WO2017154864A1 - フェライト材料、複合磁性体、コイル部品および電源装置 - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a ferrite material, a composite magnetic body, a coil component, and a power supply device.
- oxide magnetic materials such as ferrite have been used as magnetic materials for magnetic cores of motors and transformers.
- a powder magnetic core formed by pressing iron powder has a high degree of freedom in product shape because it can be molded, and it can be manufactured in a highly accurate and simple process even with a complicated magnetic core shape.
- Usefulness has attracted attention (see, for example, Patent Document 1).
- Patent Document 1 discloses iron powder for a dust core.
- the iron powder for a dust core described in Patent Document 1 is an iron powder for a dust core in which an oxide film made of Si-based oxide and an insulating layer made of Si resin or the like are coated on the surface of the iron powder.
- This powder magnetic core iron powder is mixed with a binder resin and pressed to produce a powder magnetic core with high specific resistance and excellent iron loss characteristics without causing a decrease in mechanical strength. ing.
- an oxide film and an insulating layer are formed around the iron powder.
- the oxide film used here is, for example, Fe 2 SiO 4 that is a nonmagnetic material
- the insulating layer is, for example, a Si-based resin that is a nonmagnetic material
- the binder resin is a nonmagnetic material. Therefore, a nonmagnetic material is present between the iron powders in the pressed powder magnetic core. Therefore, even if the magnetic permeability of the iron powder for a dust core is high, there is a problem that the permeability of the dust core as a whole is low.
- an object of the present disclosure is to provide a ferrite material and a composite magnetic body having high magnetic permeability.
- the composite magnetic body according to one aspect of the present disclosure includes a ferrite material having the above-described characteristics and a metal powder.
- the coil component according to one aspect of the present disclosure uses a composite magnetic body having the above-described characteristics.
- the power supply device includes the coil component having the above-described feature.
- FIG. 1 is a flowchart showing a manufacturing process of ferrite according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a diagram showing conditions in each manufacturing process of the ferrite according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the ferrite shown in the example of the ferrite according to the first embodiment.
- FIG. 4 is a diagram showing the ferromagnetic characteristics of the ferrite shown in the example of the ferrite according to the first embodiment.
- FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the composite magnetic body according to the second embodiment.
- FIG. 6 is a flowchart showing manufacturing steps of the composite magnetic body according to the second embodiment.
- the ferrite material according to the present embodiment is an oxide containing Fe, Si, and Mn, and is a ferrite represented by a configuration of Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ .
- the spinel type ferrite is generally represented by AB 2 O 4 (A and B are arbitrary metal elements).
- Conventionally used ferrite Fe 2 SiO 4 has a olivine type structure, but is a non-magnetic material having a spinel type structure in a high pressure environment. Si ions are A sites and Fe ions are B sites. It is a structure arranged in.
- the ferrite Mn x Si y Fe z O 4 - ⁇ according to the present embodiment, an Mn Mn ions are added to Fe 2 SiO 4 x Si y Fe z O 4- ⁇ , is Mn ions
- the A site, Si ions, and Fe ions are arranged at the B site.
- the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ has a spinel structure, and when Mn is added, it becomes a ferromagnetic material exhibiting ferromagnetism, unlike Fe 2 SiO 4 .
- the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ is a ferrite having a new composition exhibiting ferromagnetism.
- the spinel structure is a structure represented by the general formula AB 2 O 4 .
- the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ in which Mn ions are added to the ferrite Fe 2 SiO 4 , it is assumed that Mn ions are arranged at the A site, and Si ions and Fe ions are arranged at the B site. There is a difference in magnitude between the magnetic moment of Mn ions and the magnetic moment of Fe ions. Due to the difference in magnetic moment, magnetization is developed as a whole in the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ . Due to such a mechanism, the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ exhibits ferromagnetism.
- FIG. 1 is a flowchart showing manufacturing steps of ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ according to the present embodiment.
- the method for producing the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ according to the present embodiment is performed by a solid phase method using materials described later.
- the solid phase method refers to a material manufacturing method in which a plurality of types of raw material powders as starting materials are weighed and mixed in a predetermined amount, and then subjected to calcination and main firing to synthesize a target substance.
- the solid phase method is also called a solid phase reaction method.
- MnO, SiO 2 and Fe 2 O 3 are used as starting materials for the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ .
- the specific manufacturing method is as follows.
- MnO, SiO 2 and Fe 2 O 3 are each weighed (step S11).
- the masses of the weighed MnO, SiO 2 and Fe 2 O 3 are, for example, 5.1 [g] for MnO, 1.1 [g] for SiO 2 and 10 [g] for Fe 2 O 3 .
- the mass and mixing ratio of MnO, SiO 2 and Fe 2 O 3 will be described in detail in later examples.
- step S12 weighed MnO, SiO 2 and Fe 2 O 3 are mixed (step S12).
- MnO mixing of SiO 2 and Fe 2 O 3 is weighed MnO, placed SiO 2 and Fe 2 O 3 in the vessel, pure water was added, carried out by mixing and dispersing in a rotary ball mill.
