JPH0770385B2 - 強磁性体低損失マンガン―亜鉛フェライト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、スイッチング電源、ディスプレイモニター電
源用等のトランスコア材料に求められる低電力損失特性
を有するMn−Znフェライトに関するものである。

（従来の技術） 低電力損失特性を有するMn−Znフェライトに関しては、
その組成としてFe₂Ｏ₃を50〜56mol％、MnOを30から40mo
l％、ZnOを５〜20mol％を主成分に、CaO、SiO₂に代表さ
れる様々な添加物を副成分とするものが実施されてい
る。

しかし近年の電源等の小型化、高周波化に対して、従来
よりさらに低電力損失特性を有するトランスコア材が求
められており、従来のMn−Znフェライト材では、そのよ
うな条件下では電力損失の増大等に起因する、使用不可
或いは発熱による信頼性の低下が大きな問題となってい
る。

電力損失を低減する上で、焼成後のフェライトのイオン
の分布は重要な意味を持っている。特に２価のFeイオン
含有量は、結晶磁気異方性、磁歪或いは比抵抗に直接関
係しており、電力損失に最も大きな影響を及ぼす因子で
ある。

しかし、従来の一般的なMn−Znフェライトに対する技術
開示においては、単に配合原料の割合或いは焼成雰囲気
のみを明示したもののみであり、具体的に配合原料に対
して、どのようにイオンの分布を調整すればよいのかの
明示はなかった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記の問題を解決するために電力損失が改善
され、高周波、高負荷下でも信頼性の高いMn−Znフェラ
イトからなる低電力損失磁性材料を提供することを目的
とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、次の関係を満足することに特徴がある。

▲Zn²⁺ _a▼▲Mn²⁺ _b▼▲Mn³⁺ _c▼▲Fe²⁺ _d▼▲Fe³⁺ _e▼Ｚ_fVc
_g▲Ｏ^2- ₄▼ …（１） 0.004≦ｘ−ｄ＋ｃ≦0.03 …（２） ｘは、組成のみによってきまる。つまり原料の配合比の
みによってきめられる変数で、 ｘ＝｛２（α−β−γ）＋δ｝/2α＋β＋γ＋δ） …
（３） の関係式で与えらえる。ここでα，β，γ，δそれぞれ
Fe₂Ｏ₃,MnO,ZnO及び微量添加元素のモル％を意味する。

又、上記関係が有効であるのは 51≦α≦55, 33≦β≦40, ７≦α≦13, ０＜δ≦２ …（４） である。

又、スピネル構造を満足するため、原子空孔を含んだ形
では、陽イオンのサイトは、分子式上で ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝３ …（５） を満足する。

ここで、重要であるのは（２）式の関係であり、与えら
れた組成によってきまる変数ｘに対して、分子式上の変
数ｃとｄの関係をある範囲におくことを特徴としてい
る。

分子式上の値（ｄ−ｃ）は、材料中の有効な２価のFeイ
オンということができる。つまり事実上は、２価のFeと
３価のMnは３価のFeと２価のMnと平行関係にあるが、
（ｄ−ｃ）は３価のMnが、存在しない場合の２価のFe量
に相当するといえる。

ｘ−ｄ＋ｃが、0.004未満の場合には、例えば焼成時に
粒界からZnが蒸発して、粒界近傍に応力が発生し、磁気
的特性を劣化させ、又、0.03を超えた場合には、例えば
スピネル相以外の第２相が析出し、この場合も磁気的特
性を劣化させるという問題があり、望ましくない。

又、上記に加えて透磁率は一般にｘ−ｄ＋ｃが低いほど
高く、渦電流損は、ｘ−ｄ＋ｃが高いほど低いために、
ｘ−ｄ＋ｃの最適な範囲が存在する。

さらに、分子式（１）において、上記の関係に加えて、
a,b,c,d,e,の変数が以下の関係を満たす場合には、さら
に良好な損失特性が得られる。

0.14≦ａ≦0.27 0.63≦ｂ＋ｃ≦0.77 2.01≦ｄ＋ｅ≦2.15 …（６） これらの成分範囲は、材料のもつ結晶磁気異方性、磁歪
等が低く、低損材に対して有効である範囲であるが、そ
の範囲に対しても、上記の（２）の関係式を満たすこと
により、さらに優れた低損失特性が得られることが確認
された。Znの範囲ａ、或いはMnの範囲ｂ＋ｃが、Feの範
囲に比して広いのは、単に低損失のみを優先するのか、
或いは低損失と高飽和磁束密度の両方を満足するかによ
って成分範囲が異なるためである。

