(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性粉末と絶縁性結着材との混合物を加圧成形し、その後熱処理が施された圧粉磁心であって、
前記軟磁性粉末を構成する粒子の平均粒径は、３０〜１００μｍであり、
前記絶縁性結着材は、モル％でＢ２Ｏ３を３０〜４０％、Ｐ２Ｏ５を２５〜４０％、及び二種以上のアルカリ金属酸化物を合計で２０〜３５％含む組成からなる鉛フリーガラスであり、
全体に占める前記鉛フリーガラスの配合量が、質量％で０．２〜２．５％であることを特徴とする圧粉磁心。
【請求項２】
全体に占める前記鉛フリーガラスの配合量は、質量％で０．５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
【請求項３】
更に、前記複合軟磁性材料にシリコーン樹脂又はステアリン酸塩のいずれか一種を添加材として含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧粉磁心。
【請求項４】
全体に占める前記添加材と前記鉛フリーガラスとの合計配合量が、質量％で２．５％以下であることを特徴とする請求項３に記載の圧粉磁心。
【請求項５】
モル％でＢ２Ｏ３が３０〜４０％、Ｐ２Ｏ５が２５〜４０％、及び二種以上のアルカリ金属酸化物が合計で２０〜３５％含むように調整したガラス原料を用意する原料工程と、
前記原料を溶融し冷却することでガラスを作製するガラス作製工程と、
前記ガラスを粉砕してガラス粉末を得る粉砕工程と、
平均粒径が３０〜１００μｍの粒子からなる軟磁性粉末と前記ガラス粉末とを、全体に占める前記ガラス粉末の配合割合が質量％で０．２〜２．５％となるように混合する混合工程と、
前記混合工程で得られる混合粉末を加圧成形する成形工程と、
前記成形工程で得られる成形体を５００℃以上で焼成する焼成工程と、
を備えることを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合軟磁性材料、圧粉磁心、及び複合軟磁性材料の製造方法に関する。特に、圧粉磁心の材料に用いた際、圧粉磁心の製造時或いは使用時に生じる欠陥を防止することができ、圧粉磁心の性能を長期に亘って維持できる複合軟磁性材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、リアクトルやトランス或いはチョークコイルなどの電子部品の磁心（コア）として、軟磁性粉末と絶縁性結着材とを混合した複合軟磁性材料を加圧成形し、焼成した圧粉磁心が使用されている。圧粉磁心は、軟磁性粉末同士が絶縁性結着材を介して接合された組織を有し、絶縁性結着材により軟磁性粉末間の絶縁が確保されている。そして、圧粉磁心は、高周波域で使用しても比較的鉄損が小さく、かつ磁束密度が比較的大きいといった磁気特性を有する（特許文献１を参照）。
【０００３】
圧粉磁心の絶縁性結着材としては、エポキシ樹脂やフッ素樹脂といった有機バインダーや、水ガラスといった無機バインダーが採用されている。
【０００４】
また、特許文献２には、非晶質軟磁性合金粉末と軟化点の低いガラス（具体的にはPbO・B2O3・SiO2系ガラス）とを混合した原料粉末を用いた非晶質軟磁性合金粉末成形体が記載されている。非晶質軟磁性合金は、結晶質のものと比較して、強度や透磁率などの点で優れているが、この粉末の成形工程において、非晶質状態を維持するために、焼成する際の加熱温度を結晶化温度よりも低くする必要がある。そのため、軟化点が非晶質軟磁性合金の結晶化温度よりも低いガラスを用いている。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１３２１０９号公報
【特許文献２】特開２００１−７３０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
