JP7614320B2

JP7614320B2 - コイル部品

Info

Publication number: JP7614320B2
Application number: JP2023500179A
Authority: JP
Inventors: 貴士傍島; 啓祐赤木; 卓哉遠藤; 有希阿部; 将寛近藤; 則光星; 真央川村; 隼翔田邊; 直久上原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Tokin Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Tokin Corp
Priority date: 2021-02-17
Filing date: 2021-02-17
Publication date: 2025-01-15
Anticipated expiration: 2041-02-17
Also published as: JPWO2022176053A1; WO2022176053A1; CN116868288A; US20240096533A1

Description

本発明は、コイル部品に関し、特に、二種類のコア部を組み合わせて構成されたコアを備えるコイル部品に関する。

特許文献１は、二種類のコア部を組み合わせて構成されたコアを備えるコイル部品を開示している。このコイル部品は、無蓋のケースと、ケースの底に置かれた圧粉コアと、圧粉コア上に配置されたコイルと、コイルを覆うようにケース内に充填・硬化された注型コアとを有している。

特許第６６７３７１１号公報

一般に、鉄は高温環境下において黒錆を生じる。これは、コイル部品に含まれるコアに使用される鉄においても同様である。なお、黒錆は、注型コアと圧粉コアの構成上の違いから、注型コアよりも圧粉コアにおいて生じやすい。

コアに生じた黒錆は、コイル部品の特性を変化させる。例えば、コアに生じた黒錆は、コアにおける渦電流損失を増加させる。また、コアに生じた黒錆は、コイル部品の交流抵抗を増加させる。このような黒錆による特性の変化の影響は、コイル部品に印加される駆動周波数が高いほど大きい。

そこで、本発明は、高い駆動周波数に対しても特性変化の小さい安定した特性を持つコイル部品を提供することを目的とする。

本発明の一の側面は、第１のコイル部品として、
通電によって磁束を発生させる導体と、
前記導体の周囲に設けられ、前記磁束が循環する磁路を形成するコアと、
前記導体及び前記コアを収容するケースと、
を有するコイル部品であって、
前記コイル部品の駆動周波数は、２０ｋＨｚ以上であり、
前記導体は、第１方向に沿った軸を有する一つ以上のコイルを構成している巻線であり、
前記導体は、前記磁路を含む平面において、四角形の巻窓を形成する断面を有し、
前記平面は、前記軸を含むものであり、
前記コイルは、前記平面において、前記巻窓を二つ以上形成するものであり、
前記巻窓は、前記第１方向に直交する第２方向に並んでおり、
前記コアは、第１透磁率を有する第１コアと、前記第１透磁率よりも低い第２透磁率を有する第２コアとを有し、
前記第１コアは、前記平面において、前記巻窓の夫々の第２方向へ延びる一辺全体に接し、前記巻窓のうちの少なくとも一つにおいて前記一辺の両端から前記第２方向へ突出し、かつ前記巻窓の夫々の前記一辺を含む直線に関して前記巻窓の反対側に位置しており、
前記第２コアは、前記平面において、前記巻窓の各々の前記一辺以外の三辺に接しており、
前記ケースは、底部と、前記底部から一方向へ延びる側部とを有しており、
前記第１コアは、前記底部と接しており、
前記第１コアは、圧粉コアであり、
前記圧粉コアの２０ｍｍ離れた２点間における表面抵抗は、高温放置試験後において、５Ω以上であり、
駆動周波数は、２０ｋＨｚ以上である
コイル部品を提供する。

本発明によれば、２０ｍｍ離れた２点間における表面抵抗が高温放置試験後において５Ω以上である圧粉コアを用いることで、高い駆動周波数に対して安定した特性を持つコイル部品を提供することができる。

添付の図面を参照しながら下記の最良の実施の形態の説明を検討することにより、本発明の目的が正しく理解され、且つその構成についてより完全に理解されるであろう。

本発明の一実施の形態によるコイル部品を示す断面概略図である。コイル部品は、コイルの軸とコアが形成する磁路とを含む平面で切断されている。図１のコイル部品の変形例を示す断面概略図である。

