JP7426818B2 - 磁性体の製造方法及び磁性体を含むコイル部品 - Google Patents

磁性体の製造方法及び磁性体を含むコイル部品 Download PDF

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Description

本発明は、磁性体の製造方法及び磁性体を含むコイル部品に関する。
磁性体と巻線とを組み合わせたインダクタ等のコイル部品は、電源回路系機器の電圧変換用に用いられることがある。この場合、コイル部品には、1~10A程度の直流電流が流される。このため、コイル部品には、電流によるインダクタンス特性の変化が小さいこと、すなわち直流重畳特性に優れることが求められている。直流重畳特性に優れるコイル部品を得る手段としては、磁性体として飽和磁束密度の高いものを使用することが挙げられ、このような磁性体を得るために、材料面からの検討が行われている。
コイル部品に使用される磁性材料のうち、Mn-Zn系フェライトは、飽和磁束密度が高く低損失であるため、直流重畳特性に優れたコイル部品を形成可能なものではある。しかし、電気抵抗率が小さく、使用される電圧に対して電気抵抗が十分に高くないため、コイル部品とする際には、絶縁体を介して巻線をする必要がある。このため、絶縁体の分だけコイル部品の体積が大きくなり、サイズの小さなコイル部品を得ることは困難であった。
他方、Ni-Zn系フェライトは、絶縁性に優れるため、これを用いた磁性体に直接巻線をすることが可能であり、コイル部品の小型化の点では有利な材料である。しかし、Mn-Zn系フェライトに比べて飽和磁束密度が小さく、直流重畳特性に劣る傾向にあるため、これを改善するために種々の検討が行われてきた。
例えば、特許文献1では、Ni-Zn系フェライトの組成を、酸化マンガン(Mn)を含む特定のものとしている。また、特許文献2では、特許文献1よりも直流重畳特性を向上させるために、酸化マンガン(MnO)を添加して特定の組成範囲に調整した主成分の仮焼粉に、副成分としてケイ酸カルシウム(CaSiO)及び酸化アンチモン(Sb)を添加して、Ni-Zn系フェライトを得ている。
特開2002-289421号公報 特開2017-197417号公報
特許文献2では、磁性体の比透磁率及び飽和磁束密度の増加、並びにコアロスの減少が確認されており、当該文献記載の手法は、コイル部品の直流重畳特性を向上させるものといえる。しかし、この手法には、劇物であるSbを添加物として使用しているためその厳重な管理が必要であること、及び副成分の量が主成分に対して微量であるため均一分散させにくいこと、といった問題があった。
本発明は、前述の問題点を鑑みて為されたものであり、Ni-Zn系フェライト材料から作られる磁性体において、該Ni―Zn系フェライト材料における主成分以外の添加物を必須成分として含有することなく、直流重畳特性に優れたコイル部品を得ることを目的とする。
本発明者は、前述の目的を達成するための検討の過程で、同一組成のNi-Zn系フェライト材料が得られるように原料を配合した場合であっても、使用する原料の種類によって、得られる磁性体及びこれを用いたコイル部品の特性が異なることを見出した。具体的には、Ni-Zn系フェライト材料から作られる磁性体の作製において、Mnを、主原料に対する微小量の添加剤として、別途添加する従来の手法では、分散不良の影響を排除しきれず、必ず、コイル部品の特性に悪影響を与えることを見出した。そして、磁性体の製造に用いる原料として、酸化マンガン等の添加剤の使用に代えて、特定量のMnを含む酸化鉄粉末を採用することで、前述の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、前述の課題を解決するための本発明の一実施形態は、Fe、Ni及びZnを含むフェライト材料から作られる磁性体の製造方法であって、原料粉末として、Mn含有量が0.20質量%~0.85質量%である酸化鉄粉末を用いることを特徴とする、磁性体の製造方法である。
