JP4854923B2

JP4854923B2 - 磁気結合素子

Info

Publication number: JP4854923B2
Application number: JP2003361053A
Authority: JP
Inventors: 正浩蒲生; 透本間
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: JP2005129588A

Description

本発明は、磁気結合素子に関する。

近年、ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子の進歩や、ソフトスイッチング等の回路技術の進歩により、スイッチング電源の駆動周波数はますます高周波化されている。このように駆動周波数が高周波化すると、トランスやチョークコイル等に必要とされるインダクタンス値を小さくできる。このため、インダクタとして、線状の導電体（金属導体）を上下の磁性体により挟んだ構造のものも使用可能となる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３２３３３６号公報

本発明は、導電体の結合係数が高く、漏れインダクタンスの小さい磁気結合素子を提供することを目的とする。

本発明者等は、導電体の結合係数を高く、漏れインダクタンスを小さくし得る構成の磁気結合素子として、複数の導電体を重ねて磁性体で囲んだ構成のものに着目した。そして、鋭意研究を重ねた結果、以下のような事実を新たに見出した。

磁気結合素子を複数の導電体を重ねて磁性体で囲む構成、すなわち複数の金属導体が磁気的に結合する構成とする場合、インダクタンス値が小さくなると、漏れインダクタンスの影響が相対的に大きくなる。このため、下記（１）式に示される結合係数Ｋが小さくなり、伝送効率が低下するという問題点がある。
Ｋ＝Ｍ／（Ｌ_１・Ｌ_２）^１／２ … （１）
但し、Ｍは相互インダクタンス値であり、Ｌ_１、Ｌ_２はそれぞれ対応する導電体（コイル）の自己インダクタンス値である。

また、磁気結合素子を、例えばスイッチング電源用のコンバータ等のように、スイッチング素子と組み合わせて用いる場合、以下の問題点が生じてしまう。磁気結合素子の漏れインダクタンスが大きいと、漏れインダクタンスによるエネルギーが原因となってスイッチング素子に発生するサージ電圧が大きくなる。このため、スイッチング素子として高耐圧のものを用いたり、サージ電圧を吸収するための回路を別途設けたりする必要が生じてしまう。

かかる研究結果に鑑み、本発明に係る磁気結合素子は、板状をなし、電気的に絶縁された状態で重ねられる第１の導電体及び第２の導電体と、第１の導電体及び第２の導電体を包囲するように配置される磁性体と、を備え、第１の導電体は、磁性体の一面から外側に導出する２つの端子を有し、第２の導電体は、第１の導電体の端子が導出される磁性体の面とは異なる一面から外側に導出する２つの端子を有しており、端子が導出された磁性体の面における少なくとも一部分が端子間の間隙領域から離れていることを特徴とする。

本発明に係る磁気結合素子では、第１の導電体と第２の導電体とが電気的に絶縁された状態で重ねられているので、第１の導電体と第２の導電体との磁気的結合が良好となる。

ところで、第１の導電体の２つの端子に電流が流れると、当該端子の間には強い磁界が生じる。同じく、第２の導電体の２つの端子に電流が流れると、当該端子の間にも強い磁界が生じる。強い磁界が生じている端子間の間隙領域近傍に磁性体等の比透磁率が大きな媒質が存在すると、当該媒質が存在する領域での磁束密度が大きくなってしまう。この結果、端子間の間隙領域近傍での漏れ磁束が大きくなり、漏れインダクタンスが大きくなる。

しかしながら、本発明では、端子が導出された磁性体の面における少なくとも一部分が端子間の間隙領域から離されているので、端子の間に強い磁界が生じたとしても、端子間の間隙領域近傍の磁束密度が大きくなるようなことはない。この結果、端子間の間隙領域近傍での漏れ磁束が減少し、漏れインダクタンスが減少することとなる。

以上のことから、第１の導電体と第２の導電体との結合係数を高くして、漏れインダクタンスを小さくすることができる。

また、端子が導出された磁性体の面における端子間の間隙領域に対応する部分が当該端子間の間隙領域から離れるように切り欠かれていることが好ましい。このように構成した場合、極めて簡素な構成にて、端子が導出された磁性体の面における端子間の間隙領域に対応する部分を当該端子間の間隙領域から確実に離すことができる。また、磁性体の実効断面積の減少が低く抑えられ、インダクタンス値が小さくなるのを抑制すると共に、磁束密度が高くなるのを抑制することができる。

また、端子が導出された磁性体の面に段差が形成され、当該段差によって低くされた側が端子間の間隙領域から離れていることが好ましい。このように構成した場合、極めて簡素な構成にて、端子が導出された磁性体の面における端子間の間隙領域に対応する部分を当該端子間の間隙領域から確実に離すことができる。

また、一対の端子同士は同一方向に曲げられていることが好ましい。このように構成した場合、外部基板への表面実装を容易に行うことができる。

また、端子が導出された磁性体の面における端子が曲げられた側の端子間の間隙領域に対応する部分が当該端子間の間隙領域から離れるように切り欠かれていることが好ましい。このように構成した場合、極めて簡素な構成にて、端子が導出された磁性体の面における端子が曲げられた側の端子間の間隙領域に対応する部分を当該端子間の間隙領域から確実に離すことができる。また、磁性体の実効断面積の減少が低く抑えられ、インダクタンス値が小さくなるのを抑制すると共に、磁束密度が高くなるのを抑制することができる。

