JP4278719B2 - 分離型トランス - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のハンドルシャフトの周りに配置されてハンドル側に設置されたエアバックに電力を供給するに好適な分離型トランスコアに関する。
【従来技術】
分離型トランスは、コイルを有する一対のコアが対向配置され、対向するコイル相互間の電磁気的結合により電力や電気信号を非接触でやりとりする。
このような分離型トランスとしては、例えば、１次側コアが固定され、２次側コアが回転可能に配設されたロータリトランスがあり、ビデオテープレコーダの回転ヘッド用ロータリトランスが一般的に知られている。
前記ロータリトランスにおいては、各コアにおけるコイル間の結合係数を高めるために、比透磁率の高いコアを用いるとともに、コア間のギャップを数μｍオーダに抑えている。このように、ロータリトランスは、コイル間の結合係数を非常に高くすると、対向する２つのコイルの自己インダクタンスと相互インダクタンスとが互いに打ち消し合い、トランスの入出力インピーダンスを小さくすることができる。このため、ロータリトランスは、負荷とのインピーダンスマッチングの設計が簡単にできる。
上記ロータリトランスのコアには、従来から焼結フェライトコアが多用されている。この焼結フェライトコアは、比透磁率が極めて高く、渦電流損が非常に小さいという特性を有しているので、高周波伝送用トランスコアとして優れている。
【発明を解決しようとする課題】
ところで、ロータリトランスでは、１次側コアと２次側コアとが相対回転するため、コア間のギャップの大きさが製造コストに直接影響する。すなわち、コイル間の結合係数が大きいロータリトランスでは、前記ギャップを数μｍオーダにするには、構成部品の製作精度や部品相互間の組立て精度を高くすることが要求され、製造コストが高くなる。特に、自動車用のロータリトランスにおいては、製造コストの制約が厳しく、かつ、走行中の振動が非常に強いので、対向配置して用いるコア相互間のギャップが０．５ｍｍ以上必要である。
一方、前記焼結フェライトは、前記した優れた特性を有する反面、焼結酸化物に固有の欠点である脆さを有している。
このため、焼結フェライトコアを自動車用コネクタ、例えば、エアバッグ用コネクタのコアとして用いるには、防振対策、固定方法等、種々の工夫が必要となり、製造コスト的にも自動車部品への採用が難しいという問題があった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、脆さを低減し、製造が容易なコアを用いることで、自動車のハンドルシャフトの周りに配置されてハンドル側に設置されたエアバックに電力を供給するに好適な分離型トランスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ロータリトランスを自動車用部品、特にエアバッグ用コネクタに応用できるよう、以下に示すように鋭意検討を行った。
まず、エアバッグ用コネクタに用いられる分離型トランスにおいては、エアバッグ起爆ユニットに、１２Ｖ（自動車用バッテリ）という低電圧のもとで大電流を流し、大容量となる電力を高速で伝送する必要がある。この場合、分離型トランスにおいては、コイルと負荷との間におけるインピーダンスマッチングが非常に重要となる。
ここで、エアバッグの起爆ユニットに瞬間的に大電力を伝送するには、以下の条件を満足することが必要である。
（１）最大遅れ時間の許容値は約１ｍ秒であるため、伝送信号周波数は数ｋＨｚ以上の高周波数にする必要がある。
