JP2003282342A - コイル封入圧粉磁芯 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２つの端子電極を圧粉体に埋め込んだコイル
封入圧粉磁芯において、圧粉体を経由して端子電極間を
流れる電流に起因する発熱を防止する。 【解決手段】 重量比率で１〜８％の絶縁材をコーティ
ングした強磁性金属粒子からなる磁性粉末中に、コイル
１を埋め込んだコイル封入圧粉磁芯において、前記磁性
粉末の圧粉体２０に埋め込まれた２つの端子電極５間に
印加される電圧の最大値Ｖmax（ボルト）と、その最大
電圧が印加された時に前記圧粉体２０を経由して端子電
極間に流れる微小電流ｉ（アンペア）と、当該コイル封
入圧粉磁芯の体積Ｃ（cm^３）との間の関係が、 Ｖmax×ｉ／Ｃ＜０.０２ （Ｗ／cm^３） となるように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁芯を一体化した
インダクタ、その他の電子機器に用いるコイル封入圧粉
磁芯に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気、電子機器の小型化が進み、
小型（低背）で大電流に対応した圧粉磁芯が要求されて
いる。圧粉磁芯の材料には、フェライト粉末や強磁性金
属粉末が用いられている。

【０００３】強磁性金属粉末は、フェライト粉末に比較
して飽和磁束密度が大きいため、直流重畳特性が高磁界
まで保たれ、大電流を必要とする用途に適している。

【０００４】コアの小型化（低背）をさらに推進するた
め、コイルと磁性粉が一体になったコイルが提案されて
いる。この構造のインダクタを、本明細書では、コイル
封入圧粉磁芯と呼ぶ。

【０００５】従来より表面実装型のインダクタの構造が
提案されている。例えば、特開平５−２９１０４６号公
報には、絶縁被覆した市販電線に外部電極を接続し、巻
線全体を絶縁被膜で覆い、さらにそれらを包み込むよう
に磁性粉末とともに成形することが開示されている。こ
の場合、導体と磁性粉末の間の絶縁、端子と磁性粉末間
の絶縁、及び磁性粉末を成形した磁性部表面に絶縁塗装
膜を形成する必要があり、製造工程が複雑となりコスト
アップとなっていた。

【０００６】また、特開２００１−２６７１６０号公報
には、絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からな
る磁性粉末中に、平角導線をエッジワイズ巻きしたコイ
ルを埋め込んだ例が示されている（図１と同様の構
成）。このコイル封入圧粉磁芯は、圧粉体とコイルと圧
粉体に埋め込まれた端子電極のみから構成されているた
め、小型化ができ、かつ高飽和磁束密度の強磁性金属粒
子を使用しているため、良好な直流重畳特性が得られて
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のインダクタでは
端子電極とコアの間の絶縁は必須条件とされ、上記特開
平５−２９１０４６号公報のように絶縁されるか、また
はコアにＮｉ−Ｚｎフェライトのような絶縁抵抗が１０
^５Ω・ｍと非常に大きなコアを用いることが一般的であ
った。

【０００８】しかし、前者の場合、絶縁材料が必要なた
め、コア体積をその分減らす必要があり、また後者の場
合、Ｎｉ−Ｚｎフェライトの飽和磁束密度が小さいた
め、どちらの場合も良好な直流重畳特性を得ることがで
きなかった。

【０００９】一方、直流重畳特性を向上させるために、
上記特開２００１−２６７１６０号公報に開示されてい
るような絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子から
なる磁性粉末中にコイルを埋め込んだコイル封入圧粉磁
芯が知られており、このコイル封入圧粉磁芯は、圧粉体
とコイルと圧粉体に埋め込まれた端子電極のみから構成
されているため、小型化ができ、かつ高飽和磁束密度の
強磁性金属粒子を使用しているため、良好な直流重畳特
性が得られている。しかし、強磁性金属粒子と絶縁材の
配合比、端子電極間の距離、及びコイル封入圧粉磁芯が
組み込まれたＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧によって
は、コイルの導線の抵抗及び圧粉体の磁気損失からは説
明できない損失分があることが判明した。この原因を調
査した結果、端子電極間に圧粉体を介して電流が流れ、
圧粉体の発熱を生じていることが分かった。その発熱量
が多い場合には、コイル損失による電源効率の低下が問
題となる。

