JP7456234B2 - 金属磁性粒子、インダクタ、金属磁性粒子の製造方法及び金属磁性体コアの製造方法 - Google Patents
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Description
また、特許文献2に記載された方法では、原料由来の酸化物層が潜在的に欠陥を含むため、絶縁信頼性が充分でないという問題があった。また、特許文献2に記載された金属磁性材料は、原料粒子の酸化の進行を防ぐために、高い温度で熱処理することができないという問題もあった。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する本発明の好ましい構成を2つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
本発明の金属磁性粒子は、Fe及びSiを含む合金粒子の表面に、酸化物層が設けられた金属磁性粒子であって、上記酸化物層は、上記合金粒子側から第1酸化物層、第2酸化物層及び第3酸化物層を有し、走査型透過電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分析を用いた元素含有量のライン分析において、上記第1酸化物層は、Si量が極大値をとる層であり、上記第2酸化物層は、Fe量が極大値をとる層であり、上記第3酸化物層は、Si量が極大値をとる層である、ことを特徴とする。
図1に示すように、金属磁性粒子1は、Fe及びSiを含む合金粒子10の表面に、酸化物層が設けられている。
酸化物層は、合金粒子10側から第1酸化物層20、第2酸化物層30及び第3酸化物層40である。
合金粒子におけるSiの重量割合は、Fe及びSiの合計重量100重量部に対して、1.5重量部以上、8.0重量部以下であることが好ましい。
合金粒子におけるSiの重量割合が1.5重量部未満だと損失の低減効果に乏しい。一方、合金粒子におけるSiの重量割合が8.0重量部を超えると、飽和磁化の低下が大きく、直流重畳特性が低下する。
合金粒子は、Fe及びSiの合計重量100重量部に対して、1.0重量部未満のCrを含有することが好ましく、0.9重量部以下のCrを含有することがより好ましく、Crを含有しないことがさらに好ましい。Crの含有量が少ないと飽和磁束密度が向上するため、直流重畳特性が向上する。
不純物成分としては、例えば、C、Mn、P、S、Cu、Alなどが挙げられる。
本明細書における酸化物層は、下記に説明する元素含有量のライン分析において、酸素と金属元素(ここでいう金属元素にはケイ素(Si)を含む)が共にカウントされる層を意味する。酸素とケイ素が共にカウントされる場合はケイ素を含む酸化物が存在するものとみなし、酸素と鉄(Fe)が共にカウントされる場合は鉄を含む酸化物が存在するものとみなす。
第1酸化物層は、STEM-EDXを用いた元素含有量のライン分析において、Fe量とSi量が逆転する地点(第1境界)から、Si量とFe量が逆転する地点(第2境界)までとする。
第2酸化物層は、STEM-EDXを用いた元素含有量のライン分析において、第2境界から、Fe量とSi量が逆転する地点(第3境界)までとする。
第3酸化物層は、STEM-EDXを用いた元素含有量のライン分析における第3境界から、ライン分析におけるO量(酸素量)が最大値の34%となる地点(第4境界)までとする。
また、STEM-EDXにおける拡大倍率は、40万倍とする。
STEM-EDXを用いた元素含有量のライン分析において、第1酸化物層のSi量が極大値をとる地点において、Si量に対するFe量の比(Fe量/Si量)は、0.2以上、0.5以下であることが好ましく、0.3以上、0.4以下であることがより好ましい。
STEM-EDXを用いた元素含有量のライン分析において、第2酸化物層のFe量が極大値をとる地点において、Si量に対するFe量の比(Fe量/Si量)は、22以上、27以下であることが好ましく、24以上、26以下であることがより好ましい。
STEM-EDXを用いた元素含有量のライン分析において、第3酸化物層のSi量が極大値をとる地点において、Si量に対するFe量の比(Fe量/Si量)は、0.01以上、0.20以下であることが好ましく、0.04以上、0.10以下であることがより好ましい。
なお、第4酸化物層は、後述するライン分析によって、Fe量の極大値が第2酸化物層におけるFe量の極大値の10%以上である層を指す。
金属磁性粒子2は、Fe及びSiを含む合金粒子10の表面に、酸化物層が設けられている。
酸化物層は、合金粒子10側から第1酸化物層20、第2酸化物層30、第3酸化物層40及び第4酸化物層50である。
