JP2018186202A - 複合インダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】複数のコイルを内蔵する複合インダクタであって、コイル間の結合係数を略０にすることが可能な複合インダクタを提供する。【解決手段】複数のコイルと、該複数のコイルを内包する磁性成形体とを備える複合インダクタであり、該複数のコイルは、それぞれの巻軸を平行にして巻軸に平行な方向に積み重ねられ、該複数のコイルの巻軸は、該コイルの積み重ねる順に該巻軸に直交する一方向に沿って離隔して配置され、該巻軸に直交する方向で隣接する２つのコイルの巻軸の間隔が、それぞれのコイルの巻軸から外縁までの距離の和よりも小さい複合インダクタである。【選択図】図４

Description

本発明は、複合インダクタに関する。

電子回路において、同一の電子部品が複数用いられる場合がある。そのような場合に、実装面積を減らすため、複数の電子部品を一体化した複合電子部品が用いられる。インダクタにおいても、複数のインダクタを一体化した複合インダクタを用いられることがある。一般的に複合インダクタでは、それぞれのコイルが他のコイルに影響しないように、各インダクタ間の磁気結合を極力小さくしなければならない。例えば特許文献１には、１対の断面Ｅ字形状のＥＰ型フェライトコアと、板状のＩ型フェライトコアと、それぞれのＥＰ型フェライトコアに収容されるコイルとを有し、１対のＥＰ型フェライトコアの間にＩ型フェライトコアが挟持されてなる複合インダクタが記載されている。特許文献１では、複合インダクタを４次ＬＣローパスフィルタに適用するために、二つのコイルを結合させているが、同じ構成の複合インダクタは一対の２次ＬＣローパスフィルタのインダクタとして広く使われている。この場合、Ｉ型フェライトコアに高透磁率のフェライトを使用したり、コアの厚みを大きくしたりすることにより、二つのコイル間の磁気結合を遮断しなければならない。

特開２００３−２２４０１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の複合インダクタでは２つのコイル間にわずかながら磁気結合が発生し、結合係数を略０にすることは困難であった。本発明の一態様は、複数のコイルを内蔵する複合インダクタであって、コイル間の結合係数を略０にすることが可能な複合インダクタを提供することを目的とする。

本発明の第一態様は、複数のコイルと、該複数のコイルを内包する磁性成形体とを備える複合インダクタであり、該複数のコイルは、それぞれの巻軸を平行にして巻軸に平行な方向に積み重ねられ、該複数のコイルの巻軸は、該コイルの積み重ね順に該巻軸に直交する一方向に沿って離隔して配置され、該巻軸に直交する方向で隣接する２つのコイルの巻軸の間隔が、それぞれのコイルの巻軸から外縁までの距離の和よりも小さい複合インダクタである。

本発明の一態様によれば、複数のコイルを内蔵する複合インダクタであって、コイル間の結合係数を略０にすることが可能な複合インダクタを提供することができる。

実施例１に係る複合インダクタの概略透視斜視図である。 実施例１に係る複合インダクタの概略断面図である。 実施例２に係る複合インダクタの概略断面図である。 実施例３に係る複合インダクタの概略断面図である。 実施例３に係る複合インダクタのシミュレーション結果である。 複合インダクタにおけるコイル間の磁気結合を例示する図である。 ＢＬＴ接続のデジタルアンプの回路図である。 マルチフェーズ型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための、複合インダクタを例示するものであって、本発明は、以下に示す複合インダクタに限定されない。なお特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に限定するものでは決してない。特に実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能である。実施例２以降では実施例１と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

複合インダクタは、複数のコイルと、該複数のコイルを内包する磁性成形体とを備え、該複数のコイルは、それぞれの巻軸を平行にして巻軸に平行な方向に積み重ねられ、該複数のコイルの巻軸は、該コイルの積み重ね順に該巻軸に直交する一方向に沿って離隔して配置され、該巻軸に直交する方向で隣接する２つのコイルの巻軸の間隔が、それぞれのコイルの巻軸から外縁までの距離の和よりも小さくなっている。複合インダクタでは、積み重ね方向で隣接する２つのコイルがコイルの巻軸方向から見たときに部分的に重畳されていることで、２つのコイル間の磁気結合の結合係数を略０にすることができる。

