JP6892664B2 - 筒状コアの製作法 - Google Patents

Description

本発明は、インダクタ素子などに用いられる高電流値対応円筒、矩形或は方形筒状コア、及び、その製作法に関する。

従来から電子回路機器の分野では、各種の回路や用途に応じてインダクタ素子が使われている。インダクタ素子は、例えばコンデンサと組み合わせることによって、共振回路、フィルタ回路、又はインピーダンス整合回路などに使用されている。一般にインダクタ素子が用いられる電子回路においては、低損失で所望のインダクタンス値が容易に得られることが要求されている。更にまた、インダクタ素子では、使用されるコアの磁性材が磁気飽和しない範囲で用いられていることが常識となっており、通常はコアの耐磁気飽和特性については殆ど留意されずに使われている。換言すれば、当然のこととして、使用対象電子回路ではコア磁性材が非磁気飽和領域内で作動するものと決めつけて使われ、実際にも非飽和領域内での電流値で使われている場合が殆どである。

インダクタ素子に用いられるフェライトなどの高透磁率磁性材からなるリングコアでは、コアに導線を巻回した形のものが良く知られている。しかしながら、該リングコアにおいては、その高透磁率性ゆえに容易に高インダクタンス値が得られるものの、巻き線のターン数を増やすと小電流値でも磁気飽和に達してしまうという欠点があった。そのため、数アンペア以上の高電流値で所望のインダクタンスを得るためには、リングコアを大型化する必要があった。特に焼結製作されるフェライト材コアでは、製造用金型及び焼結炉の大型化が必要となるため、その製作コストが大幅に上昇し、コスト面で不可能ではないものの産業上の実現が困難と言う難点があった。

特許第５８８８８７１号公報「可変インダクタ」 特許第５８７２４５８号公報「ノイズ減衰器」

一方、コア材の大型化を伴わずに耐磁気飽和性を得るための技術として、リングコアの一部にエアギャプを加工形成した、いわゆるエアギャップコア技術は良く知られている。しかし、このエアギャプコア技術でも、コアのサイズ及びギャップ長並びにコアの磁性材における本来の透磁率によって、漏洩磁束量及び磁束の巻き線に対する鎖交数が変化する。そのため、製作段階での耐高電流値性と所望のインダクタンス値とを得るための設計手段は皆無であった。更に、該コアにおけるエアギャップの存在はコアの実効的透磁率（以下、実効透磁率）を大幅に低下させてしまうため、磁性材の非磁気飽和領域内で高インダクタンス値を得るのが困難であった。

なお、インダクタンス値を広範囲にわたって可変設定することを可能とした可変インダクタが、本発明者によって上記特許文献１、２に開示されている。しかし、これらの特許文献では、コア磁性材の非磁気飽和領域内でのコア巻き線の電流値に対応する巻線数については全く言及されていない。

よって、本発明の目的は、所望の高電流値でもコア材の非磁気飽和領域内で作動可能、かつ所望のインダクタンス値が得られる磁性材コアを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る円筒状、矩形或は方形筒状コアは、リング形状、矩形或は方形環状コアの一部にエアギャップ加工が施されたコアを複数個積層した、筒形状となっている。前記複数個の各環状コアで、リング形状のコア使用の場合では、内径中心軸を同一にして各リングコアの端面同士が突き合わされた状態に配置され、かつ、前記各個リングコアのギャップ位置が夫々異なった位置に回転調整された後、互いに接着固定された状態となっている。本明細書における「リング」の形状には、円状に限らず、閉磁路を形成する環状、正三角形状、正四角形状、及び、それ以上の正多角形状も含むものとする。

前記各環状コアのギャップ位置の調整法は、接着固定前の円筒状、矩形或は方形筒状コアに巻き線数Ｎ_０の絶縁被覆導線を巻き、該巻き線の形態は間隔のない所謂密巻の形態としてインピーダンス計測器に接続され、インダクタンス計測に供される。

