JP6504730B1 - コイル部品 - Google Patents
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Abstract
【課題】粉末状のＦｅ系ナノ結晶粒合金を有するコイル部品を提供する。
【解決手段】コイル部品１００は、コイル部１０３が内部に配置された本体１０１と、コイル部に接続された外部電極１２０、１３０とを含む。本体は、内部にＦｅ系ナノ結晶粒合金からなる金属粒子を含む。Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおいて１つ又は２つのピークを有し、２つのピークを有する場合、１次ピークの大きさが２次ピークより小さい形態である。
【選択図】図２
【解決手段】コイル部品１００は、コイル部１０３が内部に配置された本体１０１と、コイル部に接続された外部電極１２０、１３０とを含む。本体は、内部にＦｅ系ナノ結晶粒合金からなる金属粒子を含む。Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおいて１つ又は２つのピークを有し、２つのピークを有する場合、１次ピークの大きさが２次ピークより小さい形態である。
【選択図】図２
Description
本発明は、コイル部品に関する。
デジタルテレビ、携帯電話、ノートブックコンピュータなどの電子機器の小型化及び薄型化に伴い、これらの電子機器に適用されるコイル部品にも小型化及び薄型化が要求されており、このような要求に応えるために、様々な形態の巻線タイプ又は薄膜タイプのコイル部品の研究開発が活発に行われている。
コイル部品の小型化及び薄型化にあたっては、このように小型化及び薄型化を図りながらも、従来と同等の特性を実現することが重要である。このような要求を満たすためには、磁性物質が充填されるコアにおいて磁性物質の比率を増加させなければならないが、インダクタ本体の強度、絶縁性による周波数特性の変化などの理由でその比率を増加させることに限界がある。
コイル部品を製造する一例として、磁性粒子や樹脂などが混合されたシートをコイルに積層して加圧することにより本体を実現する方法が用いられている。従来、磁性粒子としてフェライトが多く用いられていたが、近年、透磁率や飽和磁束密度などの特性に優れたＦｅ系金属粉末を用いる試みがなされている。しかし、このようなＦｅ系金属粉末はナノ結晶粒の大きさを制御することが難しいことから、粉末よりは金属リボンの形態で多く用いられている。
本発明の様々な目的のうちの１つは、粉末状のＦｅ系ナノ結晶粒合金を有するコイル部品を提供することにあり、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は優秀かつ安定した磁気特性を有する。このようなコイル部品は、高い透磁率とＤＣバイアス（ｂｉａｓ）特性を有する。
上記課題を解決する方法として、本発明は、一例により、コイル部品の新規な構造を提案し、具体的には、コイル部が内部に配置された本体と、上記コイル部に接続された外部電極とを含み、上記本体は、内部にＦｅ系ナノ結晶粒合金からなる金属粒子を含み、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおいて１つ又は２つのピークを有し、２つのピークを有する場合、１次ピークの大きさが２次ピークより小さい形態である。
一実施形態において、上記１次ピークは、上記２次ピークの８０％以下であってもよい。
一実施形態において、上記１次ピークは、上記２次ピークの５０％以下であってもよい。
一実施形態において、上記１次ピークは、上記２次ピークの２０％以下であってもよい。
一実施形態において、上記金属粒子は、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金からなるナノ結晶粒を含み、上記ナノ結晶粒の大きさは、２０〜５０ｎｍであってもよい。
一実施形態において、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、Ｆｅ（１００−ａ−ｘ−ｙ−ｚ−ｐ−ｑ）ＣｏａＳｉｘＢｙＭｚＣｕｐＰｑの組成式で表され、ここで、０≦ａ≦０．５、２≦ｘ≦１７、６≦ｙ≦１５、０＜ｚ≦５、０．５≦ｐ≦１．５、０≦ｑ≦８を満たし、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗから選択される少なくとも１種の元素であってもよい。
一実施形態において、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金が１つのピークを有する場合、上記ピークは、６００〜８００℃であってもよい。
