JP4069449B2

JP4069449B2 - 高磁束密度低損失Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトおよびＤＣ−ＤＣコンバータ用トランス

Info

Publication number: JP4069449B2
Application number: JP2003157079A
Authority: JP
Inventors: 徳和小湯原; 和則西村; 等上田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: JP2004064057A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高磁束密度低損失フェライトに関し、特には耐熱衝撃に優れた高磁束密度低損失フェライトとこれを用いたＤＣ−ＤＣコンバータ用トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源は、民生機器をはじめＯＡ、産業用機器へと幅広い利用が進んでおり、現在、小型、薄型、軽量化が図られている。このスイッチング電源、ＤＣ／ＤＣコンバータに使用されるトランスには、従来、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライト焼結体であるフェライトコアが使用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライトコアは、飽和磁束密度、透磁率が大きく、また損失（コアロス）が１００ｋＷ／ｍ³程度（周波数５０ｋＨｚ、動作磁束密度１５０ｍＴ）と小さいという特長があり、これまでスイッチング電源やＤＣ／ＤＣコンバータ等のトランスに用いられてきた。しかしながら、比抵抗が１０Ω・ｍ程度と比較的低く、コアに直接巻線をすると漏れ電流が発生する。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ等のトランス用としては、Ｍｎ−Ｚｎ系のフェライトコアを使用する場合、フェライトコアにボビンをかぶせたり、絶縁被膜等の処理を行ってから巻線を行っていた。それにより、製造コストが高く、小型化が難しいという問題があった。
【０００４】
これに対し、Ｎｉ系のフェライトコアは、一般に比抵抗が１×１０⁶Ω・ｍ程度と非常に高く、コアに直接巻き線をすることが可能であるが、損失（コアロス）が大きいためコアが発熱し易く、また飽和磁束密度が小さいためフェライトコアの形状が大きくなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ等のトランス用として適していなかった。
【０００５】
更に、近年携帯機器の小型・薄型化に伴い、これに使われるＤＣ／ＤＣコンバータトランス等も基板への面実装化が必要となり、小型・薄型化、高性能化が要求されている。このような要求から従来のボビンを使用し、ボビンへ巻き線を施しボビン端子で巻き線を半田付けしていたタイプのＤＣ／ＤＣコンバータトランスから、コアに直接端子を付け、コアに直接半田付けをするタイプのＤＣ／ＤＣコンバータトランスが必要となってきている。
【０００６】
このような半田付けを行う場合、フェライトコアには室温から４００度を超える温度が急激に加わるため、熱衝撃（以下ヒートショックと記載）によりコアが割れるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記のことを鑑みて、比抵抗の高いＮｉ系フェライトにて、飽和磁束密度が大きく損失（コアロス）が小さく、ヒートショックに強いＤＣ／ＤＣコンバータ等のトランス等として使用できるフェライトを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、主成分としてＦｅ_２Ｏ_３４６．０〜５０．５ｍｏｌ％、ＺｎＯ１８．０〜２８．０ｍｏｌ％、ＣｕＯ３．０〜１２．０ｍｏｌ％、残部がＮｉＯから成る組成を有し、かつ、副成分としてＶ２Ｏ５を０．２〜０．６ｗｔ％含有し、平均結晶粒径が２１〜１００μｍである耐熱衝撃性に優れた高磁束密度低損失Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトである。本発明においては、Ｖ_２Ｏ_５を０．２５〜０．６ｗｔ％含有すれば耐ヒートショック特性が向上するので好ましい。
そして、本発明の高磁束密度低損失Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトでは、２０〜１４０℃における損失（コアロス）の最小値が７００ｋＷ／ｍ^３以下（周波数５０ｋＨｚ、動作磁束密度１５０ｍＴ）で、飽和磁束密度が４００ｍＴ（印加磁界４０００Ａ／ｍ）以上の磁気特性を具備する。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の高磁束密度低損失Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトを磁心としたＤＣ／ＤＣコンバータ用トランスである。
