JP5716381B2 - フェライト材料 - Google Patents

Description

本発明は、高温域において、飽和磁束密度が高く、かつコアロスが低く、また、コア強度の高いフェライト材料に関する。

近年、各種電子機器の小型化および高出力化が進んでいる。それに伴い、各種部品の高集積化および高速処理化が進み、電力を供給する電源ラインの大電流化が要求されている。トランス、チョークコイルといった部品に対しても大電力での駆動が求められており、さらに自動車等使用環境の高温化や、駆動時の発熱による温度上昇から、１００℃近傍での安定駆動が求められている。

また、フェライトコアの小型・薄型化に伴い、高強度化も求められている。

大電流駆動に対応するために、フェライト磁心に対しては、高温、例えば１００℃以上での高飽和磁束密度が要求される。これに対応するために、例えば、特許文献１では、ＭｎＺｎフェライトのＦｅ_２ Ｏ_３ 量を増量させることにより、飽和磁束密度が４５０ｍＴ以上、コアロスの最小値が１２００ｋＷ／ｍ^３ のフェライト材料を得ている。特許文献２、特許文献３、特許文献４でも特許文献１と同様の高飽和磁束密度フェライト材料の提案がなされている。しかしながら、これらのフェライト材料ではコアの小型・薄型化に伴い重要となるコア強度の向上は達成されていない。

特許第４２８１９９号 特開２００４−２１７４５２号公報 特開２００５−０２９４１６号公報 特開２００５−０２９４１７号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、高温域において、飽和磁束密度が高く、かつコアロスが低く、また、コア強度の高いフェライト材料を提供することである。

本発明者らは、上記目的を達成するために、鋭意検討を行った結果、フェライト材料を構成する焼結体の成分およびその量を選択することにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本実施形態のフェライト材料は、
酸化鉄、酸化亜鉛および酸化マンガンを含む主成分と、酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ニオブ、酸化ジルコニウムおよび酸化モリブデンを含む副成分と、を有する焼結体から構成されるフェライト材料であって、
前記主成分１００モル％中の各酸化物の含有量が、
酸化鉄：Ｆｅ_２ Ｏ_３ に換算して６３〜６８モル％、
酸化亜鉛：ＺｎＯに換算して１２〜２０モル％、
酸化マンガン：残部であり、
前記焼結体中の各副成分の含有量が、
酸化ケイ素：ＳｉＯ_２ に換算して５０〜２００重量ｐｐｍ、
酸化カルシウム：ＣａＣＯ_３ に換算して５００〜２０００重量ｐｐｍ、
酸化ニオブ：Ｎｂ_２ Ｏ_５ に換算して１００〜５００重量ｐｐｍ、
酸化ジルコニウム：ＺｒＯ_２ に換算して１００〜５００重量ｐｐｍ、
酸化モリブデン：ＭｏＯ_３ に換算して１００〜５００重量ｐｐｍであるフェライト材料である。

好ましくは、前記フェライト材料は、前記焼結体の平均結晶粒径が１２〜２２μｍであり、かつ前記焼結体の結晶粒度分布の標準偏差が１３以下である。

本発明によれば、高温域において、飽和磁束密度が高く、かつコアロスが低く、また、コア強度の高いフェライト材料を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。

フェライト材料
本実施形態に係るフェライト材料は、主成分と副成分と、を有する焼結体から構成される。
前記主成分は、酸化鉄、酸化亜鉛および酸化マンガンを含む。
前記副成分は、酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ニオブ、酸化ジルコニウムおよび酸化モリブデンを含む。

前記主成分１００モル％中の酸化鉄の含有量は、Ｆｅ_２ Ｏ_３ に換算して６３〜６８モル％である。酸化鉄の含有量がこの範囲内に含まれることにより、飽和磁束密度が高く、かつコアロス低くなる傾向となる。なお、酸化鉄の含有量は好ましくは６４〜６８モル％、より好ましくは６４．５〜６７．５モル％である。

