JP2018116985A - インダクタ素子およびインダクタ素子の製造方法 - Google Patents

インダクタ素子およびインダクタ素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】耐電圧、インダクタンスおよび直流重畳特性が優れたインダクタ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】コイル状に導体5が巻回してある巻線部4を有するインサート部材を準備する工程と、磁性粉体および樹脂を含む顆粒を予備圧縮成形して複数の予備成形体60a、60bを得る工程と、複数の予備成形体60a、60bの接合界面が断続的に形成されるように、インサート部材および複数の予備成形体60a、60bを一体化する工程と、を有する。
【選択図】図2

Description

本発明は、インダクタ素子およびインダクタ素子の製造方法に関する。
インダクタ素子の一例として、金属磁性粉に樹脂を加えて加圧成形して得られるコアの内部にコイルを埋設しているインダクタ素子が知られている。
下記の特許文献1には、磁性粉末と熱硬化性樹脂とを混合し、加圧成形して2個の圧粉体を成形し、それらの圧粉体でコイル部を挟み込むように再加圧するとともに熱硬化を行うコイル部品の製造方法が記載されている。そして、それらの圧粉体は再加圧成形する際に圧粉体の形状が崩れない硬度の強硬度部と圧粉体の形状が崩れる硬度の弱硬度部を設け、再圧縮により弱硬度部を崩しながら成形を行っている。
しかしながら、特許文献1の技術では、圧粉体の一部を崩して再圧縮して成形する必要がある。近年、コイル部品の大電流化が進み、コイルの直流重畳特性の向上が求められている。直流重畳特性の向上のためには、密度を高密度にすることが求められている。
また、再加圧成形時に弱硬度部の形状が崩れやすいために十分な圧力伝達が行えず、特に圧粉体同士を接合させる部分の密度が低くなりやすい。すなわち、最終的に得られるインダクタ素子において、コアの密度ムラが生じやすい。さらに、密度を高くするために再加圧成形時の圧力を高くしようとすると、コイル被膜が破れたり、金型内壁と磁性粉末表面との擦れが発生したりして、耐電圧を低下させやすい。
特開2002−252120号公報
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、耐電圧、インダクタンスおよび直流重畳特性が優れたインダクタ素子の製造方法を提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明に係るインダクタ素子の製造方法は、
コイル状に導体が巻回してある巻線部を有するインサート部材を準備する工程と、
磁性粉体および樹脂を含む顆粒を2.5×10〜1×10MPaの圧力で予備圧縮成形して複数の予備成形体を得る工程と、
前記複数の予備成形体の接合界面が断続的に形成されるように、前記インサート部材および前記複数の予備成形体を一体化する工程と、を有する。
上記の製造方法により製造されたインダクタ素子は、耐電圧、インダクタンスおよび直流重畳特性が全て優れる。
前記インサート部材および前記複数の予備成形体を一体化する工程が本圧縮により行われてもよい。
前記インサート部材および前記複数の予備成形体を一体化する工程において、前記巻線部内の導体と前記予備成形体の隙間部に磁性粉体および樹脂を入り込ませていてもよい。
前記本圧縮時の圧力が、前記予備圧縮成形時の圧力と同等以下であってもよい。
本発明のインダクタ素子は、
コイル状に導体が巻回してある巻線部と、
前記巻線部の周囲を囲み、磁性粉体と樹脂とを含むコア部と、を有するインダクタ素子であって、
前記コア部に接合界面が断続的に形成されている。
図1は本発明の一実施形態に係るインダクタ素子の製造方法により製造されるインダクタ素子の断面図である。 図2は図1に示すインダクタ素子の製造過程に用いる予備成形体およびインサート部材を表す斜視図である。 図3は図2に示すIII−III線に沿う断面図である。 図4は本発明の他の実施形態に係るインダクタ素子の製造方法により製造されるインダクタ素子の断面図である。 図5は図4に示すインダクタ素子を製造する過程で用いる予備成形体およびインサート部材の斜視図である。 図6は図5のVI−VI線に沿う断面図である。 図7は本発明の他の実施形態に係るインダクタ素子の製造方法により製造されるインダクタ素子の断面図である。 図8は図7に示すインダクタ素子を製造する過程で用いる予備成形体およびインサート部材の斜視図である。 図9は図8のIX−IX線に沿う断面図である。 図10は本発明の他の実施形態に係るインダクタ素子の製造方法により製造されるインダクタ素子を表す断面図である。 図11は図10に示すインダクタ素子を製造する過程で用いる予備成形体およびインサート部材斜視図である。 図12は図11のXII―XII線に沿う断面図である。 図13は本発明の実施例および比較例の特性を表すグラフである。 図14は接合界面の定義を説明するための概略図である。
