JP2016136592A

JP2016136592A - チョークコイル用コアおよびチョークコイル

Info

Publication number: JP2016136592A
Application number: JP2015011503A
Authority: JP
Inventors: 後藤　聡志; Satoshi Goto; 聡志後藤; 池田　幸司; Koji Ikeda; 幸司池田
Original assignee: JFE Chemical Corp
Current assignee: JFE Chemical Corp
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2016-07-28

Abstract

【課題】−２０℃の低温から１２０℃〜１５０℃の高温までの広い温度域で、ノイズ減衰機能が低下せず、かつ１個で所定の周波数帯域をカバーできるチョークコイルを提供する。【解決手段】閉磁路を有するＭｎＺｎフェライトのコアからなるチョークコイル用コアにおいて、該コアを、その磁路に平行に分割された複数個の分割コアを重ね合わせた一体構造とし、かつ該分割コアを、比初透磁率の極大値温度とキュリー温度とが異なる材質のＭｎＺｎフェライトで構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、入出力端子の一方から流入して他方へ通過するコモンモードノイズ電流を、低温から高温までの広い温度域にわたり、かつ低周波数域から高周波数域までの幅広い帯域にわたって阻止することができるノイズフィルター用のチョークコイルと、かかるチョークコイル用のコアに関するものである。

コモンモードノイズ電流を減衰させるための一般的なノイズフィルターは、閉磁路を有するフェライトなどの酸化物磁性体のコアを使用することが多い。端子ノイズの規制対象となる周波数域は１０ｋＨｚから３０ＭＨｚまでの広い帯域にわたっている。ノイズの減衰方法は、高周波数帯域成分はチョークコイルのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスによるフィルタ回路で減衰させ、一方低周波数帯域成分はチョークコイルのインダクタンスを大きくし、コイルを高インピーダンス化させることによって減衰を図っている。

コモンモードチョークコイルに要求される性能は、コモンモードノイズの１０ｋＨｚから３０ＭＨｚまでの周波数成分に対するインピーダンスができ得るかぎり大きいことが望まれる。すなわち、このような広い周波数帯域でインダクタンスができるだけ大きいことが要求される。コモンモードチョークコイルで使用される閉磁路を有する磁性体のコアとしては、インダクタンスの高い、すなわち比初透磁率の高い磁性体であればいずれも適用可能であるが、コスト、ハンドリングおよび量産の観点から酸化物磁性体であるフェライトコアを用いることが多い。

そして、フェライトの中では、１０ｋＨｚから１ＭＨｚ程度で最も高い比初透磁率を有するＭｎＺｎ系フェライトと、〜３０ＭＨｚまで比較的高い比初透磁率を有するＮｉＺｎ系フェライトが主として用いられる。
コアの形状としては、閉磁路を有するトロイダル形状（リング形状）のものが多く用いられているが、閉磁路を形成できる他の形状としてＥＥ型、ＥＩ型、ＵＵ型、日の字型、あるいはロの字型のコアも用いられている。

ところで、コモンモードチョークコイルでは、１０ｋＨｚから３０ＭＨｚまでの周波数帯域でのコモンモードノイズの減衰量を大きくするためには、コモンモードノイズに対する抵抗、すなわちインピーダンスを大きくする必要がある。巻線したコイルのインピーダンスが１０ｋＨｚから３０ＭＨｚの周波数帯域で大きいことが要求され、通常は使用するコアを大きくしてコイル全体を大きくするか、あるいはコイルを直列に２個接続する等の方策がとられている。

また、コモンモードチョークコイルでは、コアを大きくする以外にコイルの巻数を増やしたり、またコアの材料として比初透磁率の大きいものを用いたりすることによって、低周波数帯域でのインピーダンスを大きくすることも行われている。ただし、コイルの巻数を単純に増加すると線間分布容量が増加し、この容量分のキャパシタンスとインダクタンスが共鳴現象を起こし、インピーダンスが急激に低下するという問題がある。このため、巻数を増やさなくてもよいように、低周波帯域、特に１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ程度の領域で高いインダクタンス、すなわち高い比初透磁率をもったコアが必要となる。

