JP5501970B2 - 圧粉磁心及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、軟磁性粉末からなる圧粉磁心及びその製造方法に関する。

ＯＡ機器、太陽光発電システム、自動車、無停電電源などの制御用電源には電子機器としてチョークコイルが用いられており、そのコアとして、フェライト磁心や圧粉磁心が使用されている。これらの中で、フェライト磁心は飽和磁束密度が小さいと言う欠点を有している。これに対して、金属粉末を成形して作製される圧粉磁心は、軟磁性フェライトに比べて高い飽和磁束密度を持つため、直流重畳特性に優れている。

圧粉磁心は、エネルギー交換効率の向上や低発熱などの要求から、小さな印加磁界で、大きな磁束密度を得ることが出来る磁気特性と、磁束密度変化におけるエネルギー損失が小さいという磁気特性が求められる。エネルギー損失には、圧粉磁心を交流磁場で使用した場合に生じる鉄損（Ｐｃ）と呼ばれるものがある。この鉄損（Ｐｃ）は、［式１］に示すように、ヒステリシス損失（Ｐｈ）、渦電流損失（Ｐｅ）の和で表される。このヒステリシス損失は［式２］に示すように、動作周波数に比例し、渦電流損失（Ｐｅ）は動作周波数の２乗に比例する。そのため、ヒステリシス損失（Ｐｈ）は低周波領域で支配的になり、渦電流損失（Ｐｅ）は高周波領域で支配的になる。圧粉磁心は、この鉄損（Ｐｃ）の発生を小さくする磁気特性が求められている。
［式１］Ｐｃ＝Ｐｈ＋Ｐｅ・・・（１）
［式２］Ｐｈ＝Ｋｈ×ｆ Ｐｅ＝Ｋｅ×ｆ^２・・・（２）
Ｋｈ：ヒステリシス損係数 Ｋｅ＝渦電流損係数 ｆ＝周波数

圧粉磁心のヒステリシス損失（Ｐｈ）を低減するためには、磁壁の移動を容易にすればよく、そのためには軟磁性粉末粒子の保磁力を低下させればよい。なお、この保磁力を低減することで、初透磁率の向上とヒステリシス損失の低減が図れる。渦電流損失は［式３］で示されるように、コアの比抵抗に反比例する。
［式３］Ｋｅ=ｋ１Ｂｍ^２ｔ^２／ρ・・・（３）
ｋ１：係数、Ｂｍ：磁束密度、ｔ：粒子径（板材の場合厚さ）、ρ：比抵抗

そこで、軟磁性粉末粒子として、保磁力の小さい純鉄が従来から広く用いられている。例えば、軟磁性粉末として純鉄を用いて、軟磁性粉末に対する不純物の質量割合を１２０ｐｐｍ以下にすることでヒステリシス損失を低減する方法や（例えば、特許文献１参照）、軟磁性粉末として純鉄を用いて、軟磁性粉末に含まれるマンガンの量を０．０１３ｗｔ％以下にすることでヒステリシス損失を低減する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。その他に絶縁被膜を形成する前の軟磁性粉末を加熱処理する方法が知られている。

また、絶縁被膜を形成する前の軟磁性粉末に対して、加熱処理を行うことによりヒステリシス損失を低減する方法も知られている。この方法によれば、軟磁性粒子中に存在する歪みの除去、結晶粒界などの欠陥の除去、軟磁性粉末粒子中の結晶粒子の成長（拡大）によって、磁壁移動が容易となり、保磁力を低下することができる。例えば、鉄を主成分として、Ｓｉが２〜５ｗｔ％含有、平均粒子経が３０〜７０μｍで、平均アスペクト比が１〜３である軟磁性粉末に対して、不活性雰囲気中で８００℃以上の加熱処理を行うことで、粉末粒子中の結晶粒子を大きくして、保磁力を小さくし、ヒステリシス損失を低減する方法（例えば、特許文献３参照）や、金属粒子とスペーサー粒子とを混合して、金属粒子同士を互いに分離することで、金属粒子が焼結して固まることを防止する方法（例えば、特許文献４参照）が知られている。

特開２００５−１５９１４号公報 特開２００７−５９６５６号公報 特開２００４−２８８９８３号公報 特開２００５−３３６５１３号公報

しかしながら、特許文献１，２の発明では、加圧成形後の成形体の焼鈍において、軟磁性粉末の表面の絶縁被膜が熱分解しない程度の低い温度で熱処理する必要があり、ヒステリシス損失を効果的に低減することが出来ない問題がある。

また、特許文献３の発明では、軟磁性粒子が純鉄の場合には、焼結して固まってしまうため、軟磁性粒子を機械的に粉砕する必要があり、その際に軟磁性粒子の内部に新たな歪みが発生するという問題点がある。特許文献４の発明では、熱処理後に金属粒子とスペーサー粒子を分離する必要があり利便性に欠ける。また、分離の際に、磁石を使用するため金属粒子の磁化などの問題点がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、融点が１５００℃以上の無機絶縁粉末を均一に分散させることで、利便性の良い方法で、軟磁性粉末の熱処理時に焼結して固まることがなく、ヒステリシス損失を効果的に低減する。さらに、無機絶縁粉末を均一に分散させることで、磁性粉末間に設けられたギャップが分散型ギャップとなり、直流重畳特性の改善をすることのできる圧粉磁心及びその製造方法を提供することである。

