(57)【要約】【課題】磁性体コアのクラック発生を抑制する。【解決手段】脆性材料で構成された磁性体２を所定の高さのギャップ層４を介して接着対象３に接合する接合構造を備えた電磁デバイスであって、上記接合構造は、接着剤６により上記磁性体２と上記接着対象３とを接着すると共に、上記接着剤６の内部に柱状スペーサー５１を、上記接着剤６の外周部に、上記柱状スペーサー５１より剛性が低い枠状スペーサー５２を配置して、上記ギャップ層４の高さを規定する。【選択図】図２
2008021836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料で構成された磁性体を所定の高さのギャップ層を介して接着対象に接合する接合構造を備えた電磁デバイスであって、上記接合構造は、接着剤により上記磁性体と上記接着対象とを接着すると共に、上記接着剤の内部に柱状スペーサーを、上記接着剤の外周部に、上記柱状スペーサーより剛性が低い枠状スペーサーを配置して、上記ギャップ層の高さを規定する構成であることを特徴とする電磁デバイス。
【請求項２】
スペーサーの線膨張係数は、磁性体の線膨張係数より大きいことをことを特徴とする請求項１記載の電磁デバイス。
【請求項３】
磁性体は、フェライト磁石であることを特徴とする請求項１または２記載の電磁デバイス。
【請求項４】
枠状スペーサーは、磁性体との接合部において、周方向に沿ったフィレットを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁デバイス。
【請求項５】
柱状スペーサーと枠状スペーサーとを梁により接続して一体化したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電磁デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電磁デバイスに関するものであり、特にフェライト磁石に代表される脆性磁性体の接着構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電磁デバイスには、例えば絶縁電線を巻線したコイルを上下の磁性体コア間に収納した閉磁路型のチョークコイル等があるが、一般に磁路の一部にコア材とは透磁率が異なる空隙層（以下ギャップ層と記す）を形成して、インダクタンス値や電流容量等の電気特性を調整する手段が採用されている。上記ギャップ層にて電気特性を調整することで、共通の磁性体部品を用いながら使用環境毎に最適な電気特性を有する電磁デバイスを得ることができる。
通常、電磁デバイスの磁性体コアには使用中に電磁力が加わるため、十分な固定強度が必要となる。そのため、ギャップ層の作製方法として、一般に、ギャップ隙間調整用のスペーサーとエポキシ系接着剤とを用いた接着が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような接着構造を用いた電磁デバイスにおいて、磁性体をフェライト磁石にすることは優れた特性とコストとの両立において重要である。しかし、フェライト磁石は磁性鋼などと異なり脆性材料であるため、クラックが発生しやすく、またそこから破壊しやすい。
強度が大きいエポキシ系接着材等の接着剤は硬化時に温度上昇が伴うため、硬化時に接着剤と磁性体コアとの間に熱膨張差が発生する。そのため、フェライト磁石に代表される脆性磁性体を磁性体コアとして使用する電磁デバイスでは、上記熱膨張差による熱応力の発生によりクラックが発生し、そこから破壊するという問題点があった。そこで、例えば特許文献１では、スペーサーに開けた穴の中に接着剤を充填することで、接着剤の熱変形による発生応力を小さくする対策を実施している。
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１９３０６号公報（第３−４頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１で示された接合構造は、接着剤の線膨張係数が磁性体コアを構成するフェライト磁石の線膨張係数より大きいことにより上記磁性体コアに発生する熱応力を低減するための構成である。
