(57)【要約】      （修正有）【課題】構造設計最適化技法及び３Ｄ印刷を使用して、磁束密度分布を改善し、インダクタ損失を低減する相対的に均一な、且つ、予測可能な磁束分布を有する相対的に小さな磁気コアを設計する。【解決手段】インダクタは、１つ又は複数の空隙を含むインダクタの設計パラメータ又は動作パラメータのうちの少なくとも１つに基づいて可変透磁率特性を有する磁性材料から成る磁気コアを含む。コイルは、１つ又は複数の空隙を通して巻回され、且つ、電流によって励起されるように構成されている。さらに、インダクタは、平面型インダクタであり、設計パラメータは、磁気コアの寸法、磁気コアの形状、磁気コア上の１つ又は複数の空隙の位置、１つ又は複数の空隙のサイズ又は磁気コアの材料特性のうちの少なくとも１つを含む。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ又は複数の空隙を含む前記インダクタの設計パラメータ又は動作パラメータのうちの少なくとも１つに基づいて可変透磁率特性を有する磁性材料から成る磁気コアと、
電流によって励起されるように構成された、前記１つ又は複数の空隙を通して巻回されるコイルと、
を有するインダクタ。
【請求項２】
前記インダクタは、平面型インダクタである、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項３】
前記設計パラメータは、前記磁気コアの寸法、前記磁気コアの形状、前記磁気コア上の前記１つ又は複数の空隙の位置、前記１つ又は複数の空隙のサイズ、又は前記磁気コアの材料特性のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項４】
前記動作パラメータは、前記インダクタのインダクタンス、直流（ＤＣ）バイアス、磁束密度特性、又はコア損失特性のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項５】
前記磁気コアの前記可変透磁率特性は、所定値の磁束密度における透磁率が所定の閾値を上回る透磁率非線形の値に対応している、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項６】
前記磁気コアの前記可変透磁率特性は、所定の閾値未満である前記磁気コアの磁束密度飽和エリアに対応している、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項７】
前記磁気コアの前記可変透磁率特性は、所定の閾値未満である前記磁気コア内のコア損失密度に対応している、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項８】
前記磁気コア内の前記１つ又は複数の空隙の形状は、前記磁気コアに横切る所定の磁束密度パターンに対応している、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項９】
前記１つ又は複数の空隙の前記形状は、楕円形状である、請求項８に記載のインダクタ。
【請求項１０】
前記磁気コアは、３Ｄ印刷を介して、磁性フィラー材料を有するバインダマトリックスを使用して製造された単一構造である、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項１１】
前記磁気コアは、前記磁気コアの全体を通して複数の密度を有する不均質なフェライト材料から成る、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項１２】
前記磁気コアの全体を通じた前記複数の密度のそれぞれは、前記磁気コアの全体を通じた１つ又は複数の場所における空気に対する前記フェライト材料の比率に対応しており、前記空気に対する前記フェライト材料の前記比率は、前記可変透磁率特性に基づいている、請求項１１に記載にインダクタ。
【請求項１３】
前記磁気コアは、複数のスリットを有する均質なフェライト材料から構成されており、前記複数のスリットは、前記可変透磁率特性に基づいて、前記磁気コアの全体を通して所定の場所及び向きにおいて構成されている、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項１４】
