JP5088898B2

JP5088898B2 - インダクタンス素子

Info

Publication number: JP5088898B2
Application number: JP2009142824A
Authority: JP
Inventors: 正彦高橋; 亨康山内; 康治高瀬; 裕司小野
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2029-06-16
Also published as: JP2011003560A

Description

本発明は、主として電子機器から発生し、電源線等を伝播する電気的雑音を防止するノイズフィルタに用いられるインダクタンス素子に関する。

パーソナルコンピュータ、薄型液晶ＴＶなどの電子機器は、自らの機器内部から発生し、伝導、及び伝搬する電気的雑音（ノイズ）を抑制し、かつ他の機器から生じたノイズの影響を受けないようにすることが電気用品安全法、ＶＣＣＩ、電波法、ＣＩＳＰＲなどの各種規格により定められている。このため、ノイズ問題を抱える電子機器の電源の入出力部には、上記の各種規格を遵守するため、インダクタンス素子等を使用したノイズフィルタが設けられている。

一般に、ノイズには、平衡（コモン）モードノイズと不平衡（ノーマル）モードノイズとが混在している。コモンモードノイズとは、入出力線と基板グラウンド、筐体、または大地などとの間を伝播するノイズであり、グラウンドから見た入力線や出力線などとの間の電位差として生じているものである。また、ノーマルモードノイズとは、電源の入力線と出力線の間を伝播するノイズであり、入出力線間の電位差として生じているものである。

図５は、従来の一般的なノイズフィルタの回路図の一例を示す図である。図５に示すノイズフィルタ２０は、コモンモードノイズを遮り減衰させるためのコモンモードに対する高いインピーダンスと高い結合係数の相互インダクタンスとを有するインダクタンス素子１と、回路基板のグラウンド２１に一方の端子が接地され、コモンモードノイズを還流させて打ち消すための一対のコンデンサ２２と、ノーマルモードノイズを遮り減衰させるためのノーマルモードに対して高いインピーダンスを有するノーマルモードチョークコイル２３と、ノーマルモードノイズを還流させて打ち消すためのコンデンサ２４およびコンデンサ２５とから構成されている。なお、ノイズフィルタ２０に入力される電源２６は商用の交流電源を想定し、グラウンド２１は大地に接地した状態を想定し、ノイズフィルタ２０の出力に接続される負荷２７は、スイッチング電源等のノイズを発生する電子機器等を想定している。

ここで、インダクタンス素子１が高周波領域にて用いられる場合には、インダクタンス素子１を構成するコイルの線間容量がノイズの遮断特性を劣化させてしまう。そこで、ノイズ抑制に与える悪影響を排除するため、磁気コアを接地すると共に接地した磁気コアに被覆導線を直接巻回することによりインダクタンス素子を形成する技術が提案されている。このようなインダクタンス素子は、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。

これに対して、磁気コアと被覆導線を巻回して形成したコイルとの間が短絡され磁気特性が低下することを問題とし、磁気コア上に接地導体を形成し、その上に誘電体及び近接導体を順に形成し、さらにその上に被覆導線を巻回して形成することにより、磁気コアと被覆導線とを電気的に分離し、それによって信頼性を高めたインダクタンス素子が提案されている。このようなインダクタンス素子は、例えば特許文献３に開示されている。

さらに、上記の特許文献３のインダクタンス素子のコイル線と導体間の容量の調整のしやすさや設計上の自由度を改善したインダクタンス素子が提案され、例えば特許文献４に開示されている。図６はこのような従来のインダクタンス素子の一例を説明するための図である。図６（ａ）は絶縁ケースを透視して見たインダクタンス素子の正面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ断面図であり、図６（ｃ）は図６（ｂ）の一部を拡大した詳細断面図、図６（ｄ）は図６（ａ）を中心線１６で切断した時の断面図である。

図６において、インダクタンス素子１ｃは、トロイダル形状の磁気コア２と、磁気コア２の外周に接地接続用端子７を有した導体６を配置し、双方をトロイダル形状の絶縁ケース３に収納し、絶縁ケース３の上から被覆導線８を巻回して得られている。すなわち、トロイダル形状の磁気コア２を半円環状に二等分し、磁気コア２の磁路に生じる磁束が互いに打ち消し合わさるように被覆導線８を二等分した磁路に各々巻回し、磁気コア２を二等分する中心軸１６に対して対称となる二つのコイル９を形成している。なお、コイル９のそれぞれのコイル線の末端は被覆が剥離され、半田付け等によって接続を容易にするために半田メッキ等が施され、それぞれ実装端子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが形成されている。

