JP2006240894A

JP2006240894A - フェライト焼結体

Info

Publication number: JP2006240894A
Application number: JP2005055018A
Authority: JP
Inventors: Akira Yokoyama; 亮横山; 和宏 ▲高▼倉; Kazuhiro Takakura; Mitsugi Kagaya; 貢加賀谷
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】加工時や取り扱い時における割れや欠けの発生が少ないフェライトコアを構成し得るフェライト焼結体を提供すること。
【解決手段】本発明のフェライト焼結体は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＭｇを含む主成分とＣｏを含む副成分とを含有するものである。そして、それぞれ酸化物に換算したとき、主成分には、６５〜６７．５質量％のＦｅ_２Ｏ_３、７〜１０質量％のＮｉＯ、１９〜２３質量％のＺｎＯ、３〜６質量％のＣｕＯ、０．１５〜０．４質量％のＭｎＯ、及び、０．００５〜０．０３質量％のＭｇＯが含まれており、副成分には、主成分の総量１００質量部に対して０．０８〜０．２５質量部のＣｏＯが含まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、フェライト焼結体に関する。

多くの電子機器に搭載されるインダクターやトランスは、コアの周囲に巻線が巻回された形状を有している。これらのコアとしては、フェライト材料を焼結してなるフェライト焼結体で構成されるフェライトコアが通常用いられる。かかる形態のフェライトコアとしては、両端に周方向に張り出した顎部を有するドラム型の形状のものが一般的である（特許文献１参照）。

また、電子機器の動作の高速化に伴って、上述したフェライトコアに対しては、高周波、具体的には２ＭＨｚ程度の高周波領域においても使用可能であることが求められている。このような高周波領域で用い得るＱ値の高いフェライト材料としては、例えば、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅを含む主成分と、Ｂｉ及びＳｉを含む副成分とを含有するものが知られている（特許文献２参照）。
特開平８−２６８７１９号公報特開平９−２６３４４３号公報

しかしながら、上述したようなフェライト材料からなるフェライトコアは、その加工時や取り扱い時に割れや欠けが生じ易いものであった。特に、近年では、電子機器の小型化が急速に進んでおり、これらに搭載されるインダクターやトランス等としても従来以上に小型のものが求められているが、これに伴ってフェライトコアを小型化すると、上述したような割れや欠けが極めて生じ易くなる傾向にあった。なかでも、端部に顎部を有する一般的な形状のフェライトコアは、かかる顎部において割れや欠け等が生じ易かった。

そして、フェライトコアにこのような割れや欠けが生じると、当該フェライトコアの磁気特性が低下するのみならず、高周波領域での損失等も大きくなり、高速動作を行う電子機器等に用いるのに不適となる。

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、加工時や取り扱い時における割れや欠けの発生が少ないフェライトコアを構成し得るフェライト焼結体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のフェライト焼結体は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＭｇを含む主成分と、Ｃｏを含む副成分とを含有しており、それぞれ酸化物に換算したとき、主成分は、６５〜６７．５質量％のＦｅ_２Ｏ_３、７〜１０質量％のＮｉＯ、１９〜２３質量％のＺｎＯ、３〜６質量％のＣｕＯ、０．１５〜０．４質量％のＭｎＯ、及び、０．００５〜０．０３質量％のＭｇＯからなり、副成分には、主成分の総量１００質量部に対して０．０８〜０．２５質量部のＣｏＯが含まれていることを特徴とする。

上記組成を有するフェライト焼結体は、小型のフェライトコアを形成した場合であっても割れや欠け等が発生し難いものとなり、小型の電子機器に搭載されるインダクターやトランス等のフェライトコアとして好適に用いることができる。また、得られたフェライトコアは、割れや欠けの発生が少ないのみならず、優れた抗折強度をも有しており、このようなフェライトコアを備えるインダクターやトランス等は、優れた耐久性を発揮し得るものとなる。さらに、上述したフェライト焼結体からなるフェライトコアは、磁界を加えた場合に磁気エネルギーの一部が熱として失われる磁心損失（コアロス）が極めて小さいものとなる。したがって、このようなフェライトコアは、高周波領域で用いられるインダクターやトランス等への適用が可能であり、高速動作を行う電子機器に搭載されるインダクターやトランス等のフェライトコアとして好適である。

