JP4716308B2

JP4716308B2 - 積層インダクタ

Info

Publication number: JP4716308B2
Application number: JP2005005280A
Authority: JP
Inventors: 充次加藤; 大介松林
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2005-01-12
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2025-01-12
Also published as: JP2006196591A

Description

本発明は、積層インダクタに関するもので、より具体的には、チップ本体の内部に、コイルとなる導体パターンとともに永久磁石を有して、その永久磁石がコイルの磁束と逆向き磁束を発生するような積層インダクタの構造の改良に関する。

近年、表面実装部品は薄厚，小型化が進められており、例えば図１に示すようなインダクタンス素子である積層インダクタ１０が知られている。この積層インダクタ１０は、絶縁膜１と導体パターン２とを適宜の順に積層することで、当該内部に導体パターン２が螺旋状に繋がったコイル２０を内蔵する矩形状のチップ本体３を形成する。さらにそのチップ本体３の対向する２面に、内蔵コイル２０の両端６にそれぞれ接続する外部電極４を設けた構成になっている。

絶縁膜１は、例えばフェライト材料を用いて磁心とし、チップ本体３は積層を完了した後に所定温度で焼成し焼き固める。外部電極４は例えばディッピングにより形成する。つまり銀等の導体ペーストの中にチップ本体３の該当部分を浸けることで形成し、これにより外部電極４は電極面に隣接する４面にも導電膜が所定に覆い被される状態に成膜し、隣接する４面に回り込む周縁部を有する形態となる。

近年、電子機器の高性能化は著しく、これはＣＰＵやＬＳＩなど集積回路の発達によるものである。これらをさらに高性能化するためには、基本的には周波数を大きくしていくが、これに伴って消費電力が増していく。近年の高効率化のニーズはＬＳＩ，ＣＰＵの動作電圧の低下傾向にあり、これは使用電流の上昇を意味する。このため、これらの駆動には大電流を必要とすることとなる。これにともない、周辺部品であるインダクタには大電流が流れることとなる。よって大電流に対しても磁気飽和しないインダクタが強く求められている。しかしながら電子機器の小型化のニーズにより、回路部品の小型化の要求は強く、インダクタは小型でありながら、直流重畳特性の優れたものが求められる。

そこで、同一寸法でも、より大電流を流し得るような対策技術として、コイルが発生する磁束に対して逆向きに磁束を加えてバイアス（逆バイアス）し、Ｂ−Ｈ特性の基点を負側にシフトさせて磁気飽和するまでの磁束を増大させる考えがある。この磁束の逆バイアスの技術は、例えば特許文献１，２などに見られるように、積層体の内部にはコイルとなる導体パターンと共に永久磁石を配置し、その永久磁石がコイルの磁束と逆向き磁束を発生するようにした構成を採り、よく知られている。
特開平３−１０１１０６号公報特開２００２−１７０７１５号公報

しかしながら、そうした従来の積層インダクタでは以下に示すような問題がある。特許文献１，２などに示されたもの、つまり、積層体の内部に、コイルとなる導体パターンとともに永久磁石を配置した試料を製作して評価試験を行ったが、逆向き磁束を加えて逆バイアスしたのにもかかわらず、直流重畳特性には思いの外向上が見られないとう結果を得た。これは、磁束の逆バイアスの作用が不十分であることに起因しており、改善が必要であることが判明した。

この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、磁束の逆バイアスの作用を確実に得ることができ、直流重畳特性を向上でき、大電流の通電時にも高インダクタンスが得られて電源回路等の用途に好ましく適用できる積層インダクタを提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明に係る積層インダクタは、軟磁性材料からなる磁性体膜と導体パターンを順次に積層することで当該内部に前記導体パターンが螺旋状に繋がったコイルを内蔵するチップ本体を形成し、当該チップ本体の対向２面に、前記コイルの端部とそれぞれ接続する外部電極を設ける積層インダクタにおいて、前記導体パターンと異なる層に永久磁石を配置し、当該永久磁石の膜層は、前記導体パターンが積み重ね方向に仮想的になす筒体の略中央に位置し、前記永久磁石の外周を当該筒体の内側周縁を上回るサイズに形成することで、当該永久磁石の一部の領域が積層方向で隣接する導体パターンと重畳するとともに、前記コイルで発生する磁界が前記永久磁石を通過する配置とした。

