(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０ｎｍ以下の粒径を有し、飽和磁化８５ｅｍｕ／ｇ以上である磁性粒子より構成されており、
当該磁性粒子の体積分率が２０％以上であり、
上記磁性粒子同士が焼結しておらず、
超常磁性を示す、
磁心。
【請求項２】
上記磁性粒子は、鉄、ニッケルおよびコバルトからなる群より選択される少なくとも１種の元素またはこれら元素を含む合金より構成されている、請求項１に記載の磁心。
【請求項３】
上記磁性粒子は、鉄、または、鉄と、ニッケル、コバルト、シリコン、アルミニウム、炭素、ホウ素および窒素からなる群より選択される少なくとも１種の元素との合金より構成されている、請求項１に記載の磁心。
【請求項４】
成形体である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁心。
【請求項５】
飽和磁束密度が０．２０Ｔ以上であり、比透磁率が６以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁心。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁心を有する、コイル部材。
【請求項７】
１ｋＨｚ〜１ＭＨｚの周波数域で用いられる、請求項６に記載のコイル部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁心およびコイル部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トランス、インダクタ、リアクトル等のコイル部材に用いられる磁心（コア）としては、フェライト、電磁鋼板、鉄系ダスト材などが知られている。近年、コイル部材を利用するスイッチング電源等の高周波化に伴い、上記磁心におけるヒステリシス損失、渦電流損失が増加しやすくなっている。そのため、損失を抑制する観点から、ナノ粒子を用いた磁心が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、５０ｎｍ未満の粒径を有しており、コアが超常磁性の酸化鉄であり、シェルが酸化ケイ素であるコアシェルナノ粒子を含む磁心、これを用いたトランス等のコイル部材が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−７４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記コアシェルナノ粒子は、コアが超常磁性の酸化鉄より構成されている。酸化鉄は、飽和磁化が低い。また、上記コアシェルナノ粒子は、コアを構成する酸化鉄とシェルを構成する酸化ケイ素との複合体である。そのため、上記コアシェルナノ粒子を用いた磁心は、酸化鉄の含有量が低くなる。それ故、上記コアシェルナノ粒子を用いた磁心は、飽和磁束密度が低い。また、超常磁性の本質として、比透磁率が低い。したがって、上記コアシェルナノ粒子を用いた磁心は、損失が小さいものの、飽和磁束密度、比透磁率が低く、実用化が難しい。
【０００６】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、損失が小さく、飽和磁束密度および比透磁率が高い磁心、これを備えたコイル部材を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、
１０ｎｍ以下の粒径を有し、飽和磁化８５ｅｍｕ／ｇ以上である磁性粒子より構成されており、
当該磁性粒子の体積分率が２０％以上であり、
上記磁性粒子同士が焼結しておらず、
超常磁性を示す、
磁心にある。
【０００８】
本発明の他の態様は、上記磁心を有する、コイル部材にある。
【発明の効果】
【０００９】
