JP6898213B2 - インダクタ、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インダクタ、及びその製造方法に関する。

コイルと磁性体とが一体化したインダクタとして、コイルが磁性体を含む樹脂中に埋設された、コイル埋設型インダクタが知られている。

例えば特許文献１には、熱硬化性樹脂と粉末状の磁性体とを含む磁性粉末を加圧成型した磁性成形体と、当該磁性成型体に内蔵されたコイルとを有する特定のデバイスが開示されている。

特開２０１０−１０４２６号公報

金型のキャビティ内にコイルを有する状態で、磁性粉末を加圧成型する場合、当該コイルに起因する応力が磁性粉末の成形体にかかり、クラックが発生しやすいという問題があった。特許文献１によれば、磁性成形体を特定形状とすることにより、コイルに起因する応力を緩和することができるとされている。しかしながら、当該手法でも、応力を十分に抑制するものではなかった。

本発明者らは、成形時に成形体への応力がかかりにくく、また多量生産にも好適なことから、射出成型による製造方法に着目した。
射出成形法は、キャビティ内に熱可塑性樹脂と磁性粉とを含む組成物を充填して成形する方法であるが、磁気特性向上のために組成物中の磁性粉の割合を高めると、当該組成物の流動性が低下して、当該組成物がキャビティ内に十分に充填されないことがあった。一方、熱可塑性樹脂の割合を高めると、得られるインダクタのインダクタンスが低下することがあった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、磁気特性が良好で、成形不良が抑制されたインダクタ、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るインダクタの一実施形態は、
コイルと、
前記コイルを埋設する成形体とを備え、
前記成形体が、熱可塑性樹脂と、磁性粉とを有し、
前記成形体が、前記コイルの内周部内であって、当該コイルの巻き軸方向の少なくとも一方の面に凹部を有する。

前記インダクタの一実施形態は、前記凹部の底面における前記磁性粉が、前記凹部の底面の形状に沿って配向する。

前記インダクタの一実施形態は、前記凹部の底面がコイル巻回部内に配置されている。

前記インダクタの一実施形態は、前記凹部の径（Ｒ１）と、前記コイルの内径（Ｒ２）との比（Ｒ１／Ｒ２）が、０．１以上０．７５以下である。

本発明に係るインダクタの製造方法の一実施形態は、
凸部を有するキャビティを形成する工程と、
前記凸部の先端面がコイル巻回部内に配置されるように、コイルを前記キャビティ内に配置する工程と、
熱可塑性樹脂と磁性粉とを含有する組成物を、前記キャビティ内に充填する工程と、を有する。

前記インダクタの製造方法の一実施形態は、組成物を充填するゲートが、凸部に対向する面に配置される。

本発明によれば、磁気特性が良好で、成形不良が抑制されたインダクタ、及びその製造方法を提供することができる。

図１は、本発明のインダクタの一実施形態を示す模式的な透過図である。 図２は、本発明のインダクタの製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。 図３は、本発明のインダクタの製造方法の説明に用いるための、金型の模式的な断面図である。 図４は、本発明のインダクタの一実施形態を示す断面写真である。 図５は、図４の例に示されるインダクタのＡ部分の拡大写真である。

まず、図１を参照して本実施形態のインダクタについて説明する。図１の（ａ）は、インダクタの模式的な上面透過図であり、図１の（ｂ）は、インダクタの模式的な側面透過図である。
本実施形態のインダクタ１は、コイル３と、前記コイルを埋設する成形体２とを備え、前記成形体２が前記コイル３の内周部内であって、当該コイル３の巻き軸方向の少なくとも一方の面に凹部４を有するコイル埋設型インダクタである。なお、本実施形態のインダクタ１は、少なくともコイルの巻回部が成形体内に埋設されていればよく、コイル３と回路等との接続のため、コイルの一部が成形体から露出していてもよい。

前記成形体２は、熱可塑性樹脂と磁性粉とを有する組成物を、後述する射出成形により成形されたものである。
成形体２用の組成物は、少なくとも、熱可塑性樹脂と、磁性粉とを含有するものであり、さらに必要に応じて他の成分を含有してもよいものである。

前記熱可塑性樹脂としては、射出成形に用いられる公知の熱可塑性樹脂を適宜選択して用いることができる。本発明においては、熱可塑性樹脂として、中でも、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、又は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いることが好ましい。熱可塑性樹脂は１種類を単独で、又は２種類以上を組み合わせて用いることができる。

