JP2010111545A

JP2010111545A - フェライト組成物及びインダクタ

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Publication number: JP2010111545A
Application number: JP2008286380A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Hachiya; 正大八矢; Kenji Kono; 健二河野
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2010-05-20

Abstract

【課題】
１ＭＨｚを超える高周波帯域における損失を低減して十分なＱ値を有し、且つＮｉＯフリーの安価で環境影響が小さいＭｇＺｎフェライト組成物およびこの組成物を用いたコアを有するインダクタを提供する。
【解決手段】
ＭｇＺｎフェライト組成物はＦｅ_２Ｏ_３に換算して４５〜５０モル％の酸化鉄と、ＺｎＯに換算して２５モル%以下（０を含まず）の酸化亜鉛と、ＭｇＯに換算して２５〜５０モル％の酸化マグネシウムとからなる主成分１００質量部に対し、副成分としてＣｏＯに換算して０．４〜３．２質量部の酸化コバルトを含有する。そして、このフェライト組成物からなるコアを用いて製造されるインダクタは、３ＭＨｚでのＱ値が４０以上であって、初透磁率μの２５℃を基準にしたときの１００℃での温度変化率Δμが±５０％以内であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、安価で環境影響が小さいＮｉフリーの高周波用磁性材料であって、特に1ＭＨｚを超える高周波帯域において損失の少ないＭｇＺｎ系フェライト組成物及びこのフェライト組成物からなるコアを用いたインダクタに関する。

近年、電子、通信機器の小型化に伴い、それらの機器に使用される電子部品の小型化が求められている。各種電子機器の電子回路に使用されるインダクタもその要求に応え、小型化かつ高性能化が進められている。インダクタにはフェライト組成部からなるコアが用いられ、そのフェライト組成物には、小型化、高性能化のために損失係数が小さいことや温度係数が小さいことなどが要求される。このような特性を有するフェライト組成物としては、従来からＮｉＣｕＺｎフェライトが使用されてきた。

しかしながら、このＮｉＣｕＺｎフェライトは高価なＮｉ原料を使用することから安価なフェライト材料を提供することができない。また、環境影響への配慮からＮｉＯを含まない、ＮｉＯフリーの電子部品が望まれている。

他方、近年、情報量の増大や信号処理速度の上昇から、電子機器で取り扱う信号の周波数が高くなっており、使用周波数は高周波化の流れにある。

インダクタなどに使用されるＮｉＯフリーの安価なフェライト焼結体として、酸化鉄４７．０〜４９．６モル％、酸化亜鉛１８．０〜２７．０モル％、酸化マグネシウム１５．０〜２６．０モル％、酸化銅５．０〜９．０モル％からなる主成分組成で構成されるＭｇＣｕＺｎフェライト焼結体が知られている（特許文献１参照）。
特開２００１−１３９３６８号公報

しかしながら、上記のＭｇＣｕＺｎフェライト焼結体は、原料に酸化マグネシウム等を使用し、ＮｉＯフリーで安価ではあるものの、１００ｋＨｚ帯での使用を目的としており、高周波帯（例えば３ＭＨｚ）ですでにＱ値の低下が著しく、インダクタを含めた電子部品の使用周波数の高周波化に十分対応できない。また、電子部品用フェライト組成物は、実用的には温度特性として初透磁率μの２５℃を基準にしたときの１００℃での温度変化率Δμが±５０％以内であることが望ましい。
本発明は、１ＭＨｚを超える高周波帯域(〜５０ＭＨｚ)における損失を低減して十分なＱ値を有し、且つ温度特性の良好な、ＮｉＯフリーの安価で環境影響が小さいＭｇＺｎフェライト組成物およびこのフェライト組成物からなるコアを用いて製造されるインダクタを提供することを課題とする。

本発明においては、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）Ｆｅ_２Ｏ_３に換算して４５〜５０モル％の酸化鉄と、ＺｎＯに換算して２５モル％
以下（０を含まず）の酸化亜鉛と、ＭｇＯに換算して２５〜５０モル％の酸化マグ
ネシウムとからなる主成分１００質量部に対し、副成分としてＣｏＯに換算して０
．４〜３．２質量部の酸化コバルトを含有するフェライト組成物。
（２）焼結したフェライト組成物であって、３ＭＨｚでのＱ値が４０以上で、初透磁率μ
の２５℃を基準にしたときの１００℃での温度変化率Δμが±５０％以内である
（１）に記載のフェライト組成物。
（３）フェライト組成物からなる焼結体の結晶粒の平均粒径が３μｍ未満であり、該結晶
粒の粒度分布の標準偏差が０．５〜２の範囲にある（２）に記載のフェライト組成
物。
（４）（２）又は（３）に記載のフェライト組成物からなるコアを用いたインダクタ。
なお、本発明において、フェライト組成物とは、上記の成分を有する組成物であり、焼結後のものを指す。

