WO2019239671A1 - コイル封入圧粉成形コア、インダクタンス素子、および電子・電気機器 - Google Patents

Abstract

基本特性（特にＬ／ＤＣＲ）を維持しつつ直流重畳特性を向上させることが可能なインダクタンス素子を構成する本発明のコイル封入圧粉成形コアにおいて、コイル封入圧粉成形コア１００Ａの内部に配置されるコイル１０の巻回体１０Ｃと圧粉成形コア３０とは、下記に定義される内部コア容積比ＲＶが３以上５以下となる関係を有する。　ＲＶ＝（Ｖ１／Ｖ２）／（１－Ｖ／Ｖｐ）　ここで、Ｖ１は、圧粉成形コア３０における、コイル１０の巻回軸に沿った方向である第一方向からコイル封入圧粉成形コア１００Ａをみたときに巻回体１０Ｃの内側に位置する領域の容積であり、Ｖ２は、圧粉成形コア３０における巻回体１０Ｃの外側に位置する領域の容積であり、Ｖは圧粉成形コア３０の容積であり、Ｖｐはコイル封入圧粉成形コア１００Ａの容積である。

Description

コイル封入圧粉成形コア、インダクタンス素子、および電子・電気機器

　本発明は、コイル封入圧粉成形コア、該コイル封入圧粉成形コアを備えるインダクタンス素子、および当該インダクタンス素子が実装された電子・電気機器に関する。本明細書において、「インダクタンス素子」とは、圧粉コアを含む芯材およびコイルを備える受動素子であって、リアクトルの概念を含むものとする。

　近年、部品の小型化を実現する観点から、磁性粉末を含んでなる材料を圧粉成形して得られる圧粉成形コアの内部にコイルが封入された構成を有するコイル封入圧粉成形コアが用いられている。特許文献１に記載されるコイル封入圧粉成形コアでは、コイルの端子電極間に流れる電流に起因する発熱を防止するために、コア端子間の電圧、電流とコアの体積の関係が規定されている。特許文献２に記載されるコイル封入圧粉成形コアでは、直流重畳特性の低下を招くことなく放熱性を高めるべく、圧粉成形コアの一部を他の部分と異なる材料とすることが提案されている。

特開２００３－２８２３４２号公報 特開２０１２－２３５０５１号公報

　特許文献１や特許文献２に記載されるコイル封入圧粉成形コアを備えるインダクタンス素子は、スマートフォンなどの携帯通信端末の表示部を駆動するための部品として多数使用されている。携帯通信端末には薄型化や小型化などの要請が継続的に存在し、最大表示輝度を高めるなど表示部の能力を高めることへの要請も継続的に存在する。こうした要請の存在を背景として、インダクタンス素子が小型化（低背化を含む。）しても、基本特性（特にＬ／ＤＣＲ）および直流重畳特性の双方を維持することが求められている。インダクタンス素子が所定の自己インダクタンスＬを得るためには、インダクタンス素子が備えるコイル封入圧粉成形コアのコイルのターン数を増加させることが考えられるが、インダクタンス素子は小型化を前提とするため、コイルのターン数を増加させても、コイル封入圧粉成形コアの体積を増加させることができない。このため、コイル封入圧粉成形コアにおける圧粉成形コアの体積が相対的に減ることとなる。その結果、インダクタンス素子の直流重畳特性は悪化する可能性がある。特に、インダクタンス素子が備えるコイル封入圧粉成形コアの大きさが数ミリ角の場合には、インダクタンス素子に求められる自己インダクタンスＬを確保する観点からコイル体積を小さくすることには実質的に限界がある。このため、必要な自己インダクタンスＬを確保して直流重畳特性が向上したコイル封入圧粉成形コアを得ることは極めて困難であった。

　そこで、本発明は、基本特性（特にＬ／ＤＣＲ）を維持しつつ直流重畳特性を向上させることが可能なインダクタンス素子を構成するコイル封入圧粉成形コアを提供することを目的とする。本発明は、上記のコイル封入圧粉成形コアを備えるインダクタンス素子、および当該インダクタンス素子が実装された電子・電気機器を提供することも目的とする。

　上記課題を解決するために本発明者らが検討した結果、コイル封入圧粉成形コアの内部に配置されるコイルの巻回体の形状を圧粉成形コアとの関係で設定することにより、インダクタンス素子の基本特性と直流重畳特性との総合評価の指標であるＩｓａｔ×Ｌ／ＤＣＲを安定的に高めることができるとの新たな知見を得た。

　かかる知見により完成された本発明は次のとおりである。
　本発明の一態様は、巻回体を有するコイルが磁性粉末を含む圧粉成形コアに封入されたコイル封入圧粉成形コアであって、下記に定義される内部コア容積比ＲＶが３以上５以下であることを特徴とするコイル封入圧粉成形コア。
　　ＲＶ＝（Ｖ１／Ｖ２）／（１－Ｖ／Ｖｐ）

　ここで、Ｖ１は、前記圧粉成形コアにおける、前記コイルの巻回軸に沿った方向である第一方向から前記コイル封入圧粉成形コアをみたときに前記コイルの前記巻回体の内側に位置する領域（第１領域）の容積（第１容積）であり、Ｖ２は、前記圧粉成形コアにおける、前記第一方向から前記コイル封入圧粉成形コアをみたときに前記コイルの前記巻回体の外側に位置する領域（第２領域）の容積（第２容積）であり、Ｖは前記圧粉成形コアの容積（コア容積）であり、Ｖｐは前記コイル封入圧粉成形コアの容積（チップ容積）である。

