JP2006182633A

JP2006182633A - フェライト材料及びインダクタ素子

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Publication number: JP2006182633A
Application number: JP2004381313A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Yokoyama; 貴章横山; Hiroshi Marusawa; 博丸澤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: JP4556668B2

Abstract

【課題】基本配合組成Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト材料の初透磁率の温度特性を改善する。
【解決手段】４０〜５０モル％のＦｅ_２Ｏ_３、５〜３５モル％のＮｉＯ、１〜３２モル％のＺｎＯ、及び５〜１５モル％のＣｕＯを基本組成とするＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系のフェライト材料に、３．０〜８．０モル％のＳｎＯ_２を含有させことにより、初透磁率の温度特性を大幅に改善することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、フェライト材料及びインダクタ素子に関し、更に詳しくは、温度特性に優れたフェライト材料及びインダクタ素子に関するものである。

従来、Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系のフェライト材料は、その磁気特性から磁芯の材料として、あるいは積層チップインダクタ等のインダクタ素子等の材料として広く用いられている。これらの磁芯やインダクタ素子は、種々の環境下で使用されるため、温度変化に対する初透磁率μ_ｉの変化が少ない材料、即ち温度特性に優れた材料によって形成されていることが望ましい。

特許文献１には、ＺｎＯ１．０５〜３１．３２モル％、ＣｕＯ８．８２〜１１．９０モル％、ＮｉＯ１０．４４〜４４．６１モル％、残部Ｆｅ_２Ｏ_３からなるＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト材料の基本組成に、ＳｎＯ_２を０．４〜１．８重量％含有させたフェライト材料について記載されている。このフェライト材料は、このような組成を有することから、初透磁率の温度特性を損なうことなく応力に対する変動を低減することができる。

特許文献２には、Ｆｅ_２Ｏ_３４５〜４９．５モル％、ＺｎＯ１〜３０モル％、ＣｕＯ８〜１２モル％、残部ＮｉＯからなるＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト材料の基本組成に、ＳｎＯ_２を１．５〜３重量％、Ｂｉ_２Ｏ_３を０．４５重量％以下含有させたフェライト材料について記載されている。このフェライト材料は、このような組成を有することから、初透磁率の温度係数やインダクタンスの温度変化を低減することができる。

特開２００２−１２４４０８号公報特開２００２−２５５６３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト材料は、ＳｎＯ_２を０．４〜１．８重量％添加するため、初透磁率の温度特性を損なうことなく応力に対する変動を低減することができるが、ＳｎＯ_２の添加量が少ないため、初透磁率の温度特性の改善効果が小さい。また、特許文献２に記載のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト材料は、ＳｎＯ_２を１．５〜３重量％添加するため、特許文献１に記載のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト材料と同様に、初透磁率の温度特性の改善効果が小さい。

即ち、フェライト材料の初透磁率μ_ｉの温度特性は、下記の（１）式で表されるように、飽和磁化Ｍ_ｓ及び磁気異方性定数κそれぞれの温度変化に左右される。そして、飽和磁化Ｍ_ｓ及び磁気異方性定数κは、温度上昇によって共に減少し、しかも磁気異方性定数κは、飽和磁化Ｍ_ｓの減少量より急激に減少量が大きくなる温度領域があり、そのような温度領域では、下記（１）式からも明らかなように、初透磁率μ_ｉが大きく跳ね上がる、いわゆるホプキンソン効果が発現し、初透磁率μ_ｉが温度変化によって大きく変動して不安定になる。但し、下記式において、ａ、ｂはそれぞれ定数、λは磁歪定数、σは応力を示す。
μ_ｉ∝Ｍ_ｓ ^２／（ａκ＋ｂσλ）・・・（１）

ところが、特許文献１、２に記載のフェライト材料では、磁気異方性定数κが緩やかに変化する狭い温度領域において、温度特性の改善は認められるものの、ＳｎＯ_２の添加量が少ないため、磁気異方性定数κが飽和磁化Ｍ_ｓの減少量を大きく上回り、ホプキンソン効果によって初透磁率μ_ｉが跳ね上がる広い温度領域には対応できないという課題があった。従って、このようなフェライト材料を例えばアンテナに使用すると、ＬＣ共振周波数が温度変化によって変動し、アンテナとしての送受信が不可能になる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、磁気異方性定数自体を低減して磁気異方性定数の初透磁率に対する影響を抑制して初透磁率の温度特性を大幅に改善することができ、しかも例えば車載用途等の高温での使用にも耐えられるようにキュリー温度を高くすることができるフェライト材料及びインダクタ素子を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に記載のフェライト材料は、４０〜５０モル％のＦｅ_２Ｏ_３、５〜３５モル％のＮｉＯ、１〜３２モル％のＺｎＯ、及び５〜１５モル％のＣｕＯを基本組成とするＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系のフェライト材料であって、上記基本組成に、３．０〜８．０モル％のＳｎＯ_２を含有させたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載のインダクタ素子は、請求項１に記載のフェライト材料からなる磁性体を備えたことを特徴とするものである。

