JP5195669B2 - フェライトコアおよび電子部品 - Google Patents

Description

本発明は、フェライトコアおよび電子部品に係り、さらに詳しくは、初透磁率が改善されたフェライトコアおよび該フェライトコアが適用された電子部品に関する。

フェライトは、たとえば、通信伝送トランスやスイッチング電源用トランスなどのトランス用のコアとして使用されている。このような用途においては、磁気特性が良好であること、特に、高い初透磁率（μｉ）を有することが要求されている。

近年、高い初透磁率が求められている。また、このようなコアにおいては、同一組成であっても、得られる初透磁率に劣化が見られることがあった。

なお、特許文献１では、コアの表面にバレルコーティング法でガラス塗膜を形成することが提案されている。しかしながら、特許文献１においては、初透磁率の改善については何ら考慮されていなかった。

特開２００１−２３７１３５号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、初透磁率（μｉ）が改善されたフェライトコアを提供することである。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、フェライトコアにおける初透磁率が低い要因の一つとして、フェライトコア中の残留応力に着目し、フェライトコアを構成する材質の熱膨張係数の差を利用することで、残留応力を低減できることを見いだし、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明に係るフェライトコアは、
フェライト組成物で構成されるコア部と、前記コア部の表面の少なくとも一部に形成された被覆層と、を有し、
前記被覆層の熱膨張係数が、前記コア部の熱膨張係数よりも低いことを特徴とする。

本発明においては、コア部および被覆層の熱膨張係数を上記のように制御することで、焼成時に生じるコア部の残留応力や、焼成時におけるフェライト組成物に含まれる成分の蒸発等に起因する残留応力を、被覆層に生じる応力が低減する（キャンセルする）ことができる。すなわち、本発明に係るフェライトコア中の残留応力を低減することができる。

このフェライトコア中の残留応力は、初透磁率を劣化させる要因の一つであるため、上記のようにすることで、本発明に係るフェライトコアは初透磁率を改善することができる。また、被覆層はコア部の欠け等を抑制する保護層としての役割も有し、生産効率を向上させることができる。

好ましくは、前記被覆層がガラス組成物から構成されている。このようにすることで、コア部の表面に被覆層を容易に形成することができる。また、絶縁性を有するガラス組成物をコア部表面に形成した場合には、コア部と巻回されるワイヤ等との絶縁性を高めることができる。

好ましくは、前記コア部の表面積に対して、前記被覆層が形成されている割合を被覆率とした場合に、前記被覆率が５０〜１００％である。被覆率をこのような範囲とすることで、本発明の効果をさらに高めることができる。

好ましくは、前記被覆層の厚みが、０μｍ超５０μｍ以下である。被覆層の厚みをこのような範囲とすることで、初透磁率を改善しつつ、本発明の効果をさらに高めることができる。

本発明に係る電子部品は、上記のいずれかに記載のフェライトコアを有する電子部品である。

本発明に係る電子部品としては、特に制限されないが、コイル部品、トランス部品、磁気ヘッド部品などが挙げられる。コイル部品としては、インダクタやチョークコイル等が挙げられ、トランス部品としては、スイッチング用、インバータ用等の電源トランス等が挙げられる。

本発明によると、コア部と被覆層との熱膨張の差を利用し、コア部の残留応力を低減することで、初透磁率が改善されたフェライトコアを得ることができる。特に、被覆層がコア部の表面を覆う割合（被覆率）や、被覆層の厚みを特定の範囲に制御することで、さらに初透磁率を改善することができる。

また、特に被覆層をガラス組成物で構成することで、被覆層をコア部の表面に容易に形成することができる。また、ガラス組成物が絶縁性である場合には、コア部が導電性であっても、巻回されるワイヤ等との絶縁性を確保することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るフェライトコアの概略断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るフェライトコアの製造に用いるバレル装置の概略断面図である。 図３は、コイルを巻回した後のドラムコアの断面図である。 図４は、本発明の実施例および比較例に係るフェライトコアの被覆層の厚みと、初透磁率と、の関係を示すグラフである。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。

