JP5660698B2

JP5660698B2 - 酸化物磁性材料

Info

Publication number: JP5660698B2
Application number: JP2009006613A
Authority: JP
Inventors: 充次加藤; 清人小野; 松尾　良夫; 良夫松尾
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: JP2010163315A

Description

本発明は、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ｚｎを含む酸化物磁性材料に関するもので、より具体的には、初透磁率μ_ｉの周波数特性および表面抵抗について適正化し得るような主成分組成の改良に関する。

この種の酸化物磁性材料として、ＮｉＺｎ系フェライトは、比抵抗が高い特徴から高周波帯域での渦電流損失を小さくでき、高周波用のコア材料に用いることが多く、いわゆる通信用の用途など比較的に高周波領域での用途に好まれている。例えば積層インダクタといった積層チップ部品に用いられる。さらに近年では、電子部品の小型化、高周波化にともない、インダクタ、コモンコイル、チョークコイル等のコア材料として、電力変換部品やノイズ対策部品に広く用いられている。

比較的高周波領域での用途には、磁気特性はまず高周波透磁率が大きいということが最重要であると言えるが、改善すべき材質特性は適用製品に応じて多々あり、それぞれ適正化のための工夫が行われている。例えば特許文献１などには温度係数の改善を図る技術の提案があり、ＮｉＺｎ系フェライトについて組成の開示がある。

また、例えば特許文献２，３，４などには、高周波化およびコア損失の改善の観点で技術の提案があり、ＭｇＺｎ系フェライトについて組成の開示がある。例えば特許文献５，６などには、ＭｎＭｇＺｎ系フェライトについて組成の開示があり、これらも高周波化およびコア損失の改善の観点で技術を提案している。さらに例えば特許文献７，８などには、飽和磁束密度の向上およびコア損失の改善の観点で技術の提案があり、ＭｎＭｇＣｕＺｎ系フェライトについて組成の開示がある。

特開昭５５−１３６１７２号公報特開平５−５１２４９号公報特開平８−１２３３５号公報特開平１０−２５１１４号公報特公平５−７５７１４号公報特開平１１−３３５１６０号公報特開平１１−３４３１２１号公報特開２０００−４４２４９号公報

上述したように、この種の酸化物磁性材料では磁気特性を適用製品に応じて適宜それぞれ適正化するようにしている。しかし、磁気特性と共に重要な課題にコストがあり、見逃すことができない要素と言える。つまり、酸化物磁性材料の製造コストを安価に抑えたい要求がある。ところが、高周波領域での用途に好ましいＮｉＺｎ系フェライトは、Ｎｉが高価で原料コストが高くなる問題があり対策が望まれている。

この発明は上述した課題を解決するもので、その目的は、ＮｉＺｎ系フェライトと同等に高周波透磁率が大きく良好特性であり表面抵抗が大きく、そしてコストの削減に有利性があり、ＮｉＺｎ系フェライトの置き換えに好適に利用できる酸化物磁性材料を提供することにある。

上述した課題を達成するために、本発明の酸化物磁性材料は、（１）Ｆｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ｚｎを含む酸化物磁性材料であって、主成分は
Ｆｅ _２Ｏ _３が５０．１〜５４．４ｍｏｌ％，
ＭｎＯが１２．７〜２０．３ｍｏｌ％，
ＺｎＯが１０．３〜２５．０ｍｏｌ％，
ＣｕＯが５〜１５ｍｏｌ％，
残部をＭｇＯとする組成であり、
初透磁率μｉの変化率Δμｉ／μｉが周波数１０〜１００ｋＨｚにおいて５％未満であり、表面抵抗が１０ ^７［Ω］以上であることとした。

（２）添加剤として、ＺｒＯ _２を０．５ｗｔ％あるいは０．５ｗｔ％よりも少ない微量を追加して添加する組成に構成する。

本発明では、Ｆｅ _２Ｏ _３，ＭｎＯ，ＺｎＯ，ＣｕＯおよびＭｇＯを上述した所定の配合比とすることにより、得られた焼結体は、表面抵抗を高く得ることができ、高い初透磁率μｉを良好な周波数特性に得ることができる。上述した本発明に係る組成は実験から見いだした結果であり、焼結体の材質特性は、初透磁率μｉの変化率Δμｉ／μｉが周波数１０〜１００ｋＨｚにおいて５％未満であり、表面抵抗が１０^７［Ω］以上であることを確認した。

