JP2020161532A - プレーナコイル部品およびプレーナトランス - Google Patents

Abstract

【課題】プレーナコイル部品を小型化する。【解決手段】本開示のプレーナコイル部品１０は、複数の絶縁層５０と、少なくとも２つの配線層２０と、磁性コア４０と、を備え、絶縁層５０と配線層２０が交互に並んで接合されたプレーナコイル部品１０であって、少なくとも２つの配線層２０は、複数の絶縁層５０のうち、隣り合う２つの絶縁層５０の間にそれぞれ配置され、磁性コア４０は、複数の絶縁層５０の端部５３と対向して配置され、隣り合う２つの絶縁層５０の端部５３の間であって配線層２０と磁性コア４０との間に側面絶縁部７０が設けられ、側面絶縁部７０は、少なくともガラスを含む、構成とした。【選択図】図３

Description

本開示は、プレーナコイル部品およびプレーナトランスに関する。

プリントコイルパターンを用いたコイル部品として、特開２００２−８９２２号公報（下記特許文献１）の図６から図８に記載のチョークコイルが知られている。このチョークコイルは、基板と、基板の表裏面に積層された一対の第２の磁性コアと、複数の端子と、を備えている。基板は、絶縁基材と、絶縁基材の表裏面に形成されたコイルパターンと、絶縁基材の中央部に配された第１の磁性コアと、絶縁基材の両側部に配された一対の第４の磁性コアと、絶縁基材の表裏面を覆うように積層された一対の絶縁材と、を備え、これらを積層し加熱圧着を行うことで形成されている。

特開２００２− ８９２２号公報

上記コイル部品の製造方法とは別の製造方法として、絶縁層と配線層を交互に積層し、絶縁層のスルーホールに接続導体を埋め込んで隣り合う一対の配線層を接合する製造方法が考えられる。この場合、隣り合う２つの絶縁層の間であって磁性コアと配線層との間には空隙が形成される。このため、磁性コアと配線層とは、絶縁状態を保持できるように離間して配置しなければならず、コイル部品の小型化の妨げとなり得る。

本開示のプレーナコイル部品は、複数の絶縁層と、少なくとも２つの配線層と、磁性コアと、を備え、前記絶縁層と前記配線層が交互に並んで接合されたプレーナコイル部品であって、前記少なくとも２つの配線層は、前記複数の絶縁層のうち、隣り合う２つの絶縁層の間にそれぞれ配置され、前記磁性コアは、前記複数の絶縁層の端部と対向して配置され、前記隣り合う２つの絶縁層の端部の間であって前記配線層と前記磁性コアとの間に側面絶縁部が設けられ、前記側面絶縁部は、少なくともガラスを含む、構成とした。

本開示によれば、プレーナコイル部品を小型化できる。

図１はプレーナコイル部品の全体構造を示した斜視図である。 図２は図１のプレーナコイル部品の上側磁性コアを外した斜視図である。 図３は図１のＡ−Ａ断面図である。 図４は図１のＢ−Ｂ断面図である。 図５は図４のＣ−Ｃ断面図である。 図６は図１のプレーナコイル部品の製造方法を示すフローチャートである。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。
（１）本開示のプレーナコイル部品は、複数の絶縁層と、少なくとも２つの配線層と、磁性コアと、を備え、前記絶縁層と前記配線層が交互に並んで接合されたプレーナコイル部品であって、前記少なくとも２つの配線層は、前記複数の絶縁層のうち、隣り合う２つの絶縁層の間にそれぞれ配置され、前記磁性コアは、前記複数の絶縁層の端部と対向して配置され、前記隣り合う２つの絶縁層の端部の間であって前記配線層と前記磁性コアとの間に側面絶縁部が設けられ、前記側面絶縁部は、少なくともガラスを含む、プレーナコイル部品である。

磁性コアと配線層が側面絶縁部によって絶縁されているから、磁性コアと配線層が接近した配置でも絶縁状態が保持される。側面絶縁部は絶縁性の高いガラスを含むから、高い絶縁性を確保できる。これにより、プレーナコイル部品の小型化が可能になる。
ここで「少なくとも２つの配線層」とは、１つのコイルを構成する２つ以上の配線層のことであり、コイルの層数が２以上であることを意味する。

