TWI480902B

TWI480902B - Inductor

Info

Publication number: TWI480902B
Application number: TW102122593A
Authority: TW
Inventors: Takahiro Samata; Hideki Ogawa
Original assignee: Taiyo Yuden Kk
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2015-04-11
Also published as: JP6159512B2; US20140009252A1; US9257223B2; JP2014013803A; TW201405599A

Description

電感器

本發明係關於一種電感器，詳細而言係關於一種繞組型電感器。

電感器因不易使高頻分量通過而被用於濾波器或電源電路中之噪聲去除、平滑等。於構造上之分類為繞組型、積層型、薄膜型等，尤其於DC-DC(Direct Current-Direct Current，直流對直流)轉換器等大電流用途中多使用繞組型電感器。

近年來，隨著電子機器之高密度安裝化，對於電感器亦要求小型化，但因該小型化而會使電感器之磁芯(包含磁性材料之磁芯)之體積減少，從而容易導致直流重疊特性(負載直流電流時之電感)惡化。

因此，即便於已小型化之情形時，亦要求不會導致直流重疊特性惡化之電感器。

於下述專利文獻1中，揭示有關於如下構造之模壓線圈之技術(以下，稱作先前技術)，該模壓線圈係以磁性體模壓樹脂(使磁性體粉末分散於樹脂中而成者)對線圈進行密封，根據該先前技術，可獲得優異之直流重疊特性(該文獻之段落〔0011〕)。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2009-260116號公報

然而，上述先前技術係對磁性體模壓樹脂進行「加壓成形」來對線圈進行密封之技術，存在如下問題：無法保證磁性體模壓樹脂之平順之流動性，有於捲繞之線圈之間隙中殘留有空間(以下稱作密封不均)之虞。

因此，本發明之目的在於提供一種謀求直流重疊特性之提高，並且不會導致密封不均之產生之電感器。

本發明之電感器係於對捲繞於磁芯之卷芯部上之線圈進行密封之密封材料，使用含有非晶軟磁性合金粉末之含軟磁性合金粉末之樹脂者，其特徵在於：上述含軟磁性合金粉末之樹脂包含於粒度分佈具有第1波峰與第2波峰之大小2種粒子群，上述第2波峰之粒徑為第1波峰之粒徑之1/2以下，且上述第2波峰與第1波峰之強度比(存在率)為0.2以上且0.6以下。

根據本發明，可提供一種謀求直流重疊特性之提高，並且不會導致密封不均之產生之電感器。

CL‧‧‧中心軸

10‧‧‧電感器

11‧‧‧磁芯

11a‧‧‧卷芯部

11b‧‧‧上凸緣部

11B‧‧‧底面

11c‧‧‧下凸緣部

12‧‧‧線圈

13‧‧‧金屬線

13A‧‧‧端部

13B‧‧‧端部

14‧‧‧絕緣皮膜

15A‧‧‧溝槽

15B‧‧‧溝槽

16A‧‧‧電極

16B‧‧‧電極

17A‧‧‧焊錫

17B‧‧‧焊錫

18‧‧‧密封材料

19‧‧‧曲線

20‧‧‧曲線

20a‧‧‧點

20b‧‧‧點

20c‧‧‧點

20d‧‧‧點

20e‧‧‧點

21‧‧‧第1粒子群

22‧‧‧第2粒子群

23‧‧‧熱硬化型樹脂材料

24‧‧‧含軟磁性合金粉末之樹脂

圖1係實施形態之電感器之剖面圖。

圖2係表示密封材料18之粒度分佈(頻度分佈)之圖。

圖3係表示第1波峰與第2波峰之強度比(存在率)之圖。

圖4係對線圈12之皮膜(密封)之形成方法進行說明之概念圖。

以下，一面參照圖式一面對本發明之實施形態進行說明。

圖1係實施形態之電感器之剖面圖。

於該圖中，電感器10包括：磁芯11；線圈12，其捲繞於磁芯11 上；一對電極16A、16B，其用以連接線圈12之端部13A、13B；及密封材料18，其被覆於線圈12之外周而進行密封。

