CN110323028B - 线圈部件、电子器件、金属磁性粉末以及辅助装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及线圈部件、电子器件、金属磁性粉末以及辅助装置。本发明提供一种能够获得高的饱和磁通密度，并且即使在开关频率为高频率区域的情况下也能获得高Q值的线圈部件。该线圈部件包含：卷绕有绝缘包覆电线的线圈；以及包埋所述线圈的复合磁性体。所述复合磁性体包含：将金属磁性材料进行粉末化的金属磁性粉末；以及粘合剂树脂。所述金属磁性粉末的平均粒径D50(单位：μm)满足下述式(1)，D50≤2.192×(Fmax)‑0.518×ρ0.577(1),式(1)中，Fmax为使用上限频率(单位：MHz)，该使用上限频率是在使向所述线圈部件的施加频率增大的情况下Q值超过最大值并开始降低的频率，ρ为所述金属磁性材料的电阻率(单位：μΩ·cm)。
Description
技术领域
本发明涉及一种线圈部件、具有线圈部件的电子器件、使用于线圈部件的金属磁性粉末、以及将金属磁性粉末的平均粒径的容许上限值进行示教的辅助装置。
背景技术
作为具有线圈的电子部件的线圈部件已是众所周知。线圈部件也有各种各样的方式，专利文献1之中记载有一种将线圈埋设在复合磁性体而形成的线圈部件，该复合磁性体是将金属磁性粉末和粘合剂树脂混合而成型的。通过将金属磁性粉末的粒子之间介有作为绝缘材料的粘合剂树脂，以此来实现较高的电阻率，并能够在线圈部件获得较高的饱和磁通密度。
另一方面，在现有的直流－直流转换器之中，其开关频率为数百kHz至2MHz的程度。近年来，为获得更高的效率，在开关频率的范围方面，要求电感器(线圈部件)具有较高Q值的Q特性。
另一方面，近年来，一直探讨研究将开关频率提高至10MHz程度的高频化。通过提高开关频率，能够降低构成转换器平滑电路的电感器的电感值，其结果，能够实现电感器大幅度的小型化。
专利文献1：日本发明专利公开公报特开2006-319020号
发明内容
将金属磁性粉末和粘合剂树脂复合而成的复合磁性体(金属磁性复合材料)，具有伴随高频化而损耗急剧增大的特性。所以，复合磁性体具有下述重大的缺点：伴随开关频率的高频化，电感器的损耗会发生巨大变化，Q值急剧下降，直流－直流转换器的效率受到较大的损失。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其提供一种能够获得较高的饱和磁通密度，并且即使在开关频率为高频率区域的情况下也能获得较高Q值的线圈部件、具有该线圈部件的电子器件、以及使用于该线圈部件的金属磁性粉末。
在完成本发明之前，本发明的发明人针对金属磁性复合材料的损耗的原因进行了专心致志的研究。其结果，发现了下述内容：在数MHz以下的频率范围中，与频率成比例的磁性粉末的磁滞损耗是支配性的，但与此相对，在数MHz以上的高频率范围中，与频率的平方成比例的涡流损耗则是支配性的。像这样的涡流损耗，在使用于磁芯的一般材料之中，在作为电绝缘体的铁素体之中虽然不是大的损耗，但是在作为导电体的金属磁性材料之中，却被认为是较大的损耗。
一般来说，金属磁性材料所认为的涡流损耗有两种形式，一种是由通过金属磁性粉末之间流动的涡流所引起的损耗(粒子间涡流损耗)，另一种是由各个金属磁性粉末内部所发生的涡流而引起的损耗(粒子内涡流损耗)。另外，在金属磁性复合材料之中，通过复合的粘合剂树脂和金属磁性粉末的绝缘表面处理而能够确保粒子之间的绝缘，所以能够充分地抑制粒子间涡流损耗。于是，本发明的发明人做出了以下假设：即通过开关频率的高频化而粒子内涡流损耗变得显著，伴随于此，Q值大幅度地下降。本发明的发明人并为了证明该假设而进行了各种各样的实验和验证。
于是，本发明的发明人准备了电阻率不同的各种各样的金属磁性材料的粉末，更进一步通过分级调制了平均粒径不同的金属磁性粉末，利用其试制出电感器，并进行了按照每个频率的Q值测试。令人吃惊地，得知了以下内容：对于高频率区域的宽幅度的频率范围，并对于具有多种多样的电阻率的金属磁性材料而言，通过以满足下述式(1)的方式来设定金属磁性粉末的平均粒径，能够有效地抑制粒子内涡流损耗。
也就是，本发明为一种线圈部件，其包含：卷绕有绝缘包覆电线的线圈；以及包埋所述线圈的复合磁性体，其特征在于，所述复合磁性体包含：将金属磁性材料进行粉末化的金属磁性粉末；以及粘合剂树脂，
所述金属磁性粉末的平均粒径D50(单位：μm)满足下述式(1)，
D50≤2.192×(Fmax)-0.518×ρ0.577 (1),
在式(1)之中，Fmax为使用上限频率(单位：MHz)，该使用上限频率是在使向所述线圈部件的施加频率增大的情况下Q值超过最大值并开始降低的频率，ρ为所述金属磁性材料的电阻率(单位：μΩ·cm)。
另外，本发明的一种形式为电子器件，其具备：上述线圈部件；开关频率为1MHz以上的开关元件；以及具有开关电路的电路基板，该开关电路搭载有所述线圈部件和所述开关元件。
另外，本发明的一种形式为金属磁性粉末，是使用于上述线圈部件的、将金属磁性材料进行粉末化的金属磁性粉末，平均粒径D50(单位：μm)满足下述式(1)，
D50≤2.192×(Fmax)-0.518×ρ0.577 (1)。
另外，本发明的一种形式为辅助装置，是将金属磁性粉末的平均粒径D50(单位：μm)的容许上限值DMAX进行示教的辅助装置，该金属磁性粉末具有预定的电阻率ρ(单位：μΩ·cm)且使用在包埋线圈的复合磁性体，其特征在于，具有：存储部，该存储部存储有表示下述式(3)的信息，
