CN105097169B

CN105097169B - 铁氧体磁芯、电子部件以及电源装置

Info

Publication number: CN105097169B
Application number: CN201510250244.XA
Authority: CN
Inventors: 冈义人; 森健太郎; 安原克志; 有马润
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2035-05-15
Also published as: CN105097169A

Abstract

本发明提供一种铁氧体磁芯、电子部件以及电源装置。本发明提供在100℃附近的饱和磁致伸缩小并且驱动时的音鸣声被抑制而且饱和磁通密度高的铁氧体磁芯。本发明所涉及的铁氧体磁芯的特征为：是一种包含换算成Fe₂O₃为51.5～54.5mol％的氧化铁、换算成ZnO为7.0～11.5mol％的氧化锌、以及剩余部分为氧化锰的主成分的MnZn类铁氧体磁芯；相对于该主成分，包含换算成NiO为500～10000ppm的Ni，包含换算成TiO₂为100～6000ppm的Ti，包含换算成CoO为500～4000ppm的Co。

Description

铁氧体磁芯、电子部件以及电源装置

技术领域

本发明涉及100℃附近的饱和磁致伸缩小并且驱动时的音鸣声被抑制而且饱和磁通密度高的铁氧体磁芯。

背景技术

作为电源用变压器等的磁芯材料可以使用铁氧体烧结体。形成磁芯的铁氧体烧结体被称作为铁氧体磁芯，含有Mn以及Zn的MnZn类铁氧体被广泛使用。另外，近年来伴随着电源的小型化而在高温条件下被要求高饱和磁通密度。

例如关于专利文献1的铁氧体，其特征为相对于Fe₂O₃：52～56mol％；ZnO：6～14mol％；NiO：4mol％以下；CoO：0.01～0.6mol％；剩余部分实质上成为MnO的组成的基本成分，以附加(enclosure)量的形式含有SiO₂：0.0050～0.0500wt％以及CaO：0.0200～0.2000wt％，进一步含有规定量的选自Ta₂O₅、ZrO₂、Nb₂O₅、V₂O₅、K₂O、TiO₂、SnO₂以及HfO₂当中至少一种添加成分，并且具有高饱和磁通密度。

另外，关于在电源驱动时发生的音鸣声也是重要的，例如关于专利文献2的特征是提供一种通过在持有多个脚部的磁芯的脚与脚之间夹住振动阻尼材料从而降低或者防止变压器音鸣声的变压器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3968188号公报

专利文献2：日本专利申请公开2013-118308

发明内容

发明所要解决的技术问题

音鸣声一般众所周知的原因是在于磁致伸缩振动。在专利文献2中公开的虽然是降低音鸣声但并不是降低音鸣声的原因即磁致伸缩，因而谈不上是根本解决音鸣声的方法。另外，由于使用振动阻尼材料而会有所谓花费制造时的成本或功夫的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种能够解决现有技术中所存在的以上所述的问题的铁氧体磁芯。特别是在于提供一种通过减小在100℃温度条件下的磁致伸缩从而抑制驱动时的音鸣声并且能够显示出高饱和磁通密度的铁氧体磁芯。

解决技术问题的手段

据于这一目的，本发明人等着眼于作为包含于MnZn类铁氧体磁芯中的主成分的氧化铁、氧化锰、氧化锌以及作为副成分的氧化镍、氧化钴、氧化钛的组成来就其特性作了悉心研究。其结果发现在100℃温度条件下饱和磁致伸缩小并且抑制了驱动时的音鸣声而且能够实现高饱和磁通密度，由此而完成了本发明。

即，本发明所涉及的铁氧体磁芯的特征为：是一种是包含主成分的MnZn类铁氧体磁芯，该主成分包含换算成Fe₂O₃为51.5～54.5mol％的氧化铁、换算成ZnO为7.0～11.5mol％的氧化锌、以及作为剩余部分的氧化锰，相对于该主成分，包含换算成NiO为500～10000ppm的Ni，包含换算成TiO₂为100～6000ppm的Ti，包含换算成CoO为500～4000ppm的Co。

