JP5927641B2 - インダクタンス素子 - Google Patents

Description

本発明は、磁性粉末を圧縮して成形された磁性コアの内部にコイル体が埋め込まれたインダクタンス素子に係り、磁性コアの底面に端子板を納める凹部が形成されたインダクタンス素子に関する。

以下の特許文献１ないし３に、コイル体が磁性コアの内部に埋め込まれたインダクタンス素子が開示されている。磁性コアは、磁性粉末が圧縮されて形成されたいわゆる圧粉コアである。磁性粉末は、磁性合金粉末であり、絶縁樹脂がコーティングされた磁性粉末が圧縮されて前記磁性コアが形成されている。

このインダクタンス素子は、コイル体から延びる端子板が磁性コアの側面から突出し、さらに磁性コアの底面に向けて折り曲げられて、端子板の表面が磁性コアの底面とほぼ平行に設置されている。

特開２００２−３２４７１４号公報 特開２００４−２９６６３０号公報 特許第４０４９２４６号公報

特許文献１ないし３に記載されたインダクタンス素子は、磁性コアの底面に露出している端子板の表面が、配線基板のランド部に設置されて半田付けによって固定される。インダクタンス素子が配線基板の表面に安定した状態で設置されるためには、磁性コアの底面と、この底面に現れている端子板の表面との段差が小さいことが好ましい。

そこで、特許文献３に記載されたインダクタンス素子は、磁性コアの底面に凹部が形成されて、磁性コアから突出する端子板が折り曲げられて前記凹部内に収納されている。この構造では、端子板の表面と磁性コアの底面との段差が小さくなり、配線基板に安定して設置できるようになる。

しかし、磁性コアの底部に端子板を収納する凹部を形成すると、凹部が形成されている領域において、コイル体を覆う磁性コアが薄くなり、その分だけインダクタンスが低下する欠点がある。特に、特許文献３に記載されているように、凹部が形成されている部分の磁性コアの密度が他の領域と均一に設定されたものでは、凹部を形成することによるインダクタンスの低下率が大きくなる。

インダクタンスの低下を抑制するために、コイル体と凹部との間で磁性コアを厚く設定することが必要になって、小型のインダクタンス素子を形成することが困難になる。

また、凹部の面積を小さくすることでインダクタンスの低下をある程度は抑制できるが、この場合は、端子板を小さくしなくてならなくなり、配線基板のランド部に対するインダクタンス素子の固定強度が低下してしまう。さらに、端子板の面積を小さくすると、コイル体に通電したときに磁性コアに発生する熱を端子板から配線基板側に放熱する作用が低下する。その結果、磁性コアの温度が高くなり、コイル体に流す電流の許容値が低下するなどの問題が発生しやすくなる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、磁性コアに凹部を形成することによるインダクタンスの減少を抑制できるインダクタンス素子を提供することを目的としている。

本発明は、導電性金属材で巻かれたコイル体と、前記コイル体から延びる一対の端子板と、前記コイル体が内部に埋め込まれた磁性コアとを有するインダクタンス素子において、
前記磁性コアは磁性粉末の集合体で、前記磁性コアの底面に一対の凹部が形成され、前記凹部と前記コイル体との間の磁性粉末の密度が、前記凹部が形成されていない前記磁性コアの底面での前記密度よりも高く設定されており、
前記端子板は、前記磁性コアの側面からほぼ垂直に突出する突出基部と、前記突出基部からほぼ直角に折り曲げられて前記底面に向けて延びる垂直片と、前記垂直片からほぼ直角に折り曲げられて前記底面とほぼ平行に延びる接続片とを有し、前記接続片が、その表面を前記底面とほぼ平行に向けて前記凹部内に納められており、
前記磁性コアの前記側面と前記垂直片との間には、前記突出基部の前記側面からの突出部から前記底面に至るまで隙間が形成されており、
前記突出基部が突出している前記側面での前記磁性粉末の密度は、前記凹部と前記コイル体との間より低いこと、および／または、前記凹部は、前記磁性コアの前記側面から中心に向けて形成されて、前記凹部の中心に向けられた縁部が、前記コイル体の内周端よりも中心側に位置しており、前記コイル体の内周端よりも内側で且つ前記凹部が形成されている部分の磁性粉末の密度が、前記凹部が形成されていない前記磁性コアの底面での前記密度よりも高く設定されていることを特徴とするものである。

本発明のインダクタンス素子は、磁性コアの底面に凹部が形成され、端子板が凹部に収納されている。そのため、磁性コアの底面と端子板の表面との段差を小さくでき、配線基板に磁性コアを安定させて設置して端子板とランド部とを半田付けすることが可能になる。

