JP6120623B2 - 磁気デバイス - Google Patents

Description

本発明は、磁性体から成るコアと、コイルパターンが形成された基板とを備えた、チョークコイルやトランスなどの磁気デバイスに関する。

たとえば、高電圧の直流をスイッチングして交流に変換した後、低電圧の直流に変換する、直流−直流変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）のようなスイッチング電源装置がある。このスイッチング電源装置には、チョークコイルやトランスなどの磁気デバイスが使用されている。

特許文献１および２には、コイルの巻線が、基板に形成されたコイルパターンから成る磁気デバイスが開示されている。この磁気デバイスでは、基板に、コアの凸部を挿入する開口部が設けられている。基板の各層には、開口部の周囲に巻回されるように、コイルパターンが設けられている。異なる層のコイルパターン同士は、スルーホールなどの層間接続部により接続されている。コイルパターンに対する電力の入出力は、ピンやスルーホールなどの一対の端子部を介して行われる。

また、特許文献１では、基板の偶数個の各層に、コイルパターンをＮ（１以上の整数）＋１ターン設け、最も内側の巻線部分の幅を他の巻線部分の幅の半分にしている。そして、隣り合う２つの層の最も内側の巻線部分同士を、スルーホールにより並列に接続して、全体のコイルパターンの巻き数を２Ｎ＋１ターンにしている。また、特許文献２では、基板の偶数個の各層に、コイルパターンを０．５〜２ターン設けている。

特開２００２−２８０２３０号公報 特開平８−６９９３５号公報

基板の各層にコイルパターンを複数回巻回したり、コイルパターンを設ける基板の層数を増やしたりすると、全体の巻き数が多くなって、コイルの所定の性能を達成することができる。しかし、コイルパターンの引き回しや接続などの配線が難しくなったり、基板の板面方向や厚み方向への大型化を招いたりしてしまう。

本発明の課題は、少ない層数でコイルパターンの巻き数を多くしつつ、コイルパターンの配線を容易にすることができる磁気デバイスを提供することである。

本発明による磁気デバイスは、コアと、コアが挿入される開口部を有する基板とを備え、基板の複数の層にコイルパターンが開口部の周囲に巻回されるように設けられ、異なる層のコイルパターン同士が層間接続部により接続され、一対の端子部によりコイルパターンに対して電力が入出力される。基板の３以上の奇数個の各層に、コイルパターンが同じ方向に複数回巻回されるように設けられている。そのうち基板の最も裏面側にある最終層では、コイルパターンが外に向かって巻回され、最終層以外の基板の表面側から奇数番目の各層では、コイルパターンが内に向かって巻回され、偶数番目の各層では、コイルパターンが外に向かって巻回されている。また、奇数番目の各層のコイルパターンの内端部と、基板の裏面側に隣り合う偶数番目の各層のコイルパターンの内端部とは、それぞれ別個の層間接続部により接続されている。偶数番目の各層のコイルパターンの外端部と、基板の裏面側に隣り合う奇数番目の各層のコイルパターンの外端部または最終層のコイルパターンの内端部とは、それぞれ別個の層間接続部により接続されている。さらに、基板の表面側から１番目の層にあるコイルパターンの外端部は、一対の端子部の一方に接続され、最終層にあるコイルパターンの外端部は、一対の端子部の他方に接続されている。

これにより、基板の３以上の奇数個の各層に、コイルパターンが複数回巻回されるので、全体としてコイルパターンの巻き数が、該奇数個の２倍以上となり、少ない層数でコイルパターンの巻き数を多くすることができる。また、各層でコイルパターンが内巻きまたは外巻きで渦巻き状に引き回され、隣り合う層のコイルパターン同士が内端部または外端部で、基板に設けられた層間接続部により接続される。このため、たとえば、別途リード線などを用いた基板外配線で端子部とコイルパターンを接続する必要がなく、コイルパターンの配線を容易にすることができる。さらに、コイルパターンや層間接続部を基板の開口部の近傍に寄せて配置することで、基板の板面方向への小型化を実現することができる。

また、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、基板は３層基板から成り、、基板の最も表面側にある第１層では、コイルパターンが内に向かって巻回され、基板の表面側から２番目の第２層では、コイルパターンが外に向かって巻回され、基板の最も裏面側にある第３層では、コイルパターンが外に向かって巻回されていてもよい。また、層間接続部は、第１層にあるコイルパターンの内端部と、第２層にあるコイルパターンの内端部とを接続する第１層間接続部と、第２層にあるコイルパターンの外端部と、第３層にあるコイルパターンの内端部とを接続する第２層間接続部とから成り、第１層にあるコイルパターンの外端部は、一対の端子部の一方に接続され、第３層にあるコイルパターンの外端部は、一対の端子部の他方に接続されていてもよい。

また、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、第１層間接続部および第２層間接続部は、基板の各層を貫通していてもよい。

また、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、基板の５以上の奇数個の各層に、コイルパターンが設けられ、各層間接続部は、基板を貫通しないビアから成るようにしてもよい。

さらに、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、一対の端子部は、コイルパターンの外周より外側に設けられていてもよい。

本発明によれば、少ない層数でコイルパターンの巻き数を多くしつつ、コイルパターンの配線を容易にすることができる磁気デバイスを提供することが可能となる。

スイッチング電源装置の構成図である。 本発明の実施形態による磁気デバイスの分解斜視図である。 第１実施形態による磁気デバイスの基板の各層の平面図である。 図３のＹ−Ｙ断面図である。 図３のＶ−Ｖ断面図である。 第２実施形態による磁気デバイスの基板の各層の要部の平面図である。 図６のＶ’−Ｖ’断面図である。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一符号を付してある。

