JP5737117B2

JP5737117B2 - フェライト組成物、フェライトコアおよび電子部品

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Publication number: JP5737117B2
Application number: JP2011219487A
Authority: JP
Inventors: 栄光 ▲高▼木; 伊藤　守; 守伊藤; 綱伊藤; 弘勝佐々木; 達哉川口
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-10-03
Also published as: JP2013079163A

Description

本発明は、フェライト組成物と、該フェライト組成物から構成されるフェライトコアと、該フェライトコアを有する電子部品に関する。

近年、携帯機器等の各種電子機器の小型・軽量化が急速に進み、それに対応すべく、各種電子機器の電気回路に用いられる電子部品の小型化・高効率化・高周波数化への要求が急速に高まっている。

たとえば液晶バックライト用トランスなどは、ディスプレーの薄型化に伴い、より小さく、より薄い形状で、従来のものと同等以上の特性を持つことが要求されている。このようなトランスに用いられるコアに要求される特性としては、たとえば、使用周波数領域および使用温度領域での電力損失が小さいこと、飽和磁束密度Ｂｓが高いこと、比抵抗が高いことが挙げられる。従来、このようなトランスに用いられるコアの材料としては、電力損失の小さいＭｎ−Ｚｎ系フェライトが多く使用されてきた。

しかしながら、Ｍｎ―Ｚｎ系フェライトは、比抵抗が低く、直巻線ができず、コアにボビンを介して巻線を行う必要があり、小型化・薄型化には限界があった。また、使用周波数が高周波数になるほど、渦電流損失が増加するため、高周波数領域、たとえば、ＭＨｚ領域における使用には適していないという問題があった。

これに対し、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトは、上記のＭｎ−Ｚｎ系フェライトに比べて電力損失は大きいものの、比抵抗が高く、直巻線が可能である。しかし、主原料であるＮｉＯの原料費が高価であり、工業的にはＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトの材料コストを下げることが大きな課題とされていた。

このような課題を解決するべく、材料コストを下げることを目的として、ＮｉＯよりも安価なＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）_２またはＭｇＣＯ_３を用いたＭｇ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトが注目され、種々の改良がなされている。

例えば、特許文献１においては、低損失酸化物磁気材料として、Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ−Ｍｇ系フェライトが開示されている。この特許文献１では、電力損失を低減できると共に、比抵抗率が高く、ボビンが不要であり、電源の小型化、軽量化、および低コスト化の効果が期待できるフェライト組成物を提供することを目的とする。

しかしながら、この特許文献１では、低コスト化を図るためＮｉの含有量を低減するに従い、飽和磁束密度Ｂｓが悪化する傾向があり、磁気特性に問題があった。特に、ＮｉＯの含有量が２０モル％（特許文献１の比較品１８）以下の場合には、飽和磁束密度Ｂｓは３８４ｍＴ程度と、十分な値ではなかった。

さらに、このような特許文献１では、４００ｍＴ以上の高い飽和磁束密度Ｂｓ得るためには、ＮｉＯの含有量を２１モル％以上とする必要があり（特許文献１の発明品１６）、十分な材料コストの低減が図れていなかった。

特開２０００−３０６７１９号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、高い飽和磁束密度Ｂｓを維持することができ、かつ低コスト化が可能なフェライト組成物と、該フェライト組成物で構成してあるフェライトコアと、該フェライトコアを有する電子部品とを、提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るフェライト組成物は、主成分が、酸化鉄をＦｅ_２Ｏ_３換算で４７．０〜４９．７モル％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で１８．０〜２６．０モル％、酸化ニッケルをＮｉＯ換算で１３．０〜２０．０モル％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で４．０〜８．０モル％含有し、残部が酸化銅で構成されており、前記主成分１００重量％に対して、副成分として、リンをＰ換算で５〜８０ｐｐｍ、二酸化ケイ素をＳｉＯ_２換算で１００〜８００ｐｐｍ、酸化タングステンをＷＯ_３換算で０．０５〜０．２５重量％含有することを特徴とする。

