JP3597673B2 - 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】
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軟質磁性材料には、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】
このような要求特性を満たす軟質磁性材料としては、上記軟質磁性フェライトのような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を超えるような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、電子機器の小型低背化・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】
このような背景から、軟質磁性フェライト、なかでも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。
【０００５】
このＭｎ−Ｚｎ系フェライトを高周波数域で使用するには、軟質磁性フェライトに求められる諸特性（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）のなかでも特に低損失化を実現することが重要である。そのためには、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。
【０００６】
これらの損失のうちヒステリシス損失は、組成により決定される磁気異方性定数Ｋ１ と磁歪定数λに大きく支配され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系フェライトは、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系フェライトは、 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。
【０００８】
また、上記損失のうち渦電流損失は、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系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】
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。
【００１１】
一方、数ＭＨｚ以上の高周波数域で使用される軟質磁性フェライトとして、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトがある。この材料は、高周波磁場下で使用される電源トランス磁心等への応用は近年に始まったものである。
しかしながら、このＮｉ−Ｚｎ系フェライトは、例えば特開平８−３１０８５５号公報等にも開示されているように、その基本成分中のＦｅ２Ｏ３ 含有量が ５０ｍｏｌ％以下であり、主にコアに直接巻線を施すための材料として高抵抗特性を意図したものが多い。そのため、このＮｉ−Ｚｎ系フェライトでは、電源トランス磁心として最も重要な要求特性の一つである損失特性は不十分であった。
【００１２】
また、Ｆｅ２Ｏ３ 含有量が ５０ｍｏｌ％を超える軟質磁性フェライトとして、例えば特開平２−８３２１８ 号公報等では、飽和磁束密度を改善し、１００ｋＨｚ， ２００ｍＴの条件での損失が２８０ＫＷ／ｍ３程度であるＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトが提案されている。
しかしながら、数百ｋＨｚ 程度以上での損失特性には触れておらず、高周波数域への適用に関する確証はなかった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、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にある。
【００１４】
【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、Ｆｅ２Ｏ３ 含有量が ５０ｍｏｌ％を超える従来のＭｎ−Ｚｎ 系フェライトの基本成分にＮｉＯおよびＣｏＯを同時に含有させることが、低損失化に有効であることを新たに見いだし、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。
【００１５】
(1) Fe2Ｏ3：52〜68mol％、NiＯ：1.0〜10mol％、ZnＯ：15mol％以下、CoＯ：0.005〜0.5mol％を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分からなることを特徴とするフェライト材料である。
【００１６】
