JP2022172333A - inductor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子回路に用いられるインダクタに関し、特にDC/DCコンバータ等の電源部品に使用されるインダクタに関する。 The present invention relates to inductors used in electronic circuits, and more particularly to inductors used in power supply components such as DC/DC converters.
近年、ノート型パソコンや携帯電話に代表される電子機器の小型化が進められ、DC/DCコンバータ等の小型電源の需要が増大している。これに伴い、搭載されるインダクタについても小型化・軽量化が進められ、半導体製造技術やマイクロマシーニング技術を利用した平面型・薄膜型のインダクタや積層チップ型の小型インダクタが検討されている。 2. Description of the Related Art In recent years, the miniaturization of electronic devices typified by notebook computers and mobile phones has progressed, and the demand for compact power sources such as DC/DC converters is increasing. Along with this, the size and weight of inductors to be mounted are also being reduced, and planar/thin-film inductors and multilayer chip-type compact inductors using semiconductor manufacturing technology and micromachining technology are being studied.
従来のインダクタでは、例えば、特許文献1及び特許文献2に記載されているように、磁性体がコイルの導体部を覆う構造となっている。これは、磁性体の磁気シールド効果によってコイル導体部に鎖交する磁束を磁性体に回避させるためであり、コイル導体部内部の表皮効果や近接効果による渦電流の発生を抑制し銅損を低減するためである。
A conventional inductor has a structure in which a magnetic body covers a conductor portion of a coil, as described in
しかしながら、高い周波数でDC/DCコンバータを動作させると、磁性体の比透磁率が低下し、従来のインダクタでは磁性体からコイルへ磁束が漏れやすくなっていた。このため、銅損によって交流抵抗が大きく、高いQ値が得られないという問題が生じていた。 However, when the DC/DC converter is operated at a high frequency, the relative magnetic permeability of the magnetic material decreases, and magnetic flux tends to leak from the magnetic material to the coil in conventional inductors. For this reason, there has been a problem that the AC resistance is large due to the copper loss, and a high Q value cannot be obtained.
そこで、本発明は、上記事情に鑑み、高周波用DC/DCコンバータ等の電源部品においてインダクタの小型化・薄型化を可能とし、コイルの表皮効果や近接効果による高周波損失を低減して、低抵抗でQ値の高い高性能のインダクタを提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above circumstances, the present invention makes it possible to reduce the size and thickness of inductors in power supply parts such as high-frequency DC/DC converters, reduce high-frequency loss due to the skin effect and proximity effect of coils, and reduce resistance. It is an object of the present invention to provide a high-performance inductor with a high Q value.
第1の発明のインダクタは、矩形断面のコイル導体部を備える導体線が巻回されたコイルと前記コイルを覆う磁性体とを有するインダクタであって、少なくとも一つの前記コイル導体部において、前記磁性体との間の、矩形断面の長辺の一方又は両方の中央部に対応する位置に非磁性絶縁体が配備され、さらに、前記コイル導体部の両端において、前記磁性体が前記コイル導体部に接して前記コイル導体部を被る構造であることを特徴とする。 An inductor according to a first aspect of the invention is an inductor having a coil around which a conductor wire having a rectangular cross section is wound and a magnetic material covering the coil, wherein at least one of the coil conductors includes the magnetic A non-magnetic insulator is provided at a position corresponding to the central portion of one or both of the long sides of the rectangular cross section between the coil conductor and the magnetic body at both ends of the coil conductor. It is characterized in that it has a structure covering the coil conductor portion in contact therewith.
第2の発明のインダクタは、第1の発明に係るインダクタにおいて、前記コイルが渦巻状に巻回された平面型のスパイラルコイルであることを特徴とする。 According to a second invention, in the inductor according to the first invention, the coil is a planar spiral coil wound in a spiral shape.
第3の発明のインダクタは、第1の発明に係るインダクタにおいて、前記コイルが渦巻状に巻回されたフラット巻きコイルであることを特徴とする。 According to a third aspect of the invention, in the inductor according to the first aspect of the invention, the coil is a spirally wound flat wound coil.
第4の発明のインダクタは、第1の発明に係るインダクタにおいて、前記コイルが螺旋状に巻回されたヘリカルコイルであることを特徴とする。 According to a fourth invention, in the inductor according to the first invention, the coil is a spirally wound helical coil.
第5の発明のインダクタは、第1の発明に係るインダクタにおいて、前記コイルがフレキシブル基板上に形成されたことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the invention, in the inductor according to the first aspect of the invention, the coil is formed on a flexible substrate.
第6の発明のインダクタは、第1から第5のいずれか1つの発明に係るインダクタにおいて、前記コイル導体部の矩形断面の長辺方向の前記非磁性絶縁体の幅が前記コイル導体部の矩形断面の長辺の長さの0.4倍以上1倍未満であることを特徴とする。 The inductor according to a sixth invention is the inductor according to any one of the first to fifth inventions, wherein the width of the non-magnetic insulator in the long side direction of the rectangular cross section of the coil conductor portion is the rectangle of the coil conductor portion. It is characterized by being 0.4 times or more and less than 1 time the length of the long side of the cross section.
第7の発明のインダクタは、第1の発明に係るインダクタにおいて、前記コイル導体部が、導体と絶縁体の積層構造からなることを特徴とする。 According to a seventh invention, in the inductor according to the first invention, the coil conductor portion has a laminated structure of a conductor and an insulator.
