JP4654881B2 - 軟磁性材料を用いて製造された圧粉磁心 - Google Patents

Description

本発明は、軟磁性材料を用いて製造された圧粉磁心に関し、より特定的には、金属磁性粒子（純鉄粉）と、金属磁性粒子を被覆する絶縁被膜とを有する複数の複合磁性粒子を備えた軟磁性材料を用いて製造された圧粉磁心に関する。

電磁弁、モータ、または電源回路などを有する電気機器には、軟磁性材料を加圧成形した圧粉磁心が使用されている。この軟磁性材料は、複数の複合磁性粒子よりなっており、複合磁性粒子は金属磁性粒子と、その表面を被覆するガラス状の絶縁性有機被膜とを有している。軟磁性材料には、小さな磁場の印加で大きな磁束密度を得ることができ、外部からの磁界変化に対して敏感に反応できる磁気的特性が求められる。

この軟磁性材料を交流磁場で使用した場合、鉄損と呼ばれるエネルギー損失が生じる。この鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損との和で表わされる。ヒステリシス損とは、軟磁性材料の磁束密度を変化させるために必要なエネルギーによって生じるエネルギー損失をいう。ヒステリシス損は作動周波数に比例するので、主に低周波領域において支配的になる。また、ここで言う渦電流損とは、主として軟磁性材料を構成する金属磁性粒子間を流れる渦電流によって生じるエネルギー損失をいう。渦電流損は作動周波数の２乗に比例するので、主に高周波領域において支配的になる。近年、電気機器の小型化、効率化、および大出力化が要求されており、これらの要求を満たすためには、電気機器を高周波領域で使用することが必要である。このため、圧粉磁心には特に渦電流損の低下が求められている。

軟磁性材料の鉄損のうち、ヒステリシス損を低下させるためには、金属磁性粒子内の歪や転位を除去して磁壁の移動を容易にすることで、軟磁性材料の保磁力Ｈｃを小さくすればよい。一方、軟磁性材料の鉄損のうち、渦電流損を低下させるためには、金属磁性粒子を絶縁性有機被膜で確実に被覆し、金属磁性粒子間の絶縁性を確保することで、軟磁性材料の電気抵抗率ρを大きくすればよい。

なお、軟磁性材料に関する技術が、たとえば特開２００３−２７２９１１号公報（特許文献１）に開示されている。上記特許文献１には、鉄を主成分とする粉末の表面に耐熱性の高いリン酸アルミニウム系の絶縁性有機被膜が形成された鉄基粉末（軟磁性材料）が開示されている。上記特許文献１では、以下の方法により圧粉磁心が製造されている。まず、アルミニウムを含むリン酸塩と、たとえばカリウム等を含む重クロム塩とを含む絶縁被覆水溶液が鉄粉に噴射される。次に、絶縁被覆水溶液が噴射された鉄粉が３００℃で３０分間保持され、１００℃で６０分間保持される。これにより、鉄粉に形成された絶縁性有機被膜が乾燥され、鉄基粉末が得られる。次に、鉄基粉末が加圧成形され、加圧成形後に熱処理され、圧粉磁心が完成する。
特開２００３−２７２９１１号公報

上述のように、圧粉磁心は軟磁性材料を加圧成形することによって製造されるため、軟磁性材料には高い成形性が要求される。しかし、軟磁性材料の加圧成形の際には、絶縁性有機被膜が圧力によって破壊されやすい。その結果、鉄粉の粒子同士が電気的に短絡しやすくなり、渦電流損自体が増大する問題や、成形後の歪み取り熱処理工程に於いて絶縁性有機被膜の劣化進行が早くなり渦電流損が増大しやすいという問題があった。対して、絶縁性有機被膜の破壊を防止するために加圧成形の圧力を低くすれば、得られる圧粉磁心の密度が低くなり、十分な磁気特性を得ることができなくなる。このため、加圧成形の圧力を低くすることはできなかった。加圧成形時の絶縁性有機被膜の破壊を抑制する別の手段として、真球状のガスアトマイズ粉末を利用することが挙げられるが、一般に成形体の高密度化に向いておらず、また成形体強度が低いという問題がある。

したがって、本発明の目的は、渦電流損を低減することができ、かつ高強度の成形体を得ることのできる軟磁性材料を用いて製造された圧粉磁心を提供することである。

本発明の圧粉磁心は、純鉄粉と、純鉄粉を被覆する絶縁被膜とを有する複数の複合磁性粒子を備えた軟磁性材料を用いて製造された圧粉磁心である。複数の複合磁性粒子の各々は、円相当径に対する最大径の比Ｒ_m/cが１．１５を越えて１．３５以下であり、絶縁被膜はシルセスキオキサンよりなっており、かつ熱硬化後の鉛筆硬度が５Ｈ以上である。複数の複合磁性粒子の各々の平均粒径をｄ _AVE （μｍ）とし、純鉄粉の電気抵抗率をρ（μΩｃｍ）とした場合に、励起磁束密度１（Ｔ）、励起磁束の周波数１（ｋＨｚ）での渦電流損失Ｗｅ _10/1k が０．０２×（ｄ _AVE ） ² ／ρ（Ｗ／ｋｇ）以下であり、かつ室温での３点曲げ強度σ _３ｂ が８００×（Ｒ _m/c ） ^0.75 ／（ｄ _AVE ） ^0.5 （ＭＰａ）以上である。

本願発明者らは、軟磁性材料の加圧成形時における絶縁被膜の破壊の原因が、金属磁性粒子の突起部（曲率半径の小さな部分）にあることを見出した。すなわち、加圧成形時には、特に金属磁性粒子の突起部に応力集中が生じ、突起部が大きく変形する。このとき絶縁被膜は、金属磁性粒子とともに大きく変形することができずに破壊されたり、突起部先端によって突き破られたりする。したがって、加圧成形時における絶縁被膜の破壊を防ぐためには、金属磁性粒子の突起部を減らすことが効果的である。