特開平９−１０２４２６号公報特開２００４−３１１８６６号公報特開２００４−２３５７０９号公報特開２００８−１１８１０１号公報

図６に示される従来のインダクタンス素子１ｃは、導体６と被覆導線８の間に形成された静電容量により被覆導線８の線間容量をキャンセルし、広い周波数帯域で減衰特性を改善して広帯域化するものであった。しかしながら、従来のインダクタンス素子では、絶縁ケース３内で導体６が磁気コア２に接触したときに、磁気コア２の容量が影響を与え、導体６と被覆導線８との間に形成される静電容量の値を変化させてしまっていた。また、作製されたインダクタンス素子において、導体６と磁気コア２が接触するものと接触しないものとが存在するため、導体６と被覆導線８とで形成する静電容量にも個体差が出てしまい、特性良好の素子と特性不良の素子が混在していた。図７に従来のインダクタンス素子の減衰特性の一例を示す。同じ工程で作製された４個のインダクタンス素子の減衰特性を示しており、この図よりわかるように、同様な作製方法でも減衰特性がばらついてしまうという問題点があった。

そこで、本発明の課題は、コイル線と導体間の容量の調整が容易で設計の自由度が広く、さらに、ばらつきが少なく安定した良好な減衰特性を有するインダクタンス素子を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるインダクタンス素子は、中央部に穴を有する磁性体コアと、該磁性体コアの少なくとも１つの面に沿って配置された導体と、前記磁性体コアと前記導体を収納する絶縁ケースとを有し、前記絶縁ケースの外側から被覆導線を巻回したインダクタンス素子において、前記導体は前記磁性体コアの外周側に配置された接地接続用の端子を有し、前記絶縁ケースは２つ以上の部位からなる嵌め合せ構造を有し、該嵌め合せ部の一部に前記絶縁ケースの異なる部位に囲まれた空間が形成され、該空間に前記導体が保持されて固定され、前記接地接続用の端子が前記絶縁ケースの外部に突出していることを特徴とする。

ここで、前記絶縁ケースの嵌め合せ部の空隙を介して前記被覆導線から前記導体に到る距離の最小値、すなわち沿面距離と、前記被覆導線と前記接地接続用の端子との間の距離の最小値、すなわち空間距離の双方が少なくとも３．２ｍｍ以上であることが望ましい。

本発明により、例えば、上下２分割された絶縁ケースの下側ケースと上側ケースの嵌合部に空間を設けて、この空間に導体を保持し固定できる構造とすることで、導体と被覆導線で形成される静電容量が安定し、ばらつきの少ない良好な減衰特性を得られるようになる。また、導体の幅などの形状を制御することで、その静電容量の値を制御することができる。よって、本発明により、コイル線と導体間の容量の調整が容易で設計の自由度が広く、さらに、ばらつきが少なく安定した良好な減衰特性を有するインダクタンス素子が得られる。

本発明によるインダクタンス素子の第一の実施の形態を説明する図であり、図１（ａ）は絶縁ケースを透視して見たインダクタンス素子の正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の一部を拡大した詳細断面図、図１（ｄ）は図１（ａ）を中心線１６で切断した時の断面図。実施例１の３個のインダクタンス素子の減衰特性の測定結果を示す図。本発明によるインダクタンス素子の第二の実施の形態を説明する図であり、図３（ａ）は絶縁ケースを透視して見たインダクタンス素子の正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図３（ｃ）は図３（ｂ）の一部を拡大した詳細断面図、図３（ｄ）は図３（ａ）を中心線１６で切断した時の断面図。実施例２の３個のインダクタンス素子の減衰特性の測定結果を示す図。従来の一般的なノイズフィルタの回路図の一例を示す図。従来のインダクタンス素子の一例を説明するための図であり、図６（ａ）は絶縁ケースを透視して見たインダクタンス素子の正面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ断面図、図６（ｃ）は図６（ｂ）の一部を拡大した詳細断面図、図６（ｄ）は図６（ａ）を中心線１６で切断した時の断面図。従来のインダクタンス素子の減衰特性の一例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
以下に説明する実施の形態におけるインダクタンス素子は、コモンモード用インダクタンス素子である。すなわち、トロイダル形状の磁気コアを半円環状に二等分し、磁気コアの磁路に生じる磁束が互いに打ち消し合わさるように被覆導線を二等分した磁路に各々巻回し、磁気コアを二等分する軸に対して対称となる二つのコイルを形成している。しかし、全周にわたって被覆導線を巻回し、コイルを一つ形成したノーマルモード用インダクタンス素子や、三相電源等に用いられるコイルを三つ以上形成したインダクタンス素子の場合であっても本発明は適用可能である。

