KR20150101945A

KR20150101945A - 페라이트 소결체 및 이것을 사용한 전자 부품, 및 전원 장치

Info

Publication number: KR20150101945A
Application number: KR1020150027077A
Authority: KR
Inventors: 겐타로 모리; 가츠시 야스하라; 마사히로 가모우
Original assignee: 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2015-09-04
Also published as: CN104876558B; CN104876558A; KR101685947B1

Abstract

[과제]
페라이트 소결체의 비용 증가로 이어지는 특별한 피복층 등을 형성하지 않고, 높은 강도를 가진 페라이트 소결체를 제공하는 것, 및 상기 페라이트 소결체를 사용한 강도가 우수한 전자 부품을 제공하는 것, 및 상기 전자 부품을 사용하여 높은 신뢰성을 가진 전원 장치를 제공하는 것.
[해결 수단]
본 발명에 따른 페라이트 소결체는 트랜스나 쵸크 코일 등의 전자 부품에 사용되는 페라이트 소결체로서, 페라이트 소결체의 최표면으로부터 내부로 향하여 최표면을 포함하는 소결체 두께의 3분의 1까지의 범위에 압축 변형이 부가되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

페라이트 소결체 및 이것을 사용한 전자 부품, 및 전원 장치{FERRITE SINTERED COMPACT AND ELECTRONIC COMPONENT USING THE SAME, AND POWER SUPPLY DEVICE}

본 발명은 고강도의 페라이트 소결체에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 페라이트 소결체를 사용한 전자 부품에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 전자 부품을 사용한 전원 장치에 관한 것이다.

최근, 전자 기기의 소형화와 고효율화가 진행되고, 전원 장치 등에 사용되는 전자 부품에도 소형화·고효율화가 강하게 요구되고 있다. 소형화·고효율화를 위해 코일이나 트랜스 등의 전자 부품에 사용되는 페라이트 소결체에는 저손실 특성이 요구된다.

종래, 페라이트 소결체는 그 자기 특성을 우수한 저손실 특성으로 하기 위하여, 소결 후에 변형이 남지 않도록 제조되고 있다. 왜냐하면, 소결 후에 변형이 남아 있으면, 그 잔류 변형에 의해 페라이트 소결체에 잔류 응력이 발생하여 투자율(透磁率)의 저하나 자기 손실의 증가란 자기 특성의 악화를 일으키기 때문이다.

예를 들어, 특허문헌 1에 기재된 저손실 산화물 자성 재료에서는, 소성 공정의 냉각 스피드를 제어함으로써 잔류 응력을 저감하여 자기 손실을 저감하고 있다. 또한, 예를 들어, 특허문헌 2에 기재된 소프트 페라이트의 제조 방법에서는, 페라이트 성형체의 소성 시에, 성형체와 세라믹스제 깔판 사이에 산화아연 등의 분말을 살포하고 있다. 이것에 의해 페라이트로부터의 탈아연 반응을 저지하고, 스피넬 상의 격자 상수의 수축에 의해 발생하는 인장 잔류 응력에 의한 자기 특성의 열화를 개선하고 있다. 또한, 예를 들어, 특허문헌 3에 기재된 페라이트 코어에서는, 코어부의 표면을 유리 조성물로 구성되는 피막층으로 덮음으로써, 코어부와 피복층에서의 열팽창 계수의 차를 이용하여 잔류 응력을 저감하고 초투자율을 개선하고 있다. 또한, 피막층이 희생막의 역할을 함으로써 코어부의 깨짐 등을 효과적으로 방지할 수 있다고 기재되어 있다.

특허문헌 1, 2, 3에 개시한 바와 같이, 지금까지는, 페라이트 소결체의 자기특성을 악화시키지 않기 위하여, 잔류 변형에 의해 발생하는 잔류 응력을 없애는 것이 강하게 요구되고 있었다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 특개2007-204349호 특허문헌 2: 일본 특허공보 특허 제2833722호 특허문헌 3: 일본 특허공보 특허 제5195669호

특허문헌 1, 2, 3에 개시하는 바와 같이, 지금까지는, 페라이트 소결체에 남은 변형, 즉 잔류 변형에 의해 발생하는 잔류 응력은 불필요한 것이라고 여겨져, 최대한으로 없애는 노력이 이루어져 왔다.

특허문헌 1에 기재된 저손실 자성 재료의 경우에는, 소결 후에 잔류 응력이 발생하지 않도록 소성 공정이 규정되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 소프트 페라이트의 제조 방법에서는, 페라이트의 탈아연 반응을 저지함으로써, 발생하는 잔류 응력에 기인하는 자기 특성의 열화를 개선하고 있다. 하지만, 상술한 특허문헌 1, 2에 있어서, 페라이트 소결체의 강도(항응력)와 페라이트 소결체에 남은 변형의 관련성에 대해서는 조금도 고려되어 있지 않다. 코일이나 트랜스 등의 전자 부품에 사용되는 페라이트 소결체에는, 수지 등으로 전체가 덮이는 것이나 일부가 접착되는 것, 또는, 금구 등으로 고정되는 것 등, 항상적으로 외부 응력을 받는 것 같은 것이 다수 있다. 그러한 배경으로부터, 고강도의 페라이트 소결체가 요구되고 있다.

