JP2018041955A - 磁性粉末及びこれを含むインダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】高透磁率及び優れたＱ特性を発揮することができる磁性粉末、及びこの磁性粉末を含むインダクタを提供する。【解決手段】磁性特性を有するコア粉末１ａと、コア粉末の表面上に配置される絶縁層１ｂと、を含む。絶縁層は高分子材料を含み、内面はコア粉末の表面と接するように配置される。また、コア粉末の全表面は絶縁層によって被覆され、絶縁層は単一層である。インダクタは、コイルを含む本体と、本体の外部面に配置される外部電極と、を含む。本体は、高分子材料のマトリックス（ｍａｔｒｉｘ）内に磁性特性を有するコア粉末を含み、コア粉末は、高分子材料によってそれに隣接するコア粉末と絶縁されている。【選択図】図２

Description

本発明は、磁性粉末及びこれを含むインダクタに関するものである。

最近、電子製品の小型化及び多機能化の傾向に伴い、インダクタ素子にも小型化が求められており、スマートフォンのような携帯機器は、機能の多様化により、さらに高い電流が必要となる。このような携帯電子機器は、ＤＣ−ＤＣコンバータのような電源回路を使用して、内部回路に必要な様々な電圧の動作電源を得ている。ＤＣ回路に用いられるインダクタの場合、構造的に磁気飽和を抑制することができる特性及び高インダクタンス特性を有する高透磁率材料を必要とする。

一方、インダクタとしては、図１ａに示すようにモールドを用いて金属粉末を成形するモールド型インダクタ、スマートフォンのように軽薄短小化が求められる部品に用いられる図１ｂに示す巻線型インダクタ、及び図１ｃに示す薄膜型インダクタが挙げられる。

このように、様々なタイプのインダクタの電気的特性を改善するための努力の一環として、高透磁率を有しながら絶縁特性に優れた磁性材料を生産しようとする試みも多様に行われている。その一例として、下記特許文献１には、合金磁性粉末の表面をガラス膜で覆った後、その外側を絶縁材及び結着材を兼ねる熱硬化性樹脂で被覆する磁性材料が開示されている。しかし、耐熱の向上及び高い絶縁性を得るためにガラスを用いる場合、磁性粉末が特に合金である際に、コアに熱衝撃が加えられると、合金とガラスの膨張係数の違いによって熱応力が発生し、その結果、ガラス表面にクラックが発生するという問題がある。さらに、ガラスコーティング上に絶縁材を追加的に均一にコーティングすることが難しく、インダクタを製造する毎工程ごとにクラックが発生するおそれがある。

特開２００６−２９４７７５号公報

本発明は、このような問題点を勘案し、これを解決するのために導出されたものである。本発明の様々な目的の一つは、高透磁率及び優れたＱ特性を発揮することができる磁性粉末、及びこの磁性粉末を含むインダクタを提供することである。

本発明の一例による磁性粉末は、磁性特性を有するコア粉末の表面上に追加のコーティング層を介せずに高分子材料を含む絶縁層を配置したものである。

本発明の他の一例によるインダクタは、上記磁性粉末を含む本体を含み、その本体上に配置され、本体内に内蔵されるコイルの少なくとも一端部と電気的に接続される外部電極を含む。

本発明の様々な効果の一効果として、本発明による磁性粉末及びこれを含むインダクタは高透磁率及び優れたＱ特性を発揮できるようにすることが挙げられる。

様々なタイプのインダクタを示すものである。 様々なタイプのインダクタを示すものである。 様々なタイプのインダクタを示すものである。 本発明の一例による磁性粉末の概略的な断面図である。 本発明の他の一例によるインダクタの概略的な断面図である。 図３のＡ領域を拡大した一例を示すものである。 図３のＡ領域を拡大した他の一例を示すものである。

以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。しかし、本発明の実施例は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施例に限定されない。また、本発明の実施例は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために拡大縮小表示（または強調表示や簡略化表示）がされることがある。

なお、本発明を明確に説明すべく、図面において説明と関係ない部分は省略し、様々な層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示し、同一思想の範囲内において機能が同一である構成要素に対しては同一の参照符号を用いて説明する。

さらに、明細書全体において、ある構成要素を「含む」というのは、特に反対である記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができるということを意味する。

