(57)【要約】      （修正有）【課題】インダクタの熱伝導性及び電気絶縁性を共に向上させる。【解決手段】インダクタは、巻線５、第１の樹脂７及び第２の樹脂８を備えている。巻線５は、ボビン２に巻回されている。第１の樹脂７は、巻線５に含浸され、かつ充填剤を含有させずに構成されている。第２の樹脂８は、無機充填剤を含有し、ボビン２と共に巻線５を外側から覆うように成形されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボビンに巻回された巻線と、
前記巻線に含浸され、かつ充填剤を含まない第１の樹脂と、
無機充填剤を含有し、前記ボビンと共に前記巻線を外側から覆うように成形された第２の樹脂と、
を備えるインダクタ。
【請求項２】
前記第２の樹脂は、線膨張係数が３０×１０-7ｍ／ｍ・℃以下になるように前記無機充填剤が含有され、
前記巻線は、銅製である、
請求項１記載のインダクタ。
【請求項３】
前記第２の樹脂は、熱伝導率が０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、
請求項１又は２記載のインダクタ。
【請求項４】
前記無機充填剤は、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、又は二酸化ケイ素からなる、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のインダクタ。
【請求項５】
前記無機充填剤は、平均粒径がそれぞれ５μｍ以上の窒化ホウ素、窒化アルミニウム及び酸化アルミニウムのうちの少なくとも一種を含む第１の粒子群と平均粒径が１μｍ以下の第２の粒子群とを含む、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のインダクタ。
【請求項６】
前記第２の樹脂は、液状ゴム又はコアシェルゴムがさらに含有されている、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のインダクタ。
【請求項７】
前記第２の樹脂は、前記第１の樹脂よりも熱伝導率が高い、
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のインダクタ。
【請求項８】
前記ボビンの軸心に挿入されたフェライトコアをさらに備える、
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のインダクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、インダクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車などのバッテリに対して非接触で充電を行うワイヤレス充電装置が知られている。このワイヤレス充電装置は、例えば地上側に設置される送電コイル（一次コイル）と電気自動車側に搭載されるインダクタ内の受電コイル（二次コイル）との間の電磁誘導を利用してバッテリへ電力を供給する。
【０００３】
ところで、このような無線電力が伝送される例えばインダクタ内の受電コイルは、高周波電力などの伝送で生じる渦電流の影響（表皮効果の影響）を低減させるためにリッツ線などの撚り線が適用されている。
【０００４】
ここで、インダクタの外形部分を樹脂成形するための一般的な注型方法では、リッツ線の素線間に樹脂が適切に含浸されず、リッツ線の放熱効果が低下する課題や、樹脂の含浸不足によって生じたボイド部分において使用時に部分放電が発生してしまう課題がある。一方、ボイドフリーを実現するために真空加熱注型を適用する場合には、コストの上昇が課題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２２９２０２号公報
【特許文献２】特開２００８−８７７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さらに詳述すると、リッツ線に含浸させた樹脂内にボイドが発生すると、熱が均一に拡散しないことから、いわゆるホットスポット（熱放散されない蓄熱箇所）が形成される可能性がある。一方、電気自動車などの車体に熱を拡散させる方法を適用した場合、インダクタ本体の成形樹脂の熱伝導性が十分でないと、過熱による樹脂の劣化をもたらす可能性がある。
【０００７】
さらに、内部の電子部品を一体モールドする上記したインダクタは、電子部品の角部などに応力が集中するため、加熱に伴う内部応力の発生に起因して前記角部などにクラックが生じる可能性がある。また、熱伝導性を向上させるために成形樹脂中に充填剤を大量に充填した場合には、受電コイルへの含浸不足によるボイドの発生が誘発されることになる。特に、高い比誘電率を持つ充填剤を使用した場合には、ボイド部分において電界集中が起こって放電が発生し、引いては絶縁破壊が起こる可能性がある。
【０００８】
このように、上述したインダクタは、樹脂モールドによる冷却性の向上が見込まれるものの、熱伝導性の向上及び電気絶縁性の向上を両立させることが難しく、加熱に伴うクラックの発生及びボイド部分での放電に伴う絶縁破壊の発生が懸念される。
