JP2006324419A - 磁性素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 落下時等の衝撃により破壊されることのない耐衝撃性に優れた磁性素子を形成する。
【解決手段】 巻芯の一方にフランジを有する磁性コアと、絶縁被膜を有するワイヤを前記巻芯に巻回してなるコイルと、前記コイルの末端部に接続される少なくとも２つ以上の端子部材と、底面部と周壁部を有する有底筒状コアとからなる磁性素子において、前記有底筒状コアが、前記磁性コアよりも柔軟性を有するように磁性素子を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は磁性素子に関連し、特に電源用途に用いられるインダクタンス素子に関する。

近年、高密度実装や多層配列の基板構成等による磁性素子の小型化、薄型化が強く要求されているとともに、高信頼性もまた強く要求されている。なお、従来の磁性素子の形態としては、コストが低いフェライト磁性コアからなるドラム型コアおよびリング型コアを組合せて閉磁路構成とするものが主流である。

また、フェライト磁性コアは、大電流を印加することで容易に磁気飽和を生じてしまうため、電源用途として用いるためには、即ち好適な直流重畳特性を得るためには磁気ギャップを設ける必要があり、この磁気ギャップは、一般的にドラム型コアと、リング型コアとの嵌合部に所望の寸法からなる空隙によって形成されることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、近年の粉末冶金技術の高度化に伴い、磁性素子の小型化が進み、特にドラムコアのフランジ部厚みや巻枠部の寸法が極めて薄くなってきている。
特開２００２−３１３６３５号

しかしながら、ドラム型コアとリング型コアとの嵌合部に空隙を設けることで磁気ギャップを形成した磁性素子においては、ギャップの寸法にバラつきが生じやすくなるため磁気ギャップが不均一になる、空隙を設けることによって磁性素子の機械強度の低下を招く、磁気ギャップ部の空隙から漏洩磁束が発生する等の問題がある。

また、磁性素子の小型化が進むことにより、ドラムコアのフランジ部の厚みや巻枠部の寸法精度を確保することが困難となり、磁気ギャップを所望の寸法に形成することが難しいという問題がある。

さらに、フェライトからなるコアは耐衝撃性に劣るため、コアが実装基板に装着された場合には、実装基板のわずかな反り、変形によってコアが容易に破壊する虞があり、磁性素子の信頼性が損なわれるという問題がある。また、この問題は、磁性素子の小型化が進む程深刻になると考えられている。

本発明は、上述の点を考慮し、磁気ギャップを形成するために磁性コアに設けられる空隙を無くし、耐衝撃性を向上させた磁性素子を提供するものである。

本発明に係る磁性素子は、巻芯の一方にフランジを有する磁性コアと、絶縁被膜を有するワイヤを前記巻芯に巻回してなるコイルと、前記コイルの末端部に接続される少なくとも２つ以上の端子部材と、底面部と周壁部を有する有底筒状コアとからなる磁性素子であって、前記有底筒状コアは、前記磁性コアよりも柔軟性を有する構成とする。

好ましくは、前記有底筒状コアの底面略中央部には、前記磁性コアの巻芯と嵌合するための嵌合孔を有するとともに、前記周壁部は、前記コイルの末端部を引き出すために設けられた少なくとも２ヶ所以上の切欠部を有することが適当である。
さらに好ましくは、前記有底筒状コアは、実質的に樹脂材料と磁性材料粉末との混合物であって、前記樹脂の混合比率が３０wt%から９０wt%であり、実効透磁率が、前記磁性コアの実効透磁率よりも低くなるように設定されていることが適当である。

本発明の磁性素子は、柔軟性を有しており、また、磁性ギャップを形成するための空隙を設ける必要がないので、耐衝撃性に優れている。

本発明に係る磁性素子によれば、柔軟性を有しており、また、磁性ギャップを形成するための空隙を設ける必要がないため、実装基板の反りや部品の落下時等における耐衝撃性を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態の例について図面を参照して説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。

