JP2017079221A

JP2017079221A - コイル部品

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Publication number: JP2017079221A
Application number: JP2015205249A
Authority: JP
Inventors: 浩川嶋; Hiroshi Kawashima; 喬之山口; Takayuki Yamaguchi
Original assignee: Sumida Corp
Current assignee: Sumida Corp
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2017-04-27
Also published as: US20170110243A1; EP3159900B1; CN107017080A; US10134523B2; CN107017080B; EP3159900A2; EP3159900A3

Abstract

【課題】直流重畳特性における複数の直流電流値領域で、所望のインダクタンス値となるように簡易に設定し得るコイル部品を得る。【解決手段】並行配置された、磁界を発生する２つのコイル１４Ａ、１４Ｂにより発生された磁束の閉ループが通る閉磁路を構成するコア部１０とを有し、コア部１０は、互いに対向する一対のＩ型のベースコア１１Ａ、１１Ｂと、２つのベースコア１１Ａ、１１Ｂを連結するようにこれらの間に並列配置された一対の連結コア部１１Ｃ、１１Ｄを備える。連結コア部１１Ｃ、１１Ｄは、各々３つの単位連結コア１２Ａ〜Ｆを直線状に配列してなり、各単位連結コア１２Ａ〜Ｆは、コア本体（１２１ａ）上に円柱状の突起（１２２ａ）を設けたものとされ、これにより隣接する単位コア１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ〜Ｆ同士の間には小ギャップと大ギャップの２段ギャップが形成されることになる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、電気自動車やハイブリッド車に搭載されるリアクトルからなるコイル部品に関し、詳しくは、閉磁路の磁路上に適切なギャップを設けたコイル部品に関するものである。

従来、この種のコイル部品は、閉磁路の磁芯に巻線を巻回して構成されるが、一般に、直流重畳時での、巻線のインダクタンス値の低下を防ぐため、磁芯の磁路上に適切なギャップ（空隙）部を設けることによって磁気飽和による影響を低減する対策が施されている。

例えば、下記特許文献１に記載された技術は平滑用チョークコイル用のフェライトコアに関するものであって、１対のＥ型フェライトコアを３つの脚部の先端が互いに突き合わされるように組み合わせて当接させるとともに、中脚の突合せ部分の中央部分にだけギャップが設けられるように構成されている。
この技術によれば、１対のＥ型フェライトコアの突合せ面において、中脚の全断面積に対する空隙部面積の割合、およびＥ型フェライトコアの対向方向における空隙の長さ、を調節することにより、上記直流重畳特性曲線の形状をある程度調整することができる。

実開昭第６３‐２０１３１４号公報

しかしながら、上記公報技術においては、図７に示すように、初期インダクタンス値を高めるとともに、所定の電流値におけるインダクタンス値を所定の値まで高める（図７においては電流が５０Aである場合にインダクタンス値を２６μHとする）ような、目標の特性（図７においては正方形状の点を繋いだもの）を得たいとの要求があった場合にも、その両者を満足するように調整することができず、初期インダクタンス値も、電流が５０Ａである場合におけるインダクタンス値も、目標値より大幅に低い値となる直流重畳特性（図７においてひし形形状の点を繋いだもの）となってしまっていた。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、直流重畳特性における複数の直流電流値領域において、所望のインダクタンス値となるように簡易に設定することが可能なコイル部品を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、本発明に係るコイル部品は、
コイルと、前記コイルによって生じる磁束の閉ループが通る閉磁路を構成するコア部とを有するコイル部品であって、
前記コア部が複数の単位コアからなり、これら複数の単位コアが磁気的に順次連結されて全体として閉磁路が形成され、磁気的に連結された隣接する単位コア同士の少なくとも１組の間にはギャップが設けられてなり、
前記ギャップを挟んで隣接する２つの単位コアの少なくとも一方の端面上に突起を設けて、前記ギャップが少なくとも小ギャップと大ギャップの２種類のギャップからなるように構成してなることを特徴とするものである。

上記「少なくとも大ギャップと小ギャップの２種類のギャップ」とは、2種類以上のギ
ャップを備えることを意味し、例えば、大ギャップ、中ギャップおよび小ギャップの３種類のギャップを備えるようにすることも含まれる。

