JP2010153617A - 積層インダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】低電流領域におけるインダクタンス変動の少ない直流重畳特性を有する積層インダクタを提供する。
【解決手段】磁性層４０−３と導体パターン２０が積層されるとともに、その導体パターン２０が順次層間接続されてコイルが形成され、磁性層４０−３は上記コイルの層方向への投影パターンに重なるループ状非磁性パターンを有し、上記コイル両端の引出導体パターン部２２がそれぞれ同一層内の導体パターン２０の直線延長部を形成し、両延長部は互いに反対方向へ延長し、上記引出導体パターン部２２を有する導体パターン層に内側から隣接する磁性層は、上記引出導体パターン部とその外側の周縁部に重なるＩ字状の非磁性パターン部５２を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性体中にコイルが埋設された構造を有する磁心型の積層インダクタに関し、とくに表面実装用の矩形状チップインダクタであって直流重畳されて使用されるものに適用される場合に有効であり、たとえば携帯電話機などの移動情報機器において、内蔵電池から得られる電源電圧（起電力）を所定の回路動作電圧に変換する超小形のＤＣ−ＤＣコンバータに好適である。

ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電源回路に使用されるトランスやチョークコイルなどは、かつては磁気コアにコイルを巻線する構成が一般的であったが、近年の電源回路部品の小型化、薄型化の要望に沿い、積層構造のチップ部品が開発され実用化されている。

積層インダクタでは、電気絶縁性の磁性層と導体パターンが交互に積層されるとともに、その導体パターンが順次層間接続されることで、磁性体中で積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルが形成される。コイルの両端はそれぞれ引出導体パターン部を介して積層体チップ外表面の電極端子に接続されている。つまり、チップ型の磁性体中にコイルが埋設された状態である。磁性層や導体パターンは、たとえばスクリーン印刷の技法などにより形成され積層される。

このような積層インダクタは、コイルの周囲が磁性体で囲まれているため、外部への磁気漏洩が少なく、比較的少ない巻数で必要なインダクタンスが得られる特徴があり、小型化、薄型化に適している。

しかしながら、小さなコイル電流（励磁電流）でも磁性体の磁気飽和が生じるため、直流重畳電流が低電流領域であってもインダクタンスの変動が大きい。つまり、直流重畳特性が悪いという問題があった。

そこで、一部の磁性層全体を電気絶縁性の非磁性層で置き換えることにより、積層インダクタ中に磁気的なギャップを介在させ、これによって磁気飽和レベルを高めて、トランスやチョークコイルなどとして大きな定格電流が得られるようにした積層インダクタが提案されている（特許文献１）。

また、漏れ磁束による磁気飽和を抑制することにより、微小電流領域でのインダクタンス変動を小さくするようにした積層インダクタも提案されている（特許文献２）。
特開２００５−４５１０８ 特開２００８−２１７８８

上述した技術により、積層インダクタの直流重畳特性は一応の改善はされているが、漏れ磁束等によって生じる磁気飽和のすべてを有効に抑制するものではなく、このため、微小電流領域におけるインダクタンス変動という問題は依然として残っていた。

たとえば、図６は本発明に先立って検討された積層インダクタの構成例を示し、（ａ）はその積層インダクタをなす各層の平面図、（ｂ）は導体パターンの部分だけを抽出して示す斜視図、（ｃ）は積層状態を示す縦断面図である。

また、同図において、２０は導体パターン（または導体）、２０−１〜２０−６はその導体パターン２０を有する導体パターン層、４０−３は磁性層、４０−１は全面磁気ギャップ層、４１は磁性体、４５は非磁性パターン（または非磁性体）をそれぞれ示す。

この積層インダクタは、電気絶縁性の磁性層４０−３と開放ループ状の導体パターン２０を有する導体パターン層２０−１〜２０−６とが交互に積層され、それら中心層には層面全体が電気絶縁性の非磁性体４５からなる全面磁気ギャップ層４０−１が配置されている。