本発明によれば、ＮｉＯフリーであるので、安価で環境への負荷が少なく、しかも、１ＭＨｚを超える高周波帯域（〜５０ＭＨｚ）においても損失を抑えて十分に高いＱ値を有するＭｇＺｎフェライト組成物およびインダクタを提供することができる。

本発明のＭｇＺｎ系フェライト組成物は、主成分と副成分からなり、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で４５〜５０モル％の酸化鉄と、ＭｇＯ換算で２５〜５０モル％の酸化マグネシウムと、酸化亜鉛の含有量がＺｎＯ換算で２５モル％以下（０を含まず）の酸化亜鉛とからなる主成分１００質量部に対し、副成分として、酸化コバルトをＣｏＯ換算で０．４〜３．２質量部含有することを特徴とする。

以下に、本発明にフェライト組成物の各成分の組成限定理由を説明する。

（主成分について）
・酸化鉄の含有量：Ｆｅ_２Ｏ_３換算で４５〜５０モル％
Ｆｅ_２Ｏ_３が４５モル％未満ではＭｇＯなどの偏析に伴う損失が増大し、高周波帯（例えば３ＭＨｚ）におけるＱ値が低下する。また、５０モル％を超えるとＦｅ^２＋に伴う損失が発生し、やはり高周波帯におけるＱ値が低下する。

・酸化亜鉛の含有量：ＺｎＯ換算で２５モル％以下（０を含まず）
ＺｎＯが２５モル％を超えるとキュリー点が著しく低下し、初透磁率μの２５℃を基準にしたときの１００℃での温度変化率Δμが大きくなる。

・酸化マグネシウムの含有量：ＭｇＯ換算で２５〜５０モル％
ＭｇＯが２５モル％未満では初透磁率μの２５℃を基準にしたときの１００℃での温度変化率Δμが大きくなり、５０モル％を超えると過剰なＭｇによって損失が増大し、高周波帯（例えば３ＭＨｚ）におけるＱ値をはじめとする磁気特性が低下する。

（副成分について）
・酸化コバルト：ＣｏＯ換算で０．４〜３．２質量部
本発明のフェライト組成物は、上記の主成分１００質量部に対して、副成分として酸化コバルトを０．４〜３．２質量部含有する。

ＣｏＯは負の結晶磁気異方性を持つため、ＭｇＺｎ系フェライトに含有させるとＣｏＯが固溶し、結晶粒内の結晶磁気異方性がほぼゼロになり、高周波帯の損失の低減、すなわち高周波帯（例えば３ＭＨｚ）におけるＱ値の向上に有効に寄与する。ただし、その含有量が主成分１００質量部に対して、０．４質量部未満ではその効果が小さく高周波帯におけるＱ値が低下し、含有量が３．２質量部を超えると初透磁率μの２５℃を基準にしたときの１００℃での温度変化率Δμが大きくなるため、０．４〜３．２質量部とした。

ＣｏＯ含有によるＱ値向上効果として、ＣｏＯ無含有時Ｑ＝１８（ａｔ３ＭＨｚ）である組成の試料１００質量部に対して、ＣｏＯを０．４質量部含有させることでＱ＝５０に、さらにＣｏＯを３．２質量部含有させることでＱ＝９０（ａｔ３０ＭＨｚ）までそれぞれ向上できることが確認でき、本発明のフェライト組成物が高周波インダクタ用として数十ＭＨｚ帯域でも十分な特性を有していることが見いだされた。

本発明のフェライト組成物は焼結処理等が施されて、コイル等のコアが製造されるが、以下に本発明のフェライト組成物の製造方法について説明する。

酸化鉄、酸化亜鉛、酸化マグネシウムおよび酸化コバルトを所定量含有する原材料粉末をボールミル等で混合し、ついで、この混合粉末を熱処理してBET比表面積が１〜７ｍ^２／ｇなる仮焼粉を得、この仮焼粉をボールミル等で粉砕して解砕し、この解砕粉にバインダーを加えて造粒する。仮焼温度は６５０〜９５０℃とすることが好ましい。バインダーとしては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）やポリビニルブチラール樹脂やアクリル酸ポリマー等を使用することができる。
次いで、このフェライト造粒粉を所望のコア形状に形成し、この成形体を焼成炉中で、昇温・冷却速度や焼成温度、保持時間等を所定の範囲に調整して、焼成し焼結体を得る。

