(57)【要約】【課題】  ２ＭＨｚ以上の周波数であっても、広い温度範囲で低電力損失とするＭｎＺｎＮｉ系フェライトとこれを用いた電子部品を提供する。【解決手段】  主成分としてＦｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉを有し、副成分としてＣａ及びＳｉと、Ｖａ族酸化物のうちの少なくとも一種を有し、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、ＮｉをＦｅ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＺｎＯ、ＮｉＯ換算で総量を１００モル％としたとき、Ｆｅ２Ｏ３が５７．０〜５９．５モル％、ＮｉＯが３．５〜６．０モル％、ＺｎＯが１２．０モル％以下（０を含まない）、残部がＭｎＯであって、結晶粒の平均結晶粒径が２．０μｍ以下で、周波数２ＭＨｚ、磁束密度７５ｍＴの条件において、４０℃〜１２０℃に電力損失Ｐｃｖの最小値を有し、かつ１００℃における電力損失Ｐｃｖが４５００ｋＷ／ｍ３以下とした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主成分としてＦｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉを有し、副成分としてＣａ及びＳｉと、Ｖａ族酸化物のうちの少なくとも一種を有し、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、ＮｉをＦｅ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＺｎＯ、ＮｉＯ換算で総量を１００モル％としたとき、Ｆｅ２Ｏ３が５７．０〜５９．５モル％、ＮｉＯが３．５〜６．０モル％、ＺｎＯが１２．０モル％以下（０を含まない）、残部がＭｎＯであって、
前記主成分に対してＳｉをＳｉＯ２換算で１００ｐｐｍ以上、ＣａをＣａＣＯ３換算で２４００ｐｐｍ未満含み、ＳｉＯ２とＣａＣＯ３の合計が７００ｐｐｍ以上で、Ｃａ，Ｓｉの組成重量比がＣａＣＯ３，ＳｉＯ２換算でＣａＣＯ３／ＳｉＯ２≧１．５であり、前記Ｖａ族酸化物が少なくともＴａの酸化物であって、前記主成分に対してＴａ２Ｏ５換算で２５０ｐｐｍ超１５００ｐｐｍ以下含有し、
結晶粒の平均結晶粒径が２．０μｍ以下で、
周波数２ＭＨｚ、磁束密度７５ｍＴの条件において、４０℃〜１２０℃に電力損失Ｐｃｖの最小値を有し、かつ１００℃における電力損失Ｐｃｖが４５００ｋＷ／ｍ３以下であることを特徴とする低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライト。
【請求項２】
前記Ｖａ族酸化物として更にＮｂ及び／又はＶを含み、Ｎｂ，Ｖはそれぞれ前記主成分に対してＮｂ２Ｏ５、Ｖ２Ｏ５換算で５０ｐｐｍ以上２５０ｐｐｍ以下含有し、Ｔａ２Ｏ５との総和が３００ｐｐｍ超１５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライト。
【請求項３】
測定磁界１０００Ａ／ｍ、１００℃における飽和磁束密度Ｂｍが４６０ｍＴ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライト。
【請求項４】
前記主成分に対してＣｏを、Ｃｏ３Ｏ４換算で１５００ｐｐｍ以下含有し、
相対温度係数αμｉｒが−４０℃〜＋２０℃で＋１．０×１０−６〜＋４．５×１０−６であり、＋２０℃〜＋１４０℃で＋１．０×１０−６〜＋３．５×１０−６であることを特徴とする請求項１乃至３のいずかに記載の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライト。
【請求項５】
Ｃａ，Ｓｉを含む粒界層を備え、体積抵抗率ρが０．７Ω・ｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライト。
【請求項６】
副成分としてＺｒ，Ｈｆ，Ｓｎ，Ｔｉの少なくともとも一種を含むこと特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライト。
【請求項７】
Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｎ，Ｔｉは、それぞれＺｒＯ２，ＨｆＯ２，ＳｎＯ２，ＴｉＯ２換算で、ＺｒＯ２を１０００ｐｐｍ以下、ＨｆＯ２を１０００ｐｐｍ以下、ＴｉＯ２を１００００ｐｐｍ以下、ＳｎＯ２を１００００ｐｐｍ以下含有することを特徴とする請求項６に記載の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライト。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライトを磁心とし、前記磁心に巻線を施したことを特徴とする電子部品。
【請求項９】
