(57)【要約】【課題】本発明の複合磁性体とコイル埋設型磁性素子は、鉄基金属磁性粉末を用いて作製された複合磁性体の耐電圧性を向上させることを目的とするものである。【解決手段】そして、この目的を達成するために本発明は、鉄基金属磁性粉末と電気絶縁性材料と熱硬化性樹脂とからなる複合磁性体であって、前記電気絶縁性材料の比誘電率をεa、前記熱硬化性樹脂の比誘電率をεbとした時、εa＜εbなる関係が満たされる複合磁性体としたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも金属磁性粉末と電気絶縁性材料と熱硬化性樹脂からなり、
前記電気絶縁性材料と前記熱硬化性樹脂の比誘電率をそれぞれεa、εbとした時、
εa＜εbなる関係を満たすことを特徴とする複合磁性体。
【請求項２】
前記電気絶縁性材料が無機絶縁材であることを特徴とする請求項１に記載の複合磁性体。
【請求項３】
前記金属磁性粉末は、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅ、アモルファス合金、ナノ微結晶合金、金属ガラスのうち、少なくとも１種類以上を含む請求項１に記載の複合磁性体。
【請求項４】
少なくとも金属磁性粉末と電気絶縁性材料と熱硬化性樹脂からなり、
前記電気絶縁性材料と前記熱硬化性樹脂の比誘電率をそれぞれεa、εbとした時、
εa＜εbなる関係を満たす複合磁性体を用いたコイル埋設型磁性素子。
【請求項５】
少なくとも金属磁性粉末と電気絶縁性材料と熱硬化性樹脂からなり、
前記電気絶縁性材料と前記熱硬化性樹脂の比誘電率をそれぞれεa、εbとした時、
εa＜εbなる関係を満たす複合磁性体を用いたコイル埋設型磁性素子の製造方法であって、
前記金属磁性粉末と前記電気絶縁性材料と前記熱硬化性樹脂とを混合して混合体を得る工程と、
コイル及び前記コイルに電気的に接続された一対の端子の少なくとも一部を埋設するように前記混合体を加圧成形して成形体を得る工程と、
前記成形体を加熱することにより前記熱硬化性樹脂を硬化させる工程とを有するコイル埋設型磁性素子の製造方法。
【請求項６】
前記混合体を得る工程と、
前記成形体を得る工程との間に、
前記金属磁性粉末、前記無機絶縁材および前記熱硬化性樹脂を含む混合体を、６５℃以上１５０℃以下に加熱する工程を施す請求項５に記載のコイル埋設型磁性素子の製造方法。
【請求項７】
前記混合体を得る工程と、
前記成形体を得る工程との間に、
前記金属磁性粉末、前記無機絶縁材および前記熱硬化性樹脂を含む混合体を、製粒する工程を施す請求項５または請求項６に記載のコイル埋設型磁性素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インダクタ、チョークコイル、トランス等に用いられる複合磁性体とそれを用いたコイル埋設型磁性素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器の小型化、低背化に伴い、これらに使用される電子部品やデバイスにおいても、上記の要求が強くなっている。一方で、ＣＰＵなどのＬＳＩは高速・高集積化しており、これに供給される電源回路には、数Ａ〜数１０Ａの電流が供給されることがある。
【０００３】
よって、これらに用いられる磁性素子においても、小型化とともに、直流重畳によるインダクタンス低下の抑制が要求されている。更に、使用周波数の高周波数化により、高周波数領域での損失が低いことも要求されている。
【０００４】
金属磁性粉末を圧縮成形して作製される複合磁性体は、直流重畳特性に優れており、大電流対応かつ小型化を実現できる。このような複合磁性体を利用したものとして、コイル埋設型磁性素子が知られている。
【０００５】
従来この種のコイル埋設型磁性素子は、主として金属磁性粉末と熱硬化性樹脂および電気絶縁性材料とからなる複合磁性体の中に、端子と空芯コイルとの少なくとも一部をそれぞれ埋設し加圧成形して製造されていた。
【０００６】
このようなコイル埋設型磁性素子は、コイルと複合磁性体から作製される組立型磁性素子と比較し、組立寸法許容差等のデッドスペースに複合磁性体を充填することが出来るため、磁路長の短縮、および磁路断面積の拡張が図れ、素子の小型・薄型化に優位であった。
【０００７】
なお、この出願に関する先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３０５１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような従来の磁性素子は、耐電圧性が課題となっていた。
【００１０】
すなわち、この磁性素子は複合磁性体中に端子と空芯コイルとの少なくとも一部を埋設するものであり、この端子間に電圧を印加した際に複合磁性体に絶縁破壊が生じると、複合磁性体内でショートを誘発する。従って、このような複合磁性体には、コイル埋設型磁性素子の用途に応じた耐電圧の確保が課題となっていた。耐電圧は、試験片が絶縁破壊しない電圧を前記試験片への電圧印加間距離で除した値であり、電圧印加間距離を長くすることによって、試験片の耐電圧を向上させることは可能である。しかしこれは、磁性素子の大型化に繋がり好ましくない。あるいは、熱硬化性樹脂の配合量を増加することで、耐電圧性を確保することもできるが、これは透磁率を低下させる要因となる。また、透磁率の低下により磁性素子のインダクタンスが低下する。インダクタンスは磁性素子の銅線巻数増加により増大させることは可能であるが、銅線巻数の増加により直流電流損失を増大させ、回路効率を低下させるため、透磁率の低下は好ましくない。
