JP2011129798A - 高周波用磁性材料、高周波デバイス及び磁性粒子 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波用磁性材料の低損失化を実現すること。
【解決手段】磁性粒子と樹脂の複合材料からなる高周波用磁性材料であって、磁性粒子は、単体金属、合金又は金属間化合物であり、正の磁歪定数を有し、機械的処理によって扁平化された粒子形状を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、高周波磁用性材料、高周波デバイス及び磁性粒子に関する。

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・ωμ_０Ｉｍ（μ）Ｈ^２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、μ_０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。

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。このため、ＧＨｚ帯近傍において、実用的な磁性材料は存在しなかった。

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）。

特開平１１−３５４９７３号公報

上述の特許文献１に示すように、複合磁性材料（高周波用磁性材料）を電磁波吸収体として用いる場合、電波吸収体として求められる特性は、ｔａｎδが大きな値を示すことである。このため、電磁波吸収体としての特性を満たそうとすると、ｔａｎδの低下（低損失化）を実現することができず、アンテナ等への応用の上では実用上好ましくなかった。

本発明の課題は、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、
磁性粒子と樹脂の複合材料からなる高周波用磁性材料であって、
前記磁性粒子は、単体金属、合金又は金属間化合物であり、正の磁歪定数を有し、機械的処理によって扁平化された粒子形状を有する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の高周波用磁性材料において、
前記磁性粒子は、
厚さ方向と直交するｘｙ平面内が高透磁率面である。

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、
前記磁性粒子は樹脂又はゴム材料中に分散しており、かつ厚さ方向と直行する高透磁率面が、互いに配向されてなる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の高周波用磁性材料において、

請求項５に記載の発明の高周波デバイスは、
請求項１及至のいずれか一項に記載の高周波用磁性材料を用いて形成されたアンテナ、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６に記載の発明の磁性粒子は、
単体金属、合金又は金属間化合物であり、正の磁歪定数を有し、機械的処理によって扁平化された粒子形状を有する。

請求項７に記載の発明の磁性粒子は、
厚さ方向と直交するｘｙ平面内に高透磁率面を有する。

本発明によれば、高周波用磁性材料の低損失化を実現することができる。

磁性粒子の直径（ｄ）と厚さ（ｔ）とを示した図である。 磁気共鳴周波数と残留応力との関係を示した図である。 高周波用磁性材料の断面ＳＥＭ像を示した図である。 （Ａ）は、従来例の透磁率Ｒｅ（μ）及びｔａｎδの周波数特性と、本発明の透磁率Ｒｅ（μ）及びｔａｎδの周波数特性とを示した図である。（Ｂ）は、２００ＭＨｚ、７００ＭＨｚにおける本発明と従来例との透磁率Ｒｅ（μ）及びｔａｎδの特性表である。 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。 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。 高周波用磁性材料を適用したインダクタの一例を示した図である。 高周波用磁性材料を適用した回路基板の一例を示した図である。

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。

図１は、磁性粒子の概略図を示した図である。ｄは、磁性粒子の直径を示し、ｔは磁性粒子の厚さを示す。ｘｙｚは、結晶の軸方向を示す。このうち、ｚ軸方向（厚さ方向）は、圧縮軸方向（磁性粒子を扁平に加工する処理において、圧縮力の作用する方向）を示す。磁性粒子形状を扁平にする処理（以下、扁平化処理）は、ロール圧延、ビーズミル、ボールミル又はアトライター等によって機械的に磁性粒子を扁平にする処理（機械的処理）が行われる。

図１に示すような磁性粒子における残留ひずみによる磁気弾性エネルギーＥ_σは、以下の式（１）で表される。
ここで、λは磁歪定数、σは残留応力、θは圧縮軸と磁化のなす角を示す。

また、（１）式を残留歪みにより誘起された一軸磁気異方性定数Ｋ_uσで表すと以下の式（２）で表される。

ここで、磁歪定数が正（λ＞０）、残留応力が圧縮（σ＜０）の場合、K_uσは負となり、一部の六方晶系フェライトと同様のメカニズムで磁気共鳴周波数ｆｒのシフトが生じる。このときの扁平面（厚さ方向であるｚ軸と直交するｘｙ平面）内の異方性磁界をＨ_ａ１、圧縮軸方向の異方性磁界をＨ_ａ２とすると、磁気共鳴周波数ｆｒは式（３）で表される。
ここで、νは、ジャイロ磁気定数である。

