JP2009105368A - インダクタおよびそのコア - Google Patents

Abstract

【課題】従来のインダクタ製造時に粒径の分布が不均一であることにより生じる磁気的損失を解消できるインダクタおよびそのコアを提供し、ひいては高周波での使用における製品の性能を高める。
【解決手段】本発明のインダクタは、コイル２２と、コイル２２を覆う複数の磁性粒子を含んだコア２１とを含む。各磁性粒子３０Ａは核３０１ａと核を覆う第１の殻層３０２ａとを含み、かつ核３０１ａと第１の殻層３０２ａとはそれぞれ異なる材料、例えば比重の異なる材料からなる。核３０１ａまたは第１の殻層３０２ａは第１の磁性材料を含む。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明はインダクタおよびそのコアに関し、特に磁性物質を均一に分布させることができ、混合のプロセスが簡便化されるインダクタおよびそのコアに関するものである。

科学・技術の進歩に伴い、電子製品に要求される性能もより高度となっているが、そうした流れの中で鍵となるのは、実装される部品である。例えば、スイッチング電源供給器では、切り替え頻度が増加するのに対し、インダクタ素子の周波数とインダクタンスは反比例する。このような事実によって、高周波数環境下におけるインダクタ素子の性能を有効に高めるために、インダクタ素子中の磁性部材の製造工程を改善することは重要事項である。

図１は従来の磁性粉体の断面図である。現在、高周波、電源コンバータに必要とされるインダクタ素子は、次のようないくつかの製造方式がある、（１）フェライト（ferrite）粉末を用い、高温焼結（８００℃をこえる）を組み合わせる方式、（２）磁性粉体１０を好ましい比率（５ｗｔ％未満）のポリマーバインダー材に加えてから、適度な圧力と温度（２００℃未満）で成形を行う方式、（３）半導体チップに作り込む場合は、めっき、スパッタリングまたはポリマー材料を混ぜて塗布する方式、などによって作製されている。しかし、高温焼結によりインダクタ素子を作製する方式は、集積回路との整合が難しいという問題があり、後続の応用に影響を与える。また、磁性粉体１０をポリマー材料と組み合わせて塗布する方式では、磁性粉体１０とポリマー材料の分散度合いについて考慮しなければならないため、適したカップリング剤を前処理として磁性粉体１０に添加する必要があり、こうして不均一な分布が改善を得ることとなる。しかし、それでもなお磁性粉体１０が凝集塊を形成してしまうことは避けられず、これにより製造が完了したインダクタ素子において凝集塊の粒径分布が不均一となって、粒径が表皮深さ (skin depth)よりも大きいところでは過大な渦電流損（ HYPERLINK "javascript:goWordLink(%22eddy-current%22)" eddy-current HYPERLINK "javascript:goWordLink(%22loss%22)" loss）が生じたり、反対に粒径が過度に小さいところでは大きい保磁力（coercive force）が生じるといった具合となり、結果インダクタ素子の性能が部位によってばらつき、素子全体の性能に影響が出る。

上述より、インダクタ素子全体の効率を高めるべく、磁性粉体１０の粒径が制御可能でかつ粉体が均一に分布され得るインダクタおよびそのコアを如何にして提供するかが重要課題となっている。

上述した問題を解決するため、本発明は、従来のインダクタ製造時に粒径の分布が不均一であることにより生じる磁気的損失を解消できるインダクタおよびそのコアを提供し、ひいては高周波の使用における製品の性能を高めることを目的とする。

上記目的を解決するため、本発明は、複数の磁性粒子を含むコアであって、各前記磁性粒子が、核と前記核の外面を覆う第１の殻層とを備え、かつ前記核と前記第１の殻層とがそれぞれ異なる材料を備えたコアを提供する。

また、本発明は、コイル、および、前記コイルの外面を覆う複数の磁性粒子を含んだコアであって、各前記磁性粒子が核と前記核の外面を覆う第１の殻層とを備え、かつ前記核と前記第１の殻層とがそれぞれ異なる材料を備えたコア、を備えたインダクタを提供する。

上述のインダクタおよびそのコアにおいて、前記第１の殻層と前記核はそれぞれ比重の異なる材料を備え、かつ前記核または前記第１の殻層が、鉄、シリコン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、マンガン、クロムまたはその他の金属材料を含む第１の磁性材料を備えてなる。前記核がポリマー材料からなる場合、第１の殻層は第１の磁性材料を備え、かつ第１の殻層は化学めっき（chemical plating）により核を覆うように形成される。第１の殻層の厚さは第１の磁性材料の表皮深さよりも小さく、かつ第１の殻層は非晶または微結晶構造である。上記のポリマー材料はポリ塩化ビニルまたはポリイミドである。