또한, 특허문헌 3에 기재된 페라이트 코어에 있어서는, 피복층을 붙임으로써 코어의 잔류 응력을 완화하여 초투자율을 개선하고, 또한 피막층이 희생막의 역할을 함으로써 코어부의 깨짐 등을 효과적으로 방지할 수 있다고 기재되어 있다. 특허문헌 3에 관해서는, 피막층을 가짐으로써 깨짐 등을 방지하는 것으로부터, 강도가 올라 있는 것을 생각할 수 있다. 하지만, 피막층을 가짐으로써 비록 강도가 올라 있었다고 해도, 소결체 자체의 강도(항응력)가 향상되어 있는 것이 아니고, 또한, 유리 조성물로 구성되는 피막층을 도부(塗付)한다는 것은 비용의 증가로 이어진다는 문제가 있다. 또한, 강도에 대해서는 언급되어 있지 않지만, 항응력에 대하여 하등의 데이터는 제시되어 있지 않다.

또한, 특허문헌 2, 3에서 개시되어 있는 바와 같이, 지금까지는 페라이트 소결체의 최표면으로부터 수백㎛에 잔류한 변형에 의한 잔류 응력을 없애는 노력이 이루어져 왔다.

예를 들어, 특허문헌 2에서 개시되어 있는 것은, 페라이트 소결체의 최표면으로부터 탈아연 반응이 일어나 자기 특성이 열화되지만, 이것에 대하여, 페라이트 소결체의 최표면으로부터 약 250㎛를 제거함으로써 철손이 개선되었다고 기재되어 있다. 여기에서는, 변형이 가해지는 층은 250㎛라고 이해된다.

특허문헌 3에서도 마찬가지로, 잔류 응력은 페라이트 조성물의 소성·냉각시의 수축에 기인하는 응력이나, 소성·냉각시에서의 페라이트 조성물 중의 성분, 특히 ZnO 성분의 증발 등에 의해 생기는 응력 등이 원인이 되어 있다고 생각할 수 있다라고 기재되어 있다. 특허문헌 3에서는 페라이트 소결체의 표면이라고는 언급되어 있지 않지만, 상기에 나타낸 바와 같이, 특히 ZnO 성분의 증발이 원인이다라고 언급하고 있는 점(특허문헌 2와 동일하다)이나, 실시형태에 있어서 코어부(2)의 날밑부(5)의 두께를 0.2 내지 0.3mm로 하고 있는 점에서도 알 수 있는 바와 같이, 특허문헌 2와 동일하게, 변형이 가해지는 층은 고작 수백㎛ 정도를 상정하고 있다. 여기에서는, 날밑부의 최대 두께가 0.3mm인 것으로부터 최대라도 0.15mm(150㎛)를 상정하고 있는 것은 명백하다.

특허문헌 1에서도, 소결 공정의 냉각 과정에 있어서 적절한 산소 분압, 적절한 냉각 스피드로 제어하지 않으면, 소결체 표면이 너무 산화되거나, 너무 환원되거나, 입계상이 너무 두꺼워지거나, 입계상이 형성되지 않거나 한다고 되어 있는데, 특허문헌 2, 3과 마찬가지로 페라이트 소결체의 최표면으로부터 수백㎛에 잔류하는 응력에 대하여 언급하고 있음은 상상하기에 어렵지 않다.

상기에 기재한 바와 같이, 지금까지, 변형은 페라이트 소결체의 최표면으로부터 수백㎛까지 존재하는 「조성 등이 불균일한 층」에 발생하는 불필요한 것이라고 여겨지고 있었다. 하지만, 본 발명자들은 변형과 페라이트 소결체의 강도의 관계에 착안하여, 변형을 변화시킨 페라이트 소결체의 강도를 측정한 바, 변형이 페라이트 소결체의 강도에 영향을 주는 것을 발견하였다. 또한, 그 변형은 상술한 특허문헌 1, 2, 3이 개시하는 바와 같은 종래의 제법으로 제작한 결과, 최표면에 남은 변형이 아니고, 페라이트 소결체의 최표면으로부터 수백㎛ 이상의 내부에 잔류한 변형임을 발견하였다.

본 발명은 상기 내용을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 고강도의 페라이트 소결체를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 이러한 페라이트 소결체를 사용한 강도가 우수한 전자 부품을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 또 다른 목적은 이러한 전자 부품을 사용한 높은 신뢰성을 가진 전원 장치를 제공하는 것이다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 연구하였다. 그 결과, 종래에 불필요하다고 여겨졌던 변형을 페라이트 소결체의 최표면으로부터 종래의 제법으로 할 수 있는 「조성 등이 불균일한 층」(수백㎛: 예를 들어 탈아연층이라면 250㎛) 이상의 범위에 부가함으로써 페라이트 소결체의 강도를 개선할 수 있음을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

여기에서, 「조성 등이 불균일한 층」에 대하여 설명한다. 조성 등이 불균일한 층이란, 페라이트 소결체의 가장 내부 즉 중심부와 비교하여, 조성이나, 가수(價數)나, 입계상 두께나, 입자 직경 등 중 어느 하나가 변화되어 있는 「페라이트 소결체의 최표면으로부터 수백㎛에 존재하는 층」이며, 그것이 잔류 응력을 발생시킴으로써 자기 특성을 열화시키고 있는 원인이 되고 있는 층이다. 그 층은 기계 연마 또는 화학 연마에 의해 제거함으로써 자기 특성이 회복되는 것은 일반적으로 알려져 있다. 본 발명자들이 ICP 분석 및 자기 특성의 회복 상태로부터 상기 층의 두께를 어림잡아본 바 최대라도 300㎛ 미만이었다. 즉, 여기에서 말하는 종래의 제법으로 할 수 있는 「조성 등이 불균일한 층」이란 페라이트 소결체의 최표면으로부터 300㎛ 미만의 층이다.

