JP2020113644A - コア部品、その製造方法、およびインダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】導線を巻線部に整列した状態で精度よく巻回することができるコア部品、その製造方法、およびコア部品を用いたインダクタを提供する。【解決手段】周面に導線が巻回される柱状の巻線部２と、この巻線部２の軸方向両端に巻線部２と一体に形成されたフランジ部３とを備えた、無機粉末の焼結体からなるコア部品１であり、巻線部２とフランジ部３とが交わるコーナ部２０の曲率半径が、導線の径と等しいか、それよりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、無機粉末の焼結体からなるコア部品、その製造方法、およびインダクタに関する。

従来、フェライトコア等のコア部品の巻線部に導線、例えばポリウレタンやポリエステル等の絶縁材料で被覆された導線を巻回する場合、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、コア部品１００の巻線部１０１の両端に設けられたフランジ部１０２のいずれか一方に導線１０３の端部を固定し、導線１０３を巻線部１０１の一端側から他端側に送りながら、隣り合う導線１０３、１０３同士を当接させることによって、導線１０３は巻線部１０１に整列した状態で装着される（特許文献１）。図５（ａ）において、符号１０４は導線１０３の両端を接続する取出電極である。

ところで、昨今、特許文献２に示すように、携帯端末等の電子機器は小型化が進み、そのような電子機器に搭載されるフェライトコアに対しても小型化の要求が高くなりつつある。
また、特許文献１では、巻線部に巻回される導線も細線化が進み、その径が２０μｍ程度と極細であることが示されている。

しかし、導線の細線化が進むと、巻線部の外周面へ導線を精度よく巻回するのが困難であり、特に巻線部とフランジ部とが交わるコーナ部において巻きずれが発生しやすかった。

特開平５−２７５２５６号公報 特開２０１７−２０４５９６号公報

本開示の課題は、導線を巻線部に整列した状態で精度よく巻回することができるコア部品、その製造方法、および上記コア部品を用いたインダクタを提供することである。

上記課題を解決するための本開示のコア部品は、周面に導線が巻回される柱状の巻線部と、この巻線部の軸方向両端に巻線部と一体に形成されたフランジ部とを備えた、無機粉末の焼結体からなり、巻線部とフランジ部とが交わるコーナ部の曲率半径が、前記導線の径と等しいか、それよりも小さいことを特徴とする。
本開示のコア部品の製造方法は、巻線部およびフランジ部を形成するための円弧状の加圧面を有する上パンチと下パンチとの間に無機粉末を充填し加圧成形する工程と、加圧成形した成形体を焼成する工程と、を含み、少なくとも前記巻線部を形成する部位の前記上パンチの加圧面と下パンチの加圧面は、曲率半径が異なっており、かつ巻線部とフランジ部とが交わるコーナ部に対応する部位の曲率半径が、前記導線の径と等しいか、それよりも小さく、前記加圧成形時の成形圧が９８ＭＰａ以上である、ことを特徴とする。
本開示のインダクタは、上記コア部品の巻線部に導線が巻回されてなる。

本開示のコア部品は、巻線部とフランジ部とが交わるコーナ部の曲率半径が、導線の径と等しいか、それよりも小さいので、コーナ部での巻きづれの発生が抑制され、導線を巻線部に整列した状態で精度よく巻回することができる。
本開示の製造方法によれば、高圧力で加圧成形できるので、巻線部とフランジ部とが交わるコーナ部の曲率半径を、導線の径と等しいか、それよりも小さくすることができる。

（ａ）は本開示の一実施形態に係るコア部品を示す側面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）はＹ−Ｙ線断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ本開示の一実施形態に係るコア部品を成形型で成形する様子を示す横断面図および縦断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ成形型で成形後の様子を示す横断面図および縦断面図である。 （ａ）はコア部品の部分拡大断面図、（ｂ）は他のコア部品の部分拡大断面図である。 （ａ）は導線を巻回した通常のコア部品の斜視図、（ｂ）はその縦断面図である。

以下、本開示の一実施形態に係るコア部品を説明する。図１（ａ）に示すように、コア部品１は、柱状の巻線部２と、この巻線部２の軸方向両端に巻線部２と一体に形成されたフランジ部３とを備えた、フェライトの他、アルミナなどの無機粉末の焼結体からなる。巻線部２には図示しない導線が巻回される。導線の両端は、フランジ部３に形成された取出電極に接続される。例えば、巻線部２の軸方向における長さは、１ｍｍ〜２ｍｍ、直径は、０．５ｍｍ〜２ｍｍである。また、それぞれのフランジ部３の軸方向における長さ（幅）は、０．２ｍｍ〜０．８ｍｍ、直径は、１．５ｍｍ〜４ｍｍである。

