JPWO2020145047A1 - 圧粉磁心の製造方法、圧粉磁心、コイル部品および造粒粉 - Google Patents
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Abstract
磁性材料の製造方法は、有機溶剤と金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とを含む混合物を生成する混合物生成工程と、混合物を加熱し、混合物中の有機溶剤を除去することで、金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とが一体化した磁性材料を得る第１の熱処理工程とを含む。
Description
本開示は、磁性材料の製造方法、圧粉磁心の製造方法、コイル部品の製造方法、圧粉磁心、コイル部品および造粒粉に関する。
従来、インダクタおよび変圧器の磁心向けの磁性材料として、フェライトをはじめとする酸化物磁性体材料および金属磁性材料が用いられている。これらの磁性材料を用いた磁心として、例えば金属粉を圧縮成形した圧粉磁心がある。圧粉磁心は、高い飽和磁束密度を有し、インダクタおよび変圧器等の部品を小型化するのに有利な磁心である。また、圧粉磁心は金型用成形が可能なため、磁心の形状の自由度が高く、また、複雑な形状であっても簡便な工程で高精度に製造できることから、その有用性が注目されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１では、圧粉磁心を構成する磁性材料として鉄（Ｆｅ）およびケイ素（Ｓｉ）を主成分とする磁性材料、および、当該磁性材料を用いた圧粉磁心について開示されている。特許文献１では、ＦｅおよびＳｉを主成分とする金属磁性粉の表面に、絶縁被膜が形成されている。
圧粉磁心は、金属磁性粉間の絶縁性および密着性を得るために、金属磁性粉に絶縁性および粘着性を有する樹脂材料を添加し、乾燥処理を施した後に加圧成形することで作製される。しかし、上記樹脂材料は高分子量であるため、分子同士の絡み合いが生じ、圧粉磁心内の金属磁性粉を高充填化することができない場合がある。そのため、圧粉磁心の磁気特性を高めることができないという問題がある。
上述した課題に鑑み、本発明は、高い磁気特性を得るための磁性材料の製造方法等を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る磁性材料の製造方法は、有機溶剤と金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とを含む混合物を生成する混合物生成工程と、前記混合物を加熱し、前記混合物中の前記有機溶剤を除去することで、前記金属磁性粉と前記樹脂材料と前記有機金属石鹸とが一体化した磁性材料を得る第１の熱処理工程とを含む。
また、本開示の一態様に係る圧粉磁心の製造方法は、上記磁性材料の製造方法で得られた磁性材料を高圧プレスして成形体を得る第１の成形工程と、前記第１の成形工程で得られた前記成形体を加熱する第２の熱処理工程とを含む。
また、本開示の一態様に係るコイル部品の製造方法は、上記磁性材料の製造方法で得られた磁性材料とコイルとを粉体成形により一体化させ、成形体を得る第２の成形工程と、前記第２の成形工程で得られた前記成形体を加熱する第３の熱処理工程とを含む。
また、本開示の一態様に係る圧粉磁心は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌで構成される金属磁性粉を含み、前記金属磁性粉の充填率は８２％以上であり、初透磁率は１２５以上である。
また、本開示の一態様に係るコイル部品は、上記圧粉磁心と、コイルとを備える。
また、本開示の一態様に係る造粒粉は、金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とを含む造粒粉であって、前記有機金属石鹸の少なくとも一部は、前記造粒粉の内部に存在している。
本開示によれば、高い磁気特性を得るための磁性材料の製造方法等を提供することができる。
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置、接続形態、ステップ及びステップの順序等は一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
（実施の形態１）
［１−１．コイル部品および磁性コアの構成］
本実施の形態に係るコイル部品１は、磁性材料で形成された磁性コア（ダストコア）と、磁性コアの内部に配置されたコイル部とで構成されている。
［１−１．コイル部品および磁性コアの構成］
本実施の形態に係るコイル部品１は、磁性材料で形成された磁性コア（ダストコア）と、磁性コアの内部に配置されたコイル部とで構成されている。
図１Ａは、本実施の形態に係るコイル部品１の構成を示す概略斜視図である。図１Ｂは、本実施の形態に係るコイル部品１の構成を示す分解斜視図である。図２は、本実施の形態に係る磁性材料の構成を示す断面図である。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、コイル部品１は、２つの分割磁心１２と、導体１３と、２つのコイル支持体１４とを備えている。２つの分割磁心１２により磁性コアが形成され、導体１３および２つのコイル支持体１４によりコイル部が形成されている。
分割磁心１２は、基台１２ａと、基台１２ａの一方の面に形成された円筒状の芯部１２ｂとを備えている。また、基台１２ａを構成する四つの辺のうち対向する二つの辺には、基台１２ａの縁から立設する壁部１２ｃが形成されている。芯部１２ｂおよび壁部１２ｃは、基台１２ａの一方の面からの高さが同一である。２つの分割磁心１２のそれぞれは、磁性材料が所定の形状に加圧成形された圧粉磁心である。
２つの分割磁心１２は、それぞれの芯部１２ｂおよび壁部１２ｃが当接するように配置されている。このとき、芯部１２ｂの周囲を囲むように、導体１３が配置される。導体１３は、コイル支持体１４を介して分割磁心１２に組み込まれている。
