(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
NiＯ：1.0〜10mol％、Fe2Ｏ3：55〜68mol％を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、SiＯ2：0.02〜0.10wt％(ただし、0.02wt％を除く)およびCaＯ：0.03〜0.30wt％(ただし、0.03wt％を除く)を含有することを特徴とするＭｎ−Ｎｉフェライト材料。
【請求項２】
NiＯ：1.0〜10mol％、Fe2Ｏ3：55〜68mol％、ZnＯ：８mol％以下(ただし、５mol％以上を除く)を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、SiＯ2：0.02〜0.10wt％(ただし、0.02wt％を除く)およびCaＯ：0.03〜0.30wt％(ただし、0.03wt％を除く)を含有することを特徴とするＭｎ−Ｎｉフェライト材料。
【請求項３】
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のいずれか１項に記載のＭｎ−Ｎｉフェライト材料。
【発明の詳細な説明】
【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％、  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、損失が周波数が高くなるに伴い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出した。さらに発明者らは、ZnＯを含む場合でも、そのZnＯ量が８mol％以下(ただし、５mol％以上を除く)であれば損失はそれほど大きく劣化しないことを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
即ち、この発明のＭｎ−Ｎｉフェライト材料は、以下に示すとおりである。
(1) NiＯ：1.0〜10mol％、Fe2Ｏ3：55〜68mol％を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、SiＯ2：0.02〜0.10wt％(ただし、0.02wt％を除く)およびCaＯ：0.03〜0.30wt％(ただし、0.03wt％を除く)を含有することを特徴とするＭｎ−Ｎｉフェライト材料である。
(2) NiＯ：1.0〜10mol％、Fe2Ｏ3：55〜68mol％、ZnＯ：８mol％以下(ただし、５mol％以上を除く)を含み、残部が実質的にMnＯの組成となる基本成分中に、SiＯ2：0.02〜0.10wt％(ただし、0.02wt％を除く)およびCaＯ：0.03〜0.30wt％(ただし、0.02wt％を除く)を含有することを特徴とするＭｎ−Ｎｉフェライト材料である。
(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。
【００１４】
なお、この発明は、高周波数域で損失の少ない電源用トランス等の磁心材料に関するものであり、磁気ヘッドコア材料に関する特開昭６３−３０２５０５号公報に記載の発明とは異なる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明において、基本成分組成を前記範囲に限定した理由について説明する。なお、以下に述べるＮｉＯ，Ｆｅ２Ｏ３  ，ＺｎＯ以外の基本成分は実質的にＭｎＯからなる。
・ＮｉＯ：１〜１０  ｍｏｌ％
ＮｉＯの含有量が１  ｍｏｌ％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  ｍｏｌ％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  ｍｏｌ％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、１０  ｍｏｌ％を上限とした。
【００１６】
・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。
【００１７】
・ZnＯ：８mol％以下(ただし、５mol％以上を除く)
この発明のＭｎ−Ｎｉフェライト材料は、ZnＯを含む場合でも、従来材料と比べると１ＭHz程度以上の高周波数域において低損失である。しかしながら、ZnＯの含有量が８mol％(ただし、５mol％以上を除く)を超えると損失の劣化が大きくなる。そこで、ZnＯを含む組成では、その含有量を８mol％以下(ただし、５mol％以上を除く)とした。
【００１８】
この発明は、基本的にはスピネルを構成する上記基本成分の組成に関するものであり、基本成分中の金属酸化物は、すべて結晶粒内に固溶すると考えられる。この基本成分中には、従来から報告されているように、ＳｉＯ２、ＣａＯ等のような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，Ｔａ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ  等の酸化物を添加することが知られており、これらの添加成分は渦電流損失の低減に寄与する。
特にこの発明においては、ＳｉＯ２およびＣａＯを添加することが、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点で望ましい。
【００１９】
・SiＯ2：0.02〜0.1wt％(ただし、0.02wt％を除く)
CaＯ：0.03〜0.3wt％(ただし、0.03wt％を除く)
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0.02wt％以上(ただし、0.02wt％を除く)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0.1wt％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0.03wt％以上(ただし、0.03wt％を除く)の添加が必要であり、0.3wt％を超えて添加すると焼結性に問題があり、コアの損失が劣化するため、その上限を0.3wt％以下とした。
【００２０】
以上説明したような成分組成を有するＭｎ−Ｎｉフェライト材料からなる低損失磁心材料は、まず、上述した成分組成になるように原料酸化物を配合した混合粉を仮焼し、次いで、アトライターやボールミル等の粉砕手段により粉砕し、その粉砕粉を所望のコア形状に成形したのち焼成することにより得られる。このときの焼成温度は、成分により異なるが、概ね１１００℃〜１２５０℃であり、これより低い場合は焼結が進まず、高い場合は焼結密度は上がるものの異常粒成長を招き、コアの損失が著しく劣化する。また、この焼成過程では、酸素・窒素混合雰囲気が必要で、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。
【００２１】
【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％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。
【００２２】
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）、（５００ｋＨｚ、５０ｍＴ）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。また、損失極小値のＮｉＯ量依存性を図１に示す。
これらの結果から明らかなように、適切なＮｉＯ含有量は損失を低減する効果があり、その効果は高周波であるほど顕著であった。また、実際にトランスとして動作する温度の６０〜１００  ℃において低損失となるよう、損失が極小となる温度が１００  ℃以下となっている。
【００２３】
（実施例２）
ＺｎＯを２〜８  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。
【００２４】
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２に示す。
この図２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。なお、このときの損失が極小となる温度はすべて６０〜１００  ℃の範囲であった。
【００２５】
（実施例３）
基本成分組成が  Ｆｅ２Ｏ３：ＭｎＯ：ＮｉＯ＝５７．７：３９．３：３．０    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、ＳｉＯ２およびＣａＯを表２に示す量で添加し、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。
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。なお、このときの損失が極小となる温度はすべて６０〜１００  ℃の範囲であった。
【００２６】
【表１】
0003597665.tif 000002
【００２７】
【表２】
0003597665.tif 000003
【００２８】
【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１における、損失極小値とＮｉＯ量の関係を示す図である。
【図２】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。
【図１】
0003597665.tif 000004
【図２】
0003597665.tif 000005