JP3597666B2 - Ｍｎ−Ｎｉフェライト材料 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｍｎ−Ｎｉフェライト材料に関し、とくに、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−Ｎｉフェライト系材料について提案する。
【０００２】
【従来の技術】
フェライト系の酸化物磁性材料は、ＢａフェライトやＳｒフェライトなどの硬質磁性材料とＭｎ−ＺｎフェライトやＮｉ−Ｚｎフェライトなどの軟質磁性材料とに分類される。このうち軟質磁性材料は、小さな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、かかる軟質磁性材料には、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】
このような用途に用いられる軟質磁性材料としては、上記フェライト系の酸化物磁性材料以外に金属系の磁性材料がある。この金属系の磁性材料は、飽和磁束密度が高いという点で酸化物磁性材料に比べると有利である。その反面、この金属系の磁性材料は、電気抵抗が低く、高周波数域で使用する際に渦電流に起因する損失が大きくなるという欠点があった。例えば、１００ｋＨｚ程度の周波数域で使われるスイッチング電源等に用いると、渦電流損による発熱が大きくなるという欠点がある。このため、この金属系の磁性材料は、電子機器の小型化・高密度化に伴って使用周波数の高周波数化した電子部品への適用が困難であった。
【０００４】
このような背景のもとで、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は、従来、酸化物軟質磁性材料であるＭｎ−Ｚｎフェライトが主に用いられている。
【０００５】
このＭｎ−Ｚｎフェライトの場合、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： ＦｅＯ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また上記基本成分の比により決まることが知られている。
【０００６】
一方で、低損失Ｍｎ−Ｚｎフェライトを得るためには、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、その組成では、透磁率が最大となり、損失も小さくなる（Ｋ．Ｏｈｔａ， Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｓｏｃ． Ｊａｐａｎ １８（１９６３） ６８５）。また、 Ｆｅ２Ｏ３＝５３〜５４．５ ｍｏｌ％で ＺｎＯ＝８〜１２ ｍｏｌ％である組成のＭｎ−Ｚｎフェライトは、 １００ｋＨｚ 程度までの周波数域で損失が低くなる材料であり、スイッチング電源用パワーフェライトとして用いられている（セラミックス ２８ （１９９３） ９３７） 。
【０００７】
このような従来のＭｎ−Ｚｎ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、高い周波数域でもなお低損失特性を示す酸化物軟質磁性材料に対する要求が高まっている。
【０００８】
この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、周波数が高くなるに伴いそ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、渦電流損失を低減することができる。
残留損失もまた、周波数が高くなるに伴いその損失の占める割合が増えるものと考えられている。この原因については、共鳴現象等による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。
【０００９】
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フェライトに添加成分として種々の酸化物を含有させてなる、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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００１１】
この発明は、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を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、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、亜鉛を含まない組成でかつニッケルを含む組成が低損失化に有効であることを見いだし、以下に示す成分組成のＭｎ−Ｎｉフェライト材料に想到するに至った。