２つのコイル支持体１４は、図１Ｂに示すように、円環状の基部１４ａと、円筒部１４ｂとを備えている。円筒部１４ｂの内部に分割磁心１２の芯部１２ｂが配置され、円筒部１４ｂの外周に導体１３が配置されている。
分割磁心１２を構成する磁性材料は、例えばＦｅおよびＳｉを主成分とする合金であるＦｅ−Ｓｉ系の金属磁性材料である。
詳細には、図２に示すように、分割磁心１２では、複数の金属磁性粉１７が加圧成形されており、各金属磁性粉１７の表面には、絶縁材１８が形成されている。近接する各金属磁性粉１７の表面を覆う絶縁材１８は互いに結着している。つまり、各金属磁性粉１７の間には絶縁材１８が配置され、各金属磁性粉１７は互いに絶縁されている。
Ｆｅ−Ｓｉ系の金属磁性粉１７は、ＦｅおよびＳｉを主成分とする金属軟磁性粉末、または、Ｆｅ、ＳｉおよびＡｌを主成分とする金属軟磁性粉末である。金属磁性粉１７は、Ｆｅ、Ｓｉ、Ａｌ以外に不可避な不純物を含んでいてもよい。本実施の形態における金属磁性粉１７において、Ｓｉは、軟磁気特性の向上のために用いられている。Ｓｉの添加により、金属磁性粉１７の磁気異方性および磁歪定数を小さくし、また、電気抵抗を高め渦電流損失を低減させることができる。
本実施の形態に係る金属磁性粉１７の作製方法は、特に限定されるものでなく、各種アトマイズ法や各種粉砕法を用いることが可能である。
本実施の形態に係る金属磁性粉１７の平均粒径は、１μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。平均粒径が１μｍより小さいと成形密度が低くなり、透磁率が低下する。平均粒径が１００μｍより大きくなると、高周波での渦電流損失が大きくなってしまう。さらに好ましくは、金属磁性粉１７の平均粒径は５０μｍ以下とすることがよい。なお、金属磁性粉の平均粒径とは、レーザ回折式粒度分布測定法により求められるものである。例えば、直径１０μｍの球と同じ回折および散乱光のパターンを示す被測定粒子の粒径は、その形状に関わらず１０μｍとする。そして、粒径を小さなものからカウントしていき、積算が全体の５０％となったときの粒径を平均粒径とする。
絶縁材１８は、例えばＴｉ、Ｚｒ、およびＡｌの少なくともいずれかを含んでいる。絶縁材１８は、金属磁性粉１７の表面を覆うように形成され、隣り合う金属磁性粉１７は、絶縁材１８によって絶縁されている。
［１−２．コイル部品の製造方法および磁性材料の製造方法］
以下、本実施の形態に係る磁性材料およびコイル部品の製造方法について説明する。図３は、本実施の形態に係る磁性材料およびコイル部品１の製造工程を示すフローチャートである。
以下、本実施の形態に係る磁性材料およびコイル部品の製造方法について説明する。図３は、本実施の形態に係る磁性材料およびコイル部品１の製造工程を示すフローチャートである。
図３に示すように、本実施の形態に係るコイル部品１の製造工程は、造粒粉製造工程（ステップＳ１０）と、コア製造工程（ステップＳ２０）と、コイル組み立て工程（ステップＳ３０）とを含んでいる。造粒粉製造工程では、上述した磁性コアを構成する磁性材料を生成する。コア製造工程では、磁性材料を成形することにより、分割磁心１２を形成する。コイル組み立て工程では、上述した分割磁心１２、導体１３およびコイル支持体１４を組み立ててコイル部品１を完成させる。以下、各工程について詳細に説明する。
図４は、本実施の形態に係る造粒粉製造工程を示すフローチャートである。図４に示すように、造粒粉製造工程では、はじめに、磁性材料を生成する原材料を準備する（ステップＳ１１）。磁性材料の原材料として、金属磁性粉１７と、絶縁性を有する第１の樹脂材料と、粘着性を有する第２の樹脂材料と、有機金属石鹸と、有機溶剤とを準備する。なお、以下において、第１の樹脂材料および第２の樹脂材料の両方を合わせて、「樹脂材料」と呼ぶ場合がある。
金属磁性粉１７には、Ｆｅを主成分とする磁性体粉を用いる。例えば、金属磁性粉１７には、ＦｅとＳｉの合金、センダスト、パーマロイ等を用いる。ＦｅとＳｉの合金を用いる場合には、ＦｅとＳｉの含有率を調整してもよい。金属磁性粉１７の粒径は、例えば２０μｍである。
第１の樹脂材料は、加圧成形後の分割磁心（圧粉磁心）１２を熱処理した後に絶縁材１８となる材料である。第１の樹脂材料には、例えば、シリコン樹脂、フェノール樹脂またはエポキシ樹脂等の材料を用いる。例えばシリコン樹脂に含まれるシリコンは、分割磁心１２に熱処理を行った後でも、隣り合う金属磁性粉の間に残って存在するので、金属磁性粉間の絶縁性を確保するのに適している。
第２の樹脂材料は、結着材（バインダー）となる材料である。第２の樹脂材料には、例えばアクリル樹脂、シリコン樹脂、ブチラール樹脂等の材料を用いる。例えばアクリル樹脂は、加圧成形後のスプリングバックを抑制し、加圧成形後の分割磁心１２の保形性を確保するのに適している。なお、第２の樹脂材料は、加圧成形後の分割磁心１２に熱処理を行うことで除去される材料である。
本実施の形態で用いられる第１の樹脂材料および第２樹脂材料のそれぞれは、熱硬化性樹脂でもよく、熱可塑性樹脂でもよい。また、第１の樹脂材料および第２の樹脂材料のそれぞれは、熱硬化性樹脂の場合、常温において液体状である。
有機金属石鹸は、上記樹脂材料を軟化させるための材料である。有機金属石鹸には、例えば、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウムまたはステアリン酸カルシウム等のステアリン酸金属塩を含む材料が含まれる。
ステアリン酸亜鉛の化学式は、Ｚｎ（Ｃ１７Ｈ３５ＣＯＯ）２であり、ステアリン酸マグネシウムの化学式は、Ｍｇ（Ｃ１７Ｈ３５ＣＯＯ）２であり、ステアリン酸カルシウムの化学式は、Ｃａ（Ｃ１７Ｈ３５ＣＯＯ）２である。ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウムおよびステアリン酸カルシウムのそれぞれは、長鎖の炭化水素を有するため、樹脂材料との相溶性が良い。そのため、造粒粉製造工程においてステアリン酸金属塩を含む有機金属石鹸を添加することで、造粒粉に含まれる樹脂材料を軟化させ、造粒粉を可塑化する（柔らかく形を変えやすい状態にする）ことができる。
