(57)【要約】【課題】  高い飽和磁束密度を有し、高い直流重畳特性を有するフェライト焼結体を実現する。【解決手段】  Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト又はＮｉ−Ｚｎフェライトの焼結体であって、空隙欠陥率が１％未満であり、飽和磁束密度が４５０ｍＴ以上であるフェライト焼結体である。さらに、結晶粒内ポアの最大面積を３μｍ2以下とする。組成としては、主成分は、Ｆｅ2Ｏ3４９．３〜４９．８モル％、ＣｕＯ０〜７モル％、ＺｎＯ１７〜２６モル％、残部ＮｉＯとする。製造に際しては、造粒工程において、バインダとしてエチレン変性ポリビニルアルコールを用いるとともに、当該エチレン変性ポリビニルアルコールの平均鹸化度を９２モル％〜９７モル％、エチレン変性量を４モル％〜１０モル％とする。また、粉砕工程は、微粉砕した粉体の粒度分布における最大値を示すピーク位置の範囲が０．５〜１．５μｍ、ピーク頻度の最大値が７％以上、標準偏差が１μｍ以下となるように制御する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト又はＮｉ−Ｚｎフェライトの焼結体であって、空隙欠陥率が１％未満であり、飽和磁束密度が４５０ｍＴ以上であることを特徴とするフェライト焼結体。
【請求項２】
結晶粒内ポアの最大面積が３μｍ2以下であることを特徴とする請求項１記載のフェライト焼結体。
【請求項３】
主成分が、Ｆｅ2Ｏ3４９．３〜４９．８モル％、ＣｕＯ０〜７モル％、ＺｎＯ１７〜２６モル％、残部ＮｉＯからなることを特徴とする請求項１又は２記載のフェライト焼結体。
【請求項４】
原料を仮焼、粉砕、造粒、焼成することにより、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト又はＮｉ−Ｚｎフェライトの焼結体であって、空隙欠陥率が１％未満であり、飽和磁束密度が４５０ｍＴ以上であるフェライト焼結体を作製することを特徴とするフェライト焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ及びＮｉ−Ｚｎフェライト焼結体及びその製造方法に関するものであり、特に、パワーチョークコイルやトランス等の電子部品に用いて好適なフェライト焼結体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯機器の普及により、電子機器の小型化が急速に進められている。電子機器内部においては、電源の占める体積が大きく、電子機器の小型化を進めるために、電源部を小さくすることが要求されている。また、電子部品を最大限活用するためには、電源にできる限り多くの電流を流せることが好ましい。そこで、電子機器の電源に用いられるパワーチョークコイルは、小型で大電流を流せるようにすることが必要である。
【０００３】
パワーチョークコイル用の材料に求められる特性としては、飽和磁束密度が高いこと、直流重畳特性が高いことの他に、駆動周波数で損失が少ないこと等が挙げられる。一般に、飽和磁束密度が高いと直流重畳特性も高いと言われており、このような観点からも飽和磁束密度の高い材料が望まれる。また、駆動周波数で損失が大きいと、電源としての効率が悪いだけでなく、自己発熱による熱暴走の危険も生ずる。
【０００４】
パワーチョークコイルには、フェライト焼結体が使用されており、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトとＮｉ−Ｚｎ系フェライトの２種類が主流である。Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは、飽和磁束密度、透磁率が大きく、また損失（コアロス）も小さいという特徴を有するので、パワーチョークコイルに用いるのに適するとされている。しかし、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは、比抵抗が１０Ω・ｍ程度と低いため、コアに直接巻線を施すと電流が漏れることがある。したがって、パワーチョークコイルにＭｎ−Ｚｎ系フェライトを使用する場合、絶縁性を確保するために、例えばコアにボビンを被せたり、絶縁被膜を形成する等の絶縁処理を行った後に巻線を行っている。このような絶縁処理を施した場合、製造コストの増加を招くばかりでなく、小型化の妨げにもなる。
【０００５】