前記コアは、前記第１の殻層の外面を覆う第２の殻層をさらに備え、前記第２の殻層は、鉄、シリコン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、マンガン、クロムまたはその他の金属材料を含む第２の磁性材料を備え、前記第２の殻層は化学めっきにより形成される。前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とは異なっていてもよい。前記核が前記ポリマー材料を含んでなる場合、前記第１の殻層は前記第１の磁性材料を備え、かつ前記第１の殻層と前記第２の殻層との間には絶縁層をさらに備える。前記絶縁層は、金属酸化物、二酸化ケイ素またはその混合物である酸化物からなる。

また、前記核が前記第１の磁性材料を含んでなる場合、前記第１の殻層は、ポリ塩化ビニルまたはポリイミドであるポリマー材料からなり、各前記磁性粒子は第１の殻層の外面を覆う第２の殻層をさらに備え、各前記第２の殻層が、鉄、シリコン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、マンガン、クロムまたはその他の金属材料を含む第２の磁性材料を有し、前記第２の殻層は化学めっきにより形成される。前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とは異なっていてもよい。

また、各前記磁性粒子の外表面は外殻によってさらに覆われており、前記外殻は、エポキシ樹脂である絶縁材料からなる。

また、前記磁性粒子と樹脂とからコアが形成され、前記磁性粒子の形状が球形、球状形（ball-like shape）または楕円球形である。

前記コアはインダクタ、例えばチョークインダクタに用いることができる。

上記のインダクタにおいて、コイルは丸形の線、四角形の線または扁平形の線を複数回巻回してなるものである。このインダクタはスイッチング電源供給器（switching power supplier）に用いられる。

本発明による磁性粒子はインダクタ（例えばチョークインダクタ）を作製するのに用いられる際、磁性粒子中には比較的比重の軽いポリマー材料が含まれているため、ポリマー結合剤（例えば樹脂）の溶剤と混合するときに、溶液に懸濁し易く、凝集して大きな粒を形成することがない。さらに、化学めっきで磁性粒子を作製するので、磁性物質の比率と厚さをより精度良く制御して最適化することができ、これにより渦電流損の発生が回避される。よって本発明を高周波の動作環境、例えばスイッチング電源供給器に適用すれば、インダクタの性能がより効果的に発揮される。

本発明の上記ならびにその他の目的、特徴および長所をより明らかに分かりやすくするため、以下に添付の図面を参照にしながら好ましい実施形態を挙げて説明する。

図２Ａは本発明の好ましい実施形態によるインダクタの横断面図である。本発明のインダクタ２は、例えばチョークインダクタであり、コイル２２およびコア２１を備える。コイル２２は丸形の線、四角形の線または扁平形の線を複数回巻回して形成されており、コア２１がコイル２２の外面を覆っている。コア２１は、複数の磁性粒子と樹脂を混合してなるものである。

図２Ｂは本発明による磁性粒子の断面図である。本発明の磁性粒子２０は、核２０１および第１の殻層２０２を含み、第１の殻層２０２が核２０１外面を覆っている。核２０１と第１の殻層２０２は、互いに異なる材料からなり、それら材料の比重もそれぞれ異なる。さらに、核２０１または第１の殻層２０２が第１の磁性材料からなっている。本実施形態では、先ずポリマー材料、例えばポリ塩化ビニルまたはポリイミドで核２０１を作製してから、第１の磁性材料を含有する溶液中に核２０１を混ぜ入れる。この第１の磁性材料は、鉄、シリコン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、マンガン、クロムまたはその他の金属材料とすることができる。次いで、時間などのプロセスパラメータを適切に制御し、化学めっきにより核２０１の外表面に第１の殻層２０２を形成する。すると、球形、球状形（ball-like shape）または楕円球形の磁性粒子２０が得られる。