さらに、Ｈ_ａ１＝２｜Ｋ_１｜／Ｉ_ｓ、Ｈ_ａ２＝２｜Ｋ_ｕσ｜／Ｉ_ｓを用いると、磁気共鳴周波数は式（４）で表される。
ここで、Ｋ_１は、磁気異方性定数、Ｉ_ｓは、飽和磁化である。

式（４）を用いて、扁平化処理されたＣｏ−５０ａｔ％Ｆｅを例として磁気共鳴周波数ｆｒを計算する。本組成のＣｏ−Ｆｅは、主要な方向の磁歪定数λ_１００及びλ_１１１が共に正であり、本発明の効果が多数の粒子において発現する。加えて、飽和磁化が大きく、周波数限界（スヌークの限界）が高いため好ましい。なお、本実施の形態では、磁性粒子として、Ｃｏ−Ｆｅ（合金）を一例として説明するが、磁性粒子は、単体金属又は金属間化合物としてもよい。

磁気共鳴周波数ｆｒの計算は式（４）にＣｏ−５０ａｔ％Ｆｅにおける各値として、Ｉｓ＝２．３５（Ｗｂ／ｍ^２）、Ｋ_１＝−１１×１０^３（Ｊ／ｍ^３）、λ＝１５０×１０^−６、γ＝１．１０５×１０^５ｇ（ｍ／Ａ・ｓ）＝２．２１０×１０^５（ｍ／Ａ・ｓ）を代入することで行われる。

図２に上記の各値を式（４）に代入して得られたｆｒと、残留応力σとの関係を示す。縦軸は磁気共鳴周波数ｆｒを示し、縦軸は残留応力σを示す。図２に示すように、残留応力σの増加につれて磁気共鳴周波数ｆｒが高くなる。磁気共鳴周波数ｆｒが高くなると、ｔａｎδの周波数特性が高周波側にシフトする（図４参照）。そして、磁気共鳴周波数以下の周波数帯においては、ｔａｎδは減少する事となる。

図３に、高周波用磁性体をゴム材料中に混練し、圧縮成形して得た高周波用磁性材料の断面ＳＥＭ像を示す。具体的な成形条件は、磁性材料：Ｃｏ−５０ｗｔ％Ｆｅ、平均粒径：５．８μｍ、扁平化方法：ビーズミル、ゴム材料：ＣＰＥ（塩素化ポリエチレンゴム）、成型方法：熱プレス（圧縮成型）、成型体サイズ：８０（ｍｍ）×８０（ｍｍ）×１（ｍｍｔ）、磁性粒子充填率：２０ｖｏｌ％である。また、図５に示すＳＥＭ像は、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥＳＥＭ）、加速電圧１０ｋＶ、観察倍率２０００倍の条件で撮像した。

このとき、成型方法として圧縮成型を用いているので、成型時における圧縮により、各磁性粒子の高透磁率面である扁平面（ｘｙ平面内方向：厚さ方向であるｚ軸に直交する平面内方向）が平行に配列する（配向）。

また、成形方法として射出成型を用いてもよい。射出成形を用いた場合、加熱溶融された高周波磁性体（熱可塑性樹脂及び磁性材料）を金型内に射出注入する際、磁性粒子の高透磁率方向は抵抗の低い方向（すなわち、ｘｙ平面内方向）に配向される。成形方法は、これに限ったものではなく、溶液中に本磁性粒子を分散させた後に、キャスト法、スピンコート、ディップコート、を用いて基体上に塗布し、固化させる事としてもよい。
また、このとき、機械的な成形（圧縮成形、射出成形）でなく、磁界を印加して高透磁率方向を配向させることとしてもよい。