図１は、本発明による磁性素子の分解斜視図である。
図１に示すように、磁性素子としてのインダクタンス素子１は、磁性コア２と、有底筒状コア３と、コイル４と、端子部材５とから構成されている。

磁性コア２は、フランジ２ａと、フランジ２ａに一体に設けられた巻芯２ｂとからなっている。また、磁性コア２は、Ni-Zn系フェライトを用いた材料で形成されている。

有底筒状コア３は、周壁部３ａと、その周壁部３ａに連接するように一体に設けられた底面部３ｂとからなっている。また、周壁部３ａには、有底筒状コア３に内蔵されるコイルの末端部４ａを周壁部３ａの外部へ引き出すための切欠部３ｄが設けられている。
また、周壁部３ａの内径ｄ１は、磁性コアのフランジ２ａの直径ｄ２よりも若干小さくなるように形成されている。

切欠部３ｄは、周壁部３ａの上端部から底面部３ｂの上面に達するように形成されている。底面部３ｂまで切り込みを入れることにより、端子部材５を確実に有底筒状コアの底面部３ｂに嵌めることができる。また、コイルに設けられた末端部４ａの数にあわせて、切欠部３ｄは、周壁部３ａの２ヶ所に設けられており、設けられた切欠部３ｄが、互いに対向するように配置されている。なお、周壁部３ａに設けられる切欠部３ｄは、２ヶ所に限られるものではなく、必要に応じて２ヶ所以上に形成してもよい。

底面部３ｂの中央部には、磁性コア２の巻芯２ｂの端部が挿入して嵌合するための嵌合孔３ｃが設けられている。嵌合孔３ｃは、底面部３ｂの上面と下面を貫くように形成されている。また、嵌合孔３ｃの直径は、フランジの巻芯２ｂの直径よりも若干小さくなるように形成されている。

有底筒状コア３は、実質的に樹脂材料と磁性材料粉末の混錬物を硬化させたもので形成されており、磁性コア２に比べて柔軟性を有している。ここでは、樹脂の混合比率が３０wt%から９０wt%となるように規定され、かつ有底筒状コア３の実効透磁率（μe１）は、磁性コア２の実効透磁率（μe２）よりも低くなるように設定されている。

具体的には、本例の有底筒状コア３は、酸化物系磁性仮焼粉である赤みを帯びたＮｉ−Ｚｎ系フェライトの微細粉末とシリコン樹脂の混錬物を硬化させることで形成されている。このようにすることで、単に材料メーカーから購入した酸化物系磁性仮焼粉をシリコン樹脂に混ぜることにより有底筒状コア３を成型することができるので、有底筒状コア３の製造工程を簡略化することができる。

コイル４は、絶縁性被膜を有するワイヤにより形成されている。また、後述する実装基板６から供給される電流を流すためのコイル末端部４ａを、ワイヤの両端部に有している。コイル４は、磁性コア２を回転させて、ワイヤを磁性コアの巻芯２ｂに巻きまわすことにより形成される。また、コイルとして、別途成型された空芯コイルを用いてもよい。

端子部材５は、略コの字状に加工された金属板により形成されている。このように、端子部材５をコの字形状とすることで、簡単に有底筒状コアの底面部３ｂに嵌めることができ、組み立て作業の効率を上げることができる。

次に、本発明におけるインダクタンス素子１の製造プロセスの一例を以下に説明する。
まず、磁性コア２の巻芯２ｂに、所望の巻数を有するコイル４を巻回する。次に、コイルの末端部４ａを端子部材５の上面部５ａへ接合する。次に、有底筒状コア３へ、コイルが巻回された磁性コア２を嵌合・固定する。最後に、端子部材５を、有底筒状コア３の周壁部３ａに形成された切欠部３ｄへ嵌合する。なお、インダクタンス素子１の製造プロセスは、これらのプロセスに限定されることはなく、適宜順序を入れ替えて行うことも可能である。

