JP2016157891A - インダクタンス部品 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を向上させたインダクタンス部品とし、さらには磁気ギャップから漏れる電磁ノイズを影響を低減可能なインダクタンス部品を提供する。
【解決手段】コイル３０と、コイル３０が設けられる磁性コアとを備え、筐体に取り付けられるインダクタンス部品である。磁性コアは、コイル３０が設けられる内側部２０と、内側部２０の周囲にあって内側部２０のコイル３０の巻軸方向の両端を磁気的に接続し磁路を構成する外側部１０を有する。外側部１０は筐体と接する側に平坦面を有し、外側部１０の平坦面側にてコイル３０の側面が前記平坦面と略同一の高さに位置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽光発電、燃料電池、ハイブリッド車、燃料電池車、ＥＶ車やエアコンの室外機などのコンバータ回路、平滑回路、アクティブ回路に用いられるインダクタやトランスなどのインダクタンス部品に関する。

インダクタやトランス等のインダクタンス部品は、例えば、コイルと、コイルが巻装された絶縁性樹脂製のケースと、前記ケース内に配置された磁性コアとで構成とするものであって、コンバータ回路、平滑化回路、アクティブ回路等に用いられる。

この様なインダクタンス部品は、コイルの抵抗損失や磁性コアの磁気エネルギー損失によって発熱するため、放熱性の向上が求められている。またインダクタンス部品の内、平滑インダクタや共振インダクタでは、所望のインダクタンス値を得るとともに磁性コアの磁気飽和を防ぐために磁路にギャップを設けるが、そこから漏れる電磁ノイズの影響を小さくすることも求められる。

放熱性を改善するインダクタンス部品の例として、特許文献１には、トランスの発熱を熱伝導の優れたプリント配線板に伝熱し、冷却することが開示されている。図９にその外観斜視図を示す。プリント配線板に搭載されるトランス２００は、コイル２２０と、磁性コア２２１と、前記磁性コア２２１の両端側でプリント配線板との間に配置された絶縁部材２２３と、前記絶縁部材２２３から突出しプリント配線板に設けられた接続パターン２１５と繋がるリード端子２２４を有する。プリント配線板は、熱伝導性に優れるアルミ等からなる基板２１７で構成され、その表面には絶縁膜２１２が施されていて、接続パターン２１５や放熱パターン２１６が形成されている。前記コイル２２０と前記コア２２１との外面に導電性のシールド部材２１３を密着させ、その端部を前記プリント配線板に形成された放熱パターン２１６に接合して、放熱パターン２１６を熱経路としてトランス２００からの発熱をプリント配線板に伝える。

また特許文献２にはコイルを良好に冷却する平滑インダクタが開示されている。図１０にその構成を示す。平滑インダクタ３００は、断面形状が角状の磁性コア３０１に幅広の平角導体線のコイル３０２を嵌装している。平角導体線の幅広な面が磁性コア３０１に面して単層に巻かれ、コイル３０２の外側は平角導体線の幅広な面が連続して平坦な表面を構成する。

図示した例では、磁性コア３０１はソフトフェライトからなるアルファベットのＵ字型コア３１１とＩ字型コア３１２とを組み合わせて構成される。図面には現れていないが、Ｕ字型コア３１１は、平板状の中央部と、前記中央部の両端部から同一方向へ突出する一対の脚部とを有し、また、Ｉ字型コア３１２は、Ｕ字型コア３１１の脚部に密接する平板形状となっている。Ｕ字型コア３１１の両脚部の一方の先端面は一部が切り欠かれて段差部となっており、Ｉ字型コア３１２との間に磁気飽和を防ぐ磁気ギャップを形成している。