さて、高周波域での損失は、渦電流損を減少させること
のできる高抵抗が有効であるが、上記（２），（６）式
の関係に加えて、次式の条件を満足するｐ重量％のSiO₂
と、ａ重量％のCaOを添加することにより、粒界に抵抗
層が形成され損失は大きく減少する。

0.01≦ｐ≦0.03、 0.02≦ａ≦0.1 …（７） これらの元素は同時存在することが肝要で、共に上記範
囲より少ないと、損失の改善は認められず、多いと異常
結晶粒成長により損失は著しく悪化する。

さらに抵抗改善のために、粒内抵抗及び粒界抵抗を上昇
させるTiO₂及びＶ₂Ｏ₅を以下の範囲で上記条件に加え
て、ｒ及びｓ重量％だけ添加した場合にも、著しい渦電
流減少の効果が確認された。

0.1≦ｒ≦0.8、 0.005≦Ｓ≦0.1 この場合Tiの添加は一般的にイオンのチャージバランス
という観点からは１モルのTi添加に対して、１モルの２
価のFeイオンが増加するものであるが、その場合も上記
の式（１）に示したような関係式を、２価のFeイオンが
満足することが重要である。つまり式（１）の関係は添
加物の有無にかかわらず満足すべき条件ということがで
きる。

Ｖ₂Ｏ₅は、低い融点であるため高温焼成時に粒界層が液
相化し、それにより均一な抵抗層が粒界に形成される。

次に、ｄ及びｃを本発明の組成範囲に制御する方法につ
いて説明する。

まず所望の磁気的特徴例えば、飽和磁束密度、透磁率等
を達成するのに有効なα、β、γ、δ等の範囲を決定す
る。言いかえれば、低損失材の中でも飽和磁束密度によ
り重点を置いたものか、透磁率により重点を置いたもの
かによって、最適なα，β，γ，δの範囲を選択する。

これによってｘの値が決定される。ｘの値が決定された
場合に、ｃ及びｄを制御するためには、焼成条件つま
り、焼成温度、焼成雰囲気を制御しなければならない、
制御する場合には、目標配合比によるｘの値よりも、焼
成ロットに対応したそれぞれの原料粉の直前の分析結果
によるｘの値を用いた方がより望ましい。ｘ−ｄ＋ｃは
焼成雰囲気を酸素富化側で行うと増加し、又焼成温度を
低温側で焼成することによっても増加する。

（実 施 例） 実施例 １ 第１表に示す成分系において、ｘ−ｄ＋ｃを指標として
の電力損失曲線を測定した。

ｘ−ｄ＋ｃを算出するにあたり、ｄ−ｃは、第１表の配
合原料を焼成温度1250℃で保持時間４時間、焼成雰囲気
酸素濃度を0.6％から4.8％まで焼成条件により変化させ
た。尚、c,dの値、焼成したフェライトコアを湿式化学
分析法により測定した。

この場合湿式化学分析の値は、直接的にｄ−ｃつまり３
価のMnによって酸化された分を除く有効な２価のFcと考
える。

第１図に示すように、ｘ−ｄ＋ｃを指標とすることによ
り、試料A,B,Cのそれぞれの最も電力損失の低い領域を
表わすことができる。最も良い範囲は0.004≦−ｄ＋ｃ
≦0.030で示される。

実施例 ２ 実施例１の３つの試料の成分範囲において、微量添加物
であるSiO₂,CaOの量を変化させて電力損失の変化を測定
した。尚、焼成条件は、1250℃に４時間保持し、雰囲気
下の酸素濃度は1.5％近傍に制御して、ｘ−ｄ＋ｃの値
が0.010になるように焼成した。

その結果電力損失値において、100kHz,200mTで450〜500
mW/cm³の特性が得られた。

SiO₂においては、重量％において0.01≦ｐ≦0.03の範囲
を逸脱した場合に、又、CaOにおいては重量％におい
て、0.02≦ａ≦0.1の範囲を逸脱した場合には、電力損
失そのものが全体的に大きくなり、ｘ−ｄ＋ｃを指標と
して整理した場合に明確な差異を見い出すことはできな
かった。

具体的にはSiO₂は低添加側では50ppm、高添加側では350
ppm、CaOにおいては低添加側では100ppm、高添加側では
1200ppmで実験を行った。

高添加側での試料においては、いずれの場合も電力損失
が100kHz、200mTで測定した場合1000mW/cm₃を超えてし
まい、又、顕微鏡観察により、巨大粒成長が確認され
た。

実施例 ３ 実施例１の３つの試料の成分範囲において、実施例２と
同じ焼成条件により微量添加物としてTiO₂及びＶ₂Ｏ₅を
添加した。電力損失はＶ₂Ｏ₅の添加量を150ppmと固定し
てｘ−ｄ＋ｃが0.010近傍の場合、第２図に示すよう
に、ほぼ重量％において、0.1≦ｒ≦0.8の範囲で良好な
結果が得られた。

