(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ２Ｏ３：５３〜５７ｍｏｌ％、ＺｎＯ：４〜１１ｍｏｌ％およびＮｉＯ：０．５〜４ｍｏｌ％を含み、残部実質的にＭｎＯの組成になる基本成分中に、ＳｉＯ２：０．００５０〜０．０５００ｗｔ％およびＣａＯ：０．０２００〜０．２０００ｗｔ％を含有し、さらにＴａ２Ｏ５，ＺｒＯ２，Ｎｂ２Ｏ５，Ｖ２Ｏ５，ＴｉＯ２およびＨｆＯ２のうちから選ばれるいずれか１種または２種以上の添加成分を下記範囲で含有し、８０℃における飽和磁束密度が４５０ｍＴ以上であることを特徴とする低損失フェライト磁心材料。
記
Ｔａ２Ｏ５：０．００５０〜０．１０００ｗｔ％
ＺｒＯ２：０．０１００〜０．１５００ｗｔ％
Ｎｂ２Ｏ５：０．００５０〜０．０５００ｗｔ％
Ｖ２Ｏ５：０．００５０〜０．０５００ｗｔ％
ＴｉＯ２：０．０５００〜０．３０００ｗｔ％
ＨｆＯ２：０．００５０〜０．０５００ｗｔ％
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、低損失フェライト磁心材料の関し、特に、スイッチング電源などの電源トランス等に供して好適な、高い飽和磁束密度を有する低損失フェライト磁心材料について提案する。
【０００２】
【従来の技術】
フェライトと称される酸化物磁性材料は、BaフェライトやSrフェライトなどの硬質磁性材料とMnZnフェライトやNiZn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、非常にわずかな磁場に対しても十分に磁化する材料であり、電源や通信機器、計測制御機器、磁気記録材料、コンピュータなどの多方面にわたって用いられる重要な磁性材料である。それ故に、この軟質磁性材料には、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の多くの特性が要求される。
【０００３】
このような軟質磁性材料としては、上記フェライト以外に金属系の磁性材料が挙げられる。この金属磁性材料は、酸化物磁性材料と比べると飽和磁束密度が高く、この点では有利である。しかしながら、金属磁性材料は、電気抵抗が低いために、高周波帯域で使用する際には渦電流に起因する磁気損失が大きくなり、高周波帯域まで低損失でかつ高い透磁率を維持することができないという欠点があった。
【０００４】
そのため、電子機器の小型化、高密度化に伴って使用周波数帯域の高周波化が進む今日では、上記金属磁性材料は、例えばスイッチング電源等に用いられる  100kHz以上の周波数帯域では、渦電流損による発熱が大きくなるので、その適用はほとんど不可能であった。
【０００５】
このような背景から、高周波数帯域で用いる電源用トランスの磁心材料としては、酸化物系のMnZnフェライトを用いることが主流となっている。
【０００６】
さて、電源用トランスの磁心材料として用いられる電源用MnZnフェライトに対しては、飽和磁束密度が高いこと、キュリー温度が高いことおよび低損失であることが要求される。
【０００７】
このうち、磁性材料の低損失化については、磁気損失を支配する要因として磁気異方性定数Ｋ1 ならびに磁歪定数λが知られており、MnZn系フェライト材料においても、これらのパラメータが損失を最小とするようなMnＯ−ZnＯ−Fe2O3 三元系の組成領域が従来から選択されている。即ち、磁気損失が小さくなる組成領域とは、電源用トランスの動作温度（80℃）付近の温度において、磁気異方性定数Ｋ1 ならびに飽和磁歪定数λs がともに小さい三元系の組成領域である。従って、磁気損失は、この領域から外れるにつれ増加の一途をたどる。
【０００８】
また、飽和磁束密度については、その値を改善するにはコアの焼結体密度を高くする必要があるが、MnZn系フェライトの基本成分に着目すれば、Fe2O3 の含有量が多いほど飽和磁束密度が高くなることが知られている。ところが、ZnＯの含有量がゼロに近い組成領域においてはZnＯ量の増加に伴いこの飽和磁束密度は高くなるが、ZnＯ量がさらに増加すると、相対的に Fe2O3の含有量が少なくなるので、逆に飽和磁束密度は低下する傾向にある。しかもこのZnＯ量の増加はキュリー温度の低下ももたらす。
このように、上記の各磁気特性は、Mn−Znフェライトの基本成分であるMnＯ：ZnＯ：Fe2O3 の比でほぼ決まるものである。
【０００９】