また、端子が導出された磁性体の面には当該面の端子が曲げられた側が低くなるように段差が形成され、当該段差によって端子が導出された磁性体の面における端子が曲げられた側が端子間の間隙領域から離れていることが好ましい。このように構成した場合、極めて簡素な構成にて、端子が導出された磁性体の面における端子が曲げられた側の端子間の間隙領域に対応する部分を当該端子間の間隙領域から確実に離すことができる。

また、第１の導電体と第２の導電体とが重ねられた状態で磁性体から突出することにより、端子が導出された磁性体の面が端子間の間隙領域から離れることが好ましい。このように構成した場合、極めて簡素な構成にて、端子が導出された磁性体の面における端子間の間隙領域に対応する部分を当該端子間の間隙領域から確実に離すことができる。

また、第１の導電体及び第２の導電体には、略中央に開口が形成されると共に、一対の端子間の領域に開口に通じるスリットが形成されており、第１の導電体及び第２の導電体の開口内に磁性体が更に配置されていることが好ましい。このように構成した場合、磁性体の厚みを小さくしても実効断面積を確保することができるので、薄型化を図ることができる。

また、端子が導出された磁性体の面における端子間の間隙領域に対応する部分が当該端子間の間隙領域から離れ且つスリットが露出するように切り欠かれていることが好ましい。このように構成した場合、極めて簡素な構成にて、端子が導出された磁性体の面における端子間の間隙領域に対応する部分を当該端子間の間隙領域から確実に離すことができる。また、磁性体の実効断面積の減少が低く抑えられ、インダクタンス値が小さくなるのを抑制すると共に、磁束密度が高くなるのを抑制することができる。また、スリット内に磁性体が位置しないため、第１の導電体と第２の導電体との結合係数をより一層高くして、漏れインダクタンスを更に小さくすることができる。

本発明によれば、結合係数が高く、漏れインダクタンスの小さい磁気結合素子を提供することができる。

本発明の実施形態に係る磁気結合素子について図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る磁気結合素子を示す全体斜視図であり、図２は第１実施形態に係る磁気結合素子を示す断面図であり、図３は第１実施形態に係る磁気結合素子を示す分解斜視図である。また、説明中、「上」及び「下」なる語を使用することがあるが、これは図１の上下方向に対応したものである。

磁気結合素子ＭＣ１は、図１〜図３に示されるように、第１の導電体１、第２の導電体１１及び磁性体２１を備えている。

第１の導電体１は、板状をなし、外形が略四角形状を呈した基部３と、基部３の一辺から伸びる２つの端子５とを有している。第１の導電体１は、導電性の高い金属（例えば、銅、アルミニウム等）からなる。

第１の導電体１の基部３の略中央には、開口７が形成されている。また、基部３の端子５間に対応する領域には、開口７に通じるスリット９が形成されている。これにより、第１の導電体１は、湾曲形状を有した金属平板コイルを構成することとなる。

第２の導電体１１は、板状をなし、外形が四角形状を呈した基部１３と、基部１３の一辺から伸びる２つの端子１５とを有している。第２の導電体１１は、第１の導電体１と同じく、導電性の高い金属（例えば、銅、アルミニウム等）からなる。

第２の導電体１１の基部１３の略中央には、開口１７が形成されている。また、基部１３の端子１５間に対応する領域には、開口１７に通じるスリット１９が形成されている。これにより、第２の導電体１１は、湾曲形状を有した金属平板コイルを構成することとなる。

第１の導電体１と第２の導電体１１とは、基部３と基部１３とが電気絶縁材３１を介して互いに重ね合わされることにより、電気的に絶縁された状態で重ねられている。

なお、電気絶縁材３１を用いる代わりに、基部３及び基部１３の少なくとも一方に電気絶縁材料を層状に塗布するようにしてもよい。この場合、基部３，１３の全体に塗布してもよく、また、基部３，１３の対向面にのみ塗布するようにしてもよい。

磁性体２１は、外形が略直方体形状を呈しており、中空部が形成されることにより筒状をなしている。磁性体２１は、Ｅ型コア形状とされた上側磁性体２３と、Ｉ型コア形状とされた下側磁性体２５とを含んでいる。上側磁性体２３と下側磁性体２５とは、接着等により一体化されている。上記中空部は、上側磁性体２３と下側磁性体２５とにより画成される。上側磁性体２３及び下側磁性体２５は、金属磁性体粉の圧粉成形体、表面を絶縁処理した金属磁性体、フェライト等を用いることができる。上側磁性体２３と下側磁性体２５との接着には、エポキシ樹脂等の樹脂材料にフェライト粉を混合して作製したペースト状の複合フェライトを用いることができる。また、上側磁性体２３の中脚部分２４ｂを少し短くする等の方法でエアギャップを設け、インダクタンス調整を行ってもよい。

磁性体２１は第１の導電体１及び第２の導電体１１を包囲するように配置されており、第１の導電体１及び第２の導電体１１は磁性体２１の中空部を通っている。電気的に絶縁された状態で重ねられた第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３は、磁性体２１の中空部内に位置する。第１の導電体１及び第２の導電体１１の端子５，１５は、磁性体２１の外側に位置する。

