JP2003523622A - 磁気部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 空洞(105)のあるコア(100)、及び空洞(105)内に収容した巻線構造(21)を有する磁気部品に関するものである。巻線構造(21)は、底面(125)及び上面(126)を横断する方向に高さ(27)を有し、巻線構造(21)には、底面(125)から上面(126)まで延在する多数のターンを設けてある。コア(100)は磁気ギャップ領域(24)を有し、これは前記巻線構造の高さ(27)の少なくとも50％の広がりを有する。これにより、渦電流を実質的に制限することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 本発明は、コア及び巻線構造を設けた磁気部品に関するものであり、前記コア
が第１側面及びこの反対側に第２側面を有し、かつ前記コアの前記第１側面から
第２側面に伸びる空洞を具え、この空洞が前記巻線構造を少なくとも部分的に収
容し、前記空洞にほぼ垂直に取った、巻線窓と称される前記コアの断面が、第１
対の側面及び第２対の側面を有し、第１対の側面が高さ方向に高さ分だけ離間し
、第２対の側面が幅方向に幅の分だけ離間し、 前記巻線構造が、１ターン（１回巻き）毎に相互に絶縁した複数の箔を有する
１次巻線を具え、かつ底面及びこれにほぼ平行な上面を有し、これらの底面及び
上面が高さ方向に離間して、前記巻線構造が、実質的に前記底面から前記上面ま
で延在して、中心部の回りに巻いたものである。

【０００２】 本発明はさらに、家庭電子装置に関するものである。

【０００３】 （従来技術） こうした磁気部品はWO-A 99/22565号より既知である。既知の部品は、コアの
中心部としての中心部材を有し、これに磁気ギャップを設けてある。この磁気ギ
ャップは巻線構造の底面及び上面にほぼ平行であり、そして個々のターンを実質
的に横切る方向である。その結果、既知の部品における１次巻線が、高い密度及
び機械的な剛性を有する小型の構造になる。この磁気部品はインダクタあるいは
変圧器とすることができる。

【０００４】 磁気ギャップを有する磁気部品では、この部品を高周波の交流で動作させる際
に渦電流が存在しうる。この渦電流が実質的なエネルギーの損失を生じさせ、従
って温度上昇が生じる。既知の磁気部品では、ターンの、磁気ギャップの方向に
平行な表面積が小さいので、渦電流が限定される。上述したように、磁気ギャッ
プは個々のターンを実質的に横断する方向である。

【０００５】 しかし、上述した特許出願の図３に見られるように、既知の磁気部品の欠点は
、約100kHz以上の周波数において渦電流が比較的大きく増加するということであ
る。従って本発明の目的は、既知の磁気部品に比べて、100kHz以上の周波数にお
ける渦電流が限定されるような、冒頭段落に記述した種類の磁気部品を提供する
ことにある。

【０００６】 （発明の開示） この目的は、高さ方向に延在し、前記中心部が、高さの少なくとも50％の広が
りを有する磁気ギャップ領域を具えているということによって達成される。磁気
ギャップは一般に、磁界を閉じ込めて、ギャップの小さい容積内に集中させるこ
とができ、このことはエネルギの蓄積にとって非常に有利である。磁気部品は、
エネルギを蓄積する能力にもとづいて使用され、特に変圧器の場合には、エネル
ギを転送する能力にもとづいて使用される。多くの応用では、エネルギの一部を
転送して残りを蓄積することが有益である。１次巻線を通る電流が発生する磁界
にエネルギを蓄積する。

【０００７】 既知の磁気部品では、磁界を磁気ギャップ内に閉じ込めることは、磁界を変形
させることに一致する。この変形は磁界の方向を変化させることであり、ギャッ
プがなければ、この方向はターンに平行であり、ギャップがあれば、この方向は
巻線ターン付近の領域ではもはや平行ではない。これらの隣接領域は、ギャップ
と巻線構造の底部の間、及びギャップと巻線構造の上部との間に存在する。結果
として、高周波で渦電流が存在する。

【０００８】 本発明の磁気部品では、前記隣接領域が、巻線構造の上面及び底面から短距離
の所に存在する。結果として、巻線ターンに平行な方向からの磁界の偏りは主に
、前記上面の上方、及び前記底面の下方に生じる。しかし前記上面の上方及び前
記底面の下方にはターンが存在しない。従って渦電流がさらに限定される。