ここで、金属磁性粒子には、水アトマイズ法により生成された原料粉末（以下、水アトマイズ粉と記す）と、ガスアトマイズ法により生成された原料粉末（以下、ガスアトマイズ粉と記す）とがある。水アトマイズ粉の粒子には多数の突起部があるので、加圧成形時において絶縁被膜が破壊されやすい。一方、ガスアトマイズにより生成された原料粉末（以下、ガスアトマイズ粉と記す）はほぼ真球に近く、突起部が少ない形状である。そこで、金属磁性粒子として水アトマイズ粉ではなくガスアトマイズ粉を用いることで、加圧成形時の絶縁被膜の破壊を防止することも考えられる。ところが、金属磁性粒子はその表面にある凹凸の噛み合わせによって互いに接合されているので、真球に近い形状であるガスアトマイズ粉の金属磁性粒子では粒子同士が接合されにくく、成形体強度が著しく低下する。その結果、ガスアトマイズ粉の金属磁性粒子では圧粉磁心を実用上使用することができない。つまり、水アトマイズ粉およびガスアトマイズ粉をそのまま用いても、渦電流損を低減しつつ成形体強度を向上することはできない。

そこで、複数の複合磁性粒子の各々の円相当径に対する最大径の比Ｒ_m/cが１．１５を越えて１．３５以下であり、絶縁被膜は熱硬化性の有機物よりなり、かつ熱硬化後の鉛筆硬度が５Ｈ以上である軟磁性材料を用いることにより、渦電流損を低減しつつ成形体強度を向上できることを本願発明者らは見出した。本発明の軟磁性材料における複合磁性粒子は従来の水アトマイズ粉の粒子に比べて突起部が小さいので、応力集中が生じにくく、絶縁被膜が破壊されにくい。また、熱硬化前の絶縁被膜は変形追従性を有しているので、軟磁性材料を加圧成形する際に破壊されにくく、かつ高密度の成形体を得ることができる。その結果、渦電流損を低減することができる。さらに、得られた成形体を所定の熱処理により熱硬化することにより絶縁被膜の鉛筆硬度が５Ｈ以上となり、絶縁被膜が高硬度に変性するため、高強度の成形体を得ることができる。

本発明の軟磁性材料において好ましくは、未熱硬化状態での絶縁被膜の平均膜厚が１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

絶縁被膜の平均厚みを１０ｎｍ以上とすることによって、絶縁被膜が応力集中を受けても破れにくくなり、成形時の圧縮応力への耐性が向上する。また、トンネル電流の発生を防止でき、渦電流によるエネルギー損失を効果的に抑制することができる。一方、絶縁被膜の厚みを５００ｎｍ以下とすることによって絶縁被膜が金属磁性粒子から剥離しにくくなり、成形時のせん断応力への耐性が向上する。また、軟磁性材料に占める絶縁被膜の割合が大きくなりすぎない。このため、この軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の磁束密度が著しく低下することを防止できる。

本発明の軟磁性材料において好ましくは、複数の複合磁性粒子の各々の平均粒径ｄ_AVEが１０μｍ以上５００μｍ以下である。

複数の複合磁性粒子の各々の平均粒径ｄ_AVEが１０μｍ以上である場合、金属が酸化されにくくなるため、軟磁性材料の磁気的特性の低下を抑止できる。また、複数の複合磁性粒子の各々の平均粒径が５００μｍ以下である場合、加圧成形時において混合粉末の圧縮性が低下することを抑止できる。これにより、加圧成形によって得られた成形体の密度が低下せず、取り扱いが困難になることを防ぐことができる。また磁気特性の観点からも、平均粒径が１０μｍ以上である場合、粉末充填時のブリッジ形成に起因する空隙発生の反磁界効果による鉄損の増大を抑制できる効果と、平均粒径が５００μｍ以下である場合、粒子内渦電流損の発生による渦電流損の増大を抑制できる効果がある。

本発明の軟磁性材料において好ましくは、複数の複合磁性粒子の各々は、金属磁性粒子と絶縁被膜との間に形成されたカップリング被膜をさらに有している。

これにより、金属磁性粒子と絶縁被膜の密着性を向上し、成形時の絶縁被膜の破損を抑制することができる。カップリング被膜としては、金属磁性粒子および絶縁被膜の両方との密着性に優れた材料が用いられる。

本発明の圧粉磁心は、上記の軟磁性材料を用いて製造されている。これにより、低渦電流損であり、かつ高強度の圧粉磁心を得ることができる。

本発明の軟磁性材料を用いて製造された圧粉磁心によれば、渦電流損を低減することができ、かつ高強度の成形体を得ることができる。

以下、本発明の一実施の形態について図を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における軟磁性材料を模式的に示す図である。図１を参照して、本実施の形態における軟磁性材料は、金属磁性粒子１０と、金属磁性粒子１０の表面を取り囲む絶縁被膜２０とを有する複数の複合磁性粒子３０を含んでいる。

図２は、本発明の一実施の形態における圧粉磁心の拡大断面図である。なお、図２の圧粉磁心は、図１の軟磁性材料に加圧成形および熱処理を施すことによって製造されたものである。図１および図２を参照して、本実施の形態における圧粉磁心において、複数の複合磁性粒子３０の各々は、たとえば複合磁性粒子３０の各々の間に介在している有機物（図示なし）や、複合磁性粒子３０が有する凹凸の噛み合わせなどによって接合されている。

図３は、本発明の一実施の形態における軟磁性材料を構成する１個の複合磁性粒子を模式的に示す平面図である。図３を参照して、本発明の軟磁性材料における複合磁性粒子３０は、円相当径に対する最大径の比Ｒ_m/cが１．１５を超えて１．３５以下である。複合磁性粒子３０の最大径、円相当径の各々は、以下の方法によって規定される。