図１は、スイッチング電源装置１００の構成図である。スイッチング電源装置１００は、電気自動車（またはハイブリッドカー）用のＤＣ−ＤＣコンバータであり、高電圧の直流をスイッチングして交流に変換した後、低電圧の直流に変換する。以下で詳述する。

スイッチング電源装置１００の入力端子Ｔ１、Ｔ２には、高電圧バッテリ５０が接続されている。高電圧バッテリ５０の電圧は、たとえばＤＣ２２０Ｖ〜ＤＣ４００Ｖである。入力端子Ｔ１、Ｔ２へ入力される高電圧バッテリ５０の直流電圧Ｖｉは、フィルタ回路５１でノイズが除去された後、スイッチング回路５２へ与えられる。

スイッチング回路５２は、たとえばＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を有する公知の回路からなる。スイッチング回路５２では、ＰＷＭ駆動部５８からのＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号に基づいて、ＦＥＴをオンオフさせて、直流電圧に対してスイッチング動作を行う。これにより、直流電圧が高周波のパルス電圧に変換される。

そのパルス電圧は、トランス５３を介して、整流回路５４へ与えられる。整流回路５４は、一対のダイオードＤ１、Ｄ２によりパルス電圧を整流する。整流回路５４で整流された電圧は、平滑回路５５へ入力される。平滑回路５５は、チョークコイルＬおよびコンデンサＣのフィルタ作用により整流電圧を平滑し、低電圧の直流電圧として出力端子Ｔ３、Ｔ４へ出力する。この直流電圧により、出力端子Ｔ３、Ｔ４に接続された低圧バッテリ６０が、たとえばＤＣ１２Ｖに充電される。低圧バッテリ６０の直流電圧は、図示しない各種の車載電装品へ供給される。

また、平滑回路５５の出力電圧Ｖｏは、出力電圧検出回路５９により検出された後、ＰＷＭ駆動部５８へ出力される。ＰＷＭ駆動部５８は、出力電圧Ｖｏに基づいてＰＷＭ信号のデューティ比を演算し、該デューティ比に応じたＰＷＭ信号を生成して、スイッチング回路５２のＦＥＴのゲートへ出力する。これにより、出力電圧を一定に保つためのフィードバック制御が行なわれる。

制御部５７は、ＰＷＭ駆動部５８の動作を制御する。フィルタ回路５１の出力側には、電源５６が接続されている。電源５６は、高電圧バッテリ５０の電圧を降圧し、制御部５７に電源電圧（たとえばＤＣ１２Ｖ）を供給する。

上記のスイッチング電源装置１００において、平滑回路５５のチョークコイルＬとして、後述する磁気デバイス１、１’が用いられる。チョークコイルＬには、たとえばＤＣ１５０Ａの大電流が流れる。チョークコイルＬの両端には、電力を入出力するための一対の端子６ｉ、６ｏが設けられている。

次に、第１実施形態の磁気デバイス１の構造を、図２〜図５を参照しながら説明する。

図２は、磁気デバイス１の分解斜視図である（後述する磁気デバイス１’も同様）。図３は、磁気デバイス１の基板３の各層の平面図である。図４および図５は、磁気デバイス１の断面図であって、図４は、図３のＹ−Ｙ断面を示し、図５は、図３のＶ−Ｖ断面を示している。

図２に示すように、コア２ａ、２ｂは、Ｅ字形の上コア２ａとＩ字形の下コア２ｂの、２個１対で構成されている。コア２ａ、２ｂは、フェライトまたはアモルファス金属などの磁性体から成る。

上コア２ａは、下方へ突出するように、３つの凸部２ｍ、２Ｌ、２ｒを有している。凸部２ｍ、２Ｌ、２ｒは、図３に示すように、一列に並んでいる。図２に示すように、中央の凸部２ｍに対して、左右の凸部２Ｌ、２ｒの方が、突出量が多くなっている。

図４に示すように、上コア２ａの左右の凸部２Ｌ、２ｒの下端を、下コア２ｂの上面に密着させて、該コア２ａ、２ｂは組み合わされる。この状態では、直流重畳特性を高めるため、上コア２ａの凸部２ｍと下コア２ｂの上面には所定の大きさの隙間が設けられている。これにより、磁気デバイス１（チョークコイルＬ）に大電流を流したときでも、所定のインダクタンスを実現することができる。コア２ａ、２ｂ同士は、図示しないねじや金具などの固定手段により固定される。

下コア２ｂは、ヒートシンク１０の上側に設けられた凹部１０ｋ（図２）に嵌め込まれる。ヒートシンク１０の下側には、フィン１０ｆが設けられている。

基板３は、絶縁体から成る薄板状の基材の各層に、厚みの厚い銅箔（導体）でパターンが形成された厚銅箔基板から構成されている。本実施形態では、基板３に他の電子部品や回路が設けられていないが、実際に磁気デバイス１を図１のスイッチング電源装置１００で使用する場合、同一基板上に磁気デバイス１とスイッチング電源装置１００の他の電子部品や回路が設けられる（後述の磁気デバイス１’も同様）。

基板３の表面（図２および図４で上面）３ｘには、図３（ａ）に示すような第１層Ｌ１が設けられている。基板３の裏面（図２および図４で下面）３ｚには、図３（ｃ）に示すような第３層Ｌ３が設けられている。図４および図５に示すように、第１層Ｌ１と第３層Ｌ３の間には、図３（ｂ）に示すような第２層Ｌ２が設けられている。

