JP4524751B2

JP4524751B2 - 磁心及びこれを用いた電子部品

Info

Publication number: JP4524751B2
Application number: JP2004339978A
Authority: JP
Inventors: 和則西村; 宗幸田中
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2024-11-25
Also published as: JP2006156433A

Description

本発明は、キュリー温度が異なる少なくとも２種類のフェライト磁性材料を接合してなり、その少なくとも一部を磁気ギャップ材として用いた磁心と、これを用いた電子部品に関する。特に直流重畳特性を向上させるインダクタンス素子に好適な磁心に関する。

一般に変成器やチョークコイル等のインダクタンス素子では、直流磁界によって磁心が磁気飽和することでインダクタンス値が低下するのを避けるために、磁心に磁気ギャップを設けている。
一般に、前記磁気ギャップは空隙として形成されるが、磁気ギャップの間隔がインダクタンス素子の特性に影響を与える。そこで特許文献１のインダクタンス素子では、図５に示すようにＵ字型磁心６の両磁脚７，８に巻線９，１０を巻装し、前記磁脚７，８の開放端間にＩ字状磁心１１がギャップスペーサ１３を介してギャップ１２を形成するように配置し、磁気ギャップ寸法のばらつき要因を少なくしている。
しかしながら、このようなインダクタンス素子では、磁気ギャップ１２を紙材などからなるギャップスペーサ１３を用い接着剤１４で結合し、または接着剤１４だけで結合するため、組立時に、ギャップスペーサ１３を配置する手間や、磁気ギャップ１２を埋める接着剤１４が乾燥硬化するまでに時間がかかる。また硬化までの間、Ｕ字状磁心６とＩ字状磁心１１とを保持することが必要であり生産性に劣るものであった。また、多くの接着剤を磁気ギャップに介在させると、膨潤等の経時変化により磁気ギャップ寸法に影響を及ぼしインダクタンス値が変化する問題もあった

そこで本発明者等は、鋭意研究するなかでインダクタンス値のばらつきを抑えながら、長期的に電気的特性が安定し、組立が容易で直流重畳特性に優れたインダクタンス素子と、これを構成する磁心について提案した（特許文献２）。
この磁心は、フェライト層（磁性体層）と、アルミナを主成分とするセラミック層（非磁性層）と、前記フェライト層と前記セラミック層との間に存在し、ＦｅとＡｌとが相反する傾斜組成を有する傾斜組成層を備え、前記非磁性層を磁気ギャップとしたものである。前記フェライト層は、例えばＭｎ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系フェライト等が用いられる。そして前記非磁性層を構成するアルミナを所定の厚みを有するシート状にして供することで、磁気ギャップを精度良く形成できる。また、前記傾斜組成層はフェライト層及びセラミック層を構成する成分を含有することで、焼成収縮率、収縮挙動の異なる前記フェライト層と前記セラミック層との中間層として機能し、層間の接合を容易としている。
特開２０００−１８２８４４特開２００４−２６００４１

しかしながら特許文献２の磁心は、非磁性層としてフェライトと著しく収縮挙動の異なるアルミナを用いるため、前記非磁性層の厚みが厚くなるに従い、傾斜組成層で焼成収縮率、収縮挙動の差異を吸収するのが困難となり、焼成時に生じる応力によって非磁性体層と傾斜組成層との界面から磁性体層に至るクラックが生じ易くなる。通常、磁心が使用される電流範囲ではインダクタンス値の変化が無いのが望まれる。しかしながら非磁性体層が薄いと、磁気飽和するまでの間であっても、電流値が大きくなるに従い、インダクタンス値がなだらかに減少していく。このため磁気ギャップとして形成される非磁性体層は、ある程度の厚みをもって形成するのが好ましいが、非磁性体層が１５０μｍ以上となると、磁性体層との焼成収縮率、収縮挙動の差から生じる内部応力が著しく、クラック等の欠陥の無い磁心を形成するのは実質的に困難であった。またクラック等の内部欠陥に至らないまでも、磁心内部に生じる応力は、磁心の磁気特性を変化させてしまう。そこで本発明は、非磁性層を厚く形成してもクラック等の内部欠陥が生じず、また焼成収縮率、収縮挙動による内部残留応力を低減した磁心及びそれを用いた電子部品を提供することを目的とする。

