(57)【要約】【課題】  金属磁性粒子とフェライト被膜の化学的結合性を向上させて、磁路の形成を容易にすることにより、高透磁率の複合磁性材料および磁気部品を提供する。【解決手段】  金属磁性粒子とフェライト被膜の境界に原子の相互拡散により形成された界面層を有するフェライト被覆金属磁性粒子からなる複合磁性材料。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属磁性粒子とフェライト被膜の境界に原子の相互拡散により形成された界面層を有するフェライト被覆金属磁性粒子からなる複合磁性材料。
【請求項２】
前記界面層が磁性を有する鉄酸化物からなることを特徴とする請求項１記載の複合磁性材料。
【請求項３】
請求項１または２記載の複合磁性材料を圧縮成型してなることを特徴とする磁性部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェライト被覆金属磁性粒子からなる複合磁性材料および該複合磁性材料を圧縮成形してなる磁性部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種電子機器は小型・軽量化されてきており、なおかつ低消費電力化が求められている。これに伴い電子機器に搭載される電源として高効率かつ小型のスイッチング電源に対する要求が高まっている。特にノート型パソコンや携帯電話等の小型情報機器、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・薄型化が強く求められている。
【０００３】
従来のスイッチング電源では、その主要な構成部品であるトランスやリアクトルなどの磁気部品が大きな体積を占めており、スイッチング電源を小型・薄型化するためには、これら磁気部品の体積を縮小することが必要不可欠となっていた。
【０００４】
従来、このような磁気部品には、センダストやパーマロイ等の金属磁性材料や、フェライト等の酸化物磁性材料が使用されていた。
【０００５】
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。スイッチング電源では、高効率化および小型化のため回路を高周波駆動することが行われているが、上記の渦電流損失の影響から高周波駆動できないため金属磁性材料をスイッチング電源用の磁気部品に使用することは困難である。
【０００６】
一方、フェライトに代表される酸化物磁性材料は、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、トランスやリアクトルを小型化した場合、コイルに流す電流は同じでも磁心にかかる磁場は強くなってしまう。一般に、フェライトの飽和磁束密度は金属磁性材料に比べて小さく、スイッチング電源の磁気部品として使用した場合、上記の理由によりその小型化には限界がある。
【０００７】
つまり、いずれの材料を用いても、スイッチング電源の磁気部品に対して要求される、高周波駆動と小型化の双方を満足させることは困難となっていた。
【０００８】
最近、金属磁性材料および酸化物磁性材料の両者の長所を有する磁性材料として、飽和磁束密度および透磁率が高い金属磁性材料の表面に、電気抵抗率の高い酸化物磁性材料の被膜を形成した磁性材料が提案されている。
【０００９】
例えば、金属磁性材料の粉末の表面に高透磁率金属酸化物の被膜を形成した高透磁率材料が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
また、１〜１０μｍの粒子からなる金属磁性材の表面を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２参照。）。
【００１１】
特許文献１、２では金属酸化物被膜を形成後、あるいは金属酸化物被覆金属磁性材料を磁気部品に焼結成型後、熱処理を行っているが、この熱処理は焼結成形品のひずみの除去や、フェライト被覆をより完全にするためのものであり、表面酸化を防ぐため、窒素などの不活性雰囲気、あるいは水素を含む還元性雰囲気で熱処理を行っている。
【００１２】
さらに、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の提案もある(例えば、特許文献３参照。)。
【００１３】
【特許文献１】特開昭５３−９１３９７号公報
【特許文献２】特開昭５６−３８４０２号公報
【特許文献３】国際公開第０３／０１５１０９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前記フェライト被覆金属磁性粒子を圧縮成型した磁気部品において、高い透磁率を実現させるためには、金属磁性粒子間の磁路形成を妨げないようにしなければならない。そのためには、金属磁性粒子とフェライト被膜の界面に空隙がなく、且つ化学的に結合している必要がある。
【００１５】
