JP2014207406A - 磁気デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】サイズが大きくなるのを抑えながら、コイルの巻き数を多くし、かつ発熱を抑制することができる磁気デバイスを提供する。【解決手段】磁気デバイス１は、コア２ａと、コア２ａが貫通する基板３と、コア２ａの周囲に巻回されるように基板３に設けられたコイルパターン４ａ〜４ｆとを備えている。基板３にある複数の層Ｌ２、Ｌ３に、幅が太いコイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅと幅が細いコイルパターン４ｃ、４ｆとがそれぞれ設けられている。異なる層Ｌ２、Ｌ３にある幅が細いコイルパターン４ｃ、４ｆ同士は、基板３の板面に投影した場合にそれぞれの投影パターンが一致するように形成され、かつ並列に接続されている。異なる層Ｌ２、Ｌ３にある幅が太いコイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅ同士は、直列に接続されている。第３層Ｌ３において、幅が細いコイルパターン４ｆと幅が太いコイルパターン４ｄ、４ｅとは、直列に接続されている。【選択図】図３

Description

本発明は、磁性体から成るコアと、コイルパターンが設けられた基板とを備えた、チョークコイルやトランスなどの磁気デバイスに関する。

たとえば、高電圧の直流をスイッチングして交流に変換した後、低電圧の直流に変換するスイッチング電源装置がある。このスイッチング電源装置には、チョークコイルやトランスなどの磁気デバイスが使用されている。

たとえば、特許文献１〜１０には、コイルの巻線を基板に設けた磁気デバイスが開示されている。

特許文献１〜７では、磁性体から成るコアが、基板を貫通している。基板は、絶縁体から成り、複数の層を有している。各層には、コアの周囲に巻回されるように、コイルパターンが設けられている。異なる層のコイルパターン同士を、スルーホールなどで接続することで、コイルを構成している。コイルパターンやスルーホールは、銅などの導体から成る。

特許文献８では、長方形板状のシートを多数積層して、積層体を形成している。最上および最下にある表面シートは磁性体から成る。表面シートに挟まれた各積層シートは、所定パターンに形成された内部導体層と、内部導体層の余白を埋める磁性体層とで構成されている。隣接する積層シートの内部導体層の一部または全部を、積層方向から見て重複させることで接続して、コイルを構成している。

特許文献９では、基板が、一対の絶縁層と、該絶縁層に挟持された磁性体層とから構成されている。磁性体層には、導体から成るコイルパターンが形成されている。コイルパターンは、基板の板面や厚み方向に複数回巻回されている。

特許文献１０では、基板上に設けられたドーナツ状の絶縁層の中に、スパイラル状の平面コイルが埋め込まれている。絶縁層の外側は、磁性膜で覆われている。

磁気デバイスのコイルに電流が流れると、該コイルから熱が発せられて、基板の温度が上昇する。これに対し、特許文献１、３、８、９、１０には、以下の熱対策が講じられている。

特許文献１では、コイルパターンを基板の各層のほぼ全域に広げて、放熱させ易くしている。特許文献３では、基板の各層のコイルパターンの一部の幅を広げることで、放熱パターン部を設けて、放熱させ易くしている。特許文献８では、隣接する積層シートの内部導体層同士を重複させることにより、コイル部と引き出し部の導体断面積を大きくして、該導体から発する熱を抑制している。

特許文献９では、コイルパターンの内側に磁性体層と下方の絶縁層とを貫通する伝熱用貫通導体を設け、基板の下面に伝熱用貫通導体と接続された放熱用導体層を設けることで、放熱させ易くしている。特許文献１０では、平面コイルの線幅を中心から離れるに従って増加させることで、平面コイルの各部分から発する熱を均一にしている。

一方、放熱に関する言及はないが、特許文献２では、各層のコイルパターンの幅を一定にしている（特許文献９も同様）。特許文献４では、各層のコイルパターンを複数に分割し、該分割されたコイルパターンを直列に接続している。特許文献５〜７では、幅が細くて巻き数が多いコイルパターンを設けた層と、幅が太くて巻き数が少ないコイルパターンを設けた層とを、複数積層している。

また、特許文献７の実施形態８、９では、２つの層にコイルパターンを複数形成し、異なる層にあるコイルパターン同士を直列に接続することで、２つの層に渡って２ターン巻回される経路を、２つ設けている。この２つの経路は、並列に接続され、断面積が同等であり、基板の板面に投影した場合にほぼ一致している。

特開２００８−２０５３５０号公報 特開平７−３８２６２号公報 特開平７−８６７５５号公報 再表ＷＯ２０１０／０２６６９０号公報 特開平８−６９９３５号公報 米国特許第７３３２９９３号明細書 特開２０１０−５６１７５号公報 特開２０１０−１８３００７号公報 特開２００８−１７７５１６号公報 特開平７−３７７２８号公報

コイルの所定の性能を達成するため、基板の層数を増やしたり、各層でコイルパターンを複数回巻回したりすると、コイルの巻き数を増やすことができる。しかし、サイズが大きくなるなどの弊害がある。

