JP2002222721A - インダクタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気バイアス効果を極端に低下させることな
く、比較的高価な磁石材料を削減し、コストダウンと軽
量化を図ることができるインダクタを提供する。 【解決手段】 磁気空隙を有する磁性コア１１ａおよび
１１ｂのコア辺の周囲にコイル１２を巻回し、さらに、
磁気空隙内に永久磁石１３を装着してなるインダクタで
ある。永久磁石１３は、磁束の中心軸に垂直な断面が中
空形状を呈している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁性コアに巻回さ
れたコイルを備えた磁気素子に関し、詳しくは、各種電
子機器やスイッチング電源等に使用され、直流バイアス
を用いてコアロスを低減するインダクタおよびトランス
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種電子機器の小型化・軽量化が
進められている。これに伴い、電子機器全体に占める電
源部の相対的な容積比率は、増大する傾向にある。これ
は、各種の回路がＬＳＩ化される一方で、電源部の回路
要素に必須のインダクタやトランスなどの磁気部品の小
型化が困難なためであり、電源部の小型化・軽量化のた
めに様々の方法が試みられてきた。

【０００３】インダクタやトランスなどの磁気素子（以
下、まとめてインダクタと称する）を小型化・軽量化す
るためには、磁性材料から成る磁性コアの容積を減少化
することが効果的である。一般に、コアを小型化する
と、磁性コアが磁気飽和し易くなるため、電源として扱
える電流値が小さくなってしまうという問題がある。こ
の問題を解決するための方策として、磁性コアの一部に
磁気空隙（ギャップ）を設けることで磁性コアの磁気抵
抗を増大させ、電流値の減少を防ぐ技術が知られてい
る。ただし、この場合、これらの磁気部品の磁気インダ
クタンスが低下する。

【０００４】この磁気インダクタンスの低下を防止する
方法として、例えば特開平０１−１６９９０５号公報に
は、磁気バイアス発生用の永久磁石を用いた磁性コアの
構造に関する技術が記載されている。この技術は、永久
磁石を用いて磁性コアに直流の磁気バイアスを与え、結
果として、ギャップを透過し得る磁力線の本数を増加さ
せる方法である。

【０００５】図６を参照して、この種の従来のインダク
タは、ボビン１４に巻回されたコイル１２内に、磁性コ
ア１１ａおよび１１ｂの断面円形の中央磁脚１１２ａお
よび１１２ｂが挿通されている。そして、永久磁石８３
が、中央磁脚１１２ａおよび１１２ｂのギャップ間に装
着されている。

【０００６】より具体的には、中央磁脚１１２ａおよび
１１２ｂの各断面積は、２３２．４ｍｍ^２（直径は、１
７．２０ｍｍ）、中央磁脚１１２ａおよび１１２ｂ間の
ギャップ距離は１．８７ｍｍである。一方、永久磁石８
３は、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、外径Ｄ８
３が１７．２０ｍｍ、厚さｔ８３が１．８７ｍｍであ
る。

【０００７】図６に示されたものをも含め、従来のこの
種のインダクタにおいては、磁性コアのギャップ内に装
着される永久磁石は、その厚さがギャップ距離により規
定されると共に、端面の面積が中央磁脚の断面積（端面
面積）に応じている。即ち、永久磁石の体積は、磁性コ
アの中央磁脚間のギャップの容積により規定される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】発明者等は、インダク
タのコストダウンや軽量化のために、磁気バイアス効果
の極端な低下を伴うことなく、永久磁石材料の使用量を
低減する術はないかを検討した。

【０００９】まず、永久磁石の厚さについては、その厚
さを縮小させるために磁性コアのギャップ距離を狭める
と、所望の磁気抵抗を得ることが困難になり、好ましく
ない。また、永久磁石の外形（例えば、直径）について
は、これを縮小した場合、磁気バイアス効果が大きく低
下することが、発明者等の実験により判明したので、こ
れも好ましくない。

