JP2017061402A - MnZnLiNi系フェライト、磁心およびトランス - Google Patents
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Abstract
【課題】高温度帯域において従来よりもコア損失が小さく、発熱特性が高く、かつ、飽和磁束密度が高いMnZnLiNi系フェライトの提供。
【解決手段】主成分として酸化鉄、酸化亜鉛、酸化リチウム、酸化ニッケルおよび酸化マンガンを含有し、酸化鉄の含有量をFe2O3換算でaモル%、酸化亜鉛の含有量をZnO換算でbモル%、酸化リチウムの含有量をLiO0.5換算でcモル%、酸化ニッケルの含有量をNiO換算でdモル%、酸化マンガンの含有量をMnO換算でeモル%とする場合に、57.0≦a≦62.0、3.0≦b≦11.0、1.2≦c≦4.0、0.2≦d≦6.0、a+b+c+d+e=100を満たし、さらに、副成分として、MoをMoO3換算で10〜500重量ppm含有しているMnZnLiNi系フェライト。
【選択図】なし
【解決手段】主成分として酸化鉄、酸化亜鉛、酸化リチウム、酸化ニッケルおよび酸化マンガンを含有し、酸化鉄の含有量をFe2O3換算でaモル%、酸化亜鉛の含有量をZnO換算でbモル%、酸化リチウムの含有量をLiO0.5換算でcモル%、酸化ニッケルの含有量をNiO換算でdモル%、酸化マンガンの含有量をMnO換算でeモル%とする場合に、57.0≦a≦62.0、3.0≦b≦11.0、1.2≦c≦4.0、0.2≦d≦6.0、a+b+c+d+e=100を満たし、さらに、副成分として、MoをMoO3換算で10〜500重量ppm含有しているMnZnLiNi系フェライト。
【選択図】なし
Description
本発明は、MnZnLiNi系フェライト、磁心およびトランスに関する。
近年、電子機器の小型化、高出力化が進んでいる。それに伴い各種部品の高集積化、高速処理化が進み、電力を供給する電源ラインの大電流化が要求されている。また、高温下においても所定の性能を保つ電源ラインが要求されている。したがって、電源ラインに用いられるトランス等にも、高温下において大電流で使用できるものが要求されている。
例えば、特許文献1には、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化リチウム、酸化マンガンを主成分とし、各主成分の含有量が所定の範囲内である焼結体が記載されている。当該焼結体は100℃における飽和磁束密度が480mT以上(測定磁界:1194A/m)であり、コア損失の最小値が1300kW/m3以下(測定条件:100kHz、200mT)である。さらに、コア損失が最小値を示す温度であるボトム温度が60〜130℃である。
しかし、近年では、100℃付近の高温度帯域下で、よりコア損失が小さく、飽和磁束密度が高い焼結体が求められている。さらに自動車等に用いられる電子部品においては、使用環境の高温化や、動作時の発熱による温度上昇から、高温駆動安定性に優れていることが求められている。
本発明の目的は、高温度帯域において従来よりもコア損失(磁気損失、コアロスともいう)が小さく、発熱特性が高く、かつ、飽和磁束密度が高いMnZnLiNi系フェライトを提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明に係るMnZnLiNi系フェライトは、
主成分として酸化鉄、酸化亜鉛、酸化リチウム、酸化ニッケルおよび酸化マンガンを含有するMnZnLiNi系フェライトであって、
前記酸化鉄の含有量をFe2O3換算でaモル%、前記酸化亜鉛の含有量をZnO換算でbモル%、前記酸化リチウムの含有量をLiO0.5換算でcモル%、前記酸化ニッケルの含有量をNiO換算でdモル%、前記酸化マンガンの含有量をMnO換算でeモル%とする場合に、
57.0≦a≦62.0
3.0≦b≦11.0
1.2≦c≦4.0
0.2≦d≦6.0
a+b+c+d+e=100
を満たし、
さらに、副成分としてMoをMoO3換算で10〜500重量ppm含有していることを特徴とする。
主成分として酸化鉄、酸化亜鉛、酸化リチウム、酸化ニッケルおよび酸化マンガンを含有するMnZnLiNi系フェライトであって、
前記酸化鉄の含有量をFe2O3換算でaモル%、前記酸化亜鉛の含有量をZnO換算でbモル%、前記酸化リチウムの含有量をLiO0.5換算でcモル%、前記酸化ニッケルの含有量をNiO換算でdモル%、前記酸化マンガンの含有量をMnO換算でeモル%とする場合に、
57.0≦a≦62.0
3.0≦b≦11.0
1.2≦c≦4.0
0.2≦d≦6.0
a+b+c+d+e=100
を満たし、
さらに、副成分としてMoをMoO3換算で10〜500重量ppm含有していることを特徴とする。
