JP2017168564A - 磁性素子 - Google Patents

Abstract

【課題】外周コアに比べて比透磁率が高い芯コアを組合せたハイブリッド型でありながら、比透磁率の低い外周コアでの磁気飽和を抑制することができる磁性素子を提供する。
【解決手段】コイル３の外周側に位置する外周コア５と、この外周コア５よりも比透磁率の高い材料からなる芯コア６とを備える。コイル３の軸方向両端の外側に位置して芯コア４と外周コア５とを繋ぐ両側の繋ぎコア部６，６を有する。両側の繋ぎコア部６，６または片側の繋ぎコア部６の少なくとも一部が、前記芯コア４の一部として前記芯コア４の端部から延びるフランジ部４ａからなり、繋ぎコア部６における残り部分が外周コア５の一部である繋ぎコア部構成部分５ａからなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、インダクタ、トランス、アンテナ（バーアンテナ等）、チョークコイル、フィルタ、センサ等の電気機器あるいは電子機器の樹脂成形磁性コア部品等として活用される磁性素子に関する。

近年、電気機器あるいは電子機器の小型化、高周波化、大電流化が進む中で、コア部品等と呼ばれる磁性素子にも同様の対応が求められている。しかしながら、現在主流のフェライト材料では材料特性そのものが限界に来ており、新たな材料が模索されている。センダストやアモルファス箔帯等の新材料がフェライト材料に置き換えられているが、一部の動きにとどまっている。磁気特性に優れたアモルファス粉末材料も登場しているが、成形性が従来の材料に比べて悪く、普及している状態ではない。

特開２０１５−１８５６７３号公報 特許第４７６３６０９号公報

コアとコイルからなるインダクタ等の磁性素子において、コアの内部を貫通する磁束はエネルギ効率の良い経路を通ろうとするため、磁路の隅部は直線部に比べて磁束が集中し易い。特にコイルを巻回した芯コアは最も磁束密度が高いため、外周コアにおける芯コア近傍の隅部は、芯コアから遠い隅部に比べて磁束が集中し易くなる。
ポット形のようにフランジ部分で磁路断面積が変化する形状では、図２２に矢印ａで示すように磁束が流れ、コイル巻回部に近い中心付近で磁束密度が高くなる。

また、図２１に示すような、外周コア１０５に比べて芯コア１０４の比透磁率が高いハイブリッドインダクタにおいて、芯コア１０４の端部付近の外周コア部分Ａは、磁束が集中し易い上に、飽和磁束密度が低いために磁気飽和し易い。コア１０２が磁気飽和すると漏れ磁束が発生し、インダクタの効率が低下する。

この発明の目的は、外周コアに比べて比透磁率が高い芯コアを組み合わせたハイブリッド型でありながら、比透磁率の低い外周コアでの磁気飽和を抑制することができる磁性素子を提供することである。

この発明の磁性素子は、コイルの外周側に位置する外周コアと、この外周コアよりも比透磁率の高い材料からなり前記コイルの内周側に位置する芯コアと、前記コイルの軸方向両端の外側に位置して前記芯コアと外周コアとを繋ぐ両側の繋ぎコア部とを備え、前記両側の繋ぎコア部または片側の繋ぎコア部の少なくとも一部が前記芯コアの一部として前記芯コアの端部から延びるフランジ部からなり、前記両側の繋ぎコア部における前記芯コアのフランジ部を除く部分が、前記外周コアの一部である繋ぎコア部構成部分である。

この構成によると、外周コアとこの外周コアよりも比透磁率の高い材料からなる芯コアとを有するハイブリッド型であるため、外周コアと芯コアの比透磁率の組み合わせによって、磁性素子全体の比透磁率を任意の値に調整することが容易である。一般的には、ハイブリッド型であると、芯コアの端部付近の外周コア部分が磁気飽和し易いという課題がある。
しかし、コイルを巻回した芯コア近傍の磁路隅部を比透磁率の高い材料に置き換えて芯コアにフランジ部を設けたため、すなわち芯コアと外周コアとを繋ぐ繋ぎコア部における芯コア側の部分を、比透磁率の高い材料からなる芯コアの一部であるフランジ部としたため、磁束の集中を緩和し、比透磁率の低い材料からなる外周コアが磁路の隅部で磁気飽和するのを抑制することができる。

