JPH08148322A

JPH08148322A - 酸化物磁性体材料およびそれを使用するスイッチング電源

Info

Publication number: JPH08148322A
Application number: JP6283462A
Authority: JP
Inventors: Osamu Inoue; 修井上; Koichi Kugimiya; 公一釘宮
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-11-17
Filing date: 1994-11-17
Publication date: 1996-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】高周波帯域（１ＭＨｚ前後）において、磁気
損失が少ない磁性体材料、およびこれを用いた、小型で
低発熱、高効率のスイッチング電源を提供する。【構成】主組成としてＦｅ₂ Ｏ₃ を５５ｍｏｌ％以
上、あるいはＦｅ₂ Ｏ₃を５３ｍｏｌ％以上含み、かつ
副成分として特定量のＣｏＯを含有し、少なくともＣａ
Ｏ、ＳｉＯ₂ を添加し、さらに磁気異方性を有する金属
イオンを含むＭｎＺｎフェライトとしたパーミンバー型
酸化物磁性体材料およびそれをメイントランス用磁芯と
して使用し、スイッチング周波数が５００ｋＨｚ〜５Ｍ
Ｈｚ、磁束密度が１５０ｍＴ以下で駆動するようにした
スイッチング電源とすることにより、低磁気が損失が得
られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸化物磁性体材料およ
びそれを使用するスイッチング電源に関する。より詳細
には、インダクタンス部品、電源用トランスコア等に用
いられる酸化物磁性体材料、特に高周波特性に優れた低
損失ＭｎＺｎ系フェライト磁性体およびそれを使用した
スイッチング電源に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のエレクトロニクス技術の発展にと
もない機器の小型化・高密度化が要求され、使用周波数
の高周波化が進んでいる。例えばスイッチング電源用ト
ランス磁芯その他に用いられる磁性体材料においても、
高周波化への対応が要求され、特に小型化した場合の発
熱を防止するために、高周波において低磁気損失である
ことが要求されている。

【０００３】例えば磁芯材料等に適用される磁性体材料
には、大きく分けて金属系材料と酸化物フェライト系材
料がある。金属系の材料は、飽和磁束密度、透磁率とも
高いという長所があるが、電気抵抗率が１０^-6〜１０^-4
Ω・ｃｍ程度と低いため、高周波においては渦電流に起
因する磁気損失が増大するという欠点があった。この欠
点は、磁性体の厚さを薄くすることによって改善される
ため、金属を薄い箔状に加工し絶縁体をはさんでロール
状に巻いたものも作られている。しかし、薄膜化には約
１０μｍ程度と限界があり、また複雑形状のものが作り
にくく、高コストであるといった問題点がある。このた
め、商業的には１００ｋＨｚ程度の周波数帯域までしか
使用できなかった。

【０００４】一方、フェライト系材料は、飽和磁束密度
は金属系材料の１／２程度と低いが、電気抵抗率は、金
属系材料に比べて高い。例えば、通常用いられているＭ
ｎＺｎ系のもので、電気抵抗率は０．０１Ω・ｍ程度と
金属系材料に比べてはるかに高い。また、ＣａＯやＳｉ
Ｏ₂等の添加物を用いることにより、電気抵抗率を数１
０Ω・ｍ程度まで高めることができ、渦電流に起因する
磁気損失が高周波数まで比較的小さく、特別な工夫をす
ることなく使用可能である。また複雑形状のものも容易
に作れ、かつ低コストであるといった利点を持つ。この
ため、例えば１００ｋＨｚ以上のスイッチング周波数で
の電源用トランス磁芯材料としては、このフェライト系
の材料が広く用いられていた。