フェライトコア
本発明に係るフェライトコアの形状は、特に制限されず、たとえば、ドラムコア、板コア、棒状コア、筒状コアなどが例示される。本実施形態では、図１に示すように、フェライトコア１はドラムコア形状を有しており、コア部２の表面全体に被覆層１０が形成された構成を有している。

コア部
コア部２は、円柱または角柱状の巻芯部４と、その巻芯部４の軸方向に沿って両側に一体的に形成してある一対の鍔部５とを有する。鍔部５の外径は、巻芯部４の外径よりも大きく、巻芯部４の外周には、鍔部５にて囲まれた凹部６が形成してある。そして、その凹部６にワイヤ３０を巻回することでコイル部品とされる。

コア部２の寸法は、特に制限されないが、本実施形態では、巻芯部４の外径は０．６〜１．２ｍｍであり、巻芯部４の軸方向幅は０．３〜１．０ｍｍ、鍔部５の外径は２．０〜３．０ｍｍであり、鍔部５の厚みは０．２〜０．３ｍｍ、鍔部５の外周表面から巻芯部４の外周表面までの深さは、０．５〜１．０ｍｍである。なお、鍔部５の形状は、円形の他、四角形、八角形などでもよい。

コア部２は、フェライト組成物から構成されており、ＺｎＯ成分を含有することが好ましい。初透磁率を高くすることができるからである。本実施形態では、フェライト組成物として、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトあるいはＮｉ−Ｚｎ系フェライトが好ましい。また、必要に応じ、特性向上等を目的として微量成分を含有してもよい。

コア部２の熱膨張係数は、フェライト組成物の組成により変化するが、おおむね７０×１０^−７／℃〜１１０×１０^−７／℃程度である。

被覆層
被覆層１０の材質としては、コア部２の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有するものであれば、特に制限されず、たとえば、ガラス組成物、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等が例示される。なお、被覆層１０は複数の材質から構成されていてもよいし、複数の層からなる積層構造を有していてもよい。

フェライト組成物の中には、外的な圧縮応力が加えられると、初透磁率（μｉ）が漸次小さくなるものがある。このようなフェライト組成物においては、外的な圧縮応力が加わっていない状態であっても、フェライト組成物中に、残留応力として内的な圧縮応力がすでに加えられていると考えられる。

このような残留応力は、フェライト組成物の焼成・冷却時の収縮に起因する応力や、焼成・冷却時におけるフェライト組成物中の成分、特にＺｎＯ成分の蒸発等により生じる応力等が原因となっていると考えられる。

そこで、コア部２の表面の少なくとも一部に、コア部２の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する被覆層１０を形成することで、熱が加えられ、冷却される過程で、被覆層１０の熱膨張がコア部２の熱膨張よりも小さいため、被覆層１０にはコア部２の熱膨張に起因する引張応力が生じる。そして、この引張応力が、コア部２の残留応力（圧縮応力）をキャンセルすることができる。したがって、コア部（フェライト組成物）中の内的な圧縮応力を緩和できるため、フェライトコアの初透磁率を改善することができる。

本実施形態では、被覆層１０はガラス組成物から構成されることが好ましい。ガラス組成物としては、コア部２の表面に非晶質の状態で形成されるもの、あるいは結晶化ガラスとして形成されるものであれば特に制限されず、たとえば、Ｓｉ−Ｂ系ガラス（ホウケイ酸ガラス）、無アルカリガラス、鉛系ガラス等が例示される。

ガラス組成物の熱膨張係数は、ガラス組成物に含有される成分の組成や、各成分の含有量等により変化する。したがって、ガラス組成物の熱膨張係数が、コア部２の熱膨張係数よりも小さくなるように、成分の組成や含有量を適切に設定する必要がある。

