JP5649075B2 - コイル部品 - Google Patents

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Description

本発明は、各種電子機器に使用されるコイル部品およびその製造方法に関する。
従来のコイル部品について図面を用いて説明する。図16は、従来のコイル部品の断面図である。コイル部品7は、外磁脚1、中磁脚2、ならびに外磁脚1および中磁脚2を連結する背磁脚3をそれぞれが有する、第1の分割磁心4と第2の分割磁心5とを突き合せ、かつ、中磁脚2に巻線部6を配置することにより構成される。図17は、従来のコイル部品の、第1の分割磁心4と第2の分割磁心5とを突き合わせた状態の断面図である。
第1の分割磁心4および第2の分割磁心5は、磁性粉を、粉体成形金型を用いて、700MPaから、場合によっては1000MPaを超える高圧にて加圧成形することによって形成される。加圧成形の際には、第1の分割磁心4および第2の分割磁心5の機械的な強度や磁気特性を確保するため、外磁脚1、中磁脚2および背磁脚3を略同一の圧力によって、概ね均密度に成形を行う。
従来のコイル部品では、略同一の圧力によって各部位の成形を行うため、成形金型の破損や座屈の防止および耐久寿命等を考慮すると、外磁脚1と中磁脚2とを概ね類似した寸法や断面積を有するように設計する必要や、成形金型の形状に多くの制約を設ける必要があるものであった。なお、関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献1が知られている。
しかしながら、磁気回路設計本来の考え方によると、外磁脚1および背磁脚3の断面積は、中磁脚2よりも小さくて構わない。これは、図17に示すように、巻線部6に電流が流れることによって生じる磁束φは、中磁脚2から背磁脚3を通じて両側の外磁脚1へと分散して流れる(φ1、φ2)ためである。
従来のコイル部品において、外磁脚1の断面積を小さく、例えば外磁脚1を薄くしようとした場合には、第1の分割磁心4および第2の分割磁心5を形成する際に、他の部分に比較して断面積の小さな、例えば薄い部分を有する金型を適用することが必要となる。
しかしながら、薄細部分を有する金型は、機械的に脆弱な要素を有するため破損、座屈および磨耗等が激しくなり、頻繁なメンテナンスや、金型形状を決定する際に、様々な制約が発生するという課題があった。
結局、このような金型に対する制約の発生を回避するためには、図16に示すように、外磁脚1と中磁脚2とをほぼ同一の寸法や断面積とすることが必要となってしまう。このため、外磁脚1に必要以上のムダな体積を有させてしまうこととなり、第1の分割磁心4および第2の分割磁心5、つまりコイル部品7の小型化を阻害する要因となってしまうという課題があった。
特開2002−134330号公報
上述のような課題に鑑みて、本発明は、金型やコイル形状の制約を少なくし、小型化を可能としながら、成形金型の破損や座屈を防止し、金型の耐久寿命を長くすることによるコストの低減化をも可能とする、磁心を有するコイル部品を提供するものである。
本発明は、磁性粉を加圧成形した磁性体を含み、外磁脚、中磁脚、ならびに、中磁脚および前記外磁脚を連結する背磁脚をそれぞれ有する、第1の分割磁心および第2の分割磁心と、前記中磁脚に組み込んだ巻線部とを備え、外磁脚の断面積は中磁脚の断面積と異なり、外磁脚における磁性体の密度は、中磁脚および背磁脚における磁性体の密度それぞれと異なるとともに、外磁脚、中磁脚および背磁脚の磁性体の各々の密度は均一であり、かつ外磁脚、中磁脚および背磁脚は同一材料の金属磁性粉と樹脂とを有し、第1の分割磁心および第2の分割磁心を突き合せることにより、閉磁路磁心を形成したコイル部品である。
図1は、本発明の実施の形態におけるコイル部品の一例を示す断面図である。 図2は、本発明の実施の形態におけるコイル部品を構成する第1の分割磁心または第2の分割磁心の一例を示す斜視図である。 図3は、本発明の実施の形態における、コイル部品の他の例を示す断面図である。 図4は、本発明の実施の形態における、磁性体の密度と寸法との関係性を説明するための図である。 図5Aは、本発明の実施の形態におけるコイル部品について、その磁性体の密度と断面積との関係を説明するための断面図である。 図5Bは、本発明の実施の形態におけるコイル部品について、その磁性体の密度と断面積との関係を説明するための上面図である。 図6は、本発明の実施の形態における、成形圧、各部位の磁性体密度、磁気特性、各部位の金型寿命の関係を実測した値を示す図である。 図7は、第1の分割磁心および第2の分割磁心を組み合わせた状態での初透磁率μiを100程度、コアロスを690kW/m程度の値とするために、外磁脚、中磁脚、背磁脚それぞれを加圧成形する際の圧力を異なる値とした場合の実測値を示す図である。 図8は、同様の実測値(初透磁率μi101、コアロス695kW/m)に近似させるように、更に異なる条件を設定した場合の実測値を示す図である。 図9は、磁性体としてパーマロイ系ダストコアを用いた場合の、外磁脚、中磁脚および背磁脚それぞれの成形圧と金型寿命との関係を示す図である。 図10は、本発明の実施の形態における、センダスト系の磁性材料を用いて各部位を均等成形した場合の、成形圧、各部位の磁性体密度、磁気特性、各部位の金型寿命の関係を実測した値を示す図である。 図11は、センダスト系の磁性材料を用いた第1の分割磁心および第2の分割磁心を組み合わせた状態での初透磁率μiを45程度、コアロスを580kW/m程度の値とするために、外磁脚、中磁脚、背磁脚それぞれを加圧成形する際の圧力を異なる値とした場合の実測値を示す図である。 図12は、同様の実測値(初透磁率μi45、コアロス580kW/m)に近似させるように、更に異なる条件を設定した場合の実測値を示す図である。 図13は、磁性体としてセンダスト系ダストコアを用いた場合の、外磁脚、中磁脚および背磁脚それぞれの成形圧と金型寿命との関係を示す図である。 図14は、本発明の実施の形態における分割磁心のさらに別の例を示す上面図である。 図15Aは、本発明の実施の形態における、分割磁心を構成する磁性体の形成からコイル部品の完成に至る工程図である。 図15Bは、本発明の実施の形態における、分割磁心を構成する磁性体の形成からコイル部品の完成に至る模式図である。 図16は、従来のコイル部品の断面図である。 図17は、従来のコイル部品の、第1の分割磁心と第2の分割磁心とを突き合わせた状態の断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態におけるコイル部品の一例を示す断面図である。図1に示したように、コイル部品14は、外磁脚8、中磁脚9、ならびに、外磁脚8および中磁脚9を連結する背磁脚10をそれぞれが有する、第1の分割磁心11と第2の分割磁心12とを備えている。
