JP6830340B2 - コイル部品 - Google Patents

Description

この発明は、コイル部品に関するもので、特に、ワイヤを巻回した巻芯部と巻芯部の各端部にそれぞれ設けられた第１および第２の鍔部とを有するドラム状コア、ならびに第１および第２の鍔部間に渡された板状コアを備える、コイル部品に関するものである。

この発明にとって興味ある技術として、たとえば特開２０１５−６５２７２号公報（特許文献１）に記載されたものがある。特許文献１には、小さなサイズであっても、大きなインダクタンス値を実現できる、コイル部品としてのパルストランスを提供することを目的とし、この目的を達成するため、以下のよう構成を有するパルストランスが記載されている。

すなわち、特許文献１に記載のパルストランスは、ドラム状コアおよび板状コアと、それぞれドラム状コアの巻芯部に巻回されてパルストランスの一次巻線を構成する第１および第２のワイヤと、それぞれ巻芯部に巻回されてパルストランスの二次巻線を構成する第３および第４のワイヤとを備える。そして、上述の目的を達成するため、ドラム状コアの第１の鍔部の上面、ドラム状コアの第２の鍔部の上面、ならびに板状コアの下面のうち第１および第２の鍔部の各々の上記上面にそれぞれ対向する部分は、それぞれ研磨されていることを特徴としている。

また、特許文献１では、上記第１ないし第４のワイヤそれぞれのうち巻芯部に巻回された部分と板状コアとの間に接着剤を配置することが記載されている。この構成によれば、接着剤充填用の溝を第１および第２の鍔部や板状コアにわざわざ設けなくてもよく、その分、上述したインダクタンス値を高めることができる。

特開２０１５−６５２７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術には、以下のような解決されるべき課題がある。

まず、ドラム状コアの第１の鍔部の上面、ドラム状コアの第２の鍔部の上面、ならびに板状コアの下面のうち第１および第２の鍔部の各々の上記上面にそれぞれ対向する部分は、研磨されなくてはならないが、このような研磨に際しては、研磨工程−洗浄工程−乾燥工程というように、煩雑な複数の工程を経なければならないため、生産性が非常に低い。

また、板状コアを固定する接着剤がワイヤ上にしか塗布されない構成のため、ドラム状コアに対する板状コアの固着力が低い。また、この場合、外力や熱などにより板状コアがずれてしまうと、ワイヤの巻き乱れ、変形、断線が発生する可能性がある。さらに、ドラム状コアに対する板状コアの位置精度が低いことにより、インダクタンス値のばらつきや経時変化が発生する可能性もある。

この発明の目的は、煩雑な工程を経ることなく製造することができ、ドラム状コアに対する板状コアの固着力の低下を抑制した、コイル部品を提供しようとすることである。

この発明に係るコイル部品は、
巻芯部ならびに巻芯部の各端部にそれぞれ設けられた第１および第２の鍔部を有する、磁性体からなるドラム状コアと、
互いに逆方向に向く第１および第２の主面を有し、第１および第２の鍔部間に渡された、磁性体からなる板状コアと、
第１の鍔部に設けられた少なくとも１つの第１の端子電極と、
第２の鍔部に設けられた少なくとも１つの第２の端子電極と、
巻芯部に巻回され、かつ第１の端子電極と第２の端子電極との間に接続された、少なくとも１本のワイヤと、
を備えている。

このような構成のコイル部品において、本件発明者らは、上記第１および第２の鍔部の各々は、板状コアの第１の主面に対向する天面を有し、板状コアの第１の主面と第１および第２の鍔部の天面との間に、粒径が５０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下の磁性粉を分散させた樹脂を存在させることに注目した。

上述した磁性粉を分散させた樹脂はドラム状コアと板状コアとの接着剤として機能し、磁性粉は接着剤中で骨材として機能するとともに、鍔部と板状コアとの間の磁気抵抗の低減に寄与する。ここで、磁性粉の粒径の下限値を５０ｎｍとしたのは、５０ｎｍ未満では、磁性粉が凝集しやすく、磁性粉が凝集した場合には、磁性粉入り樹脂が接着剤として機能しなくなるためである。また、磁性粉の粒径の上限を１０００ｎｍとしたのは、１０００ｎｍを超えると、板状コアの第１の主面と第１および第２の鍔部の天面との間隔が広くなりすぎ、磁気抵抗低減効果が減殺されるためである。

