(57)【要約】【課題】本発明の目的は、圧粉磁心の製造における熱処理温度、及びＰｂフリー化の問題を解決した、磁気特性に優れた圧粉磁心の製造方法、および圧粉磁心を提供することである。【解決手段】本発明は、ナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末と、質量％でＢｉを５０％以上含有し、Ｐｂを０．１％以下に制限したガラス粉末と、バインダーを混合して混合粉末とし、該混合粉末を金型で成形し、６００℃以下で熱処理する圧粉磁心の製造方法、およびナノ結晶磁性粉末が、質量％でＢｉを５０％以上含有し、Ｐｂを０．１％以下に制限したガラスで結合された圧粉磁心である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末と、質量％でＢｉを５０％以上含有し、Ｐｂを０．１％以下に制限したガラス粉末と、バインダーを混合して混合粉末とし、該混合粉末を金型で成形し、６００℃以下で熱処理することを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
【請求項２】
ガラス粉末は少なくともＡｌ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂの１種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心の製造方法。
【請求項３】
ガラス粉末は質量％でＡｌ１〜４％、Ｓｉ２〜７％、Ｚｎ９％以下、Ｂ０．５〜３％の少なくとも１種以上を含むことを特徴とする請求項２に記載の圧粉磁心の製造方法。
【請求項４】
ｄ５０値が３５μｍ以上の磁性粉末と、ｄ５０値が１５μｍ以下の磁性粉末とを混合して混合粉末とすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の圧粉磁心の製造方法。
【請求項５】
ナノ結晶磁性粉末が、質量％でＢｉを５０％以上含有し、Ｐｂを０．１％以下に制限したガラスで結合されたことを特徴とする圧粉磁心。
【請求項６】
ガラスは少なくともＡｌ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂの１種以上を含むことを特徴とする請求項５に記載の圧粉磁心。
【請求項７】
ガラスは質量％でＡｌ１〜４％、Ｓｉ２〜７％、Ｂ０．５〜３％、Ｚｎ９％以下の少なくとも１種以上を含むことを特徴とする請求項６に記載の圧粉磁心。
【請求項８】
２０ｋＨｚにおける透磁率が６０以上を示すことを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載の圧粉磁心。
【請求項９】
２０ｋＨｚ、０．１Ｔにおける磁心の損失が５０ｋＷ／ｍ３以下であることを特徴とする請求項５乃至８の何れかに記載の圧粉磁心。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器等に使用される圧粉磁心の製造方法および圧粉磁心に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電源装置用チョークコイル等として従来からフェライト磁心が使用されている。近年、小型化、高周波化等の問題により、フェライト磁心に代えて絶縁した電磁鋼板の積層箔が使用されているが、透磁率が高すぎるために切断して使用することが必要となり、その切断部分よりの漏洩磁界等による損失が問題となっている。そこで磁性粉末をバインダーにより接合した圧粉磁心が使用されてきている。圧粉磁心とは、磁性粉末とバインダーとを混合して混合粉末とした後、その混合粉末を、加圧、加熱等の方法により磁心形状に成形したものである。圧粉磁心に用いられる磁性粉末としては、低磁心損失である非晶質磁性粉末の検討が盛んに行われている。また、磁性粉末を接合するバインダーとしては、エポキシ樹脂、Ｓｉ樹脂等の使用が検討されている。
【０００３】
しかしながら、一般に圧粉磁心を作製する場合のバインダーとしてＳｉ樹脂は磁性粉末との濡れ性が良好でないために、種々のバインダーを添加して濡れ性を向上させることが必要となる。一方、エポキシ樹脂は固化時の体積変化が大きいことから、磁性粉末の種類によってはエポキシ樹脂からの応力により磁気特性の劣化を生じる。このため、近年、上記の他にバインダーとしてガラス粉末の使用が検討されている。ガラス粉末は、固化時の体積変化が小さいので、固化後に磁性粉末に生じる応力低減でき、磁性粉末の優れた磁気特性の劣化を抑制できる。加えて、濡れ性が良いことでバインダーを介した磁性粉末同士の接合面積が広くなり、接合強度の向上と共に、磁性粉末間の絶縁性の向上が期待できるからである。
【０００４】
