JP2005145781A - Ferrite sintered compact - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ニッケル−亜鉛系のフェライト焼結体に関し、更に詳しく述べると、シリコンあるいはシリカなどの粉末を少量添加することにより、材料自体の直流印加(重畳)時のインダクタンス(L値)を向上させたフェライト焼結体に関するものである。この技術は、特に小型のチョークコイルやインダクタンス素子の磁気ギャップレスコアに好適な材料である。 The present invention relates to a nickel-zinc ferrite sintered body. More specifically, by adding a small amount of powder such as silicon or silica, the inductance (L value) of the material itself when DC is applied (superposition) is improved. It relates to a ferrite sintered body. This technique is particularly suitable for a magnetic gap score of a small choke coil or inductance element.
スイッチング電源の2次側直流平滑回路に組み込まれるチョークコイルは、巻線に重畳して流れる直流電流値に対してインダクタンス値が非線形特性を示すことが求められている。そこで、チョークコイルやインダクタンス素子において、直流印加(重畳)時のインダクタンス(L値)を向上させるために、通常、磁気回路中に磁気ギャップを配置する構成が採用されている。例えばチョークコイルでは、EIコアなどの脚部の形状を工夫して非磁性のギャップシートを挟んだり、積層型インダクタでは、非磁性層を挿入して実質的にギャップ部を形成する。 A choke coil incorporated in a secondary-side DC smoothing circuit of a switching power supply is required to have an inductance value exhibiting nonlinear characteristics with respect to a DC current value that flows while being superimposed on a winding. Therefore, in order to improve the inductance (L value) at the time of DC application (superimposition) in the choke coil and the inductance element, a configuration in which a magnetic gap is usually arranged in the magnetic circuit is adopted. For example, in a choke coil, the shape of a leg portion such as an EI core is devised to sandwich a nonmagnetic gap sheet, and in a multilayer inductor, a nonmagnetic layer is inserted to substantially form a gap portion.
しかし、チョークコイルなどにおいてコア形状を工夫して磁気ギャップを設ける場合、コアに精密加工を施したり、複雑な形状の金型などが必要になり、工程や設備が増加する問題がある。特にコアを小型化する場合には、加工は一層煩瑣となり、ギャップシートの装着作業も困難となり、組立作業性が著しく悪化する。また、積層型インダクタの場合には、2種類以上の材料を組み合わせることが必要となり、それらを配置する工程が増えるし、異なる材料層間での密着性低下などの問題も生じる。 However, in the case of providing a magnetic gap by devising the core shape in a choke coil or the like, there is a problem in that precision processing is performed on the core or a mold having a complicated shape is required, which increases processes and equipment. In particular, when the core is downsized, the processing becomes even more cumbersome, the gap sheet mounting operation becomes difficult, and the assembling workability is significantly deteriorated. In the case of a multilayer inductor, it is necessary to combine two or more kinds of materials, the number of steps for arranging them increases, and problems such as a decrease in adhesion between different material layers occur.
そこで近年、磁性材料自体の工夫によって、磁気ギャップがない閉磁路構造でも直流重畳特性を改善できるようにする方策が検討されてきた。例えば、特許文献1には、Ni−Zn系フェライトに対してZrO2 を添加する技術が提案されている。しかし、この技術では、直流重畳特性の改善のために、かなり多量(10〜20wt%)のZrO2 を含有させることが必要であり、コスト高となるばかりでなく、磁性材料本来の磁気特性が損なわれる恐れがある。 In recent years, therefore, measures have been studied to improve the DC superposition characteristics even in a closed magnetic circuit structure without a magnetic gap by devising the magnetic material itself. For example, Patent Document 1 proposes a technique of adding ZrO 2 to Ni—Zn ferrite. However, in this technique, it is necessary to contain a considerably large amount (10 to 20 wt%) of ZrO 2 in order to improve the DC superposition characteristics, which not only increases the cost, but also the original magnetic characteristics of the magnetic material. There is a risk of damage.
