JP4544224B2 - コイル部品 - Google Patents

Description

本発明はコイル部品に関し、低抵抗かつ大電流の要求特性を満足するコイル部品に関する。

従来、電気回路内にはその回路の特性を変化させるために、ドラムコアと外周コアとを備えており、ドラムコアに導線が巻回されたチョークコイルからなるコイル部品が配置されている。このコイル部品では、所望の特性、例えば磁気飽和特性を得るために、磁路を形成するドラムコアと外周コアとの間に所定の隙間（ギャップ）を形成する必要がある。このギャップを形成するため、特許文献１に示されるように、大径の鍔部と小径の鍔部とそれらを接続する巻芯部とを有するドラムコアと、小径の鍔部と巻芯部とを収容する円柱状の空間を有する外周コアとを備えたコイル部品が提案されている。このようなコイル部品では、大径の鍔部の巻芯部側の面と、外周コアの対向する面との間に隙間を設けるように構成されている。
特開平１０−３２１４４６号公報

しかし、従来のコイル部品では、外周コアとドラムコアとの間の隙間は、両者を接続固定するための接着剤または、両者間から引き出される導線の厚みに依存するため、隙間の制御が適切に行われないことがあった。このため、微少電流領域でインダクタンス値Ｌが上昇し、電気回路に含まれる電源回路ＩＣの応答速度が遅くなり、電源回路の電圧変換効率が悪くなる場合があった。そうするとロスが発生するために、回路に接続されているバッテリーの寿命が低下する問題が発生していた。そこで本発明は、微少電流領域でもインダクタンス値の変化が少なく定量的に安定しているとともに、低抵抗かつ小型のコイル部品を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、柱状に構成された巻芯部と、巻芯部の中心軸の軸方向両端で巻芯部に設けられた一対の鍔部とを有し、マンガン系材料で形成されたドラムコアと、巻芯部に巻回された絶縁被覆導線と、ドラムコアの外周を囲むように間隙を隔てて配置された複数の分割コアと、ドラムコアと分割コアとの間の所定部分に設けられ、電気絶縁性を有する非磁性層と、分割コアの間隙部分に配置され、絶縁被覆導線が電気的に接続される継線部と、を有するコイル部品を提供する。このコイル部品においては、一対の鍔部は、中心軸の軸回りに形成された外周面を有し、複数の分割コアは、それぞれの外周面と対峙する内周面をそれぞれ有し、非磁性層は、巻芯部を除いて、一対の鍔部の外周面の全周に亘ると共に外周面と分割コアの内周面との間に設けられている。また、絶縁被覆導線は、巻芯部に直接巻回されている。

このような構成によれば、ドラムコアがフェライト材料の中でも比較的透磁率の高いマンガン系材料で形成されており、所定のインダクタンス特性を得るために必要なドラムコアの径が他の材料の場合に比べて小さくてよい。また、非磁性層が、巻芯部を除いて、一対の鍔部の外周面の全周に亘ると共に、外周面と分割コアの内周面との間に設けられている。このため、巻線を巻回するための空間を大きくとることが可能となり、巻線長が同じなら巻回数を大きくすることができ、巻回数が同じなら巻線長を短くすることができる。また非磁性層の形成をより簡単に行うことができる。よって同じインダクタンス値を実現した際に抵抗を低く抑制することが可能になる。また、同じインダクタンス値であっても、より太い巻線を使用して抵抗を低減することもできる。

ドラムコアと分割コアとの間の所定部分には、非磁性層による磁気的ギャップが形成されており、磁気飽和が発生する時期を遅らせることができる。よって磁気飽和によって発生するインダクタンス値の低下を抑制することができ、微少電流領域から電流が増加した場合にインダクタンス値の変化が少なくなる。さらに、継線部が分割コアの間隙部分に配置されており、コイル部品全体の大きさを、分割コアの外形内に抑えることが可能である。

上記コイル部品において、一対の鍔部は、中心軸方向においてドラムコアの一端と他端とに位置する端面を有し、その端面の少なくとも片側には、非磁性層が設けられていることが好ましい。