- the mixing of MnO, SiO 2 and Fe 2 O 3 is not limited to mixing and dispersion using a rotating ball mill, and other mixing methods may be used.
- step S13 the mixed and dispersed MnO, SiO 2 and Fe 2 O 3 are calcined (step S13). Specifically, first, MnO, SiO 2 and Fe 2 O 3 mixed and dispersed are put in a molding die and compressed to produce a molded body. At this time, for example, uniaxial molding is performed at a constant pressure of 98 [MPa]. Thereafter, the molded body is calcined for 2 hours at a temperature of 900 to 1100 [° C.] in an inert gas atmosphere such as N 2 gas.
- an inert gas atmosphere such as N 2 gas.
- the powder of ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ is sintered (step S14).
- the sintering method the calcined powder is once again uniaxially molded, and then heat-treated at atmospheric pressure, or a hot press method or the like is used.
- the hot press method refers to a method in which powder or a pre-formed raw material is placed in a mold and pressure-sintered while heating at a high temperature.
- the hot press method can control the microstructure of the sintered body, so it forms a sintered body with excellent mechanical and physical properties such as a high-strength sintered body. Is possible.
- it also has the advantages of being able to bond crystals or different materials.
- other methods that can sinter Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ powder may be used.
- Ferrite Mn x Si y Fe z O 4 - ⁇ in x, y by changing the value of z, performing molding of a plurality of types of powder ferrite Mn x Si y Fe z O 4 - ⁇ by the manufacturing method described above It was. Combinations of x, y, and z values are shown in the examples below. The crystal structure and magnetic properties of the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ powder synthesized by calcining were evaluated.
- FIG. 2 is a diagram showing conditions in each manufacturing process of the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ according to the present embodiment.
- Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ in x, y a composition ratio different ferrite Mn x Si y Fe z O 4 - ⁇ of z, was fabricated by the manufacturing method described above.
- the change in the combination of the composition ratios of y and z was 0.25.
- Comparative Example 1 a ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ shown in the sample (a) of FIG.
- Comparative Example 2 a ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ shown in the sample (e) of FIG.
- the ferrite MnFe 2 O 4 is a known magnetic material, and was produced for comparison with the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ according to the present embodiment.
- FIG. 3 is a diagram showing X-ray diffraction patterns (XRD patterns) of the samples (a) to (e) and the sample (f) shown in Examples 1 to 5 described above.
- Sample (f) is shown as an example in which the composition ratio of x is other than 1 in the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ .
- the ferrite Fe 2 SiO 4 shown as sample (a) is known to have an olivine type structure.
- Fe 2 SiO 4 shows an olivine type structure.
- the ferrite MnFe 2 O 4 shown as the sample (e) has a spinel structure.
- FIG. 4 is a diagram showing the magnetic characteristics (ferromagnetic characteristics) of the samples (a) to (f) shown in Examples 1 to 5 described above.
- the mass magnetization ⁇ s [emu / g] refers to a magnetic moment [emu] per unit mass. Mass magnetization is a parameter indicating the strength of magnetization.
- the mass magnetization was measured in a magnetic field environment having a strength of 3 [kOe]. As shown in FIG. 4, the mass magnetization ⁇ s of the samples (a) to (e) is 0.5 [emu / g], 66 [emu / g], 55 [emu / g], and 44 [emu / g], 78 [emu / g].
- the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ which is a composition obtained by adding Mn to the ferrite Fe 2 SiO 4 , is a ferrite having a new composition exhibiting ferromagnetism. Therefore, a magnetic core having a high magnetic permeability can be formed using the ferrite material according to the present embodiment, which is a magnetic material having high magnetic properties.
- y may satisfy 0 ⁇ y ⁇ 0.8.
- the range of the value of the mass magnetization ⁇ s [emu / g] of the ferrite material may be ⁇ s ⁇ 40.
- ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ which is a magnetic material having a high magnetic property with a mass magnetization ⁇ s of 40 [emu / g] or more.
- FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the composite magnetic body 10 according to the present embodiment.
- the composite magnetic body 10 includes the ferrite 1 represented by Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ described above and the metal powder 5. Specifically, the ferrite 1 is filled around the metal powder 5.
- the metal powder 5 may be, for example, FeSiAl, Fe-based metal powder with Si added, or Fe or Ni with Si added.
- the ferrite 1 is the above-described ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ , and has a configuration containing Si, like the metal powder 5. Since both the ferrite 1 and the metal powder 5 contain Si, it is considered that the SiO 2 coating formed around the metal powder 5 and the ferrite 1 are likely to be integrated by sintering. Therefore, the composite magnetic body 10 having high adhesion between the metal powder 5 and the ferrite 1 and higher magnetic permeability can be provided.
- the composite magnetic body 10 since the ferrite 1 which is a ferromagnetic body is filled around the metal powder 5, the composite magnetic body 10 having a high magnetic permeability can be provided.
