JP7021459B2 - インダクタ素子 - Google Patents

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Description

本発明は、インダクタ素子に関する。
インダクタ素子の一例として、金属磁性粉に樹脂を加えて加圧成形して得られるコアの内部にコイルを埋設しているインダクタ素子が知られている。
下記の特許文献1には、磁性粉末と熱硬化性樹脂とを混合し、加圧成形して2個の圧粉体を成形し、それらの圧粉体でコイル部を挟み込むように再加圧するとともに熱硬化を行うコイル部品の製造方法が記載されている。そして、それらの圧粉体は再加圧成形する際に圧粉体の形状が崩れない硬度の強硬度部と圧粉体の形状が崩れる硬度の弱硬度部を設け、再圧縮により弱硬度部を崩しながら成形を行っている。
しかしながら、特許文献1の技術では、圧粉体の一部を崩して再圧縮して成形する必要がある。近年、コイル部品の大電流化が進み、コイルの直流重畳特性の向上が求められている。直流重畳特性の向上のためには、密度を高密度にすることが求められている。
また、再加圧成形時に弱硬度部の形状が崩れやすいために十分な圧力伝達が行えず、特に圧粉体同士を接合させる部分の密度が低くなりやすい。すなわち、最終的に得られるインダクタ素子において、コアの中芯部の密度が低くなりやすい。さらに、密度を高くするために再加圧成形時の圧力を高くしようとすると、コイル被膜が破れたり、金型内壁と磁性粉末表面との擦れが発生したりして、耐電圧を低下させやすい。
特開2002-252120号公報
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、インダクタンスおよび直流重畳特性を向上させたインダクタ素子を提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明に係るインダクタ素子は、
コイル状に導体が巻回してある巻線部と、
前記巻線部の周囲を囲み、磁性粉体と樹脂とを含むコア部と、を有するインダクタ素子であって、
巻軸中心から垂直な外側方向に前記巻線部が存在し前記巻軸中心から前記垂直な外側方向に向けて所定範囲内の距離である前記コア部の領域を中芯中央領域とし、
巻軸中心から垂直な外側方向に前記巻線部が存在せず前記巻軸中心から前記垂直な外側方向に向けて所定範囲内の距離である前記コア部の領域を天板中央領域とし、
前記巻軸中心を通過し前記巻軸中心と平行な任意の断面において、前記中芯中央領域全体に占める前記磁性粉体の面積割合をSα(%)、前記天板中央領域全体に占める前記磁性粉体の面積割合をSβ(%)とする場合に、
Sα-Sβ≧-2%である。
本発明に係るインダクタ素子は、上記の構成を有することにより、インダクタンスおよび直流重畳特性を向上させることができる。
さらに、Sα-Sβ≧-1%であることが好ましい。
さらに、Sα-Sβ≧0%であることが好ましい。
さらに、Sα≧65%であることが好ましい。
図1は本発明の第1実施形態に係るインダクタ素子の断面図である。 図2は図1に示すインダクタ素子の製造過程で用いる予備成形体およびインサート部材の斜視図である。 図3は図2に示すIII-III線に沿う断面図である。 図4は本発明の他の実施形態に係るインダクタ素子の製造過程で用いる予備成形体およびインサート部材の斜視図である。 図5は本発明の他の実施形態に係るインダクタ素子の製造過程で用いる予備成形体およびインサート部材の斜視図である。 図6は本発明の他の実施形態に係るインダクタ素子の製造過程で用いる予備成形体およびインサート部材の斜視図である。 図7は本願実施例1のインダクタ素子の断面写真である。 図8は本願比較例3のインダクタ素子の断面写真である。 図9は本願実施例4のインダクタ素子の断面写真である。 図10は本願比較例5のインダクタ素子の断面写真である。 図11は本願実施例1の中芯中央領域のSEM画像である。 図12は本願比較例3の中芯中央領域のSEM画像である。 図13は本願実施例4の中芯中央領域のSEM画像である。 図14は本願比較例5の中芯中央領域のSEM画像である。
