JP3769183B2

JP3769183B2 - コイル部品

Info

Publication number: JP3769183B2
Application number: JP2000330231A
Authority: JP
Inventors: 一彰大西; 恒次今西
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2020-10-30
Also published as: JP2002134330A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、民生あるいは産業電子機器に使用されるコイル部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来電子機器に使用されるコイル部品は、磁芯としてフェライト、珪素鋼板、アモルファス、合金系圧粉磁芯等が使用されている。
【０００３】
例えば、従来の電子機器に用いられるコイル部品のチョークコイルとしては、図１１、１２、１３のような構造のものが用いられている。
【０００４】
図１１、１２、１３は、それぞれ従来のチョークコイルの斜視図を示している。
【０００５】
同図において、１００は中磁脚にギャップを持つＥＥ型コア、１０５は磁気ギャップ、１０１はコイル、１０２はトロイダル型コア、１０３はコイル、１０４はギャップ無のＥＥ型コアを示している。
【０００６】
図１１に示したものは、コア材としてフェライトもしくは珪素鋼板を用い、磁気ギャップ１０５を中磁脚に形成したＥＥ型のコアを突き合わせて、この中磁脚にコイル１０１を巻線して、コイル部品であるチョークコイルを構成している。
【０００７】
フェライト材をコアとして用いたものにおいては、フェライト材の磁束飽和密度が室温でも約０．５Ｔと、比較的小さいため、チョークコイルは大形化してしまう欠点がある。
【０００８】
珪素鋼板をコアとして用いたものは、磁束飽和密度は１．５〜２．０Ｔと高い利点を有するが、高周波領域での損失が非常に大きいため、チョークコイルは大形化してしまう欠点がある。
【０００９】
特に、このようなギャップ１０５を設けたものについては、動作時にこのギャップ１０５部分で振動が発生しチョークコイルとしての唸りの問題が発生するという致命的な欠点も持ち合わせる。
【００１０】
これらの欠点を解決した図１２に示したような、トロイダル型のコア１０２として、Ｆｅ基アモルファスの一部を結晶化させることによりＦｅ基アモルファスに適度な歪みを与えて実効透磁率を低下させた箔体アモルファスや、ＦｅＡｌＳｉ，ＦｅＮｉやアモルファス粉末を高圧成形してなる圧粉磁芯をコア材として用い、コイル１０３を巻線して、チョークコイルを構成したものがある。
【００１１】
これらのコア材は、０．８〜１．５Ｔの比較的高い磁束飽和密度を有し、比較的低い磁気損失を有するため、一般的にフェライト材に比べ１／２〜１／３程度に小形化できる利点を有し、ギャップ無しで磁路を構成することができるため唸りも大きく低減できる等の利点も有している。
【００１２】
しかしながら、コア１０２がトロイダル形状のため、コイルの巻線の効率は非常に悪いという欠点と、コイルの巻数スペースを確保しようとすれば、トロイダルコアの内径を大きくする必要があり、このことにより磁路長が増加して、形状上の余分な大形化につながる欠点を持っている。さらに、チョークコイルとして基板実装性や補助巻線の追加に対しても困難である欠点がある。
【００１３】
特に、箔体アモルファスを磁性材として用いたコアにおいては、その製法上や取り扱いの制約から、ほとんどのものがトロイダル形状であるため、この課題はついて回る。磁気特性においても、高周波であるＭＨｚの周波数特性対応においては、厚みが数μｍオーダの箔体アモルファスを構成していくことが必要になるが、製法上やコスト的に課題が大きい。
【００１４】
上記の欠点を解消するために、フェライト同様に任意の形状に粉体成形できる圧粉磁芯があり、図１３に示すようなＥＥ型コア１０４の形状にして構成したものもある。
【００１５】
