JP5019023B2 - Mn−Zn系フェライト材料 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば電源トランス等の磁心に用いられる、1MHz以上、特に2MHz以上の高周波域で用いるのに適したMn−Zn系フェライト材料に関するものである。
近年電気機器の小型化の進展が著しい。それに伴い各種電気機器に搭載される電源においても更なる小型化が求められている。一般にトランスを正弦波で駆動する場合、磁束密度BはB=(E/4.44NAf)×10と表される。前記式においてEは印加電圧[V]、Nは1次側巻き線数、Aは磁心断面積[cm]、fは駆動周波数[Hz]である。前記式から明らかなように、トランスの小型化には駆動周波数の高周波化が有効であり、そのため近年においては数MHzという高い周波数での使用に耐えうる高性能な磁心が求められている。
現在、電源トランス等で最も多く用いられている磁心の材料として、Mn−Zn系フェライト材料が挙げられる。この材料は確かに100kHz程度の低周波域においては透磁率が高く、かつ損失(コア損失)が低く、磁心材料として重要な特性を満足するものである。しかしながらこのフェライト材料は駆動周波数が数MHzと高い場合には損失が著しく増大し、駆動周波数の高周波化が進む昨今においては使用に供されることが困難である。この問題に対し、特開平6−310320号公報(特許文献1)、特開平7−130527号公報(特許文献2)などではMn−Zn系フェライト材料に対し添加成分として種々の酸化物を含有させることにより300kHz−数MHzにおいて低損失を示す磁性材料が開示されている。これに対し高周波数における低損失特性が不十分であるとして、特開平10−340807号公報(特許文献3)においてFe:52〜55mol%、CoO:0.4〜1mol%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系フェライト材料が提案されている。
特開平6−310320号公報 特開平7−130527号公報 特開平10−340807号公報
ところで、このようなMn−Zn系フェライト材料においては、通常、その損失の低いことが要求されるが、用途によっては、損失低減よりも、磁場劣化が少ないことが要求されることがある。
磁場劣化とは、1MHz以上といった高周波領域で顕著な現象であり、焼結後に磁場を印加すると、電力損失が増大し、これとともにインダクタンスが増大するというものである。この現象は、印加された磁場によって磁区構造が変化し、誘導磁気異方性が低下するためと考えられる。
このような磁場劣化は、スイッチング電源のメイントランスやチョーク、あるいは電源用トランス等においては、特に安定性が要求されるため、上記のような磁場劣化をなるべく抑えることが望まれる。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、1MHz以上の高周波域で、磁場劣化の少ないMn−Zn系フェライト材料を提供することを目的とする。
本発明者らが鋭意検討を行った結果、磁場劣化を抑えるには、Mn−Zn系フェライト材料の陽イオン欠陥量(δ、以下の式(1)で定義される)を調整するのが有効であることを見出した。
(Zn 2+,Ti 4+,Mn 2+,Mn 3+,Fe 2+,Fe 3+,Co 2+,Co 3+4+δ…組成式(1)
ただし、a+b+c+d+e+f+g+h=3、δ=a+2b+c+(3/2)d+e+(3/2)f+g+(3/2)h−4、[g:h=1:2]
本発明者等の検討によると、1MHz以上、特に2MHz以上の高周波域において磁場劣化を低減するためには、陽イオン欠陥量δが所定の範囲にあることが有利であることを知見した。本発明はこの知見に基づくものであり、主成分として、Fe:53〜54mol%、ZnO:1〜7mol%、残部:MnOを含み、副成分として、CoをCo 換算で0.15〜0.65wt%、SiをSiO換算で0.01〜0.045wt%、CaをCaCO換算で0.05〜0.40wt%を含み、下記フェライト組成式(1)におけるδ値(陽イオン欠陥量)が、3×10−3≦δ≦7×10−3であることを特徴とするMn−Zn系フェライト材料である。
