JP2017163026A

JP2017163026A - コイル装置

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Publication number: JP2017163026A
Application number: JP2016047117A
Authority: JP
Inventors: 瞬芦澤; Shun Ashizawa; 友成　寿緒; Toshio Tomonari; 寿緒友成; 裕文麻生; Hirofumi Aso; 恵美伊藤; Emi Ito
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: JP6620613B2; US20170263372A1; US10186365B2

Abstract

【課題】自己共振周波数を高周波側に移動させることができるコイル装置を提供する。【解決手段】ワイヤが巻回されてコイル部が形成してある巻芯部と、巻芯部の軸芯方向の両側にそれぞれ形成してある一対の鍔部と、を有するコイル装置である。巻芯部の外周には、ワイヤがバンク巻きされた二層のバンク巻部と、それと同じワイヤで構成されて巻芯部の軸方向に沿ってバンク巻部に隣接して密に巻回してある一層のレイヤー巻部とが存在する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、たとえばインダクタとして用いられるコイル装置に関する。

コイル装置においてインダクタンスを高める最も基本的な方法は巻線のターン数（ワイヤの巻数）を増やすことであり、特にコイル装置の小型化の観点から多層巻線構造が好ましく採用されている。従来の多層巻線構造では、１層目に巻ききれない分のワイヤを２層目に巻回し、インダクタンスの調整を図る場合がある。

しかしながら、一層目に巻ききれない分のワイヤを２層目に巻回して巻き戻すと、鍔部に形成してある端子にワイヤのリード端を向かわせるために、３層目でワイヤを巻くことになる。従来では、線間容量が増大することなどが原因で、自己共振周波数を高周波側にずらすことが困難であった。

なお、下記の特許文献１に示す技術も知られているが、この特許文献１に示す発明では、自己共振周波数を低周波側にずらすことは可能であるが、やはり、自己共振周波数を高周波側にずらすことは困難であった。

特開２０１１−８２４６３号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、自己共振周波数を高周波側に移動させることができるコイル装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るコイル装置は、
ワイヤが巻回されてコイル部が形成してある巻芯部と、
前記巻芯部の軸芯方向の両側にそれぞれ形成してある一対の鍔部と、を有するコイル装置であって、
前記巻芯部の外周には、前記ワイヤで構成してある二層のバンク巻部と、前記ワイヤで構成されて前記巻芯部の軸方向に沿って前記バンク巻部に隣接して密に巻回してある一層のレイヤー巻部とが存在することを特徴とする。

本発明に係るコイル装置では、二層のバンク巻部と一層のレイヤー巻部とを巻軸方向に組み合わせることで、巻軸方向に沿って全て一層のレイヤー巻部のみを有するコイル装置に比較して、インダクタンスを向上させることができる。しかも本発明のコイル装置では、自己共振周波数を高周波側に移動させることができる。

本発明のコイル装置において、自己共振周波数を高周波側に移動させることができる理由に関しては、必ずしも明らかではないが、次のように説明することができる。

本発明に係るコイル装置では、巻芯部の外周に、ワイヤを一層目で密に巻いてから二層目に移るのではなく、ワイヤの巻始め、巻き終わり部、あるいは一層目の巻回の途中で、バンク巻を行いバンク巻部を形成する。バンク巻では、一層目で、ワイヤを２ターンで密に巻回した後、それらの２ターンのワイヤ巻回部の間に、二層目の巻回部を１ターンで形成し、その後に、１ターンで一層目に戻り巻回し、次に、二層目の巻回部を１ターンで形成する。これらの動作を繰り返すことで、バンク巻部を形成することができる。

二層のバンク巻部では、二層目のターンと一層目のターンとを繰り返しながら巻軸の進行方向に沿って巻芯部の外周にワイヤを巻回していくことが可能である。また、一層のレイヤー巻では、巻軸の進行方向に沿って連続的に密に巻芯部の外周にワイヤを巻回していくことが可能である。したがって、一層目を連続して形成してから二層目にワイヤを巻回していく従来のコイル装置とは異なり、巻芯部の軸方向両側に配置してある一対の鍔部の一方から他方へと向かうワイヤの巻回部には、三層目のワイヤ巻回部を形成する必要がなくなる。そのため、本発明のコイル装置では、同じ巻き数であっても、線間容量を低減することが可能となり、自己共振周波数（ＳＲＦ）を高周波側にシフトさせることができると考えられる。