この発明において、前記芯コアの前記フランジ部の先端の断面形状が、前記軸方向の外側部分の方が内側部分よりも大きく突出した段差形状であり、前記外周コアの前記繋ぎコア部構成部分の先端が、前記芯コアの前記フランジ部の前記段差形状に噛み合う断面形状であっても良い。
この構成の場合、段差形状の部分で芯コアと外周コアとが噛み合うため、両者の軸方向の位置決めが行える。

この発明において、前記繋ぎコア部の全体または一部が、前記芯コアから延びるフランジ部と、このフランジ部の前記軸方向の内側に位置して前記外周コアから延びるフランジ部との二重 であっても良い。
このように繋ぎコア部を、芯コアのフランジ部が外周コアのフランジ部の軸方向外側に位置する二重とした場合も、両者の軸方向の位置決めが行える。

前記繋ぎコア部を前記段差形状または二重形状とした場合に、前記芯コアが前記軸方向の途中位置にギャップを有するようにしても良い。
前記ギャップは希望の磁気特性を得るために設けられるが、段差形状の部分で芯コアと外周コアとが噛み合う構成とした場合、芯コアにおけるギャップの両側部分が、外周コアに対してそれぞれ前記軸方向に位置決めがされる。このようにギャップの両側の芯コア部分が位置決めされるため、前記ギャップが定まり、このギャップの大きさを確保するためのスペーサを省略することができる。

この発明において、前記両側の繋ぎコア部のうち、片側の繋ぎコア部が、前記芯コアの端面にギャップを介して対面する部分を有する形状であって、この片側の繋ぎコア部の全体が前記外周コアの前記繋ぎコア部構成部分からなるようにしても良い。
この構成の場合、芯コアの一端にフランジを設け、他端に外周コアとのギャップを持たせた構成となるが、これにより、芯コアが中間にギャップを持たない一体成型である場合でも、磁性素子の内部にギャップを設けることができ、コイルへの磁束漏れを抑制することができる。

この発明において、前記芯コアにおける少なくとも一方の前記フランジ部が、前記外周コアのコイル対向側面である内側面まで少なくとも延びていて、前記芯コアの熱伝導率が外周コアよりも高くても良い。
熱伝導率の高い芯コアのフランジ部が、外周コアの内側面まで延びていると、磁性素子のコアにおける熱伝導率の高い部分が広くなる。そのため、磁性素子の冷却性能を向上させることができる。なお、コアに用いられる材料において、比透磁率の高い材料は熱伝導率も高い場合が多くある。

この発明において、前記芯コアが円柱状、前記外周コアが円筒状であっても良い。いわゆるポット形の磁性素子であっても良い。
この発明の芯コアにフランジ部を設けた構成とすることで磁気飽和を緩和でき、これによりフランジ部がない場合に比べてフランジ部の厚さを低減することができる。

この発明の磁性素子は、コイルの外周側に位置する外周コアと、この外周コアよりも比透磁率の高い材料からなり前記コイルの内周側に位置する芯コアと、前記コイルの軸方向両端の外側に位置して前記芯コアと外周コアとを繋ぐ両側の繋ぎコア部とを備え、前記両側の繋ぎコア部または片側の繋ぎコア部の少なくとも一部が前記芯コアの一部として前記芯コアの端部から延びるフランジ部からなり、前記両側の繋ぎコア部における前記芯コアのフランジ部を除く部分が、前記外周コアの一部である繋ぎコア部構成部分であるため、外周コアに比べて比透磁率が高い芯コアを組み合わせたハイブリッド型でありながら、比透磁率の低い外周コアでの磁気飽和を抑制することができるという効果が得られる。