つまり、基板３は、２つの表層Ｌ１、Ｌ３と、１つの内層Ｌ２の、計３つ（奇数個）の層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を有している。また、第１層Ｌ１は、基板３の表面３ｘ側から１番目（奇数番目）の層であり、第２層Ｌ２は、基板３の表面３ｘ側から２番目（偶数番目）の層であり、第３層Ｌ３は、最も裏面３ｚ側にある最終層である。

基板３には、大径の円形の貫通孔から成る開口部３ｍと、切欠き３Ｌ、３ｒが設けられている。図２〜図４に示すように、開口部３ｍには、コア２ａの中央の凸部２ｍが挿入され、左右にある切欠き３Ｌ、３ｒには、コア２ａの左右の凸部２Ｌ、２ｒがそれぞれ挿入される。

また、基板３には、小径で円形の貫通孔３ａが２つ設けられている。各貫通孔３ａには、図２に示すように、各ねじ１１が挿入される。基板３の裏面３ｚをヒートシンク１０の上面（フィン１０ｆと反対の面）と対向させる。そして、各ねじ１１を基板３の表面３ｘ側から各貫通孔３ａに貫通させて、ヒートシンク１０の各ねじ孔１０ａに螺合する。これにより、図４および図５に示すように、基板３の裏面３ｚ側にヒートシンク１０が近接状態で固定される。ねじ１１の軸部１１ｂより大径の頭部１１ａは、基板３の表面３ｘ側に配置される（図３（ａ）参照）。

基板３とヒートシンク１０の間には、伝熱性を有する絶縁シート１２が挟み込まれる。絶縁シート１２は可撓性を有しているため、基板３やヒートシンク１０と隙間なく密着する。

また、基板３には、図３に示すように、スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ、９ｂ、パッド８ｂ、８ｃ、端子６ｉ、６ｏ、パターン４ａ〜４ｄ、４ｔ_０〜４ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９、およびピン７ａ〜７ｄといった導体が設けられている。スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ、９ｂ、端子６ｉ、６ｏ、およびピン７ａ〜７ｄは、基板３を貫通するように設けられている。

一対のスルーホール８ａのうち、一方のスルーホール８ａには、端子６ｉが埋設され、他方のスルーホール８ａには、端子６ｏが埋設されている。これら一対の端子６ｉ、６ｏは、銅ピンから成る。第１層Ｌ１と第３層Ｌ３の端子６ｉ、６ｏの周囲には、スルーホール８ａのパッド８ｂが設けられている。パッド８ｂは、銅箔から成る。端子６ｉ、６ｏやパッド８ｂの表面には、銅めっきが施されている。端子６ｉ、６ｏは、本発明の「端子部」の一例である。

複数の大径のスルーホール８ｄには、放熱ピン７ａ〜７ｄがそれぞれ埋め込まれている。放熱ピン７ａ〜７ｄは、銅ピンから成る。第１層Ｌ１と第３層Ｌ３の放熱ピン７ａ〜７ｆの周囲には、銅箔から成るパッド８ｃが設けられている。放熱ピン７ａ〜７ｄやパッド８ｃの表面には、銅めっきが施されている。

基板３の各層Ｌ１〜Ｌ３には、コイルパターン４ａ〜４ｃと放熱パターン４ｔ_０〜４ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９が設けられている。各パターン４ａ〜４ｄ、４ｔ_０〜４ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９は、銅箔から成る。第１層Ｌ１の各パターン４ａ、４ｔ_０〜４ｔ_２、５ｓ_０〜５ｓ_２の表面には、絶縁加工が施されている。

コイルパターン４ａ〜４ｃは、基板３の板面方向と平行な帯状に形成されている。コイルパターン４ａ〜４ｃの幅や厚みや断面積は、コイルの所定の性能を達成しつつ、所定の大電流（たとえばＤＣ１５０Ａ）を流しても、コイルパターン４ａ〜４ｃでの発熱量をある程度に抑制して、しかもコイルパターン４ａ〜４ｃの表面から放熱できるように設定されている。

図３に示すように、各コイルパターン４ａ〜４ｃは、各層Ｌ１〜Ｌ３でコア２ａの中央の凸部２ｍが挿入される開口部３ｍの周囲に同じ方向に複数回巻回されている。コイルパターン４ａ〜４ｃに対して電力を入出力する一対の端子６ｉ、６ｏは、コイルパターン４ａ〜４ｃの外周より外側に設けられている。

図３（ａ）に示すように、第１層Ｌ１において、コイルパターン４ａの外端部４ａ_１は、パッド８ｂおよびスルーホール８ａを介して端子６ｏと接続されている。コイルパターン４ａは、外端部４ａ_１から開口部３ｍの周囲に、時計回りで内に向かって２回巻回されている（内巻き）。コイルパターン４ａの内端部４ａ_２は、図５に示すように、基板３の裏面３ｚ側に隣り合う第２層Ｌ２のコイルパターン４ｂの内端部４ｂ_２と、スルーホール９ａにより接続されている。

図３（ｂ）に示すように、第２層Ｌ２において、コイルパターン４ｂは、内端部４ｂ_２から、開口部３ｍの周囲に時計回りで外に向かって２回巻回されている（外巻き）。コイルパターン４ｂの外端部４ｂ_１は、図５に示すように、基板３の裏面３ｚ側に隣り合う第３層Ｌ３のコイルパターン４ｃの内端部４ｃ_２と、スルーホール９ｂにより接続されている。

