JP2020152603A

JP2020152603A - Ｎｉ系フェライトおよびそれを用いたコイル部品

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Publication number: JP2020152603A
Application number: JP2019051780A
Authority: JP
Inventors: 田中　智; Satoshi Tanaka; 智田中; 小湯原　徳和; Tokukazu Koyuhara; 徳和小湯原
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: JP7238511B2

Abstract

【課題】保磁力Ｈｃが小さく、初透磁率μｉが大きく、かつ所定の印加磁界での磁束密度が大きいＮｉ系フェライトと、それを用いたコイル部品を提供する。【解決手段】２０℃での初透磁率μｉが６００以上で、保磁力Ｈｃが５０Ａ／ｍ未満で、印加磁界４ｋＡ／ｍにおける磁束密度Ｂ４ｋが３６０ｍＴ以上のＮｉ系フェライトであって、前記Ｎｉ系フェライトの成分組成が、４５．５ｍｏｌ％以上４７．０ｍｏｌ％以下のＦｅ２Ｏ３、２８．０ｍｏｌ％以上３０．０ｍｏｌ％以下のＺｎＯ、７．５ｍｏｌ％以上９．０ｍｏｌ％以下のＣｕＯ、１．２ｍｏｌ％超４．２ｍｏｌ％以下のＭｎＯ、及び残部ＮｉＯとして表され、Ｆｅ２Ｏ３とＭｎＯとの合計量が、４８．２ｍｏｌ％超４９．８ｍｏｌ％以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、コイル部品等に使用されるＮｉ系フェライトとそれを用いたコイル部品に関するものである。

磁性フェライトはスピネル型結晶構造を有し、その化学量論組成は３価化合物と２価化合物が等モルに配合されることが知られている。例えばＮｉ系フェライトのスピネル型結晶（一般式Ｆｅ_２Ｏ_３・ＭｅＯ）は、Ｆｅ_２Ｏ_３とＭｅＯ（Ｍｅ：Ｎｉ，Ｚｎ）が５０：５０の比率で化学量論組成となる。

このような磁性フェライトの一般的な製造方法では、磁性フェライトを構成する元素の酸化物等を素原料として準備し、それを所定の組成となるように配合し焼成してスピネル化する。均一なスピネル化反応を得る観点から、素原料を本焼成よりも低温度で焼成してスピネル化する仮焼成を経て得られた仮焼粉を所定の形状に固めて成形して成形体とし、それを焼結して磁心とする製法を採用する場合が多い。

磁性フェライトの磁気特性は組成に強く依存することが知られている。コイル部品等に用いられる磁性フェライトとして要求される特性としては、例えば小型化のためには、使用される周波数、温度領域において初透磁率μｉが高くて、所定の印加磁界での磁束密度が大きく、保磁力が小さいことが挙げられる。

特許文献１には、Ｆｅ_２Ｏ_３を４０〜５０ｍｏｌ％、ＺｎＯを２０〜３３ｍｏｌ％、ＣｕＯを２〜１０ｍｏｌ％、ＭｎＯ_２を０．１〜１ｍｏｌ％含有し、残部がＮｉＯの、磁気損失が低減されたＮｉ系フェライト材料が記載されている。

特開２００２−１９８２１２号公報

特許文献１ではＭｎＯ_２を使用し、Ｍｎ^４＋のイオンをスピネル結晶のイオン結晶間へ侵入させ、各イオン間の距離を大きくすることで、結晶の歪や結晶中の応力を減少させて保磁力を小さくしてＮｉ系フェライト材料のヒステリシス損失を低減する。しかし、所定の印加磁界での磁束密度が大きく、初透磁率μｉが高いとの記載は見られない。

そこで本発明は、保磁力が小さく、初透磁率μｉが大きく、かつ所定の印加磁界での磁束密度が大きいＮｉ系フェライトと、それを用いたコイル部品を提供することを目的とする。

