JP2017088422A - フェライト及びフェライトの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】飽和磁束密度が大きく、直流重畳特性が良好なフェライトの提供。【解決手段】主成分原料として、Ｆｅ２Ｏ３を４５〜５０ｍｏｌ％、ＺｎＯを１０〜３０ｍｏｌ％、ＣｕＯを０〜１５ｍｏｌ％、ＭｎＯを２．５〜１２ｍｏｌ％、残部にＮｉＯを含む。また、副成分原料として、ＴｉをＴｉＯ２換算で０〜３ｗｔ％、ＬｉをＬｉＣｌ換算で０〜１．５ｗｔ％を含むフェライト。更に、副成分原料として、ＮｂをＮｂ２Ｏ５換算で０〜１ｗｔ％含んでよいフェライト。そして、主成分原料及び副成分原料を混合Ｓ０２、成形Ｓ０８し、大気中にて焼成Ｓ０９してなるフェライト。【選択図】図１

Description

本発明は、フェライト及びフェライトの製造方法に関する。

従来、電源回路等に用いられるトランスやコイル等のフェライトコアには、Ｍｎ系フェライトが用いられている。これは、Ｍｎ系フェライトは、Ｎｉ系フェライトと比べ低損失であり、高い磁気特性を有するためである。

近年、電子機器の小型化が進んでおり、トランスやコイル等も小型化が求められ、これに伴い、トランスやコイル等のフェライトコアも小型化が進められてきている。しかし、Ｍｎ系フェライトコアでは、その抵抗が低いためにコアに直接巻線することができず、トランスやコイル等の小型化に限界がある。

そこで、例えば特許文献１及び特許文献２に示されるように、トランスやコイル等のフェライトコアに、Ｎｉ系フェライトを用いる技術が提案されている。Ｎｉ系フェライトコアは、その抵抗が高いためコアに直接巻線することができ、トランスやコイル等の小型化を可能とする。

特開２００２−２８９４２１号公報 特開２００３−３２１２７２号公報

しかしながら、上記の従来技術では、Ｎｉ系フェライトコアは、飽和磁束密度が小さいため、直流重畳特性が劣るという問題がある。すなわち、Ｎｉ系フェライトコアは、小さいコイル電流（励磁電流）であっても磁気飽和が生じるため、直流重畳電流が低電流領域にあってもインダクタンスが大きく変動するという問題がある。

本願の開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、飽和磁束密度が大きく、直流重畳特性が良好なフェライトを提供することを目的とする。

本願の開示の技術は、例えば、フェライトは、主成分原料として、Ｆｅ_２Ｏ_３を４５〜５０ｍｏｌ％、ＺｎＯを１０〜３０ｍｏｌ％、ＣｕＯを０〜１５ｍｏｌ％、ＭｎＯを２．５〜１２ｍｏｌ％、残部にＮｉＯを含み、副成分原料として、ＴｉをＴｉＯ_２換算で０〜３ｗｔ％、ＬｉをＬｉＣｌ換算で０〜１．５ｗｔ％を含んだことを特徴とする。

また、本願の開示の技術は、例えば、フェライトは、副成分原料として、ＮｂをＮｂ_２Ｏ_５換算で０〜１ｗｔ％さらに含んだことを特徴とする。

開示の技術によれば、例えば、飽和磁束密度が大きく、直流重畳特性が良好なフェライトを提供することができる。

図１は、実施形態に係るフェライトの製造手順の一例を示す図である。

［実施形態］
実施形態に係るフェライトは、主成分原料に、透磁率及び飽和磁束密度を確保するために第１の副成分原料が添加されたものである。さらに、実施形態に係るフェライトは、主成分原料に、焼結性を確保するために、第２の副成分原料が添加されたものである。実施形態に係る磁性材料においては、第１の副成分原料及び第２の副成分原料（以下、第１の副成分原料及び第２の副成分原料を、副成分原料と総称する場合がある）の種類及び添加量が最適化される。この最適化によって、適切な焼成温度で、密度が十分に確保された焼結体（磁性磁器組成物）が得られるとともに、その磁性磁器組成物が十分高い透磁率及び飽和磁束密度を有する。例えば、トランスやコイル等の電源回路等の内部に、実施形態に係るフェライトを適用することにより、高い抵抗を有するフェライトにコイルを直接巻線でき、優れた直流重畳特性の小型のトランス等を得ることができる。

