CN111435618B - 芯部件、制造芯部件的方法以及电感器 - Google Patents

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和在柱状绕线部的两个轴向端部处与柱状绕线部一体地形成的凸缘部，其中，当在与轴向方向垂直的横截面中观察时，柱状绕线部的表层部和凸缘部的表层部的孔隙面积占有率分别比柱状绕线部的内部和凸缘部的内部的孔隙面积占有率小。

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的绝缘材料的导线)卷绕在诸如铁氧体芯的芯部件的绕线部上时，通过下述过程使导线在与绕线部对准的状态下进行安装：将导线的端部固定到设置在绕线部的两端的任一凸缘部上，并从绕线部的一端向另一端供给导线，同时使相邻的导线彼此接触。

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芯部件的小型化的需求也在增加。此外，同一出版物公开了卷绕在绕线部上的导线也变细了，并且其直径为约20μm。

为了获得具有高强度的芯部件，日本专利申请公开No.2003-257725公开了利用上冲头和下冲头对磁粉进行加压成型以制造包括绕线部和设置在绕线部的两端的凸缘部的芯部件(图1A、图1B)。

发明内容

本发明的芯部件包括具有第一轴向端部和第二轴向端部的柱状绕线部以及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的凸缘部，其中，当在与轴向方向垂直的横截面中观察时，所述柱状绕线部的表层部的孔隙面积占有率小于所述柱状绕线部的内部的孔隙面积占有率。

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成型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至少在形成所述柱状绕线部的部分处具有不同的曲率半径，并且其中，加压成型时的成型压力为98MPa或更高。

本发明的电感器包括芯部件和围绕所述芯部件的柱状绕线部卷绕的导线。

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；以及

图4A是芯部件的局部放大截面图，图4B是另一芯部件的局部放大截面图。

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包括柱状绕线部2和在柱状绕线部2的两个轴向端部处与柱状绕线部2一体形成的凸缘部3。芯部件1除了铁氧体以外还由诸如氧化铝的无机粉末烧结体制成。导线(未示出)卷绕在柱状绕线部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。

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柱状绕线部2时，柱状绕线部2的表层部21的孔隙面积占有率比柱状绕线部2的内部22的孔隙面积占有率小。例如，柱状绕线部2的表层部21中的孔隙面积占有率为0.5％至3％。

因此，由于柱状绕线部2的表层部21密实，所以柱状绕线部2的强度提高，抗变形性提高，而且抑制了粒子脱落(无机粉末从表面掉落)。另外，减小了表层部中的孔隙面积占有率，从而减小了介电损耗角正切值(tanδ)，而且改善了频率特性。

这里，表层部21是指从柱状绕线部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，为了获得孔隙面积占有率，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孔隙的大小和分布被平均观察到的部分(该镜面是与柱状绕线部2的轴向方向垂直的横截面)。接下来，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(ver 2.52)”(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-ZouKun”是指由旭化成工程公司出品的图像分析软件)来确定孔隙面积占有率。

凸缘部3的孔隙面积占有率可以与柱状绕线部2的孔隙面积占有率具有相同的关系。即，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31的孔隙面积占有率比凸缘部3的内部32的孔隙面积占有率小。例如，凸缘部3的表层部31中的孔隙面积占有率为0.5％至4％。

另外，优选的是，至少在柱状绕线部2的表层部21中，由以下公式表示的相邻孔隙之间的间隙C为6至12μm。

公式：C＝L-R

其中，L是表层部21或内部22中的相邻孔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中的孔隙的等效圆直径的平均值。

此时，更优选的是，表层部21中存在的孔隙比内部22中存在的孔隙具有更大的相邻孔隙之间的间隙C。具体地，优选的是，从上述公式获得的表层部21中的孔隙之间的间隙C_S1与内部22中的孔隙之间的间隙C_S2之间的差为1μm或更多。

如上所述，由于至少在柱状绕线部2的表层部21中的孔隙分布是稀疏的，所以减少了从内部和孔隙的轮廓产生的粒子脱落，并且在将导线卷绕在柱状绕线部2上时，不太可能对导线造成诸如断开之类的损坏。

