(57)【要約】【課題】小形の電源用トランスに好適な低損失のＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料及びその製造方法を提供すること。【解決手段】主成分組成が４８．５〜４９．８ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、１５〜３０ｍｏｌ％のＺｎＯ、３〜１０ｍｏｌ％のＣｕＯであるＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料の焼成体について、酸素５％以上での窒素と酸素の混合ガス雰囲気中、５００℃〜８００℃で、１時間以上の熱処理を行い、熱処理後の冷却速度を２００℃／時間以下とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料の焼成体に、窒素と酸素の混合比率が酸素５％以上の雰囲気中で、温度５００℃〜８００℃、１時間以上の熱処理を行うことを特徴とする低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料の製造方法。
【請求項２】
前記熱処理後の冷却速度が２００℃／時間以下であることを特徴とする請求項１に記載の低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料の製造方法よって得られ、前記熱処理後の焼成体の比抵抗が１０７Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料の製造方法において得られ、主成分組成が４８．５〜４９．８ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、１５〜３０ｍｏｌ％のＺｎＯ、及び３〜１０ｍｏｌ％のＣｕＯであることを特徴とする低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源用のトランス材料及びその製造方法に係り、特に電源用トランスの磁心に好適な低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯機器をはじめとして、近年、電子機器の小型化が急速に進んでいる。そして、それらに用いられる電源も同じ流れにある。電源の中で、トランスは、体積的にも、電力損失においても大きな割合を占めるため、その小型化、高効率化が求められている。
【０００３】
その電源用トランス材料として求められる特性は、▲１▼駆動周波数で損失が低いこと、▲２▼飽和磁束密度が高いこと、▲３▼キューリー温度が高いこと、▲４▼比抵抗が高いこと、が挙げられる。
【０００４】
特に、損失が大きいと、電源としての効率が悪いだけでなく、自己発熱による熱暴走の危険が生じる。よって、フェライト材料としては、低損失で、損失の温度特性の係数は負であることが望ましい。
【０００５】
これら材料としては、飽和磁束密度Ｂｓが高く（約５００ｍＴ）、低価格なＭｎ−Ｚｎ系フェライトが用いられている。しかしながら、従来のＭｎ−Ｚｎ系フェライトは比抵抗が小さく、絶縁性の確保のため、ボビンを介して巻線を行わなければならない。よって、トランス材料としてＭｎ−Ｚｎ系フェライトを用いては小型化に対して限界がある。
【０００６】
一方、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトは比抵抗が高く、巻線の直巻きが可能である。また、比抵抗が高いことに加え、Ｃｕ添加により低温焼成が可能であることより、導体と磁性体の一体焼成が可能であり、限りない小型化を実現できる。しかしながら、従来のＮｉ−Ｚｎ系フェライトは高損失であるため、効率が悪く、かつ、熱暴走等の問題があるため、トランス材料として商品化が困難である。
【０００７】
ところで、フェライトの損失は、（１）ヒステリシス損失（Ｐｈ）、（２）渦電流損失（Ｐｅ）、（３）残留損失（Ｐｒ）からなることが知られている。
【０００８】
（１）のヒステリシス損失は、結晶磁気異方性定数（Ｋ１）に依存する。また、一般的にヒステリシス損失は、磁歪（λ）、残留応力（σ）に依存すると言われている。しかしながら、磁歪と損失の関係は定量化できていない。
【０００９】
また、結晶組織との関係については、ヒステリシス損失が磁壁の非可逆的移動により発生する損失であることより、介在物、粒内ポア等の磁壁の動きを阻害する因子を極力減らすことが、その損失低減に有効であることが知られている。具体的には、焼成時の粒成長を促進する微量添加物量の最適化、焼成時の昇温条件の最適化により結晶組織を制御している。
【００１０】
（２）の渦電流損失は、電磁誘導により発生する損失である。Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕフェライトは高抵抗であり、トランスの励磁動作範囲でほぼ０であることが推察される。
【００１１】
（３）の残留損失については、現時点では原因不明の損失であり、その損失因子すら解明されていない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料は比抵抗が高いため、電源用のトランス材料として、小形化に適した材料である。しかしながら、現状では、損失が大きいことから、効率及び信頼性において難点がある。
