JP6465459B2 - 複合材料成形体、リアクトル、及び複合材料成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
本発明の実施形態の詳細を、以下に図面を参照しつつ説明する。
〔複合材料成形体〕
図1を参照して実施形態1に係る複合材料成形体10を説明する。複合材料成形体10は、軟磁性粉末と軟磁性粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含むものであり、代表的にはリアクトル1に備わる磁性コア3の少なくとも一部を構成する。リアクトル1は、詳しくは後述するが、例えば、図1に示すコイル2と磁性コア3とを備える。ここでは、コイル2は、巻線2wを螺旋状に巻回した一対の巻回部2a、2bを互いに並列状態で接続してなる。磁性コア3は、同一の形状を有する二つのコア部材30を組み合わせて環状に構成される。この両コア部材30はいずれも、複合材料成形体10で構成される。複合材料成形体10の主たる特徴とするところは、表面粗さの粗い粗面化領域を備える点にある。以下、詳細を説明する。ここでは、コア部材30をコイル2に組み付けてリアクトル1を構築し、リアクトル1を冷却ベースなどの設置対象に設置した際の設置対象側を下、設置対象の反対側を上として説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。
複合材料成形体10は、一対の内側コア部11と、一対の内側コア部11の一端側で両内側コア部11をつなぐ外側コア部12とで構成されている。複合材料成形体10の上方から見た形状は、略U字状である。一対の内側コア部11は、複合材料成形体10を有するコア部材30をコイル2(図1)に組み付けた際、一対の巻回部2a、2b内にそれぞれ配置される。外側コア部12は、同様に複合材料成形体10を有するコア部材30をコイル2に組み付けた際、コイル2の端面から突出される。内側コア部11と外側コア部12の上面11U,12uは略面一である。一方、外側コア部12の下面12dは、内側コア部11の下面11Dよりも突出して、複合材料成形体10をコイル2と組み合わせた際、コイル2の下面と略面一になるように外側コア部12の大きさを調整している。
各内側コア部11の形状は、コイル2の形状(コイル2の内部空間)に合わせた形状とすることが好ましい。ここでは、直方体状であり、その角部を巻回部2a,2bの内周面に沿うように丸めている。各内側コア部11の表面は、磁束を軸とする周方向に沿った周回面(巻回部2a、2bの周方向に沿った面)と、内側コア部11の端面で磁束に交差(ここでは直交)する鎖交面11Eとで構成されている。ここでは、各内側コア部11の周回面は、上下左右面11U,11D,11L,11Rの4つの平面と隣り合う平面同士を連結する四つの曲面とで構成されている。左右とは、一対の内側コア部11を外側コア部12側から見たときの一対の内側コア部11の並列方向とする。内側コア部11の鎖交面11Eは、周回面に連続して形成される。
外側コア部12の形状は、略台形柱状である。外側コア部12は、磁束と平行な上下面12u,12dと、上下面12u,12dを繋ぎ磁束と平行な外端面12o(内側コア部11の鎖交面11Eとの反対側)と、外端面12oの反対側の内端面とを備える。内端面は、両内側コア部11の間で、両内側コア部11の内側の側面に連続して形成される。ここでは、内端面は、各内側コア部11の下面11Dにも連続して形成されている平面である。
粗面化領域は、複合材料成形体10の表面の少なくとも一部に形成される。粗面化領域は、算術平均粗さRaが3.0μm以上の領域である。この粗面化領域を備えることで、良好なアンカー効果を得られる。そのため、複合材料成形体10は、後述する接着剤や樹脂モールド部など樹脂を含む他の構成部材との密着性(接合性)に優れる磁性コア3を構築できる。この算術平均粗さRaは、4.0μm以上が好ましく、更には5.0μm以上が好ましく、特に5.5μm以上が好ましい。粗面化領域の算術平均粗さRaは大きいほどアンカー効果が得られるため、その上限は特に限定されないが、実用上、例えば20μm程度とすることができる。
〈軟磁性粉末〉
