JP2014053399A - 積層コア及びそれを用いたインダクタ部品 - Google Patents

Abstract

【課題】特に、ＭｎＺｎ系のフェライトコアにおいて、渦電流損失を低減することのできるコアを提供すること。
【解決手段】Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトで構成される複数の磁芯を所定方向に積層させたコアとした。ここで、磁芯の比抵抗（Ωｃｍ）をρ、平均結晶粒径（ｃｍ）をｄとした場合に、１×１０^−４≦ρ≦５０、及び１００≦１／ｄ≦６００を満たし、且つ、各磁芯の所定方向における厚み（ｃｍ）をＤとした場合に、Ｄ^２／ρ≦１０を満たすように構成した。かかる構成により、渦電流損失を低減すると共に積層コアのインピーダンスを高めることを可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層コア及びそれを用いたインダクタ部品に関する。

複数の磁芯からなるコアとしては、例えば特許文献１に開示されているものがある。特許文献１に開示されているコアは、磁芯を分割することにより形状共鳴効果を得て、共鳴周波数を高めることを可能としている。

特許３８１４７７６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているコアは、例えば、ＭｎＺｎ系のフェライトコアのように、初期透磁率が高く比抵抗が低いコアの渦電流損失を低減することに関しては不十分である。

本発明は、特に、ＭｎＺｎ系のフェライトコアにおいて、渦電流損失を低減することのできるコアを提供することを目的とする。

本発明によれば、第１の積層コアとして、
Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトで構成される複数の磁芯を所定方向に積層した積層コアであって、
前記磁芯の比抵抗（Ωｃｍ）をρ、平均結晶粒径（ｃｍ）をｄとした場合に、１×１０^−４≦ρ≦５０、及び１００≦１／ｄ≦６００を満たし、且つ、前記複数の磁芯夫々の前記所定方向における厚み（ｃｍ）をＤとした場合に、Ｄ^２／ρ≦１０を満たす、
積層コアが得られる。

本発明によれば、第２の積層コアとして、第１の積層コアであって、
ρ≦３０、且つ、１２０≦１／ｄ≦５００を満たす、
積層コアが得られる。

本発明によれば、第３の積層コアとして、第１又は第２の積層コアであって、
前記Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは、５１ｍｏｌ％≦Ｆｅ_２Ｏ_３≦５３ｍｏｌ％、２０ｍｏｌ％≦ＺｎＯ≦３０ｍｏｌ％を満たし且つ残部をＭｎＯとする組成を有する、
積層コアが得られる。

本発明によれば、第１乃至第３のいずれかに記載の積層コアを備えるインダクタ部品が得られる。

本発明によれば、前記磁芯の比抵抗ρ（Ωｃｍ）、平均結晶粒径ｄ（ｃｍ）、及び磁芯夫々の所定方向における厚みＤ（ｃｍ）の範囲を工夫し、且つ、各磁芯を積層することにより、渦電流損失を低減すると共に積層コアのインピーダンスを高めることを可能とした。

本発明の実施の形態による積層コアを示す斜視図である。積層コアは、同一形状からなる３つの磁芯を垂直方向に沿って積層してなるものである。 本発明の実施の形態による他の積層コアを示す斜視図である。積層コアは、同一形状からなる５つの磁芯を垂直方向に沿って積層してなるものである。 本発明の実施の形態による他の積層コアを示す斜視図である。積層コアは、２つの磁芯を同心円状（半径方向）に積層してなるものである。 本発明の実施の形態による他の積層コアを示す斜視図である。積層コアは、３つの磁芯を同心円状（半径方向）に積層してなるものである。 本発明の実施の形態による他の積層コアを示す斜視図である。積層コアは、３つの磁芯を垂直方向に沿って積層した内側磁芯と、３つの磁芯を垂直方向に沿って積層した外側磁芯とを同心円状に積層してなるものである。 図５の磁芯を積層した状態を表す図である。 本発明の実施の形態による積層コアの特性を表す図面である。 本発明の実施の形態による積層コアに用いられる磁芯の変形例を表す図である。図においては、垂直方向に沿って積層される磁芯が示されている。 本発明の実施の形態による積層コアに用いられる磁芯の他の変形例を表す図である。図においては、垂直方向に沿って積層される磁芯が示されている。 本発明の実施の形態による積層コアに用いられる磁芯の変形例を表す図である。図においては、同心円状に（即ち、半径方向に沿って）積層される磁芯が示されている。 本発明の実施の形態による積層コアに用いられる磁芯に塗布される接着剤料の塗布位置を示す図である。図においては、垂直方向に沿って積層される磁芯上の接着箇所が示されている。 本発明の実施の形態による積層コアに用いられる磁芯に塗布される接着剤料の塗布位置を示す図である。図においては、同心円状に沿って積層された積層コア（図４の積層コア）における接着箇所が示されている。 図２の積層コアを絶縁ケースに収容する様子を表す分解斜視図である。 図１３の絶縁ケースに巻線を巻回してコイルを構成した状態を表す図である。 図１３の絶縁ケースの変形例を表す図である。図においては、絶縁ケースの一方の部材のみ示されている。 図１３の絶縁ケースの他の変形例を表す分解図である。