【００１１】
そこで本発明は、磁性素子の小型化と高い透磁率を確保するとともに、耐電圧性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、金属磁性粉末と電気絶縁性材料と熱硬化性樹脂からなる複合磁性体であって、前記電気絶縁性材料の比誘電率をεa、前記熱硬化性樹脂の比誘電率をεbとした時、εa＜εbなる関係が満たされる複合磁性体としたものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のような構成とすることにより、本発明の複合磁性体を用いて作製されたコイル埋設型磁性素子は小型化と透磁率を確保できるとともに、耐電圧性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明における複合磁性体を示す断面模式図
【図２】本発明におけるコイル埋設型磁性素子の斜視模式図
【図３】本発明におけるコイル埋設型磁性素子の断面模式図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明における複合磁性体４に関して説明する。
【００１６】
本発明の図１に示される複合磁性体４は少なくとも金属磁性粉末と電気絶縁性材料と熱硬化性樹脂からなり、前記電気絶縁性材料と前記熱硬化性樹脂の比誘電率をそれぞれεa、εbとした時、εa＜εbなる関係を満たすことを特徴とするものである。
【００１７】
以下、耐電圧性を向上させるための本発明の構成について、電気絶縁性材料２の比誘電率と熱硬化性樹脂の比誘電率が耐電圧性に及ぼす影響とともに説明する。
【００１８】
本発明の複合磁性体４に電圧を印加すると、金属磁性粉末１を除く電気絶縁性材料２および熱硬化性樹脂３に電界が発生する。
【００１９】
電気絶縁性材料２がない場合は、熱硬化性樹脂３は連続的な電界強さとなるが、電気絶縁性材料２が存在し、かつ電気絶縁性材料２と熱硬化性樹脂３の誘電率がそれぞれ異なる場合、電気絶縁性材料２と熱硬化性樹脂３は、不連続な電界強さとなる。これにより最大電界を小さくすることができる。
【００２０】
電気絶縁性材料２と熱硬化性樹脂３の各比誘電率を変化させて、電界強さを電界解析により計算した。解析条件は、２次元解析とし、印加電圧は１．５Ｖとした。解析モデルは、円形の金属磁性粉を配置し、金属磁性粉間同士の距離を１μｍとして、これを４層重ねたモデルとした。この電界解析の結果を（表１）に示す。（表１）に記載の熱硬化性樹脂の比誘電率は、硬化後の比誘電率である。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
（表１）の結果から、電気絶縁性材料２の比誘電率を熱硬化性樹脂３の比誘電率よりも小さくすることで、電気絶縁性材料２を添加しない場合に比較して、最大電界を小さくすることができる。
【００２３】
電気絶縁性材料２の比誘電率が、熱硬化性樹脂３の比誘電率と同じ値の場合は、電気絶縁性材料を添加しない場合と電界は同じである。
【００２４】
一方で、電気絶縁性材料２の比誘電率が、熱硬化性樹脂３の比誘電率よりも大きい場合は、電気絶縁性材料２を添加しない場合に比較して、最大電界が大きくなる。
【００２５】
すなわち、試験片に同じ電圧を印加した場合においても、電気絶縁性材料２の比誘電率を熱硬化性樹脂３の比誘電率よりも小さくすることで、電界強さを小さくすることができるため、絶縁破壊に至る電圧を大きくすることができ、耐電圧性を向上させことができる。
【００２６】
なお、（表１）の結果は、電気絶縁性材料の比誘電率と、熱硬化性樹脂の相対関係によって、最大電界が変化することを示したものであり、本シミュレーションにおいては熱硬化性樹脂の比誘電率を４と設定しているが、この値に限定されるものではなく、上記各比誘電率の相対関係を満たせば、同様の関係が得られることは容易に類推できるものである。
【００２７】
本発明の電気絶縁性材料としては、雲母、含水珪酸マグネシウム、シリコンカーバイト等が挙げられ、これらの物質の比誘電率は、１．６から６程度である。
【００２８】
また、本発明の熱硬化性樹脂３としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、もしくはシリコーン樹脂等が挙げられ、これらの物質の比誘電率は、硬化後の比誘電率が、３から６程度である。これらの熱硬化性樹脂３は、主剤が常温で液体であるものが望ましい。なお、熱硬化性樹脂３と、金属磁性粉末１との分散性を改善するために分散剤を微量添加してもよい。
【００２９】
電気絶縁性材料２の比誘電率は、熱硬化性樹脂３の比誘電率よりも小さければよいが、熱硬化性樹脂３の比誘電率が３〜６となるため、１．６〜６とすることが望ましい。
【００３０】
本発明における金属磁性粉末１は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、ＦｅまたはＦｅ−Ｎｉ系のいずれかであることが望ましい。
