軟磁性材料の開発動向と展望
吉沢克

仁より， 1960 年代に結晶構造を持たない強磁性アモルファス

.

は じめに合金(1) ， 1980 年代にはナノ結晶軟磁性合金(2) やナノグラニ
ュラー軟磁性薄膜(3)などのナノ構造を制御した新しいタイプ

軟磁性材料(ソフト磁性材料)は，モータ，トランスや電源の軟磁性材料が開発され，ナノ構造制御による軟磁性材料のなど多くの電気機器の磁心(鉄心)材料として使用されてお研究開発が盛んに行われるようになった．このように， 20

り，私たちの生活に欠かすことができない存在である．軟磁世紀は次々に新しい軟磁性材料の発明や改良が行われ，軟磁性材料には，電気機器を小型化するため飽和磁束密度(Bs)が性材料の磁気特性は飛躍的に向上した． 21 世紀に入ると，高いこと，電気機器の損失低減のために透磁率(m)が高く保

地球環境保全・省エネルギーや小型・軽量化などがより重視

磁力( Hc )が低く磁化曲線のヒステリシスが小さいことなどされ，高 Bs 化・低損失化を目的とした軟磁性材料の研究開が要求される．また，軟磁性材料は，トランス，リアクトル発が活発になっている．

やチョークコイルの磁心材料として交流磁場励磁状態で使用される場合が多く，鉄損(P)を低く抑えるためにヒステリシ

本稿では，主な金属系軟磁性材料の開発動向と今後の展望について概観する．

ス損失(Ph)と渦電流損失(Pe)の低い材料が要求される．このため，軟磁性材料には，一般に電気抵抗率( r )が高いこと

.

軟磁性材料の動向や，圧延などにより薄板化できることなども要求される．図に 2000 年までの主な軟磁性材料の開発の歴史を示す．

近年，地球温暖化などの環境問題が議論されるようにな

1900 年のけい素鋼開発以降，パーマロイなどの高透磁率軟り，エネルギー消費機器等の効率を可能な限り高めることが磁性材料が開発され，超急冷法などの新しいプロセス開発に求められるようになっている．この様な背景から，日本では機器の省エネ基準を策定する際にトップランナー方式を採用したトップランナー制度が制定されている(4)．トップランナ
ー方式とは対象となる機器ごとに基準値を設定し，達成年度を定めて機器そのもののエネルギー消費効率を高めていくよ
うに普及促進する政策で，配電用トランス，エアコンディシ
ョナー，スイッチング機器や三相誘導電動機など 30 を越える機器に導入されている．これらの機器に使用される軟磁性材料に対しても，当然のことながら低損失であることが要求されている．また，最近の自動車などの電動化の進展により，従来軟磁性材料があまり使用されてこなかった分野においても，軟磁性材料が使用される機会が増加し，これらの応用分野に適合した軟磁性材料の開発が求められている．ま図1

軟磁性材料開発の歴史．

た，軟磁性材料には，損失の低減に加えて，機器の小型化

国立研究開発法人物質・材料研究機構 磁性・スピントロニクス材料研究拠点 NIMS 特別研究員(〒 305 0047 つくば市千現 1 2 1 )Development Trend and Outlook for Soft Magnetic Materials; Yoshihito Yoshizawa(Research Center for Magnetic and SpintronicMaterials, National Institute for Materials Science, Tsukuba)
Keywords: soft magnetic material, amorphous soft magnetic material, nanocrystalline soft magnetic material, nanogranular soft magnetic film,
electrical steel sheet, powder core, high magnetic induction, low loss, high permeability, low coercivety
2016年 5 月30日受理[doi:10.2320/materia.56.186]



特集

(省スペース化)・軽量化も重視されるため，軟磁性材料には ， 低 損 失 ・ 低 H c で あ る こ と と ， 高 Bs で 動 作 磁 束 密 度( Bm )を高く設計できることなどが要求されている．しかさせた材料などが開発されている(7)．
アモルファス軟磁性材料

し，図に示すように，一般に Bs が高い軟磁性材料ほど Hc

エネルギー消費機器等の効率を可能な限り高めることが求が大きくなる傾向があり，軟磁性材料において高 Bs と低 Hcめられるようになり，日本ではトップランナー方式が配電用を両立させることは難しい課題である．

