JP2009158501A - 磁気デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含むコアとその周囲に巻回された巻線とを有するトランスやチョークコイル等の磁気デバイスにおいて、磁気抵抗の増加を抑えながら、複雑な形状を有するコアを形成することを目的とする。
【解決手段】この磁気デバイスは、少なくとも１つのコア部材がアモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含む複数のコア部材の突合せ面を、磁性材料の粉末を含む接合剤を用いて互いに接合することによって構成された少なくとも１つのコアと、少なくとも１つのコアの周囲に巻回された少なくとも１つの巻線とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性材料のコアとその周囲に巻回された巻線とを有するトランスやチョークコイル等の磁気デバイス、及び、そのような磁気デバイスの製造方法に関する。

近年においては、電子機器の小型軽量化に伴い、小型軽量で効率良く電力を取り出すことのできるスイッチング電源が広く使用されている。スイッチング電源において、入力側と出力側との間で電気的な絶縁を必要とする場合には、トランスが使用される。一方、入力側と出力側との間で電気的な絶縁を必要としない場合には、トランスの替わりにチョークコイルを使用したチョッパ方式のスイッチング電源も用いられている。特に、インパクトプリンタにおいては、印字ヘッドを駆動するプランジャのソレノイドに十分な電流を供給するために、過負荷状態になっても電流を出力することが可能なスイッチング電源が望まれる。

一般に、トランスやチョークコイル等の磁気デバイスのコアとなる磁性体としては、低損失で効率の良いフェライトが用いられる。しかしながら、フェライトは磁気的に飽和し易いので、コアに巻かれた巻線の電流が一定値を超えると、コアが飽和して磁気特性が低下してしまう。

そこで、フェライトよりも飽和磁束密度が高く小型化に適したアモルファス金属の磁性体を磁気デバイスのコアとして使用することが考えられる。その場合には、巻線に流れるピーク電流を大きくすることができるので、プリンタ等の負荷がダイナミックに変動した場合でも、それに対応した電流を出力することが可能となる。

アモルファス金属の磁性材料の圧粉コアを製造する際には、アモルファス金属の磁性体を粉砕した後に、金型を使用して粉体を圧縮成形することによって、圧粉コアが形成される。しかしながら、アモルファス金属の磁性材料の圧粉コアは、金型内部への粉体の充填や成形に課題を残しており、複雑な形状を有する圧粉コアを形成することはできない。

関連する技術として、特許文献１には、機械的、熱的に厳しい環境条件に耐え得る構造で金具を簡易形状とし、かつ組立作業性を良好とし、コストダウンを図った小型トランス及びその製造方法が開示されている。この小型トランスは、縦断面がほぼＵ字状の長尺部材からなる取付金具用の押し出し素材を所定の長さで切断し、かつ離間して相対向する側板の一部を除去して平板状の底板の四隅に脚部を形成して製作され、軽量であって放熱性の良好な合金からなる取付金具と、縦断面がほぼコ字状の長尺部材からなる押え金具用の押し出し素材を所定の長さで切断し、前記取付金具と同素材からなり、かつその底板とほぼ同形状であって前記脚部上に設けられる蓋状の押え金具とを備え、前記取付金具の底板上に、下側スペーサを配し、その上にコイルボビンにコイルが巻回され、コアが組み込まれてなるトランス本体を設け、その上に上側スペーサを配し、蓋状の押え金具を前記脚部に取り付け固定し、かつ接着剤にて一体化して構成される。

