JP7147266B2

JP7147266B2 - 磁気部品、電子装置

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Publication number: JP7147266B2
Application number: JP2018095852A
Authority: JP
Inventors: 哲笹木
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2022-10-05
Anticipated expiration: 2038-05-18
Also published as: JP2019201153A; US11581122B2; US20190355507A1; CN110504089A

Description

本発明は、コイルと磁性体から成るコアとを備えた磁気部品と、当該磁気部品を備えた電子装置に関し、特にコアの割れを防止するための構造に関する。

たとえばＤＣ－ＤＣコンバータのような電子装置には、チョークコイルやトランスなどの磁気部品が備わっている。一般に、そのような磁気部品は、コイルとコアとを有している。

コイルは、たとえば特許文献１～３に開示されているような、電子装置の基板や電気配線などに電気的に接続され、通電されることにより磁束を発生する。コアは、フェライト磁性体材料などで形成されていて、コイルの大部分を覆うように設けられる。そして、コアは、コイルが発生した磁束の磁路を形成する。

特許文献１～３に開示されているように、磁気部品は、電子装置に備わる筐体や金属板などの支持部材の上に載置され、固定具やねじや接着剤などの固定部材により支持部材に対して固定される。

コイルへの通電時に、コイルやコアは発熱する。特に、大電流が流れるチョークコイルやトランスなどに備わるコイルやコアの発熱量は多くなる。その熱でコアの温度が限界温度を超えると、コアが磁性体として機能しなくなり、熱暴走と呼ばれる状態に陥って、磁気部品の性能が損なわれてしまう。

この対策として、従来は、たとえば支持部材を放熱体で形成し、該支持部材に対して磁気部品のコアを密着させている。また、特許文献２では、コアと一体化されたケースに脚部を設け、該脚部をねじより支持部材（筐体）に固定し、コアと支持部材との間に放熱空間を設けている。また、特許文献３では、支持部材（金属板）の上面に設けた伝熱層と突起部により、磁気部品の下面の両端部を支持し、磁気部品と支持部材とを接着する接着剤の厚みを薄くしている。

特開２００４－３０３８１６号公報特開２０１１－１８１８０４号公報特開２００９－３０３２８５号公報

たとえば車載用の電子装置には、車体や走行駆動源などから、振動や衝撃などの外力が加わる。特に、エンジンの近傍に設置された電子装置には、車両の走行時などにエンジンから大きな振動や衝撃などの外力が加わる。その大きな外力により電子装置に備わる磁気部品のコアが外れないように、固定部材によりコアを支持部材に確実に固定する必要がある。

しかし、コアは、一般にフェライト磁性体材料などの割れ易い脆性材料で形成されているため、固定部材から大きな力がコアに加わると、コアが割れてしまうおそれがある。具体的には、特許文献１のように、上方から固定部材でコアを支持部材に押し付ける構造では、固定部材からの押圧力の作用方向に対して、コアから支持部材までの間に空間があると、コアに大きな曲げ応力やせん断応力がかかって、コアが割れ易くなる。また、コアの製造上の問題で、コアの寸法がばらついて、支持部材と接触するコアの接触面にそりが生じることがある。この場合、固定部材からの押圧力の作用方向に対して、コアと支持部材との間に隙間が生じ、固定部材からコアへの押圧力と、支持部材からコアへの反力とが同一直線上に作用せず、コアに大きな曲げ応力やせん断応力がかかって、コアが割れ易くなる。そして、コアが割れてしまうと、磁気部品の性能や、磁気部品を備えた電子装置の性能が損なわれてしまう。

コアの割れ対策として、固定部材によりコアを支持部材に押し付ける荷重をコアが割れない程度まで低減する一方、固定強度を補強するために、固定部材とは別に接着やポッティングなどを施して、コアを支持部材に固定する方法がある。しかし、そうすると、磁気部品や電子装置の製造工程数が増えて、製造コストも高くなってしまう。

