JP2015006972A - フェライト及びトランス - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、高い飽和磁束密度Ｂｓと、低い磁気損失Ｐｃｖを有し、かつかけ強度が高い特性を有するＭｎＺｎ系フェライトを提供する。【解決手段】本発明に係るＭｎＺｎ系フェライトは、酸化鉄をＦｅ２Ｏ３換算で６６〜７０ｍｏｌ％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で１０〜２０ｍｏｌ％、酸化ニッケルをＮｉＯ換算で０．４〜２ｍｏｌ％含み、残部が実質的にＭｎＯの組成となる主成分からなり、主成分の上記酸化物の合計質量１質量部に対し、ＳｉをＳｉＯ２換算で０．００５〜０．０３質量％、ＣａをＣａＯ換算で０．０２〜０．１５質量％、ＮｂをＮｂ２Ｏ５換算で０．０１〜０．１質量％、ＺｒをＺｒＯ２換算で０．００５〜０．０４質量％， ＳｎをＳｎＯ換算で０．０５〜０．３５質量％含有することを特徴とする。【選択図】なし

Description

本発明はＦｅ、Ｍｎ、Ｚｎ及びＮｉを含むフェライト及びこれを用いたトランスに関する。
近年、電子機器の小型化、多機能化が急速に進展するのに伴い、各種部品の高集積化、高周波化も進み、供給される電流も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、電子機器の駆動時の発熱による温度上昇も考慮して、トランス、チョークコイルといった回路部品に用いられる磁芯材料は、室温から１２０℃程度の高温まで高い飽和磁束密度Ｂｓを確保することが求められており、各種部品の高温での安定かつ確実な駆動が求められている。
ＭｎＺｎ系フェライトは、一般にトランス及びチョークコイルの材料として使用されている。このような要望に応じるべく、トランスやチョークコイルなどに用いられるＭｎＺｎ系フェライトは、動作温度において高い飽和磁束密度Ｂｓ、及び低い磁気損失Ｐｃｖを有することが求められている。
一方 、フェライトの製造中および輸送中のハンドリング性を改善し、さらにフェライトコアへのボビン装着性や、装着したボビンへの巻線の作業性を高めるには、フェライトの機械的強度が高いことが求められる。中でも衝撃によるフェライトの欠損が生じ難いこと、即ち欠け強度が高いことが重要である。
高い飽和磁束密度Ｂｓと、磁気損失Ｐｃｖを低く抑えたＭｎＺｎ系フェライト材料およびその製造方法についてはいくつか提案されている。
特開２００７−３１２１０ 特開２０１１−１９５４１５ 特開２００５−２７２２２９
しかしながら、特許文献１では、１００℃における低磁気損失化と高飽和磁束密度化の特性改善はなされているが、Ｆｅ２Ｏ３量が少ないため飽和磁束密度Ｂｓが低く、キュリー点も低くなる。さらに高温の１２０℃における飽和磁束密度の特性改善への検討がなされていない。また、特許文献２の技術で得られるフェライトは、欠け強度が必ずしも十分ではない。特許文献３では、ＮｉＯを多量に含有しているため１２０℃における飽和磁束密度Ｂｓが十分に得られていない。
本発明はこのような実状のもとに創案されたものであって、その目的は高温下（１２０℃）において高い飽和磁束密度Ｂｓと低い磁気損失Ｐｃｖを有し、かつ欠け強度に優れるＭｎ−Ｚｎ系フェライトを提案することである。
上述した課題を解決し、目標を達成するためにフェライト原料である造粒粉の主成分および微量成分をそれぞれ適正範囲に制御することが重要であることを見出した。
すなわち、第１の手段に係るＭｎ−Ｚｎ系フェライトは酸化鉄をＦｅ２Ｏ３換算で６６ｍｏｌ％以上７０ｍｏｌ％以下、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で１０ｍｏｌ％以上２０ｍｏｌ％以下、酸化ニッケルをＮｉＯ換算で０．４ｍｏｌ％以上〜２ｍｏｌ％以下、残部が酸化マンガンとなる主成分からなり、主成分の上記酸化物の合計質量１質量部に対し、ＳｉをＳｉＯ２換算で０．００５質量％以上０．０３質量％以下、ＣａをＣａＯ換算で０．０２質量％以上０．１５質量％以下、ＮｂをＮｂ２Ｏ５換算で０．０１質量％以上０．１質量％以下、ＺｒをＺｒＯ２換算で０．００５質量％以上０．０４質量％以下、ＳｎをＳｎＯ換算で０．０５質量％以上０．３５質量％以下含有することを特徴とする。
