專利名稱：多相用磁性元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電子設(shè)備的感應(yīng)器(inductor)、扼流圈等上的磁性元件，具體涉及多相用磁性元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著電子設(shè)備的小型化、薄型化，其所用的部件或器件也強(qiáng)烈要求小型化、薄型化。另外，CPU等LSI也在高集成化，有時(shí)對(duì)其電源電路提供幾A～幾十A的電流。因此，其所用的扼流圈等感應(yīng)器也要求小型化，同時(shí)還要求低電阻化。即，感應(yīng)器需要減小直流疊加造成的電感的降低。要達(dá)到低電阻化，需要增大線圈導(dǎo)體的截面積，但這與小型化背道而馳。此外，由于多以高頻使用，所以要求降低高頻損失。此外，也強(qiáng)烈要求降低部件成本，需要用簡(jiǎn)易的工序組裝形狀簡(jiǎn)單的部件構(gòu)成元件。即，要求廉價(jià)提供能夠用大電流、高頻使用的，并且非常小型化的感應(yīng)器。但是，切換頻率的高頻化、大電流化，由于切換元件的損失增大或扼流圈的磁飽和，難于進(jìn)行設(shè)備的小型化、高效率化。
為此，最近，采用稱為多相方式的電路方式。例如，在4相方式中，并列采用4個(gè)切換元件和4個(gè)扼流圈。在該電路中，例如，在以500kHz的切換頻率、10A的直流疊加，對(duì)各個(gè)元件錯(cuò)開90°驅(qū)動(dòng)相位時(shí)，最終，以表觀上的2MHz的驅(qū)動(dòng)頻率、40A的直流疊加性能工作。由此，降低波紋電流。如此，多相方式是能夠高效率實(shí)現(xiàn)至今沒能實(shí)現(xiàn)的大電流/高頻化的電源電路方式。
在上述電路中，認(rèn)為可利用使用最普遍的EE型或EI型的鐵氧體鐵心和線圈。但是，鐵氧體材料導(dǎo)磁率比較高，而且，與金屬磁性材料相比，飽和磁通密度低。因此，如果直接使用，有增大磁飽和造成的電感的降低，直流疊加特性變差的傾向。為此，如要改進(jìn)直流疊加特性，采用在鐵氧體鐵心的部分磁路上設(shè)置空隙，降低表觀的導(dǎo)磁率的方法。但是，采用該方法，由于飽和磁通密度低，所以難于大電流使用。此外，通過鐵氧體鐵心的部分磁路上設(shè)置空隙，在鐵氧體鐵心上產(chǎn)生嗚嗚聲。
此外，作為鐵心材料，認(rèn)為也可以采用飽和磁通密度比鐵氧體大的Fe-Si-Al系合金、Fe-Ni系合金等。但是，這些金屬系材料，由于電阻低，過電流損失大，不能直接使用。因此，需要借助絕緣層疊層薄體化的材料，而在成本方面不利。
對(duì)此，通過成形金屬磁性粉制作的壓粉磁心(dust core)，由于與軟磁性鐵氧體相比，具有顯著大的飽和磁通密度，所以直流疊加特性優(yōu)良。因此，有利于小型化，由于也不需要設(shè)置空隙，所以也無嗚嗚聲的問題。該壓粉磁心的鐵心損失，起因于磁滯損失和過電流損失，過電流損失按與頻率的二次方和流動(dòng)過電流的尺寸的二次方成比例地增加。因此，通過用電絕緣性樹脂等覆蓋金屬磁性粉末的表面，抑制過電流的發(fā)生。另外，由于通常以幾ton/cm2以上的成形壓力進(jìn)行壓粉磁心的成形，作為磁性體，應(yīng)變?cè)龃?，同時(shí)導(dǎo)磁率也降低，磁滯損失增大。為避免此現(xiàn)象，提出釋放應(yīng)變。例如，進(jìn)行如特開平6-342714號(hào)公報(bào)、特開平8-37107號(hào)公報(bào)、特開平9-1125108號(hào)公報(bào)記載的成形后的熱處理。
此外，為謀求進(jìn)一步的小型化，例如，在特開昭54-163354號(hào)公報(bào)、特開昭61-136213號(hào)公報(bào)中也提出了內(nèi)置線圈的鐵心。其中，采用在樹脂中分散鐵氧體的鐵心。
但是，在排列與多相數(shù)對(duì)應(yīng)的多個(gè)感應(yīng)器時(shí)，不僅增大設(shè)置空間，而且對(duì)成本也不利。此外，在多相用的多個(gè)鐵心中，由于存在電感值誤差，所以，降低波紋電流特性，也降低電源效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多相用磁性元件，在復(fù)合磁性材料中埋設(shè)多個(gè)線圈，至少在2個(gè)以上的線圈之間存在負(fù)的磁通的耦合或正的磁通的耦合。


圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的磁性元件所含線圈的模式斜視圖。
圖2是本發(fā)明的實(shí)施方式1的磁性元件的俯視透視圖。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)的比較例的磁性元件所含線圈的模式斜視圖。
圖4是現(xiàn)有技術(shù)的比較例的磁性元件的俯視透視圖。
圖5是多相方式的電源電路圖。
圖6是本發(fā)明的實(shí)施方式2的磁性元件的上段、下段線圈的模式斜視圖。
圖7A是本發(fā)明的實(shí)施方式2的磁性元件的俯視透視圖。
圖7B是圖7A的磁性元件的剖視圖。
圖8是利用現(xiàn)有技術(shù)的比較例的磁性元件所含線圈的模式斜視圖。
圖9A是利用現(xiàn)有技術(shù)的比較例的磁性元件的俯視透視圖。
圖9B是圖9A的磁性元件的剖視圖。
圖10是本發(fā)明的實(shí)施方式3的磁性元件所含線圈的模式斜視圖。
圖11是本發(fā)明的實(shí)施方式3的磁性元件的俯視透視圖。
圖12A是本發(fā)明的實(shí)施方式4的磁性元件所含線圈的模式斜視圖。
圖12B是與圖12A的線圈相鄰的線圈的模式斜視圖。
圖13是本發(fā)明的實(shí)施方式4的磁性元件的俯視透視圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施方式1圖1是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1的磁性元件所含線圈的構(gòu)成的模式斜視圖。圖2是說明本實(shí)施方式的磁性元件的構(gòu)成的俯視透視圖。本實(shí)施方式的磁性元件，具有線圈1和復(fù)合磁性材料4。線圈1具有輸入端子2A、2B和輸出端子3。圖3和圖4是說明利用現(xiàn)有技術(shù)的比較例的線圈的形狀和磁性元件的構(gòu)成的模式斜視圖和磁性元件的俯視透視圖?，F(xiàn)有的磁性元件，具有線圈51和復(fù)合磁性材料54。線圈51具有輸入端子52和輸出端53。
以下，說明作為多相方式的電路內(nèi)的扼流圈采用本實(shí)施方式的磁性元件時(shí)的情況。圖5是采用多相方式的電源電路，圖5是2相方式。該電路是將電池13的直流電壓變換成規(guī)定的直流電壓的電路(DC/DC變頻器)。扼流圈11和電容器12形成積分電路。在該電路上連接切換元件14。此外，在電源電路的輸出端連接負(fù)荷15。在圖1中，圈數(shù)3.5圈的線圈，在正好線圈中央的第1.75圈處，連接輸出端子3。另外，設(shè)在線圈1上的2個(gè)輸入端子2A、2B，分別連接在圖5的切換元件14上。由此，線圈1作為單獨(dú)共有輸出端子3的2個(gè)扼流圈工作。電流從各自的輸入端子2A、2B流向輸出端子3。通過該電流，由于貫通線圈的兩端的直流磁通成分相互逆向，所以，線圈中的磁場(chǎng)作為整體減弱。以后，將如此貫通線圈中央的直流磁通成分相互減弱的配置稱為負(fù)的磁通的耦合。此外，相反，貫通線圈中央的直流磁通成分相互增強(qiáng)的配置稱為正的磁通的耦合。通過線圈的配置、線圈的繞向、輸入輸出的電流的方向等可變化正負(fù)的磁通的耦合。
以下，與現(xiàn)有技術(shù)相比較地，介紹本實(shí)施方式的磁性元件的具體構(gòu)成及其特性。首先，敘述本實(shí)施方式的磁性元件的制造方法。作為復(fù)合磁性材料4的原料，準(zhǔn)備用水噴散法制作的平均粒徑13μm的鐵(Fe)、鎳(Ni)的軟磁性合金粉末。合金組成為Fe、Ni各50重量％。然后，作為絕緣性粘合劑，相對(duì)于上述合金粉末按重量比率0.033添加硅樹脂，充分混合，通過過篩，得到顆粒粉末。然后，采用沖壓銅板，準(zhǔn)備在其中間部設(shè)置輸出端子3的內(nèi)徑4.2mm、3.5圈的線圈1。此時(shí)，通過變化線圈1的厚度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到表1的直流電阻值(Rdc)。然后，將上述顆粒粉末和線圈1添入金屬模(未圖示)中，用3ton/cm2的壓力加壓成形。然后，在從金屬模中取出成形品后，用150℃加熱處理1小時(shí)，使其硬化。如此，通過在采用軟磁性合金粉末和絕緣性粘合劑的復(fù)合磁性體內(nèi)埋設(shè)線圈，特別能夠保持鐵心和線圈之間的絕緣、絕緣耐壓。
