CN111435621B - 芯部件、制造芯部件的方法以及电感器 - Google Patents

芯部件、制造芯部件的方法以及电感器 Download PDF

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Abstract

一种由无机粉末的烧结体制成的芯部件，其中，芯部件包括：柱状绕线部，导线卷绕在该柱状绕线部上，该柱状绕线部具有第一轴向端部和第二轴向端部；以及凸缘部，其在绕线部的两个轴向端部处与绕线部一体地形成，其中，柱状绕线部在与轴心线正交的截面中包括第一区域和第二区域，第一区域具有的弯曲的外周面具有第一曲率半径，第二区域具有的曲面具有第二曲率半径，第二曲率半径小于第一曲率半径，并且第一区域和第二区域通过第一凸状部彼此连接。

Description

芯部件、制造芯部件的方法以及电感器
技术领域
本发明涉及一种由无机粉末的烧结体制成的芯部件、制造该芯部件的方法以及电感器。
背景技术
常规地，当将导线(例如覆盖有诸如聚氨酯或聚酯等绝缘材料的导线)卷绕在芯部件诸如铁氧体芯的绕线部上时，如图5A和图5B所示，通过下述过程使导线103在与绕线部101对准的状态下进行安装：将导线103的端部固定到设置在芯部件100的绕线部101的两端的任一凸缘部102上，并从绕线部101的一端向另一端供给导线103，同时使相邻导线103和103彼此接触(日本专利申请公开No.5-275256)。在图5A中，附图标记104是连接导线103的两端的引出电极。
近年来，如日本专利申请公开No.2017-204596中所示，诸如便携式终端之类的电子设备的小型化正在发展，并且对安装在这样的电子设备上的铁氧体芯的小型化的需求也在增加。
此外，在日本专利申请公开No.2017-204596中公开了卷绕在绕线部上的导线也变细了，并且其直径细至约20μm。
日本实用新型公开No.59-166413提出了一种电感芯，该电感芯具有：柱状线圈绕线部，其具有大致椭圆形的横截面；以及在其两端的一对凸缘，这一对凸缘均由大致椭圆形的平板构成。
发明内容
本发明的芯部件由无机粉末的烧结体制成，其中所述芯部件包括：柱状绕线部，导线卷绕在所述柱状绕线部上，所述柱状绕线部具有第一轴向端部和第二轴向端部；以及凸缘部，其在所述柱状绕线部的两个轴向端部处与所述柱状绕线部一体地形成，其中，所述柱状绕线部在与轴心线正交的截面中包括第一区域和第二区域，所述第一区域包括具有第一曲率半径的弯曲的外周面，所述第二区域包括具有第二曲率半径的曲面，其中，所述第二曲率半径小于所述第一曲率半径，并且所述第一区域和所述第二区域通过凸状部彼此连接。
根据本发明的制造芯部件的方法包括：在上冲头和下冲头之间填充无机粉末并对所述无机粉末进行加压成型，以形成加压成型的成型体，其中，所述上冲头和所述下冲头中的每一者都具有用于形成所述柱状绕线部和所述凸缘部的弧形加压面；以及烧结所述加压成型的成型体，其中，所述上冲头的弧形加压面和所述下冲头的弧形加压面具有不同的曲率半径，并且对烧结的成型体进行抛光，以在所述绕线部中的第一区域和第二区域之间的边界处形成凸状部。
本发明的另一芯部件由无机粉末的烧结体制成，其中所述芯部件包括：柱状绕线部，导线卷绕在所述柱状绕线部上；以及凸缘部，其在所述绕线部的两个轴向端部处与所述绕线部一体地形成，其中，所述凸缘部在与轴心线正交的截面中包括第三区域和第四区域，所述第三区域具有的弯曲的外周面具有大的曲率半径，所述第四区域的整个外周面由具有小的曲率半径或具有平坦部(其外周面连接到所述第三区域)的曲面和与所述平坦部连续且具有小的曲率半径的弯曲的表面部分构成，并且所述第三区域和所述第四区域通过第二凸状部彼此连接。