実施形態の一例に係るフェライトは、主成分原料として、Ｆｅ_２Ｏ_３を４５〜５０ｍｏｌ％、ＺｎＯを１０〜３０ｍｏｌ％、ＣｕＯを０〜１５ｍｏｌ％、ＭｎＯを２．５〜１２ｍｏｌ％、ＮｉＯを残部として含有するＮｉ−Ｚｎ系フェライトにおいて、Ｆｅ_２Ｏ_３及びＭｎＯを合計で５０ｍｏｌ％以上含有し、第１の副成分原料として、ＴｉをＴｉＯ_２換算で０〜３ｗｔ％、ＬｉをＬｉＣｌ換算で０〜１．５ｗｔ％含有する。これにより、実施形態の一例に係るフェライトは、ＭｎＯの含有量を増加させたことによりＮｉ−ＺｎフェライトにおいてＭｎ置換量が増加しても、大気中焼成によるフェライトの酸化を防止するとともに、異相の生成を抑制するので、飽和磁束密度を得ることができる。

さらに、実施形態の一例に係るフェライトは、第２の副成分原料として、ＮｂをＮｂ_２Ｏ_５換算で０〜１ｗｔ％を含有する。これにより、大気中での焼成の際のフェライトの焼結性を改善してより低温での焼成を可能として焼結性を高めるとともに、透磁率を高めることができる。

［実施形態に係るフェライト焼成物の製造方法］
図１は、実施形態に係るフェライトの製造手順の一例を示す図である。先ず、フェライトの主成分原料を秤量する（ステップＳ０１）。例えば、実施形態に係るフェライトの主成分原料において、Ｆｅ_２Ｏ_３を４５〜５０ｍｏｌ％、ＺｎＯを１０〜３０ｍｏｌ％、ＣｕＯを０〜１５ｍｏｌ％、ＭｎＯを２．５〜１２ｍｏｌ％、残部にＮｉＯを秤量する。

次に、ステップＳ０１により秤量されたフェライトの主成分原料、つまり、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣｕＯ、ＭｎＯ、ＮｉＯを、湿式ボールミル等を用いて、例えば１時間にわたり湿式混合する（ステップＳ０２）。

次に、ステップＳ０２により混合されたフェライトの主成分原料の混合物を乾燥させ、乾燥後、大気中で例えば２時間にわたり８５０℃で仮焼成する（ステップＳ０３）。次に、ステップＳ０３により仮焼成されたフェライトの主成分原料の混合物を、例えばボールミルを用いて４８時間にわたり、所定粒度になるまで粉砕する（ステップＳ０４）。そして、ＴｉＯ_２を０〜３ｗｔ％、ＬｉＣｌを０〜１．５ｗｔ％（以上、第１の副成分原料）秤量する（ステップＳ０５）。なお、ステップＳ０５において、第１の副成分原料に加え、Ｎｂ_２Ｏ_５を０〜１ｗｔ％（以上、第２の副成分原料）秤量してもよい。

次に、ステップＳ０４により粉砕して得られた粉砕物に、ステップＳ０５により秤量されたフェライトの副成分原料を十分に混合する（ステップＳ０６）。このようにして、フェライトの原料の組成が定まる。

次に、上述したステップＳ０１〜Ｓ０６で生成した混合物であるフェライトの原料にバインダー（ＰＶＡ溶液等）を適宜添加して、適切な大きさの粒体となるように造粒を行う（ステップＳ０７）。

次に、ステップＳ０７による造粒によって得られた造粒物を、例えばトロイダル状に成形する（ステップＳ０８）。次に、ステップＳ０８による成形によって得られた成形物を、例えば１１５０℃の焼成温度で３時間にわたり大気中で焼成する（ステップＳ０９）。ステップＳ０９による焼成により、フェライトの原料が焼成されたフェライトが得られる。

開示の技術に係るフェライトの主成分原料の組成及び副成分原料の添加重量比を規定するにあたり、先ず、主成分原料のうちＭｎＯのｍｏｌ％を求めた。下記の（表１）は、主成分原料として、Ｆｅ_２Ｏ_３を４９．５ｍｏｌ％、ＺｎＯを２０ｍｏｌ％、ＮｉＯを１０．５〜２２．５ｍｏｌ％、ＣｕＯを８ｍｏｌ％、ＭｎＯを０〜１２ｍｏｌ％含有するＮｉ−Ｚｎ系フェライトについて、副成分原料を添加せず、ＮｉＯ及びＭｎＯの各ｍｏｌ％をＮｉＯ＋ＭｎＯ＝２２．５ｍｏｌ％の条件下で変化させたときの各サンプルの透磁率μ、飽和磁束密度Ｂｓ［ｍＴ］、密度Ｄ［ｇ／ｍ^３］、焼成温度［℃］を示す。

