JP7173873B2 - コア部品、その製造方法、およびインダクタ - Google Patents

Description

本発明は、無機粉末の焼結体からなるコア部品、その製造方法、およびインダクタに関する。

従来、フェライトコア等のコア部品の巻線部に導線、例えばポリウレタンやポリエステル等の絶縁材料で被覆された導線を巻回する場合、巻線部の両端に設けられたフランジ部のいずれか一方に導線の端部を固定し、導線を巻線部の一端側から他端側に送りながら、隣り合う導線同士を当接させることによって、導線は巻線部に整列した状態で装着される。

ところで、昨今、特許文献１に示すように、携帯端末等の電子機器は小型化が進み、そのような電子機器に搭載されるコア部品に対しても小型化の要求が高くなりつつある。また、特許文献１では、巻線部に巻回される導線も細線化が進み、その径が２０μｍ程度と極細であることが示されている。

しかし、コア部品の小型化が進むと、コア部品自体の強度が十分に高くないと、取り扱い時や巻線部への導線巻回時などに、コア部品が破壊ないしは変形するおそれがあり、寸法精度、電磁気特性が低下するおそれがある。

特許文献２には、高強度のコア部品を得るために、磁性粉末を上パンチと下パンチとで加圧成形して、巻線部とその両端に設けられたフランジ部とを備えたコア部品を製造することが記載されている（図１（Ａ），（Ｂ））。しかし、巻線部とフランジ部とを同時に加圧成形する場合、圧力を高くすると、型から成形体を取り出すのが困難となるため、低い圧力で成形せざるを得ない。そのため、得られる成形体は、内部や表面にボイドが発生しやすく、強度低下の要因となっている。

また、巻線部の表面にボイドが発生すると、脱粒が起こりやすく、そのため導線を巻線部に巻回する場合に導線に損傷が生じやすくなる。

特開２０１７－２０４５９６号公報 特開２００３－２５７７２５号公報

本開示の課題は、少なくとも巻線部の強度が向上し、かつ脱粒を抑制することができるコア部品、その製造方法、および上記コア部品を用いたインダクタを提供することである。

上記課題を解決するための本開示のコア部品は、柱状の巻線部と、この巻線部の軸方向両端に巻線部と一体に形成されたフランジ部とを備え、軸方向に垂直な断面で観察したとき、前記巻線部の表層部は、ボイドの面積占有率が前記巻線部の内部よりも小さい。
本開示のコア部品の製造方法は、巻線部およびフランジ部を形成するための円弧状の加圧面を有する上パンチと下パンチとの間に無機粉末を充填し加圧成形する工程と、加圧成形した成形体を焼成する工程と、を含み、少なくとも前記巻線部を形成する部位の前記上パンチの加圧面と下パンチの加圧面は、曲率半径が異なっており、前記加圧成形時の成形圧が９８ＭＰａ以上である。
本開示のインダクタは、上記コア部品の巻線部に導線が巻回されてなる。

本開示によれば、巻線部の表層部は、ボイドの面積占有率が小さく、従って緻密であるので、巻線部の強度が向上し、変形に対する耐性が向上する。また、脱粒も少なくなるので、導線を巻線部に巻回する場合に導線に損傷を与えにくくなる。
また、表層部のボイドの面積占有率が小さくなることにより、誘電正接（tanδ）が低下し、周波数特性も向上する。
本開示の製造方法によれば、少なくとも巻線部を形成する部位の上パンチの円弧状加圧面と下パンチの円弧状加圧面は、曲率半径が異なっているため、両パンチの加圧面が同じ曲率半径である場合に比べて、成形型からの成形体の取り出しが容易になるので、高圧力で加圧成形でき、そのため巻線部の表層部は、ボイドの面積占有率が小さくなる。また、高圧力での加圧成形によって成形体にバリが生じにくいので、研磨が必要な場合でも、容易に研磨でき、さらに巻回する導線を傷つけることが少なく、断線等を抑止することができる。