本実施の形態では、磁性材料に含まれる有機金属石鹸の重量比率は、金属磁性粉１７に対して０．０５重量％以上０．５重量％以下である。また、磁性材料に含まれる有機金属石鹸の重量比率は、樹脂材料に対して、５重量％以上４０重量％以下である。これらについては、実施例にて詳しく述べる。
有機溶剤は、金属磁性粉１７、樹脂材料、有機金属石鹸を混錬および分散させやすくするための溶剤である。有機溶剤には、例えばトルエン、キシレン、エタノール等を用いる。
次に、金属磁性粉１７、樹脂材料、有機金属石鹸および有機溶剤を混錬および分散させる（ステップＳ１２）。これにより、有機溶剤と、金属磁性粉と、樹脂材料と、有機金属石鹸とを含む混合物を生成する。混錬および分散は、秤量した金属磁性粉１７、樹脂材料、有機金属石鹸および有機溶剤を容器に入れ、回転ボールミルで混合し分散させることにより行われる。なお、上記の混練および分散は、常温にて行われる。混錬および分散は、回転ボールミルを用いた混錬および分散に限らず、他の混錬および分散方法であってもよい。
金属磁性粉１７、樹脂材料、有機金属石鹸、および有機溶剤を混錬および分散させた後、造粒および乾燥を行う（ステップＳ１３）。これにより、有機金属石鹸が含まれる造粒粉を生成する。このステップＳ１３による工程では、ステップＳ１２にて生成された上記混合物を、有機金属石鹸の融点以下の温度で熱処理する。
有機金属石鹸に含まれるステアリン酸亜鉛の融点は、１１６℃〜１２５℃であり、ステアリン酸マグネシウムの融点は、１２０℃〜１４０℃であり、ステアリン酸カルシウムの融点は１４５℃〜１６０℃である。例えば、上記混合物は、１１５℃以下の温度で熱処理される。より望ましくは、上記混合物は、９０℃以上１１０℃以下の温度で熱処理される。このときの熱処理の工程は、第１の熱処理工程である。
この熱処理によって、混合物から有機溶剤が除去され、金属磁性粉１７と樹脂材料と有機金属石鹸とが一体化した造粒粉（磁性材料）が得られる。なお、造粒粉には、ガラス材料（例えばケイ酸系ガラス）は含まれていない。
次に、ステップＳ１３にて造粒された造粒粉（磁性材料）をさらに粉砕し（ステップＳ１４）、粒径を小さくする。この工程は、粉末化工程である。その後、粉末化された造粒粉を所定の粒径ごとに分級する（ステップＳ１５）。以上により、粉径が１００μｍ〜５００μｍの粉末化された造粒粉を得る。
当該粉末化された造粒粉において、金属磁性粉１７の表面には絶縁材１８が形成されている。絶縁材１８の厚さは、例えば、１０［ｎｍ］程度である。なお、絶縁材１８の厚さは、これに限らず、１ｎｍ〜２００ｎｍの厚さでもよい。
図５は、本実施の形態に係る造粒粉３０であって、造粒および乾燥後に粉末化された造粒粉３０を模式的に示す図である。図５に示すように、粉末化された造粒粉３０の内部には、有機金属石鹸３１が存在している。具体的には、隣り合う金属磁性粉１７の間に樹脂材料３２が存在し、樹脂材料３２の中に有機金属石鹸３１が存在している。これにより、造粒粉３０に含まれる樹脂材料が軟化され、造粒粉３０が可塑化される。そのため、コア製造工程にて造粒粉３０である磁性材料を加圧成形するときに、磁性材料の流動性を高めることができ、分割磁心（圧粉磁心）１２に含まれる金属磁性粉１７の密度（充填率）を高くすることができる。
図６は、本実施の形態に係るコア製造工程を示すフローチャートである。コア製造工程では、磁性材料を成形して磁性コアを作製する。
まず、粉末化された造粒粉３０を成形用金型に入れる前に、粉末化された造粒粉３０に潤滑剤を混合する。
図７は、本実施の形態に係る造粒粉３０であって、加圧成形前の造粒粉３０を模式的に示す図である。図７に示すように、造粒粉３０の外周の一部に、潤滑剤３３が形成される。潤滑剤３３は、ステップＳ１２にて添加された有機金属石鹸と同じ材料である。潤滑剤３３は、例えば、液状の材料を噴霧し乾燥させるスプレードライ法によって形成される。これにより、外周に潤滑剤３３を有する造粒粉（磁性材料）３０が形成される。
なお、潤滑剤は、成形用金型の表面にも塗布される。例えば、潤滑剤は、溶媒に分散させた有機金属石鹸を成形用金型内に噴霧することで塗布される。これにより、成形用金型に対する造粒粉３０の滑性を向上させることができる。
次に、造粒粉３０からなる磁性材料を所定の形状に加圧成形する（ステップＳ２１）。この工程は、第１の成形工程である。具体的には、磁性材料を成形用金型に入れて圧縮し、成形体を作製する。このとき、例えば一定圧力１０［ｔｏｎ／ｃｍ２］で一軸成形を行う。成形体の形状は、例えば、図１Ｂに示した分割磁心１２の形状である。なお、成形体の形状は、これに限らず、例えば、分割磁心１２のうち芯部１２ｂが別体で構成された形状であってもよい。
その後、例えばＮ２ガス等の不活性ガス雰囲気中または大気中において、成形体を２００〜４５０［℃］の温度で加熱し、脱脂を行う（ステップＳ２２）。これにより、成形体に含まれる第２の樹脂材料（結着材）が除去される。なお、使用する第２の樹脂材料の種類および特性により、脱脂の工程を省略してもよい。
さらに、脱脂後の成形体をアニール（熱処理）する（ステップＳ２３）。このときのアニールの工程は、第２の熱処理工程である。成形体のアニールには、例えば雰囲気制御電気炉を用いる。雰囲気制御電気炉としては、例えば、箱型炉、管状炉、ベルト炉等がある。なお、これらの方法に限らず、他の方法を用いてもよい。
成形体のアニールは、例えば、所定の酸素分圧において、８００［℃］のアニール温度で１時間行う。
なお、アニール温度、およびアニール時間は、上述したものに限らず、例えばアニール温度を６００〜１０００［℃］、アニール時間を数十分〜数時間としてもよい。アニールを行うことにより、成形体は、一軸成形されるときの圧力により生じていた歪みが緩和される。なお、アニールにより、成形体において絶縁材１８の少なくとも一部が分解されていてもよい。
次に、アニールが行われた成形体に、樹脂材料を含浸させる（ステップＳ２４）。樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂を用いてもよい。樹脂材料を含浸させることにより、成形体の強度を向上することができる。
