JP4308426B2

JP4308426B2 - 無線障害抑制チョークコイル

Info

Publication number: JP4308426B2
Application number: JP2000516361A
Authority: JP
Inventors: ブルンナー、マルクス
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: EP1023736A1; EP1023736B1; JP2008263213A; US6310534B1; DE59804260D1; JP4452808B2; JP2001524746A; WO1999019889A1

Description

【０００１】
この発明は、無線障害抑制チョークコイル並びにその製造方法に関する。
【０００２】
開閉モードの電源ユニット、特にスイッチング電源ユニットにおいては、この電源ユニットのスイッチング動作の間、非常に急峻な電圧もしくは電流の立ち上がりにより電磁障害が生ずる。しかしながら、このいわゆる「広帯域の無線障害」は、望ましくない。その周波数は数百キロヘルツからメガヘルツの範囲に拡がる。電磁適合性（ＥＭＣ）の規格によれば、この無線障害は発生地点、即ち機器の内部において除去されるものとされている。
【０００３】
無線障害抑制のための最も効果的な方法は、いわゆる単導体チョークコイルの使用である。単導体チョークコイルは、１つの導体或いは回路部品の１つの接続ピンに嵌め込まれる、リング状の巻鉄心として形成された無線障害抑制チョークコイルである。このような無線障害抑制チョークコイルは、（株）東芝のデーターブック、材料及び部品、技術資料、「アモルファス雑音抑制器、商標“ＡＭＯＢＥＡＤ”」、シリーズ番号Ｎｏ．Ｅ−６３００１、１９８８年１月３０日により公知である。
【０００４】
単導体チョークコイルは、例えばＲＣローパスフィルタのような他の無線障害抑制部品に対して、チョークコイル電流が大きい場合並びに１０ｋＨｚから３０ＭＨｚまでの範囲における広帯域の無線障害抑制作用においてもインダクタンスが大きいという利点を持っている。さらに、低周波数範囲においても特に高い挿入減衰を示す。さらにまた、その総損失が小さく、部品サイズが小さい。
【０００５】
上記の文献には、いわゆるアモルファス合金、特にコバルト基のアモルファス合金からなる磁性帯板を巻回した小形の巻鉄心形の、いわゆる単導体チョークコイルが示されている。この巻鉄心は、障害を惹起する部品の電流を通す導体に嵌め合わされるかもしくは嵌め込まれる。この巻鉄心は、そこでは、可飽和チョークコイルとして動作し、スイッチング動作の間、高周波障害を効果的に抑制する。しかしながら、スイッチング動作の後は、この巻鉄心の磁性材料の飽和によって、保護されるべきスイッチング回路にはもはや作用しない。
【０００６】
このようなアモルファス合金からなる巻鉄心を製作する際、普通は、巻回すべき帯板を工具鋼からなる巻軸に、点溶接によって固定する。溶接の後、巻鉄心を所望の幾何学的なデータに基づき巻回する。最後に、帯板の端部を再び点溶接により巻鉄心の外周に固定する。この溶接作業の終了後、巻鉄心を巻軸から切り取る。このようにしてできたリング状の巻鉄心を、その後、公知の方法でさらに加工する。特に、巻鉄心に熱処理を施し、次いで保護膜で覆う。
【０００７】
このような単導体チョークコイルは、しかしながらリング状の部分を手作業で、例えばトランジスタ或いはダイオードの接続ピンを介して取付けねばならないから、その製造が煩瑣である。その場合、特に接続ピンの回りのリング状単導体チョークコイルの調整が大きく関与し、付加的な組立費用を必要とする。
【０００８】
その他の主要な欠点は、巻鉄心と回路部品の接続ピンとの熱的接触が非常に悪く、これに起因して損失熱を巻鉄心から放出するのに不充分なことである。例えば、数百キロヘルツの範囲の周波数において飽和するまで磁化する際に発生する損失熱は、通常、１００℃以上の部品の温度上昇を招く。この高い温度により、また動作電流によって生ずる巻回方向の磁界により、好ましくないことに、矩形状のヒステリシスループの原因となる焼なましを招来し、これがまた巻回方向の磁界を強める。しかしながら、使用される合金によっては、このような高い温度に永久に耐えることができず、これにより合金の磁気特性の変化による巻鉄心の材料の劣化をもたらす。これらは、通常磁界の反転に伴なう損失をさらに増大する原因となり、最終的にはチョークコイルの熱による機能喪失に至る。
