JP3960090B2

JP3960090B2 - コイル封入圧粉磁芯の製造方法

Info

Publication number: JP3960090B2
Application number: JP2002077115A
Authority: JP
Inventors: 和彦柴田; 英治茂呂
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: JP2003272922A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁芯を一体化したインダクタ、その他の電子機器に用いるコイル封入圧粉磁芯の製造方法に係り、とくに導線間のショート（短絡）発生を防止したコイル封入圧粉磁芯の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気、電子機器の小型化が進み、小型（低背）で大電流に対応した圧粉磁芯が要求されている。圧粉磁芯の材料には、フェライト粉末や強磁性金属粉末が用いられている。
【０００３】
強磁性金属粉末は、フェライト粉末に比較して飽和磁束密度が大きいため、直流重畳特性が高磁界まで保たれ、大電流を必要とする用途に適している。
【０００４】
磁芯の小型化（低背）をさらに推進するため、コイルと磁性粉が一体になったコイルが提案されている。この構造のインダクタを、本明細書では、コイル封入圧粉磁芯と呼ぶ。
【０００５】
従来から表面実装型のインダクタの構造が提案されている。例えば、特開平５−２９１０４６号公報には、絶縁被覆した市販電線に外部電極を接続し、市販電線を巻回した巻線全体を絶縁被膜で覆い、さらにそれらを包み込むように磁性粉末とともに成形することが開示されている。
【０００６】
この場合、導線、つまり市販電線と磁性粉末の間の絶縁は確保されるが、導線間の絶縁は、市販電線の薄い絶縁被膜のみで保たれているため、巻線時の傷、又はリフロー時の応力疲労（クレージング：crazing）による被膜破れにより、導線間のショート不具合が発生することが問題となっていた。
【０００７】
また、前記特開平５−２９１０４６号公報には、成形方法について明確な記述がないが、例えば、コイル封入圧粉磁芯の製造方法として、特許第３１０８９３１号公報に、粉末成形機を用いる方法が開示されている。この場合、導線間のプレス方向に強圧が加わり、導線の絶縁被膜がダメージを受け、導線間のショート不具合が多発していた。
【０００８】
また、特開２００１−２６７１６０号公報には、平角導線を使用し、引き出し線をコイルの上と下から引き出している例が示されている。しかし、この場合、強磁性金属粉末が導線間に入り込み、高圧成形されるため、その金属粉末を経由して、導線間のショート不具合が起こることがあった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
コイル封入圧粉磁芯は、小型で大きなインダクタンスが得られる構造であるが、磁性粉の中にコイルが挿入され、粉末成形法により、３〜１０トン／cm^２の高圧成形でプレスされるため、コイルを構成する導線間のショート不具合が問題となっていた。なお、１トン／cm^２＝９.８×１０^７Ｐａである。
【００１０】
本発明の第１の目的は、上記の点に鑑み、コイルを埋め込んだコイル封入圧粉磁芯の製造方法において、磁性粉末の平均粒子径とコイルを構成する導線の絶縁被膜の平均厚さを適切に設定することにより、コイルを構成する導線間のショート不具合の防止を図ったコイル封入圧粉磁芯の製造方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の第２の目的は、コイルを構成する導線間に強磁性金属粒子が入り込まない製法とすることで、コイルを構成する導線間のショート不具合の防止を図ったコイル封入圧粉磁芯の製造方法を提供することにある。
【００１２】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
コイル封入圧粉磁芯のショート不具合を解析した結果、コイルを構成する導線に元々存在する絶縁被膜のピンホール、又は巻線時に発生した絶縁被膜の傷があると、絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からなる強磁性金属粉末中に空心コイルをインサート成形する工程で、前記金属粒子を経由して線間ショートが起こることが判明した。
【００１４】
そこで、コイル封入圧粉磁芯に用いる導線の絶縁被膜の平均厚さｔ（μｍ）と、絶縁材でコーティングされた強磁性金属粉末の平均粒子径φ（μｍ）の関係を調べた結果、φ＜ｔ×３の関係が成り立つ場合に、レアショート不具合が著しく減少することが判明した。
【００１５】
また、コイルを構成する導線間に前記強磁性金属粒子が入り込まないように、予め熱融着すると、さらにレアショート不具合が減少することが判明した。
【００１６】
