JP2019157184A - 軟磁性金属粉末、圧粉磁心および磁性部品 - Google Patents

Abstract

【課題】耐電圧性が良好な圧粉磁心、これを備える磁性部品および当該圧粉磁心に好適な軟磁性金属粉末を提供すること。【解決手段】Ｃｕを含むＦｅ系ナノ結晶合金から構成される軟磁性金属粒子を複数含む軟磁性金属粉末であって、軟磁性金属粒子は、コア部と、コア部の周囲を取り囲む第１のシェル部と、を有し、コア部に存在するＣｕ結晶子の平均結晶子径をＡとし、第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子の最大結晶子径をＢとした場合、Ｂ／Ａが３．０以上１０００以下であることを特徴とする軟磁性金属粉末である。【選択図】図２

Description

本発明は軟磁性金属粉末、圧粉磁心および磁性部品に関する。

各種電子機器の電源回路に用いられる磁性部品として、トランス、チョークコイル、インダクタ等が知られている。

このような磁性部品は、所定の磁気特性を発揮する磁心（コア）の周囲あるいは内部に、電気伝導体であるコイル（巻線）が配置されている構成を有している。

インダクタ等の磁性部品が備える磁心には小型化、高性能化が求められている。このような磁心に用いられる磁気特性が良好な軟磁性材料としては、鉄（Ｆｅ）をベースとするナノ結晶合金が例示される。ナノ結晶合金は、アモルファス合金、または、初期微結晶が非晶質中に存在するナノヘテロ構造を有する合金を熱処理することにより、非晶質中にナノメートルオーダーの微結晶が析出した合金である。

磁心は、ナノ結晶合金から構成される粒子を含む軟磁性金属粉末を圧縮成形することにより、圧粉磁心として得ることができる。このような圧粉磁心においては、磁気特性を向上させるために、磁性成分の割合（充填率）が高められている。しかしながら、ナノ結晶合金は絶縁性が低いため、ナノ結晶合金から構成される粒子同士が接触していると、磁性部品への電圧印加時に、接触している粒子間を流れる電流（粒子間渦電流）に起因する損失が大きく、その結果、圧粉磁心のコアロスが大きくなってしまうという問題があった。

そこで、このような渦電流を抑制するために、軟磁性金属粒子の表面には絶縁被膜が形成されている。たとえば、特許文献１は、リン（Ｐ）の酸化物を含む粉末ガラスを機械的摩擦により軟化させて、Ｆｅ系非晶質合金粉末の表面に絶縁コーティング層を形成することを開示している。

特開２０１５−１３２０１０号公報

特許文献１において、絶縁コーティング層が形成されたＦｅ系非晶質合金粉末は樹脂と混合され圧縮成形により圧粉磁心とされる。圧粉磁心においては、上述したように、良好な磁気特性を得るために磁性成分の充填率を高める必要がある。したがって、絶縁コーティング層の厚みを無制限に厚くすることはできない。そのため、比較的に薄い絶縁コーティング層であっても、良好な磁気特性を得るには、軟磁性金属粒子自体の耐電圧性を向上させる必要がある。

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、耐電圧性が良好な圧粉磁心、これを備える磁性部品および当該圧粉磁心に好適な軟磁性金属粉末を提供することである。

本発明者らは、非晶質中に分散しているナノ結晶の大きさおよび存在状態が粒子の絶縁性に影響しているという知見を得た。この知見に基づき、本発明者らは、粒子におけるナノ結晶の大きさおよび存在状態を、絶縁性に大きく影響する粒子の表面側と、絶縁性にほとんど影響しない粒子の中心側と、で異ならせることにより、当該粒子を含む圧粉磁心の耐電圧性が向上することを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の態様は、
［１］Ｃｕを含むＦｅ系ナノ結晶合金から構成される軟磁性金属粒子を複数含む軟磁性金属粉末であって、
軟磁性金属粒子は、コア部と、コア部の周囲を取り囲む第１のシェル部と、を有し、
コア部に存在するＣｕ結晶子の平均結晶子径をＡとし、第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子の最大結晶子径をＢとした場合、Ｂ／Ａが３．０以上１０００以下であることを特徴とする軟磁性金属粉末である。

［２］コア部に存在するＣｕ結晶子の平均結晶子径をＡとし、第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子の平均結晶子径をＣとした場合、Ｃ／Ａが２．０以上５０以下であることを特徴とする［１］に記載の軟磁性金属粉末である。

［３］第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子の平均短軸径をＤとした場合に、Ｄが３．０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする［１］または［２］に記載の軟磁性金属粉末である。

［４］軟磁性金属粒子全体のＦｅ結晶子の平均結晶子径が、１．０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする[１]から[３]のいずれかに記載の軟磁性金属粉末である。

［５］軟磁性金属粒子は、第１のシェル部の周囲を取り囲む第２のシェル部を有し、第２のシェル部はＣｕまたはＣｕ酸化物を含む層であることを特徴とする［１］から[４]のいずれかに記載の軟磁性金属粉末である。

［６］軟磁性金属粒子の表面は被覆部により覆われており、
被覆部は、Ｐ、Ｓｉ、ＢｉおよびＺｎからなる群から選ばれる１つ以上の化合物を含むことを特徴とする[１]から[５]のいずれかに記載の軟磁性金属粉末である。