上述した磁性粉を分散させた樹脂は、板状コアの第１の主面と第１および第２の鍔部の天面とが対向する全域にわたって存在していることが好ましい。この構成は、鍔部と板状コアとの間の磁気抵抗の低減により大きく寄与する。

この発明では、前述した技術的課題を解決し、接着剤としての機能を高めるため、磁性粉の粒径は３００ｎｍ以上かつ４００ｎｍ以下とされる。

また、この発明では、さらに、樹脂および磁性粉の合計量に対する磁性粉の添加量は、１０．９体積％以上かつ３６体積％以下とされることを特徴としている。

この発明において、板状コアの第１の主面と第１および第２の鍔部の天面との間隔は、２μｍ以上かつ５０μｍ以下であることが好ましい。板状コアの第１の主面と第１および第２の鍔部の天面との間隔が５０μｍ以下であれば、所望のインダクタンス値を確保することができる。また、上記間隔が２μｍ以上であると、板状コアの第１の主面と第１および第２の鍔部の天面との間隔を強制的に小さくするための加圧工程などが不要であるとともに、当該間隔を規定する板状コアの第１の主面ならびに第１および第２の鍔部の天面に対する設計の自由度および加工工程の自由度を高くすることができる。

この発明において、ドラム状コアおよび板状コアがフェライトのような焼結体から構成されるとき、少なくとも板状コアの第１の主面と第１および第２の鍔部の天面とには、微細な凹部が存在している。この場合、磁性粉の一部は、樹脂の一部とともに凹部内に入り込んでいることが好ましい。磁性粉の凹部内への入り込みは、アンカー効果をもたらし、そのため、板状コアのドラム状コアに対する固着力を向上させることができる。また、磁性粉の凹部内への入り込みは、ドラム状コアの鍔部と板状コアとの間の磁気抵抗をさらに低減する。

この発明によれば、研磨によらず鍔部と板状コアとの間の磁気抵抗を低減できるため、研磨工程を含む煩雑な複数の工程を経ることなく製造することができ、磁性粉が骨材として機能するため、ドラム状コアに対する板状コアの固着力の低下を抑制した、コイル部品を得ることができる。

この発明の一実施形態によるコイル部品１を示すもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は左側面図である。 図１に示したコイル部品１の試作品における一方の鍔部４と板状コア６との接合部分を撮影した顕微鏡写真を示す図である。 板状コアの鍔部に対する固着力を測定するために用いた割込みピン１７を示す正面図である。

図１を参照して、この発明の一実施形態によるコイル部品１について説明する。

図１に示すように、コイル部品１は、たとえばフェライト等の磁性体からなるドラム状コア２を備える。ドラム状コア２は、巻芯部３ならびに巻芯部３の各端部にそれぞれ設けられた第１および第２の鍔部４および５を有する。

コイル部品１は、また、上記第１および第２の鍔部４および５間に渡された板状コア６を備える。板状コア６は、互いに逆方向に向く第１および第２の主面７および８を有する。ドラム状コア２の場合と同様、板状コア６も、たとえばフェライト等の磁性体からなり、それによって、板状コア６は、ドラム状コア２と協働して、閉磁路を構成する。

第１および第２の鍔部４および５は、それぞれ、実装時において実装基板（図示せず。）側に向けられる底面９および１０と、底面９および１０の反対側の天面１１および１２と、を有している。第１および第２の鍔部４および５の天面１１および１２は、板状コア６の第１の主面７に対向している。

第１の鍔部４の底面９側には、第１の端子電極１３が設けられ、第２の鍔部５の底面１０側には、第２の端子電極１４が設けられる。端子電極１３および１４は、たとえば、Ａｇ粉末等の導電性金属粉末を含む導電性ペーストを印刷し、次いで、これを焼き付け、さらに、ＮｉめっきおよびＳｎめっきを施すことによって形成される。あるいは、端子電極１３および１４は、たとえば、タフピッチ銅またはリン青銅等の銅系金属からなる導電性金属片を鍔部４および５に貼り付けることによって形成されてもよい。

