JP2009253248A - Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト - Google Patents

Abstract

【課題】鉄損の極小値が１２０〜１４０℃の温度範囲に存在し、しかも、１３０℃の温度における鉄損の絶対値が小さいＭｎ−Ｚｎ系フェライト材料を提供する。
【解決手段】Ｆｅ_２Ｏ_３：５２．０〜５３．０ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１０．０〜１２．５ｍｏｌ％、残部がＭｎＯおよび不可避的不純物からなる基本成分組成を有するＭｎ−Ｚｎ系フェライトにおいて、当該フェライトに対して、添加成分としてＳｉＯ_２：５０〜５００ｍａｓｓｐｐｍ、ＣａＯ：２００〜２０００ｍａｓｓｐｐｍ、Ｎｂ _２ Ｏ _５ ：５０〜５００ｍａｓｓｐｐｍおよびＢｅＯ：１０〜１００ｍａｓｓｐｐｍを含有することを特徴とするＭｎ−Ｚｎ系フェライト。
【選択図】なし

Description

本発明は、エネルギー鉄損の少ないＭｎ−Ｚｎ系フェライトに関し、特に、スイッチング電源用トランス等の磁心等に用いて好適な、１２０〜１４０℃以上の高温度領域で低鉄損を示すＭｎ−Ｚｎ系フェライトに関するものである。

酸化物磁性材料は、一般に「フェライト」と総称されている。このフェライトには、大きく分けて、Ｂａ系フェライトやＳｒ系フェライト等の硬質磁性材料と、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトやＮｉ−Ｚｎ系フェライト等の軟質磁性材料とがある。このうち、軟質磁性材料は、わずかな磁場に対しても容易に磁化する材料であるため、電源や通信機器や計測制御機器、磁気記録、コンピュータなどの広い分野で用いられている。この軟質磁性材料に要求される特性としては、保磁力が小さく、透磁率が高いこと、飽和磁束密度が大きく、低鉄損であることなどが挙げられる。

なお、軟磁性材料には、上記酸化物系のフェライト以外に、金属系のものがある。この金属系軟磁性材料は、酸化物系のものと比べて飽和磁束密度が高いという特長を有する反面、電気抵抗が小さいため、高周波領域で使用する場合には、発生する渦電流に起因して鉄損が大きくなってしまうという問題がある。そのため、電子機器の小型化・高密度化の要請から使用周波数の高周波化が進んでいる近年においては、例えば、１００ｋＨｚ程度の高周波数帯域において用いられるスイッチング電源等に金属系磁性材料を用いることは、ほとんど不可能となっている。

このような背景から、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、従来から、鉄損の小さい（発熱の少ない）Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトが主に用いられてきた。しかし、この材料は、電気抵抗率が０．０１〜０．０５Ω・ｍ程度と低いため、電気抵抗をさらに高めて渦電流損を低減することにより、全体として鉄損が低く、発熱量を抑えた磁性材料の開発が望まれていた。

この要求に対しては、例えば、特許文献１には、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトに、副成分としてＳｉＯ_２やＣａＯなどの酸化物を微量添加して粒界に偏析させることにより、粒界抵抗を高めて、全体としての抵抗率を数Ω・ｍ以上とすることにより、発熱を抑制する技術が開示されている。

また、フェライトが電源用トランスに使用される場合に考慮しなければならないのは、フェライトが組み込まれた機器の使用時における温度（動作温度）と、フェライト自体の鉄損に起因した発熱による温度上昇である。例えば、フェライトの鉄損が極小となる温度が室温付近にある場合には、発熱によって磁心温度が上昇すると同時に鉄損が上昇し、それに伴って発熱がさらに大きくなり、これが繰り返されて温度上昇が加速する、いわゆる熱暴走を起こす危険性があるからである。

一方、トランスの動作温度は、従来は５０〜７０℃付近であるが、上記熱暴走の危険性を回避するため、現行のフェライトでは、室温付近における鉄損の温度係数を負として、温度上昇とともに鉄損が減少し、鉄損が極小となる温度が約１００℃となるような材料設計がなされている。しかし、鉄損極小温度が１００℃程度の材料でも、何らかの原因で温度が１００℃以上に上昇した場合には、やはり鉄損は増大して熱暴走を起こす危険性が大きい。

さらに最近では、電子機器の小型化に対応するため、電子部品の積載密度が高密度化しており、使用時の発熱による温度上昇がより大きくなる傾向にある。その結果、最近の電子部品は、これまで想定していなかった、１００℃を超える１２０〜１４０℃といった高温度域で使用される場合も出てきている。したがって、設計上の鉄損極小温度を、これまでの１００℃付近から１２０℃以上、例えば、１２０〜１４０℃程度とすることが検討されている。そのため、フェライトコアの鉄損の温度依存性も、これらの設計変更に対応させてやる必要がある。

