JP2005097085A - フェライト材料及びインダクタ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 高いＱ値を有するとともに、−４０〜１６０℃という広範囲な温度域においてαμｉｒの絶対値が小さいフェライト材料を提供する。
【解決手段】 Ｆｅ₂Ｏ₃：４５．５〜４８ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５〜１０ｍｏｌ％、ＺｎＯ:２６〜３０ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯの主成分に対して副成分として酸化コバルトをＣｏＯ換算でＣｏＯ：０．００５〜０．０４５ｗｔ％の範囲で含有するフェライト材料を提供する。
本発明のフェライト材料によれば、αμｉｒ_-40〜₂₀の絶対値及びαμｉｒ₂₀〜₁₆₀の絶対値がともに３ｐｐｍ／℃以下、１００ｋＨｚにおけるＱ値が１７０以上という特性を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い品質係数（以下、Ｑ値）を有し、かつ広い温度範囲で透磁率の変化が少ない、つまり温度係数の絶対値が小さいフェライト材料に関するものである。

これまで、Ｑ値が高くかつ低温度係数を示すフェライト材料として特許文献１に開示されたものが知られている。このフェライト材料は、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化ニッケルおよび酸化銅を主成分とする磁性フェライト材料であって、酸化鉄の含有量がＦｅ₂Ｏ₃換算で４０〜４６モル％の範囲、酸化亜鉛の含有量がＺｎＯ換算で２５．１〜３０モル％の範囲、酸化ニッケルの含有量がＮｉＯ換算で１０〜２５モル％の範囲、および、残部酸化銅を含有し、主成分に対して副成分として酸化ビスマスをＢｉ₂Ｏ₃換算で２重量％未満の範囲、酸化コバルトをＣｏ₃Ｏ₄換算で０．１重量％以下の範囲で含有することを特徴としている。

特開２００１−３４８２２６号公報

特許文献１のフェライト材料は、上記の組成を採用することにより、初透磁率の相対温度係数（以下、αμｉｒ）の絶対値が５ｐｐｍ／℃以下、周波数１ＭＨｚにおけるＱ値が１００以上という特性を得ることを可能にしている。ところが、特許文献１のαμｉｒは、２０〜６０℃における値であり、より広範囲な温度域、例えば−４０〜１６０℃において絶対値で３ｐｐｍ／℃以下という低αμｉｒを示し、かつ高いＱ値を得ることはできなかった。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、高いＱ値を有するとともに、−４０〜１６０℃という広範囲な温度域においてαμｉｒの絶対値が小さいフェライト材料の提供を課題とする。

かかる目的のもと、本発明はＦｅ₂Ｏ₃：４５．５〜４８ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５〜１０ｍｏｌ％、ＺｎＯ:２６〜３０ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯの主成分に対して副成分として酸化コバルトをＣｏＯ換算で０．００５〜０．０４５ｗｔ％の範囲で含有するフェライト材料により前記課題を解決した。
本発明のフェライト材料は、αμｉｒ_-40〜₂₀の絶対値及びαμｉｒ₂₀〜₁₆₀の絶対値がともに３ｐｐｍ／℃以下、１００ｋＨｚにおけるＱ値が１７０以上という特性を得ることができる。なお、αμｉｒ_-40〜₂₀及びαμｉｒ₂₀〜₁₆₀は、以下に従って求められるものとする。
αμｉｒ_-40〜₂₀＝［（μｉ₂₀−μｉ_-40）／μｉ_-40 ²］×［１／（Ｔ₂₀−Ｔ_-40）］
αμｉｒ₂₀〜₁₆₀＝［（μｉ₁₆₀−μｉ₂₀）／μｉ₂₀ ²］×［１／（Ｔ₁₆₀−Ｔ₂₀）］
μｉ_-40：−４０℃における初透磁率
μｉ₂₀：２０℃における初透磁率
μｉ₁₆₀：１６０℃における初透磁率