このように構成すると、非磁性層が設けられた側を回路基板側にしてコイル部品を実装すれば、非磁性層がコイル部品と基板との間の電気的な絶縁を確実にする。

本発明によれば、微少電流領域からより大きな電流領域に亘ってインダクタンス値が安定し、低抵抗で小型のコイル部品を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態に係るコイル部品について、図１から図４に基づいて説明する。図１に示すようにコイル部品１は、その外形が約３ｍｍ四方であり、プリント基板等にリフローハンダ付で面実装された上で、携帯電話やハードディスク装置等の電子機器の電源回路に適用され、例えば２５０ＫＨｚ〜２ＭＨｚのスイッチング周波数で好適に使用される。

コイル部品１は、図１に示すように、ドラムコア２と外周コア３とから主に構成され、ドラムコア２には、後述の巻芯部２３（図２）に巻線７が巻回されており、外周コア３には後述の第一電極６１、第二電極６２が設けられている。

ドラムコア２はマンガンを含む磁気材料、例えばＭｎ−Ｚｎ系フェライトを基材として、図２に示すように、略円柱状の巻芯部２３と、巻芯部２３の中心軸方向両端に同軸に設けられた第一鍔部２１及び第二鍔部２２とから構成されている。第一鍔部２１及び第二鍔部２２はそれぞれ略同形状の円板状に構成されており、その円板の外周位置にそれぞれ鍔部対峙面となる外周面として、第一側面２１Ａ及び第二側面２２Ａが規定され、巻芯部２３との接続面の反対側にそれぞれ、第一外面２１Ｂ、第二外面２２Ｂが規定されている。

ドラムコア２の第一側面２１Ａは非磁性層８２で被覆され、第一外面２１Ｂは非磁性層８３で被覆され、第二側面２２Ａは非磁性層８５で被覆され、第二外面２２Ｂは、非磁性層８６で被覆されている。非磁性層８２および非磁性層８３(まとめて非磁性層８４ともいう)、非磁性層８５および非磁性層８６(まとめて非磁性層８７ともいう)は、非磁性の絶縁材料を基材としている。この非磁性の絶縁材料は、ドラムコア２の外周コア３と対向する面において、第一側面２１Ａ及び第二側面２２Ａのみに設けられ、第一側面２１Ａ及び第二側面２２Ａ以外の箇所である巻芯部２３の表面には設けられていない。よって巻芯部２３は、その基材が露出した状態にある。

巻芯部２３に巻回される巻線７は、銅線に絶縁用のウレタン被覆を施して構成されており、その両端は後述の第一電極６１、第二電極６２（図１、図４）に継線される継線箇所となる。

図１に示すように、外周コア３は、第一分割コア４と第二分割コア５とから構成されている。第一分割コア４と第二分割コア５とは、同形状であるため、以下特に明記しない限り第一分割コア４のみについて説明する。

第一分割コア４は、例えばＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系の磁気材料を基材としており、図３に示すように、第一側面２１Ａ及び第二側面２２Ａ（図２）と対峙する外周コア対峙面である内曲面４Ａを有している。内曲面４Ａは、円弧状に構成されており、その円弧方向長さは、第一側面２１Ａ及び第二側面２２Ａの周方向長さの１／４強となるように構成されている。

内曲面４Ａにおいて円弧方向と直交する方向、即ち第一分割コア４をドラムコア２の外周位置に配置した状態で、第一鍔部２１から第二鍔部２２に向かう方向における第一分割コア４の厚さは、図１に示すようにドラムコア２の厚さ（軸方向長さ）方向をほぼ覆う厚さとなるように構成されている。

また図３に示すように、内曲面４Ａにおいて、円弧方向の略両端近傍位置に、それぞれ第一突起部４１と第二突起部４２とが設けられている。第一突起部４１と第二突起部４２とは、それぞれドラムコア２の軸方向と一致する方向に延びており、それぞれ第一側面２１Ａ及び第二側面２２Ａの非磁性層８２および非磁性層８５に当接可能となっている。また内曲面４Ａと第一側面２１Ａおよび第二側面２２Ａとの間は、図１及び図４に示すように、非磁性の絶縁材料を基材とする接着剤７１により固定されている。内曲面５Ａと第一側面２１Ａおよび第二側面２２Ａとの間は非磁性の絶縁材料を基材とする接着剤７３により固定されている。接着剤７１および接着剤７３は、非磁性層８４および非磁性層８７と同一の材料であることが好ましい。