【００３１】
Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系の金属磁性粉末１を用いる場合、その比率はＳｉが８重量％以上１２重量％以下、Ａｌが４重量％以上６重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは製造上、目的としない組成物の事を指し、例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。各構成元素の含有量を前記組成範囲とすることで高い透磁率と低い保磁力が得られる。
【００３２】
Ｆｅ−Ｓｉ系の金属磁性粉末１を用いる場合、その比率はＳｉが１重量％以上８重量％以下であり、残部がＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。上記と同様に、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。Ｓｉを含有させることにより、磁気異方性、磁歪定数を小さくし、また電気抵抗を高め、渦電流損失を低減させる効果がある。１重量％以上とすることで、軟磁気特性の改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、飽和磁化の低下を抑制し直流重畳特性の低下を抑制することができる。
【００３３】
Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系の金属磁性粉末１を用いる場合、その比率はＳｉが１重量％以上８重量％以下、Ｃｒが２重量％以上８重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。
【００３４】
Ｓｉを含有させることにより、磁気異方性、磁歪定数を小さくし、また電気抵抗を高め、渦電流損失を低減させる効果がある。１重量％以上とすることで、軟磁気特性の改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、飽和磁化の低下を抑制し直流重畳特性の低下を抑制することができる。
【００３５】
また、Ｃｒを含有させることにより、耐候性を向上させる効果がある。２重量％以上とすることで、耐候性改善効果を得ることができ、８重量％以下とすることにより、軟磁気特性の劣化を抑制することができる。
【００３６】
Ｆｅ−Ｎｉ系の金属磁性粉末１を用いる場合、その比率はＮｉの含有量が４０重量％以上９０重量％以下であり、残りがＦｅ及び不可避な不純物からなることが望ましい。不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。
【００３７】
Ｎｉを含有させることにより、その含有量を４０重量％より少ないと軟磁気特性の改善効果に乏しく、９０重量％より多いと飽和磁化の低下が大きく直流重畳特性が低下する。さらに透磁率を改善させるために１〜６重量％のＭｏを含有させることも可能である。
【００３８】
Ｆｅ系の金属磁性粉末１を用いる場合は、主成分の元素であるＦｅと不可避な不純物からなることが望ましい。ここで、不可避な不純物とは例えば、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃ等が挙げられる。Ｆｅの純度を高めることで、高い飽和磁束密度を取得することができる。
【００３９】
また、本発明の複合磁性体４は、上述したＦｅ系の金属磁性粉末１を２種類以上混合したものでもよく、例えばＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系のような塑性変形能が低い金属磁性粉末１に対して、塑性変形能が高いＦｅ−Ｎｉ系金属磁性粉末１を少量添加することにより、より充填率の高い複合磁性体４が可能となる。
【００４０】
なお、上記の結晶性金属磁性粉末以外でも、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系アモルファス合金、ナノ微結晶合金、あるいはＦｅ−（Ａｌ、Ｇａ）−Ｐ−Ｃ−Ｂ系、Ｆｅ−（Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ）−Ｂ系、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｌｎ−Ｂ系金属ガラス等を用いても、上記構成と同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
【００４１】
また、本発明に用いられる金属磁性粉末１の平均粒子径は１〜１００μｍであることが望ましい。平均粒子径を１．０μｍ以上とすることにより高い充填率を得ることができ、透磁率の低下を抑制することができる。また、平均粒子径を１００μｍ以下とすることにより、高周波領域において渦電流損失が大きくなるのを抑制することができる。さらに好ましくは５μｍ以上３０μｍ以下の範囲でその効果が顕著なものになる。
【００４２】
なお、図２、図３に示すごとく、コイル７と端子５とを一体とすることで、製造プロセスを簡易にすることができるため好ましい。
【００４３】
次に、上述した複合磁性体４の製造方法に関して説明する。
【００４４】