上記フェライト焼結体においては、平均結晶粒径が８〜２０μｍであり、且つ、所定の粒内断面を観察したとき、この粒内に形成された空孔の面積の合計が当該断面の１．３％以上を占めていると好ましい。

フェライト焼結体は、微視的には上述した組成を有するフェライト材料の結晶粒子を多数含む構造を有している。これらの結晶粒子の平均結晶粒径を上記範囲とすることで、フェライト焼結体への亀裂等が生じ難くなり、当該焼結体からなるフェライトコアの割れや欠け等の発生を更に抑制することが可能となる。また、結晶粒子内に存在する空孔は、フェライトコアに微小な亀裂が入った場合に、かかる亀裂の進行を食い止める緩衝材として機能することができる。そして、本発明のフェライト焼結体においては、結晶粒子内に上述したような比率で空孔が形成されていることから、微小な亀裂が生じたとしても、かかる亀裂が割れや欠け等に発展することが極めて少ない。

本発明によれば、加工時や取り扱い時における割れや欠けの発生が少なく、また優れた抗折強度を有するフェライトコアを構成し得るフェライト焼結体を提供することが可能となる。そして、このようなフェライトコアを用いることにより、小型で且つ高周波領域での使用が可能なインダクター、トランス等の電子部品やノイズ対策部品を得ることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。なお、全図を通じ、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係るインダクター素子であるコイルを示す斜視図である。図１に示すように、コイル１０は、ドラム型のフェライトコア１２と、このフェライトコア１２に巻回された絶縁被覆付き銅線（巻線）１４とを備えている。

フェライトコア１２は、フェライト焼結体からなるものであり、このフェライト焼結体は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＭｇを含む主成分とＣｏを含む副成分とを含有している。フェライト焼結体において、これらの元素は主として酸化物の状態で含有されている。

主成分は、それぞれ酸化物に換算して、６５〜６７．５質量％のＦｅ_２Ｏ_３、７〜１０質量％のＮｉＯ、１９〜２３質量％のＺｎＯ、３〜６質量％のＣｕＯ、０．１５〜０．４質量％のＭｎＯ、及び、０．００５〜０．０３質量％のＭｇＯからなるものである。また、副成分には、同様に酸化物に換算して、上記主成分１００質量部に対して０．０８〜０．２５質量部のＣｏＯが含まれている。

主成分中に含まれるＦｅの含有率が、Ｆｅ_２Ｏ_３に換算して６５質量％未満であると、コアロスが大きくなる傾向にある。一方、６７．５質量％を超える場合には、かかるフェライト焼結体を製造する際の焼結性が悪く、得られるフェライト焼結体の磁気特性等が不十分となる。

また、主成分中に含まれるＭｎの含有率が、ＭｎＯに換算して０．１５質量％未満であるか０．４質量％を超えると、得られるフェライトコア１２のコアロスが大きくなる。さらに、Ｚｎの含有率が、ＺｎＯに換算して１９質量％未満であると、焼結性が悪くなり磁気特性等が低下する。一方、２３質量％を超えると、キュリー温度が低くなり、コイルとしての機能が著しく低下する。

また、主成分中に含まれるＣｕの含有率が、ＣｕＯに換算して３質量％未満であると、フェライト焼結体の焼結性が低下して十分な磁気特性が得られ難くなる。一方、６質量％を超えると、フェライト焼結体の表面抵抗が低下するおそれがある。さらに、Ｍｇの含有率が、ＭｇＯに換算して０．００５質量％未満であると、焼結体密度が低下して機械的強度が低下する。一方、０．０３質量％を超えると、焼結性が低下して十分な磁気特性等が得られ難くなる。

