JPWO2004019352A1 - マルチフェーズ用磁性素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

複合磁性材料中に複数のコイルを埋設し、少なくとも２つ以上のコイル間には負の磁束の結合、または正の磁束の結合が存在するようにマルチフェーズ用磁性素子を構成する。この構成により、各種電子機器の大電流用途に適するマルチフェーズ用磁性素子であるインダクタ、チョークコイル等をより小型化する。このようなマルチフェーズ用磁性素子は、優れたリップル電流特性を有する。

Description

本発明は電子機器のインダクタ、チョークコイル等に用いられる磁性素子、特にマルチフェーズ用磁性素子とその製造方法に関する。

電子機器の小型薄型化に伴い、これらに用いられる部品やデバイスも小型化、薄型化することが強く求められている。一方、ＣＰＵなどのＬＳＩは高集積化してきており、これに供給される電源回路には数Ａ〜数＋Ａの電流が供給されることがある。従って、これらに用いられるチョークコイル等のインダクタも、小型化とともに、低抵抗化が要求されている。すなわち、インダクタは、直流重畳によるインダクタンスの低下が少ないことが必要とされている。低抵抗化するにはコイル導体の断面積を大きくする必要があるが、これは小型化とは相反する。また、高周波での使用が多くなっているため、高周波での損失の低いことが求められる。さらに、部品のコストを安くすることが強く求められ、単純な形状の部品構成素子を簡単な工程で組み立てられることが必要である。すなわち、大電流、高周波で使用可能であり、かつ、極力小型化したインダクタを安価に供給することが求められている。しかしながら、スイッチング周波数の高周波化・大電流化は、スイッチング素子の損失増大、あるいはチョークコイルの磁気飽和のために、機器の小型化、高効率化を困難にしている。
このため最近、マルチフェーズ方式と呼ばれる回路方式が採用されている。例えば４フェーズ方式では、４個のスイッチング素子と４個のチョークコイルを並列に用いる。この回路では例えば、それぞれの素子に５００ｋＨｚのスイッチング周波数、１０Ａの直流重畳で位相を９０゜ずらせて駆動させた場合、最終的には見かけ上２ＭＨｚの駆動周波数、４０Ａの直流重畳性能で動作する。これにより、リップル電流を低減する。このように、マルチフェーズ方式は今までにない大電流／高周波数化を高効率で実現することができる電源回路方式である。
上記回路には、最も一般的に使用されているＥＥ型やＥＩ型のフェライトコアとコイルを利用することが考えられる。しかしながら、フェライト材料は比較的透磁率が高く、かつ飽和磁束密度が金属磁性材料に比べて低い。そのため、そのまま使用すると磁気飽和によるインダクタンスの低下が大きく、直流重畳特性が悪くなる傾向がある。そこで、直流重畳特性を改善するために、フェライトコアの磁路の一部分に空隙を設けて、見かけの透磁率を下げて使用することが行われている。しかしこの方法では、飽和磁束密度が低いために大電流で使用することは困難である。また、フェライトコアの磁路の一部分に空隙があることにより、フェライトコアにうなり音が発生する。
またコア材料としてフェライトよりも飽和磁束密度が大きいＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金等を用いることも考えられる。しかし、これらの金属系材料は電気抵抗が低いので渦電流損失が大きくなり、そのままでは使用できない。このため、薄体化したものを、絶縁層を介して積層化する必要があり、コスト面で不利である。
これに対して、金属磁性粉を成形して作製される圧粉磁芯（ダストコア）は軟磁性フェライトに比べて著しく大きい飽和磁束密度を有しているために直流重畳特性に優れる。このため、小型化に有利であり、空隙を設ける必要もないためにうなりの問題も無い。この圧粉磁芯のコア損失はヒステリシス損失と渦電流損失よりなり、渦電流損失は周波数の二乗と、渦電流が流れるサイズの二乗に比例して増大する。このため、金属磁性粉末の表面を電気絶縁性樹脂等で覆うことにより渦電流の発生を抑制する。一方、圧粉磁芯の成形は通常数ｔｏｎ／ｃｍ^２以上の成形圧力で行われるために、磁性体として歪みが増大するとともに透磁率も低下し、ヒステリシス損失が増大する。これを回避するために歪みを解放することが提案されている。例えば特開平６−３４２７１４号公報、特開平８−３７１０７号公報、特開平９−１２５１０８号公報に記載されているような成形後の熱処理が行われている。
また、さらなる小型化を図るためにコイル内蔵のコアも例えば、特開昭５４−１６３３５４号公報、特開昭６１−１３６２１３号公報に提案されている。これらでは、樹脂にフェライトを分散させたものを用いている。
しかしながら、マルチフェーズ数に応じた複数個のインダクタを並べた場合、設置スペースが大きくなるばかりでなく、コスト面でも不利である。また、マルチフェーズで用いる複数のコアには、インダクタンス値のばらつきがあるためにリップル電流特性が低下し、電源効率も低下する。

本発明のマルチフェーズ用磁性素子は、複合磁性材料中に複数のコイルを埋設し、少なくとも２つ以上のコイル間には負の磁束の結合、または正の磁束の結合が存在する。

図１は本発明の実施の形態１における磁性素子に含まれるコイルの模式斜視図である。
図２は本発明の実施の形態１における磁性素子の上面透視図である。
図３は従来の技術による比較例における磁性素子に含まれるコイルの模式斜視図である。
図４は従来の技術による比較例における磁性素子の上面透視図である。
図５はマルチフェーズ方式の電源回路図である。
図６は本発明の実施の形態２における磁性素子の上段、下段コイルの模式斜視図である。
図７Ａは本発明の実施の形態２における磁性素子の上面透視図である。
図７Ｂは図７Ａの磁性素子の断面図である。
図８は従来の技術による比較例における磁性素子に含まれるコイルの模式斜視図である。
図９Ａは従来の技術による比較例の磁性素子の上面透視図である。
図９Ｂは図９Ａの磁性素子の断面図である。
図１０は本発明の実施の形態３における磁性素子に含まれるコイルの模式斜視図である。
図１１は本発明の実施の形態３における磁性素子の上面透視図である。
図１２Ａは本発明の実施の形態４における磁性素子に含まれるコイルの模式斜視図である。
図１２Ｂは図１２Ａのコイルに隣接するコイルの模式斜視図である。
図１３は本発明の実施の形態４における磁性素子の上面透視図である。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるマルチフェーズ用磁性素子に含まれるコイルの構成を説明するためのコイルの模式斜視図である。図２は本実施の形態における磁性素子の構成を説明するための上面透視図である。本実施の形態による磁性素子は、コイル１と複合磁性材料４とを有している。コイル１は、入力端子２Ａ、２Ｂと、出力端子３とを有している。図３と図４は、従来技術による比較例におけるコイルの形状と磁性素子の構成を説明するためのコイルの模式斜視図と、磁性素子の上面透視図である。従来の磁性素子は、コイル５１と複合磁性材料５４とを有している。コイル５１は、入力端子５２と出力端子５３とを有している。
以下、本実施の形態による磁性素子をマルチフェーズ方式の回路内のチョークコイルとして用いる場合を説明する。図５はマルチフェーズ方式を用いた電源回路で、図５は２フェーズ方式である。この回路は電池１３の直流電圧を所定の直流電圧に変換する回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）である。チョークコイル１１とコンデンサ１２とが積分回路を形成している。この回路にはスイッチング素子１４が接続されている。また、電源回路の出力には負荷１５が接続されている。図１において、巻数３．５ターンのコイルはちょうどコイル中央の１．７５ターン目の点に、出力端子３が接続されている。そしてコイル１に設けられた２つの入力端子２Ａ、２Ｂは、図５のスイッチング素子１４にそれぞれ接続される。よってコイル１は単独で出力端子３を共有する２つのチョークコイルとして働く。電流はそれぞれの入力端子２Ａ、２Ｂから出力端子３へと流れる。この電流により、コイルの両端を貫く直流磁束成分は互いに逆向きとなるので、コイルにおける磁界は全体として弱まる。以後、このようにコイルの中央を貫く直流磁束成分が互いに弱めあうような配置を、負の磁束の結合とよぶ。また逆に、コイルの中央を貫く直流磁束成分が互いに重なり強めあう配置を、正の磁束の結合とよぶ。正負の磁束の結合は、コイルの配置、コイルの巻き向き、入出力の電流の向き等により変わる。
以下、本実施の形態における磁性素子の具体的な構成とその特性を従来技術と比較して述べる。まず、本実施の形態における磁性素子の製造方法を述べる。複合磁性材料４の原料として、水アトマイズ法で作製した平均粒径１３μｍの鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）の軟磁性合金粉末を用意する。合金組成は、Ｆｅ、Ｎｉそれぞれ５０重量％である。次に絶縁性結着剤として、シリコン樹脂を上記合金粉末に対して重量比率０．０３３だけ加えて良く混合し、メッシュを通して製粒粉末を得る。次に、打ち抜き銅板を用いて、その中間部に出力端子３を設けた内径４．２ｍｍ、３．５ターンのコイル１を準備する。このとき、コイル１の厚みを変えることにより表１の直流抵抗値（Ｒｄｃ）になるように調整する。その後、金型（図示せず）に上記製粒粉末とコイル１とを入れて、圧力３ｔｏｎ／ｃｍ^２で加圧成形する。さらに成形品を金型より取り出した後、１５０℃にて１時間加熱処理して硬化させる。このように、軟磁性合金粉末と絶縁性結着剤とを用いた複合磁性体内にコイルを埋設することにより、特にコアとコイル間の絶縁、絶縁耐圧が維持される。
このようにして、図２に示すような、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み４ｍｍに２個のインダクタコイルを内蔵し、入力端子２Ａ、２Ｂ、出力端子３を有する２フェーズ用磁性素子を得る。なお、比較のために、上記と同様に打ち抜き銅板を用いて、図３に示すように内径４．２ｍｍの１．７５ターンのコイルを準備する。このコイルは、コイル厚みを変えることにより表１のＲｄｃになるように調整されている。次に、本実施の形態と同様にして、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み３ｍｍの、１個のコイルを内蔵した図４のような磁性素子を計２個準備する。すなわち、複合磁性材料５４は複合磁性材料４と同様の構成である。これらの磁性素子のインダクタンス値は、どのインダクタコイルも直流電流値Ｉ＝０Ａで０．２５〜０．２６μＨにある。
これらの磁性素子の評価結果を表１に示す。