請求項８に記載の電子部品をトランス及び／又はチョークコイルとして用い、２ＭＨｚ以上のスイッチング周波数で動作することを特徴とするスイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源などの電源トランス等の電子部品に用いられるＭｎＺｎＮｉフェライトに関し、特に、１ＭＨｚを超える高周波において低電力損失ＭｎＺｎＮｉフェライトに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器の小型、軽量化に伴い、スイッチング電源の小型化が進められている。スイッチング電源用のトランスやチョークコイル等のインダクタンス素子には、最大磁束密度が高いことから、ＭｎＺｎフェライトやＭｎＺｎＮｉフェライトが広く用いられている。
【０００３】
スイッチング電源回路は、電源供給が必要な様々な場面で用いられるが、例えばパーソナルコンピュータの例に取ると、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などの傍に実装されるＤＣ−ＤＣコンバータがある。
前記ＤＳＰ、ＭＰＵを構成するＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）は、低動作電圧、消費電流の増大の傾向にある。動作電圧の低下は、出力電圧の変動（リップル）に対するＬＳＩ側のマージンの低下を招くが、その対策として、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数を、従来の５００ｋＨｚ程度から、１ＭＨｚ、さらにはそれ以上の周波数に高めることでリップルを小さく抑えこむことが行われている。
【０００４】
他の応用例としてＥＶ（電気自動車）、ＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）等の自動車に用いられる車載用のスイッチング電源回路がある。このような用途では、走行時の環境温度の変化や、様々な負荷状態が生じる。また携帯電話等の移動体通信機器に用いられる場合においても、その使用環境は様々であり、当然環境温度も変化する。
【０００５】
このように最近のスイッチング電源回路は、高い周波数でスイッチングされるとともに、様々な環境で用いられるため、そこに用いられるフェライトコアも、高い周波数で、かつ広い温度範囲で低電力損失のものが求められている。
【０００６】
フェライトコアの電力損失は、ヒステリシス損失、渦電流損失、残留損失からなる。ヒステリシス損失は直流ヒステリシスにより、周波数に比例して変化し、渦電流損失は電磁誘導作用により生じた渦電流よって発生する起電力により、周波数の二乗に比例して増加する。残留損失は残りの損失であって、磁壁共鳴、自然共鳴、拡散共鳴がその要因であるとされている。また、結晶磁気異方性定数Ｋ１が０となる温度で電力損失が最小となることも、当業者において良く知られた事項である。結晶磁気異方性定数Ｋ１が０となる温度は、初透磁率μｉが最大となる温度でもあり、初透磁率μｉのセカンダリーピークとも呼ばれる。
一般的に、スイッチング電源に用いられるフェライトは、電力損失による発熱を見越して、電力損失が最小となる温度を結晶磁気異方性定数Ｋ１によって調整し、スイッチング電源回路が晒される環境温度（１００℃程度）よりも僅かに高い温度に設定して、熱暴走により磁性を失うことを防いでいる。
【０００７】
一方で、ＭｎＺｎフェライトやＭｎＺｎＮｉフェライトは、通常、Ｆｅ２Ｏ３が５０ｍｏｌ％を超えるＦｅ過剰組成であって、スピネル中のＦｅ２＋の存在により、ＮｉＺｎフェライト等と比較して体積抵抗率ρが著しく小さい。このためスイッチング周波数の高周波化は、磁心の渦電流損失を増加させることとなり、結果としてＤＣ−ＤＣコンバータの効率を低下させる場合があった。
この様な問題に対してこれまで種々の取り組みがなされている。例えば、非特許文献１では、アルカリ金属の塩化物の添加により、粒界領域におけるＣａ濃度を増加させ、交流抵抗率を高くして高周波数（１ＭＨｚ）における電力損失を低減することが開示されている。
【０００８】
また特許文献１に開示された酸化物磁性材料では、Ｆｅ２Ｏ３の含有量が５０〜５８モル％、ＮｉＯの含有量が０〜１５モル％（０を含まず）、ＺｎＯの含有量が０〜２０モル％（０を含まず）であり、残部が実質的にＭｎＯから構成され、添加物としてＣａと、Ｔａ．ＢｉおよびＶの一種以上を含有するように構成することで、１００℃〜２００℃の高温度域で、１００ｍＴ〜５００ｍＴの磁界強度で駆動される場合に飽和磁束密度を高くし、電力損失を小さくしている。
【０００９】
また、特許文献２に開示されたフェライト材料では、Ｆｅ２Ｏ３：５２〜６８ｍｏｌ％、ＮｉＯ：０．５〜１０ｍｏｌ％、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ＳｉＯ２：０．０１〜０．１ｗｔ％およびＣａＯ：０．０２〜０．３ｗｔ％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、Ｎｂ２Ｏ５：０．００５〜０．０５ｗｔ％、Ｔａ２Ｏ５：０．００５〜０．１ｗｔ％、Ｖ２Ｏ５：０．００５〜０．０５ｗｔ％、ＺｒＯ２：０．００５〜０．１ｗｔ％、ＨｆＯ２：０．００５〜０．０５ｗｔ％、ＴｉＯ２：０．０５０〜０．５ｗｔ％、ＳｎＯ２：０．０１〜０．５ｗｔ％、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し、１ＭＨｚ、５０ｍＴ、８０℃における損失を３００ｋＷ／ｍ３としている。