【００１３】
そこで、本発明は、低損失のＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料及びその製造方法を提供することを課題としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
我々は種々の検討を行った結果、主成分組成が４８．５〜４９．８ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、１５〜３０ｍｏｌ％のＺｎＯ、３〜１０ｍｏｌ％のＣｕＯであるＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料の焼成体を、窒素と酸素の混合ガスで酸素５％以上の雰囲気中において、５００℃〜８００℃で１時間以上の熱処理を行い、熱処理後の冷却速度を２００℃／時間以下とすることにより、低損失で、飽和磁束密度が高く、比抵抗の高い酸化物磁性材料が得られることを見出した。
【００１５】
すなわち、本発明の低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料の製造方法は、低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料の焼成体に、窒素と酸素の混合比率が酸素５％以上の雰囲気中で、温度５００℃〜８００℃、１時間以上の熱処理を行うことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料の製造方法は、前記熱処理後の冷却速度が２００℃／時間以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料は、前記の製造方法よって得られ、前記熱処理後の焼成体の比抵抗が１０７Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする。
【００１８】
そして、本発明の低損失Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料は、前記の製造方法によって得られ、焼成体の主成分組成が４８．５〜４９．８ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、１５〜３０ｍｏｌ％のＺｎＯ、及び３〜１０ｍｏｌ％のＣｕＯであることを特徴とする。
【００１９】
この様な損失の低減について、次のような考察が可能である。
【００２０】
まず、本発明の熱処理を行うことにより、既述の損失のうち、ヒステリシス損失を低減できることが分かっている。本発明によるヒステリシス損失低減の詳細な原因は不明であるが、熱処理後の結晶組織に差異がないことから、結晶磁気異方性定数（Ｋ１）、もしくは、磁歪（λ）、残留応力（σ）の低減によることが推察される。
【００２１】
また、得られた試料のヒステリシス損失の温度特性を測定したところ、全温度範囲で一律にヒステリシス損失が低減されており、ヒステリシス損失が最小となる温度に差異が認められないことより、結晶磁気異方性定数の低減によるものではないことが推察される。また、磁歪は一般的に主成分組成により一義的に決定するものであり、熱処理の有無で磁歪が変化することは考え難い。
【００２２】
よって、本熱処理による損失の低減は、焼なまし効果、すなわち、冷却歪みの低減によりヒステリシス損失が低減されているものと推察される。
【００２３】
ところで、熱処理中の雰囲気を、窒素と酸素の混合比率が酸素５％以上の雰囲気としたのは酸素５％未満であるとスピネルが還元され、比抵抗が小さくなり、損失が劣化するためである。
【００２４】
熱処理温度を５００℃〜８００℃としたのは、５００℃未満であると、温度が低すぎて熱処理の効果がないからであり、８００℃以下としたのは、この温度を超えると、表面酸化層の発生によると考えられる損失の増加が生じるためである。
【００２５】
また、熱処理時間を１時間以上としたのは、１時間未満であると、熱処理時間が短すぎて熱処理の効果がないからである。
【００２６】
さらに、冷却速度を２００℃／時間以下としたのは、２００℃／時間を超えると熱処理後の冷却過程で冷却歪みによると思われる損失の増大を招くためである。
【００２７】
また、焼成体の比抵抗を１０７Ω・ｃｍ以上としたのは、比抵抗が低いと渦電流損失によるロスの増加を招くだけでなく、巻線との間の絶縁を確保するためにボビンを必要とするので、コスト高となるためである。
【００２８】
さらに、主成分組成を４８．５〜４９．８ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、１５〜３０ｍｏｌ％のＺｎＯ、３〜１０ｍｏｌ％のＣｕＯとしたのは、次の理由によっている。
【００２９】
（１）Ｆｅ２Ｏ３が４８．５ｍｏｌ％未満、ＺｎＯが１５ｍｏｌ％以下、ＣｕＯが１０ｍｏｌ％を越えると、損失Ｐｃｖの増大を招くためであり、（２）Ｆｅ２Ｏ３が４９．８ｍｏｌ％を越えると、Ｆｅ２＋の発生により比抵抗ρが低くなるためであり、（３）ＣｕＯが３ｍｏｌ％未満であると所定の密度を得るためには、高温焼成をしなければならず、高温焼成をするとＦｅ２＋が発生して比抵抗ρが低くなるためであり、（４）ＺｎＯが３０ｍｏｌ％を越えると飽和磁束密度Ｂｓが小さく、トランス材として不適当なためである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を説明する。
