JP5212305B2 - 磁性材料とそれを用いたコイル部品 - Google Patents

Description

この発明は、一般的には磁性材料とそれを用いたコイル部品に関し、特定的には、たとえば、高周波数領域において使用されるインダクタのコア部材等に適した高周波用磁性材料とそれを用いたコイル部品に関する。

近年、電子機器の小型化、軽量化に伴い高周波化が進められている。これに応じて、電子機器の構成部品について高周波化に対応することが求められている。このような構成部品の中で、酸化物磁性材料からなるコア部材を備えたインダクタにおいても高周波化への対応が求められている。

インダクタのコア部材に用いる材料としては、磁性体と誘電体がある。磁性体としてはスピネル型酸化物磁性材料が用いられ、誘電体としてはガラスまたは誘電体セラミックスが用いられている。

スピネル型酸化物磁性材料は、結晶構造が立方晶であって比較的透磁率が高いことから各種のインダクタ、電源トランス等に用いられている。特に高周波数領域において使用されるインダクタのコア部材には、ニッケル系酸化物磁性材料、たとえば、ニッケル（Ｎｉ）フェライトが使用されている。

しかしながら、スピネル型酸化物磁性材料には、ある周波数以上で透磁率が急激に減少するという欠点がある。特にニッケルフェライトでは、１００ＭＨｚを超えた周波数付近から、透磁率の実部（μ’）が低下し、透磁率の虚部（μ”）が高くなるため、ニッケルフェライトは、１００ＭＨｚを超えた高周波数領域で使用されるインダクタのコア部材には使用することができないという問題がある。

そこで、高周波数領域で使用されるインダクタのコア部材に、ガラスまたは誘電体セラミックスが用いられる場合がある。

しかしながら、ガラスまたは誘電体セラミックスは非磁性体であるので、インダクタにおいて必要なインダクタンスを得るためには、コア部材の周りに配置される巻き線の巻き数を多くする必要がある。これにより、インダクタを小型化することが困難になる。

したがって、インダクタのコア部材の材料としては、磁性体でありながら、高周波数領域で透磁率（実部）が低下しない材料が望まれている。このような要求に応える材料として、六方晶系酸化物磁性材料、たとえば、Ｚ型六方晶フェライトが検討されている。

たとえば、特開２０００−２３５９１６号公報（以下、特許文献１という）には、高周波数領域において高い透磁率が得られる磁性材料として、組成式Ｂａ_３Ｃｏ_２（Ｍ_ｘＮ_ｘ）Ｆｅ_{２４−２ｘ}Ｏ_４１で表わされ、ＭがＺｎであり、ＮがＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｉｒから選ばれた少なくとも１種を含み、モル％であるｘが０＜ｘ≦３の範囲内である高周波用磁性材料が提案されている。

特開２０００−２３５９１６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された磁性材料では、１００ＭＨｚを超えた周波数領域で高い透磁率が得られるが、高周波数領域で透磁率が低下し始める周波数が組成によって異なり、周波数の増大に対して透磁率が低下する変化曲線もばらつく。このため、幅広い高周波数領域で安定した高い透磁率を得ることができない。したがって、この磁性材料は、高周波数領域で使用されるインダクタのコア部材に適していない。

そこで、この発明の目的は、幅広い高周波数領域で安定した高い透磁率を得ることが可能な磁性材料とそれを用いたコイル部品を提供することである。

この発明に従った磁性材料は、組成式Ｂａ_3+yＣｏ₂Ｆｅ_24-x-yＳｎ_xＯ_41-δで表わされる化合物を主成分とし、上記の組成式においてｘ、ｙは、モル比を示し、それぞれ、０＜ｘ≦２．０、０．０２≦ｙ≦０．６を満たすことを特徴とする。

