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Dokumentenidentifikation DE60021677T2 04.05.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001096514
Titel Komposit-Magnetmaterial und Induktor-Element
Anmelder Murata Manufacturing Co., Ltd., Nagaokakyo, Kyoto, JP
Erfinder Tomono, Kunisaburo, Nagaokakyo-shi, Kyoto-fu 617-8555, JP;
Toda, Takashi, Nagaokakyo-shi, Kyoto-fu 617-8555, JP;
Ohsawa, Takashi, Nagaokakyo-shi, Kyoto-fu 617-8555, JP;
Fukushima, Mitsuhiro, Nagaokakyo-shi, Kyoto-fu 617-8555, JP;
Marusawa, Hiroshi, Nagaokakyo-shi, Kyoto-fu 617-8555, JP
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60021677
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.10.2000
EP-Aktenzeichen 001231448
EP-Offenlegungsdatum 02.05.2001
EP date of grant 03.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.05.2006
IPC-Hauptklasse H01F 1/37(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01F 3/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01F 17/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetisches Kompositmaterial, welches ein Ferritpulver und ein Harz umfasst, und außerdem ein unter dessen Verwendung hergestelltes Induktorelement. Spezifischer betrifft sie ein magnetisches Kompositmaterial, ebenso wie ein Induktorelement, das bei Verwendung in elektronischen Teilen für Hochfrequenzanwendungen von Vorteil ist.

2. Beschreibung des Fachgebiets

In Hochfrequenz-Schaltkreisen, die für mobile Kommunikationsgeräte, einschließlich Mobiltelefonen, Radio-LAN etc. eingesetzt werden, wird ein Induktorelement mit einer Spulenstruktur zur Abdeckung der Frequenzen bis zu mehreren GHz, zum Beispiel ein Chip-Induktor, zu Zwecken der Impedanzanpassung, Resonanz oder als Drosselspule verwendet.

Die Spule ist jedoch durch Winden eines Drahtes um einen Kern hergestellt worden, der aus einem nicht-magnetischen Material bestand, oder durch Erzeugen eines Spulenbildes auf einem nicht-magnetischen Material, was eine große Anzahl von Umdrehungen der Spulenwindung zur Erzielung der gewünschten Impedanz erforderlich machte und somit der Tendenz zur Miniaturisierung Beschränkungen auferlegte. Da der Windungswiderstand mit zunehmender Anzahl von Umwicklungen zunimmt, bestand auch das Problem, dass kein Induktor mit einem hohen Q (Gain-Q/Gewinnenergie) erzielt werden konnte.

Um diese Probleme zu lösen, wurden auch Induktoren untersucht, die ein Ferrit als Kern für Hochfrequenzanwendungen aufweisen. Unter Verwendung eines Ferrit-Kerns ist eine verminderte Anzahl von Umdrehungen der Spulenwindungen entsprechend der Permeabilität des Kernmaterials und zur Realisierung der Miniaturisierung möglich. Allerdings zeigt ein Sinterkörper aus Ferrit ein Frequenzralaxations-Phänomen, das von der Wandbewegung der magnetischen Domäne herrührt, weshalb ein hoher Q nur dann beibehalten werden kann, wenn die Frequenz auf einen Maximalwert von bis zu etwa 300 MHz beschränkt ist, und zwar selbst dann, wenn ein Ferrit-Sinterkörper vom Ferroxplanar-Typ verwendet wird (der als der Typ mit den ausgezeichnetsten Hochfrequenz-Eigenschaften erachtet wird).

In JP 10335131 nach dem Stand der Technik ist ein magnetisches Oxidmaterial mit einem Ni-Zn-Mg-Cu-Ferrit als der Hauptkomponente und Co3O4, SiO, Nb2O5 und PbO als Zusatzinhaltsstoffen beschrieben. In JP 03163805 wird das Dispergieren einer ferromagnetischen Substanz in ultrafeinen Partikeln einer einzelnen magnetischen Domänen-Struktur zu einem festen organischen Polymer gelehrt. Als ferromagnetische Substanz wird in JP 03163805 Eisenoxid und dessen Derivate vorgeschlagen.