【０００９】 本発明の磁気部品は、十分にエネルギを蓄積することのような、さらなる条件
を満たす。実際に既知の磁気部品と比べて、本発明の磁気部品では、ギャップ領
域が拡大される代わりに巻線構造の高さが低減される。通常の高さは１〜10mmの
オーダである。

【００１０】 本発明の磁気部品におけるギャップ領域は磁性材料を問わない。このことは、
構造が単純になるという利点を有する。これと組合わせて、磁気ギャップ領域の
広がりが前記高さの80％〜100％であることが好ましい。

【００１１】 磁気部品の特性を精密調整するために、ギャップ領域を、既存の低透磁率のフ
ェライト材料のような低透磁率のポッティング（熱硬化性樹脂）材料で満たす。
こうした低透磁率材料により、組み立て中に、所望のインダクタンスに設定して
、電気絶縁性を与えて、沿面距離を増加させて、高い熱伝導性を与えることが可
能になる。低透磁率の複合材料は、実際にはポリマー（高分子）材料と磁性材料
の組合わせであり、選択的に細粒化する。この材料は、プラスチックの射出及び
モールド技術を用いて、あらゆる形状または形態で生産することができる。磁気
ギャップ領域内の複合材料の量を変化させることによって、磁気部品のインダク
タンスを設定することができる。現在のところ、これらの磁性複合材料は主に、
電磁波妨害（ＥＭＩ）の遮蔽の応用に用いられている。例えば米国特許第5,714,
102号に記載の材料、及びTokin Flex-Suppressor社及びEpcon/Siemens-Matsushi
ta社の製品、例えばC302、C303が現在市場で入手可能である。こうした磁性複合
材料の好適例は、ナノ結晶Feポリマー複合物及びアモルファスCo-ポリマー複合
物である。

【００１２】 有利な好適例では、磁気ギャップ領域を多層構造で構成し、この多層構造が磁
性材料の第１層と非磁性材料の第２層とを交互に具えて、これらの層が巻線構造
の底面にほぼ平行である。この好適例では、分割したギャップで磁気ギャップ領
域を構成する。多層構造の例では、第２層として作用するポリマーまたは他の非
磁性で電気絶縁性の材料内に第１層を埋め込んだフェライト板である。この構造
の他の例では、第１層が低透磁率のポリマー磁性複合材料から構成される。こう
した材料は１〜30の透磁率の範囲で容易に作製することができ、これは磁気ギャ
ップの用途に非常に適している。最適な結果を達成するためには、第１層が磁性
粒子の径に近い厚さを有すべきである。第２層はこの粒子径に等しいか、あるい
はこれより大きい厚さを有することができる。積層をプレスして円板にした後に
、前記多層構造を巻線構造内に挿入することができる。

【００１３】 本発明の磁気部品はインダクタとすることができる。しかし好適例では、巻線
構造が２次巻線を具えて、これは前記１次巻線から絶縁して、これらの１次及び
２次巻線の各々に複数の出力を設ける。この場合には磁気部品は変圧器である。
この巻線は、0.5μm〜500μmの範囲の厚さの箔を有し、銅、銀、または導電性有
機材料、あるいは導電粒子を満たした有機材料のような、あらゆる導電性材料製
とすることができる。これら複数の出力によって、前記１次巻線及び２次巻線の
各々を回路に組み入れることができる。これらの出力は、磁気材料の、外側のコ
アの脚部に支障されない側から導き出すことが好ましい。

【００１４】 前記１次巻線と２次巻線とを、第１沿面距離を有する第１絶縁体によって絶縁
することが好ましい。この絶縁は絶縁材料によって行うことができ、これらは当
業者にとって既知である。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような高分
子絶縁材料を用いることが好ましい。好適な厚さは１μm〜100μmであり、好適
な高さは0.1mm〜30mmであり、これらはさらに、各国の法律に提唱されている安
全規制に依存する。

【００１５】 前記巻線は相互に絶縁したターンで構成される。しかし、巻線構造の外側に存
在する１次巻線とコアとの間に第２絶縁体を設けることがさらに有利である。さ
らに、この１次巻線が１次回路の一部であるか、あるいは２次回路の一部である
かは、応用に依存する。本発明の磁気部品は、フライバックトポロジに組み入れ
ることができるが、共振回路に組み入れることが好ましい。

【００１６】 本発明はさらに、本発明の磁気部品を具えた家庭電子装置に関するものである
。小型化した形状、及び高周波数における良好な挙動により、本発明の磁気部品
は、移動電話、携帯コンピュータ、電子ランプ安定器、等のような家庭電子装置
用に適している。 以下では、本発明の磁気部品のこれら及び他の要点をさらに、図面を参照して
説明する。