DMAX＝2.192×(施加频率)-0.518×ρ0.577 (3)；
输入部，该输入部接受电阻率ρ和施加频率的输入；参照部，该参照部参照所述存储部，并将输入的所述电阻率和所述施加频率代入所述式(3)而读出所述金属磁性粉末的所述平均粒径D50的容许上限值DMAX；以及输出部，该输出部输出所读出的所述容许上限值DMAX。
根据本发明所涉及的线圈部件和电子器件，在获得较高的饱和磁通密度的复合磁性体之中，高频带的粒子内涡流损耗被抑制。所以，在将本发明的线圈部件使用于直流－直流转换器的情况下，即使在实现高转换效率的高开关频率的情况下，也能够获得高Q值。另外，根据本发明的金属磁性粉末，通过与粘合剂树脂混合而制作复合磁性体且使用于磁芯，能够实现上述的线圈部件。
附图说明
图1A是表示本发明实施方式所涉及的线圈部件的一个例子的立体图。
图1B是沿图1A的B-B线的剖面图。
图2是说明电感器的Q-F特性一个例子的图。
图3是表示将使用上限频率Fmax从1MHz变化到10MHz情况下的电阻率ρ和平均粒径D50之间关系的图。
图4是表示平均粒径D50和Q值之间关系的图。
符号说明
10：线圈组装体；12：磁性体磁芯；13：板状部；14：芯部；15：线圈；16：端子部；18：电线；19：非卷绕部；20：复合磁性体；100：线圈部件。
具体实施方式
以下，对本发明的具体实施方式进行说明。
首先，对具备复合磁性体20的线圈部件100进行说明，该复合磁性体20是使用本发明的金属磁性粉末制作成的。
图1A是表示本发明实施方式所涉及的线圈部件100的一个例子的立体图。图1B是沿图1A的B-B线的剖面图。在图1A之中，从方便的角度，将复合磁性体20用虚线来表示，将复合磁性体20所覆盖的线圈组装体10用实线来表示。在图1B之中，仅对复合磁性体20的剖面施加阴影，并省略线圈组装体10的剖面的阴影。
线圈部件100具有线圈15，是通过向端子部16供给电力而线圈15产生电感的电子部件，可列举具备磁芯的多种磁性元件。具体来说，可列举线圈(包含扼流线圈)、电感器、噪声滤波器、电抗器、马达、发电机、变压器、天线等。本实施方式的线圈部件100，特别是作为构成直流－直流转换器的电感器最适合使用。
在本实施方式之中，虽然列举了将一根扁平线的电线通过扁立卷绕(edgewisewinding)而构成线圈部件100的例子，但是电线也可以是圆线，另外根数和匝数没有特别限制。线圈部件100包含：卷绕有绝缘包覆电线的线圈15；以及包埋该线圈15的复合磁性体20。复合磁性体20包埋线圈15是指，复合磁性体20覆盖电线卷绕部分的至少一部分的意思。
线圈15安装在磁性体磁芯12并构成线圈组装体10。复合磁性体20包含将金属磁性材料进行粉末化的金属磁性粉末以及粘合剂树脂，其是覆盖线圈组装体10的磁性外装体。复合磁性体20也可以填充在构成线圈15的卷绕电线的环状部彼此之间的间隙。
磁性体磁芯12具备板状部13和从该板状部13立起的芯部14，板状部13和芯部14是通过一个部件而一体形成的。磁性体磁芯12是将铁氧体烧成的铁氧体磁芯、或将磁性粉末压缩成型的压粉磁芯。作为压粉磁芯的磁性粉末，能够使用以铁(Fe)为主要成分，并将硅(Si)和铬(Cr)分别以1wt％以上10wt％以下的比率添加的磁性粉末。从减小磁芯损耗的观点来看，也可以使用将上述磁性粉末和非晶金属混合而成的金属磁性粉末。作为非晶金属，能够使用以铁(Fe)为主要成分，并分别含有1wt％以上10wt％以下的硅(Si)和铬(Cr)、更进一步地含有0.1wt％以上5wt％以下的碳(C)的含碳非晶金属。
在图1A和图1B所示的线圈部件100之中，非卷绕部19从卷绕的线圈15抽出并以沿磁性体磁芯12的板状部13的下表面的方式弯曲而构成端子部16。端子部16沿着线圈部件100的下表面平坦地形成，其作为表面安装端子而被使用。构成线圈15的电线，在除了端子部16之外的区域被绝缘包覆，在端子部16绝缘包覆被去除。
另外，图1A和图1B所示的线圈部件100只是本发明的一个例子，其不受图示方式所限制。例如，并不需要非卷绕部19和端子部16是由与线圈15相同的电线构成。另外，也可以将磁性体磁芯12省略，而用复合磁性体20填充线圈15的环状部的内侧来作为磁性体磁芯。
-复合磁性体
以下，对于包埋线圈15的复合磁性体20进行详细说明。复合磁性体20包含：至少将金属磁性材料进行粉末化的金属磁性粉末；以及粘合剂树脂。本实施方式的复合磁性体20大致呈立方体，将线圈15和磁性体磁芯12的芯部14整体进行包埋。但是，复合磁性体20的形状是任意的，并不限于大致的立方体。
以下，对金属磁性粉末进行说明。
金属磁性粉末若是以铁为主要成分的磁性粉末，则没有特别的限制。例如，该金属磁性粉末包含作为主要成分的铁，作为次要成分，能够添加从镍(Ni)、硅(Si)、铬(Cr)和铝(Al)所组成的群之中选出的至少一种金属的合金。另外，该金属磁性粉末也可以使用非晶态金属粉末。具体来说，可列举Fe-Si系、Fe-Al系、铁硅铝合金(Fe-Si-Al系)、坡莫合金(Ni-Fe系)等的合金，或像非晶态金属那样的非结晶性金属，或羰基铁粉等的结晶性铁粉等。
金属磁性粉末中铁的含量优选90wt％以上，进一步优选92wt％以上。另外，金属磁性粉末中铁的含量优选98wt％以下，进一步优选97wt％以下。