複合インダクタの磁性成形体は、外表面に少なくとも１つの平面部を有し、複数のコイルは、それらの巻軸が平面部に対して傾斜して配置されていてもよい。これにより複合インダクタの平面部に直交する方向の高さを抑制しつつ、さらに体積増加を抑制することができる。

複合インダクタの磁性成形体は、磁性粉末含有樹脂の加圧成形体であってもよい。これにより、簡便な工程で複合インダクタを効率的に製造することができる。

（実施例１）
図１は、実施例１に係る複合インダクタ１００の基本構造を説明するための透視斜視図であり、図２はその縦断面図である。図１及び図２では、複合インダクタ１００は、絶縁被覆された導線が巻軸Ｃ１又はＣ２を中心としてリング状に巻回されてなる２つのコイル１１及び１２と、コイル１１及び１２を内包する磁性成形体１５とを備える。コイル１１及びコイル１２は略同一形状且つ略同一寸法に形成されている。コイル１１及び１２は、巻軸Ｃ１及びＣ２を平行にして巻軸に平行な方向に積み重ねられて配置されている。またコイル１１及び１２の巻軸Ｃ１及びＣ２は、巻軸に直交する一方向に離隔して配置されている。そして巻軸Ｃ１と巻軸Ｃ２の巻軸間距離Ｓは、それぞれのコイルの外半径である巻軸から外縁までの距離Ｒ１の和よりも小さく、Ｓ＜Ｒ１＋Ｒ１を満たしている。

複合インダクタ１００では、コイル１１及びコイル１２は、コイル開口面が平行に配置され、コイルの巻軸方向からみて開口面の一部が互いに重畳するように部分的に積み重ねられて配置されている。図１及び図２には図示しないが、コイル１１及びコイル１２を構成するそれぞれの導線の２つの端末は、磁性成形体の外表面である複合インダクタの外装に引き出され、絶縁被覆が剥離されて実装電極となっている。

図２では、コイル１１及びコイル１２は、それぞれ巻軸からコイル外縁までの距離である外半径Ｒ１と巻軸からコイルの導線までの最短距離である内半径Ｒ２の和であるコイル平均直径Ｄ（＝Ｒ１＋Ｒ２）、及び巻軸方向のコイル高さｈを有する。コイル１１の巻軸Ｃ１とコイル１２の巻軸Ｃ２とは巻軸間距離Ｓを有して平行に配置されている。またコイル１１とコイル１２とは、対向する開口面間の巻軸方向のコイル間距離ｄを有して、積み重ねて配置されている。ここでコイル平均直径Ｄ、コイル高さｈ及びコイル間距離ｄをそれぞれ所定の値に固定すると、コイル１１とコイル１２の磁気結合の結合係数は、巻軸間距離Ｓに応じて変化し、結合係数が略０になる臨界距離Ｓｃが存在する。複合インダクタ１００では、巻軸間距離Ｓが、平均直径Ｄ、コイル高さｈ及びコイル間距離ｄに応じて選択される臨界距離Ｓｃと略一致して、コイル１１及びコイル１２が配置される。これにより、複合インダクタ１００では、内包される２つのコイル間の磁気結合が略０となる。

磁性成形体１５は、例えば、磁性粉含有樹脂の加圧成形体である。磁性成形体に含まれる磁性粉は、フェライト、金属磁性体等のいずれであってもよい。また、磁性成形体１５はフェライトで形成されていてもよい。図１及び図２では、磁性成形体１５は一体に形成されているが、コイル１１を内包する磁性成形体とコイル１２を内包する磁性成形体を積み重ねて複合インダクタを形成してもよい。

複合インダクタ１００では、磁性成形体に内包されるコイルは２つであるが、３以上のコイルを内包する複合インダクタであってもよい。図１及び図２では、コイルは導線が巻軸を中心にしてリング状に巻回されて形成されるが、巻軸を中心とする導線の巻回し形状は、円形に限られず、楕円状、矩形状、多角形状等であってもよい。コイルの巻回し方式は、α巻き、ガラ巻、エッジワイズ巻、整列巻等のいずれであってもよい。またコイルを形成する導線の断面は、円形、平角形等のいずれであってもよい。図１及び図２では、２つのコイルは略同一形状且つ略同一寸法であるが、異なる形状又は異なる寸法であってもよい。さらに、コイルは、磁性成形体内に、導体パターンを積層し、螺旋状に接続して形成されてもよい。