本発明は、コアを支持部材に確実に固定し、かつコアの割れを防止することを課題とする。

本発明の磁気部品は、通電されることにより磁束を発生するコイルと、その磁束の磁路を形成する磁性体から成るコアと、コアを支持する支持部材と、コアを支持部材に固定する固定部材とを備えている。コアは、支持部材との接触面に対して垂直に立設された柱部を有している。支持部材は、コアの側方に立設された台座を有しているとともに、コアとの対向面のうち柱部と接触しない部分に窪みを有している。固定部材は、根元部が台座に固定され、先端部でコアの柱部を支持部材に押し付ける板ばねを含んでいる。そして、板ばねからコアへの押圧力と、支持部材からコアへの反力とが同一直線上に作用する。

また、本発明の電子装置は、上記磁気部品と、上記磁気部品のコイルが電気的に接続された基板と、磁気部品と基板とを保持する筐体とを備える。

上記によると、固定部材によりコアの柱部を支持部材に押し付けているので、固定部材からの押圧力の作用方向に対して、コアから支持部材までの間に空間が存在せず、コアにかかる曲げ応力やせん断応力を小さく抑えて、コアの割れを防止することができる。また、コアと対向する支持部材の対向面のうち、柱部と接触しない部分に窪みを設けているので、支持部材と対向するコアの対向面にそりが生じていても、該コアの対向面のうち、固定部材からの押圧力が作用するコアの柱部だけを支持部材に接触させることができる。そして、固定部材からの押圧力の作用方向に対して、コアと支持部材との間に隙間が生じず、固定部材からコアへの押圧力と、支持部材からコアへの反力とが同一直線上に作用して、コアにかかる曲げ応力やせん断応力を小さく抑え、コアの割れを防止することができる。これらの結果、固定部材によりコアを支持部材に確実に固定し、かつコアの割れを防止することが可能となる。また、従来のように、固定部材によるコアの押圧力を低減する一方で、固定強度の補強のために、固定部材とは別に接着やポッティングなどを施していないので、磁気部品や電子装置の製造工程数の増大と製造コストの上昇を抑制することが可能となる。

本発明では、柱部は、コアと支持部材との接触面に対して平行な方向におけるコアの両端部に設けられ、窪みは、柱部間に向かって開口するように支持部材に設けられてもよい。

また、本発明において、コアは、長手方向の断面がＥ形に形成された２つのコアを、その長手方向の両端部に設けられた凸部同士が密着して柱部を形成するように組み合わせて構成されてもよい。

さらに、本発明において、支持部材は、コアが発する熱を放熱する放熱体から構成されてもよい。

本発明によれば、コアを支持部材に確実に固定し、かつコアの割れを防止することが可能となる。

本発明の実施形態による電子装置の要部の平面図である。図１の磁気部品の断面図である。図１の磁気部品の断面図である。従来の磁気部品の断面図である。従来の磁気部品の断面図である。従来の磁気部品の断面図である。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一符号を付してある。

図１は、実施形態の電子装置１００の要部の平面図である。図２Ａおよび図２Ｂは、図１の磁気部品３の断面図（図１のＡ－Ａ断面図）である。

図１に示す電子装置１００は、たとえば車載用のＤＣ－ＤＣコンバータであり、車両のエンジンの近傍に設置される。電子装置１００の筐体１は、金属製または合成樹脂製の放熱体から成る。筐体１は、基板２と磁気部品３などを保持している。

基板２はプリント基板から構成されている。基板２は、筐体１上の所定位置にねじ９により固定されている。図示を省略しているが、基板２には、複数の電子部品が実装され、電気回路が形成されている。また、筐体１には、磁気部品３以外の電子部品も固定されている。

