JP2005053759A - フェライト焼結体、およびそれを用いた積層フェライト部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 所定の磁気特性を有するフェライト焼結体、およびそれを用いた積層フェライト部品を提供する。
【解決手段】 従来のＮｉ-Ｃｕ−Ｚｎフェライトの代替となる低温焼結型の磁性材料として、一般式Ｌｉ_0.5xＺｎ_zＣｕ_aＦｅ_2+0.5x-yＭｎ_yＯ₄（０．１０＜ｘ＜１．００（１０〜１００ｍｏｌ％）、０．１３＜ｙ＜０．８０（５〜２５ｍｏｌ％）、０＜ｚ＜０．９０（０〜９０ｍｏｌ％）、０．０１＜ａ＜０．２０（１〜２０ｍｏｌ％）、０．５ｘ＋ｚ＋ａ＝１）で表される組成比で混合した混合粉を、７００〜９００℃で焼成してフェライト焼結体とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、積層インダクタ、ビーズ等に使用するフェライト焼結体、およびそれを用いた積層フェライト部品に関するものである。

従来より、安定した磁気特性を高い周波領域まで保持するフェライトを使用した積層フェライト部品として、銀（Ａｇ）内部導体と同時焼成できる低温焼結型酸化物磁性材料であるニッケル−銅−亜鉛（Ｎｉ-Ｃｕ-Ｚｎ）フェライトが用いられている。例えば、特許文献１は、Ｎｉ-Ｃｕ-Ｚｎフェライト粉末を組成物とする積層フェライト部品（積層型インピーダンス素子）を開示している。また、特許文献２は、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）の中から選ばれた少なくとも１種類の金属を含む金属酸化物を主成分とするセラミックス系複合材料を開示している。

しかし、Ｎｉ-Ｃｕ−Ｚｎフェライトに含まれるＮｉは、人体への悪影響が明らかになっている重金属元素、例えば、鉛（Ｐｂ）、カドミウム（Ｃｄ）、六価クロム（Ｃｒ）等に継ぐ特定有害物質として、将来的には認知される可能性がある。

そこで、本願発明者は、リチウム（Ｌｉ）フェライトにＺｎフェライトを固溶させて軟磁気特性を向上させたＬｉ-Ｚｎフェライトに、マンガン（Ｍｎ）を添加して十分な体積抵抗率を持たせるとともに、さらに酸化第二銅（ＣｕＯ）を添加して、Ｎｉを含有しないＬｉ-Ｃｕ-Ｚｎフェライトとすることにより、積層セラミックス部品の作製が可能な低温焼結性材料を提案した（特許文献３）。

本願発明者が提案した上記の材料は、従来のＮｉ-Ｃｕ−Ｚｎフェライトと同等、あるいはそれ以上の磁気特性を発揮するだけでなく、Ｎｉを含まないため、人体や環境に悪影響を与えることもない。また、Ｎｉの代わりＬｉを用いることは、フェライト製品の原材料コストの大幅な低減に寄与することになる。

Ｌｉ-Ｃｕ-Ｚｎフェライト等のＬｉ系フェライトは、焼結中にＬｉが蒸発することが原因で、本来的に抵抗率が低く、それを積層部品に用いた場合、漏れ電流や渦電流損失が発生するため、製品として成り立たないという問題がある。

一方、特許文献４は、酸化リチウム（Ｌｉ₂Ｏ）を含有させることで低温焼成（例えば、８５０℃、９００℃）が可能なフェライト焼結体等を開示している。しかし、かかる焼結体は、透磁率や機械的な強度において優れた特性を有していても、特許文献４には抵抗率についての直接的な言及がなく、十分な体積抵抗率を持たない。

特開平１０−４１１３８号公報 特開２０００−２６０６１５号公報 特願２００２−３１９３７１ 特公平６−３０２９７号公報

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、十分な体積抵抗率を持ち、人体および環境に悪影響を与えるＮｉを含まずに、従前のＮｉ-Ｃｕ-Ｚｎフェライトと同等、あるいはそれ以上の磁気特性を示すフェライト焼結体、およびそれを用いた積層フェライト部品を提供することである。

