磁気デバイス及びそれを用いた電源装置
【課題】製造コストを抑えながら所望のインダクタンス値やコアの形状が容易に得られる磁気デバイスを提供する。
【解決手段】この磁気デバイスは、アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体によって構成された少なくとも１つのコア部材を含み、該少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、他の面とは異なる表面粗さを少なくとも一部において有するように加工された磁性体のコアと、磁性体のコアに磁気的に結合された少なくとも１つの巻線とを具備する。
【解決手段】この磁気デバイスは、アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体によって構成された少なくとも１つのコア部材を含み、該少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、他の面とは異なる表面粗さを少なくとも一部において有するように加工された磁性体のコアと、磁性体のコアに磁気的に結合された少なくとも１つの巻線とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体のコアと該コア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を用いた電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。フェライトは、高い硬度を有しているので（ビッカース硬度ＨＶ＞４００）、超音波加工やダイヤモンド研磨等の限られた機械加工しか行うことができなかった。例えば、Ｅ字型コア部材の中央脚にギャップを形成するためにも、超音波加工やダイヤモンド研磨等を行うか、ＮＣ研削装置を用いた大量処理による研削を行う必要があり、高額な費用を要していた。
【０００４】
ところで、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。
【０００５】
アモルファス金属の磁性材料の圧粉コアは、一般に、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形成される。しかしながら、そのような圧粉コアを用いて磁気デバイスを製造したときに、磁気デバイスの仕上がり寸法にばらつきが生じたり、インダクタンス値が設計値から外れることもあり、その磁気デバイスを用いた電源装置において所望の特性が得られないこともある。そのような場合に、金型を作製し直すと、高額な費用を要してしまう。トランスやインダクタの巻線は、流す電流の値によって線径が異なるが、コアの形状や寸法によっては、占積率の制約により所望のターン数の巻き線を巻回することが困難になる場合も生じる。
【０００６】
また、アモルファス金属の磁性材料の圧粉コアは、金型のキャビティ内における充填ばらつき等によって成形時に変形し、成形後に金型から離脱される際に変形が幾分元に戻る（スプリングバック）。あるいは、成形に際して表面保護処理を行うこともある。このため、離型後に多少の寸法誤差を有している。通常は、コアの寸法に許容差を設けるが、複数のコア部材をそのままの状態で突き合わせると、余計な磁気ギャップが発生して磁気デバイスのインダクタンス値が大幅に低下すると共に、ガタが生じて振動による唸り（可聴雑音）が発生するおそれがある。同様に、巻線を巻回するボビンのコア挿通孔とコアとのクリアランスを大きくとるとガタが生じ、しかも、磁気デバイスが大型化してしまう。
【０００７】
関連する技術として、特許文献１には、磁気回路中のギャップ部を精度良く、しかも容易に作成することができ、安価なトランスコアを作成することができるトランスコアの加工方法が開示されている。この加工方法は、トランスを構成するためのコアに複数の磁気回路構成面を加工すると共に、それらの磁気回路構成面の内の任意の面にギャップ部を形成する加工方法であって、第１の加工用のホイールと、この第１の加工用のホイールの径よりも大きい径の第２の加工用のホイールとを組み合わせて、コアの複数の磁気回路構成面とギャップ部とを同時に加工することを特徴とする。しかしながら、この加工方法も、フェライトのコアを対象としたものであり（請求項３）、比較的大規模な加工装置を必要とするので、設備費用が高額になってしまう。
【特許文献１】特開平８−６６８５７号公報（第１−２頁、図１、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、製造コストを抑えながら所望のインダクタンス値やコアの形状が容易に得られる磁気デバイスを提供することを目的とする。さらに、本発明は、そのような磁気デバイスを用いて小型化及び／又は薄型化が可能な電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体によって構成された少なくとも１つのコア部材を含み、該少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、他の面とは異なる表面粗さを少なくとも一部において有するように加工された磁性体のコアと、磁性体のコアに磁気的に結合された少なくとも１つの巻線とを具備する。
【００１０】
また、本発明の１つの観点に係る電源装置は、本発明に係る磁気デバイスと、スイッチング動作を行うことにより、磁気デバイスの巻線に電流を流すスイッチング素子と、スイッチング素子のスイッチング動作を制御するための制御信号を生成する制御回路とを具備する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、他の面とは異なる表面粗さを有するように加工された磁性体のコアを用いることにより、製造コストを抑えながら所望のインダクタンス値やコアの形状を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
本発明は、磁性体のコアと、該コアに巻回された少なくとも１つの巻線とを有する磁気デバイス（トランスやチョークコイル等）に適用されるが、以下の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字型コア部材とＩ字型コア部材とが組み合わされて磁性体のコアを構成するトランスについて説明する。
【００１３】
また、本発明においては、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た圧粉体のコア部材が用いられる。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。
【００１４】
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を示す平面図である。図１の（ａ）は、離型後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。Ｅ字型コア部材１０及びＩ字型コア部材２０を用いてトランスを製造したときに、トランスの１次側巻線又は２次側巻線から見たインダクタンス値が設計値から外れる場合には、そのトランスを用いた電源装置において所望の特性が得られないことになる。
【００１５】
そこで、本実施形態においては、トランスのインダクタンス値を目標値よりも少し高めに設定しておき、図１の（ａ）における一点鎖線に沿ってＥ字型コア部材１０の中央の脚を加工することにより、トランスのインダクタンス値を微調整している。以下の実施形態においては、加工方法として、機械的な研削が用いられるが、化学的なエッチング等を用いても良い。機械的な研削方法としては、金ヤスリやドレッシングプレート等を用いて研磨したり、砥石を用いて切削したり、金ノコを用いて切断したり、ドリルを用いて穴開けしたり、サンドブラスト、超音波加工、又は、水ジェットを用いて研削したりすることができる。また、コア部材の加工された面が、粘着層、接着層、又は、保護層によって覆われるようにしても良い（以下の実施形態においても同じ）。
【００１６】
図１の（ｂ）は、研削後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。Ｅ字型コア部材１０の中央の脚には、斜めに研削された面１０ａが形成されることになる。研削面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、研削面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。
【００１７】
従来のフェライトやセンダスト等の磁性材料のコアは、酸化物や金属が焼結されているので後加工が困難であったが、アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体のコアは、後加工が容易であるので、コアを機械的に研削することによって、磁気デバイスのインダクタンス値や磁気飽和特性やコアの形状を容易に調整することができる。
【００１８】
また、フェライトコアの場合には、一般的に、金型を用いて顆粒を成形した後に成形体を焼結してコアが製造されるので、金型の壁面に接するコア表面は高密度となり、コア内部は低密度となり易い。従って、焼結後のフェライトコアの表面を削ると、磁気特性が大きく損なわれる。一方、アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体のコアの場合には、コアの表面を削っても磁気特性の低下が起こり難い。