第１の発明は、２０℃での初透磁率μｉが６００以上で、保磁力Ｈｃが５０Ａ／ｍ未満で、印加磁界４ｋＡ／ｍにおける磁束密度Ｂ４ｋが３６０ｍＴ以上のＮｉ系フェライトであって、前記Ｎｉ系フェライトの成分組成が、４５．５ｍｏｌ％以上４７．０ｍｏｌ％以下のＦｅ_２Ｏ_３、２８．０ｍｏｌ％以上３０．０ｍｏｌ％以下のＺｎＯ、７．５ｍｏｌ％以上９．０ｍｏｌ％以下のＣｕＯ、１．２ｍｏｌ％超４．２ｍｏｌ％以下のＭｎＯ、及び残部ＮｉＯとして表され、Ｆｅ_２Ｏ_３とＭｎＯとの合計量が、４８．２ｍｏｌ％超４９．８ｍｏｌ％以下のＮｉ系フェライトである。

本発明のＮｉ系フェライトは、Ｆｅ_２Ｏ_３とＭｎＯとの合計量が４８．５ｍｏｌ％以上で、２０℃での初透磁率μｉが６５０以上であり、密度が５．２０×１０^３ｋｇ／ｍ^３超であるのが好ましい。

第２の発明は、第１の発明のＮｉ系フェライトを用いたコイル部品であって、前記コイル部品は、コイルと、前記コイルの磁路に配置される第１の発明のＮｉ系フェライトで構成された磁心とを含むコイル部品である。

本発明によれば、保磁力が小さく、初透磁率μｉが大きく、かつ所定の印加磁界での磁束密度が大きいＮｉ系フェライトと、それを用いたコイル部品を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るＮｉ系フェライトのＦｅ_２Ｏ_３のモル量とＭｎＯのモル量との合計量と２０℃及び１００℃での保磁力Ｈｃとの関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係るＮｉ系フェライトのＦｅ_２Ｏ_３のモル量とＭｎＯのモル量との合計量と印加磁界４ｋＡ／ｍで２０℃における磁束密度Ｂ４ｋとの関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係るＮｉ系フェライトのＦｅ_２Ｏ_３のモル量とＭｎＯのモル量との合計量と印加磁界４ｋＡ／ｍで１００℃における磁束密度Ｂ４ｋとの関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係るＮｉ系フェライトのＦｅ_２Ｏ_３のモル量とＭｎＯのモル量との合計量と２０℃での初透磁率μｉとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係るＮｉ系フェライトとそれを用いたコイル部品について具体的に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、技術的思想の範囲内で適宜変更可能である。

（Ａ）組成
本実施形態のＮｉ系フェライトは、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣｕＯ、ＭｎＯ、ＮｉＯの総量を１００ｍｏｌ％とし、４５．５ｍｏｌ％以上４７．０ｍｏｌ％以下のＦｅ_２Ｏ_３、２８．０ｍｏｌ％以上３０．０ｍｏｌ％以下のＺｎＯ、７．５ｍｏｌ％以上９．０ｍｏｌ％以下のＣｕＯ、１．２ｍｏｌ％超４．２ｍｏｌ％以下のＭｎＯ、及び残部ＮｉＯとし、Ｆｅ_２Ｏ_３とＭｎＯとの合計量が、４８．２ｍｏｌ％超４９．８ｍｏｌ％以下で表される組成で構成される。各素原料中には数ｐｐｍ〜数百ｐｐｍ程度の不可避的不純物元素が含まれ得る。具体的な不可避的不純物元素としては、Ｓｉ、Ｃａ、Ｂ、Ｃ、Ｓ、Ｃｌ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｔｅ、Ｉ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ等が挙げられるが、Ｎｉ系フェライト中の不可避的不純物はＦｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣｕＯ、ＮｉＯの総量１００質量部に対して総量で１質量部以下とし、極力少なく抑えるのが好ましい。不可避的不純物の中でもＮａ、Ｓ、Ｃｌ、Ｐ、Ｃｒ、Ｂはできるだけ少ない方が好ましく、工業的な許容範囲は合計で０．１質量部以下が好ましく、更に０．０５質量部以下であることが好ましい。

本実施形態の組成について、以下説明する。
Ｆｅ_２Ｏ_３が４５．５ｍｏｌ％未満、あるいは４７．０ｍｏｌ％超では所望の初透磁率μｉや保磁力Ｈｃが得られない場合がある。また高い飽和磁束密度Ｂ４ｋを得る為、好ましくは、Ｆｅ_２Ｏ_３は４５．７ｍｏｌ％以上が好ましく、より好ましくは４６．０ｍｏｌ％以上である。

