JP6454309B2 - MnZnCo ferrite - Google Patents
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Description
本発明は、ＭｎＺｎＣｏ系フェライトに関し、特に、スイッチング電源用トランス等の磁心に用いられるＭｎＺｎＣｏ系フェライトに関する。 The present invention relates to an MnZnCo-based ferrite, and more particularly to an MnZnCo-based ferrite used for a magnetic core such as a transformer for switching power supply.
酸化物磁性材料は、一般に「フェライト」と総称されている。このフェライトには、大きく分けて、Ｂａ系フェライトやＳｒ系フェライト等の硬質磁性材料と、ＭｎＺｎ系フェライトやＮｉＺｎ系フェライト等の軟質磁性材料とがある。このうち、軟質磁性材料は、わずかな磁場に対しても容易に磁化する材料であるため、電源、通信機器、計測制御機器、磁気記録またはコンピュータなどの広い分野で用いられている。この軟質磁性材料に要求される特性としては、保磁力が小さく透磁率が高いこと、飽和磁束密度が大きく低鉄損であること、などが挙げられる。 Oxide magnetic materials are generally collectively referred to as “ferrites”. The ferrite is roughly classified into hard magnetic materials such as Ba ferrite and Sr ferrite and soft magnetic materials such as MnZn ferrite and NiZn ferrite. Among these, the soft magnetic material is a material that can be easily magnetized even with a small magnetic field, and is therefore used in a wide range of fields such as power supplies, communication devices, measurement control devices, magnetic recording, and computers. Properties required for this soft magnetic material include a low coercive force and a high magnetic permeability, a high saturation magnetic flux density and a low iron loss.
なお、軟磁性材料には、上記酸化物系のフェライト以外に、金属系のものがある。この金属系軟磁性材料は、酸化物系のものと比べて飽和磁束密度が高いという特長を有する反面、電気抵抗が小さいため、高周波領域で使用する場合には、発生する渦電流に起因して鉄損が大きくなってしまうという問題がある。そのため、電子機器の小型化・高密度化の要請から使用周波数の高周波数化が進んでいる、近年においては、例えば、１００ｋＨｚ程度の高周波数帯域において用いられるスイッチング電源等に金属系磁性材料を用いることは、ほとんど不可能となっている。 In addition to the oxide ferrite, the soft magnetic material includes metal. Although this metal-based soft magnetic material has a feature that the saturation magnetic flux density is higher than that of an oxide-based material, it has a small electric resistance, so when used in a high frequency region, it is caused by an eddy current generated. There is a problem that iron loss becomes large. For this reason, the use frequency has been increased due to the demand for downsizing and high density of electronic devices. In recent years, for example, a metal-based magnetic material is used for a switching power source used in a high frequency band of about 100 kHz. That is almost impossible.
このような背景から、高周波数帯域で用いられる電源用トランスの磁心材料には、従来、鉄損の小さい（発熱の少ない）ＭｎＺｎ系フェライトが主に用いられてきた。しかし、このＭｎＺｎ系フェライトは、電気抵抗率が０．０１〜０．０５Ω・ｍ程度と低いことが問題であった。従って、電気抵抗をさらに高めて渦電流損を低減することにより、全体として鉄損が低く、発熱量を抑えた磁性材料の開発が望まれていた。 Against this background, MnZn-based ferrite with low iron loss (less heat generation) has been mainly used as a magnetic core material for power transformers used in a high frequency band. However, this MnZn-based ferrite has a problem that its electrical resistivity is as low as about 0.01 to 0.05 Ω · m. Accordingly, there has been a demand for the development of a magnetic material that has low iron loss as a whole and suppresses heat generation by further increasing the electrical resistance and reducing eddy current loss.
この要求に対し、例えば、特許文献１には、ＭｎＺｎ系フェライトに、副成分としてＳｉＯ２やＣａＯなどの酸化物を微量添加して粒界に偏析させることにより、粒界抵抗を高めて、全体としての抵抗率を数Ω・ｍ以上とすることにより、発熱を抑制する技術が開示されている。 In response to this requirement, for example, in Patent Document 1, the MnZn ferrite is segregated to the grain boundary by adding a small amount of an oxide such as SiO 2 or CaO as a subsidiary component, thereby increasing the grain boundary resistance, The technology which suppresses heat_generation | fever is disclosed by making resistivity as several ohm * m or more.
また、フェライトを電源用トランスに使用する際に考慮しなければならないのは、フェライトが組み込まれた機器の使用時における温度（動作温度）と、フェライト自体の鉄損に起因した発熱による温度上昇との関係である。例えば、フェライトの鉄損が極小となる温度が室温付近にある場合には、発熱によって磁心温度が上昇すると同時に鉄損が上昇し、それに伴って発熱がさらに大きくなり、これが繰り返されて温度上昇が加速する、いわゆる熱暴走を起こす危険性があるからである。 In addition, when using ferrite for power transformers, it is necessary to consider the temperature (operating temperature) when using a device with built-in ferrite and the temperature rise due to heat generation due to the iron loss of the ferrite itself. It is a relationship. For example, when the temperature at which the iron loss of ferrite is at a minimum is near room temperature, the core temperature increases due to heat generation, and at the same time the iron loss increases. This is because there is a risk of causing a so-called thermal runaway that accelerates.
