WO2023188780A1 - 磁性コアの製造方法及びコイル部品の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing a magnetic core and a method for manufacturing a coil component.
- Patent Document 1 includes a means for supplying a raw material powder and a heating means capable of melting the raw material powder by irradiating the raw material powder with a high-energy beam, and repeats melting and solidification of the raw material powder in a chamber to obtain a desired result.
- a method for manufacturing a laminated soft magnetic material using a laminated manufacturing apparatus capable of obtaining a three-dimensional object, wherein the raw material powder is a soft magnetic powder made of an iron alloy containing at least Al, and the inside of the chamber includes: A first step in which the soft magnetic powder is melted by the heating means and then solidified to obtain a soft magnetic layer, and the surface of the soft magnetic layer is heated in the treatment atmosphere in a processing atmosphere containing nitrogen and/or oxygen.
- a second step of forming an insulating layer made of nitride and/or oxide on the surface of the soft magnetic layer by reheating the soft magnetic layer is alternately repeated, so that the soft magnetic layer and the insulating layer are alternately laminated.
- a method for manufacturing a laminated soft magnetic material is described to obtain a laminated soft magnetic material.
- Patent Document 1 describes that an additive manufacturing apparatus is an apparatus that performs additive manufacturing (AM) using metal powder, and even an apparatus that performs powder bed fusion (PBF) has a directional manufacturing method. It is stated that an apparatus that performs directed energy deposition (DED) may be used.
- the PBF method requires a metal powder supply system consisting of a feeder (powder supply tank), a recoater (metal powder spreading device), and the like. Further, the DED method requires a metal powder supply system consisting of a feeder (powder supply tank), a powder injection nozzle, and the like.
- problems such as powder clogging, powder spread failure, or spray pulsation are likely to occur due to a decrease in the fluidity of the metal powder. In that case, the metal powder supplied discontinuously from the supply system is irradiated with a high-energy beam, making it difficult to obtain a desired three-dimensional structure.
- One method for suppressing the decline in the fluidity of metal powder in a metal powder supply system is to prepare metal powder with high sphericity and monodispersity in order to make metal powder less likely to agglomerate. Conceivable.
- extensive studies are required to establish the manufacturing conditions of metal powder by atomization method etc. and adjust the particle size distribution by air classification etc. It is difficult to obtain metal powder for original metal modeling.
- Metal powders for three-dimensional metal modeling with high sphericity and monodispersity include, for example, metal powders for mold making with a composition of Fe-18Ni-5Mo-9Co-AlTi, and metal powders with a composition of Ni- Metal powder for turbines and aircraft, which is 20Cr-3Mo-5Nb-FeTiAl, and metal powder for artificial bones, whose composition is Co-29Cr-6Mo, are commercially available (Reference URL: http://www.sanyo- steel.co.jp/product/selected/selected13.php).
- soft magnetic metal powders such as those described in Patent Document 1
- the present invention was made in order to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a magnetic core that can suppress a decrease in fluidity of soft magnetic metal powder in a metal powder supply system. do. Furthermore, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a coil component using the above magnetic core.
- the method for producing a magnetic core of the present invention is to form a three-dimensional composite magnetic material by melting raw material powder containing soft magnetic metal powder and an aggregation inhibitor using laser irradiation or electron beam sweeping, and then solidifying the material. It includes a process of
- the method for manufacturing a coil component of the present invention includes a step of manufacturing a magnetic core by the method of manufacturing a magnetic core of the present invention, and a step of winding a coil conductor around the outer peripheral surface of the magnetic core.
- the present invention it is possible to provide a method for manufacturing a magnetic core that can suppress a decrease in fluidity of soft magnetic metal powder in a metal powder supply system.
- FIG. 1 is a diagram schematically showing soft magnetic metal powder and aggregation-inhibiting particles in a raw material powder in an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram schematically showing a coil component manufactured according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 3 is a SEM image showing the inside of the magnetic core produced in Example 1-1.
- the present invention is not limited to the following embodiments, and can be modified and applied as appropriate without changing the gist of the present invention.
- the present invention also includes a combination of two or more of the individual preferred configurations of the present invention described below.
- the method for producing a magnetic core of the present invention is to form a three-dimensional composite magnetic material by melting raw material powder containing soft magnetic metal powder and an aggregation inhibitor using laser irradiation or electron beam sweeping, and then solidifying the material. It includes a process of
- the raw material powder contains an aggregation inhibitor, it is possible to suppress aggregation of the soft magnetic metal powder during the process of supplying the raw material powder. Therefore, it is possible to suppress the fluidity of the soft magnetic metal powder from decreasing in the metal powder supply system.
- a raw material powder containing a soft magnetic metal powder and an aggregation inhibitor is supplied onto a stage, and then the raw material powder on the stage is melted using laser irradiation or electron beam sweeping.
- a three-dimensional composite magnetic material may be formed by solidifying the material.
- the raw material powder is melted using laser irradiation or electron beam sweeping, and then solidified.
- a three-dimensional composite magnetic material may also be formed.
- the method for manufacturing the magnetic core of the present invention may be performed, for example, by powder bed fusion (PBF) or directed energy deposition (DED). good.
- PBF powder bed fusion
- DED directed energy deposition
- PBF powder bed fusion
- DED directed energy deposition
- the raw material powder is supplied by a supply system consisting of a feeder (powder supply tank), a recoater (metal powder spreading device), and the like.
- a supply system consisting of a feeder (powder supply tank), a powder injection nozzle, and the like.
- raw material powder is prepared.
- the raw material powder contains soft magnetic metal powder and an aggregation inhibitor.
- an aggregation inhibitor By containing the aggregation inhibitor in the raw material powder, it is possible to suppress aggregation of the soft magnetic metal powder during the process of supplying the raw material powder.
- a mixed powder obtained by mixing a soft magnetic metal powder and a powder aggregation inhibitor may be used, or a composite powder in which a layer of an aggregation inhibitor is provided on the surface of a soft magnetic metal powder may be used.
- a composite powder in which the surface of soft magnetic metal powder is coated with a glass aggregation inhibitor may be used as the raw material powder.
- the powder aggregation inhibitor may be mixed with the soft magnetic metal powder and added to a feeding system such as a feeder.
- the powder agglomeration inhibitor may be mixed with the soft magnetic metal powder in the delivery system.
- the soft magnetic metal powder may be a crystalline metal powder or an amorphous metal powder.
- Examples of the crystalline metal powder include Fe-Si metal powder, Fe-Ni metal powder, Fe-Si-Al metal powder, Fe-Si-Cr metal powder, carbonyl iron powder, and Fe-Co metal powder.
- Examples include powder, Fe--Co--V metal powder, and the like.
- the Fe--Ni metal powder may be a permalloy magnetic powder.
- the Fe-Si-Al based metal powder may be Sendust magnetic powder.
- the Fe--Co metal powder may be permendur.
- the number of crystalline metal powders may be one type or two or more types.
- amorphous metal powder examples include Fe-Si-B-Cr amorphous alloy powder, Fe-B-Si amorphous alloy powder, and the like.
- the number of amorphous metal powders may be one type or two or more types.
- the soft magnetic metal powder may be a mixed metal powder containing two or more types of crystalline metal powder and amorphous metal powder.
- the soft magnetic metal powder contains at least one of Cr and Ni.
- a passive film which is a thin oxide film, is formed on the surface of the soft magnetic metal in the three-dimensional composite magnetic body after being formed.
- the insulation properties of the composite magnetic material will be improved.
- the particle size of the soft magnetic metal powder is not particularly limited, it is preferable that the minimum particle size of the soft magnetic metal powder is 9 ⁇ m or more and the maximum particle size is 350 ⁇ m or less.
- the minimum particle size of the soft magnetic metal powder is 9 ⁇ m or more, a three-dimensional composite magnetic body can be formed with high precision.
- the maximum particle diameter of the soft magnetic metal powder is 350 ⁇ m or less, the soft magnetic metal powder can be easily melted by laser irradiation or electron beam sweeping.