【００１３】
(1) Fe2Ｏ3：55〜68mol％、NiＯ：1.00〜11mol％、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、SiＯ2：0.005〜0.100wt％およびCaＯ：0.020〜0.300wt％を含有し、さらにTa2Ｏ5，ZrＯ2，Nb2Ｏ5，Ｖ2Ｏ5，TiＯ2およびHfＯ2の中から選ばれるいずれか１種または２種以上を下記の範囲で含むことを特徴とするＭｎ−Ｎｉフェライト材料である。
記
Ta2Ｏ5：0.005〜0.100wt％
ZrＯ2：0.010〜0.150wt％
Nb2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
Ｖ2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
TiＯ2：0.050〜0.300wt％
HfＯ2：0.005〜0.050wt％
【００１４】
このＭｎ−Ｎｉフェライト材料によれば、高周波鉄損は、例えば１ＭＨｚ， ５０ｍＴの条件では１５０ ｋＷ／ｍ３ 以下、２ＭＨｚ， ２５ｍＴの条件では２００ ｋＷ／ｍ３ 以下を達成することができる。
さらに発明者らは、上記（１） に記載のＭｎ−Ｎｉフェライト材料において、ＺｎＯを含む場合でも、そのＺｎＯ量が８ ｍｏｌ％以下であれば損失はそれほど大きく劣化せず、１ＭＨｚ， ５０ｍＴの条件でも２００ ｋＷ／ｍ３ 以下に抑えることができることを知見し、以下に示す成分組成のＭｎ−Ｎｉフェライト材料に想到した。
【００１５】
(2) Fe2Ｏ3：55〜68mol％、NiＯ：1.00〜11mol％、ZnＯ：８mol％以下を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、SiＯ2：0.005〜0.100wt％およびCaＯ：0.020〜0.300wt％を含有し、さらにTa2Ｏ5，ZrＯ2，Nb2Ｏ5，Ｖ2Ｏ5，TiＯ2およびHfＯ2の中から選ばれるいずれか１種または２種以上を下記の範囲で含むことを特徴とするＭｎ−Ｎｉフェライト材料である。
記
Ta2Ｏ5：0.005〜0.100wt％
ZrＯ2：0.010〜0.150wt％
Nb2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
Ｖ2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
TiＯ2：0.050〜0.300wt％
HfＯ2：0.005〜0.050wt％
【００１６】
（３） また発明者らは、上記 （１）または（２） に記載のＭｎ−Ｎｉフェライト材料において、損失が極小となる温度を、実際にトランスとして動作する６０〜１００ ℃程度の温度範囲に適合できるよう １００℃以下にすることができることを見出した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかるＭｎ−Ｎｉフェライト材料において、基本成分組成および添加物組成を前記範囲に限定した理由について以下に説明する。
・NiＯ：1.00〜11mol％
NiＯの含有量が1.00mol％に満たないと損失低減効果が顕著でないため、NiＯの含有量は1.00mol％を下限とした。このNiＯには他にスピネル化を促進する効果がある。即ち、本発明の上記(1)に記載のフェライト材料のように従来の成分組成と異なりZnＯを含まない場合は、仮焼あるいは焼成時の昇温過程においてスピネル化が進まず、その時の温度や酸素濃度によっては異相が存在する場合がしばしば生じ、磁気特性が大きく劣化する。この点、NiＯを含有させることによりスピネル化が促進し、ZnＯを含む場合と同程度の効果が得られる。このことからも1.00mol％以上のNiＯが必要である。一方、NiＯの含有量が多すぎると、固有電気抵抗が小さくなり渦電流損失の増大を招くため、11mol％を上限とした。
【００１８】
・Ｆｅ２Ｏ３ ：５５〜６８ ｍｏｌ％
Ｆｅ２Ｏ３ の含有量が少なすぎると、飽和磁束密度が低下すると同時に、損失が極小となる温度が高温側にシフトしてスイッチング電源等の動作温度である８０℃付近における損失が大きくなる。このため、Ｆｅ２Ｏ３ の含有量は ５５ｍｏｌ％を下限とした。
一方、この発明にかかるフェライト材料のようにＮｉＯを含有する場合、磁性イオンであるＮｉ２＋イオンがフェライトのスピネル化合物の格子点に入り、他の格子点にある磁性イオンとの相互作用により、磁気異方性定数Ｋ１と磁歪定数λｓが変化する。そのため、 Ｆｅ２Ｏ３の最適含有量はＮｉＯ含有量に伴って変化する。すなわち、Ｆｅ２Ｏ３ の含有量はＮｉＯ含有量の増加に伴い増やす必要がある。そこで、上記ＮｉＯ含有量の上限に対応する値、６８ ｍｏｌ％をＦｅ２Ｏ３ 含有量の上限とした。