根据本发明的制造芯部件的方法包括：在上冲头和下冲头之间填充无机粉末并对所述无机粉末进行加压成型，所述上冲头和所述下冲头中的每一者都具有用于形成所述绕线部和所述凸缘部的弧形加压面；以及烧结所述加压成型的成型体，其中，所述上冲头的弧形加压面和所述下冲头的弧形加压面具有不同的曲率半径，并且对烧结的成型体进行抛光，以在所述凸缘部中的第三区域和第四区域之间的边界处形成第二凸状部。
本发明的电感器包括芯部件和卷绕在所述芯部件的绕线部上的导线。
附图说明
图1A是根据本发明的实施例的芯部件的侧视图，图1B是其沿线X-X截取的截面图，图1C是其沿线Y-Y截取的截面图；
图2A和图2B分别是示出根据本发明的实施例的芯部件如何用成型模具进行成型的横截面图和纵截面图；
图3A和图3B分别是示出利用成型模具进行成型后的状态的横截面图和纵截面图；
图4A是芯部件的局部放大横截面图，图4B是另一芯部件的局部放大横截面图；以及
图5A是在其上卷绕有导线的常规芯部件的立体图，图5B是其纵截面图。
具体实施方式
在下文中，将描述根据本发明的实施例的芯部件。如图1A所示，芯部件1包括具有第一轴向端部和第二轴向端部的柱状绕线部2和在绕线部2的两个轴向端部处与绕线部2一体形成的凸缘部3。芯部件1除了铁氧体以外还由无机粉末(诸如氧化铝)的烧结体制成。导线(未示出)卷绕在绕线部2上。导线的两端与形成在凸缘部3上的引出电极连接。例如，柱状绕线部2在轴向方向上的长度为1mm至2mm，并且直径为0.5mm至2mm。此外，每个凸缘部3在轴向方向上的长度(宽度)为0.2mm至0.8mm，并且直径为1.5mm至4mm。
如稍后描述的图1B和图4A所示，在与轴心线正交的截面中，绕线部2具有第一区域11和第二区域12，第一区域具有的弯曲的外周面具有第一曲率半径，第二区域具有的曲面具有第二曲率半径。第二曲率半径小于第一曲率半径。第一区域11和第二区域12通过凸状部13彼此连接。因此，可以抑制导线的断开。
凸状部13优选地具有弯曲的外周面。此外，凸状部13的高度优选等于或小于导线的直径，以便抑制导线的断开。这里，可以通过从(从轴心线到凸状部13的表面的长度)中减去(从轴心线到包括第二曲率半径的第二区域12的表面的长度)来获得凸状部13的高度。另外，在导线设置有涂层的情况下，使导线的直径为包括涂层的直径。
此外，凸状部13的外周面的曲率半径优选地比绕线部2的第二曲率半径小。结果，减小了凸状部13中的残余应力，使得凸状部13不太可能脆性断裂，并且减少了由于脆性断裂而引起的粒子脱落的发生。
替代性地，台阶部分10可以通过抛光等而被大量去除，并且该部分可以被加工成平面形状。在这种情况下，如图4B所示，在与轴心线正交的截面中，绕线部2’具有第一区域11’和第二区域12’，第一区域具有的弯曲的外周面具有第一曲率半径，第二区域具有的弯曲的外周面具有第二曲率半径，并且第二区域具有的平坦部14与弯曲的外周面连续。第二区域12’通过凸状部13’连接到第一区域11’。
如图1C所示，在与轴心线正交的截面中，凸缘部3具有第一区域111和第二区域112，第一区域具有的弯曲的外周面具有第一曲率半径，第二区域包括的弯曲的表面部分具有的曲面具有第二曲率半径，并且第一区域111和第二区域112通过凸状部131连接。结果，可以抑制从凸状部131发生粒子脱落。
凸状部131优选地具有弯曲的外周面。此外，凸状部131的外周面的曲率半径优选地比凸缘部的第二曲率半径小。结果，减小了凸状部13中的残余应力，使得凸状部13不太可能脆性断裂，并且减少了由于脆性断裂而引起的粒子脱落的发生。
与如图4B中所示的绕线部2一样，第二区域112可以包括与具有第二曲率半径的弯曲的外周面连续的平坦部14，并且第二区域通过平坦部14处的凸状部连接到第一区域111。
