JP2017183663A - コイル部品 - Google Patents

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Abstract

【課題】薄型化を図りつつ、絶縁耐圧を確保することができるコイル部品を提供する。【解決手段】本発明のコイル部品は、直方体形状の磁性体部12と、磁性体部12の内部に設けられたターン数N(Nは2以上の正数)のコイル部13と、絶縁性中間部16と、外部電極とを具備する。コイル部13は、第1の導体層L1と、第2の導体層L2と、これらを接続する層間接続部133とを有する。第1の導体層L1は、一軸まわりに第1の間隔をおいて巻回された第1の多重周回部131を有する。第2の導体層L2は、一軸まわりに第1の間隔をおいて巻回された第2の多重周回部132を有し、第1の導体層L1と対向する。絶縁性中間部16は、磁性体の内部に設けられ、第1の導体層L1と第2の導体層L2との間に第1の間隔と(N−1)との積以下の厚みに相当する第2の間隔を形成する。【選択図】図2

Description

本発明は、導電性材料で構成される周回部が磁性材料によって覆われた構造を有するコイル部品に関する。
携帯機器の多機能化や自動車の電子化などにより、チップタイプと呼ばれる小型のコイル部品が広く用いられている。中でも、積層型のコイル部品は、薄型化に対応できるという利点を有する。積層型のコイル部品は、所定形状のコイルパターンが形成された複数の磁性シートの積層体で構成され、各層のコイルパターンをビアで接続することでコイル部が構成される。例えば特許文献1には、2層構造を有する渦巻き型のコイルパターンを磁性体部に内蔵したチップ電子部品が記載されている。
2015−170846号公報
近年、電子機器の小型化、薄型化に伴い、当該電子機器に搭載される電子部品の更なる小型化、薄型化が進められている。積層型のコイル部品において導体層の間に配置される絶縁性中間部の薄厚化は、絶縁耐圧の低下を招くおそれがある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、薄型化を図りつつ、絶縁耐圧を確保することができるコイル部品を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るコイル部品は、直方体形状の磁性体部と、上記磁性体部の内部に設けられたターン数N(Nは2以上の正数)のコイル部と、絶縁性中間部と、外部電極とを具備する。
上記コイル部は、第1の導体層と、第2の導体層と、層間接続部とを有する。上記第1の導体層は、一軸まわりに第1の間隔をおいて巻回された第1の多重周回部を有する。上記第2の導体層は、上記一軸まわりに第1の間隔をおいて巻回された第2の多重周回部を有し、上記第1の導体層と対向する。上記層間接続部は、上記第1の多重周回部の内周側端部と上記第2の多重周回部の内周側端部とを相互に接続する。
上記絶縁性中間部は、上記磁性体部の内部に設けられ、上記第1の導体層と上記第2の導体層との間に上記第1の間隔と(N−1)との積以下の厚みに相当する第2の間隔を形成する。
上記外部電極は、上記磁性体部に設けられ、上記第1及び第2の多重周回部の外周側端部にそれぞれ接続される。
上記コイル部は、第1の絶縁部と、第2の絶縁部とをさらに有してもよい。上記第1の絶縁部は、上記第1の導体部に設けられ、上記第1の多重周回部の間に位置し、上記磁性体部より高抵抗である。上記第2の絶縁部は、上記第2の導体部に設けられ、上記第2の多重周回部の間に位置し、上記磁性体部より高抵抗である。
上記絶縁性中間部は、上記第1の多重周回部と上記第2の多重周回部との対向領域に配置され中心孔を有する非磁性材で構成されてもよく、上記磁性体部は、上記非磁性材の中心孔に設けられたコア部を有してもよい。
上記磁性体部は、金属磁性材料と酸化物材料とで構成されてもよい。
上記磁性体部は、金属磁性材料と合成樹脂材料との複合材料で構成されてもよい。
以上述べたように、本発明によれば、薄型化を図りつつ、絶縁耐圧を確保することができる。
