JP7494045B2

JP7494045B2 - インダクタ部品

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Publication number: JP7494045B2
Application number: JP2020129857A
Authority: JP
Inventors: 朋史黒田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2024-06-03
Anticipated expiration: 2040-07-31
Also published as: JP2022026402A

Description

本発明はインダクタ部品に関し、特に、磁性コアに設けられた貫通孔に２つのコイル導体を挿入した構成を有するインダクタ部品に関する。

磁性コアに設けられた貫通孔に２つのコイル導体を挿入した構成を有するインダクタ部品としては、特許文献１に記載されたインダクタ部品が知られている。特許文献１に記載されたインダクタ部品は、貫通孔の周囲が周方向に分断されるよう磁性コアにスリットを設けることによって、２つのコイル導体の結合係数を低減させている。

特開２０１９－２１２８０６号公報

しかしながら、磁性コアにスリットを設けても結合係数をほぼゼロにすることは困難であるとともに、磁性コアにスリットを設けるとインダクタンス値が低下するという問題があった。しかも、インダクタンス値はスリットの幅によって大きく変化する一方、スリットの幅を精度良く加工することは容易ではないため、インダクタンス値にばらつきが生じやすいという問題もあった。

したがって、本発明は、磁性コアに設けられた貫通孔に２つのコイル導体を挿入した構成を有するインダクタ部品において、インダクタンス値を確保しつつ、結合係数をほぼゼロとすることを目的とする。

本発明によるインダクタ部品は、互いに直交する第１及び２の方向に延在する上面と下面を有し、上面から下面に亘って、第１及び第２の方向と直交する第３の方向に貫通する第１乃至第４の貫通孔が設けられた磁性コアと、第１及び第２の貫通孔に挿入された第１のコイル導体と、第３及び第４の貫通孔に挿入された第２のコイル導体とを備え、第１のコイル導体は、第１の貫通孔に挿入された第１の挿入部と、第２の貫通孔に挿入された第２の挿入部と、磁性コアの上面側に位置し第１及び第２の挿入部を接続する第１の接続部とを有し、第２のコイル導体は、第３の貫通孔に挿入された第３の挿入部と、第４の貫通孔に挿入された第４の挿入部と、磁性コアの上面側に位置し第３及び第４の挿入部を接続する第２の接続部とを有し、第１の接続部と第２の接続部は、磁性コアの上面において交差することを特徴とする。

本発明によれば、第１のコイル導体によって生じる磁束と第２のコイル導体によって生じる磁束が交差することから、磁性コアにスリットなどを設けることなく、第１のコイル導体と第２のコイル導体の結合係数をほぼゼロとすることが可能となる。

本発明において、第１乃至第４の貫通孔は第３の方向から見て正方形の角部にそれぞれ位置し、第１及び第２の貫通孔は正方形の一方の対角に位置する角部に位置し、第３及び第４の貫通孔は正方形の他方の対角に位置する角部に位置しても構わない。これによれば、第１のコイル導体によって生じる磁束と第２のコイル導体によって生じる磁束が直交することから、第１のコイル導体と第２のコイル導体の結合係数が実質的にゼロとなる。

本発明において、磁性コアは、第１及び２の方向に延在する複数の磁性薄帯が第３の方向に積層された構造を有し、複数の磁性薄帯のそれぞれは、網目状のクラックによって複数の小片に分割されていても構わない。これによれば、第３の方向に流れる磁束がほとんど生じないことから、渦電流の発生を防止することが可能となる。

本発明において、磁性薄帯はアモルファス合金又はナノ結晶合金からなるものであっても構わない。これによれば、より大きなインダクタンス値を得ることが可能となる。

本発明において、クラックの平均間隔は１５μｍ以上、１ｍｍ以下であっても構わない。これによれば、高いインダクタンス値を確保しつつ、磁気飽和を防止することが可能となる。