本発明によれば、Fe、Ni及びZnを含むフェライト材料から作られる磁性体において、該フェライト材料における主成分以外の添加物を含有させることなく、直流重畳特性に優れたコイル部品を提供することができる。
本発明の実施例及び比較例に係るコイル部品における、Mn含有量と比透磁率との関係を示すグラフ(黒塗り:Mn別添なし、白抜き:Mn別添あり) 本発明の実施例及び比較例に係るコイル部品における、Mn含有量と直流重畳特性との関係を示すグラフ(黒塗り:Mn別添なし、白抜き:Mn別添あり) 本発明の実施例及び比較例に係るコイル部品における、Mn含有量とインダクタンスの温度依存性との関係を示すグラフ(黒塗り:Mn別添なし、白抜き:Mn別添あり)
以下、図面を参照しながら、本発明の構成及び作用効果について、技術的思想を交えて説明する。但し、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。なお、数値範囲の記載(2つの数値を「~」でつないだ記載)については、下限及び上限として記載された数値をも含む意味である。
本発明の一実施形態において、磁性体を構成するFe、Ni及びZnを含むフェライト材料は、Ni-Zn系フェライト材料とも言われる。該フェライト材料は、Fe、Ni及びZnを主成分として含み、また、多くの場合Cuを成分として含み、場合によっては微量の添加物や不純物を含むことができる組成を有する。本発明の一実施形態に係る、前記フェライト材料から作られる磁性体の製造方法(以下、単に「本実施形態」と記載することがある。)は、原料粉末を準備すること、前記原料粉末を混合して混合粉末とすること、前記混合粉末を熱処理して、Fe、Ni及びZnを主成分とする仮焼粉末とすること、前記仮焼粉末を成形して成形体とすること、及び前記成形体を焼成して磁性体とすることを含む。本実施形態の特徴は、前記原料粉末として、Mn含有量が0.20質量%~0.85質量%である酸化鉄粉末を用いることである。
本実施形態で原料として使用する酸化鉄粉末は、Mnを、元素換算で0.20質量%~0.85質量%含む。酸化鉄中のMnの含有量を0.20質量%以上とすることで、得られた磁性体で構成したコイル部品を、直流重畳特性に優れたものとすることができる。より直流重畳特性に優れたコイル部品を得る点からは、酸化鉄粉末中のMn含有量は、0.30質量%以上とすることが好ましい。他方、酸化鉄粉末中のMn含有量を0.85質量%以下とすることで、透磁率に優れた磁性体を得ることができる。より透磁率に優れた磁性体を得る点からは、Mn含有量は0.80質量%以下とすることが好ましい。また、前記酸化鉄粉末中のMnの含有量を0.80質量%以下とすることで、より直流重畳特性に優れたコイル部品を得ることもできる。
本実施形態における、酸化鉄粉末中のMn含有量は、入手した酸化鉄粉末をICP発光分光分析法で分析して得られた値をいう。また、入手した酸化鉄粉末にICP発光分光分析法、もしくはそれと同等以上の精度の分析手法による分析表が付されている場合には、当該分析表に示された値をそのままMn含有量として採用してもよい。
本実施形態で使用する酸化鉄以外の原料粉末は、磁性体の必須成分であるニッケル(Ni)及び亜鉛(Zn)を含むものであれば特に限定されず、金属単体、合金、又は酸化物を始めとする種々の化合物を使用できる。化合物としては、複合酸化物等の、複数の金属元素を含むものであってもよい。これらのうち、粒子形状及び粒径のバラツキが小さく、粒径の小さな粒子からなる粉末が容易に入手可能な点で、酸化物であるNiO及びZnOの使用が好ましい。
前述した各原料粉末の配合比率は、Ni-Zn系フェライト材料が得られるものであれば特に限定されない。一例として、Ni-Zn系フェライト材料中のFe,Zn及びNiの含有量が、Fe、ZnO、及びNiO換算で、47.3~49.8mol%のFe、15.0~36.9mol%のZnO、及び15.0~36.9mol%のNiOとなるように、各原料粉末を配合することが挙げられる。質量%で表示した原料粉末の配合例としては、Ni-Zn系フェライト材料中の前記各成分の含有量が、Fe、ZnO、及びNiO換算で、64.4~67.4質量%のFe、10.4~25.6質量%のZnO、及び9.4~23.8質量%のNiOとなるように配合することが挙げられる。原料粉末の配合比率は、製造過程での揮発等による各成分の減少を考慮して、所期の組成のNi-Zn系フェライト材料が得られるように決定する。製造過程での成分の減少が殆ど無い場合には、得ようとするNi-Zn系フェライト材料の組成と同一の配合比率とすればよい。なお、一般的には、配合組成と得られたNi-Zn系フェライト材料の組成にはほとんど差異はない。
