JPH10340807A - Mn−Coフェライト材料 - Google Patents

Mn−Coフェライト材料

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JPH10340807A
JPH10340807A JP9148224A JP14822497A JPH10340807A JP H10340807 A JPH10340807 A JP H10340807A JP 9148224 A JP9148224 A JP 9148224A JP 14822497 A JP14822497 A JP 14822497A JP H10340807 A JPH10340807 A JP H10340807A
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    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/34Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites
    • H01F1/342Oxides
    • H01F1/344Ferrites, e.g. having a cubic spinel structure (X2+O)(Y23+O3), e.g. magnetite Fe3O4

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 1MHz程度以上の高周波数域において低損失
であるフェライト材料を提供すること。 【解決手段】 Fe2O3 :52〜55 mol%、CoO:0.4 〜1.
0 mol%を含み、残部が実質的にMnOからなることを特
徴とするMn−Coフェライト材料である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電源用トランス等
の磁心に用いられる、高周波数域で損失の少ないMn−Co
フェライト材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】フェライトと総称される酸化物磁性材料
のうち、軟質磁性フェライトは、小さな外部磁場でも十
分に磁化することから、電源や通信機器、計測制御機
器、磁気記録媒体、コンピュータなどの用途に広く用い
られている。それ故に、この種の用途に用いる材料に
は、キュリー温度が高いこと、保磁力が小さく透磁率が
高いこと、飽和磁束密度が大きいこと、低損失であるこ
と、など多くの特性が要求される。
【0003】軟質磁性フェライトのうちMn−Zn系フェラ
イトは、高周波数域で使われるスイッチング電源に適用
できる電源用トランスの磁心材料として改良が進められ
ている。
【0004】このMn−Zn系フェライトは、100kHz程度の
周波数域において、高透磁率でかつ低損失な特性を示
す。しかしながら、このMn−Zn系フェライトは、使用周
波数の高周波数化が進む今日では、周波数が高くなるに
伴い損失が大きくなるという欠点があった。かかる高周
波数化の傾向はこれからも続くと考えられ、1MHz程度
以上の高い周波数域でもなお低損失特性を示す軟質磁性
フェライトに対する要求が高まっている。
【0005】これに対し、例えば、500kHz以上の周波数
域を対象とした材料として、特開平6−310320号公報な
どでは、Mn, Zn, Feの酸化物を基本成分とするMn−Zn系
フェライトに添加成分として種々の酸化物(たとえば、
CoO 0.3 mol%以下)を含有させてなる、300kHz〜数MHz
の周波数域で低損失を示す磁性材料が提案されている。
【0006】しかしながら、従来から比較的低い周波数
で用いられているMn−Zn系フェライト材料では、1MHz
程度以上の高周波数域における要求特性、とりわけ低損
失特性について未だ満足できる結果が得られていない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、1M
Hz程度以上の高周波数域において低損失であるフェライ
ト材料を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】さて、従来のMn−Znフェ
ライト材料の場合、飽和磁束密度およびキュリー温度
は、基本成分であるMnO:ZnO:Fe2O3 の比でほぼ決ま
ることが知られている。例えば、ZnOの量が少ない領域
においてはZnO量の増加に伴い飽和磁束密度は増加する
が、これと同時にキュリー温度も低下する。また、損失
が極小となる温度も上記基本成分の比により決まること
が知られている。
【0009】また、低損失なMn−Znフェライト材料を得
るためには、損失を構成するヒステリシス損失、渦電流
損失、それ以外の残留損失をそれぞれ小さくすることが
