JP2004260041A - セラミックス複合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】インダクタンス値のばらつきを抑えながら、長期的に電気的特性が安定し、組立が容易で直流重畳特性に優れたインダクタンス素子と、これを構成するセラミックス複合材料からなる磁心を提供することを目的とした。
【解決手段】フェライト層と、アルミナを主成分とするセラミック層と、フェライト層とセラミック層との間に存在する、ＦｅとＡｌとが相反する傾斜組成を有する傾斜組成層を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックス複合材料に関するものである。さらに詳細には、磁気ギャップを有する磁心に適用可能であり、直流重畳特性を向上させるインダクタンス素子に有用なセラミックス複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に変成器やチョークコイル等のインダクタンス素子では直流に交流が重畳されるので、直流磁界による磁気飽和によるインダクタンス値の低下を避けるために磁心に空隙（磁気ギャップ）を設けている。
例えば特許文献１のインダクタンス素子では図７に示すように、Ｕ字型磁心６の両磁脚７，８に、巻線９，１０を巻装し、この磁脚７，８の開放端間にＩ字状磁心１１をギャップ１２を形成するように配置した構成とするもので、このように構成することで磁気ギャップ寸法のばらつき要因を少なくし、Ｕ字状磁心とＩ字状磁心の寸法ばらつきだけが磁気ギャップの寸法ばらつきに影響することとなり、インダクタンス値のばらつきを２〜５％程度に低減している。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１８２８４４
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のインダクタンス素子では、Ｕ字状磁心６とＩ字状磁心１１とは磁気ギャップ１２を形成するように紙材などからなるギャップスペーサ１３を介して接着剤１４で結合し、または接着剤１４だけで結合している。このようなインダクタンス素子ではギャップスペーサ１３を配置する手間や、磁気ギャップ１２を埋める接着剤１４が乾燥硬化するまでに時間がかかり、また硬化までの間、Ｕ字状磁心６とＩ字状磁心１１とを保持することが必要であり生産性に劣るものであった。また、多くの接着剤を磁気ギャップに介在させると、膨潤等の経時変化により磁気ギャップ寸法に影響を及ぼしインダクタンス値が変化する問題もあった。
そこで本発明は上述の問題点を解決するためになされたもので、インダクタンス値のばらつきを抑えながら、長期的に電気的特性が安定し、組立が容易で直流重畳特性に優れたインダクタンス素子と、これを構成するセラミックス複合材料からなる磁心を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、フェライト層と、アルミナを主成分とするセラミック層と、前記フェライト層と前記セラミック層との間に存在し、ＦｅとＡｌとが相反する傾斜組成を有する傾斜組成層を備えたセラミックス複合材料である。
前記フェライト層は例えばＭｎ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系フェライト等であり、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｇ等を主成分とする。またＳｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃａ等の金属元素を副成分として含有しても良い。また、前記セラミック層を構成するアルミナはα−Ａｌ_２Ｏ_３とし前記フェライト層の磁気特性に悪影響を与えないように、純度が少なくとも９５ｗｔ％以上としておくのが好ましい。不純物として、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ等を含む場合がある。前記傾斜組成層は前記フェライト層を構成する主成分を含有し、前記フェライト層及び前記セラミック層よりも緻密質として構成される。そして、前記フェライト層の傾斜組成層との界面近傍に空孔を偏在するように構成するの好ましい。
前記傾斜組成層のセラミック層との界面近傍にはＡｌ，Ｆｅ等を含む化合物が多く含有すると考えられ、これにより前記セラミック層と前記フェライト層とを傾斜組成層を介して強固に接合させていると推定される。さらにフェライト層の傾斜組成層との界面近傍に空孔を偏在するように構成したので、接合部においてクラックや割れなどのないセラミックス複合材料とすることが出来る。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明のセラミックス複合材料を用いて構成した磁心である。
【０００７】
第３の発明は、第２の発明の磁心を用いて構成したインダクタンス素子である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