また、軟磁性材料からなる磁性体膜と導体パターンを順次に積層することで当該内部に前記導体パターンが螺旋状に繋がったコイルを内蔵するチップ本体を形成し、当該チップ本体の対向２面に、前記コイルの端部とそれぞれ接続する外部電極を設ける積層インダクタにおいて、前記導体パターンと異なる層に永久磁石を配置し、当該永久磁石の膜層は、前記磁性体膜と略同一外形の環状形状であり内周縁は前記導体パターンが積み重ね方向に仮想的になす筒体に重なる面積サイズに形成することで、当該永久磁石の一部の領域が積層方向で隣接する導体パターンと重畳するとともに、前記コイルで発生する磁界が前記永久磁石を通過する配置としてもよい。
上述した各発明を前提とし、前記永久磁石は、前記重畳する領域である前記積み重ね方向で隣接する上側の導体パターンの下面及びまたは前記積み重ね方向で隣接する下側の導体パターンの上面と隣接する設定にするとよい。

係る構成にすることにより本発明では、永久磁石の膜層は導体パターンによる仮想的な筒体に対して所定に重なることから、コイルの磁束は迂回する磁路がなくなり、永久磁石の膜層を通過する。また、永久磁石は隣接する導体パターンと重畳部位が接触する設定にするので、コイルの磁束は漏れなく永久磁石の膜層を通過することになる。したがって、永久磁石の磁束による逆バイアスの作用が確実に行われる。

以上のように、本発明に係る積層インダクタでは、コイルの磁束は漏れなく永久磁石の膜層を通過することになる。このため、永久磁石の磁束による逆バイアスの作用を確実に得ることができ、直流重畳特性を向上できる。その結果、大電流の通電時にも高インダクタンスを得ることができ、電源回路等の用途に好ましく適用できる。

図２は、本発明の第１の実施の形態を示している。同図は断面図であり、この積層インダクタは、基本的には図１に示して前述した従来のものと同様の構成を有し、同一要素には同一符号を付して説明する。つまり、本実施の形態において、積層インダクタ１０は、略矩形状に形成したチップ本体３にコイル２０を内蔵するとともに、そのチップ本体３の対向２面に、内蔵コイル２０の端部とそれぞれ接続する外部電極４，４を設けた構成であり、外部電極４，４は内蔵コイル２０の軸線に沿う対向２面に形成し、いわゆる縦巻き型を採る。

チップ本体３は、軟磁性材料からなる磁性体膜１と導体パターン２を適宜な順に積層し、これにより当該内部に導体パターン２が螺旋状に繋がったコイル２０を形成し、積層を完了した後に所定温度で焼成し焼き固める。

コイル２０の形成は、各層の導体パターン２を順次に接続することで行う。この接続には様々な形成方法があるが、例えば該当各層では、導体パターン端部に面する側にマスク層を設け、次層の導体パターンは、下層の導体パターン端部上から延びて当該マスク層の上に乗り越える状態に設ける。さらにマスク層に連ねて対になるマスク層を設けて該当面を平坦とし、これら面一のマスク層上に次層の導体パターンを引き回して設ける。

チップ本体３の内部に形成する導体パターン２としては、最初と最後の層ではコイルパターンの端部から引き出し導体を該当側の縁に延長して形成し、この引き出し導体を介して外部電極４に対する電気的な接続を行う構成である。

導体パターン２の層間の所定位置には、永久磁石７を配置している。この永久磁石７の膜層は本実施の形態では、導体パターン２が積み重ね方向に仮想的になす筒体の略中央に位置し、当該筒体の内側周縁を上回る面積サイズに形成する。つまり、導体パターン２に対して所定に重なる面積サイズとしてあり、この重なりは、上記の仮想的な筒体の内側周縁にわずかに重なる程度や、逆に仮想的筒体の外側周縁に達して全域に重なる設定では磁束の回り込み，外側磁束への悪影響があり、何れも適正な逆バイアスが得られない。これらを考慮すると、例えば導体パターン２の幅ｄに対して２分の１程度まで重なる設定が好ましい。

そして、永久磁石７は、隣接する上下の導体パターン２，２と重畳部位が接触するようにしている。なお、永久磁石７は、導体パターン２による仮想的筒体に対して輪切り状態で対面する配置を採ればよく、導体パターン２の層間における位置は適宜に変更することができる。例えば図３に示すように、積層の一方端に配置する構成を採ることもよい。

このように、永久磁石７の膜層は導体パターン２による仮想的な筒体に対して所定量が重なることから、コイル２０の磁束は迂回する磁路がなくなり、永久磁石７の膜層を通過する。また、永久磁石７は隣接する導体パターン２と重畳部位が接触する設定にするので、コイル２０の磁束は漏れなく永久磁石７の膜層を通過することになる。したがって、永久磁石７の磁束による逆バイアスの作用を確実に得ることができ、直流重畳特性を向上できる。