（ａ）は本開示の一実施形態に係るコア部品を示す側面図、（ｂ）はそのＸ－Ｘ線断面図、（ｃ）はＹ－Ｙ線断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ本開示の一実施形態に係るコア部品を成形型で成形する様子を示す横断面図および縦断面図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ成形型で成形後の様子を示す横断面図および縦断面図である。 （ａ）はコア部品の部分拡大断面図、（ｂ）は他のコア部品の部分拡大断面図である。

以下、本開示の一実施形態に係るコア部品を説明する。図１（ａ）に示すように、コア部品１は、柱状の巻線部２と、この巻線部２の軸方向両端に巻線部２と一体に形成されたフランジ部３とを備えた、フェライトの他、アルミナなどの無機粉末の焼結体からなる。巻線部２には図示しない導線が巻回される。導線の両端は、フランジ部３に形成された取出電極に接続される。例えば、巻線部２の軸方向における長さは、１ｍｍ～２ｍｍ、直径は、０．５ｍｍ～２ｍｍである。また、それぞれのフランジ部３の軸方向における長さ（幅）は、０．２ｍｍ～０．８ｍｍ、直径は、１．５ｍｍ～４ｍｍである。

本実施形態のコア部品１は、図１（ｂ）に示すように、巻線部２を軸方向に垂直な断面で観察したとき、巻線部２の表層部２１は、ボイドの面積占有率が巻線部２の内部２２よりも小さい。例えば、巻線部２の表層部２１におけるボイドの面積占有率が０．５～３％である。
これにより、巻線部２の表層部２１は緻密であるので、巻線部２の強度が向上し、変形に対する耐性が向上し、脱粒も抑制される。

ここで、表層部２１とは、巻線部２の表面から軸心に向かって深さが０．２２ｍｍ以内の領域をいう。内部２２とは、表層部２１を除く領域をいう。また、ボイドの面積占有率を求めるには、例えば、平均粒径が１μｍのダイヤモンド砥粒を用いて研磨して得られる表層部２１および内部２２のそれぞれの鏡面（この鏡面が巻線部２の軸方向に垂直な断面である。）のうち、ボイドの大きさや分布が平均的に観察される部分を選択し、例えば、面積が３．８４×１０^-2ｍｍ²（横方向の長さが０．２２６ｍｍ、縦方向の長さが０．１７０ｍｍ）となる範囲を走査型電子顕微鏡で倍率を５００倍として撮影して観察像を得る。そして、この観察像を対象にして、画像解析ソフト「Ａ像くん(ｖｅｒ２．５２)」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製、なお、以降の説明において画像解析ソフト「Ａ像くん」と記した場合、旭化成エンジニアリング（株）製の画像解析ソフトを示すものとする。）を用いて、粒子解析という手法によりボイドの面積占有率を求めることができる。

ボイドの面積占有率は、フランジ部３についても巻線部２と同様の関係を有してもよい。すなわち、図１（ｃ）に示すように、フランジ部３を軸方向に垂直な断面で観察したとき、フランジ部３の表層部３１は、ボイドの面積占有率がフランジ部３の内部３２よりも小さい。例えば、フランジ部３の表層部３１におけるボイドの面積占有率が０．５～４％である。

また、巻線部２の少なくとも表層部２１における、下記式で示される、隣接するボイド間の間隙Ｃは６～１２μｍであるのが好ましい。
式：Ｃ＝Ｌ－Ｒ
但し、Ｌは表層部２１または内部２２において隣接するボイド間の重心間距離の平均値、Ｒは表層部２１または内部２２におけるボイドの円相当径の平均値である。
このとき、表層部２１のボイドは、内部２２に存在するボイドよりも、隣接するボイド間の間隙Ｃが大きいのがより好ましい。具体的には、上記式から得られる、表層部２１における前記ボイド間の間隙Ｃ_S1と、内部２２における前記ボイド間の間隙Ｃ_S2との差が１μｍ以上であるのがよい。