本発明の他の目的は、低温焼結型の磁性材料としてのフェライト焼結体、およびそれを用いた積層フェライト部品を提供することである。

かかる目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として、例えば、以下の構成を備える。すなわち、本発明に係るフェライト焼結体は、少なくともリチウム（Ｌｉ）と、亜鉛（Ｚｎ）と、銅（Ｃｕ）と、鉄（Ｆｅ）と、マンガン（Ｍｎ）と酸素（Ｏ）とからなる化合物粉体を、一般式Ｌｉ_0.5xＺｎ_zＣｕ_aＦｅ_2+0.5x-yＭｎ_yＯ₄（０．１０＜ｘ＜１．００（１０乃至１００ｍｏｌ％）、０．１３＜ｙ＜０．８０（５乃至２５ｍｏｌ％）、０＜ｚ＜０．９０（０乃至９０ｍｏｌ％）、０．０１＜ａ＜０．２０（１乃至２０ｍｏｌ％）、０．５ｘ＋ｚ＋ａ＝１）で表される組成比で混合した混合粉を７００乃至９００℃で焼成してなることを特徴とする。

例えば、上記リチウム化合物は、少なくとも炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）と酸化リチウム（Ｌｉ₂Ｏ）のいずれかよりなり、上記亜鉛化合物は、少なくとも酸化亜鉛（ＺｎＯ）よりなり、上記銅化合物は、少なくとも酸化第二銅（ＣｕＯ）よりなり、上記鉄化合物は、少なくとも酸化第二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）よりなり、上記マンガン化合物は、少なくとも一酸化マンガン（ＭｎＯ）と二酸化マンガン（ＭｎＯ₂）と三酸化二マンガン（Ｍｎ₂Ｏ₃）と四酸化三マンガン（Ｍｎ₃Ｏ₄）のいずれかよりなることを特徴とする。

上述した課題を解決する他の手段として、例えば、以下の構成を備える。すなわち、本発明に係る積層フェライト部品は、上記フェライト焼結体を磁性体材料として用いたことを特徴とする。

例えば、上記フェライト焼結体を粉砕した粉末に有機ビヒクルを加えて混練してスラリーを作製し、上記スラリーをグリーンシートに成形した第１のシートと、上記グリーンシートに所定の電極パターンを印刷した第２のシートとを複数枚積層したものを、８５０乃至９５０℃で焼成してなることを特徴とする。

本発明によれば、従来のＮｉ-Ｃｕ−Ｚｎフェライトの代替となる低温焼結型の磁性材料（フェライト焼結体）を得ることができる。

また、本発明によれば、有害なＮｉを含有させずに、従来のＮｉ-Ｃｕ−Ｚｎフェライトと同等、あるいはそれ以上の電気的特性、物理的特性を有する積層フェライト部品の作製が可能になる。

以下、添付図面、および表を参照して、本発明に係る実施の形態例を詳細に説明する。図１は、本実施の形態例に係る積層フェライト部品の作製に用いるグリーンシート（Ｌｉ−Ｃｕ−Ｚｎグリーンシート）の製造工程を示すフローチャートである。図１のステップＳ１では、後述する工程によりＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト粉体を作製し、続くステップＳ３において、Ｌｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト粉体よりＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトスラリーを作製する。

具体的には、Ｌｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト粉体を１０５重量部の有機ビヒクル、および所定のボールとともに、所定の回転数で所定時間、混練することで、フェライトスラリーを得る。そして、ステップＳ５において、ステップＳ３で作製されたＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトスラリーをボールと分離させ、攪拌脱泡した後、Ｌｉ−Ｃｕ−Ｚｎグリーンシートを作製する。ここでは、例えば、ドクターブレード装置を用いてグリーンシートを成形する。

次に、本実施の形態例に係る積層フェライト部品に用いる磁性体材料（酸化物磁性材料）に使用するフェライト粉体、およびその組成比について説明する。Ｌｉ−Ｚｎフェライトとして、下記の一般式（１）で表されるフェライトは、軟磁性を示す磁性材料であり、人体等に有害といわれるＮｉを含まない。