第1から第4の発明によれば、コイル導体部の矩形断面の少なくとも一つの長辺においてコイル導体部と磁性体との間に非磁性絶縁体を備えているので、磁性体からコイルへの磁束の漏れ、特にコイル導体のエッジの部分への磁束の漏れを抑えられる。このためコイル導体部内部での渦電流の発生を抑制し、表皮効果や近接効果による銅損を低減できる。これにより、交流抵抗を低くし高いQ値を得ることができる。 According to the first to fourth inventions, the non-magnetic insulator is provided between the coil conductor and the magnetic body on at least one long side of the rectangular cross section of the coil conductor, so that the magnetic body is connected to the coil. Magnetic flux leakage, especially magnetic flux leakage to the edge portion of the coil conductor can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the generation of eddy current inside the coil conductor and reduce the copper loss due to the skin effect and the proximity effect. Thereby, AC resistance can be lowered and a high Q value can be obtained.
第5の発明によれば、フレキシブル基板上にコイルを形成することによって、インダクタの小型化・薄型化を容易に実現でき、さらにその可撓性から耐衝撃性を向上させることができる。 According to the fifth invention, by forming the coil on the flexible substrate, the size and thickness of the inductor can be easily reduced.
第6の発明のインダクタによれば、非磁性絶縁体の幅を所定の範囲(コイル導体部の幅の0.4~1倍)にすることによって、非磁性絶縁体の厚さに寄らず非磁性絶縁体が無い従来のインダクタに比べ高いQ値を得ることができる。 According to the inductor of the sixth invention, by setting the width of the non-magnetic insulator within a predetermined range (0.4 to 1 times the width of the coil conductor), the non-magnetic insulator can be A higher Q value can be obtained than a conventional inductor without a magnetic insulator.
第7の発明のインダクタによれば、コイル導体部を導体と絶縁体の積層構造とし、コイル導体部を複数の導体部分で形成することによって、表皮効果や近接効果による渦電流の影響をさらに抑えることができる。 According to the inductor of the seventh aspect of the invention, the coil conductor portion has a laminated structure of conductors and insulators, and the coil conductor portion is formed of a plurality of conductor portions, thereby further suppressing the effects of eddy currents due to the skin effect and the proximity effect. be able to.
以下、本発明の実施の形態に係るインダクタについて、図面に基づいて説明するが、本発明はここで述べられる実施の形態に限定されるものではない。
<第1の実施の形態>
Hereinafter, inductors according to embodiments of the present invention will be described based on the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments described here.
<First Embodiment>
図1は、第1、第2及び第3の実施の形態に係るインダクタのコイル部分のみの平面概略図である。磁性体及び非磁性絶縁体の部分は省略し図示していない。コイルは、矩形断面のコイル導体部1を備える導体線が渦巻状に巻回された平面型のスパイラルコイルである。コイル巻数は4巻であるがこの巻数に限定されない。導体線は平角線だけでなく、複数本の線を撚り合わせたリッツ線を略矩形断面の形状としたものであってもよい。コイルは、アルミニウム、銅又はマンガニン(登録商標)(銅、マンガン及びニッケルの合金)の金属からなる。
FIG. 1 is a schematic plan view of only coil portions of inductors according to first, second and third embodiments. Portions of the magnetic material and the non-magnetic insulator are omitted and not shown. The coil is a planar spiral coil in which a conductor wire having a
図2は、第1の実施の形態に係るインダクタの断面概略図である。図1のA-A′断面に磁性体2及び非磁性絶縁体3を追加して図示したものである。コイル導体部1を磁性体2が覆っているが、コイル導体部1の上側の長辺の面に接して、すなわちコイルの上面のコイル導体部1と磁性体2の間に、非磁性絶縁体3が配置されている。この実施の形態では、非磁性絶縁体3がコイルの上面の全てのコイル導体部1と磁性体2の間に配置されているが、非磁性絶縁体3は一部のコイル導体部1と磁性体2の間に配置されていてもよい。なお、スパイラルコイルであるため、コイル導体部1の矩形断面の長辺方向はz軸方向に垂直方向、すなわち半径方向(r方向)に一致する。よって、コイル導体部の矩形断面の長辺方向の非磁性絶縁体の幅はコイルの半径方向の幅に相当し、コイル導体部の矩形断面の長辺の長さはコイルの半径方向の幅に相当する。そして、コイル導体部の矩形断面の長辺方向の非磁性絶縁体の幅は、コイル導体部の矩形断面の長辺の長さ以下であり、非磁性絶縁体3のコイルの半径方向(r方向)の幅は、コイル導体部1のコイルの半径方向(r方向)の幅以下となっている。磁性体2は、FeSiCrB等の鉄系アモルファス磁性粉を含有する磁性コンポジット材やフェライト、電磁鋼板、センダスト、パーマロイ、Ni系、Fe系の強磁性材料等で構成することができる。また非磁性絶縁体3は、SiO2やアルミナ、高分子樹脂材料等又は空気、アルゴン等の気体で構成することができる。ここで、非磁性絶縁体とは、強磁性でなく常磁性又は反磁性であって抵抗率が108Ωm以上の絶縁性の物質をいう。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the inductor according to the first embodiment. A
第1の実施の形態では、コイル導体部1とコイル導体部1の間には磁性体2が充填され配置されている。これにより、コイル導体部1の両端部で磁束は比透磁率の高い磁性体2に吸い寄せられ誘導され、コイル導体部1の両端部での磁束集中を回避できる。さらに、コイル導体部1上では非磁性絶縁体3を介して磁性体2が配置されている。これにより、コイル導体部1を介して向かい合う磁性体2の距離が増加して磁気抵抗が増大し、特にコイル導体部1の中央部で磁性体2からコイル導体部1に漏れる磁束を低減できる。したがって、第1の実施の形態では、上記作用により、コイル内の渦電流の発生を抑制し交流抵抗の増大を抑え高いQ値を得ることができる。
In the first embodiment, the
このとき、非磁性絶縁体3のコイルの半径方向(r方向)の幅は、コイル導体部1のコイルの半径方向(r方向)の幅の0.4~1倍であることが好ましい。高いQ値が得られるからである。
At this time, the width of the coil of the non-magnetic insulator 3 in the radial direction (r direction) is preferably 0.4 to 1 times the width of the coil of the
また、コイルは、非磁性の基板上に形成されたものであってもよい。このとき基板は、耐衝撃性を得るためフレキシブル基板とすることができる。 Also, the coil may be formed on a non-magnetic substrate. At this time, the substrate can be a flexible substrate in order to obtain impact resistance.