以上の工程を経ることにより、図２に示すような金属磁性粉１７および絶縁材１８を含む分割磁心（圧粉磁心）が形成される。なお、ここでは、磁性コアとして分割磁心１２が２つ形成されている。２つの分割磁心１２とコイル部とを以下のようにして組み立てることにより、コイル部品１を得ることができる。
図８は、本実施の形態に係るコイル組み立て工程を示すフローチャートである。
はじめに、導体１３を所定回数巻き回したコイルを形成する（ステップＳ３１）。
次に、分割磁心１２、導体１３およびコイル支持体１４を組み立てる（ステップＳ３２）。図１Ｂに示したように、２つの分割磁心１２の芯部１２ｂの周囲を囲むように、導体１３が配置される。このとき、導体１３と２つの分割磁心１２のそれぞれの芯部１２ｂとの間には、２つのコイル支持体１４のそれぞれの円筒部１４ｂが配置される。また、導体１３と２つの分割磁心１２のそれぞれの基台１２ａとの間には、２つのコイル支持体１４のそれぞれの円環状の基部１４ａが配置される。このとき、２つのコイル支持体１４の円筒部１４ｂの、円環状の基部１４ａが形成された側と反対側の端部は、互いに当接するように配置される。
また、２つの分割磁心１２は、それぞれの芯部１２ｂおよび壁部１２ｃが当接するように配置される。このように、導体１３がコイル支持体１４を介して分割磁心１２に組み込まれることにより、コイル部品１が組み立てられる。これにより、分割磁心１２の芯部１２ｂの周りに導体１３が巻き回された構成が完成する。つまり、分割磁心１２は、芯部１２ｂが導体１３を当該導体１３の巻回軸方向に貫通した磁性コアとなる。
さらに、組み立てられたコイル部品１を樹脂材料によりモールドする（ステップＳ３３）。これにより、コイル部品１が完成する。
［１−３．磁性コアの金属磁性粉の充填率および磁性コアの磁気特性］
以下、コイル部品１の磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率および磁性コアの磁気特性について、実施例１、２および３を参照しながら順に説明する。
以下、コイル部品１の磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率および磁性コアの磁気特性について、実施例１、２および３を参照しながら順に説明する。
実施例１では、有機金属石鹸を添加しなかった例、有機金属石鹸を内部添加した例、および、有機金属石鹸を外部添加した例について説明する。なお、「内部添加」とは、ステップＳ１２（混練および分散）にて有機金属石鹸を添加することを意味し、「外部添加」とは、ステップ２１の前である加圧成形前に造粒粉の外周に潤滑剤を付けることを意味する。
図９Ａは、本実施の形態の実施例１の磁性材料に含まれる添加材、磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率および磁性コアの初透磁率を示す図である。図９Ｂは、本実施の形態の実施例１の磁性材料に含まれる添加材、磁性コアにおける金属磁性粉の密度および磁性コアの初透磁率を示すグラフである。
実施例１では、金属磁性粉（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ）および樹脂材料（シリコン樹脂およびアクリル樹脂）に添加材である有機金属石鹸を添加しなかったサンプルＡ１と、金属磁性粉および樹脂材料に潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を外部添加したサンプルＡ２と、金属磁性粉および樹脂材料に有機金属石鹸としてステアリン酸亜鉛を内部添加したサンプルＡ３とを作成した。そして、各サンプルＡ１〜Ａ３について、磁性コアにおける金属磁性粉の充填率、密度を求めた。また、各サンプルＡ１〜Ａ３について、磁性コアの磁気特性の一例である初透磁率を調べた。なお、密度とは、第２の熱処理工程後の磁性コアの密度であり、充填率とは、第２の熱処理工程後の磁性コアの単位体積当たりの金属磁性粉の割合である。
図９Ａおよび図９Ｂには、添加材を添加しなかったサンプルＡ１よりも、潤滑剤を外部添加したサンプルＡ２のほうが、充填率、密度および初透磁率が高いことが示されている。また、サンプルＡ１、Ａ２よりも、有機金属石鹸を内部添加したサンプルＡ３のほうが充填率、密度および初透磁率が高いことが示されている。
このように、金属磁性粉、樹脂材料および有機溶剤を混練および分散する過程にて有機金属石鹸を添加して磁性材料を生成するほうが、すなわち有機金属石鹸を内部添加するほうが、磁性コアにおける金属磁性粉の充填率、密度および初透磁率を高くできる。また、有機金属石鹸を内部添加することで、有機金属石鹸を外部添加する工程を特に設けなくても金属磁性粉の充填率を高くすることができる。
前述したように有機金属石鹸は、長鎖の炭化水素を持つため、樹脂材料との相溶性が良い。そのため、造粒粉製造工程において有機金属石鹸を添加することで、造粒粉に含まれる樹脂材料を軟化させ、造粒粉を可塑化することができる。これにより、加圧成形時における樹脂材料の分子の絡まりを抑制することができ、磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率を高めることができると考えられる。
次に、実施例２について説明する。実施例２では、有機金属石鹸３１に含まれる材料の種類を変えた例について説明する。
図１０は、本実施の形態の実施例２の磁性材料に含まれる添加材、磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率および磁性コアの初透磁率を示す図である。
実施例２では、金属磁性粉（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ）および樹脂材料（シリコン樹脂およびアクリル樹脂）に添加材である有機金属石鹸を添加しなかったサンプルＢ１と、金属磁性粉および樹脂材料に有機金属石鹸としてステアリン酸亜鉛を内部添加したサンプルＢ２と、金属磁性粉および樹脂材料に有機金属石鹸としてステアリン酸マグネシウムを内部添加したサンプルＢ３と、金属磁性粉および樹脂材料に有機金属石鹸としてステアリン酸カルシウムを内部添加したサンプルＢ４とを作成した。そして、各サンプルＢ１〜Ｂ４について、磁性コアにおける金属磁性粉の充填率、密度を求めた。また、各サンプルＢ１〜Ｂ４について、磁性コアの初透磁率を調べた。