【非特許文献１】「Ｍｎ−Ｚｎフェライトの低損失化」  松尾他  日本応用磁気学会誌  Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２，１９９６、第４２９頁〜第４３２頁
【特許文献１】特開平０２−８３２１８号
【特許文献２】特開平１１−３８１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これまで述べてきたように、ＭｎＺｎ系、ＭｎＺｎＮｉ系フェライトの低電力損失化については様々な取り組みや提案が行われ、それぞれは実効的な効果を発揮するものであった。
しかしながら、スイッチング電源のスイッチング周波数は、１ＭＨｚから２ＭＨｚまで進み、更には４ＭＨｚ以上の高周波化についても提案され、また大電流化も進んでいる。
スイッチング電源の効率は、フェライトコアの電力損失に大きく影響されるものであって、スイッチング周波数が２ＭＨｚ以上で、かつ大電流で動作する場合であっても低電力損失であることが求められるが、従前の如く、フェライトコアの低電力損失化のためにはヒステリシス損失、渦電流損失、残留損失のそれぞれを低減することが必要であり、従来のＭｎＺｎ系、ＭｎＺｎＮｉ系フェライトは、前記要求を十分に満足するには到っていない。
【００１１】
そこで本発明の第１の目的は、スイッチング電源が搭載される電子機器が２ＭＨｚ以上の高周波数でスイッチングされ、様々な温度環境に晒される場合であっても高効率で動作可能とするように、２ＭＨｚ以上の周波数において、かつ広い温度範囲で低電力損失なＭｎＺｎＮｉ系フェライトとこれを用いた電子部品、スイッチング電源を提供することである。
また第２の目的は、大電流化への対応のため、高温（１００℃）での飽和磁束密度が大きなＭｎＺｎＮｉ系フェライトとこれを用いた電子部品、スイッチング電源を提供することである。
また第３の目的は、環境温度の変化が著しい場合であってもインダクタンスの変化が小さい、相対温度係数αμｉｒが小さなＭｎＺｎＮｉ系フェライトとこれを用いた電子部品、スイッチング電源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、主成分としてＦｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｉを有し、副成分としてＣａ及びＳｉと、Ｖａ族酸化物のうちの少なくとも一種を有し、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、ＮｉをＦｅ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＺｎＯ、ＮｉＯ換算で総量を１００モル％としたとき、Ｆｅ２Ｏ３が５７．０〜５９．５モル％、ＮｉＯが３．５〜６．０モル％、ＺｎＯが１２．０モル％以下（０を含まない）、残部がＭｎＯであって、前記主成分に対してＳｉを質量基準でＳｉＯ２換算で１００ｐｐｍ以上、ＣａをＣａＣＯ３換算で２４００ｐｐｍ未満含み、ＳｉＯ２とＣａＣＯ３の合計が７００ｐｐｍ以上で、Ｃａ，Ｓｉの組成重量比がＣａＣＯ３，ＳｉＯ２換算でＣａＣＯ３／ＳｉＯ２≧１．５であり、前記Ｖａ族酸化物が少なくともＴａの酸化物であって、前記主成分に対してＴａ２Ｏ５換算で２５０ｐｐｍ超１５００ｐｐｍ以下（質量基準）含有し、結晶粒の平均結晶粒径が２．０μｍ以下で、周波数２ＭＨｚ、磁束密度７５ｍＴの条件において、４０℃〜１２０℃に電力損失Ｐｃｖの最小値を有し、かつ１００℃における電力損失Ｐｃｖが４５００ｋＷ／ｍ３以下であることを特徴とする低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライトである。
【００１３】
本発明においては、前記Ｖａ族酸化物として更にＮｂ及び／又はＶを含むのが好ましい。この場合、Ｎｂ，Ｖはそれぞれ前記主成分に対してＮｂ２Ｏ５、Ｖ２Ｏ５換算で５０ｐｐｍ以上２５０ｐｐｍ以下（質量基準）であり、Ｔａ２Ｏ５との総和が３００ｐｐｍ超１５００ｐｐｍ以下である。
【００１４】
本発明の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライトは、測定磁界１０００Ａ／ｍ、１００℃における飽和磁束密度Ｂｍが４６０ｍＴ以上であることも特徴としている。飽和磁束密度が大きければ、大きな電流に対しても容易に磁気飽和する事が無いので、優れた直流重畳特性が得られる。
【００１５】
本発明においては、前記主成分の総量に対して質量基準で、ＣｏをＣｏ３Ｏ４換算で１５００ｐｐｍ以下含有することで、相対温度係数αμｉｒを−４０℃〜＋２０℃で＋１．０×１０−６〜＋４．５×１０−６、＋２０℃〜＋１４０℃で＋１．０×１０−６〜＋３．５×１０−６とするとともに、残留磁束密度Ｂｒを低減している。