第１の導電体１の端子５は、それぞれが磁性体２１の一面から外側に導出される。第２の導電体１１の端子１５は、それぞれが第１の導電体１の端子５が導出された磁性体２１の面とは異なる面から外側に導出される。これにより、第１の導電体１の端子５と第２の導電体１１の端子１５とは、それぞれが磁性体２１の対向する２面から外側に導出されることとなる。

上側磁性体２３は、両側に位置する外脚部分２４ａと、略中央に位置する中脚部分２４ｂとを含んでいる。上側磁性体２３の外脚部分２４ａは、第１の導電体１及び第２の導電体１１が導出されない面を構成する。上側磁性体２３の中脚部分２４ｂは、第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３に形成された開口７，１７内を通っている。上側磁性体２３の外脚部分２４ａ及び中脚部分２４ｂは、下側磁性体２５に接続される。

第１の導電体１及び第２の導電体１１の端子５，１５は、導出された面に沿うように同一方向（本実施形態においては、下方）に曲げられている。また、端子５，１５の先端部分は、下側磁性体２５の下面に沿うように曲げられている。端子５，１５の先端部分は、外部基板（図示せず）のランド部にそれぞれ載置され、当該ランド部に半田付けされる。下側磁性体２５の下面には、磁気結合素子ＭＣ１の薄型化を図るために、端子５，１５の先端部分の一部分（上側部分）が位置する窪み部２７が形成されている。

磁性体２１（上側磁性体２３及び下側磁性体２５）の端子５，１５が導出された面における端子５，１５間の間隙領域に対応する部分は、当該端子５，１５間の間隙領域から離れるようにＶの字状に切り欠かれて、窪み部２３ａ，２５ａが形成されている。これにより、上側磁性体２３及び下側磁性体２５における端子５，１５が導出された面の一部分は、端子５，１５間の間隙領域から離れることとなる。本実施形態においては、第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３に形成されたスリット９，１９が露出するように窪み部２３ａ，２５ａが形成されている。なお、窪み部２５ａの深さは、端子５，１５間の間隙の幅の値と同等以上であることが好ましい。また、窪み部２５ａの幅は、端子５，１５間の間隙の幅よりも大きいことが好ましい。

以上のように、本第１実施形態においては、第１の導電体１の基部３と第２の導電体１１の基部１３とが電気的に絶縁された状態で重ねられているので、第１の導電体１と第２の導電体１１との磁気的結合が良好となる。

ところで、第１の導電体１の２つの端子５に電流が流れると、当該端子５の間には強い磁界が生じる。同じく、第２の導電体１１の２つの端子１５に電流が流れると、当該端子１５の間にも強い磁界が生じる。強い磁界が生じている端子５間及び端子１５間の間隙領域近傍に磁性体等の比透磁率が大きな媒質が存在すると、当該媒質が存在する領域での磁束密度が大きくなってしまう。この結果、端子５間及び端子１５間の間隙領域近傍での漏れ磁束が大きくなり、漏れインダクタンスが大きくなる。

しかしながら、本発明では、端子５，１５が導出された磁性体２１の面における少なくとも一部分が第１の導電体１の端子５間及び第２の導電体１１の端子１５間の間隙領域から離されているので、端子５，１５の間に強い磁界が生じたとしても、端子５，１５間の間隙領域近傍の磁束密度が大きくなるようなことはない。この結果、端子５，１５間の間隙領域近傍での漏れ磁束が減少し、漏れインダクタンスが減少することとなる。

以上のことから、第１の導電体１と第２の導電体１１との結合係数を高くして、漏れインダクタンスを小さくすることができる。

また、本第１実施形態においては、磁性体２１（上側磁性体２３及び下側磁性体２５）の端子５，１５が導出された面における端子５，１５間の間隙領域に対応する部分が、当該端子５，１５間の間隙領域から離れるように切り欠かれている。これにより、極めて簡素な構成にて、端子５，１５が導出された磁性体２１の面における端子５，１５間の間隙領域に対応する部分を当該端子５，１５間の間隙領域から確実に離すことができる。また、磁性体２１の実効断面積の減少が低く抑えられ、インダクタンス値が小さくなるのを抑制すると共に、磁束密度が高くなるのを抑制することができる。

また、本第１実施形態においては、第１の導電体１及び第２の導電体１１の端子５，１５は同一方向に曲げられている。これにより、外部基板への表面実装を容易に行うことができる。

また、本第１実施形態においては、第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３には、略中央に開口７，１７が形成されると共に、一対の端子５，１５間の領域に開口７，１７に通じるスリット９，１９が形成されており、第１の導電体１及び第２の導電体１１の開口７，１７内に磁性体２１（上側磁性体２３の中脚部分２４ｂ）が配置されている。これにより、磁性体２１の厚みを小さくしても実効断面積を確保することができるので、磁気結合素子ＭＣ１の薄型化を図ることができる。

また、本第１実施形態においては、第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３に形成されたスリット９，１９が露出するように窪み部２３ａ，２５ａが形成されているので、スリット９，１９内に磁性体が位置しなくなる。これにより、第１の導電体１と第２の導電体１１との結合係数をより一層高くして、漏れインダクタンスを更に小さくすることができる。