金属磁性粉末优选含有上述次要成分中的至少一种，并且剩余部分为铁和不可避免的杂质。
金属磁性粉末优选含有2wt％至10wt％的Ni，进一步优选含有3wt％至8wt％的Ni。Ni与大气中的氧气相结合而生成化学性稳定的氧化物。由于Ni的氧化物除了具有优越的耐腐蚀性之外其电阻率大，通过在构成复合磁性体20的粒子的表面附近形成Ni的氧化物层而将粒子之间更可靠地绝缘，能够抑制粒子间涡流损耗。所以，通过将Ni的含量处于上述范围之内，能够获得制造具有优越的耐腐蚀性且涡流损耗更小的线圈部件的金属磁性复合材料。
根据同样的理由，金属磁性粉末优选含有2wt％至10wt％的Cr，进一步优选含有3wt％至8wt％的Cr。另外，金属磁性粉末优选含有2wt％至10wt％的Al，进一步优选含有3wt％至8wt％的Al。
金属磁性粉末优选含有2wt％至10wt％的Si，进一步优选含有3wt％至8wt％的Si。Si是能够提高使用金属磁性粉末而制成的电子部件的导磁率的成分。另外，金属磁性粉末若含有Si则电阻率会变高，所以也是能够抑制粒子间涡流损耗的成分。所以，通过将Si的含量处于上述范围之内，能够获得制造提高导磁率且涡流损耗更小的线圈部件的金属磁性复合材料。
金属磁性粉末除了上述那样的主要成分和次要成分之外，作为含量比次要成分更少的成分，也可以含有B(硼)、Ti(钛)、V(钒)、Mn(锰)、Co(钴)、Cu(铜)、Ga(镓)、Ge(锗)、Zr(锆)、Nb(铌)、Mo(钼)、Ru(钌)、Rh(铑)、Ta(钽)等之中的至少一种。在该情况下，它们的成分含量的总和优选为1wt％以下。
另外，金属磁性粉末也可以含有在制造过程中不可避免混入的P(磷)和S(硫磺)等成分。在该情况下，它们的成分含量的总和优选为1wt％以下。
对于金属磁性粉末优选的粒径将在后面详细叙述。
金属磁性粉末优选使用通过水雾化方法或气体雾化方法制成的粉末。
水雾化方法是使熔融金属与高速喷射的水(雾化水)相碰撞，以此使熔融金属微粉化并冷却而制成金属粉末的方法。通过水雾化方法制成的金属磁性粉末，在制造过程中表面被氧化，自然形成含氧化铁的氧化物层。气体雾化方法是从周围向流动的熔融金属吹送惰性气体或空气等的喷气气流，使流动的熔融金属微粉化，并使其凝固而成为金属粉末的方法。通过水雾化方法或气体雾化方法制成的金属磁性粉末，由于其形状与球形相近，所以能够提高复合磁性体20中金属磁性粉末的填充比。
为了抑制粒子内涡流损耗，也可以在金属磁性粉末的表面施加绝缘涂层。作为绝缘涂层，可以合适地使用二氧化硅涂层或氧化铝涂层等的粉末涂层。
在复合磁性体20中，金属磁性粉末的含量优选90wt％至99wt％，进一步优选92wt％至98wt％。
以下，对粘合剂树脂进行说明。
粘合剂树脂若作为粘合剂能够发挥作用，则没有特别的限制，除了可以列举硅酮类树脂、环氧类树脂、酚醛类树脂、聚酰胺类树脂、聚酰亚胺类树脂、聚苯硫醚类树脂等的热固性树脂之外，还可以列举聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯等的热塑性树脂。特别优选硅酮类树脂或环氧类树脂。粘合剂树脂可以是固体粉末也可以是液体的。
本发明的材料中粘合剂树脂的含量，优选为粘合剂树脂的含量(重量)/(粘合剂树脂的含量(重量)+金属磁性粉末的含量(重量))×100的计算值为1wt％至10wt％的量，进一步优选为2wt％至8wt％的量，更进一步地优选为4.0wt％程度的量。
若本发明的材料中粘合剂树脂的含量处于上述那样的范围，则金属磁性粉末非常难以生锈，所以电气特性难以劣化，并且可得到能够获得强度优越的线圈部件的复合磁性体20。
作为复合磁性体20的其他成分，在粘合剂树脂为热固性树脂的情况下，复合磁性体20也可以含有有机金属皂。有机金属皂优选其熔点为粘合剂树脂的热固化温度以下，并优选不含有Na(钠)或K(钾)。
在调制复合磁性体20之时，根据需要使用溶解粘合剂树脂的溶剂。作为溶剂，可以列举乙醇、甲苯、氯仿、甲乙酮、丙酮、乙酸乙酯等的有机溶剂。
复合磁性体20也可以是通过造粒形成的。对于造粒的方法，能够适用混练造粒、压挤团煤法(pelletizing)等已被公知的方法。另外，复合磁性体20也可以是施加分级而形成的。对于分级的方法，例如可以列举像筛选分级、惯性分级、离心分级等那样的干式分级、像沉降分级等那样的湿式分级等。
-金属磁性粉末的粒径
为了抑制粒子内涡流损耗并实现高Q值，本发明的发明人对电感器(线圈部件)的Q-F特性(施加频率和Q值之间的关系)进行了分析。图2是表示电感器的Q-F特性的一个例子的图。对于一般的电感器来说，如图2所示，若施加频率从较低的值开始增大，则Q值也增大，但在表现出最大值Qmax之后，若更进一步地增大施加频率，则Q值逐渐减小之后急剧下降。所以，作为与Qmax在实际使用方面没有大的差别并且Q值急剧下降开始之前的施加频率，将与Qmax相比位于高频率侧且Q值从Qmax只下降6％的频率定义为使用上限频率Fmax。该使用上限频率Fmax是能够在低损耗的情况下使用该电感器的最大频率。
其次，本发明的发明人，对于包埋电感器的线圈的复合磁性体所使用的金属磁性粉末的平均粒径D50(单位：μm)与使用上限频率Fmax(单位：MHz)之间的关系进行了调查。具体来说，通过使金属磁性材料按照六种互相不同的变化而使电阻率ρ(单位：μΩ·cm)产生六种变化，并将每种金属磁性材料通过水雾化方法进行粉末化。另外，将各种电阻率的金属磁性粉末更进一步地通过风力分级，而将平均粒径D50分别调整为1μm至30μm的不同的十个以上的粉体。