前記インダクタンス値計測時においては、前記個々の環状コアのギャップ位置を回転変化させ、そのエアギャップ位置におけるインダクタンス値の計測を行う。次に、周知の環状磁性材コアに対する前記インダクタンス値算出式から該筒状コア材の実効透磁率μeを算出する。

前記実効透磁率μeの算出には、平均磁路長ｌ、断面積Ｓの磁性材環状コアに導線をＮターン巻回したときのインダクタンス値Ｌを示した周知の式（１）を用い、コア材本来の透磁率μに代えて、計測により得たインダクタンス値Ｌから算出した透磁率を実効透磁率μeと表示している。なお、「ｌ」はＬの小文字である。
Ｌ＝μＳＮ^２／ｌ・・・（１）

さらに、コア材のＢ−Ｈ特性はコア磁性材メーカーから与えられるから、Ｂ−Ｈ特性における、非磁気飽和領域の最大値Ｂmaxは容易に把握でき、また前記算出実効透磁率μeの値を用いて、該筒状コアに対する任意の巻き線数Ｎと該巻き線Ｎでの通電電流値Ｉとの積（Ｉ・Ｎ）の値につき、該筒状コア使用時のインダクタにおける非磁気飽和領域内作動に対する最大の（Ｉ・Ｎ）値を得ることができる。つまり、既知である該筒状コアの平均磁路長ｌ及び断面積の値を用いて、該円筒状コアにおける巻き線数Ｎ及び該巻き線への通電電流Ｉによるコア内起磁力Ｈは、Ｈ＝Ｉ・Ｎ／ｌの関係式で与えられるから、電気磁気学理論で周知のＢ＝μＨの関係式でＢmax＝μe・Ｈとおくことにより、（Ｉ・Ｎ）maxを規定することができるという手段を用いている。

本発明に係る筒状コアによれば、フェライト等の高透磁率磁性材環状コアによるインダクタ素子の製作に際し、高通電電流値かつ所望のインダクタンス値を得たい場合における特別な大型リングコア採用の必要性を解消できるという産業上の大きな利点が生じる。また、本来の磁性材環状コアでは必然的に固定値であった透磁率を変化調整可能とせしめるという効果が実現でき、この効果によってインダクタの非磁気飽和領域内作動の指標となる（Ｉ・Ｎ）max値を得ることが可能となる。

図１［Ａ］は本発明による実施形態の一例を示す円筒状コアの場合の斜視図、また、図１［Ｂ］は図１［Ａ］におけるＩｂ−Ｉｂ線断面図である。 実施形態の円筒状コアの製作法において、エアギャップの位置を調整する工程を示す正面図である。 本発明を角筒形状を呈するコアに適用した場合の外形図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について円筒状コアを一実施例として説明する。

図１［Ａ］は、本実施形態における円筒状コアで、円筒形状を構成する各エアギャップ付きリングコアのギャップ位置を回転操作調整前の姿を示す外形図、図１［Ｂ］は図１［Ａ］におけるＩｂ−Ｉｂ線断面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。

本実施形態による円筒状コア１０は、リング状磁性体コアの一部にエアギャップ３１が施された同一サイズの複数個のリングコア２１，２２，…，２ｎを積層して形成されている。これら複数個のリングコア２１，２２，…，２ｎは、その中心軸３２を同一にして端面３３同士を突き合わせた状態に配置され、かつ、エアギャップ３１の位置がリングコアの周方向３４に回転変化可能な状態となっている。

そして、該円筒状コア１０に、数ターンの絶縁外皮導線４３が巻き線間隔のない所謂密巻状態で巻回され、該巻き線のインダクタンスを計測すべく、インピーダンス計測器に接続される。該状態において前記エアギャップの位置を回転操作により変化させながら、前記密巻巻き線のインダクタンス値を計測する。回転操作による各リングコアのギャップ位置で計測されたインダクタンス値から、様々なギャップ位置での該円筒状コアの実効透磁率μeを算出する。

