(57)【要約】【課題】  電気特性、磁気特性及び化学特性のバランスの良い複合磁性材料及びそうした磁性材料を用いた電子部品を提供することを目的とする。【解決手段】  平均第１粒径を有する第１粒子と、平均第２粒径を有する第２粒子とを含み、前記平均第１粒径と前記平均第２粒径との比が１／８〜１／３であり、前記第１粒子と前記第２粒子との混合比が、体積比で１０／９０〜２５／７５である、金属磁性材料粉末を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均第１粒径を有する第１粒子と、平均第２粒径を有する第２粒子とを含み、
前記平均第１粒径と前記平均第２粒径との比が１／８〜１／３であり、
前記第１粒子と前記第２粒子との混合比が、体積比で１０／９０〜２５／７５である、金属磁性材料粉末。
【請求項２】
請求項１のいずれかに記載の金属磁性材料粉末と結合材とを含むことを特徴とする、複合磁性材料。
【請求項３】
前記複合磁性材料の金属磁性材料粉末と結合材とを混合した体積に対し、前記金属磁性材料粉末の含有量が６８．５体積％以上８０体積％未満であり、前記結合材の重量が２０体積％以上３１．５体積％以下であることを特徴とする、請求項２に記載の複合磁性材料。
【請求項４】
請求項３に記載の複合磁性材料を用いることを特徴とする、電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属磁性材料粉末、その金属磁性材料粉末を含む複合磁性材料、及びその複合磁性材料を用いた電子部品に関する。より詳細には、平均粒子径の異なる２種類の粒子を含む金属磁性材料粉末、その金属磁性材料粉末を含む複合磁性材料、及びその複合磁性材料を用いた電子部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）その他の電子機器類の、小型化、軽量化、高性能化に対する需要が高くなっている。こうした需要にこたえるためには、スイッチング電源が高周波数に対応できるものでなければならない。そして、スイッチング電源を高周波数に対応できるものとすると、こうした機器類に内蔵されているチョークコイル、インダクタその他の磁性素子もまた、高い駆動周波数に対応できるものとする必要がある。
また、上記の需要に応えるために、成形加工性の良い磁性材料が必要とされており、平均粒径が異なる２種類の粒子を用いた磁性材料が使用されてきた。
【０００３】
特開平５−２９９２３２号公報（特許文献１参照、以下、「従来例１」という。）には、樹脂に混入する磁性粉体として最大粒径が１５０μｍ以下でその粒度分布を平均粒径の大きい磁性粉体（以下、「大粒径磁性粉体」という。）と、この大きな磁性粒体の約１／１０の平均粒径をもつ磁性粉体（以下、「小粒径磁性粉体」という。）とを用いた樹脂成形磁性材が提案されている。ここで、上記２種類の磁性粉体の混合比は、大粒径磁性粉体に対して、小粒径磁性粉体が体積比で３０〜７０％となっている。
【０００４】
こうした粒径の異なる２種類の粒子を含む射出成形用の材料は、特開平６−３２２４０４号公報（特許文献２参照、以下、「従来例２」という。）、特開平２−２９４４０３号公報（特許文献３参照、以下、「従来例３」という。）及び特開平９−３１０１４３号公報（特許文献４参照、以下、「従来例４」という。）でも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２９９２３２号公報
【特許文献２】特開平６−３２２４０４号公報
【特許文献３】特開平２−２９４４０３号公報
【特許文献４】特開平９−３１０１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
磁性粒子を高密度に充填することによって、磁性材料の磁気特性を向上させるためには、粒子の平均粒径の比が10：１となるように２つの粒子を組み合わせることが多い。平均粒径にこの程度の差があれば、大粒径磁性粉体が最密充填されたときに生じる空間に、小粒径磁性粉体が入り込み、理論的には、充填率が高くなることによる。
