JP3790606B2

JP3790606B2 - Ｍｎ−Ｃｏフェライト材料

Info

Publication number: JP3790606B2
Application number: JP14822497A
Authority: JP
Inventors: 藤田　　明; 貴史河野; 聡志後藤
Original assignee: JFE Chemical Corp
Current assignee: JFE Chemical Corp
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2017-06-05
Also published as: JPH10340807A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源用トランス等の磁心に用いられる、高周波数域で損失の少ないMn−Coフェライト材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フェライトと総称される酸化物磁性材料のうち、軟質磁性フェライトは、小さな外部磁場でも十分に磁化することから、電源や通信機器、計測制御機器、磁気記録媒体、コンピュータなどの用途に広く用いられている。それ故に、この種の用途に用いる材料には、キュリー温度が高いこと、保磁力が小さく透磁率が高いこと、飽和磁束密度が大きいこと、低損失であること、など多くの特性が要求される。
【０００３】
軟質磁性フェライトのうちMn−Zn系フェライトは、高周波数域で使われるスイッチング電源に適用できる電源用トランスの磁心材料として改良が進められている。
【０００４】
このMn−Zn系フェライトは、100kHz程度の周波数域において、高透磁率でかつ低損失な特性を示す。
しかしながら、このMn−Zn系フェライトは、使用周波数の高周波数化が進む今日では、周波数が高くなるに伴い損失が大きくなるという欠点があった。かかる高周波数化の傾向はこれからも続くと考えられ、１ＭHz程度以上の高い周波数域でもなお低損失特性を示す軟質磁性フェライトに対する要求が高まっている。
【０００５】
これに対し、例えば、500kHz以上の周波数域を対象とした材料として、特開平６−310320号公報などでは、Mn, Zn, Feの酸化物を基本成分とするMn−Zn系フェライトに添加成分として種々の酸化物（たとえば、CoO 0.3 mol%以下）を含有させてなる、300kHz〜数MHz の周波数域で低損失を示す磁性材料が提案されている。
【０００６】
しかしながら、従来から比較的低い周波数で用いられているMn−Zn系フェライト材料では、１ＭHz程度以上の高周波数域における要求特性、とりわけ低損失特性について未だ満足できる結果が得られていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、１ＭHz程度以上の高周波数域において低損失であるフェライト材料を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
さて、従来のMn−Znフェライト材料の場合、飽和磁束密度およびキュリー温度は、基本成分であるMnＯ：ZnＯ：Fe₂O₃の比でほぼ決まることが知られている。例えば、ZnＯの量が少ない領域においてはZnＯ量の増加に伴い飽和磁束密度は増加するが、これと同時にキュリー温度も低下する。また、損失が極小となる温度も上記基本成分の比により決まることが知られている。
【０００９】
また、低損失なMn−Znフェライト材料を得るためには、損失を構成するヒステリシス損失、渦電流損失、それ以外の残留損失をそれぞれ小さくすることが必要である。これらの損失のうちヒステリシス損失は、磁気異方性定数Ｋ1 と磁歪定数λに大きく支配され、これらＫ1 とλはフェライトの組成により決まることが知られている。
例えば、Fe₂O₃＝52 mol％付近でZnＯ＝20〜30 mol％である組成のMn−Znフェライトは、室温において、Ｋ1 ならびにλs が共にゼロに近くなり、この組成では、透磁率が最大となるので、高透磁率が必要な機器に適用されている (K.Ohta, J.Phys. Soc.Japan 18(1963)685)。