初めにセラミックス複合材料の作製方法について説明する。
まずフェライト層を構成するＭｎ−Ｚｎ系フェライトとして、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＭｎＯを焼結後にＦｅ_２Ｏ_３ ７２ｗｔ％、ＺｎＯ ５ｗｔ％、ＭｎＯ ２３ｗｔ％となるように所定量秤量し、これに水及び分散剤を加えて攪拌ミルにて混合し、乾燥後、窒素中にて９００℃にて１．５時間仮焼した。仮焼後の原料に水、分散剤を加えて攪拌ミルで混合・粉砕してスラリーとし。これにバインダーを加えてスプレードライヤーで乾燥、造粒した。この造粒粉を金型に充填して仮成形した。そして、所定形状に切り抜いた厚み７０μｍのＡｌ_２Ｏ_３シートを前記金型内に配置し、さらにその上に造粒粉を充填して、圧力７．３ＭＰａで本成形して、フェライト成形体、Ａｌ_２Ｏ_３シート、フェライト成形体が順次積み重なり、焼結後、およそ直径が３０ｍｍで厚みが３０ｍｍとなる複合成形体とした。
【０００９】
ここで、前記Ａｌ_２Ｏ_３シートは以下のように準備した。純度が９９．６ｗｔ％で平均粒子径が０．４６μｍのα−Ａｌ_２Ｏ_３粉末にバインダとしてＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、可塑剤としてＢＰＢＧ（ブチルフタリルグリコール酸ブチル）を添加し、エチルアルコールを溶媒としてボールミルにて混合してスラリーとし、脱泡と粘度調整を行い、ドクターブレード法によりグリーンシート（Ａｌ_２Ｏ_３シート）を作製した。
【００１０】
前記複合成形体を、酸素分圧が１〜２％に調整された焼成炉内で、焼成温度１３００℃で５時間焼結してフェライト層と、アルミナを主成分とするセラミック層と、前記フェライト層と前記セラミック層との間に存在し傾斜組成層を備えたセラミックス複合材料図１に示すセラミックス複合材料１とした。図２はセラミックス複合材料を厚み方向に切断した断面におけるセラミック層、フェライト層、傾斜組成層を含む領域のＳＥＭ−ＥＤＸ（Ｘ線エネルギー分散スペクトルによる走査型電子顕微鏡）による顕微鏡写真である。あわせてＥＤＸでＦｅ，Ａｌ、Ｍｎについてライン分析した結果を図３に示す。そして、図２の走査型電子顕微鏡写真で暗色に観察される層（便宜上Ａ層と呼ぶ）と、その両側に形成された組織に空孔が少なく緻密な層（Ｂ層と呼ぶ）と、この緻密な層と連続する層（Ｃ層と呼ぶ）についてＥＤＸ分析により、組成を定量した結果を表１に示す。
【００１１】
【表１】

【００１２】
各層の厚みは、Ａ層は４０μｍ〜５０μｍ、Ｂ層は６０μｍ〜７０μｍ、残部はＣ層である。各層の組成を定量した結果、Ａ層は前記Ａｌ_２Ｏ_３シートが焼結されて成るアルミナを主成分とするセラミック層であり、Ｃ層はＭｎ−Ｚｎ系フェライトからなるフェライト層であると特定した。前記セラミック層には、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトの組成分であるＦｅ_２Ｏ_３とＭｎＯを含有しており、これはＭｎ−Ｚｎ系フェライトか拡散したと考えられる。そして、セラミック層とフェライト層との間に介在する空孔が極めて少ない緻密なＢ層は、セラミック層とフェライト層の組成成分（Ｆｅ，Ｍｎ、Ｚｎ，Ａｌ）を含むセラミック層であり、図３のライン分析によれば、ＦｅとＡｌとが相反する傾斜組成を有するセラミック層、即ち、傾斜組成層であった。この傾斜組成層の厚みは、Ａｌ_２Ｏ_３シートを複数枚重ねてセラミック層を厚く形成しても、およそ６０μｍ〜７０μｍ程度の厚みであった。このことから、傾斜組成層はフェライト層とセラミック層の相互拡散層であると推察している。従って、傾斜組成層の厚みは焼成条件（焼成温度、時間等）で制御可能であると考えている。また、前記フェライト層の傾斜組成層との界面近傍を詳細に観察したところ、前記界面近傍でフェライト層側に５０μｍ程度の領域に空孔が偏在していた。
【００１３】
断面を詳細に観察したが、接合部においてクラックや割れなどの欠陥は観察されず、本実施例によれば、界面での接合性に優れたセラミックス複合材料を得ることが出来た。
【００１４】
（実施例２）
次に、本発明の一実施例に係るセラミックス複合材料を用いて形成したインダクタンス素子２０について説明する。図４はこのインダクタンス素子の基本構造を示す外観図である。
実施例１と同様にして得られたセラミックス複合材料から、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み３ｍｍのＩ字状磁心２を切り出した。また、Ｉ字状磁心２のフェライト層を構成するＭｎ−Ｚｎ系フェライトを用いてＵ字状磁心６を形成した。前記Ｕ字状磁心の外形寸法を、２つの磁脚７，８を繋ぐ連接部が長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み３ｍｍで、連接部１１からの立設する磁脚の高さが２．５ｍｍとした。前記連接部１１にコイルボビンを配置して、前記コイルボビン２５に線径φ０．５の線材を１０回巻回し、前記磁脚７，８間に橋架けするように、前記Ｉ字状磁心２を配置し、Ｉ字状磁心２とＵ字状磁心６の磁脚７，８とが実質的に空隙なく当接するように配置して樹脂粘着テープによりテーピング固定して本実施例に係るインダクタンス素子を構成した。