被覆層１０は、コア部２の表面の少なくとも一部に形成されていればよいが、コア部２の表面積に対して、被覆層が形成される割合（被覆率）を、好ましくは５０〜１００％、より好ましくは９０〜１００％とする。被覆率が高くなるほど、コア部２の残留応力をキャンセルする効果が大きくなるため、初透磁率をより高めることができる。また、コア部２の欠け等を防止する保護層としての役割も大きくなる。

なお、図１では、被覆率が１００％の場合を示している。また、コア部２において、ワイヤ等が巻回される部分（本実施形態では凹部６）付近に被覆層１０が形成されていると、より高い効果が得られやすい。

被覆層１０の厚みは、好ましくは０μｍ超５０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上２５μｍ以下である。被覆層１０が形成されていれば、初透磁率が改善されるが、被覆層が厚くなりすぎると、初透磁率に対する寄与が少ないため初透磁率が悪化する傾向にある。また、被覆層がある程度の厚みを有していると、コア部の保護層としての機能を果たすこともできる。そのため、被覆層１０の厚みは上記の範囲内であることが好ましい。

さらに、被覆層１０が絶縁性を有していれば、コア部２が導電性であっても、巻回されるワイヤとの絶縁を確保することができる。

次に、本実施形態に係るフェライトコアとして、被覆層１０がガラス組成物で構成されているフェライトコアの製造方法の一例を説明する。

まず、コア部２を構成するフェライト組成物の原料を準備する。原料としては、酸化鉄、酸化亜鉛等の酸化物を用いてもよいし、焼成後に酸化物となるような各種化合物を用いてもよい。

次に、準備した原料およびバインダ樹脂等を混合し、その混合物を公知の成形方法により所定の形状に成形する。本実施形態ではドラムコア形状に成形し、コア部２の成形体を得る。なお、必要に応じて、混合物を仮焼してもよいし、成形に適した形態とするために粉砕、造粒等を行ってもよい。また、この成形体に対し、必要に応じて脱バインダ処理等を行ってもよい。

次に、得られた成形体を焼成し、焼結体（コア部２）を得る。焼成時に、上述した応力が生じ、コア部２に残留応力が生じることとなる。すなわち、この状態では、コア部２が本来有している初透磁率よりも低い初透磁率しか得られない。

次に得られたコア部２に対して、図２に示すバレル装置を用いて、コア部２の表面に、ガラス組成物、バインダ樹脂等から構成される熱処理前の被覆層１０ａを形成する。

図２に示すバレル装置２０は、円柱状または角柱状のシリンダケーシング２０ａを有し、その中空の内部に、バレル容器２２が、その軸芯回りに矢印Ａ方向（またはその逆方向）に回転自在に収容してある。

ケーシング２０ａには、入口管２３と出口管２４とがそれぞれ形成してある。入口管２３からは乾燥用気体がケーシング２０ａの内部に入り込み、出口管２４からケーシング内部の空気を排出可能になっている。

バレル容器２２の内部における軸芯位置には、スプレーノズル２５が軸方向に沿って配置してあり、ノズル２５から、バレル容器２２の内部に貯留してある多数のコア部２に向けてスラリー２６を吹き付け可能になっている。バレル容器２２は、矢印Ａ方向に回転するために、コア部２は、図２に示すような状態で存在し、バレル容器２２の回転により撹拌される。

ノズル２５は、コア部２の集合に向けてスラリー２６を噴霧することができるようになっている。なお、ノズル２５からのスラリーの噴霧方向を自由に変えられるようにしても良い。また、ケーシング２０ａには、図示省略してある排出パイプが接続してあり、余分なスラリー２６を排出可能になっている。

バレル容器２２の壁には、外部と内部とを連通する多数の孔が形成してあり、ケーシング２０ａの下方に貯留してあるスラリー２６は、バレル容器２２の内部にも侵入し、そのスラリー２６にコア部２を浸漬することができる。また、乾燥用気体が入口管２３からケーシング２０ａを通り出口管２４へと流通する際には、バレル容器２２の内部にも流通するようになっている。