また、本発明のフェライト材料は、曲げ強度が２０ｋｇｆ／ｍｍ²以上、抗応力特性の絶対値が５％以下という特性を得ることができる。ただし、曲げ強度はＪＩＳ Ｒ１６０１により測定される値、抗応力特性は以下に従って求められる値とする。
抗応力特性＝（Ｌ₁−Ｌ₀）／Ｌ₀×１００（％）
Ｌ₁：一軸圧縮力（１ｔｏｎ／ｃｍ²）印加時のインダクタンス値
Ｌ₀：一軸圧縮力（１ｔｏｎ／ｃｍ²）印加なしのインダクタンス値
本発明によるフェライト材料は抗応力特性が優れることから、Ｆｅ₂Ｏ₃：４５．５〜４８ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５〜１０ｍｏｌ％、ＺｎＯ:２６〜３０ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯの主成分に対して副成分として酸化コバルトをＣｏＯ換算で０．００５〜０．０４５ｗｔ％の範囲で含有するフェライト材料と、フェライト材料を被覆する樹脂モールドとを備えるインダクタ素子を提供することができる。

本発明によれば、高いＱ値を有するとともに、−４０〜１６０℃という広範囲な温度域においてαμｉｒの絶対値が小さいフェライト材料が提供される。

以下、本発明によるフェライト材料の組成限定理由について説明する。
本発明のフェライト材料の主成分を構成するＦｅ₂Ｏ₃の含有量が４５．５ｍｏｌ％未満だとＱ値が低く、キュリー点（以下、Ｔｃ）も低くなる。一方、Ｆｅ₂Ｏ₃の含有量が４８ｍｏｌ％を超えるとαμｉｒが大きくなる。したがって、本発明ではＦｅ₂Ｏ₃の含有量を４５．５〜４８ｍｏｌ％とする。望ましいＦｅ₂Ｏ₃の含有量は４６〜４７．８ｍｏｌ％、さらに望ましいＦｅ₂Ｏ₃の含有量は４６．５〜４７．５ｍｏｌ％である。

本発明のフェライト材料の主成分を構成するＣｕＯの含有量が５ｍｏｌ％未満だとＱ値が低くなるとともに、抗応力特性が大きくなる。一方、ＣｕＯの含有量が１０ｍｏｌ％を超えるとαμｉｒが大きくなる。したがって、本発明ではＣｕＯの含有量を５〜１０ｍｏｌ％とする。望ましいＣｕＯの含有量は５．５〜１０ｍｏｌ％、さらに望ましいＣｕＯの含有量は６〜９．５ｍｏｌ％である。

本発明のフェライト材料の主成分を構成するＺｎＯの含有量が２６ｍｏｌ％未満だとαμｉｒが大きくなる。一方、ＺｎＯの含有量が３０ｍｏｌ％を超えるとＴｃが低くなる。したがって、本発明ではＺｎＯの含有量を２６〜３０ｍｏｌ％とする。望ましいＺｎＯの含有量は２６．５〜２９．５ｍｏｌ％、さらに望ましいＺｎＯの含有量は２７〜２９ｍｏｌ％である。
本発明のフェライト材料の主成分の残部が実質的にＮｉＯである。

本発明のフェライト材料は、上記の主成分に対して酸化コバルトをＣｏＯ換算で０．００５〜０．０４５ｗｔ％含有する。ＣｏＯは高いＱ値及び低いαμｉｒを得るために重要な成分であり、０．００５ｗｔ％未満だとＱ値が低くなり、０．０４５ｗｔ％を超えるとαμｉｒが大きくなる。望ましいＣｏＯの含有量は０．０１〜０．０３ｗｔ％、さらに望ましいＣｏＯの含有量は０．０１５〜０．０２５ｗｔ％である。