前記凹部が形成されている部分でコイル体を覆う磁性コアが薄くなっているが、この部分で磁性粉末の密度が局部的に高いために、凹部とコイル体との間の領域を通過する磁束密度が高くなる。そのため、凹部を形成したことによるインダクタンスの低下を抑制できる。

コイル体を覆う磁性コアが比較的薄くてもその部分を通過する磁束密度を高くできるので、磁性コアを必要以上に大きくまたは厚く構成する必要がなくなって、小型のインダクタンス素子を構成しやすくなる。

また、コイル体の内周端よりも内側の領域で磁性コアを構成する磁性粉末の密度を高くすることで、インダクタンスを高めることができる。

磁性コアの底面の面積に対する磁性板の面積の比を大きくできるために、配線基板への半田付け強度を高めることが可能になる。

本発明の実施の形態のインダクタンス素子の斜視図。 図１に示すインダクタンス素子の底面図。 図１に示すインダクタンス素子の断面図。 （ａ）は、シミュレーション実験で使用したインダクタンス素子の側面図、（ｂ）は底面図であり、（ａ）（ｂ）ともにコイル体を透視して示した。 凹部とコイル体間（領域α）の成形圧力とインダクタンス変化率との関係を示すグラフ。

図１ないし図３に示すインダクタンス素子１は、磁性コア１０の内部にコイル体２０が埋設されている。コイル体２０に一対の端子板２５，２５が連結されており、この端子板２５，２５が磁性コア１０の外部に延び出ている。

磁性コア１０は、底面１１と上面１２を有しており、底面１１と上面１２は互いに平行である。図２に示すように、磁性コア１０を底面１１側から見た形状は八角形である。８つの側面のうちの互いに平行に位置する側面１３，１３から前記端子板２５，２５が延び出ている。図１ないし図３には、磁性コア１０の底面１１および上面１２に対して垂直に延び且つ八角形の中心を通過する線が中心線Ｏとして示されている。

なお、磁性コア１０の平面形状は、正方形や長方形あるいは円形などにすることも可能である。

磁性コア１０は、磁性粉末を加圧し圧縮して形成されたいわゆる圧粉コアである。磁性粉末は磁性合金粉末であり、例えば、Ｆｅを主体とし、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｐ、Ｃ、Ｂ、Ｓｉなどの各種金属が含まれたＦｅ基金属ガラス合金の粉末であり、水アトマイズ法により粉末化されたものである。

磁性粉末は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの絶縁材によってコーティングされる。この磁性粉末がキャビティ内に充填され、上型と下型とで加圧されて磁性コア１０が形成される。あるいは、磁性粉末と絶縁材とが混合された状態で、キャビティ内に充填されて、上型と下型とで加圧されて磁性コア１０が形成される。いずれの工程においても、絶縁材が磁性粉末どうしを結合するための係合材として機能する。

コイル体２０は、銅（Ｃｕ）または銅合金で形成された平板状の導電材２１で形成されている。図３に示すように、平板状の導電材２１は、その表面が磁性コア１０の底面１１および上面１２とほぼ平行に向けられて、上下方向に重なるように多重に巻かれている。上下に巻かれた導電材２１の間は樹脂材料などで絶縁されている。図２に示すように、コイル体２０は外側に向けられた外周端２０ａと、中心線Ｏに向けられた内周端２０ｂを有している。外周端２０ａと内周端２０ｂは、中心線Ｏに曲率中心を有する円筒面形状である。

図３に示すように、一対の端子板２５，２５は、コイル体２０において巻かれている導電材２１の両端から延びている。端子板２５，２５は、コイル体２０と別体に形成されて、導電材２１の両端に溶接などで接続されている。あるいは端子板２５，２５が、コイル体２０を構成する導電材２１の両端部を潰し加工等を行って面積を広げ、導電材２１と一体に形成されていてもよい。この場合、インダクタンス素子１の回路基板への装着を考慮して、端子板２５，２５に半田を塗布する。

端子板２５，２５は、銅または銅合金で形成された板材の表面に、ニッケル（Ｎｉ）下地層を介して金（Ａｇ）または金とパラジウム（Ｐｄ）との合金膜が形成されるか、もしくは、半田を塗布されたものである。

