CN1371104A - 氧化物磁性材料及利用该材料制成的线圈元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由组合物制成的氧化物磁性材料,该组合物含46.0－50.0摩尔%的Fe₂O₃,20.0－30.0摩尔%的ZnO，7.1－10.0摩尔%的CuO，1.0或更小摩尔%(除0摩尔%之外)的MgO，其余为NiO。本发明还涉及一种具有由该氧化物磁性材料制成的芯体的线圈元件。

Description

氧化物磁性材料及利用该材料制成的线圈元件

发明领域

本发明涉及一种用于扼流圈和感应圈芯体的氧化物磁性材料以及一种利用这种氧化物磁性材料作芯体的线圈元件。

背景技术

近年来，各种电子设备在缩小尺寸和降低重量方面的要求呈指数增长。与此相应，对这类电子设备的电气回路中电子元件的小尺寸和高性能的要求亦快速增加。

作为这类电子元件之一的电源扼流圈的磁性材料出于下列原因常常采用Ni-Zn基铁素体。即Ni-Zn基铁素体具有如此高的电阻率，以致它可以直接绕组的形式应用。因此，电源扼流圈可做成小尺寸并且费用低。此外，Ni-Zn基铁素体的居里温度如此之高，以致饱合磁通量密度Bs的温度特性优异。

但是，Ni-Zn基铁素体的饱合磁通量密度Bs通常低于Mn-Zn基铁素体的Bs。因此，作为电源扼流圈的磁性材料要求Ni-Zn基铁素体要具有更高的Bs。除这个要求之外，同时还要求改进和附加为制造用于电源扼流圈元件芯体所要求的其它性质。

具体而言，提出了下列要求：

(1)增加饱合磁通量密度Bs，其程度不致对施加高电流产生的高磁场饱合，即是说，能改善DC叠加性能；

(2)增加初始磁导率μi，以便得到预期的感应系数，甚至在线圈数量减小，从而DC电阻值减小，以便达到节约能耗的目的的情况下亦是如此；

(3)改进初始磁导率μi的温度性能，以保持优异的DC叠加性能，甚至在高的操作温度范围内亦要如此；和

(4)防止感应系数在电子元件是表面-固定时由于树脂模压件所引起的变化，即保持优异的抗应力性能。

此外，对电源感应圈的磁性材料的性质的要求与对电源扼流圈的要求相似。

为了达到这些要求，日本专利公开件No.平6-295811公开了一种氧化物软磁材料，该材料通过向基本组合物添加不高于3000ppm的形式为MoO₃的Mo的氧化物，该基本组合物含48-50摩尔％的Fe₂O₃、15-25摩尔％的ZnO、2.5摩尔％或更低的CuO、22-37摩尔％的NiO，其余为不可避免的杂质。同一专利报导，高的Bs和高的μi可通过将氧化物软磁材料的组成设定在上述范围内来达到。但是，该专利未提到施加外应力的情况下感应系数的变化。

此外，日本专利公开件No昭63-275104公开了一种氧化物磁性材料，其特征在于，将0.1-3.0重量％的Sb₂O₃添加到Ni-Zn基铁素体中，该铁素体的组成为40-55摩尔％的Fe₂O₃、5-50摩尔％的NiO、0-20摩尔％的CuO和0-30摩尔％的ZnO。按照该专利，一种满足磁导率、温度性能和抗压性能要求的氧化物磁性材料可以通过将氧化物磁性材料的组成设定在上面提及的范围内而得到。该专利确实涉及到抗压性能，但未公布抗压性能的具体数据。

日本专利公开件No平5-3112公开了一种氧化物磁性材料，其特征在于，以Ni-Cu-Zn基铁素体作为主要成分，向主要成分添加0.2-0.8重量％的Nb₂O₅、0.3-1.2重量％的Ta₂O₅和0.15-1.35重量％的MoO₃中之任一种作为次要成分。根据该专利，具有高初始磁导率和初始磁导率的低温度系数的一种氧化物磁性材料可通过使氧化物磁性材料有上述组成而得到。但是，该专利未公开饱合磁通量密度Bs和抗压性能。不能说，具有这种组成的氧化物磁性材料能满足用作电源扼流圈和电源感应圈所要求的全部性质。

再次，日本专利公开件No平1-103053公开了一种铁素体材料，其特征在于，在Ni-Cu、Zn基铁素体中含0.05-2.0重量％的Bi₂O₃，该铁素体的组成为40-50摩尔％的Fe₂O₃、20-35摩尔％的ZnO、3-10摩尔％的CuO，其余为NiO，而且其中在多数情况下1/2的NiO被MgO和/或(1/4)(Li₂O+Fe₂O₃)和/或Mn的氧化物所取代。根据该专利，具有高初始磁导率μi、高的饱合磁通量密度Bs和高强度和优良的抗热冲击性能的铁素体材料可使该铁素体材料有上述组成而得到。该专利确实提到了铁素体的机械强度，但未提到初始磁导率的抗压性能，即抗应力性能。