在本实施例的芯部件1中，如图1B所示，当在与轴向方向垂直的横截面中观察绕线部2时，绕线部2的表层部21的空隙面积占有率比绕线部2的内部22的空隙面积占有率小。例如，绕线部2的表层部21中的空隙面积占有率为0.5％至3％。
因此，由于绕线部2的表层部21密实，所以导线可以以高准确度卷绕在绕线部2上，绕线部2的强度提高，抗变形性提高，并且还抑制了粒子脱落。
这里，表层部21是指从绕线部2的表面朝向轴心线的深度为0.22mm或更小的区域。内部22是指除表层部21之外的区域。此外，为了获得空隙面积占有率，例如，在表层部21和内部22中的每一者的通过使用平均粒子直径为1μm的金刚石磨粒对表层部和内部进行抛光而获得的镜面中选择空隙的大小和分布被平均观察到的部分(该镜面是与绕线部2的轴向方向垂直的横截面)。例如，使用扫描电子显微镜以500倍的放大倍数拍摄面积为3.84×10- 2mm2(横向长度为0.226mm，纵向长度为0.170mm)的范围，以获得观察图像。然后，对于该观察图像，可以通过被称为粒子分析的方法使用图像分析软件“A-Zou Kun(ver2.52)”(注册商标，由旭化成工程公司出品。在以下描述中，图像分析软件“A-Zou Kun”是指由旭化成工程公司出品的图像分析软件)来确定空隙面积占有率。
凸缘部3的空隙面积占有率可以与柱状绕线部2的空隙面积占有率具有相同的关系。也就是说，如图1C所示，当在与轴向方向垂直的横截面中观察凸缘部3时，凸缘部3的表层部的空隙面积占有率比凸缘部3的内部32的空隙面积占有率小。例如，凸缘部3的表层部31中的空隙面积占有率为0.5％至4％。
另外，优选的是，至少在绕线部2的表层部21中，由以下公式表示的相邻空隙之间的间隙C为6至12μm。
公式：C＝L-R
其中，L是表层部21或内部22中的相邻空隙之间的重心之间的距离的平均值，并且R是表层部21或内部22中的空隙的等效圆直径的平均值。
此时，更优选的是，表层部21中存在的空隙比内部22中存在的空隙具有更大的相邻空隙之间的间隙C。具体地，优选的是，从上述公式获得的表层部21中的空隙之间的间隙CS1与内部22中的空隙之间的间隙CS2之间的差为1μm或以上。
如上所述，由于至少在绕线部2的表层部21中的空隙分布是稀疏的，从而减少了从内部和空隙的轮廓产生的粒子脱落，并且在将导线卷绕在绕线部2上时，不太可能对导线造成诸如断开之类的损坏。
如在绕线部2中那样，凸缘部3的表层部31中存在的空隙可以比内部32中存在的空隙具有更大的由上述公式表示的相邻空隙之间的间隙C。具体地，表层部31中的空隙之间的间隙CF1与内部32中的空隙之间的间隙CF2之间的差为1μm或以上。
这里，表层部31是指从凸缘部3的表面朝向轴心线的深度为0.22mm或更小的区域。内部32是指除了表层部31之外的区域。
可以通过以下方法确定空隙之间的重心之间的距离的平均值和空隙的等效圆直径的平均值。
首先，在表层部和内部中的每一者的通过使用金刚石磨粒对表层部和内部进行抛光而获得的镜面中选择空隙的大小和分布被平均观察到的部分(该镜面是与绕线部2的轴向方向垂直的横截面)。例如，用扫描电子显微镜以500倍的放大倍数拍摄面积为3.84×10- 2mm2(横向长度为0.226mm，纵向长度为0.170mm)的范围，以获得观察图像。接下来，可以使用上述图像分析软件“A-Zou Kun”通过分散度测量的重心间距离法来确定空隙的重心之间的距离的平均值。
另外，可以通过使用与上述观察图像相同的观察图像进行分析借助于使用图像分析软件“A-Zou Kun”进行的粒子分析来确定空隙的等效圆直径的平均值。
