(57)【要約】【課題】圧粉磁心の高周波特性を改善し、渦電流損失を低減するための方法として薄いコアと絶縁物を交互に積層した構造を製造する手法を提供する。【解決手段】表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子をプレス成形して形成する圧粉磁心の製造方法において、表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子を金型に入れてプレス成形を行う磁性層形成工程と、絶縁性粒子を金型に入れてプレス成形を行う絶縁層形成工程と交互に実施することにより、磁性層と絶縁層とを交互に積層することを特徴とする圧粉磁心の製造方法および該製造方法により得られる圧粉磁心。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子をプレス成形して形成する圧粉磁心の製造方法において、表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子を金型に入れてプレス成形を行う磁性層形成工程と、絶縁性粒子を金型に入れてプレス成形を行う絶縁層形成工程と交互に実施することにより、磁性層と絶縁層とを交互に積層することを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
【請求項２】
絶縁層形成に用いられる絶縁性粒子が、絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子であり、該絶縁酸化被膜の厚みが、前記磁性層を形成する表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子の絶縁酸化被膜の厚みより厚いことを特徴とする請求項１記載の圧粉磁心の製造方法。
【請求項３】
前記請求項１または２に記載の圧粉磁心の製造方法により得られてなる圧粉磁心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧粉磁心およびその製造方法に関する。この圧粉磁心はスイッチング電源用トランス、リアクトルなどに用いられる。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種電子機器は、小形化、軽量化されてきており、これに伴い電子機器に搭載されているスイッチング電源も小形化の要求が高まっている。特にノート型パソコンや小型携帯機器、薄型ＣＲＴ、フラットパネルディスプレイに用いられるスイッチング電源では、小型化、薄型化が強く求められている。しかしながら、従来のスイッチング電源は、その主要な構成部品であるトランス、リアクトル等の磁気部品が、大きな体積を占め、小型化、薄型化することに限界があった。これら磁気部品の体積を小型、薄型化しない限り、スイッチング電源を小型化、薄型化することは困難となっていた。
【０００３】
従来、このようなスイッチング電源に使用されているトランス、リアクトルなどの磁気部品には、センダストやパーマロイなどの金属磁性材料や、フェライトなどの酸化物磁性材料が使用されていた。そのうち金属磁性材料は、一般に高い飽和磁束密度と透磁率を有するが、電気抵抗率が低いため、特に高周波数領域では渦電流損失が大きくなってしまう。近年、電源回路を高周波駆動して必要なインダクタンス値を下げることにより磁気部品を小型化する傾向にあるが、渦電流損失の影響から金属磁性材料を高周波で使用することはできない。
【０００４】
一方、酸化物磁性材料は、金属磁性材料に比べ、電気抵抗率が高いため、高周波数領域でも発生する渦電流損失が小さい。しかしながら、飽和磁束密度が小さいため、磁気飽和しやすいことから、その体積を小さくすることができなかった。つまり、いずれの場合でも、磁性体コアの体積がインダクタンス値を決定付ける一番大きな要因となっていて、磁性材料の磁気特性を向上させない限り、小型化、薄型化が困難となっていた。
【０００５】
このように、従来の磁気部品では、小型化に限界があり、電子機器の小型化、薄型化の要求に充分に応えられるものではなかった。
【０００６】
この課題を解決する方法として、１〜１０μｍの粒子からなる金属磁性材料の表面をＭ−ＦｅｘＯ４（但しＭ＝Ｎｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、ｘ≦２）で表されるスピネル組成の金属酸化物磁性材で被覆してなる高密度焼結磁性体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
さらに、例えば、特許文献２では、表面に超音波励起フェライトめっきによって形成されたフェライト層の被覆を有する金属または金属間化合物の強磁性体微粒子粉末が圧縮成形され、前記フェライト層を介して前記強磁性体粒子間に磁路を形成するものであることを特徴とする複合磁性材料が提案されている。