図１、図４および図５に示すように、第一分割コア４がドラムコア２の外周位置に配置された状態で第一分割コア４の外周位置となる外側面４Ｂには、第一電極６１が接着剤７５により固定されている。図５に示すように、第一電極６１は第一分割コア４の下面４Ｃ、すなわち基板実装面まで配置されており、コイル部品１が図示せぬ基板上に面実装された場合に、基板上の電極と電気的に接続される。

第一電極６１の端部には、第一分割コア４と第二分割コア５との間に配置されるように継線部６１Ａが設けられており、この継線部６１Ａに巻線７の一端が配置され、図１に示すように溶接等により電気的に継線される。第二分割コア５にも同様の第二電極６２が接着剤７７を介して固定されて第二分割コア５の基板実装面まで配置されている。また第二電極６２の端部には、第一分割コア４と第二分割コア５との間に配置されるように継線部６２Ａが設けられており、この継線部６２Ａに巻線７の他端が配置され溶接等により電気的に継線される。

上記のように構成されるコイル部品１の動作について説明する。コイル部品１に通電すると、ドラムコア２と外周コア３との間に磁束が発生する。ドラムコア２と外周コア３との間には、第一側面２１Ａおよび第二側面２２Ａと、内曲面４Ａまたは内曲面５Ａとの間に形成される非磁性層８２および非磁性層８５により磁気的ギャップが形成されている。この磁気的ギャップは、非磁性層８２および非磁性層８５の厚さを制御することで好適に形成されている。この磁気ギャップを設けることによって、磁気飽和が発生する時期を遅らせて、電流変化に伴うインダクタンス値の急激な変化を抑制している。

例えば図６に示すように、非磁性層８４および非磁性層８７の有無で、コイル部品１の直流重畳特性に変化が生ずる。すなわち、非磁性層のない場合には、図中の破線で示したように、微小電流領域でインダクタンス値が約１５マイクロヘンリー以上であるが、電流が９００ミリアンペア以上では２マイクロヘンリーになっており、電流の増大に伴いインダクタンス値が低下する。一方、非磁性層のある場合には、電流が微小領域から約８００ミリアンペア以上に亘って、インダクタンス値が約１０〜８マイクロヘンリーの範囲に維持されている。

また、図１から図５を参照しながら説明したように、非磁性層８４および非磁性層８７は、ドラムコア２の鍔部２１または鍔部２２の第一側面２１Ａ、第二側面２２Ａ、第一外面２１Ｂ、および第二外面２２Ｂのみに設けられている。比較のため、図７に示したように、非磁性層９１が、鍔部２１または鍔部２２の巻芯部２３側に規定される第一内面２１Ｃ、第二内面２２Ｃ、および巻芯部２３の側面２３Ａに沿って設けられているとする。この場合、巻線を巻回するために利用可能な有効断面積９３は、第一内面２１Ｃ、第二内面２２Ｃ、巻芯部の側面２３Ａおよび第一側面２１Ａと第二側面２２Ａを結んだ直線で囲まれる範囲とすることができる。

図８に、非磁性層９１がない場合と、図７のように非磁性層９１を設けた場合とで、有効断面積９３を算出した結果を示している。サンプルは、Ｎｏ．１〜３の３つであり、非磁性層９１を設けた場合には有効面積９３が８〜１１パーセント少ない。つまり、図８の「Ａｖｅ」で示すように、平均すると約９パーセント有効断面積９３が減少することが分る。

