(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子をプレス成形して形成する圧粉磁心の製造方法において、表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子を用いてグリーンシートを形成する磁性層グリーンシート形成工程と、絶縁性粒子を用いてグリーンシートを形成する絶縁層グリーンシート形成工程と、前記磁性層グリーンシート形成工程で得られた磁性層グリーンシートあるいは該磁性層グリーンシートを必要に応じて所定枚数積層した積層磁性層グリーンシートと、前記絶縁層グリーンシート形成工程で得られた絶縁層グリーンシートとを交互に積層し、プレス成型するプレス成型工程とを有し、
絶縁層グリーンシート形成に用いられる絶縁性粒子が、絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子であり、該絶縁酸化被膜の厚みが、前記磁性層グリーンシートを形成する表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子の絶縁酸化被膜の厚みより厚いことを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載の圧粉磁心の製造方法により得られてなる圧粉磁心。
【請求項３】
表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子で形成された圧粉磁心であって、表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子を用いて形成された磁性層グリーンシートと、絶縁性粒子を用いて形成された絶縁層グリーンシートとを有し、前記磁性層グリーンシートあるいは該磁性層グリーンシートを必要に応じて所定枚数積層した積層磁性層グリーンシートと、前記絶縁層グリーンシートとが交互に積層されており、
前記絶縁層グリーンシートに用いられる絶縁性粒子が、絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子であり、該絶縁酸化被膜の厚みが、前記磁性層グリーンシートを形成する表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子の絶縁酸化被膜の厚みより厚いことを特徴とする圧粉磁心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧粉磁心およびその製造方法に関する。この圧粉磁心はスイッチング電源用トランス、リアクトルなどに用いられる。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種電子機器は、小形化、軽量化されてきており、これに伴い電子機器に搭載されているスイッチング電源も小形化の要求が高まっている。特にノート型パソコンや小型携帯機器、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、小型化、薄型化が強く求められている。しかしながら、従来のスイッチング電源は、その主要な構成部品であるトランス、リアクトル等の磁気部品が、大きな体積を占め、小型化、薄型化することに限界があった。これら磁気部品の体積を小型、薄型化しない限り、スイッチング電源を小型化、薄型化することは困難となっていた。
【０００３】
従来、このようなスイッチング電源に使用されているトランス、リアクトルなどの磁気部品には、センダストやパーマロイなどの金属磁性材料や、フェライトなどの酸化物磁性材料が使用されていた。そのうち金属磁性材料は、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。近年、電源回路を高周波駆動して必要なインダクタンス値を下げることにより磁気部品を小型化する傾向にあるが、渦電流損失の影響から金属磁性材料を高周波で使用することはできない。
【０００４】
一方、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、飽和磁束密度が小さいため、磁気飽和しやすいことから、その体積を小さくすることができなかった。つまり、いずれの場合でも、磁性体コアの体積がインダクタンス値を決定付ける一番大きな要因となっていて、磁性材料の磁気特性を向上させない限り、小型化、薄型化が困難となっていた。
【０００５】
このように、従来の磁気部品では、小型化に限界があり、電子機器の小型化、薄型化の要求に充分に応えられるものではなかった。
【０００６】
この課題を解決する方法として、１〜１０μｍの粒子からなる金属磁性材料の表面を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１参照）。
