WO2023157407A1 - インダクタ - Google Patents

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WO2023157407A1
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inductor
magnetic core
magnetic
shape
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洋一 西嶋
兼司 植野
秀典 植松
篤 財田
将太朗 須藤
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core
    • H01F17/06—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core with core substantially closed in itself, e.g. toroid
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
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    • H—ELECTRICITY
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/29—Terminals; Tapping arrangements for signal inductances

Definitions

  • the present disclosure relates to inductors used in various electronic devices.
  • a toroidal coil has been proposed in which a conductive wire is wound around a toroidal core made of ferrite (for example, Patent Document 1).
  • a dust type inductor in which a magnetic core is formed by embedding a coil element in a powder mixture of a binder made of a metal magnetic powder and a thermosetting resin and then press-molding the powder (for example, Patent Document 2).
  • the inductor includes a magnetic core formed by mixing a powdered magnetic material and a binder and press-molding it, and a coil element embedded in the magnetic core.
  • the coil element is wound to have a toroidal coil shape.
  • This inductor increases the initial inductance value and suppresses the decrease in the inductance value even when a large current flows.
  • FIG. 1 is a see-through perspective view of an inductor in one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the inductor in FIG. 1 along line II-II.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating a method of manufacturing an inductor according to one embodiment.
  • FIG. 3B is a diagram illustrating a method of manufacturing an inductor according to one embodiment.
  • FIG. 3C is a diagram illustrating a method of manufacturing an inductor according to one embodiment.
  • FIG. 3D is a diagram illustrating a method of manufacturing an inductor according to one embodiment.
  • FIG. 1 is a see-through perspective view of inductor 501 in one embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of inductor 501 taken along line II--II shown in FIG.
  • the inductor 501 includes a magnetic core 11 and a coil element 12 embedded in the magnetic core 11 .
  • the magnetic core 11 is formed by pressure-molding a composite magnetic material obtained by mixing a powdered metallic magnetic material made of an Fe--Si--Cr alloy and a binder.
  • a coil element 12 is embedded inside the magnetic core 11 , and an end portion of the coil element 12 protrudes and is exposed from the end surface of the magnetic core 11 , and is electrically and mechanically connected to an external electrode 13 provided on the end surface of the magnetic core 11 . It is
  • the outer shape of the magnetic core 11 has a rectangular parallelepiped shape of about 7 mm square and about 4 mm high.
  • a coil element 12 is embedded inside the magnetic core 11 and is made of a copper wire with a diameter of about 0.3 mm wound with an insulating coating.
  • the conductor wire of the coil element 12 is helically wound around the core portion 12a along the core portion 12a, which is a virtual region having a toroidal shape extending in the circumferential direction D12 surrounding the central axis 12p. It has a coil shape.
  • the inner diameter of the winding core portion 12a of the coil element 12 is approximately 2 mm.
  • a ferrite material 14 is arranged on a winding core portion 12a of a coil element 12 wound in a toroidal coil shape.
  • the ferrite material 14 is obtained by sintering ferrite powder, and has a C-shape obtained by partially cutting out a donut shape.
  • the shape of the ferrite material 14 is preferably C-shaped or U-shaped when viewed in the direction in which the central axis 12p extends. It is difficult to automate the helical winding of the conductive wire around the ring-shaped ferrite material. If the shape of the ferrite material 14 is C-shaped or U-shaped, the ferrite material 14 can be inserted into a coil made of a conductor wire wound in advance, and assembly can be facilitated.
  • the coil element 12 wound in the shape of a toroidal coil can increase the magnetic efficiency, and the ferrite material 14 with high initial magnetic permeability can increase the initial inductance value at low current.
  • a decrease in the inductance value can be reduced by the metallic magnetic material of the magnetic core 11 which is less likely to cause magnetic saturation.
  • a magnetic gap occurs in the portion where the ferrite material 14 is not connected, and the inductance value decreases. Since it is filled with the metal magnetic material that is the material of the magnetic core 11, it is possible to suppress a decrease in the inductance value.