さらに、インピーダンスの周波数特性を改良する方法として、例えば特許文献１に示されているようなカルボニル鉄圧粉コアとフェライトコアを重ね合わせたものや、特許文献２に示されているようなアモルファス磁性材料のコアと圧粉コアとを組み合わせたもの等のように、周波数特性が異なる２種類のコアを並列に配置して巻線する構造のものも提案されている。

実開平４−３２５１３号公報実開昭６２−１９７８２３号公報

しかしながら、上述した方策や特許文献1,2に示す構造のものは、いずれも基本的にチョークコイルが室温付近で稼働することを前提に考えられており、対象とするノイズ減衰も室温での評価がほとんどである。

近年、各種電子機器の小型化、低コスト化で、チョークコイルの設置場所が、高温となる半導体やトランスの近くに置かれるようになり、高温域でのノイズ減衰が不足して規格を満足しないといった問題が出てきている。

さらに、車載部品の電子化が進み、エンジン周りの高温箇所にもチョークコイルを含む電源等が設置されるようになってきており、室温だけでなく１００℃を超える１２０℃〜１５０℃の高温域でノイズフィルターとして機能することも要求されるようになってきた。また、車載部品では、寒冷地などで野外に駐車した場合、気温が低下するため室温以下の−２０℃といった低温域でも、ノイズフィルターとして機能しなければならないことも考慮する必要がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、室温を含む−２０℃の低温から１２０℃〜１５０℃の高温までの広い温度域で、ノイズ減衰機能が低下せず、かつ１個で所定の周波数帯域をカバーできるチョークコイルと、かかるチョークコイル用のコアを提供することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、高温域でのノイズ減衰が不足して規格を満足しない原因は、酸化物磁性体である各種ＭｎＺｎ系フェライトの比初透磁率の周波数特性が温度によって大きく変化することにあることを突き止めた。そして、この問題を解決するには、比初透磁率の周波数特性の温度変化が異なる異種材質のコアを組み合わせることが有効で、これにより所望の低温域から高温域までノイズ減衰特性が低下しないチョークコイルが得られることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．閉磁路を有するＭｎＺｎフェライトのコアからなるチョークコイル用コアであって、該コアが、その磁路に平行に分割された複数個の分割コアを重ね合わせて一体化した構造になり、かつ該分割コアが、比初透磁率の極大値温度とキュリー温度とが異なる材質のＭｎＺｎフェライトからなることを特徴とするチョークコイル用コア。

２．前記分割コアを重ね合わせて一体化したコアの比初透磁率が、周波数：１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、かつ温度：−２０℃〜１２０℃の範囲で、３０００以上であることを特徴とする前記１に記載のチョークコイル用コア。

３．前記分割コアを重ね合わせて一体化したコアの比初透磁率が、周波数：１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、かつ温度：−２０℃〜１５０℃の範囲で、３０００以上であることを特徴とする前記１に記載のチョークコイル用コア。

４．前記分割コアが、キュリー温度が１５０℃以上で、かつ比初透磁率の極大値温度が異なる材質のＭｎＺｎフェライトからなることを特徴とする前記１に記載のチョークコイル用コア。

５．前記分割コアを重ね合わせて一体化したコアの比初透磁率が、周波数：１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、かつ温度：０℃〜１２０℃の範囲で、４０００以上であることを特徴とする前記４に記載のチョークコイル用コア。

６．前記１〜５のいずれかに記載のコアに、巻線を施してなるチョークコイル。

本発明によれば、−２０℃の低温度域から１２０℃さらには１５０℃の高温度域にわたって、比初透磁率の周波数特性が大きく変化せず、幅広い温度域で動作可能なＭｎＺｎ系フェライトコアを得ることができる。

そして、本発明のＭｎＺｎ系フェライトコアを用いることにより、従来の単独のＭｎＺｎ系フェライトコアでは不可能であった、１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの周波数帯域における比初透磁率が３０００以上に相当するインダクタンスを有し、しかもそのインダクタンスの周波数特性が−２０℃〜１２０℃、さらには１５０℃の範囲まで維持されるという優れた温度依存性有する、コモンモードノイズを除去するのに好適なチョークコイルとすることができる。