主成分を構成する酸化物の含有量を上記の範囲とし、さらに副成分としてリン、酸化ケイ素および酸化タングステンを上記の範囲で含有させることにより、高い飽和磁束密度Ｂｓを維持することができ、かつ低コスト化を図ることができる。

このような効果が得られる理由は必ずしも明らかではないが、主成分と共に、副成分であるリン、酸化ケイ素および酸化タングステンを上記の範囲で共存させることで得られる複合的な効果が大きく影響していると考えられる。このような複合効果は、フェライト組成物中において、Ｎｉの含有量の低減を可能とし、主成分１００モル％中のＮｉＯの含有量が２０モル％以下の場合であっても、高い飽和磁束密度Ｂｓを維持することが可能となると考えられる。

さらに、本発明のフェライト組成物は、初期透磁率μｉを所定以上の値（例えば２７０以上）に制御することができる。そのため、上記のいずれかに記載のフェライト組成物から構成される本発明に係るフェライトコアは、高周波領域、例えばＭＨｚ領域での使用に適する点で優れている。

本発明に係る電子部品は、上記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。本発明に係る電子部品は高いインダクタンスとキュリー点を有しているため、ＤＣ−ＤＣコンバータ、インダクタやチョークコイル等のコイル部品として好適である。また、スイッチング用、インバータ用等の電源トランス等のトランス部品にも好適である。

本発明によると、高い飽和磁束密度Ｂｓ（例えば４００ｍＴ以上）を維持しつつ、所定以上の初期透磁率μｉ（例えば２７０以上）を実現することができ、かつ低コスト化を図ることができるフェライト組成物を得ることができる。

このようなフェライト組成物を、フェライトコアおよび電子部品に適用することで、小型化、高効率化、高周波数化を実現することができる。

図１は本発明の一実施形態に係るトランス用フェライトコアである。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。

本実施形態に係るトランス用フェライトコアとしては、図１に示したトロイダル型のほか、ＦＴ型、ＥＴ型、ＥＩ型、ＵＵ型、ＥＥ型、ＥＥＲ型、ＵＩ型、ドラム型、ポット型、カップ型等を例示することができる。このトランス用フェライトコアの周囲に巻き線を所定巻数だけ巻回することにより所望のトランスを得る。

本実施形態に係るトランス用フェライトコアは、本実施形態に係るフェライト組成物で構成してある。

本発明の出願人等は、鋭意研究の結果、主成分１００モル％中、ＮｉＯの含有量が２０モル以下では従来得られなかった、高い飽和磁束密度Ｂｓ（例えば４００ｍＴ以上）を維持することができ、さらに所定以上の初期透磁率μｉ（例えば２７０以上）を実現することができるフェライト組成物を見出した。

本実施形態に係るフェライト組成物は、Ｚｎ−Ｎｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系フェライトであり、主成分として、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化銅および酸化マグネシウムを含有している。

主成分１００モル％中、酸化鉄の含有量は、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で、４７．０〜４９．７モル％、好ましくは４８．０〜４９．７モル％である。酸化鉄の含有量が少なすぎても多すぎても、飽和磁束密度Ｂｓが低下する傾向にある。

主成分１００モル％中、酸化マグネシウムの含有量は、ＭｇＯ換算で、４．０〜８．０モル％、好ましくは５．０〜８．０モル％である。酸化マグネシウムの含有量が少なすぎると、原料費の低コスト化が十分に図れず、多すぎると飽和磁束密度Ｂｓが低下する傾向にある。

主成分１００モル％中、酸化ニッケルの含有量は、ＮｉＯ換算で、１３．０〜２０．０モル％、好ましくは１５．０〜１９．０モル％である。酸化ニッケルの含有量が少なすぎると、飽和磁束密度Ｂｓが低下する傾向にある。また、酸化ニッケルは高価な原料であるため、多すぎると、コストの低減が困難となる。

主成分１００モル％中、酸化亜鉛の含有量は、ＺｎＯ換算で、１８．０〜２６．０モル％、好ましくは１８．０〜２５．０モル％であり、より好ましくは２０．０〜２４．０モル％である。酸化亜鉛の含有量が少なすぎると、初期透磁率μｉが低下する傾向にあり、多すぎると、飽和磁束密度Ｂｓが低下する傾向にある。また、酸化亜鉛は、酸化ニッケルや酸化銅ほどではないが、酸化マグネシウムに比べ原料が高価であるため、多すぎると原料費のコストが上昇する傾向にある。