コイル部品14は、巻線部13に中磁脚9を貫通させて組み込んだうえで、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を互いに突き合せることにより閉磁路を構成している。第1の分割磁心11および第2の分割磁心12は、磁性体を用いて構成されている。なお、ここで、磁性体とは、金属磁性粉と樹脂とを有する磁性粉を加圧成形することによって得られるものである。
図2は、本発明の実施の形態におけるコイル部品を構成する第1の分割磁心または第2の分割磁心の一例を示す斜視図である。図2に示すように、コイル部品14は、外磁脚8の断面積Aを中磁脚9の断面積Bと比較して小さく形成している。また、外磁脚8における磁性体の密度を、中磁脚9および背磁脚10における磁性体の密度それぞれと比較して低くしている。
第1の分割磁心11および第2の分割磁心12は、金型を用いて、断面積の小さな金型を適用する部分については低い圧力で、断面積の大きな金型を適用する部分については、断面積の小さな金型を適用する部分よりも高い圧力で、それぞれ成形することによって構成される。これにより、上述した磁性体の密度を部位ごとに調節することが可能となる。
図1および図2の例においては、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を突き合せ方向から見た場合に、断面積の小さな部位である外磁脚8における磁性体を相対的に低密度とし、また、断面積の大きな部位である中磁脚9および背磁脚10における磁性体を相対的に高密度にしている。
これにより、第1の分割磁心11または第2の分割磁心12において、中磁脚9や外磁脚8などの各部位の断面積を、必要に応じて任意に変化させることができる。特に、磁束が集中することにより、その透磁率およびコアロス等がデバイスとしての磁気特性に及ぼす影響度が大きな中磁脚9と比較して、通過する磁束が少なく、影響度が小さい背磁脚10や、更に通過する磁束が少なく影響度が小さい外磁脚8について、その体積や断面積を小さくできる。これにより、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を最低限の体積として、目的とする特性のコイル部品14を得ることができる。すなわち、コイル部品14の小型化が実現できる。
さらに、コイル部品14は、外磁脚8、中磁脚9および背磁脚10それぞれ個々の部位内においては、ほぼ均一な磁性体の密度の分布を有している。これにより、個々の部位内において、ある特定の局部への磁束の集中等が現れにくくなるので、磁束集中の回避を目的とした局所的な寸法設定などの必要が無く、コイル部品14の全体を平均的に小型化する際の、コイル部品14の設計容易度を高めることができる。
コイル部品14を成形する際には、断面積が小さく磨耗が進行し易い金型部分には、圧力を低く加えることで、破損や座屈および磨耗の進行を起こし難い状態とする一方で、断面積が大きく破損や座屈および磨耗が進行し難い金型部分には、圧力を高く加える。これにより、磁気特性との整合を取りつつ、金型の寿命は断面積が大きく磨耗が進行し難い金型部分に依存することとなるので、金型の寿命を長くすることが可能となる。よって、金型製作に関連するコスト低減も可能となる。
なお、上述の例では、外磁脚8の磁性体の密度を、中磁脚9および背磁脚10の磁性体の密度それぞれよりも小さくしたものを示したが、本発明はこの例に限定されない。各部位の密度と各部位の寸法、断面積との関係は、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を成形する際の金型形状や、コイル部品14に要求される特性等に応じて、適宜異なったものとすることができる。
例えば、磁気飽和を問題とせずに、コイル部品14からの外部への磁束漏洩防止に重きをおいてコイル部品14を設計する場合には、外磁脚8の磁性体の密度を、中磁脚9および背磁脚10の磁性体の密度よりも大きくし、それに対応して金型寸法を設計(例えば、外磁脚8の断面積を中磁脚9の断面積よりも大きくする)してもよい。
特に、単なる棒状や環状の磁心ではなく、閉磁路を任意の構成とするために、図1および図2に示したような形状の磁心を成形する場合においては、100MPa程度の低圧力で行う成形と比較して、700MPaから場合によっては1000MPa超の高圧力で行う成形では、金型の部位毎の大きさに依存する磨耗度の差が顕著となる。
本実施の形態のコイル部品14は、金型の部位毎に異なる成形圧力を適用することにより、金型の部位毎に異なる寸法や断面積を自由に選択することができるので、任意の特性を得る磁心形状としたうえで金型寿命を長くすることをも可能とするものである。
本実施の形態では、圧力の絶対値が非常に高い水準において、金型の部位に応じた圧力で加圧を行うことで、成形後の磁性体の密度についても大きな幅を持たせることが可能となり、密度の値を柔軟かつ精密に制御することが可能である。
また、図1および図2に示した第1の分割磁心11および第2の分割磁心12は、ほぼ同一の形状で形成されており、寸法上は、幾何学的な空間によって得る磁気ギャップを非形成としている。しかしながら、本実施の形態のコイル部品14では、上記のように、任意の部位において磁性体の密度、すなわち磁性体の透磁率を変化させることができるので、磁気回路として微少な空間的ギャップを形成した状態と同等とすることができる。
