複合磁性材料とそれを用いたコイル埋設型磁性素子およびその製造方法
【課題】本発明は、磁性素子の小型化と耐電圧の向上を図るとともに、透磁率を確保することを目的とする。
【解決手段】金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなる複合磁性材料であって、前記板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）の関係が示される複合磁性材料を用いることにより磁性素子の小型化と耐電圧の向上を図るとともに、透磁率を確保することができる。
【解決手段】金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなる複合磁性材料であって、前記板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）の関係が示される複合磁性材料を用いることにより磁性素子の小型化と耐電圧の向上を図るとともに、透磁率を確保することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インダクタ、チョークコイル、トランス等に用いられる複合磁性材料とそれを用いたコイル埋設型磁性素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器の小型化、低背化に伴い、これらに使用される電子部品やデバイスにおいても、上記の要求が強くなっている。一方で、ＣＰＵなどのＬＳＩは高速・高集積化しており、これに供給される電源回路には、数Ａ〜数１０Ａの電流が供給されることがある。よって、これらに用いられる磁性素子においても、小型化とともに、直流重畳によるインダクタンス低下の抑制が要求されている。更に、使用周波数の高周波数化により、高周波数領域での損失が低いことも要求されている。
【０００３】
金属磁性粉末を圧縮成形して作製される圧粉磁芯は、直流重畳特性に優れており、大電流と小型化を実現できる。このような圧粉磁芯を利用したものとして、コイル埋設型磁性素子が知られている。
【０００４】
従来この種のコイル埋設型磁性素子は、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂および無機絶縁材とからなる複合磁性材の中に、端子と空芯コイルとの少なくとも一部をそれぞれ埋設し加圧成形して製造されていた。
【０００５】
このようなコイル埋設型磁性素子は、コイルと複合磁性材からなる圧粉磁芯を組立てて作製する組立型磁性素子と比較し、組立寸法許容差等のデッドスペースに複合磁性材料を充填することが出来るため、磁路長の短縮、および磁路断面積の拡張が図れ、素子の小型・薄型化に優位であった。
【０００６】
なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３０５１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような従来の磁性素子は、その耐電圧が課題となっていた。
【０００９】
即ち、端子と複合磁性材料が接触しているため、端子間に電圧を印加した際に複合磁性体の絶縁破壊が生じると、複合磁性体内の端子−端子間でのショートを誘発する。従って、このような複合磁性体には、コイル埋設型磁性素子の用途に応じた耐電圧の確保が課題となっていた。耐電圧は、試験片が絶縁破壊しない電圧を前記試験片への電圧印加間距離で除した値であり、前記電圧印加間距離を長くすることによって、試験片の破壊電圧を向上させることは可能である。しかしこれは、磁性素子の大型化になり、好ましくない。あるいは、熱硬化性樹脂、無機絶縁材の少なくとも一方の配合量を増加することで、耐電圧性を確保することもできるが、これは透磁率を低下させる。透磁率の低下により磁性素子のインダクタンスが低下する。インダクタンスは磁性素子の銅線巻数増加により増大させることは可能であるが、銅線巻数の増加により直流電流損失を増大させ、回路効率を低下させるため、透磁率の低下は好ましくない。
【００１０】
そこで本発明は、磁性素子の小型化と耐電圧の向上を図るとともに、透磁率を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そして、この目的を達成するために本発明は、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなる複合磁性材料であって、前記板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）なる関係が示される複合磁性材料としたものである。
【発明の効果】
【００１２】
このような構成とすることにより、磁性素子の小型化と耐電圧の向上を実現するとともに、透磁率を確保することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるコイル埋設型磁性素子の斜視図
【図２】本発明の実施の形態１におけるコイル埋設型磁性素子を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態１における板状無機絶縁材の拡大模式図
【図４】本発明の実施の形態１における板状無機絶縁材と金属磁性粉末の２次元モデル図