【００１９】
・ＳｉＯ２：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％
ＣａＯ：０．０２〜０．３ ｗｔ％
ＳｉＯ２およびＣａＯは、焼結性を高めかつ粒界相を高抵抗化して低損失を実現するために必要な添加成分である。
ＳｉＯ２は、焼結促進の効果があり、この効果を充分に引き出すためには０．００５ ｗｔ％以上の添加が必要であり、多すぎると異常粒成長を引き起こすためその上限を０．１ ｗｔ％とした。ただし、この上限付近の添加量では焼結温度を下げる等の考慮が必要である。
ＣａＯは、ＳｉＯ２とともに粒界を高抵抗化して損失を低くする効果があり、この効果を引き出すためには０．０２ｗｔ％以上の添加が必要であり、０．３ ｗｔ％を超えて添加すると焼結性に問題があるので、その上限を０．３ ｗｔ％以下とした。
【００２０】
・Ｔａ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％
ＺｒＯ２ ：０．０１ 〜０．１５ｗｔ％
Ｎｂ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
Ｖ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
ＴｉＯ２ ：０．０５ 〜０．３ ｗｔ％
ＨｆＯ２ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
この発明にかかるフェライト材料では、スピネルを形成しないＴａ２Ｏ５， ＺｒＯ２， Ｎｂ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５， ＴｉＯ２およびＨｆＯ２のうちから選ばれるいずれか１種または２種以上の添加物を加えることが、損失を低減することに極めて重要である。
これらの添加物のうち Ｔａ２Ｏ５は、ＳｉＯ２，ＣａＯの共存下で比抵抗の増大に有効に寄与する添加成分である。このＴａ２Ｏ５ の添加量が０．００５ ｗｔ％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、０．１ ｗｔ％を超えると逆に損失の増大を招く。従って、このＴａ２Ｏ５ は ０．００５〜０．１ ｗｔ％の範囲で添加するものとした。
【００２１】
ＺｒＯ２は、ＳｉＯ２， ＣａＯ，Ｔａ２Ｏ５ の共存下で Ｔａ２Ｏ５と同様に粒界の抵抗を高めて高周波域での損失の低減に有効に寄与する添加成分である。このＺｒＯ２は、Ｔａ２Ｏ５ と比べると抵抗の増加に寄与する割合が少ないが、損失低減に寄与する割合は大きく、特に損失が極小になる温度付近から高温側での損失低減に寄与している。このＺｒＯ２の含有量が０．０１ｗｔ％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、０．１５ｗｔ％を超えると逆に比抵抗を高める効果が少なくなり損失が増大する。従って、このＺｒＯ２の添加量は０．０１〜０．１５ｗｔ％とした。
【００２２】
Ｎｂ２Ｏ５ は、ＳｉＯ２， ＣａＯと粒界相を形成し、粒界抵抗を高め、損失低減に寄与する添加成分である。このＮｂ２Ｏ５ の含有量が ０．００５ｗｔ％未満ではその添加効果に乏しく、一方、０．０５ｗｔ％を超えると過剰に粒界相が析出して却って損失を増大させてしまう。従って、Ｎｂ２Ｏ５ は ０．００５〜０．０５ｗｔ％の範囲で添加するものとした。
【００２３】
Ｖ２Ｏ５， ＨｆＯ２はともに異常粒成長を抑制しかつ粒界抵抗を高める働きがある添加成分である。これらの添加成分の含有量が ０．００５ｗｔ％未満ではその添加効果に乏しく、一方、０．０５ｗｔ％を超えると逆に損失の増大を招く。そのため、Ｖ２Ｏ５， ＨｆＯ２の添加量はそれぞれ０．００５ 〜０．０５ｗｔ％とした。
【００２４】
ＴｉＯ２は、粒界に一部存在し、焼成後の冷却過程で粒界再酸化を助長して損失を低下させる添加成分である。また、このＴｉＯ２は、スピネル格子の原子とも置換して損失が極小になる温度をシフトさせる働きがある。しかしながら、このＴｉＯ２の含有量が ０．０５ｗｔ％未満ではその添加効果に乏しく、一方、多すぎると異常粒成長を引き起こす。そのため、 ０．０５〜０．３ ｗｔ％の範囲で添加することとした。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
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、乾燥して原料混合粉を得た。
