JP2017075085A - ＭｎＺｎＬｉ系フェライト、磁心およびトランス - Google Patents
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Abstract
【課題】初透磁率、抗折強度、欠けに対する強度、および、高温度帯域での飽和磁束密度が高いＭｎＺｎＬｉ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％、酸化マンガンの含有量をＭｎＯ換算でｄモル％とする場合に、５７．５≦ａ≦６２．０、４．０≦ｂ≦１１．０、１．８≦ｃ≦４．２、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝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ＭｎＺｎＬｉ系フェライト。【選択図】なし
Description
本発明は、ＭｎＺｎＬｉ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。さらに、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、高温下において使用できるものが要求されている。さらに、フェライト磁心の小型化、薄型化への対応から抗折強度の向上が要求されている。
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フェライトが記載されている。当該フェライトは１００℃における飽和磁束密度が４３０ｍＴ以上である。さらに、当該フェライトは抗折強度が高く、３点曲げ試験における曲げ強度が１４．０ｋｇｆ／ｍｍ２以上である。
しかし、近年では、初透磁率が高い上に、１００℃付近の高温度帯域下で、より飽和磁束密度が高いフェライトが求められている。さらに、抗折強度だけではなく、欠けに対する強度も高いフェライトが求められている。
本発明の目的は、初透磁率、抗折強度、欠けに対する強度、および、高温度帯域での飽和磁束密度が高いＭｎＺｎＬｉ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ＭｎＺｎＬｉ系フェライトは、
主成分として酸化鉄、酸化亜鉛、酸化リチウムおよび酸化マンガンを含有するＭｎＺｎＬｉ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％、前記酸化マンガンの含有量をＭｎＯ換算でｄモル％とする場合に、
５７．５≦ａ≦６２．０
４．０≦ｂ≦１１．０
１．８≦ｃ≦４．２
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝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、酸化リチウムおよび酸化マンガンを含有するＭｎＺｎＬｉ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％、前記酸化マンガンの含有量をＭｎＯ換算でｄモル％とする場合に、
５７．５≦ａ≦６２．０
４．０≦ｂ≦１１．０
１．８≦ｃ≦４．２
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝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ＭｎＺｎＬｉ系フェライトは、初透磁率、抗折強度、欠けに対する強度、および、高温度帯域での飽和磁束密度が高い。
本発明に係る磁心は、上記のＭｎＺｎＬｉ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ＭｎＺｎＬｉ系フェライトである。ＭｎＺｎＬｉ系フェライトとは、酸化鉄の他に、酸化マンガン、酸化亜鉛および酸化リチウム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ＭｎＺｎＬｉ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％、酸化マンガンの含有量をＭｎＯ換算でｄモル％とする場合に、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。
本実施形態に係るＭｎＺｎＬｉ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、初透磁率が大きくなる傾向にある。
酸化鉄の含有量は、Ｆｅ２Ｏ３換算で５７．５〜６２．０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初透磁率をいずれも良好とすることができる。なお、酸化鉄の含有量は５８．０〜６１．０モル％であることが好ましく、５８．５〜６０．５モル％であることがより好ましい。
本実施形態に係るＭｎＺｎＬｉ系フェライトでは、酸化亜鉛の含有量が増加すると、１００℃における飽和磁束密度および抗折強度が向上する傾向にある。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する傾向にある。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および抗折強度が低下する傾向にある。
酸化亜鉛の含有量は、ＺｎＯ換算で４．０〜１１．０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抗折強度をいずれも良好とすることができる。なお、酸化亜鉛の含有量は５．０〜９．０モル％であることが好ましく、５．５〜８．０モル％であることがより好ましい。
本実施形態に係るＭｎＺｎＬｉ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。
酸化リチウムの含有量は、ＬｉＯ０．５換算で１．８〜４．２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初透磁率が小さくなる。なお、酸化リチウムの含有量は２．４〜３．９モル％であることが好ましく、２．７〜３．６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ＭｎＺｎＬｉ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ｄモル％と表記することもある。
本実施形態に係るＭｎＺｎＬｉ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である。
本実施形態に係るＭｎＺｎＬｉ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リチウムとの複合効果により、１００℃での飽和磁束密度、初透磁率および欠けに対する強度を向上させる。
