JP5193845B2 - 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を有する磁心型の積層インダクタに関し、とくに表面実装用の矩形状チップインダクタであって直流重畳されて使用されるものに適用される場合に有効であり、たとえば携帯電話機などの移動情報機器において、内蔵電池から得られる電源電圧（起電力）を所定の回路動作電圧に変換する超小形のＤＣ−ＤＣコンバータに好適である。

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。

積層インダクタでは、電気絶縁性の磁性層と導体パターンが交互に積層されるとともに、その導体パターンが順次層間接続されることで、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る。コイルの両端はそれぞれ引出導体パターン部を介して積層体チップ外表面の電極端子に接続されている。つまり、チップ型の磁性体中にコイルが埋設された状態である。磁性層や導体パターンは、たとえばスクリーン印刷の技法などにより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、外部への磁気漏洩が少なく、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、小さなコイル電流（励磁電流）でも磁性体の磁気飽和が生じるため、直流重畳電流が低電流領域であってもインダクタンスの変動が大きい。つまり、直流重畳特性が悪いという問題があった。

そこで、一部の磁性層全体を電気絶縁性の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、これによって磁気飽和レベルを高めて、トランスやチョークコイルなどとして大きな定格電流が得られるようにした積層インダクタが提案されている（特許文献１）。

また、漏れ磁束による磁気飽和を抑制することにより、微小電流領域でのインダクタンス変動を小さくするようにした積層インダクタも提案されている（特許文献２）。
特開２００５−４５１０８ 特開２００８−２１７８８

上述した技術により、積層インダクタの直流重畳特性は一応の改善はされているが、漏れ磁束等によって生じる磁気飽和のすべてを有効に抑制するものではなく、このため、微小電流領域におけるインダクタンス変動という問題は依然として残っていた。

たとえば、図５は本発明に先立って検討された積層インダクタの構成例を示し、（ａ）はその積層インダクタをなす各層の平面図、（ｂ）は導体パターンの部分だけを抽出して示す斜視図、（ｃ）は積層状態を示す縦断面図である。

また、同図において、２０は導体パターン（または導体）、２０−１〜２０−６はその導体パターン２０を有する導体パターン層、４０−３は磁性層、４０−１は全面磁気ギャップ層、４１は磁性体、４５は非磁性パターン（または非磁性体）をそれぞれ示す。

この積層インダクタは、電気絶縁性の磁性層４０−３と開放ループ状の導体パターン２０を有する導体パターン層２０−１〜２０−６とが交互に積層され、それら中心層には層面全体が電気絶縁性の非磁性体４５からなる全面磁気ギャップ層４０−１が配置されている。

各層（２０−１〜２０−６）の導体パターン２０はビア２４を介して順次結合され、磁性体４１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ている。
コイルの両端はそれぞれ、引出導体パターン部２２，２２を介して積層チップ外表面の電極端子（図示省略）に接続されるようになっている。

さらに、導体パターン層２０−１〜２０−６の間に配置される磁性層４０には、導体パターン２０と層方向で重なる電気絶縁性の非磁性パターン４５が形成されている。つまり、上記コイルの層方向への投影パターンに重なるループ状の非磁性パターン４５が形成され、それら中心層には層面全体が電気絶縁性の非磁性体４５からなる全面磁気ギャップ層４０−１が配置されている。

上記の構成では、全面磁気ギャップ層により広範囲の直流重畳電流領域でインダクタンス変動を緩和し、さらに導体パターン２０と導体パターン２０間での磁気飽和を抑制して、低電流直流重畳時におけるインダクタンス変動を緩和するという効果が得られる。

しかし、積層インダクタのインダクタンスを変動させる磁気飽和は、上記以外の個所でも発生し得ることが本発明者らにより知見されている。

この種の積層インダクタでは、図５の（ｂ）（ｃ）に示すように、コイルの周回方向に直交して積層方向に誘導される主磁束Ｈｚがインダクタの特性を支配する主パラメータ要因となるが、その積層方向以外に誘導される漏洩磁束も存在する。この漏洩磁束が起こす磁気飽和によって微小な直流重畳電流領域でインダクタが変動する。