［７］［１］から［６］のいずれかに記載の軟磁性金属粉末から構成される圧粉磁心。

［８］［７］に記載の圧粉磁心を備える磁性部品である。

本発明によれば、耐電圧性が良好な圧粉磁心、これを備える磁性部品および当該圧粉磁心に好適な軟磁性金属粉末を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る軟磁性金属粉末を構成する軟磁性金属粒子の断面模式図である。 図２は、図１に示すII部分を拡大した拡大断面模式図である。 図３は、本実施形態に係る軟磁性金属粉末を構成する被覆粒子の断面模式図である。 図４は、被覆部を形成するために用いる粉末被覆装置の構成を示す断面模式図である。 図５は、本発明の実施例において、実験例２および実験例２２に係る軟磁性金属粒子の表面近傍のＣｕのマッピング像である。

以下、本発明を、図面に示す具体的な実施形態に基づき、以下の順序で詳細に説明する。
１．軟磁性金属粉末
１．１．軟磁性金属粒子
１．１．１．コア部
１．１．２．第１のシェル部
１．１．３．第２のシェル部
１．２．被覆部
２．圧粉磁心
３．磁性部品
４．圧粉磁心の製造方法
４．１．軟磁性金属粉末の製造方法
４．２．圧粉磁心の製造方法

（１．軟磁性金属粉末）
本実施形態に係る軟磁性金属粉末は、図１に示すように、複数の軟磁性金属粒子２を含む。なお、軟磁性金属粒子２の形状は特に制限されないが、通常、球形である。

また、本実施形態に係る軟磁性金属粉末の平均粒子径（Ｄ５０）は、用途および材質に応じて選択すればよい。本実施形態では、平均粒子径（Ｄ５０）は、０．３〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。軟磁性金属粉末の平均粒子径を上記の範囲内とすることにより、十分な成形性あるいは所定の磁気特性を維持することが容易となる。平均粒子径の測定方法としては、特に制限されないが、レーザー回折散乱法を用いることが好ましい。

（１．１．軟磁性金属粒子）
本実施形態では、軟磁性金属粒子は、Ｃｕを含むＦｅ系ナノ結晶合金から構成される。Ｆｅ系ナノ結晶合金は、Ｆｅ系アモルファス合金、または、初期微結晶が非晶質中に存在するナノヘテロ構造を有するＦｅ系合金を熱処理することにより、非晶質中にナノメートルオーダーの微結晶が析出した合金である。本実施形態では、非晶質中に、Ｆｅからなる結晶子（Ｆｅ結晶子）およびＣｕからなる結晶子（Ｃｕ結晶子）が分散している。なお、Ｃｕは、Ｆｅ系ナノ結晶合金において、０．１原子％以上含まれていることが好ましい。

Ｃｕを含むＦｅ系ナノ結晶合金としては、たとえば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｎｂ−Ｂ−Ｃｕ系、Ｆｅ−Ｎｂ−Ｂ−Ｐ−Ｃｕ系、Ｆｅ−Ｎｂ−Ｂ−Ｐ−Ｓｉ−Ｃｕ系、Ｆｅ−Ｎｂ−Ｂ−Ｐ−Ｃｕ−Ｃ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ−Ｂ−Ｃｕ系等が例示される。

本実施形態では、軟磁性金属粉末は、材質が同じ軟磁性金属粒子のみを含んでいてもよいし、材質が異なる軟磁性金属粒子が混在していてもよい。たとえば、軟磁性金属粉末は、複数のＦｅ−Ｓｉ−Ｎｂ−Ｂ−Ｃｕ系ナノ結晶合金粒子と、複数のＦｅ−Ｎｂ−Ｂ−Ｐ−Ｃｕ系ナノ結晶合金粒子との混合物であってもよい。

なお、異なる材質とは、金属または合金を構成する元素が異なる場合、構成する元素が同じであってもその組成が異なる場合等が例示される。

また、Ｆｅ結晶子の平均結晶子径は、１．０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましく、５．０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることがより好ましい。Ｆｅ結晶子の平均結晶子径が上記の範囲内であることにより、軟磁性金属粒子に、後述する被覆部を形成する際に、当該粒子に応力が掛かっても、保磁力の増加を抑制することができる。Ｆｅ結晶子の平均結晶子径は、たとえば、軟磁性金属粉末をＸ線回折測定して得られる回折パターンの所定のピークより求められた半値幅より算出できる。

また、本実施形態では、図１および２に示すように軟磁性金属粒子は少なくともコア部２ａと、コア部２ａの周囲を取り囲む第１のシェル部２ｂと、を有している。コア部２ａおよび第１のシェル部２ｂはどちらも、非晶質中にＦｅ結晶子およびＣｕ結晶子が分散している構造を有しているが、コア部と第１のシェル部とでは、少なくともＣｕ結晶子の存在形態が異なる。以下では、コア部と第１のシェル部とについて詳細に説明する。

（１．１．１．コア部）
コア部２ａは、軟磁性金属粒子２の中心を含む領域であり、図２に示すように、Ｆｅ結晶子（図示省略）およびＣｕ結晶子３ａが非晶質５中に均一に分散している領域である。本実施形態では、コア部２ａに存在するＣｕ結晶子３ａの平均結晶子径をＡ［ｎｍ］とすると、Ａは、０．１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。また、１ｎｍ以上であることがより好ましく、１０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。