前記主成分１００モル％中の酸化亜鉛の含有量は、ＺｎＯに換算して１２〜２０モル％である。酸化亜鉛の含有量がこの範囲内に含まれることにより、飽和磁束密度が高く、かつコアロスが低くなる傾向となる。なお、酸化亜鉛の含有量は好ましくは１２．５〜１９．５モル％、より好ましくは１３〜１９モル％である。

前記主成分１００モル％中の酸化マンガンの含有量は、酸化鉄および酸化亜鉛の残部である。主成分中に酸化マンガンを含有することにより、飽和磁束密度が高く、かつコアロスが低くなる傾向となる。なお、酸化マンガンの含有量は、ＭｎＯに換算して、好ましくは１２〜２２．５モル％、より好ましくは１３〜２２モル％である。

前記焼結体中の前記酸化ケイ素の含有量は、ＳｉＯ_２ に換算して５０〜２００重量ｐｐｍである。酸化ケイ素の含有量がこの範囲内に含まれることにより、飽和磁束密度が高くなり、かつコアロスが低くなる傾向となる。なお、酸化ケイ素の含有量は好ましくは５５〜１９０重量ｐｐｍ、より好ましくは６０〜１８０重量ｐｐｍである。

前記焼結体中の酸化カルシウムの含有量は、ＣａＣＯ_３ に換算して５００〜２０００重量ｐｐｍである。酸化カルシウムの含有量がこの範囲内に含まれることにより、飽和磁束密度が高くなり、かつコアロスが低くなる傾向となる。なお、酸化カルシウムの含有量は好ましくは５５０〜１９００重量ｐｐｍ、より好ましくは６００〜１８００重量ｐｐｍである。

前記焼結体中の酸化ニオブの含有量は、Ｎｂ_２ Ｏ_５ に換算して１００〜５００重量ｐｐｍである。酸化ニオブの含有量がこの範囲内に含まれることによりに、飽和磁束密度が高くなり、かつコアロスが低くなる傾向となる。なお、酸化ニオブの含有量は好ましくは１００〜４５０重量ｐｐｍ、より好ましくは１００〜４００重量ｐｐｍである。

前記焼結体中の酸化ジルコニウムの含有量は、ＺｒＯ_２ に換算して１００〜５００重量ｐｐｍである。酸化ジルコニウムの含有量がこの範囲内に含まれることにより、平均結晶粒径が小さくなるとともに、平均結晶粒径の標準偏差も小さくなり、これにより、コア強度が高くなる傾向となる。なお、酸化ジルコニウムの含有量は、好ましくは１００〜４５０重量ｐｐｍであり、より好ましくは１００〜４００重量ｐｐｍである。

前記焼結体中の酸化モリブデンの含有量は、ＭｏＯ_３ に換算して１００〜５００重量ｐｐｍである。酸化モリブデンの含有量がこの範囲内に含まれることにより、平均結晶粒径が小さくなるとともに、平均結晶粒径の標準偏差も小さくなり、これによりコア強度が高くなる傾向となる。さらに酸化モリブデンの含有量がこの範囲内に含まれることにより、コアロスが低くなる傾向となる。

また、前記焼結体中の酸化ジルコニアの含有量と酸化モリブデンの含有量の合計は、好ましくは２００〜７５０重量ｐｐｍであり、より好ましくは２５０〜７００重量ｐｐｍである。酸化ジルコニアの含有量と酸化モリブデンの含有量の合計がこの範囲内含まれることにより、焼結体結晶粒径が均一になる傾向となる。

さらに、前記焼結体中の酸化モリブデンの含有量に対する前記焼結体中の酸化ジルコニアの含有量の重量比を、αで表わしたとき、αは０．４〜４．０であることが好ましく、より好ましくは０．４３〜４．０である。αがこの範囲内に含まれることにより、焼結体結晶粒径が均一傾向となる。