ＤＣ−ＤＣコンバータは直流電流を高周波パルスでスイッチングしながら電圧変換を行うが、そのスイッチング周波数は年々高くなる傾向にある。高周波化にともない、求められるインダクタンス値が小さくなり、コイル巻数が減少し、上記漏洩磁束による直流重畳特性への影響が顕著化してきた。

本発明者らが知得したところによると、図５に示した積層インダクタでは、上記主磁束Ｈｚ以外に、同図の（ｂ）に示すように、ビア２４による層間接続部分にてコイル電流がカギ状に屈曲して流れることにより、その層間接続部分の回りで漏洩磁束Ｈｑが誘導され、この漏洩磁束Ｈｑによって引き起こされる磁気飽和が微小電流領域でのインダクタンス変動を増大させる原因となっていた。つまり、積層インダクタの直流重畳特性を悪化させていた。

しかし、この問題は、積層方向とは異なる方向に誘導される局部的な漏洩磁束Ｈｑによって生じるため、たとえば特許文献１，２に開示されているような層間に介在させる磁気ギャップでは解決できない。

本発明は以上のような問題を鑑みてなされたもので、その目的は、微小電流領域でのインダクタンス変動の少ない直流重畳特性を有する積層インダクタを提供することにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。

（１）電気絶縁性の磁性体中に矩形ループの一部が開放する導体パターンが形成された層状の導体パターン層が積層されているとともに、電気絶縁性の磁性体中に非磁性パターンが形成された磁性層が各導体パターン層の層間に介在しつつ、前記導体パターンが順次層間接続されることで、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、当該コイルの両端が、それぞれ引出導体パターン部を介して積層チップ外表面の電極端子に接続されてなる矩形状の積層インダクタであって、
前記各導体パターン層では、前記導体パターンが前記矩形ループの一つの角に対応する位置でのみ、または矩形ループにおける４本の直線のうちの１本の直線部分でのみ開放しているとともに、前記導体パターンがビアを介して前記ループの開放端部にて層間接続され、
前記磁性層には、平面形状が矩形で、前記コイルの積層方向への投影パターンと重複するループ状の非磁性パターンが形成され、
前記各導体パターン層には、前記磁性層における非磁性パターンとともに、前記ビアを介して層間接続されてクランク状に屈曲する導体に流れる電流に起因して発生する漏洩磁束を遮断する磁気ギャップとして、前記開放ループ状の導体パターンのループを閉じるように、当該導体パターンのループ開放部にのみ電気絶縁性の非磁性パターン部が形成されている、
ことを特徴とする積層インダクタ。

（２）上記手段（１）において、前記コイル両端における前記引出導体パターン部は、それぞれ、同一層面に形成されている前記開放ループ状の導体パターンの直線部分を延長するように形成されているとともに、互いに反対方向に延長し、
前記磁性層のうち、前記引出導体パターン部を有する導体パターン層の内側に隣接して積層されている磁性層には、前記ループ状の磁性体パターンに加え、前記引出導体パターンに流れる電流に起因する当該引出導体パターン周りの局部的な漏洩磁束を遮断する磁気ギャップとして、前記反対方向に延長する前記引出導体パターン部同士を連結させた直線部分を包含しつつ、当該ループの外方に向かって前記平面形状をなす矩形の周縁部にまで至るＩ字状の非磁性パターン部が形成されている、
ことを特徴とする積層インダクタ。

（３）上記手段（１）または（２）において、前記磁性層には、前記コイルのループ部分と前記引出導体パターン部とを積層方向に投影したときの形状の非磁性パターンが形成されていることを特徴とする積層インダクタ。