また、コイルパターンの幅を細くすると、基板の板面に広がるように、コイルパターンを複数回巻回しても、サイズが大きくなるのを抑えられる。しかし、コイルパターンの直流抵抗が高くなるため、コイルパターンの発熱量が多くなり、基板の温度が上昇して、特性の変動や性能の劣化を招いてしまう。

特に、大電流が流れる直流−直流変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）などで使用される磁気デバイスでは、コイルに大電流が流れるので、コイルの線幅が細すぎると、発熱量がより多くなって、所定の特性や性能が得られない。また、同一基板上に他のＩＣチップなどの電子部品が実装されている場合、電子部品の誤動作や破壊を生じるおそれがある。

本発明の課題は、サイズが大きくなるのを抑えながら、コイルの巻き数を多くし、かつ発熱を抑制することができる磁気デバイスを提供することである。

本発明による磁気デバイスは、磁性体から成るコアと、絶縁体から成り、コアが貫通する基板と、コアの周囲に巻回されるように基板に設けられた、導体から成るコイルパターンとを備えている。基板にある複数の層に、幅が太いコイルパターンと幅が細いコイルパターンとがそれぞれ設けられている。異なる層にある幅が細いコイルパターン同士は、基板の板面に投影した場合にそれぞれの投影パターンが一致するように形成され、かつ並列に接続されている。異なる層にある幅が太いコイルパターン同士は、直列に接続されている。少なくともいずれか１つの層において、幅が細いコイルパターンと幅が太いコイルパターンとは、直列に接続されている。

このようにすると、磁気デバイスのコイルが、基板の複数の層にそれぞれ設けられた幅が太いコイルパターンと幅が細いコイルパターンとから構成されるので、該各層にコイルパターンが複数回巻回されて、コイルの巻き数を多くすることができる。また、基板の層数を少なくしたり、基板の面積を小さくしたりして、基板のサイズが大きくなるのを抑えることができる。また、幅の太いコイルパターンの間に、複数の幅の細いコイルパターンを並列に接続することで、コイルの全体に渡って、直流抵抗をある程度の大きさにとどめて、コイルの発熱を抑制することができる。よって、磁気デバイスのサイズが大きくなるのを抑えながら、コイルの巻き数を多くして、発熱を抑制することが可能となる。

また、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、幅が細いコイルパターンを部分的に拡張することにより、放熱部が設けられていてもよい。

また、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、異なる層にあるコイルパターンの形状が一致していてもよい。

また、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、幅が太いコイルパターンの断面積と、並列に接続された幅が細いコイルパターンの合計断面積とが、同等であるようにしてもよい。

さらに、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、基板の２つの層に、幅が太いコイルパターンと幅が細いコイルパターンとがそれぞれ設けられていてもよい。この場合、２つの層にある幅が細いコイルパターンは、基板の板面に投影した場合にそれぞれの投影パターンが一致するように形成され、２つの層のうち一方の層で、幅が細いコイルパターンと幅が太いコイルパターンとが直列に接続されてもよい。また、基板を貫通する導体から成り、２つの層にある幅が細いコイルパターン同士を並列に接続する第１接続部と、基板を貫通する導体から成り、２つの層にある幅が太いコイルパターン同士を直列に接続する第２接続部とをさらに備えてもよい。

本発明によれば、サイズが大きくなるのを抑えながら、コイルの巻き数を多くし、かつ発熱を抑制することができる磁気デバイスを提供することが可能となる。

スイッチング電源装置の構成図である。 本発明の実施形態による磁気デバイスの分解斜視図である。 図２の磁気デバイスの基板の各層の平面図である。 図３の基板のコイルパターンを示す図である。 図２の磁気デバイスの断面図である。 コイルパターンの電気的接続を示す模式図である。

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、スイッチング電源装置１００の構成図である。スイッチング電源装置１００は、電気自動車（またはハイブリッドカー）用のＤＣ−ＤＣコンバータであり、高電圧の直流をスイッチングして交流に変換した後、低電圧の直流に変換する。以下で詳述する。

スイッチング電源装置１００の入力端子Ｔ１、Ｔ２には、高電圧バッテリ５０が接続されている。高電圧バッテリ５０の電圧は、たとえばＤＣ２２０Ｖ〜ＤＣ４００Ｖである。入力端子Ｔ１、Ｔ２へ入力される高電圧バッテリ５０の直流電圧Ｖｉは、フィルタ回路５１でノイズが除去された後、スイッチング回路５２へ与えられる。

スイッチング回路５２は、たとえばＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を有する公知の回路からなる。スイッチング回路５２では、ＰＷＭ駆動部５８からのＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号に基づいて、ＦＥＴをオンオフさせて、直流電圧に対してスイッチング動作を行う。これにより、直流電圧が高周波のパルス電圧に変換される。