Ｆｅ _２Ｏ _３が５０ｍｏｌ％を超える組成は、表面抵抗が低下することから一般的には採用しないが、組成を変更した試料を製造して評価試験を行ったところ、ＭｎＯを比較的に多量に配合することにより表面抵抗を高く維持できることを見いだした。ＭｎＯの配合は１２．７〜２０．３ｍｏｌ％程度が好ましく、このとき表面抵抗は１０^７［Ω］程度に高く得ることができ、そして、ＮｉＺｎ系フェライトと同程度に高い初透磁率μｉを良好な周波数特性に得ることができる。

本発明に係る酸化物磁性材料では、主成分はＦｅ _２Ｏ _３が５０．１〜５４．４ｍｏｌ％，ＭｎＯが１２．７〜２０．３ｍｏｌ％，ＺｎＯが１０．３〜２５．０ｍｏｌ％，ＣｕＯが５〜１５ｍｏｌ％であり残部をＭｇＯとする組成にするので、これによる焼結体（酸化物磁性材料）は、混合した各材料の特質を相互に作用させたものとなる。

焼結体の材質特性は、初透磁率μｉの変化率Δμｉ／μｉが周波数１０〜１００ｋＨｚにおいて５％未満となり、表面抵抗が１０^７［Ω］以上となる。すなわち本発明に係る焼結体はＮｉＺｎ系フェライトと同等に高周波透磁率が大きく良好特性であり、表面抵抗が大きく、このため、ＮｉＺｎ系フェライトの置き換えに好適に利用できる。そして、本発明に係る組成は、価格が高いニッケルを使用しない組成なので原料コストを大幅に低減でき、コストの削減に好ましい。

初透磁率μｉの周波数特性を示すグラフであり、比較例１１，１４および比較例１，２の特性を示している。初透磁率μｉの周波数特性を示すグラフであり、実施例１１〜１５の特性を示している。

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。本発明に係る酸化物磁性材料は、酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３），酸化マンガン（ＭｎＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化銅（ＣｕＯ）等を主成分とし、いわゆるＭｎＭｇＣｕＺｎ系フェライトの組成になっている。具体的には、主成分は
酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３）が５０．１〜５４．４ｍｏｌ％，
酸化マンガン（ＭｎＯ）が１２．７〜２０．３ｍｏｌ％，
酸化亜鉛（ＺｎＯ）が１０．３〜２５．０ｍｏｌ％，
酸化銅（ＣｕＯ）が５〜１５ｍｏｌ％であり
残部を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）とする組成にし、
初透磁率μｉの変化率Δμｉ／μｉが周波数１０〜１００ｋＨｚにおいて５％未満であり、表面抵抗が１０ ^７［Ω］以上としている。

また添加剤として、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ _２）を０．５ｗｔ％あるいは０．５ｗｔ％よりも少ない微量を追加して添加する組成を採ることもよい。

製造には、まず上述した各原料成分を所定量秤量して湿式混合する。例えばボールミルで粉砕しつつ混ぜて混合粉体を製造し、これを乾燥させて解砕し、次に仮焼きする。仮焼きは、例えば電気炉を使用して大気中で温度を７５０℃程度とする。

仮焼きすることでは粒成長するので、次にボールミル等によりそれを再び粉砕し、粉砕は所定時間行う。この粉体に対して、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加えてスラリを形成し、スプレードライにより造粒して所定粒径の粉体を得る。

次に、造粒した粉体に成形のための圧力を加えて、例えばリング形状に成形し、この後、ガス炉等で焼成を行う。焼成は、例えば大気中で温度を１０００〜１２５０℃とし、所定時間の焼成により焼結体を製造する。

この焼結体は、平均結晶粒子径が所定値となるように製造しており、これは各原料の均一化および高精度な秤量制御，焼成工程における高精度制御など、製造工程の全般についての精緻化により実現している。

酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３）の配合は、５０ｍｏｌ％を超えると初透磁率μｉの周波数特性を良好に得ることができる。ただし、酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３）の成分量が増すことでは表面抵抗が下がるため、酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３）は５０．１〜５１．０ｍｏｌ％が好ましい。表面抵抗が比較的に低値でも問題ない使用環境では、酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３）の成分量は５１．０ｍｏｌ％を上回ることは制限なく、上限は５４．４ｍｏｌ％程度であると言える。

酸化マンガン（ＭｎＯ）の配合は、１２．７ｍｏｌ％以下では表面抵抗が１０^７［Ω］以下となり、要求仕様が厳しい場合には好ましくない。逆に、酸化マンガン（ＭｎＯ）が３．８ｍｏｌ％以下では初透磁率μｉが低下する。また、酸化マンガン（ＭｎＯ）が２０．３ｍｏｌ％以上になると他の成分の割合が減ってしまい、初透磁率μｉの低下が起きてしまう。このため、酸化マンガン（ＭｎＯ）の配合は１２．７〜２０．３ｍｏｌ％の範囲内が好ましく、１６．３ｍｏｌ％程度までに制限することがより好ましいことが分かっている。

