JP2020123601A

JP2020123601A - コイル部品

Info

Publication number: JP2020123601A
Application number: JP2019012739A
Authority: JP
Inventors: 翔平板垣; Shohei Itagaki; 和喜袴田; Kazuyoshi Hakamada
Original assignee: NJ Components Co Ltd
Current assignee: NJ Components Co Ltd
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2020-08-13

Abstract

【課題】コイルに発生する渦電流に起因するインダクタンスの低下が抑制されて、高周波化と小型化とに適したコイル部品を提供する。【解決手段】コイル部品１は、一方向から見て矩形枠状の磁路を形成する磁性体２と、磁性体の枠内に配置されてコイルを構成する導電体３１とを備える。コイルの一巻き分に対応する導電体３１ａ、３１ｂは、磁性体の枠内に配置されている領域内において、一方向に延長しつつコイルの巻軸方向に並ぶ複数の導体部に分割されている。【選択図】図５

Description

本発明は、コイル部品に関する。

インダクタなどのコイル部品には、例えば、大電流に対応して、銅板などの平板状の導電体からなるコイルを用いたものがある。図１と図２とに、銅板からなるコイルを備えたコイル部品１０１の一例を示した。図１はコイル部品１０１の外観を示す斜視図であり、図２は、コイル部品１０１の分解斜視図である。このコイル部品１０１は、一方向から見て矩形枠状の磁路を形成する磁性体からなるコア２と、磁路内に配置されてコイル３を構成する導電体（１０３ａ、１０３ｂ）とを備えている。具体的には、ギャップ２１を介して対向するＵ字状のコア部材２ａとＩ字状のコア部材２ｂとからなるＵＩ型のコア２によって形成された矩形枠状の磁路内に、導電体（１０３ａ、１０３ｂ）として二つの銅板が配置されてなる。

ここで、互い直交する三方向を、便宜的に、前後方向、上下方向、左右方向とするとともに、前後方向から見てＵＩ型コア２によって矩形枠状の磁路が形成されていることとする。また、Ｕ字状のコア部材２ａがＩ字状のコア部材２ｂの下方にあるものとして上下の各方向を規定し、コイル３の巻軸１００方向を左右方向とすると、コイル３は、図２に示したように、コイル３を構成する導電体（以下、銅板（１０３ａ、１０３ｂ）と言うことがある）は、前後に延長して矩形枠状の磁路内に挿通された平板状の部位と、当該平板状の部位の前後両端において下方に屈曲した部位とを有する。そして、コイル部品１０１は、下方に屈曲した部位の下端が回路基板の配線に接続されることで、当該回路基板に実装される。

図３は、回路基板に形成されている配線パターン１１０を示している。図３に示したように、回路基板に形成された配線パターン１１０は、二つの銅板（１０３ａ、１０３ｂ）の一方の銅板（１０３ａ又は１０３ｂ）における前後一方の端部（１１３ａ又は１１３ｂ）を、他方の銅板（１０３ｂまたは１０３ａ）における前後他方の端部（１１３ｂ又は１１３ａ）に接続する形状に形成されている。それによって、コイル部品１０１には、一方の銅板（１０３ａまたは１０３ｂ）の前後他方の端部（１２３ａ又は１２３ｂ）から、配線パターン１１０を経て、他方の銅板（１０３ｂまたは１０３ａ）の前後一方の端部（１２３ｂ又は１２３ａ）に至る経路によって、二巻き分のコイル１０３が形成される。すなわち、コイル部品１０１は、実装されていない状態では、銅板（１０３ａ、１０３ｂ）が、二巻きコイル３の一部を構成している。

なお、以下の特許文献１には、銅板からなる一巻きコイルを備えたインダクタンス素子について記載されている。

特開平１０−３３５１４６号公報

近年、電子機器の高周波化、高密度実装化によって搭載される部品の小型化が急速に進められている。特にインダクタなどのコイル部品には、さらなる高周波化と小型化とが求められている。