【００１７】 （発明を実施するための最良の形態） 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図面中で同一構成要
素は同一参照符号で示す。 図１に、本発明の磁気部品２２の透視図を示す。この磁気部品は、第１側面１
０１及びその反対側に第２側面１０２を有するコア１００を有する。コア１００
は底部１１０及び上部１１１を有し、これらの間に、第１側面１０１から第２側
面１０２に伸びる第１空洞１０５が存在する。第１空洞１０５は巻線構造２１を
収容する。

【００１８】 図２に図１の磁気部品を示すが、コア１００の上部１１１を除いてある。コア
１００は底部１１０の他に直立部材１１２、１１３を具えている。巻線構造２１
は長円形であり、１次巻線７８のターン（１回巻き）１２１を具え、これらのタ
ーンは絶縁体７９によって相互に絶縁されている。巻線構造２１は、上面１２５
と底面１２６の間に高さ２７を有する。これらのターンは中心部１４０の回りに
巻いてある。

【００１９】 図３に、図１及び図２に示す線Ｖ−Ｖに沿った断面を図式的に示す。この断面
が巻線窓１３０である。この巻線窓は、第１対の側面及び第２対の側面を有する
。第１対の側面１３１、１３２は高さ方向Ｈに離間している。第２対の側面１３
３、１３４は幅方向に離間している。中心部１４０には、コア１００の２つの部
分１４１、１４２を設けてある。中心部分１４１、１４２の間には磁気ギャップ
領域２４が存在する。この磁気ギャップ領域２４は広がり２３を有し、これは高
さ２７の少なくとも50％であり、本例の場合約85％である。

【００２０】 図４に、従来法による磁気部品２００を示す。磁気ギャップ領域２２４付近の
箔には２つの異なる損失領域３８、４０が存在し、これらは高さ２７の50％未満
の広がり２２３を有する。上部及び底部の領域３８内では、大きさ及び向きを矢
印で示すような磁界の歪みが生じる。従って、これらの領域３８、４０内の磁界
はギャップ２２４に平行ではなく、大きな渦電流、及び局所的な磁界の増大によ
る発散損が生じる。矢印１２の大きさで示すような、中心部２４０に向かう磁界
が確立されるので、この磁界の歪みにより大きな渦電流が生じ得る。磁界のフリ
ンジ（広がり）により、磁界が最大となるギャップ２２４付近の領域３８及び４
０では、磁界が箔のターンに平行ではなくなる。これにより、領域４０内に示す
ような追加的な損失となる。

【００２１】 図５に、本発明の磁気部品２２の断面を図式的に示し、これは例えば巻線窓１
３０である。磁気部品２２では、ギャップ領域２４が広がり２３を有し、これは
巻線構造２１の高さ２７の100％である。また磁気部品２２においては中心部１
４０に向かう磁界が確立されている。しかし領域３８、４０内の中心部１４０付
近の磁力線は、中心部１４０内の磁界に平行である。本実施例ではギャップ２４
を、磁性材料の第１層６１及び電気絶縁材料の第２層６２の多層構造６０で満た
している。

【００２２】 図６に巻線発散のグラフを示し、ここでは発散損Ｄを動作周波数ｆに対してプ
ロットしてある。曲線１０は、周波数ｆが増加する際の、図４に示す従来法の磁
気部品２００による動作発散損Ｄを表わしている。曲線１２は、動作周波数ｆが
増加する際の、図５に示す本発明の磁気部品２２による発散損Ｄを表わしている
。コア１００の素子に対して巻線損失を計算することができ、この素子は、0.5m
mの厚さを有する巻線窓１３０に平行に向いた層である。この計算は有限要素法
で行うことができる。その結果を、交流電流の周波数の関数としてワット数で示
す。

【００２３】 図７は、磁気部品３２を、磁界分布のグラフに関連付けて図式的に示した図で
ある。図に示す磁気部品は変圧器３２に関するものである。図７の矢印は磁界（
Ｈ）の向きを示す。

