(57)【要約】【課題】  環状磁心の積み重ねのずれが少なく、容易に組立てられ、漏れ磁束による直流重畳特性への影響を減じたコイル部品を提供する。【解決手段】  第１環状磁心と、前記第１環状磁心よりも実効透磁率が大きい第２環状磁心とを有し、前記第１環状磁心と前記第２環状磁心とでなる複合磁心はレーストラック形状を成し、前記複合磁心における対向する直線部の一方に、第１コイルが敷設された第１巻枠と、他方に前記第１コイルと巻方向が異なる第２コイルが敷設された第２巻枠とが配置され、各コイルで発生する磁束が磁路中で同じ方向となるように、第１コイルと第２コイルとが接続され、前記第１巻枠と前記第２巻枠は絶縁性樹脂からなり、それぞれ、前記第１環状磁心と前記第２環状磁心の間隔を決める仕切り部を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実効透磁率が異なる複数の環状磁心を、間隔をもって同心状に重ねて配置して複合磁心とし、各環状磁心に共通のコイルを敷設したコイル部品であって、
第１環状磁心と、前記第１環状磁心よりも実効透磁率が大きい第２環状磁心とを有し、
前記第１環状磁心と前記第２環状磁心とでなる複合磁心はレーストラック形状を成し、前記複合磁心における対向する直線部の一方に、第１コイルが敷設された第１巻枠と、他方に前記第１コイルと巻方向が異なる第２コイルが敷設された第２巻枠とが配置され、
各コイルで発生する磁束が磁路中で同じ方向となるように、第１コイルと第２コイルとが接続され、
前記第１巻枠と前記第２巻枠は絶縁性樹脂からなり、それぞれ、前記第１環状磁心と前記第２環状磁心の間隔を決める仕切り部を有することを特徴とするコイル部品。
【請求項２】
請求項１に記載のコイル部品であって、
前記第１環状磁心がメタルパウダーコアで構成され、前記第２環状磁心がフェライトコア又はアモルファスコアで構成されたことを特徴とするコイル部品。
【請求項３】
請求項１又２に記載のコイル部品であって、
前記第２環状磁心が、間隔をもって環状に配置された個片磁心により構成されたことを特徴とするコイル部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の電源装置、電子機器等に用いられるリアクトル、チョーク等のコイル部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコン等の家電機器、ハイブリッド車・電気自動車等のモータ駆動車両、太陽光発電装置等に搭載されている電源装置の力率改善（ＰＦＣ）回路や平滑回路には、チョークコイル等のインダクタンス素子が使用されている。電源装置用のインダクタンス素子の適正インダクタンス値は、回路の出力定格等の仕様や負荷の状態によって異なる。したがって、電力変換効率、負荷変動応答特性等を考慮しながら、直流重畳電流が小電流から大電流まで広範囲にわたって効率の良い電源装置を構成するためには、負荷電流の大きさに応じてインダクタンス値が変化する非線形インダクタンス素子（コイル部品）が使用される。
【０００３】
例えば、特許文献１には、特に小電流時の効率を良くするために、小電流時のインダクタンスが大きくなるように、非線形に変化させるコイル部品が提案されている。図１４はその外観斜視図である。このコイル部品は、円環状でギャップのない第２環状磁心９３と、ギャップ９２のある第１環状磁心９１とを同心に積み重ねて複合磁心を構成し、磁気抵抗が異なる複数の環状磁心に対して、共通に巻回されたコイルを備えている。なお図示においては、コイルが省略されている。前記各環状磁心を構成する磁性体材料として、非晶質合金、パーマロイ、ケイ素鋼板などの金属磁性材料、あるいはソフトフェライトのいずれかが用いられる。
【０００４】
また、特許文献２には、磁気抵抗が異なる複数の円環状の環状磁心の間に、電磁遮蔽板を挟み込んで一体化したコイル部品が開示されている。図１５はその外観斜視図である。第１環状磁心１０１と、ギャップ１０３を設けた第２環状磁心１０２との間に、電磁遮蔽板１０４を挟み込んで一体化し、第１環状磁心１０１と第２環状磁心１０２とに共通のコイル１０５を備える。各環状磁心には、アモルファスやナノ結晶合金が用いられる。電磁遮蔽板１０４には、アルミニウムや銅あるいはＳＵＳ３０４などが用いられ、第２環状磁心１０２に設けられたギャップ１０３から第１環状磁心１０１に漏れた磁界によって、渦電流損失が発生するのを防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−１８２５１４号公報