以上の組成を有するフェライト材料は、１００ｋＨｚにおけるＱ値が１７０以上を示すとともに、αμｉｒ_-40〜₂₀及びαμｉｒ₂₀〜₁₆₀が絶対値で３ｐｐｍ／℃以下という低い値を示す。
ところで、αμｉｒは一般に以下の通り定義される。
αμｉｒ＝［（μｉ₂−μｉ₁）／μｉ₁ ²］×［１／（Ｔ₂−Ｔ₁）］
μｉ₁：温度Ｔ₁のときの初透磁率
μｉ₂：温度Ｔ₂のときの初透磁率
本発明は、−４０〜１６０℃の温度範囲において低いαμｉｒを得ることを目的としているが、本発明のフェライト材料は室温近傍でμｉ（初透磁率）にピークが存在している。そのため、μi₁を−４０℃の初透磁率、μi₂を１６０℃の初透磁率としてαμｉｒを求めると、当該ピーク位置において初透磁率の温度係数が大きくなったとしても、それが反映されないおそれがある。そこで本発明では、−４０〜２０℃、２０℃〜１６０℃の２つの温度範囲に分けてαμｉｒを求め、その両者が３ｐｐｍ／℃以下であることを要件としている。

また、本発明のフェライト材料は、以上の組成を採用することにより、Ｔｃを１６０℃以上とすることができる。高温度環境下における使用を確保する上でＴｃが高いことが要求され、本発明では１８０℃以上、さらには２００℃以上のＴｃを得ることができる。
さらに、本発明のフェライト材料は、機械的強度も優れている。具体的には、２０ｋｇｆ／ｍｍ²以上の３点曲げ強度を有している。なお、３点曲げ強度は角型サンプルを用いてＪＩＳ Ｒ１６０１に従って測定される値である。

さらに、本発明のフェライト材料は抗応力特性の絶対値を５％以下にすることができる。ここで、抗応力特性とは、圧縮応力に対するフェライト材料のインダクタンス値の変化の程度を言う。樹脂モールドタイプのインダクタ素子ではフェライト材料を樹脂モールドするが、樹脂硬化時にフェライト材料に圧縮応力が加わる。フェライト材料は圧縮応力の大きさに応じてインダクタンス値が変化するため、樹脂モールドタイプのインダクタンス素子では圧縮応力に対してインダクタンスの変化の少ない、抗応力に優れたフェライト材料であることが望まれる。絶対値で５％以下の抗応力特性を有している本発明のフェライト材料は、この要請に応え樹脂モールドタイプのインダクタ素子用フェライト材料として用いることができる。本発明のフェライト材料は、抗応力特性の絶対値を４％以下、さらには３％以下とすることができる。抗応力特性の具体的な算出方法は以下の通りである。
角型サンプルにワイヤを２０回巻線した後、これに一定速度で一軸圧縮力を印加し、このときのインダクタンス値を連続的に測定し、得られた測定値からインダクタンス変化率を算出する。このときの一軸圧縮応力は１ｔｏｎ／ｃｍ²とし、インダクタンス変化率は以下の式により求める。
（Ｌ₁−Ｌ₀）／Ｌ₀×１００（％）
Ｌ₁：一軸圧縮力印加時のインダクタンス値
Ｌ₀：一軸圧縮力印加なしのインダクタンス値

次に、本発明によるフェライト材料の好適な製造方法を工程順に説明する。
主成分をなす原料粉末として、例えば、Ｆｅ₂Ｏ₃粉末、ＣｕＯ粉末、ＺｎＯ粉末およびＮｉＯ粉末を用意する。これらの主成分をなす粉末に加えて、副成分をなすＣｏＯ粉末を用意する。
用意する各原料粉末の粒径は０.１〜１０μｍの範囲で適宜選択すればよい。また、用意された原料粉末は例えばボールミルを用いて湿式混合する。混合は、ボールミルの運転条件にも左右されるが、２０時間程度行なえば均一な混合状態を得ることができる。なお、副成分であるＣｏＯの添加は湿式混合時に限らず、後述する仮焼き粉の粉砕時であっても同様の効果を得ることができる。
なお、本発明では、上述の主成分の原料に限らず、２種以上の金属を含む複合酸化物の粉末を主成分の原料としてもよい。例えば、塩化鉄、塩化Ｎｉを含有する水溶液を酸化培焼することによりＦｅ、Ｎｉを含む複合酸化物の粉末が得られる。この粉末とＺｎＯ粉末を混合して主成分原料としてもよい。このような場合には、後述する仮焼きは不要である。

原料粉末を混合した後、仮焼きを行なう。仮焼きは、保持温度を７００〜９５０℃の範囲とし、また、雰囲気を大気とすればよい。仮焼き後に、仮焼き粉は例えば平均粒径０．５〜２．０μｍ程度まで粉砕される。

