JP6478141B2 - 磁心の製造方法、磁心およびそれを用いたコイル部品 - Google Patents

Description

本発明は、Ｆｅ基軟磁性合金粉を用いて構成された磁心の製造方法、磁心および磁心にコイルを巻装して構成されたコイル部品に関する。

従来から、家電機器、産業機器、車両など多種多様な用途において、インダクタ、トランス、チョーク等のコイル部品が用いられている。コイル部品は、磁心と、その磁心の周囲に巻回されたコイルで構成される。近年、電子機器等の電源装置の小型化が進んだ結果、小型・低背で、かつ大電流に対しても使用可能なコイル部品の要求が強くなり、飽和磁束密度が高い金属系磁性粉末を使用した圧粉磁心の採用が進んでいる。金属系磁性粉末としては、例えばＦｅ−Ｓｉ系などの軟磁性合金粉末が用いられている。コイル部品には、加圧成形して得られた圧粉磁心の周囲にコイルを巻回した一般的な構造の他、小型・低背の要求を満たすために、コイルと磁性粉末が一体的に成形された構造（コイル封入構造）も採用されている。

Ｆｅ−Ｓｉ系などの軟磁性合金粉末を圧密化して得られる圧粉磁心は、飽和磁束密度が高い反面、使用される軟磁性合金粉末の電気抵抗率（比抵抗）が低い。そのため、軟磁性合金粉末表面に絶縁性被覆を形成した後に成形するなど、軟磁性合金粉末間の絶縁性を高める方法が適用されている。例えば、特許文献１には、絶縁性被覆となる高電気抵抗物質の自己生成が可能な磁性粉末としてＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の磁性粉末を用いた例が開示されている。特許文献１では、磁性粉末を酸化処理することで、高電気抵抗の酸化皮膜を磁性粉末の表面に生成し、かかる磁性粉末を放電プラズマ焼結によって固化成形することで圧粉磁心を得ている。

一方、特許文献２には、ＦｅおよびＳｉと、Ｆｅよりも酸化しやすい金属元素であるＣｒ又はＡｌを含有する軟磁性合金の粒子群で構成された成形体を４００℃から９００℃で熱処理する方法と、前記熱処理によって形成された酸化層を介して粒子同士を結合させた磁心が開示されている。成形時に高い圧力を必要とすることなく、高透磁率・高飽和磁束密度の磁心を得ることがその目的である。

特開２００５−２２０４３８号公報 特開２０１１−２４９７７４号公報

特許文献１に記載の構成は、成形時に高圧は必要としないものの、複雑な設備と多くの時間を必要とする製法である。しかも磁性粉末の酸化処理後に凝集した粉末を粉砕するための工程が必要になるため、工程が煩雑なものになってしまう。また、酸化皮膜によって電気抵抗が２.５倍程度向上することが示されているが、抵抗値そのものは、酸化皮膜の有無にかかわらず数ｍΩ程度にすぎず、高周波用途で使用する場合や、磁心の表面に電極を直接形成する場合には満足できるものではない。

また、特許文献２に記載の磁心は、実施例に記載された熱処理条件によれば、１×１０^３Ω・ｍを超える比抵抗が得られるものの、破断応力は１００ＭＰａにも至らず、フェライト磁心と同程度の強度であった。熱処理温度を１０００℃まで上げることで、破断応力は２０ｋｇｆ／ｍｍ^２（１９６ＭＰａ）と向上するが、比抵抗は２×１０^２Ω・ｃｍ（２Ω・ｍ）と著しく低下している。すなわち、高比抵抗と高強度を両立するには至っていない。

本発明は、上記問題点に鑑み、高強度と高比抵抗を兼ね備えた磁心およびそれを用いたコイル部品、並びに簡易な成形による製造方法でも高強度と高比抵抗の磁心を得ることが可能な磁心の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の磁心の製造方法は、Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する磁心の製造方法であって、Ｆｅ基軟磁性合金粉とバインダを混合する第１の工程と、前記第１の工程を経て得られた混合物を成形する第２の工程と、前記第２の工程を経て得られた成形体を、酸素が存在する雰囲気中、または水蒸気が存在する雰囲気中にて、６００℃〜９００℃の温度範囲内で熱処理する第３の工程とを有し、前記Ｆｅ基軟磁性合金粉がＡｌ、ＣｒおよびＭｎを含み、前記Ｍｎは質量比でＦｅ、ＡｌおよびＣｒに次いで含有量が高く、前記熱処理によって、前記Ｆｅ基軟磁性合金粉の表面に、質量比で内部の合金相よりもＦｅ、Ｃｒ、ＡｌおよびＭｎの和に対するＡｌの比率が高い酸化物層を形成することを特徴とする。