図１（ａ）に示すように、巻線部２とフランジ部３とが交わるコーナ部２０の曲率半径は、導線の径と等しいか、それよりも小さいのが好ましい。具体的には、コーナ部２０の曲率半径は４０μｍ以下、好ましくは１０〜３０μｍであるのがよい。

これによりコーナ部での巻きづれの発生が抑制され、導線を巻線部に整列した状態で精度よく巻回することができる。

本実施形態のコア部品１は、図１（ｂ）に示すように、巻線部２を軸方向に垂直な断面で観察したとき、巻線部２の表層部２１は、ボイドの面積占有率が巻線部２の内部２２よりも小さい。例えば、巻線部２の表層部２１におけるボイドの面積占有率が０．５〜３％である。
これにより、巻線部２の表層部２１は緻密であるので、導線を巻線部に精度よく巻回することができ、また巻線部２の強度が向上し、変形に対する耐性が向上し、脱粒も抑制される。

ここで、表層部２１とは、巻線部２の表面から軸心に向かって深さが０．２２ｍｍ以内の領域をいう。内部２２とは、表層部２１を除く領域をいう。また、ボイドの面積占有率を求めるには、例えば、平均粒径が１μｍのダイヤモンド砥粒を用いて研磨して得られる表層部２１および内部２２のそれぞれの鏡面（この鏡面が巻線部２の軸方向に垂直な断面である）のうち、ボイドの大きさや分布が平均的に観察される部分を選択し、例えば、面積が３．８４×１０^-2ｍｍ²（横方向の長さが０．２２６ｍｍ、縦方向の長さが０．１７０ｍｍ）となる範囲を走査型電子顕微鏡で倍率を５００倍として撮影した観察像を得る。そして、この観察像を対象にして、画像解析ソフト「Ａ像くん(ｖｅｒ２．５２)」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製、なお、以降の説明において画像解析ソフト「Ａ像くん」と記した場合、旭化成エンジニアリング（株）製の画像解析ソフトを示すものとする。）を用いて、粒子解析という手法によりボイドの面積占有率を求めることができる。

ボイドの面積占有率は、フランジ部３についても巻線部２と同様の関係を有してもよい。すなわち、図１（ｃ）に示すように、フランジ部３を軸方向に垂直な断面で観察したとき、フランジ部３の表層部３１は、ボイドの面積占有率がフランジ部３の内部３２よりも小さい。例えば、フランジ部３の表層部３１におけるボイドの面積占有率が０．５〜４％である。

また、巻線部２の少なくとも表層部２１における、下記式で示される、隣接するボイド間の間隙Ｃは６〜１２μｍであるのが好ましい。
式：Ｃ＝Ｌ−Ｒ
但し、Ｌは表層部２１または内部２２において隣接するボイド間の重心間距離の平均値、Ｒは表層部２１または内部２２におけるボイドの円相当径の平均値である。
このとき、表層部２１のボイドは、内部２２に存在するボイドよりも、隣接するボイド間の間隙Ｃが大きいのがより好ましい。具体的には、上記式から得られる、表層部２１における前記ボイド間の間隙Ｃ_S1と、内部２２における前記ボイド間の間隙Ｃ_S2との差が１μｍ以上であるのがよい。

上記のように、巻線部２の少なくとも表層部２１におけるボイド分布が疎であるので、ボイドの内部や輪郭から生じる脱粒が減少し、導線を巻線部に巻回する場合に導線に断線等の損傷を与えにくくなる。

巻線部２と同様に、フランジ部３の表層部３１に存在するボイドは、内部３２に存在するボイドよりも、上記式で示される、隣接するボイド間の間隙Ｃが大きくてもよい。具体的には、表層部３１におけるボイド間の間隙Ｃ_F1と、内部３２における前記ボイド間の間隙Ｃ_F2との差が１μｍ以上である。
ここで、表層部３１とは、フランジ部３の表面から軸心に向かって深さが０．２２ｍｍ以内の領域をいう。内部３２とは、表層部３１を除く領域をいう。