必要である。これらの損失のうちヒステリシス損失は、
磁気異方性定数K1 と磁歪定数λに大きく支配され、こ
れらK1 とλはフェライトの組成により決まることが知
られている。例えば、Fe2O3 =52 mol%付近でZnO=20
〜30 mol%である組成のMn−Znフェライトは、室温にお
いて、K1 ならびにλs が共にゼロに近くなり、この組
成では、透磁率が最大となるので、高透磁率が必要な機
器に適用されている (K.Ohta, J.Phys. Soc.Japan 18(1
963)685)。また、Fe2O3 =53〜54.5mol %、ZnO=8 〜
12 mol%、残部実質的にMnOの組成となるMn−Znフェラ
イトは、従来の100kHz程度の周波数域であれば、80℃程
度で低損失な材料であり、スイッチング電源用フェライ
トとして適用されている (セラミックス28 (1993)937)
【0010】しかしながら、損失は周波数に伴い増大す
るため、さらに高周波数域で使用する材料には使用周波
数で損失が低いことが要求される。損失のなかでも渦電
流損失は、材料の電気抵抗に起因する損失であり、高周
波数域ではこの損失の占める割合が大きくなる。これに
ついては、フェライト粒界に高抵抗層を形成してコア全
体の電気抵抗を高めることにより、この損失を低減させ
ることができることが知られている。残留損失もまた、
高周波数域になるに従いその占める割合が増えると考え
られている。しかしながら、その原因については共鳴現
象等の説明もなされているが、現在までのところはっき
りしていない。従って、これら渦電流損失と残留損失を
共に低減することができれば、1MHz程度以上の高周波
数域でも低損失を示す材料が得られると考えられる。
【0011】そこで発明者らは、このような知見に基づ
き、上記目的の実現に向け、1MHz程度以上の高周波数
域で低損失を示す組成を探索した。その結果、ZnOを含
まない組成でかつCoOを含む組成が低損失化に有効であ
ることを新たに見出し、以下に示す成分組成のフェライ
ト材料を想到するに至った。
【0012】即ち、本発明は、Fe2O3 :52〜55 mol%、
CoO:0.4 〜1.0 mol%を含み、残部が実質的にMnOか
らなることを特徴とするMn−Coフェライト材料を提供す
る。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、この発明において、主成分
組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。 ・CoO :0.4 〜1.0 mol% 先に述べたように、高周波数域において、ZnOを含まな
い組成でかつCoOを含む組成にすれば、極小温度での損
失の絶対値は低くなる。この低損失化に対するCoの効果
は、少量でも現れる。しかしながら、CoO含有量が0.4m
ol%未満であると、周波数1MHz・50mTの最大磁束密度
で測定した場合の損失が100kW/m3以下であっても、コア
に一旦 100A/m程度の直流磁界を加えて再度同条件で測
定すると、損失は100kW/m3以上に劣化するという現象が
生じる。この損失劣化現象は、例えばトランスを直流重
畳で使用する場合にも生じると予想され、好ましくな
い。そこで本発明では、CoO含有量の下限値は 0.4 mol
%とした。一方、CoO含有量が 1.0 mol%を超えると損
失がかえって増大する。そこで、CoO含有量は 1.0 mol
%を上限とした。
【0014】また、CoO置換の効果として、磁気異方性
定数K1の温度変化を小さくする効果が知られている。即
ち、一般的なMn−Znフェライトにおいて、K1の温度変化
は、低温で大きく負であり、温度上昇に伴いゼロに近づ
き室温以上で正となる。損失は、K1が0となる温度付近
で極小となり、それ以外の温度では磁気異方性定数K1の
絶対値の大きさに比例して大きくなる。これに対し、Mn
−Znフェライトの主相であるスピネル化合物の構成元素
イオンの一部をCoイオンで置換すると、そのCoイオンは
K1に対して正の寄与をするため、K1はその絶対値が−50
℃〜150 ℃程度の温度範囲において小さくなり、その結
果、損失の温度変化が小さくなる。このようなCoO置換
の効果は、本発明のように亜鉛を含まないMn−Coフェラ
イトにおいても見られ、このMn−Coフェライトの損失温
度係数は、Mn−Znフェライトの場合と同様に小さい。た
だし、CoOを含むことにより損失極小温度は低下する傾
向があるため、Fe2O3 量を後述するように調整する必要
がある。
【0015】・Fe2O3 :52〜55 mol% Fe2O3 の含有量が少なすぎると、飽和磁束密度やキュリ
ー温度が低下する。さらに、損失が極小となる温度が高
温側にシフトすることにより、スイッチング電源等の動
作温度である80℃付近において損失が大きくなる。この