【０００９】
この発明の課題は、従って、できるだけ僅かな組立費用で製作することができ、巻鉄心から損失熱を放出するために、巻鉄心と回路との良好な熱的接触を持った無線障害抑制チョークコイルを提供することにある。
【００１０】
この課題は、この発明によれば、以下の特徴、即ち、導電性で、熱伝導性、非強磁性の第一の合金からなる接続導線（１）と、強磁性の第二の合金からなる巻鉄心（２）とを備え、該鉄心は接続導線（１）の回りにコイル状に巻回された薄い帯板を有し、この帯板がその内側の端部において前記接続導線（１）とはめあい結合を形成していることを特徴とする無線障害抑制チョークコイルによって解決される。
【００１１】
この発明による無線障害抑制チョークコイルにより、前記の組立の困難さを回避できるだけでなく、チョークコイルとその他の回路との熱的結合の問題も解決できる。その他の全ての長所、特に非常に良好な抑制特性は制限されることなく保持される。
【００１２】
この発明による無線障害抑制チョークコイルにおいては、巻鉄心の製造のために、この巻鉄心の巻軸として使用される接続導線を利用する。接続導線の材料は、巻回される磁性帯板の溶接のために点溶接が可能であり、また部品のその後の組立のために軟ろう付けが可能な合金からなる。巻鉄心の巻軸として使用される接続導線は、鉄心の巻回の後も巻鉄心の中に残り、部品の電気導体として作用する。
【００１３】
磁性帯板を巻回した後、巻鉄心は、必要に応じて、その磁気特性を調整するために熱処理を受ける。次いで、巻鉄心の被覆を、例えば通常の塗料により或いは熱収縮スリーブにより行う。塗料としては、その場合、エポキシ粉末塗料を使用することができる。しかしながら、巻鉄心を熱可塑性或いは熱硬化性のモールド材で被覆することも考えられる。
【００１４】
この場合に生じる部品は、従来の抵抗に匹敵し、そのものとして、例えばプリント回路板の製造においてよく行われているような、それ相応の自動実装機によって加工できることは明らかである。特に、その場合、この発明による無線障害抑制チョークコイルは表面実装（ＳＭＤ）部品として構成するのが有利である。
【００１５】
有利な構成例及び改良例は下位の請求項に記載されている。
【００１６】
以下に、この発明を図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１において１は接続導線を示す。この接続導線１は円形状、矩形状或いは類似の断面を持ち得る。接続導線１はまた、帯状に形成してもよい。この接続導線１の回りに、巻鉄心２を配置する。この巻鉄心２は、典型的には薄い帯板或いは薄い帯箔からなり、これらがコイル状に接続導線１の回りに巻回される。さらに、巻鉄心２を保護するために、巻鉄心２の範囲に保護被膜３を設けるのがよい。
【００１８】
接続導線１、巻鉄心２及び保護被膜３は、その場合、１つの単導体チョークコイル４を形成する。接続導線１の端部は、その場合、差し込み接続部として機能することができる。しかしながら典型的には、接続導線１の端部は、集積回路の回路の導体にろう付けされる。
【００１９】
図２は、いわゆるＳＭＤ部品として構成された別の単導体チョークコイル４を示す。同じ部品は、図２においても、図１に応じた同じ符号を備えている。
【００２０】
図２の単導体チョークコイル４と図１のそれとは、主として、その容器形状によって異なる。ここに示すＳＭＤ部品はプリント回路板に表面実装するのに適する。接続導線１は、この図で巻鉄心２によって覆われていない範囲においてＬ字状に折り曲げられている。図２の例に示すように、巻鉄心２によって覆われていない接続導線１の範囲を、数回Ｌ字状に折り曲げて形成することも考えられる。
【００２１】
さらに、図２において５はプリント回路板を示す。単導体チョークコイル４は、その場合、接続導線１のＬ字状に折り曲げられている端部でろう結合６を介してプリント回路板５に接続されている。
【００２２】
図１及び２に示す単導体チョークコイル４を製造するために、以下の製造工程が必要である。
【００２３】
