JP2000159523A5 - - Google Patents

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【書類名】 明細書
【発明の名称】 高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体およびチョークコイル
【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸化鉄の含有量が60〜75mol%、酸化亜鉛の含有量が0〜20mol%(ただし、0を含まず)および残部が酸化マンガンから成る主成分を有し、
測定磁界が1000A/mにおいて、100℃での飽和磁束密度が450mT以上であり、数1で決まる20℃での飽和磁束密度に対する100℃での飽和磁束密度の変化率が、15%以下であることを特徴とする高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体。
【数1】
Figure 2000159523
【請求項2】
測定磁界が4000A/mにおいて、100℃での飽和磁束密度が480mT以上であり、数1で決まる20℃での飽和磁束密度に対する100℃での飽和磁束密度の変化率が、20%以下であることを特徴とする請求項1に記載の高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体。
【請求項3】
さらに添加物としてAl,Si、K,Ca,V,Y,Zr,Nb,Mo,Te,Hf,Ta,W,Biの酸化物、あるいはこれらの化合物を、それぞれ0.2wt%以下含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体。
【請求項4】
焼結密度が、4730kg/cm以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体。
【請求項5】
主成分の一部をLi,Mg,Ti,Co,Ni,Cu,Snで、それぞれ5mol%以下置換することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体。
【請求項6】
焼成温度を1150℃以上1350℃以下とし、前記焼成温度で温度保持する際の酸素濃度を1%以下としたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体。
【請求項7】
前記焼成の前工程として、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化マンガンを混合した後、窒素雰囲気で仮焼成を行うことを特徴とする請求項6に記載の高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体。
【請求項8】
請求項1乃至7のいずれかに記載の高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体を用いて作製したことを特徴とするチョークコイル。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、100℃程度の高温度において高い飽和磁束密度と低損失を有するフェライト焼結体およびこれを用いたチョークコイルに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、各種電子機器はLSIの微細化、高集積化および高周波化により、多機能化、小型軽量化がいっそう加速されている。このように各種部品の集積度が上がり高速化、高性能化が進むことにより、電力を供給する電源ラインにも高パワーが要求されるとともに、回路の高効率化の要求もいっそう高くなっている。
【0003】
例えば、ノート型パソコンを例にあげると、部品の集積度があがってくることや、CPUからの発熱が大きくなることなどから、回路周辺の熱のコントロールが重要な課題となっている。
【0004】
また、多機能、高品位の流れとして、CPUの高速化、すなわち処理能力の向上、記憶装置の大容量化と高スピード化などにより、電力を供給するDC/DCコンバータの大電流化が進み、回路の効率が悪くなるという問題もある。つまり、高性能なCPUを用いたノート型パソコンのDC/DCコンバータには、高温においても所定の性能を保つことと、高効率であることが重要であると言える。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記の理由により、ノート型パソコン等のDC/DCコンバータに用いられるチョークコイルにも、高温において所定の性能を保ち、かつ発熱を抑えるために損失の小さいことが要求されている。
