(57)【要約】      （修正有）【課題】インダクタの交流抵抗の増大を抑制し、インダクタンスを大きくする。【解決手段】インダクタ用線材１０は、金属の中心導体１１と、中心導体１１を被覆する絶縁層１３ａと、絶縁層１３ａを被覆する多孔質層１３ｂと、多孔質層１３ｂの孔に充填された磁性体１５と、を有する。好ましくは、磁性体１５の磁化容易軸は、中心導体１１の周方向と直交する方向を向いている。また、磁性体１５の多孔質層１３ｂの表面からの深さ方向の長さは５μｍ〜２０μｍである。【選択図】図２
2016225582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の中心導体と、
前記中心導体を被覆する絶縁層と、
前記絶縁層を被覆する多孔質層と、
前記多孔質層の孔に充填された磁性体と、
を有することを特徴とするインダクタ用線材。
【請求項２】
前記磁性体の磁化容易軸は、前記中心導体の周方向と直交する方向を向いていることを特徴とする請求項１に記載のインダクタ用線材。
【請求項３】
前記磁性体の前記多孔質層の表面からの深さ方向の長さは５μｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のインダクタ用線材。
【請求項４】
前記磁性体の径は２０〜４０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインダクタ用線材。
【請求項５】
磁性体１５のピッチは、５０ｎｍ〜７０ｎｍであることを特徴とする。請求項１〜４のいずれか１項に記載のインダクタ用線材。
【請求項６】
陽極酸化により導電線の表面に絶縁性の多孔質皮膜を形成し、
前記多孔質皮膜の孔内に磁性体を充填する、
ことを特徴とするインダクタ用線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インダクタ用線材とその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インダクタは、流れる電流によって形成される磁場にエネルギーを蓄えることのできる受動素子であり、電源回路の電圧の安定化、高周波回路のインピーダンス整合、信号のフィルタリング等に使用される。
【０００３】
一般に使用されているインダクタとして、空芯インダクタがある。空芯インダクタは、銅線を円筒形に巻いた巻線（コイル）である。空芯インダクタは、製造が容易で耐電力が大きいという利点があるが、インダクタンスが小さいという問題がある。空芯インダクタのインダクタンスＬは、Ｌ＝μＮ2Ｓ／ｌで表される。ここで、μは巻線（銅）の透磁率、Ｎは巻数、Ｓは巻線の断面積、ｌはコイル長である。同じ材料の巻線を用いる場合、巻線の断面積を大きくするか、巻数を増やすことでインダクタンスを大きくすることができるが、部品が大型化する。
【０００４】
巻線に透磁率が大きい材料を用いることによっても、インダクタンスを大きくできる。空芯インダクタのインダクタンスを改善する構成として、中心導体に磁性材料をめっきした磁性めっきインダクタがある。銅線の外周を、たとえば鉄（Ｆｅ）層とニッケル（Ｎｉ）層の積層で覆う。鉄の透磁率は銅の透磁率の１０００倍以上であり、透磁率の大きい磁性めっき層に磁界が集中する。その結果、磁気エネルギーが増大してインダクタンスが大きくなる。しかし、この構成では交流電流が流れるときに、表皮効果によって表面の磁性めっき層に電流が集中し、交流抵抗が増大するという問題がある。
【０００５】
渦電流による交流抵抗値の増大を抑制する構成として、長尺状の導体の外周に樹脂等の絶縁性の中間層を介して磁性層を配置する構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。磁性層は、絶縁体の中に一軸磁気異方性を有する複数の磁性体が配置された層であり、磁性体の磁化容易方向は、導体の周方向とほぼ同一である。磁性体の磁化容易軸を導体の周方向とほぼ同一にすることで、外部磁界を磁性層に集中させて磁束が内部導体に侵入するのを防止する。