　コイルに流れる電流に基づく磁束は第１領域を流れるため、第１領域の容積である第１容積Ｖ１が大きいほど、コイル封入圧粉成形コアの磁気飽和が生じにくくなる。したがって、第１容積Ｖ１が大きくなるほど、コイル封入圧粉成形コアを備えるインダクタンス素子の自己インダクタンスＬ（単位：μＨ）もＩｓａｔ（直流重畳したときに自己インダクタンスＬが３０％低下する電流値、単位：Ａ）も高くなる。しかしながら、第１容積Ｖ１が大きくなっても圧粉成形コアの容積であるコア容積Ｖを大きくできないため、第１容積Ｖ１が大きくなると、第２領域の容積である第２容積Ｖ２が小さくなる。Ｖ２が小さくなることはＬおよびＩｓａｔの双方に影響を与えるため、内部コア容積比ＲＶで評価すると、ＬおよびＩｓａｔはそれぞれ異なった非線形的関係を有する。なお、内部コア容積比ＲＶは、チップ容積Ｖｐに占めるコイル容積の割合（１－Ｖ／Ｖｐ）でＶ１／Ｖ２を規格化した値であり、コイル容積とコア容積Ｖとの総和がチップ容積Ｖｐになる。上記の異なる非線形関係に起因して、インダクタンス素子の特性の総合評価の指標として位置づけられるＩｓａｔ×Ｌ／ＤＣＲは、内部コア容積比ＲＶが３から５の範囲でピークを有する傾向を示す。この傾向は、圧粉成形コアに含まれる磁性粉末の組成や圧粉成形コアの製造方法が異なっても認められる。したがって、コイル封入圧粉成形コアを形状を設計する際に、内部コア容積比ＲＶが３から５の範囲となるように設定することにより、磁性粉末の組成や圧粉成形コアの製造方法に関わらず、インダクタンス素子が良好な特性が得られやすくなる。

　圧粉成形コアが含む磁性粉末は、少なくとも一部が非晶質磁性材料からなっていてもよく、より具体的な例として、非晶質磁性材料および結晶質磁性材料からなっていてもよい。また、圧粉成形コアが含む磁性粉末は、非晶質磁性材料のみ、または、結晶質磁性材料のみからなっていてもよい。

　結晶質磁性材料の具体例として、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系合金、Ｆｅ－Ｎｉ系合金、Ｆｅ－Ｃｏ系合金、Ｆｅ－Ｖ系合金、Ｆｅ－Ａｌ系合金、Ｆｅ－Ｓｉ系合金、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系合金、カルボニル鉄および純鉄が挙げられ、結晶質磁性材料はこれらの合金からなる群から選ばれた１種または２種以上の材料を含んでいてもよい。結晶質磁性材料はＦｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系合金からなることが好ましい場合がある。

　非晶質磁性材料の具体例として、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ系合金、Ｆｅ－Ｐ－Ｃ系合金およびＣｏ－Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ系合金が挙げられ、非晶質磁性材料はこれらの合金からなる群から選ばれた１種または２種以上の材料を含んでいてもよい。非晶質磁性材料はＦｅ－Ｐ－Ｃ系合金からなることが好ましい場合がある。

　本発明は他の一態様として、上記のコイル封入圧粉成形コアと当該コイル封入圧粉成形コアが有するコイルのそれぞれの端部に接続された接続端子とを備えるインダクタンス素子を提供する。かかるインダクタンス素子は、上記のコイル封入圧粉成形コアの優れた特性に基づき、基本特性（Ｌ／ＤＣＲ）を維持しつつ直流重畳特性を向上させることが可能である。

　本発明のさらにまた別の一態様は、上記のインダクタンス素子が実装された電子・電気機器であって、前記インダクタンス素子は前記接続端子にて基板に接続されている電子・電気機器である。かかる電子・電気機器として、電源スイッチング回路、電圧昇降回路、平滑回路等を備えた電源装置や小型携帯通信機器等が例示される。本発明に係る電子・電気機器は、上記のインダクタンス素子を備えるため、小型化に対応しやすい。

　上記の発明に係るコイル封入圧粉成形コアでは、圧粉成形コアについて、コイルの内側の体積と外側の体積とが適切なバランスを有しているため、かかるコイル封入圧粉成形コアを備えるインダクタンス素子について、基本特性（Ｌ／ＤＣＲ）を維持しつつ直流重畳特性を向上させることが可能である。また、本発明によれば、上記のコイル封入圧粉成形コアを備えるインダクタンス素子、および当該インダクタンス素子が実装された電子・電気機器が提供される。

本発明の一実施形態に係るコイル封入圧粉成形コアを備えるインダクタンス素子の形状を概念的に示す斜視図である。 （ａ）本発明の一実施形態に係るコイル封入圧粉成形コアの上面図、および（ｂ）図２（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 （ａ）シミュレーション対象としたコイル封入圧粉成形コアの上面図、および（ｂ）図３（ａ）のＡ１－Ａ１断面図である。 （ａ）計算例１－１に係るコイル封入圧粉成形コアの上面図、および（ｂ）計算例１－６に係るコイル封入圧粉成形コアの上面図である。 ＤＣＲとＲＶとの関係を示したグラフである。 ＬとＲＶとの関係を示したグラフである。 ＩｓａｔとＲＶとの関係を示したグラフである。 Ｉｓａｔ×Ｌ／ＤＣＲとＲＶとの関係を示したグラフである。

