(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性合金粉末と熱硬化性樹脂からなり、加圧成形後に熱処理を施すことにより軟磁性合金粉末の表面に酸化皮膜が形成されると共に、前記熱硬化性樹脂が硬化された複合磁性材料において、用いられる軟磁性合金粉末の組成が、１ｗｔ％≦成分Ａ≦７ｗｔ％、２ｗｔ％≦クロム（Ｃｒ）≦８ｗｔ％、０．０５ｗｔ％≦酸素（Ｏ）≦０．６ｗｔ％、０．０１ｗｔ％≦マンガン（Ｍｎ）≦０．２ｗｔ％、０．００５ｗｔ％≦カーボン（Ｃ）≦０．２ｗｔ％、そして残部が鉄（Ｆｅ）であり、成分Ａとしてシリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）の内少なくとも一つ以上を含む複合磁性材料。
【請求項２】
軟磁性合金粉末と熱硬化性樹脂からなり、加圧成形後に熱処理を施すことにより軟磁性合金粉末の表面に酸化皮膜が形成されると共に、前記熱硬化性樹脂が硬化された複合磁性材料において、用いられる軟磁性合金粉末の組成が、２ｗｔ％≦ニッケル（Ｎｉ）≦１５ｗｔ％、２ｗｔ％≦クロム（Ｃｒ）≦８ｗｔ％、０．０５ｗｔ％≦酸素（Ｏ）≦０．６ｗｔ％、０．０１ｗｔ％≦マンガン（Ｍｎ）≦０．２ｗｔ％、０．００５ｗｔ％≦カーボン（Ｃ）≦０．２ｗｔ％、そして残部が鉄（Ｆｅ）である複合磁性材料。
【請求項３】
熱処理は空気中で８０℃以上の温度で行った請求項１または２のいずれか一つに記載の複合磁性材料。
【請求項４】
軟磁性合金粉末の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下で構成されている請求項１または２のいずれか一つに記載の複合磁性材料。
【請求項５】
コイルが請求項１または２のいずれか一つに記載の複合磁性材料の中に埋設されている磁性素子。
【請求項６】
軟磁性合金粉末の組成が、１ｗｔ％≦成分Ａ≦７ｗｔ％、２ｗｔ％≦クロム（Ｃｒ）≦８ｗｔ％、０．０５ｗｔ％≦酸素（Ｏ）≦０．６ｗｔ％、０．０１ｗｔ％≦マンガン（Ｍｎ）≦０．２ｗｔ％、０．００５ｗｔ％≦カーボン（Ｃ）≦０．２ｗｔ％、そして残部が鉄（Ｆｅ）であり、成分Ａとしてシリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）の内少なくとも一つ以上を含む軟磁性合金粉末と未硬化の熱硬化性樹脂を混合する工程と、その後顆粒状にする工程と、前記顆粒を金型内に入れると共に前記顆粒内にコイルが埋設されるように前記コイルを入れて加圧成形する工程と、次に加熱によってこの熱硬化性樹脂を硬化させるとともに軟磁性合金粉末の表面に酸化皮膜を形成する工程を含む磁性素子の製造方法。
【請求項７】
軟磁性合金粉末の組成が、２ｗｔ％≦ニッケル（Ｎｉ）≦１５ｗｔ％、２ｗｔ％≦クロム（Ｃｒ）≦８ｗｔ％、０．０５ｗｔ％≦酸素（Ｏ）≦０．６ｗｔ％、０．０１ｗｔ％≦マンガン（Ｍｎ）≦０．２ｗｔ％、０．００５ｗｔ％≦カーボン（Ｃ）≦０．２ｗｔ％、そして残部が鉄（Ｆｅ）である軟磁性合金粉末と未硬化の熱硬化性樹脂を混合する工程と、その後顆粒状にする工程と、前記顆粒を金型内に入れると共に前記顆粒内にコイルが埋設されるように前記コイルを入れて加圧成形する工程と、次に加熱によってこの熱硬化性樹脂を硬化させるとともに軟磁性合金粉末の表面に酸化皮膜を形成する工程を含む磁性素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は変圧器、電動機、チョーク、ノイズフィルタ等に用いられる高性能な金属系の複合磁性材料に関し、特に磁芯用の軟磁性材料として用いられる複合磁性材料およびそれを用いた磁性素子とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気・電子機器の小型・高周波化が進み、その中で重要な電子部品の一つであるインダクタンス部品においては小型で高効率の磁性素子を実現できる高性能な磁性材料が要求されており、高周波で用いられるチョークコイルなどにはフェライト磁芯や圧粉磁芯が使用されている。これらのうち、比較的安価な金属酸化物からなるフェライト磁芯は飽和磁束密度が小さいという欠点を有しており、金属磁性粉を成形して作製される圧粉磁芯はフェライト磁芯に比べて著しく大きい飽和磁束密度を有している。