さらに、主成分１００モル％中、残部は酸化銅で構成され、ＣｕＯ換算で好ましくは９．０モル％以下、より好ましくは７．０モル％以下である。酸化銅の含有量が多すぎると、比抵抗が高くなる傾向にある。また、酸化銅は、酸化ニッケルに次いで高価な原料であるため、酸化銅の含有量が増すほど、原料費のコストが上昇する傾向にある。なお、下限は、特に限定されないが、ＣｕＯ換算で好ましくは３．０モル％以上であり、酸化銅が含有されることにより初期透磁率μｉが高くなる。

本実施形態に係るフェライト組成物は、上記の主成分に加え、副成分として、リン、酸化ケイ素および酸化タングステンを含有している。

リンの含有量は、主成分１００重量％に対して、Ｐ換算で、５〜８０ｐｐｍ、好ましくは３０〜８０ｐｐｍである。リンの含有量が少なすぎても多すぎても、飽和磁束密度Ｂｓが低下する傾向にある。

酸化ケイ素の含有量は、主成分１００重量％に対して、ＳｉＯ_２換算で、１００〜８００ｐｐｍ、好ましくは１００〜５００ｐｐｍである。酸化ケイ素の含有量が少なすぎても多すぎても、飽和磁束密度Ｂｓが低下する傾向にある。

酸化タングステンの含有量は、主成分１００重量％に対して、ＷＯ_３換算で、０．０５〜０．２５重量％、好ましくは０．１０〜０．２０重量％である。酸化タングステンの含有量が少なすぎると、飽和磁束密度Ｂｓおよび初期透磁率μｉが低下する傾向にあり、含有量が多すぎても、初期透磁率μｉが低下する傾向にある。

本実施形態に係るフェライト組成物においては、主成分の組成範囲を上記の範囲に制御されていることに加え、副成分として、上記のリン、酸化ケイ素および酸化タングステンが含有されている。その結果、主成分１００モル％中のＮｉＯの含有量が２０モル％以下の場合であっても、高い飽和磁束密度Ｂｓ（例えば４００ｍＴ以上）を維持することができ、さらに所定以上の初期透磁率μｉ（例えば２７０以上）を実現することができる。

なお、リン、酸化ケイ素または酸化タングステンの何れか１つでも含まれていない場合には上記の効果は十分に得られない。すなわち、上記の効果は、リン、酸化ジルコニウムおよび酸化タングステンが同時に特定量含有された場合に初めて得られる複合的な効果であると考えられる。

また、本実施形態に係るフェライト組成物には、マンガン以外の不可避的不純物元素の酸化物が含まれ得る。

具体的には、Ｂ、Ｃ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｔｅ、Ｉや、Ｌｉ、Ｎａ、Ａｌ、Ｋ、Ｃａ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｂａ、Ｐｂ、Ｂｉ等の典型金属元素や、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ等の遷移金属元素が挙げられる。

次に、本実施形態に係るフェライト組成物の製造方法の一例を説明する。

まず、出発原料（主成分の原料および副成分の原料）を、所定の組成比となるように秤量して混合し、原料混合物を得る。混合する方法としては、たとえば、ボールミルを用いて行う湿式混合や、乾式ミキサーを用いて行う乾式混合が挙げられる。なお、平均粒径が０．１〜３μｍの出発原料を用いることが好ましい。

主成分の原料としては、酸化鉄（α−Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、あるいは複合酸化物などを用いることができる。さらに、その他、焼成により上記した酸化物や複合酸化物となる各種化合物等を用いることができる。焼成により上記した酸化物になるものとしては、たとえば、金属単体、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、水酸化物、ハロゲン化物、有機金属化合物等が挙げられる。

副成分の原料としては、リン（Ｐ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化タングステン（ＷＯ_３）を用いることができる。リンについては、リン酸（Ｐ_２Ｏ_５）の形態で用いることが好ましい。酸化ケイ素および酸化タングステンについては、主成分の原料の場合と同様とすればよい。

