JP4761187B2

JP4761187B2 - 酸化物磁性材料

Info

Publication number: JP4761187B2
Application number: JP2005103850A
Authority: JP
Inventors: 康晴三吉; 多田　　智之
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006282440A

Description

この発明は、電源回路用として用いられるインダクタやトランス材料に用いられる酸化物磁性材料に関し、特にLi-Zn-Feフェライトに特定量のBi₂O₃を添加して低損失、高比抵抗で応力の影響を受け難くかつBHループの角型比が小さく、前記用途に好適な特性を有する酸化物磁性材料に関する。

近年、DC-DCコンバータ等の電源回路に用いられるインダクタやトランスの材料には、高い変換効率を得るために高周波大振幅励磁で低損失であること、直流バイアス磁界印可時でも所定の磁束密度変化量を得るために低残留磁束密度であること、導体との熱膨張率差、樹脂モールドなどにより加わる圧縮応力による透磁率の変動と損失の増加が少ないこと、導体との電気的な絶縁を確保するために高比抵抗であることが要求されている。

従来、これらの用途には、主として、Ni-Znフェライト、Ni-Cu-Znフェライトが用いられていた。Ni-Znフェライト、Ni-Cu-Znフェライトは、高比抵抗であるという利点を有するものの、応力を受けると透磁率が変動するという問題があり、上記要求を満足することができなかった。

Ni-Znフェライト、Ni-Cu-Znフェライトに代わる高周波材料として、Liフェライトの応用が提案(特許文献1)されている。
特公平4-3089号公報

Liフェライトは、磁歪定数が小さく、応力下での透磁率変動が小さいことが期待されるものの、BHループの角型性が強いため、直流バイアス磁界印可時に所定の磁束密度変化量を得るため低残留磁束密度である、という要求を満足することができず、DC-DCコンバータ等の電源回路に用いられるインダクタやトランスの材料として使用するのは困難であった。

この発明は、DC-DCコンバータ等の電源回路に用いられるインダクタやトランスの材料に要求される、高周波大振幅励磁で低損失であること、低残留磁束密度であること、応力による透磁率の変動と損失の増加が少ないこと、高比抵抗であることを満足する酸化物磁性材料の提供を目的とし、特に、LiフェライトにおけるBHループの角型性改善を主たる目的とする。

発明者らは、LiフェライトにおけるBHループの角型性を改善できる組成について鋭意研究の結果、Li-Zn-Feフェライトに特定量のBi₂O₃を添加することにより、BHループの角型比が小さい、すなわち、Br-Bs値が大きく、かつ、応力に対する透磁率の変化が小さい酸化物磁性材料が得られることを知見した。

発明者らは、さらにBi₂O₃を添加したLi-Zn-Feフェライトにおいて、ZnOの一部をCuOで置換すると焼成温度の低下と緻密性向上効果があること、Fe₂O₃の一部をMn₂O₃にて置換すると比抵抗の向上効果があることを知見し、この発明を完成した。

すなわちこの発明は、組成式をx(Li_0.5Fe_0.5)O・yZnO・zFe₂O₃と表し、前記組成式におけるx、y、zが、0.05≦x≦0.55、0.05≦y≦0.40、0.40≦z≦0.55、x+y+z=1を満足する酸化物磁性材料に、Bi₂O₃を2質量%〜30質量%添加してなることを特徴とする酸化物磁性材料である。

また、この発明は、上記構成の酸化物磁性材料において、
Bi₂O₃の添加量が6質量%〜20質量%である構成、
ZnOの一部をCuOで置換した構成、
Fe₂O₃の一部をMn₂O₃で置換した構成、
ZnOの一部をCuOで、Fe₂O₃の一部をMn₂O₃した構成、を併せて提案する。

この発明によれば、低損失、高比抵抗であり、応力の影響を受け難いというLiフェライトの特性を維持しながら、BHループの角型比が小さい、すなわち、Br-Bs値を大きくすることができるため、BHループの第一象現における動作、原点動作に関わらず、インダクタンスのばらつきを小さくすることができ、DC-DCコンバータ等の電源回路に用いられるインダクタやトランス用として好適な酸化物磁性材料が得られる。

