JP6655381B2 - Ｎｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料 - Google Patents

Description

本発明は、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料に関する。

酸化物磁性材料として、その用途に適した特性（例えば、キュリー温度、飽和磁束密度等）を確保するために、Ｆｅ_２Ｏ_３が５０〜５６ｍｏｌ％、ＺｎＯが３〜２５ｍｏｌ％、及び、残部がＭｎＯの組成となる主成分を有するＭｎ−Ｚｎフェライト材料が用いられている。例えば、主成分にさらにＮｉＯを含有するＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料は、高いキュリー温度を確保できることにより、高温での高い飽和磁束密度を確保できる。さらに、このようなＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料に各種の副成分を添加することにより低損失化を図っている。

例えば、ＣａＯ、ＳｉＯ_２及びＮｉＯを含有したＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料が提案されている。また例えば、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、及び、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｖ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２及びＨｆＯ_２の中から選ばれる何れか１種または２種以上を含有し、８０℃での飽和磁束密度が４００ｍＴ以上であるＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料が提案されている。

特開平０４−３１８９０４号公報 特開平１０−０６４７１５号公報 特開平１０−２７０２３１号公報

これまでは、例えば高周波スイッチング電源のチョークコイルには、チョークコイルの小型化のために、飽和磁束密度の大きな材料が用いられ、１００℃付近でのコアロスが小さいことが重視された。

しかしながら、近年は、電源の軽負荷域での駆動における損失も重視されるようになっている。このため、今後は、高温での高い飽和磁束密度と、室温から高温までに渡る小さいコアロスとの両方の特性を併せ持つ磁性材料が望まれる。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、高温での高い飽和磁束密度と、室温から高温までに渡る小さいコアロスとの両方の特性を併せ持つＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料を提供することを目的とする。

開示の態様では、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料は、Ｆｅ_２Ｏ_３が５４.０ｍｏｌ％以上５５.０ｍｏｌ％以下、ＺｎＯが６.５ｍｏｌ％以上９.５ｍｏｌ％以下、ＮｉＯが１.０ｍｏｌ％以上３.０ｍｏｌ％以下、及び、残部がＭｎＯの組成となる主成分中に、１０００ｐｐｍ以上４５００ｐｐｍ以下のＣｏ_２Ｏ_３と、１００ｐｐｍ以上７５０ｐｐｍ以下のＣａＯと、２００ｐｐｍ以上１５００ｐｐｍ以下のＳｂ_２Ｏ_３及び１００ｐｐｍ以上７００ｐｐｍ以下のＴａ_２Ｏ_５のうちの少なくともいずれかと、を副成分として含有する。

開示の態様によれば、高温での高い飽和磁束密度と、室温から高温までに渡る小さいコアロスとの両方の特性を併せ持つＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料を提供することができる。

図１は、実施例１に係るサンプルの製造手順の一例を示す図である。

［実施例１］
実施例１に係るＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料は、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＮｉＯ及びＭｎＯからなる主成分に、副成分として、Ｃｏ_２Ｏ_３と、ＣａＯと、Ｓｂ_２Ｏ_３とが添加されたものである。また、実施例１に係るＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料においては、副成分の添加量が最適化されている。この最適化によって、高温での高い飽和磁束密度と、室温から高温までに渡る小さいコアロスとの両方の特性を併せ持つＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料を得ることができる。

実施例１に係るＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料の組成を規定するために、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料からなるフェライトをサンプルとして製造し、各種サンプルについて、所定の温度範囲におけるコアロスと、所定の温度における飽和磁束密度とを評価した。概略的には、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＮｉＯ及びＭｎＯの混合物に、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＣａＯ及びＳｂ_２Ｏ_３が添加されている磁性材料を焼成することによって得たフェライトをサンプルとした。

＜Ｎｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料の組成について＞
室温（例えば、２５℃）から高温（例えば、１４０℃）までに渡る温度範囲で磁気異方性を小さくしてコアロスを小さくするために、実施例１では、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料の主成分を、Ｆｅ_２Ｏ_３が５４.０ｍｏｌ％以上５５.０ｍｏｌ％以下、ＺｎＯが６.５ｍｏｌ％以上９.５ｍｏｌ％以下、ＮｉＯが１.０ｍｏｌ％以上３.０ｍｏｌ％以下、及び、残部がＭｎＯとした。ここで、ＮｉＯが１.０ｍｏｌ％未満では高温での飽和磁束密度が低下するため、ＮｉＯを１.０ｍｏｌ％以上とした。