ところで半導体産業では、シリコンウエハ製造時に研削が行われ、多量の研削屑が発生する。また、破損したり傷が付いたりした不良品のシリコンウエハも生じる。これらの研削屑あるいは廃シリコンウエハは、高純度であるものの、リサイクルが困難であり、そのため産業廃棄物として処分されている。更に、通信技術の進歩あるいは信頼性維持のために古い光ファイバが伝送容量の大きな新しい光ファイバに置き換えることが進められており、今後ますます多量の光ファイバ(高純度の極細石英ガラス繊維)が廃棄物として発生することが予想されている。このような材料は高純度であり、そのため廃棄物として処分するのではなく、いかに有効利用するかが大きな課題となっている。
本発明が解決しようとする課題は、少量の安価な材料の添加によって、磁性材料本来の磁気特性を損なうことなく、材料自体の直流重畳特性を改善し、磁気ギャップを設ける必要を無くすことである。 The problem to be solved by the present invention is to improve the direct current superposition characteristics of the material itself and to eliminate the need to provide a magnetic gap without impairing the original magnetic characteristics of the magnetic material by adding a small amount of an inexpensive material. .
本発明者等は、磁性材料自体の直流重畳特性を向上させることを開発目標として、フェライト材料の基本組成や特性について種々検討し、材料の直流重畳時の透磁率(即ち、チョークコイルやインダクタンス素子のL値に相当する透磁率)に着目した。その結果、Ni−Cu−Zn系フェライト材料にシリコン(Si)、シリカ(SiO2 )、あるいはアルミナ(Al2 O3 )を少量添加することによって、磁気ギャップを設けることなく直流重畳特性が向上すること見出し、本発明を完成させるに至ったものである。 The inventors have studied the basic composition and characteristics of ferrite materials with the development goal of improving the DC superposition characteristics of the magnetic material itself, and have studied the magnetic permeability (ie, choke coil and inductance element) when the material is DC superposed. (Permeability corresponding to L value) was noted. As a result, by adding a small amount of silicon (Si), silica (SiO 2 ), or alumina (Al 2 O 3 ) to the Ni—Cu—Zn-based ferrite material, the DC superposition characteristics are improved without providing a magnetic gap. That is, the present invention has been completed.
即ち本発明は、Fe2 O3 、ZnO、CuO、及びNiOを主成分とするフェライト粉末に対して、シリコン(Si)粉末を0.06〜5wt%添加混合し、焼結してなるフェライト焼結体である。ここで、フェライト粉末に添加するシリコンとしては、廃シリコンウエハの粉砕粒又はシリコンウエハの研削屑を用いることができる。 That is, the present invention relates to a ferrite powder obtained by adding 0.06 to 5 wt% of silicon (Si) powder to a ferrite powder mainly composed of Fe 2 O 3 , ZnO, CuO, and NiO, and sintering. It is a knot. Here, as silicon to be added to the ferrite powder, pulverized grains of waste silicon wafer or grinding waste of silicon wafer can be used.
また本発明は、Fe2 O3 、ZnO、CuO、及びNiOを主成分とするフェライト粉末に対して、シリカ(SiO2 )粉末を0.6〜5wt%添加混合し、焼結してなるフェライト焼結体である。ここで、フェライト粉末に添加するシリカ粉末としては、廃光ファイバの粉砕粒を用いることができる。添加物としては、軟化点が900℃以下のSi化合物含有ガラス粉末でもよい。その他、アルミナ(Al2 O3 )粉末や、シリカ及び/又はアルミナを含む材料の粉末でも、同様の効果が生じる。 The present invention also relates to a ferrite powder obtained by adding 0.6 to 5 wt% of silica (SiO 2 ) powder to a ferrite powder mainly composed of Fe 2 O 3 , ZnO, CuO, and NiO, and sintering. It is a sintered body. Here, pulverized grains of waste optical fiber can be used as the silica powder added to the ferrite powder. As an additive, Si compound-containing glass powder having a softening point of 900 ° C. or less may be used. In addition, the same effect can be obtained by using an alumina (Al 2 O 3 ) powder or a powder of a material containing silica and / or alumina.
本発明に係るフェライト焼結体は、例えばチョークコイル用あるいはインダクタンス素子用として有用である。また、積層型インダクタンス素子にも適用できる。 The ferrite sintered body according to the present invention is useful, for example, for a choke coil or an inductance element. It can also be applied to a multilayer inductance element.