【０００３】
しかしながら圧粉磁芯はコア損失が大きいという欠点があり、このコア損失はヒステリシス損失と渦電流損失からなり、渦電流損失は周波数の二乗と渦電流が流れるサイズの二乗に比例して増大する。この渦電流の発生を抑制するために、金属磁性粉表面に電気絶縁性樹脂等を用いて絶縁被覆することが知られている。一方、ヒステリシス損失は圧粉磁芯の成形が通常数ｔｏｎ／ｃｍ2以上の成形圧力で行われることによって、磁性体として歪みが増大するとともに透磁率も劣化するためにヒステリシス損失が増大する。このヒステリシス損失を回避するために歪みを解放することが行われ、例えば特開平６−３４２７１４号公報に記載されているような成形後の熱アニール処理が行われていた。これらの欠点を改良した圧粉磁芯を用いた磁性素子は直流重畳特性に優れ、小型化に有利である。
【０００４】
また、小型化を図るためにコイル内蔵のコアも提案されており（特開昭５４−１６３３５４号公報参照）、この方法の磁性材料はフェライトに樹脂を分散させたものを用いている。しかしながらこのフェライトの充填率には限界があり、その結果として材料固有の材料定数と合わせて更にコア部の飽和磁束密度が低くなり、直流重畳特性が悪いといった問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、軟磁性合金粉末は鉄（Ｆｅ）成分が多いほど高飽和磁束密度を有していることから直流重畳特性に有利であるものの、高温多湿時に錆が発生したり、その錆が磁性素子として回路基板上に実装された時に基板上へ落下することによる回路動作不良の発生などの原因となっている。
【０００６】
そのため、上記課題を防止するために金属磁性粉の表面を電気絶縁性樹脂などで被覆しているが、金型プレスによる磁性素子の形状に成形した後に金型から離型するときに金型面と接触する成形体の側面の電気絶縁性樹脂がはがれやすく、最終製品でもその箇所での錆の発生が顕著である。
【０００７】
また、磁性合金にクロム（Ｃｒ）の添加が耐食性に効果があることはステンレス鋼をはじめよく知られている。しかしながら、Ｃｒの添加量は１２ｗｔ％以上でないと耐食性への効果はなく、逆に１２ｗｔ％以上のＣｒの添加は透磁率の低下、ヒステリシス損失の増大等を招き、磁性合金粉の軟磁気特性を劣化させることになり、特に１００ｋＨｚ以上の高周波数領域で用いられる磁心材料としての使用は実用上問題があった。
【０００８】
そのために最終製品のコア部を樹脂等で保護コーティングしたり、あるいは保護ケースに充填する等の対策がとられているが小型化、コストの面で不利である。
【０００９】
本発明は上記従来の技術における課題を解決し、優れた磁気特性と耐食性を有する複合磁性材料およびそれを用いた磁性素子とその製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、以下の構成を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明は、軟磁性合金粉末と熱硬化性樹脂からなり、加圧成形後に熱処理を施すことにより軟磁性合金粉末の表面に酸化皮膜が形成されると共に、前記熱硬化性樹脂が硬化された複合磁性材料において、用いられる軟磁性合金粉末の組成が、１ｗｔ％≦成分Ａ≦７ｗｔ％、２ｗｔ％≦クロム（Ｃｒ）≦８ｗｔ％、０．０５ｗｔ％≦酸素（Ｏ）≦０．６ｗｔ％、０．０１ｗｔ％≦マンガン（Ｍｎ）≦０．２ｗｔ％、０．００５ｗｔ％≦カーボン（Ｃ）≦０．２ｗｔ％、そして残部が鉄（Ｆｅ）であり、成分Ａとしてシリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）の内、少なくとも一つ以上を含む複合磁性材料であり、Ｃｒを添加しても磁気特性を損ねることなく、かつ耐食性に優れた複合磁性材料を実現することができる。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、軟磁性合金粉末と熱硬化性樹脂からなり、加圧成形後に熱処理を施すことにより軟磁性合金粉末の表面に酸化皮膜が形成されると共に、前記熱硬化性樹脂が硬化された複合磁性材料において、用いられる軟磁性合金粉末の組成が、２ｗｔ％≦ニッケル（Ｎｉ）≦１５ｗｔ％、２ｗｔ％≦クロム（Ｃｒ）≦８ｗｔ％、０．