JP4548522B2 - コイル部品及びこれを備えた電源装置 - Google Patents

Description

本発明はコイル部品に関し、特に、電源装置のカップルドインダクタとしての利用が好適なコイル部品に関する。また、本発明はこのようなコイル部品を備えた電源装置に関する。

コンピュータなどに使用される電源装置の一つとして、いわゆるマルチフェーズ型のレギュレータ回路が知られている。マルチフェーズ型のレギュレータ回路は、スイッチングによって互いに位相の異なるスイッチング電流を生成し、これを合成することによって平滑な出力電流を得る回路である。このようなマルチフェーズ型のレギュレータ回路においては、より平滑な出力電流を得るためにカップルドインダクタと呼ばれるコイル部品が用いられることがある。カップルドインダクタとしては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。

カップルドインダクタによって平滑な出力電流を得るためには、スイッチング電流が流れる一対の導体間を所望のレベルで磁気結合させる必要がある。つまり、導体間における磁気結合が弱すぎても強すぎても平滑な出力電流を得ることができず、ある最適なレベルに調整する必要がある。磁気結合レベルの調整は、導体間に存在する磁性体の厚さや形状を変えることによって行うことができる。具体的には、図１２（ａ）に示すように、導体（図示せず）が配置される溝１１，１２を磁性コア１０に設け、溝１１，１２を磁性コア１０の一部である仕切り壁１３で完全に分離すれば、導体間における磁気結合は低下する。一方、図１２（ｂ）に示すように、仕切り壁１３を除去することによって溝１１，１２を一体化すれば、導体間における磁気結合は増大する。

しかしながら、目的とする磁気結合のレベルが図１２（ａ）の構造で得られるレベルよりも大きく、図１２（ｂ）の構造で得られるレベルよりも小さいといった場合、仕切り壁１３の有無によって磁気結合を調整することは困難となる。このような場合、図１２（ｃ）に示すように、仕切り壁１３の一部を除去することにより溝１１，１２の一部を空洞１３ａによって繋ぐ方法が考えられる。この方法によれば、図１２（ａ）の構造で得られる磁気結合と図１２（ｂ）の構造で得られる磁気結合の中間のレベルを得ることが可能となる。したがって、空洞１３ａの長さＬを調整すれば、所望の磁気結合が得られるものと考えられる。
特開２００７−１８４５０９号公報

しかしながら、本発明者が検討を行った結果、空洞１３ａの長さＬのみによって磁気結合を調整する場合、種々の問題が発生することが明らかとなった。具体的には、磁気結合を高めるために空洞１３ａの長さＬを大きくすると、空洞１３ａの体積がその分増大することから、磁性コア１０の内部に大きな空洞が存在することになる。一方で、磁性コア１０には、ある一定の体積（コア体積）が必要とされることから、磁性コア１０の内部に大きな空洞が存在すると、磁性コア１０の外形寸法が増大してしまう。

磁性コア１０の外形寸法を増大させることなく磁気結合を高めるためには、溝１１，１２の距離（仕切り壁１３の厚さＴ）を短くする方法が考えられる。しかしながら、溝１１，１２の距離を短くすると導体間の距離も短くなることから、端子電極となる部分においてショート不良の危険性が増してしまう。このような問題は、特許文献１に記載されたカップルドインダクタのように、溝に被覆導線を通すタイプのものにおいては大きな問題とはならないが、表面実装型のカップルドインダクタのように、溝１１，１２に配置される導体の端部を端子電極として用いるタイプのものにおいては、大きな問題となる。

尚、上記の問題はカップルドインダクタに限らず、コイル部品全般において生じる問題である。

したがって、本発明の目的は、磁性コアの外形寸法の増大を抑制し且つ導体間のショート不良を防止しつつ、所望の磁気結合を得ることが可能なコイル部品及びこれを備えた電源装置を提供することである。

本発明によるコイル部品は、一方の表面から他方の表面へ貫通する少なくとも第１及び第２の貫通孔を有する磁性コアと、第１及び第２の貫通孔にそれぞれ配置された第１及び第２の導体とを備えるコイル部品であって、磁性コアは、第１の貫通孔と第２の貫通孔とを内部で繋ぐ非磁性部を有し、非磁性部を介した第１の導体と第２の導体との距離は、一方の表面及び他方の表面における第１の導体と第２の導体との距離よりも近いことを特徴とする。

このように、本発明によるコイル部品は、第１の導体と第２の導体との距離が非磁性部において近づけられていることから、磁性コアの内部に大きな空洞を設けることなく、導体間の磁気結合を高めることが可能となる。しかも、第１の導体と第２の導体との距離は、磁性コアの表面において遠ざけられていることから、磁性コアの表面に端子電極を設ける場合であっても、これらがショートする危険性が増すことはない。