　以下、本発明の実施形態について詳しく説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係るコイル封入圧粉成形コアを備えるインダクタンス素子の形状を概念的に示す斜視図である。図２（ａ）は、本発明の一実施形態に係るコイル封入圧粉成形コアの上面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面図である。本発明の一実施形態に係るインダクタンス素子１００は、磁性粉末を含む圧粉成形体を有しほぼ立方体もしくは直方体の圧粉成形コア３０に、巻回体１０Ｃの両端に端子部２０，２５を有するコイル１０が埋め込まれたコイル封入圧粉成形コア１００Ａを備える。

　エッジワイズ巻のコイルであるコイル１０は、絶縁性材料で被覆された導電性金属材からなり、断面が長方形の帯状体である導電性帯体を巻いて形成されている。巻回体１０Ｃは、導電性帯体の板面が巻回軸（Ｚ１－Ｚ２方向に沿った方向である。）とほぼ垂直となり（すなわち、Ｘ－Ｙ面に沿った面となる。）、巻回体１０Ｃの厚さ方向を決めている導電性帯体の側端面が巻回軸と平行となる向きで、導電性帯体の板面どうしが巻回軸に沿って重なるように巻かれている。したがって、巻回体１０Ｃの上下端面（Ｚ１－Ｚ２方向の両端面）は、巻回体１０Ｃの巻回軸に沿った方向を法線とする。なお、コイル１０の断面形状は限定されない。コイル１０の断面形状は円形（丸線）であってもよい。コイル１０の断面形状が上記のように長方形などの矩形である場合には、巻回体１０Ｃの占有率を高めることができ、好ましい。また、コイル１０は上記のようなエッジワイズ巻きのコイルでなく、α巻であってもよい。

　導電性金属材の具体的な組成は限定されない。銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの良導体であることが好ましい。導電性金属材を被覆する絶縁性材料の種類は限定されない。エナメルなどの樹脂系材料が好適な材料の具体例として挙げられる。コイル１０がエッジワイズコイルの場合には、外側面側に位置する絶縁性材料が引き伸ばされやすいため、こうした引き伸ばしが行われても絶縁性が低下しにくい材料を使用することが好ましい。

　コイル１０の巻回体１０Ｃが環状に巻かれた状態で、コイル１０を構成する導電性帯体の双方の端部は、突出してさらに折り返されて、導電性帯体の末端に近い部分が端子部２０，２５を構成している。図１に示すように、コイル１０を構成する導電性帯体の一方の端部に位置する端子部２０は複数回折り曲げられ、一部が圧粉成形コア３０の内部から突出し、この部分から導電性帯体の末端に至る部分は、圧粉成形コア３０外に位置する。すなわち、端子部２０の先端部は圧粉成形コア３０外に位置する。コイル１０を構成する導電性帯体の他方の端部に位置する端子部２５も複数回折り曲げられ、一部が圧粉成形コア３０の内部から突出し、この部分から導電性帯体の末端に至る部分は、圧粉成形コア３０外に位置する。すなわち、端子部２５の先端部は圧粉成形コア３０外に位置する。
　なお、図１や図２に示されるインダクタンス素子１００では、巻回体１０Ｃと端子部２０，２５とは同一の部材（導電性帯体）から構成されているが、これに限定されない。巻回体１０Ｃを構成する導電性帯体の端部に別途部材が接合されて、それらの部材がコイル１０の端子部２０，２５となっていてもよい。

　本発明の一実施形態に係るインダクタンス素子１００は、接続端子として、一対の塗布型電極４０，４５を備える。一対の塗布型電極４０，４５は、圧粉成形コア３０の上面において端子部２０，２５のそれぞれに電気的に接続され、さらに、圧粉成形コア３０の側面の一部上に設けられた側面塗布部分４０ａ，４５ａを有する。図１に示されるように、塗布型電極４０，４５は、コイル１０を構成する導電性帯体における圧粉成形コア３０から突出する部分が位置する圧粉成形コア３０の側面およびその側面に対向する側面の一部にも設けられている。また、図示はしていないが、塗布型電極４０，４５上には回路基板への実装の際に使用される半田との密着性を良好にするため、ニッケル、スズ等の金属元素からなるめっき膜を付与してもよい。あるいは、塗布型電極４０，４５の代わりに、スパッタやめっき等の手段により圧粉成形コア３０上に電極膜を形成して接続端子を構成してもよい。

　図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、コイル封入圧粉成形コア１００Ａにおいて、コイル１０の巻回体１０Ｃは圧粉成形コア３０の内部に埋め込まれている。巻回体１０Ｃはエッジワイズ巻であるから、巻回体１０Ｃを構成する導電性帯体は、Ｚ１－Ｚ２方向に沿った巻回軸を中心として巻回される。図１および図２に示される例では巻回体１０Ｃにおける導電性帯体の巻き方はエッジワイズ巻であるが、他の巻き方、例えばα巻であってもよい。