また、本第１実施形態においては、第１の導電体１及び第２の導電体１１（基部３，１３）が幅広であると共に、平板状に伸びているので、電気抵抗値が極めて低く、大電流を流すことができる。これにより、磁気結合素子ＭＣ１は、低電圧大電流化の要求に応えることが可能となる。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態に係る磁気結合素子を示す全体斜視図であり、図５は第２実施形態に係る磁気結合素子を示す断面図であり、図６は第２実施形態に係る磁気結合素子を示す分解斜視図である。また、説明中、「上」及び「下」なる語を使用することがあるが、これは図４の上下方向に対応したものである。

磁気結合素子ＭＣ２は、図４〜図６に示されるように、第１の導電体１、第２の導電体１１及び磁性体４１を備えている。

磁性体４１は、外形が略直方体形状を呈しており、中空部が形成されることにより筒状をなしている。磁性体４１は、Ｅ型コア形状とされた上側磁性体４３と、Ｉ型コア形状とされた下側磁性体４５とを含んでいる。上側磁性体４３と下側磁性体４５とは、接着等により一体化されている。上記中空部は、上側磁性体４３と下側磁性体４５とにより画成される。上側磁性体４３及び下側磁性体４５は、金属磁性体粉の圧粉成形体、表面を絶縁処理した金属磁性体、フェライト等を用いることができる。上側磁性体４３と下側磁性体４５との接着には、エポキシ樹脂等の樹脂材料にフェライト粉を混合して作製したペースト状の複合フェライトを用いることができる。また、上側磁性体４３の中脚部分４４ｂを少し短くする等の方法でエアギャップを設け、インダクタンス調整を行ってもよい。

磁性体４１は第１の導電体１及び第２の導電体１１を包囲するように配置されており、第１の導電体１及び第２の導電体１１は磁性体４１の中空部を通っている。電気的に絶縁された状態で重ねられた第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３は、両端が磁性体４１から突出している。これにより、磁性体４１（上側磁性体４３及び下側磁性体４５）における端子５，１５が導出された面は、端子５，１５間の間隙領域から離れることとなる。なお、第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３の突出量は、端子５，１５間の間隙の幅の値と同等以上であることが好ましい。

第１の導電体１の端子５は、それぞれが磁性体４１の一面から外側に導出される。第２の導電体１１の端子１５は、それぞれが第１の導電体１の端子５が導出された磁性体４１の面とは異なる面から外側に導出される。これにより、第１の導電体１の端子５と第２の導電体１１の端子１５とは、それぞれが磁性体４１の対向する２面から外側に導出されることとなる。

上側磁性体４３は、両側に位置する外脚部分４４ａと、略中央に位置する中脚部分４４ｂとを含んでいる。上側磁性体４３の外脚部分４４ａは、第１の導電体１及び第２の導電体１１が導出されない面を構成する。上側磁性体４３の中脚部分４４ｂは、第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３に形成された開口７，１７内を通っている。上側磁性体４３の外脚部分４４ａ及び中脚部分４４ｂは、下側磁性体４５に接続される。

第１の導電体１及び第２の導電体１１の端子５，１５は、下側磁性体４５における導出された面と略平行で且つ同一方向（本実施形態においては、下方）に曲げられている。また、端子５，１５の先端部分は、下側磁性体４５の下面に沿うように曲げられている。下側磁性体４５の下面には、磁気結合素子ＭＣ２の薄型化を図るために、端子５，１５の先端部分の一部分（上側部分）が位置する窪み部４７が形成されている。

以上のように、本第２実施形態では、端子５，１５が導出された磁性体４１における端子５，１５が導出された面が第１の導電体１及び第２の導電体１１の端子５，１５間の間隙領域から離されているので、端子５の間及び端子１５の間に強い磁界が生じたとしても、端子５，１５間の間隙領域近傍の磁束密度が大きくなるようなことはない。この結果、端子５，１５間の間隙領域近傍での漏れ磁束が減少し、漏れインダクタンスが減少することとなる。

したがって、本第２実施形態においても、第１の導電体１と第２の導電体１１との結合係数を高くして、漏れインダクタンスを小さくすることができる。

また、本第２実施形態においては、第１の導電体１と第２の導電体１１とが互いに重ねられた状態で磁性体４１から突出することにより、端子５，１５が導出された磁性体４１の面が端子５，１５間の間隙領域から離れている。これにより、極めて簡素な構成にて、端子５，１５が導出された磁性体４１の面における端子５，１５間の間隙領域に対応する部分を当該端子５，１５間の間隙領域から確実に離すことができる。

また、本第２実施形態において、磁気結合素子ＭＣ２は、第１実施形態の磁気結合素子ＭＣ１と同じく、低電圧大電流化の要求に応えることが可能となる。

（第３実施形態）
図７は第３実施形態に係る磁気結合素子を示す全体斜視図であり、図８は第３実施形態に係る磁気結合素子を示す断面図であり、図９は第３実施形態に係る磁気結合素子を示す分解斜視図である。また、説明中、「上」及び「下」なる語を使用することがあるが、これは図７の上下方向に対応したものである。