ＺｎＯが２８．０ｍｏｌ％未満、あるいは３０．０ｍｏｌ％超では、所望の初透磁率μｉや保磁力が得られない場合がある。ＺｎＯの好ましい含有量は２８．５ｍｏｌ％以上である。また２９．５ｍｏｌ％以下が好ましい。

ＣｕＯが７．５ｍｏｌ％未満、あるいは９．０ｍｏｌ％超であると、所望の初透磁率μｉが得られない場合がある。ＣｕＯの好ましい含有量は７．８ｍｏｌ％以上である。また８．５ｍｏｌ％以下が好ましい。

ＭｎＯが１．２０ｍｏｌ％以下、あるいは４．２０ｍｏｌ％超であると、所望の初透磁率μｉが得られない場合がある。ＭｎはＭｎフェライト［Ｆｅ_２Ｏ_３・（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｏ］を構成し、それを含むＮｉ系フェライトの保磁力Ｈｃの低減、飽和磁束密度Ｂ４ｋの増加、初透磁率μｉの増加に寄与するが、ＭｎＯとＦｅ_２Ｏ_３との合計量４８．２０ｍｏｌ％未満あるいは４９．８０ｍｏｌ％超であると、所望の初透磁率μｉ、磁束密度Ｂ４ｋ、保磁力Ｈｃが得られない場合がある。

またＮｉＯは残部であって、好ましくは１１．０ｍｏｌ％以上１７．８ｍｏｌ％以下である。さらに好ましくは、ＮｉＯは１２．０ｍｏｌ％以上であり、１３．０ｍｏｌ％以上であるのがいっそう好ましい。また１６．０ｍｏｌ％以下が好ましく、さらに好ましくは１５．０ｍｏｌ％以下である。

各成分の定量は、蛍光Ｘ線分析及びＩＣＰ発光分光分析により行うことができる。予め蛍光Ｘ線分析により含有元素の定性分析を行い、次に含有元素を標準サンプルと比較する検量線法により定量する。

（Ｂ）Ｎｉ系フェライトの製造方法
Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣｕＯ、ＭｎＯ及びＮｉＯを所定割合で湿式混合した後、乾燥し、８００〜１０００℃で仮焼成してスピネル化した仮焼粉とするのが好ましい。得られた仮焼粉をイオン交換水とともにボールミルに投入し、平均粉砕粒径（空気透過法）が１．７〜２．１μｍとなるまで粉砕してスラリーとすれば良い。得られたスラリーにバインダ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にて顆粒化した後、加圧成形して所定形状の成形体を得ることが出来る。

得られた成形体を焼成炉にて焼結してＮｉ系フェライト（磁心）を得る。焼成工程は昇温工程と、高温保持工程と、降温工程とを有する。焼成工程における雰囲気は、不活性ガス雰囲気でも良いし大気雰囲気でも構わない。ここで、成形体は昇温工程を経て、高温保持工程の設定された高温温度に到達し、焼結される。この高温保持工程において、焼成炉の設定温度は１０５０〜１２００℃とするのが好ましい。温度が１０５０℃未満であると焼結が不十分で、初透磁率μｉが小さく、磁心の強度が得られない場合がある。また温度が１２００℃超であると焼結が過剰となり、また焼成炉のエネルギー消費も多くなって製造コストの上昇を招くため好ましくない。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

本実施形態のＮｉ系フェライトの磁心を製造する場合、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣｕＯ、ＭｎＯびＮｉＯの各成分が表１に示す割合となるように、素原料を湿式混合した後、乾燥し９００℃で１時間仮焼成した。得られた仮焼粉をイオン交換水とともにボールミルに投入し、平均粉砕粒径が１．９μｍとなるまで粉砕してスラリーとした。得られたスラリーにバインダ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にて顆粒化した後、加圧成形してリング状の成形体を得た。

