JP2009200456A - チョークコイル - Google Patents

Abstract

【課題】本発明に係るチョークコイルは磁性コア、コイル、磁性材料からなるものである。
【解決手段】磁性コアは約３５０ないし１２００の第一透磁率を有し、コイルは磁性コアに絡まられ、磁性材料はコイルを被覆し第二透磁率を有し、第一透磁率は第二透磁率より大きく第二透磁率は約５ないし３０である。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は受動素子に関し、特にチョークコイルに関する。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、従来の組み立て式チョークコイル（Ｃｈｏｋｅ Ｃｏｉｌ）１００はドラムコア（Ｄｒｕｍ Ｃｏｒｅ）１１０、コイル１２０、及びケース１３０を含む。ドラムコア１１０は、中間コア１１２及びその両端に連接された上コア１１１と下コア１１３を含む。コイル１２０は、ドラムコア１１０にはめ込まれている。ケース１３０はコイル１２０及びドラムコア１１０を覆い包んでいる。さらに、コイル１２０とケース１３０の間、及びドラムコア１１０とケース１３０の間には空気の隙間ｔを有する。ドラムコア１１０がチョークコイル１００の中央に設置される時、インダクタンス値は４．４５ｕＨになる。

しかし、ドラムコア１１０が偏移しケース１３０に接触する時（図１Ｃのように）、インダクタンス値は６．４４ｕＨになる。このことから分かるように、ドラムコア１１０の位置を変えることによって隙間ｔが変化し、インダクタンス値にはっきりとした変化が生じる。従って、生産する過程において、ドラムコア１１０に対し精密な位置決めをすることで隙間ｔを固定させ、チョークコイル１００は固定のインダクタンス値を確保できる。

しかしながら、位置決めは生産工程を増加させるので、生産コストの上昇をまねくことになる。さらには、空気の隙間ｔが、コア１１０及びシールドを通じて磁束密度の低下させ、インダクタンス値を減少させる。しかも、組み立て式チョークコイル１００は、コイルの巻き数及びコアのサイズという二つのパラメーターを変えることでしかインダクタンス値を変化させることができないので、インダクタンス値調整の制限を受けやすい。

従来の圧縮成形式（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｔｙｐｅ）チョークコイルは、米国特許第６，２０４，７４４号のように、空洞のコイル及び粉末状磁性材料を成形モールドのキャビティ内に置き、圧力を加えることで成形する。しかしながら、成形圧力は通常とても高く空洞のコイル自体も十分な支えがないため、成形過程においてコイルの外側を覆う絶縁層が剥げ落ちやすくなり、チョークコイルにレイヤーショートの問題を発生させることになる。

本発明は、適切なコアと磁性材料の透磁率範囲を選択することによって、チョークコイルに優れた飽和特性と大きな応用電流を持たせられるチョークコイルを提供することを目的とする。

本発明は、コアの精密な位置決めを必要とせず生産工程を簡略化できるチョークコイルを提供することを別の目的とする。

本発明のもう一つの目的は、磁性材料を詰める時、コイルはしっかりとした支えがあるので、コイルのレイヤーショートの問題を改善することができるチョークコイルを提供することである。

本発明のさらなる目的は、製造過程の中で高いモールディング圧力を受ける必要がなくなることにより、製造工程の安定性及び製品の信頼性を高めるられるチョークコイルを提供することである。

本発明のもう一つの目的は、インダクタンス値調整のパラメーターを増やすことで、インダクタンス値調整が制限を受けにくくなるチョークコイルを提供することである。

上記の目的に基づいて、本発明の係るチョークコイルは磁性コア、コイル及び磁性材料を含む。その内の磁性コアは第一透磁率を有していて、第一透磁率はおよそ３５０ないし１２００である。コイルはコアに巻きついている。磁性材料はコイルを覆い包んでいて、第二透磁率を有している。第一透磁率は第二透磁率より大きく、第二透磁率はおよそ５ないし３０である。

本願発明は、およそ３５０ないし１２００の第一透磁率を有する磁性コアと、前記磁性コアに巻きついているコイルと、前記コイルを覆い包み、第二透磁率を有し、前記第一透磁率は前記第二透磁率より大きく、前記第二透磁率はおよそ５ないし３０の間である磁性材料と、前記コイルの両端に連接する電極部を含むことを特徴とするチョークコイルであることを要旨としている。