具体的には、たとえば非晶質磁性粉末と軟化点が非晶質磁性粉末の結晶化温度より低いガラス粉末の混合粉末を成形した後に熱処理した非晶質磁性粉末の成形体の製造方法が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−７３０６２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した非晶質磁性粉末を用いた圧粉磁心の製造方法は、非晶質磁性粉末の成形体を高密度にて作製するという点では有利である。しかしながら、結晶化を抑えて非晶質組織のまま絶縁、結着するために熱処理温度を低くせざるを得ない。熱処理温度が低いとガラス粉末の軟化が不十分となり易いが、軟化が不十分な場合には熱処理後に得られる圧粉磁心の強度が低いという問題を生じる。そこでこの問題を回避する為、非晶質磁性粉末を用いた圧粉磁心の作製では、ガラス粉末としてガラスの軟化点の降下に有効なＰｂ酸化物を含有させた鉛含有ガラスが使用されている。これにより、結晶化を生じることなく圧粉磁心としての強度確保を達成している。
【０００７】
一方、近年電子部品で用いられる鉛が、廃棄後に酸性雨にさらされ周辺環境に溶出した際の毒性が懸念されており、電子部品については、鉛を用いないこと、いわゆるＰｂフリー化が世界的に要求されている。
上述の圧粉磁心では、環境汚染防止の観点から昨今要求されているＰｂフリー化に対応できない問題を有している。
【０００８】
本発明の目的は、圧粉磁心の製造における熱処理温度、及びＰｂフリー化の問題を解決した、磁気特性に優れた圧粉磁心の製造方法および圧粉磁心を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、圧粉磁心の材料構成および製造方法について検討し、ナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末と、質量％でＢｉを５０％以上、Ｐｂを０〜０．１％含有しているガラス粉末を用いることで上記の課題を解消できることを見いだし本発明に到達した。
【００１０】
すなわち本発明はナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末と、質量％でＢｉを５０％以上含有し、Ｐｂを０．１％以下に制限したガラス粉末と、バインダーを混合して混合粉末とし、該混合粉末を金型で成形し、６００℃以下で熱処理する圧粉磁心の製造方法である。
本発明において、ガラス粉末は少なくともＡｌ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂの１種以上を含むことが好ましい。より好ましくは、質量％でＡｌ１〜４％、Ｓｉ２〜７％、Ｚｎ９％以下、Ｂ０．５〜３％の少なくとも１種以上を含む。
また、本発明において混合粉末は、ｄ５０値が３５μｍ以上の磁性粉末とｄ５０値が１５μｍ以下の磁性粉末とを混合することがこのましい。ｄ５０値とは積算粒度分布曲線の５０％粒径、即ちメジアン粒径である。
【００１１】
さらにもう一つの本発明は、ナノ結晶磁性粉末が、質量％でＢｉを５０％以上含有し、Ｐｂを０．１％以下に制限したガラスで結合された圧粉磁心である。
本発明の圧粉磁心においてガラスは少なくともＡｌ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂの１種以上を含むことことが好ましく、より好ましくは質量％でＡｌ１〜４％、Ｓｉ２〜７％、Ｂ０．５〜３％、Ｚｎ９％以下の少なくとも１種以上を含む。
上記の本発明の圧粉磁心では、２０ｋＨｚにおける透磁率が６０以上、さらには２０ｋＨｚ、０．１Ｔにおける磁心の損失が５０ｋＷ／ｍ３以下を達成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
上述したように、本発明の圧粉磁心の製造方法における重要な特徴は、磁性粉末としてナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末、ガラス粉末として質量％でＢｉを５０％以上含有し、Ｐｂを０．１％以下に制限したガラス粉末を採用したことにある。
本発明においてナノ結晶組織とは、ナノ結晶を発現が可能な組成の非晶質合金を結晶化温度以上で結晶化熱処理して、組織の少なくとも５０％以上を結晶粒径５０ｎｍ以下のナノ結晶組織に調整した組織であり、またナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末とは、結晶化熱処理前のナノ結晶組織を発現可能な組成の非晶質磁性粉末、及び結晶化熱処理後のナノ結晶組織を有する磁性粉末、即ちナノ結晶磁性粉末の両方を指すものである。
【００１３】