【特許文献２】特開２００３−２７２９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１６は特許文献１のコイル部品における漏れ磁束を説明するための図である。第１環状磁心９１と第２環状磁心９３とが、密接して同心状に積み重ねられるので、第１環状磁心９１に設けられたギャップ９２から漏れ出す磁束９５が、第２環状磁心９３に回り込み易い構成となっている。第２環状磁心９３は磁性体材料として、比抵抗が小さい非晶質合金、ケイ素鋼板などの金属磁性材料を用いると、漏れ磁束９５により渦電流損失が発生する問題があった。
【０００７】
また力率改善（ＰＦＣ）回路や平滑回路に用いられるコイル部品は、高インダクタンスの動作から低インダクタンスの動作への移行が、直流重畳電流に対して急峻であるのが好ましい。しかしながら、漏れ磁束９５が第２環状磁心９３を経路とすることで、インダクタンスの変化が鈍化して、所定の直流重畳電流において、コイル部品に求められるインダクタンスよりも大きな値となる場合があった。
【０００８】
また、特許文献２では、電磁遮蔽板１０４自体がアルミニウムや銅などの導体で構成されるので、電磁遮蔽板１０４に流れる渦電流によって発熱が生じてしまう。電磁遮蔽板１０４は取り付けブラケットとしても機能し、ブラケット部分を経路として取り付け対象物へ放熱にも寄与するが、伝熱を十分に考慮した電磁遮蔽板１０４の構造設計が必要となる。また、取り付け対象物へ伝熱が不十分であると、環状磁心の温度が上昇して、磁気特性が変動する場合がある。
【０００９】
引用文献１のコイル部品は、単に環状磁心を積み重ねて構成される。引用文献２のコイル部品は、電磁蔽板を挟んで同心に並置された環状磁心に、共通にコイルを巻く。いずれの場合も、複数の環状磁心を積み重ね固定する際に、ずれを小さくして構成する点については何ら配慮されてなく、環状磁心間のずれが少ないコイル部品を得るのは困難であって、並置される環状磁心の位置ずれは、コイル部品のインダクタンスのばらつき（変動）を生じさせる問題がある。また、引用文献１や引用文献２のコイル部品では、コイルを絶縁保護する構造については示されていない。引用文献２のコイル部品においては、コイルが環状磁心１０１，１０２や電磁遮蔽板１０４のエッジ部と当接して巻かれており、その絶縁被服が損傷し易い構造となっている。
【００１０】
そこで本発明は、環状磁心の積み重ねのずれを抑制するとともに、所定の重ね間隔に規制して重ねて組み立てるのが容易で、一方の環状磁心に設けられたギャップから漏れ出す磁束が、他方の環状磁心に回り込み難いコイル部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のコイル部品は、実効透磁率が異なる複数の環状磁心を、間隔をもって同心状に重ねて配置して複合磁心とし、各環状磁心に共通のコイルを敷設したコイル部品であって、
第１環状磁心と、前記第１環状磁心よりも実効透磁率が大きい第２環状磁心とを有し、前記第１環状磁心と前記第２環状磁心とでなる複合磁心はレーストラック形状を成し、前記複合磁心における対向する直線部の一方に、第１コイルが敷設された第１巻枠と、他方に前記第１コイルと巻方向が異なる第２コイルが敷設された第２巻枠とが配置され、各コイルで発生する磁束が磁路中で同じ方向となるように、第１コイルと第２コイルとが接続され、前記第１巻枠と前記第２巻枠は絶縁性樹脂からなり、それぞれ、前記第１環状磁心と前記第２環状磁心の間隔を決める仕切り部を有することを特徴とするコイル部品である。
【００１２】
本発明のコイル部品においては、前記第１環状磁心がメタルパウダーコアで構成され、前記第２環状磁心がフェライトコア又はアモルファスコアで構成されるのが好ましい。
【００１３】
本発明のコイル部品においては、前記第２環状磁心が、間隔をもって環状に配置された個片磁心により構成されるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、環状磁心の積み重ねのずれを抑制することでインダクタンスのばらつきを抑えることができるとともに、環状磁心の重ね間隔に規制することで一方の環状磁心に設けられたギャップから漏れ出す磁束が、他方の環状磁心に回り込み難いコイル部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施態様のコイル部品の外観を示す正面図である。