しかし、大粒径磁性粉体、小粒径磁性粉体ともに、それぞれにある幅の粒度分布を有しており、実際には、大粒径磁性粉体が最密充填されず、期待通りに磁気特性を向上させることは難しい。一方、小粒径磁性粉体／大粒径磁性粉体の混合比は、一般的には、重量比で３０／７０とされている。
【０００７】
従来例１の樹脂成形磁性材は、上述した通り、大粒径磁性粉体の１／１０の平均粒径をもつ小粒径磁性粉体を、体積比で３０〜７０％の割合で混合したものであり、機械的強度が大きく、薄肉で複雑な成形も可能となるという点では優れたものである。しかし、この樹脂成形磁性材の磁気特性（比透磁率μ）が１５未満である。
【０００８】
磁性材料の磁気特性は、例えば、インダクタを製造する場合に、そのインダクタンスに大きく影響する。そして、インダクタの断面積とインダクタンスの高さとは比例関係にあるため、大きさが同じでインダクタンスを向上させるには、磁性材料の充填率を上げる必要がある。
一方で、こうした材料を用いる電子部品においては、磁気特性のみならず、耐食性や耐熱性等の化学特性や物理的特性及び電気特性の面からの要請もあるため、これらのバランスのよい複合磁性材料及びそうした磁性材料を用いた電子部品に対する社会的な要請は高い。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記のような状況の下で完成されたものであり、電気特性、磁気特性及び化学特性のバランスの良い複合磁性材料及びそうした磁性材料を用いた電子部品を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、平均第１粒径を有する第１粒子と、平均第２粒径を有する第２粒子とを含み、前記第１粒子と前記第２粒子との平均粒径の比が１／８〜１／３であり、前記第１粒子と前記第２粒子との混合比が、体積比で１０／９０〜２５／７５である、金属磁性材料粉末である。
【００１０】
ここで、上記磁性材料粉末では、前記平均第１粒径と前記平均第２粒径との差が、前記平均第１粒径の標準偏差及び前記平均第２粒径の標準偏差よりも大きいことが好ましい。また、前記平均粒径の比が、１／６〜１／３であることが好ましく、前記混合比が、体積比で１５／８５〜２０／８０であることが好ましい。
【００１１】
本発明はまた上記磁性材料と結合材とを含むことを特徴とする、複合磁性材料である。ここで、前記結合材は、熱可塑性樹脂であることが好ましく、前記熱可塑性樹脂は、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアミド樹脂及び芳香族ポリエステル樹脂からなる群から選ばれるいずれかの樹脂であることが好ましい。
【００１２】
また、前記芳香族ポリエステル樹脂は、溶融液晶性全芳香性ポリエステル、又は溶融液晶性半芳香性ポリエステル樹脂であることが、さらに好ましい。
ここで、前記複合磁性材料中の磁性材料粉末の体積と結合材の体積とを合計した体積（以下、「複合磁性粉末の総体積」という。）に対して、前記磁性材料粉末の含有量が６８．５〜８０体積％であり、前記結合材の含有量が２０〜３１．５体積％であることが好ましい。
結合材として、こうした樹脂を使用することにより、耐熱性に優れた複合磁性材料を製造することができる。
本発明はさらにまた、前記複合磁性材料を用いることを特徴とする、電子部品である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、上述した各特性のバランスが良く、優れた磁気特性と成形性とを有する金属磁性材料粉末及び複合磁性材料を製造することができる。また、この複合磁性材料を使用することによって、高い比透磁率を持ち、複雑な形状でありながら高性能な電子部品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の複合磁性材料の断面図を表わす模式図である。
【図２】図２は、本発明の複合磁性材料を用いて作成した試験片の機械的強度を測定するときの測定装置の一部を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明は、平均第１粒径を有する第１粒子と、平均第２粒径を有する第２粒子とを含み、前記第１粒子と前記第２粒子との平均粒径（以下、「Ｄ50」という」）の比が１／８〜１／３であり、前記第１粒子と前記第２粒子との混合比が、体積比で１０／９０〜２５／７５である、金属磁性材料粉末である。
