JP6159512B2 - インダクタ - Google Patents

Description

本発明は、インダクタに関し、詳細には、巻線型のインダクタに関する。

インダクタは、高周波成分を通しにくいため、フィルタや電源回路でのノイズ除去、平滑などに用いられる。構造上の分類は巻線型、積層型、薄膜型などであり、とりわけ、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの大電流用途では巻線型のインダクタが用いられることが多い。

近年、電子機器の高密度実装化に伴い、インダクタにおいても小型化が求められているが、この小型化によって、インダクタのコア（磁性材料から成るコア）の体積が減少してしまうため、直流重畳特性（直流電流負荷時のインダクタンス）の悪化を招きやすくなっている。

したがって、小型化した場合でも、直流重畳特性の悪化を招かないインダクタが求められている。

下記の特許文献１には、磁性体モールド樹脂（樹脂に磁性体粉末を分散させたもの）でコイルを封止する構造のモールドコイルに関する技術（以下、従来技術という）が開示されており、この従来技術によれば、優れた直流重畳特性が得られる（同文献の段落〔００１１〕）とされている。

特開２００９−２６０１１６号公報

しかしながら、上記の従来技術は、磁性体モールド樹脂を「加圧成形」してコイルを封止するというものであり、磁性体モールド樹脂のスムーズな流動性を担保することができず、巻回されたコイルの隙間に空間（以下、封止ムラという）が残ってしまう恐れがあるという問題点があった。

そこで、本発明は、直流重畳特性の向上を図りつつ、封止ムラの発生を招かないインダクタの提供を目的とする。

本発明に係るインダクタは、コアの巻芯部に巻回されたコイルを封止する封止材料に、アモルファスの軟磁性合金粉末を含有する軟磁性合金粉末含有樹脂を用いたインダクタにおいて、前記軟磁性合金粉末は、粒度分布に第１ピークと第２ピークをもつ、シリカを含有しない大小二つの粒子群を含み、前記第２ピークの粒子径が第１ピークの粒子径の１／２以下であり、且つ、前記第２ピークと第１ピークの強度比（存在率）が０．２以上かつ０．６以下であり、さらに、前記封止材料のチクソトロピーインデックスの値が略１．３以下であるとともに、前記樹脂のガラス転移温度が１００〜１５０℃であることを特徴とする。

本発明によれば、直流重畳特性の向上を図りつつ、封止ムラの発生を招かないインダクタを提供することができる。

実施形態に係るインダクタの断面図である。 封止材料１８の粒度分布（頻度分布）を示す図である。 第１ピークと第２ピーク強度比（存在率）を示す図である。 コイル１２の皮膜（封止）の仕方を説明する概念図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、実施形態に係るインダクタの断面図である。
この図において、インダクタ１０は、コア１１と、コア１１に巻回されるコイル１２と、コイル１２の端部１３Ａ、１３Ｂを接続するための一対の電極１６Ａ、１６Ｂと、コイル１２の外周を被覆して封止する封止材料１８とを有している。

コア１１は、コイル１２を巻回するための、所定軸長かつ柱状の巻芯部１１ａと、この巻芯部１１ａの一端部（図面に正対して上側の端部）に一体化して形成された上鍔部１１ｂと、巻芯部１１ａの他端部（図面に正対して下側の端部）に一体化して形成された下鍔部１１ｃとを備えている。

巻芯部１１ａは、所要の巻回数を得る際のコイル長（コイル１２の巻付長）をできるだけ短くして電気抵抗を減らすために、断面形状が略円形もしくは円形であることが好ましいが、これに限定されるものではない。また、下鍔部１１ｃの外形は、高密度実装に対応してインダクタ１０の小型化を図るために、平面視形状が略四角形もしくは四角形であることが好ましいが、これに限定されるものではなく、多角形や略円形等であってもよい。さらに、上鍔部１１ｂの外形は下鍔部１１ｃに対応して類似の形状であることが好ましいが、上鍔１１ｃ同様に形状が限定されるものでなく、さらに、封止材料１８を塗布する際の液だれに対処するために、下鍔部１１ｃよりやや小さめのサイズにすることが好ましい。