另外，在本发明的铁氧体磁芯中，作为副成分优选相对于主成分包含换算成SiO₂为50～300ppm的Si以及换算成CaCO₃为200～3000ppm的Ca。

再有，在本发明的铁氧体磁芯中，作为副成分优选相对于主成分包含换算成Nb₂O₅为50～750ppm的Nb、换算成Ta₂O₅为50～1500ppm的Ta、换算成V₂O₅为50～1000ppm的V、换算成SnO₂为500～8000ppm的Sn中的1种或者2种以上。

发明效果

通过减小在100℃温度条件下的饱和磁致伸缩从而就能够抑制驱动时的音鸣声并且能够实现高饱和磁通密度。

附图说明

图1(a)是表示本发明的实施方式所涉及的E字型铁氧体磁芯的立体图。

图1(b)是表示在本发明的实施方式所涉及的内部2个E字型磁芯被相对配置的变压器的立体图。

图2是开关电源装置的方块图。

图3是表示装备了开关电源装置的汽车主要部分的方块图。

具体实施方式

首先，说明本发明中的成分的限定理由。

本发明的铁氧体磁芯含有作为主成分的换算成Fe₂O₃为51.5～54.5mol％的Fe量。还有，在以下叙述过程中换算成Fe₂O₃来对Fe量的标明就单单记作为Fe₂O₃量等。如果Fe₂O₃量小于51.5mol％，则在100℃温度条件下的饱和磁致伸缩被减小，但是饱和磁通密度变小。另外，如果Fe₂O₃量超过了54.5mol％的话则在100℃温度条件下的饱和磁致伸缩变大。因此，在本发明中Fe₂O₃量被控制在51.5～54.5mol％。优选为51.5～54mol％。

ZnO量也会影响到饱和磁通密度以及饱和磁致伸缩。如果ZnO量少于7.0mol％的话则饱和磁致伸缩变大。如果ZnO量超过了11.5mol％的话则在100℃温度条件下的饱和磁通密度变小。因此，在本发明中ZnO量被控制在7.0～11.5mol％。本发明的铁氧体磁芯除了作为主成分的上述物质之外还除了不可避免的杂质之外剩余部分是由MnO所构成。

接着，就本发明中的副成分作如下说明。

本发明的铁氧体磁芯含有作为副成分的换算成NiO为500～10000ppm的Ni量。NiO对于抑制磁致伸缩来说是有效的，为了获得该效果而相对于主成分添加500ppm以上。但是，如果加量过多的话则饱和磁通密度变小。因此，在本发明中NiO量被控制在10000ppm以下。优选量为2000～10000ppm。

本发明的铁氧体磁芯含有作为副成分的换算成TiO₂为100～6000ppm的Ti量。TiO₂能够作为4价Ti离子置换尖晶石晶格中的Fe来减小磁致伸缩。为了获得该效果而相对于主成分添加100ppm以上。但是，如果添加量过多的话则饱和磁通密度变小。因此，在本发明中将TiO₂量控制在6000ppm以下。优选为1000～3000ppm。

本发明的铁氧体磁芯含有作为副成分的换算成CoO为500～4000ppm的Co量。CoO对于抑制磁致伸缩来说是有效的，为了获得该效果而相对于主成分添加500ppm以上。但是，如果该添加量过多的话则饱和磁通密度变小。因此，在本发明中将CoO量控制在4000ppm以下。优选CoO量为500～3000ppm。

另外，通过同时添加Ni、Ti、Co从而减小磁致伸缩以及增大饱和磁通密度的效果会进一步提高。通过Ni或Co在尖晶石结晶中的B位进行固溶从而就能够获得磁致伸缩抑制效果。但是，如果过以单体添加这些金属的话则不仅仅在B位还会在A位也进行固溶，并且相对于添加量不能够获得充分的效果。但是，认为通过同时添加Ti从而变得Ni或Co容易在B位进行固溶，并且能够获得比以单体进行添加更大的磁致伸缩抑制效果。

本发明的铁氧体磁芯通过适当选择以上所述组成从而就能够将在100℃温度条件下的饱和磁通密度提高到380mT以上，而且能够减小在100℃温度条件下的饱和磁致伸缩并抑制驱动时的音鸣声。

