JP6519989B2 - インダクタ素子 - Google Patents

Description

本発明は、磁性粉体の内部にコイルを埋設したインダクタ素子に関する。

インダクタ素子として、たとえばパソコンや携帯型電子機器などに搭載されるＤＣ／ＤＣコンバータ等の回路素子として使用される表面実装タイプのインダクタ素子が知られている。

従来のインダクタ素子は、例えば、バインダである熱硬化性樹脂と粉末状の磁性体である磁性粉体とを含む粉体を、空芯コイルを内蔵した状態で加圧成形することにより得られる（特許文献１等参照）。また、他のインダクタ素子として、空芯コイルの内部に、周辺部より透磁率の大きい磁性体を配置し、高インダクタンス特性を狙う技術も提案されている（特許文献２等参照）。

特開２０１０−１０４２５号公報 特開２００３−１６８６１０号公報

しかし、磁性粉体内にコイルを内蔵するインダクタ素子の製造方法では、加圧成形時に金型内の磁性粉体を均一に加圧することが難しい。そのため、従来のインダクタ素子は、特に空芯コイルの内側部分にクラックを生じ、特性劣化を引き起こす問題がある。また、加圧成形時における磁性粉体の流動等の影響により、金型内部のコイルの巻形状が乱れる巻乱れを発生し、特性劣化を引き起こす問題も報告されている。

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、クラックや巻乱れが少ないインダクタ素子を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るインダクタ素子は、
コイル状に導体が巻回してある巻線部と、前記巻線部から引き出されたリード部とを有するコイルと、
前記巻線部の内周面が押し当てられた外周面を有する柱状であって強磁性の巻芯体と、
前記巻線部及び前記巻芯体を覆っており、バインダ及び磁性粉体を含む圧縮成形体である外側コア部と、を有する。

本発明に係るインダクタ素子は、空芯コイルを用いるのではなく、強磁性の巻芯体及びこれに巻回された巻線部が、外側コア部に内蔵されている。したがって、外側コア部を加圧成形する際に、巻線部等によりその内側部分への圧力伝達が阻害されるとしても、この部分に巻芯体が存在するため、巻線部の内側部分でのクラック発生を防止できる。さらに、巻線部が巻回されている巻芯体は、外側コア部の加圧成形時における変形又は流動が少なく、また、巻線部の内周面は巻芯体の外周面に接触しているため、加圧成形時における巻線形状の乱れが防止され、巻乱れの少ないインダクタ素子を実現できる。

本発明に係るインダクタ素子において、前記巻芯体の前記外周面には、前記巻線部の前記内周面の形状に沿う凹凸が形成されていても良い。

巻芯体の外周面に形成された凹凸は、巻線部の内周面と巻芯体の外周面との密着度を高め、さらに、巻芯体と巻線部との結合を補強する。

また、例えば、前記巻芯体は、バインダ及び前記外側コア部に含まれる磁性粉体とは異なる磁性粉体を含む圧縮成形体であっても良い。

巻芯体と外側コア部とを、互いに異なる磁性粉体を含む圧縮成形体とすることにより、直流重畳特性や耐酸化性などの特性を向上させることが可能である。また、巻芯体を外側コア部と同様に圧縮成形体とすることにより、巻芯体と外側コア部との間に隙間やクラックが形成される問題を防止できる。

また、例えば、前記巻線部は、軸方向に関して、前記巻芯体における前記軸方向一端面から他端面までの間に配置されていても良い。

巻線部が巻芯体の軸方向一端面から他端面の間に配置されていることにより、巻線部の全体について、外側コア部の加圧成形時における形状の乱れが防止され、より巻乱れの少ないインダクタ素子を実現できる。

また、例えば、前記巻芯体は磁性粉体を含む圧縮成形体であり、
前記巻芯体における磁性粉体の密度は４．５〜７．０ｇ／ｃｍ^３であり、前記外側コア部における磁性粉体の密度は４．０〜６．５ｇ／ｃｍ^３であっても良い。

