JP3389170B2 - NiMnZn系フェライト - Google Patents

NiMnZn系フェライト

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、広温度域において
使用されるトランス及びチョークコイル用のコアに用い
ることができるNiMnZn系フェライト及びそれを使
用したトランス及びチョークコイルに関する。
【0002】
【従来の技術】Mn−Zn系フェライトは、その他のフ
ェライト材料及び軟磁性金属材料に比べ、数十kHzか
ら数百kHzの周波数帯域で使用されるスイッチング電
源トランス用コアとして使用した場合の電力損失が小さ
く、また、飽和磁束密度が比較的大きいため、トランス
及びチョークコイル用のコアとして主要な材料となって
いる。
【0003】しかし、近年、電子機器の小型化、高出力
化に伴い、また、自動車用の部品のように使用環境温度
の高い条件下(少なくとも100℃、好ましくは150
℃まで)での使用要求も高まり、従来のフェライト材料
では飽和磁束密度Bs、特に高温域での飽和磁束密度B
sが不十分であった。
【0004】そこで、特公昭63−59241号公報、
特公昭63−59242号公報等においては、Mn−Z
n系フェライトに一部Ni、Mg、Liフェライトのう
ち少なくとも一種を置換し、150℃以上の使用環境で
低電力損失で、かつ磁気的安定性の高いフェライト材料
について開示されているが、高温での飽和磁束密度Bs
特性が不十分であった。
【0005】また、特開平2−83218号公報におい
ては、NiMnZn系フェライトによって、高温下、高
磁界中において磁気特性の安定化が高く、飽和磁束密度
Bsが高く、かつ低電力損失であるフェライト材料が開
示されているが、高温での飽和磁束密度Bs特性が不十
分であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のものには次
のような課題があった。
【0007】(1):トランス及びチョークコイル用の
フェライト材料として使用する場合、通常、可能性のあ
る最も高い温度条件の特性で設計を行うが、上記いずれ
の従来例においても高温度域における飽和磁束密度Bs
が十分でなかった。
【0008】(2):トランス及びチョークコイル用の
フェライト材料として使用する場合、飽和磁束密度Bs
と保磁力Hcの関係において、飽和磁束密度Bsが高
く、保磁力Hcの小さい材料では、B−Hループの初磁
化曲線の立ち上がり方が、飽和状態に近い磁束密度まで
急峻に立ち上がり、結果的に直流重畳特性が良好な(飽
和磁束密度近辺まで直流を重畳してもインダクタンスL
の低下が見られない)ものが得られるが、保磁力Hcの
大きいものは初磁化曲線の前半は急峻に立ち上がるもの
の、中盤にかけて傾きが緩やかになり、飽和状態に近い
磁束密度近辺においては非常に傾きの小さい曲線とな
る。そのため、直流重畳特性を評価すると、磁束密度が
飽和する前にインダクタンスの低下が生じてしまい、B
s特性が高いにもかかわらずその特性を活かすことがで
きず、結果として良好な直流重畳特性が得られないもの
である。
【0009】上記いずれの従来例においても飽和磁束密
度Bsと保磁力Hcの関係において、飽和磁束密度Bs
が高く保磁力Hcが小さくなるような特性が得られず、
良好な直流重畳特性が得られないものであった。
【0010】従って本発明は、直流重畳特性の優れ、電
力損失が室温から150℃程度において低電力損失であ
るNiMnZn系フェライトを得ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため次のように構成した。
【0012】(1):NiMnZn系フェライトにおい
て、その主成分がFe2 3 =53〜59mol%、M
nO=22〜41mol%、ZnO=4〜12mol
%、NiO=2〜7mol%の通りである主成分範囲に
あり、かつ上記NiMnZn系フェライトの副成分がS
iO2 :0.005〜0.03wt%、CaO:0.0
08〜0.17wt%、P:0.0004〜0.01w
t%の副成分範囲内にああり、さらに、添加物をNb 2
5 :0.005〜0.03wt%、Ta 2 5 :0.
