铁氧体组合物、电子部件和电源装置的制作方法

1.本发明涉及一种铁氧体组合物和含有该铁氧体组合物的电子部件以及电源装置。


背景技术：

2.近年来，随着电子设备的小型化与高功率化的进展，对用于电源装置等中的电子部件也有小型化和高功率化的强烈需求。要求线圈、变压器等电子部件中所使用的铁氧体烧结体具有低损耗特性，以实现小型化和高功率化。
3.通常，铁氧体组合物的磁芯损耗pcv包括磁滞损耗phv、涡流损耗pev和剩余损耗(residual loss)prv，涡流损耗pev受磁芯(core)尺寸及形状的影响而有较大变化。在迄今为止的技术中，不能抑制磁芯的尺寸及形状的不同所带来的涡流损耗pev的变化，在实际制作铁氧体磁芯中，在很多情况下都达不到设计值。
4.在专利文献1中，通过对使得磁各向异性和磁致伸缩减小的主成分的调节、对能够得到足够电阻率的副成分的调节、对不可避免的杂质量的控制，实现了300khz-100mt、100℃条件下的低损耗化。
5.另外，在专利文献2中，主要侧重于防止变压器的热失控，通过同时添加coo和tio2，实现了120℃以上时的损耗降低。
6.另外，在专利文献3中，利用同时添加了coo和tio2的组合物，实现了100～300khz下的损耗降低。
7.但是，在专利文献1～专利文献3中，并未研究磁芯形状不同所导致的涡流损耗的变化。
8.现有技术文献
9.专利文献
10.专利文献1：日本第6730545号专利公报
11.专利文献2：日本第5786322号专利公报
12.专利文献3：日本特开2004-35372号公报


技术实现要素：

13.发明想要解决的技术问题
14.本发明是鉴于上述实际情况而完成的，其目的在于，提供一种能够降低由磁芯尺寸或形状的不同所带来的涡流损耗的变化的铁氧体组合物、采用了该铁氧体组合物的电子部件和使用了该电子部件的电源装置。
15.解决技术问题的手段
16.为了达成上述目的，本发明的铁氧体组合物含有主成分和副成分，上述主成分由以fe2o3换算为51.0～53.5摩尔％的氧化铁、以zno换算为7～14摩尔％的氧化锌、和作为余量的氧化锰构成，
17.相对于上述主成分100质量份，作为上述副成分含有以coo换算为0.09～0.27质量
份的钴、以tio2换算为0.13～0.45质量份的钛、以caco3换算为0.06～0.25质量份的钙、和以nb2o5换算为0.015～0.045质量份的铌。
18.通常，基于磁路截面积较小的磁芯的特性进行产品设计。但是，在实际产品中，磁路截面积往往较大，且形状复杂、磁路截面积往往不均匀。因此，产品设计阶段的性能与实际产品的性能有可能不匹配。相比之下，根据本发明的铁氧体组合物，通过具有上述组成，能够降低磁芯形状或尺寸差异所导致的涡流损耗的变化，即，能够抑制磁芯形状或尺寸差异所导致的涡流损耗的变化。
19.本发明的铁氧体组合物，在电感器、变压器、扼流圈、电抗器、天线、非接触式供电用线圈等各种电子部件中，可用作该电子部件所包含的磁芯或磁性片材(非接触式供电用、电磁波吸收体、噪声滤波器等)。特别是本发明的铁氧体组合物优选用作电源用变压器的磁芯，该电源用变压器可以通过集成到例如ev(electric vehicle：电动运输工具)、phv(plug-in hybrid vehicle：插电式混合动力汽车)或通勤工具(车辆)等中使用的车载用开关电源装置、家庭用或工业用电气设备的电源装置、或计算机设备的电源装置等中进行利用。
具体实施方式
20.下面详细说明本发明的实施方式。
21.本实施方式的铁氧体组合物可以是烧结体等可知、块状形态、粉末状形态、或薄膜状形态，其形态没有特别限定。而且，本实施方式的铁氧体组合物具有主成分和副成分。主成分由氧化铁、氧化锌和氧化锰构成。另一方面，作为副成分，至少包括钴(co)、钛(ti)、钙(ca)和铌(nb)。