另外，在本说明书之中，平均粒径D50是指，使用粒径分布测量装置所求出的粒度分布的积算值50％时的粉末直径的意思，该粒径分布测量装置应用激光衍射散射(Microtrac)法。作为具体的测量器械，能够列举激光衍射散射粒径分布测量装置(粒度分布)LA-960(由HORIBA，Ltd.制造)。另外，金属磁性粉末的电阻率是指，从将粉末化之前的块材的金属磁性材料作为试料而测量的电阻计算出的意思。也就是，在本说明书之中，金属磁性材料的电阻率和金属磁性粉末的电阻率是相同的意思。
下述表1所示的电阻率ρ＝10μΩ·cm的金属磁性粉末是使用Fe单体的磁性粉末。另外，电阻率ρ＝40、67、85、104、123μΩ·cm的金属磁性粉末，分别是使用Fe50Ni合金、Fe4Cr3Si合金、Fe10Si5Al合金、Fe10Cr3Al合金、Fe19Cr3Al合金的磁性粉末。
另外，在分级的上述各个粉体之中，作为粘合剂树脂以4.0wt％的含量加入热固化型环氧树脂，作为溶剂更进一步地添加甲乙酮(MEK)并混合，利用自公转混合器充分搅拌。其次，一般搅拌一边去除溶剂，制造成粒径为300μm以下的颗粒状而获得了复合磁性体。使用制成的复合磁性体的造粒粉，按照以下要领制作长宽各6mm且高3mm的立方体的电感器元件(线圈部件)。
也就是，使用线径为0.5mm的绝缘包覆铜线(圆线)制成2.5匝的线圈，并将其设置在插入有下冲头的模具内部。此时，将构成线圈的铜线的两端(线圈端部)从卷绕部抽出并露出到模具的外部。其次，将大约0.5g的上述造粒粉投入到模具内部，在设置好上冲头之后，利用3ton/cm2至8ton/cm2的压力将复合磁性体与线圈一起加压成型而制成线圈成型体。关于成型条件，线圈成型体的整个体积中的金属磁性粉末的占有率为70vol％的方式而调制任一粉末来制作。
加压成型之后，将线圈成型体从模具中取出，将其在摄氏150度的温度下热处理两个小时，将作为粘合剂树脂的热固化型环氧树脂进行热固化处理。其次，将一对电镀的铜电极与线圈部件连接，更进一步地将从复合磁性体露出的线圈的两端部与该铜电极分别焊接，而制成电感器元件(线圈部件)。
对于制成的电感器元件，使用HP4294A(Keysight Technologies，Inc.制造的阻抗分析仪)对每个施加频率的Q值进行了观测。另外，测量了Q值表示为最大值Qmax的频率，并测定了与该频率相比位于高频率侧且Q值从Qmax只下降6％的使用上限频率Fmax。其结果，得知：无论电阻率ρ如何变动，金属磁性粉末的平均粒径D50越大的电感器元件，使用上限频率Fmax则减小。换句话说，得知：在电阻率ρ一定的情况下，电感器元件的使用上限频率Fmax伴随复合磁性体的金属磁性粉末的平均粒径D50的增大而单调地减小。
其次，根据上述平均粒径D50和使用上限频率Fmax的关系式，将电感器元件的使用上限频率Fmax为10MHz、7MHz、5MHz、3MHz、1MHz的情况下，按照每个电阻率ρ分别求出金属磁性粉末的平均粒径D50。其结果表示在表1中。
<表1>
(表1)
在表1中，例如将电阻率ρ为10μΩ·cm的金属磁性粉末使用在复合磁性体的电感器元件的情况下，使用上限频率Fmax为10MHz是金属磁性粉末的平均粒径D50为2μm的意思。与此相同，电阻率ρ为10μΩ·cm的金属磁性粉末的情况下，使用上限频率Fmax为7MHz、5MHz、3MHz、1MHz的平均粒径D50，分别为3μm、4μm、6μm、8μm。
另外，在金属磁性粉末的材料如上所述互相不同而使电阻率ρ为40、67、85、104、123μΩ·cm的情况下，电感器元件的使用上限频率Fmax为10MHz、7MHz、5MHz、3MHz、1MHz的平均粒径D50(单位：μm)分别为表1所示的数值。
图3是表示将使用上限频率Fmax从1MHz变化到10MHz情况下的电阻率ρ和平均粒径D50之间关系的图，是将电阻率ρ作为横轴、将平均粒径D50作为纵轴并将表1的结果绘制而成的图。在图3中，将按每个使用上限频率Fmax的近似曲线重叠表示。该近似曲线每一个都用下述共通的式(1a)来表示。
D50＝2.192×(Fmax)-0.518×ρ0.577 (1a)
也就是令人吃惊的得知：在从1MHz遍及10MHz的宽幅的高频率区域之中，通过共通的式(1a)能够规定金属磁性粉末的平均粒径D50，该金属磁性粉末正好实现使用上限频率Fmax。
另外，该现象也可以说：如表1所示，金属磁性粉末的电阻率ρ在至少10μΩ·cm以上140μΩ·cm以下的宽幅范围中能够被确认和验证。上述式(1a)右边的系数和指数，虽然根据粘合剂树脂的材料、金属磁性粉末的上述占有率、将Q值从Qmax下降百分之几的频率设定为使用上限频率Fmax、线圈的线径和匝数等各种参数而存在有稍微变动的情况，但其变动幅度小，从实际应用来看，上述平均粒径D50能够利用以使用上限频率Fmax和电阻率ρ的两个作为变数的上述式(1)来表达。
