JP4046246B2 - 回路基板にコイルの磁路を設けた回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型の電子機器用の回路であってコイルを搭載している回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化に伴い、電子部品を表面実装した回路（ＳＭＤ）の普及が進んでいる。例えば、時計や携帯電話等の機器で液晶表示装置を備えているものの場合、表示の照明にＥＬ素子によるバックライトが多く用いられ、これを駆動するＥＬ用ドライバモジュールについても小型化が要求されるが、本願の出願人らは、先に特願平８−３５６４３２号により、表面実装方式によってＥＬ用ＳＭＤドライバモジュールを構成することを提案して、ＥＬ用ドライバモジュールの小型化と生産性の向上を可能にした。
【０００３】
上記出願のＳＭＤモジュールを図１０に示す。同図（Ａ）は、ＥＬ用ＳＭＤドライバモジュール１０１をＥＬ基板１１０に接続した状態を示す斜視図、同図（Ｂ）はドライバモジュールの回路のブロック線図である。ＥＬ用ＳＭＤドライバモジュール１０１は、ガラスエポキシ、紙フェノール等の材料で作られ表面に導電パターンが形成された回路基板１０２に、回路部品を表面実装して構成される。表面実装される部品は能動素子であるチップＩＣ（１０７）、チップコンデンサ１０８、インダクタンス素子１０９等である。回路基板１０２は四隅に接続端子を有し、これらは入力端子１０４ａ、１０４ｂおよび出力端子１０５ａ、１０５ｂである。接続端子は回路基板１０２の下面にもあって、基板両面の接続端子は図１（Ａ）の基板四隅の湾曲した凹面に被覆された導電部によって連結されている。図示のごとく、ＥＬ用ＳＭＤドライバモジュール１０１は出力端子１０５ａ、１０５ｂによってＥＬ基板１１０に接続され、入力端子１０４ａ、１０４ｂは図１（Ｂ）の回路図に示すように直流電源１１１に接続される。
【０００４】
インダクタンス素子１０９は磁性材の磁芯を持つ棒状のコイルであるが、回路基板１０２には穴または凹部である部品収容部１０３を設けてあり、磁芯の両端を回路パターンに接続した時、コイルが部品収容部１０３に収まることにより、モジュールの高さが極力低くなるようにしている。このように回路部品を表面実装した後、その上に樹脂被覆１０６を施して回路を埋没させ、部品を保護している。
【０００５】
このＥＬ用ＳＭＤドライバモジュールの製作は、個々の回路基板となる多数の領域を１枚の素材である集合基板に格子状に配置し、各領域にそれぞれ回路部品を表面実装し、樹脂で被覆した後、集合基板を縦横に切断して個々のＥＬ用ＳＭＤドライバモジュールに分割する方法によっている。すなわち１枚の集合基板から多くのドライバモジュールを多数個取りで製造するので生産性がよい。
前述のように、図１０（Ａ）の回路基板１０２の四隅の凹面に被覆された導電体が基板両面の端子電極を接続しているが、四隅の部分は加工中の集合基板においては内面に導電膜が形成されたスルーホールであり、これらのスルーホールに沿って集合基板を切断するので、四隅が導電膜で覆われた凹面になるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記出願のＥＬ用ＳＭＤドライバモジュールは、一辺が約８．５ｍｍの方形で厚さが約１．２ｍｍという小型であって、しかも生産性に優れた有用なものであるが、インダクタンス素子として棒状のコイルを用いていることに関連して改良の余地がある。市販品のコイルにポット型などと呼ばれるものがある。これは磁力線の通る磁路を備えた閉磁路のコイルなので、磁力線の漏洩が少なくて大きなインダクタンスが得られる利点があるが、寸法の一例を上げればコイルの高さのみで３．２ｍｍ程度あり、このような部品を用いたのでは到底前記寸法のようなモジュールの小型化、薄型化は計れない。
【０００７】
そこで先の発明の実施形態では棒状のコイルを用いることにより厚さを最小限にしたのであるが、棒状のコイルはポット型コイルなどと異なり、磁芯の両端が開放されている開磁路のものであって、コイルの発生する磁力線が磁気抵抗の大きな空間を通るため効率が落ちる弱点があり、また図１０に見るようにコイル近傍にはチップＩＣその他の回路部品が配置されているから、これらの部品の動作にコイルの磁力線が干渉したり、あるいは逆に外部からの電磁結合に対するコイル側の防備が不十分なために、誤動作や故障を生じるなどの恐れがないとはいえなかった。