巻芯部３には、ワイヤ１５が巻回される。ワイヤ１５は、たとえば、ポリウレタン、ポリエステルイミド、ポリアミドイミドのような樹脂によって絶縁被覆されたＣｕ線からなる。ワイヤ１５の一方端は第１の端子電極１３に接続され、同じく他方端は第２の端子電極１４に接続される。端子電極１３および１４とワイヤ１５との接続には、たとえば熱圧着や超音波溶着、レーザ溶着などが適用される。

板状コア６の第１の主面７と第１および第２の鍔部４および５の天面１１および１２との間には、磁性粉を分散させた樹脂１６が存在している。この磁性粉入り樹脂１６は、接着剤として機能するもので、好ましくは、板状コア６の第１の主面７と第１および第２の鍔部４および５の天面１１および１２とが対向する全域にわたって存在している。なお、図１において、磁性粉入り樹脂１６は、これを図示可能とするため、その厚みが誇張されて図示されている。磁性粉入り樹脂１６の厚み、すなわち、板状コア６の第１の主面７と鍔部４および５の天面１１および１２との間隔の好ましい範囲については後述する。

磁性粉入り樹脂１６における樹脂としては、硬化性樹脂、可塑性樹脂、ゴム、エストラマーなどを用いることができるが、耐熱性の観点からは、熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂などの硬化性樹脂であることが好ましく、たとえば、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、フェノール系樹脂、メラミン系樹脂などが用いられる。また、磁性粉としては、磁性金属や磁性酸化物などを用いることができるが、使用環境の観点からは、常温で強磁性を有する金属や酸化物であることが好ましく、たとえば、ニッケル粉、コバルト粉、鉄粉、鉄−ニッケル系フェライト粉、鉄−亜鉛系フェライト粉などが用いられる。

上述した磁性粉の粒径は、５０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下である。ここで、粒径は、メジアン径と呼ばれるＤ５０で表わしたものである。なお、粒径は、コイル部品１を研磨した断面をＳＥＭにて観察して測定すればよい。具体的には、磁性粉入り樹脂１６の任意の３μｍ×３μｍの領域に相当するＳＥＭ写真内の粒子につき、ＳＥＭ写真内のスケールを指標として、粒子の長手方向を測長して求めることができる。磁性粉入り樹脂１６における磁性粉は骨材として機能するとともに、磁性粉入り樹脂１６の透磁率向上に寄与する。上述のように、磁性粉の粒径の下限値を５０ｎｍとしたのは、５０ｎｍ未満では、磁性粉が凝集しやすく、磁性粉が凝集した場合には、磁性粉入り樹脂１６が接着剤として機能しなくなるためである。また、磁性粉の粒径の上限を１０００ｎｍとしたのは、１０００ｎｍを超えると、板状コア６の第１の主面７と鍔部４および５の天面１１および１２との間隔が広くなりすぎ、磁気抵抗低減効果が減殺されるためである。ここで、板状コア６の第１の主面７と鍔部４および５の天面１１および１２との間隔が広くなりすぎるのは、当該間隔の最小値が磁性粉の粒径によって支配されることに起因する。すなわち、磁性粉の粒径が大きくなると、それに応じて、当該間隔が広くなる。
なお、この発明では、上述した磁性粉の粒径は、３００ｎｍ以上かつ４００ｎｍ以下とされる。

樹脂および磁性粉の合計量に対する磁性粉の添加量は、磁性粉による骨材としての効果を高めるためには、最低５体積％が必要であり、他方、磁性粉の凝集を生じさせにくくするためには、４０体積％以下でなければならないことが本件発明者の経験則から見出されている。
なお、この発明では、樹脂および磁性粉の合計量に対する磁性粉の添加量は、１０．９体積％以上かつ３６体積％以下とされる。

