JP5219975B2 - コイル及びトランス - Google Patents

Description

本発明は、磁性材基板上に形成されるコイル及びトランスに関する。

近年、小型・軽量の電子機器に用いられる電源の小型・軽量化が求められており、電源回路の中で比較的大きな部品であるコイルやトランス等の磁気素子の小型・軽量化が課題となってきている。このために、磁性材基板上に平面コイルを形成し、平面コイルを磁性樹脂層で覆い、その上から上部磁性材基板で挟み込むような構造とした磁気素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このような磁気素子は、平面コイルの近傍を通る経路における磁気抵抗が、平面コイルの遠くを通る経路の磁気抵抗より小さいので、平面コイルの導体近辺に磁束が集中する。このために、平面コイルの導体に大電流が流れると、導体から離れたところでは磁束密度があまり高くないにも拘らず、導体付近では磁束密度が高くなって磁気飽和するので、インダクタンスが低下するという問題がある。

特開２００７−１７３３８４号公報

本発明は、上記問題を解消するものであり、小型・軽量化を図りつつ磁気飽和し難いコイル及びトランスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、下部磁性材基板と、前記下部磁性材基板上に形成されたループ状導体と、前記ループ状導体の内側に間隙を持って設けられた部分及び前記ループ状導体の外側に間隙をもって設けられ、前記下部磁性材基板内の範囲に設けられている部分で構成され、前記ループ状導体に通電されたときに発生する磁束の内が通る磁性体から成るコア部と、前記ループ状導体上に配置される上部磁性材基板と、を備えたコイルにおいて、前記コア部の前記ループ状導体を挟む内側及び外側部分は、前記ループ状導体から所定長さだけ離れた前記下部磁性材基板との接面位置から始まり、前記下部磁性材基板に垂直な方向に前記所定長さとは別の所定長さだけ上の位置で終わる斜辺部分を有するエアギャップを有し、前記エアギャップは、前記磁性材基板に垂直な方向のギャップ長が前記ループ状導体に近づく程大きくなり、前記ループ状導体から離れる程小さくなるように変化しており、前記エアギャップを設けている個所においてコア部を通過する磁束密度が均一とされているものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載のコイルにおいて、前記エアギャップは、前記コア部と磁性材基板との間に形成されるものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のコイルにおいて、前記エアギャップが、前記磁性材基板及びコア部の材質よりも透磁率の低い材質によって置換されたものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のコイルであって、前記上部磁性材基板を備えていない構成のコイル２つを、一方を反転させてコア部同士が対面するように接合された構成を有しているものである。

請求項１の発明によれば、エアギャップ長が位置によって変化していて、コア部の下部磁性材基板に垂直な方向の厚みが面内分布を持つことにより、ループ状導体の近くを通る経路における磁気抵抗と、遠くを通る経路における磁気抵抗とを略同一とすることができる。このため、コア部内の磁束密度が均一になって磁気飽和し難くなり、全体の小型・軽量化を図ることができる。

請求項２の発明によれば、エアギャップが下部磁性材基板とコア部との間に位置するので、下部磁性材基板の上に材料を積層していくＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術によってエアギャップを作り易くなり、コイルを容易に製造することができる。

請求項３の発明によれば、エアギャップが透磁率の低い材質によって置換されるので、エアギャップを形成する手間が省かれ、コイルを容易に製造することができる。

請求項４の発明によれば、トランスを構成するそれぞれのコイルが磁気飽和し難いので、トランスも磁気飽和し難くなり、請求項１と同等の効果が得られる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るコイルの分解構成図、（ｂ）は同コイルの斜視図。 （ａ）は同コイルの断面図、（ｂ）は（ａ）における断面図の部分拡大図。 本発明の第２の実施形態に係るトランスの断面図。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。本実施形態に係るコイル１は、下部磁性材基板（磁性材基板）２と、下部磁性材基板２上に形成されたループ状導体３と、ループ状導体３の周辺に設けられループ状導体３に通電されたときに発生する磁束が通る磁性体から成る磁性材コア層（コア部）４と、ループ状導体３上に配置される上部磁性材基板５とを備えている。また、ループ状導体３と磁性材コア層４との間にエアギャップ６が形成されている。下部磁性材基板２及び上部磁性材基板５はフェライトを、ループ状導体３は銅を、磁性材コア層４はＮｉＦｅをそれぞれ用いることができる。