本発明は上記のようなＥＬ用ＳＭＤドライバモジュールを初めとし、コイルを搭載する回路やモジュールに広く用いて、これらの問題を解決することのできる技術を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は回路基板上に磁力線の通路となる部分、すなわち磁路を設ける。磁路としては、まず、回路基板上に磁路パターンを設けるものがある。これは磁路の形状をなす磁性材料の薄板を基板表面に接合したり、磁性材料で回路基板上に磁路パターンを形成したり、または導電パターンと同様に銅等の非磁性金属で形成した磁路パターンに磁性材料をメッキしたりすることで行われる。従って基板の側面を含む基板表面に沿って磁路が形成される。
【０００９】
また、別の形として、回路基板の厚さと同程度の高さを持つ別体の磁路部材を磁性材料で作り、これを回路基板に開けた穴にはめ込んで固定する構造がある。これらの構成により、それ自体は磁路を持たぬ棒状のコイル等を、回路基板上に実装して磁芯の両端を上記の磁路に結合すれば、閉磁路の磁気回路が形成されてコイルの磁力線は磁路中を通り、コイルが効率よく動作する。
コイルの磁芯と磁路の連結部は、僅かの隙間があっても急激に磁気抵抗が増えて磁束を減らすから、ねじ締め、溶接等によって強固に結合する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上記のごとく本発明の実施形態は大別して二つあり、第１の実施形態は、回路基板の側面も含め基板の表面に磁性体のパターンを形成して磁路とする構成であり、第２の実施形態は別個に磁性材料で磁路部材を作り、これを回路基板にはめ込んで固定することにより、回路基板と同程度の厚さを持つ磁路とする構成である。以下、図面に基づいてそれらの実施形態を説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施形態であって、従来技術の説明でも取り上げたＥＬ用ＳＭＤドライバモジュールを例として、回路基板上に磁性体層である磁路パターンを設ける構造を説明するものである。図１（Ａ）に示すように、回路基板１にはチップ部品のＩＣ、コンデンサなどとともに、磁芯３を持つ棒状のコイル２が表面実装され、図示は省くが樹脂の被覆が施される。回路基板１にはコイル収容部４を設けるが、図１ではコイル収容部４は長方形の穴である。コイル収容部４の周辺に枠状に磁路パターン５を設け、図に矢印で示すように、コイル２をコイル収容部４に収めて磁芯３の両端を磁路パターン５に固定する構造である。磁芯３は磁路パターン５との間に隙間を生じて磁気抵抗が増えることのないよう、ねじ締め、スポット溶接等によって強固に接合する。
【００１２】
磁路パターン５は、鉄、ニッケル、フェライト等の磁性体の薄板を額縁状に打ち抜いたものを回路基板１の表面に接合して形成することができるし、あるいはメッキ、印刷等によって基板上に磁性材料の磁路パターンを形成することもできる。また別の方法として、回路基板に導電パターンを形成する場合には、基板素材全面に銅箔を張っておいてフォトエッチングで不要部を除去するのが一般的であるが、磁路パターンもこれと同様にして作るのが便利である。ただし非磁性の銅のパターンのままでは磁路にならないから、磁路パターン５には表面にニッケルメッキ等、磁性材料のメッキを施す。こうすれば非磁性金属でパターンを形成することにより磁路を作ることができる。
【００１３】
コイル収容部４をなす方形の穴は、内周６にも無電解メッキ等で金属の導電体層を形成してあり、いわゆるスルーホール構造である。穴の内周あるいは回路基板下面の穴周辺の導電体層は、非磁性金属であっても電磁遮蔽、静電遮蔽等の効果があるが、これらの部分も磁性材料層とするなり、磁性体のメッキを施すなりすれば、磁路性能は一段と向上する。
図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ断面を示すものである。また図１（Ｃ）はコイル２と磁路パターン５の平面図で、コイルの生じる磁力線７が空間にほとんど漏洩せずに磁路パターン５を通る様子を示している。
