(57)【要約】【課題】  電気抵抗率が高く、高周波域まで高透磁率を維持する複合磁性材料およびそれから製造される磁気部品の提供。【解決手段】  Ｎｉ−Ｚｎフェライトにより金属磁性材料の粒子を被覆したフェライト被覆金属磁性粒子を含み、Ｆｅよりも第３イオン化エネルギーが大きく、かつＮｉよりも第３イオン化エネルギーが小さい微量元素が前記Ｎｉ−Ｚｎフェライトに添加されていることを特徴とする複合磁性材料、およびそれを圧縮成形および熱処理して得られる磁気部品。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ−Ｚｎフェライトにより金属磁性材料の粒子を被覆したフェライト被覆金属磁性粒子を含み、Ｆｅよりも第３イオン化エネルギーが大きく、かつＮｉよりも第３イオン化エネルギーが小さい微量元素が前記Ｎｉ−Ｚｎフェライトに添加されていることを特徴とする複合磁性材料。
【請求項２】
前記微量元素がＭｎまたはＣｏであることを特徴とする請求項１に記載の複合磁性材料。
【請求項３】
前記微量元素の添加量が、前記Ｎｉ−Ｚｎフェライト中の全金属元素を基準として０．１ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％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１から３に記載の複合磁性材料を圧縮成形し、５００℃以上の温度で熱処理して形成されることを特徴とする磁気部品。
【請求項５】
トランスまたはリアクトルの磁芯であることを特徴とする請求項４に記載の磁気部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェライトにより金属磁性粒子を被覆した複合磁性材料およびそれを圧縮成形して作製した磁気部品に関しており、より詳細には、スイッチング電源などに搭載されるトランスやリアクトルなどの磁気部品に関する。
【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。従来、このような磁気部品の磁芯は、センダストやパーマロイ等の金属磁性材料、あるいはフェライト等の酸化物磁性材料が使用されていた。
【０００４】
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、回路を高周波駆動することにより、高効率化および小型化する傾向にあるが、上記の渦電流損失の影響から金属磁性材料をスイッチング電源用の磁気部品の磁芯として使用することは困難である。
【０００５】
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芯にかかる磁束密度が高くなってしまう。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いので、磁芯内で磁束が飽和してしまう。この理由により、フェライトなどの酸化物磁性材料を磁気部品の磁芯として使用した場合、その小型化には限界がある。
【０００６】
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。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覆層を形成した磁性材料が提案されている。
【０００７】
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覆層を形成した高透磁率材料が提案されている（特許文献１参照）。
【０００８】
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（特許文献２参照）。
【０００９】
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が提案されている（特許文献３参照）。
【００１０】
【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
【非特許文献１】粉体冶金、４７（７）、７５７（２０００）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記フェライト被覆金属磁性粒子を圧縮成形した磁気部品において、高周波域で高い透磁率を実現するためには２つのことが要求される。１つは、渦電流損失を防ぐために電気抵抗率を高くすることであり、１つは金属磁性粒子間の磁路形成を妨げないことである。
【００１２】
渦電流の発生を防止するためには、高い電気抵抗率を有するフェライト（たとえば、Ｎｉ−Ｚｎフェライト）を用いることが有効である。また、金属磁性粒子間の磁路形成を向上させるためには、金属磁性粒子とフェライト被覆層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。
【００１３】
金属磁性粒子をフェライト被覆する方法としては、超音波励起フェライトめっき法（特許文献３参照）があるが、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覆層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形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。
【００１４】
