JP6716191B2

JP6716191B2 - フェライトコア

Info

Publication number: JP6716191B2
Application number: JP2014169263A
Authority: JP
Inventors: 照夫安岡; 覚松澤
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: JP2016044100A

Description

本発明は、軟磁性を有するＭｎＺｎ系フェライトに関する。

ＭｎＺｎ系フェライトは、主に磁芯の材料として用いられており、主な用途となる電力変換やノイズ抑制を目的としたチョークコイルの性能向上のため、実部比透磁率を向上させる検討が進められている。

例えば、特許文献１では、損失が低く、高い初透磁率を有するＭｎＺｎフェライトとするため、特にＺｎＯの組成分布を均一化させることを、特許文献２では、ＭｎＺｎフェライトの実部比透磁率を高めるため、段落００１０では結晶粒径を大きくすることを提案し、段落００１５ではその結晶粒径を大きくするためにＢｉ_２Ｏ_３等の焼結促進剤を添加すること、及び仮焼粉末を１μｍ以下に微粉砕することを提案している。

特開２００６−１６５４７９号公報特開平０８−１０４５６３号公報

従来よりＭｎＺｎ系フェライトの実部比透磁率を向上させる検討はなされているが、高周波数帯域でのノイズ抑制を目的とするチョークコイル用途では、損失となる虚部比透磁率を高め、チョークコイルのインピーダンスを高めることが必要である。しかしながら、従来のフェライトでは、特に３５０ｋＨｚ以上の高周波帯域で高いインピーダンスを得ることは困難であるという課題がある。

すなわち本発明は、３５０ｋＨｚ以上の高周波数帯域でインピーダンスの高いＭｎＺｎ系のフェライトの提供を目的とする。

上記課題を本発明は、ＭｎＺｎ系フェライトであって、平均結晶粒径Ｘは、２５μｍ以上、５０μｍ以下であり、結晶粒径の標準偏差をσとすると、０．４≦σ／Ｘ≦０．８であることを特徴とするフェライトにより解決することができる。

また、上記フェライトであって、Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が０．０１ｍａｓｓ％以下（０を含む）であるものが望ましい。

また、上記フェライトであって、Ｂｉ_２Ｏ_３を実質的に含有しないものが望ましい。

なお、上記フェライトの主成分は、Ｆｅ_２Ｏ_３が５１．０ｍｏｌ％以上、５５．０ｍｏｌ％以下、ＭｎＯが２２．０ｍｏｌ％以上、２８．０ｍｏｌ％以下、残部が実質的にＺｎＯからなり、添加物として、ＳｉＯ_２を０．０１０ｍａｓｓ％以下（０を含む）、ＣａＯを０．０１ｍａｓｓ％以上、０．０３ｍａｓｓ％以下、ＭｏＯ_３を０．０１５ｍａｓｓ％以下（０を含む）含有することが望ましい。

これは、３５０ｋＨｚ以上の高周波数帯域でインピーダンスの高いフェライトコアとする上で適した組成であることによる。

さらに、上記フェライトによるフェライトコアであって、磁路に垂直な断面積が３０ｍｍ^２以上、５００ｍｍ^２以下であるフェライトコアとすることが望ましい。

本発明により、表面から内部まで結晶粒径の均一な組織とすることで高周波数帯域の虚部比透磁率μ’’を高め、インピーダンスを高めたフェライトが提供できる。

本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、周波数１０ｋＨｚにおける実部比透磁率μ’の関係を示す図である。本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、周波数３５０ｋＨｚにおけるインピーダンスの大きさＺの関係を示す図である。本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、周波数１ＭＨｚにおけるインピーダンスの大きさＺの関係を示す図である。本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、平均結晶粒径Ｘの関係を示す図である。本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、結晶粒径の標準偏差σを平均結晶粒径Ｘで割ったσ／Ｘの関係を示す図である。比較例におけるフェライトコア断面を示す図である。図６（ａ）は断面の端部近傍、図６（ｂ）は断面の中央部の金属顕微鏡による観察写真である。本発明における実施例のフェライトコア断面を示す図である。図７（ａ）は断面の端部近傍、図７（ｂ）は断面の中央部の金属顕微鏡による観察写真である。本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、比抵抗の関係を示す図である。

本発明の実施形態に係るフェライトを説明する。

実施形態のフェライトは、焼結後のフェライトコアの主成分として、Ｆｅ_２Ｏ_３を５１．０ｍｏｌ％以上、５５．０ｍｏｌ％以下、より望ましくは５２．０ｍｏｌ％以上、５３．０ｍｏｌ％以下、ＭｎＯを２２．０ｍｏｌ％以上、２８．０ｍｏｌ％以下、より望ましくは２４．０ｍｏｌ％以上、２６．０ｍｏｌ％以下、残部を実質的にＺｎＯとしている。

