JP2005330126A

JP2005330126A - ＭｎＺｎフェライト及びその製造方法

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Publication number: JP2005330126A
Application number: JP2004147788A
Authority: JP
Inventors: Okikuni Takahata; 興邦高畑; Morikazu Yamada; 盛一山田; Tadakuni Sato; 忠邦佐藤
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】１０⁵Ω・ｃｍ程度以上の高い比抵抗を有し、１ＭＨｚを超える高周波領域での使用にも、十分に耐え得るＭｎＺｎフェライト、及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】主成分組成を、Ｆｅ₂Ｏ₃が、４１．０〜５０．０モル％（但し、５０．０モル％を含まない）、ＺｎＯが４．０〜２０．０モル％、ＭｇＯ及びＣｏＯの少なくとも一種が０．５〜８．０モル％、残部がＭｎＯとする。この主成分に、０．１〜５重量％のＢｉ₂Ｏ₃を添加し、さらに、焼結工程の最高保持温度における酸素濃度を、１〜１０％とすることで、電子部品用のＭｎＺｎフェライトとして、必要な、１０⁵Ω・ｃｍ以上の比抵抗、２００以上の初透磁率、１７０℃以上のキュリー温度、周波数特性を発現し得る。
【選択図】なし

Description

本発明は、軟磁気特性を有する酸化物磁性材料に係り、さらに詳しくはスイッチング電源用トランス、ロータリートランス、偏向ヨークなどに用いられる低損失材、各種インダクタンス素子材、ＥＭＩ対策に用いられるインピーダンス素子等の電子部品、あるいは電波吸収材として好適なＭｎＺｎフェライト、及びその製造方法に関するものである。

ＭｎＺｎフェライトは、軟磁気特性を発現する代表的な酸化物磁性材料であり、様々な分野に用いられ、なお、特性向上のための検討がなされている。従来のＭｎＺｎフェライトは、５０モル％よりも多い、５２〜５５モル％程度のＦｅ₂Ｏ₃と、１０〜２４モル％程度のＺｎＯと、ＭｎＯを残部として含有する基本組成となっている。

その製造方法は、通常、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＭｎＯの各原料粉末を、所定の比率で秤量、混合した後、仮焼、粉砕、成分調整、造粒、成形の各工程を経て所定の形状とし、その後窒素を流すことなどにより、酸素濃度を調整した還元性雰囲気中で、１０００〜１４００℃程度の温度で、３〜４時間程度保持、焼結して製造される。

還元性雰囲気中で焼結する理由は、Ｆｅ₂Ｏ₃が５０モル％より多い場合に、大気中で焼結すると十分に緻密化が進まず、所要の軟磁気特性が得られなくなるためである。また、Ｆｅ³⁺の還元で生成するＦｅ²⁺は正の結晶磁気異方性を有し、Ｆｅ³⁺の負の結晶磁気異方性を打ち消して、軟磁気特性を高める効果があるが、大気中で焼結したのではこのような還元反応も期待できない。

ところで、ＭｎＺｎフェライトをコア材料として用いる場合、使用する周波数領域が高くなるに従って渦電流が生じ、これによる損失が大きくなる。従って、コア材料として使用できる周波数の上限を高めるには、その比抵抗をできるだけ高くする必要がある。

しかし、上記の一般的なＭｎＺｎフェライトにおける比抵抗は、主として前述のＦｅ³⁺とＦｅ²⁺との間（イオン間）での電子の授受によって、１Ω・ｃｍ程度となるために使用できる周波数も高々数百ｋＨｚ程度で、これを超える周波数領域では透磁率（初透磁率）が著しく低下して、軟磁気特性材料としての特性を失ってしまうという問題があった。

また、ＭｎＺｎフェライトをインダクタなどに用いる際、ＭｎＺｎフェライトコアに、直接巻線を行うこともあるが、この場合は概ね１０⁵Ω・ｃｍ以上の比抵抗が要求される。ＭｎＺｎフェライトにおいては、比抵抗を高めるため、上記主成分に対し、副成分としてＳｉＯ₂、ＣａＯなどを添加して結晶粒界を高抵抗化したり、１２００℃程度以下の低温焼結を行って、結晶粒径を５μｍ程度以下に小さくすることにより、焼結体における結晶粒界の比率を増やしたりする対策を行っているが、このような場合でも、比抵抗は高々１０³Ω・ｃｍ程度であり、根本的な対策とはならない。

このような問題に対処するための技術の一例が、特許文献１に開示されている。ここには、Ｆｅ₂Ｏ₃が４４．０〜５０．０モル％（但し、５０．０モル％は除く）、ＺｎＯが４．０〜２０．０モル％、ＴｉＯ₂及びＳｎＯ₂の少なくともいずれかの合計量が０．１〜８．０モル％、残部がＭｎＯという組成の、ＭｎＺｎフェライトが開示されているが、比抵抗は高々１０⁴Ω・ｃｍであり、直接巻線を施すコア材料として適当であるとは言えないものである。

