JP2006013066A

JP2006013066A - インダクタ

Info

Publication number: JP2006013066A
Application number: JP2004186764A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Ishii; 政義石井; Hiroyuki Wada; 浩之和田; Hajime Daigaku; 元大學; Kazuyuki Okita; 一幸沖田
Original assignee: Tokyo Coil Engineering Co Ltd
Current assignee: Tokyo Coil Engineering Co Ltd
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】低ロス特性の劣化がなく直流重畳特性及びインダクタンスを向上できるインダクタを提供することにある。
【解決手段】磁性粉末及びバインダーを混合した混合粉末を加圧して成形されたコア２内にコイル３が一体に埋設されたチョークコイル（インダクタ）１において、カルボニル鉄粉末にセンダスト粉末を５〜２０wｔ％混合した粉末を、磁性粉末として用いた。
【選択図】図１

Description

本発明は、大電流や高周波でも好適に使用できるチョークコイルや他のコイル部品として用いられるインダクタに関する。

従来、金型を用いて加圧成形されたコア内にコイルが一体に埋設されたインダクタが知られている（例えば特許文献１参照）。

この種のインダクタのコアは磁性粉末とバインダーとを混合した混合粉末の圧粉体であり、特許文献１に記載のインダクタのコアでは、その磁性粉末としてカルボニル鉄粉末が用いられている。又、これ以外に、特許文献１には、磁性粉末としてケイ化鉄、パーマロー、スーパーマロイ、センダスト、窒化鉄、鉄アルミ合金、鉄コバルト合金、リン鉄等の内の１種又は２種以上を選択して用いてもよいことも記載されている。
特開2001−267160号公報〔段落0003、0056、0057、0079−0087、図１（Ａ）−（Ｄ）、図５（Ａ）−（Ｉ）〕

従来は、コアの磁性材料として、特許文献１に記載の実施例１，２で代表されるように単一種の磁性粉末（例えばカルボニル鉄粉末）を使用することが一般的である。又、特許文献１で２種以上の磁性粉末を選択して用いるという記載は、単に複数種の磁性材料を混ぜて使用可能であるということを示唆しているに過ぎず、２種以上の磁性粉末を具体的にどのような配合割合で用いるのかということについて言及していない。

ところで、大電流で使用するチョークコイルのコアの磁性材料としては、カルボニル鉄が一般的に用いられている。この理由はカルボニル鉄の以下の特長に依存している。つまり、カルボニル鉄粉末は、その粉末硬度が低いので、この粉末の加圧成形に伴って粉末中に配置されたコイルの変形を抑制するのに有効である。更に、カルボニル鉄の飽和磁束密度は高く、このため、コイルの空芯部に充填して固められる磁芯部の損失を低く（以下低ロス特性と称する。）できる。

しかし、カルボニル鉄は透磁率μが低いので、その粉末を加圧成形してなるコアを備えたインダクタは、そのインダクタンス値が低い。このようにカルボニル鉄粉末のみを用いてそれを加圧成形して得たコアを有した従来のインダクタは、直流重畳特性に好ましい影響を与えるインダクタンスを高めることが難しく、その改善が望まれている。

又、特許文献１には、その実施例２にコアの磁性材料としてパーマロイ粉末を用いる技術が記載されている。しかし、パーマロイは、飽和磁束密度も透磁率も高いが、低ロス特性が悪いことが知られている。したがって、パーマロイ粉末だけを用いて、それを加圧成形してなるコアを備えるインダクタでは、低ロス特性が劣化する。

本発明の目的は、低ロス特性の劣化がなく直流重畳特性及びインダクタンスを向上できるインダクタを提供することにある。

本発明は、磁性粉末及びバインダーを混合した混合粉末を加圧して成形されたコア内にコイルが一体に埋設されたインダクタを前提とする。

そして、前記目的を達成するために、請求項１の発明は、カルボニル鉄粉末にセンダスト粉末を５〜２０wｔ％混合した粉末を、前記磁性粉末として用いている。

この発明では、センダスト粉末をカルボニル鉄粉末に前記割合で混ぜたことにより、カルボニル鉄粉末の好ましい特長である高飽和磁束密度と低ロス特性とを損なうことなく、透磁率を高めてインダクタンスを向上できる。