このように、本実施の形態のコイル部品14によれば、磁気ギャップを形成するために、寸法を異ならせてギャップを形成した磁心(図示しない)を形成する必要がないため、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12について、高い生産性を得ることができる。
さらに、上述の例によれば、コイル部品14を構成するうえで、寸法上の磁気ギャップを非形成にできるので、そのギャップ寸法を管理する必要がなく、ギャップを維持するためのスペーサーを設ける必要もない。よって、部品点数の削減と工程数の削減とを実現したうえで、安定した磁気特性を得ることができる。
また、外部への磁束漏洩や磁気回路での磁気飽和という観点で検討すると、磁性体が低密度であり中磁脚9に比べて低透磁率となる外磁脚8を有するコイル部品14では、磁束が仮想的な磁気ギャップに相当する外磁脚8全体から放出されることとなる。これに対して、磁性体が高密度で相対的に高透磁率となる中磁脚9は、仮想的な磁気ギャップから離れていることと、磁束が集中することから飽和状態となりやすい。この点からも、中磁脚9を高密度の磁性体として高透磁率とし、かつ、その断面積を外磁脚8よりも大きくすることで、コイル部品14の安定した特性を得ることができるのは、先にも述べたとおりである。
図1および図2に示したコイル部品14は、ほぼ同一形状の第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を突き合せた状態で閉磁路を形成した例であるが、コイル部品の別の例について説明する。図3は、本発明の実施の形態における、コイル部品の他の例を示す断面図である。
図3に示すコイル部品54では、外磁脚15、中磁脚16、ならびに、中磁脚16および外磁脚15を連結する背磁脚17を有する第1の分割磁心18と、棒状や板状の第2の分割磁心19とを突き合せることによって、閉磁路が形成されている。コイル部品54においても、外磁脚15における磁性体の密度を、中磁脚16および背磁脚17における磁性体の密度それぞれに比較して小さくしている。
コイル部品54においては、第2の分割磁心19の透磁率あるいは磁性体の密度を、外磁脚15に比べて大きくしている。これにより、巻線部20の外周側に対向した領域(外磁脚15)に低透磁率もしくは低密度の磁性体が存在することとなる。この領域では磁束の漏洩が最も多くなるものの、外磁脚15の全域でほぼ均一に低透磁率もしくは低密度となっているため、上述の漏洩磁束は、ギャップのような特定の局部からのものでなく、低透磁率に該当する領域から生じるものとなり、概ね均一な分布となる。よって、コイル部品54においても、漏洩磁束によって受ける発熱等の影響は、その影響を及ぼす部位が分散されているので、結果として抑制されたものとなる。
これに加えて、外磁脚15における第1の分割磁心18と、第2の分割磁心19との突き合わせ領域は、巻線部20から見ると、比較的距離を隔てた位置関係となる。これにより、巻線部20が外磁脚15と第2の分割磁心19の突き合わせ領域から生じる漏洩磁束によって受ける発熱等の影響をさらに小さくできる。さらに、巻線部20が中磁脚16の軸方向において位置変化した場合においても、漏洩磁束から受ける影響度の変化を小さくすることができる。
上述のように、図3に示したコイル部品54の構成によれば、製品バラツキを抑制することが可能となる。また、巻線部20が、その対向する外磁脚15からの漏洩磁束の影響を受け難いことから、巻線部20と外磁脚15とを隔てる距離を小さくすることができ、この点からもコイル部品54全体を小型化することが可能である。
図4は、本発明の実施の形態における、磁性体の密度と寸法との関係性を説明するための図である。図4に示したような異形状の分割磁心55の場合、外磁脚21および中磁脚22それぞれの磁性体の密度を、外磁脚21および中磁脚22それぞれにおける、最も肉薄部に該当する寸法の関係により規定することもできる。つまり、より肉厚が薄い部分を有する部位の磁性体の密度を、他方に比較して低くするものである。
分割磁心55の例では、より小さな断面積の外磁脚21における最も肉厚の薄い部分(厚さt)を、中磁脚22における最も肉厚の薄い部分(便宜上厚さTとして図に示す)よりも薄くしている。図4に示した例では、中磁脚22の上面方向から見た断面形状を円形や略円形状としているため、厚さTの寸法については特定しにくいが、実用的には、中磁脚22に外磁脚21の肉薄部よりも薄い部分が存在しなければ、中磁脚22における磁性体の密度を外磁脚21の磁性体の密度よりも大きくすればよい。
すなわち、最も肉厚の薄い部分に対応する金型領域は、最も磨耗度が大きな部位となる可能性が高いため、その部分については成形時の圧力を最も低くすることで、金型トータルでの磨耗度の整合を得ている。よって、断面積のみの関係によらず、肉厚の関係性によって、成形の圧力を調整してもよい。
ここで、本発明の実施の形態におけるコイル部品の各部位について、その磁性体の密度と断面積との関係をさらに説明する。図5Aは、本発明の実施の形態におけるコイル部品について、その磁性体の密度と断面積との関係を説明するための断面図であり、図5Bは、その上面図である。図5Aに示した例では、一対の分割磁心26を突き合せてコイル部品64を形成している。分割磁心26単体の成形を行う際には、通常、中磁脚23の軸方向であるX方向に圧力を加えて成形する。
外磁脚24のように、加圧ストローク方向(X方向)に厚く、かつ、加圧方向に対して垂直の断面方向に薄い寸法を有する磁心部分の成形に対応する金型部位は、破損や座屈および磨耗度が大きくなる。よって、外磁脚24について、相対的に磁性体の密度を低くする。一方、中磁脚23は、加圧ストローク方向に対して垂直の断面方向に厚い寸法を有する部分であるため、相対的に磁性体の密度を高くしている。
また、中磁脚23と外磁脚24との間に位置する背磁脚25は、中磁脚23の外周に位置することや、巻線部13を配置する領域に相当するため、加圧ストローク方向に対して垂直方向には外磁脚24よりも十分に大きな寸法を有することとなる。つまり、加圧ストローク方向に対して垂直方向についての寸法は、それぞれ、外磁脚24をa、中磁脚23をb、背磁脚25をcとした場合、
a<b、かつ、a<c
の関係を有することとなる。
