(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属磁性粉末と絶縁性結着材とを混合して混合粉を作製するステップと、
前記混合粉を加圧成形して成形体を作製するステップと、
前記成形体を８０℃以上４００℃以下の酸化雰囲気下で熱処理して前記成形体の表面に錆の発生を防止する酸化皮膜を形成するステップと、
前記酸化皮膜が形成された前記成形体を６００℃以上９００℃以下の窒素ガス雰囲気下で熱処理を施すステップと、を含み、
前記金属磁性粉末がＳｉ、Ｆｅ、成分Ａからなり、組成が重量％で、５．５％≦Ｓｉ≦９．５％、１０％≦Ｓｉ＋成分Ａ≦１３．５％、残部がＦｅであり、成分Ａは、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇの内の少なくとも一つからなり、
前記金属磁性粉末の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下である複合磁性体の製造方法。
【請求項２】
前記複合磁性体の飽和磁束密度が、０．９Ｔ以上であることを特徴とする請求項１記載の複合磁性体の製造方法。
【請求項３】
前記成分ＡはＡｌである請求項１記載の複合磁性体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子機器のインダクタ、チョークコイル、トランスその他に用いられる複合磁性体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気・電子機器の小型・高周波数化が進んでいる。それらに用いられる重要な電子部品の一つであるインダクタンス部品において、小型で高効率の磁性素子を実現できる高性能な磁性体が必要とされている。そこで、高周波領域で用いられるチョークコイルなどにはフェライト磁芯や圧粉磁芯が磁性体として使用されている。これらのうち、比較的安価な金属酸化物で構成されるフェライト磁芯の飽和磁束密度は小さい。金属磁性粉末を成形して作製される圧粉磁芯はフェライト磁芯に比べて著しく大きい飽和磁束密度を有している。しかし、圧粉磁芯はコア損失が大きい。コア損失はヒステリシス損失と渦電流損失を含む。渦電流損失は、周波数の二乗と渦電流が流れるサイズの二乗に比例して増大する。渦電流の発生を抑制するために、金属磁性粉末表面を電気絶縁性樹脂等で被覆することが知られている。一方、ヒステリシス損失は、圧粉磁芯を数ｔｏｎ／ｃｍ２以上圧力で成形することにより増大する。これは、圧粉磁芯の磁性体としての歪みが増大するとともに比透磁率が低下するためである。ヒステリシス損失の増大を防ぐために、例えば特許文献１に記載されているように、圧粉磁芯の成形後に熱アニール処理を行うことが知られている。【０００３】
一般的に、軟磁性合金粉末は鉄（Ｆｅ）成分が多いほど高飽和磁束密度を有していることから直流重畳特性に有利である。一方で、Ｆｅ成分が多いほど、高温多湿時に錆が発生する。磁性素子として回路基板上に実装された時にその錆が基板上へ落下することにより回路動作不良が発生するおそれがある。【０００４】
そこで、金属磁性粉末の表面を有機電気絶縁材や無機電気絶縁材などで被覆することが行われている。しかし、圧粉磁芯の加圧成形時において、金型から成形体を離型する際に、金型面と接触する成形体の側面の絶縁材が剥がれやすい。そのため、最終製品においてその絶縁材が剥がれた箇所での錆が顕著に発生する。また、成形体の形状が異形状でサイズが大型な程、例えばＥ型異形状で１５ｍｍ２以上の成形体においては、金型から成形体を離型する時に、小型の成形体に比べ、長時間、抜き圧が局部的に集中する。そのために、金型と接する成形体側面の金属磁性粉末の表面の絶縁層が、より剥れ易くなり、錆が発生しやすくなる。【０００５】
これに対し、磁性合金として耐食性効果があるＣｒを添加することが、例えば特許文献２に記載されている。しかし、６００℃以上で熱処理を施す低損失磁性体の場合、原因は定かではないが、磁気特性が著しく低下する。【０００６】
このように、耐食性と軟磁気特性を両立することが困難である。そのために最終製品のコア部を樹脂等で保護コーティング、あるいは保護ケースに充填する等の対策がとられているが小型化、コストの面で不利であるばかりか、信頼性も不充分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−３４２７１４号公報
