必須電子材料：第7回 磁性材料
1 磁性材料入門
磁性材料は、その内部構造によって磁性を示す物質であり、磁場を発生させたり、外部磁場の影響を受けたりすることができる。これらの物質は、他の物質を引き寄せたり、反発させたりすることができ、その磁気的挙動は、現代の多くの電子機器にとって基本的なものである。
磁性材料は、エネルギーを貯蔵、伝達、変換する能力があるため、エレクトロニクス産業には欠かせない。エネルギー効率の高いデバイスから高度な通信技術まで、さまざまな用途で使用されています。これらの材料は、モーター、トランス、センサー、磁気記憶装置、アンテナなどの部品に不可欠であり、エレクトロニクス、テレコミュニケーション、エネルギー、自動車、ヘルスケアなどの産業に欠かせないものとなっています。
2 エレクトロニクスに使われる磁性材料の種類
2.1 硬質磁性材料（永久磁石）
硬質磁性材料は、永久磁石とも呼ばれ、磁化後も磁性を長期間維持でき、磁性が失われにくい材料です。硬質磁性材料の主な特徴は、着磁後も元の磁性を長時間維持できること、保磁力が大きいこと（Hc=10^4~10^6 A/m）、ヒステリシス線が太いこと、最大磁気エネルギー積(BH)maxと残留磁化が大きいことです。
2.1.1 アルニコ合金
アルニコ合金は、高い保磁力と残留磁性を持つ永久磁石材料として一般的である。アルニコ合金の永久磁石としての主な利点は、高保磁力、高キュリー温度、良好な温度安定性である。アルニコ合金は保磁力が高く、強い外部磁場の作用下でも磁気特性を維持でき、容易に減磁しない。また、キュリー温度は860℃と高く、最高使用温度は525～550℃であり、高温環境下でも良好な磁気特性を維持できる。アルニコは残留磁性が高く、より強い磁場でも磁気特性を維持できる。耐食性にも優れ、過酷な環境下でも使用できる。アルニコ合金の減磁曲線は非線形に変化するため、減磁過程で異なる特性を示す。
図1 アルニコ合金磁石
2.1.2 チタン-コバルト合金
チタン-コバルト合金は、より一般的な永久磁石の一種です。チタン-コバルト合金は、8.75～11.94 kA/m までの磁界強度の範囲で、高い磁気誘導（1.0～1.25 T）と磁気エネルギー積（2.2×10⁵erg/cm³）を維持することができます。この優れたヒステリシス特性により、Ti-Co合金は磁場反転時のエネルギー損失が少なく、エネルギー変換効率が向上し、特に負荷が頻繁に変動するモーターシステムに適しています。チタン-コバルト合金は、8.75～11.94kA/mの動作磁界強度範囲で最大1.25Tの磁気誘導を達成することが可能です。この高い磁気誘導強度は、強い磁気モーメントの発生を可能にし、高磁場での動作時の効率を高めます。チタン・コバルト合金は高温でも磁気特性を維持することができ、高温環境下でも大きく減磁することはありません。このため、高温または変動する温度で動作する電気モーターや発電機で優れた性能を発揮し、信頼性の高い動作を保証します。チタンコバルト合金は、精密に配分された化学組成（コバルト、バナジウム、その他の元素など）により、高い機械的強度と高温耐性を維持しながら、高い磁気特性を満たすことができます。これにより、幅広い複雑な使用条件下で優れた性能を発揮することができる。
図2 チタン・コバルト合金
2.1.3 希土類コバルト永久磁石
希土類コバルト永久磁石にはRCo5とR2Co17の2種類があり、Rはサマリウム、プラセオジム、セリウム、ランタンなどの希土類元素を表す。前者はCaCu5六方晶、後者は三方晶の結晶構造を持つ。前者はCaCu5型六方晶系構造、後者は三方晶系構造である。RCo5型は高い磁気結晶異方性が特徴であり、R2Co17型は高い磁気誘導強度とキュリー点が特徴で、コバルトの一部を鉄や銅などの元素に置き換えることで、非常に高性能な材料に仕上がっている。
コバルト磁石は、非常に高い保磁力と磁気エネルギー製品によって特徴付けられ、優れた性能を持つ永久磁石のクラスです。調製工程は主に粉末法と鋳造法を採用し、粉末法は磁場成形、静水圧、液相焼結などの工程を採用する。主に進行波管、マグネトロンなどの電気真空装置、サーキュレーターなどのマイクロ波装置に使用され、磁場を供給する。また、マイクロモーター、マイクロリレー、磁気軸受、電子時計、その他の小型精密機器、メーターなどの分野でも広く使用されている。
図3 希土類コバルト永久磁石
2.2 軟磁性材料