後述するが、Ａは、第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子の最大結晶子径Ｂと特定の関係を有している。

（１．１．２．第１のシェル部）
第１のシェル部２ｂは、コア部２ａの周囲を取り囲む領域である。第１のシェル部２ｂにおいてもコア部２ａと同様に、図２に示すように、Ｃｕ結晶子３ｂが非晶質５中に分散して存在しているが、第１のシェル部２ｂに存在するＣｕ結晶子３ｂの結晶子径は、コア部２ａに存在するＣｕ結晶子２ａの結晶子径よりも大きい傾向にある。本実施形態では、第１のシェル部２ｂに存在するＣｕ結晶子３ｂの結晶子径のうち最も大きい結晶子径（最大結晶子径）をＢ［ｎｍ］とすると、Ｂ／Ａが３．０以上１０００以下である。すなわち、軟磁性金属粒子２の表面側（第１のシェル部２ｂ）に、軟磁性金属粒子２の中心側（コア部２ａ）に存在するＣｕ結晶子３ａよりも大きなＣｕ結晶子３ｂを存在させている。このようにすることにより、当該軟磁性金属粒子を含む圧粉磁心の耐電圧性が向上する。

Ｂ／Ａは、コア部２ａに存在するＣｕ結晶子３ａの平均結晶子径Ａの値にもよるがＡが５ｎｍ程度の時、５．０以上、８０．０以下であることが好ましい。Ｂ／Ａが大きすぎる場合には、大きく肥大したＣｕの結晶が粒子表面に析出し、これが粒子同士の絶縁性を低下させることにより、耐電圧特性が低下する傾向にある。

また、第１のシェル部２ｂに存在するＣｕ結晶子３ｂの平均結晶子径をＣ［ｎｍ］とすると、Ｃは２．０ｎｍ以上であることが好ましく、５．０ｎｍ以上であることがより好ましい。また、Ｃは１００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがより好ましい。Ｃが大きすぎる場合には、Ｂ／Ａの場合と同様、大きく肥大したＣｕの結晶が粒子表面に析出し、これが粒子同士の絶縁性を低下させることにより、耐電圧が低下する傾向にある。

また、コア部２ａに存在するＣｕ結晶子３ａの平均結晶子径（Ａ）に対する第１のシェル部２ｂに存在するＣｕ結晶子３ｂの平均結晶子径（Ｃ）を示すＣ／Ａは２．０以上５０以下であることが好ましい。

なお、従来は、非晶質中に析出する結晶子を、粒子全体に渡って均一に分散させることにより、特性が向上すると考えられてきた。しかしながら、本実施形態では、Ｃｕ結晶子の大きさおよび存在状態を、軟磁性金属粒子の中心側と表面側とで異ならせることにより、軟磁性金属粒子の耐電圧性を向上させることができる。

また、第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子の断面形状において、中心を通る最も小さい径を短軸径ｄｓとした場合、短軸径ｄｓの平均値（平均短軸径：Ｄ［ｎｍ］）は、１．０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。

本実施形態では、平均結晶子径は、結晶子の面積の累積分布が５０％となる面積と同じ面積を有する円の直径（円相当径）である（Ｄ５０）。Ｃｕ結晶子の面積は、軟磁性金属粒子の断面に現れるＣｕ結晶子をＴＥＭ等により観察した観察像からコア部および第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子をそれぞれ同定し、画像処理ソフト等により算出することができる。面積を測定する結晶子の数は１００〜５００個程度である。

また、最大結晶子径は、第１のシェル部において算出されたＣｕ結晶子の面積のうち、最も大きい面積と同じ面積を有する円の直径（円相当径）である。

また、平均短軸径は、Ｃｕ結晶子の短軸径の累積分布が５０％となる短軸径である（Ｄ５０）。短軸径は、上記の平均結晶子径と同様にしてＣｕ結晶子を同定し、第１のシェル部において同定したＣｕ結晶子において、結晶子の中心を通る最も短い径を短軸径として算出される。

第１のシェル部２ｂの厚みは、本発明の効果が得られる限りにおいて特に限定されない。本実施形態では、軟磁性金属粒子の粒子径の１／１００程度であることが好ましい。

コア部と第１のシェル部とは、走査型透過電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope：STEM）等の透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：TEM）を用いたエネルギー分散型Ｘ線分光法（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy：EDS）による元素分析、電子エネルギー損失分光法（Electron Energy Loss Spectroscopy：EELS）による元素分析によりＣｕの分布を観察することで区別が可能である。

つまり、例えば軟磁性金属粒子２の中心部と軟磁性金属粒子２の表面側とをSTEM-EDSによりＣｕの粒子径を算出し、中心部と表面側とで、Ｃｕの粒子径の大きさが変化していればコア部とシェル部に分かれていることを意味する。さらに、Ｃｕの結晶子を同定する方法として３次元アトムプローブ（以下、３ＤＡＰと表記する場合がある）を用いて組成分布を測定し、Ｃｕの結晶子サイズを同定することが可能である。また、ＴＥＭ画像の高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：FFT）解析等により得られる格子定数等の情報から同定することができる。