前記の目的を達成するために、本発明の圧粉磁心は、軟磁性粉末と無機絶縁粉末を混合し、その混合物に対して熱処理を施し、熱処理を施した軟磁性粉末と無機絶縁粉末に結着性樹脂を添加し、その混合物に対して、潤滑性樹脂を混合し、その混合物を、加圧成形処理して成形体を作製し、その成形体を焼鈍処理してなる圧粉磁心において、前記無機絶縁粉末の添加量が０．４ｗｔ％以上且つ、０．８ｗｔ％以下であり、前記無機絶縁粉末は、平均粒子径が７〜５００ｎｍ、且つ、融点が１５００℃以上のＡｌ_２Ｏ_３またはＭｇＯ粉末であり、前記軟磁性粉末の表面に均一に分散されて、前記軟磁性粉末を覆うものであり、前記軟磁性粉末の平均粒子径が５〜３０μｍ且つ、珪素成分が０〜６．５ｗｔ％であり、前記熱処理温度が１０００℃以上且つ軟磁性粉末が焼結を開始する温度以下での非酸化性雰囲気で熱処理を行うことにより作製されたことを特徴とする。

本発明によれば、融点が１５００℃以上の無機絶縁微粉末を均一に分散すると、粉末の熱処理の際に、軟磁性粉末粒子同士を互いに分離することが出来て、軟磁性粉末粒子が焼結して固まることを抑止することが出来る。

実施例の圧粉磁心の製造方法を示すフローチャート 第１の特性比較において、（１１０）、（２００）、（２１１）の各面の半価幅の合計を示した図 第２の特性比較において、微粉末の添加量に対する直流重畳特性の関係を示す図 第２の特性比較において、圧粉磁心の直流ＢＨ特性を示した図 第２の特性比較において、直流ＢＨ特性から、微分透磁率と磁束密度の関係を示した図 第３の特性比較において、微粉末の添加量に対する直流重畳特性の関係を示す図 第４の特性比較において、圧粉磁心の直流ＢＨ特性を示した図 第４の特性比較において、直流ＢＨ特性から、微分透磁率と磁束密度の関係を示した図 第５の特性比較において、焼鈍温度に対する鉄損の関係を示す図 第５の特性比較において、焼鈍温度に対する渦電流損の関係を示した図 第５の特性比較において、焼鈍温度に対するヒステリシス損失の関係を示した図 軟磁性粉末粒子に無機絶縁微粉末が付着した状態を示す図面代用ＳＥＭ写真 図１２に示すＳＥＭ写真を拡大した図面代用ＳＥＭ写真 無機絶縁微粉末が付着した軟磁性粉末粒子を造粒した状態の図面代用ＳＥＭ写真 無機絶縁微粉末が付着した軟磁性粉末粒子を造粒した状態における各部の構成を示す図面代用ＳＥＭ写真分析結果を示すグラフ。

［１．製造工程］
本発明の圧粉磁心の製造方法は、図１に示すような次のような各工程を有する。
（１）軟磁性粉末に無機絶縁粉末を混合する第１混合工程（ステップ１）。
（２）第１混合工程を経た混合物に対して熱処理を施す熱処理工程（ステップ２）。
（３）熱処理工程を経た軟磁性粉末と無機絶縁粉末とに結着性樹脂を添加するバインダー添加工程（ステップ３）。
（４）結着性樹脂を添加した軟磁性粉末に対して、潤滑性樹脂を混合する第２混合工程（ステップ４）。
（５）第２混合工程を経た混合物を、加圧成形処理して成形体を作製する成形工程（ステップ５）。
（６）成形工程を経た成形体を焼鈍処理する焼鈍工程（ステップ６）。
以下、各工程を具体的に説明する。

（１）第１混合工程
第１混合工程では、鉄を主とする軟磁性粉末と無機絶縁粉末とを混合する。
［軟磁性粉末について］
軟磁性粉末は、ガスアトマイズ法、水ガスアトマイズ法及び水アトマイズ法で作製した平均粒径が５〜３０μｍで、珪素成分が０．０〜６．５ｗｔ％の軟磁性粉末を使用する。平均粒径が、５〜３０μｍの範囲より大きいと渦電流損失（Ｐｅ）が増大し、一方、平均粒径が５〜３０μｍの範囲より小さいと、密度低下によるヒステリシス損失（Ｐｈ）が増加する。また、軟磁性粉末の珪素成分は、前記軟磁性粉末に対して６．５ｗｔ％以下が良く、これより多いと成形性が悪く、圧粉磁心の密度が低下して磁気特性が低下するという問題が発生する。

軟磁性合金粉末を水アトマイズ法で製造した場合には、軟磁性粉末の形状は不定形であり、粉末の表面が凹凸になる。このため、軟磁性粉末の表面に無機絶縁粉末を均一に形成することが難しい。さらに、成形時に粉末表面の凸部に応力が集中し絶縁破壊しやすい。そこで、軟磁性粉末と無機絶縁粉末との混合には、Ｖ型混合機、Ｗ型混合機、ポットミルなどのメカノケミカル効果を粉末に発現する装置を用いる。その他にも、圧縮力、せん断力の機械的エネルギーを粒子に与えるタイプの混合機を使用し、混合と表面改質を同時に行っても良い。

さらに、直流重畳特性は粉末のアスペクト比に依存しており、この処理によりアスペクト比を１．０〜１．５にすることが可能となる。このような目的のため、軟磁性粉末に無機絶縁粉末を混合した混合粉に対して、該無機絶縁粉末の表面への均一被覆と粉末表面の凹凸を均一にするための平坦化処理を行なう。この方法は、表面を機械的に塑性変形させて行なう。その一例としてはメカニカルアロイング、ボールミル、アトライター等がある。