さらに、コイル導体部1は、導体と絶縁体の積層構造からなってもよい。表皮効果や近接効果による渦電流の影響を抑制できるからである。
<第2の実施の形態>
Furthermore, the
<Second Embodiment>
図3は、第2の実施の形態に係るインダクタの断面概略図である。図1のA-A′断面に磁性体2、第1非磁性絶縁体31及び第2非磁性絶縁体32を追加して図示したものである。第1の実施の形態との比較では、コイル導体部1の断面の長辺(z軸に垂直な辺)の両面に第1非磁性絶縁体31と第2非磁性絶縁体32が配置されている。すなわち、コイルの上面の第1非磁性絶縁体31だけでなく下面にも、コイル導体部1と磁性体2の間に第2非磁性絶縁体32が配置されている。コイルの上面及び下面に配置された第1非磁性絶縁体31及び第2非磁性絶縁体32のコイルの半径方向(r方向)の幅は、共にコイル導体部1のコイルの半径方向(r方向)の幅以下となっている。磁性体2は、FeSiCrB等の鉄系アモルファス磁性粉を含有する磁性コンポジット材やフェライト、電磁鋼板、センダスト、パーマロイ、Ni系、Fe系の強磁性材料等で構成することができる。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an inductor according to a second embodiment. A
第2の実施の形態では、コイル導体部1の上面及び下面の両面にそれぞれ第1非磁性絶縁体31と第2非磁性絶縁体32が配置されているので、コイル導体部1、第1非磁性絶縁体31及び第2非磁性絶縁体32を介して向かい合う磁性体2の距離が、第1の実施の形態に比べさらに増加して磁気抵抗が増大する。これにより、コイル導体部1の中央部での磁性体2から漏れ磁束を低減でき、交流抵抗の増大を抑えより高いQ値を得ることができる。
In the second embodiment, the first non-magnetic insulator 31 and the second non-magnetic insulator 32 are arranged on both the top surface and the bottom surface of the
このとき、コイルの上面及び下面に配置された第1非磁性絶縁体31及び第2非磁性絶縁体32のコイルの半径方向(r方向)の幅は、共にコイル導体部1のコイルの半径方向(r方向)の幅の0.4~1倍であることが好ましい。高いQ値が得られるからである。 At this time, the widths in the radial direction (r direction) of the coil of the first nonmagnetic insulator 31 and the second nonmagnetic insulator 32 arranged on the upper surface and the lower surface of the coil are both It is preferably 0.4 to 1 times the width in the (r direction). This is because a high Q value can be obtained.
また、コイルは、非磁性の基板上に形成されたものであってもよく、さらに、コイル導体部1は、導体と絶縁体の積層構造からなってもよい。
<第3の実施の形態>
Also, the coil may be formed on a non-magnetic substrate, and the
<Third Embodiment>
図4は、第3の実施の形態に係るインダクタの断面概略図である。図1のA-A′断面に磁性体21、磁性体22、第1非磁性絶縁体31、第2非磁性絶縁体32及び基板4を追加して図示したものである。第3の実施の形態に係るインダクタは、第2の実施の形態に対して磁性体21と磁性体22の間に基板4を挿入し追加したもので、コイルを基板4上に形成し、磁性体を2つの部分の磁性体21と磁性体22に分け、磁性体21と磁性体22が基板4を介して対向する構造となっている。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an inductor according to a third embodiment. A magnetic body 21, a magnetic body 22, a first non-magnetic insulator 31, a second non-magnetic insulator 32 and a
図4において、磁性体21及び磁性体22は、FeSiCrB等の鉄系アモルファス磁性粉を含有する磁性コンポジット材やフェライト、電磁鋼板、センダスト、パーマロイ、Ni系、Fe系の強磁性材料等で構成することができる。また非磁性絶縁体31及び非磁性絶縁体32は、SiO2やアルミナ、高分子樹脂材料等で構成することができる。さらに、基板4は、非磁性(強磁性でなく常磁性又は反磁性)であって、耐衝撃性を確保し取扱いを容易とするためポリイミドやポリエチレンテレフタラート(PET)等のプラスチック材料からなるフレキシブル基板とすることができる。
In FIG. 4, the magnetic body 21 and the magnetic body 22 are composed of a magnetic composite material containing iron-based amorphous magnetic powder such as FeSiCrB, ferrite, electromagnetic steel sheet, sendust, permalloy, Ni-based, Fe-based ferromagnetic materials, etc. be able to. The non-magnetic insulator 31 and the non-magnetic insulator 32 can be made of SiO2, alumina, polymeric resin material, or the like. Further, the
第1非磁性絶縁体31及び第2非磁性絶縁体32のコイルの半径方向(r方向)の幅は、第2の実施の形態と同様に共にコイル導体部1のコイルの半径方向(r方向)の幅以下となっている。そして、好ましくは、第1非磁性絶縁体31及び第2非磁性絶縁体32のコイルの半径方向(r方向)の幅は、それぞれコイル導体部1のコイルの半径方向(r方向)の幅の0.4~1倍である。
The widths of the first nonmagnetic insulator 31 and the second nonmagnetic insulator 32 in the radial direction (r direction) of the coil of the