さらに、図5Bに示すように、加圧方向からみた分割磁心26におけるそれぞれの部位の、加圧ストローク方向に対して垂直方向の断面積および面積は、それぞれ、外磁脚24をA、中磁脚23をB、背磁脚25をCとした場合、
A<B、かつ、A<C
の関係を有することとなる。
一方、先にも述べたように、背磁脚25は中磁脚23の外周に位置するが、この面積については、
B<C、B=C、もしくはB>C
とあらゆる関係性の場合が存在することとなる。よって、外磁脚24、中磁脚23、背磁脚25における磁性体の密度に関しては
A<B、かつ、A<C
として、外磁脚24の断面積を最も小さくすればよい。
これらの関係を満足させることにより、図5Aに示すコイル部品64について、磁気回路としてバランスの良い配置とすることができるものである。コイル部品64の例においては、寸法上、みかけの磁気ギャップを有さない外磁脚24に低透磁率の部位を配置するとともに、中磁脚23および背磁脚25における磁気抵抗を概ね同等とし、かつ相対的に低くし、外磁脚24では相対的に高くしている。これにより、分割磁心26を突き合せてコイル部品64を形成した際、例えば空隙を形成した磁気ギャップのように、ある特定部分からの磁束の漏洩が生じるという状態を発生させなくしたうえで、外磁脚24において平均的に漏れ磁束を発生させることができる。
よって、コイル部品64の実装時における、近傍の他の電子部品等に対する、位置関係に依存した、特性の急激な影響を回避することができる。また、巻線部13が外磁脚24からの漏洩磁束によって受ける影響による、発熱等も小さくすることができる。
これまで、磁気的特性に関する観点における特徴を述べてきたが、寸法面に関しても、コイル部品14の低背化という観点から、背磁脚25における磁性体の密度を中磁脚23よりも大きくすることで、高さ寸法Cv(図5A)を小さくし、分割磁心26の高さ寸法を抑制することも可能である。また、機械的強度に関しては、背磁脚25内、つまり領域CC(図5A)においても、磁性体を均一な密度分布としているため、機械的な強度も領域CCにおいて均一化できる。よって、機械的ストレスの加わり易い背磁脚25において、特定の脆弱な部分を生じさせないため、分割磁心26全体としての強度を向上させることも可能である。
これまで説明したコイル部品のうち、図1および図2に示した、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12について、各種特性を実測した結果について説明する。図6は、本発明の実施の形態における、成形圧、各部位の磁性体密度、磁気特性、各部位の金型寿命の関係を実測した値を示す図である。
図6には、図1および図2に示した形状の第1の分割磁心11および第2の分割磁心12に、パーマロイ系の磁性材料を適用し、上面寸法を25mm角に、高さ方向寸法を7.5mmに成形した場合であって、各部位を均等成形した場合の実測値を示している。高さ寸法が大きくなれば金型寿命は全体的に低下し、その反対に高さ寸法が小さくなれば金型寿命は全体的に上昇する。また、図2を上面側から見た場合に、外磁脚8の面積Aが双方共に約52mm、中磁脚9の面積Bが約113mm、背磁脚10の面積が約300mmのものを一例としている。
ここで、金型寿命を判断する基準としては、破損や座屈の発生、あるいは所定の限界より大きくなった磨耗を認める状態としている。また、ここでの実測値は全てが樹脂含浸を完了した、磁心としての完成状態のものに対する値であり、外磁脚8、中磁脚9、背磁脚10に密度差を持たせた場合であっても、それらの境界部にクラック等の発生はない。
図6において、例えば、成形圧を1200MPaとした場合、各部位における磁性体の密度は、外磁脚8、中磁脚9、背磁脚10のそれぞれにおいて、7.08,7.07,7.08g/cmである。第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を組み合わせた状態での初透磁率μiは101、コアロスが695kW/mとなる。金型寿命の点では、外磁脚8に対応する金型では3万ショット程度と、中磁脚9、背磁脚10の69万ショットや60万ショットに比較して極端に小さな値となっている。これは先にも述べたように、ストロークの方向に対して垂直方向に当たる断面積が小さな外磁脚8を成形するために、他の部位と同一の高圧力を加えた際には、対応する金型の脆弱性が表面化しやすいためである。
図7は、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を組み合わせた状態での初透磁率μiを100程度、コアロスを690kW/m程度の値とするために、外磁脚8、中磁脚9および背磁脚10それぞれを加圧成形する際の圧力を異なる値とした場合の実測値を示す図である。図7には、図6に示した実測値のうち、成形圧を1200MPaで各部位を均一成形した場合の初透磁率μi101、コアロスの695kW/mに、それぞれを近似させるような条件を設定したものを示す。
図7においては、外磁脚8を成形する際の成形圧を600MPaとし、背磁脚10および中磁脚9を成形する際の成形圧を1600MPaとした場合、各部位における磁性体の密度は、外磁脚8、中磁脚9、背磁脚10のそれぞれにおいて、6.65,7.19,7.18g/cmとなる。第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を組み合わせた状態での初透磁率μiは103、コアロスが692kW/mとなる。金型寿命の点では、外磁脚8に対応する金型では32万ショット程度と、中磁脚9、背磁脚10の58万ショットや51万ショットに比較して遜色ない値となっている。
また、図8は、同様の実測値(初透磁率μi101、コアロス695kW/m)に近似させるように、更に異なる条件を設定した場合の実測値を示す図である。なお、図7および図8における、カッコ内の数値は、成形圧を1200MPaとして各部位に均等の成形圧を加えて成形した場合の数値である。