【００１５】
本発明の最も特徴的な所は前記Ｉ字状磁心２に形成されたセラミック層で磁気ギャップを構成する点である。この様に磁気ギャップを構成することで、寸法精度に優れ、かつ磁気ギャップの経時変化が実質的に無いインダクタンス素子とすることが出来る。寸法精度良く磁気ギャップを構成できることから、インダクタンス値のばらつきを極めて小さくすることが出来るとともに、従来のインダクタンス素子と比べて、その組み立ても容易となり、結果生産性が向上する。
このインダクタンス素子の直流重畳インダクタンスを室温状態で測定し評価した結果を図５に示す。測定条件はＪＩＳ
Ｃ２５１４の直流重畳インダクタンスの測定条件に従い、設定電圧を０．１Ｖ、周波数１０ｋＨｚとした条件で行った。
比較例として、セラミック層を有さない、即ち磁気ギャップを設けないＩ字状磁心を用いて同様に直流重畳インダクタンスを測定した。本実施例によれば、比較例と比較し優れた直流重畳特性を発揮することがわかる。
【００１６】
なお、本実施例では一つの構造体（Ｉ字状磁心）にセラミック層を一個所設けた構成であるが、複数個所にセラミック層を形成して一つの構造体に複数の磁気ギャップを構成することが可能である。また、本発明をＵ字状磁心にも採用することが出来、例えば図６に示すように、Ｕ字状磁心６の磁脚６，７の端部にセラミック層を成形することも当然可能である。また、あらためて説明するまでもないが、本発明はＩ字状磁心、Ｕ字状磁心といった形状に限定されず、Ｅ字状磁心、棒状磁心、リング状磁心等々、様々な磁心形状に適用可能である。
また、図７（ａ）（ｂ）に示す磁心の様にセラミック層を一部開口させて形成させても良く、このような磁心を用いたインダクタンス素子では、直流重畳電流が小さい場合には大きなインダクタンス値を有し、直流重畳電流が大きい場合には小さなインダクタンス値となるインダクタンス素子を容易に構成できる。
また、本実施例ではフェライト層をＭｎ−Ｚｎ系フェライトとしたが、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系フェライト等にも適用可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上実施例により本発明を詳細に説明したが、本発明によればインダクタンス値のばらつきを抑えながら、長期的に電気的特性が安定し、組立が容易で直流重畳特性に優れたインダクタンス素子と、これを構成するセラミックス複合材料からなる磁心を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るセラミックス複合材料の斜視図である。
【図２】本発明の一実施例に係るセラミックス複合材料を厚み方向に切断した断面の顕微鏡写真である。
【図３】図２のセラミックス複合材料のＥＤＸによるライン分析結果を示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係る磁心を用いたインダクタンス素子の構成を示す外観図である。
【図５】本発明の一実施例に係る磁心を用いたインダクタンス素子と従来のインダクタンス素子の直流重畳特性である。
【図６】本発明の他の実施例に係る磁心を用いたインダクタンス素子の構成を示す外観図である。
【図７】本発明の他の実施例に係る磁心の断面図である。
【図８】従来のインダクタンス素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ セラミックス複合材料
２ Ｉ字状磁心
６ Ｕ字状磁心
７，８ 磁脚
９，１０ 巻線
１２ 磁気ギャップ
１３ ギャップスペーサ
１４ 接着剤
２０ インダクタンス素子
２５ コイルボビン

Claims (6)

1. フェライト層と、アルミナを主成分とするセラミック層と、前記フェライト層と前記セラミック層との間に存在し、ＦｅとＡｌとが相反する傾斜組成を有する傾斜組成層を備えたことを特徴とするセラミックス複合材料。
2. 前記傾斜組成層は前記フェライト層を構成する主成分を含有することを特徴とする請求項１に記載のセラミックス複合材料。
3. 前記傾斜組成層は前記フェライト層及び前記セラミック層よりも緻密質であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス複合材料。
4. 前記フェライト層の傾斜組成層との界面近傍に空孔が偏在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミックス複合材料。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のセラミックス複合材料を用いたことを特徴とする磁心。
6. 請求項５に記載の磁心を用いたことを特徴とするインダクタンス素子。

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