JP3621118B2

JP3621118B2 - Manganese-zinc ferrite

Info

Publication number: JP3621118B2
Application number: JP21694092A
Authority: JP
Inventors: 貴史河野
Original assignee: JFE Chemical Corp
Current assignee: JFE Chemical Corp
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1992-08-14
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: JPH0669020A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、スイッチング電源用トランス等の磁心として好適な、電力損失の少ないマンガン−亜鉛（Ｍｎ−Ｚｎ）系フェライトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは、各種通信機電源等のコイル、トランス材料として広く使用されている。
ところで最近は、電源の一層の小型化のために駆動周波数が高周波化（５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）する傾向にあり、その目的に叶うＭｎ−Ｚｎ系フェライトの開発も進められているが、これまでは性能的に十分な材料開発はなされていなかった。例えば市販の電源用低損失フェライトは５００ｋＨｚ、５０ｍＴでせいぜい２５０ｍＷ／ｃｍ^３程度であり、高周波用電源材料としては電力損失が高過ぎる。
【０００３】
このため、例えば特開平１−２２４２６５号公報では、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＴｉＯ_２に加え、Ｔａ_２Ｏ_５を添加することで磁気特性の改善を図っている。しかし、この発明によっても磁気特性の改善は不十分である他、Ｔａ_２Ｏ_５は他の添加物に比較して重量あたりの単価が１５〜５０倍を要し製造コストの面で問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情を考慮し、現在スイッチング電源周波数として標準的な１００ｋＨｚよりもさらに高周波、例えば５００ｋＨｚ程度、あるいはそれ以上の高周波における電力損失と製造コストが同時に改善されたＭｎ−Ｚｎ系フェライトを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のＭｎ−Ｚｎ系フェライトは、Ｆｅ_２Ｏ_３５１．５〜５４．５ｍｏｌ％、ＭｎＯ３３〜４０ｍｏｌ％及びＺｎＯ１０超〜１３ｍｏｌ％を基本成分とし、この基本成分中に副成分としてＳｉ、Ｃａ、Ｔａ、Ｔｉ及びＳｎの酸化物を、それぞれＳｉＯ_２、ＣａＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２及びＳｎＯ_２換算で、それぞれ０．００５〜０．０３５ｗｔ％、０．０１〜０．２５ｗｔ％、０．００１〜０．０５５ｗｔ％、０．０５〜０．６５ｗｔ％及び０．００５〜０．５０ｗｔ％複合含有することを特徴とする。
【０００６】
【作用】
１００ｋＨｚを超える高周波領域での電力損失の低減策として、比抵抗を高めるためにＳｎＯ_２を添加する試みは従来から実施されているが、例えば特開昭６１−２５２６０９号公報では、ＳｉＯ_２、ＣａＯに加え多量のＳｎＯ_２（０．５〜０．９ｗｔ％）を含有させることで低損失化が図られている。
【０００７】
しかし、ＳｉＯ_２とＣａＯの共存下でＴａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２を含有させ、しかもＳｎＯ_２の添加量が比較的少ない場合にも電力損失の低減が図られた例はなく、本発明者はこの範囲においてＭｎ−Ｚｎ系フェライトの磁気特性に関して鋭意研究を重ねた結果、優れた磁気特性が得られることを見出した。
すなわち、本発明では、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２及びＳｎＯ_２を同時に含有させ、各成分を粒界あるいは粒内に分散させることにより比抵抗を高め、上記高周波領域における電力損失の低減化が可能となった。また、ＳｎＯ_２の含有量が極微量であって、比抵抗の上昇効果がほとんど認められない場合にも磁気特性が改善されることが明らかになった。この結果、Ｔａ_２Ｏ_５に比較して安価なＳｎＯ_２を微量添加することで、総合的な製造コストの低減が可能となった。これは工業的には大きなメリットとなっている。
【０００８】
ここで、本発明において基本成分の配合割合を前記の範囲に限定した理由について説明する。
スイッチング電源用トランスは、通常の動作温度が６０〜７０℃なので、この温度範囲で電力損失が低く、かつ室温から動作温度を超える８０〜１２０℃程度の温度域まで電力損失が負の温度依存性をもつことが望ましい。ここでトランス・コアに使用されるＭｎ−Ｚｎ系フェライトの電力損失の温度依存性は、主成分であるＦｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ及びＺｎＯの配合比によってほぼ決まる、一定温度（Ｔ_ｓ）で極小値を示す下に凸の曲線で表わされる。
【０００９】
