JP2011035004A - 圧粉コアの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性の高い圧粉コアを確実に得ることができる圧粉コアの製造方法を提供する。
【解決手段】 圧粉コア２を製造する場合は、まず金属磁性粉と静電気除去（除電）された球状シリカ粉とを混合する（工程Ｓ１２）。これにより、球状シリカ粉の単一体（シリカ粉単一体）と複数のシリカ粉同士が凝集してなるシリカ粉凝集体とが混在するようになり、金属磁性粉の表面がシリカ粉単一体及びシリカ粉凝集体で覆われるようになる。次いで、金属磁性粉と球状シリカ粉との混合物に樹脂バインダを混合して、造粒体を形成し（工程Ｓ１３）、得られた造粒体を乾燥させる（工程Ｓ１４）。次いで、造粒体に滑材を混合した（工程Ｓ１５）後、圧縮成形を行う（工程Ｓ１６）。その後、樹脂バインダを硬化させる（工程Ｓ１７）。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属圧粉コイル等に用いられる圧粉コアの製造方法に関するものである。

金属圧粉コイルの用途の一つとして、例えば電源用チョークコイルがある。このような電源用チョークコイルでは、スイッチング電源の高周波化に対応するため、圧粉コアの渦電流損を減らし、インダクタンス特性及び電源効率を高くすることが求められる。また、コイル部品の大電流化に対応するため、直流重畳特性を良くすることも求められる。さらに、コイル部品が小型化すると、コア表面に設けられる金属端子間の距離が短くなるため、端子間ショートの問題も大きくなる。これらの問題を解決するためには、圧粉コアの絶縁性を高めることが必要である。

従来における圧粉コアの製造方法としては、例えば特許文献１に記載されているように、耐熱性の高い絶縁被膜を得るために、金属磁性粉の表面にシリカ（ＳｉＯ_２）粒子を付着させたものが知られている。

特開２００６−５１７３号公報

しかしながら、上記従来技術においては、静電気によってシリカ粒子同士が凝集してしまうため、金属磁性粉の表面をシリカ粒子で適切に覆うことができず、結果的に絶縁性の高い圧粉コアを得ることが困難になる。

本発明の目的は、絶縁性の高い圧粉コアを確実に得ることができる圧粉コアの製造方法を提供することである。

本発明は、金属磁性粉を含む材料からなる圧粉コアの製造方法であって、金属磁性粉と金属磁性粉よりも径が小さい球状シリカ粉とを混合するシリカ粉混合工程と、金属磁性粉と樹脂とを混合する樹脂混合工程と、金属磁性粉と球状シリカ粉と樹脂との混合物を圧縮成形する成形工程とを有し、シリカ粉混合工程においては、金属磁性粉と除電済または除電中の球状シリカ粉とを混合することにより、球状シリカ粉の単一体と球状シリカ粉同士が凝集してなる球状シリカ粉の凝集体とを混在させて、球状シリカ粉の単一体及び球状シリカ粉の凝集体により金属磁性粉の表面を覆った状態とすることを特徴とするものである。

このような本発明に係わる圧粉コアの製造方法においては、金属磁性粉と金属磁性粉よりも径が小さい球状シリカ粉とを混合することにより、金属磁性粉の表面が球状シリカ粉で覆われるようになる。このため、その後の工程において金属磁性粉と球状シリカ粉と樹脂との混合物を圧縮成形する際に、金型との擦れが生じても、球状シリカ粉が金型と金属磁性粉との間に介在して潤滑材としての機能を果たすようになり、球状シリカ粉が破壊されることは殆ど無い。また、成形圧により金属磁性粉同士が押し潰されても、球状シリカ粉が破壊されることは殆ど無い。従って、金属磁性粉同士の接触が生じにくくなる。さらに、金属磁性粉と除電済または除電中の球状シリカ粉とを混合することにより、静電気による球状シリカ粉同士の凝集が抑制され、球状シリカ粉の単一体と球状シリカ粉の凝集体とがそれぞれ適度に混在するようになる。これにより、金属磁性粉の表面が球状シリカ粉に適切に覆われるようになる。以上により、絶縁性の高い圧粉コアを製造することができる。

好ましくは、球状シリカ粉として、疎水性を有するシリカ粉を用いる。この場合には、球状シリカ粉同士の凝集が起こりにくくなると共に、シリカ粉凝集体の量をコントロールしやすくなる。このため、金属磁性粉の表面を球状シリカ粉で更に適切に覆うことができる。

