JP3945967B2

JP3945967B2 - High-frequency oxide soft magnetic materials

Info

Publication number: JP3945967B2
Application number: JP2000228665A
Authority: JP
Inventors: 正幸稲垣; 和夫戸苅; 利昭友澤
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2020-07-28
Also published as: JP2002043114A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系の高周波用軟磁性フェライト材料に関し、更に詳しく述べると、Ｂ、Ｍｏ、及びＬｉの三者を同時複合添加することにより、高飽和磁束密度と高初透磁率を呈し、直流重畳特性の良好な高周波用酸化物軟磁性材料に関するものである。この高周波軟磁性材料は、特にスイッチング電源用チョークコイルに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源の小型化、高性能化に伴い、それに組み込むチョークコイルなどの磁芯材料にも特性改善の要望が高まっている。高周波領域で用いられる磁芯材料としては、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトをベースにしてＮｉの一部をＣｏ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎなとで置換した組成が一般的である。そして、用途に応じて様々な添加物の検討が行われている。
【０００３】
一般に、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトの初透磁率及び飽和磁束密度は、基本成分でほぼ決まり、特にＺｎＯ量に依存する傾向にある。即ち、飽和磁束密度は、ＺｎＯ量に反比例して２０モル％程度で最高となり、２５モル％程度を超えると急激に低下する。しかし、初透磁率はＺｎＯ量に比例するため、高い初透磁率を得るためには、ある程度のＺｎＯ量は必要不可欠である。従って、飽和磁束密度と初透磁率を両方共にあるレベル以上まで高くすることは、相反する課題であり、実現が難しい。しかし、そのように飽和磁束密度と初透磁率が両方共にあるレベル以上まで高い特性を有する材料開発は、コイル設計の観点からも非常に重要である。
【０００４】
因みに、高飽和磁束密度材料としてはＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトが提案されており（例えば特開平１０−７４５４号参照）、高初透磁率材料としてはＮｉ−Ｚｎ系フェライトへのＢ及びＭｏの複合添加が提案されている（例えば特開平６−２９５８１０号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
初透磁率は、基本成分によって決まるということの他に、焼成温度の上昇に伴って増大する傾向があることはよく知られている。従って、同一組成であれば、高温度で焼成するほど、高初透磁率が得られる。しかし、高温度で焼成する方法は、単に焼成コストが増大するばかりでなく、焼成亀裂や変形などの発生、Ｚｎの蒸発によるコア表面の組成ずれ、あるいは作業環境の悪化など、様々なデメリットが生じる恐れがある。
【０００６】
ところで、スイッチング電源のチョークコイルのように直流を重畳して使用する磁芯材料では、直流重畳した場合の透磁率の変化が少ないことが必要となる。この直流重畳特性は飽和磁束密度と密接な関連があるとされている。しかし、従来のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトでは、飽和磁束密度が低く、直流重畳特性が悪い。
【０００７】
本発明の目的は、従来同様の焼成温度であっても、高飽和磁束密度と高初透磁率を同時に併せ持つ特性を呈し、且つ直流重畳特性も良好な高周波用酸化物軟磁性材料を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基本成分としてＦｅ₂Ｏ₃が４９〜５０モル％（両端を含む）、ＺｎＯが２６〜２８モル％（両端を含む）、ＣｕＯが４〜６モル％（両端を含む）、残部がＮｉＯからなる組成に対して、添加物としてＢ、Ｍｏ、及びＬｉの全てを総量で０．０３重量％以下複合外添した高周波用酸化物軟磁性材料である。ここで添加物は、Ｂを５０ｐｐｍ以下、Ｍｏを０．０２重量％以下、残部をＬｉとする。
