JP7253891B2

JP7253891B2 - インダクタ

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Publication number: JP7253891B2
Application number: JP2018180229A
Authority: JP
Inventors: 慎也尼野
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: JP2020053514A

Description

本発明は、インダクタに関する。

インダクタは、電源回路、一般信号回路、高周波回路等の電気回路において、例えばトランス、アンテナ（バーアンテナ）、チョークコイル、フィルタ、あるいはセンサ等として使用される。近年の電気機器あるいは電子機器に対する小型化、高周波化、あるいは大電流化の要請に伴い、インダクタに対しても同様の対応が要求されている。

現状のインダクタのコアとしては、フェライトを使用したものが主流であるが、フェライトを使用したコアでは、材料特性そのものの限界から、上記の要請に応えることは難しくなっている。そのため、新たなコア材料の実用化が模索されている。候補の一つとして磁気特性に優れたアモルファス系材料が提案されているが、アモルフォス系材料は、成形性が従来のフェライト系材料に比べて悪い、という問題がある。

この成形性に配慮した既存技術として、内芯コアをアモルファス系磁性材料で形成すると共に、外殻コアをアモルファス系磁性材料と熱可塑性樹脂の混合物で形成した複合コアがある（特許文献１）。アモルファス系磁性粉末だけで磁性素子全体を形成する場合、全体を金型で圧縮成形する必要があるため、その形状はどうしても制約を受けることになるが、特許文献１の複合コアであれば、外殻コアが射出成形により成形可能となるため、形状自由度が高まる利点が得られる。

特開２０１５－１８５６７３号公報

本発明者の検証により、特許文献１の複合コアでは、図５（ｂ）に示すように、巻線で生じた磁束が最初に通過する内芯コア近傍の隅部（Ａ）で、内芯コアから離れた隅部（Ｂ）に比べ、局所的に磁束密度が高まることが明らかになった。この場合、コア内に磁束密度の高い部分と低い部分ができ、しかも磁束密度の差が大きいため、直流重畳特性が低下する問題がある。

特許文献１のように、外殻コアに樹脂材料を配合した場合、そのような樹脂材料を含まない内芯コアに比べて、どうしても比透磁率が低下する。現状、上記のようにコアの隅部で局所的に磁束密度が高まる詳細なメカニズムは不明であるが、内芯コアに比べて外殻コアの比透磁率が低くなることで、内芯コアから外殻コアにスムーズに磁束が流れず、両者の境界部で磁束が停滞したような状態になることが要因の一つと推察される。

以上の検証に基づき、本発明は、複合コアを用いたインダクタの直流重畳特性を向上させることを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明は、コアおよび巻線を備え、前記コアが、前記巻線を外周に巻回した内芯コアと、前記内芯コアよりも低透磁率の磁性材料で形成され、かつ前記内芯コアの両端部に嵌合固定された外殻コアとを有し、前記内芯コアが、前記外殻コアと接触した接触部と、前記外殻コアと接触しない非接触部とを備えるインダクタにおいて、前記外殻コアが、絶縁被膜付き軟磁性粉末と熱可塑性樹脂とを含む材料で成形され、前記接触部に、巻線軸方向と直交する方向の断面積が、前記非接触部の巻線軸方向と直交する方向の断面積よりも小さい縮小部を設け、前記縮小部の、前記巻線軸方向と直交する方向で前記外殻コアと接触する面の全てが、前記非接触部の外周面より前記巻線軸への接近側に後退していることを特徴とする。

このように内芯コアの両端部に縮小部を設けることにより、内芯コア近傍の隅部での局所的な磁束の集中を緩和し、磁束密度の高い部分と低い部分の差を小さくすることができる。これにより、コア内でバランス良く磁束を分布させることがき、直流重畳特性を向上させることが可能となる。