一実施形態において、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金が２つのピークを有する場合、上記１次ピークは、４００〜５５０℃であってもよい。
一実施形態において、上記２次ピークは、６００〜８００℃であってもよい。
本発明の一例によるコイル部品においては、優秀かつ安定した磁気特性を有する粉末状のＦｅ系ナノ結晶粒合金を活用することにより、透磁率とＤＣバイアス特性を向上させることができる。
以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために拡大縮小表示（又は強調表示や簡略化表示）がされることがあり、図面において同一の符号で示される要素は同一の要素である。
電子機器
図１は電子機器に適用されるコイル部品の例を概略的に示す図である。
図１は電子機器に適用されるコイル部品の例を概略的に示す図である。
図１を参照すると、電子機器には各種電子部品が用いられることが分かり、例えば、アプリケーションプロセッサを中心として、ＤＣ／ＤＣ、Ｃｏｍｍ．プロセッサ、ＷＬＡＮ ＢＴ／ＷｉＦｉ ＦＭ ＧＰＳ ＮＦＣ、ＰＭＩＣ、バッテリ、ＳＭＢＣ、ＬＣＤ ＡＭＯＬＥＤ、オーディオコーデック、ＵＳＢ ２．０／３．０ ＨＤＭＩ（登録商標）、ＣＡＭなどが用いられる。ここで、これらの電子部品間には、ノイズ除去などを目的として各種コイル部品がその用途に応じて適切に適用されるが、例えば、パワーインダクタ（Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｄｕｃｔｏｒ）１、高周波インダクタ（ＨＦ Ｉｎｄｕｃｔｏｒ）２、通常のビーズ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｂｅａｄ）３、高周波用ビーズ（ＧＨｚ Ｂｅａｄ）４、コモンモードフィルタ（Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｏｄｅ Ｆｉｌｔｅｒ）５などが挙げられる。
具体的には、パワーインダクタ（Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｄｕｃｔｏｒ）１は、電気を磁場の形で貯蔵することで出力電圧を維持して電源を安定させるなどの用途で用いられる。また、高周波インダクタ（ＨＦ Ｉｎｄｕｃｔｏｒ）２は、インピーダンスをマッチングして必要な周波数を確保したり、ノイズ及び交流成分を遮断するなどの用途で用いられる。さらに、通常のビーズ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｂｅａｄ）３は、電源ライン及び信号ラインのノイズを除去したり、高周波リップルを除去するなどの用途で用いられる。さらに、高周波用ビーズ（ＧＨｚ Ｂｅａｄ）４は、オーディオに関連する信号ライン及び電源ラインの高周波ノイズを除去するなどの用途で用いられる。さらに、コモンモードフィルタ（Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｏｄｅ Ｆｉｌｔｅｒ）５は、ディファレンシャルモードでは電流を通過させ、コモンモードノイズのみを除去するなどの用途で用いられる。
電子機器は、スマートフォン（Ｓｍａｒｔ Ｐｈｏｎｅ）が代表的であるが、これに限定されるものではなく、例えば、個人情報端末（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、デジタルビデオカメラ（ｄｉｇｉｔａｌ ｖｉｄｅｏ ｃａｍｅｒａ）、デジタルスチルカメラ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｔｉｌｌ ｃａｍｅｒａ）、ネットワークシステム（ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ）、コンピュータ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、モニタ（ｍｏｎｉｔｏｒ）、テレビ（ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）、ビデオゲーム（ｖｉｄｅｏ ｇａｍｅ）、スマートウォッチ（ｓｍａｒｔ ｗａｔｃｈ）などでもあり得る。これらの他にも、通常の技術者によく知られている他の様々な電子機器などであってもよいことは言うまでもない。
コイル部品
以下、本発明のコイル部品について説明するにあたって、便宜上、インダクタ（Ｉｎｄｕｃｔｏｒ）の構造を例に挙げて説明するが、前述したように、他の様々な用途のコイル部品にも本実施形態で提案するコイル部品を適用できることは言うまでもない。
以下、本発明のコイル部品について説明するにあたって、便宜上、インダクタ（Ｉｎｄｕｃｔｏｒ）の構造を例に挙げて説明するが、前述したように、他の様々な用途のコイル部品にも本実施形態で提案するコイル部品を適用できることは言うまでもない。