상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 페라이트 소결체는 페라이트 소결체의 최표면으로부터 내부로 향하여 최표면을 포함하는 소결체 두께의 3분의 1까지의 범위에 압축 변형이 부가되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 페라이트 소결체에 의하면, 압축 변형이 페라이트 소결체의 최표면으로부터 내부로 향하여 최표면을 포함하는 소결체 두께의 3분의 1까지의 범위에 부가됨으로써, 페라이트 소결체의 항절력을 개선할 수 있다. 그 결과, 페라이트 소결체의 강도를 개선할 수 있다.

또한, 종래는 자기 손실의 평가에 있어서 여자 파형을 고려하는 일은 없었다. 일반적으로, 자기 손실의 평가는 정현파 여자에 의해 행해지고 있고, 상술한 특허문헌 1, 2, 3에서도 여자 파형에 대해서는 조금도 고려, 기재는 없다. 즉, 상술한 특허문헌 1, 2, 3에 기재가 있는 잔류 변형에 의해 열화된 자기 특성이란 것은 정현파 여자에 의해 측정된 것인 것은 명확하다. 하지만, 실제의 제품의 회로 중에서 여자 파형은 정현파가 아니라 구형파 여자로 동작하고 있는 것이 대부분이다. 본 발명자들은, 실제로 실물 기계에 탑재된 상태를 보다 좋게 재현하기 위해서는 구형파 여자에 의한 측정이 중요한 것에 착안하여, 본 발명의 변형 부가에 의한 강도 증가에 더불어, 구형파 여자에 의한 자기 손실의 변화에 대해서도 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 부가하는 변형량을 적정한 범위로 함으로써, 본 발명의 첫번째 목적인 강도 증가에 추가하여, 구형파 여자에 의한 손실을 억제할 수 있음을 발견하였다.

즉, 본 발명에서는 부가하는 압축 변형이 4 내지 55με인 것이 바람직하다. 부가하는 압축 변형을 이러한 범위로 함으로써, 본 발명의 효과인 강도 증가에 추가하여, 구형파 여자로의 자기 손실의 대폭적인 증가를 억제한 페라이트 소결체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 페라이트 소결체는 Mn-Zn계 페라이트로 이루어진 것이 바람직하다. 페라이트 소결체가 Mn-Zn계 페라이트로 이루어짐으로써, 자기 손실이 낮은 Mn-Zn계 페라이트 소결체의 강도를 개선할 수 있다. 그 결과, 저손실 및 강도가 개선된 우수한 페라이트 소결체를 제공할 수 있다.

본 발명은 상기 페라이트 소결체를 사용한 것을 특징으로 하는 전자 부품이다. 상기 페라이트 소결체를 사용함으로써, 강도가 우수한 전자 부품을 제공할 수 있다.

본 발명은 상기 전자 부품을 구비한 것을 특징으로 하는 전원 장치이다. 이 전원 장치에 의하면, 강도가 우수한 전자 부품이 사용되는 것으로부터, 높은 신뢰성을 갖는 전원 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 고강도의 페라이트 소결체, 및 강도가 우수한 전자 부품, 및 높은 신뢰성을 갖는 전원 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 페라이트 소결체의 일 실시형태를 도시한 사시도이다.
도 2는 종래의 소성 공정에서의 온도 설정의 일례를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 소성 공정에서의 온도 설정의 일례를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 페라이트 소결체의 일 실시형태인 페라이트 소결체와, 변형 게이지의 부착 위치, 및 변형 게이지를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 페라이트 소결체의 일 실시형태인 페라이트 소결체의 내측 부분을 연마로 제거하는 방향을 도시한 사시도이다.

(실시형태)

페라이트 소결체

본 발명에 따른 일 실시형태의 페라이트 소결체의 형상은 특별히 한정되지 않고, EE형 외에, FT형, ET형, EI형, UU형, 드럼형, EER형, UI형, 트로이달형, 포트형, 컵형 등을 예시할 수 있다. 본 실시형태에서는 도 1에 도시한 바와 같이, 페라이트 소결체(1)는 I형 형상을 갖고 있다. 페라이트 소결체는 페라이트 조성물로 구성되어 있고, Mn-Zn계 페라이트 또는 Ni-Zn계 페라이트인 것이 바람직하고, Mn-Zn계 페라이트인 것이 보다 바람직하다. Mn-Zn계 페라이트는 자기 특성이 우수하기 때문이다.

페라이트 소결체 제조 방법

페라이트 소결체는 Fe₂O₃, ZnO, MnO, NiO 등의 산화물 원료를 사용하여, 가소성, 분쇄, 성형, 소성이란 종래의 분말 야금법에 의해 제작된다.

이하에, 본 발명에 따른 일 실시형태의 Mn-Zn계 페라이트 소결체를 구성하는 페라이트 조성물에 대하여 설명한다.