下鍔部１１ｃの底面１１Ｂには、巻芯部１１ａの中心軸ＣＬを挟んでシンメトリックに対向する一対の電極１６Ａ、１６Ｂが設けられている。なお、この底面１１Ｂの一対の電極１６Ａ、１６Ｂを形成するための領域（電極形成領域）に、たとえば、溝１５Ａ、１５Ｂを形成しておいてもよい。

コア１１に軟磁性合金粒子の集合体からなる基材を用いることが好ましい。ここで、「軟磁性」（soft magnetic）とは保磁力が小さく透磁率が大きい性質のことをいう。また、「合金」とは単体金属（単一の金属元素からなる純金属）に１種類以上の金属または非金属を添加した物質のうち、金属的性質（自由電子があり、電気導電性や熱伝導性がよい、金属光沢があるなどの性質のこと）を持つもののことをいう。さらに、「粒子」とは物質を構成している微細な“つぶ”のことをいい、「集合体」とはその粒子の集まりのことをいう。

コア１１に用いる軟磁性合金粒子の集合体は、たとえば、鉄（Ｆｅ）と、ケイ素（Ｓｉ）と、鉄よりも酸化しやすい元素とを含有するものとすることができる。鉄よりも酸化しやすい元素には、たとえば、クロム（Ｃｒ）やアルミ（Ａｌ）を用いることができる。

このように、コア１１に軟磁性合金粒子の集合体を用い、且つ、軟磁性合金粒子における「鉄よりも酸化しやすい元素（上記の例示ではクロムやアルミ）」の含有率や、当該軟磁性合金粒子の平均粒子径を適切に設定することにより、高い飽和磁束密度と高い透磁率とを実現することができ、そして、この高い飽和磁束密度と高い透磁率とによって直流重畳特性の向上を図ることができる。

コイル１２は、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）等からなる金属線１３の外周に、ポリウレタン樹脂やポリエステル樹脂等からなる絶縁被覆１４を形成した、いわゆる被覆導線であり、この被膜導線（コイル１２）は、巻芯部１１ａの周囲に所定数巻回された後、コイル１２の一方及び他方の端部１３Ａ、１３Ｂの絶縁被覆１４を除去した状態で、電極１６Ａ、１６Ｂにそれぞれ半田１７Ａ、１７Ｂによって電気的に接続される。

電極１６Ａ、１６Ｂが溝１５Ａ、１５Ｂの内部に設けられる場合には、コイル１２の端部１３Ａ、１３Ｂの直径が、溝１５Ａ、１５Ｂの深さよりも大きくなるように設定されていることが好ましい。

コイル１２は、たとえば、直径０．１〜０．２ｍｍ程度の被覆導線とすることができる。コイル１２の巻回数、つまり、巻芯部１１ａへの巻回数は、たとえば、３．５回〜１５．５回程度とすることができる。

コイル１２に用いることができる金属線１３は単線でもよいが、これに限定されず、たとえば、２本以上の複線や撚り線であってもよい。また、金属線１３は、円形断面線であってもよく、または、長方形断面線（いわゆる平角線）や正方形断面線（いわゆる四角線）などであってもよい。

コイル１２の端部１３Ａ、１３Ｂと電極１６Ａ、１６Ｂとの電気的な接続は、半田を介して行われる態様のみならず、たとえば、電極１６Ａ、１６Ｂとコイル１２の端部１３Ａ、１３Ｂとを熱圧着によって金属間結合する態様であってもよい。また、この場合、結合箇所を半田で覆う（被覆する）ようにしてもよい。

次に、実施形態のポイントである封止材料１８について説明する。
封止材料１８は、コア１１の巻芯部１１ａに巻回されたコイル１２の外周を被覆するものであって、且つ、巻芯部１１ａと、上鍔部１１ｂと、下鍔部１１ｃとに囲まれた空間を隙間なく完全に埋め尽くす（充填する）ことができる所要の流動性を持ち、且つ、熱で硬化する封止材料である。