さらに、コイル導体部1は、導体と絶縁体の積層構造からなってもよい。
(電磁界解析)
Furthermore, the
(Electromagnetic field analysis)
第3の実施の形態の効果を説明するために、有限要素法による電磁界解析の計算結果について説明する。電磁界解析用のソフトには、電磁場解析ソフトウェアのANSYS Maxwell(ANSYS社製)を用い、インダクタの特性(交流抵抗R、インダクタンスL、Q値)を計算した。表1に解析の諸条件をまとめる。 In order to explain the effect of the third embodiment, calculation results of electromagnetic field analysis by the finite element method will be explained. As software for electromagnetic field analysis, electromagnetic field analysis software ANSYS Maxwell (manufactured by ANSYS) was used to calculate inductor characteristics (AC resistance R, inductance L, Q value). Table 1 summarizes the analysis conditions.
図5は、コイルの解析モデルを説明する図(平面図)である。ただし、磁性体、非磁性絶縁体及び基板については省略し図示していない。コイル導体部は、抵抗率1.72×10-8 Ωmの銅材を想定している。巻数が4巻の渦巻状の平面コイルである。コイルの外径(直径)ODは22.4mm、内径(直径)IDは3.4mm、ピッチは0.5mm、コイルの半径方向のコイル導体部の幅は2mm、コイル導体部1の厚さは70μmである。
FIG. 5 is a diagram (plan view) for explaining an analysis model of the coil. However, the magnetic material, the non-magnetic insulator and the substrate are omitted and not shown. The coil conductor is assumed to be a copper material with a resistivity of 1.72×10 −8 Ωm. It is a spiral planar coil with four turns. The outer diameter (diameter) OD of the coil is 22.4 mm, the inner diameter (diameter) ID is 3.4 mm, the pitch is 0.5 mm, the width of the coil conductor in the radial direction of the coil is 2 mm, and the thickness of the
図4は、図5のA-A′断面図に相当する。図5では磁性体、非磁性絶縁体及び基板を省略したが、図4ではコイルの他に磁性体、非磁性絶縁体及び基板も追加して図示している。図4において、基板4の膜厚は37μm(=基板自身の膜厚25μm+接着層12μm)、第1磁性体21と第2磁性体22の膜厚は等しく、コイル導体部1、第1磁性体21、第2磁性体22、非磁性絶縁体31、非磁性絶縁体32及び基板4合わせた総膜厚は0.8mmである。さらに、図4において、第1非磁性絶縁体31及び第2非磁性絶縁体32のコイルの半径方向(r方向)の幅を共に「dw」とし、また、第1非磁性絶縁体31及び第2非磁性絶縁体32の厚さも等しく「dt」とした。
FIG. 4 corresponds to the AA' cross-sectional view of FIG. Although the magnetic material, the non-magnetic insulator and the substrate are omitted in FIG. 5, the magnetic material, the non-magnetic insulator and the substrate are additionally shown in FIG. 4 in addition to the coil. In FIG. 4, the film thickness of the
図6~図8は、それぞれ第3の実施の形態に係るインダクタの交流抵抗R、インダクタンスL及びQ値のdw依存性の計算結果である。また、図9~図11は、それぞれ第3の実施の形態に係るインダクタの交流抵抗R、インダクタンスL及びQ値のdt依存性の計算結果である。 6 to 8 are calculation results of the dw dependence of the AC resistance R, inductance L and Q value of the inductor according to the third embodiment, respectively. 9 to 11 are the calculation results of the dt dependence of the AC resistance R, inductance L and Q value of the inductor according to the third embodiment.
図6~図8から、dwの増加に伴い、インダクタンスLは減少するが交流抵抗Rも減少してQ値が増大し、dtが0.25mm以下のときdwが0.4mm以上で、Q値はdw=0mmのときより大きくなっている。また、図8から、コイル導体部1の幅に対してdwが0.4~1倍のとき(dwが0.8mm以上2mm以下のとき)、いずれのdtに対してもQ値はdw=0mmのときより大きくなっている。 From FIGS. 6 to 8, as dw increases, the inductance L decreases, but the AC resistance R also decreases and the Q value increases. is larger than when dw=0 mm. Further, from FIG. 8, when dw is 0.4 to 1 times the width of the coil conductor portion 1 (when dw is 0.8 mm or more and 2 mm or less), the Q value for any dt is dw= It is larger than when it is 0 mm.