ｘ（Ｌｉ_0.5Ｆｅ_2.5Ｏ₄）−（１−ｘ）（ＺｎＦｅ₂Ｏ₄）
＝Ｌｉ_0.5xＺｎ_1-xＦｅ_2+0.5xＯ₄ …（１）
ここで、０．１０＜ｘ＜１．００（１０〜１００ｍｏｌ％）である。

上記の化学式（１）において、鉄（Ｆｅ）の一部をＭｎで置換すると、以下の式（２）で表されるフェライト（酸化物磁性材料）が得られる。

Ｌｉ_0.5xＺｎ_1-xＦｅ_2+0.5x-yＭｎ_yＯ₄ …（２）
ここで、０．１０＜ｘ＜１．００（１０〜１００ｍｏｌ％）
０．１３＜ｙ＜０．８０（５〜２５ｍｏｌ％）
である。

上記の化学式（２）において、さらにその一部をＣｕで置換することで、以下の式（３）で表されるフェライト（酸化物磁性材料）を作製できる。この磁性材料は、Ａｇ内部導体と同時焼成できる、９００℃程度での低温焼結が可能となる。

Ｌｉ_0.5xＺｎ_zＣｕ_aＦｅ_2+0.5x-yＭｎ_yＯ₄ …（３）
ここで、０．１０＜ｘ＜１．００（１０〜１００ｍｏｌ％）
０．１３＜ｙ＜０．８０（５〜２５ｍｏｌ％）
０＜ｚ＜０．９０（０〜９０ｍｏｌ％）
０．０１＜ａ＜０．２０（１〜２０ｍｏｌ％）
０．５ｘ＋ｚ＋ａ＝１
である。

図２は、本実施の形態例に係る積層フェライト部品の作製に用いるＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト粉体の製造工程を示すフローチャートである。図２のステップＳ１１において、Ｌｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト粉体を作製する最初の工程として、以下に示す材料の秤量を行う。

例えば、炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）あるいは酸化リチウム（Ｌｉ₂Ｏ）等のリチウム化合物、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の亜鉛化合物、酸化第二銅（ＣｕＯ）あるいは酸化第一銅（Ｃｕ₂Ｏ）等の銅化合物、酸化第二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）あるいは酸化第一鉄（ＦｅＯ）あるいは四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）等の鉄化合物、そして、四酸化三マンガン（Ｍｎ₃Ｏ₄）等のマンガン化合物を、上記の式（３）に対して、表１に示す組成比（ｘ，ｙ，ｚ，ａで示す）となるように秤量する。

続くステップＳ１２において、組成物の混合を行う。具体的には、上記のステップで秤量した組成物をアトライターに入れ、所定の回転数で所定時間、混合する。そして、ステップＳ１３で、上記の工程で混合された材料を乾燥し、続くステップＳ１４において、乾燥して得られた混合粉を仮焼する。この仮焼は、例えば、その焼成温度（Ｔ）を７００〜９００℃とし、焼成時間（ｔ）を３時間とする。なお、ステップＳ１３の乾燥工程は、省略してもよい。

続くステップＳ１５において、仮焼粉を、鉄球メディアを入れた鉄製ボールミルに入れ、例えば、純水溶媒において所定回転数で所定時間、粉砕する。本実施の形態例では、このように粉砕した材料を乾燥して、ステップＳ１６において、平均粒径１．２μｍの粉体を得た。

なお、このようにして得られた粉体（Ｌｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト粉体）をＸ線回折により観察したところ、スピネル単相となっていることを確認した。このことは、かかる粉体が高い透磁率を有していることを意味する。

次に、本実施の形態例に係る積層フェライト部品の製造工程について説明する。図３は、本実施の形態例に係る、積層フェライト部品としての積層チップインダクタおよび／またはビーズの製造工程を示すフローチャートである。また、図４は、本実施の形態例に係る積層チップインダクタおよび／またはビーズの外観、および内部構造の一例を示す斜視図である。

図３のステップＳ３１において、上述した工程によって作製されたＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎグリーンシートを所定の大きさに切り出し、例えば、レーザーパンチングによって、そのシートの所定位置にビアを形成する。このビアは、後述するシート層間におけるコイルパターンの相互接続等に使用する。