各層（２０−１〜２０−６）の導体パターン２０はビア２４を介して順次結合され、磁性体４１中で積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルが形成されている。
コイルの両端はそれぞれ、引出導体パターン部２２，２２を介して積層チップ外表面の電極端子（図示省略）に接続されるようになっている。

さらに、導体パターン層２０−１〜２０−６の間に配置される磁性層４０には、導体パターン２０と層方向で重なる電気絶縁性の非磁性パターン４５が形成されている。つまり、上記コイルの層方向への投影パターンに重なるループ状の非磁性パターン４５が形成され、それら中心層には層面全体が電気絶縁性の非磁性体４５からなる全面磁気ギャップ層４０−１が配置されている。

上記の構成では、全面磁気ギャップ層により広範囲の直流重畳電流領域でインダクタンス変動を緩和し、さらに導体パターン２０と導体パターン２０間での磁気飽和を抑制して、低電流直流重畳時におけるインダクタンス変動を緩和するという効果が得られる。
しかし、積層インダクタのインダクタンスを変動させる磁気飽和は、上記以外の個所でも発生し得ることが本発明者らにより知見されている。

この種の積層インダクタでは、図６の（ｂ）（ｃ）に示すように、コイルの周回方向に直交して積層方向に誘導される主磁束Ｈｚがインダクタの特性を支配する主パラメータ要因となるが、その積層方向以外に誘導される漏洩磁束も存在する。この漏洩磁束が起こす磁気飽和によって微小な直流重畳電流領域でインダクタが変動する。

ＤＣ−ＤＣコンバータは直流電流を高周波パルスでスイッチングしながら電圧変換を行うが、そのスイッチング周波数は年々高くなる傾向にある。高周波化にともない、求められるインダクタンス値が小さくなり、コイル巻数が減少し、上記漏洩磁束による直流重畳特性への影響が顕著化してきた。

本発明者らが知得したところによると、図６に示した積層インダクタでは、上記主磁束Ｈｚ以外に、同図の（ｂ）に示すように、コイル両端の引出導体パターン部２２にて、主磁束Ｈｚとは異なる方向への漏洩磁束Ｈｐが局部的に誘導され、この漏洩磁束Ｈｐによる磁気飽和が微小電流領域でのインダクタンス変動を増大させる原因となっていた。つまり、積層インダクタの直流重畳特性を悪化させていた。

しかし、この問題は、積層方向とは異なる方向に誘導される局部的な漏洩磁束Ｈｐによって生じるため、たとえば特許文献１，２に開示されているような層間に介在させる磁気ギャップでは解決できない。

本発明は以上のような問題を鑑みてなされたもので、その目的は、低電流領域でのインダクタンス変動の少ない直流重畳特性を有する積層インダクタを提供することにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。
（１）電気絶縁性の磁性層と開放ループ状の導体パターンが積層されるとともに、その導体パターンが順次層間接続されることで、磁性体中で積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルが形成され、このコイルの両端がそれぞれ引出導体パターン部を介して積層チップ外表面の電極端子に接続されている矩形状の積層インダクタにおいて、次の構成（ａ）〜（ｃ）を有することを特徴とする積層インダクタ。
（ａ）上記磁性層は、上記コイルの層方向への投影パターンに重なるループ状の非磁性パターンを有する。
（ｂ）上記コイル両端の引出導体パターン部がそれぞれ同一層内の導体パターンの直線延長部を形成するとともに、両延長部は互いに反対方向へ延長されている。
（ｃ）少なくとも上記引出導体パターン部を有する導体パターン層に内側から隣接する磁性層は、上記引出導体パターン部とその外側の周縁部に重なるＩ字状の非磁性パターン部が形成されている。

（２）上記手段（１）において、上記コイルと上記引出導体パターン部の層方向への投影パターン形状の非磁性パターンを有する磁性層を配置したことを特徴とする積層インダクタ。

