JPWO2016121951A1 - 磁性体粉末とその製造方法、及び磁心コアとその製造方法、並びにコイル部品、及びモータ - Google Patents

磁性体粉末とその製造方法、及び磁心コアとその製造方法、並びにコイル部品、及びモータ Download PDF

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Abstract

磁性体粉末は、一般式FeaSibBcPdCueで表される。前記a、前記b、前記c、前記d、及び前記eが、71.0≦a≦81.0、0.14≦b/c≦5、0≦d≦14、0<e≦1.4、d≦0.8a−50、e<−0.1(a+d)+10、及びa+b+c+d+e=100を満足している。X線回折法で測定される結晶化度が、少なくとも非晶質相と化合物相を含有する場合は30%以下であり、化合物相を含有しない場合は60%以下である。この磁性体粉末は、溶解室2及び噴霧室3を不活性ガスと水素ガスの混合ガス雰囲気とされたガスアトマイズ法で作製される。これにより飽和磁束密度が高く磁気損失が低い合金系の磁性体材料を得ることができ、この磁性体粉末を使用して磁心コアや各種コイル部品、及びモータを実現することができる。

Description

本発明は、磁性体粉末とその製造方法、及び磁心コアとその製造方法、並びにコイル部品、及びモータに関し、より詳しくはトランスやインダクタ等のコイル部品に適した合金系の磁性体粉末とその製造方法、及びこの磁性体材料を使用した磁心コアとその製造方法、並びに前記磁性体粉末を使用したリアクトルやインダクタ等のコイル部品、及びモータに関する。
パワーインダクタやトランス等に使用されるコイル部品やモータに装備されるステータコアやロータコアでは、金属磁性体を使用した磁性体粉末が広く使用されている。
特に、これら磁性体粉末のうち非晶質合金類は軟磁性特性に優れていることから、従来より盛んに研究・開発されている。
例えば、特許文献1には、アモルファス合金組成物FeSiCuであって、73≦a≦85at%、9.65≦b≦22at%、9.65≦b+c≦24.75at%、0.25≦x≦5at%、0≦y≦0.35at%、及び0≦y/x≦0.5であるアモルファス合金組成物が提案されている。
この特許文献1では、上記成分組成を有する合金組成物を使用することにより、高飽和磁束密度を有する連続薄帯や、棒状、板状、リング状の非晶質バルク材を得ようとしている。
また、特許文献2には、非晶質相を主相とする組成式FeSiCuの合金組成物であって、79≦a≦86at%、8≦b≦15at%、Y>0at%、0<X+Y+Z≦10at%、0.4≦c≦2.0at%である合金組成物が提案されている。
さらに、この特許文献2には、最初に結晶化が開始する温度を第1結晶化開始温度Tx1とし、2回目の結晶化が開始する温度を第2結晶化開始温度Tx2とした場合、(Tx1−50)℃以上であってTx2以下の温度で熱処理することにより、上記成分組成を有するFe基ナノ結晶合金を得ている。
この特許文献2では、合金をナノ結晶化させた場合であっても、発熱による温度上昇や結晶粒の粗大化、更には化合物の生成を抑制することができ、高飽和磁束密度と低飽和磁歪を有する軟磁気特性に優れた合金組成物を得ようとしている。
国際公開第2008/068899号(請求項1、段落〔0007〕〜〔0009〕、〔0033〕〜〔0080〕等) 特開2013−185262号公報(請求項1、段落〔0006〕、〔0032〕、〔0040〕、〔0046〕〜〔0047〕、〔0066〕〜〔0096〕等)
しかしながら、特許文献1は、単ロール液体急冷法で連続薄帯を作製し、銅鋳型鋳造法で棒状部材やリング状部材を作製し、双ロール急冷法で板状部材を作製した実施例が記載されているものの、粉末材料を作製した実施例については何らの記載もない。
すなわち、特許文献1は、連続薄帯や非晶質バルク材(棒状部材、リング状部材、板状部材等)に適するとされた合金組成を開示しているものの、これら単ロール液体急冷法、銅鋳型鋳造法、双ロール急冷法は、粉末材料の製法としては不適である。そして、合金組成物の製法が異なれば、冷却速度等の作製条件も異なり、作製条件に応じて磁気特性も変動することから、連続薄帯やバルク材の作製に適した組成範囲を磁性体粉末に適用しても所望の磁気特性を得るのは困難と考えられる。
また、特許文献2は、粉末形状の合金組成物を水アトマイズ法やガスアトマイズ法で作製してもよく、薄帯形状の合金組成物を粉砕して作製すればよいとの記載はあるものの、単ロール液体急冷法で連続薄帯を作製した実施例のみ記載されており、粉末材料を作製して特性等を評価した具体的な実施例はない。したがって、たとえ薄帯形状の合金組成物を粉砕して粉末材料を得たとしても、特許文献1と同様、所望の磁気特性を得るのが困難と考えられる。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、飽和磁束密度が高く低磁気損失が低い合金系の磁性体粉末とその製造方法、及びこの磁性体粉末を使用した磁心コアとその製造方法、並びにこの磁性体粉末を使用した各種コイル部品、及びモータを提供することを目的とする。
本発明者らは、Fe−Si−B−P−Cu系合金について、磁性体粉末に適した組成範囲を得るべく鋭意研究を行ったところ、各構成元素の原子組成比が所定範囲内であれば、非晶質相単相のみならず、非晶質相と結晶質相とが混在していても、高磁束飽和密度を有し磁気損失の低い磁性体粉末を得ることができるという知見を得た。
