JP5158829B2

JP5158829B2 - 電子部品

Info

Publication number: JP5158829B2
Application number: JP2005091519A
Authority: JP
Inventors: 和則西村; 宗幸田中
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP2006278432A

Description

本発明は、キュリ−温度が異なる少なくとも２種類のフェライト磁性材料を接合してなり、その少なくとも一部を磁気ギャップ材として用いた磁心と、これを用いた電子部品に関する。特に直流重畳特性を向上させるインダクタンス素子に好適な磁心に関する。

一般に変成器やチョ−クコイル等のインダクタンス素子では、直流磁界によって磁心が磁気飽和することでインダクタンス値が低下するのを避けるために、磁心に磁気ギャップを設けている。
一般に、前記磁気ギャップは空隙として形成されるが、磁気ギャップの間隔がインダクタンス素子の特性に影響を与える。そこで特許文献１のインダクタンス素子では、図４に示すようにＵ字型磁心６の両磁脚７，８に巻線９，１０を巻装し、前記磁脚７，８の開放端間にＩ字状磁心１１がギャップスペ−サ１３を介してギャップ１２を形成するように配置し、磁気ギャップ寸法のばらつき要因を少なくしている。
しかしながら、このようなインダクタンス素子では、磁気ギャップ１２を紙材などからなるギャップスペ−サ１３を用い接着剤１４で結合し、または接着剤１４だけで結合するため、組立時に、ギャップスペ−サ１３を配置する手間や、磁気ギャップ１２を埋める接着剤１４が乾燥硬化するまでに時間がかかる。また硬化までの間、Ｕ字状磁心６とＩ字状磁心１１とを保持することが必要であり生産性に劣るものであった。また、多くの接着剤を磁気ギャップに介在させると、膨潤等の経時変化により磁気ギャップ寸法に影響を及ぼしインダクタンス値が変化する問題もあった

そこで本発明者等は、鋭意研究するなかでインダクタンス値のばらつきを抑えながら、長期的に電気的特性が安定し、組立が容易で直流重畳特性に優れたインダクタンス素子と、これを構成する磁心について提案した（特許文献２）。
この磁心は、フェライト層（磁性体層）と、アルミナを主成分とするセラミック層（非磁性層）と、前記フェライト層と前記セラミック層との間に存在し、ＦｅとＡｌとが相反する傾斜組成を有する傾斜組成層を備え、前記非磁性層を磁気ギャップとしたものである。前記フェライト層は、例えばＭｎ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系フェライト等が用いられる。そして前記非磁性層を構成するアルミナを所定の厚みを有するシ−ト状にして供することで、磁気ギャップを精度良く形成できる。また、前記傾斜組成層はフェライト層及びセラミック層を構成する成分を含有することで、焼成収縮率、収縮挙動の異なる前記フェライト層と前記セラミック層との中間層として機能し、層間の接合を容易としている。
特開２０００−１８２８４４特開２００４−２６００４１

しかしながら特許文献２の磁心は、非磁性層としてフェライトと著しく収縮挙動の異なるアルミナを用いるため、前記非磁性層の厚みが厚くなるに従い、傾斜組成層で焼成収縮率、収縮挙動の差異を吸収するのが困難となり、焼成時に生じる応力によって非磁性体層と傾斜組成層との界面から磁性体層に至るクラックが生じ易くなる。
通常、磁心が使用される電流範囲ではインダクタンス値の変化が無いのが望まれる。しかしながら非磁性体層が薄いと、磁気飽和するまでの間であっても、電流値が大きくなるに従い、インダクタンス値がなだらかに減少していく。このため磁気ギャップとして形成される非磁性体層は、ある程度の厚みをもって形成するのが好ましいが、非磁性体層が１５０μｍ以上となると、磁性体層との焼成収縮率、収縮挙動の差から生じる内部応力が著しく、クラック等の欠陥の無い磁心を形成するのは実質的に困難であった。
またクラック等の内部欠陥に至らないまでも、磁心内部に生じる応力は、磁心の磁気特性を変化させてしまう。そこで本発明は、非磁性層を厚く形成してもクラック等の内部欠陥が生じず、また焼成収縮率、収縮挙動による内部残留応力を低減した磁心及びそれを用いた電子部品を提供することを目的とする。