本発明の第1の実施形態に係るコイル部品の全体斜視図である。 図1のA−A線方向の概略断面図である。 上記コイル部品におけるコイル部を模式的に示す透過断面斜視図である。 本発明の第2の実施形態に係るコイル部品を示す概略断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係るコイル部品の全体斜視図である。図2は、図1のA−A線方向の概略断面図である。図3は、コイル部品内部のコイル部を模式的に示す透過断面斜視図である。
本実施形態のコイル部品10は、図1に示すように、部品本体11と、一対の外部電極14,15とを有する。部品本体11は、X軸方向に幅W、Y軸方向の長さL、Z軸方向に高さHを有する直方体形状に形成される。一対の外部電極14,15は、部品本体11の長辺方向(Y軸方向)に対向する2つの端面に設けられる。
部品本体11の各部の寸法は特に限定されず、本実施形態では、長さ2mm、幅1.2mm、高さ0.7mmとされる。
部品本体11は、図2に示すように、磁性体部12と、コイル部13と、絶縁性中間部16とを有する。
[磁性体部]
磁性体部12は、第1の磁性体層121と、第2の磁性体層122とを有する。第1及び第2の磁性体層121,122は、コイル部13及び絶縁性中間部16を挟んでZ軸方向に相互に対向するように配置される。第1及び第2の磁性体層121,122は、同一の構成を有するため、以下個別に説明する場合を除き磁性体部12と総称する。
磁性体部12は、軟磁気特性を有する磁性材料と酸化物材料とで構成される。磁性材料としては、金属磁性粒子を主体とする磁性材料が用いられる。金属磁性粒子として本実施形態では、FeCrSi合金粒子が採用され、その組成は、例えば、Crが1.5〜5wt%、Siが3〜10wt%であり、不純物を除き、残りをFeとし、全体で100%とする。
磁性体部12を構成するFeCrSi合金粒子としては、体積基準の粒子径として見た場合の平均粒径(メディアン径)が例えば10μmのものが用いられる。平均粒径は、2〜20μmの範囲でもよく、または平均粒径の異なる合金粒子を組み合わせてもよい。
酸化物材料としては、FeCrSi合金粒子それぞれの表面に形成された酸化物膜で構成される。酸化物膜は、FeCrSi合金粒子の酸化物膜で、絶縁膜として存在している。磁性体部12内のFeCrSi合金粒子は、上記酸化物膜を介して相互に結合し、コイル部13近傍のFeCrSi合金粒子は、上記酸化物膜を介してコイル部13と密着している。上記酸化物膜は、典型的には、磁性体に属するFe、非磁性体に属するFe、Cr、SiOの少なくとも1つを含む。
また、上記酸化膜は、金属磁性粒子の表面から外側に向かって、Si、Cr、Feの順で成分のピークが存在する性質を合わせ持っている。FeCrSi以外としては、FeAlSi、FeSiTiなどが挙げられ、Feを主成分とし、Siと、Si以外のFeより酸化しやすい元素を含むものであれば良い。好ましくは、Feが85〜95.5wt%であって、FeとSi以外の成分MはFeより酸化しやすい元素を含んでおり、成分Mに対するSiの割合Si/Mは1より大きい金属磁性材料である。このような磁性材料を用いることで、上記の酸化膜は安定的に形成され、特に低温度での熱処理を行う場合でも、絶縁性を高くできる。
磁性体部12の透磁率は特に限定されず、コイル部品10に求められる特性に応じて適宜調整可能であり、本実施形態では、室温での透磁率(μ)は約25[H/m]である。
[コイル部]
コイル部13は、導電性材料で構成され、外部電極14と電気的に接続される引出端部13e1と、外部電極15と電気的に接続される引出端部13e2とを有する。コイル部13は、導電ペーストの焼成体で構成され、例えば、銀(Ag)ペーストや銅(Cu)ペーストの焼成体で構成される。
コイル部13は、磁性体部12の内部に設けられ、第1の多重周回部131と、第2の多重周回部132と、第1の多重周回部131の内周側端部と第2の多重周回部132の内周側端部とを相互に接続する層間接続部133とを有する。
第1の多重周回部131は、Z軸まわりに第1の間隔をおいて巻回された平面コイル部を構成する。