在这里，图4是表示金属磁性粉末的平均粒径D50、与在复合磁性体中使用该金属磁性粉末来埋设线圈而制成的电感器元件的Q值最大值之间关系的图。图4表示的是下述关系：使得施加频率为10MHz，并使得金属磁性粉末的电阻率ρ为40μΩ·cm或85μΩ·cm并且一定的情况下的、金属磁性粉末的平均粒径(D50：横轴)与Q值的最大值(Qmax：纵轴)之间的关系。如图4所示，可以得知：金属磁性粉末的平均粒径D50越小，电感器元件的Q值的最大值则单调的增大，其整体的倾向是，不随金属磁性粉末的电阻率ρ的值发生变化，而是共通的。另外，还可以得知：若将金属磁性粉末的平均粒径D50从大的值开始减小，则Q值的最大值呈线性增大，但是，该倾向在以预定的平均粒径D50为边界而急剧衰减，并在其以下的平均粒径D50的情况下Q值的最大值大致一定。另外，金属磁性粉末的电阻率ρ为40μΩ·cm的情况下成为上述边界的平均粒径D50大约是5μm，电阻率ρ为85μΩ·cm的情况下成为上述边界的平均粒径D50大约是8μm。在图3的10MHz的图线之中，这些数值与电阻率ρ＝40μΩ·cm的结果以及85μΩ·cm的结果大致相对应。
根据图4的结果以及上述式(1a)，如果是通过式(1a)算出的平均粒径D50以下的粒子，可以说是能够实现高Q值、也就是与从Qmax降低6％的值同等以上的Q值(以下称为“Qmax同等值”)。通过以上的内容，能够导出上述式(1a)与右边等同的以下的式(1)。
D50≤2.192×(Fmax)-0.518×ρ0.577 (1)
式(1)中，Fmax为使用上限频率(单位：MHz)，该使用上限频率是在使向线圈部件的施加频率增大的情况下Q值超过最大值并开始降低的频率，ρ为金属磁性材料的电阻率(单位：μΩ·cm)。于是，通过金属磁性粉末的平均粒径D50(单位：μm)满足上述式(1)，线圈部件(电感器元件)能够实现Qmax同等值。
另外，本发明的金属磁性粉末，是使用于上述线圈部件之中包埋线圈的复合磁性体的、将金属磁性材料进行粉末化的金属磁性粉末，其特征在于满足上述式(1)。
本发明所提供的线圈部件，作为构成直流－直流交换器的电感器元件而适宜地加以使用。另外，由于该电感器元件即使在高频带的情况下也能抑制粒子内涡流损耗并能够实现高Q值(Qmax同等值)，所以特别适合使用在施加频率为高频带的形式。在这里，高频带是1MHz以上的意思。也就是，本发明所提供的线圈部件，能够将使用上限频率(单位：MHz)作为1MHz以上。另外，也可以将使用上限频率(单位：MHz)作为10MHz以上。
作为本实施方式的线圈部件的电感器元件，能够使用于电子器件。也就是，本发明所提供的电子器件，具备：将线圈用复合磁性体包埋的线圈部件，该复合磁性体含有满足上述式(1)的平均粒径D50的金属磁性粉末和粘合剂树脂；开关频率为1MHz以上的开关元件；以及具有开关电路的电路基板，该开关电路搭载有线圈部件和开关元件。根据该构成，输入到电子器件的直流电流被开关元件细分为脉冲电流，于是通过线圈部件(电感器元件)进行所希望的电压转换之后，通过整流器进行整流等，能够再作为直流电流而取出。于是，即使在开关频率为1MHz以上的高频率，也能够抑制电感器元件的粒子内涡流损耗，也能够在高Q值进行直流－直流电压转换。
作为开关元件，能够使用晶体管或MOSFET等已公知的元件。通过开关元件所进行的开关频率，能够像上述那样作为1MHz以上，也能够作为10MHz以上。
在这里，优选开关元件的开关频率越高，包埋线圈的复合磁性体的金属磁性粉末的平均粒径D50越小。通过这样，能够充分地抑制被该开关频率细分的脉冲电流供给线圈部件(电感器元件)的情况下所发生的粒子内涡流损耗。
于是，在搭载于本发明所提供的电子器件的线圈部件之中，优选复合磁性体的金属磁性粉末的平均粒径D50(单位：μm)比上限粒径DMAX(单位：μm)小，该上限粒径DMAX是将开关元件的开关频率作为变数的下述式(2)所定义的。该式(2)是将上述式(1a)右边的使用上限频率Fmax置换为开关元件的开关频率而得到的，也就是通过
DMAX＝2.192×(开关频率)-0.518×ρ0.577 (2)
来表达。
上述式(2)所表示的上限粒径DMAX是，施加有某个开关频率的交流电压的电感器元件用于表示Qmax同等值的、金属磁性粉末(但是电阻率＝ρ)的平均粒径D50的上限值。
例如，就图3所示例子来说，在使用电阻率ρ为85μΩ·cm的金属磁性粉末制作复合磁性体的情况下，并且电子器件的开关频率为5MHz的情况下，上限粒径DMAX为12.5μm。所以，如果复合磁性体所采用的金属磁性粉末的平均粒径D50为12.5μm以下(例如10μm)，则电感器元件能够实现Qmax同等值。
综上所述，根据本发明，提供一种辅助装置，是将金属磁性粉末的平均粒径D50(单位：μm)的容许上限值DMAX进行示教的辅助装置，该金属磁性粉末具有预定的电阻率ρ(单位：μΩ·cm)且使用于包埋线圈的复合磁性体中。
该辅助装置是用于将线圈部件实现Qmax同等值的、金属磁性粉末的平均粒径D50(单位：μm)进行示教而对制作线圈部件进行辅助的装置。另外，该辅助装置具有存储部、输入部、参照部以及输出部。
在存储部，存储有将上述式(2)右边的开关频率置换为施加在线圈部件的交流电压的施加频率而得到的下述式(3)所表示的信息，
DMAX＝2.192×(施加频率)-0.518×ρ0.577 (3)，
输入部是接受使用者输入的表示电阻率ρ和施加频率的信息的界面。
参照部参照上述存储部，并将输入到输入部的电阻率和施加频率代入上述式(3)而读出金属磁性粉末的平均粒径D50的容许上限值DMAX的单元。
另外，输出部是输出参照部所读出的容许上限值DMAX的单元。