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されない。
第1実施形態
図1は後述する巻線部4の巻軸中心4αを通過し、巻軸中心4αと平行な断面である。図1に示すように、本発明の一実施形態におけるインダクタ素子2は、巻線部4と、コア部6と、を有する。巻線部4では、導体5がコイル状に巻回してある。コア部6は、巻線部4の内周側に位置する内周部(中芯部とも言う)6aと、巻線部4の外周側に位置する外周部6bと、を有する。巻線部4を構成する導体5とコア部6の隙間部6cには、コア部6を構成する磁性体粉および樹脂が入り込んでいる。
本実施形態のインダクタ素子2は、コア部6の上面および下面がZ軸に対して略垂直であり、コア部6の側面は、X軸およびY軸を含む平面に対して略垂直となっている。また、巻線部4の巻軸はZ軸に対して略平行となっている。ただし、コア部6の形状は、図1の形状に限定されず、円柱形、楕円柱などであっても良い。
本実施形態のインダクタ素子2のサイズは、特に限定されないが、例えば、リード部5a,5bを除く部分が、(2~17)mm×(2~17)mm×(1~7)mmの直方体または立方体に含まれるサイズである。なお、図1では、図2に示す巻線部4のリード部5a,5bの図示が省略してある。巻線部4を構成する導体5の両端に形成してあるリード部5a,5bは、図1に示すコア部6の外部に取り出されるようになっている。
巻線部4を構成する導体(導線)5には、必要に応じて外周を絶縁被覆層で被覆してある。導体5としては、たとえばCu、Al、Fe、Ag、Au、あるいはこれらの金属を含む合金などで構成してある。絶縁被覆層は、たとえばポリウレタン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリエステル-イミド、ポリエステル-ナイロンなどで構成してある。導体5の横断面形状は、特に限定されず、円形、楕円、平角形状などが例示される。本実施形態では、導体5の横断面形状は円形としている。
コア部6は、磁性粉体および樹脂(バインダ)を有する。磁性粉体の材質としては、特に限定されないが、Mn-Zn、Ni-Cu-Znなどのフェライト、Fe-Si(鉄―シリコン)、センダスト(Fe-Si-Al;鉄-シリコン-アルミニウム)、Fe-Si-Cr(鉄-シリコン-クロム)、パーマロイ(Fe-Ni)、などの金属が例示される。好ましくは、Fe-SiまたはFe-Si-Crである。磁性粉体の結晶構造には特に限定はなく、アモルファス、結晶質などが例示される。樹脂の種類としては、特に限定されないが、たとえばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、シリコン樹脂、これらを組み合わせたものなどが例示される。
本実施形態では、コア部6が、その内部において所定の密度差を有することに特徴がある。
図1に示すように、巻軸中心4αから垂直な外側方向に巻線部4が存在し、巻軸中心4αから当該垂直な外側方向に向けて280μm以内である前記コア部の領域を中芯中央領域6αとし、巻軸中心4αから垂直な外側方向に巻線部4が存在せず、前記巻軸中心4αから前記垂直な外側方向に向けて280μm以内である前記コア部の領域を天板中央領域6β1,6β2とする。
本実施形態に係るインダクタ素子は、中芯中央領域6α全体に占める磁性粉体の面積割合をSα(%)、天板中央領域6β1,6β2全体に占める磁性粉体の面積割合をSβ(%)とする場合に、Sα-Sβ≧-2%である。また、より好ましくはSα-Sβ≧-1%であり、さらに好ましくはSα-Sβ≧0%であり、最も好ましくはSα-Sβ≧0.8%である。また、Sα-Sβには上限はないが、通常は30%以下である。