このように、本発明によれば、磁性コアに設けられた貫通孔に２つのコイル導体を挿入した構成を有するインダクタ部品において、インダクタンス値を確保しつつ、結合係数をほぼゼロとすることが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態によるインダクタ部品１の外観を示す略斜視図である。図２は、インダクタ部品１の略分解斜視図である。図３は、磁性コア２の内部に生じる磁束の向きについて説明するための模式図である。図４は、磁性コア２を構成する磁性薄帯Ｍの構造を説明するための図である。図５は、磁性コア２の作製方法を説明するための模式図である。図６は、インダクタ部品１を用いた第１の例によるＤＣＤＣコンバータ４１の回路図である。図７は、インダクタ部品１を用いた第２の例によるＤＣＤＣコンバータ４２の回路図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるインダクタ部品１の外観を示す略斜視図である。また、図２は、インダクタ部品１の略分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態によるインダクタ部品１は、４つの貫通孔３１～３４を有する磁性コア２と、貫通孔３１，３２に挿入されたコイル導体１０と、貫通孔３３，３４に挿入されたコイル導体２０とを備えている。磁性コア２の外形は略直方体形状である。貫通孔３１～３４のｘｙ断面は円形であり、磁性コア２をｚ方向に貫通して設けられている。磁性コア２は、ｘｙ方向に延在する複数の磁性薄帯が樹脂などの非磁性材料を介してｚ方向に積層された構成を有している。コイル導体１０，２０は、銅（Ｃｕ）などの良導体からなる。

コイル導体１０は、貫通孔３１に挿入された挿入部１１と、貫通孔３２に挿入された挿入部１２と、磁性コア２の上面２ａ側に位置し、挿入部１１，１２を接続する接続部１３からなり、これらが一体化された構造を有している。挿入部１１，１２のｘｙ断面は円形であり、電流方向に対して垂直な接続部１３の断面は略矩形であることが好ましいが、それぞれ楕円形、矩形などであってもよい。接続部１３は、ｚ方向における厚みが薄い平板状であることが好ましい。また、挿入部１１，１２と接続部１３の断面積は互いに一致することが好ましい。磁性コア２の下面２ｂ側に位置する挿入部１１，１２の先端１１ａ，１２ａは、磁性コア２の下面２ｂから突出し、一方が入力端子、他方が出力端子として用いられる。

コイル導体２０は、貫通孔３３に挿入された挿入部２１と、貫通孔３４に挿入された挿入部２２と、磁性コア２の上面２ａ側に位置し、挿入部２１，２２を接続する接続部２３からなり、これらが一体化された構造を有している。挿入部２１，２２のｘｙ断面は円形であり、電流方向に対して垂直な接続部２３の断面は略矩形であることが好ましいが、それぞれ楕円形、矩形などであってもよい。接続部２３は、ｚ方向における厚みが薄い平板状であることが好ましい。また、挿入部２１，２２と接続部２３の断面積は互いに一致することが好ましい。磁性コア２の下面２ｂ側に位置する挿入部２１，２２の先端２１ａ，２２ａは、磁性コア２の下面２ｂから突出し、一方が入力端子、他方が出力端子として用いられる。

図２に示すように、貫通孔３１，３３はｙ方向に配列されており、そのｘ方向位置は互いに一致している。同様に、貫通孔３２，３４はｙ方向に配列されており、そのｘ方向位置は互いに一致している。また、貫通孔３１，３４はｘ方向に配列されており、そのｙ方向位置は互いに一致している。同様に、貫通孔３３，３４はｘ方向に配列されており、そのｙ方向位置は互いに一致している。

ここで、磁性コア２のｙ方向における中心位置をｘ方向に延在する中心線Ｘ０を想定した場合、貫通孔３１，３３は中心線Ｘ０を対称軸として互いに線対称に配置され、貫通孔３２，３４は中心線Ｘ０を対称軸として互いに線対称に配置されている。一方、磁性コア２のｘ方向における中心位置をｙ方向に延在する中心線Ｙ０を想定した場合、貫通孔３１，３４は中心線Ｙ０を対称軸として互いに線対称に配置され、貫通孔３２，３３は中心線Ｙ０を対称軸として互いに線対称に配置されている。

さらに、ｚ方向から見た貫通孔３１～３４の中心点は、それぞれ正方形Ａの角部に位置する。そして、貫通孔３１，３２は正方形Ａの一方の対角に位置する角部に位置し、貫通孔３３，３４は正方形Ａの他方の対角に位置する角部に位置する。これにより、コイル導体１０の接続部１３とコイル導体２０の接続部２３は、磁性コア２の上面２ａにおいて交差することになる。但し、コイル導体１０とコイル導体２０の絶縁を確保する必要があることから、交差部分において短絡しないよう、コイル導体１０，２０の表面に絶縁被覆を設けるか、或いは、接続部１３と接続部２３の間に絶縁材料を介在させることが好ましい。