【０００９】
初透磁率を決める要素であるＺｎＯ量を決定し、Ｂ、Ｍｏ、及びＬｉの全てを複合添加することにより、低温（１０５０℃〜１１５０℃）でも焼結できるようになる。
【００１０】
得られる特性については、飽和磁束密度Ｂｓ（ｍＴ）と初透磁率μｉ_acが、
Ｂｓ≧４６０−０．０５×μｉ_ac
μｉ_ac≧５００
Ｂｓ≧４１７．５
を満たす領域とする。但し、飽和磁束密度Ｂｓの測定は印加磁界４０００Ａ／ｍで行い、初透磁率μｉ_acの測定は周波数２００ｋＨｚで行った。この領域は、図１において斜線を付して表した部分である。上記の飽和磁束密度Ｂｓと初透磁率μｉ_acの関係式は、以下に述べる実験結果から求めたものである。但し、初透磁率μｉ_acはあるレベル以上必要であり、それが５００以上ということである。また直流重畳特性と密接な関係にある飽和磁束密度Ｂｓもあるレベル以上必要であり、それが４１７．５ｍＴ以上ということである。更に、飽和磁束密度Ｂｓと初透磁率μｉ_acとの特性向上は相反する傾向があることから、飽和磁束密度Ｂｓの下限値を初透磁率μｉａｃの関数として規定しているのである。
【００１１】
また、ドラム形状のコアによって測定した直流重畳特性ΔＬ／Ｌ₀（但し、ΔＬ＝Ｌ₀−Ｌ₁：Ｌ₀及びＬ₁はそれぞれ直流０Ａと２Ａでのインダクタンス、周波数１０ｋＨｚ）は、絶対値で２５％以下である。
【００１２】
この高周波用酸化物軟磁性材料は、ドラムコアのような開磁路構造にして特にスイッチング電源のチョークコイル用として有用である。
【００１３】
ＺｎＯ量は、必要とする初透磁率によって決まる。Ｆｅ₂Ｏ₃が５０モル％を超えると、抵抗が低くなりすぎ、また４９モル％未満では高飽和磁束密度が得られず、初透磁率が減少してしまう。ＣｕＯを含有させると焼結性が向上するが、６モル％を超えると焼結が進み内部応力（冷却過程）の残存で、初透磁率の低下を引き起こす。また、ＣｕＯが４モル％未満では所定の焼結密度が得られず、材料強度が低下するし、適切な飽和磁束密度あるいは初透磁率が得られない。ＮｉＯ量は、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＣｕＯの量が決まると必然的に決まる。但し、この量は、高飽和磁束密度を得る上では重要であるため、できるだけ範囲内で大きくとることが望ましい。
【００１４】
高透磁率と高飽和磁束密度における添加物改善効果としては、融点の降下、焼結促進や結晶粒成長促進、粒界応力緩和が挙げられる。Ｂ、Ｍｏ、及びＬｉの全てを添加することが必要であるが、それら添加物の総量が０．０３重量％を超えると焼結性が逆に悪化してしまい、初透磁率が低下し、飽和磁束密度も低下してしまう。
【００１５】
上記組成からなる材料粉体を一定圧力にて所定形状に成形し焼結する。その際の焼結温度は１０２０℃〜１１００℃とすることが望ましい。製造したコアは、高飽和磁束密度で高初透磁率の特性を同時に発現でき、しかも直流重畳特性も良好なものとなる。
【００１６】
【実施例】
各基本成分原料を秤量し、乾式混合し、その後９００℃で仮焼した。得られた仮焼粉体に対して所定の添加物を秤量添加し、ボールミルで湿式粉砕し、乾燥後にバインダを加えて造粒し、トロイダル形状に成形した。その成形体を１１００℃で２時間焼成し、標準リングコア（試料）を作製した。
【００１７】
得られた各リングコアについて、飽和磁束密度（ｍＴ）及び初透磁率を測定した。飽和磁束密度Ｂｓは印加磁界４０００Ａ／ｍでの値であり、初透磁率μｉ_acは周波数２００ｋＨｚでの値である。
【００１８】
また、上記各粉体を用いてドラム形状に成形し、１１００℃で２時間焼成してドラムコアを作製した。図２に、ドラムコア１０の寸法を示す。このドラムコアに２−ＵＥＷφ０．５の被覆銅線を用いて５０ターン巻線し、直流重畳の評価を行った。測定条件は、周波数１０ｋＨｚ、直流電流２Ａであり、室温２５℃で行った。直流電流０Ａの時のインダクタンスをＬ₀、直流電流２Ａの時のインダクタンスをＬ₁とし、−ΔＬ／Ｌ₀を計算した。但し、ΔＬ＝Ｌ₀−Ｌ₁である。
【００１９】
【表１】