このため高い飽和磁束密度Ｂｍを維持しながら残留磁束密度Ｂｒとの差を大きく出来るので、更に直流重畳特性を改善し、インダクタに流れる直流電流が増加しても急激にインダクタンス値が変化することなく、また温度変化に対しても安定したインダクタンス値を得ることが出来る。
【００１６】
また本発明の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライトでは、フェライト結晶の周囲にＣａ，Ｓｉを含む粒界層を形成して、体積抵抗率ρを０．７Ω・ｍ以上としている。体積抵抗率ρは好ましくは１Ω・ｍ以上である。
【００１７】
副成分としてＺｒ，Ｈｆ，Ｓｎ，Ｔｉの少なくともとも一種を含んでいても良い。Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｎ，Ｔｉの含有量は、それぞれＺｒＯ２，ＨｆＯ２，ＳｎＯ２，ＴｉＯ２換算で、ＺｒＯ２を１０００ｐｐｍ以下、ＨｆＯ２を１０００ｐｐｍ以下、ＴｉＯ２を１００００ｐｐｍ以下、ＳｎＯ２を１００００ｐｐｍ以下であるのが望ましい。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライトを磁心とし、前記磁心に巻線を施した電子部品である。
【００１９】
第３の発明は、第２の発明の電子部品をトランス及び／又はチョークコイルとして用い、２ＭＨｚ以上のスイッチング周波数で動作するスイッチング電源である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、２ＭＨｚ以上の周波数、１００℃程度の高温環境下において、高磁界強度（大電流）で駆動される場合であっても低電力損失であり、高温（１００℃）での飽和磁束密度が大きく、さらには相対温度係数αμｉｒ、残留磁束密度Ｂｒが小さなＭｎＺｎＮｉ系フェライトを得ることが出来る。このため、このＭｎＺｎＮｉ系フェライトを用いた電子部品は直流重畳時において安定したインダクタンス値が得られるとともに、温度変化に対して安定したインダクタンス値が得られるとともに、優れた効率のスイッチング電源を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
フェライトの電力損失は、ヒステリシス損失Ｐｈ、渦電流損失Ｐｅ、残留損失Ｐｒで表され、前記各損失Ｐｈ、Ｐｅ、Ｐｒは周波数によって変化し、また周波数帯によって、全体の電力損失に占める割合も異なる。数１は電力損失Ｐｃｖを表す数式である。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
ここで、Ｂｍは測定磁束密度、ｆは測定周波数、ρは体積抵抗率、ｄは渦電流半径（結晶粒径の１／２に近似される）、Ｋｈ、Ｋｅは定数である。
ヒステリシス損失Ｐｈは、専らＭｎＺｎフェライトの飽和磁化、保磁力によって決まり、周波数に対して比例増加する。渦電流損失Ｐｅは、結晶粒径の１／２の二乗、周波数の二乗に比例し、体積抵抗率ρに反比例する。また、残留損失Ｐｒは５００ｋＨｚ以上の周波数で顕在化する損失である。即ち、ヒステリシス損失Ｐｈ、渦電流損失Ｐｅ、残留損失Ｐｒは周波数によって変化し、また周波数帯によって、全体の電力損失に占める割合も異なる。
【００２４】
また結晶磁気異方性定数Ｋ１、磁歪定数λｓが０の組成で、初透磁率μｉが大きな値を示し、ヒステリシス損失Ｐｈが小さな値を示すことが知られている。したがって、所望の温度で、周波数２ＭＨｚでの電力損失Ｐｃｖを低減するとともに、大きな初透磁率μｉを得ようとすれば、フェライト組成、微細組織等を最適化して、スピネルを構成する正の結晶磁気異方性定数Ｋ１、負の結晶磁気異方性定数Ｋ１を示す金属イオンの量を適宜調整することが必要である。
【００２５】
スピネルを構成する金属イオンは、正のＫ１を示す金属イオンとしてＦｅ２＋があり、負のＫ１を示す金属イオンとしてＦｅ３＋、Ｚｎ２＋、Ｍｎ２＋、Ｎｉ２＋がある。それぞれの結晶磁気異方性定数Ｋ１は、キュリー温度Ｔｃに向かって温度が上昇するに従い漸次０に近づく。
フェライト全体の磁気異方性はフェライトの組成によって変わる。即ち、結晶磁気異方性定数Ｋ１＝０となる温度は、金属イオンの結晶磁気異方性定数Ｋ１の総和によって決まり、Ｆｅ２Ｏ３やＭｎＯ、ＮｉＯ等の組成量を変化させると、Ｆｅ２＋量や他の金属イオンの増減などによって、電力損失Ｐｃｖが最小となる温度が変化する。通常チョークコイルやトランス等の電子部品では、用いられる温度範囲において低側でＫ１＜０であり、温度が高くなるとともに増加して高温ではＫ１＞０となるように構成される。そしてキュリー温度Ｔｃに至るまでに結晶磁気異方性定数Ｋ１＝０となる温度を有し、電力損失が最小となる温度を適宜設定することが必要である。
しかしながら飽和磁束密度Ｂｓ、キュリー温度Ｔｃ、初透磁率μｉなどの要求特性による制限から、組成選択の自由度は少ないのが実際である。またＦｅ２Ｏ３が５９．５ｍｏｌ％超、ＮｉＯが６ｍｏｌ％超となる組成では、外部磁場印加によって得られる磁化曲線（Ｂ−Ｈループ）が原点付近でくびれ、いわゆるパーミンバー型となりやすく、保磁力（Ｈｃ）の増加を招き、電力損失も増加する。