【０００５】一般にフェライトの磁気特性のうち、飽和
磁束密度、キュリー温度、損失極小温度などはその主組
成に依存し、一方、透磁率、残留磁束密度、保持力、磁
気損失などは、主組成の影響も受けるが、微細構造によ
って支配される特性であるとされている。高周波の磁気
損失は主に渦電流損失に起因するので、電気抵抗率が高
いほど損失が小さくなると考えられるが、ＭｎＺｎフェ
ライト自体の電気抵抗率は、前述したように金属系材料
よりは高いが、充分ではない。このため、高周波用低磁
気損失ＭｎＺｎフェライトの開発は、各種の添加物を用
い、また微細構造を制御することにより、電気抵抗率を
高くする検討が主流である。

【０００６】また、高周波用低損失材料の磁気損失以外
の特性としては、飽和磁束密度、キュリー温度、透磁率
が高いことが必要とされている。これらの特性は、ソフ
ト磁性体が基本的に要求される特性であるとともに、低
損失化のためにも重要な特性と考えられている（「粉体
および粉末冶金」第３４巻５号Ｐ１９１）。飽和磁束密
度は、Ｆｅ₂Ｏ₃量が多いほど増加する。しかしながら、
Ｆｅ₂Ｏ₃量が多すぎると透磁率や電気抵抗率が低下する
ことが知られている。以上のような理由から、低損失Ｍ
ｎＺｎフェライトの主組成のＦｅ₂Ｏ₃量としては５３〜
５４ｍｏｌ％程度含有するものが最適とされている。
（「エレクトロニクセラミクス」１９８５年冬号Ｐ
４４）。実際に開発されている低損失フェライトも、ほ
とんどがこの組成範囲内であり、低損失化は、この付近
の主組成を用い、既に述べた添加物、微細構造による検
討が中心であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フェラ
イト系材料といえども、５００ｋＨｚ以上になると、渦
電流に起因する磁気損失が増大して使用することができ
ないという問題点があった。

【０００８】そこで発明者等は、各種の主組成比のＭｎ
Ｚｎ系フェライトに種々の金属酸化物を複合添加したフ
ェライトを実際に作製し、添加物、主組成の効果を詳細
に検討した。その結果、（１）従来重要視されていた電
気抵抗率は、せいぜい１Ω・ｍ程度以上あれば充分であ
り、それ以上高くなっても損失にほとんど影響を与えな
いこと、（２）透磁率が高い時に低損失とは言えず、比
透磁率１０００以下でも、ヒステリシス損失、渦電流損
失ともに極めて低くなることがあること、（３）フェラ
イトに磁気異方性の大きいイオンを固溶させて、パーミ
ンバー型（Perminvar型（蛇型)）とすることによって、
渦電流損失が小さくなること、を見いだした。

【０００９】本発明は、前記従来技術の問題点を解決す
るためなされたものあり、高周波における磁気損失が極
めて低い磁性体材料を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の第１番目の酸化物磁性体材料は、主成分が
Ｍｎ，Ｚｎ，Ｆｅよりなり、副成分として少なくともＣ
ａＯおよびＳｉＯ₂を含有し、かつ磁気異方性を有する
金属イオンを含むことを特徴とする。

【００１１】前記構成の酸化物磁性体材料において、主
組成としてＦｅ₂Ｏ₃を５５ｍｏｌ％以上含むことが好ま
しい。また前記構成の酸化物磁性体材料において、主組
成としてＦｅ₂Ｏ₃を５３ｍｏｌ％以上含み、かつ副成分
として少なくともＣｏＯを０.００５〜０．２重量％含
有することが好ましい。

【００１２】本発明のスイッチング電源は、Ｍｎ，Ｚ
ｎ，Ｆｅを主成分とし、副成分として少なくともＣａＯ
とＳｉＯ₂ を含有し、かつ磁気異方性を有する金属イオ
ンを含むＭｎＺｎ系フェライトをメイントランス用磁芯
として使用し、スイッチング周波数が５００ｋＨｚ〜５
ＭＨｚ、磁束密度が１５０ｍＴ以下で駆動することを特
徴とする。