表１は、２フェーズ用回路方式で、上記磁性素子を用い、１インダクタコイルあたり周波数４００ｋＨｚ、直流重畳２０Ａで駆動させた場合の電源効率を示している。試料Ｎｏ．１〜４は本実施の形態による構成、試料Ｎｏ．５は比較例による構成である。
リップル電流率は直流重畳電流に対するリップル電流の割合であり、ゼロに近いほどチョークコイルとして優れ、平滑効果が大きいことを意味する。試料Ｎｏ．１〜４においてリップル電流率は、０．８〜１．５％の範囲にある。また、最大電流値は電流値Ｉ＝０Ａでのインダクタンス値Ｌが、２０％低下する時の直流電流値を意味している。
表１の結果より明らかなように、図４に示した結合のない単独のチョークコイルを２個使用したものより、負の磁束の結合が存在する２個のインダクタを埋設する構造は優れた直流重畳特性を示している。また、各インダクタにおいて、Ｒｄｃ≦０．０５Ωの時、効率８５％以上、さらにＲｄｃ≦０．０１Ωの時、効率９０％以上を実現している。このようにＲｄｃを抑制することで、コイル部の損失（銅損）が低い、小型のマルチフェーズ用磁性素子が得られる。
複数個のコイルを内蔵させるチップアレイは従来から存在する。たとえば、特開平８−２６４３２０号公報、特開２００１−８５２３７号公報に開示されている。これらのチップアレイは、信号レベルのノイズを除去する事が主目的であり、本実施の形態の直流重畳として大電流（１Ａ以上、好ましくは５Ａ以上）がかかるチョークコイル用途とは本質的に異なる。従来のチップアレイはまた、特開平８−３０６５４１号公報、特開２００１−２３８２２号公報等に開示されている。これらのチップアレイでは、フェライト焼結体にコイルを複数個巻きつけたり、最終的に６００℃以上の熱処理をすることでフェライト焼結体内にコイルを埋設している。これらの技術を大電流用途に用いても、焼結フェライトは飽和磁束密度が低いために、直流重畳時のインダクタ値が低くなり使用することはできない。これに対し、本実施の形態では複合磁性材料４として金属粉体からなる磁性粉を用いる。また本実施の形態による磁性素子は大電流の流れる電源に使われるマルチフェーズ用チョークコイルとして用いるため、１素子当りの駆動周波数は５０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下、好ましくは１００ｋＨｚ以上５ＭＨｚ以下である。このように従来のチップアレイとは駆動周波数が大きく異なる。
また特開平８−２５０３３３号公報、特開平１１−２２４８１７号公報等に開示されているように、従来のチップアレイは隣り合うコイル間のクロストークをできるだけ排除しようとしている。これに対して本実施の形態では、積極的に隣り合う少なくとも２つ以上のインダクタ間に負の磁束の結合をとる。この点からも従来のチップアレイとは大きく異なる。すなわち、本実施の形態では、インダクタ間の結合を表す結合係数ｋは大きい程、すなわちｋが１に近いほど好ましく、結合係数０．０５以上でも効果が認められるが好ましくは０．１５以上である。
複数個のインダクタの直流電流入力方向、あるいはコイルの巻き方向を工夫し、隣り合うインダクタに負の磁束を結合させれば、それぞれのインダクタの中央で発生する直流磁界成分が打ち消しあう。このため、大電流でも磁性体は容易に飽和することがない。本実施の形態による構成では、磁束の飽和を抑えることができるとともに、同じ巻数のものを２つ用いるよりも直流重畳特性が良い。よって直流抵抗値が低く、さらに設置スペースが小さくマルチフェーズに好ましいチョークコイルが得られる。
なお、埋設されたインダクタにおいて隣り合う少なくとも２つ以上のインダクタ間に負の磁束の結合は直流磁界成分のみとし、交流磁界成分は結合しない方がリップル電流を低減する上ではより好ましい。このため、隣り合うインダクタ間に直流磁界成分は結合するが交流磁界成分をキャンセルすることができるショートリング等を導入しても良い。
また、図１、図２における構成により、負の結合を示す２つのインダクタを１個のコイルから容易に実現することができる。
また、端子３はオープン状態のままで、端子２Ａ、２Ｂをそれぞれ入力端子、出力端子として使用することにより、大きなインダクタンス値を持った１つのインダクタとして扱うこともできる。図１は一例であり、構造がこれに限定されるわけでは無い。
通常、磁性素子のコア間ばらつき（インダクタ値）は±２０％近くあることからマルチフェーズ用にこれらのコアを複数個用いた場合、リップル電流値が増大する可能性がある。本実施の形態では、１つの磁性体内に複数個インダクタを埋設している。この構成により、磁性体内のインダクタンス値のばらつきを小さく抑えることができ、その結果、リップル電流値が低減されている。
なお、本実施の形態では、２フェーズ用磁性素子について説明しているが、２フェーズに限らずこれ以上のマルチフェーズ用磁性素子にも同様な効果が得られる。たとえば、１つのコイルの両端と、巻の中央に入力端子を設け、入力端子同士の中間に出力端子を設ければ、４フェーズ用磁性素子が得られる。
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２におけるマルチフェーズ用磁性素子に含まれるコイルの構成を説明するためのコイルの模式斜視図である。図７Ａ，Ｂはそれぞれ、本実施の形態における磁性素子の構成を説明するための上面透視図、断面図である。本実施の形態における磁性素子は、上段コイル２１Ａ、下段コイル２１Ｂ、複合磁性材料２４を有する。上段コイル２１Ａ、下段コイル２１Ｂは、それぞれ入力端子２２Ａ、２２Ｂと、出力端子２３Ａ、２３Ｂとを有している。図８は従来技術による比較例におけるマルチフェーズ用磁性素子に含まれるコイルの構成を説明するためのコイルの模式斜視図である。図９Ａ、Ｂはそれぞれ、比較例における磁性素子の構成を説明するための上面透視図、断面図である。従来の磁性素子は、コイル６１と複合磁性材料６４を有し、コイル６１は入力端子６２と出力端子６３とを有する。
以下、本実施の形態による磁性素子を図５に示したマルチフェーズ方式の回路内のチョークコイルとして用いる場合を説明する。図６において、本実施の形態による磁性素子は、巻数が１．５ターンのコイルを上下に重ねた構成となっている。つまりコイル２１Ａ，２１Ｂに設けられた入力端子２２Ａ、２２Ｂは、図５のスイッチング素子１４にそれぞれ接続される。電流はそれぞれ、入力端子２２Ａから出力端子２３Ａへ、入力端子２２Ｂから出力端子２３Ｂへと流れる。この電流により、コイルの両端を貫く直流磁束成分は互いに同方向になるので、コイルにおける磁界は全体として強まる結果となる。つまり、隣り合うコイルの中央を貫く直流磁束成分が互いに強めあう配置となることから正の磁束の結合である。
以下、本実施の形態における磁性素子の具体的な構成とその特性を従来技術と比較して述べる。
まず、本実施の形態における磁性素子の製造方法を述べる。複合磁性材料２４の原料として、水アトマイズ法で作製した平均粒径１７μｍの鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）の軟磁性合金粉末を用意する。合金組成は、Ｆｅが６０重量％、Ｎｉが４０重量％である。次に絶縁性結着剤として、シリコン樹脂を上記合金粉末に対して重量比率で０．０３２だけ加えて良く混合し、メッシュを通して製粒粉末を得る。次に、打ち抜き銅板を用いて内径３．７ｍｍの１．５ターンのコイル２１Ａ，２１Ｂを準備する。このとき、コイル２１Ａ，２１Ｂの厚みを変えることにより表２の直流抵抗値（Ｒｄｃ）になるように調整する。その後、金型（図示せず）に上記製粒粉末とコイル２１Ａ、２１Ｂとを、同一巻き方向で、２個縦方向に重ねて入れて、圧力４ｔｏｎ／ｃｍ^２で加圧成形する。そして成形品を金型より取り出した後、１５０℃にて１時間加熱処理して硬化させる。
このようにして、コイル２１Ａ、２１Ｂを上下に組み合わせて図７に示すような、２個のインダクタコイルを内蔵した、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み４ｍｍの２フェーズ用磁性素子を得る。また、比較のために、上記と同様に打ち抜き銅板を用いて、図８に示すように内径３．７ｍｍの１．５ターンのコイルを準備する。このコイルは、コイル厚みを変えることにより表２のＲｄｃになるように調整されている。次に、本実施の形態と同様にして、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み３ｍｍの、１個のコイルを内蔵した図９Ａ，Ｂのような磁性素子を計２個準備する。すなわち、複合磁性材料６４は複合磁性材料２４と同様の構成である。これらの磁性素子のインダクタンス値は、どのインダクタコイルも直流電流値Ｉ＝０Ａで０．２２〜０．２３μＨにある。
これらの磁性素子の評価結果を表２に示す。表２は、２フェーズ用回路方式で、上記磁性素子を用い、１インダクタあたり周波数４５０ｋＨｚ、直流重畳１５Ａで駆動させた場合のリップル電流率を示している。リップル電流率は直流重畳電流に対するリップル電流の割合であり、ゼロに近いほどチョークコイルとして優れ、平滑効果が大きいことを意味する。また、最大電流値は電流値Ｉ＝０Ａでのインダクタンス値Ｌが、２０％低下する時の直流電流値を意味し、すべて試料において最大電流値は、１６〜３４Ａの範囲にある。試料Ｎｏ．６〜９は本実施の形態による構成、試料Ｎｏ．１０は比較例による構成である。