- the minimum particle size of the soft magnetic metal powder is 20 ⁇ m or more and the maximum particle size is 350 ⁇ m or less.
- the minimum particle size of the soft magnetic metal powder when the raw material powder is melted by electron beam sweeping, it is preferable that the minimum particle size of the soft magnetic metal powder is 45 ⁇ m or more and the maximum particle size is 350 ⁇ m or less.
- the soft magnetic metal powder when the raw material powder is melted by laser irradiation, the soft magnetic metal powder preferably has a minimum particle size of 45 ⁇ m or more and a maximum particle size of 350 ⁇ m or less. Note that the minimum particle size and maximum particle size of the soft magnetic metal powder mean the minimum particle size and maximum particle size of the soft magnetic metal powder in the raw material powder, respectively.
- the average primary particle diameter of the soft magnetic metal powder is not particularly limited, but is preferably 10 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
- the average primary particle diameter of the soft magnetic metal powder means the volume-based median diameter (D50) determined by a laser diffraction/scattering method.
- the average primary particle size of the soft magnetic metal powder means the average primary particle size of the soft magnetic metal powder in the raw material powder.
- Any aggregation inhibitor may be used as long as it prevents aggregation of the soft magnetic metal powder.
- the aggregation inhibitor is preferably agglomeration-inhibiting particles having a smaller average primary particle diameter than the soft magnetic metal powder.
- the average primary particle diameter of the aggregation-inhibiting particles means the average particle diameter in terms of the BET method, that is, the average particle diameter of the aggregation-inhibiting particles calculated from the specific surface area determined using the BET method.
- the average particle size of the aggregation-inhibiting particles as calculated by the BET method is smaller than the median diameter (D50) of the soft magnetic metal powder, it can be said that the aggregation-inhibiting particles have a smaller average primary particle size than the soft magnetic metal powder.
- the average primary particle size of the aggregation-inhibiting particles means the average primary particle size of the aggregation-inhibiting particles in the raw material powder.
- FIG. 1 is a diagram schematically showing soft magnetic metal powder and aggregation-inhibiting particles in the raw material powder in an embodiment of the present invention.
- the aggregation inhibitor when the aggregation inhibitor is aggregation-inhibiting particles 2 having an average primary particle diameter smaller than that of the soft magnetic metal powder 1, the aggregation-inhibiting particles 2 enter between the soft magnetic metal powders 1.
- the aggregation inhibiting particles 2 between the soft magnetic metal powders 1 cling around the soft magnetic metal powders 1 due to electrostatic force.
- the aggregation-inhibiting particles 2 clinging around the soft magnetic metal powder 1 improve the fluidity of the soft magnetic metal powder 1 due to the bearing effect, and therefore can suppress the fluidity of the soft magnetic metal powder 1 from decreasing.
- the average primary particle diameter of the aggregation-inhibiting particles is 5 nm or more and 40 nm or less.
- the specific surface area (BET method) of the aggregation-inhibiting particles may be 50 m 2 /g or more and 400 m 2 /g or less. Note that the specific surface area of the aggregation-inhibiting particles means the specific surface area of the aggregation-inhibiting particles in the raw material powder.
- the aggregation inhibitor may be an inorganic lubricant or an organic lubricant. Only one type of aggregation inhibitor may be used, or two or more types may be used in combination. A coagulation inhibitor consisting of an inorganic lubricant and an aggregation inhibitor consisting of an organic lubricant may be used together.
- the inorganic lubricant examples include silica (fumed silica, nanosilica, etc.), inorganic oxides such as talc or mica, and the like.
- the nanosilica is preferably monodispersed nanosilica.
- the number of inorganic lubricants may be one, or two or more.
- organic lubricants examples include metal soaps such as stearate metal salts (zinc stearate, calcium stearate, etc.).
- the number of organic lubricants may be one, or two or more.
- the aggregation inhibitor is preferably made of an insulating inorganic oxide.
- an inorganic oxide with a low carbon content as an aggregation inhibitor, it is possible to suppress the generation of volatile compounds during the process of forming a three-dimensional composite magnetic material, making it easy to form a three-dimensional composite magnetic material. becomes.
- an insulating inorganic oxide as an aggregation inhibitor, the insulating material enters between the soft magnetic metals in the composite magnetic material after three-dimensional modeling. By introducing the insulating material between soft magnetic metals in this way, the aggregation inhibitor itself can inhibit conductivity, which reduces eddy current loss and magnetic loss in the composite magnetic material, and also reduces direct current loss. Superposition characteristics are improved.
- the aggregation-inhibiting particles are preferably silica particles with an average primary particle size of 5 nm or more and 40 nm or less, and more preferably fumed silica with an average primary particle size of 5 nm or more and 40 nm or less.
- the average primary particle diameter of the silica particles may be 7 nm or more and 40 nm or less.
- the aggregation inhibiting particles are preferably silica particles with a specific surface area (BET method) of 50 m 2 /g or more and 400 m 2 /g or less, and a specific surface area (BET method) of 50 m 2 /g or more and 400 m 2 It is more preferable that the amount of fumed silica be less than /g.
- the amount of the aggregation inhibitor added to the total amount of the soft magnetic metal powder and the aggregation inhibitor is not particularly limited, but may be 0.1 volume% or more and 1.0 volume% or less, and 0.1 volume% or more. , may be 0.8 volume% or less, may be 0.1 volume% or more and 0.6 volume% or less, or may be 0.1 volume% or more and 0.5 volume% or less. .
- the amount of the aggregation inhibitor added to the total amount of the soft magnetic metal powder and the aggregation inhibitor is 0.1% by volume or more, it is possible to further suppress the fluidity of the soft magnetic metal powder from decreasing.
- the surface of the soft magnetic metal powder is covered with an aggregation inhibitor.
- an aggregation inhibitor for example, in FIG. 1, a part of the aggregation-inhibiting particles 2, which are aggregation inhibitors, are in contact with the surface of the soft magnetic metal powder 1.
- the aggregation inhibitor is in contact with the surface of the soft magnetic metal powder 1 as described above, it can be said that at least a portion of the surface of the soft magnetic metal powder 1 is covered with the aggregation inhibitor.
- the aggregation inhibitor will be scattered between the soft magnetic metals in the composite magnetic body after three-dimensional modeling. Therefore, when the aggregation inhibitor is an insulator, insulators are scattered between soft magnetic metals in the composite magnetic material, which further reduces eddy current loss and magnetic loss in the composite magnetic material. At the same time, the DC superposition characteristics are further improved.
- the raw material powder further contains an insulating material.
- the raw material powder contains an insulating material
- insulators derived from the insulating material will be scattered in the composite magnetic material after three-dimensional modeling. Therefore, eddy current loss and magnetic loss in the composite magnetic material are reduced, and DC superimposition characteristics are improved.
- an insulating layer containing an insulating material may be provided on the surface of the soft magnetic metal powder. If an insulating layer containing an insulating material is provided on the surface of the soft magnetic metal powder, the insulating layer will melt together with the soft magnetic metal powder during the production of the composite magnetic material, and the soft magnetic metal will be covered with an insulator. Easy to produce composite magnetic materials. Therefore, eddy current loss and magnetic loss in the composite magnetic material are reduced, and DC superimposition characteristics are improved.
- an insulating material may be included in the raw material powder by providing an insulating layer containing an insulating material whose main composition is P or Si on the surface of a soft magnetic metal powder such as a crystalline metal powder or an amorphous metal powder.
- a soft magnetic metal powder such as a crystalline metal powder or an amorphous metal powder.
- the insulating material whose main composition is P or Si, etc. include fused silica, phosphate glass, borosilicate glass, and silicate glass.
- the raw material may also include an insulating material.
- an insulating layer containing an insulating material such as alumina or ferrite (Ni-Zn ferrite, Mn-Zn ferrite, magnetite, etc.) on the surface of soft magnetic metal powder such as crystalline metal powder or amorphous metal powder, the raw material
- the powder may also include an insulating material.