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されない。
第1実施形態
図1に示すように、本発明の一実施形態におけるインダクタ素子の製造方法により製造されるインダクタ素子2は、巻線部4と、コア部6と、を有する。巻線部4では、導体5がコイル状に巻回してある。コア部6は、巻線部4の内周側に位置する内周部(中芯部とも言う)6aと、巻線部4の外周側に位置する外周部6bと、を有する。巻線部4を構成する導体5とコア部6の隙間部6cには、コア部6を構成する磁性体粉および樹脂が入り込んでいる。
本実施形態のインダクタ素子2は、コア部6の上面および下面がZ軸に対して略垂直であり、コア部6の側面は、X軸およびY軸を含む平面に対して略垂直となっている。また、巻線部4の巻軸はZ軸に対して略平行となっている。ただし、コア部6の形状は、図1の形状に限定されず、円柱形、楕円柱などであっても良い。
本実施形態のインダクタ素子2のサイズは、特に限定されないが、例えば、リード部5a,5bを除く部分が、(2〜17)mm×(2〜17)mm×(1〜7)mmの直方体または立方体に含まれるサイズである。なお、図1では、図2に示す巻線部4のリード部5a,5bの図示が省略してある。巻線部4を構成する導体4の両端に形成してあるリード部5a,5bは、図1に示すコア部6の外部に取り出されるようになっている。
巻線部4を構成する導体(導線)5には、必要に応じて外周を絶縁被覆層で被覆してある。導体5としては、たとえばCu、Al、Fe、Ag、Au、あるいはこれらの金属を含む合金などで構成してある。絶縁被覆層は、たとえばポリウレタン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリエステル−イミド、ポリエステル−ナイロンなどで構成してある。導体5の横断面形状は、特に限定されず、円形、平角形状などが例示される。本実施形態では、導体5の横断面形状は円形としている。
コア部6は、磁性粉体および樹脂(バインダ)を有する。磁性粉体の材質としては、特に限定されないが、Mn−Zn、Ni−Cu−Znなどのフェライト、Fe−Si(鉄―シリコン)、センダスト(Fe−Si−Al;鉄−シリコン−アルミニウム)、Fe−Si−Cr(鉄−シリコン−クロム)、パーマロイ(Fe−Ni)、などの金属が例示される。磁性粉体の結晶構造には特に限定はなく、アモルファス、結晶質などが例示される。樹脂の種類としては、特に限定されないが、たとえばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、シリコン樹脂、これらを組み合わせたものなどが例示される。
本実施形態では、コア部6の内部に、接合界面7が断続的に形成されている。図1のインダクタ素子のZ軸に沿った断面において、図14に示すように、連続して3対以上の磁性粒子100が相互に接しない領域が、断面写真において直線状に観察される。観察される直線を接合界面7と定義する。
図14では接合界面7はZ軸と垂直に形成されている。接合界面7はZ軸と垂直に形成される場合が多い。しかし、接合界面7はZ軸と垂直でなくてもよい。また、図14に示すように、複数の磁性粒子100の間には樹脂102が存在する。なお、接合界面7が断続的に形成されていることは、インダクタ素子断面の低加速電圧SEMなどで確認できる。
次に、図1に示すインダクタ素子2の製造方法について図2および図3を用いて説明する。
本発明の一実施形態におけるインダクタ素子の製造方法により製造されるインダクタ素子2は、2つの予備成形体60a,60bと、空芯コイルなどで構成される巻線部4を有するインサート部材と、を一体化することにより製造される。巻線部4を構成する導体5の両端は、リード部5a,5bとして、巻線部4の外側に引き出されている。端子(図示せず)はリード部5a,5bと本圧縮後に接続してもよいし、本圧縮前に予め接続しておいてもよい。
各予備成形体60a,60bには、それぞれ接合予定面70a,70bが形成してあり、それらが相互に突き合わされて接合され、図1に示す断続的な接合界面7となる。それぞれの接合予定面70a,70bには、それぞれ巻回部4の上半部および下半分を収容するための収容凹部90a,90bが形成してある。収容凹部90a,90bの大きさは、インサート部材としての巻線部4が、その内外周および巻軸方向端部が接触して入り込める程度の大きさである。