軟磁性粉末の材質は、鉄族金属やFeを主成分とするFe基合金、フェライト、アモルファス金属などの軟磁性材料が挙げられる。軟磁性粉末の材質は、渦電流損や飽和磁化の点から鉄族金属やFe基合金が好ましい。鉄族金属は、Fe,Co,Niが挙げられる。特に、Feは純鉄(不可避的不純物を含む)であるとよい。Feは飽和磁化が高いため、Feの含有量を高くするほど複合材料の飽和磁化を高められる。Fe基合金は、添加元素としてSi,Ni,Al,Co,及びCrから選択される1種以上の元素を合計で1.0質量%以上20.0質量%以下含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有することが挙げられる。Fe基合金は、例えば、Fe−Si系合金,Fe−Ni系合金,Fe−Al系合金,Fe−Co系合金,Fe−Cr系合金,Fe−Si−Al系合金(センダスト)などが挙げられる。特に、Fe−Si系合金やFe−Si−Al系合金といったSiを含有するFe基合金は、電気抵抗率が高く、渦電流損を低減し易い上に、ヒステリシス損も小さく、複合材料成形体10の低鉄損化を図れる。例えば、Fe−Si系合金の場合、Siの含有量は1.0質量%以上8.0質量%以下が挙げられ、3.0質量%以上7.0質量%以下が好ましい。軟磁性粉末は、材質の異なる複数種の粉末が混合されていても良い。例えば、FeとFe基合金との両方の種類の粉末を混合したものが挙げられる。
樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、ポリアミド樹脂(例えば、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン9T)、液晶ポリマー(LCP)、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂などの熱可塑性樹脂が挙げられる。その他、常温硬化性樹脂、不飽和ポリエステルに炭酸カルシウムやガラス繊維が混合されたBMC(Bulk molding compound)、ミラブル型シリコーンゴム、ミラブル型ウレタンゴムなどを用いることもできる。
複合材料成形体10には、軟磁性粉末及び樹脂に加えて、アルミナやシリカなどのセラミックスといった非磁性材料からなる粉末(フィラー)が含有されていても良い。フィラーは、放熱性の向上、軟磁性粉末の偏在の抑制(均一的な分散)に寄与する。また、フィラーが微粒であり、軟磁性粒子間に介在すれば、フィラーの含有による軟磁性粉末の割合の低下を抑制できる。フィラーの含有量は、複合材料を100質量%とするとき、0.2質量%以上20質量%以下が好ましく、更に0.3質量%以上15質量%以下が好ましく、特に0.5質量%以上10質量%以下が好ましい。
上述の複合材料成形体10によれば、粗面化領域を備えることで良好なアンカー効果が得られるため、他の構成部材との密着性(接合性)を向上できる。そのため、この複合材料成形体10は、リアクトル1の磁性コア3に好適に利用できる。
複合材料成形体10の製造は、軟磁性粉末と溶融された樹脂とを含む未固化(流動性のある状態)の混合物を金型内に注入し、樹脂を固化させて成形体素材を成形する成形工程を備える複合材料成形体の製造方法により行える。金型を用いた成形体素材の作製手法としては、射出成形、熱プレス成形、MIM(Metal Injection Molding)を利用することができる。この粗面化領域を有する複合材料成形体の製造方法は、例えば以下の製造方法I〜製造方法IIIが挙げられる。
製造方法I:上記成形工程を特定の温度条件で行う。
製造方法II:上記成形工程を特定の算術平均粗さRaを満たす内面を有する金型を用いて行う。
製造方法III:上記成形工程に加えて、成形工程後の成形体素材に対して特定の表面処理を施す表面処理工程を備える。
以下、製造方法I〜製造方法IIIを順に説明する。
(成形工程)
製造方法Iの成形工程は、溶融した樹脂の温度Trと金型の温度Tdとを特定の温度条件で行う。それにより、算術平均粗さRaが3.0μm以上の粗面化領域を成形体素材の表面に形成して複合材料成形体10を製造する。
成形工程における温度条件は、溶融した樹脂の温度Trと金型の温度Tdとの温度差(Tr−Td)が、「200℃≦(Tr−Td)」を満たすことが挙げられる。この温度差(Tr−Td)が200℃以上を満たすことで、粗面化領域を備える複合材料成形体10を製造できる。上記温度差(Tr−Td)は、「(Tr−Tc)≦250℃」を満たすことが好ましく、更に「(Tr−Td)≦230℃」を満たすことが好ましく、特に「(Tr−Td)≦220℃」を満たすことが好ましい。