前記磁気コアは、
前記磁気コア内の１つ又は複数の第１場所における第１密度を有する第１フェライト材料と、
前記磁気コア内の１つ又は複数の第２場所における第２密度を有する第２フェライト材料と、
を有する不均質なフェライト材料から構成されており、
前記第１密度及び前記第２密度は、空気に対する前記フェライト材料の比率に基づいている、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項１５】
前記第１フェライト材料の前記第１密度は、前記第２フェライト材料の前記第２密度を上回っている、請求項１４に記載のインダクタ。
【請求項１６】
前記磁気コアは、前記可変透磁率特性に基づいて前記磁気コアの全体を通して所定の場所及び向きにおいて構成された複数のスロットを含む、請求項１４に記載のインダクタ。
【請求項１７】
前記第１フェライト材料の前記１つ又は複数の第１場所及び前記第２フェライト材料の前記１つ又は複数の第２場所は、前記可変透磁率特性に基づいている、請求項１４に記載のインダクタ。
【請求項１８】
前記インダクタの前記設計パラメータ又は前記動作パラメータのうちの少なくとも１つに基づいて可変透磁率特性を有する磁性材料から成る複数の積層型の磁気コアを更に有する、請求項１に記載のインダクタ。
【請求項１９】
磁気コアの寸法、前記磁気コアの形状、前記磁気コア上の１つ又は複数の空隙の位置、前記１つ又は複数の空隙のサイズ、又は前記磁気コアの材料特性のうちの少なくとも１つを含むインダクタの設計パラメータを決定するステップと、
インダクタンス、ＤＣバイアス、磁束密度特性、又はコア損失特性のうちの少なくとも１つを含む前記インダクタの動作パラメータを決定するステップと、
１つ又は複数の空隙を含む前記インダクタの前記設計パラメータ又は前記動作パラメータのうちの少なくとも１つに基づいて可変透磁率特性を有する磁性材料から成る磁気コアを提供するステップと、
を有する方法。
【請求項２０】
１つ又は複数の空隙を含む前記インダクタの設計パラメータ又は動作パラメータのうちの少なくとも１つに基づいて可変透磁率特性を有する磁性材料を有しており、
前記１つ又は複数の空隙は、電流によって励起されるように構成された、前記１つ又は複数の空隙を通して巻回されるコイルを受け入れるように構成されている、インダクタ用の磁気コア。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
平面型インダクタの非線形インダクタ性能特性は、不均一な磁束密度と、広範囲の磁束密度飽和と、を結果的にもたらす可能性があり、この結果、インダクタ損失と、インダクタ性能の劣化と、がもたらされる。Ｐｅｃｋに対する（特許文献１）は、所定のインダクタンス性能を提供するべく、様々な形状及び材料を有する互いに上下に積層された複数のコアセクションを有する可変磁束コアを有する電磁装置について記述している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０２１０５８５号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
例示用の一実装形態においては、インダクタは、１つ又は複数の空隙を含むインダクタの設計パラメータ又は動作パラメータのうちの少なくとも１つに基づいた可変透磁率特性を有する磁性材料から成る磁気コアを含む。コイルは、１つ又は複数の空隙を通して巻回され、且つ、電流によって励起されるように構成されている。
【０００４】
インダクタは、平面型インダクタってあってもよい。
【０００５】
設計パラメータは、磁気コアの寸法、磁気コアの形状、磁気コア上の１つ又は複数の空隙の位置、１つ又は複数の空隙のサイズ、又は磁気コアの材料特性のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【０００６】
動作パラメータは、インダクタのインダクタンス、直流（ＤＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）バイアス、磁束密度特性、又はコア損失特性を含むことができる。
【０００７】