この発明の第１の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 同磁性素子の平面図である。 この発明の他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る磁性素子のコアの斜視図である。 従来例の断面図である。 同従来例の磁束流れの説明図である。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。この磁性素子１は、コア２とコイル３とでなる。前記コア２は、コイル３の外周側に位置する外周コア５と、この外周コア５よりも比透磁率の高い材料からなり前記コイル３の内周側に位置する芯コア４とでなり、コイル３の軸方向両端の外側に位置して前記芯コア４と外周コア５とを繋ぐ両側の繋ぎコア部６,６が設けられている。前記両側の繋ぎコア部６,６は、コイル３の半径方向における一部が、芯コア４の端部から延びるフランジ部４ａからなり、このフランジ部４ａを除く部分が、外周コア５の一部であるフランジ状の繋ぎコア部構成部分５ａからなる。前記芯コア４は、熱伝導率についても外周コア５よりも高い材質とされている。

この磁性素子１は、いわゆるポット形であって、芯コア４がフランジ付きの円柱状、外周コア５がフランジ付きの円筒状であり、前記フランジ部４ａおよび繋ぎコア部構成部分５ａは、いずれも軸方向から見て円形の形状を成す。芯コア４および外周コア５は、内部にコイル３を収容する作業が可能なように軸方向に並ぶ２つの芯コア分割体４Ａ，４Ａおよび外周コア分割体５Ａ，５Ａでそれぞれ構成されている。両芯コア分割体４Ａ，４Ａおよび外周コア分割体５Ａ，５Ａどうしはいずれも互いに接していて、その接触面Ｓ１，Ｓ２は接着剤で接着されている。前記繋ぎコア部６の前記フランジ部４ａおよび繋ぎコア部構成部分５ａは互いに接触し、その接触面Ｓ３は接着剤で溶接されている。

コイル２は、図示の例では平角の導線を１重に巻回してなり、ボビンは有していない。前記コイル２は、この他に、丸線の導線からなり、ボビンに多重に巻かれたものであっても良い。ボビンは要求される絶縁特性などに応じて平角線で用いてもよく、丸線であっても自己融着線であれば用いなくてもよい。

コア２の材質の例を説明する。芯コア４は、例えば圧縮成形法で得られるフェライト材料が用いられ、圧縮成形磁性体等とされる。フェライト材料は比透磁率が優れ、インダクタンス値を得やすい。外周コア５は、例えばアモルファス材料を含有する射出成形磁性材料が用いられ、射出成形磁性体等とされる。アモルファス材料を含有する射出成形磁性材料を用いた磁性素子は、周波数特性や重畳電流特性に優れているが、透磁率が低い。

前記芯コア４となる圧縮成形磁性体は、例えば、鉄粉、窒化鉄粉等の純鉄系軟磁性材料、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金（センダスト）粉末、スーパーセンダスト粉末、Ｎｉ−Ｆｅ合金（パーマロイ）粉末、Ｃｏ−Ｆｅ合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系合金粉末等の鉄基合金系軟磁性材料、フェライト系磁性材料、アモルファス系磁性材料、微細結晶材料などの磁性材料を原料とできる。

外周コア５となる射出成形磁性体は、上記圧縮成形磁性体の原料粉末に結着樹脂を配合して、この混合物を射出成形することにより得られる。射出成形がし易いこと、射出成形後の形状維持が容易であること、複合磁性体の磁気特性に優れること等から、磁性粉末がアモルファス金属粉末であることが好ましい。アモルファス金属粉末は上述した鉄合金系、コバルト合金系、ニッケル合金系、これらの混合合金系アモルファスなどを使用できる。これらアモルファス金属粉末表面に上述した絶縁被覆が形成されている。
結着樹脂としては、射出成形が可能な熱可塑性樹脂が使用できる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレンやその他の各種の樹脂が使用できる。

