JP2015135900A - リアクトル - Google Patents
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Abstract
【課題】コイルに樹脂材料がモールドされ、モールド体内にコイルが埋設された形態のリアクトルに関し、バインダー樹脂内に磁性粉等が均一に分散され、ボイドの混入が少ない、もしくは混入がないモールド体を備えたリアクトルを提供する。
【解決手段】粒径の異なる２種以上の磁性粉３，４、もしくは、粒径の異なる磁性粉３と非磁性粉７が最密充填され、バインダーとなる樹脂５にて一体に成形されてなるモールド体と、モールド体に埋設されたコイルと、から形成されているリアクトルである。
【選択図】図２
【解決手段】粒径の異なる２種以上の磁性粉３，４、もしくは、粒径の異なる磁性粉３と非磁性粉７が最密充填され、バインダーとなる樹脂５にて一体に成形されてなるモールド体と、モールド体に埋設されたコイルと、から形成されているリアクトルである。
【選択図】図２
Description
本発明はリアクトルに関するものである。
車載用のDC-DCコンバータといった電力変換装置の構成部品として、より詳細には、電力変換装置において電圧の昇圧や降圧制御をおこなう回路部品としてリアクトルが適用されている。
リアクトルには様々な形態が存在しており、その一例を挙げると、U型コアとI型コアをギャップを介して環状に組み付け、その周囲にコイルが形成された形態や、これがケース内に収容された形態、さらには、ケース内にモールド樹脂体が形成された形態などがある。
また、さらに別の形態として、コイルに樹脂コア材料がモールドされ、モールド体内にコイルが埋設された形態のリアクトルもある。
この形態のリアクトルにおいて、リアクトル形成用の樹脂コア材料には、磁性粉とバインダーとなる樹脂が混合された複合材料が一般に用いられており、このようなリアクトルに関する発案が特許文献１に開示されている。また、同一素材の磁性粉であって、粒度分布において複数のピークを有するように調整された磁性粉を樹脂コア材料として使用する技術が特許文献２に開示されている。
ところで、上記する磁性粉と樹脂の複合材料を成形型内に収容されたコイル周りに射出成形等してモールド体を成形するに当たり、樹脂が硬化する過程で、鉄等の磁性粉と樹脂に比重差があることから、樹脂内に磁性粉が沈降してしまい、磁性粉が均一に分散されたモールド体を成形し難いといった課題がある。なお、上記特許文献１，２で開示される技術を適用しても、この課題を解消するには至らない。
また、性能調整のために鉄等の磁性粉の充填量を多くした場合には、バインダー樹脂量が少なくなることでモールド体内にボイドが混入し易くなり、ボイドが混入して脆いモールド体となるといった課題もある。
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、コイルに樹脂材料がモールドされ、モールド体内にコイルが埋設された形態のリアクトルに関し、バインダー樹脂内に磁性粉等が均一に分散され、ボイドの混入が少ない、もしくは混入がないモールド体を備えたリアクトルを提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく本発明によるリアクトルは、粒径の異なる２種以上の磁性粉、もしくは、粒径の異なる磁性粉と非磁性粉が最密充填され、バインダーとなる樹脂にて一体に成形されてなるモールド体と、前記モールド体に埋設されたコイルと、から形成されているものである。
本発明のリアクトルは、モールド体を構成する材料として、粒径の異なる２種以上の磁性粉、もしくは、粒径の異なる磁性粉と非磁性粉とバインダーとなる樹脂の複合材料が適用されるものであって、磁性粉もしくは磁性粉と非磁性粉が最密充填されていることにより、バインダー樹脂内に磁性粉等が沈降するのが抑制され、もって磁性粉等が均一に分散してなるモールド体を備えたリアクトルである。