軟磁性材料とは、Hcで発生する磁化が1000A/mを超えないものを指し、このような材料は軟磁性磁石と呼ばれる。代表的な軟磁性材料は、最小の外部磁界で最大の磁化強度を得ることができます。軟磁性材料は保磁力が低く、透磁率が高い磁性材料です。軟磁性材料は磁化・脱磁が容易であり、電気・電子機器に広く使用されている。最も広く使用されている軟磁性材料は、鉄-ケイ素合金（ケイ素鋼板）と各種軟磁性フェライトなどである。
2.2.1 ケイ素鋼軟磁性磁石
珪素鋼軟磁性体にはいくつかの重要な利点があり、パワーエレクトロニクス産業で広く使用されている。第一に、ケイ素鋼の高い飽和磁気誘導は、同じ磁束条件下でより少ない材料断面積を使用できることを意味し、効果的に材料を節約し、部品の小型化を可能にする。第二に、珪素鋼は特に交流磁界中での磁気損失が小さく、抵抗率が高いため渦電流損失が効果的に低減され、ヒステリシス損失が小さいため動作中の優れた性能が保証される。さらに、珪素鋼は加工性能もよく、板材に加工しやすく、打ち抜き、切断などの加工技術に適しており、一般的な形状としては、冷間圧延珪素鋼板、冷間圧延無方向性電気鋼帯、冷間圧延方向性電気鋼帯などがあり、電子システムや家電製品の低周波変圧器やチョークなどの部品に広く使用されている。最後に、珪素鋼板は低周波、大電力用途で特に優れた性能を発揮し、特に電力変圧器、配電変圧器、電流変圧器のコアに使用され、これらは周波数400Hzまでのパワーエレクトロニクスで一般的に使用されている。
図4 シリコンスチールソフトマグネット
2.2.2 軟磁性フェライト
軟磁性フェライトの特徴は、飽和磁束密度が低い、透磁率が低い、キュリー温度が低い、中・高周波での損失が低い、コストが安いことである。最初の3つの低さはその欠点であり、使用範囲が限定され、現在（21世紀初頭）改善されようとしている。最後の2つの低さは長所で、高周波市場への参入を容易にし、現在（21世紀初頭）はその拡大に取り組んでいる。
図5 軟磁性フェライト
軟磁性材料は、その優れた磁気特性からエレクトロニクス分野で広く使われている。トランス、インダクタ、電流・電圧トランスのコア材料として一般的に使用され、その低いヒステリシス損失と高い飽和磁気誘導強度は、これらの部品の効率を向上させ、エネルギー損失を低減します。軟磁性材料はまた、特に高周波モーターにおいて電力密度と効率を高めるために、電気モーターや発電機の固定子や回転子部分に広く使用されている。さらに、電子機器の電磁干渉（EMI）を低減し、安定した動作を確保するための電磁シールドにも使用されている。軟磁性材料は誘導加熱技術でも重要な役割を果たしており、金属加熱、プラスチック成形、溶接など幅広い用途で高周波電流と相互作用することにより加熱効率を向上させている。電力管理システムでは、軟磁性材料がフィルターや電源装置に使用され、その低磁気損失特性によって安定性と効率を向上させている。さらに、軟磁性材料は、位置センサー、速度センサー、磁気コンデンサーやスイッチなどの磁気センサー、受動部品、その他の電子アセンブリにも使用されています。全体として、優れた磁気特性と加工性を持つ軟磁性材料は、電力管理から通信、オートメーション、医療機器に至るまで、様々な分野のエレクトロニクス産業で重要な役割を果たしています。
2.3 磁性合金
磁石合金は、鉄と他の金属元素（コバルト、ニッケル、希土類元素など）からなる合金で、優れた磁気特性を持ち、エレクトロニクス、通信、エネルギーなど多くの分野で広く使用されています。磁気特性の違いにより、磁石合金は通常、軟磁性合金と硬磁性合金に分けられます。
軟磁性合金：ヒステリシス損失が小さく、透磁率が高いのが特徴で、トランス、モーター、インダクターなどの用途に適しています。珪素鋼や鉄ニッケル合金などの一般的な軟磁性合金は、主にパワーエレクトロニクス、家電、自動車エレクトロニクスなどの分野で使用されています。
硬質磁性合金：硬質磁性合金は高い磁気エネルギー積と磁場強度を持ち、安定した磁気特性を維持することができ、通常永久磁石の製造に使用されます。一般的な硬質磁性合金には、ネオジム-鉄-ボロン（NdFeB）、アルミニウム-ニッケル-コバルト（AlNiCo）、コバルト系合金などがある。これらは、電気モーター、センサー、スピーカー、磁気共鳴画像装置（MRI）などのハイテク分野で広く使用されている。