本例のインダクタンス素子１によれば、有底筒状コアの周壁部３ａの内径ｄ１が、磁性コア２のフランジ径ｄ２よりも小さく設定されているため、有底筒状コア３にコイルを巻回した磁性コア２を嵌入させることにより、容易にインダクタンス素子１の作成が可能であるという効果を有する。また、有底筒状コア３の底面略中央部に磁性コアの巻芯２ｂ端部を挿入するための嵌合孔３ｃを有していることから、インダクタンス素子１の作成を容易に行うことができる。さらに、嵌合孔３ｃの直径を、磁性コア２の巻芯径よりも小さく設定しているので、インダクタンス素子１の組み立ての際の保持・固定を強固に行うことができる。

また、本例のインダクタンス素子１によれば、有底筒状コア３の周壁部３ａにコイルの末端部４ａを引き出すための切欠部３ｄを有しているので、予め金属板を略コの字状に加工した端子部材５にコイル末端部４ａを接合し、磁性コア２を有底筒状コア３に嵌入すると同時に端子部材５を有底筒状コア３の底面部３ｂに嵌入するといった簡素な作業により、インダクタンス素子１の作成が可能となる。

図２は、本発明による磁性素子の斜視図である。
磁性コアのフランジ２ａの外周端面と、有底筒状コアの周壁部３ａの上端部の内側面とが接するようにして、インダクタンス素子１が組み立てられている。周壁部３ａに設けられた切欠部３ｄの底面部３ｂ側には、端子部材５が嵌め込まれており、この端子部材５の上部には、コイル４の末端部４ａが接触するように配置されている。

図３は、本発明による磁性素子の図２に示したＸ−Ｘ線上の断面図である。
磁性コアの巻芯部２ｂにはコイル４が巻回されており、巻芯部２ｂの先端部分が有底筒状コア３の嵌合孔３ｃと嵌合している。このとき、巻芯部２ｂの先端面と、有底筒状コアの底面部３ｂの下面が連続するように組み立てられる。底面部３ｂには、コの字状の端子部材５が嵌め込まれており、端子部材５の上部５ａの下面は、底面部３ｂの上面と接しており、端子部材５の上部５ａの上面には、コイルの末端部４ａが接触するように配置されている。また、端子部材５の下部５ｂの上面は、底面部３ｂの下面と接しており、下部５ｂの下面は、インダクタンス素子１が実装される実装基板６に接している。これにより、実装基板６から供給される電流は、端子部材５を介して、コイルの末端部４ａからインダクタンス素子１に供給される。なお、インダクタンス素子１は、半田付けによって、端子部材５と基板６の接触が保たれるような状態で、電装基板６に実装される。

本例のインダクタンス素子１によれば、有底筒状コア３が柔軟性を有していることから、万が一、実装基板６に反り・変形が起きた場合や、インダクタンス素子１のハンドリング時に誤って衝撃が加わった際の耐衝撃性に優れ、インダクタンス素子１が破壊するという不具合を抑制することができる。また、本例のインダクタンス素子１によれば、実装基板６に実装されたインダクタンス素子１の実装基板６に近い部位は、柔軟性を有する有底筒状コア３に略囲まれた構成となっていることから、特に実装基板６側からの衝撃に強くすることができる。

本例のインダクタンス素子１によれば、有底筒状コア３と磁性コア２との嵌合部は密着しており、磁気ギャップとなる空間部が存在していないためインダクタンス素子１の機械強度が向上する。また、有底筒状コア３の実効透磁率（μe１）が、磁性コア２の実効透磁率（μe２）よりも低く設定されているため、有底筒状コア３が磁気ギャップと同等の効果を奏し、インダクタンス素子１の重畳特性、即ち定格電流の向上が可能となる。

また、本例のインダクタンス素子１によれば、有底筒状コア３に含まれる樹脂の含有量を調整することにより、有底筒状コア３の柔軟性や磁気特性等を任意で調整することができるという効果を有する。すなわち、有底筒状コア３は、樹脂と磁性材料粉末の混錬物を硬化させたものであるから、樹脂と磁性材料粉末の混合比を調整することで、有底筒状コア３の柔軟性、つまりインダクタンス素子１の実効透磁率（μe）を可変させることが可能となる。

