JP2006151701A - Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト及びそれを用いた電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 −４０〜８５℃の広温度帯域において直流重畳特性が良好なトランスを構成するＭｎ−Ｚｎ系フェライトとこれを用いた電子部品を提供する。
【解決手段】 Ｆｅ_２Ｏ_３換算で５２〜５３．５ｍｏｌ％、ＺｎＯ換算で１１〜１３ｍｏｌ％、残部がＭｎＯのＭｎ−Ｚｎ系フェライトであって、副成分として酸化コバルトのＣｏＯ換算で０．１ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％、ＣａＯ換算で０．００５ｗｔ％〜０．２ｗｔ％を含み、−４０℃〜８５℃の温度領域において、直流バイアス重畳時の透磁率μδが１０００以上であり、−２０℃〜＋６０℃の間において透磁率μδの最大値を有し、前記透磁率μδの最大値が１５００以上とした。
【選択図】 図１

Description

本発明はＭｎ−Ｚｎ系フェライトおよびそれを用いた電子部品に関し、特には通信用トランス等の磁心に用いられ、特に広温度帯域において直流重畳特性に優れたＭｎ−Ｚｎ系フェライト及びそれを用いた電子部品に関する。

従来の差動伝送回路に給電回路が取り付けられた回路の規格としてＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格が規格化された。この規格は、ＰＯＥ （Ｐｏｗｅｒ ｏｖｅｒ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標））とも呼ばれ、差動信号を扱うＬＡＮケーブルなどの信号線を通してデータと同時に電源電力を流す規格である。
具体的には４８Ｖで１５．４Ｗの電力が給電でき、電源を取りにくい場所に置く機器や、従来電源が必要なかった機器をＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）対応にする場合などに使われ、ＬＡＮケーブルに接続するＬＡＮ機器を電源配線なしで動作させるものである。ＩＰ電話や無線ＬＡＮのアクセスポイント、スイッチングハブ、Ｗｅｂカメラ等の機器や給電用アダプターに適用される。

図１は、前記ＰＯＥ対応回路を備えた機器の伝送路（ＬＡＮケーブル）と接続するためのコネクタ端側の回路を示す回路図である。前記コネクタＣＮには、機器と伝送路とを電気的に絶縁するパルストランスＰＴとコモンモードノイズを抑圧するためのコモンモードチョークコイルＣＭＣが用いられる。

前記パルストランスＰＴは、両端が送信側回路ＴＸあるいは受信側回路ＲＸと接続する一次巻線と、中間タップを有し両端がコモンモードチョークコイルＣＭＣの巻線の一端と直列接続される二次巻線を有するものである。前記コモンモードチョークコイルＣＭＣは一次巻線及び二次巻線を有し、前記巻線の他端はコネクタＣＮと接続される。以下パルストランスＰＴとコモンモードチョークコイルＣＭＣを組み合わせたものをモジュールと呼ぶ場合がある。パルストランスＰＴやコモンモードチョークコイルＣＭＣは、それぞれ磁性材料としてフェライトを用いたトロイダル形状の磁心を用いる場合が多い。
送信回路側のモジュールにおいて、パルストランスＰＴに巻設された二次巻線に形成された中間タップに、給電源から電圧が与えられ、直流電流（図中矢印で示す）がコモンモードチョークコイルＣＭＣの各巻線を通じ、ＬＡＮケーブルを介して受信回路側のモジュールに流入し、受信回路側のパルストランスＰＴの二次巻線に形成された中間タップから負荷（受信側の機器）へ直流電流が流出する。

また他の例として図２に示す回路の様に、パルストランスＰＴの一次巻線に中間タップを設けて給電源と接続する場合がある。前記一次巻線の中間タップに与えられた電圧による直流電流が、前記一次巻線の両端と接続された増幅器等を含むトランシーバＩＣに供給される。

この様にパルストランスＰＴ等には直流電流が流入されるため、電源電流で発生する磁束によりフェライトコアの磁束密度が飽和磁束密度に近くなりインダクタンスが低下するという問題がある。このため、ＰＯＥ対応回路には、前記直流電流で磁気飽和しないフェライトコアが必要となる。また、通信用機器は使用環境の多様であり、従来からパルストランスＰＴ等の電子部品の温度依存性を小さくするという要請がある。
この様な要請に応じて、パルストランスＰＴ等に用いられるフェライトコアも、直流電流で磁気飽和せず、広温度帯域で使用可能なものが求められている。
本発明者等は、既に広温度帯域で使用可能なフェライトとして、環境温度の変化に対して安定した磁気特性を示すＭｎ−Ｚｎ系フェライトを提案している（特許文献１）。
特開平１１−３０２０６９

