JP2022067365A - MnZn系フェライト - Google Patents
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Abstract
【課題】高周波数の電圧変動に対しても損失の低減が可能なMnZn系フェライトを提供すること。【解決手段】Fe2O3とZnOとMnOを主成分とし、前記主成分100mol%中、Fe2O3が53.2~56.3mol%、ZnOが1.0~9.0mol%、残部がMnOであり、前記主成分100質量%に対し、副成分として、Co2O3を0.9~2.0質量%、SiO2を0.005~0.06質量%、CaOを0.01~0.06質量%を含有する、MnZn系フェライトである。【選択図】なし
Description
本発明は、MnZn系フェライトに関する。
MnZn系フェライトは、高初透磁率、高磁束密度、小さな磁場に対しても磁化しやすいなどの特性を有し、通信機器用途や電源用途などに広く用いられている。MnZn系フェライトは、用途に応じた特性が得られるよう種々の検討がなされている(例えば特許文献1~2)。
例えば特許文献1には、電力損失が最小となる温度域を20~60℃に調整するフェライトとして、Fe2O3 53.0~54.5モル%、ZnO 6~12モル%、残部MnOからなる主成分と、副成分として、CaO 200~1000ppm、SiO2 0~300ppm、CoO 100~4000ppm含有し、更にNb2O5、Ta2O5の少なくとも1種を50~500ppm含有する特定の液晶バックライト用低損失フェライとが開示されている。
また特許文献2では、広い温度帯域において電力損失が低く、かつ、電力損失の温度変化が小さいMnZn系の磁性フェライト材料として、酸化鉄、酸化亜鉛および酸化マンガンを主成分とし、酸化亜鉛の含有量がZnO換算で7.0~9.0モル%の範囲、酸化マンガンの含有量がMnO換算で36.8~39.2モル%の範囲、および、残部酸化鉄を含有し、副成分として酸化コバルトをCo3O4換算で2500~4500ppmの範囲で含有する特定の磁性フェライト材料が開示されている。
電子機器の小型化、高性能化に伴い、スイッチング電源におけるスイッチング周波数の高周波数化(例えば1~3MHz)などが検討されている。スイッチング電源回路を構成するインダクタのコア材も高いスイッチング周波数に対しても、損失が少ないものが求められている。
本発明は上記課題を解決するものであり、高周波数の電圧変動に対しても損失の低減が可能なMnZn系フェライトを提供する。
本発明に係るMnZn系フェライトは、Fe2O3とZnOとMnOを主成分とし、
前記主成分100mol%中、Fe2O3が53.2~56.3mol%、ZnOが1.0~9.0mol%、残部がMnOであり、
前記主成分100質量%に対し、副成分として、Co2O3を0.9~2.0質量%、SiO2を0.005~0.06質量%、CaOを0.01~0.06質量%を含有することを特徴とする。
前記主成分100mol%中、Fe2O3が53.2~56.3mol%、ZnOが1.0~9.0mol%、残部がMnOであり、
前記主成分100質量%に対し、副成分として、Co2O3を0.9~2.0質量%、SiO2を0.005~0.06質量%、CaOを0.01~0.06質量%を含有することを特徴とする。
上記MnZn系フェライトの一実施形態は、副成分として、更に、ZrO2、Ta2O5、及びNb2O5より選択される1種以上を、主成分100質量%に対して合計で0.03~0.12質量%含有する。
上記MnZn系フェライトの一実施形態は、磁化曲線のヒステリシスループがパーミンバー型である。
上記MnZn系フェライトの一実施形態は、初透磁率が300~900H/mである。
上記MnZn系フェライトの一実施形態は、残留磁束密度(Br)が400mT以下である。
本発明により、高周波数の電圧変動に対しても損失の低減が可能なMnZn系フェライトが提供される。
以下、本発明に係るMnZn系フェライトについて説明する。
