JP2007031210A

JP2007031210A - ＭｎＺｎフェライト

Info

Publication number: JP2007031210A
Application number: JP2005217326A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Murai; 健一村井
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】室温から１００℃付近の高温度まで高い飽和磁束密度を示し、低損失特性に優れたＭｎＺｎフェライトを提供すること。
【解決手段】スピネル型結晶構造を有するＭｎＺｎフェライトにおいて、基本成分組成が、Ｆｅ₂Ｏ₃が５８．０〜６５．０ｍｏｌ％、ＺｎＯが１０．０〜２０．０ｍｏｌ％、ＮｉＯが０．５〜５．０ｍｏｌ％、残部がＭｎＯからなり、副成分として、ＳｉＯ₂を０．００５〜０．０５ｗｔ％、ＣａＯを０．０１〜０．１ｗｔ％、Ｎｂ₂Ｏ₅を０．０１〜０．１ｗｔ％、ＣｕＯを０．０１〜１．５ｗｔ％以下を含有し、ＭｏＯ₃を０．０１〜０．２ｗｔ％、ＷＯ₃を０．０１〜０．１ｗｔ％、Ｂｉ₂Ｏ₃を０．０１〜０．１ｗｔ％、Ｖ₂Ｏ₅を０．０１〜０．２ｗｔ％のうち少なくとも１種類以上、含有させたこと。
【選択図】なし

Description

本発明は、チョークコイル等に用いられるＭｎＺｎフェライトに関し、特に、１００℃付近の高温領域まで高い飽和磁束密度を示し、直流重畳特性に優れたＭｎＺｎフェライトに関する。

近年、携帯機器をはじめとして電子機器の小型化・多機能化が急速に進歩している。電子機器の小型・多機能化に伴い、各種部品の集積化及び高周波化が進み、供給される電力の大電流化が進んでいる。大電流化に伴い、各種部品からの発熱は増大し、室温から１００℃付近の高温まで高い飽和磁束密度を確保することがチョークコイル等の磁芯材料に求められている。同時に、磁芯材料のコア自身の発熱を抑制するために、磁芯材料のコアのロスが１００℃付近で極小になる事が望まれている。

チョークコイル等の磁芯材料のコアに使用される磁性材料には、金属粉末とフェライトがある。金属粉末は、飽和磁束密度が大きく、大電流に対して、磁気飽和しにくい利点があるが、比抵抗がフェライトに比べて小さいので、高周波に対応できないという問題点がある。金属粉末に対してフェライトは、比抵抗が大きく高周波数でも使用可能で、低コストであるという利点がある。しかし、フェライトは、飽和磁束密度が低く、高温になるに従い飽和磁束密度が低下しやすいという材料物性を有する。特に、１００℃付近の高温で飽和磁束密度が小さいというのが大きな問題点になっていた。

チョークコイルやトランス材料に使われる一般的なＭｎＺｎフェライトは、Ｆｅ₂Ｏ₃量が５２〜５５ｍｏｌ％、ＺｎＯ量が７〜１２ｍｏｌ％、残部ＭｎＯからなる基本成分と、ＳｉＯ₂、ＣａＯ等からなる副成分とからなり、室温での飽和磁束密度は５４０ｍＴ程度で、１００℃付近では、飽和磁束密度が室温から２５％程度低下する。

一般的なＭｎＺｎフェライトの飽和磁束密度は、基本組成と焼結体密度に依存する。一般的なＭｎＺｎフェライトの基本成分のＦｅ₂Ｏ₃量を多く、ＺｎＯ量を少なくすることで、磁気モーメントが増大し、高い飽和磁束密度を得る事ができる。また、キュリー温度の上昇に伴い、１００℃付近の高温での飽和磁束密度の低下を小さくできる。しかし、基本成分のＦｅ₂Ｏ₃量を多く、ＺｎＯ量を少なくすると、焼結性が悪化し、焼結体密度が低下し、飽和磁束密度の低下と電力損失の増大を招く。更に、Ｆｅ₂Ｏ₃量、ＭｎＯ量、ＺｎＯ量だけでは、コアロスが極小となる温度を１００℃付近に調整する事が困難であった。