前記縮小部は円筒面状に形成することができる。この場合、縮小部と非接触部の半径寸法の径差をＸとし、縮小部の巻線軸方向の長さをＹとして、Ｘ＞Ｙにするのが好ましい。

前記縮小部をテーパ面状に形成することもできる。

本発明によれば、複合コアを用いたインダクタの直流重畳特性を向上させることができる。

本実施形態にかかるインダクタを示す斜視図である。（ａ）図は本実施形態にかかるインダクタの縦断面図であり（実施例１）、（ｂ）図はその磁束密度を示すコンター図である。（ａ）図は本実施形態にかかるインダクタの縦断面図であり（実施例２）、（ｂ）図はその磁束密度を示すコンター図である。（ａ）図は本実施形態にかかるインダクタの縦断面図であり（実施例３）、（ｂ）図はその磁束密度を示すコンター図である。（ａ）図は比較例１の縦断面図であり（実施例１）、（ｂ）図はその磁束密度を示すコンター図である。（ａ）図は比較例２の縦断面図であり（実施例１）、（ｂ）図はその磁束密度を示すコンター図である。実施例および比較例の最大磁束密度、およびインダクタンス値を示す表である。本発明の他の実施形態を示す縦断面図である。本発明の他の実施形態を示す縦断面図である。本発明の他の実施形態を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を図１～図１０に基づいて説明する。

図１は本実施形態にかかるインダクタ１を示す斜視図であり、図２は、当該インダクタの縦断面図である。図１および図２に示すように、本実施形態にかかるインダクタ１は、コア２と巻線３とを有する。

本実施形態のコア２は、JIS C2560-1に規定されたＰＱ型に相当するもので、軸状の内芯コア２１と、内芯コア２１の外径側に配置された外殻コア２２とを有する。コア２にエアギャップは設けられていない。

本実施形態の内芯コア２１は、円筒状をなしている。内芯コア２１の中心には、巻線軸方向（図２の上下方向）の全長にわたって孔２１０が形成されている。中芯コア２１は、円筒状の他、角筒状に形成することもできる。

外殻コア２２は、側部２２ａと、側部２２ａの巻線軸方向の両端部から半径方向の内側に向けて延びたフランジ部２２ｂとを一体に有する。本実施形態において、側部２２ａは円筒状に形成され、各フランジ部２２ｂは、中心に孔を有する孔空き円板状に形成される。フランジ部２２ｂの内面２２０は、内芯コア２１の巻線軸方向の両端部の外周面に嵌合している。側部２２ａの円周方向一部領域に、巻線３と接続する配線を通すための切欠き２２１（図１参照）が設けられている。内芯コア２１の端面は、インダクタ１の表面に露出しており、フランジ部２２ｂの外端面と同一平面上にある。

図２に示すように、巻線３は、内芯コア２１の外周に巻回される。側部２２ａと内芯コア２１との間の環状空間に巻線３が配置される。外殻コア２２の側部２２ａが巻線３の外周面と対向し、両フランジ部２２ｂが巻線３の両端面とそれぞれ対向している。

インダクタ１の組立前の状態では、内芯コア２１および外殻コア２２は、それぞれ図２に示す分割線Ｍで二分割された状態にある。インダクタ１の組立に際しては、先ず、内芯コア２１の半体および外殻コア２２の半体をそれぞれ個別に製作する。次いで、内芯コア２１の半体を外殻コア２２の半体の内面２２０に嵌合固定してアセンブリとし、このアセンブリを二組製作する。各アセンブリの内芯コア２１と外殻コア２２は、接着等の手段で固定する。次いで、一方のアセンブリの内芯コア２１の外周に巻線３を配置した状態で、二組のアセンブリを衝合し、接着等の手段で両者を一体化する。これにより、図１に示すインダクタ１が完成する。