図２は本発明の一実施形態によるコイル部品の外形を概略的に示す斜視図である。図３は図２のＩ−Ｉ'線断面図である。また、図４は図３のコイル部品において本体領域を拡大して示す図であり、図５は図４の金属粒子に含まれる結晶粒を示す模式図である。
図２及び図３を参照すると、本発明の一実施形態によるコイル部品１００は、コイル部１０３が内部に配置された本体１０１と外部電極１２０、１３０とを主な要素として含む構造である。
本体１０１は、コイル部１０３を含み、図４に示す形態のように、金属粒子１１１を含むものでもよい。具体的には、金属粒子１１１が樹脂などからなるベース１１２に分散した形態であってもよい。この場合、金属粒子１１１は、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金からなるが、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｎｂ−Ｃｕ系合金からなるものであってもよく、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金の組成については後述する。また、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおいて１つのピークのみを有するか又は２つのピークを有するが、２つのピークを有する場合、１次ピークの大きさが２次ピークより小さい特性を有し、このような特性を有する場合、ナノ結晶粒の大きさや相（ｐｈａｓｅ）などが適切に制御されることから、インダクタへの使用に適した磁気特性を示す。合金粉末の発熱特性についても詳細は後述する。
コイル部１０３は、コイル部品１００のコイルから発現する特性により電子機器内で様々な機能を果たす。例えば、コイル部品１００は、パワーインダクタであってもよく、この場合、コイル部１０３は、電気を磁場の形で貯蔵することで出力電圧を維持して電源を安定させる役割などを果たす。この場合、コイル部１０３を形成するコイルパターンは、支持部材１０２の両面上にそれぞれ積層された形態であってもよく、支持部材１０２を貫通する導電性ビアを介して電気的に接続されるようにしてもよい。コイル部１０３は、螺旋（ｓｐｉｒａｌ）状に形成されてもよいが、その螺旋状の最外側には、外部電極１２０、１３０との電気的な接続のために、本体１０１の外部に露出する引出部Ｔを含むようにしてもよい。コイル部１０３を形成するコイルパターンは、当該技術分野で用いられるめっき工程、例えばパターンめっき、異方めっき、等方めっきなどの工程で形成してもよく、これらの工程のうち複数の工程を用いて多層構造に形成してもよい。
コイル部１０３を支持する支持部材１０２は、ポリプロピレングリコール（ＰＰＧ）基板、フェライト基板、金属系軟磁性基板などで形成されてもよい。この場合、支持部材１０２の中央領域には貫通孔が形成されてもよく、上記貫通孔には磁性材料が充填されてコア領域Ｃを形成するようにしてもよいが、このようなコア領域Ｃは本体１０１の一部を構成する。このように、磁性材料が充填された形態でコア領域Ｃを形成することにより、コイル部品１００の性能を向上させることができる。
外部電極１２０、１３０は、本体１０１の外部に形成されて引出部Ｔに接続されるように形成されてもよい。外部電極１２０、１３０は、電気伝導性に優れた金属を含むペーストを用いて形成してもよく、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）などを単独で含むか又はそれらの合金などを含む導電性ペーストであってもよい。また、外部電極１２０、１３０上にめっき層（図示せず）をさらに形成してもよい。この場合、上記めっき層は、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選択されるいずれか１つ以上を含んでもよく、例えば、ニッケル（Ｎｉ）層とスズ（Ｓｎ）層が順次形成されるようにしてもよい。
前述したように、本実施形態において、金属粒子１１１は、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金からなり、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおいて１つ又は２つのピークを有し、２つのピークを有する場合、１次ピークの大きさが２次ピークより小さい形態である。すなわち、低い温度の結晶化エネルギーが高い温度で発生する結晶化エネルギーより小さい形態である。この場合、図５に示す形態のように、金属粒子１１１はナノ結晶粒１４０を含み、ナノ結晶粒１４０の大きさ（ｄ）は約２０〜５０ｎｍである。