磁芯11包括：卷芯部11a，其為特定軸長且柱狀，用以捲繞組圈12；上凸緣部11b，其一體化地形成於該卷芯部11a之一端部(正對著圖式而為圖式之上側端部)；及下凸緣部11c，其一體化地形成於卷芯部11a之另一端部(正對著圖式而為圖式之下側端部)。

為儘可能縮短獲得所需匝數時之線圈長度(線圈12之纏繞長度)而降低電阻，卷芯部11a之剖面形狀較佳為大致圓形或圓形，但並不限定於此。又，為對應於高密度安裝而謀求電感器10之小型化，下凸緣部11c之外形之俯視形狀較佳為大致四邊形或四邊形，但並不限定於此，亦可為多邊形或大致圓形等。進而，上凸緣部11b之外形較佳為對應於下凸緣部11c而為類似之形狀，但上凸緣11c同樣地形狀不受限定，進而，為應對塗佈密封材料18時之滴液，較佳為使其為較下凸緣部11c稍小之尺寸。

於下凸緣部11c之底面11B上，設置有夾持卷芯部11a之中心軸CL而對稱地對向之一對電極16A、16B。再者，亦可於該底面11B之用以形成一對電極16A、16B之區域(電極形成區域)中，預先形成例如溝槽15A、15B。

磁芯11較佳為使用包含軟磁性合金粒子之集合體之基材。此處，所謂「軟磁性」(soft magnetic)係指抗磁力較小且磁導率較大之性質。又，所謂「合金」係指將1種以上之金屬或非金屬添加至單體金屬(包含單一之金屬元素之純金屬)中而成之物質中、具有金屬性質(有自由電子，導電性或導熱性良好，具有金屬光澤等性質)的物質。進而，所謂「粒子」係指構成物質之微細之「粒」，所謂「集合體」係指該粒子之集合。

用於磁芯11之軟磁性合金粒子之集合體例如可為含有鐵(Fe)、矽 (Si)、及較鐵更易氧化之元素者。於較鐵更易氧化之元素中，例如可使用鉻(Cr)或鋁(Al)。

如此，將軟磁性合金粒子之集合體用於磁芯11，且適當設定軟磁性合金粒子中之「較鐵更易氧化之元素(於上述例示中為鉻或鋁)」之含有率、或該軟磁性合金粒子之平均粒徑，藉此可實現高飽和磁通密度與高磁導率，而且藉由該高飽和磁通密度與高磁導率而可謀求直流重疊特性之提高。

線圈12係於包含銅(Cu)或銀(Ag)等之金屬線13之外周，形成有包含聚胺基甲酸酯樹脂或聚酯樹脂等之絕緣被覆層14之所謂的被覆導線，該被膜導線(線圈12)係於卷芯部11a之周圍捲繞特定匝數之後，在除去線圈12之一端13A及另一端部13B之絕緣被覆層14之狀態下，分別藉由焊錫17A、17B電性連接於電極16A、16B。

於將電極16A、16B設於溝槽15A、15B內部之情形時，較佳為線圈12之端部13A、13B之直徑以大於溝槽15A、15B之深度之方式設定。

線圈12可形成為例如直徑0.1~0.2mm左右之被覆導線。線圈12之匝數、即捲繞於卷芯部11a之匝數例如可為3.5匝~15.5匝左右。

可用於線圈12之金屬線13亦可為單線，但並不限定於此，例如亦可為2根以上之複線或紋合線。又，金屬線13亦可為圓形剖面線，又，亦可為長方形剖面線(所謂之平角線)或正方形剖面線(所謂之四角線)等。