【００１０】それ故、本発明の課題は、磁気バイアス効
果を極端に低下させることなく、比較的高価な磁石材料
を削減し、コストダウンと軽量化を図ることができるイ
ンダクタを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、磁気空
隙を有する磁性コアのコア辺の周囲にコイルを巻回し、
さらに、該磁気空隙内に永久磁石を装着してなるインダ
クタにおいて、前記永久磁石は、磁束の中心軸に垂直な
断面が中空形状を呈することを特徴とするインダクタが
得られる。

【００１２】尚、前記永久磁石は、磁束の中心軸に垂直
な前記断面が該中心軸を中心とした有心中空形状を呈し
ていてもよい。

【００１３】本発明によればまた、前記永久磁石は、固
有保磁力が１０ＫＯｅ以上、Ｔｃが５００℃以上、粉末
平均粒径が２．５〜５０．０μｍ、組成がＳｍ（Ｃｏ
_{ｂａｌ ．}Ｆｅ_{０．１５−０．２５}Ｃｕ
_{０．０５−０．０６}Ｚｒ_{０．０２−０．０３}）_{７
．０−８．５}である希土類磁石粉末と、体積比が３０％
以上のポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリフェニルサ
ルファイト樹脂、シリコン樹脂、ポリエステル樹脂、芳
香族系ナイロン、および液晶ポリマー樹脂のいずれか一
種の樹脂またはニ種以上の樹脂の複合体とにより形成さ
れ、比抵抗が０．１Ωｃｍ以上であると共に、前記希土
類磁石粉末の表面が、体積比が０．１〜１０．０％のＺ
ｎ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｐｂ、Ｓｂ、およ
びＳｎいずれか一種またはニ種以上の合金で被覆される
か、あるいは複合体が形成されており、もしくは、前記
希土類磁石粉末が、前記樹脂と混合する前に、シランカ
ップリング材またはチタンカップリング材である分散剤
によって表面処理されている前記インダクタが得られ
る。

【００１４】本発明によればさらに、前記磁性コアは、
ＭｎＺｎ系またはＮｉＺｎ系フェライト、珪素鋼板、ま
たはアモルファスから成る前記インダクタが得られる。

【００１５】

【作用】本発明によるインダクタは、永久磁石のうちの
磁性コアからの磁束が集中しない内部を中空にすること
で磁石体積を減少させるため、中空ではない永久磁石と
ほぼ同等の磁気バイアス効率を維持できる。よって、磁
気バイアス効果を極端に低下させることなく、比較的高
価な磁石材料を削減できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態による
インダクタについて、図面を参照しながら説明する。

【００１７】［実施の形態１］図１を参照して、本イン
ダクタは、磁気空隙（ギャップ）を有する軟磁性体から
成る磁性コア１１ａおよび１１ｂの一コア辺である断面
円形の中央磁脚１１２ａおよび１１２ｂの周囲にコイル
１２を巻回し、さらに、ギャップ内に永久磁石１３を装
着してなるインダクタである。本インダクタにおいて、
磁性コア１１ａおよび１１ｂは、それぞれ断面略Ｅ字形
を呈し、それぞれのコア辺（磁脚）端面を付き合わせる
ようにして構成されている。さらに本インダクタは、コ
イル１２を巻回し、かつ、コイル１２の巻線端が電気的
に接続された端子を植設したボビン１４を有している。

【００１８】永久磁石１３は、磁束の中心軸に垂直な断
面が中空形状を呈している。中空部は、磁束中心と同心
の有心形状を呈している。

【００１９】磁性コア１１ａおよび１１ｂは、Ｍｎ−Ｚ
ｎ系フェライトからなり、透磁率が４×１０^−３Ｈ／
ｍ、磁路長が９５．５ｍｍ、ならびに、中央磁脚１１２
ａおよび１１２ｂの実効断面積が２３２．４ｍｍ^２（直
径は、１７．２０ｍｍ）という形状である。磁性コア１
１ａおよび１１ｂは、ＭｎＺｎ系またはＮｉＺｎ系フェ
ライト、珪素鋼板、またはアモルファスから成っていて
もよい。また、コイル１２は、巻回数が６ターンで、直
流抵抗が０．７６ｍΩある。中央磁脚１１２ａおよび１
１２ｂ間のギャップ距離は１．８７ｍｍである。

