JP7302348B2

JP7302348B2 - インダクタ及び電子回路

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Publication number: JP7302348B2
Application number: JP2019134820A
Authority: JP
Inventors: 道治山田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2039-07-22
Also published as: JP2021019129A

Description

本開示は、インダクタ及び当該インダクタを備える電子回路に関する。

従来、小型、大電流化が要求されるスイッチング電源回路のインダクタとしてメタルコンポジットインダクタが採用されている。メタルコンポジットインダクタは構造上、磁性材間の隙間を小さくでき、フェライト系インダクタより漏れ磁束が少ないため、ノイズ対策として使用されることがある。また、シールド部材を用いてインダクタから漏洩するノイズを低減する方法が提案されている。例えば、特許文献１が開示するインダクタは、巻線を覆う金属磁性材料から成るコアを、シールド部材で囲むことにより、インダクタから漏洩するノイズを低減することを意図している。

特開２０１８－９８２７０号公報

しかしながら、メタルコンポジットインダクタは金属磁性材料の寄生容量によって低周波帯域（０～２ＭＨｚ等）よりも高い周波帯域のノイズが漏洩する恐れがあり、これらの周波帯域のノイズを十分に低減できないという問題があった。

また、特許文献１が開示するインダクタでは、シールド部材の厚みを調整する事により、低周波から高周波数までシールドできるが、シールド部材を基板に接続するための端子を新たに追加する必要があり、構造が複雑になるという問題があった。

本開示は、上記問題点を鑑みてされたものであり、単純な構造で低周波から高周波帯までのノイズの漏洩を低減することが可能なインダクタ及び電子回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の一実施形態に係るインダクタ（３０）は、コイル（３００）と、軟磁性金属によってコイルを覆うように形成された金属磁性部材（３１０）と、フェライト磁性材料で形成され、コイルの入力側端部（３０１）及びコイルの出力側端部（３０２）の少なくともいずれか一方が通過するフェライト磁性部材（３２３）と、金属磁性部材の基板側の反対側において金属磁性部材に接して、金属磁性部材とフェライト磁性部材との間に設置された、接地されていない金属板（３４０）と、金属磁性部材の基板側において金属磁性部材とフェライト磁性部材との間に配置された、接地されていない金属板（３４１）と、を備える。

この構成では、コイルの入力側の端線部及び出力側の端線部がフェライト磁性部材を通過しているため、その端線部内を電流が流れると、端線部の周囲のフェライト磁性部材によって端線部の周囲に磁気損失が生じる。当該磁気損失により、磁界を発生させている電流の高周波帯域及び中間周波帯域が減少するため、当該電流に起因する高周波帯域及び中間周波帯域のノイズが減少する。その結果、インダクタから漏洩する高周波帯域及び中間周波帯域のノイズを低減することができる。

本開示の第１の実施形態に係る電子回路の概略図である。第１の実施形態に係るインダクタの斜視図である。図２に示すインダクタのＡ－Ａ断面を示す垂直断面図である。インダクタから漏洩したノイズのレベルを示す図である。第２の実施形態に係るインダクタの斜視図である。図５に示すインダクタのＢ－Ｂ断面を示す垂直断面図である。第３の実施形態に係るインダクタの斜視図である。図７に示すインダクタのＣ－Ｃ断面を示す垂直断面図である。第４の実施形態に係るインダクタの斜視図である。図９に示すインダクタのＤ－Ｄ断面を示す垂直断面図である。第５の実施形態に係るインダクタの斜視図である。図１１に示すインダクタのＥ－Ｅ断面を示す垂直断面図である。第６の実施形態に係るインダクタの斜視図である。図１３に示すインダクタのＦ－Ｆ断面を示す垂直断面図である。第７の実施形態に係るインダクタの斜視図である。図１５に示すインダクタのＧ－Ｇ断面を示す垂直断面図である。