【０００９】
すなわち、本発明が解決しようとする課題は、熱伝導性及び電気絶縁性を共に向上させることができるインダクタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施の形態のインダクタは、巻線、第１の樹脂及び第２の樹脂を備えている。巻線は、ボビンに巻回されている。第１の樹脂は、巻線に含浸され、かつ充填剤を含有させずに構成されている。第２の樹脂は、無機充填剤を含有し、ボビンと共に巻線を外側から覆うように成形されている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態に係るインダクタの内部構造を透視した状態で模式的に示す斜視図。
【図２】図１のインダクタの構造を模式的に示す断面図。
【図３】第２の樹脂中へ充填する充填剤の充填量と熱伝導率との関係を示す図。
【図４】比較例のインダクタの構造を模式的に示す断面図。
【図５】第２の実施の形態に係るインダクタの構造を模式的に示す断面図。
【図６】第２の樹脂中へ充填する充填剤（窒化ホウ素）内にさらに含有（添加）させるカーボンブラックの充填量と熱伝導率との関係を示す図。
【図７】第３の実施の形態に係るインダクタの構造を模式的に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１、図２に示すように、本実施形態のインダクタ１０は、例えば電力の無線伝送に利用されるものであって、地上などに設置された送電コイル（一次コイル）から電磁誘導を利用して非接触で電力の供給を受けるデバイスである。無線電力伝送用のこのインダクタ１０は、例えばバッテリの給電を受ける電気自動車などの車体６の底部に、アルミニウム製の部材などを介して取り付けられている。
【００１３】
具体的には、図１、図２に示すように、インダクタ１０は、ボビン２、フェライトコア３、受電コイル（二次コイル）としての巻線９、第１の樹脂７、第２の樹脂８などによって構成されている。フェライトコア３は、巻線９の周りに生じる磁界をそろえるためのものであり、矩形管状に形成されたボビン２の軸心に挿入されている。
【００１４】
巻線９は、ボビン２の外周面に所定の間隔を空けて巻回されている。巻線９は、複数の素線５ａを撚り線として束ねたリッツ線５によって構成されている。リッツ線５の材料には、銅（Ｃｕ）が適用されている。巻線９を構成するリッツ線５は、高周波電力などを伝送する際の表皮効果の影響を低減させるために適用されている。
【００１５】
次に、第１の樹脂７及び第２の樹脂８について説明する。第１の樹脂７は、巻線９に含浸されている。つまり、第１の樹脂７は、リッツ線５を構成する複数の素線５ａどうしの間隙に含浸されている。第１の樹脂７は、無機充填剤などの充填剤を含有させてない樹脂であって、例えばエポキシ樹脂などで構成されている。
【００１６】
ここで、リッツ線５への含浸用の樹脂として、充填剤を含む樹脂を使用すると、樹脂の粘度が高いため、リッツ線５内に樹脂が入らない場合がある。そのため、巻線９内（リッツ線５内の間隙）において樹脂が介在する空間と樹脂が介在していない空間とが偏在することになる。この結果、インダクタ１０の使用時に、巻線９内は、温度の不均一化がもたらされる。このような温度分布のばらつきは、巻線９内での内部応力の生じる要因となり、クラックの発生など、好ましくない結果を招く。
【００１７】
そこで、本実施形態のインダクタ１０は、充填剤を含まない第１の樹脂７を、リッツ線５（巻線９）に含浸させることによって、リッツ線５の素線５ａ間の熱伝達を向上させることができる。これによって、巻線９の温度分布を平準化することができ、ホットスポット（部分的な蓄熱箇所）の発生を低減させることができる。なお、第１の樹脂７には、充填剤を含まないポリエステル樹脂などを適用してもよい。
【００１８】
一方、第２の樹脂８は、無機充填剤（無機粒子）を含有し、図２に示すように、フェライトコア３が軸心に挿入されたボビン２と共に巻線９を外側から覆うように成形されている。具体的には、第２の樹脂８は、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂に無機充填剤を充填した材料によって構成されている。さらに、第２の樹脂８は、例えば注型によって、ボビン２、及び第１の樹脂７が含浸された巻線９と共に、一体モールド成形されている。
【００１９】
ここで、巻線９に例えば大電流が流れると導体温度が上昇することになるため、巻線９（リッツ線５）の外側部分は、巻線９で発熱した熱を車体６側に速やかに逃がすようにすることが望まれる。そこで、第２の樹脂８には、無機充填剤を含有させることで、第１の樹脂７よりも熱伝導率を高めた材料を適用する。
【００２０】
また、巻線９（リッツ線５）を構成している銅の線膨張係数（１７×１０-7ｍ／ｍ・℃）とエポキシ樹脂の線膨張係数（３７×１０-7ｍ／ｍ・℃）との差が大きいため、巻線９の導体温度が上昇した場合、上記した線膨張係数（線膨張率）の違いによって生じる応力によって、インダクタ１０は、界面剥離やクラックが発生するおそれがある。
【００２１】
