JP6902695B2 - 圧粉磁心及び混合軟磁性粉末 - Google Patents

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Description

本開示は、複数種類の軟磁性粒子を混合している混合軟磁性粉末と、この混合軟磁性粉末を用いた、チョークコイル、リアクトル、トランス等のインダクタに用いられる圧粉磁心に関する。
近年、自動車の自動運転支援システムでの高い市場成長が期待されており、人や物をセンシングするためのカメラおよびセンサ類に対する要求が厳しさを増している。その自動運転システム市場に牽引されて、様々な電子部品に対して小型化および軽量化が求められている。特に、チョークコイル、リアクトル、トランスなどに使われる軟磁性圧粉磁心に対してますます高い磁気性能が要求されている。
この圧粉磁心においては、高い透磁率が求められるが、軟磁性粒子から構成される圧粉磁心において高い透磁率を得るためには、軟磁性粒子を高密度に充填することが必要である。
例えば、特許文献１には、薄板状の粉砕粒子とアトマイズ法による球状粒子とを混合することによって軟磁性粒子を高密度に充填できることが記載されている。
特許４９４４９７１号
しかしながら、圧粉磁心を構成する軟磁性粒子を高密度に充填するためには、圧粉磁心の作製時に高い圧力で加圧成形する必要があるが、軟磁性粒子同士が接触して粒子間の絶縁が保てないために耐電圧性能が低下する。特に、特許文献１に記載されるような明瞭なエッジを有する薄板状の粒子を加圧した場合には、この鋭利なエッジが隣接する粒子に食い込むことにより粒子間が導通してしまうために耐電圧性能の低下が顕著になる。
また、薄板状の粒子は加圧成形時に流れ方向に配向してしまうため、特許文献１に記載されるように球状粒子と組み合わせると、球状粒子間の隙間を埋め難くなり必ずしも高い充填密度が得られるわけではない。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高い透磁率と高い耐電圧を両立する圧粉磁心を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る圧粉磁心は、表面平滑性が１．１以上２．０以下である楕円体状の第一の軟磁性粒子と、
表面平滑性が４．０以上２０．０以下かつ偏平度が３．０以上１５．０以下である第二の楕円体状の軟磁性粒子と、
を混合した混合軟磁性粉末が含まれていることを特徴とする。
以上のように、本発明で開示する手段によれば、軟磁性粒子間の絶縁性を確保しつつ、軟磁性粒子を高密度に充填することができ、高い透磁率と高い耐電圧を両立した圧粉磁心を提供することができる。
実施の形態１に係る圧粉磁心を構成する楕円体状の第一の軟磁性粒子及び楕円体状の第二の軟磁性粒子の混合軟磁性粉末の電子顕微鏡写真である。
第１の態様に係る圧粉磁心は、表面平滑性が１．１以上２．０以下である楕円体状の第一の軟磁性粒子と、
表面平滑性が４．０以上２０．０以下かつ偏平度が３．０以上１５．０以下である楕円体状の第二の軟磁性粒子と、
を混合した混合軟磁性粉末が含まれている。
第２の態様に係る圧粉磁心は、上記第１の態様において、前記第一の軟磁性粒子中に占める偏平度が１．２以上の粒子の割合が１０％以上９０％以下であってもよい。
第３の態様に係る圧粉磁心は、上記第１又は第２の態様において、前記第一の軟磁性粒子と前記第二の軟磁性粒子との混合比率が１：９以上９：１以下の範囲であってもよい。
第４の態様に係る圧粉磁心は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記第一の軟磁性粒子の平均粒子径Ｄ１と前記第二の軟磁性粒子の平均粒子径Ｄ２との比率Ｄ１／Ｄ２が０．５以上２．０以下であってもよい。