ループ状導体３、磁性材コア層４、上部磁性材基板５、及びエアギャップ６は、例えばＭＥＭＳプロセスを用いて、下部磁性材基板２の上に形成することができる。ループ状導体３は、下部磁性材基板２、磁性材コア層４及び上部磁性材基板５が絶縁体でない場合には、全表面を酸化膜等の絶縁層で覆って絶縁分離する。磁性材コア層４は、ループ状導体３の内周側と外周側に設けられる。この磁性材コア層４を通る磁束密度を均一にするために、磁性材コア層４の厚み（磁性材基板に垂直方向の厚み）が面内分布を持つように、エアギャップ６における下部磁性材基板２に垂直な方向のギャップ長を、ループ状導体３に近づく程大きくなり、ループ状導体３から離れる程小さくなるように変化させている。

エアギャップ６の形成は、エアギャップ６を形成する箇所に一旦、ＳｉＯ等の部材を形成し、その後に形成した部材を除去することによって行う。エアギャップ６の下部磁性材基板２に垂直な方向における位置は、下部磁性材基板２と上部磁性材基板５の間ならば、いずれの位置に形成してもよい。しかしながら、磁性材コア層４の上部磁性材基板５側にエアギャップ６を形成すると、エアギャップ６を形成した後に上部磁性材基板５を磁性材コア層４に接合するときに接着剤等によってエアギャップ６が埋まってしまう虞がある。そこで、ループ状導体３や磁性材コア層４がＭＥＭＳプロセスによって下部磁性材基板２の上に積層して作られるので、エアギャップ６を下部磁性材基板２と磁性材コア層４との間に設けることにより、コイル１を製造し易くなる。

次に、上記のように構成されたコイル１の作用効果について、図２を参照して説明する。ループ状導体３に通電されると、発生した磁束が下部磁性材基板２、磁性材コア層４、上部磁性材基板５及びエアギャップ６を通る。このときの、ループ状導体３に近い位置を通る経路Ｉと、ループ状導体３から離れた位置を通る経路ＩＩとにおけるそれぞれの磁気抵抗を、エアギャップ６が無い場合と比較して簡易的に求める。ここで、下部磁性材基板２及び上部磁性材基板５の比透磁率μ１＝１０００、磁性材コア層４の比透磁率μ２＝５００、エアギャップ６の比透磁率μ３＝１としている。また、経路Ｉにおいて、下部磁性材基板２及び上部磁性材基板５を通る経路相当の長さをｄ２、ギャップ長をｈ１とし、経路ＩＩにおいて、下部磁性材基板２及び上部磁性材基板５を通る経路Ｉと経路ＩＩとの差に相当する距離をｄ１、ギャップ長をｈ２としている。

エアギャップ６が無い場合は、
経路Ｉの磁気抵抗ＨＩ＝２×ｄ２／μ１＋２×ｈ３／μ２
経路ＩＩの磁気抵抗ＨＩＩ＝２×（ｄ２＋２×ｄ１）／μ１＋２×ｈ３／μ２＝２×ｄ２／μ１＋４×ｄ１／μ１＋２×ｈ３／μ２
となり、経路Ｉの磁気抵抗のほうが、（４×ｄ１／μ１）分、経路ＩＩの磁気抵抗より小さくなる。このように、エアギャップ６が無い場合には、磁気抵抗が、ループ状導体３に近い位置を通る経路の方が遠い位置を通る経路より小さくなるので、磁束はループ状導体３に近い方に集中する。

エアギャップ６が有る場合は、
経路Ｉの磁気抵抗ＨＩ＝２×ｄ２／μ１＋２×（ｈ３−ｈ１）／μ２＋２×ｈ１／μ３＝２×ｄ２／μ１＋２×ｈ３／μ２＋２×ｈ１（１／μ３−１／μ２）
経路ＩＩの磁気抵抗ＨＩＩ＝２×（ｄ２＋２×ｄ１）／μ１＋２×（ｈ３−ｈ２）／μ２＋２×ｈ２／μ３＝２×ｄ２／μ１＋２×ｈ３／μ２＋２×ｈ２（１／μ３−１／μ２）＋４×ｄ１／μ１
となる。
ここでｄ１＝（ｈ１−ｈ２）×（１／μ３−１／μ２）×μ１／２＝４９９×Δｈ （ただしΔｈ＝ｈ１−ｈ２）
であれば、経路Ｉの磁気抵抗ＨＩと経路ＩＩの磁気抵抗ＨＩＩが同じになる。例えば、ｄ１＝１ｍｍ、ｈ２＝０μｍとすると、ｈ１＝１０００／４９９≒２μｍのときに、磁気抵抗ＨＩと磁気抵抗ＨＩＩが同じになる。従って、エアギャップ６の断面を底辺１ｍｍで高さ２μｍの直角三角形状にすると、ループ状導体３から１ｍｍの距離までの位置における磁気抵抗が略同一になるので、その範囲における磁束密度が均一になる。

