JP2006186195A

JP2006186195A - 磁気素子

Info

Publication number: JP2006186195A
Application number: JP2004379875A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Fukuda; 泰隆福田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】漏洩磁束が小さく且つ大きなインダクタンスを実現すると共に生産性に優れる磁気素子を提供する。
【解決手段】
上面に環状溝２ａを設けた下部磁性体コア部材２と、前記環状溝２ａ内に装入されるコイル導体部材３と、前記下部磁性体コア部材２に設けられた環状溝２ａを覆う蓋を構成する上部磁性体コア部材４とを有する磁気素子１であって、前記環状溝２ａの内壁面が、上向きに拡がる方向に、５度以上４０度以下の傾斜が設けられ、さらに、前記環状溝２ａ内における前記コイル導体部材３以外の空間の体積百分率（ｖｏｌ％）で２０％以上が磁性体で占められている。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型化した場合においても、漏洩磁束が小さく且つ生産性に優れる磁気素子に関するものである。

近年、携帯機器やノート型パソコンのように、電池で駆動される携帯機器の利用が進んできている。このような携帯機器に対しては、従来から、より一層の小型化・軽量化が望まれているが、最近ではこれらに加えて、マルチメディア化への対応、即ち通信機能や表示機能の充実、あるいは画像データを含む大量情報の高速処理等の高機能化が求められている。

これに伴い、電池からの単一電圧を、ＣＰＵ、ＬＣＤモジュール、通信用パワーアンプ等の様々な搭載デバイスが必要とする個々の電圧レベルに的確に変換できる小型電源の需要が増加している。そこで、電子機器の小型化・軽量化と高機能化とを両立させるため、電源に搭載されるトランスやインダクタ等の磁気素子についても、その小型化・薄型化を進めることが重要な課題となっている。

このような状況下において、従来、図５（ａ）に示すような扁平なドラム形状の磁気コアに銅線を巻いたドラムタイプの磁気素子（例えば、特許文献１参照）、あるいは、図５（ｂ）に示すような、前記ドラムタイプの磁気素子に対しさらに漏洩磁界を減らしたドラムスリーブタイプの磁気素子（例えば、特許文献２参照）が薄型の磁気素子として用いられていた。
特許第２８００７１２号公報特許第３２０２２００号公報

しかし、前記図５（ａ）及び（ｂ）に記載の磁気素子には以下の課題がある。つまり、
（１）前記図５（ａ）に示すようなドラムタイプの磁気素子は、磁気素子外周部で磁路がオープンとなるため漏れ磁束が大きく、高密度実装を阻害する。
（２）前記図５（ｂ）に示すようなドラムスリーブタイプの磁気素子は、漏れ磁束を減らすために、ドラムコアにリング状のスリーブをはめ込んだものであるが、工程上、ドラムコアとスリーブとのギャップ精度を上げにくい。このことは、インダクタンスの低下や漏れ磁束の発生の原因となる。

そこで、本発明は、例えば、厚さ２ｍｍ以下、磁気素子平面部の最大寸法１０ｍｍ以下と小型化した場合においても、漏洩磁束が小さく且つ大きなインダクタンスを実現すると共に生産性に優れる磁気素子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、本発明は以下のような特徴を有する。
［１］上面に環状溝を設けた下部磁性体コア部材と、
前記環状溝内に装入されるコイル導体部材と、
前記下部磁性体コア部材に設けられた環状溝を覆う蓋を構成する上部磁性体コア部材とを有する磁気素子であって、
前記環状溝の内壁面が、上向きに拡がる方向に、５度以上４０度以下の傾斜が設けられ、
さらに、前記環状溝内における前記コイル導体部材以外の空間の体積百分率（ｖｏｌ％）で２０％以上が磁性体で占められていることを特徴とする磁気素子。
［２］上記［１］において、磁性体が、樹脂に分散させた磁性粉末であることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
［３］上記［１］又は［２］において、下部磁性体コア部材及び／又は上部磁性体コア部材が、フェライト焼結体又は磁性金属微粒子を結合材で固化したものであることを特徴とする磁気素子。
［４］上記［２］又は［３］において、磁性粉末が、フェライト又は磁性金属微粒子であることを特徴とする磁気素子。

