JP6380743B2 - コイル部品 - Google Patents

Description

本発明は、コアにギャップが形成されており、チョークコイル等として好適に用いられるコイル部品に関する。

スイッチング電源出力の平滑化や、力率改善のために、コアにギャップが形成されているタイプのチョークコイルが用いられている。このようなチョークコイルでは、コアのギャップの近傍に形成される漏れ磁束により、コイル本体が発熱する問題がある。

チョークコイルにおける発熱を抑制する技術としては、例えば単線ではなく撚り線（リッツ線）を用いてコイル本体を構成するものや、ギャップ近傍に空セクションを設けるものが提案されている。

特開平５−９００４７号公報

しかし、撚り線を用いただけの従来のチョークコイルでは、撚り線を構成する素線の径が大きい場合は十分な発熱抑制効果が得られず、また、撚り線を構成する素線の径が小さい場合は、電線の断面積を確保して直流抵抗を抑えるために撚り線の全体径が大きくなるため、小型化について課題を有している。さらに、空セクションを設ける従来のチョークコイルも、狭い範囲で巻き数を多くすることが難しく、小型化について課題を有している。

本発明は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、漏れ磁束の影響によるコイル本体の発熱を防止でき、かつ、小型化に対して有利なコイル部品を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明に係るコイル部品は、
ギャップを介して接合される軸部を有するコアと、
前記軸部を通す貫通孔が形成された中空筒部を有するボビンと、
前記中空筒部に巻回されたコイル本体と、を有し、
前記コイル本体は、
第１素線を複数束ねて構成される第１部分と、
前記第１部分と電気的に接続され、前記第１部分に対して外側に巻かれており、第２素線を複数束ねて構成される第２部分とを有し、
前記第１素線は、前記第２素線より細いことを特徴とする。

本発明に係るコイル部品におけるコイル本体は、内側の第１部分が細い第１素線により構成されており、外側の第２部分が相対的に太い第２素線により構成されている。従来のコイル部品では、コイル本体のうち、特にギャップに近い部分（第１部分）で、ギャップにより生じる漏れ磁束の影響により、表皮効果による損失及び発熱が大きくなる傾向があった。しかし、本発明に係るコイル部品では、ギャップに近いコイル本体の内側部分（第１部分）を細い第１素線で構成することにより、表皮効果による損失及び発熱を防止することができ、かつ、ギャップから離れたコイル本体の外側部分（第２部分）を太い第２素線で構成することにより、電線全体の径を縮小して、コイル部品１０を小型化することが可能である。

また、例えば、前記第１部分を構成する前記第１素線の本数は、前記第２部分を構成する前記第２素線の本数より多くてもよい。

第１部分を構成する前記第１素線は相対的に細いため、同じ本数では電線の断面積が小さくなってしまって直流抵抗が増加する懸念があるが、第１素線の本数を第２素線の本数より多くすることにより、直流抵抗の増加を防止できる。

また、例えば、前記第１部分の線径は、前記第２部分の線径より太くてもよく、
前記第１部分を構成する前記第１素線の本数と前記第１素線の断面積との積である第１断面積は、前記第２部分を構成する前記第２素線の本数と前記第２素線の断面積との積である第２断面積より小さくてもよい。

第１素線を細くすれば細くするほど、発熱を防止する効果は大きくなるが、同じ第１断面積を確保するために要する第１部分の線径が太くなり、小型化には不利となる。したがって、第１部分の線径を第２部分の線径より太くし、かつ、第１断面積を第２断面積より小さくすることにより、発熱防止の要請と、小型化の要請とを両立させることができる。