第２の手段に係るＭｎ−Ｚｎフェライトは、前記第１の手段に係るフェライトにおいて、欠け試験における欠損率が２％未満の特性を示すことを特徴とする。
第３の手段に係るＭｎ−Ｚｎフェライトは、前記第１又は第２の手段のいずれか１つに係るフェライトにおいて、主成分の上記酸化物の合計質量１質量部に対し、Ｖ、Ｔａ、ＨｆをそれぞれＶ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２に換算すると０．００１〜０．０１質量％のＶ、Ｔａ、Ｈｆを少なくとも１種以上含有することを特徴とする。
第４の手段は、前記第１から前記第３の手段のいずれか１つに係るフェライトから構成されるトランス。
本発明によれば、スイッチング電源などの電源トランス等に用いられるトランス用磁心、あるいはトランス（磁心の回りにコイルを巻回したもの）として本発明に係るフェライトを用いることにより、高温下において高い飽和磁束密度Ｂｓを有し、磁気損失が低く、さらに製造工程中における欠けが起こり難いフェライトコアを得ることが出来る。
本焼成工程における温度設定の一例を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
［本発明ＭｎＺｎ系フェライトについての説明］
（主成分組成についての説明）
本発明のＭｎ−Ｚｎ系フェライトは、主成分として酸化鉄Ｆｅ２Ｏ３換算で６６〜７０ｍｏｌ％、（好ましくは、６６．０〜６９．０ｍｏｌ％、より好ましくは６６．０〜６８．０ｍｏｌ％）、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で１０〜２０ｍｏｌ％（好ましくは１４．５〜１６．０ｍｏｌ％、より好ましくは１５．０〜１６．０ｍｏｌ％）、酸化ニッケルをＮｉＯ換算で０．４〜２．０ｍｏｌ％、残部が酸化マンガンＭｎＯとする基本組成からなり、副成分としてＳｉをＳｉＯ２換算で０．００５〜０．０３質量％、ＣａをＣａＯ換算で０．０２〜０．１５質量％、ＮｂをＮｂ２Ｏ５換算で０．０１〜０．１質量％、ＺｒをＺｒＯ２換算で０．００５〜０．０４質量％、ＳｎをＳｎＯ換算で０．０５〜０．３５質量％含有している。
上記の主組成において、Ｆｅ２Ｏ３量を増やすと飽和磁束密度Ｂｓを高める効果があるが、Ｆｅ２Ｏ３量が７０．０ｍｏｌ％を超えると磁気損失Ｐｃｖが増加するという不都合が生じる傾向にある。また、Ｆｅ２Ｏ３量が６６．０ｍｏｌ％未満になると飽和磁束密度Ｂｓが低下するという不都合が生じる傾向にある。
上記の主成分組成において、ＺｎＯ量が２０．０ｍｏｌ％を超えると飽和磁束密度Ｂｓが低下し磁気損失Ｐｃｖが高くなるという不都合が生じる傾向にある。ＺｎＯ量が１０．０ｍｏｌ％未満になると、磁気損失Ｐｃｖが高くなるという不都合が生じる傾向にある。
Ｎｉは、フェライトの磁気異方性を下げる作用を有すると共に、欠け強度を高める。適量のＮｉを含有せしめることで、低磁気損失を図りさらに、欠け強度を向上させることが出来る。Ｎｉは上記主成分組成において、ＮｉＯ量が２．０ｍｏｌ％を超えると飽和磁束密度Ｂｓが低下するという不都合が生じる傾向にある。また、ＮｉＯ量が０．４ｍｏｌ％未満になると欠け強度が低下するという不都合が生じる傾向にある。
（副成分組成についての説明）
Ｃａは、フェライトの焼結性を高める作用を有するとともに、粒界の高抵抗化に寄与するため、適量のＣａを含有せしめることで、磁気損失の低減化が図れる。フェライトのＣａの含有量（ＣａＯ換算）が、主成分酸化物の合計質量を１質量部としたときに、０．０２質量％未満になると粒界が上手く形成されず比抵抗が低下し渦電流損失が大きくなる傾向にあり、０．１５質量％を超えると結晶粒成長が促進され異常粒が生じるため渦電流損失が増加する傾向にある。Ｃａの含有量（ＣａＯ換算）は、０．０２８〜０．０８４質量％であることが好ましい。
