T. Magn. Soc. Jpn. (Special Issues)., 3, 54-57 (2019)

磁性塗布線を用いた近接効果に起因する交流抵抗の低減<Paper>Reduction of AC Resistance Caused by Proximity Effect Using
Magnetocoated Wire鳥島健太 a)・山本達也 a) ・卜穎剛 a) ・水野勉 a)†・本田祐樹 b)a)b)

信州大学工学部，長野県長野市若里 4-17-1 (〒380-8553)
日立金属株式会社，茨城県日立市川尻町 4-10-1（〒319-1411）

K. Torishima a) , T. Yamamoto a) , Y. Bu a) , T. Mizuno a)†, and Y. Honda b)a)

Faculty of Engineering, Shinshu Univ., 4-17-1 Wakasato, Nagano-city, Nagano 380-8553, Japanb)

Hitachi Metals, Ltd., 4-10-1 Kawajiri-cho, Hitachi-city, Ibaraki 319-1411, Japan

Miniaturization and high efficiency of electronic device is required. The elements such as inductors
and capacitors used in electronic equipment, are working to miniaturization and high efficiency byhigher frequency. Along with the higher frequency of the driving frequency, AC resistance increases due
to iron loss and copper loss. So, the authors have developed Magnetocoated wire (MCW) that has amagnetic layer around the copper wire to reduce the AC resistance. MCW reduces AC resistancebecause a magnetic layer leads a magnetic flux. As a result AC resistance in coil using MCW was
reduced 32.1% in 1 MHz, 24.7% in 100 kHz, 20 % in 10 kHz.
Key words: magnetitocoated wire, magnetic path control technology, copper wire, AC resistance, proximity effect
1. まえがき

既存の線材の製造工程には組み込めないため，製造速度の改善が望まれている 7)。そこで筆者らは，銅線の絶縁被膜の塗布工程に現在，パソコンなどの電子機器の小形化，軽量化および高効率化が求められている．電子機器に用いられている変圧器やコイル，コンデンサなどの素子は高周波で駆動させることで小形化，軽量化が図られている 1)．
高周波化に伴い，銅線の抵抗は表皮効果に起因する抵抗おいて磁性材料を塗布することで，磁性塗布線の製造速度の大幅な改善を行った．
本論文では，上記製作方法を用いた磁性塗布線の構造と磁気特性について述べる． また，磁性塗布線を用いたコイルの抵抗-周波数特性を測定した結果について述べる．

および近接効果に起因する抵抗の 2 つの要素によって増加する 2)~3)． 表皮効果は高周波の電流が銅線に流れる際に電流密度が銅線の表面に偏るため，抵抗が増加する．そこで，本論文では，以下の事項について述べる．
(1) 磁性塗布線の構造と磁気特性表皮効果に起因する抵抗を低減するために細い銅線を撚り

(2) コイルの抵抗-周波数特性合わせたリッツ線が用いられる 4)．しかし，リッツ線では，(3) コイル抵抗の電流依存特性近接した導体から発生する交流磁界が導体に作用し，近接効果と呼ばれる交流抵抗が表れる 2)~3)．

2. 磁性塗布線の構造と磁気特性近接効果に起因する抵抗を低減させるためには，磁性めっき線が用いられる 5)． 磁性めっき線は銅線の外周に鉄薄2.1 磁性塗布線の構造膜を有している．しかし，磁性めっき線は鉄薄膜が導体とFig. 1 に COW と MCW の構造を示した. Fig. 1(a)に示しなるために高周波帯において表皮効果を助長する欠点があたように，COW は導体径 1.45 mm の銅(Cu)線の外周に厚る 6)．また，磁性めっき線は湿式めっき法を用いて製造されさ 18 m の絶縁層が設けられている. Fig. 1(b)に磁性層のているため，製造速度が数 cm /分と遅く生産性が悪い．

厚さ dt = 6 m の MCW (dt = 6 m)の構造を示した. MCW

そこで，筆者らは交流抵抗を低減するために磁性塗布線(dt = 6 m)は導体径 1.45 mm の銅(Cu)線の外周に厚さ(Magnetocoated wire 以下，MCW)を開発している．MCW6 m の磁性層と厚さ 14 m の絶縁層を設けている. ナノは銅線(Copper wire 以下，COW)の外周に鱗片状の磁性粉結晶軟磁性材料の粉末とポリイミドを混合した磁性コンポ末を塗布した磁性層を有している． 磁性層は銅に比べて透ジット材を COW に 3 回塗布したあと，ポリイミドを 5 回磁率が高いために磁性層に交流磁界が誘導される． また，塗布することで製造した .