如在柱状绕线部2中那样，凸缘部3的表层部31中存在的孔隙可以比内部32中存在的孔隙具有更大的由上述公式表示的相邻孔隙之间的间隙C。具体地，表层部31中的孔隙之间的间隙C_F1与内部32中的孔隙之间的间隙C_F2之间的差为1μm或更多。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孔隙之间的重心之间的距离的平均值和孔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孔隙的大小和分布被平均观察到的部分(该镜面是与柱状绕线部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。然后，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法来确定孔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并借助于使用图像分析软件“A-Zou Kun”进行的粒子分析来确定孔隙的等效圆直径的平均值。

作为重心间距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，明度可以较暗，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。明度较暗，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。可以手动调整阈值，使得标记(其大小根据观察图像中的阈值而改变)与孔隙的形状匹配。

柱状绕线部2的表面粗糙度曲线的切断水平差(Rδc)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25％负载长度率处的切断水平与在粗糙度曲线中75％负载长度率处的切断水平之间的差。切断水平差(RSc)是表示轴向方向和径向方向两者的参数。

类似地，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，可以对导线赋予适当的锚固效果。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柱状绕线部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，可以对导线赋予适当的锚固效果，这样便于安装。另一方面，当以2.5μm以下的均方根高度(Rq)卷绕导线时，可以降低断开的风险。

如随后描述的，通过下冲头5和上冲头6以高压力对柱状绕线部2进行加压成型，使得图1A所示的柱状绕线部2的表层部21比凸缘部3的内侧部的表层部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 B0601：2001，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，当测量柱状绕线部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，柱状绕线部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。这样可以防止导线偏移。

接下来，将基于图2和图3描述通过加压成型制造芯部件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。所使用的加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具有用于分别形成柱状绕线部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、50b的曲率半径与上冲头6的加压面60a、60b的曲率半径在形成柱状绕线部2和凸缘部3的部分处彼此不同。在本实施例中，上冲头6的加压面60a和60b的曲率半径比下冲头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，在两侧形成台阶部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柱状绕线部2的部分处彼此不同。

在成型中，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或更高，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密实且紧密堆积的表面(特别是在表面部分上)，并且如上所述，柱状绕线部2的表层部21的孔隙面积占有率可以比柱状绕线部2的内部22的孔隙面积占有率小。

出于同样的原因，可以使得至少在柱状绕线部2的表层部21中的孔隙分布是稀疏的，并且可以使得相邻孔隙之间的间隙C为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，使得柱状绕线部2的表面的粗糙度曲线的切断水平差Rδc可以为0.2至2μm。

此外，由于可以通过利用高压的加压成型来如实地反映成型模具(随后描述的下冲头5和上冲头6)的表面形状，所以柱状绕线部2和凸缘部3相交处的角部20的曲率半径可以小于或等于导线的直径。

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和50b以及上冲头6的加压面60a和60b具有相同的曲率半径时，当以高压力进行加压时，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具有大量的孔隙，强度较差，而且容易产生粒子脱落。

如上所述，由于上冲头的弧形加压面的曲率半径至少在形成柱状绕线部的部分处与下冲头的弧形加压面的曲率半径不同，所以与两个冲头的加压面具有相同的曲率半径的情况相比，容易从成型模具中取出成型体，从而可以以高压力进行加压成型。因此，柱状绕线部的表层部具有小的孔隙面积占有率。另外，由于通过以高压力进行加压成型不太可能在成型体中产生毛刺，所以即使当需要抛光时，也可以容易地进行抛光，此外，可以减少对被卷绕的导线的损坏，并且可以抑制断开等。

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的重叠表面上的台阶部7与模具4的上端面具有大致相同的高度。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。

由于下冲头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，在与柱状绕线部2和凸缘部3对应的成型体9的表面上形成台阶部10，该台阶部10与台阶部7对应。如果台阶部10在将导线卷绕在柱状绕线部2的表面上时有问题，则优选的是通过抛光尽可能地去除。