この発明に従ったコイル部品は、上述の特徴を有する磁性材料からなるコア部材を備える。

この発明のコイル部品において、コア部材が、巻芯部と、この巻芯部の軸方向端部に形成された鍔部とを含み、巻芯部の周りに配置された巻線をさらに備えることが好ましい。

本発明の磁性材料は、１００ＭＨｚを超えた周波数領域で高い透磁率が得られるとともに、高周波数領域で透磁率が低下し始める周波数が組成によってあまり異ならず、周波数の増大に対して透磁率が低下する変化曲線もほぼ一定であるので、幅広い高周波数領域で安定した高い透磁率を得ることができる。また、透磁率の温度変化率を低減することができる。したがって、本発明の磁性材料は、高周波数領域で使用されるインダクタのコア部材等のコイル部品に適用することができるので、電子機器の小型化や軽量化に寄与することができる。また、本発明の磁性材料は、温度変化の大きな環境で用いられる電子機器に組み込まれる構成部品に適用することができる。

本発明の磁性材料が適用されるコイル部品の一つの実施の形態として巻線型コイルを示す斜視図である。 本発明の実施例で作製された磁性材料において測定された透磁率の実部（μ’）と虚部（μ”）の周波数特性を示す図である。

本発明の磁性材料は、組成式Ｂａ_３＋ｙＣｏ_２Ｆｅ_{２４−ｘ−ｙ}Ｓｎ_ｘＯ_４１−δで表わされる化合物を主成分とし、上記の組成式においてｘ、ｙは、モル比を示し、それぞれ、０＜ｘ≦２．０、０≦ｙ≦０．６を満たす。好ましくは、ｙは、０．０２≦ｙ≦０．６を満たす。

上記の組成は、結晶構造がＺ型フェライト相であるＢａ_３Ｃｏ_２Ｆｅ_２４Ｏ_４１系において、Ｆｅの一部がＳｎで置換され、Ｂａが過剰で、Ｆｅが不足している非化学量論組成となっている。

このようにしてＦｅの一部をＳｎと置換すると、飽和磁化が大きくなり、保磁力が小さくなるので、高周波数領域で高い透磁率（実部）を得ることが可能になる。これに対して、他の元素でＦｅの一部を置換すると、異相が生成することにより、高周波数領域で透磁率が低下し始める周波数が組成によって異なり、周波数の増大に対して透磁率が低下する変化曲線もばらつく。しかし、Ｆｅの一部をＳｎと置換すると、異相の生成が抑制されるため、周波数の増大に対して透磁率が低下する変化曲線をほぼ一定にして、１００ＭＨｚを超えた周波数領域で高い透磁率を得ることができる。したがって、幅広い高周波数領域で安定した高い透磁率を得ることができる。ｘとｙが、それぞれ、０＜ｘ≦２．０、０≦ｙ≦０．６を満たす場合には、１５を超える透磁率を得ることができる。さらに、ｙが０．０２≦ｙ≦０．６を満たす場合には、２０を超える透磁率を得ることができる。

また、Ｆｅの一部をＳｎと置換することにより、透磁率の温度変化率が小さくなる。ｘとｙが、それぞれ、０＜ｘ≦２．０、０≦ｙ≦０．６を満たす場合には、室温（２５℃）から−２５℃までの範囲、室温（２５℃）から８５℃までの範囲において、透磁率の温度変化率を５％未満に低減することができる。さらに、ｙが０．０２≦ｙ≦０．６を満たす場合には、室温（２５℃）から−２５℃までの範囲、室温（２５℃）から８５℃までの範囲において、透磁率の温度変化率を３％未満に低減することができる。

さらに、結晶構造がＺ型フェライト相であるＢａ_３Ｃｏ_２Ｆｅ_２４Ｏ_４１系において、Ｂａが過剰で、Ｆｅが不足している非化学量論組成にすることにより、Ｚ型フェライト相の合成度、すなわち、Ｚ型フェライト相の含有率を高めることができる。これにより、高い透磁率を得ることができる。たとえば、Ｚ型フェライト相の含有率を８０％以上に高めることができる。