＜第１の実施形態＞
以下、図１～図４を参照して、本開示の第１の実施形態について説明する。図１に示すように、第１の実施形態に係る電子回路１は、基板１０と、電源ＩＣ２０と、インダクタ３０と、コンデンサ４０とを備える。電源ＩＣ２０、インダクタ３０及びコンデンサ４０は、基板１０上に配置される。インダクタ３０は、入力側で電源ＩＣ２０に電気的に接続され、出力側でコンデンサ４０に電気的に接続される。

電源ＩＣ２０は、インダクタ３０に電力を供給する電子装置である。電源ＩＣ２０は、様々な周波数の電流を供給するスイッチング電源として機能し得る。

インダクタ３０は、電気エネルギ及び磁界エネルギの相互変換を利用して、蓄電及び放電を行う電子素子である。インダクタ３０は、電源ＩＣ２０が供給した電力を蓄電する共に、蓄電した電力をコンデンサ４０に供給することができる。

コンデンサ４０は、蓄電及び放電を行う電子素子である。コンデンサ４０は、インダクタ３０が供給した電力を平滑化する。

次に、図２及び図３を参照して、インダクタ３０の構造について説明する。インダクタ３０は、コイル３００と、金属磁性部材３１０と、フェライト磁性部材３２０とを備える。

コイル３００は、巻回された導電線であり、通電により磁界を発生させる。コイル３００の入力側端部３０１は、フェライト磁性部材３２０を介して、入力側の外部端子３３０に接続される。コイル３００の出力側端部３０２は、出力側の外部端子３３１に接続される。

金属磁性部材３１０は、コイル３００を覆うように形成された部材である。金属磁性部材３１０は、粒子状又は粉末状等の粒度の小さい複数の軟磁性金属と、当該軟磁性金属を保持するバインダの混合物を一体成形することにより、形成することができる。本実施形態では、軟磁性金属として、鉄等を採用することができる。また、軟磁性金属を保持するバインダとして、耐熱性の樹脂等を採用することができる。

金属磁性部材３１０の形状は、例えば、図２及び図３に示すような直方体形状とすることができる。なお、金属磁性部材３１０の形状は、コイル３００を覆うことができる限り、他の種々の形状とすることができる。

フェライト磁性部材３２０は、コイル３００の入力側において金属磁性部材３１０に接するように配置される部材である。フェライト磁性部材３２０は、粒子状又は粉末状等の粒度の小さい複数のフェライト磁性材料と、当該フェライト磁性材料を保持するバインダの混合物を一体成形することにより、形成することができる。フェライト磁性部材３２０に使用されるフェライト磁性材料は、透磁率が高いものが好ましい。本実施形態では、フェライト磁性材料を保持するバインダとして、耐熱性の樹脂等を使用することができる。フェライト磁性部材３２０の形状は、例えば、図２及び図３に示すような平板形状とすることができる。

インダクタ３０の入力側及び出力側は、それぞれ外部端子３３０，３３１を通して、基板１０に接続される。入力側の外部端子３３０は、電源ＩＣ２０に電気的に接続される。出力側の外部端子３３１は、コンデンサ４０に電気的に接続される。インダクタ３０を基板１０に設置する場合、入力側及び出力側の外部端子３３０、３３１の部分で基板１０のランドにはんだ付けされる。これにより、インダクタ３０を基板１０に固定することができる。

次に、図４を参照して、本実施形態に係るインダクタ３０から漏洩したノイズの測定結果について説明する。図４に示すグラフは、入力側にフェライト磁性部材３２０が配置されたインダクタ３０と、フェライト磁性部材３２０が配置されていないインダクタを、４００ｋＨｚの交流電流で駆動させたときの漏洩ノイズの測定結果を示している。このグラフは、インダクタ３０から出力側の外部端子３３１に伝搬したノイズと、インダクタ３０の周辺全体に空間的に漏洩したノイズの双方を示している。