本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る磁性体粉末は、主成分が、一般式FeSiCuで表されると共に、前記a、前記b、前記c、前記d、及び前記eが、71.0≦a≦81.0、0.14≦b/c≦5、0≦d≦14、0<e≦1.4、d≦0.8a−50、e<−0.1(a+d)+10、及びa+b+c+d+e=100を満足することを特徴としている。
また、本発明の磁性体粉末は、少なくとも非晶質相と、化合物からなる結晶相(以下、「化合物相」という。)とを含有すると共に、X線回折法で測定された結晶化度が、30%以下であるのが好ましい。
これにより磁性体粉末中に体心立方晶構造のα−Fe相(フェライト相)や磁気特性に大きな影響を及ぼす化合物相等の結晶質相が含有されていても、粉末構造が非晶質相のみで形成された場合と遜色のない高飽和磁束密度と低磁気損失を有する磁性体粉末を得ることができる。
また、本発明の磁性体粉末は、少なくとも非晶質相を含有すると共に、前記化合物相を含まず、X線回折法で測定された結晶化度が、60%以下であるのも好ましい。
これにより磁性体粉末中に体心立方晶構造のα−Fe相が含有されていても、粉末構造が非晶質相のみで形成された場合と遜色のない高飽和磁束密度と低磁気損失を有する高品質の磁性体粉末を得ることができる。
本発明の磁性体粉末は、具体的には1.30T以上の飽和磁束密度を確保することができる。
さらに、本発明の磁性体粉末は、ガスアトマイズ法で作製されてなるのが好ましい。
すなわち、本発明に係る磁性体粉末の製造方法は、主成分が一般式FeSiCuを満たすように少なくともFe、Si、B、P、及びCuの各元素単体又はこれら元素を含有した化合物を調合する調合工程と、前記調合された調合物を加熱して溶湯を作製する加熱工程と、不活性ガスを前記溶湯に噴霧して前記溶湯を粉砕する噴霧工程とを含み、前記調合工程は、前記a、前記b、前記c、前記d、及び前記eが、71.0≦a≦81.0、0.14≦b/c≦5、0≦d≦14、0<e≦1.4、d≦0.8a−50、e<−0.1(a+d)+10、及びa+b+c+d+e=100を満足するように前記元素単体又は前記化合物を調合することを特徴としている。
このように磁性体粉末をガスアトマイズ法で作製することにより、高飽和磁束密度と低磁気損失を満足する球状で高品質の磁性体粉末を効率よく得ることができる。
また、本発明の磁性体粉末の製造方法は、前記噴霧工程は、水素ガスが前記不活性ガスに添加された混合ガスを前記溶湯に噴霧するのが好ましい。
これにより磁性体粉末中に酸素が混入するのをより一層効果的に回避することができ、したがって酸素に起因した不純物の混入を極力回避することができる。
さらに、本発明の磁性体粉末の製造方法は、前記不活性ガスは、比較的安価で入手容易なアルゴンガスまたは窒素ガスであるのが好ましい。
また、本発明の磁性体粉末の製造方法は、前記加熱工程及び前記噴霧工程は、不活性ガス雰囲気中で行うのが好ましく、更には水素ガスが前記不活性ガスに添加された混合ガス雰囲気中で行うのが好ましい。
この場合も、前記不活性ガスは、比較的安価で入手容易なアルゴンガスまたは窒素ガスであるのが好ましい。
また、本発明の磁性体粉末の製造方法は、前記混合ガス中の前記水素ガスの含有比率が、分圧換算で0.5〜7%であるのが好ましい。
また、本発明に係る磁心コアは、主成分が、上記いずれかに記載の磁性体粉末で形成されていることを特徴としている。
また、本発明の磁心コアは、結合剤を含有すると共に、前記磁性体粉末の含有量が、体積比率で60vol%以上であるのが好ましい。
また、本発明に係る磁心コアの製造方法は、上記いずれかに記載の製造方法で作製された磁性体粉末と結合剤とを混合して成形処理を行い、成形体を作製する成形工程と、前記成形体を熱処理する熱処理工程とを含んでいることを特徴としている。
また、本発明に係るコイル部品は、コイル導体がコア部に巻回されたコイル部品であって、前記コア部が、上記磁心コアで形成されていることを特徴としている。
さらに、本発明に係るコイル部品は、コイル導体が磁性体部に埋設されたコイル部品であって、前記磁性体部は、主成分が上記磁性体粉末で形成されていることを特徴としている。
また、本発明のコイル部品は、前記磁性体部が、結合剤を含有すると共に、前記磁性体部中の前記磁性体粉末の含有量が、体積比率で60vol%以上であるのが好ましい。
また、本発明に係るモータは、複数の電機子歯が同一円周上に等間隔に設けられたステータコアと、前記電機子歯に巻回されたコイル導体と、前記ステータコアの内部に回動自在に配されたロータコアとを備えたモータにおいて、前記ステータコア及び前記ロータコアのうちの少なくとも一方は、主成分が上記いずれかに記載の磁性体粉末で形成されていることを特徴としている。
本発明の磁性体粉末によれば、一般式FeSiCuで表されると共に、前記a、前記b、前記c、前記d、及び前記eが、上述した所定範囲を満足するので、非晶質相単相のみならず、非晶質相と結晶質相とが混在していても、磁束飽和密度が高く、磁気損失の低い磁性体粉末を得ることができる。
また、本発明の磁性体粉末の製造方法によれば、主成分が一般式FeSiCuを満たすように少なくともFe、Si、B、P、及びCuの各元素単体又はこれら元素を含有した化合物を調合する調合工程と、前記調合された調合物を加熱して溶湯を作製する加熱工程と、不活性ガスを前記溶湯に噴霧して前記溶湯を粉砕する噴霧工程とを含み、前記調合工程は、前記a、前記b、前記c、前記d、及び前記eが、上述した所定範囲を満足するように前記元素単体又は前記化合物を調合するので、球状で高品質の磁性体粉末を効率よく得ることができる。
