JP3652050B2

JP3652050B2 - フェライト材料及びこれを用いた圧力センサ並びにチップインダクタ

Info

Publication number: JP3652050B2
Application number: JP04679897A
Authority: JP
Inventors: 英博竹之下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: JPH10245264A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェライト材料及びこれを用いた圧力センサ並びにチップインダクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｚｎの酸化物を主成分とするフェライト材料（Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト材料）は、圧力に応じてインダクタンスＬが変動すること（以下、磁歪という）が知られており、使用する用途に応じて、この現象が積極的に利用されたり、逆に制御されたりする。
【０００３】
例えば、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト材料に圧力を加えた時の磁歪量を測定することによって圧力を検出し、圧力センサとして用いることが提案されている（特開昭４９−２８３８３号、特公昭５２−６１０５号公報参照）。この場合は、圧力に応じてインダクタンスの変動量が大きく、しかも圧力と磁歪量の関係が可逆的に変化するものが求められる。
【０００４】
一方、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト材料をチップインダクタのコアに用いる場合、樹脂モールドして使用される際に、モールドの圧力によるインダクタンスの変動量が小さく安定した材料が求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト材料において、磁歪量を制御することは難しく、求める磁歪量のＮｉ−Ｚｎ系フェライト材料を得ることは極めて困難であった。
【０００６】
しかも、通常のＮｉ−Ｚｎ系フェライトは負の磁歪を示し、圧力と磁歪量の関係が不可逆的であるという問題があった。そのため、圧力センサとして用いた場合に精度の高いセンサとすることができず、またチップインダクタとして用いた場合に樹脂モールド後のインダクタンスの値が不安定になるという不都合があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｚｎの酸化物を主成分とするＮｉ−Ｚｎ系フェライト材料において、Ｆｅ²⁺イオンを３モル％以上含有することを特徴とする。
【０００８】
即ち、種々実験を行った結果、焼結体中に存在するＦｅ²⁺の含有量が磁歪量と密接な関係があることを見出した。そして、Ｆｅ²⁺の含有量を３モル％以上とすれば、磁歪量が正となり、その結果、圧力と磁歪量の関係が可逆的となり、インダクタンスＬの変動を安定できることを見出して本発明に到ったのである。
【０００９】
ここで、Ｆｅ²⁺の含有量と磁歪量の関係について説明する。一般に、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト材料の焼結体中で、Ｆｅイオンは、Ｆｅ²⁺からＦｅ³⁺、Ｆｅ⁴⁺に変化しており、Ｆｅ²⁺の含有量は極めて少ない状態となっている。また、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトの磁歪は、結晶構造中に含まれる各イオンの磁歪現象の総和であるが、通常含まれるイオンであるＦｅ³⁺、Ｚｎ²⁺、Ｎｉ²⁺、Ｃｕ²⁺等はいずれも負の磁歪定数を有しており、そのためＮｉ−Ｚｎ系フェライト材料は負の磁歪を示すことになる。
【００１０】
これに対し、Ｆｅ²⁺イオンは正の磁歪を示すため、フェライト材料中のＦｅ²⁺イオンの含有量を多くすると、全体の磁歪量を大きくすることができ、特にＦｅ²⁺イオンの含有量を３モル％以上にすると、フェライト材料全体の磁歪量が正になって、圧力と磁歪量の関係を可逆的にでき、インダクタンスＬの変動を安定できることを見出したのである。しかも、Ｆｅ²⁺イオンの含有量を調整することによって、自由に所定の磁歪量をもったフェライト材料を得ることもできる。
【００１１】
なお、Ｆｅ²⁺イオン含有量の多いＮｉ−Ｚｎ系フェライト材料を製造するためには、種々の方法がある。例えば、フェライト材料中のＦｅ₂Ｏ₃の含有量を好ましくは５０モル％以上となるようにしてＦｅ成分を過剰にし、余剰のＦｅをＦｅ²⁺とさせる方法、Ｓｉ⁴⁺、Ｔｉ⁴⁺、Ｓｎ⁴⁺等の４価の原子価を持った成分を添加することによって焼成中に生成したＦｅ²⁺を安定化させる方法、あるいはＦｅ²⁺が生成しやすいような条件で焼成する方法等があり、これらの３つの方法のうちいずれか一つ又は複数の方法の組合せによって、Ｆｅ²⁺の含有量を所定の範囲とすることができる。
【００１２】