そこで以上の観点から、本発明では、主成分としてＦｅ２Ｏ３が５７．０〜５９．５モル％、ＮｉＯが３．５〜６．０モル％、ＺｎＯが１２．０モル％以下（０を含まない）、残部がＭｎＯの組成範囲を選択した。
【００２６】
さらにＦｅ，Ｍｎ，Ｚｎ，Ｎｉの他に、正の結晶磁気異方性定数Ｋ１を有する金属イオンとしてＣｏ２＋を加えることで、損失の温度変化が小さくなって広い温度範囲において低損失で、かつ相対温度係数αμｉｒを小さくすることが出来る。しかも残留磁束密度Ｂｒが低減できるので、ヒステリシス損失が低減するとともに、直流重畳特性も改善することが出来る。しかしながら、このような効果は、Ｃｏの含有量が多すぎると、磁化曲線（Ｂ−Ｈループ）がパーミンバー型となりやすく、また低温側で磁気異方性定数が正の側に大きなリすぎて却って劣化する場合がある。このため、Ｃｏの組成量はＦｅ，Ｎｉの組成量とともに適宜設定することが必要となり、本発明では添加するＣｏを、Ｃｏ３Ｏ４換算で１５００ｐｐｍ以下とした。
【００２７】
さらに本発明のＭｎＺｎＮｉ系フェライトにおいては、このような主成分に対して、Ｓｉ，Ｃａ，Ｖａ族の金属元素の副成分が含有される。ＳｉやＣａは素原料中に含まれる不純物の一であるが、本発明のＭｎＺｎＮｉ系フェライトでは、これら素原料中に含まれるＳｉやＣａを含めて所定の範囲とし、フェライト焼結体においてＳｉ，Ｃａを粒界に多く存在させて、結晶粒を絶縁することで体積抵抗率ρを高抵抗化している。もって周波数２ＭＨｚ、磁束密度７５ｍＴ、温度１００℃における前記電力損失Ｐｃｖの最小値を４５００ｋＷ／ｍ３以下とした。
【００２８】
ＳｉとＣａは、Ｆｅの酸化物と低融点の複合酸化物を形成しやすく、その添加量によってはフェライト焼結体の緻密化を阻害したり、結晶粒径を大きくしたり、またその分布を広いものとする場合があるが、所定量添加することで、共同して体積抵抗率ρを高めて相対損失係数ｔａｎδ／μｉを小さくする効果を発揮する。本発明者等が鋭意研究の結果、Ｃａ，Ｓｉの組成重量比がＣａＣＯ３，ＳｉＯ２換算でＣａＣＯ３／ＳｉＯ２≧１．５であり、ＳｉをＳｉＯ２換算で１００ｐｐｍ以上、ＣａをＣａＣＯ３換算で２４００ｐｐｍ未満含み、ＳｉＯ２とＣａＣＯ３の総和が７００ｐｐｍ以上である場合に、結晶粒の周囲に数ｎｍの均一な厚みの粒界層を形成し、Ｃａ，Ｓｉの複合効果が発揮されることを知見した。
結晶粒界は極めて薄いため、その結晶状態を確認するのは困難であるが、粒界三重点をスポット電子線回折によって分析したところ、ＣａＣＯ３／ＳｉＯ２が１．３程度以上のフェライト焼結体の場合には、粒界三重点に非晶質相が形成されているのを確認している。このことから、結晶粒界層は体積抵抗率の大きな非晶質相で形成されていると考えられる。
一方、ＣａＣＯ３／ＳｉＯ２が１．５未満であると、電力損失Ｐｃｖが著しく増加する。これは結晶粒界層にＳｉＯ２やＣａＯ、あるいはその化合物結晶が現れ、結晶粒界層に部分的な欠陥を生じることによって体積抵抗率ρが低下し、その結果、電力損失Ｐｃｖが増加するのであると推察している。
【００２９】
結晶粒界を非晶質相とするためには、副成分の含有割合やフェライト焼成条件等が要因として挙げられる。フェライト焼成条件としては、１０００℃から６００℃までの冷却速度を１５０〜５００℃／ｈｒの範囲内で、組成に応じた冷却速度制御を採択すればよい。
【００３０】
Ｓｉ、Ｃａは、専ら結晶粒界及びその三重点に偏析するが、焼成工程の途中ではＣａはスピネル相に固溶し、焼成後も一部が固溶し結晶粒内に残留する場合がある。スピネル相に固溶するＣａが多くなると、当然粒界層のＣａが減少し場合によっては不足する。一方、スピネル相に固溶するＣａはスピネル中のＦｅ２＋の減少をもたらす。Ｃａの固溶量が多いほどＦｅ２＋は減少するため、結晶粒内の抵抗を高めて体積抵抗率ρを増加させることが出来る。
従って、高い体積抵抗率ρを得て低電力損失なＭｎＺｎＮｉ系フェライトとするには、スピネル相にＣａを固溶させてＦｅ２＋を低減しながら、スピネル相に固溶するＣａよりも結晶粒界に偏析するＣａが多くなるように適宜調整して、高抵抗の結晶粒界を形成することが有効であると言える。このような調整は、後述する焼成温度と焼成雰囲気によって行うことが出来る。
【００３１】
フェライトを構成する原材料には、不純物として硫黄Ｓ、塩素Ｃｌ、リンＰ、ホウ素Ｂなどが含まれる場合がある。本発明においては、これら不純物を特に規定するものではないが、減じることで電力損失の低減、透磁率の向上が得られることが経験的に知られている。特にＳについては、Ｃａとの化合物を生じて結晶粒界に異物として偏析し、体積抵抗率ρを低下させ、渦電流損失を増加させる場合がある。このため、電力損失の更なる低減のためには、不純物を減じ、好ましくは、Ｓを３００ｐｐｍ以下、Ｃｌを１００ｐｐｍ以下、Ｐを１０ｐｐｍ以下、Ｂを１ｐｐｍ以下とするのが好ましい。
【００３２】