（１．１．３．第２のシェル部）
本実施形態では、軟磁性金属粒子２が第２のシェル部２ｃを有していてもよい。第２のシェル部２ｃは、図１および２に示すように、第１のシェル部２ｂの周囲を覆うように形成されている。

本実施形態では、第２のシェル部はＣｕ、または、Ｃｕを含む酸化物を含む領域であり、結晶質の領域である。Ｃｕ、または、Ｃｕを含む酸化物は、上述したコア部および第１のシェル部とは異なり、非晶質中に分散しておらず、第２のシェル部２ｃにおいて連続的に存在し、層状の領域を構成している。軟磁性金属粒子２に第２のシェル部２ｃが形成されていることにより、絶縁性が向上するので、耐電圧性をさらに向上させることができる。

なお、第２のシェル部２ｃは、主に、磁気特性の向上に寄与しない成分から構成されている。したがって、軟磁性金属粒子が第２のシェル部を有さない場合には、耐電圧性は若干低下するものの、磁気特性の向上に寄与する成分が占める割合を高めることができるので、たとえば、飽和磁束密度を向上させることができる。

第２のシェル部２ｃの厚みは、本発明の効果が得られる限りにおいて特に限定されない。本実施形態では、軟磁性金属粒子２の５ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。

（１．２．被覆部）
本実施形態では、軟磁性金属粒子は被覆部を有する被覆粒子であってもよい。被覆粒子１においては、被覆部１０が、図３に示すように、軟磁性金属粒子２の表面を覆うように形成されている。したがって、軟磁性金属粒子２が第２のシェル部２ｃを有している場合には、被覆部１０は第２のシェル部２ｃの表面を覆うように形成され、軟磁性金属粒子２が第２のシェル部２ｃを有していない場合には、第１のシェル部の表面を覆うように形成されている。

また、本実施形態では、表面が物質により被覆されているとは、当該物質が表面に接触して接触した部分を覆うように固定されている形態をいう。また、軟磁性金属粒子を被覆する被覆部は、粒子の表面の少なくとも一部を覆っていればよいが、表面の全部を覆っていることが好ましい。さらに、被覆部は粒子の表面を連続的に覆っていてもよいし、断続的に覆っていてもよい。

被覆部１０は、軟磁性金属粉末を構成する軟磁性金属粒子同士を絶縁できるような構成であれば、特に制限されない。本実施形態では、被覆部１０は、Ｐ、Ｓｉ、ＢｉおよびＺｎからなる群から選ばれる１つ以上の元素の化合物を含んでいることが好ましい。また、当該化合物は酸化物であることがより好ましく、酸化物ガラスであることが特に好ましい。

また、Ｐ、Ｓｉ、ＢｉおよびＺｎからなる群から選ばれる１つ以上の元素の化合物は、被覆部１０において、主成分として含まれていることが好ましい。「Ｐ、Ｓｉ、ＢｉおよびＺｎからなる群から選ばれる１つ以上の元素の酸化物を主成分として含む」とは、被覆部１０に含まれる元素のうち、酸素を除いた元素の合計量を１００質量％とした場合に、Ｐ、Ｓｉ、ＢｉおよびＺｎからなる群から選ばれる１つ以上の元素の合計量が最も多いことを意味する。また、本実施形態では、これらの元素の合計量は５０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることがより好ましい。

酸化物ガラスとしては特に限定されず、たとえば、リン酸塩（Ｐ_２Ｏ_５）系ガラス、ビスマス酸塩（Ｂｉ_２Ｏ_３）系ガラス、ホウケイ酸塩（Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２）系ガラス等が例示される。

Ｐ_２Ｏ_５系ガラスとしては、Ｐ_２Ｏ_５が５０ｗｔ％以上含まれるガラスが好ましく、Ｐ_２Ｏ_５−ＺｎＯ−Ｒ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス等が例示される。なお、「Ｒ」はアルカリ金属を示す。

Ｂｉ_２Ｏ_３系ガラスとしては、Ｂｉ_２Ｏ_３が５０ｗｔ％以上含まれるガラスが好ましく、Ｂｉ_２Ｏ_３−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス等が例示される。

Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスとしては、Ｂ_２Ｏ_３が１０ｗｔ％以上含まれ、ＳｉＯ_２が１０ｗｔ％以上含まれるガラスが好ましく、ＢａＯ−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス等が例示される。

このような絶縁性の被覆部を有していることにより、粒子の絶縁性がより高くなるので、被覆粒子を含む軟磁性金属粉末から構成される圧粉磁心の耐電圧が向上する。

本実施形態では、軟磁性金属粉末に含まれる粒子の個数割合を１００％とした場合、被覆粒子の個数割合が９０％以上であることが好ましく、９５％以上であることが好ましい。

被覆部に含まれる成分は、ＳＴＥＭ等のＴＥＭを用いたＥＤＳによる元素分析、ＥＥＬＳによる元素分析、ＴＥＭ画像のＦＦＴ解析等により得られる格子定数等の情報から同定することができる。

被覆部１０の厚みは、上記の効果が得られる限りにおいて特に制限されない。本実施形態では、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。また、１５０ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがより好ましい。