得られた成形体を焼成炉にて大気中、１１２０℃で２時間保持して焼結し、外径３０ｍｍ×内径２０ｍｍ×高さ１０ｍｍの円環状の磁心を得た。

各磁心の初透磁率μｉ、磁束密度Ｂ４ｋ、保磁力Ｈｃ、焼結体密度ｄｓを、下記の方法により測定した。
（１）初透磁率μｉ
磁心を被測定物とし、導線を２０ターン巻回して測定試料（コイル部品）とし、ＬＣＲメータ（アジレント・テクノロジー株式会社製４２８５Ａ）により、恒温槽内にて温度２０℃、周波数１００ｋＨｚ、１ｍＡの電流で測定したインダクタンスから次式により求めた。
初透磁率μｉ＝（ｌｅ×Ｌ）／（μ_０×Ａｅ×Ｎ^２）
（ｌｅ：磁路長、Ｌ：試料のインダクタンス（Ｈ）、μ_０：真空の透磁率＝４π×１０^−７（Ｈ／ｍ）、Ａｅ：磁心の断面積、Ｎ：導線の巻数）

（２）磁束密度Ｂ４ｋ、保磁力Ｈｃ
磁束密度（Ｂ４ｋ）および保磁力（Ｈｃ）は、一次側巻線と二次側巻線とをそれぞれ４０回巻回した磁心に、４ｋＡ／ｍの磁界を印加し、直流磁化測定試験装置（メトロン技研株式会社製ＳＫ−１１０型）を用いて２０℃、１００℃において測定した。

（３）焼結体密度ｄｓ
アルキメデスの原理を利用し、水中置換法により焼結体密度を算出した。

得られた結果を表２に纏めて示す。また図１にＦｅ_２Ｏ_３のモル量とＭｎＯのモル量との合計量と２０℃及び１００℃における保磁力Ｈｃとの関係を示し、図２にＦｅ_２Ｏ_３のモル量とＭｎＯのモル量との合計量と印加磁界４ｋＡ／ｍで２０℃における磁束密度Ｂ４ｋとの関係を示し、図３にＦｅ_２Ｏ_３のモル量とＭｎＯのモル量との合計量と印加磁界４ｋＡ／ｍで１００℃における磁束密度Ｂ４ｋとの関係を示し、図４にＦｅ_２Ｏ_３のモル量とＭｎＯのモル量との合計量と初透磁率μｉとの関係を示す。

Ｎｏ．１＊〜７の磁心を使用した試料では、密度ｄｓが何れも５．２０×１０^３ｋｇ／ｍ^３を超えていた。実施例のＮｏ．４〜７の磁心では、初透磁率μｉが６００以上で、保磁力Ｈｃが５０Ａ／ｍ未満で、印加磁界４ｋＡ／ｍにおける磁束密度Ｂ４ｋが３６０ｍＴ以上であった。このような本発明のＮｉ系フェライトを使用したコイル部品は、小型を図ることが出来る。

Claims

２０℃での初透磁率μｉが６００以上で、保磁力Ｈｃが５０Ａ／ｍ未満で、印加磁界４ｋＡ／ｍにおける磁束密度Ｂ４ｋが３６０ｍＴ以上のＮｉ系フェライトであって、
前記Ｎｉ系フェライトの成分組成が、４５．５ｍｏｌ％以上４７．０ｍｏｌ％以下のＦｅ_２Ｏ_３、２８．０ｍｏｌ％以上３０．０ｍｏｌ％以下のＺｎＯ、７．５ｍｏｌ％以上９．０ｍｏｌ％以下のＣｕＯ、１．２ｍｏｌ％超４．２ｍｏｌ％以下のＭｎＯ、及び残部ＮｉＯとして表され、Ｆｅ_２Ｏ_３とＭｎＯとの合計量が、４８．２ｍｏｌ％超４９．８ｍｏｌ％以下であるＮｉ系フェライト。
請求項１に記載のＮｉ系フェライトであって、
Ｆｅ_２Ｏ_３とＭｎＯとの合計量が４８．５ｍｏｌ％以上で、２０℃での初透磁率μｉが６５０以上であり、密度が５．２０×１０^３ｋｇ／ｍ^３超のＮｉ系フェライト。
請求項１又は２に記載のＮｉ系フェライトを用いたコイル部品であって、
前記コイル部品は、コイルと、前記コイルの磁路に配置される前記Ｎｉ系フェライトで構成された磁心とを含むコイル部品。