本発明については多様な変形や様々な形態にて実現することが可能であるが、その一例として、図面に示すような特定の実施の形態について、以下に詳細に説明する。図面及び実施の形態は、本発明をここに開示した特定の形態に限定するものではなく、添付の請求の範囲に明示されている範囲内においてなされる全ての変形例、均等物、代替例をその対象に含むものとする。

図１を参照すると、本発明の一実施の形態によるコイル部品１０は、通電によって磁束を発生させる導体２０と、その導体２０の周囲に設けられ、磁束が循環する磁路を形成するコア３０と、導体２０及びコア３０を収容するケース４０を有している。

図１から理解されるように、導体２０は、上下方向（第１方向）に沿った軸を中心として巻き回されてコイル２００を構成する巻線である。本実施の形態において、コイル２００の数は一つである。ただし、本発明はこれに限られない。コイル２００の数は、複数であってもよい。複数のコイル２００は、上下方向に並べられてもよいし、上下方向と直交する横方向（第２方向）に並べられてもよい。いずれの場合も、複数のコイル２００は互いに磁気結合するよう配置してもよいし、磁気結合しないよう配置してもよい。本実施の形態において、上下方向は、Ｚ方向であり、＋Ｚ方向が上方、－Ｚ方向が下方である。また、横方向は、Ｘ方向である。

図１から理解されるように、本実施の形態において、導体２０は、その断面が略長方形の平角線である。コイル２００は、平角線を厚み方向に巻いたフラットワイズコイルである。平角線として、例えば銅線の周囲を絶縁被膜で覆ったポリアミドイミド線（ＡＩＷ）などを用いることができる。また、コイル２００は、その外面がさらに図示しない絶縁被膜で覆われていてもよい。

図１から理解されるように、コイル２００は、一対の端面２０２，２０４と、これらをつなぐ内周面２０６及び外周面２０８とを有している。上下方向に沿って見たとき、端面２０２又は２０４の形状は、環状の多角形若しくは円形である。本実施の形態において、上下方向に沿って見たとき、端面２０２又は２０４の形状は、環状の角丸四角形である。

図１に示されるように、磁路を含みかつコイル２００の軸を含む平面でコイル部品１０を切断したとき、コイル２００は二つの断面を有する。これら二つの断面はいずれも巻窓を形成する。本発明において、巻窓とは、磁路を含みかつコイル２００の軸を含む平面において、その周囲に循環する磁束が形成されるコイル２００の断面をいう。本実施の形態において、各巻窓の形状は実質的に四角形である。即ち、各巻窓は、上下方向に延びる二つの辺と横方向に延びる二つの辺とを有している。

図１に示されるように、コイル２００の数が一つの場合、巻窓の数は二つである。コイル２００の数が複数の場合、巻窓の数は、コイル２００の数とその配置に依存する。例えば、同一形状の二つのコイル２００が互いに軸を一致させて上下に重ねられている場合、上下に近接する複数のコイル２００の断面が一つの巻窓を形成する。この場合、巻窓の数は二つである。また、同一形状の二つのコイル２００が互いの軸を平行にするように並置されている場合、互いに近接するコイル２００の断面が一つの巻窓を形成する。この場合、巻窓の数は三つである。なお、一つの巻枠を形成する複数のコイル２００の断面は、必ずしも互いに接していなくてもよい。互いに近接するコイル２００の断面は、それらの間に隙間が存在しても一つの巻枠を形成する。また、コイル２００の外面を覆う絶縁被膜等が存在する場合、その絶縁被膜等も巻窓に含まれる。いずれにせよ、コイル部品１０は、磁路を含みかつコイル２００の軸を含む平面において、二つ以上の巻窓を形成する。二つ以上の巻窓は、横方向に沿って並んでいる。

図１に示されるように、コア３０は、第１コア３２と第２コア３４とを有している。第１コア３２は、上下方向においてコイル２００の下方に配置され、端面２０４に接している。第１コア３２は、コイル２００の端面２０４よりも下にのみ存在し、端面２０４よりも上方には存在しない。換言すると、第１コア３２は、磁路を含む平面において、コイル２００に接している一辺を含む直線に関して、巻窓の反対側に位置している。