本実施形態フェライト材料を構成する焼結体には、上記主成分及び副成分の他に、不可避的不純物元素の酸化物が含まれ得る。

本実施形態によるフェライト材料を構成する焼結体の平均結晶粒径は、１２〜２２μｍの範囲とすることが好ましく、より好ましくは１３〜２２μｍ、さらに好ましくは１５〜２２μｍである。また、前記焼結体の結晶粒度分布の標準偏差は１３以下であることが好ましく、より好ましくは１２以下、さらに好ましくは１１以下である。平均結晶粒径と結晶粒度分布のこの範囲内にすることで、コア強度が高くなる傾向となる。

なお、本発明において、フェライトを構成する粒子の平均結晶粒径は、たとえば、以下に説明する方法により、測定することが可能である。まず、画像解析によりフェライトを構成する個々の粒子の断面積を求める。次いで、個々の粒子の断面積と同じ断面積を有する円の直径の長さを求める。そして、この直径の値にπ／２を乗じることにより算出される値を、個々の粒子の結晶粒径とし、この平均を計算することにより、平均結晶粒子径を算出する。すなわち、この方法においては、粒子の形状を球と仮定することにより平均結晶粒径を算出する。

製造方法
次に、本実施形態に係るフェライト材料の製造方法の一例を説明する。

主成分の原料としては、酸化物また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_２ Ｏ_３ 粉末、Ｍｎ_３ Ｏ_４ 粉末およびＺｎＯ粉末等を用いることができる。各原料粉末の平均粒径は０．１〜３．０μｍ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℃の範囲内での所定温度で、また雰囲気はＮ_２ 〜空気の間で行えばよい。仮焼きの安定時間は０．５〜５．０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０．５〜２．０μｍ程度まで粉砕する。なお、本実施形態では、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。

同様に副成分の原料として、酸化物または加熱により酸化物となる化合物の粉末を用いることもできる。具体的には、ＳｉＯ_２ 、ＣａＣＯ_３ 、Ｎｂ_２ Ｏ_５ 、ＺｒＯ_２ 、ＭｏＯ_３ 等を用いることができる。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に供することもできる。

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される。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。混合粉末に適当な結合材、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、例えば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。

焼成工程においては、焼成温度と焼成雰囲気を制御する必要がある。

焼成温度は１２５０〜１４５０℃の範囲から適宜選択することができるが、本実施形態のフェライト材料の効果を十分引き出すには、１３００〜１４００℃の範囲で焼成することが望ましい。

このような工程を経て、本実施形態に係るフェライト材料は製造される。

製造されたフェライト材料は、トランスまたはチョークコイルなどの電子部品に適用される。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

次に、本発明の実施の形態をより具体化した実施例を挙げ、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

表１および表２に示す組成を有するフェライトコアを作製した。
主成分の原料には、Ｆｅ_２ Ｏ_３ 粉末、ＺｎＯ粉末およびＭｎＯ粉末を用い、これらを湿式混合した後、９００℃で２時間仮焼した。

次いで、主成分の原料の仮焼物と副成分の原料とを混合した。副成分の原料には、ＳｉＯ_２ 粉末、ＣａＣＯ_３ 粉末、Ｎｂ_２ Ｏ_５ 粉末、ＺｒＯ_２ 粉末、ＭｏＯ_３ 粉末を用いた。主成分原料の仮焼物に副成分の原料を添加して、粉砕しながら混合した。粉砕は、仮焼物の平均粒径が約１．５μｍとなるまで行った。得られた混合物にバインダを加え、顆粒化した後、成形してトロイダル形状の成形体を得た。

得られた成形体を酸素分圧制御下において、温度１３５０℃（安定部５時間、安定部酸素分圧１％）で焼成することにより、外径３０ｍｍ、内径１９ｍｍ、高さ６ｍｍのトロイダル形状の焼結体（フェライトコアサンプル）を得た。

得られたフェライトコアサンプルについて、飽和磁束密度、コアロス、平均結晶粒径、結晶粒度分布の標準偏差、曲げ強度を以下のとおり測定し、または算出した。結果を表１または表２に示す。