さらに、本発明によれば、分割コアとして、キュリー温度が１５０℃以上で、かつ比初透磁率の極大値温度が異なる材質のＭｎＺｎフェライトを用いることにより、１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの周波数領域における比初透磁率が４０００以上に相当するインダクタンスを有し、しかもそのインダクタンスの周波数特性が０℃〜１２０℃の範囲にわたって維持されるという優れた温度依存性有する、コモンモードノイズを除去するのに最適なチョークコイルとすることができる。

磁路に平行に分割された複数個の分割コアを重ね合わせて一体化した、本発明の構造になるチョークコイルを示した図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
コモンモードノイズのノイズ低減に用いられるチョークコイル用のコアとしては、ＭｎＺｎ系フェライトが一般的に使用されている。このノイズ低減用のＭｎＺｎ系フェライトは室温２３℃付近で最も比初透磁率とその周波数特性が良くなるように設計された、いわゆる高透磁率材である。ＭｎＺｎ系フェライトの高透磁率材は室温付近での比初透磁率を高める組成を選択しているため、キュリー温度が１００℃〜１５０℃と低く、さらにこのキュリー温度に近づくにつれて比初透磁率が１０ｋＨｚ程度の低周波域で急上昇し、その反対に５００ｋＨｚ程度の高周波域で急減するという挙動を示す。したがって高透磁率材は一般的に１００℃以上の温度域では低温域でのようなノイズ低減機能は発揮できない。

このような高透磁率材に対し、同じＭｎＺｎ系フェライトでも電源のトランスコアに使用される、いわゆる電源材はもともと１００℃付近の高温域で稼働することを前提に材質設計がなされており、一般的に１００℃付近で最もコアロスが小さく、また比初透磁率とその周波数特性も良好な挙動を示す。さらに１００℃付近で稼働させるため、キュリー温度は２００℃以上となっている。ただ、電源材は１００℃付近でのコアロスの低減に重きをおいているため、１００℃未満の低温域では高透磁率材ほど比初透磁率は高くないという問題がある。

そこで、これら高透磁率材と電源材のコアの比初透磁率の挙動を幅広く詳細に調査した結果、閉磁路を有する状態で両者のコアを適当な割合で組み合わせれば、両者の特性を合わせ持つ、広い温度範囲で比初透磁率の周波数特性が劣化しないコアとできることを新たに見いだした。

すなわち、本発明に従うチョークコイル用のコアは、図１に示すように、コアの磁路に平行に複数個に分割し、これらの分割コアを重ね合わせて一体化した構造とする。そして、本発明では、かかる分割コアの素材として、比初透磁率の極大値温度とキュリー温度が異なる材質のＭｎＺｎフェライトを用いるのである。
本発明において、材質の異なるＭｎＺｎフェライトとしては、いわゆる電源材と高透磁率材との組み合わせが特に好適である。というのは、電源材は高温域での比初透磁率に優れ、一方高透磁率材は低温域での比初透磁率に優れることから、これらを組み合わせることによって幅広い温度域にわたって優れた周波数特性を有するコアとすることが可能になるからである。

図１において、符号１が高透磁率材ＭｎＺｎフェライト、２が電源材ＭｎＺｎフェライトであり、図１（ａ）では、高透磁率材１と電源材２とを積層して一体化した２層構造の場合を示している。
高透磁率材１と電源材２の積層構造については、図１（ａ）に示した２層構造に限るものではなく、図１（ｂ）に示すように、例えば高透磁率材１をその両側から電源材２で挟んだ３層構造としても良い。さらに、異種のＭｎＺｎフェライトを用いさえすれば、積層数は４層、５層、あるいはそれ以上であっても良い。