これに対し、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトは、飽和磁束密度及び透磁率の面ではＭｎ−Ｚｎ系フェライトに劣るものの、比抵抗が１０6Ω・ｍ程度と非常に高く、フェライトコアに直接巻線を施すことが可能である。このため、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトで必要な絶縁処理が不要となり、小型化が可能になるという利点を有する。
【０００６】
このような状況から、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトの飽和磁束密度の向上や損失を低減するための研究が各方面で進められている（例えば、特許文献１〜特許文献３等を参照）。例えば、特許文献１には、Ｆｅ2Ｏ3を４９．０〜４９．８モル％、ＺｎＯを１８．０〜２８．０モル％、ＣｕＯを０〜１２．０モル％、ＮｉＯを残部として含有し、平均結晶粒径が３〜３０μｍであり、２０〜１４０℃におけるコアロスが１５０ｋＷ／ｍ3以下で、飽和磁束密度が４３０ｍＴ以上であるＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトが開示されている。特許文献２には、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトにおいて、空孔率が１〜５％であり、透磁率μｉと飽和磁束密度Ｂｍ（ｍＴ）の関係が、Ｂｍ≧−１９７．７３×ｌｏｇ（μｉ）＋９９０である高透磁率飽和磁束密度Ｎｉ系フェライト磁心が開示されている。特許文献３には、Ｆｅ2Ｏ3、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯを主成分とするＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕフェライトからなり、焼結体の結晶粒度分布のＤ５０が８〜３１μｍであり、かつＤ１０が３μｍ以上、Ｄ９０が５０μｍ以下であり、さらには焼結体の切断面内の粒内ポア数が８０００個／ｍｍ2以下である低損失酸化物磁性材料が開示されている。
【特許文献１】特許第３４１０２９３号公報
【特許文献２】特許第２７２６３８８号公報
【特許文献３】特開２００２−３４３６２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これら従来技術のＮｉ−Ｚｎ系フェライトでは、飽和磁束密度の向上やコアロスの低減については一定の成果が得られているものの、直流重畳特性についてはほとんど考慮されていない。
【０００８】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、飽和磁束密度を高い状態で維持し、且つ高い直流重畳特性を得ることが可能なＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ及びＮｉ−Ｚｎフェライト焼結体を得ることを目的とし、その製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、小型で大電流を流すことが可能なパワーチョークコイルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、パワーチョークコイル等に利用する際に、小型化に有利で、大きな電流を流し得る直流重畳特性の高いＮｉ−Ｚｎ系フェライトの開発を目的として、長期に亘り鋭意研究を重ねてきた。その結果、焼結体内の空隙欠陥率や結晶粒内ポアの最大面積が大きく関与しているとの知見を得るに至った。
【００１０】
本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。すなわち、本発明のフェライト焼結体は、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト又はＮｉ−Ｚｎフェライトの焼結体であって、空隙欠陥率が１％未満であり、飽和磁束密度が４５０ｍＴ以上であることを特徴とするものであり、本発明のパワーチョークコイルは、このようなフェライト焼結体を用いたことを特徴とするものである。また、本発明は、原料を仮焼、粉砕、造粒、焼成することにより作製されたＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト又はＮｉ−Ｚｎフェライトの焼結体の製造方法に関するものであって、空隙欠陥率が１％未満であり、飽和磁束密度が４５０ｍＴ以上であるフェライト焼結体を作製することを特徴とするものである。
【００１１】
Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトでは、例えば組成を調整することで、ある程度高い飽和磁束密度が得られる。本発明は、このような背景に鑑み、高飽和磁束密度（４５０ｍＴ以上）を発現する組成を前提とし、飽和磁束密度の値を変化させず、高い直流重畳特性を得るものである。このとき重要なのが空隙欠陥率であり、空隙欠陥率を１％未満とすることで、目的とする高い直流重畳特性が実現される。
【００１２】
また、前記空隙欠陥率に加えて、結晶粒内ポアの大きさも直流重畳特性の改善に重要である。これを規定したのが本願の請求項２記載の発明であり、結晶粒内ポアの最大面積が３μｍ2以下であることを特徴とする。結晶粒内ポアの大きさが大きすぎると高い直流重畳特性を得ることができず、最大面積３μｍ2以下とすることで、目的とする高い直流重畳特性が実現される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高い飽和磁束密度を有し、且つ高い直流重畳特性を有するフェライト焼結体を得ることが可能である。したがって、これを用いることで、小型で大電流を流すことが可能なパワーチョークコイルを提供することが可能である。また、本発明の製造方法によれば、フェライト焼結体内に生ずる空隙欠陥を少なくすることができ、結晶粒内でのポアの生成を抑制することができるので、飽和磁束密度の値を変化させず、高い直流重畳特性を得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を適用したフェライト焼結体、その製造方法、パワーチョークコイルについて詳細に説明する。
【００１５】
本発明のフェライト焼結体は、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト、あるいはＮｉ−Ｚｎフェライトの焼結体である。本発明のフェライト焼結体は、高飽和磁束密度を有することを前提としており、飽和磁束密度の値としては４５０ｍＴ以上と規定されている。この特性を満たさないと、その他の要件を満たしたとしても、直流重畳特性が低くなってしまい、パワーチョークコイルの実用性が低くなる。
【００１６】
本発明のフェライト焼結体の組成は、前述の飽和磁束密度の値を満たすものであれば如何なるものであってもよいが、例えば、主成分が、Ｆｅ2Ｏ3４９．３〜４９．８モル％、ＣｕＯ０〜７モル％、ＺｎＯ１７〜２６モル％、残部ＮｉＯからなるフェライト組成において、飽和磁束密度４５０ｍＴを達成することができる。
【００１７】
前記組成において、Ｆｅ2Ｏ3が４９．３モル％未満であると、高い飽和磁束密度が得られなくなる。Ｆｅ2Ｏ3が４９．８モル％を越えると、比抵抗が低くなり、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトの特徴である絶縁性が低くなり、不適当である。ＣｕＯが７モル％を越えると、飽和磁束密度が低くなるため不適当である。ＺｎＯが１７モル％未満、あるいは２６モル％を越えると、やはり飽和磁束密度が低くなるため不適当である。これらの事項に鑑みると、本発明のフェライト焼結体の組成は、前記組成範囲とすることが好ましい。
【００１８】
本発明のフェライト焼結体では、前述の高い飽和磁束密度を有するフェライト組成において、空隙欠陥率を１％以下に抑えることで、飽和磁束密度の値を維持したまま、高い直流重畳特性を得るようにしている。本発明において、空隙欠陥とは、フェライト焼結体内の空隙による欠陥のことを言う。空隙欠陥は、フェライト焼結体内の顆粒粒界と関係がある。顆粒粒界とは、フェライト焼結体内において、フェライト顆粒同士の接触面に発生する隙間のことである。フェライト焼結体内部で顆粒同士が十分に密着していれば、顆粒粒界は小さくなり、フェライト顆粒同士の密着性が悪いと顆粒粒界は大きくなる。顆粒粒界が大きいことは、フェライト焼結体内の空隙による欠陥が大きいことを示し、逆に、顆粒粒界が小さいことは、フェライト焼結体内に空隙による欠陥が少ないことを表す。顆粒粒界によって生じる空隙欠陥の割合（空隙欠陥率）を低くすることにより、直流重畳特性が向上する。
【００１９】
フェライト焼結体内部の空隙欠陥率は、フェライト焼結体の断面を鏡面研磨後、光学顕微鏡により所定の倍率で観察する。そして、その領域内の各空隙欠陥の面積を測定し、観察領域における空隙欠陥の占める面積の割合を空隙欠陥率とする。
【００２０】
本発明のフェライト焼結体においては、前記空隙欠陥率に加えて、結晶粒内ポアの大きさを規制することが好ましく、結晶粒内ポアの最大面積を３μｍ2以下とすることが好ましい。結晶粒内ポアの最大面積を３μｍ2以下とすることで、先の空隙欠陥率を規制することと相俟って、高い直流重畳特性が実現される。