次に、原料混合物の仮焼きを行い、仮焼き材料を得る。仮焼きは、原料の熱分解、成分の均質化、フェライトの生成、焼結による超微粉の消失と適度の粒子サイズへの粒成長を起こさせ、原料混合物を後工程に適した形態に変換するために行われる。こうした仮焼きは、好ましくは８００〜１１００℃の温度で、通常１〜３時間程度行う。仮焼きは、大気（空気）中で行ってもよく、大気中よりも酸素分圧が高い雰囲気や純酸素雰囲気で行っても良い。なお、主成分の原料と副成分の原料との混合は、仮焼きの前に行なってもよく、仮焼き後に行なってもよい。

次に、仮焼き材料の粉砕を行い、粉砕材料を得る。粉砕は、仮焼き材料の凝集をくずして適度の焼結性を有する粉体とするために行われる。仮焼き材料が大きい塊を形成しているときには、粗粉砕を行ってからボールミルやアトライターなどを用いて湿式粉砕を行う。湿式粉砕は、仮焼き材料の平均粒径が、好ましくは１〜２μｍ程度となるまで行う。

次に、粉砕材料の造粒（顆粒）を行い、造粒物を得る。造粒は、粉砕材料を適度な大きさの凝集粒子とし、成形に適した形態に変換するために行われる。こうした造粒法としては、たとえば、加圧造粒法やスプレードライ法などが挙げられる。スプレードライ法は、粉砕材料に、ポリビニルアルコールなどの通常用いられる結合剤を加えた後、スプレードライヤー中で霧化し、低温乾燥する方法である。

次に、造粒物を所定形状に成形し、成形体を得る。造粒物の成形としては、たとえば、乾式成形、湿式成形、押出成形などが挙げられる。乾式成形法は、造粒物を、金型に充填して圧縮加圧（プレス）することにより行う成形法である。成形体の形状は、特に限定されず、用途に応じて適宜決定すればよいが、本実施形態ではトロイダル型形状とされる。

次に、成形体の本焼成を行い、焼結体（本実施形態のフェライト組成物）を得る。本焼成は、多くの空隙を含んでいる成形体の粉体粒子間に、融点以下の温度で粉体が凝着する焼結を起こさせ、緻密な焼結体を得るために行われる。こうした本焼成は、好ましくは９００〜１３００℃の温度で、通常２〜５時間程度行う。本焼成は、大気（空気）中で行ってもよく、大気中よりも酸素分圧が高い雰囲気で行っても良い。

このような工程を経て、本実施形態に係るフェライト組成物は製造される。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

たとえば、上述した実施形態では、トロイダル型形状とするために、本焼成前に該形状に成形しているが、本焼成後に該形状に成形（加工）してもよい。

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。

まず、主成分の原料として、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯを準備した。副成分の原料として、Ｐ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２およびＷＯ_３を準備した。なお、出発原料の平均粒径は０．１〜３μｍであった。

次に、準備した主成分および副成分の原料の粉末を秤量した後、ボールミルで５時間湿式混合して原料混合物を得た。

次に、得られた原料混合物を、空気中において９００℃で２時間仮焼して仮焼き材料とした後、ボールミルで２０時間湿式粉砕して粉砕材料を得た。

次に、この粉砕材料を乾燥した後、該粉砕材料１００重量部に、バインダーとしてのポリビニルアルコールを１．０重量部添加して造粒し、２０メッシュの篩で整粒して顆粒とした。この顆粒を、１００ｋＰａの圧力で加圧成形して、トロイダル形状（寸法＝外径１８ｍｍ×内径１０ｍｍ×高さ５ｍｍ）の成形体と、ディスク形状（寸法＝直径２５ｍｍ×厚さ５ｍｍ）の成形体を得た。

次に、これら各成形体を、空気中において、１０００〜１２５０℃で２時間焼成して、焼結体としてのトロイダルコアサンプルおよびディスクコアサンプルを得た。得られたサンプルについて、蛍光Ｘ線分析を行い、フェライトコアの組成を測定した。結果を表１および２に示す。なお、リン（Ｐ）の含有量は、吸光光度法により測定した。さらにサンプルに対し以下の特性評価を行った。