ところで、コイル部品では、高周波化により鉄損や銅損といった損失が増大することが知られている。また、周波数の増加に起因する共振など、コイル部品における周波数特性が、コイル部品のインダクタンスを変動させることも知られている。

さらに、本発明者は、コイル部品のさらなる高周波化に伴う問題として、コイルの渦電流が生じさせる磁場がコアに対して逆起磁力となり、コイル部品のインダクタンスを減少させるという現象を知見した。また、渦電流に起因するインダクタンスの低下の度合いは、周波数が高いほど大きいことも知見した。

図４に、渦電流Ｉｅに起因してインダクタンスが低下する原理を模式的示した。図４は、コイル部品１０１を、上下方向と左右方向とを含む面で切断したときの断面図であり、図１に示したａ−ａ矢視断面に対応している。また、図４では、コイル部品１０１が、図３に示した配線パターン１１０が形成された回路基板に実装されて、銅板（１０３ａ、１０３ｂ）と配線パターン１１０とによってコイル１０３が形成されている状態を示した。

図４に示したように、コイル３を構成する銅板（１０３ａ、１０３ｂ）に、紙面手前から奥行き方向に電流Iが流れている場合、コイル部品１０１のコア２には、実線矢印で示した矩形枠状の磁路が形成され、コイル１０３に印加される電流Ｉによって誘起された磁束Φ１は、この磁路に沿って環状に流れる。その一方で、ギャップ２１からの漏洩磁束など、誘起された磁束Φ１の一部Φ１１は、銅板（１０３ａ、１０３ｂ）の面と鎖交する。

銅板（１０３ａ、１０３ｂ）の面と鎖交する磁束Φ１１は、銅板（１０３ａ、１０３ｂ）の面内を周回する渦電流Ｉｅを発生させる。この渦電流Ｉｅは、銅板（１０３ａ、１０３ｂ）の面と鎖交する磁束Φ１１と逆方向の磁束Φ２を発生させ、その磁束Φ２は、鎖線矢印で示したように、コア２の磁路に流れる磁束Φ１を打ち消す方向に流れる。そのため、コイル部品１０１のインダクタンスが低下する。そして、コイル１０３に印加される電流の周波数が大きいほど、インダクタンスの低下が大きくなる。

そこで本発明は、コイルに発生する渦電流に起因するインダクタンスの低下が抑制されて、高周波化と小型化とに適したコイル部品を提供する。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
一方向から見て矩形枠状の磁路を形成する磁性体と、
前記磁性体の枠内に配置されてコイルを構成する導電体と
を備え、
前記コイルの一巻き分に対応する前記導電体は、前記磁性体の枠内に配置されている領域内において、前記一方向に延長しつつ前記コイルの巻軸方向に並ぶ複数の導体部に分割されている、
ことを特徴とするコイル部品としている。

前記複数の導体部に、前記巻軸方向の幅が表皮深さ以下となるものが含まれていることコイル部品とすれば、より好ましい。

前記複数の導体部が、前記巻軸方向に同じ幅を有して、当該巻軸方向に等間隔で配置されているコイル部品としてもよい。前記複数の導体部のそれぞれが、個別の導電体からなるコイル部品とすることもできる。

本発明によれば、コイルに発生する渦電流に起因するインダクタンスの低下が抑制されて、高周波化と小型化とに適したコイル部品が提供される。

従来のコイル部品を示す図である上記従来のコイル部品の分解斜視図である。上記従来のコイル部品が実装される回路基板の配線パターンを示す図である。上記従来のコイル部品の問題点を説明するための図である。本発明の実施例に係るコイル部品を示す図である。上記実施例に係るコイル部品の分解斜視図である。上記実施例に係るコイル部品が実装される回路基板の配線パターンを示す図である。上記実施例に係るコイル部品の直流重畳特性を示す図である。本発明のその他の実施例に係るコイル部品の分解斜視図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一又は類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。