- both a soft magnetic metal powder whose surface is provided with an insulating layer containing an insulating material and a soft magnetic metal powder whose surface is not provided with an insulating layer containing an insulating material may be used together. That is, the raw material powder may include both soft magnetic metal powder whose surface is provided with an insulating layer containing an insulating material and soft magnetic metal powder whose surface is not provided with an insulating layer containing an insulating material.
- the insulating material may be added to the raw material powder as a powder separate from the soft magnetic metal powder.
- the powdered insulating material When the insulating material is added as a powder separate from the soft magnetic metal powder, examples of the powdered insulating material include fused silica, phosphate glass, borosilicate glass, silicate glass, alumina, and ferrite (Ni- Examples include powders such as Zn ferrite, Mn-Zn ferrite, magnetite, etc.).
- the insulating material is preferably a ceramic powder whose base material is silicon dioxide. If the insulating material is a ceramic powder with silicon dioxide as the base material, the ceramic powder will separate the magnetic metal parts in the composite magnetic material, preventing large eddy currents from flowing and reducing the magnetic flux gap in the composite magnetic material. Since it can be provided, the magnetic loss of the composite magnetic material is reduced and the direct current superimposition characteristics are improved. Therefore, when the composite magnetic material is used as the core of a coil, the eddy current loss and magnetic loss in the composite magnetic material are further reduced, and the DC superposition characteristics are further improved.
- Ceramic powders whose base material is silicon dioxide include ceramic powders whose main components are fused silica, borosilicate glass, silicate glass, and the like.
- the average primary particle diameter of the insulating material is not particularly limited, but may be 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
- the average primary particle diameter of the insulating material means the volume-based median diameter (D50) determined by a laser diffraction/scattering method.
- the average primary particle size of the insulating material means the average primary particle size of the insulating material in the raw material powder.
- the amount of the insulating material added to the total amount of the soft magnetic metal powder, the aggregation inhibitor, and the insulating material may be 1.0 volume % or more and 30.0 volume % or less. If the amount of the insulating material added to the total amount of the soft magnetic metal powder, agglomeration inhibitor, and insulating material is 1.0% by volume or more, the amount of insulator in the composite magnetic material can be increased. The eddy current loss and magnetic loss are further reduced, and the DC superposition characteristics are further improved.
- the amount of the insulating material added to the total amount of the soft magnetic metal powder, agglomeration inhibitor, and insulating material is 30.0% by volume or less, the raw material powder is easily melted and joined by laser irradiation or electron beam sweeping, so it is favorable. It is possible to create three-dimensional composite magnetic materials.
- a three-dimensional composite magnetic body is formed by melting the raw material powder using laser irradiation or electron beam sweeping, and then solidifying it.
- the atmosphere in which the composite magnetic material is shaped is not particularly limited, but it is preferable to shape the composite magnetic material in a low oxygen atmosphere such as a nitrogen atmosphere.
- a low oxygen atmosphere such as a nitrogen atmosphere.
- By shaping the composite magnetic body in a low-oxygen atmosphere it is possible to prevent the soft magnetic metal powder from being oxidized during melting of the raw material powder, thereby preventing the inability to obtain a magnetic core having desired magnetic properties.
- the oxygen concentration in the atmosphere when molding composite magnetic materials to a low level, it is possible to provide an oxide layer at the metal interface (the interface formed when soft magnetic metal powders are fused together), and the resulting Since an insulating layer can be provided, it can contribute to reducing magnetic loss and improving direct current superposition.
- a passive film which is an oxide layer, is formed on the three-dimensional composite magnetic material.
- a three-dimensional composite magnetic material with a desired shape can be formed.
- the shape of the composite magnetic body formed in the step of shaping the composite magnetic body is not particularly limited, in the step of shaping the composite magnetic body, a ring-shaped composite magnetic body may be formed. Further, in the step of shaping the composite magnetic body, the composite magnetic body may be shaped into a rod shape, a cylinder shape, a rectangular parallelepiped shape, or the like.
- the soft magnetic layer and the insulating layer obtained by oxidizing the soft magnetic layer are formed so as to be stacked alternately, so the insulating layer is placed in the direction that divides the eddy current.
- the provided ring-shaped magnetic core cannot be printed. Therefore, it is necessary to create a ring-shaped magnetic core by bending the obtained laminated soft magnetic material into a ring shape, or to create a ring-shaped magnetic core by cutting out and pasting together four laminated soft magnetic materials. be.
- the magnetic materials or insulators are orthogonal to each other at the joint portion of the manufactured ring-shaped magnetic core, magnetic flux disconnection occurs at that portion.
- the composite magnetic material produced in a ring shape is used as it is as a ring-shaped magnetic core. be able to.
- a magnetic core with such a structure has excellent magnetic properties because there is no magnetic gap.
- a ring-shaped magnetic core with no magnetic gap in the circumferential direction of the ring can be easily produced, so there is no magnetic flux leakage from the magnetic gap and the ring-shaped core has excellent magnetic properties. It is possible to create a magnetic core of.
- the method for manufacturing a coil component of the present invention includes a step of manufacturing a magnetic core by the method of manufacturing a magnetic core of the present invention, and a step of winding a coil conductor around the outer peripheral surface of the magnetic core.
- a magnetic core having a free shape and size, high resistance, and high magnetic properties can be obtained. Therefore, the method for manufacturing a coil component of the present invention does not require a step of molding the magnetic core using an ultra-high pressure press molding machine, a special mold, or the like. Therefore, with the method for manufacturing a coil component of the present invention, a coil component can be manufactured in a short time and at low cost.
- FIG. 2 is a diagram schematically showing a coil component manufactured according to an embodiment of the present invention.
- a coil conductor 12 is wound around a magnetic core 11 manufactured by the magnetic core manufacturing method of the present invention.
- the magnetic core 11 is ring-shaped.
- the shape of the magnetic core 11 is not particularly limited, and may be, for example, rod-shaped, cylindrical, or rectangular parallelepiped.
- two coil conductors 12 are wound around the magnetic core 11.
- One or more coil conductors 12 may be wound around the magnetic core 11 .
- the number of turns of the coil conductor 12 around the magnetic core 11 is not particularly limited.
- Example 1 A raw material powder was prepared by mixing a soft magnetic metal powder, an aggregation inhibitor, and an insulating material shown in Table 1 below.
- the fumed silica used as an aggregation inhibitor is an aggregation-inhibiting particle, and was added in an amount of 0.2% by volume based on the volume of the raw powder.
- the fused silica used as the insulating material was added in an amount of 1.3% by volume based on the volume of the raw material powder.
- an insulating layer of phosphate glass with a thickness of about 15 nm was provided on the surface of the soft magnetic metal powder.
- the prepared raw material powder was put into a feeder (powder supply tank) of a DED type metal 3D printer LAMDA200 [manufactured by Nidec Machine Tools Co., Ltd.].
- a ring-shaped magnetic core was formed on a SUS steel plate by melting raw material powder using laser irradiation and then solidifying it in a nitrogen gas flow atmosphere.
- the outer diameter of the ring-shaped magnetic core was 16 mm, and the inner diameter of the ring-shaped magnetic core was 10 mm.
- Laser irradiation was performed under the conditions that the initial laser output was 200 W or more and 1200 W or less, the scanning speed was 800 mm/min, and the spot diameter was 2 mm.
- the fluidity of the raw material powder was evaluated during the manufacturing process of the magnetic core.
- the evaluation criteria are as follows. ⁇ (Good): No agglomeration of the raw material powder was visually confirmed in the feeder of the metal 3D printer. ⁇ (Poor): In the feeder of the metal 3D printer, agglomeration of the raw material powder was visually confirmed.
- Comparative Examples 1-1 to 1-3 in which the raw material powder did not contain an aggregation inhibitor, aggregation of the raw material powder was visually confirmed in the feeder. In Comparative Examples 1-1 to 1-3, it was impossible to manufacture the magnetic cores because the feeder was clogged with the raw material powder during the manufacturing process of the magnetic cores.
- Examples 1-1 to 1-4 in which the raw material powder contained an aggregation inhibitor no aggregation of the raw material powder was observed in the feeder.
- a decrease in the fluidity of the soft magnetic metal powder was suppressed in the metal powder supply system, so a magnetic core with a desired shape could be produced.