上述のように、本発明による磁性粒子２０は、核２０１と第１の殻層２０２からなる核殻構造（nucleus-shell structure）に設計されており、核２０１の部分に比較的比重の軽いポリマー材料を用いるため、第１の殻層２０２の作製時、第１の磁性材料を含有する溶液中に、核２０１が均一に分布するので、第１の殻層２０２の厚さと組成をより効果的に制御でき、混合が不均一となることによる渦電流損が生じなくなる。したがって、このような工程で製造されるインダクタのばらつきが小さくなり、より均一性の高い製造が可能となる。

また、高周波環境での動作時にインダクタ２の良否を決定する重要な要因は第１の磁性材料の厚さである。よって、これを用いてインダクタを作製する際は、周知の動作周波数および磁性材料に基づいて、第１の殻層２０２の内部構造を破壊せずに、第１の殻層２０２の厚さを第１の磁性材料の表皮深さよりも小さくするよう適切に制御する。こうすることによって磁性粒子２０は磁気を通すものとして完全に利用され得るため、第１の殻層２０２が厚すぎて渦電流損が大きくなるといった事態を回避できる。

第１の殻層２０２の厚さを制御する以外に、本発明はさらに製造工程に改良を加えて、第１の殻層２０２を非晶（amorphous）または微結晶（microcrystalline）構造とすることもできる。こうするとインダクタの抵抗値も下がるので、渦電流損をさらに低減することができる。よって本発明の磁性粒子２０は、高周波環境での使用において、より優れた特性を発揮する。

本発明の変形例は上述したものに限定しない。図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の磁性粒子の別の２種類の実施形態を示す説明図である。必要に応じて、磁性粒子３０Ａの第１の殻層３０２ａ外面に第２の殻層３０３ａを設けることができる。この第２の殻層３０３ａも同様に、化学めっきにより第１の殻層３０２ａの外面を覆うように形成され、かつ第２の磁性材料を含んでいる。そして第２の磁性材料も同様に、鉄、シリコン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、マンガン、クロムまたはその他の金属材料とすることができる。よって第１の殻層３０２ａの第１の磁性材料と第２の殻層３０３ａの第２の磁性材料は同じか、またはそれぞれ異なっていてもよく、例えば第１の殻層３０２ａを鉄・ニッケル・リン合金（ＦｅＮｉＰ）とし、第２の殻層３０３ａを鉄・コバルト合金（ＦｅＣｏ）とすることができる。また、第１の殻層３０２ａと第２の殻層３０３ａが近付きすぎることにより渦電流損が生じるのを防ぐため、図３Ａに示すように、第１の殻層３０２ａと第２の殻層３０３ａとの間に絶縁層３０４ａとしての酸化物を設置することが好ましい。この酸化物は、金属酸化物、二酸化ケイ素またはその混合物とすることができる。あるいは、図３Ｂに示すように、核３０１ｂに第１の磁性材料を用い、第１の殻層３０２ｂをポリマー材料に変更した場合には、第２の殻層３０３ｂで第１の殻層３０２ｂを被覆するときに、核３０１ｂの第１の磁性材料と第２の殻層３０３ｂの第２の磁性材料はすでに第１の殻層３０２ｂによって隔てられているので、絶縁層をさらに設ける必要はなく、磁性粒子３０Ｂの製造工程は簡便化される。

上述のように、磁性粒子を多層殻層構造に変更した場合も、複数の磁性材料どうしを絶縁層で隔てるだけで、同様の効果を達成することができる。

また、複数の磁性粒子間の絶縁性を考慮するならば、磁性粒子の外表面を絶縁材料で被覆するようにしてもよい。図４は、本発明による磁性粒子のさらにまた別の実施形態を示す説明図であり、この絶縁材料はエポキシ樹脂とすることができる。絶縁材料は磁性粒子４０を被覆してその外殻４０５となる。よってインダクタの作製時、磁性粒子４０どうしが、絶縁の作用をする外殻４０５によって隔てられるので、相互に干渉することがなくなって、渦電流損が生じなくなり、高周波で使用するときにインダクタがより優れた特性を発揮できることとなる。

本発明のインダクタ２のコア２１は、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂおよび図４に示される磁性粒子のうち１種のみを用いて形成できる他、例えば図２Ｂから図３Ａに示される磁性粒子を多種混合して形成することもできる。混合の比率は、実際の必要に応じて調整可能である。このように本発明によれば、応用上柔軟な変更が可能となる。