一方、スペーサー材料の線膨張係数が大きく、磁性体コアの線膨張係数との差が大きい場合にも、スペーサー材料そのものによる熱応力の発生が問題となる。特に、電磁デバイスの使用条件が厳しく、より低温環境に曝されたりする場合に問題となる。
即ち、スペーサーはギャップ層の高さを規定するものであるため、スペーサー材料としては剛性の高い材料を用いるのが好ましいが、スペーサーの剛性が高い場合、スペーサーの線膨張係数が大きいと磁性体コアはスペーサーによる熱応力の影響を受けやすくなるので、よりクラックが生じやすくなる。
【０００６】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、磁性体コアのクラック発生を抑制することができる電磁デバイスを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る電磁デバイスは、脆性材料で構成された磁性体を所定の高さのギャップ層を介して接着対象に接合する接合構造を備えた電磁デバイスであって、上記接合構造は、接着剤により上記磁性体と上記接着対象とを接着すると共に、上記接着剤の内部に柱状スペーサーを、上記接着剤の外周部に、上記柱状スペーサーより剛性が低い枠状スペーサーを配置して、上記ギャップ層の高さを規定するものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、接着剤とスペーサーとを用い、脆性材料で構成された磁性体と接着対象とを所定の高さのギャップ層を介して接合する際に、上記スペーサーの線膨張係数が上記磁性体の線膨張係数より大きくても、上記磁性体に発生する熱応力を大幅に低下させることができ、電磁デバイスの信頼性を大きく向上させることができる。
また、ギャップ高さを大きくとることが可能となり、電気特性の調整範囲を広くすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による電磁デバイスの一部を示す断面図であり、磁性体コアを構成する磁性体２と磁性体３とを所定の高さのギャップ層４を介して接合する接合構造を備えた電磁デバイスである。図１において、絶縁電線を巻線した中空のコイル１の内側には、フェライト磁石で作られた磁性体２が設置され、さらに磁路を構成するように、上下にフェライト磁石で作られた磁性体３がある一定の高さのギャップ層４を介して接合されている。
【００１０】
図２は本発明の実施の形態１による電磁デバイスにおける接合部の拡大断面図であり、図３は図２のＩ−Ｉ線での断面図である。
図２，図３において、ギャップ層４は、ギャップ層４の高さを規定するスペーサー５と、磁性体２および磁性体３を接着すると共に、電磁力に耐える接着強度を有するエポキシ系接着剤６とにより構成されている。
また、スペーサー５は、接着剤６の内部に配置された柱状スペーサー５１と、接着剤６の外周部に配置された枠状スペーサー５２と、柱状スペーサー５１と枠状スペーサー５２とを接続する梁５３とにより構成されている。
上記スペーサー５は、枠状スペーサー５２の径方向の幅Ｗ2が柱状スペーサー５１の径方向の幅Ｗ1より小さく、枠状スペーサー５２の剛性が柱状スペーサー５１の剛性より低くなるような形状をしている。枠状スペーサー５２の幅は薄いほど良い。
【００１１】
また、スペーサー５は、例えば形抜きにより一体成形されており、柱状スペーサー５１と枠状スペーサー５２とを接続する梁５３は、梁５３を設けることによってスペーサー５の剛性が高くなりすぎると、クラックが発生しやすくなるので、スペーサーの剛性が高くなりすぎることが抑えられるように、スペーサー５の中央部を通らないように構成されている。さらに出来る限り小さく、かつ最小の数となるように配置されている。
また、梁５３は、枠状スペーサー５２の内部の、接着剤６が充填される空間の形状に凹部が出来る限る少なくなるように設けられており、さらに、接着剤６が充填された時に、柱状スペーサー５１の外周全面に接着剤６が行き渡るように構成されている。
なお、図２，３では、柱状スペーサー５１と枠状スペーサー５２とは梁５３により一体成形されているが、梁５３を設けず、別々のものであっても良い。
【００１２】