また、前記突起の先端面領域と前記隣接する単位コアの対向する端面により前記小ギャップが形成され、前記突起が設けられていない端面領域と前記隣接する単位コアの対向する端面により前記大ギャップが形成されていることが好ましい。
また、前記コア部は、２つのコ字状の単位コア同士を対向させてロ字状の閉磁路とされてなることが可能である。

また、前記コア部は、対向する２辺をそれぞれ構成する２つのＩ型のベースコア部と、これらのベースコアを連結する、対向する２辺をそれぞれ構成する２つの連結コア部とから構成することが可能である。
また、前記連結コア部の各々が電流が流れるコイル内に配置され、これら複数の連結コア部の各々を複数の単位コアを一列に配置して形成することが可能である。

また、前記ギャップを挟んで隣接する２つの単位コアの対向する端面の両方に突起が設けられており、前記コア部が閉磁路を構成した状態で、対向する端面にそれぞれ形成された突起が同軸となるような配置とされていてもよい。
前記ギャップを挟んで隣接する２つの単位コアの対向する端面の一方に突起が設けられ、他方は平面とされていてもよい。

さらに、前記少なくとも２つの直流電流値領域のうちの１つは、直流電流値が0となる
領域とすることが可能である。

本発明のコイル部品によれば、コイルによって生じる磁束の閉ループが通る閉磁路を構成するコア部が複数の単位コアからなり、これら複数の単位コアが磁気的に順次連結され、全体として閉磁路が形成され、磁気的に連結された隣接する単位コア同士の少なくとも１組の間は全面的に互いに非当接状態とされた全面ギャップとされ、この全面ギャップは少なくとも大ギャップと小ギャップの２種類のギャップからなるように構成されている。そしてこれら2種類以上のギャップを設けるために、隣接する単位コアの対向端面の少な
くとも一方に突起を設けている。

すなわち、隣接する単位コア間は全面ギャップとされているのでこのギャップ部において磁気飽和が起こり難くなるとともに、少なくとも大ギャップと小ギャップの２種類のギャップが設けられているので、前記コイル部品の直流重畳特性に関し少なくとも２つの直流電流値領域において各々所望のインダクタンス値が得られるように、少なくとも２種類のギャップの長さを容易に調整することができる。
これにより、直流重畳特性における複数の目標点におけるインダクタンス値の設定を、簡易に行なうことができる。

本発明の実施形態１に係るコイル部品の概略構成を示す断面図である。本発明の実施形態１に係るコイル部品の隣接する連結部単体コア間のギャップの様子を説明するための概略図である。本発明の実施形態に係るコイル部品の連結部単体コアの各種形状（（ａ）〜（ｅ））を示す斜視図である。本発明の実施形態１に係るコイル部品の直流重畳特性において、連結部単体コアのギャップ量を変更した場合の曲線形状の変化を示すグラフである。本発明の実施形態１に係るコイル部品の直流重畳特性において、連結部単体コアの突起の径を変更した場合の曲線形状の変化を示すグラフである。本発明の実施形態２に係るコイル部品の概略構成を示す断面図である従来技術における直流重畳特性の曲線形状と、実現したい直流重畳特性の曲線形状を示すグラフである。

以下、本発明に係るコイル部品の実施形態について、上記図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態のコイル部品は、代表例としてのリアクトルを用いている。

〈リアクトルの主要構成〉
本発明の一実施形態に係るリアクトル１は、図１に示すように、並行配置された、磁界を発生する２つのコイル１４Ａ、１４Ｂと、この２つのコイル１４Ａ、１４Ｂにより発生された磁束の閉ループが通る閉磁路を形成するコア部１０とから構成され、さらに、コア部１０は、互いに対向するように配置され、各コイル１４Ａ，１４Ｂ内に各々挿入され、一対のＩ型のベースコア１１Ａ、１１Ｂと、２つのベースコア１１Ａ、１１Ｂを連結するようにこれらの間に並列配置された一対の連結コア部１１Ｃ（第１連結コア部）、１１Ｄ（第２連結コア部）を備えてなる。