同様に、前記目的を達成するために、請求項２の発明は、カルボニル鉄粉末に４０〜６０％のNiを含んだFe−Ni合金粉末を５〜５０wｔ％混合した粉末を、前記磁性粉末として用いている。

この発明では、前記組成のFe−Ni合金（パーマロイ）粉末をカルボニル鉄粉末に混ぜたことにより、これら両粉末の好ましい特長である高飽和磁束密度を維持できるとともに、カルボニル鉄粉末の好ましい特長である低ロス特性の劣化を抑制しつつ、パーマロイ粉末の好ましい特長である高透磁率を与えてインダクタンスを向上できる。

以上説明した本発明によれば、カルボニル鉄粉末にセンダスト粉末を５〜２０wｔ％混合した粉末を磁性粉末として用いたコアを備えているので、低ロス特性の劣化がなく直流重畳特性及びインダクタンスが向上されたインダクタを提供できる。

又、本発明によれば、カルボニル鉄粉末に４０〜６０％のNiを含んだFe−Ni合金粉末を５〜５０wｔ％混合した粉末を磁性粉末として用いたコアを備えているので、低ロス特性の劣化がなく直流重畳特性及びインダクタンスが向上されたインダクタを提供できる。

図１及び図２を参照して本発明の一実施形態を説明する。

この一実施形態に係るインダクタは大電流が流れるチョークコイル１として使用されるもので、電子機器例えばコンピュータやテレビゲーム機などに搭載して好適に使用できる。このチョークコイル１は、図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように各面が互に直角に連続する六面体状をなして一体成形されたコア２と、このコア２に両端部を除いて埋設されたコイル３とを備えている。

コイル３には、導電性金属線、例えば銅線、好ましくは図１に例示するように断面が長方形の平角銅線を好適に使用できる。コイル３は図示しないが外周を絶縁層で被覆されている。コイル３の両端部はコア２の互に平行な２つの側面の高さ方向中間部から外に突出している。これらの両端部は、コア２の前記側面に沿って折り曲げられるとともに、コア２の裏面に沿って折り曲げられている。コア２の裏面に沿ったコイル３の両端部は端子３ａとして使用される。これらの端子３ａの絶縁層は除去されている。端子３ａは図示しない電子機器のプリント配線基板のプリント配線にリフロー半田付けされる。したがって、チョークコイル１は表面実装部品としてプリント基板に実装できる。

このチョークコイル１のコア２は図示しない加圧成形装置の金型を用いて加圧成形された圧粉体である。コイル３は、コア２の成形前に金型内に位置決めして配置され、コア２の加圧成形に伴って一体にコア２内に埋設されたものである。したがって、このチョークコイル１は一体成形型コイル部品と称することができる。

コア２は、磁性粉末及びバインダーを混合した混合粉末からなる。バインダーは、無機材料又は有機材料からなる絶縁材であって、例えばエポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ポリアミド系樹脂などの絶縁性樹脂を好適に使用できる。磁性粉末には、強磁性体粉末、具体的には、粉体硬度が低く、飽和磁束密度が高く、かつ、低ロス特性であるという特長を有したカルボニル鉄粉末に、センダスト粉末を５〜２０wｔ％混合した粉末、又は、前記カルボニル鉄粉末に、４０〜６０％のNiを含んだFe−Ni合金粉末（パーマロイ粉末）を５〜５０wｔ％混合した粉末を使用している。

前記構成のチョークコイル１は、その磁性材料の組成によって、カルボニル鉄粉末の特長を有したまま、透磁率μを高めて、それにより高いインダクタンスを得ることができる。このことは以下の実施例１又は実施例２で確認できた。

（実施例１）
まず、以下の手順で最適なコア２の成形圧を選定するためにサンプル１〜６を作成した。つまり、図１（Ａ）中の幅ｗ及び奥行きｄが夫々１０ｍｍ、高さｈが４ｍｍのコア２を加圧成形できる加圧成形装置の金型内に、3.5ターンのコイル３をセットした後に、混合粉末の磁性材料を、以下のように調整して所定量充填するとともに、前記加圧成形装置でその成形圧を変えることにより、加圧成形してコイル３を一体に埋設した各種のサンプルを得た。