ところで、フェライトの鉄損を支配する因子の１つに、磁気異方性定数Ｋ_１がある。鉄損は、この磁気異方性定数Ｋ_１の温度変化にともなって変化し、Ｋ_１＝０となる温度で極小となる。したがって、フェライトの鉄損の温度変化を小さくするには、磁気異方性定数Ｋ_１の温度依存性（鉄損温度係数）を小さくする必要がある。

磁気異方性定数Ｋ_１は、フェライトの主相であるスピネル化合物を構成する元素の種類によりほぼ決定され、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトの場合、Ｃｏイオンを導入することによりその温度依存性を小さくし、鉄損温度係数の絶対値を小さくすることができる（例えば、非特許文献１および２参照）。これにより、１００℃付近での鉄損が小さく、かつ、その前後の温度範囲でも鉄損が比較的小さいフェライト材料を得ることが可能となる。しかし、Ｃｏを加えることにより、鉄損極小温度が低下したり、あるいは、焼成温度や焼成雰囲気の酸素濃度の僅かな変動によって、鉄損温度係数や極小温度が大きく変動したりするという別の問題が生じている。

例えば、特許文献２には、Ｆｅ_２Ｏ_３，ＺｎＯ，ＭｎＯを主成分とし、ＣｏＯを０．０１ｍｏｌ％以上０．５ｍｏｌ％未満含有するＭｎ−Ｚｎ−Ｃｏ系フェライトにおいては、従来よりも広い温度範囲でＫ_１＝０となり、高い透磁率と低い損失が広い温度範囲で、実現できることが開示されている。しかし、特許文献２に記載されたフェライトは、同文献の第１図に示されているように、コア損失の極小温度が低温度側に移行しているため、最近のような１２０〜１４０℃という高い動作温度では、温度上昇が加速して熱暴走を起こす危険性がある。
特公昭３６−００２２８３号公報 特公平０４−０３３７５５号公報 「Ｔｈｅ Ｆｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｃｏｂａｌｔ ｓｕｂｕｓｕｔｉｔｕｔｉｏｎｓ ｏｎ ｓｏｍｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｚｉｎｃ ｆｅｒｒｉｔｅｓ」，Ａ．Ｄ．Ｇｉｌｅｓ ａｎｄ Ｆ．Ｆ．Ｗｅｓｔｅｎｄｏｒｐ：Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９（１９７６）２１１７ 「Ｌｏｗ−ｌｏｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｆｅｒｒｉｔｅｓ ｆｏｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｕｐ ｔｏ ５００ｋＨｚ」，Ｔ．Ｇ．Ｗ．Ｓｔｉｊｉｎｔｊｅｓ ａｎｄ Ｊ．Ｊ．Ｒｏｅｌｏｆｓｍａ；Ａｄｖ．Ｃｅｒ．１６（１９８６）４９３

上記のように、従来技術では、電力損失が最小値を示す温度が１２０〜１４０℃の範囲にあり、かつ、この温度領域で低損失を示すフェライト材料は実現できていない。

また、一般に、鉄損極小温度が１００℃以上になればなるほど、その極小温度での鉄損の絶対値が増大する傾向がある。そのため、鉄損極小温度を１２０℃以上とすることにより熱暴走は抑えられても、鉄損値自体が大きくなるため、発熱問題は依然として解決できないという問題もある。

そこで、本発明は、電子部品が１００℃を超えて１２０〜１４０℃といった高温度域で使用されるようになってきている近年の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、鉄損の極小値が１００℃より高温度域の１２０〜１４０℃の温度範囲に存在し、しかも、１３０℃の温度における鉄損の絶対値が小さいＭｎ−Ｚｎ系フェライト材料を提供することにある。