表２の結果より明らかなように、正の磁束の結合が存在する２個のインダクタを埋設する試料Ｎｏ．６〜９の構造は、図９の結合のない単独のチョークコイルを２個使用した試料Ｎｏ．１０より、優れたリップル電流特性を示している。
また、各インダクタにおいて、Ｒｄｃ≦０．０５Ωの時、効率８５％以上、さらにＲｄｃ≦０．０１Ωの時、効率９０％以上を実現している。
また、インダクタ間の結合を表す結合係数ｋは大きい程、すなわちｋが１に近いほどよい。結合係数０．０５以上でも効果が認められるが、好ましくは０．１５以上である。
複数個のインダクタの電流入力方向、あるいはコイルの巻き方向を工夫し、隣り合うコイルの磁束が正の結合をするように構成すれば、インダクタンス値が増加するために優れたリップル電流特性を示す。すなわち、隣り合うコイルの磁束の結合が正と負とで、チョークコイル特性が異なる。実施の形態１のように、磁束の負の結合では、より直流重畳特性に優れ、本実施の形態のように、磁束の正の結合では、よりリップル電流特性に優れている。これらは、回路、電子機器等の目的によって適宜使い分ければよい。
通常磁性素子のコア間ばらつき（インダクタ値）は、通常±２０％近くあるため、マルチフェーズ用にこれらのコアを複数個用いた場合、リップル電流値が増大する可能性がある。本実施の形態では、１つの磁性体内に複数個インダクタを埋設している。しかも隣り合うコイルの磁束が正の結合をするように構成している。これらの構成により、磁性体内のインダクタンス値のばらつきは、実施の形態１と比べてもさらに小さく抑えることができ、リップル電流値が低減される。
なお、本実施の形態では、２フェーズ用磁性素子について説明しているが、２フェーズに限らずこれ以上のマルチフェーズ用磁性素子にも同様な効果が得られる。たとえば、３つのコイルを同一巻き方向で、縦方向に重ねて１つの複合磁性材料に埋設すれば３フェーズ用磁性索子が得られる。
（実施の形態３）
図１１は本発明の実施の形態３における磁性素子の上面透視図を示す。また図１０は、図１１の磁性素子に埋設された各コイルの模式斜視図を示す。コイル３１は、入力端子３２、出力端子３３を有している。図１１において、隣り合う複数のコイル３１は同一巻き方向のため、それぞれ隣接するコイル中央部には磁束が負の結合になるように流れ、複合磁性材料３４の中に埋設されている。このような構成により、特に優れた直流重畳特性を持っ小型のマルチフェーズ用磁性素子を得ることができる。
以下、本実施の形態における磁性素子の具体的な構成とその特性を述べる。本実施の形態では複合磁性材料３４の原料として、表３に示した組成の金属磁性粉末からなるインゴット粉砕粉を用いる。次に絶縁性結着剤として、ビスフェノールＡ型樹脂を上記粉砕粉に対して重量比率０．０３だけ加えて良く混合し、メッシュを通して製粒粉末を得る。次に、打ち抜き銅板を用いて、内径２．２ｍｍの３．５ターンのコイル３１を準備する。このとき、コイル３１の厚みを変えることにより直流抵抗値（Ｒｄｃ）が０．０１Ωになるように調整する。その後、金型（図示せず）に上記製粒粉末と４個のコイル３１とを、同一巻き方向で入れて、圧力３〜５ｔｏｎ／ｃｍ^２で加圧成形する。ここで、どのインダクタも最終製品で、電流値Ｉ＝０Ａで０．１２〜０．１７μＨになるようにする。そして成形品を金型より取り出した後、１２０℃にて１時間加熱処理して硬化させる。
このようにして図１１に示すような、４個のインダクタコイルを内蔵した、縦６．５ｍｍ×横２６ｍｍ×厚み４ｍｍの４フェーズ用磁性素子を得る。なお、試料Ｎｏ．２５は、磁性粉粒径が０．８μｍのため、インダクタンス値が電流値Ｉ＝０Ａにおいて０．１μＨしかない。
これらの磁性素子の評価結果を表３に示す。なお、表３の磁性粉組成の欄では、各元素とその重量％を示し、Ｆｅの重量％は他の元素の重量％の合計を１００％から減じた値である。
表３は、４フェーズ用回路方式で上記磁性素子を用い、１インダクタあたり駆動周波数１ＭＨｚ、直流重畳１５Ａで駆動させる場合の電源効率を示している。また、最大電流値は電流値Ｉ＝０Ａでのインダクタンス値Ｌが、２０％低下する時の直流電流値を意味している。