第1の多重周回部131を構成する複数の周回部C1〜C4は、それぞれ同一の幅(導体幅w)及び厚み(導体厚みt)を有し、上記第1の間隔は、隣接する周回部間の最小間隔(導体間距離g)をいう。第1の多重周回部131は、引出端部13e1とともに第1の導体層L1を構成し、第1の磁性体層121に埋設されている。つまり、第1の導体層L1は、第1の多重周回部131と引出し端部13e1と上記第1の間隔の部分とを含むことになる。
一方、第2の多重周回部132は、第1の多重周回部131とZ軸方向に対向し、Z軸まわりに巻回された平面コイル部を構成する。第1の多重周回部131と第2の多重周回部132は、Z軸まわりに同一方向に巻回している。
第2の多重周回部132を構成する複数の周回部C5〜C8は、それぞれ同一の幅(導体幅w)及び厚み(導体厚みt)を有するとともに、第1の周回部131と同一の導体間距離(g)で形成される。第1の多重周回部131は、引出端部13e2とともに第2の導体層L2を構成し、第2の磁性体層122に埋設されている。つまり、第2の導体層L2は、第2の多重周回部132と引出し端部13e2と上記第1の間隔の部分とを含むことになる。
第1の多重周回部131と第2の多重周回部132とは、層間接続部133を介して相互に電気的に接続される。コイル部13のターン数N(Nは2以上の正数)は、第1及び第2の多重周回部131,132の周回部の数で定まり、本実施形態ではターン数N=7.5のコイル部13が構成される(図3参照)。
[絶縁性中間部]
絶縁性中間部16は、磁性体部12の内部に設けられ、第1の導体層L1と第2の導体層L2との間に配置される。
絶縁性中間部16は、第1の多重周回部131と第2の多重周回部132との間の印加される電位による磁性体部12の絶縁破壊を防ぐためのものである。典型的には、各周回部C1〜C8を構成する導体間には1ターン分の電位差が生じ、2つの引出端部13e1,13e2に接続される周回部C1及びC8間には最大で(N−1)ターン分の電位差が生じる。
ここで、上記第1の間隔(導体間距離g)が相隣接する周回部間の絶縁耐圧を確保できる大きさであれば、上下に対向配置された第1及び第2の多重周回部131,132間の絶縁耐圧を確保できる間隔は、上記第1の間隔(導体間距離g)と(N−1)との積に相当する大きさとなる。
そこで本実施形態では、絶縁性中間部16は、磁性体部12よりも高抵抗の材料で構成され、かつ、上記第1の間隔(導体間距離g)と(N−1)との積以下である第2の間隔(絶縁性中間部厚みT)に相当する厚みを有する。つまり絶縁性中間部16は、第1の導体層L1と第2の導体層L2との間に上記第2の間隔を形成する。これにより、部品本体11の薄型化を図りつつ、多重周回部131,132間の絶縁耐圧を確保することが可能となる。また、多重周回部131,132間の間隔が小さくなることで、コイル部13全体のコイル長が短くなり、これによりコイル部13の直流抵抗の低減を図ることが可能となる。
本実施形態において絶縁性中間部16は、第1の多重周回部131と第2の多重周回部132との対向領域に配置された非磁性材で構成される。絶縁性中間部は、第1及び第2の多重周回部131,132の内外周のコイル部C1〜C8を共通に支持する枠状のベタ膜で構成され、多重周回部131,132の巻き芯に対応する領域に中心孔16aを有する。中心孔16aには層間接続部133が設けられるとともに、磁性体部12の一部として構成されたコア部123が充填される。
絶縁性中間部16は、磁性体部12よりも高抵抗の非磁性材料で構成される。このような材料として、本実施形態ではジルコニア粒子やシリカ粒子、アルミナ粒子等の酸化物粒子を含む絶縁性ペーストから作られる。
上記酸化物粒子の平均粒径は特に限定されず、例えば、10〜500nmで、球形のものが用いられる。なお、酸化物粒子の平均粒径の小さいものほど、コイル部13(多重周回部131,132)を構成する導電材の侵入が抑えられるため、導体間距離gを小さくすることができる。また、非磁性領域161の厚み(絶縁性中間部厚みT)を小さくすることも可能となり、薄型化に対応できる。このとき、酸化物粒子どうしは結合していることが好ましいが、絶縁性に影響しない範囲であればこれに限られない。