（４）上記手段（１）〜（３）のいずれかにおいて、層面全体が電気絶縁性の非磁性体からなる全面磁気ギャップ層が１層以上配置されている特徴とする積層インダクタ。

（５）上記手段（１）〜（４）のいずれかにおいて、層面のうち、いずれの層の導体パターンにも重ならない周縁部に沿うＵ字状部分だけに磁性体パターンが形成されて、残部がすべて非磁性パターンとなる部分磁気ギャップ層が１層以上配置されていることを特徴とする積層インダクタ。

上記手段によれば、局部的な漏洩磁束による磁気飽和を効果的に抑制し、低電流領域においてインダクタンス変動の少ない直流重畳特性を有する積層インダクタを得ることができる。
上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

図１は、本発明の第１実施形態をなす積層インダクタの要部を示す図であって、（ａ）はその積層インダクタをなす各層の平面図、（ｂ）は導体パターンの部分だけを抽出して示す斜視図、（ｃ）は積層状態を示す縦断面図である。

また、同図において、２０は導体パターン（または導体）、２０−１〜２０−６はその導体パターン２０を有する導体パターン層、４０−３は磁性層、４１は磁性体、４５は非磁性パターン（または非磁性体）をそれぞれ示す。

同図に示す積層インダクタは表面実装用の矩形状チップインダクタをなすものであって、電気絶縁性の磁性層４０−３と開放ループ状の導体パターン２０を有する導体パターン層２０−１〜２０−６とが交互に積層されるとともに、各層（２０−１〜２０−６）の導体パターン２０がビア２４を介して順次層間接続されることで、磁性体４１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ている。最上層と最下層にはそれぞれ全面磁性体の磁性層が積層される（参照符号省略）。

コイルの両端はそれぞれ、引出導体パターン部２２，２２を介して積層チップ外表面の電極端子（図示省略）に接続されるようになっている。
導体パターン層２０−１〜２０−６の間に配置される磁性層４０−３には、導体パターン２０と層方向で重なる電気絶縁性の非磁性パターン４５が形成されている。つまり、上記コイルの層方向への投影パターンに重なるループ状の非磁性パターン４５が形成されている。

さらに、上記構成に加えて、上記導体パターン２０のループ開放部に電気絶縁性の非磁性パターン部５３が形成され、この非磁性パターン部５３によって導体パターン２０のループが閉じられている。

上述した積層インダクタでは、コイルの周回方向に直交する積層方向の主磁束Ｈｚ以外に、同図の（ｂ）に波線で示すように、導体パターン２０の層間接続部の付近にそれぞれ、局部的な漏洩磁束Ｈｑが誘導される。

この漏洩磁束Ｈｑは、前述したように、ビア２４による導体パターン２０の層間接続部にて導体がカギ状に屈曲してことにより誘導される磁束であって、インダクタンス変動の大きな原因となる。

これに対し、上記非磁性パターン部５３は、導体パターン２０の層間接続部の付近に誘導される局部的な漏洩磁束による磁気飽和を選択的に抑制する効果がある。

つまり、上述した積層インダクタでは、上記非磁性パターン部５３がその漏洩磁束Ｈｑの誘導磁路に介在して、その漏洩磁束Ｈｑによる局部的な磁気飽和を的確に抑制する。
これにより、低電流領域における直流重畳特性を確実に向上させることができる。

図２は、本発明の第２実施形態をなす積層インダクタの要部を示す図であって、（ａ）はその積層インダクタの構成要素である導体パターン層と磁性層の平面パターン図、（ｂ）は積層状態を示す縦断面図である。

同図に示す第２実施形態の積層インダクタでは、上述した第１実施形態の構成に加えて、上記コイル両端の引出導体パターン部２２，２２がそれぞれ同一層内の導体パターン２０の直線延長部を形成するとともに、両延長部が互いに反対方向へ延長されている。

上記引出導体パターン部２２を有する導体パターン層２０−１，２０−６に内側から隣接する磁性層４０−３には、上記引出導体パターン部２２とその外側の周縁部に重なるＩ字状の非磁性パターン部５２が形成されている。

このＩ字状非磁性パターン部５２は、引出導体パターン部２２の回りに誘導される局部的な漏洩磁束に対し、磁気飽和を抑制する磁気ギャップとして介在する。これにより、その漏洩磁束によるインダクタンス変動を効果的に抑制して、低電流領域における直流重畳特性をさらに向上させることができる。

さらに、この第２実施形態の積層インダクタでは、層面全体が電気絶縁性の非磁性体４５からなる全面磁気ギャップ層４０−１が配置されている。この全面磁気ギャップ層４０−１は積層方向の磁路（Ｈｚ）に介在する。

上記全面磁気ギャップ層４０−１は中心層に配置され、その上層側および下層側にはそれぞれ上記磁性層４０−３が同数（２層）配置されている。

この構成によれば、上記漏洩磁束Ｈｑによる磁気飽和の抑制効果に加えて、積層方向に誘導される主磁束Ｈｚによる磁気飽和も効果的に抑制することができ、これにより、低電流から大電流までの直流重畳電流領域における直流重畳特性をさらに向上させることができる。

また、この第２実施形態では、磁性層４０−３の非磁性パターン４５が、上記コイルと上記引出導体パターン部２２の層方向への投影パターン形状に形成されている。

この磁性層４０−３の非磁性パターン４５は、とくに上記引出導体パターン部２２に対応する非磁性パターン部分が、層面方向に周回する磁路に対して磁気ギャップとして介在することにより、その層面方向の漏洩磁束による磁気飽和を抑制する効果を有する。これにより、上記直流重畳特性をさらにまた向上させることができる。

図３は、本発明の第３実施形態をなす積層インダクタの要部を示す図であって、（ａ）はその積層インダクタの構成要素である導体パターンと磁性層の平面パターン図、（ｂ）は積層状態を示す縦断面図である。

同図に示す第３実施形態の積層インダクタでは、上述した第２実施形態の構成に対し、積層方向の磁気ギャップ層として、部分磁気ギャップ層４０−２を配置している。

この部分磁気ギャップ層４０−２は、層面のうち、いずれの層の導体パターン２０および２２にも重ならない周縁部に沿うＵ字状部分だけに磁性体パターン（４１）を形成して残部をすべて非磁性パターン（４５）としたものであって、これが中心層に配置されている。

この第３実施形態では、第２実施形態と同様、上記漏洩磁束Ｈｑと上記主磁束Ｈｚによる磁気飽和を抑制して直流重畳特性を向上させることができる。

さらに、積層方向に介在する部分磁気ギャップ層４０−２は、Ｕ字状部分に磁性体パターン（４１）を有していることにより、上記全面磁気ギャップ層４０−１に比べて、積層方向の磁気抵抗を小さくすることができる。

これにより、磁気ギャップ層の介在にともなうインダクタンスの低下を少なくすることができる。つまり、インダクタンスをそれほど低下させずに直流重畳特性を改善することができる。

図４は、本発明に係る積層インダクタの直流重畳特性を示す。
同図において、グラフ線Ｃは、図２に示した第２実施形態の構成を有する積層インダクタ（実施例）の直流重畳電流に対するインダクタンスの変化状態を示す。グラフ線Ａは、本発明のいずれの特徴も備えてない導体パターン層および磁性層（図５参照）を用いた積層インダクタ（比較例）の直流重畳電流に対するインダクタンスの変化状態を示す。

同図からも明らかなように、本発明の積層インダクタでは、直流重畳電流に対するインダクタンス変動が確実に抑制されている。これにより、低電流領域におけるインダクタンス変動の少ない直流重畳特性を得ることができる。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。