この場合、磁性材料の調整は、カルボニル鉄粉末に対するセンダスト粉末の混合量の加減で行い、サンプル１はセンダスト粉末の混合量が０wｔ％であって従来品に相当し、サンプル２ではセンダスト粉末の混合量を2.5wｔ％とし、サンプル３ではセンダスト粉末の混合量を５wｔ％とし、サンプル４ではセンダスト粉末の混合量を10wｔ％とし、サンプル５ではセンダスト粉末の混合量を20wｔ％とし、サンプル６ではセンダスト粉末の混合量を30wｔ％とした。又、加圧成形の成形圧は各サンプルについて３ｔｏｎ〜１０ｔｏｎの８段階とした。

そして、以上の条件で成形された各サンプルの夫々について、インパルス試験にてコア２とコイル３との間でのレアショートの数をｎ＝10ｐｃｓで測定した。この測定結果を表１に示す。したがって、表１は各成形圧・センダスト粉末の各混合量におけるコイル−コア間のレアショート数を示している。なお、前記ｐｃｓは測定サンプル数であるので、１０個のサンプル中にレアショートがあった数を表１は示している。

この表１により、センダスト粉末の混合量の増加及び成形圧の増加に従い、レアショートの発生個数が増加する傾向が認められた。これとともに、成形圧が５ｔｏｎ以下ではセンダスト粉末の混合量の増加に拘わらずレアショートが発生しないことも認められた。なお、５ｔｏｎを超える成形圧の増加に伴うレアショート数の増加は、５ｔｏｎを超える成形圧によって金型内でコイル３の変形が大きくなり、このコイル３の絶縁層が破壊されたためである。

又、前記各サンプル１〜６について透磁率μを測定した結果を表２に示す。したがって、表２は各成形圧・センダスト粉末の各混合量に透磁率μを示している。この場合、測定サンプル数はｎ＝２ｐｃｓである。

この表２により、センダスト粉末の混合量の加減によらず、成形圧の増加に従い透磁率が増える傾向が認められた。しかし、その増加はいずれも微増である。したがって、成形圧の高圧化により透磁率を大きく高めて、製品のインダクタンスを大幅に向上することは期待できないことに加えて、前記表１の結果からしてレアショートの発生率が高まるので、実用的に採用することは適当ではないことが分かった。

以上の両測定結果に基づいて、透磁率の向上も僅かに期待できてレアショートを発生し難い成形圧を５ｔｏｎとして、インダクタンス値を測定するための各種のサンプル１〜６を作成して、これらの直流重畳特性を測定した。この測定結果を図２に示す。

この図２により、センダスト粉末の混合量が2.5wｔ％のサンプル２のインダクタンスの値及び直流重畳特性は、センダスト粉末の混合量が０wｔ％で従来品に相当するサンプル１と殆ど差異がないことが分かった。

センダスト粉末の混合量が５wｔ％のサンプル３、同混合量が10wｔ％のサンプル４、同混合量が20wｔ％のサンプル５では、それらのインダクタンスの値が、いずれも従来品に相当するサンプル１に対して大幅に高くなったことが認められたとともに、電流値が増えて高電流領域に至っても直流重畳特性が大きく低下しないことが認められた。

しかし、センダスト粉末の混合量が30wｔ％のサンプル６では、インダクタンスの値が従来品に相当するサンプル１に対して一層大幅に高くなったことが認められたが、約３４アンペア以上の高電流領域では直流重畳特性がサンプル１より劣化することが認められた。この劣化の原因は、センダスト粉末の飽和磁束密度がカルボニル鉄粉末に比べて低いために、その影響が顕在化したもの推測されている。

以上のようにカルボニル鉄粉末にセンダスト粉末を５wｔ％未満混合することは、インダクタンスの値を高める効果が殆ど認められず、又、カルボニル鉄粉末にセンダスト粉末を20wｔ％を超えて混合することは、インダクタンスの向上には効果的であるが高電流域での直流重畳特性が劣化する。

したがって、コア２の磁性粉末として、カルボニル鉄粉末にセンダスト粉末を５〜２０wｔ％混合した粉末を用いることで、カルボニル鉄粉末の特長を有したままで、透磁率を向上できて大電流まで良好な直流重畳特性を有したチョークコイル１を提供できることが分かった。又、表１により、製造においてはコア２の成形圧を５ｔｏｎ以下とすることは、コア２とこれに一体に埋設されたコイル３との間のレアショートの発生を抑制でき、製品の歩留まりを向上できる点で好ましいことが分かった。