このような事実に鑑みて、従来、上記電源用Mn−Zn系フェライトの要求特性である高飽和磁束密度と低損失の両者を満足させることを目的として、特開平４−318904号公報では、MnＯ−ZnＯ−Fe2O3 三元系フェライトのFe2O3 の一部をNiＯで置換すると共に添加物としてCaＯとSiO2を添加したMnZnフェライトコアが提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記提案にかかるMnZnフェライトコアは、100kHzにおける損失が400 kW／m3程度であり、ある程度の飽和磁束密度の向上と損失低下が図れるとしても、今日のスイッチング電源に適用されている100kHz〜500kHz程度の比較的広い周波数帯域において要求される値から判断すると、特性的に未だ不十分なものであった。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、100kHz〜500kHz程度の比較的広い周波数帯域において、低損失でかつ高い飽和磁束密度を有するフェライト磁心材料を提供することにある。
【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、MnＯ−ZnＯ−Fe2Ｏ3三元系フェライトにNiＯ、SiＯ2およびCaＯを含有させた成分組成に基づいて鋭意研究を行った。その結果、上記成分組成におけるNiＯ含有量を幾分高くするとともに、微量添加成分として、Ta2Ｏ5，ZrＯ2，Nb2Ｏ5，Ｖ2Ｏ5，TiＯ2およびHfＯ2のうちから選ばれるいずれか１種または２種以上を好適範囲で添加含有させることにより、100ｋＨz〜500ｋＨzの周波数帯域で高い飽和磁束密度を維持しつつ低損失を実現できることを見いだした。
【００１３】
すなわち、この発明の低損失フェライト磁心材料は、Ｆｅ２Ｏ３：５３〜５７ｍｏｌ％、ＺｎＯ：４〜１１ｍｏｌ％およびＮｉＯ：０．５〜４ｍｏｌ％を含み、残部実質的にＭｎＯの組成になる基本成分中に、ＳｉＯ２：０．００５０〜０．０５００ｗｔ％およびＣａＯ：０．０２００〜０．２０００ｗｔ％を含有し、さらにＴａ２Ｏ５，ＺｒＯ２，Ｎｂ２Ｏ５，Ｖ２Ｏ５，ＴｉＯ２およびＨｆＯ２のうちから選ばれるいずれか１種または２種以上の添加成分を下記範囲で含有し、８０℃における飽和磁束密度が４５０ｍＴ以上であることを特徴とするものである。
記
Ｔａ２Ｏ５：０．００５０〜０．１０００ｗｔ％
ＺｒＯ２：０．０１００〜０．１５００ｗｔ％
Ｎｂ２Ｏ５：０．００５０〜０．０５００ｗｔ％
Ｖ２Ｏ５：０．００５０〜０．０５００ｗｔ％
ＴｉＯ２：０．０５００〜０．３０００ｗｔ％
ＨｆＯ２：０．００５０〜０．０５００ｗｔ％
【００１４】
なお、この発明にかかる上記低損失フェライト磁心材料は、電源トランスとして使用される温度、即ち８０℃における飽和磁束密度が４５０ｍＴ以上であることが必要である理由は、飽和磁束密度（Ｂｍ）を大きくすることにより、この値と残留磁束密度（Ｂｒ）との差で定義される動作磁束密度ΔＢ（＝Ｂｍ−Ｂｒ）を大きくすることができるからである。これは、電源トランスにおいて、幅広い磁場の値に対して、十分な磁束の応答ができる、すなわち、良好な電圧制御を行うことができることを意味する。従来の材料では、室温で５００ｍＴ以上の飽和磁束密度の値を示しても、８０℃では４００ｍＴ付近の値となっていた。また、本発明の範囲においては、動作温度における残留磁束密度は従来材料のものと変わらないことがわかっている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明において、成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。
・Fe2O3 ：53〜57 mol％
Fe2O3 の含有量は、少なすぎると飽和磁束密度が低下するため、これを高い値に維持するためには 53mol％以上とすることが必要である。
一方、本発明に係るフェライト磁心材料のように、NiＯを含む組成では、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ることにより、他の格子点にある磁性イオンとの相互作用を介して磁気異方性定数Ｋ1 ならびに飽和磁歪定数λs が変化するので、かかるNiＯを従来に比べて多く含むことによって磁気損失に関する三元系の最適組成範囲が Fe2O3リッチ側に広がると推測される。しかしながら、Fe2O3 の含有量は、多すぎるとNiＯを含む組成でも損失が大きくなるので、上限を57 mol％とした。
【００１６】
・ZnＯ：４〜11 mol％
ZnＯの含有量が少なすぎると飽和磁束密度が小さくなるが、Fe2O3 とNiＯの組成を好適範囲に選択すれば高い飽和磁束密度を維持することができる。また、損失の点では、ZnＯの含有量が少ない場合、100 kHz においては損失が増大するものの、500kHz程度の高周波帯域では低い損失を示す。従って、ZnＯの含有量は、４ mol％以上とした。
一方、ZnＯ量の含有量が多すぎると、室温での飽和磁束密度が小さくなるだけでなくキュリー温度が低下するために、トランスの動作温度（80℃）付近においては、温度上昇に伴うより急速な飽和磁束密度の低下を招く。また、損失の点では、ZnＯ量の含有量が多すぎるとNiＯの含有効果がなくなってしまう。従って、ZnＯの含有量は、上限を11 mol％とした。
【００１７】
・NiＯ：0.5 〜４ mol％