磁気コアの可変透磁率特性は、所定値の磁束密度における透磁率が所定の閾値を上回る透磁率非線形性の値に対応することができる。また、磁気コアの可変透磁率特性は、所定の閾値未満である磁気コアの磁束密度飽和エリアに対応することもできる。また、磁気コアの可変透磁率特性は、所定の閾値未満である磁気コア内のコア損失密度に対応することもできる。
【０００８】
磁気コア内の１つ又は複数の空隙の形状は、磁気コアに横切る所定の磁束密度パターンに対応することができる。１つ又は複数の空隙の形状は、楕円形状であってもよい。
【０００９】
磁気コアは、三次元（３Ｄ：ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）印刷を介して磁性フィラー材料を有するバインダ（例えば、樹脂）マトリックスを使用して製造された単一構造であってもよい。
【００１０】
磁気コアは、磁気コアの全体を通して複数の密度を有する不均質なフェライト材料から構成することができる。磁気コアの全体を通じた複数の密度のそれぞれは、磁気コアの全体を通じた１つ又は複数の場所における空気に対するフェライト材料の比率に対応することが可能であり、この場合に、空気に対するフェライト材料の比率は、可変透磁率特性に基づいている。
【００１１】
磁気コアは、複数のスリットを有する均質なフェライト材料から構成することが可能であり、この場合に、複数のスリットは、可変透磁率特性に基づいて磁気コアの全体を通して所定の場所及び向きにおいて構成されている。
【００１２】
磁気コアは、磁気コア内の１つ又は複数の第１場所における第１密度を有する第１フェライト材料と、磁気コア内の１つ又は複数の第２場所における第２密度を有する第２フェライト材料と、を有する不均質なフェライト材料から構成することが可能であり、この場合に、第１密度及び第２密度は、空気に対するフェライト材料の比率に基づいている。第１フェライト材料の第１密度は、第２フェライト材料の第２密度を上回っていてもよい。磁気コアは、可変透磁率特性に基づいて磁気コアの全体を通して所定の場所及び向きにおいて構成された複数のスリットを含むことができる。第１フェライト材料の１つ又は複数の第１場所及び第２フェライト材料の１つ又は複数の第２場所は、可変透磁率特性に基づいたものであってもよい。
【００１３】
インダクタは、インダクタの設計パラメータ又は動作パラメータのうちの少なくとも１つに基づいて可変透磁率特性を有する磁性材料から成る複数の積層材料コアを更に含むことができる。
【００１４】
別の例示用の実装形態においては、プロセスは、磁気コアの寸法、磁気コアの形状、磁気コア上の１つ又は複数の空隙の位置、１つ又は複数の空隙のサイズ、又は磁気コアの材料特性のうちの少なくとも１つを含むインダクタの設計パラメータを決定するステップと、インダクタンス、ＤＣバイアス、磁束密度特性、又はコア損失特性のうちの少なくとも１つを含むインダクタの動作パラメータを決定するステップと、１つ又は複数の空隙を含むインダクタの設計パラメータ又は動作パラメータのうちの少なくとも１つに基づいて可変透磁率特性を有する磁性材料から成る磁気コアを提供するステップと、を含む。
【００１５】
別の例示用の実装形態においては、インダクタ用の磁気コアは、１つ又は複数の空隙を含むインダクタの設計パラメータ又は動作パラメータのうちの少なくとも１つに基づいた可変透磁率特性を有する磁性材料を含み、この場合に、１つ又は複数の空隙は、電流によって励起されるように構成された、１つ又は複数の空隙を通して巻回されるコイルを受け入れるように構成されている。
【００１６】
本特許又は出願ファイルは、少なくとも１つのカラー作成図面を含む。カラー図面を有する本特許又は出願公開明細書の複写は、要求及び必要な料金の支払いの際に特許商標庁から提供されることになる。
【００１７】
本開示及びその付随する利点の多くのものについては、添付図面との関連における検討の際に以下の詳細な説明を参照することによって更に十分に理解されることから、容易に、更に十分に理解することができよう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】インダクタの磁気コアのコア構造、磁束密度、及びコア損失密度の例示用の図である。
【図２】インダクタの透磁率対インダクタの磁束密度の例示用のグラフである。
【図３】インダクタの磁気コアのコア構造、磁束密度、及びコア損失密度の例示用の図である。