また、Ｃａは粒界の高抵抗化に寄与する成分であるため、主成分にＣａを適量添加することでコアロスを低減することができる。例えば、ＣａＯを添加する場合には、１００ｐｐｍ未満ではコアロスの低減効果が小さい一方で、２０００ｐｐｍ以上ではコアロスの悪化を招く。このため、ＣａＯを添加する場合には、その添加量は、１００ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ未満であることが好ましい。

また、Ｃｏは特異な異方性を有するため、主成分にＣｏを適量添加することで、室温から高温までの磁気異方性を小さくし、広い温度範囲でコアロスを低減することができる。例えば、Ｃｏ_２Ｏ_３を添加する場合には、１０００ｐｐｍ未満ではコアロスの低減効果が小さい一方で、５０００ｐｐｍ以上では低温域でのコアロスが悪化してしまう。このため、Ｃｏ_２Ｏ_３を添加する場合には、その添加量は、１０００ｐｐｍ以上５０００ｐｐｍ未満であることが好ましい。

また、主成分にＳｂを適量添加することで、緻密化により飽和磁束密度を高めることができる。例えば、Ｓｂ_２Ｏ_３を添加する場合には、２００ｐｐｍ未満では緻密化の効果が小さい一方で、２０００ｐｐｍ以上では異常粒成長が発生してコアロスの悪化を招く。このため、Ｓｂ_２Ｏ_３を添加する場合には、その添加量は、２００ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ未満であることが好ましい。

＜サンプルの製造方法＞
図１にサンプルの製造手順の一例を示す。

まず、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料の主成分となるＦｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＮｉＯ及びＭｎＯを秤量する（ステップＳ０１）。

次いで、秤量したＦｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＮｉＯ及びＭｎＯを湿式ボールミルを用いて混合する（ステップＳ０２）。ステップＳ０２での混合は、例えば５時間行われる。

次いで、ステップＳ０２で得られた混合物を乾燥させる（ステップＳ０３）。

次いで、乾燥後の混合物を仮焼成し（ステップＳ０４）、仮焼成後の混合物をボールミルで粉砕し、最終的に１μｍ以下の粉体にする（ステップＳ０５）。ステップＳ０４での仮焼成は、例えば１０００℃の温度で３０分行われる。また、ステップＳ０４での粉砕は、例えば５時間行われる。

次いで、ステップＳ０５で得られた粉体の原料に添加する副成分として、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＣａＯ及びＳｂ_２Ｏ_３をそれぞれの添加量に応じて秤量する（ステップＳ０６）。

次いで、仮焼成を経て粉砕された粉体の原料とステップＳ０６で秤量された副成分とを乳鉢で十分に混合することにより、主成分に副成分を添加する（ステップＳ０７）。このようにして、まず、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料の組成が決まる。

次いで、上述した手順（ステップＳ０１〜Ｓ０７）で生成した混合物であるＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料を乾燥させる（ステップＳ０８）。

次いで、乾燥後のＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料にバインダーとしてＰＶＡ溶液を１ｗｔ％添加して造粒を行う（ステップＳ０９）。

次いで、ステップＳ０９での造粒によって得られた造粒物を金型を用いて所定の形状（例えば、トロイダル形状）に成形し（ステップＳ１０）、この成形によって得られた成形物を焼成することで、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料が焼結された焼結体であるフェライトをサンプルとして製造した（ステップＳ１１）。ステップＳ１０での成形は、例えば２ｔ／ｃｍ^２の圧力で行われる。また、ステップＳ１１での焼成は、例えば酸素分圧を制御しつつ１３００℃の温度で３時間行われる。

