JP2010150053A

JP2010150053A - スピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの焼結体

Info

Publication number: JP2010150053A
Application number: JP2008327587A
Authority: JP
Inventors: Tadakuni Sato; 忠邦佐藤; Kenichi Chatani; 健一茶谷
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】高透磁率という技術要求に応えるスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの焼結体を提供すること。
【解決手段】出発原料として、ニッケルの一部を銅で置換した酸化物の銅による置換量を適宜変化させた酸化物原料粉末および酸化亜鉛粉末、酸化鉄粉末の混合比を選択したフェライト原料粉末とし、さらに焼結温度を適宜選択することで、格子定数の分散幅を制御することにより、高い透磁率を有するスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの焼結体とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、透磁率の向上を図ったスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの焼結体に関する。

電子機器における多機能化に伴い、これら機器に内蔵される電源回路においては電源持続時間の改善、ＥＭＣ対策部品に関しては小型化と低損失化への要求がますます高まっている。また、データ通信手段の無線化が進展し、遠距離までの通信を小型のアンテナモジュールで実現する技術も求められている。これら電源回路に組み込まれるインダクタやＥＭＣ対策に用いられるインピーダンス素子、もしくは通信回路に組み込まれるアンテナモジュール等においては、磁性部材としてフェライト材料が最も多く用いられる。特に携帯電話やノートパソコン、小型ゲーム機等の携帯型電子機器においては、回路の駆動周波数が１ＭＨｚ以上の高周波となるため、電気抵抗率が高く高周波特性に優れるスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト材料がフェライト材料の中でも特に好適である。

インダクタ、インピーダンス素子、アンテナモジュール等の効率改善と小型化には、磁性部材として用いられるフェライト材料の特性向上がきわめて重要である。フェライト材料に対する技術要求として高い透磁率を有するフェライト材料が求められている。これは透磁率が高ければ、少ない銅線の巻数で高いインダクタンスを得ることができるため、損失の原因となる直流抵抗値を低減できるからである。また、アンテナモジュール用磁性部材として用いた場合、集磁効果が高まる結果、通信距離が延伸されるからである。

このような技術要求に応えるものとして、例えば特許文献１には、比抵抗の高いＮｉ系フェライトにて、飽和磁束密度が大きく損失（コアロス）が小さく、ヒートショックに強いＤＣ／ＤＣコンバータ等のトランス等として使用できるフェライトを提供することを目的とする技術が開示されている。

特許文献１には、主成分としてＦｅ₂Ｏ₃を４６．０〜５０．５ｍｏｌ％、ＺｎＯを１８．０〜２８．０ｍｏｌ％、ＣｕＯを３．０〜１２．０ｍｏｌ％含み、残部がＮｉＯから成る組成を有し、かつ、副成分としてＶ₂Ｏ₅を０．２〜０．６ｗｔ％含有し、平均結晶粒径が２１〜１００μｍであり、２０〜１４０℃における損失（コアロス）の最小値が７００ｋＷ／ｍ³以下（周波数５０ｋＨｚ、動作磁束密度１５０ｍＴ）で、飽和磁束密度が４００ｍＴ（印加磁界４０００Ａ／ｍ）以上である耐熱衝撃性に優れた高磁束密度低損失Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトが開示されている。

また、特許文献２には、高透磁率のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト磁性材料により、モジュール厚を大きくすることなく通信距離の向上を図ることができるアンテナモジュール用磁芯部材、アンテナモジュール及びこれを備えた携帯情報端末を提供する技術が開示されている。

特許文献２に開示されるアンテナモジュール用磁芯部材は、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト磁性材料であり、添加元素として酸化アンチモン及び酸化コバルトを含んでなり、Ｆｅ２Ｏ３を４４〜５４ｍｏｌ％、ＺｎＯを１〜２８ｍｏｌ％、ＮｉＯを１５〜４２ｍｏｌ％、ＣｕＯを６〜１６ｍｏｌ％含むバルク状フェライトの粉末焼結体から作製され、酸化アンチモン及び酸化コバルトの添加量の総量は４ｍｏｌ％以内とするものである。

特許第４０６９４４９号公報特開２００８−１１７９４４号公報

本発明の目的は、より高い透磁率を安定して実現するという技術要求に応えるスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの焼結体を提供することである。