この構成の磁性素子１によると、外周コア５とこの外周コア５よりも比透磁率の高い材料からなる芯コア４とを有するハイブリッド型であるため、外周コア５と芯コア４の比透磁率の組み合わせによって、磁性素子１の全体の比透磁率を種々の値に調整することが容易である。ハイブリッド型であると、一般的には、芯コア４の端部付近の外周コア部分が磁気飽和し易いという課題がある。
しかしこの実施形態では、コイル２を巻回した芯コア４の近傍の磁路隅部を比透磁率の高い材料に置き換えて芯コア４にフランジ部４ａを設けたため、すなわち芯コア４と外周コア５とを繋ぐ繋ぎコア部６における芯コア４側の部分を、比透磁率の高い材料からなる芯コア４の一部であるフランジ部４ａとしたため、磁束の集中を緩和し、比透磁率の低い材料である外側コア５が磁気飽和するのを抑制することができる。

また、この実施形態はポット形の磁性素子としており、ポット形磁性素子の芯コア４にフランジ部４ａを設けた構成とすることで磁気飽和を緩和でき、これによりフランジ部がない場合に比べてフランジ部の厚さを低減することができる。

図３〜図２０は、それぞれこの発明の他の実施形態を示す。これらの各実施形態においても、前記磁気飽和が緩和されるという効果が得られる。これらの各実施形態において、特に説明する事項の他は、図１，図２と共に説明した第１の実施形態と同様である。

図３の実施形態は、芯コア４のフランジ部４ａを外周コア５の内周面まで延ばし、繋ぎコア部６の全体を芯コア４のフランジ部４ａで構成している。芯コア４は２つの芯コア分割対４Ａ，４Ａで構成しているが、外周コア５は分割構造とせずに全体を一体化させている。
この構成の場合も、磁路隅部に比透磁率の高い材料を配置しており、すなわち磁路隅部を芯コア４の一部であるフランジ部４ａで構成しており、磁気飽和を回避することができる。また、この構成の場合、芯コア４のフランジ部４ａの外径を外周コア５の内径とし、または外周コア５の内径よりも大きくしたため、コイル３の組み込み上の問題を生じることなく外周コア５を一体化し、部品点数を削減している。

図４の実施形態は、芯コア４のフランジ部４ａの先端の断面形状が、前記軸方向の外側部分４ａａの方が内側部分４ａｂよりも大きく突出した段差形状であり、外周コア５の繋ぎコア部構成部分５ａの先端を、前記芯コア４の前記フランジ部４ａの前記段差形状に噛み合う断面形状としている。
この構成の場合も、隅部に比透磁率の高い材料を配置しており、磁気飽和を回避することができる。また、この構成の場合、フランジ部４ａの先端の段差形状の部分で芯コア４と外周コア５とが噛み合うため、両者の軸方向の位置決めが精度良く行える。

図５の実施形態は、繋ぎコア部６のコイル径方向における中央よりも芯コア４側の部分が、芯コア４から延びるフランジ部４ａと、このフランジ部４ａの軸方向の内側に位置して外周コアから延びるフランジ部５ａｂとの二重となっている。
この構成の場合も、隅部に比透磁率の高い材料を配置しており、磁気飽和を回避することができる。また、この構成の場合、繋ぎコア部６が芯コア４のフランジ部４ａと外周コア５のフランジ部５ａｂとの二重となっていて、この二重化による段差形状の部分で噛み合うため、両者の軸方向の位置決めが精度良く行える。

図６の実施形態は、図４の実施形態において、芯コア４が、前記軸方向の途中位置にギッャプＧを有する構成とされている。このギャップＧは、芯コア４の二つの芯コア分割体４Ａ，４Ａの間に形成されている。
前記ギッャプＧが磁性素子１の内部に設けられることで、外部への磁束漏れが抑制され、またギッャプＧによって磁性素子１の磁気特性を調整できる。ギッャプＧを磁性素子１の内部に設ける場合、通常ではギッャプＧとなる箇所にスペーサ（図示せず）を配置する。しかし、この実施形態では、図４の例で説明したように二つの芯コア分割体４Ａ，４Ａの相互の位置決めが前記段差形状によって得られる。そのため、スペーサを設けることなく、前記ギッャプＧを得ることができる。