トランスに採用されたこと，海外においても高効率トランス

また，近年インバータやスイッチング電源などの機器の高等に厳しい規格が作られてきていることなどから，鉄損が低周波化や高容量化(高エネルギー密度化)が進み，トランスやいアモルファス軟磁性合金薄帯材料に注目が集まり， Fe 

チョークコイルなどに使用されている軟磁性材料に対して，

Si B 系アモルファス軟磁性材料の配電用トランスへの適用

高周波領域の損失低減に加え，部品の小型化のために材料のが進んでいる． Fe Si B 系アモルファス軟磁性材料の素材

Bs をより高くすることが求められている．の熱処理後の鉄損は， 50 Hz, 1.3 T で約 0.1 W kg－1 であり以上のように，軟磁性材料に対しては種々の特性向上が求磁区細分化高級方向性電磁鋼板の約 1 / 4 と低損失である．

められているが，すべてを満足できる軟磁性材料は存在せしかし， Fe 基アモルファス合金の Bs は方向性電磁鋼板のず，使用目的に応じて，軟磁性材料が使い分けられているのBs に比べて低いため，鉄心サイズが大きくなるという欠点が現状である．以下に主な金属系軟磁性材料の開発動向につがある．最近，現在最も製造されている Fe Si B 系アモルいて概説する．

ファス材料の Bs＝1.56 T を 1.63～1.64 T に向上させたアモ

電磁鋼板(けい素鋼板)

軟磁性材料は，モータや配電用トランスの鉄心への使用量が非常に多く，電磁鋼板(けい素鋼板)が主に使用されていルファス合金材料が開発された．50 Hz, 1.4 T における鉄損
値約 0.1 W kg－1 が得られている(8)(9) ．更に，アモルファス材料の Bs を高めることにより，アモルファストランスの鉄心サイズや騒音などの問題も改善されている．

る．モータには主に無方向性電磁鋼板が，配電用トランスのまた，最近では Fe 基アモルファス材料の低鉄損・高透磁鉄心には，方向性電磁鋼板が使用されており，材料の高性能率特性に着目し，アモルファス材料をモータ鉄心に応用する化に関する研究開発は主に企業において行われている．近年検討が行われている． Fe Si B 系アモルファス材料の P はは，ハイブリッド電気自動車(HEV)や電気自動車(EV)など

50 Hz, 1 T で 約 0.05 W kg－1, 400 Hz, 1 T で 約 1.5 W kg－1が販売されるようになり，自動車に使われるモータの高出力であり， 50 Hz では無方向性電磁鋼板の鉄損の約 1/ 10, 400化などが重要となっている．モータ高出力のために回転数をHz では 1 / 5 以下である． Fe 基アモルファス軟磁性材料の増加させた場合には，高周波励磁下で低鉄損であることが要

低鉄損特性を活かしモータ鉄心に Fe 基アモルファス材料を求される．低鉄損化のため，高 Si 材の板厚薄手化により渦使用することにより高効率のモータが実現できることが明ら

電流損失を低減し，鉄損を低減させた電磁鋼板が開発されてかにされている(10)．

いる(5)(6)．

単ロール法などで製造される Fe Si B 系アモルファス材

配電用トランスに使用される方向性電磁鋼板では，結晶粒料よりもアモルファス形成能が高い Fe 基軟磁性材料としての配向度を高め新しい磁区細分化技術により鉄損を更に低減

1995年に Fe Al Ga P C B 系の Fe 基金属ガラスが開発され(11) ，その後多くの Fe 基の金属ガラス系の合金が開発されている(12)(13) ．しかし， Fe 基金属ガラスは脆化しやすく
Bs も FeSiB 系アモルファス合金薄帯材料より低いため，薄帯やバルク軟磁性材料としては現在実用化されていない．
しかし，粉末材料の製造においては，アモルファス形成能が高いというメリットを活かすことができ，アモルファス単相の低 Hc の粉末が得られやすいため，高周波用圧粉磁心(14)などに実用化されている．


ナノ結晶軟磁性材料

優れた軟磁性を実現するためには，結晶磁気異方性定数( K )を低減することが重要であるが，多結晶材料の K は材料の組成でほぼ決定されるため，結晶サイズが大きい通常のFe 基多結晶材料では大幅な軟磁性向上(Hc の減少)を実現することは困難である．しかし，図に示すように結晶粒をナノスケールサイズまで微細化することにより，実効的な磁気異方性を減少させ，Hc を減少させることができる． FeSi
図2