22.首先，说明主成分的组成。当以全体主成分为100摩尔％时，氧化铁的含有率的作为基准的范围，按照fe2o3换算为51.0～53.5摩尔％，优选为51.25～52.8摩尔％。氧化锌的含有率的作为基准的范围，按照zno换算为7～14摩尔％，优选为8.6～12摩尔％。此外，氧化锰的含有率，通过确定作为其它主成分的氧化铁的含有率和氧化锌的含有率，作为主成分中的余量来确定。
23.上述主成分在铁氧体组合物的截面中，构成具有尖晶石型晶体结构的主成分颗粒。在此，尖晶石型晶体结构以化学计量组成式ab2o4表示，mn和zn进入a位，fe进入b位。在本实施方式中，尖晶石结构的主成分颗粒的以当量圆直径计的平均粒径优选为6～18μm、更优选为8～14μm。另外，主成分颗粒的平均粒径可以通过sem(扫描型电子显微镜)或stem(扫描透射型电子显微镜)等观察铁氧体组合物的截面，并通过对所得截面照片进行图像分析来测量。
24.另一方面，关于副成分的含有率，以相对于上述主成分100质量份的比率(即外标量)表示。在本实施方式中，co的含有率的作为基准的范围，按照coo换算为0.09～0.27质量份、优选为0.13～0.27质量份、更优选为0.21～0.27质量份。另外，ti的含有率的作为基准的范围，按照tio2换算为0.13～0.45质量份、优选为0.13～0.35质量份、更优选为0.13～0.225质量份。另外，ca的含有率的作为基准的范围，按照caco3换算为0.06～0.25质量份、更优选为0.07～0.21质量份。此外，nb的含有率的作为基准的范围，按照nb2o5换算为0.015～0.045质量份。
25.铁氧体组合物内部中的各副成分的存在形态没有特别限定。例如，各副成分可以固溶于主成分颗粒中，也可以作为氧化物、复合氧化物、碳酸盐等各种化合物的形态存在于主成分颗粒的晶界中。
26.更具体而言，认为co和ti主要固溶于主成分颗粒中，尖晶石晶格中的fe的一部分被固溶的co或ti取代。特别地，通过同时添加co和ti，不是尖晶石晶格的a位点、而是b位点的fe易于被co或ti取代。认为当尖晶石晶格的fe被co或ti取代后，磁各向异性常数的温度依存性减小，结果使得磁损耗的温度依存性也减小。
27.另一方面，认为ca主要以化合物的形态存在于主成分颗粒的晶界中，并且还固溶于主成分颗粒的晶界附近。认为通过使ca以上述形态存在，提高了铁氧体组合物的烧结性，并且提高了晶界电阻。另外，认为nb有助于铁氧体组合物的结晶组织的均匀化。
28.另外，本实施方式的铁氧体组合物优选实质上不含zr。在本实施方式中，所谓“实质上不含zr”是指zr的含有率相对于主成分100质量份，按照zro2换算为0.009质量份以下。另外，zr的含有率更优选为0～低于0.005质量份。
29.另外，在本实施方式的铁氧体组合物中，除了上述副成分以外，还可以含有si、v、p等其它副成分和不可避免的杂质。其它副成分及不可避免的杂质的含有率取不干扰对pev变化抑制的量。例如，不可避免的杂质的总含有率优选为，相对于主成分100质量份，为0～0.001质量份的程度。另外，作为其它副成分，优选选择si或/和v。在该情况下，相对于主成分100质量份，si的含有率按照sio2换算优选为0.005～0.02质量份，v的含有率按照v2o5换算优选为0.005～0.04质量份。认为si有助于提高铁氧体组合物的烧结性能。另外，认为v主要作为化合物的形态存在在主成分颗粒的晶界中，具有提高晶界电阻的作用。
30.上述的主成分的含有率和副成分的含有率可以通过使用xrf荧光x射线分析仪进行组分分析来测量。此外，在用sem、stem等进行截面观察时，可以通过电子束微分析仪(epma)进行组分分析来测量，也可以使用x射线衍射(xrd)来测量。
31.接着，对本实施方式的铁氧体组合物的制造方法的一例进行说明。