如此，在圖2所示的長(zhǎng)10mm×寬10mm×厚4mm中內(nèi)置2個(gè)感應(yīng)器，得到具有輸入端子2A、2B及輸出端子3的2相用磁性元件。另外，為了比較，與上述同樣，采用沖壓銅板，如圖3所示，準(zhǔn)備內(nèi)徑4.2mm的1.75圈的線圈。該線圈。通過變化線圈的厚度進(jìn)行調(diào)整，使該線圈達(dá)到表1的直流電阻值(Rdc)。然后，與本實(shí)施方式同樣，準(zhǔn)備2個(gè)在長(zhǎng)10mm×寬10mm×厚3mm的內(nèi)置1個(gè)感應(yīng)器的如圖4所示的磁性元件。即，復(fù)合磁性材料54的構(gòu)成與復(fù)合磁性材料4相同。這些磁性元件的電感值，無論哪個(gè)感應(yīng)器在直流電流值I＝0A時(shí)，都在0.25～0.26μH的范圍。
這些磁性元件的評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。
表1

表1表示，以2相用電路方式，采用上述磁性元件，并對(duì)每1個(gè)感應(yīng)器在用頻率400kHz、電流疊加20A驅(qū)動(dòng)時(shí)的電源效率。試樣No.1～4為本實(shí)施方式的構(gòu)成，試樣No.5為比較例的構(gòu)成。
波紋電流率是相對(duì)于直流疊加電流的波紋電流的比例，越接近零作為扼流圈越優(yōu)良，意指平滑效果大。在試樣No.1～4中，波紋電流率在0.8％～1.5％的范圍。此外，最大電流值意指在電流值I＝0A時(shí)的電感值L降低20％時(shí)的直流電流值。
表1的結(jié)果表明，與在使用2個(gè)圖4所示的無耦合的單獨(dú)的扼流圈相比，埋設(shè)2個(gè)存在負(fù)的磁通的耦合的感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)顯示出優(yōu)良的直流疊加特性。此外，對(duì)于各感應(yīng)器，在Rdc≤0.05Ω時(shí)，效率達(dá)到85％以上，并且Rdc≤0.01Ω時(shí)，效率達(dá)到90％以上。如此，通過抑制Rdc，可得到線圈部的損失(銅損失)低、小型的多相用磁性元件。
現(xiàn)有就存在內(nèi)置多個(gè)線圈的片陣列。例如，特開平8-264320號(hào)公報(bào)、特開2001-85237號(hào)公報(bào)中公開。這些片陣列主要目的是去除信號(hào)電平的雜音，作為本實(shí)施方式的直流疊加，實(shí)質(zhì)上不同于施加大電流(1A以上，優(yōu)選5A以上)的扼流圈用途。此外，在特開平8-306541號(hào)公報(bào)、特開2001-23822號(hào)公報(bào)中也公開了現(xiàn)有的片陣列。在這些片陣列中，通過在鐵氧體燒結(jié)體中卷繞多個(gè)線圈，或通過最終600℃以上的熱處理，在鐵氧體燒結(jié)體內(nèi)埋設(shè)線圈。即使將這些技術(shù)用于大電流用途，也由于燒結(jié)鐵氧體的飽和磁通密度低，直流疊加時(shí)的電感值降低，而不能使用。對(duì)此，在本實(shí)施方式中，作為復(fù)合磁性材料4采用由金屬粉體構(gòu)成的磁性粉。此外，本實(shí)施方式的磁性元件，由于用作流通大電流的電源使用的多相用磁性元件，所以每1元件的驅(qū)動(dòng)頻率在50kHz以上10MHz以下，優(yōu)選100kHz以上5MHz以下。這樣，驅(qū)動(dòng)頻率就與現(xiàn)有的片陣列大不相同。
此外，如特開平8-250333號(hào)公報(bào)、特開平11-224817號(hào)公報(bào)等所公開，現(xiàn)有的片陣列要盡量排除相鄰線圈間的串音(cross talk)。對(duì)此，在本實(shí)施方式中，在相鄰的至少2個(gè)以上的感應(yīng)器之間，積極采取負(fù)的磁通的耦合。此點(diǎn)也與現(xiàn)有的片陣列大不相同。即，在本實(shí)施方式中，表示感應(yīng)器間的耦合的耦合系數(shù)k越大即k越接近1，越好，即使耦合系數(shù)在0.05以上也確認(rèn)有效果，但優(yōu)選0.15以上。
深入研究了多個(gè)感應(yīng)器的直流電流輸入方向或線圈的卷取方向，發(fā)現(xiàn)如果在相鄰的感應(yīng)器上耦合負(fù)的磁通，抵消在各自的感應(yīng)器的中央產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)成分。因此，即使是大電流，磁性體也不容易飽和。在本實(shí)施方式的構(gòu)成中，能夠抑制磁通的飽和，同時(shí)比采用2個(gè)相同圈數(shù)的線圈相比，直流疊加特性良好。由此，能夠得到直流電阻值低的，而且設(shè)置空間小的，優(yōu)選用于多相的扼流圈。