図４に示すように、フェライト磁性部材３２０が配置されたインダクタ３０では、フェライト磁性部材３２０が配置されていないインダクタに比べ、高周波帯域（ＤＡＢ帯）のノイズと、高周波帯域と低周波帯域（ＡＭ帯）の間の中間周波帯域（ＦＭ帯）のノイズの測定値が低くなった。本実施形態では、コイル３００の入力側の端線部がフェライト磁性部材３２０を通過しているため、その端線部内を電流が流れたときに端線部の周囲に磁気損失が生じ、磁界を発生させていた電流の高周波帯域及び中間周波帯域が減少した。その結果、当該電流に起因する高周波帯域及び中間周波帯域のノイズが減少したものと考えられる。

この実験では、４００ｋＨｚの交流電流でインダクタ３０を駆動させたため、コイル３００を流れる電流の向きが周期的に変化した。そのため、電流方向が入力側から出力側である場合、フェライト磁性部材３２０による磁気損失により、入力側の外部端子３３０からコイル３００へ流れた高周波帯域及び中間周波帯域の電流が減少したものと考えらえる。一方、電流方向が出力側から入力側である場合、フェライト磁性部材３２０による磁気損失により、コイル３００から入力側の外部端子３３０へ流れた高周波帯域及び中間周波帯域の電流が減少したものと考えられる。その結果、コイル３００から出力側の外部端子３３１に伝搬したノイズのみならず、インダクタ３０の周辺全体に空間的に漏洩したノイズを低減したものと考えられる。

（第１の実施形態の効果）
第１の実施形態では、入力側の外部端子３３０と金属磁性部材３１０との間に配置されたフェライト磁性部材３２０を通過するコイル３００の入力側端部３０１内を電流が通過する。そのため、フェライト磁性部材３２０による磁気損失により、入力側端部３０１を通過する高周波帯域及び中間周波帯域の電流のエネルギが減少する。その結果、インダクタ３０から漏洩する高周波帯域及び中間周波帯域のノイズを低減することができる。

さらに、第１の実施形態では、フェライト磁性部材３２０は、複数のフェライト磁性材料と、当該フェライト磁性材料を保持するバインダの混合物を一体成形することによって形成される。このため、フェライト磁性部材３２０の製造性を高めることができる。また、フェライト磁性部材３２０内のフェライト磁性材料の間の隙間を小さくすることができ、インダクタ３０から漏洩する磁界を低減することができる。

さらに、第１の実施形態では、金属磁性部材３１０は、複数の軟磁性金属と、当該軟磁性金属を保持するバインダの混合物を一体成形することによって形成される。このため、金属磁性部材３１０の製造性を高めることができる。また、金属磁性部材３１０内の軟磁性金属の間の隙間を小さくすることができ、インダクタ３０から漏洩する磁界を低減することができる。さらに、金属磁性部材３１０内の軟磁性金属の間の隙間を小さくすることにより、通電によってコイル３００が発生させる振動音を低減することができる。

さらに、第１の実施形態では、コイル３００の全体が金属磁性部材３１０で覆われているため、インダクタ３０は、コイルの一部のみが金属磁性部材で覆われたインダクタに比べて、優れた直流重畳特性を有する。そのため、インダクタ３０は、コイルの一部のみが金属磁性部材で覆われた同一サイズのインダクタよりも、大きな電流を流すことができる。これにより、インダクタ３０を小型化することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、図５及び図６を参照して、第２の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。第２の実施形態では、入力側のフェライト磁性部材３２０に加えて、フェライト磁性部材３２１が、金属磁性部材３１０と出力側の外部端子３３１との間に配置される。

フェライト磁性部材３２１は、フェライト磁性部材３２０と同様に、粒子状又は粉末状等の粒度の小さい複数のフェライト磁性材料と、当該フェライト磁性材料を保持するバインダの混合物を一体成形することにより、形成することができる。フェライト磁性部材３２１のフェライト磁性材料及びバインダの種類は、フェライト磁性部材３２０と同じである。フェライト磁性部材３２１の形状は、図５及び図６に示すような平板形状とすることができる。コイル３００の出力側端部３０２は、フェライト磁性部材３２１を介して、出力側の外部端子３３１に接続される。