そのパルス電圧は、トランス５３を介して、整流回路５４へ与えられる。整流回路５４は、一対のダイオードＤ１、Ｄ２によりパルス電圧を整流する。整流回路５４で整流された電圧は、平滑回路５５へ入力される。平滑回路５５は、チョークコイルＬおよびコンデンサＣのフィルタ作用により整流電圧を平滑し、低電圧の直流電圧として出力端子Ｔ３、Ｔ４へ出力する。この直流電圧により、出力端子Ｔ３、Ｔ４に接続された低圧バッテリ６０が、たとえばＤＣ１２Ｖに充電される。低圧バッテリ６０の直流電圧は、図示しない各種の車載電装品へ供給される。

また、平滑回路５５の出力電圧Ｖｏは、出力電圧検出回路５９により検出された後、ＰＷＭ駆動部５８へ出力される。ＰＷＭ駆動部５８は、出力電圧Ｖｏに基づいてＰＷＭ信号のデューティ比を演算し、該デューティ比に応じたＰＷＭ信号を生成して、スイッチング回路５２のＦＥＴのゲートへ出力する。これにより、出力電圧を一定に保つためのフィードバック制御が行なわれる。

制御部５７は、ＰＷＭ駆動部５８の動作を制御する。フィルタ回路５１の出力側には、電源５６が接続されている。電源５６は、高電圧バッテリ５０の電圧を降圧し、制御部５７に電源電圧（たとえばＤＣ１２Ｖ）を供給する。

上記のスイッチング電源装置１００において、平滑回路５５のチョークコイルＬとして、後述の磁気デバイス１が用いられる。チョークコイルＬには、たとえばＤＣ１５０Ａの大電流が流れる。チョークコイルＬの両端には、電力入出力用のリード端子６ｉ、６ｏが設けられている。

次に、磁気デバイス１の構造を、図２〜図５を参照しながら説明する。

図２は、磁気デバイス１の分解斜視図である。図３は、磁気デバイス１の基板３の各層の平面図である。図４は、図３の基板３のコイルパターンを示す図である。図５は、磁気デバイス１の断面図であって、図３のＸ−Ｘ断面を示している。

図２に示すように、コア２ａ、２ｂは、Ｅ字形の上コア２ａとＩ字形の下コア２ｂの、２個１対で構成されている。コア２ａ、２ｂは、フェライトまたはアモルファス金属などの磁性体から成る。

上コア２ａは、下方へ突出するように、３つの凸部２ｍ、２Ｌ、２ｒを有している。中央の凸部２ｍに対して、左側の凸部２Ｌと右側の凸部２ｒの方が、突出量が多くなっている。

図５に示すように、上コア２ａの左右の凸部２Ｌ、２ｒの下端を、下コア２ｂの上面に密着させて、該コア２ａ、２ｂは組み合わされる。この状態では、直流重畳特性を高めるため、上コア２ａの凸部２ｍと下コア２ｂの上面には所定の大きさの隙間が設けられている。これにより、磁気デバイス１（チョークコイルＬ）に大電流を流したときでも、所定のインダクタンスを実現することができる。コア２ａ、２ｂ同士は、図示しないねじや金具などの固定手段により固定される。

下コア２ｂは、ヒートシンク１０の上側に設けられた凹部１０ｋ（図２）に嵌め込まれる。ヒートシンク１０の下側には、フィン１０ｆが設けられている。

基板３は、絶縁体から成る薄板状の基材の各層に、厚みの厚い銅箔（導体）でパターンが形成された厚銅箔基板から構成されている。本実施形態では、基板３に他の電子部品や回路が設けられていないが、実際に磁気デバイス１を図１のスイッチング電源装置１００で使用する場合、同一基板上に磁気デバイス１とスイッチング電源装置１００の他の電子部品や回路が設けられる。

基板３の表面（図２および図５で上面）には、図３（ａ）に示すような第１層Ｌ１が設けられている。基板３の裏面（図２および図５で下面）には、図３（ｃ）に示すような第３層Ｌ３が設けられている。第１層Ｌ１と第３層Ｌ３の間には、図３（ｂ）に示すような第２層Ｌ２が設けられている。つまり、基板３は、回路を形成可能な２つの外面層Ｌ１、Ｌ３と、１つの内層Ｌ２を有した、３層基板から成る。

基板３には、複数の開口部３ｍ、３Ｌ、３ｒが設けられている。各開口部３ｍ、３Ｌ、３ｒには、図２〜図５に示すように、上コア２ａの各凸部２ｍ、２Ｌ、２ｒがそれぞれ挿入される。これにより、上コア２ａは基板３を貫通する。

また、基板３には複数の貫通孔３ａが設けられている。各貫通孔３ａには、図２に示すように、各ねじ１１が挿入される。基板３の裏面をヒートシンク１０の上面（フィン１０ｆと反対側）と対向させる。そして、各ねじ１１を基板３の表面側から各貫通孔３ａに貫通させて、ヒートシンク１０の各ねじ孔１０ａに螺合する。これにより、図５に示すように、基板３の第３層Ｌ３側にヒートシンク１０が近接状態で固定される。基板３とヒートシンク１０の間には、伝熱性を有する絶縁シート１２が挟み込まれる。