また、好ましくは、金属磁性粉の外径が１〜１５μｍであり、シリカ粉の凝集体の大きさが５０〜３００ｎｍである。市販されている金属磁性粉としては、外径１〜１５μｍのものが多い。このとき、シリカ粉の凝集体の大きさを５０〜３００ｎｍとすることにより、球状シリカ粉の凝集体が金属磁性粉に対して均一に分散されやすくなると共に、成形時における金型の擦れや成形圧に対して強い凝集体が得られる。

さらに、好ましくは、球状シリカ粉の凝集体は、球状シリカ粉全体の２０〜５０重量％含んでいる。この場合にも、球状シリカ粉の凝集体が金属磁性粉に対して均一に分散されやすくなると共に、成形時における金型の擦れや成形圧に対して強い凝集体が得られる。

本発明によれば、絶縁性の高い圧粉コアを確実に得ることができる。これにより、圧粉コアの周波数特性、直流重畳特性及び信頼性を向上させることが可能となる。

本発明に係わる圧粉コアの製造方法の一実施形態により成形される圧粉コアを備えた金属コイル部品を示す斜視図である。 図１に示した圧粉コアの製造工程を示すフローチャートである。 図１に示した圧粉コアにおいて金属磁性粉に球状シリカ粉が吸着される状態のイメージ図である。 図１に示した圧粉コアの製造工程の変形例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係わる圧粉コアの製造方法の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる圧粉コアの製造方法の一実施形態により成形される圧粉コアを備えた金属コイル部品を示す斜視図である。図１において、金属コイル部品１は、圧粉コア２と、この圧粉コア２内に埋設されたコイル部３と、圧粉コア２の両側に設けられた１対の端子電極４とを備えている。一方の端子電極４には、コイル部３の一端が溶接接合され、他方の端子電極４には、コイル部３の他端が溶接接合されている。

圧粉コア２は、金属磁性粉とシリカ粉（ＳｉＯ_２粉）と樹脂バインダとを含む材料を金型により圧粉成形したものである。金属磁性粉としては、カルボニール鉄（純鉄）や、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、センダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金）等の鉄基合金が用いられる。シリカ粉としては、球状のシリカ粉（図３参照）が用いられる。これにより、破砕状のシリカ粉を使用する場合のようにコイル部３の絶縁被膜に損傷を与えることが防止される。樹脂バインダとしては、フェノール樹脂、シリコーン樹脂及びエポキシ樹脂等が用いられる。

図２は、そのような圧粉コア２の製造工程を示すフローチャートである。図２において、まず金属磁性粉、静電気除去（除電）された球状シリカ粉、樹脂バインダ及び滑材を準備する（工程Ｓ１１）。金属磁性粉及び樹脂バインダとしては、上述したものが用いられる。金属磁性粉の外径（直径）は、好ましくは１〜１５μｍ（平均５μｍ程度）である。滑材としては、例えばステアリン酸亜鉛等が用いられる。

球状シリカ粉としては、好ましくは疎水性を有する溶融シリカフィラーが用いられるが、親水性を有する溶融シリカフィラーを用いても良い。なお、シリカの純度が高ければ、合成シリカフィラーを用いても良い。球状シリカ粉の外径は、金属磁性粉の外径の１／１０以下となっている。例えば金属磁性粉として、外径が平均５μｍ程度のものが用いられる場合には、球状シリカ粉としては、外径が平均２０ｎｍ程度のものが用いられる。球状シリカ粉の径が大きくなる程、必要となる球状シリカ粉の数量が減るため、金属コイル部品１のインダクタンス値は高くなるが、圧粉コア２の絶縁性を低下させることになる。

次いで、金属磁性粉と除電された球状シリカ粉とを混合する（工程Ｓ１２）。このとき、例えばＶ字状の回転容器（容量５Ｌ）内に金属磁性粉１ｋｇ及び球状シリカ粉１５ｇを入れ、その状態で回転容器を３０分程度回転させて、金属磁性粉と球状シリカ粉とを攪拌させる。

これにより、図３に示すように、球状シリカ粉の単一体であるシリカ粉単一体５と、複数のシリカ粉単一体５同士が凝集してなるシリカ粉凝集体６とが混在するようになる。そして、引力により金属磁性粉７にシリカ粉単一体５及びシリカ粉凝集体６が付着（吸着）し、金属磁性粉７の表面がシリカ粉単一体５及びシリカ粉凝集体６で覆われるようになる。なお、複数の球状シリカ粉（シリカ粉単一体５及びシリカ粉凝集体６）の一部は、金属磁性粉７から遊離した状態となる。

このとき、球状シリカ粉は除電されているので、球状シリカ粉同士が静電気によって凝集することは殆ど無い。また、球状シリカ粉として、疎水性を有するシリカフィラーを用いる場合には、球状シリカ粉同士が更に凝集しにくくなると共に、シリカ粉凝集体の寸法や数量をコントロールしやすくなる。