（第２の実施形態の効果）
第２の実施形態では、フェライト磁性部材３２０及びフェライト磁性部材３２１を、それぞれ金属磁性部材３１０と入力側の外部端子３３０及び出力側の外部端子３３１との間に配置する。これにより、インダクタ３０の入力側及び出力側の双方において、フェライト磁性部材３２０，３２１による磁気損失により、高周波帯域及び中間周波帯域のエネルギが減少する。その結果、インダクタ３０から漏洩する高周波帯域及び中間周波帯域のノイズをさらに低減することができる。

＜第３の実施形態＞
次に、図７及び図８を参照して、第３の実施形態について、上述した実施形態との相違点を中心に説明する。第３の実施形態では、フェライト磁性部材３２２が、金属磁性部材３１０の３つの面に配置される。この３つの面は、基板側の面３１１と、基板１０に垂直な４つの面のうちの対向する２つの面３１２，３１３である。

フェライト磁性部材３２２は、フェライト磁性部材３２０と同様に、粒子状又は粉末状等の粒度の小さい複数のフェライト磁性材料と、当該フェライト磁性材料を保持するバインダの混合物を一体成形することにより、形成することができる。フェライト磁性部材３２２のフェライト磁性材料及びバインダの種類は、フェライト磁性部材３２０と同じである。フェライト磁性部材３２２の形状は、図７及び図８に示すようなコの字状とすることができる。

入力側の外部端子３３２及び出力側の外部端子３３３の形状は、Ｌ字形状である。これらの外部端子３３２，３３３の底面は、基板１０に固定される。なお、外部端子３３２，３３３の形状は、第１の実施形態に係る外部端子３３０，３３１と同様に、平板形状としてもよい。

コイル３００の入力側端部３０１は、基板側に延在し、フェライト磁性部材３２２を介して、入力側の外部端子３３２に接続される。また、コイル３００の出力側端部３０２は、基板側に延在し、フェライト磁性部材３２２を介して、出力側の外部端子３３３に接続される。なお、コイル３００の入力側端部３０１及び出力側端部３０２は、基板１０と平行に延在し、フェライト磁性部材３２２を介して、それぞれ入力側の外部端子３３２及び出力側の外部端子３３３に接続させてもよい。

（第３の実施形態の効果）
第３の実施形態では、非導電性のフェライト磁性部材３２２が、金属磁性部材３１０と基板１０との間に配置される。これにより、金属磁性部材３１０と基板１０内の導体の容量結合を減少させることができる。その結果、当該容量結合によって高周波帯域及び中間周波帯域のノイズが基板１０へ伝搬することを防止することができる。

＜第４の実施形態＞
次に、図９及び図１０を参照して、第４の実施形態について、第３の実施形態との相違点を中心に説明する。第４の実施形態では、フェライト磁性部材３２３が、金属磁性部材３１０の全面を覆うように配置される。フェライト磁性部材３２３は、フェライト磁性部材３２０と同様に、粒子状又は粉末状等の粒度の小さい複数のフェライト磁性材料と、当該フェライト磁性材料を保持するバインダの混合物を一体成形することにより、形成することができる。フェライト磁性部材３２３のフェライト磁性材料及びバインダの種類は、フェライト磁性部材３２０と同じである。フェライト磁性部材３２３の形状は、図９及び図１０に示すような直方体形状とすることができる。

（第４の実施形態の効果）
第４の実施形態では、非導電性のフェライト磁性部材３２３が、金属磁性部材３１０の上面にも配置される。これにより、インダクタ３０の上面に金属部品を配置した場合、当該金属部品と金属磁性部材３１０の容量結合を減少させることができる。その結果、当該容量結合によってインダクタ３０の上方へ漏洩する高周波帯域及び中間周波帯域のノイズを低減することができる。