ここで、磁性粉の添加量は、磁性粉入り樹脂をSEM-EDAXで金属成分を定量測定して求めることができる。なお、上記SEM-EDAXで判断できない場合には、磁性粉入り樹脂をICP-AESで金属成分を定量測定することができる。

ドラム状コア２および板状コア６は、前述したように、フェライトのような焼結体から構成される。この場合、少なくとも板状コア６の第１の主面７と第１および第２の鍔部４および５の天面１１および１２とには、微細な凹部が存在している。図２は、コイル部品１の試作品における一方の鍔部４と板状コア６との接合部分を撮影した顕微鏡写真を示している。図２において、磁性粉入り樹脂１６中に分散している磁性粉は、白っぽい粒として写っている。

図２のように、磁性粉の一部は、樹脂の一部とともに凹部内に入り込んでいることが好ましい。磁性粉の凹部内への入り込みは、アンカー効果をもたらし、そのため、板状コア６のドラム状コア２に対する固着力を向上させることができる。また、磁性粉の凹部内への入り込みは、ドラム状コア２の鍔部４および５と板状コア６との間の磁気抵抗をさらに低減する。

以下に、この発明に係る磁性粉入り樹脂１６に含まれる磁性粉の粒径および添加量に関して、好ましい範囲を求めるために実施したコイル部品１の実験例について説明する。

［実験例１］
実験例１では、磁性粉の粒径について、好ましい範囲を求めた。

磁性粉として、後掲の表１の「磁性粉粒径」の欄に示すような粒径を有する東邦チタニウム社製ニッケル粉を用いた。なお、表１の試料４では、粒径１４０ｎｍのニッケル粉と粒径４００ｎｍのニッケル粉とを重量比で１：２の割合で混合したものを用いた。

試料１〜４では、上記ニッケル粉を、樹脂およびニッケル粉の合計量に対するニッケル粉の添加量が３２．５体積％となるように、樹脂としての一液性硬化型エポキシ樹脂中に分散させ、磁性粉入り樹脂を用いた。試料５では、磁性粉を含まず、樹脂のみを用いた。

実験例１では、ドラム状コアと板状コアとの接合に上記磁性粉入り樹脂または樹脂を用いた。ここで、樹脂の硬化のため、温度１６０℃で７分間の硬化条件を適用した。また、実験例１では、ドラム状コアの鍔部の天面と板状コアの第１の主面との間隔を４μｍに設定した。

得られた試料１〜５につき、表１に示すように、「固着力」および「Ｌ値」を評価した。

「固着力」は以下のように測定した。ワイヤを巻く前の状態で、巻芯部と板状コアとの隙間の間隔は０．５ｍｍであった。他方、図３に示すような形状の割込みピン１７を用意した。割込みピン１７は、先端が０．２ｍｍの径を有し、基部が１ｍｍの径を有するものである。上記隙間に割込みピン１７を５ｍｍ／分の速度で押し込み、力が解放された時点、すなわち破壊が生じた時点での数値を「固着力」として読み取り、その数値が車載部品の信頼性を規定するＡＥＣ−Ｑ２００の強度下限値（１７．７Ｎ）に対して十分なマージンを得られているかを確認した。なお、表１の「固着力」に記載した括弧内の数値は、試料１〜４では、試料数１０の平均値であり、試料５では、試料数５の平均値である。

「Ｌ値」は、周波数：１００ｋＨｚ、重畳条件：ＤＣ８ｍＡ、使用設備：インピーダンスアナライザ（アジレントテクノロジー社製、型式：４２９４Ａ）の測定条件の下で測定したインダクタンス値である。表１に示した「Ｌ値」は、試料数５の平均値である。

表１に記載したように、「磁性粉粒径」が１４０ｎｍ以上であるとき、ＡＥＣ−Ｑ２００規格を満足することが確認できている。このことから、「磁性粉粒径」が１４０ｎｍ以上であれば、接着剤としての機能を十分に果たし得ることがわかる。

なお、「磁性粉粒径」を試料２〜４のように３００ｎｍ以上かつ４００ｎｍ以下とすれば、磁性粉を含まない、言わば従来例に相当する試料５の「固着力」である８２．４Ｎを超える「固着力」を実現できることがわかる。