【図５】本発明の実施の形態１における板状無機絶縁材の最大値と最小値を求めるための２次元モデル図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における複合磁性材料に関して説明する。また、図１はこれから述べる、実施の形態１における複合磁性材料を用いた、コイル埋設型磁性素子の斜視図であり、図２は図１のコイル埋設型磁性素子の断面図である。図１および図２における構成としては複合磁性材料１、端子２、コイル３である。
【００１５】
本発明の実施の形態１における複合磁性材料は、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなる複合磁性材料であって、前記無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）なる関係が示される複合磁性材料である。なお、平均粒径は、レーザー回折散乱法を用いて測定した値である。
【００１６】
このような構成により、複合磁性材料の耐電圧を向上し、透磁率を確保することができる。以下、実施の形態を金属磁性粉末と板状無機絶縁材の２次元モデル図を用いて具体的に説明する。
【００１７】
図３に、板状無機絶縁材４の模式図を示す。また、以下で説明する板状無機絶縁材４の最小値および最大値とは板状無機絶縁材４の長手方向の長さである。実施の形態１では図４に示すように、各金属磁性粉末５〜８は球状で、最密充填となるように配置されると仮定する。複合磁性材料には、金属磁性粉末５〜８が最密充填した際、金属磁性粉末が存在しない空間９、１０が形成されて、金属磁性粉末間に板状無機絶縁材４を配置することにより、金属磁性粉末どうしの接触を妨げることができ、複合磁性材料の耐電圧性を向上させることができる。
【００１８】
また、本実施の形態１における複合磁性材料に含まれる板状無機絶縁材４としては、アルミナ、雲母、含水珪酸マグネシウム、窒化硼素等が挙げられ、前記板状無機絶縁材４のアスペクト比は、１０以上とすることが望ましい。アスペクト比を１０以上とすることによって、必要以上に各金属磁性粉末５〜８間の距離を遠ざけることなく、前記各金属磁性粉末５〜８どうしの接触を妨げることができ、複合磁性材料の耐電圧を向上し、透磁率を確保することができる。
【００１９】
次に、各金属磁性粉末５〜８どうしの接触を妨げるために必要な板状無機絶縁材４の最小値、および高い透磁率を確保するために必要な板状無機絶縁材４の最大値を図５を用いて求める。
【００２０】
ここで、前記板状無機絶縁材４の厚みは、各金属磁性粉末５〜８の直径と比較して、１０分の１以下であり、以下の計算においては考慮しない。
【００２１】
図５に示すように、前記各金属磁性粉末５〜７の中心をそれぞれ、Ｏ，Ｐ，Ｑとする。Ｏ，ＰおよびＱを結んだ正三角形において、Ｐから辺ＯＱに垂線をおろした時、ＯＱとの交点をＦ、金属磁性粉末６を示す円との交点をＧとすると、前記金属磁性粉末どうしの接触を妨げるために必要な板状無機絶縁材４の最小値は、ＦＧの長さで表され、ＦＧは、ＰＦ−ＰＧで計算することができる。また、ＰＧは前記金属磁性粉末６の半径ｒであり、直角三角形ＰＱＦをみると、ＰＦ＝（√３）×ｒ／２と求めることができる。
【００２２】
前記各金属磁性粉末５および７どうしの接触を妨げるために最低限必要な板状無機絶縁材４の大きさは、前記金属磁性粉末５および７間に板状無機絶縁材４を配置し、さらに金属磁性粉末６に接する大きさとなる。
【００２３】
従って、各金属磁性粉末５〜８どうしの接触を妨げるために必要な板状無機絶縁材４の最小値は、ＦＧ＝ＰＦ−ＰＧ＝ｒ（√３−１）／２となり、この関係で示される板状無機絶縁材では、板状無機絶縁材４が空間９にのみ介在し、金属磁性粉末間には板状無機絶縁材が介在しない配置となり、耐電圧性が低下すると考えられる。
【００２４】
また、高い透磁率を確保するために必要な板状無機絶縁材４の最大値は、板状無機絶縁材４のＦＧを延長し、金属磁性粉末８を示す円との接点をＨとした時、ＧＨの長さｒ（√３−１）となる。これよりも大きくなる場合、磁性粉末どうしの距離を必要以上に遠ざけてしまい、透磁率が低下すると考えられる。
【００２５】
ここで、板状無機絶縁材および金属磁性粉末の最小値および最大値を平均粒径に置き換えると、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなる複合磁性材料において、板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）なる関係を示すことで、金属磁性粉末どうしの接触を効率よく妨げ、複合磁性材料の耐電圧を向上し、さらに透磁率を確保することができるのである。
【００２６】
また、本実施の形態１における熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ブチラール樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。望ましくは、主剤が常温で液体である熱硬化性樹脂がよい。熱硬化性樹脂は、金属磁性粉末との分散性を改善するために分散剤を微量添加してもよい。
【００２７】
本実施の形態１に用いられる金属磁性粉末は、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅのうち、少なくとも１種類以上を含んでいることが望ましい。Ｆｅ系金属磁性粉末は、飽和磁束密度が高いため、大電流での使用において有用である。