Ｓｉは、フェライトの焼結性を高める作用を有するとともに、粒界の高抵抗化に寄与するため、適量のＳｉを含有せしめることで、磁気損失Ｐｃｖの低減化が図られる。フェライトのＳｉの含有量（ＳｉＯ２換算）が、主成分の酸化物の合計質量１質量部に対し、０．００５質量％未満であると、粒界の高抵抗層の形成が不十分となり、磁気損失Ｐｃｖの低減が不十分となる。他方、Ｓｉの含有量（ＳｉＯ２換算）が０．０３質量％を超えると、異常な粒成長を促進し、磁気損失Ｐｃｖの低減が不十分となる。Ｓｉの含有量（ＳｉＯ２換算）は、０．００５〜０．０１質量％であることが好ましい。
Ｎｂは、フェライトの粒界の高抵抗化に寄与するため、適量のＮｂを含有せしめることで、磁気損失Ｐｃｖの低減化が図られる。フェライト焼結体のＮｂの含有量（Ｎｂ２Ｏ５換算）が、主成分の酸化物の合計質量１質量部に対し、０．０１質量％未満であると、粒界の高抵抗化が不十分となりやすく、磁気損失Ｐｃｖの低減が不十分となる傾向がある。他方、Ｎｂの含有量（Ｎｂ２Ｏ５換算）が０．１質量％質量部を超えると、結晶組織の不均一性を助長する傾向がある。Ｎｂの含有量（Ｎｂ２Ｏ５換算）は、０．０２５〜０．０５０質量％であることが好ましい。
Ｚｒは、フェライトの粒界の高抵抗化に寄与するため、適量のＺｒを含有せしめることで、磁気損失Ｐｃｖの低減化が図られる。フェライトのＺｒの含有量（ＺｒＯ２換算）が、主成分の酸化物の合計質量１質量部に対し、０．００５質量％未満であると、粒界の高抵抗化が不十分となりやすく、磁気損失Ｐｃｖの低減が不十分となる傾向がある。他方、Ｚｒの含有量（ＺｒＯ２換算）が０．０４質量％質量部を超えると、結晶組織の不均一性を助長する傾向がある。Ｚｒの含有量（ＺｒＯ２換算）は、０．００５〜０．０２質量％であることが好ましい。
Ｓｎはフェライトの結晶粒の比抵抗を高める効果があるため、適量のＳｎを含有せしめることで、渦電流損失を下げ磁気損失Ｐｃｖの低減化が図れる。フェライトのＳｎの含有量（ＳｎＯ換算）が、主成分の酸化物の合計１質量部に対し、０．０５質量％未満であると、高抵抗化の効果が表れず、磁気損失Ｐｃｖの低減が不十分になる傾向がある。他方、Ｓｎの含有量（ＳｎＯ換算）が０．３５質量％を超えると、結晶組織の不均一性を助長する傾向がある。Ｓｎの含有量は０．１〜０．３質量％であることが好ましい。
本実施形態に係るフェライトは、上記以外の成分を更に含有するものであってもよい。例えば、Ｔａ（Ｔａ２Ｏ５）、Ｈｆ（ＨｆＯ２）、Ｖ（Ｖ２Ｏ５）は、上述のＮｂ，Ｚｒと同様、フェライトコアの粒界の高抵抗化に寄与するため、これらを適量含有せしめることで、磁気損失Ｐｃｖの低減化が図られる。フェライトのＴａ、Ｈｆ及びＶの含有量（Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｖ２Ｏ５換算）が、主成分の酸化物の合計量１質量部に対し、０．００５質量％未満であると、粒界の高抵抗化が不十分となりやすく、磁気損失Ｐｃｖの低減が不十分となる傾向がある。他方、Ｔａ、Ｈｆ及びＶの含有量（Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｖ２Ｏ５換算）が０．０４０質量％を超えると、結晶組織の不均一性を助長する傾向がある。Ｔａ、Ｈｆ及びＶの含有量（Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｖ２Ｏ５換算）は、０．００５〜０．０３０質量％であることが好ましい。
次にフェライトの製造方法について説明する。
はじめに、主成分をなす酸化鉄α−Ｆｅ２Ｏ３、酸化マンガンＭｎ３Ｏ４、酸化亜鉛ＺｎＯ及び酸化ニッケルＮｉＯを用意し、これら酸化物を混合して混合物を得る。このとき、最終的に得られる混合物中の各酸化物成分の構成比が所定の範囲内となるように上記酸化物とともに他の化合物を混合してもよい。
次いで、上記主成分の混合物を仮焼成して仮焼成物を得る（仮焼工程）。仮焼は通常は空気中で行えばよい。仮焼温度は混合物を構成する成分に依存するが、８００〜１１００℃とすることが好ましい。また、仮焼時間も、混合物を構成する成分に依存するが、１〜３時間とすることが好ましい。その後、得られた仮焼成物をボールミル等により粉砕して粉砕粉を得る。