先ず１本の電線を、後に接続導線１を形成する所定の長さに切断する。巻鉄心２を製造するために、先ず、アモルファスの薄帯板或いは薄い磁性帯箔をその一端で接続導線１に溶接する。次いで、この薄帯板をコイル状に接続導線１の回りに巻回して巻鉄心２を形成する。この帯板の第二の端部を、次いで同様に点溶接で、巻回により作り上げたコイルの外周に固定する。このようにして、典型的にはリング状の巻鉄心２が得られる。このリング状の巻鉄心２は、閉鎖リングとして形成するのが特に有効である。
【００２４】
次に、典型的には熱処理工程が続く。この熱処理は、その場合、典型的には連続工程で行う。この連続工程の速度は、薄帯板が０．５秒以上、１２０秒以下の熱処理時間で、４５０℃以上、５５０℃以下の温度に加熱されるように選ぶ。この熱処理工程は、特に巻鉄心２の機械的歪み取り処理である。透磁率、従ってこれに相関する挿入減衰も、かくして所望の方法で最適化することができる。最後に、巻鉄心２を、所望のヒステリシスを設定するために、磁界中で処理する。
【００２５】
帯板の巻回により作られた巻鉄心２を上述のように処理した後に、巻鉄心２の範囲に保護被膜３を形成することが特に有効である。この保護被膜３は、特に、巻鉄心２の機械的保護の役目をする。
【００２６】
保護被膜３としてはエポキシ粉末塗料もしくは熱可塑性或いは熱硬化性モールド材を使用することができる。しかしながら、単導体チョークコイル４を簡単な熱収縮スリーブで覆うこともできる。
【００２７】
接続導線１の材料が溶接可能であり、さらにろう接可能であることもこの発明の要点である。さらに、接続導線１に使用する材料が充分に高い導電率並びに高い熱伝導度を持っていることもまた不可欠である。その他に、接続導線１自体の材料が強磁性でないことが絶対に必要である。さもないと、単導体チョークコイル４の使用時に、渦電流効果により接続導線の過熱を招くことがある。
【００２８】
接続導線１の材料に関するこれらの要求は、銅を基材とする合金により理想的に満たされる。点溶接可能性を得るために、この場合抵抗を高める元素、例えばニッケル、ベリリウム、クロム、ジルコニウム、マンガン或いは同様な元素を添加する。この場合、銅−ニッケル合金もしくは銅−マンガン合金のような市販の抵抗合金が最も普通である。
【００２９】
接続導線１と、巻鉄心２の強磁性材料との充分に良好な点溶接可能性は、接続導線として、式Ｃｕ_100-(a+b)Ｎｉ_aＭｎ_bから構成された合金を使用することにより達成される。なお、この場合、ａ及びｂは重量％で表され、次の条件、すなわちａは６以上８０以下そしてｂは０以上１２以下を満足する。
【００３０】
最善の結果は、約６重量％の比較的低いニッケル成分もしくは約３重量％の比較的低いマンガン成分の合金により達成される。この合金のニッケル成分の上限は、一方ではニッケル成分の増加と共に導電率が減少することによって、他方では強磁性組成の達成によって制限される。最も好ましい組成は、その場合、０〜６重量％のマンガンを添加した約６〜５０重量％のニッケル範囲にある。銅マンガン系からは、例えば市販の合金ＣｕＭｎ₃を使用することができる。
【００３１】
良好な点溶接可能性を備えた接続導線１のためのその他の合金は、Ｃｕ_100-(a+b)Ｍｎ_aＧｅ_bから構成された合金により実現される。なお、この場合、ａ及びｂは同様に重量％で表され、次の条件、すなわちａは３以上で６以下そしてｂは０以上で６以下を満足する。
【００３２】
接続導線１のための非常に簡単な可能性は、しかしながら、点溶接可能で、かつろう接合可能な、表面被膜を備えた単純な銅線を使用することでも生じる。このような性質を持つ被膜は、例えばニッケルで被覆することにより作ることができる。この場合、ニッケル被膜の膜厚は、必要とする良好な点溶接及びろう接合可能性を確保するために、約２〜３０μｍの範囲で充分である。この変形例は、電気導体として使用される接続導線１に関して、最も好ましい電気的特性並びにまた最も好ましい熱伝導性を提供する。
【００３３】
強磁性ニッケル膜に生ずる付加的な渦電流損失は、部品に僅かとは言え付加的な加熱を招くことがあるが、この効果はニッケル膜の膜厚が非常に薄いことにより許容範囲内で働く。さらに、巻鉄心２内に含まれない範囲のニッケル膜を、巻鉄心２を被覆した後、エッチング液の中で部分的に除去することが有効である。