【特許文献２】特開２００３−１６０８４７号公報
【発明の概要】
【０００９】
また、本発明の複合磁性体の製造方法は、金属磁性粉末と絶縁性結着材とを混合して混合粉を作製するステップと、混合粉を加圧成形して成形体を作製するステップと、成形体を８０℃以上４００℃以下の酸化雰囲気下で熱処理して成形体の表面に錆の発生を防止する酸化皮膜を形成するステップと、酸化皮膜が形成された成形体を６００℃以上９００℃以下の窒素ガス雰囲気下で熱処理を施すステップとを有する。金属磁性粉末はＳｉ、Ｆｅ、成分Ａからなり、重量％で、５．５％≦Ｓｉ≦９．５％、１０％≦Ｓｉ＋成分Ａ≦１３．５％、残部はＦｅである。成分Ａは、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇの内少なくとも一つからなる。金属磁性粉末の平均粒径は１μｍ以上１００μｍ以下である。
【００１０】
よって金属磁性粉末のような鉄（Ｆｅ）成分が多く錆が発生し易い組成においても、優れた直流重畳特性と耐食性を備えた複合磁性体及びその製造方法を実現できる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態における複合磁性体の製造法の一例について説明する。複合磁性体の製造方法は、金属磁性粉末と絶縁性結着材とを混合して混合粉を得るステップと、混合粉を加圧成形して成形体を得るステップと、成形体を８０℃以上４００℃以下の酸化雰囲気下で熱処理して前記成形体の表面に酸化皮膜を形成するステップとを有する。
【００１２】
用いる金属磁性粉末は、Ｓｉ、Ｆｅ、成分Ａからなり、特に重量％で、５．５％≦Ｓｉ≦９．５％、１０％≦Ｓｉ＋成分Ａ≦１３．５％、残部はＦｅである。成分Ａは、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇの内の少なくとも一つからなる。
【００１３】
本実施の形態の複合磁性体を製造する際には、まず金属磁性粉末と絶縁性結着材とを混合し、トルエン等の溶媒とともに混練する。この際、必要に応じて絶縁助剤等をくわえても良い。ここで絶縁性結着材は金属磁性粉末の表面を覆う構成となり、高温で熱処理後も酸化物として残存するため絶縁材として残り、加圧成形、熱処理後も金属磁性粉末が外気と接触することにより発生する、錆を防止する役割を担うものである。
【００１４】
また、成分Ａとして、少なくともＡｌを含むことが好ましく、より好ましくはＡｌから成ることが好ましい。金属磁性粉末としてＡｌを含むことで、他元素と比較して磁気特性を損なわず安定な酸化皮膜を形成し易い。また、用いる金属磁性粉末の平均粒径は１μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。上記範囲の平均粒径の金属磁性粉末を用いることで渦電流を低減でき、高周波領域で優れた磁気特性を示す複合磁性体が得られる。平均粒径が１μｍより小さい場合、成形体の成形密度が低くなり、比透磁率が低下する。一方、平均粒径が１００μｍより大きくなると高周波領域での渦電流損失が大きくなる。より好ましくは平均粒径が５０μｍ以下であることが良い。これにより、さらに優れた磁気特性の複合磁性体が得られる。
【００１５】
絶縁性結着材としては、シラン系、チタン系、クロム系、アルミニウム系カップリング剤、シリコーン樹脂等を用いるのが好ましい。これらの材料は、高温で熱処理後も酸化物として残存するため絶縁材としての効果が高い。なお、さらに助剤としてエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂、フェノール樹脂等を添加することも可能である。
【００１６】
また金属磁性粉末には、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム等各種酸化物や、窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム等各種窒化物、タルク、雲母、カオリン等各種鉱物をさらに添加することも可能である。これらを添加することで、絶縁性がさらに向上する。但し、これらの材料は１５ｖｏｌ％程度の含有率までであることが好ましい。
【００１７】
次に、金属磁性粉末と絶縁性結着材とを混合して得られた混合粉を、所定の金型に充填し、加圧成形して成形体を形成する。加圧成形時の圧力は、５〜１５ｔｏｎ／ｃｍ２程度であることが好ましい。この加圧後の離型時に成形体と金型が擦れ、成形体表面に金属磁性粉末が露出してしまいそこから錆が発生してしまうことが問題となる。