上記磁心は、磁性粒子の粒径が１０ｎｍ以下である。そのため、上記磁心は、超常磁性が発現され、損失を小さくすることができる。また、上記磁心は、磁性粒子の飽和磁化が８５ｅｍｕ／ｇ以上である。当該磁性粒子は、酸化鉄粒子に比べ、飽和磁化が大きい。そのため、上記磁心は、高い飽和磁束密度を発現することができる。また、上記磁心は、磁性粒子の体積分率が２０％以上である。そのため、上記磁心は、高い比透磁率を発現することができる。これは、以下によるものと考えられる。すなわち、上記磁心では、飽和磁化の高い磁性粒子が高密度で存在している。そのため、高飽和磁化の磁性粒子の粒子間距離が短くなる。そのため、上記磁心は、有効な磁場として、外部磁場に加えて、隣り合う磁性粒子から発生する双極子磁場も加わる。その結果、上記磁心は、磁心全体として比透磁率を向上させることができる。
【００１０】
上記コイル部材は、上述したように、損失が小さく、飽和磁束密度および比透磁率が高い磁心を有している。そのため、上記コイル部材は、高周波化に対応しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】試料１の磁心に用いたＦｅ粒子粉末の大気曝露後の透過型電子顕微鏡像である。
【図２】試料１の磁心の外観写真である。
【図３】試料１の磁心における損失の周波数依存性を示したグラフである。
【図４】試料１の磁心における比透磁率の向上効果を説明するためのグラフである。
【図５】試料１の磁心における超常磁性を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施形態１の磁心について説明する。本実施形態の磁心は、１０ｎｍ以下の粒径を有し、飽和磁化８５ｅｍｕ／ｇ以上である磁性粒子より構成されており、当該磁性粒子の体積分率が２０％以上であり、磁性粒子同士が焼結しておらず、超常磁性を示す。以下、これを詳説する。
【００１３】
上記磁心において、磁性粒子の粒径が１０ｎｍを超えると、超常磁性が発現されなくなり、損失を小さくすることが難しくなる。磁性粒子の粒径は、損失低減を確実なものとするなどの観点から、好ましくは１０ｎｍ未満、より好ましくは９ｎｍ以下、さらに好ましくは８ｎｍ以下、さらにより好ましくは７ｎｍ以下、さらにより一層好ましくは６．５ｎｍ未満、最も好ましくは６ｎｍ以下とすることができる。磁性粒子の粒径の下限は、磁性粒子の製造性などの観点から、０．５ｎｍ以上とすることができる。なお、磁性粒子の粒径は、磁心を粉砕した粉末を透過型電子顕微鏡にて観察し、得られたＴＥＭ像より任意に選択される磁性粒子２００個の粒子径の平均値である。
【００１４】
上記磁心において、磁性粒子の飽和磁化は、酸化鉄よりも高い飽和磁化を得ることを確実にするなどの観点から、好ましくは８７ｅｍｕ／ｇ以上、より好ましくは９０ｅｍｕ／ｇ以上、さらに好ましくは９２ｅｍｕ／ｇ以上、さらにより好ましくは９５ｅｍｕ／ｇ以上、さらにより一層好ましくは１００ｅｍｕ／ｇ以上とすることができる。なお、磁性粒子の飽和磁化は、磁心を粉砕した粉末について、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて測定される値である。
【００１５】
上記磁心において、磁性粒子の体積分率が２０％未満になると、比透磁率の向上効果が得られ難くなる。これは、高飽和磁化の磁性粒子の粒子間距離が長くなり、有効な磁場として、外部磁場に双極子磁場が加わらなくなるためであると考えられる。磁性粒子の体積分率は、比透磁率向上などの観点から、好ましくは２５％以上、より好ましくは３０％以上、さらに好ましくは３５％以上、さらにより好ましくは４０％以上とすることができる。また、磁性粒子の体積分率は、製造性、損失低減などの観点から、８５％以下とすることができる。なお、磁性粒子の体積分率は、次のようにして測定される値である。磁性粒子を構成する材料を特定する。磁心が磁性粒子を構成する材料１００％で構成されていると仮定した場合の磁心の密度ρ０を求める。つまり、密度ρ０は、磁性粒子の真密度である。磁心の実際の密度ρ１を測定する。つまり、密度ρ１は、磁心のみかけ密度である。磁性粒子の体積分率を、ρ１／ρ０×１００より算出する。