既述のように非晶質磁性粉末は磁心損失に優れるものの、絶縁、結着の為の熱処理を結晶化温度以下で行うことが必要である。これに対して、ナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末は、最終的に結晶化して用いられる非晶質組織の材料、または結晶化熱処理により既に結晶化して用いる材料であり、結晶粒が粗大化しない範囲であれば結晶化温度よりも高い温度での熱処理が可能である。また、ナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末は、ナノ結晶組織に調整した後は磁心損失などの磁気特性にも優れる。
熱処理温度について具体的に比較すると、例えばＦｅ基非晶質合金やＣｏ基非晶質合金の多くは結晶化温度が５００℃前後であるため、熱処理はそれ以下の温度、一般的には結晶化温度−１００℃程度で行わなければならない。これに対してナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末では、結晶化温度＋１００℃程度まで熱処理温度を上げることができる。この結果、従来用いられているガラス粉末と比べて、軟化点の高いガラス粉末を適用することが可能となる。
【００１４】
本発明で用いるナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末として、より具体的には、一般式：（Ｆｅ１−ａＭａ）１００−ｘ−ｙ−ｚ−α―β−γＣｕｘＳｉｙＢｚＭ’αＭ’’βＸγ（但し、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ’はＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＭｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ’’はＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｌ、白金属元素、Ｓｃ、Ｙ、希土類元素、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｒｅからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、ＸはＣ、Ｇｅ、Ｐ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｂｅからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、ａ、ｘ、ｙ、ｚ、α、β、γはそれぞれ０≦ａ≦０．５、０．１≦ｘ≦３、０≦ｙ≦３０、０≦ｚ≦２５、０≦ｙ＋ｚ≦３５、０．１≦α≦３０、０≦β≦１０及び０≦γ≦１０を満たす。）により表される組成の磁性粉末が挙げられる。なお、磁性粉末は、水アトマイズ法により直接、粉末として得ることが出来るほか、単ロール法により一旦薄帯に鋳造した後、機械的に破砕すること等で製造することができる。
【００１５】
本発明では、非晶質磁性粉末と比べて高い温度での熱処理が可能な上述のナノ結晶磁性粉末と共に、質量％でＢｉを５０％以上含有し、Ｐｂを０．１％以下に制限したガラス粉末を用いることで、圧粉磁心のＰｂフリー化を達成する。なお、本発明においてＰｂ含有量を０．１％以下とするのは、Ｐｂフリー材料において、原料から不純物として不可避的に混入するＰｂの濃度や、環境汚染防止の観点から一般的に許容されているＰｂ含有のレベルが、０．１％以下だからである。
【００１６】
本発明において、ガラス粉末として質量％でＢｉを５０％以上含有するガラスを用いる理由は、第一にＢｉはガラス中の含有量を増量することにより、ガラスの軟化点を降下することができるためである。Ｂｉの含有量が５０％以上では、ガラスの軟化点は６００℃未満となり、ナノ結晶組織の粗大化を生じない温度範囲での熱処理が可能である。ガラスの軟化点を降下させる観点からは、Ｂｉの含有量は７０％以上とすることが好ましい。
【００１７】
第二に、Ｂｉ系ガラス粉末は粉末の微細化に適するためである。圧粉磁心に使用されるガラス粉末は粉末寸法が微細であるほど、熱処理前の圧粉磁心において空隙を生じることなく、均一にガラス粉末を分散させることが出来、さらにガラス粉末の軟化時にはナノ結晶磁性粉末との濡れが均一となる。この結果、圧粉磁心の密度を高め、また磁性粉末同士の絶縁を確実に行うことができる。したがって微細化に適するＢｉ系ガラス粉末は圧粉磁心の製造に好適である。
【００１８】
Ｂｉ系ガラス粉末が微細化に適するのは、Ｂｉ系ガラス粉末の以下の特徴によるものである。多くの場合、ガラス粉末の製造は粉砕によって行われるが、微細化する場合、特にメジアン粒径ｄ５０が５μｍ以下まで微粒化にするには湿式による粉砕が適している。湿式による粉砕を行う場合には、ガラスは耐水性を具備することが必要となる。耐水性とはガラスを水につけたときの安定性を示す指標で一般にガラス中にアルカリ含有量が少ないほど安定性が良好となる。