01〜0.08wt%、V 2 5 :0.01〜0.1w
t%、ZrO 2 :0.005〜0.03wt%、Bi 2
3 :0.005〜0.04wt%、MoO 3 :0.0
05〜0.04wt%の所定の範囲内で1種または2種
以上を添加するものとする。
【0013】
【0014】
【0015】():前記()のNiMnZn系フェ
ライトにおいて、焼結体の平均結晶粒径が6μm〜25
μmであるものとする。
【0016】():前記()のNiMnZn系フェ
ライトにおいて、焼結体の飽和磁束密度Bs(100
℃)が440mT以上であるものとする。
【0017】():前記()のNiMnZn系フェ
ライトにおいて、B−Hループにおける飽和磁束密度B
s(150℃)と保磁力Hc(150℃)における関係
がR=(Bs−300)2 /Hc(ただしR≧400)
の条件を満たすものとする。
【0018】():前記(1)〜()のNiMnZ
n系フェライトを使用するトランス又はチョークコイル
とする。
【0019】このような構成により次のような作用を奏
する。
【0020】NiMnZn系フェライトにおいて、その
主成分がFe2 3 =53〜59mol%、MnO=2
2〜41mol%、ZnO=4〜12mol%、NiO
=2〜7mol%の通りである主成分範囲にあり、かつ
上記NiMnZn系フェライトの副成分がSiO2
0.005〜0.03wt%、CaO:0.008〜
0.17wt%、P:0.0004〜0.01wt%の
副成分範囲内にあるものとする。このため、飽和磁束密
度Bsが440mT以上で直流重畳特性が優れ、広温度
帯域で使用することができる。
【0021】また、NiMnZn系フェライトにおい
て、その主成分がFe2 3 =53〜59mol%、M
nO=22〜39mol%、ZnO=4〜12mol
%、NiO=4〜7mol%の通りである主成分範囲に
あり、かつ上記NiMnZn系フェライトの副成分がS
iO2 :0.005〜0.03wt%、CaO:0.0
08〜0.17wt%、P:0.0004〜0.01w
t%の副成分範囲内にあるものとする。このため、飽和
磁束密度Bsの特性がより向上し、直流重畳特性が優
れ、広温度帯域で使用することができる。
【0022】さらに、前記NiMnZn系フェライトに
おいて、さらに添加物をNb2 5:0.005〜0.
03wt%、Ta2 5 :0.01〜0.08wt%、
25 :0.01〜0.1wt%、ZrO2 :0.0
05〜0.03wt%、Bi 2 3 :0.005〜0.
04wt%、MoO3 :0.005〜0.04wt%の
所定の範囲内で1種または2種以上を添加するものとす
る。このため、飽和磁束密度Bsが450mT以上であ
り直流重畳特性がさらに優れ、低電力損失のものを得る
ことができる。
【0023】また、前記NiMnZn系フェライトにお
いて、焼結体の平均結晶粒径が6μm〜25μmである
ものとする。このため、保磁力Hcの小さく、飽和磁束
密度Bsが440mT以上であり、低電力損失のものを
得ることができる。
【0024】さらに、焼結体の飽和磁束密度Bs(10
0℃)が440mT以上であるものとする。このため、
直流重畳特性が優れたものを得ることができる。
【0025】また、B−Hループにおける飽和磁束密度
Bs(150℃)と保磁力Hc(150℃)における関
係がR=(Bs−300)2 /Hc(ただしR≧40
0)の条件を満たすものとする。このため、Rの値(R
≧400)を指標として直流重畳特性が優れたものを得
ることができる。
【0026】さらに、前記NiMnZn系フェライトを
使用するトランス又はチョークコイルとする。このた
め、直流重畳特性が優れ、広温度帯域において使用でき
るトランス又はチョークコイルを作製することができ
る。
【0027】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を表1、表2
及び図1〜図3に基づき説明する。
【0028】(1):本発明の要点 本発明は、NiMnZn系フェライトの主成分をキュリ
ー温度が高く、B−Hループの保磁力(Hc)の小さく
なる主成分範囲に制御し、かつ焼結過程において結晶粒