＜サンプルの特性＞
上記手順に従って製造した各サンプルについて、１００℃の温度での飽和磁束密度Ｂ_Ｓ［ｍＴ］、及び、１００ｋＨｚ−２００ｍＴの条件下で２５℃から１４０℃までに渡る温度範囲におけるコアロスＰ_ＣＶの最大値［ｋＷ／ｍ^３］（以下では「コアロス最大値Ｐ_{ＣＶＭＡＸ}」と呼ぶことがある）の２種の特性を評価した。以下の表１に、各サンプルにおける各特性を示す。表１では、組成が互いに異なる２５種類のサンプル（サンプル１〜２５）を製造した。そして、各サンプルの特性について、コアロス最大値Ｐ_{ＣＶＭＡＸ}については６００［ｋＷ／ｍ^３］以下、飽和磁束密度Ｂ_Ｓについては４３０［ｍＴ］以上を合格値とし、２種のすべての特性が合格となったサンプルの組成に基づいて実施例１に係るＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料を特定した。なお、表１において、括弧内に示した温度は、２５℃から１４０℃までの温度範囲のうちで、コアロスＰ_ＣＶが最大（つまり、最悪）となった温度を示す。

表１より、コアロス最大値Ｐ_{ＣＶＭＡＸ}及び飽和磁束密度Ｂ_Ｓの両方が上記の合格値を満たすサンプルは、サンプル１〜２５のうち、サンプル１，２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１９，２０，２３，２４である。

コアロス最大値Ｐ_{ＣＶＭＡＸ}及び飽和磁束密度Ｂ_Ｓの両方が上記の合格値を満たすサンプルがサンプル１，２，４，６，８，１０，１２，１４，１６，１９，２０，２３，２４であることから、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＮｉＯ、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＣａＯ、及び、Ｓｂ_２Ｏ_３のそれぞれの上限値と下限値とは以下のように判断することができる。

すなわち、Ｆｅ_２Ｏ_３の下限値は５４.０ｍｏｌ％、Ｆｅ_２Ｏ_３の上限限値は５５.０ｍｏｌ％であると判断することができる。よって、Ｆｅ_２Ｏ_３の適正含有量は、５４.０ｍｏｌ％以上５５.０ｍｏｌ％以下と規定することができる。

また、ＺｎＯの下限値は６.５ｍｏｌ％、ＺｎＯの上限限値は９.５ｍｏｌ％であると判断することができる。よって、ＺｎＯの適正含有量は、６.５ｍｏｌ％以上９.５ｍｏｌ％以下と規定することができる。

また、ＮｉＯの下限値は１.０ｍｏｌ％、ＮｉＯの上限限値は３.０ｍｏｌ％であると判断することができる。よって、ＮｉＯの適正含有量は、１.０ｍｏｌ％以上３.０ｍｏｌ％以下と規定することができる。

また、Ｃｏ_２Ｏ_３の下限値は１０００ｐｐｍ、Ｃｏ_２Ｏ_３の上限限値は４５００ｐｐｍであると判断することができる。よって、Ｃｏ_２Ｏ_３の適正含有量は、１０００ｐｐｍ以上４５００ｐｐｍ以下と規定することができる。

また、ＣａＯの下限値は１００ｐｐｍ、ＣａＯの上限限値は７５０ｐｐｍであると判断することができる。よって、ＣａＯの適正含有量は、１００ｐｐｍ以上７５０ｐｐｍ以下と規定することができる。

また、Ｓｂ_２Ｏ_３の下限値は２００ｐｐｍ、Ｓｂ_２Ｏ_３の上限限値は１５００ｐｐｍであると判断することができる。よって、Ｓｂ_２Ｏ_３の適正含有量は、２００ｐｐｍ以上１５００ｐｐｍ以下と規定することができる。

以上より、実施例１に係るＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料の主成分の組成は、Ｆｅ_２Ｏ_３が５４.０ｍｏｌ％以上５５.０ｍｏｌ％以下、ＺｎＯが６.５ｍｏｌ％以上９.５ｍｏｌ％以下、ＮｉＯが１.０ｍｏｌ％以上３.０ｍｏｌ％以下、及び、残部がＭｎＯである。そして、この主成分中に、１０００ｐｐｍ以上４５００ｐｐｍ以下のＣｏ_２Ｏ_３と、１００ｐｐｍ以上７５０ｐｐｍ以下のＣａＯと、２００ｐｐｍ以上１５００ｐｐｍ以下のＳｂ_２Ｏ_３とが副成分として含有される。

これにより、高温（例えば１００℃）での高い飽和磁束密度（例えば４３０ｍＴ以上）と、室温（例えば２５℃）から高温（例えば１４０℃）までに渡る小さいコアロス（例えば６００ｋＷ／ｍ^３以下）との両方の特性を併せ持つＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料を得ることができる。