図３は、磁性コア２の内部に生じる磁束の向きについて説明するための模式図である。

図３に示すように、コイル導体１０，２０に電流が流れると、貫通孔３１～３４の周囲にはそれぞれ磁束φ１～φ４が生じる。ここで、コイル導体１０の挿入部１１，１２には互いに逆方向の電流が流れるため、磁束φ１の周回方向と磁束φ２の周回方向は互いに逆となる。同様に、コイル導体２０の挿入部２１，２２には互いに逆方向の電流が流れるため、磁束φ３の周回方向と磁束φ４の周回方向は互いに逆となる。このため、貫通孔３１と貫通孔３２の間に生じる磁束φ１，φ２の合成磁束φ１２は、貫通孔３１，３２の配列方向に対して直交する。つまり、貫通孔３３，３４の配列方向と一致する。同様に、貫通孔３３と貫通孔３４の間に生じる磁束φ３，φ４の合成磁束φ３４は、貫通孔３３，３４の配列方向に対して直交する。つまり、貫通孔３１，３２の配列方向と一致する。このように、合成磁束φ１２の向きと合成磁束φ３４の向きは互いに直交することになる。

このため、合成磁束φ１２と合成磁束φ３４の干渉は生じず、その結果、コイル導体１０とコイル導体２０の結合係数は実質的にゼロとなる。但し、本発明において、貫通孔３１～３４の中心点が正方形の角部に位置することは必須ではなく、接続部１３と接続部２３が交差するよう貫通孔３１～３４が配置されていれば足りる。しかしながら、コイル導体１０とコイル導体２０の結合係数をほぼゼロとするためには、合成磁束φ１２の向きと合成磁束φ３４の向きが直交するよう貫通孔３１～３４を配置することが好ましい。

図４は、磁性コア２を構成する磁性薄帯Ｍの構造を説明するための図である。

磁性コア２を構成する磁性薄帯Ｍは、アモルファス合金やナノ結晶合金などの高透磁率金属材料からなり、図４に示すように、網目状のクラックＣＬによって複数の小片Ｐに分割されている。クラックＣＬは、磁性薄帯Ｍのｘｙ平面方向における透磁率を低下させる役割を果たし、これによりインダクタ部品１の磁気飽和が防止される。インダクタ部品１をＤＣＤＣコンバータに用いる場合、クラックＣＬの平均間隔を１５μｍ以上、１ｍｍ以下とすることにより、磁性薄帯Ｍの透磁率を最適な値に調整することができる。

図５は、磁性コア２の作製方法を説明するための模式図である。

磁性コア２の作製においては、まず、樹脂などの非磁性材料Ｒを介して複数（例えば４枚）の磁性薄帯Ｍを積層し、プレスすることにより一体化された磁性シート３Ａを作製する。磁性薄帯Ｍの厚みは例えば２０μｍ程度であり、透磁率は例えば２００００程度である。次に、磁性シート３Ａをローラー６で押圧することにより、磁性シート３Ａを構成する磁性薄帯ＭにクラックＣＬを形成する。クラックＣＬの平均間隔や、クラックＣＬによって分割される小片Ｐのサイズについては、ローラー６の径、押圧力、押圧速度などによって調整可能である。これにより、クラックＣＬによって磁性薄帯Ｍが小片化された磁性シート３Ｂが得られる。磁性薄帯ＭがクラックＣＬによって小片化されると、その透磁率は、１００～２００程度に低下し、ＤＣＤＣコンバータに用いた場合に最適な値となる。

次に、カッター７を用いて磁性シート３Ｂを磁性コア２と同じ平面サイズに切断することによって、複数の単位磁性コア３を取り出す。そして、樹脂などの非磁性材料４を介して複数の単位磁性コア３を積層し、プレスすることにより、ブロック状の磁性コア２Ａが得られる。磁性コア２Ａの上面及び下面は、ＰＥＴ樹脂などからなるカバーフィルム５で覆っても構わない。そして、ドリル加工によって磁性コア２Ａに貫通孔３１～３４を形成すれば、図１及び図２に示す磁性コア２が完成する。最後に、貫通孔３１～３４にコイル導体１０，２０を挿入すれば、本実施形態によるインダクタ部品１が完成する。

