(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
52.60〜53.00mol％のFe２O３および下記式（１）を満足する量（mol％）のZnOを含み、残部MnOの基本成分を有するMn−Zn系フェライトであって、該基本成分中に含まれる不純物のうち、ホウ素を５massppm以下、リンを15massppm以下およびCr２O３を20massppm以下に抑制した組成になり、−40〜85℃の温度範囲における10kHzでの初透磁率が10000以上であることを特徴とするMn−Zn系フェライト。
記
1.25×Fe２O３（mol％）−42.00≦ZnO≦1.25×Fe２O３（mol％）−40.25    …（１）
【請求項２】
前記Mn−Zn系フェライトは、23℃における33A/mの直流磁界印加時の増分透磁率が2000以上である請求項１に記載のMn−Zn系フェライト。
【請求項３】
前記基本成分は、下記式（２）を満足する量（mol％）のZnOを含む請求項１または２に記載のMn−Zn系フェライト。
記
25.0＜ZnO≦1.25×Fe２O３（mol％）−40.25    …（２）
【請求項４】
前記Mn−Zn系フェライトは、パルストランスに供するものである請求項１から３のいずれかに記載のMn−Zn系フェライト。
【請求項５】
前記Mn−Zn系フェライトは、さらに添加成分を含み、該添加成分が、酸化カルシウム、二酸化ケイ素、酸化ビスマス、酸化インジウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化スズ、酸化モリブデンおよび酸化バナジウムのうちから選ばれる少なくとも一種である請求項１から４のいずれかに記載のMn−Zn系フェライト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Mn−Zn系フェライトに関し、特に広い温度範囲で高い初透磁率と室温における高い増分透磁率とを有する、Mn−Zn系フェライトに関する。
【背景技術】
【０００２】
Mn−Zn系フェライトは、Fe２O３、ZnO、MnOを主成分として構成され、磁気異方性定数と磁歪定数とが零となるような主成分において、高い透磁率を発現する。このためMn−Zn系フェライトは、トランスやノイズフィルタ等の小型あるいは薄型の磁心として用いられている。このなかでも最近のデジタル通信機器のインターフェイス部に使用されるパルストランスでは、機器の小型・薄型化に伴うトランス小型化のため特に高い透磁率が要求され、室温での初透磁率が10000程度以上のものも多く使われている。なお、これ以降、各透磁率の値は、真空透磁率μoとの比として表す。
ところが、このようなパルストランスは、回線終端装置等に使用した際に、屋外に設置される場合があり、パルストランスに用いられるMn−Zn系フェライトは、低温から高温までの広い温度範囲、具体的には近年の規格等から−40〜85℃の温度範囲で高い初透磁率を有することが必要になる。
【０００３】
しかし、従来のMn−Zn系フェライトでは、室温付近以上で使用されることを前提に室温で磁気異方性定数と磁歪定数とが零となる、高い初透磁率が発現するような成分組成が選ばれている。このため、従来材の初透磁率の温度特性は、キュリー温度直上で磁気異方性定数が急激に小さくなることによる、透磁率のピーク（プライマリーピーク）と、室温付近で磁気異方性と磁歪が小さいことによるピーク（セカンダリーピーク）との２つの山を持つ。そして、このセカンダリーピークを高くするように、成分組成や製造方法の工夫が種々なされてきた。
【０００４】
さらに、デジタル通信機器では、搬送されるパルス電圧の正負バランスの変動によりパルストランスが磁化されて、直流重畳下で稼働するような場合もでてくる。このような直流重畳下でも信号変換に必要な高いインダクタンス、すなわち高い増分透磁率が必要となる。かような使途では、必要なインダクタンス規格値から、室温において33A/ｍの直流磁界印加時の実効透磁率が2000以上であることが目標となり、この値の実現が要求されている。
【０００５】