【００１４】
次に、上記の実施形態の変形の一つを図２に示す。ここでも回路基板１にコイル収容部４を設け磁路パターン５を形成するが、回路基板１にて磁芯３の両端が載る部分に段差２１を設け、磁芯３が回路基板１の表面よりも沈むようにしてある。これによって回路基板１の表面からのコイル２の出っ張り量が減って、モジュールの高さを減らすことができる。もちろん磁路パターン５は段差２１の箇所も覆うように設ける。
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示す。さらに、図２（Ｃ）に示すように、コイル２の高さが回路基板１の厚さより小さい場合には、段差２１を増すことによりコイル２を回路基板１の厚さの中に収めてしまうことができる。
【００１５】
次に、図３により実施形態のさらに他の形を説明する。この実施形態も回路基板１にコイル収容部４を設けて磁路パターン５を形成したものであるが、コイル収容部は貫通穴でなく、回路基板１にエンドミル加工その他で設けた凹部であって底がある。従ってコイル収容部４の内側の全面に金属層を設けることができる。金属層が非磁性であっても電磁遮蔽、静電遮蔽等の効果があるが、基板上面の磁路パターン５と同様にコイル収容部４の内面の導電体層も磁性体で形成するか、または磁性体のニッケルメッキ等を施すならば、一層効果的に磁路を形成できる。
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＣ−Ｃ断面を示す。
【００１６】
次に、図４によりさらに別の形の実施形態を説明する。これは図３のものと同様に回路基板１のコイル収容部４が凹部であって底があるものに、磁路パターン５を設け、さらにコイルの磁芯の両端を受ける段差２１を設けたものである。これによって回路基板１からコイルが出っ張る量が減る。磁路パターン５は段差２１をも覆うように設ける。
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＤ−Ｄ断面を示す。さらに、図４（Ｃ）はコイル２の高さが回路基板１の厚さより小さくて、段差２１を増すことによりコイル２が回路基板１の厚さの中に収まってしまう場合を示す。
【００１７】
以上に述べたいくつかの例は、いずれも、回路基板上に磁性を備えた磁路パターンを設けるものであって、これは回路基板上に磁路パターンを直接形成するものであるか、あるいは別体の磁路部材を取り付けるにしても、平面の枠状の磁性体薄板を回路基板の表面に接合するものであったが、次にこれとは別の第２の実施形態を説明する。これは回路基板と同程度の高さの立体的な磁路部材を別体で製作し、これを回路基板にはめ込んで固定して磁路とする構成である。
【００１８】
先の図１（Ａ）において、磁路パターン５として示した領域は、図１（Ｂ）にも見られるように回路基板１の表面層だけに形成したものであるが、図１（Ａ）の磁路領域を基板の厚さ全部に亘って磁性体で作ったものが第２の実施形態であり、これを図５に示す。鉄、ニッケルまたはフェライト等の磁性体で図５（Ａ）に示すような直方体の磁路部材５１を作り、回路基板には磁路部材５１の輪郭に相当する穴を開けて、この穴に磁路部材５１を圧入するなり、接着剤で接合するなりして固定する。磁路部材５１は長方形の穴５２を持つが、この穴５２がコイルの収容部となる。図５（Ｂ）に、磁路部材５１を回路基板１に固定してコイル２を組み付けた状態の断面図を示す。
【００１９】
この実施形態の他の例では、図６（Ａ）に示すように直方体の磁路部材６１にコイルの収容部をなす穴６２を設けるとともに、コイルの磁芯両端の当接箇所に段差６３を設ける。これによって先の図２の場合と同様にコイルの磁芯が段差６３に収まって、回路基板表面からのコイルの出っ張り量が減る。図６（Ｂ）はその様子を示す断面図である。さらに、図６（Ｃ）に示すように、コイル２の高さが回路基板１の厚さより小さい場合には、段差６３を増せばコイル２は回路基板１の厚さの中に収まる。
【００２０】
磁路部材を用いる実施形態のさらに別の例として、コイルの収容部が図５、図６の磁路部材５１、６１に見られるような貫通穴５２、６２でなく、凹部であって底のあるものがある。図７に断面図を示すものでは、磁路部材７１は図５の磁路部材５１の穴５２に底を設けた形で、コイルは凹部７２に収容される。凹部７２の底の部分も磁路となって磁気抵抗を小さくできる。
