JP2011108718A

JP2011108718A - 磁性素子とその製造方法

Info

Publication number: JP2011108718A
Application number: JP2009259631A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kotani; 淳一小谷; Shinya Matsutani; 伸哉松谷
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】本発明は、磁性素子の耐電圧性の確保を図ることを目的とする。
【解決手段】そして、この目的を達成するために本発明は、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂とからなる複合磁性材料１と、前記複合磁性材料内に少なくともその一部が埋設され絶縁処理が施されたコイル２と、前記複合磁性材料内に少なくともその一部が埋設されると共に前記コイルに電気的に接続された第１、第２の端子３、４と、を備えた磁性素子であって、前記第１、第２の端子間電圧をＶ［Ｖ］、熱硬化性樹脂の絶縁耐圧をＥ［Ｖ／ｍｍ］、前記第１、第２の端子における絶縁皮膜非形成部間を結ぶ直線に含まれる前記熱硬化性樹脂の厚みをｄ［ｍｍ］とした場合、ｄ≧Ｖ／Ｅなる関係が示される磁性素子としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、インダクタ、チョークコイル、トランス等のコイル埋設型磁性素子とその製造方法に関するものである。

近年の電子機器の小型化、低背化に伴い、これらに使用される電子部品やデバイスにおいても、上記の要求が強くなっている。一方で、ＣＰＵなどのＬＳＩは高速・高集積化しており、これに供給される電源回路には、数Ａ〜数１０Ａの電流が供給されることがある。よって、これらに用いられる磁性素子においても、小型化とともに、直流重畳によるインダクタンス低下の抑制が要求されている。更に、使用周波数の高周波数化により、高周波数領域での損失が低いことも要求されている。

金属磁性粉末を圧縮成形して作製される圧粉磁芯は、直流重畳特性に優れており、大電流と小型化を実現できる。このような圧粉磁芯を利用したものとして、コイル埋設型磁性素子が知られている。

従来この種のコイル埋設型磁性素子は、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂とからなる複合磁性材料の中に、端子と空芯コイルとの少なくとも一部をそれぞれ埋設し加圧成形して製造されていた。

このようなコイル埋設型磁性素子は、コイルと複合磁性材料からなる圧粉磁芯を組立てて作製する組立型磁性素子と比較し、組立型磁性素子でコイル−コア間に生じる組立寸法許容差等のデッドスペースに複合磁性材料を充填することが出来るため、磁路長の短縮、および磁路断面積の拡張が図れ、素子の小型・薄型化に優位であった。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００２−３０５１０８号公報

このような従来の磁性素子は、その耐電圧性の確保が課題となっていた。

即ち、端子と複合磁性材料が接触しているため、コイルの両端子間に電圧を印加した際に複合磁性体の絶縁破壊が生じると、複合磁性体内の端子−端子間でショートを誘発する。従って、このような複合磁性体には、コイル埋設型磁性素子の用途に応じた耐電圧性の確保が課題となっていた。

そこで本発明は、磁性素子の耐電圧性の確保を図ることを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂とからなる複合磁性材料と、前記複合磁性材料内に少なくともその一部が埋設され絶縁処理が施されたコイルと、前記複合磁性材料内に少なくともその一部が埋設されると共に前記コイルに電気的に接続された第１、第２の端子と、を備えた磁性素子であって、前記第１、第２の端子間電圧をＶ［Ｖ］、熱硬化性樹脂の絶縁耐圧をＥ［Ｖ／ｍｍ］、前記第１、第２の端子における絶縁皮膜非形成部間を結ぶ直線に含まれる前記熱硬化性樹脂の厚みをｄ［ｍｍ］とした場合、ｄ≧Ｖ／Ｅなる関係が示される磁性素子としたものである。

このような構成とすることにより、磁性素子の耐電圧性を確保することができるのである。

本発明の実施の形態１における磁性素子を示す斜視図本発明の実施の形態１における磁性素子を示す上面図本発明の実施の形態１における磁性素子を示す側面図本発明の実施の形態１の磁性素子におけるコイルと第１、第２の端子とを示す斜視図本発明の実施の形態１の磁性素子におけるコイルと第１、第２の端子との他の実施例を示す斜視図本発明の実施の形態１の磁性素子におけるコイルと第１、第２の端子との他の実施例を示す斜視図