　圧粉成形コア３０は磁性粉末を含み、本実施形態では、その少なくとも一部が非晶質磁性材料の粉末からなる。本実施形態では、具体的な一例として、磁性粉末は結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を含有する。また、これらの結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を、圧粉成形コア３０に含有される他の材料（同種の材料である場合もあれば、異種の材料である場合もある。）に対して結着させる結着成分を圧粉成形コア３０は含有する。本実施形態においては結着成分は、樹脂および樹脂の熱変性物から選ばれる一種以上を有する。結着成分は水ガラスなどの無機系材料を含んでいてもよい。なお、圧粉成形コアが含む磁性粉末は、非晶質磁性材料のみ、または、結晶質磁性材料のみからなっていてもよい。

　圧粉成形コア３０が含有する結晶質磁性材料の粉末を与える結晶質磁性材料は、結晶質であること（一般的なＸ線回折測定により、材料種類を特定できる程度に明確なピークを有する回折スペクトルが得られること）、および強磁性体、特に軟磁性体であることを満たす限り、具体的な種類は限定されない。結晶質磁性材料の具体例として、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系合金、Ｆｅ－Ｎｉ系合金、Ｆｅ－Ｃｏ系合金、Ｆｅ－Ｖ系合金、Ｆｅ－Ａｌ系合金、Ｆｅ－Ｓｉ系合金、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系合金、カルボニル鉄および純鉄が挙げられる。上記の結晶質磁性材料は１種類の材料から構成されていてもよいし複数種類の材料から構成されていてもよい。結晶質磁性材料の粉末を与える結晶質磁性材料は、上記の材料からなる群から選ばれた１種または２種以上の材料であることが好ましく、これらの中でも、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系合金を含有することが好ましく、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系合金からなることがより好ましい。Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系合金は結晶質磁性材料の中では鉄損Ｐｃｖを比較的低くすることが可能な材料であるため、圧粉成形コア３０における結晶質磁性材料の粉末の含有量と非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和に対する結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率（本明細書において「第一混合比率」ともいう。）を高めても、圧粉成形コア３０を備えるインダクタンス素子１００の鉄損Ｐｃｖが高まりにくい。Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系合金におけるＳｉの含有量およびＣｒの含有量は限定されない。限定されない例示として、Ｓｉの含有量を２～７質量％程度とし、Ｃｒの含有量を２～７質量％程度とすることが挙げられる。

　圧粉成形コア３０が含有する結晶質磁性材料の粉末の形状は限定されない。粉末の形状は球状であってもよいし非球状であってもよい。結晶質磁性材料は非晶質磁性材料よりも相対的に軟質であるため、圧粉成形コア３０内では非晶質磁性材料の粉末の間に位置して不定形を有している場合がある。圧粉成形コア３０における結晶質磁性材料の粉末の含有量は、第一混合比率が３０質量％以上７０質量％以下となる量であることが好ましい場合がある。後述するように、インダクタンス素子１００の基本特性および直流重畳特性をより高いレベルで得る観点から、第一混合比率は、３０質量％以上５５質量％以下であることが好ましい場合がある。

　結晶質磁性材料の粉末の少なくとも一部は表面絶縁処理が施された材料からなることが好ましく、結晶質磁性材料の粉末は表面絶縁処理が施された材料からなることがより好ましい。結晶質磁性材料の粉末に表面絶縁処理が施されている場合には、圧粉成形コア３０の絶縁抵抗が向上する傾向がみられる。結晶質磁性材料の粉末に施す表面絶縁処理の種類は限定されない。リン酸処理、リン酸塩処理、酸化処理などが例示される。

　圧粉成形コア３０が含有する非晶質磁性材料の粉末を与える非晶質磁性材料は、非晶質であること（一般的なＸ線回折測定により、材料種類を特定できる程度に明確なピークを有する回折スペクトルが得られないこと）、および強磁性体、特に軟磁性体であることを満たす限り、具体的な種類は限定されない。非晶質磁性材料の具体例として、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ系合金、Ｆｅ－Ｐ－Ｃ系合金およびＣｏ－Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ系合金が挙げられる。上記の非晶質磁性材料は１種類の材料から構成されていてもよいし複数種類の材料から構成されていてもよい。非晶質磁性材料の粉末を構成する磁性材料は、上記の材料からなる群から選ばれた１種または２種以上の材料であることが好ましく、これらの中でも、Ｆｅ－Ｐ－Ｃ系合金を含有することが好ましく、Ｆｅ－Ｐ－Ｃ系合金からなることがより好ましい。Ｆｅ－Ｐ－Ｃ系合金からなる非晶質磁性材料の粉末を磁性粉末として圧粉成形コア３０を有するインダクタンス素子１００は、鉄損Ｐｃｖが低いが、一般的傾向として直流重畳特性が低くなりやすい。したがって、本発明の一実施形態に係るコイル封入圧粉成形コア１００ＡがＦｅ－Ｐ－Ｃ系合金の磁性粉末を含む場合には、Ｆｅ－Ｐ－Ｃ系合金に基づく低い鉄損Ｐｃｖを享受しつつ、良好な直流重畳特性を得ることができる。