軟磁性材料の飽和磁束密度と保磁力の関係(概略図)．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia JapanB Nb Cu 系 ナ ノ 結 晶 軟 磁 性 材 料 の Bs は 1.2 ～ 1.35 Tで(2)(15)，配電トランスなどに使用されている FeSiB 系ア結晶化熱処理を行うことにより，薄帯長手方向が磁化困難軸モルファス合金の Bs＝1.56～1.63 T に比べその値は低いが，方向となるよう磁気異方性を誘導させることが可能であり，

Co 基アモルファス合金や PC パーマロイよりは高 Bs であ広範囲に透磁率を制御した材料が開発されている(24)(25)．こり，これらの高透磁率材料に匹敵する非常に優れた軟磁性をれらの低透磁率タイプのナノ結晶軟磁性材料は，ヒステリシ示すため，漏電ブレーカ，電流センサ，ノイズ対策部品，高スが小さく，フラットな BH カーブ形状で磁界(H )に対す周波トランスや加速器などの用途に実用化されている．そのる透磁率変化が小さい特徴がある．より高い周波数・重畳磁後，更に Bs が高いナノ結晶軟磁性材料の研究開発が行われ，場まで透磁率低下を抑えることができるため，高周波領域の) 系材料が(16)，(Nb, Zr B
1990年には Bs が 1.5～1.7 T の Fe

1998年には残留アモルファス相の Tc が高く高温特性が良好な(Fe, Co)ZrBCu 系ナノ結晶材料(17)などが発表されている．2000年代後半には，Nb など磁化を低下させる元素や高直流が重畳される用途への応用が進むものと考えられる．


圧粉磁心スイッチング電源などの各種電子機器の高周波化と高エネ

価な Co を含まない更に高 Bs の Fe 基ナノ結晶軟磁性材料がルギー密度化が進み，高周波において損失が低くかつ Bs の開発され， 2007 年には Bs が 1.85 T の Fe B Si Cu 系材料

高い軟磁性材料が要求されている．図に各種軟磁性材料のが(18) ， 2009 年 に は Bs が 1.7 ～ 1.85 T の P を 添 加 し た Fe 

Bs と使用周波数領域の関係の概略図を示す．高周波領域でBSiPCu 系のナノ結晶軟磁性材料が開発された(19)(20)．こは電気抵抗の高いフェライトが主に使われてきたが， Bs がれらの材料は，初期微結晶タイプと急加熱タイプの 2 つの低いため高エネルギー密度化に対応することが困難になり，タイプの材料(19)(21)に分類できる．初期微結晶タイプのナノフェライトよりも高 Bs の金属軟磁性材料を使用せざるを得結晶材料は，合金薄帯作製時にアモルファス相中に微細な結ない用途も増えている．しかし，鉄，電磁鋼板やパーマロイ晶粒を分散させ，その後通常の熱処理を行い均一微細なナノなどの金属材料は電気抵抗率がフェライトなどに比べて低く結晶組織が実現されている．急加熱タイプのナノ結晶材料

くそのまま高周波領域で使用した場合には渦電流損失が大きは，アモルファス合金薄帯を作製後，急加熱熱処理を行うこくなってしまうため，金属系軟磁性粉末表面を絶縁層で被覆とにより均一微細なナノ結晶組織が実現されている．初期微した粉末を成型した圧粉磁心の開発が行われている．

結晶タイプの材料は，合金薄帯作製の際の適正冷却条件の範

圧粉磁心に使用される軟磁性粉末には，パーマロイ，セン囲が狭いという問題がある．一方，急加熱タイプは，多量にダスト，けい素鋼などの結晶質材料粉末が使用されてきた

熱処理を行う場合に，急加熱できなくなること，急激な結晶が，近年リアクトル・モータや高周波パワーチョークなどの化による発熱により，材料内部が過度に温度上昇し，材料全用途において圧粉磁心の適用が検討されるようになり，より体で均一微細なナノ結晶組織を実現するのが難しいなどの課高磁束密度の圧粉磁心が要求されるようになった．このた題があり，実用化へのハードルは高いが，実用化に向けた研め，けい素鋼や鉄粉末を用いた高い磁束密度を示す圧粉磁心究開発が続けられている(22)．の開発が再び活発化している．また，アモルファス形成能がまた，電子部品用のナノ結晶軟磁性材料では，チョークコ