- the ring-shaped magnetic core produced in Example 1-1 was cut from a SUS steel plate by electrical discharge machining. The inside of the removed ring-shaped magnetic core was observed using a scanning electron microscope (SEM).
- FIG. 3 is a SEM image showing the inside of the magnetic core produced in Example 1-1.
- the particle diameter of the metal particles inside the produced magnetic core can be controlled by adjusting conditions such as the output and scanning speed of laser irradiation or electron beam sweeping.
- Example 2 A ring-shaped magnetic core was produced under the same conditions as in Example 1, except that the composition of the raw material powder was changed as shown in Table 2.
- Example 2 the fluidity of the raw material powder was evaluated during the manufacturing process of the magnetic core.
- Examples 2-1 to 2-5 in which the amount of the aggregation inhibitor added to the total amount of the soft magnetic metal powder and the aggregation inhibitor is 0.1 volume % or more and 1.0 volume % or less, the feeder No agglomeration of the raw material powder was observed.
- Examples 2-1 to 2-5 a decrease in the fluidity of the soft magnetic metal powder was suppressed in the metal powder supply system, so it was possible to produce a magnetic core with a desired shape.
- Example 3 A ring-shaped magnetic core was produced under the same conditions as in Example 1, except that the composition of the raw material powder was changed as shown in Table 3.
- the fused silica powder used had a D50 diameter of 0.59 ⁇ m.
- Example 2 the fluidity of the raw material powder was evaluated during the manufacturing process of the magnetic core.
- Examples 3-1 to 3-4 the amount of the insulating material added to the total amount of the soft magnetic metal powder, aggregation inhibitor, and insulating material was 1.3% by volume or 5.0% by volume, the feeder No agglomeration of the raw material powder was observed. In Examples 3-1 to 3-4, a decrease in the fluidity of the soft magnetic metal powder was suppressed in the metal powder supply system, so a magnetic core with a desired shape could be produced. Further, in Examples 3-1 to 3-4, the amount of the aggregation inhibitor added to the total amount of the soft magnetic metal powder and the aggregation inhibitor was 0.1 volume % or more and 1.0 volume % or less. , a decrease in fluidity of soft magnetic metal powder in the metal powder supply system is suppressed.
- the required amount of the aggregation inhibitor will be discussed using a specific example.
- 95% by volume of soft magnetic metal powder is contained based on the total amount of soft magnetic metal powder and fused silica used in this example.
- the total specific surface area of the soft magnetic metal powder and fused silica can be converted to 0.12 m 2 /g.
- fumed silica In the raw material powder, by containing fumed silica in an amount of 0.5% by volume (specific surface area 0.29 m 2 /g) based on the total amount of soft magnetic metal powder and fumed silica, fumed silica becomes soft magnetic. Can cover the surface of metal powder.
- the surface area of the fumed silica is equivalent to the specific surface area of the soft magnetic metal powder and the fused silica, the decrease in fluidity of the soft magnetic metal powder can be suppressed. From the above, if fumed silica is contained up to about 0.5% by volume with respect to the total amount of soft magnetic metal powder and fumed silica, the fluidity of soft magnetic metal powder will be improved even if it is not contained more than that. It is considered that the effect of suppressing the decrease in
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Abstract
磁性コアの製造方法は、軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤を含む原料粉末を、レーザー照射又は電子ビーム掃引を用いて溶融させた後に凝固させることによって、三次元の複合磁性体を造形する工程を備える。
Description
本発明は、磁性コアの製造方法及びコイル部品の製造方法に関する。