日本专利公开件No平3-93667公开了一种磁性材料，其特征在于，在一种尖晶石型组合物中含0.1-12重量％的Bi₂O₃和0.05-4.0重量％的SiO₂，该组合物的组成为25-40摩尔％的Fe₂O₃、0-20摩尔％的ZnO，其余为NiO和CuO，而且其中NiO被0.1-20摩尔％的MgO取代。按照该专利，一种抗压性能和磁场性能优异的磁性材料可通过使该磁性材料具有上述组成而得到。但是，该专利的实施例中提及的磁性材料的初始磁导率大约在5-10的范围内，而且该专利未提到饱合磁通量密度Bs。因此，不能说，这种磁性材料能满足作为电源扼流圈和电源感应圈芯体所要求的全部性质。

日本专利公开件No平10-335131公开了一种氧化物磁性材料，其特征在于，以Ni-Mg-Cu-Zn基铁素体为主要成分，除该主要成分外，含2.16-3.95重量％的PbO、0.80-1.63重量％的SiO₂和1.4-3.0重量％的Nb₂O₅作次要成分，除次要成分外，还含有0.01-0.10重量％的Co₃O₄。按照此专利，一种具有高初始磁导率μi和低的温度系数的磁性材料可通过使该磁性材料具有上述组成而得到。但是，该专利的实施例中提到的该磁性材料的初始磁导率约在18-69的范围内，而且该专利未提及饱合磁通量密度Bs和抗应力性能。因此不能说，这种磁性材料的满足作电源扼流圈和电源感应圈芯体所要求的全部性能。

再次，日本专利公开件No.2000-306 719公开了一种氧化物磁性材料，该材料的组成为48-50摩尔％的Fe₂O₃、20-32摩尔％的ZnO、3-7摩尔％的CuO，及其科为NiO，而且其中0-5摩尔％的ZnO被MgO取代，同时烧结产品的平均晶粒尺寸不小于5μm。根据该专利，一种具有高比电阻和低损耗的氧化物磁性材料可通过使该磁性材料具有上述组成而得到。但是该专利未提到在外应力作用下感应系数的变化，即未提到抗应力性能。因此不能说，这种磁性材料能满足用作电源扼流圈和电源感应圈特别是树脂模压型电源扼流圈和树脂模压型电源感应圈的芯体所需的全部要求。

如上所述，在常规的磁性材料中还没有具有高饱合磁通量密度Bs和初始磁导率μi、优异的初始磁导率μi的温度性能以及优异的抗压应性能的磁性材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高饱合磁通量密度Bs和初始磁导率μi、优异的初始磁导μi的温度性能和优异的抗应力性能的氧化物磁性材料以及一种用该氧化物磁性材料作芯体的线圈元件。

权利要求1的一种氧化物磁性材料的特征在于，其组成为46.0-50.0摩尔％的Fe₂O₃、20.0-30.0摩尔的ZnO、7.1-10.0摩尔％的CuO、1.0或更小摩尔％(不包括0摩尔％)的MgO和其余为NiO。

权利要求3的线圈元件的特征在于，其芯体由权利要求1的氧化物磁性材料制成。

将本发明的氧化物磁性材料的组成设定在上述范围内，可制成具有高饱合磁通密度Bs、高初始磁导率μi、优异的初始磁导率μi的温度性能和优异抗应力性能的材料。

这里，将该组合物相应组成设定在上述范围的原因如下：如果相应组分Fe₂O₃低于46.0摩尔％，则烧结产物的密度较低。其次，在Fe₂O₃超过其化学计算量组成的情况下，由于在空气中焙烧引起Fe₃O₄的沉淀，作芯体的烧结产品的密度和比电阻开始下降。这种沉淀在Fe₂O₃超过50.0摩尔％时显著出现。

其次，在CuO低于7.1摩尔％的条件下，磁性材料的烧结性能变坏，致使烧结产物的密度变低。因而芯体的物理强度降低。另一方面，在CuO超过10.0摩尔％的条件下，芯体的比电阻降低。

再次，在ZnO低于20.0摩尔％的条件下，初始磁导率下降。另一方面，在ZnO超过30.0摩尔％的条件下，居里温度变低，引起实际应用的问题。

再次，在含MgO的情况下，在饱合磁通密度Bs、初始磁导率μi的温度性能以及抗应力性能等各个方面都能得到优异的值。另一方面，在不含MgO的条件下，难于同时在这三个性质上取得优异的值。在MgO超过1.0摩尔％的条件下，饱合磁通密度降低，初始磁导率μi的温度性能和抗应力性能亦变坏。