０５ｗｔ％≦酸素（Ｏ）≦０．６ｗｔ％、０．０１ｗｔ％≦マンガン（Ｍｎ）≦０．２ｗｔ％、０．００５ｗｔ％≦カーボン（Ｃ）≦０．２ｗｔ％、そして残部が鉄（Ｆｅ）である複合磁性材料であり、請求項１と同じ作用効果を実現することができる。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の発明は、熱処理は空気中で８０℃以上の温度で行った請求項１または２のいずれか一つに記載の複合磁性材料であり、軟磁性合金粉体表層の不導体膜をより強固にすることにより耐食性に優れた複合磁性材料を実現することができる。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の発明は、軟磁性合金粉末の平均粒径が１μｍ以上、１００μｍ以下で構成されている請求項１または２のいずれか一つに記載の複合磁性材料であり、渦電流の低減に効果的であり、１００ｋＨｚ以上の高周波領域で優れた磁気特性を実現する複合磁性材料を実現することができる。
【００１５】
本発明の請求項５に記載の発明は、コイルが請求項１または２のいずれか一つに記載の複合磁性体の中に埋設されている磁性素子であり、コアとコイル間の絶縁、絶縁耐圧を維持することができる。
【００１６】
本発明の請求項６に記載の発明は、軟磁性合金粉末の組成が、１ｗｔ％≦成分Ａ≦７ｗｔ％、２ｗｔ％≦クロム（Ｃｒ）≦８ｗｔ％、０．０５ｗｔ％≦酸素（Ｏ）≦０．６ｗｔ％、０．０１ｗｔ％≦マンガン（Ｍｎ）≦０．２ｗｔ％、０．００５ｗｔ％≦カーボン（Ｃ）≦０．２ｗｔ％、そして残部が鉄（Ｆｅ）であり、成分Ａとしてシリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）の内少なくとも一つ以上を含む軟磁性合金粉末と未硬化の熱硬化性樹脂を混合する工程と、その後顆粒状にする工程と、前記顆粒を金型内に入れると共に前記顆粒内にコイルが埋設されるように前記コイルを入れて加圧成形する工程と、次に加熱によってこの熱硬化性樹脂を硬化させるとともに軟磁性合金粉末の表面に酸化皮膜を形成する工程を含む磁性素子の製造方法であり、高周波領域で優れた磁気特性を有する小型の磁性素子の製造方法を実現することができる。
【００１７】
本発明の請求項７に記載の発明は、軟磁性合金粉末の組成が、２ｗｔ％≦ニッケル（Ｎｉ）≦１５ｗｔ％、２ｗｔ％≦クロム（Ｃｒ）≦８ｗｔ％、０．０５ｗｔ％≦酸素（Ｏ）≦０．６ｗｔ％、０．０１ｗｔ％≦マンガン（Ｍｎ）≦０．２ｗｔ％、０．００５ｗｔ％≦カーボン（Ｃ）≦０．２ｗｔ％、そして残部が鉄（Ｆｅ）である軟磁性合金粉末と未硬化の熱硬化性樹脂を混合する工程と、その後顆粒状にする工程と、前記顆粒を金型内に入れると共に前記顆粒内にコイルが埋設されるように前記コイルを入れて加圧成形する工程と、次に加熱によってこの熱硬化性樹脂を硬化させるとともに軟磁性合金粉末の表面に酸化皮膜を形成する工程を含む磁性素子の製造方法であり、請求項６と同じ作用を有する磁性素子を実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複合磁性材料およびそれを用いた磁性素子とその製造方法について実施の形態を用いて説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１により請求項１、５、６に記載の発明を説明する。
【００２０】
始めに、（表１）に示す組成を有する軟磁性合金粉末を水アトマイズ法で作成した。作成した軟磁性合金粉末の粒径（平均粒径）はアトマイズ条件を制御することによって、すべて５〜２５μｍの範囲であった。この軟磁性合金粉末を作製する手法はどのような方法であってもよく、粒子の形状、粒度を目的によって制御できる方法であれば良い。その後得られた軟磁性合金粉末に、絶縁性結着剤として作用するビスフェノールＡ型樹脂を３．５重量部加えてよく混合・混練することによって造粒し、その後ふるいを通して整粒した。
【００２１】
次に、０．８ｍｍ径の被覆銅線を用いて、内径４ｍｍの２段積みにて３．５ターン巻きのコイルを準備し、製粒粉末を金型の中へコイルと共に入れて圧力；４トン／ｃｍ2で磁性素子の形状に加圧成形し、その後金型より取り出した後１２０℃にて１時間加熱処理して軟磁性合金粉末の表面に酸化皮膜を形成する熱処理と、添加したビスフェノールＡ型樹脂の熱硬化を実施した。