［無機絶縁粉末について］
ここで混合する無機絶縁粉末の平均粒径は、７〜５００ｎｍとする。平均粒径が７ｎｍ未満であると、造粒が困難であり、５００ｎｍ超であると、軟磁性粉末の表面を均一に覆うことができず、絶縁性を保持することができない。また、添加量としては、０．４〜０．８ｗｔ％以下が好適である。０．４ｗｔ％未満であると、性能が充分に発揮できず、０．８ｗｔ％を超えると、密度が著しく低下するために、磁気特性を低下させる。このような無機絶縁物質としては、融点が１５００℃超であるＭｇＯ（融点２８００度）、Ａｌ_２Ｏ_３（融点２０４６度）、ＴｉＯ_２（融点１６４０度）、ＣａＯ粉末（融点２５７２度）のうちの少なくとも１種類以上を使用することが望ましい。

（２）熱処理工程
熱処理工程では、ヒステリシス損失を低減する目的と成形後の焼鈍温度を高くする目的で、前記第１混合工程を経た混合物を１０００℃以上且つ軟磁性粉末が焼結を開始する温度以下の非酸化性雰囲気中で熱処理を行う。非酸化性雰囲気は、水素雰囲気等の還元雰囲気でも、不活性雰囲気でも、真空雰囲気でもよい。つまり、酸化雰囲気でないことが好ましい。

このとき、第１の混合工程で軟磁性合金粉末の表面を均一に覆う無機絶縁粉末は、絶縁層は上記目的と熱処理時における粉末同士の融着防止となる。また、１０００℃以上の温度で熱処理を行うことで、軟磁性粉末内に存在する歪みの除去、結晶粒界などの欠陥の除去、軟磁性粉末粒子中の結晶粒子の成長（拡大）によって、磁壁移動が容易となり、保磁力を小さくし、ヒステリシス損失を低減することができる。一方、軟磁性粉末が焼結してしまう温度で熱処理を行うと、軟磁性粉末が焼結し固まってしまい、圧粉磁心の材料として使用できなくなるという問題点がある。そのため、軟磁性粉末が焼結を開始する温度以下の温度で熱処理を行う必要がある。

（３）バインダー添加工程
バインダー添加工程では、前記無機絶縁粉末を軟磁性合金粉末の表面にできるだけ均一に分散させることを目的とする。この場合、本実施例では、２種類の材料を添加する。第１の添加材料として、シランカップリング材を使用する。このシランカップリング材は無機絶縁粉末と軟磁性粉末の密着力を高めるために添加し、添加量は、０．１〜０．５ｗｔ％が最適である。これより量が少ないと密着量効果が不十分であり、多いと成形密度の低下を引き起こし焼鈍後の磁気特性を劣化させる。第２の添加材料としてはシリコーンレジンを使用する。このシリコーンレジンは、前記シランカップリング材により無機絶縁粉末が付着された軟磁性合金粉末同士を結着して造粒するためのバインダーとして機能する。同時に、このシリコーンレジンは、成形時、金型と粉末の接触によるコア壁面の縦筋の発生を防止するために添加し、添加量は０．５〜２．０ｗｔ％が最適である。これより量が少ないと成形時コア壁面への縦筋が発生する。多いと成形密度の低下を引き起こし焼鈍後の磁気特性を劣化させる。

（４）第２混合工程
第２混合工程では、成形時の上パンチの抜き圧低減、金型と粉末の接触によるコア壁面の縦筋の発生を防止する目的で、前記バインダー添加工程を経た混合物に潤滑性樹脂を混合する。ここで混合する潤滑剤としては、ステアリン酸、ステアリン酸塩、ステアリン酸石鹸、エチレンビスステアラマイドなどのワックスが使用できる。これらを添加することにより、造粒粉同士の滑りを良くすることができるので、混合時の密度を向上することができ成形密度を高くすることができる。さらに、粉末が金型へ焼き付くことも防止することが可能である。混合する潤滑樹脂の量は、前記軟磁性粉末に対して０．２〜０．８ｗｔ％とする。これよりも少なければ、十分な効果を得ることができず、形時コア壁面への縦筋の発生、抜き圧が高く最悪の場合、上パンチが抜けなくなる。多いと成形密度の低下を引き起こし焼鈍後の磁気特性を劣化させる。

（５）成形工程
成形工程では、前記のようにして結着性樹脂を添加した軟磁性を金型に投入しダイ・フローティング法による１軸成形を行なうことにより、成形体を形成する。この時、加圧乾燥された結着性樹脂は、成形時のバインダーとして作用する。成形時の圧力は従来の発明と同様で良く、本発明においては１５００ＭＰａ程度が好ましい。

（６）焼鈍工程
焼鈍工程では、前記成形体に対して、Ｎ_２ガス中やＮ_２＋Ｈ_２ガス非酸化性雰囲気中にて、６００℃を超える温度で焼鈍処理を行うことで圧粉磁心が作製される。焼鈍温度を上げ過ぎると絶縁性能の劣化から磁気特性が劣化するため、特に渦電流損失が大きく増加してしまうことにより、鉄損が増加するのを抑制するためである。

このとき結着性樹脂は、焼鈍処理中に一定温度に達すると熱分解する。圧粉磁心の熱処理が窒素雰囲気中で行われるため高温で熱処理を行っても酸化などによるヒステリシス損失が増加しない。

［２．測定項目］
測定項目として、透磁率と最大磁束密度と直流重畳性を次のような手法により測定する。透磁率は、作製された圧粉磁心に１次巻線（２０ターン）を施し、インピーダンスアナライザー（アジレントテクノロジー：４２９４Ａ）を使用することで、２０ｋＨｚ、０．５Ｖにおけるインダクタンスから算出した。

コアロスは、圧粉磁心に１次巻線（２０ターン）及び２次巻線（３ターン）を施し、磁気計測機器であるＢＨアナライザ（岩通計測株式会社：ＳＹ−８２３２）を用いて、周波数１０ｋＨｚ、最大磁束密度Ｂｍ＝０．１Ｔの条件下で鉄損（コアロス）を測定した。この算出は、下記［式４］により、鉄損の周波数を次の式で最小２乗法により、ヒステリシス損失係数、渦電流系数を算出することで行った。