【００３１】
まず、主成分組成が４８．５〜４９．８ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、１５〜３０ｍｏｌ％のＺｎＯ、及び３〜１０ｍｏｌ％のＣｕＯとなるように、原料粉末であるＦｅ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯを秤量する。その粉末を混合して、造粒する。次に仮焼を行い、得られた粉末を解砕する。その後、再び造粒して、適切な形状にプレス成形して、１１５０℃程度の焼成温度で焼成する。ここまでの工程は、従来と同様である。
【００３２】
この焼成した試料を温度５００℃〜８００℃で、スピネルの分解が起きない酸素分圧、例えば、窒素と酸素の混合ガスにおいては、酸素比率５％以上の雰囲気で１時間以上の熱処理を行う。保持後は２００℃／時間以下の速度で冷却する。
【００３３】
この様にして得られるＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料においては、飽和磁束密度Ｂｓが高く（３００ｍＴ以上）、損失Ｐｃｖは低減され（高々７００ｋＷ／ｍ３）、また、比抵抗ρは１０７Ω・ｃｍ以上となり、特に、小形の電源用トランスコアの材料として好適である。
【００３４】
【実施例】
次に実施例について、表１〜表５を参照して説明する。
【００３５】
（実施例１）表１の組成となるように原料粉末であるＦｅ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯを秤量し、アトライターを用いて２時間混合した。その後、スプレードライアーで造粒した。その造粒した粉末をロータリーキルンで仮焼した。得られた粉末をアトライターで解砕した。その後、スプレードライアーにて造粒し、トロイダル形状にプレスし、１１５０℃の焼成温度で焼成した。以上は比較品と共通の工程である。
【００３６】
焼成した試料を６００℃、大気（Ａｉｒ）雰囲気中で３時間熱処理を行った。保持後は１５０℃／時間で冷却して、本実施例１の発明品を得た。
【００３７】
表１に本実施例１による、主成分組成を変化させた時の、発明品と比較品の比抵抗ρ、飽和磁束密度Ｂｓ、及び、５０ｋＨｚ−１５０ｍＴ−８０℃における損失Ｐｃｖを示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１において、試料Ｎｏ．の最後にアルファベットのｂを付け、さらに、（発明）と表記した発明品は、本実施例１の熱処理を施した試料のうち、損失Ｐｃｖが低く（約７００ｋＷ／ｍ３以下）、飽和磁束密度Ｂｓが高く（約３００ｍＴ以上）、さらにρが高い（１０７Ω・ｃｍ以上）試料である。なお、本実施例１の熱処理を施さなかった試料については、すべて比較品として、試料Ｎｏ．の最後にアルファベットのａを付けて表記した。
【００４０】
表１から、主成分組成にかかわらず、本実施例１の熱処理により損失Ｐｃｖが低減していることがわかる。
【００４１】
また、主成分組成が４８．５〜４９．８ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、１５〜３０ｍｏｌ％のＺｎＯ、３〜１０ｍｏｌ％のＣｕＯの範囲において、比抵抗ρが高く、飽和磁束密度Ｂｓが高く、そして損失Ｐｃｖが小さいことにより、トランス材として好適な材料が得られることがわかる。
【００４２】
図１に発明品（試料Ｎｏ．４ｂ）と比較品（試料Ｎｏ．４ａ）の５０ｋＨｚ−１５０ｍＴにおける損失Ｐｃｖの温度特性を示す。発明品（試料Ｎｏ．４ｂ）は、比較品（試料Ｎｏ．４ａ）と比べ全温度範囲で損失が小さいことがわかる。
【００４３】
（実施例２）４９．５ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、２５．５ｍｏｌ％のＮｉＯ、２０．０ｍｏｌ％のＺｎＯ、残部ＣｕＯを秤量し、アトライターを用いて２時間混合した。混合の後、スプレードライアーで造粒した。その造粒した粉末をロータリーキルンで仮焼した。得られた粉末をアトライターで解砕した。
【００４４】
解砕後、スプレードライアーにて造粒し、トロイダル形状にプレスし、１１５０℃の焼成温度で焼成した。
【００４５】
焼成した試料を大気（Ａｉｒ）雰囲気、４００℃〜９００℃で３時間熱処理を行った。その保持後は１５０℃／時間で冷却した。
【００４６】
表２に本実施例２による熱処理温度を変化させた時の発明品と比較品の比抵抗ρ、飽和磁束密度Ｂｓ、及び、５０ｋＨｚ−１５０ｍＴ−８０℃における損失Ｐｃｖを示す。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
熱処理温度が５００℃〜８００℃の範囲の発明品は熱処理をしていない比較品（試料Ｎｏ．１６）と比べて、損失が小さいことがわかる。
【００４９】
