JP2014116355A - インダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化の要求に応えつつも、可能な限り線径の大きなワイヤでコイルを形成し、かつフランジの強度を確保する。またコアの特性を安定させ、組立て作業性の低下を回避可能とする。
【解決手段】磁性体からなるモノリシックなコア２は、第１方向に延びる一対のフランジ２１、２２、およびそれらの間で当該第１方向と直交する第２方向に沿って延びる柱部２３を備える。導電性を有するワイヤ３１は、柱部２３の周りに巻き回されてコイル３を形成する。コア２の第２方向に沿う向きの寸法Ｈは、第１方向に沿う向きの寸法Ｗよりも小さい。一対のフランジ２１、２２は、第１方向に延びてワイヤ３１の収容空間２４を区画形成する第１対向面２１ａと第２対向面２２ａを有している。柱部２３の外周面は、柱部２３が第１対向面２１ａおよび第２対向面２２ａと交わる部分より、柱部２３の第２方向における中央部に向かうに連れて、柱部２３の第１方向における内側に窪んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は、コアが有する柱部の周囲にワイヤが巻き回されてコイルが形成されるインダクタに関する。特に柱部の軸方向に沿う向きの寸法が、柱部の径方向に沿う向きの寸法よりも小さな、薄型のインダクタに関する。

この種のインダクタとして、円板部の中央から円柱部が突出した形状を有する一対の部材を用意し、円柱部同士を当接させて接着することによりコアの柱部が形成されるものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。一対の円板はフランジを構成し、それらの間にワイヤの収容空間を区画形成する。

特開２００７−１６５６２３号公報

インダクタが実装される回路の小型化にともない、柱部の軸方向に沿う向きの寸法を小さくすることが求められている。一方で直流抵抗を低くして発熱を抑制するために、線径の大きなワイヤでコイルを形成することが求められている。十分なワイヤ収容空間を確保するためにはフランジを径大にする必要があるが、一方で外縁部に作用する力に対する機械的な強度が減少し、破損が生じやすくなる。

また特許文献１に記載のように一対の部材を貼り合わせてコアを形成する構成の場合、コアの特性が安定しにくい。さらに位置合わせ作業が必須であため、インダクタの小型化に伴って組立て作業性が低下する。また小型化に伴って接着剤がワイヤの収容空間にはみ出す可能性が高まり、歩留まり低下の要因となりうる。

よって本発明は、薄型化の要求に応えつつも、可能な限り線径の大きなワイヤでコイルを形成し、かつフランジの強度を確保することができるインダクタを提供することを目的とする。また本発明は、薄型化の要求に応えつつも、コアの特性を安定させ、組立て作業性の低下を回避可能なインダクタを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明がとりうる一態様は、インダクタであって、
第１方向に延びる一対のフランジ、および当該一対のフランジの間で当該第１方向と直交する第２方向に沿って延びる柱部を備え、磁性体からなるモノリシックなコアと、
導電性を有し、前記柱部の周りに巻き回されてコイルを形成するワイヤとを備え、
前記コアの前記第２方向に沿う向きの寸法は、前記第１方向に沿う向きの寸法よりも小さく、
前記一対のフランジは、前記第１方向に延びて前記ワイヤの収容空間を区画形成する第１対向面と第２対向面を有しており、
前記柱部の外周面は、当該柱部が前記第１対向面および前記第２対向面と交わる部分より、当該柱部の前記第２方向における中央部に向かうに連れて、当該柱部の前記第１方向における内側に窪んでいる。

このような構成によれば、一対のフランジの根元部分の剛性を高め、インダクタの外力に対する強度を確保することができる。またコアはモノリシックであるため、特許文献１のように接着剤を使用する貼り合わせ工程を要しない。したがって、工数の削減が可能であるのみならず、コアの特性を安定したものとすることができる。

ここで前記外周面が前記第１対向面または前記第２対向面と交わる部分における磁路断面積と、前記柱部の前記第１方向における寸法が最小となる部分における磁路断面積とが等しくなるように、前記外周面の窪み形状が定められている構成としてもよい。

このような構成によれば、磁束の滞留が生じず、局所的な磁束飽和の発生を防止することができる。

インダクタに対する薄型化の要求と、ワイヤの線径をできる限り大きくしたいという要求の双方を満足するためには、フランジの厚み寸法は小さくならざるを得ない。ここで特許文献１に記載の構成のように、柱部の外周面がフランジの対向面と直交する場合、フランジの厚み寸法を小さくするということは、柱部の第１方向における寸法を小さくすることにつながる。よって磁路断面積が小さくなるため、磁気飽和が生じやすくなり、インダクタの定格電流値が低下する。