［式４］
Ｐｃ＝Ｋｈ×ｆ＋Ｋｅ×ｆ^２
Ｐｈ＝Ｋｈ×ｆ
Ｐｅ＝Ｋｅ×ｆ^２
Ｐｃ：鉄損
Ｋｈ：ヒステリシス損係数
Ｋｅ：渦電流損係数
ｆ：周波数
Ｐｈ：ヒステリシス損失
Ｐｅ：渦電流損失

本発明の実施例１〜２１を、表１〜４を参照して、以下に説明する。

［３−１．第１の特性比較（熱処理工程の熱処理の温度の比較）］
第１の特性比較では、熱処理工程の熱処理による軟磁性粉末の表面の改質の比較を行った。表１では、実施例１〜３及び比較例１として熱処理工程において粉末に加える温度の比較を行った。表１は、軟磁性粉末に加えた温度と軟磁性粉末をＸ線回折法（以下、ＸＲＤとする）における評価を示した表である。

実施例１〜３及び比較例１では、ガスアトマイズ法で作製した平均粒子径２２μｍの珪素成分３．０ｗｔ％のＦｅ−Ｓｉ合金粉末に、無機絶縁粉末として、平均粒径１３ｎｍ（比表面積１００ｍ２／ｇ）のＡｌ_２Ｏ_３を０．４ｗｔ％添加する。
その後、実施例１〜３の試料に対して、９５０℃〜１１５０℃の水素２５％（残り７５％は、窒素）の還元雰囲気で２時間保持し熱処理を行った。

表１は、実施例１〜３と比較例１について、ＸＲＤにて（１１０）、（２００）、（２１１）の各面のピークについて半価幅の評価を行ったものであり、図２は、実施例１〜３と比較例１について、（１１０）、（２００）、（２１１）の各面の半価幅の合計を示した図である。

表１及び図２から判るように、熱処理工程において熱処理を施さない比較例１では、ＸＲＤにおける（１１０）、（２００）、（２１１）面のピークについて、半価幅が大きくなっていることが判る。半価幅は、粉末の歪みが大きいほど大きくなり、歪みが小さいと小さくなるので、比較例１では、粉末に大きな歪みが存在している。一方、熱処理工程において熱処理を施した実施例１〜３では比較例１と比較して、ＸＲＤにおける（１１０）、（２００）、（２１１）面のピークについての半価幅が小さくなる。すなわち、熱処理工程において熱処理を施すことによって、粉末の歪みが除去されるためである。また、表中には示していないが熱処理工程を１０００℃以上で行った場合でも同様の効果を得ることができる。

すなわち、軟磁性粉末に対して１０００℃以上で熱処理を行うことで、軟磁性粉末の表面を改質することができることがわかる。これにより、磁性粉末の表面の凹凸を除去することができ、磁性粉末同士のギャップが小さいところに磁束が集中して、接点付近の磁束密度が大きくなり、ヒステリシス損失が大きくなることを防止することができる。すなわち、磁性粉末間に設けられたギャップが分散型ギャップとなり、直流重畳特性の改善をすることができる。一方、軟磁性粉末が焼結してしまう温度で熱処理を行うと、軟磁性粉末が焼結し固まってしまい、圧粉磁心の材料として使用できなくなるという問題点がある。そのため、軟磁性粉末が焼結を開始する温度以下の温度で熱処理を行う必要がある。

以上より、熱処理工程の熱処理の温度としては、１０００℃以上且つ軟磁性粉末が焼結開始する温度以下とする。これにより、軟磁性粉末の熱処理時に焼結して固まることがなく、ヒステリシス損失を効果的に低減することがことができる圧粉磁心とその製造方法を提供することができる。

［３−２．第２の特性比較（無機絶縁物質の添加量の比較）］
第２の特性比較では、珪素成分３．０ｗｔ％のＦｅ−Ｓｉ合金粉末に添加する無機絶縁物質の添加量の比較を行った。表２は、比較例２〜６及び実施例４〜７、１１、１２、および１４として軟磁性粉末に添加した無機絶縁物質の種類と成分を示した表である。各無機絶縁物質の平均粒径は、Ａｌ_２Ｏ_３が１３ｎｍ（比表面積１００ｍ^２／ｇ）及び６０ｎｍ，（比表面積２５ｍ^２／ｇ），ＭｇＯが２３０ｎｍ（比表面積１６０ｍ^２／ｇ）である。

本特性比較で使用する試料は、ガスアトマイズ法で作製した平均粒子径２２μｍの珪素成分３．０ｗｔ％のＦｅ−Ｓｉ合金粉末に対して、下記のように無機絶縁粉末を添加して作製した。
項目Ａの比較例２では、無機絶縁粉末を添加しない。
項目Ｂの比較例３、４では、無機絶縁粉末として、１３ｎｍ（比表面積１００ｍ^２／ｇ）のＡｌ_２Ｏ_３を０．２０〜０．２５ｗｔ％添加する。
また、実施例４〜７、比較例４Ａ〜４Ｃでは、無機絶縁粉末として、１３ｎｍ（比表面積１００ｍ^２／ｇ）のＡｌ_２Ｏ_３を０．４０〜１．５０ｗｔ％添加する。

項目Ｃの比較例５、５Ａ及び実施例１１〜１２では、無機絶縁粉末として、６０ｎｍ（比表面積２５ｍ^２／ｇ）のＡｌ_２Ｏ_３を０．２５〜１．００ｗｔ％添加する。
項目Ｄの比較例６及び実施例１４では、無機絶縁粉末として、２３０ｎｍ（比表面積１６０ｍ^２／ｇ）のＭｇＯを０．２０〜０．７０ｗｔ％添加する。