また、Fe₂O₃＝53〜54.5mol ％、ZnＯ＝8 〜12 mol％、残部実質的にMnＯの組成となるMn−Znフェライトは、従来の100kHz程度の周波数域であれば、80℃程度で低損失な材料であり、スイッチング電源用フェライトとして適用されている (セラミックス28 (1993)937) 。
【００１０】
しかしながら、損失は周波数に伴い増大するため、さらに高周波数域で使用する材料には使用周波数で損失が低いことが要求される。
損失のなかでも渦電流損失は、材料の電気抵抗に起因する損失であり、高周波数域ではこの損失の占める割合が大きくなる。これについては、フェライト粒界に高抵抗層を形成してコア全体の電気抵抗を高めることにより、この損失を低減させることができることが知られている。
残留損失もまた、高周波数域になるに従いその占める割合が増えると考えられている。しかしながら、その原因については共鳴現象等の説明もなされているが、現在までのところはっきりしていない。
従って、これら渦電流損失と残留損失を共に低減することができれば、１ＭHz程度以上の高周波数域でも低損失を示す材料が得られると考えられる。
【００１１】
そこで発明者らは、このような知見に基づき、上記目的の実現に向け、１ＭHz程度以上の高周波数域で低損失を示す組成を探索した。その結果、ZnＯを含まない組成でかつCoＯを含む組成が低損失化に有効であることを新たに見出し、以下に示す成分組成のフェライト材料を想到するに至った。
【００１２】
即ち、本発明は、Fe₂O₃：52〜55 mol％、CoＯ：0.4 〜1.0 mol％を含み、残部が実質的にMnＯからなることを特徴とするMn−Coフェライト材料を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明において、主成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。
・CoO ：0.4 〜1.0 mol％
先に述べたように、高周波数域において、ZnＯを含まない組成でかつCoＯを含む組成にすれば、極小温度での損失の絶対値は低くなる。この低損失化に対するCoの効果は、少量でも現れる。しかしながら、CoＯ含有量が0.4mol％未満であると、周波数１ＭHz・50mTの最大磁束密度で測定した場合の損失が100kW/m³以下であっても、コアに一旦 100Ａ/m程度の直流磁界を加えて再度同条件で測定すると、損失は100kW/m³以上に劣化するという現象が生じる。この損失劣化現象は、例えばトランスを直流重畳で使用する場合にも生じると予想され、好ましくない。そこで本発明では、CoＯ含有量の下限値は 0.4 mol％とした。
一方、CoＯ含有量が 1.0 mol％を超えると損失がかえって増大する。そこで、CoＯ含有量は 1.0 mol％を上限とした。
【００１４】
また、CoＯ置換の効果として、磁気異方性定数K1の温度変化を小さくする効果が知られている。即ち、一般的なMn−Znフェライトにおいて、K1の温度変化は、低温で大きく負であり、温度上昇に伴いゼロに近づき室温以上で正となる。損失は、K1が０となる温度付近で極小となり、それ以外の温度では磁気異方性定数K1の絶対値の大きさに比例して大きくなる。これに対し、Mn−Znフェライトの主相であるスピネル化合物の構成元素イオンの一部をCoイオンで置換すると、そのCoイオンはK1に対して正の寄与をするため、K₁はその絶対値が−50℃〜150 ℃程度の温度範囲において小さくなり、その結果、損失の温度変化が小さくなる。
このようなCoＯ置換の効果は、本発明のように亜鉛を含まないMn−Coフェライトにおいても見られ、このMn−Coフェライトの損失温度係数は、Mn−Znフェライトの場合と同様に小さい。ただし、CoＯを含むことにより損失極小温度は低下する傾向があるため、Fe₂O₃量を後述するように調整する必要がある。
【００１５】
・Fe₂O₃：52〜55 mol％
Fe₂O₃の含有量が少なすぎると、飽和磁束密度やキュリー温度が低下する。さらに、損失が極小となる温度が高温側にシフトすることにより、スイッチング電源等の動作温度である80℃付近において損失が大きくなる。このため、Fe₂O₃の含有量は、52 mol％を下限とした。