作为重心间距离法和粒子分析的设定条件，例如，阈值(它是指示图像的明暗的指标)可以是83，明度可以是暗的，小图形去除面积可以是0.2μm2，并且可以存在噪点去除过滤器。在上述测量中，虽然阈值为83，但是可以根据观察图像的明度来调整阈值。明度是暗的，二值化方法是手动的，小图形去除面积为0.2μm2，并且存在噪点去除过滤器。可以调整阈值，使得标记(其大小根据观察图像中的阈值而改变)与空隙的形状匹配。
绕线部2的表面粗糙度曲线的切断水平差(Rδc)优选地为0.2μm以上且2μm以下。切断水平差(Rδc)表示在表面粗糙度曲线中的25％负载长度率处的切断水平与在粗糙度曲线中的75％负载长度率处的切断水平之间的差。切断水平差(Rδc)是表示轴向方向和径向方向两者的参数。
同样，凸缘部3的表面上的粗糙度曲线的切断水平差Rδc优选地为0.2μm以上且2μm以下。
当切断水平差(Rδc)为0.2μm以上时，可以赋予导线适当的锚固效果。因此，导线的打滑被适当地抑制，卷绕安装变得容易，并且可以以高准确度进行导线到绕线部2的卷绕，从而可以防止发生卷绕偏差等。另一方面，切断水平差(Rδc)为2μm以下，从而可以抑制卷绕的导线之间的间隔的变化以及相邻导线之间的高度差的变化。
另外，优选的是，粗糙度曲线中的均方根高度(Rq)为0.07μm以上且2.5μm以下。
当均方根高度(Rq)为0.07μm以上时，可以赋予导线适当的锚固效果，这样便于安装。另一方面，当以2.5μm或以下的均方根高度(Rq)卷绕导线时，可以降低断开的风险。
如稍后描述的，通过下冲头5和上冲头6以高压力对绕线部2进行加压成型，使得图1A所示的绕线部2的表层部21比凸缘部3的内部部分的表层部31’密实。因此，当卷绕导线时，可以降低由卷绕引起的粒子脱落的风险。
粗糙度曲线的切断水平差Rδc和均方根高度(Rq)符合JIS B 0601：2001，并且可以通过超深度彩色3D形状测量显微镜(例如，由Keyence公司制造的VK-9500)进行测量。测量条件如下——测量模式：彩色超深度；增益：953；高度方向上的测量分辨率(间距)：0.05μm；放大倍数：400倍；截止值λs：2.5μm；截止值λc：0.08mm。
这里，当测量绕线部2时，每个位置的测量范围为580μm至700μm×280μm至380μm就足够了，当测量凸缘部3时，每个位置的测量范围为70μm至170μm×500μm至550μm就足够了。
如图1A所示，绕线部2和凸缘部3相交处的角部20的曲率半径优选地等于或小于导线的直径。具体地，角部20的曲率半径为40μm或以下，优选地为10至30μm。
结果，可以抑制在角部处发生偏移，并且导线可以在与绕线部对准的状态下准确地进行卷绕。
接下来，将基于图2和图3描述通过冲压成型制造芯部件1的方法。图2A和图2B分别是示出芯部件1的成型状态的横截面图和纵截面图。所使用的冲压成型设备包括模具4、下冲头5和上冲头6。下冲头5包括第一下冲头51和第二下冲头52。上冲头6包括第一上冲头61和第二上冲头62。
如图2A所示，下冲头5和上冲头6具有用于分别形成绕线部2和凸缘部3的弧形加压面50a、50b、60a和60b。下冲头5的加压面50a和50b的曲率半径与上冲头6的加压面60a和60b的曲率半径在形成绕线部2和凸缘部3的部分处是不同的。在本实施例中，上冲头6的加压面60a和60b的曲率半径形成为比下冲头5的加压面50a和50b的曲率半径大。相反，下冲头5的加压面50a和50b的曲率半径可以比上冲头6的加压面60a和60b的曲率半径大。
因此，在下冲头5的加压面50a和50b与上冲头6的加压面60a和60b重叠的状态下，在两侧形成有台阶部7和7’。
在本实施例中，至少下冲头5的加压面50b的曲率半径与上冲头6的加压面60b的曲率半径可以在待形成绕线部2的部分处彼此不同。