また、いずれか一方または双方の接合予定面70a,70bには、リード部5a,5bをコア部6の外側に引き出すための引出溝80が形成してある。なお、図2には一対のリード部5a,5bを記載しているが、図3では一対のリード部5a,5bを省略している。
まず、予備成形体60a,60bの原料となる顆粒を製造する。顆粒の製造方法には特に制限はない。たとえば磁性粉体に樹脂を添加し撹拌した後に乾燥させることで製造することができる。
磁性粉体の粒径に特に制限はないが、例えば平均粒径が0.5〜50μmの磁性粉体を用いることができる。樹脂としては、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、シリコン樹脂、これらを組み合わせたものなどが例示される。また、磁性粉体と樹脂とを混合する前に、磁性粉体表面に絶縁被膜を形成してもよい。例えば、ゾルゲル法によりSiO膜である絶縁被膜を形成することができる。
また、磁性粉体に樹脂を添加し撹拌した後にメッシュを通過させることで粗大な顆粒を取り除いてもよい。また、樹脂は磁性粉体に添加する際に溶媒で希釈してもよい。溶媒としては、例えばケトン類等が用いられる。
樹脂の含有量には特に制限はないが、磁性粉体100wt%に対して1.0〜6.0wt%含有することが好ましい。樹脂の含有量を適量とすることにより、後述する本圧縮時に接合予定面70a,70bを接合しやすくなる。
予備成形体60a,60bは、前記磁性粉体および前記樹脂を含む顆粒を金型のキャビティ内に充填し、予備圧縮成形して製造される。予備圧縮成形時の圧力は2.5×10〜1×10MPa(2.5〜10t/cm)である。また、予備成形体60a,60bの密度には特に制限はないが、たとえば、4.0〜6.5 g/cmである。予備圧縮成形時の圧力を2.5×10〜1×10MPaとすることで、後述する本圧縮後に生じる巻線部4の位置の歪みおよび/または巻線の形状の歪みを防止し、耐電圧、インダクタンスおよび直流重畳特性が全て優れたインダクタ素子を製造することができる。
次に、得られた予備成形体60a,60bおよびインサート部材を図2および図3に示す態様で、予備成形体製造時とは別の金型のキャビティ内に配置し、本圧縮(圧着)を行うことでインダクタ素子2を得ることができる。本圧縮時の圧力には特に制限はないが、たとえば1×10〜8×10MPa(1〜8t/cm)である。また、本圧縮時の圧力は予備圧縮成形時の圧力(100%)に比較して、好ましくは、40〜80%程度に低く、さらに好ましくは50〜60%程度に低い。本圧縮時の圧力を低くすることで、本圧縮後に生じる巻線部4の位置の歪みおよび/または巻線の形状の歪みを防止し、予備圧縮成形時の圧力が本圧縮時の圧力と比べて大きいほど耐電圧特性が向上する傾向にある。
また、本圧縮後に金型から取り出したインダクタ素子2に対して加熱を行うことで樹脂を完全硬化させることが好ましい。具体的には、金型から取り出したインダクタ素子2に対して、樹脂が硬化開始する温度よりも高い温度で加熱することにより、樹脂を完全硬化させることが好ましい。
上記の製造方法で得られるインダクタ素子2は、接合界面7以外では、予備成形体60a,60bがそのまま残るため、巻線部4の位置の歪みおよび/または巻線の形状の歪みを防止し、コア部6を高密度に形成することができる。したがって、インダクタンスおよび直流重畳特性を向上させながら耐電圧も向上させることができる。また、本圧縮時に、予備圧縮成形時よりも低い圧力で圧着することで、接合予定面70a,70bおよびその近傍が部分的に流動して混じり合い、接合界面7が形成される。
本実施形態では、最終的に得られるインダクタ素子2のコア部6について、均一かつ高密度で作製できる。その結果、従来のインダクタ素子よりもインダクタンスおよび直流重畳特性を向上させることができる。
第2実施形態
以下、第2実施形態について図4〜図6を用いて説明するが、第1実施形態と共通する点(共通する構成および作用効果など/以下同様)については説明を省略する。
図4に示すように、第2実施形態のインダクタ素子2Aは、第1実施形態のインダクタ素子2とは接合界面7の位置が異なる。
第2実施形態のインダクタ素子2Aを製造する方法としては、たとえば、図5および図6に示すように、板形状の予備成形体60a1およびポット形状の予備成形体60b1を準備する方法がある。板形状の予備成形体60a1の接合予定面70a1と、ポット形状の予備成形体60b1の接合予定面70b1とが接合して、図4に示す接合界面7が断続的に形成される。また、接合界面7の位置の変化に伴い、図5に示すリード部5a,5bの位置が変化している。