ボイド間の重心間距離の平均値およびボイドの円相当径の平均値は、以下の方法で求めることができる。
まず、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨して得られる表層部および内部のそれぞれの鏡面（この鏡面が巻線部２の軸方向に垂直な断面である）のうち、ボイドの大きさや分布が平均的に観察される部分を選択し、例えば、面積が３．８４×１０^-2ｍｍ²（横方向の長さが０．２２６ｍｍ、縦方向の長さが０．１７０ｍｍ）となる範囲を走査型電子顕微鏡で倍率を５００倍として撮影して観察像を得る。次に、前記した画像解析ソフト「Ａ像くん」を用いて、分散度計測の重心間距離法という手法によりボイドの重心間距離の平均値を求めることができる。

また、上述した観察像と同じ観察像を用いて、画像解析ソフト「Ａ像くん」による粒子解析という手法で解析することによって、ボイドの円相当径の平均値を求めることができる。

重心間距離法および粒子解析の設定条件としては、例えば、画像の明暗を示す指標であるしきい値を８３、明度を暗、小図形除去面積を０．２μｍ²、雑音除去フィルタを有とすればよい。なお、上述の測定に際し、しきい値は８３としたが、観察像の明るさに応じて、しきい値を調整すればよく、明度を暗、２値化の方法を手動とし、小図形除去面積を０．２μｍ²および雑音除去フィルタを有とした上で、観察像においてしきい値によって大きさが変化するマーカーがボイドの形状と一致するようにしきい値を手動で調整すればよい。

巻線部２は、表面の粗さ曲線における２５％の負荷長さ率での切断レベルと、前記粗さ曲線における７５％の負荷長さ率での切断レベルとの差を表す、前記粗さ曲線の切断レベル差（Ｒδｃ）が０．２μｍ以上２μｍ以下である。切断レベル差（Ｒδｃ）は軸方向および径方向両方を表すパラメータである。
また、同様に、フランジ部３表面の粗さ曲線の切断レベル差Ｒδｃも０．２μｍ以上２μｍ以下であるのが好ましい。

切断レベル差（Ｒδｃ）０．２μｍ以上であることにより、導線に対して、適切なアンカー効果を与えることができる。そのため導線の滑りが適度に抑制されて、巻回装着が容易になり、導線の巻線部２への巻回をずれなく高精度で行うことができ、巻きずれ等の発生を防止することができる。一方、切断レベル差（Ｒδｃ）２μｍ以下であることにより、券回される導線の間隔のばらつきおよび隣り合う導線の高低差を抑制することができる。

また、粗さ曲線における二乗平均平方根高さ（Ｒｑ）が０．０７μｍ以上２．５μｍ以下であるのが好ましい。
二乗平均平方根高さ（Ｒｑ）が０．０７μｍ以上であると、導線に対して、適切なアンカー効果を与えることができるため装着が容易になる。一方、二乗平均平方根高さ（Ｒｑ）が２．５μｍ以下であると、導線を券回する場合、断線のおそれを低減することができる。

巻線部２は、後述するように、下パンチ５および上パンチ６で高圧力にて加圧成形されるため、巻線部２の表層部２１は、図１（ａ）に示すフランジ部３の内側部の表層部３１´よりも緻密質である。そのため、導線を券回する場合、券回に伴って生じる脱粒のおそれを低減することができる。

上記粗さ曲線の切断レベル差Ｒδｃおよび二乗平均平方根高さ（Ｒｑ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に準拠し、超深度カラー３Ｄ形状測定顕微鏡（例えば(株)キーエンス社製のＶＫ−９５００等）によって測定することができる。測定条件は、測定モードをカラー超深度、ゲイン：９５３、高さ方向の測定分解能（ピッチ）：０．０５μｍ、倍率：４００倍、カットオフ値λ_s：２．５μｍ、カットオフ値λ_c：０．０８ｍｍである。
ここで、１箇所当りの測定範囲は、巻線部２を測定の対象とする場合、５８０μｍ〜７００μｍ×２８０μｍ〜３８０μｍとし、フランジ部３を測定の対象とする場合、７０μｍ〜１７０μｍ×５００μｍ〜５５０μｍとすればよい。

次に、プレス成形によるコア部品１の製造方法を図２および図３に基づいて説明する。図２（ａ）、（ｂ）はそれぞれコア部品１の成形状態を示す横断面図および縦断面図である。
使用するプレス成形装置は、ダイス４、下パンチ５および上パンチ６を備えている。下パンチ５は第１下パンチ５１および第２下パンチ５２からなる。上パンチ６は第１上パンチ６１および第２上パンチ６２からなる。