主成分および副成分からなる粉砕粉末は、後の成形工程を円滑に実行するために顆粒に造粒することが望ましい。粉砕粉末に適当な結合材、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を少量添加し、これをスプレードライヤで噴霧、乾燥することにより顆粒を得ることができる。得られる顆粒の粒径は６０〜２００μｍ程度とすることが望ましい。

得られた顆粒は、例えば所定形状の金型を有するプレスを用いて所望の形状に成形され、この成形体は焼成工程に供される。焼成における保持温度は、９００〜１１５０℃、望ましくは９５０〜１１００℃の範囲とすればよい。また、焼成は大気中で行えばよい。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
主成分組成としてＦｅ₂Ｏ₃粉末、ＺｎＯ粉末、ＮｉＯ粉末およびＣｕＯ粉末を表１に示される最終組成（ｍｏｌ％）となるように秤量し、この主成分組成に対してＣｏＯを表１に示す量（ｗｔ％）だけ加えた。
次に、これらの原料を鋼鉄製のボールミルを用いて湿式混合し、得られた混合粉末を９００℃で２時間仮焼きし、この仮焼き粉を鋼鉄製のボールミルにて混合粉砕した。得られた粉砕粉末は、平均粒径が０．５μｍであった。

次いで、得られた各仮焼き粉に、バインダとしてポリビニルアルコール水溶液を添加して造粒した。こうして得られた平均粒径７０μｍの顆粒を用いて、電磁気特性評価用のトロイダル形状試料（外径２０ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ５ｍｍ）、および、機械的強度評価用の角柱試料（幅５ｍｍ、厚さ４ｍｍ、長さ５０ｍｍ）をプレス成形により得た。なお、成形密度が３．２０Ｍｇ／ｍ³となるように成形した。成形体を大気中、１０２０℃で２時間焼成し、表１に示す試料Ｎｏ．１〜２１を得た。

得られたトロイダル形状の試料にワイヤを２０回巻線した後、インピーダンスアナライザ（横河ヒューレットパッカード社製４１９２Ａ）にて１００ｋＨｚにおける透磁率を測定した。この測定結果に基づくμｉ、αμｉｒ_-40〜₂₀及びαμｉｒ₂₀〜₁₆₀を表１に示してある。なお、図１は、試料Ｎｏ．３のμｉの温度特性（−４０〜１６０℃）を示すグラフである。図１より室温近傍でμｉがピークをも持つことがわかる。ちなみに、−４０℃と１６０℃の初透磁率（μｉ）から求めた相対温度係数（αμｉｒ）は−０．２ｐｐｍ／℃である。
また、得られたトロイダル形状の試料にワイヤを２０回巻線した後、上述のインピーダンスアナライザにて１００ｋＨｚにおけるＲ値を測定し、式：Ｒ／２πｆＬ＝１／ＱよりＱ値を求めた。その結果を表１に示す。
さらに、得られたトロイダル形状の試料についてＴｃを測定した。Ｔｃの測定には、熱分析装置（真空理工社製ＴＡ７０００）を用いた。その結果を表１に示す。

次に、得られた角柱試料を用いて３点曲げ強度及び抗応力特性を測定した。その結果も表１に示した。

表１に示すように、Ｆｅ₂Ｏ₃：４５．５〜４８．０ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５．０〜９．０ｍｏｌ％、ＺｎＯ:２６．０〜３０．０ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯの主成分に対して副成分としてＣｏＯ：０．００５〜０．０４５ｗｔ％の範囲で含有する試料（Ｎｏ．２〜４、６〜９、１１〜１３、１６〜１８）は、−４０〜２０℃及び２０〜１６０℃におけるαμｉｒが３ｐｐｍ／℃以下、Ｑ値が１７０以上、Ｔｃが１６０℃以上の特性を有している。加えて、これら試料は、２０ｋｇｆ／ｍｍ²以上の曲げ強度及び５％以下の抗応力特性を有している。