図１０には、添加材を添加しなかったサンプルＢ１よりも、ステアリン酸亜鉛を内部添加したサンプルＢ２、ステアリン酸マグネシウムを内部添加したサンプルＢ３、および、ステアリン酸カルシウムを内部添加したサンプルＢ４のほうが、充填率および初透磁率が高いことが示されている。また、サンプルＢ３、Ｂ４よりも、ステアリン酸亜鉛を内部添加したサンプルＢ２のほうが初透磁率が高くなることが示されている。
このように、金属磁性粉、樹脂材料および有機溶剤を混練および分散する過程にてステアリン酸亜鉛を添加して磁性材料を生成するほうが、すなわちステアリン酸金属塩の各種材料のうちステアリン酸亜鉛を内部添加するほうが、磁性コアにおける金属磁性粉の充填率、密度および初透磁率を高くできる。
次に、実施例３について説明する。実施例３では、有機金属石鹸３１の添加量を変えた例について説明する。
図１１Ａは、本実施の形態の実施例３の磁性材料に含まれる添加材、磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率および磁性コアの初透磁率を示す図である。図１１Ｂは、本実施の形態の実施例３の磁性材料に含まれる添加材、磁性コアにおける金属磁性粉の密度および磁性コアの初透磁率を示すグラフである。
実施例３では、金属磁性粉（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ）および樹脂材料（シリコン樹脂およびアクリル樹脂）に添加材として有機金属石鹸を添加しなかったサンプルＣ１と、金属磁性粉および樹脂材料に０．０５重量部の有機金属石鹸を内部添加したサンプルＣ２と、０．１重量部の有機金属石鹸を内部添加したサンプルＣ３と、０．２重量部の有機金属石鹸を内部添加したサンプルＣ４と、０．５重量部の有機金属石鹸を内部添加したサンプルＣ５と、１．０重量部の有機金属石鹸を内部添加したサンプルＣ６とを作成した。そして、各サンプルＣ１〜Ｃ６について、磁性コアにおける金属磁性粉の充填率、密度を求めた。また、各サンプルＣ１〜Ｃ６について磁性コアの初透磁率を調べた。なお、ここで示す重量部とは、磁性材料における有機金属石鹸の重量比率であって、金属磁性粉を１００重量部としたときに対する重量比率である。
図１１Ａおよび図１１Ｂには、サンプルＣ１、Ｃ６よりもサンプルＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５にて、充填率、密度および初透磁率が高いことが示されている。すなわち、有機金属石鹸の重量比率が０．０５重量部以上０．５重量部以下の範囲にて、充填率、密度および初透磁率が高いことが示されている。なお、有機金属石鹸の重量比率が、金属磁性粉に対して０．０５重量部以上０．５重量部以下である場合は、有機金属石鹸の重量比率は、樹脂材料に対して５重量％以上４０重量％以下であることに相当する。
このように、金属磁性粉、樹脂材料および有機溶剤を混練および分散する過程にて０．０５重量部以上０．５重量部以下の有機金属石鹸を添加して磁性材料を生成するほうが、すなわち０．０５重量部以上０．５重量部以下の有機金属石鹸を内部添加するほうが、磁性コアにおける金属磁性粉の充填率、密度および初透磁率を高くできる。また、より望ましくは、０．０５重量部以上０．２重量部以下の有機金属石鹸を内部添加するほうが、磁性コアにおける金属磁性粉の充填率、密度および初透磁率をより高くできる。
［１−４．効果等］
以上、本実施の形態にかかる磁性材料の製造方法は、有機溶剤と金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とを含む混合物を生成する混合物生成工程と、混合物を加熱し、混合物中の有機溶剤を除去することで、金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とが一体化した磁性材料を得る第１の熱処理工程とを含む。
以上、本実施の形態にかかる磁性材料の製造方法は、有機溶剤と金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とを含む混合物を生成する混合物生成工程と、混合物を加熱し、混合物中の有機溶剤を除去することで、金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とが一体化した磁性材料を得る第１の熱処理工程とを含む。
このように、混合物生成工程にて、有機溶剤、金属磁性粉および樹脂材料に加え、有機金属石鹸を含めて混合物を生成することで、第１の熱処理工程後に生成される磁性材料を可塑化することができる。これにより、磁性材料によって生成される磁性コアの金属磁性粉の充填率を高め、磁性コアの透磁率を高めることが可能となる。すなわち、高い磁気特性を得るための磁性材料を提供することができる。
また、有機金属石鹸は、ステアリン酸亜鉛を含んでいてもよい。
このように、有機金属石鹸がステアリン酸亜鉛を含むことで、磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率を高め、磁性コアの透磁率を向上することが可能となる。すなわち、高い磁気特性を得るための磁性材料を提供することができる。
また、磁性材料における有機金属石鹸の重量比率は、金属磁性粉に対して、０．０５重量％以上０．５重量％以下であってもよい。
上記に示すような金属磁性粉に対する有機金属石鹸の重量比率とすることで、磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率を高め、磁性コアの透磁率を向上することができる。すなわち、高い磁気特性を得るための磁性材料を提供することができる。