特許文献１のＭｎ−Ｚｎフェライトは、副成分としてＣａＯ，ＳｉＯ_２，ＣｏＯを含有させ、組成を制御することによって、−２０℃〜１００℃における初透磁率が１００００以上としている。しかしながら、７０℃を超える高温度領域における直流バイアス重畳時のインダクタンス特性（直流重畳特性）が十分でないことが判明した。
そこで本発明は。このような課題を解決するために、−４０〜８５℃の広温度帯域において直流重畳特性が良好なトランスを構成するＭｎ−Ｚｎ系フェライト、およびこれを用いた電子部品を提供することを目的とする。

第１の発明は、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で５２〜５３．５ｍｏｌ％、ＺｎＯ換算で１１〜１３ｍｏｌ％、残部がＭｎＯのＭｎ−Ｚｎ系フェライトであって、副成分として酸化コバルトのＣｏＯ換算で０．１ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％、ＣａＯ換算で０．００５ｗｔ％〜０．２ｗｔ％を含み、−４０℃〜８５℃の温度領域において、直流バイアス重畳時、即ちＨ＝３０Ａ／ｍの直流バイアス磁界下においての透磁率μδが１０００以上であり、−２０℃〜＋６０℃の間で透磁率μδの最大値を有し、前記透磁率μδの最大値が１５００以上のＭｎ−Ｚｎ系フェライトである。

本発明において、Ｎｂ_２Ｏ_５換算で０．００５〜０．０３ｗｔ％、ＺｒＯ_２換算で０．００５〜０．０８ｗｔ％、Ｔａ_２Ｏ_５換算で０．０１〜０．０８ｗｔ％、ＳｉＯ_２換算で０．００５ｗｔ％〜０．０２５ｗｔ％の少なくとも一種を含むのが好ましい。

第２の発明は、第１の発明のＭｎ−Ｚｎ系フェライトで構成された磁心に巻線を巻設したトランスを用いた電子部品である。
第３に発明は、第１の発明のＭｎ−Ｚｎ系フェライトで構成された磁心に巻線を巻設したトランスを用いた通信用機器である。

本発明のＭｎ−Ｚｎ系フェライトによれば、直流バイアス重畳時において高い透磁率を示し、かつ広温度領域において優れた直流重畳特性を有する。このため前記フェライトを用いて構成されたトランスをＩＰ電話や無線ＬＡＮのアクセスポイント、スイッチングハブ、Ｗｅｂカメラ等のＰＯＥ対応回路を備えた機器に用いれば、広温度帯域で使用可能な通信機器を得ることが出来る。

本発明者等は、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトに含まれるＦｅ，Ｚｎ，Ｃｏ、Ｃａの相対的な組成関係に着目し、フェライト中に含ませるＣｏ、Ｃａの量と、主成分であるＦｅの含有量およびＺｎの含有量を最適にすることにより、広温度帯域における直流重畳特性を改善させることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
主成分におけるＦｅの含有量の範囲を、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で５２〜５３．５ｍｏｌ％としたのは、Ｆｅ_２Ｏ_３換算含有量が５２ｍｏｌ％より少ない組成の場合には、低温度域における直流重畳特性の低下が顕著となり、５３．５ｍｏｌ％より多い組成の場合には、高温度域における直流重畳特性の低下が顕著となるからである。好ましくは５２．６〜５３．２ｍｏｌ％であり、−４０℃〜８５℃の温度領域において、直流バイアス重畳時の透磁率μδを２０００以上とすることが出来る。

主成分におけるＺｎの含有量をＺｎＯ換算で１１〜１３ｍｏｌ％としたのは、ＺｎＯ含有量が１１ｍｏｌ％より少ない組成の場合には、低温度域における直流重畳特性の低下が顕著となり、１３ｍｏｌ％より多い組成の場合には、高温度域における直流重畳特性の低下が顕著となるからである。

本発明に係るＭｎ−Ｚｎ系フェライトは、副成分として酸化コバルトのＣｏＯ換算で０．１ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％、ＣａＯ換算で０．００５ｗｔ％〜０．２ｗｔ％を含む。
Ｃｏは直流重畳特性の改善に寄与するが、前記範囲で含むことで特には室温から低温度域にかけての直流重畳特性を向上させる機能を発揮する。ＣｏＯが０．１ｗｔ％未満であると、直流重畳特性を向上するのに十分でなく、０．３５ｗｔ％を超えると直流重畳特性を逆に低下させてしまうからである。好ましくは、０．２〜０．３ｗｔ％であり、−４０℃〜８５℃の温度領域において、直流バイアス重畳時の透磁率μδが２０００以上とすることが出来る。
Ｃａは固有抵抗ρを向上させ、直流重畳特性の改善に寄与するが、前記範囲で含むことで特には室温から高温度域にかけての直流重畳特性を向上させる機能を発揮する。