内芯コア２１は、例えば、金型を用いて軟磁性粉末を圧縮成形した後、圧粉体に焼鈍処理を施すことで製作される。軟磁性粉末としては、純鉄系、アモルファス系、フェライト系、軟磁性合金系（センダスト、パーマロイ等）、ナノ結晶系等からなる軟磁性金属粉末に絶縁被膜をコーティングした絶縁被膜付き軟磁性粉末を使用することができる。絶縁被膜としては、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂等の金属酸化物あるいは半金属の酸化物、ガラス材料、またはこれらの混合物に、バインダーとしての樹脂材料を配合したものが使用される。焼鈍に伴ってバインダー成分は分解し、ガスとなって揮散する。この絶縁被膜付き軟磁性粉末を用いた内芯コア２１の初透磁率（磁界０ A/m時の比透磁率を意味する）は、３０以上２００以下が好ましい。

外殻コア２２は、以上に述べた絶縁被膜付き軟磁性粉末に熱可塑性樹脂を加えた原料を射出成形することで製作される。熱可塑性樹脂としては、射出成形に用いることができるものであれば、特に制限なく使用することができ、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等が使用可能である。例えば、熱可塑性樹脂としてＰＰＳを使用すれば、射出成形時に良好な流動性を得ることができ、かつ成形後は高い耐熱性を得ることができる。上記原料における熱可塑性樹脂の配合量は５～２０％程度が好ましい。内芯コア２１と外殻コア２２では、同種の軟磁性粉末を使用する他、異なる種類の軟磁性粉末を使用することもできる。

このように外殻コア２２を射出成形が可能となる材料で形成し、外殻コア２２を射出成形で成形することにより、外殻コア２２の形状自由度が向上し、任意の形態のコア２、例えば切欠き部２２１（図１参照）を有するような複雑な形状の外殻コア２２も低コストに製作することが可能となる。

内芯コア２１の巻線軸方向の両端部に、外殻コア２２のフランジ部２２ｂの内面２２０を接着等により接合することでコア２が得られる。このコア２では、外殻コア２２に熱可塑性樹脂を配合している関係で、外殻コア２２の透磁率が内芯コア２１の透磁率よりも小さくなる。ここでの透磁率は、例えば初透磁率で表される。本実施形態のインダクタ１は、このように内芯コア２１と外殻コア２２とで透磁率を異ならせた、いわゆる複合コア２を対象とするものである。

このように本実施形態では、外殻コア２２の射出成形を可能にする観点から、外殻コア２２のコア材料に熱可塑性樹脂を添加しており、その結果として、外殻コア２２の透磁率が内芯コア２１の透磁率よりも低くなっているが、内芯コア２１と外殻コア２２の比透磁率の差は、射出成形性とは異なる別の技術的観点から、別の手段によって与えることもできる。例えば、内芯コア２１と外殻コア２２の双方を個別に圧縮成形し、この際に外殻コア２２の密度を内芯コア２１の密度よりも低くし、あるいは外殻コア２２に含まれる軟磁性粉末の平均粒径を内芯コア２１ｂに含まれる軟磁性粉末の平均粒径よりも小さくする。かかる手段によっても、外殻コア２２の透磁率を内芯コア２１の透磁率よりも小さくすることができる。

本実施形態にかかる複合コア２は、さらに以下に述べる特徴を備えている。

図２（ａ）に示すように、内芯コア２１の外周面には、外殻コア２２と接触した接触部２３と、外殻コア２１と接触しない非接触部２４とが設けられる。接触部２３は非接触部２４よりも小径の円筒面状に形成される。これにより内芯コア２１の両端に、巻線軸方向と直交する方向の断面積を、非接触部２４の巻線軸方向と直交する方向の断面積よりも小さくした縮小部２５が形成される。縮小部２５は、例えば、内芯コア２１の全体を圧縮成形する際に同時に成形することができる。この他、内芯コア２１の圧縮成形および焼鈍後、その両端部の外周を切削等により除去することによって縮小部２５を形成することもできる。

