JP2008127230A

JP2008127230A - ＭｎＺｎＮｉフェライト

Info

Publication number: JP2008127230A
Application number: JP2006311919A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Goto; 聡志後藤; Takahiro Kikuchi; 孝宏菊地
Original assignee: JFE Ferrite Corp
Current assignee: JFE Ferrite Corp
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2026-11-17
Also published as: JP5089963B2

Abstract

【課題】５００ｋＨｚ程度以上の高周波域で使用されるスイッチング電源などの電源トランス等に用いて好適な低損失ＭｎＺｎＮｉフェライトを提供する。
【解決手段】主成分組成が、Ｆｅ_２Ｏ_３：５３〜５７ｍｏｌ％、ＺｎＯ：４〜１１ｍｏｌ％、ＮｉＯ：０．５〜４ｍｏｌ％および残部が実質的にＭｎＯであるＭｎＺｎＮｉフェライトであって、ＭｎＯの原料粉体として、その粒度分布での０．１〜１０μｍの範囲において、１μｍを挟んで２つのピークを示し、かつそれらのピーク値の粒度頻度が２．５ｖｏｌ％以上であるものを用いたものであるＭｎＺｎＮｉフェライト。
【選択図】図１

Description

本発明は、低損失フェライト磁心材料に関し、特に、５００ｋＨｚ程度以上の高周波域で使用されるスイッチング電源などの電源トランス等に用いて好適な低損失ＭｎＺｎＮｉフェライトに関するものである。

近年、電子機器の小型化、高密度化に伴って、使用する周波数帯域の高周波化が進んでいる。そのため、電磁鋼板などの金属磁性材料は、例えば、１００ｋＨｚ以上の周波数帯域で使用されるスイッチング電源等の電源用トランスの磁心には、渦電流損による発熱が大きくなるため適用することがほとんど不可能であった。そこで、高周波数帯域で用いられる電源用トランスの磁心材料には、主として酸化物系のＭｎＺｎフェライトが用いられている。

上記電源用トランスの磁心材料に用いられるＭｎＺｎフェライトには、飽和磁束密度が高いこと、キュリー温度が高いことおよび磁気損失が低いことが要求される。このうち、磁性材料の磁気損失については、これを支配する因子として、磁気異方性定数Ｋ_１、ならびに磁歪定数λ_ｓがあり、これらの値が小さいほど低損失であることが知られている。そこで、ＭｎＺｎ系フェライト材料においては、従来から、これらのパラメータを最小とし、ひいては磁気損失が最小となるようなＭｎＯ−ＺｎＯ−Ｆｅ_２Ｏ_３三元系の組成領域が選択されている。

また、飽和磁束密度については、その値を向上するには、コアの焼結体密度を高くすることが必要であり、ＭｎＺｎ系フェライトの基本成分に着目すれば、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量が多いほど、飽和磁束密度が高くなることが知られている。ところが、ＺｎＯの含有量がゼロに近い組成領域においては、ＺｎＯの量の増加に伴って飽和磁束密度は高くなるが、ＺｎＯの量がさらに増加すると、相対的にＦｅ_２Ｏ_３の含有量が少なくなるので、逆に飽和磁束密度は低下する傾向とある。しかも、このＺｎＯ量の増加は、キュリー温度の低下ももたらす。
このように、ＭｎＺｎフェライトの磁気特性は、基本的には、基本成分であるＭｎＯ：ＺｎＯ：Ｆｅ_２Ｏ_３の比でほぼ決まるものである。

このような事実に基いて、従来から、上記電源用ＭｎＺｎ系フェライトの高飽和磁束密度と低損失の両者を満足させる努力がなされてきた。例えば、特許文献１には、ＭｎＯ−ＺｎＯ−Ｆｅ_２Ｏ_３三元系フェライトのＦｅ_２Ｏ_３の一部をＮｉＯで置換すると共に、添加物としてＣａＯとＳｉＯ_２を添加したＭｎＺｎフェライトが提案されている。さらに、特許文献２には、スイッチング電源が駆動される周波数が１００〜５００ｋＨｚ程度の比較的広い周波数帯域において低損失でかつ高い飽和磁束密度を有するフェライト材料として、ＭｎＯ−ＺｎＯ−Ｆｅ_２Ｏ_３三元系フェライトのＦｅ_２Ｏ_３の一部をＮｉＯで置換すると共に、添加物としてＣａＯ，ＳｉＯ_２と、Ｔａ_２Ｏ_５，ＺｎＯ_２，Ｎｂ_２Ｏ_５，Ｖ_２Ｏ_５，ＴｉＯおよびＨｆＯ_２のうちから選ばれる１種または２種以上を添加したＭｎＺｎＮｉフェライトコアが提案されている。
特開平０４−３１８９０４号公報特開平１０−０６４７１５号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に提案されたＭｎＺｎＮｉフェライトは、適用周波数が１００〜５００ｋＨｚ程度といえども、その大部分は、３００ｋＨｚ程度以下で駆動されるスイッチング電源に対応したものであり、近年、要求が高まっている電子部品の小型化に必要とされる５００ｋＨｚ程度以上の高周波域で用いるには、さらなる低損失化が必要であった。

