６００ｍｍ、Ｈ３５０ｍｍの塩水噴霧試験器中で行った。塩水噴霧量は１．５±０．５ｍＬ／ｈ（ａｔ ８０ｃｍ^２）とした。本条件の下３５℃で２４時間塩水噴霧試験を行った。塩水噴霧後、３ｍｍ×３ｍｍの測定部位をランダムに１０か所設定した。各測定部位について、光学顕微鏡（倍率５０倍）に備え付けたカメラにより撮影し、各測定部位の錆面積比率を算出した。そして、１０か所の測定部位の平均の錆面積比率を算出した。平均の錆面積比率が１５．０％以下である場合を良好とした。そして、１０．０％以下である場合をより良好とし、７．５％以下である場合をさらに良好とし、５．０％以下である場合を最も良好とした。

次に、初透磁率μ_ｉを測定した。初透磁率μ_ｉは、コイルの巻き数を５０ターンとし、ＬＣＲメータ（ＨＰ社製ＬＣＲ４２８Ａ）によって測定した。初透磁率μ_ｉが２０．０を上回る場合に初透磁率μ_ｉが良好であるとした。ただし、初透磁率μ_ｉが２０．０以下であっても本願発明の目的を達成することができる。

表１の実施例１〜１１は徐酸化の温度条件を調整し、表面へのＳｉ拡散を制御することによって、Ｗ_Ｆｅ／Ｗ_Ｓｉを変化させた実施例である。また、実施例１の結果をグラフに表すと図４になる。

表１より、全ての実施例において中間層が形成されており、耐食性が良好であることが分かる。さらに初透磁率が良好であることが分かる。これに対し、中間層が形成されていない比較例１は耐食性が実施例より劣る結果となった。

また、６．０＜Ｗ_Ｆｅ／Ｗ_Ｓｉ＜９．０を満たす実施例３〜９は、耐食性がより良好になった。さらに、６．３≦Ｗ_Ｆｅ／Ｗ_Ｓｉ≦８．６を満たす実施例４〜８は、耐食性がさらに良好になった。

表２の実施例２１〜３６は、Ｗ_Ｆｅ／Ｗ_Ｓｉを７．２〜７．６に制御し、その上で徐酸化処理の時間を変化させることでＤを変化させた実施例である。また、実施例２の結果をグラフに表すと図５になる。

表２より、全ての実施例において耐食性が良好であることが分かる。特にＤが５ｎｍ以上である実施例２４〜３６はＤが５ｎｍ未満である実施例２１〜２３と比較して耐食性が特に良好であった。

また、Ｄが５０ｎｍ未満である実施例２１〜３４はＤが５０ｎｍ以上である実施例３５および３６と比較して初透磁率μ_ｉが良好であった。

１・・・圧粉磁心
１１・・・金属磁性材料
１１ａ・・・金属磁性材料の表面
１２・・・樹脂
１３・・・絶縁膜
１４・・・中間層

Claims (2)

1. 金属磁性材料および樹脂を含み、
   前記金属磁性材料を被覆している絶縁膜が存在し、
   前記金属磁性材料と前記絶縁膜との間に、前記金属磁性材料の表面および前記絶縁膜と接する中間層が存在し、
   前記金属磁性材料は前記金属磁性材料全体を１００ｗｔ％として８５〜９９．５ｗｔ％のＦｅ、０．５〜１０ｗｔ％のＳｉ、および、０〜５ｗｔ％のその他の元素を含み、
   前記中間層はＦｅ−Ｓｉ−Ｏ系の酸化物からなり、
   前記絶縁膜はＳｉ−Ｏ系の酸化物からなり、
   前記中間層に含まれるＦｅの含有量およびＳｉの含有量の合計を１００ｗｔ％とし、前記中間層に含まれるＦｅの含有量をＷＦｅ（ｗｔ％）、前記中間層に含まれるＳｉの含有量をＷＳｉ（ｗｔ％）とする場合において、
   ６．０＜ＷＦｅ／ＷＳｉ＜９．０を満たす圧粉磁心。
2. 前記中間層の厚みをＤ（ｎｍ）とする場合において、
   ０＜Ｄ＜５０ｎｍを満たす請求項１に記載の圧粉磁心。

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