NiＯの含有量が 0.5 mol％に満たないと、損失に対するその含有効果が顕著でなく、飽和磁束密度も小さい。一方、NiＯの含有量が多すぎると、 100kHz 程度の周波数帯域で損失が急激に増大するため、NiＯの含有量は４ mol％を上限とした。
なお、従来技術との比較の意味で、NiＯの含有量をwt％で表示すると 0.3〜2.5 wt％となる。この数値からも明らかなように、本発明にかかるフェライト磁心材料は、NiＯの含有量を従来の材料に比べて幾分多めに設定している。
【００１８】
・SiO2：0.0050〜0.0500wt％
CaＯ：0.0200〜0.2000wt％
SiO2およびCaＯは、焼結性を高めかつ粒界相を高抵抗化して低損失を実現するために必要不可欠な添加成分である。
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0.0050wt％以上の添加が必要であり、多すぎると異常粒成長を起こすために、その上限を0.0500wt％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小さくする効果があり、この効果を引き出すためには0.0200wt％以上の添加が必要であり、0.2000wt％を超えて添加すると焼結性に問題があるので、その上限を0.2000wt％以下とした。
【００１９】
・Ta2O5 ：0.0050〜0.1000wt％
ZrO2  ：0.0100〜0.1500wt％
Nb2O5 ：0.0050〜0.0500wt％
V2O5  ：0.0050〜0.0500wt％
TiO2  ：0.0500〜0.3000wt％
HfO2  ：0.0050〜0.0500wt％
この発明にかかるフェライト磁心材料では、スピネルを形成しない、Ta2O5,   ZrO2, Nb2O5, V2O5, TiO2およびHfO2のうちから選ばれるいずれか１種または２種以上の微量添加成分を加えることが、損失の少ない高性能の電源用Mn−Zn−Niフェライト磁心材料とする上で必須である。
【００２０】
Ta2O5は、SiO2, CaＯの共存下で比抵抗の増大に有効に寄与する添加成分である。この Ta2O5の含有量が0.0050wt％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、0.1000wt％を超えると逆に損失の増大を招く。従って、Ta2O5 は0.0050〜0.1000wt％の範囲で添加するものとした。
【００２１】
ZrO2は、SiO2, CaＯ, Ta2O5 の共存下でTa2O5 と同様に粒界の抵抗を高めて高周波での損失の低減に有効に寄与する添加成分である。抵抗の増加に寄与する割合はTa2O5 と比べると効果が少ないが、損失の低減に寄与する割合は大きく、特に極小温度付近から高温側での損失低減に寄与している。このZrO2の含有量が  0.0100wt％に満たないとその添加効果に乏しく、一方、0.1500wt％を超えると逆に比抵抗を高める効果が少なくなり損失が増大する。従って、ZrO2の最適添加量は0.0100〜0.1500wt％とした。
【００２２】
Nb2O5 は、SiO2, CaＯと粒界相を形成し、粒界抵抗を高め損失低減に寄与する添加成分である。このNb2O5 の含有量が0.0050wt％未満ではその添加効果に乏しく、一方、0.0500wt％を超えると過剰に粒界相に析出してかえって損失を増大してしまう。従って、Nb2O5 は0.0050〜0.0500wt％の範囲で添加するものとした。
【００２３】
V2O5, HfO2は、ともに異常粒成長を抑制しかつ粒界抵抗を高める働きがある添加成分である。この添加成分の含有量は、0.0050wt％より少ないとその改善効果がなく、一方、0.0500wt％より多すぎると損失が増大するため、先に述べた範囲に限定した。
【００２４】
TiO2は、一部粒界に存在し焼成後の冷却過程で粒界再酸化を助長して損失を低下させる添加成分である。またTiO2は、スピネル格子の原子とも置換して損失極小温度をシフトさせる働きがある添加成分でもある。しかしながら、その添加量が多すぎると異常粒成長を引き起こすために0.3000wt％以下で添加する。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
基本成分組成が表１に示す組成となるように、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したのち乾燥し、その後、得られた原料混合粉を大気雰囲気中，950 ℃で３時間仮焼した。こうして得られた仮焼粉に対して、SiO2：0.008 wt％、CaCO3 ：0.13wt％、Ta2O5 ：0.04wt％およびHfO2：0.03wt％を添加し、再度、ボールミルを用いて湿式混合粉砕してから乾燥処理を行った。そして、得られた粉末にポリビニルアルコール５wt％水溶液を10wt％添加したのち、造粒し、次いで、外径36mm, 内径24mm, 高さ12mmのリング状に成形し、その後、酸素分圧を制御した窒素・空気混合ガス中で1330℃, ３時間の焼成を行い、焼結体試料とした。