また、主成分中には、Ｎｉが、上記各成分の残部として、ＮｉＯに換算して７〜１０質量％含まれている。このようにＮｉＯを含むことで、フェライト焼結体の比抵抗の値が高められ、これにより良好な絶縁性が得られるようになる。その結果、フェライトコア１２に渦電流が発生し難くなって、コアロスを著しく低下させることができる。

上述の如く、フェライトコア１２を構成するフェライト焼結体は、上記主成分に加え、副成分としてＣｏの酸化物を更に含有している。その含有率は、ＣｏＯに換算して、上記主成分に含まれる元素の酸化物換算値の合計１００質量部に対して、０．０８〜０．２５質量部である。この含有率が０．０８質量％未満であると、フェライトコア１２に割れや欠け等が発生しやすくなる。一方、０．２５質量部を超えると、フェライトコア１２の抗折強度等の機械的強度が低下する傾向にある。

ここで、フェライトコア１２を構成するフェライト焼結体の構造について、図２を参照して更に詳細に説明する。

図２は、フェライトコア（フェライト焼結体）の断面構造を拡大して示す図である。図示されるように、フェライトコア１２を構成しているフェライト焼結体は、複数の結晶粒子２２及びこの結晶粒子の間に存在する粒界２４から構成されており、これらの結晶粒子２２及び粒界２４には、多数のポア（空孔）２６が形成されている。

本実施形態のフェライトコア１２においては、フェライト焼結体を構成している結晶粒子２２の平均結晶粒径が８〜２０μｍであると好ましく、８〜１５μｍであるとより好ましい。かかる平均結晶粒径の値は、従来のフェライト焼結体に比して小さいものであり、このような平均結晶粒径を有するフェライト焼結体は、微小な亀裂が入り難いものとなる。これにより、このフェライト焼結体からなるフェライトコア１２は、割れや欠け等の発生を極めて少なくなる。上記平均結晶粒径が２０μｍを超えると、フェライトコア１２に微小な亀裂が入り易くなり、かかる亀裂に基づく割れや欠け等が発生し易くなる傾向にある。一方、８μｍ未満であると、フェライトコア１２の抗折強度が低下する傾向にある。

また、フェライトコア１２においては、結晶粒子２２内に存在するポア２６が一定の割合以上で形成されていると好ましい。具体的には、所定の粒内断面を観察したとき、結晶粒子２２内（粒内）に形成されたポア２６の面積の合計が、かかる断面の総面積の好ましくは１．３％以上、より好ましくは２％以上を占めていると好ましい（所定の断面におけるポア２６が占める割合を、以下、「ポア形成率」という）。このようなポア形成率でポア２６が形成されていると、フェライトコア１２に微小な亀裂等が発生した場合であっても、亀裂の進行がポア２６によって十分に食い止められる。その結果、フェライトコアに微小な亀裂が生じたとしても、かかる亀裂が連鎖等して割れや欠け等に発展することが極めて少なくなる。ただし、フェライトコア１２中におけるポア２６の割合が大きすぎると、フェライトコア１２の機械的強度が低下するおそれがあるため、ポア２６の上記割合の上限値は、５％程度とすることが好ましい。

上述した平均結晶粒径及びポア形成率は、特に制限されないが、例えば画像解析装置を用いることによって算出することができる。具体的には、フェライトコア１２を所定の粒内断面で切断し、かかる粒内断面の所定領域を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により所定の倍率で観察して、このとき観察されるＳＥＭ画像を画像解析装置により解析することにより、当該領域内における平均結晶粒径及びポア２６の面積の割合を算出することができる。これらの値は、フェライトコア全体における値として近似することができる。