【００１３】前記構成のスイッチング電源において、メ
イントランス用磁芯の主組成としてＦｅ₂Ｏ₃を５５ｍｏ
ｌ％以上含む酸化物磁性体材料、または主組成としてＦ
ｅ₂Ｏ₃を５３ｍｏｌ％以上含み、かつ副成分として少な
くともＣｏＯを０.００５〜０．２重量％含有する酸化
物磁性体材料であることが好ましい。

【００１４】なお、本発明におけるＣａＯ、ＳｉＯ₂ の
役割は、本来電気抵抗値の低いＭｎＺｎフェライトの粒
界層に析出し、電気抵抗率を高める為のものである。こ
れら以外に、さらにＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、Ａｌ
₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＧｅＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃ 等を添
加することも同様の効果があって望ましいが、その結果
としての直流電気抵抗率は０．５Ω・ｍ程度以上あれば
充分であり、逆に１０Ω・ｍ以上となるまで添加量を増
加させると、損失値はかえって増加する。そのための添
加量の望ましい範囲としては、ＣａＯについては０．０
５重量％以上、０.２重量％以下、ＳｉＯ₂ については
０.００５重量％以上、０.１重量％以下、またその他
については０.０１重量％以上、０.２重量％以下であ
る。

【００１５】また、パーミンバー型となることによっ
て、渦電流損失が小さくなる理由は、磁束密度が低い領
域で、フェライト中の磁壁の動きが制限されることによ
ると考えられる。この場合、磁壁が動きにくくなるため
に透磁率は低くなるが、渦電流損失に影響を与えるアノ
ーマリ（anormaly）因子が小さくなり渦電流損失が小さ
くなる。ただし、磁束密度が大きくなると、磁壁が動き
はじめるために、低損失化効果は小さくなる。また、パ
ーミンバー型とするための磁気異方性の大きいイオンと
しては、Ｆｅ²⁺やＣｏ²⁺がある。このうち、Ｆｅ²⁺につ
いては、配合組成のうち５０ｍｏｌ％を越えるＦｅ₂Ｏ₃
が、ＭｎＺｎフェライト相を生成する際にほぼＦｅＯと
なることで生成するが、Ｆｅ₂Ｏ₃量が５５ｍｏｌ％以上
必要である。Ｃｏ²⁺については添加により存在させるこ
とが必要である。ただし後述するように、これらのイオ
ンを含んだとしても、作製条件によっては磁壁のピンニ
ングが生じず、パーミンバー型とならない場合がある。
この場合には、静磁場でＢ−Ｈループを測定することに
よって判断できる。

【００１６】その他、低磁気損失ＭｎＺｎフェライトに
必要な特性としては、焼結体の相対密度が９０％以上で
あることが望ましい。焼結密度が低いと実効断面積が減
少するために損失が増大する。また焼結密度が低いと、
焼成の冷却時に雰囲気の影響を受け易くなり、特にＦｅ
₂Ｏ₃が多いような組成では、精密に雰囲気制御を行わな
ければ本来の特性が得られにくくなる場合があり、製造
時の歩留まりを下げる原因となる。次に透磁率としては
５００以上１２００以下程度の範囲内が望ましい。ま
た、平均結晶粒径は１０μm以下で、２〜５μm程度が望
ましい。

【００１７】

【作用】前記した本発明の酸化物磁性体材料によれば、
ＭｎＺｎ系フェライトに、少なくとも特定量のＣａＯお
よびＳｉＯ₂ を含有し、さらに磁気異方性を有する金属
イオンを含有する。このように構成したので、磁気異方
性を有する金属イオンの役割により、パーミンバー型の
Ｂ−Ｈヒステリシスループを示すようになり、磁区構造
を安定化して、磁気損失を低下させることができ、その
結果高周波磁気損失の低い磁性体材料を得ることができ
る。

【００１８】前記酸化物磁性体材料の主組成としてＦｅ
₂Ｏ₃を５５ｍｏｌ％以上含む好ましい例によれば、高周
波磁気損失の低いパーミンバー型酸化物磁性体材料が得
られる。