熱処理前の被覆層１０ａを形成するために、まず、コア部２を、図２に示すバレル容器２２の内部に多数収容する。そして、バレル容器２２を回転させ、コア部２の集合を撹拌しながら、ノズル２５からスラリー２６を吹き付けて、熱処理前の被覆層１０ａを形成する。

スラリー２６は、上述したガラス組成物を粉砕して得られるガラス粉末と、バインダ樹脂と、溶剤とを含む。さらにその他の添加物を含んでいてもよい。ガラス組成物は、該組成物を構成する酸化物、ハロゲン化物等の非酸化物等の原料を混合、溶融し、急冷して非晶質とすればよい。また、ガラス組成物として、結晶化ガラスを用いてもよい。本実施形態では、ガラス粉末としてＳｉ−Ｂ系ガラスを用いる。ガラス粉末の平均粒径（メジアン径）は、特に限定されないが、好ましくは、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲である。

スラリー２６に含まれるバインダ樹脂はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルアルコール樹脂変性体、またはこれらの混合物であることが好ましい。このようにすることで、形成される熱処理前の被覆層１０ａは、コア部２との密着性に優れる。

溶剤は、水を含むことが好ましい。溶剤は水のみでもよいが、ガラス粉末の表面と水との接触角が大きいときは、エタノール、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、イソブチルアルコール（ＩＢＡ）等の水溶性のアルコールを一定の割合で混ぜることにより、ガラス粉末の凝集や沈降を抑制することが好ましい。

コア部２に吹き付けられたスラリー２６は、各コア部２の表面を覆い焼成前被覆層１０ａを形成する。この時、余分なスラリー２６は、図示省略してある排出パイプを通して排出される。ノズル２５からスラリー２６を吹き付ける処理時間は、特に限定されないが、たとえば３０〜１８０分程度である。また、スプレー時のスラリー２６の温度は、溶剤の組成にもよるが４０℃以上１００℃以下が好ましい。沸点の低い溶剤を使用する場合は、上記温度範囲内で温度を下げることが好ましい。

次に、スラリー２６をスプレーしながら同時に熱処理前の被覆層１０ａの乾燥処理を行う。乾燥処理では、入口管２３から乾燥用気体をケーシング２０ａの内部に流し込み、出口管２４から排出させる。この乾燥処理に用いる乾燥用気体は、たとえば温度５０〜１００℃の空気である。スプレー処理後、さらに乾燥処理を、たとえば５〜３０分行ってもよい。

乾燥処理後、熱処理前の被覆層１０ａが形成されたコア部２は、バレル容器２２から取り出され、熱軟化処理される。熱処理条件は、熱処理前の被覆層１０ａに含まれるガラス粉末の軟化点などに応じて決定される。具体的には、熱処理温度は、好ましくは６００〜８００℃であり、熱処理時間は、５〜１２０分である。

Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトの場合、熱処理は、酸素分圧０．１％以下での窒素ガス雰囲気下で焼成を行うことが好ましい。コア部２の酸化は、特性劣化の原因となるため、酸素分圧を低くすることで、酸化を防止することができるからである。

熱処理後、コア部２の表面には、ガラス化した被覆層１０が形成され、図１に示すフェライトコア１が得られる。なお、本実施形態では、ガラス化とは、連続された非晶質な個体膜で、結晶と同程度の剛性を持つ状態になることと定義される。

その後に、図３に示すように、各コア部２における一方の鍔部５の端面に、銀、チタン、ニッケル、クロム、銅などで構成された一対の端子電極３２を、印刷、転写、浸漬、スパッタ、メッキ法などで形成する。端子電極３２は、コア部２が導電性であっても、被覆層１０が存在しているために絶縁されている。

その後に、巻芯部４の周囲にワイヤ３０を巻回し、そのワイヤの両端を、それぞれ端子電極３２に熱圧着、超音波やレーザなどによる溶接、はんだ法などで接続し、本発明の一実施形態に係るコイル部品が完成する。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

