JPWO2007032338A1 - フェライト材料 - Google Patents

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康晴 三吉
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Abstract

組成式がｘ（Ｌｉ０．５Ｆｅ０．５）Ｏ・ｙＺｎＯ・ｚ（Ｍｎ，Ｆｅ）２Ｏ３であって、かつａ＝Ｍｎ／（Ｍｎ＋Ｆｅ）とした場合、組成式及び条件におけるｘ，ｙ，ｚ，ａが、０．１８≦ｘ≦０．３０，０．２０≦ｙ≦０．３０，０．４８≦ｚ≦０．５３，０．０１≦ａ≦０．２５，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満足する材料に、６質量％以下、好ましくは４質量％以下のＢｉ２Ｏ３を添加してなるフェライト材料。このフェライト材料は、高い外部応力下における透磁率の変化が極めて小さく、圧縮応力下でコアロスが小さい。このフェライト材料を使用することにより、樹脂モールドされた状態でも損失が小さいインダクタ，トランスが得られる。

Description

本発明は、電源回路用などに用いられるインダクタ，トランス等のコア材に用いられるフェライト材料に関し、特にＬｉ−Ｚｎ−（Ｆｅ，Ｍｎ）フェライトに少量のＢｉ２Ｏ３を添加することにより、初期透磁率が大きく、圧縮応力に対する透磁率の変化率が小さい特性を有するフェライト材料に関する。
近年、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電源回路に用いられるインダクタ，トランスの材料には、高い変換効率を得るために高周波大振幅励磁で低損失であること、直流バイアス磁界印可時でも所定の磁束密度変化量を得るために低残留磁束密度であること、導体との電気的な絶縁を確保するために高比抵抗であることが要求されている。
特に、部品としての信頼性を向上させるために、インダクタ，トランスを樹脂内にモールドすることが一般に行われており、このような樹脂モールドタイプの素子では、樹脂硬化時にコア材に圧縮応力が加わることが知られている。
すなわち、コア材として使用されるフェライト材料は圧縮応力の大きさに応じて透磁率及びコアロスが変化するため、樹脂モールド前後で素子のインダクタンス値及び損失は変化する。そのため、より安定な素子性能を得るには、圧縮応力に対する透磁率及びコアロスの変化が小さいフェライト材料を使用する必要がある。
特開平１１−８７１２６号公報 特開平１−１７９４０２号公報 特開２００２−６０２２４号公報 特開昭６０−７６１０７号公報 特開２０００−２６９０１７号公報 特表平９−５０５２６９号公報
従来、応力によるインダクタンス値の変動を抑えるため、Ｎｉを含む種々のフェライト材料が提案されている。しかしながら、例えば特許文献１の材料で得られる初期透磁率は１００以下であり、高い初期透磁率を実現できない。
Ｎｉ系フェライトにＢｉ２Ｏ３等を多量に添加することで外部応力によるインダクタンス変化率は小さくなるが、初期透磁率が減少するという問題がある（特許文献２）。また、Ｎｉ系フェライトにＢｉ２Ｏ３を多量に添加した場合、Ｈｃが増大し軟磁気特性が劣化するという問題がある。
特許文献３の材料は、２００以上の高い初期透磁率とバー形状での抗応力性（バー形状での実効透磁率の変化率が小さい）とを実現しているが、材料の初期透磁率変化が小さいとは言い難い。
また、Ｂｉ２Ｏ３等を多量に添加したフェライトを用いた積層インダクタは、内部導体中のＡｇ拡散が増大しやすく、インダクタンスＬ及びＱの顕著な低下を引き起こす問題がある。Ｂｉ２Ｏ３等を多量に添加したフェライトを用いたトランスは、熱処理中炉内にＢｉが拡散しやすく、設備上好ましくない。