（２．圧粉磁心）
本実施形態に係る圧粉磁心は、上述した軟磁性金属粉末から構成され、所定の形状を有するように形成されていれば特に制限されない。本実施形態では、軟磁性金属粉末と結合剤としての樹脂とを含み、当該軟磁性金属粉末を構成する軟磁性金属粒子同士が樹脂を介して結合することにより所定の形状に固定されている。また、当該圧粉磁心は、上述した軟磁性金属粉末と他の磁性粉末との混合粉末から構成され、所定の形状に形成されていてもよい。

（３．磁性部品）
本実施形態に係る磁性部品は、上記の圧粉磁心を備えるものであれば特に制限されない。たとえば、所定形状の圧粉磁心内部に、ワイヤが巻回された空芯コイルが埋設された磁性部品であってもよいし、所定形状の圧粉磁心の表面にワイヤが所定の巻き数だけ巻回されてなる磁性部品であってもよい。本実施形態に係る磁性部品は、耐電圧性が良好であるため、電源回路に用いられるパワーインダクタに好適である。

（４．圧粉磁心の製造方法）
続いて、上記の磁性部品が備える圧粉磁心を製造する方法について説明する。まず、圧粉磁心を構成する軟磁性金属粉末を製造する方法について説明する。

（４．１．軟磁性金属粉末の製造方法）
本実施形態に係る軟磁性金属粉末は、公知の軟磁性金属粉末の製造方法と同様の方法を用いて得ることができる。具体的には、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、回転ディスク法等を用いて製造することができる。また、単ロール法等により得られる薄帯を機械的に粉砕して製造してもよい。これらの中では、所望の磁気特性を有する軟磁性金属粉末が得られやすいという観点から、ガスアトマイズ法を用いることが好ましい。

ガスアトマイズ法では、まず、軟磁性金属粉末を構成するナノ結晶合金の原料が溶解した溶湯を得る。ナノ結晶合金に含まれる各金属元素の原料（純金属等）を準備し、最終的に得られるナノ結晶合金の組成となるように秤量し、当該原料を溶解する。なお、金属元素の原料を溶解する方法は特に制限されないが、たとえば、アトマイズ装置のチャンバー内で真空引きした後に高周波加熱にて溶解させる方法が例示される。溶解時の温度は、各金属元素の融点を考慮して決定すればよいが、たとえば１２００〜１５００℃とすることができる。

得られた溶湯をルツボ底部に設けられたノズルを通じて線状の連続的な流体としてチャンバー内に供給し、供給された溶湯に高圧のガスを吹き付けて、溶湯を液滴化するとともに、急冷して微細な粉末を得る。得られる粉末は、各金属元素が非晶質中に均一に分散しているアモルファス合金、または、ナノヘテロ構造を有する合金から構成されている。ガス噴射温度、チャンバー内の圧力等は、後述する熱処理において、非晶質中にナノ結晶（Ｆｅ結晶子およびＣｕ結晶子）が析出しやすい条件に応じて決定すればよい。また、粒子径については篩分級や気流分級等をすることにより粒度調整が可能である。

次に、得られる粉末を熱処理する。非晶質中にナノ結晶を析出させる熱処理と、軟磁性金属粒子にコア部とシェル部（第１のシェル部および第２のシェル部）とを形成する熱処理と、は別々に行ってもよいが、本実施形態では、ナノ結晶を析出させる熱処理が、コア部とシェル部とを形成する熱処理を兼ねる。

熱処理では、雰囲気中の酸素濃度を１００ｐｐｍ以上２００００ｐｐｍ以下とすることが好ましく、１００００ｐｐｍ以下とすることが好ましく、５０００ｐｐｍ以下とすることがより好ましい。ナノ結晶を析出させる熱処理は、通常、酸素濃度を極めて小さくする、たとえば、１０ｐｐｍ以下とするが、本実施形態では、主として酸素濃度を上記の範囲内とすることにより、軟磁性金属粒子において、Ｃｕ結晶子の分散状態に偏りを持たせることができる。その結果、上述したコア部とシェル部とを形成することが容易となる。酸素濃度が大きすぎると、第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子が肥大化しすぎ、特に後述する被覆部を形成する際に、Ｃｕ結晶子が凝集するため、肥大化したＣｕ結晶子が軟磁性金属粒子から脱落するため、脱落したＣｕが絶縁部に侵入し耐電圧性が低下する傾向にある。

また、熱処理温度は５００℃以上７００℃以下とすることが好ましく、保持時間は１０分以上１２０分以下とすることが好ましく、昇温速度は５０℃／分以下とすることが好ましい。これらの熱処理条件もＣｕ結晶子の分散状態を制御することができる。

熱処理後には、上述したコア部と第１のシェル部と第２のシェル部とが形成されたナノ結晶合金から構成される軟磁性金属粒子を含む粉末が得られる。なお、第２のシェル部は、上述したように、耐電圧性を向上させるものの、磁気特性の向上には不利な領域なので、所望の特性に応じて、得られる粉末から第２のシェル部を除去してもよい。第２のシェル部を除去する方法としては、特に制限されないが、たとえば、第２のシェル部を構成する成分を溶解する液体に粉末を接触させて除去するエッチング処理等が例示される。