【００２８】
Ｆｅ−Ｎｉ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｎｉの含有量が４０重量％以上９０重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。本発明におけるＮｉの役割は、Ｎｉの含有量が、４０重量％より少ないと軟磁気特性の改善効果に乏しく、９０重量％より多いと飽和磁化の低下が大きく直流重畳特性が低下する。さらに透磁率を改善させるために１〜６重量％のＭｏを含有させることも可能である。
【００２９】
Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｓｉが８重量％以上１２重量％以下、Ａｌの含有量が４重量％以上６重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。各構成元素の含有量を前記組成範囲とすることで高い透磁率と低い保磁力が得られるためである。
【００３０】
Ｆｅ−Ｓｉ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｓｉの含有量が１重量％以上８重量％以下であり、残部がＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。Ｓｉを含有させることにより、磁気異方性、磁歪定数を小さくし、また電気抵抗を高め、渦電流損失を低減させる効果がある。１重量％以上とすることで、軟磁気特性の改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、飽和磁化の低下を抑制し直流重畳特性の低下を抑制することができる。
【００３１】
Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｓｉが１重量％以上８重量％以下、Ｃｒの含有量が２重量％以上８重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。
【００３２】
Ｓｉを含有させることにより、磁気異方性、磁歪定数を小さくし、また電気抵抗を高め、渦電流損失を低減させる効果がある。１重量％以上とすることで、軟磁気特性の改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、飽和磁化の低下を抑制し直流重畳特性の低下を抑制することができる。
【００３３】
また、Ｃｒを含有させることにより、さらに耐候性を向上させる効果がある。２重量％以上とすることで、耐候性改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、軟磁気特性の劣化を抑制することができる。
【００３４】
Ｆｅ系金属磁性粉末を用いる場合は、主成分の元素であるＦｅと不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。Ｆｅの純度を高めることで、高い飽和磁束密度を取得することができる。
【００３５】
なお、上記の結晶性金属磁性粉末以外でも、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系アモルファス合金、ナノ微結晶合金、あるいはＦｅ−（Ａｌ、Ｇａ）−Ｐ−Ｃ−Ｂ系、Ｆｅ−（Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ）−Ｂ系、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｌｎ−Ｂ系金属ガラス等を用いても、上記構成と同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
【００３６】
これらＦｅ系金属磁性粉末は、少なくとも２種類以上を含む場合であっても、同様の効果を有する。
【００３７】
なお、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系のような塑性変形能が低い金属磁性粉末に対して、塑性変形能が高いＦｅ−Ｎｉ系金属磁性粉末を少量添加することにより、より充填率を高めることが可能となる。
【００３８】
また、本実施の形態１に用いられる金属磁性粉末の平均粒子径は１〜１００μｍであることが望ましい。平均粒子径を１．０μｍ以上とすることにより高い充填率を得ることができ、透磁率の低下を抑制することができる。また、平均粒子径を１００μｍ以下とすることにより、高周波領域において渦電流損失が大きくなるのを抑制することができる。より好ましくは１〜３０μｍの範囲である。
【００３９】
以下、実験結果を踏まえ、具体的に説明する。
【００４０】
（実施の形態２）
次に平均粒子径が１３μｍで、表１に示す金属磁性粉末を用意し、この金属磁性粉末１００ｇに対して、熱硬化性樹脂としてシリコーン樹脂３ｇ、無機絶縁材として雲母を８．３体積％混合して混合体を作製した。このようにして得られた混合体を使用して、室温下にて４ｔｏｎ／ｃｍ2の成形圧力にて加圧成形し、成形体を作製した。その後１５０℃で２時間の熱硬化処理を行い、耐電圧評価用の試験片を作製した。
【００４１】
【表１】
【００４２】