図１は、本発明によるインダクタンス素子の第一の実施の形態を説明する図であり、図１（ａ）は絶縁ケースを透視して見たインダクタンス素子の正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）の一部を拡大した詳細断面図、図１（ｄ）は図１（ａ）を中心線１６で切断した時の断面図である。

図１において、本実施の形態のインダクタンス素子１ａは、中央部に穴を有するトロイダル形状の磁気コア２と、磁気コア２の外周面に沿って配置された導体６と、磁気コア２と導体６を収納する絶縁ケースとを有し、絶縁ケースの外側から被覆導線８を巻回して構成され、導体６は磁性コア２の外周側に配置された接地接続用の端子である接地接続用端子７を有している。ここで、図１（ｃ）に示すように、絶縁ケースは絶縁ケース上５と絶縁ケース下４の２つの部位を嵌め合せる構造を有し、その嵌め合せ部に絶縁ケース上５と絶縁ケース下４に囲まれた空間１０が形成され、この空間１０に導体６が保持されて固定されている。また、絶縁ケース下４は貫通孔１５を備え、この貫通穴１５から接地接続用端子７が絶縁ケースの外部に突出している。

また、被覆導線８は、トロイダルの磁路に生じる磁束を打ち消し合うように巻回され、磁気コア２を二等分する中心線１６に対して対称な２つのコイル９を形成している。コイル９のそれぞれのコイル線の末端は被覆が剥離され、半田付け等によって接続を容易にするために半田メッキ等が施され、それぞれ実装端子１７ａ、１７ｂ、および１７ｃ、１７ｄが形成されている。

ここで、本実施の形態のインダクタンス素子１ａは、絶縁ケース上５と絶縁ケース下４の嵌め合せ部の空隙１１を介して被覆導線８から導体６に到る距離の最小値、すなわち沿面距離を３．２ｍｍ以上確保できる構造になっている。また、仕切り部２８については、被覆導線８と導体６の接地接続用端子７との間の距離の最小値、すなわち空間距離１９を３．２ｍｍ以上確保できる構造になっている。

図３は、本発明によるインダクタンス素子の第二の実施の形態を説明する図であり、図３（ａ）は絶縁ケースを透視して見たインダクタンス素子の正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図３（ｃ）は図３（ｂ）の一部を拡大した詳細断面図、図３（ｄ）は図３（ａ）を中心線１６で切断した時の断面図である。

図３のインダクタンス素子１ｂは、図１の実施の形態と同様に、トロイダル形状の磁気コア２と、磁気コア２の外周面に沿って配置された導体６と、磁気コア２と導体６を収納する絶縁ケースとを有し、絶縁ケースの外側から被覆導線８を巻回して構成され、導体６は磁性コア２の外周側に配置された接地接続用の端子である接地接続用端子７を有している。但し、本実施の形態においては上下に２分割された絶縁ケースの嵌め合わせ構造が図１とは異なっている。図３（ｃ）に示すように、下側の絶縁ケース下３４は、嵌め合わせ部において一定の間隔で配置された外側爪部１２と内側爪部１３を有する構造になっており、上側の絶縁ケース上３５は嵌め合わせ部において外側爪部１２の内側に沿って伸びる爪部１４を有する構造になっており、内側爪部１３と爪部１４との間で空間３０が形成され、この空間３０に導体６が保持されて固定されている。また、絶縁ケース下３４は貫通孔１５を備え、この貫通孔１５から接地接続用端子７が絶縁ケースの外部に突出している。

本実施の形態のインダクタンス素子１ｂにおいても、絶縁ケース上３５と絶縁ケース下３４の嵌め合せ部の空隙３１を介して被覆導線８から導体６に到る距離の最小値、すなわち沿面距離を３．２ｍｍ以上確保できる構造であり、図１の構造に比べてより大きな沿面距離が得やすくなっている。また、仕切り部２８についても、被覆導線８と導体６の接地接続用端子７との間の距離の最小値、すなわち空間距離１９を３．２ｍｍ以上確保できる構造になっている。