如图1B和图4A所示，对于通过抛光获得的芯部件1，柱状绕线部2在与轴心线正交的横截面中具有第一区域11和第二区域12，第一区域所具有的弯曲的外周面具有大的曲率半径，第二区域所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的高度优选地等于或小于卷绕在柱状绕线部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，在与轴心线正交的横截面中，柱状绕线部2’具有第一区域11’和第二区域12’，第一区域所具有的弯曲的外周面具有大的曲率半径，第二区域由平坦部分14和弯曲表面构成，所述平坦部分的外周面连接到第一区域11’，所述弯曲表面部分以小的曲率半径与平坦部分连续，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柱状绕线部2和2’，而且可以以相同的方式应用于凸缘部3。也就是说，如图1C所示，在与轴心线正交的横截面中，凸缘部3具有第三区域111和第四区域112，第三区域所具有的弯曲的外周面具有大的曲率半径，第四区域所包括的弯曲的表面部分所具有的弯曲表面具有小的曲率半径，并且第三区域111和第四区域112通过第二凸状部131连接。结果，可以抑制从第二凸状部131发生粒子脱落。

第二凸状部131优选地具有弯曲的外周面。另外，第二凸状部131的外周面的曲率半径优选地比凸缘部的外周面的曲率半径小。结果，减小了第一凸状部13中的残余应力，使得第一凸状部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中所示的柱状绕线部2一样，第四区域112可以包括平坦部分14和弯曲表面部分，平坦部分的外周面连接到第三区域111，弯曲部分以小的曲率半径与平坦部分连续。

通过将导线卷绕在柱状绕线部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，并且可以应用于下述情况：在该情况下，由陶瓷等形成两端具有凸缘并且具有柱状形状和光滑弯曲表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。

【示例】

在下文中，将通过示例和比较例详细描述本发明的芯部件。

(示例)

使用图2和图3所示的成型设备对铁氧体粉末进行加压成型，然后在预定温度下进行烧结以产生芯部件。

(比较例)

通过在与示例中相同的压力和温度下对铁氧体粉末压制与示例中相同的时间来获得铁氧体粉末的柱状成型体，并且仅将该成型体的中心部分切断并烧结以产生具有由烧结体制成的柱状绕线部和在其两端的凸缘部的芯部件。

(测量孔隙面积占有率)

通过上述测量方法测量所获得的芯部件的孔隙面积占有率。对芯部件的柱状绕线部和凸缘部的表层部和内部中的每一者的孔隙面积占有率进行测量。结果示于表1中。

【表1】

从表1可以看出，与比较例的芯部件不同，示例的芯部件在柱状绕线部和凸缘部的各表层部中的孔隙面积占有率比其相应的内部中的各表层部中的孔隙面积占有率小，使得示例的芯部件是密实的。

Claims (7)

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，其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，当在与轴向方向垂直的横截面中观察时，所述柱状绕线部的表层部的孔隙面积占有率小于所述柱状绕线部的内部的孔隙面积占有率；

所述柱状绕线部在与轴心线正交的横截面中具有第一区域和第二区域，所述第一区域所具有的弯曲的外周面具有大的曲率半径，所述第二区域由具有小的曲率半径的弯曲构成，或者所述第二区域由平坦部分和弯曲表面构成，所述平坦部分的外周面连接到所述第一区域，所述弯曲表面以小的曲率半径与所述平坦部分连续，并且，所述第一区域和所述第二区域通过第一凸状部连接。

2.根据权利要求1所述的芯部件，其中，所述柱状绕线部的表层部中的孔隙面积占有率为0.5％至3％。

3.根据权利要求1所述的芯部件，其中，当在与轴向方向垂直的横截面中观察所述凸缘部时，所述凸缘部的表层部的孔隙面积占有率小于所述凸缘部的内部的孔隙面积占有率。

4.根据权利要求3所述的芯部件，其中，所述凸缘部的表层部中的孔隙面积占有率为0.5％至4％。

5.一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至少在形成所述柱状绕线部的部分处具有不同的曲率半径，并且

其中，加压成型时的成型压力为98MPa或更高。

6.根据权利要求5所述的制造芯部件的方法，还包括对所述烧结体进行抛光。

7.一种电感器，所述电感器包括：

根据权利要求1所述的芯部件；以及

围绕所述芯部件的柱状绕线部卷绕的导线。

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