Zusammenfassung der Erfindung

Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines magnetischen Materials, welches eine größere Permeabilität im Vergleich zu einem nicht-magnetischen Material in einem Frequenzband von mehreren MHz bis mehreren GHz aufweist, und welches einen relativ hohen Gain-Q bis zu einem Frequenzband von mehreren GHz beibehalten kann.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Induktorelements, welches miniaturisiert werden und nach wie vor einen hohen Q liefern kann, unter Verwendung des oben beschriebenen magnetischen Materials.

Das magnetische Kompositmaterial umfasst ein Ferritpulver und ein Harz, wobei das Ferritpulver ein Ferrit vom Spinell-Typ, einschließlich von zumindest Ni und Co, umfasst.

Das Ferritpulver ist ein Ferrit vom Spinell-Typ mit einer Zusammensetzung, dargestellt durch (NiO)x(CoO)y(MeO)z(Fe2O3)1–x–y–z, worin Me mindestens eines ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mg, Cu und Zn, und worin x, y, und z jeweils die folgenden Bedingungen erfüllen: 0,10 ≤ x ≤ 0,550; 0,025 ≤ y ≤ 0,200; 0 ≤ z ≤ 0,200; und 0,400 ≤ (x + y + z) ≤ 0,600.

Das magnetische Kompositmaterial wird geeigneterweise auf ein Induktorelement aufgebracht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein magnetisches Kompositmaterial erhalten werden, welches eine relativ große Permeabilität im Frequenzband von mehreren MHz bis mehreren GHz bereitstellen kann und welches eine hohe Q-Gewinnenergie von bis zu einem GHz-Bereich beibehalten kann.

Daher kann mit einem Induktorelement, das unter Verwendung dieses magnetischen Kompositmaterials als einem magnetischen Element konstruiert werden kann, die Miniaturisierung als auch ein hoher Q realisiert werden.

Zum Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung werden in den Zeichnungen mehrere Formen gezeigt, die derzeit bevorzugt sind, wobei allerdings verstanden sein sollte, dass die Erfindung nicht exakt auf die gezeigten Anordnungen und Instrumentierungen beschränkt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Induktorelements 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Teil davon teilweise freigelegt gezeigt ist.

2 zeigt ein Schaubild der Beziehungen zwischen den Frequenzen und den Permeabilitäten &mgr;' des magnetischen Kompositmaterials der Probe 8, wie gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, und einem Ferrit-Sinterkörper des Vergleichsbeispiels.

3 zeigt ein Schaubild der Beziehungen zwischen den Frequenzen und den Gain-Q des magnetischen Kompositmaterials der Probe 8, wie gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, und einem Ferrit-Sinterkörper des Vergleichsbeispiels.

4 zeigt ein Schaubild der Beziehung zwischen der CoO-Menge und der Permeabilität &mgr;' in einem System mit 49,5 Mol-% Fe2O3.

5 zeigt ein Schaubild der Beziehung zwischen der CoO-Menge und dem Gain-Q in einem System mit 49,5 Mol-% Fe2O3.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ein Sinterelement aus einem Ferritmaterial weist einen Magnetisierungsmechanismus auf, den es durch das Stadium der Relaxation der Wandbewegung der magnetischen Domäne bis zum Stadium der rotierenden Magnetresonanz, ausgehend von einer geringen Frequenz zu einer hohen Frequenz, im magnetischen AC-Feld leitet. Vom Standpunkt der Frequenzeigenschaften des Q des magnetischen Materials nimmt Q bei einer Frequenz scharf ab, bei der die Relaxation der Wandbewegung der magnetischen Domäne erfolgt und nimmt weiter zum Punkt der rotierenden Magnetresonanz ab.

Um einen hohen Q-Wert von bis zum Frequenzband von mehreren GHz beizubehalten, ist es zunächst erforderlich, die Wandbewegung der Magnetdomäne völlig zum Erliegen zu bringen und dann die Frequenz der rotierenden Magnetresonanz zu einer Frequenz zu verschieben, die höher als mehrere GHz ist.

Als Ergebnis umfangreicher Untersuchungen der Erfinder wurde bestätigt, dass ein Abbau von Q durch die Wandbewegung der magnetischen Domäne völlig zum Erliegen gebracht werden kann, indem ein Ferritpulver in einer nicht-magnetischen Matrix dispergiert wird, wobei das Pulver eine Partikelgröße aufweist, die jedem der Ferritpartikel ermöglicht, ein Einzeldomänen-Partikel zu bleiben. Generell beträgt die maximale Dimension jedes Partikels im Pulver etwa 3 &mgr;m.

