JPH08104563A - 高透磁率Ｍｎ−Ｚｎフェライトおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 MnO : 20〜30 mol％、ZnO : 10〜25 mol％、
Fe₂O₃ : 残部、になる基本成分中に、CaO : 0.01〜0.15
wt％、SiO₂ : 0.002〜0.03wt％、Nb₂O₅ : 0.002〜0.03w
t％を粒界絶縁物として含有する組成になるMn−Znフェ
ライトにおいて、平均結晶粒径が10μm 以上で、かつ結
晶粒10個以内の平均Ca含有量のばらつきが、標準偏差／
平均値≦0.2 の範囲を満足し、かつCaの50％以上を結晶
粒界に沿った幅10nmの領域内に濃化させる。 【効果】 低周波域では勿論、100 kHz 〜１MHz の高周
波域においても高い透磁率が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、 100 kHz〜１MHz 程
度の高周波域におけるローパスフィルタ等に用いて好適
な高透磁率フェライト材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Mn−Znフェライトは、高透磁率の磁心材
料として広く用いられているが、最近では使用される周
波数が高くなってきたことから、 100 kHz〜１MHz 程度
の高周波数域でも高透磁率を呈する材料が求められてい
る。このような要請に応える手法の一つとして、フェラ
イトの結晶粒界に絶縁物を濃化偏析させ、フェライト粒
子間を電気的に絶縁することによって、渦電流損失によ
る高周波域での透磁率の低下を防止する方法が提案され
た。かような添加絶縁物の代表的なものとしては、CaO,
SiO₂, Nb₂O₅等が挙げられる。

【０００３】しかしながら、かような絶縁物の添加によ
り、フェライトの透磁率が高周波域になるに従って低下
する点は改善されるけれども、低周波域での透磁率その
ものが低下することから、やはり、高周波域において高
透磁率を得るのは難しいのが実情である。そのため、低
周波域での透磁率を損なうことなく、しかも高周波域で
もその透磁率が維持できるようなフェライト材料の開発
が要望されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の要
請に有利に応えるもので、100 kHz 〜１MHz 程度の高周
波域まで高い透磁率を維持できるMn−Znフェライトを、
その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】さて発明者らは、粒界絶
縁物としてのCaO, SiO₂, Nb₂O₅を十分に含有させ渦電流
による高周波域での透磁率の低下を防止することを前提
として、低周波域における透磁率を改善すべく、鋭意検
討を重ねた結果、フェライト結晶粒を成長させると共
に、とくに CaOの分布を均一化し、しかも結晶粒界に濃
化させることが、所期した目的の達成に関し、極めて有
効であることの知見を得た。この発明は、上記の知見に
立脚するものである。

【０００６】すなわち、この発明は、 MnO : 20〜30 mol％ ZnO : 10〜25 mol％ Fe₂O₃ : 残部 からなる基本成分中に、 CaO : 0.01〜0.15wt％ （100 〜1,500 ppm ） SiO₂ : 0.002 〜0.03wt％（ 20 〜 300 ppm ） Nb₂O₅ : 0.002 〜0.03wt％（ 20 〜 300 ppm ) を粒界絶縁物として含有する組成になり、平均結晶粒径
が10μm 以上で、かつ結晶粒10個以内の平均Ca含有量の
ばらつきが、次式 標準偏差／平均値≦0.2 の範囲を満足し、しかもCaの50％以上が結晶粒界に沿っ
た幅10nmの領域内に濃化して存在していることを特徴と
する高透磁率Mn−Znフェライトである。

【０００７】また、この発明は、原料粉末を混合し、仮
焼したのち、粉砕し、ついで成形したのち、焼成するこ
とによってMn−Znフェライトを製造するに際し、原料の
調整の段階において、Ca原料となる粉末の平均粒径を２
μm 以下とするか、および／または仮焼・粉砕粉末の平
均粒径を１μm 以下とすると共に、焼成後の冷却過程に
おいて、1100〜800 ℃における滞留時間を 30min以上と
することを特徴とする高透磁率Mn−Znフェライトの製造
方法である。

【０００８】

【作用】まず、この発明において、フェライト組成を上
記の範囲に限定した理由について説明する。 MnO : 20〜30 mol％、ZnO : 10〜25 mol％、Fe₂O₃ : 残
部 Mn−Znフェライトの固有の透磁率は、磁気異方性定数お
よび磁歪定数がいずれも小さいほど大きくなる。そこ
で、透磁率の温度依存性が実用上支障ないこと、キュリ
ー温度が十分に高いことを考慮しつつ、上記三元系の好
適範囲を模索した結果、上記の組成範囲が得られたので
ある。

