JP6261071B2 - コイル一体型プリント基板、磁気デバイス - Google Patents

Description

本発明は、コイルパターンが形成されたコイル一体型プリント基板と、この基板を備えた磁気デバイスとに関する。

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。

たとえば特許文献１および特許文献２には、コイルの巻線としてコイルパターンが印刷により形成されたコイル一体型プリント基板と、該基板を備えた磁気デバイスが開示されている。詳しくは、磁性体から成るコアが、基板を貫通している。そのコアの周囲に巻回されるように、コイルパターンが基板の表面層と、外部に露出しない内層とに形成されている。各層において、コイルパターンは複数回巻かれている。異なる層のコイルパターン同士は、基板を貫通するスルーホールにより接続されている。基板の表面層には、コイルパターンに対して電力を入出力するための表面電極が設けられている。表面電極と異なる層にあるコイルパターンの端部とは、スルーホールにより接続されている。

また、たとえば特許文献３には、巻線状のコイルを組み込んだ表面実装型の
コイル部品と、該コイル部品を表面実装した基板が開示されている。詳しくは、コイルの両端に形成された外部電極が、コイル部品の側面から突出して、底面の直下まで折り曲げられ、基板の表面にはんだ付けされている。

特開平７−３８２６２号公報 特開平７−８６７５５号公報 特開２００４−２０７３５５号公報

ＤＣ−ＤＣコンバータで使用される磁気デバイスでは、コイルに大電流が流れる。そのコイルの巻線を基板の表面層や内層に形成したコイルパターンで構成すると、大電流を正常に流すためには、コイルパターンの幅や厚みを大きくして、コイルパターンの断面積をある程度の大きさにする必要がある。しかし、コイルパターンの幅を広げると、基板の限られた領域でコイルパターンの巻き数を多くしづらくなるので、コイルの巻き数を増やすのが難しくなる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータでは、小型化を実現するため、磁気デバイスと他の電子部品や電気回路を同一基板に設け、該基板の実装密度を高くしたいという要望がある。しかし、たとえば図１２に示すように、プリント基板Ｂでは、パターンなどの導体（銅などの金属箔）Ｄａ、Ｄｂの厚みｔａ、ｔｂを厚くするほど（ｔａ＞ｔｂ）、導体Ｄａ、Ｄｂの裾野部分Ｄｓの幅Ｗａ、Ｗｂが大きくなるので（Ｗａ＞Ｗｂ）、実装密度が低くなる。そこで、ＤＣ−ＤＣコンバータの基板においては、コイルパターンを配置する箇所の導体を厚くし、他の電子部品などを配置する箇所の導体を薄くすることが考えられる。しかるに、同一層で導体の厚みを異ならせようとすると、該層の製造工程が増加して、基板の製造が難しくなる。

また、コイルパターンに大電流を流すと、コイルパターンから発熱して、基板の温度が上昇する。基板の温度が高くなると、磁気デバイスの特性の変動や性能の劣化を生じるおそれがある。また、同一基板上に実装されたＩＣチップなどの電子部品の誤動作や破壊を生じるおそれもある。

本発明の課題は、コイルの巻き数を増やしても容易に製造することができ、かつコイルから発熱しても温度上昇を抑制することができるコイル一体型プリント基板と、該基板を備えた磁気デバイスを提供することである。

本発明のコイル一体型プリント基板は、１層以上にコイルパターンが印刷により形成されたプリント基板であって、当該コイル一体型プリント基板上に表面実装された外部コイルを備えている。外部コイルは、金属板を折り曲げることにより、筒状に形成されている。そして、コイルパターンと外部コイルは、当該コイル一体型プリント基板を貫通する共通のコアに巻回され、コイルパターンの一端と外部コイルの一端とは、電気的に接続されている。

また、本発明の磁気デバイスは、上記コイル一体型プリント基板と、磁性体から成り、コイル一体型プリント基板を貫通するコアとを備えている。そして、コアの周囲に巻回されるように、コイル一体型プリント基板にコイルパターンが形成され、かつ外部コイルが表面実装されている。