(2) Fe2Ｏ3：52〜68mol％、NiＯ：1.0〜10mol％、ZnＯ：15mol％以下、CoＯ：0.005〜0.5mol％を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、さらにSiＯ2：0.010〜0.100wt％およびCaＯ：0.020〜0.300wt％を含有し、さらにまたNb2Ｏ5，Ta2Ｏ5，Ｖ2Ｏ5，ZrＯ2，HfＯ2，TiＯ2およびSnＯ2の中から選ばれるいずれか１種または２種以上を、Nb2Ｏ5：0.005〜0.050wt％、Ta2Ｏ5：0.005〜0.100wt％、Ｖ2Ｏ5：0.005〜0.050wt％、ZrＯ2：0.005〜0.100wt％、HfＯ2：0.005〜0.050wt％、TiＯ2：0.050〜0.500wt％、SnＯ2：0.010〜0.500wt％、範囲内で含有してなり、これらの添加成分の合計含有量が１wt％以下となるような成分組成を有することを特徴とするフェライト材料である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明において、基本成分および添加物成分の組成を前記範囲に限定した理由について説明する。なお、基本成分であるＦｅ２Ｏ３ ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＣｏＯ，ＭｎＯは ｍｏｌ％で示し、基本成分以外の添加物成分については、基本成分量に対するｗｔ％で示す。
【００１８】
・NiＯ：1.0〜10 mol％
NiＯの含有量が1.0mol％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1.0mol％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、本発明のフェライト材料のように高周波数域での低損失を意図すると、100kHz程度での使用を前提とした材料に比較して適正なZnＯ含有量がより少なくなる傾向になる。そのため、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され、特性劣化を抑制することができる。このことからも本発明では、1.0mol％以上のNiＯが必要である。一方、NiＯの含有量が多すぎると、固有電気抵抗が低下しすぎて渦電流損失の増大を招くため、10mol％を上限とした。なお、NiＯを含有させると渦電流損失が上昇する傾向にあると考えられるため、高周波数域では特に残留損失が抑制され低損失化されたものと推定される。
【００１９】
・Ｆｅ２Ｏ３ ：５２〜６８ 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 ５２ｍｏｌ％を下限とした。
一方、本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。
【００２０】
・ＺｎＯ：１５ ｍｏｌ％以下（０を含まず）
このＺｎＯの含有量によって周波数特性を制御することができる。即ち、ＺｎＯ含有量が少ないほど、高周波数域での損失が低くなり、比較的低い周波数で低損失を確保したい場合には、ＺｎＯ含有量を増加させればよい。しかしながら、ＺｎＯの含有量は、 １５ｍｏｌ％を超えると、１ＭＨｚ， ５０ｍＴ， ８０℃における損失が３００ｋＷ／ｍ３を上回ることがあるので、 １５ｍｏｌ％を上限とした。より好ましいＺｎＯの含有量は １０ｍｏｌ％以下であり、ＺｎＯ含有量がこの範囲内にあれば、１ＭＨｚ， ５０ｍＴ， ８０℃における損失を１５０ｋＷ／ｍ３以下にすることができる。なお、０ ｍｏｌ％の場合は、焼結性が悪いので除外した。
【００２１】
・ＣｏＯ： ０．００５〜０．５ｍｏｌ％
一般的なＭｎ−Ｚｎ系フェライトにおいて、磁気異方性定数Ｋ１ は、室温付近を境に負から正へと変化する。損失は、Ｋ１ ＝０となる温度で最も小さくなり、それ以外の温度ではＫ１ の絶対値上昇と共に増大する。この点、本発明のように、スピネル化合物の構成元素の一部をＣｏイオンで置換すると、ＣｏイオンはＫ１ に対して正に寄与し、Ｋ１ が比較的広い温度範囲において小さくなるので、損失の温度変化が小さくなり、しかも損失を低減させることができる。このような効果は、 Ｆｅ２Ｏ３含有量が ５０ｍｏｌ％を超えるＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにおいても発現する。即ち、損失を低減させる効果は、ＮｉＯとＣｏＯを同時に含有させると、一層顕著に現れることが判った。また、ＣｏＯを含有させることで、ＺｎＯ含有量の減少や焼成温度の低下に伴う焼結密度の低下を抑制でき、特性が改善される。しかしながら、ＣｏＯ含有量が０．００５ｍｏｌ％より少ないと、上記効果が有効に発揮せず、一方、ＣｏＯ含有量が多すぎると、損失が却って増大する。そこで、ＣｏＯの含有量は、 ０．００５〜０．５ｍｏｌ％とした。
なお、ＣｏＯ含有量の増加に伴って、外部磁場印加によって得られる磁化曲線が原点付近でくびれ、いわゆるパーミンバー型を示すことがある。これを避けるのが好ましい場合には、ＣｏＯ含有量は０．２ｍｏｌ％以下に制御すればよい。
【００２２】
以上述べてきた本発明にかかるフェライト材料の成分組成は、スピネルを形成する基本成分に関するものであり、そのほとんどが結晶粒内に固溶する成分であると考えられる。本発明では、これらの成分に加えて、以下に述べるような主として結晶粒界の性質を制御するための成分を添加することが有効である。