その結果、大電流の通電時にも高インダクタンスを得ることができ、電源回路等の用途に好ましく適用できる。

図４は、本発明の第２の実施の形態を示している。この第２の実施の形態では、永久磁石７について、導体パターン２による仮想的筒体の外側磁路に対面する構成にしてある。他の構成は第１の実施の形態と同様でるため、同様な構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。

つまり、導体パターン２の層間に永久磁石７を配置するが、永久磁石７の膜層は、チップ本体３と略同一外形の環状形状であり、その内周縁は導体パターン２が積み重ね方向に仮想的になす筒体に重なる面積サイズに形成している。環状の永久磁石７は、導体パターン２による仮想的筒体に対して、内側周縁が所定に重なり、この重なりは、適正な逆バイアスを得ることを考慮すると、例えば導体パターン２の幅ｄに対して２分の１程度まで重なる設定が好ましい。

なお、永久磁石７について、導体パターン２による仮想的筒体の外側磁路に対面する構成にする場合でも、永久磁石７の配置は適宜に変更することができる。例えば図５に示すように、積層の一方端に配置する構成を採ることもよい。

この場合も、コイル２０の磁束は漏れなく永久磁石７の膜層を通過することになり、このため、永久磁石７の磁束による逆バイアスの作用を確実に得ることができ、直流重畳特性を向上できる。

本発明の効果を実証するため試料および比較例を製造して、それらについて直流重畳特性を測定した。

（試料の製作）
磁性体膜（１）は、ＮｉＣｕＺｎスピネルフェライトであり、その組成は、Ｆｅ_２Ｏ_３：４８モル％，ＺｎＯ：３０モル％，ＮｉＯ：１６モル％，ＣｕＯ：６モル％とし、これら各原料成分は所定に秤量して、鋼鉄製ボールミルを用いて純水中で湿式混合を１５時間行ってスラリを形成した。

湿式混合したスラリは乾燥させ、これを次に大気中にて温度は７００℃として仮焼きを２時間行った。そして、この仮焼きした粉体は鋼鉄製ボールミルで粉砕しつつ混合し、これを２４時間行うことにより仮焼粉末を製造した。さらに、この仮焼粉末には、有機バインダを混合して、ドクターブレード法により均一な厚さにグリーンシートを製作した。

永久磁石（７）は、六方晶Ｂａフェライトであり、その組成は、Ｆｅ_２Ｏ_３：８３モル％，ＢａＯ：１５モル％，ＣｕＯ：２モル％とし、これら各原料成分は所定に秤量して、鋼鉄製ボールミルを用いて純水中で湿式混合を１５時間行ってスラリを形成した。

湿式混合したスラリは乾燥させ、これを次に大気中で温度は９００℃として仮焼きを２時間行った。そして、この仮焼きした粉体は鋼鉄製ボールミルで粉砕しつつ混合し、これを２４時間行うことにより仮焼粉末を製造した。さらに、この仮焼粉末には、有機バインダおよび低融点ガラス１．５重量％を混合して、ペースト（ハードフェライトペーストと呼ぶことにする）を製作した。

また、導体パターン（２）は、Ａｇペーストを用いて形成した。つまり、製造は、グリーンシート，Ａｇペーストを用いて印刷積層法により順次に積層を行い、図２に示すように、所定の膜層ではハードフェライトペーストを積層し、コイル（２０）として３．７５ターンに相当する形成を行った。

六方晶Ｂａフェライトの膜層は、Ａｇペーストによる導体パターンが積み重ね方向に仮想的になす筒体の略中央に位置し、当該筒体の内側周縁を上回る面積サイズに形成し、つまり導体パターンの側に重なる面積サイズとし、ここでは重なりは導体パターンの幅ｄに対してｄ／２（約４００μｍ）とした。

積層体は所定サイズに切断して、得られた各単体を９２０℃の温度で焼成し、焼成後の単体サイズは、６．６×７．２×１．６ｍｍのものを得た。なお、コイルをなす導体パターンは、厚さｂが１５０μｍ、幅ｄが８００μｍであり、ハードフェライト層の厚さａは約１８０μｍである。

焼成体には、導体パターンの端縁の引き出し露出側の端面に導電性ペーストを塗布し、これに約６５０℃の温度で焼き付けを行って外部電極を形成し、積層インダクタを製作した。