特許文献１では、金属磁性粒子を水酸化ナトリウム水溶液中で撹拌しながらこれにニッケル、亜鉛、鉄の硫酸塩の混合水溶液を加えて金属磁性粒子の表面に共沈生成物を析出させ、これをフェライトに転化させたものを焼結して磁性材料を得ており、特許文献２では、金属磁性粒子をニッケル、亜鉛、鉄の硫酸塩の混合水溶液中で撹拌しながらこれに水酸化ナトリウム水溶液を加えて金属磁性粒子の表面に共沈生成物を析出させ、これをフェライトに転化させたものを熱処理後焼結して磁性材料を得ているが、これらは単に金属粉表面に析出、フェライトに転化させているだけなので、金属磁性粒子とフェライト被膜が化学的に結合しているとはいえず、透磁率が充分高いとはいえないものである。
【００１６】
また、特許文献３では超音波励起フェライトめっきを行っているが、この方法では金属粒子表面のＯＨ基を核としてＦｅ等のイオンが吸着することによって反応が進むので、金属磁性粒子とフェライト被膜の化学的な結合性が低い。また、フェライトの成長形態が完全な膜状ではなくて、微粒子が付着したような状態であるため、界面における空隙も少なくない。よって、フェライト被覆した粒子を圧縮成型しただけの磁気部品で、従来材料に比べて飛躍的に高い透磁率を得ることはできなかった。
【００１７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、金属磁性粒子とフェライト被膜の化学的結合性を向上させて、磁路の形成を容易にすることにより、高透磁率の複合磁性材料および磁気部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
すなわち、本発明の複合磁性材料は金属磁性粒子とフェライト被膜の境界に原子の相互拡散により形成された界面層を有するフェライト被覆金属磁性粒子からなることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の磁気部品は、前記複合磁性材料を圧縮成型してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の複合磁性材料を用いることにより、高透磁率の磁気部品を作製することができる。
【００２１】
これにより、ノート型パソコン・小型携帯機器・薄型ディスプレイなどのスイッチング電源に向けた、高機能でかつ小型・薄型の磁気部品を作ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明において、金属磁性粒子における金属としては、酸化平衡状態図上において磁性を有するスピネル酸化物との共存相が存在するものを選択し、その共存相を与える酸素分圧下で熱処理することにより、金属磁性粒子とフェライト被膜の境界で原始の相互拡散を起こさせ、γ−三二酸化鉄や四三酸化鉄等の磁性を有する鉄酸化物からなる界面層を形成することができる。このような酸化平衡状態図上において磁性を有するスピネル酸化物との共存相が存在するものの具体例として、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｆｅ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。
【００２３】
金属磁性粒子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。
【００２４】
金属磁性粒子の表面を被覆するフェライトとしては、ＮｉＺｎフェライト、Ｃｏフェライト、ＣｏＺｎフェライトこれらを主成分とする複合フェライトを例示でき、用いる金属材料に合わせて、適宜選択すればよい。例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｆｅ合金に対してはＮｉＺｎフェライトが、Ｃｏ−Ｆｅ合金に対してはＣｏＺｎフェライトが好ましく用いられる。
【００２５】
金属磁性粒子とフェライト被膜の境界に形成される界面層は磁性粒子を構成する金属とフェライトの間での原子の相互拡散により形成されるもので、磁性を有する鉄酸化物からなることが好ましい。この磁性を有する鉄酸化物としては、γ−三二酸化鉄、四三酸化鉄であることが好ましい。あるいは、原子の拡散により、熱処理前とは組成が変化したフェライトであってもよい。
【００２６】
金属磁性粒子とフェライト被膜の境界に界面層が形成されると、金属磁性粒子とフェライト被膜の化学的結合性が向上し、空隙も少なくなる。かつ、界面層が磁性を有する鉄酸化物であると、金属磁性粒子間における磁路の形成を妨げることがなく、従来材料に比べて飛躍的に高い透磁率を有する複合磁性材料および磁気部品の実現が可能となる。
【００２７】
金属磁性粒子のフェライト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ないが、２０ｎｍ以上であることが好ましく、透磁率を高める観点からは５００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
金属磁性粒子の表面にフェライト被覆を形成する方法としては、フェライトめっきなどのめっき法等を挙げることができる。めっき法の中では超音波励起フェライトめっき法が好ましく用いられる。
【００２９】
フェライト被覆金属磁性粒子の金属磁性粒子とフェライト被膜の境界に界面層を形成する方法としては、フェライト被覆金属磁性粒子を酸素含有雰囲気中で熱処理する方法を挙げることができる。
【００３０】