以下、本発明の一例による磁性粉末及びこれを含むインダクタについて説明するが、必ずしもこれに限定されるものではない。

磁性粉末
図２は本発明の一例による磁性粉末の概略的な断面図である。図２を参照すると、磁性粉末１は、磁性特性を有するコア粉末１ａと、そのコア粉末１ａの表面上に直接配置される絶縁層１ｂと、を含む。上記絶縁層１ｂがコア粉末１ａの表面上に直接配置されるとは、コア粉末の表面に追加のコーティング層を介せずに直ちに高分子材料の絶縁層１ｂが被覆されることを意味する。

上記コア粉末１ａは、磁性特性を有するものであれば制限なく用いることができる。例えば、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ系アモルファス合金、Ｆｅ系ナノ結晶形成合金、Ｃｏ系アモルファス合金、Ｆｅ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｎ系合金、ＭｎＺｎ系フェライト、ＮｉＺｎ系フェライトなどから選択された１種以上で形成することができる。

上記コア粉末１ａを選択するにあたり、制約がなく自由度が高いことは材料設計において優れた長所となる。

相対的に、従来の酸化処理型インダクタに用いられる合金には、その合金の表面上にＣｒ酸化層（Ｃｒ_２Ｏ_３）を形成するためにＣｒが含まれたＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系粉末のみを使用しなければならないという制限があった。これは、材料選択の側面で透磁率を向上させるのに制約があることを意味する。

本発明の磁性粉末は、コア粉末１ａ上に別の材質を有する高分子材料の絶縁層を配置させるため、コア粉末の材料選択に制限がなく、高透磁率を実現することができる様々な合金を用いることができる。

上記コア粉末１ａは、図２に示すように実質的に球状であってもよく、または楕円状であってもよい。また、一部に角が形成されるその他の様々な形状であってもよく、その形状に制限がない。

一方、上記コア粉末１ａの中央部及び表面部は実質的に同一の組成を有する。これは、コア粉末１ａの表面に、別の酸化処理などが行われていないことを意味する。コア粉末１ａが合金である場合、自然酸化が行われて所定の酸化層が形成されることがあるが、これは微量であり、実質的にコア粉末１ａの中央部及び表面部は同一の組成を有する。

次に、コア粉末１ａの表面の少なくとも一部上に被覆される高分子材料の絶縁層１ｂを説明する。図２を参照すると、絶縁層１ｂは、コア粉末１ａの外周面上に均一な厚さで配置される。従来は、合金粉末上に絶縁特性を維持させるために、カオリン、ＭｇＯ、Ｔａｌｃ、水ガラスなどを用いて無機絶縁層を形成し、無機絶縁層の表面に再び高分子材料、例えば、エポキシをコーティングして硬化することにより、製品の強度を維持するようにした。しかし、このような無機材料の絶縁層と硬化のためのエポキシ層の二重層を有する従来の磁性粉末の場合は、磁性粉末とそれに隣接する他の磁性粉末との間の距離が遠くなって相対的に透磁率が減少する現象が発生し、同等の透磁率を確保するために磁性粉末の粒度を増加させる場合は、Ｑ値が低下する現象が発生した。

本発明の一例による磁性粉末１は、コア粉末１ａ上に直接被覆される高分子材料の絶縁層１ｂの構造を有し、従来の二重の絶縁層とは確実に区別される単一の絶縁層を含むため、従来の二重の絶縁層に存在する問題点は含まない。

上記絶縁層１ｂとして用いられる高分子材料は、特に限定されず、熱硬化性樹脂、特にエポキシ樹脂であることが好ましい。エポキシ樹脂は、求められる磁性粉末の特性に応じて様々な形態に変形することができ、例えば、高抵抗の絶縁特性が求められる場合、ベンゼン環を有さないエポキシであってもよく、バインダとして一般的に用いられるエポキシ樹脂であってもよいが、これに限定されない。

上記絶縁層１ｂの厚さは、コア粉末１ａの外側形状に応じて比較的均一に形成され、求められる絶縁特性に応じて様々な厚さに変更することができるが、一例として、１．０ｎｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましい。絶縁層１ｂの厚さが１．０ｎｍよりも薄い場合は十分な絶縁特性が確保されることが困難であり、５．０μｍよりも厚い場合は隣接する磁性粉末間の距離が比較的遠くなるため透磁率が十分に確保されることが困難である。