ここに、電源材として好適なＭｎＺｎフェライト組成は、Ｆｅ_２Ｏ_３＝５２〜５４ｍｏｌ％、ＺｎＯ＝５〜１５ｍｏｌ％、残部ＭｎＯである、一方、高透磁率材として好適なＭｎＺｎフェライト組成はＦｅ_２Ｏ_３＝５２〜５４ｍｏｌ％、ＺｎＯ＝１５〜２５ｍｏｌ％、残部ＭｎＯである。さらに、いずれも比初透磁率の温度依存性を小さく制御するために、ＣｏＯを０．０５〜１ｍｏｌ％の範囲で添加してもよい。

なお、分割コアの一体化の方法としては、分割コアが動かなければどのような方法でもよい。例えば、コアの上下面に接着剤を用いてもいいし、側面を接着テープで巻いて固定してもよい。
さらに、一体化方法としては、焼結法を利用することもできる。この焼結法は、分割コアの素材として磁気特性が異なる材質のＭｎＺｎフェライト粉の成形体を準備しておき、これらの成形体を重ね合わせて焼結することにより一体化する方法である。その際、成形体の接触面の一方の面内に少なくとも一つの凹部を形成し、他方の面内にこの凹部と嵌まり合う凸部を形成しておくようにすれば、焼結後に高い接合強度を得ることができ、有利である。

以下に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
組み合わせに用いる一方のＭｎＺｎフェライトとして、その組成がＦｅ_２Ｏ_３＝５２．７ｍｏｌ％、ＺｎＯ＝１２．１ｍｏｌ％、ＣｏＯ＝０．５ｍｏｌ％、残部ＭｎＯで、表１に示すように、比初透磁率の極大値温度Ｔ_ｓが８０℃、キュリー温度Ｔ_ｃが２３０℃である電源材Ａを用意した。この電源材Ａを用いて、外径：３１ｍｍ、内径：１９ｍｍ、高さ：１５ｍｍのリング形状コアとしたときの比初透磁率μ_ｒｉを、温度が−２０℃〜１５０℃の範囲で、周波数が１０ｋＨｚ、５００ｋＨｚの場合について調べた結果を表１に示す。

表１に示したとおり、温度：−２０℃、０℃のときの１０ｋＨｚにおける比初透磁率μ_ｒｉは３０００以下であり、ノイズ低減のためのチョークコイルにするには巻数の点で不利である。

また、他方のＭｎＺｎフェライトとしては、その組成がＦｅ_２Ｏ_３＝５２．２ｍｏｌ％、ＺｎＯ＝２１．０ｍｏｌ％、残部ＭｎＯで、表２に示すように、比初透磁率μ_ｒｉの極大値温度Ｔ_ｓが２３℃、キュリー温度Ｔ_ｃが１３０℃である高透磁率材ａを用意した。この高透磁率材ａを用いて、外径：３１ｍｍ、内径：１９ｍｍ、高さ：１５ｍｍのリング形状コアとしたときの比初透磁率μ_ｒｉを、温度が−２０℃〜１５０℃の範囲で、周波数が１０ｋＨｚ、５００ｋＨｚの場合について調べた結果を表２に示す。

この高透磁率材ａのキュリー温度は１３０℃であるので、１５０℃でのμ_ｒｉは０である。また、表２に示したとおり、温度：１２０℃、周波数：５００ｋＨｚではμ_ｒｉは６６０と１０００以下の極めて小さな値になっている。

次に、これらと同じ材質のコアで、リング形状の外径、内径を同じとし、厚みだけを変更したコアを種々作製した。厚みを変更する際、電源材と高透磁率材のそれぞれのコアの厚みの合計は表１，２に示した数値と同じ１５ｍｍとなるようにした。そして両者のリング形状コアを磁路が一致するようずれないように一体化し、一体化したコア全体で比初透磁率を表１，２と同じ条件で測定した。
一体化手段としては、テープ接着を用いた。