［実施例２］
主成分にＴａを適量添加することで、緻密化により飽和磁束密度を高めることができる。例えば、Ｔａ_２Ｏ_５を添加する場合には、１００ｐｐｍ未満では緻密化の効果が小さい一方で、９００ｐｐｍ以上では異常粒成長が発生してコアロスの悪化を招く。このため、Ｔａ_２Ｏ_５を添加する場合には、その添加量は、１００ｐｐｍ以上９００ｐｐｍ未満であることが好ましい。

そこで、実施例２に係るＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料では、主成分の組成は実施例１と同一である一方で、実施例１のＳｂ_２Ｏ_３に代えて、Ｔａ_２Ｏ_５を主成分に添加する点が実施例１と相違する。

すなわち、実施例２では、上記手順（図１）のステップＳ０６において、ステップＳ０５で得られた粉体の原料に添加する副成分として、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＣａＯ及びＴａ_２Ｏ_５をそれぞれの添加量に応じて秤量する。残りのステップＳ０１〜Ｓ０５，Ｓ０７〜Ｓ１１の手順は実施例１と同一である。

この手順に従って製造した各サンプルについて、実施例１と同様に、１００℃の温度での飽和磁束密度Ｂ_Ｓ［ｍＴ］、及び、１００ｋＨｚ−２００ｍＴの条件下で２５℃から１４０℃までに渡る温度範囲におけるコアロス最大値Ｐ_{ＣＶＭＡＸ}の２種の特性を評価した。以下の表２に、各サンプルにおける各特性を示す。表２では、組成が互いに異なる６種類のサンプル（サンプル２６〜３１）を製造した。そして、各サンプルの特性について、実施例１と同様に、コアロス最大値Ｐ_{ＣＶＭＡＸ}については６００［ｋＷ／ｍ^３］以下、飽和磁束密度Ｂ_Ｓについては４３０［ｍＴ］以上を合格値とし、２種のすべての特性が合格となったサンプルの組成に基づいて実施例２に係るＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料を特定した。なお、表２において、括弧内に示した温度は、２５℃から１４０℃までの温度範囲のうちで、コアロスＰ_ＣＶが最大（つまり、最悪）となった温度を示す。また、表２において、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＮｉＯ、Ｃｏ_２Ｏ_３、及び、ＣａＯの含有量については、何れも実施例１で規定した範囲内にある。

表２より、コアロス最大値Ｐ_{ＣＶＭＡＸ}及び飽和磁束密度Ｂ_Ｓの両方が上記の合格値を満たすサンプルは、サンプル２６〜３１のうち、サンプル２６，２８〜３０である。

コアロス最大値Ｐ_{ＣＶＭＡＸ}及び飽和磁束密度Ｂ_Ｓの両方が上記の合格値を満たすサンプルがサンプル２６，２８〜３０であることから、Ｔａ_２Ｏ_５の下限値は１００ｐｐｍ、Ｔａ_２Ｏ_５の上限限値は７００ｐｐｍであると判断することができる。よって、Ｔａ_２Ｏ_５の適正含有量は、１００ｐｐｍ以上７００ｐｐｍ以下と規定することができる。

以上より、実施例２に係るＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料の主成分の組成は、Ｆｅ_２Ｏ_３が５４.０ｍｏｌ％以上５５.０ｍｏｌ％以下、ＺｎＯが６.５ｍｏｌ％以上９.５ｍｏｌ％以下、ＮｉＯが１.０ｍｏｌ％以上３.０ｍｏｌ％以下、及び、残部がＭｎＯである。そして、この主成分中に、１０００ｐｐｍ以上４５００ｐｐｍ以下のＣｏ_２Ｏ_３と、１００ｐｐｍ以上７５０ｐｐｍ以下のＣａＯと、１００ｐｐｍ以上７００ｐｐｍ以下のＴａ_２Ｏ_５とが副成分として含有される。

これにより、実施例１と同様に、高温（例えば１００℃）での高い飽和磁束密度（例えば４３０ｍＴ以上）と、室温（例えば２５℃）から高温（例えば１４０℃）までに渡る小さいコアロス（例えば６００ｋＷ／ｍ^３以下）との両方の特性を併せ持つＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料を得ることができる。