（２）前記側面絶縁部は、前記隣り合う２つの絶縁層のうち一方の前記絶縁層に接合された第１絶縁部と、他方の前記絶縁層に接合された第２絶縁部と、からなり、前記第１絶縁部はガラスによって構成され、前記第２絶縁部は前記絶縁層と同じ材料によって構成されている。
第１絶縁部が一方の絶縁層に接合される際にガラスペーストが溶融することによって配線層や絶縁層の厚さの公差が吸収されるため、側面絶縁部と一方の絶縁層との間に隙間が形成されることはなく、高い絶縁性を確保できる。

（３）前記絶縁層と前記第２絶縁部はいずれもセラミック材料によって構成されている。
絶縁層と第２絶縁部はいずれも絶縁性の高いセラミック材料によって構成されているため、高い絶縁性を確保できる。

（４）上記のプレーナコイル部品を備えて構成されたプレーナトランスであって、前記配線層は、一次側配線層と、二次側配線層と、を備え、前記一次側配線層と前記二次側配線層が前記絶縁層を介して交互に積層されている、プレーナトランスである。
プレーナコイル部品をプレーナトランスに適用した場合、プレーナトランスの小型化が可能になる。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示のプレーナコイル部品１０の具体例を、図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

［プレーナコイル部品の全体構造］
本開示のプレーナコイル部品１０（以下「コイル部品１０」と略していう）は、産業上のパワーエレクトロニクス電源、特に電気自動車用充電ステーション、電気自動車用車載充電器、工業用ＩＨ等の高周波電源等に用いるスイッチング電源に適用可能なプレーナトランスである。

本開示ではコイル部品１０の一例としてプレーナトランスを説明しているが、コイル部品１０はプレーナトランスに限らず、チョークコイル、インダクタ等、パワーエレクトロニクス分野において広く適用可能である。

図１に示すコイル部品１０は、配線基板１１と、磁性コア４０と、側面絶縁部７０と、を備えている。配線基板１１は、図４に示すように、複数の絶縁層５０と、少なくとも２つの配線層２０、３０と、複数の接続導体６０と、複数の外部電極８０と、を備えて構成されている。少なくとも２つの配線層２０、３０は、一次側配線層２０と、二次側配線層３０と、を備えて構成されている。

絶縁層５０と各配線層２０、３０は交互に並んで積層されている。具体的には最下層が絶縁層５０、下から２層目が一次側配線層２０、下から３層目が絶縁層５０、下から４層目が二次側配線層３０とされ、以後この順に並んで積層され、最上層が絶縁層５０とされている。各層はこれらの順に積層された状態で焼成されることによって互いに接合されている。

本開示では配線基板１１の一例として９つの絶縁層５０と複数の一次側配線層２０と複数の二次側配線層３０と複数の接続導体６０とを備える多層構造の配線基板１１を説明しているが、絶縁層５０の数はこれに限定されない。

図２に示すように、本開示の配線基板１１の平面形状は長方形状であるが、長方形以外の多角形、円形、楕円形等であってもよい。配線基板１１の中央部には貫通孔１２が形成されている。貫通孔１２は平面視で円孔とされ、配線基板１１を上下方向に貫通する形態とされている。貫通孔１２には、図３に示すように、磁性コア４０の後述する中足部４１が挿通されている。貫通孔１２および中足部４１はいずれも円形とされているが、円形以外の多角形、長方形、楕円形等であってもよい。

［絶縁層］
絶縁層５０は上面および下面を有する。絶縁層５０は、セラミックを主成分とする。「主成分」とは、８０質量％以上含有される成分を意味する。絶縁層５０を構成するセラミックとしては、例えばアルミナ、ベリリア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、低温焼成セラミックス等が挙げられる。これらのセラミックは単体で、または２種以上組み合わせて使用できる。