この熱処理は、金属磁性粒子とフェライト被膜の境界に金属酸化物からなる界面層を形成するため、大気中で５００〜１０００℃で１秒〜６０分間行うのが好ましい。より好ましくは大気中で５００〜７００℃で１〜６０秒間熱処理を行うのがよい。
【００３１】
この熱処理は複合磁性材料を熱処理してもよく、複合磁性材料を所望の形状に圧縮成型して磁気部品としてから、この磁気部品を熱処理してもよいが、磁気部品を熱処理することが好ましい。
【００３２】
フェライト被覆金属磁性粒子の金属磁性粒子とフェライト被膜の境界に界面層が形成されたかどうかの確認は熱処理前後の試料のＸ線回折による結晶構造解析により行うことができる。図２、図４にフェライト被覆金属磁性粒子の熱処理前後のＸ線回折パターンの一例を示す。
【００３３】
図２はγ−三二酸化鉄からなる界面層が生成した例を示す図である。
【００３４】
すなわち、フェライトとγ−三二酸化鉄は結晶構造が似ているため回折ピークはほぼ同じようなところに現れるが、γ−三二酸化鉄の回折ピークの方がフェライトの回折ピークよりも少しだけ高角度側に出るのでフェライトのピークの裾が高角度側に広がった形状になることで確認できる。フェライトの回折ピークは結晶の乱れでも裾が広がるが、この場合は両側に広がるのでフェライトのピークの裾が高角度側に広がった場合はγ−三二酸化鉄が生成したことを示している。このγ-三二酸化鉄は磁性粒子を構成する金属とフェライトの間での原子の相互拡散により形成されるため、金属磁性粒子とフェライト被膜の境界に界面層が形成されたことがわかる。特に、このフェライトピークの裾の高周波側への広がりと、熱処理前後の試料の透磁率の周波数依存性曲線で、熱処理後には特に高周波領域における透磁率の向上が見られることの両方から、この界面層が形成されたことがわかる。
【００３５】
四三酸化鉄の場合も同様であるが、四三酸化鉄の場合は四三酸化鉄の回折ピークの方がフェライトの回折ピークよりも少しだけ低角度側に出る。したがって、γ−三二酸化鉄の場合にはフェライトのピークの裾が高角度側に広がった形状になるのに対して、四三酸化鉄の場合はフェライトのピークの裾が低角度側に広がった形状になることで確認できる。その他はγ−三二酸化鉄の場合と同様である。
【００３６】
本発明の磁気部品は上述の複合磁性材料を圧縮成型してなるが、このような磁気部品としては、薄型トランス、リアクトル、電磁コイルのコア等を例示できる。
【００３７】
圧縮成型条件は特に限定されるものではなく、通常、磁性材料を圧縮して磁性部品を得る場合の圧縮条件をいずれも採用できる。
【実施例】
【００３８】
(実施例１)
フェライト被覆金属磁性粒子の作製は、上述した国際公開第０３／０１５１０９号パンフレットに記載の超音波励起フェライトめっき法により、次のように行った。
【００３９】
金属磁性粒子としては、水アトマイズ法により作製したＮｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子(平均粒子径８μｍ)を２０ｇ用いた。フェライトめっきの前処理として、これらの粒子をＨ２Ｏ：３００ｍｌ＋４７％Ｈ２ＳＯ４：１２５０μｌ＋２ｍｏｌＨＣｌ：１２５０μｌの溶液中(液温７０℃)に入れて、５分間１９．５ｋＨｚの超音波を印加した。
【００４０】
その後、純水を入れたガラス製の反応容器中にＮｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子を移し替え、１９．５ｋＨｚの超音波を印加した。引き続き超音波を印加しつつ、この反応容器に反応液  (Ｈ２Ｏ：５００ｍｌ＋ＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏ：３．９８ｇ＋ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ：１．１９ｇ＋ＺｎＣｌ２：０．６８ｇ)  および酸化液  (Ｈ２Ｏ：５００ｍｌ＋ＮａＮＯ３：１．００ｇ)  をそれぞれ３ｍｌ／ｍｉｎ、２ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給しながら、適宜アンモニア水を滴下することによりｐＨを１０．０に保ちつつ、めっき処理を６０分間行った。めっき処理後、粒子を分級・乾燥させて、フェライト被覆金属磁性粒子を得た。
【００４１】
上記のフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子を超硬合金製の金型に充填し、９８０ＭＰａ（１０トン重／ｃｍ２）の一軸プレスにより内径３ｍｍφ、外径８ｍｍφ、高さ約３ｍｍのリングコア形状に成型した。
【００４２】
このリングコアに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。その実部μ'および虚部μ''の周波数依存性をそれぞれ図１のデータＡとＢに示す。
【００４３】
透磁率測定後のリングコアを大気中で５００℃の電気炉に１分間投入し、熱処理を行った。熱処理後の複素透磁率を上記と同様の条件で測定した。その実部μ'および虚部μ''の周波数依存性をそれぞれ図１のデータＣとＤに示す。
【００４４】