【０００６】
また、銅線の外表面を高透磁性の第１エナメル膜で覆い、第１エナメル膜の外側を絶縁性の第２エナメル膜で覆う構成が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。高透磁性の第１エナメル膜では、エナメル中にフィラーまたは粒子の形状でフェライト系材料が充填されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−７１９７０号公報
【特許文献２】特開２０１３−１０６３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
インダクタの交流抵抗の増大を抑制することのできるインダクタ用線材の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一つの態様として、インダクタ用線材は、
金属の中心導体と、
前記中心導体を被覆する絶縁層と、
前記絶縁層を被覆する多孔質層と、
前記多孔質層の孔に充填された磁性体と、
を有する。
【発明の効果】
【００１０】
インダクタの交流抵抗の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】磁性めっきインダクタに生じる交流抵抗増大の問題を説明する図である。
【図２】実施形態のインダクタ用線材の概略図である。
【図３】実施形態のインダクタ用線材の効果を説明する図である。
【図４】実施形態のインダクタ用線材の効果を説明する図である。
【図５】実施形態のインダクタ用線材の構成を公知例と比較して示す図である。
【図６】実施形態のインダクタ用線材の作製に用いる陽極酸化装置の概略図である。
【図７】実施形態のインダクタ用線材の作製工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、磁性めっきインダクタに生じる交流抵抗増大の問題を説明する図である。一般的な磁性メッキインダクタは、銅（Ｃｕ）線１０１の外周を、磁性層１０２で被覆してある。磁性層１０２は、たとえば鉄（Ｆｅ）層とニッケル（Ｎｉ）層の積層である。磁性層１０２で覆った磁性めっきインダクタでは、交流電流が流れるときに、表皮効果により表面側の磁性層１０２に電流が集中する。周波数が高いほど電流はより表面に集中し、表皮深さが小さいほど、交流抵抗が大きくなる。
【００１３】
導体の表皮深さｄは、ｄ＝（ρ／πｆμ）1/2で表される。ここで、ρは電気抵抗率、μは透磁率、ｆは交流電流の周波数である。表皮深さｄは透磁率μの平方根に反比例し（ｄ∝（１／μ）1/2）、透磁率の大きい材料ほど表面での電流密度が増大する。鉄（Ｆｅ）の電気抵抗ρは銅（Ｃｕ）に比べて一桁大きいが、透磁率μは３桁も大きいため、透磁率の大きさの方が支配的になって、電流は磁性層１０２の表面に集中する。図１に示すように、銅の単線と比較すると、磁性めっきインダクタの磁性層１０２の外表部での電流密度が格段に大きくなり、交流抵抗が増大する。
【００１４】
実施形態では、インダクタの交流抵抗の増大を抑制する構成と手法を提供する。
【００１５】
図２は、実施形態のインダクタ用線材１０の概略図である。インダクタ用線材１０は、金属の中心導体１１と、中心導体１１の外周を被覆する絶縁層１３ａと、絶縁層１３ａを被覆する多孔質層１３ｂと、多孔質層１３ｂの孔１４の内部に充填された磁性体１５を有する。絶縁層１３ａと、磁性体１５が充填された多孔質層１３ｂを合わせて被覆層１３と称してもよい。多孔質層１３ｂの孔１４に充填される磁性体１５は軟磁性体であり、ＮｉＦｅ（ニッケル−鉄）系の合金、ＣｏＮｉＦｅ（コバルト−ニッケル−鉄）系の合金等を用いることができる。
【００１６】