なお、通常は中芯中央領域6αと天板中央領域6βとの間における磁性粉体の面積割合の変化、すなわち磁性粉体の密度の変化は連続的である。すなわち、磁性粉体の密度の高い領域と磁性粉体の密度の低い領域との境界は明確ではない。
本実施形態に係るインダクタ素子は、Sα-Sβを所定の範囲内とすることにより、インダクタンスおよび直流重畳特性を向上させることができる。
また、本実施形態に係るインダクタ素子は、Sα≧65%であることが好ましい。中芯中央領域6αにおける磁性粉体の密度が所定量以上であることが好ましい。磁性粉体の密度を高密度とすることで、クラックの発生を抑制しやすくなり、さらに、インダクタンスおよび直流重畳特性を向上させやすくすることができる。
次に、図1に示すインダクタ素子2の製造方法について図2および図3を用いて説明する。
本発明の一実施形態におけるインダクタ素子の製造方法により製造されるインダクタ素子2は、2つの予備成形体60a,60bと、空芯コイルなどで構成される巻線部4を有するインサート部材と、を一体化することにより製造される。巻線部4を構成する導体5の両端は、リード部5a,5bとして、巻線部4の外側に引き出されている。端子(図示せず)はリード部5a,5bと本圧縮後に接続してもよいし、本圧縮前に予め接続しておいてもよい。
各予備成形体60a,60bには、それぞれ接合予定面70a,70bが形成してあり、それらが相互に突き合わされて接合される。それぞれの接合予定面70a,70bには、それぞれ巻回部4の上半部および下半分を収容するための収容凹部90a,90bが形成してある。収容凹部90a,90bの大きさは、インサート部材としての巻線部4が、その内外周および巻軸方向端部が接触して入り込める程度の大きさである。
また、いずれか一方または双方の接合予定面70a,70bには、リード部5a,5bをコア部6の外側に引き出すための引出溝80が形成してある。なお、図2には一対のリード部5a,5bを記載しているが、図3では一対のリード部5a,5bを省略している。
図3に示す中芯部60aαの高さが外周部60bαの高さよりもz1だけ高い予備成形体60aを準備する。また、同様にして中芯部60aβの高さが外周部60bβの高さよりもz2だけ高い予備成形体60bを準備する。
そして、予備成形体60a,60bを用いて本圧縮成形を行うことで、中芯部60aα,60aβにおける磁性粉体の量が外周部60bα,60bβにおける磁性粉体の量より多くなり、図1のインダクタ素子2の中芯部6a(図1の中芯中央領域6α)における磁性粉体の密度が高くなる。
なお、z1とz2との大小関係には特に制限はない。すなわち、z1=z2であってもよく、z1>z2であってもよく、z1<z2であってもよい。さらに、z1またはz2が0でもよい。
また、図3に示すように、内周部60aα,60aβでは、Z軸方向の長さが、外周部60bα,60bβよりも長いため、図1に示す中芯部6a(図1の中芯中央領域6α)では、外周部6bよりも圧縮力が強く作用して密度が高くなる。
本実施形態に係るインダクタ素子2を製造する上では、まず、予備成形体60a,60bの原料となる顆粒を製造する。顆粒の製造方法には特に制限はない。たとえば磁性粉体に樹脂を添加し撹拌した後に乾燥させることで製造することができる。
磁性粉体の粒径に特に制限はないが、例えば平均粒径が0.5~50μmの磁性粉体を用いることができる。樹脂としては、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、シリコン樹脂、これらを組み合わせたものなどが例示される。また、磁性粉体と樹脂とを混合する前に、磁性粉体表面に絶縁被膜を形成してもよい。例えば、ゾルゲル法によりSiO膜である絶縁被膜を形成することができる。
また、磁性粉体に樹脂を添加し撹拌した後にメッシュを通過させることで粗大な顆粒を取り除いてもよい。また、樹脂は磁性粉体に添加する際に溶媒で希釈してもよい。溶媒としては、例えばケトン類等が用いられる。
