JP4915889B2

JP4915889B2 - 低損失Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト

Info

Publication number: JP4915889B2
Application number: JP2002102651A
Authority: JP
Inventors: 徳和小湯原; 誠門脇
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: JP2003300774A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶バックライト、スイッチング電源等のトランスに用いられる低損失のＮｉ−Ｚｎ系フェライトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯機器をはじめとする電子機器の小型化・軽量化の進展が著しく、このため、かかる電子機器に用いられる液晶バックライト用インバータ、スイッチング電源等にも、より一層の薄型化・小型化・軽量化が求められている。上記ユニットに於いてトランスは、その体積においても、電力損失においても大きな部分を占めており、その小型化と高効率化が強く要請される。一般に、トランス用コアとして求められる特性としては、駆動周波数でコア損失が小さい、飽和磁束密度が高い、キューリー温度が高い、比抵抗が高い等が挙げられる。
駆動周波数でコア損失が小さいことが要求されるのは、コア損失が大きいと、トランスとしての効率が悪くなるだけでなく、自己発熱による熱暴走によって電子機器を破壊する危険も生じるからである。
【０００３】
また、飽和磁束密度及び透磁率が大きい方が小型化に有利であり、透磁率及び飽和磁束密度の大きいフェライト材料が望まれる。このフェライト材料としては、Ｍｎ―Ｚｎ系フェライトとＮｉ―Ｚｎ系フェライトがあるが、このような用途には、主にＭｎ―Ｚｎ系フェライトが用いられていた。その理由は、一般的にＭｎ―Ｚｎ系フェライトの方がＮｉ―Ｚｎ系フェライトに対し、飽和磁束密度が高く、高透磁率で、かつ低損失であるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｍｎ―Ｚｎ系フェライトのコアを用いて、特に薄型化・小型化が要求される液晶バックライト用インバータのトランスを作る場合、下記の課題があった。薄型化・小型化が進展する一方の液晶バックライト用インバータのトランスにおいて、出力電圧は増大する一方であり、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトコアの様に体積抵抗率が１０Ω・ｍ程度と低い場合には、コアとコイル間の絶縁空間距離、コア・端子間の絶縁空間距離、コア・引出し線間の絶縁などを考慮し、必要とされる絶縁耐圧を確保することが必要であった。
これらの課題について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、トランスの各構成部品の展開図である。コア１は、絶縁シート２を介装して巻線３を巻回配設したボビン４に組み込まれる。ボビン４には端子５が配設されている。図５（ｂ）は、トランスの組立て後の状態を示す。図５（ｂ）の図示（イ）個所はコアとコイル間の絶縁空間距離が必要であり、その結果トランス自体が大きくなり薄型化・小型化を阻害することを、図５（ｂ）の（ロ）個所はコア・端子間の絶縁空間距離も同様必要であり、これもまた薄型化・小型化を阻害することを、図５（ｂ）（ハ）個所はコア・引出し線間の絶縁も同様に必要であり薄型化・小型化を阻害することを示している。絶縁距離は、高電圧によるコロナ放電、絶縁破壊に関係し、コア形状による電界傾度も関係する。
これに対し、体積抵抗率が１０^６Ω・ｍ以上と高いＮｉ−Ｚｎ系フェライトを用いた場合、上記コアに係わる絶縁耐圧の問題を容易に解決でき、上記の様な空間の確保の必要もなく、トランスの薄型化・小型化が可能である。
そこで、本発明はＮｉ-Ｚｎ系フェライトの組成を最適化して低損失化し、もって低損失薄型トランスのより一層の薄型化・小型化を図ることを目的とした。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、主成分としてＦｅ_２Ｏ_３４８．５ｍｏｌ％以上５０．５ｍｏｌ％以下，ＣｕＯ３ｍｏｌ％超１２ｍｏｌ％以下，ＺｎＯ２４ｍｏｌ％以上３６ｍｏｌ％以下，残部ＮｉＯのみからなり、前記主成分に対して添加成分としてＶ_２Ｏ_５０．１０ｗｔ％以下（０を含まず）を含み、２０℃〜１４０℃の間にコア損失の最小値を有し、５０ｋＨｚ、１５０ｍＴで測定した前記コア損失の最小値が２１９ｋＷ／ｍ^３以下で、飽和磁束密度が３１３ｍＴ以上の低損失Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に係るＮｉ-Ｚｎ系フェライトは、主成分組成として４８．５ｍｏｌ％以上５０．５ｍｏｌ％以下，ＣｕＯ３ｍｏｌ％超１２ｍｏｌ％以下，ＺｎＯ２４ｍｏｌ％以上３６ｍｏｌ％以下，残部ＮｉＯとした。主成分をかかる範囲に限定したのは以下の理由による。