第一の発明は、キュリー温度が異なるフェライト磁性材料で構成され、第１のフェライト磁性材料はキュリー温度が１００℃以上のフェライト磁性材料であり、第２のフェライト磁性材料はキュリー温度が−４０℃未満のフェライト磁性材料であって、造粒粉からなる前記第１のフェライト・シート状の前記第２のフェライト磁性材料・造粒粉からなる前記第１のフェライト磁性材料の順に積み重ね、一体的に成形し、しかる後、一体焼結して、前記第１のフェライト磁性材料と前記第２のフェライト磁性材料を直接接合し、もって前記第２のフェライト磁性材料をそのキュリー温度以上の温度範囲で磁気ギャップ材として用いた磁心である。
本発明においては、前記第１のフェライト磁性材料と、前記第２のフェライト磁性材料の焼成収縮率の差を−４％〜＋４％とするのが好ましい。焼成収縮率の差が前記範囲外であると、内部応力が著しく、クラック等の欠陥が生じ易くなり好ましくない。
また、ＴＭＡ（熱機械的分析法）における第１及び第２のフェライト磁性材料の焼成収縮開始温度が７００℃以上であり、第１のフェライト磁性材料の焼成収縮開始温度と第２のフェライト磁性材料の焼成収縮開始温度との差が−１５０℃〜２００℃の範囲にあり、１０００℃〜１１００℃の間の焼成収縮曲線の傾きの差を０％〜３０％とするのが好ましい。この場合も前記範囲外であると内部応力が著しく、クラック等の欠陥が生じ易くなり好ましくない。

第二の発明は、第一の発明の磁心を用いて構成され前記磁心に巻線を巻設し、あるいは巻線を巻設した他の磁心と組み合わせて構成した電子部品である。

変成器やチョークコイル等のインダクタンス素子を構成するフェライト磁心において、直流磁界によって磁気飽和するのを防ぐ磁気ギャップが非磁性フェライトで形成されるため、磁気ギャップを一体形成した磁心を容易に得ることができるとともに、前記磁気ギャップが１５０μｍを超える厚みであっても、クラック等の内部欠陥が生じない磁心を得ることが出来る。また焼成収縮率、収縮挙動による内部残留応力を低減し、インダクタンス値のばらつきを抑えながら、長期的に電気的特性が安定し、組立が容易で直流重畳特性に優れた電子部品を提供することが出来る。

以下本発明について詳しく説明する。
本発明の磁心に用いる第１のフェライト磁性材料は、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＭｎＯを主成分とし、Ｆｅ_２Ｏ_３：５３ｍｏｌ％、ＺｎＯ：７ｍｏｌ％、ＭｎＯ：４０ｍｏｌ％と副成分として、前記主成分に対してＣｏ_３Ｏ_４：０．２ｗｔ％添加したものである。その初透磁率μｉは１９００であり、キュリー温度Ｔｃは２２０℃である。
なお、第１のフェライト磁性材料はキュリー温度が１００℃以上であるフェライト磁性材料であれば、特に限定されるものでは無い。電子部品用の磁心として要求される磁気特性（初透磁率、損失、品質係数等）に応じて、その組成は適宜選定され得るものである。

本発明の磁心に用いる第２のフェライト磁性材料は、Ｆｅ_２Ｏ_３：３５ｍｏｌ％、ＺｎＯ：４５ｍｏｌ％、ＭｎＯ：２５ｍｏｌ％のＭｎ−Ｚｎ系フェライト磁性材料である。キュリー温度Ｔｃは−５０℃であり、通常電子部品が用いられる温度範囲−２０℃〜＋８５℃では磁性を有さない。第２のフェライト磁性材料はキュリー温度が−４０℃未満であるフェライト磁性材料であれば、特に限定されるものでは無い。キュリー温度ＴｃはＦｅ_２Ｏ_３やＺｎＯの組成量によって変化することが知られており、前記第１のフェライト磁性材料との焼成収縮、収縮挙動のマッチングを考慮しながら、キュリー温度を−４０℃以下とするように、その組成を適宜決定すれば良い。
他の第２のフェライト磁性材料として、Ｆｅ_２Ｏ_３：５３ｍｏｌ％、ＺｎＯ：４４ｍｏｌ％、ＣｕＯ：３ｍｏｌ％のＣｕ−Ｚｎ系フェライト磁性材料も例示される。この材料のキュリー温度もまた−４０℃未満である。