本発明においては、他の副成分としてＶａ族酸化物のうちＴａ２Ｏ５を必須とする。更にＮｂ２Ｏ５，Ｖ２Ｏ５を添加するのも好ましい。これらの成分は、Ｓｉ、Ｃａとともに結晶粒界層に現れ、前記粒界層を高抵抗化し、もって電力損失を低損失化するのに寄与する。特に、Ｔａは融点もＮｂ、Ｖより高く、Ｃａ，ＳｉとＦｅの酸化物による低融点化を有効に阻止できるため、極めて有効である。このＴａ，Ｎｂ，Ｖは、それぞれＴａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５換算で、総和２５０ｐｐｍ超１５００ｐｐｍ以下含有するのが好ましい。それ以上であると、電力損失が増加するように転じ、また初透磁率μｉが減少する傾向があり、好ましくない。
【００３３】
また本発明においては、他の副成分としてＺｒ，Ｈｆ，Ｓｎ，Ｔｉの少なくとも一種を含むことが出来る。なお、前記Ｔａ，Ｎｂとの複合添加も可能であり、その場合には相乗的な電力損失の改善を得ることが出来る。前記Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｎ，Ｔｉは４価の安定な金属イオンであって、結晶粒内にＣａとともに固溶して体積抵抗率を増加させ、電力損失Ｐｃｖを低減することができる。また前記成分の添加によってスピネル中のＭｎ３＋がＭｎ２＋へ変化し、初透磁率μｉを向上させることが出来る。なお前記成分は専ら結晶粒内に存在するが、その一部が結晶粒界に存在する場合もある。Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｎ，Ｔｉは、それぞれＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｎＯ２，ＴｉＯ２換算で、ＺｒＯ２を１０００ｐｐｍ以下、ＨｆＯ２を１０００ｐｐｍ以下、ＴｉＯ２を１００００ｐｐｍ以下、ＳｎＯ２を１００００ｐｐｍ以下含有するのが好ましい。前記組成量を超えると、異常粒成長を生じ易く電力損失の劣化や飽和磁束密度の低下を招くので好ましくない。
【００３４】
本発明のＭｎＺｎＮｉ系フェライトにおいては、平均結晶粒径を２μｍ以下として小さくし、また均一として渦電流損失を低減するとともに、結晶粒の微細化によって磁壁を少なくすることで磁壁共鳴による損失を減じるようにしている。平均結晶粒径の微細化は、焼成に供する前のフェライト仮焼成粉を１μｍ未満に微粒子化することで行った。
フェライト仮焼成粉を微粒子化すると、焼成において低い温度からの緻密化が促進され、１２００℃未満の低い焼成温度であってもフェライトを緻密化させることが出来、もって得られる結晶粒径は小さく、また均一なものとすることが出来る。
【００３５】
そして本発明のＭｎＺｎＮｉ系フェライトでは、その焼成を以下の様に行った。
予め所定量に秤量したＦｅ２Ｏ３，ＭｎＯ（Ｍｎ３Ｏ４を使用），ＺｎＯ，ＮｉＯを仮焼成し、粉砕した後、ＳｉＯ２、ＣａＣＯ３及びその他の副成分を適宜添加混合し、造粒、成形の後、焼成に供する。前記焼成工程は所定温度域で保持する保持過程と、前記保持過程の前段の昇温過程と、前記保持過程に続く降温過程を含み、室温から９００℃にいたる間の昇温過程においては大気中で行い、前記温度にてＮ２で置換し、１１５０℃に設定された保持過程では酸素濃度を０．２％ないし２％の範囲で制御し、さらに降温過程は平衡酸素分圧あるいはＮ２雰囲気とした。Ｃａは酸素濃度が高いほど結晶粒界に偏析し、１１００℃を超える高温では、低酸素分圧〜Ｎ２雰囲気中においてスピネル相への固溶が生じることが知られている。そこで本発明においては、酸素分圧を調整することによってＣａを粒界に偏析させるとともに、粒内に固溶するＣａを適宜制御して電力損失を低減した。
【実施例１】
【００３６】
以下、具体的実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
主成分の原料には、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｎＯ（Ｍｎ３Ｏ４を使用）、ＮｉＯおよびＺｎＯを用い、これらを湿式混合した後乾燥させ、９００℃で２時間仮焼成した。次いで、ボールミルに仮焼成粉と、ＳｉＯ２、ＣａＣＯ３、Ｔａ２Ｏ５を加えて粉砕粒径が０．７５〜０．９μｍとなるまで粉砕・混合した。得られた混合物にバインダとしてポリビニルアルコールを加え、スプレードライヤーにて顆粒化した後、所定形状に成形し、焼成して外径φ１４ｍｍ×内径φ７ｍｍ×厚み５ｍｍのトロイダル磁心を得た。
焼成は、室温から９００℃にいたる間の昇温過程においては大気中で行い、前記温度にてＮ２で置換し、１１５０℃に設定された保持過程では酸素濃度が０．５％で保持時間を５時間とし、降温過程においては１１５０℃から９００℃の間は平衡酸素分圧で、１００℃／ｈｒの冷却速度とし、９００℃以降はＮ２雰囲気として２００℃／ｈｒの冷却速度とした。
表１に各試料の主成分、副成分の組成量を示す。あわせて得られた試料について、電力損失Ｐｃｖの温度依存性、初透磁率μｉ、損失係数ｔａｎδ／μｉ、体積抵抗率ρ、密度ｄｓを評価した結果を示す。なお表中、試料Ｎｏの前に＊が付されているものは比較例であり、それ以外が実施例である。
【００３７】
【表１】
2007051052.tif 000004
【００３８】
