JP2011086788A - 高周波用磁性材料及び高周波デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】磁性粒子に関する条件を最適化することで、高周波用磁性材料の低損失化を実現すること。
【解決手段】磁性粒子が樹脂材料中に分散されてなる高周波用磁性材料であって、磁性粒子は略球形であり、樹脂材料に磁性粒子は1〜60vol%含まれており、磁性粒子の飽和磁束密度は1テスラ以上であり、磁性粒子の磁気異方性定数は、立方晶系材料ではK1<±800×103(J/m3)、一軸異方性材料ではKu<±400×103(J/m3)である。
【選択図】図2
【解決手段】磁性粒子が樹脂材料中に分散されてなる高周波用磁性材料であって、磁性粒子は略球形であり、樹脂材料に磁性粒子は1〜60vol%含まれており、磁性粒子の飽和磁束密度は1テスラ以上であり、磁性粒子の磁気異方性定数は、立方晶系材料ではK1<±800×103(J/m3)、一軸異方性材料ではKu<±400×103(J/m3)である。
【選択図】図2
Description
本発明は、高周波磁用性材料及び高周波デバイスに関する。
従来から、磁性材料は、各種磁気応用製品に用いられている。このような磁性材料のうち、弱い磁界で大きな磁化の変化をする材料をソフト磁性材料という。
ソフト磁性材料は、材料の種別から金属系材料、アモルファス材料、酸化物材料に分類される。ソフト磁性材料のうち、周波数がMHz以上の高周波では、抵抗率が高く、うず電流損失を抑制できる酸化物材料(フェライト材料)が用いられている。例えば、高周波で用いられるフェライト材料として、Ni−Znフェライト材料などが知られている。
このようなフェライト材料を含むソフト磁性材料では、1GHz程の高周波において、磁気共鳴に伴う複素透磁率実部Re(μ)の減衰と複素透磁率虚部Im(μ)の増加が生じる。このうち、複素透磁率虚部Im(μ)は、P=1/2・ωμ0Im(μ)H2で表されるエネルギー損失Pを生じさせるため、複素透磁率虚部Im(μ)が高い値であることは、磁心あるいはアンテナといった応用の上では実用上好ましくない。ここで、ωは角周波数、μ0は、真空の透磁率、Hは磁界の強さを示す。
一方、複素透磁率実部Re(μ)は、電磁波を集める効果あるいは電磁波に対する波長短縮効果の大きさを示す値であるため、高い値であることが実用上好ましい。
一方、複素透磁率実部Re(μ)は、電磁波を集める効果あるいは電磁波に対する波長短縮効果の大きさを示す値であるため、高い値であることが実用上好ましい。
また、磁性材料のエネルギー損失(磁気損失)を表す指標として、タンジェントデルタ(tanδ=Im(μ)/Re(μ))が用いられる場合もある。タンジェントデルタが大きい値であると、磁性材料中で磁気エネルギーが熱エネルギーに変換され、必要なエネルギーの伝達効率が悪化する。このため、タンジェントデルタは低い値であることが好ましい。以下、磁気損失をタンジェントデルタ(tanδ)として説明する。
ソフト磁性材料には、高周波帯(GHz帯)においてもtanδの低い薄膜材料が存在する。例えば、Fe基高電気抵抗軟磁性膜やCo系高電気抵抗膜といった薄膜材料が存在する。しかし、薄膜材料はその体積が小さいがゆえに、適用範囲が制限されてしまう。加えて、薄膜作成のプロセスが複雑であり高価な設備を使用しなければならないという問題がある。
このような問題を解決するために、樹脂中に磁性材料を分散させた複合磁性材料に対して、樹脂成型技術を適用した例がある。例えば、ナノ結晶軟磁性体材料を粉末として得たものを樹脂と複合することによって、広帯域における電波吸収特性に優れている電磁波吸収体を提供する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
樹脂成型技術を用いて、高周波用の各種磁気応用製品に適用可能な磁性材料(高周波用磁性材料)を成型する場合、磁性粒子に関する条件(磁性粒子の形状、磁性粒子の樹脂への含有量、磁性粒子の飽和磁化及び磁性粒子の磁気異方性定数)は、tanδの低下(低損失化)を実現するために重要なパラメータである。
このため、磁性粒子に関する条件を最適化することで、高周波用磁性材料の低損失化を実現する要請があった。