在成型过程中，首先，如图2A所示，将下冲头5固定在模具4中，将作为原料的无机粉末8供应到下冲头5的上表面的加压面50a和50b。然后，使上冲头6下降以在下冲头5和上冲头6之间对无机粉末进行加压。
加压成型时的成型压力为98MPa或以上，优选地为196至490MPa。由于可以使用这样的高压进行加压成型，所以，所得到的成型体具有高密度并且是紧密堆积的(特别是在表面部分上)，并且如实地反映成型模具(稍后描述的下冲头5和上冲头6)的表面形状，使得绕线部2和凸缘部3相交处的角部20的曲率半径可以等于或小于导线的直径。
另外，如上所述，可以使得绕线部2的表层部21的空隙面积占有率小于绕线部的内部22的空隙面积占有率。
出于同样的原因，可以将至少在绕线部2的表层部21中的空隙分布制成是稀疏的，并且可以将相邻空隙之间的间隙C制成6至12μm。
另外，成型体具有密实且紧密堆积的表面(特别是在表面部分上)，使得绕线部2的表面的粗糙度曲线的切断水平差Rδc可以为0.2至2μm。
如上所述，因为下冲头5的加压面50a和50b以及上冲头6的加压面60a和60b具有不同的曲率半径，所以可以施加这样的高压。另一方面，当下冲头5的加压面50a、50b以及上冲头6的加压面60a、60b具有相同的曲率半径时，当以高压进行加压，无法从成型模具中取出成型体。因此，由于不能以高压力对其进行加压，而是必须以低压力对其进行加压，所以通过加压成型形成的芯部件1具有大量的空隙，强度较差，而且容易产生粒子脱落。
在成型之后，如图3A和图3B所示，使模具4相对于下冲头5和上冲头6下降，使得下冲头5和上冲头6的重叠表面上的阶梯部分7和7’与模具4的上端面具有大约相同的高度。接下来，使上冲头6相对于下冲头5向上移动。这时，首先使两侧上的第一上冲头61升高，然后使第二上冲头62升高。这样有利于上冲头6与成型体9的分离。
在上冲头6上升的同时或之后，第二下冲头52相对于模具4相对地升高。结果，成型体9可以被向上推动，并且可以容易地取出成型体9。
例如，在通过吹气等(如果有必要的话)除去附着到所获得的成型体9的原料粉末后，将成型体9在1000℃至1200℃的最高温度下在大气氛围中保持2至5小时，以获得烧结体。此外，如果有必要的话，使烧结体经受抛光(诸如滚筒抛光)，以获得芯部件1。
归因于下冲头5的加压面50a和50b的曲率半径与上冲头6的加压面60a和60b的曲率半径的差，在与绕线部2和凸缘部3对应的成型体9的表面上形成与台阶部分7和7’对应的台阶部分10和10’。如果台阶部分10和10’在将导线卷绕在绕线部2的表面上时有问题，则优选的是通过抛光而尽可能地去除。
如图4A所示，对于通过抛光获得的芯部件1，绕线部2在与轴心线正交的截面中具有第一区域11和第二区域12，第一区域具有的弯曲的外周面具有大的曲率半径，第二区域具有的弯曲的外周面具有小的曲率半径，并且第一区域11和第二区域12通过凸状部13连接。此时，凸状部13的高度优选等于或小于卷绕在绕线部2的外周面上的导线的直径。结果，可以抑制导线的断开和偏移的发生。
另外，台阶部分10和10’可以通过抛光而被大量去除，并且该部分可以被加工成平面形状。在这种情况下，如图4B所示，在与轴心线正交的截面中，绕线部2’具有第一区域11’和第二区域12’，第一区域具有的弯曲的外周面具有大的曲率半径，第二区域由平坦部14和曲面构成，平坦部的外周面连接到第一区域11’，弯曲部分以小的曲率半径与平坦部14连续，并且第一区域11’和第二区域12’通过凸状部13’连接。
上述抛光过程不仅可以应用于绕线部2和2’，而且可以以相同的方式应用于凸缘部3。
通过将导线卷绕在绕线部2和2’上，所获得的芯部件1被适当地用作电感器。本发明的芯部件1的应用不限于电感器，而且可以应用于下述情况，在这种情况下，由陶瓷等形成两端具有凸缘并且具有柱状形状和光滑曲面形状的中心部分的构件。例如，在用陶瓷制造用于引导磁带等的带引导件(其中，带引导件在柱状体的两端具有凸缘)的情况下，可以通过使用本发明的芯部件制造方法容易地进行制造。

