JP6002939B2

JP6002939B2 - コイル部品の製造方法

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Publication number: JP6002939B2
Application number: JP2014233245A
Authority: JP
Inventors: 下村　理; 理下村; 高木　潔; 潔高木; 芳雄杉達
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: JP2015035633A

Description

本発明は、各種電子機器に用いられるコイル部品の製造方法に関するものである。

近年、ノートパソコンに代表されるＣＰＵなどのＬＳＩを組み込んだ電子機器の軽薄短小化が進み、これら電子機器を駆動するＤＣ／ＤＣコンバータなどの電源回路部は、駆動周波数を３００ｋＨｚ〜１ＭＨｚへ高周波化したり、駆動電源を低電圧大電流化するなどして搭載する電子部品を小型化、薄型化して電子機器の軽薄短小化に対応している。

このような電源回路部に用いられるチョークコイルなどのコイル部品は、フェライト材よりも飽和磁束密度の大きい鉄を主成分とした金属磁性材料を粉末にすることにより高周波電流に対する渦電流損を小さくした金属磁性体粉末を用い、この金属磁性体粉末と熱硬化性樹脂からなる結合材とを混合した磁性材料に、コイルを埋設して加圧成形することにより、小型、薄型で高周波大電流に対応している。

次に、このような従来のコイル部品について図面を参照して説明する。

図１２は従来のコイル部品の透過斜視図、図１３は図１２のＡ−Ａ線の断面図である。

図１２、図１３に示すように、従来のコイル部品は、中央に中空の中芯部１を有する絶縁皮膜銅線を巻回したコイル２と、このコイル２の両端部の引き出し線３と、この引き出し線３と接続した導電性の金属平板を加工して形成した端子４と、鉄を主成分とした金属磁性材料を粉末にした金属磁性体粉末と熱硬化性樹脂を混合し、これを顆粒状に造粒した磁性材料５を加圧成形して形成した磁芯６とからなり、コイル２と端子４の一部を成形金型（図示していない）内に配置し、この成形金型にコイル２と端子４の一部を覆うように磁性材料５を充填した後、コイル２の上下方向よりパンチ（図示していない）で２〜４ｔ／ｃｍ²の加圧成形することによりコイル２を埋設した磁芯６を形成し、この加圧成形した磁芯６に１５０〜１８０℃の温度で１〜２時間の熱処理を施して熱硬化性樹脂を硬化させた後、端子４を磁芯６の側面から底面に向けて折り曲げ加工してコイル部品を構成していた。

なお、この出願の発明に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。

特開２００３−２１７９４１号公報

上記従来のコイル部品では、コイル２を顆粒状に造粒した磁性材料５に埋設して加圧成形しているので、パンチで加圧するにつれてコイル２の上面および下面に位置した磁性材料５が、コイル２の中芯部１やコイル２の外周部の磁性材料５よりも先に圧縮度が大きくなって強固なものとなるために、このコイルの上面と下面の磁性材料５の強固な部分がコイル２の無い中芯部１やコイル２の外周部の磁性材料５を十分に加圧することの妨げとなっていた。つまり、コイルの上面および下面の部分に比べてコイルの無い中芯部１や外周部では圧縮度が小さくなるために、中芯部１の磁芯６の密度が小さくなり、結果として磁気効率の悪いものとなってしまう。

また、圧縮度が小さくなるコイル２の無い中芯部１やコイル２の外周部では磁性材料５の密度が小さいために、磁芯６を熱処理したときのコイル２の絶縁皮膜銅線の絶縁皮膜の樹脂が熱膨張することにより発生する上下方向の応力を受けてクラック７が生じやすくなり、中芯部１では、図１３に示すようにコイル２のコイルの高さ寸法の中央付近でクラック７が発生しやすく、コイル２の外周部分では、図１４に示すように端子４の埋め込み部分のエッジ部分近傍からクラック７が発生しやすくなっていた。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、金属磁性体粉末からなる磁芯にコイルを埋設したコイル部品において、全体的に磁芯の金属磁性体粉末の密度を高めることにより磁気効率が良く、磁芯のクラックの発生を抑制した信頼性に優れたコイル部品を得ることができるようにすることを目的としている。