図３に示すように、基板３には、複数のスルーホール８ａ、８ｄ、９ａ〜９ｄが形成されている。スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ〜９ｄは、銅などの導体から成り、基板３を貫通している。

一対の大径のスルーホール８ａのうち、一方のスルーホール８ａには、電力入力用のリード端子６ｉが埋設されている。他方のスルーホール８ａには、電力出力用のリード端子６ｏが埋設されている。リード端子６ｉ、６ｏは、銅などの導体から成り、基板３を貫通している。第１層Ｌ１と第３層Ｌ３のリード端子６ｉ、６ｏの周囲には、スルーホール８ａのパッド８ｂが設けられている。パッド８ｂは銅箔から成る。リード端子６ｉ、６ｏやパッド８ｂの表面には、銅めっきが施されている。端子６ｉ、６ｏの下端は、絶縁シート１２と接触している（図示省略）。

図３（ａ）に示すように、第１層Ｌ１には、複数のスルーホール９ａ〜９ｄを形成し易くするため、４つの小パターン４ｇが設けられている。各小パターン４ｇは、銅箔から成り、表面に絶縁加工が施されている。各小パターン４ｇと各スルーホール９ａ〜９ｄは接続されている。スルーホール９ａ〜９ｄの表面には銅めっきが施され、内側は銅などの導体で埋められている。

第１層Ｌ１には、小パターン４ｇ以外のパターンが設けられていない。これにより、第１層Ｌ１に他の電気回路や電子部品を自由に配置できるようになっている。

第２層Ｌ２と第３層Ｌ３には、図３および図４に示すように、幅が太いコイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅ、幅が細いコイルパターン４ｃ、４ｆ、および放熱パターン５Ｌ_１〜５Ｌ_６、５ｒ_１〜５ｒ_６が形成されている。これらのパターン４ａ〜４ｆ、５Ｌ_１〜５Ｌ_６、５ｒ_１〜５ｒ_６は銅箔から成る。

コイルパターン４ａ〜４ｆの幅、厚み、断面積、および巻き数は、コイルの所定の性能を達成しつつ、所定の大電流（たとえばＤＣ１５０Ａ）を流しても、コイルパターン４ａ〜４ｆの発熱量をある程度に抑えられるように設定されている。

図４および図５に示すように、コイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅは、同一の太い幅Ｗ２で形成されている。コイルパターン４ｃ、４ｆは、同一の細い幅Ｗ１で形成されている。コイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅの幅Ｗ２は、コイルパターン４ｃ、４ｆの幅Ｗ１の２倍になっている（Ｗ２＝Ｗ１×２）。

コイルパターン４ａ〜４ｆの厚みは同等になっている。このため、コイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅの幅Ｗ２部分の断面積Ｓ２は、コイルパターン４ｃ、４ｆの幅Ｗ１部分の断面積Ｓ１の２倍になっている（Ｓ２＝Ｓ１×２）。つまり、各コイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅのそれぞれの幅Ｗ２部分の断面積Ｓ２と、コイルパターン４ｃ、４ｆの幅Ｗ１部分の合計断面積（Ｓ１＋Ｓ１）とが、同等になっている。

図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、第２層Ｌ２において、コイルパターン４ａは、コア２ａの左側の凸部２Ｌの周囲４方向に１回巻回されている。コイルパターン４ｂは、コア２ａの右側の凸部２ｒの周囲４方向に１回巻回されている。コイルパターン４ｃは、コイルパターン４ａの外側でかつ凸部２Ｌの周囲３方向に１回巻回されてから、凸部２ｍの周囲３方向を経由して、コイルパターン４ｂの外側でかつ凸部２ｒの周囲３方向に１回巻回されている。

図３（ｃ）および図４（ｃ）に示すように、第３層Ｌ３において、コイルパターン４ｄは、凸部２Ｌの周囲４方向に１回巻回されている。コイルパターン４ｅは、凸部２ｒの周囲４方向に１回巻回されている。コイルパターン４ｆは、コイルパターン４ｄの外側でかつ凸部２Ｌの周囲３方向に１回巻回されてから、凸部２ｍの周囲３方向を経由して、コイルパターン４ｅの外側でかつ凸部２ｒの周囲３方向に１回巻回されている。

図３および図４に示すように、第２層Ｌ２のコイルパターン４ａの一端は、スルーホール８ａによりリード端子６ｉと接続されている。コイルパターン４ａの他端は、スルーホール９ａにより第３層Ｌ３のコイルパターン４ｄの一端と接続されている。

第３層Ｌ３において、コイルパターン４ｄの他端とコイルパターン４ｆの一端とは、接続されている。また、コイルパターン４ｄの他端は、スルーホール９ｃにより第２層Ｌ２のコイルパターン４ｃの一端と接続されている。