上記の理由からＴ_ｓを８０〜１２０℃に設定することが好ましいが、Ｆｅ_２Ｏ_３が５１．５ｍｏｌ％未満でかつＭｎＯが４０ｍｏｌ％を超える場合はＴ_ｓが高くなり過ぎ、トランスの動作温度での電力損失が増大する。一方、Ｆｅ_２Ｏ_３が５４．５ｍｏｌ％を超え且つＭｎＯが３３ｍｏｌ％未満の場合はＴ_ｓが８０℃を下回り、室温から動作温度までの範囲で電力損失の負の温度依存性が得られなくなる。この観点からＦｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＺｎＯの配合割合を検討した結果、上記の範囲、即ち、
Ｆｅ_２Ｏ_３：５１．５〜５４．５ｍｏｌ％
ＭｎＯ：３３〜４０ｍｏｌ％
ＺｎＯ：１０超〜１３ｍｏｌ％
が得られた。
【００１０】
また本発明は、上記基本成分中に、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２及びＳｎＯ_２を含有させたところに特徴がある。以下、これらの副成分の配合割合の限定理由を説明する。
（１）ＳｉＯ_２を０．００５〜０．０３５ｗｔ％に限定した理由
ＳｉＯ_２はＣａＯとの共存によって粒界の比抵抗を高め渦電流損失の低減に有効に寄与するが、含有量が０．００５ｗｔ％未満では比抵抗が低下してその効果に乏しく、一方、０．０３５ｗｔ％を超えると異常粒組織となって電力損失が上昇し不適当なので、０．００５〜０．０３５ｗｔ％の範囲に限定した。なおＳｉＯ_２が原料中に不純物として数１０ｐｐｍ含まれる場合には、全体で０．００５〜０．０３５ｗｔ％の範囲に入るように添加量を調整する。
【００１１】
（２）ＣａＯを０．０１〜０．２５ｗｔ％に限定した理由
ＣａＯはＳｉＯ_２との共存下で効果的に粒界抵抗を高め低損失をもたらす有用成分であるが、含有量が０．０１ｗｔ％未満の場合は粒界抵抗の上昇効果に乏しく渦電流損失が増大する。一方、０．２５ｗｔ％を超えると電力損失が非常に大きくなるので０．０１〜０．２０ｗｔ％の範囲とした。
【００１２】
（３）Ｔａ_２Ｏ_５を０．００１〜０．０５５ｗｔ％に限定した理由
Ｔａ_２Ｏ_５は粒界抵抗を高め電力損失の低減に有効である。また、この効果はＳｉＯ_２やＣａＯ、さらにはＴｉＯ_２及びＳｎＯ_２の共存下で一層顕著なものとなる。しかし、０．００１ｗｔ％未満ではこの効果が乏しく、一方、０．０５５ｗｔ％を超えると異常粒成長を起こし電力損失が大幅に上昇するほか、Ｔａ_２Ｏ_５は他の添加物に比較して１５〜５０倍ものコストを要し大量添加は不経済である。したがって、０．００１〜０．０５５ｗｔ％の範囲に限定した。
【００１３】
（４）ＴｉＯ_２を０．０５〜０．６５ｗｔ％に限定した理由
ＴｉＯ_２はフェライトコア焼成時の冷却過程での粒界の再酸化を促進し、更に粒内にも固溶してフェライトコアの比抵抗を高める効果がある。また焼結密度を高める効果があり、その結果、残留磁束密度、保磁力が小さくなる。しかし、０．０５ｗｔ％未満ではその効果が低く、一方、０．６５ｗｔ％を超えると逆に電力損失の上昇を招く。そこで０．０５〜０．６５ｗｔ％に限定した。
【００１４】
（５）ＳｎＯ_２を０．００５〜０．５０ｗｔ％に限定した理由
ＳｎＯ_２はＴｉＯ_２と同様にフェライトコアの比抵抗を高め渦電流損失を低下させる効果があるが、ＳｎＯ_２含有量が０．１ｗｔ％未満ではその効果に乏しく、一方、０．５０ｗｔ％を越えると逆に電力損失が大きくなる。しかし、上記効果に乏しい０．１ｗｔ％未満であっても、０．００５ｗｔ％以上添加すると電力損失が著しく低下することが判明した。この場合の損失低減機構を明確に示すことはできないが、多成分系の異質な相が結晶粒界に存在することによる磁気的な悪影響をＳｎＯ_２が緩和するためと考えられる。また、Ｔａ_２Ｏ_５の添加量が極少量であっても、Ｔａ_２Ｏ_５に比較して安価（約１５分の１）なＳｎＯ_２を微量添加することにより電力損失が改善させることから、製造コストの面でも有利である。以上の理由によってこの範囲に限定した。
【００１５】
なお、本発明のマンガン−亜鉛系フェライトを製造するには、各粉末原料を所定の組成になるように混合、仮焼、粉砕した後、常法に従い圧縮成形し、次いで焼結を施せばよい。その際、前記の副成分の添加は、混合時及び／又は粉砕時に行なわれる。
また、これらの副成分の原料は酸化物に限定されず、例えば炭酸塩やしゅう酸塩のように上記フェライトの製造過程において最終的に酸化物へ変化する化合物であればよい。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
Ｆｅ_２Ｏ_３：５２．５ｍｏｌ％、ＭｎＯ：３５．７ｍｏｌ％、ＺｎＯ：１１．８ｍｏｌ％から成る基本組成の原料を混合後、仮焼し、粉砕したフェライト粉体に表１及び表２に示す割合で、ＳｉＯ_２、ＣａＯ（ＣａＣＯ_３を使用）、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２を複合添加配合した。その後、リング形に成形し、本焼成した。こうして得られた試料の、５００ｋＨｚ，５０ｍＴ，８０℃における電力損失を表１、表２に併記した。表１は本発明の実施例を示す表であり、表２は本発明の副成分が限定範囲外の比較例を示す表である。
【００１７】
本発明によれば、５００ｋＨｚという高い周波数において低い電力損失が得られる。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