【００１９】
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字型コア部材１０とＩ字型コア部材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。
【００２０】
図３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変形例を示す平面図である。図３の（ａ）は、離型後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。この変形例においては、図３の（ａ）における一点鎖線に沿ってＥ字型コア部材１０の中央の脚を機械的に研削することにより、磁気デバイスのインダクタンス値を微調整している。
【００２１】
図３の（ｂ）は、研削後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。Ｅ字型コア部材１０の中央の脚は、階段状に研削された面１０ｂを有することになる。研削面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、研削面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。このように、Ｅ字型コア部材１０の中央の脚を階段状に削ることによって、磁気デバイスのインダクタンス値や磁気飽和特性やコアの形状を容易に調整することができる。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る磁気デバイスについて説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る磁気デバイスにおいて用いられるコアを示す平面図である。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、金型を用い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、金型のキャビティ内での充填ばらつき等によって成形時に変形し、成形後に金型から離脱される際に変形が幾分元に戻るので（スプリングバック）、離型後に多少の寸法誤差を有している。成形後に表面の圧粉の離脱を避けるために樹脂コーティングを行う場合もあり、寸法ばらつきの原因にもなる。
【００２３】
図４の（ａ）は、離型後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。離型後のＥ字型コア部材１１は、スプリングバックによる寸法誤差を有しており、図４の（ａ）は、中央の脚が両側の脚よりも長くなっている場合を示している。そのままの状態でＥ字型コア部材１１とＩ字型コア部材２０とを突き合わせると、余計な磁気ギャップが発生してインダクタンス値が大幅に低下すると共に、ガタが生じて振動による唸り（可聴雑音）が発生するおそれがある。また、ボビンとコアとのガタも大きくなる。
【００２４】
そこで、図４の（ｂ）に示すように、離型後のＥ字型コア部材１１の中央の脚を機械的に研削することにより、中央の脚の長さを両側の脚の長さに揃えている。その結果、Ｅ字型コア部材１０の中央の脚は、研削された面１１ａを有することになる。研削面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、研削面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。
【００２５】
このように、中央の脚の長さを両側の脚の長さに揃えたことによって、Ｅ字型コア部材１１とＩ字型コア部材２０とを突き合わせた際に両者を密着させることができるので、余計な磁気ギャップが発生せず、インダクタンス値の大幅な低下を防止することができる。また、ガタが生じないので、振動による唸りが発生するおそれがない。
【００２６】
図５は、本発明の第２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第１の変形例を示す平面図である。図５の（ａ）は、離型後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。離型後のＥ字型コア部材１２は、スプリングバックによる寸法誤差を有しているので、図５の（ａ）に示すように、両側の脚が中央の脚よりも長くなっている。そのままの状態でＥ字型コア部材１２とＩ字型コア部材２０とを突き合わせると、余計な磁気ギャップが発生してインダクタンス値が大幅に低下すると共に、ガタが生じて振動による唸りが発生するおそれがある。
【００２７】
そこで、図５の（ｂ）に示すように、離型後のＥ字型コア部材１２の両側の脚を機械的に研削することにより、両側の脚の長さを中央の脚の長さに揃えている。その結果、Ｅ字型コア部材１２の両側の脚は、研削された面１ａ及び１ｂを有することになる。研削面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、研削面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。
【００２８】
このように、両側の脚の長さを中央の脚の長さに揃えたことによって、Ｅ字型コア部材１２とＩ字型コア部材２０とを突き合わせた際に両者を密着させることができるので、余計な磁気ギャップが発生せず、インダクタンス値の大幅な低下を防止することができる。また、ガタが生じないので、振動による唸りが発生するおそれがない。
【００２９】
図６は、本発明の第２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第２の変形例を示す平面図である。図６に示す第２の変形例においては、離型後のＥ字型コア部材１３の３つの脚を機械的に研削することにより、３つの脚の長さを互いに揃えている。その結果、Ｅ字型コア部材１３の３つの脚は、研削された面１３ａ〜１３ｃを有することになる。研削面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、研削面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。
【００３０】
このように、３つの脚の長さを互いに揃えたことによって、Ｅ字型コア部材１３とＩ字型コア部材２０とを突き合わせた際に両者を密着させることができるので、余計な磁気ギャップが発生せず、インダクタンス値の大幅な低下を防止することができる。また、ガタが生じないので、振動による唸りが発生するおそれがない。
【００３１】
ところで、アモルファス金属の磁性材料の成形体を脱バインダのために焼成すると、コアの表面には、カーボン成分、酸化物、又は、窒化物等の処理層が付着する。その結果、コアの表面層は撥液状となり、樹脂が乗り難くなって、樹脂を含む接着剤を用いる場合に接着力が弱くなる傾向にある。そこで、アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体のコアの表面を機械加工で削ると、研削面が物理的に凹凸のある粗面となるので、アンカー効果が期待できる。また、撥液状の表面層が除去されるので、研削面においては、液体接触角が他の面におけるのと異なることにより、他の面よりも濡れ性を有するようになる。
【００３２】
従って、図７に示すように、接合剤４０を用いてＥ字型コア部材１３とＩ字型コア部材２０とを接合する場合に、接合剤４０が研削面に強く接合するようになる。接合剤４０としては、好ましくは、磁性材料の粉末を含む接合剤が用いられ、例えば、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。そのような接合剤４０を用いてＥ字型コア部材１３とＩ字型コア部材２０とを接合することにより、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。
【００３３】
次に、本発明の第３の実施形態に係る磁気デバイスについて説明する。
図８は、本発明の第３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を示す斜視図である。本実施形態においては、Ｅ字型コア部材１４及びＩ字型コア部材２０の外側のエッジ（稜線）を面取り加工すると共に、Ｅ字型コア部材１４及びＩ字型コア部材２０の外側のコーナーを面取り加工することにより、コアの損耗を防止している。また、これにより、磁気デバイスを組み立てる作業者の手を傷付けるおそれもなくなる。さらに、Ｉ字型コア部材２０の外側のエッジ及びコーナーが面取りされたことによって形成されるコア部材の加工形状は、Ｅ字型コア部材１４とＩ字型コア部材２０とを突き合わせる際のオリエンテーションマークとしても利用することができる。
【００３４】
加工面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。好ましくは、加工面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となるようにする。これにより、加工面に、カバー材として樹脂皮膜を接着することが容易になる。
【００３５】
次に、本発明の第４の実施形態に係る磁気デバイスについて説明する。
図９は、本発明の第４の実施形態に係る磁気デバイスを示す斜視図である。図９に示すように、この磁気デバイスは、Ｅ字型コア部材１４とＩ字型コア部材２０との間に、１次側巻線（コイル）及び２次側巻線（コイル）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次側巻線を用いず、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。