第５の態様に係る圧粉磁心は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記第一の軟磁性粒子と前記第二の軟磁性粒子とが同一の材料からなってもよい。
第６の態様に係る混合軟磁性粉末は、表面平滑性が１．１以上２．０以下である楕円体状の第一の軟磁性粒子と、
表面平滑性が４．０以上２０．０以下かつ偏平度が３．０以上１５．０以下である楕円体状の第二の軟磁性粒子と、
が混合されている。
以下、実施の形態に係る圧粉磁心について、添付図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る圧粉磁心を構成する楕円体状の第一の軟磁性粒子１および楕円体状の第二の軟磁性粒子２の混合軟磁性粉末の電子顕微鏡写真である。
実施の形態１に係る圧粉磁心は、楕円体状の第一の軟磁性粒子１と、楕円体状の第二の軟磁性粒子２と、を混合した混合軟磁性粉末を含んでいる。第一の軟磁性粒子１は、表面平滑性が１．１以上２．０以下である。第二の軟磁性粒子２は、表面平滑性が４．０以上２０．０以下かつ偏平度が３．０以上１５．０以下である。
なお、第一の軟磁性粒子１および第二の軟磁性粒子２の材料としては、透磁率が高い金属材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、鉄、コバルト、ニッケルなどの単金属、あるいはパーマロイ、センダストなどそれらを基とする合金などの透磁率が高い金属材料を用いることができる。本発明は粒子の形状の違いに着目して効果を得るものである。そのため、第一の軟磁性粒子と第二の軟磁性粒子とは必ずしも別種の材料を用いる必要はなく、第一の軟磁性粒子と第二の軟磁性粒子とを同一材料とすれば、より安価に圧粉磁心を得ることもできる。
この圧粉磁心によれば、上記所定の特性を有する第一の軟磁性粒子と第二の軟磁性粒子とを混合した混合軟磁性粉末を含むので、高い透磁率と高い耐電圧性能を両立できる。
＜第一の軟磁性粒子＞
楕円体状の第一の軟磁性粒子１としては、表面平滑性が１．１以上２．０以下で平滑な表面を有する粒子を用いる。図１に示されるように、第一の軟磁性粒子１の輪郭形状は鋭利なエッジ部を有さない丸められた楕円体状の粒子としていることにより、圧粉磁心の製造時における加圧成形にて大きな荷重を負荷しても粒子同士の絶縁を確保することができる。
表面平滑性とは、粒子の実際の表面積Ｓ１を、その粒子と同じ体積相当径Ｄで表面粗さが０である完全に平滑な表面の真球状粒子の表面積Ｓ２で割った値であり、表面平滑性が１に近いほど表面が平滑な粒子となる。実際の粒子の表面積Ｓ１は、例えばガス吸着式の比表面積計で測定することができ、また、表面積Ｓ２は、体積相当径Ｄを直径とする球の表面積を算出することにより得られる。
本発明は、第一の軟磁性粒子の表面平滑性を１．１以上２．０以下とすることができれば、その製造方法を特に限定するものではない。例えば、軟磁性粒子を融点よりも十分に高い温度として粒子の表面を溶融させた後に冷却することによって、表面平滑性が２．０以下の表面の平滑な軟磁性粒子を得ることができる。
表面平滑性を２．０以下とすることで、粒子間の摩擦抵抗が低減されるために良好な流動性が得られる。特に軟磁性粒子を熱硬化性樹脂と混合して形成する圧粉磁心の製造時においては、粒子表面の微細な凹凸に入り込んで流動に寄与しなくなる樹脂量が低減され、より少量の熱硬化性樹脂で加圧成形することが可能となることから、軟磁性粒子の充填密度を高くできる。
上記の表面平滑性を小さくすることによって充填密度を高める効果は、表面平滑性が１．１以上であれば十分に得ることができ、表面平滑性が１．１未満の過剰な平滑な表面を有する粒子は製造コストの面から好ましくない。