特許文献１には、原料粉末の供給手段と該原料粉末へ高エネルギービームを照射して該原料粉末を溶融できる加熱手段とを備え、該原料粉末の溶融凝固をチャンバ内で繰り返すことにより所望の三次元造形物を得ることができる積層造形装置を用いた積層軟磁性体の製造方法であって、上記原料粉末は、少なくともＡｌを含む鉄合金からなる軟磁性粉末であり、上記チャンバ内は、窒素および／または酸素を含む処理雰囲気であり、該軟磁性粉末を上記加熱手段で溶融した後に凝固させて軟磁性層を得る第１工程と該軟磁性層の表面を該処理雰囲気中で該加熱手段により再加熱して該軟磁性層の表面に窒化物および／または酸化物からなる絶縁層を形成する第２工程とを交互に繰り返して該軟磁性層と該絶縁層が交互に積層された積層軟磁性体を得る積層軟磁性体の製造方法が記載されている。
特許文献１には、積層造形装置は、金属粉末を用いて付加製造法（ＡＭ：Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）を行う装置であり、粉末床溶融結合法（ＰＢＦ：ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）を行う装置でも、指向性エネルギー堆積法（ＤＥＤ：ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を行う装置でもよいと記載されている。ＰＢＦ方式では、フィーダ（粉末供給槽）及びリコータ（金属粉末敷き詰め装置）等からなる金属粉末の供給システムが必要である。また、ＤＥＤ方式では、フィーダ（粉末供給槽）及び粉末噴射ノズル等からなる金属粉末の供給システムが必要である。しかし、これらの供給システムでは、金属粉末の流動性が低下することによって、粉体の詰まり、粉体の敷き詰め欠損、又は噴霧の脈動等の問題が発生しやすくなる。その場合、供給システムから不連続に供給される金属粉末に高エネルギービームが照射されるため、所望の三次元造形物を得ることが困難である。
金属粉末の供給システムにおいて金属粉末の流動性が低下することを抑制する方法の１つとして、金属粉末の凝集を起こりにくくするために真球度及び単分散性が高い金属粉末を準備する方法が考えられる。ただ、真球度及び単分散性が高い金属粉末を得るためには、アトマイズ法等による金属粉末の製造条件の確立及び気流分級等による粒度分布の調整に膨大な検討が必要となるため、三次元金属造形用の金属粉末を入手することは困難である。このような真球度及び単分散性が高い三次元金属造形用の金属粉末としては、例えば、組成がＦｅ－１８Ｎｉ－５Ｍｏ－９Ｃｏ－ＡｌＴｉである金型造形用の金属粉末、組成がＮｉ－２０Ｃｒ－３Ｍｏ－５Ｎｂ－ＦｅＴｉＡｌであるタービン及び航空機用の金属粉末及び組成がＣｏ－２９Ｃｒ－６Ｍｏである人工骨用の金属粉末等が市販されている（参考ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓａｎｙｏ－ｓｔｅｅｌ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｓｅｌｅｃｔｅｄ／ｓｅｌｅｃｔｅｄ１３．ｐｈｐ）。しかしながら、特許文献１に記載されているような軟磁性金属粉末については、三次元金属造形の検討事例がほとんどないため、真球度及び単分散性が高い軟磁性金属粉末を入手することは困難である。
以上のことから、特許文献１に記載されているような軟磁性金属粉末を用いて三次元造形物を形成する方法では、金属粉末の供給システムにおける軟磁性金属粉末の流動性を向上させる必要がある。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、金属粉末の供給システムにおいて軟磁性金属粉末の流動性が低下することを抑制できる磁性コアの製造方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、上記磁性コアを用いるコイル部品の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の磁性コアの製造方法は、軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤を含む原料粉末を、レーザー照射又は電子ビーム掃引を用いて溶融させた後に凝固させることによって、三次元の複合磁性体を造形する工程を備える。
本発明のコイル部品の製造方法は、本発明の磁性コアの製造方法により磁性コアを作製する工程と、コイル導体を上記磁性コアの外周面に巻回する工程と、を備える。
本発明によれば、金属粉末の供給システムにおいて軟磁性金属粉末の流動性が低下することを抑制できる磁性コアの製造方法を提供することができる。
以下、本発明の磁性コアの製造方法及びコイルの製造方法について説明する。
しかしながら、本発明は、以下の実施形態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個々の好ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
しかしながら、本発明は、以下の実施形態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個々の好ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
［磁性コアの製造方法］
本発明の磁性コアの製造方法は、軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤を含む原料粉末を、レーザー照射又は電子ビーム掃引を用いて溶融させた後に凝固させることによって、三次元の複合磁性体を造形する工程を備える。
本発明の磁性コアの製造方法は、軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤を含む原料粉末を、レーザー照射又は電子ビーム掃引を用いて溶融させた後に凝固させることによって、三次元の複合磁性体を造形する工程を備える。
本発明の磁性コアの製造方法では、原料粉末が凝集阻害剤を含むことにより、原料粉末を供給する過程で軟磁性金属粉末が凝集することを抑制できる。このため、金属粉末の供給システムにおいて軟磁性金属粉末の流動性が低下することを抑制できる。
ところで、航空機及び自動車両用金属部品又は成型用の金型等の機械部品用途の三次元金属造形においては、真球度及び単分散性が高い金属粉末を用いることで、金属粉末の供給システムにおける金属粉末の流動性を良好にする検討がされている。これは、機械部品用途の三次元金属造形物では、金属内部欠陥が致命的な事故の要因となるためであり、機械部品用途の三次元金属の造形を行う際に凝集阻害剤を添加した場合、造形後の機械部品の凝集阻害剤に由来する部分が起点となっての金属破壊等が懸念される。そのため、機械部品用途では、凝集阻害剤を添加しての三次元金属造形は適さないと考えられる。これに対して、本発明のように磁性コアを作製する場合、磁性コアは機械部品よりも必要な機械的強度は低いため、凝集阻害剤が引き起こす機械的な悪影響を考える必要がない。
本発明の磁性コアの製造方法では、軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤を含む原料粉末をステージ上に供給した後、ステージ上の原料粉末を、レーザー照射又は電子ビーム掃引を用いて溶融させた後に凝固させることによって、三次元の複合磁性体を造形してもよい。あるいは、本発明の磁性コアの製造方法では、軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤を含む原料粉末の供給と同時に、原料粉末をレーザー照射又は電子ビーム掃引を用いて溶融させた後に凝固させることによって、三次元の複合磁性体を造形してもよい。
なお、本発明の磁性コアの製造方法は、例えば、粉末床溶融結合法（ＰＢＦ：ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）によって行われてもよく、指向性エネルギー堆積法（ＤＥＤ：ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって行われてもよい。ＰＢＦ方式は、原料粉末（金属粉末）を薄く１層敷く毎に、所定の経路で高エネルギービーム（レーザー、電子ビーム等）を走査して、原料粉末を溶融させた後に凝固させることを繰り返すことにより、所望形状の造形物を製造する方式である。ＤＥＤ方式は、高エネルギービームの焦点付近に投射した原料粉末を溶融させた後に凝固させつつ、その溶融凝固位置を走査（移動）させて所望形状の造形物を製造する方式である。
例えば、ＰＢＦ方式の場合、フィーダ（粉末供給槽）及びリコータ（金属粉末敷き詰め装置）等からなる供給システムによって、原料粉末を供給する。また、ＤＥＤ方式の場合、フィーダ（粉末供給槽）及び粉末噴射ノズル等からなる供給システムによって、原料粉末を供給する。
本発明の磁性コアの製造方法では、まず、原料粉末を準備する。
原料粉末は、軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤を含む。原料粉末が凝集阻害剤を含むことにより、原料粉末を供給する過程で軟磁性金属粉末が凝集することを抑制できる。
原料粉末として、軟磁性金属粉末及び粉末の凝集阻害剤を混合した混合粉末を用いてもよく、軟磁性金属粉末の表面に凝集阻害剤の層が設けられた複合粉末を用いてもよい。例えば、軟磁性金属粉末の表面に凝集阻害剤のガラスコーティングが施された複合粉末を原料粉末として用いてもよい。