磁性体１５は、中心導体１１の半径方向に沿って配置され、その磁化容易軸ｍも半径方向に向いている。別の言い方をすると、磁性体１５の磁化容易軸ｍは、インダクタ用線材１０の周方向（あるいは接線方向）とほぼ直交する。この明細書及び特許請求の範囲で、磁化容易軸ｍがインダクタ用線材１０あるいは中心導体１１の周方向と「直交する」というときは、完全に９０°の角度をなすものではなく、直交および直交に近い角度を含むものとする。磁性体１５の透磁率は、中心導体１１の透磁率と比較して大きく、高透磁率の磁性体１５での磁束密度を高くしてインダクタンスを大きくすることができる。
【００１７】
インダクタ用線材１０の軸方向の長さＬは、一例として１ｍｍ〜１００ｍｍ、直径φは０．０１ｍｍ〜１ｍｍである。磁性体１５の磁化容易軸ｍ方向に沿った長さは５μｍ〜２０μｍ、磁性体１５の径（すなわち孔１４の径）は２０〜４０ｎｍ、ピッチ（隣接する磁性体１５の中心間距離）は５０ｎｍ〜７０ｎｍである。絶縁層１３ａと多孔質層１３ｂを合わせた被覆層１３の厚さは６μｍ〜３０μｍであり、磁性体１５の磁化容易軸方向の長さは、被覆層１３の深さ方向の１／２〜３／４である。一例として、絶縁層１３ａの平均厚さｄ１は５μｍ、多孔質層１３ｂの平均厚さｄ２（すなわち孔１４の平均深さ）は１０μｍである。
【００１８】
インダクタ用線材１０の円形断面の交流抵抗Ｒは、
Ｒ＝（ρ／ｄ）（Ｌ／π（Ｄ−ｄ））        （１）
で求められる。ここで、Ｌは中心導体１１の長さ、Ｄは中心導体１１の直径、ρは中心導体１１の電気抵抗率、ｄは中心導体１１の表皮深さである。上述のように、導体の表皮深さｄは、
ｄ＝（ρ／πｆμ）1/2                （２）
表される。
【００１９】
中心導体１１をアルミニウム（Ａｌ）で形成すると、その電気抵抗はρ＝2.65×10-8Ωｍ、透磁率μ＝1.25664×10-6である。交流周波数ｆを１０ＭＨｚとすると、表面深さはｄ＝２５μｍとなる。中心導体１１の長さをＬ＝０．３ｍｍ、直径をＤ＝０．１ｍｍとすると、式（１）より、中心導体１１の交流抵抗ＲAlは１ｍΩである。
【００２０】
図３は、実施形態のインダクタ用線材１０の特性を従来の磁性めっきインダクタと比較して示す図である。実施形態のインダクタ用線材１０では、中心導体１１と絶縁層１３ａの界面近傍で電流密度が若干上昇するが、中心導体１１の外周を覆う絶縁層１３ａにより電流は磁性体１５に流れ込まない。また、磁性体１５は絶縁性の多孔質層１３ｂの孔のひとつひとつに充填されており、互いに電気的に隔離されている。そのため、電流密度のプロファイルは、中心導体１１を覆う被覆層１３でゼロに近くなる。
【００２１】
これに対し、比較例の磁性めっきインダクタは、アルミニウムの中心導体を用い、その外周に鉄（Ｆｅ）のめっき層を形成したものである。図１を参照して説明したように、比較例の磁性めっきインダクタでは、鉄（Ｆｅ）の透磁率の大きさが支配的になって、表面の磁性メッキ（Ｆｅ）層に電流が集中する（実線で示す電流密度）。表面の鉄（Ｆｅ）層への電流集中により、導体の交流抵抗が増大する。導体の長さＬと直径Ｄ、および交流電流の周波数ｆを、図２の構成と同様にＬ＝０．３ｍｍ、Ｄ＝０．１ｍｍ、ｆ＝１０ＭＨｚとする。鉄（Ｆｅ）の電気抵抗率ρは1.0×10-7Ωｍ、透磁率をμ＝1.25664×10-3とすると、表皮深さｄは１．５μｍである。この条件で、式（１）から鉄（Ｆｅ）の交流抵抗ＲFeを計算すると、ＲFe＝６０ｍΩとなる。
【００２２】
以上から、図２の実施形態のインダクタ用線材１０は、表面への電流密度の集中を抑制して、交流抵抗を従来の磁性めっきインダクタと比較して１／６０に低減することができる。
【００２３】
なお、インダクタ用線材１０の中心導体１１に流れる交流電流により、磁性体１５を紙面と垂直な方向に貫く磁束が発生したとしても、その磁束の変化により磁性体１５に生じる渦電流はわずかである。また、多孔質層１３ｂの最外周側と内周側で渦電流の方向が逆方向となり、互いに相殺されて交流抵抗の増大には影響しない。