高い金属ガラス系のアモルファス合金粉末や従来のアトマイイルやセンサなどの用途に適する低損失(低 Hc)で磁気飽和

ズ 法 よ り も 冷 却 能 力 が 高 い SWAP 法 ( Spinning Water

しにくいフラットな磁化曲線を示す比較的低い透磁率を示す

Atomization Process )により作製された Fe 基アモルファス材料が必要とされている． Co や Ni を Fe に置換した( Fe,合金粉末が開発され，これらの軟磁性合金粉末を用いた高周Co, Ni)SiBNbCu 系合金に対して磁界中熱処理を行い，波用途向け低損失圧粉磁心が開発されている(26)(28)．

磁気異方性を制御することにより，初比透磁率が 300 から

圧粉磁心は軟磁性金属粒子間に存在する非磁性絶縁層被覆5000程度の材料が開発されている(23)．また，張力を印加さにより初比透磁率は数 10 ～ 200 程度の傾斜した B H 曲線をせながら FeSiBNbCu 系アモルファス合金薄帯に対して示し磁気飽和しにくいのが特徴である．しかし，一般に Hc

図4図3


保磁力 Hc の結晶粒径 D 依存性．

各種軟磁性材料の Bs と使用周波数領域， f の関係(概略図)．

特集

がバルクの軟磁性材料よりも大きく Ph が増加する傾向があ者から生まれ，軟磁性材料の応用分野や市場が更に拡大する

り，圧粉磁心の応用範囲を広げるためには，圧粉磁心に適すことを期待したい．

る高 Bs 低 Hc 軟磁性粉末材料の開発が重要である．


ナノグラニュラー軟磁性膜

バルク材料の分類には入らないが，ナノ構造を制御した比較的新しい軟磁性材料としてナノグラニュラー軟磁性膜について概説する．(Fe, Co)M(O, N, F)組成の Fe, Co のナノ結晶粒が高電気抵抗率の M ( O, N, F )で囲まれたナノグラニュラー構造の軟磁性薄膜が開発されている(29) ． M は Ti,Ta, Mg, Al, Zr, Nb, Hf，および希土類元素であり，Fe や Coよりも O, N, F との親和性が強い．このため，ナノグラニュラー構造の膜が形成すると考えられている．このナノグラニ
ュラー膜は，フェライトに比べて高 Bs で，通常の金属系材料よりも高電気抵抗であるため，高周波領域において比較的高い透磁率が得られ，高周波用の薄膜部品への適用が検討されている．

.

今 後 の 展 望

高 Bs と低 Hc・高 m・低損失の両立は軟磁性材料の永遠の課題であるが，すべての用途に対して要求される特性を満足できる軟磁性材料は，現状存在しない．実用化されている軟磁性材料で，最も Bs の高い材料は FeCo 合金でありその値は 2.45 T である．薄膜材料などではこれを超える Bs の材料への挑戦はあったが，この Bs を越えるバルク材料の開発は，ハードルが高く実現していない．高 Bs 材料開発については，長期的な新物質の探索が重要と考えられる．
また，高 Bs と低 Hc ・低鉄損を両立した Fe 系軟磁性材料の開発も重要なテーマであり，ナノ結晶軟磁性材料がこの候補として期待される．新プロセス開発により新しい微細構造からなる新軟磁性材料の開発にも期待したい．高周波用軟磁性材料では，高周波領域まで使用可能な高抵抗・高 Bs で高透磁率を示すナノグラニュラー構造の軟磁性バルク材料や軟磁性粉末・微粒子と他の材料とを複合化した新しい微細構造の軟磁性材料の実現を期待したい．
また，高エネルギー密度や小型化が進んだ場合，使用されている部品の温度が現状の設計よりも高くなってくるため，高温特性に優れた軟磁性材料の開発も重要な研究開発テーマになるものと考えられる．

.