その後、これらの試料に対して、１１００℃の水素２５％（残り７５％は、窒素）の還元雰囲気で２時間保持する熱処理を行う。そして、シランカップリング剤を０．２５ｗｔ％、シリコーンレジンを１．２ｗｔ％の順に混合し加熱乾燥後（１８０℃＿２時間）、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．４ｗｔ％添加して混合した。

これらの試料を室温にて、１５００ＭＰａの圧力で加圧成形し、外径１６ｍｍ、内径８ｍｍ、高さ５ｍｍのリング状をなす圧粉磁心を作製した。そして、これらの圧粉磁心を窒素雰囲気中（Ｎ_２＋Ｈ_２）にて、６２５℃で３０分間焼鈍処理を行った。

表２は、実施例４〜７、１１、１２、および１４と比較例２〜６について、軟磁性粉末、無機絶縁粉末の種類と添加量、第１熱処理温度、透磁率及び単位体積あたりの鉄損（コアロス）との関係について示した表である。図３は、実施例４〜７、１１、１２、および１４と比較例２〜６について、微粉末の添加量に対する直流重畳特性の関係を示す図である。また、図４は、実施例４，７と比較例２との直流ＢＨ特性を示した図であり、図５は、図４の直流ＢＨ特性から、微分透磁率と磁束密度の関係を示したものである。

［直流ＢＨ特性について］
表２の直流ＢＨ特性の％とは、磁束密度が０Ｔでの透磁率μ（０Ｔ）と１Ｔでの透磁率μ（１Ｔ）の比（μ（１Ｔ）/μ（０Ｔ））である、この値が大きいと直流重畳特性が優れている意味である。すなわち、表２から判るように、Ｓｉが３．０ｗｔ％のガスアトマイズ法で作製した軟磁性粉末では、項目Ｂの比較例３，４、４Ａ〜４Ｃと実施例４〜７、項目Ｃの比較例５および５Ａと実施例１１〜１２、項目Ｄの比較例６と実施例１４では、すべての項目において、微粉末を０．４ｗｔ％以上添加することにより直流ＢＨ特性が良くなることが判る。

一方、表２の各項目における密度及び透磁率からは、微粉末を添加しない項目Ａと微粉末を添加する項目Ｂ〜Ｄとを比較すると、微粉末を添加することにより密度が低下するため透磁率が低下し、直流ＢＨ特性に悪影響を及ぼす。特に、微粉末を０．８ｗｔ％を超えて添加すると、密度が大きく低下し、直流ＢＨ特性が低下する。

［ヒステリシス損失について］
表２のヒステリシス損失（Ｐｈ）では、無機絶縁体としてＡｌ_２Ｏ_３を添加した実施例４〜７、１１、１２、および１４及び比較３〜６の場合、無機絶縁粉末を添加していない比較例１よりも、１０ｋＨｚにおけるヒステリシス損失（Ｐｈ）が低下している。それにより、全体での磁気特性が向上していることが判る。

一般的には、高密度ほど、ヒステリシス損失が小さくなるが、実施例４〜７、１１、１２、および１４では密度は低下しているがヒステリシス損失（Ｐｈ）が低下している。その理由としては、軟磁性粉末の表面に微粉末が不均一に分散していると、磁性粉末同士のギャップが小さいところに磁束が集中して、接点付近の磁束密度が大きくなり、ヒステリシス損失を増加させる一因となる。本実施例では、微粉末を均一に分散させることで、磁性粉末同士のギャップを均一にし、磁性粉末同士のギャップに磁束が集中することによるヒステリシス損失を低減させる。これにより、密度が低下しても、ヒステリシス損失（Ｐｈ）を低下させることができる。さらに、無機絶縁粉末を均一に分散させることで、磁性粉末間に設けられたギャップが分散型ギャップとなり、直流重畳特性の改善をすることができる。

以上より、珪素成分３．０ｗｔ％のＦｅ−Ｓｉ合金粉末の軟磁性の粉末に添加する無機絶縁物質の添加量としては、軟磁性粉末に対して、０．４〜０．８ｗｔ％以下であることが良い。これよりも少なければ、十分な効果を得ることができず、０．８ｗｔ％を超えると密度低下による直流ＢＨ特性の要因となる。これにより、珪素成分が３．０ｗｔ％の軟磁性粉末でも熱処理時に焼結して固まることがなく、ヒステリシス損失を効果的に低減することができる圧粉磁心と、その製造方法を提供することができる。

［３−３．第３の特性比較（無機絶縁物質の添加量の比較）］
第３の特性比較では、軟磁性の粉末として、珪素成分６．５ｗｔ％のＦｅ−Ｓｉ合金粉末に添加する無機絶縁物質の添加量の比較を行った。表３は、比較例７〜９Ａ及び実施例１５〜１７として軟磁性粉末に添加した無機絶縁物質の種類と成分を示した表である。無機絶縁物質の平均粒径は、Ａｌ_２Ｏ_３が１３ｎｍ（比表面積１００ｍ^２／ｇ）である。

本特性比較で使用する試料は、ガスアトマイズ法で作製した平均粒子径２２μｍの珪素成分３．０ｗｔ％のＦｅ−Ｓｉ合金粉末に対して、下記のように無機絶縁粉末を添加し、Ｖ型混合機を使用し３０分混合することにより作製した。
項目Ｅの比較例７では、無機絶縁粉末を添加しない。
項目Ｆの比較例８，９では、無機絶縁粉末として、１３ｎｍ（比表面積１００ｍ^２／ｇ）のＡｌ_２Ｏ_３を０．１５〜０．２５ｗｔ％添加する。
また、実施例１５〜１７および比較例９Ａでは、無機絶縁粉末として、１３ｎｍ（比表面積１００ｍ^２／ｇ）のＡｌ_２Ｏ_３を０．４０〜１．００ｗｔ％添加する。