本発明の磁心は、Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する磁心であって、前記Ｆｅ基軟磁性合金粒がＡｌ、ＣｒおよびＭｎを含み、前記Ｍｎは質量比でＦｅ、ＡｌおよびＣｒに次いで含有量が高く、Ａｌの含有量は、２．０質量％以上１０．０質量％以下であり、Ｃｒの含有量は、１．０質量％以上７．０質量％以下であり、Ｍｎの含有量は、０．４質量％以上１．０質量％以下であり、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなり、前記Ｆｅ基軟磁性合金粒同士が、質量比で内部の合金相よりもＦｅ、Ｃｒ、ＡｌおよびＭｎの和に対するＡｌの比率が高い酸化物層によって結合されていることを特徴とする。

また、前記磁心において、前記Ｆｅ基軟磁性合金粒のＭｎの含有量が０．６質量％以上であるのが好ましい。

本発明のコイル部品は、前記磁心と、前記磁心に巻装されたコイルとを有することを特徴とする。

本発明によれば、高強度と高比抵抗を兼ね備えた磁心およびそれを用いたコイル部品、並びに高強度と高比抵抗の磁心を容易に得ることが可能な磁心の製造方法を提供することができる。

本発明に係る磁心の製造方法の実施形態を説明するための工程のフローである。 圧粉磁心の断面のＳＥＭ像および元素マッピングである。 圧粉磁心の断面のＴＥＭ写真である。

以下、本発明に係る磁心の製造方法、磁心およびコイル部品の実施形態を、具体的に説明する。但し、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明に係る磁心の製造方法の実施形態を説明するための工程のフローである。この製造方法は、Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する磁心の製造方法であって、Ｆｅ基軟磁性合金粉とバインダを混合する第１の工程と、前記第１の工程を経て得られた混合物を成形する第２の工程と、前記第２の工程を経て得られた成形体を熱処理する第３の工程とを有する。Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織は、Ｆｅ基軟磁性合金粒の集合体がなす組織である。使用するＦｅ基軟磁性合金粉はＡｌ、ＣｒおよびＭｎを含み、前記Ｍｎは質量比でＦｅ、ＡｌおよびＣｒに次いで含有量が高い。第３の工程の熱処理によって、Ｆｅ基軟磁性合金粉の表面に、質量比で内部の合金相よりもＦｅ、Ａｌ、ＣｒおよびＭｎの和に対するＡｌの比率が高い酸化物層を形成する。これらの構成によって、以下に説明する効果を得ることができる。

本発明に用いるＦｅ基軟磁性合金粉は、Ａｌ、ＣｒおよびＭｎを含み、かつＭｎの含有量が質量比でＦｅ、ＡｌおよびＣｒに次いで高い、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｍｎ系軟磁性合金粉である。かかるＦｅ基軟磁性合金粉は、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金にＭｎを添加したものとみることができる。かかるＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｍｎ系軟磁性合金粉は、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉と同様にＦｅ−Ｓｉ系の合金粉に比べて耐食性に優れる。さらにＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｍｎ系の合金粉は、Ｆｅ−Ｓｉ系やＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系の合金粉に比べて塑性変形しやすい。したがって、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｍｎ系軟磁性合金粉は、低い成形圧力でも高い占積率と強度を備えた磁心を得ることができる。そのため、成形機の大型化・複雑化も回避することができる。また、低圧で成形できるため、金型の破損も抑制され、生産性が向上する。

さらに、Ｆｅ基軟磁性合金粉としてＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｍｎ系の合金粉を用いることにより、後述するように、成形後の熱処理によってＦｅ基軟磁性合金粉の表面に絶縁性の酸化物を形成することができる。したがって、成形前に絶縁性酸化物を形成する工程を省略することが可能であるうえ、絶縁性被覆の形成方法も簡易になるため、かかる点においても生産性が向上する。また、上記酸化物層の形成に伴い、Ｆｅ基軟磁性合金粉同士が該酸化物層を介して結合され、高強度の磁心が得られる。

本発明に係る磁心の製造方法の実施形態のうち、まず、第１の工程に供するＦｅ基軟磁性合金粉ついて説明する。なお、以下、特に断りのない限り、含有量や百分率は質量比によるものである。Ｆｅ基軟磁性合金は、軟磁性合金を構成する各成分の中で最も含有率の高い主成分としてＦｅを、副成分としてＡｌ、Ｃｒ、Ｍｎを含む。すなわち、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎが、含有比率の高い四つの主要金属元素である。磁心を構成できるのであれば、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒの含有量は、これを特に限定するものではないが、以下好ましい構成について説明する。