特に、噴霧工程において、水素ガスが前記不活性ガスに添加された混合ガス雰囲気中で行うことにより、水素ガスで酸素を効果的に吸収できることから、酸素に起因した不純物の混入を抑制できる高純度の磁性体粉末を効率良く得ることができる。
本発明の磁心コアによれば、主成分が、上記いずれかに記載の磁性体粉末で形成されているので、飽和磁束密度が高く磁気損失の低い磁気特性の良好な磁心コアを得ることができる。
また、本発明の磁心コアの製造方法によれば、上記いずれかに記載の製造方法で作製された磁性体粉末と結合剤とを混合して成形処理を行い、成形体を作製する成形工程と、前記成形体を熱処理する熱処理工程とを含んでいるので、磁気特性の良好な所望の磁心コアを容易に作製することができる。
また、本発明のコイル部品によれば、コイル導体がコア部に巻回されたコイル部品であって、前記コア部が、上記磁心コアで形成されているので、飽和磁束密度が高く磁気損失の低い磁気特性の良好なコイル部品を容易に得ることができる。
さらに、本発明のコイル部品によれば、コイル導体が磁性体部に埋設されたコイル部品であって、前記磁性体部が、上記磁心コアで形成されているので、飽和磁束密度が高く磁気損失の低い磁気特性の良好なコイル部品を容易に得ることができる。
また、本発明のモータによれば、複数の電機子歯が同一円周上に等間隔に設けられたステータコアと、前記電機子歯に巻回されたコイル導体と、前記ステータコアの内部に回動自在に配されたロータコアとを備えたモータにおいて、前記ステータコア及び前記ロータコアのうちの少なくとも一方は、主成分が上記いずれかに記載の磁性体粉末で形成されているので、電力損失の低い高品質のモータを得ることが可能となる。
本発明の磁性体粉末の回析ピークの一例を示す図である。 ガスアトマイズ装置の一例を示す断面図である。 本発明に係る磁心コアの一実施の形態を示す斜視図である。 本発明に係るコイル部品の一実施の形態(第1の実施の形態)としてのリアクトルの内部構造を示す斜視図である。 本発明に係るコイル部品の第2の実施の形態としてのインダクタの斜視図である。 上記インダクタの内部構造を示す斜視図である。 試料番号2のX線回析スペクトルを示す図である。 試料番号11のX線回析スペクトルを示す図である。 試料番号46のX線回析スペクトルを示す図である。
次に、本発明の実施の形態を詳説する。
本発明に係る磁性体粉末は、Fe−Si−B−P−Cu系合金を主成分としており、該主成分は、一般式(A)で表すことができる。
FeSiCu …(A)
ここで、a〜eは、下記数式(1)〜(7)を満足している。
71.0≦a≦81.0 …(1)
0.14≦b/c≦5 …(2)
0≦d≦14 …(3)
0<e≦1.4 …(4)
d≦0.8a−50 …(5)
e<−0.1(a+d)+10…(6)
a+b+c+d+e=100 …(7)
尚、主成分とは、例えば磁性体粉末中で80wt%以上、好ましくは90wt%以上含有されていることを意味する。
本磁性体粉末は、一般式(A)が数式(1)〜(7)を満足することにより、1.30T以上の高飽和磁束密度を有し、かつ磁気損失の小さい磁性体粉末を得ることができる。
次に、各原子組成比a〜eが数式(1)〜(7)を満足するようにした理由を述べる。
(1)Feの原子組成比a
Feは磁性を担う重要な元素であり、一般式(A)の主たる元素を構成する。そして、所望の磁気特性を確保するためにはFeの原子組成比aは71.0以上とすることが必要である。すなわち、Feの原子組成比aが71.0未満になると、非晶質形成能が低くなり、体心立方晶構造を有するα−Fe相(フェライト相)やFe−B等の構成元素間で形成される化合物相が過剰に生成し、磁気損失の増加を招くおそれがある。一方、前記原子組成比aが81.0を超えると、高飽和磁束密度は確保できるものの、磁気損失の増加を招くおそれがある。
そこで、本実施の形態では、Feの原子組成比aが71.0≦a≦81.0となるように各構成元素を配合している。
(2)Siの原子組成比bとBの原子組成比cとの比b/c
Si及びBはいずれも良好な非晶質形成能を有する元素である。しかしながら、Siの原子組成比bとBの原子組成比cとの比b/c(以下、「X」という。)が0.14未満になってB含有量がSi含有量に対し過剰になったり、前記Xが5を超えてSi含有量がB含有量に対し過剰になると、磁気損失の増加を招くおそれがある。
そこで、本実施の形態では、Xが、0.14≦X≦5となるように各構成元素を配合している。
(3)Pの原子組成比d
Pは、SiやBと同様、非晶質形成能の向上に寄与することから、必要に応じて磁性体粉末中に含有される。しかしながら、Pの原子組成比dが14を超えて過剰に含有されると、磁気損失の増大を招き、好ましくない。
また、Pの原子組成比dは、Feの原子組成比aとの関係でも一定の制約を受ける。すなわち、Pの原子組成比dが、(0.8a−50)(以下、「Y」という。)を超えると、Pの含有量が過剰となり、この場合も磁気損失の増大を招き、好ましくない。
そこで、本実施の形態では、Pの原子組成比dは、0≦d≦14かつd≦Yを満足するように各構成元素を配合している。
(4)Cuの原子組成比e
Cuは、急冷組織に微小なα−Fe粒を生成し、微細構造を安定化させる役割を担うことから、本発明では必須の構成元素である。
しかしながら、Cuの原子組成比eが1.4を超えて過剰に含有されると、磁気損失の増大を招き、好ましくない。
また、Cuの原子組成比eは、Feの原子組成比a及びPの原子組成比dとの関係でも一定の制約を受ける。すなわち、Cuの原子組成比eが、{−0.1(a+d)+10}(以下、「Z」という。)以上になると、Cu含有量が過剰となり、この場合も磁気損失の増大を招き、好ましくない。