本実施形態では、原料粉末のひとつに銅(Cu)を含むことが好ましい。Ni-Zn系フェライト材料がCuを含むことで、焼成時の焼結性が向上し、磁気特性及び機械的強度に優れた磁性体を得ることができる。原料粉末中のCuの含有量は、前述の焼結性向上作用を存分に発揮させる点で、Ni-Zn系フェライト材料中のCuの含有量がCuO換算で1mol%以上となるように調整することがより好ましく、3mol%以上となるように調整することがさらに好ましい。他方、焼成時における成形体ないし焼結体の変形を抑制する点で、原料粉末中のCuの含有量は、Ni-Zn系フェライト材料中のCuの含有量がCuO換算で13mol%以下となるように調整することがより好ましく、11mol%以下となるように調整することがさらに好ましい。Ni-Zn系フェライト材料がCuを含む場合の原料粉末の配合例としては、Ni-Zn系フェライト材料中のFe,Zn、Ni及びCuの含有量が、Fe、ZnO、NiO、及びCuO換算で、41.6~49.3mol%のFe、13.3~36.5mol%のZnO、13.3~36.5mol%のNiO、及び1.0~12.1mol%のCuOとなるように、各原料粉末を配合することが挙げられる。質量%で表示した原料粉末の配合例としては、Ni-Zn系フェライト材料中の前記各成分の含有量が、Fe、ZnO、NiO及びCuO換算で、58.9~66.9質量%のFe、9.5~25.4質量%のZnO、8.6~23.6質量%のNiO、及び0.6~8.6質量%のCuOとなるように配合することが挙げられる。前述したCu含有量(CuO換算)は、2質量%以上とすることがより好ましく、また8質量%以下とすることがより好ましい。
Cuを含む原料粉末としては特に限定されず、金属銅、銅合金、又は酸化物を始めとする種々の化合物を使用できる。化合物としては、複合酸化物等の、Cu以外の金属元素を含むものであってもよい。これらのうち、粒子形状及び粒径のバラツキが小さく、粒径の小さな粒子からなる粉末が容易に入手可能な点で、酸化物であるCuOの使用が好ましい。
本実施形態では、原料粉末ないし磁性体中に、不可避不純物を数百ppm程度まで含むことが許容される。
不可避不純物の例としては、B、C、S、Cl、Se、Br、Te、Iや、Li、Na、Mg、Al、K、Ga、Ge、Sr、In、Sn、Sb、Ba、Pb、Bi等の典型元素、並びにSc、Ti、V、Cr、Y、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta等の遷移元素が挙げられる。
本実施形態は、前述した主成分以外の添加物を用いなくとも、直流重畳特性に優れたコイル部品を提供することができるものではあるが、さらに高性能のコイル部品を得るために、Ni-Zn系フェライト材料に対して種々の副成分を添加して磁性体を製造してもよい。
本実施形態では、原料粉末の混合方法は、不純物の混入を防ぎつつ各粉末が均一に混合されるものであれば特に限定されず、乾式混合、湿式混合のいずれを採用してもよい。ボールミルを用いた湿式混合を採用する場合には、例えば8~24時間程度混合すればよい。
混合粉末の熱処理条件は、各原料が反応して所期の組成を有するNi-Zn系フェライトの仮焼粉(Ni-Zn系フェライト材料)が得られるものであれば限定されず、例えば大気雰囲気中、800℃~1000℃で1時間~3時間とすればよい。焼成温度が低すぎたり、焼成時間が短すぎたりすると、未反応の原料や中間生成物が残存する虞がある。反対に、焼成温度が高すぎたり、焼成時間が長すぎたりすると、成分の揮発により所期の組成の化合物が得られない虞や、生成物が固結して解砕しにくくなることで生産性が低下する虞がある。