巻芯体及び外側コア部における磁性粉体の密度を上記の範囲とすることにより、クラックが少なく、電気・磁気的な特性も良好なインダクタ素子を実現できる。

図１は本発明の一実施形態に係るインダクタ素子の全体斜視図である。 図２は図１に示すII−II線に沿う概略断面図である。 図３は図２の部分拡大図である。 図４は本発明のインダクタ素子の製造過程を示すフローチャートである。 図５は本発明のインダクタ素子の製造過程を示す概念図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１および図２に示すように、本発明の一実施形態におけるインダクタ素子１０は、磁性体粉を含む圧縮成形体である外側コア部４０と、外側コア部４０に内蔵された巻芯体３０と、同じく外側コアに内蔵された巻線部２２を有するコイル２０と、外側コア部４０に取り付けられており、コイル２０のリード部２４の端部が接続される端子電極５０とを有する。

本実施形態では、外側コア部４０の下面は、相互に垂直なＸ軸およびＹ軸を通る平面と略平行に形成してあり、巻線部２２の巻軸が、Ｘ軸およびＹ軸を通る平面と垂直なＺ軸に対して略平行になっている。本実施形態では、外側コア部４０の上面は、その下面に対して略平行であり、外側コア部４０の側面は、これらの上面および下面に対して略垂直となっている。ただし、外側コア部４０及びインダクタ素子１０の外形状は特に限定されず、六面体、円柱形、楕円柱及び多角柱などが例示されるが、実装スペースなどを考慮して任意の形状とすることができる。

本実施形態のインダクタ素子１０のサイズは、特に限定されないが、たとえばＸ軸方向幅が１．０〜２０ｍｍ、Ｙ軸方向幅が１．０〜２０ｍｍ、高さ１．０〜１０ｍｍである。

このインダクタ素子１０は、表面実装可能であり、たとえばパソコンや携帯型電子機器などに搭載されるＤＣ／ＤＣコンバータ等の回路素子などとして用いることができる。

図２及び図３に示すように、コイル２０の巻線部２２は、巻芯体３０の外周面３２に、導体２０ａがコイル状に巻回してある。リード部２４は、巻線部２２から引き出された導体２０ａで構成してある。導体２０ａは、たとえば、導線と、必要に応じて導線の外周を被覆してある絶縁被覆層とで構成してある。

図２に示すように、巻線部２２は、１本以上の導体２０ａがコイル状に巻回してある部分であり、巻線部２２からは導体２０ａの両端である少なくとも一対のリード部２４が、外側コア部４０の外部に引き出される。図示する実施形態では、巻線部２２からは、Ｘ軸方向に沿って一対のリード部２４が引き出され、外側コア部４０の外部に位置するリード部２４の先端が外側コア部４０の外面に沿って折り曲げられ、一対の端子電極５０に、溶接または導電性接着剤の手段でそれぞれ接続してある。各端子電極５０は、本実施形態では、コの字状の断面形状を有する導電性板材で構成してあり、外側コア部４０の上面、側面および下面に密着して接合してある。

導線は、たとえばＣｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ａｇ、Ａｕ、リン青銅などで構成してある。絶縁被覆層は、たとえばポリウレタン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリエステル−イミド、ポリエステル−ナイロンなどで構成してある。導体２０ａの横断面形状は、特に限定されず、円形、平角形状などが例示される。

図２に示すように、巻線部２２の内側には巻芯体３０が配置されている。巻芯体３０は、外側コア部４０とは別体に成形されたものであって、巻線部２２の内周面２２ａが押し当てられた外周面３２を有しており、外形状は円柱状である。ただし、巻芯体３０の外形状は、導体２０ａを巻回して巻線部２２を形成可能な柱状であれば特に限定されず、楕円柱状、多角柱状等、その他の形状であっても良い。また、巻芯体の角部のワレ、カケを低減する目的で巻芯体にＣ面を設けても良い。

