JP7018390B2 - インダクタおよび当該インダクタの実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、各種の電子・電気機器類における大電力の電源装置等に用いて好適なインダクタおよび当該インダクタをヒートシンク上に実装する構造に関する。

周知のように、大電力の電源装置等に用いられるインダクタにおいては、コイルに大きな電流が流れるために、ジュール熱によってコイルが発熱し、温度が上昇する。また高周波電流が流れる場合には、コイルが作る磁束によって導体に渦電流が発生し、さらに大きな熱がコイルに発生して温度が上昇する。また、共振コイル等の高周波の交流電流がながれるような用途では、コア内の磁束も交流のため、鉄損による熱が発生してコアの温度が上昇する。

このようなインダクタの温度上昇は、当該インダクタの破損や劣化に至る可能性があるため、コイルの温度上昇を抑制する措置が必要となる。

そこで、通常、上記発熱による温度上昇を抑えるために，電線の断面積を増すことで電気抵抗を下げたり、あるいは細い被覆銅線を多数本撚ったリッツ線を用いることで渦電流を減らしたりして銅損を低減している。また、コアの断面積を増すことでコア内磁束密度を下げ、鉄損を低減している。

一方、近年においては、電源装置の小型化や軽量化のために、インダクタの小型化が強く要請されている。しかしながら、小型化のために電線を細くしたり、コアの磁路断面積を小さくしたりすると、上述したように製品の発熱量が大きくなり、製品温度も高くなるため、小型化を難しくしている。

例えば図６Ａに示すように、一対のＥ型コア２０を対向配置させ、互いの先端面を当接させた中足２０ａの外周にコイル２１を巻回するとともに、外足２０ｂ同士を突き合わせて閉磁路を形成したインダクタ２４ａおよびその実装構造が提案されている。

ところが、上記インダクタ２４ａの実装構造においては、図６Ａ中矢印で示すように、上側のＥ型コア２０の上部から下側のＥ型コア２０が設置されるヒートシンク２２へと熱が流れてインダクタ２４の全体が冷却されるために、熱路が長くなって熱抵抗が大きくなる。

また、図６Ｂに示すインダクタ２４ｂのように、Ｅ型コア２０の中足２０ａを削ってギャップ部Ｇを付与した場合には、ギャップ部Ｇが熱伝導率の極めて小さな空気層によって形成されているために、上側のＥ型コア２０の中足２０ａに発生した熱は、Ｅ型コア２０の上部から外足２０ｂを経由してヒートシンク２２に排出される。このため、ギャップ部Ｇが無い場合よりも熱抵抗が大きくなり、Ｅ型コア２０の温度が上昇する。

また、図６Ｃに示すインダクタ２４ｃのように、中足２０ａ間および外足２０ｂ間に樹脂製のギャップシート２３を介装した場合にも熱抵抗が大きくなり、Ｅ型コア２０の温度が高くなる。このため、Ｅ型コア２０の断面積をより大きくする必要があり、上述した製品の小型化に対応することが難しい。

また、例えば図７および図８に示すインダクタ２９のような、２つのＵ型コア２５とコイル２６を、ヒートシンク２７に設けられた穴部２７ａ内に収めたのち、穴部２７ａに良熱伝導率のポッティング材２８を充填することにより、同じ発熱量でもインダクタ２９の温度を低減することができるようにしたインダクタ２９及びインダクタ２９の実装構造が知られている。

ところが、上記インダクタ２９の実装構造においては、高価なポッティング材２８を多量に使用する必要があるため、実装コストが高くなってしまう。また、この実装構造は、２つＵ型コア２５を互いに接着剤などで固定する構造であるが、大電力用製品のような大型の製品ではＵ型コア２５の重量が小さくないため、振動・衝撃により２つのＵ型コア２５が分離しやすい。しかも、ヒートシンク２７の穴部２７ａ内に２つのＵ型コア２５を収容する構造であるために、ヒートシンク２７の側壁の厚さ寸法分、インダクタ２９が大型化してしまう。

特開２００５－８０３８２号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、より小型で低コスト、かつ実装性に優れたインダクタおよびその実装構造を提供することを一つの課題とする。