本实施方式的辅助装置，作为以能够读取计算机程序并能执行相应处理动作的方式而由CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random AccessMemory)、I/F(Interface)单元等通用装置构成的硬件、以执行预定处理动作的方式构成的专用逻辑电路、它们的组合等而能够实施。
具体来说，存储部是RAM等的存储装置，存储有表示上述式(3)的函数形式以及各个系数的信息。除此之外，存储部也可以以施加频率和电阻率ρ的双变数的表的方式而将式(3)存储。输入部是键盘等的输入用I/F单元，输出部是显示器等的输出用I/F单元。参照部作为CPU的功能而被实现。
但是，辅助装置的各种构成要素，若以实现其功能的方式而形成则也可以，例如作为发挥预定功能的专用硬件、通过计算机软件而被付予预定功能的数据处理装置、通过计算机程序而被数据处理装置实现的预定功能、它们的任意组合而能够实施。另外，辅助装置的各种构成要素，没有必要各个独立存在，允许某个构成要素是其他要素的一部分、某个构成要素的一部分与其他构成要素的一部分重复等情况。
根据本实施方式的辅助装置，从制作的线圈部件100的施加频率和所使用的金属磁性粉末的电阻率，能够算出该金属磁性粉末的平均粒径D50的容许上限值DMAX。另一方面，如果金属磁性粉末的平均粒径D50太小，则存在有利用水雾化方法等而将金属粉末进行微粒化的工序变复杂的问题，另外存在有复合磁性体的流动性下将且成型性劣化等的问题。于是，金属磁性粉末的平均粒径D50，优选为容许上限值DMAX以下并且为该容许上限值DMAX的50％以上，进一步优选70％以上，更进一步地优选80％以上。通过作为该数值范围的平均粒径D50，电感器元件能够获得高Q值，并能够容易且稳定地制造电感器元件。另外，金属磁性粉末的平均粒径D50为容许上限值DMAX的70％以上100％以下，即使在选择该范围之内的任何数值的情况下，通过共通的分级工序也能够调整金属磁性粉末的平均粒径D50。
-线圈部件的制造方法
本实施方式的线圈部件100的制造方法没有特别的限制，能够采用各种制造方法。以下，对制造方法的多种方式进行说明。
(方式1)利用压缩成型的制造方法
(1-1)准备工序
该方法之中，首先准备扁平线或圆线构成的绕组的线圈。线圈能够使用由将电线卷绕而成的卷绕部(线圈15，参照图1A)、以及从卷绕部抽出的绕组的两端部(非卷绕部19，参照图1A)所构成的线圈。但是，也可以像图1A和图1B所示的线圈组装体10那样，具有磁性体磁芯12和端子部16。
另一方面，准备大致球形的金属磁性粉末，该金属磁性粉末是通过水雾化方法或气体雾化方法等的造粒方法将金属磁性材料微细化而制成的。此时，参照上述式(3)，将根据金属磁性材料的电阻率ρ和线圈部件的施加频率而决定的容许上限值DMAX事先算出。另外，将微细化的金属磁性粉末进行分级，并以其平均粒径D50为上述容许上限值DMAX以下的方式调制金属磁性粉末。其次，将粘合剂材料和必要的溶剂添加混合到该金属磁性粉末，调制干燥的复合磁性体或糊状的复合磁性体。另外，金属磁性粉末、粘合剂树脂和溶剂的添加顺序没有特别的限制。上述混合也可以是混练造粒。另外，混合之后也可以进行分级。作为分级的方法，例如可以列举像筛选分级、惯性分级、离心分级等那样的干式分级，像沉降分级等那样的湿式分级等。
(1-2)压缩成型工序
将线圈放置在常温下的冲压机的模具内部，以埋设线圈的卷绕部的方式将复合磁性体从模具的开口投入到模具内部。但是，将绕组的两端部从复合磁性体露出。
之后，从模具的上下两侧或其中的任何一侧，通过可动的冲头(冲压头)而对于模具内部的复合磁性体和线圈施加例如1ton/cm2至5ton/cm2的压力。以此将复合磁性体压缩而使复合磁性体和线圈部一体化。
(1-3)取出工序
之后，将上述一体的线圈部从模具中取出，并根据需要经过热固化工序将粘合剂树脂固化。之后，更进一步根据需要选择性地进行复合磁性体的表面研磨或包覆、绕组两端部的端子加工等各种各样的工序。
(方式2)利用温热成型的制造方法(热压方法)
(2-1)准备工序
准备工序可以与上述(1-1)所说明的工序相同。
(2-2)温热成型工序
在该工序之中，与上述(1-2)工序同样而将线圈和金属磁性材料形成为一体。具体来说可以采用以下(A)或(B)的工序。
(A)将线圈放入冲压机的被加热的模具内部，并将(2-1)中准备的干燥的粉状或糊状的复合磁性体从其上方放入。其次，从模具的上下两侧或其中的任何一侧，通过可动的冲压头而对于模具内部的复合磁性体和线圈施加10kg/cm2至1ton/cm2的压力而使它们一体化。在复合磁性体所包含的粘合剂树脂中使用热固性树脂的情况下，首先将热固性树脂加热至热固化温度以下且软化温度以上，在其软化的状态下进行冲压一体成型，在成型之后将复合磁性体和线圈加热至热固化温度以上即可。
(B)将(2-1)中具备的干燥的粉状或糊状的复合磁性体放入冲压机的被加热的模具内部，其次，以载置于该复合磁性体上面的方式将线圈投入到模具内部。其后的工序与上述(A)相同。
根据(2-2)的工序，所需要的冲压力与方式1的压缩成型的压力负荷相比极低，存在有对线圈损伤小的优点。
(2-3)取出工序
在复合磁性体所包含的粘合剂树脂中使用热塑性树脂的情况下，或者在粘合剂树脂中使用热固性树脂并且在热固化之前从模具中取出的情况下，将模具冷却至粘合剂树脂的软化温度以下。其次，将复合磁性体和线圈被一体化的线圈部件从模具中取出。在粘合剂树脂中使用热固性树脂并在模具内部将其热固化的情况下，可以不冷却而将线圈部件从模具中取出。之后，更进一步根据需要选择性地进行复合磁性体的表面研磨或包覆、绕组两端部的端子加工等各种各样的工序。