複合磁性粒子３０の最大径は、光学的手法（たとえば光学顕微鏡による観察）によって複合磁性粒子３０の形状を特定し、最大の粒子径となる部分の長さで規定される。また、複合磁性粒子３０の円相当径は、光学的手法（たとえば光学顕微鏡による観察）によって複合磁性粒子３０の形状を特定し、平面的に見た場合の複合磁性粒子３０の表面積Ｓを測定し、以下の式（１）を用いて算出される。

円相当径＝２×｛表面積Ｓ／π｝^1/2 ・・・（１）
すなわち、円相当径に対する最大径の比は、図４に示すように複合磁性粒子が真球である場合には１となる。また、図５に示すように複合磁性粒子に大きな突起部が存在する程大きくなる。

図１〜図３を参照して、複合磁性粒子３０の平均粒径ｄ_AVEは、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。複合磁性粒子３０の平均粒径ｄ_AVEが１０μｍ以上である場合、金属が酸化されにくくなるため、軟磁性材料の磁気的特性の低下を抑止できる。また、複合磁性粒子３０の平均粒径ｄ_AVEが５００μｍ以下である場合、加圧成形時において混合粉末の圧縮性が低下することを抑止できる。これにより、加圧成形によって得られた成形体の密度が低下せず、取り扱いが困難になることを防ぐことができる。

なお、平均粒径とは、ふるい法によって測定した粒径のヒストグラム中、粒径の小さいほうからの質量の和が総質量の５０％に達する粒子の粒径、つまり５０％粒径Ｄをいう。

金属磁性粒子１０は、たとえばＦｅ、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎ（窒素）系合金、Ｆｅ−Ｎｉ（ニッケル）系合金（パーマロイ）、Ｆｅ−Ｃ（炭素）系合金、Ｆｅ−Ｂ（ホウ素）系合金、Ｆｅ−Ｃｏ（コバルト）系合金、Ｆｅ−Ｐ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ（クロム）系合金あるいはＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ系合金（センダスト）などから形成されている。金属磁性粒子１０はＦｅを主成分としていればよく、金属単体でも合金でもよい。

絶縁被膜２０は、金属磁性粒子１０間の絶縁層として機能する。金属磁性粒子１０を絶縁被膜２０で覆うことによって、この軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の電気抵抗率ρを大きくすることができる。これにより、金属磁性粒子１０間に渦電流が流れるのを抑制して、圧粉磁心の渦電流損の中で、粒間を流れる渦電流に起因する渦電流損を低減させることができる。絶縁被膜２０は熱硬化性の有機物よりなっており、かつ熱硬化後の鉛筆硬度が５Ｈ以上である。具体的には、低分子型シリコーン樹脂やアクリル樹脂などのように、熱硬化処理により硬度が低い状態から非常に高硬度の状態に変性するものが好ましく、樹脂としての性状と変性後の硬化に特徴のある有機−無機ハイブリット材料を用いることがより好ましい。

熱硬化後の絶縁被膜の硬度に関しては、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards） Ｋ ５６００−５−４に記載される鉛筆法によるひっかき強度（鉛筆硬度）によって評価される。評価試料としては、ガラス基板上に絶縁被膜となる材料を塗布し、所定の条件でこの材料を熱硬化処理したものが用いられる。

絶縁被膜２０の平均膜厚は、未熱硬化状態で１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。絶縁被膜２０の平均膜厚を１０ｎｍ以上とすることによって、絶縁被膜２０が応力集中を受けても破れにくくなり、成形時の圧縮応力への耐性が向上する。また、トンネル電流の発生を防止でき、渦電流によるエネルギー損失を効果的に抑制することができる。一方、絶縁被膜２０の平均膜厚を５００ｎｍ以下とすることによって絶縁被膜２０が金属磁性粒子１０から剥離しにくくなり、成形時のせん断応力への耐性が向上する。また、軟磁性材料に占める絶縁被膜２０の割合が大きくなりすぎない。このため、軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の磁束密度が著しく低下することを防止できる。

絶縁被膜の平均膜厚に関しては、たとえばＴＥＭによる観察によって測定することができる。また、ＩＣＰ分析により絶縁被膜の構成元素の質量分析を行ない、被被覆粉末の表面積と絶縁被膜の密度から換算した値として導出することができる。

なお、上記においては金属磁性粒子を被覆する層が１層である場合について示したが、
金属磁性粒子を被覆する層が以下に述べるように複数層であってもよい。

図６は、本発明の一実施の形態における他の軟磁性材料を模式的に示す図である。図６を参照して、本実施の形態における他の軟磁性材料において、複合磁性粒子３０の各々は、カップリング被膜２１と、保護被膜２２とをさらに有している。カップリング被膜２１は金属磁性粒子１０の表面を覆うように金属磁性粒子１０と絶縁被膜２０との間に形成されており、保護被膜２２は絶縁被膜２０の表面を覆うように形成されている。言い換えれば、カップリング被膜２１、絶縁被膜２０、および保護被膜２２の各々は、この順序で積層されて金属磁性粒子１０の表面を被覆している。

カップリング被膜２１としては、金属磁性粒子および絶縁被膜の両方との密着性に優れた材料が用いられる。また、加圧変形を阻害せず、かつ導電性を示さない材料が望ましい。具体的には、リン酸金属塩、ホウ酸金属塩などのガラス質の絶縁性アモルファス膜が適している。また、シランカップリング剤などの親水基を有する有機カップリング剤を用いてもよい。保護被膜２２としては、滑り性を向上させる効果を有するたとえばワックスなどの材料が用いられる。

図７は、本発明の一実施の形態における他の圧粉磁心の拡大断面図である。図７の圧粉磁心は、図６の軟磁性材料に加圧成形、熱硬化処理、および歪み取り熱処理を施すことによって製造されたものである。図６および図７を参照して、絶縁被膜２０として樹脂を用いた場合には、熱処理の際に樹脂が熱分解、気化などの化学変化をする。また、保護被膜２２としてワックスを用いた場合には、ワックスが熱処理の熱により除去されることもある。