【0006】
これらチョークコイルのコアに使用される磁性材料としては、金属系磁性材料とフェライトの2種類があり、フェライトはさらに、Ni系とMn系に分けられる。金属系磁性材料は、フェライトに比べて飽和磁束密度が高く、このため大きな電流を流しても磁気飽和しにくいというメリットがあるが、一般的に値段が高く、また高周波になると使用できないと言う問題がある。この点、フェライトに関しては、高周波でも使用可能であり、また価格も安いというメリットがある。なかでもフェライトにおいては、一般的にNi系フェライトに比べてMn系フェライトの方が飽和磁束密度が高く、損失が小さいためチョークコイルに適している。
【0007】
しかしながら、従来のMn系フェライトにおいては、20℃程度の飽和磁束密度は高いものの、高温になると飽和磁束密度が低くなり、通常、100℃での飽和磁束密度は20℃での飽和磁束密度に比べて20〜25%程度低下していた。このため、DC/DCコンバータ等のトランスにMn系のフェライトを使用した場合、CPU等の発熱によりフェライトコアの温度が上昇すると、飽和磁束密度が低下してしまうという問題があった。
【0008】
本発明は、上記の事を鑑みて、100℃程度の高温度において高い飽和磁束密度を有し、しかも低損失であるフェライト焼結体を提供すること、又これを用いたチョークコイルを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、酸化鉄の含有量が60〜75mol%、酸化亜鉛の含有量が0〜20mol%(ただし、0を含まず)および残部が酸化マンガンから成る主成分を有し,
測定磁界が1000A/mにおいて、100℃での飽和磁束密度が450mT以上であり、数1で決まる20℃での飽和磁束密度に対する100℃での飽和磁束密度の変化率が、15%以下であることを特徴とする高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体。
【0010】
【数1】
Figure 2000159523
【0011】
本発明の高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体は、測定磁界が4000A/mにおいて、100℃での飽和磁束密度が480mT以上であり、数1で決まる20℃での飽和磁束密度に対する100℃での飽和磁束密度の変化率が、20%以下であることも特徴とする。
【0012】
さらに添加物としてAl,Si、K,Ca,V,Y,Zr,Nb,Mo,Te,Hf,Ta,W,Biの酸化物、あるいはこれらの化合物を、それぞれ0.2wt%以下含むのが好ましい。また、焼結密度が、4730kg/cm以上であるのが望ましい。また、主成分の一部をLi,Mg,Ti,Co,Ni,Cu,Snで、それぞれ5mol%以下置換しても良い。
【0013】
本発明の高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体は、焼成温度を1150℃以上1350℃以下とし、前記焼成温度で温度保持する際の酸素濃度を1%以下として製造するのが好ましい。さらに、前記焼成の前工程として、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化マンガンを混合した後、窒素雰囲気で仮焼成を行うのが望ましい。
【0014】
第2の発明は、第1の発明の高飽和磁束密度低損失フェライト焼結体を用いて作製したことを特徴とするチョークコイルである。
【0020】
【発明の実施の形態】
従来のMn系フェライトにおいて、高飽和磁束密度を有するもので、20℃における飽和磁束密度が500mTを越えるものがある。しかし、100℃となると、飽和磁束密度は400mT程度に減少し、100℃で高い飽和磁束密度を有するものは無かった。また、20℃と100℃の飽和磁束密度の変化率をみても、少ないもので20%程度劣化していた。
【0021】
本発明は、高温度で高飽和磁束密度であり、かつ低損失のフェライト焼結体を得ることを目的とし、主成分組成の選定、仮焼成雰囲気の制御、焼成条件の制御の検討を種々試みた。その結果、高温度で高飽和磁束密度であり、且つ低損失のフェライト焼結体を得ることが出来ることを見いだした。
【0022】
つまり、本発明のフェライト焼結体は、以下に示す少なくともいずれかの高温高飽和磁束密度特性を有することを特徴としている。
(1)測定磁界が1000A/mにおいて、100℃での飽和磁束密度が450mT以上である。好ましくは、470mT以上、さらに好ましくは500mT以上である。
(2)測定磁界が1000A/mにおいて、20℃での飽和磁束密度に対する100℃での飽和磁束密度の変化率が15%以下である。好ましくは、10%以下、さらに好ましくは、5%以下である。