圧粉磁心では、加圧成形時に軟磁性粉末に導入された歪を除去することを目的として、熱処理が施されるが、この熱処理温度は500〜700℃とすることが好ましい。この熱処理は、例えば焼成する際の加熱温度を500℃以上とすることで、焼成と同時に施される場合もある。このような高温で熱処理を行なうことにより、歪が除去され、圧粉磁心の磁気特性が向上し、各種電子部品のコアに使用した際のコア損を低減できる。
【０００７】
しかし、上記した有機樹脂や水ガラスは、耐熱温度が低く、絶縁性結着材に用いた場合、熱で破壊されない程度の温度で熱処理を実施せざるを得ない。そのため、加圧成形時に導入された軟磁性粉末の歪を十分に除去することができない虞がある。また、水ガラスは、有機樹脂と比べて絶縁性に優れるが、成分としてアルカリ金属を多く含んでおり、イオン伝導度が高いことから、十分な絶縁性を有しているとまでは言えない。
【０００８】
特許文献２に記載の非晶質軟磁性合金は、製造に特殊な工程が必要であり、圧粉磁心の材料に用いた場合、コスト高を招く。また、低軟化点ガラスは、環境汚染物質であるPbを含有するため、環境面から好ましくない。
【０００９】
さらに、従来技術では、絶縁性結着材の熱膨張係数について何ら考慮されていない。
【００１０】
例えば絶縁性結着材としてガラスを用いた場合、圧粉磁心の製造時において、圧粉磁心を焼成する際、少なくともガラスが軟化する程度に加熱する必要があるが、軟磁性粉末とガラスの熱膨張係数の差が大きいと、冷却後に軟磁性粉末間に存在するガラスにクラックが発生し、圧粉磁心の強度が低下したり、鉄損が増大するなど、機械的強度や磁気特性の低下が懸念される。また、圧粉磁心の使用時、即ち各種電子部品のコアに使用した際においても、駆動条件によってはコアに繰り返し温度変化が与えられるため、繰り返し応力によりガラスにクラックが発生し、機械的強度や磁気特性の低下が起こり得ると考えられる。特に、ハイブリッド自動車や電気自動車の昇圧回路に用いられるリアクトルでは、数十kHz以上の高周波かつ大電流で駆動することが検討されており、このような問題が生じ易い。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、圧粉磁心の材料に用いた際、圧粉磁心の製造時或いは使用時に生じる欠陥を防止することができ、圧粉磁心の性能を長期に亘って維持できる複合軟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】
【００１２】
本発明者らは、圧粉磁心の絶縁性結着材に適すると共に、高い絶縁性と適度な熱膨張係数とを有する鉛フリーガラスについて種々の検討を行い、その結果、本発明を完成するに至った。
【００１３】
（複合軟磁性材料、圧粉磁心）
本発明の複合軟磁性材料は、軟磁性粉末と絶縁性結着材とを混合してなり、絶縁性結着材が、モル％でB2O3を30〜40％、P2O5を25〜40％、及び二種以上のアルカリ金属酸化物を合計で20〜35％含む組成からなる鉛フリーガラスであることを特徴とする。
【００１４】
本発明の圧粉磁心は、軟磁性粉末と絶縁性結着材との混合物を加圧成形し、その後熱処理が施されてなり、絶縁性結着材が、モル％でB2O3を30〜40％、P2O5を25〜40％、及び二種以上のアルカリ金属酸化物を合計で20〜35％含む組成からなる鉛フリーガラスであることを特徴とする。
【００１５】
ここで、本発明における軟磁性粉末としては、純鉄や鉄合金の粉末を採用することができる。鉄合金としては、Fe−Si系合金（珪素鋼）、Fe-Si-Al系合金（センダスト）、Fe-Ni系合金（パーマロイ）などが挙げられる。例えば、純鉄の熱膨張係数は、12.1×10-6/℃であり、一般に利用される珪素鋼の熱膨張係数は、12×10-6〜15×10-6/℃である。
【００１６】