上記の特徴を有する本発明に係るMnZnLiNi系フェライトは、高温度帯域においてコア損失が小さく、発熱特性が高く、かつ、飽和磁束密度が高い。
本発明に係る磁心は、上記のMnZnLiNi系フェライトから構成される。
本発明に係るトランスは、上記の磁心を用いている。
以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係るフェライトはMnZnLiNi系フェライトである。MnZnLiNi系フェライトとは、酸化鉄の他に、酸化マンガン、酸化亜鉛、酸化リチウムおよび酸化ニッケルを主成分として含有するフェライトである。
本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトは、主成分が酸化鉄、酸化マンガン、酸化亜鉛、酸化リチウム、酸化ニッケルのみからなり、これらの合計含有量が100モル%である。すなわち、酸化鉄の含有量をFe2O3換算でaモル%、酸化亜鉛の含有量をZnO換算でbモル%、酸化リチウムの含有量をLiO0.5換算でcモル%、酸化ニッケルの含有量をNiO換算でdモル%、酸化マンガンの含有量をMnO換算でeモル%とする場合に、a+b+c+d+e=100である。
本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトでは、酸化鉄の含有量が増加すると、100℃における飽和磁束密度が向上する傾向にある。一方、酸化鉄の含有量が減少すると、高温時のコア損失(磁気損失、コアロスともいう)が小さくなる傾向にある。
酸化鉄の含有量は、Fe2O3換算で57.0〜62.0モル%である。上記の通り、酸化鉄の含有量をaモル%と表記することもある。酸化鉄の含有量が上記の範囲内であることにより、100℃における飽和磁束密度および高温時のコア損失をいずれも良好とすることができる。また、酸化鉄の含有量が62.0モル%以下であるMnZnLiNi系フェライトは発熱特性が良いという利点がある。なお、酸化鉄の含有量は57.5〜61.0モル%であることが好ましく、58.0〜60.0モル%であることがより好ましい。特に、酸化鉄の含有量が57.5〜61.0モル%であるMnZnLiNi系フェライトは高温貯蔵特性が良いという利点がある。
なお、発熱特性とは、コアを駆動させた場合における発熱を表す。発熱特性が良好なほど、コアを駆動させた場合における発熱が小さく、発熱による温度上昇が小さい。
本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトでは、酸化亜鉛の含有量が増加すると、高温時のコア損失が小さくなる傾向にある。ただし、酸化亜鉛の含有量が多すぎると、キュリー点の低下により、100℃における飽和磁束密度が低下し、高温時のコア損失が大きくなる傾向にある。一方、酸化亜鉛の含有量が少なすぎると、焼結密度の低下により、100℃における飽和磁束密度が低下し、高温時のコア損失が大きくなる傾向にある。
酸化亜鉛の含有量は、ZnO換算で3.0〜11.0モル%である。上記の通り、酸化亜鉛の含有量をbモル%と表記することもある。酸化亜鉛の含有量が上記の範囲内であることにより、100℃における飽和磁束密度および高温時のコア損失をいずれも良好とすることができる。さらに、酸化亜鉛の含有量が上記の範囲内であるMnZnLiNi系フェライトは発熱特性が良いという利点がある。なお、酸化亜鉛の含有量は4.0〜10.0モル%であることが好ましく、5.0〜8.0モル%であることがより好ましい。
本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトでは、酸化リチウムの含有は100℃における飽和磁束密度の向上に有効である。後述するボトム温度の向上にも有効である。
酸化リチウムの含有量は、LiO0.5換算で1.2〜4.0モル%である。上記の通り、酸化リチウムの含有量をcモル%と表記することもある。酸化リチウムの含有量が少なすぎると100℃における飽和磁束密度の向上効果が十分に発揮されない。酸化リチウムの含有量が多すぎると高温時のコア損失が大きくなる。また、酸化リチウムの含有量が上記の範囲内であるMnZnLiNi系フェライトは発熱特性が良いという利点がある。なお、酸化リチウムの含有量は1.5〜3.5モル%であることが好ましく、1.8〜3.0モル%であることがより好ましい。なお、酸化リチウムは一般的にはLi2Oと表記されることが多いが、本願では、Li換算にて組成を計算することを明確にするためにLiO0.5と表記している。
本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトでは、酸化ニッケルの含有はキュリー温度の向上に有効である。そして、キュリー温度の向上に伴い、100℃における飽和磁束密度も向上する傾向にある。後述するボトム温度の向上にも有効である。