（３）上記手段（１）または（２）において、上記開放ループ状導体パターンのループ開放部に電気絶縁性の非磁性パターン部を形成し、この非磁性パターン部によって導体パターンのループがほぼ閉じるようにしたことを特徴とする積層インダクタ。

（４）上記手段（１）〜（３）のいずれかにおいて、層面全体が電気絶縁性の非磁性体からなる全面磁気ギャップ層を１層以上配置したことを特徴とする積層インダクタ。

（５）上記手段（１）〜（４）のいずれかにおいて、層面のうち、いずれの層の導体パターンにも重ならない周縁部に沿うＵ字状部分だけに磁性体パターンを形成して残部をすべて非磁性パターンとした部分磁気ギャップ層を１層以上配置したことを特徴とする積層インダクタ。

上記手段によれば、局部的な漏洩磁束による磁気飽和を効果的に抑制し、低電流領域におけるインダクタンス変動の少ない直流重畳特性を有する積層インダクタを得ることができる。
上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

図１は、本発明の第１実施形態をなす積層インダクタの要部を示す図であって、（ａ）はその積層インダクタをなす各層の平面図、（ｂ）は導体パターンの部分だけを抽出して示す斜視図、（ｃ）は積層状態を示す縦断面図である。

また、同図において、２０は導体パターン（または導体）、２０−１〜２０−６はその導体パターン２０を有する導体パターン層、４０−３は磁性層、４１は磁性体、４５は非磁性パターン（または非磁性体）をそれぞれ示す。

同図に示す積層インダクタは表面実装用の矩形状チップインダクタをなすものであって、電気絶縁性の磁性層４０−３と開放ループ状の導体パターン２０を有する導体パターン層２０−１〜２０−６とが交互に積層されるとともに、各層（２０−１〜２０−６）の導体パターン２０がビア２４を介して順次層間接続されることで、磁性体４１中で積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルが形成されている。最上層と最下層にはそれぞれ全面磁性体の磁性層が積層される（参照符号省略）。

コイルの両端はそれぞれ、引出導体パターン部２２，２２を介して積層チップ外表面の電極端子（図示省略）に接続されるようになっている。

導体パターン層２０−１〜２０−６の間に配置される磁性層４０−３には、導体パターン２０と層方向で重なる電気絶縁性の非磁性パターン４５が形成されている。つまり、上記コイルの層方向への投影パターンに重なるループ状の非磁性パターン４５が形成されている。

また、上記コイル両端の引出導体パターン部２２がそれぞれ同一層内の導体パターン２０の直線延長部を形成するとともに、両延長部は互いに反対方向へ延長されている。

さらに、上記引出導体パターン部２２を有する導体パターン層２０−１，２０−６に内側から隣接する磁性層４０−３には、上記引出導体パターン部２２とその外側の周縁部に重なるＩ字状の非磁性パターン部５２が形成されている。

上述した積層インダクタでは、コイルの周回方向に直交する積層方向の主磁束Ｈｚ以外に、同図の（ｂ）に波線で示すように、引出導体パターン部２２の回りに局部的な漏洩磁束Ｈｐが誘導されるが、この漏洩磁束Ｈｐの誘導磁路には、上記Ｉ字状非磁性パターン部５２が磁気ギャップとして介在する。

このため、その漏洩磁束Ｈｐによる周辺の磁化が抑制され、磁気飽和によるインダクタンス変動を抑制することができる。これにより、低電流領域におけるインダクタンス変動の少ない直流重畳特性を有する積層インダクタを得られることが判明した。

図２は、本発明の第２実施形態をなす積層インダクタの要部を示す図であって、（ａ）はその積層インダクタの構成要素である導体パターン層と磁性層の平面パターン図、（ｂ）は積層状態を示す縦断面図である。