Ｆｅは、Ｆｅ基軟磁性合金粉を構成する主要な磁性元素である。磁心が構成できるのであれば、その含有量を特に限定するものではないが、高飽和磁束密度を確保する観点からはＦｅの含有量は８０質量％以上であることが好ましい。
ＣｒおよびＡｌは耐食性等を高める元素である。ＣｒおよびＡｌの含有量も磁心が構成できるのであれば、特に限定されるものではない。耐食性向上等の観点からは、Ｃｒの含有量は、好ましくは１.０質量％以上、より好ましくは２.５質量％以上である。一方、非磁性のＣｒが多くなると飽和磁束密度が低下する傾向を示すため、Ｃｒの含有量は、好ましくは９.０質量％以下、より好ましくは７.０質量％以下、さらに好ましくは４.５質量％以下である。
また、上述のようにＡｌも耐食性を高める元素であり、特にＦｅ基軟磁性合金粉の表面酸化物の形成に寄与する。かかる観点から、Ａｌの含有量は、好ましくは２.０質量％以上、より好ましくは３.０質量％以上、さらに好ましくは５.０質量％以上である。一方、非磁性のＡｌが多くなると飽和磁束密度が低下する傾向を示すため、Ａｌの含有量は、好ましくは１０.０質量％以下、より好ましくは８.０質量％以下、さらに好ましくは６.０質量％以下である。また、表面の酸化物層にはＣｒに比べてＡｌが顕著に濃化するため、ＣｒよりもＡｌの含有量が高いＦｅ基軟磁性合金粉を用いることがより好ましい。

Ｍｎは、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉を用いた磁心に対して、比抵抗を向上させる効果を持つ。Ｍｎの含有量は、ベースとなるＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金の優れた特性を活かすために、Ｆｅ、ＡｌおよびＣｒの各含有量よりも低くする。一方、その含有効果を明確に発揮させるために、Ｍｎの含有量は質量比でＦｅ、ＡｌおよびＣｒに次いで高いものとする。このことは、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉の通常の製造プロセスを経て不可避不純物として含まれるＳｉ等の含有量よりも、Ｍｎの含有量の方が高いことを意味する。また、その他の不可避不純物として、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎ等を含み得る。即ち、Ｆｅ基軟磁性合金粉は、Ａｌ、ＣｒおよびＭｎを含み、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなるものでもよい。かかる不可避不純物の含有量は、それぞれ、Ｃ≦０.０５質量％、Ｏ≦０.３質量％、Ｎ≦０.１質量％、Ｐ ≦０.０２質量％、Ｓ≦０.０２質量％であることが好ましい。Ｍｎの含有量は、前記各不可避不純物の含有量よりも高くする。Ｍｎの含有量はより好ましくは０.４質量％以上、より好ましくは０.６質量％以上である。また、上述のようにＭｎの含有量はＦｅ、ＡｌおよびＣｒの各含有量よりも低ければよい。より好ましくは１.０質量％未満である。

Ｆｅ基軟磁性合金粉の平均粒径（ここでは、体積累積粒度分布におけるメジアン径ｄ５０を用いる）は特に限定されるものではないが、例えば、１μｍ以上、１００μｍ以下の平均粒径を有するＦｅ基軟磁性合金粉を用いることができる。平均粒径を小さくすることで、コアロス、高周波特性が改善されるので、メジアン径ｄ５０はより好ましくは３０μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以下である。一方、平均粒径が小さい場合は透磁率が低くなる傾向があるため、メジアン径ｄ５０はより好ましくは５μｍ以上である。また、篩等を用いてＦｅ基軟磁性合金粉から粗い粒子を除くことがより好ましい。この場合、少なくとも３２μｍアンダーの（すなわち、目開き３２μｍの篩を通過した）Ｆｅ基軟磁性合金粉を用いることが好ましい。

Ｆｅ基軟磁性合金粉の形態は、特に限定されるものではないが、流動性等の観点からアトマイズ粉に代表される粒状粉を用いることが好ましい。展性や延性が高く、粉砕しにくい合金の粉末作製には、ガスアトマイズ、水アトマイズ等のアトマイズ法が好適である。また、アトマイズ法は略球状のＦｅ基軟磁性合金粉を得る上でも好適である。

次に、第１の工程において用いるバインダについて説明する。バインダは、成形する際、粉体同士を結着させ、成形後のハンドリングに耐える強度を成形体に付与する。バインダの種類は、特に限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂等の各種有機バインダを用いることができる。有機バインダは成形後の熱処理により、熱分解する。そのため、熱処理後においても固化、残存して粉末同士を結着する、シリコーン樹脂などの無機系バインダを併用してもよい。但し、本発明に係る磁心の製造方法においては、第３の工程で形成される酸化物層がＦｅ基軟磁性合金粉同士を結着する作用を奏するため、上記の無機系バインダの使用を省略して、工程を簡略化することが好ましい。