另外，在埋設(shè)的感應(yīng)器中，在相鄰的至少2個(gè)以上的感應(yīng)器間負(fù)的磁通的耦合只作為直流磁場(chǎng)成分，在降低波紋電流方面，更優(yōu)選不耦合交流磁場(chǎng)成分的。因此，在相鄰的感應(yīng)器間，耦合直流磁場(chǎng)成分，但也可以導(dǎo)入能夠消除交流磁場(chǎng)成分的短路環(huán)等。
此外，通過圖1、圖2中的構(gòu)成，能夠容易從1個(gè)線圈實(shí)現(xiàn)表示負(fù)的耦合的2個(gè)感應(yīng)器。
此外，端子3，通過以開放狀態(tài)將端子2A、2B分別用作輸入端子、輸出端子，也能夠用作具有大的電感值的1個(gè)感應(yīng)器。圖1是其一例，但結(jié)構(gòu)也不一定局限于此。
通常，由于磁性元件的鐵心間偏差(感應(yīng)器值)接近±20％，所以當(dāng)在多相中采用多個(gè)上述鐵心時(shí)，有可能增大波紋電流值。在本實(shí)施方式中，在1個(gè)磁性體內(nèi)埋設(shè)多個(gè)感應(yīng)器。通過該構(gòu)成，能夠?qū)⒋判泽w內(nèi)的電感值的偏差抑制在低的范圍，結(jié)果，能夠降低波紋電流值。
另外，在本實(shí)施方式中，說明了2相用磁性元件，但也不局限于2相，對(duì)于其以上的多相用磁性元件也能得到相同效果。例如，在1個(gè)線圈的兩端和圈的中央設(shè)置輸入端子，如果在輸入端子相互之間設(shè)置輸出端子，能夠得到4相用磁性元件。
實(shí)施方式2圖6是說明本發(fā)明的實(shí)施方式2的多相用磁性元件所含的線圈的構(gòu)成的模式斜視圖。圖7A、B分別是說明本實(shí)施方式的磁性元件的構(gòu)成的俯視透視圖、剖視圖。本實(shí)施方式的磁性元件，具有上段線圈21A、下段線圈21B、復(fù)合磁性材料24。上段線圈21A、下段線圈21B分別具有輸入端子22A、22B和輸出端子23A、23B。圖8是說明采用現(xiàn)有技術(shù)的比較例中的多相用磁性元件所含線圈的構(gòu)成的模式斜視圖。圖9A、B分別是說明比較例中的磁性元件的構(gòu)成的俯視透視圖、剖視圖?，F(xiàn)有的磁性元件具有線圈61和復(fù)合磁性材料64，線圈61具有輸入端子62和輸出端子63。
以下，說明作為圖5所示的多相方式的電路內(nèi)的扼流圈，在采用本實(shí)施方式的磁性元件時(shí)的情況。在圖6中，本實(shí)施方式的磁性元件形成上下重疊圈數(shù)1.5圈的線圈的構(gòu)成。設(shè)在線圈21A、21B上的輸入端子22A、22B，分別連接在圖5的切換元件14上。電流分別從輸入端子22A流向輸出端子23A，從輸入端子22B流向輸出端子23B。通過該電流，由于貫通線圈的兩端的直流磁通成分相互同方向，所以線圈中的磁場(chǎng)作為整體增強(qiáng)。即，由于貫通相鄰線圈中央的直流磁通成分相互增強(qiáng)的配置，所以是正的磁通的耦合。
以下，與現(xiàn)有技術(shù)相比較地，介紹本實(shí)施方式的磁性元件的具體構(gòu)成及其特性。
首先，敘述本實(shí)施方式的磁性元件的制造方法。作為復(fù)合磁性材料24的原料，準(zhǔn)備用水噴散法制作的平均粒徑17μm的鐵(Fe)、鎳(Ni)的軟磁性合金粉末。合金組成為60重量％Fe、40重量％Ni。然后，作為絕緣性粘合劑，相對(duì)于上述合金粉末只按重量比率0.032添加硅樹脂，充分混合，通過過篩，得到顆粒粉末。然后，采用沖壓銅板，準(zhǔn)備內(nèi)徑3.7mm的1.5圈的線圈21A、21B。此時(shí)，通過變化線圈21A、21B的厚度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到表2的直流電阻值(Rdc)。之后，將上述顆粒粉末和線圈21A、21B，按同一卷取方向，2個(gè)縱向重疊地放入金屬模(未圖示)，用4ton/cm2的壓力加壓成形。然后，在從金屬模中取出成形品后，用150℃加熱處理1小時(shí)，使其硬化。