磁性塗布線は製造速度が速いために磁性めっき線と比較して生産性に優れている．
従来の磁性塗布線の製作方法はスプレー法を採用していたが，Fig. 1(c)に，磁性層の厚さdt =19m の MCW (dt = 19 m)の構造を示した. MCW(dt = 19 m) は導体径 1.45 mm の銅(Cu)線の外周に厚さ19 m の磁性層と厚さ 25 m の絶縁層を設けている. 磁性コンポジット材を COW に 6 回塗布したあと，ポリイミド

連絡先：水野勉†，〒380-8553 長野市若里 4-17-1
信州大学工学部電気電子工学科西棟 水野・卜研究室，
E-mail:mizunot@shinshu-u.ac.jp

54を 10 回塗布することで製作した. MCW は日立金属(株)で製作した.

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.3, No.1, 2019

1.450
1.487

1.450
1.462
1.490

6 m

1.450
1.488
1.538
(c) MCW (dt = 19 m)(b) MCW (dt = 6 m)(a) COW

Fig. 1

Air

Conductor(Cu)Magnetic layer
Polyimide

Conductor(Cu)Magnetic layer
Polyimide

Conductor(Cu)Polyimide

Structure of wires. (unit: mm)

19 m

AirAir6 m

BubbleMagnetic powder

Magnetic powderPolyimide

Polyimide

Conductor(Cu)(a) MCW (dt = 6 m)(c) MCW (dt = 6 m)

Air

Radial direction

19 mPolyimide

Conductor(Cu)Magnetic layer
Polyimide(d) MCW (dt = 19 m)Longer direction

Distributed situation of the magnetic powder of magnetocoated wire.

150
B s = 12510050

r = 9.3

H = 6.00
H c = 2.5
-50

150
10050

Bs = 92r = 7.5

H = 6.00
H c = 2.5
-50

-100

-100
-150
-50

Magnetic powder

Conductor(Cu)Magnetic flux density B (mT)

Magnetic flux density B (mT)Fig. 2Magnetic powder

Conductor(Cu)PolyimideConductor(Cu)(b) MCW (dt = 19 m)

-25025

Magnetic field H (kA/m)

50

-150
-50(a) MCW (dt = 6 m)
Fig. 3

-25025

Magnetic field H (kA/m)

50(b) MCW (dt = 19 m)

Flux density vs. magnetic field loop of magnetocoated wire.

Fig. 2 に MCW の磁性粉末の分散状況を示した. 銅線の磁性コンポジット材の塗布回数が多くなると，磁性粉末の外周に磁性層と絶縁層を設けており，磁性層には磁性粉末均一な積層が困難になり，同時に気泡が混入しやすくなるがまばらに分布している. ポリイミド層内に気泡が入ってことに起因する.

いる部分もある. Fig. 2(a)と Fig.2(b)を比較すると，MCW2.2 磁性塗布線の B-H 特性布がまばらであり，また気泡の混入も確認できる. これは，を示した. B-H ループの測定には VSM (試料振動型磁力計)(dt = 19 m)の方が MCW (dt = 6 m)よりも磁性粉末の分Fig. 3(a)に MCW (dt = 6 m) の長手方向の B-H ループ

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.3, No.1, 201955を用いた. Fig. 2 に示したように，磁性粉はまばらに分布しているが，磁性層の厚さが一定で密に分布しており反磁界は発生しないものと仮定した. MCW (dt = 6 m)の飽和磁
束密度 B s は 125 mT であり，原点付近での比透磁率 r は9.3，保磁力 Hc は 2.5 kA/m であった.

Fig.3(b)に MCW(dt = 19 m) の長手方向の B-H ループを示した.