【０００８】
また、高密度でかつ比抵抗が高い軟磁性成形体を得るために、軟磁性の金属粒子と、その表面に被覆された高抵抗物質と、該高抵抗物質の表面に被覆されたリン酸系化成処理被膜とよりなることを特徴とする軟磁性粒子が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
また、近年、金属磁性材料の欠点である抵抗率を向上するために、飽和磁束密度および透磁率が高い軟磁性金属粒子の表面に、電気抵抗率の高い非磁性絶縁酸化物の被膜を形成した磁性材料が提案されている。この磁性材料によると、非磁性絶縁膜の効果により電気抵抗率が向上することで渦電流を抑制できる、つまりＭＨｚ帯域などの高周波でも使用することができる。
【００１０】
上記の粒子（磁性材料）を成形して得られる軟磁性成形体において、ＭＨｚ帯域での渦電流損失をさらに低減するためには、金属粒子表面に形成する絶縁被膜もしくは高抵抗層を厚くして軟磁性成形体の抵抗率を向上させる必要がある。例えば、特許文献３の表１に示されている実施例の比抵抗は、その比較例よりは向上されているものの不十分であり、体積鉄損は１０ｋＨｚのものしか示されていない。１ＭＨｚで動作させるためには、高抵抗層をさらに厚くして成形体の比抵抗を上げなければならない。しかしながら、金属粒子表面に形成する絶縁被膜もしくは高抵抗層を厚くすると、金属粒子間のギャップが大きくなり透磁率が低下してしまう。また、透磁率を向上させるために絶縁被膜を薄くしたり、プレス成型した軟磁性成型体の熱処理温度を上げたりすると、抵抗率の低下によりＭＨｚ帯域での渦電流損失が増加してしまう。
【００１１】
ＭＨｚ帯域での渦電流損失をさらに低下させる他の方法として、プレス成型した圧粉磁心（コア）の厚みを薄くし、それらを絶縁層を介して積層する方法がある。（例えば、特許文献４参照）
【００１２】
また、軟磁性膜と絶縁膜を交互に形成して軟磁性膜と絶縁膜の積層体を形成する軟磁性多層膜の製造方法の提案もある。（例えば、特許文献５,６参照）
【特許文献１】特開昭５６−３８４０２号公報
【特許文献２】国際公開第０３／０１５１０９パンフレット
【特許文献３】特開２００１−８５２１１号公報
【特許文献４】特開平１１−７４１４０号公報
【特許文献５】特開２０００−５４０８３号公報
【特許文献６】特開平９−７４０１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献４に開示されている手法では、厚さ５．５ｍｍのリング２個をホットプレスにより厚みが１０ｍｍとなるように積層している。ただし、薄い電子部品では全体の厚みが０．６ｍｍ以下と薄く、積層するものの厚みはその半分以下（例えば０．２ｍｍ以下）の厚みになってしまう。そのような薄いコアをプレス成型で製作することも機械的強度から困難である。特にコアの面積が大きくなると困難度が増大する。さらに、全体の厚みが薄いので、薄いコアを絶縁層を介して積層する方法では、絶縁層の厚みを、例えば０．０５μｍ以下というように薄く制御する必要があるが、そのような薄い板状コアをプレス成型で製作することは実質上困難である。
【００１４】
特許文献５や６にはインダクタ、トランスの磁心に用いる磁性膜と絶縁膜の積層構造が記載されており、いずれも均質の磁性層をスパッタ法や蒸着により形成しているが、ミクロンオーダーの積層体を得るには時間がかかり現実的ではない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の目的は、上述の問題を解消し、圧粉磁心の高周波特性を改善し、渦電流損失を低減するための方法として薄いコアと絶縁物を交互に積層した構造を製造する手法を提供することにある。
【００１６】
即ち、本発明の圧粉磁心の製造方法は、表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子をプレス成形して形成する圧粉磁心の製造方法において、表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子を金型に入れてプレス成形を行う磁性層形成工程と、絶縁性粒子を金型に入れてプレス成形を行う絶縁層形成工程とを交互に実施することにより、磁性層と絶縁層とを交互に積層することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の圧粉磁心は前記製造方法により得られてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、その積層構造は各層ごとにプレス成型を実施する工程を用いて形成することによって、元々薄い状態のコアと絶縁層を張り合わせることなく、積層構造を容易に製作することが可能となる。この様な積層構造にすることにより、透磁率の高周波特性を良好にでき、渦電流損失を低減することが可能となる。