本発明においては、第１及び第２の貫通孔の一方の表面から非磁性部までの長さと、第１及び第２の貫通孔の他方の表面から非磁性部までの長さが互いに等しいことが好ましい。これによれば、非磁性部が磁性コアの中央部に位置することから、入力側と出力側を逆にしても同じ特性が得られる。つまり、方向性のないコイル部品となることから、実装時における作業効率を高めることが可能となる。

本発明においては、非磁性部が空洞であっても構わないし、磁性コアに埋め込まれた絶縁部材であっても構わない。前者によれば、磁性コアの製造コストを抑えることが可能となる。一方、後者によれば、非磁性部を介したショート不良などを防止することが可能となる。

本発明においては、第１及び第２の導体が磁性コアの一方及び他方の表面において折り曲げられ露出していることが好ましい。これによれば、表面実装型のコイル部品として使用することが可能となる。この場合、第１及び第２の貫通孔の断面並びに第１及び第２の導体の断面は、いずれも実装面と平行な辺が実装面と垂直な辺よりも長い四角形であることが好ましい。これによれば、磁性コアに無駄な隙間などが生じにくく、さらに、導体の折り曲げ加工も容易となる。しかも、コイル部品の低背化にも有利である。

また、本発明による電源装置は、互いに位相の異なる第１及び第２のスイッチング電流をそれぞれ生成する第１及び第２のスイッチング部と、上記のコイル部品とを備え、第１及び第２のスイッチング電流がそれぞれ第１及び第２の導体に供給されることを特徴とする。本発明によれば、上記のコイル部品を使用していることから、小型であり且つ信頼性の高い電源装置を提供することが可能となる。

このように、本発明によれば、磁性コアの外形寸法の増大を抑制し且つ導体間のショート不良を防止しつつ、所望の磁気結合を得ることが可能なコイル部品及びこれを備えた電源装置を提供することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるコイル部品１００の外観を示す略斜視図である。また、図２は本実施形態によるコイル部品１００の略分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態によるコイル部品１００は、第１及び第２の磁性体部材１１０，１２０からなる磁性コア１３０と、第１及び第２の導体２１０，２２０とを備えている。磁性体部材１１０，１２０の材料としては、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトやＮｉ−Ｚｎ系フェライトなどを用いることが好ましい。また、導体２１０，２２０の材料としては、銅などの金属を用いることが好ましい。磁性体部材１１０，１２０の材料としてＭｎ−Ｚｎ系フェライトを用いれば高い磁気結合を得ることが可能となるが、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトは導電性を有していることから、導体２１０，２２０に絶縁被覆などを施す必要がある。

磁性体部材１１０は略平板状であり、底面である実装面１１０ａと、実装面１１０ａと平行な表面１１０ｂと、実装面１１０ａに対して垂直な表面１１０ｃ，１１０ｄを有している。磁性体部材１２０も平板状であり、磁性体部材１１０の表面１１０ｂに貼り付けられる。磁性体部材１１０を表面１１０ｂ側から見た構造は、図３に示されている。図３には、導体２１０，２２０の平面的な位置も示されている。また、図４は導体２１０，２２０の平面図である。

図２及び図３に示すように、磁性体部材１１０の表面１１０ｂには、２つの溝１１１，１１２が設けられている。溝１１１，１１２は、それぞれ導体２１０，２２０を収容するための溝である。このため、溝１１１，１１２に導体２１０，２２０を収容した状態で磁性体部材１１０と１２０を貼り合わせると、溝１１１，１１２は、それぞれ磁性コア１３０を貫通する第１及び第２の貫通孔１１１ａ，１１２ａとなり、これら貫通孔１１１ａ，１１２ａに導体２１０，２２０が配置された状態となる。貫通孔１１１ａ，１１２ａは、表面１１０ｃから表面１１０ｄへ貫通している。

溝１１１，１１２は途中で折れ曲がった形状を有している。これにより、溝１１１，１１２の間隔は、端部である表面１１０ｃ，１１０ｄにおいて最も広くなり、中央部に近づくにつれて狭くなる。そして、中央部においては溝１１１，１１２の間隔がゼロとなり、両者は空洞１１３を介して繋がっている。換言すれば、溝１１１，１１２を分離する仕切り壁１１４の厚さＴ１が中央部に近づくにつれて小さくなり、中央部において仕切り壁１１４の存在しない空洞１１３が形成されている。空洞１１３の内部は空気で満たされているため、空洞１１３は非磁性部として機能する。また、仕切り壁１１４は、磁性体部材１１０の一部である。