上記コイル１４Ａ、１４Ｂは、例えば、平角型の導線（平角線）がエッジワイズ巻きにて筒状に単層巻回されてなる一対の巻線部（各導線の区分（境界線）は図示略）と、各巻線部の一端側に設けられたリード線部（図示略）と、各巻線部を互いに電気的に連結する連結線部（図示略）とを有してなる、エッジワイズ型のコイルである。

また、上記２つのベースコア１１Ａ、１１Ｂは、互いに同一の直方体形状に形成されている。一方、上記連結コア部１１Ｃ、１１Ｄのうち第１連結コア部１１Ｃは３つの単位連結コア１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを直線状に配列してなり、第２連結コア部１１Ｄは３つの単位連結コア１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆを直線状に配列してなる。
なお、コア部１０を構成する材料としては、例えば、ケイ素鋼板や種々の圧粉コア等の磁性材料が挙げられる。

各連結コア部１１Ｃ、１１Ｄは、図２に示すように（図２においては、隣接する単位連結コア１２Ａ、１２Ｂの位置関係を代表例として示している）、隣接する単位連結コア１２Ａ、１２Ｂが、互いに対向する端面間全面で、互いに当接されずにギャップを介するように配設されている。

すなわち、この単位連結コア１２Ｂは、図２に示すように、単位コア本体１２１Ｂと突起１２２Ｂとからなる（他の単位連結コア１２Ａ、Ｃ〜Ｆについても同様）。なお、以下では、突起１２２Ｂの上面（先端面）から単位連結コア１２Ａの底面までの距離を小ギャップ、この小ギャップに突起１２２Ｂの高さ（突起高さ）を加えたものを大ギャップ（単位コア本体１２１Ｂの上面から単位コア本体１２１Ａの底面までの距離）、と各々称する（他の単位連結コア１２Ａ、Ｃ〜Ｆについても同様）。
なお、本実施形態における単位連結コア１２Ａ〜Ｆの具体的な形状としては、図３（Ａ）の単位連結コア２１２ａとして示すように、直方体上の単位コア本体２２１ａ上に円柱状の突起２２２ａを設けたものとされている。

したがって、隣接する単位連結コア１２Ａ、１２Ｂの間には小ギャップと大ギャップの２段階ギャップが形成されていることになる。
このように、小ギャップ量と大ギャップ量、および、この小ギャップの面積と大ギャッ
プの面積（ギャップ全体の面積−小ギャップの面積＝大ギャップの面積）を調整することにより直流重畳特性の曲線形状をコントロールすることができることになる。
以下、このような調整手法について説明する。

本実施形態においては、小ギャップと大ギャップを設けることにより、図７に示すような所望の直流重畳特性曲線、すなわち、直流電流が０となる領域における第１目標インダクタンス、およびある程度高い直流電流値（本実施形態においては５０Ａ）における第２目標インダクタンスを確保するようにしている。

第１目標インダクタンスおよび第２目標インダクタンスを、従来技術の直流重畳特性曲線と比べて大きくすることができた要因は、ベースコア（各ベースコアは単位コアとも称する）１１Ａ，１１Ｂおよび単位連結コア１２Ａ〜１２Ｆ（各単位連結コアは単位コアとも称する）のうち、隣接する単位コア同士の間に、当接する部分がない上に、２段階ギャップ（図１に示すように６箇所のギャップが２段階ギャップとされている）が設けられていることによる。
換言すれば、２種類のギャップのうち主として小ギャップによって直流電流が略０領域のインダクタンス値が設定され、主として大ギャップによって直流重畳特性曲線の中間領域におけるインダクタンス値を設定することが可能となるため、１つの２段階ギャップによって、２つの直流電流領域におけるインダクタンス値をある程度独立して制御することも可能である。

なお、図２において、一例としての具体的な数字を挙げると、例えば下記表１に示すように、大ギャップ量はサンプルに拘らず2.5ｍｍで不変とした場合に、突起高さを、サン
プル１では1.0ｍｍ、サンプル２では1.5ｍｍ、サンプル３では2.0ｍｍとすれば、各々小
ギャップは、サンプル１では1.5ｍｍ、サンプル２では1.0ｍｍ、サンプル３では0.5ｍｍ
となる。