一般に、室温での初透磁率を高めれば、逆に低温域（−20〜０℃程度）で初透磁率が著しく低下する。このため低温域でのインダクタンスを確保するために、巻線数を増やしたり、低温域での初透磁率を高くするために室温での初透磁率が必要以上に高いものを使う必要があり、非効率であった。たとえば、室温での初透磁率が10000程度である、従来のMn−Zn系フェライトの場合、−20℃では初透磁率が5000程度と半減してしまう。一方、より低い−40〜−20℃の温度域において、7000程度以上の高い初透磁率を得ようとすると、上記の劣化を考慮して室温での初透磁率を15000以上という極めて高くすることが必要となる。そいて、室温での初透磁率が15000以上のMn−Zn系フェライトを得るためには、高品質の原材料や、焼成条件の厳密な制御が必要であり、コストや製造工数が増加するという、問題があった。
【０００６】
ここで、特許文献１には、10kHzにおける初透磁率が−20〜100℃の範囲で8000以上かつその変化率が70％以内である、Mn−Zn系フェライトが記載されている。しかし、初透磁率を−40℃からの極低温において10000以上とする手立てについては何ら記載されていない。
【０００７】
また、特許文献２には、Mn−Zn系フェライトに酸化ビスマスと酸化モリブデンとを含有させることにより、−20〜20℃の範囲で初透磁率8500以上、かつ20〜100℃の温度範囲で初透磁率が10000以上となる、Mn−Zn系フェライトが記載されている。しかし、初透磁率を−40℃からの極低温において10000以上とする手立てについては何ら記載されていない。
【０００８】
さらに、特許文献３には、Mn−Zn系フェライトにホウ素とリンとを含有させることにより、−30〜90℃の範囲で初透磁率が10000以上となるMn−Zn系フェライトが記載されている。しかし、初透磁率を−40℃からの極低温において10000以上とする手立てについては何ら記載されていない。さらに、室温における直流重畳下での増分透磁率については何ら言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−２６３４４７号公報
【特許文献２】特開平１０−２５６０２５号公報
【特許文献３】特開２０００−２７７３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、従来のMn−Zn系フェライトでは、広い温度範囲、とりわけ−20℃より低い極低温域において高い初透磁率を得ようとすると、室温での初透磁率を必要以上に上げざるを得ないために、非常に効率が悪くかつコストアップをまねく問題がある上、室温における増分透磁率も十分ではなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記の事情に鑑みて、より広い温度範囲において初透磁率を高めるとともに、室温における増分透磁率も向上した、Mn−Zn系フェライトについて提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明者らは、Mn−Zn系フェライトの基本となる成分組成を適正化した上で、さらにフェライト中の不純物、特にホウ素、リンおよび酸化クロム（Cr２O３）の混入量を制限すること、とりわけ原料に由来して不可避混入する酸化クロムを制限することが、室温における増分透磁率の向上に極めて有効であることを知見し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
【００１３】
１．52.60〜53.00mol％のFe２O３および下記式（１）を満足する量（mol％）のZnOを含み、残部MnOの基本成分を有するMn−Zn系フェライトであって、該基本成分中に含まれる不純物のうち、ホウ素を５massppm以下、リンを15massppm以下およびCr２O３を20massppm以下に抑制した組成になり、−40〜85℃の温度範囲における10kHzでの初透磁率が10000以上であることを特徴とするMn−Zn系フェライト。
記
1.25×Fe２O３（mol％）−42.00≦ZnO≦1.25×Fe２O３（mol％）−40.25    …（１）
【００１４】
２．前記Mn−Zn系フェライトは、23℃における33A/mの直流磁界印加時の増分透磁率が2000以上である前記１に記載のMn−Zn系フェライト。