本発明は上記課題を解決するために、断面形状が円形の導線を巻回してコイルを形成する工程と、コイルを金属磁性体粉末と結合材を混ぜたものに埋設して加圧成形した磁芯を形成する工程とを含むコイル部品の製造方法であって、コイルを形成する工程は、コイルの巻回軸方向に移動可能なノズルに導線を通し、回転する巻線シャフトに導線を内周側から外周側に複数層巻きつけるものであり、シャフトがコイルの巻回軸方向の中央部で分割可能であり、かつ巻回軸の中央部が細く中央部から離れるにつれて太くなるように形成されており、コイルの内周側では巻線シャフトの最も細い部分から巻線シャフトの形状に合わせてノズルを移動させて導線を複数層巻きつけ、コイルの外周側では巻層毎にノズルの移動幅を中央側の方向に狭くしながら導線を巻きつけることにより、コイルの巻回軸を含み巻回軸を上下にした断面を見たときに、コイルの内周と外周との中央部分の巻回軸方向の寸法を、コイルの内周および外周の巻回軸方向の寸法よりも大きく形成し、巻線シャフトを中央部で分離することによりコイルを取り出すようにしたものである。

上記製造方法により、加圧成形する時に、金属磁性体粉末が中芯部および外周部に流れ込み易くなり、全体的に磁芯の金属磁性体粉末の密度を高めることができ、電気的特性および信頼性に優れたコイル部品を得ることができる。

本発明の一実施の形態におけるコイル部品の透過斜視図図１のＢ−Ｂ線断面図本発明の一実施の形態における融着層付絶縁皮膜銅線の断面図本発明の一実施の形態における他の例を示すコイルの断面図本発明の一実施の形態における他の例を示すコイルの断面図本発明の一実施の形態におけるコイル部品の製造方法を説明する図本発明の一実施の形態におけるコイル部品の製造方法を説明する図本発明の一実施の形態におけるコイル部品の製造方法を説明する図本発明の一実施の形態におけるコイル部品の製造方法を説明する図本発明の一実施の形態におけるコイル部品の製造方法を説明する図本発明の一実施の形態におけるコイル部品の製造方法を説明する図従来のコイル部品の透過斜視図図１２のＡ−Ａ線断面図従来のコイル部品の端子側側面図

以下、本発明の一実施の形態におけるコイル部品について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態におけるコイル部品の透過斜視図であり、図２は図１のＢ−Ｂ線断面図である。この図２はコイルの巻回軸を含む面で切断し、巻回軸を上下にして見たときの断面図を示している。図１、図２に示すように、本発明の一実施の形態におけるコイル部品は、表面に絶縁コーティングをした絶縁皮膜銅線２１を螺旋状に巻回してなり、中央に中空の中芯部１１を有したコイル１２と、このコイル１２の両端部の引き出し線１３と、この引き出し線１３と接続したりん青銅板などの金属板からなる端子１４と、鉄を主成分とした金属磁性材料を粉末にした金属磁性体粉末とエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなる結合材を混合し、これを顆粒状に造粒した磁性材料１５からなる磁芯１６を備えており、コイル１２と端子１４の一部を磁性材料１５に埋設させて加圧成形することによりコイル１２と一体に磁芯１６を形成し、この加圧成形した磁芯１６を熱処理して結合材の熱硬化性樹脂を硬化した後、磁芯１６の側面から露出した端子１４に磁芯１６の側面から底面に向けて折り曲げ加工を施してコイル部品を構成している。

なお、コイル１２を磁性材料１５に埋設させて加圧成形する際に、コイル１２の形状を維持するためには、図３に示すように、銅線１７の表面に絶縁樹脂からなる絶縁層１８を皮膜した絶縁皮膜銅線２１の表面に、エポキシ樹脂などからなる融着層１９をコーティングした融着層１９付きの絶縁皮膜銅線２１を用いることが望ましく、隣接する絶縁皮膜銅線２１を融着層１９で固定しておくとよい。

ここで、コイル１２の断面の外形形状は、図２に示すように中央部の幅ａを上下端の幅ｂとすると、ｂ＜ａとなるようにしている。このようにすることにより、コイル１２の断面の外形形状上で、コイル１２の上下部から巻回軸の中央方向に向かって傾斜ができるため、顆粒状に造粒した磁性材料１５を加圧成形するときに、加圧するにつれて磁性材料１５がコイル１２の上面および下面から中芯部１１および外周部分に加圧によって流れ込み易くなり、コイル１２の上面および下面に位置した磁性材料１５がコイル１２の中芯部１１および外周部よりも先に強固に圧縮されることを防止して、全体的に磁芯１６の密度を高めることができ、また密度が均一化するためクラック等が生じにくくなる。