【００１９】また前記酸化物磁性体材料の主組成として
Ｆｅ₂Ｏ₃を５３ｍｏｌ％以上含み、かつ副成分として少
なくともＣｏＯを０.００５〜０．２重量％含有するむ
好ましい例によれば、副成分としてのＣａＯ、ＳｉＯ₂
等が、ＭｎＺｎ系フェライトの電気抵抗値を増大させる
とともに、渦電流にともなう磁気損失を低下させ、高周
波磁気損失の低いパーミンバー型の酸化物磁性体材料を
得ることができる。

【００２０】本発明のスイッチング電源は、Ｍｎ，Ｚ
ｎ，Ｆｅを主成分とし、副成分として少なくともＣａＯ
とＳｉＯ₂ を含有し、かつ磁気異方性を有する金属イオ
ンを含む低損失ＭｎＺｎ系フェライトをメイントランス
用磁芯として使用し、スイッチング周波数が５００ｋＨ
ｚ〜５ＭＨｚ、磁束密度が１５０ｍＴ以下で駆動する構
成としたので、高周波帯域において低い磁気損失で使用
できる。

【００２１】前記メイントランス用磁芯の主組成として
Ｆｅ₂Ｏ₃を５５ｍｏｌ％以上含む酸化物磁性体材料、ま
たは主組成としてＦｅ₂Ｏ₃を５３ｍｏｌ％以上含み、か
つ副成分として少なくともＣｏＯを０.００５〜０．３
重量％含有する酸化物磁性体材料である好ましい例によ
れば、高周波帯域において低い磁気損失で使用できるス
イッチング電源を得ることができる。

【００２２】本発明のＭｎＺｎ系フェライト材料は、測
定周波数がＭＨｚ帯域であっても超低磁気損失を示す。
従って、本材料をメイントランス用磁芯として使用し、
スイッチング周波数が５００ｋＨｚ〜５ＭＨｚ、磁束密
度が１５０ｍＴ以下で駆動するスイッチング電源は、小
型、高効率となる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の酸化物磁性体材料の実施例に
ついて説明する。実施例では一部の組成、添加物系を例
に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、少なくともＣａＯとＳｉＯ₂ を含有し、かつ磁
気異方性を有する金属イオンを含むことによってパーミ
ンバー型となるＭｎＺｎフェライト全体を含むものであ
る。

【００２４】（実施例１）出発原料に純度９９.５％の
α-Ｆｅ₂Ｏ₃、ＭｎＣＯ₃、ＺｎＯの各粉末を用いた。
これらの粉末をＦｅ₂Ｏ₃が表１の量となり、ＺｎＯ量が
７ｍｏｌ％となり、残ＭｎＣＯ₃ となり、合計重量が３
００ｇとなるように秤量した。これらの粉末をボールミ
ルにて湿式で１０時間（またはｈ）、混合粉砕し、乾燥
させた。この混合粉末を９００℃で２ｈ空気中で仮焼し
た後、ＣａＯが０.１重量％、ＳｉＯ₂が０.０３重量
％、Ｓｂ₂Ｏ₃が０.０５重量％、ＣｏＯが表１の値とな
るように、ＣａＣＯ₃、ＳｉＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃およびＣｏＯ
を添加し、再度ボールミルにて１０ｈ、湿式混合粉砕し
て乾燥させ、仮焼粉末とした。

【００２５】この仮焼粉末にポリビニルアルコールの５
重量％水溶液を１０重量％加え、３０メッシュのふるい
を通過させて造粒した。これらの造粒粉を成形圧０．５
ｔ／ｃｍ² で一軸金型成形し、この成形体を５００℃で
１時間、空気中でバインダアウトした。焼成は、温度を
１２００℃とし、昇温時を空気中、最高温度保持時およ
び冷却時をＦｅ₂Ｏ₃量に対応したフェライトの平衡酸素
分圧に応じてＯ₂ 雰囲気制御した。昇温速度は２００℃
／ｈ、冷却速度は１００℃／ｈとした。また、８００℃
以下の冷却速度を１０００℃／ｈとした試料も作製し
た。