樹脂の含有量には特に制限はないが、磁性粉体100wt%に対して1.0~6.0wt%含有することが好ましい。樹脂の含有量を適量とすることにより、後述する本圧縮時に接合予定面70a,70bを接合しやすくなる。また、樹脂の含有量が多いほど磁性粉体の密度が小さくなり、SαおよびSβが小さくなる傾向にある。
予備成形体60a,60bは、前記磁性粉体および前記樹脂を含む顆粒を金型のキャビティ内に充填し、予備圧縮成形して製造される。予備圧縮成形時の圧力には特に制限はないが、2.5×10~1×10MPa(2.5~10t/cm)とすることが好ましい。また、予備成形体60a,60bの密度には特に制限はない。たとえば、4.0~6.5 g/cmであることが好ましい。
予備圧縮成形時の圧力を2.5×10~1×10MPaとすることで、後述する本圧縮後に生じる巻線部4の位置の歪みおよび/または巻線の形状の歪みを防止し、耐電圧、インダクタンスおよび直流重畳特性が全て優れたインダクタ素子を製造しやすくなる。また、予備成形体60a,60bの密度を上記の範囲内、特に4.0g/cm以上とすることで、上記SαおよびSβを高くしやすくなる。また、6.5g/cm以下とすることで予備圧縮成形時の圧力が高くなり過ぎず、錆や成形クラックの発生が抑えやすくなる。
次に、得られた予備成形体60a,60bおよびインサート部材を図2および図3に示す態様で、予備成形体製造時とは別の金型のキャビティ内に配置し、本圧縮(圧着)を行うことでインダクタ素子2を得ることができる。本圧縮時の圧力には特に制限はないが、たとえば1×10~8×10MPa(1~8t/cm)とすることが好ましい。また、本圧縮時の圧力は予備圧縮成形時の圧力(100%)に比較して、好ましくは、40~80%程度に低く、さらに好ましくは50~60%程度に低い。本圧縮時の圧力を予備圧縮成形時の圧力よりも低くすることで、本圧縮後に生じる巻線部4の位置の歪みおよび/または巻線の形状の歪みを防止しやすくなり、予備圧縮成形時の圧力が本圧縮時の圧力と比べて大きいほど耐電圧特性が向上しやすい傾向にある。
また、本圧縮後に金型から取り出したインダクタ素子2に対して加熱を行うことで樹脂を完全硬化させることが好ましい。具体的には、金型から取り出したインダクタ素子2に対して、樹脂が硬化開始する温度よりも高い温度で加熱することにより、樹脂を完全硬化させることが好ましい。
上記の製造方法で得られるインダクタ素子2は、巻線部4の位置の歪みおよび/または巻線の形状の歪みが小さく、コア部6、特に中芯中央領域6αを高密度に形成することができる。したがって、インダクタンスおよび直流重畳特性を向上させながら耐電圧も向上させることができる。
本実施形態では、最終的に得られるインダクタ素子2のコア部6について、中芯部を高密度で作製できる。その結果、従来のインダクタ素子よりもインダクタンスおよび直流重畳特性を向上させることができる。
本実施形態に係るインダクタ素子2を製造する方法としては、図2および図3に示す方法の他、例えば、図4に示すように、板形状の予備成形体60a1およびポット形状の予備成形体60b1を準備する方法がある。このときに、ポット形状の予備成形体60b1の中芯部の高さを外周部の高さよりも高くする方法がある。また、図5に示すように、板状の予備成形体60cおよび60g、リング状の予備成形体60dおよび60f、および、円柱状の予備成形体60eを準備する方法がある。このときに、円柱状の予備成形体60eの高さを、コイル5の高さよりも高くする方法がある。さらに、図6に示すように、3個の予備成形体60e2,60h,60iを準備する方法がある。このときに、円柱状の予備成形体60e2の高さを、コイル5の高さよりも高くする方法がある。また、予備成形体の形状は図6~図8に示す形状でなくてもよく、最終的に得られるインダクタ素子2が図1に示す形状となり、中芯中央領域6αの密度が高くなればよい。また、予備成形体の個数が多いほど直流重畳特性が向上する傾向にある。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