　Ｆｅ－Ｐ－Ｃ系合金の具体例として、組成式が、Ｆｅ_{１００原子％－ａ－ｂ－ｃ－ｘ－ｙ－ｚ－ｔ}Ｎｉ_ａＳｎ_ｂＣｒ_ｃＰ_ｘＣ_ｙＢ_ｚＳｉ_ｔで示され、０原子％≦ａ≦１０原子％、０原子％≦ｂ≦３原子％、０原子％≦ｃ≦６原子％、６．８原子％≦ｘ≦１３原子％、２．２原子％≦ｙ≦１３原子％、０原子％≦ｚ≦９原子％、０原子％≦ｔ≦７原子％であるＦｅ基非晶質合金が挙げられる。上記の組成式において、Ｎｉ，Ｓｎ，Ｃｒ，ＢおよびＳｉは任意添加元素である。

　Ｎｉの添加量ａは、０原子％以上６原子％以下とすることが好ましく、０原子％以上４原子％以下とすることがより好ましい。Ｓｎの添加量ｂは、０原子％以上２原子％以下とすることが好ましく、１原子％以上２原子％以下の範囲で添加されていてもよい。Ｃｒの添加量ｃは、０原子％以上２原子％以下とすることが好ましく、１原子％以上２原子％以下とすることがより好ましい。Ｐの添加量ｘは、８．８原子％以上とすることが好ましい場合もある。Ｃの添加量ｙは、５．８原子％以上８．８原子％以下とすることが好ましい場合もある。Ｂの添加量ｚは、０原子％以上３原子％以下とすることが好ましく、０原子％以上２原子％以下とすることがより好ましい。Ｓｉの添加量ｔは、０原子％以上６原子％以下とすることが好ましく、０原子％以上２原子％以下とすることがより好ましい。

　圧粉成形コア３０が含有する非晶質磁性材料の粉末の形状は限定されない。球形であってもよいし、楕円形であってもよいし、鱗片状であってもよいし、不定形状を有していてもよい。製造方法の関係で非晶質磁性材料は球状または楕円球状とすることが容易である場合もある。また、一般論として非晶質磁性材料は結晶質磁性材料よりも硬質であるから、結晶質磁性材料を非球状として加圧成形の際に変形しやすいようにすることが好ましい場合もある。

　圧粉成形コア３０が含有する非晶質磁性材料の粉末の形状は、粉末を製造する段階で得られた形状であってもよいし、製造された粉末を二次加工することにより得られた形状であってもよい。前者の形状としては、球状、楕円球状、針状などが例示され、後者の形状としては、鱗片状が例示される。

　圧粉成形コア３０が含有する非晶質磁性材料の粉末の粒径は、体積基準の粒度分布において小粒径側からの積算粒径分布が５０％となる粒径（本明細書において「メジアン径」ともいう。）Ｄ_５０Ａとして、１５μｍ以下であることが好ましい。非晶質磁性材料の粉末のメジアン径Ｄ_５０Ａが１５μｍ以下であることにより、圧粉成形コア３０を備えるインダクタンス素子１００直流重畳特性を向上させつつ鉄損Ｐｃｖを低減させることが容易となる。圧粉成形コア３０を備えるインダクタンス素子１００の直流重畳特性を向上させつつ鉄損Ｐｃｖを低減させることをより安定的に実現させる観点から、非晶質磁性材料の粉末のメジアン径Ｄ_５０Ａは、１０μｍ以下であることが好ましい場合があり、７μｍ以下であることがより好ましい場合があり、５μｍ以下であることが特に好ましい場合がある。

　圧粉成形コア３０は、結晶質磁性材料の粉末および非晶質磁性材料の粉末を圧粉成形コア３０に含有される他の材料に対して結着させる結着成分を含有する。結着成分は、本実施形態に係る圧粉成形コア３０に含有される磁性粉末を固定することに寄与する材料である限り、その組成は限定されない。結着成分を構成する材料として、樹脂材料および樹脂材料の熱分解残渣（本明細書において、これらを「樹脂材料に基づく成分」と総称する。）などの有機系の材料、無機系の材料などが例示される。樹脂材料として、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂などが例示される。無機系の材料からなる結着成分は水ガラスなどガラス系材料が例示される。結着成分は一種類の材料から構成されていてもよいし、複数の材料から構成されていてもよい。結着成分は有機系の材料と無機系の材料との混合体であってもよい。

　結着成分として、通常、絶縁性の材料が使用される。これにより、圧粉成形コア３０としての絶縁性を高めることが可能となる。

　圧粉成形コア３０の製造方法は、磁性粉末を含む粉体を成形して成形製造物を得る成形工程を備え、および必要に応じ成形製造物を加熱する熱処理工程を備える。

　まず、磁性粉末、および圧粉成形コア３０において結着成分を与える成分を含む混合物を用意する。結着成分を与える成分（本明細書において、「バインダー成分」ともいう。）とは、結着成分そのものである場合もあれば、結着成分と異なる材料である場合もある。後者の具体例として、バインダー成分が樹脂材料であって、結着成分がその熱分解残渣である場合が挙げられる。