【０００７】
さらに、例えば、特許文献２では、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。
【０００８】
また、高密度でかつ比抵抗が高い軟磁性成形体を得るために、軟磁性の金属粒子と、その表面に被覆された高抵抗物質と、該高抵抗物質の表面に被覆されたリン酸系化成処理被膜とよりなることを特徴とする軟磁性粒子が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
また、近年、金属磁性材料の欠点である抵抗率を向上するために、飽和磁束密度および透磁率が高い軟磁性金属粒子の表面に、電気抵抗率の高い非磁性絶縁酸化物の被膜を形成した磁性材料が提案されている。この磁性材料によると、非磁性絶縁膜の効果により電気抵抗率が向上することで渦電流を抑制できる、つまりＭＨｚ帯域などの高周波でも使用することができる。
【００１０】
上記の粒子（磁性材料）を成形して得られる軟磁性成形体において、ＭＨｚ帯域での渦電流損失をさらに低減するためには、金属粒子表面に形成する絶縁被膜もしくは高抵抗層を厚くして軟磁性成形体の抵抗率を向上させる必要がある。例えば、特許文献３の表１に示されている実施例の比抵抗は、その比較例よりは向上されているものの不十分であり、体積鉄損は１０ｋＨｚのものしか示されていない。１ＭＨｚで動作させるためには、高抵抗層をさらに厚くして成形体の比抵抗を上げなければならない。しかしながら、金属粒子表面に形成する絶縁被膜もしくは高抵抗層を厚くすると、金属粒子間のギャップが大きくなり透磁率が低下してしまう。また、透磁率を向上させるために絶縁被膜を薄くしたり、プレス成型した軟磁性成型体の熱処理温度を上げたりすると、抵抗率の低下によりＭＨｚ帯域での渦電流損失が増加してしまう。
ＭＨｚ帯域での渦電流損失をさらに低下させる他の方法として、プレス成型した圧粉磁心（コア）の厚みを薄くし、それらを絶縁層を介して積層する方法がある。（例えば、特許文献４参照）
【００１１】
また、軟磁性膜と絶縁膜を交互に形成して軟磁性膜と絶縁膜の積層体を形成する軟磁性多層膜の製造方法の提案もある。（例えば、特許文献５,６参照）
【００１２】
【特許文献１】特開昭５６−３８４０２号公報
【特許文献２】国際公開第０３／０１５１０９パンフレット
【特許文献３】特開２００１−８５２１１号公報
【特許文献４】特開平１１−７４１４０号公報
【特許文献５】特開２０００−５４０８３号公報
【特許文献６】特開平９−７４０１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献４に開示されている手法では、厚さ５．５ｍｍのリング２個をホットプレスにより厚みが１０ｍｍとなるように積層している。ただし、薄い電子部品では全体の厚みが０．６ｍｍ以下と薄く、積層するものの厚みはその半分以下（例えば０．２ｍｍ以下）の厚みになってしまう。そのような薄いコアをプレス成型で製作することも機械的強度から困難である。特にコアの面積が大きくなると困難度が増大する。さらに、全体の厚みが薄いので、薄いコアを絶縁層を介して積層する方法では、絶縁層の厚みを、例えば０．０５μｍ以下というように薄く制御する必要があるが、そのような薄い板状コアをプレス成型で製作することは実質上困難である。
【００１４】
特許文献５や６にはインダクタ、トランスの磁心に用いる磁性膜と絶縁膜の積層構造が記載されているが、いずれも磁性膜，絶縁膜をスパッタ法や蒸着により形成しているため、成膜速度が遅く積層構造の形成に時間がかかる、バルクコアのような厚板構造は応力の問題などで形成することができない、といった課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の目的は、上述の問題を解消し、圧粉磁心の高周波特性を改善し、渦電流損失を低減するための方法として薄いコアと絶縁物を交互に積層した構造を製造する手法を提供することにある。
【００１６】
即ち、本発明の圧粉磁心の製造方法は、表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子をプレス成形して形成する圧粉磁心の製造方法において、表面に絶縁酸化被膜を有する軟磁性金属粒子を用いてグリーンシートを形成する磁性層グリーンシート形成工程と、絶縁性粒子を用いてグリーンシートを形成する絶縁層グリーンシート形成工程と、前記磁性層グリーンシート形成工程で得られた磁性層グリーンシートあるいは該磁性層グリーンシートを必要に応じて所定枚数積層した積層磁性層グリーンシートと前記絶縁層グリーンシート形成工程で得られた絶縁層グリーンシートとを交互に積層し、プレス成型するプレス成型工程とを有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の圧粉磁心は前記製造方法により得られてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、磁性層と絶縁層を積層した積層圧粉磁心を容易に形成することができ、磁心の高周波特性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明において、磁性層グリーンシートは図１に示すような軟磁性金属粒子１１に絶縁酸化被覆１２を形成した絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子１を用いて形成される。  