一つの例として、この封止材料１８に、軟磁性合金粉末を含有する熱硬化性樹脂（以下、「軟磁性合金粉末含有樹脂」という）を用いることが考えられる。軟磁性合金粒子の集合体からなるコア１１と同様に直流重畳特性の向上を図ることができるからである。たとえば、この軟磁性合金粉末含有樹脂として、インダクタ１０の使用温度範囲において所定の粘弾性を有する樹脂材料に、磁性粉末やシリカ（ＳｉＯ２）などの無機材料からなる無機フィラーを所定の比率で含有させたものを使用することが考えられる。より具体的には、硬化時の物性として温度に対する剛性率の変化において、ガラス状態からゴム状態に移行する過程におけるガラス転移温度が１００〜１５０℃の軟磁性合金粉末含有樹脂を使用することが考えられる。また、ベースとなる熱硬化樹脂材料には、たとえば、エポキシ樹脂またはエポキシ樹脂とフェノール樹脂との混合樹脂の使用が考えられる。

さらに、軟磁性合金粉末含有樹脂に含有される無機フィラーに、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ合金又はＭｎ−Ｚｎフェライト又はＮｉ−Ｚｎフェライト等からなる種々の磁性粉末や、粘弾性調整のためにシリカ（ＳｉＯ２）等を使用することも考えられる。所定の透磁率を有する磁性粉末としては、たとえば、コア１１を構成する軟磁性合金粒子と同一の組成を有する磁性粉末、あるいは、当該磁性粉末を含有するものを用いることが考えられる。この場合、上記磁性粉末の平均粒子径を概ね２〜３０μｍ程度とすることが考えられ、さらに、軟磁性合金粉末含有樹脂に含まれる磁性粉末からなる無機フィラーを概ね５０ｖｏｌ％以上含有することも考えられる。

かかる例示の封止材料１８を用いた場合、本件発明者らの実験によれば、合金粉末の樹脂成分に対する濡れ性が低いために、封止材料１８の流動性が悪く、目的となる形状や特性を得るために必要な量の樹脂を円滑に塗布できないという問題点を発見した。

かかる問題点を解決するために、本件発明者らが鋭意検討を重ねた結果、封止材料１８に含まれる軟磁性合金粉末に結晶性を持たないアモルファス（非晶質）合金粉末を使用するとともに、以下の条件を満たすことにより、合金粉末の樹脂成分に対する濡れ性の改善を図ることができることを見い出した。

＜第１の条件＞
封止材料１８に含まれるアモルファス合金粉末として、少なくとも、粒度分布に二つのピーク（以下、第１ピークと第２ピークという）を持ち、且つ、粒子径の大小関係が「第１ピーク＞第２ピーク」であること。
＜第２の条件＞
第２ピークの粒子径が第１ピークの粒子径の１／２以下（好ましくは１／３以下）であること。１／２以下または１／３以下の“以下”の限界は１／１０程度と考えられる。これは、粒子径が小さくなるにつれて粒子の表面積が増加し、後述のＴＩ値が上昇して、かえって流動性を阻害してしまうからであり、その限界が１／１０程度と推定されるからである。
＜第３の条件＞
第２ピークと第１ピークの強度比（存在率）が０．２以上かつ０．６以下（好ましくは０．２５以上かつ０．４以下）であり、たとえば、略０．３であること。
＜第４の条件＞
第１ピークの粒子径がほぼ２２μｍを中心に分散していること。
＜第５の条件＞
粒度分布のＤ９０％がほぼ６０μｍ以下であること。

そして、実施形態のインダクタ１０、すなわち、軟磁性合金粉末（たとえば、ＦｅＣｒＳｉ系の軟磁性合金粉末）を成形し、加熱による酸化膜で粉末同士が結合してなるコア１１に、ウレタン等の被覆導線（金属線１３の外周に絶縁皮膜１４を形成したもの）を巻回して端子（電極１６Ａ、１６Ｂ）に接続したことを構成上の要旨とする巻線体（インダクタ１０）に、上記５つの条件のすべてまたはいずれかを適用した封止材料１８を塗布することにより、前記の濡れ性の問題点、すなわち、合金粉末の樹脂成分に対する濡れ性が低いために、封止材料１８の流動性が悪く、目的となる形状や特性を得るために必要な量の樹脂を円滑に塗布できないという問題点を解決できることを見い出した。