また、加圧成形した磁芯１６を熱処理して結合材を熱硬化するときに、絶縁皮膜銅線２１の絶縁層１８の樹脂や融着層１９の樹脂が熱膨張して、磁芯１６の上下方向に応力が生じる。このとき、コイル１２を形成した絶縁皮膜銅線２１は、加圧成形の圧力により絶縁皮膜銅線２１の断面形状が図２に示すように隣接する絶縁皮膜銅線２１の間で円弧状から直線状に変形して密に接触しているために、絶縁層１８や融着層１９の樹脂の熱膨張の応力の影響を受けやすくなる。この熱膨張による応力は、従来のコイル部品のようにコイル２の断面形状が矩形形状の場合では、磁芯６の上下方向に応力が集中しやすくなり、磁芯６にクラックが発生しやすくなるが、本願発明のようにコイル１２の上部と下部を傾斜した構成とすることにより、図２において矢印ｃに示すように熱膨張による応力の方向を分散させることができるので、磁芯１６の中芯部１１や外周部にクラックが発生しにくくなる。

さらに、コイル１２の断面の外形形状が矩形状の従来のコイル部品に比べ、本願発明のようにコイル１２の上部と下部を傾斜した構成にすることにより、同じ巻数に対してコイル１２の断面の周囲をまわる磁路長を短くすることができるため、磁気効率の向上を図ることができ、電気特性も向上する。

なお、顆粒状に造粒した磁性材料１５の流れを良くするには、コイル１２の上部と下部の傾斜した面積を広くすることがよく、２ｂ≦ａとすることが、より望ましい。

また、本実施の形態では、コイル１２の断面の外形形状を六角形（図２において破線で示した形状）のもので説明したが、図４、図５の本発明の一実施の形態における他の例を示すコイルの断面図に示すように、図４のひし形にしたものや、また図５の八角形にしたものでも本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の一実施の形態におけるコイル部品の製造方法について、図６〜図１１を用いて説明する。

まず、ノズル２０に直径が約０．１２ｍｍの絶縁皮膜銅線２１を通し、巻線シャフト２３を回転させて絶縁皮膜銅線２１を所定回数巻きつけることによりコイル１２を形成する（図６）。ここで絶縁皮膜銅線２１の銅線１７の表面には絶縁材料としてポリイミドアミドからなる絶縁層１８が０．０１ｍｍの厚さで形成され、その表面にはさらに未硬化のエポキシ樹脂からなる融着層１９が０．００５ｍｍの厚さで形成されている。また巻線シャフト２３は中央部で細くなるように、円錐をつなぎ合わせた形状となっており、中央部で分割できるような割型となっている。

コイル１２は、巻線シャフト２３の最も狭くなった部分から巻き始め、ノズル２０を移動させながら絶縁皮膜銅線２１を整列に巻きつけ、巻線シャフト２３の幅全体に巻きつけた後、さらに外側に絶縁皮膜銅線２１を重ねて巻線シャフト２３の幅全体に巻きつける。これを所定回数繰り返して巻線シャフト２３の形状に合わせて絶縁皮膜銅線２１を巻きつけることにより、コイル１２の外形の断面形状が巻回軸の中央側からコイル１２の上下部の方向に広がるように傾斜した部分を形成し、続けて、絶縁皮膜銅線２１を外側に重ね合わせる巻き層ごとにノズル２０の移動幅を狭くしながら巻きつけ、これを所定回数繰り返すことにより、コイル１２の外形の断面形状が上下部から巻回軸の中央側の方向に狭くなるように傾斜した部分を形成する。このとき、巻線シャフト２３に巻きつけた絶縁皮膜銅線２１の温度が約１６０〜１８０℃になるように巻線シャフト２３に熱風を当てながら絶縁皮膜銅線２１を巻回する。こうすることにより融着層１９を硬化させながら絶縁皮膜銅線２１を巻回するので、上下部から中央側の方向に傾斜したコイル１２を形成するときでもコイル１２の形状が崩れることがない。