磁気結合素子ＭＣ３は、図７〜図９に示されるように、第１の導電体１、第２の導電体１１及び磁性体５１を備えている。

磁性体５１は、中空部が形成されることにより筒状をなしている。磁性体５１は、Ｅ型コア形状とされた上側磁性体５３と、Ｉ型コア形状とされた下側磁性体５５とを含んでいる。上側磁性体５３と下側磁性体５５とは、接着等により一体化されている。上記中空部は、上側磁性体５３と下側磁性体５５とにより画成される。上側磁性体５３及び下側磁性体５５は、金属磁性体粉の圧粉成形体、表面を絶縁処理した金属磁性体、フェライト等を用いることができる。上側磁性体５３と下側磁性体５５との接着には、エポキシ樹脂等の樹脂材料にフェライト粉を混合して作製したペースト状の複合フェライトを用いることができる。また、上側磁性体５３の中脚部分５４ｂを少し短くする等の方法でエアギャップを設け、インダクタンス調整を行ってもよい。

磁性体５１における中空部が伸びる方向（奥行き方向：図８における左右方向）での下側磁性体５５の長さは、磁性体５１における中空部が伸びる方向での上側磁性体５３の長さよりも短く設定されており、磁性体５１における中空部が伸びる方向に直交する２面には段差が形成される。

磁性体５１は第１の導電体１及び第２の導電体１１を包囲するように配置されており、第１の導電体１及び第２の導電体１１は磁性体２１の中空部を通っている。電気的に絶縁された状態で重ねられた第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３は、上記中空部に位置する。第１の導電体１及び第２の導電体１１の端子５，１５は、磁性体５１の外側に位置する。磁性体５１に段差が形成されていることから、下側に位置する第２の導電体１１の基部１３の一部は露出することとなる。

第１の導電体１の端子５は、それぞれが磁性体５１の一面から外側に導出される。第２の導電体１１の端子５は、それぞれが第１の導電体１の端子５が導出された磁性体５１の面とは異なる面から外側に導出される。これにより、第１の導電体１の端子５と第２の導電体１１の端子１５とは、それぞれが磁性体５１の対向する２面から外側に導出されることとなる。

上側磁性体５３は、両側に位置する外脚部分５４ａと、略中央に位置する中脚部分５４ｂとを含んでいる。上側磁性体５３の外脚部分５４ａは、第１の導電体１及び第２の導電体１１が導出されない面を構成する。上側磁性体５３の中脚部分５４ｂは、第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３に形成された開口７，１７内を通っている。上側磁性体５３の外脚部分５４ａ及び中脚部分５４ｂは、下側磁性体５５に接続される。

第１の導電体１及び第２の導電体１１の端子５，１５は、下側磁性体５５における導出された面と略平行で且つ同一方向（本実施形態においては、下方）に曲げられている。また、端子５，１５の先端部分は、下側磁性体５５の下面に沿うように曲げられている。下側磁性体５５の下面には、磁気結合素子ＭＣ３の薄型化を図るために、端子５，１５の先端部分の一部分（上側部分）が位置する窪み部５７が形成されている。

磁気結合素子ＭＣ３では、上述した構成により、端子５，１５が導出された磁性体５１の面には当該面の端子５，１５が曲げられた側が低くなるように段差が形成され、当該段差によって端子５，１５が導出された磁性体５１の面における端子５，１５が曲げられた側が端子５，１５間の間隙領域から離れることとなる。なお、上記段差の高さは、端子５，１５間の間隙の幅の値と同等以上であることが好ましい。

以上のように、本第２実施形態では、端子５，１５が導出された磁性体４１における端子５，１５が導出された面の一部分が第１の導電体１及び第２の導電体１１の端子５，１５間の間隙領域から離されているので、端子５の間及び端子１５の間に強い磁界が生じたとしても、端子５，１５間の間隙領域近傍の磁束密度が大きくなるようなことはない。この結果、端子５，１５間の間隙領域近傍での漏れ磁束が減少し、漏れインダクタンスが減少することとなる。

したがって、本第３実施形態においても、第１の導電体１と第２の導電体１１との結合係数を高くして、漏れインダクタンスを小さくすることができる。

また、本第３実施形態においては、端子５，１５が導出された磁性体５１の面には当該面の端子５，１５が曲げられた側が低くなるように段差が形成され、当該段差によって端子５，１５が導出された磁性体５１の面における端子５，１５が曲げられた側（下側磁性体５５における中空部が伸びる方向に直交する側面）が端子５，１５間の間隙領域から離れている。これにより、極めて簡素な構成にて、端子５，１５が導出された磁性体５１の面における端子５，１５が曲げられた側の端子５，１５間の間隙領域に対応する部分を当該端子５，１５間の間隙領域から確実に離すことができる。

また、本第３実施形態において、磁気結合素子ＭＣ３は、第１実施形態の磁気結合素子ＭＣ１と同じく、低電圧大電流化の要求に応えることが可能となる。

続いて、図１０〜図１３に基づいて、本実施形態に係る磁気結合素子の更なる変形例を説明する。図１０〜図１２は、本実施形態に係る磁気結合素子の変形例を示す全体斜視図である。図１３は、本実施形態に係る磁気結合素子の変形例を示す分解斜視図である。

図１０に示された磁気結合素子ＭＣ４は、第１の導電体１及び第２の導電体１１の端子５，１５の形状の点で第１実施形態に係る磁気結合素子ＭＣ１と相違する。磁気結合素子ＭＣ６では、端子５，１５が曲げられることなく、基部３，１３と同一平面上で伸びている。

図１１に示された磁気結合素子ＭＣ５は、第１の導電体１及び第２の導電体１１の端子５，１５の形状の点で第２実施形態に係る磁気結合素子ＭＣ２と相違する。磁気結合素子ＭＣ６では、端子５，１５が曲げられることなく、基部３，１３と同一平面上で伸びている。