具体的な本発明のフェライト材料の製造方法は、所定の組成範囲となるように主成分の各原料を調合し、ボールミル等で粉砕混合した後、８００〜９００℃で仮焼し、この仮焼分体に添加成分を加えた後、ボールミルで粉砕し、バインダーを加えて造粒し、所定形状に成形した後、９５０〜１２５０℃で焼成することによって得ることができる。
【００１３】
また、フェライト材料の焼結体からＦｅ²⁺の含有量を測定する方法としては、キレート滴定法を用いる。これは、フェライト焼結体を酸又はアルカリで溶解させ、その溶液に指示薬を入れ、ＥＤＴＡ溶液で滴定する方法であり、ｐＨ＝２〜３で滴定すればＦｅ²⁺は滴定にかからないことから、Ｆｅ²⁺の酸化を防ぎつつ滴定を行えば、Ｆｅ²⁺以外のＦｅイオン（Ｆｅ³⁺、Ｆｅ⁴⁺）含有量を測定することができる。そのため、全体のＦｅ量から、この測定値を引けばＦｅ²⁺の含有量を求めることができる。
【００１４】
さらに他の方法としては、イオンクロマトグラフィー法を利用することもできる。これは、フェライト焼結体を酸等で溶解させ、イオン交換クロマトグラフィーにかけ、Ｆｅ²⁺イオンと他のＦｅイオン（Ｆｅ³⁺、Ｆｅ⁴⁺）のカラム中での移動速度の違いから分離、定量を行う方法である。
【００１５】
また、本発明のフェライト材料は圧力と磁歪量の関係が可逆的になることから、圧力センサとして用いれば精度を高くするとができる。
【００１６】
さらに、本発明のフェライト材料をチップインダクタとして用いれば、樹脂モールド時にインダクタンスの変動が不安定になることを防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のフェライト材料を用いた圧力センサの実施形態を図によって説明する。
【００１８】
図１に示す圧力センサは、Ｆｅ²⁺イオン含有量を３モル％以上とした本発明のフェライト材料を柱状体として圧力検出素子１とし、その周囲に巻線を施しておいて、基体３上に載置する。また、圧力検出素子１の他方端側には圧力伝達手段として荷重受部材４を備えている。さらに、上記巻線２にはＬＣＲメータ等の磁歪量検出手段５を接続してあり、この磁歪量検出手段５で圧力検出素子１のインダクタンスＬを測定し、得られた信号を解析部６で圧力に変換して処理し、表示するようになっている。
【００１９】
いま、荷重受部材４に圧力が加わった場合、これによって圧力検出素子１のインダクタンスＬが変化し、この変化を磁歪量検出手段５で検知し、解析部６で圧力に変換して、圧力の大きさを表示することができる。
【００２０】
なお、図１では１個の圧力検出素子１を用いたが、複数の圧力検出素子１で荷重受部材４を指示する構造とし、各圧力検出素子１に磁歪量検出手段５を接続しても良い。
【００２１】
また、荷重受部材４は、圧力検出素子１に悪影響を及ぼさないように非磁性材料を用い、また圧力を正確に伝達できるように弾性率の小さい材料を用いることが好ましい。
【００２２】
以上の圧力センサにおいて、圧力検出素子１を成す本発明のフェライト材料は、圧力と磁歪量の関係が可逆的になることから、圧力センサとしての精度を高くすることができる。
【００２３】
なお、圧力検出素子１を成すフェライト材料の組成としては、例えば、５０〜６５モル％のＦｅ₂Ｏ₃、５〜２０モル％のＮｉＯ、２５〜４０モル％のＺｎＯ、０〜１０モル％のＣｕＯを主成分とするものが好ましい。上記範囲とすれば、磁歪が負となることを防止し、高い透磁率を維持し、しかも良好な焼結性を維持できる。
【００２４】
また、これら以外の添加成分として、上記主成分１００重量部に対し、０．５〜５重量部のＳｉＯ₂、０．１〜３重量部のＴｉＯ₂、０．１〜５重量部のＳｎＯ₂を含有することによって、前述したようにＦｅ²⁺イオンの含有量を高め、磁歪量を正にすることができる。
【００２５】
さらに、これら以外の添加成分として、０〜５重量部のＢｉ₂Ｏ₃を加えると焼結性を向上させることができる。また、その他に、ＭｎＯを０．１５重量部以下、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｋ₂Ｏ、Ｓ、Ｐ₂Ｏ₅を各々０．０５重量部以下の範囲で含んでいても良い。
【００２６】
次に、本発明のフェライト材料をチップインダクタに用いた実施形態を図によって説明する。
【００２７】
図２に示すように、Ｆｅ²⁺イオン含有量を３モル％以上とした本発明のフェライト材料によりコア１１を形成し、このコア１１の中央部１１ａに巻線を施して、その両端に接続したリードピンをフランジ部１１ｂに半田付けし、全体をエポキシ樹脂でモールドすることによって、チップインダクタをすることができる。
【００２８】
この時、本発明のフェライト材料は、磁歪が正となり、圧力と磁歪量の関係が可逆的になることから、上記の樹脂モールド時に圧力が加わっても、インダクタンスＬが不安定になることを防止できる。
【００２９】
なお、本発明のフェライト材料をチップインダクタのコア１１として用いる場合は、上記特性以外に高周波で高いＱ値を維持することが求められ、そのためには、フェライト材料中のＦｅ²⁺イオンの含有量を３〜１０モル％とし、かつ体積固有抵抗を１０⁸Ω・ｃｍ以上とすることが好ましい。
【００３０】
これは、Ｆｅ²⁺イオンの含有量が１０モル％を超えるか、又は体積固有抵抗が１０⁸Ω・ｃｍ未満であると、高周波でのＱ値が低下するためである。
【００３１】
ここで、体積固有抵抗と高周波でのＱ値の関係について説明する。一般にＱ値は、