ここで、絶縁層の厚さが均一であるとは、コア粉末上に配置される絶縁層の厚さが最小１．０ｎｍであり、最大５．０μｍであることを意味する。例えば、コア粉末上に同一の厚さの絶縁層が配置されなくても、その厚さ偏差は１．０ｎｍ〜５．０μｍを超えない。絶縁層１ｂの厚さは、コア粉末１ａが球状でない場合も、コア粉末１ａの重心から表面までを延長する直線上において、上記表面から絶縁層１ｂの表面に至るまでの距離を用いて設定することができる。

続いて、上記磁性粉末１を製造する具体的な製造方法のうち一例を説明する。但し、本発明の磁性粉末１を製造する方法は、後述する製造方法のみに制限されるものではなく、後述する製造方法によって製造された磁性粉末だけを限定して解釈されるものでもない。

磁性特性を有するコア粉末として、所望の組成及び含有量を含む合金を選定する。同様に、所望の絶縁特性を実現することができる高分子材料を選定する。コア粉末及び高分子材料は、コア粉末１００ｗｔ％に対して１ｗｔ％以上５．０ｗｔ％以下の重量比で用意することができるが、高分子材料の物性に応じて重量比を適切に変更することができることは言うまでもない。このように用意されたコア粉末と高分子材料を、Ｖ型混合機、ボール、ミル、ビーズミル、各種の回転ミキサーを用いて乾式または湿式で撹拌混合する。混合は、５分から２００時間まで行うことができる。乾式混合とは異なって、湿式混合して高分子材料を磁性粉末上にコーティングする場合は、溶媒（ｓｏｌｖｅｎｔ）が適用されることは言うまでもない。上記攪拌混合が湿式である場合は、流動層乾燥機や噴霧乾燥機などを用いて乾燥することもできる。

このように得られた磁性粉末は、コア粉末に比較的均一な厚さで被覆される単一の絶縁層を含むことで、後述するインダクタの本体として用いられる際に、高透磁率及び優れたＱ特性を発揮することができる。

インダクタ
次に、本発明の他の一例として、上記磁性粉末を含むインダクタについて説明する。

図３は本発明の一例によるインダクタの断面図であり、図４ａ及び図４ｂは図３のＡ領域を拡大した実施例を示すものである。

図３を参照すると、本発明の一例によるインダクタ１００は、両端部を有するコイル１２が内蔵される本体１０と、上記本体１０の外部面の少なくとも一部に配置され、コイル１２の上記両端部とそれぞれ接続される第１及び第２外部電極２１、２２と、を含む。

上記本体内に内蔵されるコイル１２は、製造工法により、巻線型コイル、積層型コイル、薄膜型コイルに分けることができ、当業者が設計変更に応じて適宜選択することができる。コイルの形状は、スパイラル状であってもよく、平面コイルであってもよい。コイルの材質は、導電性に優れた材質であれば限定されず、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）などから選択された１種の金属またはこれらの合金で形成することができる。

上記本体１０は、上述した磁性粉末１を含む。以下、図３のＡ領域を拡大した図４ａ及び図４ｂを参照して説明する。

図４ｂは、図４ａと比較して、本体内の磁性粉末間の配列における磁性粉末同士が隣接している程度または磁性粉末の形状が異なるだけで、含まれる構成は実質的に同一である。したがって、以下では、図４ａを中心にインダクタの本体内のＡ領域を説明し、図４ｂについての説明は図４ａと異なる点を中心に説明する。

図４ａを参照すると、磁性粉末１内のコア粉末１ａは、その表面上に配置される絶縁層１ｂにより、他のコア粉末１ａ'と互いに隣接するように配置される。

全体的に見ると、本体１０は、コア粉末１ａに被覆された絶縁層１ｂが互いに接続されて形成されるマトリックス（ｍａｔｒｉｘ）内にコア粉末１ａを含有している形状を有すると見なすことができる。これは、本体１０が、絶縁層１ｂ内に含有される高分子材料の他に、別の硬化剤やバインダの残留物などを一切含んでいないことを意味する。

図４ａには、コア粉末１ａの形状が実質的に球形であることが示されているが、形状と平均粒径が互いに異なる２種類以上のコア粉末を混合して構成できることは言うまでもない。互いに異なる結晶粒径を有するコア粉末１ａを用いる場合は、本体１０内の磁性粉末の充填密度を高めることで透磁率を増加させることができる。また、コア粉末１ａの形状を異なるようにすることも可能である。例えば、コア粉末が、長軸と短軸が区別されるフレーク（Ｆｌａｋｅ）状を有する場合、コイル１２から発生する磁束密度を向上させることができる。