しかしながら上記の構成によれば、柱部の太い部分と細い部分の寸法の組合せを適宜に選択することができる。例えば細い部分の寸法を幾分大きくし、当該部分において磁束飽和の生じにくい磁路断面積を確保したい場合、当該細い部分の寸法に見合った（等しい磁路断面積を得ることができる）太い部分の寸法を定めることができる。細い部分と太い部分には寸法差が存在するため、どのような値を選んでも、必ず一対のフランジと交わる部分よりも窪んだ面を得ることができる。

したがって一対のフランジを薄くして大きな線径を有するワイヤを収容可能な高さ寸法を有する収容空間を確保しつつも、十分な磁路断面積を確保し、かつ一対のフランジの根元部分の剛性を高めることができる。

前記柱部の前記第１方向における寸法が最小となる部分は、平坦面の一部とされている構成としてもよい。この場合、外周面を形成するための加工が容易であり、製造コストを抑制することができる。

前記柱部の前記第１方向における寸法が最小となる部分は、曲面の一部とされている構成としてもよい。この場合、応力が一点に集中しにくく、柱部の剛性を高めることができる。

上記の窪み面を利用すれば、１層目が１段巻き、２層目以降が２段巻きとなるように、前記ワイヤを前記柱部の周りに巻き回すことができる。１層目のワイヤの位置決めを容易かつ確実に行なうことができるため、２層目以降のワイヤの位置も確実に定まる。よって工程管理が容易になるだけでなく、コイルの特性ばらつきを抑制することができる。

本発明によれば、薄型化の要求に応えつつも、可能な限り線径の大きなワイヤでコイルを形成し、かつフランジの強度を確保することができるインダクタを提供できる。また薄型化の要求に応えつつも、コアの特性を安定させ、組立て作業性の低下を回避可能なインダクタを提供できる。

本発明の一実施形態に係るインダクタのコアを示す斜視図である。 インダクタにおける各部の寸法を説明するための図である。 コアにおける柱部の外周面の形状を拡大して示す断面図である。 コアの変形例を示す断面図である。

添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態について以下詳細に説明する。なお以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

図１は、本発明の一実施形態に係るインダクタ１が備えるコア２の外観を示す斜視図である。コア２は、フェライトなどの磁性体からなり、本発明の一対のフランジとしての第１フランジ２１および第２フランジ２２、ならびに柱部２３を備えている。コア２は、第１フランジ２１、第２フランジ２２、および柱部２３が同一素材からなり、かつ相互の境界が物理的・物性的に連続しているモノリシックな構造を有している。

図２の（ａ）は、コア２の図１の線IIA−IIAに沿う断面の形状を示す図である。第１フランジ２１と第２フランジ２２は、互いに平行な向き（本発明の第１方向に対応）に延びている。柱部２３は、第１フランジ２１と第２フランジ２２の間で、これらが延びる方向と直交する向き（本発明の第２方向に対応）に延びている。

柱部２３の外径は、後述するようにその軸方向に沿って変化しているが、いずれの位置においても、軸方向に直交する向きの断面は円形である。すなわち上記の第１方向は柱部２３の径方向であり、上記の第２方向は柱部２３の軸方向とみなすことができる。

コア２の柱部２３の軸方向に沿う向きの寸法Ｈは、柱部２３の径方向に沿う向きの寸法Ｗよりも小さい。第１フランジ２１と第２フランジ２２の厚さＢ、すなわち柱部２３の軸方向に沿う向きの寸法は等しい。

図２の（ａ）に示すように、本実施形態のインダクタ１は、コア２とコイル３を備えている。コイル３は、柱部２３の周りにワイヤ３１が巻き回されることにより形成されている。ワイヤ３１は、銅などの導電性を有する線材の周囲に絶縁被膜が形成されたものである。

第１フランジ２１と第２フランジ２２は、柱部２３の径方向に延びて向き合う第１対向面２１ａ、第２対向面２２ａをそれぞれ有している。第１対向面２１ａ、第２対向面２２ａ、および柱部２３により、ワイヤ３１の収容空間２４が区画形成されている。

柱部２３の外周面は、柱部２３の径方向内側に窪んでいる。具体的には図３に断面を拡大して示すように、柱部２３の外周面は、第１傾斜面２３ａ、第２傾斜面２３ｂ、および平坦面２３ｃを有している。

第１傾斜面２３ａは、第１対向面２１ａと交わり、柱部２３の径方向内側へ向かい下方に傾斜する面である。第２傾斜面２３ｂは、第２対向面２２ａと交わり、柱部２３の径方向内側へ向かい上方に傾斜する面である。平坦面２３は、第１傾斜面２３ａおよび第２傾斜面２３ｂと交わり、柱部２３の軸方向と平行に延びる面である。図２の（ａ）に示すように、平坦面２３ｃにおいて、柱部２３の直径は最小値Ａをとる。