図8においては、外磁脚8を成形する際の成形圧を1000MPaとし、背磁脚10および中磁脚9を成形する際の成形圧を1400MPaとした場合、各部位における磁性体の密度は、外磁脚8、中磁脚9、背磁脚10のそれぞれにおいて、7.03,7.13,7.13g/cmとなる。第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を組み合わせた状態での初透磁率μiは105、コアロスが685kW/mとなる。金型寿命の点では、外磁脚8に対応する金型では6万ショット程度、中磁脚9、背磁脚10は66万ショットや58万ショットとなっている。
図7または図8に示したように、外磁脚8、中磁脚9および背磁脚10の成形圧力を異なったものとし、それぞれの部位における磁性体密度をあえて不均等な状態としても、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を組み合わせた状態での初透磁率μiなどの磁気特性を所望の値となるよう調整することができる。また、ストロークの方向に対して垂直方向の断面積が小さい外磁脚8の成形圧力を、他の部位の成形圧力よりも低くして磁性体密度を低くすることで、金型寿命の長期化を実現できる。
特に、図8に示すように、外磁脚8の磁性体密度を1〜2%程度であっても、中磁脚9および背磁脚10に比較して低くすることで、金型寿命の向上について十分に大きな効果(約二倍)を得ることができる。
図9は、磁性体としてパーマロイ系磁性材料(ダストコア)を用いた場合の、外磁脚8、中磁脚9および背磁脚10それぞれの成形圧と金型寿命との関係を示す図である。
図9に示すように、この例での肉薄部となる外磁脚8における金型寿命の上昇する屈曲領域(ここでは1400MPa以下の領域)と、肉厚部となる中磁脚9および背磁脚10における金型寿命の下降する屈曲領域(ここでは1600MPa以上の領域)を共に回避することで、金型寿命を長くすることができ、それに伴うコストの低減が可能となる。
なお、ここで磁性材料として使用したパーマロイ系の磁性材料は、水アトマイズ法で作製した平均粒径20μmの軟磁性粉末FeNi(Ni50wt%、残部Fe)合金100wt%と、有機シリコーン樹脂2.0wt%とを混合して造粒したものである。
上述の例では、分割磁心の上面寸法を、25mm角に成形した場合の実測値を一例として用いた。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、金型の肉薄部に対応する部位を低圧力成形で低密度の成形状態の成形体とし、金型の肉厚部に対応する部位を相対的に高圧力成形で高密度の成形状態の成形体とすることで、磁心の体積を抑制してコイル部品の小型化を実現するものである。これにより、磁心成形のための金型および磁心の形状に関する制約を少なくしたうえで、成形金型の破損や座屈を防止し、金型の耐久寿命を長くすることによるコストの低減化が可能となる。
次に、図1および図2に示した形状の第1の分割磁心11および第2の分割磁心12について、センダスト系の磁性材料を用いて、25mm角の寸法に成形した場合の例について、図面を用いて説明する。
図10は、本発明の実施の形態における、センダスト系の磁性材料を用いて、各部位について均等成形した場合の、成形圧、各部位の磁性体密度、磁気特性、各部位の金型寿命の関係を実測した値を示す図である。
図10において、例えば、成形圧を1200MPaとした場合、各部位における磁性体の密度は、外磁脚8、中磁脚9、背磁脚10のそれぞれにおいて、5.68g/cmである。第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を組み合わせた状態での初透磁率μiは45、コアロスが580kW/mとなる。金型寿命の点では、外磁脚8に対応する金型では2万ショット程度と、中磁脚9、背磁脚10の60万ショットや56万ショットに比較して極端に小さな値となっている。
図11は、センダスト系の磁性材料を用いた第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を組み合わせた状態での初透磁率μiを45程度、コアロスを580kW/m程度の値とするために、外磁脚8、中磁脚9、背磁脚10それぞれを加圧成形する際の圧力を異なる値とした場合の実測値を示す図である。図11では、図10に示した実測値のうち、成形圧を1200MPaで各部を均一とした場合の初透磁率μiである45、コアロスの580kW/mに、それぞれを近似させるような条件を設定したものである。
図11においては、外磁脚8を成形する際の成形圧を600MPaとし、背磁脚10および中磁脚9を成形する際の成形圧を1600MPaとした場合、各部位における磁性体の密度は、外磁脚8、中磁脚9、背磁脚10のそれぞれにおいて、5.39,5.80,5.80g/cmとなる。第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を組み合わせた状態での初透磁率μiは46、コアロスが564kW/mとなる。金型寿命の点では、外磁脚8に対応する金型では29万ショット程度と、中磁脚9、背磁脚10の55万ショットや48万ショットに比較して遜色ない値となっている。
また、図12は、同様の実測値(初透磁率μi45、コアロス580kW/m)に近似させるように、更に異なる条件を設定した場合の実測値を示す図である。
図12においては、外磁脚8を成形する際の成形圧を1000MPaとし、背磁脚10および中磁脚9を成形する際の成形圧を1400MPaとした場合、各部位における磁性体の密度は、外磁脚8、中磁脚9、背磁脚10のそれぞれにおいて、5.61,5.74,5.74g/cmとなる。第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を組み合わせた状態での初透磁率μiは48、コアロスが560kW/mとなる。金型寿命の点では、外磁脚8に対応する金型では5万ショット程度、中磁脚9、背磁脚10は58万ショットや53万ショットとなっている。
図11および図12においては、センダスト系の磁性材料を適用して、外磁脚8と中磁脚9および背磁脚10との成形圧力を異なったものとし、それぞれの部位における磁性体密度をあえて不均衡な状態としている。その上で、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を組み合わせた状態での初透磁率μiなどの磁気特性を所望の値となるよう調整している。これらの例においても、ストロークの方向に対して垂直方向に当たる断面積が小さい外磁脚8の成形圧力を他の部位の成形圧力よりも低くして磁性体密度を低くすることで、金型寿命の長期化を実現している。