酸化ニッケルの含有量は、NiO換算で0.2〜6.0モル%である。上記の通り、酸化ニッケルの含有量をdモル%と表記することもある。酸化ニッケルの含有量が少なすぎると100℃における飽和磁束密度が低下する。酸化ニッケルの含有量が多すぎると高温時のコア損失が大きくなる。また、酸化ニッケルの含有量が上記の範囲内であるMnZnLiNi系フェライトは発熱特性が良いという利点がある。なお、酸化ニッケルの含有量は0.3〜4.0モル%であることが好ましく、0.4〜2.0モル%であることがより好ましい。
本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトにおいて、酸化マンガンは主成分の残部である。上記の通り、酸化マンガンの含有量をeモル%と表記することもある。
本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトの副成分は、上記主成分以外の成分である。なお、以下に示す副成分の含有量の母数は主成分全体の含有量である。
本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトは、副成分としてMoを含有する。Moの態様に限定はないが、酸化モリブデンであることが好ましい。酸化モリブデンは酸化亜鉛との複合効果により、高温時のコア損失を小さくする効果が大きい。さらに、酸化モリブデンおよび酸化亜鉛の含有量を適量とした場合には、複合効果により発熱特性が向上する。また、本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトは、Moの含有により、酸化亜鉛の含有量(主成分全体に対する酸化亜鉛の存在比)を低減しやすくなる。
Moの含有量はMoO3換算で10〜500重量ppmである。Moの含有量が少なすぎても多すぎても高温時のコア損失が大きくなるとともに発熱特性が低下する。なお、Moの含有量はMoO3換算で100〜400重量ppmであることが好ましく、150〜300重量ppmであることがより好ましい。
また、Moの含有量がMoO3換算で10〜50重量ppmである場合には、比較的小さいMoの含有量で高温時のコア損失が小さくなり、発熱特性が向上する。Moの含有量を比較的小さくしながら高温時のコア損失を小さくする観点からは、Moの含有量がMoO3換算で好ましくは10〜50重量ppm、特に好ましくは15〜45重量ppmである。
本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトは、本発明の作用効果を逸脱しない範囲で、上記のMo以外の副成分も含むことができる。Mo以外の副成分の含有量に特に制限はない。例えば合計2000重量ppm以下としてもよい。
Mo以外の副成分の種類に特に制限はない。例えば、Si、Ca、Zr、Nb、V、Ta、Snを副成分として含むことができるが、その他の元素を副成分として含むこともできる。
上記の副成分は、上記の副成分を含む化合物として含むことができる。また、上記の副成分を含む化合物の種類としては、特に限定はない。例えば酸化物や炭酸塩などが挙げられる。
上記の副成分の中で、含有することが特に好ましい副成分は、Si、Ca、Nb、Vである。
Siは、結晶粒界に偏析して高抵抗層を形成する。高抵抗層はコア損失を低下する効果を有する。また、Siは、結晶粒界に偏析することで焼結助剤としても機能し、焼結密度を向上する効果を有する。Siの含有量はSiO2換算で好ましくは50〜300重量ppmである。Siを含む化合物の種類に特に制限はない。例えば酸化ケイ素(SiO2)とすることができる。
Caは、結晶粒界に偏析して高抵抗層を形成する。高抵抗層はコア損失を低下する効果を有する。Caは、結晶粒界に偏析することで焼結助剤としても機能し、焼結密度を向上する効果を有する。Caの含有量はCaCO3換算で好ましくは500〜2000重量ppmである。Caを含む化合物の種類に特に制限はない。例えば炭酸カルシウム(CaCO3)や酸化カルシウム(CaO)とすることができる。
Nbは結晶粒界に偏析して高抵抗層を形成する。高抵抗層はコア損失を低下する効果を有する。Nbの含有量はNb2O5換算で好ましくは50〜500重量ppmである。Nbを含む化合物の種類に特に制限はない。例えば酸化ニオブ(Nb2O5)とすることができる。
Vは結晶粒界に偏析することで焼結助剤としても機能し、焼結密度を向上する効果を有する。Vの含有量はV2O5換算で好ましくは50〜500重量ppmである。Vを含む化合物の種類に特に制限はない。例えば酸化バナジウム(V2O5)とすることができる。
以下、本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトの好適な製造方法について説明する。