上記のように、巻線部２の少なくとも表層部２１におけるボイド分布が疎であるので、ボイドの内部や輪郭から生じる脱粒が減少し、導線を巻線部２に巻回する場合に導線に断線等の損傷を与えにくくなる。

巻線部２と同様に、フランジ部３の表層部３１に存在するボイドは、内部３２に存在するボイドよりも、上記式で示される、隣接するボイド間の間隙Ｃが大きくてもよい。具体的には、表層部３１におけるボイド間の間隙Ｃ_F1と、内部３２におけるボイド間の間隙Ｃ_F2との差が１μｍ以上である。
ここで、表層部３１とは、フランジ部３の表面から軸心に向かって深さが０．２２ｍｍ以内の領域をいう。内部３２とは、表層部３１を除く領域をいう。

ボイド間の重心間距離の平均値およびボイドの円相当径の平均値は、以下の方法で求めることができる。
まず、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨して得られる表層部および内部のそれぞれの鏡面（この鏡面が巻線部２の軸方向に垂直な断面である。）のうち、ボイドの大きさや分布が平均的に観察される部分を選択し、例えば、面積が３．８４×１０^-2ｍｍ²（横方向の長さが０．２２６ｍｍ、縦方向の長さが０．１７０ｍｍ）となる範囲を走査型電子顕微鏡で倍率を５００倍として撮影して観察像を得る。そして、前記した画像解析ソフト「Ａ像くん」を用いて、分散度計測の重心間距離法という手法によりボイドの重心間距離の平均値を求めることができる。

また、上述した観察像と同じ観察像を用いて、画像解析ソフト「Ａ像くん」による粒子解析という手法で解析することによって、ボイドの円相当径の平均値を求めることができる。

重心間距離法および粒子解析の設定条件としては、例えば、画像の明暗を示す指標であるしきい値を８３、明度を暗、小図形除去面積を０．２μｍ²、雑音除去フィルタを有とすればよい。なお、上述の測定に際し、しきい値は８３としたが、観察像の明るさに応じて、しきい値を調整すればよく、明度を暗、２値化の方法を手動とし、小図形除去面積を０．２μｍ²および雑音除去フィルタを有とした上で、観察像においてしきい値によって大きさが変化するマーカーがボイドの形状と一致するようにしきい値を手動で調整すればよい。

巻線部２は、表面の粗さ曲線における２５％の負荷長さ率での切断レベルと、前記粗さ曲線における７５％の負荷長さ率での切断レベルとの差を表す、前記粗さ曲線の切断レベル差（Ｒδｃ）が０．２μｍ以上２μｍ以下である。切断レベル差（Ｒδｃ）は軸方向および径方向両方を表すパラメータである。
また、同様に、フランジ部３表面の粗さ曲線の切断レベル差Ｒδｃも０．２μｍ以上２μｍ以下であるのが好ましい。

切断レベル差（Ｒδｃ）が０．２μｍ以上であることにより、導線に対して、適切なアンカー効果を与えることができる。そのため導線の滑りが適度に抑制されて、巻回装着が容易になり、導線の巻線部２への巻回をずれなく高精度で行うことができ、巻きずれ等の発生を防止することができる。一方、切断レベル差（Ｒδｃ）が２μｍ以下であることにより、券回される導線の間隔のばらつきおよび隣り合う導線の高低差を抑制することができる。

また、粗さ曲線における二乗平均平方根高さ（Ｒｑ）が０．０７μｍ以上２．５μｍ以下であるのが好ましい。
二乗平均平方根高さ（Ｒｑ）が０．０７μｍ以上であると、導線に対して、適切なアンカー効果を与えることができるため装着が容易になる。一方、二乗平均平方根高さ（Ｒｑ）が２．５μｍ以下であると、導線を券回する場合、断線のおそれを低減することができる。