（表１）に示すサンプル１１は、主成分原料にＭｎＯを含有しない例を示す。以下、透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓが、サンプル１１（以下、比較例と呼ぶ）の透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓ以上のサンプルを合格サンプルとした。また、各サンプルの密度Ｄ、焼成温度が、それぞれ、概ね５．０〜５．１［ｇ／ｍ^３］、概ね１０００〜１２００［℃］である場合に、このサンプルを合格サンプルとした。なお、（表１）及び下記の（表２）〜（表４）において、合格サンプルは、サンプル１３〜１６、２１〜２３、３１〜３６、４１〜４６である。

（表１）に示すサンプル１３〜１６は、主成分原料にＭｎＯを２．５〜１２ｍｏｌ％含有することにより、比較例に対して透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓが向上した。サンプル１３〜１６は、密度Ｄ、焼成温度が、いずれも、それぞれ、５．０〜５．１［ｇ／ｍ^３］、１０００〜１２００［℃］であった。また、サンプル１６よりもさらにＭｎＯを１２ｍｏｌ％より増加させたとしても、サンプル１３〜１６から分かるとおり、ＭｎＯのｍｏｌ％が増大するにつれて飽和磁束密度Ｂｓが低下するため、比較例と比べて飽和磁束密度Ｂｓが下回り、合格サンプルとはならない。

以上から、透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓの向上は、主成分原料において、ＭｎＯが２．５ｍｏｌ％以上１２ｍｏｌ％以下の組成比である場合に得られたとして、主成分原料におけるＭｎＯのｍｏｌ％の組成比の最大値を１２ｍｏｌ％、最小値を２．５ｍｏｌ％と判断できる。よって、ＭｎＯの適正組成比は、２．５ｍｏｌ％以上１２ｍｏｌ％以下と規定することができる。

次に、開示の技術に係るフェライトの副成分原料の添加重量比を規定するため、主成分原料のｍｏｌ％を固定し、副成分原料のうちＴｉＯ_２のｗｔ％を求めた。下記の（表２）は、主成分原料として、Ｆｅ_２Ｏ_３を４９．５ｍｏｌ％、ＺｎＯを２０ｍｏｌ％、ＮｉＯを１７．５ｍｏｌ％、ＣｕＯを８ｍｏｌ％、ＭｎＯを５ｍｏｌ％含有するＮｉ−Ｚｎ系フェライトについて、添加する副成分原料のｗｔ％を変化させたときの各サンプルの透磁率μ、飽和磁束密度Ｂｓ［ｍＴ］、密度Ｄ［ｇ／ｍ^３］、焼成温度［℃］を示す。

（表２）に示すサンプル２１は、副成分材料を全く添加しない例であり、比較例に対して透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓが向上した。また、（表２）に示すサンプル２２〜２３は、ＬｉＣｌを０．５ｗｔ％、Ｎｂ_２Ｏ_５を０．１５ｗｔ％と添加重量比を固定し、ＴｉＯ_２を１〜３ｗｔ％添加することにより、比較例に対して透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓが向上した。一方、（表２）に示すサンプル２４は、ＬｉＣｌを０．５ｗｔ％、Ｎｂ_２Ｏ_５を０．１５ｗｔ％と固定し、ＴｉＯ_２を５ｗｔ％添加することにより、比較例に対して透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓが低下した。特に、透磁率が向上した。サンプル２１〜２４は、いずれも、密度Ｄ、焼成温度が、それぞれ、５．１［ｇ／ｍ^３］、１１００〜１２００［℃］であった。

なお、（表２）の各サンプルは、ＭｎＯのｍｏｌ％を５ｗｔ％とした。しかし、（表２）のサンプル２２〜２３から、ＭｎＯのｍｏｌ％が一定であれば、ＴｉＯ_２のｗｔ％が増大するにつれて飽和磁束密度Ｂｓが低下する。また、（表１）のサンプル１３〜１６から分かるとおり、ＭｎＯのｍｏｌ％を５ｗｔ％より増加させても、増加に応じて飽和磁束密度Ｂｓが低下するだけである。さらに、（表１）のサンプル１３〜１４から分かるとおり、ＭｎＯを、２．５ｍｏｌ％としても５ｍｏｌ％としても、飽和磁束密度Ｂｓは４７７ｍＴ、４７０ｍＴと大差なく、ＭｎＯのｍｏｌ％増加に応じて、飽和磁束密度Ｂｓが若干低下しただけである。よって、（表２）に示すように、ＭｎＯを５ｍｏｌ％としてＴｉＯ_２のｗｔ％の最大値及び最小値を定めてもよい。