バインダの添加量は、Ｆｅ基軟磁性合金粉間に行きわたり、十分な成形体強度を確保できる量にすればよい。一方、これが多すぎると密度や強度が低下するようになる。かかる観点から、バインダの添加量は、例えば、Ｆｅ基軟磁性合金粉１００重量部に対して、０．５〜３．０重量部にすることが好ましい。

第１の工程における、Ｆｅ基軟磁性合金粉とバインダとの混合方法は、特に限定されるものではなく、従来から知られている混合方法、混合機を用いることができる。バインダが混合された状態では、その結着作用により、混合粉は広い粒度分布をもった凝集粉となっている。かかる混合粉を、例えば振動篩等を用いて篩に通すことによって、成形に適した所望の二次粒子径の造粒粉（顆粒）を得ることができる。造粒方法としては、噴霧乾燥造粒等の湿式造粒方法を採用することもできる。中でもスプレードライヤを用いた噴霧乾燥造粒が好ましく、これによれば、略球形の顆粒が得ることができ、また加熱空気に曝される時間が短く、大量の顆粒を得ることができる。また、加圧成形の場合の粉末と金型との摩擦を低減させるために、ステアリン酸、ステアリン酸塩等の潤滑材を添加することが好ましい。潤滑材の添加量は、Ｆｅ基軟磁性合金粉１００重量部に対して０．１〜２．０重量部とすることが好ましい。潤滑剤は、金型に塗布することも可能である。

次に、第１の工程を経て得られた混合物を成形する第２の工程について説明する。第１の工程で得られた混合物は、好適には上述のように造粒されて、第２の工程に供される。造粒された混合物は、例えば、成形金型を用いて、トロイダル形状、直方体形状等の所定形状に加圧成形される。Ｆｅ基軟磁性合金粉としてＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｍｎ系軟磁性合金粉を用いると、低い圧力でも圧粉磁心の占積率（相対密度）を高めることができ、圧粉磁心の強度も向上する。かかる作用を利用して、熱処理を経た圧粉磁心における軟磁性材料粉の占積率を８０〜９０％の範囲内にすることがより好ましい。かかる範囲が好ましい理由は、占積率を高めることで磁気特性が向上する一方、過度に占積率を高めようとすると、設備的、コスト的な負荷が大きくなるからである。さらに好ましくは、占積率は８２〜９０％である。

第２の工程における成形は、室温成形でもよいし、バインダが消失しない程度に加熱して行う温間成形でもよい。また、混合物の調整方法および成形方法も上記のものに限定されるものではない。例えば、金型を用いた加圧成形の代わりに、シート成形を行い、得られたシートを積層して積層型磁心用の成形体を得ることもできる。この場合には、混合物はスラリ状態に調整され、ドクターブレード等のシート成形機に供される。

次に、前記第２の工程を経て得られた成形体を熱処理する第３の工程について説明する。成形等で導入された応力歪を緩和して良好な磁気特性を得るために、第２の工程を経た成形体に対して熱処理が施される。かかる熱処理によって、さらに、Ｆｅ基軟磁性合金粉の表面に、質量比で内部の合金相よりもＦｅ、Ａｌ、ＣｒおよびＭｎの和に対するＡｌの比率が高い酸化物層を形成する。この酸化物層は、熱処理によりＦｅ基軟磁性合金粉と酸素とを反応させ成長させたものであり、Ｆｅ基軟磁性合金粉の自然酸化を超える酸化反応により形成される。かかる熱処理は、大気中、酸素と不活性ガスの混合気体中など、酸素が存在する雰囲気中で行うことができる。また、水蒸気と不活性ガスの混合気体中など、水蒸気が存在する雰囲気中で熱処理を行うこともできる。これらのうち大気中の熱処理が簡便であり好ましい。

上記の熱処理によってＦｅ基軟磁性合金粉が酸化されて、その表面に酸化物層が形成される。このとき、Ｆｅ基軟磁性合金粉中のＡｌが表層に濃化し、Ｆｅ、Ａｌ、ＣｒおよびＭｎの和に対するＡｌの比率は、内部の合金相よりも前記酸化物層の方が高くなる。典型的には、内部の合金相に比べて、構成金属元素のうち特にＡｌの比率が高く、Ｆｅの比率が低い。さらに、より微視的には、Ｆｅ基軟磁性合金粉間の粒界において、合金相近傍よりも層中央の方がＦｅの比率が高い酸化物層が形成される。かかる酸化物が形成されることによって、Ｆｅ基軟磁性合金粉の絶縁性および耐食性が向上する。また、かかる酸化物層は、成形体を構成した後に形成されるため、該酸化物層を介したＦｅ基軟磁性合金粉同士の結合にも寄与する。Ｆｅ基軟磁性合金粉同士が前記酸化物層を介して結合されることで、高強度の磁心が得られる。