コイル３０２はＩ字型コア３１２を通し、Ｉ字型コア３１２との間に熱伝導シートとしてシリコン樹脂からなるシート３０５を設けている。また、熱伝導性が良いアルミの平板からなる放熱板３０３との間にもシート３０５を設けている。板ばね部材３０４（固定部材）の両端を冷却器として機能する放熱板３０３に締結し、その中央の湾曲部で磁性コア３０１を通じてコイル３０２を放熱板３０３の表面に押し付けて放熱性を向上している。

実開平４−１３４８１５号公報 特開２００２‐２０８５２１号公報

特許文献１や特許文献２で示されたインダクタ部品では、磁性コアの熱は金属製の板ばね部材やシールド部材を経路として放熱板やプリント配線板に伝わるが、磁性コアからの放熱が十分に成されないと、コイルからの熱と磁性コア自体の発熱も相俟って、磁性コアに著しい温度上昇を招くことがある。そのため十分な放熱性を得るには熱経路の断面積を大きくすることが必要で、インダクタンス部品の小型化を妨げる要因の一つとなっている。また、ソフトフェライトで磁性コアを構成する場合に、高温で飽和磁束密度が低下するのを考慮し、磁気飽和しないような十分な体積をもつ様に設計するのが一般的だが、この様な制約もインダクタンス部品の小型化を妨げる要因の一つとなっている。

また特許文献２では、磁気ギャップの近傍に金属性の放熱板を延在させることで、その電磁遮蔽効果によって電磁ノイズを良好に低減するが、渦電流によって放熱板自体が発熱する問題があった。

そこで本発明は、簡単な構造でコイルのみならず磁性コアからの放熱性を向上させたインダクタンス部品を提供することを第１の目的とし、更に加えて磁気ギャップを磁路に設ける場合に、そこから漏れる電磁ノイズを影響を低減可能なインダクタンス部品を提供することを第２の目的とする。

本発明は、コイルと、コイルが設けられる磁性コアとを備え、筐体に取り付けられるインダクタであって、前記磁性コアはコイルが設けられる内側部と、前記内側部の周囲にあって内側部の前記コイルの巻軸方向の両端を磁気的に接続し磁路を構成する外側部を有し、 前記外側部は筐体と接する側に平坦面を有し、前記磁性コアの外側部の平坦面側にて前記コイルの側面が前記平坦面と略同一の高さに位置することを特徴とするインダクタンス部品である。

本発明においては、前記磁性コアの内側部と外側部とが別体で構成され、前記外側部の外側コアは枠状を成し、前記筐体とは反対側の開口側にオーバーハング部を有し、前記内側部の内側コアは該オーバーハング部に係止め可能な柱状であるのが好ましい。更に、前記外側コアは、前記内側コアの両端側であって、前記オーバーハング部を底部とする窪みを有するのが好ましい。また、前記コイルの両端側は、前記磁性コアの外側コアの筐体とは反対側の開口側から引き出されるのが好ましい。

本発明においては、前記磁性コアの内側コアの両端側と外側コアとの間に間隔を設けて磁気ギャップとするのが好ましい。

本発明においては、前記コイルを巻回するボビンを有し、前記ボビンは磁性コアの内側コアを一方から挿入する入口と位置決めする係止部を有するのが好ましい。

本発明のインダクタンス部品によれば、コイルと磁性コアとから筐体を介して放熱を行うことで放熱性が向上される。更には磁路に設けられる磁気ギャップから漏れる磁束による電磁ノイズを影響を磁性コア自体で低減可能とすることが出来る。

本発明のインダクタンス部品の一実施態様であるインダクタの外観を示す斜視図である。 図１のインダクタンス部品のＡ−Ａ断面図である。 図１のインダクタンス部品の構造を説明するため主な部材に分解して示す斜視図である。 （ａ）本発明のインダクタンス部品の一実施態様に用いる磁性コアを構成する外側部（外側コア）を示す斜視図である。（ｂ）外側部（外側コア）を他の方向から見た斜視図である。 （ａ）図４に示す外側部（外側コア）のＢ−Ｂ断面図である。（ｂ）図４に示す外側部（外側コア）のＣ−Ｃ断面図である。 本発明のインダクタンス部品の一実施態様に用いるボビンの外観を示す斜視図である。 図６に示したボビンのＤ−Ｄ断面図である。 本発明のインダクタンス部品を筐体に取り付けた状態を説明するための断面図である。 従来のインダクタンス部品の一態様であるトランスの外観を示す斜視図である。 従来のインダクタンス部品の他の態様であるインダクタの構造を説明するための正面図である。