また、特許文献２には、ボビンとコアとの重ね部分を薄肉構造とし、薄型化を図った低背型トランスが開示されている。この低背型トランスは、コイルが巻装される扁平矩形状の中央コア部及びこの中央コア部の両端部に一体に設けられた両端コア部を有するコア主体と、内側に薄肉部、外側に厚肉部を有し、前記薄肉部には上方に突出する一対の突出片を設けて、これら突出片と前記厚肉部の側面との間に上向きに開口する嵌合部を形成し、前記コア主体の両端コア部が前記嵌合部に嵌合されて前記薄肉部に載置されると共に、前記一対の突出片で前記中央コア部の両端部を挟持することにより、前記コア主体と一体的に結合される一対の合成樹脂製のボビンと、両端部が前記薄肉部の長手方向の端部に支持されて前記中央コア部を挟んで前記コア主体の両側部に設けられ、前記両端部が前記一対のボビンに接着固定される外側コア部と、前記一対のボビンにインサートされ、前記コイルの端末が接続される端子とを具備する。

さらに、特許文献３には、磁気ヘッドコアの加工精度の向上を図り、各ヘッドコアの高さ位置を調整した状態で各ヘッドコアを共通の取付ベースに取り付けることにより、従来必要とされていたヘッドコアの高さ調節機構を削除して、構造及び組立て工程を簡素化した磁気ヘッド及びその取り付け方法が開示されている。ここで、各ヘッドコアは、ガラスを用いたガラスボンディングによりＣ型コアとＩ型コアとを接着して、両者間にギャップを形成することにより製造される（段落００２４）。

特許文献１及び特許文献２には、複数のコアを互いに接着することは開示されていない。また、特許文献３には、ガラスを用いたガラスボンディングにより複数のコアを互いに接着することが開示されているが、ガラスは非磁性体であるので、接着部分において磁気抵抗が増加してしまう。
特許第３６０７６８０号公報（第４頁、図４） 特許第３６１９８１２号公報（第２頁、図１） 特許第３８４３４５２号公報（第４、７頁、図６）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、アモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含むコアとその周囲に巻回された巻線とを有するトランスやチョークコイル等の磁気デバイスにおいて、磁気抵抗の増加を抑えながら、複雑な形状を有するコアを形成することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る磁気デバイスは、少なくとも１つのコア部材がアモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含む複数のコア部材の突合せ面を、磁性材料の粉末を含む接合剤を用いて互いに接合することによって構成された少なくとも１つのコアと、少なくとも１つのコアの周囲に巻回された少なくとも１つの巻線とを具備する。

また、本発明の１つの観点に係る磁気デバイスの製造方法は、少なくとも１つのコア部材の周囲に少なくとも１つの巻線を配置する工程（ａ）と、複数のコア部材の突合せ面を、樹脂と磁性材料の粉末とを含む接合剤を用いて互いに接合することによって、少なくとも１つの巻線が巻回されたコアを構成する工程（ｂ）であって、複数のコア部材の内の少なくとも１つがアモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含む工程（ｂ）とを具備する。

本発明によれば、磁性材料の粉末を含む接合剤を用いて複数のコア部材を接合することによってアモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含むコアが構成されるので、アモルファス金属の圧粉体の突合せ面に多少の空隙があっても、接合剤に含まれている磁性材料の粉末が突合せ面における空隙を埋めることができる。また、凹凸や傾斜を有する突合せ面にも柔軟に対応することができる。従って、コア部材の突合せ面の接合部分における磁気抵抗の増加を抑えながら、複雑な形状を有するコアを形成することが可能となる。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気デバイスにおいて用いられるコアの構造を示す斜視図である。本発明に係る磁気デバイスは、少なくとも１つのコアと、その周囲に巻回された少なくとも１つの巻線とを有する。本実施形態においては、そのような磁気デバイスの例として、Ｅ型コアとＩ型コアとが組み合わされて磁気回路を構成するトランスについて説明する。

本実施形態においては、フェライトよりも飽和磁束密度が高く小型化に適したアモルファス金属の磁性材料を用いて形成される圧粉体のコアが用いられる。この磁性材料は、例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、又は、ボロン（Ｂ）を含んでおり、さらに、シリコン（Ｓｉ）又はアルミニウム（Ａｌ）を含んでいても良い。具体的な材料の例としては、鉄（Ｆｅ）及びコバルト（Ｃｏ）を含むアモルファス合金Ｆｅ−Ｃｏ（６０〜８０ｗｔ％）を用いることができる。