上記の特徴を有する磁性材料を用いて構成されるコイル部品の一例について説明する。

図１に示すように、巻線型コイル１は、コア部材２と、電極部３と、巻線４とを備える。コア部材２は、巻芯部５と、巻芯部５の軸方向の両端部に形成された二つの鍔部６とを含む。巻芯部５は、たとえば、軸方向に直交する横断面として長方形断面を有し、軸方向に細長い柱状の直方体から構成される。鍔部６は、軸方向に直交する横断面として巻芯部５の長方形断面よりも大きな長方形断面を有し、軸方向に厚みの薄い直方体において、巻芯部５との境界部で曲面部７０を有するように凹部７が形成されている。鍔部６の一つの周壁面上には、電極部３が設けられている。電極部３には、巻芯部５の周りに配置された巻線４の端部である引き出し部分４１が、たとえば、はんだ付け等によって接続されている。

上述のように構成された巻線型コイル１において、コア部材２の材料として本発明の磁性材料が適用される。

以下、本発明の磁性材料を作製した実施例について説明する。

表１に示す組成を有する試料番号１〜１７の磁性材料の試料を作製した。表１において、＊印が付されている試料番号は、組成式Ｂａ_３＋ｙＣｏ_２Ｆｅ_{２４−ｘ−ｙ}Ｓｎ_ｘＯ_４１−δにおいて、ｘとｙが０＜ｘ≦２．０、０≦ｙ≦０．６を満たさない組成を有する試料であることを示し、＊＊印が付されている試料番号は、ｘとｙが０＜ｘ≦２．０、０．０２≦ｙ≦０．６を満たさない組成を有する試料であることを示す。

［試料番号１〜１７の試料の作製］
ＢａＣＯ_３(比表面積が１０〜１５ｍ^２／ｇ)、ＳｎＯ_２(比表面積が３〜８ｍ^２／ｇ)、Ｃｏ_３Ｏ_４(比表面積が１０〜１５ｍ^２／ｇ)、Ｆｅ_２Ｏ_３(比表面積が５〜１０ｍ^２／ｇ)の原料粉を、表１に示すモル比率で組成式Ｂａ_３＋ｙＣｏ_２Ｆｅ_{２４−ｘ−ｙ}Ｓｎ_ｘＯ_４１−δになるように秤量した。秤量した粉体をボールミルで混合した後、大気中にて１２００〜１３００℃の温度で１０時間仮焼した。これらの仮焼粉末をボールミルで粉砕した後、大気中にて１２００〜１３００℃の温度で１０時間仮焼した。２回の仮焼によって得られた仮焼粉をボールミルで粉砕した後に、バインダーとしてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を添加してスプレー造粒し、プレス成形した。得られた成形体を１２００〜１３５０℃の温度で焼成することにより、焼結体を得た。

［透磁率の測定］
ＪＩＳ規格Ｃ−２５６０−２の附属書に示されているように、各試料を、外径が１０ｍｍ、内径が６ｍｍ、厚みが２ｍｍのリング形状に加工して、各試料の焼結体の透磁率を測定した。各試料の透磁率μ’（実部）、μ”（虚部）の測定は、アジレント・テクノロジー社製のインピーダンスアナライザ（型番ＨＰ４２９１Ａ）を用いて行った。２５０ＭＨｚの周波数のときの透磁率μ’とＱ（＝μ’／ μ”）の測定結果を表１に示す。また、ｘが０、１．０、２．０のときの試料について透磁率μ’、μ”の周波数特性を図２（μ’:太線、μ”:細線）に示す。

［透磁率の温度変化率の測定］
透磁率μ’の温度変化率は、温度槽とアジレント・テクノロジー社製のインピーダンスアナライザ（型番ＨＰ４２９１Ａ）を用いて、−２５℃〜２５℃と２５℃〜８５℃の温度範囲におけるμ’の変化率（２５℃基準）を以下の式より求めた。透磁率μ’の温度変化率の算出結果を表１に示す。