飽和磁束密度（Ｂｓ）の測定
得られたフェライトコアサンプルに巻線をした試料を用いて、１００℃において、理研電子社製 Ｂ−Ｈカーブトレーサーにて１１９４Ａ／ｍの磁場を印加したときの飽和磁束密度を測定した（単位：ｍＴ）。なお、巻線は、二次巻線として、線径０．３５ｍｍの銅製ワイヤーを３０回巻き回し、さらに、その上に一次巻線として線径０．６ｍｍの銅製ワイヤーを６５回巻き回すことにより行った。飽和磁束密度は、４８０ｍＴ以上を良好とした。

コアロス（Ｐｃｖ）の測定
得られたフェライトコアサンプルに、１次巻線及び２次巻線を５回ずつ巻回し、１００ｋＨｚ、２００ｍＴ、１００℃の条件で測定した（単位：ｋＷ／ｍ^３ ）。測定は、ＩＷＡＴＳＵ社製 ＳＹ−８２１７ Ｂ−Ｈ アナライザー、 ＮＦ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ社製 ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＰＯＷＥＲ ＡＭＰＬＩＦＩＥＲ ＩＥ−１１２５にて行った。コアロスは１１００ｋＷ／ｍ^３ 未満を良好とした。

平均結晶粒径の測定と結晶粒度分布の標準偏差の算出
得られたフェライトコアサンプルにおいて、２５００μｍ^２以上の範囲について、以下の測定を行うことにより平均結晶粒径の算出を行った。
すなわち、まず、結晶粒子のピクセル数を面積に変換する方法による画像解析により個々の結晶粒子の断面積を求めた。次いで、個々の粒子の断面積と同じ断面積を有する円の直径の長さを求めた。そして、この直径の値にπ／２を乗じることにより算出される値を、個々の粒子の結晶粒径とし、この平均を計算することにより、平均結晶粒径を算出した。また、これらの個々の粒子の結晶粒径から結晶粒度分布の標準偏差を求めた。