軟磁性金属粉末及び粉末の凝集阻害剤を混合した混合粉末を原料粉末として用いる場合、粉末の凝集阻害剤を軟磁性金属粉末と混合した状態でフィーダ等の供給システムに加えてもよく、フィーダ等の供給システムにおいて粉末の凝集阻害剤を軟磁性金属粉末と混合してもよい。
［軟磁性金属粉末］
軟磁性金属粉末は、結晶性金属粉末又はアモルファス金属粉末であってよい。
軟磁性金属粉末は、結晶性金属粉末又はアモルファス金属粉末であってよい。
結晶性金属粉末としては、例えば、Ｆｅ－Ｓｉ系金属粉末、Ｆｅ－Ｎｉ系金属粉末、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系金属粉末、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系金属粉末、カーボニル鉄粉末、Ｆｅ－Ｃｏ系金属粉末、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｖ系金属粉末等が挙げられる。Ｆｅ－Ｎｉ系金属粉末は、パーマロイ磁性粉末であってよい。Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系金属粉末は、センダスト磁性粉末であってよい。Ｆｅ－Ｃｏ系金属粉末は、パーメンジュールであってよい。結晶性金属粉末は、１種のみでもよく、２種以上であってもよい。
アモルファス金属粉末としては、例えば、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｃｒ系アモルファス合金粉末、Ｆｅ－Ｂ－Ｓｉ系アモルファス合金粉末等が挙げられる。アモルファス金属粉末は、１種のみでもよく、２種以上であってもよい。
軟磁性金属粉末は、結晶性金属粉末及びアモルファス金属粉末の２種類以上を含む混合金属粉末であってもよい。
中でも、軟磁性金属粉末は、Ｃｒ及びＮｉの少なくとも一方を含むことが好ましい。軟磁性金属粉末がＣｒ及びＮｉの少なくとも一方を含むと、造形された後の三次元の複合磁性体において、軟磁性金属の表面に薄い酸化膜である不働態被膜が形成される。造形された後の三次元の複合磁性体において、軟磁性金属の表面に薄い酸化膜である不働態被膜が形成されていると、複合磁性体の絶縁特性が向上される。
軟磁性金属粉末の粒子径は特に限定されないが、軟磁性金属粉末の最小粒子径が９μｍ以上、最大粒子径が３５０μｍ以下であることが好ましい。軟磁性金属粉末の最小粒子径が９μｍ以上であると、三次元の複合磁性体を精度よく造形することができる。軟磁性金属粉末の最大粒子径が３５０μｍ以下であると、レーザー照射又は電子ビーム掃引によって容易に軟磁性金属粉末を溶融することができる。例えば、ＰＢＦ方式において、レーザー照射によって原料粉末を溶融する場合は、軟磁性金属粉末の最小粒子径が２０μｍ以上、最大粒子径が３５０μｍ以下であることが好ましい。ＰＢＦ方式において、電子ビーム掃引によって原料粉末を溶融する場合は、軟磁性金属粉末の最小粒子径が４５μｍ以上、最大粒子径が３５０μｍ以下であることが好ましい。ＤＥＤ方式において、レーザー照射によって原料粉末を溶融する場合は、軟磁性金属粉末の最小粒子径が４５μｍ以上、最大粒子径が３５０μｍ以下であることが好ましい。なお、軟磁性金属粉末の最小粒子径及び最大粒子径は、それぞれ、原料粉末中の軟磁性金属粉末の最小粒子径及び最大粒子径を意味する。
軟磁性金属粉末の平均一次粒子径は特に限定されないが、１０μｍ以上、３００μｍ以下であることが好ましい。なお、軟磁性金属粉末の平均一次粒子径は、レーザー回折・散乱法により求められる体積基準のメディアン径（Ｄ５０）を意味する。また、軟磁性金属粉末の平均一次粒子径は、原料粉末中の軟磁性金属粉末の平均一次粒子径を意味する。
［凝集阻害剤］
凝集阻害剤は、軟磁性金属粉末の凝集を防ぐものであればよい。
凝集阻害剤は、軟磁性金属粉末の凝集を防ぐものであればよい。
凝集阻害剤は、軟磁性金属粉末よりも小さい平均一次粒子径を有する凝集阻害粒子であることが好ましい。なお、凝集阻害粒子の平均一次粒子径は、ＢＥＴ法換算による平均粒子径、すなわち、ＢＥＴ法を用いて求めた比表面積から算出される凝集阻害粒子の平均粒子径を意味する。凝集阻害粒子のＢＥＴ法換算による平均粒子径が、軟磁性金属粉末のメディアン径（Ｄ５０）よりも小さいと、凝集阻害粒子は軟磁性金属粉末よりも小さい平均一次粒子径を有すると言える。また、凝集阻害粒子の平均一次粒子径は、原料粉末中の凝集阻害粒子の平均一次粒子径を意味する。
図１は、本発明の一実施形態における、原料粉末中の軟磁性金属粉末及び凝集阻害粒子を模式的に示す図である。
図１に示すように、凝集阻害剤が、軟磁性金属粉末１よりも小さい平均一次粒子径を有する凝集阻害粒子２であると、軟磁性金属粉末１の間に凝集阻害粒子２が入り込む。軟磁性金属粉末１の間の凝集阻害粒子２は静電気力によって、軟磁性金属粉末１の周りにまとわりつく。軟磁性金属粉末１の周りにまとわりついた凝集阻害粒子２は、ベアリング効果によって軟磁性金属粉末１の流動性を向上させるため、軟磁性金属粉末１の流動性が低下することを抑制できる。
凝集阻害粒子の粒子径が小さくなるほど、静電気力によって凝集阻害粒子が軟磁性金属粉末の周りにまとわりつきやすくなる。一方で、凝集阻害粒子の粒子径が小さすぎると、静電気によって取り扱いが難しくなる。以上より、凝集阻害粒子の平均一次粒子径は、５ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であることが好ましい。
凝集阻害粒子の比表面積（ＢＥＴ法）は５０ｍ２／ｇ以上、４００ｍ２／ｇ以下であってもよい。なお、凝集阻害粒子の比表面積は、原料粉末中の凝集阻害粒子の比表面積を意味する。
凝集阻害剤は、無機滑剤でもよく、有機滑剤でもよい。凝集阻害剤は、１種のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。無機滑剤からなる凝集阻害剤と、有機滑剤からなる凝集阻害剤とを併用してもよい。
無機滑剤としては、例えば、シリカ（フュームドシリカ（Ｆｕｍｅｄ ｓｉｌｉｃａ）、ナノシリカ等）、タルク又はマイカ等の無機酸化物等が挙げられる。ナノシリカとしては、単分散ナノシリカであることが好ましい。無機滑剤は、１種のみでもよく、２種以上であってもよい。
有機滑剤としては、例えば、ステアリン酸金属塩（ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム等）等の金属石鹸等が挙げられる。有機滑剤は、１種のみでもよく、２種以上であってもよい。
凝集阻害剤は、絶縁性の無機酸化物からなることが好ましい。炭素含有量が少ない無機酸化物を凝集阻害剤として用いることにより、三次元の複合磁性体を造形する過程において、揮発性の化合物の発生を抑制できるため、三次元の複合磁性体の造形が容易となる。また、絶縁性の無機酸化物を凝集阻害剤として用いることにより、三次元造形された後の複合磁性体において、軟磁性金属間に絶縁材料が入り込む。このように軟磁性金属間に絶縁材料が入り込むことによって、凝集阻害剤自体が導電性を阻害することが可能となるため、複合磁性体での渦電流損失及び磁気損失が低減されるとともに、直流重畳特性が向上する。
凝集阻害粒子は、平均一次粒子径が５ｎｍ以上、４０ｎｍ以下のシリカ粒子であることが好ましく、平均一次粒子径が５ｎｍ以上、４０ｎｍ以下のフュームドシリカであることがより好ましい。シリカ粒子の平均一次粒子径は、７ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であってもよい。凝集阻害粒子の平均一次粒子径が５ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であることで、軟磁性金属粉末の流動性が低下することをさらに抑制できると同時に、シリカ粒子自体が絶縁性を有することで、複合磁性体での渦電流損失及び磁気損失が低減されるとともに、直流重畳特性が向上する。
言い換えると、凝集阻害粒子は、比表面積（ＢＥＴ法）が５０ｍ２／ｇ以上、４００ｍ２／ｇ以下のシリカ粒子であることが好ましく、比表面積（ＢＥＴ法）が５０ｍ２／ｇ以上、４００ｍ２／ｇ以下のフュームドシリカであることがより好ましい。
軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤の合計量に対する、凝集阻害剤の添加量は特に限定されないが、０．１体積％以上、１．０体積％以下であってもよく、０．１体積％以上、０．８体積％以下であってもよく、０．１体積％以上、０．６体積％以下であってもよく、０．１体積％以上、０．５体積％以下であってもよい。軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤の合計量に対する、凝集阻害剤の添加量が０．１体積％以上であると、軟磁性金属粉末の流動性が低下することをさらに抑制できる。
原料粉末において、軟磁性金属粉末の表面の少なくとも一部が凝集阻害剤で覆われていることが好ましい。例えば、図１においては、凝集阻害剤である凝集阻害粒子２の一部が軟磁性金属粉末１の表面に接している。このように凝集阻害剤のうち少なくとも一部が軟磁性金属粉末１の表面に接している場合には、軟磁性金属粉末１の表面の少なくとも一部が凝集阻害剤で覆われていると言える。