第4酸化物層が形成されている場合、第3酸化物層及び第4酸化物層の境界は、以下のように定義する。
第3酸化物層は、STEM-EDXを用いた元素含有量のライン分析において、第3境界から、Si量とFe量が逆転する地点(第4境界)までとする。
第4酸化物層は、第4境界から、O量(酸素量)が最大値の34%となる地点(第5境界)までとする。
STEM-EDXを用いた元素含有量のライン分析において、第4酸化物層のFe量が極大値をとる地点において、Si量に対するFe量の比(Fe量/Si量)は、23以上、28以下であることが好ましい。
例えば、第1酸化物層が非晶質である場合には、第2酸化物層が結晶質であることが好ましく、第3酸化物層が非晶質であることが好ましく、第4酸化物層が結晶質であることが好ましい。
非晶質の酸化物層と結晶質の酸化物層を接合することで、接合界面における電気抵抗が高まる。そのため、隣接する酸化物層で結晶性が異なっていると、絶縁抵抗を高めることができる。
本発明のインダクタは、本発明の金属磁性粒子を備えることを特徴とする。
巻線の材質、線径、巻数などは特に限定されず、所望の特性に応じて選択すればよい。
本発明の金属磁性粒子の製造方法は、Fe及びSiを含む合金粒子の表面に上記合金粒子側からSi酸化膜、Fe酸化膜を有する原料粒子とSiアルコキシド及びアルコールとを混合する工程、上記Siアルコキシドを加水分解して乾燥することにより、酸化ケイ素を含む被覆膜が形成された被覆膜形成粒子を形成する工程、上記被覆膜形成粒子を酸化雰囲気中で熱処理することにより、上記合金粒子の表面に酸化物層を形成する工程、を含み、上記被覆膜の平均厚さが、10nm以上、30nm以下であり、上記熱処理の温度が、750℃以上、850℃以下であることを特徴とする。
このことから、本発明の金属磁性粒子の製造方法を用いると、本発明の金属磁性粒子を得ることができる。
まず、Fe及びSiを含む合金粒子の表面に、合金粒子側からSi酸化膜、Fe酸化膜を有する原料粒子を準備する。
合金粒子の表面にSi酸化膜及びFe酸化膜を形成する方法は特に限定されないが、水アトマイズ法等で得られたFeSi合金の微粒子を徐酸化する方法が挙げられる。
徐酸化とは、合金粒子の過度な酸化を抑制する目的であえて合金粒子の表面を酸化して、酸化に対する保護膜として機能する表面酸化膜を形成させる処理である。
例えば、非酸化性雰囲気中に置かれた、乾燥を経たFeSi合金粒子について、その雰囲気における酸素濃度を徐々に高めてFeSi合金粒子の表面を徐々に酸化させて合金粒子の表面にSi酸化膜及びFe酸化膜を形成させる。
原料粒子の平均粒子径は特に限定されないが、D50=1μm以上、10μm以下であることが好ましい。
なお、D50は、レーザー回折法により測定される合金粒子の累積体積が50%となる粒子径である。
Siアルコキシドがテトラエトキシシランであると、原料粒子の表面に、均一な厚さの被覆膜を形成しやすい。
また、アルコールは、エタノールであることが好ましい。
続いて、Siアルコキシドを加水分解して乾燥することにより、酸化ケイ素を含む被覆膜が形成された被覆膜形成粒子を作製する。
被覆膜の平均厚さが10nm以上、15nm未満であると、被覆膜が薄いため、被覆膜の緻密化が始まるまでの間に、Fe酸化膜中のFeが被覆膜の外側に近い部分まで拡散しやすくなる。Feが被覆膜の外側に近い部分まで拡散した状態で被覆膜の緻密化が始まると、Feが被覆膜の外側に押し出されて第4酸化物層が形成されると考えられる。
一方、被覆膜の平均厚さが15nm以上、30nm以下であると、被覆膜が厚いため、被覆膜の緻密化が始まるまでの間にFe酸化物層中のFeが被覆膜の外側に近い部分まで拡散しにくく、第4酸化物層が形成されにくくなると考えられる。
すなわち、被覆膜の外側に近い部分までFeが拡散している場合には、被覆膜の外側に近い部分のFeが、被覆膜の緻密化によって被覆膜の外側に移動して第4酸化物層を形成すると考えられる。一方、被覆膜の外側に近い部分までFeが拡散していない場合は、被覆膜の緻密化に伴って被覆膜中のFeが内側に押し戻されてしまい、第4酸化物層が形成されないと考えられる。
続いて、被覆膜形成粒子を酸化雰囲気中で熱処理することにより、合金粒子の表面に酸化物層を形成する。
熱処理の温度が750℃以上に到達する前には、被覆膜の緻密化が進行せず、Fe酸化膜から被覆膜に対してFeの拡散が行われると考えられる。
そして、被覆膜の緻密化が始まる際に、被覆膜の表面近くまでFeが拡散していると、Feが被覆膜の外側に移動して第4酸化物層を形成すると考えられる。一方、被覆膜の緻密化が進行する段階において、被覆膜の表面近くまでFeが拡散していない場合には、被覆膜に拡散したFeが被覆膜の緻密化によって内側に押し戻されて、第2酸化物層と一体化すると考えられる。