【００１０】本発明は、上記の点に鑑み、２つの端子電
極を圧粉体に埋め込んだコイル封入圧粉磁芯において、
圧粉体を経由して端子電極間を流れる電流に起因する発
熱を防止したコイル封入圧粉磁芯を提供することを目的
とする。

【００１１】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記したように、絶縁材
をコーティングした強磁性金属粒子からなる磁性粉末中
に、コイルを埋め込んだコイル封入圧粉磁芯は、コイル
の導線の抵抗及び圧粉体の磁気損失からは説明できない
損失分があり、その原因は端子電極間に圧粉体を介して
電流が流れ、圧粉体が発熱するからであることが判っ
た。

【００１３】本発明者等は、コイル封入圧粉磁芯の設計
に当たり、今までのインダクタではタブーとされてきた
端子電極間に圧粉体（コア）を介して電流が流れる場合
でも、２つの端子電極間に印加される電圧の最大値Ｖma
x（ボルト）と、その最大電圧が印加された時に前記圧
粉体を経由して端子電極間に流れる微小電流ｉ（アンペ
ア）と、当該コイル封入圧粉磁芯の体積Ｃ（cm^３）との
間の関係が、 Ｖmax×ｉ／Ｃ＜０.０２ （Ｗ／cm^３） ならば、圧粉体に流れる電流による温度上昇は無視でき
る程度であり、実用上問題がないことを見いだした。

【００１４】そこで、本発明に係るコイル封入圧粉磁芯
は、重量比率で１〜８％の絶縁材をコーティングした強
磁性金属粒子からなる磁性粉末中に、コイルを埋め込ん
だ構成を持ち、前記磁性粉末の圧粉体に埋め込まれた２
つの端子電極間に印加される電圧の最大値Ｖmax（ボル
ト）と、その最大電圧が印加された時に前記圧粉体を経
由して端子電極間に流れる微小電流ｉ（アンペア）と、
前記コイル及び前記圧粉体の和の体積Ｃ（cm^３）との間
の関係が、 Ｖmax×ｉ／Ｃ＜０.０２ （Ｗ／cm^３） を満足するものとしている。

【００１５】また、前記コイル封入圧粉磁芯において、
前記圧粉体に樹脂を含浸させた構成とし、圧粉体の端子
電極間の絶縁耐圧を向上させるようにしてもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るコイル封入圧
粉磁芯の実施の形態を図面に従って説明する。

【００１７】図１は本発明に係るコイル封入圧粉磁芯の
第１の実施の形態であって、図１（Ａ）はコイル上側の
圧粉磁芯部を省略した平面図、（Ｂ）は正断面図であ
る。図において、１はコイル、２０は圧粉体（圧粉磁芯
部）であり、圧粉体２０はコイル１に継線された電極端
子５の外部導出部分を除き当該コイル１及び電極端子５
の周囲を覆っている。

【００１８】前記コイル１は、絶縁被膜された平角導線
２（平角銅線）をエッジワイズ状に数ターン巻線したも
の、すなわち、厚さ方向に積層しかつ幅方向に湾曲状に
曲げて筒状に数ターン巻回したものである。コイル１の
両端部にはそれぞれ電極端子５（合計２個）が電気的に
接続されている。ここで２個の電極端子５は絶縁被覆を
設けないで用いる。なお、コイル１の端部の絶縁被覆を
除去して圧粉体２０の外部に導出して直接電極端子とし
て用いる継線レス構造としても差し支えない。

【００１９】前記圧粉体２０に用いる強磁性金属粒子と
しては、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金等があ
り、これらから適宜選択すればよい。

