CN1701400A - 磁性元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供高频特性优越的磁性元件，该元件具有主成分为氧化铁、氧化钴和氧化锌的磁性铁氧体、在磁性铁氧体上形成的导体线圈、覆盖导体线圈的绝缘体、以及连接于所述导体线圈上的多个外部电极。

Description

磁性元件
                                技术领域
本发明涉及用于各种电子仪器的磁性元件。
                                背景技术
迄今为止，主成分为氧化铁、氧化锌、氧化镍、氧化锰、氧化镁的尖晶石型铁氧体等磁性铁氧体，作为在电子电路用的磁性元件的磁芯材料使用着。上述磁芯材料，基本上通过对Mn-Zn铁氧体、Ni-Zn铁氧体、Mg铁氧体进行主成分的配比及副成分的添加量的调整，用于从低频电路到200MHz左右为止的电子电路上使用的磁性元件。用于这些电子电路的磁性元件，利用用于磁芯的磁性铁氧体的复数磁导率μ＝μ’-μ”×i(μ’：磁导率、μ”：损耗分量)，实现这各种特性。
还有，如日本专利公开公报第5-36517号所例示，最近，在超过200MHz的频带的电子电路中使用将主成分为氧化铁、氧化钡、氧化锶的六方晶系铁氧体作为磁芯的磁性元件。
然而，已有的铁氧体的情况下，由于在1GHz以下的频率损耗分量μ”急剧增大，因此将已有的铁氧体用于磁芯的磁性元件的使用界限是1GHz。另一方面，伴随使用这些磁性元件的电子仪器的数字化，高频化技术进展显著。因此，为了处理高速大容量的信号，能适应更高频化的元器件的实现是不可缺少的。
                                发明内容
本发明提供的磁性元件，其特征在于，具有：主成分为氧化铁、氧化钴以及氧化锌的混合粉末烧成而成的磁性铁氧体烧成体；在所述烧成体上形成的导体线圈；至少覆盖所述导体线圈的绝缘体；以及连接于所述导体线圈的多个外部电极，能够在1GHz以上的高频领域中使用。
                                附图说明
图1是用于本发明实施形态1的磁性元件的绝缘子的立体图。
图2是本发明实施形态1的电感元件的显示部分剖面的立体图。
图3是作为本发明实施形态2的磁性元件的阻抗元件的层叠构造图。
图4是作为在本发明的实施形态2的磁性元件的阻抗元件的立体图。
图5是作为本发明实施形态3的磁性元件的环状磁芯的立体图。
图6是作为本发明实施形态3的磁性元件的共态噪声滤波器的部分剖面的立体图。
图7是作为本发明实施形态4的磁性元件的铁氧体磁芯的外观图。
图8是作为本发明实施形态4的磁性元件的天线元件的部分剖面的立体图。
                              具体实施方式
以下用实施形态以及附图对本发明的磁性元件进行说明。
实施形态1
下面通过图1、图2对本发明的实施形态1说明。
图1是说明本发明实施形态1的作为磁性元件的电感元件中使用的绝缘子的构造的结构图。图2是说明使用这种绝缘子的电感元件的构造的说明图。另外，表1表示在实施形态1中使用的试料以及对比例的磁性铁氧体的组成。
在本发明实施形态1说明的电感元件，具有绝缘子1与导体线圈2；绝缘子1由具有表1中所示的各组成的磁性铁氧体构成；导体线圈2由在玻璃1表面形成的铜或银等构成。还有，在此导体线圈2的表面上，具有由树脂等构成的绝缘体层3，还具有与此导体线圈2的两端连接的两个外部电极4。
以下对其制造方法进行具体说明，对制作的电感元件的构造以及其电气特性进行详述。
将磁性铁氧体的原始原料、即市售的氧化铁粉、氧化锌粉与氧化钴份按在表1所示的组成比配制，在其中加入适量的纯水，在使用球磨机混合后，在120℃烘干获得混合粉末。将此混合粉末在900℃中准烧结后，使用行星式球磨机(planetary ball mill)，将其粉碎至最大粒径8μm以下为止，得铁氧体准烧结粉末(calcined powder)。通过在该磁性铁氧体准烧结粉末中添加适量PVA(聚乙烯醇)水溶液并且混匀，制作平均粒径200微米左右的造粒粉(granulating powder)。