さらに、本発明者等は、陽イオン欠陥量δのコントロールとともに、Mn−Zn系フェライト材料の平均結晶粒径を、ある範囲内に納めるのが重要であることも見出した。すなわち、本発明におけるMn−Zn系フェライト材料の平均結晶粒子径は、8μmより大きく15μm以下である。
本発明のMn−Zn系フェライト材料において、δ値は3×10−3≦δ<5×10−3であることが好ましい。
また本発明の本発明のMn−Zn系フェライト材料において、室温から125℃における温度範囲において、励磁磁束密度50mT、測定周波数2MHzにおける電力損失が3000[kW/m]以下であり、かつ磁場劣化率が100%以下であるのが好ましい。ここで磁場劣化率とは、飽和磁束密度程度まで励磁させた直後における電力損失の、励磁前の電力損失に対する増加率であり、励磁直後(磁場劣化後)の電力損失をPcvr、励磁前の初期の電力損失をpcvとしたとき、
〔Pcvr−Pcv〕/〔Pcv〕×100〔%〕
で表される。
本発明によれば、1MHz以上の高周波域で、磁場劣化の少ないMn−Zn系フェライト材料を提供するがことでき、安定性に優れたトランス等を実現することが可能となる。
本発明によるMn−Zn系フェライト材料は上述したように、組成式(1)で示される陽イオン欠陥量δが、3×10−3≦δ≦7×10−3の条件を満たす。1MHz以上の高周波域においては、陽イオン欠陥量δが、3×10−3未満になると、高温での損失Pcvが大きくなってしまう。また、陽イオン欠陥量δが7×10−3を超えると、磁場劣化率が大きくなり、磁場が印加されたときの安定性が損なわれる。本発明における好ましい陽イオン欠陥量δは3×10−3≦δ<5×10−3、さらに好ましい陽イオン欠陥量δは3×10−3≦δ≦4.5×10−3である。
陽イオン欠陥量δは、焼成時の酸素分圧POによって変動し、酸素分圧POを高くすると陽イオン欠陥量δを多くすることができる。
また、本発明によるMn−Zn系フェライト材料は、その粒径(平均結晶粒子径)Dが8μmよりも大きく、かつ15μm以下であるという条件を満たす。1MHz以上の高周波域においては、結晶粒径Dが8μm以下になると、磁場劣化率が大きくなり、磁場が印加されたときの安定性が損なわれる。また、結晶粒径Dが15μmよりも大きくなると、高温での損失Pcvが大きくなってしまう。本発明における好ましい結晶粒径Dは12μm≦D≦15μm、さらに好ましい結晶粒径Dは13μm≦D≦15μmである。
次に、本発明によるMn−Zn系フェライト材料の組成限定理由について詳述する。
Fe:53〜54mol%
Feは本発明のMn−Zn系フェライト材料の主成分をなす必須の構成であり、その量が少なすぎても、また多すぎても高温での損失Pcvが大きくなってしまう。また、その量が54mol%を超えると、後述する実施例3で示すように、磁場劣化率が増大してしまう。したがって本発明では、F53〜54mol%とする。
ZnO:1〜7mol
ZnOも本発明のMn−Zn系フェライト材料の主成分をなすものである。ZnOの量によってMn−Zn系フェライト材料の周波数特性を制御することができる。即ち、ZnO量が少ないほど、高周波域での損失Pcvが小さくなる。ZnOが7mol%を超えた場合、2MHz以上の高周波域における損失Pcvが劣化するため、ZnOの上限を7mol%とした。また、ZnO量がmol%を下回ると、磁場劣化率が大きくなり、磁場が印加されたときの安定性が損なわれる好ましいZnO量は2〜7mol%、さらに好ましいZnO量は5〜7mol%である。
本発明によるMn−Zn系フェライト材料は、FeおよびZnOの残部として他にMn酸化物を主成分として含む。Mn酸化物としては、MnO、Mnを用いることができる。
本発明のMn−Zn系フェライト材料は、上記主成分の他に以下の副成分を含む。これら副成分を最適化することにより、高周波域における損失の低減および損失の温度特性が制御されている。
Co:Co換算で0.15〜0.65wt%(1500〜6500ppm)
Co量が少なすぎると、損失Pcvの低減効果が十分に得られないため下限をCo換算で0.15wt%とする。また、Co量を増大させると、磁場劣化率が増大する。よって、CoはCo 換算で0.65wt%以下とする。好ましいCo量はCo換算で0.15〜0.50wt%、さらに好ましいCo量はCo換算で0.15〜0.30wt%である。
Si:SiO換算で0.01〜0.045wt%