製造方法Iによれば、特定の温度条件に制御することで、混合物を金型内に注入し樹脂を固化させるだけで粗面化領域を備える複合材料成形体10を製造できる。そのため、詳しくは後述するが、製造方法IIのような凹凸領域が形成された内面を有する金型を用意しなくてもよいし、成形工程後に製造方法IIIのような表面処理工程を別途施さなくてもよいので、複合材料成形体10を容易に製造できる。
(成形工程)
製造方法IIの成形工程は、算術平均粗さRaの大きい凹凸領域を有する金型を用いて行う点が製造方法Iと相違する。即ち、製造方法IIでは、実質的に金型内面(凹凸領域)の転写により算術平均粗さRaが3.0μm以上の粗面化領域を成形体素材の表面に形成して複合材料成形体10を製造する。そのため、成形工程における樹脂と金型の温度条件は、上述の製造方法Iのような特定の温度条件ではなく、一般的な温度条件で行うことができる。例えば成形工程における温度条件は、「(Tr−Td)<200℃」を満たすことができる。金型内面の凹凸領域の形成は、例えば、切削加工や研削加工などの他、ブラスト処理などで行える。
製造方法IIによれば、凹凸領域が形成された内面を有する金型を用意することで、製造方法Iと同様、混合物を金型内に注入し樹脂を固化させるだけで、粗面化領域を備える複合材料成形体10を製造できる。そのため、成形工程後に後述の製造方法IIIのような表面処理工程を別途施さなくてもよいので、複合材料成形体10を容易に製造できる。
製造方法IIIは、成形体素材を成形する成形工程に加えて、成形体素材の表面に特定の表面処理を施す表面処理工程を備える点が製造方法Iや製造方法IIと相違する。即ち、製造方法IIIでは、成形工程で製造方法Iや製造方法IIのような特定の温度条件としたり特定の金型を用いたりするのではなく、成形工程後の表面処理工程で算術平均粗さRaが3.0μm以上の粗面化領域を成形体素材の表面に形成して複合材料成形体10を製造する。そのため、製造方法IIIの成形工程における樹脂と金型の温度条件は、上述の製造方法Iのような特定の温度条件ではなく、上述の製造方法IIのような一般的な温度条件とすることができる。また、この成形工程で用いる金型の内面の算術平均粗さRaは、上述の製造方法IIのような特定の大きさではなく、一般的な大きさとすることができる。
表面処理工程は、成形工程で得られた成形体素材の表面に特定の表面処理を施して粗面化領域を形成する。この表面処理としては、例えば、熱的、光学的、機械的、或いはこれらの複合的な処理が挙げられる。具体的には、熱・光学的な処理方法であるレーザー処理、機械的な処理方法であるブラシ研磨処理やブラスト処理などが挙げられる。
レーザー処理は、成形体素材の表面のうち所定の箇所にレーザーを照射して粗面化領域を形成する。
ブラシ処理は、成形体素材の表面のうち所定の箇所にブラシでひっかくことで粗面化領域を形成する。このとき、ブラシでのひっかきは、複合材料成形体10の磁性粒子同士が展延して導通部を形成しない程度とする。ブラシの種類や加工条件(回転数や送り速度など)は適宜選択できる。ブラシは、市販の研磨ブラシなどを使用できる。
ブラスト処理は、成形体素材の表面のうち所定の箇所に投射材を衝突させて粗面化領域を形成する。ブラスト処理の種類は、例えば、ショットブラストやサンドブラストなどが挙げられる。投射材のサイズ(粒径)や種類、投射条件などは適宜選択できる。
製造方法IIIによれば、成形工程後に表面処理工程を別途施すことで、樹脂の温度と金型の温度とが特定の関係を満たすように温度制御したり、凹凸領域が形成された内面を有する金型を準備したりしなくても、粗面化領域を備える複合材料成形体10を製造できる。また、製造方法IIIは、製造方法Iに比較して、部分的に粗面化領域を形成し易い。
上述の複合材料成形体10は、図1に示すように、リアクトル1の磁性コア3の少なくとも一部に好適に利用できる。リアクトル1は、実施形態1の冒頭で説明したように、一対の巻回部2a、2bを備えるコイル2と、同一の形状を有する二つのコア部材30で構成される磁性コア3とを備える。この両コア部材30は、上述の複合材料成形体10で構成される。