続いて、得られる軟磁性金属粒子に対して被覆部を形成する。被覆部を形成する方法としては、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。軟磁性金属粒子に対して湿式処理を行って被覆部を形成してもよいし、乾式処理を行って被覆部を形成してもよい。

本実施形態では、メカノケミカルを利用したコーティング方法、リン酸塩処理法、ゾルゲル法等により形成することができる。メカノケミカルを利用したコーティング方法では、たとえば、図４に示す粉末被覆装置１００を用いる。軟磁性金属粉末と、被覆部を構成する材質（Ｐ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｚｎの化合物等）の粉末状コーティング材との混合粉末を、粉末被覆装置の容器１０１内に投入する。投入後、容器１０１を回転させることにより、軟磁性金属粉末と混合粉末との混合物５０が、グラインダー１０２と容器１０１の内壁との間で圧縮され摩擦が生じて熱が発生する。この発生した摩擦熱により、粉末状コーティング材が軟化し、圧縮作用により軟磁性金属粒子の表面に固着して、被覆部を形成することができる。

メカノケミカルを利用したコーティング方法では、容器の回転速度、グラインダーと容器の内壁との間の距離等を調整することにより、発生する摩擦熱を制御して、軟磁性金属粉末と混合粉末との混合物の温度を制御することができる。本実施形態では、当該温度は、５０℃以上１５０℃以下であることが好ましい。このような温度範囲とすることにより、被覆部が軟磁性金属粒子の表面を覆うように形成しやすくなる。

（４．２．圧粉磁心の製造方法）
圧粉磁心は、上記の軟磁性金属粉末を用いて製造する。具体的な製造方法としては、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。まず、被覆部を形成した軟磁性金属粒子を含む軟磁性金属粉末と、結合剤としての公知の樹脂とを混合し、混合物を得る。また、必要に応じて、得られた混合物を造粒粉としてもよい。そして、混合物または造粒粉を金型内に充填して圧縮成形し、作製すべき圧粉磁心の形状を有する成形体を得る。得られた成形体に対して、たとえば５０〜２００℃で熱処理を行うことにより、樹脂が硬化し軟磁性金属粒子が樹脂を介して固定された所定形状の圧粉磁心が得られる。得られた圧粉磁心に、ワイヤを所定回数だけ巻回することにより、インダクタ等の磁性部品が得られる。

また、上記の混合物または造粒粉と、ワイヤを所定回数だけ巻回して形成された空心コイルとを、金型内に充填して圧縮成形しコイルが内部に埋設された成形体を得てもよい。得られた成形体に対して、熱処理を行うことにより、コイルが埋設された所定形状の圧粉磁心が得られる。このような圧粉磁心は、その内部にコイルが埋設されているので、インダクタ等の磁性部品として機能する。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の態様で改変しても良い。

以下、実施例を用いて、発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実験例１〜１０）
まず、表１に示す組成を有する軟磁性合金から構成され、平均粒子径Ｄ５０が表１に示す値である粒子からなる粉末を準備した。準備した粉末に対して、表１に示す条件で熱処理を行い、ナノ結晶を析出させた。実験例２の試料に対して、軟磁性金属粒子の表面近傍においてＳＴＥＭ−ＥＥＬＳのスペクトル分析を行い、Ｃｕについてマッピングをおこなった。結果を図５に示す。

続いて、ナノ結晶が析出した粒子を含む粉末を、表１に示す組成を有する粉末ガラス（コーティング材）とともに、粉体被覆装置の容器内に投入し、粉末ガラスを粒子の表面にコーティングして、被覆部を形成することにより、軟磁性金属粉末が得られた。粉末ガラスの添加量は、ナノ結晶が析出した粒子を含む粉末１００ｗｔ％に対して０．５ｗｔ％に設定した。

本実施例では、リン酸塩系ガラスとしてのＰ_２Ｏ_５−ＺｎＯ−Ｒ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３系粉末ガラスにおいて、Ｐ_２Ｏ_５が５０ｗｔ％、ＺｎＯが１２ｗｔ％、Ｒ_２Ｏが２０ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３が６ｗｔ％であり、残部が副成分であった。

なお、本発明者らは、Ｐ_２Ｏ_５が６０ｗｔ％、ＺｎＯが２０ｗｔ％、Ｒ_２Ｏが１０ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３が５ｗｔ％であり、残部が副成分である組成を有するガラス、Ｐ_２Ｏ_５が６０ｗｔ％、ＺｎＯが２０ｗｔ％、Ｒ_２Ｏが１０ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３が５ｗｔ％であり、残部が副成分である組成を有するガラス等についても同様の実験を行い、後述する結果と同様の結果が得られることを確認している。

次に、得られた軟磁性金属粉末に対して、コア部と第１のシェル部と第２のシェル部とを特定し、コア部においては、Ｃｕ結晶子の平均結晶子径を測定し、第１のシェル部においては、Ｃｕ結晶子の平均結晶子径、最大結晶子径および平均短軸径を算出し、第２のシェル部においては、ＣｕまたはＣｕを含む酸化物層が存在するか否かを評価した。