金属磁性粉末の平均粒径が１３μｍの場合、上記金属磁性粉末と無機絶縁材の平均粒径の関係式は、４．８≦Ｌ≦９．５となる。表１に示す実験結果からもわかるように、上述した複合磁性材料２および３において、耐電圧が向上されたことがわかる。
【００４３】
また、複合磁性材料２では、透磁率は、複合磁性材料１に比較して６％の低下であるが、複合磁性材料３では１５％低下している。この複合磁性材料３を使用した、コイル埋設型磁性素子の場合、同じインダクタンス値を得るためには、コイル巻数を増加させる必要があり、これによって、直流抵抗値が増加し、回路動作時に温度発熱が大きくなる課題がある。したがって、透磁率の低下は、１０％以下に抑えることが望ましい。
【００４４】
なお、表１の透磁率指数とは、複合磁性材料１の透磁率を１００とし、各複合磁性材料の透磁率を指数として表した値である。
【００４５】
また、板状無機絶縁材の配合量は、金属磁性粉末に対して、１．４〜１１体積％の範囲とすることが望ましい。１．４体積％未満の場合、耐電圧向上の効果が得られず、１１体積％を超えると、透磁率を低下させる。板状無機絶縁材は、必ずしも全ての磁性粉末間に存在する必要はなく、効率よく部分的に磁性粉末間に存在させることで、透磁率を低下させることなく、耐電圧を向上できる。
【００４６】
また、所望の透磁率を得るため、複合磁性材料に対する金属磁性粉末の充填率は、６５体積％以上とすることが望ましい。金属磁性粉末の充填率の上限は、９０体積％以下とすることで、加圧成形による金属磁性粉末の接触を防ぎ、耐電圧を確保できる。
【００４７】
次に、上述した複合磁性材料の製造方法に関して説明する。
【００４８】
まず、前記金属磁性粉末と未硬化状態の前記熱硬化性樹脂と無機絶縁材を含む材料を混合、分散して混合体を得る。
【００４９】
前記金属磁性粉末および未硬化状態の前記熱硬化性樹脂と無機絶縁材とを含む混合体を、６５℃以上１５０℃以下に加熱する工程を行うことで、溶剤を蒸発させ、成形性の良い複合磁性材料を得ることができる。
【００５０】
本実施の形態１における金属磁性粉末間に無機絶縁材を分散させて複合磁性材料を作製する装置においては、ボールミルが挙げられる。なお、このようなボールミル以外でも、例えばＶ型混合機およびクロスロータリー等においても同等の効果が期待出来る。
【００５１】
以上説明したように本発明によれば、耐電圧を向上し小型化を図れ、かつ、透磁率を確保できる複合磁性材料を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の複合磁性材料によれば、大電流対応が可能で、高周波化および小型化を図れ、
かつ、耐電圧の向上も図れるので、各種電子機器に有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 複合磁性材料
２ 端子
３ コイル
４ 板状無機絶縁材
５ 金属磁性粉末
６ 金属磁性粉末
７ 金属磁性粉末
８ 金属磁性粉末
９ 空間
１０ 空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インダクタ、チョークコイル、トランス等に用いられる複合磁性材料とそれを用いたコイル埋設型磁性素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器の小型化、低背化に伴い、これらに使用される電子部品やデバイスにおいても、上記の要求が強くなっている。一方で、ＣＰＵなどのＬＳＩは高速・高集積化しており、これに供給される電源回路には、数Ａ〜数１０Ａの電流が供給されることがある。よって、これらに用いられる磁性素子においても、小型化とともに、直流重畳によるインダクタンス低下の抑制が要求されている。更に、使用周波数の高周波数化により、高周波数領域での損失が低いことも要求されている。
【０００３】
金属磁性粉末を圧縮成形して作製される圧粉磁芯は、直流重畳特性に優れており、大電流と小型化を実現できる。このような圧粉磁芯を利用したものとして、コイル埋設型磁性素子が知られている。
【０００４】
従来この種のコイル埋設型磁性素子は、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂および無機絶縁材とからなる複合磁性材の中に、端子と空芯コイルとの少なくとも一部をそれぞれ埋設し加圧成形して製造されていた。
【０００５】
このようなコイル埋設型磁性素子は、コイルと複合磁性材からなる圧粉磁芯を組立てて作製する組立型磁性素子と比較し、組立寸法許容差等のデッドスペースに複合磁性材料を充填することが出来るため、磁路長の短縮、および磁路断面積の拡張が図れ、素子の小型・薄型化に優位であった。
【０００６】
なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３０５１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような従来の磁性素子は、その耐電圧が課題となっていた。
【０００９】