第３の工程の熱処理は、上記酸化物層が形成される温度で行えばよい。かかる熱処理によって強度に優れた磁心が得られる。さらに、第３の工程の熱処理は、Ｆｅ基軟磁性合金粉が著しく焼結しない温度で行うことが好ましい。Ｆｅ基軟磁性合金粉が著しく焼結すると、Ａｌの比率が高い酸化物層の一部が合金相に取り囲まれてアイランド状に孤立化するようになる。そのため、Ｆｅ基軟磁性合金粉の母体の合金相同士を隔てる酸化物層としての機能が低下し、コアロスも増加するようになる。具体的な熱処理温度は、６００〜９００℃の範囲が好ましく、７００〜８００℃の範囲がより好ましく、７５０〜８００℃の範囲がいっそう好ましい。上記温度範囲での保持時間は、圧粉磁心の大きさ、処理量、特性ばらつきの許容範囲などによって適宜設定されるが、例えば０.５〜３時間が好ましい。

第１〜第３の各工程の前後に他の工程を追加することも可能である。例えば、第１の工程の前に、熱処理やゾルゲル法等によって軟磁性材料粉に絶縁被膜を形成する予備工程を付加してもよい。但し、本発明に係る磁心の製造方法においては、第３の工程によってＦｅ基軟磁性合金粉の表面に酸化物層を形成することができるため、上記のような予備工程を省略して製造工程を簡略化することがより好ましい。また、酸化物層自体は塑性変形しにくい。そのため、成形後に上述のＡｌに富む酸化物層を形成するプロセスを採用することで、第２の工程の成形において、Ｆｅ基軟磁性合金粉（Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｍｎ系軟磁性合金粉）が持つ高い成形性を有効に利用することができる。

上述の磁心の製造方法によってＦｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する以下の磁心が得られる。すなわち、前記Ｆｅ基軟磁性合金粒がＡｌ、ＣｒおよびＭｎを含むとともに、前記Ｍｎは質量比でＦｅ、ＡｌおよびＣｒに次いで含有量が高い。前記Ｆｅ基軟磁性合金粒同士は、質量比で内部の合金相よりもＦｅ、Ａｌ、ＣｒおよびＭｎの和に対するＡｌの比率が高い酸化物層を介して結合している。かかる酸化物層によるＦｅ基軟磁性合金粒同士の結合によって、高強度かつ高比抵抗の磁心が実現される。なお、磁心におけるＦｅ基軟磁性合金粒（以下、単に合金粒ともいう）は、製造方法の実施形態で説明したＦｅ基軟磁性合金粉に対応し、その組成等の説明は重複するので省略する。また、その他の磁心に係る構成も上述の製造方法の実施形態において説明したとおりであるので、重複する部分の説明は省略する。なお、熱処理は酸化を目的とするものであるため、熱処理後の磁心のバルク体組成における酸素量は、成形前のＦｅ基軟磁性合金粉の不可避不純物レベルよりも高くなる。

磁心は、その断面観察像において各合金粒の最大径の平均が１５μｍ以下であることが好ましく、８μｍ以下がより好ましい。磁心を構成する合金粒が細かいことで、強度に加えて高周波特性が改善される。かかる観点から、磁心の断面観察像において、最大径が４０μｍを超える合金粒の個数比率が１.０％未満であることが好ましい。一方、透磁率の低下を抑える観点から、合金粒の最大径の平均は０.５μｍ以上であることが好ましい。最大径の平均は、磁心の断面を研磨して顕微鏡観察し、一定の面積の視野内に存在する３０個以上の合金粒について最大径を読み取り、その個数平均を取って算出すればよい。成形後の合金粒は塑性変形しているものの、断面観察ではほとんどの合金粒が中心以外の部分の断面で露出するため、上記最大径の平均は粉末状態で評価したメジアン径ｄ５０よりも小さい値となる。最大径が４０μｍを超える合金粒の個数比率は、少なくとも０.０４ｍｍ^２以上の視野範囲で評価する。

熱処理後の磁心における粒界の酸化物層の平均厚みは、１００ｎｍ以下であることが好ましい。この酸化物層の平均厚みは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて６０万倍以上で磁心の断面を観察し、観察視野内のＦｅ基軟磁性合金粒の断面の輪郭が確認される部分で、Ｆｅ基軟磁性合金粒間が最も近接する部分の厚み（最小厚み）と最も離間する部分の厚み（最大厚み）とを計測し、その算術平均として算出される厚みを指す。酸化物層の厚みが大きいと、Ｆｅ基軟磁性合金粒間の間隔が広くなり、透磁率の低下やヒステリシス損失の増加を招き、また非磁性酸化物を含む酸化物層が占める割合が増加して、飽和磁束密度が低下する場合がある。一方、酸化物層の厚みが小さいと、酸化物層を流れるトンネル電流によって渦電流損失が増加する場合があるため、酸化物層の平均厚みは１０ｎｍ以上であることが好ましい。より好ましい酸化物層の平均厚みは３０〜８０ｎｍである。