また、上記単位連結コア１２Ａ〜１２Ｆの上面を一辺が30ｍｍの正方形とし、突起径を、サンプル１では10ｍｍ、サンプル２では15ｍｍ、サンプル３では20ｍｍとすれば、小ギャップのギャップ全体に対する面積比率は、サンプル１では25π/900≒8.7％、サンプル
２では56.25π/900≒19.6％、サンプル３では100π/900≒34. 9％となる。
また、小ギャップの大ギャップに対する面積比率は、サンプル１では9.6％、サンプル
２では24.4％、サンプル３では53.6％となる。

このようにして、隣接する単位連結コア１２Ａ〜１２Ｆ同士の間、およびベースコア１１Ａ、１１Ｂとこれに隣接する単位連結コア１２Ａ、Ｄとの間において、大ギャップおよび小ギャップ各々の、面積とギャップ量をコントロールすることで、直流重畳特性曲線の非直線的な形状を調節することが容易となり、特に、図７を用いて説明した２つの目標インダクタンス各々を独立して設定することができる。

なお、上述した大小ギャップ量は、隣接する２つの単位コア１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ〜１２Ｆの間に絶縁体からなるスペーサを介在させることによって、容易に所定のギャップ量に維持することができる（下記実施形態２において同じ）。

また、上記実施形態においては、単位連結コア１２Ａ〜１２Ｆの形状として、図３（Ａ）に示す形状のものを用いているが、これに替えて、図３（Ｂ）に示される単位連結コア２１２ｂのように、直方体上の単位コア本体２２１ｂ上に、この本体の上面の対向する２辺間に直線状に延びる一条の突起２２２ｂを設けたものとしてもよいし、図３（Ｃ）に示される単位連結コア２１２ｃのように、直方体上の単位コア本体２２１ｃ上に、この単位コア本体２２１ｃの上面の形状を１回り小さくした上面を有する直方体状の突起２２２ｃ
を設けたものとしてもよい。

また、図３（ｄ）に示される単位連結コア２１２ｄのように、単位コア本体２２１ｄの上面に２段状の突起（２２２ｄ１、２２２ｄ２）を設け、単位コア本体２２１ｄの上面を含めて３段のステップを形成し、これにより３段階のギャップ（大ギャップ、中ギャップ、小ギャップ）を形成するようにしてもよい。
また、図３（ｅ）に示される単位連結コア２１２ｅのように、単位コア本体２２１ｅの上面および下面に、この本体２２１ｅの上面および下面の対向する２辺間に平行に延びる二条の突起２２２e１、２２２ｅ２を設けるようにしてもよい。この場合には、上面と下
面に形成された突起は互いに上下に重なるように形成される。
さらに、上記単位コア本体２２１ａ〜２２１ｅの形状としては、直方体状ではなく、円柱状等の他の形状とすることも可能である。

（実施例）
図１に示す実施形態について、単位連結コア１２Ａ〜１２Ｆの突起量（ギャップ量）および突起上面の面積（突起径：ギャップ面積）を変更することによって、直流重畳特性がどのように変化するかを下記（１）、（２）の場合について調べた。なお、単位連結コア１２Ａ〜１２Ｆの形状としては、全て図３（Ａ）のタイプで、同一サイズのものを用い、隣接する各単位コアの間隔（大ギャップ量）は、2.5ｍｍで一定とした（３つのサンプル
について下記表１を参照）。

（１）突起径を15ｍｍで一定とし、小ギャップ量を1.0mm、1.5mm、2.0mmと変化させた
場合
図４に示すように、小ギャップ量を1.0mmとした場合の直流重畳特性を菱形マークを結
ぶ線とし、小ギャップ量を1.5mmとした場合の直流重畳特性を丸印マークを結ぶ線とし、
さらに、小ギャップ量を2.0mmとした場合の直流重畳特性を四角印マークを結ぶ線とする
。
図４から明らかなように、小ギャップ量が小さいほど、初期インダクタンス値が大きくなるものの、小ギャップ量が大きいほど、例えば、直流電流が250Aのときのインダクタンス値は大きくなる。