ここで、本例の有底筒状コア３の樹脂の含有量を３０wt%から９０wt%とした技術的根拠を説明する。樹脂の含有量が３０wt%よりも少ない場合、硬化後の有底筒状コア３は柔軟性が損なわれてしまい、耐衝撃性の向上が阻害される。さらに、磁性材料粉末の含有量が増えるために、有底筒状コア３の実効透磁率（μe）が大きくなることから、電流印加の際に磁気飽和が生じ易くなる。
一方、有底筒状コア３のシリコン樹脂の含有量が９０wt%よりも多い場合、耐衝撃性は向上するものの、有底筒状コア３に過度の柔軟性が生じ、磁性コア２を嵌入した際の保持・固定力が低下する。
このことから、樹脂の含有量を３０wt%から９０wt%と規定することによって、磁性コア２を有底筒状コア３に嵌入した際の保持・固定力と、有底筒状コア３の実効透磁率：μeの均衡を得ることが可能となる。

つまり、耐衝撃性に優れた有底筒状コア３を望む場合は、有底筒状コア３の樹脂の含有量を、９０wt%を超過しない程度に増加させれば良く、有底筒状コア３の実効透磁率：μeを高くしたい場合は、有底筒状コア３の樹脂の含有量が３０wt%を下まわらない程度に減少させれば良い。さらに、耐衝撃性および実効透磁率（μe）の双方を高くしたい場合は、有底筒状コア３の樹脂の含有量を、９０wt%を超過しない程度に増加させるとともに、初透磁率が高い磁性材料粉末を用いれば良く、耐衝撃性および実効透磁率（μe）の双方を低下させたい場合は、樹脂の含有量を、３０wt%を低下しない程度に減少させるとともに、初透磁率が低い磁性材料粉末を用いるというように、所望の特性に合わせた組合せが可能である。

表１は、本例の有底筒状コア３における樹脂と磁性材料粉末の混合比率とインダクタンス値・定格電流値の関係を示したものである。ここで、磁性素子であるインダクタンス素子の電気特性としての目標値は、インダクタンス値：２．５μH，定格電流値：２．５Aとし、評価判断として、有底筒状コアの柔軟性が○，◎であるものは好適であることとした。ここでは、磁性素子に電流を印加した際に、インダクタンス初期値から２０％減少した時の電流値を、定格電流値とする。なお、樹脂としてはシリコン樹脂を使用し、磁性材料粉末の初透磁率（μi）と飽和磁束密度（Bm）は統一するものとする。

有底筒状コアの樹脂と磁性材料粉末の混合比率とインダクタンス値・定格電流値の関係

表１に示される結果から、インダクタンス素子１の電気特性、および有底筒状コア３の柔軟性が適用範囲であると認められるものは、シリコン樹脂：磁性材料粉末＝３０〜９０wt%：７０〜１０wt%であることがわかる。特に、シリコン樹脂：磁性材料粉末＝５０〜７０wt%：５０〜３０wt%の範囲については、インダクタンス素子１の電気特性、および有底筒状コア３の柔軟性の双方において好適な結果を得ることができる。
なお、有底筒状コア３のシリコン樹脂の混合比率を上げることによって、定格電流値が向上する根拠は、磁性コア２と有底筒状コア３に用いる磁性材料を同じものとしても、有底筒状コア３はシリコン樹脂との混錬・硬化物であり、有底筒状コア３の実効透磁率（μe１）が、磁性コア２の実効透磁率（μe２）よりも低くなることで、空隙による磁気ギャップを有している場合と同等の作用を奏しているためである。

従って、本発明の磁性素子が目標とする電気特性に限られず、所望の電気特性を得るためには、樹脂と磁性材料粉末との混合比率の調整、および／またはコア材に用いる磁性材料粉末の磁気特性を適宜選定すればよい。