たとえば、上述の実施形態においては、焼成されたコア部に対して、熱処理前の被覆層を形成し、これを熱処理して被覆層を形成したが、コア部の焼成と被覆層の熱処理とを同時に行ってもよい。このようにすることで、工程を簡略化できる。

また、脱バインダ工程において、スラリーに含まれるバインダ樹脂の有機成分が揮発しやすいように、ガラス粉末の粒径を特定の範囲としてもよい。このようにすることで、熱処理前の被覆層自体の強度を高めて、熱処理前の被覆層形成時におけるコア部の欠け等を防止することができる。

また、熱処理前の被覆層を形成する工程において、たとえばスラリーに含まれるバインダ樹脂の量を変化させることで、熱処理前の被覆層の表面付近の強度を、該被覆層のコア部との境界付近の強度よりも弱くなるようにしてもよい。このようにすることで、該被覆層の表面付近が犠牲膜の役割を果たし、コア部の欠け等を効果的に防止することができる。

さらに、熱処理前の被覆層を複数層とし、コア部に近い層に含まれるガラス組成物の軟化点よりも、該被覆層の表面側の層に含まれるガラス組成物の軟化点を高くしてもよい。そして、熱処理工程において、熱処理温度を、コア部に近い層に含まれるガラス組成物の軟化点より高く、かつ被覆層の表面側の層に含まれるガラス組成物の軟化点よりも低くする。このようにすることで、被覆層の表面側の層を犠牲膜とすることができ、コア部の欠け等を効果的に防止することができる。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

実施例１
コア部を構成するフェライト組成物の原料として、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ、ＭｎＯを準備した。そして、準備した原料の粉末を秤量した後、ボールミルで湿式混合して原料の混合物を得た。得られた混合物を、仮焼した後、さらに湿式粉砕・乾燥して原料粉末を得た。

この原料粉末に、バインダ樹脂としてのＰＶＡを添加して造粒して顆粒とした。この顆粒を加圧成形して、トロイダル形状（寸法＝外径１０ｍｍ×内径６ｍｍ×高さ３ｍｍ）の成形体を得た。

次に、この成形体を、空気中および窒素雰囲気中で焼成して、トロイダル形状の焼結体としてのコア部を得た。本実施例では、下記のコア部Ａ〜Ｃを試料として用いた。

コア部Ａは、組成が、Ｆｅ_２Ｏ_３：５３モル％、ＺｎＯ：２４モル％、ＭｎＯ：２３モル％であり、熱膨張係数は１０２×１０^−７／℃であった。

コア部Ｂは、組成が、Ｆｅ_２Ｏ_３：５５モル％、ＺｎＯ：２モル％、ＭｎＯ：４３モル％であり、熱膨張係数は１００×１０^−７／℃であった。

コア部Ｃは、組成が、Ｆｅ_２Ｏ_３：４９モル％、ＺｎＯ：２２モル％、ＮｉＯ：２２モル％、ＣｕＯ：残部であり、熱膨張係数は８０×１０^−７／℃であった。

次に被覆層を形成するためのガラス組成物の粉末を準備した。ガラス組成物としてはＳｉ−Ｂ系ガラスを用いた。Ｓｉ−Ｂ系ガラスは、ガラス成分を構成する酸化物等の原料を混合・溶融し、その後急冷して作製した。

本実施例では、Ｓｉ−Ｂ系ガラス中の成分の組成、含有量等を変化させて、熱膨張係数を変化させたガラス組成物Ｄ〜Ｇを用いた。ガラス組成物Ｄの熱膨張係数は６０×１０^−７／℃、ガラス組成物Ｅの熱膨張係数は６４×１０^−７／℃、ガラス組成物Ｆの熱膨張係数は１００×１０^−７／℃、ガラス組成物Ｇの熱膨張係数は１１０×１０^−７／℃であった。