好ましくは、前記バンク巻部は、少なくともいずれか一方の前記鍔部の近くに存在する。鍔部の近くでは、鍔部が壁になり、バンク巻部を形成するためのバンク巻を行い易く、巻崩れることなく連続した巻線作業が容易である。

好ましくは、前記巻芯部の軸方向に沿って、一方の鍔部の近くから他方の鍔部の近くに向けて、前記バンク巻部、前記レイヤー巻部および前記バンク巻部の順序で配置されて、前記コイル部が構成されている。このように構成することで、連続した巻線作業が容易である。

好ましくは、一方の前記バンク巻部の軸方向長さと、他方の前記バンク巻部の軸方向長さとが略等しい。このように構成することで、コイル部を構成する単一のワイヤの一方から他方への電流の流れと、他方から一方への電流の流れが略同じになり、コイル装置としての方向性がなくなりコイル装置の使い勝手が向上する。

図１Ａは本発明の一実施形態に係るコイル装置の斜視図である。図１Ｂは図１Ａに示すコイル装置の正面図である。図１Ｃは図１Ａに示すコイル装置の底面図である。図１Ｄは図１Ａに示すコイル装置の平面図である。図２Ａは図１Ａに示すコイル装置のII−II線に沿う断面図である。図２Ｂは図２Ａに示すコイル装置における特定ターン目に位置するワイヤの線間容量を説明するための概略図である。図２Ｃは従来のコイル装置の断面図である。図２Ｄは図２Ｃに示すコイル装置における特定ターン目に位置するワイヤの線間容量を説明するための概略図である。図３は本発明の実施例に係るコイル装置の自己共振周波数と比較例に係るコイル装置の自己共振周波数との関係を示すグラフである。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１Ａ〜図１Ｄに示す本発明の一実施形態に係るコイル装置２は、たとえばコモンモードフィルタなどの信号系コイル、あるいはインダクタ、ビーズなどとして用いられる。このコイル装置２は、図２Ａに示すように、Ｘ軸方向に軸芯を持つ巻芯部４と、巻芯部４のＸ軸方向の両側にそれぞれ形成してある開磁路型の第１鍔部６および第２鍔部８と、を有する。なお、図面において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、相互に垂直である。

巻芯部４の外周には、単一のワイヤ１０が、図２Ａに示す丸数字の順序の巻順序（各丸数字がターンの順番を示す）で、一層または２層に巻回してある。図示する実施形態では、巻芯部４の外周には、単一のワイヤ１０がらせん状に巻回してありコイル部１２を構成している。

ワイヤ１２の第１端１０ａは、第１鍔部６の外面に形成してある第１端子電極７のＺ軸方向上端面に電気的に接続して固定してある。ワイヤ１０の第１端１０ａとは反対側に位置する第２端１０ｂは、第２鍔部８の外面に形成してある第２端子電極９のＺ軸方向上端面に電気的に接続して固定してある。電気的接続のための方法は、特に限定されず、ロー付け、ハンダ付け、レーザ溶接、導電性接着剤などが例示される。

ワイヤ１０としては、特に限定されず、樹脂被覆ワイヤ、撚り線ワイヤなどを用いることができる。樹脂被覆ワイヤとしては、たとえば銅製の芯線をポリウレタンやポリエステルなどの樹脂（被覆材）で被覆したものが用いられる。また、ワイヤ１０の線径は、特に限定されないが、φ０．０１〜φ０．１ｍｍが好ましい。

巻芯部４と一対の鍔部６，８とは、ドラムコアとして一体に成形してあり、たとえばフェライト、金属磁性体などの磁性体、あるいは、アルミナ、セラミックなどの非磁性体で構成しても良い。ドラムコアは、好ましくは、比透磁率μが５０以上、さらに好ましくは１００以上、特に好ましくは２００以上の磁性体材料で構成されることが好ましい。

端子電極７，９は、たとえば銀、銅、金、スズ、ニッケルなどを含む導電性ペーストを各鍔部６，８の外面に塗布して焼き付けることなどにより形成することができる。また端子電極７，９は、メッキなどにより形成してもよい。

また、本実施形態において、コイル装置２のサイズは、特に限定されないが、Ｘ軸方向長さが０．４〜１０．０ｍｍ、Ｙ軸方向幅が０．２〜５．０ｍｍ、Ｚ軸方向高さが０．２〜５．０ｍｍであることが好ましい。また、ワイヤ１０が巻回してある巻芯部４のＸ軸方向長さは、好ましくは０．１〜２．５ｍｍである。

本実施形態では、図２Ａに示すように、巻芯部４の外周には、コイル部１２が形成してある。コイル部１２は、第１鍔部６の近くに隣接して配置してある第１バンク巻部１２ａと、第２鍔部８の近くに隣接して配置してある第２バンク巻部１２ｂと、これらのバンク巻部１２ａ，１２ｂの間に配置してあるレイヤー巻部１２ｃとを有する。第１バンク巻部１２ａと第２バンク巻部１２ｂとは、それぞれ二層のバンク巻により形成され、レイヤー巻部１２ｃは一層のレイヤー巻により形成され、これらは連続する単一のワイヤ１０で構成されている。

第１鍔部６から第２鍔部８に向けて、巻芯部４の外周に、巻芯部４の軸方向に沿って第１バンク巻部１２ａ、レイヤー巻部１２ｃおよび第２バンク巻部１２ｂを、隣接して密に巻回するためには、図２Ａに示す丸数字の順序でワイヤ１０のターン（巻回作業）を行えばよい。

すなわち、本実施形態では、まず、第１鍔部６に隣接する巻芯部４にワイヤ１０を一層目の第１ターンで巻回し、その後に、その第１ターンの隣の一層目に、第２ターンで同じワイヤを巻回する。その次に、本実施形態では、その第２ターンの隣の一層目に第３ターンを行うのではなく、それらの２つの一層目の第１ターンおよび第２ターンのワイヤ巻回部の間に、二層目の巻回部を第３ターンとして巻回して形成する。その後に、ワイヤ１０を一層目に戻らせて第２ターンの隣に巻回して第４ターンを形成し、次に、二層目の巻回部を第５ターンで形成する。これらの動作を繰り返すことで、二層の第１バンク巻部１２ａを形成することができる。

ワイヤ１０を巻芯部４の外周に巻回して第１バンク巻部１２ａを形成した後には、その同じワイヤ１０を、二層の第１バンク巻部１２ａの隣に位置する巻芯部４の外周に一層で密に巻き付ける（一層のレイヤー巻）。図２Ａに示す例では、第６ターンから第１０ターンまでが、一層のレイヤー巻となる。一層のレイヤー巻では、巻芯部４の外周に、第１鍔部６から第２鍔部８に向けて、順次単純に巻き付けていくのみである。

第２鍔部８からＸ軸方向に所定の隙間に対応する巻芯部４の外周位置で、巻き方を、レイヤー巻から第２バンク巻に変化させる。第２バンク巻では、レイヤー巻で巻回してある第１０ターンのワイヤ１０の隣に位置する巻芯部４にワイヤ１０を一層目の第１１ターンで巻回し、その後に、その第１１ターンの隣の一層目に、第１２ターンで同じワイヤ１０を巻回する。

その次に、本実施形態では、その第１２ターンの隣の一層目に第３ターンを行うのではなく、それらの２つの一層目の第１１ターンおよび第１２ターンのワイヤ巻回部の間に、二層目の巻回部を第３ターンとして巻回して形成する。その後に、ワイヤ１０を一層目に戻らせて第１２ターンの隣に巻回して第１４ターンを形成し、次に、二層目の巻回部を第１５ターンで形成する。これらの動作を繰り返すことで、二層の第２バンク巻部１２ｂを形成することができる。

本実施形態に係るコイル装置２では、二層のバンク巻部１２ａ，１２ｂと一層のレイヤー巻部１２ｃとを巻軸方向に組み合わせることで、巻軸方向に沿って全て一層のレイヤー巻部のみを有するコイル装置に比較して、インダクタンスを向上させることができる。しかも本実施形態のコイル装置２では、自己共振周波数（ＳＦＲ）を高周波側に移動させることができる。

本実施形態のコイル装置２において、自己共振周波数（ＳＦＲ）を高周波側に移動させることができる理由に関しては、必ずしも明らかではないが、次のように説明することができる。

すなわち、二層のバンク巻部１２ａ，１２ｂでは、二層目のターンと一層目のターンとを繰り返しながら巻軸の進行方向に沿って巻芯部４の外周にワイヤ１０を巻回していくことが可能である。また、一層のレイヤー巻１２ｃでは、巻軸の進行方向に沿って連続的に密に巻芯部４の外周にワイヤ１０を巻回していくことが可能である。

したがって、一層目を連続して形成してから二層目にワイヤを巻回していく従来のコイル装置２Ａ（図２Ｃ参照）とは異なり、本実施形態では、巻芯部４の軸方向両側に配置してある一対の鍔部６，８の一方から他方へと向かうワイヤ１０の巻回部（コイル部１２）には、三層目のワイヤ巻回部を形成する必要がなくなる。そのため、本実施形態のコイル装置２では、同じ巻き数であっても、線間容量を低減することが可能となり、自己共振周波数（ＳＲＦ）を高周波側にシフトさせることができると考えられる。

一般的に、ワイヤの被覆材の厚みが薄ければ自己共振周波数は低い周波数へと移動する。コイル装置２において、自己共振周波数を高周波側にシフトさせることができれば、ワイヤ１２の被覆材の厚みを削減することが可能になる。そのため、限られたスペースで巻回数を増やし、Ｌ値を増大することができ、製品の小型化を図ることができるなどの利点がある。したがって、本実施形態のコイル装置２は、たとえば巻線信号コイルあるいは巻線電源コイルなどの用途に好適に用いることができる。

なお、図２Ｃに示す従来のコイル装置２Ａでは、コイル部１２ａを従来の巻き方で形成してある。このため、一層目に巻ききれない分（１１ターンを超えるターン数）のワイヤ１０を２層目に巻回して巻き戻す（１２ターンから１４ターン）。そのため、第２鍔部８に形成してある端子９にワイヤ１０のリード端を向かわせるために、３層目の第１５ターンでワイヤ１０を巻くことになる。そのため、従来では、線間容量が増大し、自己共振周波数を高周波側にずらすことが困難であったと考えられる。

図２Ｄは、図２Ｃにおける第１３ターンのワイヤ１０回りの線間容量を示す概略図であり、図２Ｂは、図２Ａにおける第１２ターンのワイヤ１０回りの線間容量を示す概略図である。図２Ｃにおいて、第１３ターンを選択したのは、そのターンのワイヤ１０回りの線間容量が、全てのターンの中で最も大きくなると考えられるためである。また、図２Ａにおいて、第１２ターンを選択したのは、そのターンのワイヤ１０回りの線間容量が、全てのターンの中で最も大きくなると考えられるためである。

図２Ｂと図２Ｄを比較して理解できるように、図２Ｄの方が線間容量が大きくなる。このことが、本実施形態においては、従来例に比較して、ターン数（巻き数）が同じでも、自己共振周波数を高周波側にずらすことができる理由であると考えられる。

実際に、図２Ａに示す本実施形態に係るコイル装置の周波数に対するインピーダンス特性と、図２Ｃに示す比較例（従来例）に係るコイル装置の周波数に対するインピーダンス特性とを比較したグラフを図３に示す。図３に示すように、本実施形態においては、比較例に比較して、ターン数（巻き数）が同じでも、自己共振周波数を高周波側にずらすことができることが確認できた。なお、図３に示す結果を得るためのワイヤ１０のトータルターン数（巻き数）は、１８であった。また、二層の第１バンク巻部１２ａのターン数は、１（二層目のみの数）であり、二層の第２バンク巻部１２ｂのターン数は、１（二層目のみの数）であった。

本実施形態では、第１バンク巻部１２ａおよび第２バンク巻部１２ｂは、それぞれ、第１鍔部６および第２鍔部８の近くに存在する。鍔部６，８の近くでは、鍔部６，８が壁になり、バンク巻部１２ａ，１２ｂを形成するためのバンク巻を行い易く、巻崩れることなく連続した巻線作業が容易である。

さらに本実施形態では、巻芯部４の軸方向に沿って、第１鍔部６の近くから他方の第２鍔部８の近くに向けて、第１バンク巻部１２ａ、レイヤー巻部１２ｃおよび第２バンク巻部１２ｂの順序で配置されて、コイル部１２が構成されている。このように構成することで、連続した巻線作業が容易である。

さらに本実施形態では、一方の第１バンク巻部１２ａのターン数（軸方向長さ）と、他方の第２バンク巻部のターン数（軸方向長さ）とが略等しい。このように構成することで、コイル部１２を構成する単一のワイヤ１０の一方から他方への電流の流れと、他方から一方への電流の流れが略同じになり、コイル装置２としての方向性がなくなりコイル装置２の使い勝手が向上する。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

たとえば巻芯部４の横断面（Ｙ軸およびＺ軸を含む断面）形状は、略四角形状に限定されず、その他の多角形、あるいは円形、楕円形、その他の形状であっても良い。また、鍔部６，８の横断面形状も、四角に限定されず、その他の多角形、あるいは円形、楕円形、その他の形状であっても良い。

また、第１鍔部６のＸ軸方向厚みと第２鍔部８のＸ軸方向厚みとは、同じでも異なっていても良く、強度が維持できる程度の厚みがあれば良い。また、巻芯部４は、本実施形態では、Ｘ軸方向に沿って横断面の面積が変化しないが、たとえばＸ軸方向の中央部において最も横断面積が大きくなるなどのように変化していても良い。

さらに、上述した実施形態では、第１バンク巻部１２ａと第２バンク巻部１２ｂとは、同じターン数で構成してあるが、異なるターン数で構成してもよい。また、いずれか一方のバンク巻部１２ａ，１２ｂは、省略してもよい。またバンク巻部の配置位置は、鍔部６，８の近くに限定されない。さらに、バンク巻部は、巻芯部４の軸方向に沿って３つ以上で配置してもよい。

いずれにしても、本実施形態に係るコイル装置では、巻芯部の外周に、ワイヤを一層目で密に巻いてから二層目に移るのではなく、ワイヤの巻始め、巻き終わり部、あるいは一層目の巻回の途中で、バンク巻を行いバンク巻部を形成する。二層のバンク巻部におけるターン数は、好ましくは２〜６（二層目のみの数）である。また一層のレイヤー巻部のターン数は、好ましくは３〜３０である。

２，２Ａ… コイル装置
４… 巻芯部
６… 第１鍔部
７… 第１端子電極
８… 第２鍔部
９… 第２端子電極
１０… ワイヤ
１０ａ… 第１リード端
１０ｂ… 第２リード端
１２… コイル部
１２ａ… 第１バンク巻部
１２ｂ… 第２バンク巻部

Claims

ワイヤが巻回されてコイル部が形成してある巻芯部と、
前記巻芯部の軸芯方向の両側にそれぞれ形成してある一対の鍔部と、を有するコイル装置であって、
前記巻芯部の外周には、前記ワイヤで構成してある二層のバンク巻部と、前記ワイヤで構成されて前記巻芯部の軸方向に沿って前記バンク巻部に隣接して密に巻回してある一層のレイヤー巻部とが存在することを特徴とするコイル装置。
前記バンク巻部は、少なくともいずれか一方の前記鍔部の近くに存在する請求項１に記載のコイル装置。
前記巻芯部の軸方向に沿って、一方の鍔部の近くから他方の鍔部の近くに向けて、前記バンク巻部、前記レイヤー巻部および前記バンク巻部の順序で配置されて、前記コイル部が構成されている請求項１または２に記載のコイル装置。
一方の前記バンク巻部の軸方向長さと、他方の前記バンク巻部の軸方向長さとが略等しい請求項３に記載のコイル装置。