そこで、本発明の目的は、５００ｋＨｚ程度以上の高周波域で使用されるスイッチング電源などの電源トランス等に用いて好適な低損失ＭｎＺｎＮｉフェライトを提供することにある。

発明者らは、上記目的の実現に向けて、ＭｎＯ−ＺｎＯ−ＮｉＯ−Ｆｅ_２Ｏ_３四元系フェライトをベースとして、５００ｋＨｚ以上の周波数での鉄損を低減させるために、原料となる酸化物に着目して鋭意検討を重ねた。その結果、基本成分の１つであるＭｎＯの原料粉の粒度分布が、最終的な焼結体コアの損失に大きく影響すること、そしてさらに、ＭｎＯの原料粉として、粒度分布が０．１〜１０μｍの範囲にあり、かつ、その粒度分布には、１μｍを挟んで２つのピークが存在し、そのピーク値の粒度頻度が２．５ｖｏｌ％以上であるものを用いることにより、５００ｋＨｚ以上の周波数においても、低損失を実現できることを新たに見出し、本発明を完成させた。

上記知見に基く本発明は、主成分組成が、Ｆｅ_２Ｏ_３：５３〜５７ｍｏｌ％、ＺｎＯ：４〜１１ｍｏｌ％、ＮｉＯ：０．５〜４ｍｏｌ％および残部が実質的にＭｎＯであるＭｎＺｎＮｉフェライトであって、ＭｎＯの原料粉として、その粒度分布での０．１〜１０μｍの範囲において、１μｍを挟んで２つのピークを示し、かつそれらのピーク値の粒度頻度が２．５ｖｏｌ％以上であるものを用いたものであることを特徴とするＭｎＺｎＮｉフェライトである。

本発明のＭｎＺｎＮｉフェライトは、上記主成分に加えてさらに、添加成分として、全フェライトに対して、ＳｉＯ_２：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％およびＣａＯ：０．０２〜０．２ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする。

また、本発明のＭｎＺｎＮｉフェライトは、上記添加成分としてさらに、全フェライトに対して、Ｔａ_２Ｏ_５：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％、ＺｒＯ_２：０．０１〜０．１５ｍａｓｓ％、Ｎｂ_２Ｏ_５：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｖ_２Ｏ_５：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、ＨｆＯ_２：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％およびＴｉＯ_２：０．０５〜０．３ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする。

本発明によれば、５００ｋＨｚ程度以上の周波数帯域において、電力損失の小さいＭｎＺｎＮｉフェライトを提供することができる。このＭｎＺｎＮｉフェライトは、スイッチング電源のトランス等の磁心に用いて好適である。

本発明において、主成分組成を上記範囲に限定する理由について説明する。
Ｆｅ_２Ｏ_３：５３〜５７ｍｏｌ％
Ｆｅ_２Ｏ_３は、含有量が少なすぎると飽和磁束密度が低下するため、これを高い値に維持するためには、５３ｍｏｌ％以上含有することが必要である。一方、本発明に係るフェライトのように、ＮｉＯを含む成分系では、磁性イオンであるＮｉ^２＋イオンが、フェライトのスピネル化合物の格子点に入り込んで、他の格子点にある磁性イオンとの相互作用を介して磁気異方性定数Ｋ_１ならびに飽和磁歪定数λ_ｓに変化を来たし、その結果、磁気損失に関する三元系の最適組成範囲は、Ｆｅ_２Ｏ_３リッチ側に拡大する。しかし、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量は、多くなり過ぎると、ＮｉＯを含むとは言え、損失が大きくなるので、上限は５７ｍｏｌ％とする。