表３より明らかなように、軟磁性合金からなる磁性粉の組成が、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを合計量で９０重量％を超えて含む時に最大電流値が１５Ａ以上を示している。これはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏを合計量で９０重量％以上含む蒔、高飽和磁束密度と高透磁率とを実現できるためである。
表３のように、金属粉体粒径が１００μｍ以下の時、効率は８５％以上であり、さらに５０μｍ以下の効率は９０％以上である。これは軟磁性粉末の平均粒径を１００μｍ以下にすることが渦電流の低減に効果的であるためである。さらに軟磁性粉末の平均粒径は５θμｍ以下にすることがより好ましい。また平均粒径が１μｍ未満になると成形密度が小さくなるため、インダクタンス値が低下して好ましくない。
次に、本実施の形態による磁性素子の製造方法について説明する。まず、軟磁性合金粉末を用いて未硬化状態の熱硬化性樹脂を混合する。次にこの混合物を顆粒状とする。樹脂成分を混合した金属磁性粉末はそのまま用いて次の成形工程に移っても良いが、一旦メッシュ等を通して顆粒状に整粒することにより、粉末の流動性が向上するために使用しやすい。
次に、この顆粒を金型中に２つ以上のコイルと共に入れて目的とする金属磁性粉末の充填率となるように加圧成形する。この時隣り合うコイルは互いに同一巻き方向になるようにする。なお、充填率を高くするために加圧の圧力を高くすると飽和磁束密度や透磁率は高くなる。しかし、絶縁抵抗や絶縁耐圧は低下しやすくなり、さらに磁性体にかかる残留応力が大きくなって、磁気損失が増加する。一方、充填率が低すぎると飽和磁束密度、透磁率が低くなって十分なインダクタンス値や直流重畳特性が得られない。これらに加え、金型の寿命を考慮すると、加圧成形時の圧力は１〜５ｔｏｎ／ｃｍ^２、より望ましくは２〜４ｔｏｎ／ｃｍ^２である。
次に、得られた成形体を加熱して熱硬化性樹脂を硬化させる。ここで、金型中加圧成形時に、同時に樹脂の硬化温度まで温度を上げて硬化させる方が電気抵抗率を高くしやすい。しかしこの方法では生産性が低いので、室温で加圧成形した後、加熱硬化しても良い。このようにしてマルチフェーズ用磁性素子を得る。
また、マルチフェーズ用磁性素子の端子はＣＰＵ等に供給するためには、入力端子と出力端子との角度が８０゜以上で配置されていることが好ましい。
なお、本実施の形態は４フェーズ用磁性素子について説明しているが、４フェーズに限らず、コイルを２個内蔵した２フェーズ用磁性素子や、これ以上のマルチフェーズ用磁性素子にも同様な効果が得られる。
（実施の形態４）
図１３は本発明の実施の形態４における磁性素子の上面透視図を示す。また図１２は、図１３の磁性素子に埋設されたコイルの模式斜視図を示す。コイル４１Ａ，４１Ｂはそれぞれ、入力端子４２Ａ、４２Ｂ、出力端子４３Ａ、４３Ｂを有している。図１３において、隣り合う２つのコイル４１Ａ，４１Ｂは巻き数は同じであるが、コイルの巻き方向が逆である。そのため、それぞれ隣接するコイル中央部には磁束が正の結合になるように流れ、複合磁性材料４４の中に埋設されている。このような構成により、特に優れたリップル電流特性を持つ小型のマルチフェーズ用磁性素子を実現することができる。
以下、本実施の形態における磁性素子の具体的な構成とその特性を述べる。本実施の形態では複合磁性材料４４の原料として、ガスアトマイズ法で作製した平均粒径２０μｍのＦｅ−Ｓｉ軟磁性合金粉末を用いる。ＦｅとＳｉとの重量比率は０．９６５：０．０３５である。次に絶縁性結着剤として、シリコン樹脂をこの合金粉末に対して重量比率０．０２〜０．０４だけ加えて良く混合し、メッシュを通して製粒粉末を得る。次に、打ち抜き銅板を用いて、内径３．３ｍｍの３．５ターンのコイル４１Ａ，４１Ｂを準備する。このとき、コイル４１Ａ，４１Ｂの厚みを変えることにより直流抵抗値（Ｒｄｃ）が０．０２Ωになるように調整する。次に金型（図示せず）に上記製粒粉末とコイル４１Ａ，４１Ｂとを逆巻き方向で入れて加圧成形する。このとき、表４に示す充填率になるように圧力を０．５〜７ｔｏｎ／ｃｍ^２の範囲で調整する。そして成形体を金型より取り出した後、１５０℃にて１時間加熱処理して硬化させる。
このようにして図１３に示すように、２個のインダクタを内蔵した、縦１０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚み４ｍｍの２フェーズ用磁性素子を得る。
図１３に示すように、隣り合うコイル４１Ａ，４１Ｂの巻き方向は逆で正の磁束の結合を示している。その時のインダクタンス値は試料Ｎｏ．３２〜３６のインダクタコイルは電流値Ｉ＝０Ａで０．２５〜０．２８μＨである。また、試料Ｎｏ．３１のインダクタコイルは０．２２μＨである。
また、コイルを埋設しない絶縁抵抗測定用サンプルとして、直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状の試料も上記製粒した軟磁性合金粉末を用いて同時に作製する。
表４は、２フェーズ用回路方式で上記磁性素子を用い、１インダクタあたり駆動周波数８００ｋＨｚ、直流重畳３０Ａで駆動させる場合の絶縁抵抗値と絶縁耐圧、最大電流値を示している。絶縁抵抗は絶縁抵抗測定用サンプルの両端をワニ口クリップではさみ、電気抵抗を電圧１００Ｖで測定する。表中の絶縁抵抗率は、このようにして測定した絶縁抵抗を試料の長さと断面積で規格化している。次に、電圧を５００Ｖまで１００Ｖ刻みで高くしながら電気抵抗を測定し、電気抵抗が急激に低下する電圧を求め、その直前の電圧をもって絶縁耐圧とする。また最大電流値は、電流値Ｉ＝０Ａでのインダクタンス値Ｌが２０％ダウンした時の直流重畳の電流値を意味する。
これらの磁性素子の評価結果を表４に示す。

表４より明らかなように、軟磁性合金粉末の充填率が９０体積％以下である時、優れた直流重畳特性と絶縁抵抗値を示している。また、充填率が低く６５体積％に満たないと、飽和磁束密度、透磁率が低くなって十分なインダクタンス値や直流重畳特性が得られない。通常、粉末を全く塑性変形させずに充填するとその充填率は６０〜６５体積％が上限であるが、この充填率では飽和磁束密度、透磁率とも低すぎる。従って、塑性変形を伴う程度の充填度が必要であり、すなわち６５％体積以上、より望ましくは７０％体積以上の充填率とする方が良い。
一方、合金粉末が９０体積％を超えるとコア絶縁が低下しコイルとの絶縁を保つことができない。よって、充填率の上限は絶縁抵抗率が低下しない範囲とするが、コイルを内蔵する事を考えると絶縁抵抗率は少なくとも１０^５Ω・ｃｍ程度は必要であり、充填率は９０％以下、より望ましくは８５％以下とすれば良い。
以上説明した全ての実施の形態では、複合磁性材料として金属粉体からなる磁性粉を用いる。金属粉体の代わりにフェライト粉末を分散させたものを用いると、フェライトの充填率に限界があることから、飽和磁束密度が低く、直流重畳特性が悪い。
なお、金属粉体の製造方法は水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、カーボニル法、インゴット粉砕法等があるが特に製造方法によらない。また、それぞれの金属粉体の主組成に対して、不純物あるいは添加剤量が少量であれば同様な効果がある。さらに粉末形状は球状、偏平状、多角形状のいずれであっても良い。
また、直流重畳として大電流が流れる場合、コア部のみでなくコイル導体部の損失（銅損）も無視できなくなる。そこで、直流抵抗値をできるだけ低減するために、打ち抜きコイル等を用いてコイル部と端子部との接続が存在しない構造とすることが信頼性等の見地からもより好ましい。
また、絶縁性結着剤は結着後の強度や使用時の耐熱性、絶縁性の面からエポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が望ましい、またこれらからなる複合樹脂でもよい。
また、磁性体粉末との分散性を改善するために、あるいは絶縁耐圧性向上のために分散剤、無機系材料等を添加してもよい。このようなものとして、シラン系カップリング材やチタン系カップリング材、チタンアルコキシド、水ガラス等、また、窒化硼素、タルク、雲母、硫酸バリウム、テトラフルオロエチレン等の粉末が挙げられる。

本発明のマルチフェーズ用磁性素子は、複合磁性材料中に複数のコイルを埋設し、少なくとも２つ以上のコイル間には負の磁束の結合、または正の磁束の結合が存在する。この構成により、マルチフェーズ用磁性素子をより小型化する。また、磁性体内のインダクタンス値のばらつきをはるかに小さく抑えることができ、その結果、リップル電流値が低減される。さらに磁束の結合により、このようなマルチフェーズ用磁性素子は、優れたリップル電流特性、あるいは直流重畳特性を有し、電子機器のインダクタ、チョークコイルその他に用いられる磁性素子に有用である。
図面の参照符号の一覧表
１，３１，４１Ａ，４１Ｂ コイル
２Ａ，２Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ，３２，４２Ａ，４２Ｂ 入力端子
３，２３Ａ，２３Ｂ，３３，４３Ａ，４３Ｂ 出力端子
４，２４，３４，４４ 複合磁性材料
１１ チョークコイル
１２ コンデンサ
１３ 電池
１４ スイッチング素子
１５ 負荷
２１Ａ 上段コイル
２１Ｂ 下段コイル
５１，６１ コイル
５２，６２ 入力端子
５３，６３ 出力端子
５４，６４ 複合磁性材料

本発明は電子機器のインダクタ、チョークコイル等に用いられる磁性素子、特にマルチフェーズ用磁性素子とその製造方法に関する。

電子機器の小型薄型化に伴い、これらに用いられる部品やデバイスも小型化、薄型化することが強く求められている。一方、ＣＰＵなどのＬＳＩは高集積化してきており、これに供給される電源回路には数Ａ〜数十Ａの電流が供給されることがある。従って、これらに用いられるチョークコイル等のインダクタも、小型化とともに、低抵抗化が要求されている。すなわち、インダクタは、直流重畳によるインダクタンスの低下が少ないことが必要とされている。低抵抗化するにはコイル導体の断面積を大きくする必要があるが、これは小型化とは相反する。また、高周波での使用が多くなっているため、高周波での損失の低いことが求められる。さらに、部品のコストを安くすることが強く求められ、単純な形状の部品構成素子を簡単な工程で組み立てられることが必要である。すなわち、大電流、高周波で使用可能であり、かつ、極力小型化したインダクタを安価に供給することが求められている。しかしながら、スイッチング周波数の高周波化・大電流化は、スイッチング素子の損失増大、あるいはチョークコイルの磁気飽和のために、機器の小型化、高効率化を困難にしている。