図４（Ａ）に、透磁率Ｒｅ（μ）及びｔａｎδと、周波数との関係を示す。具体的には、図４（Ａ）は、従来例（Ｆｅ）の透磁率Ｒｅ（μ）及びｔａｎδの周波数特性と、本発明（正の磁歪定数を有し、粒子形状が扁平に処理された磁性粒子を含む高周波用磁性材料：図３で説明した高周波用磁性材料ＣｏＦｅ）の透磁率Ｒｅ（μ）及びｔａｎδの周波数特性とを示した図である。縦軸は透磁率Ｒｅ（μ）及びｔａｎδを示し、横軸は周波数を示す。ここで、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。本実施の形態では、単に透磁率Ｒｅ（μ）として説明する。

図４（Ａ）に示すように、本発明による特性では、１００ＭＨｚから７ＧＨｚまでの広い周波数範囲において、ｔａｎδが低くなっている。１００ＭＨｚ以下のｔａｎδは、測定限界の為に値は取得できていないが、原理的に本発明の効果が及ぶ事は自明である。これにより、高周波用磁性材料をアンテナに応用することが可能となる。

図４（Ｂ）は、２００ＭＨｚ、７００ＭＨｚにおける本発明と従来例との透磁率Ｒｅ（μ）及びｔａｎδの特性表である。図４（Ｂ）に示すように、２００ＭＨｚ、７００ＭＨｚにおいて、本発明におけるｔａｎδは、従来例におけるｔａｎδよりも低い値となる。また、本発明における透磁率Ｒｅ（μ）は、２００ＭＨｚから７００ＭＨｚにおいて値（３．６）が変化せず、維持されている。

次に、図５〜図８を参照して、本発明に係る高周波用磁性材料を用いて形成された高周波デバイス（アンテナ、インダクタ、回路基板）の一例を説明する。

図５及び図６は、高周波用磁性材料を用いて形成された（適用した）アンテナの一例を示した図である。図５（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５（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５（Ｃ）（Ｄ）及び図６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５（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５（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６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７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７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８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８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８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、正の磁歪定数を有し、粒子形状が扁平に処理された磁性粒子（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ）を含む高周波用磁性材料は、ｔａｎδの周波数特性が高周波側にシフトする。これにより、ｔａｎδが低くなる帯域が広がり、低周波領域においてｔａｎδの低下を実現することができる。具体的には、１００ＭＨｚ〜７ＧＨｚまでの広範囲及び１００ＭＨｚ以下の周波数帯にわたり、従来例と比較してｔａｎδを低くすることができる。このため、高周波用磁性材料の低損失化を実現することができる。

また、磁性粒子間の静磁気的相互作用が磁気特性に及ぼす影響が少ないため、充填率を高くした際にも、透磁率の周波数特性の悪化、ｔａｎδの増加が少ない。このため、製品設計（磁気応用製品）に応じた適当な充填率を選ぶ自由度が高くなる。

また、高周波用磁性材料は、高周波用磁性体を圧縮成形又は射出成形することで製造されるので、容易に平面内（ｘｙ平面内）に高透磁率方向を配向させることができる。

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、高周波用磁性体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、磁性粒子の表面には粒子間の絶縁を目的として非磁性材料（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、樹脂材料（流動性を有する樹脂材料）と磁性粒子との混練装置としては、押出成型機、自公転式混合装置、ボールミルなどを用いることとしてもよい。

また、成形方法としては、押出成形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

Claims (7)

1. 磁性粒子と樹脂の複合材料からなる高周波用磁性材料であって、
   前記磁性粒子は、単体金属、合金又は金属間化合物であり、正の磁歪定数を有し、機械的処理によって扁平化された粒子形状を有する高周波用磁性材料。
2. 前記磁性粒子は、
   厚さ方向と直交するｘｙ平面内に高透磁率面を有する請求項１に記載の高周波用磁性材料。
3. 前記磁性粒子は樹脂又はゴム材料中に分散しており、かつ厚さ方向と直行する高透磁率面が、互いに配向されてなる請求項１又は２に記載の高周波用磁性材料。
4. 前記磁性粒子は、射出成形または圧縮成形によって前記材料中に互いに配向される請求項３に記載の高周波用磁性材料。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の高周波用磁性材料を用いて形成されたアンテナ、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。
6. 単体金属、合金又は金属間化合物であり、正の磁歪定数を有し、機械的処理によって扁平化された粒子形状を有する磁性粒子。
7. 厚さ方向と直交するｘｙ平面内に高透磁率面を有する請求項６に記載の磁性粒子。