本発明によれば、小型化した場合においても、漏洩磁束が小さく且つ大きなインダクタンスを実現すると共に、生産性及び歩留りの向上を図ることが可能な磁気素子が提供される。

以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。

図１及び図２に本発明に係る磁気素子１の概略構成の一例を示す。図１は、本発明に係る磁気素子１の平面図であり、（ａ）は環状溝２ａの形状が矩形の場合、（ｂ）は環状溝２ａの形状が丸型の場合を表す。また、図２は、図１に示す磁気素子１の横断面図である。

図１及び図２に示すように、本発明に係る磁気素子１は、上面に環状溝２ａを設けた下部磁性体コア部材２と、前記環状溝２ａ内に装入されるコイル導体部材３と、前記下部磁性体コア部材２に設けられた環状溝２ａを覆う蓋を構成する上部磁性体コア部材４とを有する。さらに、前記磁気素子１は、前記環状溝２ａの内壁面が、上向きに拡がる方向に、５度以上４０度以下の傾斜αを有するとともに、前記環状溝内における前記コイル導体部材以外の空間の体積百分率（ｖｏｌ％）で２０％以上が磁性体で占められているものである。

ここで、前記環状溝内における前記コイル導体部材以外の空間の体積百分率（ｖｏｌ％）で２０％以上を磁性体で占めるようにする方法としては、例えば、体積百分率（ｖｏｌ％）で２０％以上の磁性体８を含有する樹脂９を前記環状溝内に充填する方法を用いることができる。

本発明に係る磁気素子１の前記環状溝２ａの形状は任意の形状とすることができ、例えば、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、矩形或いは丸型の形状とすることができる。但し、形状として矩形と丸型を比較した場合には、前記環状溝２ａの中に収められるコイル導体部材３の占積率が大きくなる矩形の方がより好適である。

また、図１においては、磁気素子１の外周形状が正方形の場合を示しているが、前記磁気素子１の外周形状には特に制限はなく、任意の形状とすることが可能である。

前記環状溝２ａの中に収められるコイル導体部材３のコイル形成方法には、例えば、以下の２通りの方法が好適であるが、特にこれらに限定されるものではない。
（１）予め巻いた状態で固定された導体を、環状溝２ａ内に装入する。このとき、導体をボビンに巻いたものを用いてもよいが、小型化を考えた場合、熱溶着コイルなどを用いてボビンレスとすることが望ましい。導体の巻き形状としては、丸型、角型いずれの形状のものも使用可能であるが、占積率の点からは角型の方が望ましい。
（２）上部磁性体コア部材４に平面コイルを形成して、前記コイル部分が下部磁性体コア部材２の環状溝２ａ内に位置するように、下部磁性体コア部材２及び上部磁性体コア部材４を接着する。このとき、前記平面コイルの形状としてはミアンダ形状或いはスパイラル形状などが適用可能だが、インダクタンスをより大きくするという観点からはスパイラル形状がより好適である。前記平面コイルはフォトリソにより形成したレジストフレームに電気メッキすることで作製可能である。

なお、図３に、前記平面コイル（スパイラルコイル）３ａを用いた場合の磁気素子１の横断面図の一例を示す。

前記下部磁性体コア部材２の上面に設けられた環状溝２ａの内壁面は、上向きに拡がる方向に、５度以上４０度以下の傾斜を有すものである。前記環状溝２ａに、上向きに拡がる方向に５度以上４０度以下の傾斜を設けることで、前記環状溝２ａ内へのコイル導体部材３の装入が容易となり、磁気素子の生産性及び歩留りの向上を図ることが可能となる。なお、５度未満の傾斜角の場合、溝部のエッジにコイル導体部材３が触り、コイル導体部材３表面を傷付けたり、コイル導体部材３の装入を困難にするという問題がある。一方、傾斜角が４０度を超えて設けられると、コイル導体部材３を装入できる環状溝２ａ内の空間部分が小さくなる。以上の理由から、前記下部磁性体コア部材２に設けられた環状溝２ａの内壁面に設けられる傾斜角度は、上向きに拡がる方向に、５度以上４０度以下とするものである。