本実施形態においては、柱部２３の外周面が第１フランジ２１の第１対向面２１ａと交わる部分２１ｂ（または第２フランジ２２の第２対向面２２ａと交わる部分２２ｂ）における磁路断面積と、柱部２３の直径が最小となる部分の磁路断面積とが等しくなるように、コア２の各部の寸法が定められている。

図２の（ｂ）は、第１フランジ２１における上記部分２１ｂの内側部分、および柱部２３における第１傾斜面２３ａの部分（平坦面２３ｃの上端より上側の部分）のみを切り出して示している。図２の（ａ）において符号Ｍで示す線は、コイル３に電流を流したときに生ずる磁束を示している。

したがって図２の（ｂ）において、磁束は符号Ｓ１で示す周面から流入し、符号Ｓ２で示す面から流出する磁路を形成する。面Ｓ１の面積は、Ｂ×Ｄ×πで定められる。ここでＢは、上述のように第１フランジ２１の厚みである。Ｄは、部分２１ｂにおける第１フランジ２１の直径である（部分２１ｂの柱部２３の中心軸からの距離を２倍したものとして定義することもできる）。πは円周率である。一方、面Ｓ２の面積は、（Ａ／２）^２×πで定められる。ここでＡは、上述のように平坦面２３ｃにおける柱部２３の直径である。

磁束が流入する部分の磁路断面積（面Ｓ１の面積）と磁束が流出する部分の磁路断面積（面Ｓ２の面積）が等しいため、磁束Ｍの滞留が生じず、局所的な磁束飽和の発生を防止することができる。

インダクタ１の高さ寸法Ｈおよび幅寸法Ｗは、搭載される回路などの仕様により予め定められる。またワイヤ３１の線径φは、収容空間２４内において所定の巻数を実現しうる範囲内で大きな値が選ばれる。直流抵抗をできる限り小さくして発熱を抑制するためである。収容空間２４の高さ寸法Ｃは、ワイヤ３１の線径φにより定まるため、第１フランジ２１と第２フランジ２２の厚さ寸法Ｂは、（Ｈ−Ｃ）／２として求められる。ここで面Ｓ１と面Ｓ２の面積が等しくなるように、すなわち次式を満足するように、ＤおよびＡの寸法が定められる。
Ｂ×Ｄ＝（Ａ／２）^２ （１）

インダクタに対する薄型化（すなわち寸法Ｈを小さくすること）の要求と、ワイヤの線径φをできる限り大きくしたいという要求の双方を満足するためには、フランジの厚み寸法Ｂは小さくならざるを得ない。ここで特許文献１に記載の構成のように、柱部の外周面がフランジの対向面と直交する場合、（１）式においてＤ＝Ａであるため、Ｂを小さくするということは、柱部の直径を小さくすることにつながる。よって磁路断面積が小さくなるため、磁気飽和が生じやすくなり、インダクタの定格電流値が低下する。また薄いフランジが片持ち梁状に延びている部分が長くなるため、外力が加わるとフランジの根元部分において破損が生じやすい。

一方、本実施形態の構成においては、寸法ＡとＤの組合せを（１）式を満たすように適宜に選択することができる（但しＡ＝Ｄ以外の値）。例えば寸法Ａを幾分大きくし、面Ｓ２において磁束飽和の生じにくい磁路断面積を確保したい場合、当該Ａの値に見合った（磁路断面積の等しい面Ｓ１を得るための）Ｄの値を定めることができる。ＡとＤには寸法差が存在するため、どのような組合せのＡとＤを選んでも、必ず第１傾斜面２３ａおよび第２傾斜面２３ｂを有する構成とすることができる。

したがって第１フランジ２１と第２フランジ２２を薄くして（厚み寸法Ｂを小さくして）大きな線径φを有するワイヤ３１を収容可能な高さ寸法Ｃを有する収容空間２４を確保しつつも、十分な磁路断面積を確保し、かつ第１フランジ２１と第２フランジ２２の根元部分の剛性を高めることができる。

図３に示すように、本実施形態においては、１層目のワイヤ３１ａを１段巻き、２層目のワイヤ３１ｂを２段巻きとしている。「１層目のワイヤ」とは、柱部２３から見て最も内側に巻かれているワイヤを指し、「２層目のワイヤ」とは、１層目のワイヤから見て最も内側に巻かれているワイヤを指す。３層目以降も同様に定義される（本例では２層目までを図示している）。「Ｎ段巻き」（Ｎは１以上の整数）とは、同じ層に属するワイヤが柱部２３の軸方向に並ぶ本数を表す表現である。