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における磁性素子に関して説明する。

本発明の実施の形態１における磁性素子は、図１乃至６に示すように、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂とからなる複合磁性材料１と、前記複合磁性材料１内に埋設され絶縁処理が施されたコイル２と、前記複合磁性材料１内に埋設され前記コイル２に接続された第１、第２の端子３、４と、を備えた磁性素子であって、前記第１、第２の端子間電圧をＶ［Ｖ］、熱硬化性樹脂の絶縁耐圧をＥ［Ｖ／ｍｍ］、前記第１、第２の端子における絶縁皮膜非形成部間を結ぶ直線に含まれる前記熱硬化性樹脂の厚みをｄ［ｍｍ］とした場合、ｄ≧Ｖ／Ｅなる関係が示される構成とした磁性素子である。

ここで、前記熱硬化性樹脂の絶縁破壊は、電界の強さによるものであり、前記熱硬化性樹脂の耐電圧が、電界の強さと比較して大きければ、絶縁破壊には至らない。電界は、第１、第２の端子間電圧をＶ［Ｖ］、第１、第２の端子における絶縁皮膜非形成部間を結ぶ直線に含まれる前記熱硬化性樹脂の厚みをｄ［ｍｍ］とした場合、Ｖ／ｄで表される。

このような構成により、磁性素子の耐電圧性を確保することができるのである。以下、実験結果を踏まえ、具体的に説明する。

平均粒子径が１３μｍで、［表１］に示す金属磁性粉末を用意し、この金属磁性粉末１００ｇに対して、［表１］に示すシリコーン樹脂を熱硬化性樹脂として混合した複合磁性材料を作製した。このようにして得られた複合磁性材料を使用して、室温下にて４．５ｔｏｎ／ｃｍ²の成形圧力にて加圧成形し、成形体を作製した。その後１５０℃で１時間、１８０℃で２時間の熱硬化処理を行い、耐電圧評価用の試験片を作製した。

上記［表１］に示す実験結果からもわかるように、上述したｄ≧Ｖ／Ｅなる関係を満たすサンプルＮｏ．３、４で耐電圧性が確保されたことがわかる。

また、このサンプルＮｏ．３、４は、電界集中係数の比β＝２とした場合、ｄ≧βＶ／Ｅなる関係が示され、より耐電圧性を確保する上で適していたことが実験結果から確認できた。

また、本実施の形態１における熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ブチラール樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。コイル埋設型磁性素子を作製する際、熱硬化性樹脂を添加した複合磁性材料を用いることにより、コイルと一体成形時に前記圧粉磁芯のクラックを防止し、良好な成形能を取得できる。また、一体成形後の前記素子を熱硬化処理することで製品強度が向上し、量産性に優れた磁性素子を提供することができる。熱硬化性樹脂は、金属磁性粉末との分散性を改善するために分散剤を微量添加してもよい。

本実施の形態１に用いられる金属磁性粉末は、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅのうち、少なくとも１種類以上を含んでいることが望ましい。Ｆｅ系金属磁性粉末は、飽和磁束密度が高いため、大電流での使用において有用である。

Ｆｅ−Ｎｉ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｎｉの含有量が４０重量％以上９０重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。本発明におけるＮｉの役割は、Ｎｉの含有量が、４０重量％より少ないと軟磁気特性の改善効果に乏しく、９０重量％より多いと飽和磁化の低下が大きく直流重畳特性が低下する。さらに透磁率を改善させるために１〜６重量％のＭｏを含有させることも可能である。

Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｓｉが８重量％以上１２重量％以下、Ａｌの含有量が４重量％以上６重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。各構成元素の含有量を前記組成範囲とすることで高い透磁率と低い保磁力が得られるためである。

Ｆｅ−Ｓｉ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｓｉの含有量が１重量％以上８重量％以下であり、残部がＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。Ｓｉを含有させることにより、磁気異方性、磁歪定数を小さくし、また電気抵抗を高め、渦電流損失を低減させる効果がある。１重量％以上とすることで、軟磁気特性の改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、飽和磁化の低下を抑制し直流重畳特性の低下を抑制することができる。

Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系金属磁性粉末を用いる場合は、その比率は、Ｓｉが１重量％以上８重量％以下、Ｃｒの含有量が２重量％以上８重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。

Ｓｉを含有させることにより、磁気異方性、磁歪定数を小さくし、また電気抵抗を高め、渦電流損失を低減させる効果がある。１重量％以上とすることで、軟磁気特性の改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、飽和磁化の低下を抑制し直流重畳特性の低下を抑制することができる。

また、Ｃｒを含有させることにより、耐候性を向上させる効果がある。２重量％以上とすることで、耐候性改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、軟磁気特性の劣化を抑制することができる。

Ｆｅ系金属磁性粉末を用いる場合は、主成分の元素であるＦｅと不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。Ｆｅの純度を高めることで、高い飽和磁束密度を取得することができる。

なお、上記の結晶性金属磁性粉末以外でも、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系アモルファス合金、ナノ微結晶合金、あるいはＦｅ−（Ａｌ、Ｇａ）−Ｐ−Ｃ−Ｂ系、Ｆｅ−（Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ）−Ｂ系、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｌｎ−Ｂ系金属ガラス等を用いても、上記構成と同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

これらＦｅ系金属磁性粉末は、少なくとも２種類以上を含む場合であっても、同様の効果を有する。

なお、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系のような塑性変形能が低い金属磁性粉末に対して、塑性変形能が高いＦｅ−Ｎｉ系金属磁性粉末を少量添加することにより、より充填率を高めることが可能となる。

また、本実施の形態１に用いられる金属磁性粉末の平均粒子径は１〜１００μｍであることが望ましい。平均粒子径を１．０μｍ以上とすることにより高い充填率を得ることができ、透磁率の低下を抑制することができる。また、平均粒子径を１００μｍ以下とすることにより、高周波領域において渦電流損失が大きくなるのを抑制することができる。より好ましくは５〜３０μｍの範囲である。

なお、図６に示すごとく、コイル２と第１、第２の端子３、４とを一体に形成する構成としても構わない。

次に、上述した磁性素子の製造方法に関して説明する。

まず、前記金属磁性粉末と未硬化状態の前記熱硬化性樹脂とを含む材料を混合、分散して混合体を得る。

次に、前記コイル２及び前記コイル２に電気的に接続された第１、第２の端子３、４の少なくとも一部を埋設するように前記混合体を加圧成形して成形体を得る。

そして、前記成形体を加熱することにより前記熱硬化性樹脂を硬化させる。この工程により磁性素子の強度向上を図ることができる。

なお、前記混合体を得る工程と、前記成形体を得る工程との間に、前記金属磁性粉末および未硬化状態の前記熱硬化性樹脂を含む混合体を、６５℃以上１５０℃以下に加熱する工程を行うことで、溶剤を蒸発させ、成形性の良い複合磁性材料を得ることができる。

また、前記混合体を得る工程と、前記成形体を得る工程との間に、前記金属磁性粉末および未硬化状態の前記熱硬化性樹脂を含む混合体を製粒する工程をさらに行うことで、前記複合磁性材料の流れ性および成形性を向上させることができる。

上記成形体を得る工程において、金属磁性粉末と熱硬化性樹脂とからなる複合磁性材料と、前記複合磁性材料内に埋設され絶縁処理が施されたコイルと、前記複合磁性材料内に埋設され前記コイルに接続された第１、第２の端子と、を備えた磁性素子であって、第１、第２の端子間電圧をＶ［Ｖ］、熱硬化性樹脂の絶縁耐圧をＥ［Ｖ／ｍｍ］、前記第１、第２の端子における絶縁皮膜非形成部間を結ぶ直線に含まれる前記熱硬化性樹脂の厚みをｄ［ｍｍ］とした場合、ｄ≧Ｖ／Ｅなる関係が示される磁性素子を得ることによって、この複合磁性材料を用いたコイル埋設型磁性素子は、大電流対応が可能で、高周波化および小型化を図れ、かつ、電気抵抗率を保ちながら高耐電圧化を図ることができる。

さらに、表１に示すように電界集中係数の比βを考慮した場合、樹脂添加量を３ｗｔ％以上とすることで、高耐電圧化を図ることができる。

また、本実施の形態１における無機絶縁材の配合量においては、金属磁性粉末の体積を１００体積％とした時に、無機絶縁材の配合量が１５％より多いと磁性素子の磁気特性が低下する為、無機絶縁材の配合量を１５体積％以下とすることが望ましい。