ここで、高い透磁率を安定して実現するためには、フェライト焼結体の製造条件において、焼結温度が変化した場合でも、透磁率の顕著な降下が起こらないことが望ましい。

ここで、透磁率の顕著な降下とは、フェライト焼結体の透磁率が２０％以上降下しないことである。

本発明によるスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトは、出発原料として、ニッケルの一部を銅で置換した酸化物の銅による置換量を適宜変化させた酸化物原料粉末および酸化亜鉛粉末、酸化鉄粉末の混合比を選択したフェライト原料粉末とし、必要に応じて、銅による置換量および混合比を選択した二種以上のフェライト原料粉末を用い、さらに焼結温度を適宜選択して格子定数の分散幅を制御することにより、高い透磁率を有する焼結体とされる。原料粉末としては、前述のニッケルの一部を銅で置換した酸化物、酸化亜鉛および酸化鉄を主成分として用い、フェライトは、粉末冶金法により製造される。

主成分組成比が一般式
［（Ｎｉ_1-pＣｕ_p）Ｏ］_x（ＺｎＯ）_y（Ｆｅ₂Ｏ₃）_z
（ここで、ｐは、Ｎｉを置換するＣｕの量を示し、０≦ｐ≦１であり、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ組成比をｍｏｌ％で示したものであり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００である）で表わされるようなＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトにおいて、酸化鉄であるＦｅ₂Ｏ₃含有量が４５ｍｏｌ％以下の場合、透磁率が明らかに減少するので望ましくない。またＦｅ₂Ｏ₃含有量が５０ｍｏｌ％以上の場合、比抵抗が明らかに減少する傾向となるので望ましくない。酸化亜鉛であるＺｎＯ含有量が１０ｍｏｌ％以下の場合、明らかに初透磁率が減少する傾向となり望ましくない。また、ＺｎＯ含有量が２８ｍｏｌ％以上の場合、磁気転移温度Ｔｃが室温付近まで低下するので望ましくない。

酸化銅であるＣｕＯ量に関しては、ｐ＜０．０５の場合、焼結温度が上昇し、比抵抗が低下し、高周波損失が増大するので望ましくない。また、ｐ＞０．４の場合、透磁率が減少し、かつ、損失が増大する傾向となるので望ましくない。このため、電源用途、ならびに信号系用途いずれにおいても、０．０５＜ｐ＜０．４の範囲でＣｕＯ含有量を適宜選択することが望ましい。

ここで、ＣｕＯを含有するＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトにおいては、原子レベルでの均質化が進行するにつれて、結晶の規則度が増大し、結晶はより自由エネルギーが低い正方晶構造をとろうとする。この際同時に、磁性イオンサイトにおける磁気異方性が強まる結果、透磁率が減少する。一方、前記均質化が進行する途上においては、結晶の規則度は相対的に低く、結晶は擬似的な立方晶構造をとるため、磁性イオンサイトにおける磁気異方性が弱まる結果、相対的に高い透磁率が実現する。

このような機構に基づき、均質化の途上にあるＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの焼結体が立方晶であるとみなし、当該立方晶の格子定数の絶対値をａとするとき、格子定数の分散幅Δａを、格子定数の絶対値ａのおおむね０．０２％以上０．０７％以下となるように制御することで、高い透磁率を実現することができる。

ここで、本発明における格子定数の分散幅の定義の方法について述べる。

Ｘ線散乱強度の測定は、焼結体断面を鏡面研磨した面に対して行うのが良い。Ｘ線散乱強度は、通常のθ−２θのＸ線回折装置を用いて測定できる。その場合、Ｘ線源は、ＣｕのＫα線であり、測定対象となる回折ピークの面指数は、（ｈｋｌ）＝（７３１）である。散乱角２θの走査速度は、ピーク中心の周りの２θの変化０．１度あたりにおける、バックグラウンドを除いた積分強度が概ね２０万カウントを超えるように設定すれば良い。