磁石合金は、実用的な用途において異なる性能特性を示す。例えば、ネオジム-鉄-ボロン（NdFeB）磁石は、その高い磁気エネルギー積と強力な磁力により、現代の産業や電子機器に欠かせない材料となっており、電気モーター、風力タービン、スピーカーなどに広く使用されている。一方、アルニコ合金は、耐熱性と安定性に優れているため、高温や特殊な環境下での磁性部品によく使用されている。
図6 ネオジム・鉄・ボロン（NdFeB）磁石
3 エレクトロニクス用磁性材料の特性
3.1 透磁率
透磁率は、磁性媒体の磁気特性を表す物理量である。空間またはコア空間のコイルに電流を流した後、磁束に対する抵抗力、または磁界中で磁力線を伝導する能力を示す。その式はμ = B / H、ここでH = 磁界の強さ、B = 磁気誘導の強さ、媒体の透磁率、または絶対透磁率を表す一般的に使用される記号μ、μ。
電磁特性の影響に電子製品の透磁率は、主に電磁誘導、インダクタンスと磁気閉鎖、電磁シールド、および他の側面で、非常に重要です。電磁誘導のプロセスにおいて、透磁率は磁場の変化に対する材料の応答能力を決定し、ひいては誘導電流の大きさに影響します。
適切な透磁率を持つ材料を選択することで、トランスやインダクタなどのデバイスの効率や性能を向上させることができる。インダクタでは、高透磁率材料はコイル内の誘導電流と磁場の強さの関係を高め、デバイスの効率と感度を向上させることができる。磁気閉じ込め材料では、透磁率の高い材料は効果的に磁場の漏れを減らし、磁場の集中と効果を高めることができる。
さらに、透磁率は電磁遮蔽においても重要な役割を果たしており、透磁率の高い材料を選択することで、電磁波のエネルギーを効果的に吸収、反射、分散させることができ、電子機器、通信機器、航空宇宙機器への電磁波の干渉や損傷を低減することができる。そのため、透磁率は電子製品の電磁性能を最適化し、機器の効率を向上させ、電磁干渉を低減する上で重要な役割を果たしている。
図7 透磁率
3.2 飽和磁束密度
飽和磁束密度（SMFD）とは、印加磁界強度が増加するにつれて徐々に到達する、磁性材料内の磁気誘導強度（磁界強度）の限界値を指します。磁界強度をさらに増加させると、材料内部の磁界強度はもはや増加しなくなり、この限界値が材料の飽和磁束密度である。つまり、飽和磁気誘導とは、材料が耐えられる最大の磁界強度のことである。飽和磁気誘導強度は用途に重要な影響を及ぼし、それは主にいくつかの側面に反映されます。
まず、材料の飽和磁気誘導強度は、その材料が強い磁場中で蓄えることができる最大の磁気エネルギーを決定し、それを超えるとその材料は磁気特性をさらに高めることができなくなります。これは、高性能磁気部品（インダクタ、トランス、永久磁石など）の設計にとって極めて重要です。高い飽和磁気誘導強度を持つ材料は、より高い磁場強度で動作することができ、高出力・高効率デバイスにより大きな磁束を供給することができます。
第二に、インダクタやトランスなどの磁性部品において、飽和磁気誘導強度が高いということは、同じ体積により多くの磁気エネルギーを蓄えることができることを意味し、小型化設計を可能にします。例えば、トランスに高飽和磁気誘導強度の材料を使用することで、高い性能と効率を維持しながら、コアのサイズを小さくし、デバイスの重量を軽くすることができます。
さらに、用途によって飽和磁気誘導強度の要件は異なり、高周波電子機器、信号処理、大電力電気機器では、高飽和磁気誘導強度材料を選択することで、システム性能を効果的に向上させることができます。電力変圧器では、この特性は磁束密度を増加させ、コア損失を低減し、変圧器の効率を向上させることができる。
最後に、飽和磁気誘導は温度にも影響され、ほとんどの材料は温度が上昇するにつれて飽和磁気誘導が低下します。これは、高温動作環境、特に自動車用電子機器、航空宇宙機器、エネルギー機器などの用途で特に重要であり、高温で高い飽和磁気誘導を維持する材料を選択することが重要です。
図8 飽和磁束密度
3.3 保磁力
保磁力は磁性材料の重要な特性の一つであり、磁場が除去された後に材料がその磁気特性を保持する能力、または材料の磁化の方向を反転させるのに必要な最小外部磁場強度を指します。磁化の反転に抵抗する材料の能力を反映するため、永久磁石の性能にとって重要である。永久磁石における保磁力の影響は、主に磁気安定性、減磁に対する耐性、磁場強度対体積、および用途の選択に反映されます。保磁力が高いということは、外部環境磁場や温度変化の影響下でも強い磁気特性を長期間維持できるということであり、電動機、発電機、センサーなど長期安定性が要求される用途では重要である。