そこで、本願請求項１の発明は、厚さ０.００１〜０.０１０mmの熱融着層を絶縁被膜上に塗布した平角導線を厚さ方向に積層してエッジワイズ状に巻線した空心コイルを、該空心コイルの軸方向に圧力を加えた状態で熱融着させた後、重量比率で１〜８％の絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からなる磁性粉末中に、前記空心コイルをインサート成形したコイル封入圧粉磁芯の製造方法であって、
前記強磁性金属粒子が、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｎｉ合金又はＦｅ−Ｓｉ合金であり、
前記強磁性金属粒子をコーティングする絶縁材がシリコン樹脂又はエポキシ樹脂であり、
前記強磁性金属粒子をコーティングした前記磁性粉末として、平均粒子径の３倍以上の粒子径を分級によりカットしたものを用い、
前記インサート成形の成形圧力が４×９．８×１０^７〜７×９．８×１０^７Ｐａであり、
前記平角導線の絶縁被膜はポリエステル、ポリイミド又はエナメルであり、
前記平角導線の絶縁被膜の平均厚さをｔ（μｍ）、及び前記磁性粉末の平均粒子径をφ（μｍ）とするとき、
φ＜ｔ×３
を満足することを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコイル封入圧粉磁芯の製造方法の実施の形態を図面に従って説明する。
【００２１】
図１は本発明に係るコイル封入圧粉磁芯の製造方法の第１の実施の形態であって、図１（Ａ）はコイル上側の圧粉磁芯部を省略した平面図、（Ｂ）は正断面図である。図において、１はコイル、２０は圧粉磁芯部であり、圧粉磁芯部２０はコイル１に継線された電極端子５の外部導出部分を除き当該コイル１及び電極端子５の周囲を覆っている。
【００２２】
前記コイル１は、絶縁被膜された平角導線２（平角銅線）をエッジワイズ状に数ターン巻線したもの、すなわち、厚さ方向に積層しかつ幅方向に湾曲状に曲げて筒状に数ターン巻回したものである。コイル１の両端部にはそれぞれ電極端子５が電気的に接続されている。コイル１の端部と電極端子５との継線部分及び電極端子５の圧粉磁芯部２０内に埋設される部分は、絶縁被覆されている。なお、コイル１の端部を圧粉磁芯部２０の外部に導出して直接電極端子として用いる継線レス構造としても差し支えない。
【００２３】
前記圧粉磁芯部２０に用いる強磁性金属粒子としては、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金等があり、これらから適宜選択すればよい。
【００２４】
強磁性金属粒子をコーティングする絶縁材としては、シリコン樹脂、エポキシ樹脂等があり、これらの絶縁材を用いて前記強磁性金属粒子はコーティングされている。前記絶縁材の混合割合は、当該絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からなる磁性粉末に対する重量比率で１〜８％とする。なお、コーティングに使用する絶縁材の重量比を８％より多くすると、成形して得た圧粉磁芯部２０の透磁率が低下し、大きなインダクタンスを得ることができず、また絶縁材の重量比を１％未満にすると各強磁性金属粒子相互間の絶縁が不充分となり、磁芯としての特性が大幅に低下するため、コーティングに使用する絶縁材の重量比は１〜８％が適している。
【００２５】
そして、上記のように重量比率で１〜８％の絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からなる磁性粉末中に、前記コイル１を設けた状態で粉末成形機にて４〜７トン／cm^２程度の成形圧力をかけて圧粉磁芯部２０を成形一体化する。圧粉磁芯部２０の成形方法としては、例えば、前記磁性粉末を成形金型内に充填して圧縮成形することで、図１（Ａ）のように圧粉磁芯部２０の下部磁芯部２０ａを成形金型内に作製しておき、その上にコイル１を載置した後、コイル１が埋まるように再度磁性粉末を成形金型内に充填して、下部磁芯部２０ａ及びコイル１が積層された方向に加圧して圧縮成形（コイルを磁性粉末でインサート成形）する方法（特開２００１−２６７１６０号公報に開示された方法）等を採用可能である。
【００２６】
前記磁性粉末を圧縮成形する際に、強磁性金属粉末がコイル導線間に入り込み、その金属粉末を経由して、導線間のショート不具合が発生するのを回避するため、コイル１に使用する平角導線２の絶縁被膜の平均厚さをｔ（μｍ）、及びコーティングした強磁性金属粒子（つまり磁性粉末）の平均粒子径をφ（μｍ）とするとき、
φ＜ｔ×３ …(1)
を満足するように設定する。
【００２７】
前記不等式(1)を満足させる理由を以下に詳述する。
【００２８】
本発明者等は以下の表１のように、コーティング樹脂でコーティングされた強磁性金属粒子（Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｓｉ合金）の平均粒子径φ（μｍ）とコイル１の絶縁被膜平均厚さｔ（μｍ）との関係を変化させてコイル封入圧粉磁芯のサンプル（図１の構造を有するもの）を５００個作製し、ショート発生個数を計数した。
【００２９】
【表１】