図１２に示された磁気結合素子ＭＣ６は、第１の導電体１及び第２の導電体１１の端子５，１５の形状の点で第３実施形態に係る磁気結合素子ＭＣ３と相違する。磁気結合素子ＭＣ６では、端子５，１５が曲げられることなく、基部３，１３と同一平面上で伸びている。

図１３に示された磁気結合素子ＭＣ７は、上側磁性体２３の形状の点で第１実施形態の磁気結合素子ＭＣ１と相違する。磁気結合素子ＭＣ７では、上側磁性体２３に窪み部２３ａが形成されることなく、下側磁性体２５のみに窪み部２５ａが形成されている。

上記磁気結合素子ＭＣ４〜ＭＣ７においても、上述した実施形態と同じく、第１の導電体１と第２の導電体１１との結合係数を高くして、漏れインダクタンスを小さくすることができる。

また、磁気結合素子ＭＣ４〜ＭＣ７は、第１実施形態の磁気結合素子ＭＣ１と同じく、低電圧大電流化の要求に応えることが可能となる。

また、磁気結合素子ＭＣ７では、磁性体２１（下側磁性体２５）の端子５，１５が導出された面における端子５，１５が曲げられた側の端子５，１５間の間隙領域に対応する部分が、当該端子５，１５間の間隙領域から離れるように切り欠かれることとなる。これにより、極めて簡素な構成にて、端子５，１５が導出された磁性体２１の面における端子５，１５間の間隙領域に対応する部分を当該端子５，１５間の間隙領域から確実に離すことができる。また、磁性体２１の実効断面積の減少が低く抑えられ、インダクタンス値が小さくなるのを抑制すると共に、磁束密度が高くなるのを抑制することができる。

ここで、本実施形態によって、第１の導電体と第２の導電体との結合係数を高くして、漏れインダクタンスを小さくすることができることを、実施例及び比較例を参照して、具体的に示す。以下の実施例及び比較例では、１ＭＨｚにおけるシミュレーション演算（有限要素法による磁場解析）によりインダクタンス値、結合係数及び漏れインダクタンスを求めた。

（実施例１）
実施例１に係る磁気結合素子として、第１実施形態の磁気結合素子ＭＣ１を採用した。

第１の導電体１及び第２の導電体１１を、厚みが０．４ｍｍである銅板とした。各導電体１，１１の基部３，１３の幅（図１における左右方向の長さ）を９．８ｍｍとした。第１の導電体１の端子５と第２の導電体１１の端子１５と間の間隙領域の幅（図１における左右方向の長さ）を１．５ｍｍとした。スリット９，１９の長さを２．３ｍｍとし、幅を０．５ｍｍとした。開口７，１７の面積を１９ｍｍ^２とした。

磁性体２１の幅（図１における左右方向の長さ）を１２ｍｍとし、磁性体２１の奥行き（図２における左右方向の長さ）を１１ｍｍとし、磁性体２１の厚み（図１及び図２における上下方向の長さ）を３ｍｍとした。磁性体２１の中空部の上下幅を１ｍｍとした。下側磁性体２５の厚みと、上側磁性体２３における各導電体１，１１の基部３，１３に平行な部分の厚みとを１ｍｍとした。磁性体２１の透磁率を３０とした。窪み部２５ａの深さを２．３ｍｍとした。

シミュレーション演算の結果、図１６に示されるように、インダクタンス値は６４．２ｎＨとなり、結合係数は０．９６９となり、漏れインダクタンスは３．９７ｎＨとなった。

（実施例２）
実施例２に係る磁気結合素子として、第２実施形態の磁気結合素子ＭＣ２を採用した。第１の導電体１及び第２の導電体１１については、実施例１と同条件とした。

磁性体４１の幅（図４における左右方向の長さ）を１２ｍｍとし、磁性体４１の奥行き（図５における左右方向の長さ）を９ｍｍとし、磁性体４１の厚み（図４及び図５における上下方向の長さ）を３ｍｍとした。磁性体４１の中空部の上下幅を１ｍｍとした。下側磁性体４５の厚みと、上側磁性体４３における各導電体１，１１の基部３，１３に平行な部分の厚みとを１ｍｍとした。磁性体４１の透磁率を３０とした。第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３の磁性体４１の側面（磁性体４１における端子５，１５が導出された面）からの突出量は、１ｍｍ程度である。

シミュレーション演算の結果、図１６に示されるように、インダクタンス値は６０．５ｎＨとなり、結合係数は０．９６４となり、漏れインダクタンスは４．２６ｎＨとなった。

（比較例１）
比較例１として、図１４及び図１５に示された磁気結合素子ＭＣ１０１を採用した。図１４は比較例１の磁気結合素子を示す分解斜視図であり、図１５は比較例１の磁気結合素子を示す断面図である。

磁気結合素子ＭＣ１０１は、第１の導電体１、第２の導電体１１及び磁性体１２１を備えている。磁性体１２１は、Ｅ型コア形状とされた上側磁性体１２３とＩ型コア形状とされた下側磁性体１２５とを含み、第１の導電体１及び第２の導電体１１を包囲するように配置されている。磁性体１２１の端子５，１５が導出された面における端子５，１５間の間隙領域に対応する部分には窪み部が形成されておらず、上側磁性体１２３の面と下側磁性体１２５の面とが同一面上に位置している。