このため、磁性粒子に関する条件を最適化することで、高周波用磁性材料の低損失化を実現する要請があった。
本発明の課題は、磁性粒子に関する条件を最適化することで、高周波用磁性材料の低損失化を実現することである。
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明の高周波用磁性材料は、
磁性粒子が樹脂材料中に分散されてなる高周波用磁性材料であって、
前記磁性粒子は略球形であり、前記樹脂材料に前記磁性粒子は1〜60vol%含まれており、前記磁性粒子の飽和磁束密度は1T以上であり、前記磁性粒子の磁気異方性定数は、立方晶系材料ではK1<±800×103(J/m3)、一軸異方性材料ではKu<±400×103(J/m3)である。
磁性粒子が樹脂材料中に分散されてなる高周波用磁性材料であって、
前記磁性粒子は略球形であり、前記樹脂材料に前記磁性粒子は1〜60vol%含まれており、前記磁性粒子の飽和磁束密度は1T以上であり、前記磁性粒子の磁気異方性定数は、立方晶系材料ではK1<±800×103(J/m3)、一軸異方性材料ではKu<±400×103(J/m3)である。
請求項2に記載の発明の高周波用磁性材料は、
磁性粒子が樹脂材料中に分散されてなる高周波用磁性材料であって、
前記磁性粒子は略球形であり、平均粒径dが0.1<d<1(μm)であり、かつ各粒径における相対粒子体積f(d)が、Σ{f(d)・d2} < 6.7×10−12なる関係を満たす。
磁性粒子が樹脂材料中に分散されてなる高周波用磁性材料であって、
前記磁性粒子は略球形であり、平均粒径dが0.1<d<1(μm)であり、かつ各粒径における相対粒子体積f(d)が、Σ{f(d)・d2} < 6.7×10−12なる関係を満たす。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の高周波用磁性材料において、
前記磁性粒子は、扁平率が0.36から2.50である。
前記磁性粒子は、扁平率が0.36から2.50である。
請求項4に記載の発明の高周波デバイスは、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の高周波用磁性材料を適用したアンテナ、回路基板及びインダクタの少なくとも1つからなる。
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の高周波用磁性材料を適用したアンテナ、回路基板及びインダクタの少なくとも1つからなる。
本発明によれば、磁性粒子に関する条件を最適化することで、高周波用磁性材料の低損失化を実現することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。
先ず、図1及び図2を参照して、複素透磁率実部Re(μ)及びtanδの計算結果について説明する。
図1及び図2に示す複素透磁率実部Re(μ)及びtanδの計算においては、材料はFe(鉄)、磁性材料の形状は球形、周波数は1GHzとし、磁性粒子の孤立粒子単体の特性を計算した。ここで、高周波の複素比透磁率(高周波複素比透磁率)μ=Re(μ)−j・Im(μ)(jは、虚数単位)、tanδ=Im(μ)/Re(μ)で定義される。通常用いられる比透磁率とは複素比透磁率の実部Re(μ)に相当する。以下、本実施の形態では、単に透磁率Re(μ)として説明する。
図1は、磁性粒子の粒径に対する透磁率Re(μ)の計算結果を示した図である。横軸は磁性粒子の粒径を示す。縦軸は透磁率Re(μ)を示す。透磁率Re(μ)の計算は、マイクロマグネティックシミュレーションを用いた。マイクロマグネティックシミュレーションでは、高周波磁界に対する磁化応答をフーリエ変換し、複素磁化率χ=Re(χ)−j・Im(χ)を求め、透磁率Re(μ)=1+Re(χ)として求めた。
上記条件に基づいて計算を行うと、図1に示すように、磁性粒子の粒径が0.1〜1μmにおいて、透磁率Re(μ)は、ほぼ一定値「7」となった。