（２）自動車の場合、ハンドルのシャフト径は約３０ｍｍであり、コアの中心貫通孔の内径は必ずそのシャフト径より大きくしなければならない。そのためコイルの径は約４５ｍｍ以上に設計する必要がある。コイルのインダクタンスはコイルの径の二乗に比例するので、高周波数信号を伝送する場合、そのインピーダンスを小さく抑えるには、磁気回路の実効比透磁率を適当に小さくすることが最も有効である。通常は、２つのコイルのインダクタンスを数μＨオーダに小さくする必要がある（２次側の負荷：起爆ユニットのインピーダンスは約２Ωである）。これを実現するには、磁気回路の実効比透磁率を適当に小さくすることが重要である。
一方、分離型トランス（例えば、通常よく使われている焼結フェライト（比透磁率：約３０００〜１００００）を用いたもの）について、そのコイル間の実効比透磁率について検討を行った。
第１に、コイル間の全磁気回路の長さとコア間ギャップの大きさとの比がコア材の比透磁率と略同じオーダである場合（例えば、１００ｍｍの磁気回路の長さに対して、コア間ギャップが数十μｍのオーダである場合）、磁気回路の実効比透磁率はギャップの大きさによって大きく変動する。つまり、この場合、自動車の振動によりコア間ギャップの大きさが僅かに変動してもコイル間の結合状況が変化してしまうということである。
第２に、コイル間の全磁気回路の長さとコア間ギャップの大きさとの比がコア材の比透磁率よりも大分小さいオーダである場合（例えば、１００ｍｍの磁気回路の長さに対して、コア間ギャップがｍｍのオーダである場合）、磁気回路の実効比透磁率はほとんどそのコア間ギャップの大きさに依存する。このため、コア材の比透磁率がいくら高くても全磁気回路の実効比透磁率は、専ら、そのコア間ギャップの大きさによって決まる。
つまり、コイル間に形成される磁気回路の実効比透磁率は、コア材の比透磁率とコア間ギャップの大きさによって決まる。特に、コア間ギャップの大きさは、磁気回路の実効比透磁率に対して大きな影響を与えるファクタであることがわかる。
以上より、比透磁率の低い磁性材（例えば、混合磁性材）で製作したコアを用い、コア間ギャップを大きくした分離型トランスを組み立てると、コイル間の磁気回路の実効比透磁率が従来の焼結フェライトコアを採用した場合よりやや低くなる。しかしこのようなコアを用いたコア間ギャップの大きい分離型トランスは、瞬間的に大電力を伝送する用途に適しているとともに、耐振動性の改善、製造コストダウン（大量生産に向く）などのメリットがもたらされるという知見を得た。
本発明は、このような知見のもとに、自動車へ搭載する、瞬間的に大電力を伝送するエアバッグ用コネクタに適した分離型トランス用のコアを得るために成されたものである。
すなわち、本発明の分離型トランスは、コイルを備えた一対のコア材の一面を互いに間隔を隔てて設けられ、自動車のハンドルシャフトの周りに配置されて相対回転する分離型トランスであって、前記一対のコア材が電気絶縁性を有する絶縁素材と軟質磁性材とを有し、前記軟質磁性材の含有量が１０体積％以上、７０体積％以下である混合軟質磁性材からなり、前記絶縁素材が、熱可塑性樹脂、熱可塑性ゴム、シリコーンゴム、熱硬化性樹脂または接着剤のいずれかであり、比透磁率が３〜１２であり、且つ前記一対のコア材間の間隔が０．５ｍｍ以上に設定され、ハンドル側に設置されたエアバックに電力を供給することを特徴とする。
ちなみにコア材における前記軟質磁性材として、軟磁性フェライトまたはセンダストのいずれかを用いることが好ましい。
【発明の効果】
本発明の分離型トランスは、電気絶縁性を有する絶縁素材と軟質磁性材とを混合した混合軟質磁性材よりコア材が形成されているので、耐振動性が向上し、脆さを低減させることができる。また、比透磁率がある程度低くなり、１ｍｍ程度のギャップをあけて瞬間的に大電力を伝送するのに適している。
特にコア材における軟質磁性材の含有量を１０体積％以上、７０体積％以下にしたことにより、瞬間的に大電力を伝送する際に必要な比透磁率を確保しつつ、焼結フェライト単体のコアに比べ機械的強度を向上させることができる。
