JP7045636B2

JP7045636B2 - ＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心

Info

Publication number: JP7045636B2
Application number: JP2017185814A
Authority: JP
Inventors: 徳和小湯原; 和則西村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: JP2019062086A

Description

本発明は、磁性フェライトを用いたインダクタ等に使用される磁心に関し、特にはＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心に関するものである。

磁性フェライトはスピネル型結晶構造を有し、その化学量論組成は３価化合物と２価化合物が等モルに配合されることが知られている。例えばＮｉＺｎ系フェライトのスピネル型結晶（一般式Ｆｅ_２Ｏ_３・ＭｅＯ）は、Ｆｅ_２Ｏ_３とＭｅＯ（Ｍｅ：Ｎｉ，Ｚｎ）が５０：５０の比率で化学量論組成となる。

このような磁性フェライトの一般的な製造方法では、磁性フェライトを構成する元素の酸化物等を素原料として準備し、それを所定の組成となるように配合し焼成してスピネル化する。均一なスピネル化反応を得る観点から、素原料を本焼成よりも低温度で焼成してスピネル化する仮焼成を経て得られた仮焼粉を所定の形状に固めて成形して成形体とし、それを焼結して磁心とする製法を採用する場合が多い。

磁性フェライトの磁気特性は組成に強く依存することが知られている。インダクタ等に用いられる磁性フェライトとして要求される特性としては、例えば、使用される周波数、温度領域において初透磁率μｉが高いとともに品質係数Ｑが大きく、且つ飽和磁束密度Ｂｓが高いことが挙げられる。従って、ＮｉＺｎ系フェライトの組成設計においても、要求される磁気特性に応じて化学量論組成から偏倚した組成とするのが通常である。そのため磁心はＮｉＺｎフェライトと酸化鉄、酸化ニッケル、及び酸化亜鉛などの混合物で構成されることとなる。

一般にＮｉＺｎ系フェライトでは、Ｆｅ_２Ｏ_３のモル量が化学量論組成に近づくにしたがって初透磁率は上昇し化学量論組成近傍をピークとして低下する。一方でＦｅ_２Ｏ_３のモル量が少なく、全体に占めるＦｅの質量比が小さくなるに従って飽和磁束密度も低下する。一方でＦｅ_２Ｏ_３のモル量が増えるに従い品質係数Ｑが低下する傾向にある。

また、焼成においてＦｅ_２Ｏ_３はＦｅ_３Ｏ_４（Ｆｅ_２Ｏ_３・ＦｅＯで表される）に還元され易く、それにともなってＦｅＯ（Ｆｅ^２＋イオン）が増加し比抵抗が低下するのを抑えるように、Ｆｅ_２Ｏ_３のモル量を化学量論組成の５０ｍｏｌ％より減量し、相対的にＮｉＯ、ＺｎＯを増量することでＦｅ_２Ｏ_３の耐還元性を向上させると、高い透磁率が得られ難いといった問題があった。

特許文献１には主成分としてＦｅをＦｅ_２Ｏ_３換算で４６～５２ｍｏｌ％、ＮｉをＮｉＯ換算で２８～３６ｍｏｌ％、ＺｎをＺｎＯ換算で１６～２２ｍｏｌ％を含有し、平均結晶粒径をＤとする時、０．２Ｄ～３Ｄの粒径の結晶が５０体積％以上とすることで、Ｑ値が高く、インダクタンスの変化率が小さい高周波帯で使用するフェライト材料が開示されている。

特開２００２－１７９４６０号公報

磁心の性能を現す一つの方法としてμＱ積が用いられる。使用周波数でのμＱ積が大きい程、損失が小さく、同性能のインダクタを小型に構成することができる。しかしながら、特許文献１のフェライト材料ではＱ値は大きいが透磁率４０～６０と小さい。そのため大きなμＱ積が得られ難く、インダクタの小型化には充分な性能が得られない問題があった。
そこで本発明は、初透磁率μｉと品質係数Ｑとの積であるμＱ積が大きく、かつ飽和磁束密度が大きなＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心を提供することを目的とする。