図１から理解されるように、上下方向に沿って見たとき、第１コア３２の外形は、コイル２００の外形よりも大きい。換言すると、上下方向に沿って見たとき、コイル２００は、第１コア３２の外周よりも内側に配置されている。磁路を含む平面において、第１コア３２は、巻窓の横方向へ延びる一辺全体に接し、その一辺の両端から横方向外側へ突出している。ただし、本発明はこれに限られない。第１コア３２は、各巻窓の横方向へ延びる一辺全体に接し、少なくとも一つの巻枠の一辺の両端から横方向外側へ突出していればよい。

図１に示されるように、第２コア３４は、上下方向において、第１コア３２及びコイル２００の上方に配置される。上下方向に沿って見たとき、第２コア３４の外形は、第１コア３２の外形と実質的に一致する。第２コア３４は、コイル２００を覆うように形成され、コイル２００の端面２０２、内周面２０６及び外周面２０８に接している。換言すると、第２コア３４は、磁路を含む平面において、巻窓の第１コア３２が接している一辺以外の三辺に接している。

第１コア３２と第２コア３４とは、その透磁率（μ）が異なる。第１コア３２が第１透磁率μ１を有するとき、第２コア３４は第１透磁率μ１よりも低い第２透磁率μ２を有する。換言すると、第１コア３２は高μコアであり、第２コア３４は低μコアである。本実施の形態において、第１コア３２は圧粉コアであり、第２コア３４は注型コアである。ここで、圧粉コアは、軟磁性合金粉末を結合材とともに圧縮成型したものである。また、注型コアは、軟磁性合金粉末及びバインダ（樹脂）等を含むスラリーを硬化させたものである。一般に圧粉コアの方が注型コアよりもその透磁率（μ）を高くすることができる。

図１から理解されるように、ケース４０は、底部４２と、底部４２の周縁から上方へ突出する側部４４とを有する無蓋のケースである。換言すると、ケース４０は、上方に開いた開口部４６を有している。ケース４０は、アルミニウム等の金属からなる。第１コア３２は、少なくともケース４０の底部４２に接触している。これにより、コイル２００において発生した熱は、第１コア３２を介して効率よくケース４０に伝わる。通常、ケース４０は、図示しない放熱機構等に連結される。ただし、本発明はこれに限られない。ケース４０は、上方に開いた開口部４６に代えて、上下方向と直交する方向に開いた開口部を有していてもよい。例えば、図２に示されるように、ケース４０は横方向に開く開口部４６Ａを有していてもよい。上下方向と直交する方向に開いた開口部は、導体２０の端部２２をケース４０の外部へ引き出すのに利用することができる。

図２を参照すると、開口部４６Ａには、導体２０の端部２２が第１コア３２及び第２コア３４と直接接触しないように、導体２０の端部２２の周囲を囲うキャップ部材２４が設けられている。キャップ部材２４は、横方向において、開口部４６の外側から第１コア３２の外周面又はその近傍まで延びている。第１コア３２が外気と接触しないように、第１コア３２と開口部４６Ａとの間には第２コア３４が設けられている。しかしながら、キャップ部材２４と第２コア３４との境界は、ケース４０の外部から第１コア３２への外気の進入経路となりえる。特に、その進入経路の長さ（最短距離）が５ｍｍより短くなると、外気が第１コア３２に到達する可能性が高まる。第１コア３２に到達した外気は、第１コア３２の表面に形成される黒錆の要因となりえる。

図１から理解されるように、コイル２００に通電することによって生じる磁束は、主に第１コア３２と第２コア３４の内部を通過する。即ち、第１コア３２と第２コア３４とは、磁束が循環する磁路を形成する。

コイル２００には、２０ｋＨｚ以上の周波数、例えば、３０ｋＨｚの交流電圧が印加される。換言すると、コイル部品１０の駆動周波数は２０ｋＨｚ以上である。このような高い駆動周波数に対して安定した特性を得るため、本発明では、第１コア３２の表面抵抗を所定値以上とする。詳しくは、第１コア３２の２０ｍｍ離れた２点間における表面抵抗を、高温放置試験後において５Ω（室温）以上とする。より好ましくは、第１コア３２の２０ｍｍ離れた２点間における表面抵抗は、高温放置試験後において３０Ω（室温）以上である。このように第１コア３２に所定値以上の表面抵抗を持たせることにより、駆動周波数が高い場合でもコイル部品１０の特性変化は抑制される。