図３に示すように、端子板２５，２５は、磁性コア１０の側面１３，１３からほぼ垂直に突出する突出基部２５ａを有している。突出基部２５ａよりも先部は第１の折曲げ部２５ｂにおいて下向きにほぼ直角に曲げられた垂直片２５ｃ，２５ｃとなっている。端子板２５，２５の先部は、垂直片２５ｃ，２５ｃの下端が第２の折曲げ部２５ｄでほぼ直角に折り曲げられて、接続片２５ｅ，２５ｅとなっている。接続片２５ｅ，２５ｅの下向きの表面２５ｆ，２５ｆは、磁性コア１０の底面１１とほぼ平行に延びている。

図３に示すように、磁性コア１０の側面１３，１３と、端子板２５，２５の垂直片２５ｃ，２５ｃとの間に隙間δが形成されている。隙間δは、上下方向にほぼ同じ間隔で延びている。

端子板２５，２５は、第１の折曲げ部２５ｂ，２５ｂにおいて予め折り曲げられた状態で、圧粉工程において磁性コア１０に埋設される。あるいは、端子板２５，２５は、圧粉工程において磁性コア１０に埋設された後に、第１の折曲げ部２５ｂ，２５ｂで折り曲げられる。いずれにせよ、前記隙間δを形成しておくことで、第１の折曲げ部２５ｂ，２５ｂの曲げ後の残留応力が磁性コア１０の側面１３，１３に与える影響を低減させることができ、磁性コア１０の側面１３，１３の破損などを防止しやすくなっている。

特に、圧粉工程後に磁性コア１０から突出する端子板２５，２５が折り曲げられる場合は、磁性コア１０の側面１３，１３から前記隙間δを空けた位置で第１の折曲げ部２５ｂ，２５ｂを折り曲げることにより、折曲げ加工のときに磁性コア１０に与えられる応力を低減でき、磁性コア１０の側面１３，１３の破損を防止しやすくなる。

図２と図３に示すように、磁性コア１０の底面１１に一対の凹部１５，１５が形成されている。図３に示すように、凹部１５，１５の底面１１からの窪み深さは、端子板２５，２５の厚さ寸法よりもやや浅くなっている。但し、端子板のうねり等を考慮して凹部１５，１５の底面１１からの窪み深さは、端子板２５，２５の厚さ寸法よりもやや深くしても良い。端子板２５，２５の接続片２５ｅ，２５ｅは凹部１５，１５の中に収納されており、接続片２５ｅ，２５ｅの表面２５ｆ，２５ｆと、磁性コア１０の底面１１との段差が最小に設定されている。

図２に示すように、磁性コア１０の底面１１における凹部１５，１５の幅寸法Ｗは、接続片２５ｅ，２５ｅの幅寸法よりもわずかに大きく、幅寸法Ｗは、磁性コア１０の幅寸法の１／３以上の広さを有している。

凹部１５，１５は、磁性コア１０の側面１３，１３から中心線Ｏに向けて奥行き寸法Ｌの範囲で形成されている。凹部１５，１５の中心線Ｏに向く縁部１５ａ，１５ａは、コイル体２０の内周端２０ｂと一致する位置に有るか、またはそれよりも中心線Ｏに近い位置まで延びている。図２に示す実施の形態では、縁部１５ａ，１５ａが、内周端２０ｂよりも中心線Ｏに近い位置まで延びている。

したがって、凹部１５，１５は、そのほとんどの範囲がコイル体２０の底部と対向しており、凹部１５，１５の中心線Ｏに近い先部は、コイル体２０の内周端２０ｂよりも内側の中空部に対向している。

磁性コア１０は、磁性粉末の集合体が圧縮されたものであるが、図３に示すように、コイル体２０の底部と凹部１５，１５とで挟まれた領域αでは、磁性粉末の密度が、凹部１５が形成されていない領域での底面１１における磁性粉末の密度よりも高くなっている。また、凹部１５，１５の縁部１５ａ，１５ａは、コイル体２０の内周端２０ｂよりも中心線Ｏに近い位置に有るが、コイル体２０の中空部において凹部１５，１５が対向している領域βにおいても、磁性粉末の密度が、凹部１５が形成されていない領域での底面１１における磁性粉末の密度よりも高くなっている。

前記領域αは、図３に示すコイル体２０の奥行き寸法Ａと、コイル体２０と凹部１５との間の高さ寸法Ｂで挟まれた範囲で、且つ図２に示す凹部１５，１５の幅寸法Ｗの範囲の立体領域である。前記領域βは、図３に示す内周端２０ｂから縁部１５ａまでの奥行き寸法Ｃの範囲で、図２に示す幅寸法Ｗの範囲であり、図３における高さ寸法は、最大で磁性コア１０の厚さ寸法と等しくなる立体領域である。