図１から、データＡのように熱処理前は５０程度であった透磁率が、熱処理をすることによってデータＣのように１ＭＨｚまでフラットな周波数依存性を維持したまま、１００以上に向上していることがわかる。
【００４５】
上記の熱処理により金属磁性粒子とフェライト被膜の境界に鉄酸化物から成る界面層が形成されたことを確認するために、熱処理前後のリングコアについてＸ線回折による結晶構造解析を行った。測定方法は粉末回折法とし、電圧４０ｋＶ電流、４０ｍＡで封入管式Ｘ線管球のＣｕ Ｋα線を使用し、積算時間を５秒とした。熱処理前および熱処理後の試料のＸ線回折パターンをそれぞれ図２のデータＥとＦに示す。
【００４６】
図２において、熱処理前試料のフェライト被膜の回折ピークがＥ−１、Ｅ−２、Ｅ−３であり、熱処理後試料のフェライト被膜の回折ピークがＦ−１、Ｆ−２、Ｆ−３であるが、Ｅ−１〜３に比べてＦ−１〜３は高角度側の裾が拡がっている。これは、熱処理により原子が相互拡散して、フェライト被膜とＮｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子の界面にγ−三二酸化鉄（γ−Ｆｅ２Ｏ３）が生成したことを表している。
【００４７】
すなわち、表面にフェライト被膜を形成したＮｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子は大気中での熱処理により、フェライト被膜とＮｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子の界面にγ−三二酸化鉄が生成して界面層を形成し、これにより５０程度であった透磁率が１ＭＨｚまでフラットな周波数依存性を維持したまま、１００以上に向上したことを示している。
【００４８】
(比較例１)
上記実施例１における界面層の効果を明らかにするために、熱処理をしても界面層が形成されない試料のデータを比較例として挙げる。金属磁性粒子としては、水アトマイズ法により作製したＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子(平均粒子径１０μｍ)を２０ｇ用いた。この金属は酸化平衡状態図上において磁性を有するスピネル酸化物との共存相が存在せず、ＦｅＳｉ4Ｃｒ4を磁性金属として用いたフェライト被覆金属粒子はこれを熱処理してもフェライト被膜と金属微粒子の間に界面層を形成しないことが判明している。
【００４９】
この金属粒子を用いて、これに実施例１と同様の方法でフェライトめっきを施して、リングコア形状に圧縮成型し、大気中５００℃で１時間熱処理を施した。熱処理前の複素透磁率の実部μ'および虚部μ''をそれぞれ図３のデータＧとＨに示す。また、熱処理後の複素透磁率の実部μ'および虚部μ''をそれぞれ図３のデータＩとＪに示す。データＧとＩを比較すれば明らかなように、実施例１の場合とは異なり、熱処理をしても透磁率の向上は見られない。
【００５０】
また、実施例１と同様の条件で測定した熱処理前および熱処理後の試料のＸ線回折パターンをそれぞれ図４のデータＫとＬに示す。熱処理前試料のフェライト被膜の回折ピークがＫ−１、Ｋ−２、Ｋ−３であり、熱処理後試料のフェライト被膜の回折ピークがＬ−１、Ｌ−２、Ｌ−３であるが、Ｋ−１〜３とＬ−１〜３を比べても回折ピークのシフトや幅の拡がりは見られない。この試料では、熱処理をしてもフェライト被膜と金属磁性粒子の境界に界面層が生成されないことを示している。このことから、熱処理をしても原子の相互拡散が起こらずに、本発明の請求項に記載された構造を持たない複合磁性材料では、高い透磁率が得られないことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明により、高周波数領域でも高い透磁率の磁気製品を作成でき、ノート型パソコン・小型携帯機器・薄型ディスプレイなどのスイッチング電源に向けた、高機能でかつ小型・薄型の磁気部品を作ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施例１に記載した、熱処理前および熱処理後におけるフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子の複素透磁率の実部μ'および虚部μ''を周波数に対してプロットしたグラフである。
【図２】本発明の実施例１に記載した、熱処理前および熱処理後におけるフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子のＸ線回折パターンを示す図である。
【図３】本発明の比較例１に記載した、熱処理前および熱処理後におけるフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子の複素透磁率の実部μ'および虚部μ''を周波数に対してプロットしたグラフである。
【図４】本発明の比較例１に記載した、熱処理前および熱処理後におけるフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子のＸ線回折パターンを示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ      熱処理前におけるフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子の複素透磁率の実部μ'を周波数に対してプロットしたデータ