Claims (13)

1.一种由无机粉末的烧结体制成的芯部件，所述芯部件包括：
柱状绕线部，导线卷绕在所述柱状绕线部上，所述柱状绕线部具有第一轴向端部和第二轴向端部；
凸缘部，其在所述柱状绕线部的两个轴向端部处与所述柱状绕线部一体地形成，
其中，所述柱状绕线部在与轴心线正交的截面中包括第一区域和第二区域，所述第一区域包括具有第一曲率半径的弯曲的外周面，所述第二区域包括具有第二曲率半径的曲面，其中，所述第二曲率半径小于所述第一曲率半径，并且
所述第一区域和所述第二区域通过凸状部彼此连接。
2.根据权利要求1所述的芯部件，其中，所述第二区域还包括平坦部，所述平坦部与具有第二曲率半径的弯曲的外周面连续，并且所述第二区域通过所述平坦部处的凸状部连接到所述第一区域。
3.根据权利要求1所述的芯部件，其中，所述凸状部的高度等于或小于所述导线的直径。
4.根据权利要求1所述的芯部件，其中，所述凸状部具有弯曲的外周面。
5.根据权利要求4所述的芯部件，其中，所述凸状部的弯曲的外周面的曲率半径小于所述柱状绕线部的第二曲率半径。
6.一种由无机粉末的烧结体制成的芯部件，所述芯部件包括：
柱状绕线部，导线卷绕在所述柱状绕线部上，所述柱状绕线部具有第一轴向端部和第二轴向端部；
凸缘部，其在所述柱状绕线部的两个轴向端部处与所述柱状绕线部一体地形成，
其中，所述凸缘部在与轴心线正交的截面中包括第一区域和第二区域，所述第一区域包括具有第一曲率半径的弯曲的外周面，所述第二区域包括具有第二曲率半径的曲面，其中，所述第二曲率半径小于所述第一曲率半径，并且
所述第一区域和所述第二区域通过凸状部彼此连接。
7.根据权利要求6所述的芯部件，其中，所述第二区域还包括平坦部，所述平坦部与具有第二曲率半径的弯曲的外周面连续，并且所述第二区域通过所述平坦部处的凸状部连接到所述第一区域。
8.根据权利要求6所述的芯部件，其中，所述凸状部具有弯曲的外周面。
9.根据权利要求8所述的芯部件，其中，所述凸状部的弯曲的外周面的曲率半径小于所述凸缘部的第二曲率半径。
10.一种制造根据权利要求1所述的芯部件的方法，所述方法包括：
在上冲头和下冲头之间填充无机粉末并对所述无机粉末进行加压成型，以形成加压成型的成型体，其中，所述上冲头和所述下冲头中的每一者都具有用于形成所述柱状绕线部和所述凸缘部的弧形加压面；以及
烧结所述加压成型的成型体，以形成烧结体，
其中，所述上冲头的弧形加压面和所述下冲头的弧形加压面具有不同的曲率半径，并且
与所述柱状绕线部和所述凸缘部相交处的角部对应的部分的曲率半径小于或等于所述导线的直径，并且
对所述烧结体进行抛光，以在所述柱状绕线部中的第一区域和第二区域之间的边界处形成第一凸状部。
11.一种制造根据权利要求6所述的芯部件的方法，所述方法包括：
在上冲头和下冲头之间填充无机粉末并对所述无机粉末进行加压成型，以形成加压成型的成型体，其中，所述上冲头和所述下冲头中的每一者都具有用于形成所述柱状绕线部和所述凸缘部的弧形加压面；以及
烧结所述加压成型的成型体，以形成烧结体，
其中，所述上冲头的弧形加压面和所述下冲头的弧形加压面具有不同的曲率半径，并且
对所述烧结体进行抛光，以在所述凸缘部中的第一区域和第二区域之间的边界处形成第一凸状部。
12.一种电感器，所述电感器包括根据权利要求1所述的芯部件和卷绕在所述芯部件的绕线部上的导线。
13.一种电感器，所述电感器包括根据权利要求6所述的芯部件和卷绕在所述芯部件的绕线部上的导线。
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