次に、この原料混合粉に対し、大気雰囲気中、 ９００〜９５０ ℃で３時間の仮焼を行い、こうして得られた仮焼粉に、ＳｉＯ２を０．０３ｗｔ％、ＣａＯを０．１５ｗｔ％、Ｔａ２Ｏ５ を０．０４ｗｔ％およびＺｒＯ２を０．０３ｗｔ％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５重量％の水溶液を１０重量％加えて造粒し、次いで、外径２２ｍｍ、内径１１ｍｍ、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、１１５０℃で２時間の焼成を行った。
【００２６】
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） 、（周波数、最大磁束密度）の条件を（１ＭＨｚ 、５０ｍＴ）、（２ＭＨｚ 、２５ｍＴ）に設定して、損失を交流ＢＨトレーサーにより２５〜１４０ ℃で測定した。これらの試料の損失極小値ならびに損失が極小になる温度を表１に示す。
この表１に示す結果から明らかなように、ＮｉＯの含有量を ０．５〜１１ ｍｏｌ％とすることにより、 １００℃以下の温度で１ＭＨｚ， ５０ｍＴでの損失を１５０ｋＷ／ｍ３以下、２ＭＨｚ， ２５ｍＴでの損失を２００ｋＷ／ｍ３以下に低減することができた。
【００２７】
（実施例２）
ＺｎＯを４〜９ ｍｏｌ％含有する基本成分組成としたこと以外は、実施例１と同様にして焼結体試料を得た。このとき、損失極小温度がＺｎＯを含むことにより変化するため、ＺｎＯ量の ｍｏｌ％の５分の１に相当する Ｆｅ２Ｏ３の ｍｏｌ％を減じ、総和が１００ｍｏｌ％となるようにＭｎＯ量を調整した。
【００２８】
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の条件下で、損失を交流ＢＨトレーサーにより２５〜１４０ ℃で測定した。損失極小値のＮｉＯ量依存性をＺｎＯ量を変化させて調べて結果を図１に示す。なお、このときの損失極小値を示す温度はすべて８０〜１００ ℃の範囲であった。
この図１に示す結果から明らかなように、ＺｎＯを含まない組成では確実に低損失を達成することができるが、ＺｎＯを含む組成でもＺｎＯ量が８ ｍｏｌ％程度以下であれば比較的低い損失に維持できることが判った。即ち、ＮｉＯ量を ０．５〜１１ ｍｏｌ％の範囲とすることにより、損失極小値を示す温度が １００℃以下で、１ＭＨｚ， ５０ｍＴでの損失を２００ｋＷ／ｍ３以下に抑えられることが判った。
【００２９】
（実施例３）
基本成分組成が Ｆｅ２Ｏ３：ＭｎＯ：ＮｉＯ＝６１．１：３２．９：６．０ ｍｏｌ％の比になるように、実施例１と同様にして仮焼粉を作製し、次いで、表２に示す各種酸化物を添加し、その後、実施例１と同様にして粉砕、造粒、成形したものに対し、酸素分圧を制御した窒素・酸素混合雰囲気中、１１５０℃で２時間の焼成を行い、焼結体試料を得た。
このようにして得られた焼結体試料について、実施例１と同様にして、周波数１ＭＨｚ 、最大磁束密度５０ｍＴの条件下で損失を測定した。その結果を表２に併せて示す。なお、このときの損失極小値を示す温度はすべて６０〜１００ ℃の範囲であった。
これらの表に示す結果から明らかなように、適合例にかかるこの発明のフェライト材料によれば低損失を達成することができる。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、スイッチング電源トランス等の磁心に適した、１ＭＨｚ 程度以上の高周波数域において損失の小さいＭｎ−Ｎｉフェライト材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例２における、損失極小値とＮｉＯ量の関係を示す図である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｍｎ−Ｎｉフェライト材料に関し、とくに、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−Ｎｉフェライト系材料について提案する。
【０００２】
【従来の技術】
フェライト系の酸化物磁性材料は、ＢａフェライトやＳｒフェライトなどの硬質磁性材料とＭｎ−ＺｎフェライトやＮｉ−Ｚｎフェライトなどの軟質磁性材料とに分類される。このうち軟質磁性材料は、小さな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、かかる軟質磁性材料には、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】