【００３６】
本実施形態においては、コアの露出面をサンドブラスト加工することによって、加工面にける表面粗さの値を、金型を用いて圧縮成形された他の面における表面粗さの値よりも大きくしている。好ましくは、加工面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となるようにする。これにより、含浸樹脂に対する濡れ性が良くなるので、Ｅ字型コア部材１４とＩ字型コア部材２０との周りに粘着テープ５０を巻いたときに、粘着テープ５０との密着性が改善される。あるいは、コア部材１４又は２０の加工された面が、接着層を介して、磁気デバイスが実装される回路基板の部品搭載面に固着されるようにしても良い。
【００３７】
また、Ｅ字型コア部材１４の中央の脚をサンドブラスト加工することによって、中央の脚の表面を粗くすれば、含浸樹脂を含む接着剤を用いてボビン３０をＥ字型コア部材１４の中央の脚に強力に接着することができるので、トランスの唸りを低下させることができる。
【００３８】
次に、本発明の第５の実施形態に係る磁気デバイスについて説明する。
図１０は、本発明の第５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１０に示すように、この磁気デバイスは、Ｅ字型コア部材１４とＩ字型コア部材２１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。
【００３９】
本実施形態においては、Ｉ字型コア部材２１に穴開け加工が施されており、開口６１及び６２が形成されている。加工面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、加工面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。このように、Ｉ字型コア部材２１に開口６１及び６２が形成されているので、ビスを用いて磁気デバイスを基板に固定することが容易になる。
【００４０】
以上の実施形態においては、トランス又はチョークコイルのコアがＥ字型コア部材とＩ字型コア部材とを組み合わせることによって構成される場合について説明したが、トランス又はチョークコイルのコアは、２つのＥ字型コア部材を組み合わせることによって構成されても良いし、その他の形状を有する複数のコア部材を組み合わせることによって構成されても良いし、トロイダルコアのように単一のコア部材によって構成されても良い。
【００４１】
次に、本発明に係る磁気デバイスを用いた電源装置の実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第１の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。第１の実施形態においては、磁気デバイスとしてトランスを用いたスイッチング電源装置を例にとって説明する。
【００４２】
図１１に示す電源装置は、入力端子１及び２に供給される交流電源電圧を整流及び平滑することにより直流電圧を生成する整流平滑回路１１０と、１次側巻線３１に印加される交流電圧を昇圧又は降圧して２次側巻線３２から出力するトランス１２０と、トランスの１次側巻線３１に直列に接続され、パルス状の駆動信号に従ってスイッチング動作を行うことにより１次側巻線３１に電流を流すスイッチング素子１３０と、スイッチング素子１３０を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路１４０と、トランスの１次側巻線３１に流れる電流を検出する１次側電流検出回路１５０とを有している。
【００４３】
さらに、この電源装置は、トランスの２次側巻線３２に発生する電圧を半波整流するダイオード１６１及び整流電圧を平滑するコンデンサ１６２を含む整流平滑回路１６０と、コンデンサ１６２の両端における直流電圧を検出する２次側電圧検出回路１７０と、整流平滑回路１６０から出力端子３及び４を介して出力される電流を検出する２次側電流検出回路１８０と、各種検出回路の検出結果に基づいてスイッチング素子１３０のスイッチング動作を制御するための制御信号を生成して駆動回路１４０に供給する制御回路１９０と、アイソレータ２０１及び２０２とを有している。
【００４４】
整流平滑回路１１０は、例えば、ダイオードブリッジとコンデンサとを含んでおり、入力端子１と入力端子２との間に印加される交流電圧をダイオードブリッジによって全波整流し、コンデンサによって平滑する。
【００４５】
トランス１２０は、例えば図２に示すようにＥ字型コア部材１０とＩ字型コア部材２０とを組み合わせることによって構成された磁性体のコア３３と、コア３３に回巻された１次側巻線３１及び２次側巻線３２とを有している。１次側巻線３１の巻数をＮ１とし、２次側巻線３２の巻数をＮ２とすると、損失がないとした場合に、１次側と２次側との間の昇圧比は、Ｎ２／Ｎ１となる。なお、トランス１２０に付されたドットの記号は、巻線の極性を示している。
【００４６】
一般に、スイッチング電源において、トランスの１次側から２次側への電力伝達方式としては、スイッチング素子がオンした時に１次側から２次側に電力を伝達するフォワード方式と、スイッチング素子がオフした時に１次側から２次側に電力を伝達するフライバック方式とがある。本実施形態においては、回路が比較的簡単で部品点数を少なくすることができるフライバック方式を採用している。
【００４７】
図１１に示すようなフライバック型のスイッチング電源においては、トランスの１次側巻線３１と２次側巻線３２とが逆極性の関係となっており、スイッチング素子１３０がオンしている間は、トランス１２０の１次側電流は増加するが、トランス１２０の２次側においてはダイオードで逆バイアスされているので２次側電流は流れない。トランス１２０は、スイッチング素子１３０がオンしている時に、コア３３にエネルギーを蓄える。
【００４８】
次に、スイッチング素子１３０がオフすると、磁場が電流を維持しようとするので、トランス１２０の電圧極性が反転して、トランス１２０の２次側において電流が流れる。トランス１２０の２次側電流は、トランスの２次側巻線３２に直列接続されたダイオード１６１を介してコンデンサ１６２に充電されることにより、出力端子３と出力端子４との間に直流出力電圧を発生させる。スイッチング素子１３０としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体−電界効果トランジスタ）等のパワートランジスタが用いられる。
【００４９】
図１１において、１次側回路としては、駆動回路１４０と、１次側電流検出回路１５０とが該当し、２次側回路としては、２次側電圧検出回路１７０と、２次側電流検出回路１８０とが該当する。１次側回路及び２次側回路には、例えば、トランス１２０の２つの補助巻線によって生成された交流電圧を整流及び平滑して得られた内部電源電圧がそれぞれ供給される。
【００５０】
制御回路１９０は、例えば、ＤＳＰ（digital signal processor：ディジタル信号プロセッサ）と、ＤＳＰに動作を行わせるためのソフトウェア（制御プログラム）が格納されているメモリと、複数のＡ／Ｄ変換器とを内蔵している。ＤＳＰには、スイッチング電源装置の制御機能が一体化して収められている。
【００５１】
ここで、制御回路１９０の基準電位は、２次側回路の基準電位と共通になっている。また、出力端子４がアース電位（接地電位）に接続されるので、２次側回路の基準電位はアース電位となるが、１次側回路の基準電位はアース電位からアイソレートされている。従って、１次側電流検出回路１５０と制御回路１９０との間には、アイソレータ２０１が接続され、制御回路１９０と駆動回路１４０との間には、アイソレータ２０２が接続されている。
【００５２】
制御回路１９０は、１次側電流検出回路１５０、２次側電圧検出回路１７０、及び、２次側電流検出回路１８０の内の少なくとも１つから出力される検出信号に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）を行うことにより、スイッチング素子１３０を制御するための制御信号（ＰＷＭ信号）を生成する。なお、検出回路の数や検出回路が配置される回路部分は、必要に応じて適宜変更することができる。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る電源装置について説明する。
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。第２の実施形態においては、チョークコイルを用いたＰＦＣ（power factor controller：力率改善コントロール回路）を例にとって説明する。
【００５４】
図１２に示す電源装置は、入力端子１及び２に供給される交流電源電圧を整流する整流回路１１１と、一端が整流回路１１１に接続され、巻線に流れる電流によって発生する磁気エネルギーをコアに蓄えるチョークコイル２１０と、チョークコイル２１０の他端に接続され、パルス状の駆動信号に従ってスイッチング動作を行うことによりチョークコイル２１０に電流を流すスイッチング素子１３０と、スイッチング素子１３０を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路１４０と、整流回路１１１からチョークコイル２１０に入力される電圧を検出する入力電圧検出回路２２０と、スイッチング素子１３０に流れる電流を検出するスイッチング電流検出回路２３０とを有している。