なお、数値範囲を示す「~」は特に断りがない限り、その下限値及び上限値を含むものとする。
なお、数値範囲を示す「~」は特に断りがない限り、その下限値及び上限値を含むものとする。
<MnZn系フェライト>
本発明に係るMnZn系フェライト(以下、本MnZn系フェライトとも記す)は、Fe2O3とZnOとMnOを主成分とし、前記主成分100mol%中、Fe2O3が53.2~60.0mol%、ZnOが1.0~9.0mol%、残部がMnOであり、前記主成分100質量%に対し、副成分として、Co2O3を0.9~2.0質量%、SiO2を0.005~0.06質量%、CaOを0.01~0.06質量%を含有する。
本発明に係るMnZn系フェライト(以下、本MnZn系フェライトとも記す)は、Fe2O3とZnOとMnOを主成分とし、前記主成分100mol%中、Fe2O3が53.2~60.0mol%、ZnOが1.0~9.0mol%、残部がMnOであり、前記主成分100質量%に対し、副成分として、Co2O3を0.9~2.0質量%、SiO2を0.005~0.06質量%、CaOを0.01~0.06質量%を含有する。
上記本MnZn系フェライトは上記のような組成を有することで、誘導磁気異方性を発生し、後述するヒステリシスループのパーミンバー化が促進されて、高周波数の電圧変動に対する損失、中でもヒステリシス損失、残留損失を低減すると推測される。
図1を参照して磁化曲線のヒステリシスループを説明する。図1は後述する実施例においてCo2O3の量を変化させた、比較例9、比較例10、実施例35、実施例36、実施例38及び比較例12のヒステリシスループを示すグラフである。なお、図1のヒステリシスループは、後述する実施例の評価方法「残留磁束密度及びヒステリシスループ」において、印加磁場を100A/mとして測定したものである。比較例9が非パーミンバー型のヒステリシスループであり、比較例10及び12が弱パーミンバー型のヒステリシスループであり、実施例35、36及び38がパーミンバー型のヒステリシスループである。
各グラフは横軸が磁場Hを表し、縦軸が磁束密度Bを表し、H=0の近傍におけるヒステリシスループの傾きが初透磁率μである。非パーミンバー型のヒステリシスループでは、初透磁率μ及び残留磁束密度Brの値が大きい。一方パーミンバー型のヒステリシスループでは、初透磁率μ及び残留磁束密度Brの値が小さく、磁場Hの変動に対し磁束密度Bが追従するため、磁場を正方向に変化させた時と、負方向に変化させた時の磁束密度の差が小さくなっている。
本MnZn系フェライトは上記の組成を有することにより、パーミンバー型のヒステリシスループが得られる。その結果、高周波数の電圧変動に対してもヒステリシス損失及び残留損失の低減が可能なMnZn系フェライトとなるものと推定される。
なお、本発明においては、パーミンバー型、弱パーミンバー型、非パーミンバー型を以下のように定義する。
パーミンバー型:μ≦700かつBr(mT)≦300
弱パーミンバー型:700<μ≦900かつBr(mT)≦400;または、
μ≦900かつ300<Br(mT)≦400
非パーミンバー型: 900<μ、または、400<Br(mT)
各グラフは横軸が磁場Hを表し、縦軸が磁束密度Bを表し、H=0の近傍におけるヒステリシスループの傾きが初透磁率μである。非パーミンバー型のヒステリシスループでは、初透磁率μ及び残留磁束密度Brの値が大きい。一方パーミンバー型のヒステリシスループでは、初透磁率μ及び残留磁束密度Brの値が小さく、磁場Hの変動に対し磁束密度Bが追従するため、磁場を正方向に変化させた時と、負方向に変化させた時の磁束密度の差が小さくなっている。
本MnZn系フェライトは上記の組成を有することにより、パーミンバー型のヒステリシスループが得られる。その結果、高周波数の電圧変動に対してもヒステリシス損失及び残留損失の低減が可能なMnZn系フェライトとなるものと推定される。
なお、本発明においては、パーミンバー型、弱パーミンバー型、非パーミンバー型を以下のように定義する。
パーミンバー型:μ≦700かつBr(mT)≦300