本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で追加及び変更が可能である。また、以下の説明における上下は、図面におけるＺ方向の上下を意味し、相対的なものであるので、例えば「上方」を「下方」と言い換えても構造が異なる訳ではない。

図１は本発明のインダクタンス部品の斜視図であり、図２はそのＡ−Ａ断面図である。また、図３は発明のインダクタンス部品の構造を説明するための分解図である。インダクタンス部品としてインダクタを例に説明する。本発明のインダクタ１は基本的な構成として、外側部（外側コア）１０と内側部（内側コア）２０とを有する磁性コア５と、前記磁性コア５の内側部２０を収容するとともに、外側にコイル３０が巻かれたボビン４０とを含んでいる。外側部１０はそのＺ方向に通じた開口１５を有し、コイル３０は前記開口１５に配置される。前記コイル３０は、インダクタンス部品のＺ方向の上面側にて、その側面の一部が前記開口１５から現れるとともに、他の一部の側面が磁性コア５の下面側に現れる。その両端３１ａ、３１ｂは外側部１０の上面側から引き出され、図示した例では同じＹ方向に屈曲している。

磁性コア５の外側部１０の下面（筐体と接する側のＸＹ面）は平坦に形成され、その平坦面に対してコイル３０の側面が略同じ高さに現れている。それによって、筐体に取り付けられたインダクタは、コイル３０や磁性コア５の発熱をそれぞれ筐体へ伝熱して放熱することが出来る。ここで略同じ高さとは、磁性コア５の外側部１０の下面（平坦面）に対して、コイル３０の側面が一面にある場合の他に、多少の位置の差がある場合も含む。

図１のインダクタは導体線が磁性コアの角部で傷つくのを防いだり、導体線を巻きやすくするためにボビン４０を使用している。この場合、導体線はできるだけボビン４０に密接して巻くのが好ましいが、断面が矩形のボビン４０では理想的な巻線状態よりも拡径したコイル３０となり易い。コイル３０の巻回状態を考慮して磁性コア５の外側部１０の各部を設定しても、コイル３０の外形の多少のばらつきは避けられず、設計上同一レベルにしても、磁性コア５の外側部１０の下面位置とコイル３０の側面位置とで若干の差が生じてしまう。本発明においては、弾性変形可能な平坦な熱伝導シートや熱伝導グリスを介して筐体と接することも可能であって、ばらつきを吸収し得る程度の高低差であれば許容される。具体的には磁性コア５の外側部１０の下面とコイル３０の側面との高さの差は０．６ｍｍ以下であるのが望ましい。

コイル３０は、外周面に巻かれたシート状の絶縁体を有していても良い。絶縁体は例えば厚みが５０〜１００μｍのシート状で、ポリエステル、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂シート、アラミド繊維等の不織絶縁紙等が好ましく、コイル３０の側面に１〜３層に巻かれる。
以下、インダクタを構成する部材について説明し、それ等を用いてインダクタの組立てについて説明する。