第3実施形態
以下、第3実施形態について図7〜図9を用いて説明するが、第1実施形態および第2実施形態と共通する点(共通する構成および作用効果など/以下同様)については説明を省略する。
図7に示すように、第3実施形態のインダクタ素子の製造方法により製造されるインダクタ素子2Bでは、接合界面が7a1,7a2,7b1,7b2,7cと第1実施形態よりも多く存在する。具体的には、中芯部6a2と外周部6b2との間に断続的に接合界面7a2,7b2が形成され、外周部6b2の内部にも、Z軸方向に所定間隔で断続的に接合界面7a1,7b1,7cが形成されている。接合界面が多いほど直流重畳特性が向上する傾向にある。
第3実施形態のインダクタ素子2Bを製造する方法としては、たとえば、図8および図9に示すように、5個の予備成形体60c,60d,60e,60f,60gを準備する方法がある。板形状の予備成形体60cの接合予定面70cと、リング形状の予備成形体60dの接合予定面70d1とが接合して、図7に示す接合界面7a1が断続的に形成される。
図8に示す予備成形体60cの接合予定面70cと、円柱状の予備成形体60eの接合予定面70d2とが接合して、図7に示す接合界面7a2が断続的に形成される。図8に示すリング形状の予備成形体60dの接合予定面70eと、同じくリング形状の予備施成形体60fの接合予定面70gとが接合して、図7に示す接合界面7cが断続的に形成される。
図8に示すリング形状の予備施成形体60fの接合予定面70f1と、板形状の予備成形体60gの接合予定面70hとが接合して、図7に示す接合界面7b1が断続的に形成される。図8に示す円柱形状の予備成形体60eの接合予定面70f2と、板形状の予備成形体60gの接合予定面70hとが接合して、図7に示す接合界面7b2が断続的に形成される。
第4実施形態
以下、第4実施形態について図10〜図12を用いて説明するが、第1実施形態〜第3実施形態と共通する点については説明を省略する。
図10に示すように、第4実施形態のインダクタ素子の製造方法により製造されるインダクタ素子2Cは、中芯部6a3と外周部6b3との間に接合界面7a3および7b3が断続的に形成されており、外周部6b3のZ軸方向の中間部内部にも接合界面7c3が断続的に形成されている。
第4実施形態のインダクタ素子2Cを製造する方法としては、たとえば、図11および図12に示すように、3個の予備成形体60e2,60h,60iを準備する方法がある。そして、接合予定面70iと接合予定面70mとが接合して接合界面7c3が断続的に形成される。接合予定面70jと接合予定面70kとが接合して接合界面7a3が断続的に形成される。接合予定面70lと接合予定面70nとが接合して接合界面7b3が断続的に形成される。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
実施例1
実施例1では、図2および図3に示す形状の予備成形体を予備圧縮成形にて作製し、その後、本圧縮を行い図1に示す形状のインダクタ素子を得た。
まず、金型のキャビティ内に充填する顆粒を準備した。磁性粉末としてFe−Si−Cr合金(平均粒径25μm)を用意し、磁性粉末表面にゾルゲル法を用いたSiO膜である絶縁被膜を形成した。上記磁性粉末にアセトンに希釈したエポキシ樹脂を、磁性粉末全体を100重量%として3重量%加え攪拌した。撹拌した後に、250ミクロンの目開きのメッシュをパスさせ、室温で24時間乾燥させ、金型のキャビティ内に充填する顆粒を得た。
金型のキャビティ内に前記顆粒を充填し、予備圧縮成形を行い、図2および図3に示す形状の予備成形体を作製した。予備圧縮成形時の圧力は下記表1に示す圧力とした。
次に、作製した予備成形体およびインサート部材を、予備圧縮成形に用いた金型とは別の金型のキャビティ内に配置した。キャビティ内部に、図2および図3に示す2個の予備成形体と、内径4mm、高さ3mmの巻線部を有するインサート部材と、を図2および図3に示す態様で配置した。
次に、図3のZ軸方向の上下から加圧して本圧縮した。本圧縮時の成形圧力は表1に示す圧力とした。
その後に、金型から成形体を取り出し、前記エポキシ樹脂が硬化開始する温度(110℃)よりも高い180℃で1時間の加熱処理を行い、前記エポキシ樹脂を硬化させ、表1に示す各実施例のインダクタ素子のサンプル(試料番号1〜3)を得た。得られたコア部の寸法は、縦7mm×横7mm×高さ5.4mmであった。
このようにして得られたインダクタ素子のサンプルについて、インダクタンス、直流重畳特性および耐電圧を測定した。結果を表1に示す。
インダクタンスの測定は、測定周波数100KHz、測定電圧0.5mVで、LCRメータ(ヒューレットパッカード(株)製)を用いて行った。