【００２０】一方、永久磁石１３は、図２（ａ）および
（ｂ）に示すように、外径Ｄ１３が１７．２０ｍｍ、厚
さｔ１３が１．８７ｍｍである。断面積は、中実状部が
２３２．４ｍｍ^２、中空状部が１８５．９ｍｍ^２（中実
状部の８０％）である。永久磁石１３は、コイル１２に
よる磁界と逆向きの磁束が生じるように配置される。

【００２１】さらに詳しくは、永久磁石１３は、焼結し
たＢａ系フェライトマグネットであり、保磁力が１００
Ａ／ｍ以上、ならびに、残留磁束密度が０．４Ｔという
特性である。ただし、好ましくは、永久磁石１３は、 固有保磁力が１０ＫＯｅ以上、Ｔｃが５００℃以上、
粉末平均粒径が２．５〜５０．０μｍ、組成がＳｍ（Ｃ
ｏ_ｂａｌ．Ｆｅ_{０．１５−０．２５}Ｃｕ_{０．０５
−０．０６}Ｚｒ_{０．０２−０．０３}）_{７．０−８．５}で
ある希土類磁石粉末と、 体積比が３０％以上のポリイミド樹脂、エポキシ樹
脂、ポリフェニルサルファイト樹脂、シリコン樹脂、ポ
リエステル樹脂、芳香族系ナイロン、および液晶ポリマ
ー樹脂のいずれか一種の樹脂またはニ種以上の樹脂の複
合体と により形成する。希土類磁石粉末の表面は、体積比が
０．１〜１０．０％のＺｎ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎ、
Ｍｇ、Ｐｂ、Ｓｂ、およびＳｎいずれか一種またはニ種
以上の合金で被覆されるか、あるいは複合体が形成され
ているか、もしくは、希土類磁石粉末が、樹脂と混合す
る前に、シランカップリング材またはチタンカップリン
グ材である分散剤によって表面処理されていることが好
ましい。

【００２２】接着剤１５としては、エポキシ系接着剤を
使用したが、上記希土類磁石粉末、即ち、固有保磁力が
１０ＫＯｅ以上、Ｔｃが５００℃以上、粉末平均粒径が
２．５〜５０．０μｍ、組成がＳｍ（Ｃｏ_ｂａｌ．Ｆｅ
_{０．１５−０．２５}Ｃｕ_{０． ０５−０．０６}Ｚｒ
_{０．０２−０．０３}）_{７．０−８．５}である希土類磁石
粉末を含有していてもよい。

【００２３】図５に、図１に示した本インダクタと、図
６に示した従来のインダクタとの直流重畳特性を示す。
図５から明らかなように、中空状の永久磁石１３を有す
る本インダクタ（ラインＡ）は、中実状の永久磁石８３
を有する従来のインダクタ（ラインＢ）に比べ、直流重
畳特性について殆ど遜色ないことが分かる。よって、永
久磁石を中空状にして磁石材料を削減したことによる、
直流重畳特性への悪影響は少いといえる。

【００２４】永久磁石１３は、より高特性にするために
は、ボンド磁石の作製時に磁場配向により異方性化され
ており、ボンド磁石の着磁磁場を２．５Ｔ以上で、なお
かつ組み立て後に着磁することにより、優れた直流重畳
特性が得られ、しかもコアロス特性の劣化が生じない磁
心を形成できる事を発見した。これは、優れた直流重畳
特性を得るのに必要な磁石特性は、エネルギー積より
も、むしろ、固有保磁力であり、従って、比抵抗の高い
永久磁石を使用しても、固有保磁力が高ければ、充分に
高い直流重畳特性が得られる事を見出したことによる。

【００２５】比抵抗が高く、しかも固有保磁力が高い磁
石は、一般的には、希土類磁石粉末をバインダーととも
に混合して成形した希土類ボンド磁石で得られるが、保
磁力の高い磁石粉末であれば、どのような組成のもので
も可能である。希土類磁石粉末の種類は、ＳｍＣｏ系、
ＮｄＦｅＢ系、ＳｍＦｅＮ系とあるが、リフロー条件及
び耐酸化性を考慮すると、Ｔｃが５００℃以上、保磁力
が１０ＫＯｅ以上の磁石が必要であり、現状では、Ｓｍ
２Ｃｏ１７系磁石に限定される。