一般にＰｂ酸化物等を添加することでアルカリ溶出量を低減させて耐水性を向上させることができるが、Ｂｉ酸化物も同様に耐水性を向上させることができる。したがって、本発明で用いるＢｉを質量％で５０％以上含有するＢｉ系ガラス粉末は、高い耐水性を具備しており、微細化に適する。
【００１９】
本発明では以上に述べたナノ結晶磁性粉末と質量％でＢｉを５０％以上含有し、Ｐｂを０．１％以下に制限したガラス粉末を、バインダーと共に混合して混合粉末とし、該混合粉末を金型で成形し、６００℃以下で熱処理する。
本発明においてバインダーは、混合粉末を金型により成形する際に、形状を維持するために用いるものであるが、例えばＰＶＡ、ＰＶＢ、水ガラス、エポキシ樹脂、Ｓｉ樹脂およびポリイミド樹脂、フェノール樹脂等を用いることもできる。しかし、上述の様に熱硬化性樹脂およびＳｉ樹脂は磁性粉末との濡れ性および圧粉磁心内の残留応力により好ましくなく、ＰＶＡ、ＰＶＢ、水ガラスの方が好ましい。これらを混合して得られる混合粉末は、乾燥、粒径調整を行った後、金型により成形することが好ましい。
なお、本発明ではナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末として、結晶化熱処理を行っていない非晶質組織の磁性粉末を結晶化させた後、バインダー、ガラス粉末等と混合、成形し、結着して圧粉磁心を製造することも可能であるが、工程簡略の観点からは、非晶質組織の磁性粉末を用いて成形し、結着の為の熱処理の際に、同時に磁性粉末をナノ結晶化させることが好ましい。
【００２０】
本発明において、Ｂｉ系ガラス粉末はＡｌ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂの少なくとも１種以上を含有することが好ましい。
上述のＢｉ酸化物と同様に、Ａｌ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｚｎ酸化物がガラス粉末の耐水性を向上する効果を有するからである。一方、Ａｌ酸化物、Ｓｉ酸化物はガラス粉末の軟化点を上昇させる効果も有するので、Ａｌ、Ｓｉの含有量は質量％で各々１０％以下とすることが好ましい。より好ましくはＡｌ１〜４％、Ｓｉ２〜７％である。またＺｎ酸化物はガラス粉末とナノ結晶磁性粉末との濡れ性を低下させる効果も有するので、Ｚｎの含有量は１０％以下とすることが好ましい。より好ましくは９％以下である。
【００２１】
Ｂはガラス粉末の軟化点を低くする効果を有する。一方、含有量が多いとガラス粉末の化学的耐久性を低下するので、Ｂの含有量は質量％で１０％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．５〜３％である。
また、耐水性をさらに向上させるためにＳｎＯ、ＭｇＯ、ＭｇＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯを若干量添加させても良好である。
【００２２】
また、本発明ではナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末と、Ｂｉ系ガラス粉末と、バインダーを混合して混合粉末とする際、磁性粉末には粒径の分布において二つのピークを示す粉末を用いることが好ましい。粒径の分布において二つのピークを示す粉末を用いることにより、図１に示すように粒径の大きい磁性粉末１の間隙に粒径の小さい磁性粉末２が分散する形でＢｉ系ガラス３により結着させることができる。一つのピークのみを示す粉末を用いる場合と比べて、圧粉磁心におけるナノ結晶磁性粉末の占める割合を向上することができ、その結果、圧粉磁心の透磁率向上、磁心損失の低減を達成することができる。
【００２３】
具体的には、ｄ５０が３５μｍ以上のナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末（第一粒子）とｄ５０が１５μｍ以下のナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末（第二粒子）を混合することが好ましい。ｄ５０値とは積算粒度分布曲線の５０％粒径と定義されるメジアン粒径である。より好ましくは、粒子径の比率としては第一粒子のｄ５０値と第二粒子のｄ５０値の比が５倍以上である。また、第一粒子と第二粒子とを混合する際、その混合比は第二粒子の粉末量が質量％で４０％以下であることが好ましい。
【００２４】
以上に述べた本発明の製造方法では、従来、非晶質磁性粉末を用いた圧粉磁心の製造において問題であった、熱処理温度及びＰｂフリー化を解消し、ナノ結晶磁性粉末と、質量％でＢｉを５０％以上含有し、Ｐｂを０．１％以下に制限したガラスで結合された圧粉磁心を製造することが出来る。