Es wurde ebenfalls festgestellt, dass dann, wenn Ni in einem Ni-Ferrit mit Co ergänzt wird, die Frequenz der rotierenden Magnetresonanz mit zunehmender Substitutionsmenge steigt.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass für den Kern eines Hochfrequenz-Induktors günstige Eigenschaften durch Kombinieren der oben beschriebenen Elemente und durch Dispergieren eines NiCo-Ferritpulvers in einem Harz bei einer hohen Konzentration zum Erhalt des Ferrit-Kompositmaterials erzielt werden können, wodurch sie zur vorliegenden Erfindung gelangt sind.

In anderen Worten richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein magnetisches Kompositmaterial. Dieses magnetische Kompositmaterial ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein Ferritpulver und ein Harz enthält, wobei das Ferritpulver ein Ferrit vom Spinell-Typ, einschließlich von zumindest Ni und Co, umfasst.

Im magnetischen Kompositmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung ist das oben beschriebene Ferrit ein Ferrit vom Spinell-Typ mit einer Zusammensetzung, dargestellt durch (NiO)x(CoO)y(MeO)z(FezO3)1–x–y–z, worin Me mindestens eines ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mg, Cu und Zn, und worin x, y, und z jeweils die folgenden Bedingungen erfüllen: 0,10 ≤ x ≤ 0,550; 0,025 ≤ y ≤ 0,200; 0 ≤ z ≤ 0,200; und 0,400 ≤ (x + y + z) ≤ 0,600.

In der oben beschriebenen Zusammensetzung kann ein Teil des Ni durch Be, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Cr, Me etc. ersetzt werden, und kann ein Teil des Fe durch Al, Ga, In, Tl etc. ersetzt werden, solange diese nicht die magnetischen Eigenschaften des magnetischen Kompositmaterials nachteilig beeinflussen.

Als dem Harz kann jegliche Art von Harz verwendet werden. Zusatzstoffe wie ein Harzdispersionmittel können dem Harz zugesetzt werden, solange diese die magnetischen Eigenschaften des Kompositmaterials nicht nachteilig beeinflussen.

Das magnetische Kompositmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung wird, anders als bei einem Ferrit-Sinterkörper, durch Mischen eines Ferritpulvers ohne Relaxation der Wandbewegung der magnetischen Domäne in einem Harz hergestellt. Dieses magnetische Kompositmaterial kann einen relativ hohen Q von bis zu einem Bereich von mehreren GHz beibehalten, da die Frequenz der rotierenden Magnetresonanz eines Ferritpulvers auf eine höhere Frequenz als mehrere GHz erhöht wird.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht des äußeren Erscheinungsbildes eines Induktorelements 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 ist das Induktorelement 1 als teilweise geöffnet gezeigt.

Das Induktorelement 1 besteht in einem Chip-Induktor und ist mit einem zylindrischen Kern 2 ausgestattet. Das beschichtete Gewinde 3 ist über die äußere Peripherie des Kern 2 gewunden. Jedes Ende des Kerns 2 ist mit einem deckelartigen metallischen Endstücks 4 oder 5 bedeckt. Die Beschichtung an beiden Enden des Gewindes 3 ist abgeschält, und eines der Enden mit der derart abgeschälten Beschichtung ist an das Endstück 4 und das andere Ende an das Endstück 5 elektrisch angeschlossen.

Das magnetische Kompositmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann in vorteilhafter Weise beispielsweise als ein Material für den Kern 2 zur Verwendung in oben beschriebenem Induktorelement 1 verwendet werden oder kann als ein magnetisches Element zur Verwendung in einem Induktorelement einer unterschiedlichen Struktur verwendet werden.

Das magnetische Kompositmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung weist die oben beschriebene Zusammensetzung auf. Die Einzelheiten werden nachstehend anhand der Beispiele erläutert werden.

BEISPIELE

Verschiedene Arten von Metalloxiden werden als Rohmaterialien hergestellt und mit einer Kugelmühle für 24 Stunden zum Erhalt der Ferrit-Zusammensetzungen (in einem Molverhältnis) nassvermahlen, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Dann wurde das oben beschriebene Pulvergemisch in Luft bei einer Temperatur von 1000°C für zwei Stunden calciniert und anschließend mit einer Kugelmühle für 24 Stunden naßvermahlen.