フェライト被覆粒子を圧縮成形した後、熱処理すると透磁率が大きく向上する。これは、金属磁性粒子とフェライト被覆層の間に原子の相互拡散による界面層が形成されて空隙が減少し、化学的結合性が向上するために、磁路の形成が容易になるためだと考えられる。しかし、この相互拡散によってフェライト被覆層中の陽イオンとともに電子が失われると、残ったＮｉ２＋では、式（Ｉ）に示すような、電子の放出・結合が生じる。
【００１５】
【化１】
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【００１６】
また、ＮｉやＺｎのサイトに金属粒子からＦｅ２＋が流入してしまうと、もともと存在していたＦｅ３＋も含めて、式（II）に示すような電子の授受が生じる。このような電子の移動が起こるとフェライト被覆層の絶縁性が低下し、高周波域では渦電流により透磁率が低下してしまうので実用に耐えられない。
【００１７】
【化２】
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【００１８】
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、フェライト被覆層に微量元素を添加することによって、ＮｉやＦｅイオンの電子の授受を抑制し、熱処理による抵抗率の低下を抑制して高周波域においても高透磁率を維持する複合磁性材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
このような目的を達成するために、本発明の第１の実施形態の複合磁性材料は、Ｎｉ−Ｚｎフェライトにより金属磁性材料の粒子を被覆したフェライト被覆金属磁性粒子を含み、Ｆｅよりも第３イオン化エネルギーが大きく、かつＮｉよりも第３イオン化エネルギーが小さい微量元素がＮｉ−Ｚｎフェライトに添加されていることを特徴とする。微量元素がＭｎまたはＣｏであってもよく、その添加量は、前記Ｎｉ−Ｚｎフェライト中の全金属元素を基準として０．１ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％であってもよい。
【００２０】
本発明の第２の実施形態の磁気部品は、第１の実施形態のフェライト被覆金属磁性粒子を圧縮成形した後、５００℃以上の温度で熱処理して形成されていることを特徴とする。本実施形態の磁気部品は、トランスおよびリアクトルの磁芯として有用である。
【発明の効果】
【００２１】
以上に説明したように、本発明の複合磁性材料によって、高周波域まで高透磁率を維持し、かつ高い電気抵抗性を有して、高周波域において動作可能な磁気部品を作製することができる。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】
本発明の第１の実施形態の複合磁性材料は、Ｎｉ−Ｚｎフェライトにより金属磁性材料の粒子を被覆したフェライト被覆金属磁性粒子を含み、Ｆｅよりも第３イオン化エネルギーが大きく、かつＮｉよりも第３イオン化エネルギーが小さい微量元素がＮｉ−Ｚｎフェライトに添加されていることを特徴とする。
【００２３】
本実施形態で用いることができる金属磁性材料は、純鉄、鉄−ケイ素合金、鉄−ニッケル合金、センダスト合金、コバルトおよびコバルト合金、ニッケルおよびニッケル合金、各種アモルファス合金など、各種の軟磁性材料を用いることができる。金属磁性材料の粒子は、球状、円板状、フレーク状、針状、粒状などの各種形状を採ることが可能である。加圧成形時の応力の発生を防止するという観点からは、形状異方性の少ないほぼ球状の粒子を用いることが好ましい。金属磁性材料は、２０ｎｍ以上、好ましくは５０ｎｍ以上であり、かつ１００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下の平均粒径を有することが望ましい。このような範囲内の平均粒径を有することによって、加圧成形時のフェライト被覆層の損傷を防止して高い電気抵抗率を実現すると同時に、高い透磁率を達成することが可能となる。
【００２４】
本実施形態で用いられる金属磁性材料の粒子は、金属酸化物などをガス還元法または固体還元法により還元する方法、カルボニル錯体などを熱分解する方法、電解による方法、機械的粉砕による方法、噴霧による方法（アトマイズ法）など、当該技術において知られている任意の方法によって製造することが可能である。
【００２５】
本実施形態において、フェライト被覆層を形成するためのフェライトとしては、高い飽和磁化を有すると同時に、１０４〜１０６Ω・ｍの高い電気抵抗率を有するＮｉＺｎフェライトを用いることが好ましい。
【００２６】
フェライト被覆層は、複合磁性材料の圧縮成形後の成形体において維持され高い電気抵抗率を与えるのに充分な厚さを有することが望ましく、通常２０ｎｍ以上、より好ましくは５０ｎｍ以上の厚さを有することが望ましい。また、複合磁性材料中に占めるフェライトの比率は、複合磁性材料の体積を基準として、１体積％以上５０体積％以下、好ましくは１体積％以上２０体積％以下であることが望ましい。このような比率の範囲内のフェライトを用いることによって、大きな飽和磁化および高い電気抵抗率を併せ持つ複合磁性材料を得ることが可能となる。
【００２７】