本実施の形態において、高温放置試験は、ＪＩＳ（日本産業規格）Ｃ６００６８－２－２：２０１０に規定される高温試験方法に準じて行う。詳しくは、高温放置試験は、コイル部品１０を導入し試験槽内の温度を２００℃に設定し、５００時間以上維持することにより行われる。維持時間を１０００時間以上、例えば２０００時間としてもよいが、表面抵抗の変化は、５００時間を超えるころには飽和していることが多い。したがって、維持時間は５００時間あれば充分と考えられる。

第１コア３２の表面抵抗を所定値以上にするため、電気抵抗率の高い磁性粉を用いることができる。第１コア３２に用いられる磁性粉として、電気抵抗率が２０μΩｃｍ（室温）以上の磁性粉を用いることができる。このような磁性粉として、Ｆｅ－Ｓｉ系合金がある。Ｆｅ－Ｓｉ系合金は、純鉄に比べて高い電気抵抗率を示す。例えば、純鉄の電気抵抗率が１０μΩｃｍであるのに対して、Ｓｉを１ｗｔ％添加したＦｅ－Ｓｉ合金の電気抵抗率は約２０μΩｃｍである。また、Ｓｉを３ｗｔ％添加したＦｅ－Ｓｉ合金の電気抵抗率は約５０μΩｃｍである。

第１コア３２の表面抵抗に関連する指標として、第１コア３２の初期電気抵抗率がある。第１コア３２の初期電気抵抗率が所定値以上であれば、駆動周波数が高い場合でもコイル部品１０の特性変化が抑制される。詳しくは、第１コア３２の初期電気抵抗率は、１０^１０μΩｃｍ以上であることが好ましい。純鉄を用いた圧粉コアの初期電気抵抗率は、１０^９μΩｃｍ程度であるから、第１コア３２はそれより一桁程度以上高い初期電気抵抗率を有することになる。例えば、上述したＦｅ－Ｓｉ系合金を用いた圧粉コアの初期電気抵抗率は、１０^１２μΩｃｍ以上である。

また、第１コア３２における黒錆の発生を抑制するため、第１コア３２の表面をコーティング材で覆ってもよい。この場合、純鉄を用いた圧粉コアの表面をコーティング材で覆って第１コア３２を形成してもよいし、Ｆｅ－Ｓｉ合金等を用いた圧粉コアの表面をコーディング材で覆って第１コア３２を形成してもよい。コーティング材の気体透過係数は、１００ｃｃ（ＳＴＰ）ｃｍ／（ｃｍ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）以下であることが好ましい。このようなコーディング材として、例えば、エポキシ樹脂やポリアミド系樹脂を用いることができる。コーティング材によって第１コア３２における黒錆の発生が抑制される結果、高い駆動周波数であってもコイル部品１０の特性変化を抑制することができる。

第１コア３２の表面抵抗を所定値以上にしたことによる効果は、コイル部品１０の交流抵抗Ｒａｃにおけるコイル２００自体の成分割合が小さいときに顕著である。換言すると、コイル部品１０の交流抵抗Ｒａｃにおけるコイル２００自体の成分割合が大きいときは、本願発明の効果は限定的となる。したがって、コイル部品の交流抵抗Ｒａｃにおけるコイル２００自体の成分割合が小さいことが望ましい。ここで、コイル部品の交流抵抗Ｒａｃにおけるコイル２００自体の成分割合は、コイルのターン数に依存する。つまり、本実施の形態において、コイル２００のターン数は少ないことが好ましい。具体的には、コイル２００のターン数は３０以下であることが好ましい。

コイル２００のターン数の本発明の効果への影響は、コイル部品１０の磁気特性に対するコア３０の影響が小さいときは限定的となる。換言すると、コイル部品１０の磁気特性に対するコア３０の影響が大きいとき、本願発明は特に有効である。具体的には、コイル２００自体のインダクタンスに対するコイル部品１０のインダクタンスの比が４以上のとき、本願発明は特に有効である。

コイル部品１０が複数のコイル２００を備えており、かつそれらコイル２００が互いに磁気結合している場合、コイル部品１０が、例えば、二相インターリーブ方式で駆動されると、単相方式で駆動した場合に比べて磁束の変化周波数は二倍になる。本発明は、このような互いに磁気結合している複数のコイル２００を備えるコイル部品１０に特に有効である