主成分の原料粉末としては、例えば、酸化物の粉末または加熱により酸化物となる化合物の粉末を用いることができる。具体的には、Fe2O3粉末、MnO粉末、Mn3O4粉末、ZnO粉末、NiO粉末、Li2CO3粉末等を用いることができるが、特に制限はない。
副成分の原料粉末としては、例えば、酸化物の粉末または加熱により酸化物となる化合物の粉末を用いることができる。具体的には、SiO2、CaCO3、Nb2O5、ZrO2、Ta2O5、SnO2、TiO2、MoO3、V2O5等を用いることができるが、特に制限はない。
主成分の原料粉末および/または副成分の原料粉末として、2種以上の金属および/または半金属を含む複合酸化物の粉末を用いてもよい。また、各原料粉末の平均粒径には特に制限はないが、例えば0.1〜3.0μmの範囲内で適宜選択することができる。
主成分の原料粉末および副成分の原料粉末を混合して混合粉末を得た後に仮焼きを行い、仮焼粉を得る。仮焼きの条件に特に制限はない。例えば、安定温度を800〜1000℃、安定時間を0.5〜5.0時間とすることができる。仮焼きの雰囲気にも特に制限はない。例えばN2雰囲気または大気中とすることができる。
なお、本実施形態では主成分の原料粉末および副成分の原料粉末を混合した後に仮焼きを行っているが、主成分の原料粉末のみを仮焼きした後に副成分の原料粉末と混合することも可能であり、仮焼きを行わないことも可能である。
仮焼粉(仮焼きを行わない場合には混合粉末)は、後の成形工程を円滑に実行するために顆粒に造粒してもよい。造粒方法には特に制限はない。例えばスプレードライヤを用いる方法がある。仮焼粉(仮焼きを行わない場合には混合粉末)に適当な結合剤、例えばポリビニルアルコール(PVA)を、好ましくは0.4〜1.2wt%添加し、これをスプレードライヤで噴霧、乾燥することで顆粒に造粒できる。得られる顆粒の粒径には特に制限はないが、例えば80〜200μm程度とすることができる。
得られた顆粒は、例えば所定形状の金型を有するプレスを用いて所望の形状に成形される。そして、得られた成形体を焼成することで、本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトを得ることができる。
焼成条件に特に制限はない。例えば、安定温度を1250〜1450℃とすることができ、好ましくは1300〜1400℃とすることができる。焼成時の安定時間は1〜10時間とすることができ、好ましくは2〜5時間とすることができる。焼成雰囲気は、例えば酸素濃度0.5〜5%のN2雰囲気とすることができる。
また、焼成後の降温過程における酸素濃度の変化を制御することが好ましい。具体的には、焼成後、1000℃までは降温しつつ酸素濃度を低減させ、1000℃以下では、酸素濃度0.1%以下のN2雰囲気とすることが好ましい。
本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトは、特に酸化亜鉛と酸化モリブデンとの複合効果により、高温度領域でも高い飽和磁束密度を維持したまま、高温度領域におけるコア損失が小さくなる。例えば、コア損失が最小値を示す温度であるボトム温度が90℃以上であり、ボトム温度でのコア損失が1100kW/m3以下であり、かつ、100℃での飽和磁束密度が480mT以上であるMnZnLiNi系フェライトを得ることができる。
本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトは、高温度領域においてもコア損失が小さく、かつ、飽和磁束密度が高いことから、磁心として用いることが好適である。特に、スイッチング電源等のトランス用の磁心とすることが好適である。
ただし、本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトの用途は上記の磁心に限られない。また、本実施形態に係るMnZnLiNi系フェライトから構成される磁心の用途も上記のスイッチング電源等のトランスに限られない。例えば、チョークコイル(チョーク用トランス)、リアクトル、アンテナ等にも好適に用いられる。
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
表1〜表5に示す組成を有する実施例1〜46および比較例1〜42のフェライトコアを作製した。
主成分の原料として、Fe2O3粉末、MnO粉末、ZnO粉末、NiO粉末およびLiO0.5粉末を用いた。副成分の原料として、MoO3粉末、SiO2粉末、CaCO3粉末、Nb2O5粉末、V2O5粉末を用いた。主成分の原料および副成分の原料を混合した後、900℃で2時間、大気中で仮焼きし、仮焼物を得た。