さらに、第一の軟磁性粒子に占める偏平度が１．２以上の粒子の割合を１０％以上９０％以下とすることにより、加圧成形時における粒子流れにおいて、偏平度が１．２未満のほぼ球形の粒子に対して、偏平度を１．２以上とした粒子は流れ方向に配向して流れの方向から見た投影面積が球形に比べ小さくなるため、流動抵抗を低減することができる。すなわち、加圧成形時の圧力を低減することができる。このことによって、特に、軟磁性粒子を熱硬化性樹脂と混合して形成する圧粉磁心の製造時において、樹脂量および溶剤量を少なくした、より粘度の高い混合物でも成形可能となるために、軟磁性粒子の充填密度を高くできる。偏平度が１．２以上の粒子を１０％以上含むようにすれば、上述の効果が明らかに得られるが、全ての粒子を偏平にするためには、篩い分け等のコストが少なからず生じるため、最大でも９０％含めば十分である。
ここで、偏平度とは、楕円体状粒子の３つの半軸（各軸の半分、例えば、長半径及び２つの短半径）のうち、最大半軸（長半径）を最小半軸（２つの短半径のうち最小の短半径）で割った値であり、偏平度が１．０であるほど球に近い形状となる。第一の軟磁性粒子としては、前記の偏平度が１．２以上３．０未満の範囲が好ましい。例えば、球形の粒子を圧縮したり、表面または全体が溶融した粒子を高速で飛翔している間に凝固させることで上記偏平度の範囲とすることができる。これらの方法において圧縮荷重を調整したり、溶融粒子の飛翔速度や冷却速度を調整することによって偏平度を任意の値に調整することが可能である。
＜第二の軟磁性粒子＞
次に、楕円体状の第二の軟磁性粒子２としては、表面平滑性が４．０以上２０．０以下かつ偏平度が３．０以上１５．０以下で表面が粗く偏平な粒子を用いる。
第二の軟磁性粒子の表面平滑性を４．０以上２０．０以下かつ偏平度を３．０以上１５．０以下とすることができれば、その製造方法を特に限定するものではない。例えば、粗大な軟磁性体をジェットミル、ジョークラッシャー、ハンマークラッシャー、ボールミル、ビーズミル、ピンミル、スタンプミル、遊星ボールミル、高速ミキサ、摩砕機およびサイクロンミル等のような粉砕装置を用いて粉砕することによって得ることができる。ごく短時間の粉砕処理では、輪郭形状が直線的な粒子が多く得られるが、粉砕時間や条件を適切に調整することで粒子の輪郭形状が丸められた楕円体状の粒子を得ることができる。第二の軟磁性粒子も第一の軟磁性粒子と同様に、粒子の輪郭形状が丸められた楕円体状の粒子とすることにより、圧粉磁心の製造時における加圧成形にて大きな荷重を負荷しても粒子同士の絶縁を確保することができる。
表面平滑性が４．０以上の粗い表面の粒子とすることで、特に熱硬化性樹脂と混合して形成される圧粉磁心においては熱硬化性樹脂が粒子表面の凹凸に入り込んで樹脂と粒子の間が強く結着する。これによって、圧粉磁心中には樹脂と粒子が剥離して生じる空隙を抑制して粒子の充填密度を高める効果が得られる。ただし、非常に微細な凹凸には熱硬化性樹脂が進入し難くなり、逆に凹凸部に空隙が残ってしまうため、表面平滑性は２０．０以下とすることが好ましい。
しかしながら、表面平滑性を高くした場合、粒子の流動性は悪化する。そこで、第二の軟磁性粒子は、第一の軟磁性粒子に対して、より偏平な形状、具体的には偏平度を３．０以上とすれば流れ方向に配向して流れる粒子の投影面積を抑えて流動抵抗を低減することによって流動性の悪化を抑えることができる。ただし、あまりに偏平すぎる形状、具体的には偏平度を１５．０より大きくすることは、ほぼ薄板状の粒子となり、先行技術の課題として記載したように、隣接する粒子に食い込んで粒子間が導通して耐電圧が低下してしまうため好ましくない。
さらに、第一の軟磁性粒子と第二の軟磁性粒子とを混合した際に各々の粒子の有する特徴を確実に得るには、第一の軟磁性粒子と第二の軟磁性粒子との混合比率は１：９以上９：１以下の範囲とすることが好ましい。