上記課題を解決する一つのインダクタは、外面がヒートシンクに直接設置される載置面となる平板部の両端に脚部が一体に形成されたＵ型コアと、このＵ型コアの上記脚部間に横架されたＩ型コアと、上記Ｉ型コアの外周に巻回されたコイルと、上記コイルと上記Ｕ型コアの内周面との間にのみ介装される、熱伝導率が０．４W／m・K以上の接着剤または放熱シートと、を備える。

より小型で低コスト、かつ実装性に優れたインダクタおよびその実装構造を提供することが可能となる。

一実施形態に係るインダクタを示す斜視図である。 図１に示すインダクタの分解斜視図である。 一実施形態に係るインダクタの実装構造を示す斜視図である。 一実施形態に係るインダクタを説明するための模式図である。 図４に示すインダクタのＩＩ－ＩＩ線視断面図である。 本実施形態とは異なるインダクタの実装構造を示す模式図である。 本実施形態とは異なるインダクタの実装構造を示す模式図である。 本実施形態とは異なるインダクタの実装構造を示す模式図である。 本実施形態とは異なるインダクタの実装構造を示す斜視図である。 図７に示すインダクタの縦断面図である。

関連出願の相互参照
この出願は、２０１６年６月２２日に出願された日本特許出願、特願２０１６－１２３５１３に基づく優先権を主張し、その内容を援用する。

（第１実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１実施形態に係るインダクタ７を共振コイル８に適用した一実施形態を示すもので、この共振コイル８は、平板部１０ａの両端に脚部１０ｂが一体に立設されたＵ型コア１０と、このＵ型コア１０の脚部１０ｂ間に横架されて、Ｕ型コア１０と共にロ字状の閉磁路を形成するＩ型コア１１と、このＩ型コア１１の外周に巻回されたコイル１２と、このコイル１２とＵ型コア１０の内周面との間に配置された絶縁ケース１３とから概略構成されたものである。

ここで、コイル１２は、Ｉ型コア１１との電気的絶縁を確保するためのボビン１４の外周に、銅損を低減するためのリッツ線が巻回されて構成されており、当該ボビン１４の中心孔にＩ型コア１１が挿通されている。

また、Ｕ型コア１０およびＩ型コア１１は、一例としてフェライト製である。Ｉ型コア１１は断面長方形の板状に形成されている。また、Ｕ型コア１０の平板部１０ａは、Ｉ型コア１１と略同形の断面長方形の板状に形成されており、長辺側が外面（底面）の一辺を形成するように配置されている。

そして、Ｉ型コア１１の両端部とＵ型コア１０の脚部１０ｂの端面との間には、スペーサ（ギャップシート）１５が介装されている。なお、上記ギャップの厚さ寸法が大きくなる場合は、上記スペーサ１５としてアルミナなどの熱伝導率が良く、かつ弾性係数が高い材料を用いることが好ましい。

また、絶縁ケース１３は、Ｉ型コア１１が挿通されたコイル１２の図２中下面側を覆う底板部１３ａと、この底板部１３ａの両端部に立設されてコイル１２の側部側を覆う側板部１３ｂが一体成形されたもので、側板部１３ｂ間にはＩ型コア１１が延出する開口部１３ｃが形成されている。

さらにこの絶縁ケース１３の底板部１３ａは、Ｕ型コア１０の脚部１０ｂ間において平板部１０ａの上面を覆う寸法に形成されるとともに、両側部には脚部１０ｂの側面を覆う壁部１３ｄが一体に形成されている。なお、図２中の符号１３ｅは、コイル１２の端部１２ａを外方へ引き出すための案内部である。

そして、この絶縁ケース１３の底板部１３ａの上面とコイル１２との間、およびＵ型コア１０の平板部１０ａの上面と絶縁ケース１３の底面との間には、それぞれ熱伝導率が０．４W／m・K以上の良熱伝導率材料からなる接着剤（または放熱シート）１６が充填されている。ここで、接着剤１６または放熱シート１６としては、シリコン系接着剤やシリコン系の柔らかい放熱シートが好適である。