以上を前提にして試料Ｎｏ．１〜５を参照すると、Ｆｅ₂Ｏ₃が４５．４ｍｏｌ％と少ないと品質係数（Ｑ値）が１７０未満となることがわかる。また逆にＦｅ₂Ｏ₃が４８．１ｍｏｌ％と多くなると、αμｉｒ_-40〜₂₀が３ｐｐｍ／℃を超えてしまう。
また、試料Ｎｏ．６〜１１を参照すると、ＺｎＯが２５．５ｍｏｌ％と少ないとαμｉｒ_-40〜₂₀が３ｐｐｍ／℃を超えてしまう。逆に、ＺｎＯが３０．５ｍｏｌ％Ｔｃが１６０℃未満と低くなることがわかる。
さらに、試料Ｎｏ．１２〜１６を参照すると、ＣｕＯが４．９ｍｏｌ％と少ないとＱ値が１７０未満と低い値を示すとともに、抗応力特性が−５．１％と低下することがわかる。また逆にＣｕＯが１１．０ｍｏｌ％と多くなると、αμｉｒ_-40〜₂₀が３ｐｐｍ／℃を超えるとともにＱ値が１７０未満となることがわかる。
さらにまた、試料Ｎｏ．１７〜２１を参照すると、ＣｏＯを添加しないとＱ値が１７０未満の低い値を示す。しかし、ＣｏＯの添加量が０．０５ｗｔ％と多くなるとαμｉｒ_-40〜₂₀が３ｐｐｍ／℃を超えることがわかる。
以上の通りであるが、本発明は主成分及び副成分の組成範囲を適切に設定することにより高いＱ値及び−４０〜１６０℃という広い温度範囲で温度係数の絶対値を小さくすることを可能としている。

表１の試料Ｎｏ．３について求めた初透磁率（μｉ）の温度特性を示すグラフである。

Claims (4)

1. Ｆｅ₂Ｏ₃：４５．５〜４８ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５〜１０ｍｏｌ％、ＺｎＯ:２６〜３０ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯの主成分に対して副成分として酸化コバルトをＣｏＯ換算で０．００５〜０．０４５ｗｔ％の範囲で含有することを特徴とするフェライト材料。
2. αμｉｒ_-40〜₂₀の絶対値及びαμｉｒ₂₀〜₁₆₀の絶対値が３ｐｐｍ／℃以下、１００ｋＨｚにおける品質係数（Ｑ値）が１７０以上であることを特徴とする請求項１に記載のフェライト材料。
   ただし、
   αμｉｒ_-40〜₂₀＝［（μｉ₂₀−μｉ_-40）／μｉ_-40 ²］×［１／（Ｔ₂₀−Ｔ_-40）］
   αμｉｒ₂₀〜₁₆₀＝［（μｉ₁₆₀−μｉ₂₀）／μｉ₂₀ ²］×［１／（Ｔ₁₆₀−Ｔ₂₀）］
   μｉ_-40：−４０℃における初透磁率
   μｉ₂₀：２０℃における初透磁率
   μｉ₁₆₀：１６０℃における初透磁率
3. 曲げ強度が２０ｋｇｆ／ｍｍ²以上、抗応力特性の絶対値が５％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のフェライト材料。
   ただし、曲げ強度はＪＩＳ Ｒ１６０１により測定される値、
   抗応力特性＝（Ｌ₁−Ｌ₀）／Ｌ₀×１００（％）
   Ｌ₁：一軸圧縮力（１ｔｏｎ／ｃｍ²）印加時のインダクタンス値
   Ｌ₀：一軸圧縮力（１ｔｏｎ／ｃｍ²）印加なしのインダクタンス値
4. Ｆｅ₂Ｏ₃：４５．５〜４８ｍｏｌ％、ＣｕＯ：５〜１０ｍｏｌ％、ＺｎＯ:２６〜３０ｍｏｌ％、残部実質的にＮｉＯの主成分に対して副成分として酸化コバルトをＣｏＯ換算で０．００５〜０．０４５ｗｔ％の範囲で含有するフェライト材料と、
   前記フェライト材料を被覆する樹脂モールドと、
   を備えることを特徴とするインダクタ素子。

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