巻線部２は、後述するように、下パンチ５および上パンチ６で高圧力にて加圧成形されるため、巻線部２の表層部２１は、図１（ａ）に示すフランジ部３の内側部の表層部３１´よりも緻密質である。そのため、導線を券回する場合、券回に伴って生じる脱粒のおそれを低減することができる。

上記粗さ曲線の切断レベル差Ｒδｃおよび二乗平均平方根高さ（Ｒｑ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に準拠し、超深度カラー３Ｄ形状測定顕微鏡（例えば、(株)キーエンス社製のＶＫ－９５００等）によって測定することができる。測定条件は、測定モードをカラー超深度、ゲイン：９５３、高さ方向の測定分解能（ピッチ）：０．０５μｍ、倍率：４００倍、カットオフ値λ_s：２．５μｍ、カットオフ値λ_c：０．０８ｍｍである。
ここで、１箇所当りの測定範囲は、巻線部２を測定の対象とする場合、５８０μｍ～７００μｍ×２８０μｍ～３８０μｍとし、フランジ部３を測定の対象とする場合、７０μｍ～１７０μｍ×５００μｍ～５５０μｍとすればよい。

図１（ａ）に示すように、巻線部２とフランジ部３とが交わるコーナ部２０の曲率半径は、導線の径と等しいか、それよりも小さいのが好ましい。具体的には、コーナ部２０の曲率半径は４０μｍ以下、好ましくは１０～３０μｍであるのがよい。これにより導線の巻きづれを防止できる。

次に、プレス成形によるコア部品１の製造方法を図２および図３に基づいて説明する。図２（ａ）、（ｂ）はそれぞれコア部品１の成形状態を示す横断面図および縦断面図である。
使用するプレス成形装置は、ダイス４、下パンチ５および上パンチ６を備えている。下パンチ５は第１下パンチ５１および第２下パンチ５２からなる。上パンチ６は第１上パンチ６１および第２上パンチ６２からなる。

図２（ａ）に示すように、下パンチ５および上パンチ６は、それぞれ巻線部２およびフランジ部３を形成するための円弧状の加圧面５０ａ、５０ｂ、６０ａ、６０ｂを有する。巻線部２およびフランジ部３を形成する部位の下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂと上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂとは曲率半径が異なっており、本実施形態では、上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂの曲率半径が下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂの曲率半径より大きく形成されているが、その逆に、下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂの曲率半径が上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂの曲率半径より大きく形成されていてもよい。
そのため、下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂと上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂとが重なり合った状態で、両側部に段部７が形成される。
なお、本実施形態では、少なくとも巻線部２を形成する部位の下パンチ５の加圧面５０ｂの曲率半径と、上パンチ６の加圧面６０ｂの曲率半径とが異なっていればよい。

成形にあたっては、まず下パンチ５を図２（ａ）に示すようにダイス４内に固定させ、原料となる無機粉末８を下パンチ５上面の加圧面５０ａ、５０ｂに供給する。ついで、上パンチ６を下降させ、下パンチ５と上パンチ６との間で無機粉末を加圧する。

加圧成形時の成形圧は９８ＭＰａ以上、好ましくは１９６～４９０ＭＰａである。このような高圧力で加圧成形できるので、得られる成形体は特に表面部分が高密度で緻密なものとなり、前記したように、巻線部２の表層部２１のボイドの面積占有率を前記巻線部２の内部２２よりも小さくすることができる。
同様の理由から、前記した、巻線部２の少なくとも表層部２１におけるボイド分布を疎にすることができ、隣接するボイド間の間隙Ｃを６～１２μｍにすることが可能になる。

また、成形体は特に表面部分が高密度で緻密なものとなることにより、巻線部２表面の粗さ曲線の切断レベル差Ｒδｃを０．２～２μｍにすることができる。
さらに、高圧力で加圧成形するため、成形型（後述する下パンチ５、上パンチ６）の表面形状を忠実に反映させることができるため、巻線部２とフランジ部３とが交わるコーナ部２０の曲率半径を、導線の径と等しいか、それよりも小さくすることができる。