上記特定の組成からなるガラスは、熱膨張係数が軟磁性粉末のそれに近く、圧粉磁心の製造時或いは使用時に生じる欠陥、即ちガラスにクラックが発生することを防止することができる。また、このガラスは、体積抵抗率が2×1012Ω・cm以上と絶縁性に優れ、かつ、軟化点が450℃以上である。以下、本発明において絶縁性結着材となるガラスの組成を特定した理由について説明する。
【００１７】
単独でガラスを形成できるガラス形成酸化物としてはSiO2、P2O5、B2O3などが知られているが、本発明ではP2O5とB2O3とを組み合わせて用いる。P2O5とB2O3とを組み合わせて用いることで、ガラスの軟化点を調整することができ、圧粉磁心の熱処理温度を500℃以上とすることができる。なお、ここで言うガラスの軟化点とは、熱機械分析（TMA：Thermomechanical Analysis）により得られる温度のことである。P2O5とB2O3との混合比率は、モル比で1：1〜1：1.6とすることが好ましい。
【００１８】
一般的にガラスは、軟化点を越えると軟化する、即ち粘度を持ち始めるが、より高温の状態では、粘度が低下し、高い流動性（ここでは、圧粉磁心の形状を維持できない程度に軟らかくなる状態のことを言う）を持つことになる。そこで、本発明者らが、検討した結果、ガラスの軟化点は、少なくとも圧粉磁心の熱処理温度よりも50℃低い温度以上とすることが重要であり、圧粉磁心の熱処理温度を500℃以上とする場合、450℃以上とすることが有効であるとの知見を得た。
【００１９】
さらに、本発明では、ガラスの性質を改良すること、具体的には熱膨張係数を大きくすることを目的として、ガラス形成酸化物にLi2O、K2O、Na2Oなどのアルカリ金属酸化物を二種以上混合する。アルカリ金属酸化物は、ガラスに取り込まれることで、ガラスネットワークを切断し、高熱膨張化に寄与する。ガラス形成酸化物（ここではP2O5とB2O3）とアルカリ金属酸化物（二種以上の合計）との混合比率は、モル比で1：0.25〜1：0.6とすることが好ましい。また、二種以上のアルカリ金属酸化物を用いることで、アルカリ混合効果が期待でき、一種のアルカリ金属酸化物を用いた場合に比べて、絶縁性を高めることができる。二種のアルカリ金属酸化物を用いる場合、Li2OとK2Oを選択することが好ましく、混合比率はモル比で同率とすることが好ましい。
【００２０】
その他、本発明では、不可避的に混入してしまう不純物が含まれることを許容する。このような不純物は、ガラス作製時にガラス原料を溶融する際に用いるルツボなどから混入することがある。不純物としては、例えばAl2O3やSiO2が挙げられる。
【００２１】
以上説明した特定の組成からなるガラスは、熱膨張係数が8×10-6〜23×10-6/℃を満たすことが可能である。より好ましいガラスの熱膨張係数は、10×10-6〜17×10-6/℃である。
【００２２】
複合軟磁性材料における上記ガラスの配合量は、質量％で0.2〜2.5％であることが好ましい。
【００２３】
圧粉磁心とした際、ガラスの配合量が0.2質量％以上であれば、軟磁性粉末同士を十分に接合できると共に、軟磁性粉末間の絶縁を十分に確保できる。また、ガラスの配合量が2.5質量％以下であれば、軟磁性粉末が占める割合が小さくなり過ぎることがなく、十分な磁気特性を確保し易い。より好ましいガラスの配合量は、0.5質量％以上である。
【００２４】
上記ガラスは、Al2O3を含有し、その含有量がモル％で0超10％以下であることが好ましい。
【００２５】
上述したように、Al2O3は、不可避的に不純物としてガラスに混入する場合があるが、積極的にガラスに混合してもよい。ガラス形成酸化物であるP2O5は、耐水性が低いことが知られているが、Al2O3を混合することで、耐水性を向上させることができる。
【００２６】
上記ガラスは、SiO2を含有し、その含有量がモル％で0超10％以下であることが好ましい。
【００２７】