以上詳細に説明したように、第１の実施の形態によるコイル部品１によれば、非磁性層８２および非磁性層８５を設けたことで、ドラムコア２と外周コア３との間に磁気ギャップを確実に形成できる。また、非磁性層８２および非磁性層８５によって、第一突起部４１と第二突起部４２とが鍔部２１および鍔部２２に接触することを防止するので、微小電流領域でのインダクタンス値の上昇、コイル部品１の応答性の低下および電圧変換効率の低下を抑制することで電力損失を低減させ、バッテリー寿命の効率化を図ることができる。非磁性層８２および非磁性層８５によって磁気ギャップが形成されることで、磁気飽和が生ずる時期を遅らせることができ、インダクタンス値の電流による変化が少なくなって、より大電流においてもインダクタンス値が保たれている。

コイル部品１においては、ドラムコア２を透磁率の高いマンガン系フェライトで形成しており、透磁率の低い材料に比べてより径の細い巻芯部２３で所望の磁気特性を実現することができる。また、巻芯部２３の周囲には被覆材が備えられていないため、巻線を巻回するための有効断面積９３が大きく確保できる。このため、同じ巻線長ならば、巻回数を多くしてインダクタンス値を大きくとることができる。同じ巻回数なら巻線長を短くすることができるとともに、同じインダクタンス値を得るために、より断面積の大きい巻線を用いることも可能になるので、コイル部品１としての抵抗値を低減することができ、ロスを少なくして電力効率をさらに向上させることが可能になる。

巻線７と外部との電気的接続のための継線部６１Ａおよび継線部６２Ａは、第一分割コア４と第二分割コア５との間に配置されており、外側面２１Ｂおよび外側面２２Ｂの外部に継線部を設ける場合に比べてコイル部品１の大きさを縮小することが可能であり、回路の集積効率を向上させることができる。

また、電気的絶縁性のある非磁性層８３または非磁性層８６を設けることにより、プリント基板に実装した場合のドラムコア２と基板との間の絶縁を確実にすることができる。

本発明の第２の実施の形態によるコイル部品について図９から図１０を参照しながら説明する。第２の実施の形態によるコイル部品１００は、コイル部品１とは、外周コア１３０の形状が異なっている。図９に示すように、コイル部品１００は、ドラムコア２と外周コア１３０とから主に構成され、ドラムコア２には、コイル部品１と同様、巻芯部２３に巻線７が巻回されており、外周コア１３０には外周コア３と同様に第一電極６１、第二電極６２が設けられている。

ドラムコア２の基材および構成については、コイル部品１と同様である。外周コア１３０は、第三分割コア１４０と第四分割コア１５０とから構成されている。第三分割コア１４０と第四分割コア１５０とは、同形状であるため、以下特に明記しない限り第三分割コア１４０のみについて説明する。

第三分割コア１４０は、例えばＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系の磁気材料を基材としており、ドラムコア２の第一側面２１Ａ及び第二側面２２Ａと対峙する外周コア対峙面である内曲面１４０Ａを有している。内曲面１４０Ａは、内局面４Ａと同様に円弧状に構成されており、その円弧方向長さは、第一側面２１Ａ及び第二側面２２Ａの周方向長さの１／４強となるように構成されている。また、内曲面１４０Ａにおいて円弧方向と直交する方向の厚さは、ドラムコア２の厚さ（軸方向長さ）方向をほぼ覆う厚さとなるように構成されている。

第一分割コア４の内曲面４Ａに設けられている第一突起部４１と第二突起部４２とは、第三分割コア１４０には設けられていない。よって内曲面１４０Ａが、ドラムコア２の第一側面２１Ａ及び第二側面２２Ａの非磁性層８２および非磁性層８５に直接に当接可能となっている。また、内曲面１４０Ａと第一側面２１Ａおよび第二側面２２Ａとの間は非磁性の絶縁材料を基材とする接着剤７１により固定されている。内曲面１５０Ａと第一側面２１Ａおよび第二側面２２Ａとの間は非磁性の絶縁材料を基材とする接着剤７３により固定されている。