Ｆｅ₂Ｏ₃が５０ｍｏｌ％を超える一般的なＭｎＺｎフェライトは、還元性雰囲気にて焼成を行えば、軟磁性を劣化させるＭｎ³⁺は、ほとんど生成されないが、電気抵抗を著しく低下させるＦｅ²⁺が生成されやすい傾向があった。そのために、高周波の比抵抗を改善させたＭｎＺｎフェライトは、Ｆｅ₂Ｏ₃を５０ｍｏｌ％以下の組成を基本組成としたものが検討されてきた（特許文献１および特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献１および特許文献２のＭｎＺｎフェライトは、飽和磁束密度を左右するＦｅ₂Ｏ₃の含有量が少ないために、１００℃付近の高温での飽和磁束密度が極めて小さくなるという問題点があった。

このような問題点を解決するために、Ｆｅ₂Ｏ₃の含有量を５８ｍｏｌ％まで増加させた技術が特許文献３に開示されている。ここでは、電波吸収体としてのＭｎＺｎフェライトの適切な組成の検討、焼成条件（温度、雰囲気、粉末粒径）について開示されている。

特開２００４−２４７３７１号公報特開２００４−２４７３７０号公報特開２００２−３３８３３９号公報

上述した特許文献３では、高周波抵抗に関しての特性改善について開示されているが、１００℃付近の高温での飽和磁束密度に関しての検討はされていない。

本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、室温から１００℃付近の高温度まで高い飽和磁束密度を示し、低損失特性に優れたＭｎＺｎフェライトを提供することである。

上記目的を達成するための第１の発明は、スピネル型結晶構造を有するＭｎＺｎフェライトにおいて、基本成分組成が、Ｆｅ₂Ｏ₃が５８．０〜６５．０ｍｏｌ％、ＺｎＯが１０．０〜２０．０ｍｏｌ％、ＮｉＯが０．５〜５．０ｍｏｌ％、残部がＭｎＯからなり、副成分として、ＳｉＯ₂を０．００５〜０．０５ｗｔ％、ＣａＯを０．０１〜０．１ｗｔ％、Ｎｂ₂Ｏ₅を０．０１〜０．１ｗｔ％、ＣｕＯを０．０１〜１．５ｗｔ％を含有したＭｎＺｎフェライトである。

上記目的を達成するための第２の発明は、ＭｏＯ₃を０．０１〜０．２ｗｔ％、ＷＯ₃を０．０１〜０．１ｗｔ％、Ｂｉ₂Ｏ₃を０．０１〜０．１ｗｔ％、Ｖ₂Ｏ₅を０．０１〜０．２ｗｔ％のうち少なくとも１種類以上含有させたＭｎＺｎフェライトである。

上記目的を達成するための第３の発明は、焼結体密度が４．９５ｇ／ｃｍ³以上であるＭｎＺｎフェライトである。

本発明によれば、Ｆｅ₂Ｏ₃量が５８．０〜６５．０ｍｏｌ％、ＺｎＯ量が１０．０〜２０．０ｍｏｌ％のＦｅ₂Ｏ₃量が多く、ＺｎＯ量が少ない基本成分組成領域でも、０．０１〜１．５ｗｔ％のＣｕＯを添加することで、焼結過程での緻密化が促進され、十分な焼結体密度（４．９５ｇ／ｃｍ³以上）を確保できる。また、０．０１〜０．２ｗｔ％のＭｏＯ₃、０．０１〜０．１ｗｔ％のＷＯ₃、０．０１〜０．１ｗｔ％のＢｉ₂Ｏ₃、０．０１〜０．２ｗｔ％のＶ₂Ｏ₅のうち少なくとも１種以上を含有させることで、焼結過程での緻密化をより促進できる。また、ＮｉＯは、スピネル化合物の格子点に入り、磁気異方性定数を変化させ、Ｆｅ₂Ｏ₃量とＺｎＯ量のＭｎＺｎフェライトコアの損失が極小となる温度を高温側へシフトさせる。更に、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、Ｎｂ₂Ｏ₅を添加し、粒界層に濃縮させることで、比抵抗を増大させ、渦電流損失を低減できる。