【００１０】
本発明では、成分組成範囲が重要な要件である。即ち、Ｆｅ₂Ｏ₃が４６．０ｍｏｌ％未満であると、透磁率が低下し、コアロスが大きくなり、かつ、飽和磁束密度も低くなる。また、Ｆｅ₂Ｏ₃が５０．５ｍｏｌ％を超えると、比抵抗が低くなり、Ｎｉ系フェライト材料の特徴である絶縁性が低くなり、不適当である。よって、Ｆｅ₂Ｏ₃は４６．０〜５０．５ｍｏｌ％の範囲であり、前記特性の劣化を考慮するとより好ましくは、４７．０〜４９．８ｍｏｌ％の範囲が望ましい。
ＺｎＯは１８．０ｍｏｌ％未満であると、コアロスが大きくなり、透磁率が低くなる。また２８．０ｍｏｌ％を超えると、飽和磁束密度が４００ｍＴよりも低くなる。よって、１８．０〜２８．０ｍｏｌ％の範囲であり、前記特性の劣化を考慮するとより好ましくは、２０．０〜２５．０ｍｏｌ％の範囲が望ましい。
ＣｕＯは１２ｍｏｌ％を超えると、コアロスが大きくなる。よって、１２ｍｏｌ％以下の範囲であり、より好ましくは、３．０〜９．０ｍｏｌ％である。ＣｕＯは焼結促進効果を有し特性劣化を抑え焼成温度を下げるために用いられるが３ｍｏｌ％未満と成ると焼成温度を１１００℃を超える温度に上げる必要があり、その場合には比抵抗が低下するため３ｍｏｌ％以上が望ましい。
Ｖ_２Ｏ_５は０．１ｗｔ％未満であるとヒートショックに弱く、半田付けするとコアが割れてしまう。また、０．６ｗｔ％を超えると、初透磁率が低くなり実用上好ましくない。また、０．２５ｗｔ％以上とすれば，より耐ヒートショック性が向上する。
【００１１】
また平均結晶粒径が１０μｍ未満であると、コアロスが大きくなり、かつ、ヒートショックに弱く、また１００μｍを超えると、抗折強度が劣化し実用上好ましくない。このため、平均結晶粒径は１０〜１００μｍの範囲であることが好ましい。
【００１２】
この平均結晶粒径は、焼結体の断面を鏡面研磨後、酸エッチングあるいは熱処理を施し、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により所定の倍率で観察する。そして、結晶粒子の数が５０個以上入る正方形の領域規定し、その領域内の各結晶の面積を測定し、その面積から円換算で直径を求め、これを各結晶の結晶粒径とし、その領域内の平均を平均結晶粒径とした。尚、前記領域の領域線上に結晶が重なるものは含めないものとする。
【００１３】
また、本発明によるＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトは、高磁束密度で、低損失な特性を特徴としており、損失（コアロス）は７００ｋＷ／ｍ³（周波数５０ｋＨｚ、動作磁束密度１５０ｍＴ）以下であることを特徴とし、飽和磁束密度が４００ｍＴ（印加磁界４０００Ａ／ｍ）以上であることを特徴としている。これらの特性を満足しないと、スイッチング電源、ＤＣ−ＤＣコンバータ用トランスとして実用性が低くなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るフェライト焼結体の実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
Ｆｅ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯの原料粉末を所定量秤量し、これに所定量のイオン交換水を添加したものをボールミルにて４時間混合し、電気炉を用いて最高温度８５０℃で２時間仮焼成した後、これを炉冷し、４０メッシュのふるいで解砕する。しかる後、再び所定量のＶ_２Ｏ_５を秤量しイオン交換水と共に添加したものをボールミルにて６時間粉砕し、粉砕されたスラリー状の原料を乾燥および解砕する。これにバインダー（ポリビニルアルコール）を加えて造粒し、４０メッシュのふるいにて整粒した顆粒を乾式圧縮成形機と金型を用いて、外径３０ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍのリング状コアと長さ６０ｍｍ、幅１２ｍｍ、厚み５ｍｍの板状コアを成形圧１４７ＭＰａで成形し、これを大気中、１１００℃で１．０時間焼成した。焼成して得られたリング状コアの各試料の成分組成及び焼成密度を測定した後、周波数５０ｋＨｚ、磁束密度１５０ｍＴの測定条件において２０〜１４０℃の温度範囲で損失（コアロス）と印加磁界４０００Ａ／ｍの測定条件において２０℃の飽和磁束密度を測定した。また、成分組成は、工程中で変化し、秤量組成と若干異なるので、最終組成として表１に載せる。
【００１５】
【表１】
【００１６】
ＤＣ／ＤＣコンバータのはんだ実装温度は高温はんだで行われ、他の部品との熱容量の差異から、３５０〜４００度の温度に３秒程度さらされる。そこで、焼成して得られた板状コアの各試料を４００度に加熱した半田槽に長さ方向に１０ｍｍ、３秒間浸しヒートショックによる割れを確認した。さらに厳しい試験条件として４６０度でも同様の試験を実施した。その結果を表２に示す。
【００１７】
【表２】
【００１８】