ここで、「粒径の異なる２種以上の磁性粉」とは、２種類の平均粒径もしくは３種類以上の平均粒径で同素材もしくは異種素材の磁性粉を包含する意味であり、「粒径の異なる磁性粉と非磁性粉」とは、平均粒径の異なる１種の磁性粉と１種の非磁性粉や、２種の磁性粉と１種の非磁性粉などを含む意味である。
また、最密充填を規定する最密充填率はかさ比重／真比重で表され、かさ比重とは見かけ密度のことで、JISZ2504規定の磁性粉の物性値である。ここで真比重とは、２種以上の磁性粉の含有量比及び各磁性粉の物性値に基づいて算出した値、もしくは、磁性粉と非磁性粉の含有量及び磁性粉と非磁性粉のそれぞれの物性値に基づいて算出した値である。
本発明者等の検証によれば、磁性粉の充填量が最密充填率未満の場合には、磁性粉がバインダー樹脂内に沈降することが分かっている。したがって、たとえば磁性粉のみでは最密充填率を満たさない場合には、別途粒径の異なる非磁性粉を加えて、磁性粉と非磁性粉の最密充填率を満たす構造を形成するのがよい。
また、逆に、磁性粉の充填量が最密充填率よりも多い場合は、別途の粒径の異なる（たとえば相対的に粒径の小さな）磁性粉を充填し、異種径の２種の磁性粉の最密充填率を満たす構造を形成するのがよい。
上記する異種径の磁性粉、もしくは磁性粉と非磁性粉の最密充填構造では、その残りの空間にバインダー樹脂が隙間なく入り込み、したがってボイドが混在することはなくなる。
ここで、磁性粉として軟磁性粉を適用するに当たり、この軟磁性粉としては、FeやCo、Niなどの鉄族金属や、Feを主成分とする合金粉を適用できる。
また、バインダーとなる樹脂の素材としては、エポキシ樹脂やシリコーンゴムなどを適用できる。シリコーンゴムに関しては、ケイ素と酸素が交互に結合してポリマーが形成されたシロキサン結合構造を主骨格としたものであるが、加硫剤等の添加剤の有無や種類によって、シート状のものやペースト状のもの、液状のものが存在している。そして、成形型内にコイルを収容して複合材料を射出成形等してモールド体を成形するに当たり、その良好な流動性を保証するべく、液状のシリコーンゴムを適用するのが好ましい。
さらに、非磁性粉としては、シリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の熱伝導性フィラーが挙げられる。磁性粉と粒径の異なるこれらの非磁性粉を適用することで磁性粉とともに最密充填構造を形成することの他にも、たとえばバインダー樹脂にシリコーンゴムを使用した場合、このシリコーンゴム自体の熱伝導率は0.16W/mKと小さい一方で、これに上記素材の非磁性粉が添加されることで、これらは熱伝導性フィラーでもあることから、非磁性粉の混合量（混合割合）に応じて高い放熱性を有するモールド体を形成できる。
以上の説明から理解できるように、本発明のリアクトルによれば、モールド体を構成する材料として、粒径の異なる２種以上の磁性粉、もしくは、粒径の異なる磁性粉と非磁性粉とバインダーとなる樹脂の複合材料が適用されるものであって、磁性粉もしくは磁性粉と非磁性粉が最密充填されていることにより、バインダー樹脂内に磁性粉等が沈降するのが抑制され、もって磁性粉等が均一に分散されているとともに、ボイドの混入がない、もしくは少ないモールド体を備えたリアクトルを提供することができる。
以下、図面を参照して本発明のリアクトルの実施の形態を説明する。
（リアクトルの実施の形態）
図１は本発明のリアクトルの実施の形態を示した模式図であり、図２ａ、ｂはともにモールド体の組織構造を示した模式図である。
図１は本発明のリアクトルの実施の形態を示した模式図であり、図２ａ、ｂはともにモールド体の組織構造を示した模式図である。