図１は、（７３１）の回折ピークに対して格子定数分散幅の読み取り方法を説明する概念図である。得られた散乱強度曲線には、散乱強度最大点の周りに平坦部（Ｐｌａｔｅａｕ）が現れる。散乱強度の最大点を通り、２θ軸に平行な直線を直線１とする。また、この曲線の低角側からの立ち上がり部において、曲線形状が傾向として下に凸から上に凸に変化する点（いわゆる変曲点）を通る接線を直線２とする。また、同様に、この曲線の高角側の高角側からの立ち上がり部において、曲線形状が傾向として下に凸から上に凸に変化する点を通る接線を直線３とする。

最大の散乱強度を与える点の散乱角２θに対応する面間隔から計算した立方晶スピネルの格子定数をａ１、直線１と直線２の交点に対応する面間隔から計算した格子定数をａ２、直線１と直線３の交点に対応する面間隔から計算した格子定数をａ３とするとき、Δａ＝（ａ２−ａ３）÷ａ１により、本発明における格子定数の分散幅Δａを算出することができる。

格子定数の分散幅の制御は、例えば、出発原料として、ニッケルの銅による置換量および混合比の異なる二種のフェライト原料粉末を用いる場合には、以下のようにすれば良い。一般式［（Ｎｉ_1-pＣｕ_p）Ｏ］_x（ＺｎＯ）_y（Ｆｅ₂Ｏ₃）_z
（ここで、ｐは、Ｎｉを置換するＣｕの量を示し、０≦ｐ≦１であり、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ組成比をｍｏｌ％で示したものであり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００である）で表され、４７．０≦ｚ≦４９．７、１０．０≦ｙ≦２８．０、０．０５≦ｐ≦０．４である第１のスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト原料粉末と、４７．０≦ｚ≦４９．７、１０．０≦ｙ≦２８．０、ｐ＝０である第２のスピネル型Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト原料粉末とを湿式混合し、脱水処理、仮焼、粉砕造粒し、その後所要形状に成形して脱バインダー処理し、焼結雰囲気の酸素濃度を２１％前後（例えば大気中）として８００℃から１１８０℃の温度範囲で焼結を行い、格子定数の分散幅が、格子定数の絶対値のおおむね０．０２％以上０．０７％以下となるようにする。もちろん、出発原料として一種のフェライト原料粉末を用いても良いし、二種以上のフェライト原料粉末を用いても良い。

組成を適宜に選択し、格子定数の分散幅を制御したスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの焼結体とすることにより、擬似的な立方晶構造のスピネルとすることで、磁性イオンサイトにおける磁気異方性を弱めることができ、相対的に高い透磁率を実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

格子定数の分散幅を制御するために、例えば、二種のフェライト原料粉末を用いる場合には以下のようにすれば良い。一般式［（Ｎｉ_1-pＣｕ_p）Ｏ］_x（ＺｎＯ）_y（Ｆｅ₂Ｏ₃）_z
（ここで、ｐは、Ｎｉを置換するＣｕの量を示し、０≦ｐ≦１であり、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ組成比をｍｏｌ％で示したものであり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００である）で表され、４７．０≦ｚ≦４９．７、１０．０≦ｙ≦２８．０、０．０５≦ｐ≦０．４である第１のスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト原料粉末と、４７．０≦ｚ≦４９．７、１０．０≦ｙ≦２８．０、ｐ＝０である第２のスピネル型Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト原料粉末とを湿式混合し、脱水処理の後、７００〜８５０℃で２〜１０時間の仮焼成を行う。

仮焼成の後、粉砕造粒し、その後、所要形状に成形して脱バインダー処理する。これを焼結雰囲気の酸素濃度を２１％（例えば大気中）として８００℃から１１８０℃の温度範囲で焼結を行う。この際、格子定数の分散幅が、格子定数の絶対値のおおむね０．０２％以上０．０７％以下となるように組成と焼成温度とをさらに選択する。

（実施例１）
三種類の主成分原料粉末を［（Ｎｉ_1-pＣｕ_p）Ｏ］_x（ＺｎＯ）_y（Ｆｅ₂Ｏ₃）_z（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、ｘ＝３１．０、ｙ＝２０．０、ｚ＝４９．０、ｐ＝０．０５または０．２０または０．４０）の比で配合し、ボールミルを用いて湿式混合後、脱水処理を行い、大気中で８００℃、２ｈの仮焼を行ったのち、ボールミルを用いて粉砕した。粉砕粉にＰＶＡ（ポリビニルアルコール）水溶液を混合し、スプレードライ法により造粒した。その後、この粉末を２００ＭＰａの圧力で外径１６ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ５．０ｍｍのトロイダル状に加圧成形し、脱バインダー処理の上、大気雰囲気中８５０〜１３００℃で焼結を行った。得られた焼結体の比透磁率と格子定数分散幅を表１に示す。