【００２０】
【表２】

【００２１】
基本組成（モル％）及び添加物の種類と測定結果を表１に示す。また表１における添加物Ａ〜Ｅの成分比率（重量％）を表２に示す。表１において、＊印を付した試料が本発明品であり、それ以外は比較例（本発明範囲外）である。試料１〜４は、添加物を含まない基本組成のみの場合である。また試料１３，１４はＬｉ無添加の場合（Ｌｉの添加効果を示す例）、試料１５，１６はＢ無添加の場合（硼酸の添加効果を示す例）、試料１７，１８はＢの添加が多すぎる場合（硼酸の添加効果を示す例）である。
【００２２】
表１から明らかなように、本発明で規定している基本組成及び添加材とすることで、直流重畳特性（ΔＬ／Ｌ₀）が、絶対値で２５％以下になり、直流を重畳して使用する際の透磁率の劣化を少なく抑えることができる。
【００２３】
初透磁率に対する飽和磁束密度の関係を、各試料についてプロットした結果を図１に示す。グラフ上で右上側に位置するものほど高飽和磁束密度で高初透磁率ということになる。比較例のうちで比較的特性の良好な試料３，４，１４は、ほぼ次式で表現できる第１の直線（符号ａで示す）上に乗る。
Ｂｓ＝４５０−０．０５×μｉ_ac
【００２４】
そこで飽和磁束密度Ｂｓについて比較例の第１の直線ａに対して＋１０ｍＴの余裕をもたせるように引いたのが第２の直線（符号ｂで示す）であり、それは次式で表現できる。
Ｂｓ＝４６０−０．０５×μｉ_ac
【００２５】
これらのことから、
Ｂｓ≧４６０−０．０５×μｉ_ac
μｉ_ac≧５００
Ｂｓ≧４１７．５ｍＴ（Ｂｓ＝４１７．５ｍＴはμｉ_ac＝８５０に相当する）
の斜線で示す領域であれば、試料４〜１２（本発明品）は全て含まれる。
【００２６】
より好ましくは、
Ｂｓ≧４６０−０．０５×μｉ_ac
μｉ_ac≧６５０
Ｂｓ≧４２０
を満たす領域とすることである。この場合の領域の境界線を太い点線で示す。この領域は、とりわけ高飽和磁束密度で且つ高初透磁率であり、表１から分かるように直流重畳特性の良好な領域である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は上記のように、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系のフェライト材料に対して、Ｂ、Ｍｏ、及びＬｉの三者を適量複合添加している構成のため、従来同様の焼成温度であっても、飽和磁束密度と初透磁率を同時に向上させることができる。そのため、高温焼結に伴う様々な問題が生じることもない。また、直流重畳特性が向上し、そのため、特にスイッチング電源用チョークコイルに好適な高周波磁芯材料が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験例の測定結果と、本発明の特性領域を示すグラフ。
【図２】直流重畳特性の測定に用いるドラムコアの寸法説明図。
【符号の説明】
１０ドラムコア[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Ni-Cu-Zn-based soft magnetic ferrite material for high frequency, and more specifically, a high saturation magnetic flux density and a high initial permeability can be obtained by simultaneously adding three elements of B, Mo, and Li. The present invention relates to a high-frequency oxide soft magnetic material having good direct current superposition characteristics. This high-frequency soft magnetic material is particularly suitable for a switching power supply choke coil.
[0002]
[Prior art]
With the miniaturization and high performance of switching power supplies, there is an increasing demand for improving the characteristics of magnetic core materials such as choke coils incorporated therein. As a magnetic core material used in a high frequency region, a composition in which a part of Ni is substituted with Co, Cu, Mg, Mn based on Ni—Zn ferrite is common. Various additives have been studied depending on the application.
[0003]
In general, the initial permeability and saturation magnetic flux density of Ni—Zn-based ferrite are almost determined by the basic components, and particularly tend to depend on the amount of ZnO. That is, the saturation magnetic flux density is highest at about 20 mol% in inverse proportion to the amount of ZnO, and rapidly decreases when it exceeds about 25 mol%. However, since the initial permeability is proportional to the amount of ZnO, a certain amount of ZnO is indispensable to obtain a high initial permeability. Therefore, increasing both the saturation magnetic flux density and the initial permeability to a certain level or more is a conflicting issue and is difficult to realize. However, the development of a material having such characteristics that both the saturation magnetic flux density and the initial magnetic permeability are both higher than a certain level is very important from the viewpoint of coil design.
[0004]
Incidentally, Ni—Cu—Zn-based ferrite has been proposed as a high saturation magnetic flux density material (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-7454), and B and Mo to Ni—Zn-based ferrite are used as a high initial permeability material. Compound addition has been proposed (see, for example, JP-A-6-295810).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