リングコアに使われている磁性材のＢ−Ｈ特性は一般に既知であるから、Ｂ−Ｈ特性データから、非磁気飽和領域についての最大磁束密度の値Ｂmaxが設定できる。そして、前記様々なギャップ位置での該円筒状コアの実効透磁率μeの値に対する、該円筒状コアの非磁気飽和領域内で作動可能なインダクタの巻き線数Ｎと通電電流値Ｉとの積（Ｉ・Ｎ）の最大値、（Ｉ・Ｎ）maxが定まる。

様々なギャップ位置における該円筒状コアの実効透磁率μeに対する（Ｉ・Ｎ）maxの値が得られる。この段階で、様々なギャップ位置でのリングコア２１，２２、…．２ｎを接着固定し、該円筒状コアにおける様々な（Ｉ・Ｎ）maxの値が明示されることとなる。

なお、図面について付言すると、円周方向３４は図２［Ａ］に示されており、インダクタ用導線４３は図１［Ｂ］に仮想線で示されている。エアギャップ３１及び端面３３については、多数あるうちの一つのみに符号を付けてある。

リングコア２１，２２，…，２ｎの個数すなわちｎは、３以上であれば何個でもよく、矩形、方形コアについても同様である。リングコア２１，２２，…，２ｎ及び他の矩形、方形状の磁性材料は、例えばフェライト、アモーファス合金又は積層珪素鋼などの高透磁率磁性材料である。

リングコア２１，２２，…，２ｎ及び矩形、方形コアのサイズは、全て同一であることが必要不可欠である。何故なら、インダクタンス値の計測に供する前記数ターンの導線巻き線が円筒状形状コア表面に近接した状態でまかれることが、バラツキの無い計測値を得るに必要だからである。

また、前記円筒状コアを形成するエアギャップ付きリングコアの中に、エアギャップの無い同一サイズリングコアを入れてもよい。リングコア２１，２２，…，２ｎは、エアギャップ３１の位置の変化を回転調整後に、接着剤などで互いに固定されて、円筒状を形成し、複数のリングコア全体２０となっている。この場合、エアギャップ３１には樹脂や非磁性金属などでコアの機械的強度補正加工がなされている必要がある。

円筒状コア１０によれば、インダクタ用巻き線導線４３の通電電流値Ｉと巻線数Ｎとの積（Ｉ・Ｎ）について、使用コア磁性材の非磁気飽和領域内で一定インダクタンス値を保つインダクタとして作動可能な（Ｉ・Ｎ）maxの値が明示され、所望の高電流値対応かつ所望のインダクタンス値が実現可能となる。

つまり、エアギャップ３１の位置をリングコア２１，２２，…，２ｎを円周方向３４に示したように回転変化させることにより、該円筒状コアの実効透磁率μeの値を変化させ、コアに使われている磁性材のＢ−Ｈ特性から非磁気飽和磁束密度の最大値Ｂmaxが定まり、該円筒状コアの実効透磁率μeにおける（Ｉ・Ｎ）の最大値を明示することが可能となる。

図２［Ａ］は、本実施形態における円筒状コアの製作法において、エアギャップの位置を回転変化調整する工程を示す正面図である。以下、この図面に基づき、円筒状コア１０の製作法（以下「本実施形態の製作法」という。）について説明する。

本実施形態の円筒状コアの製作法は以下の工程によって行われる。
複数のエアギャップのあるリングコアで形成された円筒状コア１０に円筒の内径、外径を通した数ターンＮ_０の導線巻き線を施し、各個リングコアのエアギャップ位置を回転変化させながら、インピーダンス測定器により該導線巻き線のインダクタンス値を計測し、下記（１）式により実効透磁率μeを得る工程。

この時、使用円筒状コアの磁路長ｌ及び断面積Ｓ（使用されているリングコアがｎ個ならば、単一コア断面積のｎ倍）であることは既知となっていなければならない。また、インピーダンス計測に供する巻き線数Ｎ_０の巻き線は、各個リングコアのサイズにもよるが、インピーダンス測定器での計測値のバラツキが少ない巻き線数のＬ_０値を検討の上、設定する必要がある。