然后，将此造粒粉填充到金属模中，在规定的成型条件成型后，通过在烧成体能够致密的温度、例如1200～1300℃度下烧成，得绝缘子1。
然后，在此绝缘子1上使用绕线等形成导体线圈2，其后，使用绝缘性树脂或绝缘性无机材料形成绝缘体层3，以此得到图2所示的电感元件(实施例1～11)。
为了比较，制作了作为玻璃1的材料使用铝的电感元件(对比例1)和使用六方晶系铁氧体的电感元件(对比例2)。在表1中示出了这些电感元件的特性。
表1   Fe2O3   CoO   ZnO     电感值 频率(GHz)
                (Mol％)   NH(在2GHz) 在Q的最大值
实施例1 CoZn铁氧体     48     45.5     6.5     4.0     2.5
实施例2     50     47     3     3.1     2.6
实施例3     50     42     8     4.5     2.3
实施例4     45     52     3     3.4     2.6
实施例5     44     42     14     3.4     2.6
实施例6     42     52     6     3.4     2.6
实施例7     42     44     14     3.4     2.6
实施例8     48     41     11     3.2     2.7
实施例9     42     55     3     3.0     2.8
实施例10     42     42     16     3.2     2.7
实施例10     41     49     10     3.2     2.7
对比例1     氧化铝     -     -     -     2.0     3.2
对比例2     六方晶系铁氧体     -     -     -     4.0     0.8
根据表1的结果可以认为，如将实施例1～11与对比例1进行比较，由于使用的磁性铁氧体的磁导率μ’变大，因此电感值变大，作为高频电路中的电感元件，其特性有很大的改善。
另外，对比例2的电感元件，显示Q的最大值的频率是0.8GHz左右，在1GHz以上的频率，损耗增大，不能在GHz频带中使用。与此相比可知，对于实施例1～11的任何一个，显示Q值的最大值的频率都是2～3GHz，可知是可以在GHz频带使用的电感元件。
还有，氧化铁的配比，如果以Fe2O3换算多于50Mol％，则有Q值减少的倾向，因此最好在50Mol％或以下。另外，氧化锌的配比，如果少于3Mol％，则有电感值减少的倾向，因此最好在3Mol％或以上。
另外已确认即使作为成分的原料氧化物及添加的副成分为不同价的氧化物或者碳酸物，如CoO、Co2O3、Co3O4、CoCO3中的任一种，也可以得到同样的结果。
另外，绝缘子1即使用造粒粉压缩成形方法之外的方法，通过层叠生片、用切断为所期望的尺寸或者打孔的方法制作，也可以得到同样的效果。
另外，在导体线圈2的形成上也不使用绕线，而全部使用电镀技术或者薄膜技术，在形成后使用激光切割或砂轮形成螺旋状的线圈，也可以得到同样的效果。
另外，也可以在绝缘体层3中混合磁性材料使用，通过形成此类构成，可以进一步提高电感值。在此绝缘体层3中加入的磁性材料，较理想的是使用根据本发明的磁性铁氧体粉末。还有，由于此磁性铁氧体粉末的粒径越大Q值越大，因此最好是45μm或以上。
这样，将使用主成分为氧化铁、氧化钴以及氧化锌的磁性铁氧体的玻璃1作为磁芯使用，通过构成图1所示的电感元件，可以实现能够在GHz以上的高频段中使用的电感元件。而且可以实现所期望的电感元件值、电感元件值的增大，或者元件的小型化。而且，该磁性铁氧体的磁导率μ’越大，越是能够把电感值设计得越大，可以实现尺寸的小型化。