また、焼結後のフェライトコアの主成分に対し、ＳｉＯ_２を０．０１０ｍａｓｓ％以下（０を含む）、より望ましくは０．００１ｍａｓｓ％以上、０．０１０ｍａｓｓ％以下、ＣａＯを０．０１ｍａｓｓ％以上、０．０３ｍａｓｓ％以下含有するものとしている。なお、後述の仮焼粉の解砕粉に対し、ＭｏＯ_３を０．１００ｍａｓｓ％以下（０を含む）、より望ましくは０．００１ｍａｓｓ％以上、０．１００ｍａｓｓ％以下、さらに望ましくは０．０６０ｍａｓｓ％以上、０．０８０ｍａｓｓ％以下添加することで、焼結後のフェライトコアの主成分に対し、ＭｏＯ_３が０．０１５ｍａｓｓ％以下（０を含む）含有するものとしている。

ここで、添加物としてのＢｉ_２Ｏ_３は、実質的に含有しないか、含有するとしても０．０１ｍａｓｓ％以下としている。

さらに、仮焼粉の解砕後の粒径を１μｍより小さくすることで、焼結後の実施形態のフェライトにおける平均結晶粒径Ｘは、２５μｍ以上、５０μｍ以下となり、結晶粒径の標準偏差をσとすると、０．４≦σ／Ｘ≦０．８としている。

３５０ｋＨｚ以上の高周波数帯域でインピーダンスの高いフェライトとするには、その高周波数帯域で虚部比透磁率μ’’を高める必要があり、そのためには、後述のようにＢｉ_２Ｏ_３の含有量を少なく調整し、結晶粒径の不均一さを示すσ／Ｘを小さくし、結晶粒径の均一な組織とすれば良い。

また、本実施形態のフェライトによるフェライトコアの磁路に垂直な断面積が３０ｍｍ^２以上、５００ｍｍ^２以下、より望ましくは１００ｍｍ^２以上、２００ｍｍ^２以下の範囲では、フェライトコア表面と内部の結晶組織が均一であるため、高インピーダンスの効果を好適に発揮できる。

これは、焼結時に表面から揮発するＢｉ_２Ｏ_３をほとんど含有していないために、フェライトコア表面と内部での結晶組織の差が生じないことによる。

実施例及び比較例の製造条件について説明する。

まず、焼結後のフェライトコアの主成分組成として、Ｆｅ_２Ｏ_３換算で５２．３ｍｏｌ％、ＭｎＯ換算で２５．０ｍｏｌ％、ＺｎＯ換算で２２．６ｍｏｌ％となるよう各原料を均一に混合、造粒した粉末を、８５０℃、２時間仮焼した。

次に、仮焼粉をＤ５０（体積基準のメジアン径）が１μｍ未満となるまで解砕し、解砕粉に対してＳｉＯ_２を０．００５ｍａｓｓ％、ＣａＯを０．０２１ｍａｓｓ％、ＭｏＯ_３を０．０７３ｍａｓｓ％添加し、焼結後のＢｉ_２Ｏ_３が解砕粉に対して後述の所定量となるよう調整し、均一に混合し、約１３００℃で焼成した。

ここで、主成分の含有量は、正負にそれぞれ０．２ｍｏｌ％の範囲でばらつきがあり、添加物の含有量は、正負にそれぞれ０．００２ｍａｓｓ％の範囲でばらつきがある。

実施例及び比較例のフェライトコアは、外径３８ｍｍ、内径１９ｍｍ、高さ１３ｍｍのトロイダルコアであり、実部及び虚部の比透磁率、及び１０回トロイダル巻線を施した場合のインピーダンスを測定した。

また、磁路の断面中央を金属顕微鏡で観察し、隣接する１００個の結晶粒について、その面積と等しい円の直径を結晶粒径とし、その平均値、標準偏差を算出した。

表１に、実施例及び比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量、及び周波数１０ｋＨｚにおける実部比透磁率μ’、周波数３５０ｋＨｚ、１ＭＨｚにおけるインピーダンスの大きさＺ、結晶粒径を示す。

図１は、本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、周波数１０ｋＨｚにおける実部比透磁率μ’の関係を示す図である。

Ｂｉ_２Ｏ_３含有量が０．０１０ｍａｓｓ％を超え、比較例１の０．０１３ｍａｓｓ％でμ’は最大となり、それより多く含有すると、実部比透磁率μ’は減少する。

また、Ｂｉ_２Ｏ_３含有量が０．０１０ｍａｓｓ％以下の範囲では、実部比透磁率が低く、周波数１０ｋＨｚでのインダクタ等の使用をする上では適していない。

図２は、本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、周波数３５０ｋＨｚにおけるインピーダンスの大きさＺの関係を示す図である。

図１の傾向とは異なり、Ｂｉ_２Ｏ_３含有量が増加するにつれ、Ｚは一様に減少している。なお、周波数３５０ｋＨｚにおけるＢｉ_２Ｏ_３含有量が０．０１０ｍａｓｓ％以下の範囲での虚部比透磁率μ’’は１２１００を超え、０．０１０ｍａｓｓ％を超える範囲での虚部比透磁率μ’’は１２１００未満であった。

すなわち、図１で周波数１０ｋＨｚでのμ’が低い結果となったＢｉ_２Ｏ_３含有量が０．０１０ｍａｓｓ％以下の範囲は、図２における周波数３５０ｋＨｚではＺが高い領域でのノイズ吸収、阻止等に用いるチョークコイルとして適している。