弱パーミンバー型:700<μ≦900かつBr(mT)≦400;または、
μ≦900かつ300<Br(mT)≦400
非パーミンバー型: 900<μ、または、400<Br(mT)
本MnZn系フェライトはFe2O3とZnOとMnOを主成分とする。
Fe2O3は、主成分100mol%中、53.2~56.3mol%である。Fe2O3が53.2mol%以上であることで、パーミンバー型のヒステリシスループが得られ、損失をより低減する点から53.8mol%以上が好ましい。また、Fe2O3が56.3mol%以下であることで、低温領域での損失の悪化も抑制でき、損失をより低減する点から56.1mol%以下が好ましく、55.9mol%以下がより好ましい。
ZnOは、主成分100mol%中、1.0~9.0mol%である。ZnOが1.0mol%以上であることで焼結性に優れ、本MnZn系フェライトの生産性が向上する。ZnOが9.0mol%以下であることで、パーミンバー型のヒステリシスループが得られ、損失が抑制される。損失をより低減する点からは、ZnOは6.0mol%以下が好ましい。
主成分の残部(主成分100mol%中、31~45.8mol%)がMnOである。
Fe2O3は、主成分100mol%中、53.2~56.3mol%である。Fe2O3が53.2mol%以上であることで、パーミンバー型のヒステリシスループが得られ、損失をより低減する点から53.8mol%以上が好ましい。また、Fe2O3が56.3mol%以下であることで、低温領域での損失の悪化も抑制でき、損失をより低減する点から56.1mol%以下が好ましく、55.9mol%以下がより好ましい。
ZnOは、主成分100mol%中、1.0~9.0mol%である。ZnOが1.0mol%以上であることで焼結性に優れ、本MnZn系フェライトの生産性が向上する。ZnOが9.0mol%以下であることで、パーミンバー型のヒステリシスループが得られ、損失が抑制される。損失をより低減する点からは、ZnOは6.0mol%以下が好ましい。
主成分の残部(主成分100mol%中、31~45.8mol%)がMnOである。
また、本MnZn系フェライトは前記主成分100質量%に対し、副成分として、Co2O3を0.9~2.0質量%、SiO2を0.005~0.06質量%、CaOを0.01~0.06質量%を含有する。
Co2O3が0.9質量%以上であることで、パーミンバー化が促進される。また、Co2O3が2.0質量%以下であることで、低温領域での損失の悪化も抑制でき、1.7質量%以下が好ましい。
SiO2が0.005質量%以上であることで、十分に粒界相が形成され、損失が抑制され、強度も向上する。また、SiO2が0.06質量%以下であることで、結晶粒の肥大化が抑制される。損失をより低減する点からは、SiO2は0.02~0.05質量%が好ましい。
CaOが0.01質量%以上であることで、十分に粒界相が形成され、損失が抑制され、強度も向上する。CaOが0.06質量%以下であることで、結晶粒の肥大化が抑制される。損失をより低減する点からは、CaOは0.03~0.05質量%が好ましい。
Co2O3が0.9質量%以上であることで、パーミンバー化が促進される。また、Co2O3が2.0質量%以下であることで、低温領域での損失の悪化も抑制でき、1.7質量%以下が好ましい。
SiO2が0.005質量%以上であることで、十分に粒界相が形成され、損失が抑制され、強度も向上する。また、SiO2が0.06質量%以下であることで、結晶粒の肥大化が抑制される。損失をより低減する点からは、SiO2は0.02~0.05質量%が好ましい。
CaOが0.01質量%以上であることで、十分に粒界相が形成され、損失が抑制され、強度も向上する。CaOが0.06質量%以下であることで、結晶粒の肥大化が抑制される。損失をより低減する点からは、CaOは0.03~0.05質量%が好ましい。
本MnZn系フェライトは、本発明の効果を奏する範囲で更に他の成分を含有してもよい。好ましい成分としては、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5などが挙げられる。これらの成分は、1種単独で又は2種以上を含んでいてもよい。他の成分の合計の含有量は、主成分100質量%に対して0.03~0.12質量%が好ましい。