- the metal powder 5 is regularly arranged in the composite magnetic body 10.
- the configuration is not limited to the configuration described above, and may be a configuration arranged randomly.
- FIG. 6 is a flowchart showing manufacturing steps of the composite magnetic body 10 according to the present embodiment.
- the metal powder 5 and the ferrite 1 are mixed and granulated (step S21).
- a binder resin is further mixed into the mixture of the metal powder 5 and the ferrite 1.
- the material which mixed the metal powder 5, the ferrite 1, and binder resin is shape
- degreasing is performed to remove the binder resin (step S23).
- the degreased mixture is sintered (step S24).
- the metal powder 5 In the step of mixing and granulating the metal powder 5 and the ferrite 1, for example, Fe-5Si was used as the metal powder 5. Further, as the ferrite 1, the above-mentioned ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ was used. As an example, the mixing ratio of the ferrite 1 and the metal powder 5 is set such that the weight of the ferrite 1 is 5 [wt%] of the weight of the metal powder 5 when the weight of the metal powder 5 is 100 [wt%].
- the material of the metal powder 5 may be FeSiAl, Fe-based metal powder added with Si, Fe or Ni added with Si, and a mixture thereof.
- a binder resin was further mixed into the mixture of the metal powder 5 and the ferrite 1.
- the binding resin for example, butyral resin was used.
- an organic solvent was further mixed with the mixture obtained by adding the metal powder 5, ferrite 1 and butyral resin, and the mixture was dispersed by a rotating ball mill.
- the mixture described above was pressure molded at 784 [MPa] to produce a molded body having a predetermined shape.
- This molded body was heated at a temperature of about 200 to 400 [° C.] to perform degreasing. Thereby, the butyral resin which is a binding resin was removed, and a molded body in which the ferrite 1 was filled around the metal powder 5 was obtained.
- the compact was sintered with an electric furnace.
- the sintering temperature was, for example, heat treatment for 5 hours in an N 2 atmosphere of 1000 [° C.]. Thereby, the sintered composite magnetic body was obtained.
- the sintering temperature may be 1000 to 1200 [° C.].
- the sintering temperature at this time may be, for example, 800 to 1000 [° C.].
- the discharge plasma it is possible to sinter at a lower temperature as compared with sintering by an electric furnace.
- a composite magnetic body having high magnetic permeability can be provided. Therefore, by using the composite magnetic body according to the present embodiment, a magnetic core having a high magnetic permeability can be formed.