Siは結晶粒界に偏析して粒界抵抗を増大させ電流損失を低減させる効果がある。この効果により高周波域における損失を低減させる効果が得られる。この効果を得るために、SiをSiO換算で0.01wt%以上添加する。しかしながら、Siの過剰な添加は異常粒成長を誘発する。そのため、SiはSiO換算で0.045wt%以下とする。好ましいSi量はSiO換算で0.01〜0.03wt%、さらに好ましいSi量はSiO換算で0.01〜0.02wt%である。
Ca:CaCO換算で0.05〜0.40wt%
Caは結晶粒界に偏析して粒界抵抗を増大させ電流損失を低減させる効果、異常粒成長を抑える効果がある。この効果を得るために、CaをCaCO換算で0.05wt%以上添加する。しかしながら、Caの過剰な添加は高周波粋における損失を増大させるため、CaはCaCO換算で0.40wt%以下とする。好ましいCa量はCaCO換算で0.10〜0.30wt%、さらに好ましいCa量はCaCO換算で0.10〜0.20wt%である。
以下、本発明のMn−Zn系フェライト材料の製造に好適な方法について説明する。
主成分の原料としては、酸化物又は加熱により酸化物となる化合物の粉末を用いる。具体的には、Fe粉末、Mn粉末およびZnO粉末等を用いることができる。用意する各原料粉末の平均粒径は0.1〜3μmの範囲で適宜選択すればよい。
主成分の原料粉末を湿式混合した後、仮焼きを行う。仮焼きの温度は800〜1000℃とし、また雰囲気はN〜大気の間で行えばよい。仮焼きの安定時間は0.5〜5時間の範囲で適宜選択すればよい。仮焼き後、仮焼き体を例えば、平均粒径0.5〜2μm程度まで粉砕する。なお、上述の主成分の原料に限らず、2種以上の金属を含む複合酸化物の粉末を主成分の原料としてもよい。例えば、塩化鉄、塩化マンガンを含有する水溶液を酸化培焼することによりFe、Mnを含む複合酸化物の粉末が得られる。この粉末とZnO粉末を混合して主成分原料としてもよい。このような場合には、仮焼きは不要である。
本発明のMn−Zn系フェライト材料には、主成分の他に上述した副成分を添加する。これら副成分の原料粉末は、仮焼き後に粉砕された主成分の粉末と混合される。ただし、主成分の原料粉末と混合した後に、主成分とともに仮焼きすることもできる。
主成分および副成分からなる混合粉末は、後の成形工程を円滑に実行するために顆粒に造粒することができる。造粒は例えばスプレードライヤを用いて行うことができる。混合粉末に適当なバインダ、例えばポリビニルアルコール(PVA)を少量添加し、これをスプレードライヤで噴霧、乾燥する。得られる顆粒の粒径は80〜200μm程度とすることが望ましい。
得られた顆粒は、所定形状の金型を有するプレスを用いて所望の形状に成形され、この成形体は焼成工程に供される。焼成は1050〜1350℃の温度範囲で2〜10時間程度保持する。この焼成雰囲気、特に安定温度における酸素分圧POを調整することにより陽イオン欠陥量δ又はFe2+/Feを変動させることができる。主成分の組成、焼成温度によっても変わるが、陽イオン欠陥量δを3×10−3≦δ≦7×10−3とするには、安定温度における酸素分圧POを0.1〜3%程度とすればよい。
また、安定温度を調整することにより、Mn−Zn系フェライト材料の平均結晶粒径を変動させることができる。安定温度を上げれば、粒成長が進み、平均結晶粒径を増大させることができる。また、同一の安定温度であっても、SiO、CaC 量を減らすことで、粒成長を促進させることができ、これによっても平均結晶粒径の調整を行うことができる。
上記のような条件を満足するMn−Zn系フェライト材料によれば、室温から125℃における温度範囲において、励磁磁束密度50mT、測定周波数2MHzにおける電力損失が3000[kW/m]以下であり、かつ磁場劣化率が100%以下とした、磁場劣化の少ない材料を実現することができる。
主成分の原料としてFe粉末、ZnO粉末およびMnO粉末を、また副成分の原料としてCo粉末、SiO粉末、CaCO粉末を用意し、表1に示す組成となるように秤量した。以後は下記の製造条件および表1に示す焼成条件(保持時間6時間)によりトロイダル形状のMn−Zn系フェライト焼結体(磁心)を作製した。
配合および粉砕用ポット:ステンレスボールミルポット使用
配合および粉砕用メディア:スチールボール使用
配合時間:16時間