本MnZn系フェライトは、特にヒステリシス損失、残留損失を低減する観点から、磁化曲線のヒステリシスループがパーミンバー型となるものが好ましい。
本MnZn系フェライトは、前記初透磁率μが300~900H/mであることが好ましい。初透磁率が300~900H/mの範囲内であると、より損失が低減される。
また、本MnZn系フェライトは、残留磁束密度Brが400mT以下であることが好ましい。
また、本MnZn系フェライトは、残留磁束密度Brが400mT以下であることが好ましい。
本MnZn系フェライトは、例えば、スイッチング周波数が高周波数(例えば1~3MHz)のスイッチング電源回路に用いられるインダクタのコア材として好適に用いることができる。
<本MnZn系フェライトの製造方法>
本MnZn系フェライトは上記特性の得られる方法の中から適宜選択すればよい。以下、Zn系フェライトの好適な製造方法について一例をあげて説明する。
本MnZn系フェライトは上記特性の得られる方法の中から適宜選択すればよい。以下、Zn系フェライトの好適な製造方法について一例をあげて説明する。
まず、主成分であるFe2O3とZnOとMnOとを上記組成となるように配合し、均一に混合し造粒する。得られた粉末は、例えば、650~950℃程度で仮焼してもよい。
得られた粉末は、平均粒径が1μm未満程度となるまで解砕し、解砕粉に対して前記副成分を上記組成となるように添加する。均一に混合したのち、1150~1300℃程度で焼成することで、本MnZn系フェライトが得られる。
以下、実施例および比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。なお、これらの記載により本発明を制限するものではない。
[実施例1]
焼結後のFe2O3含有量が56.3mol%、ZnO含有量が4.0mol%、MnO含有量が39.7mol%として合計100mol%となるように、各原料粉末を秤量して混合した。混合工程では、混合物の平均粒径が1.0μmとなるまで混合物をアトライタで解砕した。次に、乾燥・造粒工程において、上記混合物の全質量を100質量部としたときに0.5質量部のポリビニルアルコールを加え、スプレードライヤーで噴霧することで顆粒を得た。次に仮焼工程としてこれを空気雰囲気中で750℃で1時間仮焼して仮焼物を得た。
焼結後のFe2O3含有量が56.3mol%、ZnO含有量が4.0mol%、MnO含有量が39.7mol%として合計100mol%となるように、各原料粉末を秤量して混合した。混合工程では、混合物の平均粒径が1.0μmとなるまで混合物をアトライタで解砕した。次に、乾燥・造粒工程において、上記混合物の全質量を100質量部としたときに0.5質量部のポリビニルアルコールを加え、スプレードライヤーで噴霧することで顆粒を得た。次に仮焼工程としてこれを空気雰囲気中で750℃で1時間仮焼して仮焼物を得た。
得られた仮焼物の全質量を100質量部としたときに、副成分として、SiO2を0.03質量%、CaOを0.04質量%、ZrO2を0.075質量%、Co2O3を1.5質量%となるように、各原料粉末を添加した。
次に、解砕工程として仮焼物と添加物の混合物を、解砕後の粒径のメジアン径D50が0.5μm以上、1.0μm以下になるように解砕機で解砕して解砕粉末を得た。次に乾燥・造粒工程としてこの解砕物に、解砕物の全質量を100質量部としたときに、1質量部のポリビニルアルコールを加え、スプレードライヤーで噴霧することで顆粒を得た。このときの顆粒のメジアン径D50は100μmであった。次に成型工程、および焼結工程としてこの顆粒を外径が16mm、内径が10mm、高さが5mmのトロイダル型のコアに成形し、1200℃で焼結して焼結体(MnZn系フェライト)を得た。
[実施例2~53、比較例1~12]