このＥＥ型構造の圧粉磁芯１０４は、横押し成形により粉末成形されており、トロイダル型コア１０２に比べて任意形状の利点を生かしてコイル部品としてパフォーマンスを発揮でき、圧粉磁芯の持つ上記特性も付与できる。
【００１６】
しかしながら、この程度の簡単な磁芯形状では、コイル部品としてのトータルのパフォーマンスをさらに引き出すことができない。これは、圧粉磁芯は成形時の圧力がフェライトコアなどに比べると５〜１０倍以上の高圧が要求されるのが一般的であり、成形時の金型耐圧力性の問題から、この程度の任意形状しかできず、これまではより複雑なものはできないためである。従って、この圧粉磁芯は横押し成形にて単純に成形している。
【００１７】
また、仮に任意形状の複雑な圧粉磁芯が無理にできたとしても、所望の成形圧力を下回ったポイントでのものが余儀なくされ、成形密度が低く圧粉磁芯の磁気特性的には十分なものではなかった。
【００１８】
その上に、圧粉磁芯としては、成形時のより均一で高い密度がコア完成時の磁気特性を左右するにも係わらず、これを達成するコア形状が最適化されていないため、さらに成形密度を低くすることを余儀なくされ、圧粉磁芯の磁気特性的にはこの点からも十分なものではなかった。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、金属系の圧粉磁芯が比較的高い磁束飽和密度を有し、比較的低い磁気損失を有し、ＭＨｚ対応可能や熱的安定性を持つため、一般的にフェライト材に比べ１／２〜１／３程度に小形化や大電流化でき高信頼性化できる利点を有し、さらには、ギャップ無しで磁路を構成することができるため唸りも大きく低減できる等の利点も有しているにも係わらず、高圧成形された、任意の複雑形状の圧粉磁芯ができないため、依然として粉体成形により任意形状を持つフェライトコアは大きなシェアを占めているのが現実である。
【００２０】
つまり、上記従来の構成では、磁芯の形状を複雑にできず、また、磁芯の密度も低く不均一なため磁気特性が低いという問題点を有していた。
【００２１】
本発明は上記問題点を解決するもので、磁気特性の優れた複雑な形状の磁芯を有するコイル部品を提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、以下の構成を有する。
【００２３】
本発明は、特に背脚部の垂直方向からみた背脚部の外周面と、背脚部の垂直方向からみた外脚部の外周面と、背脚部の垂直方向からみた中脚部の外周面と、背脚部の垂直方向からみた背脚部と外脚部からなる外周面とは非シャープエッジ構造とし、中脚部はその外周面が背脚部の外周面の完全な内側にあるよう配置し、外脚部の最大幅寸法はその最小幅寸法の２倍未満になるように設定し、中脚部の断面積が外脚部の断面積の０．７倍以上かつ１．４倍以下とした構成に特徴を有しており、この構成により、この両者の部分でのプレス成形時の粉末充填を安定化でき、成形後均一で高い密度のコアを達成することが可能になる。一般的に粉末成形においては、金型内に造粒した粉末を自重落下により充填し、これを上パンチと下パンチ（代わりにダイスが可動する場合もある）の可動により成形するが、本発明で示すように充填の断面積比を合わせることにより、粉末充填が安定しこれが成形後均一で高い密度のコアを達成することが可能になる。従って、この圧粉磁芯を用いることにより、コイル部品はパフォーマンスを十分に引き出せる。
【００２４】
（実施の形態１）
以下、本発明の第１の実施の形態におけるコイル部品について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１（ａ），（ｂ）〜図４（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施の形態におけるコイル部品を構成する縦押し成形圧粉磁芯の平面図および正面図、図５〜図１０は、同コイル部品の他の形態の圧粉磁芯の平面図である。
【００２６】
同図において、４は背脚部、５は外脚部、６は中脚部、７は背脚部４と外脚部５の交差点、ｄは中脚部６の外周面が背脚部４の外周面の内側に位置している時の背脚部４の外周面から中脚部６の外周面までの距離、ｌ1は外脚部５の外周面の幅寸法において最大幅寸法、ｌ2は外脚部５の外周面の幅寸法において最小幅寸法を示している。