ＺｎＯ：４〜１１ｍｏｌ％
ＺｎＯは、含有量が少なすぎると飽和磁束密度が低下するが、Ｆｅ_２Ｏ_３とＮｉＯの組成を好適範囲に選択すれば、高い飽和磁束密度を維持することができる。また、磁気損失に関しては、ＺｎＯの含有量が少ない場合、１００ｋＨｚ程度における損失は増大するものの、５００ｋＨｚ程度の高周波帯域では逆に低い損失を示す。従って、本発明では、ＺｎＯの含有量は４ｍｏｌ％以上とする。一方、ＺｎＯの含有量が多過ぎると、室温付近での飽和磁束密度が小さくなるだけでなく、キュリー温度も低下するため、トランスの動作温度付近（８０〜１００℃）では、急激な飽和磁束密度の低下を招く。また、磁気損失については、ＺｎＯの含有量が多すぎると、ＮｉＯの含有効果が得られなくなってしまう。よって、ＺｎＯの含有量は、上限を１１ｍｏｌ％とする。

ＮｉＯ：０．５〜４ｍｏｌ％
ＮｉＯは、その含有量が０．５ｍｏｌ％に満たないと、磁気損失に低減効果が小さく、また、飽和磁束密度も小さい。一方、ＮｉＯの含有量が多すぎると、５００ｋＨｚ程度の周波数帯域では磁気損失が急激に増大するため、ＮｉＯの含有量は４ｍｏｌ％を上限とする。なお、従来技術との比較の意味で、ＮｉＯの上記含有量の範囲をｍａｓｓ％で表すと、０．３〜２．５ｍａｓｓ％となる。この数値から明らかなように、本発明にかかるフェライト磁心材料は、ＮｉＯの含有量が、従来材に比べて幾分多めに設定されているのが特徴である。

なお、本発明のＭｎＺｎＮｉフェライトは、焼結性を高めると共に、粒界相を高抵抗化して低損失を実現するため、添加成分として、ＳｉＯ_２およびＣａＯを、全フェライトに対して下記の範囲で添加することが好ましい。
ＳｉＯ_２：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％
ＳｉＯ_２は、粒界を高抵抗化すると共に、焼結を促進する効果があり、その効果を発現させるためには０．００５ｍａｓｓ％以上の添加が好ましい。しかし、多すぎた場合には、異常粒成長を起こすため、上限を０．０５ｍａｓｓ％とする。好ましい添加量は、０．００５〜０．０２ｍａｓｓ％の範囲である。

ＣａＯ：０．０２〜０．２ｍａｓｓ％
ＣａＯは、ＳｉＯ_２とともに、粒界を高抵抗化して磁気損失を小さくする働きがある。０．０２ｍａｓｓ％未満ではその効果が得られず、一方、０．２ｍａｓｓ％を超えると、焼結密度が低下するので、０．２ｍａｓｓ％以下とする。好ましい添加量の範囲は、０．０１〜０．１ｍａｓｓ％である。

本発明のＭｎＺｎＮｉフェライトは、磁気損失をより小さくするために、上記基本成分および添加成分の他にさらに、スピネルに固溶しないＴａ_２Ｏ_５，ＺｒＯ_２，Ｎｂ_２Ｏ_５，Ｖ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２やスピネル構成元素として部分的に固溶するＴｉＯ_２の中から選ばれる１種または２種以上を、下記の範囲で添加することができる。
Ｔａ_２Ｏ_５：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％
Ｔａ_２Ｏ_５は、ＳｉＯ_２，ＣａＯの共存下で比抵抗の増大に寄与するが、含有量が０．００５ｍａｓｓ％に満たない場合はその添加効果に乏しく、一方、０．１ｍａｓｓ％を超えると、逆に磁気損失の増大を招く。したがって、Ｔａ_２Ｏ_５は、０．００５〜０．１ｍａｓｓ％の範囲で添加するのが好ましい。

ＺｒＯ_２：０．０１〜０．１５ｍａｓｓ％
ＺｒＯ_２は、ＳｉＯ_２，ＣａＯ，Ｔａ_２Ｏ_５の共存下で、Ｔａ_２Ｏ_５と同様に、粒界の抵抗を高めて高周波帯域での磁気損失の低減に寄与する。Ｔａ_２Ｏ_５と比べると、抵抗増加の効果が少ないが、損失低減への寄与は大きく、特に、磁気損失が最小となる温度付近から高温側における損失の低減に有効に寄与する。ＺｒＯ_２含有量が０．０１ｍａｓｓ％未満では、その効果に乏しく、一方、０．１５ｍａｓｓ％を超えると、逆に比抵抗を高める効果が飽和し、磁気損失が増大する。よって、ＺｒＯ_２は０．０１〜０．１５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

Ｎｂ_２Ｏ_５：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％
Ｎｂ_２Ｏ_５は、ＳｉＯ_２，ＣａＯと共に粒界相を形成し、粒界抵抗を高めて磁気損失の低減に寄与する。０．００５ｍａｓｓ％未満ではその効果に乏しく、逆に、０．０５ｍａｓｓ％を超えると、過剰に粒界相に析出し、磁気損失を増大するので、０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％の範囲で添加するのが好ましい。