また、磁性材料における有機金属石鹸の重量比率は、樹脂材料に対して、５重量％以上４０重量％以下であってもよい。
上記に示すような樹脂材料に対する有機金属石鹸の重量比率とすることで、磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率を高め、磁性コアの透磁率を向上することができる。すなわち、高い磁気特性を得るための磁性材料を提供することができる。
また、樹脂材料は、熱可塑性材料を含んでいてもよい。
これによれば、樹脂材料が熱硬化性樹脂である場合に比べて、樹脂材料を軟化させることができる。これにより、磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率を高め、磁性コアの透磁率を向上することができる。すなわち、高い磁気特性を得るための磁性材料を提供することができる。
また、混合物生成工程において、混合物は、有機溶剤と金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とを常温で混練することで生成されてもよい。
これによれば、樹脂材料が高温で混練される場合に比べて、樹脂材料を軟化させることができる。これにより、磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率を高め、磁性コアの透磁率を向上することができる。すなわち、高い磁気特性を得るための磁性材料を提供することができる。
また、第１の熱処理工程において、混合物を加熱する温度は、有機金属石鹸の融点以下であってもよい。
これによれば、樹脂材料が加熱によって硬化することを抑制し、樹脂材料を軟化させることができる。これにより、磁性コアに含まれる金属磁性粉の充填率を高め、磁性コアの透磁率を向上することができる。すなわち、高い磁気特性を得るための磁性材料を提供することができる。
本実施の形態に係る圧粉磁心の製造方法は、上記磁性材料の製造方法で得られた磁性材料を高圧プレスして成形体を得る第１の成形工程と、第１の成形工程で得られた成形体を加熱する第２の熱処理工程とを含む。
このように磁性材料の粉体を圧粉することにより、圧粉磁心を容易に形成することができる。
本実施の形態に係る圧粉磁心は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌで構成される金属磁性粉を含み、金属磁性粉の充填率は８２％以上であり、初透磁率は１２５以上である。
この構成によれば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌからなる金属磁性粉を用いた圧粉磁心において、金属磁性粉の充填率を向上し、圧粉磁心の透磁率を向上することができる。
本実施の形態に係るコイル部品は、上記圧粉磁心と、コイルとを備える。
この構成によれば、上述した特徴を有する圧粉磁心を備えるコイル部品を提供することができる。
本実施の形態に係る造粒粉は、金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とを含む造粒粉であって、有機金属石鹸の少なくとも一部は、造粒粉の内部に存在している。
このように、有機金属石鹸が造粒粉の内部に存在することで、樹脂材料を軟化させ、造粒粉を可塑化することができる。これにより、加圧成形による金属磁性粉の充填率を高め、圧粉磁心の磁気特性を高めることができる。
また、樹脂材料の少なくとも一部は、隣り合う金属磁性粉の間に存在し、有機金属石鹸は、隣り合う金属磁性粉の間に存在する樹脂材料の中に存在していてもよい。
このように、有機金属石鹸が、隣り合う金属磁性粉の間の樹脂材料の中に存在していることで、樹脂材料を軟化させ、造粒粉を可塑化することができる。これにより、加圧成形による金属磁性粉の充填率を高め、圧粉磁心の磁気特性を高めることができる。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態１に係るコイル部品１は、磁性コアとしていわゆるダストコアを用いたコイル部品であったが、本実施の形態に係るコイル部品２は、製造工程においてコイルが磁性コアに組み込まれたメタルコンポジット型のコイル部品である。
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態１に係るコイル部品１は、磁性コアとしていわゆるダストコアを用いたコイル部品であったが、本実施の形態に係るコイル部品２は、製造工程においてコイルが磁性コアに組み込まれたメタルコンポジット型のコイル部品である。
［２−１．磁性材料の構成］
図１２Ａは、本実施の形態に係るコイル部品２の構成を示す概略斜視図である。図１２Ｂは、本実施の形態に係るコイル部品２の構成を示す断面図である。図１２Ｂは、図１２ＡにおけるＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ線における断面を示している。
図１２Ａは、本実施の形態に係るコイル部品２の構成を示す概略斜視図である。図１２Ｂは、本実施の形態に係るコイル部品２の構成を示す断面図である。図１２Ｂは、図１２ＡにおけるＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ線における断面を示している。
図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、コイル部品２は、メタルコンポジット材で構成される磁性コア部２２と、コイル部２３とを備えている。
磁性コア部２２は、平面視したときの中央付近に、円柱状の芯部２２ａを有している。磁性コア部２２を構成する磁性材料は、実施の形態１に係るコイル部品１の分割磁心１２と同様、例えばＦｅおよびＳｉを主成分とする合金であるＦｅ−Ｓｉ系の金属磁性材料である。当該磁性材料については、実施の形態１に示した磁性材料と同様であるが、実施の形態２の磁性材料の樹脂は、熱硬化性樹脂のみによって構成されていてもよい。なお、磁性コア部２２の円柱状の芯部２２ａの周囲には、コイル部２３が配置されている。