続いて、本実施の形態における軟磁性材料および圧粉磁心を製造する方法について説明する。図８は、本発明の一実施の形態における圧粉磁心の製造方法を工程順に示す図である。

図８を参照して、始めに、Ｆｅを主成分としており、たとえば純度９９．８%以上の純鉄や、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、またはＦｅ−Ｃｏ系合金などよりなる金属磁性粒子１０の原料粉末を準備する（ステップＳ１）。このとき、準備する金属磁性粒子１０の平均粒径を１０μｍ以上５００μｍ以下とすることにより、製造された軟磁性材料における複合磁性材料３０の各々の平均粒径を１０μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。これは、カップリング被膜２１、絶縁被膜２０、および保護被膜２２を合わせた膜厚が金属磁性粒子１０の粒径に比べて無視できる程度に薄く、複合磁性粒子３０の粒径と金属磁性粒子１０の粒径はほぼ同一になるためである。

金属磁性粒子１０が水アトマイズ粉である場合には、金属磁性粒子１０の表面には多数の突起部が存在する。そこで、これらの突起部を除去するために、次に金属磁性材料１０の表層を平滑化する（ステップＳ１ａ）。具体的には、ボールミルを用いて軟磁性材料の表面を摩耗させ、金属磁性粒子１０の表面の突起部を除去する。ボールミル加工時間を長くする程、突起部は除去されるので、金属磁性粒子１０の形状は真球に近くなる。ボールミル加工時間をたとえば３０分〜６０分とすることで、円相当径に対する最大径の比が１．１５を超えて１．３５以下である金属磁性粒子１０が得られる。

次に、金属磁性粒子１０を４００℃以上融点未満の温度で熱処理する（ステップＳ２）。熱処理前の金属磁性粒子１０の内部には、多数の歪み（転位、欠陥）が存在している。そこで、金属磁性粒子１０に熱処理を実施することによって、この歪みを低減させることができる。熱処理の温度は、７００℃以上９００℃未満であることがさらに好ましい。この温度域で処理することによって、歪み取りの効果を十分に得ることができ、かつ、粉末同士が焼結してしまうことを回避できる。なお、この熱処理は省略されてもよい。

次に、必要に応じて、金属磁性粒子１０と絶縁性有機被膜２０の密着性を向上するためのカップリング被膜２１を形成する（ステップＳ３）。カップリング被膜２１としては、加圧変形を阻害せず、かつ導電性を示さないことが求められ、たとえばリン酸金属塩、ホウ酸金属塩等のガラス質の絶縁性アモルファス膜が適している。リン酸塩絶縁被膜の形成方法としては、リン酸塩化成処理の他に溶剤吹きつけや前駆体を用いたゾルゲル処理を利用することもできる。また、シランカップリング剤等の親水基を有する有機カップリング剤を用いることもできる。なお、カップリング被膜は形成されなくてもよい。

次に、熱硬化性の有機物よりなり、かつ熱硬化後の鉛筆硬度が５Ｈ以上である材料よりなる絶縁被膜２０を形成する（ステップＳ４）。絶縁被膜２０としては、たとえばシリコン系有機−無機ハイブリット材料であるシルセスキオキサンが用いられる。絶縁被膜２０は、金属磁性粒子１０と、有機溶媒に溶かしたシルセスキオキサンまたはその誘導体を混合あるいは噴霧し、その後乾燥させて溶媒を除去することによって形成される。

次に、絶縁被膜２０の表面にたとえばワックスよりなる保護皮膜２２を形成する（ステップＳ５）。なお、保護被膜は形成されなくてもよい。

以上の工程により、本実施の形態の軟磁性材料が得られる。なお、本実施の形態における圧粉磁心を製造する場合には、さらに以下の工程が行なわれる。

次に、複合磁性粒子３０と、バインダである有機物とを混合する（ステップＳ６）。なお、混合方法に特に制限はなく、たとえばＶ型混合機を用いた乾式混合でもよいし、ミキサー型混合機を用いた湿式混合でもよい。これにより、複数の複合磁性粒子３０の各々が有機物で互いに接合された形態となる。なお、このバインダの混合は省略されてもよい。

有機物としては、熱可塑性ポリイミド、熱可塑性ポリアミド、熱可塑性ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミドまたはポリエーテルエーテルケトンなどの熱可塑性樹脂や、高分子量ポリエチレン、全芳香族ポリエステルまたは全芳香族ポリイミドなどの非熱可塑性樹脂や、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウム、パルミチン酸リチウム、パルミチン酸カルシウム、オレイン酸リチウムおよびオレイン酸カルシウムなどの高級脂肪酸系を用いることができる。また、これらを互いに混合して用いることもできる。

次に、得られた軟磁性材料の粉末を金型に入れ、たとえば３９０（ＭＰａ）から１５００（ＭＰａ）までの圧力で加圧成形する（ステップＳ７）。これにより、金属磁性粒子１０の粉末が圧縮された成形体が得られる。なお、加圧成形する雰囲気は、不活性ガス雰囲気または減圧雰囲気とすることが好ましい。この場合、大気中の酸素によって混合粉末が酸化されるのを抑制することができる。

次に、加圧成形によって得られた成形体を、絶縁被膜２０の熱硬化温度以上絶縁被膜２０の熱分解温度以下の温度で熱硬化処理する（ステップＳ８）。これにより、絶縁被膜２０が熱硬化し、成形体の強度が向上する。

なお、上記においては絶縁被膜２０の熱硬化処理が軟磁性材料の加圧成形の後に行なわれる場合について示したが、加圧成形の際に、絶縁被膜２０の熱硬化温度以上絶縁被膜２０の熱分解温度以下の温度に設定された金型を用いてもよい。この場合には金型によって絶縁被膜を加熱することができるので、加圧成形と熱硬化処理とを同時に行なうことができる。