特に、図12に示すように、外磁脚8の磁性体密度を1〜2%程度であっても、中磁脚9および背磁脚10に比較して低くすることで、金型寿命の向上について十分に大きな効果(2.5倍)を得ることができる。
図13は、磁性体としてセンダスト系磁性材料を用いた場合の、外磁脚8、中磁脚9および背磁脚10それぞれの成形圧と金型寿命との関係を示す図である。
図13に示したように、この例でも肉薄部となる外磁脚8における金型寿命の上昇する屈曲領域(ここでは1400MPa以下の領域)と、肉厚部となる中磁脚9および背磁脚10における金型寿命の下降する屈曲領域(ここでは1600MPa以上の領域)を共に回避することで、金型寿命を長くすることができ、それに付随するコストの低減も可能となる。
ここで、磁性材料として使用したセンダスト系の磁性材料は、水アトマイズ法で作製した平均粒径20μmのFeAlSi(Al6.0wt%、Si8.5wt%、残部Fe)合金100wt%と、有機シリコーン樹脂2.0wt%とを混合して造粒したものである。
検討によれば、磁性材料として金属系ダストコア(圧粉コア)を用いれば、これまでに説明した、金型の肉厚や面積と、成形圧力とこれによる成形密度との関係を適用することが可能である。また、寸法についてもこれまでに示した例に限定されるものではない。
また、磁性材料のうち、有機シリコーン樹脂の重量比や樹脂の種類を変えた場合には、個々の部位における磁性体の密度は当然ながら変化する。その場合にも、初透磁率(μi)の調整に関しては、外磁脚8を相対的に低密度とし、中磁脚9および背磁脚10を相対的に高密度としながら行う。
次に、分割磁心のさらに別の例について説明する。図14は、本発明の実施の形態における分割磁心のさらに別の例を示す上面図である。
図14に示す例では、分割磁心27を、外磁脚28を左右に分離しない1つの連続した形状としている。また、中磁脚29の幅寸法あるいは径寸法のW0に比較して、外磁脚28を薄い寸法のW1としている。分割磁心27においては、中磁脚29および巻線部30の周囲を、一部を除いて取り囲むように外磁脚28を配置している。
2つの分割磁心27を突き合せると、中磁脚29の外周に配置される巻線部30から発生する磁束は、中磁脚29から外磁脚28へと流れるため、磁気飽和の観点から、中磁脚29の断面積を外磁脚28の断面積に比較して同等かあるいは大きくする必要がある。さらに、外磁脚28の形状は中磁脚29を囲むものであることから、中磁脚29に比較して複雑な形状となりやすく、かつ薄い寸法を有するものとなる。
すなわち、分割磁心27においては、外磁脚28の少なくとも一部を中磁脚29の外周形状に沿った内周形状としたうえで、外磁脚28の厚みが中磁脚29の径寸法以下となっている。これにより、分割磁心27を形成するための金型において、外磁脚28を形成する部分の形状は、厚みが薄く複数の部分において曲線部を有する複雑な、あるいは小さなものとなり、金型の強度は脆弱なものとなりやすくなる。
そこで、外磁脚28における磁性体の密度を、中磁脚29における磁性体の密度よりも低くすることで、密度の低い部分の形成に必要とされる金型の圧力を低く抑えることができる。すなわち、断面積が小さく磨耗が進行し易い金型部分については、圧力を相対的に低く抑えることで磨耗の進行を起こし難い状態とする一方、断面積が大きく磨耗が進行し難い金型部分については、相対的に高い圧力を加える。これにより、金型トータルでの金型の磨耗度の整合を採る形態としている。よって、金型の寿命は、断面積は大きく磨耗が進行し難い金型部分に依存することとなる。この結果、金型の寿命を長くすることが可能となり、金型に関するコストの低減も可能となる。そして結果的に、複雑な形状の分割磁心27を得ることが可能となる。
次に、図1および図2に示した第1の分割磁心11、第2の分割磁心12や、図3に示した第1の分割磁心18、または、図14に示した分割磁心27等を構成する磁性体の形成方法を含む、コイル部品の製造方法について説明する。図15A、15Bは、本発明の実施の形態における、分割磁心を構成する磁性体の形成からコイル部品の完成に至るまでの工程図および模式図である。図15Aは工程図を示し、図15Bは図15Aの各工程の模式図を示す。
まず第1の工程として、混練分散工程を行う。混練分散工程では、様々な大きさの粒からなる金属磁性粉32と溶剤を含有した樹脂33とを混合して、粘土状の混合物34を生成する(ステップS31)。
次に、第2の工程として、造粒工程を行う。造粒工程では、混練分散工程(ステップS31)で生成した混合物34を、例えば柱状固形物36のような所定の塊状としたうえで乾燥させる。そして、当初、混合物34に含まれていた溶剤を除去し、その後に柱状固形物36を粉砕する。これにより、粉砕後の固形物片37を得るが、この固形物片37は、金属磁性粉32の表面周囲にほぼ一定厚の樹脂被覆38を施した、大小様々な複数の粉の集合体として形成される。そして、固形物片37を分級することにより、任意の大きさの範囲内に限定された粒径からなる、造粒粉39を得ることができる(ステップS35)。
なお、図15A、15Bに示した例においては、第2の工程において、第1の工程で生成した混合物34から造粒粉39を得る方法を示した。しかしながら、本発明はこの方法に限定されず、別の方法、例えば、金属磁性粉32に対して溶剤を含んだ樹脂33を噴霧状にしたうえで塗布することにより、第1の工程である混練分散工程と第2の工程である造粒工程とを同時に行うこともできる。
次に、第3の工程として、プレス工程を行う。プレス工程は、これまで本明細書で説明してきた方法を含む主たる工程であり、造粒工程35で生成した造粒粉39を成形金型(図示せず)によって加圧成形し、所望の形状の成形体を形成するものである(ステップS40)。
このプレス工程においては、成形体として例えば分割磁心41を形成するにあたり、図15A、15Bにおける矢印Y0,Y1の方向(分割磁心41の厚み方向)に圧力を加える。そして、矢印Y0,Y1の方向から見て、相対的に面積の大きな部分である肉厚部42および連結部44を高い圧力で、相対的に面積の小さな部分である肉薄部43を低い圧力で、それぞれ加圧成形する。肉厚部42は中磁脚を、肉薄部43は外磁脚を、連結部44は背磁脚を、それぞれ構成する。