Mn-Zn계 페라이트 소결체를 구성하는 페라이트 조성물은 주성분이, 산화철을 Fe₂O₃ 환산으로 51 내지 68mol%, 산화아연을 ZnO 환산으로 6 내지 18mol%, 잔부가 산화망간으로 구성된다. 산화철의 함유량이 적은 경우에는, 소결시에 이상 입성장이 발생하여 강도가 저하된다. 또한, 너무 많으면 밀도가 저하되기 때문에, 강도 저하가 현저하다. 산화아연의 함유량이 적은 경우에는, 밀도의 저하에 의한 강도 저하가 현저하다. 또한, 너무 많으면, 이상 입성장에 의해 강도가 저하된다.

본 실시형태에 따른 페라이트 조성물은, 상기의 조성 범위의 주성분에 추가하여, 부성분으로서 산화규소 및 산화칼슘을 함유하고 있다. 이러한 부성분을 함유시킴으로써, 입계의 결착력이 증가하여, 고강도를 얻을 수 있다. 산화규소의 함유량은 주성분 100중량%에 대하여, SiO₂ 환산으로 50 내지 300ppm이다. 산화규소의 함유량이 많아도 너무 적어도, 이상 입성장이 발생하여 강도가 저하되는 경향이 있다. 산화칼슘의 함유량은 주성분 100중량%에 대하여, CaO 환산으로 110 내지 1120ppm이다. 산화칼슘의 함유량이 많아도 너무 적어도, 이상 입성장이 발생하여 강도가 저하되는 경향이 있다.

페라이트 소결체를 구성하는 페라이트 조성물에 대하여, 상기의 내용에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 왜냐하면, 본 발명의 주지는, 어떠한 페라이트 소결체라도 페라이트 소결체의 표면에 변형이 부가되어 있으면, 조성에 관계없이 고강도의 페라이트 소결체를 얻을 수 있다는 것이기 때문이다.

다음으로, 본 실시형태에 따른 페라이트 소결체의 제조 방법의 일례를 설명한다.

우선, 페라이트 소결체(1)를 구성하는 페라이트 조성물의 원료를 준비하기 위해, 출발 원료(주성분의 원료 및 부성분의 원료)를 소정의 조성비가 되도록 칭량하고 혼합하여 원료 혼합물을 얻는다. 혼합하는 방법으로서는, 예를 들어, 볼 밀을 사용하여 행하는 습식 혼합이나, 건식 믹서를 사용하여 행하는 건식 혼합을 들 수 있다. 또한, 평균 입자 직경이 0.1 내지 3㎛의 출발 원료를 사용하는 것이 바람직하다.

주성분의 원료로서는, 산화철(α-Fe₂O₃), 산화아연(ZnO), 산화망간(Mn₃O₄), 또는 복합 산화물 등을 사용할 수 있다. 또한, 그밖에, 소성에 의해 상기한 산화물이나 복합 산화물이 되는 각종 화합물 등을 사용할 수 있다. 소성에 의해 상기한 산화물이 되는 것으로서는 예를 들어, 금속 단체, 탄산염, 옥살산염, 질산염, 수산화물, 할로겐화물, 유기 금속 화합물 등을 들 수 있다. 또한, 주성분 중의 산화망간의 함유량은 MnO 환산으로 계산되지만, 주성분의 원료로서는 Mn₃O₄가 바람직하게 사용된다.

부성분의 원료로서는, 주성분의 원료의 경우와 마찬가지로, 산화물뿐만 아니라 복합 산화물이나 소성 후에 산화물이 되는 화합물을 사용하면 좋다. 산화규소(SiO₂)의 경우에는 SiO₂를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 산화칼슘(CaO)의 경우에는 탄산칼슘(CaCO₃)을 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 원료 혼합물의 가소성을 행하여 가소성 재료를 얻는다. 가소성은 원료의 열 분해, 성분의 균질화, 페라이트의 생성, 소결에 의한 초미분의 소실과 적당한 입자 사이즈로의 입성장을 일으키고, 원료 혼합물을 후공정에 적합한 형태로 변환하기 위해서 행해진다. 이러한 가소성은 바람직하게는 800 내지 1100℃의 온도로 통상 1 내지 3시간 정도 행한다. 가소성은 대기(공기) 중에서 행해도 좋고, 대기 중보다도 산소 분압이 높은 분위기나 순산소 분위기에서 행해도 좋다. 또한, 주성분의 원료와 부성분의 원료의 혼합은 가소성 전에 행해도 좋고, 가소성 후에 행해도 좋다.

다음으로, 가소성 재료를 분쇄하여 분쇄 재료를 얻는다. 분쇄는 가소성 재료의 응집을 무너뜨려서 적당한 소결성을 갖는 분체로 하기 위해서 행하여진다. 가소성 재료가 큰 덩어리를 형성하고 있을 때에는, 조(粗)분쇄를 행하고나서 볼 밀이나 아트리토(attritor) 등을 사용하여 습식 분쇄를 행한다. 습식 분쇄는 가소성 재료의 평균 입자 직경이 바람직하게는 1 내지 2㎛ 정도가 될 때까지 행한다.