【００２６】
このようにして得られた焼結体試料について、１次側５巻，２次側５巻の巻線を施し、100kHzの周波数で最大磁束密度200mT の条件下で、電力損失を交流ＢＨトレーサーにより０〜140 ℃で測定した。その結果、電力損失の極小値ならびにその極小値を示した温度を表１に示す。
また、同じ焼結体試料について、１次側20巻，２次側40巻の巻線を施し、80℃において直流ＢＨループトレーサーで15Ｏｅの磁場をかけたときの磁束密度を測定した。なお、この大きさの磁場では、磁束はほぼ飽和しており、この値は飽和磁束密度と見なせる。この結果についても表１に併せて示す。
こ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磁心材料は、損失が小さくかつ高い飽和磁束密度を有している。
【００２７】
【表１】
0003917216.tif 000002
【００２８】
（実施例２）
表２に示す４種類の三元系の成分組成に対し、NiＯ含有量を変化させてなる基本成分組成について、実施例１と同様にしてSiO2, CaCO3, Ta2O5およびHfO2を加えて混合, 仮焼, 粉砕, 成形, 焼成し焼結体試料を作製した。
なお、NiＯをｘ mol％加える毎に、Fe2O3 を 0.5ｘ mol％増やし、その増加分をMnＯから減らすように組成を変化させた。これにより損失極小温度の大きな変動を避けることができる。
【００２９】
このようにして得られた焼結体試料について、100kHz, 200mT の条件で、20〜140 ℃の範囲で電力損失の温度変化を測定し、もとめた損失極小値とNiＯ量の関係を図１に、また、NiＯ量と80℃における磁束密度の関係を図２に示す。
これらの図から明らかなように、NiＯが４ mol％を超えると損失が急増し、かつ飽和磁束密度増加の効果も顕著でなくなる。また、ZnＯ量が11 mol％を超えない場合は、少量のNiＯで損失はわずかであるが改善される。
【００３０】
【表２】
0003917216.tif 000003
【００３１】
（実施例３）
実施例２で作製した焼結体試料から選んだいくつかの試料について、周波数ｆ(kHz) および最大磁束密度Ｂm （mT）の積が一定 (ｆ×Ｂm ＝2000) となるように、100kHzから500kHzまでの周波数領域で、20〜140 ℃の範囲で電力損失の温度変化を測定し、損失極小値をもとめた。
その結果、損失極小値の周波数依存性をNiＯ量毎にプロットしたグラフを図３に示す。この図から明らかなように、NiＯを含むものは、NiＯを含まないものと比べると、100kHzでの損失は低くはないが、高周波になるにつれてわずかではあるが、損失は改善される。ただし、主成分組成が最適範囲外であれば、図３(c) のようにその効果は顕れていない。
【００３２】
（実施例４）
基本成分組成がFe2O3 ：MnＯ：ZnＯ：NiＯのモル比で54.7：37.1：6.8 ：1.4 となるように、実施例１と同様にして仮焼粉を作製し、次いで、表３および表４で示した各種酸化物を添加し、実施例１と同様にして粉砕、造粒、成形したものを、酸素分圧を制御した窒素・空気混合ガス中で1230〜1350℃において２〜６時間焼成し、焼結体試料とした。
【００３３】
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、周波数100kHz, 最大磁束密度200mT の条件下で、電力損失を測定した。その結果、電力損失の極小値を表３および表４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磁心材料は、500 kW／m3以下の低電力損失を達成することができた。
【００３４】
【表３】
0003917216.tif 000004
【００３５】
【表４】
0003917216.tif 000005
【００３６】
【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、100kHzから500kHz程度の周波数帯域において、飽和磁束密度が高くかつ電力損失の小さいMn−Zn−Niフェライトを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例２における損失極小値とNiＯ量の関係を示すグラフである。
【図２】実施例２におけるNiＯ量と80℃における磁束密度の関係を示すグラフである。
【図３】実施例３における損失極小値の周波数依存性をNiＯ量毎にプロットしたグラフである。
【図１】
0003917216.tif 000006
【図２】
0003917216.tif 000007
【図３】
0003917216.tif 000008