【００２３】
・ＳｉＯ２：０．０１〜０．１ 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のに有効な添加成分である。
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０．０１ｗｔ％以上含有することが好ましく、多すぎると異常粒成長が顕著になるためその上限を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％以上含有することが好ましく、一方、０．３ ｗｔ％を超えて含有すると焼結性が極端に低下して損失が却って上昇するので、その上限を０．３ ｗｔ％以下とした。
【００２４】
・Ｎｂ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
Ｔａ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％
Ｖ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
ＺｒＯ２ ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％
ＨｆＯ２ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
ＴｉＯ２ ：０．０５ 〜０．５ ｗｔ％
ＳｎＯ２ ：０．０１ 〜０．５ ｗｔ％
この発明にかかるフェライト材料では、 Ｎｂ２Ｏ５， Ｔａ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５， ＺｒＯ２， ＨｆＯ２， ＴｉＯ２およびＳｎＯ２のなかから選ばれるいずれか１種または２種以上の成分を添加することが、損失低減のために好ましい。
これらの酸化物成分は、ＳｉＯ２，ＣａＯの共存下で、主として粒界に析出して電気抵抗を上昇させるので、渦電流損の低減に有効に寄与する他、焼結密度の上昇を通じてヒステリシス損の抑制にも寄与する。
これらの酸化物成分について、それぞれ単独での添加量に上記適正範囲があるのは、少なすぎると上述した添加効果が十分に発揮されず、一方、多すぎると所望の結晶組織が得られず、粒成長が不十分であったり、逆に異常粒成長を引き起こして磁気特性の劣化を招くことがあるからである。
【００２５】
本発明では、上述した添加成分を複合添加する場合、上記適正範囲に加えて、さらにＳｉＯ２，ＣａＯ， Ｎｂ２Ｏ５， Ｔａ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５， ＺｒＯ２， ＨｆＯ２， ＴｉＯ２およびＳｎＯ２の合計含有量が１ｗｔ％以下となるような成分組成を有することが好ましい。この理由は、上述した添加成分の合計含有量が１ｗｔ％を超えると、特性が劣化するからである。さらに好ましくは ０．５％以下である。
【００２６】
なお、本発明の目的を達成するためには、フェライトの最終的な成分組成が以上説明したような適正範囲にある限り、その作成法や使用する原料の形態は問わない。例えば、酸化物原料を配合したのち、仮焼、粉砕、成形および焼成の各過程を経る一般的なフェライトの製造方法に従って磁心を作成すれば、所望の磁気特性を示す磁心を得ることができる。この際の、仮焼温度は ８５０〜１０５０℃程度、焼成温度は概ね１１００〜１２５０℃程度であることが好ましい。また、粒成長や焼結温度および結晶粒界の酸化度などを制御するためには、焼成中の酸素濃度を０〜２１％程度の範囲で適宜変化させることが好ましい。
【００２７】
【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、 ９５０℃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０．０８４ ｗｔ％および Ｔａ２Ｏ５が０．０４ｗｔ％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。
【００２８】
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）に設定して、損失を交流ＢＨトレーサーにより測定した。これらの試料の８０℃における損失値を表１の適合例１〜１７，比較例１〜１３に示す。
この表１に示す結果から明らかなように、Ｆｅ２Ｏ３， Ｍｎ０， Ｚｎ０， Ｎｉ０， Ｃｏ０の組成比を適正化することにより、１ＭＨｚ， ５０ｍＴにおける損失値を ３００ｋＷ／ｍ３以下に制御できることがわかる。また、Ｎｉ０とＣｏ０を共に含有させることにより、それぞれを単独で含む場合に比べて損失値が大きく低下することがわかる。
【００２９】
（実施例２）
基本成分が Ｆｅ２Ｏ３：Ｍｎ０：Ｚｎ０：Ｎｉ０：Ｃｏ０＝ ５６．７５：３７．２０ ：３．００：３．００：０．０５ ｍｏｌ％の最終組成となるように、実施例１と同様にして焼結体試料を得た。この際、表２、表３に示す最終組成となるように、ＳｉＯ２， ＣａＯに加えて、Ｎｂ２Ｏ５， Ｔａ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５， ＺｒＯ２， ＨｆＯ２， ＴｉＯ２およびＳｎＯ２の中から選ばれるいずれか１種を粉砕と同時に添加した。