【００１８】
そこで次に、成形後に酸化雰囲気下での酸化処理を施すことにより、成形体の表面に安定した酸化皮膜を形成することができ、軟磁性合金粉末のＦｅ成分が多く含まれ錆が発生し易い組成の金属磁性粉末を用いた複合磁性体においても、錆の発生及び脱落を抑えることができる。酸化雰囲気での熱処理の温度条件としては、８０℃以上４００℃以下が好ましい。４００℃より高い温度での酸化処理は、酸素等の拡散が金属磁性粉の磁気特性を劣化させるため、好ましくない。また、８０℃よりも低い温度で酸化処理を行うと、酸化皮膜の形成が十分にされず好ましくない。また、ここで酸化雰囲気とは、大気雰囲気下のことを指す。ただし、必ずしも大気雰囲気下である必要はなく、酸素濃度が酸化処理温度における成分Ａの平衡酸素濃度以上であれば良い。特に、酸素濃度が０．１ａｔｍ％以上であることが好ましい。このような雰囲気で酸化処理することで、成形体の表面により安定的に酸化皮膜を形成できる。また、酸化処理の時間は、温度条件にもよるが３０分以上であることが好ましい。
【００１９】
次に、酸化皮膜が形成された成形体を、非酸化雰囲気下で熱処理する。熱処理温度は６００℃以上９００℃以下であることが好ましい。また、非酸化雰囲気下とは、例えば窒素等の不活性ガス雰囲気であることが好ましい。これにより、成形体にできた歪みを除去することができる。また、熱処理の時間は、温度条件にもよるが３０分以上であることが好ましい。
【００２０】
なお、酸化皮膜を形成するステップの後に、成形体の全体を含浸、モールド等の方法で樹脂等で覆うのがより好ましい。酸化皮膜と樹脂層とが併せて形成されることでより高い耐食性が得られる。
【００２１】
また、酸化雰囲気下で熱処理する形成ステップは、加圧成形ステップの後に行えば良く、非酸化雰囲気下での熱処理ステップの前後は特に選ばない。
【００２２】
また、複合磁性体の飽和磁束密度が、０．９Ｔ以上であることが好ましい。このような性質を有する複合磁性体とすることで優れた直流重畳特性を示す。
【００２３】
また、酸化雰囲気下で熱処理するステップにおいて形成される酸化皮膜の厚みは、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。加圧成形時に金型から成形体を離型する際に、金型面と接触する成形体の側面の絶縁材が剥がれても、熱処理で形成された酸化皮膜の厚みが、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であれば、磁気特性を損なうことなく、耐食性にも優れた複合磁性体が得られる。
【００２４】
以下、具体的な実施例にて本実施の形態の複合磁性体の製造方法を説明する。
【実施例１】
【００２５】
本実施例では、異なる組成の金属磁性粉末を用いた複合磁性体を複数作製する。【００２６】
まず、（表１）に示すサンプルＮｏ．１−６１に記載の各種金属磁性粉末を準備する。準備した金属磁性粉末１００重量部に対し、絶縁性結着材としてシリコーン樹脂を０．５重量部、結合助剤としてブチラール樹脂を１．０重量部添加した後、トルエンを少量加え混合・混練する。その後、ふるいに通して整粒し混合粉を形成する。得られた混合粉を所定の金型に充填し１２ｔｏｎ／ｃｍ2で加圧成形し成形体を形成する。得られた成形体を大気雰囲気下、３４０℃、６０分で熱処理を行い、成形体表面に酸化皮膜を形成する。その後、窒素雰囲気下にて、７８０℃、３０分の熱処理を行う。なお、外径１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ２ｍｍ程度のトロイダルコア形状の成形体と、一辺１５ｍｍ、高さ５ｍｍ程度のＥ型形状コア形状の成形体とを各サンプルについてそれぞれ作製する。トロイダルコア形状の成形体は、磁気特性測定に用い、Ｅ型形状コアの成形体は耐食性試験に用いる。
【００２７】
作製した各サンプルについて、磁気特性と耐食性とをそれぞれ測定する。磁気特性としては比透磁率とコア損失とを測定する。比透磁率は、ＬＣＲメータを用いて、測定周波数１０ｋＨｚにて測定する。またコア損失は交流ＢＨカーブ測定機を用いて、測定周波数１２０ｋＨｚ、測定磁束密度０．１Ｔで測定する。なお、各測定結果の評価基準は、用途によって若干異なるが、高周波数領域での使用を考えた場合、比透磁率４０以上、コア損失１５００ｋＷ／ｍ３以下が好ましい。【００２８】