而して、本発明のフェライト材料は、４０〜５０モル％のＦｅ_２Ｏ_３、５〜３５モル％のＮｉＯ、１〜３２モル％のＺｎＯ、及び５〜１５モル％のＣｕＯを基本組成とするＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系のフェライト材料で、この基本組成を有することによってフェライト材料として確実に焼結することができる。

従って、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量が４０モル％未満になっても５０モル％を超えても、所定の焼成温度で異相を析出して焼結しない。

また、ＮｉＯの含有量が５モル％未満になると所定の焼成温度で異相を析出して焼結せず、３５モル％を超えると初透磁率が小さくなってフェライト特性が劣化する。

ＺｎＯは初透磁率を制御する成分で、ＺｎＯの含有量の増加に対応してＮｉＯの含有量を相対的に減少させることによって、初透磁率を増加させることができる。ＺｎＯの添加量が１．０モル％未満では初透磁率の増加効果がなく初透磁率が小さくなってフェライト特性が劣化する。ＺｎＯの含有量が３２モル％を超えると、初透磁率の温度変化率が大きくなってフェライト特性が劣化する。

ＣｕＯは焼結性を向上させる成分で、焼成温度を１０００℃以下に低下させることができ、延いては、積層インダクタ等の積層型電子部品のように、内部電極を共焼成することができる。ＣｕＯの含有量が５モル％未満でも１５モル％を超えても異相を析出して焼結しない。

本発明のフェライト材料は、３．０〜８．０モル％のＳｎＯ_２を含有している。この含有量は重量換算すると３．８〜１０．２重量％である。フェライト材料に対して３．０〜８．０モル％のＳｎＯ_２を含有させることによって、フェライト材料の基本成分であるＦｅ_２Ｏ_３のＦｅ^３＋イオンの一部をＳｎ^４＋イオンで積極的に置換することができる。この置換によって、フェライト材料の磁気異方性定数κを低減することができ、ホプキンソン効果による飽和磁化Ｍ_ｓの減少量に対する磁気異方性定数κの減少量の影響を抑制することができ、延いては、前記（１）式の関係からも明らかなように、初透磁率μ_ｉに対する温度変化の影響を抑制し、フェライト材料の温度特性を向上させ、広い温度領域で安定した初透磁率μ_ｉを得ることができる。

ＳｎＯ_２の含有量が３．０モル％未満になると、Ｆｅ^３＋イオンをＳｎ^４＋イオンで置換できず、添加効果が認められず初透磁率μ_ｉの温度特性を安定化せず、また、ＳｎＯ_２の含有量が８．０モル％を超えると、初透磁率が極端に低下する。

本発明のフェライト材料は、例えば、初透磁率の−２５℃〜１００℃の温度領域で、相対温度係数及び温度変化率が共に小さく、温度特性に優れたものであるため、狭偏差インダクタ材や、ミリ波若しくはマイクロ波アイソレータの低損失材として使用することができる。

本発明のインダクタ素子は、本発明のフェライト材料によって形成された磁性体を備え、広い温度領域で温度特性に優れたインダクタ素子である。本発明のインダクタ素子は、例えば携帯電話等の移動体機器に用いられる積層インダクタや巻線型インダクタがある。例えば積層インダクタの場合には、本発明のフェライト材料によって磁性体を形成する際に、Ａｇ、Ｃｕ及びこれらを主成分とする合金等の融点の低い導電性金属を１０００℃以下の共焼成することによって、内部コイルを形成することができる。そして、本発明のインダクタ素子は、コンデンサと組み合わせて使用することにより、広い温度範囲で共振周波数が安定し、共振周波数の安定したＬＣ共振回路を構成することができる。

本発明の請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、磁気異方性定数自体を低減して磁気異方性定数の初透磁率に対する影響を抑制して初透磁率の温度特性を大幅に改善することができ、しかも例えば車載用途等の高温での使用にも耐えられるようにキュリー温度を高くすることができるフェライト材料及びインダクタ素子を提供することができる。