磁心を構成するために必要な透磁率は用途に応じて決めることができる。インダクタ用途であれば、例えば１００ｋＨｚの初透磁率で２０以上であることが好ましい。より好ましくは３０以上、さらに好ましくは４０以上である。本発明に係る磁心は、高比抵抗と高強度を両立する上で好適な構成である。したがって、かかる磁心の構成を適用して１×１０^３Ω・ｍ以上の比抵抗を得ることが好ましい。１×１０^４Ω・ｍ以上の比抵抗を得ることもできる。また、圧環強度も１２０ＭＰａ以上にすることが好ましく、１５０ＭＰａ以上の圧環強度を得ることもできる。

上記の磁心と、該磁心に巻装されたコイルとを用いてコイル部品が提供される。コイルは、導線を磁心に巻回して構成してもよいし、ボビンに巻回して構成してもよい。このような磁心とコイルとを有するコイル部品は、例えばチョーク、インダクタ、リアクトル、トランス等として用いられる。

磁心は、上述のようにバインダ等を混合したＦｅ基軟磁性合金粉末だけを加圧成形した圧粉磁心単体の形態で製造してもよいし、内部にコイルが配置された形態で製造してもよい。後者の構成は、特に限定されるものではなく、例えばＦｅ基軟磁性合金粉末とコイルとを一体で加圧成形してコイル封入構造の圧粉磁心を製造することができる。また、積層型の磁心の場合であれば、コイルは磁心内部にパターン電極の形態で巻装される。また、磁心の表面に、コイルの端部を接続するための電極を、メッキや焼き付け等の手法によって形成してもよい。

Ｆｅ基軟磁性合金粉として、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｍｎ系軟磁性合金粉を用い、以下のようにして圧粉磁心を作製した。かかる合金粉は粒状のアトマイズ粉であり、その組成は質量百分率でＦｅ−４.９％Ａｌ−３.９％Ｃｒ−０.６６％Ｍｎであった。なお、不純物として最も多かったのはＳｉであり、その含有量は０.２％であった。アトマイズ粉は、４４０メッシュ（目開き３２μｍ）の篩で分級し、篩を通過したＦｅ基軟磁性合金粉を混合に供した。篩を通過したＦｅ基軟磁性合金粉の平均粒径（メジアン径ｄ５０）をレーザー回折散乱式粒度分布測定装置（堀場製作所製ＬＡ−９２０）で測定した。平均粒径（メジアン径ｄ５０）は１２.３μｍであった。

前記Ｆｅ基軟磁性合金粉１００重量部に対して、バインダとしてＰＶＡ（株式会社クラレ製ポバールＰＶＡ−２０５；固形分１０％）を２.５重量部（固形分として０.２５重量部）の割合で添加し、混合を行った。この混合粉を１２０℃で１０時間乾燥し、乾燥後の混合粉を篩に通して造粒粉を得た。この造粒粉に、Ｆｅ基軟磁性合金粉１００重量部に対して０.４重量部の割合でステアリン酸亜鉛を添加、混合して成形用の混合物を得た。

得られた混合物は、プレス機を使用して、０.７４ＧＰａの成形圧で室温にて加圧成形した。得られた成形体は、内径φ７.８ｍｍ、外径φ１３.５ｍｍ、高さ４.３ｍｍのトロイダル形状である。得られた成形体を、大気中、温度７５０℃、保持時間１.０時間の条件で熱処理し、圧粉磁心を得た（Ｎｏ１）。

また比較例として、Ｆｅ基軟磁性合金粉として、平均粒径が１４.３μｍのＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉（質量百分率でＦｅ−５.０％Ａｌ−３.９％Ｃｒ）を用いて、上記Ｎｏ１の圧粉磁心と同様にして圧粉磁心を作製した（Ｎｏ２）。さらに、比較のためにＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉（質量百分率でＦｅ−４.０％Ｃｒ−３.５％Ｓｉ）を用いて、混合、加圧成形を行い、トロイダル形状の成形体を得た（Ｎｏ３）。
なお、Ｎｏ３の圧粉磁心の作製の際、バインダはエマルジョンのアクリル樹脂系のバインダ（昭和高分子株式会社製ポリゾールＡＰ−６０４ 固形分４０％）を用い、軟磁性合金粉１００重量部に対して２.０重量部の割合で混合した。また、成形は０.９１ＧＰａの成形圧で行い、熱処理は８００℃で行った。