次に、図３に基づいて、第１実施形態に係るインダクタ７の実装構造を、上記構成からなる共振コイル８の実装構造に適用した一実施形態について説明する。

この共振コイル８の実装構造においては、Ｕ型コア１０の平板部１０ａの外面（底面）がヒートシンク１７の表面に載置されるとともに、固定部材１８によってヒートシンク１７上に固定されている。

この固定部材１８は、共振コイル８に隣接して立設された一対の柱部材１８ａと、これら柱部材１８ａにボルト１８ｂによって一端側が固定されたバネ材１９とからなるもので、共振コイル８の上面側に延びるバネ材１９の２本の先端部１９ａが、各々絶縁ケース１３から突出するＩ型コア１１の端部上面をヒートシンク１７の表面側に向けて押圧するように配置されている。なお、図３中の符号１７ａは、ヒートシンク１７における冷却水水路を示すものである。

以上の構成からなる共振コイル８およびその実装構造によれば、コイル１２が巻回されたボビン１４にＩ型コア１１を挿通させるとともに、コイル１２と絶縁ケース１３の底板部１３ａの上面との間、およびＵ型コア１０の平板部１０ａの上面と絶縁ケース１３の底面との間に、それぞれ熱伝導率が０．４W／m・K以上の良熱伝導率材料からなる接着剤（または放熱シート）１６を充填し、Ｕ型コア１０の平板部１０ａの底面をヒートシンク１７への設置面としているために、コイル寸法の縦横比が大きくなり、Ｕ型コア１０およびＩ型コア１１において鉄損等により発生した熱を逃がす熱回路の熱路長が短くなって熱抵抗を小さくすることができる。

しかも、コイル１２において発生した熱を、接着剤（または放熱シート）１６を介して直接的にＵ型コア１０の平板部１０ａからヒートシンク１７に放熱することができる。この結果、コイル１２の線径を細くしてコイル１２からの発熱量が増加しても、この共振コイル８の温度上昇を抑えることができるため、共振コイル８の一層の小型化および軽量化を図ることができる。

さらに、Ｕ型コア１０の断面形状を長方形とし、当該断面の長辺側をＵ型コア１０の平板部１０ａの外面（ヒートシンク１７への載置面）の一辺を形成するように配置しているために、コイル１２と絶縁ケース１３の底板部１３ａとＵ型コア１０の平板部１０ａの対向面積や、平板部１０ａのヒートシンク１７への載置面積を広く確保することにより、熱路の面積を増加させることができる。

加えて、Ｕ型コア１０における平板部１０ａの厚さ寸法を小さくすることができるために、熱路の長さも減らすことができ、よって確実に熱抵抗を低減して共振コイル８の温度をより一層低減させることが可能になる。

また、上記共振コイル８の実装構造においては、Ｕ型コア１０の平板部１０ａの外面をヒートシンク１７の表面に載置するとともに、コイル１２から突出するＩ型コア１１の両端部を、バネ材１９の先端部１９ａによってヒートシンク１７の表面側に押圧しているために、振動・衝撃に対して優れた信頼性が得られる。

特に、この実装構造においては、バネ材１９の２本の先端部１９ａによって各々絶縁ケース１３から突出するＩ型コア１１の端部上面をヒートシンク１７の表面側に押圧している結果、先端部１９ａの作用点がＵ型コア１０の脚部１０ｂの直上になることに加えて、バネ材１９からの押圧力がＩ型コア１１からＵ型コア１０の脚部１０ｂに圧縮力として作用する。

すなわち、脚部１０ｂの直上を押圧する場合には圧縮応力となり、Ｉ型コア１１およびＵ型コア１０の脚部１０ｂが破損することが無く、よって特に車載用途に用いた場合においても、バネ材１９の弾性係数を高めて振動・衝撃に対する信頼性を向上させることができる。しかも、より大きな押圧力で共振コイル８を保持しても、破損や変形を起こさないために、バネ材１９の設計が容易になるだけでなく、部品の公差緩和になり部材コストを低減することができる。