低添加側では、十分なTiの添加効果であるところの抵抗
の増加が得られず、高添加側では、抵抗の増加が飽和か
ら減少に移ったことと、異常粒成長により損失は急増す
る。

TiO₂添加量を一定値と2000ppmとして、Ｖ₂Ｏ₅の添加量
を変化させて同様にｘ−ｄ＋ｃが0.010近傍で実験を行
った。

Ｖ₂Ｏ₅の効果は50ppm程度という非常に微量な添加の領
域からあらわれる。ただし1000ppmを超えるあたりから
異常粒成長による損失悪化が顕著となる。

Ｖ₂Ｏ₅の損失改善に対する寄与もTiO₂と同じく、抵抗の
増大によるものである。

実施例 ４ 実施例２と同じ焼成条件により、Fe₂Ｏ₃52.6mol％、MnO
35.8mol％、ZnO 11.7％に対して微量添加物として、重
量ppmでCaO 450ppm、SiO₂ 100ppm、TiO₂ 2000ppm、Ｖ₂
Ｏ₅ 200ppmを添加してフェライトコアを製造した。

この場合イオン分布としてｘ−ｄ＋ｃを指標として整理
すると、0.010近傍で最も良い電力損失特性を示した。

ちなみに周波数100kHzで磁束密度200mTの場合、電力損
失値は340mW/cm₃を温度80℃近傍のところで達成した。
又、高周波である500kHzにおいても、100mTの磁束密度
時に930mW/cm₃と従来材に比べて非常に低い値を示し
た。ちなみに最大飽和磁束密度は500mTであった。

（発明の効果） 以上から明らかなように、Mn−Znフェライトにおいて、
最適イオン分布範囲、特に２価のFe、３価のMnの関係を
規定、そしてそれに微量添加物とを併用することによ
り、従来法では得られなかった安定した商品質、低損失
の電力用フェライトを得ることができる。

又、従来法では、混合前、或いは、焼成前成分を規定し
ているのみで、フェライトコアのイオン分布範囲をフェ
ライト成分に対して規制していなかったため、成品とし
て所定の特性が満足できない場合、直接的に対応ができ
なかった。

本発明により大幅に電力損失の向上したMn−Znフェライ
トを電源コアとして用いれば、例えば、スイッチングコ
ンバーター等の小型化及び軽量化に多大の効果を得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ｘ−ｄ＋ｃの指標と電力損失の関係を示す図
表、第２図は、TiO₂,V₂Ｏ₅をさらに微量添加物として加
えた場合のTiO₂添加量の変化に伴うｘ−ｄ＋ｃの指標が
一定の場合の電力損失の変化を示す図表である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Mn−Znフェライトコアにおいて、以下の関
   係を満足することを特徴とする強磁性体低損失マンガン
   ‐亜鉛フェライト。 ▲Zn²⁺ _a▼▲Mn²⁺ _b▼▲Mn³⁺ _c▼▲Fe²⁺ _d▼▲Fe³⁺ _e▼Ｚ_fVc
   _g▲Ｏ^2- ₄▼ ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝３ 0.004≦ｘ−ｄ＋ｃ≦0.03 ここで、 Ｚ＝微量添加元素 Vc＝陽イオン空孔 但し、 51≦ａ≦55 33≦β≦40 ７≦γ≦14 ０≦δ≦２ α，β，γ，δは配合原料、Fe₂Ｏ₃,MnO,ZnO,そしてそ
   の他の微量添加元素のモル％である。
2. 【請求項２】下記条件を満たす請求項１記載の強磁性体
   低損失マンガン‐亜鉛フェライト。 0.14≦ａ≦0.27 0.63≦ｂ＋ｃ≦0.77 2.01≦ｄ＋ｅ≦2.15
3. 【請求項３】Ｚとして下記範囲のSiO₂とCaOを添加する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の強磁性体低損失
   マンガン‐亜鉛フェライト。 0.01≦ｐ≦0.03 0.02≦ａ≦0.1 但し、ｐはSiO₂（重量％）、ａはCaO（重量％）であ
   る。
4. 【請求項４】Ｚとして下記範囲のTiO₂とＶ₂Ｏ₅を添加す
   ることを特徴とする請求項1,2又は３記載の強磁性体低
   損失マンガン‐亜鉛フェライト。 0.1≦ｒ≦0.8 0.005≦ｓ≦0.1 但し、ｒはTiO₂（重量％）、ＳはＶ₂Ｏ₅（重量％）であ
   る。