また、dtが0.1mm以上では、dwが1.8mm付近でQ値は各dtに対して最大となっている。これは、第1磁性体21と第2磁性体22がコイル導体部1の両端でおよそ0.1mm被っているときに対応する。
<第4の実施の形態>
Moreover, when dt is 0.1 mm or more, the Q value becomes maximum for each dt when dw is around 1.8 mm. This corresponds to the case where the first magnetic body 21 and the second magnetic body 22 cover both ends of the
<Fourth Embodiment>
図12は、第4の実施の形態に係るインダクタのコイル部分のみの上面概略図である。磁性体及び非磁性絶縁体の部分は省略し図示していない。コイルは、矩形断面のコイル導体部1を備える導体線が渦巻状に巻回されたコイルであるが、第1~第3の実施の形態に係るインダクタの平面型のスパイラルコイルと異なり、コイルは、コイル導体部1の矩形断面の長辺がz軸に平行なフラット巻コイルである。フラット巻コイルでは、矩形断面の導体線(コイル導体部1)を半径方向に積層するように巻いて構成されるが、導体線(コイル導体部)は平角線だけに限定されない。導体線はリッツ線を略矩形断面の形状としたものであってもよい。コイルは、アルミニウム、銅又はマンガニン(登録商標)(銅、マンガン及びニッケルの合金)の金属からなる。
FIG. 12 is a schematic top view of only the coil portion of the inductor according to the fourth embodiment. Portions of the magnetic material and the non-magnetic insulator are omitted and not shown. The coil is a coil in which a conductor wire having a
図13は、第4の実施の形態に係るインダクタの断面概略図である。図12のA-A′断面に磁性体2及び非磁性絶縁体3を追加して図示したものである。コイル巻数は4巻であるがこの巻数に限定されない。コイル導体部1を磁性体2が覆っているが、コイルの最内周面および最外周面と磁性体2の間に、非磁性絶縁体3が配置されている。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of an inductor according to a fourth embodiment. A
この実施の形態では、非磁性絶縁体3が最内周のコイル導体部1の内周面と最外周のコイル導体部1の外周面に接して磁性体2との間に挿入され配置されている。コイル導体部1の矩形断面の長辺方向(z軸方向)の非磁性絶縁体3の幅は、コイル導体部の矩形断面の長辺の長さ以下となっている。このとき、非磁性絶縁体3の幅は、コイル導体部の長辺の長さの0.4~1倍であることが好ましい。これにより、コイルの最内周部と最外周部において磁性体からコイル導体部への磁束の漏れを抑えられ、コイル導体部内部での渦電流の発生を抑制し、表皮効果や近接効果による銅損を低減してQ値を高めることができる。なお、コイル導体部1は導体と絶縁体の積層構造からなってもよい。
In this embodiment, a non-magnetic insulator 3 is inserted between the
非磁性絶縁体3の配置はこの実施の形態の配置に限定されない。例えば、非磁性絶縁体3は、コイルの最内周と最外周だけでなく、他の一部のコイル導体部1の長辺に接してコイル導体部1との磁性体2の間に配置されていてもよい。またすべてのコイル導体部間にも配置されてもよい。なお、磁性体2は、FeSiCrB等の鉄系アモルファス磁性粉を含有する磁性コンポジット材やフェライト、電磁鋼板、センダスト、パーマロイ、Ni系、Fe系の強磁性材料等で構成することができる。非磁性絶縁体3は、SiO2やアルミナ、高分子樹脂材料等又は空気、アルゴン等の気体で構成することができる。
<第5の実施の形態>
The arrangement of the non-magnetic insulators 3 is not limited to that of this embodiment. For example, the non-magnetic insulator 3 is arranged between the
<Fifth Embodiment>
図14は、第5の実施の形態に係るインダクタのコイル部分のみの上面概略図である。磁性体及び非磁性絶縁体の部分は省略し図示していない。コイルは、矩形断面のコイル導体部1を備える導体線が螺旋状に巻回されたヘリカルコイルである。導体線が平角線の場合、ヘリカルコイルはエッジワイズコイルとも呼ばれるが、導体線(コイル導体部)は平角線だけに限定されない。導体線はリッツ線を略矩形断面の形状としたものであってもよい。コイルは、アルミニウム、銅又はマンガニン(登録商標)(銅、マンガン及びニッケルの合金)の金属からなる。
FIG. 14 is a schematic top view of only the coil portion of the inductor according to the fifth embodiment. Portions of the magnetic material and the non-magnetic insulator are omitted and not shown. The coil is a helical coil in which a conductor wire having a
図15は、第5の実施の形態に係るインダクタの断面概略図である。図14のA-A′断面に磁性体2及び非磁性絶縁体3を追加して図示したものである。コイル巻数は4巻であるがこの巻数に限定されない。コイル導体部1を磁性体2が覆っているが、コイルの最上面および最下面の磁性体2の間に、第3非磁性絶縁体33が挿入され配置されている。また、コイル導体部間にも第4非磁性絶縁体34が配置されている。
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of an inductor according to a fifth embodiment. A
図15のヘリカルコイルでは、コイル導体部1の矩形断面の長辺方向はz軸に垂直な方向、すなわち半径方向(r方向)に一致する。コイルの最上面および最下面において、コイル導体部の矩形断面の長辺方向(z軸に垂直な半径方向)の第3非磁性絶縁体33の幅はコイル導体部1の矩形断面の長辺の長さ以下である。そして、第3非磁性絶縁体33の半径方向の幅は、コイル導体部1の矩形断面の長辺の長さ(半径方向の長さ)の0.4~1倍であることが好ましい。また、この実施の形態では、第4非磁性絶縁体34の半径方向の幅は、コイル導体部の矩形断面の長辺の長さ(半径方向の長さ)に等しくなっているが、第4非磁性絶縁体34の半径方向の幅は、コイル導体部1の矩形断面の長辺の長さ未満であってもよい。第4非磁性絶縁体34の半径方向の幅は、コイル導体部1の矩形断面の長辺の長さの0.4~1倍であることが好ましい。これにより、磁性体からコイル導体部への磁束の漏れを抑えられ、コイル導体部内部での渦電流の発生を抑制し、表皮効果や近接効果による銅損を低減してQ値を高めることができる。なお、磁性体2は、FeSiCrB等の鉄系アモルファス磁性粉を含有する磁性コンポジット材やフェライト、電磁鋼板、センダスト、パーマロイ、Ni系、Fe系の強磁性材料等で構成することができ、また非磁性絶縁体33および34は、SiO2やアルミナ、高分子樹脂材料等又は空気、アルゴン等の気体で構成することができる。