また、耐食性は、温度８５℃、湿度８５％の高温高湿条件下で試験時間１０００時間の耐食性試験により測定する。結果は、試験後の成形体の外観を光学顕微鏡及び目視によって検査して評価する。光学顕微鏡及び目視で錆が確認できないものを“最良”、光学顕微鏡では錆が確認できるものの肉眼では錆が確認できないものを“良”、光学顕微鏡および肉眼ともに錆が確認できるものを“不良”とする。回路基板上に実装した状態での耐食性試験において、肉眼で錆が確認できないもの、すなわち“最良”及び“良”のサンプルについては基板上への錆の脱落等はなく、実用上問題がない。【００２９】
各サンプルについての、磁気特性測定及び耐食性試験の結果を（表１Ａ）（表１Ｂ）に示す。【００３０】
【表１Ａ】
0005903665.tif 000002
【００３１】
【表１Ｂ】
0005903665.tif 000003
【００３２】
（表１Ａ）（表１Ｂ）の結果より明らかなように、金属磁性粉末がＳｉ、Ｆｅ、成分Ａからなり、組成が重量％で、５．５％≦Ｓｉ≦９．５％で、１０％≦Ｓｉ＋成分Ａ≦１３．５％、残部はＦｅからなり、成分Ａは、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇの内の一つからなる複合磁性体において、優れた磁気特性と耐食性を示すことが分かる。【００３３】
また、特に、金属磁性粉末の組成が重量％で、５．５％≦Ｓｉ≦７．５％で、１０％≦Ｓｉ＋成分Ａ≦１３．５％、そして残部はＦｅからなり、成分Ａは、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇのうちの少なくとも一つからなる複合磁性体のとき、より高透磁率の優れた磁気特性と耐食性を示している。【００３４】
なお、成分ＡがＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇのうちの二つ以上からなる場合にも、金属磁性粉末全体として１０％≦Ｓｉ＋成分Ａ≦１３．５％の組成範囲内であれば、同様な効果が得られることは、言うまでもない。また、金属磁性粉末には、微量の不純物、あるいは添加物が含まれているが数パーセント以内であれば、同様な効果が得られることも、言うまでもない。
【実施例２】
【００３５】
本実施例においては、成形体形成時の圧力を変化させることで異なる飽和磁束密度を有するサンプルを複数作製する。【００３６】
平均粒径１８μｍ、組成が重量％で５．０％Ｎｉ、７．５％Ｓｉ、残りＦｅからなる金属磁性粉末を準備する。そして、金属磁性粉末１００重量部に対し、絶縁性結着材としてシリコーン樹脂を１．５重量部添加した後、トルエンを少量加え混合・混練する。その後ふるいを通して整粒し、混合粉を作製する。得られた混合粉を所定の金型に充填し、試料Ｎｏ．６２及びＮｏ．６３をそれぞれ５〜１５ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力で加圧成形し、成形体を作製する。得られた成形体を大気雰囲気下、２８０℃、９０分間で酸化処理を行い、成形体の表面に酸化皮膜を形成する。その後、窒素雰囲気下で、８２０℃、３０分の熱処理を行う。このようにして、異なる飽和磁束密度を有する複数のサンプルを作製する。【００３７】
成形体は、外径１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ２ｍｍ程度のトロイダルコア形状に形成する。
【００３８】
それぞれのサンプルについて、比透磁率とコア損失と直流重畳特性と飽和磁束密度を測定する。比透磁率は、ＬＣＲメータを用いて、測定周波数１０ｋＨｚにて測定する。コア損失は交流ＢＨカーブ測定機を用いて、測定周波数１２０ｋＨｚ、測定磁束密度０．１Ｔで測定する。また、直流重畳特性は、ＬＣＲメータで測定周波数１０ｋＨｚで直流磁界が２４００Ａ／ｍ時の比透磁率の変化率を求めることで評価する。飽和磁束密度は、ＶＳＭ（試料振動型磁力計）を用いて、磁界が１.２ＭＡ／ｍ時の値を求める。なお、各測定結果の評価基準は用途によって若干異なるが、高周波数領域での利用を考えると、比透磁率４０以上、コア損失１５００ｋＷ／ｍ３以下、直流重畳特性の変化率は６０％以上であることが好ましい。【００３９】
各サンプルについての、測定結果を（表２）に示す。【００４０】
【表２】