インダクタンス素子１の製造工程では、コイル体２０および端子板２５，２５の一部が成形型のキャビティの内部に支持された状態で、キャビティ内に絶縁材がコーティングされた磁性粉末が充填され、上型と下型とで加圧されて磁性コア１０が形成される。

この成形作業の際、下型において上向きに形成された突部によって、磁性コア１０の一部が他の部分よりも強い加圧力で圧縮されて、凹部１５，１５が形成される。あるいは、凹部１５，１５を形成する部分の磁性粉末の供給量を他の領域よりも予め多くしておき、下型の突部によってその部分が加圧されて凹部１５，１５が形成される。いずれにせよ、凹部１５，１５の成形圧力が他の部分よりも大きくなり、前記領域αと領域βにおいて、他の領域よりも磁性粉末の密度が高く設定される。

磁性コア１０は、凹部１５，１５が形成されている領域αと領域βにおいて、磁性粉末の密度が高くなっているため、コイル体２０に通電したときに、領域αと領域βを通過する磁束の密度を高くできる。したがって、凹部１５，１５を形成しても、全体のインダクタンスの低下を抑制できる。

そのため、磁性コア１０を必要以上に大きくする必要がなくなり、小型のインダクタンス素子１を構成しやすくなる。また、凹部１５，１５の面積が広くてもインダクタンスの低下を抑制できるので、磁性コア１０の底面１１に位置する接続片２５ｅ，２５ｅの面積を大きくでき、インダクタンス素子１を、配線基板のランド部に安定して半田付けすることができる。また、接続片２５ｅ，２５ｅの面積を広くすることで、コイル体２０に通電したときに磁性コア１０に発生する熱を、接続片２５，２５ｅから配線基板側に逃がしやすくなり、磁性コア１０の温度の上昇を抑制できる。

さらに、凹部１５，１５の面積を広くし、凹部１５，１５の中心線Ｏに向く縁部１５ａ，１５ａを、コイル体２０の内周端２０ｂよりも内側に延ばすことで、コイル体２０の内周端２０ｂよりも内側の領域βにおいて磁性粉末の密度を高くすることができる。その結果、コイル体２０の中空部を通過する磁束密度を高くすることができ、インダクタンスを高い値に保ちやすくなる。

図４（ａ）（ｂ）に示した寸法を備えるインダクタンス素子に対して以下のシミュレーション実験を行った。なお図４に示す数値の単位はｍｍである。またコイル体については、０．７６×２ｍｍのコイル線を使用し、コイル被覆を０．０２ｍｍとし、コイル内径を４．５ｍｍとし、ターン数を２．５ターンとした。

シミュレーション実験では、まず基準値として、図４に示すインダクタンス素子の磁性コア全体に６ｔｏｎの成形圧力を加えたときの磁性粉末の密度、及びインダクタンスを夫々求めた。

続いて図４（ａ）（ｂ）で示した、コイル体の底部と凹部とで挟まれた領域α（ここでの領域αの定義は、図３で説明した領域αと同じである）に加わる成形圧力を７ｔｏｎ〜１５ｔｏｎまで上昇させ、一方、領域α以外の部分での成形圧力は６ｔｏｎのままとして、領域αでの磁性粉末の密度、及びインダクタンス素子のインダクタンスＬを夫々シミュレーションした。
その実験結果が以下の表１に示されている。

表１に示す領域αにおける磁性粉末の密度について説明する。まず磁性コア全体に６ｔｏｎの成形圧力を加えたとき、基準値となる磁性粉末の密度は４．９６２（ｇ／ｃｍ³）であった。この基準値は、領域αも含め磁性コア全体における密度を示している。

続いて、領域αへの成形圧力を７ｔｏｎ以上に上げていくと、領域αにおける磁性粉末の密度は徐々に上昇していく。ただし、凹部が形成されていない磁性コア底面では、成形圧力が６ｔｏｎのままであるから、凹部が形成されていない磁性コア底面での磁性粉末の密度は４．９６２（ｇ／ｃｍ³）のままである。

すなわち凹部が形成されていない磁性コア底面での成形圧力は６ｔｏｎのままで、領域αへの成形圧力を７ｔｏｎ以上とすると、領域αにおける磁性粉末の密度が、凹部が形成されていない磁性コア底面での磁性粉末の密度よりも高くなることがわかった。

また、図５は表１に示す、領域αへの成形圧力とインダクタンス素子のインダクタンス変化率との関係を示すグラフである。インダクタンス変化率とは、磁性コア全体に６ｔｏｎの成形圧力を加えたときのインダクタンス（＝０．３６０μＨ）を基準値としたときのインダクタンスの変化率であり、[インダクタンス（７ｔｏｎ時〜１５ｔｏｎ時）／インダクタンスの基準値（６ｔｏｎ時）]×１００（％）で示される。