上記実施例1において、主成分及び副成分の配合割合を、表1~表8のように各々変更した以外は、実施例と同様にして、各焼結体(MnZn系フェライト)を得た。
上記実施例1において、主成分及び副成分の配合割合を、表1~表8のように各々変更した以外は、実施例と同様にして、各焼結体(MnZn系フェライト)を得た。
<評価方法>
(1)初透磁率
成形したトロイダル型のMnZn系フェライト(コア)に1次巻き線を10回巻き付け、インピーダンスアナライザーにより、23℃における10KHzの初透磁率μを測定した。
(2)残留磁束密度及びヒステリシスループ
成形したトロイダル型のコアに1次巻き線を25回、2次巻き線を25回巻き付け、BHアナライザーにて磁場を1000A/m印可したときのヒステリシスループを測定し残留磁束密度Brを求めた。
(3)コアロス(Pcv)
成形したトロイダル型のコアに、1次巻き線を5回、2次巻き線を5回巻き付け、25℃と、120℃の雰囲気下で、BHアナライザーにて1MHz-50mTの条件でPcvを測定した。
結果を表1~表8に示す。
(1)初透磁率
成形したトロイダル型のMnZn系フェライト(コア)に1次巻き線を10回巻き付け、インピーダンスアナライザーにより、23℃における10KHzの初透磁率μを測定した。
(2)残留磁束密度及びヒステリシスループ
成形したトロイダル型のコアに1次巻き線を25回、2次巻き線を25回巻き付け、BHアナライザーにて磁場を1000A/m印可したときのヒステリシスループを測定し残留磁束密度Brを求めた。
(3)コアロス(Pcv)
成形したトロイダル型のコアに、1次巻き線を5回、2次巻き線を5回巻き付け、25℃と、120℃の雰囲気下で、BHアナライザーにて1MHz-50mTの条件でPcvを測定した。
結果を表1~表8に示す。
[結果のまとめ]
Fe2O3とZnOとMnOを主成分とし、前記主成分100mol%中、Fe2O3が53.2~56.3mol%、ZnOが1.0~9.0mol%、残部がMnOであり、前記主成分100質量%に対し、副成分として、Co2O3を0.9~2.0質量%、SiO2を0.005~0.06質量%、CaOを0.01~0.06質量%を含有する、上記実施例1~53のMnZn系フェライトは、いずれもパーミンバー型のヒステリシスループが得られ、1MHzの高周波数の電圧変動に対しても損失の低減されることが示された。
Fe2O3とZnOとMnOを主成分とし、前記主成分100mol%中、Fe2O3が53.2~56.3mol%、ZnOが1.0~9.0mol%、残部がMnOであり、前記主成分100質量%に対し、副成分として、Co2O3を0.9~2.0質量%、SiO2を0.005~0.06質量%、CaOを0.01~0.06質量%を含有する、上記実施例1~53のMnZn系フェライトは、いずれもパーミンバー型のヒステリシスループが得られ、1MHzの高周波数の電圧変動に対しても損失の低減されることが示された。
Claims (5)
- Fe2O3とZnOとMnOを主成分とし、
前記主成分100mol%中、Fe2O3が53.2~56.3mol%、ZnOが1.0~9.0mol%、残部がMnOであり、
前記主成分100質量%に対し、副成分として、Co2O3を0.9~2.0質量%、SiO2を0.005~0.06質量%、CaOを0.01~0.06質量%を含有する、MnZn系フェライト。 - 副成分として、更に、ZrO2、Ta2O5、及びNb2O5より選択される1種以上を、主成分100質量%に対して合計で0.03~0.12質量%含有する、請求項1に記載のMnZn系フェライト。
- 磁化曲線のヒステリシスループがパーミンバー型である、請求項1又は2に記載のMnZn系フェライト。
- 初透磁率が300~900H/mである、請求項1~3のいずれか1項に記載のMnZn系フェライト。
- 残留磁束密度(Br)が400mT以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載のMnZn系フェライト。
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