図１で示すリアクトル１０は、コイル１がモールド体２に埋設されてその全体が構成されている。
モールド体２は、図２ａ、ｂで示すように主として２つの組織構造を有している。
図２ａで示すモールド体２の構造は、粒径の異なる２種の軟磁性粉３，４が最密充填されており、隙間をバインダー樹脂５が満たしてなる複合材料６から構成されている。
ここで、軟磁性粉３，４としては、Fe、Co、Niなどの鉄族金属、鉄を主成分とする合金粉等を適用できる。特に、Fe-Si系合金、Fe-Ni系合金、Fe-Al系合金、Fe-Co系合金、Fe-Cr系合金、Fe-Si-Al系合金や希土類金属、フェライトなどを適用できる。また、軟磁性粉３，４は、同素材の金属でもよいし、異種金属でもよい。
また、バインダー樹脂５はエポキシ樹脂やシリコーンゴムなどを適用でき、シリコーンゴムを適用する際には、成形型内における良好な流動性を担保できる液状のシリコーンゴムを適用するのがよい。
一方、図２ｂで示すモールド体２の構造は、粒径の異なる軟磁性粉３と非磁性粉７が最密充填されており、隙間をバインダー樹脂５が満たしてなる複合材料６Ａから構成されている。
ここで、非磁性粉７としては、シリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の熱伝導性フィラーが挙げられる。なお、軟磁性粉３と粒径の異なるこれらの非磁性粉７を適用することで軟磁性粉３とともに最密充填構造を形成することの他にも、これらは熱伝導性フィラーでもあることから、非磁性粉７の混合量（混合割合）に応じて高い放熱性を有するモールド体を形成することができる。
ここで、異種径の磁性粉や磁性粉と非磁性粉の最密充填構造を形成する方法を概説する。
まず、軟磁性粉Aを任意の充填したい量だけ容器に充填する（充填率X1体積%）。ここで、軟磁性粉Aの真比重はY1(g/cm3)、充填する軟磁性粉Aの重量はm1(g)、成形したいモールド体の体積はV(cm3)であるとすると、充填率：X1＝(m1/Y1)/V×100(%)となる。
ここで、軟磁性粉Aのかさ比重／真比重が充填率X1よりも大きな場合は、軟磁性粉がバインダー樹脂内に沈降することより、軟磁性粉Aよりも粒径の小さな非磁性粉（非導電性フィラー）を添加する。
一方、軟磁性粉Aのかさ比重／真比重が充填率X1よりも小さい場合は、粒子間の隙間を埋められずにボイドが発生し易いことから、軟磁性粉Aよりも粒径の小さな別途の軟磁性粉Bを添加する。
このように軟磁性粉Aと軟磁性粉Bの混合粉、もしくは軟磁性粉Aと非磁性粉の混合粉のかさ比重を測定する。
混合粉のかさ比重の測定値a／真比重の計算値α×100%で表される充填率X2(体積%)を算出する。ここで、添加した軟磁性粉Bもしくは非磁性粉の重量をm2(g)、それらの比重をY2(g/cm3)とすると、真比重αは(m1+m2)/(m1/Y1 + m2/Y2)となる。
バインダー樹脂の充填割合は、モールド体の体積を100とした場合、100−X2となる。
[実施例および比較例にかかるモールド体を試作し、観察した実験とその結果]
本発明者等は、実施例および比較例にかかるモールド体を試作し、組織構造を観察する実験をおこなった。以下、実施例1,2、比較例1,2の仕様と観察結果を表１とともに示す。
本発明者等は、実施例および比較例にかかるモールド体を試作し、組織構造を観察する実験をおこなった。以下、実施例1,2、比較例1,2の仕様と観察結果を表１とともに示す。
（実施例1）
軟磁性粉と熱硬化性樹脂を混合してなる複合材料を硬化させてモールド体を製作する。ここで、軟磁性粉としてFe-Si系合金粉、非磁性粉としてアルミナ、熱硬化性樹脂として液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂を用い、予め軟磁性粉と非磁性粉を均一にドライブレンドしておき、得られた混合粉をエポキシ樹脂とスタティックミキサーなどの攪拌装置で攪拌し、得られた複合材料をエナメル線を加工してなるコイルを固定した容器内に注入した。注入した複合材料をオーブンに入れて硬化させ、モールド体を得た。