このような用途に用いられる軟質磁性材料としては、上記フェライト系の酸化物磁性材料以外に金属系の磁性材料がある。この金属系の磁性材料は、飽和磁束密度が高いという点で酸化物磁性材料に比べると有利である。その反面、この金属系の磁性材料は、電気抵抗が低く、高周波数域で使用する際に渦電流に起因する損失が大きくなるという欠点があった。例えば、１００ｋＨｚ程度の周波数域で使われるスイッチング電源等に用いると、渦電流損による発熱が大きくなるという欠点がある。このため、この金属系の磁性材料は、電子機器の小型化・高密度化に伴って使用周波数の高周波数化した電子部品への適用が困難であった。
【０００４】
このような背景のもとで、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は、従来、酸化物軟質磁性材料であるＭｎ−Ｚｎフェライトが主に用いられている。
【０００５】
このＭｎ−Ｚｎフェライトの場合、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： ＦｅＯ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また上記基本成分の比により決まることが知られている。
【０００６】
一方で、低損失Ｍｎ−Ｚｎフェライトを得るためには、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、その組成では、透磁率が最大となり、損失も小さくなる（Ｋ．Ｏｈｔａ， Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｓｏｃ． Ｊａｐａｎ １８（１９６３） ６８５）。また、 Ｆｅ２Ｏ３＝５３〜５４．５ ｍｏｌ％で ＺｎＯ＝８〜１２ ｍｏｌ％である組成のＭｎ−Ｚｎフェライトは、 １００ｋＨｚ 程度までの周波数域で損失が低くなる材料であり、スイッチング電源用パワーフェライトとして用いられている（セラミックス ２８ （１９９３） ９３７） 。
【０００７】
このような従来のＭｎ−Ｚｎ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、高い周波数域でもなお低損失特性を示す酸化物軟質磁性材料に対する要求が高まっている。
【０００８】
この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、周波数が高くなるに伴いそ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、渦電流損失を低減することができる。
残留損失もまた、周波数が高くなるに伴いその損失の占める割合が増えるものと考えられている。この原因については、共鳴現象等による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。
【０００９】
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フェライトに添加成分として種々の酸化物を含有させてなる、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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００１１】
この発明は、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を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、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、亜鉛を含まない組成でかつニッケルを含む組成が低損失化に有効であることを見いだし、以下に示す成分組成のＭｎ−Ｎｉフェライト材料に想到するに至った。
【００１３】
(1) Fe2Ｏ3：55〜68mol％、NiＯ：1.00〜11mol％、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、SiＯ2：0.005〜0.100wt％およびCaＯ：0.020〜0.300wt％を含有し、さらにTa2Ｏ5，ZrＯ2，Nb2Ｏ5，Ｖ2Ｏ5，TiＯ2およびHfＯ2の中から選ばれるいずれか１種または２種以上を下記の範囲で含むことを特徴とするＭｎ−Ｎｉフェライト材料である。
記
Ta2Ｏ5：0.005〜0.100wt％
ZrＯ2：0.010〜0.150wt％
Nb2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
Ｖ2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
TiＯ2：0.050〜0.300wt％
HfＯ2：0.005〜0.050wt％
【００１４】