また、第一の軟磁性粒子の粒径と第二の軟磁性粒子の粒径とに差があり過ぎると、特に微小な粒子が加圧成形時の粒子の流動を阻害するために粒子の充填密度が高められない場合がある。そこで、第一の軟磁性粒子の平均粒子径Ｄ１と第二の軟磁性粒子の平均粒子径Ｄ２との比率Ｄ１／Ｄ２は、０．５以上２．０以下の範囲とすることが好ましい。
＜圧粉磁心の製造方法＞
以下に圧粉磁心の製造方法の一例を説明する。
（１）まず、上記第一の軟磁性粒子と第二の軟磁性粒子とを混合した混合軟磁性粉末を用意する。
（２）次に、混合軟磁性粉末と、熱硬化性樹脂、例えば、未硬化シリコーン樹脂とトルエンを混合した後、乾燥を行う。ここで、混合軟磁性粉末に対するシリコーン樹脂とトルエンの混合比は、混合物の粘度を、例えば１００Ｐａｓとなるように調整してもよい。
（３）乾燥後、固まった粉末をボールミルを用いて再粉砕した後、コア金型を使用して、例えば、４ｔ／ｃｍ２の成形圧で成形する。
以上によって、混合軟磁性粉末を含む圧粉磁心を得ることができる。
以下、本発明の実施例および比較例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
以下の実施例１〜３および比較例１〜３において、下記の表に示した各々の軟磁性粒子を用いた以外は、以下に記載する同じ手順で圧粉磁心を作製した。また、すべての実施例、比較例において、第一及び第二の軟磁性粒子の材料としては、８０ｗｔ％以上の鉄を含有した非晶質鉄基磁性体である同じものを用いた。
各実施例および比較例における第一及び第二の軟磁性粒子を混合した混合軟磁性粉末と未硬化シリコーン樹脂とトルエンとを混合した後、乾燥を行った。ここで、混合軟磁性粉末に対するシリコーン樹脂とトルエンの混合比は、混合物の粘度が１００Ｐａｓとなるように調整した。
乾燥後、固まった粉末をボールミルを用いて再粉砕した後、コア金型を使用して４ｔ／ｃｍ２の成形圧で成形して、環形圧粉磁心を製造した。
以後、前記圧粉磁心を２５０℃の温度で１２時間保持する硬化および焼鈍処理を行ってから、透磁率、耐電圧を測定して下記の表１に表した。
Figure 0006902695
以上の結果から明らかなように、実施例１〜３の圧粉磁心のいずれにおいても、比較例１〜３に対して、高い透磁率と高い耐電圧を実現している。特に、第一の軟磁性粒子と第二の軟磁性粒子の平均粒径比を０．９、混合比率を５：５とした実施例３においては、最も高い透磁率と高い耐電圧を実現している。
これに対して、比較例１では耐電圧が著しく低くなり、また、比較例２および比較例３においては粒子の充填密度が上がらずに透磁率が低くなり、いずれにおいても満足できる性能は得られなかった。
なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。
本発明に係る圧粉磁心によれば、高い透磁率と高い耐電圧性能を両立できる圧粉磁心を提供することができる。
１ 楕円体状の第一の軟磁性粒子
２ 楕円体状の第二の軟磁性粒子

Claims (4)

  1. 表面平滑性が１．１以上２．０以下である楕円体状の第一の軟磁性粒子と、
    表面平滑性が４．０以上２０．０以下かつ偏平度が３．０以上１５．０以下である楕円体状の第二の軟磁性粒子と、
    を混合した混合軟磁性粉末が含まれている、圧粉磁心。
  2. 前記第一の軟磁性粒子の平均粒子径Ｄ１と前記第二の軟磁性粒子の平均粒子径Ｄ２との比率Ｄ１／Ｄ２が０．５以上２．０以下である、請求項１に記載の圧粉磁心。
  3. 前記第一の軟磁性粒子と前記第二の軟磁性粒子とが同一の材料からなる、請求項１又は２に記載の圧粉磁心。
  4. 表面平滑性が１．１以上２．０以下である楕円体状の第一の軟磁性粒子と、
    表面平滑性が４．０以上２０．０以下かつ偏平度が３．０以上１５．０以下である楕円体状の第二の軟磁性粒子と、
    が混合されている混合軟磁性粉末。
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