原料粉末において、軟磁性金属粉末の表面の少なくとも一部が凝集阻害剤で覆われていると、三次元造形された後の複合磁性体において、軟磁性金属間に凝集阻害剤が点在する。そのため、凝集阻害剤が絶縁体である場合には、複合磁性体において軟磁性金属間に絶縁体が点在することとなるため、複合磁性体での渦電流損失及び磁気損失がさらに低減されるとともに、直流重畳特性がさらに向上する。
［絶縁材料］
原料粉末は、絶縁材料をさらに含むことが好ましい。
原料粉末は、絶縁材料をさらに含むことが好ましい。
原料粉末が絶縁材料を含んでいると、三次元造形された後の複合磁性体において、絶縁材料に由来する絶縁体が点在することとなる。このため、複合磁性体での渦電流損失及び磁気損失が低減されるとともに、直流重畳特性が向上する。
原料粉末において、絶縁材料を含む絶縁層が軟磁性金属粉末の表面に設けられていてもよい。絶縁材料を含む絶縁層が軟磁性金属粉末の表面に設けられていると、複合磁性体の作製時に軟磁性金属粉末とともに絶縁層が溶融し、軟磁性金属の周囲を絶縁体が覆った状態の複合磁性体を作製しやすい。このため、複合磁性体での渦電流損失及び磁気損失が低減されるとともに、直流重畳特性が向上する。
例えば、結晶性金属粉末又はアモルファス金属粉末等の軟磁性金属粉末の表面にＰ又はＳｉ等を主組成とする絶縁材料を含む絶縁層を設けることで、原料粉末に絶縁材料を含めてもよい。Ｐ又はＳｉ等を主組成とする絶縁材料としては、例えば、溶融シリカ、リン酸系ガラス、ホウケイ酸系ガラス、ケイ酸ガラスなどが挙げられる。
あるいは、結晶性金属粉末又はアモルファス金属粉末等の軟磁性金属粉末の表面にアルミナ、フェライト(Ｎｉ－Ｚｎフェライト、Ｍｎ－Ｚｎフェライト又はマグネタイト等)等の絶縁材料を含む絶縁層を設けることで、原料粉末に絶縁材料を含めてもよい。
絶縁材料を含む絶縁層が表面に設けられた軟磁性金属粉末及び絶縁材料を含む絶縁層が表面に設けられていない軟磁性金属粉末の両方を併用してもよい。つまり、原料粉末は、絶縁材料を含む絶縁層が表面に設けられた軟磁性金属粉末及び絶縁材料を含む絶縁層が表面に設けられていない軟磁性金属粉末の両方を含んでいてもよい。
絶縁材料を、軟磁性金属粉末とは別の粉末として原料粉末に加えてもよい。
絶縁材料を、軟磁性金属粉末とは別の粉末として加える場合、粉末である絶縁材料としては、例えば、溶融シリカ、リン酸系ガラス、ホウケイ酸系ガラス、ケイ酸ガラス、アルミナ、フェライト(Ｎｉ－Ｚｎフェライト、Ｍｎ－Ｚｎフェライト又はマグネタイト等)等の粉末が挙げられる。
絶縁材料は、二酸化ケイ素を母材とするセラミック粉末であることが好ましい。絶縁材料が、二酸化ケイ素を母材とするセラミック粉末であると、複合磁性体において、セラミック粉末が磁性金属部分を分断することで、大きな渦電流が流れなくなり、かつ、複合磁性体において磁束ギャップを設けることができるため、複合磁性体の磁気損失が低下するとともに直流重畳特性が高くなる。そのため、複合磁性体をコイルのコアとして使用した際の複合磁性体での渦電流損失及び磁気損失がさらに低減されるとともに、直流重畳特性がさらに向上する。
二酸化ケイ素を母材とするセラミック粉末としては、例えば、溶融シリカ、ホウケイ酸系ガラス、ケイ酸ガラス等を主成分とするセラミック粉末が挙げられる。
絶縁材料を、軟磁性金属粉末とは別の粉末として加える場合において、絶縁材料の平均一次粒子径は、特に限定されないが、０．１μｍ以上、１０μｍ以下であってもよい。なお、絶縁材料の平均一次粒子径は、レーザー回折・散乱法により求められる体積基準のメディアン径（Ｄ５０）を意味する。また、絶縁材料の平均一次粒子径は、原料粉末中の絶縁材料の平均一次粒子径を意味する。
軟磁性金属粉末、凝集阻害剤及び絶縁材料の合計量に対する、絶縁材料の添加量は、１．０体積％以上、３０．０体積％以下であってもよい。軟磁性金属粉末、凝集阻害剤及び絶縁材料の合計量に対する、絶縁材料の添加量が１．０体積％以上であると、複合磁性体中の絶縁体を多くすることができるため、複合磁性体での渦電流損失及び磁気損失がさらに低減されるとともに、直流重畳特性がさらに向上する。軟磁性金属粉末、凝集阻害剤及び絶縁材料の合計量に対する、絶縁材料の添加量が３０．０体積％以下であると、レーザー照射又は電子ビーム掃引によって原料粉末が溶融接合されやすくなるため、良好に三次元の複合磁性体を造形することができる。
本発明の磁性コアの製造方法では、上記原料粉末を、レーザー照射又は電子ビーム掃引を用いて溶融させた後に凝固させることによって、三次元の複合磁性体を造形する。
複合磁性体を造形する際の雰囲気は特に限定されないが、窒素雰囲気下等の低酸素雰囲気下で複合磁性体を造形することが好ましい。低酸素雰囲気下で複合磁性体を造形することにより、原料粉末を溶融する際に軟磁性金属粉末が酸化することによって所望の磁気特性を有する磁性コアが得られなくなることを防ぐことができる。また、複合磁性体を造形する際の雰囲気中の酸素濃度を低く調整することで、金属界面（軟磁性金属粉末同士が融着してできる界面）に酸化物層を設けることができ、それによる絶縁層を設けることができるため、磁気損失低下、及び、直流重畳向上に寄与できる。例えば、上述の通りに、Ｃｒ及びＮｉの少なくとも一方を含む軟磁性金属粉を用いて複合磁性体を造形する場合、複合磁性体を造形する際の雰囲気中の酸素濃度を低く調整すると、造形された後の三次元の複合磁性体には酸化物層である不働態被膜が形成される。
本発明では、レーザー又は電子ビームの照射位置を所望の軌跡に沿って移動させることにより、所望の形状の三次元の複合磁性体を造形することができる。複合磁性体を造形する工程によって造形する複合磁性体の形状は特に限定されないが、複合磁性体を造形する工程では、リング状の複合磁性体を造形してもよい。また、複合磁性体を造形する工程では、棒状、円筒状又は直方体状等の複合磁性体を造形してもよい。
ところで、特許文献１に記載の積層軟磁性体の製造方法では、軟磁性層及び軟磁性層を酸化した絶縁層を交互に重ねるように造形を行うため、渦電流を分断する方向に絶縁層を設けたリング状の磁性コアは造形できない。そのため、得られた積層軟磁性体をリング状に湾曲させてリング状の磁性コアを作製するか、４枚の積層軟磁性体を切り出して貼り合わせることによりリング状の磁性コアを作製する必要がある。また、作製したリング状の磁性コアの接合部分では磁性体又は絶縁体同士が直交することになるため、その部位では磁束切断が発生してしまう。
しかしながら、本発明の磁性コアの製造方法では、軟磁性層及び絶縁層を交互に重ねるように造形を行わなくてもよいため、リング状に作製した複合磁性体をそのままリング状の磁性コアとして用いることができる。
本発明の磁性コアの製造方法によれば、磁性コア同士の接続部分のない磁性コアを製造することができる。このような構造の磁性コアは、磁気ギャップが存在しないため、磁気特性が優れている。本発明の磁性コアの製造方法では、リングの円周方向に磁気ギャップのないリング状の磁性コアを容易に作製することができるため、磁気ギャップからの漏れ磁束がなく磁気特性に優れたリング状の磁性コアを作製することができる。
［コイル部品の製造方法］
本発明のコイル部品の製造方法は、本発明の磁性コアの製造方法により磁性コアを作製する工程と、コイル導体を磁性コアの外周面に巻回する工程と、を備える。
本発明のコイル部品の製造方法は、本発明の磁性コアの製造方法により磁性コアを作製する工程と、コイル導体を磁性コアの外周面に巻回する工程と、を備える。
本発明の磁性コアの製造方法では、自由な形状及び自由な大きさで高抵抗かつ高磁気特性な磁性コアを得ることができる。そのため、本発明のコイル部品の製造方法では、超高圧プレス成型機及び専用金型等を用いた磁性コアの成型工程が不要となる。それゆえ、本発明のコイル部品の製造方法では、短時間かつ低コストにコイル部品を作製することができる。
図２は、本発明の一実施形態によって製造した、コイル部品を模式的に示す図である。
コイル部品１０では、本発明の磁性コアの製造方法によって作製した磁性コア１１に、コイル導体１２が巻回されている。
図２において、磁性コア１１はリング状である。磁性コア１１の形状は特に限定されず、例えば、棒状、円筒状又は直方体状等であってもよい。
図２において、磁性コア１１には２つのコイル導体１２が巻回されている。磁性コア１１には１つ以上のコイル導体１２が巻回されていればよい。また、磁性コア１１へのコイル導体１２の巻回数は特に限定されない。
以下、本発明の磁性コアの製造方法をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
＜実施例１＞
下記の表１に示す、軟磁性金属粉末、凝集阻害剤及び絶縁材料を混合して原料粉末を作製した。
下記の表１に示す、軟磁性金属粉末、凝集阻害剤及び絶縁材料を混合して原料粉末を作製した。
凝集阻害剤として用いたフュームドシリカは、凝集阻害粒子であり、原料粉末の体積量に対して、０．２体積％となるように添加した。
絶縁材料として用いた溶融シリカは、原料粉末の体積量に対して、１．３体積％となるように添加した。