一次側配線層２０の上下に配置された２つの絶縁層５０の間には一次側空隙５１が形成されている。一次側空隙５１の上下寸法は一次側配線層２０の上下寸法（板厚）と同じである。一次側配線層２０と一次側空隙５１は同一層に配置され、一次側配線層２０の存在しない領域が一次側空隙５１とされている。一次側配線層２０の上下に配置された２つの絶縁層５０は一次側配線層２０の上下寸法だけ離間して配置されている。

同様に、二次側配線層３０の上下に配置された２つの絶縁層５０の間には二次側空隙５２が形成されている。二次側空隙５２の上下寸法は二次側配線層３０の上下寸法（板厚）と同じである。二次側配線層３０と二次側空隙５２は同一層に配置され、二次側配線層３０の存在しない領域が二次側空隙５２とされている。二次側配線層３０の上下に配置された２つの絶縁層５０は二次側配線層３０の上下寸法だけ離間して配置されている。

［配線層］
一次側配線層２０は上面および下面を有する。また、一次側配線層２０は、導電性を有し、主成分として金属を含む。この金属としては、例えば、銅、アルミニウム、銀、金、白金、ニッケル、チタン、クロム、モリブデン、タングステン、これらの合金等が挙げられる。これらの中でも、コスト、導電性、熱伝導性、および強度の観点から、銅が好ましい。したがって、一次側配線層２０として、銅箔または銅板が好適に使用できる。本開示の二次側配線層３０は一次側配線層２０と同じ材質とされているが、一次側配線層２０と異なる材質であってもよい。

一次側配線層２０は、図５に示すように、環状部２１と、２つの一次側電極２２と、２つのつなぎ部２３と、を有する。つなぎ部２３は、環状部２１の端部と一次側電極２２をつなぐ部分である。

環状部２１は一次側コイルを構成する部分である。環状部２１の平面形状は円形とされているが、円形以外の長方形、正方形、多角形等の環状であってもよい。環状部２１の巻き数は１巻きとされているが、２巻き以上であってもよい。環状部２１は貫通孔１２の外周側に配されている。本開示の環状部２１の軸は、厳密には貫通孔１２の軸に対して左右方向にずれているが、環状部は貫通孔１２と同軸をなす配置としてもよい。

一次側電極２２の平面形状は長方形とされているが、長方形以外の円形、正方形、多角形等であってもよい。一次側電極２２には図示しない一次側電線が接続されるようになっている。

図４に示すように、隣り合う２つの一次側配線層２０は接続導体６０を介して電気的に接続されている。接続導体６０は、例えば銀ロウと銅チップとから構成されている。銀ロウ以外の接合材として例えば銀−銅合金等の金属ロウ材や、錫−銀−銅合金等の半田材を用いてもよい。また、銅チップ以外の金属部材として例えば銅合金等の金属チップを用いてもよいし、銅チップの形状は平面形状が円形のブロック体に限らず、楕円形や多角形のブロック体でもよい。

二次側配線層３０は、一次側配線層２０と同様の構成とされ、環状部３１と、図示しない２つの二次側電極と、図示しない２つのつなぎ部と、を有する。二次側配線層３０の構成については一次側配線層２０と同様であるため、その説明を省略する。

［磁性コア］
磁性コア４０はフェライト製の磁性体である。図３に示すように、磁性コア４０は２つのＥ型コアによって閉磁路が形成されたものである。磁性コア４０は配線基板１１の一次側コイルおよび二次側コイルと直交する配置とされ、配線基板１１の貫通孔１２に挿通される中足部４１と、中足部４１の左右両側に配される２つの外足部４２と、を有している。磁性コア４０の中足部４１および２つの外足部４２は、複数の絶縁層５０の端部５３と対向して配置される。

［側面絶縁部］
側面絶縁部７０は、隣り合う２つの絶縁層５０の端部５３の間であって各配線層２０、３０と磁性コア４０との間に設けられている。図５に示すように、側面絶縁部７０は、磁性コア４０の中足部４１に臨んで配された中足絶縁部７０Ａと、磁性コア４０の外足部４２に臨んで配された外足絶縁部７０Ｂと、を備えて構成されている。