＝＝＝実施例＝＝＝
＜構造＞
図５と図６とに本発明の実施例に係るコイル部品１の概略図を示した。図５は、コイル部品１の外観を示す斜視図であり、図６は、コイル部品１の分解斜視図である。以下では、図１〜図４に示したように、上下の各方向、および前後方向と左右方向とを規定することとすると、実施例に係るコイル部品１は、図１、図２に示した従来のコイル部品１０１と同様に、前後方向から見て矩形枠状の磁路を形成する磁性体からなるＵＩ型のコア２と、磁路内に配置されてコイルを構成する導電体３１とを備えている。そして、コイル部品１は、回路基板に実装されることで二巻きのコイルが形成されるように構成されている。しかし、実施例に係るコイル部品１では、図６に示したように、導電体３１が、磁路内に配置されている領域で、左右方向に複数の導体部分（網点ハッチング部分、以下、導体部３２と言うことがある）に分割されている。図５、図６に示した例では、矩形断面形状を有する所定本数の導電体３１がコイルの一巻き分に対応し、各導電体３１が磁路内において複数の導体部３２となっている。そして、各導電体３１は、それぞれ、左右方向に間隙を有して配置されている。なお、図５、図６では、コイル部品１の構造が理解し易いように、コイルの一巻き分を五本一組の導電体（３１ａ、３１ｂ）で示している。

導電体３１は、回路基板に形成されている配線に接続されることで、巻き数２のコイルを形成する。図７に、回路基板に形成されている配線パターン１０を示した。図７は、回路基板を上方から見たときの配線パターン１０を示している。回路基板に形成された配線パターン１０は、１０本の導電体３１における五本一組の一方の組に属する導電体（３１ａ又は３１ｂ）における前後一方の端部（３３ａ又は３３ｂ）を、他方の組に属する導電体（３１ｂ又は３１ａ）のそれぞれの導電体３１における前後他方の端部（３３ｂ又は３３ａ）に接続する形状に形成されている。また、５本一組の導電体（３１ａ、３１ｂ）のそれぞれの端部（３３ａ、３４ａ、３３ｂ、３４ｂ）同士は、それぞれ、回路基板上で互いに接続されることで、二巻き分のコイル３を形成する。１０本の導電体３１と１０本の配線パターン１０とによって二巻きのコイル３を形成するためには、例えば、図７に示したように、五本一組の導電体（３１ａ、３１ｂ）の端部（３３ａ、３４ａ、３３ｂ、３４ｂ）同士を一括して接続する配線パターン１１を回路基板に形成すればよい。

このように、実施例に係るコイル部品１では、コイル３における一巻き分の導電体３１を、表面積が小さな複数の導体部３２に分割している。そのため、実施例に係るコイル部品１は、図４に示したように、銅板など、磁束Φ１１と鎖交する面の面積が広い導電体（１０３ａ、１０３ｂ）、すなわちコア２が同じであれば左右方向の幅が広い導電体（１０３ａ、１０３ｂ）を備えたコイル部品１０１に対し、渦電流Ｉｅを小さくすることができる。さらに、各導体部３２の左右方向の幅（図５、符号ｗ１）を表皮深さ以下とすればより好ましい。周知のごとく、表皮深さは、ある材質に入射した電磁界が約−８．７ｄＢに減衰する距離であり、コイル３に流れる電流Ｉの周波数によって変化する。そして、導電体部３２の左右幅ｗ１が表皮深さ以下であれば、導体部３２には、原理的に渦電流Ｉｅが発生しない。

＜特性評価＞
コイル部品１を高周波化する際にコイル部品１に求められる特性は、直流重畳特性であり、優れた直流重畳特性とは、インダクタンスＬが大きいことと、大きな電流を印加したときでもインダクタンスＬの低下が抑制されていること、すなわち、電流ＩとインダクタンスＬとの関係において、インダクタンスＬが急激に低下するとき(例えば、初期インダクタンスＬ_０に対してインダクタンスＬが１０％低下したとき)の電流値（飽和電流値Ｉｓａｔ）が高いことである。