本実施の形態１における金属磁性粉末間に無機絶縁材を分散させて複合磁性材料を作製する装置においては、ボールミルが挙げられる。なお、このようなボールミル以外でも、例えばＶ型混合機およびクロスロータリー等においても同等の効果が期待出来る。

なお、本実施の形態１における加圧成形方法は特に限定されるものではないが、一軸成形機等を用いた通常の加圧成形方法が挙げられる。成形圧は、３ｔｏｎ／ｃｍ²〜６ｔｏｎ／ｃｍ²とすることが望ましい。

以上説明したように本発明によれば、高耐電圧を有するコイル埋設型磁性素子を提供することができる。

本発明の磁性素子によれば、大電流対応が可能で、高周波化および小型化を図れ、かつ、端子間の耐電圧の向上も図れるので、各種電子機器に有用である。

１複合磁性材料
２コイル
３第１の端子
４第２の端子

Claims

金属磁性粉末と熱硬化性樹脂とからなる複合磁性材料と、前記複合磁性材料内に少なくともその一部が埋設され絶縁処理が施されたコイルと、前記複合磁性材料内に少なくともその一部が埋設されると共に前記コイルに電気的に接続された第１、第２の端子と、を備えた磁性素子であって、前記第１、第２の端子間電圧をＶ［Ｖ］、熱硬化性樹脂の絶縁耐圧をＥ［Ｖ／ｍｍ］、前記第１、第２の端子における絶縁皮膜非形成部間を結ぶ直線に含まれる前記熱硬化性樹脂の厚みをｄ［ｍｍ］とした場合、ｄ≧Ｖ／Ｅなる関係が示される磁性素子。
前記コイルと前記第１、第２の端子とが一体に形成された請求項１に記載の磁性素子。
前記熱硬化性樹脂の絶縁耐圧を１０００［Ｖ／ｍｍ］以上１０００００［Ｖ／ｍｍ］以下とした請求項１に記載の磁性素子。
前記金属磁性粉末の形状による電界集中係数の比をβとした場合、ｄ≧βＶ／Ｅなる関係が示される請求項１に記載の磁性素子。
金属粉末の形状による電界集中係数の比βを２以下とした請求項４に記載の磁性素子。
前記金属磁性粉末は、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅ、アモルファス合金、ナノ微結晶合金、金属ガラスのうち、少なくとも１種類以上を含む請求項１に記載の磁性素子。
前記金属磁性粉末の平均粒径を１〜３０μｍとした請求項１に記載の磁性素子。
金属磁性粉末と未硬化状態の熱硬化性樹脂とを含む材料を混合して混合体を得る工程と、コイル及び前記コイルに電気的に接続された第１、第２の端子の少なくとも一部を埋設するように前記混合体を加圧成形して成形体を得る工程と、前記成形体を加熱することにより前記熱硬化性樹脂を硬化させる工程とを含む磁性素子の製造方法であって、前記成形体を得る工程において、前記第１、第２の端子間電圧をＶ［Ｖ］、前記熱硬化性樹脂の絶縁耐圧をＥ［Ｖ／ｍｍ］、前記第１、第２の端子における絶縁皮膜非形成部間を結ぶ直線に含まれる前記熱硬化性樹脂の厚みをｄ［ｍｍ］とした場合、ｄ≧Ｖ／Ｅの関係になるよう形成する磁性素子の製造方法。
前記混合体を得る工程と、前記成形体を得る工程との間に、前記金属磁性粉末および未硬化状態の前記熱硬化性樹脂を含む混合体を、６５℃以上１５０℃以下に加熱する工程をさらに含む請求項８に記載の磁性素子の製造方法。
前記混合体を得る工程と、前記成形体を得る工程との間に、前記金属磁性粉末および未硬化状態の前記熱硬化性樹脂を含む混合体を製粒する工程をさらに含む請求項８または９に記載の磁性素子の製造方法。
前記熱硬化性樹脂の主剤が常温で液体である請求項８〜１０のいずれかに記載の磁性素子の製造方法。