特許第３１０８８０３号

従って、本発明の課題は、１０⁵Ω・ｃｍ程度以上の大きな比抵抗を有し、１ＭＨｚを超える高周波領域での使用にも、十分に耐え得るＭｎＺｎフェライト、及びその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、種々検討の結果、主成分組成を、Ｆｅ₂Ｏ₃が４１．０〜５０．０モル％（但し、５０．０モル％を含まない）、ＺｎＯが４．０〜２０．０モル％、ＭｇＯ及びＣｏＯの少なくとも一種が０．５〜８．０モル％、残部がＭｎＯとすることによって、比抵抗が１０⁵Ω・ｃｍを超えるＭｎＺｎフェライトが得られることを見出した。

また、さらに検討した結果、１００重量％の前記主成分主成分に対し、副成分としてＢｉ₂Ｏ₃を０．１〜５重量％添加することによって、比抵抗が１０⁶Ω・ｃｍを上回ることを見出した。

同時に、前記の組成を有するＭｎＺｎフェライトの焼結の条件を検討した結果、最高保持温度における酸素濃度を１〜１０％とすることで、１０⁵Ω・ｃｍ以上の高い比抵抗が発現することを見出した。

本発明によるＭｎＺｎフェライトコアは、前記のように１０⁵Ω・ｃｍ以上を超える高い比抵抗を発現するので、インダクタなどの部品に使用する際、ボビンなどの絶縁部材を外装することなく、巻線を直接施すことが可能である。

また、本発明のＭｎＺｎフェライトコアは、高い比抵抗を具備することから、１ＭＨｚ以上の周波数帯域においても、渦電流によるロスの増加が極めて少なく、高特性の電子部品が得られる。このような高い比抵抗の発現は、前記組成と焼結条件により、ヘマタイト相の生成が抑制されることによると解される。

本発明のＭｎＺｎフェライトは、前記のように、原料組成と焼結工程の最高保持温度における酸素濃度の調整に特徴があり、その他の製造工程には、公知の方法が適用できる。

具体的には、まず、前記の組成となるように、原料粉末を秤量し、ボールミルを用いて混合した後、大気中、７００〜１０００℃の温度で、２時間前後の仮焼を行う。仮焼を行った粉末は、再びボールミルを用い、１〜２０時間粉砕を行った後、平均粒径が数１００μｍとなるように造粒を行う。

次に、造粒した粉末を所要の形状に加圧成形し、得られた圧粉体を、１０００〜１４００℃の範囲の温度で、２時間前後焼結する。焼結における最高保持温度で、酸素濃度１〜１０％とするが、この理由は、この範囲外の酸素濃度では、Ｆｅ₂Ｏ₃が必要以上に酸化または還元され、スピネル構造を有し、かつ所要の特性を発現するＭｎＺｎフェライトが得られないからである。

次に、具体的な実施例を挙げ、本発明のＭｎＺｎフェライトについて、さらに詳しく説明する。

まず、第一の実施例として、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＭｎＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｏＯのみを用いて組成を変え、ＭｎＺｎフェライトを調製した例を示す。この際、組成が特許請求の範囲外となる原料からなるＭｎＺｎフェライトの試料も比較例として調製した。表１は、これらの実施例及び比較例の組成をまとめて示したものである。

ここでは、室温から５００℃までの領域を１００℃／時間の昇温速度、５００℃から１２００℃までの領域を３５０℃／時間の昇温速度で昇温し、１２００℃で２時間保持して焼結を行った。冷却は試料を炉の中に保持した状態で、ヒーターの電源を切り、室温まで降温する、炉冷で行った。

酸素濃度は、５００℃から１２００℃の領域は、１〜１０％に調整し、１２００℃での保持から室温に炉冷するまで、１．２％に保持した。このようにして調製したＭｎＺｎフェライトについて、１００ｋＨｚにおける初透磁率、比抵抗、キュリー温度を測定した。表２は、これらの測定値をまとめて示したものである。

表２に示したように、番号が１〜１２の実施例のＭｎＺｎフェライト試料はいずれも、比抵抗が１０⁵Ω・ｃｍを超える高い数値を示し、初透磁率が２００以上、キュリー温度が１７０℃以上である。ＭｎＺｎフェライトの電子部品用材料としての実用性を考慮すると、概ね初透磁率は１００以上、キュリー温度は１７０℃であることが要求されるが、本実施例のＭｎＺｎフェライトは、十分な特性を具備していることが分かる。

これに対し、Ｆｅ₂Ｏ₃の量が５０モル％以上の比較例である、番号が１，２のＭｎＺｎフェライト試料では、比抵抗が１０⁴Ω・ｃｍとなってしまうため、電子部品に用いるには不十分な特性で、ＺｎＯの量が４モル％未満の比較例である、番号が３，４のＭｎＺｎフェライト試料では、初透磁率の低下が顕著で、実用に耐えない特性である。