Das derart erhaltene Ferritpulver wurde einer Messung der Realdichte mittels der Gassubstitutionsmethode unterzogen. Unter Verwendung des Ergebnisses wurde das Ferritpulver und ein Polypropylenharz in einem Volumenverhältnis von 50/50 zum Erhalt eines Kompositmaterials compoundiert.

Als nächstes wurde das oben beschriebene Kompositmaterial mit einer Heißwalze vermischt und dann zum Erhalt eines zylindrischen Teststücks mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Länge in Axialrichtung von 15 mm unter Verdichtungsdruck gesetzt. Das Teststück wurde eingedreht und dann einer Auswertung der magnetischen Eigenschaften bei Frequenzen von 500 MHz, 1 GHZ bzw. 2 GHz mittels der S-Parameter-Methode unterzogen.

Außerdem wurde als ein Vergleichsbeispiel ein Ni-(Mg, Cu)-Ferrit-Sinterkörper hergestellt und dieser dann der Auswertung der magnetischen Eigenschaften gemäß derselben Methoden wie den oben beschriebenen Methoden unterzogen.

Tabelle 2 zeigt die realen Zahlenanteile &mgr;' der komplexen Permeabilitäten und die Gain-Q-Werte der magnetischen Kompositmaterialien der Proben in Tabelle 1, für die die magnetischen Eigenschaften wie oben beschrieben ausgewertet wurden, bzw. eines Sinterkörpers gemäß dem oben beschriebenen Vergleichsbeispiel.

2 zeigt die Beziehungen zwischen den Frequenzen und Permeabilitäten &mgr;' der Probe 8 und des Vergleichsbeispiels zu Vergleichszwecken. 3 zeigt die Beziehungen zwischen den Frequenzen und den Gain-Q in entsprechender Weise. 4 zeigt eine Beziehung zwischen der CoO-Menge und der Permeabilität &mgr;' bei einer Frequenz von 2 GHz in einem System mit 49,5 Mol-% Fe2O3. 5 zeigt eine Beziehung zwischen der CoO-Menge und dem Gain-Q bei einer Frequenz von 2 GHz in einer ähnlichen Weise.

Unter Bezugnahme auf 2, 3 und Tabelle 2 zeigen, im Vergleich zum Vergleichsbeispiel, die Proben 1–25, mit Ausnahme von Probe 5, welche außerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung liegt, da sie kein Co enthält, eine generelle Neigung zu relativ guten magnetischen Eigenschaften, das heißt, eine gute Permeabilität &mgr;' und einen guten Gain-Q von bis zum GHz-Bereich, ohne dass die von der magnetischen Wandresonanz abgeleiteten magnetischen Eigenschaften verschlechtert wären, obschon die Permeabilität durch den Einfluss des Harzes, das nicht-magnetisch ist, vermindert ist.

Unter Bezugnahme auf Tabelle 1 ist die Menge an NiO im Bereich von 0,050–0,575 Mol-% in Proben 1–4 verändert, die Menge an CoO im Bereich von 0–0,300 Mol-% in Proben 5–13 verändert, ein Teil der Menge des NiO durch MgO, CuO oder ZnO in Proben 14–19 substituiert, die Menge an MgO im Bereich von 0,050–0,300 Mol-% verändert und die Menge an Fe2O3 im Bereich von 0,350–0,650 Mol-% in Proben 20–25 verändert.

Bei der vorliegenden Erfindung ist, wie oben beschrieben, das Ferrit ein Ferrit vom Spinell-Typ mit einer Zusammensetzung, dargestellt durch (NiO)x(CoO)y(MeO)z(Fe2O3)1–x–y–z, worin Me mindestens eines ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mg, Cu und Zn, und worin x, y, und z jeweils die folgenden Bedingungen erfüllen: 0,10 ≤ x ≤ 0,550; 0,025 ≤ y ≤ 0,200; 0 ≤ z ≤ 0,200; und 0,400 ≤ (x + y + z) ≤ 0,600.

In Tabelle 1 und Tabelle 2 weisen die Proben, die außerhalb des Anspruchs 1 liegen, mit dem Symbol * markierte Probennummern auf.

Der Bereich der Zusammensetzung, der innerhalb der vorliegenden Erfindung liegt, kann durch Bezugnahme auf Tabelle 1 und Tabelle 2 festgestellt werden.