另外，由于使用的磁性铁氧体的损耗分量μ”越小则可以使Q值越大，因此，可以提供在使用的频段中的Q值越大性能越优异的高频用的电感元件。
实施形态2
下面用图3、图4说明实施形态2。
图3以及图4是说明实施形态2的作为磁性元件的阻抗元件的构造的图。
在本发明实施形态2中表示的阻抗元件，具有铂、钯等导体5和从上下夹着导体5将磁性铁氧体的生片等层叠而形成的磁性铁氧体6。还有，在此磁性铁氧体6的两端，具有与在内部形成的导体5的两端连接的两个外部电极7。还有，此磁性铁氧体6是绝缘体。
作为噪音应对元器件使用的阻抗元件，通过用磁性铁氧体6覆盖作为信号线的导体5来实现。由于将此磁性铁氧体6的损耗分量μ”的急剧增大的频率作为截止频率，在这以上的频率中，阻抗元件的阻抗值有选择地增大，因此能够去除具有比截止频率更高的频率成分的噪音。这时，可以设计成磁性铁氧体6的磁导率μ’越大阻抗元件值越大，是性能优越的阻抗元件。
以下就实施例12～22，详述有关制造方法的具体问题、制造的阻抗元件的构造以及其电的特性。
将氧化铁、氧化锌以及氧化钴，以表2中所示的比例配置，在其中加适量纯水，用球磨机混合之后，在120℃烘干得到混合粉末。将该混合粉末在900℃中准烧结后，使用行星式球磨机，粉碎至最大粒径为8μm以下为止，得到铁氧体准烧结粉末。在该磁性铁氧体准烧结粉末中加入适量丁缩醛树脂与醋酸丁酯，用球磨机使之充分散，得到铁氧体浆液。
接着，从如此制作的铁氧体浆液，使用刮刀法(ドクタ-ブレ-ド)得到铁氧体生片。在铁氧体生片上使用Pt浆液，印刷形成导体5的图形。将印刷形成此导体5的图形的铁氧体生片与没有印刷形成导体5的图形的铁氧体生片，多片层叠使之成为期望的厚度，其后，切断为一片片得到芯片状的成形品。通过将此成形品在1200～1300℃的温度下烧成，得到在内层中形成导体5的磁性铁氧体6的烧结体。通过在此磁性铁氧体6的烧结体的两端形成与导体5的两端部连接2个外部电极7，可以完成图4表示的阻抗元件。
对比例3是使用六方晶系铁氧体制作阻抗元件的例子。如此得到的阻抗元件的电气特性示于表2中。
根据表2的结果可知，实施例12～22与对比例3相比，截至频率(即阻抗为10Ω时的频率)高，是可以作为GHz频段用的噪音滤波器使用的阻抗元件，从由于使用的磁性铁氧体6的磁导率μ’变大而阻抗值变大的事情可知是优良的阻抗元件。
还有，由于以Fe2O3换算时如果多于50Mol％就有阻抗值减少的倾向，因此氧化铁的配比最好在50Mol％或以下，而氧化锌的配比由于如果少于3Mol％就有阻抗值减少的倾向，因此最好在3Mol％或以上。
表2    Fe2O3     CoO     ZnO   截至频率   阻抗值
                      (Mol％)     GHz     Ω
实施例12 CoZn铁氧体     48     45.5     6.5     1.3     90
实施例13     50     47     3     1.3     81
实施例14     50     42     8     1.2     95
实施例15     45     52     3     1.3     85
实施例16     44     42     14     1.3     85
实施例17     42     52     6     1.3     85
实施例18     42     44     14     1.3     85
实施例19     48     41     11     1.4     82
实施例20     42     55     3     1.4     81
实施例21     42     42     16     1.4     82
实施例22     41     49     10     1.4     82
对比例3     六方晶系铁氧体     -     -     -     0.5     30