（実施例２）
図３は、実施例２に係る複合インダクタ２００の基本構造を説明するための縦断面図である。実施例２では、４つのコイルが、巻軸を磁性成形体の１つの平面部に直交して積み重ねられている他は、実施例１の複合インダクタと同様に構成される。図３では、複合インダクタ２００は、絶縁被覆された導線が巻軸Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３又はＣ４を中心としてリング状に巻回されてなる４つのコイル２１、２２、２３及び２４と、コイル２１から２４を内包する磁性成形体２５とを備える。コイル２１から２４は略同一形状且つ略同一寸法に形成され、平均直径Ｄ及びコイル高さｈを有している。コイル２１から２４は、巻軸Ｃ１からＣ４を平行にして巻軸に平行な方向にコイル２１から２４の順に、コイル間距離ｄを有して積み重ねられて配置されている。またコイル２１から２４の巻軸Ｃ１からＣ４は、コイル２１から２４の積み重ね順に、巻軸に直交する一方向に巻軸間距離Ｓ１２、Ｓ２３及びＳ３４を有して離隔して配置されている。そして積層方向で隣接するコイル２１及びコイル２２の巻軸Ｃ１と巻軸Ｃ２の巻軸間距離Ｓ１２は、それぞれのコイルの外半径Ｒ１の和よりも小さく、Ｓ１２＜Ｒ１＋Ｒ１を満たしている。同様にコイル２２及びコイル２３は、巻軸間距離Ｓ２３＜Ｒ１＋Ｒ１を満たして配置され、コイル２３及びコイル２４は、巻軸間距離Ｓ３４＜Ｒ１＋Ｒ１を満たして配置されている。

複合インダクタ２００では、巻軸間距離Ｓ１２、Ｓ２３及びＳ３４が、平均直径Ｄ、コイル高さｈ及びコイル間距離ｄに応じて選択される臨界距離Ｓｃと略一致して、コイル２１から２４が配置される。これにより、複合インダクタ２００では、巻軸に直交する方向で隣接する２つのコイル間の磁気結合が略０となる。

（実施例３）
図４は、実施例３に係る複合インダクタ３００の基本構造を説明するための縦断面図である。実施例３では、４つのコイルが、巻軸が磁性成形体の１つの平面部に直交せずに傾斜して積み重ねられている他は、実施例２の複合インダクタと同様に構成される。図４では、複合インダクタ３００は、絶縁被覆された導線が巻軸Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３又はＣ４を中心としてリング状に巻回されてなる４つのコイル３１、３２、３３及び３４と、コイル３１から３４を内包する磁性成形体３５とを備える。コイル３１から３４は略同一形状且つ略同一寸法に形成され、平均直径Ｄ及びコイル高さｈを有している。コイル３１から３４は、巻軸Ｃ１からＣ４を平行にして巻軸に平行な方向にコイル３１から３４の順に、コイル間距離ｄを有して積み重ねられて配置されている。またコイル３１から３４の巻軸Ｃ１からＣ４は、コイル３１から３４の積み重ね順に、巻軸に直交する一方向に巻軸間距離Ｓ１２、Ｓ２３及びＳ２４を有して離隔して配置されている。そして巻軸に直交する方向で隣接するコイル３１及びコイル３２の巻軸Ｃ１と巻軸Ｃ２の巻軸間距離Ｓ１２は、それぞれのコイルの外半径Ｒ１の和よりも小さく、Ｓ１２＜Ｒ１＋Ｒ１を満たしている。同様にコイル３２及びコイル３３は、巻軸間距離Ｓ２３＜Ｒ１＋Ｒ１を満たして配置され、コイル３３及びコイル３４は、巻軸間距離Ｓ３４＜Ｒ１＋Ｒ１を満たして配置されている。さらに図４では、磁性成形体３５の断面形状が矩形であり、磁性成形体３５は少なくとも４つの平面部を有している。そして、コイル３１からコイル３４の巻軸Ｃ１からＣ４は、いずれの平面部に対しても直交することなく交差角θを有して交差し、傾斜して配置されている。またそれぞれのコイルの開口面が、平面部に対して傾斜して配置されている。ここで磁性成形体３５の平面部の１つは複合インダクタの実装面となっていてもよい。

複合インダクタ３００では、巻軸間距離Ｓ１２、Ｓ２３及びＳ３４が、平均直径Ｄ、コイル高さｈ及びコイル間距離ｄに応じて選択される臨界距離Ｓｃと略一致して、コイル２１から２４が配置される。これにより、複合インダクタ３００では、巻軸に直交する方向に隣接する２つのコイル間の磁気結合が略０となる。