在本发明中，如以下所述通过限制副成分从而就能够抑制磁芯损耗。

本发明的铁氧体磁芯能够含有作为副成分的含量在50～300ppm范围内的SiO₂以及含量在200～3000ppm范围内的CaCO₃。Si以及Ca在结晶晶界发生偏析并形成高电阻层以至于有助于低损耗并且作为烧结助剂具有提高烧结密度的效果。如果Si换算成SiO₂小于50ppm或者Ca换算成CaCO₃小于200ppm的话，则不能够充分获得以上所述的效果。另外，如果Si换算成SiO₂超过300ppm或者Ca换算成CaCO₃超过3000ppm的话，则由于异常粒子生长而引起的磁芯损耗的劣化变大。优选SiO₂为50～150ppm以及CaCO₃为500～2000ppm，进一步优选SiO₂为75～125ppm以及CaCO₃为800～1600ppm。

本发明铁氧体磁芯能够含有作为副成分的含量在50～750ppm范围内的Nb₂O₅以及含量在50～1500ppm范围内的Ta₂O₅。Nb以及Ta是起到一个提高晶界阻抗的作用的成分。如果Nb换算成Nb₂O₅小于50ppm或者Ta换算成Ta₂O₅小于50ppm的话则没有改善效果。另外，如果Nb换算成Nb₂O₅超过750ppm或者Ta换算成Ta₂O₅超过1500ppm的话，则缘由异常粒子生长，磁芯损耗变大，所以将Nb₂O₅的含量限定在50～750ppm的范围内并且将Ta₂O₅的含量限定在50～1500ppm的范围内。因为如果含量变多的话则会发生异常粒子生长，所以优选将Nb₂O₅的含量控制在100～300ppm的范围内并将Ta₂O₅的含量控制在100～600ppm的范围内。

本发明铁氧体磁芯能够含有作为副成分的含量在50～1000ppm范围内的V₂O₅。V是起到一个提高晶界阻抗的作用的成分。如果V换算成V₂O₅小于50ppm的话则没有改善效果。另外，如果V换算成V₂O₅超过1000ppm的话则缘由异常粒子生长，磁芯损耗变大，所以将V₂O₅的含量限定在50～1000ppm的范围内。因为如果含量变多的话则会发生异常粒子生长，所以优选将V₂O₅的含量控制在100～500ppm的范围内。

本发明铁氧体磁芯能够含有作为副成分的含量在500～8000ppm范围内的SnO₂。SnO₂是存在于一部分晶界并在烧结后的冷却过程中助长晶界再氧化以至于使损耗降低的成分。SnO₂还起到的作用是作为4价离子与尖晶石晶格的原子进行置换并使底部温度降低。然而，因为如果添加量过多的话则会引起异常粒子生长从而损耗变高，所以要含有500～8000ppm范围内的SnO₂。优选含有1000～3000ppm范围内的SnO₂。还有，这些成分并不一定有必要以氧化物的形式进行添加，例如即使是以碳酸盐的形式进行混合也是没有关系的。

本发明铁氧体磁芯通过适当选择以上所述的组成从而就能够抑制在100℃条件下的损耗。

接着，就对于本发明所涉及的铁氧体磁芯来说适宜的制造方法作如下说明。

作为主成分的原料使用氧化物或者由加热而成氧化物的化合物粉末。具体地来说能够使用Fe₂O₃粉末、Mn₃O₄粉末以及ZnO粉末等。各个原料粉末的平均粒径可以在0.1～3μm范围内作适当选择。在湿式混合主成分的原料粉末之后实行预烧制。预烧制的温度如果是在800～1100℃范围内的规定温度的话即可。预烧制的稳定时间如果是在0.5～5小时范围内作适当选择的即可。在预烧制之后，将预烧制材料粉碎至例如平均粒径为0.5～3μm的程度。还有，在本发明中并不限定于以上所述的主成分原料，将含有2种以上金属的复合氧化物的粉末作为主成分原料也是可以的。例如，通过氧化焙烧含有氯化铁以及氯化锰的水溶液从而获得含有Fe以及Mn的复合氧化物的粉末。也可以混合该粉末和ZnO粉末来作为主成分原料。在如此情况下，预烧制就不需要了。