図２（ａ）に示す実施形態では、内芯コア２１の縮小部２５と非接触部２４の外周面の半径寸法差をＸとし、縮小部２５の巻線軸方向の長さをＹとして、Ｘ＞Ｙに設定している（以下、「実施例１」と称する）。この他、図３（ａ）に示すように、Ｘ＝Ｙとしてもよく（以下、「実施例２」と称する）、図４（ａ）に示すように、Ｘ＜Ｙとしてもよい（以下、「実施例３」と称する）。

次に、以上に述べた実施例１～３および比較例１，２について、磁束密度の分布を解析した結果を説明する。ここで比較例１は、図５（ａ）に示すように、内芯コア２１に縮小部２５を設けず、内芯コア２１をその軸方向全長にわたって同径寸法に形成し、その両端部に外殻コア２２のフランジ部２２ｂの内面２２０を接合したものである。また、比較例２は、図６（ａ）に示すように、中芯コア２１の巻線軸方向の両端部に、外径側に突出する円板状のフランジ部２１ａを設け、フランジ部２１ａの外周面に外殻コア２２に接合したものである。この場合、フランジ部２１ａの外周面が非接触部２４よりも大径の接触部２３を構成する。外殻コア２２は円筒状の側部２２ａだけで形成され、実施例１～３のようなフランジ部は有しない。

なお、実施例１～３および比較例１，２の内芯コア２１は、何れも軟磁性粉末としてアモルフォス系を使用し、これを圧縮成形後、焼鈍して製作される。焼鈍後の絶縁被膜はＡｌ₂Ｏ₃で形成されている。また、外殻コア２２は、同じ絶縁被膜付きアモルフォス系磁性粉末にＰＰＳを配合し、射出成形したものである。

図２（ｂ）、図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）に、実施例１～３、および比較例１，２における磁束密度のコンター図を示す。図２（ｂ）が実施例１、図３（ｂ）が実施例２、図４（ｂ）が実施例３、図５（ｂ）が比較例１、図６（ｂ）が比較例２に対応する。

図５（ｂ）に示す比較例１のコンター図によれば、コア２の隅部となる、内芯コア２１の接触部２３と外殻コア２２との接合部（符号Ａ）で磁束密度が局所的に高くなり、磁束密度の高い部分と低い部分の差が大きくなることが理解される。一方、図６（ｂ）に示す比較例２では、内芯コア２１の接触部２３と外殻コア２２との接合部における磁束の集中は、比較例１よりも緩和されているものの、内芯コア２１の磁束密度が極端に大きくなっている。そのため、依然として、磁束密度の高い部分と低い部分の差が大きく、磁束の分布がアンバランスになっている。

これに対し、図２（ｂ）、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示す実施例１～３では、内芯コア２１の接触部２３と外殻コア２２との接合部の磁束密度が比較例１よりも抑えられ、かつ内芯コア２１の磁束密度も比較例２より抑えられている。従って、磁束密度の高い部分と低い部分の差が小さくなり、コア内でバランス良く磁束が分布している。そのため、実施例１～３であれば、比較例１，２よりも直流重畳特性を向上させることが可能となる。

図７は、最大磁束密度の解析結果およびインダクタンス値の測定結果を表にまとめたものである。図７における「最大磁束密度」は、内芯コア２１に近いコア隅部（角部）での磁束密度の最大値を示す。比較例１の最大磁束密度を１として、比較例１に対する最大磁束密度の低減量が誤差の範囲（±１％未満）を評価「１」、１．０％以上１０％未満の範囲を評価「２」、１０％以上２０％未満の範囲を評価「３」、２０％以上３０％未満の範囲を評価「４」、３０％以上４０％未満の範囲を評価「５」、４０％以上５０％未満の範囲を評価「６」としている。また、「インダクタンス値」の欄は、直流重畳下のインダクタンス値を示す。比較例１のインダクタンス値を１として、その増加量が誤差の範囲（±１％未満）を評価「１」、１．０％以上１０％未満の範囲を評価「２」にしている。「総合判定」の欄は、「最大磁束密度」の評価と「インダクタンス値」の評価の和とした。