Ｖ_２Ｏ_５：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、ＨｆＯ_２：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％
Ｖ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２は、ともに異常粒成長を抑制し、粒界抵抗を高める働きがある。少ないとその改善効果がなく、また多すぎると磁気損失が増大するため、Ｖ_２Ｏ_５は０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、ＨｆＯ_２は０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％の範囲で添加することが好ましい。

ＴｉＯ_２：０．０５〜０．３ｍａｓｓ％
ＴｉＯ_２は、スピネル構成元素として部分的に粒内に固溶する成分であり、一部粒界にも存在し、焼成後の冷却過程で粒界再酸化を助長して磁気損失を低下させる。この効果を得るためには、０．０５ｍａｓｓ％以上の添加が好ましい。逆に、多すぎると異常粒成長を引き起こすため、０．３ｍａｓｓ％以下の範囲で添加することが好ましい。

次に、本発明の特徴である、ＭｎＯの原料粉が有すべき特性について説明する。
本発明が、ＭｎＺｎＮｉフェライトの原料として用いるＭｎＯ粉は、その粒度分布（体積粒度分布）での０．１〜１０μｍの範囲において、さらに、１μｍを挟んで２つのピークを示し、かつ、それらのピークの粒度頻度が２．５ｖｏｌ％以上であることが必要である。上記条件を満たしたＭｎＯ原料粉を用いることで損失が低減する理由については、まだ十分に明らかとはなっていないが、１μｍを挟んで２山の鋭いピークを示すことにより、他の酸化物原料との混合性、反応性がよくなり、その結果、本発明のような５００ｋＨｚ程度以上で使用されるのに好適な結晶組織ができやすくなるものと考えられる。一方、粒度分布が１山の場合や、同じ２山であってもピークの粒度頻度が２．５ｖｏｌ％より低い、すなわち、よりブロードな分布であったりした場合には、この効果が小さくなるためと考えられる。

なお、粒度分布の測定装置としては、分散性粒子の分布測定に適したレーザー回折式粒度分布測定装置が好ましく、例えば、Ｍｉｃｒｏｔｒａｃ社製のＨＲＡなどが好適である。また、測定条件としては、レーザー光の透過モードで測定するのが好ましい。

ここで、ＭｎＯ原料粉の粒度分布において、０．１〜１０μｍの範囲に着目した理由について説明する。
フェライト焼成コアの製造においては、焼結工程での反応性を高めて均一な組織とするため、原料を混合したのち仮焼し、粉砕するのが一般的である。フェライト焼結体は、平均結晶粒径が５〜２０μｍ程度のときに磁気特性が最良となるため、上記粉砕時の平均粒径は、１μｍ前後の０．５〜２μｍ程度とするのが好ましい。つまり、仮焼・粉砕後の平均粒径を上記範囲にするためには、原料粉の平均粒径は１μｍ程度のものである必要がある。一方、１０μｍ超えの粒度の原料粉は、反応性の点で問題があり、また、粒径が０．１μｍ未満の微粒では、嵩密度が大きく低下し、ハンドリングや混合工程での取り扱いが困難となる。以上の理由により、原料粉の粒度分布は０．１〜１０μｍの範囲で評価することとした。

上述したように、仮焼・粉砕後の平均粒径を０．５〜２μｍ程度に制御する必要から、出発原料粉の粒径も基本的に１μｍ程度にするが、反応性の観点からは、単一ピークを有する１山の粒度分布より、ピークの粒径が大小異なる２つの粉体を混合する方が、大粒径粉の隙間に小粒径粉が入り込み、結果として反応性が増すことになる。そこで、粒度分布の異なる各種の粉体を調査した結果、１μｍを挟んで２山のピークを有する粒度分布の粉体が最も反応性が良好で、最終製品の磁気特性を向上させることができることを新たに見出した。

また、２山の粒度分布を有する粉体において、反応性を高めるためには、単に２山にしただけではなく、それぞれのピークの高さ、即ち、分布の鋭さが重要となる。そこで、種々のピーク高さを有する粒度分布の粉体を用いて調査した。その結果、反応性を高めるためには、各山のピーク値の頻度は、２．５ｖｏｌ％以上である必要があることを見出した。

なお、反応性改善のためには、２山分布が好ましく、例えば、１μｍを挟んで片方に山が２つ以上あるような多山分布は基本的に避けるべきである。しかし、そのような場合でも、両側のそれぞれの山の中で、最も高い山のピークが２．５ｖｏｌ％以上であれば、良好な反応性を得ることができる。