在预烧制之后添加副成分。对于预烧制后的添加来说既可以将副成分的原料添加于预烧制材料并实行上述粉碎，又可以在预烧制材料粉碎之后添加并混合副成分的原料。但是，对于NiO、TiO₂、CoO来说也可以与主成分的原料一起提供给预烧制。

作为副成分的原料也能够使用氧化物或者由加热而成为氧化物的化合物粉末。具体地来说能够使用NiO粉末、Co₃O₄粉末、TiO₂粉末、SiO₂粉末、CaCO₃粉末、Nb₂O₅粉末、Ta₂O₅粉末、SnO₂粉末等。

就由主成分以及副成分构成的混合粉末而言，为了顺利地实行以后的成型工序而对颗粒实行造粒。造粒例如能够使用喷雾干燥机来实行。将少量的粘接材料例如聚乙烯醇(PVA)添加于混合粉末，用喷雾干燥机来对该混合物实施喷雾以及干燥。所获得的颗粒的粒径优选为80～300μm的程度。

所获得的颗粒使用例如具有规定形状的膜具的压制机从而被成型为所希望的形状，该压制后的成型体被提供给烧成工序。

在烧成工序中有必要控制烧成温度和烧成气氛。烧成温度能够从1250～1500℃的范围中作适当选择，但是对于充分发挥本发明的铁氧体磁芯的效果来说优选在1300～1400℃的范围内实行烧成。烧成气氛如果是在氮和氧的混合气氛中适当调整氧分压的话即可。

被烧成了的本发明所涉及的铁氧体磁芯能够获得的相对密度优选为93％以上，更加优选为95％以上。

由本发明获得的铁氧体磁芯能够被用于变压器，由本发明获得的变压器能够被用于开关电源装置。

图1(a)是表示本实施方式所涉及的E字型铁氧体磁芯的立体图。如图1(a)所示，E字型铁氧体磁芯10被称作为E型磁芯等，并且能够被用于变压器等。作为采用了如铁氧体磁芯10那样的E型磁芯的变压器众所周知为如图1(b)所示那样的2个E型磁芯被相对配置于内部的结构。

图2是表示开关电源装置结构的方块图。

图2所表示的开关电源装置200是一种为了将直流输入电压V_in转换成直流输出电压V_out的装置(DC/DC转换器)，并具备除去包含于直流输入电压V_in中的噪声成分的输入滤波器201、将输入滤波器201的输出转换成交流的开关电路202、对开关电路202的输出实施变压的变压器203、将变压器203的输出转换成直流的整流电路204、对整流电路的输出实行平滑化的平滑电路205。在具有像这样结构的开关电路装置200中，如果作为变压器203的磁芯而使用本发明所涉及的磁芯的话则因为能够抑制在变压器203上发生的音鸣声，所以能够解决开关电源装置200的噪音问题。

图2所表示的开关电源装置200特别适宜作为汽车用的开关电源装置来进行使用。

图3是概略地表示装备了开关电源装置200的汽车主要部分的方块图。

如图3所示，在将开关电源装置200用于汽车的情况下，开关电源装置200被设置于高压电池210与电气设备220以及低压电池230之间，将从高压电池210被提供的大约144V或大约288V的高压降压至大约14V并将该14V电压提供给电气设备220，并且起到对低压电池230实施充电的作用。作为电气设备220可以列举汽车所具备的空调和音响设备等。

给高压电池210的充电是由从发电装置240被提供的电力来实行的。另外，高压电池210的输出也被提供给电动机250，电动机250是基于从高压电池210被提供的高电压(大约144V或大约288V)被驱动系统260驱动的。还有，在燃料电池汽车中燃料电池主体成为发电装置240，在混合动力汽车中电动机250变成兼任发电装置240。

以上已就本发明的优选的实施方式作了说明，但是本发明并不限定于上述实施方式，只要是在不脱离本发明宗旨的范围内各种各样的变更都是可能的，那些变更不言而喻也包含于本发明的范围内。

[实施例]

