JP4873522B2 - 積層インダクタ - Google Patents

Description

本発明は、磁性体中にコイルが埋設された構造の積層インダクタに関し、更に詳しく述べると、コイルの内側部は全て磁性体であり、コイルの外側に電気絶縁性の非磁性層があり、且つこのような非磁性層が２層以上、積層体の中心に対して積層方向で対称的に位置している構造の積層インダクタに関するものである。この積層インダクタは、特に高バイアスを必要とするようなＤＣ−ＤＣコンバータ用のインダクタに有用である。

ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電源回路に使用されるトランスやチョークコイルなどは、かつては磁気コアにコイルを巻線する構成が一般的であったが、近年の電源回路部品の小型化、薄型化の要望に沿い、積層構造のチップ部品が開発され実用化されている。

積層インダクタは、電気絶縁性の磁性層と導体パターンが交互に積層され前記導体パターンが順次接続されることで、磁性体中で積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルが形成され、該コイルの両端がそれぞれ引出導体を介して積層体チップ外表面に引き出され電極端子に接続されている構造である。つまり、チップ型の磁性体中にコイルが埋設される状態である。磁性層や導体パターンは、例えばスクリーン印刷の技法などを使用して形成され積層される。

このような積層インダクタは、コイルの周囲が磁性体で囲まれているため、磁気漏洩が少なく、比較的少ない巻数で必要なインダクタンスが得られる特徴があり、小型化、薄型化に適している。しかしながら、低ＤＣバアイアス時に交流抵抗が高くなり（従って、待機電流による損失が大きい）、小さなコイル電流（励磁電流）でも、磁性体の磁気飽和により急激なインダクタンスの低下が生じる（つまり、直流重畳特性が悪い）などの問題がある。

そこで、本出願人は、一部の磁性層全体を非磁性層で置き換えることにより、積層インダクタ中に磁気的なギャップを介在させ、それによって磁気飽和レベルを高め、トランスやチョークコイルなどとして十分な定格電流が得られるようにした積層インダクタを提案した（特許文献１参照）。

確かに、このような構造にすると、低ＤＣバイアス時の交流抵抗上昇の抑制、及び直流重畳特性劣化の軽減に一定の効果がある。しかし、それらの効果は、必ずしも十分とは言えず、またコイル巻数が増加するに従って、その効果が減少するなど問題も認められた。
特開２００５−４５１０８号公報

本発明が解決しようとする課題は、高いインダクタンスが得られ、優れた直流重畳特性を呈し、低ＤＣバイアス時の交流抵抗を抑えることができるようにすることである。

本発明は、電気絶縁性の磁性層と導体パターンが交互に積層され前記導体パターンが順次接続されることで、磁性体中で積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルが形成され、該コイルの両端がそれぞれ引出導体を介して積層体チップ外表面に引き出され電極端子に接続されている積層インダクタにおいて、コイルの内側部を除く外側全体にわたって電気絶縁性の非磁性層が２層以上、積層体の中心に対して積層方向で対称的に配置されていることを特徴とする積層インダクタである。従って、コイルの内側部は全て磁性体となっている。

ここで電気絶縁性の非磁性層は、コイルの一部を形成する導体パターンの層とそれに積層方向で間隔をおいて重なり合う導体パターンの層の間、及びそれに繋がりコイルの外側に広がるように磁性層に代えて設ける。

本発明に係る積層インダクタは、コイルの内側は全て磁性体であり外側は非磁性体である層が２層以上、積層体の中心に対して積層方向で対称的に挿入されているように構成したことにより、高いインダクタンスを呈しつつ優れた直流重畳特性を示し、且つ低ＤＣバイアス時の交流抵抗を低く抑えることができる。これによって、特にＤＣ−ＤＣコンバータなどの電源回路やパワー回路に有用な積層インダクタが得られる。