図７からも明らかなように、実施例１～３によれば、比較例１よりも最大磁束密度が低下し、直流重畳下のインダクタンス値も大きくなっている。また、比較例２との対比では、実施例１～３は、最大磁束密度が同等もしくは低下し、直流重畳下のインダクタンス値が大きくなっている。従って、実施例１～３であれば、実際に直流重畳特性が向上することが明らかになった。特に実施例１（Ｘ＞Ｙ：図２（ａ）参照）であれば、最も良好な結果を得ることも明らかになった。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。
図８は、内芯コア２１の縮小部２５（接触部２３）を、テーパ面状に形成したものである。この場合も、縮小部２５では、巻線軸方向と直交する方向の断面積が、非接触部２４の巻線軸方向と直交する方向の断面積よりも小さくなる。図９は、内芯コア２１の両端部に縮小部２５を設ける一方、外殻コア２２を縮小部２５と非接触部２４に跨る形で接合したものである。この場合、内芯コア２１の縮小部２５と、縮小部２５に隣接する、非接触部２４と同径寸法の部分が外殻コア２２に接触する接触部２３となる。図８および図９に示す何れの実施形態でも、実施例１～３と同様の効果を得ることができる。

また、以上の説明では、外殻コア２２が内芯コア２１の全周を覆う所謂ポット形コアを例に挙げたが、本実施形態の構成は、巻線軸方向に沿った断面においてコア２の半体が３本の脚部を有する形状であれば、同様に適用可能である。このような形態のコア２に該当するものとして、JIS C2560-1に定義されるＥＥ形、ＥＥＰ形、ＥＲ形、ＲＭ形等のコアを挙げることができる。

図１０は、ＥＥ形コアに本実施形態の構成を適用した場合を示す斜視図である（巻線３の図示は省略している）。図１０に示すように、このタイプのコア２では、外殻コア２２の側部２２ａが平板状に形成され、内芯コア２１の１８０°対向位置に外殻コア２２の側部２２ａが配置される。内芯コア２１の巻線軸方向の両端部に凸条をなす縮小部２５が形成され、この縮小部２５に外殻コア２２のフランジ部２２ｂの内面２２０が接触している。中芯コア２１は、図１０に示すように角筒状に形成する他、円筒状に形成することもできる。

１インダクタ
２コア
３巻線
２１内芯コア
２２外殻コア
２２ａ側部
２２ｂフランジ部
２３接触部
２４非接触部
２５縮小部

Claims

コアおよび巻線を備え、
前記コアが、前記巻線を外周に巻回した内芯コアと、前記内芯コアよりも低透磁率の磁性材料で形成され、かつ前記内芯コアの両端部に嵌合固定された外殻コアとを有し、
前記内芯コアが、前記外殻コアと接触した接触部と、前記外殻コアと接触しない非接触部とを備えるインダクタにおいて、
前記外殻コアが、絶縁被膜付き軟磁性粉末と熱可塑性樹脂とを含む材料で成形され、
前記接触部に、巻線軸方向と直交する方向の断面積が、前記非接触部の巻線軸方向と直交する方向の断面積よりも小さい縮小部を設け、
前記縮小部の、前記巻線軸方向と直交する方向で前記外殻コアと接触する面の全てが、前記非接触部の外周面より前記巻線軸への接近側に後退していることを特徴とするインダクタ。
前記縮小部を円筒面状に形成した請求項１に記載のインダクタ。
前記縮小部と非接触部の半径寸法の径差をＸとし、前記縮小部の巻線軸方向の長さをＹとして、Ｘ＞Ｙにした請求項２に記載のインダクタ。
前記縮小部をテーパ面状に形成した請求項１に記載のインダクタ。