(57)【要約】【課題】高周波で大電流対応可能であって、種々の特性要求に満足し、小形で任意な複雑形状を形成可能とした磁芯を有するコイル部品及びそれを用いた電源装置を提供することを目的としている。【解決手段】造粒粉１７における金属磁性粉末１６の比体積をρとし、金属磁性粉末１６に対する接着性樹脂部の質量部をＡ質量部とすると、７．０≧Ａ／ρ≧４．９の関係を満たすようにし、造粒粉１７を５ｔｏｎ／ｃｍ２以上で加圧成形して、金属磁性成形体からなる磁芯１４を得ている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接着性樹脂部を有する絶縁性接着剤と、金属磁性粉末とを混合し造粒した造粒粉を、加圧成形し熱処理して成形した金属磁性成形体からなる磁芯とを備え、前記絶縁性接着剤は、前記金属磁性粉末の外周表面を被覆するとともに、隣接する前記金属磁性粉末を互いに接着しており、前記造粒粉における前記金属磁性粉末の比体積をρとし、前記金属磁性粉末に対する前記接着性樹脂部の質量部をＡ質量部とすると、Ａ／ρ≧４．９の関係を満たすようにするとともに、前記造粒粉を５ｔｏｎ／ｃｍ２以上で加圧成形したコイル部品。
【請求項２】
７．０≧Ａ／ρ≧４．９とした請求項１記載のコイル部品。
【請求項３】
金属磁性粉末は、Ｆｅ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系、Ｆｅ基アモルファス組成系の少なくとも１種の材料を用いてなる請求項１記載のコイル部品。
【請求項４】
絶縁性接着剤は、ガラス転移温度が零度以下である材料を主成分とした請求項１記載のコイル部品。
【請求項５】
請求項１記載のコイル部品を用いた電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電子機器等に用いるコイル部品及びそれを用いた電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信分野では、通信用のデジタル基地局の拡大に伴うパワーモジュール電源用として、駆動周波数が２００〜４００ｋＨｚ、電流値が２０〜４０Ａである等、高周波で大電流対応のコイル部品（チョークコイル等）が求められている。また、自動車分野でも、ＨＥＶ、ＦＣＥＶ、ＥＶ車の拡大、バッテリーの４２Ｖ化に際し、周波数１００ｋＨｚ前後、電流値が６０〜１５０Ａである等、高周波で大電流対応のコイル部品が求められている。
【０００３】
このような要求に対し、従来のコイル部品の巻線と磁芯は、例えば、図１０〜図１２に示すような３つのタイプがある。
【０００４】
図１０は従来の第１のコイル部品の巻線と磁芯の斜視図である。
【０００５】
図１０において、従来の第１のコイル部品の巻線と磁芯は、フェライトまたは珪素鋼板からなるＥＥ型の磁芯１を互いに付き合わせるとともに、中磁脚２の付き合わせ面にはギャップ３を形成し、さらに、中磁脚２に巻線４を巻回してなる。
【０００６】
磁芯１をフェライトとした場合は、フェライトの磁束飽和密度が室温で約０．５Ｔと比較的小さいので、磁芯１を大きくする必要があるという問題点を有しており、また、磁芯１を珪素鋼板とした場合は、磁束飽和密度が１．５〜２．０Ｔと大きいので、利点を有するものの、高周波領域での損失が大きくなるので、やはり磁芯１を大きくする必要があるという問題点を有している。
【０００７】
特に、ギャップ３を設けているので、動作時にギャップ３の振動に起因してうなりが生じるという問題点も有している。
【０００８】
図１１において、従来の第２のコイル部品の巻線と磁芯は、トロイダル型の磁芯１に巻線４を巻回してなる。
【０００９】
このトロイダル型の磁芯１には、Ｆｅ基アモルファスの一部を結晶化させたものや、Ｆｅ基アモルファスに適度な歪みを与えて実効透磁率を低下させた箔体アモルファスからなるものがある。また、金属磁性材料であるＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ系の金属磁性粉末やＦｅ−Ｎｉ系の金属磁性粉末やアモルファス粉末等を加圧成形した圧粉磁芯からなるものもある。
【００１０】
このトロイダル型の磁芯１は、巻線４の巻回効率が非常に悪い、巻線４の巻回数を増やすために、磁芯１の内径を大きくした場合、磁路長の増加に起因した特性劣化が生じる、基板への実装性が悪い等の問題点を有している。
【００１１】