（第１の実施の形態）
本発明の実施の形態による積層コアは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトで構成される複数の磁芯を所定方向に積層した積層コアである。ここで、本実施の形態においては、磁芯の比抵抗（Ωｃｍ）をρ、平均結晶粒径（ｃｍ）をｄとした場合に、１×１０^−４≦ρ≦５０、及び１００≦１／ｄ≦６００を満たし、且つ、磁芯夫々の所定方向における厚み（ｃｍ）をＤとした場合に、Ｄ^２／ρ≦１０を満たしている。

本実施の形態による磁芯の比抵抗ρ（Ωｃｍ）の範囲において、積層コアを構成する個々の磁芯にある程度の厚み（強度）を持たせるためにはρは１×１０^−４以上である必要がある。また、効果的に渦電流損失を低減するためにはρは５０以下である必要がある。なお、渦電流損失をより低減させ、併せて高い透磁率をも確保するためには、ρは、３０以下であることが好ましい。

また、本実施の形態による磁芯の平均結晶粒径ｄ（ｃｍ）の逆数である１／ｄの範囲において、磁芯の透磁率を確保するためには、１／ｄは１００以上である必要がある。また、磁芯を積層することによって渦電流損失を低減可能な効果を得るためには、１／ｄは６００以下である必要がある。なお、透磁率の確保及び積層による渦電流損失低減効果の双方を効果的に得るためには、１２０≦１／ｄ≦５００であることが好ましい。

また、本実施の形態による磁芯夫々の所定方向における厚みＤ（ｃｍ）の平方と、比抵抗ρとの比Ｄ^２／ρを１０以下とすることにより、渦電流の発生を低減することができ、積層コアのインピーダンスを高めることができる。

また、本実施の形態によるＭｎ−Ｚｎ系フェライトは、５１ｍｏｌ％≦Ｆｅ_２Ｏ_３≦５３ｍｏｌ％、２０ｍｏｌ％≦ＺｎＯ≦３０ｍｏｌ％を満たし且つ残部をＭｎＯとする組成を有している。ここで、同一焼成条件下でＦｅ_２Ｏ_３の割合を増加させると比抵抗は減少する傾向にあり、Ｆｅ_２Ｏ_３が５３ｍｏｌ％より多いと、磁芯に必要な比抵抗を確保することができなくなる。また、Ｆｅ_２Ｏ_３が５１ｍｏｌ％より少ないとキュリー温度が８０℃以下となり実用上好ましくない。

以下、本実施の形態による積層コアにおける磁芯の積層方法について説明する。

図１乃至図６に示されるように、本実施の形態における磁芯の積層方法としては、各磁芯は垂直方向（下から上に積み上げるよう）に沿って積層する方法（図１及び図２参照）、各磁芯が同心円状に（半径方向に）積層する方法（図３及び図４参照）、これらの積層方法を組み合わせた方法（図５及び図６参照）とがある。なお、以下の説明において、「積層コア」の語は、個々の磁芯が積層されてなる全体を示すために用いることとし、「磁芯」の語は「積層コア」を構成する個々の磁芯の一つを示すために用いることとする。

図１に示されるように、積層コア１０は、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトで構成される３つの磁芯１０１、１０２、１０３を垂直方向に積層したものである。磁芯１０１、１０２、１０３は、薄型のトロイダル形状を有している。積層コア１０において、磁芯１０１〜１０３同士は互いに同一形状を有しており、垂直方向における厚みも同一である。なお、積層コアの厚みに応じて、磁芯の厚みを互いに異なるように構成してもよい。また、磁芯１０１〜１０３間は低粘度の弾性接着剤料で接着されている（接着方法についての詳細は、後述する）。

図２に示されるように、積層コア１０ａは、５つの磁芯１０１ａ〜１０５ａを垂直方向に積層したものである。当該積層コア１０ａにおいても、各磁芯１０１ａ〜１０５ａ同士は、互いに同一形状を有しており、垂直方向における厚みも同一であるが、磁芯の厚みを互いに異なるように構成してもよい。また、各磁芯間は低粘度の弾性接着剤料で接着されている。