つまり、異なる隣り合った２つの層のコイルパターン同士は、別個のスルーホール９ａ、９ｂによりそれぞれ接続されている。各スルーホール９ａ、９ｂは、所定の直流抵抗の性能を達成するため、図３に示すように小径で複数設けられている。各スルーホール９ａ、９ｂの表面には、銅めっきが施されている。各スルーホール９ａ、９ｂの内側は、銅などで埋められていてもよい。

図３に示すように、基板３の板面方向における、スルーホール９ａ、９ｂの設置箇所数は、コイルパターン４ａ、４ｂの内端部４ａ_２、４ｂ_２がある位置と、コイルパターン４ｂの外端部４ｂ_１とコイルパターン４ｃの内端部４ｃ_２がある位置の２箇所である。これは、コイルパターン４ａ〜４ｃが設けられた基板３の層数（３個）より１つ少なくなっている。スルーホール９ｂの設置箇所より、スルーホール９ａの設置箇所の方が、開口部３ｍに近くて、コイルパターン４ａ〜４ｃの巻回周の内側にある。

スルーホール９ａ、９ｂは、本発明の「層間接続部」の一例である。また、スルーホール９ａは、本発明の「第１層間接続部」の一例であり、スルーホール９ｂは、本発明の「第２層間接続部」の一例である。

他の例として、各スルーホール９ａ、９ｂの設置箇所に、該スルーホール９ａ、９ｂより大径のスルーホールをそれぞれ１つずつ設けて、該スルーホールにより異なる層Ｌ１〜Ｌ３にあるコイルパターン４ａ〜４ｃ同士を接続してもよい。

スルーホール９ａ、９ｂを形成し易くするため、第１層Ｌ１のスルーホール９ｂの周辺と、第３層Ｌ３のスルーホール９ａの周辺には、銅箔から成る小パターン４ｄがそれぞれ設けられている。それぞれのスルーホール９ａ、９ｂと小パターン４ｄは接続されている。第１層Ｌ１の小パターン４ｄの表面には、絶縁加工が施されている。

図３（ｃ）に示すように、第３層Ｌ３において、コイルパターン４ｃは、内端部４ｃ_２から、開口部３ｍの周囲に時計回りで外に向かって２回巻回されている（外巻き）。コイルパターン４ｃの外端部４ｃ_１は、パッド８ｂおよびスルーホール８ａを介して端子６ｉと接続されている。

上記により、基板３のコイルパターン４ａ〜４ｃは、第３層Ｌ３で、起点である端子６ｉから、開口部３ｍ（およびコア２ａの凸部２ｍ）の周囲に１回目と２回目が巻かれた後、スルーホール９ｂを経由して、第２層Ｌ２に接続される。次に、コイルパターン４ａ〜４ｃは、第２層Ｌ２で、開口部３ｍの周囲に３回目と４回目が巻かれた後、スルーホール９ａを経由して、第１層Ｌ１に接続される。そして、コイルパターン４ａ〜４ｃは、第１層Ｌ１で、開口部３ｍの周囲に５回目と６回目が巻かれた後、終点である端子６ｏに接続される。つまり、３層基板３に６巻のコイルパターン４ａ〜４ｃが形成されている。

磁気デバイス１に流れる電流も、上記のように、端子６ｉから入力されて、コイルパターン４ｃ、スルーホール９ｂ、コイルパターン４ｂ、スルーホール９ａ、およびコイルパターン４ａの順に流れた後、端子６ｏから出力される。

図３に示すように、基板３の各層Ｌ１〜Ｌ３の空き領域には、放熱パターン４ｔ_０〜４ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９が設けられている。そのうち、放熱パターン４ｔ_０〜４ｔ_６は、コイルパターン４ａ〜４ｃの一部を基板３の板面方向に広げることにより、コイルパターン４ａ〜４ｃと一体で設けられている。放熱パターン５ｓ_０〜５ｓ_９は、基板３の板面方向に広がるように、コイルパターン４ａ〜４ｃと別体で設けられている。また、放熱パターン５ｓ_０〜５ｓ_９同士も別体になっている。

各層Ｌ１〜Ｌ３において、パターン４ａ〜４ｄ、４ｔ_０〜４ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９は、ねじ１１に対して絶縁されている。図３（ａ）に示すように、第１層Ｌ１において、端子６ｉとこの周囲のスルーホール８ａおよびパッド８ｂは、近傍にある放熱パターン４ｔ_０に対して絶縁されている。端子６ｏとこの周囲のスルーホール８ａおよびパッド８ｂは、放熱パターン４ｔ_２と接続され、放熱パターン５ｓ_０に対して絶縁されている。

図３（ｂ）に示すように、第２層Ｌ２において、端子６ｉ、６ｏとこれらの周囲のスルーホール８ａは、近傍にある放熱パターン５ｓ_３、４ｔ_３に対して絶縁されている。図３（ｃ）に示すように、第３層Ｌ３において、端子６ｉとこの周囲のスルーホール８ａは、近傍にある放熱パターン４ｔ_５と接続されている。端子６ｏとこの周囲のスルーホール８ａは、近傍にある放熱パターン５ｓ_９と接続され、放熱パターン４ｔ_６に対して絶縁されている。

図３に示すように、放熱ピン７ａとこの周囲のスルーホール８ｄおよびパッド８ｃにより、第１層Ｌ１の放熱パターン４ｔ_０、第２層Ｌ２の放熱パターン５ｓ_３、および第３層Ｌ３の放熱パターン５ｓ_５が接続されている。放熱ピン７ｂとこの周囲のスルーホール８ｄおよびパッド８ｃにより、第１層Ｌ１の放熱パターン５ｓ_１、第２層Ｌ２の放熱パターン４ｔ_３、および第３層Ｌ３の放熱パターン５ｓ_７が接続されている。