本発明に係るフェライト焼結体においては、Ni−Cu−Zn系フェライトにシリコン(Si)、シリカ(SiO2 )あるいはアルミナ(Al2 O3 )を少量添加することによって、材料自体の磁気特性を損なうことなく、直流印加(重畳)時のインダクタンス(L値)を向上させることができる。それによって磁路中に磁気ギャップを設けなくてもよくなるため、特に小型のチョークコイルやインダクタンス素子を安価に、且つ容易に製造できる。また、1種類の材料のみで積層型インダクタンス素子を構成することができ、異種材料を用いることによる弊害を防止できる。 In the ferrite sintered body according to the present invention, by adding a small amount of silicon (Si), silica (SiO 2 ) or alumina (Al 2 O 3 ) to Ni—Cu—Zn ferrite, the magnetic properties of the material itself can be improved. The inductance (L value) at the time of DC application (superimposition) can be improved without loss. This eliminates the need to provide a magnetic gap in the magnetic path, so that particularly small choke coils and inductance elements can be manufactured inexpensively and easily. In addition, the multilayer inductance element can be configured with only one kind of material, and adverse effects caused by using different materials can be prevented.
また本発明では、シリコン(Si)としてシリコンウエハの研削屑や廃シリコンウエハを、シリカ(SiO2 )として廃光ファイバを、アルミナ(Al2 O3 )としてアルミナ基板の研削屑や廃材を、あるいはアルミナとシリカを含むものとしては炉材や陶磁器などを利用できるため、廃棄物量の削減に寄与でき、単に粉砕するだけで使用できるため材料コストも低減できる。 Further, in the present invention, silicon wafer grinding waste and waste silicon wafer as silicon (Si), waste optical fiber as silica (SiO 2 ), alumina substrate grinding waste and waste material as alumina (Al 2 O 3 ), or As materials containing alumina and silica, furnace materials, ceramics, and the like can be used, which contributes to a reduction in the amount of waste and can be used simply by pulverization, thereby reducing material costs.
本発明の好ましい形態は、Fe2 O3 、ZnO、CuO、及びNiOを主成分とするフェライト粉末に対して、シリコン(Si)粉末を0.06〜2wt%(より好ましくは、0.06〜1wt%以下)添加混合し、焼結してなるフェライト焼結体である。ここで、フェライト粉末に添加するシリコンとしては、廃シリコンウエハの粉砕粒又はシリコンウエハの研削屑を用いる。 In a preferred embodiment of the present invention, the silicon (Si) powder is 0.06 to 2 wt% (more preferably 0.06 to 0.02 wt%) with respect to the ferrite powder mainly composed of Fe 2 O 3 , ZnO, CuO, and NiO. 1 wt% or less) A ferrite sintered body obtained by adding, mixing and sintering. Here, as silicon to be added to the ferrite powder, pulverized grains of waste silicon wafer or grinding waste of silicon wafer is used.
本発明の好ましい他の形態は、Fe2 O3 、ZnO、CuO、及びNiOを主成分とするフェライト粉末に対して、シリカ(SiO2 )粉末を1〜3wt%添加混合し、焼結してなるフェライト焼結体である。ここで、フェライト粉末に添加するシリカとしては、廃光ファイバの粉砕粒を用いる。 In another preferred embodiment of the present invention, 1 to 3 wt% of silica (SiO 2 ) powder is added to and mixed with ferrite powder containing Fe 2 O 3 , ZnO, CuO, and NiO as main components, and sintered. This is a ferrite sintered body. Here, as the silica added to the ferrite powder, pulverized grains of waste optical fiber are used.
なお、添加物として軟化点が900℃以下のSi化合物含有ガラス粉末を用いると、低温焼結が可能となる。 In addition, when Si compound containing glass powder whose softening point is 900 degrees C or less is used as an additive, low temperature sintering will be attained.