上述の主成分原料の仮焼成物を粉砕する際、所定量のＣａを、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）もしくは酸化カルシウム（ＣａＯ）として添加し両者を混合することによって本焼成用の原料混合粉を得る（混合工程）。
他方、副成分をなす酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を所定量、用意し主成分原料の仮焼成物を粉砕する際に添加し両者を混合する。これにより、原料混合粉を得る。さらに、ここで上記成分以外の副成分（Ｎｂ２Ｏ５，ＺｒＯ２，Ｔａ２Ｏ５，ＨｆＯ２，Ｖ２Ｏ５など）を適宜添加してもよい。なお、最終的に得られる混合物中の各副成分の含有量が上記範囲内となるように、上記化合物の代わりに他の化合物を用いてもよい。
続いて、上記のようにして得られる原料混合粉と、ポリビニルアルコール等の適当なバインダとを混合し、フェライトコアの成形体を得る。
次に、成形体を加熱炉内において焼成する（本焼成工程）。図１は、本焼成工程における温度設定の一例を示すグラフである。図１に示すように、本焼成工程は、加熱炉内の成形体を徐々に加熱する昇温工程Ｓ１と、温度を１２００〜１３００℃に保持する温度保持工程Ｓ２と、保持温度から徐々に降温する徐冷工程Ｓ３と、徐冷工程Ｓ３の終了後に急冷する急冷工程Ｓ４とを少なくとも有する。
昇温工程Ｓ１は、加熱炉内の温度を後述の保持温度にまで昇温する工程である。昇温速度は、１０〜３００℃／時間とすることが好ましい。
昇温工程Ｓ１によって所定の温度（１２００〜１３００℃）に到達すると、この温度に維持する温度保持工程Ｓ２を行う。温度保持工程Ｓ２における保持温度が１２００℃未満であると、フェライトコアの粒成長が不十分となり、ヒステリシス損失が増大するため、磁気損失Ｐｃｖの低減が不十分となる。他方、保持温度が１３００℃を超えると、フェライトコアの粒成長が過剰となり、渦電流損失が増大するため、磁気損失Ｐｃｖの低減が不十分となる。保持温度を１２００〜１３００℃とすることで、ヒステリシス損失と渦電流損失とのバランスがとれ、高温領域における磁気損失Ｐｃｖを十分に低減できる。
上述の保持温度で焼成を行う時間（保持時間）は、２時間以上であることが好ましい。保持時間が２時間未満であると、温度１２００〜１３００℃で焼成を行った場合でも粒成長が不十分となり、磁気損失Ｐｃｖの低減が不十分となりやすい。保持時間は粉砕粉を構成する原料に依存するが、３〜１０時間とすることがより好ましい。
温度保持工程Ｓ２の終了後、徐冷工程Ｓ３を行う。徐冷工程Ｓ３における徐冷速度は、２００℃／時間以下であることが好ましい。徐冷速度が２００℃／時間を超えると、フェライトコアの粒内の残留応力が大きくなりやすく、これにより磁気損失の低減が不十分となる傾向がある。なお、上記徐冷速度は、徐冷帯域での平均値を意味するものであり、これを超える速度で温度が低下する部分があってもよい。
徐冷工程Ｓ３において保持温度から降温するに際し、加熱炉内の酸素濃度を制御し、連続的又は段階的に下げる操作を行う（酸素濃度調整工程）。このような操作を行うことで、温度１２００℃における酸素濃度を０．２〜１．０体積％とし且つ温度１１００℃における酸素濃度を０．０２〜０．１０体積％とすることが好ましい。
徐冷工程Ｓ３を終了し、急冷工程Ｓ４を開始する温度（徐冷終了温度）は、９００〜１１５０℃であることが好ましい。徐冷終了温度が１１５０℃よりも高いと、フェライトコアの粒界の形成が不十分になりやすく、これにより磁気損失Ｐｃｖの低減が不十分となる傾向がある。他方、徐冷終了温度が９００℃よりも低いと、フェライトコアの粒界に異相が生じやすく、これにより磁気損失Ｐｃｖの低減が不十分となる傾向がある。
徐冷工程Ｓ３の終了後、急冷工程Ｓ４を行う。少なくとも徐冷終了温度から７００℃に到達するまでの温度範囲については、降温速度を１５０℃／時間以上とすることが好ましい。