【００３０】
こうして得られた焼結体試料について、実施例１と同様の方法で損失を測定し、８０℃における損失値を表２、表３に示す。
この表２、表３に示す結果から明らかなように、いずれの添加成分についても好適な範囲を外れると、特性が急激に劣化することがわかる。
【００３１】
（実施例３）
基本成分が Ｆｅ２Ｏ３：Ｍｎ０：Ｚｎ０：Ｎｉ０：Ｃｏ０＝ ５６．５８：３６．４０ ：４．００：３．００：０．０２ ｍｏｌ％の最終組成となるように、実施例１と同様にして焼結体試料を得た。この際、仮焼温度は ９２５℃、焼成温度は１２００℃とし、表４に示す最終組成となるように、ＳｉＯ２， ＣａＯに加えて、Ｎｂ２Ｏ５， Ｔａ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５， ＺｒＯ２， ＨｆＯ２， ＴｉＯ２およびＳｎＯ２の中から選ばれるいずれか２種以上を粉砕と同時に添加した。
【００３２】
こうして得られた焼結体試料について、実施例１と同様の方法で損失を測定し、８０℃における損失値を表４に示す。
この表４に示す結果から明らかなように、含有量が１種でも限定範囲より多い場合や、合計含有量が１ｗｔ％を超える場合は異常粒成長を伴って特性が劣化することが多く、組織制御不可能な領域にあるため磁気特性がばらつき、その再現性に欠けるという問題があった。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】
【表３】
【００３６】
【表４】
【００３７】
【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 程度以上の高周波数域において損失の小さいフェライト材料を提供することができる。
【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軟質磁性材料には、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】
このような要求特性を満たす軟質磁性材料としては、上記軟質磁性フェライトのような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を超えるような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、電子機器の小型低背化・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】
このような背景から、軟質磁性フェライト、なかでも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。
【０００５】
このＭｎ−Ｚｎ系フェライトを高周波数域で使用するには、軟質磁性フェライトに求められる諸特性（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）のなかでも特に低損失化を実現することが重要である。そのためには、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。
【０００６】
これらの損失のうちヒステリシス損失は、組成により決定される磁気異方性定数Ｋ１ と磁歪定数λに大きく支配され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系フェライトは、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系フェライトは、 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。
【０００８】
また、上記損失のうち渦電流損失は、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系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】
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。
【００１１】
一方、数ＭＨｚ以上の高周波数域で使用される軟質磁性フェライトとして、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトがある。この材料は、高周波磁場下で使用される電源トランス磁心等への応用は近年に始まったものである。
しかしながら、このＮｉ−Ｚｎ系フェライトは、例えば特開平８−３１０８５５号公報等にも開示されているように、その基本成分中のＦｅ２Ｏ３ 含有量が ５０ｍｏｌ％以下であり、主にコアに直接巻線を施すための材料として高抵抗特性を意図したものが多い。そのため、このＮｉ−Ｚｎ系フェライトでは、電源トランス磁心として最も重要な要求特性の一つである損失特性は不十分であった。
【００１２】