以上の工程により作製した圧粉磁心の密度をその寸法および質量から算出し、圧粉磁心の密度をＦｅ基軟磁性合金の真密度で除して占積率（相対密度）を算出した。また、トロイダル形状の圧粉磁心の径方向に荷重をかけ、破壊時の最大加重Ｐ（Ｎ）を測定し、次式から圧環強度σｒ（ＭＰａ）を求めた。
σｒ＝Ｐ（Ｄ−ｄ）／（Ｉｄ^２）
（ここで、Ｄ：磁心の外径（ｍｍ）、ｄ：磁心の径方向の肉厚（ｍｍ）、Ｉ：磁心の高さ（ｍｍ）である。）
さらに、一次側と二次側のそれぞれに巻線を１５ターン巻回し、岩通計測株式会社製Ｂ−ＨアナライザーＳＹ−８２３２により、最大磁束密度３０ｍＴ、周波数３００ｋＨｚの条件でコアロスＰｃｖを測定した。また、初透磁率μｉは、前記トロイダル形状の圧粉磁心に導線を３０ターン巻回し、ヒューレット・パッカード社製４２８４Ａにより、周波数１００ｋＨｚで測定した。
また、別途円板状の磁心試料を用意し、その対向する二平面に導電性接着剤を塗り、乾燥・固化の後、以下のようにして比抵抗（抵抗率）の評価を行った。電気抵抗測定装置（株式会社エーディーシー製８３４０Ａ）を用いて、５０Ｖの直流電圧を印加し、抵抗値Ｒ（Ω）を測定した。磁心試料の平面の面積Ａ（ｍ^２）と厚みｔ（ｍ）とを測定し、次式により比抵抗ρ（Ω・ｍ）を算出した。
比抵抗ρ（Ω・ｍ）＝Ｒ×（Ａ／ｔ）
磁心試料の代表寸法は、外径φ１３.５ｍｍ、厚み４ｍｍである。

表１に示すようにＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ―Ｍｎ系軟磁性合金粉を用いて作製したＮｏ１の圧粉磁心とＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉を用いて作製したＮｏ２の圧粉磁心は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系Ｆｅ基軟磁性合金粉を用いたＮｏ３の圧粉磁心に比べて、占積率および透磁率が大幅に高くなった。また、Ｎｏ１および２の圧粉磁心の圧環強度は２００ＭＰａ以上であり、高い成形圧で作製されたＮｏ３の圧粉磁心に比べても二倍以上の値を示した。すなわち、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系の組成をベースにしたＦｅ基軟磁性合金粉を用いた構成が、簡易な加圧成形を適用する場合において、優れた圧環強度および磁気特性を得るうえできわめて有利であることが分かった。
また、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金の組成をベースにしつつ、さらにＭｎを含むＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ―Ｍｎ系軟磁性合金粉を用いて構成されたＮｏ１の圧粉磁心では、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉を用いて作製したＮｏ２の圧粉磁心に比べて、特に比抵抗が高く、コアロスも改善された。Ｎｏ１の圧粉磁心の比抵抗は２×１０^４Ω・ｍ以上の非常に高い値であった。Ｍｎを含有するＮｏ１の圧粉磁心は、Ｎｏ２の圧粉磁心と同様に十分高い圧環強度の水準を維持しており、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｍｎ系軟磁性合金粉を用いた圧粉磁心が高強度と高比抵抗を両立する上で特に優れていることが分かった。

Ｎｏ１の圧粉磁心について、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ／ＥＤＸ）を用いて圧粉磁心の断面観察を行い、同時に各構成元素の分布を調べた。結果を図２に示す。図２（ａ）はＳＥＭ像である。圧粉磁心は、明るいグレーの色調を有するＦｅ基軟磁性合金粒１が分散した組織を有することがわかる。なお、他の観察視野も含めた断面観察において、最大径が４０μｍを超える合金粒は観察されず、個数比率は０.０％であった。
図２（ｂ）〜（ｇ）はそれぞれ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｏ（酸素）、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉの分布を示すマッピングである。明るい色調ほど対象元素が多いことを示す。図２から、Ｆｅ基軟磁性合金粒の表面（粒界）には酸素が多く、酸化物が形成されていること、および各Ｆｅ基軟磁性合金粒同士がこの酸化物を介して結合している様子がわかる。また、Ｆｅ基軟磁合金粒の表面では内部に比べてＦｅの濃度が低く、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉは大きな濃度差を示していない。一方、ＡｌはＦｅ基軟磁合金粒の表面での濃度が顕著に高くなっている。これらのことから、Ｆｅ基軟磁合金粒の表面に、内部の合金相よりもＦｅ、ＣｒおよびＡｌの和に対するＡｌの比率が高い酸化物層が形成されていることが確認された。熱処理前には図２に示すような各構成元素の濃度分布は観察されず、上記酸化物層が熱処理によって形成されたこともわかった。また、Ａｌの比率が高い酸化物層が各粒を覆う構成が、ロス、比抵抗等の特性改善にも寄与していると考えられる。