このＭｎ−Ｎｉフェライト材料によれば、高周波鉄損は、例えば１ＭＨｚ， ５０ｍＴの条件では１５０ ｋＷ／ｍ３ 以下、２ＭＨｚ， ２５ｍＴの条件では２００ ｋＷ／ｍ３ 以下を達成することができる。
さらに発明者らは、上記（１） に記載のＭｎ−Ｎｉフェライト材料において、ＺｎＯを含む場合でも、そのＺｎＯ量が８ ｍｏｌ％以下であれば損失はそれほど大きく劣化せず、１ＭＨｚ， ５０ｍＴの条件でも２００ ｋＷ／ｍ３ 以下に抑えることができることを知見し、以下に示す成分組成のＭｎ−Ｎｉフェライト材料に想到した。
【００１５】
(2) Fe2Ｏ3：55〜68mol％、NiＯ：1.00〜11mol％、ZnＯ：８mol％以下を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、SiＯ2：0.005〜0.100wt％およびCaＯ：0.020〜0.300wt％を含有し、さらにTa2Ｏ5，ZrＯ2，Nb2Ｏ5，Ｖ2Ｏ5，TiＯ2およびHfＯ2の中から選ばれるいずれか１種または２種以上を下記の範囲で含むことを特徴とするＭｎ−Ｎｉフェライト材料である。
記
Ta2Ｏ5：0.005〜0.100wt％
ZrＯ2：0.010〜0.150wt％
Nb2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
Ｖ2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
TiＯ2：0.050〜0.300wt％
HfＯ2：0.005〜0.050wt％
【００１６】
（３） また発明者らは、上記 （１）または（２） に記載のＭｎ−Ｎｉフェライト材料において、損失が極小となる温度を、実際にトランスとして動作する６０〜１００ ℃程度の温度範囲に適合できるよう １００℃以下にすることができることを見出した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかるＭｎ−Ｎｉフェライト材料において、基本成分組成および添加物組成を前記範囲に限定した理由について以下に説明する。
・NiＯ：1.00〜11mol％
NiＯの含有量が1.00mol％に満たないと損失低減効果が顕著でないため、NiＯの含有量は1.00mol％を下限とした。このNiＯには他にスピネル化を促進する効果がある。即ち、本発明の上記(1)に記載のフェライト材料のように従来の成分組成と異なりZnＯを含まない場合は、仮焼あるいは焼成時の昇温過程においてスピネル化が進まず、その時の温度や酸素濃度によっては異相が存在する場合がしばしば生じ、磁気特性が大きく劣化する。この点、NiＯを含有させることによりスピネル化が促進し、ZnＯを含む場合と同程度の効果が得られる。このことからも1.00mol％以上のNiＯが必要である。一方、NiＯの含有量が多すぎると、固有電気抵抗が小さくなり渦電流損失の増大を招くため、11mol％を上限とした。
【００１８】
・Ｆｅ２Ｏ３ ：５５〜６８ ｍｏｌ％
Ｆｅ２Ｏ３ の含有量が少なすぎると、飽和磁束密度が低下すると同時に、損失が極小となる温度が高温側にシフトしてスイッチング電源等の動作温度である８０℃付近における損失が大きくなる。このため、Ｆｅ２Ｏ３ の含有量は ５５ｍｏｌ％を下限とした。
一方、この発明にかかるフェライト材料のようにＮｉＯを含有する場合、磁性イオンであるＮｉ２＋イオンがフェライトのスピネル化合物の格子点に入り、他の格子点にある磁性イオンとの相互作用により、磁気異方性定数Ｋ１と磁歪定数λｓが変化する。そのため、 Ｆｅ２Ｏ３の最適含有量はＮｉＯ含有量に伴って変化する。すなわち、Ｆｅ２Ｏ３ の含有量はＮｉＯ含有量の増加に伴い増やす必要がある。そこで、上記ＮｉＯ含有量の上限に対応する値、６８ ｍｏｌ％をＦｅ２Ｏ３ 含有量の上限とした。
【００１９】
・ＳｉＯ２：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％
ＣａＯ：０．０２〜０．３ ｗｔ％
ＳｉＯ２およびＣａＯは、焼結性を高めかつ粒界相を高抵抗化して低損失を実現するために必要な添加成分である。
ＳｉＯ２は、焼結促進の効果があり、この効果を充分に引き出すためには０．００５ ｗｔ％以上の添加が必要であり、多すぎると異常粒成長を引き起こすためその上限を０．１ ｗｔ％とした。ただし、この上限付近の添加量では焼結温度を下げる等の考慮が必要である。
ＣａＯは、ＳｉＯ２とともに粒界を高抵抗化して損失を低くする効果があり、この効果を引き出すためには０．０２ｗｔ％以上の添加が必要であり、０．３ ｗｔ％を超えて添加すると焼結性に問題があるので、その上限を０．３ ｗｔ％以下とした。
【００２０】
・Ｔａ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％
