磁性材料と聞くと、専門的で少し縁遠い言葉に感じるかもしれません。
しかし実際には、EVモーターやスピーカーから、ハードディスクやMRI検査まで、私たちの生活を陰で支えている身近な材料です。
本記事では、磁性材料の基礎知識から硬磁性・軟磁性・半硬磁性という3つの分類、研究開発・製造に使われる技術、分野別の活用例、そして選び方のポイントまでを、比較表を交えながら体系的に解説します。
磁性材料とは？基礎知識をわかりやすく解説
まずは、磁性材料がどのような性質を持つ物質なのか、分類の考え方や理解に欠かせない重要用語とあわせて基礎から見ていきましょう。
磁性材料（磁性体）の定義と磁化の仕組み
はじめに、磁性材料がなぜ磁化するのか、その仕組みから確認しましょう。
磁性材料とは、外部から磁場をかけたときに磁化する性質を持つ物質の総称です。磁化のもとになっているのは電子の「スピン」で、原子の中にあるたくさんの電子スピンの向きがそろっているかどうかによって、その物質が強く磁気を帯びるか、ほとんど帯びないかが決まります。
特に鉄・ニッケル・コバルトのような遷移金属は、電子軌道の構造上スピンの向きが偏りやすく、強い磁性を示す代表的な元素として知られています。
磁性材料の分類（強磁性・常磁性・反磁性）
磁化のしくみを踏まえたうえで、磁性材料は反応の強さによってさらに細かく分類されます。磁場への反応の仕方によって、大きく次の3種類に分けられます。
| 分類 | 特徴 |
|---|---|
| 強磁性 | 外部磁場がなくても自発的に磁化を持ち、磁石にはっきりと引き寄せられる |
| 常磁性 | 磁場がないときは磁化を持たないが、磁場を加えると弱く磁化する |
| 反磁性 | 磁場をかけると、磁場と逆方向にわずかに磁化し、磁石からわずかに反発する |
一般に「磁性材料」と呼ばれる際は、実用上意味のある強い磁気特性を示す強磁性材料を指すことがほとんどです。強磁性体は温度を上げていくとスピンの向きがしだいにランダムになり、ある温度を境に磁力を失って常磁性体へと変化します。この転移温度が「キュリー温度」です。
磁性材料を理解するための重要用語（保磁力・透磁率・キュリー温度）
分類の違いを正しく理解するためには、材料の性質を数値で表す指標も知っておく必要があります。ここでは、磁性材料のスペックを比較する際によく登場する3つの指標を押さえておきましょう。
- 保磁力（Hc）：一度磁化した材料の磁化を打ち消すために必要な、逆向きの磁場の強さ。保磁力が大きいほど磁化を保持しやすく、永久磁石に適した材料といえます。
- 透磁率（μ）：磁場の強さに対して、材料内部にどれだけ磁束が発生しやすいかを示す係数。透磁率が高いほど、弱い磁場でも大きく磁化しやすい材料です。
- キュリー温度（Tc）：強磁性体が磁力を失い、常磁性体に変化する温度。使用環境の上限温度を検討するうえで欠かせない指標です。
これら3つの指標の組み合わせによって、材料が「硬磁性材料」「軟磁性材料」「半硬質磁性材料」のどれに向いているかが決まります。
磁性材料の3つの種類と特徴
保磁力・透磁率・キュリー温度という指標を踏まえると、磁性材料は「硬磁性材料」「軟磁性材料」「半硬質磁性材料」の3つに分類できます。ここからは、それぞれの特徴と代表的な材料を具体的に見ていきましょう。
硬磁性材料（ハード磁性体）の特徴と主な材料
まずは、永久磁石として使われる硬磁性材料から見ていきます。硬磁性材料は保磁力が大きく、一度磁化すると磁力を長期間保持し続ける性質を持つ材料です。「永久磁石」として使われるのはこのタイプです。
ネオジム磁石
ネオジム（Nd）・鉄（Fe）・ホウ素（B）を主成分とする希土類系の焼結磁石です。結晶内部で原子が磁化しやすい方向に揃う「磁気異方性」の高さにより、現在実用化されている永久磁石の中で最も強い磁力を発揮します。製造は粉末冶金と呼ばれる方法で行われ、原料金属を微細な粉末にし、磁場をかけながら型に入れて成形したのち、高温で焼き固める「焼結」を経て磁石母材がつくられます。非常に強力な反面、キュリー温度が比較的低く（約310〜340℃）、高温環境では磁力が低下しやすいという弱点があり、耐熱グレードにはジスプロシウムやテルビウムなどの添加元素で保磁力を高めたシリーズも用意されています。また酸化しやすいため、表面をニッケルなどでメッキして保護するのが一般的です。
サマリウムコバルト磁石
サマリウムとコバルトを主成分とする希土類磁石で、キュリー温度は700〜800℃とネオジム磁石（約310〜340℃）を大きく上回ります。ただし実際に安定して性能を発揮できる最高使用温度は250〜350℃程度で、キュリー温度そのものとは区別される指標です。この高い温度安定性と優れた耐食性から、ネオジム磁石では対応が難しい航空機エンジン周辺の高温環境や、航空宇宙分野の制御システム・モーター・センサーなどにも採用されています。磁力自体はネオジム磁石よりやや劣るものの、過酷な環境下でも長期間安定して使える点が大きな強みです。