図３に示すように、巻芯体３０の外周面３２には、巻線部２２の内周面２２ａの形状に沿う凹凸３２ａが形成されている。凹凸３２ａの高さ（最も中心軸に近い凹部の底から、最も中心軸から離れた凸部の頂点までの径方向長さ）は、特に限定されないが、導体２０ａの直径の１／１０〜１／２程度である。巻線部２２の内周面２２ａに沿う凹凸３２ａが形成されているため、巻芯体３０の外周面３２が巻線部２２の内周面２２ａに食い込む状態となっており、巻線部２２と巻芯体３０の密着性及び結合性が向上する。

図２に示すように、巻線部２２は、巻線部２２の巻軸方向（Ｚ軸方向）に関して、巻芯体３０における巻軸方向（Ｚ軸方向）上端面３４ａから下端面３４ｂまでの間に配置されていることが好ましい。図示する実施形態とは異なり、上端面３４ａより上方又は下端面３４ｂより下方に巻線部２２の一部が存在する場合、当該部分については、巻芯体３０が導体２０ａを径方向に支持することが難しい。それに対して、図２に示す実施形態のように、上端面３４ａから下端面３４ｂまでの間に巻線部２２を配置することにより、巻芯体３０は、巻線部２２の全体に対して、巻芯として機能する。

巻芯体３０の磁気特性は強磁性であり、特に磁心材料として好適な軟磁性体であることが好ましい。実施形態の巻芯体３０は、バインダ及び磁性粉体を含む圧縮成形体であり、磁性粉体としては、特に限定されないが、純鉄（Ｆｅ）、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトやＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライトなどのフェライト、センダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金）、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）などが例示される。バインダとしては、特に限定されないが、たとえばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、シリコン樹脂、これらを組み合わせたものなどが例示される。なお、例示する各材料には、要求特性を満足する範囲内で不純物が含まれる場合がある。

図１及び図２に示すように、外側コア部４０は、コイル２０の巻線部２２及び巻芯体３０を覆っている。外側コア部４０の上面及び下面には、両端部に端子電極５０が係合する電極用凹部が形成されている。

外側コア部４０は、バインダ及び磁性粉体を含む圧縮成形体であり、磁性粉体としては、特に限定されないが、Ｍｎ−Ｚｎ系やＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系などのフェライト、センダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金）、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）などが例示される。バインダとしては、特に限定されないが、たとえばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、シリコン樹脂、これらを組み合わせたものなどが例示される。外側コア部４０の磁気特性は、巻芯体３０と同様に強磁性であり、磁心材料として好適な軟磁性体であることが好ましい。

巻芯体３０に含まれる磁性粉体と、外側コア部４０に含まれる磁性粉体は、同じであっても良いが、異なっていても良い。巻芯体３０が、外側コア部４０に含まれる磁性粉体とは異なる磁性粉体を含むことにより、巻芯体３０と外側コア部４０の特性を調整し、インダクタ素子１０の性能を改善できる。例えば、巻芯体３０に含まれる磁性粉体を純鉄とし、外側コア部４０に含まれる磁性粉体としてＦｅ及びＳｉを含む合金を用いることにより、インダクタ素子１０のコアロスを低減し、直流重畳特性を向上させるとともに、耐酸化性を向上させることができる。

また、巻芯体３０及び外側コア部４０における磁性粉体の密度は特に限定されないが、例えば、巻芯体３０における磁性粉体の密度が４．５〜７．０ｇ／ｃｍ^３であり、外側コア部４０における磁性粉体の密度が４．０〜６．５ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。巻芯体３０及び外側コア部４０における磁性粉体の密度を所定の範囲に調整することにより、インダクタ素子１０におけるクラックの発生を防止し、初透磁率を高め、直流重畳特性を向上させることが可能である。