(方式3)利用注射成型的制造方法
(3-1)准备工序
准备工序可以与上述(1-1)所说明的工序相同。
(3-2)注射成型工序
将调制的干燥的复合磁性体或糊状的复合磁性体放入注射成型机的螺杆机内，在加热状态下搅拌成为粘液状。其次，将上述线圈设置在注射成型机的模具(模腔)内部并将模具紧闭。其次，利用高注射压力通过模具的门(开口)将良好流动性的粘液状的上述复合磁性体注射到模具内部并保持一定时间，而使复合磁性体固化。
(3-3)取出工序
之后，将线圈和复合磁性体被一体化的线圈部件从模具中取出。之后，更进一步根据需要选择性地进行复合磁性体的表面研磨或包覆、绕组两端部的端子加工等各种各样的工序。
(方式4)利用传递成型的制造方法
(4-1)准备工序
准备工序可以与上述(1-1)所说明的工序相同。但是，为了将复合磁性体定量化，也可以将复合磁性体成型为颗粒状(pellet)。
(4-2)传递成型工序
首先，将上述线圈设置在模具(模腔)内部并紧闭模具。其次，将在柱塞内部一旦加热软化的复合磁性体通过门(gate)等的流路，按压到被加热的模腔内部将其成型并固化。
(4-3)取出工序
取出工序可以与上述(3-3)所说明的工序相同。
(方式5)塑性(粘土状)材料的室温成型方法
(5-1)准备工序
准备工序与上述(1-1)所说明的工序大致相同。但是，复合磁性体，为了以塑性强且根据压力而变形的方式调制成粘土状，作为增塑剂而添加邻苯二甲酸二甲酯等的有机溶剂。调制的粘土状复合磁性体成型为块状或片状。粘土状的复合磁性体的特征是几乎没有流动性。粘合剂树脂优选使用热固性树脂。
(5-2)成型工序
首先，将线圈放入模具内部，并将块状或片状的复合磁性体从其上方放入该模具。其次，从模具的上下两侧或其中的任何一侧，通过可动的冲头(冲压头)而对于模具内部的复合磁性体和线圈施加例如0.1kg/cm2至50kg/cm2的压力。以此将复合磁性体压缩而将复合磁性体和线圈部一体化。
与其他的制造方法相比，该成型工序的特征是利用小的压力就能够使复合磁性体变形。另外，该成型工序能够在常温下进行。
(5-3)取出工序
之后，将线圈和复合磁性体被一体化的线圈部件从模具中取出。之后，通过进行热固化工序而使粘合剂树脂热固化。之后，更进一步根据需要选择性地进行复合磁性体的表面研磨或包覆、绕组两端部的端子加工等各种各样的工序。
(方式6)利用湿式成型的制造方法
(6-1)准备工序
准备工序与上述(1-1)所说明的工序大致相同。优选在复合磁性体中添加溶剂，并在常温下调制成糊状。
(6-2)成型工序
首先，将线圈放入模具内部，并将糊状的复合磁性体从其上方放入该模具。其次，利用刀片或切割刀等工具将从模具中溢出的复合磁性体除去。更进一步地进行溶剂的干燥。此时，施加在线圈和复合磁性体的负荷，低至可以被忽视的程度。在该成型工序之中，存在有向线圈施加的负荷小的优点，另外由于在室温下实施，存在有能够使制造设备简单化的优点。
(6-3)取出工序
之后，将线圈和复合磁性体被一体化的线圈部件从模具中取出。之后，在粘合剂树脂为热固性树脂的情况下，通过进行热固化工序而使粘合剂树脂固化。之后，更进一步根据需要选择性地进行复合磁性体的表面研磨或包覆、绕组两端部的端子加工等各种各样的工序。
(方式7)利用液压成型的制造方法
(7-1)准备工序
准备工序可以与上述(1-1)所说明的工序相同。
(7-2)液压成型工序
在大的凹形托盘中设置多个线圈，并以将这些线圈埋设的方式投入复合磁性材料。其次，将金属制成的加压部件载置在上述托盘上，以复合磁性体无泄漏的方式形成密封空间，该金属制成的加压部件具有橡胶制成的前端部。其次，将上述托盘与加压部件一起浸在储留有水或油的液体层中，更进一步地增大加压部件的负荷而对复合磁性体加压。
(7-3)取出工序
之后，将线圈和复合磁性体被一体化的线圈部件从模具中取出。之后，在粘合剂树脂为热固性树脂的情况下，通过进行热固化工序而使粘合剂树脂固化。之后，更进一步根据需要选择性地进行各个线圈的切割、复合磁性体的表面研磨或包覆、绕组两端部的端子加工等各种各样的工序。
本发明的线圈部件的制造方法是上述方式(1)至(7)所代表的方法，是包含卷绕有绝缘包覆电线的线圈以及包埋该线圈的复合磁性体的线圈部件的制造方法。另外，复合磁性体所包含的金属磁性粉末，是具有以向线圈的施加频率和电阻率作为变数的、满足上述式(1)的平均粒径D50的粉末。通过上述方式(1)至(7)的制造方法，相对于线圈能够将金属磁性粉末和粘合剂树脂混合的复合磁性体以无间隙密接的状态而成型为块状等。
另外，本发明并不局限于上述实施方式，本发明也包含为了达到本发明的目的而进行的各种各样的变形、改良等的方式。
上述实施方式包含以下的技术思想。
<1>一种线圈部件，其包含：卷绕有绝缘包覆电线的线圈；以及包埋所述线圈的复合磁性体，其特征在于，所述复合磁性体包含：将金属磁性材料进行粉末化的金属磁性粉末；以及粘合剂树脂，所述金属磁性粉末的平均粒径D50(单位：μm)满足下述式(1)，
D50≤2.192×(Fmax)-0.518×ρ0.577 (1),
在式(1)之中，Fmax为使用上限频率(单位：MHz)，该使用上限频率是在使向所述线圈部件的施加频率增大的情况下Q值超过最大值并开始降低的频率，ρ为所述金属磁性材料的电阻率(单位：μΩ·cm)。