なお、磁心が２種類以上の磁性粒子から構成される場合、他の分析等から２種類以上の磁性粒子の体積比を求めることにより、磁心全体の中での磁性粒子の体積分率を求めることができる。例えば、磁性粒子Ａおよび磁性粒子Ｂの２種類の磁性粒子から磁心が構成されている場合について、磁心全体の中での磁性粒子の体積分率を求める方法を以下に示す。磁性粒子Ａと磁性粒子Ｂの体積比がＶＡ：ＶＢであり、Ａ材料の真密度がρＡ、Ｂ材料の真密度がρＢであった場合、密度ρ０＝ρＡ×ＶＡ／（ＶＡ＋ＶＢ）＋ρＢ×ＶＢ／（ＶＡ＋ＶＢ）として求めることができ、磁性粒子の磁心の中での体積分率をρ１／ρ０×１００より算出することができる。磁性粒子が２種類以上の合金（例えば、コアシェル構造をとり、コア部が合金Ａ，シェル部が合金Ｂである場合等）から構成される場合も同様である。
【００１６】
上記磁心において、磁性粒子は、鉄、ニッケルおよびコバルトからなる群より選択される少なくとも１種の元素またはこれら元素を含む合金より構成することができる。
【００１７】
磁性粒子は、例えば、鉄、鉄合金、ニッケル、ニッケル合金、コバルト、コバルト合金等より構成することができる。磁性粒子は、具体的には、鉄、または、鉄と、ニッケル、コバルト、シリコン、アルミニウム、炭素、ホウ素および窒素からなる群より選択される少なくとも１種の元素との合金より構成することができる。これらの場合には、酸化鉄粒子に比べ、磁性粒子の飽和磁化が高くなり、損失が小さく、飽和磁束密度の高い磁心を得やすくなる。
【００１８】
より具体的には、磁性粒子は、高飽和磁化、低損失、コスト等の観点から、例えば、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ａｌ合金等より構成することができる。また、磁性粒子は、高飽和磁化、低損失等の観点から、例えば、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｓｉ合金、Ｃｏ−Ｓｉ−Ａｌ合金、Ｃｏ−Ａｌ合金等より構成することもできる。
【００１９】
上記磁心は、成形体より構成することができる。この場合には、磁心の高密度化により、比透磁率の向上効果を確実なものとすることができる。これは、成形による加圧によって高飽和磁化の磁性粒子の粒子間距離が短くなりやすく、有効な磁場として、外部磁場に加えて双極子磁場が加わりやすくなるためであると考えられる。また、この場合には、磁性粒子が粉末状態で用いられる磁心に比べて、粉末を入れるケースが不要となる。そのため、この場合には、取扱い性に優れた磁心が得られる。
【００２０】
上記磁心は、磁性粒子同士が焼結していない。この構成によれば、超常磁性が発現されやすくなり、損失の低減に有利な磁心が得られる。なお、磁性粒子の焼結状態は、ＸＲＤ分析から推定されるシェラー粒径の変化や、後述する図５のような磁化の温度依存性から推定される超常磁性転移温度の変化により把握することができる。
【００２１】
上記磁心は、具体的には、飽和磁束密度が０．２０Ｔ以上であり、比透磁率が６以上であるとよい。この場合には、損失が小さく、飽和磁束密度および比透磁率が高い磁心を確実に得ることができる。
【００２２】
磁心の飽和磁束密度は、磁心のサイズ低減などの観点から、好ましくは０．２５Ｔ以上、より好ましくは０．３Ｔ以上、さらに好ましくは０．４Ｔ以上とすることができる。なお、磁心の飽和磁束密度は、磁心の製造性などの観点から、例えば、２．０Ｔ以下とすることができる。また、磁心の比透磁率は、システム設計性の向上などの観点から、好ましくは７以上、より好ましくは８以上、さらに好ましくは１０以上、さらにより好ましくは５０以上、さらにより一層好ましくは１００以上とすることができる。なお、磁心の比透磁率は、双極子磁場の大きさなどの観点から、１００００以下とすることができる。
【００２３】
上記磁心が超常磁性を有するか否かは、温度（Ｋ）と磁化（ａ．ｕ．）との関係を測定することにより判別することができる。また、磁心の飽和磁束密度は、磁心を粉砕した粉末の飽和磁化と磁心の密度から求めることができる。磁心の比透磁率は、直流ＢＨトレーサーを用いて直流磁気特性を測定することにより得ることができる。