【００２０】強磁性金属粒子をコーティングする絶縁材
としては、シリコーン（シリコン樹脂）、エポキシ樹脂
等があり、これらの絶縁材を用いて前記強磁性金属粒子
はコーティングされている。前記絶縁材の混合割合は、
当該絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からなる
磁性粉末に対する重量比率で１〜８％とする。なお、コ
ーティングに使用する絶縁材の重量比を８％より多くす
ると、成形して得た圧粉体２０の透磁率が低下し、大き
なインダクタンスを得ることができず、また絶縁材の重
量比を１％未満にすると各強磁性金属粒子相互間の絶縁
が不充分となり、磁芯としての特性が大幅に低下するた
め、コーティングに使用する絶縁材の重量比は１〜８％
が適している。

【００２１】そして、上記のように重量比率で１〜８％
の絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からなる磁
性粉末中に、前記コイル１及び電極端子５の一部を設け
た状態で粉末成形機にて圧粉体２０を成形一体化する。
圧粉体２０の成形方法としては、例えば、前記磁性粉末
を成形金型内に充填して圧縮成形することで、図１
（Ａ）のように圧粉体２０の下部磁芯部２０ａを成形金
型内に作製しておき、その上にコイル１を載置した後、
コイル１が埋まるように再度磁性粉末を成形金型内に充
填して、下部磁芯部２０ａ及びコイル１が積層された方
向に加圧して圧縮成形（コイルを磁性粉末でインサート
成形）する方法（特開２００１−２６７１６０号公報に
開示された方法）等を採用可能である。

【００２２】本実施の形態では、２つの電極端子５には
絶縁被膜は設けておらず、コイル封入圧粉磁芯の設計に
当たり、今までのインダクタではタブーとされてきた端
子電極間にコアを介して電流が流れる場合でも、２つの
端子電極間に印加される電圧の最大値Ｖmax（ボルト）
と、その最大電圧が印加された時に前記圧粉体を経由し
て端子電極間に流れる微小電流ｉ（アンペア）と、当該
コイル封入圧粉磁芯の体積Ｃ（cm^３）との間の関係が、 Ｖmax×ｉ／Ｃ＜０.０２ （Ｗ／cm^３） …(1) を満足するように設定する。

【００２３】上記(1)式のように設定する理由を以下の
表１及び図２乃至図６を用いて説明する。

【００２４】

【表１】

【００２５】上記表１は試料（コイル封入圧粉磁芯）の
温度上昇の測定結果を示すものであり、試料Ｎｏ.１〜
Ｎｏ.３は圧粉体、コイルの構成及び外形寸法は互いに
同一であるが、電極端子の構造が互いに異なる。試料Ｎ
ｏ.４〜Ｎｏ.６も圧粉体、コイルの構成及び外形寸法は
互いに同一であるが、電極端子の構造が互いに異なる。
試料Ｎｏ.７〜Ｎｏ.９も圧粉体、コイルの構成及び外形
寸法は互いに同一であるが、電極端子の構造が互いに異
なる。

【００２６】図２（Ａ）は表１中の圧粉体に流れる電流
（表１中ではコアに流れる電流ｉと表示）の測定方法を
示し、電極端子のみを圧粉体に埋め込んだ試料（本来の
試料Ｎｏ.１〜Ｎｏ.９からコイル部分を除去したもの）
を作製し、端子電極間に直流電源により電圧を印加し、
圧粉体に直列に挿入された電流計にて電流値を測定す
る。なお、図２（Ｂ）は前記試料の底面側を示す。

【００２７】図３はコイル封入圧粉磁芯の温度上昇測定
回路であり、入力電圧ＶinをＤＣ−ＤＣコンバータで降
圧し、試料となるインダクタンスＬのコイル封入圧粉磁
芯を平滑用チョークコイルとして用いたＬＣ平滑回路を
通して負荷Ｚに出力電圧Ｖoutを印加し、出力電流Ｉout
を流す構成である。ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータのス
イッチング周波数は３００ｋＨｚである。

【００２８】図４は試料Ｎｏ.１のときのコイル電流Ｉ
_Ｌとコイル電圧（端子電極間電圧）Ｖ_Ｌの波形図を示
す。この場合、コイル電流Ｉ_Ｌの平均値が２２Ａ、コイ
ル電圧（端子電極間電圧）Ｖ_Ｌの最大値Ｖmaxが３.４Ｖ
となっている。