前記磁性粉は、埋設型インダクタに用いられる公知の磁性粉の中から適宜選択することができる。本発明においては、インダクタのインダクタンスの向上の点から、中でも軟磁性粉末を用いることが好ましく、中でも、Ｆｅ（鉄）を主成分とするＦｅ基合金軟磁性粉末を用いることがより好ましい。
Ｆｅ基合金軟磁性粉末としては、例えば、カルボニウム鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末、Ｆｅ−Ｎｉ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金粉末、少なくともＦｅ−Ｓｉ−Ｂを含むＦｅ基合金非晶質粉末、少なくともＦｅ−Ｂ−Ｐ−Ｃｕを含むＦｅ基合金ナノ結晶粉末などが挙げられる。ここで、前記Ｆｅ基合金非晶質粉末とは、Ｆｅ基合金軟磁性粉末の内、結晶組織を持たない非晶質（アモルファス）な粉末をいう。また、Ｆｅ基合金ナノ結晶粉末とは、上記Ｆｅ基合金非晶質粉末に熱処理を実施し、非晶質相中に微細なα−Ｆｅ結晶を析出させた材料をいう。Ｆｅ基合金ナノ結晶粉末によれば、高磁化のα−Ｆｅ、微細化による結晶磁気異方性の低減、アモルファス相の正磁歪とα−Ｆｅ相の負磁歪の混相による磁歪の低減により、高飽和磁束密度（Ｂｓ）、低損失の良好な磁気特性が得られる。
本発明においては、上述の種々の磁性粉の中から１種単独で、又は２種類以上を組み合わせて用いることができる。

本実施形態のインダクタにおいて、磁性粉末の粒径は特に限定されないが、例えば、粒径が１μｍ以上５００μｍ以下のものを好適に用いることができる。

成形体中の磁性粉の割合は、特に限定されないが、インダクタンスを向上する点から、成形体全体との体積比率で、６５％以上であることが好ましく、７０％以上であることがより好ましく、７５％以上であることが更により好ましい。一方、組成物の流動性を高めて、キャビティへの充填不足を抑制する点から、磁性粉の割合は成形体との体積比率で９０％以下であることが好ましく、８５％以下であることが好ましい。
成形体中の熱可塑性樹脂の割合は、インダクタンスの向上と、成形体の機械強度などの点から、成形体との体積比率で１０％以上３５％以下であることが好ましく、１５％以上３０％以下であることがより好ましく、１５％以上２５％以下であることが更により好ましい。

成形体は、熱可塑性樹脂と、磁性粉の他に、本発明の効果を損なわない範囲で、任意の機能性を付与するための他の成分を含有してもよい。他の成分としては、磁性粉の分散性を向上させる分散剤や組成物の流動性を向上させる潤滑剤、耐熱性を向上させる助剤などが挙げられる。

成形体２は、コイル３の内周部内に凹部４を有している。当該凹部４を有することにより、磁性粉の割合を高めて流動性の低い組成物を用いた場合であっても、キャビティ内に当該組成物が充填されて成形不良が抑制される。
特に、後述するインダクタの製造方法において、コイル３の内周部内であって凹部４に対向する面側から組成物を充填する場合、注入した組成物が、凹部４に対応する図３の凸部９に当たり、組成物の一部は、凹部の底面１１の形状に沿ってコイルの下面側を通ってコイルの外周に回り込む。この場合、図５のＢ領域に示されるように、磁性粉が、前記凹部の底面１１の形状に沿って配向する。また、同時に組成物の一部は、凸部９に当たって対流し、コイル上面側からコイル外周へ回り込む（図５のＣ領域）。このように射出成形において、成形体用の組成物がコイルの下面側へ回りこむ流れと、コイルの上面側からコイル外面へ回り込む流れが生じ、キャビティのコイル内周部内から、コイルの外周部まで組成物が均一に充填されるようになる。その結果、成形体の成形不良を抑制することができる。また、均一に拡散するため、コイルが中心部からずれることも抑制される。