そこで、本実施の形態では、Cuの原子組成比eは、0<e≦1.4かつe<Zを満足するように各構成元素を配合している。
尚、前記a〜eは一般式(A)中の各構成元素の原子組成比を示すものであることから、これらa〜eの総計が100であるのはいうまでもない。
このように本実施の形態では、一般式(A)が数式(1)〜(7)の全てを満たすことにより、1.30T以上の高飽和磁束密度を有し、かつ磁気損失の低い磁性体粉末を得ることができる。
また、本磁性体粉末は、粉末構造としては、少なくとも非晶質相を含み、さらに体心立方晶構造を有するα−Fe相やFe−B等の化合物相などの結晶質相を含んでいてもよい。非晶質相と結晶質相との割合は、結晶化度Φで示すことができる。この場合、化合物相は体心立方晶構造に比べ、磁気特性に大きな影響を及ぼすことから、本磁性体粉末は、化合物相を含有する場合と化合物相を含有しない場合とで結晶化度Φが異なる。
具体的には、本磁性体粉末が、少なくとも非晶質相及び化合物相を含有している場合は、化合物相は上述したように磁気特性、特に磁気損失に大きな影響を及ぼすことから結晶化度Φは30%以下となる。一方、少なくとも非晶質相を含有するが、化合物相を含有しない場合、例えば非晶質相と体心立方構造を有するα−Fe相を含有する場合は、α−Fe相は化合物相に比べて磁気損失等の磁気特性に与える影響が小さいことから、結晶化度Φは60%以下となる。すなわち、本磁性体粉末では、結晶化度Φは、化合物相を含有している場合は30%以下、化合物相を含有していない場合は60%以下であれば、非晶質相のみならず、結晶質相が非晶質相と共に混在していても、非晶質相のみで形成された場合と遜色のない高飽和磁束密度と低磁気損失を有する磁性体粉末を得ることができる。
尚、この結晶化度ΦはX線回折法を使用して容易に算出することができる。
図1は、磁性体粉末のX線回折スペクトルの要部を示しており、横軸が回折角2θ(°)、縦軸が回折強度(a.u.)である。
磁性体粉末中に結晶質相と非結晶質相とが混在する場合、X線回析スペクトルは、図1に示すように、回折角2θの所定範囲(例えば、34〜56°)において、結晶質相を示す部分は回折ピークPを有し、非晶質相を示す部分はハローHを形成する。そして、結晶化度Φは、結晶性を示すピーク領域の面積をIc、非晶質性を示すハロー領域の面積をIaとすると、数式(8)で表すことができる。
Φ={Ic/(Ic+Ia)}×100 …(8)
尚、ハロー領域上にピーク領域が複数存在する場合は、ピーク領域の面積Icは、各ピーク領域の面積の積算値となる。
そして、上述したように本磁性体粉末では、結晶化度Φは、化合物相を含有している場合は30%以下、化合物相を含有していない場合は60%以下となる。
上記磁性体粉末の製造方法は、特に限定されるものではないが、ガスアトマイズ法を使用して製造するのが好ましい。
ガスアトマイズ法は、単ロール液体急冷法や水アトマイズ法等に比べて冷却速度に劣るものの、過冷却液体領域の確保や高速での冷却速度が必要となる単ロール液体急冷法とは異なり、製造工程の制約も少なく所望の磁性体粉末を得ることが可能である。また、このガスアトマイズ法は、ジェット流体に水を使用する水アトマイズ法とは異なり、ジェット流体が不活性ガスを主体としていることから酸素の吸収も少なく不純物の混入を抑制することが可能となり、球状で取扱い容易な高品質の磁性体粉末を得ることが可能である。
図2は、ガスアトマイズ装置の一実施の形態を示す断面図である。
このガスアトマイズ装置は、仕切板1を介して溶解室2と噴霧室3とに画成されている。
溶解室2は、溶湯4が収容されるアルミナ等で形成された坩堝5と、該坩堝5の外周に配された誘導加熱コイル6と、坩堝5を閉蓋する天板7とを備えている。
また、噴霧室3は、噴射ノズル8aが設けられたガス噴射室8と、ジェット流体としての不活性ガスをガス噴射室8に供給するガス供給管9と、溶湯4を噴霧室3に案内する溶湯供給管10とを備えている。
本磁性体粉末は以下のようにして製造することができる。
まず、素原料としてFe、Si、B、及びCuの各元素単体又はこれら元素を含有した化合物を用意し、さらに必要に応じてP単体又はPを含有した化合物を用意し、所定量秤量して調合し、合金材料を得る。
次に、高周波電源を誘導加熱コイル6に印加し、坩堝5を加熱すると共に、坩堝5に合金材料を供給して該合金材料を溶解させ、溶湯4を作製する。
次いで、ガス供給管9及びガス噴射室8にジェット流体としての不活性ガスを供給し、溶湯供給管10から落下してきた溶湯4に対し、矢印に示すように噴射ノズル8aから不活性ガスを噴霧し、粉砕・急冷し、これにより例えば平均粒径が100μm以下の一般式(A)が数式(1)〜(7)を満たす磁性体粉末11が作製される。
このように本実施の形態では、ジェット流体に不活性ガスを使用するガスアトマイズ法で上述した磁性体粉末を作製しているので、単ロール液体急冷法のような製造工程の制約も少なく、また水アトマイズ法のように磁性体粉末が不規則形状を呈することもなく、球状で取扱い容易な高品質の磁性体粉末を得ることができる。また、ジェット流体に不活性ガスを使用していることから酸素量も少なく、不純物の混入を抑制することが可能となる。
上記製造方法では、噴霧処理でジェット流体に不活性ガスを使用しているが、水素ガスを不活性ガスに添加した混合ガスを使用するのも好ましい。
また、加熱処理及び噴霧処理の雰囲気について特に言及していないが、不活性ガス雰囲気で行うのが好ましく、水素ガスを不活性ガスに添加した混合ガス雰囲気中で行うのがより好ましい。