ここで、Ｄ９０％とは、粉体をある粒子径から２つに分けたときに大きい側と小さい側が等量となる径（メディアン径）のことをいう。Ｄ１０％やＤ５０％なども使われるが、ここではＤ９０％、すなわち、粒度分布の９０％に含まれる粒子径がほぼ６０μｍ以下であることとする。
また、「粒度分布」とは、測定対象となるサンプル粒子群の中に、どのような大きさ（粒子径）の粒子が、どのような割合（全体を１００％とする相対粒子量）で含まれているかを示す指標のことをいう。頻度分布ともいう。
また、「ピーク」とは、この粒度分布（頻度分布）における相対粒子量の明示的突出点（相対粒子量が明らかに突出した量を示す点）のことをいう。

ただし、粒度分布（頻度分布）という概念を導入するためには、「粒子径」を定義する必要がある。ほとんどの粒子の形状は、球や立方体といった単純かつ定量的に表現できるものではなく、複雑かつ不規則であり、直接的に粒子径を定義することができないからである。このため、一般的には「球相当径」という便宜的な（間接的な）定義を用いる。これは、ある測定原理で特定の粒子を測定した場合に同じ結果（測定量またはパターン）が得られる「モデル球体」の直径を、その被測定粒子の粒子径であると“みなす”という便宜的測定手法である。たとえば、「沈降法」では、被測定粒子と同じ物質の直径１μｍのモデル球と同じ沈降速度をもった被測定粒子の粒子径を１μｍとみなし、または、「レーザ回折・散乱法」では、直径１μｍのモデル球と同じ回折・散乱光のパターンを示す被測定粒子の粒子径を、その形状に関わらず１μｍとみなしている。

図２は、封止材料１８の粒度分布（頻度分布）を示す図である。この図において、横軸は粒子径を表す粒度（単位はμｍ）、縦軸は相対粒子量を表す頻度（単位は％）である。この図において、グラフ１９には、大小二つの明示的特異点が認められる。頻度が大きい方の特異点を「第１ピーク」とし、頻度が小さい方の特異点を「第２ピーク」とすると、これら二つのピークの関係は「第１ピーク＞第２ピーク」になるから、前記の第１の条件を満足する。

第１ピークの粒度はほぼ２２μｍ付近を中心に分散し、第２ピークの粒度はほぼ５μｍ付近を中心に分散しており、さらに、頻度は第１ピークで約２１％、第２ピークで約４％である。第１ピークと第２ピークの粒度はそれぞれほぼ２２μｍとほぼ５μｍであるので、前記の第４の条件を満足し、また、第２ピークの粒度（ほぼ５μｍ）は第１ピークの粒度（ほぼ２２μｍ）のおよそ１／４となるので、少なくとも１／２以下（または１／３以下）となって前記の第２の条件を満足する。

また、グラフ１９の面積の９０％相当が概ね粒度６０μｍ以下で占められており、前記の第５の条件を満足する。

図３は、第１ピークと第２ピーク強度比（存在率）を示す図である。この図において、横軸は第２ピークの頻度を第１ピークの頻度で割った値（つまり強度比）、縦軸はＴＩ（チクソトロピーインデックス）値である。ここで、ＴＩ値は塗料業界などでよく利用されている構造粘性を示す指数であり、要するに、流動性を定量的に表す値である。ＴＩ値が１に近いほどニュートン流動となって流れやすい（流動性がある）ことを示す。ここで、図示のＴＩ値は、ＢＨ型回転粘度計で５ｒｐｍおよび５０ｒｐｍの粘度を測定後、「５ｒｐｍの測定粘度÷５０ｒｐｍの測定粘度」の計算値をＴＩ値としたものである。

上記のとおり、ＴＩ値が１に近いほどニュートン流動となって流れやすく、要するに、スムーズな流動性が得られるから、たとえば、同図中のグラフ２０におけるＴＩ値＝１．３以下を良好な流動性が得られる目標範囲（左下がりハッチング部分参照）とすれば、図示の例では、ＴＩ値＝１．３と交差するグラフ２０の一の点２０ａの強度比が０．２となり、二の点２０ｂの強度比が０．６となるから、第１ピークと第２ピークの強度比（存在率）が０．２以上かつ０．６以下となって、前記の第３の条件を満足する。
なお、「ＴＩ値＝１．３以下」を選択した理由は、塗布時に充填不足が生じても、塗布後に空隙が埋まるだけの必要充分な樹脂流動を起こすからである。
ＴＩ値は、この例（ＴＩ値＝１．３以下）に限定されない。より円滑な樹脂流動を意図するのであれば、上記の例示よりもさらに１に近い値としてもよい。たとえば、ＴＩ値＝１．２以下としてもよい。この場合、ＴＩ値＝１．２と交差するグラフ２０の一の点２０ｃの強度比が０．２５となり、二の点２０ｄの強度比が０．４となるから、第１ピークと第２ピークの強度比（存在率）が０．２５以上かつ０．４以下となって、前記の第３の条件の好ましい条件を満足する。