「Ｌ値」についても、上記「固着力」と同様の傾向を示している。すなわち、「磁性粉粒径」を試料２〜４のように３００ｎｍ以上かつ４００ｎｍ以下とすれば、磁性粉を含まない、言わば従来例に相当する試料５の「Ｌ値」である１８２．１μＨを超える「Ｌ値」を実現できることがわかる。

なお、表１では示していないが、上記試料１〜５において、「固着力」の測定のために生じさせた破壊は、磁性粉入り樹脂の部分ではなく、すべてドラム状コアまたは板状コアの部分で生じていた。このことからも、試料１〜５において、強い「固着力」が得られていることがわかる。

また、試料１〜５につき、信頼性確認試験を実施した。より具体的には、高温保存（１５０℃で２０００時間、および１７５℃で２０００時間）、高温高湿保存（８５℃、８５％で２０００時間）、ならびに熱衝撃（−４０℃／＋１２５℃を２０００サイクル、および−５５℃／＋１５０℃を２０００サイクル）の各試験を実施した。その結果、試料１〜５のいずれについても、良好な結果が得られ、磁性粉の添加による信頼性低下は認められなかった。

［実験例２］
実験例２では、磁性粉の添加量について、好ましい範囲を求めた。

磁性粉として、３００ｎｍの粒径を有する東邦チタニウム社製ニッケル粉を用いた。これを、後掲の表２の「磁性粉添加量」の欄に示す添加量をもって、樹脂としての一液性硬化型エポキシ樹脂中に分散させ、磁性粉入り樹脂を作製した。なお、試料１０では、磁性粉を含まず、樹脂のみを用いた。なお、「磁性粉添加量」は、樹脂および磁性粉の合計量に対する磁性粉の添加量を体積％で示したものである。

実験例２では、ドラム状コアと板状コアとの接合に上記磁性粉入り樹脂または樹脂を用いた。ここで、樹脂の硬化条件は、実験例１の場合と同様とした。また、実験例２では、ドラム状コアの鍔部の天面と板状コアの第１の主面との間隔を４μｍに設定した。

得られた試料６〜１０につき、表２に示すように、「固着力」、「Ｌ値」および「破壊モード」を評価した。「固着力」および「Ｌ値」の各々の測定条件は、実験例１の場合と同様とした。「破壊モード」の評価は、「固着力」の測定のために生じさせた破壊がどの部分で生じているかを評価したものであり、ドラム状コアまたは板状コアの部分で生じていた場合には「Ａ」とし、磁性粉入り樹脂または樹脂の部分で生じていた場合には「Ｂ」とし、表２では、全試料数１０について、［Ａの試料数］／［Ｂの試料数］の比率を「Ａ／Ｂ」として表示した。

表２から、試料６〜９のように、「磁性粉添加量」が１０．９体積％以上かつ３６体積％以下であるとき、１１３．９Ｎ以上の「固着力」が得られ、２６４．７μＨ以上の「Ｌ値」が得られることが確認できる。

また、試料６〜１０間の比較から、「磁性粉添加量」が多くなるに従い、「Ａ／Ｂ」が大きくなり、破壊がドラム状コアまたは板状コアの部分で生じる割合が高くなることがわかる。

なお、表２に示した試料６〜９は、すべて「磁性粉粒径」が３００ｎｍであるので、表２の試料８は、「磁性粉添加量」が３２．５体積％であり、「磁性粉粒径」が３００ｎｍである。他方、表１に示した試料１〜４は、すべて「磁性粉添加量」が３２．５体積％であるので、表１の試料２は、表２の試料８と同様、「磁性粉添加量」が３２．５体積％であり、「磁性粉粒径」が３００ｎｍということになる。すなわち、磁性粉入り樹脂に関する条件については、表１の試料２と表２の試料８とは同じである。