  • the toroidal coil has little leakage of magnetic flux and can easily obtain high inductance, but when a large current flows, the ferrite toroidal core causes magnetic saturation and the inductance value deteriorates. In addition, it is difficult to automate the process of winding the conductive wire around the toroidal coil, resulting in high costs. On the other hand, the dust type inductor has better superposition characteristics than the toroidal coil, but it is still not sufficient, and it is difficult to increase the inductance value.
  • the inductor 501 according to the embodiment can suppress a decrease in the inductance value.
  • the volume of the ferrite material 14 is 90% or less of the volume of the core portion 12a of the coil element 12 wound in a toroidal coil shape. If the volume of the ferrite material 14 exceeds 90% of the volume of the winding core portion 12a, the ratio of the metallic magnetic material becomes small, and the inductance value tends to deteriorate at high current.
  • the ferrite material 14 on the outer side of the toroidal shape as shown in FIG. Since the distance between the conductors of the coil element 12 is narrower on the inner side than on the outer side of the toroidal shape, magnetic saturation is more likely to occur on the inner side than on the outer side of the toroidal shape of the winding core portion 12a. Therefore, by arranging the metal magnetic material on the inner side of the toroidal shape at a larger ratio than on the outer side, magnetic saturation is less likely to occur, and by arranging the ferrite material 14 on the outer side of the toroidal shape at a higher ratio, a high inductance value can be obtained. easier.
  • the coil element When a coil element wound in a toroidal coil shape is placed in a mold and compacted, the coil element is likely to be deformed under pressure. If the coil element is deformed, the inductance value will vary.
  • the ferrite material 14 serves as a support by carrying out compacting in a state in which the ferrite material 14 is placed on the winding core portion 12a of the coil element 12 wound in a toroidal shape according to the embodiment. Deformation of the coil element 12 can be suppressed, and the inductance value of the inductor 501 can be stabilized.
  • sintered ferrite powder is used as the ferrite material 14, but ferrite powder may be mixed with resin and hardened. A similar effect can be obtained even with a material hardened with a resin, as long as it can withstand the pressure of compaction molding.
  • ferrite material instead of this ferrite material, a C-shaped or U-shaped material obtained by mixing metal magnetic powder with resin and hardening it under compression may be used. By doing so, it is possible to obtain the inductor 501 with better superposition characteristics.
  • 3A to 3D are diagrams illustrating a method of manufacturing inductor 501.
  • FIG. 3A to 3D are diagrams illustrating a method of manufacturing inductor 501.
  • a copper wire with an insulating coating is wound around a winding core and then removed from the winding core to form a coil element 12 as shown in FIG. 3A.
  • a ferrite powder is mixed with a binder, molded, and sintered to form a C-shaped ferrite material 14 as shown in FIG. 3B.
  • the ferrite material 14 may be a mixture of ferrite powder mixed with resin and hardened. A similar effect can be obtained even if the resin is hardened, as long as it can withstand the pressure of compacting.
  • the ferrite material 14 is inserted into the winding core portion 12 a of the coil element 12 . Since the ferrite material 14 is C-shaped, the ferrite material 14 can be inserted into the winding core portion 12a of the coil element 12 from the empty portion of the annular shape. By inserting a C-shaped ferrite material 14 into the winding core portion 12a of the coil element 12, the coil element 12 is wound in a toroidal coil shape.
  • the process of winding the coil element 12 can be easily automated, and the assembling process can be simplified.
  • the coil element 12 in which the ferrite material 14 is inserted and the composite magnetic material obtained by mixing the powdered metal magnetic material made of Fe--Si--Cr alloy and the binder are placed in a mold and pressure-molded. to form the magnetic core 11 to obtain a compact as shown in FIG. 3C.
  • the magnetic core 11 is formed so that both ends of the coil element 12 are exposed on the end faces of the magnetic core 11 .
  • the external electrodes 13 are formed on the end surfaces of the magnetic core 11 where both ends of the coil element 12 are exposed, thereby obtaining an inductor 501 as shown in FIG. 3D.
  • the inductor according to the present disclosure is industrially useful because it has excellent superposition characteristics and can easily obtain a high inductance value.