本体１０内に含まれるコア粉末１ａとその表面に被覆される絶縁層１ｂの体積比に関して説明すると、コア粉末１ａの体積１００ｖｏｌ％に対して絶縁層１ｂの体積が３ｖｏｌ％〜１５ｖｏｌ％含まれることが好ましい。絶縁層の体積が３ｖｏｌ％よりも少ない場合は十分な絶縁特性を発揮することができず、１５ｖｏｌ％よりも大きい場合は十分な透磁率を確保することが困難となる。

次に、上記本体内における絶縁層１ｂの機能を具体的に説明する。

まず、コア粉末１ａを被覆する絶縁層１ｂは、磁性粉末間に電気が通じないように絶縁する絶縁層の役割を果たす。これは、従来の無機絶縁層上に再びコーティングされる有機絶縁層に比べて比較的薄いながらも均一な厚さを有する絶縁特性の絶縁層を実現できるようにする。

また、コア粉末１ａを被覆する絶縁層１ｂは、熱処理を介してコア粉末と他のコア粉末を固定し、磁性粉末の強度を与えることができる硬化剤の役割を果たす。これは、本体の形成過程において磁性粉末の混合粉末を硬化処理すると、別の硬化剤の添加、例えば、フェノール（Ｐｈｅｎｏｌ）、酸無水物、アミンなどを追加しなくてもコア粉末１ａを直接被覆する絶縁層１ｂを介して磁性粉末が硬化されることを意味する。

次に、コア粉末１ａを被覆する絶縁層１ｂはバインダの役割を果たす。絶縁層１ｂが絶縁機能だけでなく、バインダ樹脂の機能を兼ねることができるため、別のバインダ樹脂が必ずしも必要ではない。もちろん、本体内にバインダ樹脂が添加されても関係ないが、バインダ樹脂を添加しない場合、透磁率を向上させ、コア損失も低減することができる。

続いて、図４ｂを参照すると、図４ａと同様に、磁性粉末１内のコア粉末１ａは、その表面上に配置される絶縁層１ｂにより、他のコア粉末１ａ'と互いに隣接するように配置される。

但し、図４ｂにおいて、磁性粉末のコア粉末１ａは、隣接するコア粉末１ａ'との隣接距離が図４ａに比べてさらに近い。その隣接程度は、互いに独立的なコア粉末１ａ、１ａ'が実質的に単一のコア粉末を形成する程度であってもよい。ここで、単一のコア粉末を形成するとは、硬化された本体内で異なるコア粉末の個々の粒径が肉眼では区別されない程度を意味することができる。もちろん、一つのチップインダクタ内の本体におけるコア粉末間の距離は様々であり、その距離は工程上加えられる硬化工程の温度や硬化圧力、絶縁層の厚さなどの様々な因子（ｆａｃｔｏｒ）によって多角的且つ複合的に決定される。

このように、本体内に含まれる磁性粉末１は単一の絶縁層１ｂを含み、その絶縁層は、絶縁機能、バインダ機能、及び硬化剤機能をともに実現することができるため、コア粉末として用いる材料の制限がなく高透磁率及び高いＱ値を実現するインダクタを提供することができる。

上記インダクタを製造する方法は、本体を成形すること以外は通常のインダクタを製造する方法と同一である。そのため、以下では、インダクタの本体１０を成形する方法を中心に説明する。

まず、上述した方法で製造された磁性粉末１を用意する。上記磁性粉末１は、コア粉末、及びその表面に直接被覆される絶縁層からなる。用意した磁性粉末をキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）に充填した後、金型（モールド）をクランプし、金型キャビティの内部に充填される磁性粉末を加圧する。加圧程度は、コア成形に適した程度で、例えば、５〜２０ｔ／ｃｍ^２（１ｔ＝１０００ｋｇ）であることが好ましい。その後、加圧された磁性粉末の成形体をキャビティから取り出し、適切な温度、例えば、１００℃〜３００℃で硬化する。このように製造された磁性コアの中心部にコイルを巻き取った後、これを通常のコア組立工程に応じて成形し、外部電極とコイルの引出部を互いに接続することでインダクタを完成する。

上記説明を除き、上述した本発明の一例による磁性粉末またはインダクタの特徴と重複する説明は省略する。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有するものには明らかである。