特に、磁芯１として、箔体アモルファスを用いる場合は、その製法上や取り扱いの制約から、磁芯１が必然的にトロイダル型となるために、常に上記の事項が問題となる。また、磁気特性についても、ＭＨｚの高周波に特性対応させるには、厚みが数μｍ程度の箔体アモルファスを用いる必要があり、製法上やコスト的な問題もある。
【００１２】
図１２において、従来の第３のコイル部品の巻線と磁芯は、第１、第２のコイル部品の巻線と磁芯の問題点を改善したものであり、ＥＥ型の磁芯１を互いに付き合わせるとともに、中磁脚２に巻線４を巻回してなる。
【００１３】
この磁芯１は、粉体成形可能な金属磁性材料である金属磁性粉末を加圧成形した圧粉磁芯であって、任意な複雑形状に形成することもできる。
【００１４】
この金属磁性材料は、フェライトに比べて、飽和磁束密度が著しく大きく直流重畳特性は良いが、電気抵抗が低いので、数百ｋＨｚ〜ＭＨｚの高周波帯域において渦電流損失が大きい。そのため、隣接する金属磁性粉末間に絶縁処理を施すとともに、加圧成形して使用している。良好な電気特性を得るためには、金属磁性粉末の加圧成形において、金型内への金属磁性粉末の充填率を向上させ、数ｔｏｎ／ｃｍ２〜２０ｔｏｎ／ｃｍ２と高加圧成形の必要がある。さらに、加圧成形に際し、加工歪みが生じて磁気特性が劣化するので、加工歪みを抑制し磁気特性改善のために熱処理を施す必要もある。
【００１５】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【００１６】
【特許文献１】
特開２００２−２５２１２０号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の構成では、材料の特性上、磁芯１を簡易形状にしか形成できない、また、複雑形状に形成できたとしても、種々の特性要求に満足させることができないという問題点を有していた。
【００１８】
本発明は上記問題点を解決するものであり、高周波で大電流対応可能であって、種々の特性要求に満足し、小形で任意な複雑形状を形成可能とした磁芯を有するコイル部品及びそれを用いた電源装置を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は以下の構成を有する。
【００２０】
本発明の請求項１記載の発明は、特に、絶縁性接着剤は、金属磁性粉末の外周表面を被覆するとともに、隣接する前記金属磁性粉末を互いに接着しており、造粒粉における前記金属磁性粉末の比体積をρとし、前記金属磁性粉末に対する前記接着性樹脂部の質量部をＡ質量部とすると、Ａ／ρ≧４．９の関係を満たすようにするとともに、前記造粒粉を５ｔｏｎ／ｃｍ２以上で加圧成形した構成である。
【００２１】
上記構成により、高周波で大電流対応可能であって、小形で任意な複雑形状を形成可能とした磁芯を有するコイル部品を得ることができる。
【００２２】
本発明の請求項２記載の発明は、特に、７．０≧Ａ／ρ≧４．９とした構成である。
【００２３】
上記構成により、高周波で大電流対応可能であって、小形で任意な複雑形状を形成可能とした磁芯を有するコイル部品を確実に得ることができる。
【００２４】
本発明の請求項３記載の発明は、特に、金属磁性粉末は、Ｆｅ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系、Ｆｅ基アモルファス組成系の少なくとも１種の材料を用いてなる構成である。
【００２５】
上記構成により、より高周波で大電流対応可能な磁芯を有するコイル部品を得ることができる。
【００２６】
本発明の請求項４記載の発明は、特に、絶縁性接着剤は、ガラス転移温度が零度以下である材料を主成分とした構成である。
【００２７】
上記構成により、絶縁性接着剤の接着性を向上でき、造粒粉の加圧成形性が改善されて、より小形化した磁芯を得ることができる。
【００２８】
本発明の請求項５記載の発明は、請求項１記載のコイル部品を用いた構成である。
【００２９】
上記構成により、電源装置の小形化、薄形化、高効率化を図ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の請求項１〜請求項４に記載の発明について図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図１は本発明の実施の形態１におけるコイル部品の磁芯の造粒粉の拡大図、図２は同コイル部品の磁芯の平面図である。
【００３２】