このような高圧力で加圧できるのは、前記したように、下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂと上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂとは曲率半径が異なっているためである。これに対して、下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂと上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂとが同じ曲率半径を有する場合は、高圧力で加圧すると、成形体を成形型から取り出すことができなくなる。そのため、高圧力で加圧できず、低圧力で加圧せざるを得ないので、加圧成形されたコア部品１はボイドの多いものとなり、強度が劣り、さらに脱粒が発生しやすくなる。

成形後、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ダイス４を下パンチ５と上パンチ６に対して相対的に下降させて、下パンチ５と上パンチ６との重なり面にある段部７とダイス４の上端面とをほぼ等しい高さにする。ついで、下パンチ５に対して上パンチ６を上方に移動させる。このとき、まず両側部の第１上パンチ６１を先に上昇させた後、第２上パンチ６２を上昇させる。これにより、上パンチ６の成形体９からの分離が容易になる。

上パンチ６の上昇と同時に、またはその後に、ダイス４に対して第２下パンチ５２を相対的に上昇させる。これにより、成形体９が押し上げられるようになり、成形体９を簡単に取り出すことができる。

得られた成形体９に対し、必要があればエアーブロー等で付着した原料粉末を除去した後、例えば、大気雰囲気中、１０００～１２００℃の最高温度で２～５時間保持して焼結体を得る。さらに、必要に応じて焼結体にバレル研磨等の研磨を行って、コア部品１を得る。

巻線部２およびフランジ部３に相当する成形体９の表面には、下パンチ５の加圧面５０ａ、５０ｂと上パンチ６の加圧面６０ａ、６０ｂの曲率半径の違いに起因する段部７に対応する段部１０が形成される。この段部１０が、巻線部２の表面への導線の巻回に支障がある場合には、研磨によってできる限り除去するのが好ましい。

研磨して得られたコア部品１は、図１（ｂ）および図４（ａ）に示すように、巻線部２が、軸心に直交する断面において、曲率半径が大きい曲面状の外周面を有する第１領域１１と、曲率半径が小さい曲面状の外周面を有する第２領域１２とを含み、第１領域１１と第２領域１２とが凸状部１３を介して繋がっている。このとき、凸状部１３の高さは、巻線部２の外周面に巻回される導線の径と等しいか、または導線の径より小さいのが好ましい。これにより、導線の断線や巻きづれが発生するのを抑制することができる。

また、研磨によって段部１０を大きく除去し、その部分を平面状に加工してもよい。この場合には、図４（ｂ）に示すように、巻線部２´が、軸心に直交する断面において、曲率半径が大きい曲面状の外周面を有する第１領域１１´と、外周面が第１領域１１´と繋がる平坦部１４とこれに連続し曲率半径が小さい曲面状部とからなる第２領域１２´とを含み、第１領域１１´と第２領域１２´とが凸状部１３´を介して繋がっている。

以上の研磨加工は、巻線部２、２´だけでなく、フランジ部３にも同様に適用してもよい。すなわち、フランジ部３は、図１（ｃ）に示すように、軸心に直交する断面において、曲率半径が大きい曲面状の外周面を有する第３領域１１１と、曲率半径が小さい曲面状からなる曲面状部とからなる第４領域１１２とを含み、第３領域１１１と第４領域１１２とが第２凸状部１３１を介して繋がっている。これにより、第２凸状部１３１から脱粒が生じるのを抑制することができる。

第２凸状部１３１は、外周面が曲面状であるのがよい。さらに、第２凸状部１３１の外周面は、前記フランジ部の外周面よりも曲率半径が小さいのが好ましい。これにより、第１凸状部１３内の残留応力が低減されるので、第１凸状部１３が脆性破壊しにくくなり、脆性破壊に伴う脱粒の発生が低減される。