実施例1~3
実施例1~3では、図2および図3に示す形状の予備成形体を予備圧縮成形にて作製し、その後、本圧縮を行い図1に示す形状のインダクタ素子を得た。
まず、金型のキャビティ内に充填する顆粒を準備した。磁性粉末として球状のFe-Si合金(平均粒径25μm)を用意し、磁性粉末表面にゾルゲル法を用いたSiO膜である絶縁被膜を形成した。上記磁性粉末にアセトンに希釈したエポキシ樹脂を、磁性粉末全体を100重量%として3重量%加え攪拌した。撹拌した後に、250ミクロンの目開きのメッシュをパスさせ、室温で24時間乾燥させ、金型のキャビティ内に充填する顆粒を得た。
金型のキャビティ内に前記顆粒を充填し、予備圧縮成形を行い、図2および図3に示す形状の2個の予備成形体を作製した。本実施例では2個の予備成形体は同一形状とした。予備圧縮成形時の圧力は6×10MPaとした。このときに、実施例1~3では、それぞれz1(=z2)の値を変化させた。
次に、作製した予備成形体およびインサート部材を、予備圧縮成形に用いた金型とは別の金型のキャビティ内に配置した。キャビティ内部に、図2および図3に示す2個の予備成形体と、内径4mm、高さ3mmの巻線部を有するインサート部材と、を図2および図3に示す態様で配置した。
次に、図3のZ軸方向の上下から加圧して本圧縮した。本圧縮時の成形圧力は1×10MPaとした。
その後に、金型から成形体を取り出し、前記エポキシ樹脂が硬化開始する温度(110℃)よりも高い180℃で1時間の加熱処理を行い、前記エポキシ樹脂を硬化させ、表1に示す実施例のインダクタ素子のサンプルを得た。得られたコア部の寸法は、縦7mm×横7mm×高さ5.4mmであった。
このようにして得られたインダクタ素子のサンプルについて、SαおよびSβを測定した。具体的には、各測定箇所について480μm×560μmのSEM画像を観察してSαおよびSβを算出した。巻軸中心4α上にあり巻軸中心4αが通過するインダクタ素子の一方の面からの距離が0.24mm、0.74mm、1.64mm、2.14mm、2.64mm、3.14mm、3.64mm、4.54mmおよび4.84mmである点を測定領域の中心点として各測定箇所を設定した。そして、各測定箇所における磁性粉体の面積割合を算出した。各測定箇所における磁性粉体の面積割合と合せて表1に示す。そして、インダクタ素子の一方の面からの距離が0.24mmの点,0.74mmの点,4.54mmの点または4.84mmの点を含む4個の各測定箇所における磁性粉体の面積割合の平均をSβとした。インダクタ素子の一方の面からの距離が1.64mmの点,2.14mmの点,2.64mmの点,3.14mmの点または3.64mmの点を含む5個の各測定箇所における磁性粉体の面積割合の平均をSαとした。
さらに、各インダクタ素子のインダクタンスLを測定した。
インダクタンスの測定は、測定周波数100KHz、測定電圧0.5mVで、LCRメータ(ヒューレットパッカード(株)製)を用いて行った。インダクタンスLは47.0~56.4μHである場合を良好とした。
直流重畳特性の測定は、各インダクタ素子のサンプルに直流電流を0から印加していき、電流0の時のインダクタンス(μH)に対して、80%に低下する時に流れる電流の値(アンペア)をIsatとし、Isatの数値で評価した。Isatが6.0A以上の場合に直流重畳特性が良好であるとした。
さらに、実施例1のインダクタ素子のサンプルについて、断面写真を撮影した。結果を図7に示す。さらに、実施例1の中芯中央領域のSEM画像を図11に示す。
比較例1~3
