JPWO2016013062A1 - 複合磁路インダクタ - Google Patents

Abstract

磁心及びコイルを含む複合磁路インダクタに関するものである。磁心は、環状の第１の磁心と、第１の磁心内に位置する第２の磁心とを有し、第２の磁心の両端面は、第１の磁心の内側壁の対応する位置の接続面にそれぞれ接続され、第２の磁心周辺にコイルが巻かれる。第２の磁心の透磁率は、第１の磁心の透磁率よりも大きく、かつ第２の磁心の透磁率は５０Ｈ／ｍ以上であるとよい。第１の磁心の透磁率は４０〜１００Ｈ／ｍであるとよい。

Description

本発明は、インダクタ、特に複合磁路インダクタに関するものである。

インダクタは、回路中の基本素子の一つである。通常のインダクタは、コイルを巻いてなるものであるが、インダクタンス量を増加し、コイルの品質要素を向上させるため、コイルは磁心上に巻かれ、磁心の材料がインダクタの性能に重要な影響を及ぼしている。数多くの材料のうち、磁心材によく用いられるのはフェライト材で、フェライト材は高い透磁率を有することから、大きなインダクタンスを作るのに有効である。しかしながら、フェライト材は、磁気飽和しやすいという望ましくない特性をも有しているので、この欠点を解消するために、より大きなサイズの磁心を使用することが解決方法の一つとされていたが、これではインダクタのコストが増大し、回路基板上にインダクタを取り付ける上でも支障があった。もう一つの解決方法は、フェライト材にエアギャップを開けることであるが、磁心の飽和を防止するために、ギャップ寸法を大きくする必要があるが、手作業でギャップを設けるとギャップ寸法にバラつきがあり、インダクタの損失等の性能指標も低下していた。

例えば特許文献１に示す技術では、磁心の材料すべてにフェライト材を用いていた。この場合、大きな磁心を製作するには適しているが、形状が大型化してしまう問題があった。

特許文献１：特開２０１４−１３２６０２

本発明は、複合磁路インダクタを提供するもので、選別された磁心材を導入することで、単にフェライト材を使用することから引き起こされる課題を解消するものである。

発明を解決するための手段

本発明が上記の技術的課題を解決するために採用する技術的解決手段とは、磁心及びコイルを含む複合磁路インダクタを作ることである。前記磁心は、環状の第１の磁心と、当該第１の磁心内に位置する第２の磁心とを有し、前記第２の磁心の両端面は、前記第１の磁心の内側壁の対応する位置の接続面にそれぞれ接続され、前記第２の磁心周辺にコイルが巻かれる。前記第２の磁心周辺にコイルが巻かれる複合磁路インダクタにおいて、前記第２の磁心の透磁率は、前記第１の磁心の透磁率よりも大きく、かつ前記第２の磁心の透磁率は、５０Ｈ／ｍ以上である。