一方、トランスの動作温度は、従来５０〜７０℃付近であるが、上記熱暴走の危険性を回避するため、現行のフェライトでは、室温付近における鉄損の温度係数を負として、温度上昇とともに鉄損が減少し、鉄損が極小となる温度が約１００℃となるような材料設計がなされている。しかしながら最近では、電子機器の小型化に対応するため、電子部品の積載密度が高密度化しており、使用時の発熱による温度上昇がより大きくなる傾向にある。そのため、この発熱を抑えるために、不活性冷媒に電源全体を浸漬する、あるいは新たな冷却装置を用いて１００℃ではなく、室温から６０℃程度までの温度域でトランスコアが稼働するように工夫がされつつある。したがって、フェライトコアの鉄損の温度依存性を、これらの設計変更に対応させる必要がある。 On the other hand, the operating temperature of the transformer is conventionally around 50 to 70 ° C. However, in order to avoid the risk of the thermal runaway, in the current ferrite, the temperature coefficient of iron loss near room temperature is made negative, and the iron increases as the temperature rises. The material is designed so that the temperature at which the loss is reduced and the iron loss is minimized is about 100 ° C. However, recently, in order to cope with the downsizing of electronic devices, the mounting density of electronic components has been increased, and the temperature rise due to heat generation during use tends to be larger. Therefore, in order to suppress this heat generation, the transformer core is devised so that the entire power source is immersed in an inert refrigerant or that the transformer core operates in a temperature range from room temperature to about 60 ° C. instead of 100 ° C. using a new cooling device. Is being done. Therefore, it is necessary to make the temperature dependence of the iron loss of the ferrite core correspond to these design changes.
ところで、フェライトの鉄損を支配する因子の１つに、磁気異方性定数Ｋ１がある。鉄損は、この磁気異方性定数Ｋ１の温度変化にともなって変化し、Ｋ１＝０となる温度で極小となる。したがって、フェライトの鉄損の温度変化を小さくするには、磁気異方性定数Ｋ１の温度依存性（鉄損温度係数）を小さくする必要がある。 Incidentally, one of the factors governing the iron loss of ferrite is the magnetic anisotropy constant K1. The iron loss changes with the temperature change of the magnetic anisotropy constant K1, and becomes minimum at a temperature where K1 = 0. Therefore, in order to reduce the temperature change of the iron loss of the ferrite, it is necessary to reduce the temperature dependence (iron loss temperature coefficient) of the magnetic anisotropy constant K1.
磁気異方性定数Ｋ１は、フェライトの主相であるスピネル化合物を構成する元素の種類によりほぼ決定され、ＭｎＺｎ系フェライトの場合、Ｃｏイオンを導入することによりその温度依存性を小さくし、鉄損温度係数の絶対値を小さくすることができる（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照）。これにより、室温〜６０℃付近での鉄損が小さく、かつ、その前後の温度範囲でも鉄損が比較的小さいフェライト材料を得ることが可能となる。 The magnetic anisotropy constant K1 is almost determined by the type of elements constituting the spinel compound, which is the main phase of ferrite. In the case of MnZn-based ferrite, the temperature dependence is reduced by introducing Co ions, and the iron loss is reduced. The absolute value of the temperature coefficient can be reduced (for example, see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). As a result, it is possible to obtain a ferrite material having a small iron loss in the vicinity of room temperature to 60 ° C. and a relatively small iron loss in the temperature range before and after that.
例えば、特許文献２には、Ｆｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＭｎＯを主成分とするＭｎＺｎＣｏ系フェライトにおいて、ＣｏＯを０．０１ｍｏｌ％以上０．５ｍｏｌ％未満含有させ、Ｋ１＝０となる温度範囲を広げて高い透磁率と低い損失を広い温度範囲で実現することが開示されている。また、特許文献２の図１には、コア損失の極小温度が低温度側に移行することが示されている。 For example, in Patent Document 2, in a MnZnCo-based ferrite mainly composed of Fe 2 O 3 , ZnO, and MnO, CoO is contained in an amount of 0.01 mol% to less than 0.5 mol%, and the temperature range where K1 = 0 is widened. It is disclosed to realize high magnetic permeability and low loss in a wide temperature range. FIG. 1 of Patent Document 2 shows that the minimum temperature of the core loss shifts to the low temperature side.
しかし、Ｃｏを加えることにより、含有される不純物の影響を受け易くなり、焼成温度や焼成雰囲気の酸素濃度の僅かな変動によって鉄損温度係数や極小温度に変動が生じてしまう。さらには、鉄損値が大きく劣化するという別の問題が生じることもある。 However, by adding Co, it becomes easy to be affected by impurities contained therein, and the iron loss temperature coefficient and the minimum temperature are changed due to slight fluctuations in the firing temperature and the oxygen concentration in the firing atmosphere. Furthermore, another problem may occur that the iron loss value is greatly deteriorated.
従来のＭｎＺｎＣｏ系フェライトは、電力損失が最小値を示す温度が８０〜１００℃程度の範囲にある。一方、近年は、電子部品の電源が、積極的な冷却により室温から出発して４０〜６０℃程度の温度域で限定使用できるようになってきている。ところが、４０〜６０℃の温度領域で低損失を示すフェライト材料は実現できていないのが現状である。また、一般に、鉄損極小温度を低下させ、鉄損の絶対値を低減するだけでは極小温度前後の温度域で鉄損が増大するため、積極的な冷却を実施しても依然、熱暴走の可能性は残る。従って、稼働温度範囲全体にわたって鉄損値の低減が必要であるが、従来のＭｎＺｎ系フェライトでは、この問題は依然として解決できていない。 The conventional MnZnCo-based ferrite has a temperature at which the power loss has a minimum value in a range of about 80 to 100 ° C. On the other hand, in recent years, the power source of electronic components can be used in a limited range in a temperature range of about 40 to 60 ° C., starting from room temperature by aggressive cooling. However, the present condition is that the ferrite material which shows a low loss in the temperature range of 40-60 degreeC has not been implement | achieved. In general, reducing the iron loss minimum temperature and reducing the absolute value of the iron loss will increase the iron loss in the temperature range around the minimum temperature. The potential remains. Therefore, it is necessary to reduce the iron loss value over the entire operating temperature range, but this problem has not been solved with conventional MnZn-based ferrites.