但し、コイル１に使用した導線は、厚さ０.４５mm、幅２.２mmの平角銅線で、その絶縁被膜には、ポリエステル、ポリイミド又はエナメルを用いたが、絶縁被膜の樹脂の材質差はほとんど認められなかった。コーティングされた強磁性金属粒子（つまり磁性粉末）の平均粒子径は、粒度分布測定器により測定し、平均粒子径の３倍以上の粒子径を分級によりカットした。レアショートの検出は、１００ｋＨｚと１ＭＨｚのインダクタンスをＬＣＲメーターＨＰ４２８４Ａで測定し、Ｌ_０（１ＭＨｚ）／Ｌ_０（１００ｋＨｚ）の比率が、０.９０以下となる場合をレアショートと判定した。
【００３０】
前記表１のφ／ｔの値と判定結果（〇：良好、×：不良）より明らかなように、φ／ｔ＜３、換言すれば φ＜ｔ×３の関係が成立する場合に、レアショート不具合が著しく減少することが判明した。
【００３１】
なお、成形圧力を４〜７トン／cm^２の間で変化させたが、ショート発生数と成形圧力の相関は小さいことが判明した。また、強磁性金属粒子やコーティング樹脂の材質自体とショート発生数の相関も認められないことがわかった。
【００３２】
この第１の実施の形態によれば、重量比率で１〜８％の絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からなる磁性粉末中に、コイル１を埋め込んだコイル封入圧粉磁芯において、前記コイル１に使用する導線の絶縁被膜の平均厚さをｔ（μｍ）、及び前記磁性粉末の平均粒子径をφ（μｍ）とするとき、φ＜ｔ×３を満足させるように、絶縁被膜の平均厚さをｔ及び磁性粉末の平均粒子径をφを設定することにより、レアショート不具合を著しく低減させることが可能である。この結果、高い信頼性のコイル封入圧粉磁芯を作製可能となる。
【００３３】
図２で本発明の第２の実施の形態で用いる空心コイル１Ａ及び製造方法について説明する。この場合、図２（Ａ）,（Ｂ）のように厚さ０.００１〜０.０１０mmの熱融着層を絶縁被膜上に塗布した平角導線２Ａ（平角銅線）をエッジワイズ状に数ターン巻線するが、この状態では平角導線の各層間に隙間が存在しているため、空心コイル１Ａの軸方向に圧力を加えた状態で各層の熱融着層同士を熱融着（２５０℃で１０秒間）させて、図２（Ｃ）のように各層の平角導線間に隙間が残らないようにする。なお、熱融着層の厚さを０.００１〜０.０１０mmの範囲とするのは、０.００１mm未満では熱融着層が薄過ぎて、熱融着不良が発生する可能性があり、また０.０１０mmを超えると必要以上に熱融着層が厚くなり、コイルの薄型化の妨げになるからである。
【００３４】
以後の処理は第１の実施の形態と同様にして、重量比率で１〜８％の絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からなる磁性粉末中に、熱融着処理したコイル１Ａを配置してインサート成形することによりコイル封入圧粉磁芯を作製する。
【００３５】
この第２の実施の形態の場合、コーティング樹脂でコーティングされた強磁性金属粒子（Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｓｉ合金）の平均粒子径φ（μｍ）と熱融着処理したコイル１Ａの絶縁被膜平均厚さｔ（μｍ）との関係を変化させたときのショート発生状況は以下の表２の通りとなった。
【表２】

