説明

圧粉磁心の製造方法

【課題】金属磁性粒子に高電気絶縁牲を付与し、かつ、高温での熱処理を可能にさせ、高透磁率および高抵抗率を有する磁気部品を比較的簡便な方法で提供する。
【解決手段】金属磁性粒子の表面に絶縁酸化被膜を有する絶縁酸化被膜付き金属磁性粒子を圧縮成形し、次いで熱処理を施す圧粉磁心の製造方法において、前記金属磁性粒子が球状もしくは扁平状の粒子であり、前記絶縁酸化被膜が乾式成膜法で成膜された均一な被膜であ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、圧粉磁心の製造方法に関する。この絶縁酸化被膜付き金属磁性粒子を用いて形成された圧粉磁心は、スイッチング電源などに搭載される高周波用トランス、リアクトルなどに用いる複合磁性材料および磁気部品として有用である。
【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、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コアすなわち圧粉磁心として使用されていた。
【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ヒステリシス損失や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に使用することは困難であった。
【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心にかかる磁場は強くなってしまう。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く、スイッチング電源の磁気部品として使用した場合、上記の理由によりその小型化には限界がある。
【0006】
このように、従来の磁気部品では、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。
【0007】
近年、前述の圧粉磁心材料である飽和磁束密度および透磁率が高い金属磁性材料に関して、トレードオフの関係にある低抵抗率を改善するため、様々な検討がなされており、金属磁性粒子の表面に電気抵抗率の高い酸化物材料の被膜や粒子を形成した粒子を用いた圧粉磁心や、金属磁性粉末と電気絶縁性が高いバインダーとの混合物からなる圧粉磁心が提案されている。(例えば、特許文献1〜5参照。)
【0008】
また、磁気特性(透磁率)の向上を図るために磁性粒子の成形加工歪を除去する提案もある。(例えば、特許文献3、5参照。)
【0009】
これらの提案は、金属磁性体の特性である高飽和磁束密度は維持したまま、圧粉磁心全体の透磁率および抵抗率を増大させ、高周波数帯域においても高透磁率を維持し、ヒステリシス損や渦電流損を低減させた、いわゆる低損失化圧粉磁心を提供することを目的としている。
【0010】
即ち、特許文献1では、圧粉磁心の固有抵抗値を増加させるために、電気絶縁性の高い樹脂やバインダーなどを用いて絶縁酸化物粉末を磁性粒子表面に被覆する湿式絶縁被膜形成方法により被膜を形成しており、特許文献2では、酸化物の水和物を含有する溶液を用いた湿式絶縁被膜形成方法により被膜を形成している。次に、特許文献3に開示されている従来の圧粉磁心の製造方法では、粒子を被覆する絶縁被膜が2層構造であり、耐熱性を持たせた絶縁被膜を有する磁性粒子を用いた圧粉磁心が提案されている。
【0011】
次に、特許文献4には、乾式絶縁被膜形成法を用いた絶縁被膜の上にリン酸系化成処理被膜を形成することにより、熱による絶縁被膜の破壊を抑制するとともに、高圧力で加圧しても上記二重の被膜による被覆状態を維持することができる、したがって高温高圧を印加しても高抵抗比を十分に維持することができる磁性粒子による圧粉磁心の製造方法が提案されている。
【0012】
特許文献5には、絶縁被膜成分の添加により磁性粒子の充填率(占有率)が低下することを抑制するために、表面絶縁層を有する軟磁性金属粉末と塑性変形性に優れた軟磁性金属ガラス合金粉末とからなる圧粉磁心が提案されている。
【0013】
【特許文献1】特開2001−307914号公報
【特許文献2】特開2003−332116号公報
【特許文献3】特開2006−5173号公報
【特許文献4】特開2001−85211号公報
【特許文献5】特開2006−237153号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