そこで、第２の樹脂８中に無機充填剤として例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）を常温の環境などで３０体積％充填することで、線膨張係数を例えば２７×１０-7ｍ／ｍ・℃にすることが可能となる。これにより、銅製の巻線９（リッツ線５）の第２の樹脂８との互いの線膨張係数の差が少なくなり、インダクタ１０における内部応力の発生を低減させることができる。また、上記のように第２の樹脂８の線膨張係数を低下させたことで、アルミニウム製の部材を介して車体６に接合されたインダクタ１０と前記のアルミニウム製の部材との界面が剥離してしまうことなどを抑制できる。
【００２２】
つまり、第２の樹脂８の線膨張係数が例えば３０×１０-7ｍ／ｍ・℃を超えると、上述した界面剥離やクラックが発生する確率が高まるため、第２の樹脂８は、線膨張係数が３０×１０-7ｍ／ｍ・℃以下になるように、二酸化ケイ素、窒化ホウ素又は窒化アルミニウムなどの無機充填剤が含有されている。
【００２３】
また、前述したように、第２の樹脂８の熱伝導性を高めることは重要である。ここで、エポキシ樹脂の熱伝導率は、約０．２Ｗ／ｍ・Ｋであり、この２倍の熱伝導率を持つように第２の樹脂８を構成にすることによって、インダクタ１０の冷却性を大幅に改善できる。なお、第２の樹脂８の熱伝導率が例えば０．４Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、インダクタ１０における熱放散性の低下が顕著になる。図３は、熱伝導率の高い無機充填剤として、酸化アルミニウム（アルミナ）を用いたときの、エポキシ樹脂中への酸化アルミニウムの充填量と熱伝導率（レーザフラッシュ法にて測定）との関係を示している。図３に示すように、例えば常温で酸化アルミニウムの充填量を約１０体積％以上にすることによって、０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を得ることができる。
【００２４】
ここで、電気自動車などを対象とする無線電力伝送用のインダクタ１０は、車体６へ加わる電圧が０Ｖである一方で、巻線９には例えば５ｋＶ以上もの高電圧が印加される。したがって、巻線９の外側を覆う第２の樹脂８は、上記した高電圧の影響を受ける。図４に示すように、比較例のインダクタ１０は、巻線９の外側を覆う樹脂２８中に無機充填剤などの充填剤が含有されていないため、この成形された樹脂２８内にボイド、剥離、クラックなどの欠陥２１が存在することがある。この場合、欠陥２１が存在する部位に高い電圧が加わり部分放電が発生する。
【００２５】
部分放電自体は、直ちにインダクタの不具合につながるものではないが、部分放電が連続して発生していると、やがて電気トリー（樹枝状の絶縁破壊痕跡）となって、高電圧とアース電圧とが短絡し、インダクタを含む周辺の電気機器が正しく動作しなくなる可能性が高い。ここで、無機充填剤として例示した酸化アルミニウムは、比誘電率が約８であり、比誘電率が約４のエポキシ樹脂の２倍の値となっている。このため、酸化アルミニウムを無機充填剤として単に充填すると欠陥に加わる電圧が高くなり、その結果、部分放電が発生しやすくなる。
【００２６】
そこで、第２の樹脂８について０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率及び３０×１０-7ｍ／ｍ・℃以下の線膨張係数を確保することを前提としたうえで、適用する無機充填剤として酸化アルミニウムに代えて、比誘電率が比較的低い窒化ホウ素や窒化アルミニウムを用いることで、欠陥中に加わる電圧を低減することができ、部分放電の発生を抑制することが可能となる。
【００２７】
既述したように、本実施形態のインダクタ１０では、巻線９に含浸させる樹脂として充填剤を含まない第１の樹脂７を適用する一方で、巻線９を外側から覆うように成形する樹脂として無機充填剤を含有させた第２の樹脂を用いることで、熱伝導性及び電気絶縁性を共に向上させることができる。具体的には、インダクタ１０によれば、充填剤を含まない第１の樹脂７を巻線９に含浸させたことで、巻線９内での温度分布の均一化が図られ、ホットスポットなどの発生を抑制することができる。
【００２８】
また、インダクタ１０によれば、巻線９を外側から覆う第２の樹脂に無機充填剤を含有させたことで、熱膨張などで生じ得る内部応力が緩和されると共に、車体６側への熱伝導性が向上してインダクタ１０本体の冷却性が高まり、これによりクラックやボイドの発生などを抑えることができる。
【００２９】
［第２の実施の形態］
次に、第２の実施形態を図５及び図６に基づき説明する。なお、図５において、図２に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。
【００３０】
この実施形態に係るインダクタ３０は、第１の実施形態に係るインダクタ１０が有する第２の樹脂８に代えて、第２の樹脂３８を備えている。第２の樹脂３８も、線膨張係数は３０×１０-7ｍ／ｍ・℃以下であり、熱伝導率は０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。さらに、本実施形態の第２の樹脂３８に充填された無機充填剤（無機粒子）は、平均粒径がそれぞれ５μｍ以上の窒化ホウ素、窒化アルミニウム及び酸化アルミニウムのうちの少なくとも一種を含む第１の粒子群と平均粒径が１μｍ以下の第２の粒子群とを含んで構成されている。