更にコア材における軟質磁性材として、軟磁性フェライトまたはセンダストのいずれかを用いており、軟磁性フェライトを用いた場合は、渦電流損失が少ないので高周波数用のトランスに適しており、センダストを用いた場合は、飽和磁束密度が高い（フェライトの約２倍）のでコアの寸法を小さくできるメリットがある。
また、コア材における絶縁素材として、柔軟性があり、成形加工性に優れる、熱可塑性樹脂、熱可塑性ゴム、シリコーンゴム、熱硬化性樹脂または接着剤のいずれかを用いているので、耐衝撃性に優れるとともに、複雑形状でも簡単に製造することができる。このため、コアの耐振動性を大幅に向上させることができるとともに製造コストを下げることができる。
【発明の実施の形態】
本発明の分離型トランスコア１は、図１に示すように、コア材２と、コイル３とを有している。コア材２は、電気絶縁性を有する絶縁素材と軟質磁性材とを混合した混合軟質磁性材を所望のコア形状に加工したものである。
このとき、混合軟質磁性材中の軟質磁性材の含有量が１０体積％未満となると、得られるコア材の比透磁率が２未満となり、分離型トランスにおいて所要の伝送効率を確保することが難しくなる。逆に、軟質磁性材の割合が７０体積％を超えるとコア材の比透磁率は高くなり（軟質磁性材の品種及び粒径により比透磁率は２０を超える場合もある）、分離型トランスの伝送効率が高くなり好ましいが、コア自体が脆弱となる。しかも、絶縁素材に後述するような合成樹脂を使用した場合、流動性が悪くなり射出成形が困難になる。このため、混合軟質磁性材中の軟質磁性材の割合は、１０体積％以上、７０体積％以下の範囲に設定される。
前記絶縁素材としては、耐振動性および成形性を考慮した場合、合成樹脂を用いることが好ましい。この合成樹脂としては、例えば、ナイロン６，ナイロン６６，ナイロン１１，ナイロン１２，ポリプロピレン，ポリフェニレンサルファイド，ポリオレフィン等の熱可塑性樹脂、ウレタン，ポリエステル，オレフィン等の熱可塑性ゴム、シリコーンゴム、エポキシ樹脂，フェノール樹脂，ジアリルフタレート等の熱硬化性樹脂、２液混合型接着剤などがあげられる。絶縁素材として、このような合成樹脂を用いると、射出成形やモールド成形をすることができ、簡単に所望形状のコア材を製造することができる。また、合成樹脂は柔軟性を有しているので得られたコア材の耐衝撃性を向上させることができ、分離型トランスコア自体の耐振動性を改善することができる。
また、前記絶縁素材としては、耐熱性等を考慮した場合、セラミックスを用いることが好ましい。このセラミックスとしては、高強度、高靭性を有するジルコニアセラミックスまたは窒化珪素セラミックスがあげられる。特にジルコニアセラミックスとしては部分安定化ジルコニアが好ましい。絶縁素材としてセラミックスを用いる場合、当該セラミックスは、粉末状のものを用意し、これに同じく粉末状の軟質磁性材を添加混合して混合軟質磁性材とする。そして、この混合軟質磁性材を所望形状に成形したのち、プレス焼結またはＨＩＰ（hot isostatic pressing）処理などにより所望の分離型トランスコアを製造する。このようにして得られた分離型トランスコアは、セラミックスの働きにより優れた耐熱性、耐摩耗性を有する。
ここで、上記した絶縁素材中、ナイロンは価格が安く、軟質磁性材との融合性がよく、射出成形加工時の流動性も良好であるという特徴を持っていることから、絶縁素材には、ナイロンを用いることが好ましい。
前記軟質磁性材としては、例えば、軟磁性フェライト、センダスト、パーマロイ、アモルファス系高透磁率材料等があげられる。