【００２４】
図４及び図５は、実施形態のインダクタ用線材１０のエネルギー損失の低減効果を説明する図である。実施形態の構成は、導体表面への電流密度の集中を抑制して交流抵抗の増大を抑制する効果に加えて、磁気エネルギーの損失を低減する効果も有する。図４（ａ）は図５（ａ）の実施形態のインダクタ用線材１０のエネルギー損失を示す。図４（ｂ）は比較例として、図５（ｂ）の公知の磁性材被覆インダクタ（特許文献１参照）のエネルギー損失を示す。図４（ａ）と図４（ｂ）で、横軸は磁化容易軸からの傾きθ（度）、縦軸は磁気異方性エネルギー（Ｅｕ／Ｋｕ）である。
【００２５】
異方性エネルギーＥｕは、磁化容易方向を向いている磁気モーメントを磁化困難な方向に向けるのに必要なエネルギーである。一軸異方性の磁性体に、磁化容易方向から角度θだけ傾けて外部磁界を印加したときの異方性エネルギーＥｕは、
Ｅｕ＝Ｋｕ・ｓｉｎ2θ                （３）
で表される。
【００２６】
図５（ｂ）の公知例の構成では、中心導体２０１の外周に、絶縁性の中間層２０２を介して磁性層２０３が配置され、磁性層２０３では、樹脂２０４中に一軸磁気異方性を有する磁性体２０５が配置されている。磁性体２０５の磁化容易軸の方向は、中心導体２０１の周方向とほぼ同じ方向である。磁性層２０３の外側に保護層２０６が配置されている。
【００２７】
中心導体２０１に紙面と垂直に上向きの電流Ｉが流れると、磁界Ｈが発生する。交流電流の場合、磁界Ｈの方向は交互に反対方向を向く。それにともなって、磁性体２０５の磁化容易軸ｍの方向は１８０°反転する。このときに要する異方性エネルギーは、図４（ｂ）の斜線で示す積分領域Ｂである。この異方性エネルギーが、エネルギー損失の主因となる。
【００２８】
これに対し、図５（ａ）に示す実施形態のインダクタ用線材１０は、多孔質層１３ｂの孔内に充填された磁性体１５を有する。磁性体１５の長軸は、中心導体１１の周とほぼ直交する方向に向いている。針状結晶の場合、長軸方向がその磁化容易軸ｍとなる。中心導体１１に紙面と垂直な方向に上向きの電流Ｉが流れると、磁界Ｈが発生する。このとき、磁性体１５に含まれる個々の磁気モーメントは、磁化容易軸ｍの方向から磁界Ｈの方向に９０°回転する。このときに要する異方性エネルギーは図４（ａ）の積分領域Ａである。積分領域Ａは、図４（ｂ）の積分領域Ｂの半分の面積である。したがって、実施形態のインダクタのエネルギーの損失は、公知例のエネルギー損失の約半分になる。
【００２９】
このように、実施形態のインダクタ用線材１０では、従来の磁性材被覆インダクタと比較して、エネルギー損失を低減することができる。
【００３０】
次に、図６及び図７を参照して、インダクタ用線材１０の作製方法を説明する。インダクタ用線材１０の作製は、多孔質層１３ｂを形成する工程と、多孔質層１３ｂの各孔１４に磁性体１５を充填する工程を含む。実施形態では、陽極酸化法により絶縁層１３ａと多孔質層１３ｂを形成する。
【００３１】
図６は、インダクタ用線材１０の作製に用いる陽極酸化装置３０の概略図である。電磁式攪拌装置４２上に循環恒温水槽３１が設置され、循環恒温水槽３１の中に陽極酸化槽３２が配置されている。陽極酸化槽３２には電解液４５が満たされ、陽極酸化槽３２の底部に攪拌子３４が設けられている。電源４１のプラス側に接続された給電ローラ３５を陽極とし、陽極酸化槽３２内に配置されて電源４１のマイナス側に接続されるアルミニウム管３３を陰極とする。
【００３２】
直径約０．１ｍｍのアルミニウム線５０を、陽極である給電ローラ３５から連続的に巻き出して、陽極酸化槽３２の電解液４５に導入する。電解液４５として、０．３Ｍ（モル）硫酸、０．３Ｍリン酸、０．３Ｍクロム酸等の処理液を用いることができる。電解液４５の温度は、循環恒温水槽３１により１６℃に調整されている。