［実施例］
本発明の実施例は以下に詳述する。しかしながら、以下に述べる以外に、本発明は広範囲にわたるその他の実施例でも施行することができ、本発明の範囲は実施例に限定されず、その後の請求項をもとにする。また、本発明をより明確に示し、より分かりやすくするために、図の中の各部分は実際の相対的な大きさに従って製図しているわけではなく、ある箇所の大きさや大きさの比に関する部分は誇張されている。また、図を簡潔にするために、関係のない細かい部分についても製図されていない。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本発明の好ましい実施例では、チョークコイル２００は磁性コア２１０、コイル２２０、磁性材料２３０及び２つの電極部２４０を含む。コア２１０は第一透磁率（ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）ｕ１を有する。透磁率の定義は、磁化曲線上において磁場強度（Ｈ）がゼロに近づく時の磁束密度（Ｂ）と磁場強度（Ｈ）の比率であり、ｃｇｓ制を採用している。コア２１０は上コア２１１、中間コア２１２及び下コア２１３からなり、ドラムコア（Ｄｒｕｍ Ｃｏｒｅ）を形成している。さらに、上コア２１１、中間コア２１２及び下コア２１３は円形の断面を有している。上コア２１１、中間コア２１２及び下コア２１３の間には巻き線スペース２１４が形成されている。コイル２２０はコア２１０の中間コア２１２に巻きついており、巻き線スペース２１４内に収められている。

磁性材料２３０はコイル２２０を覆いつつ巻き線スペース２１４内に置かれており、チョークコイル２００’の外形が円柱体になっている。さらに、コイル２２０と磁性材料２３０の間は完全に密着していて、空気の隙間が生じないようになっている。本実施例では、射出形成（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）の製造工程から、磁性材料２３０がコイル２２０を覆うようにしているが、これだけに限らず、塗布する方法などを採用することにより、高いモールディング圧力による成形の製造工程をする必要をなくすこともできる。

磁性材料２３０は第二透磁率ｕ２を有し、第一透磁率ｕ１は第二透磁率ｕ２より大きく、第一透磁率ｕ１はおよそ３５０ないし１２００であり、第二透磁率ｕ２はおよそ５ないし３０である。磁性材料２３０は樹脂材料及び磁性粉末材料を含む。

樹脂材料と磁性粉末材料は、まず均等に混ぜ合わせることで、射出形成が必要とする射出材料となる。樹脂材料はポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド１２（ＰＡ１２）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）或いはエチレン／エチルアクリル酸エステル（ＥＥＡ）の内いずれかの一つから選択され、上述材料の特性は図４に示すとおりである。本実施例において、射出材料はＰＰＳを採用している。ＰＰＳの耐熱性と耐薬品性は優れているので、高温及び化学的な環境下においても変質しにくく、チョークコイル２００に確かな信頼性を持たせることができるし、リフロープロセス（ｒｅｆｌｏｗ ｐｒｏｃｅｓｓ）中も損傷しない。磁性粉末材料は金属軟磁性材料或いはフェライト（Ｆｅｒｒｉｔｅ）であり、その内金属軟磁性材料は鉄粉（Ｉｒｏｎ）、鉄アルミニウム珪素合金（ＦｅＡｌＳｉ Ａｌｌｏｙ）、鉄クロム珪素合金（ＦｅＣｒＳｉ Ａｌｌｏｙ）或いはステンレスの内いずれかの一つから選択される。本実施例において、磁性粉末材料は優れた飽和特性を有する鉄粉（Ｉｒｏｎ）を採用した。

電極部２４０の電気をコイル２２０の両端に接続する。具体的にいうと、それぞれの電極部２４０にはリードフレームが含まれているので、リードフレームの一端をコイルの一端に接続し、もう一端を引き伸ばしてチョークコイル２００の外の表面に設置する。本実施例においては、電極部２４０を引き伸ばして下コア２１３の外の表面に設置した（図２Ａのように）。また、電極部２４０はコイル２２０の両端を直接つぶすことで形成することもできる。