図１、図２において、本発明の実施の形態１におけるコイル部品は、中磁脚１１と、この中磁脚１１の外側に配置した外磁脚１２と、中磁脚１１および外磁脚１２を連接した背磁脚１３とを有するＥ型形状の磁芯１４と、この磁芯１４の中磁脚１１に巻回した巻線（図示せず）とを備えている。
【００３３】
Ｅ型形状の磁芯１４は、中磁脚１１を円状とするとともに、外磁脚１２を細長い形状とし、外磁脚１２の断面積が中磁脚１１の半分の断面積になるようにしている。
【００３４】
また、この磁芯１４は、溶媒に接着性樹脂部を溶融させた絶縁性接着剤１５と、金属磁性粉末１６とを混合し造粒した造粒粉１７を、加圧成形し熱処理を施して成形した金属磁性成形体からなっている。
【００３５】
絶縁性接着剤１５は、金属磁性粉末１６の外周表面を被覆するとともに、隣接する金属磁性粉末１６を互いに接着している。
【００３６】
絶縁性接着剤１５としては、絶縁性の酸化物を形成するものが好ましく、安価な点、分散性の点において、シラン系、チタン系、クロム系等カップリング剤、シリコーン樹脂が望ましい。
【００３７】
また、絶縁性接着剤１５として、転移温度が零度以下であるガラスを主成分とした材料を用いてもよい。
【００３８】
さらに、金属磁性成形体の強度を向上するために、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂等を添加すること、絶縁性を向上するために、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物粉末等を添加することも可能である。
【００３９】
金属磁性粉末１６は、Ｆｅ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系、Ｆｅ基アモルファス組成系の少なくとも１種の材料を用いている。
【００４０】
造粒粉１７における金属磁性粉末１６の比体積をρとし、金属磁性粉末１６に対する接着性樹脂部の質量部をＡ質量部とすると、７．０≧Ａ／ρ≧４．９の関係を満たすようにし、造粒粉１７を５ｔｏｎ／ｃｍ２以上で加圧成形して、金属磁性成形体からなる磁芯１４を得ている。
【００４１】
ここで、金属磁性粉末１６の比体積のρは、図３に示す装置を用いて次の方法により測定している。
【００４２】
まず、金属磁性粉末１６を１０５℃の乾燥機に入れ乾燥を行う。その後、デシケータに取り出し室温まで冷却する。次に５．０±０．２ｍｍのオリフェスを持つ漏斗１８に注ぐ。試料はできるだけ漏斗１８に近い側面壁を狙い注ぎ込むようにする。流れ出た測定試料がコップ１９一杯になってあふれ出るまで流し込む。あふれ始めたら直ちに測定試料の流入を止め振動を与えない。コップ１９に盛り上がった粉末をへらでコップ１９のセンターから両側に、コップ１９の上面に沿って平らにかきとる。その後、コップ１９の外側に付いた粉末を除去して、コップ１９内の粉末質量を０．０１ｇの精度で秤量する。ここで、コップ１９の体積は既に分かっているので、これを粉末質量で割ることにより比体積ρを求める。
【００４３】
以下、本発明の実施の形態１におけるコイル部品の特性について説明する。
【００４４】
まず、加圧成形時の加圧力に対して、Ａ／ρの変化に対する磁芯１４の加圧成形性は、（表１）に示すとおりである。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
（表１）において、加圧成形時の加圧力が５ｔｏｎ／ｃｍ２以上の領域では、Ａ／ρ≧４．９の範囲にあるときはＥ型の磁芯１４の背磁脚１３と外磁脚１２の密度のバランスを均一にできる。これは、加圧成形前の造粒粉１７においては、金属磁性粉末１６の外周表面を十分に絶縁性接着剤１５が被覆しており、隣接する金属磁性粉末１６が均一に接着されるからである。
【００４７】
しかし、Ａ／ρが４．９未満の範囲にあるときは、この接着力が低下して（絶縁性接着剤１５が均一に混ざらない）、金属磁性粉末１６どうしの接着力のバランスが不均一になる。さらに、接着力が弱いために加圧成形後に金型から加圧成形された金属磁性成形体を抜き出す際に、図４（ａ），（ｂ）に示すように、外磁脚１２にクラック２０が生じて、外磁脚１２が引きちぎられたり、背磁脚１３にクラック２０が生じたりする可能性がある。
【００４８】
一方、加圧成形時の加圧力が５ｔｏｎ／ｃｍ２未満の領域では、Ｅ型の磁芯１４の背磁脚１３と外磁脚１２はバランスよく形成される。
【００４９】
これは、全体的に密度が極端に低いため、接着力のバランスの不均一が少なくなり、加圧成形時の加圧力も低いので、金型からの抜き出しのスプリングバックもほとんどなく、外磁脚１２が引きちぎられたり、クラック２０が生じたりもしにくいからである。