【００１９】
さらに、高絶縁性粒子として、薄いコアを形成する該軟磁性金属粒子の絶縁酸化被膜より厚い絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子を用いると、単に非磁性絶縁物を用いるより磁性材料の体積が増加し、磁気特性の向上に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明において、磁性層は図１に示すような軟磁性金属粒子１１に絶縁酸化被覆１２を形成した絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子１を用いて形成される。
磁性層形成に用いられる絶縁酸化被覆付き軟磁性金属粒子１における金属としては、例えば、鉄、コバルト、ニッケルなどの単金属、あるいはパーマロイ、センダストなどそれらを基とする合金などの透磁率が高い金属材料からなる粒子を用いることができる。
軟磁性金属粒子１１の粒径は特に限定されるものではないが、１〜３０μｍであることが好ましい。
【００２１】
軟磁性金属粒子の表面に絶縁酸化被覆を形成する酸化物としては、フェライト、鉄基酸化物等の電気抵抗率の高い酸化物、ガラス、シリカ、アルミナなどの絶縁性酸化物等を挙げることができ、フェライトとしては、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇフェライトやこれらを主成分とする複合フェライトを例示できる。ガラスとしてはＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５等を主成分とするガラスを挙げることができる。
絶縁酸化被覆した金属磁性粒子の被覆膜厚は粒子間の電気抵抗を高めることができる厚さであれば特に限定されず５ｎｍ以上、より好ましくは１０ｎｍ以上であることが好ましく、透磁率向上の観点からは５０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
絶縁層を形成する絶縁性粒子としては、フェライト、鉄基酸化物等の電気抵抗率の高い酸化物、ガラス、シリカ、アルミナなどの絶縁性酸化物等からなる粒子を用いることができるが、得られる圧粉磁心の磁気特性に優れることから、図２に示すような、軟磁性金属粒子２１に厚い絶縁酸化被膜２２を形成した厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子２を用いることが好ましい。
【００２３】
絶縁層を形成する厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子２に用いられる軟磁性金属粒子としては、磁性層形成に用いられる絶縁酸化被覆付き軟磁性金属粒子１における軟磁性金属粒子と同様のものを用いることができる。厚い絶縁酸化被膜２２を形成する酸化物としては、フェライト、鉄基酸化物等の電気抵抗率の高い酸化物、ガラス、シリカ、アルミナなどの絶縁性酸化物等を挙げることができ、フェライトとしては、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇフェライトやこれらを主成分とする複合フェライトを、ガラスとしてはＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５等を主成分とするガラスを挙げることができる。
【００２４】
厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子２における絶縁酸化被膜２２の厚みは１００    〜３００ｎｍであることが好ましい。上記下限未満では特に熱処理後に絶縁性が不足し、上記上限を超える厚みでは、磁性材料の割合が減少することによる特性低下や被膜形成工程に時間がかかるといった課題が生じてくる。
【００２５】
本発明の磁性層形成工程と絶縁層形成工程とを交互に実施して積層構造を形成する手順を図４〜６に示す。図４は絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子１を用いて磁性層の１層目をプレス成型している模式図であり、図５は図４で形成した磁性層３１の１層目の上に厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子２を用いて絶縁層の１層目をプレス成型している模式図であり、図６は図５で形成した絶縁層３２の上に絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子１を用いて磁性層の２層目をプレス成型している模式図である。図３はこの積層工程をさらに進めて得られた、２層の絶縁層３２および３層の磁性層３１からなる積層体の模式図であり、積層リングコアの断面模式図である。