また、例えば、前記第１素線の断面積をＡとし、前記第２素線の断面積をＢとすると、Ａ／Ｂは、０．０５〜０．７であってもよい。

Ａ／Ｂを０．０５以上とすることにより、第１部分の線径や、直流抵抗が大きくなりすぎることを防止し、Ａ／Ｂを０．７以下とすることにより、ギャップ近傍に配置される第１部分の発熱防止効果を高めることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るコイル部品の全体斜視図である。 図２は、図１に示すコイル部品の底面図である。 図３は、図１に示すコイル部品に含まれるコア及びボビンを示す分解斜視図である。 図４は、図１に示すコイル部品におけるコイル本体の配置を示す断面図である。 図５は、図１に示すコイル部品の回路図である。 図６は、図４及び図５に示すコイル本体の第１部分及び第２部分の模式断面図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るコイル部品１０の斜視図である。コイル部品１０は、コア２０、ボビン３０、コイル本体４０、絶縁テープ５０等を有している。コイル部品１０は、コア２０の中央軸部２２の軸方向が、コイル部品１０の実装面に対して平行である横型のコイル部品であるが、本発明に係るコイル部品は、横型に限定されず、中央軸部の軸方向が実装面の法線方向に対して平行である縦型のコイル部品であってもよい。
なお、実施形態に係るコイル部品１０の説明に関しては、図１に示すように、コア２０の中央軸部２２の軸方向をＺ軸方向、実装面の法線方向をＹ軸方向、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に垂直な方向をＸ軸方向とする。

図３は、コイル部品１０の分解斜視図である。なお、図３では、コイル本体４０及び絶縁テープ５０は図示していない。ボビン３０は、コア２０の中央軸部２２を通す貫通孔３２ａが形成された中空筒部３２を有する。また、中空筒部３２の両端部には、中空筒部３２から径方向に突出する第１鍔部３４ａ及び第２鍔部３４ｂが設けられている。

第１鍔部３４ａには第１端子台部３６ａが接続されており、第１端子台部３６ａには、端子部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄが設けられている。第２鍔部３４ｂには、第２端子台部３６ｂが接続されており、底面図である図２に示すように、第２端子台部３６ｂには、端子部３８ｅ、３８ｆ、３８ｇ、３８ｈが設けられている。図１及び図３に示すように、第１端子台部３６ａ、第２端子台部３６ｂ及び端子部３８ａ〜３８ｈは、コイル部品１０のＹ軸負方向側端部に接続されており、コイル部品１０は、端子部３８ａ〜３８ｈを介して実装基板に設置される。

ボビン３０の材質としては特に限定されないが、樹脂等の絶縁材料によって形成され、例えばフェノール樹脂等を用いることが、はんだ処理時等における耐熱性等の観点から好ましい。

図３に示すように、コア２０は、分離した状態で成形された２つのコア部分２０ａ、２０ｂを有しており、２つのコア部分２０ａ、２０ｂが、Ｚ軸方向中央部で接合されることにより、コア２０が構成される。コイル部品１０の断面図である図４に示すように、コア２０は、中央軸部２２と、側脚部２４、２５と、接続部２６、２７を有している。

中央軸部２２は、コイル部品１０におけるＸ軸方向中央部に配置されており、ボビン３０における中空筒部３２に形成された貫通孔３２ａを通過し、Ｚ軸方向に延びている。中央軸部２２のＺ軸方向中央部分には、コア部分２０ａとコア部分２０ｂとの接合部分に相当する位置に、中央ギャップ２８が形成されている。中央ギャップ２８は、分離した状態で成形した２つのコア部分２０ａ、２０ｂを接触させることにより形成されているが、ギャップ材等を挟むことにより形成されても良い。なお、コア部分２０ａとコア部分２０ｂとの接合部分には、実施形態に示すように、両方の間に何も挟まないで接触させた状態であっても、通常、磁気回路としてのギャップが形成される。ただし、両方の接合面を鏡面研磨した後に、鏡面研磨した面同士を接合すると、接合部分にギャップが形成されない場合もある。

コア２０の側脚部２４、２５は、中央軸部２２を挟んでＸ軸方向の両側に配置されている。側脚部２４、２５は、中央軸部２２と略並行になるように、Ｚ軸方向に延びている。側脚部２４、２５のＺ軸方向中央部分には、側部ギャップ２９ａ、２９ｂが形成されている。

コア２０の接続部２６、２７は、ボビン３０の中空筒部３２を挟んでＺ軸方向の両側に配置されており、中央軸部２２及び側脚部２４、２５の端部を接続している。コア２０には、中央軸部２２、接続部２６、２７及び側脚部２４を通るループと、中央軸部２２、接続部２６、２７及び側脚部２５を通るループの２つのループを有する磁気回路が形成される。