の構造に影響を及ぼすP、及び副成分であるSiO2
CaOを所定の含有量に制御することによって、なおか
つ焼結体の平均結晶粒径を所定の範囲に制御することに
よって、焼結体の密度が高く、保磁力(Hc)の小さい
特性で飽和磁束密度Bs(100℃)が440mT以上
である直流重畳特性の優れたNiMnZn系フェライト
を得るものである。また、電力損失における温度特性の
極小値を示す温度が100℃程度から150℃程度にあ
る主成分範囲に制御することによって、かつ焼結体の平
均結晶粒径を所定の範囲に制御することによって電力損
失が室温から150℃程度において低電力損失であるN
iMnZn系フェライトを得るものである。
【0029】また、本発明は、上記の発明に対して、さ
らに所定の添加物を所定の含有量に制御することによっ
て、より焼結体の密度が高く、保磁力(Hc)の小さい
特性で飽和磁束密度Bs(100℃)が450mT以上
であり直流重畳特性がさらに優れ、より低電力損失であ
るNiMnZn系フェライトを得るものである。
【0030】(2):実施例による説明 表1はマンガン系フェライト材料(主成分、副成分、添
加物)とその焼結体の平均結晶粒径と電磁気特性及びR
値である。なお、表1において、比較は比較例、実施は
実施例をそれぞれ示している。
【0031】表1の主成分、副成分、添加物となるよう
に各成分を秤量、混合、仮焼、粉砕、バインダーを加え
顆粒とし、トロイダル状のサンプルを成型した。そのサ
ンプルを、300℃/hrで昇温し、1210〜140
0℃で焼成した。安定温度以降は200℃/hrで室温
まで冷却したが、安定から室温までの雰囲気はフェライ
トの平衡酸素分圧に従い設定した。
【0032】それらのサンプルの飽和磁束密度Bs(1
00℃、150℃)、保磁力Hc(150℃)、40k
Hz−200mTにおける電力損失(室温RT、100
℃、150℃)をそれぞれ測定した。また、それらのサ
ンプルにおける平均結晶粒径を測定した。
【0033】そして、本サンプルにおける直流重畳特性
の指標となる特性値(R)をB−Hループより算出する
計算式を以下に考案して算出した。それらの結果を表1
に示す。
【0034】 R=(Bs−300)2 /Hc・・・・・・ なお、式におけるBs:(mT)at150℃、H
c:(A/m)at150℃とする。
【0035】
【表1】
【0036】・直流重畳特性の説明 式は、直流重畳特性の指標となる値である、Rの大き
いほど直流重畳特性は良好となることがわかった。現在
一般的に使用されるMnZn系フェライトにおける15
0℃のBs特性は、高いもので約300mTであり、
式における(Bs−300)2 の項は、本発明における
NiMnZn系フェライトのBs特性との差を二乗した
項である。また残りの/Hcについては直流重畳特性に
おける電流値に対するインダクタンス特性の直線的な伸
びを表すための項である。
【0037】本発明において、さまざまな形を持つB−
Hループ特性のサンプルと直流重畳特性の関係を調査し
た結果、飽和磁束密度Bsが高いサンプルで、保磁力H
cの小さいものはB−Hループの初磁化曲線の立ち上が
り方が、飽和状態に近い磁束密度まで急峻に立ち上が
り、結果的に直流重畳特性が良好なものが得られるが、
保磁力Hcの大きいものは初磁化曲線の前半は急峻に立
ち上がるものの、中盤にかけて傾きが緩やかになり、飽
和状態に近い磁束密度近辺では非常に傾きの小さい曲線
となる。
【0038】そのため、直流重畳特性を評価すると、磁
束密度が飽和する前にインダクタンスの低下が生じてし
まい、Bs特性が高いにもかかわらずその特性を活かす
ことができず、結果として良好な直流重畳特性が得られ
ない。
【0039】・実施例1と比較例4の説明 以下の表2は実施例1と比較例4の材料について100
℃の飽和磁束密度Bsと保磁力Hcの特性を示す。
【0040】
【表2】
【0041】図1は直流重畳特性の説明図である。図1
において、表2の材料を用いて作製したトランスの直流
重畳特性を示している。これにより、実施例1と比較例
4の材料とも飽和磁束密度Bs特性は同等であるが、保
磁力Hcの大きい比較例4の材料は、インダクタンスL