そこで、本発明は、上記のように、電子部品の電源が４０〜６０℃程度の温度域で限定使用できるようになってきている、近年の状況に鑑みてなされたものである。その目的は、鉄損の極小値が室温より高温度域の４０〜６０℃の温度範囲に存在し、しかも、４０℃以上６０℃以下での鉄損並びにこの温度域内にある極小温度での鉄損の絶対値が小さい、ＭｎＺｎＣｏ系フェライト材料を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the recent situation in which the power supply of electronic components can be used in a limited range in a temperature range of about 40 to 60 ° C. as described above. The purpose is that the minimum value of the iron loss is in the temperature range of 40 to 60 ° C., which is higher than room temperature, and the iron loss at 40 ° C. or more and 60 ° C. or less, and the iron at the minimum temperature within this temperature range. The object is to provide a MnZnCo-based ferrite material having a small absolute value of loss.
発明者らは、従来技術が抱える上記課題を解決するため、基本成分であるＦｅ２Ｏ３、ＺｎＯおよびＭｎＯの含有量が、鉄損とその極小温度に及ぼす影響について調査すると共に、添加成分として添加する種々の金属酸化物が、室温〜６０℃の温度域での鉄損に及ぼす影響について鋭意研究を重ねた。 In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the inventors investigated the influence of the contents of Fe 2 O 3 , ZnO, and MnO, which are basic components, on the iron loss and its minimum temperature, and as an additive component Intensive research was conducted on the influence of various metal oxides to be added on iron loss in the temperature range of room temperature to 60 ° C.
その結果、ＭｎＺｎ系フェライトにおける上記基本成分組成を適性範囲に制御した上で、基本成分組成の範囲に応じて添加成分の選択とその量を適正範囲に制御し、さらに特定の不純物量を低減する必要があることを見出した。特に、４０〜６０℃の温度域で低鉄損であるフェライトを得るには、添加成分であるＳｉＯ２、ＣａＯ、Ｎｂ２Ｏ５を適正量に制御することに加えて、不純物として不可避に混入するＲｂおよびＣｓを適正量に制御することが極めて有効であることを見出した。 As a result, the basic component composition of the MnZn-based ferrite is controlled within an appropriate range, the selection of additive components and the amount thereof are controlled within an appropriate range according to the basic component composition range, and the amount of specific impurities is further reduced. I found it necessary. In particular, in order to obtain ferrite having a low iron loss in the temperature range of 40 to 60 ° C., in addition to controlling the additive components SiO 2 , CaO, and Nb 2 O 5 to appropriate amounts, they are inevitably mixed as impurities. It was found that it is extremely effective to control Rb and Cs to an appropriate amount.
すなわち、本発明は、上記した知見に基づいて完成されたものであり、その要旨構成は、以下のとおりである。
１．基本成分、副成分および不可避的不純物からなるＭｎＺｎＣｏ系フェライトであって、
前記基本成分は、
Ｆｅ２Ｏ３：５２．５０ｍｏｌ％以上５３．５０ｍｏｌ％以下、
ＺｎＯ：１０．００ｍｏｌ％以上１２．５０ｍｏｌ％以下および
ＣｏＯ：０．１５ｍｏｌ％以上０．５０ｍｏｌ％以下
を含み、残部がＭｎＯであり、
前記基本成分に対し、前記副成分として、
ＳｉＯ２：５０ｍａｓｓ ｐｐｍ以上５００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下、
ＣａＯ：２００ｍａｓｓ ｐｐｍ以上２０００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下および
Ｎｂ２Ｏ５：５０ｍａｓｓ ｐｐｍ以上５００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下
を含み、
前記不可避的不純物におけるＲｂおよびＣｓを、
Ｒｂ：３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下および
Ｃｓ：３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下
に抑制したことを特徴とするＭｎＺｎＣｏ系フェライト。
That is, the present invention has been completed based on the above-described knowledge, and the gist configuration is as follows.
1. A MnZnCo-based ferrite comprising a basic component, subcomponents and inevitable impurities,
The basic component is
Fe 2 O 3 : 52.50 mol% or more and 53.50 mol% or less,
ZnO: 10.00 mol% or more and 12.50 mol% or less and CoO: 0.15 mol% or more and 0.50 mol% or less, with the balance being MnO,
As the subcomponent with respect to the basic component,
SiO 2 : 50 mass ppm or more and 500 mass ppm or less,
CaO: 200 mass ppm or more and 2000 mass ppm or less and Nb 2 O 5 : 50 mass ppm or more and 500 mass ppm or less,
Rb and Cs in the inevitable impurities,
An MnZnCo-based ferrite characterized by being suppressed to Rb: 30 mass ppm or less and Cs: 30 mass ppm or less.
２．最大磁束密度２００ｍＴおよび周波数１００ｋＨｚにて測定した鉄損極小温度が４０℃以上６０℃以下であり、かつ４０℃以上６０℃以下での鉄損が２５０ｋＷ／ｍ３以下である、前記１に記載のＭｎＺｎＣｏ系フェライト。 2. 2. The minimum iron loss temperature measured at a maximum magnetic flux density of 200 mT and a frequency of 100 kHz is 40 ° C. or more and 60 ° C. or less, and the iron loss at 40 ° C. or more and 60 ° C. or less is 250 kW / m 3 or less. MnZnCo ferrite.
３．前記鉄損極小温度での鉄損が２３０ｋＷ／ｍ３以下である、前記２に記載のＭｎＺｎＣｏ系フェライト。 3. 3. The MnZnCo ferrite according to 2, wherein the iron loss at the minimum iron loss temperature is 230 kW / m 3 or less.