本発明に係るＭｎ−Ｚｎ系フェライトの副成分として、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ，Ｚｒの少なくとも一種を含んでも良い。好ましい範囲は、ＮｂをＮｂ_２Ｏ_５換算で０．００５〜０．０３ｗｔ％、ＴａをＴａ_２Ｏ_５換算で０．０１〜０．０８ｗｔ％、ＺｒをＺｒＯ_２換算で０．００５〜０．０８ｗｔ％である。もちろん、酸化ニオブ、酸化ケイ素、酸化タンタル、酸化ジルコニアは、上記含有量の範囲内で、それぞれ単独で含有させてもよいし、複数を含有させてもよい。これらの成分は固有抵抗ρを向上させ、−４０℃〜８５℃の広温度領域における直流重畳特性を、僅かであるが向上させる効果を有する。
Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ，Ｚｒの副成分を所定の範囲よりも多く添加すると、焼成過程で異常粒成長を生じたりして、所望の磁気特性を得ることができない場合や、機械的強度を低下させる場合がある。

以下、本発明に係る一実施例について説明する。
主成分の出発原料として、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＺｎＯ、副成分の出発原料として、Ｃｏ_３Ｏ_４、ＳｉＯ_２、ＣａＣＯ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２を用意した。用意した出発原料を、焼成後の組成が表１に示す主成分組成と、ＣｏＯ ０．２５ｗｔ％、ＣａＯ ０．０９ｗｔ％、ＳｉＯ_２ ０．０１ｗｔ％、Ｎｂ_２Ｏ_５ ０．００５ｗｔ％、ＺｒＯ_２ ０．０２ｗｔ％の副成分組成となるように秤量し、まず主成分原料を混合し、仮焼温度８９０℃、仮焼時間２時間で大気中にて仮焼した。これに副成分原料を加えてボールミルにより所定の大きさに。混合粉砕し、バインダーとしてポリビニルアルコールを加え、スプレードライヤーを用いて造粒した。得られた造粒物を乾式圧縮成形機と金型を用いて成形し、リング状の成形体を得た。

次いで、成形体を２００℃／ｈｒで昇温した焼成炉にて１３７０℃で５時間焼成した。安定温度までの雰囲気は酸素分圧ＰＯ_２を１％とし、安定温度以降は１５０℃／ｈｒで徐冷し、室温まで冷却した。安定温度から室温までの雰囲気はフェライトの平衡酸素分圧に従い設定した。このようにして、外径１０ｍｍ、内径６ｍｍ、高さ３ｍｍのトロイダル形状のフェライトコアを得た。

こうして得られたフェライトコアに線径が０．１ｍｍのワイヤを１５ターン巻き、直流重畳特性を測定した。本実施例では、交流成分の周波数、振幅を一定にし、直流バイアス磁界下（Ｈ＝３０Ａ／ｍ）で、測定周波数１００ｋＨｚ、測定電圧１００ｍＶで、ＬＣＲメーターを用いて、−４０℃，２５℃，８５℃における透磁率μδを測定した。また、直流バイアス磁界を印加しない状態での初透磁率μｉもあわせて測定した。測定結果を表１に示した。

表１に示すように、本発明に係る実施例（Ｎｏ．２〜６）の組成範囲では、−４０℃〜８５℃の温度範囲内で、直流バイアス磁界下（Ｈ＝３０Ａ／ｍ）の透磁率μδが１０００以上の値が得られた。本請求範囲外である比較例（Ｎｏ．１，７）では透磁率μδを１０００以上に保つことができないことが分かる。また、Ｆｅ_２Ｏ_３が５２．６〜５３．２ｍｏｌ％であれば、透磁率μδを２０００以上とすることが出来る。

焼成後の組成がＦｅ_２Ｏ_３ ５２．９５ｍｏｌ％、ＺｎＯ １２ｍｏｌ％、残部ＭｎＯとなるように秤量した主成分原料を、ボールミルで湿式混合し、スプレードライヤーで乾燥させた後、９００℃で２時間仮焼した。この仮焼粉に副成分として焼成後、ＣａＯ ０．０９ｗｔ％、ＳｉＯ_２ ０．０１ｗｔ％、Ｎｂ_２Ｏ_５ ０．００５ｗｔ％、ＺｒＯ_２ ０．０２ｗｔ％を含有するように加え、さらに表２に示す分量含むようにＣｏＯを加えた。その後、実施例１と同様の手順で試料を作製し、評価を行った。その結果を表２に示す。