線圈12之端部13A、13B與電極16A、16B之電性連接不僅可為經由焊錫而進行連接之態樣，亦可為例如藉由熱壓接而使電極16A、16B與線圈12之端部13A、13B進行金屬接合之態樣。又，於該情形時，可利用焊錫覆蓋(被覆)接合部位。

其次，對作為實施形態之要點之密封材料18進行說明。

密封材料18被覆於捲繞於磁芯11之卷芯部11a上之線圈12之外周，且具有可不留間隙地完全填滿(填充)由卷芯部11a、上凸緣部11b及下凸緣部11c所包圍之空間之所需的流動性，且為利用熱硬化者。

作為一例，考慮對該密封材料18使用含有軟磁性合金粉末之熱硬化性樹脂(以下，稱作「含軟磁性合金粉末之樹脂」)。其原因在於，如此可與包含軟磁性合金粒子之集合體之磁芯11同樣地謀求直流重疊特性之提高。例如，作為該含軟磁性合金粉末之樹脂，考慮使用如下者，其係使於電感器10之使用溫度範圍中具有特定之黏彈性之樹脂材料以特定比率含有包含磁性粉末或氧化矽(SiO2)等無機材料之無機填料而得者。更具體而言，考慮使用於作為硬化時之物性之剛性率相對於溫度之變化中，自玻璃狀態向橡膠狀態轉變之過程中之玻璃轉移溫度為100~150℃之含軟磁性合金粉末之樹脂。又，於成為基質之熱硬化樹脂材料中，考慮使用例如環氧樹脂或環氧樹脂與酚樹脂之混合樹脂。

進而，亦考慮於含軟磁性合金粉末之樹脂所含有之無機填料中，使用包含Fe-Cr-Si合金或Mn-Zn鐵氧體或Ni-Zn鐵氧體等之各種磁性粉末、或用以調整黏彈性之氧化矽(SiO2)等。作為具有特定之磁導率之磁性粉末，考慮使用例如與構成磁芯11之軟磁性合金粒子具有相同組成之磁性粉末、或含有該磁性粉末者。於該情形時，考慮使上述磁性粉末之平均粒徑為大致2~30μm左右，進而，亦考慮將包含含軟磁性合金粉末之樹脂中所含之磁性粉末之無機填料含有大致50vol%以上。

於使用該例示之密封材料18之情形時，根據本案發明者等人之實驗，發現有如下問題：由於合金粉末相對於樹脂成分之潤濕性較低，故密封材料18之流動性較差，無法順利地塗佈用以獲得所需之形狀或特性所必需之量之樹脂。

為解決該問題，本案發明者等人反覆銳意研究之結果發現，藉由對密封材料18中所含之軟磁性合金粉末使用不具有結晶性之非晶(非晶質)合金粉末，並且滿足以下條件，可謀求改善合金粉末相對於樹脂成分之潤濕性。

<第1條件>

作為密封材料18中所含之非晶合金粉末，至少於粒度分佈具有2個波峰(以下，稱作第1波峰與第2波峰)，且粒徑之大小關係為「第1波峰>第2波峰」。

<第2條件>

第2波峰之粒徑為第1波峰之粒徑之1/2以下(較佳為1/3以下)。1/2以下或1/3以下之「以下」之極限可考慮為1/10左右。其原因在於，隨著粒徑變小，粒子之表面積增加，下文所述之TI值上升，反而會阻礙流動性，故而推斷其極限為1/10左右。

<第3條件>

第2波峰與第1波峰之強度比(存在率)為0.2以上且0.6以下(較佳為0.25以上且0.4以下)，例如大致為0.3。

<第4條件>

第1波峰之粒徑大致以22μm為中心分散。

<第5條件>

粒度分佈之D90%為大致60μm以下。

而且，發現藉由將應用上述5個條件之全部或任一者之密封材料18塗佈於實施形態之電感器10上、即如下繞線體(電感器10)上，而可解決上述潤濕性問題，即由於合金粉末相對於樹脂成分之潤濕性較低，故密封材料18之流動性較差，無法順利地塗佈用以獲得所需之形狀或特性所必需之量之樹脂之問題，該繞線體(電感器10)之構成上之主旨係：將胺基甲酸酯等之被覆導線(於金屬線13之外周形成有絕緣皮膜14者)，捲繞於使軟磁性合金粉末(例如FeCrSi系軟磁性合金粉末)成形、並利用藉由加熱所得之氧化膜使粉末彼此接合而成之磁芯11上，且將其連接於端子(電極16A、16B)。