다음으로, 분쇄 재료의 조립(과립)을 행하여 조립물을 얻는다. 조립은 분쇄 재료를 적당한 크기의 응집 입자로 하고, 성형에 적합한 형태로 변환하기 위해서 행하여진다. 이러한 조립법으로서는 예를 들어, 가압 조립법이나 스프레이 드라이법 등을 들 수 있다. 스프레이 드라이법은 분쇄 재료에 폴리비닐 알코올 등의 통상 사용되는 결합제를 첨가한 후, 스프레이 드라이어 중에서 무화(霧化)하고, 저온 건조하는 방법이다.

다음으로, 조립물을 소정 형상으로 성형하여 성형체를 얻는다. 조립물의 성형으로서는 예를 들어, 건식 성형, 습식 성형, 압출 성형 등을 들 수 있다. 건식 성형법은 조립물을 금형에 충전하여 압축 가압(프레스)함으로써 행하는 성형법이다. 성형체의 형상은 특별히 한정되지 않고, 용도에 따라 적절히 결정하면 좋은데, 본 실시형태에서는 I형 형상으로 한다.

다음으로, 성형체의 소성을 행하여 소결체(페라이트 소결체(1))를 얻는다. 소성은 많은 공극을 포함하고 있는 성형체의 분체 입자간에 융점 이하의 온도에서 분체가 응착하는 소결을 일으켜, 치밀한 소결체를 얻기 위해서 행하여진다. 이러한 소성은 바람직하게는 900 내지 1300℃의 온도에서 통상 2 내지 5시간 정도 행한다. 소성은 대기(공기) 중에서 행해도 좋고, 대기 중보다도 산소 분압이 높은 분위기에서 행해도 좋다.

그런데, 종래의 방법으로 제작한 페라이트 소결체에서는 본 발명의 효과인 고강도 특성이 발현되지 않는다. 그 때문에, 이하에 고강도 특성의 발현에 필요한 압축 변형의 부가 방법을 서술한다.

변형 부가 방법

본 실시형태에서는 압축 변형을 부가하기 위하여, 소성 공정을 연구하였다. 우선, 종래의 소성 공정에 대하여 서술한다.

도 2는 종래의 소성 공정에서의 온도 설정의 일례를 도시한 그래프이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 소성 공정은 가열로 내의 성형체를 서서히 가열하는 승온 공정 S1과, 온도를 유지하는 온도 유지 공정 S2와, 유지 온도로부터 서서히 강온하는 서랭 공정 S3와, 서랭 공정 S3의 종료 후에 급랭하는 급랭 공정 S4를 적어도 갖는다.

승온 공정 S1에 있어서, 승온 속도는 10 내지 300℃/시간으로 한다. 온도 유지 공정 S2에 있어서, 유지 온도는 1150 내지 1350℃로 한다. 서랭 공정 S3에 있어서, 서랭 속도는 150℃/시간 이하이다. 서랭 공정 S3을 종료하고, 급랭 공정 S4를 개시하는 온도(서랭 종료 온도)는 950 내지 1150℃이다. 이상은 종래의 소성 공정의 개략이다.

본 실시형태에서는, 압축 변형을 부가하기 위하여, 도 3에 도시한 바와 같이, 서랭 공정 S3의 도중에 추가 승온 공정 S5와 추가 강온 공정 S6을 마련하였다. 추가 공정을 더해 소성 조건을 조작하고 페라이트 소결체의 외측 부분 즉 최표면으로부터 내부로 향하여, 최표면을 포함하는 소결체 두께의 3분의 1까지의 범위에서의 층의 상태를 변화시켜서 변형량을 원하는 값으로 제어한다. 또한, 그 밖의 변형 부가 방법으로서는, 종래의 소성 공정을 거쳐서, 상온이 된 페라이트 소결체를 재차 가열로 내에 투입하여 800 내지 1300℃의 어느 온도까지 승온하여 강온하는 어닐에 의해서도 가능하다.

변형량 측정 방법

변형량을 측정하기 위해서, 페라이트 소결체의 기준 형상을 미리 마련하기로 한다. 기준 형상은 치수가 길이 70mm, 폭 8mm, 두께 8mm의 I형 페라이트 소결체(1)(도 1)로 한다. 변형의 측정은 변형 게이지(3)를 도 4에 도시한 바와 같이, I형의 페라이트 소결체(1)의 중심부 측면(2)에 변형 게이지(3)를 붙이고, 도 5에 도시한 바와 같이, 변형 게이지를 붙인 면에 대하여 반대측의 면을 평면 연삭반으로 두께 2mm가 될 때까지 연마한다. 이렇게 함으로써 페라이트 소결체(1)의 내측 부분을 제거하고, 최표면으로부터 내부로 향하여, 최표면을 포함하는 소결체 두께의 3분의 1까지의 범위의 층에 부가된 변형량을 측정할 수 있다. 또한, 이 기준 형상은 항절 강도를 측정할 때의 기준으로서도 사용한다.