本発明で用いるフェライト材料としては、Fe2 O3 :40〜48モル%、ZnO:18〜25モル%(但し、Fe2 O3 とZnOの合計が60〜70モル%)、CuO:5〜15モル%、NiO:16〜28モル%の組成が好ましい。この組成範囲は、印加磁界1000A/m以上において効果が顕著であり、チョークコイルやインダクタンス素子に有効である。ここでFe2 O3 とZnOの範囲は、初透磁率μが高すぎず、低すぎず、適当になるように選定している。NiO量は、この条件の中で、できるだけ飽和磁束密度Bs が大きくなるように選定しており、またCuO量で焼成温度を調整している。なお、用途によっては、上記よりも広い組成範囲内でも直流重畳特性改善効果が得られる。 The ferrite material used in the present invention, Fe 2 O 3: 40~48 mol%, ZnO: 18 to 25 mol% (however, Fe 2 O 3 and total 60-70 mole% of ZnO), CuO: 5~ A composition of 15 mol% and NiO: 16 to 28 mol% is preferable. This composition range has a remarkable effect at an applied magnetic field of 1000 A / m or more, and is effective for choke coils and inductance elements. Here, the range of Fe 2 O 3 and ZnO is selected so that the initial permeability μ is not too high and not too low. The amount of NiO is selected so that the saturation magnetic flux density Bs is as large as possible under these conditions, and the firing temperature is adjusted by the amount of CuO. Depending on the application, the effect of improving DC superposition characteristics can be obtained even within a wider composition range than the above.
(実施例1)
Fe2 O3 :46モル%、ZnO:20モル%、CuO:11モル%、NiO:23モル%の組成からなるNi−Zn系フェライト粉末に対して、高純度シリコンウエハを粒径250μm以下に粉砕して得られるシリコン(Si)粉末を0〜1wt%添加し(0wt%は比較例)、常法に従い造粒、成形し、1100℃で焼成を行うことによりフェライト焼結体を作製した。これらのフェライト焼結体について、シリコン添加量をパラメータとして直流重畳特性(直流印加磁界Hdcに対する透磁率μの関係)を測定した。測定に用いた試料は、外径25mm、内径15mm、厚み5mmの標準リングに50ターンの巻線を施したものである。
(Example 1)
A high-purity silicon wafer having a particle size of 250 μm or less is compared with Ni—Zn-based ferrite powder having a composition of Fe 2 O 3 : 46 mol%, ZnO: 20 mol%, CuO: 11 mol%, and NiO: 23 mol%. 0 to 1 wt% of silicon (Si) powder obtained by pulverization was added (0 wt% is a comparative example), granulated and shaped according to a conventional method, and sintered at 1100 ° C. to prepare a ferrite sintered body. With respect to these ferrite sintered bodies, DC superposition characteristics (relationship of magnetic permeability μ with respect to DC applied magnetic field Hdc) were measured using the amount of silicon added as a parameter. The sample used for the measurement is a standard ring having an outer diameter of 25 mm, an inner diameter of 15 mm, and a thickness of 5 mm and 50 turns of winding.
測定結果の一例を図1に示す。図1に示す結果より、シリコン添加量が0.06wt%以上において、シリコン無添加(0wt%:比較例)のものに比べて300〜500A/m以上(添加量によって異なる)の直流印加磁界で透磁率が向上していることが分かる。なお図示していないが、より添加量が多い試料についても試作したところ、添加し過ぎるとL値が低下し、コアロスが非常に大きくなる傾向があることが判明した。その点では、添加量の上限は5wt%程度であるが、少量であっても十分にSi添加効果が得られることから、2wt%以下とすることが好ましい。実際には、1wt%以下で十分である。 An example of the measurement result is shown in FIG. From the results shown in FIG. 1, when the silicon addition amount is 0.06 wt% or more, the DC applied magnetic field is 300 to 500 A / m or more (depending on the addition amount) compared to the case of no silicon addition (0 wt%: comparative example). It can be seen that the permeability is improved. Although not shown in the figure, a sample with a larger amount added was also prototyped, and it was found that if it was added too much, the L value decreased and the core loss tended to become very large. In that respect, the upper limit of the addition amount is about 5 wt%, but even if it is a small amount, the effect of adding Si can be sufficiently obtained, so that it is preferably 2 wt% or less. Actually, 1 wt% or less is sufficient.