これにより、肉厚部42および連結部44を、造粒粉39、金属磁性粉32あるいは磁性体の高密度部とし、肉薄部43を、造粒粉39、金属磁性粉32あるいは磁性体の低密度部とし、肉薄部43の密度を、肉厚部42および連結部44よりも低くすることができる。
ここで、肉厚部42および連結部44を相対的に高い圧力で、肉薄部43を相対的に低い圧力の下で加圧成形しているのは、先にも述べたとおり、成形金型の寿命を考慮するためである。このような加圧成形を行うことで、高密度状態となっている分割磁心41の肉厚部42や連結部44においては、造粒粉39が加圧されて密集した状態となり、樹脂被覆38aが大幅に圧縮されて金属磁性粉32aが密に、それぞれが接近した状態で配置される。
一方、その加圧圧力を、肉厚部42および連結部44よりも低くした条件下で成形が行われる肉薄部43においては、樹脂被覆38bの圧縮度は、肉厚部42や連結部44に比較して小さく、金属磁性粉32bは疎に、それぞれが離散した状態で配置されている。
なお、図15A、15Bの例においては、分割磁心41の形状がE型であるとして説明したが、この工程を適用するにあたっては、この形状に限定されるものではない。
プレス工程に続いて、第4の工程としてアニール熱処理工程を行う。この工程では、プレス工程において形成した成形体を高温で熱処理する(ステップS45)。この熱処理によって、分割磁心41の肉厚部42、肉薄部43および連結部44における樹脂被覆38a,38bが除去される。
アニール熱処理工程によって、個々の金属磁性粉32a,32bの間には無機物(図示せず)が生成される。この無機物によって、金属磁性粉32a,32bは、非接触状態の位置で機械的に結合され、磁束が存在する際に金属磁性粉32a,32bの表面に生じる渦電流による渦電流損失を低減する位置関係を維持している。
成形体である分割磁心41の肉厚部42、肉薄部43および連結部44は、その形状を維持しているものの、機械的な強度が低い状態となっている。アニール熱処理工程では、プレス工程において加圧成形により応力を受けた、金属磁性粉32a,32bの応力を除去することでヒステリシス損失を低減させることを同時に行っている。
次に、第5の工程として含浸工程を行う。含浸工程においては、アニール熱処理工程でアニール熱処理を行って成形体とした分割磁心41に、樹脂による含浸処理を行う(ステップS46)。
プレス工程においては、肉厚部42および連結部44を相対的に高い圧力で、また肉薄部43を相対的に低い圧力で形成している。これにより、肉厚部42および連結部44における金属磁性粉32a同士の機械的結合度と、肉薄部43における金属磁性粉32b同士の機械的結合度との間には、差が存在することとなる。よって、同一の成形体である分割磁心41においても、部位によって機械的強度が異なることとなる。
分割磁心41は、アニール熱処理工程で一旦熱処理を行うことにより、樹脂被覆38a,38bを除去して、結合力が低下した状態である。含浸工程においては、この分割磁心41の個々の金属磁性粉32a,32bそれぞれの、周囲に有する空間に含浸樹脂を含浸、注入する。そして、その後にこの含浸樹脂を硬化させ、硬化後の含浸樹脂の結合力によって成形体の機械的強度を向上させる。
含浸樹脂の硬化後の結合力は、プレス工程における成形時の加圧によって得られる結合力と比較して、非常に高い。これにより、硬化後の含浸樹脂の結合力が、成形体の機械的強度においても支配的なものとなる。含浸樹脂の硬化後の強度について、金属磁性粉32aの密度が高い肉厚部42や連結部44と、金属磁性粉32bの密度が低い肉薄部43とを、単位体積あたりで比較すると、肉薄部43には肉厚部42および連結部44よりも多くの含浸樹脂が浸入することとなる。よって、肉薄部43の硬化後の単位体積あたりの強度を、肉厚部42および連結部44の強度よりも高くすることができる。
従って、絶対的な体積や寸法に違いのある、肉厚部42および連結部44と、肉薄部43とで、低強度部分を厚く大きくし、高強度部分を薄く小さくすることにより、それぞれの部分の機械的強度を近似させることができる。これにより、金属磁性粉32a,32bの、成形体の部位における密度を異なった状態としたうえで、結果的に安定した強度を有した分割磁心41を得ることができる。
なお、肉厚部42および連結部44と、肉薄部43とにおいて、双方共に含浸樹脂を内部全域に行き渡るようにし、分割磁心41全体を完全な含浸状態にしようとする場合、肉厚部42および連結部44を完全な含浸状態にするのに要する時間と、肉薄部43を完全な含浸状態にするのに要する時間とでは、前者の方が長くなる。
そこで、肉薄部43を完全な含浸状態にするのに要する時間に合わせて、肉厚部42および連結部44の含浸については、含浸を表面側に限定し、内部側は不完全な含浸状態とし、肉厚部42および連結部44の含浸度合いを表層側から深部に向かうに従って小さくなるものとしても構わない。
この場合、肉厚部42は、その表面積は肉薄部43の個々の表面積よりも広く、その表層側に円筒状に含浸樹脂が存在することとなる。また、連結部44は、その表面積もまた肉薄部43の個々の表面積よりも広く、かつ、磁性体密度を均一な分布としていることで含浸の状態もムラ無く均一な状態に近くなる。これにより、肉厚部42や連結部44は、その内部が不完全な含浸状態であったとしても、含浸状態の領域の体積が、肉薄部43の含浸状態の領域の体積よりも大きくなる。
このように、肉厚部42および連結部44について、含浸処理を表面側に限定して内部側を不完全な含浸状態とした場合において、含浸樹脂が硬化した後の強度と、全体を完全な含浸状態とした場合の強度との差は特に大きくはならない。よって、肉厚部42および連結部44と肉薄部43との含浸の度合いを、所要時間の上で近いものとした場合においても、硬化後の肉厚部42および連結部44と肉薄部43との機械的強度を近似させることができる。