本発明の一実施例において、前記第１の磁心の透磁率は、４０〜１００Ｈ／ｍである。

本発明の一実施例において、前記第２の磁心に略平行な方向の幅と、前記第１の磁心の前記第２の磁心に垂直な方向の長さとの比が１．２以上である。

本発明の一実施例において、前記第１の磁心の前記接続面が、前記第１の磁心の内側壁と同一平面となっている。

本発明の一実施例において、前記第１の磁心の前記接続面は、前記第１の磁心の内側壁から突き出ている。

本発明の一実施例において、前記第１の磁心の前記接続面は、前記第１の磁心の内側壁から内に凹んでいる。

本発明の一実施例において、前記第２の磁心の少なくとも一端面と前記第１の磁心の前記接続面との間に幅が０．５ｍｍ以下のギャップを有することを特徴とする。

本発明の一実施例において、前記第２の磁心はギャップを備える。

本発明の一実施例において、前記ギャップは接着剤により形成される。

本発明の一実施例において、前記ギャップは絶縁材により形成される。

本発明の一実施例において、前記第１の磁心が金属軟磁性粉末からなる磁心であり、前記第２の磁心がフェライトからなる磁心である。

本発明の一実施例において、前記第１の磁心および前記第２の磁心が金属軟磁性粉末からなる磁心である。

本発明の一実施例において、前記金属軟磁性粉末が、Ｆｅ粉、ＦｅＳｉＡｌ粉、ＦｅＳｉ混合粉又は鉄基アモルファス粉のいずれかである。

本発明の一実施例において、前記コイルは、銅線、銅被覆アルミニウム線又はアルミニウム線で巻かれてなる。

本発明の複合磁路インダクタは、フェライト磁心と金属軟磁性粉末磁心とを同時に備える。フェライト磁心と比べて、金属軟磁性粉末からなる磁心の内部には多くの微小なエアギャップを有するため、磁心がより飽和しにくくなっている。このように、金属軟磁性粉末磁心であれば、フェライト磁心のように大きな体積を有することも必要でなくなり、また、大きすぎるギャップによって性能が低下することもない。そのため、本発明のインダクタは、サイズ及びコストを抑えられるとともに性能も保障される。

本発明の上記の目的、特徴及び利点をより明らかにして分かりやすくするため、以下、図面と関連させつつ本発明の具体的な実施態様について詳細に説明する。
本発明の第１の実施例における複合磁路インダクタの構造略図である。 図１に示す実施例における複合磁路インダクタの磁路を示すものである。 本発明の第２の実施例における複合磁路インダクタの構造略図である。 本発明の第３の実施例における複合磁路インダクタの構造略図である。 本発明の第４の実施例における複合磁路インダクタの構造略図である。 第１の実施形態において、ＤＣバイアス電流を流した場合のインダクタンスの値を示すグラフである。 第１の実施形態において、比Ｌ／Ｗを変化させた場合におけるＤＣバイアス電流を流した場合のインダクタンスの値を示すグラフである。

［構成］
図１は、本発明の第１の実施例における複合磁路インダクタの構造略図である。図１の示すところを参照すれば、本実施例におけるインダクタ１０は、「Ｏ」や「口」の字型構造をしている。インダクタ１０の磁心は、外側にある環状の第１の磁心１１と、その内部にある棒状の第２の磁心１２とを有する。第２の磁心１２の長さは、丁度、第１の磁心１１の内部幅とすることができる。このようにして、第２の磁心１２の両端面１２ａと第１の磁心１１の内側壁の対応する位置の接続面１１ａとが接触している。本実施例において、第１の磁心１１の接続面１１ａと前記第１の磁心１１の内側壁とは同一平面になっている。また第１の磁心１１は、分割された磁心を組合わせた磁心ではなく、一体成形された磁心であるとよい。一体成形された磁心を用いることで、磁路における磁心と磁心の間の微小ギャップが形成されることがなくなり、ギャップで発生する漏れ磁束による損失を抑制することができる。

上記では、第２の磁心は、フェライト磁心を用いたが、第２の磁心に、第１の磁心と透磁率が異なる金属軟磁性粉末を用いることもできる。その場合、第２の磁心は、第１の磁心よりも透磁率が高い材料を用いるとよい。例えば、第１の磁心に、透磁率が４０〜１００Ｈ／ｍとなる磁心を用い、第２の磁心に、透磁率が５０Ｈ／ｍ以上かつ第１の磁心よりも透磁率が高い磁心を用いることができる。この場合、第１の磁心に、２種類のＦｅＳｉ粉を混合した混合粉やＦｅＳｉＡｌ粉を用い、第２の磁心にＦｅＳｉＡｌ粉を用いることもできる。例えば、第１の磁心に透磁率が約１００Ｈ／ｍのＦｅＳｉ粉からなる磁心を使用し、第２の磁心に透磁率が約１６００Ｈ／ｍのフェライトを用いてもよい。また、第１の磁心に透磁率が約１００Ｈ／ｍのＦｅＳｉ粉からなる磁心を使用し、第２の磁心に透磁率が約１５０Ｈ／ｍのＦｅＳｉＡｌ粉からなる磁心を用いてインダクタを構成してもよい。なお、第１の磁心の透磁率は、４０〜１００Ｈ／ｍが好ましいが、５００Ｈ／ｍ以下までの透磁率の磁心を用いても同様の効果が得られると考えられる。なお、本発明における透磁率は、初透磁率のことを示している。