このため最近、マルチフェーズ方式と呼ばれる回路方式が採用されている。例えば４フェーズ方式では、４個のスイッチング素子と４個のチョークコイルを並列に用いる。この回路では例えば、それぞれの素子に５００ｋＨｚのスイッチング周波数、１０Ａの直流重畳で位相を９０°ずらせて駆動させた場合、最終的には見かけ上２ＭＨｚの駆動周波数、４０Ａの直流重畳性能で動作する。これにより、リップル電流を低減する。このように、マルチフェーズ方式は今までにない大電流／高周波数化を高効率で実現することができる電源回路方式である。

上記回路には、最も一般的に使用されているＥＥ型やＥＩ型のフェライトコアとコイルを利用することが考えられる。しかしながら、フェライト材料は比較的透磁率が高く、かつ飽和磁束密度が金属磁性材料に比べて低い。そのため、そのまま使用すると磁気飽和によるインダクタンスの低下が大きく、直流重畳特性が悪くなる傾向がある。そこで、直流重畳特性を改善するために、フェライトコアの磁路の一部分に空隙を設けて、見かけの透磁率を下げて使用することが行われている。しかしこの方法では、飽和磁束密度が低いために大電流で使用することは困難である。また、フェライトコアの磁路の一部分に空隙があることにより、フェライトコアにうなり音が発生する。

またコア材料としてフェライトよりも飽和磁束密度が大きいＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金等を用いることも考えられる。しかし、これらの金属系材料は電気抵抗が低いので渦電流損失が大きくなり、そのままでは使用できない。このため、薄体化したものを、絶縁層を介して積層化する必要があり、コスト面で不利である。

これに対して、金属磁性粉を成形して作製される圧粉磁芯（ダストコア）は軟磁性フェライトに比べて著しく大きい飽和磁束密度を有しているために直流重畳特性に優れる。このため、小型化に有利であり、空隙を設ける必要もないためにうなりの問題も無い。この圧粉磁芯のコア損失はヒステリシス損失と渦電流損失よりなり、渦電流損失は周波数の二乗と、渦電流が流れるサイズの二乗に比例して増大する。このため、金属磁性粉末の表面を電気絶縁性樹脂等で覆うことにより渦電流の発生を抑制する。一方、圧粉磁芯の成形は通常数ｔｏｎ／ｃｍ²以上の成形圧力で行われるために、磁性体として歪みが増大するとともに透磁率も低下し、ヒステリシス損失が増大する。これを回避するために歪みを解放することが提案されている。例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載されているような成形後の熱処理が行われている。

また、さらなる小型化を図るためにコイル内蔵のコアも例えば、特許文献４、特許文献５に提案されている。これらでは、樹脂にフェライトを分散させたものを用いている。
特開平６−３４２７１４号公報 特開平８−３７１０７号公報 特開平９−１２５１０８号公報 特開昭５４−１６３３５４号公報 特開昭６１−１３６２１３号公報

しかしながら、マルチフェーズ数に応じた複数個のインダクタを並べた場合、設置スペースが大きくなるばかりでなく、コスト面でも不利である。また、マルチフェーズで用いる複数のコアには、インダクタンス値のばらつきがあるためにリップル電流特性が低下し、電源効率も低下する。

本発明のマルチフェーズ用磁性素子は、複合磁性材料中に複数のコイルを埋設し、少なくとも２つ以上のコイル間には負の磁束の結合、または正の磁束の結合が存在する。

本発明のマルチフェーズ用磁性素子は、複合磁性材料中に複数のコイルを埋設し、少なくとも２つ以上のコイル間には負の磁束の結合、または正の磁束の結合が存在する。この構成により、マルチフェーズ用磁性素子をより小型化する。また、磁性体内のインダクタンス値のばらつきをはるかに小さく抑えることができ、その結果、リップル電流値が低減される。さらに磁束の結合により、このようなマルチフェーズ用磁性素子は、優れたリップル電流特性、あるいは直流重畳特性を有し、電子機器のインダクタ、チョークコイルその他に用いられる磁性素子に有用である。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるマルチフェーズ用磁性素子に含まれるコイルの構成を説明するためのコイルの模式斜視図である。図２は本実施の形態における磁性素子の構成を説明するための上面透視図である。本実施の形態による磁性素子は、コイル１と複合磁性材料４とを有している。コイル１は、入力端子２Ａ、２Ｂと、出力端子３とを有している。図３と図４は、従来技術による比較例におけるコイルの形状と磁性素子の構成を説明するためのコイルの模式斜視図と、磁性素子の上面透視図である。従来の磁性素子は、コイル５１と複合磁性材料５４とを有している。コイル５１は、入力端子５２と出力端子５３とを有している。

以下、本実施の形態による磁性素子をマルチフェーズ方式の回路内のチョークコイルとして用いる場合を説明する。図５はマルチフェーズ方式を用いた電源回路で、図５は２フェーズ方式である。この回路は電池１３の直流電圧を所定の直流電圧に変換する回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）である。チョークコイル１１とコンデンサ１２とが積分回路を形成している。この回路にはスイッチング素子１４が接続されている。また、電源回路の出力には負荷１５が接続されている。図１において、巻数３．５ターンのコイルはちょうどコイル中央の１．７５ターン目の点に、出力端子３が接続されている。そしてコイル１に設けられた２つの入力端子２Ａ、２Ｂは、図５のスイッチング素子１４にそれぞれ接続される。よってコイル１は単独で出力端子３を共有する２つのチョークコイルとして働く。電流はそれぞれの入力端子２Ａ、２Ｂから出力端子３へと流れる。この電流により、コイルの両端を貫く直流磁束成分は互いに逆向きとなるので、コイルにおける磁界は全体として弱まる。以後、このようにコイルの中央を貫く直流磁束成分が互いに弱めあうような配置を、負の磁束の結合とよぶ。また逆に、コイルの中央を貫く直流磁束成分が互いに重なり強めあう配置を、正の磁束の結合とよぶ。正負の磁束の結合は、コイルの配置、コイルの巻き向き、入出力の電流の向き等により変わる。

以下、本実施の形態における磁性素子の具体的な構成とその特性を従来技術と比較して述べる。まず、本実施の形態における磁性素子の製造方法を述べる。複合磁性材料４の原料として、水アトマイズ法で作製した平均粒径１３μｍの鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）の軟磁性合金粉末を用意する。合金組成は、Ｆｅ、Ｎｉそれぞれ５０重量％である。次に絶縁性結着剤として、シリコン樹脂を上記合金粉末に対して重量比率０．０３３だけ加えて良く混合し、メッシュを通して製粒粉末を得る。次に、打ち抜き銅板を用いて、その中間部に出力端子３を設けた内径４．２ｍｍ、３．５ターンのコイル１を準備する。このとき、コイル１の厚みを変えることにより表１の直流抵抗値（Ｒｄｃ）になるように調整する。その後、金型（図示せず）に上記製粒粉末とコイル１とを入れて、圧力３ｔｏｎ／ｃｍ²で加圧成形する。さらに成形品を金型より取り出した後、１５０℃にて１時間加熱処理して硬化させる。このように、軟磁性合金粉末と絶縁性結着剤とを用いた複合磁性体内にコイルを埋設することにより、特にコアとコイル間の絶縁、絶縁耐圧が維持される。

このようにして、図２に示すような、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み４ｍｍに２個のインダクタコイルを内蔵し、入力端子２Ａ、２Ｂ、出力端子３を有する２フェーズ用磁性素子を得る。なお、比較のために、上記と同様に打ち抜き銅板を用いて、図３に示すように内径４．２ｍｍの１．７５ターンのコイルを準備する。このコイルは、コイル厚みを変えることにより表１のＲｄｃになるように調整されている。次に、本実施の形態と同様にして、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み３ｍｍの、１個のコイルを内蔵した図４のような磁性素子を計２個準備する。すなわち、複合磁性材料５４は複合磁性材料４と同様の構成である。これらの磁性素子のインダクタンス値は、どのインダクタコイルも直流電流値Ｉ＝０Ａで０．２５〜０．２６μＨにある。

これらの磁性素子の評価結果を表１に示す。

表１は、２フェーズ用回路方式で、上記磁性素子を用い、１インダクタコイルあたり周波数４００ｋＨｚ、直流重畳２０Ａで駆動させた場合の電源効率を示している。試料Ｎｏ．１〜４は本実施の形態による構成、試料Ｎｏ．５は比較例による構成である。

リップル電流率は直流重畳電流に対するリップル電流の割合であり、ゼロに近いほどチョークコイルとして優れ、平滑効果が大きいことを意味する。試料Ｎｏ．１〜４においてリップル電流率は、０．８〜１．５％の範囲にある。また、最大電流値は電流値Ｉ＝０Ａでのインダクタンス値Ｌが、２０％低下する時の直流電流値を意味している。