【００２１】
さらに、図８に断面図を示すものは、図６（Ａ）の磁路部材６１が段差６３を持つのと同様に、磁路部材８１に磁芯を受ける段差が形成してあり、コイル収容部として穴でなく凹部８２を設けたものである。段差を設けてあるので図８（Ａ）のようにコイルの出っ張り量が減り、図８（Ｂ）のように回路基板が厚くて段差８３を大きくできる場合には、コイル２は回路基板１の厚さの中に収まる。
【００２２】
図５以下で示した第２の実施形態における磁路部材５１、６１、７１、８１等は、切削加工やプレス加工等の機械加工、あるいは精密鋳造や粉末成形等によって困難なく作ることができる。また、以上の例ではブロック状の磁路部材を回路基板に圧入または接着する場合を示したが、より薄肉であって立体的形状のものを用いることもできる。例えば、回路基板上面に載る額縁状の枠部分の下面に、コイル収容部となる方形の筒状部分を一体に形成した磁路部材を用い、筒状部分を回路基板の穴にはめて接合したり、あるいは回路下面から突き出した筒状部分をかしめ加工で外方に折り返して固定することもできる。
【００２３】
上記の第１の実施形態における磁路パターン、第２の実施形態における磁路部材は、いずれも磁路の正面形状が方形である例を示したが、もとより磁路の形状は方形に限らない。図９（Ａ）に示す磁路９１は直線と円弧の組み合わせであり、他にも円形、長円形、楕円形など種々の曲線を含む形状が可能である。
さらに、先の図１（Ｃ）の方形の磁路においても、この図９（Ａ）のものにおいても、磁路は磁芯３の両端で二つに分岐していて、磁力線はそれぞれの磁路を通るが、小型のモジュールにおいては、回路基板上にこのように分岐した二つの磁路を設けるだけの面積を取れないこともある。そのような場合には、図９（Ｂ）に示すように磁路を片側だけのものとして差し支えない。磁路が二つあるものに比べればいく分磁気抵抗が増えるが、なお十分な効果が得られる。
【００２４】
以上、回路基板表面に磁路パターンを形成する構成と回路基板に磁路部材をはめ込む構成という二つ基本形態に加えて、コイル収容部の底の有無、コイルの磁芯が載る部分の段差の有無、直線的な磁路形状と曲線を含む磁路形状、単一の磁路と分岐した磁路といった細部の特徴を説明した。これらの特徴を任意に組み合わせることにより、本発明は様々な実施形態が可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば回路やモジュールにおいて棒状、馬蹄状など磁芯両端の開放されたコイルを用いながらも、ポット型コイルなどと同様の閉磁路を回路基板上に構成することができる。これによりコイルの作る磁力線は磁性体でできた磁路を通るので効率が上がって磁束が増し、所望のインダクタンスをより少ないコイル巻き数で実現できて、モジュールの小型化が可能になる。また、コイルからの漏洩磁束が激減して、コイル近傍に配置されたチップＩＣその他の部品に電磁的な干渉を生じることがなくなり、また、逆に外部からの電磁結合によってコイルの動作が影響されることもなくなる。
【００２６】
本発明において磁路パターンを用いる実施形態のうち、導電パターンに磁性体をメッキして磁路とするものは、回路の配線となる導電パターンの形成と同時に磁路パターンを形成することができるから、製造上の負担増は僅かであるし、また磁路部材を別体に作って回路基板にはめ込む実施形態においても、回路例として上げたＥＬ用ＳＭＤドライバモジュールのように集合基板を用いて多数個取りで製造するものの場合、集合基板に対して磁路部材を組み付けることができるから極めて生産性がよい。本発明は特に前掲のＥＬ用ＳＭＤドライバモジュールのような表面実装技術により製作される回路やモジュールにとって有用であり、電子機器の小型化、高性能化、低価格化に大きく貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一つであって、回路基板上にコイルの磁路パターンを持つＥＬ用ＳＭＤドライバモジュールを示し、（Ａ）はモジュールの斜視図、（Ｂ）はコイル搭載部分の断面図、（Ｃ）は磁路パターン中を磁力線が通る様子を示す平面図である。