コア２０の材質は、特に限定されないが、フェライト、パーマロイなどの軟磁性材、金属圧粉成形の磁性材などで構成される。

図１に示すように、２つのコア部分２０ａ、２０ｂは、外周に絶縁テープ５０を巻き付けることにより接合されている。絶縁テープ５０としては、絶縁性の樹脂を基材とした粘着テープ等を用いることができるが、材質は特に限定されない。なお、２つのコア部分２０ａ、２０ｂは、接着剤を用いて互いに接合されていてもよい。

図４に示すように、コイル本体４０は、ボビン３０の中空筒部３２に巻回されている。コイル本体４０は、第１部分４２と、第２部分４４と、第３部分４８とを有している。

コイル本体４０の第１部分４２は、中空筒部３２の外周表面に直接巻かれており、第２部分４４より内側であって、中央軸部２２に近い位置に配置されている。本実施形態では、第１部分４２は、コイル本体４０における最も内側の部分と、その外側の部分とを含む２重構造となっているが、１重構造であっても、３重構造以上であっても良い。第１部分４２の一方の端部は、図２に示す端子部３８ｆに接続されており、他方の端部は、端子部３８ｇに接続されている。

図４に示すように、コイル本体４０の第２部分４４は、第１部分４２の外側に巻かれており、第１部分４２より中央軸部２２から遠い位置に配置されている。第２部分４４は、第１部分４２と同様に２重構造であり、第１部分４２と同じ巻き数（１０Ｔ）であるが、第１部分４２と第２部分４４の巻き数は、異なっていても良い。第２部分４４の一方の端部は、図２に示す端子部３８ｂに接続されており、他方の端部は、端子部３８ｃに接続されている。

図５は、コイル部品１０の回路図である。第１部分４２と第２部分４４とは、電気的に接続されており、第１部分４２と第２部分４４は、１つのチョークコイルを構成している。第１部分４２と第２部分４４とを電気的に接続する方法は特に限定されず、例えば図２に示す端子部３８ｃと端子部３８ｆとを電線で接続してもよく、実装基板を介して、第１部分４２と第２部分４４とが電気的に接続されていても良い。なお、コイル部品１０の説明では、電気的に接続されている状態とは、直流電流が流れる（絶縁されていない）状態を意味する。

図６は、第１部分４２と第２部分４４の断面構造を表す模式図である。第１部分４２は、第１素線４２ａを複数束ねて構成されており、第２部分４４は、第２素線４４ａを複数束ねて構成されている。それぞれの第１素線４２ａ、第２素線４４ａの周りには、絶縁被膜４２ｂ、４４ｂが形成されており、各素線４２ａ、４４ａは互いに絶縁されている。第１素線４２ａは、第２素線４４ａより細く、第１素線４２ａの径をＤ１２、第２素線４４ａの径をＤ２２とすると、Ｄ１２とＤ２２の間には、数式（１）で表される関係が成り立つ。
Ｄ１２ ＜ Ｄ２２ ・・・数式（１）

コイル部品１０において、図４に示す中央ギャップ２８の近傍には漏れ磁束が生じるため、第１部分４２と第２部分４４とが同じ電線で構成されている場合は、ギャップに近い第１部分４２で、表皮効果による損失及び発熱が大きくなる傾向がある。そこで、中央ギャップ２８の近くに配置される第１部分４２を、径の細い第１素線４２ａで構成することにより、第１部分４２における表皮効果による損失及び発熱を、効果的に防止することができる。また、第２部分４４は、中央ギャップ２８から遠いため、第１部分４２と第２部分４４とが同じ電線で構成されている場合であっても、第１部分４２より表皮効果による損失及び発熱が少ない傾向にある。したがって、第２部分４４を、第１素線４２ａより太い第２素線４４ａで構成することにより、第２部分４４の線径Ｄ２１を小さくし、コイル本体４０を配置するために必要となるスペースを抑制することができる。

また、第１部分４２を構成する第１素線４２ａの本数をＮ１とし、第２部分４４を構成する第２素線４４ａの本数をＮ２とした場合、下記の数式（２）に示すように、第１素線４２ａの本数Ｎ１は、第２素線４４ａの本数Ｎ２より多いことが好ましい。
Ｎ１ ＞ Ｎ２ ・・・数式（２）