また、この発明における酸化物磁性材料は、ZnOの一部をCuOで置換することにより、より低い焼成温度での緻密化が可能であり、Fe₂O₃の一部をMn₂O₃にて置換することにより、比抵抗を向上させることができ、この発明による酸化物磁性材料を用いることにより、より高性能で安価なインダクタやトランスの提供が可能になる。

この発明は、Li-Zn-Feフェライトに、特定量のBi₂O₃を添加することを主たる特徴とする。以下に、この発明による酸化物磁性材料の組成の限定理由を詳述する。

組成式x(Li_0.5Fe_0.5)O・yZnO・zFe₂O₃において、xは(Li_0.5Fe_0.5)Oの含有量であり、0.05〜0.55(0.05以上、0.55以下、〜の意味は以下同様)の範囲が好ましい。0.05未満ではキュリー温度の向上が望めず、0.55を超えると初期透磁率が小さく、実用的でないためである。より好ましい範囲は、0.10〜0.50である。

組成式x(Li_0.5Fe_0.5)O・yZnO・zFe₂O₃において、yはZnOの含有量であり、0.05〜0.40の範囲が好ましい。0.05未満では初期透磁率が小さく実用的でなく、0.40を超えるとキュリー温度の向上が望めない。つまり、後述の如く、x+y+z=1であり、かつzの組成範囲が狭いために、yは実質的にxに逆比例することになる。より好ましい範囲は0.10〜0.35である。

ZnOの一部をCuOにて置換することによって、より低い焼成温度での緻密化が可能になる。好ましい置換量は0〜0.5(50%以下)であり、0.5を超えると透磁率が低下するため好ましくない。

組成式x(Li_0.5Fe_0.5)O・yZnO・zFe₂O₃において、zはFe₂O₃の含有量であり、0.40〜0.55の範囲が好ましい。0.40未満では飽和磁束密度やキュリー温度が低下し、大振幅励磁が要求される用途に用いることができなくなり、0.55を超えると比抵抗が低くなり、磁気損失が増大するため好ましくない。なお、zで示す範囲には、前記x(Li_0.5Fe_0.5)OにおけるFeは含まれないものとする。

前記zで示すFe₂O₃の一部をMn₂O₃にて置換することにより、Fe²⁺の生成が抑制され高い比抵抗が得ることができる。好ましい置換量は0〜0.3(30%以下)である。0.3を超えると飽和磁束密度やキュリー温度が低下するため好ましくない。

上述したx、y、zは、組成式x(Li_0.5Fe_0.5)O・yZnO・zFe₂O₃において、x+y+z=1となる。

上述した組成式x(Li_0.5Fe_0.5)O・yZnO・zFe₂O₃からなる酸化物磁性材料に、外枠量として、Bi₂O₃を2質量%〜30質量%添加する。このBi₂O₃の添加がこの発明の特徴であり、この添加により前述の発明の効果を奏することが可能となる。

Bi₂O₃は1質量%程度添加すると、緻密な焼結体が得られることが知られている。この発明では、上述した組成式x(Li_0.5Fe_0.5)O・yZnO・zFe₂O₃からなる酸化物磁性材料に、Bi₂O₃を比較的多量に添加した場合に、BHループの角型比が小さい、すなわち、Br-Bs値の大きな材料が得られることを知見したのである。

Bi₂O₃添加量は、2質量%未満ではその効果が乏しく、30質量%を超えると飽和磁束密度が低下し、Br-Bs値が小さくなるため好ましくない。より好ましい範囲は6質量%〜20質量%である。

この発明による酸化物磁性材料は、例えば以下のような製造方法によって得ることができる。

(1) 出発原料となる炭酸塩粉末と酸化物粉末を、焼結後の組成がx(Li_0.5Fe_0.5)O・yZnO・zFe₂O₃、x、y、zが、0.05≦x≦0.55、0.05≦y≦0.40、0.40≦z≦0.55、x+y+z=1を満足するように秤量し、混合する。