また、Ｆｅ２Ｏ３ 含有量が ５０ｍｏｌ％を超える軟質磁性フェライトとして、例えば特開平２−８３２１８ 号公報等では、飽和磁束密度を改善し、１００ｋＨｚ， ２００ｍＴの条件での損失が２８０ＫＷ／ｍ３程度であるＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトが提案されている。
しかしながら、数百ｋＨｚ 程度以上での損失特性には触れておらず、高周波数域への適用に関する確証はなかった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、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にある。
【００１４】
【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、Ｆｅ２Ｏ３ 含有量が ５０ｍｏｌ％を超える従来のＭｎ−Ｚｎ 系フェライトの基本成分にＮｉＯおよびＣｏＯを同時に含有させることが、低損失化に有効であることを新たに見いだし、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。
【００１５】
(1) Fe2Ｏ3：52〜68mol％、NiＯ：1.0〜10mol％、ZnＯ：15mol％以下、CoＯ：0.005〜0.5mol％を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分からなることを特徴とするフェライト材料である。
【００１６】
(2) Fe2Ｏ3：52〜68mol％、NiＯ：1.0〜10mol％、ZnＯ：15mol％以下、CoＯ：0.005〜0.5mol％を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、さらにSiＯ2：0.010〜0.100wt％およびCaＯ：0.020〜0.300wt％を含有し、さらにまたNb2Ｏ5，Ta2Ｏ5，Ｖ2Ｏ5，ZrＯ2，HfＯ2，TiＯ2およびSnＯ2の中から選ばれるいずれか１種または２種以上を、Nb2Ｏ5：0.005〜0.050wt％、Ta2Ｏ5：0.005〜0.100wt％、Ｖ2Ｏ5：0.005〜0.050wt％、ZrＯ2：0.005〜0.100wt％、HfＯ2：0.005〜0.050wt％、TiＯ2：0.050〜0.500wt％、SnＯ2：0.010〜0.500wt％、範囲内で含有してなり、これらの添加成分の合計含有量が１wt％以下となるような成分組成を有することを特徴とするフェライト材料である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明において、基本成分および添加物成分の組成を前記範囲に限定した理由について説明する。なお、基本成分であるＦｅ２Ｏ３ ，ＮｉＯ，ＺｎＯ，ＣｏＯ，ＭｎＯは ｍｏｌ％で示し、基本成分以外の添加物成分については、基本成分量に対するｗｔ％で示す。
【００１８】
・NiＯ：1.0〜10 mol％
NiＯの含有量が1.0mol％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1.0mol％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、本発明のフェライト材料のように高周波数域での低損失を意図すると、100kHz程度での使用を前提とした材料に比較して適正なZnＯ含有量がより少なくなる傾向になる。そのため、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され、特性劣化を抑制することができる。このことからも本発明では、1.0mol％以上のNiＯが必要である。一方、NiＯの含有量が多すぎると、固有電気抵抗が低下しすぎて渦電流損失の増大を招くため、10mol％を上限とした。なお、NiＯを含有させると渦電流損失が上昇する傾向にあると考えられるため、高周波数域では特に残留損失が抑制され低損失化されたものと推定される。
【００１９】
・Ｆｅ２Ｏ３ ：５２〜６８ 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 ５２ｍｏｌ％を下限とした。
一方、本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。
【００２０】
・ＺｎＯ：１５ ｍｏｌ％以下（０を含まず）
このＺｎＯの含有量によって周波数特性を制御することができる。即ち、ＺｎＯ含有量が少ないほど、高周波数域での損失が低くなり、比較的低い周波数で低損失を確保したい場合には、ＺｎＯ含有量を増加させればよい。しかしながら、ＺｎＯの含有量は、 １５ｍｏｌ％を超えると、１ＭＨｚ， ５０ｍＴ， ８０℃における損失が３００ｋＷ／ｍ３を上回ることがあるので、 １５ｍｏｌ％を上限とした。より好ましいＺｎＯの含有量は １０ｍｏｌ％以下であり、ＺｎＯ含有量がこの範囲内にあれば、１ＭＨｚ， ５０ｍＴ， ８０℃における損失を１５０ｋＷ／ｍ３以下にすることができる。なお、０ ｍｏｌ％の場合は、焼結性が悪いので除外した。
【００２１】
・ＣｏＯ： ０．００５〜０．５ｍｏｌ％