【００２６】得られた焼結体より外径２０ｍｍ、内径１
４ｍｍ、厚さ３ｍｍのリング状試料を切り出した。この
試料に、絶縁テープを一層巻いた後、線径０.２６ｍｍ
φの絶縁導線を全周にわたって一層巻いた試料を準備
し、Ｂ−Ｈループトレーサーにより、磁束密度４５０ｍ
ＴまでのＢ−Ｈループを静磁場にて測定した。その結果
の一部を図１に示した。Ｂ−Ｈループの形状より、通常
の磁性体となっているもの（図１の試料ｂ、ｃ）とパー
ミンバー型（図１の試料ｄ、ｍ）の磁性体に別れた。次
に、交流Ｂ−Ｈカーブ・トレーサーを用い、１ＭＨｚ、
５０ｍＴにおける磁気損失を、２０℃〜１２０℃の間で
２０℃きざみで測定した。これらの結果を表１に示し
た。

【００２７】

【表１】

【００２８】表１より明らかなように、Ｆｅ₂Ｏ₃量が５
５ｍｏｌ％以上、あるいは５３ｍｏｌ％以上でＣｏＯを
０．００５重量％以上０．２重量％以下含む試料で、パ
ーミンバー型のものは、損失値３００ｋＷ/ｍ³程度以下
と低損失であった。一方この範囲外の試料ａ，ｂ，ｃ，
ｊ，ｏ、および範囲内でも通常の試料ｐおよびｑは、損
失値が５００ｋＷ/ｍ³程度以上と大きくなった。

【００２９】（実施例２）実施例１と同様の方法で、組
成比がＦｅ₂Ｏ₃を６４ｍｏｌ％、ＭｎＯを１９ｍｏｌ
％、ＺｎＯを１７ｍｏｌ％となし、ＣａＯを０.１重量
％、ＳｉＯ₂ を０.０２重量％含む焼結体(ｒ)を作製し
た。同様に、組成比がＦｅ₂Ｏ₃を５４ｍｏｌ％、ＭｎＯ
を３８ｍｏｌ％、ＺｎＯを８ｍｏｌ％となし、ＣａＯを
０.１重量％、ＳｉＯ₂を０.０２重量％、Ｔａ₂Ｏ₅を
０.０５重量％、ＣｏＯを０.０５重量％含む、焼結体
(ｓ)を作製した。比較例として、組成比がＦｅ₂Ｏ₃ を
５３.５ｍｏｌ％、ＭｎＯを３８ｍｏｌ％、ＺｎＯを８.
５ｍｏｌ％となり、ＣａＯを０．１重量％、ＳｉＯ₂を
０.０２重量％、Ｔａ₂Ｏ₅ を０.０５重量％含む焼結体
(ｔ)を同様に作製した。これらの焼結体の磁束密度４５
０ｍＴまでのＢ−Ｈループを静磁場にて測定し、また１
ＭＨｚ，５０ｍＴにおける磁気損失を実施例１と同様の
方法で測定した。その結果、焼結体(ｒ)は、パーミンバ
ー型であり、１００℃で磁気損失が極小となり、損失値
は１８０ｋＷ/ｍ³であった。焼結体(ｓ)は、パーミンバ
ー型であり、損失が６０℃で極小となり、損失値は８０
ｋＷ/ｍ³であった。以上の焼結体（ｒ）および（ｓ）
は、本発明による超低磁気損失材である。焼結体(ｔ)
は、通常のもので、６０℃で磁気損失が極小となり、損
失値は４４０ｋＷ/ｍ³である、従来材料である。

【００３０】これらの３種類の試料について、それぞれ
の損失極小温度において、周波数を０．５ＭＨｚで磁束
密度を変化させて磁気損失を測定した。その結果を表２
に示した。