ここで、上記平均粒径の比が１／８〜１／３の範囲にある２種類の粒子を、体積比で１０／９０〜２５／７５の範囲で混合することにより、粒子の充填率が、従来例と比べて、約1.5倍程度高くなる。
【００１６】
また、前記平均粒径の比が１／６〜１／３である２種類の粒子を使用することが、さらに好ましい。上記のような比となる平均粒径を有する２種類の粒子を使用すると、第１粒子が第２粒子によって形成された隙間に効率良く充填されるため、粒子の充填率がさらに高くなることによる（図1参照）。
さらに、上記２種類の粒子は、体積比で１０／９０〜２５／７５となるように混合すると、１６以上という高い比透磁率を有する磁性材料粉末を得ることができる。
【００１７】
ここで、各粒子の体積（粉末体積：Ｖｍ）は、適当に選択した各粒子粉体の重量（Ｐｗ１）を測定し、この値を真密度（ρ１）で除して各粒子粉末の体積を算出する。
Ｖｍ＝Ｐｗ１／ρ１        （１）
ここで、式（１）中、ρ１は各合金の真密度として文献に記載されている値である。
また、樹脂体積（Ｖｐ）は、樹脂の重量（Ｐｗ２）を樹脂の密度（ρ２）で除して求めることができる。
Ｖｐ＝Ｐｗ２／ρ２          （２）
上記式（１）及び（２）より、複合磁性材料の粉末体積比（ｒ）は、下記式（３）の通りとなる。
ｒ＝Ｖｍ／（Ｖｍ＋Ｖｐ）      （３）
【００１８】
ここで、上記第１粒子及び第２粒子は、合金粉末であってもよく、単一成分からなる金属粉末であってもよい。これらが合金粉末である場合には、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ系等の合金粉末を使用することができる。こうした合金としては、具体的には、Ｆｅ−４．５Ｓｉ−３．５Ｃｒ、Ｆｅ−５．７Ａｌ−１０Ｓｉ、Ｆｅ−７８．５Ｎｉ等を挙げることができる。こうした合金は、結晶性のものばかりでなく、アモルファスを使用することもできる。
【００１９】
また、単一成分からなる金属粉末である場合には、純鉄粉を使用することができる。さらに、第１粒子及び第２粒子として、同一の金属粉末又は合金粉末を使用することもでき、異なる金属粉末又は合金粉末を使用することもできる。さらに、Ｄ50が第１粒子の平均粒径よりも小さいか、または第２粒子の平均粒径よりも大きい粒子を微量添加することもできる。
【００２０】
例えば、第１粒子及び第２粒子として、上述した平均粒径を有するＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系の合金粉末を使用するか、また、第２粒子としてＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系の合金粉末に代えて純Ｆｅ粉末を使用することが、複合磁性材料の比透磁率を１６以上にすることができる点で好ましい。
上記の金属粉末は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法等、所望の方法によって製造することができ、得られた粉末を篩振とう機、風力分級装置等を用いて分級し、これらを金属磁性材料粉末として使用してもよく、又は、市販品を適宜使用してもよい。
【００２１】
なお、本発明の金属磁性材料粉末の製造に使用する粒子の平均第２粒径は、特に限定されない。平均第２粒径が約１２５μｍである場合、平均第１粒径は約１５．６〜約４１．７μｍの範囲にあればよいことになる。
また、平均第１粒径が約１２．５μｍの第１粒子と、上記平均第１粒径の１／８〜１／３の平均第２粒径を有する第２粒子とを、１０／９０〜７５／２５で混合すると、比透磁率が１６以上となる複合磁性材料を得ることができる。
【００２２】