一般的なＭｎ−Ｚｎ系フェライトにおいて、磁気異方性定数Ｋ１ は、室温付近を境に負から正へと変化する。損失は、Ｋ１ ＝０となる温度で最も小さくなり、それ以外の温度ではＫ１ の絶対値上昇と共に増大する。この点、本発明のように、スピネル化合物の構成元素の一部をＣｏイオンで置換すると、ＣｏイオンはＫ１ に対して正に寄与し、Ｋ１ が比較的広い温度範囲において小さくなるので、損失の温度変化が小さくなり、しかも損失を低減させることができる。このような効果は、 Ｆｅ２Ｏ３含有量が ５０ｍｏｌ％を超えるＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにおいても発現する。即ち、損失を低減させる効果は、ＮｉＯとＣｏＯを同時に含有させると、一層顕著に現れることが判った。また、ＣｏＯを含有させることで、ＺｎＯ含有量の減少や焼成温度の低下に伴う焼結密度の低下を抑制でき、特性が改善される。しかしながら、ＣｏＯ含有量が０．００５ｍｏｌ％より少ないと、上記効果が有効に発揮せず、一方、ＣｏＯ含有量が多すぎると、損失が却って増大する。そこで、ＣｏＯの含有量は、 ０．００５〜０．５ｍｏｌ％とした。
なお、ＣｏＯ含有量の増加に伴って、外部磁場印加によって得られる磁化曲線が原点付近でくびれ、いわゆるパーミンバー型を示すことがある。これを避けるのが好ましい場合には、ＣｏＯ含有量は０．２ｍｏｌ％以下に制御すればよい。
【００２２】
以上述べてきた本発明にかかるフェライト材料の成分組成は、スピネルを形成する基本成分に関するものであり、そのほとんどが結晶粒内に固溶する成分であると考えられる。本発明では、これらの成分に加えて、以下に述べるような主として結晶粒界の性質を制御するための成分を添加することが有効である。
【００２３】
・ＳｉＯ２：０．０１〜０．１ 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のに有効な添加成分である。
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０．０１ｗｔ％以上含有することが好ましく、多すぎると異常粒成長が顕著になるためその上限を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％以上含有することが好ましく、一方、０．３ ｗｔ％を超えて含有すると焼結性が極端に低下して損失が却って上昇するので、その上限を０．３ ｗｔ％以下とした。
【００２４】
・Ｎｂ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
Ｔａ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％
Ｖ２Ｏ５ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
ＺｒＯ２ ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％
ＨｆＯ２ ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％
ＴｉＯ２ ：０．０５ 〜０．５ ｗｔ％
ＳｎＯ２ ：０．０１ 〜０．５ ｗｔ％
この発明にかかるフェライト材料では、 Ｎｂ２Ｏ５， Ｔａ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５， ＺｒＯ２， ＨｆＯ２， ＴｉＯ２およびＳｎＯ２のなかから選ばれるいずれか１種または２種以上の成分を添加することが、損失低減のために好ましい。
これらの酸化物成分は、ＳｉＯ２，ＣａＯの共存下で、主として粒界に析出して電気抵抗を上昇させるので、渦電流損の低減に有効に寄与する他、焼結密度の上昇を通じてヒステリシス損の抑制にも寄与する。
これらの酸化物成分について、それぞれ単独での添加量に上記適正範囲があるのは、少なすぎると上述した添加効果が十分に発揮されず、一方、多すぎると所望の結晶組織が得られず、粒成長が不十分であったり、逆に異常粒成長を引き起こして磁気特性の劣化を招くことがあるからである。
【００２５】
本発明では、上述した添加成分を複合添加する場合、上記適正範囲に加えて、さらにＳｉＯ２，ＣａＯ， Ｎｂ２Ｏ５， Ｔａ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５， ＺｒＯ２， ＨｆＯ２， ＴｉＯ２およびＳｎＯ２の合計含有量が１ｗｔ％以下となるような成分組成を有することが好ましい。この理由は、上述した添加成分の合計含有量が１ｗｔ％を超えると、特性が劣化するからである。さらに好ましくは ０．５％以下である。
【００２６】
なお、本発明の目的を達成するためには、フェライトの最終的な成分組成が以上説明したような適正範囲にある限り、その作成法や使用する原料の形態は問わない。例えば、酸化物原料を配合したのち、仮焼、粉砕、成形および焼成の各過程を経る一般的なフェライトの製造方法に従って磁心を作成すれば、所望の磁気特性を示す磁心を得ることができる。この際の、仮焼温度は ８５０〜１０５０℃程度、焼成温度は概ね１１００〜１２５０℃程度であることが好ましい。また、粒成長や焼結温度および結晶粒界の酸化度などを制御するためには、焼成中の酸素濃度を０〜２１％程度の範囲で適宜変化させることが好ましい。