上記によると、コイル一体型プリント基板に形成されたコイルパターンと、コイル一体型プリント基板上に表面実装された外部コイルとから、一連のコイルが構成されている。このため、コイル一体型プリント基板の限られた領域で、コイルパターンの巻き数を多く確保するのが難しくても、外部コイルをコイルパターンと接続することで、コイルの巻き数を増やすことができる。また、コイル一体型プリント基板に外部コイルを、表面実装により容易に取り付けることができる。よって、コイルの巻き数を増やしても、コイル一体型プリント基板を容易に製造することが可能となる。

また、コイル一体型プリント基板に外部コイルを表面実装しているので、コイル一体型プリント基板の表面層では、導体の厚みを厚くしなくても、外部コイル１１の断面積を大きくすることにより、電流を正常に流すことができる。また、表面層の導体の厚みを薄くすることで、他の電子部品や電気回路を高密度で実装することができる。よって、表面層の各部で導体の厚みを同一にして、該表面層の製造工程を少なくし、コイル一体型プリント基板を容易に製造することが可能となる。さらに、コイルに電流が流れたときに、外部コイルからの発熱が周囲に放熱されるので、コイルからの発熱によるコイル一体型プリント基板の温度上昇を抑制することが可能となる。

また、本発明では、上記コイル一体型プリント基板において、電力を入出力するための一対の表面電極をさらに備え、一対の表面電極のうち、一方の表面電極を外部コイルの他端と電気的に接続し、他方の表面電極をコイルパターンの他端と電気的に接続してもよい。

また、本発明では、上記コイル一体型プリント基板において、次のような構成を採用してもよい。コイルパターンは、外部に露出しない内層に形成され、外部コイルと一対の表面電極は、同一の表面層に設けられる。また、一方の表面電極と外部コイルの他端とを電気的に接続する第１接続手段と、当該コイル一体型プリント基板を貫通し、外部コイルの一端とコイルパターンの一端とを電気的に接続する第２接続手段と、当該コイル一体型プリント基板を貫通し、他方の表面電極とコイルパターンの他端とを電気的に接続する第３接続手段とが設けられる。そして、各接続手段は、当該コイル一体型プリント基板の板面においてそれぞれ重ならないように配置される。

また、本発明では、上記コイル一体型プリント基板において、外部コイルは、当該コイル一体型プリント基板の板面において他方の表面電極と第３接続手段とに重ならないように、表面実装されていてもよい。

また、本発明では、上記コイル一体型プリント基板において、コイルパターンが、複数の層に形成されており、当該コイル一体型プリント基板を貫通し、異なる層にあるコイルパターン同士を電気的に接続する第４接続手段をさらに備えていてもよい。この場合、第４接続手段は、当該コイル一体型プリント基板の板面において第１接続手段、第２接続手段、および第３接続手段と重ならないように配置すればよい。

さらに、本発明では、上記コイル一体型プリント基板において、外部コイルは、径方向と板厚方向が平行な円周部を有し、この円周部における、コイル一体型プリント基板と反対側の上面、またはコイル一体型プリント基板側の下面、または円周面に凹凸を設けてもよい。

本発明によれば、コイルの巻き数を増やしても容易に製造することができ、かつコイルから発熱しても温度上昇を抑制することができるコイル一体型プリント基板と、該基板を備えた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。 図２−１のコイル一体型プリント基板に外部コイルやコアを組み付けた状態を示した斜視図である。 図２−１のコイル一体型プリント基板のＡ部の表面層と内層の平面図である。 図２−１のコイル一体型プリント基板のＡ部の裏面層の平面図である。 図３−１および図３−２のＸ−Ｘ断面図である。 図３−１および図３−２のＹ−Ｙ断面図である。 図３−１および図３−２のＺ−Ｚ断面図である。 図３−１および図３−２のＶ−Ｖ断面図である。 図２−１の外部コイルの詳細を示した図である。 図２−１の外部コイルの製造工程の一部を示した図である。 他の実施形態による外部コイルの斜視図である。 比較例による外部コイルの製造工程の一部を示した図である。 プリント基板上の導体の一例を示した図である。

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の各部は、後述する基板３に実装されている。また、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、後述するように電力を入出力するための一対の電極８ｉ、８ｏが設けられている。