軟磁性フェライトとしては、例えば、一般式、ＭＯ・Ｆｅ₂Ｏ₃（ただし、Ｍは、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅのうちの少なくとも一種）で表されるスピネル型フェライト、または、これらのうち数種類を複合させたフェライトがあげられ、特に、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト、またはＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕ系フェライトが好ましい。ここで、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトの配合比については、ＭｎＦｅ₂Ｏ₄：ＺｎＦｅ₂Ｏ₄＝１：１（モル％比）が、Ｎｉ−Ｚｎ系の配合比については、ＮｉＯ：ＺｎＯ：Ｆｅ₂Ｏ₃＝１５：３５：５０（モル％比）が好適である。軟磁性フェライトは、粉末状のものが使用され、最大粒径１００μｍ以下のものが好ましい。より好ましくは、平均粒径３．８μｍの粉末状軟磁性フェライトである。
センダストとしては、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金で、Ｓｉが約６〜１１重量％、Ａｌが約４〜６重量％の組成範囲のものがあげられ、特に、９．６２重量％Ｓｉ−５．３８重量％Ａｌ−bal.Ｆｅのものが好ましい。センダストは、粉末状のものが使用され、平均粒径１０μｍ以下のものが好ましい。
パーマロイとしては、Ｎｉを３５〜８０重量％含むＦｅ−Ｎｉ合金があげられ、７８重量％Ｎｉパーマロイ、４８重量％Ｎｉパーマロイ、スーパーマロイ（７９重量％Ｎｉ−５重量％Ｍｏ−０．３重量％Ｍｎ−bal.Ｆｅ）が好ましい。パーマロイは、粉末状のものが使用され、最大粒径１００μｍ以下のものが好ましい。
アモルファス系高透磁率材料としては、Ｆｅ系アモルファス材料、Ｃｏ系アモルファス材料があげられ、これらも、平均粒径１〜５００μｍの粉末状のものが用いられる。
本発明においては、まず、絶縁素材と軟質磁性材とを混合し、溶融させて混合軟質磁性材を作製する。そして、混合軟質磁性材は、絶縁素材として合成樹脂を用いた場合、加熱溶融時の流動性に優れるので、射出成形により所望形状、例えば、図１に示すように、中心に貫通孔２ａを有するとともに、盤面にコイル３を配設するコイル溝２ｂを有する円盤状のコア材２に簡単に成形することができる。
成形されたコア材２においては、コイル溝２ｂに所定ターン巻回されたコイル３が配設され、分離型トランスコア１が形成される。尚、予め所定ターン巻回されたコイルに混合軟質磁性材をモールドして分離型トランスコアを形成してもよい。
このように分離型トランスコアは、コイルが配設されたものが対向配置され、分離型トランスとされて使用される。当該分離型トランスは、例えば、エアバッグ用コネクタとして用いられる。
ここで、本発明の分離型トランスをエアバッグ用コネクタに採用する際の態様について以下に説明する。
すなわち、まず、自動車のステアリング部において、一次側トランスコアが固定部（コラム側）に取り付けられ、二次側トランスコアが回転部（ステアリング部）に取り付けられる。このとき、一次側トランスコアと二次側トランスコアとは、自動車に加わる振動等を考慮し、１ｍｍ±０．５ｍｍのギャップをあけて対向配置されるように設計している。ここで、一次側コイルにはエアバッグの起爆ユニットを制御する制御ユニットが接続され、二次側コイルには、エアバッグの起爆ユニットが接続されている。
本発明におけるコア材は、比透磁率が比較的低い（例えば、軟磁性フェライト（ＭｎＦｅ₂Ｏ，−ＺｎＦｅ₂Ｏ₄）とナイロン６とを含む混合軟質磁性材より作製したコア材の場合、比透磁率は３〜１２程度である。）ので、コイルのインダクタンスが小さくなり、起爆ユニットの負荷との整合性が簡単にとれる。従って、当該コア材による分離型トランスコアを用いた分離型トランスは、瞬間的に大電力を伝送するのに適している。
【実施例】
軟質磁性材として、最大粒径が５０μｍのＭｎ−Ｚｎ系軟磁性フェライト（ＭｎＦｅ₂Ｏ₄−ＺｎＦｅ₂Ｏ₄）粉末とＮｉ−Ｚｎ系軟磁性フェライト（ＮｉＯ−ＺｎＯ−Ｆｅ₂Ｏ₃）粉末とを用意した。一方、絶縁性を有する絶縁素材として、通常の射出成形等で用いられているナイロンペレット（ナイロン６）及びポリプロピレンペレットを用意した。そして、これらを、軟磁性フェライト粉末の含有量が変化するように混合させて混合粉末を各種調製した。その後、混合粉末を溶融させ、軟磁性フェライトの含有量が異なる混合軟質磁性材を各種調製した。