Δμ’／ μ’（-25〜25℃）=｛μ’(-25℃)- μ’（25℃）｝／μ’（25℃）×100(%)
Δμ’／ μ’（85〜25℃）=｛μ’(85℃)- μ’（25℃）｝／μ’（25℃）×100(%)

［Ｚ型フェライト相の含有率の測定］
Ｚ型フェライト相の合成度、すなわち、Ｚ型フェライト相の含有率は、Ｘ線回折法を用いて、Ｚ型フェライト相の相対強度比を求めることにより、推定した。その結果を表１のＺ相含有率に示す。

表１に示す結果から、結晶構造がＺ型フェライト相であるＢａ_３．２Ｃｏ_２Ｆｅ_{２３．８−ｘ}Ｓｎ_ｘＯ_４１−δにおいて、Ｆｅサイトの一部にＳｎが置換されると、２５０ＭＨｚの周波数のときの透磁率μ’が高くなることがわかる。しかし、表１に示す試料番号８のデータから、Ｓｎの置換量（ｘ）が２モルを超えると、焼結性の低下により、透磁率μ’が低くなることがわかる。すなわち、ｘとｙが、それぞれ、０＜ｘ≦２．０、０≦ｙ≦０．６を満たす場合には、１５を超える透磁率を得ることができることがわかる。さらに、ｙが０．０２≦ｙ≦０．６を満たす場合には、２０を超える透磁率を得ることができることがわかる。

また、Ｆｅサイトの一部にＳｎが置換されると、透磁率μ’の温度変化率が小さくなることがわかる。しかし、表１に示す試料番号８のデータから、Ｓｎの置換量が２モルを超えると、透磁率μ’の温度変化率が大きくなることがわかる。すなわち、ｘとｙが、それぞれ、０＜ｘ≦２．０、０≦ｙ≦０．６を満たす場合には、室温（２５℃）から−２５℃までの範囲、室温（２５℃）から８５℃までの範囲において、透磁率の温度変化率を５％未満に低減することができることがわかる。さらに、ｙが０．０２≦ｙ≦０．６を満たす場合には、室温（２５℃）から−２５℃までの範囲、室温（２５℃）から８５℃までの範囲において、透磁率の温度変化率を３％未満に低減することができることがわかる。

さらに、表１において試料番号９とそれ以外の試料番号のデータから、結晶構造がＺ型フェライト相であるＢａ_３Ｃｏ_２Ｆｅ_２４Ｏ_４１系において、Ｂａが過剰で、Ｆｅが不足している非化学量論組成にすることにより、Ｚ型フェライト相の合成度、すなわち、Ｚ型フェライト相の含有率が向上し、透磁率μ’が高くなることがわかる。すなわち、Ｚ型フェライト相の含有率を８０％以上に高めることができることがわかる。

今回開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものであることが意図される。

本発明の磁性材料は、高周波数領域で使用されるインダクタのコア部材等のコイル部品に適用することができるので、電子機器の小型化や軽量化に寄与することができる。また、本発明の磁性材料は、温度変化の大きな環境で用いられる電子機器に組み込まれる構成部品に適用することができる。

１：巻線型コイル、２：コア部材、３：電極部、４：巻線、５：巻芯部、６：鍔部、７：凹部、４１：引き出し部分、７０：曲面部。

Claims (3)

1. 組成式Ｂａ_3+yＣｏ₂Ｆｅ_24-x-yＳｎ_xＯ_41-δで表わされる化合物を主成分とし、前記ｘ、ｙは、モル比を示し、それぞれ、０＜ｘ≦２．０、０．０２≦ｙ≦０．６を満たすことを特徴とする、磁性材料。
2. 請求項１に記載の磁性材料からなるコア部材を備えた、コイル部品。
3. 前記コア部材が、巻芯部と、この巻芯部の軸方向端部に形成された鍔部とを含み、前記巻芯部の周りに配置された巻線をさらに備えた、請求項２に記載のコイル部品。

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