再次，根据本发明，含NiO作为主要成分中的其余中分。这是在用其它阻分调节不同性质之后的余量。这里，在不含NiO的条件下，比电阻降低，抗应力性能也变坏。

附图简述

图1是本发明的扼流圈实施方案的部分透视图。

图2是本发明感应圈实施方案的部分透视图。

优选实施方案的详述

本发明的磁性材料按上述组成制成。例如，该磁性材料按下述方式制造。氧化铁、氧化铜、氧化锌、氧化镁和氧化镍基本上用作相应组分的原料。至于镁、其它镁化合物如Mg(OH)₂等亦可采用，以使按MgO的镁的组成比例在最终得到的磁性材料中调整在上述范围内。将各个原料混合，以使最终组合物具有上述的组成比例。

其次，混合物经煅烧。通常，煅烧可在空气中进行。优选的煅烧温度设定在800℃-1100℃范围内，煅烧时间设定在1小时-3小时范围内。

再次，所得煅烧产物用球磨机或类似机器磨至预定的粒度。煅烧产物经磨碎之后将适量的合适粘接剂如聚乙烯基醇或类似物添加到煅烧产物中，然后形成预定的形状。

再次，对成形的元件进行焙烧，通常焙烧在空气中进行。焙烧温度宜设定在大约900℃-1200℃的范围内，回火时间设定在大约2小时-5小时范围内。

本发明的线圈元件可按如下得到。即将本发明的上述磁性材料加工成预定形状的芯体，然后施加所需绕组到芯体上，并将绕组按需进行树脂模压或类似工序。有时，为了将芯体形成预定形状，可在上述的焙烧之前采用成型方法，或存在焙烧之后采用加工方法。

图1是采用本发明的一种磁性材料制成的扼流圈铁素体芯体的结构例的部分透视图(鼓形芯体1和环形芯体2)。图1中，绕组线3绕在鼓形芯体1的周围。树脂6充填在带有绕组线3的鼓形芯体1和环形芯体2之间，而芯体1和芯2粘接在基体4上。一对端电极5固定在基体4上，绕组线3的两端与相应的端电极5连接。

图2是采用本发明磁性材料制成的铁素体芯体的芯片感应圈结构例的部分透视图。此实施方案的芯片感应圈具有鼓型芯体7、绕组线8、端电极9和模压材料10。芯体7是用本发明的铁素体形成的，而且在其相对的端面上有大直径的凸缘。绕组线8绕在芯体7的主干上。端电极9将绕组线8的端部连接到外电路上，并将芯体7固定在树脂中(模压材料10)。模压材料10用于复盖此部件的外部。

扼流圈或芯片感应圈的结构不限于这些示范性实施方案，而可采取不同的形状。例如，扼流圈的结构可使树脂注入带中柱的罐形芯体中，并将板形铁素体芯组合盖住罐形芯体的开口部分，以便封住树脂。此外，例如感应圈可采取这样的结构，以使在芯体上有绕组线、导线等的线圈组件***盒状的树脂壳中，而开口部分用模压材料封住。

各个组分的原料经称量，使其具有表1所示的组成比，并用球磨机混合5小时。顺便指出，表1中试样1-8是本发明组成范围内的实施例，而试样9-14是本发明组成范围之外的参比实施例。

按上述方式得到的混合物在900℃下于空气中煅烧2小时，然后用球磨机混合物并研磨20小时。研磨后的混合物经干燥，并加入1.0重量％的聚乙烯基醇。在此之后，该混合物在100kPa下经压制，和成形，得到尺寸为50mm×10mm×7mm的矩形元件和外径为20mm、内径10mm、高为5mm的环形元件。这些成形元件在空气中按表1所示的各种温度下焙烧2小时，得到由磁性材料制成的矩形芯体样品和环形芯体样品。

在上述矩形芯体试样的中心部分绕线14圈。在此之后，以固定速度向试样施加轴向压力，并在此期间依次测量感应系数值。从得到的测量值计算感应系数的变化率。在施加轴向压力为50kPa的条件下的感应系数值变化率ΔL/L示于表1。其中L表示施压之前的感应系数，ΔL表示压力引起的感应系数的变化，即施压前的感应系数减去施压时的感应系数得到的值。

顺便指出，轴向施压是用Aikoh Engineering公司制造的荷载试验机(测试台型号1321，测量放大器型号1011 CREEP，荷载室型号3800)进行的。感应系数值是用Hewlett-Packard公司制造的精密的LCR meter 4284 A进行测量的。

此外，绕环形芯体样品绕线20圈。在此之后，感应系数值用上述的LCR meter测量，100kHz下的初始磁导率μi和-20℃-20℃范围内和20℃-60℃范围内的相对温度系数αμir按照方程式1得到。顺便指出，方程式1中，T₁和T₂分别表示测量磁导率时的温度，而μi₁和μi₂分别表示在温度T₁和T₂下的初始磁导率。