次に磁心の作製方法について説明する。
第１のフェライト磁性材料の作製手順を説明する。焼結後、前記組成となるように素原料を所定量秤量し、これに水及び分散剤を加えてアトライターにて混合して、乾燥後、大気中８５０℃で１．５時間仮焼し、この仮焼後の原料に水、分散剤を加えてアトライターで粉砕してスラリーを作製した。これに、バインダーを加えてスプレードライヤーで乾燥し、造粒粉とした。

次に第２のフェライト磁性材料（Ｍｎ−Ｚｎ系、Ｃｕ−Ｚｎ系）の作製手順を説明する。焼結後、前記組成となるように素原料を所定量秤量し、これに水及び分散剤を加えてアトライターにて混合して、乾燥した後、大気中８５０℃で１．５時間仮焼した。仮焼後の原料に水、分散剤を加えてアトライターで粉砕し、乾燥して粉砕粉を作製した。粉砕粉にバインダーとしてＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、可塑剤としてＢＰＢＧ（ブチルフタリルグリコール酸ブチル）を添加し、エチルアルコールを溶媒としてボールミルにて混練してスラリーとし、脱泡と粘度調整を行い、ドクターブレード法により１５０μｍ厚みのシート状に形成した。シート厚みは必要とされる磁気ギャップの間隔によって適宜形成され得る。

造粒粉とした第１のフェライト磁性材料を金型に充填し、所定形状に切り抜いたＭｎ−Ｚｎ系あるいは、Ｃｕ−Ｚｎ系の第２のフェライト磁性材料を前記金型内に配置し、さらにその上に第１のフェライト磁性材料の造粒粉を充填して、１９６ＭＰａで圧縮成形して、第１のフェライト磁性材料・第２のフェライト磁性材料・第１のフェライト磁性材料の順に積み重なった、一辺が１０ｍｍで高さが３０ｍｍとなる角柱上の複合成形体とした。第２のフェライト磁性材料を介して上下に積み重なった第１のフェライト磁性材料の厚みは、略同じに形成されている。

得られた複合成形体を酸素分圧が１〜２％に調整された焼成炉内で、焼成温度１３００℃で５時間焼結して、第１、第２のフェライト磁性材料を接合した図１に示す磁心を作製した。

図２に第１のフェライト磁性材料、及び第２のフェライト磁性材料のＴＭＡによる収縮特性を示す。比較例としてＡｌ_２Ｏ_３の収縮特性もあわせて示す。Ｍｎ−Ｚｎ系、Ｃｕ−Ｚｎ系の第２のフェライト磁性材料の収縮挙動は、Ａｌ_２Ｏ_３の収縮挙動と大きく異なり、第１のフェライト磁性材料の挙動と近似している。第１のフェライト磁性材料の収縮開始温度、収縮率、及び１０００℃から１１００℃の間の収縮曲線の傾きは、Ｍｎ−Ｚｎ系８４０℃、１２．３％、−０．０５１であり、また、第２のフェライト磁性材料の収縮開始温度、収縮率、及び１０００℃から１１００℃の間の収縮曲線の傾きは、Ｍｎ−Ｚｎ系７６５℃、１４．３％、−０．０３８、Ｃｕ−Ｚｎ系６９２℃、１５．４％、−０．０４９であった。

本発明において、第２のフェライト磁性材料の収縮開始温度を第１のフェライト磁性材料に対して−１５０℃〜＋１００℃の範囲に制御し、収縮カーブを同等（ほぼ同じ傾き）にすることで、焼結時の収縮差による応力を緩和しクラックや割れの無い磁心を作製することが出来た。さらに、第２のフェライト磁性材料で形成したシートを複数積み重ね、焼結後、厚みが１ｍｍとなるように構成した。得られた磁心を切断し、顕微鏡で断面を観察したが、クラックなどの欠陥は観察されなかった。
比較例として第１のフェライト磁性材料と、厚みが１５０μｍのＡｌ_２Ｏ_３を用い、前記実施例と同様の方法で磁心を作製した。得られた磁心を切断し、顕微鏡で断面を観察したところ、僅かではあるがＡｌ_２Ｏ_３層から第１のフェライト磁性材料の層は至るクラックが発生していた。