即ち、端子と複合磁性材料が接触しているため、端子間に電圧を印加した際に複合磁性体の絶縁破壊が生じると、複合磁性体内の端子−端子間でのショートを誘発する。従って、このような複合磁性体には、コイル埋設型磁性素子の用途に応じた耐電圧の確保が課題となっていた。耐電圧は、試験片が絶縁破壊しない電圧を前記試験片への電圧印加間距離で除した値であり、前記電圧印加間距離を長くすることによって、試験片の破壊電圧を向上させることは可能である。しかしこれは、磁性素子の大型化になり、好ましくない。あるいは、熱硬化性樹脂、無機絶縁材の少なくとも一方の配合量を増加することで、耐電圧性を確保することもできるが、これは透磁率を低下させる。透磁率の低下により磁性素子のインダクタンスが低下する。インダクタンスは磁性素子の銅線巻数増加により増大させることは可能であるが、銅線巻数の増加により直流電流損失を増大させ、回路効率を低下させるため、透磁率の低下は好ましくない。
【００１０】
そこで本発明は、磁性素子の小型化と耐電圧の向上を図るとともに、透磁率を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そして、この目的を達成するために本発明は、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなる複合磁性材料であって、前記板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）なる関係が示される複合磁性材料としたものである。
【発明の効果】
【００１２】
このような構成とすることにより、磁性素子の小型化と耐電圧の向上を実現するとともに、透磁率を確保することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるコイル埋設型磁性素子の斜視図
【図２】本発明の実施の形態１におけるコイル埋設型磁性素子を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態１における板状無機絶縁材の拡大模式図
【図４】本発明の実施の形態１における板状無機絶縁材と金属磁性粉末の２次元モデル図
【図５】本発明の実施の形態１における板状無機絶縁材の最大値と最小値を求めるための２次元モデル図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における複合磁性材料に関して説明する。また、図１はこれから述べる、実施の形態１における複合磁性材料を用いた、コイル埋設型磁性素子の斜視図であり、図２は図１のコイル埋設型磁性素子の断面図である。図１および図２における構成としては複合磁性材料１、端子２、コイル３である。
【００１５】
本発明の実施の形態１における複合磁性材料は、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなる複合磁性材料であって、前記無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）なる関係が示される複合磁性材料である。なお、平均粒径は、レーザー回折散乱法を用いて測定した値である。
【００１６】
このような構成により、複合磁性材料の耐電圧を向上し、透磁率を確保することができる。以下、実施の形態を金属磁性粉末と板状無機絶縁材の２次元モデル図を用いて具体的に説明する。
【００１７】
図３に、板状無機絶縁材４の模式図を示す。また、以下で説明する板状無機絶縁材４の最小値および最大値とは板状無機絶縁材４の長手方向の長さである。実施の形態１では図４に示すように、各金属磁性粉末５〜８は球状で、最密充填となるように配置されると仮定する。複合磁性材料には、金属磁性粉末５〜８が最密充填した際、金属磁性粉末が存在しない空間９、１０が形成されて、金属磁性粉末間に板状無機絶縁材４を配置することにより、金属磁性粉末どうしの接触を妨げることができ、複合磁性材料の耐電圧性を向上させることができる。
【００１８】
また、本実施の形態１における複合磁性材料に含まれる板状無機絶縁材４としては、アルミナ、雲母、含水珪酸マグネシウム、窒化硼素等が挙げられ、前記板状無機絶縁材４のアスペクト比は、１０以上とすることが望ましい。アスペクト比を１０以上とすることによって、必要以上に各金属磁性粉末５〜８間の距離を遠ざけることなく、前記各金属磁性粉末５〜８どうしの接触を妨げることができ、複合磁性材料の耐電圧を向上し、透磁率を確保することができる。
【００１９】
次に、各金属磁性粉末５〜８どうしの接触を妨げるために必要な板状無機絶縁材４の最小値、および高い透磁率を確保するために必要な板状無機絶縁材４の最大値を図５を用いて求める。
【００２０】
ここで、前記板状無機絶縁材４の厚みは、各金属磁性粉末５〜８の直径と比較して、１０分の１以下であり、以下の計算においては考慮しない。
【００２１】
図５に示すように、前記各金属磁性粉末５〜７の中心をそれぞれ、Ｏ，Ｐ，Ｑとする。Ｏ，ＰおよびＱを結んだ正三角形において、Ｐから辺ＯＱに垂線をおろした時、ＯＱとの交点をＦ、金属磁性粉末６を示す円との交点をＧとすると、前記金属磁性粉末どうしの接触を妨げるために必要な板状無機絶縁材４の最小値は、ＦＧの長さで表され、ＦＧは、ＰＦ−ＰＧで計算することができる。また、ＰＧは前記金属磁性粉末６の半径ｒであり、直角三角形ＰＱＦをみると、ＰＦ＝（√３）×ｒ／２と求めることができる。
【００２２】
前記各金属磁性粉末５および７どうしの接触を妨げるために最低限必要な板状無機絶縁材４の大きさは、前記金属磁性粉末５および７間に板状無機絶縁材４を配置し、さらに金属磁性粉末６に接する大きさとなる。