表３（発明例１）に、電源材Ａの厚みを８．６ｍｍ、高透磁率材ａの厚みを６．４ｍｍにした場合、
表４（発明例２）に、電源材Ａの厚みを８．７ｍｍ、高透磁率材ａの厚みを６．３ｍｍにした場合、
表５（発明例３）に、電源材Ａの厚みを１０．２ｍｍ、高透磁率材ａの厚みを４．８ｍｍにした場合、
表６（発明例４）に、電源材Ａの厚みを１０．８ｍｍ、高透磁率材ａの厚みを４．２ｍｍにした場合、
表７（発明例５）に、電源材Ａの厚みを１３．１ｍｍ、高透磁率材ａの厚みを１．９ｍｍにした場合、
表８（発明例６）に、電源材Ａの厚みを１３．２ｍｍ、高透磁率材ａの厚みを１．８ｍｍにした場合の比初透磁率μ_ｒｉについて調べた結果をそれぞれ示す。

発明例２，３では、周波数：１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲で、かつ温度が−２０℃〜１２０℃の全ての範囲で、比初透磁率μ_ｒｉが３０００以上となっており、また発明例４，５では周波数：１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲で、かつ温度が−２０℃〜１５０℃の全ての範囲で、比初透磁率μ_ｒｉが３０００以上となっている。
これらのように比初透磁率の極大値温度Ｔ_ｓとキュリー温度Ｔ_ｃが異なる材質のＭｎＺｎフェライトを組み合わせることにより、それぞれ単独材質では実現できなかった、周波数１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲で、広い温度範囲にわたり高い比初透磁率μ_ｒｉを実現することができた。

（実施例２）
組み合わせに用いる一方のＭｎＺｎフェライトとして、その組成がＦｅ_２Ｏ_３＝５２．２ｍｏｌ％、ＺｎＯ＝１１．１ｍｏｌ％、残部ＭｎＯで、表９に示すように、比初透磁率の極大値温度Ｔ_ｓが１００℃、キュリー温度Ｔ_ｃが２１５℃である電源材Ｂを用意した。この電源材Ｂで、外径３１ｍｍ、内径１９ｍｍ、高さ１５ｍｍのリング形状コアの比初透磁率μ_ｒｉを、温度が−２０℃〜１５０℃の範囲で、周波数が１０ｋＨｚ、５００ｋＨｚの場合について調べた結果を表９に示す。

表９に示したとおり、温度：−２０℃〜２３℃のときの１０ｋＨｚ、５００ｋＨｚにおける比初透磁率μ_ｒｉは３０００以下であり、ノイズ低減のためのチョークコイルにするには巻数の点で不利である。

また、他方のＭｎＺｎフェライトとしては、表２に示した比初透磁率の極大値温度Ｔ_ｓが２３℃、キュリー温度Ｔ_ｃが１３０℃である高透磁率材ａを用意した。この高透磁率材ａのキュリー温度は１３０℃であるので、１５０℃でのμ_ｒｉは０であり、また温度：１２０℃、周波数：５００ｋＨｚにおけるμ_ｒｉは６６０と極めて小さい。

上記したのと同じ材質のコアで、リング形状の外径、内径を同じとし、厚みだけを変更したコアを種々作製した。厚みを変更する際、電源材と高透磁率材のそれぞれのコアの厚みの合計は表１，２に示した１５ｍｍとなるようにした。そして両者のリング形状コアを磁路が一致するようずれないように一体化し、一体化したコア全体で比初透磁率μ_ｒｉを表１，２と同じ条件で測定した。一体化の方法は、実施例１の場合と同じである。

表１０（発明例７）に電源材Ｂの厚みを８．９ｍｍ、高透磁率材の厚みを６．１ｍｍにした場合、
表１１（発明例８）に電源材Ｂの厚みを９．０ｍｍ、高透磁率材ａの厚みを６．０ｍｍにした場合、
表１２（発明例９）に電源材Ｂの厚みを９．１ｍｍ、高透磁率材ａの厚みを５．９ｍｍにした場合の比初透磁率μ_ｒｉについて調べた結果をそれぞれ示す。

表１０〜１２に示したとおり、発明例７〜９はいずれも、周波数が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲で、かつ温度が−２０℃〜１２０℃の全ての範囲で、比初透磁率μ_ｒｉが３０００以上となっている。