次に、本発明の一実施例に係る磁心を用いて形成した電子部品（インダクタンス素子）について説明する。図３は、このインダクタンス素子の基本構造を示す外観図である。
実施例１と同様にて得られた磁心（第２のフェライト磁性材料はＭｎ−Ｚｎ系を用いた）から、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み３ｍｍのI字状磁心１を切り出した。ここで磁心中央に位置する磁気ギャップの間隔は２００μｍとしている。さらに２つの磁脚３、４を繋ぐ連結部を備えたU字状磁心２を準備し、前記連接部６にコイルボビンを配置した。前記コイルボビン５には線径０．５ｍｍφの線材が１０回巻き回されている。前記I字状磁心１をU字状磁心２の磁脚３、４と実質的に空隙無く当接するように橋架けして配置して、樹脂粘着テープによりテーピング固定として本実施例に係るインダクタンス素子を構成した。なお、前記U字状磁心２は、２つの磁脚３、４を繋ぐ連結部が３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み３ｍｍで、連結部からの立設する磁脚の高さが２．５ｍｍであり、I字状磁心１を構成する第１のフェライト磁性材料を用いて形成されている。

このインダクタンス素子の直流重畳特性を、室温状態で測定し評価した結果を図４に示す。測定条件はＪＩＳＣ２５１４の直流重畳特性の測定条件に従い、設定電圧０．１V、周波数１０ｋHzの条件で行なった。
比較例として、磁気ギャップを設けないI字状磁心を用いて同様に直流重畳特性を測定した。本実施例によれば、比較例と比較し優れた直流重畳特性を発揮することがわかる。第２のフェライト磁性材料と直接接合される第１のフェライト磁性材料の収縮率や収縮挙動を近似させることで、前記第２のフェライト磁性材料で構成される磁気ギャップの間隔を広く出来るため、電子部品が使用される電流範囲でインダクタンス値の変化が実質的にない、優れた直流重畳特性を得ることが出来た。

本発明によれば、通常電子部品が用いられる温度範囲−２０℃〜＋８５℃では磁性を有さない第２のフェライト磁性材料を用いて、磁気ギャップを構成する点である。この様に磁気ギャップを構成することで、スペーサーを設置する工程が簡素化でき、スペーサー設置によるインダクタンス値のばらつきを極めて小さくすることができる。また磁気ギャップが非磁性フェライトで形成されるため、磁気ギャップを一体形成した磁心を容易に得ることができるとともに、前記磁気ギャップが１５０μｍを超える厚みであっても、クラック等の内部欠陥が生じない磁心を得ることが出来る。また焼成収縮率、収縮挙動による内部残留応力を低減し、インダクタンス値のばらつきを抑えることが出来、長期的に電気的特性が安定し、組立が容易で直流重畳特性に優れた電子部品を得ることが出来る。

本発明の一実施例に係る磁心の構成を示す外観図である。本発明の一実施例に用いる第１、第２のフェライト磁性材料とＡｌ_２Ｏ_３の焼成収縮特性図である。本発明の一実施例に係る電子部品の構成を示す外観図である。本発明の一実施例に係る電子部品と比較例の電子部品の直流重畳特性図である。従来の電子部品の構成を示す外観図である。

符号の説明

１ I字状磁心
２ U字状磁心
３、４磁脚
５コイルボビン
６連接部

Claims

キュリー温度が異なるフェライト磁性材料で構成され、第１のフェライト磁性材料はキュリー温度が１００℃以上のフェライト磁性材料であり、第２のフェライト磁性材料はキュリー温度が−４０℃未満のフェライト磁性材料であって、
造粒粉からなる前記第１のフェライト・シート状の前記第２のフェライト磁性材料・造粒粉からなる前記第１のフェライト磁性材料の順に積み重ね、一体的に成形し、しかる後、一体焼結して、前記第１のフェライト磁性材料と前記第２のフェライト磁性材料を直接接合し、もって前記第２のフェライト磁性材料をそのキュリー温度以上の温度範囲で磁気ギャップ材として用いたことを特徴とする磁心。
前記第１のフェライト磁性材料と前記第２のフェライト磁性材料との焼成収縮率の差が−４％〜＋４％であることを特徴とする請求項１に記載の磁心。
ＴＭＡ分析における第１及び第２のフェライト磁性材料の焼成収縮開始温度が７００℃以上であり、第１のフェライト磁性材料の焼成収縮開始温度と第２のフェライト磁性材料の焼成収縮開始温度との差が−１５０℃〜１００℃の範囲にあり、１０００℃〜１１００℃の間の焼成収縮曲線の傾きの差が０％〜３０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁心。
請求項１乃至３のいずれかに記載の磁心を用いて構成され、前記磁心に巻線を巻設し、あるいは巻線を巻設した他の磁心と組み合わせて構成したことを特徴とする電子部品。