【００２４】 図７ａに、磁気部品３２の巻線窓に沿った断面を示す。磁気部品３２はコア脚
のないコア１００を具えて、ギャップ領域２３は巻線構造の高さに等しい広がり
を有する。この巻線構造は１次巻線７８及び２次巻線８０を具えている。両巻線
とも、巻線構造の底面から上面まで延在する相互に絶縁されたターン（図示せず
）で構成される。これらの参照番号は、明瞭さのために図７ｂ、図７c及び図７
ｄには示していないが、図７ｂ、図７c及び図７ｄの説明において使用する。

【００２５】 図７ｂに、２次回路において２次巻線８０を有効に短絡して全負荷状態にした
場合についての、磁気部品３２における磁界の向きのグラフ７０を示す。１次巻
線７８内で磁界が確立して、点ｐ５から点ｐ６の最大値に達する。点ｐ６と点ｐ
７の間では、最大値に確立した磁界が１次巻線７８と２次巻線８０との間で維持
される。点ｐ７と点ｐ８の間では、２次巻線８０内の磁界が減少する。変圧器内
のこの磁界の挙動は漏洩磁束と称される。これらの条件の下で、漏洩磁束が磁気
部品３２の箔に平行になる。

【００２６】 実際の変圧器３２については、全漏洩磁束のごく一部の、２次巻線８０に結合
しない磁束が常に存在する。この漏洩磁束は図７ｃに矢印で示すように、コア１
００内を周回しうる。無負荷条件の下で、即ち２次巻線が開放状態であれば、磁
気部品または変圧器３２は本質的に、インダクタであるかのように挙動する。１
次巻線７８が磁界を発生して、ギャップ領域２４内にエネルギが蓄積される。ギ
ャップ領域２４はコア１００の中心部１４０内の、点ｐ４と点ｐ５の間に位置す
る。このギャップ領域２４は、巻線構造２１の高さ２７にほぼ等しい広がり２３
を有する。図６に示すように、これらの条件の下では、磁界がターン１２１の箔
に平行になる。

【００２７】 図７ｄに示す中間的な場合には、１次巻線７８内で磁界４６の一部が確立する
。この確立した磁界の一部は２次巻線８０に転送されて、一部は蓄積される。先
の例のように、すべての条件の下で磁界がターン１２１に平行なままに留まる。

【００２８】 変圧器３２は、慣例の巻線変圧器に比べて、大きさ及び渦電流損失の点で、30
0kHz〜500kHz共振の電源として好適に動作する。１次巻線７８は４３回のターン
１２１を有し、２次巻線８０はこれと比較できるくらいの数のターン１２１を有
する。両巻線に複数の出力を設けて、厚さの合計が巻線７８、８０当たり20μm
になるように巻く。個々のターン１２１の厚さは絶縁体を含めて0.4μmである。
巻線構造２１の高さは５mmである。ターン１２１どうしの間の絶縁体は、８μm
の厚さ及び６mmの高さを有するポリエチレンテレフタレートで構成する。幹線、
及び１次巻線７８及び２次巻線８０とコア１００との間の絶縁に関する安全上の
要求に適合するために、１次巻線７８及び２次巻線８０をポリイミドによってカ
プセル化して、これにより2.3mmの沿面距離を設ける。所望の漏洩量を供給して
、１次巻線と２次巻線の中間の表面領域に通常の封止をするように、この距離を
適応させることができる。この変圧器は26μHの漏洩インダクタンス及び61μHの
１次インダクタンスを有する。

【００２９】 図８は、冷却体３００上に存在する磁気部品２２の図式的な断面図である。磁
気部品２２の動作中には、特に変圧器として具体化した場合には、エネルギの散
逸が生じて、磁気部品２２からこれを除去しなければならない。

【００３０】 磁気部品２２と冷却体３００との間には温度勾配が存在するので、熱の形態で
散逸したエネルギが冷却体３００に流出する。ターン１２１が冷却体に対して横
に向いているので、この熱伝導は良好である。コア１００の上部１１１は空気に
接触している。上部１１１と空気との間にも温度勾配が存在するが、前記温度勾
配ほど急峻ではない、というのは温度差がより小さいだけでなく、加熱された空
気を能動的な方法で除去していないことにもよる。熱発散を改善するために、選
択的にコア脚部をなくしたコア１００の中心部１４０を、比較的高い熱伝導係数
を有する電気絶縁材料で満たすことができる。これらの材料の例は、非イオン性
の非金属結晶材料である。これにより、コア１００の上部１１１の熱が、中心部
１４０経由で冷却体に散逸するようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 磁気部品の透視図である。