局部的な漏洩磁束による磁気飽和を効果的に抑制し、これにより、低電流領域におけるインダクタンス変動の少ない直流重畳特性を有する積層インダクタを得ることができる。

本発明の第１実施形態をなす積層インダクタの要部を示す平面パターン図、斜視図、および縦断面図である。 本発明の第２実施形態をなす積層インダクタの要部を示す平面パターン図および縦断面図である。 本発明の第３実施形態をなす積層インダクタの要部を示す平面パターン図および縦断面図である。 本発明に係る積層インダクタの直流重畳特性を示すグラフである。 本発明の比較例として検討された積層インダクタの要部を示す平面パターン図、斜視図、および縦断面図である。

符号の説明

２０ 導体パターン（または導体）
２０−１〜２０−６ 導体パターン層
２２ 引出導体パターン部
２４ ビア
４０−１ 全面磁気ギャップ層
４０−２ 部分磁気ギャップ層
４０−３ 磁性層
４１ 磁性体
４３ 磁性パターン
４５ 非磁性パターン（または非磁性体）
５２，５３ 非磁性パターン部
Ｈｚ 主磁束（磁路）
Ｈｑ 漏洩磁束（磁路）

Claims (5)

1. 電気絶縁性の磁性体中に矩形ループの一部が開放する導体パターンが形成された層状の導体パターン層が積層されているとともに、電気絶縁性の磁性体中に非磁性パターンが形成された磁性層が各導体パターン層の層間に介在しつつ、前記導体パターンが順次層間接続されることで、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、当該コイルの両端が、それぞれ引出導体パターン部を介して積層チップ外表面の電極端子に接続されてなる矩形状の積層インダクタであって、
   前記各導体パターン層では、前記導体パターンが前記矩形ループの一つの角に対応する位置でのみ、または矩形ループにおける４本の直線のうちの１本の直線部分でのみ開放しているとともに、前記導体パターンがビアを介して前記ループの開放端部にて層間接続され、
   前記磁性層には、平面形状が矩形で、前記コイルの積層方向への投影パターンと重複するループ状の非磁性パターンが形成され、
   前記各導体パターン層には、前記磁性層における非磁性パターンとともに、前記ビアを介して層間接続されてクランク状に屈曲する導体に流れる電流に起因して発生する漏洩磁束を遮断する磁気ギャップとして、前記開放ループ状の導体パターンのループを閉じるように、当該導体パターンのループ開放部にのみ電気絶縁性の非磁性パターン部が形成されている、
   ことを特徴とする積層インダクタ。
2. 請求項１において、
   前記コイル両端における前記引出導体パターン部は、それぞれ、同一層面に形成されている前記開放ループ状の導体パターンの直線部分を延長するように形成されているとともに、互いに反対方向に延長し、
   前記磁性層のうち、前記引出導体パターン部を有する導体パターン層の内側に隣接して積層されている磁性層には、前記ループ状の磁性体パターンに加え、前記引出導体パターンに流れる電流に起因する当該引出導体パターン周りの局部的な漏洩磁束を遮断する磁気ギャップとして、前記反対方向に延長する前記引出導体パターン部同士を連結させた直線部分を包含しつつ、当該ループの外方に向かって前記平面形状をなす矩形の周縁部にまで至るＩ字状の非磁性パターン部が形成されている、
   ことを特徴とする積層インダクタ。
3. 請求項１または２において、前記磁性層には、前記コイルのループ部分と前記引出導体パターン部とを積層方向に投影したときの形状の非磁性パターンが形成されていることを特徴とする積層インダクタ。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、層面全体が電気絶縁性の非磁性体からなる全面磁気ギャップ層が１層以上配置されている特徴とする積層インダクタ。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、層面のうち、いずれの層の導体パターンにも重ならない周縁部に沿うＵ字状部分だけに磁性体パターンが形成されて、残部がすべて非磁性パターンとなる部分磁気ギャップ層が１層以上配置されていることを特徴とする積層インダクタ。

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