このように、磁性コア２は、クラックＣＬによって小片化された磁性薄帯Ｍを積層した後、貫通孔３１～３４を挿入することによって作製することができる。つまり、ブロック状の磁性コア２Ａに対する機械加工は、貫通孔３１～３４を形成するための加工だけであり、磁路を分断するためのスリットなどを形成する必要がない。これにより、貫通孔３１～３４の周囲は、クラックＣＬよりも大きなスリットによって周方向に分断されることなく複数の小片Ｐによって全周が取り囲まれることから、スリットに起因するインダクタンス値の低下やインダクタンス値のばらつきが生じることがない。また、ｚ方向に隣接する磁性薄帯Ｍ間には非磁性材料Ｒ又は４が介在することから、ｚ方向に流れる磁束はほとんど発生しない。このため、ｚ方向の磁束に起因する渦電流がほとんど生じない。

図６は、インダクタ部品１を用いた第１の例によるＤＣＤＣコンバータ４１の回路図である。

図６に示すＤＣＤＣコンバータ４１は、一対の入力端子５１，５２と、一対の出力端子５３，５４と、入力端子５１と出力端子５３の間に直列にこの順に接続されたスイッチングトランジスタＳＷ１及びインダクタＬ１と、入力端子５１と出力端子５３の間に直列にこの順に接続されたスイッチングトランジスタＳＷ２及びインダクタＬ２と、出力端子５３，５４間に接続されたキャパシタＣ１とを備えている。スイッチングトランジスタＳＷ１とインダクタＬ１からなる回路と、スイッチングトランジスタＳＷ２とインダクタＬ２からなる回路は、入力端子５１と出力端子５３の間に並列に接続される。入力端子５２と出力端子５４はグランドラインを構成する。スイッチングトランジスタＳＷ１及びインダクタＬ１の接続点とグランドラインの間にはダイオードＤ１が逆方向に接続され、スイッチングトランジスタＳＷ２及びインダクタＬ２の接続点とグランドラインの間にはダイオードＤ２が逆方向に接続される。

スイッチングトランジスタＳＷ１，ＳＷ２は、図示しない制御回路によって交互にオンオフし、これにより、入力電圧Ｖｉｎを降圧した出力電圧Ｖｏｕｔが生成される。スイッチングトランジスタＳＷ１，ＳＷ２は、出力電圧Ｖｏｕｔが入力電圧Ｖｉｎの２０％以下となるよう制御することができる。

このような構成を有するＤＣＤＣコンバータ４１において、本実施形態によるインダクタ部品１がインダクタＬ１，Ｌ２として用いられる。例えば、コイル導体１０が一方のインダクタＬ１を構成し、コイル導体２０が他方のインダクタＬ２を構成する。これにより、ＤＣＤＣコンバータ４１を構成する部品点数を削減することが可能となる。

図７は、インダクタ部品１を用いた第２の例によるＤＣＤＣコンバータ４２の回路図である。

図７に示すＤＣＤＣコンバータ４２は、一対の入力端子５１，５２と、一対の出力端子５３，５４と、入力端子５１と中間端子５５の間に接続されたスイッチングトランジスタＳＷ１と、中間端子５５と出力端子５３の間に直列にこの順に接続されたキャパシタＣ２及びインダクタＬ１と、中間端子５５と出力端子５３の間に直列にこの順に接続されたスイッチングトランジスタＳＷ２及びインダクタＬ２と、出力端子５３，５４間に接続されたキャパシタＣ１とを備えている。キャパシタＣ２とインダクタＬ１からなる回路と、スイッチングトランジスタＳＷ２とインダクタＬ２からなる回路は、中間端子５５と出力端子５３の間に並列に接続される。入力端子５２と出力端子５４はグランドラインを構成する。キャパシタＣ２及びインダクタＬ１の接続点とグランドラインの間にはダイオードＤ１が逆方向に接続され、スイッチングトランジスタＳＷ２及びインダクタＬ２の接続点とグランドラインの間にはダイオードＤ２が逆方向に接続される。