0005903665.tif 000004
【００４１】
（表２）の結果より明らかなように、複合磁性体の飽和磁束密度が、０．９Ｔ以上である時、優れた直流重畳を示す。これは、高飽和磁束密度のため直流重畳をかけられたときに、コアの磁気飽和がしにくいためである。
【実施例３】
【００４２】
本実施例では、酸化雰囲気下の熱処理における熱処理温度及び非酸化雰囲気下での熱処理温度を変化させてサンプルを複数作製する。【００４３】
平均粒径が２５μｍで、組成が重量％で４．５％Ａｌ、６．５％Ｓｉ、残りＦｅからなる金属磁性粉末を準備する。準備した金属磁性粉末１００重量部に対し、絶縁性結着材としてシリコーン樹脂を０．９重量部、結合助剤としてアクリル樹脂を１．０重量部をそれぞれ添加し、トルエンを少量加え混合・混練する。その後、整粒し、混合粉を作製する。得られた混合粉を所定の金型に充填し１０ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力で加圧し成形体を作製する。その後、成形体を（表３）に示す各温度条件に基づき、酸化雰囲気下で酸化処理するステップ、非酸化雰囲気下で熱処理ステップをそれぞれ行う。なお、酸化処理時間は９０分、熱処理時間は３０分とする。なお、磁気特性測定用として、外径１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ２ｍｍ程度のトロイダルコア形状の成形体と、耐食性試験用として一辺１５ｍｍ、高さ５ｍｍ程度のＥ型形状コア形状の成形体とを形成する。
【００４４】
磁気特性測定及び耐食性試験は実施例１と同様の方法で測定し、評価した。各測定結果を（表３）に示す。【００４５】
【表３】
0005903665.tif 000005
【００４６】
（表３）より、酸化雰囲気下において８０℃以上４００℃以下の温度範囲で酸化処理を行い、非酸化雰囲気下において６００℃以上９００℃以下の温度範囲で熱処理を行って製造された複合磁性体のサンプル６５−６７及び７０−７１は、優れた磁気特性と耐食性を示すことが分かる。これは、上記温度範囲で処理を行うことで熱処理のステップにおいては成形時にできた成形体の歪みを取り除くことが出来、また酸化処理のステップにおいては、金属磁性粉末の表面に安定な酸化皮膜を形成できるためである。
【実施例４】
【００４７】
本実施例では、酸化処理における処理時間を変化させてサンプルを複数作製する。【００４８】
平均粒径が２３μｍで、組成が重量％で５．０％Ａｌ、６．５％Ｓｉ、残りＦｅからなる金属磁性粉末を準備する。準備した金属磁性粉末１００重量部に対し、絶縁性結着材としてシリコーン樹脂を１．２重量部添加した後、トルエンを少量加え混合分散を行い、混合粉を作製する。得られた混合粉を所定の金型に充填し１３ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力にて加圧し成形体を作製する。その後、成形体を大気雰囲気下で３８０℃の条件において処理時間を変化させて、酸化処理を行う。さらに窒素雰囲気下で８４０℃、で３０分間の熱処理を行う。成形体は各サンプルについて、磁気特性測定用として、外径１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ２ｍｍ程度のトロイダルコア形状のものを作製し、また、耐食性試験用として一辺１５ｍｍ、高さ５ｍｍ程度のＥ型形状コア形状のものを作製する。
【００４９】
酸化皮膜の厚みは、最終製品のＥ型形状コアの金型面と接触するコア最外面に露出している金属酸化皮膜の厚みを、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）を用いて測定して評価する。それ以外の磁気特性測定及び耐食性試験は実施例１と同様の測定条件で測定する。測定結果を（表４）に示す。【００５０】
【表４】
0005903665.tif 000006
【００５１】
（表４）より、サンプル７５−７６のように金属酸化皮膜の厚みが、３０ｎｍ以上であれば、金属磁性粉末の表面に安定な酸化皮膜が形成されるため複合磁性体は、優れた磁気特性と耐食性を示すことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明にかかる製造方法で作製した複合磁性体は、優れた磁気特性と耐食性を有し、特にトランスコア、チョークコイル等に用いられる磁性体として有用である。