直流重畳特性を向上させるためには、直流電流が０Ａのときのインダクタンス（以下、初期インダクタンスＬ_０と言うことがある）を大きくすることが考えられる。初期インダクタンスＬ_０は、コア２が同じであれば、ギャップ２１の間隔によって変化する。しかし、コイル部品（１、１０１）は、初期インダクタンスＬ_０が大きいほどコア２を構成する磁性体が飽和し易くなり、飽和電流値Ｉｓａｔが小さくなる傾向がある。すなわち、従来のコイル部品１０１では、インダクタンスＬと飽和電流値Ｉｓａｔの双方を大きくすることが難しかった。

ここで、実施例に係るコイル部品１の直流重畳特性を評価するために、図５において、左右幅ｗ＝１０ｍｍ、前後の奥行きｄ＝８ｍｍ、上下高ｈ＝２．５ｍｍの外寸を有するとともに、ギャップ２１の上下幅が２００μｍのコア２と、矩形断面を有する左右幅ｗ１＝０．０６６ｍｍの導線からなる導電体３１とを備えたコイル部品１を作製した。なお、導電体３１の左右幅ｗ１＝０．０６６ｍｍは、１ＭＨｚの電流を実施例に係るコイル部品１に印加したときの表皮深さに相当する。そして、導電体３１を同数毎に二組に区分し、図７に示したように、各組の導電体３１の端部（３３ａ、３３ｂ）同士を接続して二巻きのコイル３を形成した。そして、当該コイル３に、１ＭＨｚの交流電流を印加したときの、電流値ＩとインダクタンスＬとの関係を調べた。

また、実施例に係るコイル部品１に対する比較例として、図１、図２に示した、導電体３１として二つの銅板を用いたコイル部品１０１を作製し、比較例に係るコイル部品１０１についても電流値ＩとインダクタンスＬとの関係を調べた。なお、実施例と比較例とに係るコイル部品（１、１０１）は、同じコア２を用いた。すなわち、実施例に係るコイル部品１は、比較例に係るコイル部品１０１における二つの銅板からなる導電体（１０３ａ、１０３ｂ）のそれぞれを、左右幅ｗ１＝０．０６６ｍｍの多数の細い導電体３１に分割したものである。

図８に、実施例と比較例とに係るコイル部品（１、１０１）の直流重畳特性を示した。図８は、コイル部品（１、１０１）に印加する電流値Ｉ（Ａ）とインダクタンスＬ（μＨ）との関係を示している。図８に示したように、比較例に係るコイル部品１０１では、渦電流Ｉｅに起因するインダクタンスＬの減少が認められる。また、図８では、初期インダクタンスＬ０に対してインダクタンスＬが１０％低下したときの電流値を飽和電流値Ｉｓａｔとしているが、比較例に係るコイル部品１０１では、飽和電流値Ｉｓａｔが１８Ａ程度となっている。

一方、実施例に係るコイル部品１では、渦電流Ｉｅに起因するインダクタンスＬの減少が緩和されている。そのため、ギャップ２１を調整して初期インダクタンスを大きくしなくても、優れたインダクタンス特性を備えたものとなっている。そして、実施例に係るコイル部品１は、飽和電流値Ｉｓａｔが２０Ａ程度であり、比較例に係るコイル部品１０１に対し、飽和電流値Ｉｓａｔの減少も抑制されたものとなっている。すなわち、実施例に係るコイル部品１は、直流抵抗が増大することなく、初期インダクタンスの低下や、渦電流ＩｅによるインダクタンスＬの低下を抑制することができ、優れた直流重畳特性を備えたものとなっている。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
実施例に係るコイル部品１では、同じ左右幅ｗ１の導電体３１を等間隔で磁路内に配置していた。これは、前後方向から見て、コア２における矩形枠状の磁路の開口が上下に扁平であり、この扁平な領域（以下、巻枠領域と言うことがある）に導電体３１を配置する必要があったためである。