32.首先，准备并称量主成分的起始原料使得烧成后成为预定的组成。作为主成分的起始原料，可以使用氧化物的粉末或通过加热成为氧化物的化合物的粉末(碳酸盐粉末等)，具体而言，优选使用α-fe2o3粉末、mn3o4粉末、zno粉末。另外，也可以使用含有2种以上的金属的复合氧化物粉末作为主成分的起始原料。例如，可以通过对含有氯化铁和氯化锰的水溶液进行氧化焙烧，得到含有fe和mn的复合氧化物的粉末。然后，可以通过在该复合氧化物粉末中添加zno粉末进行混合而作为主成分的原料。另外，上述各起始原料的平均粒径优选为0.1～3.0μm。
33.接着，将所称量的主成分的起始原料用球磨机等混合机混合，然后进行煅烧处理。在该情况下，混合既可以是湿式混合也可以是干式混合，当选择湿式混合时，在混合后进行适当干燥后再进行煅烧处理。另外，煅烧处理的条件优选将保温温度设为800～1100℃，优选将保温时间(温度稳定时间)设为0.5～5小时。对于在这样的条件下煅烧得到的煅烧材料，使用各种粉碎机粉碎至平均粒径为0.5～3.0μm的程度。另外，当作为主成分的起始原料使用含有fe和mn的复合氧化物的粉末时，可以省略煅烧处理。
34.然后，在煅烧后的原料中，添加并混合副成分的起始原料。作为副成分的起始原料，与主成分时同样，可以采用氧化物粉末或通过加热转化为氧化物的化合物的粉末。具体
而言，可以使用coo粉末、tio2粉末、caco3粉末、nb2o5粉末。副成分的起始原料的平均粒径也优选为0.1～3.0μm。另外，副成分的起始原料可以在煅烧处理后添加，然后进行上述粉碎处理，由此将主成分与副成分混合，并且对煅烧材料进行粉碎。另外，副成分的起始原料也可以在煅烧材料粉碎后添加并混合。此外，还可以将coo粉末和tio2粉末事先与主成分的起始原料共混，并供于煅烧处理。
35.接着，在如上所述得到的主成分与副成分的混合粉末中添加聚乙烯醇等适当的粘合材料(粘合剂)而进行混炼，并得到复合材料。然后，将该复合材料通过注射成型、机械压制成型等方法，成型为预定的形状，得到成型体。例如，在注射成型中，通过将上述复合材料浆化，灌入模具，从而得到成型体。另外，在机械压制成型中，通过将颗粒状复合材料填充到模具中并加压，得到成型体。
36.接着，对如上所述得到的成型体进行烧成。烧成条件设定为：保持温度设为1150℃～1400℃、更优选为1200℃～1300℃，保温时间设为1～10小时、更优选为2～6小时。另外，在从加热开始到保持温度为止的升温过程中，升温速度优选为50～300℃/小时；在从保持温度到900℃为止的降温过程中，冷却速度优选为50～200℃/小时。此外，烧成时的气氛，优选采用氧和氮的混合气氛，并将升温过程和保温过程中的氧分压设定为0.1～5.0体积％。而且，在从保持温度到1000℃为止的降温过程中，优选为使氧分压逐渐降低，在1000℃以下时，使氧分压达到0.02体积％以下。
37.通过在如上所述的条件下进行烧成，得到作为烧结体的铁氧体组合物。作为本实施方式的烧结体的铁氧体组合物，可以在各种电子部件中用作磁芯和磁性片材等。
38.本实施方式的铁氧体组合物用作磁芯(core)时的形状可以采用e字形、f字形、i字形、t字形、u字形、鼓形、环形、锅形、杯形或仅单板状、棱柱形的形状。
39.另外，也可以将烧成后得到的烧结体粉碎，得到粉末状铁氧体组合物。在该情况下，还可以在所得到的烧结体粉末中添加粘合剂及溶剂进行膏体化。然后，利用片材法或挤出法等方法将该膏体片状化，然后实施适当的干燥及热处理，从而可得到薄膜状铁氧体组合物。这样的薄膜状铁氧体组合物可以作为例如薄膜电感器的磁芯、天线及非接触式供电用等磁性片材(非接触式供电用、电磁波吸收体、噪声滤波器)使用。
40.铁氧体组合物的磁芯损耗pcv包括磁滞损耗phv、涡流损耗pev和剩余损耗prv，现有的涡流损耗pev根据磁芯(core)的尺寸及形状的影响而有较大变化。具体而言，随着磁芯尺寸越是增大，涡流损耗也越倾向于增加，特别是磁芯的磁路截面积越大，涡流损耗越有增加的倾向。