図１は、表１の試料番号２の本発明材と従来の電源用フェライト（従来材と記す）の周波数５００ｋＨｚ、磁束密度５０ｍＴの条件下で測定した電力損失の温度特性を示したグラフである。この図より、本発明材は２０℃から１２０℃までの全ての温度範囲において、電力損失が従来材よりも著しく改善されていることがわかる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明により、高周波領域での電力損失が著しく低いＭｎ−Ｚｎ系フェライトが安価に得られた。これにより、高周波電源の磁心等に使用でき電源の効率化、小型化に有効となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明材と従来材の電力損失の温度特性を示したグラフである。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a manganese-zinc (Mn—Zn) -based ferrite with low power loss, which is suitable as a magnetic core for a transformer for a switching power supply or the like.
[0002]
[Prior art]
Mn—Zn-based ferrites are widely used as coils and transformer materials for various communication equipment power supplies.
Recently, there has been a tendency to increase the driving frequency (500 kHz to 1 MHz) for further miniaturization of the power source, and the development of Mn—Zn ferrite that fulfills the purpose has been promoted. However, sufficient material development was not made. For example, a commercially available low-loss ferrite for power supply is at most about 250 mW / cm ³ at 500 kHz and 50 mT, and the power loss is too high as a high-frequency power supply material.
[0003]
For this reason, for example, in JP-A-1-224265, magnetic properties are improved by adding Ta ₂ O ₅ in addition to SiO ₂ , CaO, and TiO ₂ . However, the magnetic characteristics are not improved sufficiently by this invention, and Ta ₂ O ₅ requires 15 to 50 times the unit price per weight as compared with other additives, which causes a problem in terms of production cost. It was.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above circumstances, the present invention provides a Mn—Zn ferrite having improved power loss and manufacturing cost at a higher frequency than the standard switching power supply frequency of 100 kHz, for example, about 500 kHz or higher. The purpose is to provide.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The Mn—Zn-based ferrite of the present invention that achieves the above object comprises Fe ₂ O ₃ 51.5 to 54.5 mol%, MnO 33 to 40 mol%, and ZnO 10 more than 13 to 13 mol% as basic components. Si as an auxiliary component, Ca, Ta, oxides of Ti and Sn, respectively _{_{_{SiO 2, CaO, Ta 2 O}}} 5, TiO 2 and SnO ₂ basis, respectively 0.005~0.035wt%, 0.01~ It is characterized by containing 0.25 wt%, 0.001 to 0.055 wt%, 0.05 to 0.65 wt%, and 0.005 to 0.50 wt%.