本発明は、脚付フェライト磁心と、前記脚付フェライト磁心と突き合わせるフェライト磁心と、前記脚付フェライト磁心及び／又は前記突合せフェライト磁心に配置される巻線を備え、
前記突合せフェライト磁心は、造粒粉からなるキュリ−温度が１００℃以上の第１のフェライト磁性材料と、前記突合せ面側に、シート状のキュリ−温度が−４０℃未満の第２のフェライト磁性材料を一体的に成形し、
しかる後、一体焼結して、前記第１のフェライト磁性材料からなる第１のフェライト部と、前記第２のフェライト磁性材料からなる第２のフェライト部を接合してなり、少なくとも、前記脚付フェライト磁心との突き合わせ面に前記第２のフェライト磁性材料で構成された磁気ギャップが形成されていることを特徴とする特徴とする電子部品である。

変成器やチョ−クコイル等のインダクタンス素子を構成するフェライト磁心において、直流磁界によって磁気飽和するのを防ぐ磁気ギャップが非磁性フェライトで形成されるため、磁気ギャップを一体形成した磁心を容易に得ることができるとともに、前記磁気ギャップが１５０μｍを超える厚みであっても、クラック等の内部欠陥が生じない磁心を得ることが出来る。また焼成収縮率、収縮挙動による内部残留応力を低減し、インダクタンス値のばらつきを抑えながら、長期的に電気的特性が安定し、組立が容易で直流重畳特性に優れた電子部品を提供することが出来る。

以下本発明について詳しく説明する。
本発明の一実施例に係るフェライト磁心を、図１（ａ）、（ｂ）に示す。このフェライト磁心は、キュリ−温度が異なるフェライトを一体焼成してなるものであって、フェライト磁心を主に構成する第１のフェライト部と、他の磁心と組み合わせた時、突き合わせ面となる外表面に配置され、磁気ギャップを構成する第２のフェライト部を一体的に形成したものである。図１（ａ）は、第２のフェライト部を第１のフェライト部の１面に形成するものであり、図１（ｂ）は、第２のフェライト部を第１のフェライト部の対向する２面に形成するものである。
本発明の第１フェライト部に用いる第１のフェライト磁性材料は、キュリ−温度が１００℃以上であるフェライト磁性材料であれば、特に限定されるものでは無い。電子部品用の磁心として要求される磁気特性（初透磁率、損失、品質係数等）に応じて、その組成は適宜選定され得るものである。
なお更にＢｉ、Ｖ、Ｂなどの副成分を添加したり、ホウ珪酸ガラスなどのを加えて、１０００℃以下の焼結を可能とした低温焼結磁性材料を第１のフェライト磁性材料として使用することが出来る。
例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＭｎＯを主成分とし、Ｆｅ_２Ｏ_３：５３ｍｏｌ％、ＺｎＯ：７ｍｏｌ％、ＭｎＯ：４０ｍｏｌ％と副成分として、前記主成分に対してＣｏ_３Ｏ_４：０．２ｗｔ％添加したものであれば、その初透磁率μｉは１９００であり、キュリ−温度Ｔｃは２２０℃である（Ａ材）。

本発明の第２のフェライト部に用いる第２のフェライト磁性材料は、キュリ−温度が−４０℃未満であるフェライト磁性材料であれば特に限定されるものでは無い。キュリ−温度ＴｃはＦｅ_２Ｏ_３やＺｎＯの組成量によって変化することが知られており、前記第１のフェライト磁性材料との焼成収縮、収縮挙動のマッチングを考慮しながら、キュリ−温度を−４０℃以下とするように、その組成を適宜決定すれば良い。
Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト磁性材料とする場合には、主成分についてＦｅ_２Ｏ_３を３０〜４０ｍｏｌ％、ＺｎＯを３５〜４０ｍｏｌ％、残部ＭｎＯとするのが好ましい。例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３：３５ｍｏｌ％、ＺｎＯ：４０ｍｏｌ％、ＭｎＯ：２５ｍｏｌ％のＭｎ−Ｚｎ系フェライト磁性材料の場合には、キュリ−温度Ｔｃは−５０℃であり、通常電子部品が用いられる温度範囲−２０℃〜＋８５℃では磁性を有さないものとなる（Ｂ材）。
他の第２のフェライト磁性材料として、Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト磁性材料とする場合には、主成分についてＦｅ_２Ｏ_３を４０〜５５ｍｏｌ％、ＺｎＯを４０ｍｏｌ％以上、残部ＣｕＯとするのが好ましい。例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３：５３ｍｏｌ％、ＺｎＯ：４４ｍｏｌ％、ＣｕＯ：３ｍｏｌ％のＣｕ−Ｚｎ系フェライト磁性材料とすれば、そのキュリ−温度は−４０℃未満となる（Ｃ材）。
なお更にＢｉ、Ｖ、Ｂなどの副成分を添加したり、ホウ珪酸ガラスなどのを加えて、１０００℃以下の焼結を可能とした低温焼結磁性材料を第２のフェライト磁性材料として使用することが出来る。