第３層Ｌ３において、コイルパターン４ｆの他端とコイルパターン４ｅの一端とは、接続されている。また、コイルパターン４ｅの一端は、スルーホール９ｄにより第２層Ｌ２のコイルパターン４ｃの他端と接続されている。

第３層Ｌ３のコイルパターン４ｅの他端は、スルーホール９ｂにより第２層Ｌ２のコイルパターン４ｂの一端と接続されている。コイルパターン４ｂの他端は、スルーホール８ａによりリード端子６ｏと接続されている。

図６は、上述したコイルパターン４ａ〜４ｆの電気的接続を示す模式図である。図６（ａ）は、コイルパターン４ａ〜４ｆの立体的な配置図で、便宜上、スルーホール９ａ〜９ｄは破線で表してある。図６（ｂ）は、コイルパターン４ａ〜４ｆにより構成される、リード端子６ｉ、６ｏ間の電気回路図である。

図６からわかるように、異なる層Ｌ２、Ｌ３にある、幅Ｗ２が太いコイルパターン４ａ、４ｄ同士、および幅Ｗ２が太いコイルパターン４ｅ、４ｂ同士は、スルーホール９ａ、９ｂにより直列に接続されている。異なる層Ｌ２、Ｌ３にある幅Ｗ１が細いコイルパターン４ｃ、４ｆ同士は、スルーホール９ｃ、９ｄによりコイルパターン４ｄ、４ｅの間に並列に接続されている。第３層Ｌ３において、幅Ｗ１が細いコイルパターン４ｆと、幅Ｗ２が太いコイルパターン４ｄ、４ｅとは、直列に接続されている。

スルーホール９ａ、９ｂは、本発明の「第２接続部」の一例である。スルーホール９ｃ、９ｄは、本発明の「第１接続部」の一例である。

コイルパターン４ａ〜４ｆを基板３の板面に投影した場合、幅Ｗ１が細いコイルパターン４ｃ、４ｆは、それぞれの投影パターンが一致する（つまりパターン同士が完全に重なり合う）ように形成されている。また、第２層Ｌ２にあるコイルパターン４ａ〜４ｃの形状と、第３層Ｌ３にあるコイルパターン４ｄ〜４ｆの形状は、大部分で一致するようになっている。

上記コイルパターン４ａ〜４ｆにより、磁気デバイス１のコイルが構成されている。つまり、磁気デバイス１のコイルは、基板３の第２層Ｌ２で、起点であるリード端子６ｉから、凸部２Ｌの周囲に１回目が巻かれた（コイルパターン４ａ）後、スルーホール９ａを経由して、第３層Ｌ３に接続される。

次に、コイルは、第３層Ｌ３で、凸部２Ｌの周囲に２回目が巻かれる（コイルパターン４ｄ）。そして、コイルは、第３層Ｌ３で、凸部２Ｌの周囲に３回目が巻かれて、凸部２ｍの周囲を経由して、凸部２ｒの周囲に４回目が巻かれる（コイルパターン４ｆ）。また、これと並列に、スルーホール９ｃを経由して接続された第２層Ｌ２で、凸部２Ｌの周囲に３回目が巻かれて、凸部２ｍの周囲を経由して、凸部２ｒの周囲に４回目が巻かれた（コイルパターン４ｃ）後、スルーホール９ｄを経由して、第３層Ｌ３に接続される。

次に、コイルは、第３層Ｌ３で、凸部２ｒの周囲に５回目が巻かれた（コイルパターン４ｅ）後、スルーホール９ｂを経由して、第２層Ｌ２に接続される。そして、コイルは、第２層Ｌ２で、凸部２ｒの周囲に６回目が巻かれた（コイルパターン４ｂ）後、終点であるリード端子６ｏに接続される。

電流も上記の経路で流れる。つまり、図６（ａ）で説明すると、電流は、リード端子６ｉから、コイルパターン４ａ、スルーホール９ａ、およびコイルパターン４ｄに順に流れた後、コイルパターン４ｆに流れるとともに、スルーホール９ｃを介してコイルパターン４ｃに流れる。そして、電流は、コイルパターン４ｆからコイルパターン４ｅに流れ、また、コイルパターン４ｃからスルーホール９ｄを介してコイルパターン４ｅに流れた後、スルーホール９ｂ、コイルパターン４ｂ、およびリード端子６ｏの順で流れる。

図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、第２層Ｌ２では、幅が太いコイルパターン４ａ、４ｂを部分的に基板３の板面上で拡張することにより、放熱部４Ｌ_１、４ｒ_１が設けられている。また、幅Ｗ１が細いコイルパターン４ｃを部分的に基板３の板面上で拡張することにより、放熱部４Ｌ_２、４Ｌ_３、４ｒ_２、４ｒ_３が設けられている。