（磁性コア）
磁性コア５は、コイル３０が設けられる柱状の内側部２０と、内側部２０の周囲にあって、コイル３０の巻軸方向における両端を磁気的に接続し磁路を構成する矩形枠状の外側部１０を有する。外側部１０と内側部２０はそれぞれ別体コアとして２つを組み合わせて磁性コア５としても良いし、２つのＥ字型コアを組み合わせたり、Ｅ字型コアとＩ字型コアを組み合わせて構成しても良い。磁性コア５は、電磁鋼板の積層体コアや、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ系合金等の非晶質合金薄帯又はＦｅ−Ｂ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｂ系合金等のナノ結晶合金薄帯の積層体コア、純Ｆｅ、あるいはＦｅ−Ｓｉ系合金，Ｆｅ−Ｎｉ系合金，Ｆｅ−Ａｌ系合金，Ｆｅ−Ｃｏ系合金，Ｆｅ−Ｃｒ系合金，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍ系合金（ＭはＣｒ又はＡｌ）等の軟磁性Ｆｅ基合金の粉末とバインダー樹脂との圧粉コア、Ｍｎ系、Ｎｉ系フェライトコア等を用いることができる。２つのコアで同じ磁性体を用いても良いし、異なる磁性体を用いても良い。

以下、外側部１０と内側部２０がそれぞれ別体として構成される磁性コアについて、その一例を図４及び図５を用いて説明する。図４（ａ）は磁性コアを構成する外側部をＺ方向の上側から見た外側部の斜視図であり、（ｂ）は下側から見た外側部の斜視図である。磁性コアの内側部は、例えば断面が円形や図３で示したような矩形の柱状であるので、あらためて図示は行わないが、前記説明は磁性コアの内側部を単純な形状に限定するものでは無く、他の形状であってもよい。

ここで磁性コアの外側部となるコアを外側コアと呼び、内側部となるコアを内側コアと呼ぶことにする。外側コア１０は厚み方向（ｚ方向）に通じた矩形の開口１５を備え、前記開口１５を囲う全体として４つの壁部をもつ略矩形枠状に形成されている。Ｙ軸方向に対向する壁部には、窪み部１１が外側コアのＺ方向の下面側から上面側に向かって形成され、外側コアのＺ方向の上面側はオーバーハング部１８となっている。前記外側コア１０の形状を具体的に表現すると、筐体取り付け側に平坦面を有し、柱状の内側コア２０の両端と対向する端面壁と、前記端面壁に連なり前記内側コア２０の両側面を囲む側面壁とは、筐体取り付け側から立設した形状をなし、前記コイルのコイル側面は、前記外側コア１０から筐体側に露出する形状を有するものとなる。

開口１５と窪み部１１とで形成される内空間に、コイル３０が巻かれたボビン４０が配置される。外側コア１０の開口１５や窪み部１１は、圧粉コアやフェライトコアであれば圧縮成形において金型によって形成したり、焼成後のコアを研削加工して形成することが出来る。また積層体コアであれば、打ち抜いたり、エッチングしたりして所定の形状とした薄帯等を重ねることで形成することが出来る。

（ボビン）
ボビンについて、図６と図７にてその構造の例示的な実施形態を示す。ボビン４０の材質は特に限定するものではないが、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂を用いて射出成形等の公知に成形法にて得ることができる。なお、ボビン４０はコイルの絶縁保護や導体線を巻きやすくするのに有用であるが、磁性コアの材質や形状等によっては用いない場合ある。また、ボビンに換えて磁性コアに樹脂をコーディングしたり、絶縁シートを巻いたりする場合もある。

ボビン４０は図３に示したように、コイル３０を配置するための周面を有する巻線部４３と、巻線部４３の両端側において、その周面をコイル３０の軸方向において挟むように配置され、前記巻線部４３よりも大きい一対の鍔部４２ａ、４２ｂと、前記鍔部４２ａ、４２ｂより更に前記軸方向に延出し、磁性コア５の外側コア１０の窪み部１１に収められ、オーバーハング部１８やＹ軸方向の壁部と当接する延長部４４ａ、４４ｂを有する。