図２に、先に例示した第１のフェライト磁性材料（Ａ材）、及び第２のフェライト磁性材料（Ｂ材、Ｃ材）のＴＭＡによる収縮特性を示す。比較例としてＡｌ_２Ｏ_３の収縮特性もあわせて示す。Ｍｎ−Ｚｎ系、Ｃｕ−Ｚｎ系の第２のフェライト磁性材料の収縮挙動は、Ａｌ_２Ｏ_３の収縮挙動と大きく異なり、第１のフェライト磁性材料の挙動と近似している。第１のフェライト磁性材料の収縮開始温度、収縮率、及び１０００℃から１１００℃の間の収縮曲線の傾きは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト８４０℃、１２．３％、−０．０５１であり、また、第２のフェライト磁性材料の収縮開始温度、収縮率、及び１０００℃から１１００℃の間の収縮曲線の傾きは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト７６５℃、１４．３％、−０．０３８、Ｃｕ−Ｚｎ系６９２℃、１５．４％、−０．０４９であった。

次に磁心の作製方法について説明する。
第１のフェライト磁性材料の作製手順を説明する。焼結後、前記組成となるように素原料を所定量秤量し、これに水及び分散剤を加えてアトライタ−にて混合して、乾燥後、大気中８５０℃で１．５時間仮焼し、この仮焼後の原料に水、分散剤を加えてアトライタ−で粉砕してスラリ−を作製した。これに、バインダ−を加えてスプレ−ドライヤ−で乾燥し、造粒粉とした。

次に第２のフェライト磁性材料（Ｍｎ−Ｚｎ系、Ｃｕ−Ｚｎ系）の作製手順を説明する。焼結後、前記組成となるように素原料を所定量秤量し、これに水及び分散剤を加えてアトライタ−にて混合して、乾燥した後、大気中８５０℃で１．５時間仮焼した。仮焼後の原料に水、分散剤を加えてアトライタ−で粉砕し、乾燥して粉砕粉を作製した。粉砕粉にバインダ−としてＰＶＢ（ポリビニルブチラ−ル）、可塑剤としてＢＰＢＧ（ブチルフタリルグリコ−ル酸ブチル）を添加し、エチルアルコ−ルを溶媒としてボ−ルミルにて混練してスラリ−とし、脱泡と粘度調整を行い、ドクタ−ブレ−ド法により１５０μｍ厚みのシ−ト状に形成した。シ−ト厚みは必要とされる磁気ギャップの間隔によって適宜形成され得る。

シートから所定形状に切り抜いたり、打ち抜いたりした第２のフェライト磁性材料からなるシートを前記金型内に配置し、さらにその上に第１のフェライト磁性材料の造粒粉を充填して、１９６ＭＰａで圧縮成形して、第１のフェライト磁性材料・第２のフェライト磁性材料の順に積み重なった、Ｉ型の複合成形体とした。

得られた複合成形体を、酸素分圧が１〜２％に調整された焼成炉内で、焼成温度１３００℃で５時間焼結して、第１、第２のフェライト磁性材料を接合して、第１のフェライト部の一面に第２のフェライト部（厚み０．１５ｍｍ）を形成した、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み３ｍｍのＩ型フェライト磁心を得た。
本発明においては、第２のフェライト磁性材料（Ｂ材、Ｃ材）の収縮開始温度を第１のフェライト磁性材料に対して−１５０℃〜＋１００℃の範囲に制御し、収縮カ−ブを同等（ほぼ同じ傾き）にすることで、焼結時の収縮差による応力を緩和しクラックや割れの無い磁心を作製することが出来た。さらに、第２のフェライト磁性材料で形成したシ−トを複数積み重ね、第２のフェライト部の厚みが、焼結後、１ｍｍとなるように構成した。得られた磁心を切断し、顕微鏡で断面を観察したが、第１、第２のフェライト部にクラックなどの欠陥は観察されなかった。
比較例として第１のフェライト磁性材料と、厚みが１５０μｍのＡｌ_２Ｏ_３を用い、前記実施例と同様の方法で磁心を作製した。得られた磁心を長手方向に切断し、顕微鏡で断面を観察したところ、僅かではあるがＡｌ_２Ｏ_３層から第１のフェライト磁性材料の層は至るクラックが発生していた。