【００２４】
上記磁心は、磁性粒子の粒径が１０ｎｍ以下である。そのため、上記磁心は、超常磁性が発現され、損失を小さくすることができる。また、上記磁心は、磁性粒子の飽和磁化が８５ｅｍｕ／ｇ以上である。当該磁性粒子は、酸化鉄粒子に比べ、飽和磁化が大きい。そのため、上記磁心は、高い飽和磁束密度を発現することができる。また、上記磁心は、磁性粒子の体積分率が２０％以上である。そのため、上記磁心は、高い比透磁率を発現することができる。
【００２５】
（実施形態２）
実施形態２のコイル部材について説明する。本実施形態のコイル部材は、実施形態１に記載の磁心を有している。上記コイル部材としては、具体的には、例えば、リアクトル、トランス、インダクタ等を例示することができる。
【００２６】
上記コイル部材は、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚの周波数域で用いることができる。この場合には、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚの周波数域において、損失が小さく、飽和磁束密度および比透磁率が高い磁心を有するコイル部材が得られる。
【００２７】
以下、実験例を用いてより具体的に説明する。
＜実験例＞
Ｆｅ（ＣＯ）５と界面活性剤（オレイルアミン）とを反応させた前駆体を溶媒（ドデカン）中で熱分解することにより、Ｆｅ粒子を合成した。なお、熱分解条件は、２００℃、６０分とした。得られたＦｅ粒子を１０−２Ｔｏｒｒ以下の減圧雰囲気下、２００℃で熱処理し、余分な界面活性剤や有機物を除去し、磁心の作製に用いるＦｅ粒子粉末を得た。得られたＦｅ粒子粉末を２０ＭＰａ、２００℃の条件でホットプレスして成形体（バルク体）とすることにより、試料１の磁心を得た。なお、上記の作業は、Ｆｅ粒子の酸化を防ぐため、酸素濃度と水分濃度とがともに１．０ｐｐｍ以下であるＡｒガス雰囲気のグローブボックス中で行った。
【００２８】
上記にて得られたＦｅ粒子粉末の大気曝露後のＴＥＭ像を図１に示す。なお、透過型電子顕微鏡で観察する際に、Ｆｅ粒子粉末を大気中で曝露しているため、Ｆｅは酸素と反応し、Ｆｅ３Ｏ４に変化している。その結果、観察される粒子の粒径は、実際のＦｅ粒子の粒径より大きくなっている。観察される粒子がＸＲＤ分析より全てＦｅ３Ｏ４になっていることから、大気曝露前のＦｅ粒子の粒径を求めることができる。得られたＴＥＭ像より任意に選択されるＦｅ３Ｏ４粒子２００個の粒子径の平均値から、酸化前のＦｅ粒子の粒径は、約４．０ｎｍであると分析された。また、図２に示されるように、作製した磁心の形状は、外径１３．５ｍｍ、内径６．５ｍｍ、高さ２．８ｍｍのリング形状である。
【００２９】
なお、上記Ｆｅ（ＣＯ）５と界面活性剤（オレイルアミン）との混合比や熱分解条件を変更した点以外は試料１の磁心の作製と同様にして、約６．５ｎｍのＦｅ粒子を含むＦｅ粒子粉末も作製し、これを用いて試料２の磁心を作製した。
【００３０】
試料１の磁心を粉砕して得たＦｅ粒子粉末を透過型電子顕微鏡にて観察し、得られたＴＥＭ像より任意に選択されるＦｅ粒子２００個の平均値から、試料１の磁心におけるＦｅ粒子の粒径を求めた。その結果、試料１の磁心におけるＦｅ粒子の粒径は、４．０ｎｍであり、上記磁心を作製する前段階のＦｅ粒子粉末の観察および分析結果とよく一致していた。また、同様の測定の結果、試料２の磁心におけるＦｅ粒子の粒径は、６．５ｎｍであった。
【００３１】
一方、Ｆｅアセチルアセトナートとオレイルアミンとを混合し、Ｆｅアセチルアセトナートを熱分解することにより、粒径４．０ｎｍのＦｅ３Ｏ４粒子粉末を得た。得られたＦｅ３Ｏ４粒子粉末を、上記と同じ大きさのリング形状に形成された樹脂ケースに封入することにより、試料１Ｃの磁心を得た。
【００３２】