また、図１と同様に、被覆導線８は、トロイダルの磁路に生じる磁束を打ち消し合うように巻回され、磁気コア２を二等分する中心線１６に対して対称な２つのコイル９を形成している。コイル９のそれぞれのコイル線の末端は被覆が剥離され、半田付け等によって接続を容易にするために半田メッキ等が施され、それぞれ実装端子１７ａ、１７ｂ、および１７ｃ、１７ｄが形成されている。

ここで、第一および第二の実施の形態において、磁気コア２の材質は、高透磁率の磁性材料であればよく、Ｍｎ−Ｚｎ系やＮｉ−Ｚｎ系のフェライト材、アモルファスやパーマロイなどの金属系材料、鉄系や鉄合金系、その他金属粉末などの磁性材料からなる圧粉材料等でも良く、要求特性に応じて適宜選定することができる。また、磁気コア２の形状は、トロイダル形状に限定されず、閉磁路を形成するものであればよく、円形、楕円形、方形などの何れの形状でも中央部に穴を設けその周囲を磁路とする形状であれば良い。またその磁路の断面形状も方形、円形、楕円形、長円形、多角形等、何れの形状でも良い。

絶縁ケース下４、３４と絶縁ケース上５、３５は、磁気コア２を絶縁して覆う樹脂であれば何れの材質でもよく、エポキシ系、フェノール系の熱硬化性樹脂や、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ナイロン系などの熱可塑性樹脂を用いることができる。

導体６としては、銅、アルミニウム、ステンレスなどの金属材料やそれらの合金、または金属材粉末と樹脂を混合した金属樹脂などの導電性を有する材料を用いることができる。また、その形状は、板状、箔状などの形状が好ましく、格子状や網目状などであっても良い。上記の実施の形態では、導体６を磁気コア２の外周面に配した構造を示しているが、導体を磁気コア２の側周面または内周面に配してもよく、あるいは、外周面、側周面、内周面のいずれか２つの面、または３つの面に配することも可能である。いずれの場合にも、磁気コアに生じる磁界がキャンセルされるショートリングとならないように形成する必要があり、導体を絶縁ケースの嵌め合わせ部分に形成された絶縁ケースに囲まれた空間に保持し固定する必要がある。

なお、導体６は、正面から見てリング状に形成しているが、環の一部で途切れたＣ型状に形成してもよい。この場合にも中心線１６に対して対称となる形状に形成することで、両側で等しい静電容量を持たせることができる。また、被覆導線８は、線状の導体に天然樹脂または合成樹脂塗料を焼き付けたエナメル被覆銅線や、絶縁性を高めたＰＶＣ被覆電線などの導線を用いることができる。また、その線径や巻数は、コイル９の要求特性に応じ適宜設計、調整することができる。

以下、上記の各実施の形態のインダクタンス素子の具体的な実施例について説明する。

（実施例１）
図１に示した第一の実施の形態のインダクタンス素子の実施例の磁気コア２として、外径２２ｍｍ、内径１４ｍｍ、高さ１０ｍｍ、断面積が四角形のトロイダル形状で周波数１００ｋＨｚでの初透磁率が約１００００であるＭｎ−Ｚｎ系フェライトコアを使用した。絶縁ケース下４、絶縁ケース上５として、両者を嵌め合わせた時に外形２４ｍｍ、内径１２ｍｍ、高さ１２ｍｍ、各部の最低肉厚が０．５ｍｍとなるように、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂を用いて形成したものを使用し、その内部に磁気コア２と導体６を組み込んだ。導体６としては、厚さ０．３ｍｍ、幅７ｍｍ、長さ７０ｍｍの銅板を使用した。接地接続用端子７は、導体６と一体化して製作した。被覆導線８は、線径０．８ｍｍのポリウレタン被覆の銅線を用い、コイル９を形成するため、磁気コア２と導体６が組み込まれた絶縁ケース下４と絶縁ケース上５からなる絶縁ケースにそれぞれ３０ターン巻回した。コイル９の各々の末端は、被覆導線８の被覆を剥離し、半田付け等によって接続が容易になるように半田めっき等を施し、巻き始めである一方の実装端子１７ａ、１７ｄと巻き終わりである他方の実装端子１７ｂ、１７ｃとを各々形成した。