放熱ピン７ｃとこの周囲のスルーホール８ｄおよびパッド８ｃにより、第１層Ｌ１の放熱パターン４ｔ_１、第２層Ｌ２の放熱パターン５ｓ_４、および第３層Ｌ３の放熱パターン５ｓ_６が接続されている。放熱ピン７ｄとこの周囲のスルーホール８ｄおよびパッド８ｃにより、第１層Ｌ１の放熱パターン５ｓ_２、第２層Ｌ２の放熱パターン４ｔ_４、および第３層Ｌ３の放熱パターン５ｓ_８が接続されている。

コイルパターン４ａ〜４ｃには大電流が流れるため、コイルパターン４ａ〜４ｃが発熱源となって、基板３の温度が上昇する。第１層Ｌ１のコイルパターン４ａで発生した熱は、たとえば、コイルパターン４ａの表面や放熱パターン４ｔ_０〜４ｔ_２、５ｓ_０〜５ｓ_２の表面で放熱される。また、コイルパターン４ａで発生した熱は、たとえば、放熱ピン７ａ、７ｂや端子６ｏなどから第３層Ｌ３の放熱パターン５ｓ_５、５ｓ_６、５ｓ_９などに伝わって、絶縁シート１２を介してヒートシンク１０で放熱される。

第２層Ｌ２のコイルパターン４ｂで発生した熱は、たとえば、放熱パターン４ｔ_３、４ｔ_４などに拡散され、放熱ピン７ｂ、７ｄなどから他の層Ｌ１、Ｌ３の放熱パターン５ｓ_１、５ｓ_２、５ｓ_７、５ｓ_８などに伝わる。そして、その熱は、第１層Ｌ１の放熱パターン５ｓ_１、５ｓ_２の表面などから放熱されたり、第３層Ｌ３の放熱パターン５ｓ_７、５ｓ_８からヒートシンク１０に伝わって、放熱されたりする。第３層Ｌ３のコイルパターン４ｃで発生した熱は、たとえば、コイルパターン４ｃや放熱パターン４ｔ_５、４ｔ_６からヒートシンク１０に伝わって、放熱される。

上記第１実施形態によると、基板３の３個の各層Ｌ１〜Ｌ３に、コイルパターン４ａ〜４ｃが複数回巻回されているので、全体としてコイルパターン４ａ〜４ｃの巻き数が、層数の２倍以上になる。このため、少ない層数の基板３において、コイルパターン４ａ〜４ｃの巻き数を多くすることができる。本例では、各層Ｌ１〜Ｌ３に、コイルパターン４ａ〜４ｃが２回ずつ巻回されているので、３層基板３に６巻きのコイルパターン４ａ〜４ｃを実現することができる。

また、各層Ｌ１〜Ｌ３でコイルパターン４ａ〜４ｃが内巻きまたは外巻きで渦巻き状に引き回されている。そして、隣り合う層Ｌ１〜Ｌ３のコイルパターン４ａ〜４ｃ同士が内端部４ａ_２、４ｂ_２、４ｃ_２または外端部４ｂ_１で、基板３に設けられたスルーホール９ａ、９ｂにより接続されている。また、第１層Ｌ１や第３層Ｌ３のコイルパターン４ａ、４ｃの外端部４ａ_１、４ｃ_１が、端子６ｏ、６ｉと接続されている。このため、たとえば、別途リード線などを用いた基板外配線（空中配線ともいう。）で端子６ｏ、６ｉとコイルパターン４ａ、４ｃを接続する必要がなく、コイルパターン４ａ〜４ｃの配線を容易にすることができる。さらに、コイルパターン４ａ〜４ｃやスルーホール９ａ、９ｂを基板３の開口部３ｍの近傍に寄せて配置することで、基板３の板面方向への小型化を実現することができる。

また、スルーホール９ａ、９ｂの設置箇所数を、コイルパターン４ａ〜４ｃが設けられた基板３の層数より１つ少なくしているので、隣り合う層Ｌ１〜Ｌ３のコイルパターン４ａ〜４ｃ同士をスルーホール９ａ、９ｂにより確実に接続しつつ、基板３の板面方向へのより小型化を実現することができる。また、基板３の各層Ｌ１〜Ｌ３を貫通する２箇所のスルーホール９ａ、９ｂによりコイルパターン４ａ〜４ｃ同士を接続しているので、これらの配線を形成する基板３の製造を容易にすることができる。

また、電力入出力用の端子６ｉ、６ｏを、コイルパターン４ａ〜４ｃの外周より外側に設けているので、端子６ｉ、６ｏとスルーホール９ａ、９ｂの配置やコイルパターン４ａ〜４ｃの配線を容易にすることができる。また、コイルパターン４ａ〜４ｃの外周の大きさを小さく抑えて、基板３の板面方向へのより小型化を実現することができる。

上記第１実施形態では、３層基板３の各層Ｌ１〜Ｌ３にコイルパターン４ａ〜４ｃを設けた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。下記の第２実施形態のように、基板の５以上の奇数個の各層にコイルパターンを設けてもよい。

図６は、第２実施形態による磁気デバイス１’の基板３’の各層の要部の平面図である。図７は、磁気デバイス１’の断面図であって、図６のＶ’−Ｖ’断面を示している。

磁気デバイス１’の基板３’の表面（図７で左端の面）３ｘには、図６（ａ）に示すような第１層Ｌ１’が設けられている。基板３’の裏面（図７で右端の面）３ｚには、図６（ｅ）に示すような第５層Ｌ５が設けられている。図７に示すように、第１層Ｌ１’と第５層Ｌ５の間には、図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すような、第２層Ｌ２’、第３層Ｌ３’、および第４層Ｌ４が設けられている。