如此，通過上下組合線圈21A、21B，得到圖7所示的內(nèi)置2個(gè)感應(yīng)器的長(zhǎng)10mm×寬10mm×厚4mm的2相用磁性元件。另外，為了比較，與上述同樣，采用沖壓銅板，如圖8所示，準(zhǔn)備內(nèi)徑3.7mm的1.5圈的線圈。該線圈，通過變化線圈的厚度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到表2的Rdc。然后，與本實(shí)施方式同樣，準(zhǔn)備2個(gè)長(zhǎng)10mm×寬10mm×厚3mm的內(nèi)置1個(gè)線圈的如圖9A、B所示的磁性元件。即，復(fù)合磁性材料64的構(gòu)成與復(fù)合磁性材料24相同。這些磁性元件的電感值，無論哪個(gè)感應(yīng)器，在直流電流值I＝0A時(shí)，都在0.22～0.23μH的范圍內(nèi)。
這些磁性元件的評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。表2表示，以2相用電路方式，采用上述磁性元件，對(duì)每1個(gè)感應(yīng)器用頻率450kHz、電流疊加15A驅(qū)動(dòng)時(shí)的電源效率。波紋電流率是相對(duì)于直流疊加電流的波紋電流的比例，越接近零作為扼流圈越優(yōu)良，意指平滑效果大。此外，最大電流值意指在電流值I＝0A時(shí)的電感值L降低20％時(shí)的直流電流值。在所有試樣中，最大電流值都在16～34A的范圍。試樣No.6～9為本實(shí)施方式的構(gòu)成，試樣No.10為比較例的構(gòu)成。
表2

表2的結(jié)果表明，埋設(shè)2個(gè)存在正的磁通的耦合的感應(yīng)器的試樣No.6～9的結(jié)構(gòu)，與在使用2個(gè)圖9所示的無耦合的單獨(dú)的扼流圈的試樣No.10相比，顯示優(yōu)良的波紋電流特性。
此外，對(duì)于各感應(yīng)器，在Rdc≤0.05Ω時(shí)，效率達(dá)到85％以上，并且在Rdc≤0.01Ω時(shí)，效率達(dá)到90％以上。
此外，表示感應(yīng)器間的耦合的耦合系數(shù)k越大即k越接近1越好。即使耦合系數(shù)在0.05以上也確認(rèn)有效果，但優(yōu)選0.15以上。
深入研究了多個(gè)感應(yīng)器的電流輸入方向或線圈的卷取方向，發(fā)現(xiàn)如果以形成正的耦合的方式構(gòu)成相鄰的線圈的磁通，由于增加電感值，顯示出優(yōu)良的波紋電流特性。即，相鄰線圈的磁通的耦合為正、負(fù)時(shí)，波紋電流特性不同。如實(shí)施方式1所示，在磁通的負(fù)的耦合中，直流疊加特性更優(yōu)良，如本實(shí)施方式所示，在磁通的正的耦合中，波紋電流特性更優(yōu)良。這些也可以根據(jù)電路、電子設(shè)備等的目的適宜區(qū)分使用。
通常，由于磁性元件的鐵心間偏差(感應(yīng)器值)接近±20％，所以，當(dāng)在多相用中采用多個(gè)上述鐵心時(shí)，有可能增大波紋電流值。在本實(shí)施方式中，在1個(gè)磁性體內(nèi)埋設(shè)多個(gè)感應(yīng)器。并且，以形成正的耦合的方式構(gòu)成相鄰的線圈的磁通。通過該構(gòu)成，即使與實(shí)施方式1相比，也能夠?qū)⒋判泽w內(nèi)的電感值的偏差抑制在更小的范圍，結(jié)果，能夠降低波紋電流值。
另外，在本實(shí)施方式中，說明了2相用磁性元件，但也不局限于2相，對(duì)于其以上的多相用磁性元件也能得到相同效果。例如，如果按同一卷取方向，2個(gè)縱向重疊地在1個(gè)復(fù)合磁性材料中埋設(shè)3個(gè)線圈，能夠得到3相用磁性元件。
實(shí)施方式3圖11是本發(fā)明的實(shí)施方式3的磁性元件的俯視透視圖。此外，圖10表示在圖11的磁性元件中埋設(shè)的各線圈的模式斜視圖。線圈31具有輸入端子32和輸出端子33。在圖11中，相鄰的多個(gè)線圈31，由于同一卷取方向，以磁通形成負(fù)的耦合的方式，散布在分別相鄰的線圈中央部，埋設(shè)在復(fù)合磁性材料34中。通過如此的構(gòu)成，能夠得到具有特別優(yōu)良的直流疊加特性的小型多相用磁性元件。