【００２７】
以下機構を説明すると、図１〜図８に示すコイル部品を構成する圧粉磁芯は、背脚部４とこの背脚部４の両端に外脚部５を有し、２つの外脚部５の間に位置するように、背脚部４に中脚部６を連接配置した、一般的にＥ型の形状をしたコアである。図９、図１０に示すコイル部品を構成する圧粉磁芯は、２つの外脚部５の一方の端部を連続して、Ｕ字形状の１つの外脚部５とした、一般にポット型の形状をしたコアである。これらは、中脚部６に巻線が施されコイル部品を構成する。
【００２８】
ここで、コア上面からみた構造にて、背脚部４、外脚部５、中脚部６の外周面は、互いに隣接する隣接面で形成される隣接面角度を９０度以上にされている。つまり、コアは、直線もしくは曲線にて構成されているが、９０度未満の鋭角な角度の外周面は存在しないということである。また、背脚部４と外脚部５のお互いが外周面で交差する交差点７は、直線同士であればお互いに直交し、直線と曲線の場合には直線と曲線の接線が直交するようにしている。
【００２９】
これらの圧粉磁芯のコア形状は、背脚部４と外脚部５からなる外周面にシャープエッジ構造を全く持っていない。
【００３０】
一般的にこのようなコア形状の縦押しの粉末成形においては、プレス成形金型はダイス、上パンチ、そして背脚部４、外脚部５を成形するそれぞれ独立した２つの下パンチから構成されるが、本発明で示すように外周面のシャープエッジ構造をなくすコア形状にすることにより、ダイス内面や背脚部４、外脚部５の下パンチがシャープエッジのない構造とすることができ、圧粉磁芯に要求される高圧成形が可能となり、さらに金型の成形寿命も確保できる。また、圧粉磁芯は成形時にパッキングの増加に伴って、高磁気特性化できる。
【００３１】
従って、このコアを用いたコイル部品は低コスト、高信頼、高磁気特性化が可能となる。
【００３２】
さらに、中脚部６の外周面が背脚部４の外周面の完全な内側にあることにより、圧粉磁芯の特長を引き出せる。
【００３３】
これは、プレス金型構成の中で、背脚部４と中脚部６の関係だけでいうと、背脚部４を成形するパンチの内側でコアの中脚部６を成形することになるが、この時に、背脚部４を成形するパンチの外側に一定の金型肉片があると背脚部４を成形するパンチの耐圧が確保でき、高圧成形が可能となり金型の成形寿命も確保できる。
【００３４】
また、上述のような効果に加えて、中脚部の断面積と１つの外脚部５の断面積の関係で、１つの外脚部５の断面積は中脚部６の断面積の０．７倍以上かつ１．４倍以下になるように設定することにより、さらに圧粉磁芯の特長を引き出せる。
【００３５】
これは、一般的に圧粉磁芯は粉末成形のため、プレス成形時には粉末を金型内に自重充填し、その後成形する。この時、外脚部５と中脚部６は金型内でいうと、ダイス面から最も奥底まで粉末の充填が必要になる部分である。従って、両者の面積比をより少なくすることで、最も充填しにくい外脚部５と中脚部６の粉末充填バランスが安定し、充填性がアップする。この充填状態は、成形時に金型全体に均一に圧力が分散し、成形コアの密度バランスが良く高磁気特性、高圧成形可能、金型寿命の確保できた圧粉磁芯ができる。
【００３６】
図１〜図１０においては、外脚部５の幅寸法は、最大幅寸法ｌ1が最小幅寸法ｌ2の２倍未満になるように設定することにより、圧粉磁芯の特長を引き出せる。
【００３７】
これは、圧粉磁芯は粉末成形のため、プレス成形時には粉末を金型内に自重充填しその後、成形する。従って、一般的に細長い形状に設計する外脚部５においては、この幅方向の差を少なくすることで粉末充填の偏りが抑制でき、任意形状でも充填性が向上し、全体に均一な充填状態が得られる。この均一な充填状態は、成形時に金型全体に均一に圧力が分散し、成形コアの密度バランスが良く高磁気特性、高圧成形可能で、金型寿命の確保できた圧粉磁芯ができる。
【００３８】
図１〜図１０において、コアの形状を一方方向に対して、線対称となる形状とすることにより、圧粉磁芯の特長を引き出せる。
【００３９】