一方、Ｌｉを主成分として含んだインダクタ，トランス用のフェライト材料が種々提案されているが（特許文献４〜６）、初期透磁率が大きく、圧縮応力に対する透磁率の変化率が小さい特性を有する材料ではない。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、コアに用いられるフェライト材料において、初期透磁率が２００以上と大きく、応力による初期透磁率の変化が小さく、かつコアロスが小さいフェライト材料を提供することを目的とする。
本発明者らは、Ｌｉフェライトにおける問題点であるＢＨループの角型性を改善できる組成について鋭意研究の結果、Ｌｉ−Ｚｎ−ＦｅフェライトにＢｉ２Ｏ３を添加、好ましくは６質量％以上の比較的多量のＢｉ２Ｏ３を添加することにより、ＢＨループの角型比が小さくなる、すなわち、Ｂｓ−Ｂｒ値が大きくなることを知見した。
また、本発明者らは、Ｂｉ２Ｏ３を添加したＬｉ−Ｚｎ−Ｆｅフェライトにおいて、ＺｎＯの一部をＣｕＯで置換すると焼成温度の低下と緻密性の向上との効果があること、Ｆｅ２Ｏ３の一部をＭｎ２Ｏ３にて置換すると比抵抗の向上効果があることを知見した。
更に、本発明者らは、Ｌｉ−Ｚｎ−ＦｅフェライトにおいてＢｉ２Ｏ３の添加量を種々検討したところ、特定量のＭｎを含むＬｉ−Ｚｎ−（Ｍｎ，Ｆｅ）フェライトにおいて、６質量％未満、好ましくは５質量％以下のＢｉ２Ｏ３を添加すると、特に高い外部応力下における透磁率の変化が極めて小さいフェライト材料が得られることを知見し、本発明を完成した。
すなわち、本発明のフェライト材料は、組成式がｘ（Ｌｉ０．５Ｆｅ０．５）Ｏ・ｙＺｎＯ・ｚ（Ｍｎ，Ｆｅ）２Ｏ３であって、かつａ＝Ｍｎ／（Ｍｎ＋Ｆｅ）とした場合、組成式及び条件におけるｘ，ｙ，ｚ，ａが、０．１８≦ｘ≦０．３０，０．２０≦ｙ≦０．３０，０．４８≦ｚ≦０．５３，０．０１≦ａ≦０．２５，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満足する材料に、Ｂｉ２Ｏ３を０．２質量％以上６質量％以下添加してなることを特徴とする。
本発明は、上記構成を有するフェライト材料において、Ｂｉ２Ｏ３を０．０５質量％以上０．５質量％以下のＶ２Ｏ５で置換しても良い。
また、本発明は、上記構成を有するフェライト材料において、Ｂｉ２Ｏ３の添加量は、０．２質量％以上４質量％以下であることが好ましい。
また、本発明は、上記構成を有するフェライト材料において、ＺｎＯの一部をＣｕＯで置換しても良い。
また、本発明は、上記構成を有するフェライト材料において、ＺｒＯ２，ＺｒＳｉＯ４，ＳｉＯ２のいずれか１種以上を５質量％以下含むことが好ましい。
また、本発明のフェライト材料は、透磁率が２００以上であり、圧力３５ＭＰａで加圧したときの透磁率の変化率が±１０％以内である。
また、本発明のフェライト材料は、圧力３５ＭＰａで加圧したときの１ＭＨｚ，５０ｍＴのコアロスが７０００ｋＷ／ｍ３以下である。
本発明では、初期透磁率が２００以上と高く、かつ応力に対する透磁率変化が小さく、かつコアロスが小さいフェライト材料を得ることができ、インダクタまたはトランス、特に樹脂モールドされたインダクタまたはトランスなどに適用することができる。
本発明では、初期透磁率が大きく、圧縮応力に対する透磁率の変化率が小さいフェライトを得ることができ、その結果、反磁界係数の大きさによらずインダクタンスのばらつきが小さいインダクタ，トランスを得ることが可能となる。
本発明では、圧縮応力下でコアロスの小さなフェライトを得ることができ、樹脂モールドされた状態でも損失が小さいインダクタ，トランスを得ることが可能となる。
本発明の実施例１の適合例／比較例における組成及び特性を示す図表である。 本発明の実施例１の適合例／比較例における組成及び特性を示す図表である。 本発明の実施例２の適合例／比較例における組成及び特性を示す図表である。 本発明の実施例３の適合例／比較例における組成及び特性を示す図表である。