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Abstract

インダクタは、粉末の磁性材料と結合剤とを混合して加圧成形した磁心と、磁心に埋設されたコイル素子とを備える。コイル素子はトロイダルコイル形状を有するように巻回されたものである。

Description

インダクタ
　本開示は、各種電子機器に用いられるインダクタに関する。
　近年電子機器の高性能化に伴い、インダクタへの要望も高インダクタンス、大電流化、重畳特性等多岐にわたっている。そのためフェライトからなるトロイダルコアに導線を巻き付けたトロイダルコイルが提案されている（例えば特許文献１）。また、コイル素子を金属磁性体粉末と熱硬化性樹脂からなる結合剤との混合粉に埋設して加圧成形することにより磁心を形成する圧粉型インダクタが提案されている（例えば特許文献２）。
特開２０１２－１２４３９６号公報 特開２０１０－８７２４０号公報
　インダクタは、粉末の磁性材料と結合剤とを混合して加圧成形した磁心と、磁心に埋設されたコイル素子とを備える。コイル素子はトロイダルコイル形状を有するように巻回されたものである。
　このインダクタは、初期インダクタンス値を大きくするとともに、大電流を流した時にもインダクタンス値の低下を抑えられる。
図１は本開示の一実施の形態におけるインダクタの透視斜視図である。 図２は図１におけるインダクタの線ＩＩ－ＩＩにける断面図である。 図３Ａは一実施の形態におけるインダクタの製造方法を説明する図である。 図３Ｂは一実施の形態におけるインダクタの製造方法を説明する図である。 図３Ｃは一実施の形態におけるインダクタの製造方法を説明する図である。 図３Ｄは一実施の形態におけるインダクタの製造方法を説明する図である。
　図１は本開示の一実施の形態におけるインダクタの５０１の透視斜視図である。図２は図１に示すインダクタ５０１の線ＩＩ－ＩＩにおける同断面図である。
　インダクタ５０１は、磁心１１と、磁心１１に埋設されたコイル素子１２とを備える。
　磁心１１は、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ合金からなる粉末の金属磁性材料と結合剤とを混合して得られた複合磁性材料を加圧成形して形成されたものである。磁心１１の内部にはコイル素子１２が埋設され、磁心１１の端面からコイル素子１２の端部が突出して露出しており、磁心１１の端面に設けられた外部電極１３と電気的機械的に接続されている。磁心１１の外形は、約７ｍｍ角で高さが約４ｍｍの直方体形状を有する。
　磁心１１の内部には、絶縁被覆が施されて巻回された直径約０．３ｍｍの銅線の導線よりなるコイル素子１２が埋設されている。コイル素子１２の導線は、中心軸１２ｐを囲む周方向Ｄ１２に延びるトロイダル形状を有する仮想的な領域である巻芯部分１２ａに沿って巻芯部分１２ａを中心にヘリカル状に巻回されておりトロイダルコイル形状を有する。コイル素子１２の巻芯部分１２ａの内径は約２ｍｍとなっている。トロイダルコイル形状に巻回されたコイル素子１２の巻芯部分１２ａにフェライト材１４が配置されている。フェライト材１４は、フェライト粉を焼結させたものであり、ドーナツ形状の一部を切り欠いたＣ字形状となっている。
　フェライト材１４の形状は中心軸１２ｐが延びる方向に見てＣ字形状もしくはＵ字形状とすることが望ましい。環状のフェライト材にヘリカルに導線を巻き付けるには自動化が難しくなる。フェライト材１４の形状をＣ字形状もしくはＵ字形状としておくと、あらかじめ巻回された導線よりなるコイルの中にフェライト材１４を挿入することができ、組み立てを容易なものにすることができる。
　以上のように、トロイダルコイル状に巻回されたコイル素子１２により磁気効率を高めるとともに、初期透磁率の高いフェライト材１４により低電流時の初期インダクタンス値を大きくすることができ、さらに大電流時にも磁気飽和を起こしにくい磁心１１の金属磁性材により、インダクタンス値の低下を少なくすることができる。またＣ字形状のフェライト材１４を用いたトロイダルコイルではフェライト材１４のつながっていない部分で磁気ギャップが生じインダクタンス値が下がるが、本開示の実施の形態では、フェライト材１４のつながっていない部分は磁心１１の材料である金属磁性体で満たされているため、インダクタンス値の低下を抑制することができる。
　トロイダルコイルは磁束の漏れが少なく高インダクタンスは得られやすいが、大電流が流れた場合フェライト製のトロイダルコアが磁気飽和を起こし、インダクタンス値が劣化するという重畳特性に問題が出てくる。またトロイダルコイルに導線を巻き付ける工程が自動化しにくく、コスト高になる。一方、圧粉型インダクタでは、重畳特性はトロイダルコイルに比べて良くなるが、それでも十分とは言えず、またインダクタンス値も大きくすることが難しい。
　実施の形態におけるインダクタ５０１では、上述のように、インダクタンス値の低下を抑制することができる。