すなわち、噴霧室3を上述した混合ガス雰囲気にして噴霧処理を行うことにより、磁性体粉末11中に酸素が混入するのをより一層効果的に回避することができ、したがって酸素に起因した不純物の混入を極力回避することが可能となる。
また、溶解室2を上述した混合ガス雰囲気にして高周波誘導加熱を行うことにより、印加電圧が上昇して坩堝5への入熱量が増加することから、合金材料の高速溶解が可能となり、溶湯4を迅速に作製することができる。
尚、混合ガス中の水素ガスの含有比率は、特に限定されるものではないが、工業的な入手容易性等、実用的観点からは分圧換算で0.5〜7%が好ましい。
また、ジェット流体や加熱処理及び噴霧処理の雰囲気ガスに使用される不活性ガスは、不活性ガスの範疇に属するものであれば特に限定されるものではなく、ヘリウムガス、ネオンガス等も使用可能であるが、通常は入手容易で安価なアルゴンガスまたは窒素ガスが好んで使用される。
このように本実施の形態では、不活性ガスに水素添加された混合ガス雰囲気で誘導加熱を行うことにより、合金材料の高速溶解が可能となり、さらに不活性ガスに水素添加された混合ガスを溶湯に噴霧することにより、磁性体粉末11への不純物の混入がより効果的を抑制することができ、高飽和磁束密度と低磁気損失を有し球状で取扱い容易な高品質で高純度の磁性体粉末を迅速かつ効率よく得ることができる。
図3は、本発明に係る磁心コアの一実施の形態を示す斜視図であって、この磁心コア12は、長孔状の孔部12aを有するリング形状に形成されている。
磁心コア12は、上述した本発明の磁性体粉末を主成分とし、エポキシ樹脂等の樹脂材料(結合剤)を少なくとも含有した複合材料で形成されている。
尚、複合材料中の磁性体粉末の含有量は、特に限定されるものではないが、体積比率で60vol%以上が好ましい。磁性体粉末の含有量が60vol%未満になると、磁性体粉末の含有量が過少となって透磁率や磁束飽和密度が低下して磁気特性が低下を招くおそれがある。また、磁性体粉末の含有量の上限は、樹脂材料が、所期の作用効果を奏する程度に含有されていればよいことから、99vol%以下が好ましい。
この磁心コア12は、以下のようにして容易に製造することができる。
上述した本磁性体粉末とエポキシ樹脂等の樹脂材料(結合剤)とを混錬し、分散させて複合材料を得る。次いで、例えば、圧縮成形法等を使用して成形処理を行い、成形体を作製する。すなわち、加熱された金型のキャビティに前記複合材料を流し込み、100MPa程度に加圧してプレス加工を行い、成形体を作製する。
その後、成形金型から成形体を取り出し、成形体を120〜150℃の温度で24時間程度、熱処理を施して樹脂材料の硬化を促進し、これにより上述した磁心コア12が作製される。
図4は、本発明に係るコイル部品の一実施の形態としてのリアクトルを示す斜視図である。
このリアクトルは、コイル導体13がコア部20に巻回されており、該コア部20が磁心コア12で形成されている。
すなわち、長孔状のコア部20は、互いに平行な2つの長辺部20a、20bを有している。そして、コイル導体13は、一方の直線部20aに巻回された第1のコイル導体13aと、他方の直線部20bに巻回された第2のコイル導体13bと、第1のコイル導体13aと第2のコイル導体13bとを連接する連接部13cと有し、一体形成されている。具体的には、このコイル導体13は、銅等からなる平角形状の一本のワイヤ導線がポリエステル樹脂やポリアミドイミド樹脂等の絶縁性樹脂で被覆され、コア部20の一方の長辺部20a及び他方の長辺部20bにコイル状に巻回されている。
このように本リアクトルは、磁心コア12からなるコア部20にコイル導体13が巻回されているので、高飽和磁束密度と低磁気損失を有し、強磁性でヒステリシス特性が小さい良好な軟磁気特性を有する高純度で高品質のリアクトルを高効率で得ることができる。
図5は、本発明に係るコイル部品の第2の実施の形態としてのインダクタの斜視図である。
このインダクタは、矩形形状に形成された磁性体部14の表面略中央部に保護層15が形成されると共に、該保護層15を挟むような形態で前記磁性体部14の表面両端部には一対の外部電極16a、16bが形成されている。
図6は、インダクタの内部構造を示す図である。この図6では説明の都合上、保護層15及び外部電極16a、16bを省略している。
磁性体部14は、本発明の磁性体粉末を主成分とし、エポキシ樹脂等の樹脂材料を含有した複合材料で形成されている。そして、磁性体部14にはコイル導体17が埋設されている。
磁性体部14は、上記磁心コア12と同様、本発明の磁性体粉末を主成分とし、エポキシ樹脂等の樹脂材料を含有した複合材料で形成されている。そして、磁性体部14にはコイル導体17が埋設されている。
尚、複合材料中の磁性体粉末の含有量は、特に限定されるものではないが、上記磁心コア12の場合と同様の理由から、体積比率で60vol%以上が好ましく、より好ましくは60〜99vol%がよい。
コイル導体17は、平角線がコイル状に巻回された円筒形状とされ、両端部17a、17bは外部電極16a、16bと電気的に接続可能となるように磁性体部14の端面に露出している。コイル導体17は、具体的には、第1の実施の形態と同様、銅等からなる平角形状のワイヤ導線がポリエステル樹脂やポリアミドイミド樹脂等の絶縁性樹脂で被覆され、帯状に形成されると共に空芯を有するようにコイル状に巻回されている。
このインダクタは、以下のようにして容易に作製することができる。