另外，在内部形成的导体线圈5的Pt图形为来回弯曲(ミアンダ)形状以外的形状也可以，通过通孔(via)层叠铁氧体生片，以此形成螺旋状线圈也可。此时，如螺旋状的导体线圈5的端部与外部电极7之间的距离短，则阻抗值低下，因此比较理想的是扩大此间隔，最好是此间隔为200μm或以上。
另外，最好是形成导体5的材料为Pd或Pt与Pd的合金，但为了增大电导率，最好是选择Pt或Pd。
实施形态3
下面使用图5、图6对本发明的实施形态3进行说明。
图5、图6是说明本发明的磁性元件的共态噪声滤波器的图。
如图5及图6表示，在实施形态3所示的共态噪声滤波器，具有由磁性铁氧体构成的环状磁芯9与由铜或银等在其表面形成的两个导体线圈10A、10B。还有，在这两个导体线圈10A、10B的表面上，具有由树脂等构成的绝缘子11与同这两个导体线圈10A、10B的端子连接的4个外部电极12。
用于一般的电子电路的差动传输线(differential signaling line)的共态噪声滤波器的构造是，在磁性铁氧体的环状磁芯9上，以相同方向缠绕2个导体线圈10A、10B。利用这样的构造，可以利用其所用的磁性铁氧体的磁导率μ’提高2个差动传输线的磁气耦合，去除共态分量。此时所用的磁性铁氧体的损耗分量μ”越小，则异态的损耗、即应传送的信号电平的损耗就越小，可得到性能优越的共态噪声滤波器。在此构成中，通过将本发明的磁性铁氧体做成环状磁芯9使用，可以实现能够在GHz频段中使用的共态噪声滤波器。
以下一边说明其制造方法一边就本实施形态3的共态噪声滤波器的构成进行详述。
首先，经过与实施形态1相同的工序，制作具有表3所示的比例的配比，平均粒径200微米的铁氧体准烧结造粒粉。将该造粒粉成形为环状，在1200～1300℃进行烧成得到环状磁芯9。在此环状磁芯9上，向相同方向施行双层卷绕形成两个导体线圈10A、10B之后，通过树脂铸型成形，形成绝缘体层11，通过形成连接在两个导体线圈10A、10B的端子上的外部电极12，制作图6所示的共态噪声滤波器(实施例23～33)。
还有，对比例4是图3中表示的将六方晶系铁氧体作为环状磁芯9的材料使用的配比的例子。
所得到的共态噪声滤波器的特性示于表3。
表3     Fe2O3     CoO     ZnO 耦合系数
                          (Mol％)
  实施例23 CoZn铁氧体     48     45.5     6.5     0.8
  实施例24     50     47     3     0.78
  实施例25     50     42     8     0.84
  实施例26     45     52     3     0.78
  实施例27     44     42     14     0.78
  实施例28     42     52     6     0.78
  实施例29     42     44     14     0.78
  实施例30     48     41     11     0.78
  实施例31     42     55     3     0.76
  实施例32     42     42     16     0.77
  实施例33     41     49     10     0.77
对比例4     六方晶系铁氧体     -     -     -     0.50
根据表3的结果，可知实施例23～33的共态噪声滤波器由于在1GHz的磁导率μ’比对比例4大，而损耗分量μ”变小，所以耦合系数增大。
还有，由于如果以Fe2O3换算多于50Mol％，就有耦合系数减少的倾向，因此氧化铁的配比最好在50Mol％或以下，而多于氧化锌，如果少于3Mol％，则有耦合系数减少的倾向，因此氧化锌的配比最好在3Mol％或以上。
另外，为了实现面安装，将被形成绕组的环状磁芯9用绝缘体层11将其模压成型，但是即使不进行模压成型而将两个导体线圈10A、10B直接连接在基板等上，也可得到同样的效果。
实施形态4
下面使用图7、图8说明本发明的实施形态4。
图7、图8是说明作为本发明的磁性元件的天线元件的图。