以下，介紹本實(shí)施方式的磁性元件的具體構(gòu)成及其特性。在本實(shí)施方式中，作為復(fù)合磁性材料34的原料，采用表3所示的組成的金屬磁性粉末構(gòu)成的鑄錠粉碎粉。然后，作為絕緣性粘合劑，相對(duì)于上述合金粉末只按重量比率0.03添加硅樹脂，充分混合，通過過篩，得到顆粒粉末。然后，采用沖壓銅板，準(zhǔn)備內(nèi)徑2.2mm的3.5圈的線圈31。此時(shí)，通過變化線圈31的厚度進(jìn)行調(diào)整，使直流電阻值(Rdc)達(dá)到0.01Ω。之后，將上述顆粒粉末和4個(gè)線圈31，按同一卷取方向，放入金屬模(未圖示)，用3～5ton/cm2的壓力加壓成形。此時(shí)，哪個(gè)感應(yīng)器均按最終制品在電流值I＝0A時(shí)在0.12～0.17μH的范圍內(nèi)。然后，在從金屬模取出成形品后，用120℃加熱處理1小時(shí)，使其硬化。
如此，得到圖11所示的內(nèi)置4個(gè)感應(yīng)器的長(zhǎng)6.5mm×寬26mm×厚4mm的4相用磁性元件。另外，試樣No.25，由于磁性粉粒徑為0.8μm，所以，電感值在電流值I＝0A時(shí)只有0.1μH。
這些磁性元件的評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。在表3的磁性粉組成的欄中，表示各元素及其重量％，F(xiàn)e的重量％為從100％中減去其他元素合計(jì)的重量％的值。
表3表示，按4相用電路方式，采用上述磁性元件，每1個(gè)感應(yīng)器在用頻率1MHz、電流疊加15A驅(qū)動(dòng)時(shí)的電源效率。此外，最大電流值意指在電流值I＝0A時(shí)的電感值L降低20％時(shí)的直流電流值。
表3

由表3可以看出，在由軟磁性合金構(gòu)成的磁性粉的組成含有合計(jì)超過90重量％的Fe、Ni、Co時(shí)，最大電流值在15A以上。這是因?yàn)?，在含有合?jì)90重量％以上的Fe、Ni、Co時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高飽和磁數(shù)密度和高導(dǎo)磁率。
如表3所示，金屬粉體粒徑在100μm以下時(shí)，效率在85％以上，而50μm以下時(shí)的效率在90％以上。這是因?yàn)?，使軟磁性粉末的平均粒徑?00μm以下，可有效降低過電流。此外，更優(yōu)選軟磁性粉末的平均粒徑在50μm以下。此外，如果平均粒徑低于1μm，由于成形密度小，降低電感值，所以不優(yōu)選。
下面，說明本實(shí)施方式的磁性元件的制造方法。首先，采用軟磁性合金粉末，混合未硬化狀態(tài)的熱硬化性樹脂。然后，將該混合物制成顆粒狀。也可以將混合樹脂成分的金屬磁性粉末原狀轉(zhuǎn)到下道工序，直接使用，但是，一旦通過篩等整粒成顆粒狀，由于提高粉末的流動(dòng)性，所以容易使用。
然后，將該顆粒與2個(gè)以上的線圈一同裝入金屬模中，以達(dá)到作為目標(biāo)的金屬磁性粉末的填充率的方式，加壓成形。此時(shí)，相鄰的線圈相互形成同一卷取方向。另外，為提高填充率，如果提高加壓壓力，能提高飽和磁通密度或?qū)Т怕?。但是，容易降低絕緣電阻或絕緣耐壓，此外，增大施加給磁性體的殘留應(yīng)力，會(huì)增大磁損失。另外，如果填充率過低，降低飽和磁通密度、導(dǎo)磁率，得不到足夠的電感值或直流疊加特性。除此之外，如果考慮到金屬模的壽命，加壓成形時(shí)的壓力優(yōu)選1～5ton/cm2、更優(yōu)選2～4ton/cm2。
之后，加熱得到的成形體，硬化熱硬化性樹脂。此時(shí)，當(dāng)在金屬模中加壓成形時(shí)，同時(shí)升溫到樹脂的硬化溫度并使其硬化，易于提高電阻率。但是，采用該方法，由于生產(chǎn)性低，也可以在室溫下加壓成形后，進(jìn)行加熱硬化。由此，得到多相用磁性元件。
此外，多相用磁性元件的端子，為了供給CPU等，優(yōu)選以80°以上配置輸入端子和輸出端子的角度。
另外，本實(shí)施方式說明了4相用磁性元件，但也不局限于4相，對(duì)于內(nèi)設(shè)2個(gè)線圈的2相用磁性元件或其以上的多相用磁性元件，也能得到相同的效果。
實(shí)施方式4圖13是說明本發(fā)明的實(shí)施方式4的磁性元件的俯視透視圖。此外，圖12表示埋設(shè)在圖13的磁性元件中的線圈的模式斜視圖。線圈41A、41B分別具有輸入端子42A、42B和輸出端子43A、43B。在圖13中，相鄰的2個(gè)線圈41A、41B圈數(shù)相同，但線圈的卷取方向相反。因此，在各自相鄰的線圈中央部，以形成正的耦合的方式流過磁通，埋設(shè)在復(fù)合磁性材料44中。通過如此的構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)具有特別優(yōu)良的波紋電流特性的小型的多相用磁性元件。