【００２９】図５はコイル封入圧粉磁芯の圧粉体に流れ
る電流を変化させる方法を示し、２つの端子電極間の距
離を接近させて行くことによって、インダクタンスは同
じでも圧粉体に流れる平均電流を変えることができる。
例えば、表１の試料Ｎｏ.１〜Ｎｏ.３は、圧粉体が同一
であっても、試料Ｎｏ.１は図５（Ａ）のように端子電
極間の距離が大きく、試料Ｎｏ.２は図５（Ｂ）のよう
に端子電極間の距離が中位であり、試料Ｎｏ.３は図５
（Ｃ）のように端子電極同士が接近している。

【００３０】図６（Ａ）は本実施の形態の場合で、コイ
ル１の両端部に継線された端子電極５の絶縁が無い構成
（表１の「試料温度上昇」の欄の「端子絶縁無」に対
応）、同図（Ｂ）は比較例であり、端子電極５を絶縁物
６で完全に覆って圧粉体２０に電流が流れないようにし
た場合（表１の「試料温度上昇」の欄の「端子絶縁有」
に対応）である。

【００３１】上記表１で試料Ｎｏ.１〜Ｎｏ.９の温度上
昇の測定結果を見ると、上記式(1)の左辺（Ｖmax×ｉ／
Ｃ）の値を示す表１の係数が０.００９の試料Ｎｏ.１、
前記係数が０.０１８の試料Ｎｏ.４、及び前記係数が
０.００８の試料Ｎｏ.７が「端子絶縁有」、「端子絶縁
無」にかかわらず試料温度上昇が同じであり、いずれも
上記(1)式を満足する。これに反し、上記式(1)の左辺
（Ｖmax×ｉ／Ｃ）の値が０.０２を超える値となる試料
Ｎｏ.２，Ｎｏ.３，Ｎｏ.５，Ｎｏ.６，Ｎｏ.８，Ｎｏ.
９では「端子絶縁有」よりも「端子絶縁無」の温度上昇
が大きく、圧粉体に流れる電流による発熱を無視できな
くなっている。

【００３２】従って、この表１より上記(1)を満足する
コイル封入圧粉磁芯であれば、圧粉体を経由して端子電
極間を流れる電流に起因する発熱を防止可能であると言
える。この場合、端部電極の表面絶縁処理が不要であ
り、コスト低減を図ることができる。

【００３３】本発明に係るコイル封入圧粉磁芯の第２の
実施の形態の構成も図１（Ａ）,（Ｂ）に示す通りであ
るが、絶縁材をコーティングした強磁性金属粒子からな
る磁性粉末を圧縮成形して圧粉体（圧粉磁芯部）２０を
作製した後、さらに、粘度の低い樹脂を圧粉体に含浸さ
せた点が第１の実施の形態と異なる。使用する樹脂は、
例えばエポキシ系２液型樹脂である。圧粉体への含浸を
確実に行うため、真空含浸とし、１２０℃、２時間の乾
燥硬化後、図２と同じ測定回路で、圧粉体に流れる電流
（表２中、コア電流ｉと表示）と、端子間耐電圧を測定
し、その結果を以下の表２に示す。

【００３４】

【表２】

【００３５】上記表２に示すように、コア電流は著しく
減少し、電流計では測定出来ないほど小さかった。ま
た、耐電圧は著しく向上し、カットオフカレントを０.
５ｍＡとしたときに、耐電圧は全てＤＣｌ００Ｖ以上の
値を示した。

【００３６】この第２の実施の形態に係る樹脂含浸した
コイル封入圧粉磁芯の試料Ｎｏ.１〜Ｎｏ.９（第１の実
施の形態の試料の圧粉体にエポキシ樹脂を含浸したも
の）を作製し、図３の回路で各試料の温度上昇を調べた
結果を以下の表３に示す。