Ｎｏ１の圧粉磁心に対して透過電子顕微鏡（ＴＥＭ／ＥＤＸ）観察を行った。図３は、圧粉磁心の断面で観察したＦｅ基軟磁性合金粒間の粒界部分を示すＴＥＭ写真である。図３中のＦｅ基軟磁性合金粒の粒内および粒界相の点分析値を表３に示す。分析点１は粒内、分析点４および６は粒界相の中央、分析点２、５は粒界相のうち軟磁性材料粉のごく近傍、分析点３は分析点２と４の間の部分である。なお、分析値の合計が１００.０％になっていないものがあるのは小数点以下二桁目を四捨五入したためである。

図３に示す圧粉磁心の粒界相の厚さは約５０ｎｍであった。表２の結果から明らかなように、粒界相として酸化物層が形成されているとともに、構成元素の濃度勾配または複数の相が存在していることがわかった。Ｃｒは酸化物層にも含まれるがＦｅ基軟磁性合金粒の粒内とほぼ同比率であり、酸化物層へのＣｒの濃化は特に確認されなかった。一方、粒内に比べて酸化物層ではＡｌの含有量が高く、Ａｌが粒界の酸化物層に濃化していることがＴＥＭ観察によっても確認された。また、合金相近傍よりも層中央の方がＦｅの比率が高くなっている部分（分析点４）があり、かかる部分ではＡｌよりもＦｅが多いことも明らかとなった。一方、Ｆｅ基軟磁性合金粒のごく近傍の部分ではＦｅよりもＡｌが多くなっていた。また、粒界の酸化物層の中央、Ｆｅ基軟磁性合金粒のごく近傍の部分ともＣｒよりもＡｌの含有量が大幅に高いこともわかった。なお、ＭｎについてはＡｌのような粒界への顕著な濃化は確認されなかった。

上記のように、Ｆｅ基軟磁性合金粒の内部の合金相よりもＦｅ、Ａｌ、ＣｒおよびＭｎの和に対するＡｌの比率が高い酸化物層が確認された。Ａｌの酸化物は絶縁性が高いため、かかるＡｌの酸化物がＦｅ基軟磁性合金粒の粒界に形成されることで、絶縁性確保やコアロスの低減に寄与していると推察される。また、図３に示すような粒界相を介して軟磁性合金粒が結合しており、かかる構成が強度向上にも寄与していると考えられる。

１：Ｆｅ基軟磁性合金粒

Claims (4)

1. Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する磁心の製造方法であって、
   Ｆｅ基軟磁性合金粉とバインダを混合する第１の工程と、
   前記第１の工程を経て得られた混合物を成形する第２の工程と、
   前記第２の工程を経て得られた成形体を、酸素が存在する雰囲気中、または水蒸気が存在する雰囲気中にて、６００℃〜９００℃の温度範囲内で熱処理する第３の工程とを有し、
   前記Ｆｅ基軟磁性合金粉がＡｌ、ＣｒおよびＭｎを含み、
   前記Ｍｎは質量比でＦｅ、ＡｌおよびＣｒに次いで含有量が高く、
   前記熱処理によって、前記Ｆｅ基軟磁性合金粉の表面に、質量比で内部の合金相よりもＦｅ、Ｃｒ、ＡｌおよびＭｎの和に対するＡｌの比率が高い酸化物層を形成することを特徴とする磁心の製造方法。
2. Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する磁心であって、
   前記Ｆｅ基軟磁性合金粒がＡｌ、ＣｒおよびＭｎを含み、
   前記Ｍｎは質量比でＦｅ、ＡｌおよびＣｒに次いで含有量が高く、
   Ａｌの含有量は、２．０質量％以上１０．０質量％以下であり、
   Ｃｒの含有量は、１．０質量％以上７．０質量％以下であり、
   Ｍｎの含有量は、０．４質量％以上１．０質量％以下であり、
   残部がＦｅおよび不可避不純物よりなり、
   前記Ｆｅ基軟磁性合金粒同士が、質量比で内部の合金相よりもＦｅ、Ｃｒ、ＡｌおよびＭｎの和に対するＡｌの比率が高い酸化物層によって結合されていることを特徴とする磁心。
3. 前記Ｆｅ基軟磁性合金粒のＭｎの含有量が０．６質量％以上であることを特徴とする請求項２に記載の磁心。
4. 請求項２または３に記載の磁心と、前記磁心に巻装されたコイルとを有することを特徴とするコイル部品。