【００１５】
３．前記基本成分は、下記式（２）を満足する量（mol％）のZnOを含む前記１または２に記載のMn−Zn系フェライト。
記
25.0＜ZnO≦1.25×Fe２O３（mol％）−40.25    …（２）
【００１６】
４．前記Mn−Zn系フェライトは、パルストランスに供するものである前記１から３のいずれかに記載のMn−Zn系フェライト。
【００１７】
５．前記Mn−Zn系フェライトは、さらに添加成分を含み、該添加成分が、酸化カルシウム、二酸化ケイ素、酸化ビスマス、酸化インジウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化スズ、酸化モリブデンおよび酸化バナジウムのうちから選ばれる少なくとも一種である前記１から４のいずれかに記載のMn−Zn系フェライト。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のMn−Zn系フェライトは、極めて広い温度範囲で高い初透磁率、すなわち−40℃から85℃の温度範囲での初透磁率が10000以上であり、かつ室温での増分透磁率が2000以上を有することから、広い温度範囲でかつ直流重畳下で動作する、パルストランス等の用途に極めて有益な材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】−40℃から85℃の温度範囲での初透磁率が10000以上となるFe２O３量およびZnO量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明のMn−Zn系フェライトについて、基本成分から順に説明する。
基本成分の組成は、52.60〜53.00mol％のFe２O３および下記式（１）を満足する量のZnOと、残部のMnOとである。３成分の合計が100 mol％である。
記
1.25×Fe２O３−42.00≦ZnO≦1.25×Fe２O３−40.25    …(1) 
【００２１】
さて、発明者らは、上記した特許文献１から３に開示される、比較的低温でも透磁率が高いとされるMn−Zn系フェライトの組成範囲においても、−40〜−20℃といった極低温域において初透磁率が低くなる場合があることについて検討した。その結果、Mn−Zn系フェライトでは、単に個々の成分の組成範囲を独立に規定するだけでなく、Fe２O３とZnOとの相関の下に組成を規制することによって、初透磁率のセカンダリーピーク温度とキュリー温度が変化すること、具体的には、Fe２O３およびZnOが上記式（１）の関係を満足し、さらに不純物量を適切に制限することによって、−40〜−20℃といった極低温でも初透磁率の高いMn−Zn系フェライトが得られることを知見した。なお、キュリー温度は、トランスの動作範囲を考慮して100℃以上は必要として、今般の検討を行った。
【００２２】
一般に、Mn−Zn系フェライトでは、Fe２O３量が高くなるとキュリー温度が高くなる一方、セカンダリーピーク温度が低下する。また、ZnO量が高くなるとキュリー温度が低くなり、かつセカンダリーピーク温度も低下する。発明者らは、Fe２O３とZnOの組み合わせで初透磁率のセカンダリーピーク温度とキュリー温度とが変化し、Fe２O３とZnOの組み合わせがある範囲を外れるとセカンダリーピーク温度が低すぎたり高すぎたりする結果、−40℃以上の温度範囲で初透磁率：10000以上を確保しつつ、室温付近でも初透磁率：10000以上とすることが難しいところに着目した。すなわち、Fe２O３およびZnOの相互の量の関係を検討すれば、必要なキュリー温度を確保しつつ、セカンダリーピーク温度を室温よりも低下させて、低温領域での初透磁率を高くすることが可能となる、との仮説を立てた。この仮説に立脚して、種々の組成のMn−Zn系フェライトを作製し、後述する実施例における初透磁率の測定と同様にして初透磁率の測定を行った。
【００２３】