図２（ａ）に示すように、下パンチ５および上パンチ６は、それぞれ巻線部２およびフランジ部３を形成するための円弧状の加圧面５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂを有する。巻線部２およびフランジ部３を形成する部位の下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂと上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂとは曲率半径が異なっており、本実施形態では、上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂの曲率半径が下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂの曲率半径より大きく形成されているが、その逆に、下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂの曲率半径が上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂの曲率半径より大きく形成されていてもよい。
そのため、下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂと上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂとが重なり合った状態で、両側部に段部７、７´が形成される。
なお、本実施形態では、少なくとも巻線部２を形成する部位の下パンチ５の加圧面５０ｂの曲率半径と、上パンチ６の加圧面６０ｂの曲率半径とが異なっていればよい。

成形にあたっては、まず下パンチ５を図２（ａ）に示すようにダイス４内に固定させ、原料となる無機粉末８を下パンチ５上面の加圧面５０ａ、５０ｂに供給する。ついで、上パンチ６を下降させ、下パンチ５と上パンチ６との間で無機粉末８を加圧する。

加圧成形時の成形圧は９８ＭＰａ以上、好ましくは１９６〜４９０ＭＰａである。このような高圧力で加圧成形できるので、得られる成形体は特に表面部分が高密度で緻密なものとなり、成形型（後述する下パンチ５、上パンチ６）の表面形状を忠実に反映させることができるため、巻線部２とフランジ部３とが交わるコーナ部２０の曲率半径を、導線の径と等しいか、それよりも小さくすることができる。

また、前記したように、巻線部２の表層部２１のボイドの面積占有率を前記巻線部の内部２２よりも小さくすることができる。
同様の理由から、前記した、巻線部２の少なくとも表層部２１におけるボイド分布を疎にすることができ、隣接するボイド間の間隙Ｃを６〜１２μｍにすることが可能になる。
また、成形体は特に表面部分が高密度で緻密なものとなることにより、巻線部２表面の粗さ曲線の切断レベル差Ｒδｃを０．２〜２μｍにすることができる。

このような高圧力で加圧できるのは、前記したように、下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂと上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂとは曲率半径が異なっているためである。これに対して、下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂと上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂとが同じ曲率半径を有する場合は、高圧力で加圧すると、成形体を成形型から取り出すことができなくなる。そのため、高圧力で加圧できず、低圧力で加圧せざるを得ないので、加圧成形されたコア部品１はボイドの多いものとなり、強度が劣り、さらに脱粒が発生しやすくなる。

成形後、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ダイス４を下パンチ５と上パンチ６に対して相対的に下降させて、下パンチ５と上パンチ６との重なり面にある段部７とダイス４の上端面とをほぼ等しい高さにする。ついで、下パンチ５に対して上パンチ６を相対的に上方に移動させる。このとき、まず両側部の第１上パンチ６１を先に上昇させた後、第２上パンチ６２を上昇させる。これにより、上パンチ６の成形体９からの分離が容易になる。

上パンチ６の上昇と同時に、またはその後に、ダイス４に対して第２下パンチ５２を相対的に上昇させる。これにより、成形体９が押し上げられるようになり、成形体９を簡単に取り出すことができる。

得られた成形体９に対し、必要があればエアーブロー等で付着した原料粉末を除去した後、例えば、大気雰囲気中、１０００〜１２００℃の最高温度で２〜５時間保持して焼結体を得る。さらに、必要に応じて焼結体にバレル研磨等の研磨を行って、コア部品１を得る。

巻線部２およびフランジ部３に相当する成形体９の表面には、下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂと上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂの曲率半径の違いに起因する段部７に対応する段部１０が形成される。この段部１０が、巻線部２の表面への導線の巻回に支障がある場合には、研磨によってできる限り除去するのが好ましい。

研磨して得られたコア部品１は、図１（ｂ）および図４（ａ）に示すように、巻線部２が、軸心に直交する断面において、曲率半径が大きい曲面状の外周面を有する第１領域１１と、曲率半径が小さい曲面状の外周面を有する第２領域１２とを含み、第１領域１１と第２領域１２とが第１凸状部１３を介して繋がっている。このとき、第１凸状部１３の高さは、巻線部２の外周面に巻回される導線の径と等しいか、または導線の径より小さいのが好ましい。これにより、導線の断線や巻きづれが発生するのを抑制することができる。
ここで、第１凸状部１３の高さは、（軸心から第１凸状部１３の表面までの長さ）から（軸心から曲率半径が小さい第２領域１２の表面までの長さ）を差し引くことにより求めることができる。なお、被覆部を備えた導線の場合、導線の径とは、被覆部を含めた径とする。