電力損失Ｐｃｖは岩崎通信機株式会社製のＢ−Ｈアナライザ（ＳＹ−８２３２）を用い、２ＭＨｚ、７５ｍＴの正弦波交流磁界を印加し、２０℃〜１２０℃における損失を測定した。１００ｋＨｚにおける初透磁率μｉ、相対損失係数ｔａｎδ／μｉは、ヒューレッドパッカード株式会社製ＨＰ−４２８４Ａ、体積抵抗率ρはマルチメータを用いて測定した。また、密度ｄｓはアルキメデス法により評価した。
【００３９】
これらの実施例の試料について３つの結晶粒の合わさった結晶粒界（粒界三重点）についてＴＥＭ（透過電子顕微鏡：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像観察を行ったところ、いずれにおいても非晶質相から形成されていることを確認した。２つの結晶粒の境界（粒界）に形成された粒界層はいずれも数ｎｍであった。また、組成は粒界三重点、粒界いずれもＣａ，Ｓｉ以外にＴａを含有する結果を得た。
【００４０】
図１及び図２は温度と電力損失Ｐｃｖとの関係を示す図であり、ＮｉＯ量を適宜変化させた試料Ｎｏ．１〜１２の温度特性を示す。ＮｉＯ量が増加するに従い、Ｎｉ２＋の金属イオンの結晶磁気異方性定数Ｋ１によって、結晶磁気異方性定数Ｋ１＝０となる温度、即ち電力損失Ｐｃｖが最小となる温度が上昇する。また、飽和磁歪定数λｓも変化し、最適な組成から外れていくため電力損失Ｐｃｖが最小値も上昇する。また、試料Ｎｏ．６〜１２は、試料Ｎｏ．１〜５よりもＦｅ２Ｏ３を増やした試料であるが、結晶磁気異方性定数Ｋ１や飽和磁歪定数λｓが変化し、電力損失Ｐｃｖが最小となる温度が僅かに低下するとともに、電力損失Ｐｃｖが最小値は、試料Ｎｏ．１〜５よりも低下した。Ｆｅ２Ｏ３を増加することで、キュリー温度が高くなり、飽和磁束密度も高めることが出来る。
【実施例２】
【００４１】
表２に他の実施例における各試料の主成分、副成分の組成量と、電力損失Ｐｃｖの温度存性、初透磁率μｉ、損失係数ｔａｎδ／μｉ、体積抵抗率ρ、密度ｄｓを示した。本実施例は、Ｆｅ２Ｏ３量、ＺｎＯ量を適宜変化させたものである。試料の作製方法、評価方法は実施例１と同様なのでその説明を省く。
【００４２】
【表２】
2007051052.tif 000005
【００４３】
Ｆｅ２Ｏ３量が少ないと電力損失Ｐｃｖが大きく、Ｆｅ２Ｏ３量が多いと電力損失Ｐｃｖは減少するが、初透磁率μｉも減少し、６０ｍｏｌ％を超えると初透磁率μｉは５００未満と成った。
【実施例３】
【００４４】
表３に他の実施例における各試料の主成分、副成分の組成量と電力損失Ｐｃｖの温度依存性、初透磁率μｉ、損失係数ｔａｎδ／μｉ、体積抵抗率ρ、密度ｄｓを示した。本実施例は、ＣａＣＯ３量、ＳｉＯ２量を適宜変化さたものである。試料の作製方法、評価方法は各実施例と同様なのでその説明を省く。
【００４５】
【表３】
2007051052.tif 000006
【００４６】
本実施例によれば、ＳｉをＳｉＯ２換算で１００ｐｐｍ以上、ＣａをＣａＣＯ３換算で２４００ｐｐｍ未満含み、ＳｉＯ２とＣａＣＯ３の合計が７００ｐｐｍ以上で、Ｃａ，Ｓｉの組成重量比がＣａＣＯ３，ＳｉＯ２換算でＣａＣＯ３／ＳｉＯ２≧１．５とすれば、４０℃〜１２０℃に電力損失Ｐｃｖの最小値を有し、周波数２ＭＨｚ、磁束密度７５ｍＴ、温度１００℃における前記電力損失Ｐｃｖの最小値が４５００ｋＷ／ｍ３以下の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライトが得られる。
このような高温域側での低損失化、及び電力損失Ｐｃｖの温度依存性の低減は、例えば自動車の周りに用いられ、低温から高温の様々の温度に晒される電子部品において極めて有用だと言える。なお、他の実施例におけるＭｎＺｎＮｉフェライトの場合も、電力損失が最小となる温度は４０〜１２０℃の間となっていた。
【００４７】
実施例のＭｎＺｎフェライトの平均結晶粒径は１．３〜１．９μｍであった。一方、Ｃａを多く含む試料Ｎｏ．３１，３５，３９で平均結晶粒径が２μｍを超え、３．１〜３．５μｍで電力損失が大きい。粒径が大きくなると渦電流損失、残留損失の増加をもたらすので、結晶粒径は２μｍ以下が好ましい。なお平均結晶粒径は、濃塩酸でエッチング後の試料表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で３０００倍にて写真撮影し、この写真上に３０μｍ相当長さの線を引き（ｎ＝５本）、線上の結晶を数え求めた。
【００４８】
また試料Ｎｏ．２９について、磁束密度ならびに保持力を、直流磁化特性試験装置（メトロン技研株式会社製ＳＫ−１１０型）を用い、最大磁化を１０００Ａ／ｍとして測定した。結果を表４に示す。本実施例によれば、高温（１００℃）環境下であっても、４６０ｍＴ以上の高い飽和磁束密度が得られる。
【００４９】
【表４】
2007051052.tif 000007
【実施例４】
【００５０】
表５に他の実施例における各試料の主成分、副成分の組成量と電力損失Ｐｃｖの温度依存性、初透磁率μｉ、損失係数ｔａｎδ／μｉ、体積抵抗率ρ、密度ｄｓを示した。本実施例は、Ｖａ族酸化物のＴａ２Ｏ５量、Ｎｂ２Ｏ５量を適宜変化させたものである。試料の作製方法、評価方法は各実施例と同様なのでその説明を省く。
【００５１】
【表５】
2007051052.tif 000008
【００５２】