【図４】インダクタにおけるインダクタンス対直流（ＤＣ）バイアスの例示用のグラフである。
【図５】インダクタの磁気コアのコア構造、磁束密度、及びコア損失密度の例示用の図である。
【図６】インダクタの磁気コアのコア構造、磁束密度、及びコア損失密度の例示用の図である。
【図７】インダクタの磁気コアのコア構造、磁束密度、及びコア損失密度の例示用の図である。
【図８】様々な磁気コア設計におけるコア重量対コア損失の例示用のグラフである。
【図９】積層された磁気コアを有するインダクタの例示用の図である。
【図１０】様々な磁気コア設計におけるインダクタンス対ＤＣバイアスの例示用のグラフである。
【図１１】様々な積層型の磁気コア設計におけるインダクタンス対ＤＣバイアスの例示用のグラフである。
【図１２】可変透磁率コア設計プロセス１２００の例示用のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
添付図面においては、同一の参照符号により、いくつかの図の全体を通して、同一の又は対応する部分を表記している。更には、本明細書において使用されている「１つの（ａ）」及び「１つの（ａｎ）」という単語、並びに、これらに類似したものは、一般に、そうではない旨が記述されていない限り、「１つ又は複数の（ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ）」の意味を有する。添付図面は、一般に、そうではない旨が記述されていない限り、或いは、概略的な構造又はフローチャートを示していない限り、正確な縮尺で描画されている。
【００２０】
更には、「ほぼ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」及び「約（ａｂｏｕｔ）」という用語、並びに、これらに類似した用語は、一般に、２０％の、１０％の、或いは、好ましくは５％の、且つ、これらの間の任意の値の、マージン内において、識別された値を含む範囲を意味している。
【００２１】
本開示の態様は、非線形磁性材料から製造された磁気コアを有する平面型インダクタの実装形態を対象としている。インダクタコイルが磁気コア内の孔を通して巻回されている平面型インダクタの実装形態においては、磁束は、磁気コアの不均一な磁気抵抗に基づいて磁気コアを通して広がることになり、この結果、磁束密度が不均一になる。磁気抵抗の不均一性及び非線形特性は、磁気コアの設計の複雑性を増大させる可能性があり、且つ、磁気コアのサイズの増大を結果的にもたらしうる。本明細書において記述されている実装形態は、相対的に均一な且つ予測可能な磁束分布を有する相対的に小さな磁気コアを設計するべく、構造設計最適化技法及び３Ｄ印刷を使用して可変透磁率磁気コアを設計することによる、磁束密度分布の改善と、インダクタ損失の低減と、を対象としている。
【００２２】
図１は、平面型インダクタの磁気コアのコア構造１００、磁束密度１０２、及びコア損失密度１０４の例示用の図である。コア構造１００の図に示されているように、平らな磁気コア（ｐｌａｔｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｏｒｅ）は、インダクタの銅巻線を巻回するための１つ又は複数の孔１０６を有しており、且つ、巻線の上部及び下部は、ＰＣＢ技術を使用することにより、平らな銅の層によって接続されている。いくつかの実装形態においては、コア構造１００は、均質なフェライト材料から構成されており、且つ、矩形の形状を有する。コア構造１００を設計する際には、平面型インダクタの所定の動作パラメータを実現するべく、設計パラメータが考慮される。例えば、設計パラメータは、磁気コアの寸法、磁気コアの形状、磁気コア上の１つ又は複数の空隙の位置、１つ又は複数の空隙のサイズ、又は磁気コアの材料特性のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２３】
銅巻線が電流によって励起された際に、磁気コアは、磁束密度の図１０２において示されている磁束密度特性と、コア損失の図１０４において示されているコア損失特性と、を有する。磁束密度の図１０２からわかるように、コア構造１００を有する平面型インダクタの磁束密度は不均一である。例えば、いくつかのエリアは、飽和に到達する高い磁束密度を有しており、且つ、いくつかのエリアは、低い磁束密度を有している。いくつかの実装形態においては、磁束密度の飽和は、透磁率の低減に起因したインダクタンスの低減を結果的にもたらす一方で、相対的に低い磁束密度のエリアは、磁束密度飽和のエリアよりも大きな透磁率及びインダクタンスを有する。