【００５５】
さらに、この電源装置は、チョークコイル２１０の他端に発生する電圧を半波整流するダイオード１６１及び整流電圧を平滑するコンデンサ１６２を含む整流平滑回路１６０と、コンデンサ１６２の両端における直流電圧を検出する出力電圧検出回路２４０と、整流平滑回路１６０から出力端子３及び４を介して出力される電流を検出する出力電流検出回路２５０と、各種検出回路の検出結果に基づいてスイッチング素子１３０のスイッチング動作を制御するための制御信号を生成して駆動回路１４０に供給する制御回路１９０とを有している。
【００５６】
ここで、チョークコイル２１０としてトランスの１次側巻線を用いる場合には、トランスの２次側巻線を内部電源の生成用に利用することができる。チョークコイル２１０は、スイッチング素子１３０がオンしている時に、コアにエネルギーを蓄える。次に、スイッチング素子１３０がオフすると、磁場が電流を維持しようとするので、チョークコイル２１０の電流がダイオード１６１を介してコンデンサ１６２に流れ、コンデンサ１６２が充電されることにより、出力端子３と出力端子４との間に直流出力電圧を発生させる。
【００５７】
制御回路１９０は、入力電圧検出回路２２０、スイッチング電流検出回路２３０、出力電圧検出回路２４０、及び、出力電流検出回路２５０の内の少なくとも１つから出力される検出信号に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）を行うことにより、スイッチング素子１３０を制御するための制御信号（ＰＷＭ信号）を生成する。なお、検出回路及びＡ／Ｄ変換器の種類や数は、必要に応じて適宜変更することができる。
【００５８】
次に、本発明の第３の実施形態に係る電源装置について説明する。
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。第３の実施形態においては、交流電圧を整流及び平滑して得られた直流電圧を用いて、モータを駆動するための３相交流電圧を発生するモータ・インバータを例にとって説明する。
【００５９】
図１３に示す電源装置は、図１２に示すＰＦＣに、ＰＦＣから出力される直流電圧に基づいてスイッチング動作を行うことにより３相交流電圧を出力するインバータ回路２６０を追加したものである。
【００６０】
図１４は、図１３に示すインバータ回路の構成例を示す図である。図１４に示すように、インバータ回路２６０は、Ｕ相の出力端子に接続されるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子Ｑ１及びＱ２と、Ｖ相の出力端子に接続されるスイッチング素子Ｑ３及びＱ４と、Ｗ相の出力端子に接続されるスイッチング素子Ｑ５及びＱ６と、それらのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６と、複数の制御信号に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をそれぞれ駆動するための駆動回路１４０ａ〜１４０ｆとを含んでいる。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、駆動回路１４０ａ〜１４０ｆから出力される駆動信号に従って、ＰＦＣから出力される直流電圧とＵ相〜Ｗ相の出力端子との間でスイッチング動作を行うことにより、３相交流電圧を出力する。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、磁性体のコアと該コア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を用いた電源装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】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を示す平面図である。
【図２】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３】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変形例を示す平面図である。
【図４】本発明の第２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を示す平面図である。
【図５】本発明の第２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第１の変形例を示す平面図である。
【図６】本発明の第２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第２の変形例を示す平面図である。
【図７】接合剤を用いて接合されたＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を拡大して示す平面図である。
【図８】本発明の第３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を示す斜視図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る磁気デバイスを示す斜視図である。
【図１０】本発明の第５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１１】本発明の第１の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。
【図１４】図１３に示すインバータ回路の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１、２ 入力端子
３、４ 出力端子
１０〜１４ Ｅ字型コア部材
１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ〜１３ｃ 面
２０、２１ Ｉ字型コア部材
３０ ボビン
３１ １次側巻線
３２ ２次側巻線
３３ コア
４０ 接合剤
５０ 粘着テープ
６１、６２ 開口
１１０ 整流平滑回路
１１１ 整流回路
１２０ トランス
１３０ スイッチング素子
１４０、１４０ａ〜１４０ｆ 駆動回路
１５０ １次側電流検出回路
１６０ 整流平滑回路
１６１ ダイオード
１６２ コンデンサ
１７０ ２次側電圧検出回路
１８０ ２次側電流検出回路
１９０ 制御回路
２０１、２０２ アイソレータ
２１０ チョークコイル
２１１ 巻線
２１２ コア
２２０ 入力電圧検出回路
２３０ スイッチング電流検出回路
２４０ 出力電圧検出回路
２５０ 出力電流検出回路
２６０ インバータ回路
Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体のコアと該コア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を用いた電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。フェライトは、高い硬度を有しているので（ビッカース硬度ＨＶ＞４００）、超音波加工やダイヤモンド研磨等の限られた機械加工しか行うことができなかった。例えば、Ｅ字型コア部材の中央脚にギャップを形成するためにも、超音波加工やダイヤモンド研磨等を行うか、ＮＣ研削装置を用いた大量処理による研削を行う必要があり、高額な費用を要していた。
【０００４】
ところで、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。
【０００５】
アモルファス金属の磁性材料の圧粉コアは、一般に、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形成される。しかしながら、そのような圧粉コアを用いて磁気デバイスを製造したときに、磁気デバイスの仕上がり寸法にばらつきが生じたり、インダクタンス値が設計値から外れることもあり、その磁気デバイスを用いた電源装置において所望の特性が得られないこともある。そのような場合に、金型を作製し直すと、高額な費用を要してしまう。トランスやインダクタの巻線は、流す電流の値によって線径が異なるが、コアの形状や寸法によっては、占積率の制約により所望のターン数の巻き線を巻回することが困難になる場合も生じる。
【０００６】
また、アモルファス金属の磁性材料の圧粉コアは、金型のキャビティ内における充填ばらつき等によって成形時に変形し、成形後に金型から離脱される際に変形が幾分元に戻る（スプリングバック）。あるいは、成形に際して表面保護処理を行うこともある。このため、離型後に多少の寸法誤差を有している。通常は、コアの寸法に許容差を設けるが、複数のコア部材をそのままの状態で突き合わせると、余計な磁気ギャップが発生して磁気デバイスのインダクタンス値が大幅に低下すると共に、ガタが生じて振動による唸り（可聴雑音）が発生するおそれがある。同様に、巻線を巻回するボビンのコア挿通孔とコアとのクリアランスを大きくとるとガタが生じ、しかも、磁気デバイスが大型化してしまう。
【０００７】