【０００９】CaO : 0.01〜0.15wt％、SiO₂ : 0.002〜0.
03wt％、Nb₂O₅ : 0.002 〜0.03wt％ CaO, SiO₂ は、共存することによって焼結性を高め、粒
界絶縁物となって渦電流を抑制し、透磁率およびその周
波数特性を改善する。また Nb₂O₅は、粒界に濃化して絶
縁効果をさらに高めると共に、磁性に対する粒界の悪影
響を抑制することにより、透磁率およびその周波数特性
の改善に寄与する。ただし、この発明で目指す結晶粒径
の粗大化およびCa分布の均一化に対して効果があるの
は、それぞれ CaO : 0.01 wt％以上、SiO₂ : 0.002wt％
以上、Nb₂O₅: 0.002 wt％以上の範囲である。しかしな
がら、添加量があまりに多いと、この発明法をもってし
ても、Mn−Znフェライトの本来の透磁率を低下させるの
で、それぞれCaO : 0.15wt％、SiO : 0.03wt％、Nb
₂O₅ : 0.03wt％を上限とした。

【００１０】次に、この発明において、平均結晶粒径を
10μm 以上としたのは、結晶粒径を大きくすると、粒界
のピンニング効果による透磁率の低下が軽減されて高透
磁率が得られるからであり、この効果が特に10μm 以上
で顕著となるからである。

【００１１】また、結晶粒10個以内の平均Ca含有量のば
らつきを、次式 標準偏差／平均値≦ 0.2 の範囲としたのは次の理由による。Caは、通常のMn−Zn
フェライトでは巨視的に偏析することが多く、十分な粒
界絶縁効果を発揮しない上に、フェライト固有の透磁率
を劣化させてもいる。もちろんCaは粒界に濃化するか
ら、結晶粒径以下の微視的スケールでは濃度分布のばら
つきは著しい。ここで問題なのは結晶粒サイズを超える
大きさの範囲での濃度分布であり、EPMA (Ｘ線マイクロ
アナライザ）の線分析により、結晶粒10個以内の範囲で
平均した含有量のばらつきが、上掲式の範囲におさまっ
ていれば、優れた透磁率とその高周波特性が得られるこ
とが判明した。そこで、この発明では、Caの濃度分布に
関して、上掲式の範囲を満足させるものとしたのであ
る。

【００１２】またCaは、ミクロに見た場合には結晶粒界
に濃化して絶縁効果を発現する必要があるが、そのため
にはCaの50％以上を有効に粒界近傍に存在させる必要が
ある。そうでないと、結晶粒内のCa過多に起因してフェ
ライト結晶の本来の磁気特性の劣化を招くからである。
しかもこの時、Caは粒界に沿って、幅10nm以内の限定し
た領域内に濃化していることが肝要で、これを超えて濃
化範囲が広がると、やはり結晶の磁気特性が阻害され、
また絶縁効果の低下も招く。従って、この発明では、Ca
についてはその50％以上を結晶粒界に沿った幅10nmの領
域内に濃化させることが重要である。

【００１３】次に、この発明法について説明する。この
発明法では、最終組成が所望組成となるように原料粉末
を混合したのち、仮焼し、粉砕後、成形、焼成すること
によってフェライトを製造するが、粒界絶縁物の添加
は、原料の調整段階であればいずれでも良い。すなわ
ち、最初の原料混合段階で添加しても良いし、また仮焼
後の微粉砕段階で添加しても良い。

【００１４】ただし、添加する絶縁物粉末とくにCa原料
となるCaO, CaCO₃等の粉末の平均粒径が大きいと、マル
ロ的に均一に分散させることが難しく、上述したよう
な、絶縁効果の低下や結晶の磁気特性の劣化を招く。し
かし、この点については、Ca原料粉末を微粉にするか、
粉砕粒径を小さくすることによって解決できる。そこ
で、この発明では、上記の問題をCa原料粉末の粒度調整
によって解消する場合には、該粉末の平均粒径を２μm
以下とし、また粉砕粉の粒度調整によって解消する場合
には、粉砕粉の平均粒径を１μm 以下にするものとし
た。

【００１５】また、この発明では、平均結晶粒径が10μ
m 以上とする必要があるが、この点については、Ca原料
粉末の均一分散化を目的として仮焼粉末を平均粒径：１
μm以下まで微粉砕した場合には、同時に達成される。
なお、この仮焼粉の粉砕工程において、とくにCa原料粉
末の均一分散化を考慮する必要がない場合には、平均粒
径で 1.3μm 以下程度に粉砕すれば良い。また、フェラ
イト結晶粒の粗大化方法としては、上記した粉砕粒径を
小さくすることの他、焼成温度を高く、焼成時間を長く
する方法や、Bi₂O₃ などの焼結促進剤を添加する方法
（好ましくは0.01〜0.10wt％）なども有効である。