次に、上述した構成を有するコイル１０の製造方法について説明する。

まず、主成分及び副成分に含まれる各金属元素の原料化合物を、焼結体が上述したような組成となるように混合する。原料化合物としては、各金属元素の酸化物が挙げられる。具体的には、例えば、６５〜６７．５質量％のＦｅ_２Ｏ_３、７〜１０質量％のＮｉＯ、１９〜２３質量％のＺｎＯ、３〜６質量％のＣｕＯ、０．１５〜０．４質量％のＭｎＯ及び０．００５〜０．０３質量％のＭｇＯと、これらの総量１００質量部に対して０．０８〜０．２５質量部のＣｏＯとを混合して原料混合物を得る。なお、最終的に得られる原料混合物の組成が上記酸化物に換算して上述した範囲内となれば、原料化合物としては、上記酸化物以外に他の化合物を混合してもよい。他の化合物としては、例えば、上記金属元素の炭酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、有機金属化合物等が挙げられる。また、得られた混合物中には、不可避的に混入する元素が含まれていてもよい。

次いで、原料混合物を仮焼成して仮焼成物を得る。仮焼成は、空気中で行うことができる。仮焼成の温度は、原料混合物に含まれる成分に応じて適宜設定することができ、例えば、８００〜９５０℃の範囲とすることが好ましい。仮焼成の時間は、１〜３時間程度とすることが好ましい。

次に、仮焼成物を、ボールミル等により粉砕して粉砕粉を得る。上述の如く、好適な場合、フェライトコア１２を構成するフェライト焼結体は、平均結晶粒径が８〜２０μｍの結晶粒子２２を含むことから、かかる粉砕の工程においては、後述する焼成後にこのような平均結晶粒径の結晶粒子２２が形成されるように粉砕を行うことが好ましい。具体的には、かかる粉砕の段階で、平均粒径が０．５〜１．５μｍ程度の粉砕粉を得ておくのが望ましい。

それから、得られた粉砕粉を、ポリビニルアルコール等のバインダーと混合した後、フェライトコア１２と同じドラム型に成形して成形体を得る。なお、成形体の形状は、ドラム状に限られず、所望とする形状に合わせて適宜変更することができる。

次に、得られた成形体を焼成して、フェライト焼結体からなるフェライトコア１２を得る。焼成は、空気中で行うことができ、焼成温度は、例えば１０００〜１３００℃の範囲とすることができる。また、焼成時間は、２〜５時間とすることが好ましい。なお、焼成温度、焼成時間等の条件は、原料の組成に応じて適宜変更することができる。

そして、得られたフェライトコア１２に対して、絶縁被覆付き銅線（巻線）１４を巻回する。こうして図１に示す構成のコイル１０が得られる。

上記構成を有するコイル１０におけるフェライトコア１２は、上述したような、主成分としてＦｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＭｇの酸化物を含み、副成分としてＣｏの酸化物を含むフェライト焼結体からなるため、従来の組成を有するフェライト焼結体からなるフェライトコアに比して、加工時や取り扱い時の割れや欠けが極めて発生し難い。

特に、フェライトコア１２が、上述したように平均結晶粒径が８〜２０μｍであり、且つ、ポア２６の形成率が１．３％を超えるようなフェライト焼結体からなる場合は、割れ欠けの原因となる微小な亀裂がもともと入りにくいうえ、亀裂が生じたとしてもその進行がポア２６によって十分に食い止められることから、フェライトコア１２の割れや欠けが一層生じ難くなる。

また、フェライトコア１２は、割れ欠けの発生を低減できるばかりでなく、優れた抗折強度を有し、しかもコアロスが小さいという特性も有している。したがって、このようなフェライトコア１２を備えるコイル１０は、小型化した場合であっても十分な磁気特性を発揮し得るとともに耐久性にも優れるものとなり、小型で且つ高周波領域で用いられる電子機器に搭載するのに好適である。