なお、上述の例では、分割磁心41を含浸させる時間を、肉薄部43の完全な含浸に要する時間にほぼ一致させたものとしたが、たとえ肉薄部43の含浸を不完全な表層部のみとした場合であっても、同時に含浸を行うことによって、肉厚部42や連結部44と、その硬化後の機械的強度を近似させることができる。
よって、最低限の機械的強度を得るための樹脂の含浸を、肉厚部42および連結部44と肉薄部43とにおいて同時に行うことで、肉厚部42、肉薄部43および連結部44の各部位に均衡のとれた機械的強度を、含浸のために要する時間を抑制しつつ実現できる。
次に、含浸工程に続く第6の工程として、研磨工程を行う。研磨工程では、含浸工程において含浸および含浸樹脂の硬化を行った後の分割磁心41の表面、特に分割磁心41同士の突合せ面となる部分の研磨を行う(ステップS47)。
そして、続く第7の工程として、組み立て工程を行う。組み立て工程では、例えば、図1に示すように、巻線部13を組み込んだ状態で第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を組み合わせ、固定することでコイル部品14を完成させる(ステップS48)。
以上述べた一連の工程により、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12における、部位ごとの磁性体の密度を変化させることで、中磁脚9および背磁脚10に比較して、外磁脚8の体積や断面積を小さくできる。よって、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12を最低限の体積に小型化したうえで、目的とする特性のコイル部品を得ることができる。
さらに、上述の工程によれば、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12の成形金型の長寿命化も可能にできる。また、第1の分割磁心11および第2の分割磁心12において、それぞれの部位ごとの機械的強度も平衡を保った状態で維持することができる。
以上述べたように、本発明によれば、金型やコイル形状の制約を少なくし、小型化を可能とするとともに、成形金型の破損や座屈を防止し、金型の耐久寿命を長くすることによるコストの低減化を可能とする、磁心を有するコイル部品を提供することができるので、各種電子機器に使用されるコイル部品およびその製造方法等として有用である。
8,15,21,24,28 外磁脚
9,16,22,23,29 中磁脚
10,17,25 背磁脚
11,18 第1の分割磁心
12,19 第2の分割磁心
13,30 巻線部
14,54,64 コイル部品
26,41,55 分割磁心
32,32a,32b 金属磁性粉
33 樹脂
34 混合物
36 柱状固形物
37 固形物片
38 樹脂被覆
39 造粒粉
42 肉厚部
43 肉薄部
44 連結部

Claims (8)

  1. 磁性粉を加圧成形した磁性体を含み、
    外磁脚、中磁脚、ならびに、前記中磁脚および前記外磁脚を連結する背磁脚をそれぞれ有する、第1の分割磁心および第2の分割磁心と、
    前記中磁脚に組み込んだ巻線部とを備え、
    前記外磁脚の断面積は前記中磁脚の断面積と異なり、
    前記外磁脚における前記磁性体の密度は、前記中磁脚および前記背磁脚における前記磁性体の密度それぞれと異なるとともに、前記外磁脚、前記中磁脚および前記背磁脚の前記磁性体の各々の密度は均一であり、かつ前記外磁脚、前記中磁脚および前記背磁脚は同一材料の金属磁性粉と樹脂とを有し、
    前記第1の分割磁心および前記第2の分割磁心を突き合せることにより、閉磁路磁心を形成したコイル部品。
  2. 前記外磁脚の断面積は前記中磁脚の断面積よりも小さく、
    前記外磁脚における前記磁性体の密度は、前記中磁脚および前記背磁脚における前記磁性体の密度よりも低い、請求項1に記載のコイル部品。
  3. 磁性粉を加圧成形した磁性体を含み、
    外磁脚、中磁脚、ならびに、前記中磁脚および前記外磁脚を連結する背磁脚をそれぞれ有する、第1の分割磁心と、
    前記磁性粉を加圧成形した前記磁性体を含む、棒状または板状の第2の分割磁心と、
    前記中磁脚に組み込んだ巻線部とを備え、
    前記外磁脚の断面積は前記中磁脚の断面積と異なるとともに、前記外磁脚、前記中磁脚および前記背磁脚の前記磁性体の各々の密度は均一であり、かつ前記外磁脚、前記中磁脚および前記背磁脚は同一材料の金属磁性粉末と樹脂とを有し、
    前記外磁脚における前記磁性体の密度は、前記中磁脚、前記背磁脚および前記第2の分割磁心における前記磁性体の密度それぞれと異なり、
    前記第1の分割磁心および前記第2の分割磁心を突き合せることにより、閉磁路磁心を形成したコイル部品。
  4. 前記外磁脚の断面積は前記中磁脚の断面積よりも小さく、
    前記外磁脚における前記磁性体の密度を、前記中磁脚、前記背磁脚および前記第2の分割磁心における前記磁性体の密度よりも低くした、請求項3に記載のコイル部品。
  5. 前記背磁脚における前記磁性体の密度と、前記中磁脚における前記磁性体の密度とを実質的に等しくし、
    前記背磁脚における前記磁性体の密度分布を均一とした、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のコイル部品。
  6. 前記背磁脚における前記磁性体の密度を、前記中磁脚における前記磁性体の密度よりも高くし、
    前記背磁脚における前記磁性体の密度分布を均一とした、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のコイル部品。
  7. 前記外磁脚の断面における最小幅部の寸法が、
    前記中磁脚の断面における最小幅部の寸法よりも小さい、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のコイル部品。
  8. 前記第1の分割磁心および前記第2の分割磁心は、前記磁性体に含浸処理を施して形成される、
    請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のコイル部品。
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