特許文献1および2に開示されている圧粉磁心の製造方法では、いずれもSiO2微粒子を含む分散液と磁性粒子を混合する際に、スラリー状にして混錬する湿式の絶縁被膜形成法が用いられている。
この絶縁被膜形成法のみでは圧粉磁心の高抵抗化は図れるが、耐熱性が低く、粒子の成形歪み除去温度での熱処理が行えない。したがって、透磁率が向上しない。また、粒子混合溶液中の不純物との化学反応や、磁性粒子の腐食が生じるおそれがある。また、強度が低い、生産コストが高いなどの欠点もある。このため、磁気部品への適用は困難と言える。
【0015】
特許文献3に開示されている圧粉磁心の製造方法では、粒子を被覆する絶縁被膜が2層構造であり、第2絶縁層中の酸化物粒子により絶縁被膜に耐熱性を付与しているが、湿式法で絶縁層を形成し、乾燥してその層を固定した後に湿式法で次の絶縁層を形成しては乾燥してその層を固定するという手法をとっており、工数、手間、コストがかかり、生産性が低いという問題がある。また、熱処理時の温度が700℃未満であり、完全に磁性粒子の成形加工歪を除去するまでには至らず、透磁率を格段に向上させるのは困難である。
【0016】
特許文献4に開示されている圧粉磁心の製造方法では、熱による絶縁被膜の破壊を抑制するために、メカノフュージョン(複数の異なる素材粒子に機械的エネルギーを加えてメカノケミカル的な反応を起こさせる技術、乾式絶縁被膜形成法の1つ)を用いた絶縁被膜付き磁性粒子による圧粉磁心の製造方法が提案されているが、この手法で得られる絶縁被膜は不均一であり、完全に被膜されない部分も生じてしまい、絶縁性が十分とはいえないという問題があると共に、プレス成形時に被膜の欠陥部から被膜の破壊が生じてしまうおそれがある。
【0017】
特許文献5に開示されている圧粉磁心の製造方法によると、高周波数帯域においても200程度の透磁率が得られるが、熱処理手法がプラズマ放電焼結法であり、装置コスト、1回あたりの生産個数の点から量産向きではない。
【課題を解決するための手段】
【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、金属磁性粒子に高電気絶縁牲を付与し、耐熱性を有する被膜を乾式被膜形成法にて成膜してなる複合磁性材料により、高温での熱処理を可能にさせ、高透磁率および高抵抗率を有する磁気部品を比較的簡便な方法で提供することにある。
【0019】
即ち、本発明の圧粉磁心の製造方法は、金属磁性粒子の表面に絶縁酸化被膜を有する絶縁酸化被膜付き金属磁性粒子を圧縮成形し、次いで熱処理を施す圧粉磁心の製造方法において、前記金属磁性粒子が、純鉄、Fe−Si系合金、センダスト系合金、パーマロイ系合金から選ばれる1種以上の材質からなる球状もしくは扁平状の粒子であり、前記絶縁酸化被膜が乾式成膜法で成膜された均一な被膜であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、確実に圧粉磁心の透磁率および抵抗率を増大させることができ、圧粉磁心の周波数に対する損失を低減できると共に抗折強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
本発明においては、金属磁性粒子として、球状もしくは扁平状の金属磁性粒子の表面に絶縁酸化被膜を有する絶縁酸化被膜付き金属磁性粒子が用いられる。
金属磁性粒子としては、純鉄、Fe−Si系合金、センダスト系合金、パーマロイ系合金から選ばれる1種以上の材質からなるものを例示できる。この金属磁性粒子としては、パーマロイからなる粒子であることが好ましい。
【0022】
金属磁性粒子が球状であると、異方性がないため取り扱いが容易であると共に、粒子が異方性を有する場合に比べて、得られる圧粉磁心の性能が安定するという特徴を有する。また、一般的な製造方法で作製される粒子は概ね球状であり、作製された粒子をそのまま使用すればよい。
一方、金属磁性粒子を偏平化すると、その磁化困難軸が偏平な粒子の面に垂直な方向に現れる。これを磁心に予定される磁路の方向に対して垂直な方向の磁場の下に置くと、粒子の磁化容易軸が磁場の方向に配向する。従って、偏平化した金属磁性粒子を用い、磁場の方向に対して、粒子の偏平面の方向を制御してやることで、透磁率を向上できるという特徴を有する。
偏平化方法としては、ボールミルによる偏平化、メカノフュージョンによる偏平化、圧縮成型による偏平化などを挙げることができる。
【0023】
この絶縁酸化被膜は、単一層からなるものでもよく、複数の層からなるものであってもよい。少なくとも前記金属磁性粒子に接する絶縁酸化被膜は、SiO2,TiO2、SiNまたはAl23のいずれかからなるものであることが好ましい。このAl23はアルミナを用いて被膜形成したものであってもよく、金属アルミニウムを用いて被膜形成した後、圧粉磁心成型後の熱処理で酸化したものであってもよい。