此處，所謂D90%係指自某粒徑將粉體分為2部分時較大側與較小側成為等量之直徑(中值徑)。雖亦使用D10%或D50%等，但此處設為D90%、即粒度分佈之90%中所包含之粒徑為大致60μm以下。

又，所謂「粒度分佈」係指表示於成為測定對象之樣品粒子群中，以何種比例(將整體設為100%之相對粒子量)含有何種大小(粒徑)之粒子的指標。亦稱作頻度分佈。

又，所謂「波峰」係指該粒度分佈(頻度分佈)中之相對粒子量之明顯的突出點(表示相對粒子量明顯突出之量之點)。

但為導入粒度分佈(頻度分佈)之概念，而必需對「粒徑」進行定義。其原因在於，大部分粒子之形狀並非為球體或立方體等可簡單且定量性地表現者，而較為複雜且不規則，從而無法直接對粒徑進行定義。因此，一般而言使用「球相當直徑」之方便(間接)之定義。此係方便之測定方法，即於利用某測定原理對特定粒子進行測定之情形時，將獲得相同之結果(測定量或圖案)之「模型球體」之直徑「視為」該被測定粒子之粒徑。例如，於「沈澱法」中，將與和被測定粒子為相同物質之直徑1μm之模型球具有相同之沈澱速度的被測定粒子之粒徑視為1μm，或於「雷射繞射．散射法」中，將呈現與直徑1μm之模型球相同之繞射．散射光之圖案的被測定粒子之粒徑不論其形狀如何均視為1μm。

圖2係表示密封材料18之粒度分佈(頻度分佈)之圖。於該圖中，橫軸為表示粒徑之粒度(單位為μm)、縱軸為表示相對粒子量之頻度(單位為%)。於該圖中，在曲線19中，可辨識出大小2個明顯之異常點。若將頻度較大之異常點設為「第1波峰」，將頻度較小之異常點設為「第2波峰」，則該等2個波峰之關係成為「第1波峰>第2波峰」，故而滿足上述第1條件。

第1波峰之粒度大致以22μm附近為中心分散，第2波峰之粒度大致以5μm附近為中心分散，進而，頻度於第1波峰中為大約21%，於第2波峰中為大約4%。由於第1波峰與第2波峰之粒度分別為大約22μm與5μm，故而滿足上述第4條件，又，由於第2波峰之粒度(大約5μm)成為第1波峰之粒度(大致22μm)之大約1/4，故而至少成為1/2以下(或1/3以下)而滿足上述第2條件。

又，相當於曲線19之面積之90%之部分被大致粒度60μm以下佔據，滿足上述第5條件。

圖3係表示第1波峰與第2波峰強度比(存在率)之圖。於該圖中，橫軸係第2波峰之頻度除以第1波峰之頻度而得出之值(即強度比)，縱軸係TI(Thixotropy Index，觸變指數)值。此處，TI值係表示於塗料業界等中被經常利用之結構黏性之指數，總而言之，係定量性地表示流動性之值。TI值越接近於1，表示越容易成為牛頓流動而流動(具有流動性)。此處，圖示之TI值係於利用BH型旋轉黏度計測定5rpm及50rpm之黏度之後，將「5rpm之測定黏度÷50rpm之測定黏度」之計算值設為TI值者。