ここで、前記コイル導体部材３を構成する導体としては、比抵抗の小さな銅が好適であるが、特に銅に限定されるものではない。

また、前記下部磁性体コア部材２又は上部磁性体コア部材４を構成する磁性体の種類としては、特に限定するものではなく、フェライト系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ系アモルファス、Ｃｏ系アモルファスなど多岐に渡って適用できる。ただし、比抵抗の低い材料については前記コイル導体部材３を構成する導体との絶縁を取るなどの考慮が必要となる。なお、高周波で磁気素子を駆動する場合は、前記磁性体としては、フェライト系材料、特に絶縁体のＮｉ−Ｚｎ系フェライト材料が好適である。

また、前記環状溝２ａ内における前記コイル導体部材３以外の空間に充填される磁性体の種類としては、特に限定するものではなく、フェライト系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ系アモルファス、Ｃｏ系アモルファスなど多岐に渡って適用できる。ただし、比抵抗の低い材料については前記コイル導体部材３を構成する導体との絶縁を取るなどの考慮が必要となる。なお、高周波で磁気素子を駆動する場合は、前記磁性体としては、フェライト系材料、特に絶縁体のＮｉ−Ｚｎ系フェライト材料が好適である。

さらに、前記環状溝２ａ内に充填される磁性体８は、環状溝２ａ内における前記コイル導体部材３以外の空間の２０ｖｏｌ％以上を占めるように充填されることが好ましい。この磁性体８は環状溝２ａを渡る磁束と、下部磁性体コア部材２及び上部磁性体コア部材４に励起される磁束を大きくし、結果として磁気素子１のインダクタンスを大きくする効果がある。磁性体８の充填量が２０ｖｏｌ％未満だとその効果が乏しいので、２０ｖｏｌ％以上とした。

以下に、本発明に係る磁気素子１の製造方法の好適例を記載するが、これに限定されるものではない。
（１）Ｎｉ−Ｚｎフェライト基板に環状溝２ａのパターンをレジストで作製する。
（２）ショットブラストにてＮｉ−Ｚｎフェライト基板を彫り、環状溝２ａを形成する。このとき、ショットブラストの砥粒噴出圧力などの条件を調整することで、適切な角度の上向きに拡がる方向の傾斜を付ける。
（３）予め、巻いて固定した熱溶着角型銅線を、環状溝２ａ内に装入する。
（４）環状溝２ａ内における前記コイル導体部材３以外の空間に、Ｎｉ−Ｚｎフェライトを含有させ分散させたエポキシ樹脂を充填する。
（５）別途用意したＮｉ−Ｚｎフェライト基板を、上部磁性体コア部材４として、前記環状溝２ａの上を覆うように被せエポキシ樹脂で接着する。

以上、上記実施形態においては、
（ア）下部磁性体コア部材２に上部磁性体コア部材４を接着することで磁気素子を作製できるため、漏洩磁束が小さく、かつ、インダクタンスの大きな磁気素子が実現できる。
（イ）下部磁性体コア部材２の環状溝２ａ内にコイル導体部材３をセットするが、下部磁性体コア部材２の環状溝２ａの上向きに拡がる方向の傾斜を５度以上４０度以下とすることで、コイル導体部材３のセットが容易となり、生産性や歩留りの向上に寄与できる。

図４に、磁気素子１における電極５の取り出し方法の一例を示す。磁気素子１の電極５は、図４（ａ）に示すように、上部磁性体コア部材４又は下部磁性体コア部材２にスルーホール６を形成して、そこから導体を取り出し電極を形成する方法、あるいは、図４（ｂ）に示すように、下部磁性体コア部材２の外周部にスリット７を形成して、そこから導体を取り出し電極を形成する方法などが適用できる。