磁性材料２３０は、射出形成の製造工程からコイル２２０を覆ってしまい、コイル２２０と磁性材料２３０の間を完全に密着させることによって空気の隙間を生じさせない。従って、空気の隙間が引き起こす磁束密度の低下とインダクタンス量の減少の問題を解決することができる。さらに、コアの精密な位置決めをする必要がなくなることにより、生産工程を簡略化することができる。その他、磁性材料２３０を詰める時、コイル２２０はコア２１０に巻きついているので、コイル２２０はしっかりとした支えを有することになる。なお、射出形成を用いて磁性材料２３０を詰めることによって、圧縮形成で必要とされる高いモールディング圧力を受けなくてすむことにより、コイルのレイヤーショートの問題を改善できるし、製造工程の安定性及びに製品の信頼性を高めることができる。

図２Ａで示すように、外形サイズが３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍ、コア２１０の上コア２１１と下コア２１３の直径が３ｍｍ、中間コア２１２の直径が１．１ｍｍである円柱体のチョークコイル２００を採用し、第一透磁率ｕ１は４５０、第二透磁率ｕ２は５ないし３０にした場合、インダクタンス値の変化は１１ｕＨないし３１ｕＨになる。このことから分かるように、第二透磁率ｕ２を変えることでインダクタンス量を大幅に変化させることができる。従って、コイルの巻き数及びコアのサイズを変えることによってインダクタンス値を変化させることができる以外にも、磁性材料の第二透磁率ｕ２を変えることによりインダクタンス値を変化させることもできるので、本発明のチョークコイル２００はインダクタンス値を調整するパラメーターを増やして、インダクタンス値の調整に制限を受けにくくしている。表１では、第二透磁率ｕ２及びコイルの巻き数をどのように調整することで目標のインダクタンス値（４．７ｕＨ）に達するかについてと、第二透磁率ｕ２を高くすることでコイルの巻き数を少なくさせ、直流インピーダンス（ＤＣ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＤＣＲ，或いはコイルインピーダンスともいう）を減らすことができることを示している。

図３Ａ及び図３Ｂで示すように、本発明のもう一つの好ましい実施例のチョークコイル２００’と上述実施例のチョークコイルと２００の差異は、磁性材料２３０’が覆っているコイル２２０及び上コア２１１と下コア２１３の側面２１１１、２１３１により、チョークコイル２００’の外形が立方体に形成されているところにある。また、図３Ｃで示すように、外形サイズが３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍ、コア２１０の上コア２１１と下コア２１３の直径が２．２ｍｍ、中間コア２１２の直径が１．１ｍｍの立方体のチョークコイル２００を採用した場合、インダクタンス値の変化は６ｕＨないし１８ｕＨになり、これも同様に、第二透磁率ｕ２を変えることでインダクタンス量を大幅に変化させることができる。従って、磁性材料の第二透磁率ｕ２を変えることによりインダクタンス値を変化させることができるので、本実施例はインダクタンス値を調整するパラメーターを増やして、インダクタンス値の調整に制限を受けにくくしている。

外形サイズが３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍの立方体、インダクタンス値が４．７ｕＨのチョークコイル２００’（図３Ａ）を採用して、第二透磁率ｕ２が５の鉄粉と樹脂材料を組み合わせた磁性材料２３０’、第二透磁率ｕ２が３０の鉄粉と樹脂材料を組み合わせた磁性材料２３０’、第二透磁率ｕ２が１００のフェライトと樹脂材料を組み合わせた磁性材料、第二透磁率ｕ２が６００のフェライトと樹脂材料を組み合わせた磁性材料を用いたシミュレーションを行うと、図５が示すように、低い透磁率（すなわちｕ２＝５，３０）のときは高い飽和特性になり、高い透磁率（すなわちｕ２＝１００，６００）のときは低い飽和特性になる。

また、図６が示すように、低い透磁率（すなわちｕ２＝５）のときは、応用電流Ｉｓ（すなわち飽和電流，Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ、その定義は、インダクタンス値が低下して電流が０アンペアになったときの７０％の電流値）が８１２ｍＡ，低い透磁率（すなわちｕ２＝３０） のときは，応用電流Ｉｓが４１７ ｍＡ，高い透磁率（すなわちｕ２＝１００） のときは，応用電流ＩＳが１６０ｍＡ，高い透磁率（すなわちｕ２＝６００） のときは，応用電流ＩＳが１１３ｍＡになる；従って，本発明が採用する第二透磁率ｕ２がおよそ５ないし３０の磁性材料２３０’は優れた飽和特性と大きな応用電流を有することが分かる。