絶縁素材としてナイロン６を混合して得られた混合軟質磁性材について、先ず、ＪＩＳ Ｋ ７２１０に示されるメルトインデックス試験によりメルトインデックス値（ＭＩ値）を測定した。測定条件は、測定温度：２７０℃、荷重：１０．０Ｋｇ／ｆとした。このとき、軟磁性フェライトの含有量が、５体積％以下の場合、ＭＩ値は軟磁性フェライト含有量の影響を受けにくくなり、７０体積％以上の場合、得られる混合軟質磁性材を混合することが困難となる。このため、メルトインデックス試験においては、軟磁性フェライト含有量が５体積％〜６５体積％の範囲でＭＩ値を測定し、その結果を図２に示した。
次いで、前記混合軟質磁性材を用い、以下に示すようにしてコア材を作製した。
すなわち、混合軟質磁性材を射出成形機により、図１に示すような、中心に貫通孔２ａを有し、盤面上に環状のコイル溝２ｂを有する円盤状に成形し、所定形状のコア材を作製した。この射出成形は、ナイロン６を絶縁素材とした混合軟質磁性材では、ナイロン６で通常行われる射出条件により実施した。同様に、ポリプロピレンを絶縁素材とした混合軟質磁性材では、ポリプロピレンで通常行われる射出条件により実施した。
次いで、得られたコア材について、ＪＩＳ Ｃ２５６１に準じて、比透磁率を測定した。その結果を、軟磁性フェライトの含有量（体積％）と絶縁素材としてナイロン（黒丸）あるいはポリプロピレン（白丸）を用いたコア材の比透磁率との関係として図３に示した。
また、混合軟質磁性材について、ＪＩＳ Ｈ ０５０５に準じて、体積抵抗率を測定した。その結果を、軟磁性フェライトの含有量（体積％）と混合軟質磁性材の体積抵抗率（Ω・ｃｍ）との関係として図４に示した。図４においては、用いた軟磁性フェライトのうち、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトを黒丸で、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトを白丸で、それぞれ示した。
更に、図３に示す軟磁性フェライトの含有量（体積％）と比透磁率とに関する測定結果に基づき、センダスト及びパーマロイの一般値により計算した軟質磁性材である軟磁性フェライト，センダスト及びパーマロイの含有量（体積％）と比透磁率との関係を図５に示した。
図２、図３より以下のことがわかった。
まず、コア材の比透磁率は、軟磁性フェライト含有量（体積％）が多くなると、高くなることが分かった。また、混合磁性材に混合される絶縁素材の材質は、透磁率に影響を及ぼさないことが分かった。更に、軟磁性フェライトの含有量（体積％）が多くなると、混合軟質磁性材の流動性が低くなることが分かった。
軟磁性フェライトの含有量が７０体積％を超えると、混合が難しくなり、流動性が低くなるため、射出成形が困難になる。しかも、硬度の高いフェライト成分が増えることから、射出成形後、射出成形金型の摩耗が激しくなり、また、得られる分離型トランスコアの機械的強度が著しく低下し、コアの加工が困難になり、使用上大きな支障となる。
逆に、軟磁性フェライトの含有量が１０体積％未満となると、コア材の比透磁率が低下し、当該コア材による分離型トランスコアを用いた分離型トランスにおいては、電力を効率良く伝送することが困難となる。
軟磁性フェライト含有量が６０体積％〜７０体積％の範囲の場合、得られるコア材の比透磁率は高くなるが、混合軟質磁性材は流動性がやや低い。この範囲の混合軟質磁性材は、伝送効率に対する要求値がやや高い分離型トランスに用いるコアであって、しかも、コアの形状があまり複雑ではない場合に適用するのが好ましいことがわかった。
軟磁性フェライト含有量が１０体積％〜６０体積％の範囲の場合、得られるコア材の比透磁率は比較的低いが、混合軟質磁性材は流動性が良好である。