このような構成を有するＤＣＤＣコンバータ４２において、本実施形態によるインダクタ部品１がインダクタＬ１，Ｌ２として用いられる。例えば、コイル導体１０が一方のインダクタＬ１を構成し、コイル導体２０が他方のインダクタＬ２を構成する。これにより、ＤＣＤＣコンバータ４２を構成する部品点数を削減することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１インダクタ部品
２，２Ａ磁性コア
２ａ磁性コアの上面
２ｂ磁性コアの下面
３単位磁性コア
３Ａ，３Ｂ磁性シート
４非磁性材料
５カバーフィルム
６ローラー
７カッター
１０，２０コイル導体
１１，１２，２１，２２挿入部
１１ａ，１２ａ，２１ａ，２２ａ挿入部の先端
１３，２３接続部
３１～３４貫通孔
４１，４２ＤＣＤＣコンバータ
５１，５２入力端子
５３，５４出力端子
５５中間端子
Ａ正方形
Ｃ１，Ｃ２キャパシタ
ＣＬクラック
Ｄ１，Ｄ２ダイオード
Ｌ１，Ｌ２インダクタ
Ｍ磁性薄帯
Ｐ小片
Ｒ非磁性材料
ＳＷ１，ＳＷ２スイッチングトランジスタ
φ１～φ４磁束
φ１２，φ３４合成磁束

Claims

互いに直交する第１及び２の方向に延在する上面と下面を有し、前記上面から前記下面に亘って、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向に貫通する第１乃至第４の貫通孔が設けられた磁性コアと、
前記第１及び第２の貫通孔に挿入された第１のコイル導体と、
前記第３及び第４の貫通孔に挿入された第２のコイル導体と、を備え、
前記第１のコイル導体は、前記第１の貫通孔に挿入され、一端が前記磁性コアの前記下面から突出する第１の挿入部と、前記第２の貫通孔に挿入され、一端が前記磁性コアの前記下面から突出する第２の挿入部と、前記磁性コアの前記上面側に位置し、前記第１及び第２の挿入部の他端同士を接続する第１の接続部とを有し、
前記第２のコイル導体は、前記第３の貫通孔に挿入され、一端が前記磁性コアの前記下面から突出する第３の挿入部と、前記第４の貫通孔に挿入され、一端が前記磁性コアの前記下面から突出する第４の挿入部と、前記磁性コアの前記上面側に位置し、前記第３及び第４の挿入部の他端同士を接続する第２の接続部とを有し、
前記第１の貫通孔には、前記第１のコイル導体の前記第１の挿入部とは異なる別の導体は挿入されておらず、
前記第２の貫通孔には、前記第１のコイル導体の前記第２の挿入部とは異なる別の導体は挿入されておらず、
前記第３の貫通孔には、前記第２のコイル導体の前記第３の挿入部とは異なる別の導体は挿入されておらず、
前記第４の貫通孔には、前記第２のコイル導体の前記第４の挿入部とは異なる別の導体は挿入されておらず、
前記第１、第２、第３及び第４の挿入部の断面はいずれも円形であり、
前記第１の接続部の電流方向に対して垂直な断面は、前記第３の方向における厚みが幅よりも薄い略矩形であり、
前記第２の接続部の電流方向に対して垂直な断面は、前記第３の方向における厚みが幅よりも薄い略矩形であり、
前記第１及び第２のコイル導体は、前記磁性コアの前記下面において交差することなく、前記第１のコイル導体の前記第１の接続部と前記第２のコイル導体の前記第２の接続部が前記磁性コアの前記上面において交差することを特徴とするインダクタ部品。
前記第３の方向から見て、前記第１乃至第４の貫通孔は正方形の角部にそれぞれ位置し、
前記第１及び第２の貫通孔は、前記正方形の一方の対角に位置する角部に位置し、
前記第３及び第４の貫通孔は、前記正方形の他方の対角に位置する角部に位置することを特徴と請求項１に記載のインダクタ部品。
前記磁性コアは、前記第１及び２の方向に延在する複数の磁性薄帯が前記第３の方向に積層された構造を有し、
前記複数の磁性薄帯のそれぞれは、網目状のクラックによって複数の小片に分割されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のインダクタ部品。
前記磁性薄帯がアモルファス合金又はナノ結晶合金からなることを特徴とする請求項３に記載のインダクタ部品。