ここで、図示のグラフ２０において、ＴＩ値が極小となる点２０ｅの強度比は略０．３であるので、前記の第３の条件の一例値（たとえば、略０．３であること）も満足する。

以上のとおり、図２に示す封止材料１８の粒度分布（頻度分布）、及び、図３に示す第１ピークと第２ピーク強度比（存在率）によれば、前記の条件（第１〜第５の条件）のすべてを満たしていることが認められる。

したがって、これらの条件のすべてまたはいずれかを満たす封止材料１８をインダクタ１０に適用すれば、つまり、軟磁性合金粉末（たとえば、ＦｅＣｒＳｉ系の軟磁性合金粉末）を成形し、加熱による酸化膜で粉末同士が結合してなるコア１１に、ウレタン等の被覆導線（金属線１３の外周に絶縁皮膜１４を形成したもの）を巻回して端子（電極１６Ａ、１６Ｂ）に接続したことを構成上の要旨とする巻線体（インダクタ１０）に、前記の条件のすべてまたはいずれかを満たす封止材料１８を塗布すれば、前記の濡れ性の問題点、すなわち、合金粉末の樹脂成分に対する濡れ性が低いために、封止材料１８の流動性が悪く、目的となる形状や特性を得るために必要な量の樹脂を円滑に塗布できないという問題点を解決することができる。

上記、封止材料１８の流動性が改善される理由としては、アモルファス合金粉末の表面状態が、液成分となじみやすい性質であることと、粒径の大きい合金粉末同士の隙間に粒径の小さい合金粉末が充填されることにより、単一粒径の粉末に比べ、見掛け充填体積が少なくなることと推測される。

次に、実施形態におけるコイル１２の皮膜（封止）の仕方を説明する。
図４は、コイル１２の皮膜（封止）の仕方を説明する概念図である。
（ア）まず、第１の粒子群２１と第２の粒子群２２を用意する。これら二つの粒子群（第１の粒子群２１及び第２の粒子群２２）は、いずれも軟磁性合金粉末であり、より詳細には、軟磁性で且つ結晶性を持たないアモルファス（非晶質）合金粉末である。この合金粉末には、たとえば、コア１１を構成する軟磁性合金粒子と同一の組成を有する磁性粉末（ただし、アモルファス合金粉末）を使用することができる。

第１の粒子群２１は前記の第１ピークを持つ大きな粒子を支配的に含み、第２の粒子群２２は前記の第２ピークを持つ小さな粒子を支配的に含む。前記のとおり、粒子径の大小関係は「第１ピーク＞第２ピーク」であり（第１の条件）、第２ピークの粒子径が第１ピークの粒子径の１／２以下（好ましくは１／３以下）（第２の条件）、第１ピークの粒子径がほぼ２２μｍを中心に分散し（第４の条件）、第２ピークと第１ピークの強度比（存在率）が０．２以上かつ０．６以下（好ましくは０．２５以上かつ０．４以下）で、たとえば、略０．３（第３の条件）、第１の粒子群２１と第２の粒子群２２の粒度分布のＤ９０％がほぼ６０μｍ以下である（第５の条件）。

（イ）次に、熱硬化型の樹脂材料２３の液中に、上記の二つの粒子群（第１の粒子群２１及び第２の粒子群２２）を投入する。二つの粒子群（第１の粒子群２１及び第２の粒子群２２）の投入量は、重量比換算で、たとえば、５０ｖｏｌ％相当またはそれ以上とすることができる。熱硬化型の樹脂材料２３には、たとえば、エポキシ樹脂またはエポキシ樹脂とフェノール樹脂との混合樹脂を使用することができる。