【図２】本発明の他の実施形態であって、磁芯の載る箇所に段差を設けたものを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）と（Ｃ）はコイル搭載部分の断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態であって、コイル収容部が底のある凹部であるものを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はコイル搭載部分の断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態であって、コイル収容部が底のある凹部であるとともに、磁芯の載る箇所に段差を設けたものを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）と（Ｃ）はコイル搭載部分の断面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態であって、回路基板と別体の磁路部材で穴のあるものを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はコイル搭載部分の断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態であって、回路基板と別体の磁路部材で穴および段差のあるものを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）と（Ｃ）はコイル搭載部分の断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態であって、回路基板と別体の磁路部材で凹部を有するものにコイルを搭載した状況の断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態であって、回路基板と別体の磁路部材で凹部および段差を有するものにコイルを搭載した状況の断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施形態であって、磁路形状が曲線を含むものを示し、（Ａ）は磁路が二つに分岐したもの、（Ｂ）は磁路が単一のものである。
【図１０】従来のＥＬ用ＳＭＤドライバモジュールで（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は回路のブロック線図である。
【符号の説明】
１、１０２ 回路基板
２ コイル
３ 磁芯
４ コイル収容部
５ 磁路パターン
２１、６３、８３ 段差
５１、６１、７１、８１ 磁路部材
５２、６２ 穴
７２、８２ 凹部
９１、９２ 磁路

Claims (5)

1. 磁芯つきのコイルを備えた回路であって、回路基板のコイル収容部近傍にコイルの磁路が設けてあり、前記磁芯を該磁路に結合して回路基板に実装することにより閉磁路が形成される、回路基板にコイルの磁路を設けた回路において、
   前記コイルの磁路は、回路基板の穴または凹部に、コイル収容部を備えた磁性体の磁路部材をはめ込んで固定したものであることを特徴とする回路基板にコイルの磁路を設けた回路。
2. 請求項１に記載の回路基板にコイルの磁路を設けた回路において、
   前記コイル収容部は前記磁路部材に設けた穴または凹部であって、前記磁路部材は底のない枠状または底のある皿状であることを特徴とする回路基板にコイルの磁路を設けた回路。
3. 請求項１に記載の回路基板にコイルの磁路を設けた回路において、
   前記磁路部材の前記コイルの磁芯を置く部分に段差を形成してあることを特徴とする回路基板にコイルの磁路を設けた回路。
4. 請求項１に記載の回路基板にコイルの磁路を設けた回路において、
   前記コイルの磁路は単一の磁路、または分岐した複数の磁路であることを特徴とする回路基板にコイルの磁路を設けた回路。
5. 請求項１に記載の回路基板にコイルの磁路を設けた回路において、
   前記コイルの磁路は直線または曲線を任意に組み合わせた形状であることを特徴とする回路基板にコイルの磁路を設けた回路。

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