但し、コイル１Ａの各層の平角導線同士が隙間無く熱融着されている点を除けば、測定条件は表１と同じである。
【００３６】
この第２の実施の形態の場合、φ＜ｔ×３の関係が成立すれば、レアショート不具合発生は無いことがわかり、さらに、それよりも悪い条件（粒子径が大、絶縁被膜が薄い）でも不良が発生しない場合があり、コイル１Ａのように各層の平角導線同士が隙間無く熱融着された構造として、平角導線間に強磁性金属粒子が入り込まないようにすることが、レアショート発生防止に有効であることがわかる。
【００３７】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からなる磁性粉末中に、コイルを埋め込んだコイル封入圧粉磁芯において、前記磁性粉末の平均粒子径とコイルに用いる導線の絶縁被膜の平均厚さを適切に設定することで、ショート発生を確実に防止できる。
【００３９】
さらに、コイル封入圧粉磁芯のコイルとして、熱融着層を塗布した平角導線を厚さ方向に積層してエッジワイズ状に巻線し、かつ各層の平角導線同士を隙間無く熱融着処理したものを用いることで、前記平角導線間に強磁性金属粒子が入り込まないようにして、ショート発生防止をいっそう確実にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコイル封入圧粉磁芯の製造方法の第１の実施の形態であって、（Ａ）はコイル上側の圧粉磁芯部を省略した平面図、（Ｂ）は正断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態で用いる熱融着処理を行うコイルの例を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１Ａコイル
２，２Ａ平角導線
５電極端子
２０圧粉磁芯部
２０ａ下部磁芯部

Claims

厚さ０.００１〜０.０１０mmの熱融着層を絶縁被膜上に塗布した平角導線を厚さ方向に積層してエッジワイズ状に巻線した空心コイルを、該空心コイルの軸方向に圧力を加えた状態で熱融着させた後、重量比率で１〜８％の絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からなる磁性粉末中に、前記空心コイルをインサート成形したコイル封入圧粉磁芯の製造方法であって、
前記強磁性金属粒子が、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｎｉ合金又はＦｅ−Ｓｉ合金であり、
前記強磁性金属粒子をコーティングする絶縁材がシリコン樹脂又はエポキシ樹脂であり、
前記強磁性金属粒子をコーティングした前記磁性粉末として、平均粒子径の３倍以上の粒子径を分級によりカットしたものを用い、
前記インサート成形の成形圧力が４×９．８×１０^７〜７×９．８×１０^７Ｐａであり、
前記平角導線の絶縁被膜はポリエステル、ポリイミド又はエナメルであり、
前記平角導線の絶縁被膜の平均厚さをｔ（μｍ）、及び前記磁性粉末の平均粒子径をφ（μｍ）とするとき、
φ＜ｔ×３
を満足することを特徴とするコイル封入圧粉磁芯の製造方法。