本発明は、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で５１．０ｍｏｌ％超５２．５ｍｏｌ％以下のＦｅ、ＺｎＯ換算で２１．０ｍｏｌ％以上２４．５ｍｏｌ％以下のＺｎ、及びＮｉＯ換算で２３．０ｍｏｌ％以上２８．０ｍｏｌ％未満のＮｉのＮｉＺｎ系フェライトで構成され（但し、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＺｎＯの合計は１００ｍｏｌ％）、焼結体密度ｄｓが５．２×１０^３ｋｇ／ｍ^３以上で、励磁磁束密度４，０００Ａ／ｍ、温度２０℃における飽和磁束密度が４９０ｍＴ以上で、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率μｉが４００以上６００以下、品質係数Ｑが３５以上で、且つ、初透磁率μｉと品質係数Ｑとの積であるμＱ積が１５，０００以上であるＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心である。

本発明においては、ＦｅがＦｅ_２Ｏ_３換算で５１．４ｍｏｌ％超５２．５ｍｏｌ％以下とし、品質係数Ｑが４０以上で、且つ、前記μＱ積を１９，０００以上としたＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心であるのが好ましい。

本発明においては、－２０℃～＋２０℃での相対温度係数αμｉｒ１と、＋２０℃～＋６０℃での相対温度係数αμｉｒ２が、＋６×１０^－６／℃から＋１４×１０^－６／℃の範囲であるＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心であるのが好ましい。

本発明によれば、初透磁率μｉと品質係数Ｑとの積であるμＱ積が大きく、かつ飽和磁束密度が大きいＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るＮｉＺｎ系フェライトのＦｅ_２Ｏ_３のモル量と初透磁率μｉ及び品質係数Ｑとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係るＮｉＺｎ系フェライトについて具体的に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、技術的思想の範囲内で適宜変更可能である。

（Ａ）組成
ＮｉＺｎ系フェライトは、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で５１．０ｍｏｌ％超５２．５ｍｏｌ％以下のＦｅ、ＺｎＯ換算で２１．０ｍｏｌ％以上２４．５ｍｏｌ％以下のＺｎ、及びＮｉＯ換算で残部Ｎｉとする組成で構成される。この他に、素原料中の不可避的不純物元素が含まれ得る。不純物元素は酸化物換算で数ｐｐｍ～数百ｐｐｍ程度、含まれ得る。具体的には、Ｓｉ、Ｃａ、Ｂ、Ｃ、Ｓ、Ｃｌ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｔｅ、Ｉ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ等が挙げられる。

この様な主組成分の範囲において、Ｆｅ_２Ｏ_３が５１．０ｍｏｌ％以下であると高い品質係数Ｑが得られにくい。また５２．５ｍｏｌ％超であるとＮｉＺｎ系フェライトの焼結性が低下して初透磁率の低下を招き、所定の焼結体密度で磁心を焼結するには焼成温度の上昇を招くと共に、大気中の焼成では比抵抗が低下し１Ω・ｍ未満となって、実用上好ましくない。

一般にＱ値は下式で表される。
Ｑ＝１／ｔａｎδ
＝１／（ｔａｎδｅ＋ｔａｎδｈ＋ｔａｎδｒ）
ｔａｎδｅ：渦電流損失係数、ｔａｎδｈ：ヒステリシス損失係数、ｔａｎδｒ：残留損失係数

本発明ではＦｅ_２Ｏ_３のモル量を、化学量論組成を超える５１．０ｍｏｌ％超とすることで、Ｆｅ_２Ｏ_３のモル量が５０．０ｍｏｌ％未満において残存するＮｉＯが零となるとともに、Ｆｅ_３Ｏ_４の生成に伴い磁歪が減少して行くことで、ヒステリシス損失を低減し、Ｑ値を向上させることができる。

ＺｎＯが２１．０ｍｏｌ％未満であると所望の初透磁率が得られず、２４．５ｍｏｌ％超では、所望の飽和磁束密度が得られない場合がある。２価化合物でＮｉＯを減少させ、ＺｎＯを増加すると初透磁率μｉは高くなるが、ＺｎＯのモル量が多くなると、キュリー温度Ｔｃが低下し実用的な温度特性を満足させることが困難になる。なおＦｅ_２Ｏ_３及びＺｎＯのモル量から計算により求められるキュリー温度Ｔｃは、Ｆｅ含有量及びＺｎ含有量が上記範囲であれば凡そ２３０～２５０℃の範囲となり、１００℃を超える温度であっても実用上問題が無い。