図2は、磁性粒子の粒径に対するtanδの計算結果を示した図である。横軸は磁性粒子の粒径を示す。縦軸はtanδを示す。tanδは磁気損失成分(tanδm)と、うず電流損失成分(tanδe)とを分離して計算した。このうち、磁気損失成分(tanδm)の計算はマイクロマグネティックシミュレーションを用いて計算した。また、うず電流損失成分(tanδe)の計算はtanδe=πd2μ0Re(μ)f/cρ(d:粒径、μ0:真空の透磁率、Re(μ):透磁率、f:周波数(1GHz)、c:形状係数(球形では20)、ρ:抵抗率)を用いて計算した。そして、磁気損失成分と、うず電流損失成分とを合算した値をtanδとして計算した。
上記条件に基づいて計算を行うと、図2に示すように、粒径0.1〜1μmにおいて、tanδ=0.1以下の値が得られる。また、粒径が0.2〜0.5μmの範囲では、tanδ=0.05以下といった、より低い値が得られる。
次に、図3を参照して、磁性粒子の扁平率に対する透磁率Re(μ)及びtanδの特性(計算結果)について説明する。扁平率は、図3(A)に示す磁性粒子の直径(d)/厚さ(t)に相当する。図3(B)の横軸は扁平率(d/t)を示す。縦軸は1GHzにおける透磁率Re(μ)及びtanδの値を示す。図3(B)に示すように、扁平率0.36〜2.50の範囲において、tanδは約0.1以下の低い値を示す。
次に、図4を参照して、磁性粒子の飽和磁束密度に対する透磁率Re(μ)及びtanδの特性について説明する。図4の横軸は、磁性粒子の飽和磁束密度の値Ms(T)を示す。縦軸は1GHzにおける透磁率Re(μ)及びtanδの値を示す。図4に示すように、飽和磁束密度が1T以上の場合、tanδは約0.1以下の低い値を示す。
次に、図5及び図6を参照して、磁気異方性定数に対する透磁率Re(μ)及びtanδの特性について説明する。図5は、磁性粒子が立方晶系の場合における磁気異方性定数K1に対する透磁率Re(μ)及びtanδの特性を示した図である。図5の横軸は立方晶系材料における磁気異方性定数K1を示す。縦軸は1GHzにおける透磁率Re(μ)及びtanδの値を示す。図5に示すように、磁気異方性定数K1<±800×103(J/m3)の範囲内では、tanδは約0.1以下の低い値を示す。
図6は、磁性粒子が一軸異方性材料の場合における磁気異方性定数Kuに対する透磁率Re(μ)及びtanδの特性を示した図である。図6の横軸は一軸異方性材料における磁気異方性定数Kuを示す。縦軸は1GHzにおける透磁率Re(μ)及びtanδの値を示す。図6に示すように、磁気異方性定数Ku<±400×103(J/m3)の範囲内では、tanδは約0.1以下の低い値を示す。
次に、図7を参照して、樹脂への磁性粒子の含有率(充填率)を変えた場合の複合材料(高周波用磁性材料)の透磁率Re(μcomp.)及びtanδcomp.の計算結果を説明する。本実施の形態では、図1〜図6に示す磁性粒子単体の透磁率Re(μ)及びtanδと区別するために、高周波用磁性材料における透磁率をRe(μcomp.)、タンジェントデルタをtanδcomp.として説明する。充填率とは複合材料全体の体積に対する磁性粒子の体積割合と定義した。
具体的には、図7は、粒径0.2μmのFe粒子を用いた場合において、充填率を変えることで得られる透磁率Re(μcomp.)及びtanδcomp.の計算結果の特性を示した図である。横軸は充填率αを示す。縦軸は透磁率Re(μcomp.)及びtanδcomp.を示す。ここで、複合材料としての特性は充填率αを用いて、透磁率Re(μcomp.)=1+α・Re(χ)、tanδcomp.=αIm(χ)/(1+αRe(χ))で表される。この式を計算することにより、図7に示す透磁率Re(μcomp.)とtanδcomp.との関係が得られる。
図7に示す透磁率Re(μcomp.)とtanδcomp.との関係を参照することにより、製品設計(磁気応用製品の設計)に応じた適当な充填率を選ぶことが可能となる。また、充填率を選ぶ際に、充填率を過剰に高くすることは、混練性及び成形性を悪化させ、かつ磁性粒子間の磁気的相互作用を通じて磁化損失を増加させる。すなわち、充填率を過剰に高くすることは好ましくない。このため、充填率は、1〜60vol%が好ましい。