- coil components using the above-described composite magnetic material are also included in the present disclosure.
- the coil component include a high-frequency inductor and a transformer.
- the present disclosure also includes a power supply device including the above-described coil component.
- composition ratios x, y, and z of Mn, Si, and Fe in the ferrite Mn x Si y Fe z O 4- ⁇ is not limited to the combination described above, and may be changed as appropriate.
- the mixing method of MnO, SiO 2 and Fe 2 O 3 , the mixture of metal powder, ferrite and butyral resin, organic solvent, etc. is not limited to the above-mentioned mixing and dispersion by the rotating ball mill, and other mixing methods may be used. .
- the calcining and sintering methods are not limited to the methods described above, and other methods such as a hot press method may be used.
- the pressure, temperature, and time in each step described above are examples, and other pressures, temperatures, and times may be adopted.
- the magnetic material according to the present disclosure can be applied to high frequency inductors, transformer core materials, and the like.
Abstract
高い透磁率を有するフェライト材料、複合磁性体、コイル部品および電源装置を提供する。フェライト(1)は、MnxSiyFezO4-δ(0<x<1、y>0、z>0、x+y+z=3、δ≦0.5)という構成で表され、強磁性を示すフェライトである。
Description
本開示は、フェライト材料、複合磁性体、コイル部品および電源装置に関する。
従来、モータや変圧器の磁心向けの磁性材料として、フェライトをはじめとする酸化物磁性体材料が用いられている。例えば、鉄粉を加圧成形した圧粉磁心は、金型成形が可能なため製品形状の自由度が高く、また、複雑な磁心形状でも高精度で簡便な工程で製造可能なことから、その有用性が注目されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1では、圧粉磁心用の鉄粉が開示されている。特許文献1に記載の圧粉磁心用の鉄粉は、鉄粉の表面に、Si系酸化物からなる酸化膜とSi樹脂等からなる絶縁層を被膜した圧粉磁心用鉄粉である。この圧粉磁心用鉄粉を結着性樹脂と混合して加圧成形することにより、機械的強度の低下を招くことなしに、比抵抗が高く鉄損特性に優れた圧粉磁心を生成している。
しかし、上述した圧粉磁心では、鉄粉の周囲には酸化膜および絶縁層が形成されている。ここで使用されている酸化膜は、例えば非磁性材料であるFe2SiO4等であり、絶縁層は、例えば非磁性材料であるSi系樹脂であり、結着性樹脂は非磁性材料である。従って、加圧成形された圧粉磁心において、鉄粉同士の間には非磁性材料が存在することになる。したがって、圧粉磁心用鉄粉単体での透磁率は高い場合であっても、圧粉磁心全体としての透磁率は低いといった問題がある。
上述した課題に鑑み、本開示は、高い透磁率を有するフェライト材料および複合磁性体を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係るフェライト材料は、MnxSiyFezO4-δ(0<x<1、y>0、z>0、x+y+z=3、δ≦0.5)という構成で表され、強磁性を示す。
また、本開示の一態様に係る複合磁性体は、上述した特徴を有するフェライト材料と、金属粉とを含む。
また、本開示の一態様に係るコイル部品は、上述した特徴を有する複合磁性体を用いている。
また、本開示の一態様に係る電源装置は、上述した特徴を有するコイル部品を備えている。
本開示によれば、高い透磁率を有するフェライト材料及び複合磁性体を提供することができる。
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置、接続形態、ステップ及びステップの順序等は一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
(実施の形態)
[1.フェライトMnxSiyFezO4-δの構成]
本実施の形態に係るフェライト材料は、Fe、Si、Mnを含む酸化物であり、MnxSiyFezO4-δという構成で表されるフェライトである。
[1.フェライトMnxSiyFezO4-δの構成]