41.与此相对，本实施方式的铁氧体组合物通过将主成分和副成分的含有率设定在预定的范围内，从而能够抑制因磁芯(core)的尺寸或形状的不同而带来的涡流损耗的变化。
42.因此，本实施方式的铁氧体组合物的尺寸和形状没有特别限定。
43.本实施方式的铁氧体组合物如上所述，适于用作磁芯材料和磁性片材，并可以用于变压器、电感器、扼流圈、电抗器、天线、非接触式供电线圈等电子部件。上述电子部件中，特别适用于作为变压器的应用。含有本实施方式的铁氧体组合物的变压器，特别优选装配到电源装置中使用。作为电源装置，可举出例如，将输入滤波器、开关电路、整流电路、平滑电路等装配到上述变压器中的开关电源装置。
44.以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并非限于如上所述的实施方式，
可以在本发明的范围内做出各种改变。
45.实施例
46.下面使用实施例和比较例，对本发明进行进一步的详细说明。但是，本发明并非仅限于下述实施例。
47.在本实验中，制备具有表1～表5所示组成的实施例1～41和比较例1～20的铁氧体磁芯，对它们的涡流损耗pev进行了测量。按照下述所示步骤制成了各实施例和各比较例的铁氧体磁芯。
48.首先，作为主成分的起始原料，准备并称量α-fe2o3粉末、mn3o4粉末、zno粉末，使得烧成后成为预定的比率。然后，将所称量的各粉末用球磨机进行湿式混合，得到原料混合物。再将该原料混合物干燥，然后在大气气氛下，在900℃的温度下进行3小时的煅烧，得到煅烧材料。
49.接着，将上述煅烧材料投入填充有钢球的球磨机中，进行了16小时的粉碎，由此得到平均粒径1～2μm的粉碎粉末。然后，通过将该粉碎粉末与副成分的起始原料进行湿式混合，将其干燥后，得到混合粉末。在该情况下，作为副成分的起始原料，准备并称量coo粉末、tio2粉末、caco3粉末、nb2o5粉末，使得烧成后达到预定的比率。另外，在各实施例和各比较例中，作为上述以外的副成分，还添加了预定量的sio2粉末和v2o5粉末。
50.接着，相对于上述混合粉末100质量份，添加聚乙烯醇0.8质量份，将其用喷雾干燥仪进行喷雾干燥，制成颗粒。然后，将所得到的颗粒分别填充到两种模具中，并在100mpa的压力下加压成型，从而得到环形状的成型体。
51.在本实施例中，“两种模具”是指用于得到尺寸相对较小的“小磁芯”的模具，和用于得到尺寸相对较大的“大磁芯”的模具。即，通过上述工序，得到烧成后成为“小磁芯”的“小成型体”和烧成后成为“大磁芯”的“大成型体”。
52.接着，在下述条件下对上述各成型体(“小成型体”和“大成型体”)进行了烧成。烧成的条件为，将保持温度设为1250℃、保持时间设为5小时、烧成气氛设为氧和氮混合气氛。另外，保温过程中的氧分压设为4体积％，在降温过程中，控制烧成条件为，在1250℃～1000℃的温度区间，使氧分压单调减少，在1000℃以下的温度区间，使氧分压为0.02体积％。另外，将升温速度设为200℃/小时，冷却速度设为100℃/小时。通过在这样的条件下进行烧成，得到了作为烧结体的铁氧体磁芯(“大磁芯”和“小磁芯”)。
53.另外，作为所得的铁氧体磁芯的形状，无论是小磁芯还是大磁芯，都是如上所述的环状。另外，制成的小磁芯和大磁芯的尺寸如下所示。
54.小磁芯：外径：20mm，内径：10mm，高：5mm，磁路截面积：25mm2。
55.大磁芯：外径：50mm，内径：10mm，高：10mm，磁路截面积：200mm2。
56.另外，利用xrf对制成的铁氧体磁芯的组成进行了分析。将测量结果示于表1～表5。
57.另外，在频率200khz、300khz、400khz，磁通密度100mt的条件下，测量了各实施例和各比较例的各小磁芯和各大磁芯在100℃下的磁损耗pcv。并用下述方法计算了涡流损耗pev。如式(1)所示，频率200khz～400khz下的磁损耗pcv用磁滞损耗phv与涡流损耗pev之和表示。