この後、巻線シャフト２３を中央部分で分離させて、巻線シャフト２３からはずすことにより、図７のような上下部から巻回軸の中央方向に向かって傾斜を有したコイル１２を得ることができる。このときも、コイル１２の断面の外形形状が、中央部の幅が上下端の幅よりも大きくなるようになっているが、融着層１９によってお互いが固定されているためにコイル１２の形状が崩れることはない。

次に、りん青銅板などの金属平板を加工した端子１４にコイル１２の引き出し線１３を電気溶接などで接続を行う（図８）。端子１４は個片で形成したり、連続したフープ状に形成してもよく、生産性を考慮すると連続したフープ状にすることが望ましい。

次に、貫通孔２４を有した上ダイ金型２５、下ダイ金型２６と、貫通孔２４に挿通するとともに摺動自在な上パンチ２７、下パンチ２８を有した金型（図９（ａ））に、端子１４を上ダイ金型２５と下ダイ金型２６で挟み込んで支持し、コイル１２を金型内に配置する（図９（ｂ））。そして、下パンチ２８を所定の位置に配置し、鉄を主成分とした金属磁性材料を粉末にした金属磁性体粉末とエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなる結合材を混合し、これを顆粒状に造粒した磁性材料１５を金型内に所定量充填する（図９（ｃ））。その後、上パンチ２７および下パンチ２８をコイル１２の巻回軸方向（図９（ｄ）において矢印の方向）に上下から２〜４ｔ／ｃｍ²の加圧力で加圧成形することにより磁芯１６を形成する（図９（ｄ））。このとき、コイル１２の断面の外形形状の上下部に傾斜ができているため、顆粒状に造粒した磁性材料１５を加圧成形するときに、上パンチ２７と下パンチ２８で加圧するにつれて磁性材料１５がコイル１２の上面および下面から中芯部１１および外周部に流れこみ易くなり、全体的に磁芯１６の密度を高めることができ、また磁芯１６の密度を均一化するためクラック等が発生しにくくなる。

次に、加圧成形した磁芯１６を金型から取り出し（図１０）、１６０〜１８０℃／１〜２時間の熱処理を行い、磁性材料１５の結合材を硬化する。

そして最後に、フープ状の端子１４の余剰部分を所定の位置で切断し、磁芯１６の側面から底面に向けて折り曲げ加工を行うことにより（図１１）、コイル部品を得ることができる。

本発明に係るコイル部品の製造方法は、全体的に磁芯の金属磁性体粉末の密度を高めることができ、電気的特性および信頼性に優れたコイル部品を得ることが、産業上有用である。

１１中芯部
１２コイル
１３引き出し線
１４端子
１５磁性材料
１６磁芯
１７銅線
１８絶縁層
１９融着層
２０ノズル
２１絶縁皮膜銅線
２３巻線シャフト
２４貫通孔
２５上ダイ金型
２６下ダイ金型
２７上パンチ
２８下パンチ

Claims

断面形状が円形の導線を巻回してコイルを形成する工程と、前記コイルを金属磁性体粉末と結合材を混ぜたものに埋設して加圧成形した磁芯を形成する工程とを含むコイル部品の製造方法であって、前記コイルを形成する工程は、前記コイルの巻回軸方向に移動可能なノズルに前記導線を通し、回転する巻線シャフトに前記導線を内周側から外周側に複数層巻きつけるものであり、前記シャフトが前記コイルの巻回軸方向の中央部で分割可能であり、かつ巻回軸の中央部が細く中央部から離れるにつれて太くなるように形成されており、前記コイルの内周側では前記巻線シャフトの最も細い部分から前記巻線シャフトの形状に合わせて前記ノズルを移動させて前記導線を複数層巻きつけ、前記コイルの外周側では巻層毎に前記ノズルの移動幅を中央側の方向に狭くしながら前記導線を巻きつけることにより、前記コイルの巻回軸を含み前記巻回軸を上下にした断面を見たときに、前記コイルの内周と外周との中央部分の前記巻回軸方向の寸法を、前記コイルの内周および外周の前記巻回軸方向の寸法よりも大きく形成し、前記巻線シャフトを中央部で分離することにより前記コイルを取り出すようにしたコイル部品の製造方法。
前記コイルの断面の外形形状を六角形形状または菱形形状、もしくは八角形形状に形成する請求項１記載のコイル部品の製造方法。