磁気部品３は、たとえばチョークコイルから構成されている。磁気部品３のコイル４は、本例では、板金加工により形成された断面が平角形のエッジワイズコイルから構成され、通電されることにより磁束を発生する。コイル４に大電流を安定に流すため、コイル４の巻線（平角線）の断面積は広くなっている。コイル４の両端部には、コイル４に電流を流すための端子部４ｂが設けられている。各端子部４ｂは、コア５ａ、５ｂ（図２Ａおよび図２Ｂ）の一側方へ引き出されて、電気配線１０の一端に電気的に接続されている。電気配線１０の他端は、基板２（図１）に電気的に接続されている。つまり、コイル４は、基板２に対して電気的に接続されている。

図２Ａなどに示すように、コア５ａ、５ｂは、長手方向（図１～図２Ｂで左右方向）の断面がＥ形のフェライトコアから構成されている。すなわち、コア５ａ、５ｂは、フェライト磁性体材料で形成されている。コア５ａ、５ｂは、コイル４が発生した磁束の磁路を形成する。

図２Ａなどにおいて、上側に配置されている上コア５ａは、基部５ｃと、基部５ｃから下方へ突出する３つの凸部５ｅ、５ｆ、５ｇを有している。凸部５ｅ、５ｆ、５ｇは、上コア５ａの長手方向（図１～図２Ｂで左右方向）に一列に並んでいる。

下側に配置されている下コア５ｂは、基部５ｄと、基部５ｄから上方へ突出する３つの凸部５ｈ、５ｉ、５ｊを有している。凸部５ｈ、５ｉ、５ｊは、下コア５ｂの長手方向（図１～図２Ｂで左右方向）に一列に並んでいる。

コア５ａ、５ｂの中央にある凸部５ｆ、５ｉに対して、左右にある凸部５ｅ、５ｇ、５ｈ、５ｊの方が、基部５ｃ、５ｄからの突出量が多くなっている。

上コア５ａの左右の凸部５ｅ、５ｇの先端面（下端面）と、下コア５ｂの左右の凸部５ｈ、５ｊの先端面（上端面）とをそれぞれ密着させて、コア５ａ、５ｂは組み合わされている。そして、コア５ａ、５ｂの長手方向の両端部には、凸部５ｅ、５ｈと基部５ｃ、５ｄの一端部から成る柱部５Ｌと、凸部５ｇ、５ｊと基部５ｃ、５ｄの他端部から成る柱部５ｒとが形成されている。上コア５ａの凸部５ｆと下コア５ｂの凸部５ｉとは、所定の大きさの隙間をおいて対向している。

凸部５ｆ、５ｉは、コイル４の巻回部４ａの内側に配置されている。柱部５Ｌ、５ｒは、コイル４の巻回部４ａの外側に配置されている。つまり、コイル４は、コア５ａ、５ｂの柱部５Ｌ、５ｒの間に配置され、コイル４の巻線は、凸部５ｆ、５ｉの周囲に巻回されている。これにより、コイル４に大電流を流したときに、所定のインダクタンスが実現され、該インダクタンスの直流重畳特性が凸部５ｆ、５ｉの隙間により高められる。

コア５ａ、５ｂとコイル４との間には、ボビン６が設けられている。ボビン６は、合成樹脂製の絶縁体から成り、コア５ａ、５ｂとコイル４とを絶縁している。

図１に示すように、コア５ａ、５ｂは、筐体１上の所定位置に配置され、コイル４の巻回部４ａの大部分を覆っている。また、図２Ａなどに示すように、下コア５ｂは、筐体１により下方から支持されている。下コア５ｂと筐体１との接触面Ｘには、熱伝導性と絶縁性を有するグリスやシートなどを介在させてもよい。筐体１は、本発明の「支持部材」の一例である。

筐体１上には、コア５ａ、５ｂの長手方向の両側方に位置するように、台座１ａが立設されている。筐体１からの台座１ａの高さは、コア５ａ、５ｂの高さより高くなっている。各台座１ａ上には、板ばね７の根元部がねじ８により固定されている。各板ばね７の先端部は、上コア５ａの長手方向の両端部を押圧している。つまり、各板ばね７は、先端部でコア５ａ、５ｂの柱部５Ｌ、５ｒを上方から筐体１に押し付けて、コア５ａ、５ｂを筐体１に固定している。板ばね７とねじ８は、本発明の「固定部材」の一例である。他の例として、コア５ａ、５ｂの高さに対して台座１ａの高さを同じかまたは低くし、かつ板ばね７の長さを長くして、該板ばね７でコア５ａ、５ｂを上から押さえ付ける構造にしてもよい。