本実施形態においては、第１傾斜面２３ａおよび第２傾斜面２３ｂが形成されているため、１層目のワイヤ３１ａの位置決めを容易かつ確実に行なうことができる。これにより２層目以降のワイヤの位置も確実に定まり、工程管理が容易になるだけでなく、コイルの特性ばらつきを抑制することができる。

上記のような外周面を有する柱部２３を形成するために、まず高さＨ、幅Ｗの寸法を有するモノリシックなフェライトを用意する。次いで柱部２３の外周面に対応する形状を有するブレードで側面から切削加工を行なうことにより、収容空間２４が形成され、その最奥部が柱部２３の外周面となる。コア２はモノリシックな構造を有するように形成されるため、特許文献１のように接着剤を使用する貼り合わせ工程を要しない。したがって、工数の削減が可能であるのみならず、コアの特性を安定したものとすることができる。

上記の実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであって、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更・改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは明らかである。

柱部２３の外周面の形状は、柱部２３の径方向内側に窪んでいる限りにおいて、直径Ａが最小となる部位を必ずしも平坦面２３ｃとすることを要しない。例えば図４に示す変形例に係るコア２Ａのように、柱部２３の直径が最小となる部分が曲面２３ｄの一部とされる構成としてもよい。

上記の実施形態において柱部２３の直径が最小となる部分を平坦面２３ｃとしたのは、主として加工容易性により製造コストを抑制しうるためである。一方、変形例のように曲面２３ｄを有する構成の場合、応力が一点に集中しにくく、柱部２３の剛性を高めることができる。

柱部２３の径方向についての断面形状は、必ずしも円形であることを要しない。柱部２３の中心軸について軸対称な断面を有する限りにおいて、任意の形状を採用することができる。このとき「柱部２３の直径が最小となる寸法Ａ」は、「柱部２３の軸方向に直交する向きの寸法が最小となる寸法Ａ」と言い換えることができる。

上記の説明における「上」「下」という表現は、図面を参照した説明において便宜上用いたに過ぎず、製品の使用時における方向を限定する意図ではない。「上」および「下」は、それぞれ第１フランジ２１に近い側、第２フランジ２２に近い側と言い換えることができる。

１：インダクタ、２：コア、３：コイル、２１：第１フランジ、２１ａ：第１対向面、２１ｂ：柱部の外周面が第１対向面と交わる部分、２２：第２フランジ、２２ａ：第２対向面、２２ｂ：柱部の外周面が第２対向面と交わる部分、２３：柱部、２３ａ：第１傾斜面、２３ｂ：第２傾斜面、２３ｃ：平坦面、２３ｄ：曲面、２４：ワイヤの収容空間、３１ａ：１層目のワイヤ、３１ｂ：２層目のワイヤ、Ａ：柱部の直径の最小値、Ｂ：第１フランジと第２フランジの厚さ寸法、Ｃ：収容空間の高さ寸法、Ｄ：部分２１ｂにおける第１フランジの直径、Ｈ：コアの高さ寸法、Ｍ：磁束、Ｓ１：第１フランジにおける磁路断面、Ｓ２：柱部の最小径部における磁路断面、Ｗ：コアの幅寸法、φ：ワイヤの線径

Claims (5)

1. 第１方向に延びる一対のフランジ、および当該一対のフランジの間で当該第１方向と直交する第２方向に沿って延びる柱部を備え、磁性体からなるモノリシックなコアと、
   導電性を有し、前記柱部の周りに巻き回されてコイルを形成するワイヤとを備え、
   前記コアの前記第２方向に沿う向きの寸法は、前記第１方向に沿う向きの寸法よりも小さく、
   前記一対のフランジは、前記第１方向に延びて前記ワイヤの収容空間を区画形成する第１対向面と第２対向面を有しており、
   前記柱部の外周面は、当該柱部が前記第１対向面および前記第２対向面と交わる部分より、当該柱部の前記第２方向における中央部に向かうに連れて、当該柱部の前記第１方向における内側に窪んでいる、インダクタ。
2. 前記外周面が前記第１対向面または前記第２対向面と交わる部分における磁路断面積と、前記柱部の前記第１方向における寸法が最小となる部分における磁路断面積とが等しくなるように、前記外周面の窪み形状が定められている、請求項１に記載のインダクタ。
3. 前記柱部の前記第１方向における寸法が最小となる部分は、平坦面の一部とされている、請求項１または２に記載のインダクタ。
4. 前記柱部の前記第１方向における寸法が最小となる部分は、曲面の一部とされている、請求項１または２に記載のインダクタ。
5. 前記ワイヤは、１層目が１段巻き、２層目以降が２段巻きとなるように、前記柱部の周りを巻き回されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のインダクタ。

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