まず、金属磁性粉末１と、未硬化状態の熱硬化性樹脂３と電気絶縁性材料２とを含む材料を混合、分散して混合体を得る。この混合、分散装置としては、主としてボールミルが挙げられる。なお、このようなボールミル以外でも、例えばＶ型混合機およびクロスロータリー等においても同等の効果が期待出来る。
【００４５】
この混合体を、６５℃以上１５０℃以下に加熱する工程を行うことで、熱硬化性樹脂３に含まれる溶剤を蒸発させ、成形性の良い複合磁性体４を得ることができる。
【００４６】
さらに、溶剤を蒸発させた未硬化状態の熱硬化性樹脂を含む複合磁性体４を、分級し、整粒する工程を行うことで、成形性を向上させることができる。
【００４７】
次にコイル７及びコイル７に電気的に接続された一対の端子５の少なくとも一部を埋設するように複合磁性体４を加圧成形して成形体を得ることで、コイル埋設型磁性素子６としてデッドスペースが少なく、磁路長の短縮および磁路断面積の拡張を図ることができる。
【００４８】
次に前記成形体を１５０℃以上２５０℃以下で加熱することにより熱硬化性樹脂３を十分に硬化させて複合磁性体４にコイルが埋設されたコイル埋設型磁性素子６を得ることができる。
【００４９】
（実施例１）
以下、本発明の複合磁性体４を用いて作製されたコイル埋設型磁性素子６における耐電圧性の評価結果について説明する。
【００５０】
まず金属磁性粉末１として、平均粒子径が１０μｍのＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系の金属磁性粉末１を用意した。電気絶縁性材料２は、含水珪酸マグネシウム、マイカ、チタン酸バリウムを用い、金属磁性粉末１を１００ｇに対して５ｇを混合した。熱硬化性樹脂３は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂を用い、前記金属磁性粉末１００ｇに対して５ｇを混合して混合体を作製した。
【００５１】
なお、比誘電率は、含水珪酸マグネシウムが２、マイカが６、チタン酸バリウムが１２００、シリコーン樹脂が４、エポキシ樹脂が５であった。
【００５２】
このようにして得られた混合体を使用して、室温下にて４ｔｏｎ／ｃｍ2の成形圧力にて加圧成形し、成形体を作製した。その後１５０℃で２時間の熱硬化処理を行い、試験片を作製した。なお、絶縁抵抗率および耐電圧の測定は、試験片の寸法を１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍとし、この０．５ｍｍ間に電圧をかけて評価を行った。
【００５３】
（表２）に実験結果を示す。
【００５４】
【表２】
2013222827.tif 000004
【００５５】
（表２）に記載の熱硬化性樹脂の比誘電率は、熱硬化性樹脂を硬化した後の比誘電率の値である。
【００５６】
まず、試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．４における熱硬化性樹脂３はシリコーン樹脂を用いた。このとき、電気絶縁性材料２を添加しない試料Ｎｏ．１と比較して、シリコーン樹脂よりも比誘電率が小さい含水珪酸マグネシウムを電気絶縁性材料２として用いた試料Ｎｏ．２は耐電圧性を向上させることができた。一方で、シリコーン樹脂よりも比誘電率が大きいマイカ、チタン酸バリウムを用いた試料Ｎｏ．３、試料Ｎｏ．４の場合は、電気絶縁性材料２を添加しない試料Ｎｏ．１と比較して耐電圧性が低下した。
【００５７】
まず、試料Ｎｏ．５〜試料Ｎｏ．８における熱硬化性樹脂３はエポキシ樹脂を用いた。このとき、電気絶縁性材料２を添加しない試料Ｎｏ．５と比較して、エポキシ樹脂よりも比誘電率が小さい含水珪酸マグネシウムを電気絶縁性材料２として用いた試料Ｎｏ．６は耐電圧性を向上させることができた。一方で、エポキシ樹脂よりも比誘電率が大きいマイカ、チタン酸バリウムを用いた試料Ｎｏ．７、試料Ｎｏ．８の場合は、電気絶縁性材料２を添加しない試料Ｎｏ．５と比較して耐電圧性が低下した。
【００５８】
また、熱硬化性樹脂として、シリコーン樹脂を用い、比誘電率がシリコーン樹脂と同じ値の電気絶縁性材料を添加した場合は、電気絶縁性材料を添加しない場合と同等の耐電圧となることが、（表１）の結果から類推される。熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂を用い、比誘電率がエポキシ樹脂と同じ値の電気絶縁性材料を添加した場合においても、電気絶縁性材料を添加しない場合と同等の耐電圧となることが、（表１）の結果から類推される。
【００５９】
以上、説明したように本発明によれば、耐電圧を向上させた複合磁性体４を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の複合磁性体によれば、大電流対応が可能で、高周波化および小型化を図れ、かつ、耐電圧の向上も図れるので、各種電子機器に有用である。
【符号の説明】
【００６１】
１  金属磁性粉末
２  電気絶縁性材料
３  熱硬化性樹脂
４  複合磁性体
５  一対の端子
６  コイル埋設型磁性素子
７  コイル
【図１】
2013222827.tif 000005
【図２】
2013222827.tif 000006
【図３】
2013222827.tif 000007