【００２６】チョークコイル用及びトランス用としての
磁性コアとしては、軟磁気特性を有する材料であればな
んでも有効であるが、一般的には、ＭｎＺｎ系またはＮ
ｉＺｎ系フェライト、圧粉磁心、珪素鋼板、アモルファ
ス等が用いられる。

【００２７】また、磁性コア１１ａおよび１１ｂの形状
についても特に制限があるわけではなく、トロイダルコ
ア、ＥＥコア、ＥＩコア等あらゆる形状の磁心に本発明
の適用が可能である。

【００２８】永久磁石１３に対する要求特性は、固有保
磁力については、１０ＫＯｅ以下では磁心に印可される
直流磁界によって保磁力が消失するので、それ以上の保
磁力が必要であり、また、比抵抗は、大きいほど良いが
０．１Ω・ｃｍ以上であればコアロス劣化の大きな要因
にはならない。また、粉末の平均最大粒径が５０μｍ以
上になるとコアロス特性が劣化するので、粉末の最大粒
径は、５０μｍ以下である事が望ましく、最小粒径が
２．５μｍ以下になると粉末熱処理及びリフロー時に粉
末の酸化による磁化の減少が顕著になるため、２．５μ
ｍ以上の粒径が必要である。

【００２９】以下の表１に、磁性コア１１ａおよび１１
ｂに適用できる各種軟磁性材料の特性を示す。また、以
下の表２に、永久磁石３３に適用できる各種硬磁性材料
の特性を示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】［実施の形態２］図３を参照して、本イン
ダクタは、磁気空隙（ギャップ）を有する軟磁性体から
成る磁性コア１１ａ´および１１ｂ´の一コア辺である
断面正方形の中央磁脚１１２ａ´および１１２ｂ´の周
囲にコイル１２´を巻回し、さらに、ギャップ内に永久
磁石２３を装着してなるインダクタである。本インダク
タにおいて、磁性コア１１ａ´および１１ｂ´は、それ
ぞれ断面略Ｅ字形を呈し、それぞれのコア辺（磁脚）端
面を付き合わせるようにして構成されている。さらに本
インダクタは、コイル１２´を巻回し、かつ、コイル１
２´の巻線端が電気的に接続された端子を植設したボビ
ン１４´を有している。

【００３３】永久磁石２３は、磁束の中心軸に垂直な断
面が中空形状を呈している。中空部は、磁束中心と同心
の有心形状を呈している。

【００３４】磁性コア１１ａ´および１１ｂ´は、Ｍｎ
−Ｚｎ系フェライトからなり、透磁率が４×１０^−３Ｈ
／ｍ、磁路長が９５．５ｍｍ、ならびに、中央磁脚１１
２ａ´および１１２ｂ´の実効断面積が２３２．４ｍｍ
^２（正方形一辺は、１５．３ｍｍ）という形状である。
磁性コア１１ａ´および１１ｂ´は、ＭｎＺｎ系または
ＮｉＺｎ系フェライト、珪素鋼板、またはアモルファス
から成っていてもよい。また、コイル１２´は、巻回数
が６ターンで、直流抵抗が０．７６ｍΩある。中央磁脚
１１２ａ´および１１２ｂ´間のギャップ距離は１．８
７ｍｍである。

【００３５】一方、永久磁石２３は、図４（ａ）および
（ｂ）に示すように、正方形一辺Ａ２３が１５．３ｍ
ｍ、厚さｔ２３が１．８７ｍｍである。断面積は、中実
状部が２３２．４ｍｍ^２、中空状部が１８５．９ｍｍ^２
（中実状部の８０％）である。永久磁石２３は、コイル
１２´による磁界と逆向きの磁束が生じるように配置さ
れる。

【００３６】磁性コア１１ａ´および１１ｂ´、および
永久磁石２３の材質はそれぞれ、実施の形態１と同様の
ものが選択できる。

【００３７】また、本インダクタの直流重畳特性も、図
５に示した実施の形態１（ラインＡ）と同等の結果であ
った。

【００３８】以上説明した実施の形態１および２におい
ては、永久磁石の中空部が磁束方向に貫通した形状であ
ったが、本発明においては、磁性コアに接する部分のみ
中実状を呈する中空立体状を呈していてもよい。このよ
な中空立体状の永久磁石は、例えば、片側にて中空部が
露出開口した磁石片を、その開口同士を突き合わせるこ
とで組み立て可能である。