＜第５の実施形態＞
次に、図１１及び図１２を参照して、第５の実施形態について、第３の実施形態との相違点を中心に説明する。第５の実施形態では、金属板３４０が、金属磁性部材３１０の基板側の反対側において、金属磁性部材３１０に接するように配置される。金属板３４０は、接地されないことに留意すべきである。また、金属板３４０は、平板形状とすることができる。さらに、金属板３４０は、種々の金属で形成することができる。

（第５の実施形態の効果）
第５の実施形態では、金属板３４０は、通電によってコイル３００が発生させた磁界により、この磁界を打ち消す方向の渦電流が金属板３４０内に生じる。金属板３４０は、接地されていないため、渦電流が漏洩せず、当該渦電流により、コイル３００が発生させた磁界の向きと逆向きの磁界が発生する。その結果、コイル３００の磁界と、金属板３４０の磁界が打ち消し合うため、コイル３００の磁界に起因するノイズを低減できる。これにより、インダクタ３０の上部から漏洩する磁界を低減でき、漏洩磁界に起因するノイズを低減することができる。

また、第５の実施形態では、金属板３４０は接地されないため、金属板３４０の接地に必要な構造をインダクタ３０に設ける必要がない。このため、インダクタ３０の構造を簡素化することができる。

＜第６の実施形態＞
次に、図１３及び図１４を参照して、第６の実施形態について、第５の実施形態との相違点を中心に説明する。第６の実施形態では、金属板３４０に加えて、金属板３４１が、金属磁性部材３１０の基板側で金属磁性部材３１０とフェライト磁性部材３２２との間に配置される。金属板３４１は、接地されないことに留意すべきである。また、金属板３４１は、平板形状とすることができる。さらに、金属板３４１は、種々の金属で形成することができる。

コイル３００の入力側端部３０１及び出力側端部３０２は、それぞれ金属板３４１と接触しないように、基板１０と平行に延在し、フェライト磁性部材３２２を介して、入力側の外部端子３３２及び出力側の外部端子３３３に接続される。なお、入力側の外部端子３３２及び出力側の外部端子３３３の形状は、第１の実施形態に係る入力側の外部端子３３０及び出力側の外部端子３３１と同様に、平板形状としてもよい。

（第６の実施形態の効果）
第６の実施形態では、コイル３００が発生させた磁界により、金属板３４０，３４１内で渦電流が生じる。これらの金属板３４０，３４１は、接地されていないため、渦電流が漏洩せず、当該渦電流により、コイル３００が発生させた磁界の向きと逆向きの磁界が発生する。その結果、コイル３００の磁界と、金属板３４０，３４１の磁界が打ち消し合うため、コイル３００の磁界に起因するノイズを低減することができる。これにより、インダクタ３０の上部及び下部から漏洩する磁界を低減でき、これらの漏洩磁界に起因するノイズを低減することができる。

＜第７の実施形態＞
次に、図１５及び図１６を参照して、第７の実施形態について、第４の実施形態との相違点を中心に説明する。第７の実施形態では、金属板３４０が、金属磁性部材３１０の基板側の反対側において、金属磁性部材３１０に接するように配置される。また、金属板３４１が、金属磁性部材３１０の基板側において、金属磁性部材３１０とフェライト磁性部材３２２との間に配置される。金属板３４０，３４１は、平板形状とすることができる。また、金属板３４０，３４１は、種々の金属で形成することができる。

（第７の実施形態の効果）
第７の実施形態では、コイル３００が発生させた磁界により、金属板３４０，３４１内で渦電流が生じる。これらの金属板３４０，３４１は、接地されていないため、渦電流が漏洩せず、当該渦電流により、コイル３００が発生させた磁界の向きと逆向きの磁界が発生する。その結果、コイル３００の磁界と、金属板３４０，３４１の磁界が打ち消し合うため、コイル３００の磁界に起因するノイズを低減することができる。これにより、インダクタ３０の上部及び下部から漏洩する磁界を低減でき、これらの漏洩磁界に起因するノイズを低減することができる。