直流重畳電流の増加によるインダクタンスの低下は、直流電流の増加によりコイルから発生する磁束が増え、磁性体を飽和させることにより生じる。磁性体の飽和を抑制するためには、磁束が通る断面積を減少させることが有効である。但し、磁束が通る断面積の低下は、結果的にインダクタンスの低下を招く。磁束が通る断面積を減らすために磁性体でないもの、即ち非磁性体を磁性層の代わりに配置するが、インダクタンスの低下を最小限にし、直流重畳特性を伸ばすためには、その位置及びその形状が重要になる。

本発明の積層インダクタでは、コイルの内側部を除いて外側全体に電気絶縁性の非磁性層が広がり、且つこのような非磁性層が２層以上、積層体の中心に対して積層方向で対称的に位置するように構成する。具体的には、上下で間隔をおいて重なり合う導体パターンの層間、及びそれに繋がりコイルの外側へ向かって広がるように設けるか、あるいは導体パターンを取り囲むように該導体パターンと同一平面に磁性層に代えて設ける。

このような構造にすることにより、磁束が通る断面積の減少によるインダクタンスの低下を最小限にし、直流重畳特性を伸ばすことができる。また、低ＤＣバイアス時の導体パターン−導体パターン間にある磁性層への磁束の急激な流れ込みによる交流抵抗の上昇を抑えることができる。しかも、この構造は、構造が単純なため、製造コストの上昇を抑えることができる。

図１は、本発明に係る積層インダクタの一実施例を示す説明図である。図１において、Ａは外観を、Ｂは導体パターンの上面を、Ｃは縦断面を、Ｄは非磁性層の構造を、それぞれ示している。

この積層インダクタ１０は、ほぼ直方体状をなす表面実装用のチップ部品であり、殆ど全てが磁性体からなる材料中にコイルが埋設されており、そのコイル両端がチップ両端部に形成されている電極端子１２に接続されている構造である（図１のＡ）。

内部のコイル構造は、ほぼ環状（あるいは半環状など）の導体パターン２０と電気絶縁性の磁性層２２を、スクリーン印刷法などにより印刷し交互に積層することにより形成される。導体パターン２０は、磁性層２２による磁性体中で、積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するように接続されてコイルを形成する。ここでは、導体パターンは、図１のＢに示すように、直角に屈曲しながら矩形状に巻回されている。コイルの両端は、それぞれ引出導体２４を介して積層体チップ外表面の相対向する端面に引き出され、電極端子に接続されることになる。

ここで本発明では、図１のＣに示すように、コイルの一部を形成する導体パターン２０の層とそれに間隔をおいて重なり合う別の導体パターン２０の層の間、及びコイルの外側に広がるように、磁性層に代えて電気絶縁性の非磁性層２６が設けられ、且つこのような非磁性層２６が２層、積層体の中心に対して積層方向で対称的に位置しており、この点に特徴がある。この実施例では、下から第１層と第２層の間、及び第３層と第４層の間に、それぞれ非磁性層２６を設けている。但し、非磁性体の層であっても、コイルの内側は磁性体とする（図１のＤ参照）。即ち、非磁性層２６を四角枠状とし、その内側は矩形状の磁性層２８とする。導体パターン２０を印刷する際、導体ペーストの流れ込みによる短絡発生を防ぐため、非磁性体と磁性体の境界は、導体パターン２０の内側輪郭線よりも一回り小さくし、導体パターン２０が非磁性層２６に余裕をもって載るような大きさにするのが好ましい。

本発明の構造の積層インダクタは、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの用途では、通常、比較的少ないコイル巻数で要求される仕様を満たすことができる。非磁性層を挿入する最適位置は、コイル形状、巻数などに応じて適宜決定する。

本発明に係る積層インダクタの他の実施例を図２に示す。図２のＡは、コイルの一部を形成する導体パターン３０を取り囲むように、導体パターン３０と同一平面に、磁性層に代えて電気絶縁性の非磁性層３２を設け、且つこのような非磁性層３２が２層、積層体の中心に対して積層方向で対称的に位置させた構造である。その他の部分は電気絶縁性の磁性層３４で構成されている。これら各層は、スクリーン印刷法などにより形成される。なお、この実施例も、前記実施例と同一コイル巻数の例であり、下から第２層と第３層の導体パターンの位置に非磁性層を設けている。