ステップＳ３２では、グリーンシート上にコイルパターンを印刷する。すなわち、後述するグリーンシートの積層後、フェライト部品内部において、例えば、図４に示す４ターンのコイル４３が形成されるように、例えば、スクリーン印刷法を用いてＡｇペーストで、シート上にコイルパターンを描画する。また、本実施の形態例では、かかるパターンを有しないグリーンシートも用意した。

続くステップＳ３３において、上記のグリーンシートを仮積層した後、例えば、静水圧プレスによって積層する。なお、ここでのコイル４３のターン数は、上記の４ターンに限定されるものではなく、積層チップインダクタおよび／またはビーズの電気的な仕様に応じて適宜、選択されるものである。

ステップＳ３５では、積層されたグリーンシートを所定のチップサイズに切断する。具体的には、表１に示すように、内部電極を有するもの（Ａｇ内包品）は、Ｌ×Ｗ×Ｔ＝１．０×０．５×０．５ｍｍのサイズにダイシングにより切断した。また、内部電極がないもの（Ａｇ非内包品）は、Ｌ×Ｗ×Ｔ＝１０．０×５．０×１．０ｍｍのサイズに不図示のギロチン・カッターにより切断した。言うまでもなく、チップサイズは、上記の大きさに限定されるものではない。

ステップＳ３６では、上述のように所定サイズに切断された積層品に対して、脱脂炉において脱脂した後、例えば、大気中で８５０〜９５０℃の温度範囲で焼成する。ここでは、上記のＡｇ内包品については２時間保持し、Ａｇ非内包品は、５時間保持して焼成した。

続くステップＳ３７において、焼成品に対して外部電極を形成する。すなわち、Ａｇ内包品は、例えば、ディップ方式によりＡｇペーストを塗布し、それを焼き付けて外部電極を形成することで、図４に示す構造を有する積層チップインダクタおよび／またはビーズ４０を得る。

最後にステップＳ３９において、作製された積層チップインダクタおよび／またはビーズの電気的特性、および物理的特性を測定する。具体的には、Ａｇ内包品については、インピーダンスアナライザにより積層チップインダクタおよび／またはビーズのコイルのインピーダンスを、１ＭＨｚ〜３ＧＨｚまで測定した。また、Ａｇ非内包品は、収縮率、および密度により、その焼結性を評価した。

次に、本実施の形態例に係る積層フェライト部品の材料組成と特性について説明する。表1は、本実施の形態例に係る積層チップインダクタおよび／またはビーズ（実施例１〜２６）の具体的な材料組成比と、焼成によって得られた部品の電気的特性等を示している。

表１に示す実施例１〜２６は、一般式Ｌｉ_0.5xＺｎ_zＣｕ_aＦｅ_2+0.5x-yＭｎ_yＯ₄で表される酸化物磁性材料を、表中のｘ，ｙ，ｚ，ａで示す材料組成比となるように、上述したリチウム化合物等を秤量し、焼成して作製した積層チップインダクタおよび／またはビーズ（積層コイル）である。これらのうち、実施例１〜１２は、内部電極を有するＡｇ内包品に対応し（４ターンのコイルを有する）、実施例１３〜２６は、内部電極のないＡｇ非内包品に対応している。

実施例^*１，^*７については、焼成温度がＡｇの融点（９６５℃）に極めて近くなり、インダクタとなり得なかった（焼成過多と評価した）。また、実施例^*６，^*１２，^*１９、および^*２６は、Ｌｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトの焼結が不足していることが判明した。

一方、実施例２〜５，８〜１１，１３〜１８、および２０〜２５は、焼成温度等の点において、積層フェライト部品、あるいはフェライト焼結体として十分に使用できるものと評価した。これにより、銀（Ａｇ）内部導体と同時焼成できる低温焼結型の酸化物磁性材料が得られ、それを使用して、所望の磁気特性等を有するフェライト部品を作製できることが判明した。

図５は、表１に示す実施例３の積層コイルのインピーダンスと周波数との関係（周波数特性）を示す図である。ここで使用したフェライトの透磁率は３０程度であり、これと同じ透磁率を有するＮｉ-Ｃｕ−Ｚｎフェライトを用いた積層コイルのインピーダンス特性と比較すると、ほぼ同等のインピーダンス、および周波数特性を示すことが分る。