【0024】
絶縁酸化被膜の形成は乾式成膜法により行われる。乾式成膜法としては、均質な膜を前記金属磁性粒子の表面に均一に(すなわち、表面のどの部分でも略等しい厚さで)生成することのできる蒸着法、スパッタ法、アブレーション法などを挙げることができ、いずれの手法も用いることができるが、少なくとも前記金属磁性粒子に接する絶縁酸化被膜はアブレーション法、特にレーザーアブレーション法が好ましく用いられる。
【0025】
レーザーアブレーション法は、ターゲットにレーザーを集光して照射し、ターゲット表面を急激に液化、気化させる方法である。レーザー照射によりターゲット最表面は放射冷却や材料の気化熱のために内部より低い温度になり、より温度の高い内部の爆発的な体積膨張にともなって、ターゲット最表面の材料がクラスター、イオンとなって表面に対して垂直方向にある角度分布をもって飛び出していく。このとき飛び出していった原料はレーザー光にさらされているために急激な温度上昇とともに再励起され、熱プラズマ化したnmオーダーの微粒子として金属磁性粒子に衝突してその表面に被膜を形成する。したがって、金属磁性粒子表面に均質な膜を形成できる。
【0026】
成膜法としてレーザーアブレーション法を用いると、ターゲットと膜の組成のずれが少ないため、湿式法で成膜する方法に比べて膜の組成を制御し易いという利点がある。また、レーザーアブレーション法は、通常、真空チャンバー内で実施されるため、被膜形成の対象である粒子の酸化などの劣化を抑制することができる。
また、レーザーアブレーション時に金属磁性粒子に振動を与えておけば、金属磁性粒子表面に均一に被膜を形成できる。
【0027】
即ち、被膜生成中に金属磁性粒子を酸化させず、さらに、湿式法におけるようにスラリー状にしないため、不純物の混入、不均一性、組成変化、ハロゲンイオンによる腐食を防ぐことができる。
【0028】
前記絶縁酸化被膜の膜厚は5〜50nmであることが好ましい。この膜厚は、絶縁酸化被膜が複数の層からなるものである場合、その複数の層の膜厚の合計を意味する。これにより、1つの被膜付き粒子の内、磁性体の占有率を85〜97%程度とすることができ、磁気特性の悪化を低減できる。この膜厚が上記下限より薄いと、成型、熱処理後に部分的に絶縁不良が生ずるおそれがあり、上記上限より厚いと圧粉磁心中における磁性体の占有率が低下し、磁気特性の十分向上したものが得難くなる。
【0029】
この絶縁酸化被膜付き金属磁性粒子を用いて圧縮成形し、圧粉磁心を成型する。圧縮成形方法としては、金型を用いて、例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、電気絶縁性非磁性被膜を有する軟磁性粒子をゴム型などにつめて全方向から加圧圧縮する静圧圧縮成形、これらを温間で行う温間単軸圧縮成形、温間静圧圧縮成形(WIP)、熱間で行う熱間単軸圧縮成形および熱間静圧圧縮成形(HIP)など通常、酸化物被覆金属磁性粒子の圧縮成形に採用される圧縮成形法であればいずれも採用できる。
【0030】
本発明においては、得られた圧粉成形体を熱処理する。熱処理することにより成型加工された圧粉磁心の成型加工歪が消失すると共に、透磁率が向上し、透磁率が高く(μ’(透磁率の実部)が大きく)、損失の小さい(μ”(透磁率の虚部)が小さい)成形体を得ることができる。熱処理の最高到達温度は700〜1000℃であることが好ましい。この熱処理は酸素含有雰囲気下で行われる。酸素雰囲気下で熱処理を行っても、金属磁性粒子の表面には絶縁酸化被膜が形成されているので問題が生じるほど金属磁性粒子が酸化されることはない。
【0031】
本発明において、前記絶縁酸化被膜が複数の層からなるものである場合、最外層が低融点金属を融解付着させてなり、圧縮成形後の熱処理により前記低融点金属が前記金属磁性粒子間に浸透すると共に酸化されて酸化物を形成したものであることが好ましい。
この低融点金属としては、アルミニウム(Al)、錫(Sn)、鉛(Pb)などを挙げることができる。最外層の内側の層の酸化物としてアルミナ(Al23)を用いた場合は、低融点金属としては、アルミニウムを用いると、酸化後には内側の層とほぼ同一の組成になるので好ましい。
【0032】
最外層に低融点金属を用いた場合、絶縁酸化被膜と低融点金属で被覆された金属磁性粒子を用いて圧縮成形して、酸素含有雰囲気で熱処理すると、低融点金属が融解して前記金属磁性粒子間の間隙に浸透して金属磁性粒子同士を接合すると共に、雰囲気中の酸素により酸化されて電気絶縁性の高い酸化物を形成する。低融点金属の融解(実際にはその状態で酸化されて形成された酸化物)により金属磁性粒子同士が接合されることにより、圧粉磁心の抗折強度が向上する。