コイル部２３は、導体が複数回巻き回された巻き回し部２３ａと、磁性コア部２２の外側に形成された配線部２３ｂとを有している。巻き回し部２３ａの巻き回された導体の巻回軸として磁性コア部２２の芯部２２ａが配置されている。導体は、例えば銅で構成されている。導体は、コイル部品２の形成時に加えられた熱により破壊されない材料で構成されている。
コイル部２３は、磁性コア部２２と一体に形成されている。コイル部２３巻き回し部２３ａは磁性コア内に埋められており、配線部２３ｂは磁性コア部２２の外側に配置されている。
［２−２．コイル部品の製造方法］
以下、本実施の形態にかかるコイル部品２の製造方法について説明する。図１３は、本実施の形態に係るコイル部品２の製造工程を示すフローチャートである。
以下、本実施の形態にかかるコイル部品２の製造方法について説明する。図１３は、本実施の形態に係るコイル部品２の製造工程を示すフローチャートである。
図１３に示すように、コイル部品２の製造工程は、造粒粉製造工程（ステップＳ１０）と、コア製造およびコイル組み立て工程（ステップＳ４０）とを含んでいる。造粒粉製造工程では、上述した磁性コアを構成する磁性材料を生成する。コア製造工程では、磁性材料を成形した磁性コア部２２とコイル部２３とを形成し、磁性コア部２２とコイル部２３とを組み立てることによりコイル部品２を完成させる。
なお、コイル部品２の製造工程における造粒粉製造工程は、実施の形態１に示した造粒粉製造工程と同様であるため、説明を省略する。
以下、コア製造およびコイル組み立て工程について詳細に説明する。図１４は、本実施の形態に係るコア製造およびコイル組み立て工程を示すフローチャートである。
図１４に示すように、はじめにコイル部２３を形成する（ステップＳ４１）。コイル部２３は、実施の形態１に示した導体１３と同様、例えば銅等の金属からなる導体を所定回数巻き回すことにより、巻き回し部２３ａを形成する。
次に、磁性コア部２２とコイル部２３とを一体に成形する（ステップＳ４２）。ステップＳ４２は、第２の成形工程である。磁性コア部２２の材料としては、造粒粉製造工程において製造された磁性材料を用いる。まず、造粒粉製造工程において分級された磁性材料を成形用金型に入れる。このとき、コイル部２３の導体の巻き回し部２３ａの端部以外が磁性材料に覆われるように、コイル部２３と磁性材料とを成形用金型に入れる。
続けて、例えば一定圧力４〜５［ｔｏｎ／ｃｍ２］で一軸成形を行い、成形体を作製する。このときの圧力は、実施の形態１に示したコイル部品１のコア製造工程における一軸成形の圧力よりも低い圧力である。これにより、磁性材料とともに成形されるコイル部２３が成形時に破壊されるのを抑制することができる。
成形体の形状は、例えば、図１２Ａおよび図１２Ｂに示した磁性コア部２２の形状である。なお、成形体の形状は、これに限らず、他の形状としてもよい。
さらに、成形体を熱硬化する（ステップＳ４３）。この工程は、第３の熱処理工程である。成形体の熱硬化には、例えば雰囲気制御電気炉を用いる。なお、成形体の熱硬化には、他の方法を用いてもよい。
成形体の熱硬化は、例えば、所定の酸素分圧において、２００［℃］の温度で１時間行う。このときの温度は、実施の形態１に示したコイル部品１の成形体のアニール温度よりも低い。これにより、成形体の熱硬化中にコイル部２３が破壊されるのを抑制することができる。
さらに、成形体の熱硬化の後、コイル部２３の巻き回し部２３ａの端部に、磁性コア部２２の外側に配置される配線部２３ｂを接続してもよい。
以上の工程を経ることにより、磁性コア部２２とコイル部２３とが一体となったコイル部品２が完成する。
［２−３．効果等］
以上、本実施の形態にかかるコイル部品の製造方法は、前述した磁性材料の製造方法で得られた磁性材料とコイルとを粉体成形により一体化させ、成形体を得る第２の成形工程と、第２の成形工程で得られた成形体を加熱する第３の熱処理工程とを含む。
以上、本実施の形態にかかるコイル部品の製造方法は、前述した磁性材料の製造方法で得られた磁性材料とコイルとを粉体成形により一体化させ、成形体を得る第２の成形工程と、第２の成形工程で得られた成形体を加熱する第３の熱処理工程とを含む。
この構成によれば、圧粉磁心とコイルとを一体化させたコイル部品を容易に形成することができる。
（その他の実施の形態等）
以上、本開示の実施の形態に係る磁性材料の製造方法等について説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。
以上、本開示の実施の形態に係る磁性材料の製造方法等について説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上述した磁性材料を用いたコイル部品についても、本発明に含まれる。コイル部品としては、例えば、高周波用のリアクトル、インダクタ、トランス等のインダクタンス部品等が挙げられる。また、上述したコイル部品を備えた電源装置についても、本発明に含まれる。
また、金属磁性粉は、Ｆｅ−Ｓｉ系およびＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系の磁性材料に限らず、Ｆｅを主成分とする他の磁性材料であってもよい。
絶縁材１８を形成するための第１の樹脂材料には、主成分として、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ等の金属を含む金属キレート錯体、オリゴマー、カップリング剤であるアシレート、ポリマー（レジン）等を用いてもよい。オリゴマーは、例えば環状アルミニウムオリゴマーを用いてもよい。第１の樹脂材料の主成分は、アルミニウム有機化合物であってもよい。第１の樹脂材料の分子量は、例えば３００以上１０００以下であってもよい。なお、第１の樹脂材料の分子量はこれに限らず、３００より小さくてもよいし、１０００より大きくてもよい。
また、第１の樹脂材料の主成分は、Ａｌキレート錯体以外のキレート錯体であってもよいし、その他の金属を含むキレート錯体であってもよい。また、キレート錯体以外に、オリゴマー、アシレート、ポリマー等を主成分として含んでもよい。