【００２３】
従って、各金属磁性粉末５〜８どうしの接触を妨げるために必要な板状無機絶縁材４の最小値は、ＦＧ＝ＰＦ−ＰＧ＝ｒ（√３−１）／２となり、この関係で示される板状無機絶縁材では、板状無機絶縁材４が空間９にのみ介在し、金属磁性粉末間には板状無機絶縁材が介在しない配置となり、耐電圧性が低下すると考えられる。
【００２４】
また、高い透磁率を確保するために必要な板状無機絶縁材４の最大値は、板状無機絶縁材４のＦＧを延長し、金属磁性粉末８を示す円との接点をＨとした時、ＧＨの長さｒ（√３−１）となる。これよりも大きくなる場合、磁性粉末どうしの距離を必要以上に遠ざけてしまい、透磁率が低下すると考えられる。
【００２５】
ここで、板状無機絶縁材および金属磁性粉末の最小値および最大値を平均粒径に置き換えると、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなる複合磁性材料において、板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）なる関係を示すことで、金属磁性粉末どうしの接触を効率よく妨げ、複合磁性材料の耐電圧を向上し、さらに透磁率を確保することができるのである。
【００２６】
また、本実施の形態１における熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ブチラール樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。望ましくは、主剤が常温で液体である熱硬化性樹脂がよい。熱硬化性樹脂は、金属磁性粉末との分散性を改善するために分散剤を微量添加してもよい。
【００２７】
本実施の形態１に用いられる金属磁性粉末は、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅのうち、少なくとも１種類以上を含んでいることが望ましい。Ｆｅ系金属磁性粉末は、飽和磁束密度が高いため、大電流での使用において有用である。
【００２８】
Ｆｅ−Ｎｉ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｎｉの含有量が４０重量％以上９０重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。本発明におけるＮｉの役割は、Ｎｉの含有量が、４０重量％より少ないと軟磁気特性の改善効果に乏しく、９０重量％より多いと飽和磁化の低下が大きく直流重畳特性が低下する。さらに透磁率を改善させるために１〜６重量％のＭｏを含有させることも可能である。
【００２９】
Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｓｉが８重量％以上１２重量％以下、Ａｌの含有量が４重量％以上６重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。各構成元素の含有量を前記組成範囲とすることで高い透磁率と低い保磁力が得られるためである。
【００３０】
Ｆｅ−Ｓｉ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｓｉの含有量が１重量％以上８重量％以下であり、残部がＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。Ｓｉを含有させることにより、磁気異方性、磁歪定数を小さくし、また電気抵抗を高め、渦電流損失を低減させる効果がある。１重量％以上とすることで、軟磁気特性の改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、飽和磁化の低下を抑制し直流重畳特性の低下を抑制することができる。
【００３１】
Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｓｉが１重量％以上８重量％以下、Ｃｒの含有量が２重量％以上８重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。
【００３２】
Ｓｉを含有させることにより、磁気異方性、磁歪定数を小さくし、また電気抵抗を高め、渦電流損失を低減させる効果がある。１重量％以上とすることで、軟磁気特性の改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、飽和磁化の低下を抑制し直流重畳特性の低下を抑制することができる。
【００３３】
また、Ｃｒを含有させることにより、さらに耐候性を向上させる効果がある。２重量％以上とすることで、耐候性改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、軟磁気特性の劣化を抑制することができる。
【００３４】
Ｆｅ系金属磁性粉末を用いる場合は、主成分の元素であるＦｅと不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。Ｆｅの純度を高めることで、高い飽和磁束密度を取得することができる。
【００３５】