In the helical coil of FIG. 15, the long side direction of the rectangular cross section of the
第5の実施の形態では、非磁性絶縁体はコイル導体部1の矩形断面の全ての長辺側に配置されているが、この実施の形態に限定されてない。例えば、コイル導体部間は、第4非磁性絶縁体34がなく磁性体2で埋められていてもよい。また、コイル導体部1は導体と絶縁体の積層構造からなってもよい。
In the fifth embodiment, the nonmagnetic insulators are arranged on all long sides of the rectangular cross section of the
さらに、第5の実施の形態では、コイル導体部の矩形断面の長辺方向がコイルの半径方向となっているが、この実施の形態に限定されない。コイル導体部間を磁性体で埋められ、コイル導体部の矩形断面の長辺方向がコイルのz軸方向である構造のヘリカルコイルであってもよい。この場合も、コイル導体部に接して磁性体との間に挿入して配置される非磁性絶縁体の、コイル導体部の矩形断面の長辺方向の幅は、コイル導体部の矩形断面の長辺の長さ以下であり、好ましくは、コイル導体部の矩形断面の長辺の長さの0.4~1倍である。これにより、磁性体からコイル導体部への磁束の漏れを抑えられ、コイル導体部内部での渦電流の発生を抑制してQ値を高めることができる。
(電磁界解析)
Furthermore, in the fifth embodiment, the long side direction of the rectangular cross section of the coil conductor portion is the radial direction of the coil, but the present invention is not limited to this embodiment. A helical coil having a structure in which a space between the coil conductor portions is filled with a magnetic material and the long side direction of the rectangular cross section of the coil conductor portion is the z-axis direction of the coil may be used. In this case as well, the width of the non-magnetic insulator, which is inserted between the magnetic body and in contact with the coil conductor, in the long side direction of the rectangular cross section of the coil conductor is equal to the length of the rectangular cross section of the coil conductor. It is equal to or less than the length of the side, preferably 0.4 to 1 times the length of the long side of the rectangular cross section of the coil conductor. As a result, leakage of magnetic flux from the magnetic body to the coil conductor can be suppressed, and generation of eddy current inside the coil conductor can be suppressed to increase the Q value.
(Electromagnetic field analysis)
第5の実施の形態の効果を説明するために、有限要素法による電磁界解析の計算結果について説明する。解析の諸条件は、基本的には表1に示すとおりであるが、電流は表1の値(0.6A)と異なり4.9Aである。 In order to explain the effects of the fifth embodiment, calculation results of electromagnetic field analysis by the finite element method will be explained. The analysis conditions are basically as shown in Table 1, but the current is 4.9A, which is different from the value in Table 1 (0.6A).
図15(前述したように、図14のコイルのA-A′断面に磁性体2及び非磁性絶縁体33および34を追加して図示したもの)において、コイル導体部は、抵抗率1.72×10-8 Ωmの銅材からなり、巻数が4巻のヘリカルコイルである。コイルの外径(直径)ODは18mm、内径(直径)IDは8mm、コイル導体部の半径方向の幅は5mm、コイルの膜厚(z軸方向)は0.1mm、コイル導体部間の距離(第4非磁性絶縁体34のz軸方向の膜厚)は0.105mmである。磁性体2のコイルの半径方向(r方向)の幅は10mm、z軸方向の高さは10mmである。第3非磁性絶縁体33のz軸方向膜厚を「dt」、第3非磁性絶縁体33のコイルの半径方向(r方向)の幅を「dw」とした。
In FIG. 15 (as described above, the
図16~図18は、それぞれ第5の実施の形態に係るインダクタの交流抵抗R、インダクタンスL及びQ値について、dtが変化したときのdw依存性の計算結果である。図16~図18から、dtが0mmでないとき、dwの増加に伴いインダクタンスLは減少するが交流抵抗Rも減少してQ値が増大する。dtが2mm以下のとき、dwが4.8mm以下の範囲で、Q値はdtが0mmのときの値より大きくなっている。 16 to 18 are calculation results of dw dependence when dt changes for the AC resistance R, inductance L and Q value of the inductor according to the fifth embodiment. 16 to 18, when dt is not 0 mm, the inductance L decreases as dw increases, but the AC resistance R also decreases and the Q value increases. When dt is 2 mm or less, the Q value is larger than when dt is 0 mm in the range of dw of 4.8 mm or less.