表１に示すように、本発明の実施例は、２０〜１４０℃におけるコアロスの最小値が７００ｋＷ／ｍ³（周波数５０ｋＨｚ、動作磁束密度１５０ｍＴ）以下を満足し、また飽和磁束密度は４００ｍＴ（印加磁界４０００Ａ／ｍ）以上を満足し、全て４２０ｍＴ以上を達成している。この実施例の初透磁率は、２００以上を示し、比抵抗は１×１０⁶Ω・ｍ以上を有している。また、焼成密度は５．１０×１０^３ｋｇ／ｍ^３以上の値を示している。
【００１９】
表２に示すように、本発明の実施例は、４００度の半田槽に浸してもコアが割れることが無く、ヒートショックに強い材料となっていることを示している。
更に厳しい４６０度の条件下（例えばＰｂフリー半田を用いる場合）で使用する場合にはV_２O_５の含有量を０．２５ｗｔ％以上にする事で対応可能である。
【００２０】
（実施例２）
表１中の試料Ｎｏ．１３，Ｎｏ．２０と同一組成のドラム型コアを作製した。図１にその外観斜視図を示す。このドラム型コアの寸法は、巻心径が２．５ｍｍ、鍔径が６．０ｍｍ、巻幅が０．７ｍｍで全長が１．８ｍｍである。このドラム型コアに、ＵＥＷ０．１２ｍｍφの被覆導線を用いて、３０ターン巻線した。この試料を用いて、直流重畳特性の評価を行った。測定条件は、周波数１００ｋＨｚ、電流１ｍＡである。この直流重畳特性の測定温度は、２０℃、６０℃、１００℃で評価した。２０℃のときの結果を図２に、またその他の温度と合わせ結果を表３に示す。図２においてＩｄｃは直流重畳時の電流値である。また、この表３のインダクタンスＬとは直流重畳をかける前の初期のインダクタンス値であり、Ｌ−２０％時の電流値とは、電流値（Ｉｄｃ）を上げ、インダクタンスが低下し、初期値から２０％インダクタンス値が下がった時の電流値を示したものである。
図２及び表３に示すように、本発明によれば測定温度２０℃、６０℃、１００℃の各温度で、インダクタンス値及び電流値が比較例５とほぼ同等な値となっており、かつ、４００度、４６０度に加熱した半田槽に浸した結果、割れなかったことからコアに直接半田付けを必要とするＤＣ／ＤＣコンバータ用トランスとして、実用的であり、使用可能であることがわかる。
【００２１】
【表３】
【００２２】
図３に本発明のフェライト焼結体を用いて構成したＤＣ／ＤＣコンバータ用トランスを示す。このＤＣ／ＤＣコンバータ用トランスはドラム型コア２に巻線４を施し、前記ドラム型コア２に形成された金属端子５に前記巻線４の端部をはんだ付けしている。そしてドラム型コア２の外周には閉磁路を構成するように、前記ドラム型コアを構成する同一のフェライト焼結体でコア２を配置している。このＤＣ／ＤＣコンバータ用トランスでは、従来のボビンへ巻き線を施しボビン端子で巻き線を半田付けしていたタイプのＤＣ／ＤＣコンバータトランスと比較し３０％程度小型化することが出来た。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトにおいて、コアロスが７００ｋＷ／ｍ³以下（周波数５０ｋＨｚ、動作磁束密度１５０ｍＴ）で、飽和磁束密度が４００ｍＴ以上（印加磁界４０００Ａ／ｍ）という非常に低損失で飽和磁束密度の高いフェライト焼結体を得る事が出来、しかもＮｉ系フェライト特有の比抵抗の高いフェライト焼結体が得られ、かつ熱衝撃に強い、ＤＣ／ＤＣコンバータ等のトランスとして有用であり、トランスの小型化及び製造コストの低減に大いに役立つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に用いるフェライトコアの外観斜視図である。
【図２】本発明の一実施例に係るフェライトコアの直流重畳特性である。
【図３】本発明の一実施例に係るＤＣ−ＤＣコンバータ用トランスの外観図である。

Claims

主成分としてＦｅ_２Ｏ_３４６．０〜５０．５ｍｏｌ％、ＺｎＯ１８．０〜２８．０ｍｏｌ％、ＣｕＯ３．０〜１２．０ｍｏｌ％、残部がＮｉＯから成る組成を有し、かつ、副成分としてＶ_２Ｏ_５を０．２〜０．６ｗｔ％含有し、平均結晶粒径が２１〜１００μｍであることを特徴とする耐熱衝撃性に優れた高磁束密度低損失Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト。
Ｖ_２Ｏ_５を０．２５〜０．６ｗｔ％含有することを特徴とする請求項１に記載の耐熱衝撃性に優れた高磁束密度低損失Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト。
２０〜１４０℃における損失（コアロス）の最小値が７００ｋＷ／ｍ^３以下（周波数５０ｋＨｚ、動作磁束密度１５０ｍＴ）で、飽和磁束密度が４００ｍＴ（印加磁界４０００Ａ／ｍ）以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐熱衝撃性に優れた高磁束密度低損失Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト。
請求項１乃至３のいずれかに記載の高磁束密度低損失Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトを磁心としたことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ用トランス。