(2) 混合粉末を仮焼する。仮焼温度は800℃〜1000℃が好ましい。仮焼時間は2時間〜5時間が好ましい。また、仮焼雰囲気は大気中あるいは酸素中が好ましい。

(3) 仮焼後の仮焼粉に対して、Bi₂O₃を所定量添加した後、微粉砕する。微粉砕は、純水またはエタノール中で行うことが好ましい。また、粉砕後の粉砕粉の平均粒径は0.5μm〜1.5μmが好ましい。なお、Bi₂O₃は、上述したように仮焼後、微粉砕前に添加することが好ましいが、原料配合段階(前記(1)の工程)あるいは微粉砕後に添加してもよい。

(4) 微粉砕後の粉砕粉を所望の成形手段によって成形する。成形前に、必要に応じて粉砕粉を造粒装置によって造粒してもよい。成形圧力は70MPa〜150MPaが好ましい。

(5) 成形体を焼結する。焼結雰囲気は、大気中あるいは酸素雰囲気中が好ましく、焼結温度は800℃〜1050℃、特に850℃〜1000℃が好ましく、焼結時間は2〜5時間が好ましい。

最終的な狙い組成が表1に示す組成となるように、出発原料となる炭酸塩粉末と酸化物粉末を秤量、混合し、大気中で900℃×3時間仮焼した。得られた仮焼粉に対して、外枠量でBi₂O₃を0.5〜40質量%添加し、ボールミルで湿式粉砕した後、乾燥した。

得られた粉末にポリビニルアルコール7質量%溶液を14質量%添加し、造粒を行って造粒粉となし、該造粒粉を外径9mm×内径4mm×厚み3mmのリング状と、30mm×20mm×厚み5mmの板状に、成形圧力14.7×10⁴kPaで成形し、得られた成形体を大気中で930℃×3時間の焼結を施した。

得られたリング状焼結体に巻き線を施し、直流BHトレーサーで飽和磁束密度と残留磁束密度を測定した。また、板状焼結体より8mm×4mm×厚み2mmの額縁状の試料を切り出し、該試料に巻き線を施し、一軸で35MPaで加圧し、加圧前後の初期透磁率を測定した。

上記測定結果を、表2及び図1〜図4に示す。図1〜図3は表2のデータをグラフ化したものであり、図1は試料番号1〜8、図2は試料番号9〜16、図3は試料番号17〜24に対応する。図4は加圧による透磁率の変化率を示すグラフである。なお、上記測定における加圧力35MPaは、積層型インダクタにおいて内部導体からフェライトが受ける応力値に相当する。

表1及び図1〜図4から明らかなように、Bi₂O₃の添加量が2.0質量%〜30質量%の範囲で、応力に対する透磁率の変化が小さい状態を維持しながら、高いBr-Bs値が得られていることが分かる。特に、添加量が6.0質量%〜20質量%の範囲でそれが顕著である。

この発明による酸化物磁性材料は、実施例に示すごとく、DC-DCコンバータ等の電源回路に用いられるインダクタやトランスの材料として好適な特性を有しているである。

この発明による酸化物磁性材料のBi₂O₃添加量とBr/Bs及びBs-Brの関係を示すグラフである。この発明による酸化物磁性材料のBi₂O₃添加量とBr/Bs及びBs-Brの関係を示すグラフである。この発明による酸化物磁性材料のBi₂O₃添加量とBr/Bs及びBs-Brの関係を示すグラフである。この発明による酸化物磁性材料のBi₂O₃添加量と-μ/μの関係を示すグラフである。

Claims

組成式をx(Li_0.5Fe_0.5)O・yZnO・zFe₂O₃と表し、前記組成式におけるx、y、zが、0.05≦x≦0.55、0.05≦y≦0.40、0.40≦z≦0.55、x+y+z=1を満足する酸化物磁性材料に、Bi₂O₃を2質量%〜30質量%添加してなる酸化物磁性材料。
Bi₂O₃の添加量が6質量%〜20質量%である請求項1に記載の酸化物磁性材料。
ZnOの一部をCuOで置換した請求項1又は請求項2に記載の酸化物磁性材料。
Fe₂O₃の一部をMn₂O₃で置換した請求項1又は請求項2に記載の酸化物磁性材料。
ZnOの一部をCuOで、Fe₂O₃の一部をMn₂O₃した請求項1又は請求項2に記載の酸化物磁性材料。