【図２】本発明の一実施態様のコイル部品の外観を示す上面図である。
【図３】本発明の一実施態様のコイル部品の外観を示す側面図である。
【図４】本発明の一実施態様のコイル部品におけるコイルの接続図である。
【図５】本発明の一実施態様のコイル部品に用いる第１環状磁心の外観を示す上面図である。
【図６】図５に示した第１環状磁心を構成する個片磁心の外観を示す斜視図である。
【図７】本発明の一実施態様のコイル部品に用いる第２環状磁心の外観を示す上面図である。
【図８】図７に示した第２環状磁心を構成する個片磁心の外観を示す斜視図である。
【図９】本発明の一実施態様のコイル部品に用いるコイルの巻枠の外観を示す正面図である。
【図１０】本発明の一実施態様のコイル部品に用いるコイルの巻枠の外観を示す上面図である。
【図１１】本発明の一実施態様のコイル部品に用いるコイルの巻枠の外観を示す側面図である。
【図１２】第１環状磁心と第２環状磁心とでなる複合磁心の外観を示す斜視図である。
【図１３】本発明の一実施態様のコイル部品の直流重畳特性を示す図である。
【図１４】従来のコイル部品の外観斜視図である。
【図１５】従来の他のコイル部品の外観斜視図である。
【図１６】従来のコイル部品における漏れ磁束を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るコイル部品の実施形態について、図を用いて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、各実施形態において説明する構成は、他の実施形態の趣旨を損なわない限り、他の実施形態においても適用することが可能であり、その場合、重複する説明は適宜省略する。
【００１７】
図１は本発明のコイル部品の実施形態を示す正面図であり、図２は図１に示したコイル部品の上面図であり、図３は図１に示したコイル部品の側面図である。図４は本発明の一実施態様のコイル部品におけるコイルの接続図である。図５は本発明の一実施態様のコイル部品に用いる第１環状磁心の外観を示す上面図である。図６は図５に示した第１環状磁心を構成する個片磁心の外観を示す斜視図である。図７は本発明の一実施態様のコイル部品に用いる第２環状磁心の外観を示す上面図である。図８は図７に示した第２環状磁心を構成する個片磁心の外観を示す斜視図である。図９は本発明の一実施態様のコイル部品に用いるコイルの巻枠の外観を示す正面図である。図１０は図９に示した巻枠の上面図である。図１１は図９に示した巻枠の側面図である。
【００１８】
図１〜図３に示すコイル部品１は、第１環状磁心１０及び第２環状磁心２０と、前記第１、第２環状磁心１０，２０とを配置する第１巻枠５０ａ及び第２巻枠５０ｂと、前記第１巻枠５０ａ及び第２巻枠５０ｂに敷設された第１コイル６０ａと第２コイル６０ｂとを含む。巻方向が異なる第１コイル６０ａと第２コイル６０ｂの端部１００ａ，１００ｂを圧着端子等の接続手段２００で接続し、図４に示すように各コイルで発生する磁束が磁路中で同じ方向となるように結線する。
【００１９】
第１環状磁心１０は、コイルに流れる大きな負荷電流に対して磁気飽和しないことが求められる。そのため実効透磁率が小さく構成できて、飽和磁束密度が大きいメタルパウダーコアを用いるのが好ましい。メタルパウダーコアは、表面が絶縁被膜で覆われた金属磁性粉を用いた磁心であって、例えば、金属磁性粉と絶縁被膜となる樹脂やガラスを混合し、成形し熱処理して構成される。磁性材料として１Ｔ以上の高飽和磁束密度を有する金属磁性材料を用いるのが好ましく、例えば、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ系磁粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系磁粉、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系磁粉、Ｆｅ基、Ｃｏ基等のアモルファス合金磁粉等を用いることができる。
【００２０】
第２環状磁心２０は、相対的に小さい負荷電流において高インダクタンスであって、所定の負荷電流を超えると磁気飽和する磁性材料が飽和磁束密度や透磁率を基に選定される。また第２環状磁心２０には、要求されるインダクタンス値や動作電流に応じて磁気ギャップが設けられる。なお第１環状磁心１０もまた、要求されるインダクタンス値や動作電流に応じて磁気ギャップを設けても良い。
【００２１】