ボビン４０の内側は、磁性コア５の内側コア２０を収容可能な様に中空に形成されていて、コイル３０の軸方向の一方端側は、前記内側コア２０の断面寸法よりもわずかに大きい開口４５を有し、他方端側には絞り部が設けられ前記開口４５よりも小さい開口４６を有する。前記開口４５側からボビン４０の中空部４８に挿入された内側コア２０は、その端部が延長部４４ｂの絞り部と当接して位置決めされて、エポキシ系等の接着材でボビン４０に固定される。なお、ボビン４０の中空部４８における内側コア２０の位置は前記絞り部に換えてスペーサ等によっても可能であって、ボビン４０の形態は絞り部を有するものに限定するものでは無い。

ボビン４０の延長部４４ａ、４４ｂのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の厚みによって磁性コア５の外側コア１０と内側コア２０との間隔が精度よく決まるので、インダクタを組み立てる際に磁気ギャップ８０の形成ばらつきを低減することが出来る。また図示した例では、ボビン４０の巻線部４３における厚みと、延長部４４ａ、４４ｂの厚みを同じとしているが、延長部４４ａ、４４ｂを磁気回路として必要な磁気ギャップ８０が得られる厚みとし、巻線部４３をコイル３０と内側コア２０との間隔を狭めるようにして、異なる厚みに形成しても良い。磁気ギャップ８０を設けない場合には、延長部４４ａ、４４ｂの一部又は全部を設けないでボビン４０を構成しても良い。また、ボビン４０は分割体を組立て構成しても良い。

（コイル）
コイル３０は表皮効果による抵抗増加に伴う温度上昇を低減するように、φ０．０６ｍｍ〜φ０．３ｍｍ程度の細いエナメル銅線を数十〜数百本撚り合せて導体線の導体表面積を大きくしたリッツ線を用いるのが好ましいが、所定の線径を有しエナメルからなる絶縁被覆された単線や平角導体線を用いても良い。コイル３０の巻数は用途に応じたインダクタンスを得るように適宜選択できるが、図３等に示すような実施態様では、概ね、φ０．１ｍｍ程度のエナメル銅線を３００本〜４００本程度撚ったリッツ線を用いて、４ターン〜６ターン程度の巻数としている。

（インダクタの組立て）
次にインダクタの組立てについて説明する。コイル３０が配置されたボビン４０の中空部４８に磁性コア５の内側コア２０を挿入し、接着剤で固定してコイル組立体とする。コイル３０の両端３１ａ、３１ｂは、コイル側面からＺ方向に向かって延びる状態であるのが望ましい。コイル３０の両端３１ａ、３１ｂを外側コア１０の開口１５の下側から上側に通し、コイル組立体を外側コア１０の開口１５と窪み部１１からなる領域に収容して接着固定する。その後、コイル３０の両端３１ａ、３１ｂを、互いに平行な状態でコイル４０の巻軸方向（Ｙ軸方向）に沿って屈曲してインダクタ１とする。コイル組立体が外側コア１０に収容された状態で、インダクタ１の上側にはコイル３０の側面の一部が現れ、インダクタ１の下側にはコイル３０の側面の他の一部が現れる。外側コア１０の形状とコイル組立体の形状を調整することで、外側コア１０の平坦な下面と、コイル３０の側面とを略同じレベルとすることができる。

（インダクタの筐体への取り付け）
図８はインダクタの筐体への取り付けを説明するための断面図である。筐体５０はインダクタ１が取り付けられる面が平坦に、あるいは窪んで形成された金属で構成されている。筐体５０はアルミニウム又はその合金、マグネシウム又はその合金、銅又はその合金等のような熱伝導率に優れた非磁性金属を用いることができる。インダクタ１は金属性の固定部材７０によって筐体５０に固定される。図示した例では、インダクタ１の下面側にはコイル３０と磁性コア５とに当接する熱伝導部材６０が配置されているが、インダクタ１の上面側にも熱伝導部材６０を配置し、金属性の固定部材７０を介して筐体５０へ伝熱する構成としても良い。