仮焼き温度および時間:850℃、3時間
粉砕時間:16時間
成形:成形体密度3g/cm
試料寸法:T10形状(外形20mm、内径10mm、高さ5mmのトロイダル形状)
[陽イオン欠陥量δ]
以上で得られた焼結体について陽イオン欠陥量δを以下の方法により上記組成式(1)に基づいて求めた。
すなわち、δ値の算出は、組成分析と、Fe2+とMn3+の定量によって行う。組成分析については、上記焼結体を粉砕し、粉末状にした後、蛍光X線分析装置(リガク(株)製、サイマルティック3530)を用いガラスビード法によって測定した。Fe2+とMn3+の定量は、上記焼結体を粉砕、粉末状にし、酸に溶解後、KCr溶液により、電位差滴定を行ない定量した。その他、Zn2+、Ti4+、Co2+、3+については、組成分析より得られたZnが全て2価のイオン、Tiが全て4価のイオン、Coが2価と3価が1対2の比率で存在するものと仮定している。また、Fe3+、Mn2+量は、組成分析により得られたFe、Mn量により、上記電位差滴定によって求められたFe2+、Mn3+量をそれぞれ差し引いた値とした。
[初期損失(Pcv)]
以上で得られたトロイダル形状の焼結体に銅線ワイヤーを一次側および二次側共に3ターン巻き付け、B−Hアナライザ(岩崎通信機器(株)製 SY−8217)を用いて初期損失(Pcv)を測定した。なお、励磁磁束密度(Bm)を25〜125mT、測定周波数(f)を2MHzとした。また測定は、恒温槽を用いて行った。
[磁場劣化後損失(Pcvr)]
続いて、前記の焼結体に巻き付けた銅線ワイヤーに、500A/mの直流電流を流し、焼結体に直流磁場を印加する。
このようにして磁場劣化を生じさせた後、前記と同様にして、磁場劣化後の損失(以下、磁場劣化後損失)(Pcvr)を測定した。
そして、磁場劣化率を、
〔磁場劣化後損失(Pcvr)−初期損失(Pcv)〕/〔初期損失(Pcv)〕
という式により算出した。
表1、図1に陽イオン欠陥量δ、初期損失(Pcv)、磁場劣化後損失(Pcvr)の結果を示す。なお、図1は、励磁磁束密度(Bm)を50mTとした場合の結果を示している。
Figure 0005019023
表1および図1に示すように、陽イオン欠陥量δが大きいほど、損失Pcvが小さくなる傾向にある。これに対し、磁場劣化率は、陽イオン欠陥量δが大きいほど大きくなる。そして、本発明の陽イオン欠陥量δとすることにより、磁場劣化率を低く抑えることが可能となる。これらの結果より、好ましい陽イオン欠陥量δは3×10−3≦δ≦7×10−3、より好ましい陽イオン欠陥量δは3×10−3≦δ≦5×10−3、さらに好ましい陽イオン欠陥量δは3×10−3≦δ≦4.5×10−3であることがわかる。
焼結体の平均結晶粒径を表2に示すものとした以外は、実施例1と同様にして焼結体を作製した。この焼結体について実施例1と同様の測定を行った。その結果を表2および図2に示す。
表2および図2より、また、図2に平均結晶粒径と損失Pcvとの関係を示す。表2および図2より、平均結晶粒径が8μm以下になると、磁場劣化率が大きくなる。また、平均結晶粒径が15μmよりも大きくなると、高温での損失Pcvが大きくなってしまう。これらの結果より、好ましい平均結晶粒径は、8μmよりも大きく、かつ15μm以下であり、より好ましい平均結晶粒径は12μm以上15μm以下、さらに好ましい平均結晶粒径は13μm以上15μm以下である。
Figure 0005019023
主成分、副成分の組成を表3に示すものとした以外は、実施例1と同様にして焼結体を作製した。この焼結体について実施例1と同様の測定を行った。その結果を表3に示す。また、図3にFe量と磁場劣化率との関係を示す。表3および図3より、Fe量が53mol%未満又は54mol%を超えると、磁場劣化率が増大してしまう
Figure 0005019023
主成分、副成分の組成を表4に示すものとした以外は、実施例1と同様にして焼結体を作製した。この焼結体について実施例1と同様の測定を行った。その結果を表4に示す。また、図4にZnO量と磁場劣化率との関係を示す。表4および図4より、ZnO量が多くなると損失Pcvが大きくなることがわかる。損失Pcv(125℃、2MHz、50mT)を3000kW/m以下にするには、ZnOを7mol%以下とすることが必要である。また、ZnO量が減ると磁場劣化率が増大してしまう。磁場劣化率を低減するには、ZnOは2〜7mol%以下とすることが好ましく、5〜7mol%以下とすることがさらに好ましい。