アモルファス金属の磁性材料の圧粉コアを製造する際には、アモルファス金属の磁性体を粉砕した後、金型を使用して磁性材料の粉体を圧縮成形することによって、圧粉コアが形成される。しかしながら、アモルファス金属の磁性材料の圧粉コアは、金型内部への粉体の充填や成形に課題を残しており、複雑な形状を有する圧粉コアを形成することはできない。そこで、本実施形態においては、図１に示すように、アモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含む複数のコア部材１１〜１３の突合せ面１１ａ〜１３ａを、アモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含むコア部材１４の突合せ面１４ａに接合することによって、Ｅ型コア１０が構成される。

これらのコア部材１１〜１４の接合には、磁性材料の粉末を含む接合剤が用いられる。このような接合剤としては、樹脂と磁性材料の粉末とを含む接着剤や、ガラス等の低融点の無機材料と磁性材料の粉末とを含む充填剤を用いることができる。ここで、接合剤用の磁性材料としては、例えば、コア部材用のアモルファス金属と同じ材料が用いられる。また、接着剤用の樹脂としては、例えば、エポキシ系、シリコーン系、又は、アクリル系の樹脂が用いられる。

これにより、アモルファス金属の圧粉体のもろさを保護すると共に、突合せ面の接合部分における磁気抵抗の増加を抑えることができる。アモルファス金属の圧粉体の表面は、フェライトのように焼結してセラミック質となっている訳ではなく、比較的ポーラスな状態である。従って、接合剤がアンカー効果によって着き易く、強い接着力を生じる。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気デバイスの組立て工程を示す斜視図である。図２に示すように、この磁気デバイスは、Ｅ型コア１０とＩ型コア２０との間に、１次側巻線（コイル）３１及び２次側巻線（コイル）３２が回巻されたボビン３０を挟み込む構造を有するトランスとして構成される。あるいは、２次側巻線３２を省略すれば、磁気デバイスとしてチョークコイルを構成することができる。

Ｉ型コア２０も、アモルファス金属の磁性材料の圧粉体を用いて形成される。Ｅ型コア１０のコア部材１２がボビン３０の開口に挿入され、Ｅ型コア１０とＩ型コア２０とを組み合わせることによってコア構造体が構成され、コア構造体が固定部材によって固定される。固定部材に加えて、又は、固定部材に替えて、磁性材料の粉末を含む接合剤を用いて、コア部材１１〜１３の突合せ面１１ｂ〜１３ｂをＩ型コア２０の突合せ面２０ａに接合するようにしても良い。それによって、コア部材１１〜１３とＩ型コア２０との間の磁気抵抗を低減することができる。その場合に、コア部材１１及び１３を省略して、「工」型のコア構造体を形成するようにしても良い。あるいは、コア部材１２を省略して、コア部材１１又は１３をボビン３０の開口に挿入するようにしても良い。

次に、本発明の第１の実施形態の変形例について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る磁気デバイスの組立て工程を示す斜視図である。通常は、ボビン３０に巻線が巻回された後に、ボビン３０の開口にコアの一部が挿入されるのであるが、本発明によれば、ボビン３０の開口にコア部材１２が挿入された後に、ボビン３０に巻線を巻くことも可能となる。さらに、コア部材１１〜１３をコア部材１４に接合すると共に、コア部材１１〜１４をＩ型コア２０に組み合わせ、又は、接合することにより、磁気デバイスが完成する。このように、本発明によれば、巻線工程の順序に自由度を持たせることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る磁気デバイスのコアの構造を示す斜視図である。第２の実施形態においては、アモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含むＩ型コア部材４０及びＵ型コア部材５０の突合せ面４０ａ及び５０ａを互いに接合することによって、１つのコアが構成される。