第４領域１１２は、図４（ｂ）に示した巻線部２と同様に、外周面が前記第３領域１１１と繋がる平坦部１４とこれに連続し曲率半径が小さい曲面状部とを含んでいてもよい。

得られたコア部品１は、巻線部２、２´に導線が巻回されてインダクタとして好適に利用される。本開示のコア部品１の用途はインダクタに限るものではなく、両端にフランジを有し、かつ中央部が柱状で滑らかな曲面形状となった部材をセラミックスなどで形成する場合に、応用することができる。例えば、磁気テープなどを案内するためのテープガイドとして、柱状体の両端にフランジを有する形状のものをセラミックスで製造する場合には、本開示のコア部品の製造方法を用いることによって、容易に製造することができる。

以下、実施例および比較例を挙げて、本開示のコア部品を詳細に説明する。
（実施例）
図２、図３に示す成形装置を用いてフェライト粉末を加圧成形した後、所定温度で焼成してコア部品を作製した。

（比較例）
実施例の成形と同じ圧力と温度で同じ時間成形してフェライト粉末の柱状の成形体を得，この成形体の中央部のみ切削加工した後、焼成して、焼結体からなる巻線部とその両端にフランジ部を有するコア部品を作製した。

（ボイドの面積占有率を測定）
得られたコア部品について、前記した測定方法にてボイドの面積占有率を測定した。測定は、コア部品の巻線部およびフランジ部についてそれぞれ表層部と内部のボイドの面積占有率を測定した。その結果を表１に示す。

表１から、実施例のコア部品は、比較例のコア部品と異なり、巻線部およびフランジ部の各表層部におけるボイドの面積占有率がそれらの内部よりも小さく、従って緻密であることがわかる。

１ コア部品
２ 巻線部
３ フランジ部
４ ダイス
５ 下パンチ
６ 上パンチ
７、７´ 段部
８ 無機粉末
９ 成形体
１０、１０´ 段部
１１ 第１領域
１２ 第２領域
１３ 第１凸状部
１４ 平坦部
２０ コーナ部
２１、３１、３１´ 表層部
２２、３２ 内部
５０ａ、５０ｂ 下パンチの加圧面
５１ 第１下パンチ
５２ 第２下パンチ
６０ａ、６０ｂ 上パンチの加圧面
６１ 第１上パンチ
６２ 第２上パンチ
１１１ 第３領域
１１２ 第４領域
１３１ 第２凸状部

Claims (6)

1. 柱状の巻線部と、この巻線部の軸方向両端に巻線部と一体に形成されたフランジ部とを備えた、無機粉末の焼結体からなるコア部品であり、
   軸方向に垂直な断面で観察したとき、前記巻線部の表層部は、ボイドの面積占有率が０．５～３％であり、前記巻線部の内部よりも小さいことを特徴とするコア部品。
2. 前記フランジ部を軸方向に垂直な断面で観察したとき、前記フランジ部の表層部は、ボイドの面積占有率が前記フランジ部の内部よりも小さい請求項１に記載のコア部品。
3. 前記フランジ部の表層部におけるボイドの面積占有率が０．５～４％である請求項２に記載のコア部品。
4. 請求項１～３のいずれかに記載のコア部品の製造方法であって、
   前記巻線部およびフランジ部を形成するための円弧状の加圧面を有する上パンチと下パンチとの間に無機粉末を充填し、加圧成形する工程と、
   加圧成形した成形体を焼成する工程と、を含み、
   少なくとも前記巻線部を形成する部位の前記上パンチの加圧面と下パンチの加圧面は、曲率半径が異なっており、
   前記加圧成形時の成形圧が９８ＭＰａ以上である、ことを特徴とするコア部品の製造方法。
5. 焼成によって得られた焼結体を研磨する工程をさらに含む請求項４に記載のコア部品の製造方法。
6. 請求項１～３のいずれかに記載のコア部品の巻線部に導線が巻回されてなるインダクタ。
   

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