【図２】 磁気部品の透視図であり、明瞭さのためにコアの上部を除いてある。

【図３】 図１及び図２に示す線Ｖ−Ｖに沿って切り取った、磁気部品の図式的
な断面図である。

【図４】 従来法の磁気部品のコア及び巻線を図式的に示した図である。

【図５】 本発明の磁気部品のコア及び巻線を図式的に示した図である。

【図６】 種々のギャップ構成を有する磁気部品の巻線散逸関数を、発散損対動
作周波数のグラフで示した図である。

【図７】 磁気部品を磁界分布に関連付けて図式的に示した図である。

【図８】 冷却体上の磁気部品の図式的な断面図である。

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１１月１日（２００１．１１．１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２６】 実際の変圧器３２については、全漏洩磁束のごく一部の、２次巻線８０に結合
しない磁束が常に存在する。この漏洩磁束は図７ｃに矢印で示すように、コア１
００内を周回しうる。無負荷条件の下で、即ち２次巻線が開放状態であれば、磁
気部品または変圧器３２は本質的に、インダクタであるかのように挙動する。１
次巻線７８が磁界を発生して、ギャップ領域２４内にエネルギが蓄積される。ギ
ャップ領域２４はコア１００の中心部１４０内の、点ｐ４と点ｐ５の間に位置す
る。このギャップ領域２４は、巻線構造２１の高さ２７にほぼ等しい広がり２３
を有する。図７ａに示すように、これらの条件の下では、磁界がターン１２１の
箔に平行になる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【００２７】 図７ｄに示す中間的な場合には、１次巻線７８内で磁界５４の一部が確立する
。この確立した磁界の一部は２次巻線８０に転送されて、一部は蓄積される。先
の例のように、すべての条件の下で磁界がターン１２１に平行なままに留まる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図２】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図３】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピーター イェー ファン デル ザーフ オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ Ｆターム(参考） 5E043 AA07

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コア及び巻線構造を設けた磁気部品であり、前記コアが第１側面
   及びこれと反対側に第２側面を有し、前記コアの前記第１側面から前記第２側面
   に伸びる第１空洞を前記コアに設け、前記空洞が前記巻線構造の少なくとも一部
   を収容し、前記空洞にほぼ垂直に取った、巻線窓と称する前記コアの断面が、高
   さ方向に高さ分だけ離間した第１対の側面と、幅方向に幅の分だけ離間した第２
   対の側面とを有し、前記巻線構造が、相互に絶縁したターンとして巻いた複数の
   箔を有する１次巻線を有し、前記巻線構造がさらに、高さ方向に離間した底面と
   これにほぼ平行な上面とを有し、前記巻線構造の前記ターンが、実質的に前記底
   面から前記上面まで延在して、中心部の回りに巻いたものである磁気部品におい
   て、 前記中心部が、前記高さ方向に延在し、前記高さの少なくとも50％の広がりを
   有することを特徴とする磁気部品。
2. 【請求項２】 前記磁気ギャップ領域が、前記高さの80％〜100％の広がりを有
   することを特徴とする請求項１に記載の磁気部品。
3. 【請求項３】 前記磁気ギャップ領域が、前記高さのほぼ100％の広がりを有し
   て、コア脚部なしで存在するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の磁気
   部品。
4. 【請求項４】 前記磁気ギャップ領域に磁性材料がないことを特徴とする請求項
   １、請求項２または請求項３に記載の磁気部品。
5. 【請求項５】 前記磁気ギャップ領域が多層構造で構成され、該多層構造が、磁
   性材料の第１層と非磁性材料の第２層とを交互に具えて、これらの層が前記巻線
   構造の底面にほぼ平行であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項
   ３に記載の磁気部品。
6. 【請求項６】 前記巻線構造が、相互に絶縁したターンとして巻いた複数の箔を
   有する２次巻線を有し、該２次巻線を前記１次巻線から絶縁して、前記１次及び
   ２次巻線の各々に複数の出力を設けたことを特徴とする請求項１から請求項５ま
   でのいずれかに記載の磁気部品。
7. 【請求項７】 前記１次巻線と前記２次巻線とを、第１沿面距離を有する第１絶
   縁体によって相互に絶縁したことを特徴とする請求項６に記載の磁気部品。
8. 【請求項８】 前記第１巻線と前記コアとの間に第２絶縁体が存在することを特
   徴とする請求項６または請求項７に記載の磁気部品。
9. 【請求項９】 請求項１から請求項８までのいずれかに記載の磁気部品を具えて
   いる家庭電子装置。