複合インダクタ３００では、コイル３１からコイル３４の巻軸Ｃ１からＣ４が、磁性成形体３５の平面部に対して傾斜して配置されていることで、巻軸が平面部に直交して配置される場合よりも、平面部に直交する方向の高さを低減することができ、さらに複合インダクタ３００の総体積を低減することができる。

図４では、コイルの巻軸は磁性成形体の平面部に対して交差角θで交差している。ここで交差角θが、θ＝ａｔａｎ｛（ｄ＋ｈ）／Ｓ｝であると、各コイルと平面部との距離が同一になり、複合インダクタ３００の高さ抑制と総体積の低減に特に効果的である。

図５は、実施例３に係る複合インダクタについて、コイルの平均直径Ｄ、コイル高さｈ及びコイル間距離ｄを所定の値にして、巻軸間距離Ｓを変化させた場合の、コイル３１から３４の間の結合係数をシミュレーションした結果例を示すグラフである。図５において、横軸はコイルの平均直径Ｄに対する巻軸間距離Ｓの比Ｓ／Ｄを示し、縦軸は符号を考慮した結合係数を示す。図５では、ｋ１２はコイル３１とコイル３２の結合係数であり、コイル２３は、コイル３２とコイル３３の結合係数であり、共に巻軸に直交する方向で隣接するコイル間の結合係数である。なお、コイル３３とコイル３４の結合係数はｋ１２と同値である。またｋ１３は、コイル３１とコイル３３の結合係数であり、コイル３２を挟んで積み重ねられるコイル間の結合係数であり、コイル３２とコイル３４の結合係数と同値である。ｋ１４は、コイル３１とコイル３４の結合係数であり、コイル３２及び３３を挟んで積み重ねられるコイル間の結合係数である。

図５では、コイルの平均直径Ｄを１．０ｍｍ、コイル高さｈを０．５８ｍｍ、及びコイル間距離ｄを０．３４ｍｍとしてコイル間の結合係数をシミュレーションしたが、これらを別の所定値とした場合でも同様の結果が得られる。

図５から、Ｓ＝０、すなわち２つのコイルが巻軸を一致させて積み重ねられた状態から、巻軸間の距離が大きくなるにつれて、コイル間の結合係数が減少し、比Ｓ／Ｄが約０．８２の近傍で、ｋ１２、ｋ２３、ｋ１３及びｋ１４のすべての結合係数が略０になる。また比Ｓ／Ｄが約０．８２よりさらに大きくなると、結合係数の符号が反転して結合係数の絶対値が増加し、１．２付近から結合係数の絶対値が減少している。すなわち図５から、コイルの巻軸方向から見たときに、２つのコイルが部分的重畳を有して積み重ねられていることで２つのコイル間の磁気結合を低減させることができることが分かる。

図６は、２つのコイルＬ１及びＬ２の間の結合係数が略０になるように最適化された複合インダクタにおけるコイルＬ１とコイルＬ２の間の電磁誘導の実測状態を示す図である。図６には、一方のコイルＬ１の両端に１ＭＨｚ、約９Ｖｐｐの正弦波電圧Ｖｉｎを印加した場合に、他方のコイルＬ２の両端に誘起される誘起電圧Ｖｏの変化が示されている。図６から分かるように、コイルＬ２における誘起電圧Ｖｏはほぼ０であることが確認された。

複合インダクタは、様々な分野に応用可能である。例えば、デジタルアンプとしてよく用いられるＢＴＬ（Ｂｒｉｄｇｅ Ｔｉｅｄ Ｌｏａｄ）接続のデジタルアンプ回路では、１チャンネル毎に２つのインダクタが用いられるため、左右２チャンネルで合計４つのインダクタが必要になる。