ナノ結晶磁性粉末と、質量％でＢｉを５０％以上含有し、Ｐｂを０．１％以下に制限したガラスとで結合された圧粉磁心はＰｂフリーの問題を解消し、かつナノ結晶磁性粉末により優れた磁気特性を達成することができる。
具体的には、２０ｋＨｚにおいて透磁率が６０以上を達成することができる。さらに、２０ｋＨｚにおいて磁界０．１Ｔ印加した時に圧粉磁心の損失が５０ｋＷ／ｍ３以下を達成することができる。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
水アトマイズ法により、組成が何れもＦｅ−１３．５Ｓｉ−１Ｃｕ−３Ｎｂ−１Ｃｒ−１１Ｂ（ｍｏｌ％）、メジアン粒径がｄ５０：４６．２μｍ、及びｄ５０：５．８μｍの二種のナノ結晶組織を発現可能な組成の磁性粉末を製造した。メジアン粒径がｄ５０：４６．２μｍ、及びｄ５０：５．８μｍの磁性粉末を７：３の割合で混合して粒径分布において２つのピークを有する混合磁性粉末とした。この混合磁性粉末と、質量％で８１Ｂｉ−２．５Ａｌ−４．５Ｓｉ−５Ｚｎ−１．３Ｂ―Ｏの組成を有し、Ｐｂ含有量が０．１％以下であるＢｉ系ガラス粉末（ｄ５０：１．０μｍ、軟化点：約４５５℃）と、バインダーとを下記の配合比率にて、ヘンシェルミキサーにて混合し、その後、８０℃の条件で混合しながら乾燥させた。なお、本実施例では可塑剤としてグリセリンも併せて混合した。
【００２６】
−配合比率（質量比率）−
混合磁性粉末：１００
Ｂｉ系ガラス粉末：１
ポリビニルアルコール粉末（バインダー）：１
グリセリン１０ｍａｓｓ％溶液（可塑剤）：１０
【００２７】
上記の混合粉末を６０＃ふるいにてふるった後に、潤滑剤としてステアリン酸を添加し、金型内に混合粉末を挿入して２．０ＧＰａの条件で加圧し、外径１４、内径８、厚さ５（ｍｍ）の形状に成形した。なおステアリン酸は質量比率で混合粉末１１２に対して１の割合で添加した。
上記の成形体を、Ｂｉ系ガラス粉末の軟化点である４５５℃と比べて十分に高い温度である５８０℃のＮ２雰囲気中において２ｈ熱処理し、Ｂｉ系ガラス粉末の軟化、及び磁性粉末のナノ結晶化を行い圧粉磁心とした。
【００２８】
作製した圧粉磁心について、ＬＣＲメータにて２０ｋＨｚでの透磁率を測定し、ＩＷＡＴＳＵ８２３２にて２０ｋＨｚ、０．１Ｔでのコアロスを測定した。
その結果、Ｂｉ系ガラス粉末が十分に軟化を生じる高温にて熱処理を行ったにも関わらず、２０ｋＨｚでの透磁率は７２と高い透磁率を示し、２０ｋＨｚ、０．１Ｔでのコアロスは２８ｋＷ／ｍ３となり、低い損失を示した。また、本実施例の圧粉磁心はＰｂフリーを達成している。
【００２９】
（実施例２）
Ｂｉ系ガラス粉末として、質量％で７５Ｂｉ−２．５Ａｌ−３．５Ｓｉ−１．２Ｂ―Ｏの組成を有し、Ｐｂ含有量が０．１％以下であるガラス粉末（ｄ５０：５．０μｍ、軟化点約４５５℃）を用い、Ｂｉ系ガラス粉末が異なる以外は実施例１と同様にして圧粉磁心を作成し、実施例１と同じ手法にて透磁率、磁心損失を測定した。
その結果、Ｂｉ系ガラス粉末が十分に軟化を生じる高温にて熱処理を行ったにも関わらず、２０ｋＨｚでの透磁率は６８と高い透磁率を示し、２０ｋＨｚ、０．１Ｔでのコアロスは２６ｋＷ／ｍ３と低い損失を示した。また、本実施例の圧粉磁心はＰｂフリーを達成している。
【００３０】
（実施例３）
Ｂｉ系ガラス粉末として質量％で７０Ｂｉ−２Ｂ―Ｏの組成を有し、Ｐｂ含有量が０．１％以下であるガラス粉末（ｄ５０：１．０μｍ、軟化点約４５５℃）を用い、Ｂｉ系ガラス粉末が異なる以外は実施例１と同様にして圧粉磁心を作成し、実施例１と同じ手法にて透磁率、磁心損失を測定した。
その結果、Ｂｉ系ガラス粉末が十分に軟化を生じる高温にて熱処理を行ったにも関わらず、２０ｋＨｚでの透磁率は６７と高い透磁率を示し、２０ｋＨｚ、０．１Ｔでのコアロスは２５ｋＷ／ｍ３と低い損失を示した。また、本実施例の圧粉磁心はＰｂフリーを達成している。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、圧粉磁心の製造における熱処理温度、及びＰｂフリー化の問題を解決し、磁気特性に優れた圧粉磁心の製造方法を提供することができ、また透磁率の向上、磁心損失の低減および達成した圧粉磁心を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧粉磁心における磁性粉末の分布の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１．粒径の大きい磁性粉、２．粒径の小さい磁性粉末、３．Ｂｉ系ガラス
【図１】
2004221453.tif 000003