如上所述，TI值越接近於1，越容易成為牛頓流動而流動，總而言之，自獲得平順之流動性而言，例如若將該圖中之曲線20中之TI值=1.3以下設為獲得良好之流動性之目標範圍(參照往左傾斜之影線部分)，則於圖示之例中，與TI值=1.3交叉之曲線20之第一個點20a之強度比成為0.2，第2個點20b之強度比成為0.6，因此第1波峰與第2波峰之強度比(存在率)成為0.2以上且0.6以下，滿足上述第3條件。

再者，選擇「TI值=1.3以下」之原因在於，即便於塗佈時產生填充不足，於塗佈後亦會引起流動足以填滿空隙之必要之樹脂。

TI值並不限定於該例(TI值=1.3以下)。若意圖獲得更平滑之樹脂流動，則可設為較上述例示更接近於1之值。例如可設為TI值=1.2以下。於該情形時，與TI值=1.2交叉之曲線20之第一個點20c之強度比成為0.25，第2個點20d之強度比成為0.4，因此第1波峰與第2波峰之強度比(存在率)成為0.25以上且0.4以下，滿足上述第3條件之較佳條件。

此處，於圖示之曲線20中，由於TI值成為極小之點20e之強度比為大致0.3，故而亦滿足上述第3條件之一例值(例如為大致0.3)。

如上所述，根據圖2所示之密封材料18之粒度分佈(頻度分佈)、及圖3所示之第1波峰與第2波峰強度比(存在率)，可認為滿足上述條件(第1~第5條件)之全部。

因此，若將滿足該等條件之全部或任一者之密封材料18應用於電感器10，即若將滿足上述條件之全部或任一者之密封材料18塗佈於如下繞線體(電感器10)，則可解決上述潤濕性之問題，即由於合金粉末相對於樹脂成分之潤濕性較低，故密封材料18之流動性較差，無法順利地塗佈用以獲得所需之形狀或特性所必需之量之樹脂之問題，該繞線體(電感器10)之構成上之主旨係將胺基甲酸酯等之被覆導線(於金屬線13之外周形成有絕緣皮膜14者)，捲繞於使軟磁性合金粉末(例如FeCrSi系之軟磁性合金粉末)成形、並利用藉由加熱所得之氧化膜而使粉末彼此接合而成之磁芯11上，且將其連接於端子(電極16A、16B)。

作為上述密封材料18之流動性得以改善之原因，可推測由於非晶合金粉末之表面狀態為容易與液體成分融合之性質，且粒徑較小之合金粉末填充於粒徑較大之合金粉末彼此之間隙中，故而與單一粒徑之粉末相比，表觀填充體積變少。

再次，對實施形態中之線圈12之皮膜(密封)之形成方法進行說明。

圖4係對線圈12之皮膜(密封)之形成方法進行說明之概念圖。(a)首先，準備第1粒子群21與第2粒子群22。該等2種粒子群(第1粒子群21及第2粒子群22)均為軟磁性合金粉末，更詳細而言為軟磁性且不具有結晶性之非晶(非晶質)合金粉末。該合金粉末可使用例如與構成磁芯11之軟磁性合金粒子具有相同組成之磁性粉末(其中為非晶合金粉末)。

第1粒子群21支配性地包含具有上述第1波峰之較大之粒子，第2粒子群22支配性地包含具有上述第2波峰之較小之粒子。如上所述，粒徑之大小關係為「第1波峰>第2波峰」(第1條件)，第2波峰之粒徑為第1波峰之粒徑之1/2以下(較佳為1/3以下)(第2條件)，第1波峰之粒徑大致以22μm為中心分散(第4條件)，第2波峰與第1波峰之強度比(存在率)為0.2以上且0.6以下(較佳為0.25以上且0.4以下)、例如為大致0.3(第3條件)，第1粒子群21與第2粒子群22之粒度分佈之D90%為大致60μm以下(第5條件)。