以上は単一の粒径を有する場合の計算結果であったが、現実に調製できる粒子の粒径は分布を有しており、図2に示したように粒径が大きい粒子が混在すると渦電流損失によるtanδの増加が生じる事となる。各粒径における相対粒子体積をf(d)とすると、粒径分布を考慮した渦電流損失によるtanδは、Σ{f(d)・tanδe}で表される。ここで相対粒子体積f(d)とは、粒径dを代表値とする粒径範囲に含まれる粒子の合計体積が全粒子の合計体積に対して占める割合の事である。tanδe=πd2μ0Re(μ)f/cρなる関係と、μ0=4π×10−7、Re(μ)=6.7(図1における粒径0.1から1μmにおける平均の透磁率)、f=1(GHz)、c=20、ρ=8.9×10−8(Ω・m)を用いると、次の関係を満たす場合に、tanδは0.1未満の低い値が得られる。
Σ{f(d)・d2}< 6.7×10−12
Σ{f(d)・d2}< 6.7×10−12
次に、図1〜図7の計算結果に基づく条件により作製した成形体(高周波用磁性材料)の特性について説明する。図8は、従来の高周波用磁性材料における透磁率Re(μcomp.)及びtanδcomp.(図8の従来例(1)(2)に該当)と、図1〜図7の計算結果に基づき選定した条件(磁性粒子は略球形、磁性粒子の含有量は1〜60vol%、飽和磁束密度は1T以上、磁性粒子の磁気異方性定数は立方晶系材料では±800×103(J/m3)、一軸異方性材料では±400×103(J/m3)との条件)に基づいて作製した高周波用磁性材料における透磁率Re(μcomp.)及びtanδcomp.(図8の本発明に該当)とを示した図である。
図8に示す本発明に係る成形体(高周波用磁性材料)の評価方法について説明する。なお、以下に説明する成形体(高周波用磁性材料)は粒径に分布を持っている。このため、本実施の形態では、平均粒径を体積基準の粒度分布におけるメジアン径(D50)と定義して説明する。粒度分布の測定は、静的光散乱法などによって評価することが可能である。
先ず、自公転式混錬装置を用いて、平均粒径0.4μmのFe粒子を熱硬化性エポキシ樹脂に分散させ、ペースト状の流動体を得た。また、このとき、Fe粒子の熱硬化性エポキシ樹脂に対する充填率は30vol%とした。そして、ペースト状の流動体を、ホットプレート上60℃で3.5時間加熱硬化させ、縦10(mm)×横10(mm)×厚さ1(mm)の成形体を得た。この成形体を、機械的加工によって縦4(mm)×横4(mm)×厚さ0.7(mm)とし、市販の高周波透磁率測定装置を用いて透磁率Re(μcomp.)及びtanδcomp.を評価した。図8は、この評価結果を示したものである。また、図8に示す従来例は、平均粒径1.9μmのFe粒子を用いた複合材料(高周波用磁性体)及び平均粒径0.4μmのNi粒子を用いた複合材料(高周波用磁性体)の透磁率Re(μcomp.)及びtanδcomp.である。
図8に示すように、本発明におけるtanδcomp.は、全周波数領域にわたって従来例のtanδcomp.よりも値が低減されている。
次に、図9〜図12を参照して、本発明に係る高周波用磁性材料を高周波デバイス(アンテナ、インダクタ、回路基板)に適用した一例を説明する。
図9及び図10は、高周波用磁性材料を適用したアンテナの一例を示した図である。図9(A)に示すアンテナANT1は、高周波用磁性材料1Aと、グランド板2Aと、電極3Aと、を備えて構成される。ANT1は、グランド板2Aの上に高周波用磁性材料1Aが形成され、高周波用磁性材料1Aの上に電極3Aが形成される構成となる。
図9(B)に示すアンテナANT2は、高周波用磁性材料1Bと、電極3Bと、交流電源4と、を備えて構成される。交流電源4は、交流電源の給電ポイントを示す(図9(C)(D)及び図10に示す交流電源4も同様)。ANT2は、高周波用磁性材料1Bの上に電極3Bが形成される構成となる。このとき、高周波用磁性材料1Bに電極3Bが組み込まれる構成としてもよい。
図9(C)に示すアンテナANT3は、高周波用磁性材料1Cと、電極3Cと、交流電源4と、を備えて構成される。ANT3は、電極3Cが高周波用磁性材料1Cの内部に配される構成としても良い。
図9(D)に示すアンテナANT4は、高周波用磁性材料1Dと、グランド板2Dと、電極3Dと、交流電源4と、を備えて構成される。ANT4は、グランド板2Dの上に高周波用磁性材料1Dが形成され、高周波用磁性材料1Dに電極3Dが組み込まれる構成となる。また、電極3Dが高周波用磁性材料1Cの内部に配される構成としても良い。