次いで、仮焼物を鋼鉄製ボールミルで14時間粉砕した。なお、仮焼物の平均粒径が1〜2μmとなるように粉砕した。そして、粉砕した仮焼物にPVAを0.8wt%添加し、これをスプレードライヤで噴霧、乾燥することで顆粒に造粒した。なお、顆粒の平均粒径が80〜200μmとなるように造粒した。そして、造粒した顆粒に対して、トロイダル形状の金型を有するプレスを用いて成形してトロイダル形状の成形体を得た。
得られた成形体を安定温度1350℃、安定時間5時間、酸素濃度2%の窒素雰囲気で焼成することにより、トロイダル形状のフェライトコア(外径=31mm、内径=19mm、厚さ=7mm)を得た。なお、降温過程では、1350℃〜1000℃では酸素濃度を単調減少させ、1000℃以下では酸素濃度0.1%以下の窒素雰囲気となるように酸素濃度を制御した。
得られたフェライトコアの組成が表1〜表5の各実施例および比較例の組成となっていることを、蛍光X線分析装置を用いて確認した。なお、各実施例および比較例において、表1〜表5に記載のない副成分については、SiがSiO2換算で50〜300重量ppm、CaがCaCO3換算で500〜2000重量ppm、NbがNb2O5換算で50〜500重量ppm、VがV2O5換算で50〜500重量ppmの範囲内で含有していることを確認した。
得られたフェライトコアについて、25〜140℃の範囲内で5℃刻みに温度を変化させながらコア損失を測定した。コア損失の測定は、周波数100kHz、磁束密度200mTで行った。コア損失が最小値を示す温度をボトム温度Tbとした。また、ボトム温度におけるコア損失をPcv(Tb)とした。Tbは90℃以上である場合を良好とした。Pcv(Tb)は1100kW/m3以下である場合を良好とした。また、Pcv(Tb)は1000kW/m3以下であることがより好ましく、800kW/m3以下であることが更に好ましい。
さらに、得られたフェライトコアについて、100℃での飽和磁束密度(Bs)を測定した。飽和磁束密度の測定は、測定磁界1194A/mで行った。Bsは480mT以上である場合を良好とした。また、Bsは485mT以上であることがより好ましく、490mT以上であることが更に好ましい。
さらに、上記のトロイダルコアの製造方法と同様の製造方法にて、発熱特性評価用のE型コアを1実施例あたり2個作成した。E型コアの形状は図1に示す形状であり、E型コアの寸法はA=50mm、B=20mm、C=15mm、D=12mm、E=34mm、F=14mmである。
得られたE型コアを2個組み合わせて巻線を施し、100kHz、200mTで連続的に1時間駆動させた。そして、1時間後にコア温度を測定した。当該コア温度が130℃以下の場合に発熱特性が良好であるとした。
表1〜表5より、全ての組成が本発明の範囲内である実施例1〜46はTbが90℃以上、Pcv(Tb)が1100kW/m3以下、および、Bsが480mT以上であり、発熱特性も良好であった。また、実施例2〜6、12〜15、22〜25、32〜34、42〜45はTbが90℃以上、Pcv(Tb)が1000kW/m3以下、および、Bsが485mT以上であり、発熱特性も良好であった。さらに、全ての組成が最も好ましい範囲内である実施例3〜5、13、14、23、24、33、43、44はTbが90℃以上、Pcv(Tb)が800kW/m3以下、および、Bsが490mT以上であり、発熱特性も良好であった。
また、実施例41a,41b,41はMoO3の含有量を50重量ppm以下に低減しながらTbが90℃以上、Pcv(Tb)が1100kW/m3以下、および、Bsが480mT以上であり、発熱特性も良好であった。
これに対し、組成が本発明の範囲外である比較例1〜42は、Tbが90℃未満、Pcv(Tb)が1100kW/m3超、および/または、Bsが480mT未満であった。さらに、発熱特性が良好ではない比較例が複数あった。
Claims (3)
- 主成分として酸化鉄、酸化亜鉛、酸化リチウム、酸化ニッケルおよび酸化マンガンを含有するMnZnLiNi系フェライトであって、
前記酸化鉄の含有量をFe2O3換算でaモル%、前記酸化亜鉛の含有量をZnO換算でbモル%、前記酸化リチウムの含有量をLiO0.5換算でcモル%、前記酸化ニッケルの含有量をNiO換算でdモル%、前記酸化マンガンの含有量をMnO換算でeモル%とする場合に、
57.0≦a≦62.0
3.0≦b≦11.0
1.2≦c≦4.0
0.2≦d≦6.0
a+b+c+d+e=100
を満たし、
さらに、副成分としてMoをMoO3換算で10〜500重量ppm含有していることを特徴とするMnZnLiNi系フェライト。 - 請求項1に記載のMnZnLiNi系フェライトから構成される磁心。
- 請求項2に記載の磁心を用いたトランス。
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