次に、この積層インダクタには電磁石により磁界を加えてハードフェライト層の磁化を行った。加えた磁界は１０ｋＯｅであり、これによりハードフェライト層を着磁して永久磁石とした。

（比較例の製作）
比較例は、ハードフェライト層の設定を変更した２種類のものを製作した。つまり、比較例１，２は何れもハードフェライト層の面積サイズを小さく設定している。具体的には、比較例１では面積サイズは、導体パターンが積み重ね方向に仮想的になす筒体の内側周縁に達しない面積サイズとして約１００μｍの間隔が生じる設定とし、比較例２では面積サイズは、導体パターンが積み重ね方向に仮想的になす筒体の内側周縁に達して間隔は生じない面積サイズとした。そして、面積サイズ以外の他の条件は実施例のものと同一にしてある。

（直流重畳特性の測定）
直流重畳特性は、各試料についてハードフェライト層の磁化前にまず一度測定し、磁化後にはコイルに流す電流を正逆切り替えて２回の測定を行った。すなわち、磁化後の測定では、コイルの磁束に対して永久磁石の磁束の向きが同一になる順バイアスの電流での測定と、コイルの磁束に対して永久磁石の磁束の向きが逆になる逆バイアスの電流での測定とを行い、合計３回の測定結果から直流重畳特性を評価した。

図６〜図８は各試料の直流重畳特性を示すグラフ図であり、図６は実施例の特性、図７は比較例１の特性、図８は比較例２の特性である。

比較例１，２では、図７，図８から分かるように、直流重畳特性はほとんど向上が見られなく、磁束の逆バイアスの作用が不十分であることが分かる。つまり、比較例１，２では、コイル（２０）側の磁束は永久磁石（７）を通過しないで間隔部分をすり抜けし、隙間を回り込んで逆バイアスを受けずに通過してしまうものが多いことが分かる。

実施例では図６から分かるように、磁束の逆バイアスを作用させた際に、直流重畳特性が明らかに向上しており、直流重畳が４Ａ近辺では約１．７倍に向上することを確認した。
このように本発明によれば、永久磁石（７）の磁束による逆バイアスの作用を確実に得ることができ、直流重畳特性を向上できる。

積層インダクタの従来の一例を示す斜視図である。本発明に係る積層インダクタの例１を示す断面図である。本発明に係る積層インダクタの例２を示す断面図である。本発明に係る積層インダクタの例３を示す断面図である。本発明に係る積層インダクタの例４を示す断面図である。実施例の試料における直流重畳特性を示すグラフ図である。比較例１の試料における直流重畳特性を示すグラフ図である。比較例２の試料における直流重畳特性を示すグラフ図である。

符号の説明

１磁性体膜
２導体パターン
３チップ本体
４外部電極
７永久磁石
１０積層インダクタ
２０コイル

Claims

軟磁性材料からなる磁性体膜と導体パターンを順次に積層することで当該内部に前記導体パターンが螺旋状に繋がったコイルを内蔵するチップ本体を形成し、当該チップ本体の対向２面に、前記コイルの端部とそれぞれ接続する外部電極を設ける積層インダクタにおいて、
前記導体パターンと異なる層に永久磁石を配置し、当該永久磁石の膜層は、前記導体パターンが積み重ね方向に仮想的になす筒体の略中央に位置し、前記永久磁石の外周を当該筒体の内側周縁を上回るサイズに形成することで、当該永久磁石の一部の領域が積層方向で隣接する導体パターンと重畳するとともに、前記コイルで発生する磁界が前記永久磁石を通過する配置としたことを特徴とする積層インダクタ。
軟磁性材料からなる磁性体膜と導体パターンを順次に積層することで当該内部に前記導体パターンが螺旋状に繋がったコイルを内蔵するチップ本体を形成し、当該チップ本体の対向２面に、前記コイルの端部とそれぞれ接続する外部電極を設ける積層インダクタにおいて、
前記導体パターンと異なる層に永久磁石を配置し、当該永久磁石の膜層は、前記磁性体膜と略同一外形の環状形状であり内周縁は前記導体パターンが積み重ね方向に仮想的になす筒体に重なる面積サイズに形成することで、当該永久磁石の一部の領域が積層方向で隣接する導体パターンと重畳するとともに、前記コイルで発生する磁界が前記永久磁石を通過する配置としたことを特徴とする積層インダクタ。
前記永久磁石は、前記重畳する領域である前記積み重ね方向で隣接する上側の導体パターンの下面及びまたは前記積み重ね方向で隣接する下側の導体パターンの上面と接触する設定としたことを特徴とする請求項１または２に記載の積層インダクタ。