【００２４】
図２は、図１において示されている平面型インダクタにおけるインダクタの透磁率対磁束密度の例示用のグラフ２００である。低い磁束密度では、磁気コアの透磁率が、平面型インダクタの非線形性能に起因して、高い磁束密度におけるものよりも高い。グラフ２００において示されている非線形特性及び磁束密度分布に起因して、インダクタのインダクタンス及び損失特性の設計は、困難なものとなりうる。
【００２５】
図３は、平面型インダクタの磁気コアのコア構造３００、磁束密度３０２、及びコア損失密度３０４の例示用の図である。この平面型インダクタは、図１との関係において記述されている平面型インダクタに類似しているが、図１のインダクタよりも、小さな長さ及び幅と、但し、大きな深さと、を有する構造を有する。コア構造３００も、インダクタの銅巻線を巻回するための１つ又は複数の孔１０６を含み、且つ、均質なフェライト材料から成る。コア構造３００は、コア構造１００よりも小さな容積において、同一値のインダクタンスを提供することができるが、磁束密度の図３０２において示されているように、相対的に大量のコア構造３００が飽和に到達し、且つ、コア損失密度の図３０４に示されているように、コア損失も、相対的に大きい。コア構造３００の相対的に大きなエリアが経験する高磁束密度に起因して、インダクタによって実現されうるインダクタンスの値が制限される場合がある。
【００２６】
図４は、図１及び図３との関係において上述した平面型インダクタにおけるインダクタンス対直流（ＤＣ）バイアスの例示用のグラフ４００である。例えば、曲線４０２は、図１のインダクタに対応しており、且つ、曲線４０４は、図３のインダクタに対応している。グラフ４００において示されているように、これらのインダクタは、いずれも、所定の電流において所定のインダクタンスにバイアスされているが、曲線４０４は、磁束密度飽和を経験するコアエリアの増大に起因して、電流（ＩＤＣ）に伴う相対的に鋭いインダクタンスの低減を有する。
【００２７】
本明細書において更に記述されている実装形態においては、相対的に幅広のＤＣ電流値の範囲にわたってインダクタンスの増大を提供する可変透磁率特性を有する磁気コアについて記述されている。いくつかの実装形態においては、可変透磁率特性は、インダクタの非線形を低減するという目的の下に、所定値の磁束密度における透磁率が所定の閾値を上回るように、決定されており、これは、幅広の電流値の範囲におけるインダクタンスの増大を結果的にもたらし、この結果、インダクタ内の損失が低減される。これに加えて、磁気コアの可変透磁率特性は、磁気コアの磁束密度飽和エリアが所定の閾値未満となるように、且つ／又は、コア損失密度が所定の閾値未満となるように、設計することもできる。磁気コアの可変透磁率特性は、インダクタの設計パラメータ及び／又はインダクタの動作パラメータに基づいて設計することができる。例えば、動作パラメータは、インダクタのインダクタンス、直流（ＤＣ）バイアス、磁束密度特性、又はコア損失特性のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２８】
図５は、可変透磁率特性を有する平面型インダクタの磁気コアのコア構造５００、磁束密度５０２、及びコア損失密度５０４の例示用の図である。磁気コア５００の構造は、磁気コアの全体を通して複数の密度を有する不均質なフェライト材料から成る。例えば、コア構造５００の陰影は、コア構造５００の全体を通じた様々な場所におけるフェライト材料又は空気の相対的な量を示している。例えば、磁気コアの全体を通じた密度のそれぞれは、磁気コアの全体を通じた１つ又は複数の場所における空気に対するフェライト材料の比率に対応しており、この場合に、空気に対するフェライト材料の比率は、可変透磁率特性に基づいている。益々暗くなっている陰影のエリアは、特定の場所において空気よりも多くのフェライト材料が存在していることを示しており、且つ、相対的に淡い陰影のエリアは、特定の場所においてフェライト材料よりも多くの空気が存在していることを示している。いくつかの実装形態においては、コア構造の全体を通じた様々な場所における空気に対するフェライト材料の比率は、トポロジー最適化ソフトウェアツールを使用して決定されており、この場合には、損失を所定の値未満において維持しつつ、所定値のインダクタンスを実現するべく、可変透磁率特性を決定することができる。いくつかの例においては、コア構造５００の全体を通じた様々な場所において存在している空気の量を増大させることにより、コア構造５００の全体強度が低減される可能性があり、これは、磁気コアの全体を通して密度を決定する際に有効である別の設計考慮事項である。