第１素線４２ａは、第２素線４４ａより細いため、第１部分４２と第２部分４４とで素線の数が同じである場合、第１部分４２の直流抵抗が大きくなる。しかし、第１素線４２ａの本数Ｎ１を、第２素線４４ａの本数Ｎ２より多くすることにより、第１部分４２で直流抵抗が大きくなりすぎることを防止できる。

また、図６に示すように、第１部分４２の線径をＤ１１とし、第２部分４４の線径をＤ２１とし、第１素線４２ａの本数Ｎ１と第１素線４２ａの断面積Ａとの積を第１断面積Ｓ１とし、第２素線４４ａの本数Ｎ２と第２素線４４ａの断面積Ｂとの積を第２断面積Ｓ２とした場合、下記の数式（３）及び数式（４）を満足することが好ましい。
Ｄ１１ ＞ Ｄ２１ ・・・数式（３）
Ｓ１ ＜ Ｓ２ ・・・数式（４）

なお、第１断面積Ｓ１及び第２断面積Ｓ２は、下記の数式（５）及び数式（６）で表される。なお、数式（５）及び数式（６）における「π」は円周率を表す。
Ｓ１＝Ｎ１×Ａ＝Ｎ１×π×（Ｄ１２／２）^２・・・数式（５）
Ｓ２＝Ｎ２×Ｂ＝Ｎ２×π×（Ｄ２２／２）^２・・・数式（６）

第１素線４２ａを細くすれば細くするほど、漏れ磁束の影響による発熱を防止する効果は大きくなるが、同じ第１断面積Ｓ１を確保するために必要となる第１部分４２の線径Ｄ１１が太くなり、小型化には不利となる。したがって、第１部分４２の線径Ｄ１１を第２部分４４の線径Ｄ２１より太くし、かつ、第１断面積Ｓ１を第２断面積Ｓ２より小さくすることにより、発熱防止の要請と、小型化の要請とをバランスさせることができる。

さらに、第１素線４２ａの断面積Ａと第２素線４４ａの断面積Ｂの比であるＡ／Ｂは、０．０５〜０．７であることが好ましい。Ａ／Ｂを０．０５以上とすることにより、第１部分４２の線径Ｄ１１や直流抵抗が大きくなりすぎることを防止し、Ａ／Ｂを０．７以下とすることにより、ギャップ近傍に配置される第１部分４２での発熱防止効果を高めることができる。

図４に示すように、コイル本体４０の第３部分４８は、第２部分４４の外側に巻かれている。図５の回路図に示すように、第３部分４８は、第１部分４２及び第２部分４４に対して絶縁されている。第３部分４８は、主にコントロールICを制御するための電圧を発生させる巻き線である。第３部分４８として採用される電線は、特に限定されないが、第３部分４８は、第１部分４２及び第２部分４４とは異なり、巻き数が少なく（３Ｔ）、流れる電流の値も小さいため、第１部分４２及び第２部分４４より細い電線を用いることができる。なお、図４では図示していないが、コイル本体４０の最外側表面には、絶縁テープが巻かれている。

コイル本体４０の第１部分４２、第２部分４４として採用される電線の材質は特に限定されないが、例えば、図６に示す第１素線４２ａ、第２素線４４ａは銅、アルミニウムなどの導体材料も用いて構成され、絶縁被膜４２ｂ、４４ｂは、ポリウレタン、ポリエステル等の絶縁材料を用いて構成することができる。また、第１部分４２及び第２部分４４の最表面には、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル等の絶縁材料による被覆が形成されている。

上述したように、本実施形態に係るコイル部品１０は、中央ギャップ２８の近くに配置される第１部分４２を径の細い第１素線４２ａで構成することでコイル部品１０の発熱を防止すると同時に、中央ギャップ２８から遠くに配置される第２部分４４を太い第２素線４４ａで構成することにより、コイル本体４０を配置するために必要となるスペースを抑制することができる。

また、本実施形態に係るコイル部品１０は、コイル本体の内側部分と外側部分とを同じ電線で構成した従来のコイル部品に比べて、優れた放熱効果を奏する。放熱効果は、駆動周波数に依存しており、駆動周波数が高いほど放熱効果も高まる傾向を有する。例えば、第１素線４２ａの径を０．０４ｍｍ、第２素線４４ａの径を０．１ｍｍとした実施例に係るコイル部品１０は、周波数１００ｋHz程度で動作させた場合、０．１ｍｍの素線を用いた電線のみでコイル本体の内側部分と外側部分（第１部分と第２部分）を構成した参考例に係るコイル部品に比べて、約５℃の放熱効果が得られた。