また、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、飽和磁束密度などの特性に優れ、粉末状の製造に適した組成範囲を有するように選択されてもよい。具体的には、上記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、Ｆｅ（１００−ａ−ｘ−ｙ−ｚ−ｐ−ｑ）ＣｏａＳｉｘＢｙＭｚＣｕｐＰｑの組成式で表され、ここで、０≦ａ≦０．５、２≦ｘ≦１７、６≦ｙ≦１５、０＜ｚ≦５、０．５≦ｐ≦１．５、０≦ｑ≦８を満たし、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗから選択される少なくとも１種の元素であってもよい。
本発明者らの研究によれば、同じ組成及び大きさを有するＦｅ系ナノ結晶粒合金の粉末であっても、実際の結晶粒の析出態様が異なり、それにより得られたコイル部品のインダクタンスや効率が異なり、その様相は合金粉末の発熱特性の測定から分かることが確認された。すなわち、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金粉末は、組成や大きさだけでは発現する特性を正確に予測することが困難であり、熱分析により発熱特性を明らかにすることにより、インダクタに適用する際にインダクタンスなどの特性を十分に予測することができた。
これについて比較例１〜３と実施例を参照して説明する。図６〜図９は実験に用いられたＦｅ系ナノ結晶粒合金の発熱特性を示す示差走査熱量グラフである。ここで、図６〜図８はそれぞれ比較例１〜３を、図９は実施例を示す図である。まず、本発明者らが実験に用いた各サンプルの具体的な組成はＦｅ７３．５Ｓｉ１５．５Ｂ７Ｎｂ３Ｃｕ１であり、各サンプルは同じ組成を有するが微細構造が異なる。
このように微細構造が異なる各サンプルで合金粉末を製造し、それらの熱分析を行った。熱分析は、ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社の製品ＳＤＴ６００を用いて行い、１分当たり４０℃の速度で昇温させながら測定を行った。また、合金粉末が酸化しないようにアルゴン（Ａｒ）雰囲気で測定を行った。その結果、各比較例と実施例において合金粉末の発熱特性が異なったが、それはそれぞれの粉末においてナノ結晶粒の含量や分布などが異なるからであると理解できる。
下記表１は各比較例と実施例により製造されたインダクタの特性（インダクタンス、効率）、合金粉末の結晶粒の大きさ、熱分析時の結晶化エネルギー（Ｗ／ｇ）をまとめて示すものである。ここで、インダクタンスは、巻回数と磁性体の透磁率によって決定され、インピーダンス分析器を用いて評価することができる。同じ体積、巻回数の場合、透磁率が高いほどインダクタンスは増加する。効率は、例えば、回路の前後の電圧と電流の変化量を測定して評価することもでき、Ｂ−Ｈ分析器などの評価装置を用いて測定したコア損失値を用いて計算することもできる。
まず、比較例１の場合、２つの著しい発熱ピークがみられ、１次ピークの方が２次ピークより大きい。このような熱分析の結果から、比較例１はナノ結晶粒が非常に微量含まれるか存在しない合金の特性を示すことが分かる。すなわち、比較例１は実質的に非晶質特性を有する。この場合、５００℃付近の１次発熱ピークでは、α−Ｆｅ（Ｓｉ）が形成される過程で高い結晶化エネルギーが発生し、６００℃付近の２次発熱ピークでは、Ｆｅ−Ｂ化合物が形成される過程で相対的に低い結晶化エネルギーが発生すると判断される。
次に、他の比較例と実施例の合金は、微細構造が調節されてナノ結晶粒を含んでいるが、熱分析の結果やインダクタンスなどの特性に明確に区別される程度の違いがあった。具体的には、比較例２（図７）の熱分析を行った結果、２つのピークが現れたが、１次ピークの大きさと２次ピークの大きさがほぼ同じであった。比較例２の場合、分析の結果、ナノ結晶粒の大きさが２０ｎｍレベルであったが、実施例に比べて効率が低いという問題があり、これは粉末中に含まれるナノ結晶粒の発生量が少ないからであると説明できる。また、比較例３（図８）の場合、発熱ピークが観察されておらず、ナノ結晶粒の大きさが２５ｎｍレベルであったが、インダクタンスや効率などの特性が良好でなく、比較例４のサンプルも、比較例３と類似の結果を示した。これは、比較例３及び４のサンプルの場合、Ｆｅ−Ｂ化合物が多数形成されることにより透磁率が低下して損失が大きくなったからであると説明できる。
実施例１においては、図９のグラフに示す形態のように、約６００℃付近で単一のピーク、すなわち１つの発熱ピークのみ現れた。５００℃付近ではピークがなく、６００℃でのみピークが現れたことから、α−Ｆｅ（Ｓｉ）相が多量存在し、Ｆｅ−Ｂ化合物はないか微量存在することが分かり、このような合金ではインダクタンスと効率のどちらも優れていた。同様に、１次ピーク（１０Ｗ／ｇ）が２次ピーク（２０Ｗ／ｇ）より小さい実施例２においても、比較例に比べて優れた効率を示した。実施例２の示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフは、比較例２（図７）のグラフと類似の形態を有することができ、１次ピークは、４００〜５５０℃の範囲で現れる。