实施形态4中所示的天线元件，具有由磁性铁氧体构成的铁氧体磁芯13与由铜或银等构成，在该铁氧体磁芯13的表面上形成的导体线圈14。还在该导体线圈14的表面上具有由树脂等构成的绝缘体层15。
以下一边说明其制造方法一边对实施形态4所示的天线元件进行详述。
最初，经过与实施形态1相同的工序，得到具有表4所示的比例的配比的铁氧体准烧结粉末的造粒粉。使造粒粉成形为棒状之后，在1200～1300℃的温度下进行烧成，其后按图7所示的形状进行切削加工，以此得到天线元件的铁氧体磁芯13。然后，在该铁氧体磁芯13的整个表面上镀铜或银等低电阻金属，以此方法将其形成后，将形成的金属以激光切割成螺旋状，形成导体线圈14。
然后，如图8所示，通过将形成此导体线圈14的铁氧体磁芯13用树脂模压成型，用绝缘体层15覆盖，制作了实施例34～44的天线元件。
还有，对比例5是将相似形状的树脂作为磁芯使用的天线元件，对比例6是将六方晶系铁氧体作为铁氧体磁芯13使用的天线元件。
比较得到的天线元件的辐射损耗以及将树脂作为磁芯的天线元件的尺寸算作100时的天线元件的尺寸效果，在表4中表示出。
表4     Fe2O3     CoO     ZnO     尺寸   辐射损耗dB
                      (Mol％)     ％
实施例34 CoZn铁氧体     48     45.5     6.5     85     -1.7
实施例35     50     47     3     83     -1.9
实施例36     50     42     8     80     -1.9
实施例37     45     52     3     83     -1.7
实施例38     44     42     14     83     -1.9
实施例39     42     52     6     83     -1.7
实施例40     42     44     14     83     -1.9
实施例41     48     41     11     83     -1.9
实施例42     42     55     3     82     -1.9
实施例43     42     42     16     83     -1.7
实施例42     41     49     10     83     -1.9
对比例5     树脂     -     -     -     100     -0.5
对比例6 六方晶系铁氧体     -     -     -   不能测定     -8.8
根据表4的结果，从实施例34～44可知，使用的铁氧体的磁导率μ’越大，其尺寸比以树脂作为磁芯的天线元件更变小。
另外，如图6所示，将六方晶系铁氧体作为铁氧体磁芯13的天线元件，其辐射损耗大，不能正确地决定天线元件的尺寸。
又可知，与使用六方晶系铁氧体的天线元件的辐射损耗大小为-8.8dB相比，实施例34～44无论哪一个都在-2.0dB以下，其辐射损耗小到能在2GHz频段中实际使用的程度。
还有，以Fe2O3换算时如果多于50Mol％，则损耗增大，因此氧化铁的配比最好在50Mol％或以下，而对于氧化锌，如果少于3Mol％则尺寸小型化的效果差，因此氧化锌的配比最好在3Mol％或以上。
又已确认，即使作为成分的原料氧化物和添加的副成分为不同价数的氧化物或者碳酸物如CoO、Co2O3、Co3O4、CoCO3的任一个，也可以得到同样的结果。
另外，与电路的连接可以采用钎焊或者铆接，但更理想的是通过将连接部分做成螺丝来确保连接强度的方法。
作为这种螺丝形状的制作方法，除切削工法外还可以采用以分开的模具进行粉末压制的加工方法。
另外，所镀金属虽然可采用Ag、Cu、Au、Al、Ni、Pt、Pd等，但理想的是导电率大的Ag、Cu。
另外，导体线圈14的形成方法，即使是卷绕金属线的方法或将金属板冲切做成线圈的方法，也可得到同样的效果。