また、樹脂材料は、上述したアクリル樹脂であってもよいし、シリコン樹脂、ブチラール樹脂またはその他の樹脂材料であってもよい。また、有機溶剤についても、上述したトルエン、キシレン、エタノール等に限らず、他の有機溶剤を用いてもよい。
また、Ｆｅ−Ｓｉ系の金属磁性材料の混錬・分散の方法、および、金属磁性粉、樹脂材料、有機金属石鹸および有機溶剤等の混合の方法は、上述した回転ボールミルによる混錬・分散に限らず、他の混合方法を用いてもよい。
また、第１の熱処理工程、第２の熱処理工程および第３の熱処理工程における熱処理の方法については、上述した方法に限らず、他の方法を用いてもよい。また、上述した各ステップにおける圧力、温度および時間は一例であって、他の圧力、温度および時間を採用してもよい。
また、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
本開示にかかる磁性材料は、高周波用のインダクタ、トランスの磁心の材料等に適用できる。
１、２ コイル部品
１２ 分割磁心（圧粉磁心）
１２ａ 基台
１２ｂ 芯部
１２ｃ 壁部
１３ 導体（コイル）
１４ コイル支持体
１４ａ 基部
１４ｂ 円筒部
１７ 金属磁性粉
１８ 絶縁材
２２ 磁性コア部（磁性材料）
２２ａ 芯部
２３ コイル部（コイル）
２３ａ 巻き回し部
２３ｂ 配線部
３０ 造粒粉（磁性材料）
３１ 有機金属石鹸
３２ 樹脂材料
３３ 潤滑剤
１２ 分割磁心（圧粉磁心）
１２ａ 基台
１２ｂ 芯部
１２ｃ 壁部
１３ 導体（コイル）
１４ コイル支持体
１４ａ 基部
１４ｂ 円筒部
１７ 金属磁性粉
１８ 絶縁材
２２ 磁性コア部（磁性材料）
２２ａ 芯部
２３ コイル部（コイル）
２３ａ 巻き回し部
２３ｂ 配線部
３０ 造粒粉（磁性材料）
３１ 有機金属石鹸
３２ 樹脂材料
３３ 潤滑剤
本開示は、圧粉磁心の製造方法、圧粉磁心、コイル部品および造粒粉に関する。
上述した課題に鑑み、本発明は、高い磁気特性を得るための圧粉磁心の製造方法等を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る圧粉磁心の製造方法は、有機溶剤と金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とを含む混合物を生成する混合物生成工程と、前記混合物を加熱し、前記混合物中の前記有機溶剤を除去することで、前記金属磁性粉と前記樹脂材料と前記有機金属石鹸とが一体化した磁性材料を得る第１の熱処理工程と、前記第１の熱処理工程で得られた前記磁性材料を高圧プレスして成形体を得る第１の成形工程と、前記第１の成形工程で得られた前記成形体を加熱する第２の熱処理工程と、を含み、前記第２の熱処理工程の温度は、６００℃〜１０００℃である。
本開示によれば、高い磁気特性を得るための圧粉磁心の製造方法等を提供することができる。
Claims (13)
- 有機溶剤と金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とを含む混合物を生成する混合物生成工程と、
前記混合物を加熱し、前記混合物中の前記有機溶剤を除去することで、前記金属磁性粉と前記樹脂材料と前記有機金属石鹸とが一体化した磁性材料を得る第１の熱処理工程と
を含む磁性材料の製造方法。 - 前記有機金属石鹸は、ステアリン酸亜鉛を含む
請求項１に記載の磁性材料の製造方法。 - 前記磁性材料に含まれる前記有機金属石鹸の重量比率は、前記金属磁性粉に対して、０．０５重量％以上０．５重量％以下である
請求項２に記載の磁性材料の製造方法。 - 前記磁性材料に含まれる前記有機金属石鹸の重量比率は、前記樹脂材料に対して、５重量％以上４０重量％以下である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁性材料の製造方法。 - 前記樹脂材料は、熱可塑性材料を含む、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁性材料の製造方法。 - 前記混合物生成工程において、前記混合物は、前記有機溶剤と前記金属磁性粉と前記樹脂材料と前記有機金属石鹸とを常温で混練することで生成される
請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁性材料の製造方法。 - 前記第１の熱処理工程において、前記混合物を加熱する温度は、前記有機金属石鹸の融点以下である
請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁性材料の製造方法。 - 請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁性材料の製造方法で得られた磁性材料を高圧プレスして成形体を得る第１の成形工程と、
前記第１の成形工程で得られた前記成形体を加熱する第２の熱処理工程と
を含む圧粉磁心の製造方法。 - 請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁性材料の製造方法で得られた磁性材料とコイルとを粉体成形により一体化させ、成形体を得る第２の成形工程と、
前記第２の成形工程で得られた前記成形体を加熱する第３の熱処理工程と
を含むコイル部品の製造方法。 - Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌで構成される金属磁性粉を含み、
前記金属磁性粉の充填率は８２％以上であり、
初透磁率は１２５以上である、
圧粉磁心。 - 請求項１０に記載の圧粉磁心と、
コイルと
を備えるコイル部品。 - 金属磁性粉と樹脂材料と有機金属石鹸とを含む造粒粉であって、
前記有機金属石鹸の少なくとも一部は、前記造粒粉の内部に存在している
造粒粉。 - 前記樹脂材料の少なくとも一部は、隣り合う前記金属磁性粉の間に存在し、
前記有機金属石鹸は、隣り合う前記金属磁性粉の間に存在する前記樹脂材料の中に存在している
請求項１２に記載の造粒粉。
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