【００５０】
ここで、Ｆｅ系の材料およびＦｅ基アモルファス組成系の材料を用いた金属磁性粉末１６について、加圧成形時の加圧力を変化させると、（表２）に示すようになる。
【００５１】
【表２】
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【００５２】
加圧成形時の加圧力は２〜１２ｔｏｎ／ｃｍ２の範囲で変化させた。
【００５３】
Ｆｅ系の材料を用いた金属磁性粉末１６に対しては、シリコーン樹脂を０．２質量部、アクリル樹脂を０．８質量部添加することにより、Ａ／ρ＝３．４１としたもの、シリコーン樹脂部を０．２質量部、アクリル樹脂を１．３６質量部添加することにより、Ａ／ρ＝５．８としたものを用意した（絶縁性接着剤１５の接着性樹脂部として作用するものが、シリコーン樹脂およびアクリル樹脂である）。
【００５４】
Ｆｅ基アモルファス系の材料を用いた金属磁性粉末１６に対しては、シリコーン樹脂を０．２質量部、アクリル樹脂を１．０質量部添加することにより、Ａ／ρ＝４．６としたもの、シリコーン樹脂を０．２質量部、アクリル樹脂を１．３３質量部添加することにより、Ａ／ρ＝６．１０としたものを用意した。
【００５５】
これによれば、上記の２種類の金属磁性粉末１６に対して、加圧成形時の加圧力を５ｔｏｎ／ｃｍ２未満にした場合は、成形性において特に問題はない。
【００５６】
５ｔｏｎ／ｃｍ２以上では、（表１）に示したとおり、Ａ／ρ≧４．９の範囲において、任意な複雑形状に形成可能である。これは、Ａ／ρ≧４．９の範囲にあるときは、加圧成形前の造粒粉１７において、金属磁性粉末１６の外周表面を十分に絶縁性接着剤１５が被覆しており、隣接する金属磁性粉末１６が均一に接着されるために、加圧成形後に金型から金属磁性成形体を抜き出す際にも、外磁脚１２が引きちぎられたり、クラック２０が生じたりしにくいからである。
【００５７】
次に、２種類の金属磁性粉末１６における加圧成形時の加圧力に対して、絶縁性接着剤１５のガラス転移温度と成形充填率の関係は図５に示すとおりである。
【００５８】
加圧成形時の加圧力は２〜１２ｔｏｎ／ｃｍ２の範囲で変化させた。
【００５９】
１種類目としては、Ｆｅ−Ｎｉ系の材料を用いた金属磁性粉末１６に対して、シリコーン樹脂を０．４質量部、特定のガラス転移温度のアクリル樹脂を１．０質量部添加したものを用意した。
【００６０】
２種類目としては、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系の材料を用いた金属磁性粉末１６に対して、シリコーン樹脂を０．２質量部、特定のガラス転移温度のアクリル樹脂を１．３質量部添加したものを用意した。
【００６１】
図５によれば、Ｆｅ−Ｎｉ系の材料を用いた金属磁性粉末１６の特性波形２１とＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系の材料を用いた金属磁性粉末１６の特性波形２２の変化より、ガラス転移温度（Ｔｇ）を０℃以下にすると、成形充填率（パッキング状態を示し、充填率が大きいほど良く、金属磁性成形体の真密度に対する密度の比率）を向上することができる。特に、−１０℃以下がより効果的である。
【００６２】
次に、加圧成形時の加圧力に対して、磁芯１４の透磁率とＡ／ρの関係は図６に、コアロスとＡ／ρとの関係は図７に示すとおりである。
【００６３】
Ｆｅ−Ｓｉ系の材料を用いた金属磁性粉末１６に対して、シリコーン樹脂を添加するとともに、シリコーン樹脂の添加量よりも多いアクリル樹脂を添加したものを用意した（加圧成形時の加圧力は２〜１２ｔｏｎ／ｃｍ２の範囲で変化させ、窒素雰囲気中にて７００〜８００℃で１時間程度の熱処理を行っている）。
【００６４】
これによれば、透磁率とＡ／ρの特性波形２３の変化によると、透磁率はＡ／ρが大きくなるに伴って低下するが、コアロスとＡ／ρの特性波形２４の変化によると、コアロスはあまり変化しない。高周波で大電流対応可能であって小形なコイル部品として、ＤＣ／ＤＣコンバータ電源用のチョークコイル等に最適なものは、磁気特性として、透磁率は８５以上、コアロスは、１０００ｋｗ／ｍ３以下（駆動周波数１００ｋＨｚ、０．８５Ｔの時）が望ましく、Ａ／ρは７．０以下にすることが必要である。
【００６５】
次に、加圧成形時の加圧力に対する成形充填率の関係は図８に示すとおりである。