まず、第1の実施の形態と同様、本磁性体粉末と樹脂材料とを混錬し、分散させて複合材料を作製する。次いで、導体コイル17が複合材料で封止されるように該導体コイル17を複合材料中に埋め込む。そして、例えば、圧縮成形法を使用して成形加工を施し、導体コイル17が埋設された成形体を得る。次いで、この成形体を成形金型から取り出した後、熱処理を行い、表面研磨し、コイル導体17の端部17a、17bが端面に露出した磁性体部14を得る。
次に、外部電極16a、16bの形成部位以外の磁性体部14表面に絶縁性樹脂を塗布し硬化させて保護層15を形成する。
その後、磁性体部14の両端部に導電性材料を主成分とした外部電極16a、16bを形成し、これによりインダクタが作製される。
外部電極16a、16bの形成方法は特に限定されるものでなく、例えば塗布法、めっき法、薄膜形成方法等、任意の方法で形成することが可能である。
このように本インダクタは、コイル導体17が磁性体部14に埋設されると共に、該磁性体部14が上述した磁性体粉末を主成分としているので、高飽和磁束密度と低磁気損失を有し、強磁性でヒステリシス特性が小さい良好な軟磁気特性を有する高純度で高品質のコイル部品を高効率で得ることができる。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。上記実施の形態では、磁性体粉末を使用したデバイスとしてリアクトルやインダクタ等のコイル部品を例示したが、本磁性体粉末は、高飽和磁束密度を有し低磁気損失であることから、モータに装備されるステータコアやロータコアに応用することも可能である。すなわち、モータは、通常、複数の電機子歯が同一円周上に等間隔に設けられたステータコアと、前記電機子歯に巻回されたコイル導体と、前記ステータコアの内部に回動自在に配されたロータコアとを備えている。そして、本磁性体粉末は、高飽和磁束密度を有し低磁気損失であることから、ステータコア及びロータコアのうちの少なくとも一方、好ましくは双方が、本磁性体粉末を主成分とすることにより、電力損失の低い高品質のモータを得ることが可能となる。
また、磁心コア12や磁性体部14の作製方法についても、上述した圧縮成形法に限定されるものではなく、射出成形法やトランスファ成形法を使用してもよい。
本磁性体粉末を構成する元素種についても、合金組成が上述した範囲を満たしておればよく、他の非晶質形成能を有する元素、例えばGa、Ge、Pdを適宜添加してもよく、また、Mn、Al、N、Ti等の微量の不純物を含んでいても特性に影響を与えるものではない。
また、上記実施の形態では、高周波誘導加熱により調合物を加熱・溶解しているが、加熱・溶解方法は高周波誘導加熱に限定されるものではなく、例えばアーク溶解であってもよい。
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。
〔試料の作製〕
素原料としてFe、Si、B、FeP、及びCuを用意した。そして、一般式FeSiCuにおいて、a、b、c、d、及びeが表1〜表4に示す原子組成比となるように調合し、高周波誘導加熱炉で融点以上に加熱し溶解させ、次いで、この溶解物を銅製の鋳込み型に流し込んで冷却し、これにより母合金を作製した。
次に、この母合金を5mm程度の大きさに破砕し、また、分圧換算で3%の水素ガスをアルゴンガスに添加した混合ガス雰囲気とされたガスアトマイズ装置を用意した。次いで、前記母合金をガスアトマイズ装置の坩堝に投入し、高周波誘導加熱を行って母合金を溶解させ、溶湯を得た。
次いで、上記混合ガス雰囲気下、ジェット流体としての水素添加されたアルゴンガスを前記溶湯に噴霧し、粉砕・急冷して合金粉末を得た。そして、この合金粉末を目開き38μmのフルイを通過させ、試料番号1〜64の試料を得た。
この作製された試料の平均粒径を、粒子径分布測定装置(堀場製作所社製LA−300)で測定したところ、20〜30μmであった。
〔試料の評価〕
(飽和磁束密度の測定)
試料番号1〜64の各試料10mgを採取し、非磁性の粘着テープ上に試料を載せて該粘着テープを二つ折りにし、縦7mm、横7mmの板状に成形した。次いで、振動試料型磁力計(東英工業社製VSM−5−10)を使用し、最大印加磁界を12000A/m、室温(25℃)で飽和磁化を測定した。そして、この測定値と試料の真比重から飽和磁束密度を算出した。
(粉末構造の同定)
粉末X線回折装置(リガク社製RINT2200)を使用し、回折角2θが30°〜90°の範囲で、ステップ幅0.02°、ステップ時間2秒の測定条件でX線回折スペクトルを測定し、X線回折スペクトルから各試料の粉末構造相を同定した。
図7〜図9はX線回折スペクトルの一例を示している。具体的には、図7は試料番号2のX線回折スペクトルを示し、図8は試料番号11のX線回折スペクトルを示し、図9は試料番号46のX線回折スペクトルを示している。図7〜図9中、横軸は回折角2θ(°)、縦軸は回折強度(a.u.)である。
図7に示すように、試料番号2は、非晶質相を示すハローHが検出され、また、結晶質相を示すピークP1が存在している。このピークP1は、回折角2θが45°近傍で現れていることから、体心立方晶構造を示しており、この体心立方晶構造は、合金組成からα−Fe相と考えられる。したがって、試料番号2は、非晶質相とα−Fe相とを有すると同定することができる。
図8に示すように、試料番号11は、結晶質相を示すピークが存在せず、非晶質相を示すハローHのみが検出されたことから、この試料番号11は、非晶質相単相であると同定することができる。
図9に示すように、試料番号46は、非晶質相を示すハローH、α−Fe相を示すピークP1、及びα−Fe相以外の他の結晶質相を示すピークP2が検出された。このピークP2は、Fe−B等の構成元素間の結合によって形成された化合物相と考えられることから、試料番号46は、非晶質相、α−Fe相、及び化合物相を有すると同定することができる。