第２の磁心１２は、第１の磁心１１の中央に丁度位置していてもよく、いくらか外れていてもよい。第２の磁心１２の周辺にコイル１３が巻かれる。

第２の磁心１２と第１の磁心１１との間は、例えば、少量の接着剤のような様々な固定方法により接続することができる。接着剤はギャップを生じ得るが、これはインダクタの性能に影響を及ぼさない。応用に応じて、ギャップは望ましいものともなり得る。

本実施例において、インダクタ１１における、第２の磁心１２に平行な方向（図中での平行方向）を幅Ｗと、第１の磁心１１を設けた第２の磁心１２に垂直な方向（図中での垂直方向）を長さＬとすれば、Ｌ／Ｗは１．２以上であると良い。

本発明の実施例において、金属軟磁性粉末は、Ｆｅ粉、ＦｅＳｉＡｌ粉、ＦｅＳｉ混合粉又は鉄基アモルファス粉とすることができる。プレスする方法により金属軟磁性粉末で第１の磁心１１を形成する。

図２は、図１に示す実施例における複合磁路インダクタの磁路を示すものである。図２の示すところを参照すると、棒状の第２の磁心１２は、その周辺に巻かれるコイル１３に図中の破線で示すような集中した磁路を提供しており、これと環状の第１の磁心１１とで２つの複合型磁束回路を形成して並列を実現する。

フェライト磁心と比べて、金属軟磁性粉末からなる磁心の内部には多くの微小なエアギャップを有するため、磁心がより飽和しにくくなっている。このように、金属軟磁性粉末磁心を本実施例における第１の磁心１１とすれば、フェライト磁心のように大きな体積を有することも必要でなくなり、また、大きすぎるギャップによって性能が低下することもない。そのため、本実施例におけるインダクタは、サイズ及びコストを抑えられるとともに性能も保障される。

図３は、本発明の第２の実施例における複合磁路インダクタの構造略図である。第１の実施例と比べて、本実施例におけるインダクタ２０にも、同様に第１の磁心２１と、第２の磁心２２と、図に示されていないコイルとが含まれる。第１の磁心２１の接続面２１ａは、第１の磁心の内側壁から突き出ている。また、第２の磁心２２の長さが第１の磁心２１の内部幅よりやや短くなっていることによって、第２の磁心２２の両端面２２ａと対応する接続面２１ａとの間にギャップ２４が形成される。このギャップは、接着剤又はその他の絶縁材により形成することができる。一実施例において、各ギャップの幅は０．５ｍｍ以下である。該ギャップは、エアギャップで構成してもよいし、シート状の絶縁材などで構成してもよい。

ギャップを導入することのメリットは、フェライト材の第２の磁心２２の飽和を防止できることである。

図４は、本発明の第３の実施例における複合磁路インダクタの構造略図である。第１の実施例と比べて、本実施例におけるインダクタ３０にも、同様に第１の磁心３１と、第２の磁心３２と、図に示されていないコイルとが含まれる。異なるのは、第１の磁心３１の接続面３１ａが第１の磁心の内側壁から内に凹んでいる点である。また、第２の磁心３２の長さが第１の磁心３１の内部幅よりやや短くなっていることによって、第２の磁心３２の両端面３２ａと対応する接続面３１ａとの間にギャップ３４が形成される。このギャップは、接着剤又はその他の絶縁材により形成することができる。一実施例において、各ギャップの幅は０．５ｍｍ未満である。該ギャップは、エアギャップで構成してもよいし、シート状の絶縁材などで構成してもよい。