表１の結果より明らかなように、図４に示した結合のない単独のチョークコイルを２個使用したものより、負の磁束の結合が存在する２個のインダクタを埋設する構造は優れた直流重畳特性を示している。また、各インダクタにおいて、Ｒｄｃ≦０．０５Ωの時、効率８５％以上、さらにＲｄｃ≦０．０１Ωの時、効率９０％以上を実現している。このようにＲｄｃを抑制することで、コイル部の損失（銅損）が低い、小型のマルチフェーズ用磁性素子が得られる。

複数個のコイルを内蔵させるチップアレイは従来から存在する。たとえば、特開平８−２６４３２０号公報、特開２００１−８５２３７号公報に開示されている。これらのチップアレイは、信号レベルのノイズを除去する事が主目的であり、本実施の形態の直流重畳として大電流（１Ａ以上、好ましくは５Ａ以上）がかかるチョークコイル用途とは本質的に異なる。従来のチップアレイはまた、特開平８−３０６５４１号公報、特開２００１−２３８２２号公報等に開示されている。これらのチップアレイでは、フェライト焼結体にコイルを複数個巻きつけたり、最終的に６００℃以上の熱処理をすることでフェライト焼結体内にコイルを埋設している。これらの技術を大電流用途に用いても、焼結フェライトは飽和磁束密度が低いために、直流重畳時のインダクタ値が低くなり使用することはできない。これに対し、本実施の形態では複合磁性材料４として金属粉体からなる磁性粉を用いる。また本実施の形態による磁性素子は大電流の流れる電源に使われるマルチフェーズ用チョークコイルとして用いるため、１素子当りの駆動周波数は５０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下、好ましくは１００ｋＨｚ以上５ＭＨｚ以下である。このように従来のチップアレイとは駆動周波数が大きく異なる。

また特開平８−２５０３３３号公報、特開平１１−２２４８１７号公報等に開示されているように、従来のチップアレイは隣り合うコイル間のクロストークをできるだけ排除しようとしている。これに対して本実施の形態では、積極的に隣り合う少なくとも２つ以上のインダクタ間に負の磁束の結合をとる。この点からも従来のチップアレイとは大きく異なる。すなわち、本実施の形態では、インダクタ間の結合を表す結合係数ｋは大きい程、すなわちｋが１に近いほど好ましく、結合係数０．０５以上でも効果が認められるが好ましくは０．１５以上である。

複数個のインダクタの直流電流入力方向、あるいはコイルの巻き方向を工夫し、隣り合うインダクタに負の磁束を結合させれば、それぞれのインダクタの中央で発生する直流磁界成分が打ち消しあう。このため、大電流でも磁性体は容易に飽和することがない。本実施の形態による構成では、磁束の飽和を抑えることができるとともに、同じ巻数のものを２つ用いるよりも直流重畳特性が良い。よって直流抵抗値が低く、さらに設置スペースが小さくマルチフェーズに好ましいチョークコイルが得られる。

なお、埋設されたインダクタにおいて隣り合う少なくとも２つ以上のインダクタ間に負の磁束の結合は直流磁界成分のみとし、交流磁界成分は結合しない方がリップル電流を低減する上ではより好ましい。このため、隣り合うインダクタ間に直流磁界成分は結合するが交流磁界成分をキャンセルすることができるショートリング等を導入しても良い。

また、図１、図２における構成により、負の結合を示す２つのインダクタを１個のコイルから容易に実現することができる。

また、端子３はオープン状態のままで、端子２Ａ、２Ｂをそれぞれ入力端子、出力端子として使用することにより、大きなインダクタンス値を持った１つのインダクタとして扱うこともできる。図１は一例であり、構造がこれに限定されるわけでは無い。

通常、磁性素子のコア間ばらつき（インダクタ値）は±２０％近くあることからマルチフェーズ用にこれらのコアを複数個用いた場合、リップル電流値が増大する可能性がある。本実施の形態では、１つの磁性体内に複数個インダクタを埋設している。この構成により、磁性体内のインダクタンス値のばらつきを小さく抑えることができ、その結果、リップル電流値が低減されている。

なお、本実施の形態では、２フェーズ用磁性素子について説明しているが、２フェーズに限らずこれ以上のマルチフェーズ用磁性素子にも同様な効果が得られる。たとえば、１つのコイルの両端と、巻の中央に入力端子を設け、入力端子同士の中間に出力端子を設ければ、４フェーズ用磁性素子が得られる。

（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２におけるマルチフェーズ用磁性素子に含まれるコイルの構成を説明するためのコイルの模式斜視図である。図７Ａ，Ｂはそれぞれ、本実施の形態における磁性素子の構成を説明するための上面透視図、断面図である。本実施の形態における磁性素子は、上段コイル２１Ａ、下段コイル２１Ｂ、複合磁性材料２４を有する。上段コイル２１Ａ、下段コイル２１Ｂは、それぞれ入力端子２２Ａ、２２Ｂと、出力端子２３Ａ、２３Ｂとを有している。図８は従来技術による比較例におけるマルチフェーズ用磁性素子に含まれるコイルの構成を説明するためのコイルの模式斜視図である。図９Ａ、Ｂはそれぞれ、比較例における磁性素子の構成を説明するための上面透視図、断面図である。従来の磁性素子は、コイル６１と複合磁性材料６４を有し、コイル６１は入力端子６２と出力端子６３とを有する。

以下、本実施の形態による磁性素子を図５に示したマルチフェーズ方式の回路内のチョークコイルとして用いる場合を説明する。図６において、本実施の形態による磁性素子は、巻数が１．５ターンのコイルを上下に重ねた構成となっている。つまりコイル２１Ａ，２１Ｂに設けられた入力端子２２Ａ、２２Ｂは、図５のスイッチング素子１４にそれぞれ接続される。電流はそれぞれ、入力端子２２Ａから出力端子２３Ａへ、入力端子２２Ｂから出力端子２３Ｂへと流れる。この電流により、コイルの両端を貫く直流磁束成分は互いに同方向になるので、コイルにおける磁界は全体として強まる結果となる。つまり、隣り合うコイルの中央を貫く直流磁束成分が互いに強めあう配置となることから正の磁束の結合である。

以下、本実施の形態における磁性素子の具体的な構成とその特性を従来技術と比較して述べる。

まず、本実施の形態における磁性素子の製造方法を述べる。複合磁性材料２４の原料として、水アトマイズ法で作製した平均粒径１７μｍの鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）の軟磁性合金粉末を用意する。合金組成は、Ｆｅが６０重量％、Ｎｉが４０重量％である。次に絶縁性結着剤として、シリコン樹脂を上記合金粉末に対して重量比率で０．０３２だけ加えて良く混合し、メッシュを通して製粒粉末を得る。次に、打ち抜き銅板を用いて内径３．７ｍｍの１．５ターンのコイル２１Ａ，２１Ｂを準備する。このとき、コイル２１Ａ，２１Ｂの厚みを変えることにより表２の直流抵抗値（Ｒｄｃ）になるように調整する。その後、金型（図示せず）に上記製粒粉末とコイル２１Ａ、２１Ｂとを、同一巻き方向で、２個縦方向に重ねて入れて、圧力４ｔｏｎ／ｃｍ²で加圧成形する。そして成形品を金型より取り出した後、１５０℃にて１時間加熱処理して硬化させる。

このようにして、コイル２１Ａ、２１Ｂを上下に組み合わせて図７に示すような、２個のインダクタコイルを内蔵した、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み４ｍｍの２フェーズ用磁性素子を得る。また、比較のために、上記と同様に打ち抜き銅板を用いて、図８に示すように内径３．７ｍｍの１．５ターンのコイルを準備する。このコイルは、コイル厚みを変えることにより表２のＲｄｃになるように調整されている。次に、本実施の形態と同様にして、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚み３ｍｍの、１個のコイルを内蔵した図９Ａ，Ｂのような磁性素子を計２個準備する。すなわち、複合磁性材料６４は複合磁性材料２４と同様の構成である。これらの磁性素子のインダクタンス値は、どのインダクタコイルも直流電流値Ｉ＝０Ａで０．２２〜０．２３μＨにある。

これらの磁性素子の評価結果を表２に示す。表２は、２フェーズ用回路方式で、上記磁性素子を用い、１インダクタあたり周波数４５０ｋＨｚ、直流重畳１５Ａで駆動させた場合のリップル電流率を示している。リップル電流率は直流重畳電流に対するリップル電流の割合であり、ゼロに近いほどチョークコイルとして優れ、平滑効果が大きいことを意味する。また、最大電流値は電流値Ｉ＝０Ａでのインダクタンス値Ｌが、２０％低下する時の直流電流値を意味し、すべて試料において最大電流値は、１６〜３４Ａの範囲にある。試料Ｎｏ．６〜９は本実施の形態による構成、試料Ｎｏ．１０は比較例による構成である。

表２の結果より明らかなように、正の磁束の結合が存在する２個のインダクタを埋設する試料Ｎｏ．６〜９の構造は、図９の結合のない単独のチョークコイルを２個使用した試料Ｎｏ．１０より、優れたリップル電流特性を示している。