酸化亜鉛（ＺｎＯ）の配合は、１０．３ｍｏｌ％以下では初透磁率μ_ｉが小さくなり実用上適さない。逆に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が２５．５ｍｏｌ％以上ではキュリー点の低下を招き、これも実用上適さない。したがって、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の配合は１０．３〜２５．０ｍｏｌ％の範囲内が好ましい。

酸化銅（ＣｕＯ）の配合は、５ｍｏｌ％未満では焼成を比較的に低温（１０００〜１２５０℃程度）で行うことができなくなる。逆に、酸化銅（ＣｕＯ）が１５ｍｏｌ％を超えると、初透磁率μ_ｉの低下があり、飽和磁束密度が低下し、キュリー点の低下が起きる。したがって、酸化銅（ＣｕＯ）の配合は５〜１５ｍｏｌ％の範囲内が好ましい。

酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は他の成分の割合を維持させるため配合しており、これは組成の補充的な役割を果たし、他の成分との割合関係から配合は４．０〜１６．０ｍｏｌ％程度になる。

ここに本発明に係る組成にあっては、Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ｚｎを含むＭｎＭｇＣｕＺｎ系のフェライト組成について各成分の配合がきわめて適正値となっており、混合した各材料の特質を相互に作用させることができ、磁気特性を良好に得ることができる。具体的には後述する実施例に示すように、本発明に係る組成による焼結体は、材質特性が、初透磁率μｉの変化率Δμｉ／μｉが周波数１０〜１００ｋＨｚにおいて５％未満となり、表面抵抗が１０^７［Ω］以上となるようになっている。

したがって、十分に高い透磁率を周波数１０〜１００ｋＨｚにおいて安定に得ることができ、表面抵抗も高く確保できる。その結果、ＮｉＺｎ系フェライトの置き換えに好適に利用することができ、インダク夕，コモンコイル，チョークコイル等のコア材料に好ましく利用することができる。

本発明に係る組成は、価格が高いニッケルを使用しない組成なので、原料コストを大幅に低減できる。具体的には、ＮｉＺｎ系フェライトに比べて原材料費は半分以下にすることができる。

また、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ _２）を添加した場合、初透磁率μｉを上げることができる。酸化ジルコニウム（ＺｒＯ _２）の添加量は０．５ｗｔ％あるいは０．５ｗｔ％よりも少ない微量とし、所望する特性に応じて適宜に調整することが好ましいことが分かっている。

以上により本発明にあっては、ＮｉＺｎ系フェライトと同等に高周波透磁率が大きく良好特性であり表面抵抗が大きく、そしてコストの削減に好ましく、ＮｉＺｎ系フェライトの置き換えに好適に利用できる。

上述した製造手順により試料を製造した。つまり、本発明の効果を実証するため、組成を変更して複数の試料を製造し、それら各試料について初透磁率μ_ｉの変化率Δμ_ｉ／μ_ｉ，表面抵抗を測定した。

（実施例８〜１０，比較例１〜４，１１〜１７）
試料は表１に示すように、組成を変更した１４個の試料とし、外形をリング形状のものとした。主成分の配合は、酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３）は４９．０〜５６．２ｍｏｌ％の範囲で変更し、酸化マンガン（ＭｎＯ）は３．５〜１６．３ｍｏｌ％の範囲で変更し、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は２１．９〜２３．２ｍｏｌ％の範囲で変更し、酸化銅（ＣｕＯ）は７．０ｍｏｌ％とし、残部となる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は４．０〜１５．９ｍｏｌ％の範囲で変更し、これらの組み合わせから１４の試料を用意した。また、これら各組成による焼結体は、平均結晶粒子径が所定値となるように製造しており、これは各原料の均一化および高精度な秤量制御，焼成工程における高精度制御など、製造工程の全般についての精緻化により実現した。

製造時の条件は、仮焼きは大気中で７５０℃のトップ温度で行い、仮焼き後の粉砕はボールミルにより２０時間の粉砕を行った。そして、この粉体にポリビニルアルコール（ＰＶＡ）をｌｗｔ％添加して造粒を行った。リング形状の成形物に対して焼成は、大気中で１１６０〜１２２０℃のトップ温度により２時間行い、焼結体を得た。