58.pcv＝phv+pev
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
59.接着，由于磁滞损耗phv与频率f成正比，pev与f的平方成正比，其值如式(2)所示。
60.pcv＝kh
×
f+ke
×
f2ꢀꢀꢀꢀ
(2)
61.式中，kh为磁滞损耗系数，ke为涡流损耗系数。
62.将式(2)的两边除以频率f，结果如式(3)所示。
63.pcv/f＝kh+ke
×fꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
64.根据式(3)，由于pcv/f为频率f的一次函数，所以根据斜率，可得到涡流损耗系数ke。
65.即，基于频率200khz、300khz和400khz下的各磁损耗pcv，得到涡流损耗系数ke。
66.根据所得涡流损耗系数ke，由下述式(4)计算涡流损耗pev。
67.pev＝ke
×
f2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
68.进一步，根据各实施例和各比较例的各小磁芯和各大磁芯的pev，由下述式(5)算出δpev。将结果示于表1～表5。另外，δpev在400kw/m3以下时，判定为良好。
69.δpev＝(大磁芯pev)-(小磁芯pev)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
70.表1
71.表1
[0072][0073]
在表1中，主要显示了固定副成分的含有率、改变主成分的组成后的实验结果。
[0074]
如表1所示，主成分由以fe2o3换算为51.0～53.5摩尔％的氧化铁、以zno换算为7～14摩尔％的氧化锌、作为余量的氧化锰构成，可确认：在含有预定量的副成分的情况下(实施例1～9)，δpev在400kw/m3以下，且与比较例1～4相比δpev更小。
[0075]
表2
[0076]
表2
[0077][0078]
表3
[0079]
表3
[0080][0081]
在表2和表3中，显示了主成分由以fe2o3换算为52.6摩尔％的氧化铁、以zno换算为9.5摩尔％的氧化锌、作为余量的氧化锰构成的情况下，改变了作为副成分的co和ti的含有率时的实验结果。
[0082]
如表2和表3所示，可以确认：当作为副成分含有以coo换算为0.09～0.27质量份的钴、以tio2换算为0.13～0.45质量份的钛时(实施例10～22)，δpev在400kw/m3以下，且与比较例5～12相比，δpev更小。
[0083]
表4
[0084]
表4
[0085][0086]
在表4中，显示了主成分由以fe2o3换算为52.2摩尔％的氧化铁、以zno换算为11.5摩尔％的氧化锌、作为余量的氧化锰构成的情况下，改变了作为副成分的co和ti的含有率
时的实验结果。
[0087]
如表4所示，可以确认：作为副成分，含有以coo换算为0.09～0.27质量份的钴、以tio2换算为0.13～0.45质量份的钛时(实施例23～29)，δpev在400kw/m3以下。
[0088]
表5
[0089]
表5
[0090][0091]
在表5中，显示了改变副成分ca和nb的含有率时的实验结果。
[0092]
如表5所示，可以确认：在作为副成分，含有以caco3换算为0.06～0.25质量份的钙、和以nb2o5换算为0.015～0.045质量份的铌时(实施例30～41)，δpev在400kw/m3以下。
[0093]
综合表1～表5的结果可以确认：通过使主成分的组成和各副成分(co，ti，ca，nb)的含有率都在满足本发明的基准范围内，能够抑制磁芯尺寸或形状的不同所带来的涡流损耗的变化。另外，当主成分和副成分中，即使仅有1种不满足基准范围时，也会增大磁芯尺寸或形状不同所带来的涡流损耗的变化。