まず、Ｉ型コア部材４０又はＵ型コア部材５０が、１次側巻線６１及び２次側巻線６２が巻回された１つ又は２つのボビンの開口に挿入される。なお、図４においては、１次側巻線６１及び２次側巻線６２が模式的に示されている。その後に、磁性材料の粉末を含む接合剤を用いて、Ｉ型コア部材４０及びＵ型コア部材５０の突合せ面４０ａ及び５０ａが互いに接合される。これにより、磁気デバイスとしてトランスが構成される。あるいは、ボビンに１次側巻線６１及び２次側巻線６２を巻回する前に、ボビンの開口にＩ型コア部材４０又はＵ型コア部材５０を挿入するようにしても良い。また、２次側巻線６２を省略すれば、磁気デバイスとしてチョークコイルを構成することができる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態に係る磁気デバイスのコアの構造を示す斜視図である。第３の実施形態においては、アモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含む半ドーナツ型のトロイダルコア部材７１及び７２の突合せ面７１ａ及び７２ａを互いに接合することによって、１つのトロイダルコアが構成される。

まず、トロイダルコア部材７１及び７２が、１次側巻線８１及び２次側巻線８２が巻回された１つ又は２つのボビンの開口に挿入される。なお、図５においては、１次側巻線８１及び２次側巻線８２が、模式的に示されている。その後に、磁性材料の粉末を含む接合剤を用いて、トロイダルコア部材７１及び７２の突合せ面７１ａ及び７２ａが互いに接合される。これにより、磁気デバイスとしてトロイダルトランスが構成される。あるいは、ボビンに１次側巻線８１及び２次側巻線８２を巻回する前に、ボビンの開口にトロイダルコア部材７１及び７２を挿入するようにしても良い。また、２次側巻線８２を省略すれば、磁気デバイスとしてチョークコイルを構成することができる。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第４の実施形態に係る磁気デバイスのコアの構造を示す斜視図である。第４の実施形態においては、アモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含むＩ型コア部材４０及びＵ型コア部材５０及び９０の突合せ面を互いに接合することによって、１つのコアが構成される。

まず、Ｉ型コア部材４０が、１次側巻線６１及び２次側巻線６２が巻回された２つのボビンの開口に挿入され、Ｕ型コア部材９０が、３次側巻線６３が巻回されたボビンの開口に挿入される。なお、図６においては、１次側巻線６１〜３次側巻線６３が模式的に示されている。その後に、磁性材料の粉末を含む接合剤を用いて、Ｉ型コア部材４０及びＵ型コア部材５０及び９０が互いに接合される。これにより、磁気デバイスとしてトランスが構成される。あるいは、それぞれのボビンに１次側巻線６１〜３次側巻線６３を巻回する前に、それぞれのボビンの開口にＩ型コア部材４０及びＵ型コア部材９０を挿入するようにしても良い。

次に、本発明の第５の実施形態について説明する。第５の実施形態においては、アモルファス金属の磁性材料の圧粉体から形成されたコア部材と、フェライトの磁性体から形成されたコア部材とを用いて、コアが構成される。

図７は、本発明の第５の実施形態に係る磁気デバイスのコアの構造を示す斜視図である。図７の（Ａ）においては、アモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含むコア部材１１、１３、１４、及び、フェライトの磁性体を含むコア部材１０２を互いに接合することにより、Ｅ型コア１０ａが構成される。さらに、Ｅ型コア１０ａをＩ型コア２０に組み合わせ、又は、接合することにより、磁気デバイスとしてトランス又はチョークコイルが構成される。フェライトは、アモルファス金属よりも飽和磁束密度が低いが、エネルギー密度が高く、透磁率の周波数特性が広帯域であるので、アモルファス金属とフェライトとを組み合わせることにより、従来においては得られなかった磁気特性を有するコアを製造することが可能となる。