次に、図１〜図３に示すインダクタ素子１０の製造方法について、図４および図５に基づき説明する。
図４は、インダクタ素子１０の製造方法の一例を表すフローチャートであり、図５（ａ）〜図５（ｅ）は、フローチャートが示す製造方法を表す概念図である。ステップＳ０１では、導体２０ａを巻くための巻芯体を準備する。図５（ａ）は、ステップＳ０１で準備される巻芯体である硬化前の巻芯体１３０の断面を表している。硬化前の巻芯体１３０は、例えば磁性粉体およびバインダで構成される顆粒を加圧成形して得られる。

巻芯体１３０の加圧成形（ステップＳ０１）で用いる顆粒に含まれる磁性粉体は、金属磁性粒子（好ましくはＦｅ粒子）であり、その粒子外周は、絶縁被膜してあることが好ましい。絶縁被膜としては、金属酸化物被膜、樹脂被膜などが例示される。磁性粉体の粒径は、好ましくは０．５〜５０μｍである。硬化前の巻芯体１３０を形成する際の加圧力は、好ましくは５．６ｔｏｎ／ｃｍ^２（５．５×１０^２ＭＰａ）以下である。

磁性粉体に対するバインダの含有割合は、磁性粉体１００重量部に対して、バインダが２．０〜５．０重量部程度が好ましい。また、顆粒には、磁性粉体およびバインダ以外に、溶剤、可塑剤、滑材、酸化防止剤、難燃剤、熱安定剤などが含まれていても良い。

ステップＳ０２では、硬化前の巻芯体１３０に対して導体２０ａを巻回し、巻線部２２及びリード部２４を有するコイル２０を形成する（図５（ｂ））。導体２０ａの巻回は、例えば巻芯体１３０の外周面に導体２０ａを押し当てながら開始され、巻線部２２の内周面２２ａを形成した後、必要に応じて外周側に重ねて導体２０ａを巻き付けることにより進行する。なお、実施形態のステップＳ０２でコイル２０が形成された時点では、巻芯体１３０の外周面は平坦であり、図３に示すような凹凸３２ａは形成されていない。

図５（ｃ）は、ステップＳ０３の状態における金型１６０の概略断面図である。図５（ｃ）〜図５（ｅ）に示すように、本実施形態の金型１６０は、巻軸方向であるＺ軸方向の上下に相対移動自在可能な下側パンチ１６２と上側パンチ１６４とを有する。下側パンチ１６２、上側パンチ１６４及び外枠を組み合わせることにより、キャビティが形成される。

ステップＳ０３では、外側コア部４０を形成する顆粒１４２の第１充填を行う。顆粒１４２の第１充填では、図５（ｃ）に示すように、最終的にキャビティの内部に充填すべき顆粒の全量の一部を充填する。その後、ステップＳ０４では、硬化前の巻芯体１３０及び巻芯体１３０に巻回された巻線部２２を有するコイル２０を、キャビティの内部に設置する。

図５（ｄ）は、ステップＳ０５の状態における金型１６０の概略断面図である。ステップＳ０５では、外側コア部４０を形成する顆粒１４２の第２充填を行う。顆粒１４２の第二充填では、図５（ｄ）に示すように、キャビティの内部に充填すべき顆粒の全量のうちの残りを充填する。

第１充填（ステップＳ０３）及び第２充填（ステップＳ０５）で用いる顆粒１４２は、相互に同じ磁性粉体およびバインダで構成してあり、磁性粉体の種類、粒径、構造および含有割合が同じであり、バインダの種類および含有割合も同じである。顆粒１４２に含まれる磁性粉体は、金属磁性粒子（好ましくはＦｅ及びＳｉを含む合金の粒子）であり、その粒子外周は、絶縁被膜してあることが好ましい。絶縁被膜としては、金属酸化物被膜、樹脂被膜などが例示される。磁性粉体の粒径は、好ましくは０．５〜５０μｍである。