【００２６】
各工程で形成する磁性層、絶縁層の厚みは目的とする圧粉磁心の大きさ、使用目的により適宜選択することができるが、磁性層は０．０５〜０．３ｍｍであることが好ましい。磁性層の厚さを０．０５ｍｍ以上とすることで、磁性層割合の低減による透磁率低下が少ないので好ましい。磁性層の厚さを０．０５ｍｍ以上としても、磁性層が酸化物被覆した金属磁性粒子の圧縮成形品であるので、電気抵抗が高く、渦電流損失の影響はない。磁性層の厚さを０．３ｍｍ以下とすると、透磁率を高く維持しつつ、１０ＭＨｚ以上のカットオフ周波数とすることができるので好ましい。また、この厚さは上述の薄い電子部品の厚みの半分程度であり、積層構造を形成する上では磁性層を最も厚くできる値である。当然、この厚さは所望の透磁率、周波数帯域などといった特性に合わせて適宜調整する必要がある。絶縁層は１〜１００μｍであることが好ましく、より好ましくは１０〜１００μｍである。磁性層間の電気的、磁気的結合を無くすためには１μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上が必要である。また、１００μｍ以下とすることで、充分なインダクタンスを維持しつつ薄型化を図ることができる。これらの層の厚みは絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子あるいは絶縁性粒子の金型への投入量により調節できる。プレス成形は、圧力９８〜１９６０ＭＰａで一軸プレスすることで行われる。
【００２７】
所望の層構成になるようにプレス成型した後には熱処理を行うことが好ましい。熱処理温度は５００〜９００℃、熱処理時間は保持時間で３０〜１２０分程度が好ましい。この熱処理は不活性ガス雰囲気中でもよく、大気中で行ってもよい。この熱処理は、例えば雰囲気炉、電気炉を用いて行うことができる。
【実施例】
【００２８】
以下に、実施例を用いて本発明をさらに説明する。
（実施例１）
軟磁性金属磁性粒子として水アトマイズ法により作製したＮｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ金属粒子（平均粒子径８μｍ）を用いた。組成がＮａ２０・ｘＳｉＯ２・ｎＨ２０（ｘ＝２〜４）の水ガラスを水に溶解した水ガラス水溶液（アルカリ性）にこの軟磁性金属粒子１１を入れた。この溶液に塩酸を加えてｐＨをコントロールすることにより水ガラスを加水分解して析出させたゲル状の珪酸（Ｈ２ＳｉＯ３）を軟磁性金属粒子１１表面に付着させ、ゲル状珪酸が付着した軟磁性金属粒子を乾燥することにより、軟磁性金属粒子１１表面にＳｉＯ２被膜を形成した。ＳｉＯ２被膜の厚みは用いる水ガラス水溶液の濃度で制御可能であり、被膜厚みが２０ｎｍになるように制御した。こうして得た磁性層形成用絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を粒子１とする。
【００２９】
絶縁性粒子として、磁性層を形成する絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子より厚い絶縁酸化被膜を有する絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を用いた。即ち、絶縁層形成用絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子に用いた軟磁性金属磁性粒子として水アトマイズ法により作製したＮｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ金属粒子（平均粒子径８μｍ）を用い、濃度を被膜厚みが２００ｎｍになるように制御した水ガラス水溶液を用いた以外は磁性層形成用絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子１と同様に絶縁被膜を形成した。こうして得た絶縁層形成用絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を粒子２とする。
【００３０】