同図に示す第２実施形態の積層インダクタでは、上述した第１実施形態の構成に加えて、層面全体が電気絶縁性の非磁性体４５からなる全面磁気ギャップ層４０−１が配置されている。この全面磁気ギャップ層４０−１は積層方向の磁路（Ｈｚ）に介在する。

この第２実施形態では、全面磁気ギャップ層４０−１が中心層に配置され、その上層側および下層側にはそれぞれ上記磁性層４０−３が同数（２層）配置されている。

この構成によれば、上記漏洩磁束Ｈｐによる磁気飽和の抑制効果に加えて、積層方向に誘導される主磁束Ｈｚによる磁気飽和も効果的に抑制することができ、これにより、低電流領域における直流重畳特性をさらに向上させることができる。

また、この第２実施形態では、磁性層４０−３の非磁性パターン４５が、上記コイルと上記引出導体パターン部２２の層方向への投影パターン形状に形成されている。

この磁性層４０−３の非磁性パターン４５は、とくに上記引出導体パターン部２２に対応する非磁性パターン部分が、層面方向に周回する磁路に対して磁気ギャップとして介在することにより、その層面方向の漏洩磁束による磁気飽和を抑制する効果を有する。これにより、上記直流重畳特性をさらに向上させることができる。

図３は、本発明の第３実施形態をなす積層インダクタの要部を示す図であって、（ａ）はその積層インダクタの構成要素である導体パターンと磁性層の平面パターン図、（ｂ）は積層状態を示す縦断面図である。

同図に示す第３実施形態の積層インダクタでは、上述した第２実施形態の構成に加えて、上記導体パターン２０のループ開放部に電気絶縁性の非磁性パターン部５３を形成し、この非磁性パターン部５３によって導体パターン２０のループがほぼ閉じるようにしたことを特徴とする。

この第３実施形態では、導体パターン２０の層間接続部の付近に誘導される局部的な漏洩磁束による磁気飽和を選択的に抑制する効果が得られる。

導体パターン２０は、図１の（ｂ）に示したように、ビア２４によって順次層間接続されることにより積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルを形成するが、その層間接続部では導体がカギ状に屈曲しているために、主磁束Ｈｚとは異なる方向に漏洩磁束が局部的に誘導され、この漏洩磁束による局部的な磁気飽和によってインダクタンスが変動させられる。

しかし、上記非磁性パターン部５３がその漏洩磁束の誘導磁路に介在することにより、その漏洩磁束による局部的な磁気飽和を的確に抑制させることができ、これにより、低電流領域における直流重畳特性をさらに向上させることができる。

図４は、本発明の第４実施形態をなす積層インダクタの要部を示す図であって、（ａ）はその積層インダクタの構成要素である導体パターン層と磁性層の平面パターン図、（ｂ）は積層状態を示す縦断面図である。

同図に示す第４実施形態の積層インダクタでは、上述した第２実施形態の構成に対し、積層方向の磁気ギャップ層として、部分磁気ギャップ層４０−２を配置している。

この部分磁気ギャップ層４０−２は、層面のうち、いずれの層の導体パターン２０および２２にも重ならない周縁部に沿うＵ字状部分だけに磁性体パターン（４１）を形成して残部をすべて非磁性パターン（４５）としたものであって、これが中心層に配置されている。

この第４実施形態では、第２実施形態と同様、上記漏洩磁束Ｈｐと上記主磁束Ｈｚによる磁気飽和を抑制して直流重畳特性を向上させることができる。

さらに、積層方向に介在する部分磁気ギャップ層４０−２は、Ｕ字状部分に磁性体パターン（４１）を有していることにより、上記全面磁気ギャップ層４０−１に比べて、積層方向の磁気抵抗を小さくすることができる。

これにより、磁気ギャップ層の介在にともなうインダクタンスの低下を少なくすることができる。つまり、インダクタンスをそれほど低下させずに直流重畳特性を改善することができる。