導体２１０，２２０の平面形状は、それぞれ溝１１１，１１２の平面形状に対応している。このため、溝１１１，１１２に導体２１０，２２０をそれぞれ配置すると、空洞１１３を介した導体２１０，２２０の距離Ｄ１は、磁性体部材１１０の表面１１０ｃ，１１０ｄにおける導体２１０，２２０の距離Ｄ２よりも近くなる。

また、磁性体部材１１０の実装面１１０ａには、溝１１５〜１１８が設けられている。これらの溝１１５〜１１８は、折り曲げられた導体２１０，２２０の先端部を収容するための溝である。つまり、導体２１０，２２０のうち溝１１１，１１２からはみ出した部分は、表面１１０ｃ，１１０ｄにて折り曲げられ、その先端が溝１１５〜１１８に収容される。このため、磁性体部材１１０と１２０を貼り合わせると、表面１１０ｃ，１００ｄ及び実装面１１０ａにて導体２１０，２２０が露出した状態となる。露出した部分は、コイル部品１００の端子電極として用いられる。導体２１０の折り曲げ位置２１０ａ〜２１０ｄ及び導体２２０の折り曲げ位置２２０ａ〜２２０ｄは、図４に示すとおりである。

導体２１０，２２０の断面（長手方向と交差する断面）は、実装面１１０ａと平行な辺が実装面１１０ａと垂直な辺よりも長い四角形である。このような断面形状により、折り曲げ加工を容易に行うことができるとともに、端子電極の面積を十分に確保することが可能となる。また、溝１１１，１１２により形成される貫通孔の断面（長手方向と交差する断面）も、導体２１０，２２０の断面と対応した四角形である。これにより、導体２１０，２２０と磁性コア１３０との間に無駄な隙間が生じにくいことから、コイル部品１００全体のサイズを小型化することが可能となる。

図５は、コイル部品１００の等価回路図である。

図５に示すように、コイル部品１００は、導体２１０の一端である端子電極２３１と、導体２１０の他端である端子電極２３２との間にインダクタＬ１〜Ｌ３が接続され、同じく、導体２２０の一端である端子電極２３３と、導体２２０の他端である端子電極２３４との間にインダクタＬ４〜Ｌ６が接続された回路構成となる。このうち、インダクタＬ１とＬ４、並びにインダクタＬ２とＬ６は、仕切り壁１１４の存在によって磁気的に分離されていることから磁気結合が相対的に弱い。これに対し、インダクタＬ２とＬ５については、両者間に仕切り壁１１４が存在せず、非磁性部である空洞１１３を介して近接していることから、互いに強い磁気結合が生じている。

尚、図３に示すように、本実施形態においては表面１１０ｃ側から見ても表面１１０ｄ側から見ても、溝１１１，１１２の端部から空洞１１３までの長さＤ３が同じである。このため、インダクタＬ１（Ｌ４）とインダクタＬ３（Ｌ６）は、互いに同じインダクタンスを有していることになる。したがって、端子電極２３１，２３２又は端子電極２３３，２３４のいずれを入力側とし、いずれを出力側として用いても、特性に変化は生じない。つまり、コイル部品１００に方向性がないことから、実装時における作業効率を高めることが可能となる。但し、本発明によるコイル部品がこれに限定されるものではなく、方向性を持たせても構わない。

図６は、コイル部品１００が実装されるプリント基板上の配線パターンを示す図である。

図６に示すように、プリント基板３００には一対の入力配線パターン３０１，３０２と、一対の出力配線パターン３０３，３０４が設けられている。これらの配線パターン３０１〜３０４は搭載領域３１０にて終端しており、この搭載領域３１０にコイル部品１００が実装される。これにより、各配線パターン３０１〜３０４がそれぞれ対応する端子電極に接続されることになる。

この場合、一対の端子電極間の距離が近いと、対応する配線パターンと端子電極とを個々に正しく接続することが困難となり、場合によってはショート不良を引き起こしてしまう。しかしながら、本実施形態によるコイル部品１００では、端子電極が形成される表面１１０ｃ，１１０ｄにおいて導体２１０，２２０間の距離が遠ざけられていることから、このような問題を生じることがなく、高い信頼性を確保することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によるコイル部品１００は、導体２１０，２２０の距離が空洞１１３において近づけられていることから、磁性コア１３０の内部に大きな空洞を設けることなく、導体間の磁気結合を高めることが可能となる。しかも、導体２１０，２２０の距離は、磁性コア１３０の表面において遠ざけられていることから、隣接する端子電極間の距離を十分に確保することが可能となる。