Ｆｅ_２Ｏ_３が４８．５ｍｏｌ％未満であると、コア損失が大きくなり、また、５０．５ｍｏｌ％を超えると比抵抗が急激に低くなり、Ｎｉ−Ｚｎ系の特徴である絶縁性が低くなり、不適当である。
ＣｕＯが３ｍｏｌ％以下だと焼結密度が低く透磁率が小さいものしか得られず、１２ｍｏｌ％を超えるとコア損失が大きくなる。
ＺｎＯが２４ｍｏｌ％未満であると、コア損失が大きくなり、また３６ｍｏｌ％を超えると、コア損失の最小値を得る温度が実際に使用される温度範囲（２０℃〜１４０℃）で低損失とならない。コア損失が２５０ｋＷ／ｍ^３を超えると、例えば液晶インバータ用トランスに用いる場合はコア損失による発熱が大きな問題となる。
ＮｉＯは前記Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、ＺｎＯの残部であるが、ＮｉＯが少ないとコア損失の最小値を得る温度が実際に使用される温度範囲（２０℃〜１４０℃）で低損失とならず、逆に多いとコア損失が大きくなってしまう。
【０００７】
主成分に対して添加成分としてＶ_２Ｏ_５０．１０ｗｔ％以下複合添加含有する。一般に、フェライトの損失は、ヒステリシス損失、渦電流損失、残留損失の３つに大別できる。本発明に係るフェライトとＶ_２Ｏ_５を含有しないＮｉ−Ｚｎ系フェライトの損失を比較すると、本発明に係るフェライトでは、上記した３つの損失のうち、主にヒステリシス損失が低減している結果、従来のＮｉ−Ｚｎ系フェライトに比べ、大きく損失が減少していることが分った。ヒステリシス損失は磁壁の非可逆的な移動により発生する損失である。ヒステリシス損失を低減するためには、磁壁移動の障害となる介在物を減らすことが必要である。しかしながら、介在物を極端に減らしすぎると、磁壁は長い距離を移動することになり、逆にヒステリシス損失を増加させてしまう。Ｖ_２Ｏ_５を所定量添加含有させることで、前記介在物を制御できその結果、ヒステリシス損失を低減させると考えられる。
さらに、Ｖ_２Ｏ_５の添加量が多いと飽和磁束密度（Ｂｓ）が低下し３１３ｍＴ以上の飽和磁束密度が得られない。従って、Ｖ_２Ｏ_５の添加量は、低損失と高飽和磁束密度を得るように０．１０ｗｔ％以下に規定される。また、磁壁の枚数は平均結晶粒径に依存するから、結晶粒径は大きいことが望ましく、平均結晶粒径が５μｍ以上とするのが好ましい。高い飽和磁束密度を得るには空孔率が３％以下とするのも好ましい。
【０００８】
（実施例１）Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯの原料粉末をＦｅ_２Ｏ_３４９．７ｍｏｌ％、ＺｎＯ３２．０ｍｏｌ％、ＣｕＯ５．８ｍｏｌ％、ＮｉＯ１２．５ｍｏｌ％となるように所定量秤量し、これに所定量のイオン交換水を添加したものをボールミルにて４時間混合し、電気炉を用いて最高温度８５０℃で１．５時間仮焼成した後、これを炉冷し、４０メッシュのふるいで解砕する。しかる後、これにＶ_２Ｏ_５の原料粉末を０〜１ｗｔ％添加し、再び所定量のイオン交換水を添加したものをボールミルにて６時間粉砕し、粉砕されたスラリー状の原料を乾燥および解砕する。これにバインダー（ポリビニルアルコール）を１ｗｔ％加えて造粒し、４０メッシュのふるいにて整粒した顆粒を、乾式圧縮成形機と金型を用いて、外径２９．５ｍｍ、内径１７．７ｍｍ、高さ５．９ｍｍのリング状コアに成形圧１９６ＭＰａで成形し、これを大気中、１１００℃で１．５時間焼成した。得られた各試料の焼成密度をアルキメデス法にて測定した後、ＨＰ製ＬＣＲメータ４２８４Ａを用い周波数１００ｋＨｚ・印可電流１ｍＡにてインダクタンス（Ｌ）を測定し、コア定数から透磁率（μｉ）を計算した。その後、岩崎通信機製Ｂ−ＨアナライザＳＹ−８２３２を用い周波数５０ｋＨｚ、磁束密度１５０ｍＴの測定条件において２０〜１４０℃の温度範囲で損失（コア損失）を測定した。最後に横河電機製直流ヒステリシスループトレーサ３２５７を用い印可磁界１０００Ａ／ｍにて磁束密度（Ｂｓ）を測定した。なお、コア定数の概略値は、磁路長６０ｍｍ、断面積２４ｍｍ^２、体積１４５０ｍｍ^３である。表１及び図１に測定結果を示す。なお表１においてコア損失Ｐｃｖの欄に記載のコア損失は最小値であり、括弧中に記載された温度でその最小値を示す。
【０００９】
【表１】