(3)測定磁界が4000A/mにおいて、100℃での飽和磁束密度が480mT以上である。好ましくは、500mT以上、さらに好ましくは520mT以上である。
(4)測定磁界が4000A/mにおいて、20℃での飽和磁束密度に対する100℃での飽和磁束密度の変化率が20%以下である。好ましくは、15%以下、さらに好ましくは、10%以下である。
【0023】
さらに本発明のフェライト焼結体は、上記した高温高飽和磁束密度特性を有したままで、以下の少なくともいずれかの低損失特性をあわせもつことを特徴としている。
(1)測定条件が50kHz、150mTにおいて、コアロスの最小値が1500kW/m以下である。好ましくは、1000kW/m以下であり、さらに好ましくは、500kW/m以下である。
(2)測定条件が100kHz、200mTにおいて、コアロスの最小値が6000kW/m以下である。好ましくは、4000kW/m以下であり、さらに好ましくは、3000kW/m以下である。
【0024】
測定磁界が1000A/mあるいは4000A/mにおいて、100℃での飽和磁束密度が450mT未満あるいは480mT未満の場合、大きな電流を流すとフェライトコアの磁束密度が飽和に達して変化しなくなるため、チョークコイルとしての機能が果たせなくなる。このため、大電流を流すことができない。
【0025】
また、測定磁界が1000A/mあるいは4000A/mにおいて、20℃での飽和磁束密度に対する100℃での飽和磁束密度の変化率が20%以上の場合、上記の理由により、大電流を流すことができない。
【0026】
また、測定条件が50kHz、150mTあるいは100kHz、200mTにおいて、コアロスの最小値が1500kW/mあるいは6000kW/mを越える場合、チョークコイルの温度が上昇し、所定の特性が得られなくなる。
【0027】
本発明のフェライトの主成分組成としては、酸化鉄の含有量が60〜75mol%、酸化亜鉛の含有量が0〜20mol%(ただし、0を含まず)および残部が酸化マンガンであることが好適である。
【0028】
酸化鉄の含有量が60mol%未満であると、高温における飽和磁束密度が低下し、飽和磁束密度の変化率が大きくなってしまう。さらに、コアロスの最小値を示す温度が20℃以下となり、コアの温度が20℃を越えると熱暴走を起こす危険がある。また、酸化鉄の含有量が75mol%を越えると、焼結密度が低くなり、結果として、透磁率および飽和磁束密度が低くなってしまい、コアロスも増大する。よって、酸化鉄の含有量は60〜75mol%が良い。好ましくは、65〜75mol%である。
【0029】
また、酸化亜鉛の含有量が20mol%を越えても、飽和磁束密度の変化率が大きくなってしまう。よって、酸化亜鉛の含有量は0〜20mol%(ただし、0を含まず)が良い。
【0030】
また、本発明のフェライトの製造方法としては、焼成温度が1150℃以上であり、焼成時の保持部の酸素濃度が1%以下の条件で焼成することが望ましい。なお、仮焼成を窒素中で行うと、さらに飽和磁束密度が向上する。このため、仮焼成を窒素中で行うことが好ましい。
【0031】
焼成温度が1150℃未満であると、焼結密度が低くなり、結果として透磁率および飽和磁束密度が低くなってしまい、コアロスも増大する。また、焼成時の保持部の酸素濃度が1%を越えても、焼結密度が低くなり、結果として透磁率および飽和磁束密度が低くなってしまい、コアロスも増大する。
【0032】
また、窒素中で仮焼成を行うと、空気中で行う場合に比べて組成分布が均一化され、特性が向上する。
【0033】
なお、主成分の一部をLi、Mg、Ti、Co、Ni、Cu、Snで、それぞれ5mol%以下置換しても良い。また添加物としては、Al、Si、K、Ca、V、Y、Zr、Nb、Mo、Te、Hf、Ta、W、Biの酸化物、あるいはこれらの化合物を、それぞれ0.2wt%以下含んでも良い。
【0034】
本発明に係る実施例を以下に詳細に説明する。
実施例1酸化鉄、酸化亜鉛および四三酸化マンガンを各々所定量、秤量し、これに水および分散剤を加えて媒体撹拌ミルにて混合し、乾燥後、窒素中、910℃にて1.5時間仮焼成した。これに、添加物として、CaCO
700ppm、SiO 60ppm、Nb 250ppmおよびTa
50ppmを加え、さらに水および分散剤を加えて媒体撹拌ミルにて混合および粉砕を行い、スラリーを作製した。このようにして作製したスラリーに、バインダーを所定量加えて撹拌し、乾燥した後、乾式のプレス成形によりリング状のコアを作製した。これを、酸素濃度1%、1300℃にて5時間焼成し、得られたフェライト焼結体の焼結密度、初透磁率、20℃および100℃の飽和磁束密度および飽和磁束密度の変化率、コアロスを測定した。なお、飽和磁束密度の変化率は、(20℃の飽和磁束密度―100℃の飽和磁束密度)/20℃の飽和磁束密度×100[%]の式にて計算した。結果を表1に示す。