次に、本実施形態によるコイル部品１００を用いた電源装置について説明する。

図７は、本実施形態によるコイル部品１００を用いた電源装置４００の回路図である。

図７に示す電源装置４００は、入力電圧Ｖｉｎを受ける入力コンデンサ４０１と、スイッチングによって入力電圧Ｖｉｎから第１のスイッチング電流ｉ１を生成する第１のスイッチング部４１０と、スイッチングによって入力電圧Ｖｉｎから第２のスイッチング電流ｉ２を生成する第２のスイッチング部４２０と、スイッチング電流ｉ１，ｉ２が供給されるコイル部品１００と、コイル部品１００によって平滑化されたスイッチング電流ｉ１，ｉ２を受ける出力コンデンサ４０２とを備えている。出力コンデンサ４０２は負荷４０３に接続される。

スイッチング部４１０はスイッチング素子４１１と整流器４１２からなり、同様に、スイッチング部４２０はスイッチング素子４２１と整流器４２２からなる。スイッチング素子４１１と４２１は交互にオンオフ動作を行い、これにより、互いに位相の異なるスイッチング電流ｉ１，ｉ２が生成される。スイッチング電流ｉ１は導体２１０によって構成されるインダクタＬ１〜Ｌ３に供給され、スイッチング電流ｉ２は導体２２０によって構成されるインダクタＬ４〜Ｌ６に供給される。

図８は電源装置４００の動作を説明するための電流波形図であり、（ａ）はインダクタＬ１〜Ｌ３に流れるスイッチング電流ｉ１、（ｂ）はスイッチング電流ｉ２によってインダクタＬ１〜Ｌ３に誘導される逆方向電流ｉ３、（ｃ）はインダクタＬ１〜Ｌ３に流れる合計電流ｉ１＋ｉ３を示している。

図８（ａ）に示すスイッチング電流ｉ１は、スイッチング部４１０のスイッチング動作によって生成される電流であり、スイッチング素子４１１がオンしている期間において漸増し、スイッチング素子４１１がオフしている期間において漸減する。一方、図８（ｂ）に示す逆方向電流ｉ３は、スイッチング部４２０のスイッチング動作によって生成される電流であり、スイッチング素子４２１がオンしている期間において漸増し、スイッチング素子４１１がオフしている期間において漸減する。そして、スイッチング素子４１１と４２１は交互にオンオフ動作を行っていることから、図８（ｃ）に示す合計電流ｉ１＋ｉ３は、実質的に一定となる。以上、インダクタＬ１〜Ｌ３に流れる電流に着目して説明したが、インダクタＬ４〜Ｌ６に流れる電流についても同様である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、導体２１０，２２０が近接する非磁性部を空洞１１３によって構成しているが、非磁性部が空洞であることは必須ではない。したがって、図９に示すように、空洞の代わりに絶縁部材１１９を介在させても構わない。これによれば、空洞１１３を用いた場合と比べて構成部材は増えるものの、非磁性部を介したショート不良などを防止することが可能となる。絶縁部材１１９としては、非磁性セラミックや接着剤（例えば熱硬化性エポキシ樹脂）などを用いることができる。

また、上記実施形態では、第１の磁性体部材１１０に溝１１１，１１２が形成されて居る一方、第２の磁性体部材１２０には溝が設けられていないが、本発明における磁性コアの構成がこれに限定されるものではない。したがって、例えば、磁性体部材１１０と１２０の両方に溝を設けても構わない。

さらには、２つの磁性体部材を貼り合わせることによって磁性コアを構成することも必須でなく、３以上の磁性体部材を貼り合わせることによって磁性コアを構成しても構わないし、金属圧粉材料を用いて磁性コアを一体的に形成しても構わない。金属圧粉材料によって磁性コアを形成すれば、導体と磁性コアとの間に隙間が生じないことから、体積効率を高めることが可能となる。但し、金属圧粉材料によって磁性コアを形成する場合は、内部に空洞１１３を形成することが困難であることから、図９に示したように、絶縁部材１１９によって非磁性部を構成することが望ましい。

また、上記実施形態では、２本の溝１１１，１１２に導体２１０，２２０が配置されているが、図１０に示すように、３本の溝５１１〜５１３にそれぞれ導体６１１〜６１３を配置しても構わない。図１０に示す例では、隣り合う溝（溝５１１と５１２、溝５１２と５１３）が中央部において近接し、端部において離れる形状を有している。また、隣り合う溝は、中央部において空洞５１４を介して繋がっている。