여기에서, 두께 2mm가 될 때까지 연마했을 때의 변형량을 최종적인 변형량으로 한 근거에 대하여 설명한다. 변형량을 어림잡는 예비 실험으로서 12mm각의 입방체 형상의 페라이트 소결체를 사용하여 연마량에 의한 변형량 변화를 측정하였다. 그 결과, 12mm각의 입방체의 연마를 진행시켜 가면, 서서히 변형이 해방되어 페라이트 소결체는 신장을 나타냈다. 더욱 연마를 진행시키면, 나머지 3분의 1이 된 부분부터는 페라이트 소결체의 신장에 변화가 없어졌다. 즉, 페라이트 소결체의 두께가 4mm가 된 부분부터는 변형량에 변화는 없어졌다. 이 결과, 강제적으로 부가한 변형은 페라이트 소결체의 표면으로부터 3분의 1의 범위에 붙어 있다고 생각할 수 있다. 실제로 변형량 측정에 사용한 8mm각의 샘플에 있어서도 3분의 1 이하의 두께인 2mm나 1mm에서는 이미 변형량의 변화가 수속(收束)하고 있는 것으로부터 2mm를 최종적인 변형량으로 하였다. 또한, 이 결과로부터, 표면으로부터 3분의 1 정도는 소결체로서 거의 균일하다고 생각할 수 있다. 여기에서, 거의 균일하다고 언급한 것은 페라이트 소결체의 극표면에는 종래의 제법으로도 할 수 있는 잔류 변형의 존재를 생각할 수 있기 때문이다. 다만, 페라이트 소결체의 표면으로부터 300㎛의 범위에 「조성 등이 불균일한 층」에 의한 잔류 변형이 존재하였다고 해도, 잔류 변형은 최표면에만 붙은 미미한 것이라고 생각할 수 있다. 왜냐하면, 페라이트 소결체를 나머지 3분의 1로부터 그것 이하로 연마해도 변형량이 변화되지 않기 때문이다. 만약 「조성 등이 불균일한 층」에 의한 잔류 변형에 의해 페라이트 소결체가 신장을 나타내는 것이라면, 변형의 변화는 두께 300㎛ 이하가 될 때까지 수속하지 않을 터이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 페라이트 소결체의 최표면으로부터 내부로 향하여 최표면을 포함하는 소결체 두께의 3분의 1까지의 범위에 압축 변형을 부가하는 것을 특징으로 한다.

부가 변형량

부가 변형량은 4με 이상이 바람직하다. 왜냐하면, 4με 이상으로 변형이 없는 페라이트 소결체와 비교하여, 항절 강도에 있어서 10% 이상의 강도 상승을 기대할 수 있기 때문이다. 한편, 부가 변형량이 55με 이상에서는, 강도는 상승하지만, 구형파 여자에 의한 자기 손실이 600kW/m³ 이상으로 증가해버린다. 전자 부품에 사용하는 페라이트 소결체로서는 자기 손실은 600kW/m³ 이하가 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 부가하는 변형량의 바람직한 범위는 4 내지 55με로 한다. 본 발명의 효과를 더욱 높일 수 있는 더욱 바람직한 변형량은 4 내지 45με의 범위이다. 변형량을 4 내지 45με로 함으로써, 구형파 여자로 측정한 자기 손실의 증가를 변형이 없는 페라이트 소결체와 비교하여, 5% 이내로 가능한 한 억제하면서, 항절 강도 증가가 높은 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

여기에서는 부가 변형량을 수치로 규정하고 있지만, 응력 σ과 변형 ε의 관계는 이하의 식 1로 나타난다. E는 탄성 계수를 나타내며 재질에 따라 다르다.

<식 1>

σ = Ｅε

페라이트 소결체의 탄성 계수는 110 내지 170GPa 정도이므로, 가장 바람직한 변형량의 범위 4 내지 45με에서는 최소로 σ=0.44MPa, 최대로 σ=7.65MPa의 응력이 가해져 있는 계산이 된다. 이들 부가한 압축 변형에 의해 발생한 최표면으로부터 내부로 향하여, 최표면을 포함하는 소결체 두께의 3분의 1까지의 범위의 응력이 페라이트 소결체에 기여함으로써 고강도화하고 있다.

압축 변형을 부가함으로써 강도가 증가한 원인

항절 강도 시험에서는, 가압점에 압축 응력이 가해지고, 가압점의 뒷측에 인장 응력이 가해진다. 가압점의 뒷측에 미소 크랙이나 결함이 있으면, 거기가 기점이 되어 시료가 파단한다. 본 발명의 효과를 갖는 페라이트 소결체에서는 시료 파단의 기점이 되는 개소에서도 압축 응력이 부가되어 있기 때문에, 항절 강도가 증가되었다고 생각할 수 있다.

일반적으로, 물질의 기계적 강도를 나타내는 항절 강도는 그것이 높을수록 내결손성이 우수하다. 즉, 항절 강도를 개선하면 페라이트 소결체의 균열, 깨짐이 감소한다.

트랜스나 쵸크 코일 등의 전자 부품은 제조시에 페라이트 소결체를 수송하거나, 페라이트 소결체에 보빈을 장착하거나, 페라이트 소결체가 고정용 치구에 고정되거나로, 제조 과정에서 페라이트 소결체끼리의 충돌이나, 치구에 끼워졌을 때의 충격으로 결손하는 경우가 있는데, 본 발명의 효과를 갖는 고강도의 페라이트 소결체를 사용함으로써 그러한 결손을 저감할 수 있다.

또한, 트랜스나 쵸크 코일 등의 전자 부품이 전원 장치에 내장될 때에는, 전자 부품이 수송되거나, 고정되거나로 재차 페라이트 소결체가 결손할 가능성이 있는 공정을 거치는데, 본 발명의 효과를 갖는 고강도의 페라이트 소결체를 사용한 강도가 우수한 전자 부품을 사용함으로써 그러한 결손을 저감할 수 있다.