また、dtが1mmでは、dwが4.4mm付近でQ値は最大となっている。これは、磁性体2がコイルの最上面および最下面の両端において0.3mm被っている場合に相当する。
Also, when dt is 1 mm, the Q value becomes maximum when dw is around 4.4 mm. This corresponds to the case where the
以下、本発明に係るインダクタの実施例について述べるが、本発明はここで述べられる実施例に限定されるものではない。
<実施例>
Examples of inductors according to the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples described here.
<Example>
図19は、実施例のインダクタの作製プロセスを説明する図である。 19A and 19B are diagrams for explaining the manufacturing process of the inductor of the example.
まず、ポリイミド付銅板をエッチングプリンタでエッチングし不要なポリイミドを除去して、内径8mm、外径18mm、幅5mm、厚さ0.105mmのコイル形状の導体を2つ作製する。 First, a polyimide-coated copper plate is etched with an etching printer to remove unnecessary polyimide, and two coil-shaped conductors having an inner diameter of 8 mm, an outer diameter of 18 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.105 mm are produced.
また、FeSiCrBアモルファス合金(メーカー:エプソンアトミックス株式会社、型番:AW2-08(絶縁処理なし)、平均粒径:2.6μm(球状))の磁性粉とエポキシ(メーカー:太陽金鋼株式会社、Duralco4460)のバインダを体積充填率57vol%で混合した磁性コンポジット材を作製する。これを所定の型に入れて120℃、4時間で焼結させ、20mm(幅)×20mm(奥)×5mm(高さ)の直方体型のコンポジットコアを2つ作製する。次に、2つのコンポジットコアの表面をフライスで加工しコイル形状の導体に対応した溝を設ける。溝は、導体の外周と内周に対応する部分でそれぞれに2段で落ち込む形状となっており、1段目の溝がストッパーとなって導体をはめ込むことができる。1段目の溝の深さは0.5mm、2段目の溝の深さは0.5mmである。 In addition, FeSiCrB amorphous alloy (manufacturer: Epson Atmix Corporation, model number: AW2-08 (no insulation treatment), average particle size: 2.6 μm (spherical)) magnetic powder and epoxy (manufacturer: Taiyo Kinko Co., Ltd., A magnetic composite material is prepared by mixing a binder of Duralco 4460) at a volume filling rate of 57 vol %. This is placed in a predetermined mold and sintered at 120° C. for 4 hours to produce two rectangular parallelepiped composite cores of 20 mm (width)×20 mm (back)×5 mm (height). Next, the surfaces of the two composite cores are milled to form grooves corresponding to the coil-shaped conductors. The groove has a shape in which two stages are depressed at portions corresponding to the outer circumference and the inner circumference of the conductor, respectively, and the conductor can be fitted by using the groove at the first stage as a stopper. The depth of the first stage groove is 0.5 mm, and the depth of the second stage groove is 0.5 mm.
導体を1段目の溝にはめ込んだ2つのコンポジットコアを導体側の面で合わせて接合しインダクタを組み立てる。このとき、対向する2つの導体の間には、導体と同じ形状の1mm厚のPETシートを挟んで、導体/PETシート(絶縁体)/導体の積層構造(サンドイッチ構造)のコイル導体部を形成する。PETシートを介して対向する2つの導体には同じ方向に電流を流し、コイルの巻数は1巻である。また、2段目の溝は非磁性絶縁体としての空隙となっている。 Two composite cores with conductors fitted in the grooves of the first stage are joined together on the conductor side to assemble the inductor. At this time, a 1mm-thick PET sheet having the same shape as the conductor is sandwiched between the two conductors facing each other to form a coil conductor part with a layered structure (sandwich structure) of conductor/PET sheet (insulator)/conductor. do. Two conductors facing each other through the PET sheet are energized in the same direction, and the number of turns of the coil is one. Also, the second stage groove is a gap as a non-magnetic insulator.
図20は、作製した(a)コイル形状の導体、(b)2段の溝を有するコンポジットコア、(c)2つのコンポジットコアを接合して組み立てたインダクタの写真である。 FIG. 20 is a photograph of (a) a coil-shaped conductor, (b) a composite core having two grooves, and (c) an inductor assembled by bonding two composite cores.
また、図21は、コイルの中心を通りコンポジットコアの側面に平行な実施例のインダクタの断面の右側部の概略図である。2段目の溝の深さ(0.5mm)が非磁性絶縁体の空隙の厚さに対応する。非磁性絶縁体の空隙のコイルの半径方向の幅は4.8mmであって、コイル導体部の幅(5mm)より0.2mm狭くなっている。
<比較例>
FIG. 21 is also a schematic diagram of the right side of the cross-section of the example inductor through the center of the coil and parallel to the side of the composite core. The depth (0.5 mm) of the second stage groove corresponds to the thickness of the air gap of the non-magnetic insulator. The radial width of the nonmagnetic insulator air gap is 4.8 mm, which is 0.2 mm narrower than the width (5 mm) of the coil conductor.