It is well known that the initial magnetic permeability tends to increase as the firing temperature increases, in addition to being determined by the basic components. Therefore, if the composition is the same, the higher the temperature, the higher the initial magnetic permeability. However, the method of firing at a high temperature not only increases the firing cost, but also has various disadvantages such as firing cracks and deformation, misalignment of the core surface due to evaporation of Zn, or deterioration of the working environment. There is a fear.
[0006]
By the way, in the magnetic core material used by superimposing the direct current like the choke coil of the switching power supply, it is necessary that the change in the magnetic permeability when the direct current is superimposed is small. This DC superposition characteristic is said to be closely related to the saturation magnetic flux density. However, the conventional Ni—Cu—Zn ferrite has a low saturation magnetic flux density and poor DC superposition characteristics.
[0007]
An object of the present invention is to provide a high-frequency oxide soft magnetic material that exhibits the characteristics of having both a high saturation magnetic flux density and a high initial permeability at the same time even at the same firing temperature as that of the prior art, and also having good direct current superposition characteristics. It is.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, Fe ₂ O ₃ is 49-50 mol% (including both ends) as basic components, ZnO is 26-28 mol% (including both ends), CuO is 4-6 mol% (including both ends), and the balance. Is a high-frequency oxide soft magnetic material in which all of B, Mo, and Li are added in a total amount of 0.03% by weight or less to the composition composed of NiO. Here, the additive includes B at 50 ppm or less, Mo at 0.02 wt% or less, and the balance as Li.
[0009]
By determining the amount of ZnO, which is an element for determining the initial magnetic permeability, and adding all of B, Mo, and Li, sintering can be performed even at a low temperature (1050 ° C. to 1150 ° C.).
[0010]
As for the obtained characteristics, the saturation magnetic flux density Bs (mT) and the initial permeability μi _ac are
Bs ≧ 460−0.05 × μi _ac
μi _ac ≧ 500
Bs ≧ 417.5
An area that satisfies However, measurement of the saturation magnetic flux density Bs is performed at an applied magnetic field 4000A / m, measured initial permeability .mu.i _ac was performed at a frequency 200kHz. This region is a portion represented by hatching in FIG. The relational expression between the saturation magnetic flux density Bs and the initial magnetic permeability μ _ac is obtained from the experimental results described below. However, the initial permeability μi _ac needs to be higher than a certain level, which is 500 or higher. Further, the saturation magnetic flux density Bs closely related to the direct current superimposition characteristic is also required to be higher than a certain level, which is 417.5 mT or higher. Further, the characteristic improvement of the saturation magnetic flux density Bs and the initial permeability .mu.i _ac since there are conflicting trends with each other to define a lower limit of the saturation magnetic flux density Bs as a function of the initial permeability Myuiac.
[0011]
