(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-08
(45)【発行日】2022-11-16
(54)【発明の名称】コア部品、その製造方法、およびインダクタ
(51)【国際特許分類】
H01F 27/255 20060101AFI20221109BHJP
H01F 41/02 20060101ALI20221109BHJP
H01F 3/08 20060101ALI20221109BHJP
H01F 17/04 20060101ALI20221109BHJP
【FI】
H01F27/255
H01F41/02 D
H01F3/08
H01F17/04 F
(21)【出願番号】P 2019003546
(22)【出願日】2019-01-11
【審査請求日】2021-05-10
(73)【特許権者】
【識別番号】000006633
【氏名又は名称】京セラ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100104318
【氏名又は名称】深井 敏和
(74)【代理人】
【識別番号】100182796
【氏名又は名称】津島 洋介
(74)【代理人】
【識別番号】100181308
【氏名又は名称】早稲田 茂之
(72)【発明者】
【氏名】落合 ひとみ
(72)【発明者】
【氏名】真宮 正道
(72)【発明者】
【氏名】北川 雄己
(72)【発明者】
【氏名】森 英樹
(72)【発明者】
【氏名】高山 三也
【審査官】秋山 直人
(56)【参考文献】
【文献】特開平05-275256(JP,A)
【文献】特開2006-240894(JP,A)
【文献】特開2005-123390(JP,A)
【文献】特開2017-011042(JP,A)
【文献】特開2010-265503(JP,A)
【文献】特開2013-247214(JP,A)
【文献】特開2011-223025(JP,A)
【文献】特開2004-111841(JP,A)
【文献】特開昭61-133302(JP,A)
【文献】特開2005-026365(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01F 27/255
H01F 41/02
H01F 3/08
H01F 17/04
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開2017-204596号公報
【文献】特開2003-257725号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
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。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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。
【発明の効果】
【0010】
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。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】(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。
【
図2】(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。
【
図3】(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。
【
図4】(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。
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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CS1と、内部22における前記ボイド間の間隙CS2との差が1μm以上であるのがよい。
【0017】
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。
【0018】
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CF1と、内部32におけるボイド間の間隙CF2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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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λs:2.5μm、カットオフ値λc: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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【実施例】
【0044】
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。
【0045】
(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。
【0046】
(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】
【0047】
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。
【符号の説明】
【0048】
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