【００３３】
アルミニウム線５０が陰極となるアルミニウム管３３を通過する過程で、その表面に多孔質総１３ｂと絶縁層１３ａが形成される。陽極酸化中に、陽極酸化により形成される皮膜の厚さ合わせて陽極酸化電圧を２５Ｖから１２Ｖまで下げる。アルミニウム管３３を出るアルミニウム線５０を、巻き取り速度を調整しながらガイドローラ３６及び３７で巻き取る。陽極酸化の過程で、アルミニウム線５０には絶縁皮膜（アルミナ）が形成され、かつ金属イオンの溶出により微細な孔が形成される。これにより多孔質の絶縁皮膜が形成される。
【００３４】
図７は、インダクタ用線材１０の作製工程図である。図７（Ａ）で、図６の陽極酸化装置３０を用いて、アルミニウム線５０に微細な孔５４を有する絶縁皮膜５２を形成する。アルミウニウム線５０の径Ｄは０．１ｍｍである。図６の陽極酸化の条件で、絶縁皮膜５２に形成される孔５４の平均直径は２５ｎｍ、平均深さは１０μｍ、孔の中心間の距離（ピッチ）は６０〜６５ｎｍであり、平均ピッチは６３ｎｍである。任意で、孔５４の直径を拡げるために、口径拡大処理を行う。たとえば、５ｗｔ％のリン酸液に浴温度３０℃で１５分浸漬することで、孔５４の直径を最終的に４０ｎｍに拡大する。孔５４の平均深さと平均ピッチはそれぞれ１０μｍと６３ｎｍに維持される。アルミニウム線５０のうち、陽極酸化されない部分が中心導体５１となる。
【００３５】
次に、図７（Ｂ）で、孔５４内に軟磁性材料を充填して磁性体５５を形成する。軟磁性材料の充填は、たとえばＡＣ（交流）めっき法により、ＮｉＦｅを充填する。ＡＣめっきに先立って、絶縁皮膜５２が形成されたアルミニウム線５０を純水で流水洗浄する。ＡＣめっき浴として、たとえば、ＮｉＦｅ合金を含む硫酸７０ｇ／ｌとホウ酸４０ｇ／ｌの混合液を用い、浴温度３５℃、めっき電圧１９Ｖｒｍｓ（ＡＣ５０Ｈｚ）、めっき時間を１５０秒とする。ＮｉＦｅに替えて、ＣｏＮｉＦｅを充填してもよい。これにより、多孔質層５３ｂの孔５４に充填された磁性体５５が形成される。絶縁皮膜５２のうち孔５４が形成されていない領域が絶縁層５３ａとなり、磁性体５５を有する多孔質層５３ｂと合わせて被覆層５３を形成する。多孔質層５３ｂに形成された磁性体５５は、その長軸、すなわち磁化容易軸がアルミニウム線５０の周と直交する方向（半径方向）を向いている。
【００３６】
次に、図７（Ｃ）で、磁性体５５を有する被覆層５３が形成されたアルミウニウム線５０を所望の長さに切断してインダクタ用線材１０を形成する。インダクタ用線材１０は直線の状態でインダクタとして用いてもよいし、巻線インダクタとして用いてもよい。実施形態のインダクタ用線材１０は、情報機器のスイッチング電源回路やＡＣアダプタ等、任意の電気回路に適用することができる。インダクタ用線材１０は、中心導体１１の周囲に磁化容易軸が周方向と直交する磁性体１５が充填された多孔質層を有するので、インダクタンスを大きくとることができ、かつ交流抵抗と磁気エネルギーの損失を低減することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０  インダクタ用線材
１１、５１  中心導体
１３ａ、５３ａ  絶縁層
１３ｂ、５３ｂ  多孔質層
１４、５４  孔
１５、５５  磁性体
３０  陽極酸化装置
３２  データ登録サーバ
３３  データ管理サーバ
３５  判定サーバ（判定部）
３６  欠損チェック部
３７  波形異常チェック部
５０  アルミニウム線（導電線）
ｍ  磁化容易軸
【図１】
2016225582.tif 000003
【図２】
2016225582.tif 000004
【図３】
2016225582.tif 000005
【図４】
2016225582.tif 000006
【図５】
2016225582.tif 000007
【図６】
2016225582.tif 000008
【図７】
2016225582.tif 000009