図10に示すアンテナANT5は、高周波用磁性材料1Eと、グランド板2Eと、電極3Eと、を備えて構成される。ANT5は、グランド板2Eの少なくとも一面と同じ高さに高周波用磁性材料1Eの一面が形成され、高周波用磁性材料1Eの上に電極3Eが形成される構成となる。
次に、図11を参照して、高周波用磁性材料を適用したインダクタ111の一例について説明する。図11に示すように、インダクタ111は、高周波用磁性材料1Fと、端子11と、巻線12と、を備えて構成される。この構成により、高周波用磁性材料1Fはインダクタ111に適用される。
次に、図12を参照して、高周波用磁性材料を適用した回路基板121の一例について説明する。図11に示すように、回路基板は、高周波用磁性材料1Fと、ランド21と、ビアホール22と、内部電極23と、実装部品24,25と、を備えて構成される。図12は全層に高周波磁性材料1Fが用いられているが、この内の少なくとも1層に高周波磁性材料1Fを用いるとしても良い。この構成により、高周波用磁性材料1Fは回路基板121に適用される。
以上、本実施の形態によれば、磁性粒子を略球形、含有量を1〜60vol%、飽和磁化を1T以上、磁気異方性定数を立方晶系材料では±800×103(J/m3)、一軸異方性材料では±400×103(J/m3)とすることにより、tanδを0.1以下にすることができる。このため、高周波用磁性材料の低損失化を図ることができる。
また、扁平率が0.36から2.50の範囲では、tanδを0.1以下とすることができる。このため、扁平率の条件として、0.36から2.50の範囲まで許容されるので、磁性粒子製造プロセス条件の厳密な制御が不要となり、高周波用磁性材料を作製するためのコストを低減することができる。
また、高周波用磁性材料を、アンテナ、回路基板及びインダクタの少なくとも1つに適用することができる。これにより、例えば、アンテナにtanδの低い高周波用磁性材料を適用することで、アンテナの放射効率を高めることができる。
なお、上記実施の形態における記述は、本発明に係る高周波用磁性材料及び高周波デバイスの一例であり、これに限定されるものではない。
例えば、磁性粒子の表面に非磁性材料(リン酸塩、シリカ等)がコーティングされており、当該コーティングされた磁性粒子を用いて高周波用磁性材料を形成することとしてもよい。
また、上記実施の形態では、磁性材料と樹脂との複合材料を高周波用磁性材料としたがこれに限定されるものではない。例えば、磁性材料と無機物質(無機誘電体、ガラスフィラー、導電材料)との複合材料を高周波用磁性材料としてもよい。
また、樹脂として、各種熱硬化性樹脂又は各種熱可塑性樹脂を用いることとしてもよい。
また、混錬装置として、押出機、ニーダー、ビーズミル等を用いることとしてもよい。
また、成形方法として、射出成形、押出成形、圧縮成形等を用いることとしてもよい。
1A,1B,1C,1D,1E,1F 高周波用磁性材料
2A,2D,2E グランド板
3A,3B,3C,3D,3E 電極
2A,2D,2E グランド板
3A,3B,3C,3D,3E 電極
Claims (4)
- 磁性粒子が樹脂材料中に分散されてなる高周波用磁性材料であって、
前記磁性粒子は略球形であり、前記樹脂材料に前記磁性粒子は1〜60vol%含まれており、前記磁性粒子の飽和磁束密度は1T以上であり、前記磁性粒子の磁気異方性定数は、立方晶系材料ではK1<±800×103(J/m3)、一軸異方性材料ではKu<±400×103(J/m3)である高周波用磁性材料。 - 磁性粒子が樹脂材料中に分散されてなる高周波用磁性材料であって、
前記磁性粒子は略球形であり、平均粒径dが0.1<d<1(μm)であり、かつ各粒径における相対粒子体積f(d)が、Σ{f(d)・d2} < 6.7×10−12なる関係を満たす高周波用磁性材料。 - 前記磁性粒子は、扁平率が0.36から2.50である請求項1又は2に記載の高周波用磁性材料。
- 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の高周波用磁性材料を適用したアンテナ、回路基板及びインダクタの少なくとも1つからなる高周波デバイス。
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