【００２１】
なお、結晶粒内ポアの最大面積は、フェライト焼結体の断面を鏡面研磨後、酸エッチングを施し、光学顕微鏡で所定の倍率で観察する。その領域内の各結晶粒内ポアを比較し、その領域内で面積が最大である結晶粒内ポアを決定する。決定した結晶粒内ポアの面積を、結晶粒内ポアの最大面積とする。
【００２２】
以上のようなフェライト焼結体は、基本的には、通常のフェライト焼結体と同様の方法で作製することができる。図１に、フェライト焼結体の作製プロセスを示す。すなわち、原料酸化物を混合工程１で混合する。混合には、例えばボールミル等を用いる。混合後、乾燥工程２を経て、仮焼工程３で仮焼を行う。仮焼は、ある程度原料の反応を進行させるために行うものであり、通常は本焼成より若干低い温度で行う。仮焼後、粉砕工程４により微粉砕し、乾燥工程５で乾燥する。乾燥した後、造粒工程６により造粒を行う。造粒に際しては、バインダーを混入する。最後に、成形工程７により所望の形状に成形し、焼成工程８で本焼成を行う。
【００２３】
ただし、空隙欠陥率や結晶粒内ポアの最大面積を制御する必要があり、このために、微粉砕工程や造粒工程において、次のような変更を行う。先ず、空隙欠陥率の制御であるが、造粒工程において、造粒に用いるバインダを選択することで、空隙欠陥率１％以下を実現する。具体的には、前記造粒工程７において、用いるバインダをエチレン変性ポリビニルアルコールとする。この際、造粒に用いるエチレン変性ポリビニルアルコールの平均鹸化度を９２モル％〜９７モル％、エチレン変性量を４モル％〜１０モル％とする。これにより、フェライト顆粒のつぶれやすさを改善することができる。その結果、フェライト焼結体内部に生じる空隙欠陥が少なくなり、フェライト焼結体内部の空隙欠陥を低減することができる。
【００２４】
一方、結晶粒内ポアの最大面積を小さくするためには、前述の粉砕工程５を最適化し、粉体の粒度分布を最適化する。粉砕工程５においては、例えばボールミルのメディアの量を変える等、微粉砕の方法を変化させることにより、得られる粉体の粒度分布を変化させることができる。ここで、微粉砕した粉体の粒度分布において、最大値を示すピーク位置の範囲が０．５〜１．５μｍ、ピーク頻度の最大値が７％以上、標準偏差が１μｍ以下となるように制御することにより、フェライトの粉体特性を改善することができる。その結果、フェライト結晶の粒成長の速度が一定になり、結晶粒内ポアの生成を抑制し、結晶粒内ポアの最大面積を減らすことができる。
【００２５】
以上により作製されるフェライト焼結体は、高い飽和磁束密度及び高い直流重畳特性を有することから、例えばパワーチョークコイルに用いることが好適である。これにより、小型で大電流を流すことが可能なパワーチョークコイルを実現することが可能である。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明の具体的な実施例について、実験結果を基に説明する。
【００２７】
フェライト焼結体の作製
Ｆｅ2Ｏ3４９．３モル％、ＣｕＯ４．８モル％、ＺｎＯ１９．２モル％、残部がＮｉＯとなるように原料酸化物を秤量し、これに所定量のイオン交換水を溶媒として加えてボールミルにて１６時間混合した。
【００２８】
混合した粉末を加熱炉を用いて最高温度９００℃で２時間仮焼した後、これを炉冷し、３０メッシュのふるいで解砕した。その後、再び所定量のイオン交換水を溶媒として加え、ボールミルにて微粉砕した。さらに、粉砕されたスラリー状の原料を乾燥し、解砕した。
【００２９】
これにエチレン変性ポリビニルアルコール水溶液を加えてフェライト顆粒を造粒した。この顆粒を金型に入れ、一定の成形圧でプレスしてフェライト成形体を得た。得られたフェライト成形体を、加熱炉を用い、１２１０℃の焼成温度で焼成してフェライト焼結体を得た。
【００３０】
以上の方法に従い、バインダ成分を変化させ、顆粒のつぶれやすさを制御することにより、空隙欠陥率を変化させたサンプルを作製した。さらに、微粉砕の方法を変化させ、造粒前の粉体の粒度分布を制御することにより、結晶粒内ポアの最大面積を変化させたサンプルを作製した。
【００３１】
焼結密度の測定
Ｔ１０トロイダルのフェライト焼結体を作製し、その外径、内径、及び厚みを測定した。外径及び内径の測定にはノギスを用い、厚みの測定にはマイクロメータを用いた。次に、このフェライト焼結体の重量を測定した。外径、内径、厚みの測定値よりフェライト焼結体の体積を求め、この値と重量より焼結密度を計算した。
【００３２】
飽和磁束密度（Ｂｍ）及び直流重畳特性の測定