次に、本発明の一実施例に係る磁心を用いて形成した電子部品（インダクタンス素子）について説明する。図３は、このインダクタンス素子の基本構造を示す外観図である。
実施例１と同様の手順にて得られた磁心（第２のフェライト磁性材料はＭｎ−Ｚｎ系のＢ材を用いた）から、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み３ｍｍのＩ字状フェライト磁心１を切り出した。ここで突き合わせ面側に位置する磁気ギャップの厚みは２００μｍとしている。さらに２つの磁脚３、４を繋ぐ連結部を備えたＵ字状磁心２を準備し、前記連接部６にコイルボビンを配置した。前記コイルボビン５には線径０．５ｍｍφの線材が１０回巻き回されている。前記I字状磁心１をＵ字状フェライト磁心２の磁脚３、４と実質的に空隙無く当接するように橋架けして配置して、樹脂粘着テ−プによりテ−ピング固定として本実施例に係るインダクタンス素子を構成した。なお、前記Ｕ字状フェライト磁心２は、２つの磁脚３、４を繋ぐ連結部が３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み３ｍｍで、連結部からの立設する磁脚の高さが２．５ｍｍであり、Ｉ字状フェライト磁心１を構成する第１のフェライト磁性材料を用いて形成されている。

このインダクタンス素子の直流重畳特性を、室温状態で測定し評価したところ、磁気ギャップを設けないＩ字状フェライト磁心を用いた場合と比較し、優れた直流重畳特性を発揮することがわかった。第２のフェライト磁性材料と接合される第１のフェライト磁性材料の収縮率や収縮挙動を近似させることで、前記第２のフェライト磁性材料で構成される磁気ギャップの間隔を広く出来るため、電子部品が使用される電流範囲でインダクタンス値の変化が実質的にない、優れた直流重畳特性を得ることが出来た。

本発明によれば、通常電子部品が用いられる温度範囲−２０℃〜＋８５℃では磁性を有さない第２のフェライト磁性材料を用いて、磁気ギャップを構成する点である。この様に磁気ギャップを構成することで、スペ−サ−を設置する工程が簡素化でき、スペ−サ−設置によるインダクタンス値のばらつきを極めて小さくすることができる。また磁気ギャップが非磁性フェライトで形成されるため、磁気ギャップを一体形成した磁心を容易に得ることができるとともに、前記磁気ギャップが１５０μｍを超える厚みであっても、クラック等の内部欠陥が生じない磁心を得ることが出来る。
また焼成収縮率、収縮挙動による内部残留応力を低減し、インダクタンス値のばらつきを抑えることが出来、長期的に電気的特性が安定し、組立が容易で直流重畳特性に優れた電子部品を得ることが出来る。

（ａ）本発明の一実施例に係るフェライト磁心の構成を示す外観図であり、（ｂ）本発明の他の実施例に係るフェライト磁心の構成を示す外観図である。本発明の一実施例に用いる第１、第２のフェライト磁性材料とＡｌ_２Ｏ_３の焼成収縮特性図である。本発明の一実施例に係る電子部品の構成を示す外観図である。従来の電子部品の構成を示す外観図である。

符号の説明

１ I字状磁心
２ U字状磁心
３、４磁脚
５コイルボビン
６連接部

Claims

脚付フェライト磁心と、前記脚付フェライト磁心と突き合わせるフェライト磁心と、前記脚付フェライト磁心及び／又は前記突合せフェライト磁心に配置される巻線を備え、
前記突合せフェライト磁心は、造粒粉からなるキュリ−温度が１００℃以上の第１のフェライト磁性材料と、前記突合せ面側に、シート状のキュリ−温度が−４０℃未満の第２のフェライト磁性材料を一体的に成形し、
しかる後、一体焼結して、前記第１のフェライト磁性材料からなる第１のフェライト部と、前記第２のフェライト磁性材料からなる第２のフェライト部を接合してなり、少なくとも、前記脚付フェライト磁心との突き合わせ面に前記第２のフェライト磁性材料で構成された磁気ギャップが形成されていることを特徴とする特徴とする電子部品。