その後、これらの試料に対して、１１００℃の水素２５％（残り７５％は、窒素）の還元雰囲気で２時間保持する熱処理を行う。そして、シランカップリング剤を０．２５ｗｔ％、シリコーンレジンを１．２ｗｔ％の順に混合し加熱乾燥後（１８０℃＿２時間）、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．４ｗｔ％添加して混合した。

これらの試料を室温にて、１５００ＭＰａの圧力で加圧成形し、外径１６ｍｍ、内径８ｍｍ、高さ５ｍｍのリング状をなす圧粉磁心を作製した。そして、これらの圧粉磁心を窒素雰囲気中（Ｎ_２９０％＋Ｈ_２１０％）にて、６２５℃で３０分間焼鈍処理を行った。

表３は、実施例１５〜１７と比較例７〜９および９Ａについて、軟磁性粉末、無機絶縁粉末の種類と添加量、第１熱処理温度、透磁率及び単位体積あたりの鉄損（コアロス）との関係について示した表である。図６は、実施例１５〜１７と比較例８、９、および９Ａについて、微粉末の添加量に対する直流重畳特性の関係を示す図である。

［直流ＢＨ特性について］
表３の直流ＢＨ特性の％とは、磁束密度が０Ｔでの透磁率μ（０Ｔ）と１Ｔでの透磁率μ（１Ｔ）の比（μ（１Ｔ）/μ（０Ｔ））である、この値が大きいと直流重畳特性が優れている意味である。すなわち、表３及び図６から判るように、Ｓｉが６．５ｗｔ％のガスアトマイズ法で作製した軟磁性粉末では、項目Ｆの比較例８、９、および９Ａと実施例１５〜１７では、微粉末を０．４ｗｔ％以上添加することにより直流ＢＨ特性が良くなることが判る。

一方、表３及び図６の各項目における密度及び透磁率からは、微粉末を添加しない項目Ｅと微粉末を添加する項目Ｆとを比較すると、微粉末を添加することにより密度が低下するため透磁率が低下し、直流ＢＨ特性に悪影響を及ぼす。特に、微粉末を０．８ｗｔ％を超えて添加すると、密度が大きく低下し、直流ＢＨ特性が低下する。

［ヒステリシス損失について］
表３のヒステリシス損失（Ｐｈ）では、無機絶縁体としてＡｌ_２Ｏ_３を添加した実施例１５〜１７及び比較例８，９、９Ａの場合、無機絶縁粉末を添加していない比較例７よりも、１０ｋＨｚにおけるヒステリシス損失（Ｐｈ）が低下している。それにより、全体での磁気特性が向上していることが判る。

一般的には、高密度ほど、ヒステリシス損失が小さくなるが、実施例１５〜１７では密度は低下しているがヒステリシス損失（Ｐｈ）が低下している。その理由としては、軟磁性粉末の表面に微粉末が不均一に分散していると、磁性粉末同士のギャップが小さいところに磁束が集中して、接点付近の磁束密度が大きくなり、ヒステリシス損失を増加させる一因となる。本実施例では、微粉末を均一に分散させることで、磁性粉末同士のギャップを均一にし、磁性粉末同士のギャップに磁束が集中することによるヒステリシス損失を低減させる。これにより、密度が低下しても、ヒステリシス損失（Ｐｈ）を低下させることができる。さらに、無機絶縁粉末を均一に分散させることで、磁性粉末間に設けられたギャップが分散型ギャップとなり、直流重畳特性の改善をすることができる。

以上より、珪素成分６．５ｗｔ％のＦｅ−Ｓｉ合金粉末の軟磁性の粉末に添加する無機絶縁物質の添加量としては、軟磁性粉末に対して、０．４〜０．８ｗｔ％以下であることが良い。これよりも少なければ、十分な効果を得ることができず、０．８ｗｔ％を超えると密度低下による直流ＢＨ特性の要因となる。これにより、珪素成分が６．５ｗｔ％の軟磁性粉末でも熱処理時に焼結して固まることがなく、ヒステリシス損失を効果的に低減することができる圧粉磁心と、その製造方法を提供することができる。

［３−４．第４の特性比較（軟磁性合金粉末の種類の比較）］
第３の特性比較では、無機絶縁粉末を添加する軟磁性粉末の種類の比較を行った。本特性比較で使用する軟磁性粉末は、水アトマイズ法で作製した粒度７５μｍ以下の純鉄、水アトマイズ法で作製した粒度７５μｍ以下の純鉄を平坦化処理し、円形度を０．８５とした純鉄及び、水アトマイズ法で作製した粒度６３μｍ以下の珪素成分１ｗｔ％のＦｅ−Ｓｉ合金粉末である。

本特性比較で使用する試料は、下記のように作製した。
項目Ｇの実施例１９では、水アトマイズ法で作製した粒度７５μｍ以下の純鉄に、無機絶縁物質としてＡｌ_２Ｏ_３が１３ｎｍ（比表面積１００ｍ^２／ｇ）を添加し、Ｖ型混合機を使用し３０分混合する。
項目Ｈの実施例２０では、水アトマイズ法で作製した粒度７５μｍ以下の純鉄を平坦化処理し、円形度を０．８５とした純鉄に、無機絶縁物質としてＡｌ_２Ｏ_３が１３ｎｍ（比表面積１００ｍ^２／ｇ）を添加し、Ｖ型混合機を使用し３０分混合する。
項目Ｉの実施例２１では、水アトマイズ法で作製した粒度６３μｍ以下の珪素成分１ｗｔ％のＦｅ−Ｓｉ合金粉末に、無機絶縁物質としてＡｌ_２Ｏ_３が１３ｎｍ（比表面積１００ｍ^２／ｇ）を添加し、Ｖ型混合機を使用し３０分混合する。