本発明によれば、特に４０〜６０℃の温度域で鉄損が低いＭｎＺｎＣｏ系フェライトを提供することができる。また、本発明によれば、鉄損極小温度が４０〜６０℃の温度域にある場合に、鉄損値が従来材に比べて３０％程度改善できる。よって、本発明のフェライトは、４０〜６０℃程度の温度域で使用されるスイッチング電源等のトランスコア材に好適に用いることができる。 According to the present invention, it is possible to provide a MnZnCo-based ferrite having a low iron loss particularly in a temperature range of 40 to 60 ° C. Further, according to the present invention, when the iron loss minimum temperature is in the temperature range of 40 to 60 ° C., the iron loss value can be improved by about 30% compared to the conventional material. Therefore, the ferrite of the present invention can be suitably used for a transformer core material such as a switching power source used in a temperature range of about 40 to 60 ° C.
本発明のＭｎＺｎＣｏ系フェライトは、飽和磁束密度、キュリー温度、鉄損および鉄損極小温度を最適化する観点から、Ｆｅ２Ｏ３：５２．５０ｍｏｌ％以上５３．５０ｍｏｌ％以下、ＺｎＯ：１０．００ｍｏｌ％以上１２．５０ｍｏｌ％以下、ＣｏＯ：０．１５ｍｏｌ％以上０．５０ｍｏｌ％以下、残部が主としてＭｎＯからなる基本成分組成を有するものである。以下、上記組成範囲に制限する理由について、具体的に説明する。 From the viewpoint of optimizing the saturation magnetic flux density, the Curie temperature, the iron loss, and the minimum iron loss temperature, the MnZnCo ferrite of the present invention is Fe 2 O 3 : 52.50 mol% or more and 53.50 mol% or less, ZnO: 10.00 mol % To 12.50 mol%, CoO: 0.15 mol% to 0.50 mol%, and the balance is mainly composed of MnO. Hereinafter, the reason for limiting to the above composition range will be specifically described.
Ｆｅ２Ｏ３（酸化鉄）：５２．５０ｍｏｌ％以上５３．５０ｍｏｌ％以下
Ｆｅ２Ｏ３は、鉄損の極小温度を４０〜６０℃の範囲内とするために、５２．５０ｍｏｌ％以上とする必要がある。しかし、５３．５０ｍｏｌ％を超えると、却って、室温付近での鉄損が大きくなり過ぎるため、上限を５３．５０ｍｏｌ％とする。好ましくは、５２．７０ｍｏｌ％以上５３．３０ｍｏｌ％以下の範囲である。
Fe 2 O 3 (iron oxide): 52.50mol% or more 53.50Mol% or less Fe 2 O 3 is the minimum temperature of the iron loss to be in the range of 40 to 60 ° C., and more 52.50Mol% There is a need. However, if it exceeds 53.50 mol%, the iron loss near room temperature becomes too large, so the upper limit is made 53.50 mol%. Preferably, it is the range of 52.70 mol% or more and 53.30 mol% or less.
ＺｎＯ（酸化亜鉛）：１０．００ｍｏｌ％以上１２．５０ｍｏｌ％以下
軟磁性フェライトに求められる磁気特性としては、前述したように、飽和磁束密度が大きいこと、キュリー温度が高いこと、鉄損が小さいことおよび透磁率が高いことが挙げられる。このうち、飽和磁束密度とキュリー温度は、基本成分であるＭｎＯ、ＺｎＯおよびＦｅ２Ｏ３の比でほぼ決定される。
ＺｎＯの量が少ない領域においては、ＺｎＯ量の増加に伴って飽和磁束密度は増加するが、同時にキュリー温度も低下する。ＺｎＯが１０．００ｍｏｌ％より少ないと、鉄損値が高く透磁率も向上しなくなる。一方、鉄損が極小となる温度も、先に述べたように、基本成分の組成比によりほぼ決まり、ＺｎＯ量が１２．５０ｍｏｌ％より多いと極小温度が大きく低温側にシフトする。したがって、鉄損極小温度を４０〜６０℃の範囲にするには、ＺｎＯ量を１０．００ｍｏｌ％以上１２．５０ｍｏｌ％以下とする必要がある。より高い透磁率を得るためには、１１．５０ｍｏｌ％以上１２．５０ｍｏｌ％以下の範囲とするのが好ましい。
ZnO (zinc oxide): 10.00 mol% or more and 12.50 mol% or less As described above, the magnetic properties required for soft magnetic ferrite include high saturation magnetic flux density, high Curie temperature, and low iron loss. And high permeability. Of these, the saturation magnetic flux density and the Curie temperature are substantially determined by the ratio of MnO, ZnO and Fe 2 O 3 which are basic components.
In the region where the amount of ZnO is small, the saturation magnetic flux density increases as the amount of ZnO increases, but at the same time the Curie temperature decreases. When ZnO is less than 10.00 mol%, the iron loss value is high and the magnetic permeability is not improved. On the other hand, as described above, the temperature at which the iron loss is minimized is substantially determined by the composition ratio of the basic components, and when the ZnO content is more than 12.50 mol%, the minimum temperature is greatly shifted to the low temperature side. Therefore, in order to make the iron loss minimum temperature in the range of 40 to 60 ° C., the amount of ZnO needs to be 10.00 mol% or more and 12.50 mol% or less. In order to obtain a higher magnetic permeability, the range is preferably 11.50 mol% or more and 12.50 mol% or less.