また、各インダクタにおいて、Ｒｄｃ≦０．０５Ωの時、効率８５％以上、さらにＲｄｃ≦０．０１Ωの時、効率９０％以上を実現している。

また、インダクタ間の結合を表す結合係数ｋは大きい程、すなわちｋが１に近いほどよい。結合係数０．０５以上でも効果が認められるが、好ましくは０．１５以上である。

複数個のインダクタの電流入力方向、あるいはコイルの巻き方向を工夫し、隣り合うコイルの磁束が正の結合をするように構成すれば、インダクタンス値が増加するために優れたリップル電流特性を示す。すなわち、隣り合うコイルの磁束の結合が正と負とで、チョークコイル特性が異なる。実施の形態１のように、磁束の負の結合では、より直流重畳特性に優れ、本実施の形態のように、磁束の正の結合では、よりリップル電流特性に優れている。これらは、回路、電子機器等の目的によって適宜使い分ければよい。

通常磁性素子のコア間ばらつき（インダクタ値）は、通常±２０％近くあるため、マルチフェーズ用にこれらのコアを複数個用いた場合、リップル電流値が増大する可能性がある。本実施の形態では、１つの磁性体内に複数個インダクタを埋設している。しかも隣り合うコイルの磁束が正の結合をするように構成している。これらの構成により、磁性体内のインダクタンス値のばらつきは、実施の形態１と比べてもさらに小さく抑えることができ、リップル電流値が低減される。

なお、本実施の形態では、２フェーズ用磁性素子について説明しているが、２フェーズに限らずこれ以上のマルチフェーズ用磁性素子にも同様な効果が得られる。たとえば、３つのコイルを同一巻き方向で、縦方向に重ねて１つの複合磁性材料に埋設すれば３フェーズ用磁性素子が得られる。

（実施の形態３）
図１１は本発明の実施の形態３における磁性素子の上面透視図を示す。また図１０は、図１１の磁性素子に埋設された各コイルの模式斜視図を示す。コイル３１は、入力端子３２、出力端子３３を有している。図１１において、隣り合う複数のコイル３１は同一巻き方向のため、それぞれ隣接するコイル中央部には磁束が負の結合になるように流れ、複合磁性材料３４の中に埋設されている。このような構成により、特に優れた直流重畳特性を持つ小型のマルチフェーズ用磁性素子を得ることができる。

以下、本実施の形態における磁性素子の具体的な構成とその特性を述べる。本実施の形態では複合磁性材料３４の原料として、表３に示した組成の金属磁性粉末からなるインゴット粉砕粉を用いる。次に絶縁性結着剤として、ビスフェノールＡ型樹脂を上記粉砕粉に対して重量比率０．０３だけ加えて良く混合し、メッシュを通して製粒粉末を得る。次に、打ち抜き銅板を用いて、内径２．２ｍｍの３．５ターンのコイル３１を準備する。このとき、コイル３１の厚みを変えることにより直流抵抗値（Ｒｄｃ）が０．０１Ωになるように調整する。その後、金型（図示せず）に上記製粒粉末と４個のコイル３１とを、同一巻き方向で入れて、圧力３〜５ｔｏｎ／ｃｍ²で加圧成形する。ここで、どのインダクタも最終製品で、電流値Ｉ＝０Ａで０．１２〜０．１７μＨになるようにする。そして成形品を金型より取り出した後、１２０℃にて１時間加熱処理して硬化させる。

このようにして図１１に示すような、４個のインダクタコイルを内蔵した、縦６．５ｍｍ×横２６ｍｍ×厚み４ｍｍの４フェーズ用磁性素子を得る。なお、試料Ｎｏ．２５は、磁性粉粒径が０．８μｍのため、インダクタンス値が電流値Ｉ＝０Ａにおいて０．１μＨしかない。

これらの磁性素子の評価結果を表３に示す。なお、表３の磁性粉組成の欄では、各元素とその重量％を示し、Ｆｅの重量％は他の元素の重量％の合計を１００％から減じた値である。

表３は、４フェーズ用回路方式で上記磁性素子を用い、１インダクタあたり駆動周波数１ＭＨｚ、直流重畳１５Ａで駆動させる場合の電源効率を示している。また、最大電流値は電流値Ｉ＝０Ａでのインダクタンス値Ｌが、２０％低下する時の直流電流値を意味している。

表３より明らかなように、軟磁性合金からなる磁性粉の組成が、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏを合計量で９０重量％を超えて含む時に最大電流値が１５Ａ以上を示している。これはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏを合計量で９０重量％以上含む時、高飽和磁束密度と高透磁率とを実現できるためである。

表３のように、金属粉体粒径が１００μｍ以下の時、効率は８５％以上であり、さらに５０μｍ以下の効率は９０％以上である。これは軟磁性粉末の平均粒径を１００μｍ以下にすることが渦電流の低減に効果的であるためである。さらに軟磁性粉末の平均粒径は５０μｍ以下にすることがより好ましい。また平均粒径が１μｍ未満になると成形密度が小さくなるため、インダクタンス値が低下して好ましくない。

次に、本実施の形態による磁性素子の製造方法について説明する。まず、軟磁性合金粉末を用いて未硬化状態の熱硬化性樹脂を混合する。次にこの混合物を顆粒状とする。樹脂成分を混合した金属磁性粉末はそのまま用いて次の成形工程に移っても良いが、一旦メッシュ等を通して顆粒状に整粒することにより、粉末の流動性が向上するために使用しやすい。

次に、この顆粒を金型中に２つ以上のコイルと共に入れて目的とする金属磁性粉末の充填率となるように加圧成形する。この時隣り合うコイルは互いに同一巻き方向になるようにする。なお、充填率を高くするために加圧の圧力を高くすると飽和磁束密度や透磁率は高くなる。しかし、絶縁抵抗や絶縁耐圧は低下しやすくなり、さらに磁性体にかかる残留応力が大きくなって、磁気損失が増加する。

一方、充填率が低すぎると飽和磁束密度、透磁率が低くなって十分なインダクタンス値や直流重畳特性が得られない。これらに加え、金型の寿命を考慮すると、加圧成形時の圧力は１〜５ｔｏｎ／ｃｍ²、より望ましくは２〜４ｔｏｎ／ｃｍ²である。

次に、得られた成形体を加熱して熱硬化性樹脂を硬化させる。ここで、金型中加圧成形時に、同時に樹脂の硬化温度まで温度を上げて硬化させる方が電気抵抗率を高くしやすい。しかしこの方法では生産性が低いので、室温で加圧成形した後、加熱硬化しても良い。このようにしてマルチフェーズ用磁性素子を得る。

また、マルチフェーズ用磁性素子の端子はＣＰＵ等に供給するためには、入力端子と出力端子との角度が８０°以上で配置されていることが好ましい。

なお、本実施の形態は４フェーズ用磁性素子について説明しているが、４フェーズに限らず、コイルを２個内蔵した２フェーズ用磁性素子や、これ以上のマルチフェーズ用磁性素子にも同様な効果が得られる。

（実施の形態４）
図１３は本発明の実施の形態４における磁性素子の上面透視図を示す。また図１２は、図１３の磁性素子に埋設されたコイルの模式斜視図を示す。コイル４１Ａ，４１Ｂはそれぞれ、入力端子４２Ａ、４２Ｂ、出力端子４３Ａ、４３Ｂを有している。図１３において、隣り合う２つのコイル４１Ａ，４１Ｂは巻き数は同じであるが、コイルの巻き方向が逆である。そのため、それぞれ隣接するコイル中央部には磁束が正の結合になるように流れ、複合磁性材料４４の中に埋設されている。このような構成により、特に優れたリップル電流特性を持つ小型のマルチフェーズ用磁性素子を実現することができる。

以下、本実施の形態における磁性素子の具体的な構成とその特性を述べる。本実施の形態では複合磁性材料４４の原料として、ガスアトマイズ法で作製した平均粒径２０μｍのＦｅ−Ｓｉ軟磁性合金粉末を用いる。ＦｅとＳｉとの重量比率は０．９６５：０．０３５である。次に絶縁性結着剤として、シリコン樹脂をこの合金粉末に対して重量比率０．０２〜０．０４だけ加えて良く混合し、メッシュを通して製粒粉末を得る。次に、打ち抜き銅板を用いて、内径３．３ｍｍの３．５ターンのコイル４１Ａ，４１Ｂを準備する。このとき、コイル４１Ａ，４１Ｂの厚みを変えることにより直流抵抗値（Ｒｄｃ）が０．０２Ωになるように調整する。次に金型（図示せず）に上記製粒粉末とコイル４１Ａ，４１Ｂとを逆巻き方向で入れて加圧成形する。このとき、表４に示す充填率になるように圧力を０．５〜７ｔｏｎ／ｃｍ²の範囲で調整する。そして成形体を金型より取り出した後、１５０℃にて１時間加熱処理して硬化させる。