さらに、本発明におけるフェライト被覆層は、Ｆｅの第３イオン化エネルギーより大きく、かつＮｉの第３イオン化エネルギーより小さい第３イオン化エネルギーを有する微量元素をさらに含む。用いることができる微量元素は、たとえば第１表に示すようなＭｎおよびＣｏを含む。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
このような微量元素（Ｍｅｔ）をフェライト被覆層に添加すると、金属磁性材料との相互拡散において電子が失われても、式（III）に示すように、Ｎｉの代わりにＭｅｔが電子を放出するので、式（Ｉ）のようなＮｉ元素の電子の授受を抑制することができる。これは、Ｍｅｔの第３イオン化エネルギーが、Ｎｉの第３イオン化エネルギーよりも小さいことに起因する。
【００３０】
【化３】
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【００３１】
また、相互拡散によって、金属磁性材料からＮｉやＺｎのサイトにＦｅ２＋が流入しても、式（IV）に示すようにＭｅｔ３＋がＦｅ２＋から電子を奪ってＦｅ３＋に安定化させるので、式（II）のような電子の授受を抑制することができる。これは、Ｍｅｔの第３イオン化エネルギーが、Ｆｅの第３イオン化エネルギーよりも大きいことに起因する。
【００３２】
【化４】
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【００３３】
このように適切な第３イオン化エネルギーを持つ微量元素をフェライト被覆層に添加すれば、熱処理により金属磁性材料粒子とフェライト被覆層の境界で原子が相互拡散しても、フェライト被覆層の絶縁性の低下を抑制することができる。この結果、高周波域でも渦電流が流れず、高透磁率を維持する複合磁性材料の実現が可能となる。
【００３４】
微量元素の添加量は、フェライト被覆層中の全金属元素を基準として０．１〜１０ｍｏｌ％、好ましくは１〜１０ｍｏｌ％であることが望ましい。この範囲内の添加量を用いることによって、熱処理時の相互拡散におけるＮｉおよびＦｅの電子の授受およびそれによる電気抵抗率の低下を抑制し、高い透磁率および高い電気抵抗率を有する複合磁性材料粒子を得ることができる。
【００３５】
フェライト被覆層による金属磁性材料粒子の被覆は、たとえばフェライトメッキ法などによって実施することができる。Ｎｉ−Ｚｎフェライト被覆層をフェライトメッキ法によって形成する場合、たとえば、ＦｅＣｌ２などの鉄（II）塩、ＮｉＣｌ２などのニッケル（II）塩、ＺｎＣｌ２などのＺｎ（II）塩、微量元素源としてＭｅｔ−Ｃｌ２などの塩、および必要に応じてＦｅＣｌ３などの鉄（III）塩を水に溶解させたフェライトメッキ反応液に、金属磁性材料粒子を分散させ、ｐＨおよび温度を制御しながら酸化剤（ＮａＮＯ２など）水溶液を添加することにより実施される。反応混合物のｐＨは、中性〜アルカリ性、たとえば７〜１１程度に調整することが好ましい。好ましい反応温度は、室温〜１００℃、好ましくは８０℃である。さらに、超音波ホーンなどを用いて反応混合物に超音波を印加することによって、反応混合物を激しく振動させて被覆層形成を促進してもよい。生成する複合磁性材料粒子中のフェライト被覆層の膜厚および体積比は、反応時間を制御することによって調整することができる。被覆終了後、生成した複合磁性材料粒子は、乾燥および必要に応じて分級などの操作により処理されてもよい。
【００３６】
本発明の第２の実施形態の磁気部品は、前述の複合磁性材料粒子を圧縮成形した後、５００℃以上の温度で熱処理して形成されていることを特徴とする。
【００３７】
複合磁性材料の圧縮成形は、金型を用いてたとえば上下方向から加圧圧縮する単軸圧縮成形、圧縮圧延成形、複合磁性材料粒子をゴム型などに詰めて全方向から圧縮する静圧圧縮成形（冷間静圧圧縮成形（ＣＩＰ）、温間静圧圧縮成形（ＷＩＰ）、熱間静圧圧縮成形（ＨＩＰ）を含む）を用いることができる。圧縮成形の際の温度は、特に制限されるものではないが、好ましくは２００〜５００℃、より好ましくは３００〜４００℃が望ましい。このような温度範囲内で圧縮成形を行うことにより、フェライト被覆層を維持しつつ、複合磁性材料の成形性を向上させることができる。また、圧縮成形時に印加される圧力は、特に制限されるものではないが、好ましくは２００〜２０００ＭＰａ、より好ましくは４００〜１０００ＭＰａであることが望ましい。このような範囲内の圧力を用いることによって、フェライト被覆層を維持しつつ、良好な成形体を得ることが可能となる。なお、圧縮成型時に、当該技術に知られている潤滑剤（ステアリン酸塩、ワックスなど）および／または補助剤を用いてもよい。
【００３８】
次に、複合磁性材料粒子の圧縮成形により得られた半製品を熱処理して、磁気部品を形成する。本発明における熱処理は、５００℃以上１０００℃以下、好ましくは６００℃以上８００℃以下の範囲内の温度で、１秒以上６０秒以下、好ましくは１秒以上３０秒以下にわたって行うことが望ましい。このような条件で熱処理を行うことにより、金属磁性粒子とフェライト被覆層の間の空隙が減少すると同時に化学結合性が向上して磁路の形成が容易となり、電気抵抗率を低下させることなしに、高い透磁率を達成することが可能となる。抵抗加熱、輻射加熱、熱媒による伝導加熱、放電プラズマ加熱（非特許文献１参照）、誘導加熱などの当該技術において知られている任意の加熱手段を用いることができる。好適には、電気炉中で実施される。熱処理を大気中で実施してもよいし、あるいはＨｅ、Ａｒ、Ｎ２などの不活性雰囲気中で実施してもよい。