(実施例2)
Fe2 O3 :46モル%、ZnO:20モル%、CuO:7モル%、NiO:27モル%の組成からなるNi−Zn系フェライト粉末に対して、シリカ(SiO2 )粉末を0〜3wt%添加し(0wt%は比較例)、常法に従い造粒、成形し、1100℃にて焼成を行うことによりフェライト焼結体を作製した。これらのフェライト焼結体について、シリカ添加量をパラメータとして直流重畳特性(直流印加磁界Hdcに対する透磁率μの関係)を測定した。測定に用いた試料は、実施例1と同様、外径25mm、内径15mm、厚み5mmの標準リングに50ターンの巻線を施したものである。
(Example 2)
Silica (SiO 2 ) powder is added in an amount of 0 to 3 wt% with respect to Ni—Zn ferrite powder having a composition of Fe 2 O 3 : 46 mol%, ZnO: 20 mol%, CuO: 7 mol%, and NiO: 27 mol%. % (0 wt% is a comparative example), granulated and shaped according to a conventional method, and fired at 1100 ° C. to prepare a ferrite sintered body. With respect to these ferrite sintered bodies, DC superposition characteristics (relationship of magnetic permeability μ with respect to DC applied magnetic field Hdc) were measured using the amount of silica added as a parameter. As in Example 1, the sample used for the measurement was obtained by winding 50 turns on a standard ring having an outer diameter of 25 mm, an inner diameter of 15 mm, and a thickness of 5 mm.
測定結果の一例を図2に示す。図2に示す結果より、シリカ添加量が0.6wt%以上において、シリカ無添加(0wt%)のものに比べて300〜800A/m以上(添加量によって異なる)の直流印加磁界で透磁率が向上していることが分かる。なお、図示していないが、より多量のシリカ添加量の試料についても試作したところ、この場合も添加し過ぎるとL値が低下し、コアロスが非常に大きくなる傾向があることも判明した。その点では、添加量の上限は5wt%程度であり、少量であっても十分にシリカ添加効果が得られることから、3wt%以下とすることが好ましい。 An example of the measurement result is shown in FIG. From the results shown in FIG. 2, when the silica addition amount is 0.6 wt% or more, the magnetic permeability is 300 to 800 A / m or more (depending on the addition amount) in comparison with the case of no silica addition (0 wt%). It can be seen that it has improved. Although not shown in the drawing, a sample with a larger amount of silica added was also prototyped, and it was also found that in this case too much L value decreases and the core loss tends to become very large. In that respect, the upper limit of the addition amount is about 5 wt%, and even if it is a small amount, a sufficient silica addition effect can be obtained, and therefore it is preferably 3 wt% or less.
(実施例3)
Fe2 O3 :46モル%、ZnO:20モル%、CuO:7モル%、NiO:27モル%の組成からなるNi−Zn系フェライト粉末に対して、Si化合物(低融点ガラス)粉末を0.5〜1.5wt%添加し、常法に従い造粒、成形し、焼成を行うことによりフェライト焼結体を作製した。ここで使用したSi化合物は、組成がSiO2 :80モル%、B2 O3 :15.9モル%、Al2 O3 :0.4モル%、K2 O:3.2モル%の低融点ホウ珪酸ガラスである。また、母材となるフェライト粉末は、低温焼結に適するように粉砕を効かせて微粒子化している。焼成は900℃で行った。これらのフェライト焼結体について、Si化合物添加量をパラメータとして直流重畳特性(直流印加磁界Hdcに対する透磁率μの関係)を測定した。その結果を図3に示す。シリカ添加の実施例2と同様に直流重畳特性が向上していることが分かる。
(Example 3)
The Si compound (low melting point glass) powder is 0 with respect to the Ni—Zn ferrite powder having the composition of Fe 2 O 3 : 46 mol%, ZnO: 20 mol%, CuO: 7 mol%, and NiO: 27 mol%. The ferrite sintered body was produced by adding .about.1.5 to 1.5 wt%, granulating, forming and firing according to a conventional method. Si compounds used herein, the composition is
本発明においては、粉砕を効かせて微粒子化すると、通常のSiO2 添加でも900℃程度で焼成可能である。低融点ガラスであれば、更に低温(850℃程度)でも焼成できる。 In the present invention, when pulverization is effected to make fine particles, even normal SiO 2 addition can be fired at about 900 ° C. If the glass has a low melting point, it can be fired even at a lower temperature (about 850 ° C.).