【００１０】
図１は実施例１におけるＶ_２Ｏ_５の添加量とコア損失、飽和磁束密度Ｂｓの関係を示す図である。コア損失Ｐｃｖを２１９ｋＷ／ｍ ^３以下、飽和磁束密度を３１３ｍＴ以上とするには、Ｖ_２Ｏ_５の添加量を０．１０ｗｔ％以下とするのが好ましいことがわかる。より好ましくは０．０２５〜０．０７５ｗｔ％である。また、得られた焼結体の結晶組織の観察を行ったところ、Ｖ_２Ｏ_５の添加量が０．１５ｗｔ％を超えると結晶が肥大化すると共に、粒内の空孔が増加し焼結密度が低下することが分かった。本実施例のＮｏ．２、３の試料では、平均結晶粒径は５μｍ以上であり、また空孔率が３％以下であった。
【００１１】
（実施例２）Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯの原料粉末をＦｅ_２Ｏ_３４９．８ｍｏｌ％、ＺｎＯ２８．５ｍｏｌ％、ＣｕＯ５．８ｍｏｌ％、ＮｉＯ１５．９ｍｏｌ％となるように所定量秤量し、これに所定量のイオン交換水を添加したものをボールミルにて４時間混合し、電気炉を用いて最高温度８５０℃で１．５時間仮焼成した後、これを炉冷し、４０メッシュのふるいで解砕する。しかる後、これにＶ_２Ｏ_５の原料粉末を０〜１ｗｔ％添加し、再び所定量のイオン交換水を添加したものをボールミルにて６時間粉砕し、粉砕されたスラリー状の原料を乾燥および解砕する。これにバインダー（ポリビニルアルコール）を１ｗｔ％加えて造粒し、４０メッシュのふるいにて整粒した顆粒を、乾式圧縮成形機と金型を用いて、外径２９．５ｍｍ、内径１７．７ｍｍ、高さ５．９ｍｍのリング状コアに成形圧１９６ＭＰａで成形し、これを大気中、１１００℃で１．５時間焼成した。得られた各試料の焼成密度をアルキメデス法にて測定した後、ＨＰ製ＬＣＲメータ４２８４Ａを用い周波数１００ｋＨｚ・印可電流１ｍＡにてインダクタンス（Ｌ）を測定し、コア定数から透磁率（μｉ）を計算した。その後、岩崎通信機製Ｂ−ＨアナライザＳＹ−８２３２を用い周波数５０ｋＨｚ、磁束密度１５０ｍＴの測定条件において２０〜１４０℃の温度範囲で損失（コア損失）を測定した。最後に横河電機製直流ヒステリシスループトレーサ３２５７を用い印可磁界１０００Ａ／ｍにて磁束密度（Ｂｓ）を測定した。なお、コア定数の概略値は、磁路長６０ｍｍ、断面積２４ｍｍ^２、体積１４５０ｍｍ^３である。表２及び図２に測定結果を示す。なお表２においてコア損失Ｐｃｖの欄に記載のコア損失は最小値であり、括弧中に記載された温度でその最小値を示す。
【００１２】
【表２】