本実施形態では、前述の熱処理により得られた仮焼粉末が凝集している場合、成形に先立ってこれを解砕することが好ましい。解砕は、仮焼粉末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。解砕は、振動ミル、ハンマーミル、ローラーミル等を用いて乾式で行ってもよいが、仮焼粉末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等を用いて湿式にて行うことが好ましい。解砕は、仮焼粉末の平均粒径が、0.5μm~2μm程度となるまで行うことが、成形性、保形性及び焼結性の点で好ましい。
本実施形態では、仮焼粉末の成形に先立って、当該仮焼粉末の造粒を行って、造粒物(顆粒)を得てもよい。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、例えば、加圧造粒法やスプレードライ法等が挙げられる。
本実施形態では、このようにして得られた仮焼粉末を所定形状に成形し、成形体を得る。成形方法としては特に限定されず、一例として、粉末の一軸加圧成形、粉末を含む坏土の押出成形及び粉末を分散したスラリーの鋳込成形等が挙げられる。成形体の形状も特に限定されず、棒状、板状、トロイダル状、ドラム型等の公知の形状から、用途に応じて適宜選択すればよい。
本実施形態では、このようにして得られた成形体を焼成して磁性体とする。これにより、成形体に含まれる粉体粒子同士が焼結し、緻密な焼結体となる。焼成条件は、緻密な磁性体が得られるものであれば限定されず、例えば、大気雰囲気中、900~1200℃の温度で、1~5時間程度とすればよい。焼成温度が低すぎたり、焼成時間が短すぎたりすると、緻密化が不十分であることにより、所期の特性の磁性体が得られない虞がある。反対に、焼成温度が高すぎたり、焼成時間が長すぎたりすると、成分の揮発により組成ずれが生じる虞や、粗大粒子の生成により特性が低下する虞がある。なお、焼成は、大気中よりも酸素分圧が高い雰囲気で行ってもよい。
本実施形態に係る製造方法で得られた磁性体は、導体を巻回されてコイル部品となる。このコイル部品は、Mn含有量が所期の範囲外である酸化鉄粉末を原料とした、同組成の磁性体で形成されたものに比べて、比透磁率が大きく、直流重畳特性に優れたものとなる。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は該実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
<磁性体及びコイル部品の作製>
まず、原料粉末として、Mnを0.20質量%含有するFe、ZnO、CuO及びNiOを準備した。次いで、これらの原料粉末を、Feが66.2質量%(49mol%)、ZnOが15.8質量%(23mol%)、CuOが4.7質量%(7mol%)、及びNiOが13.3質量%(21mol%)となるように秤量し、湿式ミルにて混合を行った。次いで、分散媒を蒸発させて除去して得た混合粉末を、大気雰囲気中、800℃で2時間熱処理して仮焼粉末を得た。次いで、得られた仮焼粉末を、BET比表面積が2.0~3.0m/gの範囲となるように解砕した。次いで、解砕後の仮焼粉末に分散媒としての蒸留水及びバインダとしてPVA(ポリビニルアルコール)を添加し、スプレードライヤーにて噴霧乾燥して造粒粉を得た。次いで、得られた造粒粉を金型内に供給し、10MPaの圧力で一軸圧縮成形してトロイダル形状の成形体を得た。次いで、得られた成形体を大気雰囲気中、1100℃にて1時間焼成し、外形25mm×内径12mm×厚み15mmの磁性体を得た。最後に、得られた磁性体に導線を20ターン巻回して、実施例1に係るコイル部品を得た。
<透磁率の測定>
得られたコイル部品について、測定装置としてインピーダンスアナライザ(キーサイト・テクノロジーズ・インク製、E4990A)を用い、室温にて、OSCレベル500mV、周波数1MHzの条件で、比透磁率の測定を行った。得られた比透磁率は450であった。
<直流重畳特性及びインダクタンスの温度依存性の測定>
前述のコイル部品について、LCRメーター(キーサイト・テクノロジーズ・インク製、E4980A)を用い、室温にて、OSCレベル20mA、周波数100kHzの条件で、電流を0Aから徐々に増加させながらインダクタンス測定を行った。そして、インダクタンスが電流0Aの状態から30%低下した際の電流値を、直流重畳特性とした。この電流値が大きいほど、直流重畳特性に優れたコイル部品といえる。得られた直流重畳特性は、515mAであった。
また、同装置を用い、電流を0Aとした状態で、コイル部品の温度を室温(25℃)から150℃まで昇温してインダクタンスを測定した。そして、室温から150℃までのインダクタンスの変化率((L150℃-L25℃)/ 25℃×100%)を、インダクタンスの温度依存性とした。ここで、L25℃は室温(25℃)でのインダクタンスの測定値を、L150℃は150℃でのインダクタンスの測定値を、それぞれ意味する。得られたインダクタンスの温度依存性は、65%であった。
以上の結果を、後述する他の実施例及び比較例の結果と合わせて、表1及び図1~図3にそれぞれ示す。
[実施例2~9]
原料として使用するFe粉末をそれぞれ、Mn含有量が0.25質量%のもの(実施例2)、0.30質量%のもの(実施例3)、0.40質量%のもの(実施例4)、0.50質量%のもの(実施例5)、0.60質量%のもの(実施例6)、0.70質量%のもの(実施例7)、0.80質量%のもの(実施例8)、及び0.85質量%のもの(実施例9)に変更した以外は実施例1と同様の手順にて、実施例2~9に係るコイル部品をそれぞれ作製した。
得られたコイル部品について、実施例1と同様の方法で透磁率、直流重畳特性及びインダクタンスの温度依存性を測定した。結果をまとめて後掲の表1及び図1~3にそれぞれ示す。
[比較例1~2]
原料として使用するFe粉末をそれぞれ、Mn含有量が0.15質量%のもの(比較例1)及び0.90質量%のもの(比較例2)に変更した以外は実施例1と同様の手順にて、比較例1~2に係るコイル部品をそれぞれ作製した。
一般的にNi-Zn系フェライト材料の合成に用いられる、電子部品用途のFe原料粉末には、Mn含有量の極力少ないものが用いられる。これは、Mnが、Mn-Zn系フェライトを生成して部分的な絶縁抵抗率の低下を招く有害成分と考えられていることによる。こうしたFe原料粉末は、理論的には、Mn含有量が0.001質量%未満という、Mnがほとんど含有されていない水準にまで純度を向上することもできるが、実際の製造に用いる場合には、コスト等を勘案して、Mn含有量が0.15質量%程度のものが用いられている。このためここで説明する比較例1、並びに後述する比較例3~8では、Fe原料粉として、このMn含有量が0.15質量%のものを用いた。また、ここで説明する比較例2では、許容されるMn含有量の上限値を確認するために、Mn含有量が0.90質量%のFe原料粉を用いた。得られたコイル部品について、実施例1と同様の方法で透磁率、直流重畳特性及びインダクタンスの温度依存性を測定した。結果をまとめて後掲の表1及び図1~図3にそれぞれ示す。
[比較例3~8]
原料粉末に、添加材としてさらにMn粉末を使用して、混合粉末ないしNi-Zn系フェライト材料に含まれるMnの総量を、実施例1、3~6及び8にそれぞれ一致させた以外は比較例1と同様の手順にて、比較例3~8に係るコイル部品をそれぞれ作製した。すなわち、Ni-Zn系フェライト材料におけるMnの総量は、比較例3が実施例1に一致し、比較例4が実施例3に一致し、比較例5が実施例4に一致し、比較例6が実施例5に一致し、比較例7が実施例6に一致し、比較例8が実施例8に一致する。
得られたコイル部品について、実施例1と同様の方法で透磁率、直流重畳特性及びインダクタンスの温度依存性を測定した。結果をまとめて後掲の表1及び図1~図3にそれぞれ示す。