直流重畳特性の測定は、各インダクタ素子のサンプルに直流電流を0から印加していき、電流0の時のインダクタンス(μH)に対して、80%に低下する時に流れる電流の値(アンペア)をIdc1とし、Idc1の数値で評価した。
耐電圧の測定は、各インダクタ素子の側面と対向する側面との間にKEYSIGHT製 DC POWER SUPPLY および LCRメータを用いて電圧を印加し、0.5mAの電流が流れたときの電圧を耐電圧とした。
比較例1
比較例1では、予備成形圧縮時および本圧縮時の圧力以外は実施例1と同様の方法で予備成形体を作製し、本圧縮を行い、表1に示す各比較例のインダクタ素子のサンプル(試料番号11〜13)を得た。結果を表1に示す。
Figure 2018116985
表1より、本願実施例1に該当する試料番号1〜3は、本願比較例1に該当する試料番号11〜13と比較してインダクタンスおよび直流重畳特性が優れている。また、実施例1では予備成形圧力が大きくなるほど耐電圧が向上したが、比較例1では本圧縮時の圧力が大きくなるほど耐電圧が低下した。また、試料番号1〜3では断続的な接合界面が形成されていた。
比較例1では、本圧縮時の圧力が大きくなるほどコイル被膜が剥離したり、成形用の金型と磁性粉末との間で摩耗が生じたりすることでショートしやすくなり耐電圧が低下する。これに対し、実施例1では予め高密度に成形した予備成形体を比較的低圧で本圧縮するため、本圧縮時のコイルのダメージが小さい。したがって、実施例1では本圧縮時の圧力が大きくなっても耐電圧が低下しない。
実施例2
図8,図9に示す形状の5個の予備成形体を作製し、図7に示す態様で本圧縮を行った点以外は試料番号1と同様にして試料番号31のインダクタ素子を作製した。
比較例2
実施例1の試料番号1と同様に顆粒を作製したのちに、本圧縮用の金型のキャビティにインサート部材を配置し、顆粒を充填させ、予備圧縮成形なしで本圧縮を行った。予備圧縮成形なしで本圧縮を行った点以外は実施例1の試料番号1と同様にして試料番号51のインダクタ素子を作製した。
上記各実施例および比較例の試料番号1〜3,11〜13,31,51についてインダクタンスおよび直流重畳特性を測定し、図13にまとめた。
図13より、本願実施例、試料番号1〜3,31のインダクタ素子は、本願比較例、試料番号11〜13,51のインダクタ素子と比べてインダクタンスおよび直流重畳特性が優れていることがわかる。さらに、予備成形体の個数が多く接合界面が多い試料番号31は予備成形体の個数が少なく接合界面が少ない試料番号1と比較して直流重畳特性が優れている。また、比較例1、試料番号11のインダクタ素子は、予備成形体を形成せず本圧縮のみを行う方法で実施した比較例2、試料番号51のインダクタ素子とインダクタンスおよび直流重畳特性が同等であった。
2,2A,2B,2C… インダクタ素子
4… 巻線部
5… 導体
5a,5b… リード部
6,6A,6B,6C… コア部
6a,6a1,6a2,6a3… 内周部
6b,6b1,6b2,6b3… 外周部
6c… 導体の隙間部
6d… 中間位置
7,7a1,7a2,7a3,7b1,7b2,7b3,7c,7c3… 接合界面
60a〜60k… 予備成形体
70a〜70n… 接合予定面
80… 引出溝
90a,90b… 収容凹部

Claims (5)

  1. コイル状に導体が巻回してある巻線部を有するインサート部材を準備する工程と、
    磁性粉体および樹脂を含む顆粒を2.5×10〜1×10MPaの圧力で予備圧縮成形して複数の予備成形体を得る工程と、
    前記複数の予備成形体の接合界面が断続的に形成されるように、前記インサート部材および前記複数の予備成形体を一体化する工程と、を有するインダクタ素子の製造方法。
  2. 前記インサート部材および前記複数の予備成形体を一体化する工程が本圧縮により行われる請求項1に記載のインダクタ素子の製造方法。
  3. 前記インサート部材および前記複数の予備成形体を一体化する工程において、前記巻線部内の導体と前記予備成形体の隙間部に磁性粉体および樹脂を入り込ませる請求項1または2に記載のインダクタ素子の製造方法。
  4. 前記本圧縮時の圧力が、前記予備圧縮成形時の圧力と同等以下である請求項2または3に記載のインダクタ素子の製造方法。
  5. コイル状に導体が巻回してある巻線部と、
    前記巻線部の周囲を囲み、磁性粉体と樹脂とを含むコア部と、を有するインダクタ素子であって、
    前記コア部に接合界面が断続的に形成されているインダクタ素子。
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