Also, the DC superposition characteristic ΔL / L ₀ (where ΔL = L ₀ −L ₁ : L ₀ and L ₁ are inductances at DC 0A and 2A, frequency 10 kHz, respectively) measured with a drum-shaped core is an absolute value. 25% or less.
[0012]
This high-frequency oxide soft magnetic material has an open magnetic circuit structure like a drum core and is particularly useful for a choke coil of a switching power supply.
[0013]
The amount of ZnO is determined by the required initial permeability. If Fe ₂ O ₃ exceeds 50 mol%, the resistance becomes too low, and if it is less than 49 mol%, a high saturation magnetic flux density cannot be obtained, and the initial permeability decreases. When CuO is contained, the sinterability is improved, but when it exceeds 6 mol%, the sintering proceeds and the internal stress (cooling process) remains, causing a decrease in initial permeability. Moreover, if CuO is less than 4 mol%, a predetermined sintered density cannot be obtained, the material strength is lowered, and an appropriate saturation magnetic flux density or initial permeability cannot be obtained. The amount of NiO is inevitably determined when the amounts of Fe ₂ O ₃ , ZnO, and CuO are determined. However, since this amount is important for obtaining a high saturation magnetic flux density, it is desirable to make it as large as possible within the range.
[0014]
Additive improvement effects at high magnetic permeability and high saturation magnetic flux density include lowering of melting point, promotion of sintering, promotion of crystal grain growth, and relaxation of grain boundary stress. It is necessary to add all of B, Mo, and Li, but if the total amount of these additives exceeds 0.03% by weight, the sinterability deteriorates conversely, the initial permeability decreases, The saturation magnetic flux density is also lowered.
[0015]
The material powder having the above composition is molded into a predetermined shape and sintered at a constant pressure. The sintering temperature at that time is desirably 1020 ° C. to 1100 ° C. The manufactured core can simultaneously exhibit characteristics of high saturation magnetic flux density and high initial permeability, and also has good direct current superposition characteristics.
[0016]
【Example】
Each basic component raw material was weighed, dry-mixed, and then calcined at 900 ° C. Predetermined additives were weighed and added to the obtained calcined powder, wet pulverized with a ball mill, dried and added with a binder, granulated, and formed into a toroidal shape. The molded body was fired at 1100 ° C. for 2 hours to prepare a standard ring core (sample).
[0017]
About each obtained ring core, saturation magnetic flux density (mT) and initial permeability were measured. Saturation magnetic flux density Bs is the value of an applied magnetic field 4000A / m, initial permeability .mu.i _ac is the value of the frequency 200kHz.
[0018]
Also, each of the above powders was molded into a drum shape and fired at 1100 ° C. for 2 hours to produce a drum core. FIG. 2 shows the dimensions of the drum core 10. The drum core was wound with 50 turns using a coated copper wire of 2-UEWφ0.5, and DC superposition was evaluated. The measurement conditions were a frequency of 10 kHz, a direct current of 2 A, and a room temperature of 25 ° C. -ΔL / L ₀ was calculated assuming that the inductance at the time of DC current 0A was L ₀ and the inductance at the time of DC current 2A was L ₁ . However, ΔL = L ₀ −L ₁ .
[0019]
[Table 1]