以下是根据具体的实施例说明本发明。

作为主成分原料是使用Fe₂O₃粉末、Mn₃O₄粉末以及ZnO粉末，作为副成分原料是使用NiO粉末、TiO₂粉末、Co₃O₄粉末、SiO₂粉末、CaCO₃粉末、Nb₂O₅粉末、V₂O₅粉末、Ta₂O₅粉末以及SnO₂粉末。主成分的组成和副成分的组成被表示于表1～3。另外，除了被表示于表1、2中的材料之外还添加100ppm的SiO₂和1000ppm的CaCO₃以及200ppm的Nb₂O₅。在湿式混合这些粉末之后，在大气中以900℃的温度条件预烧制3小时。

将胶粘剂加入到所获得的混合物中，在颗粒化之后进行成型从而获得圆环形状的成型体、I字形状的成型体以及E字形状的成型体。通过在氧分压被控制的条件下以1300℃温度(稳定部5小时，稳定部氧分压2％)进行烧成，从而获得圆环形状的铁氧体磁芯(外径20mm、内径10mm、厚度5mm)、I字形状的铁氧体磁芯(长度70mm、宽度8mm、厚度8mm)以及E字形状的铁氧体磁芯(长度40mm、高度15mm、宽度5mm)。

接着，就本发明的测定方法作如下说明。

在100℃温度条件下的磁致伸缩的测定是使用共和电业株式会社制的应变计(KFG：凡用箔应变计)来实行的。将应变计贴到I型铁氧体磁芯的中心部侧面。对I型磁芯实施励磁，并将变形量变得不发生变化的时间点上的变形量变化率的绝对值设定为饱和磁致伸缩λs。还有，以下对I型磁芯实施励磁，并将变形量变得不发生变化的时间点上的变形量变化率的绝对值设定为饱和磁致伸缩λs，将该表述单单标记为饱和磁致伸缩或者λs。

在100℃温度条件下的音鸣声的测定是将E型磁芯各个组成设置于简易消音箱内。测定是将噪音计的麦克风前端部设置于离磁芯30mm的位置来实行的。声压电平是使用小野测器株式会社制的噪音计(LA-5570)来进行测定的。数据是表示A特性转换后的总体值(OA值)。A特性是作为表示根据人类听觉的声压电平的量加上频率权重的值。OA值是以作了频率分析的各个声压电平的总计值。

在100℃温度条件下的饱和磁通密度Bs的测定方法是在励磁磁场为1194A/m的条件下由METRON GIKEN LTD.制的直流磁化特性试验装置(SK-110)来测定圆环形状的磁芯。

在100℃温度条件下的磁芯损耗Pcv的测定方法是使用圆环形状的铁氧体磁芯并且初级绕5圈次级绕5圈，在最大磁通密度为200mT的条件下以100kHz的频率由IWATSU公司制的BH ANALYZER(SY-8217)来进行测定。

[表1]

[表2]

[表3]

根据以上所述测定结果做出以下所述判断。

表中的“—”是表示没有添加该材料。

(表1)

如果Fe₂O₃量小于51.5mol％(参考比较例1、2)的话则在100℃温度条件下的饱和磁通密度Bs(以省略“在100℃温度条件下的”)变得小于380mT。另外，如果Fe₂O₃量超过54.5mol％(参考比较例7、8)的话则饱和磁致伸缩变得大于1.5×10^-6并且OA值变得大于45dB。

另外，如果ZnO量小于7.0mol％(参考比较例3、5)的话则饱和磁致伸缩变得大于1.5×10^-6并且OA值变得大于45dB。另外，如果ZnO量超过11.5mol％(参考比较例4、6)的话则饱和磁致伸缩变小，但是饱和磁通密度Bs变得小于380mT。

(表2)

如果副成分NiO的量少于500ppm(参考比较例9)的话则饱和磁致伸缩变大并且OA值变得大于45dB。另外，如果NiO量超过10000ppm(参考比较例10)的话则饱和磁致伸缩变小，但是饱和磁通密度Bs变得小于380mT。

如果副成分TiO₂的量少于100ppm(参照比较例11)的话则饱和磁致伸缩变得大于1.5×10^-6并且OA值也变得大于45dB。另外，如果TiO₂量超过6000ppm(参照比较例12)的话则磁致伸缩变小，但是饱和磁通密度Bs变得小于380mT。