ＣｏＯ（酸化コバルト）：０．１５ｍｏｌ％以上０．５０ｍｏｌ％以下
ＣｏＯは、透磁率の温度係数を小さくする働きがあるものの、過剰な量を含む場合には、鉄損の温度係数が室温以上で正となることから熱暴走をおこし、さらに、経時変化も大きくなり望ましくない。そのため、０．５０ｍｏｌ％を上限とする。また、含有量が少なすぎると、温度係数の改善効果が小さくなり、鉄損値の改善効果も大きくないため、０．１５ｍｏｌ％を下限とする。好ましくは、０．２０ｍｏｌ％以上、０．４０ｍｏｌ％未満である。
CoO (cobalt oxide): 0.15 mol% or more and 0.50 mol% or less CoO works to reduce the temperature coefficient of magnetic permeability, but when it contains an excessive amount, the temperature coefficient of iron loss is room temperature or more. Since it becomes positive, thermal runaway occurs, and further, the change with time increases, which is not desirable. Therefore, the upper limit is 0.50 mol%. On the other hand, if the content is too small, the effect of improving the temperature coefficient becomes small and the effect of improving the iron loss value is not so great, so 0.15 mol% is made the lower limit. Preferably, it is 0.20 mol% or more and less than 0.40 mol%.
ＭｎＯ（酸化マンガン）：基本成分の残部
本発明のフェライトは、Ｍｎ−Ｚｎ−Ｆｅ２Ｏ３三元系フェライトであり、上記Ｆｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＣｏＯ以外の残部の基本成分は、ＭｎＯである。ＭｎＯの好ましい含有量は３４．４０〜３６．６０ｍｏｌ％である。
MnO (manganese oxide): balance of basic component The ferrite of the present invention is Mn—Zn—Fe 2 O 3 ternary ferrite, and the basic component of the balance other than Fe 2 O 3 , ZnO, and CoO is MnO. is there. The preferable content of MnO is 34.40 to 36.60 mol%.
また、本発明の、ＭｎＺｎＣｏ系フェライトは、上記基本成分のほかに、下記の添加成分を含有する必要がある。すなわち、本発明のフェライトの基本成分であるＦｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＭｎＯおよびＣｏＯは、スピネル構造を形成するものであり、これに、スピネルを形成しないＳｉＯ２、ＣａＯおよびＮｂ２Ｏ５の微量成分を複合添加して、鉄損の小さい高性能のＭｎ−Ｚｎ系フェライトとすることができる。なお、スピネルを形成しない成分として、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２およびＶ２Ｏ５等があるが、これらの微量成分をさらに添加してもよい。 Further, the MnZnCo ferrite of the present invention needs to contain the following additive components in addition to the above basic components. That is, Fe 2 O 3 , ZnO, MnO and CoO, which are the basic components of the ferrite of the present invention, form a spinel structure, and a small amount of SiO 2 , CaO and Nb 2 O 5 which does not form spinel. By adding components in combination, a high-performance Mn—Zn-based ferrite with low iron loss can be obtained. As component that does not form the spinel, there is a Ta 2 O 5, ZrO 2 and V 2 O 5 or the like, may be further added these trace components.
ＳｉＯ２（酸化珪素）：５０ｍａｓｓ ｐｐｍ以上５００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下
ＳｉＯ２は、ＣａＯとともに粒界に高抵抗相を形成して、鉄損の低減に寄与する。しかし、添加量が５０ｍａｓｓ ｐｐｍ未満では鉄損の低減に対する寄与は小さく、一方、５００ｍａｓｓ ｐｐｍを超えて含有すると、焼結時に異常粒成長を起こして鉄損を大幅に増大させる。したがって、ＳｉＯ２は、５０ｍａｓｓ ｐｐｍ以上５００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の範囲で添加する必要がある。さらに、異常粒の発生を確実に防止するには５０ｍａｓｓ ｐｐｍ以上３００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の範囲が好ましい。
SiO 2 (silicon oxide): 50 mass ppm or more and 500 mass ppm or less SiO 2 forms a high resistance phase at the grain boundary together with CaO and contributes to reduction of iron loss. However, if the added amount is less than 50 mass ppm, the contribution to the reduction of iron loss is small. On the other hand, if it exceeds 500 mass ppm, abnormal grain growth occurs during sintering and the iron loss is greatly increased. Therefore, SiO 2 needs to be added in the range of 50 mass ppm or more and 500 mass ppm or less. Furthermore, the range of 50 mass ppm or more and 300 mass ppm or less is preferable in order to reliably prevent the occurrence of abnormal grains.
ＣａＯ（酸化カルシウム）：２００ｍａｓｓ ｐｐｍ以上２０００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下
ＣａＯも、ＳｉＯ２と共存した場合、粒界抵抗を高めて低鉄損化に寄与するが、添加量が２００ｍａｓｓ ｐｐｍ未満では、その効果は小さく、一方、２０００ｍａｓｓ ｐｐｍより多くなると、鉄損は逆に増大する。したがって、ＣａＯは、２００ｍａｓｓ ｐｐｍ以上２０００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の範囲で添加する必要がある。より低鉄損を得るためには、２００ｍａｓｓ ｐｐｍ以上１５００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の範囲が好ましい。
CaO (calcium oxide): 200 mass ppm or more and 2000 mass ppm or less When CaO also coexists with SiO 2 , it contributes to lowering the iron loss by increasing the grain boundary resistance, but if the addition amount is less than 200 mass ppm, the effect is small, On the other hand, when it exceeds 2000 mass ppm, iron loss will increase conversely. Therefore, CaO needs to be added in the range of 200 mass ppm or more and 2000 mass ppm or less. In order to obtain a lower iron loss, a range of 200 mass ppm to 1500 mass ppm is preferable.