凹部４の底面１１は、図１に示されるような平面であってもよく、任意の曲面であってもよい。また、凹部４の断面は、図１に示されるような円形であってもよく、四角形、六角形等の多角形形状であってもよい。
凹部４の底面１１は、コイルの巻回部内に配置されていることが成形体の成形不良をより抑制する点から好ましい。なお、底面１１が曲面の場合、少なくとも底面１１の一部がコイルの巻回部内に配置されていればよく、底面１１の全体がコイルの巻回部内に配置されていることが好ましい。底面１１がコイルの巻回部内に配置されていることで、射出成形時にコイルの上面側から外周へ流れる組成物と、コイルの下面側から外周へ流れる組成物のバランスがよくなり、成形不良が抑制される。
ここで、本発明において、コイルの巻回部内とは、コイルの巻回部が形成する筒状部分の内部のことをいう。

また、前記凹部の径（Ｒ１）と、前記コイルの内径（Ｒ２）との比（Ｒ１／Ｒ２）が、０．１以上０．７５以下であることが好ましい。なお、凹部が多角形などの場合、凹部の径（Ｒ１）は長径をとるものとする。Ｒ１／Ｒ２が０．１以上、好ましくは０．３以上とすることで、組成物の成形不良が抑制される。また、Ｒ１／Ｒ２を０．７５以下、好ましくは０．５以下とすることでインダクタンスの低下を抑制することができる。

コイル３の形状は、インダクタに用いられるコイルとして公知のものの中から適宜選択されるものであり、通常、巻回部を有し、回路等と接続する配線を有している。また、コイル３の材質は特に限定されず、例えば銅線などとすることができ、当該銅線は、任意の絶縁皮膜を有することが好ましい。

本発明のインダクタは、磁気特性に優れ、成形不良が抑制されているため、従来公知のいずれの用途にも好適に用いることができる。インダクタの用途としては、例えば、チョークコイルやノイズフィルタ、トランスなどが挙げられる。

次に、図２及び図３を参照して、本実施形態のインダクタの製造方法を説明する。図２は、本発明のインダクタの製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。また、図３は、本発明のインダクタの製造方法の説明に用いるための、金型の模式的な断面図であり、コイル３が配置された状態の例である。
本実施形態のインダクタの製造方法は、凸部を有するキャビティ６を形成する工程（Ｓ１）と、キャビティ６内にコイルを配置する工程（Ｓ２）と、組成物を充填する工程（Ｓ３）を有している。なお、キャビティ６を形成する工程とコイルを配置する工程はこの順番に行ってもよく、キャビティ６の形成中にコイルを配置してもよい。

キャビティ６は、通常、複数の金型５を組み合わせて、成形体の形状となるように形成する。本発明においてはキャビティ内に所定の凸部９を有している。凸部９は、図３に示されるように柱状のピン１２により形成してもよく、凸部９を有する金型５を用いてもよい。
組成物の注入口となるゲート７は、コイル３の内周部内であって凸部９に対向する面側に配置されることが好ましい。ゲート７をこのように配置することにより、磁性粉の割合が高く流動性の低い組成物を用いた場合であっても、充填不良が抑制される。ゲート７には、組成物供給用のノズル８が配置される。
キャビティの形成中又は形成後にコイルを所定の位置に配置する。コイルを配置した後に、ノズル８から組成物を注入する。組成物は加熱して溶融された状態で注入する。充分に充填した後、冷却することで、磁気特性に優れ、成形不良が抑制され他本発明のインダクタを得ることができる。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。なお、これらの記載により本発明を制限するものではない。

＜実施例１＞
成形体の寸法、すなわちキャビティ６の寸法が、幅２２ｍｍ、長さ２２ｍｍ、高さ１０ｍｍとなるような金型５を用意した。コイル３は、幅２．７５ｍｍ、厚み１．４ｍｍの絶縁被覆平角銅線から、巻き数が２．５ターン、外径１７ｍｍ、内径１１．５ｍｍ、高さ５．６ｍｍのエッジワイズコイルとなるように加工したものを用意した。金型５はこのコイル３がキャビティ６の中央部（成形体の下面からコイルの下面の距離２．２ｍｍの位置）に位置決めができるような構造になっている。ピン１２は外径４ｍｍで、キャビティ６内に４ｍｍ入り込むような構成とした。成形体用の組成物として、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ合金のＦｅ基合金非晶質軟磁性粉末とポリアミド樹脂とを含有する組成物を準備した。組成物中のＦｅ基合金軟磁性粉末の割合は体積比率７０％とした。この組成物を加熱溶融し、ノズル８を介してゲート７からキャビティ６の中に注入して射出成形することで、コイル埋設型インダクタ１を作製した。
得られたコイル埋設型インダクタ１には、ピン１２によって組成物が充填されなかった部分に相当する凹部４が存在する。