図７は、ＢＴＬ接続のデジタルアンプの１チャンネル分の回路図である。直列に接続されたｎ型ＭＯＳのトランジスタＴｒ２、Ｔｒ１、および、直列に接続されたｎ型ＭＯＳのトランジスタのＴｒ４、Ｔｒ３が、電源＋Ｖｃｃと−Ｖｃｃの間に接続されている。コンパレータＣＭＰに入力された音声などの入力信号Ｓｉｇｎａｌと、三角波の基準信号と比較することにより、ＰＷＭ変調されたＰＷＭ信号が生成される。ゲートドライバ１（Ｇａｔｅ Ｄｒｉｖｅｒ １）は、ＰＷＭ信号からトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２の駆動信号を生成し、トランジスタＴｒ１およびトランジスタＴｒ２のゲートにそれぞれ入力する。ゲートドライバ２（Ｇａｔｅ Ｄｒｉｖｅｒ ２）は、ＰＷＭ信号を反転したｎＰＷＭ信号からトランジスタＴｒ３、Ｔｒ４の駆動信号を生成し、トランジスタＴｒ３およびトランジスタＴｒ４のゲートにそれぞれ入力する。トランジスタＴｒ１のドレインとトランジスタＴｒ２のソースの接続点ＶＳＷ１は、インダクタＬ１とコンデンサＣ１からなるＬＣフィルタに入力され、出力Ｖｏ１がスピーカＳＰの一方の端子に接続される。同様に、トランジスタＴｒ３のドレインとトランジスタＴｒ４のソースの接続点ＶＳＷ２は、インダクタＬ２とコンデンサＣ２からなるＬＣフィルタに入力され、出力Ｖｏ２がスピーカＳＰの他方の端子に接続されている。スピーカＳＰは、Ｖｏ１とＶｏ２の間の電圧で駆動される。ステレオの場合は、図７に示す回路と同様な回路がもう１チャネル分必要となり、このような場合には、実施例３に記載されるような４つのコイルが一体化された複合インダクタが、実装面積を減らすために有用である。また２チャネル以上の多チャネル音響システムの場合、チャネル数の２倍の数のコイルが必要である。そのため、必要数のコイルを一体化した複合インダクタを用いることで、実装面積の低減効果かさらに顕著になる。さらに実施例３の複合インダクタでは、２つのコイル間の磁気結合を略０にできることから、チャネル間の相互干渉を抑制することができる。

複合インダクタは、マルチフェーズ型ＤＣ−ＤＣコンバータにも応用可能である。図８は、４相のマルチフェーズ型ＤＣ−ＤＣ降圧コンバータの概略図を示す。図８では、ＤＣ−ＤＣコンバータのＬＣフィルタに、従来の単一のコイルではなく、相数に応じた４つのコイルＬ１からＬ４が並列使用される。コイルＬ１からＬ４の方端は共同端子として出力コンデンサＣｏと二次電池などの負荷Ｌｏａｄに接続される。一方、他端はそれぞれ、位相を９０度ずらしたスイッチング電圧ＳＷ１からＳＷ４に接続されて駆動される。トータルスイッチング電流ｉに対して、複数のコイルにそれぞれｉ／４の電流を分担させることで、小型低背のコイルを用いながら大電流の取り扱いが可能になる。また位相をずらして駆動することにより、スイッチングのピーク電流が約１／４になるので、ノイズを低減するメリットも大きい。よって、実施例３の複合インダクタでは２つのコイル間の磁気結合を略０にできることから、マルチフェーズ型ＤＣ−ＤＣコンバータに複合インダクタを用いることで、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作安定性を損なうことなく、実装密度を高めることができる。図８には４相のマルチフェーズ型ＤＣ−ＤＣコンバータを示したが、制御ＩＣの種類によって相数が異なるので、コイル数は奇数であっても、偶数であってもよい。制御ＩＣの種類に応じた相数分のコイルを一体化した複合インダクタを用意することで柔軟に対応することができる。

１１、１２ コイル
１５ 磁性成形体
１００ 複合インダクタ

Claims (3)

1. 複数のコイルと、該複数のコイルを内包する磁性成形体とを備え、
   該複数のコイルは、それぞれの巻軸を平行にして巻軸に平行な方向に積み重ねられ、
   該複数のコイルの巻軸は、該コイルの積み重ねる順に該巻軸に直交する一方向に沿って離隔して配置され、
   該巻軸に直交する方向で隣接する２つのコイルの巻軸の間隔が、それぞれのコイルの巻軸から外縁までの距離の和よりも小さい、
   複合インダクタ。
2. 前記磁性成形体は、外表面に少なくとも１つの平面部を有し、
   前記複数のコイルは、それらの巻軸が該平面部に対して傾斜して配置される、請求項１に記載の複合インダクタ。
3. 前記磁性成形体は、磁性粉含有樹脂の加圧成形体である請求項１または請求項２に記載の複合インダクタ。