本発明はまた、上述した金属磁性材料粉末と結合材とを含む、複合磁性材料である。上記結合材は、熱可塑性樹脂であることが、一般的に成形時の流動性が良好であることから好ましい。ここで結合材として使用する前記熱可塑性樹脂としては、ポリアセタール樹脂（以下、「ＰＯＭ」ということがある。）、ポリフェニレンスルフィド樹脂（以下、「ＰＰＳ」ということがある。）、ポリアミド樹脂（以下、「ＰＡ」ということがある。）、芳香族ポリエステル樹脂、塩素化ポリエチレン樹脂（以下、「ＣＰＥ」ということがある。）、ポリカーボネート樹脂（以下、「ＰＣ」ということがある。）、ポリエチレンスルフォン樹脂（以下、「ＰＥＳ」ということがある。）、ポリフェニレンエーテル樹脂（以下、「ＰＰＥ」ということがある。）、ポリイミド樹脂（以下、「ＰＩ」ということがある。）等を挙げることができ、これらの中でも、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアミド樹脂及び芳香族ポリエステル樹脂からなる群から選ばれる樹脂であることが、金属磁性材料粉末の充填密度を上げるうえで好適である。
【００２３】
ＰＯＭは、組成によってホモポリマーとコポリマーとに分けられるが、いずれの樹脂を使用してもよい。また、ＰＡはナイロンと総称されるが、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１等を使用することができる。
上記芳香族ポリエステル樹脂は、溶融液晶性全芳香性ポリエステル又は溶融液晶性半芳香性ポリエステル（以下、まとめて「ＬＣＰ」という。）であることが、耐熱性という面から好ましい。特に、射出成形を行う際の流動性が良であることから、分子量の低い半芳香族ポリエステル樹脂を使用することが好ましい。
【００２４】
本発明の複合磁性材料は、その複合磁性材料の総体積に対して、上述した金属磁性材料粉末を６８．５体積％以上８０％未満含有するものであることが好ましく、６８．５体積％以上７５体積％未満含有するものであることがさらに好ましい。上述した金属磁性材料粉末の含有量が７５体積％以上となると、充填性が悪くなり、コアの一部が欠けるといった問題が生じる。そして、８０体積％以上になると、複合磁性材料の流動性が極度に低下して、成形ができなくなることによる。
【００２５】
上記複合磁性材料は、熱ロール、二軸混練機その他の加熱混合が可能な各種の装置を用いて、上述した金属磁性材料粉末と結合材とを混合し、製造することができる。こうして得られた複合磁性材料を、押し出し成形、射出成形その他の所望の成形方法を用いて、所望の形状に成形することができる。上述した複合磁性材料は、こうした各種の成形方法の中でも、量産性に優れることから射出成形に適している。
なお、上述した複合磁性材料を射出成形に使用する場合には、上記複合磁性材料に含まれる金属磁性材料粉末の粒子形状は球状に近いものであることが、射出成形における流動性の面から好ましい。
【００２６】
本発明はまた、上述したような特性を有する複合磁性材料を使用した電子部品である。こうした電子部品としては、インダクタ、トランス、リアクトル等を挙げることができる。
これらの中でも、インダクタを製造した場合には、比透磁率が高いことから、銅損が小さい、高品質の製品とすることができる。
以下に、本発明の複合磁性材料及び電子部品の製造を、下記表１に示す組成の複合磁性材料を使用した場合を例に挙げて説明する。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
上記表１に示す組成を有する合金粉末及び純鉄の粉末を、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法その他所望の方法によって製造し、Ｄ50＝約１〜約４０μｍの第１粒子用の粒子と、Ｄ50＝約１０〜約１２５μｍの第２粒子用の粒子とを得る。得られた第１粒子用粉末及び第２粒子用粉末を、篩振とう機や風力分級機を用いて分級し、所望の平均粒度（Ｄ50）を有する第１粒子及び第２粒子とする。例えば、第１粒子のＤ50を１．２５μｍ、第２粒子のＤ50を１２．５μｍとすることができる。
また、長径／短径の比は、例えば、走査型電子顕微鏡を用いて所定の視野内にある粉末粒子の形状を観察し、測定して求める。
【００２９】
次いで、表１に示す組成の第１粒子と第２粒子と熱可塑性樹脂とを、表１に示す割合でＶ型混合機を用いて２０〜４５分間混合し、次いで、２軸押し出し機を用いて、バレル温度約２８０〜３５０℃、スクリュー回転数１５０〜２５０ｒｐｍで混合し、本発明の複合磁性粉末を得る。
【００３０】