用いられる磁性材料としては、Ｎｉ系、Ｍｎ系等のソフトフェライトやＦｅ基、Ｃｏ基のアモルファス合金を用いるのが好ましい。例えば、磁気飽和する負荷電流が相対的に小さい場合には、飽和磁束密度が小さいソフトフェライトを用いれば良いし、ソフトフェライトよりも大きい負荷電流まで高いインダクタンス値を維持する場合には、アモルファス合金を用いれば良い。所定の負荷電流において急峻にインダクタンス値を低下させたい場合には、アモルファス合金よりも飽和磁化の小さいソフトフェライトを用いるのが好ましい。第２環状磁心２０に用いられるアモルファス合金は、通常リボン状にて提供される。それを巻回し切断してカットコアとしたり、あるいは、リボンを所定形状に打ち抜き、積層して積層コアとした磁心を用いることが出来る。
【００２２】
第１環状磁心１０と第２環状磁心２０は、ぞれぞれ後述する巻枠に配置可能な様に、Ｕ字状、Ｌ字状、Ｊ字状、あるいはＩ字状の個片磁心を組み合わせて構成される。図５は図６に示したＬ字状の個片磁心を用いた環状磁心の構成例であり、図７は図６に示したＵ字状の個片磁心を用いた環状磁心の構成例である。第１環状磁心１０と第２環状磁心２０は、個片磁心が組み合わされて、それぞれ短辺と長辺の直線部を有するレーストラック形状を成す。以下、Ｌ字状の個片磁心を用いて第１環状磁心とし、Ｕ字状の個片磁心を用いて第２環状磁心とする場合を説明する。
【００２３】
図５に示した第１環状磁心１０は、Ｌ字状の個片磁心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで構成される。第１環状磁心１０として、成形に高圧力が必要なメタルパウダーコアを用いる場合には、成形が容易な様に単純形状の個片磁心とするのが好ましく、一層単純に、各個片磁心をＪ字状、あるいはＩ字状としても良い。一方で、環状磁心とするのに多くの個片磁心が必要となり、組み立てる工数が増す欠点があり、個片磁心の形状は、その成形の容易さと、組み立て工数などを勘案して決定すれば良い。
【００２４】
図６に示したＬ字状の個片磁心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは同形状に形成されている。第１環状磁心１０は、それらの端面１８を突き合わせ、間隙無く当接させて接着固定し構成される。第１環状磁心１０は、対向する２つの短辺部と２つの長辺部を有する矩形となる。Ｊ字状の個片磁心を用いれば、前記短辺部は円弧状となる。図示した例では、個片磁心を間隙無く構成するが、個片磁心の端面１８の間に空隙を設けて磁気ギャップとし、高負荷電流時のコイル部品のインダクタンス値を小さくするように調整しても良い。
【００２５】
図７に示した第２環状磁心２０は、磁路に磁気ギャップとなる空隙をもって配置された複数の磁心で構成される。第２環状磁心２０は、図８に示した略Ｕ字状の個片磁心である、フェライトコアあるいはアモルファスコア２０ａ、２０ｂを、磁気ギャップとなる空隙１６をもって対向させて構成する。空隙１により低負荷電流時のコイル部品のインダクタンス値と、第２環状磁心２０が磁気飽和する負荷電流を調整することができる。第２環状磁心２０の実効透磁率は第１環状磁心１０よりも大きい。第２環状磁心２０も、対向する２つの短辺部と２つの長辺部を有する矩形となる。
【００２６】
第１環状磁心１０と第２環状磁心２０はともにレーストラック形状に構成されており、その直線部に耐熱性樹脂で形成された第１巻枠５０ａと第２巻枠５０ｂが配置される。図９〜１１に巻枠の構造を示す。図示した例では、各巻枠は同じ形状に形成されており、それぞれ対の鍔部５１が設けられ、鍔部５１で仕切られた部分に、導線を巻回したコイル６０ａ、６０ｂが敷設される胴部５２が設けられている。各鍔部５１には、各コイル６０ａ、６０ｂの端部を引き出す切欠きが設けられている。胴部５２の内側の領域には、貫通孔５６ａ、５６ｂとして形成された２か所の開口部が、仕切り部５５を介して並設されている。巻枠のそれぞれは、絶縁性、耐熱性及び成形性を有する樹脂により形成するのが好ましく、具体的にはポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等が好ましい。それらの成形には射出成形法を用いることができる。
【００２７】
第１環状磁心１０と第２環状磁心２０を構成する個片磁心は、貫通孔５６ａ、５６ｂのぞれぞれに通されて、各環状磁心ごとに接着剤で固定されるとともに、絶縁テープやバンドで拘束固定される。コイルの巻枠を利用して、レーストラック形状に構成された第１環状磁心１０と第２環状磁心２０とを並置するという簡易な構造であって、第１環状磁心１０と第２環状磁心２０の直線部が巻枠に通されるので、コイル部品の組み立てが容易となる。