MCW(dt = 19 m) の飽和磁束密度 B s は 92 mT であり，原点付を記載した. コイルの自己共振周波数 f0 の影響が十分小さ

い 1/10 以下の周波数範囲で測定を行った. したがって，N= 9，69，144 のコイルではそれぞれ 1 MHz，100kHz，10kHz 以下の周波数範囲におけるコイルのインピーダンス特性を測定した.
3.2 コイルの抵抗-周波数特性
コイルのインピーダンス特性はインピーダンスアナライ

近での比透磁率r は 7.5，保磁力 Hc は 2.5 kA/m であった.

ザを用いて測定した. このとき，測定電流は 4 mA 以下でMCWあった.

(dt = 19 m)の飽和磁束密度 B s および比透磁率 rは MCW (dt = 6 m)より低下している. これは，MCW(dt = 19 m)の方が MCW (dt = 6 m)よりも磁性層を厚くFig.5(a)に 9 回巻コイルの抵抗-周波数特性を示した. 周

波数 1 MHz における COW，MCW (dt = 6 m)，MCW塗布しているため，気泡が混入していることが原因である.

(dt = 19 m)の抵抗値は，それぞれ 311 mΩ，253 mΩ，磁性層に使用したナノ結晶軟磁性材料の薄帯状態での飽211 mΩ となった. COW の抵抗値と比較して，MCW和磁束密度は 1.23 T，比透磁率は 3,000 から 7,000，保磁(dt = 6 m)と MCW (dt = 19 m)の抵抗値は，それぞれ力は 0.6 から 2.5 A/m の範囲にある. しかし，ナノ結晶軟18.6 %，32.1 %低減した.
400

飽和磁束密度 125 mT，比透磁率r は 9.3 と低下したと考えられる. また，ナノ結晶軟磁性材料は薄帯を砕くことで粉末状に加工している. そのため，残留応力の影響で保磁力が 2.5 kA/m と増加した.
3. コイルの抵抗-周波数特性

Resistance R (m)

磁性材料粉末がまばらに分布しているために磁性塗布線のCOW

300

311MCW(d t = 6 m)

253

100Rdc

3.1 コイルの構造
Fig. 4 にコイルの構造図を示した. 広い周波数範囲での0効果を確認するために巻線 N = 9，69，144 の計 3 つのコ
イルを製作した. COW と MCW とでは素線間距離が最大
Resistance R ()

60.0
63.010k

250k

500k750k(a) N = 98.54
7.80 8.7%

COW8MCW(d t = 6 m)
MCW(d t = 19 m)

624.7%

6.43

42(a) N = 9 (f0 = 35 MHz)

191M

Frequency f (Hz)103.4%異なるが，これによる近接効果に起因する抵抗の変化は極めて小さい. また同図中に，コイルの自己共振周波数

32.1%211MCW(d t = 19 m)

20018.6%

Rdc

010k

0.1625k

50k

Frequency f (Hz)75k

100k(b) N = 69(b) N = 69 (f0 = 1 MHz)Resistance R ()

60.0
82.4

65.0
4.6 8.0%5(c) N = 144 (f0 = 400 kHz)
Fig. 4 Structure of coils. (unit: mm)

5620.0%MCW(d t = 6 m)

3MCW(d t = 19 m)

21060.082.4

4.0COW4Rdc

1k

2.5k

5.0k

7.5k

Frequency f (Hz)

0.33

10k
10.0k(c) N = 164Fig. 5

Resistance vs. Frequency characteristics of coils.

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.3, No.1, 2019

Fig.5(b) に 69 回巻コイルの抵抗-周波数特性を示した.となり，COW の抵抗と比較して，
MCW はそれぞれ 4.7 %，(dt = 19 m)の抵抗値は，それぞれ 8.54 Ω，7.80 Ω，6.43 Ω

抵抗は増加した. これは，MCW の磁性層が磁気飽和して，周波数 100 kHz における COW，MCW (dt = 6 m)，MCWとなった. COW の抵抗値と比較して MCW (dt = 6 m)，MCW (dt = 19 m)の抵抗値は，それぞれ 8.7%，24.7%低13.5 %低減した. 電流が大きくなるにしたがって MCW の交流磁界を誘導できなくなったことや，ナノ結晶軟磁性材料の鉄損が増加したことに起因する.