例えば、図４を参照すると、コイル部品１が、ＵＩ型のコア２を有するチョークコイルである場合、Ｕ字型のコア部材（以下、Ｕコア２ａと言うことがある）からＩ字型のコア部材（以下、Ｉコア２ｂと言うことがある）に流入する磁束Φ１は、Ｕコア２ａの外脚２２を通過せずに、Ｕコア２ａにおいて左右の外脚２２間に架け渡されている領域２３からＩコア２ｂへ漏れてしまう。そのため、巻枠領域に、コイル３を構成する導電体１０３として左右幅の広い銅板などが配置されていると、その導電体１０３の上下両面において、巻枠領域内にある全領域で磁束Φ１１が鎖交し、コア２の主磁束Φ１に対する逆磁束Φ２が大きくなってしまう。したがって、実施例に係るコイル部品１において、巻枠領域が狭小である場合は、巻枠領域の全領域に渡って配置されている導電体３１の左右幅ｗ１を狭くすることが望ましい。

一方、実施例に係るコイル部品１において、巻枠領域が十分に大きい場合では、磁束Φ１が漏れるギャップ２１に近い領域、すなわち、前後方向から見て、巻枠領域の左右両端側に左右幅ｗ１が小さな導電体３１を配置すればよい。そして、上述したように、導電体３１に渦電流Ｉｅが発生するのは、導電体３１の左右幅ｗ１が表皮深さ以上のときであることから、巻枠領域内において、コア２からの漏洩磁束Φ１１に鎖交する領域に配置されている導電体３１は、左右幅ｗ１が表皮深さ以下であることが、より好ましい。なお、表皮深さはコイル部品１に印加する電流Ｉの周波数に依存するため、導電体３１の左右幅ｗ１は、その周波数に応じて設定することになる。

上記実施例に係るコイル部品１では、図７に示したように、コイル３の一巻き分に相当する複数本一組の導線（３３ａ、３３ｂ）が、コイル部品１が実装される回路基板の配線パターン１１によって並列接続されることとしていたが、図９に示したコイル部品２０１のように、銅板などからなる平板状の導電体（１３１ａ、１３１ｂ）において、コア２巻枠内に配置されている領域に前後方向に延長するスリット３５が左右に並ぶように形成されて、複数の導体部３２が形成されていてもよい。

本発明の実施例に係るコイル部品の技術思想、すなわち、コイルの一巻き分を複数の導電体で構成して、渦電流に起因するインダクタンスの低下を抑制するという技術思想は、例えば、積層チップインダクタなどにも適用することができる。

１，１０１，２０１コイル部品、２コア、２ａ、２ｂコア部材、
３，１０３コイル、１０，１１，１１０配線パターン、
３１、３１ａ、３１ｂ、１０３ａ、１０３ｂ、１３１ａ，１３１ｂ導電体、
３２導体部、

Claims

一方向から見て矩形枠状の磁路を形成する磁性体と、
前記磁性体の枠内に配置されてコイルを構成する導電体と
を備え、
前記コイルの一巻き分に対応する前記導電体は、前記磁性体の枠内に配置されている領域内において、前記一方向に延長しつつ前記コイルの巻軸方向に並ぶ複数の導体部に分割されている、
ことを特徴とするコイル部品。
請求項１に記載のコイル部品であって、前記複数の導体部に、前記巻軸方向の幅が表皮深さ以下となるものが含まれていることを特徴とするコイル部品。
請求項１又は２に記載のコイル部品であって、前記複数の導体部は、前記巻軸方向に同じ幅を有して、当該巻軸方向に等間隔で配置されていることを特徴とするコイル部品
請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイル部品であって、前記複数の導体部のそれぞれが、個別の導電体からなることを特徴とするコイル部品。