同様にして試料番号1、3〜10、12〜45、及び47〜66の各試料についてもX線回折スペクトルから粉末構造相を同定した。
また、このX線回折スペクトルから、〔発明を実施するための形態〕の項に記載した数式(8)に基づき各試料の結晶度Xを算出した。
(磁気損失)
試料番号1〜64の各試料100重量部に対し3重量部のエポキシ樹脂を添加し(エポキシ樹脂の割合は15vol%)、100MPaの圧力でプレス成形し、外径13mm、内径8mm、厚さ2.5mmのトロイダルコアを作製した。
そして、励磁用の一次側巻線と電圧検出用の二次側巻線の各巻数がいずれも16となるように、エナメルで被覆された線径0.3mmの銅線をトロイダルコアの外周に二重巻きにし、コア損失測定用試料を得た。
次いで、B−Hアナライザ(岩通計測社製SY−8217)を使用し、周波数1MHz、磁界30mTでコア損失(磁気損失)を測定した。
(測定結果)
表1〜表4は試料番号1〜64の各試料の成分組成、飽和磁化、飽和磁束密度、粉末構造の同定相、及びコア損失を示し、表3及び表4中、*印は本発明外の試料であることを示している。
Figure 2016121951
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Figure 2016121951
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表4から明らかなように、試料番号56〜58は、Feの原子組成比aが70.0〜70.9であり、71.0未満と少ないため、コア損失が4000kW/mを超え、磁気特性の低下を招くことが分かった。特に、試料番号57、58は、Pの原子組成比dがいずれもY(=0.8a−50)より大きいことから、コア損失がより大きくなった。
試料番号61〜64は、Feの原子組成比aが82.0であり、81.0を超えていることから、この場合も4000kW/mを超えてしまい、コア損失の増大を招いた。特に、試料番号61、62は、Cuの原子組成比eがZ(=−0.1(a+d)+10)と同等以上であるので、本B−Hアナライザでコア損失を測定しようとしても、測定不能になる程、増大することが分かった。
尚、試料番号63は、Xが5を超えており、B含有量に対しSi含有量が過剰であるため、コア損失は4447kW/mとなって本発明範囲内の試料に比べ増加したが、試料番号64よりも小さくなっている。これは試料番号63と試料番号64とで組成が若干相違することが微妙に影響したものと考えられるが、いずれにしてもXが5を超えるとコア損失の増加を招くものと思われる。
試料番号54、55は、Pの原子組成比dが14を超えており、しかも該原子組成比dがYよりも大きいことから、コア損失は9274〜10159kW/mとなって顕著な増大を招いた。
試料番号59、60は、Siの原子組成比bとBの原子組成比cのX(=b/c)が0.14未満であり、Si含有量に対するBの含有量が少なすぎるため、コア損失が4000kW/mを超え、磁気特性の低下を招くことが分かった。
尚、試料番号60は、Cuの原子組成比eが0であり、Cuが含まれていないことから、コア損失は4295kW/mとなって本発明範囲内の試料に比べて増加しているものの、試料番号59よりも小さくなっている。これは試料番号59と試料番号60とで組成が若干相違することが微妙に影響したものと考えられるが、いずれにしてもCuが含まれていない場合もコア損失の増加を招くものと思われる。
また、表3から明らかなように、試料番号53は、Siが含有されておらず、Pの原子組成比dが14を超えており、しかもこの原子組成比dはY(=0.8a−50)よりも大きいことから、コア損失が6870kW/mとなって顕著な増大を招いた。
試料番号46〜49は、いずれもPの原子組成比dがYよりも大きく、このためコア損失の顕著な増大を招いた。
試料番号45、51は、Cuの原子組成比eが1.4を超えることから、コア損失が4000kW/mを超えて増加した。特に、試料番号51は、Cuの原子組成比eがZ(=−0.1(d+a)+10)を超えているため、試料番号45に比べてもコア損失がより増加した。
試料番号50、52は、Cuの原子組成比eがZ(=−0.1(d+a)+10)と同等以上であるので、コア損失が増加した。特に、試料番号52は原子組成比eがZよりも大きく、このためコア損失は試料番号50に比べてもより一層増加した。
これに対し表1及び表2に示すように、試料番号1〜44は、一般式(A)が数式(1)〜(7)満たしており、本発明範囲内であるので、飽和磁束密度は1.30T以上であり、コア損失も4000kW/m以下に抑制できることが分かった。
表5は、試料番号1、4、16、24、28、31、38、46、48、及び52の結晶化度Φを示している。
Figure 2016121951
この表5から明らかなように化合物相を含有した本発明範囲外の試料番号46、48、52は、結晶化度Φが30%を超えることが分かった。
これに対し化合物相を含有した本発明の試料番号38は、結晶化度Φは30%以下であり、化合物相を含有しない本発明の試料番号1、4、16、24、28、及び31は、いずれも結晶化度Φが60%以下であることが確認された。
また、他の試料番号についても、化合物を含有している場合では、本発明範囲内の試料は結晶化度Φが化合物を30%以下となり、本発明範囲外の試料は結晶化度Φが30%を超え、化合物を含有していない場合では、本発明範囲内の試料は結晶化度Φが化合物を60%以下となり、本発明範囲外の試料は結晶化度Φが60%を超えることが確認された。