【００２９】
いくつかの実装形態においては、平面型インダクタの動作パラメータを実現するべく、コア構造５００及び関連するコイルのその他の設計パラメータを決定することができる。例えば、コア構造５００は、コア構造５００の外側エッジの周りにおいて切欠きを有する非矩形の形状を有する。いくつかの例においては、切欠きは、丸い形状を有することができる。また、磁気コアに跨って所定の磁束密度パターンを実現するべく、コア構造５００内の１つ又は複数の空隙５０６の場所及び形状を決定することもできる。例えば、空隙５０６は、楕円形状を有することが可能であり、これは、磁束密度の図５０４に示されているように、楕円の磁束密度パターンに対応している。これに加えて、少なくとも１つのコイルは、１つ又は複数の空隙５０６を通して巻回され、且つ、インダクタを通過する電流によって励起されるように構成されており、この結果、楕円形状の磁束密度パターンが生成される。いくつかの実装形態においては、楕円形状の磁束密度パターンは、コア損失密度の図５０４に示されているように、図１及び図３との関係において上述した実装形態よりも小さな値のコア損失を生成している。設計パラメータ及び可変透磁率特性の決定が完了した際に、コア構造５００は、３Ｄ印刷を介して、磁性フィラー材料を有するバインダ（例えば、樹脂）マトリックスを使用して生成された単一の構造として、生成される。
【００３０】
図６は、可変透磁率特性を有する平面型インダクタの磁気コアのコア構造６００、磁束密度６０２、コア損失密度６０４、及び３Ｄコア構造６０６の例示用の図である。磁気コアの構造６００は、複数のスリット６０８を有する均質なフェライト材料から構成され、これらのスロット６０８は、可変透磁率特性に基づいてコア構造６００の全体を通して所定の場所及び向きにおいて構成されている。例えば、コア構造６００内に切削されるスリットは、磁束密度パターンが、磁束密度の図６０２内において示されているように、上述の（図５）コア構造５００の楕円形状の磁束密度パターンを近似するように、構成されている。スリット６０８の寸法、向き、及び長さは、トポロジー最適化ツールを使用することによって決定することができる。
【００３１】
また、コア構造６００は、楕円形状の磁束密度パターンに対応した楕円形状の空隙をも含んでおり、且つ、３Ｄコア構造の図６０６は、コイル６１０が空隙を通して巻回される方式を示している。これに加えて、コア構造６００の形状も、コア構造５００と類似しており、非矩形形状と、コア構造６００の外側エッジの周りにおける丸い切欠きと、を有する。コア構造６００を有する平面型インダクタは、コア構造５００よりも大きなコア損失を有しているが、コア損失密度の図６０４に示されているように、コア損失は、依然として、コア構造１００及び３００を有する平面型インダクタのコア損失よりも小さい。また、均質なフェライト材料から製造されたコア構造６００の製造は、不均質なフェライト材料から製造されるコア構造５００の製造よりも簡単且つ廉価である。
【００３２】
図７は、可変透磁率特性を有する平面型インダクタの磁気コアのコア構造７００、磁束密度７０２、及びコア損失密度７０４の例示用の図であり、この場合に、コア構造７００は、コア構造５００及び６００の両方のものの特徴を含む。コア構造７００は、コア構造７００内の空気の場所に加えて、２つの異なる密度及び対応する透磁率を有する２つのタイプのフェライト材料を使用した不均質なフェライト材料から構成することができる。例えば、コア構造は、磁気コア内の１つ又は複数の第１場所における第１密度を有する第１フェライト材料と、磁気コア内の１つ又は複数の第２場所における第２密度を有する第２フェライト材料と、を含むことができる。