図３は、本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、周波数１ＭＨｚにおけるＺの関係を示す図である。

図３でのＢｉ_２Ｏ_３含有量とＺの関係も、図２と同様の傾向である。なお、周波数３５０ｋＨｚにおけるＢｉ_２Ｏ_３含有量が０．０１０ｍａｓｓ％以下の範囲での虚部比透磁率μ’’は１１５００を超え、０．０１０ｍａｓｓ％を超える範囲での虚部比透磁率μ’’は１１５００未満であった。

すなわち、少なくとも３５０ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲では、Ｂｉ_２Ｏ_３含有量が０．０１０ｍａｓｓ％以下の範囲で、最も高いＺを示している。

図４は、本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、平均結晶粒径Ｘの関係を示す図である。

平均結晶粒径Ｘは、Ｂｉ_２Ｏ_３含有量が比較例１の０．０１３ｍａｓｓ％となるまでゆるやかに増加し、それより多く含有すると、平均結晶粒径Ｘは減少する。

図５は、本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、結晶粒径の標準偏差σを平均結晶粒径Ｘで割ったσ／Ｘの関係を示す図である。

Ｂｉ_２Ｏ_３含有量が０．０１０ｍａｓｓ％を超え、比較例１の０．０１３ｍａｓｓ％でσ／Ｘは最大となり、それより多く含有すると、σ／Ｘは減少する。

すなわち、平均結晶粒径Ｘが２５μｍ以上で、かつ、σ／Ｘが０．８以下、より望ましくは平均結晶粒径Ｘが３０μｍ以上で、かつ、σ／Ｘが０．７以下の条件下で、周波数３５０ｋＨｚから１ＭＨｚのＺが最も高い値を示す。

これは平均結晶粒径が大きいだけでなく、σ／Ｘに示されるばらつきの小さいことが、少なくとも周波数３５０ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲において高いＺとなる条件であることを示している。

なお、実際に得られる平均結晶粒径の上限値は５０μｍであり、実際に得られるσ／Ｘの下限値は０．４となる。

図６は、比較例４におけるフェライトコア断面を示す図である。図６（ａ）は断面の端部近傍、図６（ｂ）は断面の中央部の金属顕微鏡による観察写真である。

断面の端部近傍で結晶粒が粗大化し、中央部との間で結晶粒の大きさが不均一となっている。結晶粒の粗大化が、３５０ｋＨｚ以上の高周波でのＺが十分に得られない原因と考えられる。

図７は、本発明における実施例２のフェライトコア断面を示す図である。図７（ａ）は断面の端部近傍、図７（ｂ）は断面の中央部の金属顕微鏡による観察写真である。

断面の端部と中央部での結晶粒の大きさに差は認められず、均一な大きさの結晶粒となっており、３５０ｋＨｚ以上の高周波でのＺを十分に確保することが出来る原因と考えられる。

図８は、本発明における実施例、比較例に係るフェライトのＢｉ_２Ｏ_３含有量と、比抵抗の関係を示す図である。

Ｂｉ_２Ｏ_３含有量が０．０１０ｍａｓｓ％以下であれば、比抵抗が２５Ω・ｃｍを超え、特に３５０ｋＨｚ以上の高周波数帯域での表皮効果等により、フェライトコアのノイズ吸収機能が阻害されることを防止することができる。

Ｘ平均結晶粒径
σ 標準偏差
Ｚインピーダンスの大きさ

Claims

ＭｎＺｎ系フェライトを用いて形成されたフェライトコアであって、
前記ＭｎＺｎ系フェライトの主成分は、
Ｆｅ_２Ｏ_３が５１．０ｍｏｌ％以上、５５．０ｍｏｌ％以下、
ＭｎＯが２２．０ｍｏｌ％以上、２８．０ｍｏｌ％以下、
残部が実質的にＺｎＯからなり、
添加物として、
ＳｉＯ_２を０．０１０ｍａｓｓ％以下（０を含む）、
ＣａＯを０．０１ｍａｓｓ％以上、０．０３ｍａｓｓ％以下、
ＭｏＯ_３を０．０１５ｍａｓｓ％以下含有し、
更にＢｉ_２Ｏ_３を含有し、前記Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が０．００９ｍａｓｓ％以下であり、
平均結晶粒径Ｘは、２５μｍ以上、５０μｍ以下であり、
結晶粒径の標準偏差をσとすると、
０．４≦σ／Ｘ≦０．８
であり、
前記フェライトコアの磁路に垂直な断面積が１００ｍｍ^２以上、５００ｍｍ^２以下であることを特徴とするフェライトコア。
前記平均結晶粒径Ｘが、３０μｍ以上、５０μｍ以下であり、
前記σ／Ｘが、０．４≦σ／Ｘ≦０．７である、
請求項１に記載のフェライトコア。
前記フェライトコアの磁路に垂直な断面積が１００ｍｍ^２以上、２００ｍｍ^２以下である、請求項１または２に記載のフェライトコア。