本発明で用いられた「一例」という表現は、互いに同一の実施例を意味せず、それぞれ互いに異なる固有の特徴を強調して説明するために提供されるものである。しかし、上記提示された一例は、他の一例の特徴と結合して実現されることを排除しない。例えば、特定の一例で説明された事項が他の一例で説明されていなくても、他の一例でその事項と反対であるか矛盾する説明がない限り、他の一例に関連する説明であると理解されることができる。

本発明で用いられた用語は、一例を説明するために説明されたものであり、本発明を限定しようとする意図ではない。このとき、単数の表現は文脈上明確に異なる意味でない限り、複数を含む。

１ 磁性粉末
１ａ コア粉末
１ｂ 絶縁層
１０ 本体
２１、２２ 第１及び第２外部電極
１００ インダクタ

Claims (20)

1. 磁性特性を有するコア粉末と、前記コア粉末の表面上に配置される絶縁層と、を含み、
   前記絶縁層は高分子材料を含み、
   前記絶縁層の内面は前記コア粉末の表面と接するように配置される、磁性粉末。
2. 前記コア粉末の全表面は前記絶縁層によって被覆され、前記絶縁層は単一層である、請求項１に記載の磁性粉末。
3. 前記絶縁層は熱硬化性エポキシ樹脂を含む、請求項１または２に記載の磁性粉末。
4. 前記コア粉末は、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ系アモルファス合金、Ｆｅ系ナノ結晶形成合金、Ｃｏ系アモルファス合金、Ｆｅ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｎ系合金、ＭｎＺｎ系フェライト、ＮｉＺｎ系フェライトなどから選択された１種以上を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁性粉末。
5. 前記絶縁層は、前記コア粉末１００ｗｔ％を基準に、１ｗｔ％以上５．０ｗｔ％以下の高分子材料を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁性粉末。
6. 前記コア粉末の重心から表面まで延長する直線上において、前記コア粉末の前記表面から前記絶縁層の表面に至るまでの距離は１．０ｎｍ以上５．０μｍ以下である、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁性粉末。
7. 前記コア粉末は中心部及び表面部において同一の組成物を含み、前記絶縁層は前記コア粉末の表面部上に直接配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁性粉末。
8. コイルを含む本体と、前記本体の外部面に配置される外部電極と、を含み、
   前記本体は高分子材料のマトリックス（ｍａｔｒｉｘ）内に磁性特性を有するコア粉末を含み、
   前記コア粉末は前記高分子材料によってそれに隣接するコア粉末と絶縁される、インダクタ。
9. 前記マトリックス内の前記高分子材料は、前記コア粉末の表面と直接接触する、請求項８に記載のインダクタ。
10. 前記高分子材料は熱硬化性エポキシを含む、請求項８または９に記載のインダクタ。
11. 前記本体内の前記コア粉末の体積を１００ｖｏｌ％としたとき、前記高分子材料のマトリックスの体積比は３ｖｏｌ％以上１５ｖｏｌ％以下である、請求項８から１０のいずれか一項に記載のインダクタ。
12. 前記コア粉末の中央部及び表面部は同一の組成を有し、前記コア粉末の境界である前記表面部は、前記コア粉末の組成と異なる組成を有する追加の無機物層を含まない、請求項８から１１のいずれか一項に記載のインダクタ。
13. それぞれの前記コア粉末の全表面は高分子材料の絶縁層でコーティングされる、請求項８から１２のいずれか一項に記載のインダクタ。
14. それぞれの前記コア粉末は前記コア粉末上にコーティングされた単一の絶縁層のみを含む、請求項１３に記載のインダクタ。
15. 前記マトリックス内に含まれる高分子材料以外の残留硬化剤または残留バインダの含有量は０ｗｔ％である、請求項８から１４のいずれか一項に記載のインダクタ。
16. 磁性特性を有し、中心部及び表面部において同一の組成物を含むコア粉末と、
    高分子材料を含み、前記コア粉末の表面上に直接配置されて前記コア粉末の表面部と接触する絶縁層と、を含む、磁性粉末。
17. 前記コア粉末の全表面は前記絶縁層でコーティングされる、請求項１６に記載の磁性粉末。
18. 単一の絶縁層のみが前記コア粉末上に配置される、請求項１６または１７に記載の磁性粉末。
19. 前記コア粉末はいかなる酸化層も含まない、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の磁性粉末。
20. 前記絶縁層は前記コア粉末上において均一な厚さを有する、請求項１６から１９のいずれか一項に記載の磁性粉末。