また、図７の（Ｂ）においては、アモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含むコア部材１２、１４、及び、フェライトの磁性体を含むコア部材１０１、１０３を互いに接合することにより、Ｅ型コア１０ｂが構成される。さらに、Ｅ型コア１０ｂをＩ型コア２０に組み合わせ、又は、接合することにより、磁気デバイスとしてトランス又はチョークコイルが構成される。ここで、アモルファス金属のコア部材１２に巻線が巻回される場合には、フェライトのコア部材１０１及び１０３が磁気回路において互いに並列に接続されることになるので、フェライトの飽和特性が改善される。

複数のコア部材の接合には、磁性材料の粉末を含む接合剤が用いられる。このような接合剤としては、樹脂と磁性材料の粉末とを含む接着剤や、ガラス等の低融点の無機材料と磁性材料の粉末とを含む充填剤を用いることができる。ここで、接合剤用の磁性材料としては、例えば、コア部材用のアモルファス金属又はフェライトと同じ磁性材料が用いられる。また、接着剤用の樹脂としては、例えば、エポキシ系、シリコーン系、又は、アクリル系の樹脂が用いられる。

以上においては、本発明をトランス及びチョークコイルに適用する場合について説明したが、本発明は、トランス及びチョークコイルに限定されるものではなく、モータ用ヨーク、磁気センサ、磁気ヘッド、磁気シールド、電磁ブザー（発音体）、表面実装用のインダクタンスチップ等の磁気デバイスに広く適用することが可能である。

本発明は、磁性材料のコアとその周囲に巻回された巻線とを有するトランスやチョークコイル等の磁気デバイスにおいて利用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る磁気デバイスにおいて用いられるコアの構造を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気デバイスの組立て工程を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る磁気デバイスの組立て工程を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気デバイスのコアの構造を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気デバイスのコアの構造を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る磁気デバイスのコアの構造を示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る磁気デバイスのコアの構造を示す斜視図である。

符号の説明

１０ Ｅ型コア
１１〜１４ アモルファス金属のコア部材
１１ａ〜１４ａ、１１ｂ〜１３ｂ、２０ａ、４０ａ、５０ａ、７１ａ、７２ａ 突合せ面
２０ Ｉ型コア
３０ ボビン
３１、６１、８１ １次側巻線
３２、６２、８２ ２次側巻線
４０ Ｉ型コア部材
５０、９０ Ｕ型コア部材
６３ ３次側巻線
７１、７２ トロイダルコア部材
１０１〜１０３ フェライトのコア部材

Claims (7)

1. 少なくとも１つのコア部材がアモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含む複数のコア部材の突合せ面を、磁性材料の粉末を含む接合剤を用いて互いに接合することによって構成された少なくとも１つのコアと、
   前記少なくとも１つのコアの周囲に巻回された少なくとも１つの巻線と、
   を具備する磁気デバイス。
2. 前記複数のコア部材が、アモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含む、請求項１記載の磁気デバイス。
3. 前記接合剤が、樹脂とアモルファス金属の磁性材料の粉末とを含む、請求項２記載の磁気デバイス。
4. 前記複数のコア部材の内の少なくとも他の１つが、フェライトの磁性体を含む、請求項１記載の磁気デバイス。
5. 前記接合剤が、樹脂とアモルファス金属又はフェライトの磁性材料の粉末とを含む、請求項４記載の磁気デバイス。
6. 前記少なくとも１つのコアが、トランス又はチョークコイルのＥ型コア又はトロイダルコアを含む、請求項１〜５のいずれか１項記載の磁気デバイス。
7. 少なくとも１つのコア部材の周囲に少なくとも１つの巻線を配置する工程（ａ）と、
   複数のコア部材の突合せ面を、樹脂と磁性材料の粉末とを含む接合剤を用いて互いに接合することによって、前記少なくとも１つの巻線が巻回されたコアを構成する工程（ｂ）であって、前記複数のコア部材の内の少なくとも１つがアモルファス金属の磁性材料の圧粉体を含む工程（ｂ）と、
   を具備する磁気デバイスの製造方法。

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