JP2013165209A

JP2013165209A - インダクタ及びその製造方法

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Publication number: JP2013165209A
Application number: JP2012028213A
Authority: JP
Inventors: Etsuo Otsuki; 悦夫大槻
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-08-22

Abstract

【課題】断面が矩形の導電体を巻き回して得られる空芯コイルを、磁性体コアの内部に埋設した構造のインダクタの特性を向上する。
【解決手段】
空芯コイルを構成する導電体断面の外周側が薄くならないように、導電体を加熱しながら巻き回すか、導電体の断面における、空芯コイルとした際に外周側となる辺が大きくなるように、予め台形断面に圧延した導電体を加熱しながら巻き回し、矩形断面の空芯コイルを作製し、予め空芯コイルが嵌合する溝を備えた形状に、磁性粉末を金型成形した一対の磁性体コアで当該空芯コイルを挟み、インダクタを得る。磁性体粉末の成形性を向上するために、磁性体粉末は予め造粒し、金型の溝を形成する部分のコーナーにＲ加工を施し、金型の磁性体粉末が接する部分の面粗度を調整する。
【選択図】図４

Description

本発明は、軟磁性体材料からなる磁性体コアと、導電体を巻き回して得られるコイルの組み合わせで構成され、電源回路などの電子回路に適用される、インダクタ及びその製造方法に関する。

電子機器の小型化に伴い、これらに適用される回路や電子部品にも、小型化、薄型化の要請が強くなってきている。一方、ＣＰＵなどのＬＳＩが高速化・高集積化し、それに電力を供給する電源回路には高電力が要求され、しかも駆動電圧の低減化のため高電流化の一途をたどっている。

さらに、携帯機器では、高機能化に必然的に伴う消費電力拡大によって起こる電池寿命の短縮を少しでも食い止め、長寿命化を果たすべく回路の効率改善の要求が益々強くなっている。特に電源回路に搭載されるパワーインダクタにも小型化とともに、技術的には小型化で得られる性能とは逆方向の高インダクタンス化、低損失化、そして高電流対応性が強く望まれている。

従来、この種のパワーインダクタの磁性体コアとして、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトが用いられてきた。それは、電磁鋼板を代表とする金属系磁性体材料と比較して、その製造に粉末冶金工程を適用することに起因して、小型複雑形状のコアを容易に製造できる形状任意性に加え、高周波特性が優れるなどの利点があったからである。また軟磁性体フェライトの中でも用途範囲を二分するＭｎ−Ｚｎフェライトに比べ電気抵抗が高いため、電線を直巻きしてもショート不良の危険性がない点も、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトが賞用されてきた理由である。

しかし、最近電源回路の高電流化が急速に進展してくると、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトを磁性体コアとして用いたインダクタでは能力不足であることが露呈してきた。すなわち、図１に示したインダクタの駆動電流とインダクタンスの関係で見ると、曲線（ａ）のようにインダクタンスは電流が増加し、ある限界値を過ぎると急激に低下する。その結果、インダクタの本来機能である電流平滑化、高周波ノイズ成分の除去のために必要な一定のインダクタンスが確保できなくなり、必要とする直流電流の確保が困難となり、また効率も低下する。さらに、何らかの原因で瞬間的な高電流が付加されたとき、インダクタはその突入電流を阻止して、回路部品、特に半導体素子の保護の役目を持っているが、図１（ａ）のインダクタンス低下部分では、その機能が働かなくなり、回路素子の破損を引き起こす。

インダクタのインダクタンスがある電流以上で急激に低下する原因は、磁性体コアの磁気飽和に起因する。すなわち、図２に示した印加磁界と磁性体コアの磁化の関係で、曲線のように、磁化はある印加磁界を越えると、磁界によらずほぼ一定の値となる。すなわち磁気飽和する。インダクタのインダクタンスはこの曲線の勾配にほぼ比例するので、印加磁界すなわち印加電流が磁気飽和点を越えて増加すると、インダクタンスは急激に落ちる。この磁気飽和は材料物性である飽和磁化Ｂｓとインダクタ構造に依存する。

磁性体コア材料を特定した場合、磁気飽和点の電流量を極力増加させるためには、磁性体の体積を増加させればよい。しかし、それは部品の小型化ニーズに反する。さらに、回路の大電流化に対応して、しかも大電流化しても、発熱を抑えるためには電線を太くしなければならず、一定の外径を維持するためには、むしろ磁性体コア体積を減らさなければならない。そこで磁性体コアの磁気回路の一部にギャップを設けるのが一般的手法である。

すなわち、ギャップを設けると図１の曲線（ｂ）のように磁気飽和する電流は増加する。しかし、一方で本来性能であるインダクタンスは低下してしまうというマイナス効果も出てしまう。従って、電源回路設計に基づき、それに適合した磁気飽和電流量とインダクタンスの組み合わせを模索することなる。そして、回路設計に応えるため、例えば図１の曲線（ａ）および（ｂ）に示した曲線の変曲点、すなわち磁気飽和電流を数％程度でも増加すべく、ぎりぎりの努力をしているのが実情であるが、最近の電子機器の進展は、その程度の改善には満足されない局面に至っている。

この打開策として、飽和磁化の低いＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトを、磁性体コアに用いていることに根本問題があるとの観点により、飽和磁化のより高い金属磁性体を用いる動向も出てきた。この場合、金属は電気抵抗が低いという致命的欠陥をもつので、金属を粉末として、結合材としても機能する絶縁性高分子材料との複合物にすることにより、電気絶縁体にしてショート不良および高周波特性を確保する。

このインダクタの製造方法として、特許文献１には、予め作製した空芯コイルを、金型の中に置いて、磁性体金属粉表面を高分子材料で被覆した複合粉末を、空芯コイルを包み込むように金型内に供給し、一定の圧力で成形して、加熱により成形体に結合材として含まれる、前記の高分子材料を反応硬化させて、インダクタを得る方法が開示されている。いわゆるメタルコポジットインダクタと称される部品である。

この方法で得られるインダクタは、コイルと磁性体が直接接触するので無駄な空間がないためインダクタ体積を有効に使えるが、一方で磁性体金属粉を絶縁するため大量の高分子材料を混合しなければならず、透磁率、すなわちインダクタンスの劣化は著しい。したがってこの種のインダクタは、低インダクタンスでも大電流を確保したいという極めて限られた用途にしか使えない。

また、メタルコンポジットインクタの他の製造方法として、予め空芯コイルが嵌合する溝を有するコアにダストコアを用いる方法もある。しかし、一般にダストコアに用いる磁性体金属粉と結合材からなる混合粉では成形性が低く、溝を有する小型成形体を作ることは困難である。この問題に対処する方法の一例として、特許文献２には、まず矩形状ペレットを金型成形で作製し、その底面に機械加工により、空芯コイルが嵌合する溝を形成する技術が開示されている。

また、このようなインダクタにおいては、回路に搭載する都合上、端子はインダクタの対向する両側面から外部に引き出して、搭載する側の面の方向に折り曲げ、ハンダ付け部分を形成した構造とするのが一般的である。図３は、これに用いる空芯コイルの一例を示す斜視図で、１は巻線部、２ａおよび２ｂは端子形成部である。図３に示したように、端子の取り回しの都合上、空芯コイルの巻き数は、整数とならず、コイル円周の半分の部分でコイル厚さが、導電体の一層分少ない部分が生じる。

これによって生じる問題として、磁性体コアにおける、空芯コイルが嵌合する溝が一定の深さでは、空芯コイルの巻き数の少ない部分において、磁性体コアとの間に空隙が生じる。

一方、空芯コイルに用いる導電体として、断面が円形のもの、すなわち丸線を用いた場合、巻き回し方向に垂直な断面に一定以上の空隙が形成されるのが不可避であるため、導電体の占積率増加を目的に、断面が矩形の、いわゆる平角導体が用いられるが、空芯コイルの製造方法に起因する課題として、空芯コイルとした状態における、導電体の巻き回し方向に垂直な断面が、台形となってしまい、巻き回しの層間に空隙が形成されることがある。これは、巻き回しの際に外周側が、より長く延伸されるためである。

図６は、このような空芯コイルを用いて、特許文献２に開示されている製造方法で作製したインダクタの断面を、模式的に示した図で、７は空芯コイル、８ａおよび８ｂは磁性体コアである。図６に示したように、従来の製法では、導電体と磁性体コアとの間、導電体相互の間に空隙が形成され、特性低下に繋がるという課題がある。

特開２００６−２９４７７５号公報特許第４８４５８００号公報

電源回路の小型・低背化、大電流化を達成するため、外径は維持しながらインダクタンスと電流容量を高い次元でバランスできる高性能インダクタンスを実現することが必要である。さらに、電源回路の高効率化も必達事項である観点から、インダクタの低損失化も必須である。この場合、メタルコンポジット型インダクタでは、前述のとおり金属磁性体粉末に多量の非磁有機樹脂成分を混入させたことによるインダクタンスの極端な低下に加えて、成形後熱処理ができないため損失が著しく大きくなるなど、磁性体の基本性能を著しく劣化させるという致命的欠陥をもつため改善の余地が極めて限られている。

したがって、磁性体の本来性能をもった性能の磁性体コアで、空芯コイルを挟むタイプのインダクタでありながら、インダクタンスと電流容量を改善することが課題となる。

本発明は、前記の課題に鑑み、断面が矩形の導電体を巻き回して得られる空芯コイルを、磁性体コアの内部に埋設した構造のインダクタにおいて、導電体と磁性体コアとの間、導電体相互の間の空隙を減少することにより、特性を向上する製造方法を検討した結果なされたものである。

すなわち、本発明は、断面が略矩形の導電体を巻き回した空芯コイルを、コイルの巻き回し方向に垂直な方向から一対の磁性体コアで挟んだ構造のインダクタにおいて、磁性体コアに空芯コイルが嵌合する溝が設けられ、空芯コイルの導電体における内周側と外周側の寸法の差が平均寸法の１０％以内であることを特徴とする。

前記の磁性体コアは、磁性体粉末と結合材を含む混和物を、一段成形金型を用いて成形するが、前記混和物は生成性が低く、成形体の凹凸のコーナーやエッジの部分について所要の形状を得ることが困難であるため、本発明においては、金型における、前記磁性体コアの前記溝のコーナーを形成する部分には、０．１ｍｍ以上のＲ加工を施し、粉末成形面には、仕上げ粗度がＲａ＜０．０５μｍの研磨加工を施す。これによって、磁性体コアの空芯コイルが嵌合する溝の成形性を向上したり、成形体の金型からの抜き出しを円滑にしたりすることができ、しかも従来の二段プレスではなく、一段成形による成形が可能となる。

また、空芯コイルにおける導電体相互の間の空隙を減少するには、巻き回した後の導電体の断面を、台形ではなく、極力矩形に近づける必要があるが、本発明においては、巻き回しに際して導電体を１３０℃以上に加熱するか、巻き回す際の外周側の寸法が、内周側の寸法よりも大きい台形の断面を有する導電体を用いることにより、この課題に対処する。

前記のように、この種のインダクタにおいては、１層分少ない部分が発生し、コイル層数が少ない部分では、磁性体コアとの間に透磁率が１の空隙が発生し、磁束の流れの抵抗となる可能性がある。その部分を埋めるべく、磁性体コアに形成する空芯コイルが嵌合する溝の深さを、空芯コイルの厚さに合わせて変化させることを発想したのが第一の発明である。

本発明の効果は、空芯コイルの巻き数によって変わるが、例えば外寸６．５ｍｍ×６．５ｍｍ×１．８ｍｍで、巻き数が３．５ターンの空芯コイルと、透磁率が５００のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトコアからなるインダクタの場合、インダクタンスは約１０％改善されることが確認された。巻き数が少なく、外寸が小さいほど、本発明の効果は大きくなることは、磁気回路の原理にたてば容易に推定される。従って、フェライトコアを用いた本考案インダクタは従来インダクタに比して高い性能を提供できることが期待される。

さらに性能向上を期待した場合、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトコアでは、その低飽和磁化ゆえ不可能となり、より飽和磁化の高い例えばＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金粉末を非磁性体物質で結合したいわゆるダストコアの適用が望ましい。しかし、一般にダストコアに用いる磁性体金属粉と結合材からなる混和物では成形性が悪く、溝を有する小型成形体を作ることは困難である。そこで、特許文献２に開示された方法により、金型成形した磁性体に切削加工を施して、溝を備えた磁性体コアを作製し、インダクタに仕上げた。

その断面は、やはり図６に示したように、空芯コイルが２層の部分でコイル上下面に大きな空隙があることが見られる。これでもＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトコアの場合より若干インダクタンスが高くなる。しかし、空芯コイルの２層部分での空隙を小さくする切削加工法は、量産性を前提とした場合実現不可能である。

そこで、ダストコアを金型成形法で作製する工法を検討した。この場合、従来製法の粉末を用いると、充填密度の不均一によるコアの変形、密度ばらつきにより所定の寸法精度、特性が達せられず、さらに成形体が成形パンチに付着して連続成形ができないという問題が確認された。また、溝のついた成形体は従来技術では、下二段のプレスで成形するのが通例であるが、本工法をダストコアの成形に適用した場合、１ＧＰａ以上の高圧力を負荷するため、下パンチの破損が頻繁に起こり、また金型の組み立てに長時間を要すること、部品点数が増えることで金型価格がなるなど、生産性に問題があった。

そこで生産性に問題のない下一段成形で均質で寸法精度の高い成形体を得るための工法を実現するため種々検討した。その結果、従来の一次粒子からなる粉末に代えて造粒粉にすることにより均一成形が可能となり、さらに、パンチ底面の溝のコーナー部に、少なくとも０．１ｍｍ以上のＲ加工を施すこと、およびパンチの仕上げを、少なくともＲａ＜０．０５μｍ以上の平滑面にすることにより、下一段成形金型で工業的に安定に成形することが可能となった。

一方、空芯コイルの構造、寸法精度の観点から、磁性体コアと空芯コイル間の空隙を減少させる手段として、空芯コイルの製造方法の考案も必要であった。従来、矩形断面の銅線を所定サイズの金属棒に巻きつけて空芯コイルを作製している。その方法によると図６に示したように、コイル断面はコイル内周部と外周部で厚みに相違が発生し、コイル層間に隙間を引き起こす。これは巻き線加工時コイル内外周間での塑性変形量の差に起因すると考えられる。

そこで塑性力学的知見を用いて種々検討を加えた結果、線材および絶縁被膜の塑性変形能を大きくすることで、この問題を解決し得ることを見出した。すなわち、具体的には巻き線加工に際して、線材を加熱することで、銅の降伏強度低減および加工硬化抑制がなされ、さらに絶縁被膜も柔軟になり、銅の変形に追随することで、線材断面が外周側の辺が短い台形になることが抑制される。さらに、加熱巻き線によりコイル寸法ばらつきも低減されることを見出した。

以上の、磁性体コア構造および加工法、空芯コイル製法の適用により、外寸が６．５０ｍｍ×６．５０ｍｍ×１．８ｍｍの磁性体コアで、断面が１．２０ｍｍ×０．４０ｍｍの導電体の０．４ｍｍの辺を外周および内周として巻き回した、巻き数が２．５ターンの空芯コイルを挟んだインダクタのインダクタンスが、従来製法によるものでは、０．３５μＨであったのが、０．４０μＨに向上することが確認された。また、断面が１．２０ｍｍ×０．４０ｍｍの導電体を予備圧延して断面の一辺の長さを０．３７ｍｍとして他辺の長さを０．４７ｍｍとなる台形にし、０．３７ｍｍ辺を内周になるよう巻きまわした。２．５ターンの空芯コイルの外寸に合わせて溝寸法を調整したコアで該コイルを挟んだインダクタのインダクタンスは０．４９μＨとなることが確認された。さらに、従来のパンチでは成形体がパンチに付着して通常のノックアウト方法では製品回収できなかったのに対し、本発明によるパンチでは成形体の付着がなくなり、さらにコア成形速度は、従来の下二段成形金型による５ショット／分から、下一段成形金型により、１０ショット／分と向上した。

また、従来の下二段金型では下パンチ部品が、３ロット平均で約７，０００ショットで破損したが（１ロット；３，０１５ショット、２ロット；８，２２０ショット、３ロット；９，８７４ショット）、下一段金型では２００，０００ショットでも破損しないという結果が得られた。さらに、下一段金型と下二段金型の、プレスへの組み付け作業性に大差があること、あるいは下二段プレス金型および適用プレス機が高価であることは当業者のよく知ることである。

インダクタの駆動電流とインダクタンスの関係を示す図印加磁界と磁性体コアの磁化の関係を示す図。インダクタに用いる空芯コイルの一例を示す斜視図。本発明によるインダクタの断面を示す図。本発明によるインダクタの他の例の断面を示す図。従来製法によるインダクタの断面を示す図。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

フェライトコアの外寸が６．５０ｍｍ×６．５０ｍｍ×１．８ｍｍ、溝外径５．６０ｍｍ、溝内径４．９０ｍｍ、溝深さ０．７３〜０．５０ｍｍ、空芯コイルの内周側の空間に嵌合する部分の長さ、つまり中足長１．７ｍｍになるように焼結収縮を考慮して成形パンチとそれに適合する金型を製作した。なお、ここでは、端子の引き出し寸法については特に言及しない。

透磁率５００のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト造粒粉を用い、成形圧力１００ＭＰａで該金型により成形した。成形体をバッチ型焼結炉により、１０６０℃×２時間、大気焼成した。なお、寸法精度を確保するため、原料粉末の粒度調整、造粒粉粒度、成形圧力、焼結条件（昇温速度、焼結温度および時間）を厳密に管理することは勿論のこと、最終的には現物寸法を尺度に粉末ロットごとに焼結温度、時間を適切に調整することが望ましい。

断面寸法１．２０ｍｍ×０．４０ｍｍのポリアミドイミド被覆絶縁銅線を、１６０℃に加熱しながら、自作の巻き線機により、０．４０ｍｍの辺が内周および外周となるように巻回し、内径２．７５ｍｍ、巻き数２．５ターンの空芯コイルを作製した。該空芯コイルを、前記の方法で作製した１対のフェライトコアで、巻回し方向とは垂直な方向から挟み、フェライトコアの接合面をエポキシ系接着剤で固定し、この種の製品に適用されている通常の端子処理を施して、インダクタを作製した。該インダクタのインダクタンスは０．４２μＨと、従来のコア溝深さ一定のコアを用いたインダクタの０．３８μＨより約１０％向上した。

ダストコアの外寸が６．５０ｍｍ×６．５０ｍｍ×１．８ｍｍ、溝外径５．６０ｍｍ、溝内径４．９０ｍｍ、溝深さ０．７３ｍｍ〜０．５０ｍｍになるよう熱処理による寸法変化を考慮して下一段成形パンチと、それに適合する金型を製作した。ここでも、端子の引き出し寸法には言及しない。また、中足間にギャップが生じない形状である。なお、パンチの底面および溝部の仕上げをＲａ＜０．０５μｍにし、溝の角部にはＲ＝０．１ｍｍの面取りを設けた。

Ｆｅ−９．５％Ｓｉ−５．５％Ａｌ合金粉末とシリコーン樹脂およびステアリン酸亜鉛を所定組成に配合した混合粉にメチルエチルケトンを加えて、シリコーン樹脂およびステアリン酸亜鉛を溶解し、全体の外観が均一になるまで撹拌した後、乾燥造粒した。該造粒粉を該金型で成形し、７３０℃×２時間熱処理することにより、ダストコアを得た。

断面寸法１．２０ｍｍ×０．４０ｍｍのポリアミドイミド被覆絶縁銅線を１６０℃に加熱しながら、自作の巻き線機により、０．４０ｍｍの辺が内周および外周となるように巻回し、内径２．７５ｍｍ、巻き数２．５ターンの空芯コイルを作製した。該空芯コイルを、前記の方法で作製した１対のダストコアで、巻回し方向とは垂直な方向から挟み、ダストコアの接合面をエポキシ系接着剤で固定し、この種の製品に適用されている通常の端子処理を施して、インダクタを作製した。該インダクタのインダクタンスは０．４３μＨと、従来のコア溝深さ一定のダストコアを用いたインダクタの０．３５μＨより約２０％向上した。

また、断面寸法１．２０ｍｍ×０．４０ｍｍのポリアミドイミド被覆絶縁銅線を、一方の対向する辺が１．２０ｍｍで、他方の対向する辺が０．４９ｍｍおよび０．３９ｍｍの台形断面になるように、予め圧延処理し、１６０℃に加熱しながら、０．３９ｍｍの辺が内周側になるように巻き回し、内径２．７５ｍｍ、巻き数２．５ターンの空芯コイルを作製した。空芯コイル作製後の導電体の厚さは内外周で、ほぼ均一の０．４１ｍｍになった。空芯コイル厚さが均一になったことを考慮してコアの溝深さを調整した成形パンチを再作製して、それによるダストコアを製作し、該空芯コイルと組み合わせてインダクタになした。

図４は、このようにして作製した、本発明によるインダクタの断面を示した図で、３は空芯コイル、４ａおよび４ｂは磁性体コアである。図４に示したように、本発明によるインダクタにおいては、磁性体コア４ａ、４ｂと空芯コイル３との間の空隙を極めて小さくすることが可能で、図４におけるＴ_１及びＴ_２、つまり空芯コイル３を構成する導電体の内周側の厚さと外周側の厚さを、下記の関係とすることが可能となるので、空芯コイル３の層間の空隙も極めて小さくなる。
｜Ｔ_１−Ｔ_２｜＜｛（Ｔ_１＋Ｔ_２）／２｝×０．４０
そのインダクタンスは０．４９μＨと、従来品の０．３５μＨより４０％向上した。

以下、本発明の実施例を詳述する。

＜実施例１＞
先ず本発明による空芯コイルの製造方法の具体例を示す。断面寸法が１．２０ｍｍ×０．４１ｍｍのポリアミドイミド被覆絶縁銅線を、一方の端から所定距離のところで固定し、線材端末をペンチ様挟み込み機能を持った治具でつかんで、線材を鋼棒の外周に巻き回して、空芯コイルを作る巻線機を用いて、内径２．７ｍｍの巻き数２．５ターンの空芯コイルを作製した。巻線時線材の加熱温度を作製条件因子とした。空芯コイルを樹脂に埋め込み、コイル面に垂直な方向に切断し、コイル内外周における電線断面の厚さを測定した。その結果を表１に示す。

表１に示したように、空芯コイルを構成する導電体の内周部断面厚さが外周部より大きいことが分かる。その差は、常温から１００℃加熱の範囲で変わらないが、１００℃を越え、高くなるに従い小さくなるが、２００℃近くで飽和する。また、電線被膜の性状を見ると、２００℃を越えたあたりから変色が始まる。表１には示さなかったが、巻線工程時間が何らかの都合で長くなると、この変色度合いは顕著になる。

表面抵抗をテスタで計ると、２５０℃以上で絶縁とショートの両モードが観測され、高温になるほどショートの頻度が増加した。以上のことから、空芯コイル作製時電線加熱による電線断面形状の変形抑制には、加熱温度が１３０℃以上で有効であると判断された。この変形は加熱温度が高い方が小さくなる傾向にあるが、絶縁被覆の熱劣化の抑制および生産性の観点から２５０℃以下が望ましい。

次に本発明によるフェライトの磁性コアの製造法の具体例を示す。外寸がコーナー部に０．５Ｒを設けた、７．６５ｍｍ×７．６５ｍｍで、溝外径が６．５９ｍｍ、溝内径が５．７６ｍｍで、溝深さはコイル厚さの変化に応じて、１周の間で０．８６ｍｍから０．６０ｍｍで、中足長は外足より０．１２ｍｍ短い上パンチを複数個作成し、それと外寸がコーナー部に０．５Ｒを設けた、７．６５ｍｍ×７．６５ｍｍの下パンチおよびそれらに適合したダイからなる下二段成形金型を作成した。ここでは、端子引き出し寸法については言及しない。

上パンチは、仕上げ程度、溝の角の面取り程度を変え、成形に供した。また、参考のため各部の寸法が、外寸がコーナー部に０．５Ｒを設けた７．６５ｍｍ×７．６５ｍｍ、溝外径が６．５９ｍｍ、溝内径が５．７６ｍｍ、溝深さが０．８６ｍｍ、中足長は外足より０．１２ｍｍ短い下二段成形用下パンチと、外寸がコーナー部に０．５Ｒを設けた７．６５ｍｍ×７．６５ｍｍの上パンチとダイから構成される下二段成形金型を用意した。

以上の金型セットを用い、透磁率５００のＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト造粒粉を、圧力１００ＭＰａで成形した。成形体をバッチ炉に装填し、昇温速度３００℃／時、３５０℃×１時間保持、１０６０℃×２時間保持、冷却速度３００℃／時の条件で大気焼成した。

また、断面寸法１．２０ｍｍ×０．４０ｍｍのポリアミドイミド被覆絶縁銅線を用いて、自作の巻き線機により、線材を１６０℃に加熱しながら一定荷重、巻き回し速度１５秒／周で、内径２．７５ｍｍ、巻き数２．５ターンの空芯コイルを作製した。該空芯コイルを該フェライトコアで挟み、フェライトコアの接合部をエポキシ接着剤で固定し、この種の製品に適用されている通常の端子処理をしてインダクタを作製した。表２に各種条件で得られたインダクタのインダクタンスをまとめた。

表２に示した通り、本発明による成形パンチの溝深さをコイル厚さの分布に合わせることにより、インダクタンスが約１０％向上することが分かる。

＜実施例２＞
次に磁性合金の粉末の磁性体コアに本発明を適用した場合の、磁性粉末に造粒が成形性に及ぼす効果について説明する。Ｆｅ−１０重量％Ｓｉ−５重量％Ａｌ合金を真空溶解法で作製し、機械粉砕法により平均粒径５５μｍの磁性体粉末を作製した。該粉末に信越化学(株)製シリコーンワニスＫＲ−３１１を１．５重量％、市販のステアリン酸亜鉛を０．５重量％添加し、さらに５重量％見当になるようメチルエチルケトンを加え、各成分が均一に混じり合うよう撹拌混合した後、乾燥して混和物を得た。本混和物は磁性体金属粉にワニスなどの添加物が付着した一次粒子状になった。これを参考粉とする。

一方、同一の磁性体金属粉に添加するシリコーンワニスＫＲ３１１を、信越化学(株)製ＥＳ１００１Ｎで代替し、他の添加物および混合法は同様にした。乾燥時６０メッシュ篩を通すことにより、本樹脂の接着性を活用した造粒を行い、発明粉とした。

これらの粉末を用いて、外寸６．５０ｍｍ×６．５０ｍｍ×１．８ｍｍ、溝外径５．６０ｍｍ、溝内径４．９０ｍｍ、溝深さ０．６０ｍｍの寸法を持った下二段成形パンチと、溝なし上パンチからなる成形金型を適用して、加圧力１．５ＧＰａで成形試験を行った。成形後、成形体が下パンチに付着して通常の製品取り出しができない場合があったので、成形体を１個ごと手で回収し、成形体の性状を拡大鏡で観察した。

その結果を、従来製法による参考粉の場合、成形体に割れが頻発し、また表面状態を見ても明らかに場所による密度のムラが見られたのに対し、本発明による造粒粉の場合、割れや密度ムラがなかった。これは成形時、造粒粉の流動性向上に起因するものと推定される。

＜実施例３＞
次に、本発明に使用する金型における、コーナー部へのＲ加工、および表面仕上げに効果について説明する。Ｆｅ−１０重量％Ｓｉ−５重量％Ａｌ合金を真空溶解法で作製し、機械粉砕法により平均粒径５５μｍの磁性体粉末を作製した。該粉末に信越化学(株)製シリコーンワニスＫＲ３１１を１．０重量％、市販のステアリン酸亜鉛を１．５重量％、積水化学工業(株)製ポリビニルアセタールＢＬ−２Ｈを０．５重量％それぞれ添加し、さらに５重量％見当になるようメチルエチルケトンを加え、各成分が均一に混じり合うよう撹拌混合した。乾燥時篩造粒して混合造粒粉を得た。

外寸６．５０ｍｍ×６．５０ｍｍ×１．８ｍｍ、溝外径５．６０ｍｍ、溝内径４．９０ｍｍ、溝深さ０．６０ｍｍの寸法を持った成形上パンチを作り、その表面仕上げ、および溝のコーナー部のＲ面取りを変えて、ダイおよび下パンチと組み合わせて、加圧力１．５ＧＰａで、該混合造粒粉の成形試験を行い、パンチへの成形体の付着状況を検討した。その結果を表３に示す。

表３に示した通り、上パンチ面の表面仕上げが粗いと成形体が上パンチに付着し、その除去のための人手を要して成形タクトタイムが長くなり、正常な量産は困難である。パンチ面の仕上げ粗度を細かくすると付着程度が減少する。さらに、パンチ溝の角部に一定サイズ以上のＲ面取りを施すことにより付着は解消し、成形タクトタイムが上がり実用的な成形工程になり得ることが分かる。

＜実施例４＞
次に、磁性体コアにおける空芯コイルが嵌合する溝の深さを、空芯コイルの厚さの変化に適合させた磁性体コアと、導電体の線材を加熱した状態で巻き回した空芯コイルを用いることにより、インダクタの特性が向上する例について説明する。外寸６．５０ｍｍ×６．５０ｍｍ×１．８ｍｍ、溝外径５．６０ｍｍ、溝内径４．９０ｍｍ、溝深さ０．７３ｍｍの寸法を持った成形上パンチと、同様寸法で溝深さだけコイルの厚さ分布に合わせて０．５０〜０．７３ｍｍに彫りこんだ成形上パンチを作製した。この場合、表面仕上げはＲａ＝０．０５ａ、溝のコーナー部のＲ面取りは０．２とした。これらのパンチとダイ、下パンチをそれぞれ組み合わせ、実施例３に示した造粒粉を、成形圧力１．５ＧＰａで成形した。成形体を７３０℃×２時間熱処理した。

断面寸法１．２０ｍｍ×０．４０ｍｍのポリアミドイミド被覆絶縁銅線を、自作の巻き線機により、１６０℃に加熱しながら巻き回し、内径２．７５ｍｍ、巻き数２．５ターンの空芯コイルを作製した。このコイルと該ダストコアを組み合わせ、インダクタンスを測定した。参考例として、実施例３で作製したダストコアに本実施例のコイルを組み込んだ試作品を作り、インダクタンスを測定した。その結果を表４に示した。

表４に示した通り、溝深さ一定のコアを用いた参考例に対し、溝深さに分布を付与し、磁性体コアと空芯コイルとの間の空隙を減らしたインダクタのインダクタンスは、約１４
％向上することが分かる。

＜実施例５＞
次に、導電体を予め断面が台形となるように圧延処理したのち、加熱した状態で巻線を行う効果について説明する。断面寸法１．２０ｍｍ×０．４２ｍｍのポリアミドイミド被覆絶縁銅線を、一方の対向する辺が１．２０ｍｍ、他方の対向する辺が０．４７ｍｍおよび０．３７ｍｍの台形断面になるよう予め圧延処理し、０．３７ｍｍの辺が内周側になるように、１８０℃に加熱しながら巻き回し、内径２．７５ｍｍ、巻き数２．５ターンの空芯コイルを作製した。

空芯コイル作製後の線材の厚さは内外周でほぼ均一の０．３９〜０．４１ｍｍになった。コイル厚さが均一になったことを考慮してコアの溝深さを調整した成形パンチを再作製して、それによるダストコアを製作し、該空芯コイルと組み合わせてインダクタになした。そのインダクタンスは０．４９μＨと実施例４の参考例で得られた０．３５μＨより４０％向上した。

＜実施例６＞
次に、導電体を予め圧延処理して得た台形断面の寸法の効果について説明する。断面寸法１．２０ｍｍ×０．４０ｍｍのポリアミドイミド被覆絶縁銅線を、一方の対向する辺と他方の対向する辺の比率が０．４７ｍｍおよび０．３７ｍｍの台形断面になるよう予め圧延処理し、０．３７ｍｍの辺が内周側になるように、１８０℃に加熱しながら巻き回し、内径２．７５ｍｍ、巻き数２．５ターンの空芯コイルを作製した。

コイルの外寸に適合する溝寸法をもったダストコアを製作し、該空芯コイルと組み合わせてインダクタになした。その結果を表５に示す。

表５に示したように、導電体を予備圧延して断面を台形にし、短辺を内周として空芯コイルを作製することにより、コイル内外周での断面寸法を均一にすることにより、インダクタのインダクタンスを向上させることができる。しかし、予備圧延比を大きくすると圧延工数の増加に伴うコストの増加もあるので、実質的には両辺比が１．４０以下であることが望ましい。

以上に、説明したように、本発明によれば、磁性体コアの内部に空芯コイルを配置した構造の小型インダクタの特性を向上することが可能となり、これを用いる機器の小型化や性能向上に寄与するところは大きいと言える。

また、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、例えば、図５に示したような、一方の磁性体コアが板状のインダクタのような、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る、各種変形、修正を含む、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは勿論である。

１巻線部
２ａ，２ｂ端子形成部
３，５，７空芯コイル
４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ磁性体コア

Claims

導電体を巻き回してなる空芯コイルを、一対の磁性体コアで、前記空芯コイルにおける導電体の巻き回し方向に垂直な二つの方向から、前記空芯コイルの周囲を覆うように挟んでなる構造を有するインダクタにおいて、前記一対のコアの少なくともいずれか一方に、前記空芯コイルが嵌合するように溝が形成され、かつ、前記溝は、巻回し方向に沿って変化する前記空芯コイルの厚さに対応して、深さが変化することを特徴とするインダクタ。
前記導電体における前記空芯コイルの巻回し方向に垂直な断面は、略矩形形状であり、前記空芯コイルにおける内周側と外周側の寸法の差が平均寸法の１０％以内であることを特徴とする、請求項１に記載のインダクタ。
前記磁性体コアは、金属磁性体粉末と結合剤を含む混和物を成形してなるダストコアであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のインダクタ。
前記磁性体コアは、フェライトコアであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のインダクタ。
前記磁性体コアは、金属磁性体粉末と結合剤を含む原料粉末を、金型を用いて成形、熱処理することにより製造されることを特徴とする、請求項３に記載のインダクタの製造方法。
前記磁性体コアは、フェライトの原料粉末を、金型を用いて成形した後、焼結することにより製造されることを特徴とする、請求項４に記載のインダクタの製造方法。
前記原料粉末は、予め造粒がなされていることを特徴とする、請求項５または請求項６に記載のインダクタの製造方法。
前記金型における、前記磁性体コアの前記溝のコーナーを形成する部分には、０．２ｍｍ以上のＲ加工が施され、粉末成形面には、仕上げ粗度がＲａ＜０．０５μｍの研磨加工が施されてなる、一段成形金型であることを特徴とする、請求項５ないし請求項７のいずれかに記載のインダクタの製造方法。
長さ方向に垂直な断面が略矩形形状の導電体を、１３０℃以上に加熱した状態で巻き回すことにより、前記空芯コイルを製造することを特徴とする、請求項５ないし請求項８のいずれかに記載のインダクタの製造方法。
長さ方向に垂直な断面が、対向する一対の辺の、一方の長さが他方より１．０５以上１．４０未満の略台形形状である導電体の、短い方の辺が内周側となるように巻き回すことにより、前記空芯コイルを製造することを特徴とする、請求項５ないし請求項９のいずれかに記載のインダクタの製造方法。