【００１３】
図２は実施例２におけるＶ_２Ｏ_５の添加量とコア損失、飽和磁束密度Ｂｓの関係を示す図である。コア損失Ｐｃｖを２１９ｋＷ／ｍ ^３以下、飽和磁束密度を３１３ｍＴ以上とするには、Ｖ_２Ｏ_５の添加量を０．１０ｗｔ％以下とするのが好ましいことがわかる。より好ましい添加量は０．０２５〜０．０７５ｗｔ％である。また、得られた焼結体の結晶組織の観察を行ったところ、Ｖ_２Ｏ_５の添加量が０．１５ｗｔ％を超えると結晶が肥大化すると共に、粒内の空孔が増加し焼結密度が低下することが分かった。本実施例のＮｏ．９、１０の試料では、平均結晶粒径は５μｍ以上であり、また空孔率が３％以下であった。
【００１４】
本発明のＮｉ−Ｚｎ系フェライトを用いて構成した横型トランスの構造例を図３に示す。更に、図４には縦型トランスにして改良した構造を示す。どちらの場合であってもＭｎ−Ｚｎ系フェライトを用いる場合よりも小型化することが出来た。
【００１５】
【発明の効果】
本発明のＮｉ−Ｚｎ系フェライトは低損失でかつ高飽和磁束密度であるので、従来主にＭｎ−Ｚｎ系フェライトが用いられてきた液晶バックライト用インバータ、スイッチング電源等のトランスを低損失でかつ薄型化・小型化を図ることができる。
【００１６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施例における、Ｖ_２Ｏ_５添加量とコア損失、飽和磁磁束密度との関係を示す特性図である。
【図２】本発明に係る一実施例における、Ｖ_２Ｏ_５添加量とコア損失、飽和磁磁束密度との関係を示す特性図である。
【図３】本発明に係るＮｉ−Ｚｎ系フェライトを用いたトランスの一実施例を示す図である。
【図４】本発明に係るＮｉ−Ｚｎ系フェライトを用いたトランスの他の実施例を示す図である。
【図５】従来のＭｎ−Ｚｎ系フェライトを用いたトランスの構造例を示す図である。
【符号の説明】
１コア
２絶縁シート
３巻線
４ボビン
５ボビン端子

Claims

主成分としてＦｅ_２Ｏ_３４８．５ｍｏｌ％以上５０．５ｍｏｌ％以下，ＣｕＯ３ｍｏｌ％超１２ｍｏｌ％以下，ＺｎＯ２４ｍｏｌ％以上３６ｍｏｌ％以下，残部ＮｉＯのみからなり、前記主成分に対して添加成分としてＶ_２Ｏ_５０．１０ｗｔ％以下（０を含まず）を含み、２０℃〜１４０℃の間にコア損失の最小値を有し、５０ｋＨｚ、１５０ｍＴで測定した前記コア損失の最小値が２１９ｋＷ／ｍ^３以下で、飽和磁束密度が３１３ｍＴ以上であることを特徴とする低損失Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト。