JP2016063158A - インダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】大電流下でも、磁心を磁気飽和させることなく、巻線内側部で発生した磁束に対して、効率良い磁気回路を形成でき、外部への磁束漏れによるノイズ発生を抑制できるインダクタを提供する。【解決手段】コイルのコイル巻回内側に磁性コアを配置することなく、コイル２のコイル巻回外側に樹脂体４および磁性体３の少なくとも１つが配置されており、特にコイルのコイル巻回外側が樹脂体および磁性体の少なくとも１つにより覆われている。【選択図】図１

Description

本発明はインダクタに関し、特に大電流および高磁化力下におけるトランス、アンテナ（バーアンテナ）、チョークコイル、フィルタ、センサ等の磁性体コアとして用いられるノイズ除去のためのインダクタに関する。

近年、スイッチング素子やダイオード等のパワー半導体の機能向上に伴い、回路に流れる電流は大電流、高周波数化してきている。これに伴い回路中で使用されるリアクトルやチョークコイル、トランス等となるインダクタについても大電流、高周波数化への対応が求められている。
また太陽光発電や風力発電用のコンバータ、データセンター等の大電流を扱う用途も拡大してきており、これら機器はサージ電流と呼ばれる、雷等の瞬時の大電流ノイズに対する対策も重要になってきている。
従来のインダクタは巻線の内側に磁心を挿入することで、発生磁束量を増加させ、漏れ磁束量を減らすことで、インダクタの小型化、高効率化を実現している。例えば、両端面に凹部または凸部のいずれかを設けた棒状コアに絶縁被覆電線を巻回したコイルと、このコイルを収納する角形スリーブコアを備えた固定インダクタが開示されている（特許文献１）。

一方、らせん状に巻かれた線材のみで構成されるコイル、またはこのコイル全体を樹脂モールドによって覆い固めた状態の空芯コイルが知られている。これら従来の空芯コイルの改良として、導線を巻回した空芯コイル、空芯コイルの上部および側面部を囲み、側面部の下部に通気穴を設けるとともに、上部に開口部を形成した樹脂製の枠体を備え、空芯コイルのコイル端子を枠体の側面に設けられた切り込みから外部に出し、コイル端子を取り付け基板に固定した空芯コイル装置が開示されている（特許文献２）。

特開２００５−３５３８７２号公報 特開２００２−２８０２３２号公報

しかしながら、巻線コイルの内側に磁心を配置しているインダクタの場合、サージ電流に代表される様な、非常に大きな電流がインダクタに流れる場合には、磁心が磁気飽和してしまいインダクタとして機能しなくなる場合がある。また、磁気飽和まで達しない場合でも、電流の増加に伴い磁化力が高まると、磁束密度が増加して透磁率が減少する。そのため高磁化力下で高インダクタンスを確保することが困難になるという問題がある。

特許文献２に記載されている空芯コイルの場合、外部への磁束漏れによるノイズ発生を抑制できないという問題がある。また、コイル全体が絶縁ケースで覆われていないため、外部への漏電を抑えることができないという問題がある。

本発明は、このような問題に対処するためになされたものであり、サージ電流のような数１０００Ａにも及ぶ大電流下でも、磁心を磁気飽和させることなく、巻線内側部で発生した磁束に対して、効率良い磁気回路を形成でき、外部への磁束漏れによるノイズ発生を抑制できるインダクタの提供を目的とする。

本発明のインダクタは、コイルのコイル巻回内側に磁性コアを配置することなく、上記コイルのコイル巻回外側に樹脂体および磁性体の少なくとも１つが配置されていることを特徴とする。特に、上記コイルのコイル巻回外側が樹脂体および磁性体の少なくとも１つにより覆われていることを特徴とする。
また、磁性コアを有しないコイルが樹脂体内部に埋設されていることを特徴とする。
本発明のインダクタにおいて、コイルの２つの引き出し線は、コイルが巻回されている軸方向からみて相互に重ならない方向に引き出されているか、または、コイルの２つの引き出し線の引き出し口の距離空間に絶縁体を配することを特徴とする。

本発明のインダクタは、最も磁束密度の高まるコイル巻回内側に磁性コアを配置しないで、コイル巻回外側に樹脂体および／または磁性体を配置する。これらによりサージ電流のような数１０００Ａにも及ぶ大電流下でも、磁心を磁気飽和させることなく、コイル巻回内側で発生した磁束に対して、効率良い磁気回路を形成できる。また、コイル巻回外側に磁性体を配置した場合には、その磁性体を介して磁路が形成されるので、外部への磁束漏れによるノイズ発生を抑制しつつ、インダクタンスを高めることができる。

本発明に係るインダクタの一例を示す図である。 従来のポット型インダクタを示す図である。 本発明に係る他のインダクタの一例を示す図である。 ２つのコイルが連結されたインダクタの例を示す図である。 従来のＵＵ型インダクタの断面図である。 ２つの引き出し線の形態１を示す図である。 ２つの引き出し線の形態２を示す図である。 ２つの引き出し線の形態３を示す図である。 サージ対策回路の一例を示す図である。 磁化力を変化させて測定したインダクタンスの測定値である。

本発明に係るインダクタの一例を図１に示す。図１はポット型インダクタの斜上方向からみた断面図である。引き出し線は図示を省略してある。
インダクタ１は、巻回されたコイル２のコイル巻回外側が磁性体３で覆われている。コイル巻回内側に磁性コアは配置されていない。コイル２全体は電気絶縁性の樹脂体４の内部に埋設されている。樹脂体４によりコイル２の固定と絶縁性とを確保できる。５は磁性体３の製造時における衝合面である。

本発明に係るインダクタは、コイル巻回外側に配置された磁性体３に対して、コイル２の固定と絶縁性とを確保できる状態であれば、樹脂体４で封止することなく、コイル２は空芯コイルとして磁性体３内部に配置してもよい。

図２は、図１に対応する従来のポット型インダクタ１’の一例であり、巻回されたコイル２のコイル巻回外側および内側に磁性体３が配置されている比較例である。この場合、大電流がコイル２に流れると透磁率が減少して高インダクタンスを確保することが困難になる。

本発明に係るインダクタの他の例を図３に示す。図３（ａ）はポット型インダクタの上面図であり、図３（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
インダクタ１ａは、樹脂ケース４ａ内部にコイル２が配置されており、コイル巻回内側に磁性コアが配置されていないコイルである。コイル２は平角絶縁巻線をエッジワイズ巻きしたコイルである。図３においては、２つの引き出し線６ａおよび６ｂの挟角θを１８０°に設定してある。挟角を１８０°とし、樹脂ケース４ａの中にコイル２を配置することで、耐電圧、絶縁抵抗ならびにインパルス絶縁性が確保できた。

本発明に係る２つのコイルが連結されたインダクタの例を図４に示す。図４（ａ）はＵＵ型インダクタの上面図であり、図４（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
インダクタ１ｂは、２ａ部分で連結されている２連のコイル２からなるコイルであり、このコイルの軸方向上下に磁性体３ａおよび３ｂが配置されている。コイル巻回内部に磁性コアを有しないため高いインダクタンスを維持できる。

図４（ｂ）に対応する従来のＵＵ型インダクタのＢ−Ｂ断面図を図５に示す。インダクタ１’’は、磁性体３からなる磁性コアにコイル２が巻回されている。この場合、磁性体３が配置されているため、大電流がコイル２に流れると透磁率が減少して高インダクタンスを確保することが困難になる。

本発明で使用できる磁性体は、純鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金（センダスト合金）、アモルファス系材料、微細結晶材料などの粉末表面を絶縁処理し、圧縮成形して製造することができる。これら磁性体粉末の中でも、純鉄が好ましく、特に粉末冶金に用いられている還元鉄粉またはアトマイズ鉄粉が好ましい。より好ましくは得られる磁性コアの機械的特性が優れる還元鉄粉である。

上記磁性体粉末粒子の表面は無機絶縁体で被覆されていることが好ましい。無機絶縁材料の種類に特に限定はなく、従来から圧粉磁心において用いられているものを使用することができる。好ましい絶縁材料の例としては、リン酸鉄、リン酸マンガン、リン酸亜鉛、リン酸カルシウム、リン酸アルミニウム等のリン酸金属塩、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム等の金属酸化物が挙げられる。無機絶縁体で被覆されている鉄系軟磁性体粉末の市販品としては、ヘガネス社製商品名；Ｓｏｍａｌｏｙが挙げられる。

コイル巻回外側に配置される磁性体は、粒子表面に無機絶縁被覆が形成された上記原料粉末単体、または上記原料粉末にエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が配合された粉末を加圧成形して圧粉体とし、この圧粉体を焼成して製造できる。
本発明に使用できるエポキシ樹脂は、接着用エポキシ樹脂として使用できる樹脂であって軟化温度が１００〜１２０℃の樹脂が好ましい。例えば、室温では固体であるが、５０〜６０℃でペースト状になり、１３０〜１４０℃で流動性になり、さらに加熱を続けると硬化反応が始まるエポキシ樹脂であれば使用できる。この硬化反応は１２０℃付近でも始まるが、実用的な硬化時間、例えば２時間以内で硬化反応が終了する温度としては１７０〜１９０℃であることが好ましい。この温度範囲であると、硬化時間は４５〜８０分である。

エポキシ樹脂の樹脂成分としては、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、トリアジン骨格含有エポキシ樹脂、フルオレン骨格含有エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、アクリルエポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、トリフェノールフェノールメタン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン骨格含有エポキシ樹脂、ナフタレン骨格含有エポキシ樹脂、アリールアルキレン型エポキシ樹脂等が挙げられる。

エポキシ樹脂の硬化剤成分は潜在性エポキシ硬化剤が好ましい。潜在性エポキシ硬化剤を用いることにより、軟化温度を１００〜１２０℃に、また硬化温度を１７０〜１９０℃に設定することができ、鉄粉粉末への絶縁性塗膜の形成と、その後の圧縮成形および熱硬化を行なうことができる。
潜在性エポキシ硬化剤としては、ジシアンジアミド、三フッ化ホウ素−アミン錯体、有機酸ヒドラジド等が挙げられる。これらの中で、上記硬化条件に適合するジシアンジアミドが好ましい。
また、潜在性エポキシ硬化剤と共に、三級アミン、イミダゾール、芳香族アミンなどの硬化促進剤を含むことができる。
なお、上記潜在性硬化剤を含むエポキシ樹脂は、１６０℃で２時間、１７０℃で８０分、１８０℃で５５分、１９０℃で４５分、２００℃で３０分の硬化条件となるように潜在性硬化剤を配合する。

表面が無機絶縁被膜処理された鉄系軟磁性体粉末とエポキシ樹脂の配合割合は、これらの合計量に対して、鉄系軟磁性体粉末が９５〜９９質量％、潜在性硬化剤を含むエポキシ樹脂が１〜５質量％である。エポキシ樹脂が１質量％未満であると、絶縁被膜の形成が困難であり、５質量％を超えると磁気特性の低下と樹脂リッチな粗大な凝集体が発生するからである。

コイル巻回外側に配置される磁性体は、上記表面が無機絶縁被膜処理された鉄系軟磁性体粉末と、上記エポキシ樹脂とを１００〜１２０℃の温度で乾式混合することで、鉄系軟磁性体粉末表面に形成された無機絶縁被膜上に未硬化樹脂被膜を形成する。絶縁被膜が表面に形成された鉄系軟磁性体粉末は、金型を用いる圧縮成形により成形体となし、その後エポキシ樹脂の熱硬化開始温度以上の温度で熱硬化させることで一体化された磁性体が得られる。

また、磁性体３は、鉄系軟磁性体粉末に結着樹脂を配合して、この混合物を射出成形することによっても製造できる。結着樹脂としては、射出成形が可能な熱可塑性樹脂を使用できる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアセタール、ポリエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリカーボネート、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、ポリフェニレンオキサイド、ポリフタールアミド、ポリアミド、これらの混合物が挙げられる。これらの中で、鉄系軟磁性体粉末に混合したときの射出成形時の流動性に優れ、射出成形後の成形体の表面を樹脂層で覆うことができると共に、耐熱性などに優れるポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）がより好ましい。
原料粉末の割合は、原料粉末と熱可塑性樹脂との合計量を１００質量％として、８０〜９５質量％であることが好ましい。８０質量％未満であると磁気特性が得られず、９５質量％をこえると射出成形性に劣る。
射出成形は、例えば可動型および固定型が衝合された金型内に上記原料粉末を射出して成形する方法を用いることができる。

コイル巻回外側に配置され、コイルを覆う樹脂絶縁体は、上記結着樹脂を使用することができる。また、エポキシ樹脂、またはフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を使用できる。

本発明で使用できるコイル２に使用される巻線としては、銅エナメル線を使用することができ、その種類としてはウレタン線（ＵＥＷ）、ホルマール線（ＰＶＦ）、ポリエステル線（ＰＥＷ）、ポリエステルイミド線（ＥＩＷ）、ポリアミドイミド線（ＡＩＷ）、ポリイミド線（ＰＩＷ）、これらを組み合わせた二重被複線、または自己融着線、リッツ線等を使用できる。銅エナメル線の断面形状としては丸線や角線を使用できる。
コイルの巻き方としては、平角エナメル線のエッジワイズ巻、ヘリカル巻、トロイダル巻を採用できる。本発明においては平角エナメル線のエッジワイズ巻が好ましい。

コイル２を埋設する樹脂体４としては、コイル２を固定し、絶縁性を付与できる樹脂であれば使用できる。好ましくは、射出成形が可能な熱可塑性樹脂を使用できる。熱可塑性樹脂としては、結着樹脂として記載した上記熱可塑性樹脂が挙げられる。これらの中で、射出成形時の流動性に優れ、射出成形後の成形体の表面を樹脂層で覆うことができると共に、耐熱性などに優れるポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が好ましい。

射出成形は、例えば可動型および固定型が衝合され、内部に上記コイル２が載置された金型内に樹脂体４を射出して成形する方法を用いることができる。射出成形条件としては熱可塑性樹脂の種類によっても異なるが、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）の場合、樹脂温度が２９０〜３５０℃、金型温度が１００〜１５０℃であることが好ましい。

コイル２を埋設する樹脂体４としては、上記熱可塑性樹脂以外に、磁性体３の結着材として使用される上記エポキシ樹脂、またはフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を使用できる。

図１に示す本発明のインダクタは、コイル２が埋設された樹脂体４を、図１に示す断面図で上下に２分割された磁性体３の内部に圧入することで得られる。２分割された磁性体３は衝合面５で相互に無溶剤型のエポキシ系接着剤等を用いて接着される。

本発明のインダクタは、大電流がコイル２に流入してもインダクタンスの低下を抑えることができるとともに、引き出し線の形態を特定の形態にすることにより、大電流が流入してもコイルの２つの引き出し線間の絶縁性を確保することができる。２つの引き出し線の形態を図６〜図８に示す。図６および図７は、コイルが巻回されている軸方向からみて相互に重ならない方向にコイルの２つの引き出し線を相互に引き離す場合の図であり、図８はコイルの２つの引き出し線間に絶縁体を配する場合の図である。

図６は引き出し線の形態１を示す図であり、図６（ａ）はインダクタ上面図を、図６（ｂ）は同正面図を、図６（ｃ）は同側面図例をそれぞれ示す。インダクタ１は、コイル巻回内側に磁性コアを配置することなく樹脂体４内部に埋設され、その周囲に磁性体３が配置されているコイル（コイル自身の図示を省略）から構成されており、コイル端末から２つの引き出し線６ａおよび６ｂが外部に引き出されている。引き出し線６ａおよび６ｂは相互にコイルが巻回されている軸方向からみて挟角１８０°のように、相互に重ならない方向に引き出されて固定されているので、距離空間により絶縁性が確保できる。

図７は引き出し線の形態２を示す図であり、図７（ａ）はインダクタ上面図を、図７（ｂ）は同正面図を、図７（ｃ）は同側面図例をそれぞれ示す。インダクタ１は、コイル巻回内側に磁性コアを配置することなく樹脂体４内部に埋設され、その周囲に磁性体３が配置されているコイル（コイル自身の図示を省略）から構成されており、コイル端末から２つの引き出し線６ｃおよび６ｄが外部に引き出されている。引き出し線６ｃおよび６ｄは上面図でみるとコイルの軸方向からみて同一方向に引き出されているが、コイルの軸の上段および下段に分離しており、コイルの軸方向からみて相互に重ならない方向に引き出されて固定されているので、距離空間により絶縁性が確保できる。
図７に示すインダクタは図６に示すインダクタよりもコイル線引き出し口の距離を離して設けることができるため、絶縁性を確保しやすい。

図８は引き出し線の形態３を示す図であり、図８（ａ）はインダクタ上面図を、図８（ｂ）は同正面図を、図８（ｃ）は同側面図例をそれぞれ示す。インダクタ１は、コイル巻回内側に磁性コアを配置することなく樹脂体４内部に埋設され、その周囲に磁性体３が配置されているコイル（コイル自身の図示を省略）から構成されており、コイル端末から２つの引き出し線６ｅおよび６ｆが外部に引き出されている。コイルの２つの引き出し線６ｅおよび６ｆは、２つの引き出し線の引き出し口の距離空間に絶縁体７が配置されている。この絶縁体７により、線間の絶縁性がより高められる。なお、絶縁体７としては特に限定することなくセラミックなどの無機絶縁体または合成樹脂などの有機絶縁体を用いることができる。

本発明のインダクタは、コイル巻回内部に磁性コアを有しないコイルで磁気飽和し難く、大きな磁界発生下でも高いインダクタンスを維持できるため、特に大電流および高磁化力下におけるトランス、アンテナ（バーアンテナ）、チョークコイル、フィルタ、センサ等におけるノイズ除去のためのインダクタとして使用できる。特にサージ対策回路に使用されるインダクタとして好適に使用できる。

サージ対策回路の一例を図９に示す。図９は、インダクタが２つの電圧クランピング装置間に直列に配置されている例である。
電気的負荷となる被保護回路機器に入力側からの電圧をクランプするように、クランピング装置８ａおよび８ｂに対して直列にインダクタ１を配置することで、落雷による電圧サージを防ぐことができる。特に、本願発明のインダクタは高磁化力の範囲でインダクタンス変化率が少ないので、電圧サージに効果的である。

実施例
粒子表面が無機絶縁被膜で覆われた鉄粉粒子（ヘガネス社製、Ｓｏｍａｌｏｙ：絶縁性被膜処理鉄粉）９７．３ｇと、硬化剤としてジシアンジアミドを含むエポキシ樹脂粉末２．７ｇとをブレンダーにて室温で１０分間混合した。使用した鉄粉粒子は篩目開き１０６μｍの篩を通過し、２５μｍの篩を通過しない粒子を使用した。混合物をニーダーに投入して１１０℃で１５分間加熱混練した。ニーダーより凝集したケーキを取り出して冷却した後、粉砕機で粉砕した。次いで金型を用いて２００ＭＰａの成形圧力で圧縮成形した。圧縮成形品を金型より取り出し、１８０℃の温度にて１時間窒素雰囲気で硬化させた。さらに切削加工を施して、図１に示す、中央部に突起のないポッド型磁性体３を作製した。磁性体３の寸法は内径９６ｍｍ、外径１２０ｍｍ、内寸２６ｍｍ、外寸３６ｍｍのポッド型であり、これを２個作製した。

巾と厚みの寸法が１９×１．２ｍｍの平角絶縁巻線を準備して、これをエッジワイズ巻きして、コイル寸法が内径５２ｍｍ、外径８３ｍｍ、高さ５６ｍｍのコイルを作製した。コアにおさまるサイズ、コイルを固定できるような樹脂体を作製し、コイルをケースに載置して、樹脂にて封止した。なお、引き出し線は樹脂の封止材で固定した。得られた樹脂体を上記ポッド型磁性体３に挿入して図１に示すインダクタを作製した。

比較例
実施例において、中央部に突起のあるポッド型磁性体を用いる以外は実施例と同様の材料を用いて、図２に示すインダクタを作製した。

磁化力を変化させて、実施例および比較例のインダクタンスをＬＣＲメータで測定した。結果を図１０に示す。図１０に示すように、比較例では、磁化力の増加に伴い著しくインダクタンスが低下する。通常、インダクタンス変化率は３０％以内で使用されることから、比較例では１０ｋＡ／ｍ程度以上では使用できない。本発明のチョークコイルでは１５０ｋＡ／ｍまで増加させてもほとんどインダクタンスの低下がなく、広い範囲でインダクタンスの安定したチョークコイルが得られた。

本発明のインダクタは、高磁化力の範囲でインダクタンス変化率が少ないので、大電流、高周波数化が必要とされる電気機器のインダクタとして利用できる。

１ インダクタ
２ コイル
３ 磁性体
４ 樹脂体
５ 衝合面
６ 引き出し線
７ 絶縁体
８ クランピング装置

Claims (7)

1. コイルのコイル巻回内側に磁性コアを配置することなく、前記コイルのコイル巻回外側に樹脂体および磁性体の少なくとも１つが配置されていることを特徴とするインダクタ。
2. 前記コイルのコイル巻回外側が樹脂体および磁性体の少なくとも１つにより覆われていることを特徴とする請求項１記載のインダクタ。
3. 前記コイルが樹脂体内部に埋設されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のインダクタ。
4. 前記コイルの２つの引き出し線は、コイルが巻回されている軸方向からみて相互に重ならない方向に引き出されていることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載のインダクタ。
5. 前記コイルの２つの引き出し線は、その引き出し口の距離空間に絶縁体を配したことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載のインダクタ。
6. サージ対策回路に使用されるインダクタであって、該インダクタが請求項１から請求項５のいずれか１項記載のインダクタであることを特徴とするインダクタ。
7. 前記インダクタが２つの電圧クランピング装置間に直列に配置されることを特徴とする請求項６記載のインダクタ。