図２のＢは、図２のＡに示す積層インダクタの変形例であり、非磁性層の厚さを変えた例である。上下で間隔をおいて重なり合う関係にある導体パターン３０同士の間隔は、短絡を避けるために広げた方が（厚くした方が）好ましい。他方、非磁性層３２の厚さを制御し、薄くすれば、インダクタンスを高くすることができる。そこで、図２のＢでは、非磁性層３２の厚さを、高いインダクタンスが得られるように薄く制御したものである。ここでも、その他の部分は電気絶縁性の磁性層３４で構成されている。これら各層は、スクリーン印刷法などにより形成される。なお、この実施例も、コイル巻数が４の例であり、下から第２層と第３層の導体パターンの位置に非磁性層を設けている。

測定結果の一例を図３に示す。同一寸法で、しかも（ａ）〜（ｃ）の内部構造をもつ３種の積層インダクタについて、それらの直流重畳特性を測定した。（ａ）の本発明品は図１に示す積層インダクタと同じ構造であり、２層の非磁性層が介装されているもののコイルの内側は全て磁性体となっている。それに対して（ｂ）及び（ｃ）は比較例であり、いずれも特許文献１に記載されているようにチップの水平断面全面に非磁性層が介装されている構造であり、コイルの内側にも非磁性層が存在している。なお、（ｂ）の比較例１は上下に２層の非磁性層が設けられ、（ｃ）の比較例２は中央に１層の非磁性層が設けられている。なお、（ａ）〜（ｃ）の各図において、斜線を付した部分は導体パターン（コイル）を、点々を付した部分は非磁性層を、それ以外の部分は磁性層を表している。

直流重畳特性が良いと言うことは、比較的高いインダクタンスを高い電流まで維持できると言うことである。図３において、（ａ）本発明品と（ｂ）比較例１を比べると、本発明品は全体的に（低電流から高電流まで広い電流領域で）インダクタンスが高くなっていることが確認できる。また（ａ）本発明品と（ｃ）比較例２を比べると、本発明品は比較的高いインダクタンスを高い電流まで維持でき、直流電流が変化してもインダクタンスの変化が少ないことが確認できる。これらの測定結果から、本発明のようにコイルの内側は磁束が通りやすくなるように磁性体とし、外側は一部に非磁性層を配して磁束の通りを制御するように構成することで、直流重畳特性を改善できることが分かる。

なお、コイル巻数は要求仕様に応じて適宜増減することができる。但し、コイル巻数が過度に多くなると、製造工程数が増えコストも高くなるので、コイル巻数は必要最少限とすることが好ましい。

本発明に係る積層インダクタの一実施例を示す説明図。 本発明の他の実施例を示す縦断面図。 本発明品と比較例との直流重畳特性の違いを示すグラフ。

符号の説明

１０ 積層インダクタ
１２ 電極端子
２０ 導体パターン
２２ 磁性層
２４ 引出導体
２６ 非磁性層
２８ 磁性層

Claims (1)

1. 電気絶縁性の磁性層と導体パターンが交互に積層され前記導体パターンが順次接続されることで、磁性体中で積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルが形成され、該コイルの両端がそれぞれ引出導体を介して積層体チップ外表面に引き出され電極端子に接続されている積層インダクタにおいて、
   コイルの一部を形成する導体パターンの層とそれに間隔をおいて重なり合う導体パターンの層の間、及びそれに繋がりコイルの外側全体に広がるように磁性層に代えて電気絶縁性の非磁性層が設けられ、且つこのような非磁性層が２層以上、積層体の中心に対して積層方向で対称的に位置し、それによってコイルの内側部は全て磁性体として磁束が通りやすくし、コイルの外側は磁性体の間に配置された前記非磁性層によって磁束の通りが制御されるようにしたことを特徴とする積層インダクタ。

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