このように、エアギャップ長を変化させ、磁性材コア層４の厚みに面内分布を持たせることによって、ループ状導体３の近くを通る経路と遠くを通る経路とにおける磁気抵抗を略同一にすることができるので、磁性材コア層４内の磁束密度が均一になって磁気飽和し難くなり、コイル１の小型・軽量化を図り易くなる。

また、エアギャップ６の形成には、μｍ単位の厚み制御が必要になるが、図２（ａ）、（ｂ）に示すような断面が直角三角形形状でなく、斜辺部分の断面が階段状の形状であっても底辺と高さの関係が保たれていれば、略同等の効果を得ることができる。

本実施形態において、一対の下部磁性材基板２と上部磁性材基板５とでループ状導体３と磁性材コア層４とを挟持する構成のものを示したが、磁性特性が若干低下してもよい場合は、上部磁性材基板５を省略することもできる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。上記実施形態では、エアギャップ６が空隙そのものの例を示したが、このエアギャップ６部分に、下部磁性材基板２、上部磁性材基板５、及び磁性材コア層４の材質よりも透磁率の低い材質である、例えば、ＳｉＯ等を形成することによりエアに置換したギャップとしてもよい。この透磁率の低い材質の比透磁率は、１乃至１０の範囲がよい。このギャップの長さを調整することによって、磁性材コア層４における磁気抵抗が略同一になるので、磁束密度が均一になる。このように、エアギャップ６を透磁率の低い部材によって置換したギャップにすることにより、エアギャップ６を形成する手間が省かれ、コイル１の製造を容易にすることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図３を参照して説明する。本実施形態は、第１の実施形態に係るコイル１を用いてトランスを構成したものである。トランス７は、一対のコイル１，１を備えている。各コイル１は、上部磁性材基板５を除いた構成であり、トランス７は、各コイル１の下部磁性材基板２を外側に位置させて、ループ状導体３と磁性材コア層４同士が対面するように接合されている。このような構成にすることにより、各コイル１が磁気的に結合してトランス７として動作し、各コイル１が磁気飽和し難く、トランス７も磁気飽和し難くなる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、ループ状導体３は、１ターンでなく複数ターンとしてもよい。

１ コイル
２ 下部磁性材基板（磁性材基板）
３ ループ状導体
４ 磁性材コア層（コア部）
５ 上部磁性材基板
６ エアギャップ
７ トランス

Claims (4)

1. 下部磁性材基板と、前記下部磁性材基板上に形成されたループ状導体と、前記ループ状導体の内側に間隙を持って設けられた内周側部分及び前記ループ状導体の外側を間隙をあけて囲んでいる外周側部分で構成され、前記ループ状導体に通電されたときに発生する磁束が通る磁性体から成るコア部と、前記ループ状導体上に配置される上部磁性材基板と、を備えたコイルにおいて、
   前記コア部の内周側部分及び外周側部分の前記ループ状導体に向かい合う部分の下側には、前記ループ状導体から所定長さだけ離れた前記下部磁性材基板との接面位置から始まり、前記下部磁性材基板に垂直な方向に所定高さだけ上の位置で終わる、断面が直角三角形又は該直角三角形の斜辺部分が階段状になっているエアギャップを形成する面が設けられており、
   前記エアギャップは、前記磁性材基板に垂直な方向のギャップ長が前記ループ状導体に近づく程大きくなり、前記ループ状導体から離れる程小さくなるように変化しており、前記エアギャップを設けている個所においてコア部を通過する磁束密度が均一とされていることを特徴とするコイル。
2. 前記エアギャップは、前記コア部と下部磁性材基板との間に形成されることを特徴とする請求項１に記載のコイル。
3. 前記エアギャップが、前記下部磁性材基板及びコア部の材質よりも透磁率の低い材質によって置換されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコイル。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のコイルにおいて、前記上部磁性材基板を備えていない構成のコイル２つを、一方を反転させてコア部同士が対面するように接合させた構成を有していることを特徴とするトランス。

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