【００３１】

【表２】

【００３２】表２より明らかなように、本発明の焼結体
(ｒ)(ｓ)は、１５０ｍＴ以下の磁束密度で、比較例の
(ｔ)よりも低損失であるが、２００ｍＴでは差がなくな
った。次に、同じ試料について、磁束密度Ｂと周波数ｆ
の積、Ｂ・ｆ＝５０（ｍＴ・ＭＨｚ）で一定となる条件
で磁気損失を測定した（この条件では、同一出力時の電
源トランスでコアサイズが一定となる）。その結果を表
３に示した。

【００３３】

【表３】

【００３４】表３より明らかなように、これらの焼結体
は１〜２ＭＨｚ付近で損失が最小となる。(ｒ)(ｓ)と
(ｔ)を比較すると、３３０ｋＨｚ以上、１５０ｍＴ以下
で本発明の焼結体(ｒ)および(ｓ)が有利となるが、その
差が顕著となるのは、５００ｋＨｚ以上である。

【００３５】次にこれらの焼結体より、それぞれＥ型コ
アを切り出し、これを用いてフォワード方式のスイッチ
ング電源回路を試作し、磁気損失にあたる温度上昇を評
価した。一定の軽負荷条件下で、周波数、磁芯磁束密度
にたいする磁芯の温度上昇について測定した。その結果
を表４に示した。

【００３６】

【表４】

【００３７】表４より明らかなように、トランスの磁芯
損失による温度上昇許容値を３５℃見込んだ場合、焼結
体(ｔ)を用いた電源は温度上昇が大きく、あまり高周波
では使用できないことが分かる。これに対して、本発明
のフェライト材料(ｒ)または(ｓ)を用いた電源は温度上
昇が少なく、高周波でも充分使用できる。一般に、高周
波では、使用磁束密度を低くすることが多いので、表３
の結果より５ＭＨｚ程度まで使用可能と考えられる。し
かしながら、２ＭＨｚ以上のスイッチング電源は回路側
の損失が増大するため、現時点では現実的ではない。

【００３８】以上の結果より、開発したフェライト材料
を用いたスイッチング電源は、発熱が少なく高効率であ
り、小型化が期待できる。また、特に５００ｋＨｚ以
上、１５０ｍＴ以下でその特徴が顕著となり、電源回路
側の損失が減少すれば、５ＭＨｚまで使用可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明した通り本発明は、従来にない
低磁気損失の材料であり、これを用いて作製されたスイ
ッチング電源は、小型で低発熱、高効率とすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパーミンバー型および通常型のフェ
ライトの静磁場ヒステリシスループを示す図である。

【符号の説明】

(b),(c),(d),(m)は、それぞれ表１の試料(b),(c),(d),
(m)に相当する静磁場ヒステリシスループである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｍｎ，Ｚｎ，Ｆｅを主成分とし、副成分
として少なくともＣａＯとＳｉＯ₂ を含有し、かつ磁気
異方性を有する金属イオンを含むことを特徴とするパー
ミンバー型酸化物磁性体材料。
【請求項２】主組成として、Ｆｅ₂Ｏ₃を５５ｍｏｌ％
以上含む請求項１記載の酸化物磁性体材料。
【請求項３】主組成として、Ｆｅ₂Ｏ₃を５３ｍｏｌ％
以上含み、かつ副成分として、ＣｏＯを０.００５〜０.
２重量％を含有する請求項１記載の酸化物磁性体材料。
【請求項４】Ｍｎ，Ｚｎ，Ｆｅを主成分とし、副成分
として少なくともＣａＯとＳｉＯ₂ を含有し、かつ磁気
異方性を有する金属イオンを含む低損失ＭｎＺｎ系フェ
ライトをメイントランス用磁芯として使用し、スイッチ
ング周波数が５００ｋＨｚ〜５ＭＨｚ、磁束密度が１５
０ｍＴ以下で駆動することを特徴とするスイッチング電
源。
【請求項５】スイッチング周波数が５００ｋＨｚ〜５
ＭＨｚ、磁束密度が１５０ｍＴ以下で駆動するメイント
ランスの磁芯として請求項２または３に記載の酸化物磁
性体材料を使用してなるスイッチング電源。