その結果、室温から１００℃付近の高温度まで高い飽和磁束密度を示し、低損失特性に優れたＭｎＺｎフェライトの提供が可能になる。

本発明を実施するための最良の形態に係るＭｎＺｎフェライトは、基本成分Ｆｅ₂Ｏ₃を５８．０〜６５．０ｍｏｌ％、ＺｎＯを１０．０〜２０．０ｍｏｌ％にする。Ｆｅ₂Ｏ₃が６５．０ｍｏｌ％より多く、ＺｎＯが１０．０ｍｏｌ％より少ないと緻密化を促進する副成分の添加を行っても、十分な焼結体密度が得られず、飽和磁束密度が低く、損失が急激に増大するためである。なお、Ｆｅ₂Ｏ₃が５８．０ｍｏｌ％より少なく、ＺｎＯが２０．０ｍｏｌ％より多いと飽和磁束密度が小さく、１００℃付近の高温で飽和磁束密度の低下率が増大するためである。

また、ＮｉＯを０．５〜５．０ｍｏｌ％にするのは、ＮｉＯが０．５ｍｏｌ％より少ないとＮｉＯを含有させた効果が小さすぎて、ＭｎＺｎフェライトコア損失の極小温度のコントロールができず、５．０ｍｏｌ％より多いと損失が急激に増大するためである。

副成分のＣｕＯを０．０１〜１．５ｗｔ％にするのは、０．０１ｗｔ％より少ないと十分な緻密化促進効果が得られないためで、１．５ｗｔ％より多いと損失が急激に増大するためである。また、副成分のＭｏＯ₃を０．０１〜０．２ｗｔ％、ＷＯ₃を０．０１〜０．１ｗｔ％、Ｂｉ₂Ｏ₃を０．０１〜０．１ｗｔ％、Ｖ₂Ｏ₅を０．０１〜０．２ｗｔ％にするのは、各副成分の下限より少ない含有量では、十分な緻密化効果が得られないためで、上限より多い含有量では、異常粒成長を招き損失が急激に増大するためである。

また、副成分のＳｉＯ₂を０．００５〜０．０５ｗｔ％にするのは、０．００５ｗｔ％より少ないと十分な比抵抗が得られず、損失が増大するためで、０．０５ｗｔ％より多いと異常粒成長を促進し、損失が急激に増大するためである。

更に、副成分のＣａＯを０．０１〜０．１ｗｔ％にするは、０．０１ｗｔ％より少ないと十分な比抵抗が得られず、損失が増大するためで、０．１ｗｔ％より多いと焼結体密度が低下し、損失が急激に増大するためである。

なお、副成分のＮｂ₂Ｏ₅を０．０１〜０．１ｗｔ％にするのは、０．０１ｗｔ％より少ないと十分な比抵抗が得られず、損失が増大するためで、０．１ｗｔ％より多いと異常粒成長を促進し、損失が急激に増大するためである。

本発明の実施例について詳細に説明する。

（実施例１）
基本成分をＦｅ₂Ｏ₃：５７．０〜６６．０ｍｏｌ％、ＺｎＯ：９．０〜２１．０ｍｏｌ％、ＮｉＯ：０．４〜６．０ｍｏｌ％、残部＝ＺｎＯとなるように秤量し、ボールミルを用いて混合し、大気雰囲気中８５０℃で２時間の条件で仮焼した。なお、副成分のＳｉＯ₂を０．０３ｗｔ％、ＣａＯを０．０５ｗｔ％、Ｎｂ₂Ｏ₅を０．０５ｗｔ％、ＣｕＯを１．０ｗｔ％添加した後、ボールミルで微粉砕を行った。微粉砕後、バインダーを添加し、スプレードライヤーにて造粒し、φ３０×φ２５×５ｍｍのトロイダル形状のコアに成形して、酸素分圧をコントロールした還元雰囲気中で、１４００℃で３時間の条件で焼結した。

また、製造条件の確認のために、比較例として同様な方法で、Ｆｅ₂Ｏ₃＝５３．０ｍｏｌ％、ＭｎＯ＝３５ｍｏｌ％、残部＝ＺｎＯの基本成分で、副成分としてＳｉＯ₂を０．０３ｗｔ％、ＣａＯを０．０５ｗｔ％添加した従来材料を１３５０℃で焼結した。

以上で得られたＭｎＺｎフェライトコアに巻線をし、直流ＢＨトレーサーで１１９４Ａ／ｍでの磁束密度を室温と１００℃で測定した。なお、１１９４Ａ／ｍでの磁束密度はほぼ飽和しているので、ここでは飽和磁束密度とみなす。次に、１００ｋＨｚ−２００ｍＴのコア損失を交流ＢＨトレーサーより室温から１２０℃まで測定した。更に、アルキメデス法により、焼結体密度の測定を行った。得られた試料の室温と１００℃での磁束密度、コア損失の極小温度、１００℃でのコア損失、焼結体密度を表１に示す。