　フェライト材１４の体積を、トロイダルコイル状に巻回されたコイル素子１２の巻芯部分１２ａの体積の９０％以下とすることが望ましい。フェライト材１４の体積が巻芯部分１２ａの体積の９０％よりも大きくなると、金属磁性材料の割合が小さくなり、大電流時にインダクタンス値が劣化しやすくなる。
　またフェライト材１４は、図２のようにトロイダル状の外側の方に配置することが望ましい。トロイダル状の外側より、内側の方がコイル素子１２の導線の間隔が狭くなるため、巻芯部分１２ａのトロイダル形状での外側に比べて内側の方が磁気飽和を起こしやすい。そのためトロイダル形状の内側の方に金属磁性体を外側より大きな割合で配置して磁気飽和を起こしにくくし、トロイダル形状の外側の方にフェライト材１４を大きな割合で配置することにより高いインダクタンス値が得やすくなる。
　通常トロイダルコイル状に巻回したコイル素子を金型に入れて圧粉成形を行うと、コイル素子が圧力を受けて変形しやすくなる。コイル素子が変形するとインダクタンス値にばらつきが生じてしまう。これに対して一実施の形態におけるトロイダル形状に巻回されたコイル素子１２の巻芯部分１２ａにフェライト材１４を配置した状態で圧粉成形を行うことにより、フェライト材１４が支えとなって、コイル素子１２の変形を抑制することができ、インダクタ５０１のインダクタンス値を安定させることができる。
　なお上記実施の形態では、フェライト材１４にフェライト粉を焼結したものを用いているが、フェライト粉に樹脂を混合して硬化したものであっても良い。樹脂で硬化した材料であっても圧粉成形の圧力に耐えられるものであれば、同様の効果を得ることができる。
　またこのフェライト材の代わりに金属磁性粉を樹脂と混合して圧縮硬化させＣ字形状もしくはＵ字形状にしたものを用いても良い。このようにすることにより、より重畳特性に優れたインダクタ５０１を得ることができる。
　次に本発明の一実施の形態におけるインダクタの製造方法について説明する。図３Ａから図３Ｄはインダクタ５０１の製造方法を説明する図である。
　まず絶縁被覆が施された銅線を巻芯に巻き付けたあと巻芯から外して図３Ａのようなコイル素子１２を形成する。一方フェライト粉にバインダを混ぜて成形し、これを焼結することにより、図３ＢのようなＣ字形状のフェライト材１４を作成する。なおフェライト材１４はフェライト粉に樹脂を混合して硬化したものであっても良い。樹脂で硬化したものであっても圧粉成形の圧力に耐えられるものであれば、同様の効果を得ることができる。
　次にコイル素子１２の巻芯部分１２ａにフェライト材１４を挿入する。フェライト材１４がＣ字形状となっているため、環形状のうちの空いている部分からコイル素子１２の巻芯部分１２ａにフェライト材１４を挿入することができる。コイル素子１２の巻芯部分１２ａにＣ字形状のフェライト材１４を挿入することにより、コイル素子１２はトロイダルコイル状に巻回されたものとなっている。以上のような工法を用いることによりコイル素子１２の巻回の工程を自動化しやすくなり、組み立て工程の簡略化を行うことができる。
　次にフェライト材１４を挿入したコイル素子１２とＦｅ－Ｓｉ－Ｃｒ合金からなる粉末の金属磁性材料と結合剤とを混合して得られた複合磁性材料とを金型に入れ加圧成形することにより磁心１１を形成し、図３Ｃのような成形体を得る。このときコイル素子１２の両端部は磁心１１の端面に露出するようにして磁心１１を成形する。磁心１１を加熱硬化させた後、コイル素子１２の両端部が露出した磁心１１の端面に外部電極１３を形成して図３Ｄのようなインダクタ５０１を得ることができる。
　本開示に係るインダクタは、重畳特性に優れ、高インダクタンス値を得やすいインダクタを得ることができ、産業上有用である。
１１　　磁心
１２　　コイル素子
１２ａ　　巻芯部分
１３　　外部電極
１４　　フェライト材

Claims (4)

  1. 粉末の磁性材料と結合剤とを混合して加圧成形した磁心と、
    前記磁心に埋設され、かつ、前記磁心の端面から露出する端部を有するコイル素子と、
    前記コイル素子の前記端部に電気的機械的に接続された外部電極と、
    を備え、
    前記コイル素子はトロイダルコイル形状を有するように巻回されたものであるインダクタ。
  2. 前記コイル素子は、中心軸を囲む周方向に延びるトロイダル形状の巻芯部分を中心にヘリカルに巻回されており、
    前記インダクタは、前記磁心の前記巻芯部分に配置されたフェライト材をさらに備えた、請求項１に記載のインダクタ。
  3. 前記フェライト材は前記中心軸が延びる方向に見てＣ字形状もしくはＵ字形状を有する、請求項２に記載のインダクタ。
  4. 前記フェライト材の体積は、前記巻芯部分の体積の９０％以下である、請求項２に記載のインダクタ。
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