曲げ強度
ＪＩＳ−Ｒ１６０１に準拠した抗折試験（３点曲げ抗折強度の測定）を精密荷重測定装置を用いて行った。曲げ強度は、１００ＭＰａ以上を良好とした。

試料１〜３より、主成分１００モル％中のＦｅ_２ Ｏ_３ の含有量が６３〜６８モル％の場合は（試料２、３）、Ｆｅ_２ Ｏ_３ の含有量が６２．５モル％の場合（試料１）に比べて、飽和磁束密度と曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料２〜４より、主成分１００モル％中のＦｅ_２ Ｏ_３ の含有量が６３〜６８モル％の場合は（試料２、３）、Ｆｅ_２ Ｏ_３ の含有量が６８．３モル％の場合（試料４）に比べて、コアロスが低くなり、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料５〜７より、主成分１００モル％中のＺｎＯの含有量が１２〜２０モル％の場合は（試料６、７）、ＺｎＯの含有量が１１．５モル％の場合（試料５）に比べて、コアロスが低くなり、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料６〜８より、主成分１００モル％中のＺｎＯの含有量が１２〜２０モル％の場合（試料６、７）は、ＺｎＯの含有量が２１．０モル％の場合（試料８）に比べて、飽和磁束密度が高くなり、コアロスが低くなり、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料９〜１１より、ＳｉＯ_２ の含有量が５０〜２００重量ｐｐｍの場合（試料１０、１１）は、ＳｉＯ_２ の含有量が４０重量ｐｐｍの場合（試料９）に比べて、飽和磁束密度が高くなり、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料１０〜１２より、ＳｉＯ_２ の含有量が５０〜２００重量ｐｐｍの場合（試料１０、１１）は、ＳｉＯ_２ の含有量が２２０重量ｐｐｍの場合（試料１２）に比べて、コアロスが低くなり、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料１３〜１５より、ＣａＣＯ_３ の含有量が５００〜２０００重量ｐｐｍの場合（試料１４、１５）は、ＣａＣＯ_３ の含有量が４００重量ｐｐｍの場合（試料１３）に比べて、飽和磁束密度が高くなり、かつコアロスが低くなり、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料１４〜１６より、ＣａＣＯ_３ の含有量が５００〜２０００重量ｐｐｍの場合（試料１４、１５）は、ＣａＣＯ_３ の含有量が２０８０重量ｐｐｍの場合（試料１６）に比べて、コアロスが低くなり、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料１７〜１９より、Ｎｂ_２ Ｏ_５ の含有量が１００〜５００重量ｐｐｍの場合（試料１８、１９）は、Ｎｂ_２ Ｏ_５ の含有量が８０重量ｐｐｍの場合（試料１７）に比べて、飽和磁束密度が高くなり、かつコアロスが低くなり、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料１８〜２０より、Ｎｂ_２ Ｏ_５ の含有量が１００〜５００重量ｐｐｍの場合（試料１８、１９）は、Ｎｂ_２ Ｏ_５ の含有量が５５０重量ｐｐｍの場合（試料２０）に比べてコアロスが低くなり、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料２１〜２４より、ＺｒＯ_２ の含有量が１００〜５００重量ｐｐｍの場合（試料２３、２４）は、ＺｒＯ_２ の含有量が５０重量ｐｐｍの場合（試料２１、２２）に比べ、平均結晶粒径が小さくなるとともに、結晶粒度分布の標準偏差が小さくなり、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料２３〜２５より、ＺｒＯ_２ の含有量が１００〜５００重量ｐｐｍの場合（試料２３、２４）は、ＺｒＯ_２ の含有量が５５０重量ｐｐｍの場合（試料２５）に比べ、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料２１、２６、２７より、ＭｏＯ_３ の含有量が１００〜５００重量ｐｐｍの場合（試料２７）は、ＭｏＯ_３ の含有量が５０重量ｐｐｍの場合（試料２１、２６）に比べて、平均結晶粒径が小さくなるとともに、結晶粒度分布の標準偏差が小さくなり、曲げ強度が高くなることが確認できた。

試料２７、２８より、ＭｏＯ_３ の含有量が１００〜５００重量ｐｐｍの場合（試料２７）は、ＭｏＯ_３ の含有量が５５０重量ｐｐｍの場合（試料２８）に比べて、平均結晶粒径が小さくなるとともに、結晶粒度分布の標準偏差が小さくなり、曲げ強度が高くなり、さらに、コアロスが低くなることが確認できた。

Claims (1)

1. 酸化鉄、酸化亜鉛及び酸化マンガンを含む主成分と、酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ニオブ、酸化ジルコニウムおよび酸化モリブデンを含む副成分と、を有する焼結体から構成されるフェライト材料であって、
   前記主成分１００モル％中の各酸化物の含有量が、
   酸化鉄：Ｆｅ_２ Ｏ_３ に換算して６３〜６８モル％、
   酸化亜鉛：ＺｎＯに換算して１２〜２０モル％、
   酸化マンガン：残部であり、
   前記焼結体中の各副成分の含有量が、
   酸化ケイ素：ＳｉＯ_２ に換算して５０〜２００重量ｐｐｍ、
   酸化カルシウム：ＣａＣＯ_３ に換算して５００〜２０００重量ｐｐｍ、
   酸化ニオブ：Ｎｂ_２ Ｏ_５ に換算して１００〜５００重量ｐｐｍ、
   酸化ジルコニウム：ＺｒＯ_２ に換算して１００〜５００重量ｐｐｍ、
   酸化モリブデン：ＭｏＯ_３ に換算して１００〜５００重量ｐｐｍであり、
   前記焼結体の平均結晶粒径が１２〜２２μｍであり、かつ前記焼結体の結晶粒度分布の標準偏差が１３以下であるフェライト材料。