次に、絶縁被膜２０が絶縁性を失う温度よりも低い温度で成形体を熱処理する（ステップＳ９）。加圧成形を経た圧粉成形体の内部には歪や転位が多数発生しているので、熱処理によりこのような歪や転位を取り除くことができる。なお、この歪み取り熱処理は省略されてもよい。以上に説明した工程により、本実施の形態の圧粉磁心が完成する。

本実施の形態の軟磁性材料および圧粉磁心によれば、渦電流損を低減しつつ成形体強度を向上することができる。これについて以下に説明する。

図９は、水アトマイズ粉よりなる複合磁性粒子の結合状態を示す模式図である。図９を参照して、水アトマイズ粉から得られた複合磁性粒子１３０ａには多数の突起部１３１がある。このため、複合磁性粒子１３０ａによれば、突起部によって複合磁性粒子１３０ａ同士が噛み合うので、複合磁性粒子１３０ａ同士の接合を強化することができ、成形体強度を向上することができる。一方、複合磁性粒子１３０ａでは、加圧成形時において突起部に応力集中が生じることにより、絶縁性有機被膜が破壊される。その結果、渦電流損の増大を招く。

また、図１０は、ガスアトマイズ粉よりなる複合磁性粒子の結合状態を示す模式図である。図１０を参照して、ガスアトマイズ粉から得られた複合磁性粒子１３０ｂには突起部がほとんどない。このため、複合磁性粒子１３０ｂによれば、加圧成形時に絶縁性有機被膜が破壊されることを防止でき、渦電流損を低減することができる。一方、複合磁性粒子１３０ａにおいては、突起部がないために複合磁性粒子１３０ｂ同士の接合が弱まり、成形体強度の低下を招く。

図９および図１０に示すように、従来の水アトマイズ粉およびガスアトマイズ粉から得られた複合磁性粒子では、渦電流損を低減しつつ成形体強度を向上することはできない。これに対して、図１１に示すように、本発明の軟磁性材料を構成する複合磁性粒子３０の凹凸３１は水アトマイズ粉よりなる複合磁性粒子１３０ａの突起部１３１に比べて突起が小さい。このため、加圧成形時に絶縁被膜２０が破壊されることを抑止でき、渦電流損を低減することができる。さらに絶縁被膜２０は、熱硬化前には変形追従性に優れていることから、渦電流損をより低減することができる。また、絶縁被膜２０は、熱硬化後の鉛筆硬度が５Ｈ以上と高硬度を示し、絶縁被膜２０を介した状態でも金属磁性粒子１０同士のネッキング接合を大きく低下させない効果を発揮するため、高い成形体強度を実現できる。

また、本実施の形態の圧粉磁心は、複合磁性粒子３０の各々の平均粒径をｄ_AVE（μｍ）とし、金属磁性粒子１０の電気抵抗率をρ（μΩｃｍ）とした場合に、励起磁束密度１（Ｔ）、励起磁束の周波数１（ｋＨｚ）での渦電流損失Ｗｅ_10/1kが０．０２×（ｄ_AVE）²／ρ（Ｗ／ｋｇ）以下であり、かつ室温での３点曲げ強度σ_３ｂが８００×（Ｒ_m/c）^０．７５／（ｄ_AVE）^０．５（ＭＰａ）以上であるものである。これら２つの式において、渦電流損が電気抵抗逆数と粒径の２乗の積に比例する関係、ならびに、強度が粒径の１／２乗に反比例する関係（ホールペッチの関係）は理論式どおりであり、各比例係数およびＲ_m/cにかかる乗数は後述する実施例から実験的に求めたものである。

本実施例では、金属磁性粒子のボールミル処理時間を変化させてそれぞれ軟磁性材料を作製し、軟磁性材料の複合磁性粒子における最大径の比（最大径／円相当径）Ｒ_m/cを検討した。

始めに、金属磁性粒子Ｐ１〜Ｐ１３として、粒径が５０〜１５０μｍであり、純度が９９．８％以上である水アトマイズ純鉄粉を準備した。平均粒径ｄ_AVEは９０μｍであり、電気抵抗率ρは１１μΩｃｍであった。続いて、ボールミルを用いて、水アトマイズ粉の金属磁性粒子を球状化した。ボールミル処理には、フリッチュ社製の「遊星型ボールミルＰ−５」を用いた。ボールミル加工時間を１分間から１２０分間の範囲で変化させ、ボールミル処理時間の異なる複数の金属磁性粒子を作製した。また、比較のため、ボールミル処理を実施しない金属磁性粒子も準備した。

次に、試料Ｐ１〜Ｐ１３となる金属磁性粒子を、ｐＨ＝２．０に調整したリン酸水溶液中に投入、攪拌し、金属磁性粒子の表面にリン酸Ｆｅ被膜よりなるカップリング被膜を形成した。続いて、カップリング被膜を形成した金属磁性粒子の表面に、シリコーン樹脂（東芝ＧＥシリコーン製、ＸＣ９６−Ｂ０４４６）よりなる絶縁被膜を形成した。絶縁被膜の被覆処理は、絶縁被膜の材料が溶解したキシレン溶液中に金属磁性粒子を投入し、攪拌した後、キシレンを揮発させることにより行なわれた。また絶縁被膜は、平均膜厚が２００ｎｍとなるように調整して形成された。これにより試料Ｐ’１〜Ｐ’１３の軟磁性材料を得た。

こうして得られた試料Ｐ’１〜Ｐ’１３の軟磁性材料について、複合磁性粒子の円相当径に対する最大径の比（最大径／円相当径）Ｒ_m/cを測定した。その結果を表１および図１２に示す。

表１および図１２を参照して、試料Ｐ’１〜Ｐ’１３の各々を比較して、ボールミル加工時間が長くなる程、複合磁性粒子における円相当径に対する最大径の比Ｒ_m/cが１に近づいている。特に試料Ｐ’７〜Ｐ’１１における比Ｒ_m/cは、１．１５を越えて１．３５以下という本発明の範囲内にある。このことから、ボールミル処理時間を長くする程、突起部が除去され、複合磁性粒子が真球に近くなることが分かる。また、絶縁被膜を構成する材料が変わっても、上記の比Ｒ_m/cに変化は見られなかった。