熱伝導部材６０は、熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫ以上であるのが好ましく、より好ましくは３．０Ｗ／ｍＫ以上である。また、絶縁破壊電圧は３ＫＶ／ｍｍ以上であるのが望ましく、シリコーン樹脂製で厚みが１ｍｍ〜２ｍｍの熱伝導シートを用いるのが望ましい。磁性コア５やコイル３０と筐体５０との間の絶縁を一層高めるように、熱伝導シートに重ねてアラミド絶縁紙などの絶縁部材を配置しても良い。アラミド絶縁紙は厚みが薄く０．５ｍｍ以下であっても１０ＫＶ／ｍｍ以上の縁破壊電圧が得られ、伝熱性を低下を防ぎつつ絶縁性を向上させることが出来る。

固定部材７０はネジ孔を有し、筐体５０に締結固定することでインダクタ１を伝導部材６０を介して筐体５０に押圧して挟持する。固定部材７０のネジ孔に通したネジの締め付けを強めれば、熱伝導部材６０が圧縮されてインダクタ１と筐体５０とが一層密接する。固定部材７０はインダクタ１を固定する機能に加えて、インダクタ１の上面に当接して筐体５０への放熱を促進する。

磁性コア５の下面とコイル３０の側面とを略同一面に形成することで、インダクタ１の放熱性を向上させることが出来て、インダクタを小型化することが出来る。また、筐体５０への固定において、本実施の形態の如く熱伝導部材６０を用いることで、コイル３０と筐体５０との間の絶縁を確保し、インダクタ１の放熱性を一層高めることが出来る。

また、インダクタ１の磁路に形成される磁気ギャップ８０は磁性コア５の外側コア１０の内方に位置し、インダクタ１の下面側には金属性の筐体が配置されるため、インダクタ１からの漏れ磁束を低減することが出来る。

上記実施態様ではインダクタを例に説明したが、本発明によれば、一次側、二次側のコイルを備えるトランスであっても放熱性向上において同様の効果を得ることが出来る。

１ インダクタンス部品
５ 磁性コア
１０ 外側部、外側コア
２０ 内側部、内側コア
３０ コイル
４０ ボビン
５０ 筐体

Claims (6)

1. コイルと、コイルが設けられる磁性コアとを備え、筐体に取り付けられるインダクタンス部品であって、
   前記磁性コアはコイルが設けられる内側部と、前記内側部の周囲にあって内側部の前記コイルの巻軸方向の両端を磁気的に接続し磁路を構成する外側部を有し、
   前記外側部は筐体と接する側に平坦面を有し、前記磁性コアの外側部の平坦面側にて前記コイルの側面が前記平坦面と略同一の高さに位置することを特徴とするインダクタンス部品。
2. 請求項１に記載のインダクタンス部品であって、
   前記磁性コアの内側部と外側部とが別体で構成され、前記外側部の外側コアは枠状を成し、前記筐体とは反対側の開口側にオーバーハング部を有し、前記内側部の内側コアは該オーバーハング部に係止め可能な柱状であることを特徴とするインダクタンス部品。
3. 請求項２に記載のインダクタンス部品であって、
   前記外側コアは、前記内側コアの両端側に、前記オーバーハング部を形成した窪みを有することを特徴とするインダクタンス部品。
4. 請求項２又は３に記載のインダクタンス部品であって、
   前記コイルの両端側は、筐体とは反対側であって前記磁性コアの外側コアの開口側から引き出されることを特徴とするインダクタンス部品。
5. 請求項２乃至４のいずれかに記載のインダクタンス部品であって、
   前記磁性コアの内側コアの両端側と外側コアとの間に間隔を設けて磁気ギャップとすることを特徴とするインダクタンス部品。
6. 請求項２乃至５のいずれかに記載のインダクタンス部品であって、
   前記コイルを巻回するボビンを有し、前記ボビンは磁性コアの内側コアを一方から挿入する入口と位置決めする係止部を有することを特徴とするインダクタンス部品。
   
   

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