なお、コア部およびガラス組成物の熱膨張係数は、ＴＭＡにより測定した。

次に、熱処理前の被覆層を形成するために用いられるスラリーを作製した。まず、得られたガラス組成物の粉末とＰＶＡとを所定の重量比で混合した。さらに、得られた固形成分（ガラス粉末およびＰＶＡの混合物）と溶剤とを所定の重量比で混合し、ボールミルで混合してスラリーを準備した。溶剤としては、水とエタノールを８：２で混合したものを用いた。スラリー中のガラス粉末に対するバインダ樹脂の含有量は１０重量％であった。

次に、バレル装置のバレル容器内にコア部を投入し、コア部の表面全体に、上述したスラリーを用いたスプレー処理により、被覆層を形成した。すなわち、被覆率が１００％となるようにした。また、スプレーと同時に、温風温度７０℃で乾燥処理した。

その後に、バレル容器から、熱処理前の被覆層が形成されたコア部を取り出し、このコア部を７５０℃で１時間熱処理して、ガラス化した被覆層がコア部の表面全体に形成されたフェライトコア（トロイダル形状）を得た。

得られたフェライトコアについて、被覆層の厚みおよび初透磁率(μｉ)を以下のようにして測定した。結果を表１に示す。

被覆層の厚み
被覆層の厚みは、被覆層形成前後の寸法より算出した。

初透磁率
得られたトロイダル形状のコアに銅線ワイヤを１０ターン巻きつけ、インピーダンスアナライザ（ヒューレットパッカード ４２８４Ａ）を使用して、初透磁率μｉを測定した。測定条件としては、測定周波数１ｋＨｚ、測定温度２５℃、測定レベル０．５ｍＡとした。結果を表１に示す。

表１より、試料１および２、試料３および４、試料５および６をそれぞれ比較すると、熱膨張係数がコア部の熱膨張係数よりも小さい被覆層を形成することで、初透磁率を改善できることが確認できた。

また、試料３および７を比較することで、被覆層の熱膨張係数と、コア部の熱膨張係数とが同じである場合には、初透磁率は、被覆層が形成されていない場合と同じであることが確認できる。また、試料３および８を比較することで、被覆層の熱膨張係数が、コア部の熱膨張係数よりも大きい場合には、逆に初透磁率が悪化していることが確認できる。これは、被覆層の熱膨張係数が、コア部の熱膨張係数よりも大きいため、被覆層にも圧縮応力が加わり、コア部の圧縮応力をさらに大きくし、その結果、初透磁率が悪化したと考えられる。

実施例２
コア部Ｂおよびガラス組成物Ｅを用いて、被覆率を表２に示すように変化させた以外は、実施例１と同様にして、フェライトコアを作製し、実施例１と同様の評価を行った。結果を表２に示す。

表２より、被覆率が大きくなるにつれ、初透磁率が改善されることが確認できる。

実施例３
コア部Ｂと、ガラス組成物ＥおよびＧを用いて、被覆層の厚みを変化させた以外は、実施例１と同様にして、フェライトコアを作製し、実施例１と同様の評価を行った。結果を図４に示す。

図４より、熱膨張係数がコア部Ｂよりも小さいガラス組成物Ｅを被覆層とした場合には、被覆層の厚みを５０μｍとした場合にも、初透磁率が改善されることが確認できる。これに対し、熱膨張係数がコア部Ｂよりも大きいガラス組成物Ｇを被覆層とした場合には、被覆層が存在することで、コア部Ｂにさらに圧縮応力が加えられるため、被覆層の厚みが大きくなるほど、初透磁率が低下することが確認できる。

１… フェライトコア
２… コア部
１０… 被覆層
１０ａ… 熱処理前被覆層
２０… バレル装置

Claims (2)

1. フェライト組成物で構成されるコア部と、前記コア部の表面の少なくとも一部に形成され、ガラス組成物から構成されている被覆層と、を有し、
   前記被覆層の熱膨張係数が、前記コア部の熱膨張係数よりも低く、
   前記被覆率が５０〜１００％であり、
   前記被覆層の厚みが、５μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とするフェライトコア。
2. 請求項１に記載のフェライトコアを有する電子部品。

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