以上まとめると、本発明の磁性粒子はインダクタ２、特にチョークインダクタを作製するのに用いられる際、磁性粒子中には比較的比重の軽いポリマー材料が含まれているため、ポリマー結合剤（例えば樹脂）の溶剤と混合するときに、溶剤に懸濁し易く、凝集して大きな粒を形成することがない。さらに、化学めっきで磁性粒子を作製するので、磁性物質の比率と厚さをより精度良く制御して最適とすることができ、これにより渦電流損の発生が回避される。よって本発明を高周波の動作環境、例えばスイッチング電源供給器に適用すれば、インダクタの性能がより効果的に発揮される。

以上は本発明を例示的に説明したにすぎず、本発明を限定するものではない。本発明の精神と範囲を逸脱しない限りにおいて行う均等な修正または変更はいずれも添付の特許請求の範囲に含まれる。

従来の磁性粉体の断面図である。 本発明の好ましい実施形態によるインダクタの横断面図である。 本発明による磁性粒子の断面図である。 本発明の磁性粒子の別の実施形態を示す説明図である。 本発明の磁性粒子の別の実施形態を示す説明図である。 本発明の磁性粒子のまた別の実施形態である。

符号の説明

１０ 磁性粉体
２ インダクタ素子
２０、３０Ａ、３０Ｂ、４０ 磁性粒子
２０１、３０１ａ、３０１ｂ 核
２０２、３０２ａ、３０２ｂ 第１の殻層
３０３ａ、３０３ｂ 第２の殻層
２１ コア
２２ コイル
３０４ａ 絶縁層
４０５ 外殻

Claims (15)

1. 複数の磁性粒子を含むコアであって、各前記磁性粒子が核と前記核の外面を覆う第１の殻層とを含み、かつ前記核と前記第１の殻層とがそれぞれ異なる材料を含むコア。
2. 各前記磁性粒子の前記第１の殻層と前記核とが比重の異なる材料を含み、かつ前記核または前記第１の殻層が、鉄、シリコン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、マンガン、クロムまたはその他の金属材料を含む第１の磁性材料を含んでいる請求項１記載のコア。
3. 前記第１の殻層が前記磁性材料を含む場合、前記核はポリ塩化ビニルまたはポリイミドを含むポリマー材料を含んでおり、かつ前記第１の殻層が化学めっきにより形成される請求項２記載のコア。
4. 前記第１の殻層の厚さが前記第１の磁性材料の表皮深さよりも小さく、前記第１の殻層が非晶または微結晶構造である請求項３記載のコア。
5. 各前記磁性粒子が前記第１の殻層の外面を覆う第２の殻層をさらに備え、各前記第２の殻層が、鉄、シリコン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、マンガン、クロムまたはその他の金属材料を含む第２の磁性材料を有し、前記第２の殻層が化学めっきにより形成される請求項３記載のコア。
6. 前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とが同じまたはそれぞれ異なる請求項５記載のコア。
7. 各前記第１の殻層と前記第２の殻層との間に絶縁層をさらに備え、前記絶縁層が、金属酸化物、二酸化ケイ素またはその混合物を含む酸化物からなる請求項５記載のコア。
8. 前記核が前記磁性材料を含む場合、前記第１の殻層は、ポリ塩化ビニルまたはポリイミドを含むポリマー材料を含んでいる請求項２記載のコア。
9. 各前記磁性粒子が前記第１の殻層の外面を覆う第２の殻層をさらに備え、各前記第２の殻層が、鉄、シリコン、コバルト、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、マンガン、クロムまたはその他の金属材料を含む第２の磁性材料を有し、前記第２の殻層が化学めっきにより形成される請求項８記載のコア。
10. 前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とが同じまたはそれぞれ異なる請求項９記載のコア。
11. 各前記磁性粒子の外表面が外殻によってさらに覆われており、前記外殻が、エポキシ樹脂である絶縁材料を含む請求項１記載のコア。
12. 前記複数の磁性粒子と樹脂とから形成される前記コアであって、前記複数の磁性粒子が球形、球状形（ball-like shape）または楕円球形である請求項１記載のコア。
13. インダクタに用いられ、前記インダクタがチョークインダクタである請求項１記載のコア。
14. コイル、および、
    前記コイルの外面を覆う複数の磁性粒子を含んだコアであって、各前記磁性粒子が核と前記核の外面を覆う第１の殻層とを含み、かつ前記核と前記第１の殻層とがそれぞれ異なる材料を含むコア、
    を備えたインダクタ。
15. チョークインダクタであり、スイッチング電源供給器に用いられる請求項１４記載のインダクタ。
    

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