飽和磁束密度Ｂｍは、印加磁界４０００Ａ／ｍに対するフェライト焼結体の飽和磁束密度を測定した。直流重畳特性の測定は、次のようにして行った。先ず、５０ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍの金型を用い、成形密度が３．２０Ｍｇ／ｍ３になるようにプレスして焼結体を得た。この焼結体に２３ターンの巻線を施した後、周波数１００ｋＨｚにて直流重畳特性を測定した。そして、インダクタンスが１０％低下した時の電流値を求め、直流重畳特性Ｉｄｃとした。
【００３３】
空隙欠陥率の測定方法
フェライト焼結体の断面を鏡面研磨後、光学顕微鏡により２０倍の倍率で観察した。観察した画像にある空隙欠陥を区別した後に、スキャナを用いてその画像をパソコンに取り込み、画像解析ソフト（商品名QuickL Ver 1.0、イノテック社製）を用いて空隙欠陥の面積を測定した。そして、観察領域の面積において空隙欠陥の占める面積の割合を求め、空隙欠陥率とした。
【００３４】
結晶粒内ポアの最大面積の測定方法
フェライト焼結体の断面を鏡面研磨後、酸エッチングを施し、光学顕微鏡により１００倍の倍率で観察した。観察した画像上の結晶粒内にあるポア（粒界にあるポアは除く）を区別した後に、スキャナを用いてその画像をパソコンに取り込み、画像解析ソフト（商品名QuickL Ver 1.0、イノテック社製）を用いて結晶粒内ポアの面積を測定した。そして、各結晶粒内ポアを比較し、面積が最大である結晶粒内ポアを決定し、その面積を結晶粒内ポアの最大面積とした。
【００３５】
評価結果
作製した各フェライト焼結体における焼結密度、飽和磁束密度Ｂｍ、直流重畳特性Ｉｄｃ（インダクタンスが１０％減少する時の電流値）、空隙欠陥率、結晶粒内ポアの個数、結晶粒内ポアの最大面積を表１に示す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
この表から明らかなように、空隙欠陥率を１％未満とすることで（サンプル３，４，７，８）、高い直流重畳特性（Ｉｄｃ６Ａ以上）が得られている。また、空隙欠陥率が１％未満であっても結晶粒内ポアの最大面積が３μｍを越えると（サンプル５，６）、直流重畳特性の低下が見られるが、結晶粒内ポアの最大面積を３μｍ以下とすることで、高い直流重畳特性（Ｉｄｃ６Ａ以上）が得られることがわかる。
【００３８】
図２は、空隙欠陥の状態を示す顕微鏡写真であり、図２（ａ）は空隙欠陥率２．１２％のサンプル１（比較例１）の空隙欠陥を、図２（ｂ）は空隙欠陥率０．４５％のサンプル４（実施例２）の空隙欠陥を示すものである。これら比較例１と実施例２とでは、明らかに空隙欠陥に差異が見られる。これら比較例１と実施例２の直流重畳特性の測定結果を図３に示す。比較例１において、電流値の増加に伴うインダクタンスの低下が顕著である。
【００３９】
図４は、結晶粒内ポアを示すものである。図４（ａ）は、結晶粒内ポアの最大面積が６．２μｍであるサンプル５（比較例３）の顕微鏡写真、図４（ｂ）は、結晶粒内ポアの最大面積が２．６μｍであるサンプル８（実施例４）の顕微鏡写真である。図５は、比較例３と実施例４のフェライト焼結体を作製する際の粉砕工程における粒度分布の相違を示すものである。実施例４では、ピーク頻度の最大値が７％以上であるのに対して、比較例３では７％未満である。標準偏差も、実施例４では０．８７であるのに対して、比較例３では１．０５である。これらの結果から、粉砕工程時の粒度分布を適正なものとすることで、結晶粒内ポアの最大面積を小さなものとすることができ、高い直流重畳特性が得られることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】フェライト焼結体の作製プロセスを示すフローチャートである。
【図２】空隙欠陥を示す顕微鏡写真であり、（ａ）は比較例１（空隙欠陥率２．１２％）の顕微鏡写真、（ｂ）は実施例２（空隙欠陥率０．４５％）の顕微鏡写真である。
【図３】空隙欠陥率の相違による直流重畳特性の相違を示す特性図である。
【図４】結晶粒内ポアを示す顕微鏡写真であり、（ａ）は比較例３（結晶粒内ポアの最大面積が６．２μｍ）の顕微鏡写真、（ｂ）は実施例４（結晶粒内ポアの最大面積が２．６μｍ）の顕微鏡写真である。
【図５】比較例３と実施例４のフェライト焼結体作製の際の粉砕工程における粉体の粒度分布の相違を示す特性図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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