お わりに

近年の省エネ意識の高まりや自動車をはじめとする各種装文

献( 1 ) P. Dewez and S. C. H. Lin: J. Appl. Phys., 38(1967), 4096
4097.
( 2 ) Y. Yoshizawa, S. Oguma and K. Yamauchi: J. Appl. Phys., 64(1988), 60446046.
( 3 ) H. Karamon, T. Masumoto and Y. Makino: J. Appl. Phys., 57(1985), 35273532.
( 4 ) 経済産業省資源エネルギー庁トップランナー制度， 2015 年
3 月版．
( 5 ) 薮本政男，開道 力，脇坂岳顕，久保田猛，鈴木規之新日鉄技報，378(2003), 51
54.
( 6 ) 尾田善彦，大久保智幸，高田正昭JFE 技報，36(2015), 611.
( 7 ) 宮俊人，花澤和浩，鈴木毅浩JFE 技報，36(2015), 15.
( 8 ) Y. Ogawa, M. Naoe, Y. Yoshizawa and R. Hasegawa: J. Magn.
Magn. Mater., 304(2006), e675e677.
( 9 ) K. Takahashi, D. Azuma and R. Hasegawa: IEEE Trans.
Magn., 49(2013), 40014004.
(10) Y. Enomoto, M. Ito, H. Koharagi, R. Masaki, S. Ohiwa, C.
Ishihara and M. Mita: IEEE Trans. Magn., 41(2005), 4304
4308.
(11) A. Inoue and J. S. Gook: Mater. Trans., JIM, 36(1995), 1180
1183.
(12) A. Inoue and B. L. Shen: Mater Trans., 43(2002), 766769.
(13) A. Makino, T. Kubota, C. T. Chang, M. Makabe and A. Inoue:
Mater. Trans., 48(2007), 30243027.
( 14 ) 水嶋隆夫，小柴寿人，内藤 豊，井上明久粉体および粉末
冶金，54(2007), 768
772.
(15) Y. Yoshizawa, K. Yamauchi, T. Yamane and H. Sugihara: J.
Appl. Phys., 64(1988), 60476049.
(16) K. Suzuki, N. Kataoka, A. Inoue, A. Makino and T. Masumoto:Mater. Trans., JIM, 31(1990), 743746.
(17) M. A. Willard, D. E. Laughlin, M. E. McHenry, D. Thoma, K.
Sickafus, J. O. Cross and V. G. Harris: J. Appl. Phys., 84(1998), 67736777.
(18) M. Ohta and Y. Yoshizawa: Jpn. J. Appl. Phys., 46(2007),
L477L479.
(19) M. Ohta and Y. Yoshizawa: Appl. Phys. Exp., 2(2009),023005.
(20) A. Makino, H. Men, T. Kubota, K. Yubuta and A. Inoue: J.
Appl. Phys., 105(2009), 07A308.
(21) M. Ohta and Y. Yoshizawa: J. Phys. D: Appl. Phys., 44(2011),064004.
(22) 牧野彰宏まてりあ，55(2016), 8996.
(23) Y. Yoshizawa, S. Fujii, D. H. Ping, M. Ohnuma and K. Hono:Scr. Mater., 48(2003), 863868.
(24) L. Kraus, K. Z áav âeta, O. Heczko, P. Duhaj, G. Vlas áak and J.
Schneider: J. Magn. Magn. Mater., 112(1992), 275277.
(25) H. Fukunaga, H. Tanaka, T. Yanai, M. Nakano, K. Takahashi
and Y. Yoshizawa: J. Magn. Magn. Mater., 242245(2002),
279281.
( 26 ) 大塚 勇，遠藤 功，越本秀生，山本裕史，奥野良誠，吉野正規，深見寿孝，八木正昭日本応用磁気学会誌，21(1997),
617620.
( 27 ) 大塚 勇，前田 優，石山和志，八木正昭粉体および粉末
冶金，56(2009), 563567.
( 28 ) 松元裕之，浦田顕理，山田健伸，吉田栄吉 NEC 技報， 60(2007), 6164.
( 29 ) 大沼繁弘，三谷誠司，藤森啓安，増本 健日本応用磁気学会誌，20(1996), 489
492.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1981年 東北大学大学院工学研究科博士課程前期修了
1981年 日立金属株式会社入社
2016年 4 月 現職
専門分野磁性材料(主にアモルファス・ナノ結晶軟磁性材料)◎超急冷プロセスによる軟磁性材料の研究開発に従事．

置・機器の電動化の進展により，軟磁性材料の重要性は今後益々増すものと考えられる．軟磁性材料において重要な透磁率や保磁力などの特性は，材料の微細構造に非常に敏感なため，軟磁性材料の開発において微細構造の制御は非常に重要★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

である．微細構造の解明による微細構造制御や新規な微細構造を実現することにより，革新的な軟磁性材料が日本の研究

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan吉沢克仁