図４は、本発明による磁性素子の別の形態例の断面図である。
図４において、図３と対応する部分には、同一符号を付して重複説明を省略する。
有底筒状コア３の底面部３ｂ’の中央部には、底面部３ｂ’の上面から底面部３ｂ’厚さの略半分の深さの位置に達する嵌合孔３ｃ’が形成されている。嵌合孔３ｃ’の直径は、磁性コアの巻芯部２ｂの直径よりも、若干小さくなるように形成されている。このようにすることで、磁性コア２と有底筒状コア３とを組み合わせたときに、巻芯部２ｂと嵌合孔３ｃ’との嵌合を確実に行うことができ、磁性コア２と有底筒状コア３を組み合わせる際の組み付け性を向上させることができる。また、本例のインダクタンス素子１によれば、有底筒状コアの底面部３ｂ’の下面、すなわち、底面部３ｂ’の実装基板６に対向する面を、全て柔軟性を有する部材で覆うことができるので、実装基板６側からの衝撃に対するインダクタンス素子１の耐衝撃性を向上することができる。

図５は、本発明による磁性素子のまた別の形態例の断面図である。
図５において、図３と対応する部分には、同一符号を付して重複説明を省略する。
有底筒状コアの底面部３ｂ’’中央部付近の上面と、磁性コアの巻芯部２ｂ’’先端面が合致するように、有底筒状コア３と磁性コア２が組み立てられている。また、有底筒状コア３の周壁部３ｂの内径ｄ１が、磁性コアのフランジ２ａの直径ｄ２よりも約５００μｍ程度小さくなるように形成されている。このようにすることで、磁性コア２と有底筒状コア３を組み合わせる際の組み付け性を向上させることができる。また、有底筒状コアの底面部３ｂ’’の全てを、柔軟性を有する部材で形成することができるので、実装基板６側からの衝撃に対するインダクタンス素子１の耐衝撃性を向上することができる。

なお、磁性コア２や有底筒状コア３の形成に用いる磁性材料は、Ni-Zn系フェライトに限られるものではなくMn-Zn系フェライトや、金属系磁性材料、アモルファス系磁性材料からなる粉末材料を用いることが可能である。また、有底筒状コア３の形成に用いる樹脂は、シリコン樹脂に限られるものではなく、エポキシ系樹脂や、その他熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等、硬化後に柔軟性を有するものであれば適宜採用することが可能である。

図１は、本発明による磁性素子の分解斜視図である。 図２は、本発明による磁性素子の斜視図である。 図３は、本発明による磁性素子の断面図である。 図４は、本発明による別の形態例の磁性素子の断面図である。 図５は、本発明によるまた別の形態例の磁性素子の断面図である。

符号の説明

１・・インダクタンス素子、２・・磁性コア、２ａ・・フランジ、２ｂ・・巻芯、３・・有底筒状コア、３ａ・・周壁部、３ｂ・・底面部、３ｃ・・嵌合孔、３ｄ・・切欠部、４・・コイル、４ａ・・コイル末端部、５・・端子部材、６・・実装基板

Claims (3)

1. 巻芯の一方にフランジを有する磁性コアと、
   絶縁被膜を有するワイヤを前記巻芯に巻回してなるコイルと、
   前記コイルの末端部に接続される少なくとも２個以上の端子部材と、
   底面部と周壁部を有する有底筒状コアと、
   からなる磁性素子であって、
   前記有底筒状コアは、前記磁性コアよりも柔軟性を有すること
   を特徴とする磁性素子。
2. 前記有底筒状コアの底面略中央部には、嵌合孔を有するとともに、
   前記周壁部には、少なくとも２ヶ所以上の切欠部を有すること
   を特徴とする請求項１に記載の磁性素子。
3. 前記有底筒状コアは、実質的に樹脂材料と磁性材料粉末との混合物であって、
   前記樹脂の混合比率が３０wt%から９０wt%であり、
   実効透磁率が、前記磁性コアの実効透磁率よりも低くなるように設定されていること
   を特徴とする請求項１または２に記載の磁性素子。

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