(実施例4)
実施例2と同様のNi−Zn系フェライト粉末に対して、アルミナ(Al2 O3 )粉末を0〜1wt%添加し(0wt%は比較例)、常法に従い造粒、成形し、焼成を行うことによりフェライト焼結体を作製した。これらのフェライト焼結体について、アルミナ添加量をパラメータとして直流重畳特性(直流印加磁界Hdcに対する透磁率μの関係)を測定した。その結果を図4に示す。前記実施例2と同様に直流重畳特性が向上していることが分かる。
Example 4
Alumina (Al 2 O 3 ) powder is added in an amount of 0 to 1 wt% to the same Ni—Zn-based ferrite powder as in Example 2 (0 wt% is a comparative example), and granulated, shaped and fired according to a conventional method. By doing so, a ferrite sintered body was produced. With respect to these ferrite sintered bodies, the DC superposition characteristics (relationship of the magnetic permeability μ with respect to the DC applied magnetic field Hdc) were measured using the alumina addition amount as a parameter. The result is shown in FIG. It can be seen that the DC superimposition characteristics are improved as in the second embodiment.
なお実施例2と実施例4に示すように、シリカ(SiO2 )とアルミナ(Al2 O3 )の両方で効果があることから、両方が混在していても、同様に直流重畳特性が向上すると考えられる。 As shown in Example 2 and Example 4, since both silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) are effective, DC superposition characteristics are improved even if both are mixed. It is thought that.
実施例からも分かるように、本発明では、シリコン(Si)、シリカ(SiO2 )、及びアルミナ(Al2 O3 )を少量添加することにより、材料自体の直流重畳時のインダクタンスが向上する。シリカとして、高純度の石英ガラスである廃光ファイバの粉砕粒を用いても同様の効果が得られることは言うまでもなく、廃光ファイバの有効利用が可能となる。また、低融点ガラスを用いると低温焼結が可能となる。アルミナとしてはアルミナ基板の研削屑や廃材の粉砕粒などが使用できる。 As can be seen from the examples, in the present invention, by adding a small amount of silicon (Si), silica (SiO 2 ), and alumina (Al 2 O 3 ), the inductance of the material itself when DC is superimposed is improved. Needless to say, the same effect can be obtained by using pulverized grains of waste optical fiber, which is high-purity quartz glass, as silica, and the waste optical fiber can be effectively used. Moreover, low temperature glass can be used for low temperature sintering. As alumina, grinding scraps of an alumina substrate, pulverized particles of waste materials, or the like can be used.
他の種々の化合物を添加した場合についても同様の実験を行った結果、図5に示すように、例えばTiO2 :0.5wt%、MgO:1wt%、NaCl:1wt%では無添加の場合と殆ど同じ曲線となり、添加効果は認められなかった。ZrO2 についても同様であった。これらのことから、他の添加物は少量では効果が無く、特にSi及びSiO2 の顕著性は際だっていることが分かる。またSiO2 の添加と比較してSiの添加は、微量でも直流重畳特性が向上し、保磁力Hc が小さく、コアロスも小さい効果が得られる。 As a result of conducting the same experiment in the case of adding various other compounds, as shown in FIG. 5, for example, when TiO 2 : 0.5 wt%, MgO: 1 wt%, NaCl: 1 wt% is not added. Almost the same curve was obtained, and no effect of addition was observed. The same was true for ZrO 2 . From these facts, it can be seen that other additives are ineffective in a small amount, and the remarkableness of Si and SiO 2 is particularly remarkable. Compared to the addition of SiO 2, the addition of Si improves the DC superposition characteristics even in a small amount, and has the effect of reducing the coercive force Hc and the core loss.
Claims (7)
The ferrite sintered body according to any one of claims 1 to 6, which is a material for a choke coil or an inductance element.
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