（実施例３）４９．５ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、２５．５ｍｏｌ％のＮｉＯ、２０．０ｍｏｌ％のＺｎＯ、残部ＣｕＯを秤量し、アトライターを用い２時間混合した。混合の後、スプレードライアーで造粒した。その造粒した粉末をロ−タリーキルンで仮焼した。得られた粉末をアトライターで解砕した。
【００５０】
解砕後、スプレードライアーにて造粒し、トロイダル形状にプレスし、１１５０℃の焼成温度で焼成した。
【００５１】
焼成した試料を、酸素の混合比率が４％〜２０．６％である窒素との混合ガス雰囲気において、６００℃で３時間の熱処理を行った。この温度での保持後は１５０℃／時間で冷却した。なお、酸素の混合比率が２０．６％の場合としては空気（Ａｉｒ）を用いた。
【００５２】
表３に本実施例３による熱処理雰囲気を変化させた時の発明品と比較品の比抵抗ρ、飽和磁束密度Ｂｓ、及び、５０ｋＨｚ−１５０ｍＴ−８０℃における損失Ｐｃｖを示す。
【００５３】
【表３】
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【００５４】
熱処理雰囲気の酸素量（窒素−酸素ガス中の酸素の混合比率）が５％以上の範囲の発明品は熱処理をしていない比較品（試料Ｎｏ．２３）と比べ、損失Ｐｃｖが小さく、比抵抗ρも１０７Ω・ｃｍ以上であることがわかる。
【００５５】
（実施例４）４９．５ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、２５．５ｍｏｌ％のＮｉＯ、２０．０ｍｏｌ％のＺｎＯ、残部ＣｕＯを秤量し、アトライターを用いて２時間混合した。その後、スプレードライアーで造粒した。その造粒した粉末をロータリーキルンで仮焼した。得られた粉末をアトライターで解砕した。
【００５６】
解砕後、スプレードライアーにて造粒し、トロイダル形状にプレスし、１１５０℃の焼成温度で焼成した。
【００５７】
焼成した試料を大気（Ａｉｒ）雰囲気中、６００℃で０．５〜４時間熱処理を行った。その保持後は１５０℃／時間で冷却した。
【００５８】
表４に本実施例４による保持時間を変化させた時の発明品と比較品の比抵抗ρ、飽和磁束密度Ｂｓ、及び、５０ｋＨｚ−１５０ｍＴ−８０℃における損失を示す。
【００５９】
【表４】
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【００６０】
保持時間が１時間以上の発明品は、熱処理をしていない比較品（試料Ｎｏ．２８）と比べ、損失Ｐｃｖが小さいことがわかる。
【００６１】
（実施例５）４９．５ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、２５．５ｍｏｌ％のＮｉＯ、２０．０ｍｏｌ％のＺｎＯ、残部ＣｕＯを秤量し、アトライターを用いて２時間混合した。その後、スプレードライアーで造粒した。その造粒した粉末をロータリーキルンで仮焼した。得られた粉末をアトライターで解砕した。
【００６２】
解砕後、スプレードライアーにて造粒し、トロイダル形状にプレスし、１１５０℃の焼成温度で焼成した。
【００６３】
焼成した試料を大気（Ａｉｒ）雰囲気中、６００℃で３時間熱処理を行った。その保持後は５０〜２５０℃／時間で冷却した。
【００６４】
表５に本実施例５による冷却速度を変化させた時の発明品と比較品の比抵抗ρ、飽和磁束密度Ｂｓ、及び、５０ｋＨｚ−１５０ｍＴ−８０℃における損失Ｐｃｖを示す。
【００６５】
【表５】
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【００６６】
冷却速度が２００℃／ｈ以下の発明品は熱処理をしていない比較品（試料Ｎｏ．３４）と比べ、損失Ｐｃｖが小さいことがわかる。
【００６７】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明よれば、主成分組成が４８．５〜４９．８ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、１５〜３０ｍｏｌ％のＺｎＯ、３〜１０ｍｏｌ％のＣｕＯのＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料において、焼成した焼成体を、窒素と酸素の混合比率が酸素５％以上の雰囲気中、５００℃〜８００℃で１時間以上の熱処理を行い、熱処理後の冷却速度が２００℃／時間以下とすることにより、低損失な酸化物磁性材料が得られる。
【００６８】
木発明の熱処理を用いることによりヒステリシス損失を低減できる。この損失の低減は焼なまし効果、すなわち、冷却歪みの低減からヒステリシス損失が低減されているものと推察される
【００６９】
この様に、本発明によれば、小形の電源用トランスに好適な低損失のＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系酸化物磁性材料及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明品（試料Ｎｏ．４ｂ）と比較品（試料Ｎｏ．４ａ）の５０ｋＨｚ−１５０ｍＴにおける損失Ｐｃｖの温度特性を示す図。
【図１】
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