まず、本発明のフェライト材料を具体的に説明する。

（１）フェライト材料の調製
まず、出発原料として、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３及びＳｎＯ_２の各粉末をそれぞれ用意した。その後、これらの出発原料の各粉末を、表１の試料Ｎｏ.１〜２８に示す含有量になるように、秤量して配合した後、それぞれの配合物を、部分安定化ジルコニアボールを玉石として、ポットミルによって２４時間湿式混合を行った。次いで、これらの配合物を乾燥させた後、大気中で所定の焼成温度（例えば、６５０〜７５０℃）で仮焼した後、これらの仮焼粉末を、比表面積が５ｍ^２／ｇ程度になるように、ポットミルによって８時間程度粉砕を行うことにより、フェライト原料粉末を得た。尚、表１において、＊印を付した試料は本発明の範囲外のものである。

（２）フェライト焼結体の作製
上述の各フェライト原料粉末に、酢酸ビニル系バインダ溶液を混合してスラリーを得た後、これらのスラリーを乾燥させた。次いで、これらの乾燥粉末を、乾式プレス成形機を用いて、ブロック状の圧粉成形体を作製し、これらの圧粉成形体を、大気中で所定の焼成温度（例えば、９００〜１０００℃）で１〜２時間程度の本焼成を行い、トロイダルコア状フェライト焼結体を得た。尚、出発原料に起因する不純物として、Ｍｎ、Ｃｌ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｂｉ等が約０．４０重量％未満で混入したり、混合粉砕時の不純物として、ＺｎやＳｉが０．８重量％未満で混入することがあるが、フェライト材料を特性的にみて特に問題はない。

（３）フェライト焼結体の評価
次いで、上記各トロイダルコア状フェライト焼結体に軟銅線を、それぞれ４０ターン巻き、それぞれのインダクタンスを、インピーダンスアナライザを用いて周波数１００ｋＨｚの条件で測定した。この際、トロイダルコアを恒温槽内に設置し、表１に示すように、測定温度を−２５〜１００℃の範囲で変え、インダクタンスの温度変化を測定することによって、フェライト焼結体の初透磁率μ_ｉの相対温度係数α_μｒを下記の(２)式に基づいて算出して、各試料の評価を行い、その結果を表１に示した。下記式において、μ_１００℃、μ_−２５℃、μ_２５℃は、それぞれ１００℃、−２５℃、２５℃における初透磁率を示す。
α_μｒ（ｐｐｍ/℃）＝〔（μ_１００℃−μ_−２５℃）/（μ_２５℃ ^２×１２５）〕×１０^６
・・・（２）

また、２５℃から１００℃における初透磁率μ_ｉの温度変化率Δμ/μを、下記の(３)式に基づいて算出して、各試料の評価を行い、それぞれの結果を表１に示した。
Δμ/μ（％）＝〔（μ_１００℃−μ_２５℃）/μ_２５℃〕×１００・・・（３）

表１に示す結果によれば、本発明の範囲内の試料Ｎｏ.２〜４、Ｎｏ.７〜９、Ｎｏ.１２〜１４、Ｎｏ.１７〜１９、Ｎｏ.２３〜２７の場合には、いずれも本発明の基本組成を有し、ＳｎＯ_２の含有量が３．０〜８．０モル％であるため、基本組成であるＦｅ_２Ｏ_３のＦｅ^３＋イオンの一部をＳｎ^４＋イオンで積極的に置換してトロイダルコアの磁気異方性定数κを低減することができ、−２５℃〜１００℃の温度範囲における初透磁率μ_ｉの相対温度係数α_μｒが大きくて１．４７ｐｐｍ／℃と小さく、また、初透磁率μ_ｉの温度変化率Δμ／μも２５℃を基準にして７．８１％以下であり、温度安定性に優れており、しかもキュリー温度が１５０℃以上と高いことが判った。つまり、自動車のキーレスエントリー等の車載アンテナとして使用するフェライト材料は、初透磁率μ_ｉが５００以上、相対温度係数α_μｒが１．５ｐｐｍ／℃以下、初透磁率μ_ｉの温度変化率Δμ／μが１０％以下、キュリー温度が１５０℃以上の必要条件であるが、本実施例のフェライト材料はこれらのいずれの要件も満たし、車載アンテナ等として好適なことが判った。

これに対して、ＳｎＯ_２の含有量が３．０モル％未満の試料Ｎｏ.２１、２２の場合には、初透磁率μ_ｉの相対温度係数α_μｒが１．８７ｐｐｍ／℃、１.９９ｐｐｍ／℃と大きく、−２５℃〜１００℃の範囲で初透磁率μ_ｉが１０００〜２７００まで、あるいは９４０〜１５００まで大きく変化し、その温度変化率Δμ／μが８０％あるいは２５％と大きく温度安定性に劣り、しかもキュリー温度も１４０℃と低いことが判った。また、ＳｎＯ_２の含有量が８．０モル％を超える試料Ｎｏ.２８の場合には、初透磁率μ_ｉの相対温度係数α_μｒ及び温度変化率Δμ／μ並びにキュリー温度のいずれも車載アンテナの条件を満足するが、肝心の初透磁率μ_ｉが５００より小さいことが判った。