本実施の形態に係るフェライト材料は、Fe、Si、Mnを含む酸化物であり、MnxSiyFezO4-δという構成で表されるフェライトである。
スピネル型フェライトは、一般にAB2O4(A、Bは任意の金属元素)で表される。従来使用されていたフェライトFe2SiO4は、通常はオリビン型の構造を有するが、高圧環境下においてスピネル型の構造を有する非磁性体材料であり、SiイオンがAサイト、FeイオンがBサイトに配置された構造である。
これに対し、本実施の形態に係るフェライトMnxSiyFezO4-δは、Fe2SiO4にMnイオンが添加されたMnxSiyFezO4-δであり、MnイオンがAサイト、SiイオンおよびFeイオンがBサイトに配置された構造である。フェライトMnxSiyFezO4-δは、スピネル型の構造を有しており、Mnが加わることにより、Fe2SiO4とは異なり強磁性を示す強磁性体材料となる。フェライトMnxSiyFezO4-δは、強磁性を示す新組成のフェライトである。
なお、MnxSiyFezO4-δにおいて、x、y、z、δは、0<x<1、y>0、z>0、x+y+z=3、δ≦0.5を満たす。
ここで、MnxSiyFezO4-δが強磁性を示すメカニズムについて、スピネル型の構造より説明する。スピネル型の構造とは、一般式AB2O4で表される構造である。
スピネル型の構造を有するフェライトFe2SiO4において、SiイオンがAサイト、FeイオンがBサイトに配置されると仮定すると、フェライトFe2SiO4ではFeイオンの磁気モーメントを反平行に向ける交換作用が働く。そのため、フェライトFe2SiO4では、反平行の磁気モーメントが互いに打ち消し合うことによって、全体として磁化は発現しない。したがって、フェライトFe2SiO4は、非磁性を示す。
これに対し、フェライトFe2SiO4にMnイオンが添加されたフェライトMnxSiyFezO4-δでは、MnイオンがAサイト、SiイオンおよびFeイオンがBサイトに配置されると仮定すると、Mnイオンの磁気モーメントとFeイオンの磁気モーメントとの大きさに差分が生じる。この磁気モーメントの差分により、フェライトMnxSiyFezO4-δでは、全体として磁化が発現する。このようなメカニズムにより、フェライトMnxSiyFezO4-δは強磁性を示す。
[2.フェライトMnxSiyFezO4-δの製造方法]
以下、本実施の形態にかかるフェライトMnxSiyFezO4-δの製造方法について説明する。図1は、本実施の形態に係るフェライトMnxSiyFezO4-δの製造工程を示すフローチャートである。
以下、本実施の形態にかかるフェライトMnxSiyFezO4-δの製造方法について説明する。図1は、本実施の形態に係るフェライトMnxSiyFezO4-δの製造工程を示すフローチャートである。
本実施の形態にかかるフェライトMnxSiyFezO4-δの製造方法は、後述する材料を用いて固相法により行う。
固相法とは、出発原料となる複数種類の原料粉体を所定量に秤量し混合した後、仮焼を経て本焼を行うことにより目的物質を合成する材料製造方法をいう。なお、固相法は、固相反応法とも呼ばれる。本実施の形態では、フェライトMnxSiyFezO4-δの出発原料として、MnO、SiO2およびFe2O3を用いる。
具体的な製造方法は、以下のとおりである。
図1に示すように、はじめにMnO、SiO2およびFe2O3をそれぞれ秤量する(ステップS11)。秤量したMnO、SiO2およびFe2O3の質量は、例えば、MnOが5.1[g]、SiO2が1.1[g]、Fe2O3が10[g]である。なお、MnO、SiO2およびFe2O3の質量および混合割合については、後の実施例において詳述する。
次に、秤量したMnO、SiO2およびFe2O3を混合する(ステップS12)。MnO、SiO2およびFe2O3の混合は、秤量したMnO、SiO2およびFe2O3を容器に入れ、純水を添加し、回転ボールミルで混合分散することにより行う。なお、MnO、SiO2およびFe2O3の混合は、回転ボールミルを用いた混合分散に限らず、他の混合方法であってもよい。
次に、混合分散したMnO、SiO2およびFe2O3を仮焼する(ステップS13)。具体的には、まず、混合分散したMnO、SiO2およびFe2O3を、成形金型に入れて圧縮し、成形体を作製する。このとき、例えば一定圧力98[MPa]で一軸成形を行う。その後、例えばN2ガス等の不活性ガス雰囲気中において、900~1100[℃]の温度で2時間成形体の仮焼を行う。
以上の工程により、フェライトFe2SiO4の一部がMnに置換された構成である、フェライトMnxSiyFezO4-δの粉体が得られる。
その後、フェライトMnxSiyFezO4-δの粉体を焼結する(ステップS14)。なお、焼結の方法については、仮焼した粉体を再度一軸金型成形した後、常圧雰囲気熱処理するか、ホットプレス法等を用いる。ここで、ホットプレス法とは、粉体或いは予め成形した原料を型に入れ、高温で加熱しながら加圧焼結させる方法をいう。ホットプレス法では、理論密度に近い緻密焼結体が得られるほか、焼結体の微細構造を制御できるので、高強度焼結体等機械的性質、物理的性質の優れた焼結体を形成することが可能である。さらに、異種材料間の界面接触がよくなるほか、結晶同士或いは異種材料を結合できる等の特長を有している。これらの方法に限らず、MnxSiyFezO4-δ粉体を焼結できる他の方法を用いてもよい。
フェライトMnxSiyFezO4-δのx、y、zの値を変化させて、上述の製造方法により複数種類のフェライトMnxSiyFezO4-δの粉体の成形を行った。x、y、zの値の組み合わせについては、以下の実施例に示す。また、仮焼して合成したフェライトMnxSiyFezO4-δの粉体について、結晶構造および磁気特性の評価を行った。
[3-1.実施例]
次に、実施例について説明する。図2は、本実施の形態に係るフェライトMnxSiyFezO4-δの各製造工程における条件を示す図である。