試料１の磁心を粉砕して得たＦｅ粒子粉末、試料１Ｃの磁心に用いたＦｅ３Ｏ４粒子粉末について、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて飽和磁化の値を測定した。その結果、Ｆｅ粒子粉末におけるＦｅ粒子の飽和磁化は、１０９．４ｅｍｕ／ｇ、Ｆｅ３Ｏ４粒子粉末におけるＦｅ３Ｏ４粒子の飽和磁化は、５０．０ｅｍｕ／ｇであった。なお、Ｆｅの飽和磁化１０９．４ｅｍｕ／ｇと磁心の体積および重量から算出される試料１の磁心の飽和磁束密度は０．２７Ｔであり、０．２０Ｔ以上であった。
【００３３】
また、試料１の磁心について、上述した方法によりＦｅ粒子の体積分率を測定したところ、３１％であった。
【００３４】
試料１の磁心について、ＢＨアナライザを用いて交流磁気特性（最大磁束密度Ｂｍａｘ＝５０ｍＴ、周波数＝１、１０、１００ｋＨｚ）を測定した。損失の周波数依存性を図３に示す。図３に示されるように、試料１の磁心は、いずれの周波数であっても交流磁化曲線の周波数依存性が小さいことから、渦電流損失はほぼ生じていないことがわかる。また、試料１の磁心は、１００ｋＨｚの周波数においてもヒステリシスが観測されず、コアロスは測定限界以下であった。なお、図３には示されていないが、粒径６．５ｎｍのＦｅ粉末粒子を用いて同様に作製した磁心では、強磁性由来のヒステリシスが観測され、コアロスは１００ｋＨｚで１４８８ｋＷ／ｍ３であった。上記結果から、試料１の磁心は、損失が非常に小さいことが確認された。また、磁性粒子であるＦｅ粒子の粒径を６．５ｎｍ未満とすることにより、損失低減に有利な磁心が得られることが確認された。
【００３５】
試料１の磁心、試料１Ｃの磁心について、直流ＢＨトレーサーを用いて直流磁気特性を測定した。その結果を、図４に示す。図４に示されるように、Ｆｅ粒子より構成される試料１の磁心は、Ｆｅ３Ｏ４粒子より構成される試料１Ｃの磁心に比べ、比透磁率（図４における直線の傾き）が向上していることがわかる。これは、以下によるものと考えられる。すなわち、試料１の磁心では、加圧成形により、飽和磁化の高い磁性粒子としてのＦｅ粒子の体積分率が２０％以上とされている。つまり、試料１の磁心では、飽和磁化の高い磁性粒子が高密度で存在している。そのため、高飽和磁化の磁性粒子の粒子間距離が短くなる。そのため、試料１の磁心は、有効な磁場として、外部磁場に加えて、隣り合う磁性粒子から発生する双極子磁場も加わる。その結果、試料１の磁心は、磁心全体としての比透磁率を向上させることができたものと考えられる。なお、試料１の磁心の比透磁率は８．７５であり、６以上であった。一方、試料１Ｃの磁心は、樹脂ケースにＦｅ３Ｏ４粒子が粉末状態で封入されており、磁性粒子が低密度で存在している。そのため、試料１Ｃの磁心は、上記メカニズムによる比透磁率の向上が見られなかったものと考えられる。
【００３６】
また、試料１の磁心について、以下の２条件での温度と磁化との関係を求め、超常磁性を有するか否かの確認を行った。条件１は、５Ｏｅの磁場をかけた状態で温度５Ｋとし、その後、５Ｏｅの磁場をかけた状態で温度５Ｋから温度を上昇させ、磁化測定を実施するというものである。条件２は、５Ｏｅの磁場をかけずに温度５Ｋとし、その後、５Ｏｅの磁場をかけた状態で温度５Ｋから温度を上昇させ、磁化測定を実施するというものである。その結果を、図５に示す。図５に示されるように、試料１の磁心は、１５０Ｋにおいて超常磁性転移温度が観測され、室温では超常磁性的な振る舞いを示していることが確認された。また、図５に示される磁化の温度依存性から推定される超常磁性転移温度の変化から、Ｆｅ粒子同士が焼結していないことも併せて確認された。
【００３７】
本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態に示される各構成は、任意に組み合わせることができる。
【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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