【００１６】ついで、成形後、焼成するが、この焼成条
件は結晶粒の粗大化の面から、1300〜1400℃，1.5 〜５
ｈ程度とするのが好ましい。さてCaを結晶粒界に濃化さ
せるためには、焼成後の冷却工程が重要である。Caが粒
界に濃化する傾向が出るのは1100℃以下の温度域であ
り、一方Caの拡散が速やかに起こるのは 800℃以上の温
度域である。従ってこの温度域に一定時間滞留させる必
要があるが、その効果は30分以上で顕著になるので、こ
の発明では、Caを結晶粒界に効果的に濃化させるため
に、焼成後の冷却工程において、1100〜800 ℃の温度域
に30 min以上滞留させるものとした。

【００１７】

【実施例】Mn−Znフェライトの基本組成として、最終組
成が、MnO : 27.0 mol％、ZnO :20.6 mol％、Fe₂O₃ : 5
2.4 mol％となるように原料を混合した後、大気中で100
0℃、25 minの仮焼を施した。この仮焼粉に、表１に示
す添加物を加え、ボールミルで湿式粉砕した。なお CaO
は通常粒度の粉末（平均粒径：９μm ）と、より微細な
粉末（１μm ）の２種類を用いた。粉砕条件は、粉砕粒
径を空気透過法で測定し、目標の平均粒度を得るように
調節した。ついで、得られた粉砕粉にバインダとしてポ
リビニルアルコールを添加したのち、リング状に成形
し、酸素分圧を調整した窒素雰囲気中で焼成し、外形：
31mm、内径：19mm、高さ：８mmの試料を得た。この時、
焼成温度と焼成時間は、所定の結晶粒径が得られるよう
に調節した。焼成後、とくに1100〜800 ℃の温度域につ
いては、５℃/min、10℃/min、15℃/minのいずれかの速
度で冷却し、それ以外の温度域については20℃/minで冷
却した。また、冷却速度を20℃/minと一定とした上で、
冷却途中1000℃で30 min保持する冷却パターンも採用し
た。

【００１８】表１に、フェライト材料の添加物組成、粉
砕粒径、焼成温度、焼成時間を、また表２には、冷却パ
ターン、平均結晶粒径、Ca量の変動比率、Caの粒界近傍
10nm幅以内の濃化度、１kHz および 200 kHzにおける透
磁率を、それぞれ示す。

【００１９】なお、平均結晶粒径は断面の顕微鏡観察に
より、またCa量の変動は断面のEPMA（Ｘ線マイクロアナ
ライザ）線分析のCaの相対強度を、平均結晶粒径の10倍
の距離で区切って結晶粒ごとに平均化し、各平均値の平
均と標準偏差とから求めた。さらに、Caの粒界近傍の濃
化度は、透過電子顕微鏡の微小領域電子線回折法によっ
てCaの分布を測定し、粒界に沿った幅10nmの範囲に存在
するCaの量を全体のCa量に対する百分率で評価した。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】表２より明らかなように、この発明に従い
得られたものは、従来材に比べて低周波域および高周波
域のいずれにおいても高い透磁率が得られている。

【００２３】

【発明の効果】かくしてこの発明によれば、低周波域で
は勿論、100 kHz 〜１MHz の高周波域においても高い透
磁率を呈するMn−Znフェライトを得ることができ、高周
波用磁心材料として偉効を奏する。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】MnO : 20〜30 mol％ ZnO : 10〜25 mol％ Fe₂O₃ : 残部 からなる基本成分中に、 CaO : 0.01〜0.15wt％ SiO₂ : 0.002 〜0.03wt％ Nb₂O₅ : 0.002 〜0.03wt％ を粒界絶縁物として含有する組成になり、平均結晶粒径
   が10μm 以上で、かつ結晶粒10個以内の平均Ca含有量の
   ばらつきが、次式 標準偏差／平均値≦0.2 の範囲を満足し、しかもCaの50％以上が結晶粒界に沿っ
   た幅10nmの領域内に濃化して存在していることを特徴と
   する高透磁率Mn−Znフェライト。
2. 【請求項２】 原料粉末を混合し、仮焼したのち、粉砕
   し、ついで成形したのち、焼成することによってMn−Zn
   フェライトを製造するに際し、 原料の調整の段階において、Ca原料となる粉末の平均粒
   径を２μm 以下とするか、および／または仮焼・粉砕粉
   末の平均粒径を１μm 以下とすると共に、焼成後の冷却
   過程において、1100〜800 ℃における滞留時間を 30min
   以上とすることを特徴とする高透磁率Mn−Znフェライト
   の製造方法。