側面絶縁部７０は、第１絶縁部７１と、第２絶縁部７２と、を備えて構成されている。第１絶縁部７１は第２絶縁部７２の上面に接合され、かつ絶縁層５０の下面に接合されている。第２絶縁部７２は、絶縁層５０の上面に接合され、かつ第１絶縁部７１の下面に接合されている。第１絶縁部７１はガラスによって構成されている。第２絶縁部７２はアルミナや窒化アルミ等のセラミック材料によって構成され、本開示では絶縁層５０と同じ材料によって構成されている。

各絶縁層５０は側面絶縁部７０によって接着され、各配線層２０、３０は接続導体６０によって接着されている。すなわち各絶縁層５０は、側面絶縁部７０によって相対移動不能に積層され、各配線層２０、３０は、接続導体６０によって相対移動不能に積層されている。これにより、配線基板１１は一体の焼結剛体として構成される。

一次側空隙５１は、一次側配線層２０の環状部２１と側面絶縁部７０との間に形成されている。このため、一次側配線層２０と磁性コア４０は側面絶縁部７０によって物理的に分断され電気的に絶縁される。二次側空隙５２は、二次側配線層３０の環状部３１と側面絶縁部７０との間に形成されている。このため、二次側配線層３０と磁性コア４０は側面絶縁部７０によって物理的に分断され電気的に絶縁される。

［コイル部品の製造方法］
コイル部品１０は、図６に示すように、貫通孔形成工程と、第２絶縁部配置工程と、第１絶縁部印刷工程と、層配置工程と、接合工程と、を備える製造方法によって得られる。

＜貫通孔形成工程＞
本工程では、複数の絶縁層５０が形成されるとともに、これらの絶縁層５０に、これらの絶縁層５０を厚み方向に貫通する貫通孔が形成される。

本工程では、最初に未焼結セラミックがセラミック基板状に成形される。具体的には、まず、セラミック粉末、有機バインダ、溶剤、および可塑剤等の添加剤が混合されることで、スラリーが得られる。次に、このスラリーが周知の方法によってシート状に成形されることで、基板状の未焼結セラミック（いわゆるセラミックグリーンシート）が得られる。

得られた複数のセラミックグリーンシートの中央部に、穿設等により、貫通孔が形成される。その後、セラミックグリーンシートが焼結されることで、セラミック製の複数の絶縁層５０が得られる。

＜第２絶縁部配置工程＞
本工程では、絶縁層５０の上面に第２絶縁部７２が配置される。具体的には、絶縁層５０の内周部分（貫通孔の孔縁部）に第２絶縁部７２の中足絶縁部７０Ａが配置され、絶縁層５０の外周部分に第２絶縁部７２の外足絶縁部７０Ｂが配置される。

＜第１絶縁部印刷工程＞
本工程では、第２絶縁部７２の上面に第１絶縁部７１が配置される。具体的には、第１絶縁部７１の原料であるガラスペーストを第２絶縁部７２の中足絶縁部７０Ａの上面と外足絶縁部７０Ｂの上面とに印刷する。ガラスペーストは、印刷後、加熱を行うことで適切な粘度に調製されるものとしてもよい。

＜層配置工程＞
本工程では、複数の絶縁層５０と複数の配線層２０、３０が交互に並んで積層される。具体的には、最下層となる絶縁層５０の上面に、下から２層目となる一次側配線層２０が配置され、一次側配線層２０の上面に、下から３層目となる絶縁層５０が配置される。次に、絶縁層５０の上面に、下から４層目となる二次側配線層３０が配置される。隣り合う２つの一次側配線層２０は、適宜、複数の接続導体６０を用いて導通可能に接続され、隣り合う２つの二次側配線層３０は、適宜、複数の接続導体６０を用いて導通可能に接続される。最上層である絶縁層５０と外部電極８０とが配置されることで積層体が得られる。

＜接合工程＞
本工程では、層配置工程で得られた積層体が焼成炉に通される。接続導体６０の接合部と側面絶縁部７０の第１絶縁部７１とは、焼成炉を通過する過程で溶融および固化される。これにより、隣り合う２つの一次側配線層２０が接続導体６０によって接合され、隣り合う２つの二次側配線層３０が接続導体６０によって接合され、隣り合う２つの絶縁層５０が側面絶縁部７０によって接合される。これにより、配線基板１１が形成される。この配線基板１１に磁性コア４０が装着されることでコイル部品１０が得られる。