図３に示されるように、積層コア１０ｂは、２つの磁芯１０１ｂ、１０２ｂを同心円状に積層したものである。本実施の形態による積層コア１０ｂにおいて、内側の磁芯１０１ｂの半径方向における厚みは、外側の磁芯１０２ｂよりも小さい。即ち、磁芯１０１ｂ、１０２ｂ同士の半径方向における厚みは異なっている。しかしながら、磁芯同士の厚みを同一としてもよい。本実施の形態による磁芯１０２ｂの内周径は後述する接着剤料を塗布するためのクリアランスが設けられている。即ち、磁芯１０１ｂの外周側面と、磁芯１０２ｂの内周側面との間には隙間が設けられている。かかる構造により、磁芯１０１ｂ、１０２ｂを積層した後に積層コア１０ｂの上面から接着材料を滴下することで磁芯１０１ｂ、１０２ｂ間を接着することができる。

図４に示されるように、積層コア１０ｃは、３つの磁芯１０１ｃ、１０２ｃ、１０３ｃを同心円状に積層したものである。本実施の形態による積層コア１０ｃにおいては、各磁芯１０１ｃ、１０２ｃ、１０３ｃの半径方向における厚みは同一である。しかしながら、磁芯同士の厚みを異なるものとしてもよい。本実施の形態においても、磁芯１０１ｃ及び磁芯１０２ｃの間と、磁芯１０２ｃ及び磁芯１０３ｃの間には接着剤料を塗布するためのクリアランスが設けられている。

図５及び図６に示されるように、積層コア１０ｄは、計６つの磁芯１０１ｄ〜１０６ｄを積層したものである。本実施の形態による積層コア１０ｄは、内側の磁芯１０１ｄ〜１０３ｄと、外側の磁芯１０４ｄ〜１０６ｄとを同心円状に積層させ、且つ、内側の磁芯１０１ｄ、１０２ｄ、１０３ｄを垂直方向に沿って積層し、外側の磁芯１０４ｄ、１０５ｄ、１０６ｄを垂直方向に沿って積層したものである。なお、６つの磁芯１０１ｄ〜１０６ｄの垂直方向における厚みは全て同一である。また、内側の磁芯１０１ｄ〜１０３ｄの半径方向における厚みは互いに同一であり、外側の磁芯１０４ｄ〜１０６ｄの半径方向における厚みも互いに同一である。更に、内側の磁芯１０１ｄ〜１０３ｄと、外側の磁芯１０４ｄ〜１０６ｄとの間には、接着剤料を塗布するためのクリアランスが設けられている。

図７は本発明の実施の形態における特性曲線を示し、上述した磁芯を垂直方向に積層させた構造（即ち、図１及び図２のような構造）において10turnの巻き線を施した場合の特性図面である。特性曲線１１０は従来コアとして積層させないコア（以下、「一体コア」と呼ぶ）のインピーダンス特性曲線を示す。特性曲線１１１は３つの磁芯を積層した場合のインピーダンス特性曲線を示す。特性曲線１１２は４つの磁芯を積層した場合のインピーダンス特性曲線を示す。特性曲線１１３は５つの磁芯を積層した場合のインピーダンス特性曲線を示す。ここで一体コアの寸法は磁芯の外径３８．１ｍｍ、内径１９．０ｍｍ、厚み１２．７ｍｍである。ここで、特性曲線１１１〜１１３に対応する積層コアも総厚は１２．７ｍｍである。即ち、各磁芯の垂直方向における厚みは１２．７ｍｍを積層数で除した厚みとなる。図７に示されるように、一体コアと比較して、本実施の形態による積層コアの方が高いインピーダンスＺを得られることがわかる。また、積層数が増えるほど、より高いインピーダンスＺを得られることがわかる。

なお、磁芯表面における高比抵抗の層を利用するために、磁芯の表面積を多くすることとしてもよい。これにより、更に高いインピーダンスＺを得ることができる。詳しくは、図８乃至図１０に示されるように、積層コアを構成する各磁芯に溝２０、２１、２２を入れることとしてもよい。なお、溝の幅、深さ、数、位置等は、適宜変更可能である。