前記インダクタンス計測時の計測値にバラツキが小さいとは、電磁気学における理論でのインダクタンスの定義が、「巻き線に単位電流値を通電した時、コア内に生じる磁束とその磁束が巻き線と鎖交する数の積」となっており、インダクタンス値は、巻き線数と鎖交数が同一で、Ｎ_０ ^２に比例するものとなっている。しかし、実際にはコアに漏洩磁束が生じるため、巻き線電流によって生じた磁束が全て巻き線に鎖交することにはならないため、巻き方で導線の間隔を空けた場合と空けない場合では明らかに巻き線のインダクタンス値が異なってくし、また巻き線を間隔なしの所謂蜜巻とした場合でも巻き線数によってその実測インダクタンス値はＮ_０ ^２に比例していない。

それ故、実際の鎖交数は巻き線数より小さくなる。この現象は巻き線数が大なれば大なるほど巻き線数との鎖交数との差が顕著となる。つまり、周知の磁性材リングコアによる巻き線数Ｎ_０、平均磁路長ｌ、コア断面積Ｓの値からインダクタンス値を算出するために（１）式を変形した、下記（２）式を用いて実効透磁率を導き出す本実施形態においては、インダクタンスの計測値Ｌ_０が巻き線数の２乗に比例した値に最も近いとされることが必要である。これが前記Ｌ_０測定において、巻き線数と鎖交数が同一と見做せる最小巻き線数Ｎ_０とした理由である。
μe＝Ｌ_０・ｌ／Ｓ・Ｎ_０ ^２ ・・・（２）

前記インダクタンス値測定の結果得られた円筒状コアの実効透磁率μe及び既知であるコア磁性材の非飽和磁束密度最大値Ｂmaxにより、下記（３）式を用いて、該円筒状、矩形或は方形筒状コアを用いてなるインダクタにおける巻き線導線４３の巻き数Ｎと通電電流値Ｉとの積について、（Ｉ・Ｎ）maxの値を決定する工程。
（Ｉ・Ｎ）max＝ｌ・Ｂmax／μe ・・・（３）

図２では、エアギャップ３１の位置を回転操作で調整する工程を示しているが、円筒状コア１０の中心軸は正面を向いている。インピーダンス測定器５２は、一般的な市販品でよく、ＬＣＲメータでもよい。円筒状コア１０の測定用巻き線導線５１は数ターン（例えば３〜４ターン）巻きで、巻き線導線５１の端末をインピーダンス測定器５２に接続して、該円筒状コア１０のインダクタンス値Ｌ_０を測定する。このとき、リングコア２１、２２、・・・２ｎの各リングコアのエアギャップ３１の位置が回転変化できるよう、巻き線導線５１は回転調整操作可能となるよう少し緩めに巻いておく必要がある。

図２の円筒状コア支持用治具６０の断面図では、該支持用治具がエアギャップ３１の位置を回転変化させる際に使用されることを示した図で、該複数のリングコアで成る円筒状コアの外周面４２に当接し、各リングコア２１，２２，…，２ｎそれぞれが円筒状保ちながら、各コアのギャップ位置を回転自在に変えられるように支持されていることを示している。

尚、該支持用治具６０は、前記円筒状コアとの電気的絶縁性を保つため、樹脂又は非磁性金属で構成されるが、金属材を使用する場合には樹脂材シートなどを用いてコアとの電気的絶縁性を保つようにする。

該支持用治具６０の断面は正面から見て凹状であり、この凹部に互いに接着固定前の複数のリングコア全体２０を収納し個々のリングコアが手動回転可能となるように支持される。また、該支持用治具６０は、基板６１、スペーサ６２、長穴６４付きの抑え板６３、抑えねじ６５などで構成され、基板６１は平板状であり、基板６１の両端には収納する円筒状コアのサイズに適合されたスペーサ６２が設けられている。

抑え板６３は、長穴６４を貫通した抑えねじ６５によって、スペーサ６２と共に基板に固定される。該抑え板６３はリングコアのサイズに合わせてスペーサ６２に取り付けられ、長穴６４により左右方向に摺動可能とされている。