発明者らは、従来技術が抱える上記問題点を解決するため、基本成分であるＦｅ_２Ｏ_３，ＺｎＯおよびＭｎＯの含有量が、鉄損とその極小温度に及ぼす影響について調査すると共に、添加成分として添加する種々の金属酸化物が、１００℃以上の温度域での鉄損に及ぼす影響について鋭意研究を重ねた。その結果、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにおける上記基本成分組成を適性範囲に制御した上で、その範囲に応じて、添加成分の選択とその量を適正範囲に制御する必要があること、特に、１２０℃以上の高温度域で低損失のフェライトを得るには、添加成分として、従来公知のＳｉＯ_２やＣａＯ等に加えてさらに、ＢｅＯを適正量添加することが極めて有効であることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、Ｆｅ_２Ｏ_３：５２．０〜５３．０ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１０．０〜１２．５ｍｏｌ％、残部がＭｎＯおよび不可避的不純物からなる基本成分組成を有するＭｎ−Ｚｎ系フェライトにおいて、当該フェライトに対して、添加成分としてＳｉＯ_２：５０〜５００ｍａｓｓｐｐｍ、ＣａＯ：２００〜２０００ｍａｓｓｐｐｍ、Ｎｂ_２Ｏ_３：５０〜５００ｍａｓｓｐｐｍおよびＢｅＯ：１０〜１００ｍａｓｓｐｐｍを含有することを特徴とするＭｎ−Ｚｎ系フェライトである。

本発明の上記Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは、最大磁束密度２００ｍＴ、周波数１００ｋＨｚで測定した鉄損極小温度が１２０〜１４０℃の温度範囲にあり、１３０℃における鉄損が４００ｋＷ／ｍ^３以下であること、あるいは、最大磁束密度２００ｍＴ、周波数１００ｋＨｚで測定した鉄損極小温度が１２０〜１４０℃の温度範囲にあり、１３０℃における鉄損が３５０ｋＷ／ｍ^３以下であることが好ましい。

本発明によれば、１２０〜１４０℃の高温度域でも鉄損が低いＭｎ−Ｚｎ系フェライトを提供することができる。したがって、本発明のフェライトは、１２０℃以上の高温で使用されるスイッチング電源等のトランスコア材に用いて好適である。

本発明のＭｎ−Ｚｎ系フェライトは、飽和磁束密度、キュリー温度、鉄損および鉄損極小温度を最適化する観点から、Ｆｅ_２Ｏ_３：５２．０〜５３．０ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１０．０〜１２．５ｍｏｌ％、残部が主としてＭｎＯからなる基本成分組成を有するものである。以下、上記組成範囲に制限する理由について、具体的に説明する。
Ｆｅ_２Ｏ_３：５２．０〜５３．０ｍｏｌ％
Ｆｅ_２Ｏ_３は、鉄損の極小温度を１２０℃以上とするためには、５２．０ｍｏｌ％以上とする必要がある。しかし、５３．０ｍｏｌ％を超えると、却って、室温付近での鉄損が大きくなり過ぎるため、上限を５３．０ｍｏｌ％とする。好ましくは、５２．３〜５２．７ｍｏｌ％の範囲である。

ＺｎＯ：１０．０〜１２．５ｍｏｌ％
軟磁性フェライトに求められる磁気特性としては、前述したように、飽和磁束密度が大きいこと、キュリー温度が高いこと、鉄損が小さいことおよび透磁率が高いことが挙げられる。このうち、飽和磁束密度とキュリー温度は、基本成分であるＭｎＯ，ＺｎＯおよびＦｅ_２Ｏ_３の比でほぼ決定される。ＺｎＯの量が少ない領域においては、ＺｎＯ量が増加するのに伴って飽和磁束密度は増加するが、同時にキュリー温度も低下する。ＺｎＯが１０．０ｍｏｌ％より少ないと、鉄損値が高く透磁率も向上しなくなる。一方、鉄損が極小となる温度も、先に述べたように、基本成分比によりほぼ決まり、ＺｎＯ量が１２．５ｍｏｌ％より多いと極小温度が大きく低温側にシフトする。したがって、鉄損極小温度を１２０〜１４０℃の範囲にするには、ＺｎＯ量を１０．０〜１２．５ｍｏｌ％とする必要がある。より高い透磁率を得るためには、１１．０〜１２．５ｍｏｌ％の範囲とするのが好ましい。

ＭｎＯ：基本成分の残部
本発明のフェライトは、Ｍｎ−Ｚｎ−Ｆｅ_２Ｏ_３三元系フェライトであり、上記Ｆｅ_２Ｏ_３，ＺｎＯ以外の残部の基本成分は、ＭｎＯである。

また、本発明の、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは、上記基本成分のほかに、下記の添加成分を含有する必要がある。すなわち、本発明のフェライトの基本成分であるＦｅ_２Ｏ_３，ＺｎＯおよびＭｎＯは、スピネル構造を形成するものであり、これに、スピネルを形成しないＳｉＯ_２，ＣａＯおよびＮｂ_２Ｏ_５等の微量成分を複合添加して、鉄損の小さい高性能のＭｎ−Ｚｎ系フェライトとすることができる。同様に、スピネルを形成しないＴａ_２Ｏ_５，ＺｒＯ_２およびＶ_２Ｏ_５等の微量成分を添加してもよい。