その他に、図１Ａの従来の組み立て式チョークコイル１００と図３Ａの本発明のチョークコイルを用いて、サイズとコイルの巻き数を同じにした条件の下、ソフトによる磁束分布シミュレーションを行うと、チョークコイル１００のインダクタンス値がＬ、チョークコイル２００’のインダクタンス値は１．３６Ｌという結果が得られた。これにより、本発明が採用している空気の隙間をなくすという構造で、チョークコイルのインダクタンス値をおよそ３６％増加させられることが実証された。

さらには、図７が示すように、コア２１０の上コア２１１の第一幅をａ、第一高さをｃとし、下コア２１３と上コア２１１を同サイズ、中間コア２１２は第二幅ｂと第二高さｄを有すると定義する。本発明は図３Ａのチョークコイル２００’を用い、異なるインダクタンス値と外形サイズを採用して、第二幅と第一幅の比率（ｂ／ａ）、第一高さと第二高さの比率（ｃ／ｄ）の最適化シミュレーションを行い、チョークコイル２００’の特性を市場の製品の規格範囲内にした。コア２１０は第一透磁率ｕ１が３５０ないし１２００のフェライト（Ｆｅｒｒｉｔｅ）軟磁性材料を採用し、磁性材料２３０’は第二透磁率ｕ２が５ないし３０の鉄粉と樹脂材料を均等に混ぜ合わせたものを採用した。シミュレーションをする際のインダクタンス値と外形サイズの詳細な条件は表２の通りである。また、シミュレーションの結果は表３の通りである。

表３のシミュレーション結果から分かるように、条件Ａの ｂ／ａはおよそ０．３７５ないし０．６８８であり、ｃ／ｄはおよそ０．３ないし０．６６７である。条件Ｂのｂ／ａはおよそ０．３７２ないし０．６９８であり， ｃ／ｄはおよそ０．３ないし０．６６７である。条件Ｃのｂ／ａはおよそ０．３６７ないし０．６６７であり， ｃ／ｄはおよそ０．３ないし０．６６７である。上述した各条件のデータを集積すると、第二幅と第一幅の比率（ｂ／ａ）はおよそ０．３７５ないし０．６８８，第一高さと第二高さの比率（ｃ／ｄ）はおよそ０．３ないし０．６６７という結果が得られる。

チョークコイルを応用する上で、直流インピーダンス（ＤＣＲ）及び飽和電流Ｉｓは実際応用する際に考慮すべき重点になる。しかしながら、コイル消費のエネルギー公式：Ｉ２Ｒ（Ｒはすなわち直流インピーダンス）とファラデーの法則（Ｆａｒａｄａｙ’ｓ Ｌａｗ）：は、チョークコイルの外観サイズが一定であるという前提の下では、直流インピーダンスが低ければ低いほど飽和特性は悪くなる。従って、本発明はシミュレーションにより、低い直流インピーダンス（すなわち直流インピーダンス≦１４０ｍΩ）及び高い飽和電流（飽和電流≧１４８０ｍＡ）という応用領域での、優れた第二幅と第一幅の比率（ｂ／ａ）及び第一高さと第二高さの比率（ｃ／ｄ）を得られた。詳細なシミュレーションの条件は、図３Ａのチョークコイル２００’を採用、外形サイズは３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍ、インダクタンス値は４．７ ｕＨである。また、シミュレーションの結果は図８及び下の表（すなわち表４）のとおりである。条件Ａを基準とし、条件Ｂは低い直流インピーダンス（直流インピーダンスは、条件Ａの直流インピーダンスの６０％とする）の応用、条件Ｃは高い飽和電流（飽和電流は、条件Ａの飽和電流の１．８倍とする）の応用である。

以上から分かるように、低い直流インピーダンスを応用したとき、第二幅と第一幅の比率（ｂ／ａ）はおよそ０．３６９６になり、第一高さと第二高さの比率は（ｃ／ｄ）はおよそ０．３１２５になる。高い飽和電流を応用したときは、第二幅と第一幅の比率（ｂ／ａ）はおよそ０．６９６になり、第一高さと第二高さの比率（ｃ／ｄ）はおよそ０．６４７になる。