表１に示すように、格子定数分散幅を焼結温度により制御し、格子定数分散幅がおおむね０．０２％以上０．０７％以下となる領域において、最高値の８０％以上の比透磁率が得られた。格子定数分散幅がこの範囲内にある場合、焼結温度が５０℃変化しても、比透磁率は最高値の８０％以上とすることができるため、高透磁率を安定して実現できる。

（実施例２）
前述の一般式［（Ｎｉ_1-pＣｕ_p）Ｏ］_x（ＺｎＯ）_y（Ｆｅ₂Ｏ₃）_z（０≦ｐ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）で表わされる出発原料粉末において、第一のフェライト原料粉末は、ｘ＝３１．０、ｙ＝２０．０、ｚ＝４９．０、ｐ＝０．２０の組成比とし、第二のフェライト原料粉末は、ｘ＝３１．０、ｙ＝２０．０、ｚ＝４９．０、ｐ＝０の組成比、第三のフェライト原料粉末は、ｘ＝３１．０、ｙ＝２０．０、ｚ＝４９．０、ｐ＝０．４０の組成比となるようにそれぞれ配合し、湿式混合後、脱水処理を行い、大気中で８００℃で２ｈの仮焼を行った。

このようにして得られた第一、第二、第三のフェライトの仮焼粉末のうち、第二のフェライト原料粉末と、第三のフェライト原料粉末を、混合後の平均組成比が、ｘ＝３１．０、ｙ＝２０．０、ｚ＝４９．０、ｐ＝０．２０の組成比となるよう、秤量混合し、第四のフェライト粉末を得た。

第一のフェライト原料粉末と、第四のフェライト原料粉末を、それぞれ別個にボールミルを用いて粉砕した。ここで、蛍光Ｘ線分析により第一のフェライト原料粉末と、第四のフェライト原料粉末のマクロな組成比を比較したところ、測定誤差の範囲内で互いに組成比は同等であった。

第一のフェライト原料粉末と、第四のフェライト原料粉末の粉砕粉にＰＶＡ水溶液を混合し、スプレードライ法により造粒した。その後、これらの粉末を２００ＭＰａの圧力で外径１６ｍｍ、内径１０ｍｍ高さ５．０ｍｍのトロイダル状に加圧成形し、脱バインダー処理の後、大気雰囲気中８５０〜１３００℃で焼結を行った。得られた焼結体の比透磁率と格子定数分散幅を表２に示す。

表２に示すように、二種類の異なる組成比を有するフェライト原料粉末が混合されてなる第四のフェライト原料粉末を用いた焼結体では、単一の組成比を有する第一のフェライト原料粉末を用いた焼結体と比較して、より広い焼結温度範囲で、格子定数の分散幅をおおむね０．０２％以上０．０７％以下の値にすることができる。このため、より広い焼結温度範囲で高い比透磁率が得られた。

なお、本発明はこのような実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、銅によるニッケル置換量が異なり、かつ混合比の異なる三種以上のフェライト原料粉末を適宜混合したフェライト原料粉末を用いても問題はない。また、実施例からも分かるように、格子定数の分散幅は、おおむね０．０２％以上０．０７％以下の値とすることが好ましいが、若干この範囲から外れていても特性上の問題がなければ良い。

（７３１）の回折ピークに対して格子定数分散幅の読み取り方法を説明する概念図。

Claims

ニッケルの一部を銅で置換した酸化物と酸化亜鉛および酸化鉄を混合して粉末冶金法により製造されるスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト原料粉末を出発原料とする焼結体であって、前記焼結体の格子定数の分散幅が０．０２％以上０．０７％以下であることを特徴とするスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの焼結体。
前記出発原料が銅による置換量の異なる前記ニッケルの一部を銅で置換した酸化物と酸化亜鉛および酸化鉄の混合比が異なるように製造される二種以上の前記スピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト原料粉末の混合物であることを特徴とする請求項１に記載のスピネル型Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの焼結体。