なお、上記の結晶性金属磁性粉末以外でも、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系アモルファス合金、ナノ微結晶合金、あるいはＦｅ−（Ａｌ、Ｇａ）−Ｐ−Ｃ−Ｂ系、Ｆｅ−（Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ）−Ｂ系、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｌｎ−Ｂ系金属ガラス等を用いても、上記構成と同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
【００３６】
これらＦｅ系金属磁性粉末は、少なくとも２種類以上を含む場合であっても、同様の効果を有する。
【００３７】
なお、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系のような塑性変形能が低い金属磁性粉末に対して、塑性変形能が高いＦｅ−Ｎｉ系金属磁性粉末を少量添加することにより、より充填率を高めることが可能となる。
【００３８】
また、本実施の形態１に用いられる金属磁性粉末の平均粒子径は１〜１００μｍであることが望ましい。平均粒子径を１．０μｍ以上とすることにより高い充填率を得ることができ、透磁率の低下を抑制することができる。また、平均粒子径を１００μｍ以下とすることにより、高周波領域において渦電流損失が大きくなるのを抑制することができる。より好ましくは１〜３０μｍの範囲である。
【００３９】
以下、実験結果を踏まえ、具体的に説明する。
【００４０】
（実施の形態２）
次に平均粒子径が１３μｍで、表１に示す金属磁性粉末を用意し、この金属磁性粉末１００ｇに対して、熱硬化性樹脂としてシリコーン樹脂３ｇ、無機絶縁材として雲母を８．３体積％混合して混合体を作製した。このようにして得られた混合体を使用して、室温下にて４ｔｏｎ／ｃｍ2の成形圧力にて加圧成形し、成形体を作製した。その後１５０℃で２時間の熱硬化処理を行い、耐電圧評価用の試験片を作製した。
【００４１】
【表１】
【００４２】
金属磁性粉末の平均粒径が１３μｍの場合、上記金属磁性粉末と無機絶縁材の平均粒径の関係式は、４．８≦Ｌ≦９．５となる。表１に示す実験結果からもわかるように、上述した複合磁性材料２および３において、耐電圧が向上されたことがわかる。
【００４３】
また、複合磁性材料２では、透磁率は、複合磁性材料１に比較して６％の低下であるが、複合磁性材料３では１５％低下している。この複合磁性材料３を使用した、コイル埋設型磁性素子の場合、同じインダクタンス値を得るためには、コイル巻数を増加させる必要があり、これによって、直流抵抗値が増加し、回路動作時に温度発熱が大きくなる課題がある。したがって、透磁率の低下は、１０％以下に抑えることが望ましい。
【００４４】
なお、表１の透磁率指数とは、複合磁性材料１の透磁率を１００とし、各複合磁性材料の透磁率を指数として表した値である。
【００４５】
また、板状無機絶縁材の配合量は、金属磁性粉末に対して、１．４〜１１体積％の範囲とすることが望ましい。１．４体積％未満の場合、耐電圧向上の効果が得られず、１１体積％を超えると、透磁率を低下させる。板状無機絶縁材は、必ずしも全ての磁性粉末間に存在する必要はなく、効率よく部分的に磁性粉末間に存在させることで、透磁率を低下させることなく、耐電圧を向上できる。
【００４６】
また、所望の透磁率を得るため、複合磁性材料に対する金属磁性粉末の充填率は、６５体積％以上とすることが望ましい。金属磁性粉末の充填率の上限は、９０体積％以下とすることで、加圧成形による金属磁性粉末の接触を防ぎ、耐電圧を確保できる。
【００４７】
次に、上述した複合磁性材料の製造方法に関して説明する。
【００４８】
まず、前記金属磁性粉末と未硬化状態の前記熱硬化性樹脂と無機絶縁材を含む材料を混合、分散して混合体を得る。
【００４９】
前記金属磁性粉末および未硬化状態の前記熱硬化性樹脂と無機絶縁材とを含む混合体を、６５℃以上１５０℃以下に加熱する工程を行うことで、溶剤を蒸発させ、成形性の良い複合磁性材料を得ることができる。
【００５０】
本実施の形態１における金属磁性粉末間に無機絶縁材を分散させて複合磁性材料を作製する装置においては、ボールミルが挙げられる。なお、このようなボールミル以外でも、例えばＶ型混合機およびクロスロータリー等においても同等の効果が期待出来る。
【００５１】
以上説明したように本発明によれば、耐電圧を向上し小型化を図れ、かつ、透磁率を確保できる複合磁性材料を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の複合磁性材料によれば、大電流対応が可能で、高周波化および小型化を図れ、
かつ、耐電圧の向上も図れるので、各種電子機器に有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 複合磁性材料
２ 端子
３ コイル
４ 板状無機絶縁材
５ 金属磁性粉末
６ 金属磁性粉末
７ 金属磁性粉末
８ 金属磁性粉末
９ 空間
１０ 空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなり、前記板状無機絶縁材が前記金属磁性粉末間に介在してなる複合磁性材料において、前記板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、
ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）なる関係が示される複合磁性材料。