ＳｉＯ_２：５０〜５００ｍａｓｓｐｐｍ
ＳｉＯ_２は、ＣａＯとともに粒界に高抵抗相を形成して、鉄損の低減に寄与する。しかし、添加量が５０ｍａｓｓｐｐｍ未満ではその寄与は小さく、一方、５００ｍａｓｓｐｐｍを超えて含有すると、焼結時に異常粒成長を起こして鉄損を大幅に増大させる。したがって、ＳｉＯ_２は、５０〜５００ｍａｓｓｐｐｍの範囲で添加する必要がある。異常粒の発生を確実に防止するには５０〜３００ｍａｓｓｐｐｍの範囲が好ましい。

ＣａＯ：２００〜２０００ｍａｓｓｐｐｍ
ＣａＯも、ＳｉＯ_２と共存した場合、粒界抵抗を高めて低鉄損化に寄与するが、添加量が２００ｍａｓｓｐｐｍ未満では、その効果は小さく、一方、２０００ｍａｓｓｐｐｍより多くなると、鉄損は逆に増大する。したがって、ＣａＯは、２００〜２０００ｍａｓｓｐｐｍの範囲で添加する必要がある。より低鉄損を得るためには、２００〜１５００ｍａｓｓｐｐｍの範囲が好ましい。

Ｎｂ_２Ｏ_３：５０〜５００ｍａｓｓｐｐｍ
Ｎｂ_２Ｏ_５は、ＳｉＯ_２およびＣａＯの共存下で、比抵抗の増大に有効に寄与するが、含有量が５０ｍａｓｓｐｐｍに満たないと、その添加効果に乏しく、一方、５００ｍａｓｓｐｐｍを超えると、逆に鉄損の増大を招く。よって、Ｎｂ_２Ｏ_５は５０〜５００ｍａｓｓｐｐｍの範囲で添加する。より低鉄損を得るためには、５０〜３００ｍａｓｓｐｐｍの範囲が好ましい。

ＢｅＯ：１０〜１００ｍａｓｓｐｐｍ
上記のように、本発明のＭｎ−Ｚｎ系フェライトは、基本成分であるＦｅ_２Ｏ_３，ＺｎＯおよびＭｎＯの組成を上記範囲に制御することに加えて、添加成分としてＳｉＯ_２，ＣａＯおよびＮｂ_２Ｏを適正量複合添加することが必要である。しかし、１２０℃以上の高温度域で、低鉄損を安定して実現するには、さらに、添加成分として、ＢｅＯを添加することが極めて効果的である。ＢｅＯが、最終焼結体であるＭｎ−Ｚｎ系フェライトの磁気特性、特に１２０℃以上の高温度域での鉄損や透磁率に影響を及ぼす機構については、まだ明確に解明されたわけではないが、ＢｅＯは、比抵抗が高く、低い比誘電率と誘電損失とを有する酸化物であることによるものと考えている。１２０℃以上の高温度域で低鉄損を実現するには、ＢｅＯの添加量は、１０ｍａｓｓｐｐｍ以上とする必要があり、一方、１００ｍａｓｓｐｐｍを超えて添加すると、異常粒成長が起こり、却って鉄損の大幅増大を招くおそれがある。よって、ＢｅＯは１０〜１００ｍａｓｓｐｐｍの範囲で添加する。異常粒の発生を確実に防止するには、ＢｅＯは１０〜５０ｍａｓｓｐｐｍの範囲が好ましい。

本発明のＭｎ−Ｚｎ系フェライトは、上記基本成分および添加成分以外の残部は、不可避的不純物である。

次に、本発明に係るＭｎ−Ｃｏ系フェライトの製造方法について、説明する。
本発明のＭｎ−Ｚｎ系フェライトは、まず基本成分組成が本発明の規定する所定比率となるようＦｅ_２Ｏ_３，ＺｎＯおよびＭｎＯの粉末原料を秤量し、これらを十分に混合したのち仮焼し、得られた仮焼粉を粉砕する。次いで、上記仮焼粉に、上述した添加成分を、本発明が規定する所定の比率となるよう加えて、さらに粉砕する。この粉砕作業においては、添加した成分の濃度に偏りがないよう、充分に均質化する必要がある。その後、粉砕した仮焼粉の粉末に、ポリビニルアルコール等の有機物バインダーを添加し、造粒し、圧力を加えて所定の形状に成形し、その後、適宜の条件で焼成し、製品とする。