図３（ｃ）および図４（ｃ）に示すように、第３層Ｌ３では、幅Ｗ１が細いコイルパターン４ｆを部分的に基板３の板面上で拡張することにより、放熱部４Ｌ_４、４Ｌ_５、４ｒ_４、４ｒ_５が設けられている。各放熱部４Ｌ_１〜４Ｌ_５、４ｒ_１〜４ｒ_５は、銅箔から成る。

図３に示すように、第２層Ｌ２と第３層Ｌ３のコイルパターン４ａ〜４ｆの周辺の空き領域には、放熱パターン５Ｌ_１〜５Ｌ_６、５ｒ_１〜５ｒ_６が設けられている。放熱パターン５Ｌ_１〜５Ｌ_６、５ｒ_１〜５ｒ_６は、コイルパターン４ａ〜４ｆと電気的に別体になっている。左側の放熱パターン５Ｌ_１〜５Ｌ_６、および右側の放熱パターン５ｒ_１〜５ｒ_６同士も別体になっている。

図３（ｂ）に示すように、第２層Ｌ２において、放熱パターン５Ｌ_１〜５Ｌ_３、５ｒ_１〜５ｒ_３と、コイルパターン４ａ〜４ｃとは絶縁されている。また、放熱パターン５Ｌ_１〜５Ｌ_３、５ｒ_１〜５ｒ_３同士も絶縁されている。

図３（ｃ）に示すように、第３層Ｌ３において、放熱パターン５Ｌ_４〜５Ｌ_６、５ｒ_４〜５ｒ_６と、コイルパターン４ｄ〜４ｆとは絶縁されている。また、放熱パターン５Ｌ_４〜５Ｌ_６、５ｒ_４〜５ｒ_６同士も絶縁されている。

放熱パターン５Ｌ_１〜５Ｌ_６、５ｒ_１〜５ｒ_６に対して、ねじ１１、パッド８ｂ、スルーホール８ａ、およびリード端子６ｉ、６ｏは絶縁されている。

複数の大径のスルーホール８ｄには、放熱ピン７ａ〜７ｆがそれぞれ埋め込まれている。放熱ピン７ａ〜７ｆは、銅などの導体から成る。第１層Ｌ１と第３層Ｌ３の放熱ピン７ａ〜７ｆの周囲には、スルーホール８ｄのパッド８ｃが設けられている。パッド８ｃは銅箔から成る。放熱ピン７ａ〜７ｆやパッド８ｃの表面には、銅めっきが施されている。放熱ピン７ａ〜７ｆの下端は、絶縁シート１２と接触している（図５参照）。

図３（ｂ）に示すように、第２層Ｌ２において、コイルパターン４ａの放熱部４Ｌ_１には、スルーホール８ｄを介して放熱ピン７ｃが接続されている。また、コイルパターン４ｂの放熱部４ｒ_１には、スルーホール８ｄを介して放熱ピン７ｄが接続されている。さらに、コイルパターン４ｃの各放熱部４Ｌ_２、４Ｌ_３、４ｒ_２、４ｒ_３には、スルーホール８ｄを介して放熱ピン７ｅ、７ａ、７ｆ、７ｂがそれぞれ接続されている。

図３（ｃ）に示すように、第３層Ｌ３において、左側の放熱パターン５Ｌ_４、５Ｌ_５、５Ｌ_６に対して、放熱ピン７ｃ、７ｅ、７ａとこれらの周囲のパッド８ｃおよびスルーホール８ｄがそれぞれ接続されている。また、右側の放熱パターン５ｒ_４、５ｒ_５、５ｒ_６に対して、放熱ピン７ｄ、７ｆ、７ｂとこれらの周囲のパッド８ｃおよびスルーホール８ｄが接続されている。

つまり、放熱ピン７ｃにより、第２層Ｌ２のコイルパターン４ａと、第３層Ｌ３の放熱パターン５Ｌ_４が接続されている。また、放熱ピン７ｄにより、第２層Ｌ２のコイルパターン４ｂと、第３層Ｌ３の放熱パターン５ｒ_４が接続されている。さらに、放熱ピン７ｅ、７ａ、７ｆ、７ｂにより、第２層Ｌ２のコイルパターン４ｃと、第３層Ｌ３の放熱パターン５Ｌ_５、５Ｌ_６、５ｒ_５、５ｒ_６が接続されている。

コイルパターン４ａ〜４ｆには大電流が流れるため、コイルパターン４ａ〜４ｆが発熱して、基板３の温度が上昇する。一般に、コイルパターン４ａ〜４ｆの幅が細いほど、発熱量は多くなる。然るに、幅Ｗ１の細いコイルパターン４ｃ、４ｆは並列に接続されていて、該コイルパターン４ｃ、４ｆの合計断面積Ｓ１＋Ｓ１が、他の幅Ｗ２の太いコイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅのそれぞれの断面積Ｓ２と同等になっている。このため、幅Ｗ１の細いコイルパターン４ｃ、４ｆの合計発熱量が、幅Ｗ２の太いコイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅのそれぞれの発熱量とほぼ同等となる。