【００２２】
このように、前記の工程を経てサイズ：１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み：３．４〜３．６ｍｍのコイル内蔵の磁性素子を得た。このコイル内蔵の磁性素子のインダクタンス（Ｌ）値を測定周波数；３００ｋＨｚ、測定電流値；３０Ａの条件にて測定した。その結果を（表１）に示す。用途によって若干異なるが、１００ｋＨｚ以上の周波数領域で用いるためには、インダクタンス値：Ｌ≧０．８μＨ、好ましくはＬ≧１．０μＨが必要となる。また、耐食性試験を温度：８５℃、湿度：８５％の高温高湿条件下で試験時間：１０００時間で実施した。結果の評価は光学顕微鏡の外観検査で行い、光学顕微鏡では錆が認められなかったものを○、肉眼では確認できなかったものは△、肉眼で錆が認められたものを×とした。
【００２３】
【表１】
0004166460.tif 000002
【００２４】
また、回路基板上に実装した状態での耐食性試験において、肉眼で錆が観測されなかったものについては基板上への錆の脱落等はなく、実用上問題がないレベルであった。
【００２５】
（表１）の結果より明らかなように、軟磁性合金粉末と絶縁性結着剤からなり、熱処理を施した複合磁性材料において用いられる軟磁性合金粉末の組成が、１ｗｔ％≦成分Ａ≦７ｗｔ％で２ｗｔ％≦クロム（Ｃｒ）≦８ｗｔ％でかつ０．０５ｗｔ％≦酸素（Ｏ）≦０．６ｗｔ％、０．０１ｗｔ％≦マンガン（Ｍｎ）≦０．２ｗｔ％、０．００５ｗｔ％≦カーボン（Ｃ）≦０．２ｗｔ％で残部が鉄（Ｆｅ）であり、成分Ａとしてシリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）のとき、優れた磁気特性と耐食性を示すことが分かる。
【００２６】
さらに、成分Ａの二つ以上の組み合わせであっても、全体として１ｗｔ％から７ｗｔ％の範囲内であれば、同様な効果が得られることも確認できている。
【００２７】
また、絶縁性結着剤は熱硬化型樹脂材料であれば使用することができるが、特にシリコン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが最適であり、前記樹脂材料を単独あるいは混合樹脂として用いることもできる。
【００２８】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２により請求項２、７に記載の発明を説明する。
【００２９】
（表２）に示す組成を有する軟磁性合金粉末を、実施の形態１と同様な方法で作成した。粒径（平均粒径）はすべて２０〜５０μｍであった。得られた軟磁性合金粉末にシリコン樹脂を３重量部加えてよく混合した後、ふるいを通して製粒した。
【００３０】
次に、０．８ｍｍ径の被覆銅線を用いて内径４ｍｍの２段積み３．５ターンコイルを準備し、製粒粉末の一部を金型にコイル共に入れて、成形圧力；４トン／ｃｍ2で加圧成形し、金型より取り出した後、１５０℃にて１時間加熱処理して軟磁性合金粉末の表面に酸化皮膜を形成する熱処理と添加したシリコン樹脂を熱硬化させた。このようにして、サイズ：１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み：３．４〜３．６ｍｍのコイル内蔵の磁性素子を得た。このコイル内蔵素子のインダクタンス（Ｌ）値を周波数；３００ｋＨｚ、電流値；３０Ａで測定した。用途によって若干異なるが、インダクタンス値：Ｌ≧０．８μＨ、好ましくはＬ≧１．０μＨが必要となる。また、耐食性試験およびその硬化方法に付いては実施の形態１と同じ条件、内容で実施をした。評価結果を（表２）に示す。
【００３１】
【表２】
0004166460.tif 000003
【００３２】
（表２）の結果より明らかなように軟磁性合金粉末と絶縁性結着剤からなり、熱処理を施した複合磁性材料において用いられる軟磁性合金粉末の組成が、２ｗｔ％≦ニッケル（Ｎｉ）≦１５ｗｔ％でかつ２ｗｔ％≦クロム（Ｃｒ）≦８ｗｔ％でかつ０．０５ｗｔ％≦酸素（Ｏ）≦０．６ｗｔ％、０．０１ｗｔ％≦マンガン（Ｍｎ）≦０．２ｗｔ％、０．００５ｗｔ％≦カーボン（Ｃ）≦０．２ｗｔ％で残部が鉄（Ｆｅ）であるとき、優れた磁気特性と耐食性を有することが分かる。