第１フェライト材料及び第２フェライト材料の密度は、空気に対するフェライト材料の比率に基づいている。いくつかの実装形態においては、第１フェライト材料は、１００％のフェライトと０％の空気であり、且つ、第２フェライト材料は、６０％のフェライトと４０％の空気であって、この結果、第１フェライト材料の第１密度は、第２フェライト材料の第２密度を上回っている。コア構造７００の図においては、最も暗いレベルの陰影を有する場所が第１フェライト材料に対応しており、且つ、相対的に淡い陰影のエリアが第２フェライト材料に対応している。コア構造７００内における第１フェライト材料、第２フェライト材料、及び空気の場所は、平面型インダクタの所定の動作パラメータを結果的にもたらす可変透磁率特性に基づいて、トポロジー最適化ツールを使用して決定することができる。
【００３３】
また、不均質なフェライト材料に加えて、コア構造７００は、可変透磁率特性に基づいて磁気コアの全体を通して所定の場所及び向きにおいて構成された複数のスリットをも含む。コア構造６００（図６）と同様に、コア構造７００内に切削されたスリットは、磁束密度パターンが、磁束密度の図７０２に示されているように、上述のコア構造５００（図５）の楕円形状の磁束密度パターンを近似するように、構成されている。スリットの寸法、向き、及び長さは、トポロジー最適化ツールを使用することによって決定することができる。
【００３４】
また、コア構造７００は、楕円形状の磁束密度パターンに対応した楕円形状の空隙と、空隙を通して巻回されるコイルと、をも含む。これに加えて、コア構造７００の形状も、コア構造５００に類似しており、非矩形形状と、コア構造７００の外側エッジの周りにおける丸い切欠きと、を有する。コア構造７００を有する平面型インダクタは、コア構造５００を上回るコア損失を有する一方において、コア損失密度の図７０４に示されているように、コア損失は、依然として、コア１００、３００、及び６００を有する平面型インダクタのコア損失を下回っている。また、２つの密度変動のみを含む不均質なフェライト材料から製造されたコア構造７００の製造は、更に大きな数の密度変動を有する不均質なフェライト材料から製造されたコア構造５００の製造よりも簡単且つ廉価である。
【００３５】
図８は、上述の様々な磁気コア設計におけるコア重量対コア損失の例示用のグラフ８００である。例えば、点８０２は、コア構造１００又はコア構造３００に対応しており、点８１０は、コア構造５００に対応しており、点８０４は、コア構造６００に対応しており、且つ、点８０８は、コア構造７００に対応している。すべてのコア構造のインダクタンスは、同一の値に設計されており、且つ、それぞれのもののサイズは、損失密度［Ｗ／ｍｍ２］を示しており、これは、冷却の難しさの指標を提供する。点８１０によって示されているコア構造５００は、最良の損失性能を有しており、且つ、コア構造６００（点８０４）及び７００（点８０８）は、コア構造１００及び３００（点８０２）との比較において、相対的に良好な損失性能を有する。
【００３６】
図９は、積層型の磁気コアを有するインダクタ９００の例示用の図であり、この場合に、磁気コアのそれぞれは、図５、図６、及び図７との関係において上述したものなどの、可変透磁率特性を有する。磁気コアを積層することにより、インダクタ９００は、単一の磁気コアを有する場合のものとは異なる誘導特性を有することができる。図１０は、様々な可能な透磁率の磁気コア設計におけるインダクタンス対ＤＣバイアスの例示用のグラフ１０００である。例えば、曲線１００２、１００４、及び１００６は、３つの異なる磁気コア設計における所定のＤＣ電流値の範囲におけるインダクタンス特性を表している。磁気コアを多層積層体として組み合わせることにより、個々の磁気コア構造を再設計する必要性を伴うことなしに、更なる設計解決策が得られる。図１１は、様々な積層型の磁気コア設計におけるインダクタンス対ＤＣバイアスの例示用のグラフ１１００である。例えば、曲線１１０２は、図１０の曲線１００２及び１００４によって表される積層型の磁気コアを表しており、曲線１１０４は、曲線１００４及び１００６によって表される積層型の磁気コアを表しており、且つ、曲線１１０６は、曲線１００２、１００４、及び１００６によって表される積層型の磁気コアを表している。
【００３７】