が低下し始める直流電流値I.d.c.が小さく、直流
電流が重畳される前のインダクタンスLの値が10%低
下する直流電流値は約1.4(A)である。一方、保磁
力Hcの小さい実施例1の材料は、インダクタンスLの
値が10%低下する直流電流値は約1.75(A)と比
較例4の材料より直流重畳特性が伸びていることがわか
る。
【0042】これらのデータにより直流重畳特性は、飽
和磁束密度Bs特性のみに依存せず、飽和磁束密度Bs
と保磁力Hcの関係が重要であり、特に広温度帯域で使
用される材料は、式のRの値が大きいことが必要であ
ることがわかった。
【0043】・Rの値と直流重畳特性の関係の説明 図2はRの値と直流重畳特性の関係の説明図である。図
2において、表1における比較例1と実施例1、3、8
の材料を用いて作製したトランスの100℃における直
流重畳特性を示したものである。これによりRの値が3
1、425、780、1130と大きくなるに従い直流
重畳特性が向上することがわかる。従来のフェライトで
は、Rの値が400以上の値を達成することは困難であ
り、Rの値が400以上のものを本発明とする。
【0044】・平均結晶粒径の説明 平均結晶粒径は、サンプルのフェライト焼結体を鏡面研
磨後、フッ酸によりエッチングし、研磨面を500倍程
度で光学顕微鏡により撮影した写真に基づき調べる。ま
ず、上記のようにして得られた写真上に粒子が100個
程度入る例えば200μm×200μmの正方形の区画
をとり、この区画中に存在する結晶粒子の数を算定す
る。ただし、区画の境界に存在する結晶粒子は、1/2
個として数える。この数をnとし、下記式により平均結
晶粒径dを算出する。
【0045】
【数1】
【0046】実施例1〜19に示すように主成分が所定
の範囲内にあり、かつ副成分が所定の範囲内に存在し、
なおかつ焼結体の平均結晶粒径が6〜25μmのものは
Rが400以上で電力損失が室温から150℃において
電力損失Pcvが500kW/m3 以下であり、飽和磁
束密度Bs(100℃)が440mT以上に制御されて
いる。
【0047】しかし、比較例5のように焼結体の平均結
晶粒径が6μmの範囲より小さいものは保磁力Hcが大
きくなり飽和磁束密度Bs(100℃)が440mT以
下となる。また、比較例6のように焼結体の平均結晶粒
径が25μmの範囲より大きいものはRが400以下で
低電力損失である特性が得られない。平均結晶粒径が2
5μmの範囲より大きいものは、焼成条件によっては異
常粒成長を生じることなく粒成長をさせることは可能
で、Rを比較的良好な値に制御することが可能である
が、使用周波数帯における電力損失の増大や、焼成コス
トを考慮すると本発明の平均結晶粒径の範囲が好ましい
ものである。
【0048】・比較例11、12のように主成分におけ
るFe2 3 成分が59mol%以上、NiO成分が7
mol%以上と所定の範囲より多く含まれる領域におい
てはB−Hループがパーミンバー型となりその傾向が顕
著で、飽和磁束密度Bs(100℃)が高いにもかかわ
らず保磁力Hcが大きくなることによってRが400以
下となる。また、それに伴い電力損失も急増する。Fe
2 3 成分が53mol%未満では所定の飽和磁束密度
Bsが得られない。また、NiO成分は、0〜2mol
%では比較例1、2に示すように飽和磁束密度Bs(1
00℃)の向上に対する添加効果が少なく、所望の特性
が得られない。そのため、NiO成分は2mol%以上
が必要となる。実際には4mol%以上が好ましく、飽
和磁束密度Bs(100℃)の特性向上が顕著でRの値
も大きくなる。そして、4〜6mol%においてRの値
が最大となりそれ以上の領域においては低下する。
【0049】・比較例4のようにZnO成分が4mol
%の範囲より少ない領域では、飽和磁束密度Bs(10
0℃)が高いにもかかわらず保磁力Hcが大きくなりや
はりRの値は低下し、良好な直流重畳特性が得られず、
かつ低電力損失である特性が得られない。比較例3のよ
うにZnO成分が12mol%の範囲より多い領域で
は、キュリー温度が低下することによって飽和磁束密度
Bs(100℃)が十分に得られない。