また、金属磁性粉と除電された球状シリカ粉とを混合することで、シリカ粉単一体と適正寸法のシリカ粉凝集体とが適度の割合で混在するようになる。このとき、シリカ粉凝集体の寸法は、５０〜３００ｎｍであるのが好ましい。なお、シリカ粉凝集体の寸法は、例えばシリカ粉凝集体が複数の箇所で接するようにシリカ粉凝集体を取り囲む仮想球状体の外径（直径）として表される。また、球状シリカ粉全体（シリカ粉単一体＋シリカ粉凝集体）に対するシリカ粉凝集体の割合は、２０〜５０重量％であるのが好ましい。これにより、球状シリカ粉を金属磁性粉に対してほぼ均等に分散させることが可能となる。

次いで、金属磁性粉と球状シリカ粉との混合物に樹脂バインダを混合して、造粒体を形成する（工程Ｓ１３）。ここでは、例えばニーダー、攪拌混合造粒機（ＶＧ）、流動層により樹脂バインダをコーティングする。このとき、シリカ粉単一体及びシリカ粉凝集体は、樹脂バインダにより金属磁性粉の表面に吸着されるようになる。そして、得られた造粒体を乾燥させる（工程Ｓ１４）。

次いで、造粒体に滑材を混合する（工程Ｓ１５）。このとき、必要に応じて、除電された球状シリカ粉を造粒体に追加添加する。

次いで、圧縮成形（プレス成形）を行う（工程Ｓ１６）。具体的には、金属磁性粉と球状シリカ粉と樹脂バインダと滑材との混合物を金型のキャビティ内に導入し、その混合物に上記コイル部３を埋設させる。そして、金型により高圧プレスをかけることで、成形体を得る。このとき、キャビティ内に導入された材料中には適切な寸法のシリカ粉凝集体が存在していので、金型の擦れや成形圧に対して強くなっている。

次いで、その成形体を金型から取り出し、樹脂バインダを硬化させる（工程Ｓ１７）。以上により、コイル部３が埋設された圧粉コア２が完成する。

以上において、工程Ｓ１２は、金属磁性粉と金属磁性粉よりも径が小さい球状シリカ粉とを混合するシリカ粉混合工程に相当する。工程Ｓ１３は、金属磁性粉と樹脂とを混合する樹脂混合工程に相当する。工程Ｓ１６は、金属磁性粉と球状シリカ粉と樹脂との混合物を圧縮成形する成形工程に相当する。

ところで、圧粉コアの絶縁性を高めるためには、リン酸処理やシリカコーティング等により金属磁性粉の表面に絶縁膜を形成するという方法がある。しかし、このような絶縁処理では、圧縮成形時に金型との擦れにより絶縁膜が破壊されたり、成形時の圧力により金属磁性粉が押し潰されたときに絶縁膜が破壊されてしまうことがある。このため、圧粉コアとして十分な絶縁性が得られなくなる。

また、金属磁性粉に樹脂バインダのみを混合して、圧粉コアの絶縁性を確保するという方法もある。しかし、この場合には、絶縁性を高めるために樹脂バインダの添加量を必要以上に増やすと、相対的に金属磁性粉の割合が低くならざるを得ないため、コイル部品のインダクタンス値が低下してしまう。

これに対し本実施形態では、金属磁性粉に球状シリカ粉を混合し、シリカ粉単一体及びシリカ粉凝集体が混在するようにしたので、圧縮成形時に金型との擦れが発生しても、金属磁性粉から遊離した球状シリカ粉（特にシリカ粉単一体）が金型と金属磁性粉との間に介在して転がるようになり、潤滑材として機能する。また、成形時の圧力により金属磁性粉同士が押し潰されても、同様に遊離した球状シリカ粉が潤滑材として機能する。従って、球状シリカ粉が破壊されることは殆ど無いため、圧粉コアの絶縁抵抗を高くすることができる。また、遊離した球状シリカ粉が潤滑材として機能するため、金属磁性粉が微粉化した場合でも、金属磁性粉の分散性を良好にすることができる。

さらに、金属磁性粉に球状シリカ粉を混合することで、樹脂バインダの添加量を減らすことができるため、相対的に金属磁性粉の割合が低くなることが防止される。これにより、金属コイル部品１のインダクタンス値の低下を抑え、コイル特性の劣化を防止することができる。

ここで、球状シリカ粉を除電せずに、金属磁性粉と球状シリカ粉とを混合すると、静電気によって球状シリカ粉同士が凝集しやすくなるため、シリカ粉凝集体の数が必要以上に多くなったり、シリカ粉凝集体のサイズが必要以上に大きくなる。この場合には、金属磁性粉の表面が球状シリカ粉に均一に覆われないことがある。