図１２は、可変透磁率コア設計プロセス１２００の例示用のフローチャートである。可変透磁率コア設計プロセス１２００は、本明細書においては、可変透磁率磁気コア構造５００、６００、及び７００との関係において記述されているが、プロセス１２００は、その他のタイプの可変透磁率コア構造にも適用されうることを理解されたい。
【００３８】
ステップ１２０２において、平面型インダクタの設計パラメータが決定されている。コア構造が設計される際には、平面型インダクタの所定の動作パラメータを実現するべく、様々な設計パラメータを考慮することができる。例えば、設計パラメータは、磁気コアの寸法、磁気コアの形状、磁気コア上の１つ又は複数の空隙の位置、１つ又は複数の空隙のサイズ、又は磁気コアの材料特性のうちの少なくとも１つを含むことができる。考慮されうるその他の設計パラメータには、平面型インダクタが設置される回路のサイズ制約が含まれる。
【００３９】
ステップ１２０４において、平面型インダクタの動作パラメータが決定されており、これは、インダクタンス、ＤＣバイアス、磁束密度特性、又はコア損失特性のうちの少なくとも１つを含むことができる。例えば、平面型インダクタの動作パラメータには、特定のＤＣ電流値における最小許容可能インダクタンスが含まれうる。
【００４０】
ステップ１２０６において、インダクタの設計パラメータ又は動作パラメータのうちの少なくとも１つに基づいて可変透磁率特性を有する磁性材料から成る磁気コアが提供されている。可変透磁率特性を有する磁気コアは、幅広のＤＣ電流値の範囲にわたって、インダクタンスの増大を提供する。いくつかの実装形態においては、可変透磁率特性は、インダクタの非線形性を低減するという目標の下に、所定値の磁束密度における透磁率が所定の閾値を上回るように、決定されており、これは、幅広の電流値の範囲におけるインダクタンスの増大を結果的にもたらし、その結果、インダクタの損失が低減される。これに加えて、磁気コアの可変透磁率特性は、磁気コアの磁束密度飽和エリアが所定の閾値未満となるように、且つ／又は、コア損失密度が所定の閾値未満となるように、設計することもできる。
【００４１】
いくつかの実装形態においては、可変透磁率磁気コアは、コア構造５００、６００、及び７００との関係において上述したものに対応した構造を有することが可能であり、且つ、不均質な又は均質なフェライト材料を含むことが可能であり、且つ、磁気コアの周りにおいて所定の場所及び向きにおいて構成されたスリットを含むことができる。いくつかの実装形態において、コア構造の全体を通じた様々な場所における空気に対するフェライト材料の比率、並びに／或いは、スリットの場所、長さ、及び向きは、トポロジー最適化ソフトウェアツールを使用して決定することが可能であり、この場合には、損失を所定値未満において維持しつつ、所定値のインダクタンスを実現するべく、可変透磁率特性を決定することができる。磁気コアの可変透磁率特性の決定が完了した際に、コア構造は、３Ｄ印刷を介して、磁性フィラー材料を有するバインダ（例えば、樹脂）マトリックスを使用して生成された単一構造として、生成される。
【００４２】
本開示の態様は、非線形磁性材料から製造された磁気コアを有する平面型インダクタの実装形態を対象としている。本明細書において記述されている可変透磁率コアの実装形態は、相対的に均一な且つ予測可能な磁束分布を有する相対的に小さな磁気コアを設計するべく、構造設計最適化技法及び３Ｄ印刷を使用して可変透磁率磁気コアを設計することにより、磁束密度分布の改善と、インダクタ損失の低減と、を提供する。
【００４３】
以上、いくつかの実装形態について説明した。但し、本開示の精神及び範囲を逸脱することなしに、様々な変更が実施されうることを理解されたい。例えば、開示されている技法のステップが、異なるシーケンスにおいて実行された場合にも、開示されているシステム内のコンポーネントが異なる方式によって組み合わせられた場合にも、或いは、コンポーネントがその他のコンポーネントによって置換又は補完された場合にも、好ましい結果を実現することができる。従って、その他の実装形態も、特許請求されうる範囲に含まれている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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