上述の実施例は、本発明の技術思想及び特徴を説明しただけのものであり、その目的は、当該分野において通常の知識を有する者が本発明の内容を理解し実施できるようにすることにあるのであって、本発明の特許の範囲を限定するものではない。本発明で開示した趣旨に照らして行ったすべての変更および修正は本発明の範囲内に含まれており、下述する特許請求の範囲内に含まれる。

従来の組み立て式チョークコイルの立体図 図１Ａの組み立て式チョークコイルの断面図 図１Ａのコアを偏移した後のチョークコイルの立体図 本発明実施例のチョークコイルの立体図 図２Ａのチョークコイルの断面図 図２Ａのチョークコイルの第二透磁率とインダクタンス値の関係図 本発明のもう一つの実施例の、チョークコイルの立体図 図３Ａのチョークコイルの断面図 図３Ａのチョークコイルの第二透磁率とインダクタンス値の関係図 異なる樹脂材料の特性図 従来と本発明の磁場と磁束密度の関係図 従来と本発明の電流とインダクタンス値の関係図 図３Ａのコアの断面図 本発明の電流とインダクタンス値のもう一つの関係図

符号の説明

１００ 組み立て式チョークコイル
１１０ コア
１１１ 上コア
１１２ 中間コア
１１３ 下コア
１２０ コイル
１３０ ケース
２００ チョークコイル
２００’ チョークコイル
２１０ コア
２１１ 上コア
２１１１ 側面
２１２ 中間コア
２１３ 下コア
２１３１ 側面
２１４ 巻き線スペース
２２０ コイル
２３０ 磁性材料
２３０’ 磁性材料
２４０ 電極部
ａ 第一幅
ｂ 第二幅
ｃ 第一高さ
ｄ 第二高さ
ｔ 隙間
ｕ１ 第一透磁率
ｕ２ 第二透磁率

Claims (5)

1. およそ３５０ないし１２００の第一透磁率を有する磁性コアと、
   前記磁性コアに巻きついているコイルと、
   前記コイルを覆い包み、第二透磁率を有し、前記第一透磁率は前記第二透磁率より大きく、前記第二透磁率はおよそ５ないし３０の間である磁性材料と、
   前記コイルの両端に連接する電極部を含むことを特徴とするチョークコイル。
2. 前記磁性材料は射出形成のプロセスにより前記コイルを覆い包み、前記コイルと前記磁性材料の間は完全に密着していることを特徴とする請求項１に記載するチョークコイル。
3. 前記磁性材料は樹脂材料と磁性粉末材料を含み、前記樹脂材料はポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド１２（ＰＡ１２）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）或いはエチレン／エチルアクリル酸エステル（ＥＥＡ）のいずれかの一つから選択され、前記磁性粉末材料は金属軟磁性材料或いはフェライト（Ｆｅｒｒｉｔｅ）を含み、前記金属軟磁性材料は鉄粉（Ｉｒｏｎ）、鉄アルミニウム珪素合金（ＦｅＡｌＳｉ Ａｌｌｏｙ）、鉄クロム珪素合金（ＦｅＣｒＳｉ Ａｌｌｏｙ）或いはステンレスを含むことを特徴とする請求項１に記載するチョークコイル。
4. 前記コアはドラムコア（Ｄｒｕｍ Ｃｏｒｅ）であり、前記ドラムコアはさらに上コア、中間コア、下コアを含み、前記上コアと前記下コアは共に同一の第一幅と第一高さを有し、前記中間コアは第二幅を有し、前記第二幅と前記第一幅の比率はおよそ０．３６７ないし０．６６７の間であることを特徴とする請求項１に記載するチョークコイル。
5. 前記コアはドラムコア（Ｄｒｕｍ Ｃｏｒｅ）であり、前記ドラムコアはさらに上コア、中間コア、下コアを含み、前記上コアと前記下コアは共に同一の第一幅と第一高さを有し、前記中間コアは第二高さを有し、前記第一高さと前記第二高さの比率は約０．３ないし０．６６７であることを特徴とする請求項１に記載するチョークコイル。

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