以下，介紹本實(shí)施方式的磁性元件的具體構(gòu)成及其特性。在本實(shí)施方式中，作為復(fù)合磁性材料44的原料，采用氣體噴散法制作的平均粒徑20μm的Fe-Si軟磁性合金粉末。Fe和Si的重量比率為0.965∶0.035。然后，作為絕緣性粘合劑，相對(duì)于該合金粉末只按重量比率0.02～0.04的范圍添加，充分混合，過篩后得到顆粒粉末。然后，采用沖壓銅板，準(zhǔn)備內(nèi)徑3.3mm的3.5圈的線圈41A、41B。此時(shí)，通過變化線圈41A、41B的厚度進(jìn)行調(diào)整，使直流電阻值(Rdc)達(dá)到0.02Ω。之后，將上述顆粒粉末和線圈41A、41B按相反的卷取方向裝入金屬模(未圖示)進(jìn)行加壓成形。這時(shí)，取表4所示的填充率地在0.5～7ton/cm2范圍內(nèi)調(diào)整壓力。然后，在從金屬模取出成形品后，用150℃加熱處理1小時(shí)，使其硬化。
如此，如圖13所示，得到內(nèi)置2個(gè)感應(yīng)器的長(zhǎng)10mm×寬20mm×厚4mm的2相用磁性元件。
如圖13所示，相鄰的線圈41A、41B的卷取方向相反，表示正的磁通的耦合。此時(shí)的電感值，試樣No.32～36的電感值在電流值I＝0A的情況下為0.25～0.28μH的范圍內(nèi)。此外，試樣No.31的電感值為0.22μH。
此外，作為不埋設(shè)線圈的絕緣電阻測(cè)定用樣品，采用上述制粒的軟磁性合金粉末，同時(shí)也制作直徑10mm、厚1mm的圓板狀的試樣。
表4表示在以2相用電路方式，采用上述磁性元件，對(duì)每1個(gè)感應(yīng)器，在用頻率800kHz、電流疊加30A驅(qū)動(dòng)時(shí)的絕緣電阻值、絕緣耐壓及最大電流值。關(guān)于絕緣電阻，用鱷魚夾夾住絕緣電阻測(cè)定用樣品的兩端，用100V電壓測(cè)定電阻。表中的絕緣電阻率，根據(jù)試樣的長(zhǎng)度和截面積，使如此測(cè)定的絕緣電阻標(biāo)準(zhǔn)化。然后，按100V節(jié)距提高電壓到500V，同時(shí)測(cè)定電阻，求出電阻急劇降低的電壓，將其稍前的電壓作為絕緣耐壓。此外，最大電流值意指在電流值I＝0A時(shí)的電感值L降低20％時(shí)的直流電流值。
這些磁性元件的評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。
表4

由表4看出，當(dāng)軟磁性合金粉末的填充率在90體積％以下時(shí)，顯示優(yōu)良的直流疊加特性和絕緣電阻值。此外，如果填充率低低于65體積％，飽和磁通密度、導(dǎo)磁率降低，不能得到充分的電感值或直流疊加特性。通常，如果以不完全使粉末塑性變形的形式填充，其填充率的上限為60％～65體積％，但如果采用該填充率，飽和磁通密度、導(dǎo)磁率都過低。因此，需要隨塑性變形的程度的填充度，即優(yōu)選65體積％以上，更優(yōu)選70體積％以上。
另外，合金粉末如果超過90體積％以上，則降低鐵心絕緣性，不能保證與線圈的絕緣。因此，填充率的上限設(shè)定在不降低絕緣電阻率的范圍，但如果考慮內(nèi)置線圈，絕緣電阻率至少需要在105Ω.cm左右，填充率優(yōu)選在90％以下，更優(yōu)選在85％以下。
在以上說明的所有實(shí)施方式中，作為復(fù)合磁性材料，采用由金屬粉體構(gòu)成的磁性粉。如果采用分散鐵氧體粉末代替金屬粉體，則由于鐵氧體的填充率有界限，所以飽和磁通密度低，直流疊加特性惡化。
另外，金屬粉體的制造方法，有水噴散法、氣體噴散法、羰基法、鑄錠粉碎法等，但不特別限定制造方法。此外，對(duì)于各自的金屬粉體的主組成，只要雜質(zhì)或添加劑量是少量，即可具有相同的效果。此外，粉末形狀，可以是球狀、扁平狀、多邊形狀中的任何一種。
此外，作為直流疊加流過大電流時(shí)，不只是鐵心部，也不能夠無視線圈導(dǎo)體部的損失(銅損失)。因此，為了盡量降低直流電阻值，從可靠性等方面考慮，更優(yōu)選采用沖壓線圈等而形成不存在線圈部和端子部的連接的結(jié)構(gòu)。
此外，關(guān)于粘合劑，從粘結(jié)后的強(qiáng)度或使用時(shí)的耐熱性、絕緣性等方面考慮，優(yōu)選環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅樹脂、聚酰亞胺樹脂等熱硬化樹脂，此外，也可以是由上述樹脂構(gòu)成的復(fù)合樹脂。