本実施例では、実施例１で得られた軟磁性材料を用いて圧粉磁心を製造した。具体的には実施例１で得られた試料Ｐ１〜Ｐ１３の金属磁性粒子を用いて、試料Ａ１〜Ａ１３、試料Ｂ１〜Ｂ１３、試料Ｃ１〜Ｃ１３、および試料Ｄ１〜Ｄ１３の各々の圧粉磁心を以下の方法にて製造した。これら試料Ａ１〜Ａ１３、試料Ｂ１〜Ｂ１３、試料Ｃ１〜Ｃ１３、および試料Ｄ１〜Ｄ１３は、試料Ｐ’１〜Ｐ’１３と同等のものである。

試料Ａ１〜Ａ１３：実施例１において金属磁性粒子Ｐ１〜Ｐ１３にシリコーン樹脂（東芝ＧＥシリコーン製、ＸＣ９６−Ｂ０４４６）よりなる絶縁被膜を形成した軟磁性材料を準備した。次に、軟磁性材料を９８０〜１２８０ＭＰａの面圧で加圧成形し、７．６０ｇ／ｃｍ³の密度のリング状（外径３４ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚み５ｍｍ）の成形体を作製した。また、幅１０ｍｍ、長さ５５ｍｍ、厚み１０ｍｍの直方体の成形体も同様に作製した。続いて、大気中で２００℃の温度で１時間、成形体を熱処理し、絶縁被膜を熱硬化させた。その後、窒素雰囲気にて３００℃〜７００℃の温度範囲で１時間、成形体を熱処理した。これにより圧粉磁心を得た。熱硬化後の絶縁被膜の鉛筆硬度を測定したところ、２Ｈであった。

試料Ｂ１〜Ｂ１３：実施例１において金属磁性粒子Ｐ１〜Ｐ１３にシルセスキオキサン（東亞合成製、ＯＸ−ＳＱ／２０ＳＩ）よりなる絶縁被膜を形成した軟磁性材料を準備した。これ以外の圧粉磁心の製造方法は試料Ａ１〜Ａ１３と同様である。熱硬化後の絶縁被膜の鉛筆硬度を測定したところ、４Ｈであった。

試料Ｃ１〜Ｃ１３：実施例１において金属磁性粒子Ｐ１〜Ｐ１３にシルセスキオキサン（東亞合成製、ＯＸ−ＳＱ）よりなる絶縁被膜を形成した軟磁性材料を準備した。これ以外の圧粉磁心の製造方法は試料Ａ１〜Ａ１３と同様である。熱硬化後の絶縁被膜の鉛筆硬度を測定したところ、５Ｈであった。

試料Ｄ１〜Ｄ１３：実施例１において金属磁性粒子Ｐ１〜Ｐ１３にシルセスキオキサン（東亞合成製、ＡＣ−ＳＱ）よりなる絶縁被膜を形成した軟磁性材料を準備した。これ以外の圧粉磁心の製造方法は試料Ａ１〜Ａ１３と同様である。熱硬化後の絶縁被膜の鉛筆硬度を測定したところ、７Ｈであった。

こうして得られた圧粉磁心の各々について、一次３００巻、二次２０巻の巻き線を施し、磁気特性測定用試料とした。これらの試料について、交流ＢＨカーブトレーサを用いて５０Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲で周波数を変化させて、励起磁束密度１０ｋＧ（＝１Ｔ（テスラ））における鉄損を測定した。そして鉄損から渦電流損係数を算出した。渦電流損係数の算出は、鉄損の周波数曲線を次の３つの式で最小２乗法によりフィッティングすることで行なった。そして、渦電流損係数から渦電流損Ｗｅ_10/1kを算出した。

（鉄損）＝（ヒステリシス損係数）×（周波数）＋（渦電流損係数）×（周波数）²
（ヒステリシス損）＝（ヒステリシス損係数）×（周波数）
（渦電流損）＝（渦電流損係数）×（周波数）²
また、試料Ａ１〜Ａ１３、試料Ｂ１〜Ｂ１３、試料Ｃ１〜Ｃ１３、および試料Ｄ１〜Ｄ１３の各々の圧粉磁心について、３点曲げ強度試験を行なった。この強度試験は室温にて、スパン４０ｍｍの条件で実施した。定試料Ａ１〜Ａ１３、試料Ｂ１〜Ｂ１３、試料Ｃ１〜Ｃ１３、および試料Ｄ１〜Ｄ１３の各々の圧粉磁心の各々の渦電流損Ｗｅ_10/1kおよび３点曲げ強度σ_3bの結果を表２〜表５と、図１３および図１４とに示す。

表２〜表５と、図１３および図１４とを参照して、試料Ａ１〜Ａ１３および試料Ｂ１〜Ｂ１３の３点曲げ強度σ_3bと、試料Ｃ１〜Ｃ１３および試料Ｄ１〜Ｄ１３の３点曲げ強度σ_3bとを同じ金属磁性粒子を用いたもの同士で比較すると、試料Ｃ１〜Ｃ１３および試料Ｄ１〜Ｄ１３では３点曲げ強度σ_3bが大きく向上している。特に熱硬化後の鉛筆硬度が４Ｈである試料Ｂ１〜Ｂ１３の３点曲げ強度σ_3bと、熱硬化後の鉛筆硬度が５Ｈである試料Ｃ１〜Ｃ１３の３点曲げ強度σ_3bとを同じ金属磁性粒子を用いたもの同士で比較すると、試料Ｃ１〜Ｃ１３の３点曲げ強度σ_3bは、試料Ｂ１〜Ｂ１３の３点曲げ強度σ_3bの約１．５倍にまで向上している。この結果から、熱硬化後の鉛筆硬度が５Ｈ以上である絶縁被膜を形成することにより、圧粉磁心の強度を向上できることが分かる。