【００６６】
これによると、成形充填率と加圧力の特性波形２５の変化によると、加圧力の増加に伴って成形充填率は向上するものの、加圧力が５ｔｏｎ／ｃｍ２を越えると、成形充填率の向上の伸びが鈍化する。これは、金属磁性粉末１６そのものが塑性変形を生じることに起因するが、この塑性変形によって、磁気特性が向上するために、加圧力を５ｔｏｎ／ｃｍ２を越える領域に設定することは重要である。
【００６７】
このように実施の形態１によれば、Ａ／ρ≧４．９の関係を満たすようにするとともに、造粒粉１７を５ｔｏｎ／ｃｍ２以上で加圧成形することにより、高周波で大電流対応可能であって、種々の特性要求に満足し、小形で任意な複雑形状を形成可能とした磁芯１４を有するコイル部品を得ることができる。
【００６８】
なお、造粒粉１７は、図１に示すように、多数の金属磁性粉末１６の外周を絶縁性接着剤１５が覆った粉塊状のものだけでなく、個々の金属磁性粉末１６の外周を絶縁性接着剤１５が被覆した単体状のものでもよい。
【００６９】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の請求項５に記載の発明について図面を参照しながら説明する。
【００７０】
本発明の実施の形態２は、実施の形態１におけるコイル部品を電源実装回路に実装した電源装置である。
【００７１】
この電源装置で用いる電源は、インターリーブ制御のチョッパー回路であり、入力４２Ｖ、出力１４Ｖ、電流４０Ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動周波数１００ｋＨｚである。
【００７２】
電源実装回路における電源効率の関係は図９に示すようになる。
【００７３】
図９において、効率とコアロスの特性波形２６の変化によれば、従来のコイル部品を実装した電源装置に比べ、透磁率が十分大きくリップル電流も低減し、コアロスが１０００ｋｗ／ｍ３を達成すれば、電源効率が９０％以上となる。
【００７４】
このような電源装置を自動車等に適用すれば軽量化が可能となり、デジタル基地局のパワーモジュール電源用に適用すれば省スペース化とともに高効率化が可能となる。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、Ａ／ρ≧４．９の関係を満たすようにするとともに、造粒粉を５ｔｏｎ／ｃｍ２以上で加圧成形することにより、高周波で大電流対応可能であって、種々の特性要求に満足し、小形で任意な複雑形状を形成可能とした磁芯を有するコイル部品及びそれを用いた電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるコイル部品の造粒粉の拡大図
【図２】同コイル部品の磁芯の平面図
【図３】同コイル部品の磁芯の金属磁性粉末の比体積を測定する測定装置の説明図
【図４】（ａ）磁芯の外磁脚に生じるクラックを示す磁芯の断面図
（ｂ）磁芯の背磁脚に生じるクラックを示す磁芯の断面図
【図５】ガラス転移温度と成形充填率の関係を示す特性図
【図６】磁芯の透磁率とＡ／ρの関係を示す特性図
【図７】コアロスとＡ／ρとの関係を示す特性図
【図８】加圧成形時の加圧力に対する成形充填率の関係を示す特性図
【図９】電源実装回路における電源効率の関係を示す特性図
【図１０】従来の第１のコイル部品の巻線と磁芯の斜視図
【図１１】従来の第２のコイル部品の巻線と磁芯の斜視図
【図１２】従来の第３のコイル部品の巻線と磁芯の斜視図
【符号の説明】
１１  中磁脚
１２  外磁脚
１３  背磁脚
１４  磁芯
１５  絶縁性接着剤
１６  金属磁性粉末
１７  造粒粉
１８  漏斗
１９  コップ
２０  クラック
２１  Ｆｅ−Ｎｉ系の材料を用いた金属磁性粉末の特性波形
２２  Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系の材料を用いた金属磁性粉末の特性波形
２３  透磁率とＡ／ρの特性波形
２４  コアロスとＡ／ρの特性波形
２５  成形充填率と加圧力の特性波形
２６  効率とコアロスの特性波形
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004253434.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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