一方、絶縁性中間部16の内周側及び外周側は、磁性体部12を構成する磁性材料で覆われる。これにより、多重周回部131,132への電流印加により形成される磁場の透磁率が高まるため、コイル部品10のインダクタンスの向上が図れるようになる。
以上のように構成される本実施形態のコイル部品10は、絶縁性中間部16の形成後、その両面に第1及び第2の多重周回部131,132及び第1及び第2の磁性体層121,122が形成されることで作製される。
各層の形成方法は特に限定されず、典型的には印刷法が用いられる。すなわち、絶縁性中間部16、第1及び第2の多重周回部131,132、第1及び第2の磁性体層121,122(コア部123)の印刷工程が繰り返される。各層の印刷形成後、所定温度での熱処理が行われることで部品本体11が作製される。この熱処理は、各層の形成後に個別に行ってもよいし、全ての層の形成後に一括して行ってもよい。部品本体11の作製後、ペースト塗布あるいは、めっき法等により外部電極14,15が形成される。
ここで、絶縁性中間部16に用いられるジルコニア粒子は、磁性体部12の熱処理温度では反応を起こさず、それぞれ独立した粒子として存在する。磁性体部12は熱処理してもほとんど収縮することがない。このため、ジルコニア粒子が存在しても、熱処理後でも磁性体部12に欠陥などが生じることはない。
なお絶縁性中間部16がジルコニア粒子を含む場合、これにガラスをさらに含ませてもよい。例えばガラスを5wt%程度添加することで、ジルコニア粒子をガラスで結合させることができる。さらに、部品本体11(コイル部品10)の強度を高くすることができ、したがって薄型化がより一層可能となる。しかも、仮に部品が破損したとしても、ジルコニア粒子が飛散することもない。絶縁性中間部16にガラスが含まれる場合、形状の安定性と機械的強度を考慮すると、絶縁性中間部16の厚みは3μm以上であることが望ましい。
<第2の実施形態>
図4は、本発明の第2の実施形態に係るコイル部品を示す概略断面図である。以下、第1の実施形態と異なる構成について主に説明し、第1の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。
本実施形態のコイル部品20は、磁性体部22と、コイル部23及び絶縁性中間部26の構成が上述の第1の実施形態と異なる。
本実施形態において、磁性体部22は、金属磁性材料と合成樹脂材料との複合材料で構成される。金属磁性材料としては上述の第1の実施形態で説明した磁性材料、例えば、FeCrSi合金磁性粒子が用いられる。樹脂材料としては、熱、光、化学反応等により硬化する樹脂が用いられ、例えば、ポリイミド、エポキシ樹脂、液晶ポリマ等が挙げられる。一方、天面部12は、上記材料のほか、樹脂フィルム等で構成される。
コイル部23は、第1の実施形態と同様に、第1の多重周回部131と、第2の多重周回部132と、これらの間を接続する層間接続部133とを有する。コイル部23はさらに、第1の絶縁部21と、第2の絶縁部22とを有する。
第1の絶縁部21は、第1の多重周回部131の周回部間に位置し、磁性体部12より高抵抗の材料で構成される。第2の絶縁部22は、第2の多重周回部132の周回部間に位置し、磁性体部12より高抵抗の材料で構成される。第1及び第2の絶縁部21,22は、典型的には樹脂材料で構成され、例えば、磁性体部22の構成材料あるいは磁性体部22の樹脂成分を構成する材料が用いられる。
絶縁性中間部26は、中心孔を有する非磁性材で構成される点で第1の実施形態と共通するが、絶縁性中間部26の構成材料が第1の実施形態と異なる。本実施形態において絶縁性中間部26は、樹脂基板で構成され、その材料は磁性体部12よりも高抵抗であれば特に限定されず、ここでは、ポリイミド樹脂基板が用いられる。絶縁性中間部26に樹脂基板を用いることで、厚みを薄くすることができる。なお工程内でのハンドリング性や機械的強度等を考慮すると、絶縁性中間部26の厚みは10μm以上であることが望ましい。