Bei Proben 1–4 liegen Proben 2 und 3 innerhalb des Anspruchs 1 und Proben 1 und 4 außerhalb des Anspruchs 1. Werden Proben 1–4 miteinander verglichen, so weisen Probe 1 mit einer NiO-Menge von weniger als 0,10 im Molverhältnis und Probe 4 mit einer NiO-Menge von mehr als 0,550 im Molverhältnis niedrigere Permeabilitäten &mgr;' als die Proben 2 und 3 auf.

Bei Proben 5–13 liegen Proben 7–11 innerhalb des Anspruchs 1 und Proben 5, 6, 12 und 13 außerhalb des Anspruchs 1. Werden Proben 5–13 miteinander verglichen, so zeigen jene mit CoO mit einem Molverhältnis von weniger als 0,025, wie etwa Beispiele 5 und 6, einen verminderten Gain-Q, obschon eine relativ hohe Permeabilität &mgr;' erreicht wird. Übersteigt dagegen die Menge an CoO 0,200 im Molverhältnis, wie das bei Proben 12 und 13 der Fall ist, so nimmt die Permeabilität &mgr;' ab, obschon ein relativ hoher Gain-Q erreicht wird.

Das oben beschriebene Verhalten kann anhand von 4 und 5 bestätigt werden. So werden relativ gute magnetische Eigenschaften sowohl hinsichtlich der Permeabilität &mgr;' als auch der Gain-Q beobachtet, wenn die Menge an Co nicht weniger als 2,5 Mol-% und nicht mehr als 20 Mol-% beträgt.

Bei Proben 14–19 liegen Proben 14–18 innerhalb des Anspruchs 1 und Probe 19 außerhalb des Anspruchs 1. Übersteigt MgO als ein Substituent 0,200 im Moverhältnis, wie das bei Probe 19 der Fall ist, so nimmt der Gain-Q ab, obschon eine relativ hohe Permeabilität &mgr;' erreicht wird.

Um weiterhin die Wirkungen zu betrachten, die durch Substituieren eines Teils von Ni mit Mg, Cu oder Zn erreicht werden, wie in Proben 14–19 gezeigt, wurde ein Vergleich zwischen der Probe 8 und Proben 14–16 angestellt, wobei das gesamte Molverhältnis von NiO plus MgO, CuO oder ZnO gleich war. Es wurde keine starke Abnahme der magnetischen Eigenschaften beobachtet. Wurden Proben 17–19 mit Probe 9 verglichen, so wurde eine höhere Permeabilität &mgr;' erhalten, obschon eine Neigung zu einem abnehmenden Gain-Q vorlag.

Zwar wurden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, doch werden verschiedene Ausführungsformen der hierin beschriebenen Prinzipien als im Rahmen der folgenden Ansprüche befindlich betrachtet. Daraus versteht sich, dass der Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht als beschränkt zu betrachten ist, außer, wie durch die Ansprüche vorgegeben.


Anspruch[de]
  1. Magnetisches Kompositmaterial, umfassend ein Ferritpulver und ein Harz, wobei das Ferritpulver ein Ni und Co enthaltendes Spinellferrit umfasst, wobei das Ferritpulver ein Ferrit vom Spinell-Typ mit einer Zusammensetzung ist, wie dargestellt durch: (NiO)x(CoO)y(MeO)z(Fe2O3)1–x–y–z, worin

    Me mindestens eines ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Mg, Cu und Zn, und worin x, y, und z jeweils die folgenden Bedingungen erfüllen: 0,10 ≤ x ≤ 0,550; 0,025 ≤ y ≤ 0,200; 0 ≤ z ≤ 0,200; und 0,400 ≤ (x + y + z) ≤ 0,600.
  2. Magnetisches Kompositmaterial nach Anspruch 1, wobei das Ferrit mindestens eines von Be, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Cr, Mg, Cu, Zn, Ga, In und Tl umfasst.
  3. Magnetisches Kompositmaterial nach Anspruch 1 oder 2, worin x 0,205–0,480 ist, y 0,5–0,1 ist und 0,450 ≤ (x + y + z) ≤ 0,550 ist.
  4. Magnetisches Kompositmaterial nach Anspruch 3, worin z 0 ist.
  5. Magnetisches Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin Me Mg ist.
  6. Magnetisches Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin Me Cu ist.
  7. Magnetisches Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin Me Zn ist.
  8. Induktorelement, ausgestattet mit einem magnetischen Element, umfassend ein magnetisches Kompositmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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