磁性粉体に対するバインダの含有割合は、ステップＳ０１で用いる顆粒と同様に、磁性粉体１００重量部に対して、バインダが２．０〜５．０重量部程度が好ましい。また、顆粒１４２には、磁性粉体およびバインダ以外に、溶剤、可塑剤、滑材、酸化防止剤、難燃剤、熱安定剤などが含まれていても良い。ただし、巻芯体１３０に用いる顆粒に含まれる磁性粉体は、外側コア部４０を形成する顆粒１４２に含まれる磁性粉体とは異なることが好ましい。例えば、巻芯体１３０に含まれる磁性粉体を純鉄の粉体とし、外側コア部４０に含まれる磁性粉体をＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金の粉体とすることができる。

図４に示すステップＳ０６では、金型１６０による加圧成形を実施する。図５（ｅ）に示すように、上下のパンチ１６２、１６４を相互に近接する方向に移動させ、キャビティの内部を加圧する。この場合の加圧力は、好ましくは４．０ｔｏｎ／ｃｍ^２（３．９２×１０^２ＭＰａ）以下である。

ステップＳ０６の加圧により、顆粒１４２は、流動及び圧縮され、外側コア部４０の形状に成形される。また、巻芯体１３０についても、この段階では完全に硬化していないため、ステップＳ０６の加圧により変形及び構成粒子の流動を生じる場合があり、これにより巻芯体１３０の外周面に、硬化後に凹凸３２ａとなる凹凸形状が形成される。ただし、硬化前の巻芯体１３０は事前に加圧成形されているため、巻芯体１３０で生じる流動は、外側コア部４０を形成する顆粒１４２の流動と比較して小さい。

図４に示すステップＳ０７では、ステップＳ０６で形成された成形体を金型１６０から取り出し、熱処理を実施する。ステップＳ０７での熱処理により、巻芯体１３０及び顆粒１４２に含まれるバインダが硬化し、図４に示す巻芯体３０及び外側コア部４０が形成される。

その後、ステップＳ０８では、図１及び図２に示す端子電極５０の外側コア部４０への取り付け及びリード部２４の端子電極５０への接続を行うことにより、図１〜図３に示すインダクタ素子１０を得る。リード部２４と端子電極５０との接続は、溶接、導電性接着剤による接着、はんだ付け等により行うことができるが、導通が確保できる接続方法であれば特に限定されない。

上述したインダクタ素子１０は、別途加圧成形された硬化前の巻芯体１３０を用いてコイル２０を形成し、これをキャビティ内に配置してインサート成形するため、外側コア部４０相当部分の加圧成形時（ステップＳ００７）に生じる巻芯体１３０の圧縮量が小さく、巻線部２２の内側部分が加圧不足となる問題も解消される。したがって、巻線部２２の内側部分でのクラック発生を防止でき、さらに巻線部２２の内周面２２ａが、変形の少ない巻芯体３０の外周面３２に支持されるため、加圧成形時における巻線形状の乱れが防止され、巻乱れの少ないインダクタ素子１０を実現できる。また、硬化前の巻芯体１３０を用いてコイル２０の形成を行い、巻芯体３０に含まれるバインダの硬化を、外側コア部４０に含まれるバインダの硬化と同時に行うことにより、巻芯体３０と外側コア部４０の界面でのクラック発生を防止できる。

またインダクタ素子１０は、コアの内部に存在するコイル状の導体２０ａに過度な加圧力が印加されず、コイル状の導体２０ａが潰されるおそれが少なく、したがって、コイル状の導体２０ａにおける絶縁被覆破壊が発生するおそれが少なく、ショート不良が発生し難い。さらに、巻芯体３０の外周面３２に形成された凹凸３２ａは、巻線部２２の内周面２２ａと巻芯体３０の外周面３２との密着度を高め、巻芯体３０と巻線部２２との結合を補強する。

さらに、本実施形態の方法により得られたインダクタ素子１０では、巻芯体３０及び外側コア部４０の磁性粉体の密度を所定の範囲とすることにより、初透磁率や直流重畳特性を向上させることができる。巻芯体３０と外側コア部４０における磁性粉体の密度は、含まれる磁性粉体の粒径を巻芯体３０と外側コア部４０とで異ならせたり、硬化前の巻芯体１３０を成形する際（ステップＳ０１）の圧力とインサート成形時（ステップＳ０６）の圧力とを異ならせることにより、適切な範囲内とすることができる。