つまり、基板３’は、２つの表層Ｌ１’、Ｌ５と、３つの内層Ｌ２’、Ｌ３’、Ｌ４の、計５つ（奇数個）の層Ｌ１’〜Ｌ５を有している。また、基板３’の表面３ｘ側から１番目には第１層Ｌ１’、２番目には第２層Ｌ２’、３番目には第３層Ｌ３’、４番目には第４層Ｌ４、５番目には第５層Ｌ５がそれぞれ設けられている。第５層Ｌ５は、基板３’の最も裏面３ｚ側にある最終層である。

基板３’に設けられた各スルーホール８ａには、端子６ｉ、６ｏがそれぞれ埋設されている。基板３’の各層Ｌ１’〜Ｌ５には、銅箔から成るコイルパターン４ｅ〜４ｉが設けられている。コイルパターン４ｅ〜４ｉの幅や厚みや断面積は、コイルの所定の性能を達成しつつ、所定の大電流を流しても、コイルパターン４ｅ〜４ｉでの発熱量をある程度に抑制して、しかもコイルパターン４ｅ〜４ｉの表面から放熱できるように設定されている。

各コイルパターン４ｅ〜４ｉは、各層Ｌ１’〜Ｌ５で開口部３ｍの周囲に同じ方向に複数回巻回されている。端子６ｉ、６ｏは、コイルパターン４ｅ〜４ｉの外周より外側に設けられている。

図６（ａ）に示すように、第１層Ｌ１’において、コイルパターン４ｅの外端部４ｅ_１は、パッド８ｂおよびスルーホール８ａを介して端子６ｏと接続されている。コイルパターン４ｅは、外端部４ｅ_１から開口部３ｍの周囲に、時計回りで内に向かって２回巻回されている（内巻き）。コイルパターン４ｅの内端部４ｅ_２は、図７に示すように、基板３’の裏面３ｚ側に隣り合う第２層Ｌ２’のコイルパターン４ｆの内端部４ｆ_２と、ビア９ｃにより接続されている。

図６（ｂ）に示すように、第２層Ｌ２’において、コイルパターン４ｆは、内端部４ｆ_２から、開口部３ｍの周囲に時計回りで外に向かって２回巻回されている（外巻き）。コイルパターン４ｆの外端部４ｆ_１は、図７に示すように、基板３’の裏面３ｚ側に隣り合う第３層Ｌ３’のコイルパターン４ｇの外端部４ｇ_１と、ビア９ｄにより接続されている。

図６（ｃ）に示すように、第３層Ｌ３’において、コイルパターン４ｇは、外端部４ｇ_１から、開口部３ｍの周囲に時計回りで内に向かって２回巻回されている（内巻き）。コイルパターン４ｇの内端部４ｇ_２は、図７に示すように、基板３’の裏面３ｚ側に隣り合う第４層Ｌ４のコイルパターン４ｈの内端部４ｈ_２と、ビア９ｅにより接続されている。

図６（ｄ）に示すように、第４層Ｌ４において、コイルパターン４ｈは、内端部４ｈ_２から、開口部３ｍの周囲に時計回りで外に向かって２回巻回されている（外巻き）。コイルパターン４ｈの外端部４ｈ_１は、図７に示すように、基板３’の裏面３ｚ側に隣り合う第５層Ｌ５のコイルパターン４ｉの内端部４ｉ_２と、ビア９ｆにより接続されている。

つまり、異なる隣り合った２つの層のコイルパターン同士は、別個のビア９ｃ〜９ｆによりそれぞれ接続されている。ビア９ｃ〜９ｆは、図７に示すように、基板３’を貫通しないＩＶＨ（Interstitial Via Hole）から成る。また、各ビア９ｃ〜９ｆは、所定の直流抵抗の性能を達成するため、図６に示すように小径で複数設けられている。各ビア９ｃ〜９ｆの内側は、銅などで埋められていてもよい。

図６に示すように、ビア９ｃ〜９ｆの設置箇所数は、コイルパターン４ｅ、４ｆの内端部４ｅ_２、４ｆ_２間、コイルパターン４ｆ、４ｇの外端部４ｆ_１、４ｇ_１間、コイルパターン４ｇ、４ｈの内端部４ｇ_２、４ｈ_２間、およびコイルパターン４ｈの外端部４ｈ_１とコイルパターン４ｉの内端部４ｉ_２の間の、４箇所である。これは、コイルパターン４ｅ〜４ｉが設けられた基板３’の層数（５個）より１つ少なくなっている。

また、基板３’の板面方向における、ビア９ｃ〜９ｆの設置箇所数は、コイルパターン４ｅ〜４ｈの内端部４ｅ_２〜４ｈ_２がある位置と、コイルパターン４ｂ〜４ｈの外端部４ｂ_１〜４ｈ_１とコイルパターン４ｉの内端部４ｉ_２がある位置の、２箇所である。この基板３’の板面方向における、ビア９ｄ、９ｆの設置箇所より、ビア９ｃ、９ｅの設置箇所の方が、開口部３ｍに近くて、コイルパターン４ｅ〜４ｉの巻回周の内側にある。ビア９ｃ〜９ｆは、本発明の「層間接続部」の一例である。