＜その他の実施形態＞
本開示は、上述した実施形態に限定されることなく、様々に変更して実施することができる。例えば、第１の実施形態において、コイル３００の入力側の代わりに、コイル３００の出力側にフェライト磁性部材を配置してもよい。この場合、図６に示すように、コイル３００の出力側端部３０２は、出力側のフェライト磁性部材３２１を介して、出力側の外部端子３３１に接続される。これにより、インダクタ３０の出力側において、フェライト磁性部材３２０による磁気損失により、フェライト磁性部材３２０を通過する高周波帯域及び中間周波帯域の電流のエネルギが減少する。その結果、インダクタ３０から漏洩する高周波帯域及び中間周波帯域のノイズを低減することができる。

また、第３の実施形態において、基板側の面３１１の代わりに、基板側と反対側の面３１４にフェライト磁性部材３２２を配置してもよい。これにより、インダクタ３０の上面に金属部品を配置した場合、当該金属部品と金属磁性部材３１０の容量結合を減少させることができる。その結果、当該容量結合によってインダクタ３０の上方へ漏洩する高周波帯域及び中間周波帯域のノイズを低減することができる。なお、この場合、コイル３００の入力側端部３０１及び出力側端部３０２は、それぞれ基板１０と平行に延在し、フェライト磁性部材３２２を介して、入力側の外部端子３３２及び出力側の外部端子３３３に接続させる。

さらに、第３の実施形態において、基板側の面３１１と、２つの面３１２，３１３に加えて、基板側と反対側の面３１４にフェライト磁性部材３２２を配置してもよい。これにより、インダクタ３０の上面に金属部品を配置した場合、当該金属部品と金属磁性部材３１０の容量結合を減少させることができる。その結果、容量結合によってインダクタ３０の上方へ漏洩する高周波帯域及び中間周波帯域のノイズを低減することができる。

さらに、第６の実施形態及び第７の実施形態において、金属板３４０を配置せず、基板側の金属板３４１のみを配置してもよい。さらに、第６の実施形態において、金属板３４０及び金属板３４１に加え、基板１０と垂直な金属磁性部材３１０の４つの面に、それぞれ金属板を配置してもよい。この場合、これらの金属板がコイル３００の入力側端部３０１及び出力側端部３０２と接触しないようにする。

１電子回路、１０基板、３０インダクタ、３００コイル、３０１入力側端部、３０２出力側端部、３１０金属磁性部材、３１１～３１４面、３２０～３２３フェライト磁性部材、３３０、３３２入力側の外部端子、３３１、３３３出力側の外部端子、３４０、３４１金属板

Claims

コイル（３００）と、
軟磁性金属によって前記コイルを覆うように形成されて、基板に設置されている金属磁性部材（３１０）と、
フェライト磁性材料で形成され、前記コイルの入力側端部（３０１）及び前記コイルの出力側端部（３０２）の少なくともいずれか一方が通過する非導電性のフェライト磁性部材（３２３）と、
前記金属磁性部材の基板側の反対側において前記金属磁性部材に接して、前記金属磁性部材と前記フェライト磁性部材との間に設置された、接地されていない金属板（３４０）と、
前記金属磁性部材の基板側において前記金属磁性部材と前記フェライト磁性部材との間に配置された、接地されていない金属板（３４１）と、
を備えるインダクタ（３０）。
前記フェライト磁性部材は、前記フェライト磁性材料と当該フェライト磁性材料を保持するバインダの混合物によって形成される、請求項１に記載のインダクタ（３０）。
前記金属磁性部材は、前記軟磁性金属と当該軟磁性金属を保持するバインダの混合物によって形成される、請求項１または２に記載のインダクタ（３０）。
請求項１～３のいずれか１項に記載のインダクタを備える、電子回路（１）。