【００２７】
【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、 ９５０℃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０．０８４ ｗｔ％および Ｔａ２Ｏ５が０．０４ｗｔ％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。
【００２８】
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）に設定して、損失を交流ＢＨトレーサーにより測定した。これらの試料の８０℃における損失値を表１の適合例１〜１７，比較例１〜１３に示す。
この表１に示す結果から明らかなように、Ｆｅ２Ｏ３， Ｍｎ０， Ｚｎ０， Ｎｉ０， Ｃｏ０の組成比を適正化することにより、１ＭＨｚ， ５０ｍＴにおける損失値を ３００ｋＷ／ｍ３以下に制御できることがわかる。また、Ｎｉ０とＣｏ０を共に含有させることにより、それぞれを単独で含む場合に比べて損失値が大きく低下することがわかる。
【００２９】
（実施例２）
基本成分が Ｆｅ２Ｏ３：Ｍｎ０：Ｚｎ０：Ｎｉ０：Ｃｏ０＝ ５６．７５：３７．２０ ：３．００：３．００：０．０５ ｍｏｌ％の最終組成となるように、実施例１と同様にして焼結体試料を得た。この際、表２、表３に示す最終組成となるように、ＳｉＯ２， ＣａＯに加えて、Ｎｂ２Ｏ５， Ｔａ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５， ＺｒＯ２， ＨｆＯ２， ＴｉＯ２およびＳｎＯ２の中から選ばれるいずれか１種を粉砕と同時に添加した。
【００３０】
こうして得られた焼結体試料について、実施例１と同様の方法で損失を測定し、８０℃における損失値を表２、表３に示す。
この表２、表３に示す結果から明らかなように、いずれの添加成分についても好適な範囲を外れると、特性が急激に劣化することがわかる。
【００３１】
（実施例３）
基本成分が Ｆｅ２Ｏ３：Ｍｎ０：Ｚｎ０：Ｎｉ０：Ｃｏ０＝ ５６．５８：３６．４０ ：４．００：３．００：０．０２ ｍｏｌ％の最終組成となるように、実施例１と同様にして焼結体試料を得た。この際、仮焼温度は ９２５℃、焼成温度は１２００℃とし、表４に示す最終組成となるように、ＳｉＯ２， ＣａＯに加えて、Ｎｂ２Ｏ５， Ｔａ２Ｏ５， Ｖ２Ｏ５， ＺｒＯ２， ＨｆＯ２， ＴｉＯ２およびＳｎＯ２の中から選ばれるいずれか２種以上を粉砕と同時に添加した。
【００３２】
こうして得られた焼結体試料について、実施例１と同様の方法で損失を測定し、８０℃における損失値を表４に示す。
この表４に示す結果から明らかなように、含有量が１種でも限定範囲より多い場合や、合計含有量が１ｗｔ％を超える場合は異常粒成長を伴って特性が劣化することが多く、組織制御不可能な領域にあるため磁気特性がばらつき、その再現性に欠けるという問題があった。
【００３３】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【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 程度以上の高周波数域において損失の小さいフェライト材料を提供することができる。
Claims (4)
- Fe2Ｏ3：52〜68mol％、NiＯ：1.0〜10mol％、ZnＯ：15mol％以下、CoＯ：0.005〜0.5mol％を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分からなることを特徴とするフェライト材料。
- １ＭHz、50ｍＴ、80℃における損失が300ｋＷ／m3以下の特性を示すことを特徴とする請求項１に記載のフェライト材料。
- Fe2Ｏ3：52〜68mol％、NiＯ：1.0〜10mol％、ZnＯ：15mol％以下、CoＯ：0.005〜0.5mol％を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、さらにSiＯ2：0.010〜0.100wt％およびCaＯ：0.020〜0.300wt％を含有し、さらにまたNb2Ｏ5，Ta2Ｏ5，Ｖ2Ｏ5，ZrＯ2，HfＯ2，TiＯ2およびSnＯ2の中から選ばれるいずれか１種または２種以上を、Nb2Ｏ5：0.005〜0.050wt％、Ta2Ｏ5：0.005〜0.100wt％、Ｖ2Ｏ5：0.005〜0.050wt％、ZrＯ2：0.005〜0.100wt％、HfＯ2：0.005〜0.050wt％、TiＯ2：0.050〜0.500wt％、SnＯ2：0.010〜0.500wt％、範囲内で含有してなり、これらの添加成分の合計含有量が１wt％以下となるような成分組成を有することを特徴とするフェライト材料。
- １ＭHz、50ｍＴ、80℃における損失が300ｋＷ／m3以下の特性を示すことを特徴とする請求項３に記載のフェライト材料。
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