[0006]
[Action]
As a measure for reducing the power loss in the high frequency region exceeding 100 kHz, attempts to add SnO ₂ to increase the specific resistance have been performed conventionally. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-252609, SiO ₂ , CaO In addition to the above, a large amount of SnO ₂ (0.5 to 0.9 wt%) is included to reduce the loss.
[0007]
However, there is no example in which the power loss is reduced even when Ta ₂ O ₅ , TiO ₂ , SnO ₂ is contained in the coexistence of SiO ₂ and CaO and the addition amount of SnO ₂ is relatively small. The inventor has found that excellent magnetic properties can be obtained as a result of intensive studies on the magnetic properties of Mn—Zn ferrite in this range.
That is, in the present invention, SiO ₂ , CaO, Ta ₂ O ₅ , TiO _2, and SnO ₂ are contained at the same time, and the specific resistance is increased by dispersing each component in the grain boundary or grain, and the power loss in the high frequency region Can be reduced. It has also been clarified that the magnetic properties are improved even when the SnO ₂ content is extremely small and the effect of increasing the specific resistance is hardly observed. As a result, the total production cost can be reduced by adding a small amount of SnO ₂ which is cheaper than Ta ₂ O ₅ . This is a great merit for the industry.
[0008]
Here, the reason why the mixing ratio of the basic component is limited to the above range in the present invention will be described.
Since the switching power transformer has a normal operating temperature of 60 to 70 ° C, power loss is low in this temperature range, and power loss is negative temperature dependence from room temperature to a temperature range of about 80 to 120 ° C exceeding the operating temperature. It is desirable to have Here, the temperature dependence of the power loss of the Mn—Zn ferrite used for the transformer core is almost determined by the mixing ratio of the main components Fe ₂ O ₃ , MnO and ZnO, and is minimal at a constant temperature (T _s ). The value is represented by a downwardly convex curve.
[0009]
For the above reason, it is preferable to set T _s to 80 to 120 ° C. However, when Fe ₂ O ₃ is less than 51.5 mol% and MnO exceeds 40 mol%, T _s becomes too high, and the operating temperature of the transformer The power loss at is increased. On the other hand, when Fe ₂ O ₃ exceeds 54.5 mol% and MnO is less than 33 mol%, T _s is less than 80 ° C., and negative temperature dependence of power loss cannot be obtained in the range from room temperature to operating temperature. . As a result of examining the blending ratio of Fe ₂ O ₃ , MnO, ZnO from this viewpoint, the above range, that is,
Fe ₂ O _3: 51.5~54.5mol%
MnO: 33 to 40 mol%
ZnO: more than 10 to 13 mol%
was gotten.
[0010]
Further, the present invention is characterized in that SiO ₂ , CaO, Ta ₂ O ₅ , TiO ₂ and SnO ₂ are contained in the basic component. Hereinafter, the reason for limiting the blending ratio of these subcomponents will be described.
(1) Reason for limiting SiO ₂ to 0.005 to 0.035 wt% SiO ₂ increases the specific resistance of the grain boundary by coexistence with CaO and contributes effectively to the reduction of eddy current loss. If it is less than 005 wt%, the specific resistance is lowered and its effect is poor. On the other hand, if it exceeds 0.035 wt%, an abnormal grain structure is formed and power loss increases and is inappropriate, so it is in the range of 0.005 to 0.035 wt%. Limited. Note that if the SiO ₂ is contained several 10ppm as impurities in the raw materials, adjusting the addition amount as a whole fall within the scope of 0.005~0.035wt%.
[0011]
(2) Reason for limiting CaO to 0.01 to 0.25 wt% CaO is a useful component that effectively increases the grain boundary resistance and causes low loss in the presence of SiO ₂ , but the content is 0.01 wt. If it is less than%, the effect of increasing the grain boundary resistance is poor and eddy current loss increases. On the other hand, if it exceeds 0.25 wt%, the power loss becomes very large, so the range was set to 0.01 to 0.20 wt%.
[0012]
(3) Reason for limiting Ta ₂ O ₅ to 0.001 to 0.055 wt% Ta ₂ O ₅ is effective in increasing the grain boundary resistance and reducing power loss. Moreover, this effect becomes more remarkable in the presence of SiO ₂ , CaO, TiO ₂ and SnO ₂ . However, when the amount is less than 0.001 wt%, this effect is poor. On the other hand, when the amount exceeds 0.055 wt%, abnormal grain growth occurs and the power loss increases significantly, and Ta ₂ O ₅ is 15% more than other additives. Costing up to 50 times is large and adding large amounts is uneconomical. Therefore, it was limited to the range of 0.001 to 0.055 wt%.
[0013]
(4) Reason TiO ₂ for limiting the TiO ₂ to 0.05～0.65Wt% promotes intergranular reoxidation of the cooling process at the time of the ferrite core sintering, the ferrite core is further dissolved in the particle There is an effect of increasing the specific resistance. Moreover, there exists an effect which raises a sintered density and, as a result, a residual magnetic flux density and a coercive force become small. However, if it is less than 0.05 wt%, the effect is low, while if it exceeds 0.65 wt%, power loss increases conversely. Therefore, it is limited to 0.05 to 0.65 wt%.
[0014]
(5) The reasons SnO ₂ for limiting the SnO ₂ in 0.005～0.50Wt% has the effect of reducing the eddy current loss increases the resistivity of the ferrite core as well as TiO _2, SnO ₂ content of 0 If the amount is less than 0.1 wt%, the effect is poor. On the other hand, if the amount exceeds 0.50 wt%, the power loss increases. However, it was found that even when the amount is less than 0.1 wt%, which is poor in the above effect, the power loss is remarkably reduced when 0.005 wt% or more is added. Although the loss reduction mechanism in this case cannot be clearly shown, it is considered that SnO ₂ relaxes the magnetic adverse effect caused by the presence of multi-component heterogeneous phases at the grain boundaries. In addition, even if the amount of Ta ₂ O ₅ added is extremely small, power loss is improved by adding a small amount of SnO ₂ that is cheaper (about 1/15) compared to Ta ₂ O ₅ . This is also advantageous in terms of manufacturing cost. For the above reason, it was limited to this range.
[0015]
In order to produce the manganese-zinc based ferrite of the present invention, each powder raw material is mixed, calcined and pulverized so as to have a predetermined composition, then compression-molded according to a conventional method, and then sintered. . At that time, the addition of the subcomponents is performed during mixing and / or pulverization.
In addition, the raw materials for these subcomponents are not limited to oxides, and may be any compound that finally changes to oxides during the ferrite production process, such as carbonates and oxalates.
[0016]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
Tables 1 and 2 show the ferrite powders obtained by mixing, calcining and pulverizing the raw materials having the basic composition of Fe ₂ O ₃ : 52.5 mol%, MnO: 35.7 mol%, and ZnO: 11.8 mol%. In proportion, SiO ₂ , CaO (using CaCO ₃ ), Ta ₂ O ₅ , TiO ₂ , and SnO ₂ were compounded and added. Thereafter, it was molded into a ring shape and subjected to main firing. The power loss at 500 kHz, 50 mT, and 80 ° C. of the sample thus obtained is shown in Tables 1 and 2. Table 1 is a table showing examples of the present invention, and Table 2 is a table showing comparative examples in which the subcomponents of the present invention are outside the limited range.
[0017]
According to the present invention, low power loss is obtained at a high frequency of 500 kHz.
[0018]
[Table 1]

[0019]
[Table 2]

[0020]
FIG. 1 is a graph showing the temperature characteristics of power loss measured under the conditions of a frequency of 500 kHz and a magnetic flux density of 50 mT for the present invention material of sample number 2 in Table 1 and a conventional power supply ferrite (referred to as a conventional material). . From this figure, it can be seen that the power loss of the material of the present invention is remarkably improved as compared with the conventional material in the entire temperature range from 20 ° C to 120 ° C.
[0021]
【The invention's effect】
According to the present invention, a Mn—Zn based ferrite with extremely low power loss in a high frequency region was obtained at low cost. As a result, it can be used for a magnetic core of a high-frequency power source, and is effective in improving the efficiency and miniaturization of the power source.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing temperature characteristics of power loss between a material of the present invention and a conventional material.

Claims

Fe ₂ O ₃ 51.5~54.5mol%
MnO 33-40 mol%
ZnO more than 10 to 13 mol%
Is a basic component, and Si, Ca, Ta, Ti and Sn oxides as subcomponents in the basic component are converted into SiO ₂ , CaO, Ta ₂ O ₅ , TiO ₂ and SnO ₂ , respectively.
SiO ₂ 0.005~0.035wt%
CaO 0.01-0.25wt%
Ta ₂ O ₅ 0.001~0.055wt%
TiO ₂ 0.05~0.65wt%
SnO ₂ 0.005~0.50wt%
Manganese-zinc ferrite characterized by containing a composite.