【実施例】
【0033】
<実施例1>
本実施例では、金属磁性粒子1として水アトマイズ法にて作製したNi78Mo5Fe粒子(Niが78wt%,Moが5wt%,残りがFeからなる粒子、以下同様)(平均粒径8μm)を10g用いた。
【0034】
この金属磁性粒子表面に、レーザーアブレーション法により酸化物絶縁体被膜として、SiO2被膜を形成した。
即ち、チャンバー内に配置した所定の容器内にNi78Mo5Fe粒子を入れ、同容器を振動させ、同チャンバー内にあるターゲット(SiO2)にYAGレーザー光源により波長266nmの紫外線レーザーを照射した。レーザーにより蒸発したターゲットであるSiO2が振動容器内のNi78Mo5Fe粒子表面に付着する。この際、容器を振動させておく事で、粒子全面に均一にSiO2絶縁被膜が形成される。この絶縁被膜は、均一に付着された状態が最適である。この絶縁被膜の厚母10nmになるようにした。
図1に、金属磁性粒子1に乾式被膜2を形成した絶縁被膜付き金属磁性粒子の模式断面図を示す。
【0035】
上記のようにして得られた被膜付き粒子を、超硬合金製の金型に充填し、1177MPa(12ton/cm2)の一軸プレスにより内径3mmφ、外形8mmφ、高さ約3mmのリングコア形状に成型した。
成型後、電気炉にて大気中で熱処理をした。熱処理条件は設定温度700℃、保持時間1時間、昇温速度100℃/hとした。
【0036】
このリングコアに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1kHz〜10MHzの周波数領域で測定した複素透磁率μ=μ’+iμ”の実効透磁率μ’を図2のAに示す。
【0037】
<実施例2>
本実施例でも、実施例1と同様、金属磁性粒子1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10g用いた。
【0038】
本実施例でも、実施例1と同様、乾式被膜形成手法としてレーザーアブレーションを用いて絶縁被膜を形成したが、被膜を2層構造とした。即ち、ターゲットとしてSiO2の代りにアルミナ(Al23)を用い、被膜形成厚みを5nmとして厚さ5nmの第1アルミナ層を形成した。次に同チャンバー内でターゲットを切り替え、アルミナ被覆金属磁性粒子の表面にアルミニウムを5nm成膜した。
レーザーアブレーションによれば、均一かつ急峻な界面構造をもった複層構造の被膜を成膜可能であり、1層目と、2層目の界面にダレを生じず、化合物を形成させないですむ。図3に成膜後の粒子の模式断面図を示す。図中、3が第1アルミナ層、4がアルミニウム層である。
【0039】
上記のようにして得られた被膜付き粒子を、実施例1と同様に、超硬合金製の金型に充填し、1177MPa(12ton/cm2)の一軸プレスにより内径3mmφ、外形8mmφ、高さ約3mmのリングコア形状に成型した。
【0040】
成型後、電気炉にて大気中で熱処理をした。熱処理条件は実施例1と同様、設定温度700℃、保持時間1時間、昇温速度100℃/hとした。
この熱処理により、第2被膜であるアルミニウムは昇温過程で融解し、粒子の充填間隙に浸透した。さらに大気中の酸素と化学反応を生じ、第2アルミナ層を形成した。この第2アルミナ層は第1アルミナ層ほど抵抗率が高くは無いが、酸化物絶縁体となる。また、この第2アルミナ層は第1アルミナ層とほぼ同一の組成となるため、見かけ上、単一の絶縁被膜になる。加えて、700℃での保持過程では完全に被膜は固形化し、粒子問の結合力が増大し、圧粉磁心全体の抗折強度が向上する。
【0041】
このリングコアに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1kHz〜10MHzの周波数領域で測定した複素透磁率μ=μ’+iμ”の実効透磁率μ’を図2のBに示す。
【0042】
<比較例1>
軟磁性金属粒子1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10g用い、水ガラスを用いて湿式被膜形成法により被膜厚を10nm程度形成した。こうして得られた粒子を用いた以外は実施例1と同様にしてリングコア形状の圧粉磁心を作製し、得られた圧粉磁心に大気中で、700℃の熱処理を施した。被膜はこの熱処理により、SiO2になっている。このリングコアに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1kHz〜10MHzの周波数領域で測定した複素透磁率μ=μ’+iμ”の実効透磁率μ’の測定結果を図2のCに示す。