上記の第２及び第３の実施例において、ギャップの数はいずれも２つとなっていて、すなわち、第２の磁心の両端面と対応する接続面との間にはいずれもギャップがあるようになっているが、ギャップは、第２の磁心のうち一方の端面と対応する接続面との間にのみあればよいことも理解することができる。この場合のギャップの幅は１ｍｍ未満であればよい。該ギャップは、エアギャップで構成してもよいし、シート状の絶縁材などで構成してもよい。

図５は、本発明の第４の実施例における複合磁路インダクタの構造略図である。第１の実施例と比べて、本実施例におけるインダクタ４０も同様に第１の磁心４１と、第２の磁心４２と、図に示されていないコイルとを有する。異なるのは、第２の磁心４２が２つのギャップ４２ａ、４２ｂを備える点である。このギャップは、接着剤又はその他の絶縁材により形成することができる。ただ、第２の磁心に備えるギャップは、２つに限らず、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。該ギャップは、エアギャップで構成してもよいし、シート状の絶縁材などで構成してもよい。

図６は、第１の実施例における複合磁路インダクタに、直流バイアス電流を流した場合において得られる直流重畳特性を示す図である。電流の周波数は２０ｋＨｚとし、１Ｖの電圧を印加した。図６から明らかなように、フェライトだけで構成したインダクタと比較して、第１の磁心に金属軟磁性粉末からなる磁心を使用し、第２の磁心に、第１の磁心よりも透磁率が高い金属軟磁性粉末またはフェライトを使用したインダクタは、電流値が高い場合でも、高い直流重畳特性を得ることができ、高磁界において直流重畳特性を向上させることができると考えられる。また、第２の磁心にフェライトを使用した場合と比べて、第２の磁心に金属軟磁性粉末から成る磁心を使用した場合の方が、高電流値での直流重畳特性が良いことが確認できた。

図７は、第１の実施例における複合磁路インダクタにおいて、比Ｌ／Ｗを変更させて、直流バイアス電流を流した場合において得られる直流重畳特性を示す図である。周波数と電圧は図６と同様である。図７から明らかなように、第１の磁心に金属軟磁性粉末を使用し、第２の磁心にフェライトを使用したインダクタにおいて、Ｌ／Ｗが１．０の時よりも、１．２の方が、高電流値において、高い直流重畳特性を得られることが確認できた。またＬ／Ｗを１．８とした場合には、さらに高い直流重畳特性を得られることが確認できた。

本発明の上記の各実施例において、コイルは、銅線、銅被覆アルミニウム線又はアルミニウム線で巻かれてなることができる。そのうち、アルミニウム線は価格が低廉で、さらに、本発明において使用してもなおインダクタの性能上の要求を満たしている。そのため、アルミニウム線を使用すればさらに一層コストを低減することができる。

［効果］
本発明において、第２の磁心に第１の磁心よりも透磁率が高い磁心を使用することによって、磁束を第２の磁心に巻き回されたコイル内部に集中しやすくさせることができ、より直流重畳特性を向上させることができる。また、インダクタの磁心を構成する磁路長を極力短くすることによって、より大きな直流重畳特性を得ることができる。また、第２の磁心に、第１の磁心よりも透磁率が高い磁心を使用したインダクタにおいて、透磁率が高い第２の磁心の長さを短くすることで幅Ｗを小さくし、比Ｌ／Ｗを大きくすることで、直流重畳特性を向上させることができると考えられる。

ギャップ寸法は、大きければ大きくなるほど、漏れ磁束により特性が悪化することが考えられる。漏れ磁束を極力無くすために、第１の磁心と第２の磁心間のギャップも、極力無い方が好ましい。そのようにすることで、特性を向上させることができる。第１の磁心と第２の磁心との間にギャップを設ける場合は、極力微小な寸法とすることが好ましい。ただギャップ寸法が小さすぎると、磁心の製造上の交差により、磁心の組立が困難になる可能性が考えられる。そのため、ギャップ寸法は、０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。