（実施例２）
まず、以下の手順で最適なコア２の成形圧を選定するためにサンプル１１〜１９を作成した。つまり、図１（Ａ）中の幅ｗ及び奥行きｄが夫々１０ｍｍ、高さｈが４ｍｍのコア２を加圧成形できる加圧成形装置の金型内に、3.5ターンのコイル３をセットした後に、混合粉末の磁性材料を、以下のように調整して所定量充填するとともに、前記加圧成形装置でその成形圧を変えることにより、加圧成形してコイル３を一体に埋設した各種のサンプルを得た。

この場合、磁性材料の調整は、５０％のNiを含んだFe−Ni合金粉末（以下Ni５０％パーマロイ粉末と称する。）のカルボニル鉄粉末に対する混合量の加減で行い、サンプル１１はNi５０％パーマロイ粉末の混合量が０wｔ％であって従来品に相当し、サンプル１２ではNi５０％パーマロイ粉末の混合量を2.5wｔ％とし、サンプル１３ではNi５０％パーマロイ粉末の混合量を５wｔ％とし、サンプル１４ではNi５０％パーマロイ粉末の混合量を10wｔ％とし、サンプル１５ではNi５０％パーマロイ粉末の混合量を20wｔ％とした。更に、サンプル１６ではNi５０％パーマロイ粉末の混合量を30wｔ％とし、サンプル１７ではNi５０％パーマロイ粉末の混合量を40wｔ％とし、サンプル１８ではNi５０％パーマロイ粉末の混合量を50wｔ％とし、サンプル１９ではNi５０％パーマロイ粉末の混合量を60wｔ％とした。又、加圧成形の成形圧は各サンプルについて３ｔｏｎ〜１０ｔｏｎの８段階とした。

そして、以上の条件で成形された各サンプルの夫々について、インパルス試験にてコア２とコイル３との間でのレアショートの数をｎ＝10ｐｃｓで測定した。この測定結果を表
に示す。

この表３により、Ni５０％パーマロイ粉末の混合量の増加及び成形圧の増加に従い、レアショートの発生個数が増加する傾向が認められた。これとともに、成形圧が７ｔｏｎ以下ではNi５０％パーマロイ粉末の混合量の増加に拘わらずレアショートが発生しないことも認められた。なお、７ｔｏｎを超える成形圧の増加に伴うレアショート数の増加は、７ｔｏｎを超える成形圧によって金型内でコイル３の変形が大きくなり、このコイル３の絶縁層が破壊されたためである。

又、前記各サンプル１１〜１９について透磁率μを測定した結果を表４に示す。この場合、測定サンプル数はｎ＝２ｐｃｓである。

この表４により、Ni５０％パーマロイ粉末の混合量の加減によらず、成形圧の増加に従い透磁率が増える傾向が認められた。しかし、その増加はいずれも微増である。したがって、成形圧の高圧化により透磁率を大きく高めて、製品のインダクタンスを大幅に向上することは期待できないことに加えて、前記表３の結果からしてレアショートの発生率が高まるので、実用的に採用することは適当ではないことが分かった。

以上の両測定結果に基づいて、透磁率の向上も僅かに期待できてレアショートを発生し難い成形圧を７ｔｏｎ以下例えば５ｔｏｎとして、インダクタンス値を測定するための各種のサンプル１１〜１９を作成して、これらの直流重畳特性を測定した。この測定結果を図３に示す。

この図３により、Ni５０％パーマロイ粉末（つまり、５０％Ni−５０％Feパーマロイ粉末）の混合量が2.5wｔ％のサンプル１２のインダクタンスの値及び直流重畳特性は、Ni５０％パーマロイ粉末の混合量が０wｔ％で従来品に相当するサンプル１１と殆ど差異がないことが分かった。

Ni５０％パーマロイ粉末の混合量が５wｔ％のサンプル１３、同混合量が10wｔ％のサンプル１４、同混合量が20wｔ％のサンプル１５、同混合量が30wｔ％のサンプル１６、同混合量が40wｔ％のサンプル１７、同混合量が50wｔ％のサンプル１８、同混合量が60wｔ％のサンプル１９では、それらのインダクタンスの値が、いずれも従来品に相当するサンプル１１に対して大幅に高く、かつ、混合量が増えるほどインダクタンス値が高くなったことが認められた。又、電流値が増えて高電流領域に至っても直流重畳特性が大きく低下しないことが認められた。