その実験結果を、Fe２O３量およびZnO量の組み合わせについて、−40℃から85℃の温度範囲での初透磁率が10000以上となる場合とならない場合とを仕分けた。その結果を、図１に示すように、10kHzでの初透磁率が温度−40から85℃の範囲で10000以上となる組成範囲は、（Fe２O３（mol％），ZnO（mol％））との組み合わせにおいて、それぞれ（52.60，23.75）、（52.60，25.50）、（53.00，26.00）および（53.00，24.25）の４点で囲まれる点線の範囲であることを見出した。さらに、この図１に示す結果から、点（52.60，23.75）と点53.00，24.25），点（52.60，25.50）と点（53.00，26.00）を結ぶZnO量とFe２O３量の関係を一次式で表す実験式計算の操作によって、上記した式（１）を導き出したのである。
【００２４】
さらに、上記の４点で囲まれる範囲の組成を有するMn−Zn系フェライトにおいて、更なる特性の向上を目指して検討を行ったところ、ZnO量を25.00mol％超に規制すると、室温（23℃）における10kHzでの初透磁率が11000以上となること見出すに至った。すなわち、ZnO量を25.00mol％超にすると、飽和磁束密度が高まり、その分初透磁率が増大する。従って、ZnO量が下記式（２）を満足することが、とりわけ室温での初透磁率の向上に有利となる。
記
25.00＜ZnO≦1.25×Fe２O３−40.25    …(2) 
【００２５】
ここで、Fe２O３、ZnOおよびMnOの基本組成を決定することは勿論重要であるが、基本組成の規制だけでは、所望の温度範囲全てに亘る高い初透磁率のほかに、室温における高い増分透磁率をも得ることは至難であり、この点の改善をはかる方途を鋭意究明したところ、フェライト中の不純物、特にホウ素およびリンに加えて、酸化クロム（Cr２O３）の量を制限することが有効な手段となり得るとの知見を得た。
【００２６】
すなわち、−40〜85℃の広い温度範囲にわたる領域で異常粒などの組織不均一を抑え安定して高い初透磁率を実現し、さらに室温における高い増分透磁率を実現するには、Fe２O３およびZnOの相互の量の関係が、上記した式（１）または式（２）の関係を充たし、かつMn−Zn系フェライト中のホウ素をFe２O３、ZnOおよびMnOの総計100mol％中の質量で５massppm以下、好ましくは４massppm以下、リン量を15 massppm以下、好ましくは11.2 massppm以下、Cr２O３量を20 massppm以下とする必要のあることを新たに見出したのである。
【００２７】
まず、ホウ素の混入を５massppm以下に制限するのは、微量であっても焼成中に結晶粒の異常成長を引き起こし、結晶組織が極めて不均一となって初透磁率が低下するためであり、その限界が５massppmである。
【００２８】
同様に、リンの混入を15massppm以下に制限するのは、ホウ素と同じく微量であっても焼成中に結晶粒の異常成長を引き起こし、結晶組織が極めて不均一となって初透磁率が低下するためであり、その限界が15massppmである。
【００２９】
なお、ホウ素およびリンは、Mn−Zn系フェライトの製造工程において一旦混入すれば焼成工程など、途中工程で除去することは非常に難しいため、特に原料酸化鉄でホウ素量とリン量を所定範囲内まで少なくしておくことが好ましい。
【００３０】
次に、Cr２O３量を20 massppm以下とすることが、本発明では特に重要である。すなわち、Cr２O３は、飽和磁束密度を低下させて初透磁率を低減させ、またキュリー点も減少させる働きがあるために制限する必要があり、その限界が20massppmである。
【００３１】
特に、Cr２O３は、原料酸化鉄中に比較的多量に含まれることが多く30〜50massppm程度で含まれることが通常であり、原料酸化鉄の段階にて混入を確実に抑制する必要がある。そのためには、原料酸化鉄を製造するときに使用する鉄鋼酸洗後の廃酸の選択を行い、Cr２O３量の少ない一般普通鋼からの廃酸を用いると良い。廃酸以降はCr２O３が混入することはないため自動的にCr２O３量の少ない酸化鉄が得られる。このような手法を適用して、原料段階にて確実に少なくしておく必要がある。
【００３２】
ちなみに、「フェライト」（平賀ら、丸善、1986）の第47頁には、Cr２O３について、飽和磁束密度、キュリー点、温度特性および熱膨張係数などの制御に用いることが説明されているが、直流重畳下の増分透磁率に及ぼす影響については何ら言及されていない。
【００３３】