関連する技術として、特許文献１には、磁気回路中のギャップ部を精度良く、しかも容易に作成することができ、安価なトランスコアを作成することができるトランスコアの加工方法が開示されている。この加工方法は、トランスを構成するためのコアに複数の磁気回路構成面を加工すると共に、それらの磁気回路構成面の内の任意の面にギャップ部を形成する加工方法であって、第１の加工用のホイールと、この第１の加工用のホイールの径よりも大きい径の第２の加工用のホイールとを組み合わせて、コアの複数の磁気回路構成面とギャップ部とを同時に加工することを特徴とする。しかしながら、この加工方法も、フェライトのコアを対象としたものであり（請求項３）、比較的大規模な加工装置を必要とするので、設備費用が高額になってしまう。
【特許文献１】特開平８−６６８５７号公報（第１−２頁、図１、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、製造コストを抑えながら所望のインダクタンス値やコアの形状が容易に得られる磁気デバイスを提供することを目的とする。さらに、本発明は、そのような磁気デバイスを用いて小型化及び／又は薄型化が可能な電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体によって構成された少なくとも１つのコア部材を含み、該少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、他の面とは異なる表面粗さを少なくとも一部において有するように加工された磁性体のコアと、磁性体のコアに磁気的に結合された少なくとも１つの巻線とを具備する。
【００１０】
また、本発明の１つの観点に係る電源装置は、本発明に係る磁気デバイスと、スイッチング動作を行うことにより、磁気デバイスの巻線に電流を流すスイッチング素子と、スイッチング素子のスイッチング動作を制御するための制御信号を生成する制御回路とを具備する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、他の面とは異なる表面粗さを有するように加工された磁性体のコアを用いることにより、製造コストを抑えながら所望のインダクタンス値やコアの形状を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
本発明は、磁性体のコアと、該コアに巻回された少なくとも１つの巻線とを有する磁気デバイス（トランスやチョークコイル等）に適用されるが、以下の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字型コア部材とＩ字型コア部材とが組み合わされて磁性体のコアを構成するトランスについて説明する。
【００１３】
また、本発明においては、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た圧粉体のコア部材が用いられる。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。
【００１４】
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を示す平面図である。図１の（ａ）は、離型後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。Ｅ字型コア部材１０及びＩ字型コア部材２０を用いてトランスを製造したときに、トランスの１次側巻線又は２次側巻線から見たインダクタンス値が設計値から外れる場合には、そのトランスを用いた電源装置において所望の特性が得られないことになる。
【００１５】
そこで、本実施形態においては、トランスのインダクタンス値を目標値よりも少し高めに設定しておき、図１の（ａ）における一点鎖線に沿ってＥ字型コア部材１０の中央の脚を加工することにより、トランスのインダクタンス値を微調整している。以下の実施形態においては、加工方法として、機械的な研削が用いられるが、化学的なエッチング等を用いても良い。機械的な研削方法としては、金ヤスリやドレッシングプレート等を用いて研磨したり、砥石を用いて切削したり、金ノコを用いて切断したり、ドリルを用いて穴開けしたり、サンドブラスト、超音波加工、又は、水ジェットを用いて研削したりすることができる。また、コア部材の加工された面が、粘着層、接着層、又は、保護層によって覆われるようにしても良い（以下の実施形態においても同じ）。
【００１６】
図１の（ｂ）は、研削後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。Ｅ字型コア部材１０の中央の脚には、斜めに研削された面１０ａが形成されることになる。研削面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、研削面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。
【００１７】
従来のフェライトやセンダスト等の磁性材料のコアは、酸化物や金属が焼結されているので後加工が困難であったが、アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体のコアは、後加工が容易であるので、コアを機械的に研削することによって、磁気デバイスのインダクタンス値や磁気飽和特性やコアの形状を容易に調整することができる。
【００１８】
また、フェライトコアの場合には、一般的に、金型を用いて顆粒を成形した後に成形体を焼結してコアが製造されるので、金型の壁面に接するコア表面は高密度となり、コア内部は低密度となり易い。従って、焼結後のフェライトコアの表面を削ると、磁気特性が大きく損なわれる。一方、アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体のコアの場合には、コアの表面を削っても磁気特性の低下が起こり難い。
【００１９】
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字型コア部材１０とＩ字型コア部材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。
【００２０】
図３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変形例を示す平面図である。図３の（ａ）は、離型後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。この変形例においては、図３の（ａ）における一点鎖線に沿ってＥ字型コア部材１０の中央の脚を機械的に研削することにより、磁気デバイスのインダクタンス値を微調整している。
【００２１】
図３の（ｂ）は、研削後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。Ｅ字型コア部材１０の中央の脚は、階段状に研削された面１０ｂを有することになる。研削面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、研削面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。このように、Ｅ字型コア部材１０の中央の脚を階段状に削ることによって、磁気デバイスのインダクタンス値や磁気飽和特性やコアの形状を容易に調整することができる。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る磁気デバイスについて説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る磁気デバイスにおいて用いられるコアを示す平面図である。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、金型を用い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、金型のキャビティ内での充填ばらつき等によって成形時に変形し、成形後に金型から離脱される際に変形が幾分元に戻るので（スプリングバック）、離型後に多少の寸法誤差を有している。成形後に表面の圧粉の離脱を避けるために樹脂コーティングを行う場合もあり、寸法ばらつきの原因にもなる。
【００２３】
図４の（ａ）は、離型後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。離型後のＥ字型コア部材１１は、スプリングバックによる寸法誤差を有しており、図４の（ａ）は、中央の脚が両側の脚よりも長くなっている場合を示している。そのままの状態でＥ字型コア部材１１とＩ字型コア部材２０とを突き合わせると、余計な磁気ギャップが発生してインダクタンス値が大幅に低下すると共に、ガタが生じて振動による唸り（可聴雑音）が発生するおそれがある。また、ボビンとコアとのガタも大きくなる。
【００２４】
そこで、図４の（ｂ）に示すように、離型後のＥ字型コア部材１１の中央の脚を機械的に研削することにより、中央の脚の長さを両側の脚の長さに揃えている。その結果、Ｅ字型コア部材１０の中央の脚は、研削された面１１ａを有することになる。研削面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、研削面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。
【００２５】
このように、中央の脚の長さを両側の脚の長さに揃えたことによって、Ｅ字型コア部材１１とＩ字型コア部材２０とを突き合わせた際に両者を密着させることができるので、余計な磁気ギャップが発生せず、インダクタンス値の大幅な低下を防止することができる。また、ガタが生じないので、振動による唸りが発生するおそれがない。