ＮｉＯは２３．０ｍｏｌ％以上２８．０ｍｏｌ％未満である。本発明によれば、成分組成としてＦｅ，Ｚｎ及びＮｉを選択し、その組成範囲を所定の範囲に限定することによって高い初透磁率と品質係数を得て、初透磁率μｉと品質係数Ｑとの積であるμＱ積が大きく、高い飽和磁束密度のＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心とすることが出来る。

各成分の定量は、蛍光Ｘ線分析及びＩＣＰ発光分光分析により行うことができる。予め蛍光Ｘ線分析により含有元素の定性分析を行い、次に含有元素を標準サンプルと比較する検量線法により定量する。

（Ｂ）製造方法
Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、及びＮｉＯを所定割合で湿式混合した後、乾燥し、７５０℃～９００℃で仮焼成してスピネル化した仮焼粉とするのが好ましい。得られた仮焼粉をイオン交換水とともにボールミルに投入し、平均粉砕粒径（空気透過法）が０．５～１．５μｍとなるまで粉砕してスラリーとすれば良い。得られたスラリーにバインダとしてポリビニルアルコールを加え、スプレードライヤーにて顆粒化した後、加圧成形して所定形状の成形体を得ることが出来る。仮焼粉平均粉砕粒径が小さいほど反応活性が上がるため、低い焼成温度から緻密化が促進され、Ｆｅ_２Ｏ_３のモル量が５０ｍｏｌ％を超えて化学量論組成よりも多くても結晶粒径が均一で緻密なＮｉＺｎ系フェライトが得られる。

得られた成形体を焼成炉にて焼結してＮｉＺｎ系フェライトの焼結体（磁心）を得る。焼成工程は昇温工程と、高温保持工程と、降温工程とを有する。焼成工程における雰囲気は、不活性ガス雰囲気でも良いし大気雰囲気でも構わない。高温保持工程において、温度は１２５０℃～１３５０℃とするのが好ましい。温度が１２５０℃未満であると焼結が不十分で、初透磁率μｉが小さく、磁心の強度が得られない場合がある。また温度が１３５０℃超であると焼結が過剰となり、また焼成炉のエネルギー消費も多くなって製造コストの上昇を招くため好ましくない。

（Ｃ）組織
焼成後のＮｉＺｎ系フェライトにおいては、平均結晶粒径を５～１５μｍとして、結晶粒を均一に成長させることが好ましい。これにより安定した初透磁率を得ることができる。平均結晶粒径が５μｍ未満であると単磁区が形成され始め初透磁率は徐々に低下する傾向にあり、また平均結晶粒径が１５μｍ超であると、結晶粒を均一に成長させることが難しくなり異常粒成長を含む不均一な組織となり易い。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ及びＮｉＯの各成分を表１に示す割合で湿式混合した後、乾燥し、８５０℃で１．５時間仮焼成した。得られた仮焼粉をイオン交換水とともにボールミルに投入し、平均粉砕粒径が１．０μｍとなるまで粉砕してスラリーとした。得られたスラリーにバインダとしてポリビニルアルコールを加え、スプレードライヤーにて顆粒化した後、加圧成形してリング状の成形体を得た。

得られた成形体を焼成炉にて大気中、１３００℃で４時間保持して焼結し、外径２９ｍｍ×内径１９ｍｍ×高さ８ｍｍの円環状の焼結体（磁心）と外径１０ｍｍ×高さ１１ｍｍの円柱体を得た。各磁心の初透磁率μｉ、品質係数Ｑ、相対温度係数αμｉｒ、飽和磁束密度Ｂｓ、保磁力Ｈｃ、焼結体密度ｄｓは前述の円環状の磁心で、比抵抗ρは後述の円柱体の磁心で、下記の方法により測定した。

（１）初透磁率μｉ
磁心を被測定物とし、導線を２０ターン巻回し、ＬＣＲメータ（アジレント・テクノロジー株式会社製４２８５Ａ）により、室温にて周波数１００ｋＨｚ、１ｍＡの電流で測定したインダクタンスから次式により求めた。
初透磁率μｉ＝（ｌｅ×Ｌ）／（μ_０×Ａｅ×Ｎ^２）
（ｌｅ：磁路長、Ｌ：試料のインダクタンス（Ｈ）、μ_０：真空の透磁率＝４π×１０^－７（Ｈ／ｍ）、Ａｅ：磁心の断面積、Ｎ：導線の巻数）

