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

コア部品、その製造方法、およびインダクタ Download PDF

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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CS1と、内部22における前記ボイド間の間隙CS2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CF1と、内部32における前記ボイド間の間隙CF2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λs:2.5μm、カットオフ値λc: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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