比較例1~3では、実施例1~3と同様に顆粒を作製したのちに、本圧縮用の金型のキャビティにインサート部材を配置し、顆粒を充填させ、予備圧縮成形なしで本圧縮を行った。予備圧縮成形なしで本圧縮を行った点以外は実施例1~3と同様にしてインダクタ素子を作製した。すなわち、比較例1~3は全て同条件で実施した結果であり、試験結果にばらつきがある。結果を表1に示す。さらに、比較例3の中芯中央領域のSEM画像を図12に示す。
さらに、比較例3のインダクタ素子のサンプルについて、断面写真を撮影した。結果を図8に示す。
Figure 0007021459000001
表1、図11,図12より、本願実施例1は、中芯中央領域の密度が天板中央領域の密度より高い。これに対し、本願比較例3は、中芯中央領域の密度よりも天板中央領域の密度が高い。さらに、図7および図8を比較すれば、本願実施例1のインダクタ素子は本願比較例3のインダクタ素子と比較して歪みが小さい。
さらに、表1より、Sα-Sβが-2.0%以上である本願実施例1~3は、Sα-Sβが-2.0%未満である本願比較例1~3と比較してインダクタンスおよび直流重畳特性が良好である。さらにSαが65%以上である本願実施例1~3は、Sαが65%未満である本願比較例1~3と比較して直流重畳特性が優れている。
実施例4~6および比較例4~6
磁性粉末として不定形状のFe-Si-Cr合金(平均粒径25μm)を用意した点以外は実施例1~3と同条件で実施例4~6を、比較例1~3と同条件で比較例4~6を、それぞれ作成した。結果を表2に示す。
Figure 0007021459000002
磁性粉末の材質の変化により得られるインダクタ素子の特性が変化する。そして、要求されるインダクタンスおよび直流重畳特性が変化する。したがって、実施例4~6および比較例4~6では、実施例1~3および比較例1~3とは異なり、インダクタンスLが52.0~56.4μHである場合を良好とした。また、Isatが3.5A以上である場合を良好とした。
また、実施例4のインダクタ素子のサンプルについて、断面写真を撮影した。結果を図9に示す。比較例5のインダクタ素子のサンプルについて、断面写真を撮影した。結果を図10に示す。さらに、実施例4の中芯中央領域のSEM画像を図12に、比較例5の中芯中央領域のSEM画像を図13に示す。
実施例4~6および比較例4~6より、磁性粉末の種類がFe-Si-Cr合金である場合においても、磁性粉末の種類がFe-Si合金の場合と同様の傾向を示した。
2,2A… インダクタ素子
4… 巻線部
4α…巻軸中心
5… 導体
6… コア部
6a…内周部
6b…外周部
6α…中芯中央領域
6β1…天板中央領域
6β2…天板中央領域
60a~60k… 予備成形体
70a~70n… 接合予定面
80,80a,80b… 引出溝
90a,90b… 収容凹部

Claims (2)

  1. コイル状に導体が巻回してある巻線部と、
    前記巻線部の周囲を囲み、磁性粉体と樹脂とを含むコア部と、を有するインダクタ素子であって、
    巻軸中心から垂直な外側方向に前記巻線部が存在し前記巻軸中心から前記垂直な外側方向に向けて所定範囲内の距離である前記コア部の領域を中芯中央領域とし、
    巻軸中心から垂直な外側方向に前記巻線部が存在せず前記巻軸中心から前記垂直な外側方向に向けて所定範囲内の距離である前記コア部の領域を天板中央領域とし、
    前記巻軸中心を通過し前記巻軸中心と平行な任意の断面において、前記中芯中央領域全体に占める前記磁性粉体の面積割合をSα(%)、前記天板中央領域全体に占める前記磁性粉体の面積割合をSβ(%)とする場合に、
    Sα-Sβ≧0%であり、
    前記中芯中央領域と前記天板中央領域との間における前記磁性体の面積割合の変化が、連続的で、前記中芯中央領域と前記天板中央領域との間で、前記磁性粉体の密度の高い領域と前記磁性粉体の密度の低い領域との境界が形成されていないインダクタ素子。
  2. Sα≧65%である請求項1に記載のインダクタ素子。
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