Ｎｂ２Ｏ５（酸化ニオブ）：５０ｍａｓｓ ｐｐｍ以上５００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下
Ｎｂ２Ｏ５は、ＳｉＯ２およびＣａＯの共存下で、比抵抗の増大に有効に寄与するが、含有量が５０ｍａｓｓ ｐｐｍに満たないと、その効果は乏しく、一方、５００ｍａｓｓ ｐｐｍを超えると、逆に鉄損の増大を招く。よって、Ｎｂ２Ｏ５は、５０ｍａｓｓ ｐｐｍ以上５００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の範囲で添加する。より低鉄損を得るためには、５０ｍａｓｓ ｐｐｍ以上３００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の範囲が好ましい。
Nb 2 O 5 (niobium oxide): 50 mass ppm or more and 500 mass ppm or less Nb 2 O 5 effectively contributes to an increase in specific resistance in the coexistence of SiO 2 and CaO, but the content must be less than 50 mass ppm. On the other hand, if it exceeds 500 mass ppm, the iron loss increases conversely. Therefore, Nb 2 O 5 is added in the range of 50 mass ppm or more and 500 mass ppm or less. In order to obtain a lower iron loss, a range of 50 mass ppm to 300 mass ppm is preferable.
Ｒｂ：３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下
Ｃｓ：３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下
上記のように、本発明のＭｎＺｎＣｏ系フェライトは、基本成分であるＦｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＭｎＯおよびＣｏＯの組成を上記範囲に制御することに加えて、添加成分としてＳｉＯ２、ＣａＯおよびＮｂ２Ｏ５を適正量で複合添加することが必要である。加えて、４０〜６０℃の温度域で、低鉄損を安定して実現するには、不純物成分として含有されるＲｂおよびＣｓの含有量を制限することが極めて効果的である。
Rb: 30 mass ppm or less Cs: 30 mass ppm or less As described above, in addition to controlling the composition of the basic components Fe 2 O 3 , ZnO, MnO, and CoO to the above ranges, the MnZnCo-based ferrite of the present invention includes: It is necessary to add SiO 2 , CaO and Nb 2 O 5 in appropriate amounts as additive components. In addition, it is extremely effective to limit the contents of Rb and Cs contained as impurity components in order to stably realize low iron loss in the temperature range of 40 to 60 ° C.
ＲｂおよびＣｓが、最終焼結体であるＭｎＺｎＣｏ系フェライトの磁気特性、特に４０〜６０℃の温度域での鉄損や透磁率に影響を及ぼす機構については、まだ明確に解明されたわけではないが、以下の機構が考えられる。すなわち、ＲｂおよびＣｓは、酸化鉄との化合物を作る場合、スピネル構造ではなく、立方晶系と六方晶系の構造が混ざった構造をとると推測され、温度変化によって相転移を起こし、歪みが発生することがあるから、本発明のように磁気異方性に大きな影響を及ぼすＣｏが含有されている場合には、その歪みとＣｏとの相互作用により鉄損値が低減しにくくなるものと考えている。 The mechanism by which Rb and Cs affect the magnetic properties of MnZnCo ferrite, which is the final sintered body, particularly the iron loss and permeability in the temperature range of 40 to 60 ° C., has not yet been clearly elucidated. The following mechanism can be considered. That is, Rb and Cs are presumed to have a mixed structure of a cubic system and a hexagonal system, not a spinel structure, when making a compound with iron oxide, causing a phase transition due to a temperature change, and causing distortion. In the case of containing Co that greatly affects the magnetic anisotropy as in the present invention, it is difficult to reduce the iron loss value due to the interaction between the strain and Co. thinking.
４０〜６０℃の温度域において低鉄損を実現するには、ＲｂおよびＣｓの含有量は、それぞれ３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下とする必要がある。すなわち、ＲｂおよびＣｓが各々３０ｍａｓｓ ｐｐｍを超えて含有されていると、所定の低鉄損値が得られない。よって、ＲｂおよびＣｓの含有量は各々３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下の範囲とする。さらに、低鉄損を実現するには、ＲｂおよびＣｓの含有量を各々１０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下に抑えることが好ましい。なお、ＲｂおよびＣｓの含有量を、それぞれ１ｍａｓｓ ｐｐｍ以下とするのは工業的規模の製造では難しいため、それぞれ１ｍａｓｓ ｐｐｍ以上の含有は許容される。 In order to achieve low iron loss in the temperature range of 40 to 60 ° C., the contents of Rb and Cs need to be 30 mass ppm or less, respectively. That is, when Rb and Cs are each contained exceeding 30 mass ppm, a predetermined low iron loss value cannot be obtained. Therefore, the contents of Rb and Cs are each set to a range of 30 mass ppm or less. Furthermore, in order to realize a low iron loss, it is preferable to suppress the contents of Rb and Cs to 10 mass ppm or less, respectively. In addition, since it is difficult for the Rb and Cs contents to be 1 mass ppm or less respectively in the manufacture on an industrial scale, the contents of 1 mass ppm or more are permitted.
ここで、ＲｂおよびＣｓは、主成分の原料である酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）および酸化マンガン（ＭｎＯ）に含まれている。そのため、ＲｂおよびＣｓの含有量の異なる種々の酸化鉄、酸化亜鉛および酸化マンガンの各原料の使用量を適宜に調整することによって、ＲｂおよびＣｓの含有量を制限する。特に、最も重量割合の多い酸化鉄は、鉄鋼製造プロセスで製造されるものが多いため、鉄鋼の副成分等としてＲｂおよびＣｓが添加されていない、あるいは少ないものを選択使用することが可能である。そこで、このような酸化鉄を用いることによって、不純物中のＲｂおよびＣｓを上限以下に制御することができる。 Here, Rb and Cs are contained in iron oxide (Fe 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), and manganese oxide (MnO), which are the main components. Therefore, the contents of Rb and Cs are limited by appropriately adjusting the amounts of various raw materials of iron oxide, zinc oxide and manganese oxide having different contents of Rb and Cs. In particular, since iron oxide with the highest weight ratio is often produced by a steel production process, it is possible to select and use Rb and Cs which are not added or small as secondary components of steel. . Therefore, by using such iron oxide, it is possible to control Rb and Cs in the impurities below the upper limit.