その他の実施形態
本発明に係るコイル部品は、上述の実施形態に限定されず、技術思想を逸脱しない範囲で、様々な変更を加えることができる。例えば、コア２０は、略対称な２つのコア部分２０ａ、２０ｂを接合したものに限定されず、一方のコア部分が平板状であってもよく、中央ギャップ２８の位置はＺ軸方向の任意の位置とすることができる。

また、コイル本体４０に含まれる各部分の巻き数等は適宜変更可能であり、また、第３部分４８は無くてもよい。また、コイル本体４０の第１部分４２と第２部分４４とは、ノーマルモードのチョークコイルを構成していてもよく、コモンモードのチョークコイルを構成していてもよい。さらに、本発明に係るコイル部品は、チョークコイルを構成する第１部分４２と第２部分４４の他に、コア２０に巻かれており第１部分４２及び第２部分４４と絶縁された他の電線を有していてもよく、コイル部品全体でトランスを構成していてもよい。

１０…コイル部品
２０…コア
２２…軸部
２８…中央ギャップ
３０…ボビン
３２…中空筒部
３２ａ…貫通孔
３８ａ〜３８ｈ…端子部
４０…コイル本体
４２…第１部分
４２ａ…第１素線
４４…第２部分
４４ａ…第２素線
４８…第３部分

Claims (6)

1. ギャップを介して接合される軸部を有するコアと、
   前記軸部を通す貫通孔が形成された中空筒部を有するボビンと、
   前記中空筒部に巻回されたコイル本体と、を有し、
   前記コイル本体は、
   第１素線を複数束ねて構成される第１部分と、
   前記第１部分と電気的に接続され、前記第１部分に対して外側に巻かれており、第２素線を複数束ねて構成される第２部分とを有し、
   前記第１素線は、前記第２素線より細く、
   前記第１部分を構成する前記第１素線の本数は、前記第２部分を構成する前記第２素線の本数より多いことを特徴とするコイル部品。
2. 前記第１部分の線径は、前記第２部分の線径より太く、
   前記第１部分を構成する前記第１素線の本数と前記第１素線の断面積との積である第１断面積は、前記第２部分を構成する前記第２素線の本数と前記第２素線の断面積との積である第２断面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載のコイル部品。
3. 前記第１素線の断面積をＡとし、前記第２素線の断面積をＢとすると、Ａ／Ｂは、０．０５〜０．７であることを特徴とする請求項１または２に記載のコイル部品。
4. ギャップを介して接合される軸部を有するコアと、
   前記軸部を通す貫通孔が形成された中空筒部を有するボビンと、
   前記中空筒部に巻回されたコイル本体と、を有し、
   前記コイル本体は、
   第１素線を複数束ねて構成される第１部分と、
   前記第１部分と電気的に接続され、前記第１部分に対して外側に巻かれており、第２素線を複数束ねて構成される第２部分とを有し、
   前記第１素線は、前記第２素線より細く、
   前記第１部分の線径は、前記第２部分の線径より太く、
   前記第１部分を構成する前記第１素線の本数と前記第１素線の断面積との積である第１断面積は、前記第２部分を構成する前記第２素線の本数と前記第２素線の断面積との積である第２断面積より小さいことを特徴とするコイル部品。
5. 前記第１素線の断面積をＡとし、前記第２素線の断面積をＢとすると、Ａ／Ｂは、０．０５〜０．７であることを特徴とする請求項４に記載のコイル部品。
6. ギャップを介して接合される軸部を有するコアと、
   前記軸部を通す貫通孔が形成された中空筒部を有するボビンと、
   前記中空筒部に巻回されたコイル本体と、を有し、
   前記コイル本体は、
   第１素線を複数束ねて構成される第１部分と、
   前記第１部分と電気的に接続され、前記第１部分に対して外側に巻かれており、第２素線を複数束ねて構成される第２部分とを有し、
   前記第１素線は、前記第２素線より細く、
   前記第１素線の断面積をＡとし、前記第２素線の断面積をＢとすると、Ａ／Ｂは、０．０５〜０．７であることを特徴とするコイル部品。

Images