本実施例によれば、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５換算で、総和が３００ｐｐｍ超１５００ｐｐｍ以下であれば、周波数２ＭＨｚ、磁束密度７５ｍＴ、温度１００℃における電力損失Ｐｃｖの最小値が４５００ｋＷ／ｍ３以下の低損失ＭｎＺｎＮｉ系フェライトが得られた。
【実施例５】
【００５３】
表６に他の実施例における各試料の主成分、副成分の組成量と電力損失Ｐｃｖの温度依存性、初透磁率μｉ、損失係数ｔａｎδ／μｉ、体積抵抗率ρ、密度ｄｓを示した。本実施例は、ＩＶａ族、ＩＶｂ族のＳｎＯ２量、ＴｉＯ２量を適宜変化さたものである。試料の作製方法、評価方法は各実施例と同様なのでその説明を省く。
【００５４】
【表６】
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【００５５】
本実施例によれば、ＩＶａ族、ＩＶｂ族の酸化物を添加することで、電力損失Ｐｃｖを改善することが出来る。なお本実施例で開示されていない、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２についても同様の効果を発揮することを確認している。
【実施例６】
【００５６】
表７、表８に他の実施例における各試料の主成分、副成分の組成量と電力損失Ｐｃｖの温度依存性、初透磁率μｉ、損失係数ｔａｎδ／μｉ、体積抵抗率ρ、密度ｄｓを示した。また表９には磁束密度ならびに保持力を示す。本実施例は、更にＣｏ３Ｏ４を添加し、その添加量を適宜変化させたものである。試料の作製方法、評価方法は各実施例と同様なのでその説明を省く。
【００５７】
【表７】
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【００５８】
【表８】
2007051052.tif 000011
【００５９】
【表９】
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【００６０】
また表１０に２０℃を基準とした相対温度係数αμｉｒを示す。なお、相対温度係数αμｉｒは次式で求めた。本実施例によれば、Ｃｏを添加することで、電力損失Ｐｃｖを改善するとともに、広い温度範囲で低電力損失とすることが出来る。また相対温度係数αμｉｒを改善することも出来る。
【００６１】
【数２】
2007051052.tif 000013
【００６２】
【表１０】
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【実施例７】
【００６３】
図３は本発明のＭｎＺｎＮｉ系フェライトを用いて形成した外形寸法が幅３．８ｍｍ×長さ５．０ｍｍ×高さ４．５ｍｍのＵコア１である。このＵコア１の２つの脚部に一次巻線３ａ、二次巻線３ｂを行い、更に前記脚部を橋架するＩコア２を組み合わせて図４に示すトランスを構成した。得られたトランスを図５に示すＤＣ−ＤＣコンバータの負荷に対する絶縁と電圧変換を行うＶＴＭ（ｖｏｌｔａｇｅ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｍｏｄｕｌｅ）のトランス部に用いた。その結果、効率を著しく向上させることが出来た。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、２ＭＨｚ以上の周波数、１００℃程度の高温環境下において、高磁界強度（大電流）で駆動される場合であっても低電力損失であり、高温（１００℃）での飽和磁束密度が大きく、さらには相対温度係数αμｉｒ、残留磁束密度Ｂｒが小さなＭｎＺｎＮｉ系フェライトを得ることが出来る。このため、このＭｎＺｎＮｉ系フェライトを用いた電子部品は直流重畳時において安定したインダクタンス値が得られるとともに、温度変化に対して安定したインダクタンス値が得られるとともに、優れた効率のスイッチング電源を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施例に係るＭｎＺｎＮｉ系フェライトの周波数２ＭＨｚ、磁束密度７５ｍＴにおける電力損失と温度との関係を示す図である。
【図２】本発明の他の実施例に係るＭｎＺｎＮｉ系フェライトの周波数２ＭＨｚ、磁束密度７５ｍＴにおける電力損失と温度との関係を示す図である。
【図３】本発明の一実施例に係るＭｎＺｎＮｉ系フェライトを用いて構成したＵ型磁心の斜視図である。
【図４】本発明の一実施例に係るＭｎＺｎフェライトを用いて構成したＵ型磁心の巻線を施し、Ｉ型磁心と組み合わせたのトランスの斜視図である。
【図５】本発明の一実施例に係るＭｎＺｎフェライトを用いて構成されるＤＣ−ＤＣコンバータの回路ブロック図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  Ｕ型磁心（コア）
２  Ｉ型磁心（コア）
３ａ、３ｂ  巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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