板ばね７がコア５ａ、５ｂを押圧する荷重は、車両のエンジンなどから電子装置１００や磁気部品３に大きな振動や衝撃など外力が加わっても、コア５ａ、５ｂが筐体１から離脱しないような大きさに設定されている。

コア５ａ、５ｂの柱部５Ｌ、５ｒは、コア５ａ、５ｂと筐体１との接触面Ｘに対して平行なコア５ａ、５ｂの長手方向の両端部に、該接触面Ｘに対して垂直に立設されている。各柱部５Ｌ、５ｒの上端部は、板ばね７により下方へ押圧され、各柱部５Ｌ、５ｒの下端部は、筐体１に支持されている。

下コア５ｂと対向する筐体１の対向面１ｃのうち、コア５ａ、５ｂの柱部５Ｌ、５ｒと接触しない部分には、窪み１ｂが設けられている。このため、コア５ａ、５ｂの柱部５Ｌ、５ｒの下端部以外は、筐体１と接触しなくなっている。

図３Ａ、図３Ｂ、および図４は、従来の磁気部品３’、３”の断面図である。従来は、図３Ａ～図４に示すように、下コア５ｂと対向する筐体１の対向面１ｃが平坦でかつ面一になっており、下コア５ｂの下面全域が筐体１と接触していた。

このため、図３Ａに示すように、筐体１と対向する下コア５ｂの対向面５ｋが平坦でかつ、該対向面５ｋにそりが生じていない理想の状態では、板ばね７により上方からコア５ａ、５ｂを押し付ける押圧力Ｐに対する、筐体１からの反力Ｒが下コア５ｂの基部５ｄに分散した状態で作用する。

然るに、コア５ａ、５ｂの製造上の問題で、コア５ａ、５ｂの寸法がばらついて、図３Ｂに示すように、筐体１と対向する下コア５ｂの対向面５ｋに、中央へ行くに連れて筐体１側へ突出するようにそりが生じる場合がある。この場合、コア５ａ、５ｂの柱部５Ｌ、５ｒの上端部を板ばね７により下方へ押圧しても、下コア５ｂの対向面５ｋの最も突出した中央部分だけが筐体１に接触して、板ばね７からの押圧力Ｐの作用方向（図３Ｂで下方向）に対して、下コア５ｂと筐体１との間に隙間が生じてしまう。このため、板ばね７からコア５ａ、５ｂへの押圧力Ｐと、筐体１からコア５ａ、５ｂへの反力Ｒ’とが同一直線上に作用せず、下コア５ｂに大きな曲げ応力やせん断応力がかかって、下コア５ｂが割れ易くなる。特に、図３Ｂに示すように、下コア５ｂの凸部５ｉの根元部から基部５ｄに向かってひびＣが生じて、下コア５ｂが割れ易くなる。

また、電子装置１００や磁気部品３の設計上の都合などで、図４に示すように、コア５ａ、５ｂの柱部５Ｌ、５ｒの上端部以外の、上コア５ａの中央部分を板ばね７’または板ばね７”により下方へ押圧する場合がある。この場合、各板ばね７’、７”の押圧力Ｐ’、Ｐ”の作用方向（図４で下方向）に対して、上コア５ａから筐体１までの間に空間（コイル４を収容する空間や、凸部５ｆ、５ｉの隙間）が存在するため、上コア５ａに大きな曲げ応力やせん断応力がかかって、上コア５ａが割れ易くなる。特に、図４に示すように、上コア５ａの凸部５ｆの根元部から基部５ｃに向かってひびＣ’が生じて、上コア５ａが割れ易くなる。