フェライト磁石
酸化鉄を主原料とするセラミックス系の磁石です。磁力はネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石に比べて弱いものの、原料が安価で錆びにくく、コストと耐候性に優れることから、家電製品やスピーカー、自動車部品など幅広い用途で使われています。
軟磁性材料（ソフト磁性体）の特徴と主な材料
硬磁性材料とは対照的な性質を持つのが、軟磁性材料です。軟磁性材料は透磁率が高く磁化しやすい一方、磁場を取り去るとすぐに磁気を失う（保磁力が小さい）性質を持つ材料です。磁石そのものというより、磁束を効率よく通す「磁気回路の部品」として使われます。
電磁鋼板（ケイ素鋼板）
鉄にケイ素を添加した鋼板で、飽和磁束密度が高く磁力を発揮させやすいことから、モーターやトランスのコア材として広く普及しています。電磁鋼板は軟磁性材料の代表格ですが、機器のさらなる省電力化に向けて損失（鉄損）の低減が課題となっており、これを補う新しい軟磁性材料の開発が進められています。
パーマロイ
鉄とニッケルを主成分とする合金で、非常に高い透磁率を持つのが特徴です。微弱な磁場でも効率よく磁化するため、磁気シールドや高感度センサーのコア材として利用されます。ただし電気抵抗率が低いため、高周波領域では渦電流損失が大きくなりやすく、高周波用途では表面を絶縁被覆した粉末材料（圧粉磁心）として使われることもあります。
アモルファス合金
金属を高速で冷却し、結晶構造を持たない状態（非晶質）にした合金です。結晶粒界による磁化の妨げがないため、高い飽和磁束密度と高透磁率、低損失という優れた軟磁気特性を示します。アモルファス合金には鉄基・Fe-Ni基・Co-Fe基などいくつかの系統がありますが、その中でも鉄を主成分とするタイプは、従来の電磁鋼板と比べて鉄損を大幅に低減できることから、配電用トランスやモーターコアへの採用が進み、省エネルギー化・CO2排出量削減にも貢献しています。
半硬質磁性材料の特徴と主な材料
半硬質磁性材料は、硬磁性材料と軟磁性材料の中間程度の保磁力を持つ材料です。
用途に応じて磁気情報を書き込んだり消去したりする必要がある製品に使われ、キュニフェ（Cu-Ni-Fe系）、キュニコ（Cu-Ni-Co系）、鉄クロムコバルト磁石（Fe-Cr-Co）などが代表例として挙げられます。磁気カードやヒステリシスモーターなど、「一定の保持力を持ちながらも書き換え可能」という中間的な性質が求められる場面で活躍します。
磁性材料の研究開発・製造に用いられる主な技術
種類ごとの特徴を理解したところで、次はその特徴がどのように作り込まれているのかという製造・研究の視点に目を向けてみましょう。磁性材料は、原料を混ぜて固めるだけで完成するわけではありません。求める磁気特性（保磁力・透磁率・磁束密度など）を引き出すために、さまざまな成膜・焼結技術が使われています。ここでは、研究開発の現場で広く使われている代表的な3つの技術を紹介します。
スパッタリングによる磁性薄膜の成膜
1つ目に紹介するのは、薄膜状の磁性材料を作る際に広く使われるスパッタリングです。スパッタリングは、真空中でターゲット材にイオンを衝突させ、はじき出された原子を基板上に堆積させる薄膜形成技術です。中でも「マグネトロンスパッタ」は、磁場を利用して電子をターゲット付近に閉じ込めることでプラズマ密度を高め、成膜速度を向上させた方式で、現在主流のスパッタリング方式となっています。磁気センサーやMRAM（後述）に使われる磁性薄膜の作製など、微小な磁性材料を精密に作り込む研究開発の現場で広く利用されています。
放電プラズマ焼結（SPS）による焼結磁石の製造
2つ目は、粉末から緻密な磁石を作り出す焼結技術です。放電プラズマ焼結（SPS：Spark Plasma Sintering）は、粉末材料にパルス状の直流電流を直接流し、ジュール加熱によって短時間で焼き固める焼結技術です。外部ヒーターでじっくり加熱する従来の焼結法と異なり、急速昇温・短時間焼結が可能なため、結晶粒の成長を抑えた緻密な焼結体を作りやすいという特徴があります。ネオジム磁石をはじめとする焼結磁石の製造プロセスとも関わりが深く、磁性材料の磁気特性向上に関する研究報告も数多く発表されている技術です。
ALD（原子層堆積）による薄膜形成
3つ目は、原子レベルの精密な薄膜制御を可能にするALDです。ALD（Atomic Layer Deposition：原子層堆積）は、原料ガスを基板表面に交互に供給し、化学反応によって原子1層ずつ薄膜を積み上げていく成膜技術です。膜厚をナノメートル単位で精密に制御できることから、MRAMの磁気トンネル接合（MTJ）のような微細な多層構造を持つ磁性デバイスの研究開発において重要な役割を担っています。