このような構成とすることにより、スペーサー５の線膨張係数が磁性体２，３の線膨張係数より大きくても、磁性体２，３に発生する熱応力を大幅に低下させることができ、電磁デバイスの信頼性を大きく向上させることができる。
また、ギャップ高さを大きくとることが可能となり、電磁デバイスとしての電気特性の調整範囲を広くすることが可能となる。
また、高い応力が発生するギャップ端部が成型精度の高いスペーサーとなるため、ばらつきが無い、信頼性の高い電磁デバイスを作製することができる。
【００１３】
なお、図２では、枠状スペーサー５２は磁性体２，３との接合部において、周方向に沿ったフィレット（突起）５４が設けられている。フィレット５４の形状は矩形でも良いが、図２に示すように、枠状スペーサー５２から離れるにつれて徐々に高さか減少する形状の方が、磁性体との接着部分の応力を小さく出来、望ましい。
また、図２では、フィレット５４は枠状スペーサー５２の両側に設けた例を示したが、外側にのみ設けてもよいし、無くても良い。
【００１４】
また、図２，３では、柱状スペーサー５１の数は４つの例を示したが、１つでもよい。ギャップ層４の高さを安定して規定するには３つ以上が望ましい。
【００１５】
また、本実施の形態では磁性体同士の接合構造について説明したが、当然のことながら、磁性体を所定高さのギャップ層を介して他の接着対象に接着し、接着部で熱履歴を受ける接合構造に対しても、本発明の接着構造とすることにより、熱応力を低下させることができ、有効であるのは言うまでも無い。
【００１６】
次に、本実施の形態の接合構造による効果を従来の接合構造と比較して説明する。
これまで一般的に用いられてきたギャップ層４の断面形状を図４に、図４のＩ−Ｉ線での断面図を図５に示す。図４，図５において、中央部に接着材６が充填され、周囲に枠状のスペーサー５０が設置されている。ギャップ層４の高さはスペーサー５０の寸法精度で決められるため、接着時、使用時の負荷に対して剛性が要求される。そのため、スペーサー５０の寸法はある程度の大きさを持っている。ギャップ層４は、磁性体２，３と比較して透磁率が非常に低いことを利用して電磁デバイスの特性を調整するので、ギャップ層４として金属を挟み込むことは出来ない。スペーサー５０には主に、コストと剛性に優れた、ポリプロピレン等のプラスチックが使用される。図４，５において、スペーサー５０を例えばプラスチックにより構成した場合、スペーサー５０の高さ３ｍｍ、直径（外径）５０ｍｍに対し、径方向の幅は３ｍｍ程度必要となる。
【００１７】
一般的にプラスチックはフェライト磁石と比較して線膨張係数が大きいため、接着剤硬化時の温度上昇によってフェライト磁石に熱応力を発生させ、クラック７を発生させることがある。また、接着に使用するエポキシ系に代表される高強度の接着剤６も、線膨張係数が大きく、また硬化時に収縮する性質を持つため、熱応力発生の原因となりフェライト磁石にクラック７を発生させることがある。
電磁デバイスの磁性体にクラック７が発生すると、電磁力による騒音が発生したり、クラック７から磁性体が破損し、デバイス特性が低下するなどの問題がおきる。このクラック７は、低温環境にさらされたときにも発生し、電磁デバイスの信頼性を下げる要因となる。
【００１８】
従来の構成に対して、ギャップ層におけるスペーサーの構成のみ変更してＦＥＭ解析を用いて熱膨張差による応力の発生を検討した。熱応力の発生源となるギャップ層４のスペーサー５０と接着剤６とは、その線膨張係数が、それぞれ磁性体２，３の線膨張係数と異なっている。ここでは、スペーサー５０と接着剤６との線膨張係数が、それぞれ磁性体２，３の線膨張係数より大きく、また、スペーサー５０の線膨張係数が接着剤６の線膨張係数より大きい場合について検討している。また、各スペーサー構成に対し、接着剤硬化温度から低温環境温度（例えば、１５０℃から−４０℃）の温度範囲で変化する熱履歴を常に等しく与えている。さらに、どのモデルにおいても磁性体コアのメッシュサイズを同一として解析を行い、熱応力の発生量を定性的に比較できるようにした。
【００１９】