他の例として、各ビア９ｃ〜９ｆの設置箇所に、該ビア９ｃ〜９ｆより大径のビアをそれぞれ１つずつ設けて、該ビアにより異なる層Ｌ１’〜Ｌ５にあるコイルパターン４ｅ〜４ｉ同士を接続してもよい。

図６（ｅ）に示すように、第５層Ｌ５において、コイルパターン４ｉは、内端部４ｉ_２から、開口部３ｍの周囲に時計回りで外に向かって２回巻回されている（外巻き）。コイルパターン４ｉの外端部４ｉ_１は、パッド８ｂおよびスルーホール８ａを介して端子６ｉと接続されている。

上記により、基板３’のコイルパターン４ｅ〜４ｉは、第５層Ｌ５で、起点である端子６ｉから、開口部３ｍの周囲に１回目と２回目が巻かれた後、ビア９ｆを経由して、第４層Ｌ４に接続される。次に、コイルパターン４ｅ〜４ｉは、第４層Ｌ４で、開口部３ｍの周囲に３回目と４回目が巻かれた後、ビア９ｅを経由して、第３層Ｌ３’に接続される。次に、コイルパターン４ｅ〜４ｉは、第３層Ｌ３’で、開口部３ｍの周囲に５回目と６回目が巻かれた後、ビア９ｄを経由して、第２層Ｌ２’に接続される。次に、コイルパターン４ｅ〜４ｉは、第２層Ｌ２’で、開口部３ｍの周囲に７回目と８回目が巻かれた後、ビア９ｃを経由して、第１層Ｌ１’に接続される。そして、コイルパターン４ｅ〜４ｉは、第１層Ｌ１’で、開口部３ｍの周囲に９回目と１０回目が巻かれた後、終点である端子６ｏに接続される。つまり、５層基板３’に１０巻のコイルパターン４ｅ〜４ｉが形成されている。

磁気デバイス１’に流れる電流も、上記のように、端子６ｉから入力されて、コイルパターン４ｉ、ビア９ｆ、コイルパターン４ｈ、ビア９ｅ、コイルパターン４ｇ、ビア９ｄ、コイルパターン４ｆ、ビア９ｃ、およびコイルパターン４ｅの順に流れた後、端子６ｏから出力される。

上記第２実施形態によると、基板３’の５個の各層Ｌ１’〜Ｌ５に、コイルパターン４ｅ〜４ｉが複数回巻回されているので、全体としてコイルパターン４ｅ〜４ｉの巻き数が、層数の２倍以上になる。このため、少ない層数の基板３’において、コイルパターン４ｅ〜４ｉの巻き数を多くすることができる。本例では、５層基板３’に１０巻きのコイルパターン４ｅ〜４ｉを実現することができる。

また、各層Ｌ１’〜Ｌ５でコイルパターン４ｅ〜４ｉが内巻きまたは外巻きで渦巻き状に引き回されている。そして、隣り合う層Ｌ１’〜Ｌ５のコイルパターン４ｅ〜４ｉ同士が内端部４ｅ_２〜４ｉ_２または外端部４ｆ_１〜４ｈ_２で、基板３’に設けられたビア９ｃ〜９ｆにより接続されている。また、第１層Ｌ１’や第５層Ｌ５のコイルパターン４ｅ、４ｉの外端部４ｅ_１、４ｉ_１が、端子６ｏ、６ｉと接続されている。このため、たとえば、別途リード線などを用いた基板外配線で端子６ｏ、６ｉとコイルパターン４ｅ、４ｉを接続する必要がなく、コイルパターン４ｅ〜４ｉの配線を容易にすることができる。さらに、コイルパターン４ｅ〜４ｉやビア９ｃ〜９ｆを基板３’の開口部３ｍの近傍に寄せて配置することで、基板３’の板面方向への小型化を実現することができる。

また、基板３’の板面方向におけるコイルパターン４ｅ〜４ｉの内端部４ｅ_２〜４ｉ_２と外端部４ｆ_１〜４ｈ_１が来る２箇所に、ビア９ｃ〜９ｆを設けているので、コイルパターン４ｅ〜４ｉの電流経路を確保しつつ、基板３’の板面方向へのより小型化を実現することができる。

本発明では、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、以上の実施形態では、３層基板３または５層基板３’の全ての層Ｌ１〜Ｌ３、Ｌ１’〜Ｌ５にコイルパターン４ａ〜４ｃ、４ｅ〜４ｉを設けた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。３層以上を有する基板において、３以上の奇数個の各層にコイルパターンを設ければよい。また、７以上の奇数個の各層にコイルパターンを設ける場合は、たとえば、基板の表面側から、１番目の層を図６（ａ）に示すように形成し、最終層を図６（ｅ）に示すように形成し、偶数番目の層を図６（ｂ）、（ｄ）に示すように形成し、その他の奇数番目の層を図６（ｃ）に示すように形成すればよい。

また、以上の実施形態では、コア２ａの中央の凸部２ｍが挿入される開口部３ｍの周囲に、コイルパターン４ａ〜４ｃ、４ｅ〜４ｉを２回ずつ巻回した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば、コア２ａの他の凸部２Ｌ、２ｒが挿入される切欠き３Ｌ、３ｒ（図２など）に代えて、貫通孔から成る開口部を基板に設け、凸部２ｍ、２Ｌ、２ｒが挿入される開口部の２つ以上の周囲に、コイルパターンを３回以上巻回してもよい。但し、基板のサイズを考慮して、各層のコイルパターンの巻き数を設定するのが好ましい。また、コイルパターンでの発熱量の抑制や、コイルパターンの表面からの放熱をし易くするため、コイルパターンの幅を広くするのが好ましい。