<Comparative example>
次に比較例について説明する。比較例では、非磁性絶縁体の空隙及びコイル導体部の導体間の絶縁体が無いインダクタを作製する。コイル形状の導体は、実施例と同様にポリイミド付銅板をエッチングして作製したものを使用する。導体は、内径8mm、外径18mm、幅5mm、厚さ0.105mmである。また、コンポジットコアは、実施例と同様に作製した20mm(幅)×20mm(奥)×5mm(高さ)の直方体型の2つのコンポジットコアについて、表面をフライスで加工しコイル形状の導体に対応した溝を設ける。溝は、実施例と異なり、深さ0.5mmの1段の溝のみ形成する。さらに、2つのコンポジットコアにそれぞれ0.105mm厚の導体を溝にはめ込み、実施例で作製したのと同様の磁性コンポジット材(FeSiCrBアモルファス合金とエポキシの混合材、体積充填率57vol%)をコンポジットコアの表面と導体の段差にスキージで塗布する。そして、この2つのコンポジットコアを導体側の面で合わせて接合しインダクタを組み立てる。このとき、磁性コンポジット材を介して対向する2つの導体には同じ方向に電流を流し、コイルの巻数は1巻である。 Next, a comparative example will be described. In a comparative example, an inductor without a gap of a non-magnetic insulator and an insulator between conductors in a coil conductor portion is manufactured. The coil-shaped conductor is prepared by etching a copper plate with polyimide in the same manner as in the example. The conductor has an inner diameter of 8 mm, an outer diameter of 18 mm, a width of 5 mm and a thickness of 0.105 mm. In addition, the composite cores are two rectangular parallelepiped composite cores of 20 mm (width) × 20 mm (depth) × 5 mm (height) that were produced in the same manner as in the example, and the surfaces were milled to correspond to the coil-shaped conductor. grooves. As for the groove, unlike the example, only a single step groove with a depth of 0.5 mm is formed. Furthermore, a conductor with a thickness of 0.105 mm was fitted into the groove in each of the two composite cores, and the same magnetic composite material (mixed material of FeSiCrB amorphous alloy and epoxy, volume filling rate 57 vol%) as that prepared in the example was applied to the composite core. Apply with a squeegee to the surface of the conductor and the step of the conductor. Then, these two composite cores are joined together on the conductor side to assemble the inductor. At this time, currents flow in the same direction through the two conductors facing each other through the magnetic composite material, and the number of turns of the coil is one.
図22は、導体をはめ込んだ後、磁性コンポジット材を塗布したコンポジットコアの写真である。また、図23は、コイルの中心を通りコンポジットコアの側面に平行な比較例のインダクタの断面の右側部の概略図である。
(インダクタ特性)
FIG. 22 is a photograph of a composite core coated with a magnetic composite material after the conductor is embedded. Also, FIG. 23 is a schematic diagram of the right side of the cross section of the inductor of the comparative example passing through the center of the coil and parallel to the side surface of the composite core.
(Inductor characteristics)
図24~図26は、それぞれ実施例及び比較例のインダクタについて測定した交流抵抗R、インダクタンスL及びQ値の周波数特性である。測定には、インピーダンスアナライザー(Agilent製、型番4294A)を用いた。図24~図26から、100kHz~10MHzの周波数の範囲で、交流抵抗Rについては実施例の方が比較例より低く、Q値についても実施例の方が比較例より高くなっているのが分かる。5MHzのときで比較すると、表2のようになっている。 24 to 26 show the frequency characteristics of AC resistance R, inductance L and Q value measured for the inductors of Example and Comparative Example, respectively. An impedance analyzer (manufactured by Agilent, model number 4294A) was used for the measurement. From FIGS. 24 to 26, it can be seen that in the frequency range of 100 kHz to 10 MHz, the AC resistance R of the example is lower than that of the comparative example, and the Q value of the example is also higher than that of the comparative example. . Table 2 shows a comparison at 5 MHz.
本発明に係るインダクタは、DC/DCコンバータ等の電源におけるインダクタに利用可能である。 The inductor according to the present invention can be used as an inductor in a power supply such as a DC/DC converter.
1 コイル導体部
2 磁性体
21 第1磁性体
22 第2磁性体
3 非磁性絶縁体
31 第1非磁性絶縁体
32 第2非磁性絶縁体
33 第3非磁性絶縁体
34 第4非磁性絶縁体
4 基板
1
Claims (7)
少なくとも一つの前記コイル導体部において、前記磁性体との間の、矩形断面の長辺の一方又は両方の中央部に対応する位置に非磁性絶縁体が配備され、さらに、
前記コイル導体部の両端において、前記磁性体が前記コイル導体部に接して前記コイル導体部を被る構造である
ことを特徴とするインダクタ。 An inductor having a coil wound with a conductor wire having a coil conductor portion with a rectangular cross section and a magnetic body covering the coil,
At least one of the coil conductors is provided with a non-magnetic insulator at a position corresponding to the center of one or both long sides of the rectangular cross section between the magnetic body and the magnetic body, and
The inductor, wherein the magnetic body covers the coil conductor portion in contact with the coil conductor portion at both ends of the coil conductor portion.
ことを特徴とする請求項1に記載のインダクタ。 2. The inductor according to claim 1, wherein the coil is a planar spiral coil that is spirally wound.
ことを特徴とする請求項1に記載のインダクタ。 2. The inductor of claim 1, wherein the coil is a spirally wound flat wound coil.
ことを特徴とする請求項1に記載のインダクタ。 The inductor according to claim 1, wherein the coil is a spirally wound helical coil.
ことを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載のインダクタ。 The width of the non-magnetic insulator in the long side direction of the rectangular cross section of the coil conductor portion is 0.4 times or more and less than 1 time the length of the long side of the rectangular cross section of the coil conductor portion. 6. The inductor according to any one of items 1 to 5.
2. The inductor according to claim 1, wherein the coil conductor portion has a laminated structure of a conductor and an insulator.
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