また、３本以上の導体を配置する場合、隣接する全ての導体が中央部において近接することは必須でない。例えば、図１１に示すように、４本の溝５２１〜５２４のうち隣接する溝５２２，５２３については中央部において近接しない形状とし、これにより、溝５２２，５２３に配置される導体も中央部において近接しないよう構成しても構わない。図１１に示す例では、溝５２１〜５２４にそれぞれ導体６２１〜６２４が配置され、溝５２１と５２２は中央部において空洞５２５を介して繋がっており、溝５２３と５２４も中央部において空洞５２５を介して繋がっている。

本発明の好ましい実施形態によるコイル部品１００の外観を示す略斜視図である。 コイル部品１００の略分解斜視図である。 磁性体部材１１０を表面１１０ｂ側から見た略平面図である。 導体２１０，２２０の平面図である。 コイル部品１００の等価回路図である。 コイル部品１００が実装されるプリント基板上の配線パターンを示す図である。 コイル部品１００を用いた電源装置４００の回路図である。 電源装置４００の動作を説明するための電流波形図であり、（ａ）はスイッチング電流ｉ１の変化、（ｂ）は逆方向電流ｉ３、の変化（ｃ）は合計電流ｉ１＋ｉ３の変化を示す。 空洞１１３の代わりに絶縁部材１１９を用いた例を示す略平面図である。 磁性コアに３本の溝５１１〜５１３を設けた例を示す略平面図である。 磁性コアに４本の溝５２１〜５２４を設けた例を示す略平面図である。 従来のコイル部品に用いる磁性コア１０の形状を示す図であり、（ａ）は仕切り壁１３によって溝１１，１２を分離した例、（ｂ）は溝１１，１２を一体化させた例、（ｃ）は仕切り壁１３に空洞１３ａを設けた例を示す。

符号の説明

１００ コイル部品
１１０，１２０ 磁性体部材
１１０ａ 実装面
１１０ｂ〜１１０ｄ 表面
１１１，１１２ 溝
１１１ａ，１１２ａ 貫通孔
１１３ 空洞（非磁性部）
１１４ 仕切り壁
１１５〜１１８ 溝
１１９ 絶縁部材（非磁性部）
１３０ 磁性コア
２１０，２２０ 導体
２１０ａ〜２１０ｄ，２２０ａ〜２２０ｄ 導体の折り曲げ位置
２３１〜２３４ 端子電極
３００ プリント基板
３０１，３０２ 入力配線パターン
３０３，３０４ 出力配線パターン
３１０ 搭載領域
４００ 電源装置
４０１ 入力コンデンサ
４０２ 出力コンデンサ
４１０，４２０ スイッチング部
４１１，４２１ スイッチング素子
４１２，４２２ 整流器
５１１〜５１３，５２１〜５２４ 溝
５１４，５２５ 空洞
６１１〜６１３，６２１〜６２４ 導体

Claims (7)

1. 一方の表面から他方の表面へ貫通する少なくとも第１及び第２の貫通孔を有する磁性コアと、前記第１及び第２の貫通孔にそれぞれ配置された第１及び第２の導体とを備えるコイル部品であって、
   前記磁性コアは、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔とを内部で繋ぐ非磁性部を有し、前記非磁性部を介した前記第１の導体と前記第２の導体との距離は、前記一方の表面及び前記他方の表面における前記第１の導体と前記第２の導体との距離よりも近いことを特徴とするコイル部品。
2. 前記第１及び第２の貫通孔の前記一方の表面から前記非磁性部までの長さと、前記第１及び第２の貫通孔の前記他方の表面から前記非磁性部までの長さが互いに等しいことを特徴とする請求項１に記載のコイル部品。
3. 前記非磁性部が空洞であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコイル部品。
4. 前記非磁性部が前記磁性コアに埋め込まれた絶縁部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコイル部品。
5. 前記第１及び第２の導体は、前記磁性コアの前記一方及び他方の表面において折り曲げられ露出していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のコイル部品。
6. 前記第１及び第２の貫通孔の断面並びに前記第１及び第２の導体の断面は、いずれも実装面と平行な辺が前記実装面と垂直な辺よりも長い四角形であることを特徴とする請求項５に記載のコイル部品。
7. 互いに位相の異なる第１及び第２のスイッチング電流をそれぞれ生成する第１及び第２のスイッチング部と、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のコイル部品とを備え、前記第１及び第２のスイッチング電流がそれぞれ前記第１及び第２の導体に供給されることを特徴とする電源装置。

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