【００２８】
また、第１環状磁心１０と第２環状磁心２０の間隔を前記仕切り部５５の厚みによって決めることが出来る。図示した例による仕切り部は第１環状磁心１０と第２環状磁心２０との間を完全に隔離するように一面に隙間無く樹脂が形成されているが、樹脂の一部を抜いて開口部側へ突き出る鍔状、突起状としても良い。また仕切り部はその機能を阻害しない限りは、コイルの巻軸方向の一部にのみ設けてもかまわない。
【００２９】
図１２にコイル部品の複合磁心について巻枠やコイルを省略した状態の外観斜視図を示す。第１環状磁心１０と第２環状磁心２０とが積み重ねられ複合磁心が構成される。積み重ねにおいて、第１環状磁心１０と第２環状磁心２０とを当接させると、第２環状磁心２０の磁気ギャップ（空隙１６）から漏洩する磁束が、第１環状磁心１０へ回り込んで磁路を形成し、高負荷電流においてもインダクタンス値の低下が十分で無いといった問題が生じる。そのため、第１環状磁心１０と第２環状磁心２０とは、巻枠の仕切り部５５によって間隔をもって重ねられる。仕切り部５５の厚みは、第２環状磁心２０に設けれらた空隙１６の間隔以上であるのが好ましく、０．３ｍｍ〜２．０ｍｍ程度の厚みであるのが望ましい。
【００３０】
前記複合磁心には第１コイル６０ａと、前記第１コイル６０ａと巻方向が異なる第２コイル６０ｂとが敷設され、各コイル６０ａ、６０ｂで発生する磁束の方向が同じとなるように、第１コイル６０ａと第２コイル６０ｂとが接続される。各コイル６０ａ、６０ｂの内側に、第１環状磁心１０と第２環状磁心２０とが配置され、コイル部品１は、直流重畳電流が小さい領域においては、第１環状磁心１０と第２環状磁心２０により高インダクタンスとなり、直流重畳電流が大きい領域では第１環状磁心１０により低インダクタンス値でインダクタンスを維持することができる。
【実施例】
【００３１】
第１環状磁心としてＦｅ−９．５質量％Ｓｉ−５．５質量％Ａｌ合金（センダスト）のメタルパウダーコアを用い、第２環状磁心としてＭｎ系フェライトコア（日立金属製  ＭＢ１９Ｄ）を用いてコイル部品を作製した。
【００３２】
各コイル６０ａ、６０ｂは、それぞれエナメル導線を巻枠５０ａ、５０ｂに巻回して構成されており、巻枠５０ａ，５０ｂに設けた２つの貫通孔５６ａ、５６ｂにフェライトコアとメタルパウダーコアを通して、エポキシ系接着剤で固定した後、各コイル６０ａ、６０ｂの端部を接続してコイル部品１とした。第１環状磁心１０と第２環状磁心２０のそれぞれは、外寸法が５４ｍｍ×４２ｍｍ、内寸法が３３ｍｍ×１１ｍｍ、厚み２０ｍｍであり、巻枠５０ａ、５０ｂの仕切り部５５の厚みを０．６ｍｍとしている。第１環状磁心１０と第２環状磁心２０との間隔は、実質的に仕切り部５５の厚みと同じである。第１環状磁心１０の実効透磁率は６０であり、第２環状磁心２０の実効透磁率は１８０であった。
【００３３】
第２環状磁心２０の対向する長辺に空隙１６を設けた。その間隔はそれぞれ０．３ｍｍである。各コイル６０ａ、６０ｂの巻数は、それぞれ３８ターンである。なおコイル部品の構成は、図１〜図３に示したものと同様なので構造の詳細は省略する。得られたコイル部品は巻枠を基準に組み立てるので、容易に環状磁心間のずれを少なく出来る。
【００３４】
得られたコイル部品の直流重畳特性を評価した結果を図１３に示す。コイル部品のインダクタンスは、第１及び第２環状磁心によって直流重畳電流Ｉｄｃが２Ａまでは高インダクタンス値が得られ、磁気ギャップから漏洩する磁束の影響を減じているので２Ａを超えて３Ａまでの間に急峻に低下した。更に第２環状磁心によって、低インダクタンス値で直流重畳電流が３０Ａ超える大きい領域まで飽和せずにインダクタンスを維持することができた。
【符号の説明】
【００３５】
１  コイル部品
１０  第１環状磁心
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  メタルパウダーコア
２０  第２環状磁心
２０ａ、２０ｂ  フェライトコア、アモルファスコア
５０ａ、５０ｂ  巻枠
６０ａ、６０ｂ  第１コイル、第２コイル
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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