以上、好適な実施形態に係るコイル、これを構成するフェライト焼結体及びフェライトコア、並びにこれらの製造方法について説明したが、これらは、必ずしも上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更してもよい。例えば、上記実施形態においては、焼成前の粉砕粉をドラム状に成形したが、焼成後の焼成物を研削するなどしてドラム形状に加工することもできる。この場合であっても、フェライトコアには割れ欠け等が生じ難い。また、上述したコイルは、周囲が樹脂モールドされた形態としてもよい。

なお、本発明のフェライト焼結体は、上述したようなコイル用のフェライトコア以外の他の電子部品に応用することができる。好適な電子部品としては、例えば、トランスが挙げられる。かかるトランスとしては、フェライト焼結体からなる環状のフェライトコアと、このフェライトコアの互いに対向する２箇所に巻回された巻線とを備える形態のものが挙げられる。

このような形態のトランスも、加工時や取り扱い時におけるフェライトコアの割れ欠けが十分に防止され得るため、小型化が容易である。そして、得られたトランスは、高周波領域、具体的には２ＭＨｚを超える領域においてもコアロスが極めて小さいものとなり得るため、例えば、小型のスイッチング電源用の電子部品として好適である。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［フェライトコアの作製］

まず、フェライト焼結体を形成するためのＦｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ及びＣｏの各原料化合物を、焼成後の組成が表１に示す組成（それぞれを酸化物に換算した場合の組成）となるように秤量し、ボールミルを用いて５時間混合して原料混合物を得た。なお、表１中、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ及びＭｇＯの含有率は、これらの合計１００質量％中の各成分の質量％で示し、ＣｏＯの含有率は、前記各成分の合計１００質量部に対するＣｏＯの質量部で示す。

得られた原料混合物を、空気中、９３０℃で２時間仮焼成して仮焼成物を得た後、再びボールミルにて２０時間混合及び粉砕を行い、粉砕粉を得た。続いて、この粉砕粉を乾燥し、粉砕粉１００質量部に対してポリビニルアルコールを１．０質量部加えた後、得られた混合物を１００ｋＰａの圧力で加圧成型することにより成形体を製造した。なお、成形体としては、Ｎｏ．１〜４のものについては、５５ｍｍ×１２ｍｍ×７ｍｍの角柱状成形体、直径２５．３ｍｍ、高さ１６ｍｍの円柱状成形体、及び、外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ５ｍｍのトロイダル状成形体を作製し、Ｎｏ．５〜１０のものについては、トロイダル状成形体のみを作製した。

そして、各成形体を空気中において１１２０℃で焼成してフェライト焼結体とし、Ｎｏ．１〜４の角柱状、円柱状及びトロイダル状フェライトコア、並びに、サンプルＮｏ．５〜１０のトロイダル状フェライトコアを得た。なお、Ｎｏ．１及びＮｏ．４のフェライトコアは、ＣｏＯの含有量が０又は０．５質量％であることから本発明の比較例に該当し、Ｎｏ．２、３、５〜１０のフェライトコアは、ＣｏＯの含有量が本発明の範囲内であることから実施例に該当する。
［特性評価１］

Ｎｏ．１〜４の角柱状、円柱状又はトロイダル状フェライトコアを用い、以下に示す方法に従って３点曲げ強度（抗折強度）、チッピング率、並びに、フェライト焼結体の平均粒径及びポア形成率の測定を行った。得られた結果を、各フェライトコアを構成しているフェライト焼結体中のＣｏＯの含有率（換算値）とともに表２に示す。

（３点曲げ強度（抗折強度）の測定）
Ｎｏ．１〜４の角柱状フェライトコアを用い、ＪＩＳＣ２１４１に準拠する３点曲げ強さ試験を行った。すなわち、角柱状フェライトコアの一辺を２点で支持し、これと対向する辺における前記２点の中間位置に徐々に加重を加えてゆき、角柱状フェライトコアに切断が生じたときの荷重を測定し、これに基づいて３点曲げ強度（ＭＰａ）を算出した。