上述した製造方法では、キャビティ内部に充填すべき顆粒１４２の全量の一部を、キャビティ内に充填した後、金型１６０の内部に、インサート部材としての巻芯体１３０及びこれに巻回されたコイル２０を配置し、その後に、キャビティ内を顆粒１４２で満たす。このような順序で顆粒１４２をキャビティ内に充填することで、スペーサなどを用いること無く、巻線部２２及び巻芯体１３０を有するインサート部材をキャビティ内に配置しやすくなり、製造コストの低減に寄与する。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
たとえば、上述した実施形態では、金型１６０の下側パンチ１６２及び上側パンチ１６４をＺ軸方向に沿って鉛直方向の上下に配置したが、Ｚ軸方向に沿って水平方向、あるいは鉛直と水平との間の角度方向に配置しても良い。

また、硬化前の巻芯体１３０は、加圧成形後であってコイル２０が形成される前に、乾燥又は予備的熱処理が施されることにより、巻芯体１３０に含まれる顆粒の流動性が調整されていても良い。ただし、コイル２０形成前における硬化前の巻芯体１３０に対する熱処理温度（第１の温度）は、巻芯体１３０に含まれるバインダを完全に硬化させない温度であることが好ましく、例えば、外側コア部４０形成の際（ステップＳ０７）における熱処理温度（第２の温度）より低温であることが好ましい。

また、巻芯体は、コイル形成時に既に硬化されていても良く、また、圧縮成形体以外の鋳造や加工により形成されても良い。

１０… インダクタ素子
２０… コイル
２０ａ… 導体
２２… 巻線部
２４… リード部
３０… 巻芯体
３２… 外周面
３２ａ… 凹凸

Claims (7)

1. コイル状に導体が巻回してある巻線部と、前記巻線部から引き出されたリード部とを有するコイルと、
   バインダを含み、前記巻線部の内周面が押し当てられた外周面を有する柱状であって強磁性の巻芯体と、
   前記巻線部及び前記巻芯体を覆っており、前記バインダ及び磁性粉体を含む圧縮成形体である外側コア部と、を有し、
   前記巻芯体の前記外周面には、前記巻線部の前記内周面の形状に沿う凹凸が形成されており、
   前記凹凸の内部では、前記巻芯体と前記巻線部とが結合されているインダクタ素子。
2. 前記巻芯体は、バインダ及び前記外側コア部に含まれる磁性粉体とは異なる磁性粉体を含む圧縮成形体である請求項１に記載のインダクタ素子。
3. 前記巻線部は、軸方向に関して、前記巻芯体における前記軸方向一端面から他端面までの間に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインダクタ素子。
4. 前記巻芯体は磁性粉体を含む圧縮成形体であり、
   前記巻芯体における磁性粉体の密度は４．５〜７．０ｇ／ｃｍ^３であり、前記外側コア部における磁性粉体の密度は４．０〜６．５ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のインダクタ素子。
5. 前記巻線部には、前記導体がコイル状に多層で巻回されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のインダクタ素子。
6. 前記導体の外周は絶縁被覆層で被覆されており、
   前記巻芯体に含まれるバインダと前記絶縁被覆層とが結合されることにより、前記巻芯体と前記巻線部とが結合される請求項１〜５のいずれかに記載のインダクタ素子。
7. 硬化前の巻芯体を準備する工程と、
   導体を前記硬化前の巻芯体の外周面に押し当てながらコイル状に巻回して巻線部を形成する工程と、
   金型内に前記巻線部及び前記硬化前の巻芯体を配置し、これを磁性紛体及びバインダで構成された顆粒で覆い、加圧成形して成形体を得る工程と、
   前記成形体を硬化させ、前記巻芯体の外周面に凹凸を形成するとともに、前記凹凸の内部で、前記巻芯体と前記巻線部とを結合させる工程と、を含むインダクタ素子の製造方法。

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