初透磁率μ_ｉの測定にはインピーダンスアナライザを使用し、周波数１０ｋＨｚ〜４０ＭＨｚ，電流０．０１Ａにおいて初透磁率μ_ｉの周波数特性を測定した。表面抵抗の測定にはオームメータを使用し、電極間の距離２０ｍｍ，電圧５００Ｖの条件により測定を行った。初透磁率μ_ｉの変化率Δμ_ｉ／μ_ｉは、以下の式（１）により求めた。

Δμ_ｉ／μ_ｉ＝［｜μ_ｉ100kHz−μ_ｉ10kHz｜／μ_ｉ100kHz ］×１００ … （１）

各試料について初透磁率μｉの変化率Δμｉ／μｉ，表面抵抗を測定したところ、本発明に係る組成の実施例８から実施例１０についてその磁気特性を確認した。そして、他の１１の試料はすべて比較例となる。また、図１は初透磁率μｉの周波数特性を示すグラフであり、比較例１１，１４および比較例１，２の特性を示している。

表１に示す測定結果から明らかなように、各原料成分の特質を相互に作用させて好適な磁気特性を発現させるには、各成分の組成を本発明に係る所定範囲とすることが好ましい。すなわち、主成分は
酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３）が５０．１〜５４．４ｍｏｌ％，
酸化マンガン（ＭｎＯ）が１２．７〜２０．３ｍｏｌ％，
酸化亜鉛（ＺｎＯ）が１０．３〜２５．０ｍｏｌ％，
酸化銅（ＣｕＯ）が５〜１５ｍｏｌ％であり
残部を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）とする組成は、表１に示す実施例８〜１０が該当する。これらのものでは、初透磁率μｉの変化率Δμｉ／μｉが周波数１０〜１００ｋＨｚにおいて５％未満となり、表面抵抗が１０^７［Ω］以上となる材質特性が得られることを確認した。

図１から明らかなように、酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３）が５０ｍｏｌ％を超えると初透磁率μｉの変化率Δμｉ／μｉが大幅に改善する。また、比較例３から分かるように、酸化マンガン（ＭｎＯ）が３．８ｍｏｌ％に満たない場合は、表面抵抗が大きく低下し、１０^７［Ω］を得ることができない。

（実施例１１〜１５）
次に、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ _２）を添加する組成について試料を製造した。試料は表２に示すように、組成を変更した５つの試料とし、外形をリング形状のものとした。主成分の配合は、酸化鉄（Ｆｅ _２Ｏ _３）は５０．８ｍｏｌ％とし、酸化マンガン（ＭｎＯ）は６．３ｍｏｌ％とし、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は２３．２ｍｏｌ％とし、酸化銅（ＣｕＯ）は７．０ｍｏｌ％とし、残部となる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は１２．７ｍｏｌ％とし、そして、添加剤の酸化ジルコニウム（ＺｒＯ _２）は０〜０．５ｗｔ％の範囲で変更し、これらの組み合わせから５つの試料を用意した。製造工程および製造時の条件は、上述した表１の試料と同様であり、同様に焼結体を得た。

各試料について初透磁率μｉの変化率Δμｉ／μｉ，表面抵抗を測定した。さらに本発明に係る組成の実施例１１から実施例１５についてその磁気特性を確認した。表２に示す測定結果から明らかなように、これらのものでは、初透磁率μｉの変化率Δμｉ／μｉが周波数１０〜１００ｋＨｚにおいて５％未満となり、表面抵抗が１０^７［Ω］以上となる材質特性が得られることを確認した。

一方、図２は初透磁率μｉの周波数特性を示すグラフであり、実施例１１〜１５の特性を示している。図２から明らかなように、初透磁率μｉが最も高いものは、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ _２）を０．２ｗｔ％添加した実施例１３であるが、主成分の配合比および所望する仕様特性によって最適な添加量が変わってくる。このため、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ _２）の添加は、０〜０．５ｗｔ％の範囲内で適宜に調整することが好ましい。

Claims

Ｆｅ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ｚｎを含む酸化物磁性材料であって、主成分は、
Ｆｅ _２Ｏ _３が５０．１〜５４．４ｍｏｌ％，
ＭｎＯが１２．７〜２０．３ｍｏｌ％，
ＺｎＯが１０．３〜２５．０ｍｏｌ％，
ＣｕＯが５〜１５ｍｏｌ％，
残部をＭｇＯとする組成であり、
初透磁率μｉの変化率Δμｉ／μｉが周波数１０〜１００ｋＨｚにおいて５％未満であり、表面抵抗が１０ ^７［Ω］以上であることを特徴とする酸化物磁性材料。
添加剤として、ＺｒＯ _２を０．５ｗｔ％あるいは０．５ｗｔ％よりも少ない微量を追加して添加することを特徴とする請求項１に記載の酸化物磁性材料。