図６は従来の一般的なギャップ層（比較例１）をモデル化した図、図７は比較例１に対し、熱履歴を与え、熱変形を起こした場合のＦＥＭ解析結果である。図７において、横軸は磁性体コア２における位置であり、位置Ａ〜Ｄは図６に示した位置Ａ〜Ｄに対応している。縦軸は最大発生応力を１として正規化した発生応力値である。
図７に示すように、高い応力がスペーサー部分、特にスペーサー５０の外側端部Ａ、Ｄに発生していることがわかる。
【００２０】
また、ギャップ高さｈを変更したときの最大発生応力の関係を図８に示す。横軸は接着幅（ギャップ層の幅Ｌ）に対するギャップ高さｈの比であり、接着幅Ｌ及びスペーサー５０の径方向の幅ｘを一定にし、ギャップ高さｈを変化させた時の比をとったものである。縦軸は、磁性体コア２に発生する最大発生応力を、ギャップ高さ／接着幅が０．１の時の最大発生応力を１として正規化した数値である。ギャップ高さが大きくなるにつれて、最大発生応力が大きくなるのがわかる。
このことから、電磁デバイスの電気特性の調整をするためにギャップ高さを増大させると、磁性体にクラックが発生しやすくなることがわかる。そのため、これまで一般的に使用されていたギャップ形状では、電気特性の調整範囲を制限する必要があった。
【００２１】
次に、図９に示すように、比較例１のスペーサー５０の幅ｘを、比較例１の場合より７０％小さくし、スペーサーの剛性を低くした場合（比較例２）を解析したところ、最大発生応力は図１０に示すように、６５％にまで低下した。
図１０は種々のスペーサー形状に対するＦＥＭ解析結果を示す図であり、縦軸は比較例１における最大発生応力を１として正規化した最大発生応力の値である。ギャップ層４の幅（接着幅）、高さ（スペーサーの高さ）、スペーサー５の材料、接着剤６の材料は同じとした。
【００２２】
比較例１および比較例２の結果からわかるように、スペーサー５０の剛性が低ければ発生する熱応力は小さくなるが、剛性が低いとギャップ層４の高さの精度を出すことが出来なくなる問題が発生する。
【実施例１】
【００２３】
図１１は、本発明に係わるギャップ層４をモデル化した図である。
図１１は、接着剤６の内部に高い剛性をもつ柱状スペーサー５１（比較例１のスペーサー幅と同じ幅）を、接着剤６の外周部に、柱状スペーサー５１より剛性が低い枠状スペーサー５２（比較例２のスペーサー幅と同じ幅）を配置した例（実施例１）である。ギャップ層４の幅（接着幅）、高さ（スペーサーの高さ）、スペーサー５の材料、接着剤６の材料は同じとした。
実施例１に対して、同様に、ＦＥＭ解析を用いて熱膨張差による応力の発生を検討した。
その結果、柱状スペーサー５１と磁性体２，３との接合部には高い応力は発生せず、枠状スペーサー５２と磁性体２，３との接合部に最大発生応力が発生した。また、発生する上記最大発生応力は、図１０に示すように、比較例１において発生する最大発生応力の５５％まで低下した。
【００２４】
このように、フェライト磁石をはじめとする脆性磁性体を接着するときに、接着剤６の内部に高い剛性を持つ柱状スペーサー５１を、接着剤６の外周部に低い剛性を持つ枠状スペーサー５２を配置することで、磁性体２，３に発生する熱応力を大幅に低下させることができる。また、柱状スペーサー５１によりギャップ層４の高さの精度を出すことが出来、電磁デバイスの信頼性を大きく向上させることが出来る。
さらに、ギャップ高さを大きくとることが可能となり、電気特性の調整範囲を広くすることが可能となる。
【実施例２】
【００２５】
図１２は、本発明に係わる別の構成のギャップ層４をモデル化した図である。
図１２（ａ）は、図１１の構成における枠状スペーサー５２に対し、図１２（ｂ）に示すように、磁性体２，３との接合部において、周方向に沿ったフィレット（突起）５４を設けた例（実施例２）である。図１２（ｂ）におけるフィレット５４の寸法は、ａ／ｌが１／３、ｂ／ｈが１／７とした。
実施例２に対して、同様に、ＦＥＭ解析を用いて熱膨張差による応力の発生を検討した。
その結果、枠状スペーサー５２と磁性体２，３との接合部に発生する最大発生応力は、図１０に示すように、比較例１の４２％、実施例１の７６％まで低下した。
【００２６】
熱応力はギャップ層４の端部の形状に大きく左右される。特に端部にフィレット５４を作製し、剛性を下げることで熱応力を小さくすることができ、電磁デバイスの信頼性を大きく向上させ、ギャップ高さを大きくとることが可能となる。