本発明のフェライト材料は、特定量のＭｎを含むＬｉ−Ｚｎ−Ｆｅフェライトに、少量のＢｉ２Ｏ３を添加することを主たる特徴とする。以下に、本発明によるフェライト材料の組成の限定理由を詳述する。
組成式ｘ（Ｌｉ０．５Ｆｅ０．５）Ｏ・ｙＺｎＯ・ｚ（Ｍｎ，Ｆｅ）２Ｏ３において、ｘは（Ｌｉ０．５Ｆｅ０．５）Ｏの含有率であり、０．１８〜０．３０（０．１８以上、０．３０以下、〜の意味は以下同様）の範囲が好ましい。０．１８未満ではキュリー温度の向上が望めず、０．３０を超えると初期透磁率が小さく、実用的でないためである。より好ましい範囲は、０．２２〜０．２７である。
組成式ｘ（Ｌｉ０．５Ｆｅ０．５）Ｏ・ｙＺｎＯ・ｚ（Ｍｎ，Ｆｅ）２Ｏ３において、ｙはＺｎＯの含有率であり、０．２０〜０．３０の範囲が好ましい。０．２０未満では２００以上の初期透磁率が得られず実用的でなく、０．３０を超えるとキュリー温度が低い。つまり、後述の如く、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、かつｚの組成範囲が狭いために、ｙは実質的にｘに逆比例することになる。より好ましい範囲は０．２３〜０．２８である。ＺｎＯの一部をＣｕＯにて置換することによって、より低い焼成温度での緻密化が可能になる。好ましい置換率は０〜０．５（５０％以下）であり、０．５を超えると透磁率が低下するため好ましくない。
組成式ｘ（Ｌｉ０．５Ｆｅ０．５）Ｏ・ｙＺｎＯ・ｚ（Ｍｎ，Ｆｅ）２Ｏ３において、ｚはＦｅ２Ｏ３相当の含有率であって、（Ｌｉ０．５Ｆｅ０．５）ＯにおけるＦｅを除くものであり、０．４８〜０．５３の範囲が好ましい。０．４８未満では高い初期透磁率が得られないとともに、コアロスが増加し、０．５３を超えても高い透磁率が得られないとともにコアロスが増加するため好ましくない。Ｆｅ２Ｏ３の一部をＭｎ２Ｏ３にて置換するが、Ｍｎの含有量が少ないと応力による透磁率、コアロスの変化が大きくなり、Ｍｎの含有量が多いと、キュリー温度が低下するとともにコアロスが増大するため、ａ＝Ｍｎ／（Ｍｎ＋Ｆｅ）の条件で、ａは０．０１〜０．２５が好ましい。さらに好ましい範囲は０．０４〜０．１５である。
上述したｘ，ｙ，ｚは、組成式ｘ（Ｌｉ０．５Ｆｅ０．５）Ｏ・ｙＺｎＯ・ｚ（Ｍｎ，Ｆｅ）２Ｏ３において、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１となる。
上述した組成式ｘ（Ｌｉ０．５Ｆｅ０．５）Ｏ・ｙＺｎＯ・ｚ（Ｍｎ，Ｆｅ）２Ｏ３からなるフェライト材料に、外枠量として、Ｂｉ２Ｏ３を０．２質量％〜６質量％添加する。このＢｉ２Ｏ３の添加が本発明の特徴であり、この添加により本発明の効果を奏することが可能となる。Ｂｉ２Ｏ３は０．２質量％未満では、磁気損失が増大するため好ましくなく、６質量％を超えると、目的の高い初期透磁率を得ることと、圧縮応力に対する透磁率の変化率が小さい特性を得ることとの両立が困難となる。好ましい範囲は０．２質量％〜４質量％であり、さらに好ましくは０．２質量％〜２質量％である。
また、本発明において、添加したＢｉ２Ｏ３の一部をＶ２Ｏ５に置換しても良い。Ｖ２Ｏ５の添加量の下限は０．０５質量％、上限は０．５質量％とする。Ｖ２Ｏ５の添加量が０．０５質量％未満では磁気損失が増大し、Ｖ２Ｏ５の添加量が０．５質量％を超えると透磁率が低下する。
上記組成のフェライト材料において、応力による初期透磁率の変化を低減する目的でＺｒＯ２，ＺｒＳｉＯ４，ＳｉＯ２のいずれか１種以上を添加することができる。いずれの単体また複合添加もその添加量が５質量％を超えると、高い透磁率が得られないとともにコアロスが増大するため、５質量％以下の添加とする。
本発明によるフェライト材料は、透磁率が２００以上であり、圧力３５ＭＰａで加圧したときの透磁率の変化率が±１０％以内である特性が得られ、また、圧力３５ＭＰａで加圧したときの１ＭＨｚ，５０ｍＴのコアロスが７０００ｋＷ／ｍ３以下である特性が得られる。