磁性層グリーンシート形成に用いられる絶縁酸化被覆付き軟磁性金属粒子１における金属としては、例えば、鉄、コバルト、ニッケルなどの単金属、あるいはパーマロイ、センダストなどそれらを基とする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。  
軟磁性金属粒子１１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。
【００２０】
軟磁性金属粒子の表面に絶縁酸化被膜を形成する酸化物としては、フェライト、鉄基酸化物等の電気抵抗率の高い酸化物、ガラス、シリカ、アルミナなどの絶縁性酸化物等を挙げることができ、フェライトとしては、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇフェライトやこれらを主成分とする複合フェライトを例示できる。ガラスとしてはＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5等を主成分とするガラスを挙げることができる。絶縁酸化被膜の形成方法はウエット法に限らず、ドライ法も適用でき、被膜の形成方法は特に限定されるものではない。
【００２１】
絶縁酸化被覆した金属磁性粒子の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ず５ｎｍ以上、より好ましくは１０ｎｍ以上であることが好ましく、透磁向上の観点からは４０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
絶縁層グリーンシートを形成する絶縁性粒子としては、フェライト、鉄基酸化物等の電気抵抗率の高い酸化物、ガラス、シリカ、アルミナなどの絶縁性酸化物等からなる粒子を用いることができるが、得られる圧粉磁心の磁気特性に優れることから、図５に示すような、軟磁性金属粒子１３に厚い絶縁酸化被膜１４を形成した厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子２を用いることが好ましい。
【００２３】
絶縁層グリーンシートを形成する厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子２に用いられる軟磁性金属粒子としては、磁性層グリーンシート形成に用いられる絶縁酸化被覆付き軟磁性金属粒子１における軟磁性金属粒子と同様のものを用いることができる。厚い絶縁酸化被膜１４を形成する酸化物としては、フェライト、鉄基酸化物等の電気抵抗率の高い酸化物、ガラス、シリカ、アルミナなどの絶縁性酸化物等を挙げることができ、フェライトとしては、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇフェライトやこれらを主成分とする複合フェライトを、ガラスとしてはＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5等を主成分とするガラスを挙げることができる。
【００２４】
厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子２における絶縁酸化被膜１４の厚みは５０〜３００ｎｍであることが好ましい。上記下限未満では絶縁性が不足し、上記上限を超える厚みでは、磁性材料の割合が減少することによる特性低下や被膜形成工程に時間がかかるといった課題が生じてくる。
【００２５】
本発明におけるグリーンシートは、絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子や絶縁性粒子を用いて磁性層や絶縁層を形成する際の熱処理前のシートを示す。磁性層グリーンシートは絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子に樹脂バインダーや溶剤を加えてスラリーとし、このスラリーを用いて所定の厚みのシートに成形したものである。また、絶縁層グリーンシートは絶縁性粒子に樹脂バインダーや溶剤を加えてスラリーとし、このスラリーを用いて所定の厚みのシートに成形したものである。樹脂バインダーとしては、ポリビニルアルコール、ブチラール系、セルロース系、アクリル系のバインダー樹脂を挙げることができる。溶剤としては、鉱油系溶剤、アルコール類、アセトン、トルエンのような有機溶剤、及び水を挙げることができる。磁性層グリーンシートの厚みは乾燥後２０〜２００μｍとすることが好ましく、絶縁層グリーンシートの厚みは乾燥後５〜１００μｍとすることが好ましい。