ｔａｎδｅ：渦電流損失係数
ｔａｎδｈ：ヒステリシス損失係数
ｔａｎδｒ：全磁気損失係数
で表される。そして、体積固有抵抗が低下すると渦電流損失係数（ｔａｎδｅ）が大きくなり、その結果、Ｑ値が低下することになるのである。そのため、高周波でのＱ値の低下を防止するために、体積固有抵抗を１０⁸Ω・ｃｍ以上とすることが好ましい。
【００３２】
なお、一般にＮｉ−Ｚｎ系フェライト材料は体積固有抵抗の高い材料である。ところが、前述したように磁歪量の関係でＦｅ²⁺イオンの含有量を高めると、焼結体中のＦｅイオンが、Ｆｅ²⁺、Ｆｅ³⁺、Ｆｅ⁴⁺となって不定比性が大きくなり、これらのイオン間での電子の授受によって、抵抗値の低下を招くことになる。そこで、本発明のフェライト材料をチップインダクタに用いる場合は、Ｆｅ²⁺イオンの含有量を１０モル％以下として、体積固有抵抗の低下を防止することが好ましい。
【００３３】
また、フェライト材料の体積固有抵抗を高くするためには、ＣａＯ、ＺｒＯ₂等の高抵抗の酸化物を添加し、粒界相に高抵抗相を作ることもできる。
【００３４】
このように、チップインダクタとして用いる場合のフェライト材料の組成としては、例えば、４５〜５５モル％のＦｅ₂Ｏ₃、１０〜３０モル％のＺｎＯ、０〜１０モル％のＣｕＯ、残部がＮｉＯを主成分とするものが好ましい。上記範囲とすれば、磁歪が負となることを防止し、高い透磁率を維持し、しかも良好な焼結性を維持できる。
【００３５】
また、これら以外の添加成分として、上記主成分１００重量部に対し、０．５〜１０重量部のＳｉＯ₂、０．１〜５重量部のＴｉＯ₂、０．１〜５重量部のＳｎＯ₂を含有することによって、前述したようにＦｅ²⁺イオンの含有量を高め、磁歪量を正にすることができる。
【００３６】
さらに、体積固有抵抗値を高めるために、必要に応じてＣａＯ、ＺｒＯ₂をそれぞれ０〜１重量部の範囲で含有することもできる。
【００３７】
また、これら以外の添加成分として、０〜５重量部のＢｉ₂Ｏ₃を加えると焼結性を向上させることができる。さらに、その他に、ＭｎＯを０．１５重量部以下、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、Ｋ₂Ｏ、Ｓ、Ｐ₂Ｏ₅を各々０．０５重量部以下の範囲で含んでいても良い。
【００３８】
【実施例】
実施例１
以下本発明の実施例を説明する。
【００３９】
５５モル％のＦｅ₂Ｏ₃、３０モル％のＮｉＯ、１５モル％のＺｎＯからなる主成分を振動ミルにて混合、粉砕し、８００〜９００℃で仮焼をおこない得られた仮焼分体に、表１に示すような異なる量のＳｉＯ₂等の添加剤を添加した後、ボールミルにて再び混合粉砕し、バインダーを加えて造粒を行った。得られた原料を成形し、所定の焼成プロセスにて９５０〜１２５０℃で焼成し、３×３×１５ｍｍの角柱状体の試料を得た。
【００４０】
この試料に対し、前述したイオンクロマトグラフィー法によって、Ｆｅ²⁺の含有量を測定するとともに、試料に直径０．２ｍｍの被覆銅線を巻いて、５０ｋｇの荷重を加えた時のインダクタンスＬの変化率ΔＬ／ＬをＬＣＲメータで測定し、磁歪量とした。
【００４１】
結果を表１に示す。この結果より、添加成分としてＳｉＯ₂量を多くすれば、４価のＳｉ⁴⁺の存在によってＦｅ²⁺の含有量を増加でき、これにしたがって磁歪量が増加することがわかる。そして、Ｆｅ²⁺の含有量を３モル％以上にすると（Ｎｏ．５〜７）磁歪量が負から正に転じ、求める特性を持ったフェライト材料が得られることがわかる。
【００４２】
【表１】