　この混合物の加圧成形を含む成形処理により成形製造物を得ることができる。加圧条件は限定されず、バインダー成分の組成などに基づき適宜決定される。例えば、バインダー成分が熱硬化性の樹脂からなる場合には、加圧とともに加熱して、金型内で樹脂の硬化反応を進行させることが好ましい。一方、圧縮成形の場合には、加圧力が高いものの、加熱は必要条件とならず、短時間の加圧となる。圧縮成形の場合の加圧条件として、０．３ＧＰａ以上２ＧＰａ以下とすることが例示され、０．５ＧＰａ以上２ＧＰａ以下とすることが好ましい例となる場合があり、０．８ＧＰａ以上２ＧＰａ以下とすることがより好ましい例となる場合がある。圧縮成形では、加熱しながら加圧を行ってもよいし、常温で加圧を行ってもよい。

　成形工程により得られた成形製造物が本実施形態に係る圧粉成形コア３０であってもよいし、次に説明するように成形製造物に対して熱処理工程を実施して圧粉成形コア３０を得てもよい。熱処理工程では、上記の成形工程により得られた成形製造物を加熱することにより、磁性粉末間の距離を修正することによる磁気特性の調整および成形工程において磁性粉末に付与された歪を緩和させて磁気特性の調整を行って、圧粉成形コア３０を得る。

　熱処理工程は上記のように圧粉成形コア３０の磁気特性の調整が目的であるから、熱処理温度などの熱処理条件は、圧粉成形コア３０の磁気特性が最も良好となるように設定される。熱処理条件を設定する方法の一例として、成形製造物の加熱温度を変化させ、昇温速度および加熱温度での保持時間など他の条件は一定とすることが挙げられる。熱処理条件を設定する際の圧粉成形コア３０の磁気特性の評価基準は特に限定されない。評価項目の具体例として圧粉成形コア３０の鉄損Ｐｃｖを挙げることができる。この場合には、圧粉成形コア３０の鉄損Ｐｃｖが最低となるように成形製造物の加熱温度を設定すればよい。鉄損Ｐｃｖの測定条件は適宜設定され、一例として、周波数を１００ｋＨｚ、実行最大磁束密度Ｂｍを１００ｍＴとする条件が挙げられる。

　熱処理の際の雰囲気は特に限定されない。酸化性雰囲気の場合には、バインダー成分の熱分解が過度に進行する可能性や、磁性粉末の酸化が進行する可能性が高まるため、窒素、アルゴンなどの不活性雰囲気や、水素などの還元性雰囲気で熱処理を行うことが好ましい。熱処理温度の限定されない例示として、２００℃～４００℃の範囲が挙げられる。

　以下、本実施形態に係るコイル封入圧粉成形コア１００Ａを複数の領域に分けてこれらの領域の体積を変化させて各種特性（基本特性および直流重畳特性）のシミュレーションを行った結果を示す。次に説明するように、シミュレーションの結果、本実施形態に係るコイル封入圧粉成形コア１００Ａを構成する複数の領域の体積が所定の関係を満たす場合に、コイル封入圧粉成形コア１００Ａを備えるインダクタンス素子１００の基本特性（自己インダクタンスＬおよび直流抵抗成分ＤＣＲ）および直流重畳特性（Ｉｓａｔ）の総合評価（Ｉｓａｔ×Ｌ／ＤＣＲ）が良好となることが明らかになった。

　シミュレーションを容易にする観点から、コイル１０の両端部に設けられる端子部２０，２５の体積を無視して、コイル封入圧粉成形コア１００Ａの領域分けを行った。図３（ａ）は、シミュレーション対象としたコイル封入圧粉成形コアの上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ１－Ａ１断面図である。なお、本シミュレーションは、平角線を用いたエッジワイズ巻のコイルを用いて行っている。

　図３に示されるように簡略化することにより、コイル封入圧粉成形コア１００Ａは圧粉成形コア３０からなる領域（コア領域）と巻回体１０Ｃからなる領域（コイル領域）とから構成されることになる。したがって、コイル封入圧粉成形コア１００Ａの容積であるチップ容積Ｖｐは次のように示される。
　　Ｖｐ＝Ｖ＋Ｖｃ

　ここで、Ｖはコア領域の容積であり、Ｖｃはコイル領域の容積である。本実施形態において、コア領域は次の第１領域３１から第３領域３３により構成されるものとする。まず、第１領域３１は、巻回体１０Ｃの巻回軸に沿った方向である第一方向（Ｚ１－Ｚ２方向）からコイル封入圧粉成形コア１００Ａをみたときに巻回体１０Ｃの内側に位置する領域である。第２領域３２は、第一方向（Ｚ１－Ｚ２方向）からコイル封入圧粉成形コア１００Ａをみたときに巻回体１０Ｃの外側に位置する領域である。第３領域３３は、第一方向（Ｚ１－Ｚ２方向）からコイル封入圧粉成形コア１００Ａをみたときに巻回体１０Ｃと重なる領域である。第１領域３１の容積（第１容積）をＶ１、第２領域３２の容積（第２容積）をＶ２、第３領域３３の容積（第３容積）をＶ３とすると、コア領域の容積Ｖは次のように示される。
　　Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３

　コイル１０に電流が流れて生じた磁束は第１領域３１を通るため、第１容積Ｖ１が大きいほど、磁束が飽和しにくい。このため、第１容積Ｖ１が大きくなることは、自己インダクタンスＬの増加および直流重畳特性の向上（具体的にはＩｓａｔの増加）をもたらす。しかしながら、第１容積Ｖ１が大きくなることは第１領域３１の周囲に位置する巻回体１０Ｃの長さをも増やすため、コイル１０の直流抵抗成分ＤＣＲをも増大させる。さらに、コア容積Ｖを大きくしなければ、第１容積Ｖ１が大きくなることは第２領域３２の容積（第２容積Ｖ２）の減少をもたらす。第２容積Ｖ２が小さくなることはインダクタンス素子１００の特性に当然ながら影響を与える。