熱処理の時間が上記範囲であると、Fe酸化膜中のFeが被覆膜に拡散して第4酸化物層を形成しやすい。
本発明の金属磁性体コアの製造方法は、Fe及びSiを含む合金粒子の表面に上記合金粒子側からSi酸化膜、Fe酸化膜を有する原料粒子とSiアルコキシド及びアルコールとを混合する工程、上記Siアルコキシドを加水分解して乾燥することにより、酸化ケイ素を含む被覆膜が形成された被覆膜形成粒子を形成する工程、上記被覆膜形成粒子を成形する成形工程、上記被覆膜形成粒子の成形体を酸化雰囲気中で熱処理することにより、上記合金粒子の表面に酸化物層を形成する工程、を含み、上記被覆膜の平均厚さが、10nm以上、30nm以下であり、上記熱処理の温度が、750℃以上、850℃以下であることを特徴とする。
バインダ樹脂としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、エチルセルロース等が好ましい。
溶媒としては、ポリビニルアルコール水溶液、テルピネオール等が挙げられる。
金属磁性体コアの形状としては、例えば、棒状、円筒状、リング状、直方体状等が挙げられる。
成形工程が、被覆膜形成粒子を含むグリーンシートを積層及び加圧する工程を有していると、熱処理前の成形体において合金粒子同士の距離が近くなり、合金粒子同士が酸化物層によって互いに接合された金属磁性体コアを得やすくなる。
バインダ樹脂及び溶媒としては、造粒粉を作製する際と同様のものを好適に用いることができる。
水アトマイズ法により、Fe:Si=93.5:6.5(重量比)のFeSi合金粒子を得た。
得られたFeSi合金の表面をSTEMで観察し、FeSi合金粒子の表面に平均厚さ10nm程度の酸化物層が2層形成されていることを確認した。
XPS分析を用いて、FeSi合金粒子の表面から深さ方向に元素分析を行ったところ、FeSi合金粒子の表面側にFeを含む層があり、その内側にSiを含む層があることを確認した。
以上のことから、FeSi合金粒子の表面に、平均厚さ10nm程度の酸化ケイ素膜及び平均厚さ10nm程度の酸化鉄の膜が形成されていることを確認した。
得られたFeSi合金粒子を原料粒子とした。
被覆膜形成粒子を樹脂に埋めた後に断面を研磨し、集束イオンビーム装置(FIB)[SII社製 SMI3050SE]により加工して薄片化してSTEM観察用サンプルを作製した。このSTEM観察用サンプルをSTEM(日立ハイテクノロジーズ社製 HD-2300A)により約40万倍で観察し、被覆膜の平均厚さが約19nmであることを確認した。
得られたリングを樹脂に埋めた後に断面を研磨し、FIBにより加工して薄片化して、STEM観察用サンプルを作製した。STEM及びEDX(EDAX社製 GENESIS XM4)を用いてSTEM測定用サンプルのライン分析を行った。始点は合金粒子内部とし、外側(酸化物層)に向かって元素分析を行った。STEMの拡大倍率は40万倍とした。STEM画像を図3に、ライン分析の結果を図4に示す。なお、縦軸は各元素の特性X線(K線)のカウント数[任意単位]であり、横軸は始点からの距離[nm]である。横軸は0.9nm以下の間隔で測定した。
なお、第1酸化物層、第2酸化物層又は第3酸化物層を介して合金粒子同士が接合している様子もSTEM画像より確認できた。
第1酸化物層のSi量が極大値をとる地点におけるSi量に対するFe量の比(Fe量/Si量)は0.33、第2酸化物層のFe量が極大値をとる地点におけるSi量に対するFe量の比(Fe量/Si量)は25、第3酸化物層のSi量が極大値をとる地点におけるSi量に対するFe量の比(Fe量/Si量)は0.070であった。
さらに、第3酸化物層40よりも外側(始点からの距離が遠い位置)に第2酸化物層30のFe量の極大値の10%を超えるFe量の極大値が存在しないことから、第4酸化物層が形成されていないことも確認した。
第1境界b1から、Si量とFe量とが逆転する第2境界b2までが、第1酸化物層20である。
第2境界b2から、Fe量とSi量が逆転する第3境界b3までが、第2酸化物層30である。
第3境界b3から、O量が最大値の34%となる地点である第4境界b4までが第3酸化物層40である。
リングの厚み方向で耐電圧性能を測定した。測定は、デジタル超高抵抗/微小電流計(ADVANTEST社製 R8340A)にて、リングを付属のプローブではさみ、所定の電圧を印加したときの抵抗値[Ω]を記録した。印加電圧は、抵抗値が105[Ω]を下回るまで1Vから10Vまでは1V刻み、10Vから1000Vまでは10V刻みで掃引した。抵抗値が105[Ω]を下回る直前の印加電圧[V]を記録し、リングの厚みをこの電圧で除することで電界強度[V/mm]を算出した。結果を表1に示す。