（２）品質係数Ｑ
環状体の磁心を被測定物とし、ＬＣＲメータ（アジレント・テクノロジー株式会社製４２８５Ａ）により、２０℃にて周波数１００ｋＨｚで１ｍＡの電流で測定した。

（３）相対温度係数αμｉｒ
αμｉｒ＝〔（μｉ_２－μｉ_１）／μｉ_１ ^２〕／（Ｔ_２－Ｔ_１）
（ただし、Ｔ_１及びＴ_２は測定温度であり、μｉ_１は温度Ｔ_１における初透磁率であり、μｉ_２は温度Ｔ_２における初透磁率である。）
電子恒温槽で－２０℃～＋６０℃に調整した各サンプルに対して、初透磁率μｉを測定した。－２０℃～＋２０℃の相対温度係数αμｉｒ１の場合、Ｔ_１＝＋２０℃であり、Ｔ_２＝－２０℃であり、μｉ_１は＋２０℃における初透磁率であり、μｉ_２は－２０℃における初透磁率である。また＋２０℃～＋６０℃の相対温度係数αμｉｒ２の場合、Ｔ_１＝＋２０℃であり、Ｔ_２＝＋６０℃であり、μｉ_１は＋２０℃における初透磁率であり、μｉ_２は＋６０℃における初透磁率である。

（４）飽和磁束密度Ｂｓ、保磁力Ｈｃ
飽和磁束密度（Ｂｓ）および保磁力（Ｈｃ）は、一次側巻線と二次側巻線とをそれぞれ３０回巻回した磁心に、４，０００Ａ／ｍの磁界を印加し、直流磁化測定試験装置（メトロン技研株式会社製ＳＫ－１１０型）を用いて＋２０℃、＋１００℃において測定した。

（５）焼結体密度ｄｓ
アルキメデスの原理を利用し、水中置換法により焼結体密度を算出した。

（６）比抵抗ρ
円柱体試料の上下面を研磨し表面層を除去し、導電性ペーストを塗布・乾燥し、室温にてマルチメータで抵抗を測定後、磁心定数（断面積Ａｅ，磁路長ｌｅ）を用い、比抵抗（ρ）を算出した。

ＮｉＺｎ系フェライトの組成と、磁心の物性値を表１に示す。また表１に測定で得られた初透磁率μｉと品質係数Ｑから得られたμＱ積も一緒に示す。

図１は、ＮｉＺｎ系フェライトのＦｅ_２Ｏ_３のモル量と初透磁率μｉ及び品質係数Ｑとの関係を示すグラフである。本発明によればμＱ積が１５，０００以上と高いＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心とすることが出来る。

Claims

Ｆｅ_２Ｏ_３換算で５１．０ｍｏｌ％超５２．５ｍｏｌ％以下のＦｅ、ＺｎＯ換算で２１．０ｍｏｌ％以上２４．５ｍｏｌ％以下のＺｎ、及びＮｉＯ換算で２３．０ｍｏｌ％以上２８．０ｍｏｌ％未満のＮｉのＮｉＺｎ系フェライトで構成され（但し、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＺｎＯの合計は１００ｍｏｌ％）、
平均結晶粒径が５～１５μｍで、焼結体密度ｄｓが５．２×１０^３ｋｇ／ｍ^３以上で、励磁磁束密度４，０００Ａ／ｍ、温度２０℃における飽和磁束密度が４９０ｍＴ以上で、周波数１００ｋＨｚにおける初透磁率μｉが４００以上６００以下、品質係数Ｑが３５以上で、且つ、初透磁率μｉと品質係数Ｑとの積であるμＱ積が１５，０００以上であるＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心。
請求項１に記載のＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心であって、
ＦｅがＦｅ_２Ｏ_３換算で５１．４ｍｏｌ％超５２．５ｍｏｌ％以下であって、品質係数Ｑが４０以上で、且つ、前記μＱ積が１９，０００以上であるＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心。
請求項１または２に記載のＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心であって、
－２０℃～＋２０℃での相対温度係数αμｉｒ１と、＋２０℃～＋６０℃での相対温度係数αμｉｒ２が、＋６×１０^－６／℃から＋１４×１０^－６／℃の範囲であるＮｉＺｎ系フェライトを用いた磁心。