（２）小ギャップを1.5ｍｍで一定とし、突起径を20mm、15mm、10mmと変化させた場合
図５に示すように、突起径を20mmとした場合の直流重畳特性を四角印マークを結ぶ線とし、突起径を15mmとした場合の直流重畳特性を丸印マークを結ぶ線とし、さらに、突起径を10mmとした場合の直流重畳特性を三角印マークを結ぶ線とする。
図５から明らかなように、突起径が大きいほど、初期インダクタンス値が大きくなるものの、突起径が小さいほど、例えば、直流電流が300Aのときのインダクタンス値は大きくなる。

このように、小ギャップ量（単位コアの間隔が一定ならば小ギャップ量と大ギャップ量）および小ギャップの面積（単位コアの対向面の面積が一定ならば小ギャップの面積と大ギャップの面積）を組合わせて調整することによって、種々の非線形形状の直流重畳特性
を得ることができる。
例えば、小ギャップ量を小さく設定することによって初期インダクタンス値を大きく設定することができ、また、大ギャップ量を大きく設定することによって、直流電流が250Aのときのインダクタンス値を大きな値に設定することができる。

（変更態様）
本発明のコイル部品としては上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様のものを選択することができる。
例えば、図６は、上記実施形態の変更態様に係るリアクトル１１０を示す概略断面図である。
この図６に示すリアクトル１１０は、隣接する各単位コア１１１Ａ、１１１Ｂ、１１２Ａ〜１１２Ｆ同士が互いに突起を対向させるようにして、小ギャップを形成するように構成されている点で異なり、その余の構成は略同様であるので、図１に示す各部材に対応する部材については、図１の各部材に付された符号に１００を加えた符号を図6の各部材に
付すこととし、詳しい説明は省略する。

この変更態様においては、各単位コア１１１Ａ、１１１Ｂ、１１２Ａ〜１１２Ｆは、図６に示すように、各々２つずつの突起を備えており、また、この単位コア１１１Ａ、１１１Ｂ、１１２Ａ〜１１２Ｆの突起はいずれも同一形状とされており、この対向する突起の間隔が小ギャップを構成するとともに、この突起の外側に位置する突起が配されていない領域部分の単位コア１１１Ａ、１１１Ｂ、１１２Ａ〜１１２Ｆ本体の端面同士の間隔が大ギャップを構成することになる。

また、小ギャップの面積は、対向する突起が同軸状に形成されているので、単純に、この突起の端面の面積に対応することになる。また、大ギャップの面積は、単位連結コア１１２Ａ〜１１２Ｆの突起形成端面の面積から、突起の端面の面積（小ギャップ面積）を差し引いた面積となる。

なお、各単位コア１１１Ａ、１１１Ｂ、１１２Ａ〜１１２Ｆの形状や各突起の形状としては、上記変更態様のものに限られるものではなく、例えば、単位コア本体の形状としては直方体状に替えて円柱状のものにしてもよく、突起形状としても、単位コア本体の上下両面に図３（Ａ）に対応するものに替えて図３（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に対応するものを設けるようにしてもよい。
また、1つのコイル部品内の単位連結コアとしては、全て同じ形状のものを用いてもよ
いし、複数種類の形状のものを用いてもよい。また、1つのコイル部品内のベースコアと
しても、互いに同じ形状のものを用いてもよいし、互いに異なる形状のものを用いてもよい。

また、上記実施形態および上記変更態様のリアクトルにおいては、ギャップとして、小ギャップと大ギャップの２段ギャップを形成するようにしているが、突起の高さレベルを２段階とし、端面基準位置を含めて３段階のギャップを作成するようにしてもよい。さらに、段階数を増加させることによって４段階以上のギャップを形成するようにしてもよい。これにより、形成する直流重畳特性の非線形性形状の自由度をより向上させることができる。
なお、隣接する２つの単位コア同士の対向する端面に各々設けた突起を、互いの一部が対向するように形成することによっても多段階ギャップを形成することができる。