円筒状コアの巻き線、巻き線数Ｎ_０のインダクタンスを測定する際は、基板６１上の二つのスペーサ６２上に二枚の抑え板６３を置き、コアサイズに合わせて該抑え板６３を摺動して円筒状コアの外側面に当接し、各コアが回転可能な状態としつつ抑え板６３をネジ６５によって固定する。また、矩形或は方形コアの場合では、夫々１８０の度回転操作調整、９０度回転操作調整し、６３を筒状コア外面に当接する。当接後、ネジ６５を固定した後、該矩形或は方形筒状コアに巻き線を施し、巻き線のインダクタンス値計測に供する。

尚、円筒状コア１０の実効透磁率μeは、リングコア２１，２２，…，２ｎの各エアギャップ３１の位置が一直線に並んだときに最小値となり、この状態から各エアギャップ３１が互いに離れるにつれて増加し、相隣合うリングコアのギャップ位置が１８０度異なった位置で該円筒状コア全体のインダクタンスが最大値を呈することとなる。このエアギャップ位置とμeの関係は矩形、方形環状コア使用の場合でも同じである。

本実施形態の工程においては、円筒、矩形或は方形の筒状コアを形成するギャップ付きコアで、本来の磁性材透磁率がμの場合、エアギャップの無い場合は（１）式のμeがμに置き換えられる。一方周知の事柄として、エアギャップ付きの場合の実効透磁率μeはμ≫μeとなるから、（１）式におけるエアギャップ付き環状コア単体の巻き線インダクタンス値Ｌ_０は、エアギャップの無い場合のインダクタンス値より大きく低下する。

そこで、本実施形態においては、エアギャップ付きリングコアをｎ個重ねた筒状コアにより、断面積が単独コアのｎ倍になることを利用して、実効透磁率が低下した値となっても積層によりコア断面積が増加している分、単独エアギャップコアの巻き線数によるインダクタンス値より少ない巻き線数で同じインダクタンス値が得られるという技術的思考が利用されている。

尚、本発明実施形態の製作法工程においては、
前記各リングコアのエアギャップ位置を回転操作により変えることで、各コアのギャップ位置が同一線上に揃う時と相隣るコアにおけるエアギャップ位置が互いに１８０度異なる位置とで、筒形コアの実効透磁率μeは夫々最小値と最大値を呈する。

従って、本実施形態の工程においては、該円筒状、矩形或は方形筒状コアの実効透磁率μeを前記最小値と最大値の間に可変設定可能となり、同一筒状コアおいて、様々なエアギャップ位置で環状コアを固定して、異なった（Ｉ・Ｎ）maxの値を明記した筒状コアの製作ができることとなる。

以上、上記円筒状コアについての実施形態記述により、本発明を説明したが、本発明は前記円筒状コアの実施形態に限定されるものではなく、図３に示したように、矩形或は方形の環状コアで各４辺の任意位置にあらかじめ同一或は異なった長さのエアギャップ加工を施し、エアギャップにコア強度補強加工を施した上、複数個を積層して角筒状となした筒状コアにも適用できる。

図３に示す角筒状コア１１は、リング状磁性体コアの一部にエアギャップ８１が施された同一サイズの複数個のリングコア７１，７２，…，７ｎを積層して形成されている。これら複数個のリングコア７１，７２，…，７ｎは、その中心軸８２を同一にして端面８３同士を突き合わせた状態に配置され、かつ、エアギャップ８１の位置がリングコアの周方向８４に回転変化可能な状態となっている。

但し、矩形、方形筒状形成の場合は、各矩形環状コアの回転調整操作による実効透磁率μeの値は、矩形環状コアの使用では１８０度回転調整操作のみの変化値となり、方形環状コア使用の場合には９０度回転操作による実効透磁率μeの値となる。