【００３３】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３により請求項３に記載の発明を説明する。
【００３４】
組成が、Ｃｒ＝２．０ｗｔ％、Ｓｉ＝３．０ｗｔ％、Ｏ＝０．２ｗｔ％、Ｍｎ＝０．２ｗｔ％、Ｃ＝０．１５ｗｔ％で残部がＦｅである軟磁性合金粉末を実施の形態１と同じ方法により作成した。得られた軟磁性合金粉末の粒径（平均粒径）はすべて２０〜５０μｍであった。前記軟磁性合金粉末にシリコン樹脂を１．２重量部加えてよく混合し、ふるいを通して製粒した。この製粒粉末を金型中にて、成形圧力；８トン／ｃｍ2の条件で加圧成形し、型より取り出した後（表３）に示す熱処理温度で１時間処理した。また、その後７８０℃にてＮ2中、２時間の加熱条件にて熱処理してトロイダルコア形状の圧粉磁芯を得た。このようにして得られた圧粉磁芯のサンプルについて透磁率、コア損失を測定した。透磁率はＬＣＲメーターを用いて、周波数；２００ｋＨｚで測定し、コア損失は交流Ｂ−Ｈカーブ測定機を用いて測定周波数；２００ｋＨｚ、測定磁束密度；０．１Ｔの測定条件にて測定を行った。
【００３５】
用途によって若干異なるがチョークコイルでは、測定周波数；２００ｋＨｚ、測定磁束密度；０．１Ｔでコア損失；６０００ｋＷ／ｍ3以下、初透磁率は６０以上必要とされる
が、より好ましくはコア損失４０００ｋＷ／ｍ3以下である。
【００３６】
また、耐食性試験および評価を実施の形態１と同じ方法にて行った。評価結果を（表３）に示す。
【００３７】
【表３】
0004166460.tif 000004
【００３８】
（表３）の結果より明らかなように、軟磁性合金粉末が空気中で８０℃以上の温度で熱処理されることにより金属表面に強固な不導体の酸化皮膜が形成され、その後高温で加熱処理されても酸化皮膜が劣化することがなくなるために耐食性が向上していると思われる。また、空気中で８０℃以上の温度で熱処理されておれば、後工程において高温での熱処理がなくとも同様な効果があることはいうまでもない。
【００３９】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４により請求項４に記載の発明を説明する。
【００４０】
組成が、Ｃｒ＝４．０ｗｔ％、Ａｌ＝３．５ｗｔ％、Ｏ＝０．２ｗｔ％、Ｍｎ＝０．２ｗｔ％、Ｃ＝０．１５ｗｔ％で、残部がＦｅである軟磁性合金粉末を表４に示す粒径（平均粒径）になるようにアトマイズ法で作成した。これらの軟磁性合金粉末にフェノール樹脂を１．５重量部を加えてよく混合した後、ふるいを通して製粒した。
【００４１】
その後、この製粒軟磁性合金粉末を成形金型中にて圧力；９トン／ｃｍ2の条件で加圧成形した後、金型より取り出し、次に温度；８００℃、窒素雰囲気中にて１時間加熱処理してトロイダルコア形状の圧粉磁芯を得た。このようにして得られたサンプルについて透磁率、コア損失を測定した。透磁率は、ＬＣＲメーターで周波数；２００ｋＨｚで測定し、コア損失は交流Ｂ−Ｈカーブ測定機を用いて測定周波数；２００ｋＨｚ、測定磁束密度；０．１Ｔで測定を行った。その結果を（表４）に示す。
【００４２】
望まれている特性は用途によって若干異なるが、チョークコイルでは測定周波数；２００ｋＨｚ、測定磁束密度；０．１Ｔにおいて、コア損失；６０００ｋＷ／ｍ3以下、初透磁率；６０以上が必要とされる。さらに高性能な特性を要求される磁性素子においてはコア損失；４０００ｋＷ／ｍ3以下である。
【００４３】
【表４】
0004166460.tif 000005
【００４４】
（表４）の結果より明らかなように、粒径が小さいと透磁率が低くなり、粒径が大きくなるとコア損失が大きくなる。その結果、平均粒径が１μｍ以上、１００μｍ以下の条件において、透磁率を損なわず、低損失な圧粉磁芯を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、優れた磁気特性を有し、かつ優れた耐食性を有する複合磁性材料を提供することができる。この複合磁性材料は、トランスやチョークコイル等の小型化あるいは高周波領域での使用に十分適応できる磁性素子を実現することができるとともに、生産性に優れた磁性素子の製造方法を提供することができる。