本発明では、焼結後の焼結体の結晶粒を、平均粒径が３μｍ未満とし、且つ粒度分布の標準偏差が０．５〜２の範囲にある均一で小径な結晶粒になるよう制御することが好ましい。
これは、焼結後のフェライト組成物（フェライト焼結体）においては、その粒径が単磁区粒子径となり単磁区構造となることで高周波帯での損失を低減できるためである。
以上の結晶粒を有する焼結体を達成する上で、焼成条件は、昇温・冷却速度３００℃／ｈｒ〜２０００℃／ｈｒで、焼成温度１１００℃〜１２００℃で保持時間２時間以内であることが望ましく、特に焼成温度は１１００℃未満では十分に緻密化することができず、１２００℃を超えると酸素欠陥による比抵抗の低下が生じるため、上記温度範囲が最適である。

図１は後述する本発明例１のフェライト焼結体の自由表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡、日立製S4300SE/N)で５０００倍で撮影した写真に基づいて作成されている。
本発明のフェライト焼結体の結晶粒は、例えば図１のようになっており、平均粒径が３μｍ未満であり、且つ粒度分布の標準偏差が０．５〜２の範囲にあることを特徴とする。

造粒粉を所望の形状にして焼結して、本発明のフェライト組成物からなるインダクタのコアを製造する場合を説明したが、造粒粉から作製された本発明のフェライト組成物からなる磁性体層と内部導体とを積層して各種の高周波対応のインダクタを製造することもできる。
以下、実施例により、本発明をさらに説明する。

実施例として、表１に示される５種の試料を製造した。比較例１は組成がＦｅ_２Ｏ_３：４８．８モル％、ＭｇＯ：２５．９モル％、ＺｎＯ：１８．３モル％、ＣｕＯ：６．９モル％、ＭｎＯ：０．１モル％である従来材である（特許文献１における実施例６参照）。そして、比較例２、本発明例１、本発明例２及び比較例３は、Ｆｅ_２Ｏ_３のモル％及びＭｇ／Ｚｎ比が比較例１と同じかほぼ同じであるＦｅ_２Ｏ_３：４８．８モル％、ＭｇＯ：３０．１モル％、ＺｎＯ：２１．１モル％からなる主成分１００質量部に対して副成分としてＣｏＯの含有量がそれぞれ０質量部、０．４質量部、３．２質量部、３．６質量部含有するものである。

これら５種の組成物について、それぞれ下記表１に示す用に、各成分を所定量配合した後にボールミルで湿式混合し、得られた混合粉を８５０℃−２時間保持にて仮焼し合成粉を作製した。次いで、この合成粉をボールミルで湿式解砕したのち、得られた解砕粉にバインダーとしてＰＶＡを添加して造粒粉を作製し、この造粒粉をつかってφ１５ｍｍのトロイダル形状の成型体を作製した。
更に、この成型体を、１１００℃−２時間保持の焼成条件でそれぞれ焼成を行ない、トロイダル形状の焼結体からなる試料を得た。得られた各焼結体からなる資料についてＸＲＦ（ケイ光Ｘ線分析）を用いて組成比を確認した結果、それぞれ配合時に各酸化物に換算した組成比と等しいものであることを確認した。

得られた各試料について、インピーダンスアナライザ（Agilent製 4991A）を用いて、透磁率の実数部と虚数部であるμ’とμ”を１ＭＨｚ〜３ＧＨｚの周波数帯で測定し、３ＭＨｚ、３０ＭＨｚのそれぞれにおけるμ’とμ”の値からＱ値を計算した。
Ｑ＝μ’／μ”
また、初透磁率μの温度変化率については、２５℃から１００℃にかけてのμの変化率Δμを次式より求めた。
Δμ［％］＝[〔（μ100℃）−（μ25℃）〕／（μ25℃）]×１００
ここで、μ100℃、μ25℃はそれぞれ１００℃、２５℃での初透磁率である。
更に、トロイダル形状の焼結体の結晶粒の平均粒径及び該結晶粒の粒度分布の評価としては、前記焼結体の自由表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡、日立製 S4300SE/N）で撮影した写真について各試料３００個のフェライト粒子を選び出して画像解析を行い、平均粒径として円相当径の平均値を求め、また粒度分布の標準偏差として前記円相当径の標準偏差を求めた。尚、円相当径とは、面積が等しい真円の直径に換算した値をいう。