本発明のＭｎＺｎＣｏ系フェライトは、上記基本成分および添加成分以外の残部は、不可避的不純物である。 In the MnZnCo-based ferrite of the present invention, the balance other than the basic components and additive components are inevitable impurities.
次に、本発明に係るＭｎＺｎＣｏ系フェライトの製造方法について、説明する。
まず、基本成分として、本発明で規定する所定比率に従ってＦｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＭｎＯおよびＣｏＯの粉末原料を秤量し、これらを十分に混合したのち仮焼し、得られた仮焼粉を粉砕する。
次いで、上記仮焼粉に、上述した添加成分を、本発明で規定する所定比率の下に加えて、さらに粉砕する。この粉砕作業においては、添加した成分の濃度に偏りがないよう、充分に均質化する必要がある。その後、粉砕した仮焼粉の粉末に、ポリビニルアルコール等の有機物バインダーを添加して造粒し、圧力を加えて所定の形状に成形し、その後、適宜の条件で焼成し、製品とする。なお、その他の製造条件は、ＭｎＺｎＣｏ系フェライトの一般に従えばよい。
Next, the manufacturing method of the MnZnCo ferrite according to the present invention will be described.
First, as basic components, Fe 2 O 3 , ZnO, MnO and CoO powder raw materials are weighed in accordance with a predetermined ratio defined in the present invention, and after thoroughly mixing these, calcined, the obtained calcined powder is pulverized To do.
Next, the above-described additive components are added to the calcined powder under a predetermined ratio defined in the present invention, and further pulverized. In this pulverization operation, it is necessary to homogenize sufficiently so that the concentration of the added component is not biased. Thereafter, an organic binder such as polyvinyl alcohol is added to the pulverized calcined powder, granulated, formed into a predetermined shape by applying pressure, and then fired under appropriate conditions to obtain a product. In addition, the other manufacturing conditions should just follow the MnZnCo type ferrite generally.
かくして得られた本発明のＭｎＺｎＣｏ系フェライトは、従来のＭｎＺｎ系フェライトでは不可能であった、４０〜６０℃の温度域において周波数１００ｋＨｚおよび磁束密度２００ｍＴでの鉄損が２５０ｋＷ／ｍ３以下となり、かつ、極小温度における鉄損が２３０ｋＷ／ｍ３以下の特性を有するものとなる。 The thus obtained MnZnCo ferrite of the present invention has an iron loss of 250 kW / m 3 or less at a frequency of 100 kHz and a magnetic flux density of 200 mT in a temperature range of 40 to 60 ° C., which was impossible with a conventional MnZn ferrite. And the iron loss in minimum temperature has a characteristic of 230 kW / m < 3 > or less.
ＭｎＺｎＣｏ系フェライトの主成分であるＦｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＭｎＯおよびＣｏＯが、表１および表２に示した種々の組成となるように原料を混合した。このとき、酸化鉄原料としてＲｂおよびＣｓ含有量の異なる種々の原料を選択して使用した。ここで、最終焼結体コアでの成分の分析値を同じく表１および表２に示した。なお、分析はＩＣＰ発光分光分析装置を用いて実施した。 The raw materials were mixed so that Fe 2 O 3 , ZnO, MnO, and CoO, which are main components of the MnZnCo-based ferrite, had various compositions shown in Tables 1 and 2. At this time, various raw materials having different Rb and Cs contents were selected and used as the iron oxide raw material. Here, the analysis values of the components in the final sintered body core are also shown in Tables 1 and 2. The analysis was performed using an ICP emission spectroscopic analyzer.
次に、原料を混合後、９３０℃で３時間の仮焼を行い、粉砕して得られた仮焼粉に、添加成分としてＳｉＯ２、ＣａＯ、Ｎｂ２Ｏ５を、表１および表２に示した量で添加し、ボールミルで１０時間粉砕した。その後、この粉砕粉にバインダーとしてポリビニルアルコールを添加し、造粒した後、外径３１ｍｍ、内径１９ｍｍ、高さ７ｍｍのリング状に成形した。その後、この成形体に、酸素分圧を１〜５ｖｏｌ％の範囲に制御した窒素・空気混合ガス中で１３３０℃×３時間の焼成を施し、リング状試料（フェライト焼結体）を得た。この際、５００℃から１３００℃までの昇温速度は６５０℃／ｈとした。 Next, after mixing the raw materials, calcined at 930 ° C. for 3 hours, pulverized, and calcined powder obtained by adding SiO 2 , CaO, Nb 2 O 5 as additive components in Tables 1 and 2 Add in the indicated amount and grind in ball mill for 10 hours. Thereafter, polyvinyl alcohol was added to the pulverized powder as a binder, granulated, and then formed into a ring shape having an outer diameter of 31 mm, an inner diameter of 19 mm, and a height of 7 mm. Thereafter, this molded body was fired at 1330 ° C. for 3 hours in a nitrogen / air mixed gas whose oxygen partial pressure was controlled in the range of 1 to 5 vol% to obtain a ring-shaped sample (ferrite sintered body). At this time, the rate of temperature increase from 500 ° C. to 1300 ° C. was 650 ° C./h.