次に、この複合磁性粉末を、射出成形法を用いて、例えば、シリンダー温度２８０〜３５０℃、射出圧０．８〜１．２ｔｏｎ／ｃｍ２の条件で成形し、所望の形状の磁性素子や電子部品、例えば、トロイダルコアや板状コア、ポットコアを製造することができる。
以上のようにして、本発明の金属磁性材料粉末、この金属磁性材料粉末を含む複合磁性材料及びこの複合磁性材料を用いた電子部品を製造することができる。
【００３１】
以下に、実施例を用いて、さらに詳細に本発明を説明するが、本発明は何ら以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３２】
１．金属粒子の造粒
（１）第１粒子の造粒
市販のFe-4.5Si-3.5Cr合金を用い、第１粒子として、Ｄ50が1.25μｍ、1.57μｍ、2.08μｍ、3.12μｍ、4.17μｍ及び6.25μｍの６種類を造粒した。
（２）第２粒子の造粒
市販のFe-4.5Si-3.5Cr合金又は純鉄を用いて、第２粒子を造粒し分級した。分級後、レーザー回折式粒度分布計を用いて粒度分布を測定したところ、第２粒子のＤ50は12.5μｍ、標準偏差σは13.5μｍであった。
【実施例２】
【００３３】
２．金属磁性材料粉末の製造
（１）結合材の含有量の検討
上記実施例１で製造した金属磁性材料粉末のうち、第２粒子（Ｄ50＝12.5μｍ）／第１粒子（Ｄ50＝3.12μｍ）を80/20の割合で含有する金属磁性材料とナイロン66（結合材）とを、Ｖ型混合機を用いて30分間、表２に示す割合で混合し、次いで、２軸押し出し機用いて、バレル温度約300〜320℃、スクリュー回転数200rpmで混練し、複合磁性材料を製造した。
この複合磁性材料を用いて、トロイダルコア金型(φ25-φ17-5mmt)の試験片を製造し、インピーダンスアナライザHP4294A にて、ｆ=100KHz、OSC 500mVの条件で比透磁率を測定した。結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】
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*1：16.5以上をA、16.0以上16.5未満をB、16.0未満をCとした。
N.T.:試験せず
【００３５】
以上より、その複合磁性材料の総体積に対する金属磁性材料の含有量が68.5体積％以上であれば、比透磁率は16.0以上を示した。このため、比較例及び本発明例の試験片は、金属磁性材料粉末の含有量を68.5体積％、結合材の含有量を31.5体積％として作成した。
【００３６】
（２）同種の第１粒子と第２粒子との混合比の検討
上記１．で製造した第１粒子及び第２粒子（いずれもFe-Si-Cr系の合金粒子）及びナイロンを、下記表３に示す割合に調整し、Ｖ型混合機を用いて30分間、混合し、次いで、２軸押し出し機用いて、バレル温度約300〜320℃、スクリュー回転数200rpmで混練し、複合磁性材料を製造した。
【００３７】
これらの複合磁性材料を用いて、上記２．（１）と同様にして試験片を作成し、比透磁率を測定した。結果を表３に示す。
【００３８】
【表３】
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*1：第２粒子／第１粒子の比    *2： （  ）内は第２粒子の粒径（μm）
【００３９】
表３に示すように、第１粒子と第２粒子との混合比が90/10〜75/25かつこれらの平均粒径比が１／４の試験片で、比透磁率が16.0以上となった。また、これらの中でも、混合比が85/15〜80/20かつ平均粒径比が１／６〜１／３の試験片で、比透磁率が16.5以上と非常に高くなっていた。
【００４０】
（３）異種の第１粒子及び第２粒子との混合比の検討
第１粒子として、上記１．で製造した純鉄粒子（Ｄ50＝3.12μｍ）を使用した点を除き、上記２．（２）と同様にして、複合磁性材料を製造した。
この複合磁性材料を用いて上記２．（１）と同様にして試験片を作成し、比透磁率を測定した。結果を表４に示す。
【００４１】
【表４】
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【００４２】