以上説明したように、本発明は、駆動周波数が高くても特性変化の小さい安定した特性を持つコイル部品を得ることができる。

以上、本発明について、いくつかの実施の形態を掲げて説明してきたが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変形、変更が可能である。例えば、コイル２００はエッジワイズコイルであってもよい。また、導体２０の断面は、長方形に限られず、円形や正方形であってもよい。

本発明の最良の実施の形態について説明したが、当業者には明らかなように、本発明の精神を逸脱しない範囲で実施の形態を変形することが可能であり、そのような実施の形態は本発明の範囲に属するものである。

１０，１０Ａコイル部品
２０導体
２２端部
２４キャップ部材
２００コイル
２０２，２０４端面
２０６内周面
２０８外周面
３０コア
３２第１コア（圧粉コア）
３４第２コア（注型コア）
４０ケース
４２底部
４４側部
４６，４６Ａ開口部

Claims

通電によって磁束を発生させる導体と、
前記導体の周囲に設けられ、前記磁束が循環する磁路を形成するコアと、
前記導体及び前記コアを収容する無蓋ケースと、
を有するコイル部品であって、
前記導体は、第１方向に沿った軸を有する一つ以上のコイルを構成している巻線であり、
前記導体は、前記磁路を含む平面において、四角形の巻窓を形成する断面を有し、
前記平面は、前記軸を含むものであり、
前記コイルは、前記平面において、前記巻窓を二つ以上形成するものであり、
前記巻窓は、前記第１方向に直交する第２方向に並んでおり、
前記コアは、第１透磁率を有する第１コアと、前記第１透磁率よりも低い第２透磁率を有する第２コアとを有し、
前記第１コアは、前記平面において、前記巻窓の夫々の第２方向へ延びる一辺全体に接し、前記巻窓のうちの少なくとも一つにおいて前記一辺の両端から前記第２方向へ突出し、かつ前記巻窓の夫々の前記一辺を含む直線に関して前記巻窓の反対側に位置しており、
前記第２コアは、前記平面において、前記巻窓の各々の前記一辺以外の三辺に接しており、
前記無蓋ケースは、底部と、前記底部から一方向へ延びる側部とを有しており、
前記第１コアは、前記底部と接しており、
前記第１コアは、圧粉コアであり、
前記圧粉コアの２０ｍｍ離れた２点間における表面抵抗は、高温放置試験として２００℃×５００時間以上の加熱試験を行った後において、５Ω以上であり、
前記圧粉コアの表面は、エポキシ樹脂又はポリアミド樹脂よりなるコーティング材で覆われており、
前記コーティング材の気体透過係数は、１００ｃｃ（ＳＴＰ）ｃｍ／（ｃｍ ^２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）以下であり、
前記無蓋ケースは、前記第１方向と直交する方向に開いた開口部を有しており、
前記導体の端部は、前記無蓋ケースの外部へ引き出されており、
前記開口部には、前記導体の端部が前記第１コア及び前記第２コアと直接接触しないように、前記導体の端部の周囲を囲うキャップ部材が設けられており、
前記キャップ部材は、前記第１方向と直交する方向において、前記開口部の外側から前記第１コアの外周面又はその近傍まで延びており、
前記第１コアが外気と接触しないように、前記第１コアと前記開口部との間に前記第２コアが設けられており、
前記キャップ部材と前記第２コアとの境界の長さの最短距離は、５ｍｍ以上である
コイル部品。
請求項１に記載のコイル部品であって、
前記圧粉コアに用いられる磁性粉の電気抵抗率は、２０μΩｃｍ以上である
コイル部品。
請求項１又は請求項２に記載のコイル部品であって、
前記圧粉コアの初期電気抵抗率は、１０^１０μΩｃｍ以上である
コイル部品。
請求項１から請求項３までのいずれか一つに記載のコイル部品であって、
前記コイルのターン数は、３０ターン以下である
コイル部品。
請求項１から請求項４までのいずれか一つに記載のコイル部品であって、
前記コイルの数は、複数であり、
複数の前記コイルは互いに磁気結合している
コイル部品。
請求項１から請求項５までのいずれか一つに記載のコイル部品であって、
前記圧粉コアの２０ｍｍ離れた２点間における表面抵抗は、前記高温放置試験後において、３０Ω以上である
コイル部品。