SiO2も、Al2O3と同様に、不可避的に不純物としてガラスに混入する場合があるが、積極的にガラスに混合してもよい。SiO2を混合することで、ガラスの軟化点を高くすることができ、例えば圧粉磁心の熱処理温度を600℃以上とすることも可能である。なお、Al2O3とSiO2の両方を含有する場合は、ガラス中の両者の合計含有量が10モル％以下であることが好ましい。
【００２８】
複合軟磁性材料に、更に、シリコーン樹脂又はステアリン酸塩のいずれか一種を添加してもよい。
【００２９】
シリコーン樹脂やステアリン酸塩は、加圧成形時に軟磁性粉末の潤滑性を高めたり、また、材料中における軟磁性粉末の分散性や金型からの離型性を向上させることができる。シリコーン樹脂は、ある程度高い耐熱性を備えており、絶縁性結着材としても機能する。ステアリン酸塩としては、ステアリン酸ナトリウム、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸ストロンチウム、ステアリン酸バリウム及びステアリン酸亜鉛などが挙げられる。また、このような添加材を用いる場合、複合軟磁性材料中のガラスと添加材とを併せた合計の配合量が2.5質量％以下であることが好ましい。
【００３０】
（複合軟磁性材料の製造方法）
本発明の複合軟磁性材料は、次の工程を備える製造方法により得ることができる。
モル％でB2O3が30〜40％、P2O5が25〜40％、及び二種以上のアルカリ金属酸化物が合計で20〜35％含むように調整したガラス原料を用意する原料工程
前記原料を溶融し冷却することでガラスを作製するガラス作製工程
前記ガラスを粉砕してガラス粉末を得る粉砕工程
軟磁性粉末と前記ガラス粉末とを混合する混合工程
【００３１】
ガラス原料の原料としては、B2O3、P2O5、及び上記に列挙したアルカリ金属酸化物を二種以上選択して用いることができるが、その他、ガラスとなった際に上記組成となるような出発原料を用いることも可能である。このような出発原料としては、メタリン酸リチウム（Li2PO3）、メタリン酸カリウム（K2PO3）、メタリン酸ナトリウム（Na2PO3）、メタリン酸バリウム（Ba(PO3)2）、メタリン酸亜鉛（Zn(PO3)2）、メタリン酸アルミニウム（Al(PO3)）などの他、炭酸リチウム（LiCO3）などが挙げられる。例えば、Li2PO3やK2PO3或いはNa2PO3は、アルカリ金属酸化物であるLi2OやK2O或いはNa2Oの出発原料となり得るし、また、P2O5の出発原料ともなり得る。
【００３２】
また、原料工程において、Al2O3やSiO2をガラス原料に混合してもよいし、混合工程において、上記した添加材を更に配合してもよい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の複合軟磁性材料は、圧粉磁心の材料に用いた際、圧粉磁心の製造時或いは使用時に生じる欠陥を防止することができ、圧粉磁心の性能を長期に亘って維持できる。また、絶縁性結着材となるガラスにはPbを含有していないため、環境面にも優れる。
【００３４】
本発明の圧粉磁心は、500℃以上の温度で熱処理を実施することが可能であり、加圧成形時に軟磁性粉末に導入された歪を除去して、磁気特性を向上させることができる。また、軟磁性粉末間の絶縁が絶縁性の高いガラスにより確保されているので、高周波域での鉄損が小さく、磁気特性に優れる。さらに、絶縁性結着材にガラスを用いたことで、機械的強度が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００３６】
＜ガラスの作製＞
まず、複合軟磁性材料に用いるガラスの作製方法について説明する。
【００３７】
ガラスの組成が、モル％でB2O3：30〜40％、P2O5：25〜40％、及び二種のアルカリ金属酸化物（R’2O＋R”2O、R’,R”はアルカリ金属）：20〜35％、となるように調整したガラス原料を用意した。ここでは、ガラス原料に、市販の酸化ホウ素（B2O3）粉末と、P2O5及びR’2O、R”2Oの出発原料となる二種のメタリン酸アルカリ粉末と、を用いた。具体的には、メタリン酸アルカリにLi2PO3とK2PO3を選択し、混合比率がモル比でB2O3：P2O5：Li2O：K2O＝1(33.3)：1(33.3)：0.5(16.7)：0.5(16.7)となるように各原料粉末の配合量を計算し、秤量した。このガラス原料を原料１とし、この原料１からガラス50gを作製するときの各原料の配合量を表１に示す。