以上より一般式(A)が数式(1)〜(7)を満たすときは、化合物相を含有している場合で結晶化度Φが30%以下、化合物相を含有していない場合で結晶化度Φが60%以下となる。そして、粉末構造は非晶質相単相のみならず、結晶質相を含んでいても1.30T以上の高飽和磁束密度と4000kW/m以下の低コア損失を有する磁性体粉末が得られることが分かった。
高飽和磁束密度と低磁気損失を有する高品質の軟磁性の磁性体粉末及びこの磁性体粉末を使用した磁心コア、インダクタ等のコイル部品、モータ等を実現することができる。
12 磁心コア
13 コイル導体
14 磁性体部
17 コイル導体
20 コア部

Claims (18)

  1. 主成分が、一般式FeSiCuで表されると共に、
    前記a、前記b、前記c、前記d、及び前記eが、
    71.0≦a≦81.0、
    0.14≦b/c≦5、
    0≦d≦14、
    0<e≦1.4、
    d≦0.8a−50、
    e<−0.1(a+d)+10、及び
    a+b+c+d+e=100
    を満足することを特徴とする磁性体粉末。
  2. 少なくとも非晶質相と、化合物からなる結晶相とを含有すると共に、
    X線回折法で測定された結晶化度が、30%以下であることを特徴とする請求項1記載の磁性体粉末。
  3. 少なくとも非晶質相を含有すると共に、化合物からなる結晶相を含まず、
    X線回折法で測定された結晶化度が、60%以下であることを特徴とする請求項1記載の磁性体粉末。
  4. 飽和磁束密度が、1.30T以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の磁性体粉末。
  5. 主成分が一般式FeSiCuを満たすように少なくともFe、Si、B、P、及びCuの各元素単体又はこれら元素を含有した化合物を調合する調合工程と、
    前記調合された調合物を加熱して溶湯を作製する加熱工程と、
    不活性ガスを前記溶湯に噴霧して前記溶湯を粉砕する噴霧工程とを含み、
    前記調合工程は、前記a、前記b、前記c、前記d、及び前記eが、
    71.0≦a≦81.0、
    0.14≦b/c≦5、
    0≦d≦14、
    0<e≦1.4、
    d≦0.8a−50、
    e<−0.1(a+d)+10、及び
    a+b+c+d+e=100
    を満足するように前記元素単体又は前記化合物を調合することを特徴とする磁性体粉末の製造方法。
  6. 前記噴霧工程は、水素ガスが前記不活性ガスに添加された混合ガスを前記溶湯に噴霧することを特徴とする請求項5記載の磁性体粉末の製造方法。
  7. 前記不活性ガスは、アルゴンガスまたは窒素ガスであることを特徴とする請求項5又は請求項6記載の磁性体粉末の製造方法。
  8. 前記加熱工程は、不活性ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項5乃至請求項7のいずれかに記載の磁性体粉末の製造方法。
  9. 前記加熱工程は、水素ガスが前記不活性ガスに添加された混合ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項8記載の磁性体粉末の製造方法。
  10. 前記不活性ガスは、アルゴンガスまたは窒素ガスであることを特徴とする請求項8又は請求項9記載の磁性体粉末の製造方法。
  11. 前記混合ガス中の前記水素ガスの含有比率が、分圧換算で0.5〜7%であることを特徴とする請求項6、請求項7、請求項9、又は請求項10のいずれかに記載の磁性体粉末の製造方法。
  12. 主成分が、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の磁性体粉末で形成されていることを特徴とする磁心コア。
  13. 結合剤を含有すると共に、前記磁性体粉末の含有量が、体積比率で60vol%以上であることを特徴とする請求項12記載の磁心コア。
  14. 請求項4至請求項10のいずれかに記載の製造方法で作製された磁性体粉末と結合剤とを混合して成形処理を行い、成形体を作製する成形工程と、
    前記成形体を熱処理する熱処理工程とを含むことを特徴とする磁性コアの製造方法。
  15. コイル導体がコア部に巻回されたコイル部品であって、
    前記コア部が、請求項13記載の磁心コアで形成されていることを特徴とするコイル部品。
  16. コイル導体が磁性体部に埋設されたコイル部品であって、
    前記磁性体部は、主成分が請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の磁性体粉末で形成されていることを特徴とするコイル部品。
  17. 前記磁性体部が、結合剤を含有すると共に、
    前記磁性体部中の前記磁性体粉末の含有量が、体積比率で60vol%以上であることを特徴とする請求項16記載のコイル部品。
  18. 複数の電機子歯が同一円周上に等間隔に設けられたステータコアと、前記電機子歯に巻回されたコイル導体と、前記ステータコアの内部に回動自在に配されたロータコアとを備えたモータにおいて、
    前記ステータコア及び前記ロータコアのうちの少なくとも一方は、主成分が請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の磁性体粉末で形成されていることを特徴とするモータ。
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