（実施例３）
組み合わせに用いる一方のＭｎＺｎフェライトとしては、表１に示した、比初透磁率の極大値温度Ｔ_ｓが８０℃、キュリー温度Ｔ_ｃが２３０℃である電源材Ａを使用した。
他方のＭｎＺｎフェライトとしては、組成がＦｅ_２Ｏ_３＝５２．８ｍｏｌ％、ＺｎＯ＝１６．０ｍｏｌ％、ＣｏＯ＝０．２ｍｏｌ％、残部ＭｎＯで、表１３に示すように、比初透磁率μ_ｒｉの極大値温度Ｔ_ｓが２３℃、キュリー温度Ｔ_ｃが１９０℃である高透磁率材ｂを使用した。この高透磁率材ｂで、外径３１ｍｍ、内径１９ｍｍ、高さ１５ｍｍのリング形状コアの比初透磁率μ_ｒｉを、温度が−２０℃〜１５０℃の範囲で、周波数が１０ｋＨｚ、５００ｋＨｚの場合について調べた結果を表１３に示す。

表１３に示したとおり、周波数が５００ｋＨｚの場合は、温度が１５０℃で比初透磁率μ_ｒｉは３０００以下、また１２０℃で比初透磁率μ_ｒｉは４０００以下であり、必ずしも十分とは言えない。

次に、これらと同じ材質のコアで、リング形状の外径、内径を同じとし、厚みだけを変更したコアを種々作製した。厚みを変更する際、電源材と高透磁率材のそれぞれのコアの厚みの合計は表１，２に示した１５ｍｍとなるようにした。そして両者のリング形状コアを磁路が一致するようずれないように一体化し、一体化したコア全体で比初透磁率μ_ｒｉを表１，２と同じ条件で測定した。一体化の方法は、実施例１の場合と同じである。

表１４（発明例１０）に電源材Ａの厚みを７．８ｍｍ、高透磁率材ｂの厚みを７．２ｍｍにした場合、
表１５（発明例１１）に電源材Ａの厚みを７．７ｍｍ、高透磁率材ｂの厚みを７．３ｍｍにした場合、
表１６（発明例１２）に電源材Ａの厚みを７．５ｍｍ、高透磁率材ｂの厚みを７．５ｍｍにした場合の比初透磁率μ_ｒｉについて調べた結果をそれぞれ示す。

表１４，１５に示したとおり、発明例１０〜１２はいずれも、周波数が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲で、かつ温度が−２０℃〜１５０℃の全ての範囲で、比初透磁率μ_ｒｉが３０００以上であり、さらに温度が０℃〜１２０℃間であれば、比初透磁率μ_ｒｉが４０００以上という優れた特性が得られている。

１高透磁率材
２電源材

Claims

閉磁路を有するＭｎＺｎフェライトのコアからなるチョークコイル用コアであって、該コアが、その磁路に平行に分割された複数個の分割コアを重ね合わせて一体化した構造になり、かつ該分割コアが、比初透磁率の極大値温度とキュリー温度とが異なる材質のＭｎＺｎフェライトからなることを特徴とするチョークコイル用コア。
前記分割コアを重ね合わせて一体化したコアの比初透磁率が、周波数：１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、かつ温度：−２０℃〜１２０℃の範囲で、３０００以上であることを特徴とする請求項１に記載のチョークコイル用コア。
前記分割コアを重ね合わせて一体化したコアの比初透磁率が、周波数：１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、かつ温度：−２０℃〜１５０℃の範囲で、３０００以上であることを特徴とする請求項１に記載のチョークコイル用コア。
前記分割コアが、キュリー温度が１５０℃以上で、かつ比初透磁率の極大値温度が異なる材質のＭｎＺｎフェライトからなることを特徴とする請求項１に記載のチョークコイル用コア。
前記分割コアを重ね合わせて一体化したコアの比初透磁率が、周波数：１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、かつ温度：０℃〜１２０℃の範囲で、４０００以上であることを特徴とする請求項４に記載のチョークコイル用コア。
請求項１〜５のいずれかに記載のコアに、巻線を施してなるチョークコイル。