軟磁性粉と熱硬化性樹脂を混合してなる複合材料を硬化させてモールド体を製作する。ここで、軟磁性粉としてFe-Si系合金粉、非磁性粉としてアルミナ、熱硬化性樹脂として液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂を用い、予め軟磁性粉と非磁性粉を均一にドライブレンドしておき、得られた混合粉をエポキシ樹脂とスタティックミキサーなどの攪拌装置で攪拌し、得られた複合材料をエナメル線を加工してなるコイルを固定した容器内に注入した。注入した複合材料をオーブンに入れて硬化させ、モールド体を得た。
インダクタンス性能の調整のため、軟磁性粉の充填量を少なく抑えたい場合、軟磁性粉の充填率が軟磁性粉の最密充填率未満である可能性がある。そこで、非磁性粉を、軟磁性粉と非磁性粉の混合粉末の最密充填率となるように加え、残りはバインダー樹脂を加える。
軟磁性粉と非磁性粉の混合粉末のかさ比重はJISZ2504に規定される方法で予め求めておき、軟磁性粉と非磁性粉の混合比率から混合粉末の真比重を求め、それらの比から混合粉末の最密充填率を求めておく。さらに、軟磁性粉と非磁性粉を均一に分散させるべく、予め所望の割合でドライブレンドしておく。
（実施例2）
軟磁性粉AとしてFe-Si系合金粉(平均粒径106μm)、軟磁性粉BとしてFe-Si系合金粉(平均粒径38μm)、熱硬化性樹脂として液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂を用い、予め軟磁性粉A、Bを均一にドライブレンドしておき、得られた混合粉をエポキシ樹脂とスタティックミキサーなどの攪拌装置で攪拌し、得られた複合材料をエナメル線を加工してなるコイルを固定した容器内に注入した。注入した複合材料をオーブンに入れて硬化させ、モールド体を得た。
軟磁性粉AとしてFe-Si系合金粉(平均粒径106μm)、軟磁性粉BとしてFe-Si系合金粉(平均粒径38μm)、熱硬化性樹脂として液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂を用い、予め軟磁性粉A、Bを均一にドライブレンドしておき、得られた混合粉をエポキシ樹脂とスタティックミキサーなどの攪拌装置で攪拌し、得られた複合材料をエナメル線を加工してなるコイルを固定した容器内に注入した。注入した複合材料をオーブンに入れて硬化させ、モールド体を得た。
インダクタンス性能の調整のため、軟磁性粉の充填量を少なく抑えたい場合、軟磁性粉の充填率が軟磁性粉の最密充填率未満である可能性がある。そこで、軟磁性粉Bを、軟磁性粉Aと軟磁性粉Bの混合粉末の最密充填率となるように加え、残りはバインダー樹脂を加える。
軟磁性粉Aと軟磁性粉Bの混合粉末のかさ比重はJISZ2504に規定される方法で予め求めておき、軟磁性粉Aと軟磁性粉Bの混合比率から混合粉末の真比重を求め、それらの比から混合粉末の最密充填率を求めておく。さらに、軟磁性粉Aと軟磁性粉Bを均一に分散させるべく、予め所望の割合でドライブレンドしておく。
（比較例1）
軟磁性粉としてFe-Si系合金粉、熱硬化性樹脂として液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂を用い、それらをスタティックミキサーなどの攪拌装置で攪拌し、得られた複合材料をエナメル線を加工してなるコイルを固定した容器内に注入した。注入した複合材料をオーブンに入れて硬化させ、モールド体を得た。