表１より、本発明に係る適合例の組成では、室温から１００℃まで高い磁束密度を示し、１００℃付近で低損失になっていることがわかる。

（実施例２）
基本成分をＦｅ₂Ｏ₃：６２ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１４．０ｍｏｌ％、ＮｉＯ：３．０ｍｏｌ％、残部＝ＺｎＯとなるように秤量し、ボールミルを用いて混合し、大気雰囲気中８５０℃で２時間の条件で仮焼した。なお、副成分のＳｉＯ₂を０．００１〜０．０６ｗｔ％、ＣａＯを０．００５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｂ₂Ｏ₅を０．００５〜０．１５ｗｔ％、ＣｕＯを０．００５〜２．０ｗｔ％添加した後、ボールミルで微粉砕を行った。微粉砕後、バインダーを添加し、スプレードライヤーにて造粒し、φ３０×φ２５×５ｍｍのトロイダル形状のコアに成形して、酸素分圧をコントロールした還元雰囲気中１４００℃で３時間の条件で焼結した。

以上で得られたＭｎＺｎフェライトコアに巻線をし、直流ＢＨトレーサーで１１９４Ａ／ｍでの磁束密度を室温と１００℃で測定した。次に、１００ｋＨｚ−２００ｍＴのコア損失を交流ＢＨトレーサーより室温から１２０℃まで測定した。更に、アルキメデス法により、焼結体密度の測定を行った。得られた試料の室温と１００℃での磁束密度、コア損失の極小温度、１００℃でのコア損失、焼結体密度を表２に示す。

表２より、本発明に係る適合例の組成では、室温から１００℃まで高い磁束密度を示し、１００℃付近で低損失となっていることがわかる。

（実施例３）
基本成分をＦｅ₂Ｏ₃：６２ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１４．０ｍｏｌ％、ＮｉＯ：３．０ｍｏｌ％、残部＝ＺｎＯとなるように秤量し、ボールミルを用いて混合し、大気雰囲気中８５０℃で２時間の条件で仮焼した。なお、副成分としてＳｉＯ₂を０．０３ｗｔ％、ＣａＯを０．０５ｗｔ％、Ｎｂ₂Ｏ₅を０．０５ｗｔ％、ＣｕＯを０．５ｗｔ％、ＭｏＯ₃を０．００５〜０．２５ｗｔ％、ＷＯ₃を０．００５〜０．１５ｗｔ％、Ｂｉ₂Ｏ₃を０．００５〜０．１５ｗｔ％、Ｖ₂Ｏ₅を０．００５〜０．２５ｗｔ％添加した後、ボールミルで微粉砕を行った。微粉砕後、バインダーを添加し、スプレードライヤーにて造粒し、φ３０×φ２５×５ｍｍのトロイダル形状のコアに成形して、酸素分圧をコントロールした還元雰囲気中１４００℃で３時間の条件で焼結した。

また、製造条件の確認のために、比較例として同様な方法で、Ｆｅ₂Ｏ₃：５３．０ｍｏｌ％、ＭｎＯ：３５ｍｏｌ％、ＮｉＯ：３．０ｍｏｌ％、残部＝ＺｎＯの基本組成で、副成分としてＳｉＯ₂を０．０３ｗｔ％、ＣａＯを０．０５ｗｔ％、ＣｕＯを０．５ｗｔ％添加した従来材料を同条件で焼結を行い作製した。

以上で得られたＭｎＺｎフェライトコアに巻線をし、直流ＢＨトレーサーで１１９４Ａ／ｍでの磁束密度を室温と１００℃で測定した。次に、１００ｋＨｚ−２００ｍＴのコアロスを交流ＢＨトレーサーより室温から１２０℃まで測定した。更に、アルキメデス法により、焼結体密度の測定を行った。得られた試料の室温と１００℃での磁束密度、コア損失の極小温度、１００℃でのコア損失、焼結体密度を表３に示す。なお、空欄は添加しないことを表す。