絶縁性中間部26を構成するポリイミド基板の厚みは、第1の実施形態と同様に、第1の間隔(導体間距離g)と(N−1)との積以下の大きさで形成される。これにより、第1及び第2の多重周回部131,132間の絶縁耐圧を確保できる絶縁性中間部厚み(T)が確保される。
本実施形態においても上述の第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。特に本実施形態によれば、コイル部23が第1及び第2の絶縁部21,22を有するため、各周回部C1〜C8の間隔(導体間距離g)を狭めることができ、その分、各周回部C1〜C8の幅(導体幅w)を大きくして抵抗値の低減を図ることが可能となる。また、導体間距離(g)が狭くなることで、絶縁性中間部厚み(T)を小さくできるため、コイル部品20のより一層の薄型化を図ることが可能となる。
本実施形態のコイル部品20は、めっき技術を用いて作製することができる。まず、絶縁性中間部26を構成するポリイミド基板の両面に対し、図示しないめっきレジストを介して、電気めっき法で第1及び第2の多重周回部131,132を形成する。ポリイミド基板に層間接続部133を形成するための貫通孔を形成しておくことで、層間接続部133も電気めっき法により形成することができる。
続いて、この基板の両面を合金磁性粒子と樹脂を含む磁性シートで挟み込み、加熱しながら全体の厚みが均一となるように荷重を加え、磁性シートの樹脂成分により接着、一体化させる。この後、個片化のためのカッティングを行い、各多重周回部と電気的な導通をとるため、外部端子を形成する部分に導体膜をスパッタリングし、あるいは導電性ペーストを塗布、硬化させ、最後にめっきを行う。
周回部間に位置する絶縁部21,22の形成は、周回部の形成前でも形成後でもよい。周回部の形成前であれば、周回部形成用のめっきレジストをそのまま絶縁部21,22としてもよい。周回部の形成後であれば樹脂を流し込むことで形成してもよい。
磁性体部12、絶縁性中間部26及び絶縁部21,22の抵抗率の値は特に限定されず、例えば、磁性体部12が10Ω・cm以上、絶縁性中間部26及び絶縁部21,22がそれぞれ10Ω・cm以上である。
<実験例>
以下、本発明者らにより行われた実験例について説明する。
(実験例1)
ターン数が7.5、導体幅wが15μm、導体厚みtが15μm、導体間距離gが20μmであるAgペースト製の多重周回部131,132を有するコイル部13と、絶縁性中間部厚みTが30μmであるジルコニア粒子(平均粒径5μm)の焼成体からなる絶縁性中間部16とを備えた第1の実施形態に係るコイル部品サンプル(図2参照)を作製した。
(実験例2)
ジルコニア粒子の平均粒径を1μm、絶縁性中間部厚みTを5μmとした以外は、実験例1と同一の構成のコイル部品サンプルを作製した。
(実験例3)
ジルコニア粒子の平均粒径を0.1μm、絶縁性中間部厚みTを3μmとした以外は、実験例1と同一の構成のコイル部品サンプルを作製した。
(実験例4)
絶縁性中間部16をシリカ粒子(平均粒径0.1μm)、絶縁性中間部厚みTを3μmとした以外は、実験例1と同一の構成のコイル部品サンプルを作製した。
(実験例5)
ターン数が7.5、導体幅wが15μm、導体厚みtが15μm、導体間距離gが20μmであるCuペースト製の多重周回部131,132を有するコイル部23と、絶縁性中間部厚みTが55μmであるポリイミド基板からなる絶縁性中間部26とを備え、絶縁部21,22が磁性体部12と同一の材料で構成された第2の実施形態に係るコイル部品サンプル(図4参照)を作製した。
(実験例6)
導体幅wを23μm、導体間距離gを9μm、絶縁性中間部厚みTを30μmとし、磁性体部22を構成する樹脂成分(エポキシ樹脂)で絶縁部21,22を構成した以外は、実験例5と同一の構成のコイル部品サンプルを作製した。
(実験例7)
導体幅wを26μm、導体厚みtを20μm、導体間距離gを5μm、絶縁性中間部厚みTを25μmとし、磁性体部22を構成する樹脂成分(エポキシ樹脂)で絶縁部21,22を樹脂材料で構成した以外は、実験例5と同一の構成のコイル部品サンプルを作製した。
(比較例1)
絶縁性中間部厚みTが160μmであり、磁性体部12と同一の材料で絶縁性中間部を構成した以外は、実験例1と同一の構成のコイル部品サンプルを作製した。