図９および図１０に示すように、第三分割コア１４０がドラムコア２の外周位置に配置された状態で第三分割コア１４０の外周位置となる外側面１４０Ｂには、第一電極６１が接着剤７５により固定されている。第一電極６１は第三分割コア１４０の下面１４０Ｃ、すなわち基板実装面まで配置されており、コイル部品１００が図示せぬ基板上に面実装された場合に、基板上の電極と電気的に接続される。第一電極６１の端部には、第三分割コア１４０と第四分割コア１５０との間に配置されるように継線部６１Ａが設けられており、この継線部６１Ａに巻線７の一端が配置されて継線される。第四分割コア１５０にも同様の第二電極６２が接着剤７７を介して固定されて第四分割コア１５０の基板実装面まで配置されている。また第二電極６２の端部には、第三分割コア１４０と第四分割コア１５０との間に配置されるように継線部６２Ａが設けられており、この継線部６２Ａに巻線７の他端が配置されて継線される。

このように、外周コア１３０を突起のない第三分割コア１４０および第四分割コア１５０で形成することにより、内曲面１４０Ａおよび内曲面１５０Ａをドラムコア２により接近させることができ、第１の実施の形態によるコイル部品１による効果に加えて、より小型化が可能である。外周コア１３０とドラムコア２との間の磁気ギャップが小さくなることにより、磁気飽和が生ずる時期を確実に遅らせることも可能になる。

本発明によるコイル部品は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、非磁性層８２は第一側面２１Ａの全周に設けられ、非磁性層８５は、第二側面２２Ａの全周に設けられているが、それぞれ非磁性層８２は、第一側面２１Ａと内曲面４Ａとの間にのみ、非磁性層８５は、第二側面２２Ａと内曲面５Ａとの間にのみ設けられるようにしてもよい。非磁性層８３と非磁性層８６とは、どちらか一方でもよい。このとき、非磁性層を設けた側を基板実装面とすることが好ましい。

本発明のコイル部品は、携帯電話やハードディスク装置等の電子機器の電源回路に利用が可能である。

第１の実施の形態によるコイル部品の斜視図。 第１の実施の形態によるコイル部品のドラムコアの側面図。 第１の実施の形態によるコイル部品の外周コアの斜視図。 第１の実施の形態によるコイル部品の平面概観図。 第１の実施の形態によるコイル部品の断面図。 第１の実施の形態によるコイル部品の直流重畳特性を非磁性層の有無で比較したグラフ。 第１の実施の形態によるコイル部品の巻線の有効面積を示す説明図。 第１の実施の形態によるコイル部品の非磁性層による有効面積の変化を示した表。 第２の実施の形態によるコイル部品の斜視図。 第２の実施の形態によるコイル部品の断面図。

符号の説明

１：コイル部品 ２：ドラムコア ３：外周コア ４：第一分割コア ４Ａ：内曲面 ４Ｂ：外側面 ５：第二分割コア ７：巻線 ２１：第一鍔部 ２１Ａ：第一側面 ２２：第二鍔部 ２２Ａ：第二側面 ２３：巻芯部 ８２、８３、８４、８５、８６、８７：非磁性層

Claims (2)

1. 柱状に構成された巻芯部と、前記巻芯部の中心軸の軸方向両端で前記巻芯部に設けられた一対の鍔部とを有し、マンガン系材料で形成されたドラムコアと、
   前記巻芯部に巻回された絶縁被覆導線と、
   前記ドラムコアの外周を囲むように間隙を隔てて配置された複数の分割コアと、
   前記ドラムコアと前記分割コアとの間の所定部分に設けられ、電気絶縁性を有する非磁性層と、
   前記分割コアの前記間隙部分に配置され、前記絶縁被覆導線が電気的に接続される継線部と、を有し、
   前記一対の鍔部は、前記中心軸の軸回りに形成された外周面を有し、
   複数の前記分割コアは、それぞれの前記外周面と対峙する内周面をそれぞれ有し、
   前記非磁性層は、前記巻芯部を除いて、前記一対の鍔部の前記外周面の全周に亘ると共に前記外周面と前記内周面との間に設けられ、
   前記絶縁被覆導線は、前記巻芯部に直接巻回されていることを特徴とするコイル部品。
2. 前記一対の鍔部は、前記軸方向において前記ドラムコアの一端と他端とに位置する端面を有し、前記端面の少なくとも片側には、前記非磁性層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコイル部品。

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