[0020]
[Table 2]

[0021]
Table 1 shows the basic composition (mol%), the types of additives, and the measurement results. Table 2 shows the component ratios (% by weight) of the additives A to E in Table 1. In Table 1, the samples marked with * are the products of the present invention, and the other samples are comparative examples (outside the scope of the present invention). Samples 1 to 4 are cases where only the basic composition does not contain additives.

Samples

13 and 14 have no addition of Li (example showing the effect of addition of Li),

samples

15 and 16 have no addition of B (example of the effect of addition of boric acid), and samples 17 and 18 have the addition of B. This is the case when it is too much (an example showing the effect of adding boric acid).
[0022]
As is apparent from Table 1, by using the basic composition and additive specified in the present invention, the DC superimposition characteristic (ΔL / L ₀ ) is 25% or less in absolute value, and DC is superimposed. It is possible to suppress the deterioration of magnetic permeability during use.
[0023]
FIG. 1 shows the result of plotting the relationship between the saturation magnetic flux density and the initial magnetic permeability for each sample. The one located on the upper right side of the graph has higher saturation magnetic flux density and higher initial permeability. Among the comparative examples,

samples

3, 4, and 14 having relatively good characteristics are placed on a first straight line (indicated by symbol a) that can be expressed by the following equation.
Bs = 450−0.05 × μi _ac
[0024]
Therefore, the saturation magnetic flux density Bs is a second straight line (indicated by a symbol b) that is drawn so as to have a margin of +10 mT with respect to the first straight line a of the comparative example, and can be expressed by the following equation.
Bs = 460−0.05 × μi _ac
[0025]
from these things,
Bs ≧ 460−0.05 × μi _ac
μi _ac ≧ 500
Bs ≧ 417.5 mT (Bs = 417.5 mT corresponds to μi _ac = 850)
All the samples 4 to 12 (product of the present invention) are included.
[0026]
More preferably,
Bs ≧ 460−0.05 × μi _ac
μi _ac ≧ 650
Bs ≧ 420
It is making it the area | region which satisfy | fills. The boundary line of the area in this case is indicated by a thick dotted line. In particular, this region has a high saturation magnetic flux density and a high initial magnetic permeability, and as shown in Table 1, is a region having a good direct current superposition characteristic.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has a structure in which an appropriate amount of B, Mo, and Li is added to the Ni—Cu—Zn ferrite material in an appropriate amount, so that even at the same firing temperature as before. The saturation magnetic flux density and the initial permeability can be improved at the same time. Therefore, various problems associated with high temperature sintering do not occur. Further, the direct current superimposition characteristics are improved, so that a high frequency magnetic core material suitable for a choke coil for a switching power supply can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing measurement results of experimental examples and characteristic regions of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of dimensions of a drum core used for measuring DC superposition characteristics.
[Explanation of symbols]
10 Drum core

Claims

Fe ₂ O ₃ is 49-50 mol% as basic components, ZnO is 26 to 28 mol%, CuO is 4-6 mol%, relative to the composition and the balance of NiO, B as an additive, Mo, and Li The total amount is 0.03% by weight or less (however, B is 50 ppm or less, Mo is 0.02% by weight or less, the rest is Li), and a composite magnetic flux is added, and the saturation magnetic flux density Bs (mT) and initial permeability μ _ac are ,
Bs ≧ 460−0.05 × μi _ac
μi _ac ≧ 500
Bs ≧ 417.5
An oxide soft magnetic material for high frequency characterized by satisfying the above and suppressing deterioration of magnetic permeability when used with superimposed direct current .

The saturation magnetic flux density Bs (mT) and the initial permeability μi _ac are
Bs ≧ 460−0.05 × μi _ac
μi _ac ≧ 65 0
Bs ≧ 4 20
The high-frequency oxide soft magnetic material according to claim 1, wherein:

DC superposition characteristic ΔL / L ₀ in a drum-shaped core (where ΔL = L ₀ −L ₁ : L ₀ and L ₁ are inductances at DC 0A and 2A, frequency 10 kHz, respectively) is 25% or less in absolute value The high-frequency oxide soft magnetic material according to claim 1 or 2.

4. A high-frequency oxide soft magnetic material according to claim 2, wherein the choke coil core of a switching power supply is formed by an open magnetic circuit structure.