また、保磁力が高いほど減磁能力が強く、高温や強い外部磁界などの過酷な環境下でも磁気特性を失いにくいため、複雑な使用環境における高保磁力永久磁石の性能はより優れており、自動車、航空宇宙などの分野で広く使用されています。高保磁力永久磁石は、より小さな体積でより強い磁場を実現することができ、小型化機器、精密機器、モバイル機器にとって特に重要である。例えば、小型モーター、センサー、高効率磁気ドライブなどでは、高保磁力の永久磁石を使用することで、機器の効率と性能を向上させるのに十分な磁力を得ることができます。保磁力の要件は用途によって異なり、電動機、永久磁石発電機、磁気駆動装置など、強く安定した磁界を必要とする用途では高保磁力の材料が選ばれることが多く、強い磁界を必要としない用途では低保磁力の材料で十分であり、コストを抑えることができます。
4 電子デバイスにおける磁性材料
磁性材料は、磁界と相互作用し、エネルギー変換、データ保存、信号伝送を促進する能力を持つため、電源、変圧器、データ保存システム、モーター、センサー、無線通信機器など、さまざまな電子機器において重要な役割を果たしています。
4.1 電源装置と変圧器
電源と変圧器では、磁性材料は電圧変換と調整に不可欠である。例えば変圧器は、ケイ素鋼やフェライトのような軟磁性材料でできた磁気コアに依存している。これらの材料は電磁誘導の効率を高め、トランスが電圧を効果的に昇圧または降圧できるようにします。磁気特性により、直接電気に触れることなく、あるコイルから別のコイルへ電気エネルギーを伝達することができるため、変圧器は配電システムにおいて不可欠なものとなっており、家庭や産業で安全に使用できるように高圧電力を変換している。
4.2 データ・ストレージ
磁性材料は、特にハードディスク・ドライブ（HDD）や磁気テープなどのデータ・ストレージ用途にも不可欠である。HDDでは、磁性体の薄い層がデジタル情報の保存に使われる。ドライブの読み書きヘッドがディスク表面の磁気アライメントを変化させることで、データの書き込みや取り出しが可能になる。バックアップ・ストレージによく使われる磁気テープも、同様の原理を利用して磁界中にデータを保存し、データの長期保存を可能にしている。
4.3 モーターとセンサー
モーターやセンサーでは、磁性材料が電気エネルギーを機械的運動に変換したり、逆に機械的エネルギーを機械的運動に変換するのを促進する。例えば、永久磁石や電磁石は、ブラシレス・モーターを含む電気モーターの設計に使用され、自動車からロボット工学まで幅広い用途で使用されている。電流センサーなどのセンサーは、磁性材料を使用して電流によって発生する磁界を検出・測定し、制御システムにおいて重要なフィードバックを提供します。
図9 磁気センサー
磁性材料は、ワイヤレス通信技術においても同様に重要です。ワイヤレス機器では、アンテナ、変調器、復調器、無線周波数（RF）部品などの部品が、信号の送受信を最適化するために磁性材料に依存しています。これらの材料は電磁波の集束と誘導に役立ち、携帯電話、Wi-Fiルーター、衛星通信などの通信システムの性能を向上させる。
5 まとめ
磁性材料は、エネルギー変換、データ記憶、運動制御、信号伝送において重要な役割を果たし、広範な電子機器に不可欠である。電源や変圧器では効率的な電圧調整を可能にし、ハードドライブや磁気テープのようなデータ記憶システムでは信頼性の高いデータの記録と検索を容易にする。モーターやセンサーでは、磁性材料はエネルギー変換や精密測定に不可欠であり、電気自動車から産業用ロボットまであらゆるものに電力を供給している。さらに、無線通信機器の磁性部品は、アンテナやRF部品の性能を向上させ、最適な信号の送受信を保証します。全体として、磁性材料は現代のエレクトロニクスの機能性と性能の基礎となっている。
スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）は、高品質の磁性材料を提供する重要なプロバイダーであり、信頼性の高い材料ソリューションでこれらの重要なアプリケーションをサポートしています。
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