第２層Ｌ２にあるコイルパターン４ａ〜４ｃで発生した熱は、放熱部４Ｌ_１〜４Ｌ_３、４ｒ_１〜４ｒ_３に拡散されて、放熱ピン７ａ〜７ｆを介して第３層Ｌ３の放熱パターン５Ｌ_４〜５Ｌ_６、５ｒ_４〜５ｒ_６に伝わる。そして、放熱パターン５Ｌ_４〜５Ｌ_６、５ｒ_４〜５ｒ_６に拡散された熱は、絶縁シート１２を介してヒートシンク１０に伝わり、ヒートシンク１０で放熱される。

第３層Ｌ３にあるコイルパターン４ｄ〜４ｆで発生した熱は、放熱部４Ｌ_４、４Ｌ_５、４ｒ_４、４ｒ_５に拡散されて、コイルパターン４ｄ〜４ｆの表面と放熱部４Ｌ_４、４Ｌ_５、４ｒ_４、４ｒ_５の表面から、絶縁シート１２を介してヒートシンク１０に伝わり、ヒートシンク１０で放熱される。

また、基板３にこもった熱は、第３層Ｌ３にある放熱パターン５Ｌ_４〜５Ｌ_６、５ｒ_４〜５ｒ_６の表面から絶縁シート１２を介してヒートシンク１０に伝わり、ヒートシンク１０で放熱される。

上記実施形態によると、基板３の複数の層Ｌ２、Ｌ３に、幅Ｗ１が細いコイルパターン４ｃ、４ｆと、幅Ｗ２が太いコイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅとが、それぞれ設けられている。そして、異なる層Ｌ２、Ｌ３にある幅Ｗ１が細いコイルパターン４ｃ、４ｆは、基板３の板面に投影した場合にそれぞれの投影パターンが一致し、かつ並列に接続されている。また、異なる層Ｌ２、Ｌ３にある幅Ｗ２が太いコイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅ同士が、直列に接続されている。さらに、第３層Ｌ３において、幅Ｗ１が細いコイルパターン４ｆと幅Ｗ２が太いコイルパターン４ｄ、４ｅとが、直列に接続されている。

このため、磁気デバイス１のコイルが、各層Ｌ２、Ｌ３に設けられた幅Ｗ２が太いコイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅと、幅Ｗ１が細いコイルパターン４ｃ、４ｆとから構成されるので、各層Ｌ２、Ｌ３にコイルパターン４ａ〜４ｆが複数回巻回されて、コイルの巻き数を多くすることができる。

また、たとえば、１つの層にコイルパターンを１回だけ巻回する場合より、基板３の層数を少なくすることができる。また、たとえば、幅が太いコイルパターンだけを複数回巻回する場合や、コイルパターン４ｃ、４ｆの形成位置をずらした場合（投影パターンが不一致の場合）より、基板３の面積を小さくすることができる。特に、異なる層Ｌ２、Ｌ３にあるコイルパターン４ａ〜４ｆの形状が大部分で一致しているので、コイルパターン４ａ〜４ｆが基板３の板面上で広がるのを抑えて、基板３および磁気デバイス１の小型化を実現することができる。

また、幅Ｗ２の太いコイルパターン４ｄ、４ｅの間に、幅Ｗ１の細いコイルパターン４ｃ、４ｆを並列に接続しているので、コイルの全体に渡って、直流抵抗をある程度の大きさにとどめて、コイルの発熱を抑制することができる。特に、幅Ｗ１の細いコイルパターン４ｃ、４ｆを直列に接続した場合より、該コイルパターン４ｃ、４ｆでの発熱を抑えることができる。

よって、磁気デバイス１のサイズが大きくなるのを抑えながら、コイルの巻き数を多くして、発熱を抑制することが可能となる。またこの結果、磁気デバイス１において、各コイルパターン４ａ〜４ｆの発熱を許容することができる。

また、幅Ｗ１が細いコイルパターン４ｃ、４ｆを部分的に拡張することにより、放熱部４Ｌ_２〜４Ｌ_５、４ｒ_２〜４ｒ_５を設けているので、該コイルパターン４ｃ、４ｆで発生した熱を放熱部４Ｌ_２〜４Ｌ_５、４ｒ_２〜４ｒ_５に拡散させて、放熱させ易くすることができる。

また、幅Ｗ２が太いコイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅのそれぞれの断面積Ｓ２と、並列に接続された幅Ｗ１が細いコイルパターン４ｃ、４ｆの合計断面積Ｓ１＋Ｓ１とが、同等になっている。このため、コイルパターン４ｃ、４ｆの合計発熱量を、コイルパターン４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅのそれぞれの発熱量と同程度に抑えることができる。

さらに、基板３を貫通するスルーホール９ａ〜９ｄにより、異なる層Ｌ２、Ｌ３にあるコイルパターン４ａ〜４ｆ同士を接続しているので、基板３の製造を容易にすることができる。