以上から、透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓの向上は、主成分原料に添加する副成分原料としてＴｉＯ_２を０ｗｔ％以上３ｗｔ％以下の添加重量比である場合に得られたとして、副成分原料であるＴｉＯ_２の添加重量比の最大値を３ｗｔ％、最小値を０ｗｔ％と判断できる。よって、ＴｉＯ_２の適正添加重量比は、０ｗｔ％以上３ｗｔ％以下と規定することができる。

また、下記の（表３）に示すサンプル３１〜３３は、主成分原料として、Ｆｅ_２Ｏ_３を４９．５ｍｏｌ％、ＺｎＯを２０ｍｏｌ％、ＮｉＯを１８．５ｍｏｌ％、ＣｕＯを８ｍｏｌ％、ＭｎＯを４ｍｏｌ％含有するＮｉ−Ｚｎ系フェライトについて、副成分原料としてＴｉＯ_２を１ｗｔ％、Ｎｂ_２Ｏ_５を０．１５ｗｔ％と添加重量比を固定し、ＬｉＣｌを０〜１ｗｔ％添加したときの各サンプルの透磁率μ、飽和磁束密度Ｂｓ［ｍＴ］、密度Ｄ［ｇ／ｍ^３］、焼成温度［℃］を示す。

（表３）に示すサンプル３１〜３３は、ＬｉＣｌを０〜１ｗｔ％添加することにより、比較例に対して透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓが向上した。また、サンプル３１〜３３は、いずれも、密度Ｄ、焼成温度が、それぞれ、５．１〜５．２［ｇ／ｍ^３］、１０００［℃］であった。また、サンプル３３と比較して、さらにＬｉＣｌを１ｗｔ％より増加させたとしても、サンプル３２〜３３から分かるとおり、ＬｉＣｌのｗｔ％が増大するにつれて飽和磁束密度Ｂｓが低下するため、比較例と比べて飽和磁束密度Ｂｓが下回り、合格サンプルとはならない。

よって、透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓの向上は、主成分原料に添加する副成分原料としてＬｉＣｌを０ｗｔ％以上１ｗｔ％以下の添加重量比である場合に得られたとして、副成分原料であるＬｉＣｌの添加重量比の上限値を１ｗｔ％、最小値を０ｗｔ％と判断できる。

さらに、（表３）に示すサンプル３４〜３６は、主成分原料として、Ｆｅ_２Ｏ_３を４９．５ｍｏｌ％、ＺｎＯを２０ｍｏｌ％、ＮｉＯを１６．５ｍｏｌ％、ＣｕＯを８ｍｏｌ％、ＭｎＯを６ｍｏｌ％含有するＮｉ−Ｚｎ系フェライトについて、副成分原料としてＴｉＯ_２を３ｗｔ％、Ｎｂ_２Ｏ_５を０．１５ｗｔ％と添加重量比を固定し、ＬｉＣｌを１〜２ｗｔ％添加したときの各サンプルの透磁率μ、飽和磁束密度Ｂｓ［ｍＴ］、密度Ｄ［ｇ／ｍ^３］、焼成温度［℃］を示す。

（表３）に示すサンプル３４〜３５は、ＬｉＣｌを１〜１．５ｗｔ％添加することにより、比較例に対して透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓが向上した。一方、（表３）に示すサンプル３６は、ＬｉＣｌを２ｗｔ％添加することにより、比較例に対して透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓが低下した。また、サンプル３４〜３５は、いずれも、密度Ｄ、焼成温度が、それぞれ、５〜５．１［ｇ／ｍ^３］、１２００［℃］であった。一方、サンプル３６は、密度Ｄ、焼成温度が、それぞれ、４．８［ｇ／ｍ^３］、１２００［℃］であった。また、サンプル３６と比較して、さらにＬｉＣｌを２ｗｔ％より増加させたとしても、比較例と比べて飽和磁束密度Ｂｓが下回るため、合格サンプルとはならない。