<2>根据上述<1>所述的线圈部件，所述Fmax为1MHz以上。
<3>根据上述<1>或<2>所述的线圈部件，所述电阻率为10μΩ·cm以上140μΩ·cm以下。
<4>根据上述<1>至<3>之中任一项所述的线圈部件，所述金属磁性材料是Fe和从Ni、Si、Cr以及Al所组成的群之中选出的至少一种金属材料的合金。
<5>根据上述<1>至<3>之中任一项所述的线圈部件，所述金属磁性粉末为结晶性铁粉。
<6>一种电子器件，其特征在于，具备：上述<1>至<5>之中任一项所述的线圈部件；开关频率为1MHz以上的开关元件；以及具有开关电路的电路基板，该开关电路搭载有所述线圈部件和所述开关元件。
<7>根据上述<6>所述的电子器件，所述平均粒径D50(单位：μm)比上限粒径DMAX(单位：μm)小，该上限粒径DMAX是通过将所述开关频率代入所述式(1)右边的Fmax而得到的下述式(2)所定义的，
DMAX＝2.192×(开关频率)-0.518×ρ0.577 (2)。
<8>一种金属磁性粉末，是使用于上述<1>至<5>之中任一项所述的线圈部件的、将金属磁性材料进行粉末化的金属磁性粉末，其特征在于，平均粒径D50(单位：μm)满足下述式(1)，
D50≤2.192×(Fmax)-0.518×ρ0.577 (1),
在式(1)之中，Fmax为使用上限频率(单位：MHz)，该使用上限频率是在使向所述线圈部件的施加频率增大的情况下Q值超过最大值并开始降低的频率，ρ为所述金属磁性材料的电阻率(单位：μΩ·cm)。
<9>一种辅助装置，是将金属磁性粉末的平均粒径D50(单位：μm)的容许上限值DMAX进行示教的辅助装置，该金属磁性粉末具有预定的电阻率ρ(单位：μΩ·cm)且使用在包埋线圈的复合磁性体，其特征在于，具有：存储部，该存储部存储有表示下述式(3)的信息，
DMAX＝2.192×(施加频率)-0.518×ρ0.577 (3)；
输入部，该输入部接受电阻率ρ和施加频率的输入；参照部，该参照部参照所述存储部，并将输入的所述电阻率和所述施加频率代入所述式(3)而读出所述金属磁性粉末的所述平均粒径D50的容许上限值DMAX；以及输出部，该输出部输出所读出的所述容许上限值DMAX。
Claims (7)
1.一种线圈部件，其包含：卷绕有绝缘包覆电线的线圈；以及包埋所述线圈的复合磁性体，其特征在于，
所述复合磁性体包含：将金属磁性材料进行粉末化的金属磁性粉末；以及粘合剂树脂，
所述金属磁性粉末的以μm为单位的平均粒径D50满足下述式(1)，
D50 ≤ 2.192 × (Fmax)-0.518 × ρ0.577 (1)，
在式(1)之中，Fmax为以MHz为单位的使用上限频率，该使用上限频率是将与Qmax相比位于高频率侧且Q值从Qmax只下降6％的频率，ρ为所述金属磁性材料的以μΩ·cm为单位的电阻率，
所述Fmax为1MHz-10MHz，所述电阻率ρ为10μΩ·cm以上且140μΩ·cm以下。
2.根据权利要求1所述的线圈部件，所述金属磁性材料是Fe，与从Ni、Si、Cr以及Al所组成的群之中选出的至少一种金属材料的合金。
3.根据权利要求1或2所述的线圈部件，所述金属磁性粉末为结晶性铁粉。
4.一种电子器件，其特征在于，具备：
权利要求1至3之中任一项所述的线圈部件；
开关频率为1MHz以上的开关元件；以及
具有开关电路的电路基板，该开关电路搭载有所述线圈部件和所述开关元件。
5.根据权利要求4所述的电子器件，所述以μm为单位的平均粒径D50比以μm为单位的上限粒径DMAX小，该上限粒径DMAX是通过将所述开关频率代入所述式(1)右边的Fmax而得到的下述式(2)所定义的，
DMAX ＝ 2.192 × (开关频率)-0.518 × ρ0.577 (2)，
所述开关频率为1MHz-10MHz，所述ρ为10μΩ·cm以上且140μΩ·cm以下。
6.一种金属磁性粉末，是使用于权利要求1至3之中任一项所述的线圈部件的、将金属磁性材料进行粉末化的金属磁性粉末，其特征在于，
以μm为单位的平均粒径D50满足下述式(1)，
D50 ≤ 2.192 × (Fmax)-0.518 × ρ0.577 (1)，
在式(1)之中，Fmax为以MHz为单位的使用上限频率，该使用上限频率是将与Qmax相比位于高频率侧且Q值从Qmax只下降6％的频率，ρ为所述金属磁性材料的以μΩ·cm为单位的电阻率，
所述Fmax为1MHz-10MHz，所述电阻率ρ为10μΩ·cm以上且140μΩ·cm以下。
7.一种辅助装置，是将金属磁性粉末的以μm为单位的平均粒径D50的容许上限值DMAX进行示教的辅助装置，该金属磁性粉末具有预定的以μΩ·cm为单位的电阻率ρ且使用在包埋线圈的复合磁性体，其特征在于，具有：
存储部，该存储部存储有表示下述式(3)的信息，
DMAX ＝ 2.192 × (施加频率)-0.518 × ρ0.577 (3)；
输入部，该输入部接受电阻率ρ和施加频率的输入；
参照部，该参照部参照所述存储部，并将输入的所述电阻率和所述施加频率代入所述式(3)而读出所述金属磁性粉末的所述平均粒径D50的容许上限值DMAX；以及
输出部，该输出部输出所读出的所述容许上限值DMAX，
所述施加频率为1MHz-10MHz，所述电阻率ρ为10μΩ·cm以上且140μΩ·cm以下。
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