このようにして図１３に示すように、２個のインダクタを内蔵した、縦１０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚み４ｍｍの２フェーズ用磁性素子を得る。

図１３に示すように、隣り合うコイル４１Ａ，４１Ｂの巻き方向は逆で正の磁束の結合を示している。その時のインダクタンス値は試料Ｎｏ．３２〜３６のインダクタコイルは電流値Ｉ＝０Ａで０．２５〜０．２８μＨである。また、試料Ｎｏ．３１のインダクタコイルは０．２２μＨである。

また、コイルを埋設しない絶縁抵抗測定用サンプルとして、直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状の試料も上記製粒した軟磁性合金粉末を用いて同時に作製する。

表４は、２フェーズ用回路方式で上記磁性素子を用い、１インダクタあたり駆動周波数８００ｋＨｚ、直流重畳３０Ａで駆動させる場合の絶縁抵抗値と絶縁耐圧、最大電流値を示している。絶縁抵抗は絶縁抵抗測定用サンプルの両端をワニ口クリップではさみ、電気抵抗を電圧１００Ｖで測定する。表中の絶縁抵抗率は、このようにして測定した絶縁抵抗を試料の長さと断面積で規格化している。次に、電圧を５００Ｖまで１００Ｖ刻みで高くしながら電気抵抗を測定し、電気抵抗が急激に低下する電圧を求め、その直前の電圧をもって絶縁耐圧とする。また最大電流値は、電流値Ｉ＝０Ａでのインダクタンス値Ｌが２０％ダウンした時の直流重畳の電流値を意味する。

これらの磁性素子の評価結果を表４に示す。

表４より明らかなように、軟磁性合金粉末の充填率が９０体積％以下である時、優れた直流重畳特性と絶縁抵抗値を示している。また、充填率が低く６５体積％に満たないと、飽和磁束密度、透磁率が低くなって十分なインダクタンス値や直流重畳特性が得られない。通常、粉末を全く塑性変形させずに充填するとその充填率は６０〜６５体積％が上限であるが、この充填率では飽和磁束密度、透磁率とも低すぎる。従って、塑性変形を伴う程度の充填度が必要であり、すなわち６５％体積以上、より望ましくは７０％体積以上の充填率とする方が良い。

一方、合金粉末が９０体積％を超えるとコア絶縁が低下しコイルとの絶縁を保つことができない。よって、充填率の上限は絶縁抵抗率が低下しない範囲とするが、コイルを内蔵する事を考えると絶縁抵抗率は少なくとも１０⁵Ω・ｃｍ程度は必要であり、充填率は９０％以下、より望ましくは８５％以下とすれば良い。

以上説明した全ての実施の形態では、複合磁性材料として金属粉体からなる磁性粉を用いる。金属粉体の代わりにフェライト粉末を分散させたものを用いると、フェライトの充填率に限界があることから、飽和磁束密度が低く、直流重畳特性が悪い。

なお、金属粉体の製造方法は水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、カーボニル法、インゴット粉砕法等があるが特に製造方法によらない。また、それぞれの金属粉体の主組成に対して、不純物あるいは添加剤量が少量であれば同様な効果がある。さらに粉末形状は球状、偏平状、多角形状のいずれであっても良い。

また、直流重畳として大電流が流れる場合、コア部のみでなくコイル導体部の損失（銅損）も無視できなくなる。そこで、直流抵抗値をできるだけ低減するために、打ち抜きコイル等を用いてコイル部と端子部との接続が存在しない構造とすることが信頼性等の見地からもより好ましい。

また、絶縁性結着剤は結着後の強度や使用時の耐熱性、絶縁性の面からエポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が望ましい、またこれらからなる複合樹脂でもよい。

また、磁性体粉末との分散性を改善するために、あるいは絶縁耐圧性向上のために分散剤、無機系材料等を添加してもよい。このようなものとして、シラン系カップリング材やチタン系カップリング材、チタンアルコキシド、水ガラス等、また、窒化硼素、タルク、雲母、硫酸バリウム、テトラフルオロエチレン等の粉末が挙げられる。

本発明のマルチフェーズ用磁性素子は、複合磁性材料中に複数のコイルを埋設し、少なくとも２つ以上のコイル間には負の磁束の結合、または正の磁束の結合が存在する。この構成により、マルチフェーズ用磁性素子をより小型化する。また、磁性体内のインダクタンス値のばらつきをはるかに小さく抑えることができ、その結果、リップル電流値が低減される。さらに磁束の結合により、このようなマルチフェーズ用磁性素子は、優れたリップル電流特性、あるいは直流重畳特性を有し、電子機器のインダクタ、チョークコイルその他に用いられる磁性素子に有用である。

本発明の実施の形態１における磁性素子に含まれるコイルの模式斜視図 本発明の実施の形態１における磁性素子の上面透視図 従来の技術による比較例における磁性素子に含まれるコイルの模式斜視図 従来の技術による比較例における磁性素子の上面透視図 マルチフェーズ方式の電源回路図 本発明の実施の形態２における磁性素子の上段、下段コイルの模式斜視図 Ａは本発明の実施の形態２における磁性素子の上面透視図、ＢはＡの磁性素子の断面図 従来の技術による比較例における磁性素子に含まれるコイルの模式斜視図 Ａは従来の技術による比較例の磁性素子の上面透視図、ＢはＡの磁性素子の断面図 本発明の実施の形態３における磁性素子に含まれるコイルの模式斜視図 本発明の実施の形態３における磁性素子の上面透視図 Ａは本発明の実施の形態４における磁性素子に含まれるコイルの模式斜視図、ＢはＡのコイルに隣接するコイルの模式斜視図 本発明の実施の形態４における磁性素子の上面透視図

符号の説明

1, 31, 41A, 41B コイル
2A, 2B, 22A, 22B, 32, 42A, 42B 入力端子
3, 23A, 23B,33, 43A, 43B 出力端子
4,24, 34, 44 複合磁性材料
11 チョークコイル
12 コンデンサ
13 電池
14 スイッチング素子
15 負荷
21A 上段コイル
21B 下段コイル
51,61 コイル
52,62 入力端子
53,63 出力端子
54,64 複合磁性材料

Claims (13)

1. 複数のコイルと、
   前記複数のコイルを埋設する複合磁性材料と、を備え、
   前記複数のコイルのうち、少なくとも２つ以上のコイル間に磁束の結合が存在する、
   マルチフェーズ用磁性素子。
2. １つのコイルの巻途中に少なくとも１つ設けた第１端子と、
   前記コイルの両端にそれぞれ設けた第２、第３端子と、
   前記第１、第２端子の組合せと、前記第１、第３端子の組合せにより前記１つのコイルを前記複数のコイルとし、前記第１、第２端子の組合せによるコイルと前記第１、第３端子の組合せによるコイルとの間に負の磁束の結合が存在する、
   請求項１記載のマルチフェーズ用磁性素子。
3. 前記複数のコイルに含まれる各コイルの直流抵抗値が０．０５Ω以下である、
   請求項１記載のマルチフェーズ用磁性素子。
4. 前記複合磁性材料が軟磁性合金粉末と絶縁性結着剤とを含む、
   請求項１記載のマルチフェーズ用磁性素子。
5. 前記絶縁性結着剤が熱硬化性樹脂である、
   請求項４記載のマルチフェーズ用磁性素子。
6. 前記軟磁性合金粉末の組成が鉄、ニッケル、コバルトを合計量で９０重量％以上含む、
   請求項４記載のマルチフェーズ用磁性素子。
7. 前記軟磁性合金粉末の充填率が６５〜９０体積％である、
   請求項４記載のマルチフェーズ用磁性素子。
8. 前記軟磁性合金粉末の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下である、
   請求項４記載のマルチフェーズ用磁性素子。
9. 前記複数のコイルは、コイル部と端子部とが一体に構成された、
   請求項１記載のマルチフェーズ用磁性素子。
10. Ａ）軟磁性合金粉末と絶縁性樹脂とを混合して混合物を調製するステップと、
    Ｂ）前記混合物と、複数のコイルとを加圧成形し成形体を作製するステップと、
    Ｃ）前記絶縁性樹脂を硬化するステップと、を備え、
    前記複数のコイルのうち、少なくとも２つ以上のコイル間に、負の磁束の結合と正の磁束の結合とのいずれかが存在する、
    マルチフェーズ用磁性素子の製造方法。
11. 前記混合物を顆粒状とするステップと、をさらに備え、
    前記Ｂステップにおいて顆粒状にした前記混合物を用いる、
    請求項１０記載のマルチフェーズ用磁性素子の製造方法。
12. 前記絶縁性結着剤が熱硬化性樹脂であり、
    前記Ｃステップにおいて前記成形体を加熱する、
    請求項１０記載のマルチフェーズ用磁性素子の製造方法。
13. 前記複数のコイルを、打ち抜きにより、コイル部と端子部とを一体に構成した、
    請求項１０記載のマルチフェーズ用磁性素子の製造方法。

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