【００２６】
図５は、本発明の第２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第１の変形例を示す平面図である。図５の（ａ）は、離型後のＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を模式的に示している。離型後のＥ字型コア部材１２は、スプリングバックによる寸法誤差を有しているので、図５の（ａ）に示すように、両側の脚が中央の脚よりも長くなっている。そのままの状態でＥ字型コア部材１２とＩ字型コア部材２０とを突き合わせると、余計な磁気ギャップが発生してインダクタンス値が大幅に低下すると共に、ガタが生じて振動による唸りが発生するおそれがある。
【００２７】
そこで、図５の（ｂ）に示すように、離型後のＥ字型コア部材１２の両側の脚を機械的に研削することにより、両側の脚の長さを中央の脚の長さに揃えている。その結果、Ｅ字型コア部材１２の両側の脚は、研削された面１ａ及び１ｂを有することになる。研削面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、研削面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。
【００２８】
このように、両側の脚の長さを中央の脚の長さに揃えたことによって、Ｅ字型コア部材１２とＩ字型コア部材２０とを突き合わせた際に両者を密着させることができるので、余計な磁気ギャップが発生せず、インダクタンス値の大幅な低下を防止することができる。また、ガタが生じないので、振動による唸りが発生するおそれがない。
【００２９】
図６は、本発明の第２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第２の変形例を示す平面図である。図６に示す第２の変形例においては、離型後のＥ字型コア部材１３の３つの脚を機械的に研削することにより、３つの脚の長さを互いに揃えている。その結果、Ｅ字型コア部材１３の３つの脚は、研削された面１３ａ〜１３ｃを有することになる。研削面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、研削面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。
【００３０】
このように、３つの脚の長さを互いに揃えたことによって、Ｅ字型コア部材１３とＩ字型コア部材２０とを突き合わせた際に両者を密着させることができるので、余計な磁気ギャップが発生せず、インダクタンス値の大幅な低下を防止することができる。また、ガタが生じないので、振動による唸りが発生するおそれがない。
【００３１】
ところで、アモルファス金属の磁性材料の成形体を脱バインダのために焼成すると、コアの表面には、カーボン成分、酸化物、又は、窒化物等の処理層が付着する。その結果、コアの表面層は撥液状となり、樹脂が乗り難くなって、樹脂を含む接着剤を用いる場合に接着力が弱くなる傾向にある。そこで、アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体のコアの表面を機械加工で削ると、研削面が物理的に凹凸のある粗面となるので、アンカー効果が期待できる。また、撥液状の表面層が除去されるので、研削面においては、液体接触角が他の面におけるのと異なることにより、他の面よりも濡れ性を有するようになる。
【００３２】
従って、図７に示すように、接合剤４０を用いてＥ字型コア部材１３とＩ字型コア部材２０とを接合する場合に、接合剤４０が研削面に強く接合するようになる。接合剤４０としては、好ましくは、磁性材料の粉末を含む接合剤が用いられ、例えば、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。そのような接合剤４０を用いてＥ字型コア部材１３とＩ字型コア部材２０とを接合することにより、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。
【００３３】
次に、本発明の第３の実施形態に係る磁気デバイスについて説明する。
図８は、本発明の第３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を示す斜視図である。本実施形態においては、Ｅ字型コア部材１４及びＩ字型コア部材２０の外側のエッジ（稜線）を面取り加工すると共に、Ｅ字型コア部材１４及びＩ字型コア部材２０の外側のコーナーを面取り加工することにより、コアの損耗を防止している。また、これにより、磁気デバイスを組み立てる作業者の手を傷付けるおそれもなくなる。さらに、Ｉ字型コア部材２０の外側のエッジ及びコーナーが面取りされたことによって形成されるコア部材の加工形状は、Ｅ字型コア部材１４とＩ字型コア部材２０とを突き合わせる際のオリエンテーションマークとしても利用することができる。
【００３４】
加工面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。好ましくは、加工面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となるようにする。これにより、加工面に、カバー材として樹脂皮膜を接着することが容易になる。
【００３５】
次に、本発明の第４の実施形態に係る磁気デバイスについて説明する。
図９は、本発明の第４の実施形態に係る磁気デバイスを示す斜視図である。図９に示すように、この磁気デバイスは、Ｅ字型コア部材１４とＩ字型コア部材２０との間に、１次側巻線（コイル）及び２次側巻線（コイル）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次側巻線を用いず、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。
【００３６】
本実施形態においては、コアの露出面をサンドブラスト加工することによって、加工面にける表面粗さの値を、金型を用いて圧縮成形された他の面における表面粗さの値よりも大きくしている。好ましくは、加工面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となるようにする。これにより、含浸樹脂に対する濡れ性が良くなるので、Ｅ字型コア部材１４とＩ字型コア部材２０との周りに粘着テープ５０を巻いたときに、粘着テープ５０との密着性が改善される。あるいは、コア部材１４又は２０の加工された面が、接着層を介して、磁気デバイスが実装される回路基板の部品搭載面に固着されるようにしても良い。
【００３７】
また、Ｅ字型コア部材１４の中央の脚をサンドブラスト加工することによって、中央の脚の表面を粗くすれば、含浸樹脂を含む接着剤を用いてボビン３０をＥ字型コア部材１４の中央の脚に強力に接着することができるので、トランスの唸りを低下させることができる。
【００３８】
次に、本発明の第５の実施形態に係る磁気デバイスについて説明する。
図１０は、本発明の第５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１０に示すように、この磁気デバイスは、Ｅ字型コア部材１４とＩ字型コア部材２１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。
【００３９】
本実施形態においては、Ｉ字型コア部材２１に穴開け加工が施されており、開口６１及び６２が形成されている。加工面においては、金型を用いて圧縮成形された他の面よりも表面粗さの値が大きくなる。具体的には、加工面における表面粗さの値が、他の面における表面粗さの値の１０倍以上となる。このように、Ｉ字型コア部材２１に開口６１及び６２が形成されているので、ビスを用いて磁気デバイスを基板に固定することが容易になる。
【００４０】
以上の実施形態においては、トランス又はチョークコイルのコアがＥ字型コア部材とＩ字型コア部材とを組み合わせることによって構成される場合について説明したが、トランス又はチョークコイルのコアは、２つのＥ字型コア部材を組み合わせることによって構成されても良いし、その他の形状を有する複数のコア部材を組み合わせることによって構成されても良いし、トロイダルコアのように単一のコア部材によって構成されても良い。
【００４１】
次に、本発明に係る磁気デバイスを用いた電源装置の実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第１の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。第１の実施形態においては、磁気デバイスとしてトランスを用いたスイッチング電源装置を例にとって説明する。
【００４２】
図１１に示す電源装置は、入力端子１及び２に供給される交流電源電圧を整流及び平滑することにより直流電圧を生成する整流平滑回路１１０と、１次側巻線３１に印加される交流電圧を昇圧又は降圧して２次側巻線３２から出力するトランス１２０と、トランスの１次側巻線３１に直列に接続され、パルス状の駆動信号に従ってスイッチング動作を行うことにより１次側巻線３１に電流を流すスイッチング素子１３０と、スイッチング素子１３０を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路１４０と、トランスの１次側巻線３１に流れる電流を検出する１次側電流検出回路１５０とを有している。
【００４３】