これに対して、本実施形態では、図２Ａなどに示したように、板ばね７によりコア５ａ、５ｂの柱部５Ｌ、５ｒを筐体１に押し付けているので、該板ばね７からの押圧力Ｐの作用方向に対して、コア５ａ、５ｂから筐体１までの間に空間が存在しなくなる。このため、上コア５ａにかかる曲げ応力やせん断応力を小さく抑えて、上コア５ａの割れを防止することができる。

また、コア５ａ、５ｂと対向する筐体１の対向面１ｃのうち、コア５ａ、５ｂの柱部５Ｌ、５ｒと接触しない部分に窪み１ｂを設けている。このため、図２Ｂに示すように、筐体１と対向する下コア５ｂの対向面５ｋに、中央へ行くに連れて筐体１側へ突出するようにそりが生じていても、該下コア５ｂの対向面５ｋのうち、最も突出した中央部分を窪み１ｂに入り込ませることにより、該中央部分が筐体１に接触しなくなる。このため、板ばね７からの押圧力Ｐが作用するコア５ａ、５ｂの柱部５Ｌ、５ｒの下端部だけを、筐体１に接触させることができる。そして、板ばね７からの押圧力Ｐの作用方向に対して、下コア５ｂと筐体１との間に隙間が生じず、板ばね７からコア５ａ、５ｂへの押圧力Ｐと、筐体１からコア５ａ、５ｂへの反力Ｒとが同一直線上に作用して、下コア５ｂにかかる曲げ応力やせん断応力を小さく抑え、下コア５ｂの割れを防止することができる。

以上の結果、板ばね７によりコア５ａ、５ｂを筐体１に確実に固定し、かつコア５ａ、５ｂの割れを防止することが可能となる。そして、コア５ａ、５ｂの割れにより磁気部品３と電子装置１００の性能が損なわれるのを阻止することが可能となる。

また、従来のように、板ばね７によるコア５ａ、５ｂの押圧力を低減し、その場合の補強手段として接着やポッティングなどを施すことをしていないので、磁気部品３や電子装置１００の製造工程数の増大と製造コストの上昇を抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、下コア５ｂと筐体１との接触面Ｘに対して平行な方向におけるコア５ａ、５ｂの長手方向の両端部に、柱部５Ｌ、５ｒを設けている。このため、各柱部５Ｌ、５ｒを板ばね７により上方から筐体１に押し付けることで、コア５ａ、５ｂを筐体１に安定かつ確実に固定することができる。

さらに、本実施形態では、電子装置１００の筐体１を放熱体で構成し、該筐体１にコア５ａ、５ｂを密着状態で固定している。このため、コイル４への通電時に、コア５ａ、５ｂから発せられた熱を柱部５Ｌ、５ｒから筐体１に伝えて、筐体１から外部へ放熱することができる。そして、コア５ａ、５ｂが熱暴走状態になるのを防止して、磁気部品３や電子装置１００の性能が損なわれることも防止することが可能となる。

本発明は、上述した以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、以上の実施形態では、コア５ａ、５ｂを電子装置１００の筐体１により支持および固定した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば、筐体１とは別の支持部材によりコア５ａ、５ｂを支持して、板ばね７によりコア５ａ、５ｂを当該支持部材に固定し、当該支持部材をねじや接着剤などの固定手段で筐体１に固定してもよい。

また、以上の実施形態では、断面がＥ形の２つのフェライトコア５ａ、５ｂを上下に組み合わせてコアを構成した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば、断面がＥ形のコアと、断面がＩ形のコアとを組み合わせてコアを構成してもよい。また、その他の形状のコアを１つだけ用いてもよいし、３つ以上組み合わせてコアを構成してもよい。さらに、フェライト以外の磁性材料で形成されたコアを用いてもよい。また、コアに設ける柱部は１つでもよいし、３つ以上でもよい。