上記実施例１の方法でコイル埋設型インダクタを５０個射出成形したところ、充填不足による成形不良数は０個であった。またコイル３の中心部からのずれが０．２ｍｍ以上発生したものは０個であった。
また、実施例１で得られたコイル埋設型インダクタの初期（測定に必要なごく微小な交流電流のみで、コイルに流す直流電流が０Ａの時の）インダクタンスは１．２４μＨ、コイルに４０Ａの直流電流を流した時のインダクタンスは１．１７μＨであった。

＜比較例１＞
実施例１において、ピン１２のないキャビティを形成した以外は、実施例１と同様にして比較例１のインダクタを製造した。比較例では、ピン１２がないので、コイル埋設型インダクタに凹部４がなく直方体の形となっている。

上記比較例１の方法でコイル埋設型インダクタを５０個射出成形したところ、充填不足による成形不良数が１２個であった。また、コイル３の中心部からのずれが０．２ｍｍ以上発生したものは５０個中１５個であった。
また比較例１で得られたコイル埋設型インダクタの中から成形良品を選択して測定したところ、初期インダクタンスは１．２５μＨ、コイルに４０Ａの直流電流を流した時のインダクタンスは１．１９μＨであった。以上の結果から、比較例と比較して本発明によって射出成形の成形性が向上したこと、およびピン１２によって生じる凹部４があっても磁気特性が同等であることが示された。

＜実施例２＞
成形体及びコイルの寸法を実施例１と同様にし、凹部の径を４ｍｍとして、凹部の深さのみを変化させた場合におけるインダクタのインダクタンスの変化をシミュレートした。結果を表１に示す。

なお、表１中、凹部深さ１０ｍｍは成形体を貫通する凹部を有していることを示す。また、実施例２においてコイル巻回部は、深さ２．２ｍｍ〜深さ７．８ｍｍに対応する。

表１に示されるとおり、凹部の深さはインダクタンスに影響を与えなかった。このようなことから凹部の深さは成形不良の抑制の観点から選択することができ、凹部の底面がコイル巻回部内に配置されていることが好ましいことが明らかとなった。

＜実施例３＞
成形体及びコイルの寸法を実施例１と同様にし、凹部の深さを４ｍｍとして、凹部の径のみを変化させた場合におけるインダクタのインダクタンスの変化をシミュレートした。結果を表２に示す。

なお、表２中、凹部径が１１．５ｍｍのものは、コイルの内部に成形体を有しないことを示す。

表２に示されるとおり、凹部径／コイル内径が０．９以下であれば良好なインダクタンスが得られ、中でも０．７５以下の範囲では優れたインダクタンスが得られることが示された。

１ インダクタ
２ 成形体
３ コイル
４ 凹部
５ 金型
６ キャビティ
７ ゲート
８ ノズル
９ 凸部
１１ 底面
１２ ピン

Claims (5)

1. コイルと、
   前記コイルを埋設する成形体とを備え、
   前記成形体が、熱可塑性樹脂と、磁性粉とを有し、
   前記成形体が、前記コイルの内周部内であって、当該コイルの巻き軸方向の少なくとも一方の面に凹部を有し、
   前記凹部の径（Ｒ１）と、前記コイルの内径（Ｒ２）との比（Ｒ１／Ｒ２）が、０．１以上０．７５以下である、インダクタ。
2. 前記凹部の底面における前記磁性粉が、前記凹部の底面の形状に沿って配向する、請求項１に記載のインダクタ。
3. 前記凹部の底面がコイル巻回部内に配置されている、請求項１又は２に記載のインダクタ。
4. 前記成形体中の磁性粉の割合が、成形体全体との体積比率で６５％以上９０％以下である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインダクタ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のインダクタの製造方法であって、
   凸部を有するキャビティを形成する工程と、
   前記凸部の先端面がコイル巻回部内に配置されるように、コイルを前記キャビティ内に配置する工程と、
   熱可塑性樹脂と磁性粉とを含有する組成物を、前記キャビティ内に充填する工程と、を有する、インダクタの製造方法。

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