飽和磁束密度Ｂｓ
得られたトロイダルコアサンプルに、巻線を６０回巻回した後、Ｂ−Ｈカーブトレーサー（理研電子株式会社製ＭｏｄｅｌＢＨＳ４０）を用いて４ｋＡ／ｍの磁場を印加したときの飽和磁束密度Ｂｓを２３℃において測定した（単位：ｍＴ）。４ｋＡ／ｍにおけるＢｓは４００ｍＴ以上を良好とし、より好ましくは４０５ｍＴ以上である。結果を表１および２に示す。

初期透磁率μｉ
得られたトロイダルコアサンプルに、銅線ワイヤを１０ターン巻きつけ、ＬＣＲメーター（ヒューレットパッカード４２８４Ａ）を使用して、初期透磁率μｉを測定した。測定条件としては、測定周波数１００ｋＨｚ、測定温度２３℃、測定レベル０．４Ａ／ｍとした。１００ｋＨｚにおける初期透磁率μｉは２７０以上を良好とし、より好ましくは２８０以上である。結果を表１および２に示す。

表１より、主成分の含有量が本発明の範囲内である場合であっても、副成分であるＰ、ＳｉＯ_２およびＷＯ_３が含有されていない場合（比較例１）には、主成分１００モル中のＮｉＯの含有量が２０モル％以下では、高い飽和磁束密度Ｂｓを維持しつつ、所定以上の初期透磁率μｉを実現することができないことが確認された。

これに対し、副成分であるＰ、ＳｉＯ_２およびＷＯ_３が同時に含有され、かつ主成分の含有量が本発明の範囲内である場合（実施例１〜１６）では、主成分１００モル中のＮｉＯの含有量が２０モル％以下であっても、高い飽和磁束密度Ｂｓを維持することができ、さらに所定以上の初期透磁率μｉを実現することができることが確認された。

また、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＮｉＯおよびＭｇＯの含有量が、何れか１つでも本発明の範囲外である場合（比較例３〜７）では、飽和磁束密度Ｂｓあるいは初期透磁率μｉの何れか一方が悪化する傾向にあり、高い飽和磁束密度Ｂｓの維持しつつ、所定以上の初期透磁率μｉを実現することができないことが確認された。

表２より、主成分の含有量が本発明の範囲内であり、かつ副成分であるＰ、ＳｉＯ_２およびＷＯ_３の含有量も本発明の範囲内にある場合（実施例１７〜２３）では、主成分１００モル中のＮｉＯの含有量が２０モル％以下であっても、高い飽和磁束密度Ｂｓを維持することができ、さらに所定以上の初期透磁率μｉを実現することができることが確認された。

これに対し、Ｐ、ＳｉＯ_２およびＷＯ_３の含有量が、何れか１つでも本発明の範囲外である場合（比較例９〜１４）では、主成分１００モル中のＮｉＯの含有量が２０モル％以下では、飽和磁束密度Ｂｓおよび初期透磁率μｉの何れか一方または両方が悪化する傾向にあり、高い飽和磁束密度Ｂｓの維持しつつ、所定以上の初期透磁率μｉを実現することができないことが確認された。

Claims

主成分が、酸化鉄をＦｅ_２Ｏ_３換算で４７．０〜４９．７モル％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で１８．０〜２６．０モル％、酸化ニッケルをＮｉＯ換算で１３．０〜２０．０モル％、酸化マグネシウムをＭｇＯ換算で４．０〜８．０モル％含有し、残部が酸化銅で構成されており、前記主成分１００重量％に対して、副成分として、リンをＰ換算で５〜８０ｐｐｍ、二酸化ケイ素をＳｉＯ_２換算で１００〜８００ｐｐｍ、酸化タングステンをＷＯ_３換算で０．０５〜０．２５重量％含有することを特徴とするフェライト組成物。
請求項１に記載のフェライト組成物から構成されるフェライトコア。
請求項２に記載のフェライトコアを有する電子部品。