【００３４】
無線障害抑制チョークコイルの機能のためには、巻鉄心２の材料はアモルファス或いは微細結晶、高透磁率、強磁性合金からなることが絶対的に必要である。この合金が軟磁性材料からなると特に有効である。
【００３５】
この場合、材料としてアモルファスのコバルト基合金或いは微細結晶の鉄基合金を使用するのが特に効果的である。これらの合金は、典型的には絶対値で５ｐｐｍ以下の飽和磁気歪みλ_Sを持っている。
【００３６】
単導体チョークコイル４の保護被膜３の最も簡単な構成は被覆である。その場合、部品の巻鉄心２の範囲を粉末塗料により被膜する。かくして、従来の抵抗に匹敵し、組立の際にピンを差し込む形でプリント回路板５に取付けられ、ろう接される形状が得られる。
【００３７】
後の組立のために非常に有効なその他の構造形状は、巻鉄心２の範囲を、熱可塑性或いは熱硬化性モールド材で直方体状に射出することにより成形し、次いで導体を所望の長さに切断し、型押し加工することによって実現可能である。このようにして、部品組立の際に技術的手段を明らかに削減する、従ってコスト的に有利に製造することのできる、いわゆるＳＭＤ部品を得ることができる。
【００３８】
この２つの構造形状において、周囲の回路への熱結合は互いに匹敵する程良好であり、この場合、適用特性に関して重大な差異は考えられない。
【００３９】
以上に示した実施例に相応して、アモルファスのコバルト合金を使用して異なる組成の銅−ニッケル接続導線を作った。熱処理を施していない巻鉄心２では、１ｋＨｚにおいて約３０００の交流磁界透磁率が得られた。１ＭＨｚの範囲のより高い測定周波数において、交流磁界透磁率は約１７００の値に低下する。しかしながら、巻鉄心２に熱処理を施すと、磁気特性は明らかに改善される。即ち、交流磁界透磁率は１ｋＨｚにおいて約２５００００の値にもしくは１ＭＨｚにおいて７０００の値に上昇する。
【００４０】
図３は、この発明による単導体チョークコイル（ｂ）の部品の温度上昇を、従来の技術による単導体チョークコイル（ａ）との比較で示した温度と時間との関係図表である。ここで比較可能性を確かにする目的で、巻鉄心２の調査のために同じインダクタンスを使用した。磁化は、その場合、１００ｋＨｚの周波数においてＩ_eff＝４．５Ａの電流で行った。この条件の下で従来の技術による単導体チョークコイルは８４℃の最終温度に達したが、この発明による単導体チョークコイルは最高でも６８℃に加熱されたのみである。
【００４１】
かくして、自動化可能な加工性の他に、この提案された構造形状により、巻鉄心２は電流の流れる導体として構成された接続導線１を介して、プリント回路板５へ最適な熱接触が達成される。これにより、巻鉄心２に発生する過剰の熱を、使用された合金が耐え得る値にまで減少することができる。この結果、温度に関係して指数関数的に増大する劣化の問題を、著しく小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ピンを備える部品として構成された、この発明による単導体チョークコイルの一部破砕断面図。
【図２】ＳＭＤ部品として構成された、この発明による単導体チョークコイルの一部破砕断面図。
【図３】部品の温度上昇を、この発明による単導体チョークコイル（ｂ）と従来の技術による単導体チョークコイル（ａ）との比較で示す温度−時間線図。
【符号の説明】
１接続導線
２巻鉄心
３保護被膜
４無線障害抑制チョークコイル
５プリント回路板
６ろう接合

Claims

導電性で、熱伝導性、非強磁性の第一の合金からなる接続導線（１）と、強磁性の第二の合金からなる巻鉄心（２）とを備え、該鉄心は接続導線（１）の回りにコイル状に巻回された薄い帯板を有し、この帯板がその内側の端部において前記接続導線（１）と溶接による結合を形成している無線障害抑制チョークコイルにおいて、
前記第一の合金が、軟ろう付け並びに溶接可能な材料からなっていて、Ｃｕ_100-(a+b)Ｎｉ_aＭｎ_bなる組成を持ち、ここにａ及びｂは重量％で表され、ａは６以上で８０以下そしてｂは０以上で１２以下の条件を満たし、
接続導線（１）がニッケル被膜を備えており、更に
該ニッケル被膜が２〜３０μｍの膜厚を持っていることを特徴とする無線障害抑制チョークコイル。