次に、実施例について説明する。図2は、本実施の形態に係るフェライトMnxSiyFezO4-δの各製造工程における条件を示す図である。
図2に示すように、MnxSiyFezO4-δのx、y、zの組成比が異なるフェライトMnxSiyFezO4-δを、上述した製造方法により作製した。なお、以下の実施例では、y、zの組成比の組み合わせの変化は0.25とした。
(実施例1)
実施例1として、図2のサンプル(b)に示すフェライトMnxSiyFezO4-δの作製を行った。サンプル(b)において、x、y、z、の組成比は(x,y,z)=(1,0.25,1.75)とした。すなわち、サンプル(b)として、フェライトMnSi0.25Fe1.75O4を作製した。
実施例1として、図2のサンプル(b)に示すフェライトMnxSiyFezO4-δの作製を行った。サンプル(b)において、x、y、z、の組成比は(x,y,z)=(1,0.25,1.75)とした。すなわち、サンプル(b)として、フェライトMnSi0.25Fe1.75O4を作製した。
まず、サンプル(b)の出発原料として、MnOを5.1[g]、SiO2を1.1[g]、Fe2O3を10[g]用意した。これらの出発原料を混合し、純水を加えて回転ボールミルにより混合分散した。さらに、仮焼を行い、結晶化したサンプル(b)を得た。
(実施例2)
実施例2として、図2のサンプル(c)に示すフェライトMnxSiyFezO4-δの作製を行った。サンプル(c)において、x、y、z、の組成比は(x,y,z)=(1,0.5,1.5)とした。すなわち、サンプル(c)として、フェライトMnSi0.5Fe1.5O4を作製した。
実施例2として、図2のサンプル(c)に示すフェライトMnxSiyFezO4-δの作製を行った。サンプル(c)において、x、y、z、の組成比は(x,y,z)=(1,0.5,1.5)とした。すなわち、サンプル(c)として、フェライトMnSi0.5Fe1.5O4を作製した。
まず、サンプル(c)の出発原料として、MnOを5.9[g]、SiO2を2.5[g]、Fe2O3を10[g]用意した。これらの出発原料を混合し、純水を加えて回転ボールミルにより混合分散した。さらに、仮焼を行い、結晶化したサンプル(c)を得た。
(実施例3)
実施例3として、図2のサンプル(d)に示すフェライトMnxSiyFezO4-δの作製を行った。サンプル(d)において、x、y、z、の組成比は(x,y,z)=(1,0.75,1.25)とした。すなわち、サンプル(d)として、フェライトMnSi0.75Fe1.25O4を作製した。
実施例3として、図2のサンプル(d)に示すフェライトMnxSiyFezO4-δの作製を行った。サンプル(d)において、x、y、z、の組成比は(x,y,z)=(1,0.75,1.25)とした。すなわち、サンプル(d)として、フェライトMnSi0.75Fe1.25O4を作製した。
まず、サンプル(d)の出発原料として、MnOを7.1[g]、SiO2を4.5[g]、Fe2O3を10[g]用意した。これらの出発原料を混合し、純水を加えて回転ボールミルにより混合分散した。さらに、仮焼を行い、結晶化したサンプル(d)を得た。
(比較例1)
また、比較例1として、図2のサンプル(a)に示すフェライトMnxSiyFezO4-δの作製を行った。サンプル(a)において、x、y、z、の組成比は(x,y,z)=(0,1,2)とした。すなわち、サンプル(a)として、従来使用されていたフェライトFe2SiO4を作製した。なお、フェライトFe2SiO4は非磁性体である。
また、比較例1として、図2のサンプル(a)に示すフェライトMnxSiyFezO4-δの作製を行った。サンプル(a)において、x、y、z、の組成比は(x,y,z)=(0,1,2)とした。すなわち、サンプル(a)として、従来使用されていたフェライトFe2SiO4を作製した。なお、フェライトFe2SiO4は非磁性体である。
まず、サンプル(a)の出発原料として、SiO2を3.8[g]、Fe2O3を10[g]用意した。これらの出発原料を混合し、純水を加えて回転ボールミルにより混合分散した。さらに、仮焼を行い、結晶化したサンプル(a)を得た。
(比較例2)
また、比較例2として、図2のサンプル(e)に示すフェライトMnxSiyFezO4-δの作製を行った。サンプル(e)において、x、y、z、の組成比は(x,y,z)=(1,0,2)とした。すなわち、サンプル(e)として、フェライトMnFe2O4を作製した。なお、フェライトMnFe2O4は公知の磁性体であり、本実施の形態に係るフェライトMnxSiyFezO4-δとの比較のために作製した。
また、比較例2として、図2のサンプル(e)に示すフェライトMnxSiyFezO4-δの作製を行った。サンプル(e)において、x、y、z、の組成比は(x,y,z)=(1,0,2)とした。すなわち、サンプル(e)として、フェライトMnFe2O4を作製した。なお、フェライトMnFe2O4は公知の磁性体であり、本実施の形態に係るフェライトMnxSiyFezO4-δとの比較のために作製した。
まず、サンプル(e)の出発原料として、MnOを4.4[g]、Fe2O3を10[g]用意した。これらの出発原料を混合し、純水を加えて回転ボールミルにより混合分散した。さらに、仮焼を行い、結晶化したサンプル(e)を得た。
以下、上述したサンプル(a)~(e)の結晶構造および磁気特性について評価した。
[3-2.フェライトMnxSiyFezO4-δの結晶構造の評価]
上述したサンプル(a)~(e)について、はじめに結晶構造の評価を行った。具体的には、結晶構造の評価は、X線回折パターンを計測することにより行った。図3は、上述した実施例1~5において示したサンプル(a)~(e)、および、サンプル(f)のX線回折パターン(XRDパターン)を示す図である。
上述したサンプル(a)~(e)について、はじめに結晶構造の評価を行った。具体的には、結晶構造の評価は、X線回折パターンを計測することにより行った。図3は、上述した実施例1~5において示したサンプル(a)~(e)、および、サンプル(f)のX線回折パターン(XRDパターン)を示す図である。