結晶子の平均結晶子径、最大結晶子径および平均短軸径については、ＳＴＥＭ−ＥＤＳを用い１０万倍〜１００万倍により軟磁性金属粒子の断面を観察し、コア部において、Ｃｕ結晶子を、それぞれ５００個観察し、画像処理ソフトにより結晶子の面積を測定して、円相当径を算出しこれを結晶子の結晶子径とした。得られた結晶子径から、累積分布が５０％となる結晶子径を平均結晶子径（Ｄ５０）とした。また、第１のシェル部において、Ｃｕ結晶子を１００個観察し、画像処理ソフトにより結晶子の面積を測定して、円相当径を算出し、これをＣｕ結晶子の結晶子径とした。算出した結晶子径のうち最も大きい結晶子径を最大結晶子径とした。また、第１のシェル部において、観察したＣｕ結晶子の輪郭を抽出して、結晶子の中心を通る径のうち最も短い径を短軸径とした。得られた短軸径から、累積分布が５０％となる短軸径を平均短軸径（Ｄ５０）とした。また、Ｃｕの結晶子サイズについては３ＤＡＰを用い上記手法と同等のＣｕのサイズを測定し、ＳＴＥＭ−ＥＤＳの結果と同等であった。また、Ｆｅの結晶子についてはＸＲＤにより結晶子サイズを算出した。結果を表１に示す。

続いて、圧粉磁心の評価を行った。熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂および硬化剤であるイミド樹脂の総量が、得られた軟磁性金属粉末１００ｗｔ％に対して表１に示す値となるように秤量し、アセトンに加えて溶液化し、その溶液と軟磁性金属粉末とを混合した。混合後、アセトンを揮発させて得られた顆粒を、３５５μｍのメッシュで整粒した。これを外径１１ｍｍ、内径６．５ｍｍのトロイダル形状の金型に充填し、成形圧３．０ｔ／ｃｍ^２で加圧し圧粉磁心の成形体を得た。得られた圧粉磁心の成形体を１８０℃で１時間樹脂を硬化させ圧粉磁心を得た。この圧粉磁心に対し両端にＩｎ−Ｇａ電極を形成して、圧粉磁心の試料の上下にソースメーターを用いて電圧を印加し、１ｍＡの電流が流れた電圧値と、圧粉磁心の厚みとから耐電圧を算出した。本実施例では、軟磁性金属粉末の組成、平均粒子径（Ｄ５０）、および、圧粉磁心を形成する際に用いた樹脂量が同じ試料のうち、比較例となる試料の耐電圧よりも高い耐電圧を示す試料を良好とした。樹脂量の違いにより耐電圧が変化するためである。結果を表１に示す。

表１より、Ｂ／Ａが上述した範囲内である場合には、Ｂ／Ａが上述した範囲外である場合に比べて、耐電圧が良好であることが確認できた。なお、Ｂ／Ａが大きくなると、耐電圧が低下する傾向にある。Ｂ／Ａが大きい場合には、第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子が、コア部に存在するＣｕ結晶子よりもかなり肥大化していることを意味している。

また、Ｃ／Ａが上述した範囲内である場合には、Ｃ／Ａが上述した範囲外である場合に比べて、耐電圧が良好であることが確認できた。Ｃ／Ａが大きくなると耐電圧が低下する傾向にある。Ｃ／Ａが大きい場合には、第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子が、コア部に存在するＣｕ結晶子よりもかなり肥大化していることを意味している。

Ｃｕ結晶子が肥大化しすぎると、表面層に析出する傾向を示し、被覆部を形成する際に粒子から剥がれやすい。肥大化したＣｕ結晶子が剥がれてしまうと、剥がれたＣｕが絶縁部を破壊し絶縁性が低い領域を形成してしまい耐電圧が低下すると考えられる。

（実験例１１〜４１）
実験例５の試料において、熱処理条件を表２〜４に示す条件とした以外は、実験例５と同様にして軟磁性金属粉末を作製し、実験例５と同様の評価を行った。また、得られた粉末を用いて、実験例５と同様にして圧粉磁心を作製し、実験例５と同様の評価を行った。結果を表２〜４に示す。なお、実験例２２の試料に対して、被覆部形成前に、ナノ結晶合金粒子の表面近傍においてＳＴＥＭ−ＥＥＬＳのスペクトル分析を行い、Ｃｕについてマッピングをおこなった。結果を図５に示す。

表２より、酸素濃度が１０ｐｐｍの場合には、他の熱処理条件を変更しても、粒子の表面側に粗大なＣｕ結晶子が析出せず、Ｂ／Ａが本発明の範囲外となり、耐電圧が低いことが確認できた。

酸素濃度が４００ｐｐｍの場合には、他の熱処理条件を変更することにより、粒子の表面側において粗大なＣｕ結晶子の析出が制御され、Ｂ／Ａが本発明の範囲内において変化することが確認できた。具体的には、保持温度が低い場合、保持時間が長い場合、昇温速度が遅い場合には、Ｂ／Ａが大きくなる傾向にあることが確認できた。

また、図５より、熱処理条件、特に酸素濃度を適切な濃度とすることにより、Ｃｕ結晶子の大きさおよび存在状態が、軟磁性金属粒子の中心側と表面側とで異なることが確認できた。

（実験例４２〜４３）
実験例５の試料において、表３に示す組成を有するコーティング材を用いて被覆部を形成した以外は、実験例５と同様にして軟磁性金属粉末を作製し、実験例５と同様の評価を行った。また、得られた粉末を用いて、実験例５と同様にして圧粉磁心を作製し、実験例５と同様の評価を行った。結果を表３に示す。