以上より、第１粒子と第２粒子とが同種の粒子の場合のみならず、異種の粒子同士の場合であっても、平均粒径比が１/８〜１/３の範囲にある場合には、高い比透磁率を有する複合磁性材料を製造できることが示された。また、第１粒子は、合金粒子に代えて純鉄粒子を使用できることも示された。
【実施例３】
【００４３】
３．第１粒子の粒径変更と比透磁率との関係の検討
第２粒子の平均粒径を下記表５に示すように変化させ、第１粒子との平均粒径比が１／４となるように混合した点を除いて、上記２．と同様にして複合磁性材料及び試験片を作成し、比透磁率を測定した。結果を表５に示す。
【００４４】
【表５】
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【００４５】
以上より、第１粒子の粒径が１．で造粒した粒子の10倍程度に大きくなっても、第１粒子の平均粒径と第２粒子の平均粒径との比が、一定の範囲内にある場合には、高い比透磁率が得られることが示された。
【実施例４】
【００４６】
４．機械的特性の検討
上記２．（１）で製造した複合磁性材料（本発明例14）を使用し、大きさ10ｍｍ×10ｍｍ、厚み0.5ｍｍの板状コアを、上記と同様の条件で作製した。比較のために、純Fe系の圧粉磁心、及びNi-Znフェライトを用いて、同様の条件の下で、同様の大きさの板状コアを作成した。
これらの板状コアの曲げ強さを、支点間距離を６ｍｍとする３点とする曲げ試験で測定した。曲げ試験の際の状態を、模式的に図２に示す。評価結果を表６に示す。
【００４７】
【表６】
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【００４８】
本発明の複合磁性材料を使用した場合には、曲げ強さが大きく向上することが示された。これによって、本発明の複合磁性材料を用いた電子部品を製造したときに、こうした電子部品が落下した際にも衝撃による影響を受けにくいと考えられる。
【実施例５】
【００４９】
４．電子部品の製造
上記２．で製造した複合磁性材料を用いて、インダクタを製造した。
まず、本発明例12の複合磁性粉末（平均粒径比＝１／４、混合比＝90/10（体積％）、複合磁性材料中の金属磁性材料粉末含有量＝68.5体積％、比透磁率＝16.0）と、比較例9の複合磁性粉末（平均粒径比＝1/10、混合比＝30/70（体積％）、複合磁性材料中の金属磁性材料粉末含有量＝46体積％(85重量％)、比透磁率＝15.0）とを製造した。
【００５０】
次いで、これらの複合磁性材料を用いて、10ｍｍ角で高さ５ｍｍ、中芯径4.0ｍｍのポットコアを金型にて作製した。
各ポットコアに、銅の平角線(0.6ｍｍ×2.0ｍｍ、TOTOKU 製）を巻回したコイルを内挿し、インダクタを製造した。インダクタンスが10μＨとなるように、上記平角線の巻き数を調整した。また、ｍΩメーターにて、ポットコアに付している電極端子を鰐口クリップでつかんで、これらの直流抵抗値（DCR）を測定した。ここでは、パーソナルコンピュータのCPU用電源（１Ｖ−20Ａ）に、上記のインダクタを使用する場合を想定して、下記の式より銅損を求めた。結果を表７に示す。
【００５１】
【表７】
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*銅損＝I2R（Ｗ）
【００５２】
表７に示すように、本発明例12のインダクタは、比較例9のインダクタに比べて、巻数が１巻き少なく、これに伴って直流抵抗値（DCR）も低くなっていた。
また、銅損が約0.2（Ｗ）低下していたことから、電源効率に換算すると、0.2（Ｗ）/（1（Ｖ）x 20（Ａ））となり、約１％の向上につながることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、ＰＤＡその他の電子機器類を小型化、軽量化、高性能化を行うとともに、電源効率を向上させる上で有用である。
【図１】
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【図２】
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