なお、サンプル(f)については図2には示していないが、フェライトMnxSiyFezO4-δにおいてx、y、z、の組成比を(x,y,z)=(0.75,0.25,2)とした場合のサンプルである。サンプル(f)は、フェライトMnxSiyFezO4-δにおいてxの組成比を1以外とした場合の例として示している。
サンプル(a)として示したフェライトFe2SiO4は、オリビン型の構造をとることが知られている。なお、図3の(a)に示すフェライトFe2SiO4のXRD回折パターンでは、Fe2SiO4はオリビン型の構造を示している。
また、サンプル(e)として示したフェライトMnFe2O4について、スピネル型の構造をとることが知られている。
また、図3に示すように、サンプル(b)~(d)、(f)については、スピネル型の構造のX線回折パターンにおけるピークパターンと一致するピークパターンが見られた。したがって、サンプル(b)~(d)、(f)についても、単一相のスピネル型の構造のフェライトMnxSiyFezO4-δが生成していることが確認できた。
[3-3.フェライトMnxSiyFezO4-δの磁気特性の評価]
次に、上述したサンプル(a)~(e)について、磁気特性の評価を行った。具体的には、フェライトの磁気特性の評価は、サンプル(a)~(e)の質量磁化を計測することにより行った。図4は、上述した実施例1~5において示したサンプル(a)~(f)の磁気特性(強磁性特性)を示す図である。
次に、上述したサンプル(a)~(e)について、磁気特性の評価を行った。具体的には、フェライトの磁気特性の評価は、サンプル(a)~(e)の質量磁化を計測することにより行った。図4は、上述した実施例1~5において示したサンプル(a)~(f)の磁気特性(強磁性特性)を示す図である。
なお、質量磁化σs[emu/g]とは、単位質量当たりの磁気モーメント[emu]のことをいう。質量磁化は、磁化の強さを示すパラメータである。
質量磁化の計測は、3[kOe]の強さの磁場環境において行った。図4に示すように、サンプル(a)~(e)の質量磁化σsは、それぞれ0.5[emu/g]、66[emu/g]、55[emu/g]、44[emu/g]、78[emu/g]という値が得られた。
ここで、図4に示したサンプル(a)および(d)を比較すると分かるように、フェライトMnxSiyFezO4-δにおいて、Mnが含まれない組成(サンプル(a))に比べてMnが含まれる組成(サンプル(d))のほうが質量磁化は大きかった。詳細には、MnとSiとFeの組成比が(x、y、z)=(1,1,1)の状態から、最も小さい変化量である(x、y、z)=(1,0.75,0.25)に組成比を変化させた場合、質量磁化σsは、サンプル(a)の0.5[emu/g]からサンプル(d)の44[emu/g]に急激に増加していることが分かった。これにより、多少の計測誤差等を考慮しても、フェライトMnxSiyFezO4-δの質量磁化σs[emu/g]の値の範囲は、σs≧40を満たすと考えられる。
また、xの組成比を1以外とした場合の例であるサンプル(f)では、79[emu/g]という値の質量磁化σsが得られた。
また、図4に示したサンプル(b)~(e)を比較すると分かるように、Mnの組成比xが一定の場合、Siの組成比yが減少しFeの組成比zが増加するにつれて、質量磁化はほぼ一定の割合で増加した。また、SiがMnに完全に置き換わった組成(すなわち、(x,y,z)=(1,0,2))の場合に質量磁化は最も大きく、78[emu/g]という値が得られた。また、サンプル(d)に示すように、Siの組成比が最も大きい場合((x,y,z)=(1,0.75,1.25))には、質量磁化σsは最も小さい値が得られた。これにより、組成比の誤差等を考慮しても、フェライトMnxSiyFezO4-δにおいて、yの値は0<y≦0.8であればよいといえる。
[4.効果等]
以上、本実施の形態にかかるフェライト材料は、MnxSiyFezO4-δ(0<x<1、y>0、z>0、x+y+z=3、δ≦0.5)という構成で表され、強磁性を示す材料である。
以上、本実施の形態にかかるフェライト材料は、MnxSiyFezO4-δ(0<x<1、y>0、z>0、x+y+z=3、δ≦0.5)という構成で表され、強磁性を示す材料である。
この構成によれば、フェライトFe2SiO4にMnを添加した組成であるフェライトMnxSiyFezO4-δは、強磁性を示す新組成のフェライトである。したがって、高い磁気特性を有する磁性材料である本実施の形態にかかるフェライト材料を用いて、透磁率の高い磁心等を形成することができる。
また、フェライトMnxSiyFezO4-δにおいて、yは0<y≦0.8を満たしてもよい。
この構成によれば、高い磁気特性を有する磁性材料であるフェライトMnxSiyFezO4-δを提供することができる。
また、フェライト材料の質量磁化σs[emu/g]の値の範囲は、σs≧40であってもよい。
この構成によれば、質量磁化σsが40[emu/g]以上の高い磁気特性を有する磁性材料であるフェライトMnxSiyFezO4-δを提供することができる。
(実施の形態2)
次に、実施の形態2について説明する。本実施の形態では、実施の形態1に示したフェライトMnxSiyFezO4-δを用いた複合磁性体および複合磁性体の製造方法について説明する。図5は、本実施の形態に係る複合磁性体10の構成の一例を示す模式図である。
次に、実施の形態2について説明する。本実施の形態では、実施の形態1に示したフェライトMnxSiyFezO4-δを用いた複合磁性体および複合磁性体の製造方法について説明する。図5は、本実施の形態に係る複合磁性体10の構成の一例を示す模式図である。
本実施の形態にかかる複合磁性体10は、図5に示すように、上述したMnxSiyFezO4-δで示されるフェライト1と、金属粉5とを含む。具体的には、金属粉5の周りにフェライト1が充填された構成である。