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ると１００℃での飽和磁束密度および欠けに対する強度が低下する。Ｍｏの含有量が多すぎると異常粒成長が生じ、初透磁率および抗折強度が低下する。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１００℃での飽和磁束密度および欠けに対する強度が向上する。Ｍｏの含有量を比較的小さくしながら欠けに対する強度を向上させる観点からは、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ＭｎＺｎＬｉ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、Ｎｉ、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ＭｎＺｎＬｉ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、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、ＮｉＯ、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のち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ＭｎＺｎＬｉ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ＭｎＺｎＬｉ系フェライトは、特に酸化リチウム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、初透磁率、欠けに対する強度および抗折強度を向上させることができる。例えば、１００℃での飽和磁束密度を４７０ｍＴ以上、初透磁率が８００以上であり、さらに欠けに対する強度および抗折強度も高いＭｎＺｎＬｉ系フェライトを得ることができる。
本実施形態に係るＭｎＺｎＬｉ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ＭｎＺｎＬｉ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ＭｎＺｎＬｉ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４に示す組成を有する実施例１〜実施例３６および比較例１〜比較例３２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４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４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、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４７０ｍＴ以上である場合を良好とした。また、Ｂｓは４７５ｍＴ以上であることがより好ましく、４８０ｍＴ以上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、初透磁率（μｉ）を測定した。初透磁率の測定は、測定温度２５℃、測定周波数１００ｋＨｚで行った。μｉは８００以上を良好とした。また、μｉは８５０以上であることがより好ましく、９００以上であることが更に好ましい。
さらに、欠けに対する強度を評価した。本実施例では、欠けに対する強度はラトラ試験によるラトラ値の大小で評価した。
ラトラ試験は、以下の方法で実施した。まず、ラトラ試験用に上記のフェライトコア（トロイダルコア）を３個作成した。次に、３個のフェライトコアについて、試験前の合計重量（Ｗ１）を測定した。次に、３個のフェライトコアを、内部に邪魔板を有する直径約１０ｃｍのポット（ラトラ試験機）に入れた。そして、回転数１００ｒｐｍ、回転時間１０分で３個のフェライトコアをポット内で転がした。その後、３個のフェライトコアの試験終了後の重量（Ｗ２）を測定した。３個のフェライトコアの試験前後での重量の減少率を求め、これをラトラ値とした。すなわち、ラトラ値（％）は下記式（１）により算出される。本実施例では、欠けに対する強度はラトラ値０．５０％以下を良好とした。また、ラトラ値は０．４６％以下であることがより好ましく、０．４２％以下であることが更に好ましい。
ラトラ値（％）＝１００×（Ｗ１−Ｗ２）／Ｗ１ ・・・式（１）
ラトラ値（％）＝１００×（Ｗ１−Ｗ２）／Ｗ１ ・・・式（１）
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、抗折強度測定用のフェライトコアを、抗折強度の測定に必要な数だけ作成した。そして、ファインセラミックスの常温における３点曲げ試験ＪＩＳ１６０１に準ずる方法で抗折強度を測定した。抗折強度は１４．０ｋｇｆ／ｍｍ２以上を良好とした。また、抗折強度は１４．５ｋｇｆ／ｍｍ２以上であることが好ましく、１５．０ｋｇｆ／ｍｍ２以上であることが更に好ましい。
表１〜表４より、全ての組成が本発明の範囲内である実施例１〜３６はＢｓが４７０ｍＴ以上、μｉが８００以上、ラトラ値が０．５０％以下かつ抗折強度が１４．０ｋｇｆ／ｍｍ２以上であった。また、全ての組成が好ましい範囲内である実施例２〜６、１２〜１５、２２、３２〜３５はＢｓが４７５ｍＴ以上、μｉが８５０以上、ラトラ値が０．４６％以下かつ抗折強度が１４．５ｋｇｆ／ｍｍ２以上であった。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、３３、３４はＢｓが４８０ｍＴ以上、μｉが９００以上、ラトラ値が０．４２％以下かつ抗折強度が１５．０ｋｇｆ／ｍｍ２以上であった。
また、実施例３１ａ，３１ｂ，３１はＭｏＯ３の含有量を５０重量ｐｐｍ以下に低減しながらＢｓが４７０ｍＴ以上、μｉが９００以上、ラトラ値が０．５０％以下かつ抗折強度が１５．０ｋｇｆ／ｍｍ２以上であった。
これに対し、組成が本発明の範囲外である比較例１〜３２は、Ｂｓが４７０ｍＴ未満、μｉが８００未満、ラトラ値が０．５０％超、および／または、抗折強度が１４．０ｋｇｆ／ｍｍ２未満であった。
Claims (3)
- 主成分として酸化鉄、酸化亜鉛、酸化リチウムおよび酸化マンガンを含有するＭｎＺｎＬｉ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％、前記酸化マンガンの含有量をＭｎＯ換算でｄモル％とする場合に、
５７．５≦ａ≦６２．０
４．０≦ｂ≦１１．０
１．８≦ｃ≦４．２
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝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ＭｎＺｎＬｉ系フェライト。 - 請求項１に記載のＭｎＺｎＬｉ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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