本発明では、以上述べ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、基板３の内部にある第２層Ｌ２と、裏面にある第３層Ｌ３に、コイルパターン４ａ〜４ｆを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、基板の表面にある層と裏面にある層に、幅が太いコイルパターンと幅が細いコイルパターンをそれぞれ設けてもよい。また、３層以上を有する多層基板において、３層以上に幅が太いコイルパターンと幅が細いコイルパターンをそれぞれ設けてもよい。

また、以上の実施形態では、コア２ａの３つの凸部２ｍ、２Ｌ、２ｒに巻回されるように、基板３にコイルパターン４ａ〜４ｆを形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。コイルパターンは、コアの少なくとも１つの凸部に巻回されていればよい。

また、以上の実施形態では、第２層Ｌ２のコイルパターン４ａ〜４ｃの形状と、第３層Ｌ３のコイルパターン４ｄ〜４ｆの形状とが大部分で一致する例を挙げたが、各層のコイルパターンの形状が完全に一致するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、図５に示したように、コイルパターン４ａ〜４ｆの厚みが同等になっている例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、コイルパターン４ａ〜４ｆの厚みは異なっていてもよい。

また、以上の実施形態では、第１および第２接続部としてスルーホール９ａ〜９ｄを基板３に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、端子やピンやはんだなどの他の導体から成る接続部を基板に設けて、異なる層にあるコイルパターン同士を接続するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、厚銅箔基板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く、一般的な樹脂製のプリント基板や金属製の基板などのような、他の基板を用いてもよい。金属製の基板の場合は、基材とコイルパターンとの間に絶縁体を設ければよい。

また、以上の実施形態では、Ｅ字形の上コア２ａにＩ字形の下コア２ｂを組み合わせた例を示したが、本発明は、２つのＥ字形コアを組み合わせた磁気デバイスにも適用することができる。

さらに、以上の実施形態では、車両用のスイッチング電源装置１００における、平滑回路５５のチョークコイルＬとして使用される磁気デバイス１に本発明を適用した例を挙げたが、トランス５３（図１）として使用される磁気デバイスに対しても、本発明を適用することは可能である。また、車両以外の、たとえば電子機器用のスイッチング電源装置で使用される磁気デバイスにも本発明を適用することは可能である。

１ 磁気デバイス
２ａ 上コア
２ｂ 下コア
３ 基板
４ａ、４ｂ、４ｄ、４ｅ 幅の太いコイルパターン
４ｃ、４ｆ 幅の細いコイルパターン
４Ｌ_２、４Ｌ_３、４Ｌ_４、４Ｌ_５、４ｒ_２、４ｒ_３、４ｒ_４、４ｒ_５ 放熱部
Ｌ２ 第２層
Ｌ３ 第３層
Ｗ１、Ｗ２ コイルパターンの幅
Ｓ１、Ｓ２ コイルパターンの断面積

Claims (5)

1. 磁性体から成るコアと、
   絶縁体から成り、前記コアが貫通する基板と、
   前記コアの周囲に巻回されるように前記基板に設けられた、導体から成るコイルパターンと、を備えた磁気デバイスにおいて、
   前記基板にある複数の層に、幅が太い前記コイルパターンと幅が細い前記コイルパターンとがそれぞれ設けられ、
   異なる層にある前記幅が細いコイルパターン同士は、前記基板の板面に投影した場合にそれぞれの投影パターンが一致するように形成され、かつ並列に接続されており、
   異なる層にある前記幅が太いコイルパターン同士は、直列に接続されており、
   少なくともいずれか１つの層において、前記幅が細いコイルパターンと前記幅が太いコイルパターンとは、直列に接続されている、ことを特徴とする磁気デバイス。
2. 請求項１に記載の磁気デバイスにおいて、
   前記幅が細いコイルパターンを部分的に拡張することにより、放熱部が設けられている、ことを特徴とする磁気デバイス。
3. 請求項１または請求項２に記載の磁気デバイスにおいて、
   異なる層にある前記コイルパターンの形状が一致している、ことを特徴とする磁気デバイス。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の磁気デバイスにおいて、
   前記幅が太いコイルパターンの断面積と、並列に接続された前記幅が細いコイルパターンの合計断面積とが、同等である、ことを特徴とする磁気デバイス。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の磁気デバイスにおいて、
   前記基板の２つの層に、前記幅が太いコイルパターンと前記幅が細いコイルパターンとがそれぞれ設けられ、
   前記２つの層にある前記幅が細いコイルパターンは、前記基板の板面に投影した場合にそれぞれの投影パターンが一致するように形成され、
   前記２つの層のうち一方の層で、前記幅が細いコイルパターンと前記幅が太いコイルパターンとが直列に接続され、
   前記基板を貫通する導体から成り、前記２つの層にある前記幅が細いコイルパターン同士を並列に接続する第１接続部と、
   前記基板を貫通する導体から成り、前記２つの層にある前記幅が太いコイルパターン同士を直列に接続する第２接続部と、をさらに備えた、ことを特徴とする磁気デバイス。

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