以上説明したように、本実施の形態例によれば、一般式Ｌｉ_0.5xＺｎ_zＣｕ_aＦｅ_2+0.5x-yＭｎ_yＯ₄（０．１０＜ｘ＜１．００（１０〜１００ｍｏｌ％）、０．１３＜ｙ＜０．８０（５〜２５ｍｏｌ％）、０＜ｚ＜０．９０（０〜９０ｍｏｌ％）、０．０１＜ａ＜０．２０（１〜２０ｍｏｌ％）、０．５ｘ＋ｚ＋ａ＝１）で表される組成比で混合した混合粉を、７００〜９００℃で焼成してフェライト焼結体とすることで、従来のＮｉ-Ｃｕ−Ｚｎフェライトの代替となる低温焼結型の磁性材料が得られ、そのフェライト焼結体を磁心や単板等に利用したり、積層チップインダクタおよび／またはビーズやフィルタデバイス等に適用可能となる。

また、得られたフェライト焼結体を粉砕した粉末に有機ビヒクルを加えて混練してスラリーを作製し、そのスラリーをグリーンシートに成形したものと、グリーンシートに電極パターンを印刷したシートとを複数枚積層し、それを８５０〜９５０℃で焼成することで、有害なＮｉを含まずに、従来のＮｉ-Ｃｕ−Ｚｎフェライトと同等のインピーダンス、および周波数特性を有する積層フェライト部品を作製できる。

本発明の実施の形態例に係る積層フェライト部品の作製に用いるＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎグリーンシートの製造工程を示すフローチャートである。 実施の形態例に係る積層フェライト部品の作製に用いるＬｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト粉体の製造工程を示すフローチャートである。 実施の形態例に係る積層チップインダクタおよび／またはビーズの製造工程を示すフローチャートである。 実施の形態例に係る積層チップインダクタおよび／またはビーズの外観、および内部構造の一例を示す斜視図である。 実施例３の積層コイルのインピーダンスと周波数との関係を示す図である。

符号の説明

４０ 積層チップインダクタおよび／またはビーズ
４３ コイル

Claims (4)

1. 少なくともリチウム（Ｌｉ）と、亜鉛（Ｚｎ）と、銅（Ｃｕ）と、鉄（Ｆｅ）と、マンガン（Ｍｎ）と酸素（Ｏ）とからなる化合物粉体を、一般式Ｌｉ_0.5xＺｎ_zＣｕ_aＦｅ_2+0.5x-yＭｎ_yＯ₄（０．１０＜ｘ＜１．００（１０乃至１００ｍｏｌ％）、０．１３＜ｙ＜０．８０（５乃至２５ｍｏｌ％）、０＜ｚ＜０．９０（０乃至９０ｍｏｌ％）、０．０１＜ａ＜０．２０（１乃至２０ｍｏｌ％）、０．５ｘ＋ｚ＋ａ＝１）で表される組成比で混合した混合粉を７００乃至９００℃で焼成してなることを特徴とするフェライト焼結体。
2. 前記リチウム化合物は、少なくとも炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）と酸化リチウム（Ｌｉ₂Ｏ）のいずれかよりなり、前記亜鉛化合物は、少なくとも酸化亜鉛（ＺｎＯ）よりなり、前記銅化合物は、少なくとも酸化第二銅（ＣｕＯ）よりなり、前記鉄化合物は、少なくとも酸化第二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）よりなり、前記マンガン化合物は、少なくとも一酸化マンガン（ＭｎＯ）と二酸化マンガン（ＭｎＯ₂）と三酸化二マンガン（Ｍｎ₂Ｏ₃）と四酸化三マンガン（Ｍｎ₃Ｏ₄）のいずれかよりなることを特徴とする請求項１記載のフェライト焼結体。
3. 請求項１または２記載のフェライト焼結体を磁性体材料として用いたことを特徴とする積層フェライト部品。
4. 前記フェライト焼結体を粉砕した粉末に有機ビヒクルを加えて混練してスラリーを作製し、前記スラリーをグリーンシートに成形した第１のシートと、前記グリーンシートに所定の電極パターンを印刷した第２のシートとを複数枚積層したものを、８５０乃至９５０℃で焼成してなることを特徴とする請求項３記載の積層フェライト部品。

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