此外，為了改進(jìn)與磁性粉體的分散性，或?yàn)樘岣呓^緣耐壓性，也可以添加分散劑、無機(jī)系材料等。作為這樣的材料，列舉有硅烷系耦合材(coupling材)或鈦系耦合材、烷氧基鈦類、水玻璃等，此外，氮化硼、滑石、云母、硫酸鋇、四氟乙烯等的粉末。
本發(fā)明的多相用磁性元件，在復(fù)合磁性材料中埋設(shè)多個(gè)線圈，至少在2個(gè)以上的線圈之間，存在負(fù)的磁通的耦合或正的磁通的耦合的方式。通過該構(gòu)成，能夠進(jìn)一步使多相用磁性元件小型化。此外，能夠?qū)⒋判泽w內(nèi)的電感值的偏差抑制在低的范圍，結(jié)果，能夠降低波紋電流值。此外，通過磁通的耦合，如此的多相用磁性元件，具有優(yōu)良的波紋電流特性或直流疊加特性，可用于電子設(shè)備的感應(yīng)器、扼流圈及其以外所用的磁性元件。
權(quán)利要求
1.一種多相用磁性元件，其特征在于具有多個(gè)線圈、和埋設(shè)上述多個(gè)線圈的復(fù)合磁性材料，在上述多個(gè)線圈中的、至少2個(gè)以上的線圈之間存在磁通的耦合。
2.如權(quán)利要求1所述的多相用磁性元件，其特征在于通過至少1個(gè)設(shè)在1個(gè)線圈的圈中途的第1端子、分別設(shè)在上述線圈的兩端的第2、第3端子、上述第1、第2端子的組合、和上述第1、第3端子的組合，而在將上述1個(gè)線圈作為上述多個(gè)線圈時(shí)，在上述第1、第2端子的組合形成的線圈和上述第1、第3端子的組合形成的線圈之間存在負(fù)的磁通的耦合。
3.如權(quán)利要求1所述的多相用磁性元件，其特征在于上述多個(gè)線圈所含的各線圈的直流電阻值在0.05Ω以下。
4.如權(quán)利要求1所述的多相用磁性元件，其特征在于上述復(fù)合磁性材料含有軟磁性合金粉末和絕緣性粘合劑。
5.如權(quán)利要求4所述的多相用磁性元件，其特征在于上述絕緣性粘合劑為熱硬化性樹脂。
6.如權(quán)利要求4所述的多相用磁性元件，其特征在于上述軟磁性合金粉末的組成中，含有合計(jì)量為90重量％以上的鐵、鎳、鈷。
7.如權(quán)利要求4所述的多相用磁性元件，其特征在于上述軟磁性合金粉末的填充率為65～90體積％。
8.如權(quán)利要求4所述的多相用磁性元件，其特征在于上述軟磁性合金粉末的平均粒徑在1μm以上100μm以下。
9.如權(quán)利要求1所述的多相用磁性元件，其特征在于上述多個(gè)線圈，一體構(gòu)成線圈部和端子部。
10.一種多相用磁性元件的制造方法，其特征在于，包括A)混合軟磁性合金粉末和絕緣性粘合劑并調(diào)制混合物的工序，B)加壓成形上述混合物和多個(gè)線圈而制作成形體的工序，C)硬化上述絕緣性樹脂的工序，在上述多個(gè)線圈中的、至少2個(gè)以上的線圈之間存在負(fù)的磁通的耦合和正的磁通的耦合中的任一個(gè)。
11.如權(quán)利要求10所述的多相用磁性元件的制造方法，其特征在于還包括將上述混合物形成顆粒狀的工序，在上述B工序中使用形成顆粒狀的上述混合物。
12.如權(quán)利要求10所述的多相用磁性元件的制造方法，其特征在于上述絕緣性粘合劑為熱硬化性樹脂，在上述C工序中加熱上述成形體。
13.如權(quán)利要求10所述的多相用磁性元件的制造方法，其特征在于通過沖壓上述多個(gè)線圈，而一體構(gòu)成線圈部和端子部。
全文摘要
一種多相用磁性元件及其制造方法，在復(fù)合磁性材料中埋設(shè)多個(gè)線圈，以至少在2個(gè)以上的線圈之間存在負(fù)的磁通的耦合或正的磁通的耦合的方式構(gòu)成多相用磁性元件。采用該構(gòu)成，可使適合各種電子設(shè)備的大電流用途的多相用磁性元件即感應(yīng)器、扼流圈等進(jìn)一步小型化。如此的多相用磁性元件具有優(yōu)良的波紋電流特性。
文檔編號(hào)H01F17/04GK1578992SQ0380138
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2003年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月26日
發(fā)明者松谷伸哉, 植松秀典, 今西恒次 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社