【実施例３】
【００２７】
図１３は、本発明に係わる別の構成のギャップ層４をモデル化した図である。
図１３は、図１２の構成において、柱状スペーサー５１と枠状スペーサーとを梁５３により接続して一体化した例（実施例３）である。
実施例３に対して、同様に、ＦＥＭ解析を用いて熱膨張差による応力の発生を検討した。
その結果、スペーサー５を一体化した構造においても、枠状スペーサー５２と磁性体２，３との接合部に発生する最大発生応力は、図１０に示すように、比較例１の４５％、実施例１の８０％まで低下し、応力を十分に低く抑えられる。
【００２８】
図１４は、実施例３に対し、熱履歴を与え、熱変形を起こした場合のＦＥＭ解析結果である。図１４において、横軸は磁性体コア２における位置であり、位置Ａ〜Ｈは図１３に示した位置Ａ〜Ｈに対応している。縦軸は、比較例１における最大発生応力を１として正規化した発生応力値である。
図１４に示すように、柱状スペーサー５１および枠状スペーサー５３の周辺に応力が発生しており、特に枠状スペーサー５０の外側端部Ａ、Ｈに最大発生応力が発生していることがわかる。また、発生する最大応力は、比較例１と比べ、著しく小さいことがわかる。
【００２９】
なお、一体化した場合、剛性が幾分高くなるので、図１０に示すように、最大発生応力は多少大きくなるが、一体化スペーサーを使うことで、製造工程が簡略化できると共に、接着時の工程と材質を変更することなく熱応力を大幅に下げることができ、電磁デバイスの信頼性を大きく向上させ、ギャップ高さによる、電気特性の調整範囲を広くすることが可能となる。
【００３０】
なお、図１０には示されていないが、フィレット５４を両側に設けた、図２と同様の構成においても、実施例３と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１による電磁デバイスの一部を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１による電磁デバイスにおける接合部の拡大断面図である。
【図３】図２のＩ−Ｉ線での断面図である。
【図４】従来の電磁デバイスにおける接合部の拡大断面図である。
【図５】図４のＩ−Ｉ線での断面図である。
【図６】従来のギャップ層（比較例１）をモデル化した図である。
【図７】従来のギャップ層（比較例１）における発生応力の分布を示す図である。
【図８】従来のギャップ層（比較例１）において、ギャップ高さと発生応力との関係を示す図である。
【図９】従来のギャップ層（比較例２）をモデル化した図である。
【図１０】種々のスペーサー形状に対するＦＥＭ解析結果を示す図である。
【図１１】本発明に係わるギャップ層（実施例１）をモデル化した図である。
【図１２】本発明に係わるギャップ層（実施例２）をモデル化した図である。
【図１３】本発明に係わるギャップ層（実施例３）をモデル化した図である。
【図１４】本発明に係わるギャップ層（実施例３）における発生応力の分布を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  コイル、２，３  磁性体、４  ギャップ層、５  スペーサー、５１  柱状スペーサー、５２  枠状スペーサー、５３  梁、５４  フィレット、６  接着剤、７  クラック。
【図１】
2008021836.tif 000003
【図２】
2008021836.tif 000004
【図３】
2008021836.tif 000005
【図４】
2008021836.tif 000006
【図５】
2008021836.tif 000007
【図６】
2008021836.tif 000008
【図７】
2008021836.tif 000009
【図８】
2008021836.tif 000010
【図９】
2008021836.tif 000011
【図１０】
2008021836.tif 000012
【図１１】
2008021836.tif 000013
【図１２】
2008021836.tif 000014
【図１３】
2008021836.tif 000015
【図１４】
2008021836.tif 000016