また、Ｆｅ₂Ｏ₃の量が４１モル％未満の比較例である、番号が５，６のＭｎＺｎフェライト試料では、透磁率が低く、ＺｎＯの量が２０モル％を超える比較例である、番号が７，８のＭｎＺｎフェライト試料では、キュリー温度が低く、実用に耐えない特性である。

さらに、番号が９〜１２の比較例の結果から明らかなように、ＭｇＯとＣｏＯの量が０．５モル％未満の少な過ぎる場合では、比抵抗が低く、ＭｇＯとＣｏＯの量が８．０モル％を超え、多すぎる場合では、初透磁率と比抵抗の両方が所要の数値に達していないため、実用には不向きである。

次に、第二の実施例として、Ｂｉ₂Ｏ₃を添加した場合について説明する。表３は、Ｂｉ₂Ｏ₃の添加量の適正値を検証するために調製した、ＭｎＺｎフェライトの組成を示したものである。ここでも、比較例として、Ｂｉ₂Ｏ₃の量が０．１〜５．０重量％の範囲外のＭｎＺｎフェライトを調製した。なお、焼結の条件は第一の実施例と同様である。また、表４は、これらの試料についての、特性の評価結果をまとめて示したものである。

表４に示したように、実施例のＭｎＺｎフェライトは、いずれも比抵抗が１０⁶Ω・ｃｍ以上の高い数値を示し、初透磁率が２００以上、キュリー温度が１７０℃以上と電子部品として十分実用に耐える特性を示している。

これに対して、番号が１３，１４の比較例のＭｎＺｎフェライトは、比抵抗が１０⁵Ω・ｃｍと、第一の実施例と大差ない結果であり、Ｂｉ₂Ｏ₃の添加量が０．１重量％未満では、その効果が認められないことが明らかである。一方、番号が１５，１６のＢｉ₂Ｏ₃の添加量が５重量％を超える比較例のＭｎＺｎフェライトでは、比透磁率が、１００を下回るとともに、キュリー温度が１７０℃を下回り、電子部品に用いる材料として不適切である。

次に、第３の実施例として、焼結工程の最高保持温度における、酸素濃度の適正値を検証するために調製した、ＭｎＺｎフェライトについて説明する。ここでも比較例として、酸素濃度を１〜１０％の範囲外とした、ＭｎＺｎフェライトを調製した。表５は、原料の組成と酸素濃度を、表６は特性の評価結果を、まとめて示したものである。なお、ここではヘマタイト相の生成の有無についても評価した。なお、酸素濃度以外の焼結条件は、第一の実施例を同様である。

表６に示したように、実施例のＭｎＺｎフェライトは、いずれも比抵抗が１０⁶Ω・ｃｍ以上、初透磁率が２００以上、キュリー温度が１７０℃以上の数値を示し、電子部品用の材料として十分な特性を具備していることが分かる。これに対し、番号が１７，１８の比較例のＭｎＺｎフェライトは、比抵抗が１０²Ω・ｃｍと低く、番号が１９，２０の比較例のＭｎＺｎフェライトは、初透磁率が２００を下回り、電子部品に用いる材料として不適切である。

また、番号が１９，２０の比較例のＭｎＺｎフェライトでは、ヘマタイト相の生成が認められた。つまり、いずれの比較例も酸素濃度が不適切であるため、必要以上の酸化反応や還元反応が起こっていることが分かる。

図１は、前記実施例のＭｎＺｎフェライトにおける、初透磁率（μ’，μ”）の周波数特性の一例と、Ｆｅ₂Ｏ₃の量が５０モル％以上のＭｎＺｎフェライトにおける、初透磁率（μ’，μ”）の周波数特性の一例を示した図である。図１から、本発明のＭｎＺｎフェライトの高周波特性は、Ｆｅ₂Ｏ₃の量が５０モル％以上のＭｎＺｎフェライトに比較して大幅に改善され、１ＭＨｚを超える高周波領域での使用にも十分に耐えることが分かる。

以上に説明したように、本発明によれば、比抵抗、キュリー温度、透磁率の周波数特性とも、電子部品用として十分な特性を具備したＭｎＺｎフェライトが得られる。

ＭｎＺｎフェライトにおける初透磁率（μ’，μ”）の周波数特性の一例を示す図。

Claims

Ｆｅ₂Ｏ₃が、４１．０〜５０．０モル％（但し、５０．０モル％を含まない）、ＺｎＯが４．０〜２０．０モル％、ＭｇＯ及びＣｏＯの少なくとも一種が０．５〜８．０モル％、残部がＭｎＯなる主成分組成を有し、比抵抗が１０⁵Ω・ｃｍ以上であることを特徴とするＭｎＺｎフェライト。
１００重量％の前記主成分に対し、０．１〜５重量％のＢｉ₂Ｏ₃を添加してなることを特徴とする、請求項１に記載のＭｎＺｎフェライト。
焼結工程の最高保持温度における酸素濃度が、１〜１０％であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のＭｎＺｎフェライトの製造方法。