さらに、この電源装置は、トランスの２次側巻線３２に発生する電圧を半波整流するダイオード１６１及び整流電圧を平滑するコンデンサ１６２を含む整流平滑回路１６０と、コンデンサ１６２の両端における直流電圧を検出する２次側電圧検出回路１７０と、整流平滑回路１６０から出力端子３及び４を介して出力される電流を検出する２次側電流検出回路１８０と、各種検出回路の検出結果に基づいてスイッチング素子１３０のスイッチング動作を制御するための制御信号を生成して駆動回路１４０に供給する制御回路１９０と、アイソレータ２０１及び２０２とを有している。
【００４４】
整流平滑回路１１０は、例えば、ダイオードブリッジとコンデンサとを含んでおり、入力端子１と入力端子２との間に印加される交流電圧をダイオードブリッジによって全波整流し、コンデンサによって平滑する。
【００４５】
トランス１２０は、例えば図２に示すようにＥ字型コア部材１０とＩ字型コア部材２０とを組み合わせることによって構成された磁性体のコア３３と、コア３３に回巻された１次側巻線３１及び２次側巻線３２とを有している。１次側巻線３１の巻数をＮ１とし、２次側巻線３２の巻数をＮ２とすると、損失がないとした場合に、１次側と２次側との間の昇圧比は、Ｎ２／Ｎ１となる。なお、トランス１２０に付されたドットの記号は、巻線の極性を示している。
【００４６】
一般に、スイッチング電源において、トランスの１次側から２次側への電力伝達方式としては、スイッチング素子がオンした時に１次側から２次側に電力を伝達するフォワード方式と、スイッチング素子がオフした時に１次側から２次側に電力を伝達するフライバック方式とがある。本実施形態においては、回路が比較的簡単で部品点数を少なくすることができるフライバック方式を採用している。
【００４７】
図１１に示すようなフライバック型のスイッチング電源においては、トランスの１次側巻線３１と２次側巻線３２とが逆極性の関係となっており、スイッチング素子１３０がオンしている間は、トランス１２０の１次側電流は増加するが、トランス１２０の２次側においてはダイオードで逆バイアスされているので２次側電流は流れない。トランス１２０は、スイッチング素子１３０がオンしている時に、コア３３にエネルギーを蓄える。
【００４８】
次に、スイッチング素子１３０がオフすると、磁場が電流を維持しようとするので、トランス１２０の電圧極性が反転して、トランス１２０の２次側において電流が流れる。トランス１２０の２次側電流は、トランスの２次側巻線３２に直列接続されたダイオード１６１を介してコンデンサ１６２に充電されることにより、出力端子３と出力端子４との間に直流出力電圧を発生させる。スイッチング素子１３０としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体−電界効果トランジスタ）等のパワートランジスタが用いられる。
【００４９】
図１１において、１次側回路としては、駆動回路１４０と、１次側電流検出回路１５０とが該当し、２次側回路としては、２次側電圧検出回路１７０と、２次側電流検出回路１８０とが該当する。１次側回路及び２次側回路には、例えば、トランス１２０の２つの補助巻線によって生成された交流電圧を整流及び平滑して得られた内部電源電圧がそれぞれ供給される。
【００５０】
制御回路１９０は、例えば、ＤＳＰ（digital signal processor：ディジタル信号プロセッサ）と、ＤＳＰに動作を行わせるためのソフトウェア（制御プログラム）が格納されているメモリと、複数のＡ／Ｄ変換器とを内蔵している。ＤＳＰには、スイッチング電源装置の制御機能が一体化して収められている。
【００５１】
ここで、制御回路１９０の基準電位は、２次側回路の基準電位と共通になっている。また、出力端子４がアース電位（接地電位）に接続されるので、２次側回路の基準電位はアース電位となるが、１次側回路の基準電位はアース電位からアイソレートされている。従って、１次側電流検出回路１５０と制御回路１９０との間には、アイソレータ２０１が接続され、制御回路１９０と駆動回路１４０との間には、アイソレータ２０２が接続されている。
【００５２】
制御回路１９０は、１次側電流検出回路１５０、２次側電圧検出回路１７０、及び、２次側電流検出回路１８０の内の少なくとも１つから出力される検出信号に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）を行うことにより、スイッチング素子１３０を制御するための制御信号（ＰＷＭ信号）を生成する。なお、検出回路の数や検出回路が配置される回路部分は、必要に応じて適宜変更することができる。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る電源装置について説明する。
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。第２の実施形態においては、チョークコイルを用いたＰＦＣ（power factor controller：力率改善コントロール回路）を例にとって説明する。
【００５４】
図１２に示す電源装置は、入力端子１及び２に供給される交流電源電圧を整流する整流回路１１１と、一端が整流回路１１１に接続され、巻線に流れる電流によって発生する磁気エネルギーをコアに蓄えるチョークコイル２１０と、チョークコイル２１０の他端に接続され、パルス状の駆動信号に従ってスイッチング動作を行うことによりチョークコイル２１０に電流を流すスイッチング素子１３０と、スイッチング素子１３０を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路１４０と、整流回路１１１からチョークコイル２１０に入力される電圧を検出する入力電圧検出回路２２０と、スイッチング素子１３０に流れる電流を検出するスイッチング電流検出回路２３０とを有している。
【００５５】
さらに、この電源装置は、チョークコイル２１０の他端に発生する電圧を半波整流するダイオード１６１及び整流電圧を平滑するコンデンサ１６２を含む整流平滑回路１６０と、コンデンサ１６２の両端における直流電圧を検出する出力電圧検出回路２４０と、整流平滑回路１６０から出力端子３及び４を介して出力される電流を検出する出力電流検出回路２５０と、各種検出回路の検出結果に基づいてスイッチング素子１３０のスイッチング動作を制御するための制御信号を生成して駆動回路１４０に供給する制御回路１９０とを有している。
【００５６】
ここで、チョークコイル２１０としてトランスの１次側巻線を用いる場合には、トランスの２次側巻線を内部電源の生成用に利用することができる。チョークコイル２１０は、スイッチング素子１３０がオンしている時に、コアにエネルギーを蓄える。次に、スイッチング素子１３０がオフすると、磁場が電流を維持しようとするので、チョークコイル２１０の電流がダイオード１６１を介してコンデンサ１６２に流れ、コンデンサ１６２が充電されることにより、出力端子３と出力端子４との間に直流出力電圧を発生させる。
【００５７】
制御回路１９０は、入力電圧検出回路２２０、スイッチング電流検出回路２３０、出力電圧検出回路２４０、及び、出力電流検出回路２５０の内の少なくとも１つから出力される検出信号に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）を行うことにより、スイッチング素子１３０を制御するための制御信号（ＰＷＭ信号）を生成する。なお、検出回路及びＡ／Ｄ変換器の種類や数は、必要に応じて適宜変更することができる。
【００５８】
次に、本発明の第３の実施形態に係る電源装置について説明する。
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。第３の実施形態においては、交流電圧を整流及び平滑して得られた直流電圧を用いて、モータを駆動するための３相交流電圧を発生するモータ・インバータを例にとって説明する。
【００５９】
図１３に示す電源装置は、図１２に示すＰＦＣに、ＰＦＣから出力される直流電圧に基づいてスイッチング動作を行うことにより３相交流電圧を出力するインバータ回路２６０を追加したものである。
【００６０】
図１４は、図１３に示すインバータ回路の構成例を示す図である。図１４に示すように、インバータ回路２６０は、Ｕ相の出力端子に接続されるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子Ｑ１及びＱ２と、Ｖ相の出力端子に接続されるスイッチング素子Ｑ３及びＱ４と、Ｗ相の出力端子に接続されるスイッチング素子Ｑ５及びＱ６と、それらのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ６と、複数の制御信号に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をそれぞれ駆動するための駆動回路１４０ａ〜１４０ｆとを含んでいる。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、駆動回路１４０ａ〜１４０ｆから出力される駆動信号に従って、ＰＦＣから出力される直流電圧とＵ相〜Ｗ相の出力端子との間でスイッチング動作を行うことにより、３相交流電圧を出力する。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、磁性体のコアと該コア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を用いた電源装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】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を示す平面図である。