본 발명이 나타내는 고강도의 페라이트 소결체를 사용한 강도가 우수한 전자 부품을 구비하는 전원 장치에서는 전원 제조시나 수송시에 페라이트 소결체가 결손하는 경우가 없으므로, 결손한 도전성의 페라이트 소결체의 깨진 부스러기가 전원 장치 내부의 회로에 혼입하여 절연 파괴를 일으키거나 하여, 제품 품질에 대한 신뢰성을 저하시키는 경우는 없다. 즉, 높은 신뢰성을 가진 전원 장치를 제공할 수 있다.

압축 변형을 부가해도 구형파 여자에 의한 자기 손실이 크게 증가하지 않는 원인

명확한 원인은 알 수 없지만, 여자 파형이 구형파의 경우에는, 정현파의 경우와 달리, 고조파 성분이 포함된다. 그 때문에 전체 손실 중 몇 퍼센트인가는 여러가지 고조파에 의한 손실을 포함하고 있다. 본 발명에서의 「변형을 부가한 페라이트 소결체」에서는 기본파(1차)에서의 손실에 고차의 고조파에 의한 손실이 더해진 전체 손실이 현저하게 증가하지 않기 때문에, 결과적으로, 구형파 여자에 의한 자기 손실이 대폭 증가하지 않는 원인이 되고 있다고 생각할 수 있다.

[실시예]

페라이트 소결체를 구성하는 산화물 원료를, 최종적으로 주성분 조성이, Fe₂O₃: 52.8mol%, ZnO: 10.0mol%, 잔부 MnO가 되도록 칭량하고, 볼 밀을 사용하여 습식 혼합하였다. 원료 혼합물을 건조시킨 후, 공기 중에서 900℃ 정도의 온도로 가소성하였다. 얻어진 가소분을 볼 밀에 투입하고, 원하는 입자 직경이 될 때까지 습식 분쇄를 행하였다. 이렇게 해서 얻어진 분쇄분을 건조하고, 바인더 수지로서의 폴리비닐 알코올을 첨가하고 조립하여 과립으로 하였다. 이 과립을 약 150MPa의 압력으로 가압 성형하고, 트로이달 형상의 성형체 및 I자형 성형체를 얻었다. 이렇게 해서 얻어진 성형체를 산소 분압을 제어한 질소·공기 혼합 가스 중에서 소성하고, 치수가 길이 70mm, 폭 8mm, 두께 8mm의 I형 페라이트 소결체, 및, 외경 20mm, 내경 10mm, 높이 5mm의 트로이달 형상의 페라이트 소결체를 얻었다. 두께 8mm의 I형 페라이트 소결체는 변형량의 측정 및 항절 강도의 측정에 사용하였다. 트로이달 형상의 페라이트 소결체는 자기 특성의 측정에 사용하였다.

또한, 소성 시에 변형을 부가하기 위하여, 도 3에 도시한 바와 같이 서랭 공정 도중에 1200℃에서 시작되어 도달 온도 A까지 승온하는 추가 승온 공정(300℃/시간)과, 도달 온도 A로부터 1200℃까지 강온하는 추가 강온 공정(300℃/시간)을 추가하였다. 추가 공정에서의 도달 온도 A를 변화시켜서, 표 1에 기재한 바와 같이 복수의 변형량이 다른 페라이트 소결체를 얻었다.

변형의 측정은 쿄와 덴교 제조의 변형 게이지(KFG: 범용박 변형 게이지)를 사용하여 행하였다. 도 4에 도시한 바와 같이, I형의 페라이트 소결체의 중심부 측면(2)에 변형 게이지(3)를 붙이고, 도 5에 도시한 바와 같이, 변형 게이지(3)를 붙인 면과 반대측의 측면을 평면 연삭반으로 두께 3분의 1(2.67mm) 이하가 될 때까지 연마함으로써, 페라이트 소결체의 내측 부분을 제거하고, 최표면으로부터 내부로 향하여, 최표면을 포함하는 소결체 두께의 3분의 1까지의 범위의 층에 부가된 변형량을 측정하였다. 또한, 변형량의 측정은 소결체 두께를 5mm, 2.67mm, 2mm, 1mm로 단계적으로 얇게 하여 측정하고, 변형에 의한 치수 변화가 완전히 수속하고 있는 2mm에서의 변형량을 표 1에 기재하였다. 소결체 두께에 의한 측정 변형량의 변화에 대해서는 표 1-2에 기재하였다. 여기에서 측정한 변형은 압축 변형이다. 페라이트 소결체의 내측 부분을 제거하면, 남은 외측 부분과 붙인 변형 게이지는 신장을 나타낸다.

항절 강도 즉 굴곡 강도의 측정은 I형의 페라이트 소결체를 사용한 3점 굴곡 시험에 의해 행하였다. 지점간 거리를 50mm, 시험 속도를 5mm/min으로 하였다. 자기 특성의 측정은 구형파를 사용하여 주파수 100kHz, 자속 밀도 250mT의 조건으로 측정하고, 100℃에서의 자기 손실을 비교하였다.

표 1에 변형량과 항절 강도, 및 자기 손실의 측정 결과를 기재하였다. 표 1에 기재한 대로, 소성시에 추가 공정에서의 도달 온도 A를 변화시킴으로써 페라이트 소결체의 표면에 변형을 부가한 실시예 1 내지 6에서 비교예 1에 대하여 항절 강도가 증가하고 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 변형량의 범위에 있는 실시예 2 내지 6에서는 자기 손실의 대폭적인 증가를 가능한 한 억제하면서, 항절 강도 증가가 높은 효과가 얻어지고 있다.