［効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）磁性コア４０と配線層２０、３０が側面絶縁部７０によって絶縁されているから、磁性コア４０と配線層２０、３０が接近した配置でも絶縁状態が保持される。側面絶縁部７０は絶縁性の高いガラスを含むから、高い絶縁性を確保できる。これにより、プレーナコイル部品１０の小型化が可能になる。

（２）第１絶縁部７１が一方の絶縁層５０に接合される際にガラスペーストが溶融することによって配線層２０、３０や絶縁層５０の厚さの公差が吸収されるため、側面絶縁部７０と一方の絶縁層５０との間に隙間が形成されることはなく、高い絶縁性を確保できる。

（３）絶縁層５０と第２絶縁部７２はいずれも絶縁性の高いセラミック材料によって構成されているため、高い絶縁性を確保できる。
（４）プレーナコイル部品１０をプレーナトランスに適用した場合、プレーナトランスの小型化が可能になる。

［他の実施形態］
（１）上記実施形態では側面絶縁部７０がガラスとセラミック材料とを備えて構成されているが、側面絶縁部はガラスのみによって構成されているものとしてもよい。

（２）上記実施形態では絶縁層５０と第２絶縁部７２が別々の部品として構成されていたが、絶縁層５０と第２絶縁部７２が予め一体化された絶縁層を用いてもよい。

（３）上記実施形態では外足絶縁部７０Ｂが配線基板１１の外周部分の全体に配置されていたが、外足絶縁部は、配線基板１１の外周部分のうち、外足部４２と配線層２０、３０との間で沿面距離を確保できる領域に配置されていればよく、全体に配置されていなくてもよい。

（４）上記実施形態ではプレーナコイル部品１０は一次側配線層２０と二次側配線層３０を備える構成としていたが、プレーナコイル部品は一次側配線層のみを備える構成としてもよい。

１０…プレーナコイル部品
１１…配線基板
１２…貫通孔
２０…一次側配線層
２１…環状部
２２…一次側電極
２３…つなぎ部
３０…二次側配線層
３１…環状部
３２…二次側電極
４０…磁性コア
４１…中足部
４２…外足部
５０…絶縁層
５１…一次側空隙
５２…二次側空隙
５３…端部
６０…接続導体
７０…側面絶縁部
７０Ａ…中足絶縁部
７０Ｂ…外足絶縁部
７１…第１絶縁部
７２…第２絶縁部
８０…外部電極

Claims (4)

1. 複数の絶縁層と、少なくとも２つの配線層と、磁性コアと、を備え、前記絶縁層と前記配線層が交互に並んで接合されたプレーナコイル部品であって、
   前記少なくとも２つの配線層は、前記複数の絶縁層のうち、隣り合う２つの絶縁層の間にそれぞれ配置され、
   前記磁性コアは、前記複数の絶縁層の端部と対向して配置され、
   前記隣り合う２つの絶縁層の端部の間であって前記配線層と前記磁性コアとの間に側面絶縁部が設けられ、
   前記側面絶縁部は、少なくともガラスを含む、プレーナコイル部品。
2. 前記側面絶縁部は、前記隣り合う２つの絶縁層のうち一方の前記絶縁層に接合された第１絶縁部と、他方の前記絶縁層に接合された第２絶縁部と、からなり、前記第１絶縁部はガラスによって構成され、前記第２絶縁部は前記絶縁層と同じ材料によって構成されている、請求項１に記載のプレーナコイル部品。
3. 前記絶縁層と前記第２絶縁部はいずれもセラミック材料によって構成されている、請求項２に記載のプレーナコイル部品。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプレーナコイル部品を備えて構成されたプレーナトランスであって、
   前記配線層は、一次側配線層と、二次側配線層と、を備え、前記一次側配線層と前記二次側配線層が前記絶縁層を介して交互に積層されている、プレーナトランス。

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