【請求項２】
前記板状無機絶縁材は、酸化物、珪酸塩鉱物、窒化物のうち、少なくとも１種類以上からなる請求項１に記載の複合磁性材料。
【請求項３】
前記金属磁性粉末は、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅ、アモルファス合金、ナノ微結晶合金、金属ガラスのうち、少なくとも１種類以上を含む請求項１に記載の複合磁性材料。
【請求項４】
金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなる複合磁性材料であって、前記板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）なる関係が示される複合磁性材料と、前記複合磁性材料に埋設されたコイルとを含むことを特徴とするコイル埋設型磁性素子。
【請求項５】
金属磁性粉末と未硬化状態の熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材とを含む材料を混合して混合体を得る工程と、コイル及び前記コイルに電気的に接続された第１、第２の端子の少なくとも一部を埋設するように前記混合体を加圧成形して成形体を得る工程と、前記成形体を加熱することにより前記熱硬化性樹脂を硬化させる工程とを含むコイル埋設型磁性素子の製造方法において、前記板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）の関係が示される複合磁性材料を用いたコイル埋設型磁性素子の製造方法。
【請求項６】
前記混合体を得る工程と、前記成形体を得る工程との間に、前記金属磁性粉末および未硬化状態の前記熱硬化性樹脂と前記板状無機絶縁材とを含む混合体を、６５℃以上１５０℃以下に加熱する工程をさらに含む請求項５に記載のコイル埋設型磁性素子の製造方法。
【請求項７】
前記混合体を得る工程と、前記成形体を得る工程との間に、前記金属磁性粉末および未硬化状態の前記熱硬化性樹脂と前記板状無機絶縁材とを含む混合体を製粒する工程をさらに含む請求項５または６に記載のコイル埋設型磁性素子の製造方法。
【請求項１】
少なくとも金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなり、前記板状無機絶縁材が前記金属磁性粉末間に介在してなる複合磁性材料において、前記板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、
ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）なる関係が示される複合磁性材料。
【請求項２】
前記板状無機絶縁材は、酸化物、珪酸塩鉱物、窒化物のうち、少なくとも１種類以上からなる請求項１に記載の複合磁性材料。
【請求項３】
前記金属磁性粉末は、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅ、アモルファス合金、ナノ微結晶合金、金属ガラスのうち、少なくとも１種類以上を含む請求項１に記載の複合磁性材料。
【請求項４】
金属磁性粉末と熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材からなる複合磁性材料であって、前記板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）なる関係が示される複合磁性材料と、前記複合磁性材料に埋設されたコイルとを含むことを特徴とするコイル埋設型磁性素子。
【請求項５】
金属磁性粉末と未硬化状態の熱硬化性樹脂と板状無機絶縁材とを含む材料を混合して混合体を得る工程と、コイル及び前記コイルに電気的に接続された第１、第２の端子の少なくとも一部を埋設するように前記混合体を加圧成形して成形体を得る工程と、前記成形体を加熱することにより前記熱硬化性樹脂を硬化させる工程とを含むコイル埋設型磁性素子の製造方法において、前記板状無機絶縁材の平均粒径をＬ、前記金属磁性粉末の平均粒径をｒとした時、ｒ（√３−１）／２≦Ｌ≦ｒ（√３−１）の関係が示される複合磁性材料を用いたコイル埋設型磁性素子の製造方法。
【請求項６】
前記混合体を得る工程と、前記成形体を得る工程との間に、前記金属磁性粉末および未硬化状態の前記熱硬化性樹脂と前記板状無機絶縁材とを含む混合体を、６５℃以上１５０℃以下に加熱する工程をさらに含む請求項５に記載のコイル埋設型磁性素子の製造方法。
【請求項７】
前記混合体を得る工程と、前記成形体を得る工程との間に、前記金属磁性粉末および未硬化状態の前記熱硬化性樹脂と前記板状無機絶縁材とを含む混合体を製粒する工程をさらに含む請求項５または６に記載のコイル埋設型磁性素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−９４６１０（Ｐ２０１２−９４６１０Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３９２４５（Ｐ２０１０−２３９２４５）
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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