表１及び図５に示すように、領域αへの成形圧力を上げてくと、徐々にインダクタンス素子のインダクタンスＬ及びインダクタンス変化率が上昇することがわかった。

このように、領域αの磁性粉末の密度が凹部が形成されていない磁性コア底面での密度よりも高くなることでインダクタンス及びその変化率が大きくなることがわかった。

ところで、領域αに加わる成形圧力であるが、図４で示した寸法関係であると、凹部が形成されていない磁性コアの底面に６ｔｏｎの成形圧力が作用した場合、領域αには概ね８ｔｏｎの成形圧力が加わると予測される。表１や図５に示すように、領域αにさらに強い成形圧力が作用するようにすればインダクタンスの更なる向上を図ることができる。例えば凹部の凹み寸法をさらに大きくすると領域αへの成形圧力がさらに高くなると考えられるが、凹み寸法をあまり大きくしすぎると、コイル体に作用する成形圧力が領域αと対向する位置で高まりコイル体の変形を招いたり、絶縁不良等を起こすことが考えられるため、凹部寸法については必要とされるインダクタンス値と、構造や特性を維持するうえでの成形圧の許容範囲とのバランスを考慮しながら適宜、決定することが必要である。

１ インダクタンス素子
１０ 磁性コア
１１ 底面
１２ 上面
１３ 側面
１５ 凹部
１５ａ 縁部
２０ コイル体
２０ａ 外周端
２０ｂ 内周端
２１ 導電材
２５ 端子板
２５ｅ 接続片
２５ｆ 表面

Claims (2)

1. 導電性金属材で巻かれたコイル体と、前記コイル体から延びる一対の端子板と、前記コイル体が内部に埋め込まれた磁性コアとを有するインダクタンス素子において、
   前記磁性コアは磁性粉末の集合体で、前記磁性コアの底面に一対の凹部が形成され、前記凹部と前記コイル体との間の磁性粉末の密度が、前記凹部が形成されていない前記磁性コアの底面での前記密度よりも高く設定されており、
   前記端子板は、前記磁性コアの側面からほぼ垂直に突出する突出基部と、前記突出基部からほぼ直角に折り曲げられて前記底面に向けて延びる垂直片と、前記垂直片からほぼ直角に折り曲げられて前記底面とほぼ平行に延びる接続片とを有し、前記接続片が、その表面を前記底面とほぼ平行に向けて前記凹部内に納められており、
   前記磁性コアの前記側面と前記垂直片との間には、前記突出基部の前記側面からの突出部から前記底面に至るまで隙間が形成されており、
   前記突出基部が突出している前記側面での前記磁性粉末の密度は、前記凹部と前記コイル体との間より低く、
   前記凹部は、前記磁性コアの前記側面から中心に向けて形成されて、前記凹部の中心に向けられた縁部が、前記コイル体の内周端よりも中心側に位置しており、前記コイル体の内周端よりも内側で且つ前記凹部が形成されている部分の磁性粉末の密度が、前記凹部が形成されていない前記磁性コアの底面での前記密度よりも高く設定されていることを特徴とするインダクタンス素子。
2. 導電性金属材で巻かれたコイル体と、前記コイル体から延びる一対の端子板と、前記コイル体が内部に埋め込まれた磁性コアとを有するインダクタンス素子において、
   前記磁性コアは磁性粉末の集合体で、前記磁性コアの底面に一対の凹部が形成され、前記凹部と前記コイル体との間の磁性粉末の密度が、前記凹部が形成されていない前記磁性コアの底面での前記密度よりも高く設定されており、
   前記端子板は、前記磁性コアの側面からほぼ垂直に突出する突出基部と、前記突出基部からほぼ直角に折り曲げられて前記底面に向けて延びる垂直片と、前記垂直片からほぼ直角に折り曲げられて前記底面とほぼ平行に延びる接続片とを有し、前記接続片が、その表面を前記底面とほぼ平行に向けて前記凹部内に納められており、
   前記磁性コアの前記側面と前記垂直片との間には、前記突出基部の前記側面からの突出部から前記底面に至るまで隙間が形成されており、
   前記凹部は、前記磁性コアの前記側面から中心に向けて形成されて、前記凹部の中心に向けられた縁部が、前記コイル体の内周端よりも中心側に位置しており、前記コイル体の内周端よりも内側で且つ前記凹部が形成されている部分の磁性粉末の密度が、前記凹部が形成されていない前記磁性コアの底面での前記密度よりも高く設定されていることを特徴とするインダクタンス素子。

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