また、フェライト材料の基本組成であるＦｅ_２Ｏ_３の含有量が４０モル％未満の試料Ｎｏ.１及びその含有量が５０モル％を超える試料Ｎｏ.５のいずれの場合にも異相が析出しフェライト材料として焼結しないことが判った。

基本組成であるＣｕＯの含有量が５モル％未満の試料Ｎｏ.６及びその含有量が１５モル％を超える試料Ｎｏ.１０の場合のいずれの場合にも異相が析出しフェライト材料として焼結しないことが判った。

基本組成であるＮｉＯの含有量が５モル％未満の試料Ｎｏ.１１の場合には異相が析出しフェライト材料として焼結せず、その含有量が３５モル％を超える試料Ｎｏ.１５の場合には初透磁率が５００以下と小さく、その相対温度係数も２．１６と大きいことが判った。

基本組成であるＺｎＯの含有量が１モル％未満の試料Ｎｏ.１６の場合には初透磁率が５００以下と小さく、その含有量が３２モル％を超える試料Ｎｏ.２０の場合にはキュリー温度が１５０℃より低いことが判った。

次に、本発明のフェライト材料を磁性体として用いた本実施形態の積層インダクタについて、図１を参照しながら説明する。
本実施形態の積層インダクタ１０は、例えば図１に示すように、本発明のフェライト材料からなる磁性体１１と、この磁性体１１内に形成されたコイル１２と、このコイル１２の上下の電極部１２Ａ、１２Ｂに接続され且つ焼結体１１の両端面を被覆する左右一対の外部電極１３Ａ、１３Ｂとを備え、温度特性に優れたインダクタ素子である。コイル１２は、水平方向に上下複数段に渡って形成されたコイル導体１２１と、上下のコイル導体１２１を電気的に接続するビアホール導体１２２とからなり、上下方向に延びる矩形の螺旋状として形成されている。

本実施形態の積層インダクタを作製する場合には、例えば以下に示すような製造方法を用いている。まず、本発明のフェライト原料を含むスラリーをドクターブレード法によってシート状に成形して複数のセラミックグリーンシートを作製する。次いで、適宜のセラミックグリーンシートの所定位置に、ビアホールを所定のパターンで形成し、これらのビアホール内にＣｕ等の導電性金属粉を含む導電性ペーストを充填した後、このセラミックグリーンシートの上面に、Ｃｕ等の導電性金属粉を含む導電性ペーストを、スクリーン印刷法等を用いて印刷し、所定のコイルパターンを形成した。所定のコイルパターンが形成されたセラミックグリーンシートを、必要枚数積層すると共に、その上下の両面にコイルパターンが形成されていないセラミックグリーンシートを積層した後、これを例えば９８ＭＰａの圧力で圧着して圧着ブロックを形成した。これにより、各層のコイルパターンがビアホール導体によって接続されて積層型のコイルを形成する。そして、この圧着ブロックを所定サイズにカットして積層体を得た。次いで、この積層体を脱脂処理した後、脱脂後の積層体を９００℃で焼成してフェライト焼結体（磁性体）を得た。そして、この磁性体の端面処理を行った後、その両端面に導電ペーストを塗布し、７００℃で焼き付けて、外部電極をそれぞれ形成した。これにより、磁性体内にコイルを内蔵する積層インダクタを得た。

尚、本発明は、上記実施形態に何等制限されるものではなく、要は、４０〜５０モル％のＦｅ_２Ｏ_３、５〜３５モル％のＮｉＯ、１〜３２モル％のＺｎＯ、及び５〜１５モル％のＣｕＯを基本組成とするＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系のフェライト材料であって、３．０〜８．０モル％のＳｎＯ_２を含有するフェライト材料及びこのフェライト材料を磁性体とするインダクタ素子であれば、全て本発明に包含される。

本発明は、例えば、携帯電話等の移動体機器のインダクタ素子や車載用のアンテナ等として好適に利用することができる。

本発明のインダクタ素子の一実施形態を透視して示す斜視図である。

符号の説明

１０積層インダクタ（インダクタ素子）
１１磁性体

Claims

４０〜５０モル％のＦｅ_２Ｏ_３、５〜３５モル％のＮｉＯ、１〜３２モル％のＺｎＯ、及び５〜１５モル％のＣｕＯを基本組成とするＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系のフェライト材料であって、上記基本組成に、３．０〜８．０モル％のＳｎＯ_２を含有させたことを特徴とするフェライト材料。
請求項１に記載のフェライト材料からなる磁性体を備えたことを特徴とするインダクタ素子。