第１の導電体１及び第２の導電体１１については、実施例１と同条件とした。

磁性体１２１の幅（図１４における左右方向の長さ）を１２ｍｍとし、磁性体２１の奥行きを１１ｍｍとし、磁性体１２１の厚み（図１４における上下方向の長さ）を３ｍｍとした。磁性体１２１の中空部の上下幅を１ｍｍとした。下側磁性体１２５の厚みと、上側磁性体１２３における各導電体１，１１の基部３，１３に平行な部分の厚みとを１ｍｍとした。磁性体１２１の透磁率を３０とした。

シミュレーション演算の結果、図１６に示されるように、インダクタンス値は６７．０５ｎＨとなり、結合係数は０．９５０となり、漏れインダクタンスは６．６４ｎＨとなった。

図１６から分かるように、実施例１及び２では、比較例１に比して結合係数が高く、漏れインダクタンスが小さくなっている。また、実施例３及び４では、比較例２に比して結合係数が高く、漏れインダクタンスが小さくなっている。以上のことから、本実施形態の有効性が確認された。

なお、実施例１は、実施例２に比して結合係数が高く、漏れインダクタンスが小さくなっている。これは、実施例１（第１実施形態）の構成では、第１の導電体１及び第２の導電体１１の基部３，１３に形成されたスリット９，１９が露出するように窪み部２３ａ，２５ａが形成されているため、スリット９，１９内に磁性体が位置しなくなり、第１の導電体１と第２の導電体１１との結合係数がより一層高く、漏れインダクタンスが更に小さくなることによるものであると考えられる。

次に、図１７及び図１８に基づいて、本実施形態に係る磁気結合素子が適用される回路について説明する。図１７は、本実施形態に係る磁気結合素子が適用される回路の一例を示す回路図である。図１８は、図１７に示された回路の動作波形図である。

図１７に示された回路は、スイッチング電源に用いられるタップドインダクタ方式の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ（Tapped-Inductor Buck Converter）８１を構成している。このＤＣ−ＤＣコンバータ８１は、例えばＤＣ１２ＶからＤＣ１Ｖ前後の出力電圧を得るものであり、直流電源Ｅ及び負荷Ｒが接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ８１は、ＭＯＳＦＥＴ等で構成されるスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、タップドインダクタＴＩと、コンデンサＣとを備えている。タップドインダクタＴＩは、互いに電磁結合されるコイルＬ１，Ｌ２を含んでいる。タップドインダクタＴＩに上記実施形態の磁気結合素子ＭＣ１〜ＭＣ７が適用され、第１の導電体１及び第２の導電体１１のいずれか一方がコイルＬ１を構成し、他方がコイルＬ２を構成することとなる。

図１８に示されるように、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、交互にオン状態とされる。スイッチング素子Ｓ１がオン状態となると、タップドインダクタＴＩを通してコンデンサＣと負荷Ｒへの電流ｉ１が流れる。スイッチング素子Ｓ１がオフ状態となり、スイッチング素子Ｓ２がオン状態となると、タップドインダクタＴＩに蓄えられたエネルギーにより、コイルＬ２からコンデンサＣと負荷Ｒへの電流ｉ２が流れる。

このタップドインダクタＴＩを用いたＤＣ−ＤＣコンバータ８１は、スイッチング素子Ｓ１がオン状態である時にはコイルＬ１，Ｌ２を通して電流ｉ１が流れるので、コイルＬ２のみからなる従来のＤＣ−ＤＣコンバータに比較して、この電流ｉ１は小さくなる。また、コイルＬ１，Ｌ２の巻数比を調整することにより、従来の降圧型コンバータに比較し、大きな時比率で低電圧出力を得ることができる。

このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１は、タップドインダクタＴＩが１つの素子で出力フィルタと電圧変換の２つの機能を有することとなる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１は、スイッチング素子Ｓ１に流れる電流ｉ１が小さいため、スイッチング素子Ｓ１のスイッチング損失および導通損が小さくなり、効率が向上することとなる。

また、上記従来のＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング素子Ｓ２には入力電圧がそのまま印加されるため、耐圧の比較的高いものを用いる必要がある。しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１では、スイッチング素子Ｓ２には出力電圧に近い電圧が印加することとなり、低耐圧、低オン抵抗のＭＯＳＦＥＴを用いることができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ８１において伝送効率を高めるためには、コイルＬ１，Ｌ２間の結合係数を大きくする必要があり、タップドインダクタＴＩとして本実施形態の磁気結合素子ＭＣ１〜ＭＣ７が好適である。タップドインダクタＴＩとして本実施形態の磁気結合素子ＭＣ１〜ＭＣ７を用いた場合、漏れインダクタンスが小さいので、漏れインダクタンスによるエネルギーが原因となってスイッチング素子に発生するサージ電圧が低くなり、より一層耐圧の低いスイッチング素子を用いることが可能となる。もちろん、サージ電圧を吸収するための回路を別途設ける必要もない。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上側磁性体２３，４３，５３をＥ型コア形状とすると共に下側磁性体２５，４５，５５をＩ型コア形状とする代わりに、両磁性体２３，２５，４３，４５，５３，５５をＥ型コア形状としてもよい。また、磁性体２１，４１，５１を筒状に一体形成してもよい。更に、金属圧粉材料等を用いて、重ねられた導電体１，１１をインサート成形してもよい。