また、絶縁材料としてリン酸系ガラスを用いる場合は、軟磁性金属粉末の表面に厚さが約１５ｎｍのリン酸系ガラスの絶縁層を設けた。
作製した原料粉末をＤＥＤ方式の金属３ＤプリンターＬＡＭＤＡ２００［日本電産マシンツール（株）製］のフィーダ（粉末供給槽）に投入した。窒素ガスフロー雰囲気下で、レーザー照射を用いて原料粉末を溶融させた後に凝固させることによって、ＳＵＳ鋼板上にリング状の磁性コアを造形した。リング状の磁性コアの外径は１６ｍｍ、リング状の磁性コアの内径は１０ｍｍとした。
レーザー照射は初期レーザー出力が２００Ｗ以上、１２００Ｗ以下、走査速度が８００ｍｍ／ｍｉｎ、スポット径が２ｍｍの条件で行った。
上記磁性コアの製造過程での、原料粉末の流動性を評価した。評価基準は以下の通りである。
〇（良）：金属３Ｄプリンターのフィーダにおいて、原料粉末の凝集が目視で確認されなかった。
×（不良）：金属３Ｄプリンターのフィーダにおいて、原料粉末の凝集が目視で確認された。
〇（良）：金属３Ｄプリンターのフィーダにおいて、原料粉末の凝集が目視で確認されなかった。
×（不良）：金属３Ｄプリンターのフィーダにおいて、原料粉末の凝集が目視で確認された。
原料粉末が凝集阻害剤を含まない比較例１－１～比較例１－３では、フィーダにおいて、原料粉末の凝集が目視で確認された。比較例１－１～比較例１－３では、磁性コアの製造過程で、フィーダにおいて原料粉末の詰まりが発生したため、磁性コアを作製することが不可能であった。
原料粉末が凝集阻害剤を含む実施例１－１～実施例１－４では、フィーダにおいて、原料粉末の凝集が確認されなかった。実施例１－１～実施例１－４では、金属粉末の供給システムにおいて軟磁性金属粉末の流動性が低下することが抑制されたため、所望の形状の磁性コアを作製することができた。
実施例１－１により作製したリング状の磁性コアを放電加工によって、ＳＵＳ鋼板から切断した。取り出したリング状の磁性コアの内部を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察した。
図３は、実施例１－１により作製した磁性コアの内部を確認したＳＥＭ画像である。
図３のＳＥＭ画像では、作製された磁性コアの内部において、数十μｍ程度の比較的小さな粒子径の金属粒子が確認された。なお、本発明では、レーザー照射又は電子ビーム掃引の出力及び走査速度等の条件を調整することで、作製された磁性コアの内部での金属粒子の粒子径を制御することができる。
＜実施例２＞
原料粉末の組成を表２のように変更した以外は、実施例１と同じ条件で、リング状の磁性コアを作製した。
原料粉末の組成を表２のように変更した以外は、実施例１と同じ条件で、リング状の磁性コアを作製した。
実施例１と同様に、磁性コアの製造過程における、原料粉末の流動性を評価した。
軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤の合計量に対する、凝集阻害剤の添加量が、０．１体積％以上、１．０体積％以下である実施例２－１～実施例２－５では、フィーダにおいて、原料粉末の凝集が確認されなかった。実施例２－１～実施例２－５では、金属粉末の供給システムにおいて軟磁性金属粉末の流動性が低下することが抑制されたため、所望の形状の磁性コアを作製することができた。
＜実施例３＞
原料粉末の組成を表３のように変更した以外は、実施例１と同じ条件で、リング状の磁性コアを作製した。なお、用いた溶融シリカ粉末としては、Ｄ５０径が０．５９μｍの溶融シリカ粉末を用いた。
原料粉末の組成を表３のように変更した以外は、実施例１と同じ条件で、リング状の磁性コアを作製した。なお、用いた溶融シリカ粉末としては、Ｄ５０径が０．５９μｍの溶融シリカ粉末を用いた。
実施例１と同様に、磁性コアの製造過程における、原料粉末の流動性を評価した。
軟磁性金属粉末、凝集阻害剤及び絶縁材料の合計量に対する、絶縁材料の添加量が、１．３体積％又は５．０体積％である実施例３－１～実施例３－４では、フィーダにおいて、原料粉末の凝集が確認されなかった。実施例３－１～実施例３－４では、金属粉末の供給システムにおいて軟磁性金属粉末の流動性が低下することが抑制されたため、所望の形状の磁性コアを作製することができた。また、軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤の合計量に対する、凝集阻害剤の添加量が、０．１体積％以上、１．０体積％以下である実施例３－１～実施例３－４では、金属粉末の供給システムにおいて軟磁性金属粉末の流動性が低下することが抑制されている。
次に、凝集阻害剤の必要量について具体例を挙げて検討する。例えば、軟磁性金属粉末よりも比表面積の大きな溶融シリカを含有する例として、本実施例で用いた軟磁性金属粉末及び溶融シリカの合計量に対して軟磁性金属粉末を９５体積％含有し、かつ、溶融シリカを５体積％含有する原料粉末について考える。この場合、軟磁性金属粉末及び溶融シリカの合計の比表面積は０．１２ｍ２／ｇと換算することができる。当該原料粉末においては、軟磁性金属粉末及びフュームドシリカの合計量に対してフュームドシリカを０．５体積％（比表面積０．２９ｍ２／ｇ）含有することで、フュームドシリカが軟磁性金属粉末の表面を覆うことができる。ここで、フュームドシリカの表面積が軟磁性金属粉末及び溶融シリカの比表面積に相当する程度あれば、軟磁性金属粉末の流動性の低下を抑制できるのではないかと考えられる。以上より、軟磁性金属粉末及びフュームドシリカの合計量に対してフュームドシリカが０．５体積％程度まで含有されていれば、それ以上含有されていなくても、軟磁性金属粉末の流動性の低下を抑制する効果が充分に期待できると考えられる。
１ 軟磁性金属粉末
２ 凝集阻害粒子
１０ コイル部品
１１ 磁性コア
１２ コイル導体
２ 凝集阻害粒子
１０ コイル部品
１１ 磁性コア
１２ コイル導体
Claims (13)
- 軟磁性金属粉末及び凝集阻害剤を含む原料粉末を、レーザー照射又は電子ビーム掃引を用いて溶融させた後に凝固させることによって、三次元の複合磁性体を造形する工程を備えることを特徴とする磁性コアの製造方法。
- 前記凝集阻害剤は、前記軟磁性金属粉末よりも小さい平均一次粒子径を有する凝集阻害粒子である、請求項１に記載の磁性コアの製造方法。
- 前記凝集阻害剤は、絶縁性の無機酸化物からなる、請求項１又は２に記載の磁性コアの製造方法。
- 前記凝集阻害粒子は、平均一次粒子径が５ｎｍ以上、４０ｎｍ以下のシリカ粒子である、請求項２に記載の磁性コアの製造方法。
- 前記軟磁性金属粉末及び前記凝集阻害剤の合計量に対する、前記凝集阻害剤の添加量は、０．１体積％以上、１．０体積％以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の磁性コアの製造方法。
- 前記原料粉末において、前記軟磁性金属粉末の表面の少なくとも一部が前記凝集阻害剤で覆われている、請求項１～５のいずれか１項に記載の磁性コアの製造方法。
- 前記軟磁性金属粉末は、
Ｆｅ－Ｓｉ系金属粉末、Ｆｅ－Ｎｉ系金属粉末、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系金属粉末、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系金属粉末、カーボニル鉄粉末、Ｆｅ－Ｃｏ系金属粉末及びＦｅ－Ｃｏ－Ｖ系金属粉末からなる群より選択される少なくとも１種の結晶性金属粉末、又は、
Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｃｒ系アモルファス合金粉末及びＦｅ－Ｂ－Ｓｉ系アモルファス合金粉末からなる群より選択される少なくとも１種のアモルファス金属粉末、又は、
前記結晶性金属粉末及び前記アモルファス金属粉末の２種類以上を含む混合金属粉末である、請求項１～６のいずれか１項に記載の磁性コアの製造方法。 - 前記原料粉末は、絶縁材料をさらに含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の磁性コアの製造方法。
- 前記絶縁材料を含む絶縁層が前記軟磁性金属粉末の表面に設けられている、請求項８に記載の磁性コアの製造方法。
- 前記絶縁材料は、二酸化ケイ素を母材とするセラミック粉末である、請求項８に記載の磁性コアの製造方法。
- 前記軟磁性金属粉末、前記凝集阻害剤及び前記絶縁材料の合計量に対する、前記絶縁材料の添加量は、１．０体積％以上、３０．０体積％以下である、請求項８～１０のいずれか１項に記載の磁性コアの製造方法。
- 前記複合磁性体を造形する工程では、リング状の前記複合磁性体を造形する、請求項１～１１のいずれか１項に記載の磁性コアの製造方法。
- 請求項１～１２のいずれか１項に記載の製造方法により磁性コアを作製する工程と、
コイル導体を前記磁性コアの外周面に巻回する工程と、を備えることを特徴とするコイル部品の製造方法。
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-
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