実施例（本発明例１）として、下部磁性体コア部材としてのフェライト基板にショットブラストにて、上向きに拡がる方向の傾斜を２０度の環状溝を作製した。この環状溝部分に、予め作製しておいた巻き線１０ターンの熱溶着角型銅線のコイルを装入し、環状溝内に、Ｎｉ−Ｚｎフェライトを５０ｖｏｌ％含有させたエポキシ樹脂を充填し、同じくフェライト基板の上部磁性体コア部材としての上板を貼り付けて接着し磁気素子とした。

比較例として、外寸法、各部厚み、巻き数を同じにした、ドラムタイプ及びドラムスリーブタイプの磁気素子を用意し、インダクタンスの測定及び磁気素子から１ｃｍ離れたところでの漏れ磁界(相対値)を測定し、以下の表１にまとめた。

上記表１の結果から、従来、薄型磁気素子として用いられてきたもの（比較例１〜３）よりも、本発明に係る実施例（本発明例１）からなる磁気素子の方が、漏洩磁束及びインダクタンスに関し優れた特性を有する事がわかる。

下部磁性体コア部材としてのフェライト基板に照射するショットブラストの条件を変えることで、種々の上向きに拡がる方向の傾斜を持つ環状溝部を作製し、各上向きに拡がる方向の傾斜毎に１０００個の磁気素子を作製した。そのときのインダクタンス及び短絡不良発生率を測定し、以下の表２にまとめた。なお、磁気素子の作成方法は上記実施例１と同様とした。

上記において、比較例４のインダクタンスが小さいのは、環状溝の上向きに拡がる方向の傾斜が小さ過ぎ環状溝内にコイルが完全には収まらず、下部磁性体コア部材と上部磁性体コア部材との間にギャップが開いたためである。また、比較例５で短絡不良発生率が大きくなっているのは、コイル装入時に溝部のエッジでコイルの導体表面を傷つけたためである。

上記表２の結果から、従来、薄型磁気素子として用いられてきたもの（比較例４及び５）よりも、本発明に係る実施例（本発明例２〜５）からなる磁気素子の方が、インダクタンス及び短絡不良発生率ともに優れた特性を有する事がわかり、その結果、生産性及び歩留りの向上が図れることが確認できた。

本発明例の磁気素子における環状溝形状を示す図である。本発明例の磁気素子の断面図である。本発明例の平面コイルタイプの磁気素子の断面図である。（ａ）スルーホールを通じ、端子を外部へ取り出す場合の説明図である。

（ｂ）外足スリットを通じ、端子を外部へ取り出す場合の説明図である。
（ａ）従来例のドラムタイプの説明図である。

（ｂ）従来例のドラムスリーブタイプの説明図である。

符号の説明

１磁気素子
２下部磁性体コア部材
２ａ環状溝
３コイル導体部材
３ａ平面コイル
４上部磁性体コア部材
５電極
６スルーホール
７スリット
８磁性体
９磁性体を含有した樹脂
１０ドラムコア
１１コイル

Claims

上面に環状溝を設けた下部磁性体コア部材と、
前記環状溝内に装入されるコイル導体部材と、
前記下部磁性体コア部材に設けられた環状溝を覆う蓋を構成する上部磁性体コア部材とを有する磁気素子であって、
前記環状溝の内壁面が、上向きに拡がる方向に、５度以上４０度以下の傾斜が設けられ、
さらに、前記環状溝内における前記コイル導体部材以外の空間の体積百分率（ｖｏｌ％）で２０％以上が磁性体で占められていることを特徴とする磁気素子。
磁性体が、樹脂に分散させた磁性粉末であることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
下部磁性体コア部材及び／又は上部磁性体コア部材が、フェライト焼結体又は磁性金属微粒子を結合材で固化したものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気素子。
磁性粉末が、フェライト又は磁性金属微粒子であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の磁気素子。