表２より実施例（Ｎｏ．９〜１３）のＣｏＯを含有する範囲では−４０℃〜８５℃の温度範囲内で直流バイアス磁界下（Ｈ＝３０Ａ／ｍ）の透磁率は１０００以上の値が得られている。本請求範囲外である比較例（Ｎｏ．８，１４）ではＣｏＯの効果が乏しく透磁率μδを１０００以上に保つことができないことが分かる。ＣｏＯが０．２〜０．３ｗｔ％であれば、透磁率μδを２０００以上とすることが出来る。
なお、実施例１，２の試料（Ｎｏ．１〜１４）の固有抵抗は副成分を含有させているため１０〜２０（Ω・m）と高い値であった。

Ｎｏ．１１のフェライトコアに、ワイヤを巻設してパルストランスとした。これを樹脂基板に配置し、一次巻線の両端を前記樹脂基板に設けられた、それぞれ異なる外部接続端子と電気的に接続した。二次巻線の中間タップから延出するワイヤも他の外部接続端子と電気的に接続している。前記二次巻線の両端は、それぞれコモンモードチョークコイルの巻線の一端と直列接続され、前記ワイヤの他端はそれぞれ他の外部接続端子と電気的に接続した。コモンモードチョークコイルはパルストランスと同一の樹脂基板に実装されており、エポキシ樹脂あるいはシリコーン樹脂で封止し、パルストランスとコモンモードチョークコイルを複合した面実装可能なモジュールとした。
コモンモードチョークコイルはパルストランスとを複合して樹脂封止し、一つの絶縁パッケージ構造とすることで、それぞれを回路基板に配置する場合よりも実装面積を減じることが出来、また面実装可能な部品として形成したことで、実装時の取り扱いが容易な広温度帯域で使用可能な電子部品を得ることが出来ることができた。

実施例３で形成したモジュールを用いて、パルストランスの一次巻線が接続される外部接続端子と増幅器等が形成されたトランシーバＩＣと接続し、コモンモードチョークコイルの巻線が接続された外部接続端子をコネクタに接続して、ＬＡＮカードを作製した。前記ＬＡＮカードには送受信をコントロールするＩＣも備えている。本実施例によれば、広温度帯域で使用可能な通信用機器を得ることが出来た。
なお本実施例では、パルストランスとコモンモードチョークコイルをモジュール化したものを用いたが、これに限定されるものでは無く、本発明のＭｎ−Ｚｎ系フェライトを用いたトランスを採用した通信用機器であれば、本発明の範囲である。

本発明によれば、直流バイアス重畳時において高い透磁率を示し、かつ広温度領域において優れた直流重畳特性を有するＭｎ−Ｚｎ系フェライトを提供することが出来る。このため前記フェライトを用いて構成されたトランスをＩＰ電話や無線ＬＡＮのアクセスポイント、スイッチングハブ、Ｗｅｂカメラ等のＰＯＥ対応回路を備えた機器に用いれば、広温度帯域で使用可能な通信機器を得ることが出来る。

本発明に係るＭｎ−Ｚｎ系フェライトをトランスとして用いたＰＯＥ対応回路示す回路図である。 他のＰＯＥ対応回路示す回路図である。

符号の説明

ＰＴ パルストランス
ＣＭＣ コモンモードチョークコイル
ＣＮ コネクタ
ＴＸ 送信回路
ＲＸ 受信回路

Claims (4)

1. Ｆｅ_２Ｏ_３換算で５２〜５３．５ｍｏｌ％、ＺｎＯ換算で１１〜１３ｍｏｌ％、残部がＭｎＯのＭｎ−Ｚｎ系フェライトであって、
   副成分として酸化コバルトのＣｏＯ換算で０．１ｗｔ％〜０．３５ｗｔ％、ＣａＯ換算で０．００５ｗｔ％〜０．２ｗｔ％を含み、−４０℃〜８５℃の温度領域において、直流バイアス重畳時の透磁率μδが１０００以上であり、−２０℃〜＋６０℃の間において透磁率μδの最大値を有し、前記透磁率μδの最大値が１５００以上であることを特徴とするＭｎ−Ｚｎ系フェライト。
2. Ｎｂ_２Ｏ_５換算で０．００５〜０．０３ｗｔ％、ＺｒＯ_２換算で０．００５〜０．０８ｗｔ％、Ｔａ_２Ｏ_５換算で０．０１〜０．０８ｗｔ％、ＳｉＯ_２換算で０．００５ｗｔ％〜０．０２５ｗｔ％の少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭｎ−Ｚｎ系フェライト。
3. 請求項１又は２に記載のＭｎ−Ｚｎ系フェライトで構成された磁心に巻線を巻設したトランスを用いたことを特徴とする電子部品。
4. 請求項１又は２に記載のＭｎ−Ｚｎ系フェライトで構成された磁心に巻線を巻設したトランスを用いた通信用機器。

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