【００４３】
実施例２
次に、上記と同様の主成分を用い、添加剤としてさらに表２に示すような異なる量のＣａＯ、ＺｒＯ₂を加え、上記と同様の製造方法で、トロイダルコア及び上記と同じ３×３×１５ｍｍの角柱状体の試料を得た。
この角柱状体の試料に対し、前述したイオンクロマトグラフィー法によって、Ｆｅ²⁺の含有量を測定するとともに、試料に直径０．２ｍｍの被覆銅線を巻いて、５０ｋｇの荷重を加えた時のインダクタンスＬの変化率ΔＬ／ＬをＬＣＲメータで測定し、磁歪量とした。また、三端子法によって体積固有抵抗値を測定した。
【００４４】
さらに、トロイダルコアの試料に直径０．２ｍｍの被覆銅線を７回巻いて、３０ＭＨｚでのＱ値、１００ｋＨｚでの透磁率μを測定した。
【００４５】
これらの結果を表２に示す。この結果より、上記実施例と同様に、Ｆｅ²⁺の含有量を多くするほど磁歪量が増加し、特にＦｅ²⁺の含有量を３モル％以上にすると磁歪量が負から正に転じることがわかる。ただし、Ｆｅ²⁺含有量を多くするとＱ値が低下する傾向があり、１０モル％をこえたもの（Ｎｏ．１２〜１５）ではＱ値が低すぎるために、チップインダクタとしては不適当なものであった。
【００４６】
また、ＣａＯ、ＺｒＯ₂等の成分を添加して体積固有抵抗を大きくすればＱ値を向上することができ、特に体積固有抵抗１０⁸Ω・ｃｍ（１００ＭΩ・ｃｍ）以上とすれば、Ｑ値を２０以上と高くできることも確認された。
【００４７】
【表２】

【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｚｎの酸化物を主成分とするフェライト材料において、Ｆｅ²⁺イオンを３モル％以上含有させることによって、磁歪量を正として、圧力と磁歪量の関係を可逆的にし、相関関係を一定にすることができる。また、上記範囲内でＦｅ²⁺イオン含有量を調整することによって、自由に所定の磁歪量をもったフェライト材料を得ることができる。
【００４９】
また、本発明によれば、上記フェライト材料により圧力検出素子を形成し、該圧力検出素子に圧力を伝達する手段と、圧力検出素子の磁歪量を検出する手段から圧力センサを構成したことによって、高精度の圧力センサを得ることができる。
【００５０】
さらに、本発明によれば、上記フェライト材料によりコアを形成し、該コアに巻線を施してチップインダクタを構成したことによって、樹脂モールド時にインダクタンスの変動が小さく、また変動量が不安定となることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフェライト材料を用いた圧力センサを示す概略図である。
【図２】本発明のフェライト材料を用いたチップインダクタ用のコアを示す斜視図である。
【符号の説明】
１：圧力検出素子
２：巻線
３：基体
４：荷重受部材
５：磁歪量検出手段
６：解析部
１１：コア
１１ａ：中央部
１１ｂ：フランジ部

Claims

Ｆｅ，Ｎｉ，Ｚｎの酸化物を主成分とし、上記主成分１００重量部に対し、０．５〜１０重量部のＳｉＯ ₂ 、０．１〜５重量部のＴｉＯ ₂ 、０．１〜５重量部のＳｎＯ ₂ のいずれか一種以上を含有し、かつＣａＯ、ＺｒＯ ₂ をそれぞれ１重量部以下の範囲で含有するとともに、Ｆｅ²⁺イオンを３モル％以上含有することを特徴とするフェライト材料。
請求項１記載のフェライト材料により圧力検出素子を形成し、該圧力検出素子に圧力を伝達する手段と、圧力検出素子の磁歪量を検出する手段を有する圧力センサ。
請求項１記載のフェライト材料によりコアを形成し、該コアに巻線を施して成るチップインダクタ。