本発明によるフェライト材料は、例えば以下のような製造方法によって得ることができる。
（１）出発原料となる炭酸塩粉末と酸化物粉末とを、焼結後の組成がｘ（Ｌｉ０．５Ｆｅ０．５）Ｏ・ｙＺｎＯ・ｚ（Ｍｎ，Ｆｅ）２Ｏ３であり、かつａ＝Ｍｎ／（Ｍｎ＋Ｆｅ）において、ｘ，ｙ，ｚ，ａが、０．１８≦ｘ≦０．３０，０．２０≦ｙ≦０．３０，０．４８≦ｚ≦０．５３，０．０１≦ａ≦０．２５，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満足するように秤量して混合する。
（２）混合粉末を仮焼する。仮焼温度は８００℃〜１０００℃が好ましい。仮焼時間は２時間〜５時間が好ましい。また、仮焼雰囲気は大気中または酸素雰囲気中が好ましい。
（３）仮焼後の仮焼粉に対して、Ｂｉ２Ｏ３などの副成分を所定量添加した後、微粉砕する。微粉砕は、純水またはエタノール中で行うことが好ましい。また、粉砕後の粉砕粉の平均粒径は０．５μｍ〜１．５μｍが好ましい。なお、Ｂｉ２Ｏ３等は、上述したように仮焼後、微粉砕前に添加することが好ましいが、原料配合段階（前記（１）の工程）または微粉砕後に添加しても良い。
（４）微粉砕後の粉砕粉を所望の成形手段によって成形する。成形前に、必要に応じて粉砕粉を造粒装置によって造粒してもよい。成形圧力は７０ＭＰａ〜１５０ＭＰａが好ましい。
（５）成形体を焼結する。焼結雰囲気は、大気中または酸素雰囲気中が好ましく、焼結温度は８００℃〜１０５０℃、特に８５０℃〜１０００℃が好ましく、焼結時間は２時間〜５時間が好ましい。
実施例１
最終的に図１，図２に示す種々の主成分組成比となるように原料粉末を混合し、大気中で９００℃で３時間仮焼きした。得られた仮焼粉に対し、図１，図２に示す副成分のＢｉ２Ｏ３を１．０質量％添加し、ボールミルで湿式粉砕した後に乾燥した。
得られた粉末にポリビニルアルコール７ｗｔ％溶液を１４ｗｔ％添加し、次いで造粒を行って造粒粉となし、その造粒粉を外径９ｍｍ×内径４ｍｍ×厚さ３ｍｍのリング状と、長辺３０ｍｍ×短辺２０ｍｍ×厚さ５ｍｍの板形状とに、成形圧力１４．７×１０４ｋＰａで成形し、得られた成形体に大気中で９３０℃×３時間の焼結を施した。
得られたリング状焼結体に巻き線を施し、ＬＣＲメーターで初期透磁率、ＢＨアナライザーでコアロス（１ＭＨｚ，５０ｍＴ）、３６００Ａ／ｍのＢＨループを測定した。また、板状焼結体より長辺８ｍｍ×短辺４ｍｍ×厚さ２ｍｍの額縁形状の試料を切り出し、その試料に巻き線を施し、透磁率μｉを測定した。また、一軸で３５ＭＰａで加圧し、加圧前後の透磁率μｉの変化率とコアロスＰｃｖとを測定した。
図１，図２に明らかなように、本発明の実施例では、２００以上の高い透磁率を持ち、応力に対する透磁率の変化が小さく、応力下でのコアロスが小さいフェライトが得られたことが分かる。
実施例２
最終的に図３に示す特定の主成分組成比となるように原料粉末を混合し、大気中で９００℃で３時間仮焼きした。得られた仮焼粉に対し、図３に示す副成分のＢｉ２Ｏ３を０．０質量％〜１２．０質量％の種々の添加量で添加し、ボールミルで湿式粉砕した後に乾燥した。
得られた粉末にポリビニルアルコール７ｗｔ％溶液を１４ｗｔ％添加し、次いで造粒を行って造粒粉となし、その造粒粉を外径９ｍｍ×内径４ｍｍ×厚さ３ｍｍのリング状と、長辺３０ｍｍ×短辺２０ｍｍ×厚さ５ｍｍの板形状とに、成形圧力１４．７×１０４ｋＰａで成形し、得られた成形体を大気中で９３０℃〜１０００℃×３時間の焼結を施した。
得られたリング状焼結体に巻き線を施し、ＬＣＲメーターで初期透磁率、ＢＨアナライザーでコアロス（１ＭＨｚ，５０ｍＴ）、３６００Ａ／ｍのＢＨループを測定した。また、板状焼結体より長辺８ｍｍ×短辺４ｍｍ×厚さ２ｍｍの額縁形状の試料を切り出し、その試料に巻き線を施し、透磁率μｉを測定した。また、一軸で３５ＭＰａで加圧し、加圧前後の透磁率μｉの変化率とコアロスＰｃｖとを測定した。