ＺｒＯ２ ：０．０１ 〜０．１５ｗｔ％
Ｎｂ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
Ｖ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
ＴｉＯ２ ：０．０５ 〜０．３ ｗｔ％
ＨｆＯ２ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
この発明にかかるフェライト材料では、スピネルを形成しないＴａ２Ｏ５， ＺｒＯ２， Ｎｂ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５， ＴｉＯ２およびＨｆＯ２のうちから選ばれるいずれか１種または２種以上の添加物を加えることが、損失を低減することに極めて重要である。
これらの添加物のうち Ｔａ２Ｏ５は、ＳｉＯ２，ＣａＯの共存下で比抵抗の増大に有効に寄与する添加成分である。このＴａ２Ｏ５ の添加量が０．００５ ｗｔ％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、０．１ ｗｔ％を超えると逆に損失の増大を招く。従って、このＴａ２Ｏ５ は ０．００５〜０．１ ｗｔ％の範囲で添加するものとした。
【００２１】
ＺｒＯ２は、ＳｉＯ２， ＣａＯ，Ｔａ２Ｏ５ の共存下で Ｔａ２Ｏ５と同様に粒界の抵抗を高めて高周波域での損失の低減に有効に寄与する添加成分である。このＺｒＯ２は、Ｔａ２Ｏ５ と比べると抵抗の増加に寄与する割合が少ないが、損失低減に寄与する割合は大きく、特に損失が極小になる温度付近から高温側での損失低減に寄与している。このＺｒＯ２の含有量が０．０１ｗｔ％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、０．１５ｗｔ％を超えると逆に比抵抗を高める効果が少なくなり損失が増大する。従って、このＺｒＯ２の添加量は０．０１〜０．１５ｗｔ％とした。
【００２２】
Ｎｂ２Ｏ５ は、ＳｉＯ２， ＣａＯと粒界相を形成し、粒界抵抗を高め、損失低減に寄与する添加成分である。このＮｂ２Ｏ５ の含有量が ０．００５ｗｔ％未満ではその添加効果に乏しく、一方、０．０５ｗｔ％を超えると過剰に粒界相が析出して却って損失を増大させてしまう。従って、Ｎｂ２Ｏ５ は ０．００５〜０．０５ｗｔ％の範囲で添加するものとした。
【００２３】
Ｖ２Ｏ５， ＨｆＯ２はともに異常粒成長を抑制しかつ粒界抵抗を高める働きがある添加成分である。これらの添加成分の含有量が ０．００５ｗｔ％未満ではその添加効果に乏しく、一方、０．０５ｗｔ％を超えると逆に損失の増大を招く。そのため、Ｖ２Ｏ５， ＨｆＯ２の添加量はそれぞれ０．００５ 〜０．０５ｗｔ％とした。
【００２４】
ＴｉＯ２は、粒界に一部存在し、焼成後の冷却過程で粒界再酸化を助長して損失を低下させる添加成分である。また、このＴｉＯ２は、スピネル格子の原子とも置換して損失が極小になる温度をシフトさせる働きがある。しかしながら、このＴｉＯ２の含有量が ０．０５ｗｔ％未満ではその添加効果に乏しく、一方、多すぎると異常粒成長を引き起こす。そのため、 ０．０５〜０．３ ｗｔ％の範囲で添加することとした。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
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、乾燥して原料混合粉を得た。
次に、この原料混合粉に対し、大気雰囲気中、 ９００〜９５０ ℃で３時間の仮焼を行い、こうして得られた仮焼粉に、ＳｉＯ２を０．０３ｗｔ％、ＣａＯを０．１５ｗｔ％、Ｔａ２Ｏ５ を０．０４ｗｔ％およびＺｒＯ２を０．０３ｗｔ％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５重量％の水溶液を１０重量％加えて造粒し、次いで、外径２２ｍｍ、内径１１ｍｍ、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、１１５０℃で２時間の焼成を行った。
【００２６】
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） 、（周波数、最大磁束密度）の条件を（１ＭＨｚ 、５０ｍＴ）、（２ＭＨｚ 、２５ｍＴ）に設定して、損失を交流ＢＨトレーサーにより２５〜１４０ ℃で測定した。これらの試料の損失極小値ならびに損失が極小になる温度を表１に示す。
この表１に示す結果から明らかなように、ＮｉＯの含有量を ０．５〜１１ ｍｏｌ％とすることにより、 １００℃以下の温度で１ＭＨｚ， ５０ｍＴでの損失を１５０ｋＷ／ｍ３以下、２ＭＨｚ， ２５ｍＴでの損失を２００ｋＷ／ｍ３以下に低減することができた。