さらに、Ｉ型コア１１の端部とＵ型コア１０の脚部１０ｂの端面との間に介装されているスペーサ（ギャップシート）１５としてアルミナを用いた場合は、樹脂シートよりも硬度が高いために、厚さ寸法の変化（圧縮変形）を生じることが無く、より大きな押圧力で保持することができるために、一層振動・衝撃に対する信頼性を一層高めることが可能になる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係るインダクタ６ａについて説明する。

第２実施形態に係るインダクタ６ａは、図４および図５に示すように、外面がヒートシンク５への設置面とされる平板部３ａの両端に脚部が一体に形成されたＵ型コア３と、このＵ型コア３の上記脚部間に横架されたＩ型コア１と、上記Ｉ型コア１の外周に巻回されたコイル２とを備え、上記コイル２と上記Ｕ型コア３の内周面との間に、熱伝導率が０．４W／m・K以上の接着剤または放熱シート４を介装したことを特徴とする。

このインダクタ６ａによれば、Ｉ型コア１を囲繞するようにしてコイル２を配置するとともに、コイル２とＵ型コア３の内周面との間に、熱伝導率が０．４W／m・K以上の接着剤（または放熱シート）４を介装してＵ型コア３の平板部３ａの外面をヒートシンク５への設置面としているために、図６Ａ～図６Ｃに示したＥ型コア２０を用いたインダクタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃと比較して、磁路長さが同じであっても、コイル寸法の縦横比が大きくなり、Ｕ型コア３およびＩ型コア１において鉄損等により発生した熱を逃がす熱回路の熱路長が短くなって熱抵抗を小さくすることができる。

加えて、コイル２において発生した熱を、接着剤（または放熱シート）４を介して直接的にＵ型コア３からヒートシンク５に放熱することができる。この結果、コイル２の線径を細くしてコイル２の発熱量が増加しても、インダクタ６ａの温度の上昇を抑えることができるため、インダクタ６ａの一層の小型化および軽量化を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係るインダクタ６ｂについて説明する。

第３実施形態に係るインダクタ６ｂは、図４及び図５に示した第２実施形態に係るインダクタ６ａに対して、コイル２とＵ型コア３の内周面との間に配置される絶縁ケース（図４及び図５において不図示であるが、第１実施形態に示した絶縁ケース１３に相当する）を備えている。

つまりインダクタ６ｂは、外面がヒートシンク５への設置面とされる平板部３ａの両端に脚部が一体に形成されたＵ型コア３と、このＵ型コア３の上記脚部間に横架されたＩ型コア１と、上記Ｉ型コア１の外周に巻回されたコイル２と、このコイル２と上記Ｕ型コア３の内周面との間に配置された絶縁ケースとを備え、上記コイル２と上記絶縁ケースとの間および上記絶縁ケースと上記Ｕ型コア３の内周面との間に、それぞれ熱伝導率が０．４W／m・K以上の接着剤または放熱シート４を介装したことを特徴とする。

このインダクタ６ｂのように、コイル２とＵ型コア３の内周面との間に絶縁ケースが配置される構造においては、コイル２と上記絶縁ケースとの間および上記絶縁ケースとＵ型コア３の内周面との間に、それぞれ熱伝導率が０．４W／m・K以上の接着剤（または放熱シート）４を介装することにより、第２実施形態に係るインダクタ６ａと同様の作用効果を得ることができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係るインダクタ６ｃについて説明する。

第４実施形態に係るインダクタ６ｃは、図４及び図５に示した第２実施形態に係るインダクタ６ａ又は第３実施形態に係るインダクタ６ｂに対して、上記Ｕ型コア３が、上記平板部３ａの断面が長方形に形成されるとともに、その長辺３ｂ側が上記載置面と平行になるように配置されている。

インダクタ６ｃは、図５に示すように、Ｕ型コア３の平板部３ａにおける断面Ｓの形状を長方形とし、当該断面Ｓの長辺３ｂ側をＵ型コア３の平板部の外面（ヒートシンク５への載置面）の一辺を形成するように配置しているために、コイル２とＵ型コア３との対向面積や、上記平板部３ａの載置面積を広く確保することにより、熱路の面積を増加させることができる。

しかも、Ｕ型コア３における平板部３ａの厚さ寸法を小さくすることができるために、熱路の長さも減らすことができ、よって確実に熱抵抗を低減してインダクタ６ｃの温度をより一層低減させることが可能になる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。