図５は、本発明に係る積層インダクタの直流重畳特性を示す。
同図において、グラフ線Ｂは、図２に示した第２実施形態の構成を有する積層インダクタ（実施例２）の直流重畳電流に対するインダクタンスの変化状態を示し、グラフ線Ｃは、図３に示した第３実施形態の構成を有する積層インダクタ（実施例３）の直流重畳電流に対するインダクタンスの変化状態を示す。また、グラフ線Ａは、第１および第２実施形態のいずれの特徴も備えてない導体パターン層および磁性層（図６参照）を用いた積層インダクタ（比較例）の直流重畳電流に対するインダクタンスの変化状態を示す。

同図からも明らかなように、本発明の積層インダクタでは、直流重畳電流に対するインダクタンス変動が確実に抑制されている。これにより、低電流領域におけるインダクタンス変動の少ない直流重畳特性を得ることができる。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。

局部的な漏洩磁束による磁気飽和を効果的に抑制し、これにより、低電流領域におけるインダクタンス変動の少ない直流重畳特性を有する積層インダクタを得ることができる。

本発明の第１実施形態をなす積層インダクタの要部を示す平面パターン図、斜視図、および縦断面図である。 本発明の第２実施形態をなす積層インダクタの要部を示す平面パターン図および縦断面図である。 本発明の第３実施形態をなす積層インダクタの要部を示す平面パターン図および縦断面図である。 本発明の第４実施形態をなす積層インダクタの要部を示す平面パターン図および縦断面図である。 本発明に係る積層インダクタの直流重畳特性を示すグラフである。 本発明の比較例として検討された積層インダクタの要部を示す平面パターン図、斜視図、および縦断面図である。

符号の説明

２０ 導体パターン（または導体）
２０−１〜２０−６ 導体パターン層
２２ 引出導体パターン部
２４ ビア
４０−１ 全面磁気ギャップ層
４０−２ 部分磁気ギャップ層
４０−３ 磁性層
４１ 磁性体
４３ 磁性パターン
４５ 非磁性パターン（または非磁性体）
５２，５３ 非磁性パターン部
Ｈｚ 主磁束（磁路）
Ｈｐ 漏洩磁束（磁路）

Claims (5)

1. 電気絶縁性の磁性層と開放ループ状の導体パターンが積層されるとともに、その導体パターンが順次層間接続されることで、磁性体中で積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルが形成され、このコイルの両端がそれぞれ引出導体パターン部を介して積層チップ外表面の電極端子に接続されている矩形状の積層インダクタにおいて、次の構成（ａ）〜（ｃ）を有することを特徴とする積層インダクタ。
   （ａ）上記磁性層は、上記コイルの層方向への投影パターンに重なるループ状の非磁性パターンを有する。
   （ｂ）上記コイル両端の引出導体パターン部がそれぞれ同一層内の導体パターンの直線延長部を形成するとともに、両延長部は互いに反対方向へ延長されている。
   （ｃ）少なくとも上記引出導体パターン部を有する導体パターン層に内側から隣接する磁性層は、上記引出導体パターン部とその外側の周縁部に重なるＩ字状の非磁性パターン部が形成されている。
2. 請求項１において、上記コイルと上記引出導体パターン部の層方向への投影パターン形状の非磁性パターンを有する磁性層を配置したことを特徴とする積層インダクタ。
3. 請求項１または２において、上記開放ループ状導体パターンのループ開放部に電気絶縁性の非磁性パターン部を形成し、この非磁性パターン部によって導体パターンのループがほぼ閉じるようにしたことを特徴とする積層インダクタ。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、層面全体が電気絶縁性の非磁性体からなる全面磁気ギャップ層を１層以上配置したことを特徴とする積層インダクタ。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、層面のうち、いずれの層の導体パターンにも重ならない周縁部に沿うＵ字状部分だけに磁性体パターンを形成して残部をすべて非磁性パターンとした部分磁気ギャップ層を１層以上配置したことを特徴とする積層インダクタ。

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