この範囲の混合軟質磁性材は、伝送効率に対する要求値が低い分離型トランスに用いるコアであって、しかも、コア形状が複雑で流動性に優れている材料でしか製作できないような場合に適していることがわかった。
一方、図４より以下のことが分かった。
即ち、混合軟質磁性材の体積抵抗率（Ω・ｃｍ）は、軟磁性フェライト含有量（体積％）が多いほど低くなる。また、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトを混合した混合軟質磁性材は、体積抵抗率が高いことが分かった。但し、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトを混合して得られる混合軟質磁性材は、高価である。一方、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトを混合した混合軟質磁性材が、要求される体積抵抗率を満たせない場合、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトを混合した混合軟質磁性材を使用することが望ましいことが分かった。
また、混合軟質磁性材は、体積抵抗率が低いと、混合軟質磁性材を構成する粒子相互間の絶縁性が低下し、交流磁界による渦電流が誘導され易く、設計されたトランスの伝送効率が得られない。
更に、図５より、センダスト及びパーマロイも、軟磁性フェライトと同様に、分離型トランスコアに使用可能な性能を有することが分かった。
ここで、特に、自動車用部品としてのエアバッグ用コネクタに使われる分離型トランスコアでは、Ｍｎ−Ｚｎ系軟磁性フェライト含有量が５０体積％±３体積％である混合軟質磁性材を用いることが好ましい。この場合、当該混合軟質磁性材は、流動性が良好で、ＭＩ値が比較的高く、射出成形加工がし易いうえ、得られるコア材の比透磁率も１０程度である。このため、当該混合軟質磁性材を用いた分離型トランスコアは、対向配置する２つのコア間のギャップを１ｍｍ程度あけて、そのギャップが±０．５ｍｍ変動しても、瞬間的に大きな電力を確実に伝送するエアバッグ用コネクタの用途に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る分離型トランス用のコアの断面図。
【図２】混合軟質磁性材の軟磁性フェライト含有量と混合軟質磁性材のメルトインデックス値との関係を示すグラフ。
【図３】混合軟質磁性材の軟磁性フェライト含有量と得られたコア材の比透磁率との関係を示すグラフ。
【図４】混合軟質磁性材の軟磁性フェライトの含有量（体積％）と混合軟質磁性材の体積抵抗率（Ω・ｃｍ）との関係を示す体積抵抗率特性図。
【図５】軟質磁性材である軟磁性フェライト，センダスト及びパーマロイの含有量（体積％）と比透磁率との関係を示す比透磁率特性図。
【符号の説明】
１ 分離型トランスコア
２ コア材
３ コイル

Claims (2)

1. コイルを備えた一対のコア材の一面を互いに間隔を隔てて設けられ、自動車のハンドルシャフトの周りに配置されて相対回転する分離型トランスであって、
   前記一対のコア材が電気絶縁性を有する絶縁素材と軟質磁性材とを有し、前記軟質磁性材の含有量が１０体積％以上、７０体積％以下である混合軟質磁性材からなり、前記絶縁素材が、熱可塑性樹脂、熱可塑性ゴム、シリコーンゴム、熱硬化性樹脂または接着剤のいずれかであり、比透磁率が３〜１２であり、且つ前記一対のコア材間の間隔が０．５ｍｍ以上に設定され、ハンドル側に設置されたエアバックに電力を供給することを特徴とする分離型トランス。
2. 前記軟質磁性材が、軟磁性フェライトまたはセンダストのいずれかである、請求項１に記載の分離型トランス。

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