第５実施形態は、上記インダクタ６ａ～６ｃを実装する構造であって、上記Ｕ型コア３の上記平板部３ａの上記外面を上記ヒートシンク５の表面に載置し、かつ上記コイル２から突出する上記Ｉ型コア１の両端部を、バネ材（図４及び図５において不図示であるが、第１実施形態に示したバネ材１９に相当する）によって上記ヒートシンク５の上記表面側に押圧したことを特徴とする。

このインダクタ６ａ～６ｃの実装構造によれば、上記Ｕ型コア３の平板部３ａの外面をヒートシンク５の表面に載置するとともに、コイル２から突出するＩ型コア１の両端部を、バネ材（第１実施形態に示したバネ材１９に相当）によってヒートシンク５の上記表面側に押圧しているために、上述した作用効果に加えて、さらに振動・衝撃に対して優れた信頼性が得られるという効果が得られる。

なお上述した実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

１ Ｉ型コア
２ コイル
３ Ｕ型コア
３ａ 平板部
３ｂ 長辺
４ 接着剤または放熱シート
５ ヒートシンク
６ａ インダクタ
６ｂ インダクタ
６ｃ インダクタ
７ インダクタ
８ 共振コイル
１０ Ｕ型コア
１０ａ 平板部
１０ｂ 脚部
１１ Ｉ型コア
１２ コイル
１２ａ 端部
１３ 絶縁ケース
１３ａ 底板部
１３ｂ 側板部
１３ｃ 開口部
１３ｄ 壁部
１３ｅ 案内部
１４ ボビン
１５ スペーサ（ギャップシート）
１６ 接着剤（放熱シート）
１７ ヒートシンク
１７ａ 冷却水水路
１８ 固定部材
１８ａ 柱部材
１８ｂ ボルト
１９ バネ材
１９ａ 先端部
２０ Ｅ型コア
２０ａ 中足
２０ｂ 外足
２１ コイル
２２ ヒートシンク
２３ ギャップシート
２４ａ インダクタ
２４ｂ インダクタ
２４ｃ インダクタ
２５ Ｕ型コア
２６ コイル
２７ ヒートシンク
２７ａ 穴部
２８ ポッティング材
２９ インダクタ
Ｇ ギャップ部
Ｓ 平板部１０ａの断面

Claims (4)

1. 外面がヒートシンクに直接設置される載置面となる平板部の両端に脚部が一体に形成されたＵ型コアと、
   このＵ型コアの上記脚部間に横架されたＩ型コアと、
   上記Ｉ型コアの外周に巻回されたコイルと、
   上記コイルと上記Ｕ型コアの内周面との間にのみ介装される、熱伝導率が０．４W／m・K以上の接着剤または放熱シートと、
   を備えたことを特徴とするインダクタ。
2. 外面がヒートシンクに直接設置される載置面となる平板部の両端に脚部が一体に形成されたＵ型コアと、
   このＵ型コアの上記脚部間に横架されたＩ型コアと、
   上記Ｉ型コアの外周に巻回されたコイルと、
   このコイルと上記Ｕ型コアの内周面との間に配置されつつ、上記コイルにおいて上記Ｉ型コアの外面側となる領域を外方に露出させる絶縁ケースと、
   上記コイルと上記絶縁ケースとの間および上記絶縁ケースと上記Ｕ型コアの内周面との間のみに、それぞれ介装される、熱伝導率が０．４W／m・K以上の接着剤または放熱シートと、
   を備えることを特徴とするインダクタ。
3. 上記Ｕ型コアは、上記平板部の断面が長方形に形成されるとともに、その長辺側が上記載置面と平行になるように配置されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のインダクタ。
4. ヒートシンクの表面に請求項１ないし３のいずれかに記載のインダクタを実装する構造であって、
   上記Ｕ型コアの上記平板部の上記外面を上記ヒートシンクの表面に載置し、かつ上記コイルから突出する上記Ｉ型コアの両端部を、バネ材によって上記ヒートシンクの上記表面側に押圧した、
   ことを特徴とするインダクタの実装構造。

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