また、上記実施形態のリアクトルにおいては６か所に、さらに上記変更態様のリアクトルにおいてはその８か所に、各々ギャップを設けるようにしているが、本発明のコイル部品としては、閉磁路内の少なくとも１ヶ所に多段階ギャップを設けていればよく、閉磁路
内のその他の個所には、１段ギャップが設けられていてもよいし、ギャップが設けられない形状となっていてもよい。

また、コア部を構成するＩ型のコアに替えて、コ字形状やＵ字形状のコアを用いてもよく、また、１つのコアによって構成されるのではなく、複数個のコアを組み合わせて構成するようにしてもよい。
さらに、各連結コア部は、３つの単位コアに限られず、少なくとも１つの単位コアから構成されていればよく、任意の複数個の単位コアにより構成することができる。

上記実施形態および上記変更態様のリアクトルにおいては、エッジワイズ型のコイルを用いているが、その他のタイプのコイル、例えば丸型コイルを巻回したものを用いてもよい。また、上記実施形態および上記変更態様のリアクトルにおいては、ボビンが示されていないが、コア部１０とコイル１４Ａ、１４Ｂとの間にボビンを介在させて絶縁性を高めるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、コイル部品をリアクトルの例をもって示しているが、本発明は、リアクトルの用途としては、車載用のものに好適に適用することができるが、例えば、太陽光発電パネルにおいて使用されるリアクトルなど、コア部により形成される閉磁路の一部に多段階ギャップを設け得る任意のリアクトル装置に適用することが可能である。
また、リアクトルのみに限られず、チョークコイル等の他のコイル部品全体に適用が可能である。

１、１０１リアクトル
１０、１１０コア部
１１Ａ、１１Ｂ、１１１Ａ、１１１Ｂベースコア
１１Ｃ、１１Ｄ、１１１Ｃ、１１１Ｄ連結コア部
１２Ａ〜Ｆ、１１２Ａ〜Ｆ、２１２ａ〜２１２ｅ単位連結コア
１４Ａ、１４Ｂ、１１４Ａ、１１４Ｂコイル
１２１Ａ、１２１Ｂ、２２１ａ〜２２１ｅ単位コア本体
１２２Ｂ、２２２ａ〜２２２ｅ、２２２ｄ１、
２２２ｄ２、２２２ｅ１，２２２ｅ２突起

Claims

コイルと、前記コイルによって生じる磁束の閉ループが通る閉磁路を構成するコア部とを有するコイル部品であって、
前記コア部が複数の単位コアからなり、これら複数の単位コアが磁気的に順次連結されて全体として閉磁路が形成され、磁気的に連結された隣接する単位コア同士の少なくとも１組の間にはギャップが設けられてなり、
前記ギャップを挟んで隣接する２つの単位コアの少なくとも一方の端面上に突起を設けて、前記ギャップが少なくとも小ギャップと大ギャップの２種類のギャップからなるように構成してなることを特徴とするコイル部品。
前記突起の先端面領域と前記隣接する単位コアの対向する端面により前記小ギャップが形成され、前記突起が設けられていない端面領域と前記隣接する単位コアの対向する端面により前記大ギャップが形成されていることを特徴とする請求項１記載のコイル部品。
前記コア部は、２つのコ字状の単位コア同士を対向させてロ字状の閉磁路とされてなることを特徴とする請求項１または２記載のコイル部品。
前記コア部が、対向する２辺をそれぞれ構成する２つのＩ型のベースコア部と、これらのベースコアを連結する、対向する２辺をそれぞれ構成する２つの連結コア部とから形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のコイル部品。
前記連結コア部の各々が電流が流れるコイル内に配置され、これら複数の連結コア部の各々が複数の単位コアを一列に配置してなることを特徴とする請求項４記載のコイル部品。
前記ギャップを挟んで隣接する２つの単位コアの対向する端面の両方に突起が設けられており、前記コア部が閉磁路を構成した状態で、対向する端面にそれぞれ形成された突起が同軸となるような配置とされていることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項記載のコイル部品。
前記ギャップを挟んで隣接する２つの単位コアの対向する端面の一方に突起が設けられ、他方は平面とされていることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項記載のコイル部品。
前記少なくとも２つの直流電流値領域のうちの１つは、直流電流値が0となる領域であ
ることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１項記載のコイル部品。