　こうしたコイル封入圧粉成形コア１００Ａにおける各領域の影響を確認するため、図３に示される構成にてシミュレーションを行った。その際、形状を規定するパラメータとして、下記に定義される内部コア容積比ＲＶを用いた。
　　ＲＶ＝（Ｖ１／Ｖ２）／（１－Ｖ／Ｖｐ）

　内部コア容積比ＲＶは、第１容積Ｖ１の第２容積Ｖ２に対する比率Ｖ１／Ｖ２を、巻回体１０Ｃの容積Ｖｃのチップ容積Ｖｐに対する割合Ｖｃ／Ｖｐで規格化したものである。なお、Ｖｃ＝Ｖｐ－Ｖであることから、上記の定義では、巻回体１０Ｃの容積Ｖｃではなく圧粉成形コア３０の容積Ｖを用いている。

　内部コア容積比ＲＶを用いることにより、巻回体１０Ｃの容積Ｖｃ（＝Ｖｐ－Ｖ）とチップ容積Ｖｐとの関係に影響を受けることなく、第１容積Ｖ１の第２容積Ｖ２に対する比率Ｖ１／Ｖ２が与える影響を評価することができる。

　シミュレーションでは、磁気特性が異なる３種類の圧粉成形コア（コア番号１～３）を測定して得られたパラメータを用いてシミュレーションを行うことにより、コイル封入圧粉成形コア１００Ａが備える圧粉成形コア３０を構成する材料が異なることが各種特性に与える影響を確認した（計算例１～計算例３）。具体的には、磁気特性の測定に供した圧粉成形コアは、外径２０ｍｍ、内径１２ｍｍ、厚さ３ｍｍのトロイダルコアの形状を有していた。圧粉成形コアに含まれる磁性粉末は、Ｆｅ－Ｐ－Ｃ系合金からなる非晶質磁性材料の粉末とＦｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系合金からなる結晶質磁性材料の粉末との混合粉末であって、圧粉成形コアにおける結晶質磁性材料の粉末の含有量と非晶質磁性材料の粉末の含有量との総和に対する結晶質磁性材料の粉末の含有量の質量比率（第一混合比率）は、３０質量％以上５５質量％以下の範囲から選択された。圧粉成形コアの製造に際して、圧縮成形条件を０．５ＧＰａ～１．５ＧＰａの範囲、熱処理条件を３００℃～４５０℃の範囲から適宜選択した。より具体的には、計算例１に係る圧粉成形コア（コア番号１）を基準として、計算例２に係る圧粉成形コア（コア番号２）では、磁性粉末における結晶質磁性粉末の含有割合が相対的に高く、成形圧力が相対的に低かった。計算例２に係る圧粉成形コア（コア番号２）を基準として、計算例３に係る圧粉成形コア（コア番号３）では、熱処理温度が相対的に低かった。これらの３種類の圧粉成形コア（コア番号１～３）について磁気特性を測定した結果を表１に示す。初透磁率μおよび５５００Ａ／ｍの磁場での透磁率μ５５００の測定において印加した磁場の周波数は１００ｋＨｚであった。Ｉｓａｔ（単位：Ａ）の測定はトロイダルコアにコイルを３４ターン巻いて行われた。

　結果を表２から表４に示す。表２は計算例１の結果を示し、表３は計算例２の結果を示し、表４は計算例３の結果を示している。計算例１－１から計算例１－６になるほどＲＶは小さくなっている。このため、図４に示されるように、計算例１－１に係るコイル封入圧粉成形コア１００Ａ（図４（ａ））における巻回体１０Ｃは、計算例１－６に係るコイル封入圧粉成形コア１００Ａ（図４（ｂ））における巻回体１０Ｃよりも外周側に位置する。

　シミュレーションにより、次の結果が得られた。
（結果１）図５に示されるように、直流抵抗成分ＤＣＲは、内部コア容積比ＲＶに対して線形的に増加する。なお、直流抵抗成分ＤＣＲは、圧粉成形コア３０を構成する材料によって変化しないため、図５には１系統のプロットのみが示されている。

（結果２）図６に示されるように、自己インダクタンスＬは、内部コア容積比ＲＶが４．５程度の場合にピークを有する。圧粉成形コア３０を構成する材料の影響により、全体的傾向として、計算例１の自己インダクタンスＬは計算例２の自己インダクタンスＬよりも高く、計算例２の自己インダクタンスＬは計算例３の自己インダクタンスＬよりも高い。

（結果３）図７に示されるように、Ｉｓａｔ（直流重畳特性）は、内部コア容積比ＲＶに対しておおむね線形的に増加するが直流抵抗成分ＤＣＲの場合よりも非線形性が認められる。圧粉成形コア３０を構成する材料の影響により、全体的傾向として、計算例１のＩｓａｔは計算例２のＩｓａｔよりも低く、計算例２のＩｓａｔは計算例３のＩｓａｔよりも低い。