表３より、Ｂ／Ａが上記の範囲内である場合には、コーティング材の組成に依らず、耐電圧性が良好であることが確認できた。

また、本実施例では、ビスマス酸塩系ガラスとしてのＢｉ_２Ｏ_３−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系粉末ガラスにおいて、Ｂｉ_２Ｏ_３が８０ｗｔ％、ＺｎＯが１０ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３が５ｗｔ％、ＳｉＯ_２が５ｗｔ％であった。ビスマス酸塩系ガラスとして他の組成を有するガラスについても同様の実験を行い、後述する結果と同様の結果が得られることを確認している。

また、本実施例では、ホウケイ酸塩系ガラスとしてのＢａＯ−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系粉末ガラスにおいて、ＢａＯが８ｗｔ％、ＺｎＯが２３ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３が１９ｗｔ％、ＳｉＯ_２が１６ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３が６ｗｔ％であり、残部が副成分であった。ホウケイ酸塩系ガラスとして他の組成を有するガラスについても同様の実験を行い、後述する結果と同様の結果が得られることを確認している。

（実験例４４〜４９）
実験例２および５の試料において、粉末の平均粒子径Ｄ５０を表４に示す値とした以外は、実験例２および５と同様にして軟磁性金属粉末を作製し、実験例２および５と同様の評価を行った。また、得られた粉末を用いて、実験例２および５と同様にして圧粉磁心を作製し、実験例２および５と同様の評価を行った。結果を表４に示す。

表４より、Ｂ／Ａが上記の範囲内である場合には、粉末の平均粒子径Ｄ５０に依らず、耐電圧性が良好であることが確認できた。

なお、粉末ガラスの添加量は、ナノ結晶が析出した粒子を含む粉末１００ｗｔ％に対して、当該粉末の平均粒子径（Ｄ５０）が５μｍおよび１０μｍである場合には１ｗｔ％、２５μｍおよび５０μｍである場合には０．５ｗｔ％に設定した。所定の厚みを形成するために必要な粉末ガラス量は、被覆部が形成される軟磁性金属粉末の粒子径により異なるからである。

（実験例５０〜１８１）
表５から８に示す組成を有する軟磁性合金から構成され、平均粒子径Ｄ５０が表５から８に示す値である粒子からなる粉末に対して、表５から８に示す条件で熱処理を行いナノ結晶を析出させた以外は、実験例１〜１０と同様にして、軟磁性金属粉末を作製し、実験例５と同様の評価を行った。また、得られた粉末を用いて、実験例５と同様にして圧粉磁心を作製し、実験例５と同様の評価を行った。結果を表５から８に示す。

表５から８より、ナノ結晶合金の組成を変更した場合であっても、Ｂ／Ａが上記の範囲内である場合には、良好な耐電圧性が得られることが確認できた。一方、Ｂ／Ａが上記の範囲外である場合には、耐電圧性に劣ることが確認できた。すなわち、Ｂ／Ａを上述した範囲内とすることにより、ナノ結晶合金の組成に依らず、耐電圧性を向上できることが確認できた。また、Ｂ／Ａを上記の範囲内とするには、ナノ結晶合金中にＣｕが０．１原子％以上含まれることが好適であることが確認できた。

１…被覆粒子
１０…被覆部
２…軟磁性金属粒子
２ａ…コア部
３ａ…Ｃｕ結晶子
５…非晶質
２ｂ…第１のシェル部
３ｂ…Ｃｕ結晶子
５…非晶質
２ｃ…第２のシェル部

Claims (8)

1. Ｃｕを含むＦｅ系ナノ結晶合金から構成される軟磁性金属粒子を複数含む軟磁性金属粉末であって、
   前記軟磁性金属粒子は、コア部と、前記コア部の周囲を取り囲む第１のシェル部と、を有し、
   前記コア部に存在するＣｕ結晶子の平均結晶子径をＡとし、前記第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子の最大結晶子径をＢとした場合、Ｂ／Ａが３．０以上１０００以下であることを特徴とする軟磁性金属粉末。
2. 前記コア部に存在するＣｕ結晶子の平均結晶子径をＡとし、前記第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子の平均結晶子径をＣとした場合、Ｃ／Ａが２．０以上５０以下であることを特徴とする請求項１に記載の軟磁性金属粉末。
3. 前記第１のシェル部に存在するＣｕ結晶子の平均短軸径をＤとした場合に、Ｄが３．０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の軟磁性金属粉末。
4. 軟磁性金属粒子全体のＦｅ結晶子の平均結晶子径が、１．０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の軟磁性金属粉末。
5. 前記軟磁性金属粒子は、前記第１のシェル部の周囲を取り囲む第２のシェル部を有し、前記第２のシェル部はＣｕまたはＣｕ酸化物を含む層であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の軟磁性金属粉末。
6. 前記軟磁性金属粒子の表面は被覆部により覆われており、
   前記被覆部は、Ｐ、Ｓｉ、ＢｉおよびＺｎからなる群から選ばれる１つ以上の化合物を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の軟磁性金属粉末。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の軟磁性金属粉末から構成される圧粉磁心。
8. 請求項７に記載の圧粉磁心を備える磁性部品。

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