また、実施例１または実施例２に係るＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料を焼成して得られるフェライトも、高温での高い飽和磁束密度と、室温から高温までに渡る小さいコアロスとの両方の特性を併せ持つ。

そして、高温での高い飽和磁束密度と、室温から高温までに渡る小さいコアロスとの両方の特性を併せ持つフェライトは、例えば高周波スイッチング電源のチョークコイルに用いられることが好適である。

［他の実施例］
［１］実施例１ではＳｂ_２Ｏ_３を主成分に添加し、実施例２ではＴａ_２Ｏ_５を主成分に添加した。しかし、Ｓｂ_２Ｏ_３及びＴａ_２Ｏ_５の両方を主成分に添加しても良い。Ｓｂ_２Ｏ_３及びＴａ_２Ｏ_５の両方を主成分に添加する場合、実施例１，２と同様に、Ｓｂ_２Ｏ_３の添加量は２００ｐｐｍ以上１５００ｐｐｍ以下、Ｔａ_２Ｏ_５の添加量は１００ｐｐｍ以上７００ｐｐｍ以下とすると良い。また、Ｓｂ_２Ｏ_３及びＴａ_２Ｏ_５の両方を主成分に添加する場合、上記手順（図１）のステップＳ０６において、ステップＳ０５で得られた粉体の原料に添加する副成分として、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＣａＯ、Ｓｂ_２Ｏ_３及びＴａ_２Ｏ_５をそれぞれの添加量に応じて秤量する。残りのステップＳ０１〜Ｓ０５，Ｓ０７〜Ｓ１１の手順は実施例１と同一である。

［２］Ｃｏ_２Ｏ_３、ＣａＯ、Ｓｂ_２Ｏ_３及びＴａ_２Ｏ_５の他に、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｓｉ等を主成分に添加しても良い。Ｚｒを適量添加することで全温度域においてコアロスを低減することができる。ＴｉまたはＳｎには結晶粒内の電気抵抗を高める効果があることから、ＴｉまたはＳｎを適量添加することでコアロスを低減することができる。Ｓｉは粒界の高抵抗化に寄与する成分であることから、Ｓｉを適量添加することでコアロスを低減することができる。

Claims (4)

1. Ｆｅ_２Ｏ_３が５４.０ｍｏｌ％以上５５.０ｍｏｌ％以下、ＺｎＯが６.５ｍｏｌ％以上９.５ｍｏｌ％以下、ＮｉＯが１.０ｍｏｌ％以上３.０ｍｏｌ％以下、及び、残部がＭｎＯの組成となる主成分中に、
   １０００ｐｐｍ以上４５００ｐｐｍ以下のＣｏ_２Ｏ_３と、１００ｐｐｍ以上７５０ｐｐｍ以下のＣａＯと、２００ｐｐｍ以上１５００ｐｐｍ以下のＳｂ_２Ｏ_３ とを副成分として含有する、
   Ｎｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料。
2. 請求項１に記載のＮｉ−Ｍｎ−Ｚｎフェライト材料からなるフェライト。
3. 請求項２に記載のフェライトを有するチョークコイル。
4. Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＮｉＯ及びＭｎＯの第一の混合物を仮焼成するステップと、
   前記仮焼成後の前記第一の混合物を粉体に粉砕するステップと、
   前記粉体にＣｏ_２Ｏ_３と、ＣａＯと、Ｓｂ_２Ｏ_３ とを添加して第二の混合物を生成するステップと、
   前記第二の混合物を造粒して造粒物を得るステップと、
   前記造粒物を所定の形状の成形物に成形するステップと、
   前記成形物を焼成するステップと、を有し、
   前記第一の混合物は、Ｆｅ_２Ｏ_３が５４.０ｍｏｌ％以上５５.０ｍｏｌ％以下、ＺｎＯが６.５ｍｏｌ％以上９.５ｍｏｌ％以下、ＮｉＯが１.０ｍｏｌ％以上３.０ｍｏｌ％以下、及び、残部がＭｎＯの組成を採り、
   前記Ｃｏ_２Ｏ_３の添加量は１０００ｐｐｍ以上４５００ｐｐｍ以下、前記ＣａＯの添加量は１００ｐｐｍ以上７５０ｐｐｍ以下、及び、前記Ｓｂ_２Ｏ_３の添加量は２００ｐｐｍ以上１５００ｐｐｍ以下である、
   フェライトの製造方法。

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