另外，也可以在铁氧体磁芯13的表面与导体线圈14之间，薄薄地形成非磁性材料的膜。
另外，天线元件也可以用树脂模压块或者树脂成型品覆盖。
另外，显然由于利用磁导率μ’导致波长短缩的效果，除螺旋型的天线元件之外，对于补片天线等天线元件，都可以得到同样的效果。
产业上的利用可能性
如上所述，本发明涉及使用主成分为氧化铁、氧化钴与氧化锌的磁性铁氧体的磁性元件，可以提供能够用于在GHz波段中使用的电子电路上的磁性元件。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.(补正后)一种磁性元件，其特征在于，具有：
棒状磁性铁氧体烧成体绝缘子；
设置在所述绝缘子的周围的导体线圈；以及
连接于所述导体线圈的两个外部电极，
所述绝缘子由主成分为，以Fe2O3换算为50～41Mol％的氧化铁、以ZnO换算为3～16Mol％的氧化锌、以及氧化钴的混合粉末烧成而成。
2.(删除)
3.(删除)
4.(补正后)一种阻抗元件，其特征在于，具有
磁性铁氧体烧成的绝缘体；
设置在所述绝缘体内部的来回弯曲状或螺旋状的导体线圈；以及
连接于所述导体线圈的两个外部电极，
所述绝缘体由主成分为，以Fe2O3换算为50～41Mol％的氧化铁、以ZnO换算为3～16Mol％的氧化锌、以及氧化钴的混合粉末烧成而成。
5.(补正后)一种共态噪声滤波器，其特征在于，具有：
环状的磁性铁氧体烧成体的磁芯；
设置在所述磁芯周围，且向相同方向卷绕的两个导体线圈；以及
连接于所述导体线圈的4个外部电极，
所述磁芯由主成分为，以Fe2O3换算为50～41Mol％的氧化铁、以ZnO换算为3～16Mol％的氧化锌、以及氧化钴的混合粉末烧成而成。
6.(补正后)一种天线元件，其特征在于，具有
圆筒状磁性铁氧体烧成体磁芯；
设置在所述磁芯周围的螺旋状导体线圈；以及
在所述磁芯的一端的螺丝状连接部，
所述磁芯由主成分为，以Fe2O3换算为50～41Mol％的氧化铁、以ZnO换算为3～16Mol％的氧化锌、以及氧化钴的混合粉末烧成而成。
7.(删除)

Claims (7)

1.一种磁性元件，其特征在于，具有：
将主成分为氧化铁、氧化钴以及氧化锌的混合粉末烧成而成的磁性铁氧体烧成体；
在所述烧成体上形成的导体线圈；
至少覆盖所述导体线圈的绝缘体；以及
连接于所述导体线圈的多个外部电极。
2.如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，所述混合粉末中的氧化铁的配比以Fe2O3换算为50Mol％或以下，氧化锌的配比为3Mol％或以上。
3.如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，
所述烧成体为棒状的绝缘子，
所述导体线圈是螺旋状设置在所述绝缘子的周围的线圈，
具有两个所述外部电极，
所述磁性元件作为电感元件使用。
4.如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，
所述烧成体为磁性绝缘体，
所述导体线圈是在所述磁性绝缘体的内部，以来回弯曲状或螺旋状设置的线圈，
所述磁性元件作为阻抗元件使用。
5.如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，
所述烧成体为环状的磁芯，
所述导体线圈是在所述环状磁芯的周围且向相同方向卷绕的两个线圈，
具有与所述两个导体线圈连接的4个所述外部电极，
所述磁性元件作为共态噪声滤波器使用。
6.如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，
所述烧成体为圆筒状磁芯，
所述导体线圈是在所述圆筒状磁芯的周围螺旋状卷绕的线圈，
所述磁性元件作为天线元件使用。
7.如权利要求6所述的磁性元件，其特征在于，还在所述圆筒状磁芯的至少一端上具有螺丝状连接部。
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