【0035】
【表1】
Figure 2000159523
【0036】
表1から分かるように、本発明の実施例は、100℃における飽和磁束密度が高く、飽和磁束密度の変化率も小さいことが分かる。しかも、コアロスの値も小さく、低損失であることがわかる。
【0037】
これに対し、酸化鉄の含有量が60mol%未満になると、100℃における飽和磁束密度が低下する。しかも、飽和磁束密度の変化率も20%を越えてしまう。また、酸化鉄の含有量が80mol%以上になると、初透磁率および飽和磁束密度が低下し、コアロスも増大することが分かる。また、酸化亜鉛の含有量が20mol%を越えても、100℃における飽和磁束密度が低下する。また、4000A/mにおいて飽和磁束密度の変化率が20%を越えてしまう。
【0038】
実施例2酸化鉄を70mol%、酸化亜鉛を10mol%および四三酸化マンガンを20mol%秤量し、これに水および分散剤を加えて媒体撹拌ミルにて混合し、乾燥後、所定の雰囲気で、910℃にて1.5時間仮焼成した。これに、添加物として、CaCO 700ppm、SiO 100ppm、およびTa300ppmを加え、さらに水および分散剤を加えて媒体撹拌ミルにて混合および粉砕を行い、スラリーを作製した。このようにして作製したスラリーに、バインダーを所定量加えて撹拌し、乾燥した後、乾式のプレス成形によりリング状のコアを作製した。これを、所定の酸素濃度および温度にて5時間焼成し、得られたフェライト焼結体の焼結密度、初透磁率、20℃および100℃の飽和磁束密度および飽和磁束密度の変化率、コアロスを測定した。なお、飽和磁束密度の変化率は、(20℃の飽和磁束密度―100℃の飽和磁束密度)/20℃の飽和磁束密度×100[%]の式にて計算した。結果を表2に示す。
【0039】
【表2】
Figure 2000159523
【0040】
表2からわかるように、本発明の実施例は、100℃における飽和磁束密度が高く、コアロスが小さいことが分かる。
【0041】
これに対し、焼成時の保持部の酸素濃度が1%を越えたり、あるいは焼成温度が1150℃未満になると、100℃における飽和磁束密度が低下し、コアロスも増大してしまう。
【0042】
また仮焼成を窒素中で行うと、空気中で行う場合に比べて焼結密度が向上し、結果として20℃および100℃における飽和磁束密度が向上することが分かる。
【0043】
実施例3実施例2において、表2のNo.6の原料を用いて、チョークコイルを作製し、直流重畳特性を測定した。また比較例として、酸化鉄を55mol%、酸化亜鉛を10mol%および四三酸化マンガンを35mol%(MnO換算)の組成を持つ同形状のフェライト焼結体を用いてチョークコイルを作製し、直流重畳特性を測定した。結果を図1に示す。図1は、100℃における直流重畳特性において、Lの変化率を示したものである。
【0044】
図1からわかるように、本発明の実施例は、従来材である比較例に比べて、直流重畳特性が良好で、大きな電流を流せることが分かる。また、本発明の実施例は、従来材である比較例に比べて、高温における直流重畳特性の劣化も少なく、発熱に対して安定した特性を発揮できることが分かる。
【0045】
上記のとおり、本発明に係るフェライト焼結体およびチョークコイルは、100℃における飽和磁束密度が高く、また20℃の飽和磁束密度に対する100℃の飽和磁束密度の変化率が、従来のフェライト焼結体に比べて小さく、かつ損失も小さいため、電子機器の高集積化および大電流化における発熱の問題に対して、安定した特性を発揮することができ、電子機器の小型化に対して、非常に有効な電子部品である。
【0046】
【発明の効果】
本発明によれば、100℃における飽和磁束密度が高く、また20℃の飽和磁束密度に対する100℃の飽和磁束密度の変化率が小さく、かつ損失の小さいフェライト焼結体を得ることが出来る。これによりノート型パソコンなどのDC/DCコンバータに使用されるチョークコイルにおいて、フェライトコアの高温時における飽和磁束密度などの特性の劣化を抑制することができ、しかも高温時の飽和磁束密度が高く、かつ損失が小さいため、電子機器の高集積化および大電流化における発熱の問題に対して、安定した特性を発揮することができ、電子機器の小型化に非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施例および比較例の直流重畳特性を表す図である。
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