また、試料Ｃ１〜Ｃ１３の各々の３点曲げ強度σ_3bを比較すると、最大径／円相当径Ｒ_m/cが１．１５以上である試料Ｃ１〜Ｃ１１では３点曲げ強度σ_3bが大きく向上している。試料Ｄ１〜Ｄ１３においても同様に、最大径／円相当径Ｒ_m/cが１．１５以上である試料Ｄ１〜Ｄ１１では３点曲げ強度σ_3bが大きく向上している。この結果から、最大径／円相当径Ｒ_m/cを１．１５以上とすることにより、圧粉磁心の強度を向上できることが分かる。

さらに、試料Ｃ１〜Ｃ１３の各々の渦電流損Ｗｅ_10/1kを比較すると、最大径／円相当径Ｒ_m/cが１．３５以下である試料Ｃ７〜Ｃ１１では渦電流損Ｗｅ_10/1kbが大きく低下している。試料Ｄ１〜Ｄ１３においても同様に、最大径／円相当径Ｒ_m/cが１．３５以下である試料Ｄ７〜Ｄ１１では渦電流損Ｗｅ_10/1kが大きく低下している。この結果から、最大径／円相当径Ｒ_m/cを１．３５以下とすることにより、渦電流損Ｗｅ_10/1kbを低減できることが分かる。以上の結果より、複合磁性粒子の円相当径に対する最大径の比Ｒ_m/cが１．１５を越えて１．３５以下であり、絶縁被膜の熱硬化後の鉛筆硬度が５Ｈ以上であることにより、渦電流損を低減でき、かつ高強度の成形体が得られることが分かる。

なお、図１３において、線Ｌ１はＷｅ_10/1k＝０．０２×（ｄ_AVE）²／ρ（Ｗ／ｋｇ）を満たす直線を示しており、本発明例であるＣ７〜Ｃ１１およびＤ７〜Ｄ１１の渦電流損Ｗｅ_10/1kは、いずれも線Ｌ１で示されるＷｅ_10/1k以下の値になっている。また、図１４において、線Ｌ２はσ_3b＝８００×（Ｒ_m/c）^0.75／（ｄ_AVE）^0.5（ＭＰａ）を満たす直線を示しており、本発明例であるＣ７〜Ｃ１１およびＤ７〜Ｄ１１の３点曲げ強度σ_3bは、いずれも線Ｌ２で示されるσ_3b以上の値になっている。

本実施例では、始めに実施例１および２とは材質および平均粒径の異なる試料Ｐ１４〜Ｐ１７の各々の金属磁性粒子を作製した。

試料Ｐ１４：金属磁性粒子として、平均粒径ｄ_AVEが５０μｍであり、純度が９９．８％以上である水アトマイズ純鉄粉を準備した。電気抵抗率ρは１１μΩｃｍであった。続いて、最大径／円相当径Ｒ_m/cが約１．２０となるように実施例１と同様のボールミル処理を行なった。

試料Ｐ１５：金属磁性粒子として、平均粒径ｄ_AVEが１６０μｍであり、純度が９９．８％以上である水アトマイズ純鉄粉を準備した。電気抵抗率ρは１１μΩｃｍであった。続いて、最大径／円相当径Ｒ_m/cが約１．２０となるように実施例１と同様のボールミル処理を行なった。

試料Ｐ１６：金属磁性粒子として、平均粒径ｄ_AVEが９０μｍであり、Ｆｅ−０．５％Ｓｉよりなる水アトマイズ純鉄粉を準備した。電気抵抗率ρは１７μΩｃｍであった。続いて、最大径／円相当径Ｒ_m/cが約１．２０となるように実施例１と同様のボールミル処理を行なった。

試料Ｐ１７：金属磁性粒子として、平均粒径ｄ_AVEが９０μｍであり、Ｆｅ−１．０％Ｓｉよりなる水アトマイズ純鉄粉を準備した。電気抵抗率ρは２５μΩｃｍであった。続いて、最大径／円相当径Ｒ_m/cが約１．２０となるように実施例１と同様のボールミル処理を行なった。

次に、得られた金属磁性粒子を用いて、熱硬化後の鉛筆硬度が互いに異なる数種類の絶縁被膜を形成し、圧粉磁心を製造した。具体的には以下のとおりである。

試料Ａ１４〜Ａ１７：試料Ｐ１４〜Ｐ１７の各々の金属磁性粒子にシリコーン樹脂（東芝ＧＥシリコーン製、ＸＣ９６−Ｂ０４４６、鉛筆硬度２Ｈ）よりなる絶縁被膜を形成した。これ以外の圧粉磁心の製造方法は実施例１の試料Ａ１〜Ａ１３と同様である。

試料Ｂ１４〜Ｂ１７：試料Ｐ１４〜Ｐ１７の各々の金属磁性粒子にシルセスキオキサン（東亞合成製、ＯＸ−ＳＱ／２０ＳＩ、鉛筆硬度４Ｈ）よりなる絶縁被膜を形成した。これ以外の圧粉磁心の製造方法は実施例１の試料Ａ１〜Ａ１３と同様である。

試料Ｃ１４〜Ｃ１７：試料Ｐ１４〜Ｐ１７の各々の金属磁性粒子にシルセスキオキサン（東亞合成製、ＯＸ−ＳＱ、鉛筆硬度５Ｈ）よりなる絶縁被膜を形成した。これ以外の圧粉磁心の製造方法は実施例１の試料Ａ１〜Ａ１３と同様である。

試料Ｄ１４〜Ｄ１７：試料Ｐ１４〜Ｐ１７の各々の金属磁性粒子にシルセスキオキサン（東亞合成製、ＡＣ−ＳＱ、鉛筆硬度７Ｈ）よりなる絶縁被膜を形成した。これ以外の圧粉磁心の製造方法は実施例１の試料Ａ１〜Ａ１３と同様である。