（チッピング率の測定）
まず、Ｎｏ．１〜４の円柱状フェライトコアの重量Ｗ_０を測定した。次いで、各円柱状フェライトコア３個をそれぞれ所定の容器に入れて回転させた。そして、回転後の円柱状フェライトコアの重量Ｗ_１を測定した。そして、各円柱状フェライトコアで得られたＷ_０及びＷ_１の値を、下記式（１）に代入してチッピング率（％）を算出した。チッピング率が大きいほど回転前後の重量減少が大きく、フェライトコアの割れ欠けが多く生じていることを示している。
チッピング率（％）＝１００×（１−Ｗ_１／Ｗ_０） …（１）

（フェライト焼結体の平均粒径の測定）
Ｎｏ．１〜４の角柱状フェライトコアを所定の位置で切断し、切断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により視野８５μｍ×６４μｍ（倍率：１５００倍）で観察した。得られたＳＥＭ画像を画像解析装置ＩＰ−１０００（旭化成社製）により解析して、当該断面における結晶粒子の平均結晶粒径（μｍ）を算出した。

（フェライト焼結体のポア形成率の測定）
Ｎｏ．１〜３の角柱状フェライトコアを所定の位置で切断し、切断面をＳＥＭにより視野１００×１００μｍで観察した。そして、得られたＳＥＭ画像を画像解析装置ＩＰ−１０００（旭化成社製）により解析して、視野の粒内断面の面積に占める結晶粒子内に形成されていたポアの面積の比率（％）を算出し、得られた値をポアの形成率とした。なお、かかる測定においては、結晶粒子内のポアのみを測定し、粒界に形成されていたポアについては測定しなかった。

表１より、Ｎｏ．２及び３のフェライトコアは、ＣｏＯを含まないか又はＣｏＯの含有率が０．５質量％であったＮｏ．１又は４のフェライトコアに比して、３点曲げ強度が大きく、またチッピング率が小さいことから、機械的強度に優れるとともに割れ欠けが極めて生じ難いものであることが判明した。
［特性評価２］

（コアロスの測定）
Ｎｏ．５〜１０のトロイダル状フェライトコアについて、Ｂ−Ｈアナライザを用いて１００℃、２０ｍＴにおけるコアロス（磁心損失；ｋＷ／ｃｍ^３）を測定した。得られた結果を表３に示す。

表３より、本発明の組成を有するフェライト焼結体からなるＮｏ．５〜１０のトロイダル状フェライトコアは、いずれもコアロスが４００ｋＷ／ｃｍ^３台であり、高周波領域で用いるインダクターやトランス等に十分適用可能であることが確認された。

本実施形態に係るコイルを示す斜視図である。フェライト焼結体の断面構造を拡大して示す図である。

符号の説明

１０…コイル、１２…フェライトコア、１４…絶縁被覆付き銅線、結晶粒子２２、２４…粒界、２６…ポア。

Claims

Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｎ及びＭｇを含む主成分と、Ｃｏを含む副成分と、を含有しており、
それぞれ酸化物に換算したとき、前記主成分は、６５〜６７．５質量％のＦｅ_２Ｏ_３、７〜１０質量％のＮｉＯ、１９〜２３質量％のＺｎＯ、３〜６質量％のＣｕＯ、０．１５〜０．４質量％のＭｎＯ、及び、０．００５〜０．０３質量％のＭｇＯからなり、前記副成分には、前記主成分の総量１００質量部に対して０．０８〜０．２５質量部のＣｏＯが含まれていることを特徴とするフェライト焼結体。
平均結晶粒径が８〜２０μｍであり、且つ、所定の粒内断面を観察したとき、該粒内に形成された空孔の面積の合計が当該断面の１．３％以上を占めていることを特徴とする請求項１記載のフェライト焼結体。