金属粉5は、例えばFeSiAl、Fe基金属粉にSiを添加したもの、FeまたはNiにSiを添加したものであってもよい。
フェライト1は、上述したフェライトMnxSiyFezO4-δであり、金属粉5と同様、Siを含む構成である。フェライト1と金属粉5とはいずれもSiを含むので、金属粉5の周囲に形成されるSiO2の被膜とフェライト1とは、焼結により一体となりやすいと考えられる。したがって、金属粉5とフェライト1との密着度が高く、より透磁率の高い複合磁性体10を提供することができる。
この複合磁性体10によれば、金属粉5の周りに強磁性体であるフェライト1が充填されているので、透磁率の高い複合磁性体10を提供することができる。
なお、図5に示した複合磁性体10では、一例として金属粉5が最も密に充填された六方細密構造の場合を示しているが、複合磁性体10は、金属粉5が規則的に配置された構成に限らず、ランダムに配置された構成であってもよい。
図6は、本実施の形態に係る複合磁性体10の製造工程を示すフローチャートである。
図6に示すように、本実施の形態に係る複合磁性体10の製造工程では、はじめに、金属粉5とフェライト1とを混合および造粒する(ステップS21)。次に、金属粉5とフェライト1との混合物に、さらに結着性樹脂を混合する。その後、金属粉5とフェライト1と結着性樹脂とを混合した材料を成形する(ステップS22)。さらに、結着性樹脂を除去させるために脱脂を行う(ステップS23)。続けて、脱脂を行った混合物を焼結する(ステップS24)。これにより、本実施の形態にかかる複合磁性体10を得ることができる。
詳細には、以下のとおりである。
金属粉5とフェライト1とを混合および造粒する工程において、金属粉5としては、例えばFe-5Siを用いた。また、フェライト1としては上述したフェライトMnxSiyFezO4-δを用いた。フェライト1と金属粉5との混合割合は、一例として、金属粉5の重量を100[wt%]としたときフェライト1の重量を金属粉5の重量の5[wt%]とした。なお、金属粉5の材料としては、FeSiAl、Fe基金属粉にSiを添加したもの、FeまたはNiにSiを添加したもの、および、これらの混合物等であってもよい。
次に、金属粉5およびフェライト1の混合物に、さらに結着性樹脂を混合した。結着性樹脂としては、例えば、ブチラール樹脂を用いた。また、金属粉5、フェライト1およびブチラール樹脂を加えた混合物に、さらに有機溶剤を混合し、回転ボールミルにより混合分散した。
次に、上述した混合物を784[MPa]で加圧成形して、所定形状の成形体を作製した。この成形体を200~400[℃]程度の温度で加熱し、脱脂を行った。これにより、結着性樹脂であるブチラール樹脂は除去され、金属粉5の周囲にフェライト1が充填された成形体が得られた。
さらに、電気炉により成形体を焼結した。焼結の温度は、例えば、1000[℃]のN2雰囲気中で5時間熱処理を施した。これにより、焼結した複合磁性体が得られた。なお、焼結の温度は、1000~1200[℃]であってもよい。
なお、電気炉による焼結に代えて、放電プラズマにより焼結してもよい。このときの焼結温度は、例えば800~1000[℃]としてもよい。放電プラズマを用いることにより、電気炉による焼結に比べて低い温度で焼結することができる。
以上、本実施の形態に係る複合磁性体によると、透磁率の高い複合磁性体を提供することができる。したがって、本実施の形態に係る複合磁性体を用いることにより、透磁率の高い磁心等を形成することができる。
(変形例等)
以上、本開示の実施の形態に係るフェライトおよび複合磁性体について説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。
以上、本開示の実施の形態に係るフェライトおよび複合磁性体について説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上述した複合磁性体を用いたコイル部品についても、本開示に含まれる。コイル部品としては、例えば、高周波用のインダクタ、トランス等が挙げられる。また、上述したコイル部品を備えた電源装置についても、本開示に含まれる。
また、フェライトMnxSiyFezO4-δにおけるMn、Si、Feの組成比x、y、zの組み合わせは、上述した組み合わせに限らず、適宜変更してもよい。
また、MnO、SiO2およびFe2O3の混合方法、金属粉、フェライトおよびブチラール樹脂、有機溶剤等の混合物は、上述した回転ボールミルによる混合分散に限らず、他の混合方法を用いてもよい。
また、仮焼および焼結の方法については、上述した方法に限らず、ホットプレス法等の他の方法を用いてもよい。また、上述した各ステップにおける圧力、温度および時間は一例であって、他の圧力、温度および時間を採用してもよい。
また、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
本開示にかかる磁性材料は、高周波用のインダクタ、トランスの磁芯の材料等に適用できる。
1 フェライト(フェライト材料)
5 金属粉
10 複合磁性体
5 金属粉
10 複合磁性体
Claims (7)
- MnxSiyFezO4-δ(0<x<1、y>0、z>0、x+y+z=3、δ≦0.5)という構成で表され、強磁性を示す
フェライト材料。 - 前記MnxSiyFezO4-δにおいて、yは0<y≦0.8を満たす
請求項1に記載のフェライト材料。 - 前記フェライト材料の質量磁化σs[emu/g]の値の範囲は、σs≧40である
請求項1または2に記載のフェライト材料。 - 請求項1~3のいずれか1項に記載のフェライト材料と、金属粉とを含む
複合磁性体。 - 前記金属粉は、Siを含む
請求項4に記載の複合磁性体。 - 請求項4または5に記載の複合磁性体を用いた
コイル部品。 - 請求項6に記載のコイル部品を備えた
電源装置。
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