本発明は、次の付記１〜３のように表現することもできる。
［付記１］
環状の磁性体コアの一部にアギャップが形成された複数の環状コアを備え、 前記複数の環状コアで、リング状コア使用の場合は、前記リングコアの中心軸を同一にして前記リングコアの端面同士を突き合わせた状態に配置され、かつ、前記エアギャップの位置が前記リングコアの円周方向に回転調整される状態で互いに当接され、 前記複数のリングコア全体の内側と外側とを交互に通るようにインダクタ用導線が巻回されてインダクタが形成される場合における、前記インダクタ用導線の巻線数と該巻き線への通電電流値との積の値が、コア材が磁気飽和しない範囲おける最大値であることを明示した筒状コア。

［付記２］
付記１記載の筒状コアを製作する方法であって、 前記複数の環状コア全体の内側と外側とを交互に通すように測定用導線をＮｏターン巻いてインダクタンスＬｏを測定しながら、既知である実効磁路長ｌ及び実効断面積Ｓと下記式（２）とに基づき、所望の実効透磁率μeになるように前記エアギャップの位置を回転操作により変化調整する工程と、
μe＝（Ｌｏ・ｌ）／（Ｓ・Ｎｏ^２） ・・・（２）
前記実効透磁率μ及び既知である飽和磁束密度Ｂmaxと下記式（２）とに基づき、前記インダクタ用導線に流せる電流Ｉと前記インダクタ用導線の巻数Ｎとの積について、磁気飽和しない範囲での最大値（Ｉ・Ｎ）maxを決定する工程と、
（Ｉ・Ｎ）max＝ｌ・Ｂmax／μe ・・・（２）
を含む円筒状及び角筒状コアの製造方法。

［付記３］
前記最大値（Ｉ・Ｎ）maxを満たす前記通電電流値Ｉ及び前記巻数Ｎをそれぞれ最大電流Ｉmax及び最大巻数Ｎmaxとしたとき、
前記エアギャップの位置を調整する工程に戻って前記エアギャップの位置を前記円周方向にずらして前記実効透磁率μeを１／ｍにし、
前記最大巻数Ｎmaxをｍ倍にする、
付記２記載の円筒状コアの製造方法。

１０ 円筒状コア
１１ 角筒状コア
２０，７０ 複数のリングコア全体
２１，２２，…，２ｎ，７１，７２，…，７ｎ リングコア
３１，８１ エアギャップ
３２，８２ 中心軸
３３，８３ 端面
３４，８４ 円周方向
４１，９１ 内側
４２，９２ 外側
４３ インダクタ用導線
５１ 測定用導線
５２ インピーダンス測定器
６０ 支持治具
６１ 基板
６２ スペーサ
６３ 抑え板
６４ 長穴
６５ 抑えねじ

Claims (2)

1. 磁性材からなるリング、矩形或は方形コアにエアギャップ加工が施されたギャップコアを、複数個重ねて筒状とした円筒状、矩形、或は方形の筒状コアを製作する方法であって、
   前記複数個のギャップコア全体の内側と外側とを交互に通すように導線をＮｏターン巻いてインダクタンスＬｏを測定しながら、既知である実効磁路長ｌ及び実効断面積Ｓと下記式（１）とに基づき、所望の実効透磁率μeになるように前記エアギャップの位置を回転操作により変化調整する工程と、
   μe＝（Ｌｏ・ｌ）／（Ｓ・Ｎｏ ^２ ） ・・・（１）
   前記実効透磁率μe及び既知である飽和磁束密度Ｂmaxと下記式（２）とに基づき、前記導線に流せる電流Ｉと前記導線の巻数Ｎとの積について、磁気飽和しない範囲での最大値（Ｉ・Ｎ）maxを決定する工程と、
   （Ｉ・Ｎ）max＝ｌ・Ｂmax／μe ・・・（２）
   を含む筒状コアの製作法。
2. 前記最大値（Ｉ・Ｎ）maxを満たす前記電流Ｉ及び前記巻数Ｎをそれぞれ最大電流Ｉmax及び最大巻数Ｎmaxとしたとき、
   前記エアギャップの位置を回転操作により変化調整する工程に戻って前記実効透磁率μeを１／ｍにし、
   前記最大巻数Ｎmaxをｍ倍にする、
   請求項１記載の筒状コアの製作法。

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