かくして得られたリング状試料に、１次側５巻・２次側５巻の巻線を施し、交流ＢＨループトレーサーを用いて、温度を変化させて周波数１００ｋＨｚで磁束密度２００ｍＴまで励磁したときの鉄損を測定した。 The ring-shaped sample thus obtained was subjected to winding of 5 turns on the primary side and 5 turns on the secondary side, and using an alternating current BH loop tracer, the temperature was changed to excite the magnetic flux density to 200 mT at a frequency of 100 kHz. The iron loss was measured.
上記の測定結果について、鉄損が極小となる温度と、その温度および４０℃および６０℃における鉄損値を表１および表２に併記して示した。ここで、表１のＮｏ．１〜２５は本発明に適合する成分組成を有する発明例を、また、表２のＮｏ．２６〜４７は、本発明の範囲から外れた比較例を示したものである。 Regarding the above measurement results, the temperature at which the iron loss is minimized, the temperature, and the iron loss values at 40 ° C. and 60 ° C. are shown together in Tables 1 and 2. Here, no. Nos. 1 to 25 are invention examples having component compositions suitable for the present invention. Reference numerals 26 to 47 show comparative examples outside the scope of the present invention.
表１および２から、Ｆｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＭｎＯおよびＣｏＯの基本組成とＳｉＯ２、ＣａＯおよびＮｂ２Ｏ５の添加成分との組成を適切に選んだ上で、さらに、ＲｂおよびＣｓをそれぞれ３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下に制御した本発明例のＭｎＺｎＣｏ系フェライトはいずれも、最大磁束密度２００ｍＴおよび周波数１００ｋＨｚで測定した鉄損極小温度が４０〜６０℃の範囲にあり、かつ、４０℃および６０℃における鉄損が２５０ｋＷ／ｍ３以下となっていることがわかる。さらに、鉄損極小温度では、鉄損が２３０ｋＷ／ｍ３以下となっていることがわかる。すなわち、本発明に従って、４０〜６０℃の温度域で鉄損の低いＭｎＺｎＣｏ系フェライト材が得られていることがわかる。 From Tables 1 and 2, the basic composition of Fe 2 O 3 , ZnO, MnO and CoO and the composition of the additive components of SiO 2 , CaO and Nb 2 O 5 are appropriately selected, and further Rb and Cs are respectively set Each of the MnZnCo ferrites of the present invention controlled to 30 mass ppm or less has a minimum iron loss temperature measured at a maximum magnetic flux density of 200 mT and a frequency of 100 kHz in the range of 40 to 60 ° C, and iron at 40 ° C and 60 ° C. It can be seen that the loss is 250 kW / m 3 or less. Further, it can be seen that the iron loss is 230 kW / m 3 or less at the minimum iron loss temperature. That is, it can be seen that according to the present invention, a MnZnCo-based ferrite material having a low iron loss in a temperature range of 40 to 60 ° C. is obtained.
これに対して、本発明の成分組成を満たさない比較例のＭｎＺｎＣｏ系フェライトは、いずれも、４０℃および６０℃で鉄損値がいずれも２７０ｋＷ／ｍ３を超え、また鉄損極小温度での鉄損値も２５０ｋＷ／ｍ３を超えたものしか得られていない。 On the other hand, the MnZnCo-based ferrites of the comparative examples that do not satisfy the component composition of the present invention both have iron loss values exceeding 270 kW / m 3 at 40 ° C. and 60 ° C., and at a minimum iron loss temperature. Only iron loss values exceeding 250 kW / m 3 were obtained.
本発明のフェライトは、４０〜６０℃の温度域における鉄損が小さいため、動作温度が通常の電子機器よりも低く抑えられた、あるいは温度上昇の小さい各種電源トランスコアやチョークコイル等にも適用することができる。 Since the iron loss in the temperature range of 40 to 60 ° C. is small, the ferrite of the present invention is also applicable to various power transformer cores and choke coils whose operating temperature is suppressed lower than that of normal electronic devices or whose temperature rise is small. can do.
Claims (3)
前記基本成分は、
Ｆｅ２Ｏ３：５２．５０ｍｏｌ％以上５３．５０ｍｏｌ％以下、
ＺｎＯ：１０．００ｍｏｌ％以上１２．５０ｍｏｌ％以下および
ＣｏＯ：０．１５ｍｏｌ％以上０．５０ｍｏｌ％以下
を含み、残部がＭｎＯであり、
前記基本成分に対し、前記副成分として、
ＳｉＯ２：５０ｍａｓｓ ｐｐｍ以上５００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下、
ＣａＯ：２００ｍａｓｓ ｐｐｍ以上２０００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下および
Ｎｂ２Ｏ５：５０ｍａｓｓ ｐｐｍ以上５００ｍａｓｓ ｐｐｍ以下
を含み、
前記不可避的不純物におけるＲｂおよびＣｓを、
Ｒｂ：３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下および
Ｃｓ：３０ｍａｓｓ ｐｐｍ以下
に抑制したことを特徴とするＭｎＺｎＣｏ系フェライト。 A MnZnCo-based ferrite comprising a basic component, subcomponents and inevitable impurities,
The basic component is
Fe 2 O 3 : 52.50 mol% or more and 53.50 mol% or less,
ZnO: 10.00 mol% or more and 12.50 mol% or less and CoO: 0.15 mol% or more and 0.50 mol% or less, with the balance being MnO,
As the subcomponent with respect to the basic component,
SiO 2 : 50 mass ppm or more and 500 mass ppm or less,
CaO: 200 mass ppm or more and 2000 mass ppm or less and Nb 2 O 5 : 50 mass ppm or more and 500 mass ppm or less,
Rb and Cs in the inevitable impurities,
An MnZnCo-based ferrite characterized by being suppressed to Rb: 30 mass ppm or less and Cs: 30 mass ppm or less.
The MnZnCo-based ferrite according to claim 2, wherein the iron loss at the minimum iron loss temperature is 230 kW / m 3 or less.
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