一方、先に述べたように、CoＯを含むと損失極小温度が低くなるため、CoＯの含有量が増えるにしたがってFe₂O₃の含有量を減じる必要がある。そのため、損失極小温度を50〜100 ℃の温度範囲内とするには、CoＯの含有量が 0.4 mol％の場合には Fe₂O₃の含有量を54〜55 mol％、CoＯの含有量が最大 1.0 mol％の場合には Fe₂O₃の含有量を52〜53 mol％、とすることが好適である。そこで、上記CoＯ含有量の上限および下限に対応する値から、55 mol％をFe₂O₃含有量の上限とした。
【００１６】
以上説明したように、本発明は、基本的にスピネルを形成する主成分組成に関するものであり、これら構成元素はすべて結晶粒内に固溶すると考えられる。
本発明では、これらの金属酸化物の他に、SiO₂やCaO 等のように焼結体の結晶粒界に析出してガラス相を形成する酸化物、あるいは同様に結晶粒界に析出して粒界抵抗を高めるZr, Hf, Mo, Nb, Ｖ, Ti等の酸化物を添加することは、渦電流損失の低減に寄与するために好ましい。特に、SiO₂およびCaO は、焼結性を高め、結晶粒界相を高抵抗化して損失低減に寄与する。
【００１７】
次に、本発明にかかるフェライト材料を製造する方法について説明する。
まず、本発明の成分組成となるように原料を配合し、次いで、その混合粉を仮焼したのち、アトライターやボールミル等の粉砕手段により粉砕し、その後、その粉砕粉を所望のコア形状に成形してから焼成することにより、低損失な磁心材料を得る。
このときの焼成温度は、成分により異なるが、おおむね1100℃から1250℃とする。この理由は、焼成温度が低すぎると焼結が進まず、一方高すぎると、焼結密度が上がるものの異常粒成長が発生して、コアの損失を著しく劣化させるからである。また、この焼成過程では、酸素・窒素混合雰囲気が望ましく、その酸素分圧をコントロールすることにより、粒界相の形成を制御して抵抗を高めることができる。
【００１８】
【実施例】
基本成分が表１に示す最終組成となるように、各成分の原料酸化物を配合し、次いで、ボールミルを用いて湿式混合を16時間かけて行い、その後、乾燥して原料酸化物を得た。
次に、この原料混合粉に対し、大気雰囲気中、975 ℃で３時間の仮焼を行い、こうして得られた仮焼粉に、最終組成でSiO₂が0.03wt％、CaＯが0.15wt％、Ta₂O₅が0.05wt％となるようにSiO₂、CaＯおよびTa₂O₅を添加した後、再びボールミルを用いて湿式混合粉砕して乾燥させた。
その乾燥粉末にポリビニルアルコール５wt％水溶液を10wt％加えて造粒し、次いで、外径19mm、内径10mm、高さ５mmのリング状に成形し、その後、酸素分圧を制御した窒素・空気混合ガス中、1180℃で２時間の焼成を行った。
【００１９】
このようにして得られた焼結体試料に巻線を施し (１次側２巻，２次側１巻) 、１ＭHzの周波数で最大磁束密度50mTの条件、ならびに２ＭHzの周波数で最大磁束密度25mTの条件下で、損失を交流ＢＨトレーサーにより40〜120 ℃で20℃きざみで測定した。損失の極小値とそれを示す温度を曲線近似により求めて表１に併せて示す。なお、この表中の極小温度で＊を付けたものは、測定温度範囲で損失値が極小値を示さなかったものである。
この表に示す結果から明らかなように、本発明による組成範囲内のものは、各周波数で損失が小さくなっていることがわかる。
【００２０】
【表１】

【００２１】
また、上記測定に供したコアに対し、巻線を施して電流を流し150Ａ/mの直流磁界を加えた後、再度１ＭHzの周波数で最大磁束密度50mTの条件で80℃において損失の測定を行った。その測定結果を、磁場印加前に測定した損失値と併せて表２に示す。
この表に示す結果から明らかなように、CoＯ含有量が 0.4 mol％より少ない場合に磁場印加後の損失劣化が大きくなっていることがわかる。
【００２２】
【表２】

【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、スイッチング電源トランス等の磁心に適した、１ＭＨｚ程度以上の周波数において、従来の材料と比較して格段と損失の小さいMn−Co系フェライト材料を提供することができる。

Claims

Fe₂O₃：52〜55 mol％、
CoＯ：0.4 〜1.0 mol％を含み、
残部が実質的にMnＯからなることを特徴とするMn−Coフェライト材料。