（ウ）次に、樹脂材料２３を攪拌し、二つの粒子群（第１の粒子群２１及び第２の粒子群２２）が充分に混ざり合った混合液（軟磁性合金粉末含有樹脂２４）を作る。

（エ）次に、半完成状態（コイル１２が露出した状態）のインダクタ１０を用意し、（オ）そのコイル１２の外周に軟磁性合金粉末含有樹脂２４を塗布する。

このとき、前記の条件（第１〜第５の条件）を満たす軟磁性合金粉末含有樹脂２４は、良好な流動性（少なくともＴＩ＝１．３以下）を有している。したがって、コイル１２の外周は勿論のこと、隣接するコイル１２の間の隙間や、コイル１２と巻芯部１１ａとの隙間、コイル１２と上鍔部１１ｂとの隙間、コイル１２と下鍔部１１ｃとの隙間などにも軟磁性合金粉末含有樹脂２４がスムーズに入り込むこととなり、その結果、すべての隙間を埋めて完全な封止を行うことができる。

また、軟磁性合金粉末含有樹脂２４の塗布は、半完成状態（コイル１２が露出した状態）のインダクタ１０の４側面すべてに行わなければならないが、この塗布作業を簡素化することが可能である。たとえば、４側面のうちのいずれか一つの側面だけに塗布したり、または、対向する二つの側面だけに塗布したり、あるいは、隣接する二つの側面だけに塗布したりし、残りの他の側面には軟磁性合金粉末含有樹脂２４の流動性を利用して自然に行き渡らせる（濡れ広げる）ことも可能である。このようにすると、塗布作業を簡単にして作業性を向上できるから好ましい。

（カ）最後に、軟磁性合金粉末含有樹脂２４でコイル１２を封止したインダクタ１０を熱処理し、軟磁性合金粉末含有樹脂２４を硬化させて封止材料１８とし、（キ）図１の構造を有するインダクタ１０を完成する。

以上のとおりであるから、実施形態の技術によれば、インダクタ１０のコイル１２の封止を隙間なく完全に行うことができるという特有の効果を奏することができる。また、その封止材料１８に軟磁性合金粉末含有樹脂を用いたので、優れた直流重畳特性を得ることができるという効果も得られる。また、４側面すべてへの塗布を行わずに、一つの側面または対向する２側面もしくは隣接する２側面にのみ塗布するだけで、残りの側面に濡れ広げることも可能であり、塗布作業の簡素化を図ることができるという効果も得られる。

さらに、冒頭の従来技術のような「加圧成形」を行う封止技術ではないので、加圧に伴う様々な機械的トラブル、たとえば、コイルの変形や巻回位置のずれなどが発生する恐れがないという効果も得られる。

本発明は、「巻線型のインダクタ」に好適であり、特に、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの大電流用途のインダクタに好適である。また、狭い隙間を埋める電磁波シールド用途の充填材一般にも適用することが可能である。

１１ コア
１１ａ 巻芯部
１２ コイル
１８ 封止材料

Claims (5)

1. コアの巻芯部に巻回されたコイルを封止する封止材料に、アモルファスの軟磁性合金粉末を含有する軟磁性合金粉末含有樹脂を用いたインダクタにおいて、
   前記軟磁性合金粉末は、粒度分布に第１ピークと第２ピークをもつ、シリカを含有しない大小二つの粒子群を含み、
   前記第２ピークの粒子径が第１ピークの粒子径の１／２以下であり、且つ、前記第２ピークと第１ピークの強度比（存在率）が０．２以上かつ０．６以下であり、
   さらに、前記封止材料のチクソトロピーインデックスの値が略１．３以下であるとともに、前記樹脂のガラス転移温度が１００〜１５０℃であることを特徴とするインダクタ。
2. 前記第２ピークと第１ピークの強度比（存在率）が０．２５以上かつ０．４以下であることを特徴とする請求項１に記載のインダクタ。
3. 前記第２ピークの粒子径が前記第１ピークの粒子径の１／３以下であることを特徴とする請求項１に記載のインダクタ。
4. 粒度分布のＤ９０％が６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のインダクタ。
5. 前記コアに、被覆導線を巻回して端子に接続した巻線体を含むことを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のインダクタ。

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