その後、これらの試料に対して、１１００℃の水素２５％（残り７５％は、窒素）の還元雰囲気で２時間保持する熱処理を行う。そして、シランカップリング剤を０．２５ｗｔ％、シリコーンレジンを１．２ｗｔ％の順に混合し加熱乾燥後（１８０℃＿２時間）、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．４ｗｔ％添加して混合した。

これらの試料を室温にて、１５００ＭＰａの圧力で加圧成形し、外径１６ｍｍ、内径８ｍｍ、高さ５ｍｍのリング状をなす圧粉磁心を作製した。そして、これらの圧粉磁心を窒素雰囲気中（Ｎ_２９０％＋Ｈ_２１０％）にて、６２５℃で３０分間焼鈍処理を行った。

表４は、実施例１９〜２１について、軟磁性粉末、無機絶縁粉末の種類と添加量、第１熱処理温度、透磁率及び単位体積あたりの鉄損（コアロス）との関係について示した表である。図７は、実施例１９〜２１の直流ＢＨ特性を示した図であり、図８は、図７の直流ＢＨ特性から、微分透磁率と磁束密度の関係を示したものである。

［直流ＢＨ特性について］
表４の直流ＢＨ特性の％とは、磁束密度が0Ｔでの透磁率μ（０Ｔ）と１Ｔでの透磁率μ（１Ｔ）の比（μ（1Ｔ）/μ（0Ｔ））である、この値が大きいと直流重畳特性が優れている意味である。すなわち、表４から判るように、Ｓｉ成分が０である実施例１９，２０及びＳｉ成分が１．０ｗｔ％である実施例２１においても、Ｓｉが３．０〜６．５ｗｔ％のガスアトマイズ法で作製した軟磁性粉末と同様に、無機絶縁粉末を添加することにより、直流ＢＨ特性が良くなることが判る。また、図８の実施例２０，２１とを比較すると、平坦化処理を行ったものは、直流重畳特性が優れることがわかる。

また、図７，８からは、軟磁性粉末に対して平坦化処理を行わない実施例１９に対して、平坦化処理を行った実施例２０の方が、印加磁界における比透磁率が優れることが判る。これは、軟磁性粉末に対して平坦化処理を行うことで、表面の凹凸を除去し粉末の形状を球に近くすることができる。このため、低い圧力でも密度が高い圧粉磁心を製作することができる。圧粉磁心は、密度が高くなると直流重畳特性が優れるという特性があり、圧粉磁心の密度が高くなることにより直流重畳特性が向上していることがわかる。

以上より、軟磁性合金粉末としては、珪素成分が０〜６．５ｗｔ％のＦｅ−Ｓｉ合金粉末の軟磁性の粉末を利用することにより低損失な圧粉磁心を提供できるだけでなく、高密度で直流重畳特性に優れた圧粉磁心を提供することができる。また、平坦化処理をあわせて行うことで、さらに高密度で直流重畳特性に優れた圧粉磁心を提供することができる。

［３−５．第５の特性比較（焼鈍温度の比較）］
下記Ｊ〜Ｌの造粒粉末を１５００ＭＰａの圧力で加圧成形し、外形１６ｍｍ、内径８ｍｍ、高さが５ｍｍのリング状をなす圧粉磁心を作製し、これらの圧粉磁心をＮ２ガス９０％＋水素ガス１０％の非酸化雰囲気にて、４００〜７５０℃で３０分間の間、熱処理（焼鈍）をおこなった。その結果は、表５に示すとおりである。

［造粒粉末Ｊ］
７５μｍ以下の純鉄の水アトマイズ粉末に、絶縁粉末として、平均粒経が１３ｎｍ、比表面積が１００ｍ２／ｇのアルミナ粉末０．７５ｗｔ％を使用し、Ｖ型混合機で３０分混合した後、水素２５％＋窒素７５％の水素雰囲気中で１１００℃、２時間保持する熱処理を行った。
これらの試料に対して、バインダーとして、シランカップリング剤を０．５質量％、シリコーンレジンを１．５ｗｔ％の順に混合し、１５０℃、２時間の加熱乾燥後、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．４ｗｔ％添加して混合した。

［造粒粉末Ｋ］
７５μｍ以下の純鉄の水粉にリン酸塩被膜処理を施した後、シランカップリング剤を０．５質量％、バインダーとして、シリコーンレジンを１．５ｗｔ％の順に混合し、１５０℃で２時間の加熱乾燥後、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．４ｗｔ％添加し、混合した。

［造粒粉末Ｌ］
７５μｍ以下の純鉄の水粉にリン酸塩被膜処理を施した後、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．４ｗｔ％添加して混合した。

図１０に示すように、絶縁被膜（Ｌ）は、成形時に部分的に破れて、焼鈍工程で破壊され易くなる、そのため、高温で焼鈍しをすると渦電流損失が大きく増加する。またバインダー（Ｋ）を混合しても５５０℃以上で渦電流損失が増加する。これに対して、微粉末を使用した実施例（Ｊ）においては、７２５℃で焼鈍しても渦電流損失が抑えられる。同様に、図９に示す鉄損、並びに図１１のヒステリシス損失についても、実施例（Ｊ）の特性が優れている。