以上のようにして作製した試料の評価結果を表１に示す。

従来材の比較例１は、２５℃から１００℃にかけての初透磁率μの変化率Δμは比較的小さく、満足すべき範囲であるが、３ＭＨｚ、３０ＭＨｚでのＱ値がそれぞれ３、０．８であり、高周波帯域でのＱ値の低下が著しく、高周波用のインダクタ用の磁性材料として不適である。

これに対して、ＣｏＯをそれぞれ０．４質量部、３．２質量部含有する本発明例１及び本発明例２は、２５℃から１００℃にかけての初透磁率μの変化率Δμは従来材の比較例１と遜色なく、しかも、Ｑ値についても、３ＭＨｚでそれぞれ５０、２１０、３０ＭＨｚでそれぞれ８、９０であり、高周波帯域で使用されるインダクタの磁性材料として満足すべきものである。

ＣｏＯを含有しない比較例２は、上記のΔμは比較例１や本発明例１、２と遜色はないが、３ＭＨｚ、３０ＭＨｚでのＱ値が本発明例１、２と比較して著しく低い。また、ＣｏＯを本発明で規定する範囲を超えて３．６質量部含有する比較例５は、３ＭＨｚ、３０ＭＨｚでのＱ値は満足すべきものであるが、２５℃から１００℃にかけての初透磁率μの変化率Δμが著しく大きいので、高周波用のインダクタ用のフェライト組成物としては不適である。

さらに、主成分の各成分と副成分の含有率が本発明例１、２と異なる本発明例３〜１７および比較例４〜７を表２に示す。

比較例４は、主成分のＦｅ_２Ｏ_３量が４４ｍｏｌ％で本発明の組成範囲外であり、３ＭＨｚにおけるＱ値が４０未満である。比較例５は、主成分のＦｅ_２Ｏ_３量が５１ｍｏｌ％で本発明の組成範囲外であり、３ＭＨｚにおけるＱ値が４０未満である。比較例６は、ＭｇＯが２０ｍｏｌ％、ＺｎＯが３０ｍｏｌ％で、それぞれ本発明の組成範囲外であり、初透磁率μの２５℃を基準にしたときの１００℃の温度変化率Δμが５０％を超えている。また、比較例７は、ＭｇＯが５４ｍｏｌ％で本発明の組成範囲外であり、３ＭＨｚにおけるＱ値が４０未満である。

本発明例３〜１７は、いずれも主成分及ぶ副成分が本発明の組成範囲の規定を満たすものであり、３ＭＨｚでのＱ値が４０以上であり、２５℃から１００℃にかけての初透磁率μの変化率Δμが５０％以内である。

本発明例３と本発明例１０は、ＣｏＯ量がそれぞれ０．４質量部、１．６質量部であり、この点で両者は異なるが、３ＭＨｚでのＱ値は、本発明例３では９５、本発明例１０では１７７である。同様に、本発明例６と本発明例１２はＣｏＯ量がそれぞれ３．２質量部、１．６質量部で異なり、３ＭＨｚでのＱ値は本発明例６では１２３、本発明例１２では４１である。

本発明によれば、酸化鉄、酸化亜鉛および酸化マグネシウムとからなる主成分に副成分として酸化コバルトを含有させて、組成を調整することにより、高周波帯（＞１ＭＨｚ）における損失低減効果（＝Ｑ向上効果）と良好な温度特性を有するフェライト組成物が得られることが確認できた。

本発明のフェライト焼結体の一例の自由表面の結晶粒を示す図である。

Claims

Ｆｅ_２Ｏ_３に換算して４５〜５０モル％の酸化鉄と、ＺｎＯに換算して２５モル%以下（０を含まず）の酸化亜鉛と、ＭｇＯに換算して２５〜５０モル％の酸化マグネシウムとからなる主成分１００質量部に対し、副成分としてＣｏＯに換算して０．４〜３．２質量部の酸化コバルトを含有するフェライト組成物。
焼結したフェライト組成物であって、３ＭＨｚでのＱ値が４０以上で、初透磁率μの２５℃を基準にしたときの１００℃での温度変化率Δμが±５０％以内である請求項１に記載のフェライト組成物。
フェライト組成物からなる焼結体の結晶粒の平均粒径が３μｍ未満であり、該結晶粒の粒度分布の標準偏差が０．５〜２の範囲にある請求項２に記載のフェライト組成物。
請求項２又は３に記載のフェライト組成物からなるコアを用いたインダクタ。