かくして得られた本発明のＭｎ−Ｚｎ系フェライトは、従来のＭｎ−Ｚｎ系フェライトでは不可能であった、１２０〜１４０℃の高温度域において鉄損が極小となり、かつ、１３０℃における鉄損が４００ｋＷ／ｍ^３以下の特性を有するものとなる。

Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトの主成分であるＦｅ_２Ｏ_３，ＺｎＯおよびＭｎＯが、表１および表２に示した種々の組成となるよう原料を混合した後、９３０℃で３時間の仮焼を行い、粉砕し、得られた仮焼粉に、添加成分としてＢｅＯ，ＳｉＯ_２，ＣａＯ，Ｎｂ_２Ｏ_３を、表１および表２に示した量となるよう添加し、ボールミルで１０時間粉砕した。その後、この粉砕粉にバインダーとしてポリビニルアルコールを添加し、造粒した後、外径３１ｍｍ、内径１９ｍｍ、高さ７ｍｍのリング状に成形した。その後、この成形体に、酸素分圧を１〜５ｖｏｌ％の範囲に制御した窒素・空気混合ガス中で１３３０℃×３時間の焼成を施し、リング状試料（フェライト焼結体）を得た。この際、５００℃から１３００℃までの昇温速度は６５０℃／ｈｒとした。

上記のようにして得たリング状試料に、１次側５巻・２次側５巻の巻線を施し、交流ＢＨループトレーサーを用いて、２５〜１４０℃の温度範囲において、周波数１００ｋＨｚで磁束密度２００ｍＴまで励磁したときの鉄損を測定した。

上記測定結果に基づき、鉄損が極小となる温度と、１３０℃における鉄損値を表１および表２に併記して示した。ここで、表１のＮｏ．１〜２４は本発明に適合する成分組成を有する発明例を、また、表２のＮｏ．２５〜４６は、本発明の範囲から外れた比較例を示したものである。表１、２からわかるように、Ｆｅ_２Ｏ_３，ＺｎＯおよびＭｎＯの基本組成とＳｉＯ_２，ＣａＯおよびＮｂ_２Ｏ_５の添加成分の組成を適切に選んだ上で、さらに、ＢｅＯを１０〜１００ｍａｓｓｐｐｍ添加した本発明例のＭｎ−Ｚｎ系フェライトは、いずれも、最大磁束密度２００ｍＴ、周波数１００ｋＨｚで測定した鉄損極小温度が１２０〜１４０℃の範囲にあり、かつ、１３０℃における鉄損が４００ｋＷ／ｍ^３以下さらには３５０ｋＷ／ｍ^３以下となっており、１２０℃以上の高温度域で鉄損の低いＭｎ−Ｚｎ系フェライト材が得られている。
これに対して、本発明の成分組成を満たさない比較例のＭｎ−Ｚｎ系フェライトは、いずれも、鉄損極小温度が１２０〜１４０℃の範囲にないか、あるいは、１３０℃における鉄損が４００ｋＷ／ｍ^３超えのものしか得られない。

本発明のフェライトは、１２０℃以上の高温度域における鉄損が小さいため、動作温度が通常の電子機器よりも高温となる自動車用の各種電源トランスコアやチョークコイル等にも適用することができる。

Claims (3)

1. Ｆｅ_２Ｏ_３：５２．０〜５３．０ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１０．０〜１２．５ｍｏｌ％、残部がＭｎＯおよび不可避的不純物からなる基本成分組成を有するＭｎ−Ｚｎ系フェライトにおいて、当該フェライトに対して、添加成分としてＳｉＯ_２：５０〜５００ｍａｓｓｐｐｍ、ＣａＯ：２００〜２０００ｍａｓｓｐｐｍ、Ｎｂ_２Ｏ_３：５０〜５００ｍａｓｓｐｐｍおよびＢｅＯ：１０〜１００ｍａｓｓｐｐｍを含有することを特徴とするＭｎ−Ｚｎ系フェライト。
2. 最大磁束密度２００ｍＴ、周波数１００ｋＨｚで測定した鉄損極小温度が１２０〜１４０℃の温度範囲にあり、１３０℃における鉄損が４００ｋＷ／ｍ^３以下であることを特徴とする請求項１に記載のＭｎ−Ｚｎ系フェライト。
3. 最大磁束密度２００ｍＴ、周波数１００ｋＨｚで測定した鉄損極小温度が１２０〜１４０℃の温度範囲にあり、１３０℃における鉄損が３５０ｋＷ／ｍ^３以下であることを特徴とする請求項１に記載のＭｎ−Ｚｎ系フェライト。