上述の実験例1〜7及び比較例1の各サンプルの構成条件を表1及び表2に示す。
Figure 2017183663
Figure 2017183663
実験例1〜7及び比較例1の各サンプルについて同一の条件で、インダクタンス、直流抵抗及び耐電圧をそれぞれ評価した。表3にその結果を示す。
Figure 2017183663
インダクタンス及び直流抵抗については、比較例1に係るサンプルのインダクタンス値及び直流抵抗値からの変化量を百分率で評価した。実験例1〜7に係るサンプルはいずれも、比較例1よりもインダクタンスが大きく、直流抵抗が低かった。また、比較例1で不良となった耐電圧条件が、実験例1〜7ではいずれも良好であった。
以上のように、絶縁性中間部厚みTが、導体間距離gと(N(ターン数)−1)との積以下の大きさである実験例1〜7によれば、上記積よりも大きな比較例1と比較して、良好な耐電圧を示すことが確認された。
また、絶縁性中間部厚みTをターン数で割った値(T/N)が小さいサンプル(実験例2〜4)ほど、インダクタンス特性及び直流抵抗特性がいずれも向上することが確認された。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば以上の実施形態では、ターン数7.5のコイル部品を例に挙げて説明したが、ターン数はこれに限られず、要求される仕様や特性に応じて適宜設定可能である。
また以上の第1の実施形態では、絶縁性中間部16の非磁性領域161をジルコニア粒子又はシリカ粒子の焼成体で構成した例について説明したが、この非磁性領域161を第2の実施形態と同様に樹脂基板で構成することも可能である。
同様に、第1の実施形態で説明したコイル部品に、第2の実施形態で説明した絶縁部21,22を適用してもよい。
10,20…コイル部品
12,22…磁性体部
13,23…コイル部
14,15…外部電極
16,26…絶縁性中間部
21,22…絶縁部
131,132…多重周回部
161,261…非磁性領域
162…磁性領域

Claims (5)

  1. 直方体形状の磁性体部と、
    一軸まわりに第1の間隔をおいて巻回された第1の多重周回部を有する第1の導体層と、前記一軸まわりに前記第1の間隔をおいて巻回された第2の多重周回部を有し、前記第1の導体層と対向する第2の導体層と、前記第1の多重周回部の内周側端部と前記第2の多重周回部の内周側端部とを相互に接続する層間接続部とを有し、前記磁性体部の内部に設けられたターン数N(Nは2以上の正数)のコイル部と、
    前記磁性体部の内部に設けられ、前記第1の導体層と前記第2の導体層との間に前記第1の間隔と(N−1)との積以下の厚みに相当する第2の間隔を形成する絶縁性中間部と、
    前記磁性体部に設けられ、前記第1及び第2の多重周回部の外周側端部にそれぞれ接続される外部電極と
    を具備するコイル部品。
  2. 請求項1に記載のコイル部品であって、
    前記コイル部は、
    前記第1の導体部に設けられ、前記第1の多重周回部の間に位置し、前記磁性体部より高抵抗である第1の絶縁部と、
    前記第2の導体部に設けられ、前記第2の多重周回部の間に位置し、前記磁性体部より高抵抗である第2の絶縁部と、をさらに有する
    コイル部品。
  3. 請求項1又は2に記載のコイル部品であって、
    前記絶縁性中間部は、前記第1の多重周回部と前記第2の多重周回部との対向領域に配置され中心孔を有する非磁性材で構成され、
    前記磁性体部は、前記非磁性材の中心孔に設けられたコア部を有する
    コイル部品。
  4. 請求項1〜3のいずれか1つに記載のコイル部品であって、
    前記磁性体部は、金属磁性材料と酸化物材料とで構成される
    コイル部品。
  5. 請求項1〜3のいずれか1つに記載のコイル部品であって、
    前記磁性体部は、金属磁性材料と合成樹脂材料との複合材料で構成される
    コイル部品。
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