図３に明らかなように、本発明の実施例では、２００以上の高い透磁率を持ち、応力に対する透磁率の変化が小さく、応力下でのコアロスが小さいフェライトが得られたことが分かる。
実施例３
最終的に図４に示す特定の主成分組成比となるように原料粉末を混合し、大気中で９００℃で３時間仮焼きした。得られた仮焼粉に対し、図４に示す副成分のＢｉ２Ｏ３を１．０質量％とＢｉ２Ｏ３以外の種々の副成分を種々の添加量で添加し、ボールミルで湿式粉砕した後に乾燥した。
得られた粉末にポリビニルアルコール７ｗｔ％溶液を１４ｗｔ％添加し、次いで造粒を行って造粒粉となし、その造粒粉を外径９ｍｍ×内径４ｍｍ×厚さ３ｍｍのリング状と、長辺３０ｍｍ×短辺２０ｍｍ×厚さ５ｍｍの板形状とに、成形圧力１４．７×１０４ｋＰａで成形し、得られた成形体を大気中で９３０℃×３時間の焼結を施した。
得られたリング状焼結体に巻き線を施し、ＬＣＲメーターで初期透磁率、ＢＨアナライザーでコアロス（１ＭＨｚ，５０ｍＴ）、３６００Ａ／ｍのＢＨループを測定した。また、板状焼結体より長辺８ｍｍ×短辺４ｍｍ×厚さ２ｍｍの額縁形状の試料を切り出し、その試料に巻き線を施し、透磁率μｉを測定した。また、一軸で３５ＭＰａで加圧し、加圧前後の透磁率μｉの変化率とコアロスＰｃｖとを測定した。
図４に明らかなように、本発明の実施例では、２００以上の高い透磁率を持ち、応力に対する透磁率の変化が小さく、応力下でのコアロスが小さいフェライトが得られたことが分かる。
本発明によると、実施例から明らかなように、透磁率が２００以上であり、圧力３５ＭＰａで加圧したときの透磁率の変化率が±１０％以内である特性が得られ、また、圧力３５ＭＰａで加圧したときの１ＭＨｚ，５０ｍＴのコアロスが７０００ｋＷ／ｍ３以下である特性が得られ、樹脂モールドされた状態でもコア損失が小さなインダクタ，トランスを提供できる。

Claims (7)

  1. 組成式がｘ（Ｌｉ０．５Ｆｅ０．５）Ｏ・ｙＺｎＯ・ｚ（Ｍｎ，Ｆｅ）２Ｏ３であって、かつａ＝Ｍｎ／（Ｍｎ＋Ｆｅ）とした場合、前記組成式及び条件におけるｘ，ｙ，ｚ，ａが、０．１８≦ｘ≦０．３０，０．２０≦ｙ≦０．３０，０．４８≦ｚ≦０．５３，０．０１≦ａ≦０．２５，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満足する材料に、Ｂｉ２Ｏ３を０．２質量％以上６質量％以下添加してなることを特徴とするフェライト材料。
  2. Ｂｉ２Ｏ３が０．０５質量％以上０．５質量％以下のＶ２Ｏ５で置換されている請求項１に記載のフェライト材料。
  3. Ｂｉ２Ｏ３の添加量は、０．２質量％以上４質量％以下である請求項１に記載のフェライト材料。
  4. ＺｎＯの一部がＣｕＯで置換されている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のフェライト材料。
  5. ＺｒＯ２，ＺｒＳｉＯ４，ＳｉＯ２のいずれか１種以上を５質量％以下含む請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のフェライト材料。
  6. 透磁率が２００以上であり、圧力３５ＭＰａで加圧したときの透磁率の変化率が±１０％以内である請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のフェライト材料。
  7. 圧力３５ＭＰａで加圧したときの１ＭＨｚ，５０ｍＴのコアロスが７０００ｋＷ／ｍ３以下である請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のフェライト材料。
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