軟磁性粉としてFe-Si系合金粉、熱硬化性樹脂として液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂を用い、それらをスタティックミキサーなどの攪拌装置で攪拌し、得られた複合材料をエナメル線を加工してなるコイルを固定した容器内に注入した。注入した複合材料をオーブンに入れて硬化させ、モールド体を得た。
（比較例2）
軟磁性粉としてFe-Si系合金粉(平均粒径106μm)、熱硬化性樹脂として液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂を用い、それらをスタティックミキサーなどの攪拌装置で攪拌し、得られた複合材料をエナメル線を加工してなるコイルを固定した容器内に注入した。注入した複合材料をオーブンに入れて硬化させ、モールド体を得た。
軟磁性粉としてFe-Si系合金粉(平均粒径106μm)、熱硬化性樹脂として液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂を用い、それらをスタティックミキサーなどの攪拌装置で攪拌し、得られた複合材料をエナメル線を加工してなるコイルを固定した容器内に注入した。注入した複合材料をオーブンに入れて硬化させ、モールド体を得た。
軟磁性粉Aと非磁性粉の最密充填率は67%であり、軟磁性粉Aと軟磁性粉Bの最密充填率は71.4%である。
（実施例1の考察）
成形されたモールド体において、軟磁性粉と非軟磁性粉はバインダー樹脂内で沈降することなく均一に分散しており、ボイドのないモールド体となっている。
成形されたモールド体において、軟磁性粉と非軟磁性粉はバインダー樹脂内で沈降することなく均一に分散しており、ボイドのないモールド体となっている。
（実施例2の考察）
軟磁性粉A単独では粒子同士の隙間が埋められず、充填率を上げることができないが、軟磁性粉Bの粒径分布が軟磁性粉Aよりも小さいために軟磁性粉Aに粒子同士の隙間に軟磁性粉Bが充填される結果、軟磁性粉A単独の場合よりも高い最密充填率のモールド体を形成できる。
軟磁性粉A単独では粒子同士の隙間が埋められず、充填率を上げることができないが、軟磁性粉Bの粒径分布が軟磁性粉Aよりも小さいために軟磁性粉Aに粒子同士の隙間に軟磁性粉Bが充填される結果、軟磁性粉A単独の場合よりも高い最密充填率のモールド体を形成できる。
（比較例1の考察）
軟磁性粉の充填量が最密充填率未満であるため、エポキシ樹脂の加熱硬化の際に軟磁性粉とエポキシ樹脂の比重差によって軟磁性粉が沈降した。その結果、樹脂層のみの領域と、樹脂層と磁性粉の混合領域と、の２層に分離した。
軟磁性粉の充填量が最密充填率未満であるため、エポキシ樹脂の加熱硬化の際に軟磁性粉とエポキシ樹脂の比重差によって軟磁性粉が沈降した。その結果、樹脂層のみの領域と、樹脂層と磁性粉の混合領域と、の２層に分離した。
（比較例2の考察）
軟磁性粉の充填量が最密充填率よりも多いため、軟磁性粉同士の隙間を埋めるだけのバインダー樹脂がなく、隙間にボイドが存在していた。
軟磁性粉の充填量が最密充填率よりも多いため、軟磁性粉同士の隙間を埋めるだけのバインダー樹脂がなく、隙間にボイドが存在していた。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１…コイル、２…モールド体、３…磁性粉（軟磁性粉）、４…相対的に小径の磁性粉（軟磁性粉）、５…樹脂（バインダー樹脂）、６，６Ａ…複合材料、７…非磁性粉、１０…リアクトル
Claims (1)
- 粒径の異なる２種以上の磁性粉、もしくは、粒径の異なる磁性粉と非磁性粉が最密充填され、バインダーとなる樹脂にて一体に成形されてなるモールド体と、
前記モールド体に埋設されたコイルと、から形成されているリアクトル。
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