上記のようにして得られた粒子１と粒子２を図３に示す積層リングコア３を形成するため、図４〜６に示した工程を実施して、１層目の磁性層３１、１層目の絶縁層３２、２層目の磁性層３１を形成し、更にその上に粒子２を用いて２層目の絶縁層３２を形成し、その上に粒子１を用いて３層目の磁性層３１を形成した。即ち、超硬合金製の金型４に粒子１を適量充填し、全体をよくならして均一化した後、上型５を金型４にはめ込み、圧力１９６ＭＰａ（２ｔ／ｃｍ２）で一軸プレス成型した。次いで上型５を抜いた後、粒子２を適量充填し、全体をよくならして均一化した後、再び上型５を金型４にはめ込み、圧力１９６ＭＰａ（２ｔ／ｃｍ２）で一軸プレス成型した。更に粒子１の投入、一軸プレス成型、粒子２の投入、一軸プレス成型し、最後の層の形成には、粒子１を投入し、一軸プレス成型を１１７７ＭＰａ（１２ｔ／ｃｍ２）で行い、図３に示す積層リングコアを作製した。得られた積層リングコア３の内径および外径は、それぞれΦ３ｍｍ，Φ８ｍｍであった。また、それぞれの磁性層３１の厚さが０．１５ｍｍ、それぞれの絶縁層の厚さが０．０２５ｍｍになるよう調整して、積層リングコア３の高さを０．５ｍｍとした。  
【００３１】
こうして得られた積層リングコアを、雰囲気炉にて窒素雰囲気中、設定温度５００℃、保持時間１時間で熱処理した。
【００３２】
得られたリングコアに１次および２次巻線をそれぞれ５ターン巻回し、Ｂ−Ｈアナライザにて複素透磁率μ＝μ’＋ｉμ”を１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数領域で測定した。
透磁率μ’、μ”の周波数特性を図７に示す。また、２ＭＨｚでの損失ｔａｎδを表１に示す。
【００３３】
（比較例１）
比較例として、実施例の粒子１だけを用い、高さが０．５ｍｍになるように１１７７ＭＰａ（１２ｔ／ｃｍ２）の一軸プレスで非積層リングコアを成型し、熱処理した。非積層リングコアの内径と外径、および熱処理条件は実施例１と同様である。
得られたリングコアに１次および２次巻線をそれぞれ５ターン巻回し、Ｂ−Ｈアナライザにて複素透磁率μ＝μ’＋ｉμ”を１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数領域で測定した。
透磁率μ’の周波数特性を図７に示す。また、２ＭＨｚでの損失ｔａｎδを表１に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
図７に見られるように、比較例１では、透磁率μ’が１２０程度であるが、周波数が１ＭＨｚからμ”が上昇し始めている。これに対して、実施例１では絶縁層３２に用いた厚い絶縁酸化被膜を有する粒子２の影響で、絶縁酸化被膜が厚くなった分、透磁率μ’が低下し、１１２程度になったが、高周波特性は１桁程度向上しており、μ”の上昇が少ない。
また、表１に示すように、損失を表すｔａｎδは、比較例１に比べ実施例１では約１／６とかなり低減できたことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明によれば、透磁率の高周波特性に優れ、渦電流損失の低減した圧粉磁心を提供でき、これを用いたスイッチング電源用トランス、リアクトルなどの磁気部品の体積を小型、薄型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】磁性層形成に用いられる絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を示した模式図である。
【図２】絶縁層形成に用いられる厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を示した模式図である。
【図３】本発明の圧粉磁心の１実施態様の積層構造を示す模式図である。
【図４】絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を用いて磁性層の１層目をプレス成型している模式図である。
【図５】図４で形成した磁性層の１層目の上に厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を用いて絶縁層の１層目をプレス成型している模式図である。
【図６】図５で形成した絶縁層の上に絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を用いて磁性層の２層目をプレス成型している模式図である。
【図７】実施例１、比較例１で得た圧粉磁心の透磁率μ’、μ”の周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子
１１：軟磁性金属粒子
１２：絶縁酸化被膜
２：厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子
２１：軟磁性金属粒子
２２：厚い絶縁酸化被膜
３：積層リングコア
３１：磁性層
３２：絶縁層
４：プレス成型用金型
５：上型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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