図７の実施形態は、図５の実施形態において、芯コア４が、前記軸方向の途中位置にギッャプＧを有する構成とされている。このギャップＧは、芯コア４の二つの芯コア分割体４Ａ，４Ａの間に形成されている。
この実施形態の場合、図５の例で説明したように二つの芯コア分割体４Ａ，４Ａの相互の位置決めが、繋ぎコア部６を二重としたことによる段差形状によって得られ、そのため、図６の例と同様に、スペーサを設けることなく、前記ギッャプＧを得ることができる。

図８の実施形態は、図１の実施形態において、両側の繋ぎコア部６，６のうち、片側（図の上側）の繋ぎコア部６が、前記芯コア４の端面にギャップＧを介して対面する部分６ａを有する形状であり、この片側繋ぎコア部６の全体が前記外周コア５の前記繋ぎコア部構成部分５ａからなる。芯コア４は全体が一体とされている。

この例は、芯コア４を一体化した場合のギャップＧのスペーサを省略した磁性素子１である。芯コア４の一端（前記片側と反対の片側）にはフランジ部４ａを設け、隅部における磁束の集中を緩和する。このフランジ部４ａを取付側とすることで、熱伝導率の良い芯コア４の設置面積を増やし、ストレート形状の芯コア（図示せず）に比べて冷却性を向上させている。芯コア４の他端（前記片側）に外周コア５とのギャップＧを設けることでインダクタ等となる磁性素子１の内部にギャップＧを設けることができるため、コイル３への磁束漏れを抑制できる。ギャップＧの付近では磁束の集中は発生しないため、ギャップＧの付近の隅部は磁気飽和しない。

図８の実施形態において、芯コア４にフランジ部４ａを設ける側の繋ぎコア部６は、図４の例で説明したようにフランジ部４ａの先端を段差形状としても良く（図９の実施形態）、また図５の例で説明したように芯コア４のフランジ部４ａと外周コア５のフランジ部５ｂとが二重となった構成であっても良い（図１０の実施形態）。

図１１は、図８に示す実施形態において、芯コア４のフランジ部４ａの先端を外周コア５の内周面まで延ばした例である。外周コア５は全体が一体である。
図１２は、図９に示す実施形態において、芯コア４のフランジ部４ａにおける内側部分４ａｂを、外周コア５の内周側面まで延ばした例である。
図１３は、図１２に示す実施形態において、芯コア４のフランジ部４ａおける外側部分４ａａを外周コア５の外周面まで延ばし、外周コア５の端面をフランジ部４ａで覆っている。

これら図１１〜図１３の例によると、いずれも、芯コア４のフランジ部４ａを外周コア５の円筒状部分の内径まで拡大させているため、コイル３の組み込み上の問題を生じることなく外周コア５を一体の部品とできて、部品点数を削減することができる。また図８〜図１０の例に比べて、熱伝導率の高い芯コア４のフランジ部４ａの面積が大きいため、冷却性の向上が見込める。

図１４〜図１９では、コイル３の図示が簡略化されているが、コイル３は図１〜図１３の例と同様に、平角の導線を一重に巻回したものである。コイル３は、これらの例においても、丸線を多重に巻回したものであっても良い。

図１４の実施形態は、図４の実施形態において、芯コア４のフランジ部４ａを筒状の外周コア５の内周面まで延ばした構成である。
図１５の実施形態は、図１４の実施形態において、芯コア４の軸方向の途中にギャップＧ設けた構成であり、ギャップＧは、芯コア４の二つの芯コア分割体４Ａ，４Ａの間に形成されている。
図１６の例は、図１の実施形態において、芯コア４の軸方向の途中にギャップＧを設けた構成であり、ギャップＧは、芯コア４の二つの芯コア分割体４Ａ，４Ａの間に形成されている。なお、図１の実施形態とは、各部の寸法の関係は異なっている。