本発明のMn−Zn系フェライトは、以上の組成を基本とするが、さらに、酸化カルシウム（CaO）、二酸化ケイ素（SiO２）、酸化ビスマス（Bi２O３）、酸化インジウム（In２O３）、酸化タンタル（Ta２O５）、酸化ニオブ（Nb２O５）、酸化チタン（TiO２）、酸化スズ（SnO２）、酸化バナジウム（V２O５）および酸化モリブデン（MoO３）のうちから選ばれる一種以上を、上記の基本成分に加えて含有してもよい。その成分系としては、
Fe２O３−ZnO−MnO−CaO−SiO２
Fe２O３−ZnO−MnO−CaO−Bi２O３
Fe２O３−ZnO−MnO−CaO−In２O３
Fe２O３−ZnO−MnO−CaO−TiO２
Fe２O３−ZnO−MnO−CaO−SiO２−Ta２O５
Fe２O３−ZnO−MnO−CaO−SiO２−Nb２O５−Bi２O３
Fe２O３−ZnO−MnO−CaO−MoO３
Fe２O３−ZnO−MnO−CaO−V２O５
Fe２O３−ZnO−MnO−CaO−SnO２
等が例示されるが、もとよりこれらの例に限定されるものではない。
【００３４】
ここで、CaOおよびSiO２は粒界に偏析することによってMn−Zn系フェライトの低損失化に寄与し、Bi２O３、In２O３およびV２O５は低融点化合物として結晶成長を促進し高透磁率に寄与する。TiO２およびSnO２は結晶内部を高抵抗化し低損失化に寄与する。Ta２O５、Nb２O５およびMoOは粒界に偏折して結晶粒界を高抵抗化し低損失化、ひいては高透磁率化に寄与する。
【００３５】
以上の観点から、酸化カルシウムの含有量は、質量でCaO換算として50〜1000massppm、二酸化ケイ素の含有量は、質量でSiO２換算として50〜200massppmである。また、酸化ビスマス、酸化インジウム、酸化バナジウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化スズおよび酸化モリブデンの含有量は、質量でそれぞれ、Bi２O３、In２O３、V２O５、Ta２O５、Nb２O５、TiO２、SnO２およびMoO３に換算して、添加成分の総計で3000massppm程度以下であることが好ましい。
【実施例】
【００３６】
種々のホウ素量、リン量およびCr２O３量を有する酸化鉄を使用して、表１に示す種々の量のFe２O３およびZnOを含み残部がMnOとなる組成に、原料を混合後、950℃で３時間仮焼した。これに酸化カルシウム、酸化ビスマス、二酸化ケイ素、酸化インジウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化スズ、酸化モリブデン、酸化バナジウムが、表１に記載した酸化物換算で表１に記載の含有量となるように添加し、ボールミルで８時間粉砕し、外径20mmのリング状のコアに成形後、大気中で昇温速度250℃／ｈで昇温し、1100℃から窒素雰囲気として昇温速度を500℃／ｈに上げ、その後保持温度1370℃に達してから６時間の間、酸素濃度を10vol％以下に制御して焼成した。
【００３７】
かくして得られた焼結体の10kHzにおける初透磁率の温度変化を−40℃から120℃に渡って測定した。さらに、室温において33A/mの磁界の強さとなるよう直流電流を流しながら、増分透磁率を測定した。本発明を実施例No．１〜２３に、比較として比較例No．１〜21を示した。また、表１にはそれぞれの焼結体に含まれるホウ素量、リン量およびCr２O３量と、酸化カルシウム、酸化ビスマス、二酸化ケイ素、酸化インジウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化スズ、酸化モリブデンおよび酸化バナジウムの量とを示した。
【００３８】
表２から分かる通り本発明に従う実施例は、温度−40℃、−10℃、−23℃および85℃の各温度において、10kHzの初透磁率が10000以上であり、しかも室温、33Ａ／ｍの直流重畳下で増分透磁率が2000以上を示す。また、ZnOを25.00mol％超とすれば、23℃における10kHzの初透磁率が11000以上となることが示されている。
【００３９】
【表１】
0005814152.tif 000002
【００４０】
【表２】
0005814152.tif 000003
【図１】
0005814152.tif 000004