さらに、第１凸状部１３の外周面は、巻線部２の外周面よりも曲率半径が小さいのが好ましい。これにより、第１凸状部１３内の残留応力が低減されるので、第１凸状部１３が脆性破壊しにくくなり、脆性破壊に伴う脱粒の発生が低減される。

また、研磨によって段部１０を大きく除去し、その部分を平面状に加工してもよい。この場合には、図４（ｂ）に示すように、巻線部２´が、軸心に直交する断面において、曲率半径が大きい曲面状の外周面を有する第１領域１１´と、外周面が第１領域１１´と繋がる平坦部１４とこれに連続し曲率半径が小さい曲面状部とからなる第２領域１２´とを含み、第１領域１１´と第２領域１２´とが凸状部１３´を介して繋がっている。

以上の研磨加工は、巻線部２、２´だけでなく、フランジ部３にも同様に適用してもよい。すなわち、フランジ部３は、図１（ｃ）に示すように、軸心に直交する断面において、曲率半径が大きい曲面状の外周面を有する第３領域１１１と、曲率半径が小さい曲面状からなる曲面状部とからなる第４領域１１２とを含み、第３領域１１１と第４領域１１２とが第２凸状部１３１を介して繋がっている。これにより、第２凸状部１３１から脱粒が生じるのを抑制することができる。

第２凸状部１３１は、外周面が曲面状であるのがよい。さらに、第２凸状部１３１の外周面は、前記フランジ部の外周面よりも曲率半径が小さいのが好ましい。これにより、第１凸状部１３内の残留応力が低減されるので、第１凸状部１３が脆性破壊しにくくなり、脆性破壊に伴う脱粒の発生が低減される。

第４領域１１２は、図４（ｂ）に示した巻線部２と同様に、外周面が前記第３領域１１１と繋がる平坦部１４とこれに連続し曲率半径が小さい曲面状部とを含んでいてもよい。

得られたコア部品１は、巻線部２、２´に導線が巻回されてインダクタとして好適に利用される。本開示のコア部品１の用途はインダクタに限るものではなく、両端にフランジを有し、かつ中央部が柱状で滑らかな曲面形状となった部材をセラミックスなどで形成する場合に、応用することができる。例えば、磁気テープなどを案内するためのテープガイドとして、柱状体の両端にフランジを有する形状のものをセラミックスで製造する場合には、本開示のコア部品の製造方法を用いることによって、容易に製造することができる。

１、１００ コア部品
２、１０１ 巻線部
３、１０２ フランジ部
４ ダイス
５ 下パンチ
６ 上パンチ
７、７´ 段部
８ 無機粉末
９ 成形体
１０、１０´ 段部
１１、１１´ 第１領域
１２、１２´ 第２領域
１３ 凸状部
１４ 平坦部
２０ コーナ部
２１、３１、３１´ 表層部
２２、３２ 内部
５０ａ、５０ｂ 下パンチの加圧面
５１ 第１下パンチ
５２ 第２下パンチ
６０ａ、６０ｂ 上パンチの加圧面
６１ 第１上パンチ
６２ 第２上パンチ
１０３ 導線
１１１ 第３領域
１１２ 第４領域
１３１ 第２凸状部

Claims (6)

1. 周面に導線が巻回される柱状の巻線部と、この巻線部の軸方向両端に巻線部と一体に形成されたフランジ部とを備えた、無機粉末の焼結体からなるコア部品であり、
   前記巻線部とフランジ部とが交わるコーナ部の曲率半径が、前記導線の径と等しいか、それよりも小さいことを特徴とするコア部品。
2. 前記コーナ部の曲率半径が４０μｍ以下である請求項１に記載のコア部品。
3. 前記コーナ部の曲率半径が１０μｍ以上３０μｍ以下である請求項２に記載のコア部品。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のコア部品の製造方法であって、
   前記巻線部およびフランジ部を形成するための円弧状の加圧面を有する上パンチと下パンチとの間に無機粉末を充填し、加圧成形する工程と、
   加圧成形した成形体を焼成する工程と、を含み、
   少なくとも前記巻線部を形成する部位の前記上パンチの加圧面と下パンチの加圧面は、曲率半径が異なっており、かつ巻線部とフランジ部とが交わるコーナ部に対応する部位の曲率半径が、前記導線の径と等しいか、それよりも小さく、
   前記加圧成形時の成形圧が９８ＭＰａ以上である、ことを特徴とするコア部品の製造方法。
5. 焼成によって得られた焼結体を研磨する工程をさらに含む請求項４に記載のコア部品の製造方法。
6. 請求項１〜３のいずれかに記載のコア部品の巻線部に導線が巻回されてなるインダクタ。

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