更に、図１１に示されるように、上述した積層コア１０〜１０ｄ（図１〜図６参照）の各磁心の接着に用いられる接着材料３０は、磁芯１０１上面または磁芯１０１下面に点状に塗布される。接着材料３０の塗布位置は、２点〜４点程度とし、磁芯１０１上面又は下面の全面を覆うようには塗布しない。また、非弾性接着剤は硬化時応力による特性劣化が生じるため、本実施の形態による接着材料３０は、低粘度の弾性接着剤である必要がある。磁芯全面を覆うように接着材料３０を塗布した場合、硬化時応力などにより特性劣化を招く恐れがある。また、粘度の高い材料にあっては接着材料３０の塗布後に磁芯を積層した際の積層コア内における磁芯間の距離の不均一の原因となるため望ましくない。

図１２に示されるように、同心円状に積層するタイプの積層コア１０ｃにおいては、接着剤料３１の塗布位置は、磁芯１０１ｃ〜１０３ｃの上面又は下面から滴下により塗布される。接着剤料３１は、各磁芯間に設けられたクリアランス（隙間）を通じて流れ込み磁芯１０１ｃ〜１０３ｃ同士は接着・固定される。本実施の形態においても、硬化時応力などによる特性劣化を防ぐために、接着材料３１の滴下塗布は２点から４点程度とし、磁芯の外周側面（内周側面）全周に亘って塗布はしない。また、非弾性接着剤においては硬化時応力による特性劣化が生じるため、本実施の形態による接着材料３１は、低粘度の弾性接着剤である必要がある。

以上説明した積層コアは、絶縁ケース内に収容される。図１３は、積層コア１０ａ（図２参照）を例にとった図である。絶縁ケース４０は、第１キャップ４１と第２キャップ４２を合わせることにより、内部に絶縁コア１０ａを収容する。なお、絶縁ケース４０と、積層コア１０ａとの間にも上述した接着材料が塗布されて、これらの間が接着・固定されている。本実施の形態による絶縁ケース４０はプラスチック等の樹脂にて構成される。

積層コア１０ａが絶縁ケース４０に収納された後、図１４に示されるように、巻線５０が巻回される。巻線５０は、第１の巻線５０ａと、第２の巻線５０ｂとからなる。

図１５は巻線が細線時に適する他の絶縁ケース（ケース自体は図示せず）の片方である第１（第２）キャップ４４を表している。本実施の形態においては、図示されている第１（第２）キャップ４４を２個１組にて使用する。この際、外周嵌合部４５ａ及び外周嵌合部４５ｂが、他方のキャップの外周嵌合部４５ｂ及び外周嵌合部４５ａと対応し、内周嵌合部４６ａ及び内周嵌合部４６ｂが、他方のキャップの内周嵌合部４６ｂ及び内周嵌合部４６ａとが対応する。更に、仕切部４７に設けられた凸型の突合せ部４７ａ及び凹型の突合せ部４７ｂが、他方のキャップの突合せ部４７ｂ及び突合せ部４７ａと対応する。

絶縁ケースにφ１．０を超える太線にて巻線を行う場合、巻線の巻き付け応力により樹脂より成る絶縁ケースに歪みやズレ等が生じる恐れがあり、結果として、内部に組み込まれる積層コアを押しつぶすような力が加わり、積層コアに応力がかかることで特性の劣化や積層構造のために薄くなった磁芯が割れるといった問題が生じる可能性がある。図１６に示される絶縁ケース６０は、巻線が太線時に適するものである。絶縁ケース６０はプラスチック等の樹脂にて構成される。絶縁ケース６０は、第１キャップ６１と第２キャップ６２の２個１組にて使用され、第１キャップ６１に設けられた外周嵌合部６１ａと内周嵌合部６２ａと凹部６３ａが、第２キャップ６２に設けられた外周嵌合部６１ｂと内周嵌合部６２ｂと凸６３ｂが合うように嵌合される。これにより、φ１．０を超える太線にて巻線を行った場合でも第１キャップ６１及び第２キャップ６２がズレることがなくなり、嵌合が外れることによる前記の特性劣化を防ぐことが可能となる。ここで凹部６３ａと凸部６３ｂが形成されている仕切り部６３の幅は歪みを防ぐために可能な限り幅広くとることが望ましい。また、凹凸部は２箇所以上に施されることが望ましい。

（実施例１〜実施例３、比較例）
実施例１として、図１に示される積層コア１０と同様の形状を有する積層コアを作製した。外径38mm、内径19mm、厚さ4.3mmのMnZnフェライト焼結体３つを垂直方向に積層することにより積層コアを構成し、当該積層コアに10turnの巻き線を施した後、10kHzにおける透磁率と1MHzにおけるインピーダンスを測定した。