減した.
Fig.5(c) に 144 回巻コイルの抵抗-周波数特性を示した.

5. あとがき

周波数 10 kHz における COW，MCW (dt = 6 m)，MCW(dt = 19 m)の抵抗値は，それぞれ 5.0 Ω，4.6 Ω， 4.0 Ω

本論文で述べたことは以下の事項である.となった. COW の抵抗値と比較して，MCW (dt = 6 m)と(1) 磁性塗布線の構造と磁気特性減した. 上述の抵抗値の低減は磁性塗布線の近接効果の抑比透磁率 r は 9.3，保磁力 Hc は 2.5 kA/m であった.

MCW(dt = 19 m)の抵抗値は，それぞれ 8.0 %，20.0 %低制に起因する.
Fig.5 において，r = 9.3 の MCW (dt = 6 m)よりも,r = 7.5 の MCW (dt = 19 m)の抵抗低減効果の方が大きかった．これは，MCW (dt = 19 m)の方が磁性材料の体積MCW(dt = 6 m)の飽和磁束密度 Bs は 125 mT であり，MCW( dt = 19 m)の飽和磁束密度 Bs は 92 mT であり，比透磁率r は 7.5，保磁力 Hc は 2.5 kA/m であった.
(2) コイルの抵抗-周波数特性

1 MHz，100 kHz，10 kHz において MCW の抵抗は COWが大きいため，より近接効果が抑制されることに起因する．の抵抗値と比較してそれぞれ最大 32.1 %，24.7 %，20.0 %また，磁性塗布線は 10 kHz から 1 MHz の幅広い周波数範低減した. これは磁性塗布線の近接効果の抑制に起因して囲において交流抵抗が低減した.

いる. MCW は幅広い周波数範囲で交流抵抗を低減する.
(3) コイル抵抗の電流依存特性

69 回巻コイル，I = 8 A，f = 20 kHz のとき MCW の抵

4. コイル抵抗の電流依存性

抗は COW の抵抗と比較して最大 13.5 %低減した.しかし，電気機器における定格電流密度は 3 A/mm2 程度である 8).

MCW は電流が大きくなるにしたがって抵抗が増加した.

Fig.3 に示したように，磁性塗布線の飽和磁束密度

これは MCW の磁性層が磁気飽和して，交流磁界を誘導では 100 mT 程度と小さい. そこで，磁性塗布線の磁気飽和きなくなったことや，ナノ結晶軟磁性材料の鉄損が増加しを確認するためにコイルの抵抗の電流依存性を測定した.

たことに起因する.

Fig.6 に周波数 f = 20 kHz ，コイル表面温度 T = 50°Cのときの 69 回巻コイルの抵抗-電流特性を示した. コイル

今後は先行技術である磁性めっき線との電気的，および磁気的特性の比較検討を行う.に電流を流し，温度上昇する過程で T = 50 °C のときのイ
本研究の一部は，科学技術振興機構(JST)スーパークンピーダンス特性を示した. 測定にはサーモショット，イ謝辞

ンピーダンスアナライザ，および周波数特性分析器を用いラスタープログラムコアクラスター京都地域の支援を受けた.

実施したものである.

I = 8 A における COW， MCW (dt = 6 m)，MCW(dt =19 m)の抵抗値は，それぞれ 3.19 Ω，3.04 Ω，2.76Ω

Resistance R ()3.5
COW
MCW(d t = 6 m)

3.19

3.04

3.0
MCW(d t = 19 m)

2.5

Fig. 6231.2

1.84562.4

3.0

3.62.76

78

4.2

4.8

Current I (A)2Current density J (A/mm )Resistance vs. Current characteristics of coils.

(N = 69, f = 20 kHz, T = 50°C)

References
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Gendaisekkeiho (in Japanese), p.108 (CQ Shuppan, Tokyo,
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2018年9月28日受理，2018年11月5日再受理，2018年11月19日採録

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.3, No.1, 201957