如果副成分CoO的量少于500ppm(参考比较例13)的话则饱和磁致伸缩变得大于1.5×10^-6并且OA值变得大于45dB。另外，如果CoO量超过4000ppm(参照比较例14)的话则饱和磁通密度Bs变得小于380mT。

相对于以上所述并且相对于Fe₂O₃量为51.5～54.5mol％和ZnO量为7.0～11.5mol％以及剩余部分为MnO的主成分，在作为副成分而含有500～10000ppm的NiO量和100～6000ppm的TiO₂量以及500～4000ppm的CoO量的情况下能够获得所为100℃温度条件下的饱和磁致伸缩为1.5×10^-6以下；OA值为45dB以下；饱和磁通密度Bs为380mT以上的特性。

(表3)

关于其他副成分如以下所述。

SiO₂以及CaCO₃如以上所述偏析于结晶晶界并形成高阻抗层从而有助于低损耗并且作为烧结助剂会有提高烧结密度的效果，但是如表3所示会影响到磁芯损耗Pcv。总之，通过添加SiO₂以及CaCO₃从而就能够减小磁芯损耗Pcv，但是如表3所示如果添加过头的话则磁芯损耗变差(参照实施例20～27)。因此，在添加SiO₂以及CaCO₃的情况下，将SiO₂量控制在50～300ppm并将CaCO₃量控制在200～3000ppm。

另外，通过添加Nb₂O₅以及Ta₂O₅从而就能够减少磁芯损耗Pcv(参照实施例28～34)。但是，因为如果与SiO₂以及CaCO₃的情况相同添加过头的话则磁芯损耗变差，所以最适合的添加量的范围分别为Nb₂O₅在50～750ppm；Ta₂O₅在50～1500ppm。

另外，通过添加V₂O₅从而就能够减少磁芯损耗Pcv(参照实施例35～37)。但是，因为如果与SiO₂以及CaCO₃的情况相同添加过头的话则磁芯损耗变差，所以最适合的添加量的范围为V₂O₅在50～1000ppm。

另外，通过添加SnO₂从而就能够减少磁芯损耗Pcv(参照实施例38～40)。但是，因为如果与SiO₂以及CaCO₃的情况相同添加过头的话则磁芯损耗变差，所以最适合的添加量的范围为SnO₂在500～8000ppm。

产业上的利用可能性

如以上所述本发明所涉及的铁氧体磁芯通过减小在100℃附近的饱和磁致伸缩从而就能够充分抑制驱动时的磁芯音鸣声，并且能够提高饱和磁通密度。

符号说明

10.铁氧体磁芯(磁芯)

11.(中柱部)

12.(线圈)

200.开关电源

Claims

1.一种铁氧体磁芯，其特征在于：

是包含主成分的MnZn类铁氧体磁芯，该主成分包含换算成Fe₂O₃为51.5～54.5mol％的氧化铁、换算成ZnO为9.0～11.5mol％的氧化锌、以及作为剩余部分的氧化锰，

相对于该主成分，包含换算成NiO为500～10000ppm的Ni，包含换算成TiO₂为100～6000ppm的Ti，包含换算成CoO为500～4000ppm的Co，

所述铁氧体磁芯在100℃下的饱和磁致伸缩为1.5×10^-6以下。

2.如权利要求1所述的铁氧体磁芯，其特征在于：

相对于所述主成分包含换算成SiO₂为50～300ppm的Si以及换算成CaCO₃为200～3000ppm的Ca。

3.如权利要求1或2所述的铁氧体磁芯，其特征在于：

相对于所述主成分进一步包含换算成Nb₂O₅为50～750ppm的Nb、换算成Ta₂O₅为50～1500ppm的Ta、换算成V₂O₅为50～1000ppm的V、以及换算成SnO₂为500～8000ppm的Sn中的1种或者2种以上。

4.一种电子部件，其特征在于：

使用权利要求1～3中任意一项所述的铁氧体磁芯来构成。

5.一种电源装置，其特征在于：

具备权利要求4所述的电子部件。