実施例２として、図３に示される積層コア１０ｂと同様の形状を有する積層コアを作製した。外径29.5mm、内径19mm、厚さ12.9mmのMnZnフェライト焼結体からなる内側磁芯と、外径38mm、内径30mm、厚さ12.9mmのMnZnフェライト焼結体からなる外側磁芯とを組み合わせて積層コアを構成し、10turnの巻き線を施し透磁率とインピーダンスを測定した。なお、実施例２においては、半径方向における磁芯の厚みは同一（12.9mm）である。

実施例３として、図５に示される積層コア１０ｂと同様の形状を有する積層コアを作製した。外径29.5mm、内径19mm、厚さ4.3mmのMnZnフェライト焼結体を３つ垂直方向に積層して内側磁芯とした。また、外径38mm、内径30mm、厚さ4.3mmのMnZnフェライト焼結体を３つ垂直方向に積層して外側磁芯とした。これら内側磁芯と、外側磁芯とを組み合わせて積層コアを構成し、10turnの巻き線を施し透磁率とインピーダンスを測定した。

また、比較例として、外径38mm、内径19mm、厚さ12.9mmのMnZnフェライト焼結体からなる一体コアに10turnの巻き線を施し透磁率とインピーダンスを測定した。

なお、インピーダンスは、インピーダンスアナライザ（HP-4194A）を用いて、定電流によるＲとＸの周波数特性を測定し、μ’とインピーダンスを算出することによって測定した。

表１に示すように、本実施例１〜３の積層コアは、比較例よりも、1MHzにおけるインピーダンスの値が高くなっており、本発明が有用であることがわかる。

（実施例４〜実施例７、比較例２）
垂直方向に積層した積層コア（即ち図１及び図２に示される積層コアと同タイプ）を下記表２記載の寸法により作成した。実施例４〜実施例６及び比較例２の積層コアにおける垂直方向の総厚は、全て１３ｍｍである。実施例４の積層コアGは一体コアＥと一体コアＦとを組み合わせてなるものである。実施例５においては、積層コアHを構成する各磁心の垂直方向の厚みは、当該積層コアHの総厚１３ｍｍの３等分（約４．３ｍｍ）となるようにした。実施例６の積層コアIを構成する各磁芯の垂直方向における厚みは３．２５ｍｍである。実施例７の積層コアIを構成する各磁芯の垂直方向における厚みは２．６ｍｍである。なお、比抵抗の測定は、磁芯の両面にInGa合金を塗布し、電極間の抵抗をインピーダンスアナライザ（HP-4194A）で測定した。インピーダンスＺの測定は上述した方法と同様に行った。

表２から理解されるように、比較例２の一体コアＤよりも、実施例４の積層コアＧの方がよりインピーダンスＺが高い。また、実施例４〜実施例７を比較すると、積層数が増加するほどインピーダンスＺも増加していることがわかる。

１０、１０ａ〜１０ｄ 積層コア
１０１〜１０３、１０１ａ〜１０５ａ、１０１ｂ〜１０２ｂ、１０１ｃ〜１０３ｃ、１０１ｄ〜１０６ｄ、 磁芯
２０、２１、２２ 溝
３０、３１ 接着剤料
４０ 絶縁ケース
４１ 第１キャップ
４２ 第２キャップ
４４ 第１（第２）キャップ
４５ａ、４５ｂ 外周嵌合部
４６ａ、４６ｂ 内周嵌合部
４７ａ、４７ｂ 突合せ部
５０ 巻線
５０ａ 第１の巻線
５０ｂ 第２の巻線
６０ 絶縁ケース
６１ 第１キャップ
６２ 第２キャップ
６１ａ、６１ｂ 外周嵌合部
６２ａ、６２ｂ 内周嵌合部
６３ａ 凹部
６３ｂ 凸部

Claims (4)

1. Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトで構成される複数の磁芯を所定方向に積層した積層コアであって、
   前記磁芯の比抵抗（Ωｃｍ）をρ、平均結晶粒径（ｃｍ）をｄとした場合に、１×１０^−４≦ρ≦５０、及び１００≦１／ｄ≦６００を満たし、且つ、前記複数の磁芯夫々の前記所定方向における厚み（ｃｍ）をＤとした場合に、Ｄ^２／ρ≦１０を満たす、
   積層コア。
2. 請求項１に記載の積層コアであって、
   ρ≦３０、且つ、１２０≦１／ｄ≦５００を満たす、
   積層コア。
3. 請求項１又は請求項２に記載の積層コアであって、
   前記Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは、５１ｍｏｌ％≦Ｆｅ_２Ｏ_３≦５３ｍｏｌ％、２０ｍｏｌ％≦ＺｎＯ≦３０ｍｏｌ％を満たし且つ残部をＭｎＯとする組成を有する、
   積層コア。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の積層コアを備えるインダクタ部品。

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