一対の巻回部2a、2bは、接合部の無い1本の連続する巻線2wを螺旋状に巻回してなり、連結部2rを介して連結されている。巻線2wは、銅製の平角線の導体の外周にエナメル(代表的にはポリアミドイミド)からなる絶縁被覆を備える被覆平角線を利用できる。各巻回部2a,2bは、この被覆平角線をエッジワイズ巻きにしたエッジワイズコイルで構成している。巻回部2a、2bの配置は、各軸方向が平行するように並列(横並び)した状態としている。巻回部2a、2bの形状は、互いに同一の巻数の中空の筒状体(四角筒)である。巻回部2a、2bの端面形状は、矩形枠の角部を丸めた形状である。連結部2rは、コイル2の一端側(図1紙面右側)において巻線の一部をU字状に屈曲して構成している。巻回部2a、2bの巻線2wの両端部2eは、ターン形成部から引き延ばされている。両端部2eは、図示しない端子部材に接続され、この端子部材を介して、コイル2に電力供給を行なう電源などの外部装置(図示せず)が接続される。
各コア部材30の一対の内側コア部11は、コイル2に組み付けた際、一対の巻回部2a,2bの内側に配置される。各コア部材30の外側コア部12は、同様にコア部材30をコイル2に組み付けた際、コイル2から突出するように配置される。一方と他方のコア部材30の内側コア部11の端面11E(鎖交面)同士を巻回部2a,2b内で連結することで環状の磁性コア3が形成される。このコア部材30同士の連結により、コイル2を励磁したとき、閉磁路を形成し、磁束は内側コア部11の長手方向に平行となって鎖交面に直交する。
(樹脂モールド部)
磁性コア3は、更に、コア部材30の表面を覆う樹脂モールド部(図示略)を備えていてもよい。樹脂モールド部の被覆領域は、例えば、コア部材30の表面全域とすることができる。内側コア部11の周回面及び鎖交面11Eは粗面化領域を備えることで、その周回面及び鎖交面11Eに対する樹脂モールド部の密着性(接合性)を向上できる。樹脂モールド部の構成材料は、例えば、上述の複合材料成形体10の樹脂と同様の熱可塑性樹脂(例えば、PPS樹脂など)や熱硬化性樹脂などが挙げられる。この構成樹脂には、アルミナやシリカなどのセラミックスフィラーなどを含有していてもよい。そうすれば、熱伝導性に優れる樹脂モールド部となり、リアクトル1の放熱性を高められる。
リアクトル1は、更に、コイル2と磁性コア3との組合体を内部に収納するケース(図示略)と、ケース内に充填されてケース内に収納された組合体を封止する封止樹脂部(図示略)とを備えていてもよい。この場合、磁性コア3は樹脂モールド部を備えなくてもよい。
リアクトル1は、更に、コイル2の内周面と内側コア部11の周回面との間に介在されてコイル2と内側コア部11とを接着する接着層(図示略)を備えていてもよい。内側コア部11の周回面は粗面化領域を備えるため、内側コア部11の周回面と接着層との密着性を高められる。
上述のリアクトル1によれば、磁性コア3と、接着剤、樹脂モールド部、封止樹脂部、接着層などの他の構成部材との密着性(接合性)に優れる。そのため、リアクトル1は、コイル2と磁性コア3との間の絶縁性に優れる上に、磁性コア3から他の構成部材が剥離することに伴う振動や騒音が小さい。
軟磁性粉末とこの軟磁性粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含む複合材料成形体の試料を作製し、その試料の密着性を評価した。
試料No.1−1〜1−7の複合材料成形体として、原料準備工程と成形工程とを経て、図1に示す複合材料成形体10を作製した。
原料準備工程では、軟磁性粉末と樹脂との混合物を準備した。軟磁性粉末には、平均粒径が80μmで、Siを6.5質量%含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有するFe−Si合金の粉末を用いた。一方、樹脂には、PPS樹脂(ガラス転移点Tg=90℃、融点Tm=235℃)、又はPA9T樹脂(ガラス転移点Tg=125℃、融点Tm=255℃)を用いた。この軟磁性粉末と樹脂とを混合し、樹脂を溶融状態で軟磁性粉末と練り合わせて混合物を作製した。混合物中の軟磁性粉末の含有量は、70体積%とした。