表1及び図1からは、所期の量のMnを含むFe粉末を原料として使用した以外に別途Mnを添加せずに製造された実施例に係るコイル部品は、一般的なNi-Zn系フェライト材料の工業的な合成に用いられる、Mn含有量の少ないFe粉末を原料として使用し、さらにMnを別途添加して製造された比較例に係るものに比べ、同じMn量での透磁率が大きくなることが判る。また、比較例に係るコイル部品では、Mn含有量の増加に伴い急激に透磁率が減少するのに対し、実施例に係るコイル部品は、この透磁率の減少が抑制されることも判る。特に、Mn含有量が0.80質量%以下では、透磁率の減少が顕著に抑制されている。
表1及び図2からは、所期の量のMnを含むFe粉末を原料として使用した以外に別途Mnを添加せずに製造された実施例に係るコイル部品は、一般的なNi-Zn系フェライト材料の工業的な合成に用いられる、Mn含有量の少ないFe粉末を原料として使用し、さらにMnを別途添加して製造された比較例に係るものに比べ、同じMn量での直流重畳特性に優れることが判る。特に、Mn含有量が0.30質量%~0.80質量%の範囲では、その差が顕著となっている。
表1及び図3からは、所期の量のMnを含むFe粉末を原料として使用した以外に別途Mnを添加せずに製造された実施例に係るコイル部品は、一般的なNi-Zn系フェライトの工業的な合成に用いられる、Mn含有量の少ないFe粉末を原料として使用し、さらにMnを別途添加して製造された比較例に係るものに比べ、インダクタンスの温度依存性が小さいことが判る。また、実施例に係るコイル部品は、比較例に係るものに比べ、Mn含有量の変動に伴うインダクタンスの温度依存性の変化も小さいことも判る。
以上のように、所期の量のMnを含むFe粉末を原料として使用した以外に別途Mnを添加せずに製造された実施例に係るコイル部品が、一般的なNi-Zn系フェライトの工業的な合成に用いられる、Mn含有量の少ないFe粉末を原料として使用し、さらにMnを別途添加した比較例に係るものに比べて優れた特性を示す原因は明らかでない。本発明者は、Mnを別途添加していない実施例とMnを別途添加した比較例の両方のコイル部品について、各々の試料断面をEDXにて測定し、面内におけるMnの分布状態の差異の確認を試みたが、両試料共、Mnの偏在部分はほとんど観察されず、両者の差異は確認できなかった。しかし、Mnを含むFe粉末中では、Mnを含む微細な粒子が均一に分散していることが、何らかの形で特性向上に寄与していると考えられる。すなわち、微量成分であるMnを原料粉末として別途添加した場合には、その量が他の成分に比べて少ないことに起因して、原料粉末中に均一に分散させることが困難である。このため、得られる磁性体中にEDXによっても検出が困難な微視的な組成の偏りが生じ、十分な特性を発揮することができない。これに対し、Mnが均一に分散したFe粉末を原料とすることで、前述した組成の偏りが低減され、優れた特性を示すものと推測される。
本発明によれば、主成分以外の添加物を用いなくとも、直流重畳特性に優れたコイル部品を提供することができる。このため、簡便な操作で高性能のコイル部品を製造することができ、製造コストを低減できる点で本発明は有用である。また、本発明は、磁性体中の微視的な組成の偏りを低減し、製造されるコイル部品の特性のバラツキを抑制することができる点でも有用と考えられる。

Claims (3)

  1. Fe、NiZn及びCuを、Fe 、ZnO、NiO及びCuO換算で、
    Fe 58.9~66.9質量%、
    ZnO 9.5~25.4質量%、
    NiO 8.6~23.6質量%、
    CuO 0.6~ 8.6質量%
    の割合で含むフェライト材料から作られる磁性体の製造方法であって、
    原料粉末として、Mn含有量が0.40質量%~0.85質量%である酸化鉄粉末を用いる
    ことを特徴とする、磁性体の製造方法。
  2. 所期の量のMnを含むFe粉末を原料として使用する以外に別途Mnを添加しない、請求項1に記載の磁性体の製造方法。
  3. 請求項1又は2に記載の磁性体の製造方法で得られた磁性体と導体とを組み合わせるコイル部品の製造方法。
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