【００３９】
本発明の磁気部品は、目的とする用途に依存して種々の形状、たとえば、棒状、ドーナツ状、平板状などの形状を有することができる。本発明の磁気部品は、高い透磁率と高い電気抵抗率とを有するので、特に高周波領域で動作するトランスまたはリアクトルの磁芯として有用であり、特に小型化が要求されるノート型パソコン、小型携帯機器、薄型ディスプレイにおいて用いられるスイッチング電源用のトランスまたはリアクトルの磁芯として有用である。
【実施例】
【００４０】
（実施例１）
最初に、超音波励起フェライトめっき法により、フェライト被覆金属粒子粉末を作製した。金属磁性材料の粒子としては、水アトマイズ法により作製したＮｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ粒子（全質量を基準としてＮｉが７８質量％、Ｍｏが５質量％、残余がＦｅである；平均粒径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および２ｍｏｌ／ｌ  ＨＣｌ：１２５０μｌの溶液中（液温７０℃）に入れて、５分間超音波を印加した。
【００４１】
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。この反応容器に反応液（Ｈ２Ｏ：５００ｍｌ、ＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏ：７．９５ｇ、ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ：２．３８ｇ、ＺｎＣｌ２：１．３６ｇおよびＭｎＣｌ２・４Ｈ２Ｏ：０．２６ｇ）、および酸化液（Ｈ２Ｏ：５００ｍｌ、ＮａＮＯ２：１．００ｇ）を、それぞれ３ｍｌ／ｍｉｎ、２ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給した。ここで、アンモニア水を適宜滴下することにより、反応混合物のｐＨを１０．０に維持した。上記のめっき処理により、Ｍｎ比率３ｍｏｌ％のＮｉ−Ｚｎフェライト被覆層が生成される。このめっき処理を６０分間行った後、粒子を分級・乾燥させた。
【００４２】
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、１０トン重／ｃｍ２（９８０ＭＰａ）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。このリングコアを大気中で６００℃の電気炉に１分間投入し、熱処理を行った。熱処理後のリングコアに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ＡおよびＢとして示した（なお、図１において、複素透磁率の実部μ’および虚部μ”は、真空透磁率との比で示した）。
【００４３】
（実施例２）
実施例１記載と同様の方法で、反応液へのＭｎＣｌ２・４Ｈ２Ｏの投入量を０．５２ｇとし、フェライト被覆層中のＭｎの比率を６ｍｏｌ％とした試料を作製した。得られた試料の複素透磁率の実部μ’および虚部μ”の周波数依存性を、それぞれ図１のＣおよびＤとして示した。
【００４４】
（比較例１）
上記実施例におけるＭｎ添加の効果を明らかにするために、ＭｎＣｌ２・４Ｈ２Ｏを用いなかったことを除いて実施例１の方法を繰り返して、フェライト被覆層にＭｎを添加しない試料を作製した。得られた試料の複素透磁率の実部μ’および虚部μ”の周波数依存性を、それぞれ図１のＥおよびＦとして示した。
【００４５】
（評価）
図１の複素透磁率の実部μ’のデータＡ、Ｃ、Ｅを比較すると、フェライト被覆層に対するＭｎの添加量の増大につれて、μ’の低下が開始される周波数が高周波数側にシフトしていることが分かる。また、虚部μ”のデータＢ、Ｄ、Ｆを比較すると、同様にＭｎの添加量が増大するにつれて、虚部μ”のピークも高周波数側にシフトしている。即ち、Ｍｎの添加により、熱処理に伴う抵抗率の低下が抑制されている効果が明らかに現れている。
【００４６】
ただし、低周波数域における複素透磁率の実部μ’のデータＡとＣとを比較すると、Ｍｎ添加量の多いＣの方が、複素透磁率の実部μ’が小さいことが分かる。これは、Ｍｎの添加によりフェライト被覆層の結晶構造が乱されたためと考えられる。このことから、目的とする用途において要求される低周波数域における複素透磁率の実部μ’の大きさと、複素透磁率の実部μ’の低下が開始される周波数とを勘案して、Ｍｎの添加量を決定すべきであることが分かる。
【００４７】
上記の結果から、本発明にしたがって、フェライト被覆金属磁性材料粒子のフェライト被覆層に、ＭｎやＣｏといった適当なイオン化エネルギーを持つ元素を微少量添加することにより、熱処理時の金属磁性材料とフェライト被覆層との界面での相互拡散が発生したとしても、ＮｉやＦｅイオンの電子の授受が妨げられるために、熱処理に伴う抵抗率の低下が抑えられ、高周波域まで高透磁率を維持する複合磁性材料が得られることが明らかになった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例１、実施例２および比較例１に記載した、Ｍｎを３ｍｏｌ％添加、６ｍｏｌ％添加および添加なしのフェライト被覆金属磁性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１】
2005310919.tif 000008