また、以上の実施形態では、コイル４としてエッジワイズコイルを用いた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば、巻線がプリント基板の配線パターンで構成されているコイルを用いてもよい。また、巻線の断面が平角形以外の角形や円形などのような他の形状のコイルを用いてもよい。

また、以上の実施形態では、板ばね７とねじ８によりコア５ａ、５ｂを筐体１に固定した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば金属製または合成樹脂製の固定具を、コアを固定する固定部材として用いてもよい。また、上記のような固定部材を２つ以上組み合わせてもよいし、上記のような固定部材と接着剤や接着テープなどを併用してもよい。また、固定部材によりコアを押圧するなどして拘束する箇所は、１箇所でもよいし、複数箇所でもよい。さらに、支持部材によりコアを拘束する箇所も、１箇所でもよいし、複数箇所でもよい。

また、以上の実施形態では、筐体１に窪み１ｂを１つ設けた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば、コア５ａ、５ｂの柱部５Ｌ、５ｒ以外の部分と対向する筐体１の対向部分に複数の窪みを設けてもよい。また、コア５ａ、５ｂの熱を筐体１に伝わり易くするため、窪みには、熱伝導性と絶縁性を有するグリスや弾性シートなどを配置してもよい。さらに、コア５ａ、５ｂと筐体１との接触面Ｘにも、熱伝導性と絶縁性を有するグリスや弾性シートなどを介在させてもよい。

また、以上の実施形態では、チョークコイルから成る磁気部品３に対して本発明を適用した例を示したが、トランスなどの他の磁気部品に対しても本発明は適用することが可能である。

さらに、以上の実施形態では、車両のエンジンの近傍に設置される車載用のＤＣ－ＤＣコンバータから成る電子装置１００と、該電子装置１００に備わる磁気部品３に対して本発明を適用した例を挙げたが、その他の車載用の電子装置や、車載用以外の電子装置や、それらに備わる磁気部品に対しても、本発明を適用することは可能である。

１筐体（支持部材）
１ａ台座
１ｂ窪み
１ｃ対向面
２基板
３磁気部品
４コイル
５ａ上コア
５ｂ下コア
５ｅ、５ｇ、５ｈ、５ｊ凸部
５Ｌ、５ｒ柱部
７板ばね（固定部材）
８ねじ（固定部材）
１００電子装置
Ｘ接触面

Claims

通電されることにより磁束を発生するコイルと、
前記磁束の磁路を形成する磁性体から成るコアと、
前記コアを支持する支持部材と、
前記コアを前記支持部材に固定する固定部材と、を備えた磁気部品において、
前記コアは、前記支持部材との接触面に対して垂直に立設された柱部を有し、
前記支持部材は、前記コアの側方に立設された台座を有しているとともに、前記コアとの対向面のうち前記柱部と対向しない部分に窪みを有しており、
前記固定部材は、根元部が前記台座に固定され、先端部で前記コアの前記柱部を前記支持部材に押し付ける板ばねを含み、
前記板ばねから前記コアへの押圧力と、前記支持部材から前記コアへの反力とが同一直線上に作用する、ことを特徴とする磁気部品。
請求項１に記載の磁気部品において、
前記柱部は、前記コアと前記支持部材との接触面に対して平行な方向における前記コアの両端部に設けられ、
前記窪みは、前記柱部間に向かって開口するように前記支持部材に設けられている、ことを特徴とする磁気部品。
請求項１または請求項２に記載の磁気部品において、
前記コアは、長手方向の断面がＥ形に形成された２つのコアを、前記長手方向の両端部に設けられた凸部同士が密着して前記柱部を形成するように組み合わせて構成されている、ことを特徴とする磁気部品。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の磁気部品において、
前記支持部材は、前記コアが発する熱を放熱する放熱体から成る、ことを特徴とする磁気部品。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の磁気部品と、
前記磁気部品の前記コイルが電気的に接続された基板と、
前記磁気部品と前記基板とを保持する筐体と、を備えたことを特徴とする電子装置。