図１７の実施形態は、図５の二重構成した実施形態において、芯コア４のフランジ部４ａにおける外側部分４ａａを、円筒状の外周コア５の内周面まで延ばした構成である。
図１８の実施形態は、図１７の実施形態において、芯コア４の軸方向の途中にギャップＧを設けた構成であり、ギャップＧは、芯コア４の二つの芯コア分割体４Ａ，４Ａの間に形成されている。
図１９の実施形態は、図１０の実施形態において、芯コア４のフランジ部４ａを円筒状の外周コア５の内周面まで延ばした構成である。

図２０は、図１の実施形態において、芯コア４を四角形の断面の棒状とし、かつ外周コア５を、芯コア４の両側に位置する２本の棒状の外周コア分割体５Ｂ，５Ｂで構成し、全体としてＥＥ形と呼ばれる磁性素子１とした構成である。
このようにＥＥ形とした場合も、芯コア４にフランジ部４ａを設けることで、比透磁率の低い磁性材料で生じる磁気飽和を抑制することができる。

なお、図３〜図１９の各実施形態においても、図２０の例と同様にＥＥ形としても良く、前記各実施形態で説明した各効果が得られる。

また、前記各実施形態の磁性素子１は、例えば、インダクタ、トランス、アンテナ（バーアンテナ等）、チョークコイル、フィルタ、センサ等の電気機器あるいは電子機器の樹脂成形磁性コア部品等として活用される。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…磁性素子
２…コア
３…コイル
４…芯コア
４Ａ…芯コア分割体
４ａ…フランジ部
４ａａ…外側部分
４ａｂ…内側部分
５…外周コア
５Ａ…外周コア分割体
５ａ…繋ぎコア部構成部分
６…繋ぎコア部
Ｇ…ギャップ

Claims (7)

1. コイルの外周側に位置する外周コアと、この外周コアよりも比透磁率の高い材料からなり前記コイルの内周側に位置する芯コアと、前記コイルの軸方向両端の外側に位置して前記芯コアと外周コアとを繋ぐ両側の繋ぎコア部とを備え、前記両側の繋ぎコア部または片側の繋ぎコア部の少なくとも一部が前記芯コアの一部として前記芯コアの端部から延びるフランジ部からなり、前記両側の繋ぎコア部における前記芯コアのフランジ部を除く部分が、前記外周コアの一部である繋ぎコア部構成部分である磁性素子。
2. 請求項１に記載の磁性素子において、前記芯コアの前記フランジ部の先端の断面形状が、前記軸方向の外側部分の方が内側部分よりも大きく突出した段差形状であり、前記外周コアの前記繋ぎコア部構成部分の先端が、前記芯コアの前記フランジ部の前記段差形状に噛み合う断面形状である磁性素子。
3. 請求項１に記載の磁性素子において、前記繋ぎコア部の全体または一部が、前記芯コアから延びるフランジ部と、このフランジ部の前記軸方向の内側に位置して前記外周コアから延びるフランジ部との二重である磁性素子。
4. 請求項２または請求項３に記載の磁性素子において、前記芯コアが前記軸方向の途中位置にギャップを有する磁性素子。
5. 請求項２または請求項３に記載の磁性素子において、前記両側の繋ぎコア部のうち、片側の繋ぎコア部が、前記芯コアの端面にギャップを介して対面する部分を有する形状であって、この片側の繋ぎコア部の全体が前記外周コアの前記繋ぎコア部構成部分からなる磁性素子。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の磁性素子において、前記芯コアにおける少なくとも一方の前記フランジ部が、前記外周コアのコイル対向側面である内側面まで少なくとも延びていて、前記芯コアの熱伝導率が外周コアよりも高い磁性素子。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の磁性素子において、前記芯コアが円柱状、前記外周コアが円筒状である磁性素子。

Images