(b)其次，將上述2種粒子群(第1粒子群21及第2粒子群22)投入熱硬化型樹脂材料23之液體中。2種粒子群(第1粒子群21及第2粒子群22)之投入量，以重量比換算可設為例如相當於50vol%或此以上。熱硬化型之樹脂材料23，可使用例如環氧樹脂或環氧樹脂與酚樹脂之混合樹脂。

(c)其次，對樹脂材料23進行攪拌，製作2種粒子群(第1粒子群21及第2粒子群22)充分混合而成之混合液(含軟磁性合金粉末之樹脂24)。

(d)繼而，準備半完成狀態(線圈12露出之狀態)之電感器10，(e)將含軟磁性合金粉末之樹脂24塗佈於該線圈12之外周。

此時，滿足上述條件(第1~第5條件)之含軟磁性合金粉末之樹脂 24具有良好之流動性(至少TI=1.3以下)。因此，線圈12之外周自不用言，於鄰接之線圈12之間的間隙、或線圈12與卷芯部11a之間隙、線圈12與上凸緣部11b之間隙、線圈12與下凸緣部11c之間隙等中亦平滑地流入有含軟磁性合金粉末之樹脂24，其結果，可填滿所有間隙而進行澈底之密封。

又，含軟磁性合金粉末之樹脂24之塗佈係必需對半完成狀態(線圈12露出之狀態)之電感器10之4個側面均進行塗佈，但亦可簡化該塗佈作業。例如亦可僅塗佈4個側面中之任一側面，或僅塗佈對向之2個側面，或僅塗佈鄰接之2個側面，而利用含軟磁性合金粉末之樹脂24之流動性使其自然地遍及(潤濕擴散)至其他側面。如此一來，可使塗佈作業變得簡單而提高作業性，故而較佳。

(f)最後，對利用含軟磁性合金粉末之樹脂24密封線圈12而得之電感器10進行熱處理，使含軟磁性合金粉末之樹脂24硬化而形成密封材料18，(g)完成具有圖1之構造之電感器10。

如上所述，根據實施形態之技術，可發揮能不留間隙地進行將感器10之線圈12澈底密封之特有效果。又，由於對該密封材料18使用含軟磁性合金粉末之樹脂，故而亦可獲得能形成優異之直流重疊特性之效果。又，亦可不對4個側面均進行塗佈，僅塗佈一個側面或對向之2個側面或鄰接之2個側面，而潤濕擴散至剩餘之側面，從而亦可獲得能謀求塗佈作業之簡化之效果。

進而，由於並非為進行如文章開頭之先前技術般之「加壓成形」之密封技術，故而亦可獲得無產生伴隨加壓之各種機械故障、例如線圈之變形或捲繞位置之偏移等之虞之效果。

[產業上之可利用性]

本發明適合於「繞組型電感器」，尤其適合於DC-DC轉換器等大電流用途之電感器。又，一般亦可應用填充狹窄間隙之電磁波屏蔽用途之填充材。

19‧‧‧曲線

Claims

一種電感器，其係於對捲繞於磁芯之卷芯部上之線圈進行密封之密封材料，使用含有非晶軟磁性合金粉末之含軟磁性合金粉末之樹脂者，其特徵在於：上述含軟磁性合金粉末之樹脂包含於粒度分佈具有第1波峰與第2波峰之大小2種粒子群，上述第2波峰之粒徑為第1波峰之粒徑之1/2以下，且上述第2波峰與第1波峰之強度比(存在率)為0.2以上且0.6以下。
如請求項1之電感器，其中上述第2波峰與第1波峰之強度比(存在率)為0.25以上且0.4以下。
如請求項1之電感器，其中上述第2波峰之粒徑為上述第1波峰之粒徑之1/3以下。
如請求項1之電感器，其中粒度分佈之90%中所包含之粒徑為60μm以下。
如請求項1至4中任一項之電感器，其包含繞線體，該繞線體係將被覆導線捲繞於使軟磁性合金粉末成形、並利用藉由加熱所得之氧化膜使粉末彼此接合而成之磁芯上，且將其連接於端子者。