また、本発明は、タップドインダクタ方式のＤＣ−ＤＣコンバータに用いられるタップドインダクタだけではなく、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータなどに用いられるトランスに適用することができる。

第１実施形態に係る磁気結合素子を示す全体斜視図である。第１実施形態に係る磁気結合素子を示す断面図である。第１実施形態に係る磁気結合素子を示す分解斜視図である。第２実施形態に係る磁気結合素子を示す全体斜視図である。第２実施形態に係る磁気結合素子を示す断面図である。第２実施形態に係る磁気結合素子を示す分解斜視図である。第３実施形態に係る磁気結合素子を示す全体斜視図である。第３実施形態に係る磁気結合素子を示す断面図である。第３実施形態に係る磁気結合素子を示す分解斜視図である。第１実施形態に係る磁気結合素子の変形例を示す全体斜視図である。第２実施形態に係る磁気結合素子の変形例を示す全体斜視図である。第３実施形態に係る磁気結合素子の変形例を示す全体斜視図である。第１実施形態に係る磁気結合素子の変形例を示す分解斜視図である。比較例１の磁気結合素子を示す分解斜視図である。比較例１の磁気結合素子を示す断面図である。実施例１及び２と比較例１とにおけるシミュレーション演算の結果を示す図表である。本実施形態に係る磁気結合素子が適用される回路の一例を示す回路図である。図１７に示された回路の動作波形図である。

符号の説明

１…第１の導電体、３，１３…基部、５，１５…端子、７，１７…開口、９，１９…スリット、１１…第２の導電体、２１，４１，５１…磁性体、２３，４３，５３…上側磁性体、２４ａ，４４ａ，５４ａ…外脚部分、２４ｂ，４４ｂ，５４ｂ…中脚部分、２３ａ，２５ａ…窪み部、２５，４５，５５…下側磁性体、３１…電気絶縁材、ＭＣ１〜ＭＣ７…磁気結合素子。

Claims

一枚の板状をそれぞれがなし、電気的に絶縁された状態で重ねられる第１の導電体及び第２の導電体と、
前記第１の導電体及び前記第２の導電体を包囲するように配置される磁性体と、を備え、
前記第１の導電体は、基部と、前記基部から伸び且つ前記磁性体の一面から外側に導出する２つの端子と、を有し、
前記第２の導電体は、基部と、前記基部から伸び且つ前記第１の導電体の前記端子が導出される前記磁性体の面とは異なる一面から外側に導出する２つの端子と、を有しており、
前記端子が導出された前記磁性体の前記面における少なくとも一部分が前記端子間の間隙領域から離れており、
前記端子が導出された前記磁性体の前記面における前記端子間の間隙領域に対応する部分が当該端子間の間隙領域から離れるように切り欠かれ、
前記一対の端子同士は同一方向に曲げられ、
前記第１の導電体及び前記第２の導電体の各前記基部には、前記端子間の領域に前記端子側から延びるスリットが形成されており、
前記スリットの幅は、前記端子間の間隙の幅よりも狭いことを特徴とする磁気結合素子。
一枚の板状をそれぞれがなし、電気的に絶縁された状態で重ねられる第１の導電体及び第２の導電体と、
前記第１の導電体及び前記第２の導電体を包囲するように配置される磁性体と、を備え、
前記第１の導電体は、基部と、前記基部から伸び且つ前記磁性体の一面から外側に導出する２つの端子と、を有し、
前記第２の導電体は、基部と、前記基部から伸び且つ前記第１の導電体の前記端子が導出される前記磁性体の面とは異なる一面から外側に導出する２つの端子と、を有しており、
前記端子が導出された前記磁性体の前記面における少なくとも一部分が前記端子間の間隙領域から離れており、
前記端子が導出された前記磁性体の前記面に段差が形成され、当該段差によって低くされた側が前記端子間の間隙領域から離れ、
前記一対の端子同士は同一方向に曲げられ、
前記第１の導電体及び前記第２の導電体の各前記基部には、前記端子間の領域に前記端子側から延びるスリットが形成されており、
前記スリットの幅は、前記端子間の間隙の幅よりも狭いことを特徴とする磁気結合素子。
前記端子が導出された前記磁性体の前記面における前記端子が曲げられた側の前記端子間の間隙領域に対応する部分が当該端子間の間隙領域から離れるように切り欠かれていることを特徴とする請求項１に記載の磁気結合素子。
前記端子が導出された前記磁性体の前記面には当該面の前記端子が曲げられた側が低くなるように段差が形成され、当該段差によって前記端子が導出された前記磁性体の前記面における前記端子が曲げられた側が前記端子間の間隙領域から離れていることを特徴とする請求項２に記載の磁気結合素子。
前記第１の導電体及び前記第２の導電体には、略中央に開口が形成され、該開口に通じるように前記スリットが形成されており、
前記第１の導電体及び前記第２の導電体の前記開口内に前記磁性体が更に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気結合素子。
前記端子が導出された前記磁性体の前記面における前記端子間の間隙領域に対応する部分が当該端子間の間隙領域から離れ且つ前記スリットが露出するように切り欠かれていることを特徴とする請求項５に記載の磁気結合素子。