こうして得られた圧粉磁心の各々について、実施例１と同様の方法を用いて渦電流損Ｗｅ_10/1kを算出し、３点曲げ強度試験を行なった。試料Ａ１４〜Ａ１７、試料Ｂ１４〜Ｂ１７、試料Ｃ１４〜Ｃ１７、および試料Ｄ１４〜Ｄ１７の各々の圧粉磁心の各々の渦電流損Ｗｅ_10/1kおよび３点曲げ強度σ_3bの結果を表６に示す。なお、表６には実施例１および２における試料Ａ９、Ｂ９、Ｃ９、およびＤ９の結果も合わせて示されている。

表６を参照して、熱硬化後の鉛筆硬度が５Ｈ以上である絶縁被膜を被覆した試料Ｃ１４〜Ｃ１７および試料Ｄ１４〜Ｄ１７で、渦電流損Ｗｅ_10/1kが低下し、かつ３点曲げ強度σ_3bが向上している。以上の結果より、金属磁性粒子の材質および平均粒径に関わらず、複合磁性粒子の円相当径に対する最大径の比Ｒ_m/cが１．１５を越えて１．３５以下であり、絶縁被膜の熱硬化後の鉛筆硬度が５Ｈ以上であることにより、渦電流損を低減でき、かつ高強度の成形体が得られることが分かる。

なお、図１５は、渦電流損Ｗｅ_10/1kと０．０２×（ｄ_AVE）²／ρの値との関係を示す図である。図１６は、本発明の実施例３における３点曲げ強度σ_3bと８００×（Ｒ_m/c）^0.75／（ｄ_AVE）^0.5の値との関係を示す図である。図１５において、線Ｌ３はＷｅ_10/1k＝０．０２×（ｄ_AVE）²／ρ（Ｗ／ｋｇ）を満たす直線を示しており、本発明例であるＣ１４〜Ｃ１７およびＤ１４〜Ｄ１７の渦電流損Ｗｅ_10/1kは、いずれも線Ｌ３で示されるＷｅ_10/1k以下の値になっている。また、図１６において、線Ｌ４はσ_3b＝８００×（Ｒ_m/c）^0.75／（ｄ_AVE）^0.5（ＭＰａ）を満たす直線を示しており、本発明例であるＣ１４〜Ｃ１７およびＤ１４〜Ｄ１７の３点曲げ強度σ_3bは、いずれも線Ｌ４で示されるσ_3b以上の値になっている。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、たとえば、モーターコア、電磁弁、リアクトルもしくは電磁部品一般に利用される。

本発明の一実施の形態における軟磁性材料を模式的に示す図である。 本発明の一実施の形態における圧粉磁心の拡大断面図である。 本発明の一実施の形態における軟磁性材料を構成する１個の複合磁性粒子を模式的に示す平面図である。 複合磁性粒子が真球である場合を模式的に示す平面図である。 複合磁性粒子に大きな突起部が存在する場合を模式的に示す平面図である。 本発明の一実施の形態における他の軟磁性材料を模式的に示す図である。 本発明の一実施の形態における他の圧粉磁心の拡大断面図である。 本発明の一実施の形態における圧粉磁心の製造方法を工程順に示す図である。 水アトマイズ粉よりなる複合磁性粒子の結合状態を示す模式図である。 ガスアトマイズ粉よりなる複合磁性粒子の結合状態を示す模式図である。 本発明の複合磁性粒子の結合状態を示す模式図である 本発明の実施例１におけるボールミル処理時間と金属磁性粒子の最大径／円相当径（Ｒ_m/c）との関係を示す図である。 本発明の実施例２における金属磁性粒子の最大径／円相当径（Ｒ_m/c）と渦電流損Ｗｅとの関係を示す図である。 本発明の実施例２における金属磁性粒子の最大径／円相当径（Ｒ_m/c）と３点曲げ強度との関係を示す図である。 本発明の実施例３における渦電流損Ｗｅ_10/1kと０．０２×（ｄ_AVE）²／ρの値との関係を示す図である。 本発明の実施例３における３点曲げ強度σ_3bと８００×（Ｒ_m/c）^0.75／（ｄ_AVE）^0.5の値との関係を示す図である。

符号の説明

１０ 金属磁性粒子、２０ 絶縁被膜、２１ カップリング被膜、２２ 保護被膜、３０，１３０ａ，１３０ｂ 複合磁性粒子、３１ 凹凸、１３１ 突起部。

Claims (4)

1. 純鉄粉と、前記純鉄粉を被覆する絶縁被膜とを有する複数の複合磁性粒子を備えた軟磁性材料を用いて製造された圧粉磁心であって、
   前記複数の複合磁性粒子の各々は、円相当径に対する最大径の比Ｒ_m/cが１．１５を越えて１．３５以下であり、
   前記絶縁被膜はシルセスキオキサンよりなり、かつ熱硬化後の鉛筆硬度が５Ｈ以上であり、
   前記複数の複合磁性粒子の各々の平均粒径をｄ _AVE （μｍ）とし、前記純鉄粉の電気抵抗率をρ（μΩｃｍ）とした場合に、
   励起磁束密度１（Ｔ）、励起磁束の周波数１（ｋＨｚ）での渦電流損失Ｗｅ _10/1k が０．０２×（ｄ _AVE ） ² ／ρ（Ｗ／ｋｇ）以下であり、かつ室温での３点曲げ強度σ _３ｂ が８００×（Ｒ _m/c ） ^0.75 ／（ｄ _AVE ） ^0.5 （ＭＰａ）以上であることを特徴とする、圧粉磁心。
2. 未熱硬化状態での前記絶縁被膜の平均膜厚が１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の圧粉磁心。
3. 前記複数の複合磁性粒子の各々の平均粒径ｄ_AVEが１０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧粉磁心。
4. 前記複数の複合磁性粒子の各々は、前記純鉄粉と前記絶縁被膜との間に形成されたカップリング被膜をさらに有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の圧粉磁心。

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