前述した実験結果から、粉末状のＦｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおいて単一のピークを有する場合、インダクタンスと効率に優れていることが分かり、この場合、粉末に含まれるナノ結晶粒の大きさは約２０〜５０ｎｍレベルであった。この場合、実施例においては、上記単一のピークが６００℃であったが、より一般的には、上記単一のピークは６００〜８００℃の範囲を有する。
また、前述した粉末状のＦｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおいて必ずしも単一のピークを有するわけではなく、２つのピークを有することもある。ただし、この場合も、１次ピークの大きさが２次ピークより小さくなければならず、具体的には、上記１次ピークは、上記２次ピークの８０％以下であってもよい。また、上記１次ピークは、上記２次ピークの５０％以下であってもよく、最も好ましくは、上記１次ピークは、上記２次ピークの２０％以下であってもよい。このような熱特性を有する合金粉末の場合、Ｆｅ−Ｂ化合物が含まれないか、極めて微量含まれており、磁気特性に優れている。ここで、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金が２つのピークを有する場合、異なる相の析出に関する発熱特性を一般化して説明すると、上記１次ピークは４００〜５５０℃であってもよく、また、上記２次ピークは６００〜８００℃であってもよい。
このように、本実施形態で提案するＦｅ系ナノ結晶粒合金は、α−Ｆｅ（Ｓｉ）相が多量存在することから、α−Ｆｅ（Ｓｉ）相の析出時に発生する１次ピークがないか非常に低い特性を示す。これとは異なり、Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、Ｆｅ−Ｂ化合物を含まないか極めて微量含むことから、Ｆｅ−Ｂ化合物の析出時に発生する２次ピークが相対的に大きい特性を示す。また、このようなＦｅ系ナノ結晶粒合金は、粉末状に製造した場合にナノ結晶粒を含み、優秀かつ安定した磁気特性を示すことができる。さらに、それにより実現されたコイル部品においては、高い透磁率とＤＣバイアス特性を示すことができる。
本発明は、前述した実施形態及び添付の図面に限定されるものではなく、特許請求の範囲に限定されるものである。よって、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これらも本発明の範囲に含まれる。
１ パワーインダクタ
２ 高周波インダクタ
３ 通常のビーズ
４ 高周波用ビーズ
５ コモンモードフィルタ
１００ コイル部品
１０１ 本体
１０２ 支持部材
１０３ コイル部
１１１ 金属粒子
１１２ ベース
１２０、１３０ 外部電極
１４０ ナノ結晶粒
Ｃ コア領域
２ 高周波インダクタ
３ 通常のビーズ
４ 高周波用ビーズ
５ コモンモードフィルタ
１００ コイル部品
１０１ 本体
１０２ 支持部材
１０３ コイル部
１１１ 金属粒子
１１２ ベース
１２０、１３０ 外部電極
１４０ ナノ結晶粒
Ｃ コア領域
Claims (3)
- コイル部が内部に配置された本体と、
前記コイル部に接続された外部電極とを含み、
前記本体は、内部にＦｅ系ナノ結晶粒合金からなる金属粒子を含み、
前記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、示差走査熱量（ＤＳＣ）グラフにおいて１つのピークを有し、前記ピークは、６００〜８００℃である、コイル部品。 - 前記金属粒子は、前記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金からなるナノ結晶粒を含み、前記ナノ結晶粒の大きさは、２０〜５０ｎｍである、請求項１に記載のコイル部品。
- 前記Ｆｅ系ナノ結晶粒合金は、Ｆｅ（１００−ａ−ｘ−ｙ−ｚ−ｐ−ｑ）ＣｏａＳｉｘＢｙＭｚＣｕｐＰｑの組成式で表され、ここで、０≦ａ≦０．５、２≦ｘ≦１７、６≦ｙ≦１５、０＜ｚ≦５、０．５≦ｐ≦１．５、０≦ｑ≦８を満たし、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗから選択される少なくとも１種の元素である、請求項１または２に記載のコイル部品。
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