これは、圧粉磁芯の粉末成形は一般的に、金型内に１軸方向の動きにより粉末を自重充填し、その後プレス成形する。従って、コア形状として少なくとも１つの中心線に対して線対称であれば、この１軸の充填方向とこの線対称方向を平行方向にセットすれば、全体に渡って充填性が向上し、全体に均一な充填状態が得られる。この均一な充填状態は、成形時に金型全体に均一に圧力が分散し、成形コアの密度バランスが良く高磁気特性、高圧成形可能で、金型寿命の確保できた圧粉磁芯ができる。
【００４０】
以上のように本発明の実施の形態１では、従来達成できなかった任意複雑形状の圧粉磁芯の高圧成形が可能で、金型寿命を確保した圧粉磁芯ができるため、コア自体の磁気特性である高透磁率化と低損失化や低コスト化が達成し、これを用いたコイル部品の高インダクタンス化や発熱の抑制ができ、従来以上の任意形状に起因したコイル部品の低ＤＣＲ化等の特性向上や生産性アップの利点を付与することが可能となる。
【００４１】
当然従来、圧粉磁芯が有する高い磁束飽和密度を生かした小形化や大電流化、低唸り、ＭＨｚ対応、温度特性の安定性の利点もそのまま付与できることは言うまでもない。
【００４２】
さらに、図１〜図４のような、外脚部５の中間部は互いに向き合う内辺に、円弧形状の凹部を設けたコア形状で、この部分に巻線を有効に納めることができ、コイル部品としては小形、薄形化の特長を出せるコア形状にも適用できる。図９、図１０のような、コアの有効スペースをフル活用し、コイル部品としてインダクタンスを最大限に引き出せるポットコアにも適用できる。
【００４３】
（実施の形態２）
以下本発明の第２の実施の形態におけるコイル部品を説明する。
【００４４】
これまで、実施の形態１で述べてきた、圧粉磁芯として、合金系の圧粉を用いることにより、より低ロス、高磁気飽和特性の有効性を付与でき、上述の効果をさらに向上できる。具体的な材料として、粉末として磁気特性に優れたＦｅ系、ＦｅＡｌ系、ＦｅＳｉ系、ＦｅＡｌＳｉ系、ＦｅＮｉ系、アモルファス系、ナノ微結晶アモルファス系等を用いることにより、その効果は絶対的なものになる。
【００４５】
また、粉体のプレス成形での成形圧力を５．８８×１０⁸Ｎ／ｍ²（６ton／cm²）以上の高圧で成形すれば、コアの磁気特性を十分に引き出すことができ、このことによっても効果のアップは可能である。つまり、このコアを用いたコイル部品は磁気特性の高性能化が可能となる。
【００４６】
具体的にこれらの圧粉磁芯で構成したコイル部品を用いた電源装置においては、薄形化等の小形化、高品質、低コストの電源装置が得られる効果がある。
【００４７】
セットの電源装置別に有効な効果を述べてみると、テレビジョン受信機やＣＲＴディスプレイ装置では実装面積を低減できる効果がある。
【００４８】
照明分野や事務機器の電源装置においては、高さ方向の制約がある場合が多く、コイル部品の薄形化に伴い低背化が達成できる効果がある。
【００４９】
パソコン分野の電源装置においても、薄形化でかつ大電流化が求められており、コイル部品の大電流対応可能や薄形化は有効である。
【００５０】
自動車の分野の電源装置においても、小形で軽量化、大電流化等の要望があるが、コイル部品の大電流対応可能や小形化は非常に有効である。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、特に背脚部の垂直方向からみた背脚部の外周面と、背脚部の垂直方向からみた外脚部の外周面と、背脚部の垂直方向からみた中脚部の外周面と、背脚部の垂直方向からみた背脚部と外脚部からなる外周面とは非シャープエッジ構造とし、中脚部はその外周面が背脚部の外周面の完全な内側にあるよう配置し、外脚部の最大幅寸法はその最小幅寸法の２倍未満になるように設定し、中脚部の断面積が外脚部の断面積の０．７倍以上かつ１．４倍以下とした構成に特徴を有しており、この構成により、この両者の部分でのプレス成形時の粉末充填を安定化でき、成形後均一で高い密度のコアを達成することが可能になる。従って、この圧粉磁芯を用いることにより、磁気特性の優れた複雑な形状の磁芯を有するコイル部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施の形態におけるコイル部品の圧粉磁芯の平面図