表３より、本発明に係る適合例の組成では、室温から１００℃まで高い磁束密度を示し、１００℃付近で低損失となっていることがわかる。

（実施例４）
基本成分をＦｅ₂Ｏ₃：６２ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１４．０ｍｏｌ％、ＮｉＯ：３．０ｍｏｌ％、残部＝ＺｎＯとなるように秤量し、ボールミルを用いて混合し、大気雰囲気中８５０℃で２時間の条件で仮焼した。なお、副成分としてＳｉＯ₂を０．０３ｗｔ％、ＣａＯを０．０５ｗｔ％、Ｎｂ₂Ｏ₅を０．０５ｗｔ％、ＣｕＯを０．５ｗｔ％、添加した後、ボールミルで微粉砕を行った。微粉砕後、バインダーを添加し、スプレードライヤーにて造粒し、φ３０×φ２５×５ｍｍのトロイダル形状のコアに成形して、酸素分圧をコントロールした還元雰囲気中１２５０〜１４５０℃で３時間の条件で焼結した。

また、製造条件の確認のために、比較例として同様な方法で、Ｆｅ₂Ｏ₃：５３．０ｍｏｌ％、ＭｎＯ：３５ｍｏｌ％、ＮｉＯ：３．０ｍｏｌ％、残部＝ＺｎＯの基本成分で、副成分としてＳｉＯ₂を０．０３ｗｔ％、ＣａＯを０．０５ｗｔ％添加した従来材料を同条件で焼結を行い作製した。

以上で得られたＭｎＺｎフェライトコアに巻線をし、直流ＢＨトレーサーで１１９４Ａ／ｍでの磁束密度を室温と１００℃で測定した。次に、１００ｋＨｚ−２００ｍＴのコア損失を交流ＢＨトレーサーより室温から１２０℃まで測定した。更に、アルキメデス法により、焼結体密度の測定を行った。得られた試料の室温と１００℃での磁束密度、コア損失の極小温度、１００℃でのコア損失、焼結体密度を表４に示す。

表４より、本発明に係る適合例の組成では、室温から１００℃まで高い磁束密度を示し、１００℃付近で低損失となっていることがわかる。

以上に示したように、本発明によりＦｅ₂Ｏ₃量が５８．０〜６５．０ｍｏｌ％、ＺｎＯ量が１０．０〜２０．０ｍｏｌ％のＦｅ₂Ｏ₃量が多く、ＺｎＯ量が少ない基本成分組成領域でも、０．０１〜１．５ｗｔ％のＣｕＯを添加することで、焼結過程での緻密化が促進され、十分な焼結体密度（４．９５ｇ／ｃｍ³以上）を確保できる。また、０．０１〜０．２ｗｔ％のＭｏＯ₃、０．０１〜０．１ｗｔ％のＷＯ₃、０．０１〜０．１ｗｔ％のＢｉ₂Ｏ₃、０．０１〜０．２ｗｔ％のＶ₂Ｏ₅のうち少なくとも１種以上を含有させることで、焼結過程での緻密化をより促進できる。また、ＮｉＯは、スピネル化合物の格子点に入り、磁気異方性定数を変化させ、Ｆｅ₂Ｏ₃量とＺｎＯ量のＭｎＺｎフェライトコアの損失が極小となる温度を高温側へシフトさせる。更に、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、Ｎｂ₂Ｏ₅を添加し、粒界層に濃縮させることで、比抵抗を増大させ、渦電流損失を低減できる。

Claims

スピネル型結晶構造を有するＭｎＺｎフェライトにおいて、基本成分組成が、Ｆｅ₂Ｏ₃が５８．０〜６５．０ｍｏｌ％、ＺｎＯが１０．０〜２０．０ｍｏｌ％、ＮｉＯが０．５〜５．０ｍｏｌ％、残部がＭｎＯからなり、副成分として、ＳｉＯ₂を０．００５〜０．０５ｗｔ％、ＣａＯを０．０１〜０．１ｗｔ％、Ｎｂ₂Ｏ₅を０．０１〜０．１ｗｔ％、ＣｕＯを０．０１〜１．５ｗｔ％を含有したことを特徴とするＭｎＺｎフェライト。
ＭｏＯ₃を０．０１〜０．２ｗｔ％、ＷＯ₃を０．０１〜０．１ｗｔ％、Ｂｉ₂Ｏ₃０．０１〜０．１ｗｔ％、Ｖ₂Ｏ₅を０．０１〜０．２ｗｔ％のうち少なくとも１種類以上含有させたことを特徴とする請求項１記載のＭｎＺｎフェライト。
焼結体密度が４．９５ｇ／ｃｍ³以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＭｎＺｎフェライト。