JP2014175437A - インダクタンス素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧粉成形体である磁性コアの内部にコイル体と端子部が埋め込まれた薄型のインダクタンス素子において、導電性帯体のスプリングバック力を弱くして磁性コアの損傷を低減できるようにする。
【解決手段】磁性粉末の集合体である圧粉成形体の磁性コア２０の内部にコイル体１０が埋設されている。コイル体１０を形成している金属製帯体は断面が長方形である。磁性コア２０が加圧成形された後に端子部１５，１８に、コイル体１０から離れる向きのスプリングバック力が作用するが、金属製帯体は厚み方向が巻き中心線Ｏと平行なスプリングバック方向に向けられているため、スプリングバック力を弱くでき、磁性コア２０の損傷を抑制しやすくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁性粉末とバインダー樹脂とが加圧されて成形された圧粉成形体の磁性コアにコイル体が埋め込まれたインダクタンス素子およびその製造方法に関する。

以下の特許文献１ないし３に記載されたインダクタンス素子は、圧粉成形体の磁性コアにコイル体が埋め込まれている。圧粉成形体の磁性コアは、磁性粉末とバインダー樹脂とから成るコア材料が金型内に供給され、加熱され加圧されてコア形状に成形されるものであり、磁性粉末の密度を高くでき、高いインダクタンスを得ることが可能である。

特許文献１に記載されたインダクタは、平角銅線が、厚さ方向を巻き中心線に向けた状態で、巻き中心線に沿って重ねられるように巻かれたコイルが使用されている。コイルが圧粉成形体の内部に埋め込まれて磁性コアが成形されるが、平角銅線の両端部は磁性コアから外部に突出している。磁性コアが成形された後に、平角銅線の両端部が磁性コアの裏面に向けて折り曲げられて、端子部が形成される。

特許文献１に記載されたインダクタは、磁性コアから突出した平角銅線の端部を折り曲げて端子部を形成するため、磁性コアの裏面と端子部との間に隙間が発生しやすく、インダクタの薄型化と小型化に適したものではない。また、磁性コアから突出した平角銅線の端部を折り曲げるときに、この端部の基部から磁性コアに大きな応力が作用し、平角銅線が突出している部分で磁性コアが損傷しやすく、または内部に亀裂が生じやすくなる。

特許文献２に記載された圧粉成形体の製造方法は、銅線によりコイルが巻かれるとともに、銅線の端部が折り曲げられて一対の端子部が形成される。コイルならびに一対の端子部がプレス機に設置されるとともに、磁性粉末とバインダー樹脂とから成るコア材料が供給され、コイルならびに端子と共にコア材料が圧縮され且つ加圧されて圧粉成形体の磁性コアが成形される。成形後のインダクタンス素子は、コイルと端子部が共に磁性コアの内部に埋め込まれたものとなり、端子部の表面のみが磁性コアの裏面に露出する。

この製造方法で成形されたインダクタンス素子は、コイルと端子部がコア材料と共に加圧されて磁性コアが形成されるため、小型化と薄型化が可能であり、また、磁性コアの成形後に端子部を折り曲げる必要がないため、折り曲げ作業により磁性コアに損傷や亀裂を与えることがない。

しかし、特許文献２に記載されたコイルを形成している銅線は、断面が正方形であるため、銅線を折り曲げた一対の端子部は、コイルの巻き中心線に沿う方向での断面二次モーメント（Ｉ）が大きくなり、コイルの巻き中心線に沿う向きでの曲げ剛性（ＥＩ：Ｅは縦弾性係数）が非常に大きくなる。そのため、コイルと端子部がコア材料とともに巻き中心線に沿う方向へ加圧されて磁性コアが成形された後に、端子部が前記巻き中心線方向へ戻ろうとするスプリングバック力が大きく作用する。そのため、成型後の磁性コアの内部に、スプリングバック力による大きな応力が作用し、磁性コアの内部に亀裂が発生しやすくなる。

次に、特許文献３に記載されたインダクタの製造方法は、鉄系金属磁性粉末とエポキシ樹脂を混合して得た封止材を予備成形した２個の予備成形体が使用される。空心コイルと空心コイルから延び出ている両端部が２個の予備成形体の間に収納され、予備成形体が加熱され圧縮成形されて、磁性コアが成形される。

特許文献３に記載された製造方法は、断面が長方形状の導電性帯体が、その帯体の幅方向がコイルの巻き中心線と平行に向けられた状態で円筒状に巻かれてコイル体が形成されている。そして、磁性コアを成形するときに、コイルを形成している導電性帯体に対して加圧力が幅方向に作用する。そのため、導電性帯体が幅方向へ座屈変形しやすくなり、その変形力で磁性コアに亀裂などが発生しやすい。さらに、変形した導電性帯体の面間に隙間が形成されやすく、この隙間内に磁性粉が入り込んで、コイルの絶縁性が劣化する問題も発生しやすい。

絶縁性の劣化などの課題は磁性コアが小型化されて圧粉成形体の体積が小さくなると、特に顕著になる。したがって、特許文献３に記載された製造方法は、小型の磁性コアに適したものではない。

特開２００６−１３０６６号公報 特開２００５−２９４４６１号公報 特開２０１２−１６０５０７号公報

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、コイル体から延びる端子部のスプリングバック力を弱くして、圧粉成形体である磁性コアの内部に亀裂が生じにくくし、さらに小型化と薄型化が可能なインダクタンス素子およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、磁性粉末とバインダー樹脂とが加圧成形された圧粉成形体の磁性コアの内部にコイル体が埋め込まれているインダクタンス素子において、
幅方向の寸法が厚さ方向の寸法よりも大きく断面が長方形で長尺状の導電性帯体が使用され、
前記導電性帯体は、厚さ方向が巻き中心線と平行に向けられて巻き中心線方向へ重ねられるように巻かれて前記コイル体が形成され、前記コイル体から延びる一対の導電性帯体の端部は、厚さ方向が前記巻き中心線と平行な向きに折り曲げられて、一対の端子部が形成されており、
前記コイル体が前記磁性コアに埋め込まれ、前記端子部が前記磁性コアの表面に露出し、前記コイル体を形成する導電性帯体の厚さ方向と、前記端子部を構成する導電性帯体の厚さ方向が、共に圧粉成形体である前記磁性コアの加圧方向に向けられていることを特徴とするものである。

本発明のインダクタンス素子は、一対の前記端子部が、前記磁性コアの同じ表面に露出しているものである。

また、本発明のインダクタンス素子は、前記端子部を形成する導電性帯体の板面が、前記コイル体を形成する導電性帯体の板面に対向しており、その対向面積が、前記端子部の面積の５０％以下であることが好ましい。

また、本発明は、磁性粉末とバインダー樹脂とのコア材料を加圧して成形した圧粉成形体の磁性コアの内部にコイル体を埋め込むインダクタンス素子の製造方法において、
幅方向の寸法が厚さ方向の寸法よりも大きく断面が長方形で長尺状の導電性帯体を使用し、
前記導電性帯体を、厚さ方向を巻き中心線と平行に向けて巻き中心線方向へ重なるように巻いて前記コイル体を形成し、前記コイル体から延びる一対の導電性帯体の端部を、厚さ方向が前記巻き中心線と平行な向きに折り曲げて、一対の端子部を形成し、
前記コイル体を前記コア材料に埋め込んで、前記コイル体を形成する導電性帯体の厚さ方向と、前記端子部を構成する導電性帯体の厚さ方向を、共に加圧方向に向けて前記コア材料を加圧して、前記コイル体が埋め込まれているとともに前記端子部が表面に露出する圧粉成形体の磁性コアを成形することを特徴とするものである。

本発明のインダクタンス素子の製造方法では、前記磁性コアを形成した後に、アニール処理を行うことが可能である。

本発明のインダクタンス素子およびその製造方法は、金属製帯体で形成された端子部の厚さ方法が、圧粉成形体を加圧する際の加圧方向に向けられている。端子部は加圧方向に向けて剛性が低くなるため、磁性コアが成形された後の端子部のスプリングバック力が弱くなり、端子部に隣接する部分で磁性コアに亀裂が発生しにくくなる。

また、端子部とコイル体との対向面積を端子部の面積の５０％以下とし、端子部とコイル体との対向面積を狭くすることで、端子部とコイル体との間の磁性コアに損傷を生じにくくすることが可能である。

また、コイル体も、金属製帯状体の厚み方向が加圧方向と平行に向けられているため、磁性コアを圧縮成形した後のコイル体を構成する金属製帯体のスプリングバック力が弱くなり、コイル体を構成する金属製帯体の間の接着が剥がれようとする力も発生しにくい。そのため、アニール処理により、金属製帯体の間の接着力が低下しても金属製帯体の面間に隙間が発生しにくい。

本発明の実施の形態のインダクタンス素子に使用されるコイル体が巻き成形された直後の状態を示す斜視図、 コイル体に端子部が曲げ成形された状態を示す斜視図、 磁性コアを圧粉成形する過程を示す側面図、 インダクタンス素子の底面図、 インダクタンス素子の断面図であり、図２のＶ−Ｖ線の断面図、 コイル体の断面図であり、図２のＶＩ−ＶＩ線の断面図、

本発明の実施の形態のインダクタンス素子１は、圧粉成形体である磁性コア２０にコイル体１０が埋め込まれている。

図１と図２に示すように、コイル体１０は、金属製帯体１１を巻いて形成されている。図１と図６に示すように、金属製帯体１１は、対向する板面１１ａ，１１ａと、対向する側端面１１ｂ，１１ｂとを有し、断面が長方形の帯状体である。金属製帯体１１は、板面１１ａ，１１ａによって幅方向の寸法Ａが決められ、側端面１１ｂ，１１ｂによって厚さ方向の寸法Ｂが決められている。

幅方向の寸法Ａは厚さ方向の寸法Ｂよりも十分に大きく、寸法Ａは寸法Ｂの２倍以上であり、好ましくは４倍以上、さらに好ましくは６倍以上である。

金属製帯体１１は銅で形成されており、図６に示すように、金属製帯体１１の表面に被覆層１２が形成されている。被覆層１２は絶縁樹脂層の表面にナイロンなどの融着層が重ねられた２層構造である。

図１ないし図３にコイル体１０の巻き中心線Ｏが示されている。コイル体１０は、金属製帯体１１の板面１１ａが巻き中心線Ｏとほぼ垂直となり、厚さ方向を決めている側端面１１ｂが巻き中心線Ｏと平行となる向きで、板面１１ａどうしが巻き中心線Ｏに沿って重なるように巻かれている。図１と図２および図４に示すように、コイル体１０は、金属製帯体１１が楕円形となるように巻かれている。

図６に示すように、金属製帯体１１を巻いて形成されたコイル体１０は、加熱されるとともに巻き中心線Ｏと平行な向きの加圧力Ｆ１によって加圧される。この加熱加圧処理により、被覆層１２の表面の融着層が溶融し、金属製帯体１１の板面１１ａどうしが離れないように接着される。

図１に示すように、コイル体１０が楕円状に巻かれた状態で、コイル体１０から金属製帯体１１の第１の端部１３と第２の端部１６とが突出している。ここで、端部１３，１６とは、金属製帯体１１のうちのコイル体１０として巻かれていない両端部分を意味している。

図２に示すように、第１の端部１３は、第１の折れ線１４ａによって谷折り方向へほぼ直角に曲げられ、第２の折れ線１４ｂによって山折り方向へほぼ直角に曲げられ、第３の折れ線１４ｃと第４の折れ線１４ｄのそれぞれにおいて谷折り方向へほぼ直角に折り曲げられる。第２の端部１６は、第１の折れ線１７ａにおいて山折れ方向へほぼ直角に折り曲げられ、第２の折れ線１７ｂと第３の折れ線１７ｃおよび第４の折れ線１７ｄにおいて、谷折り方向へほぼ直角に折り曲げられている。

第１の端部１３は、第４の折れ線１４ｄよりも先の部分が第１の端子部１５であり、第２の端部１６は、第４の折れ線１７ｄよりも先の部分が第２の端子部１８である。

図２と図５に示すように、第１の端子部１５は、コイル体１０として巻かれている金属製帯体１１の板面１１ａからやや離れた位置にあり、第１の端子部１５を形成している金属製帯体１１の板面１１ａと、コイル体１０を構成している金属製帯体１１の板面１１ａとがほぼ平行に対向している。

図２に示すよう、第２の端子部１８も、コイル体１０として巻かれている金属製帯体１１の板面１１ａからやや離れた位置にあり、第２の端子部１８を形成している金属製帯体１１の板面１１ａと、コイル体１０を構成している金属製帯体１１の板面１１ａとがほぼ平行に対向している。

そして、第１の端子部１５の図２において上に向けられている板面１１ａと、第２の端子部１８の図２において上に向けられている板面１１ａが、ほぼ同一面に位置し、その面は、巻き中心線Ｏと垂直な面である。

図３に、磁性コア２０を圧粉成形体として成形する工程が示されている。
図３に示すプレス機３０は、金型本体３１の内部に下型３２が設けられ、その上方にキャビティ３４が形成されている。図２に示すコイル体１０がキャビティ３４の内部に挿入され、第１の端子部１５の表面の板面１１ａと第２の端子部１８の表面の板面１１ａが、下型３２の上面に当接するように位置決めされる。

その後、磁性粉末とバインダー樹脂とから成るコア材料が、キャビティ３４の内部に供給される。磁性粉末は磁性合金粉末であり、例えば、Ｆｅを主体とし、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｐ、Ｃ、Ｂ、Ｓｉなどの各種金属が含まれたＦｅ基非結晶金属ガラス合金の粉末であり、水アトマイズ法により粉末化されたものである。バインダー樹脂は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などである。

前記コア材料は、前記磁性粉末が前記バインダー樹脂でコーティングされた混合粉末である。あるいは、磁性粉末と粉末状のバインダー樹脂とが単に混合されたものであってもよい。

コア材料がキャビティ３４内に充填されると、キャビティ３４の上方から上型３３が挿入され、下型３２と上型３３とでコア材料が加圧力Ｆ２で加圧されて、圧粉成形体である磁性コア２０が形成される。この圧粉成形では、バインダー樹脂が磁性粉末どうしを結合するための結合剤として機能する。このとき、キャビティ３４を、必要に応じて後述するアニール処理時の温度と同じ程度の温度で加熱してもよい。

図２ないし図４に示すように、圧粉成形体である磁性コア２０は、上面２１と下面２２を有しさらに４つの側面を有する立方体形状である。図２と図４に示すように、コイル体１０から延びる金属製帯体１１の端部１３，１６で形成された第１の端子部１５と第２の端子部１８は、その表面の板面１１ａが、磁性コア２０の下面２２に露出し、それぞれの端子部１５，１８の板面１１ａが磁性コア２０の下面２２とほぼ同一面となる。

また、図２に示すように、金属製帯体１１の第１の端部１３の折れ線１４ｃと折れ線１４ｄとの間の部分の板面１１ａが、磁性コア２０の１つの側面２３に現れる。また、第２の端部１６の折れ線１７ｃと折れ線１７ｄとの間の部分の板面１１ａも、磁性コア２０の側面２３に現れる。それぞれの板面１１ａと側面２３とがほぼ同一面である。

図３に示すように、キャビティ３４内では、下型３２と上型３３との間で、磁性粉末とバインダー樹脂とから成るコア材料が加圧力Ｆ２で加圧されると同時に、コイル体１０ならびに第１の端子部１５と第２の端子部１８も加圧力Ｆ２を受けて加圧される。

第１の端子部１５と第２の端子部１８を構成している金属製帯体１１は、板面１１ａが巻き中心線Ｏと垂直な面となり、第１の端子部１５と第２の端子部１８を構成している金属製帯体１１の厚さ方向が、加圧力Ｆ２が作用する方向に向けられている。図６に示すように、金属製帯体１１は、幅方向の寸法Ａに比べて厚さ方向の寸法Ｂが十分に小さくなっている。よって、金属製帯体１１の断面では、加圧力Ｆ２が作用する方向での断面二次モーメント（Ｉ）が極小となり、第１の端子部１５と第２の端子部１８は、加圧力Ｆ２が作用する方向での曲げ剛性（ＥＩ）が極小となる。

そのため、図３に示すキャビティ３４の内部で圧粉成形体の成形が完了し、下型３２と上型３３との加圧力Ｆ２が解除された後に、第１の端子部１５と第２の端子部１８がコア体１０から離れようとする向きのスプリングバック力がきわめて弱くなる。第１の端子部１５と第２の端子部１８のスプリングバック力が磁性コア２０の内部に与える応力が最小になるため、端子部１５，１８と対面している部分で磁性コア２０に内部亀裂が発生する可能性が低くなる。

図４に示すように、第１の端子部１５と第２の端子部１８は、コイル体１０を形成している金属製帯体１１の板面１１ａに一部が対面する対面領域Ｄを有している。図５に示すように、対面領域Ｄでは、端子部１５，１８とコイル体１０との隙間δが狭くなり、加圧成形後に端子部１５，１８がコイル体１０から離れようとするスプリングバック力により、隙間δの狭い領域に位置している磁性コア２０に内部応力が発生しやすくなっている。しかし、端子部１５，１８は厚さ方向が巻き中心線Ｏと平行に向けられてスプリングバック方向の曲げ剛性（ＥＩ）が低くなっているので、隙間δの部分で磁性コア２０に大きな亀裂などが生じにくくなる。

さらに、図４に示すように、端子部１５，１８とコイル体１０との対面領域Ｄの面積が、それぞれの端子部１５，１８の面積の５０％以下となっていると、隙間δの狭い領域が可能な限り狭くなり、この領域において磁性コア２０の部分に亀裂などがさらに生じにくくなる。

磁性コア２０が圧粉成形された後に、アニール処理に移行する。このアニール処理は、３５０℃〜４５０℃程度の温度に加熱して行われるものであり、磁性コア２０の内部歪みを緩和し、磁歪を低減するための高低である。図６に示すように、コイル体１０を形成している金属製帯体１１は、コイル体１０を成形するときに加圧力Ｆ１を与えて上下に圧縮させた状態で、絶縁層１２の表面のナイロンなどの融着層で接着されている。そのため、アニール処理で、前記融着層が加熱されると接着力が低下し、コイル体１０を形成している金属製帯体１１の板面１１ａどうしを巻き中心線Ｏ方向へ引きはがそうとするスプリングバック力が作用する。

しかし、コイル体１０を構成する金属製帯体１１は、スプリングバック方向である巻き中心線Ｏと平行な方向に断面の厚さ寸法Ｂが向けられているため、スプリングバック方向の断面二次モーメント（Ｉ）が極小となり、スプリングバック方向の剛性（ＥＩ）が極小となる。そのため、スプリングバック力により、コイル体１０を構成する金属製帯体１１どうしが剥がれるのを抑制しやすくなる。よって、コイル体１０を構成する金属製帯体１１の板面１１ａの間に磁性粉末が入り込むのを抑制でき、金属製帯体１１どうしの絶縁を保つことが可能になる。

コイル体１０ならびに端子部１５，１８は、断面が長方形の金属製帯体１１で形成されているため、幅寸法Ａを大きくすることで、断面積を十分に大きく確保することが可能である。そのため、コイル体１０の抵抗値を小さくでき、コイル体１０に必要とされる電流量を十分に与えることが可能である。しかも、金属製帯体１１は、長方形の断面の厚さ寸法Ｂの方向が、スプリングバック力が作用する加圧方向ならびに巻き中心線Ｏと平行な方向に向けられているため、端子部１５，１８のスプリングバック力による磁性コア２０の損傷や、コイル体１０を構成している金属製帯体１１のスプリングバック力による層間の剥がれを抑制しやすくなっている。

図５に示すように、アニール処理の後に、磁性コア２０の外面の全域に保護樹脂層４１がコーティングされる。第１の端子部１５と第２の端子部１８が存在している部分で、前記保護樹脂層４１と、さらに、第１の端子部１５および第２の端子部１８の表面に形成されている被覆層１２が除去されて露出部４１ａが形成される。そして、保護樹脂層４１の表面に金などによる低抵抗金属層がめっき処理により形成され、端子導通部４２が形成される。端子導通部４２は一対形成され、第１の端子部１５と第２の端子部１８に個別に導通したものとなる。

１ インダクタンス素子
１０ コイル体
１１ 金属製帯体
１１ａ 板面
１１ｂ 側端面
１３ 第１の端部
１５ 第１の端子部
１６ 第２の端部
１８ 第２の端子部
２０ 磁性コア
３０ プレス機
３２ 下型
３３ 上型
３４ キャビティ
Ｄ 対面領域
Ｆ１，Ｆ２ 加圧力
Ｏ 巻き中心線

Claims (5)

1. 磁性粉末とバインダー樹脂とが加圧成形された圧粉成形体の磁性コアの内部にコイル体が埋め込まれているインダクタンス素子において、
   幅方向の寸法が厚さ方向の寸法よりも大きく断面が長方形で長尺状の導電性帯体が使用され、
   前記導電性帯体は、厚さ方向が巻き中心線と平行に向けられて巻き中心線方向へ重ねられるように巻かれて前記コイル体が形成され、前記コイル体から延びる一対の導電性帯体の端部は、厚さ方向が前記巻き中心線と平行な向きに折り曲げられて、一対の端子部が形成されており、
   前記コイル体が前記磁性コアに埋め込まれ、前記端子部が前記磁性コアの表面に露出し、前記コイル体を形成する導電性帯体の厚さ方向と、前記端子部を構成する導電性帯体の厚さ方向が、共に圧粉成形体である前記磁性コアの加圧方向に向けられていることを特徴とするインダクタンス素子。
2. 一対の前記端子部が、前記磁性コアの同じ表面に露出している請求項１記載のインダクタンス素子。
3. 前記端子部を形成する導電性帯体の板面が、前記コイル体を形成する導電性帯体の板面に対向しており、その対向面積が、前記端子部の面積の５０％以下である請求項１または２記載のインダクタンス素子。
4. 磁性粉末とバインダー樹脂を有するコア材料を加圧して成形した圧粉成形体の磁性コアの内部にコイル体を埋め込むインダクタンス素子の製造方法において、
   幅方向の寸法が厚さ方向の寸法よりも大きく断面が長方形で長尺状の導電性帯体を使用し、
   前記導電性帯体を、厚さ方向を巻き中心線と平行に向けて巻き中心線方向へ重なるように巻いて前記コイル体を形成し、前記コイル体から延びる一対の導電性帯体の端部を、厚さ方向が前記巻き中心線と平行な向きに折り曲げて、一対の端子部を形成し、
   前記コイル体を前記コア材料に埋め込んで、前記コイル体を形成する導電性帯体の厚さ方向と、前記端子部を構成する導電性帯体の厚さ方向を、共に加圧方向に向けて前記コア材料を加圧して、前記コイル体が埋め込まれているとともに前記端子部が表面に露出する圧粉成形体の磁性コアを成形することを特徴とするインダクタンス素子の製造方法。
5. 前記磁性コアを形成した後に、アニール処理を行う請求項４記載のインダクタンス素子の製造方法。

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