（ｂ）同コイル部品の圧粉磁芯の正面図
【図２】（ａ）同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の平面図
（ｂ）同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の正面図
【図３】（ａ）同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の平面図
（ｂ）同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の正面図
【図４】（ａ）同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の平面図
（ｂ）同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の正面図
【図５】同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の平面図
【図６】同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の平面図
【図７】同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の平面図
【図８】同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の平面図
【図９】同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の平面図
【図１０】同コイル部品の他の実施の形態の圧粉磁芯の平面図
【図１１】従来のコイル部品であるチョークコイルの斜視図
【図１２】同コイル部品である他の形態のチョークコイルの斜視図
【図１３】同コイル部品である他の形態のチョークコイルの斜視図
【符号の説明】
４背脚部
５外脚部
６中脚部
７交差点
１００中磁脚にギャップ付のＥＥ型コア
１０１コイル
１０２トロイダル型コア
１０３コイル
１０４ギャップ無のＥＥ型コア
１０５磁気ギャップ

Claims

背脚部と、前記背脚部の両端部に垂直方向に向かって連接配置した２つの外脚部と、前記背脚部の２つの前記外脚部の間に垂直方向に向かって連接配置した中脚部とを有する磁心と、前記磁心に巻回した巻線とを備え、前記外脚部の中間部には互いに向き合う内辺に凹部を設け、前記背脚部の垂直方向からみた前記背脚部の外周面と、前記背脚部の垂直方向からみた前記外脚部の外周面と、前記背脚部の垂直方向からみた前記中脚部の外周面と、前記背脚部の垂直方向からみた前記背脚部と前記外脚部からなる外周面とは非シャープエッジ構造であり、前記中脚部はその外周面が前記背脚部の外周面の完全な内側にあるよう配置し、前記外脚部の最大幅寸法はその最小幅寸法の２倍未満になるように設定し、前記１つの外脚部の断面積は前記中脚部の断面積の０．７倍以上１．４倍以下になるように設定し、前記磁心の形状をある一方方向に対して線対称とし、前記磁心は、前記背脚部の垂直方向から５．８８×１０ ⁸ Ｎ／ｍ ² 以上の圧力で粉体プレス成形された合金系の圧粉磁心としたコイル部品。
背脚部と、前記背脚部に垂直方向に向かって連接配置したＵ字形状の１つの外脚部と、前記背脚部に垂直方向に向かって連接配置した中脚部とを有するポット型磁心と、前記磁心に巻回した巻線とを備え、前記背脚部の垂直方向からみた前記背脚部の外周面と、前記背脚部の垂直方向からみた前記外脚部の外周面と、前記背脚部の垂直方向からみた前記中脚部の外周面と、前記背脚部の垂直方向からみた前記背脚部と前記外脚部からなる外周面とは非シャープエッジ構造であり、前記中脚部はその外周面が前記背脚部の外周面の完全な内側にあるよう配置し、前記外脚部の最大幅寸法はその最小幅寸法の２倍未満になるように設定し、前記１つの外脚部の断面積は前記中脚部の断面積の０．７倍以上１．４倍以下になるように設定し、前記磁心の形状をある一方方向に対して線対称とし、前記磁心は、前記背脚部の垂直方向から５．８８×１０ ⁸ Ｎ／ｍ ² 以上の圧力で粉体プレス成形された合金系の圧粉磁心としたコイル部品。