【００２７】
（実施例２）
ＺｎＯを４〜９ ｍｏｌ％含有する基本成分組成としたこと以外は、実施例１と同様にして焼結体試料を得た。このとき、損失極小温度がＺｎＯを含むことにより変化するため、ＺｎＯ量の ｍｏｌ％の５分の１に相当する Ｆｅ２Ｏ３の ｍｏｌ％を減じ、総和が１００ｍｏｌ％となるようにＭｎＯ量を調整した。
【００２８】
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の条件下で、損失を交流ＢＨトレーサーにより２５〜１４０ ℃で測定した。損失極小値のＮｉＯ量依存性をＺｎＯ量を変化させて調べて結果を図１に示す。なお、このときの損失極小値を示す温度はすべて８０〜１００ ℃の範囲であった。
この図１に示す結果から明らかなように、ＺｎＯを含まない組成では確実に低損失を達成することができるが、ＺｎＯを含む組成でもＺｎＯ量が８ ｍｏｌ％程度以下であれば比較的低い損失に維持できることが判った。即ち、ＮｉＯ量を ０．５〜１１ ｍｏｌ％の範囲とすることにより、損失極小値を示す温度が １００℃以下で、１ＭＨｚ， ５０ｍＴでの損失を２００ｋＷ／ｍ３以下に抑えられることが判った。
【００２９】
（実施例３）
基本成分組成が Ｆｅ２Ｏ３：ＭｎＯ：ＮｉＯ＝６１．１：３２．９：６．０ ｍｏｌ％の比になるように、実施例１と同様にして仮焼粉を作製し、次いで、表２に示す各種酸化物を添加し、その後、実施例１と同様にして粉砕、造粒、成形したものに対し、酸素分圧を制御した窒素・酸素混合雰囲気中、１１５０℃で２時間の焼成を行い、焼結体試料を得た。
このようにして得られた焼結体試料について、実施例１と同様にして、周波数１ＭＨｚ 、最大磁束密度５０ｍＴの条件下で損失を測定した。その結果を表２に併せて示す。なお、このときの損失極小値を示す温度はすべて６０〜１００ ℃の範囲であった。
これらの表に示す結果から明らかなように、適合例にかかるこの発明のフェライト材料によれば低損失を達成することができる。
【００３０】
【表１】
【表２】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、スイッチング電源トランス等の磁心に適した、１ＭＨｚ 程度以上の高周波数域において損失の小さいＭｎ−Ｎｉフェライト材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例２における、損失極小値とＮｉＯ量の関係を示す図である。
Claims (3)
- Fe2Ｏ3：55〜68mol％、NiＯ：1.00〜11mol％、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、SiＯ2：0.005〜0.100wt％およびCaＯ：0.020〜0.300wt％を含有し、さらにTa2Ｏ5，ZrＯ2，Nb2Ｏ5，Ｖ2Ｏ5，TiＯ2およびHfＯ2の中から選ばれるいずれか１種または２種以上を下記の範囲で含むことを特徴とするＭｎ−Ｎｉフェライト材料。
記
Ta2Ｏ5：0.005〜0.100wt％
ZrＯ2：0.010〜0.150wt％
Nb2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
Ｖ2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
TiＯ2：0.050〜0.300wt％
HfＯ2：0.005〜0.050wt％ - Fe2Ｏ3：55〜68mol％、NiＯ：1.00〜11mol％、ZnＯ：８mol％以下を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、SiＯ2：0.005〜0.100wt％およびCaＯ：0.020〜0.300wt％を含有し、さらにTa2Ｏ5，ZrＯ2，Nb2Ｏ5，Ｖ2Ｏ5，TiＯ2およびHfＯ2の中から選ばれるいずれか１種または２種以上を下記の範囲で含むことを特徴とするＭｎ−Ｎｉフェライト材料。
記
Ta2Ｏ5：0.005〜0.100wt％
ZrＯ2：0.010〜0.150wt％
Nb2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
Ｖ2Ｏ5：0.005〜0.050wt％
TiＯ2：0.050〜0.300wt％
HfＯ2：0.005〜0.050wt％ - 損失が極小となる温度が100℃以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のＭｎ−Ｎｉフェライト材料。
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