※비교예 1은 추가 공정 없음의 종래의 소성 조건으로 제작.

표 1-2에 소결체 두께에 의한 측정 변형량의 변화를 기재하였다. 표 1-2에 기재한 대로, 연마가 진행되어 소결체 두께가 3분의 1(2.67mm) 이하가 되면, 변형량의 변화가 수속하고 있는 것을 알 수 있다.

[표 1-2]

[비교예]

다음으로, 종래의 제법으로 할 수 있는 극표면에서의 잔류 변형의 항절 강도에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 도 2에 도시한 종래의 소성 공정의 서랭 공정 S3에서의 산소 농도를 변화시킨 샘플을 제작하였다. 서랭 공정 S3에서의 산소 농도를 변화시킴으로써 소결체 표면의 산화 정도, 환원 정도가 변화되고 소결체 내외에 응력이 발생하여 자기 손실이 증대된다.

소성 공정 이외의 재료 제작 방법은 상기의 실시예와 동일하다. 평가 방법에 대해서는, 항절 강도 즉 굴곡 강도의 측정은 상기의 실시예와 동일하다. 한편, 자기 특성의 측정은 일반적인 전원 트랜스용 페라이트 재료의 측정 조건인 주파수 100kHz, 자속 밀도 200mT의 조건으로 측정하여, 100℃에서의 자기 손실을 비교하였다.

상기 소성 공정의 유지 공정 S2에서의 유지 온도는 1300℃로 하고, 유지 산소농도는 2.4%로 하였다. 서랭 공정 S3에서의 산소 농도 P(%)는 a를 기울기로 하고, T를 절대 온도(K)로 하고, b를 상기 유지 공정에서의 유지 온도 및 유지 산소 농도 및 상기 기울기 a에 의해 일의적(一義的)으로 결정되는 상수라고 했을 때, Log(P)=a/T＋b(단, Log는 상용 대수)의 식으로 규정된다. 본 비교 실험에서는, 상기 기울기 a의 값을 변화시킴으로써, 페라이트 소결체의 최표면에 잔류 변형을 발생시킨 샘플을 제작하였다.

이렇게 해서 얻어진 샘플에 대하여 변형량의 측정, 및 항절 강도의 측정, 및 초기의 정현파 여자에 의한 자기 손실의 측정, 및 잔류 응력을 발생시키고 있는 「조성 등이 불균일한 층」을 기계 연마와 화학 연마에 의해 제거한 후의 정현파 여자에 의한 자기 손실의 측정을 행하여, 종래 제법으로 할 수 있는 극표면의 잔류 변형의 영향을 확인하였다. 실험에서는 기계 연마와 화학 연마에 의해 페라이트 소결체의 최표면으로부터 약 300㎛의 층을 제거하였다.

표 2에 변형량과 항절 강도, 및 초기의 정현파 여자에 의한 자기 손실, 및 최표면 제거 후의 정현파 여자에 의한 자기 손실의 측정 결과를 기재하였다. 표 2에 기재한 대로, 종래의 제법에서는 페라이트 소결체의 최표면으로부터 2mm까지의 층인 내부로까지는 변형이 부가되지 않는다. 그 때문에, 변형 게이지에 의해 측정한 변형량은 변화되지 않는다. 또한, 최표면으로부터 2mm까지의 층인 내부에 변형이 부가되지 않기 때문에 항절 강도도 현저히 개선되지 않는다. 한편으로, 초기의 자기 손실은 적절한 산소 농도로 제어되어 있지 않은 비교예 2, 4, 5에서 증가한다. 이것은 페라이트 소결체의 최표면(300㎛ 미만)에는 과산화 또는 과환원에 의해 잔류 변형이 발생하고, 그것에 의해 잔류 응력이 발생하기 때문이다. 하지만, 적절한 산소 농도로 제어되어 있지 않은 샘플이라도 최표면을 제거한 후에는 자기 특성의 회복이 보인다.

즉, 종래의 제법에 있어서는 적절한 산소 농도로 제어되지 않으면 페라이트 소결체의 최표면에 잔류 변형이 발생하여 정현파 여자에 의한 자기 손실을 열화시킨다. 하지만, 이와 같이 우발적으로 발생한 극표면의 잔류 변형에서는 본 발명의 효과인 항절 강도 증가의 효과는 얻을 수 없다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 페라이트 소결체는 트랜스나 쵸크 코일 등의 전자 부품에 사용하는 페라이트 소결체에 유용하다.

1: 페라이트 소결체
2: 중심부 측면
3: 변형 게이지

Claims

페라이트 소결체의 최표면으로부터 내부로 향하여, 최표면을 포함하는 소결체 두께의 3분의 1까지의 범위에 압축 변형이 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 페라이트 소결체.
제 1 항에 있어서, 상기 변형량이 4 내지 55με인 것을 특징으로 하는 페라이트 소결체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 페라이트 소결체가 Mn-Zn계 페라이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 페라이트 소결체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 페라이트 소결체를 사용하여 구성되는 전자 부품.
제 4 항에 기재된 전자 부품을 구비한 전원 장치.