（結果４）図８に示されるように、総合評価としてのＩｓａｔ×Ｌ／ＤＣＲは、内部コア容積比ＲＶが増加するほど増加するが、ＲＶが４程度をピークとする傾向がみられる。そして、内部コア容積比ＲＶが５を超えると、Ｉｓａｔ×Ｌ／ＤＣＲが低下する場合もあることが明らかになった。なお、図８では、Ｉｓａｔ×Ｌ／ＤＣＲについて計算例１－６の結果を基準とする相対値を縦軸とした。図８から明らかなように、内部コア容積比ＲＶを３以上５以下とすることにより、インダクタンス素子１００の基本特性と直流重畳特性とを総合的に高めることができることが確認された。また、内部コア容積比ＲＶが低い場合、具体的には３以下の場合には、圧粉成形コア３０を構成する材料が総合評価としてのＩｓａｔ×Ｌ／ＤＣＲに与える影響は小さいが、内部コア容積比ＲＶが高い場合、具体的には３を超える場合には、圧粉成形コア３０を構成する材料が総合評価としてのＩｓａｔ×Ｌ／ＤＣＲに与える影響が大きくなることも確認された。なお、上記シミュレーションでは平角線も用いたエッジワイズ巻のコイルを用いて行ったが、同じく平角線を用いたα巻のコイルでも同様な結果が得られたことを確認した。

　本発明の一実施形態に係る電子・電気機器は、上記の本発明の一実施形態に係るインダクタンス素子１００が実装された電子・電気機器であって、コイル封入圧粉成形コア１００Ａが有するコイル１０のそれぞれの端部（端子部２０，２５）に接続された接続端子（塗布型電極４０，４５）にて基板に接続されているものである。本発明の一実施形態に係る電子・電気機器は、本発明の一実施形態に係るインダクタンス素子１００が実装されているため、機器の小型化も容易である。また、機器内に大電流を流したり、高周波を印加したりすることがあっても、インダクタンス素子１００の機能低下や発熱に起因する不具合が生じにくい。

　以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

　本発明のコイル封入圧粉成形コアを備えるインダクタンス素子は、スマートフォンの表示部を駆動するための部品などとして好適に使用されうる。

１００　　：インダクタンス素子
１００Ａ　：コイル封入圧粉成形コア
１０　　　：コイル
１０Ｃ　　：巻回体
２０　　　：端子部
２５　　　：端子部
３０　　　：圧粉成形コア
３１　　　：第１領域
３２　　　：第２領域
３３　　　：第３領域
４０　　　：塗布型電極
４０ａ　　：側面塗布部分
４５　　　：塗布型電極
４５ａ　　：側面塗布部分

Claims (9)

1. 　巻回体を有するコイルが磁性粉末を含む圧粉成形コアに封入されたコイル封入圧粉成形コアであって、下記に定義される内部コア容積比ＲＶが３以上５以下であることを特徴とするコイル封入圧粉成形コア。
   　　ＲＶ＝（Ｖ１／Ｖ２）／（１－Ｖ／Ｖｐ）
   　ここで、Ｖ１は、前記圧粉成形コアにおける、前記コイルの巻回軸に沿った方向である第一方向から前記コイル封入圧粉成形コアをみたときに前記コイルの前記巻回体の内側に位置する領域の容積であり、Ｖ２は、前記圧粉成形コアにおける、前記第一方向から前記コイル封入圧粉成形コアをみたときに前記コイルの前記巻回体の外側に位置する領域の容積であり、Ｖは前記圧粉成形コアの容積であり、Ｖｐは前記コイル封入圧粉成形コアの容積である。
2. 　前記磁性粉末は、少なくとも一部が非晶質磁性材料からなる、請求項１に記載のコイル封入圧粉成形コア。
3. 　前記磁性粉末は、前記非晶質磁性材料および結晶質磁性材料からなる、請求項２に記載のコイル封入圧粉成形コア。
4. 　前記結晶質磁性材料は、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系合金、Ｆｅ－Ｎｉ系合金、Ｆｅ－Ｃｏ系合金、Ｆｅ－Ｖ系合金、Ｆｅ－Ａｌ系合金、Ｆｅ－Ｓｉ系合金、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系合金、カルボニル鉄および純鉄からなる群から選ばれた１種または２種以上の材料を含む、請求項３に記載のコイル封入圧粉成形コア。
5. 　前記結晶質磁性材料はＦｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系合金からなる、請求項４に記載のコイル封入圧粉成形コア。
6. 　前記非晶質磁性材料は、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ系合金、Ｆｅ－Ｐ－Ｃ系合金およびＣｏ－Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ系合金からなる群から選ばれた１種または２種以上の材料を含む、請求項２から５のいずれか一項に記載のコイル封入圧粉成形コア。
7. 　前記非晶質磁性材料はＦｅ－Ｐ－Ｃ系合金からなる、請求項６に記載のコイル封入圧粉成形コア。
8. 　請求項１から７のいずれかに記載されるコイル封入圧粉成形コアと当該コイル封入圧粉成形コアが有するコイルのそれぞれの端部に接続された接続端子とを備えるインダクタンス素子。
9. 　請求項８に記載されるインダクタンス素子が実装された電子・電気機器であって、前記インダクタンス素子は前記接続端子にて基板に接続されている電子・電気機器。

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