次に、サンプル１１〜１９の夫々についてロス特性を測定した。この測定は、測定時の飽和磁束密度を例えば３０ｍTに指定した条件で、入力側と出力側での電流・電圧を測定して、それらのデータから算出した。測定されたロス特性の結果を図４に示す。

この図４により、カルボニル鉄粉末に対するNi５０％パーマロイ粉末の混合量が増えるに従ってロスが次第に増加することが認められ、特に、Ni５０％パーマロイ粉末の混合量が50wｔ％以上になると増加率が急増して、混合量が60wｔ％ではロスが最大に増加したことが認められた。又、周波数が１００ｋＨｚの場合でも３００ｋＨｚの場合でも同様の傾向があるが、Ni５０％パーマロイ粉末の混合量が50wｔ％以上では、周波数が高いほどロスの増加率がより急に増える傾向があることも認められた。なお、ロスの増加は、ロス特性の劣化と言い換えることができる。こうした、ロス特性の劣化の原因は、パーマロイ粉末のロス特性がカルボニル鉄粉末に比べて悪いために、その影響が顕在化したものと推測されている。

以上のようにカルボニル鉄粉末にNi５０％パーマロイ粉末を５wｔ％未満混合することは、インダクタンスの値を高める効果が殆ど認められず、又、カルボニル鉄粉末に50wｔ％を超えるNi５０％パーマロイ粉末を混合することは、ロス特性が劣化する。

したがって、コア２の磁性粉末として、カルボニル鉄粉末にNi５０％パーマロイ粉末を５〜５０wｔ％混合した粉末を用いることで、カルボニル鉄粉末の特長を有したままで、透磁率を向上できて大電流まで良好な直流重畳特性を有したチョークコイル１を提供できることが分かった。なお、以上の結果は、パーマロイ粉末を４０〜６０％のNiを含んだFe−Ni合金粉末として、これをカルボニル鉄粉末に５〜５０wｔ％の割合で混合した場合も同等であることが分かった。又、表３により、製造においてはコア２の成形圧を７ｔｏｎ以下とすることは、コア２とこれに一体に埋設されたコイル３との間のレアショートの発生を抑制でき、製品の歩留まりを向上できる点で好ましいことが分かった。

以上のように磁性粉末及びバインダーを混合した混合粉末を加圧して成形されたコア２にコイル３が一体に埋設されたチョークコイル１において、カルボニル鉄粉末にセンダスト粉末を５〜２０wｔ％混合した粉末を磁性粉末として用いるか、若しくは、カルボニル鉄粉末に４０〜６０％のNiを含んだFe−Ni合金粉末を５〜５０wｔ％混合した粉末を磁性粉末として用いることによって、低ロス特性の劣化がなく直流重畳特性及びインダクタンスを向上できるインダクタを提供することができたものである。

なお、本発明は、コイルと端子とが別々であって、これらが溶接などで接続されている構成のチョークコイルなどのインダクタにも適用できるとともに、コイルが平角銅線ではなく断面円形の導電性金属線である場合に、これを単層巻きではなく複層巻きとした構成のチョークコイルなどのインダクタにも適用できる。

（Ａ）は本発明に係るチョークコイルを例示する斜視図。（Ｂ）は図１（Ａ）のチョークコイルを示す平面図。（Ｃ）は図１（Ａ）のチョークコイルを示す断面図。本発明の一実施形態に係るチョークコイルの直流重畳特性を示すグラフ。本発明の他の実施形態に係るチョークコイルの直流重畳特性を示すグラフ。本発明の他の実施形態に係るチョークコイルのロス特性とパーマロイ粉末混合量との関係を示すグラフ。

符号の説明

１…チョークコイル（インダクタ）、２…コア、３…コイル

Claims

磁性粉末及びバインダーを混合した混合粉末を加圧して成形されたコア内にコイルが一体に埋設されたインダクタにおいて、カルボニル鉄粉末にセンダスト粉末を５〜２０wｔ％混合した粉末を、前記磁性粉末として用いたインダクタ。
磁性粉末及びバインダーを混合した混合粉末を加圧して成形されたコア内にコイルが一体に埋設されたインダクタにおいて、カルボニル鉄粉末に４０〜６０％のNiを含んだFe−Ni合金粉末を５〜５０wｔ％混合した粉末を、前記磁性粉末として用いたインダクタ。