【００３１】
図６は、第２の樹脂３８に充填させる無機充填剤の一例として、平均粒径が例えば５μｍの窒化ホウ素（第１の粒子群）を、常温などの環境下でそれぞれ５０体積％、６０体積％又は６８体積％、充填したエポキシ樹脂（例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂など）に対して、平均粒径が９０ｎｍのカーボンブラック（微細粒子である第２の粒子群）をさらに充填（添加）したときの、当該カーボンブラックの充填量と熱伝導率（レーザフラッシュ法にて測定）との関係を示している。
【００３２】
図６では、特に、窒化ホウ素を６０体積％又は６８体積％充填したエポキシ樹脂中に、カーボンブラックを１体積％添加したものは、添加していないものと比べて、熱伝導率が、飛躍的に向上（約１．５倍に増大）していることがわかる。これは、窒化ホウ素間のエポキシ樹脂に微細な粒子が添加されることによって、弾性率が向上し、その結果、熱を運ぶフォノンが伝播しやすくなったためであると考えられる。
【００３３】
つまり、第２の樹脂３８中では、窒化ホウ素などからなる大粒径の第１の粒子群とカーボンブラックなどからなる小粒径の第２の粒子群とが連続して繋がったパーコレーションパスが形成される。このパーコレーションパスの数は、母材の樹脂中における第１及び第２の粒子群の体積比率がある値（パーコレーション閾値）を越えると、指数関数的に増大する。
【００３４】
本実施形態の第２の樹脂３８は、いわゆる２粒子系複合体になる。このような２粒子系複合体の導電特性は、発明者の例えばTetsushi Okamoto et al. によって、Proceeding of 2001 International Symposium on Electrical Insulating Materials（２００１年）のＰ．８３〜Ｐ．８６（Percolation phenomena of field grading materials made of two kind of filler）などで示された２粒子系複合体のパーコレーション理論によって説明することができる。
【００３５】
また、第２の粒子群として第２の樹脂３８中に添加するカーボンブラックの代わりに、例えば平均粒径が９０ｎｍの酸化アルミニウムを添加した場合も同様に熱伝導率を高めることが可能である。例えばスチレンエチレンポリマに窒化ホウ素の粒子を常温などで６０体積％充填した複合体の熱伝導率は、２Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。しかしながら、さらにこの複合体に、平均粒径が９０ｎｍの酸化アルミニウムを常温などで５体積％添加した場合、熱伝導率を４．６Ｗ／ｍ・Ｋ程度まで上昇させることが可能となる。
【００３６】
このように、第２の樹脂中に微細な粒子を添加することによって熱伝導性を大幅に改善することができる。なお、第１の実施形態で説明したように、酸化アルミニウムは、比誘電率の高い材料ではあるが、微量の添加であるので、電気的特性に大きな影響を与えることはない。したがって、本実施形態のインダクタ３０においても、熱伝導性及び電気絶縁性を高めることができる。
【００３７】
＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施形態を図７に基づき説明する。なお、図７中において、図２に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。
【００３８】
この実施形態に係るインダクタ５０は、第１の実施形態に係るインダクタ１０が有する第２の樹脂８に代えて第２の樹脂５８を備えている。第２の樹脂５８も、線膨張係数は３０×１０-7ｍ／ｍ・℃以下であり、熱伝導率は０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。ここで、第２の樹脂５８は、第１、第２の実施形態で例示した無機充填剤に加え、液状ゴム又はコアシェルゴムがさらに含有されている。第２の樹脂５８は、このようなゴム弾性を持つドメインをエポキシ樹脂などの母材となる樹脂中に導入していることで、破壊靱性値を向上させることができる。
【００３９】
したがって、第３の実施形態に係るインダクタ５０によれば、第１及び第２の実施形態にて得られる効果に加え、インダクタ本体の動作熱で生じ得る内部応力の影響を、第２の樹脂５８が持つゴム弾性によって緩和できるので、クラックの発生などについての抑制効果を高めることができる。
【００４０】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
２…ボビン、３…フェライトコア、５…リッツ線、５ａ…リッツ線の素線、７…第１の樹脂、８，３８，５８…第２の樹脂、１０，３０，５０…インダクタ。
【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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