図２に、作製された実施例１の３個のインダクタンス素子の減衰特性の測定結果を示す。図２より、１５０ｋＨｚから１０ＭＨｚ間で、大きな減衰量が得られる範囲が広い広帯域の減衰特性が得られていることがわかる。しかも、各々の素子間の特性差が少なく、安定して良好な特性の素子が得られていることがわかる。

（実施例２）
図３に示した第二の実施の形態のインダクタンス素子の実施例の磁気コア２として、外形２５ｍｍ、内径１５ｍｍ、高さ１２ｍｍ、断面積が四角形のトロイダル状で周波数１００ｋＨｚでの初透磁率が約１００００であるＭｎ−Ｚｎ系フェライトコアを使用した。絶縁ケース下３４、絶縁ケース上３５として、両者を嵌め合わせた時に外形２７ｍｍ、内径１３ｍｍ、高さ１４ｍｍ、各部の最低肉厚が０．５ｍｍとなるように、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂を用いて形成したものを使用し、その内部に磁気コア２と導体６を組み込んだ。導体６として、厚さ０．３ｍｍ、幅９ｍｍ、長さ８０ｍｍの銅板を使用した。接地接続用端子７は、導体６と一体化して製作した。被覆導線８は、線径０．８ｍｍのポリウレタン被覆の銅線を用い、コイル９を形成するため、磁気コア２と導体６が組み込まれた絶縁ケース下３４と絶縁ケース上３５からなる絶縁ケースにそれぞれ３１ターン巻回した。コイル９の各々の末端は、被覆導線８の被覆を剥離し、半田付け等によって接続が容易になるように半田めっき等を施し、巻き始めである一方の実装端子１７ａ、１７ｄと巻き終わりである他方の実装端子１７ｂ、１７ｃとを各々形成した。

図４に、作製された実施例２の３個のインダクタンス素子の減衰特性の測定結果を示す。図４より、１５０ｋＨｚから１０ＭＨｚ間で、広帯域の減衰特性が得られていることがわかる。しかも、各々の素子間の特性差がなく、安定して良好な特性の素子が得られていることがわかる。また、導体６の銅板の幅を実施例１と比べて変化させて調整し、設計にも自由度があることが確認できた。

以上、本発明の実施の形態および実施例について説明したが、本発明は、上記の実施の形態や実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更であって、当業者であれば、当然なしうるであろう各種変更、修正もまた本発明に含まれることはいうまでもない。

ノイズフィルタ回路において、一般のインダクタンス素子は、コンデンサと組み合わされて使用される。本発明のインダクタンス素子はコンデンサと組み合わせなくても、同等の効果を得られるため、漏洩電流を抑えなければならない広範な電気機器への応用が考えられる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃインダクタンス素子
２磁気コア
３絶縁ケース
４、３４絶縁ケース下
５、３５絶縁ケース上
６導体
７接地接続用端子
８被覆導線
９コイル
１０、３０空間
１１、３１嵌め合わせ部の空隙
１２外側爪部
１３内側爪部
１４爪部
１５貫通孔
１６中心線
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ実装端子
１８、２８仕切り部
１９空間距離
２０ノイズフィルタ
２１グラウンド
２２、２４、２５コンデンサ
２３ノーマルモードチョークコイル
２６電源
２７負荷

Claims

中央部に穴を有する磁性体コアと、該磁性体コアの少なくとも１つの面に沿って配置された導体と、前記磁性体コアと前記導体を収納する絶縁ケースとを有し、前記絶縁ケースの外側から被覆導線を巻回したインダクタンス素子において、前記導体は前記磁性体コアの外周側に配置された接地接続用の端子を有し、前記絶縁ケースは２つ以上の部位からなる嵌め合せ構造を有し、該嵌め合せ部の一部に前記絶縁ケースの異なる部位に囲まれた空間が形成され、該空間に前記導体が保持されて固定され、前記接地接続用の端子が前記絶縁ケースの外部に突出していることを特徴とするインダクタンス素子。
前記絶縁ケースの嵌め合せ部の空隙を介して前記被覆導線から前記導体に到る距離の最小値、すなわち沿面距離と、前記被覆導線と前記接地接続用の端子との間の距離の最小値、すなわち空間距離の双方が少なくとも３．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のインダクタンス素子。