成形工程では、射出成形により一対の内側コア部11と外側コア部12とを備えるU字状の複合材料成形体10を作製した。複合材料成形体10の作製は、外側コア部12における一対の内側コア部11との境界に分割面を有する金型を用い、その金型に上記混合物を充填し冷却固化することで行った。即ち、型抜方向は、外側コア部12と一対の内側コア部11とが並ぶ方向である。この金型は、金型のうち外側コア部12を成形する箇所の温度と内側コア部11を成形する箇所の温度を独立して調節可能な温度調節機を備える。ここでは、混合物における溶融状態の樹脂の温度Trと、金型の内側コア部11を成形する箇所の温度Tdとをそれぞれ表1に示すように種々変更した。金型の外側コア部12を成形する箇所の温度は、130℃とした。
各試料の複合材料成形体における外側コア部と内側コア部の表面の算術平均粗さRa(μm)を、市販の表面粗さ測定装置を用いて、JIS B 0601(2013)に準拠して測定した。この算術平均粗さRaの測定は、両コア部とも下面に対して行った。その結果を表1に示す。
各試料の複合材料成形体の密度(g/cm3)を測定した。その結果を表1に示す。各試料の複合材料成形体の密度は、サイズと質量から算出した見かけ密度Daとした。また、理想状態の複合材料成形体の密度Di(ここでは5.62g/cm3)と各試料の見かけ密度Daとの差ΔDを算出し、その密度の差ΔDの密度Diに対する割合「(ΔD/Di)×100」を算出した。その割合が0.6%以下(差が0.035g/cm3以下)の場合を「Good」とし、その割合が0.6%超(差が0.035g/cm3超)の場合を「Bad」とした。この理想状態の複合材料成形体の密度Diは、軟磁性粉末の平均粒径と混合物中の軟磁性粉末の含有量と複合材料成形体のサイズとから算出した値である。
各試料における他の構成部材との密着性を評価した。密着性の評価は、各試料の複合材料成形体における内側コア部の下面にエポキシ樹脂の接着層を接着させた測定用試料を作製し、熱衝撃試験後の接着層の接着状態を目視にて確認することで行った。熱衝撃試験は、測定用試料に対して「室温→140℃で1時間保持→−40℃で1時間保持」を1サイクルとする冷熱サイクルを繰り返し500サイクル行った。そして、剥離箇所が見られない場合をGoodとし、剥離箇所が見られた場合をBadとした。その結果を表1に示す。
11 内側コア部
11U 上面 11D 下面 11L 左面 11R 右面
11E 鎖交面(端面)
12 外側コア部
12u 上面 12d 下面
12o 外端面
1 リアクトル
2 コイル
2a、2b 巻回部 2r 連結部 2w 巻線 2e 端部
3 磁性コア
30 コア部材
Claims (7)
- 軟磁性粉末と前記軟磁性粉末を分散した状態で内包する樹脂とを含む複合材料成形体であって、
表面の少なくとも一部に形成され、算術平均粗さRaが4.4μm以上で、表面性状が表面から外方へ突出する無数の針状の突起が連続して形成されている粗面化領域を備える複合材料成形体。 - 前記複合材料成形体の表面のうち、前記複合材料成形体内に励磁される磁束を軸とする周方向に沿った面を周回面とするとき、
前記粗面化領域は、前記周回面に形成されている請求項1に記載の複合材料成形体。 - 前記複合材料成形体の表面のうち、前記複合材料成形体内に励磁される磁束に交差する面を鎖交面とするとき、
前記粗面化領域は、前記鎖交面に形成されている請求項1又は請求項2に記載の複合材料成形体。 - 前記軟磁性粉末が、Siを1.0質量%以上8.0質量%以下含むFe基合金の軟磁性粒子を含む請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の複合材料成形体。
- 前記軟磁性粉末の前記複合材料成形体全体に対する含有量が、30体積%以上80体積%以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の複合材料成形体。
- 前記軟磁性粉末の平均粒径が、5μm以上300μm以下である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の複合材料成形体。
- 巻線を巻回してなるコイルと、前記コイルが配置される磁性コアとを備えるリアクトルであって、
前記磁性コアの少なくとも一部は、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の複合材料成形体を備えるリアクトル。
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