                                                                        表1

试样序号	成分比(mol％)					焙烧温度(℃ )	性质
												Fe2O3	NiO	CuO	ZnO	MgO	μi	Bs(mT)	αμir(-20 to 20℃)(ppm/℃)	αμir(20 to 60℃ )(ppm/℃)	ΔL/L(％)
	1	48.50	17.00	7.90	26.50		0.10	1030	566	408	8.7											7.2	-2.2
2						48.50						17.00	9.00	25.25	0.25	1030	504	415	9.6	5.9	-1.8
	3	48.50	17.00	8.00	26.25		0.25	1060	580	410	8.4											4.7	-1.8
4						48.25						17.00	8.00	26.25	0.50	1060	566	407	8.5	4.5	-1.8
	5	48.25	17.50	7.50	26.25		0.50	1090	574	408	9.5											7.6	-2.2
6						48.50						17.50	7.50	26.25	0.25	1060	603	410	9.1	7.8	-2.6
	7	48.50	17.00	7.50	26.25		0.75	1030	559	406	8.1											5.1	-2.5
8						48.75						17.00	8.00	25.25	1.00	1060	530	405	9.3	6.8	-2.7
	9(参比试样)	46.75	18.50	9.00	25.75			1030	383	400	8.6											3.5	-1.0
10(参比试样)						48.75						17.00	9.00	25.25		1030	475	432	11.5	11.5	-3.0
	11(参比试样)	48.75	18.75	6.00	26.50			1090	590	413	9.8											12.4	-3.2
12(参比试样)						48.50						17.00	8.00	26.50		1060	577	411	11.1	12.7	-2.5
	13(参比试样)	48.75	17.00	7.00	25.25		2.00	1060	513	404	10.7											11.9	-3.0
14(参比试样)						48.75						17.00	6.00	25.25	3.00	1090	501	401	12	13.9	-3.3

[方程式1] $\mathrm{\α\μir}=\frac{\mathrm{\μ}{i}_2-\mathrm{\μ}{i}_1}{\mathrm{\μ}{i_1}^2}\·\frac{1}{T_2-T_1}$

其次，绕上述环形芯体样品绕次级绕组线40圈，该样品用于测量初始磁导率μi和相对温度系数αμir。在此之后，饱合磁通密度Bs用Riken Denshi公司制造的B-H曲线描图器测量，同时施加4kA/m的磁场，结果示于表1。

从表1可以看出，在Fe₂O₃、ZnO和CuO的含量是在本发明的上述组成范围内，并含NiO和含1或更小摩尔％的MgO的试样1-8中，所得其初始磁导率μi的高值不低于500，饱合磁通密度Bs的高值不低于400mT。此外，在试样1-8中，感应系数的相对温度系数αμir在-20℃-20℃的温度范围内和20℃-60℃的温度范围内可控制到低于10。此外，在试样1-8中，感应系数值变化率ΔL/L高于-3.0。因此可得到优异的抗应力性能。尤其在考虑抗应力性能(感应系数值变化率)ΔL/L时，MgO的百分含量优选处于0.1摩尔％-0.75摩尔％的范围内。

另一方面，在MgO含量为0或不低于2摩尔％的试样9-14的情况下，感应系数的相对温度系数αμir至少在-20℃-20℃和20℃-60℃温度中的一个范围内的值超过10。此外，在试样10-14中，抗应力性能的绝对值ΔL/L增加到3.0或更大。

正如上面详述的那样，本发明的磁性材料具有高的饱合磁通密度Bs和初始磁导率μi，优异的初始磁导率μi的温度性能和优异的抗应力性能。即是说，该磁性材料能满足作电源扼流圈和电源感应圈芯体的磁性材料的所需全部要求。因此，利用本发明的磁性材料可提供优质的电源扼流圈和优质的电源感应圈。

Claims (4)

1.一种氧化物磁性材料，它包含含46.0-50.0摩尔％的Fe₂O₃、20.0-30.0摩尔％的ZnO、7.1-10.0摩尔％的CuO、1.0或更少摩尔％的MgO，其余为NiO的组合物。

2.权利要求1的氧化物磁性材料，其中该组合物含0.1-0.75摩尔％的MgO。

3.一种线圈元件，它包含由一种氧化物磁性材料制成的芯体，该材料包含含46.0-50.0摩尔％的Fe₂O₃、20.0-30.0摩尔％的ZnO、7.1-10.0摩尔％的CuO、1.0-或更小摩尔％的MgO，其余为NiO的组合物。

4.权利要求3的氧化物磁性材料，其中该组合物含0.1-0.75摩尔％MgO。

Images