【0050】・また、主成分が所定の範囲内にあるもの
でも、比較例7〜10のように、副成分の含有量が所定
の範囲を外れるNiMnZn系フェライトは、焼成過程
において粒成長の不足や異常粒成長が生じ十分な焼結体
の密度が得られず、飽和磁束密度Bs、Rの値が低下
し、電力損失も急増する。
【0051】SiO2 が0.005wt%及びCaOが
0.008wt%の範囲よりも少ないと電気抵抗が下が
り電力損失が大きくなる。また、SiO2 が0.03w
t%及びCaOが0.17wt%の範囲を超えると焼成
時の異常粒成長により所望の飽和磁束密度Bs及び低電
力損失が得られない。
【0052】特に、Pの副成分は、少量で焼結体の密度
に影響を及ぼし、Pは0.0004wt%〜0.01w
t%の範囲が本発明である。比較例9のようにPの含有
量が0.01wt%より多い領域では焼結過程で異常粒
成長を生じ十分な焼結体の密度が得られず、その結果所
定の飽和磁束密度Bs、Rの値が得られない。また、比
較例10のようにPの含有量が0.0004wt%より
少ない領域では焼結性が不十分でやはり所定の飽和磁束
密度Bs、Rの値が得られない。
【0053】・それに対して主成分、副成分が所定の範
囲内にあるNiMnZn系フェライトにおいて、実施例
8〜19のように添加物としてNb2 5 :0.005
〜0.03wt%、Ta2 5 :0.01〜0.08w
t%、V2 5 :0.01〜0.1 wt%、Zr
2 :0.005〜0.03wt%、Bi2 3 :0.
005〜0.04wt%、MoO3 :0.005〜0.
04wt%の所定の範囲で1種または2種以上を添加
し、かつ焼結体の平均結晶粒径が6〜25μmの範囲に
制御されたものは、これらの添加物を添加しないものと
比べ、相対密度のより高い焼結体が得られ、結果として
より保磁力Hcが小さくかつ飽和磁束密度Bsが高くR
値のより大きい特性が得られる。また、特に、Nb2
5 、Ta2 5の添加物は、電力損失の低減にも効果的
である。
【0054】これらの添加物の水準が所定の範囲より少
ない領域では、その添加効果が明確ではなく、また所定
の範囲より多い領域では、焼結過程において異常粒成長
を生じ、所望の飽和磁束密度Bs(100℃)、並びに
低電力損失は得られない。
【0055】(3):トランス及びチョークコイルの説
明図3はトランス及びチョークコイルの説明図である。
図3(a)はEE型の外観斜視図、図3(b)はEE型
の断面図、図3(c)はEI型の外観斜視図である。
【0056】図3(a)、図3(b)において、トラン
ス及びチョークコイルは、一対のE型フェライトコア1
を対接して磁心を構成し、中央磁脚2にコイル4が巻か
れたボビン3が嵌合されるものである。なお、中央磁脚
2間のギャップGは、インダクタンスを調整するための
もので、無くてもかまわないものである。
【0057】図3(c)において、E型フェライトコア
11とI型フェライトコア12を対接して磁心を構成
し、E型フェライトコア11の中央磁脚101にコイル
14が巻装されている。
【0058】このような構成のトランス及びチョークコ
イルのコアに本願のNiMnZn系フェライトを用いる
ことで、広温度域において使用することができるトラン
ス及びチョークコイルを製作することができる。
【0059】
【発明の効果】本発明により下記の効果を奏することが
できる。
【0060】(1):NiMnZn系フェライトにおい
て、その主成分がFe2 3 =53〜59mol%、M
nO=22〜41mol%、ZnO=4〜12mol
%、NiO=2〜7mol%の通りである主成分範囲に
あり、かつ上記NiMnZn系フェライトの副成分がS
iO2 :0.005〜0.03wt%、CaO:0.0
08〜0.17wt%、P:0.0004〜0.01w
t%の副成分範囲内にあるものとするため、飽和磁束密
度Bsが440mT以上で直流重畳特性が優れ、広温度
域で使用することができる。
【0061】(2):NiMnZn系フェライトにおい
て、その主成分がFe2 3 =53〜59mol%、M
nO=22〜39mol%、ZnO=4〜12mol
%、NiO=4〜7mol%の通りである主成分範囲に
あり、かつ上記NiMnZn系フェライトの副成分がS
iO2 :0.005〜0.03wt%、CaO:0.0
08〜0.17wt%、P:0.0004〜0.01w
t%の副成分範囲内にあるものとする、飽和磁束密度
Bsの特性がより向上し、直流重畳特性が優れ、広温度
帯域で使用することができる。
【0062】(3):NiMnZn系フェライトにおい
て、さらに添加物をNb2 5 :0.005〜0.03
wt%、Ta2 5 :0.01〜0.08wt%、V2
5:0.01〜0.1wt%、ZrO2 :0.005
〜0.03wt%、Bi2 3 :0.005〜0.04
wt%、MoO3 :0.005〜0.04wt%の所定
の範囲内で1種または2種以上を添加するため、飽和磁
束密度Bsが450mT以上であり直流重畳特性がさら
に優れ、低電力損失のものを得ることができる。
【0063】(4):NiMnZn系フェライトにおい
て、焼結体の平均結晶粒径が6μm〜25μmであるも
のとするため、保磁力Hcの小さく、飽和磁束密度Bs
が440mT以上であり、低電力損失のものを得ること
ができる。
【0064】(5):焼結体の飽和磁束密度Bs(10
0℃)が440mT以上であるものとするため、直流重
畳特性が優れたものを得ることができる。
【0065】(6):B−Hループにおける飽和磁束密
度Bs(150℃)と保磁力Hc(150℃)における
関係がR=(Bs−300)2 /Hc(ただしR≧40
0)の条件を満たすものとするため、Rの値(R≧40
0)を指標として直流重畳特性が優れたものを得ること
ができる。
【0066】(7):前記のNiMnZn系フェライト
を使用するトランス又はチョークコイルとするため、直
流重畳特性が優れ、広温度域において使用できるトラン
ス又はチョークコイルを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】直流重畳特性の説明図である。
【図2】Rの値と直流重畳特性の関係の説明図である。
【図3】トランス及びチョークコイルの説明図である。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】NiMnZn系フェライトにおいて、その
    主成分が以下の通りである主成分範囲にあり、 Fe2 3 =53〜59mol%、 MnO =22〜41mol%、 ZnO = 4〜12mol%、 NiO = 2〜 7mol%、 かつ上記NiMnZn系フェライトの副成分が以下の副
    成分範囲内にあり、 SiO2 :0.005 〜0.03wt% CaO :0.008 〜0.17wt% P :0.0004〜0.01wt%さらに、以下の添加物を以下の所定の範囲内で1種また
    は2種以上を添加することを特徴とするNiMnZn系
    フェライト。 Nb 2 5 :0.005〜0.03wt% Ta 2 5 :0.01 〜0.08wt% 2 5 :0.01 〜0.1 wt% ZrO 2 :0.005〜0.03wt% Bi 2 3 :0.005〜0.04wt% MoO 3 :0.005〜0.04wt%
  2. 【請求項2】請求項に記載されたNiMnZn系フェ
    ライトにおいて、 焼結体の平均結晶粒径が6μm〜25μmであることを
    特徴とするNiMnZn系フェライト。
  3. 【請求項3】請求項に記載されたNiMnZn系フェ
    ライトにおいて、 焼結体の飽和磁束密度Bs(100℃)が440mT以
    上であることを特徴とするNiMnZn系フェライト。
  4. 【請求項4】請求項に記載されたNiMnZn系フェ
    ライトにおいて、 B−Hループにおける飽和磁束密度Bs(150℃)と
    保磁力Hc(150℃)における関係が下記の条件を満
    たすことを特徴とするNiMnZn系フェライト。 R=(Bs−300)2 /Hc ただしR≧400
  5. 【請求項5】請求項1〜のいずれかに記載されたNi
    MnZn系フェライトを使用することを特徴とするトラ
    ンス又はチョークコイル。
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