また、以上の実施形態では、層間接続部としてスルーホール９ａ、９ｂやビア９ｃ〜９ｆを基板３、３’に設けた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、端子やピンやはんだなどの他の導体から成る層間接続部を基板に設けて、異なる層のコイルパターン同士を接続するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、端子部として銅ピンから成る端子６ｉ、６ｏを基板３、３’に設けた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば端子６ｉ、６ｏを省略して、スルーホール８ａやパッド８ｂを端子部として設けてもよい。そして、これらの端子部に、コイルパターンを接続するとともに、他の電子部品や回路を直接接続してもよい。たとえば、図１に示したスイッチング電源装置１００の場合、コイルパターン４ａの端子部８ａ、８ｂ（入力側）に、整流回路５４のダイオードＤ１、Ｄ２のカソードを半田付けで接続し、コイルパターン４ｂの端子部８ａ、８ｂ（出力側）に、平滑回路５５のコンデンサＣの一端や、出力電圧検出回路５９および出力端子Ｔ３につながるラインの一端を半田付けで接続すればよい。

また、以上の実施形態では、厚銅箔基板を用いた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、一般的な樹脂製のプリント基板や金属製の基板などのような、他の基板を用いてもよい。金属製の基板の場合は、基材とコイルパターンとの間に絶縁体を設ければよい。

また、以上の実施形態では、Ｅ字形の上コア２ａにＩ字形の下コア２ｂを組み合わせた例を示したが、本発明は、２つのＥ字形コアを組み合わせた磁気デバイスにも適用することができる。

さらに、以上の実施形態では、車両用のスイッチング電源装置１００における、平滑回路５５のチョークコイルＬとして使用される磁気デバイス１に本発明を適用した例を挙げたが、トランス５３（図１）として使用される磁気デバイスに対しても、本発明を適用することは可能である。また、車両以外の、たとえば電子機器用のスイッチング電源装置で使用される磁気デバイスにも本発明を適用することは可能である。

１、１’ 磁気デバイス
２ａ 上コア
２ｂ 下コア
３、３’ 基板
３ｍ 開口部
４ａ〜４ｃ、４ｅ〜４ｉ コイルパターン
６ｉ、６ｏ 端子
９ａ、９ｂ スルーホール
９ｃ〜９ｆ ビア
Ｌ１、Ｌ１’ 第１層
Ｌ２、Ｌ２’ 第２層
Ｌ３、Ｌ３’ 第３層
Ｌ４ 第４層
Ｌ５ 第５層

Claims (5)

1. コアと、コアが挿入される開口部を有する基板とを備え、
   前記基板の複数の層にコイルパターンが前記開口部の周囲に巻回されるように設けられ、異なる層のコイルパターン同士が層間接続部により接続され、一対の端子部により前記コイルパターンに対して電力が入出力される磁気デバイスにおいて、
   前記基板の３以上の奇数個の各層に、前記コイルパターンが同じ方向に複数回巻回されるように設けられ、
   そのうち前記基板の最も裏面側にある最終層では、前記コイルパターンが外に向かって巻回され、
   前記最終層以外の前記基板の表面側から奇数番目の各層では、前記コイルパターンが内に向かって巻回され、
   偶数番目の各層では、前記コイルパターンが外に向かって巻回され、
   前記奇数番目の各層の前記コイルパターンの内端部と、前記基板の裏面側に隣り合う前記偶数番目の各層の前記コイルパターンの内端部とは、それぞれ別個の前記層間接続部により接続され、
   前記偶数番目の各層の前記コイルパターンの外端部と、前記基板の裏面側に隣り合う前記奇数番目の各層の前記コイルパターンの外端部または前記最終層の前記コイルパターンの内端部とは、それぞれ別個の前記層間接続部により接続され、
   前記基板の表面側から１番目の層にある前記コイルパターンの外端部は、前記一対の端子部の一方に接続され、
   前記最終層にある前記コイルパターンの外端部は、前記一対の端子部の他方に接続されている、ことを特徴とする磁気デバイス。
2. 請求項１に記載の磁気デバイスにおいて、
   前記基板は３層基板から成り、
   前記基板の最も表面側にある第１層では、前記コイルパターンが内に向かって巻回され、
   前記基板の表面側から２番目の第２層では、前記コイルパターンが外に向かって巻回され、
   前記基板の最も裏面側にある第３層では、前記コイルパターンが外に向かって巻回され、
   前記層間接続部は、
   前記第１層にある前記コイルパターンの内端部と、前記第２層にある前記コイルパターンの内端部とを接続する第１層間接続部と、
   前記第２層にある前記コイルパターンの外端部と、前記第３層にある前記コイルパターンの内端部とを接続する第２層間接続部と、から成り、
   前記第１層にある前記コイルパターンの外端部は、前記一対の端子部の一方に接続され、
   前記第３層にある前記コイルパターンの外端部は、前記一対の端子部の他方に接続されている、ことを特徴とする磁気デバイス。
3. 請求項２に記載の磁気デバイスにおいて、
   前記第１層間接続部および前記第２層間接続部は、前記基板の各層を貫通している、ことを特徴とする磁気デバイス。
4. 請求項１に記載の磁気デバイスにおいて、
   前記基板の５以上の奇数個の各層に、前記コイルパターンが設けられ、
   前記各層間接続部は、前記基板を貫通しないビアから成る、ことを特徴とする磁気デバイス。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の磁気デバイスにおいて、
   前記一対の端子部は、前記コイルパターンの外周より外側に設けられている、ことを特徴とする磁気デバイス。

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