【００３７】

【表３】

【００３８】表３中、試料Ｎｏ.１〜Ｎｏ.９の全てにお
いて温度上昇は、「端子絶縁無」であっても「端子絶縁
有」と同じ値を示し、圧粉体にはほとんど電流が流れて
いないことが確認された（表３中、コア平均電流が
０）。ちなみに、上記式(1)の左辺（Ｖmax×ｉ／Ｃ）の
値を示す表３の係数は試料Ｎｏ.１〜Ｎｏ.９の全てが０
となった。

【００３９】この第２の実施の形態のように、圧粉体に
樹脂を含浸することで端子電極の絶縁処理が無くとも圧
粉体に流れる電流を無視できる程度に低減可能であり、
ひいては圧粉体発熱に起因する損失を回避でき、効率低
下を防止可能である。

【００４０】なお、各実施の形態の構造を示す図１では
平角導線を巻回してコイルを作製しているが、使用する
導線が平角導線に限定されないことは明らかである。

【００４１】以上本発明の実施の形態について説明して
きたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記
載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当
業者には自明であろう。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
重量比率で１〜８％の絶縁材をコーティングした強磁性
金属粒子からなる磁性粉末中に、コイルを埋め込んだコ
イル封入圧粉磁芯において、前記磁性粉末の圧粉体に埋
め込まれた２つの端子電極間に印加される電圧の最大値
Ｖmax（ボルト）と、その最大電圧が印加された時に前
記圧粉体を経由して端子電極間に流れる微小電流ｉ（ア
ンペア）と、当該コイル封入圧粉磁芯の体積Ｃ（cm^３）
との間の関係が、 Ｖmax×ｉ／Ｃ＜０.０２ （Ｗ／cm^３） を満足するように設定したので、圧粉体に流れる電流に
起因する発熱を無視できる程度に低減し、損失低減を図
ることができる。また、コイル封入圧粉磁芯を電源装置
に使用した場合には電源効率の低下を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るコイル封入圧粉磁芯の第１の実施
の形態であって、（Ａ）はコイル上側の圧粉磁芯部を省
略した平面図、（Ｂ）は正断面図である。

【図２】コイル封入圧粉磁芯の圧粉体（圧粉磁芯部）に
流れる電流の測定方法であって、（Ａ）は回路図、
（Ｂ）は試料の電極端子配置を示す底面図である。

【図３】コイル封入圧粉磁芯の試料の温度上昇を測定す
る測定回路図である。

【図４】図３の測定回路におけるコイル電流及び電極端
子間電圧を示す波形図である。

【図５】コイル封入圧粉磁芯の圧粉体に流れる電流を変
化させる方法を示し、（Ａ）は電極端子間距離が大きい
場合の底面図、（Ｂ）は電極端子間距離が中位の場合の
底面図、（Ｃ）は電極端子同士が接近している場合の底
面図である。

【図６】（Ａ）は本実施の形態の場合で、端子電極の絶
縁が無い構成（表１の「試料温度上昇」の欄の「端子絶
縁無」に対応）の断面図、（Ｂ）は比較例であり、端子
電極を絶縁物で完全に覆って圧粉体に電流が流れないよ
うにした場合（表１の「試料温度上昇」の欄の「端子絶
縁有無」に対応）の断面図である。

【符号の説明】

１ コイル ２ 平角導線 ５ 電極端子 ２０ 圧粉体 ２０ａ 下部磁芯部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比率で１〜８％の絶縁材をコーティ
   ングした強磁性金属粒子からなる磁性粉末中に、コイル
   を埋め込んだコイル封入圧粉磁芯において、前記磁性粉
   末の圧粉体に埋め込まれた２つの端子電極間に印加され
   る電圧の最大値Ｖmax（ボルト）と、その最大電圧が印
   加された時に前記圧粉体を経由して端子電極間に流れる
   微小電流ｉ（アンペア）と、当該コイル封入圧粉磁芯の
   体積Ｃ（cm^３）との間の関係が、 Ｖmax×ｉ／Ｃ＜０.０２ （Ｗ／cm^３） を満足することを特徴とするコイル封入圧粉磁芯。
2. 【請求項２】 前記圧粉体に樹脂を含浸させてなる請求
   項１記載のコイル封入圧粉磁芯。