Ｂ      熱処理前におけるフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子の複素透磁率の虚部μ''を周波数に対してプロットしたデータ
Ｃ      熱処理後におけるフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子の複素透磁率の実部μ'を周波数に対してプロットしたデータ
Ｄ      熱処理後におけるフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子の複素透磁率の虚部μ''を周波数に対してプロットしたデータ
Ｅ      熱処理前におけるフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子のＸ線回折パターン
E-1      熱処理前のフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子におけるフェライトの面指数(311)の回折ピーク
E-2      熱処理前のフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子におけるフェライトの面指数(511)の回折ピーク
E-3      熱処理前のフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子におけるフェライトの面指数(440)の回折ピーク
Ｆ      熱処理後におけるフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子のＸ線回折パターン
F-1      熱処理後のフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子におけるフェライトの面指数(311)の回折ピーク
F-2      熱処理後のフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子におけるフェライトの面指数(511)の回折ピーク
F-3      熱処理後のフェライト被覆Ｎｉ78Ｍｏ5Ｆｅ粒子におけるフェライトの面指数(440)の回折ピーク
Ｇ      熱処理前におけるフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子の複素透磁率の実部μ'を周波数に対してプロットしたデータ
Ｈ      熱処理前におけるフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子の複素透磁率の虚部μ''を周波数に対してプロットしたデータ
Ｉ      熱処理後におけるフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子の複素透磁率の実部μ'を周波数に対してプロットしたデータ
Ｊ      熱処理後におけるフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子の複素透磁率の虚部μ''を周波数に対してプロットしたデータ
Ｋ      熱処理前におけるフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子のＸ線回折パターン
K-1      熱処理前のフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子におけるフェライトの面指数(311)の回折ピーク
K-2      熱処理前のフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子におけるフェライトの面指数(511)の回折ピーク
K-3      熱処理前のフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子におけるフェライトの面指数(440)の回折ピーク
Ｌ      熱処理後におけるフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子のＸ線回折パターン
L-1      熱処理後のフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子におけるフェライトの面指数(311)の回折ピーク
L-2      熱処理後のフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子におけるフェライトの面指数(511)の回折ピーク
L-3      熱処理後のフェライト被覆ＦｅＳｉ4Ｃｒ4粒子におけるフェライトの面指数(440)の回折ピーク
【図１】
2005347422.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005347422.tif 000005
【図４】
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