本実施形態では、金属磁性粉と除電された球状シリカ粉とを混合するので、静電気による球状シリカ粉同士の凝集が抑制される。このため、シリカ粉単一体が存在せずにシリカ粉凝集体だけとなったり、シリカ粉凝集体が巨大化することが防止される。従って、上述したようにシリカ粉単一体及び最適サイズのシリカ粉凝集体が適度の割合で混在するようになるため、金属磁性粉の表面が球状シリカ粉にほぼ均一に覆われるようになる。これにより、絶縁性の高い圧粉コア２を確実に得ることができる。

その結果、スイッチング電源の高周波化に対応するために、圧粉コア２の渦電流損を減らして電源効率を高くしたり、大電流化に対応するために、直流重畳特性を良好にするこができる。また、金属コイル部品１を小型化した場合の端子間ショートを防ぐことが可能となる。

図４は、圧粉コア２の製造工程の変形例を示すフローチャートである。図中、図２に示すものと同様の工程には同じ符号を付している。

図４において、まず上記の工程Ｓ１１を実施した後、金属磁性粉と樹脂バインダを混合して、造粒体を形成する（工程Ｓ２１）。そして、得られた造粒体を乾燥させる（工程Ｓ２２）。

次いで、造粒体に滑材及び除電された球状シリカ粉を混合する（工程Ｓ２３）。これにより、金属磁性粉の表面が上記のシリカ粉単一体及びシリカ粉凝集体で覆われるようになる。その後、上記の工程Ｓ１６，１７を実施することで、コイル部３が埋設された圧粉コア２が完成する。

以上において、工程Ｓ２１は、金属磁性粉と樹脂とを混合する樹脂混合工程に相当する。工程Ｓ２３は、金属磁性粉と金属磁性粉よりも径が小さい球状シリカ粉とを混合するシリカ粉混合工程に相当する。

このような圧粉コア２の製造方法においても、結果的に金属磁性粉と除電された球状シリカ粉とが混合されることとなるため、コイル特性の劣化を防止しつつ、絶縁性の高い圧粉コア２を確実に得ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、金属磁性粉と除電された球状シリカ粉とを直接混合したり、金属磁性粉及び樹脂バインダからなる造粒体に除電された球状シリカ粉を混合するようにしたが、特にその方法には限られず、球状シリカ粉を除電しながら、金属磁性粉と球状シリカ粉とを直接混合したり、或いは球状シリカ粉を除電しながら、金属磁性粉及び樹脂バインダからなる造粒体に球状シリカ粉を混合しても良い。この場合には、例えばイオナイザー（除電器）により球状シリカ粉にイオン化空気を当てたり、除電溶液に球状シリカ粉を浸漬させることで、球状シリカ粉に存在する静電気を除去する。

また、上記実施形態に係わる圧粉コアの製造方法は、圧粉コア２内にコイル部３を埋設してなる金属コイル部品１に適用したものであるが、本発明は、例えば圧粉コアの巻芯部にコイル部を巻回してなる金属コイル部品等にも適用可能である。

２…圧粉コア、５…シリカ粉単一体（球状シリカ粉の単一体）、６…シリカ粉凝集体（球状シリカ粉の凝集体）、７…金属磁性粉。

Claims (4)

1. 金属磁性粉を含む材料からなる圧粉コアの製造方法であって、
   前記金属磁性粉と前記金属磁性粉よりも径が小さい球状シリカ粉とを混合するシリカ粉混合工程と、
   前記金属磁性粉と樹脂とを混合する樹脂混合工程と、
   前記金属磁性粉と前記球状シリカ粉と前記樹脂との混合物を圧縮成形する成形工程とを有し、
   前記シリカ粉混合工程においては、前記金属磁性粉と除電済または除電中の前記球状シリカ粉とを混合することにより、前記球状シリカ粉の単一体と前記球状シリカ粉同士が凝集してなる前記球状シリカ粉の凝集体とを混在させて、前記球状シリカ粉の単一体及び前記球状シリカ粉の凝集体により前記金属磁性粉の表面を覆った状態とすることを特徴とする圧粉コアの製造方法。
2. 前記球状シリカ粉として、疎水性を有するシリカ粉を用いることを特徴とする請求項１記載の圧粉コアの製造方法。
3. 前記金属磁性粉の外径が１〜１５μｍであり、
   前記シリカ粉の凝集体の大きさが５０〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載の圧粉コアの製造方法。
4. 前記球状シリカ粉の凝集体は、前記球状シリカ粉全体の２０〜５０重量％含んでいることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の圧粉コアの製造方法。

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