菅製作所では、こうした研究開発の現場で使われるスパッタ装置・ALD装置・放電プラズマ焼結（SPS）装置などの真空機器を、大学や研究機関向けに提供しています。実際に、大学の材料研究室や電子工学系の研究センターがこれらの装置を導入し、磁性材料を含むさまざまな材料の研究開発に活用している事例もあります。
導入実績はこちら磁性材料の用途一覧【分野別】
種類や製造技術を押さえたところで、ここからは磁性材料が実際にどのような製品・分野で使われているのかを、分野別に見ていきましょう。
自動車・EVモーターにおける活用
まずは自動車分野での活用例です。EV・ハイブリッドカーの駆動モーターには、強力な磁力を持つネオジム磁石が広く使われています。高出力・高効率でありながら軽量なモーターを実現できるのは、こうした高性能な硬磁性材料のおかげです。近年は、レアアースの使用量を抑えた新型磁石の開発も進められています。
家電製品・スピーカーにおける活用
自動車と並んで身近なのが、日常の家電製品です。冷蔵庫、掃除機、パソコン、スピーカーなど、身の回りの家電製品の多くにも磁性材料が組み込まれています。音を鳴らす、振動を生む、モーターを動かすといった目立たない部分で、フェライト磁石やネオジム磁石などがその力を発揮しています。
変圧器・磁気シールドにおける活用
一方、電力インフラの分野では軟磁性材料が活躍しています。トランス（変圧器）のコア材には、電磁鋼板やアモルファス合金といった軟磁性材料が使われます。特にアモルファス合金は鉄損の低減効果が高く、省エネルギー型の配電用トランスに採用が進んでいます。また、パーマロイのような高透磁率材料は、外部からの不要な磁場を遮断する磁気シールドとしても利用されています。
磁気カード・センサーにおける活用
磁気カードには、酸化鉄を主成分とするハードフェライト（バリウムフェライトなど）が使われており、永久磁石よりは低いものの適度な保磁力を持つことで、磁気ヘッドによる情報の書き込みと書き換えの両方に対応できます。また、軟磁性材料は電流センサーや磁気フラックスゲートなど、微弱な磁場変化を検出するセンサーのコア材としても活躍しています。
情報記録・メモリデバイス（HDD・MRAM）における活用
センサー用途と関連が深いのが、情報記録の分野です。磁性材料は、データ記録の分野でも重要な役割を担っています。ハードディスクは磁気の向きによって「0」と「1」を記録する仕組みです。さらに近年は、スピントロニクス技術を応用したMRAM（磁気ランダムアクセスメモリ）が注目されています。MRAMは、磁性体と絶縁体を重ねた「磁気トンネル接合（MTJ）」を使い、2つの磁性層の磁化方向が平行か反平行かによって電流の流れやすさが変わる性質を利用してデータを記憶する不揮発性メモリで、電源を切ってもデータが消えないという特徴を持ちます。
医療・バイオ分野（MRI・ドラッグデリバリー）における活用
最後に紹介するのは、近年研究が進んでいる医療分野での活用です。磁性材料は医療現場でも活用が進んでいます。MRI検査では、磁性を持つナノ粒子を用いた造影剤が病変部位を強調する目的で使われることがあります。また、磁性を帯びたナノ粒子に薬剤を結合させ、体外から磁石で患部まで誘導する「磁気ドラッグデリバリー」の研究も進められており、がん治療をはじめとする新しい治療法として期待されています。
まとめ
ここまで解説してきた内容を踏まえ、最後に磁性材料の要点を整理します。
磁性材料は、磁化のしやすさと保持のしやすさによって「硬磁性材料」「軟磁性材料」「半硬質磁性材料」の3つに大きく分類されます。
硬磁性材料は永久磁石として、軟磁性材料はモーターやトランスの磁気回路部品として、半硬質磁性材料は磁気カードなど書き換え可能な用途として、それぞれ異なる役割を担っています。
また、こうした磁性材料の性能を引き出すためには、スパッタリング・放電プラズマ焼結（SPS）・ALDといった研究開発・製造技術も欠かせません。
参考文献
- 磁性材料とは｜大同特殊鋼：https://www.daido.co.jp/products/smm/what/magnetic_material.html
- キュリー点｜大同特殊鋼：https://www.daido.co.jp/products/smm/glossary/curie_point.html
- アモルファス金属材料（Metglas）｜プロテリアル：https://www.proterial.com/products/soft_magnetism/metglas.html
- ナノ結晶軟磁性材料｜日経クロステック：https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/00001/08098/
- MRAMについて｜パワースピン株式会社：https://powerspin.co.jp/spintronics/mram/