ため、Fe2O3 の含有量は、55 mol%を上限とした。一
方、先に述べたように、CoOを含むと損失極小温度が低
くなるため、CoOの含有量が増えるにしたがってFe2O3
の含有量を減じる必要がある。そのため、損失極小温度
を50〜100 ℃の温度範囲内とするには、CoOの含有量が
0.4 mol%の場合には Fe2O3の含有量を54〜55 mol%、
CoOの含有量が最大 1.0 mol%の場合には Fe2O3の含有
量を52〜53 mol%、とすることが好適である。そこで、
上記CoO含有量の上限および下限に対応する値から、52
mol%をFe2O3 含有量の下限とした。
【0016】以上説明したように、本発明は、基本的に
スピネルを形成する主成分組成に関するものであり、こ
れら構成元素はすべて結晶粒内に固溶すると考えられ
る。本発明では、これらの金属酸化物の他に、SiO2やCa
O 等のように焼結体の結晶粒界に析出してガラス相を形
成する酸化物、あるいは同様に結晶粒界に析出して粒界
抵抗を高めるZr, Hf, Mo, Nb, V, Ti等の酸化物を添加
することは、渦電流損失の低減に寄与するために好まし
い。特に、SiO2およびCaO は、焼結性を高め、結晶粒界
相を高抵抗化して損失低減に寄与する。
【0017】次に、本発明にかかるフェライト材料を製
造する方法について説明する。まず、本発明の成分組成
となるように原料を配合し、次いで、その混合粉を仮焼
したのち、アトライターやボールミル等の粉砕手段によ
り粉砕し、その後、その粉砕粉を所望のコア形状に成形
してから焼成することにより、低損失な磁心材料を得
る。このときの焼成温度は、成分により異なるが、おお
むね1100℃から1250℃とする。この理由は、焼成温度が
低すぎると焼結が進まず、一方高すぎると、焼結密度が
上がるものの異常粒成長が発生して、コアの損失を著し
く劣化させるからである。また、この焼成過程では、酸
素・窒素混合雰囲気が望ましく、その酸素分圧をコント
ロールすることにより、粒界相の形成を制御して抵抗を
高めることができる。
【0018】
【実施例】基本成分が表1に示す最終組成となるよう
に、各成分の原料酸化物を配合し、次いで、ボールミル
を用いて湿式混合を16時間かけて行い、その後、乾燥し
て原料酸化物を得た。次に、この原料混合粉に対し、大
気雰囲気中、975 ℃で3時間の仮焼を行い、こうして得
られた仮焼粉に、最終組成でSiO2が0.03wt%、CaOが0.
15wt%、Ta2O 5 が0.05wt%となるようにSiO2、CaOおよ
びTa2O5 を添加した後、再びボールミルを用いて湿式混
合粉砕して乾燥させた。その乾燥粉末にポリビニルアル
コール5wt%水溶液を10wt%加えて造粒し、次いで、外
径19mm、内径10mm、高さ5mmのリング状に成形し、その
後、酸素分圧を制御した窒素・空気混合ガス中、1180℃
で2時間の焼成を行った。
【0019】このようにして得られた焼結体試料に巻線
を施し (1次側2巻,2次側1巻)、1MHzの周波数で
最大磁束密度50mTの条件、ならびに2MHzの周波数で最
大磁束密度25mTの条件下で、損失を交流BHトレーサー
により40〜120 ℃で20℃きざみで測定した。損失の極小
値とそれを示す温度を曲線近似により求めて表1に併せ
て示す。なお、この表中の極小温度で*を付けたもの
は、測定温度範囲で損失値が極小値を示さなかったもの
である。この表に示す結果から明らかなように、本発明
による組成範囲内のものは、各周波数で損失が小さくな
っていることがわかる。
【0020】
【表1】
【0021】また、上記測定に供したコアに対し、巻線
を施して電流を流し15A/mの直流磁界を加えた後、再度
1MHzの周波数で最大磁束密度50mTの条件で80℃におい
て損失の測定を行った。その測定結果を、磁場印加前に
測定した損失値と併せて表2に示す。この表に示す結果
から明らかなように、CoO含有量が 0.4 mol%より少な
い場合に磁場印加後の損失劣化が大きくなっていること
がわかる。
【0022】
【表2】
【0023】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ス
イッチング電源トランス等の磁心に適した、1MHz程
度以上の周波数において、従来の材料と比較して格段と
損失の小さいMn−Co系フェライト材料を提供することが
できる。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Fe2O3 :52〜55 mol%、 CoO :0.4 〜1.0 mol%を含み、残部が実質的にMnO
    からなることを特徴とするMn−Coフェライト材料。
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