本発明については、以上の具体的な実施例を参照して記載しているが、当技術分野における通常の技術者にとって、以上の実施例は本発明を説明するためのものであるにすぎず、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて様々な同等の変更又は置換をすることができることも認識されるべきものである。従って、本発明の実質的な趣旨の範囲内で上記の実施例についてなされる変更、変形であれば、すべて本願の特許請求の範囲に含まれるものである。

他の実施形態

第２の磁心は、１つに限らず、２つ以上であってもよい。また第２の磁心は、断面が正方形や長方形などの形状に限らず、多角形、正円、楕円などの形状であってもよい。第２の磁芯の断面を、多角形や円とすることで、コイルをより磁心の外周に沿った形で巻き回すことができる。また形状は棒状に限らず、円形や円形の中心に開口を有する形状の磁心を用いてもよい。

第１の磁心は、１つに限らず、２つ以上であってもよい。環状の磁心を、複数張り合わせた形状であってもよい。このようにすることで、磁心を仕様に合わせて決められた形状になるように張り合わせることで、その形状に見合った金型をわざわざ生産する必要がなくなる。

１０、２０、３０、４０・・・インダクタ、
１１、２１、３１、４１・・・第１の磁心
１２、２２、３２、４２・・・第２の磁心
１３・・・コイル

Claims (14)

1. 磁心及びコイルを含み、
   前記磁心は、環状の第１の磁心と、当該第１の磁心内に位置する第２の磁心とを有し、
   前記第２の磁心の両端面が、前記第１の磁心の内側壁の対応する位置の接続面にそれぞれ接続され、
   前記第２の磁心周辺に前記コイルが巻かれる複合磁路インダクタにおいて、
   前記第２の磁心の透磁率は、前記第１の磁心の透磁率よりも大きく、かつ前記第２の磁心の透磁率は、５０Ｈ／ｍ以上であることを特徴とする複合磁路インダクタ。
2. 前記第１の磁心の透磁率は、４０〜１００Ｈ／ｍであることを特徴とする請求項１に記載の複合磁路インダクタ。
3. 前記第２の磁心に略平行な方向の幅と、前記第１の磁心の前記第２の磁心に垂直な方向の長さとの比が１．２以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複合磁路インダクタ。
4. 前記第１の磁心の接続面が、前記第１の磁心の内側壁と同一平面となっていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の複合磁路インダクタ。
5. 前記第１の磁心の接続面が、前記第１の磁心の内側壁から突き出ていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の複合磁路インダクタ。
6. 前記第１の磁心の接続面が、前記第１の磁心の内側壁から内に凹んでいることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の複合磁路インダクタ。
7. 前記第２の磁心の少なくとも一端面と前記第１の磁心の前記接続面との間に、幅が０．５ｍｍ以下のギャップを有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の複合磁路インダクタ。
8. 前記第２の磁心がギャップを備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の複合磁路インダクタ。
9. 前記ギャップが接着剤により形成されることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の複合磁路インダクタ。
10. 前記ギャップが絶縁材により形成されることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の複合磁路インダクタ。
11. 前記第１の磁心が金属軟磁性粉末からなる磁心であり、前記第２の磁心がフェライトからなる磁心であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の複合磁路インダクタ。
12. 前記第１の磁心および前記第２の磁心が金属軟磁性粉末からなる磁心であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の複合磁路インダクタ。
13. 前記金属軟磁性粉末が、Ｆｅ粉、ＦｅＳｉＡｌ粉、ＦｅＳｉ混合粉又は鉄基アモルファス粉のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の複合磁路インダクタ。
14. 前記コイルが銅線、銅被覆アルミニウム線又はアルミニウム線で巻かれてなることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の複合磁路インダクタ。
    

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