他方、表１の試料２と表２の試料８とについて、「固着力」、「Ｌ値」および「破壊モード」を比較すると、試料２と試料８間で異なる結果が得られている。

まず、「Ｌ値」については、実験例１と実験例２とにおいてコイル部品１の構成、具体的にはドラム状コア、板状コア、ワイヤの巻芯部への巻回態様を変えているためである。

次に、「固着力」については、試料２と試料８間で異なる結果が得られているが、差異は小さく、これはばらつきの範囲であると考えられる。逆に、このことから、実験例１や実験例２のように、コイル部品１の具体的な構成が異なる場合であっても、ドラム状コアに対する板状コアの固着力の低下を抑制できていることから、本発明では、コイル部品１の具体的な構成によらずに効果が発揮されることが示される。

［実験例３］
実験例３では、前述の試料６〜８および１０に係る磁性粉入り樹脂または樹脂を用いて、板状コアの第１の主面と第１および第２の鍔部の天面との間隔を２μｍおよび５０μｍにそれぞれ設定したときのコモンモードチョークコイルのＬ値を調査した。その結果が表３に示されている。

表３から、間隔が２μｍと小さい場合には、磁性粉添加量の違いがＬ値にあまり影響を及ぼさないが、間隔が５０μｍと大きくなると、磁性粉添加量の違いがＬ値に比較的大きな影響を及ぼすことがわかる。

また、表３においてＬ値を表わす数値を破線で囲んだ、試料８の間隔「５０μｍ」と試料１０の間隔「２μｍ」とを比較すれば、試料８のように、間隔が５０μｍと大きい場合であっても、磁性粉の添加により、無添加の試料１０を超えるＬ値を確保できることがわかる。

以上説明した実験例では、磁性粉としてニッケル粉を用い、また、樹脂として一液性硬化型エポキシ樹脂を用いたが、他の磁性粉および他の樹脂でも同様の結果が得られることが確認されている。

また、この発明において、コイル部品は、単一のコイルを構成するものであっても、パルストランスやコモンモードチョークコイルなどの複数のコイルによって構成されるものであってもよい。したがって、ワイヤの数も任意であり、それに応じて、各鍔部に設けられる端子電極の数も任意である。

１ コイル部品
２ ドラム状コア
３ 巻芯部
４，５ 鍔部
６ 板状コア
７ 第１の主面
８ 第２の主面
１１，１２ 天面
１３，１４ 端子電極
１５ ワイヤ
１６ 磁性粉入り樹脂

Claims (4)

1. 巻芯部ならびに前記巻芯部の各端部にそれぞれ設けられた第１および第２の鍔部を有する、磁性体からなるドラム状コアと、
   互いに逆方向に向く第１および第２の主面を有し、前記第１および第２の鍔部間に渡された、磁性体からなる板状コアと、
   前記第１の鍔部に設けられた少なくとも１つの第１の端子電極と、
   前記第２の鍔部に設けられた少なくとも１つの第２の端子電極と、
   前記巻芯部に巻回され、かつ前記第１の端子電極と前記第２の端子電極との間に接続された、少なくとも１本のワイヤと、
   を備え、
   前記第１および第２の鍔部の各々は、前記板状コアの前記第１の主面に対向する天面を有し、
   前記板状コアの前記第１の主面と前記第１および第２の鍔部の前記天面との間には、粒径が３００ｎｍ以上かつ４００ｎｍ以下の磁性粉を分散させた樹脂が存在していて、
   前記樹脂および前記磁性粉の合計量に対する前記磁性粉の添加量は、１０．９体積％以上かつ３６体積％以下である、
   コイル部品。
2. 前記磁性粉を分散させた樹脂は、前記板状コアの前記第１の主面と前記第１および第２の鍔部の前記天面とが対向する全域にわたって存在している、請求項１に記載のコイル部品。
3. 前記板状コアの前記第１の主面と前記第１および第２の鍔部の前記天面との間隔は、２μｍ以上かつ５０μｍ以下である、請求項１または２に記載のコイル部品。
4. 少なくとも前記板状コアの前記第１の主面と前記第１および第２の鍔部の前記天面とには、微細な凹部が存在していて、前記磁性粉の一部は、前記樹脂の一部とともに前記凹部内に入り込んでいる、請求項１ないし３のいずれかに記載のコイル部品。

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