［３−６．軟磁性粉末と無機絶縁粉末の状態］
前記のような実施例に示された軟磁性粉末と無機絶縁粉末によって形成された造粒体の構成を、ＳＥＭ写真及び元素分析結果により示す。すなわち、図１２は、純鉄の水アトマイズ粉末に、平均粒径１３ｎｍ、比表面積１００ｍ²／ｇの絶縁微粉末（アルミナ粉末）を０．５ｗｔ％混合した後の写真であって、白い点状の部分が絶縁微粉末である。図１３は、その拡大写真で、同様に白い点状の部分が絶縁微粉末である。

図１４は、図１２に示す軟磁性粉末と無機絶縁粉末をバインダー工程により造粒した状態を示す図であって、図１２に示す軟磁性粉末が複数個結着している状態である。この図１４から分かるように、個々の軟磁性粉末の形状がはっきりと区別でき、バインダーで全体が被覆されていないことが分かる。この図１４から、本実施例の造粒体は、個々の軟磁性粉末がその接触部分でバインダーによって点状、線状或いは狭い面積において結着されており、図１２や図１３で示された絶縁微粉末が露出した部分が存在することが認められる。

図１５及び下記の表６は、図１５に示す造粒体の各部について、その元素分析を行った結果を示すものである。すなわち、元素分析は、ＳＥＭ加速電圧１０ｋＶ（点分析の分解能…０．３μｍ（Ｆｅに対して）で実施し、図１５の粉末Ａ，Ｂがバインダーで結合している状態（すなわち、接点にバインダー存在する状態）で、次の３箇所で行った。
(1) 分析１…バインダーの上
(2) 分析２…バインダーがない場所１（アルミナ粉末の上）
(3) 分析３…バインダーがない場所２

なお、原料はＦｅ粉末、アルミナ添加量はＦｅ粉末に対して０．５質量％、アルミナの１次粒子径１３ｎｍ、バインダー添加量はＦｅ粉末に対して２．０質量％、バインダーはシリコーン樹脂である。

表６の分析結果から分かるように、粉末Ａ，Ｂの結着点である分析１の箇所には、バインダーの成分であるＳｉが存在するのに対して、粉末Ａ，Ｂの表面が露出している分析２、分析３の箇所には、バインダーの成分であるＳｉが認められない。また、重要なことは、粉末Ａ，Ｂの表面が露出している分析２、分析３の箇所には、絶縁微粉末であるアルミナの構成元素であるアルミニウムが、分析１の結着部分よりも多量に存在することが確認された。

Claims (8)

1. 軟磁性粉末と無機絶縁粉末を混合し、その混合物に対して熱処理を施し、
   熱処理を施した軟磁性粉末と無機絶縁粉末に結着性樹脂を添加し、
   その混合物に対して、潤滑性樹脂を混合し、
   その混合物を、加圧成形処理して成形体を作製し、その成形体を焼鈍処理してなる圧粉磁心において、
   前記無機絶縁粉末の添加量が０．４ｗｔ％以上且つ、０．８ｗｔ％以下であり、
   前記無機絶縁粉末は、平均粒子径が７〜５００ｎｍ、且つ、融点が１５００℃以上のＡｌ_２Ｏ_３またはＭｇＯ粉末であり、前記軟磁性粉末の表面に均一に分散されて、前記軟磁性粉末を覆うものであり、
   前記軟磁性粉末の平均粒子径が５〜３０μｍ且つ、珪素成分が０〜６．５ｗｔ％であり、
   前記熱処理温度が１０００℃以上且つ軟磁性粉末が焼結を開始する温度以下での非酸化性雰囲気で熱処理を行うことにより作製されたことを特徴とする圧粉磁心。
2. 前記結着性樹脂が、シリコーン樹脂を含むことを特徴とする請求項１記載の圧粉磁心。
3. 前記軟磁性粉末が水アトマイズ法、ガスアトマイズ法または水ガスアトマイズ法で作製されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧粉磁心。
4. 前記軟磁性粉末が、水アトマイズ法で作製した粉末を平坦化処理したものであることを特徴とする請求項３に記載の圧粉磁心。
5. 軟磁性粉末と無機絶縁粉末を混合する第１混合工程と、
   その混合物に対して熱処理を施す熱処理工程と、
   熱処理を施した軟磁性粉末と無機絶縁粉末に結着性樹脂を添加するバインダー添加工程と、
   その混合物に対して、潤滑性樹脂を混合する第２混合工程と、
   その混合物を、加圧成形処理して成形体を作製する成形工程と、
   その成形体を焼鈍処理する焼鈍工程とを備える圧粉磁心の製造方法において、
   前記無機絶縁粉末の添加量が０．４ｗｔ％以上且つ、０．８ｗｔ％以下であり、
   前記無機絶縁粉末は、平均粒子径が７〜５００ｎｍ、且つ、融点が１５００℃以上のＡｌ_２Ｏ_３またはＭｇＯ粉末であり、前記軟磁性粉末の表面に均一に分散されて、前記軟磁性粉末を覆うものであり、
   前記軟磁性粉末の平均粒子径が５〜３０μｍ且つ、珪素成分が０〜６．５ｗｔ％であり、
   前記熱処理工程において熱処理温度が１０００℃以上且つ軟磁性粉末が焼結を開始する温度以下での非酸化性雰囲気で熱処理を行うことを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
6. 前記結着性樹脂が、シリコーン樹脂を含むことを特徴とする請求項５記載の圧粉磁心の製造方法。
7. 前記軟磁性粉末が水アトマイズ法、ガスアトマイズ法または水ガスアトマイズ法で作製されたことを特徴とする請求項５又は６に記載の圧粉磁心の製造方法。
8. 前記軟磁性粉末が、水アトマイズ法で作製した粉末を平坦化処理したものであることを特徴とする請求項７に記載の圧粉磁心の製造方法。