【００３８】
また、各原料の混合比率を原料１に対してそれぞれ変更した原料２〜４を用意した。なお、原料２及び４についてはAl2O3を混合し、原料３ではLi2PO3に換えてLiCO3を用い、原料４ではLi2PO3とLiCO3とを組み合わせて用いた。具体的な各原料の混合比率（モル比）を次に示す。
（原料２）B2O3：P2O5：Li2O：K2O：Al2O3＝30：30：15：15：10
（原料３）B2O3：P2O5：Li2O：K2O＝25：25：25：25
（原料４）B2O3：P2O5：Li2O：K2O：Al2O3＝25：25：20：20：10
これら原料２〜４からガラス50gを作製するときの各原料の配合量を表１に示す。
【００３９】
【表１】
0005071722.tif 000002
【００４０】
原料１を乳鉢で十分に混合してガラスバッチを作製し、このバッチを高純度アルミナルツボに入れ、大気雰囲気中、電気炉で0.5〜1時間溶融した。電気炉の設定温度は1100〜1300℃とした。次に、電気炉からガラス溶融体を取り出し、ステンレス鋳型またはグラファイト板にキャストして徐冷することで、ガラスを得た。このガラスを試料１とした。なお、アルミナルツボに替えて石英ルツボやグラファイトルツボを用いることも可能である。
【００４１】
また、原料１と同様にして、原料２〜４についてもガラスを作製し、得られたガラスを試料２〜４とした。
【００４２】
＜ガラスの特性と評価＞
（組成）
試料１〜４のガラス組成についてICP発光分光分析装置を用いて分析した結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
0005071722.tif 000003
【００４４】
表２に示すように、試料１のガラスには、ガラス原料に混合していないAl2O3が含有している。これは、ガラス作製時に用いたアルミナルツボから混入したものと推測される。
【００４５】
（ガラス転移点と結晶化開始温度）
試料１〜４について、試料を粉砕し、50μmと40μmメッシュの篩いにかけて、特定のサイズのガラス粉末を得た。各ガラス粉末を示差熱天秤（Rigaku社製TG-DTA-8120）にセットし、室温から800℃まで10℃/minの昇温速度で昇温して、各試料の示差熱分析（DTA）曲線を測定した。このDTA曲線からガラス転移点と結晶化開始温度を求めた結果を表３に示す。
【００４６】
（ガラス軟化点と熱膨張係数）
試料１〜４について、試料を標準試料と同じ大きさ（例、4mm×4mm×12mm）に加工して、熱機械分析装置（Rigaku社製TMA-8310）にセットし、室温からガラスの伸びがプラスからマイナスに変位するまで10℃/minの昇温速度で昇温して、各試料の熱膨張曲線を測定した。この熱膨張曲線からガラス軟化点と熱膨張係数を求めた結果を表３に示す。なお、熱膨張係数は、室温からガラス転移点までの範囲で求めた。
【００４７】
（絶縁性の評価）
試料１〜４について、銅の丸線（直径1mmφ）に試料をコーティングしたガラス被覆銅線を作製した。各被覆銅線の長手方向の10cmに亘ってスズ箔を巻きつけ、銅線とスズ箔との間に電圧を印加して、印加電圧10Vのときの体積固有抵抗（体積抵抗率）と耐電圧とを測定し、各試料の絶縁性を評価した。なお、ガラス被覆銅線のガラスのコーティング厚は128μmとした。得られた各試料の体積固有抵抗と耐電圧を表３に示す。
【００４８】
【表３】
0005071722.tif 000004
【００４９】
表３の結果から、試料１,２のガラスは、軟化点が450℃以上であり、圧粉磁心の絶縁性結着材に用いた場合、圧粉磁心の熱処理温度を500℃以上とすることが可能である。一方、試料３,４のガラスは、軟化点が450℃未満、具体的には430℃以下であり、圧粉磁心の熱処理温度を500℃以上とした場合、軟化度合いが進行し過ぎるため、熱処理温度を500℃以上とすることが困難である。また、試料１,２は、熱膨張係数が8×10-6〜23×10-6/℃を満たしており、圧粉磁心に用いられる軟磁性粉末の熱膨張係数と近く、圧粉磁心の製造時或いは使用時に生じる欠陥を防止することができる。さらに、試料１,２は、体積抵抗率が2×1012Ω・cm以上であり、ガラス被覆銅線を用いた絶縁性評価を見ても、高い絶縁性を有していることが分かる。
【００５０】
＜複合軟磁性材料の作製＞
以上説明した試料１のガラスを絶縁性結着材に用いた複合軟磁性材料を作製した。具体的には、試料１を粉砕し、平均粒径を1.7μmとしたガラス粉末と、別途用意した軟磁性粉末とを所定の配合割合で混合することで作製した。ここでは、軟磁性粉末として純鉄粉末を用意し、複合軟磁性材料には更にシリコーン樹脂（添加材）を添加した。この純鉄粉末は、平均粒径が30〜100μmの水アトマイズ粉である。また、複合軟磁性材料におけるガラス粉末とシリコーン樹脂の配合量は、それぞれ0.5質量％、1.0質量％とした。この複合軟磁性材料を材料１とする。
【００５１】
＜圧粉磁心の作製＞
次に、この材料１を金型に充填し、1270MPaの面圧で加圧成形した後、成形体を取り出し、この成形体を焼成することで圧粉磁心を作製した。また、成形体は、内径20mm×外径34mm×高さ5mmのリング状とし、焼成する際に歪除去を目的として、窒素気流雰囲気中、500℃で1時間熱処理を行なった。この圧粉磁心を実施例１とする。
【００５２】
比較として、ガラス粉末を配合せず、複合軟磁性材料におけるシリコーン樹脂の配合量を1.5質量％とした複合軟磁性材料を用意し、実施例１と同じ方法で、圧粉磁心を作製した。この圧粉磁心を比較例１とする。
【００５３】
＜圧粉磁心の評価＞
まず、実施例１の圧粉磁心について、ガラス成分の組成をICP発光分光分析装置を用いて分析したところ、その組成は、試料１のガラス組成から若干変動していたが、ほぼそれに近い値であった。
【００５４】
次に、実施例１及び比較例１について、密度（g/cm3）、鉄損W1/10k（W/kg）及び圧環強度（MPa）を測定した。ここで、鉄損W1/10kの測定は、BHカーブトレーサー（理研電子株式会社製BHS-40S）を用いて行い、測定する際の励起磁束密度を0.1T、測定周波数を10kHzとした。また、圧環強度は、圧環強さ試験方法（JIS Z
2507）に基づいて測定した。各測定結果を表４に示す。
【００５５】
【表４】
0005071722.tif 000005
【００５６】
表４の結果から、実施例１の圧粉磁心は、10kHzといった高周波域での鉄損値が小さく、磁気特性に優れており、また、圧環強度が高いことが分かる。したがって、本発明の圧粉磁心は、例えば高周波域で使用する自動車の昇圧回路用リアクトルのコアに適している。
【００５７】
また、磁気特性測定後の実施例１の圧粉磁心について、断面を走査型電子顕微鏡（SEM）により観察したところ、軟磁性粉末とガラスとの間に空隙が存在したり、ガラスにクラックが存在することは認められなかった。そのため、本発明の圧粉磁心は、性能が長期に亘って維持されるものと推測される。
【００５８】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、絶縁性結着材となるガラスの組成を適宜変更したり、複合軟磁性材料中のガラスの配合量を適宜変更することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の複合軟磁性材料は、ハイブリッド自動車などの昇圧回路や、発電・変電設備に用いられるリアクトルの他、トランスやチョークコイルのコアの材料に好適に利用することができる。