Figure 0005019023
主成分、副成分の組成を表5に示すものとした以外は、実施例1と同様にして焼結体を作製した。この焼結体について実施例1と同様の測定を行った。その結果を表5に示す。また、図5にCo量と磁場劣化量との関係を示す。表5および図5が示す結果より、Coを添加することにより、損失Pcvを低くすることができるが、Co量を増大させると、磁場劣化率が増大する。よって、CoはCo換算で0.65wt%以下とする。好ましいCo量はCo換算で0.15〜0.50wt%、さらに好ましいCo量はCo換算で0.15〜0.30wt%である。
Figure 0005019023
主成分、副成分の組成を表6に示すものとした以外は、実施例1と同様にして焼結体を作製した。この焼結体について実施例1と同様の測定を行った。その結果を表6に示す。また、図6にSiO量と磁場劣化との関係を示す。表6および図6が示す結果より、SiOを添加することにより、損失Pcvを低くすることができるが、Si量を過度に増大させると異常粒成長が生じる。よって、SiはSiO換算で0.045wt%以下とする。好ましいSi量はSiO換算で0.01〜0.03wt%、さらに好ましいSi量はSiO換算で0.01〜0.02wt%である。
Figure 0005019023
主成分、副成分の組成を表7に示すものとした以外は、実施例1と同様にして焼結体を作製した。この焼結体について実施例1と同様の測定を行った。その結果を表7に示す。また、図7にCaCO量と磁場劣化率との関係を示す。表7および図7が示す結果より、CaCOを添加することにより、磁場劣化率を低くすることができる。CaCO量は0.05〜0.40wt%とすることにより、125℃、2MHzにおける損失Pcvを2000kW/m以下とすることができる。
CaはCaCO換算で0.40wt%以下とする。また、CaCOを過度に減らすと異常粒成長が生じるため、好ましいCa量はCaCO換算で0.10〜0.30wt%、さらに好ましいCa量はCaCO換算で0.10〜0.20wt%である。
Figure 0005019023
陽イオン欠陥量δと磁場劣化率との関係を示すグラフである。 平均結晶粒径と磁場劣化率との関係を示すグラフである。 Fe量と磁場劣化率との関係を示すグラフである。 ZnO量と磁場劣化率との関係を示すグラフである。 Co 量と磁場劣化率との関係を示すグラフである。 SiO量と磁場劣化率との関係を示すグラフである。 CaCO量と磁場劣化率との関係を示すグラフである。

Claims (3)

  1. 主成分として、
    Fe:53〜54mol%、
    ZnO:1〜7mol%、
    残部:MnOを含み、
    副成分として、
    CoをCo 換算で0.15〜0.65wt%、
    SiをSiO換算で0.01〜0.045wt%、
    CaをCaCO換算で0.05〜0.40wt%を含み、
    下記フェライト組成式(1)におけるδ値(陽イオン欠陥量)が、3×10−3≦δ≦7×10−3であり、
    かつ平均結晶粒子径が8μmより大きく15μm以下であることを特徴とするMn−Zn系フェライト材料。
    (Zn 2+,Ti 4+,Mn 2+,Mn 3+,Fe 2+,Fe 3+,Co 2+,Co 3+4+δ…組成式(1)
    ただし、a+b+c+d+e+f+g+h=3、δ=a+2b+c+(3/2)d+e+(3/2)f+g+(3/2)h−4、[g:h=1:2]
  2. 前記δ値が、3×10−3≦δ<5×10−3であることを特徴とする請求項1に記載のMn−Zn系フェライト材料。
  3. 室温から125℃における温度範囲において、励磁磁束密度50mT、測定周波数2MHzにおける電力損失が3000[kW/m]以下であり、
    かつ飽和磁束密度程度まで励磁させ直後における電力損失の、励磁前の電力損失に対する増加率である磁場劣化率が100%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のMn−Zn系フェライト材料。
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