ＭｎＯ原料粉として、含まれる不純物の量がほぼ等しく、粒度分布のみが異なる５種類の原料を準備し、それらの粒度分布を、レーザー回折式粒度分布測定装置（Ｍｉｃｒｏｔｒａｃ社製のＨＲＡ）で測定し、その結果を図１と図２に示した。図１は、本発明に適合する粒度分布を有する適合例１および適合例２のＭｎＯ原料粉の測定結果を示したものであり、適合例１のＭｎＯ原料粉は、０．５μｍと８μｍに、また、適合例２のＭｎＯ原料粉は、０．８μｍと７μｍにそれぞれピークを持つ２山分布を示し、それらのピーク値の頻度はいずれも２．５ｖｏｌ％以上である。
一方、図２は、本発明に適合していない比較例の粒度分布を示したものであり、比較例１と比較例２は、いずれも同じ２山分布を示すが、１μｍ以上に存在するピーク値の頻度がいずれも２．５ｖｏｌ％未満で、しかも、分布範囲が、本発明の範囲（０．１〜１０μｍ）よりもなだらかで、粗粒側に広がっている。また、比較例３は、１〜２μｍの範囲に１山のピークを示す原料である。

次いで、基本成分組成が表１-１および表１−２に示す比率（ｍｏｌ％）となるように、上記５種類のＭｎＯ原料粉と他の成分の原料酸化物とを配合し、ボールミルを用いて湿式混合したのち乾燥し、その後、得られた上記原料混合粉を大気雰囲気中で、９５０℃×３時間の仮焼を行った。このようにして得た仮焼粉に、適宜、表１-１および表１−２に示されるように、添加成分を添加し、再度、ボールミルを用いて湿式混合し、粉砕し、乾燥処理した。その後、上記粉末に、ポリビニルアルコール５ｍａｓｓ％水溶液を１０ｍａｓｓ％添加したのち、造粒し、次いで、外径：２０ｍｍ×内径１０ｍｍ×高さ５ｍｍのリング状に成形し、酸素分圧を５ｖｏｌ％に制御した窒素・空気混合ガス中で１２５０℃×４時間の焼成を行い、焼結体試料とした。

上記のようにして得た焼結体試料について、１次側３巻、２次側３巻の巻線を施し、周波数が５００ｋＨｚ、最大磁束密度が５０ｍＴの条件下での電力損失を、交流ＢＨトレーサーを用いて０〜１４０℃の温度範囲で測定した。

上記測定の結果について、電力損失の極小値（Ｐ_ｍｉｎ）ならびにその極小値を示した温度（Ｔ_ｍｉｎ）を表１-１および表１−２に併記して示した。これらの表から明らかなように、比較例のフェライト焼結体は、極小温度１００℃程度において、８０ｋＷ／ｍ^３以上、大きくは１１０ｋＷ／ｍ^３程度の損失を示すのに対し、本発明に適合するフェライト焼結体は、極小温度が１００℃程度でも８０ｋＷ／ｍ^３以下の低損失が得られている。これらの結果から、ＭｎＯ原料の粒度分布の差異が磁気特性に及ぼす影響は明らかである。

本発明に適合するＭｎＯ原料粉の粒度分布を示すグラフである。本発明に適合していないＭｎＯ原料粉の粒度分布を示すグラフである。

Claims

主成分組成が、Ｆｅ_２Ｏ_３：５３〜５７ｍｏｌ％、ＺｎＯ：４〜１１ｍｏｌ％、ＮｉＯ：０．５〜４ｍｏｌ％および残部が実質的にＭｎＯであるＭｎＺｎＮｉフェライトであって、ＭｎＯの原料粉として、その粒度分布での０．１〜１０μｍの範囲において、１μｍを挟んで２つのピークを示し、かつそれらのピーク値の粒度頻度が２．５ｖｏｌ％以上であるものを用いたものであることを特徴とするＭｎＺｎＮｉフェライト。
添加成分として、全フェライトに対して、ＳｉＯ_２：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％およびＣａＯ：０．０２〜０．２ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載のＭｎＺｎＮｉフェライト。
添加成分としてさらに、全フェライトに対して、Ｔａ_２Ｏ_５：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％、ＺｒＯ_２：０．０１〜０．１５ｍａｓｓ％、Ｎｂ_２Ｏ_５：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｖ_２Ｏ_５：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％、ＨｆＯ_２：０．００５〜０．０５ｍａｓｓ％およびＴｉＯ_２：０．０５〜０．３ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のＭｎＺｎＮｉフェライト。