【００２６】
これらのスラリーを用いてグリーンシートを製造するにあたっては、いずれのシート化技術も用いることができるが、大面積化が容易であることからドクターブレード法でシート化することが好ましい。
【００２７】
次いで、図２に示すような手順で圧粉磁心を製造する。即ち、磁性層グリーンシートあるいは該磁性層グリーンシートを必要に応じて所定枚数積層した積層磁性層グリーンシートと絶縁層グリーンシートとを交互に積層する。図２に示す実施態様では、前述した磁性層となるグリーンシート２１を４層、絶縁層となるグリーンシート２２を１層、さらに磁性層となるグリーンシート２１を４層積層し、総厚８２０μｍの積層グリーンシート２３を形成している。
【００２８】
こうして得られる積層グリーンシートをプレス成型することで圧粉磁心を作成できる。図２の例ではグリーンシートを型枠なしの平板で両面から挟んで行なっているが、必要に応じて金型を用いてもよい。プレス圧力は５００〜２０００ＭＰａであることが好ましい。
【００２９】
こうして得られた積層圧粉磁心を熱処理する。熱処理温度は３００〜８００℃であることが好ましい。この熱処理は例えば電気炉を用いて行うことができる。なお、熱処理時の雰囲気は金属粒子の酸化に影響を与えるため、酸化してもよい場合は大気中で実施してもよい。また、酸化させたくない場合は、真空雰囲気あるいは窒素やＡｒなどの不活性ガス中で実施すればよい。還元させたい場合は水素雰囲気で実施してもよい。
【００３０】
この熱処理済みの積層圧粉磁心を必要に応じて所定の形状に加工する。金型で形成したままでよい場合は、特に加工する必要はない。本発明の製造方法により、高周波でも損失の小さい圧粉磁心を得ることができる。
【実施例】
【００３１】
以下に、実施例を用いて本発明を更に説明する。  
＜実施例１＞
本実施例では、軟磁性金属粒子１１として水アトマイズ法にて作製したＮｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ（Ｎｉが７８ｗｔ％、Ｍｏが５ｗｔ％で残りがＦｅ）粒子（平均粒径８μｍ）を用いた。また、絶縁酸化被膜１２には水ガラス法で形成したＳｉＯ2被膜を用いた。この被膜の形成方法を次に示す。
【００３２】
本実施例で用いた水ガラスの組成はＮａ2０・ｘＳｉＯ2・ｎＨ2０（ｘ＝２〜４）で、これを水に溶かした溶液はアルカリ性を示す。この溶液に軟磁性金属粒子１１を入れ、塩酸を溶液に加え、ｐＨをコントロールして加水分解させ、ゲル状の珪酸（Ｈ2ＳｉＯ3）を軟磁性金属粒子１１表面に付着させた。この後、この軟磁性金属粒子１１を乾燥させることでＳｉＯ2被膜を形成した。ＳｉＯ2被膜の膜厚は、水ガラス水溶液の濃度で制御可能であり、本実施例では２０ｎｍに制御した。
【００３３】
本実施例では、図２に示した製造方法により積層圧粉磁心を製造した。
まず、前述した絶縁被膜付き磁性金属粒子１１を主原料とした磁性層グリーンシート２１を形成した。グリーンシートの製作方法としては、フェライトやセラミックスのグリーンシートを形成する方法と同様の一般的な方法を適用した。バインダーとして、０．１ｗｔ％のＰＶＡ（ポリビニルアルコール）水溶液を用い、これを金属磁性粒子と混合し、脱泡した後、ドクターブレード法で、乾燥後１００μｍの厚みとなるように形成した。
【００３４】
次に同様の工程で絶縁層グリーンシート２２を形成した。材質としてはＳｉＯ2粒子（平均粒子径２μｍ）１５を用い、これを上記で用いたものと同様のバインダーと混合し、乾燥後２０μｍの厚さとなるようにした。
【００３５】
この積層グリーンシートを、圧力を１１７６ＭＰａ（１２ｔｏｎ／ｃｍ2）で、金型を用いることなくプレス成型し、絶縁層を中央に介して、上下に磁性層を有する積層圧粉磁心２４を形成した。プレス成型後の板厚は５３２μｍであった。
【００３６】
次に、図２に示すように、前述した磁性層グリーンシートを４層、絶縁層グリーンシートを１層、さらに磁性層グリーンシートを４層積層し、総厚８２０μｍの積層グリーンシート２３を形成した。
【００３７】
次に、得られた圧粉磁心を電気炉により窒素雰囲気中で６００℃１時間の熱処理をした。熱処理は窒素雰囲気中で実施した。最後に、熱処理した圧粉磁心を所定の構造に加工した。
【００３８】
こうして得られた圧粉磁心は飽和磁化０．５９Ｔ、周波数ｆ＝２ＭＨｚの時の実行透磁率μ’＝１００、ｔａｎδ＝μ”／μ’＝０．０ｌ５の性能を示した。この積層圧粉磁心のμ’およびμ”の周波数特性を図４に示す。なお、比較のため、磁性層グリーンシートに用いたものと同じ絶縁被膜つき金属粒子を用いて、絶縁層を形成せずに、５２５μｍの厚さで形成した圧粉磁心の特性を図４に示した。
【００３９】
＜実施例２＞
本実施例では、図３に示すような３層構造の圧粉磁心を作製した。作製方法は図２に示した実施例１の場合とほぼ同様であるが、磁性層グリーンシートの乾燥後の厚さを９０μｍ／層、絶縁層グリーンシートの乾燥後の厚さを２０μｍとし、磁性層３層、絶縁層１層、磁性層３層、絶縁層１、磁性層３層の順に積層し、実施例１同様にプレス、熱処理を実施した。
積層圧粉磁心の板厚は５５０μｍであった。得られた積層圧粉磁心は、飽和磁化０．５８Ｔ、周波数ｆ＝２ＭＨｚの時の実効透磁率μ’＝１００、ｔａｎδ＝μ”／μ’＝０．００７の性能を示した。
【００４０】
＜実施例３＞
本実施例では、図５に示すような軟磁性金属粒子１３の表面に厚い絶縁酸化被膜１４を有する厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子２（以下、粒子２と略す）を用いて形成した絶縁性磁性層グリーンシートを絶縁層グリーンシートの代わりに用いた。
この粒子２は、粒子１と同じように、軟磁性金属粒子１３として水アトマイズ法にて作製したＮｉ７８Ｍｏ５Ｆｅ粒子（平均粒径８μｍ）を用い、絶縁酸化被膜１２には水ガラス法で厚みを２００ｎｍになるように制御して形成したＳｉＯ2被膜を用いた。
【００４１】
上記のようにして得られた粒子２を実施例１で用いたグリーンシート形成工程と同様の方法で、絶縁磁性層グリーンシートを形成した。なお、乾燥後の厚さ５０μｍとなるように調整した。
【００４２】
本実施例で用いる磁性層グリーンシートとしては、実施例１で用いたものと同様の磁性層グリーンシートを用いた。本実施例では、磁性層グリーンシートを４層、絶縁磁性層グリーンシートを１層、磁性層グリーンシートを４層積層して総厚８５０μｍの積層グリーンシートを形成したあと、プレス成型および５００℃熱処理を実施し、積層圧粉磁心を形成した。プレス成型後の板厚は５５０μｍであった。
得られた積層圧粉磁心は、飽和磁化０．６１Ｔ、周波数ｆ＝２ＭＨｚ時の実行透磁率μ’＝９８、ｔａｎδ＝μ”／μ’＝０．０ｌ５の性能を示した。この積層圧粉磁心のμ’およびμ”の周波数特性を図６に示す。なお、比較のため、磁性層グリーンシートに用いたものと同じ絶縁被膜つき金属粒子を用いて、磁性絶縁層を形成せずに、５２５μｍの厚さで形成した圧粉磁心の特性を図６に示した。
【００４３】
実施例１と実施例３の比較から、絶縁層グリーンシートを形成する粒子としてＳｉＯ2からなる粒子を用いる代わりに厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を用いることで、周波数特性を維持したままで飽和磁化をさらに向上させることができることがわかる。なお、これらの実施例は磁性層を上下２層とした構造であるが、３層とすることで、実施例２に記載したように、さらに高周波特性を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明によれば、磁性層と絶縁層を積層した積層圧粉磁心を容易に形成することができ、磁心の高周波特性を向上することができる。この磁心を用いることにより、スイッチング電源を小型化、薄型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を示す模式図である。
【図２】本発明の実施例１の圧粉磁心の製造工程を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例２で作製した圧粉磁心の構造模式図である。
【図４】本発明の実施例１、２で作製した圧粉磁心の周波数特性を示す図である。
【図５】本発明の実施例３で用いた厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例３で作製した圧粉磁心の周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子
１１：軟磁性金属粒子
１２：絶縁酸化被膜
１３：軟磁性金属粒子
１４：厚い絶縁酸化被膜
１５：ＳｉＯ2粒子
２１：磁性層グリーンシート
２２：絶縁層グリーンシート
２３：積層グリーンシート
２４：プレス後の積層圧粉磁心
２：厚い絶縁酸化被膜付き軟磁性金属粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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