なお、測定装置の最大印加電圧である1000Vにおいても抵抗値が105[Ω]を下回らなかった場合は、1000Vにおける抵抗値[Ω]をリング厚みで除した値以上として表1に記載している。
リングをエポキシ系樹脂に含浸して機械的強度を向上させた後、インピーダンスアナライザ(Keysight社製 E4991A)を用いて比透磁率を測定した。比透磁率は、1MHzの値を採用した。結果を表1に示す。
さらに、リングに直径0.35mmの銅線を24回巻きつけて、LCRメーター(Keysight社製 4284A)を用いて直流重畳特性を測定した。銅線に0~30Aの直流電流を印加し、取得したL値から比透磁率(μ値)を計算し、μ値が初期値の80%に低下する電流値(Isat@-20%)を得た。Isat@-20%、リングサイズ、及び、銅線の巻数から、μ値が初期値の80%となる磁界であるHsat@-20%[kA/m]を求めた。結果を表1に示す。
なお、リングに銅線を巻きつけたものは、本発明のインダクタでもある。
被覆膜形成粒子を成形する圧力をそれぞれ300MPa、100MPaに変更したほかは、実施例1と同様の手順でリングを作製し、電界強度、抵抗値、比透磁率及びHsat@-20%を求めた。結果を表1に示す。
熱処理のピーク温度を800℃から780℃に変更したほかは、実施例1と同様の手順でリングを作製し、電界強度、抵抗値、比透磁率及びHsat@-20%を求めた。結果を表1に示す。
被覆膜形成粒子の代わりに原料粒子を用い、熱処理の温度を690℃に変更したほかは、実施例1~3と同様の手順でリングを作製し、電界強度、抵抗値、比透磁率及びHsat@-20%を測定した。結果を表1に示す。
被覆膜形成粒子の代わりに原料粒子を用いたほかは、実施例1~3と同様の手順でリングを作製し、電界強度、抵抗値、比透磁率及びHsat@-20%を測定した。結果を表1に示す。
なお、比較例1~3と比較例4~6の対比より、被覆膜を形成していない原料粒子を800℃で熱処理した場合には、合金粒子の酸化が進行することによって、比透磁率が低下したと考えられる。
(比較例7)
以下の工程により、比較例7に係る積層インダクタを作製した。
以上の手順により、比較例7に係る積層インダクタを作製した。
熱処理の温度を800℃に変更したほかは、比較例7と同様の手順で実施例5に係る積層インダクタを作製した。
10 合金粒子
20 第1酸化物層
30 第2酸化物層
40 第3酸化物層
50 第4酸化物層
b1 第1境界
b2 第2境界
b3 第3境界
b4 第4境界
Claims (6)
- Fe及びSiを含む合金粒子の表面に前記合金粒子側からSi酸化膜、Fe酸化膜を有する原料粒子とSiアルコキシド及びアルコールとを混合する工程、
前記Siアルコキシドを加水分解して乾燥することにより、酸化ケイ素を含む被覆膜が形成された被覆膜形成粒子を形成する工程、
前記被覆膜形成粒子を酸化雰囲気中で熱処理することにより、前記合金粒子の表面に酸化物層を形成する工程、を含み、
前記被覆膜の平均厚さが、10nm以上、30nm以下であり、
前記熱処理の温度が、750℃以上、850℃以下であることを特徴とする金属磁性粒子の製造方法。 - 前記Siアルコキシドは、テトラエトキシシランである請求項1に記載の金属磁性粒子の製造方法。
- Fe及びSiを含む合金粒子の表面に前記合金粒子側からSi酸化膜、Fe酸化膜を有する原料粒子とSiアルコキシド及びアルコールとを混合する工程、
前記Siアルコキシドを加水分解して乾燥することにより、酸化ケイ素を含む被覆膜が形成された被覆膜形成粒子を形成する工程、
前記被覆膜形成粒子を成形する成形工程、
前記被覆膜形成粒子の成形体を酸化雰囲気中で熱処理することにより、前記合金粒子の表面に酸化物層を形成する工程、を含み、
前記被覆膜の平均厚さが、10nm以上、30nm以下であり、
前記熱処理の温度が、750℃以上、850℃以下であることを特徴とする金属磁性体コアの製造方法。 - 前記成形工程は、前記被覆膜形成粒子を含むグリーンシートを積層及び加圧する工程を有する請求項3に記載の金属磁性体コアの製造方法。
- 前記成形工程は、前記被覆膜形成粒子を含むペーストを印刷及び乾燥する工程を有する請求項3に記載の金属磁性体コアの製造方法。
- 前記Siアルコキシドは、テトラエトキシシランである請求項3~5のいずれか1項に記載の金属磁性体コアの製造方法。
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