【図２】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３】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変形例を示す平面図である。
【図４】本発明の第２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を示す平面図である。
【図５】本発明の第２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第１の変形例を示す平面図である。
【図６】本発明の第２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第２の変形例を示す平面図である。
【図７】接合剤を用いて接合されたＥ字型コア部材及びＩ字型コア部材を拡大して示す平面図である。
【図８】本発明の第３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を示す斜視図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る磁気デバイスを示す斜視図である。
【図１０】本発明の第５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１１】本発明の第１の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。
【図１４】図１３に示すインバータ回路の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１、２ 入力端子
３、４ 出力端子
１０〜１４ Ｅ字型コア部材
１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ〜１３ｃ 面
２０、２１ Ｉ字型コア部材
３０ ボビン
３１ １次側巻線
３２ ２次側巻線
３３ コア
４０ 接合剤
５０ 粘着テープ
６１、６２ 開口
１１０ 整流平滑回路
１１１ 整流回路
１２０ トランス
１３０ スイッチング素子
１４０、１４０ａ〜１４０ｆ 駆動回路
１５０ １次側電流検出回路
１６０ 整流平滑回路
１６１ ダイオード
１６２ コンデンサ
１７０ ２次側電圧検出回路
１８０ ２次側電流検出回路
１９０ 制御回路
２０１、２０２ アイソレータ
２１０ チョークコイル
２１１ 巻線
２１２ コア
２２０ 入力電圧検出回路
２３０ スイッチング電流検出回路
２４０ 出力電圧検出回路
２５０ 出力電流検出回路
２６０ インバータ回路
Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体によって構成された少なくとも１つのコア部材を含み、該少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、他の面とは異なる表面粗さを少なくとも一部において有するように加工された磁性体のコアと、
前記磁性体のコアに磁気的に結合された少なくとも１つの巻線と、
を具備する磁気デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、機械加工されて他の面における表面粗さよりも粗い表面粗さを有する、請求項１記載の磁気デバイス。
【請求項３】
アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体によって構成された少なくとも１つのコア部材を含み、該少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、他の面とは異なる液体接触角を少なくとも一部において有し、それにより他の面とは濡れ性を異にするように加工された磁性体のコアと、
前記磁性体のコアに磁気的に結合された少なくとも１つの巻線と、
を具備する磁気デバイス。
【請求項４】
前記磁性体のコアが、トランス又はチョークコイルのコア部材又はトロイダルコアを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気デバイス。
【請求項５】
前記コア部材の加工された面が、粘着層、接着層、又は、保護層によって覆われている、請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気デバイス。
【請求項６】
前記コア部材の加工された面が、接着層を介して、前記磁気デバイスが実装される回路基板に固着されている、請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気デバイス。
【請求項７】
前記磁性体のコアが、複数のコア部材を含み、前記複数のコア部材の突合せ面が、他の面とは異なる表面粗さ又は液体接触角を有するように加工されて、接合剤を用いて互いに接合されている、請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気デバイス。
【請求項８】
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７記載の磁気デバイス。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の磁気デバイスと、
スイッチング動作を行うことにより、前記磁気デバイスの巻線に電流を流すスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するための制御信号を生成する制御回路と、
を具備する電源装置。
【請求項１】
アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体によって構成された少なくとも１つのコア部材を含み、該少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、他の面とは異なる表面粗さを少なくとも一部において有するように加工された磁性体のコアと、
前記磁性体のコアに磁気的に結合された少なくとも１つの巻線と、
を具備する磁気デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、機械加工されて他の面における表面粗さよりも粗い表面粗さを有する、請求項１記載の磁気デバイス。
【請求項３】
アモルファス金属の磁性材料を用いて形成された圧粉体によって構成された少なくとも１つのコア部材を含み、該少なくとも１つのコア部材の少なくとも１つの面が、他の面とは異なる液体接触角を少なくとも一部において有し、それにより他の面とは濡れ性を異にするように加工された磁性体のコアと、
前記磁性体のコアに磁気的に結合された少なくとも１つの巻線と、
を具備する磁気デバイス。
【請求項４】
前記磁性体のコアが、トランス又はチョークコイルのコア部材又はトロイダルコアを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気デバイス。
【請求項５】
前記コア部材の加工された面が、粘着層、接着層、又は、保護層によって覆われている、請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気デバイス。
【請求項６】
前記コア部材の加工された面が、接着層を介して、前記磁気デバイスが実装される回路基板に固着されている、請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気デバイス。
【請求項７】
前記磁性体のコアが、複数のコア部材を含み、前記複数のコア部材の突合せ面が、他の面とは異なる表面粗さ又は液体接触角を有するように加工されて、接合剤を用いて互いに接合されている、請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気デバイス。
【請求項８】
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７記載の磁気デバイス。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の磁気デバイスと、
スイッチング動作を行うことにより、前記磁気デバイスの巻線に電流を流すスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するための制御信号を生成する制御回路と、
を具備する電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−２５９９９１（Ｐ２００９−２５９９９１Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０６３５８（Ｐ２００８−１０６３５８）
【出願日】平成２０年４月１６日（２００８．４．１６）
【出願人】（５０２１３５９９０）沖パワーテック株式会社 (25)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１６日（２００８．４．１６）
【出願人】（５０２１３５９９０）沖パワーテック株式会社 (25)
【Ｆターム（参考）】
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