【0043】
<比較例2>
表面に被膜を形成せず、Ni78Mo5Fe粒子(平均粒径8μm)をそのまま用いてリングコア形状の圧粉磁心に圧縮成形し、実施例1と同一条件で熱処理した後、このリングコアに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1kHz〜10MHzの周波数領域で測定した複素透磁率μ=μ’+iμ”の実効透磁率μ’の測定結果を図2のDに示す。
【0044】
図2から明らかなように、実施例のリングコアは比較例のリングコアと比して、周波数特性の悪化が抑制でき、特に高周波の透磁率が格段に向上していることがわかる。すなわち、実施例において、乾式絶縁被膜形成法により生成された均一な被膜が粒子の成形加工歪除去温度での熱処理後にも十分組成・状態を維持し、抵抗率低下による周波数特性の悪化が抑制されていることがわかる。
これにより、高周波まで使用可能な磁気部品の製品化が、工程/工数の削減により、コストの低減が可能となり、生産効率の向上を図ることで実現可能となる。
【産業上の利用可能性】
【0045】
本発明によれば、優れた透磁率を有し、高周波帯域における周波数特性の悪化が抑制された圧粉磁心を得ることができる。しかも工程/工数の削減により、コストの低減および生産効率の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】実施例1で得たSiO2被膜付き金属磁性粒子の模式断面図である。
【図2】実施例1、実施例2および比較例1、比較例2に記載した、各種リングコアにおける実効透磁率の周波数特性を示す図である。
【図3】実施例2で作製した第1アルミナ層、アルミニウム層を有する金属磁性粒子の模式断面図である。
【符号の説明】
【0047】
1 金属磁性粒子
2 SiO2被膜
3 第1アルミナ層
4 アルミニウム層
A 実施例1で得られたリングコアを用いて測定したμ’の周波数特性
B 実施例2で得られたリングコアを用いて測定したμ’の周波数特性
C 比較例1で得られたリングコアを用いて測定したμ’の周波数特性
D 比較例2で得られたリングコアを用いて測定したμ’の周波数特性

【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属磁性粒子の表面に絶縁酸化被膜を有する絶縁酸化被膜付き金属磁性粒子を圧縮成形し、次いで熱処理を施す圧粉磁心の製造方法において、前記金属磁性粒子が球状もしくは扁平状の粒子であり、前記絶縁酸化被膜が乾式成膜法で成膜された均一な被膜であることを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
【請求項2】
前記絶縁酸化被膜が単一層または複数の層からなり、前記絶縁酸化被膜の厚さが5〜50nmであり、少なくとも前記金属磁性粒子に接する絶縁酸化被膜の成膜方法がレーザーアブレーション法であることを特徴とする請求項1記載の圧粉磁心の製造方法。
【請求項3】
少なくとも前記金属磁性粒子に接する絶縁酸化被膜がSiO2,TiO2、SiNまたはAl23のいずれかからなることを特徴とする請求項2記載の圧粉磁心の製造方法。
【請求項4】
前記熱処理が、酸素含有雰囲気下で最高処理温度700〜1000℃の熱を印加することであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧粉磁心の製造方法。
【請求項5】
前記絶縁酸化被膜が複数の層で形成され、前記金属磁性粒子に接する層がSiO2またはAl23からなり、最外層が低融点金属を融解付着させてなり、圧縮成形後の熱処理により前記低融点金属が前記金属磁性粒子間に浸透すると共に酸化されて酸化物を形成することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧粉磁心の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2009−164402(P2009−164402A)
【公開日】平成21年7月23日(2009.7.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−1377(P2008−1377)
【出願日】平成20年1月8日(2008.1.8)
【出願人】(503361248)富士電機デバイステクノロジー株式会社 (1,023)
【Fターム(参考)】