【００３９】

【発明の効果】本発明によるインダクタは、磁気空隙を
有する磁性コアのコア辺の周囲にコイルを巻回し、さら
に、磁気空隙内に永久磁石を装着してなるインダクタに
おいて、永久磁石が、磁束の中心軸に垂直な断面が中空
形状を呈しているため、磁気バイアス効果を極端に低下
させることなく、比較的高価な磁石材料を削減し、コス
トダウンと軽量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１によるインダクタの構成
を示す概略的な断面図である。

【図２】図１に示すインダクタにおける永久磁石の形状
を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図であ
る。

【図３】本発明の実施の形態２によるインダクタの構成
を示す概略的な断面図である。

【図４】図３に示すインダクタにおける永久磁石の形状
を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図であ
る。

【図５】本発明の実施の形態１によるインダクタならび
に比較例としての従来のインダクタの直流重畳特性を示
す図である。

【図６】従来のインダクタの構成を示す概略的な断面図
である。

【図７】図６に示すインダクタにおける永久磁石の形状
を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図であ
る。

【符号の説明】

１１ａ、１１ｂ、１１ａ´、１１ｂ´ 磁性コア １１２ａ、１１２ｂ、１１２ａ´、１１２ｂ´ 中央
磁脚 １２、１２´ コイル １３、２３、８３ 永久磁石 １４、１４´ ボビン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２２Ｆ 3/00 Ｃ２２Ｃ 19/00 Ｊ Ｃ２２Ｃ 19/00 19/07 Ｅ 19/07 33/02 Ｊ 33/02 Ｈ０１Ｆ 17/04 Ｆ Ｈ０１Ｆ 17/04 21/08 21/08 Ｂ２２Ｆ 3/02 Ｒ // Ｂ２２Ｆ 3/02 Ｈ０１Ｆ 37/02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気空隙を有する磁性コアのコア辺の周
   囲にコイルを巻回し、さらに、該磁気空隙内に永久磁石
   を装着してなるインダクタにおいて、 前記永久磁石は、磁束の中心軸に垂直な断面が中空形状
   を呈することを特徴とするインダクタ。
2. 【請求項２】 前記永久磁石は、磁束の中心軸に垂直な
   前記断面が該中心軸を中心とした有心中空形状を呈する
   請求項１に記載のインダクタ。
3. 【請求項３】 前記永久磁石は、 固有保磁力が１０ＫＯｅ以上、Ｔｃが５００℃以上、粉
   末平均粒径が２．５〜５０．０μｍ、組成がＳｍ（Ｃｏ
   _ｂａｌ．Ｆｅ_{０．１５−０．２５}Ｃｕ_{０．０
   ５−０．０６}Ｚｒ_{０．０２−０．０３}）_{７．０−８．５}
   である希土類磁石粉末と、 体積比が３０％以上のポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、
   ポリフェニルサルファイト樹脂、シリコン樹脂、ポリエ
   ステル樹脂、芳香族系ナイロン、および液晶ポリマー樹
   脂のいずれか一種の樹脂またはニ種以上の樹脂の複合体
   とにより形成され、 比抵抗が０．１Ωｃｍ以上であると共に、 前記希土類磁石粉末の表面が、体積比が０．１〜１０．
   ０％のＺｎ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｐｂ、Ｓ
   ｂ、およびＳｎいずれか一種またはニ種以上の合金で被
   覆されるか、あるいは複合体が形成されており、 もしくは、前記希土類磁石粉末が、前記樹脂と混合する
   前に、シランカップリング材またはチタンカップリング
   材である分散剤によって表面処理されている請求項１ま
   たは２に記載のインダクタ。
4. 【請求項４】 前記磁性コアは、ＭｎＺｎ系またはＮｉ
   Ｚｎ系フェライト、珪素鋼板、またはアモルファスから
   成る請求項１乃至３のいずれかに記載のインダクタ。