以下、本発明をさらに詳細な実施例に基づいて説明するが本発明は、これらの実施例に限定されない。
実施例１〜２１及び比較例１〜１７
各成分原料を最終的に表１に示した組成になるように秤量し、ボールミルを用いて湿式混合した。原材料混合物を乾燥させた後、空気中において、９００℃程度の温度で仮焼きした。得られた仮焼き粉をボールミルに投入し、所望の粒子径になるまで湿式粉砕を３時間行った。
こうして得られた粉砕粉を乾燥し、粉砕粉１００質量部に対してポリビニルアルコールを０．８質量部加えて造粒した後、得られた混合物を約１５０ＭＰａの圧力で加圧成形し、トロイダル型成形体と欠け試験用成形体を得た。成形体を次に示す焼成条件の範囲内で本焼成を行い、複数のトロイダルフェライトコアと欠け試験用フェライトコアを得た。この本焼成工程は、保持温度が１２００℃〜１３００℃であり、徐冷終了温度を９００℃〜１１５０℃に設定した。
フェライトコアの磁気損失Ｐｃｖを次のようにして測定した。すなわち、岩通計測製Ｂ−Ｈアナライザー（型式ＳＹ−８２１７）にて磁束密度２００ｍＴ、周波数１００ｋＨｚの条件で温度２５〜１５０℃の範囲の磁気損失を測定し、１２０℃における磁気損失Ｐｃｖの値を求めた。
フェライトコアの飽和磁束密度を次のように測定した。すなわち、外径２０ｍｍのトロイダル形状を直流ＢＨトレーサーを用いて１１９４Ａ／ｍでの飽和磁束密度Ｂｓを測定し１２０℃の値を得た。
フェライトコアの欠け強度を次のように測定した。すなわち、直径１０ｍｍ×高さ１０ｍｍを有する円柱体試料５個（予め重量が測定されている）を内周側面に邪魔板が設けられた内法径１００ｍｍ×内法高さ１１８ｍｍの円筒型ステンレスポットの中に投入し、横向きの状態でステンレスポットを回転数１００ｒｐｍで２０分間回転させた。その後、円柱体試料を取り出して試験後の重量を測定し欠損率を求めた。
欠損率は、次のような算出式で与えられる。
欠損率（％）＝［（試験前重量―試験後重量）／（試験前重量）× １００
上記の式において欠損率は数値が小さいほど衝撃に強い。
本発明では、欠損率２％未満を合格レベルと判断している。
表１に測定結果を示す。この表１から、フェライトの主成分の組成と微量成分の添加を適切に制御した試料（実施例１〜２１）においては、１２０℃における磁気損失Ｐｃｖ、飽和磁束密度Ｂｓが良好で、さらに欠損率が２．０％より小さい特性の優れた材料が得られていることがわかる。
Figure 2015006972
以上のように、本発明に係るＭｎＺｎ系フェライトは高い飽和磁束密度Ｂｓと、低い磁気損失Ｐｃｖを有し、かつ欠け強度が高い特性を有するので、トランス、チョークコイルといった部品に好適に用いることが出来る。

Claims (4)

  1. 酸化鉄をＦｅ２Ｏ３換算で６６〜７０ｍｏｌ％、酸化亜鉛をＺｎＯ換算で１０〜２０ｍｏｌ％、酸化ニッケルをＮｉＯ換算で０．４〜２ｍｏｌ％含み、残部が実質的にＭｎＯの組成となる主成分からなり、主成分の上記酸化物の合計質量１質量部に対し、ＳｉをＳｉＯ２換算で０．００５〜０．０３質量％、ＣａをＣａＯ換算で０．０２〜０．１５質量％、ＮｂをＮｂ２Ｏ５換算で０．０１〜０．１質量％、ＺｒをＺｒＯ２換算で０．００５〜０．０４質量％， ＳｎをＳｎＯ換算で０．０５〜０．３５質量％含有することを特徴とするフェライト。
  2. 請求項１のフェライト材料であって、欠け試験における欠損率が２％未満の特性を示すことを特徴とするフェライト。
  3. 請求項１又は請求項２のフェライト材料であって、主成分の上記酸化物の合計質量１質量部に対して、Ｖ、Ｔａ、ＨｆをそれぞれＶ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２に換算すると０．００１〜０．０１質量％のＶ、Ｔａ、Ｈｆを少なくとも１種以上含有することを特徴とするフェライト。
  4. 請求項１又は請求項２のいずれかに記載のフェライトから構成されるトランス。
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