以上から、ＬｉＣｌの適正添加重量比をまとめると、適正添加重量比は、０ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下と規定することができる。

また、下記の（表４）に示すサンプル４１〜４６は、主成分原料として、Ｆｅ_２Ｏ_３を４９．５ｍｏｌ％、ＺｎＯを２０ｍｏｌ％、ＮｉＯを１９．５ｍｏｌ％、ＣｕＯを８ｍｏｌ％、ＭｎＯを３ｍｏｌ％含有するＮｉ−Ｚｎ系フェライトについて、副成分原料としてＴｉＯ_２を１ｗｔ％、ＬｉＣｌを０．５ｗｔ％と添加重量比を固定し、Ｎｂ_２Ｏ_５を０〜１ｗｔ％添加したときの各サンプルの透磁率μ、飽和磁束密度Ｂｓ［ｍＴ］、密度Ｄ［ｇ／ｍ^３］、焼成温度［℃］を示す。

（表４）に示すサンプル４１〜４６は、いずれも比較例に対して透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓが向上した。また、サンプル４１〜４６は、いずれも、密度Ｄ、焼成温度が、それぞれ、５〜５．１［ｇ／ｍ^３］、１１００［℃］であった。また、サンプル４６と比較して、さらにＭｎＯを１２ｍｏｌ％より増加させたとしても、比較例と比べて飽和磁束密度Ｂｓが下回るため、合格サンプルとはならない。

以上から、透磁率μ及び飽和磁束密度Ｂｓの向上は、主成分原料に添加する副成分原料としてＮｂ_２Ｏ_５を０ｗｔ％以上１ｗｔ％以下の添加重量比である場合に得られたとして、副成分原料であるＮｂ_２Ｏ_５の添加重量比の最大値を１ｗｔ％、最小値を０ｗｔ％と判断できる。よって、Ｎｂ_２Ｏ_５の適正添加重量比は、０ｗｔ％以上１ｗｔ％以下と規定することができる。

なお、実施形態に係るフェライトを積層インダクタ内に配置するには、成形の際にフェライトの原料をシート状に成形し、シート状のフェライトの原料を、シート状の磁性層とともに積層する。そして、シート状のフェライトの原料と磁性層とが積層された積層体を焼成して焼結体にするとしてもよい。

Claims (4)

1. 主成分原料として、
   Ｆｅ_２Ｏ_３を４５〜５０ｍｏｌ％、ＺｎＯを１０〜３０ｍｏｌ％、ＣｕＯを０〜１５ｍｏｌ％、ＭｎＯを２．５〜１２ｍｏｌ％、残部にＮｉＯ
   を含み、
   副成分原料として、
   ＴｉをＴｉＯ_２換算で０〜３ｗｔ％、ＬｉをＬｉＣｌ換算で０〜１．５ｗｔ％
   を含んだことを特徴とするフェライト。
2. 前記副成分原料として、
   ＮｂをＮｂ_２Ｏ_５換算で０〜１ｗｔ％
   さらに含んだことを特徴とする請求項１に記載のフェライト。
3. Ｆｅ_２Ｏ_３を４５〜５０ｍｏｌ％、ＺｎＯを１０〜３０ｍｏｌ％、ＣｕＯを０〜１５ｍｏｌ％、ＭｎＯを２．５〜１２ｍｏｌ％、残部にＮｉＯを含んだフェライトの主成分原料を仮焼成する仮焼成ステップと、
   前記仮焼成ステップにより仮焼成したフェライトの主成分原料を所定粒度になるまで粉砕する粉砕ステップと、
   前記粉砕ステップにより粉砕されたフェライトの主成分原料に、ＴｉをＴｉＯ_２換算で０〜３ｗｔ％、ＬｉをＬｉＣｌ換算で０〜１．５ｗｔ％を含んだ副成分原料を混合し、混合物を生成する混合物生成ステップと、
   前記混合物にバインダーを添加して造粒物を生成する造粒ステップと、
   前記造粒ステップにより生成された造粒物を所定形状の成形物に成形する成形ステップと、
   前記成形ステップにより成形された成形物を、大気中にて焼成する焼成ステップと
   を含んだことを特徴とするフェライトの製造方法。
4. 前記副成分原料として、
   ＮｂをＮｂ_２Ｏ_５換算で０〜１ｗｔ％
   さらに含んだことを特徴とする請求項３に記載のフェライトの製造方法。

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