次に、磁気デバイス１の構造を、図２−１〜図９を参照しながら説明する。

図２−１は、磁気デバイス１の分解斜視図である。図２−２は、図２−１のコイル一体型プリント基板３（以下、単に「基板３」という。）に、外部コイル１１やコア２ａを組み付けた状態を示した斜視図である。図３−１は、図２−１の基板３のＡ部の表面層Ｌ１と内層Ｌ２、Ｌ３の平面図である。図３−２は、図２−１の基板３のＡ部の裏面層Ｌ４の平面図である。図４〜図７は、磁気デバイス１の断面図である。詳しくは、図３−１および図３−２において、Ｘ−Ｘ断面を図４に示し、Ｙ−Ｙ断面を図５に示し、Ｚ−Ｚ断面を図６に示し、Ｖ−Ｖ断面を図７に示している。

図２−１および図５に示すように、コア２ａ、２ｂは、断面形状がＥ字形の上コア２ａと、断面形状が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３−１、図３−２、および図５に示すように、一列に並んでいる。図５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。

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２−１）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。ヒートシンク１０は、アルミニウムなどの金属製である。

基板３は、絶縁体から成る薄板状の基材の各層に、銅などの導電性を有する金属箔が印刷されることにより、パターンやパッドやランドなどの導体が形成されたプリント基板から構成されている。本実施形態では、基板３において、図１のスイッチング電源装置１００の磁気デバイス１以外の電子部品や電気回路の図示を省略している。

基板３の表面（図２−１、図２−２、および図４〜図７で上面）には、図３−１（ａ）に示すような表面層Ｌ１が設けられている。基板３の裏面（図２−１、図２−２、および図４〜図７で下面）には、図３−２に示すような裏面層Ｌ４が設けられている。図４〜図７に示すように、表面層Ｌ１と裏面層Ｌ４の間には、図３（ｂ）、（ｃ）に示すような内層Ｌ２、Ｌ３が設けられている。つまり、基板３は、外部に露出した２つの外面層Ｌ１、Ｌ４と、外部に露出しない２つの内層Ｌ２、Ｌ３の、計４つの層Ｌ１〜Ｌ４を有した多層基板である。なお、多層の基板とは、２つ以上の層を有する基板のことである。また、基板３の裏面にある層Ｌ４も、広義では表面層であるが、本実施形態では、表面層Ｌ１と区別するため、裏面層Ｌ４という。

基板３には、複数の開口部３ｍ、３Ｌ、３ｒが設けられている。開口部３ｍは大径の円形の貫通孔から成り、開口部３Ｌ、３ｒはほぼ凹形の貫通孔から成る。図２−１、図３−１、図３−２、図５、および図７に示すように、中央にある１つの開口部３ｍには、コア２ａの中央の凸部２ｍが挿入され、左右にある開口部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。図４〜図７に示すように、基板３の裏面層Ｌ４側には、ヒートシンク１０が図示しないねじなどの固定手段により固定される。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。

図３−１および図３−２に示すように、基板３には、スルーホール８ａ、８ｂ、８ｄ、スルーホール群９ａ、９ｂ、表面電極８ｉ、８ｏ、ランド８ｃ、パターン４ａ〜４ｈ、４ｔ_１〜４ｔ_４、５ｔ_１〜５ｔ_８、パッド８ｅ、８ｆ、８ｇ、およびピン６ｉ、６ｏ、７ａ〜７ｄといった導体が設けられている。スルーホール８ａ、８ｂ、８ｄ、スルーホール群９ａ、９ｂ、およびピン６ｉ、６ｏ、７ａ〜７ｄは、基板３を貫通するように設けられている（図４、図６、および図７参照）。

図４〜図７に示すように、基板３の表面層Ｌ１と裏面層Ｌ４にある導体（表面電極８ｉ、８ｏ、ランド８ｃ、パターン４ｃ〜４ｅ、５ｔ_１〜５ｔ_４、およびパッド８ｅ、８ｆ、８ｇなど）は、薄い銅箔から成る。それに対して、内層Ｌ２、Ｌ３にある導体（パターン４ａ、４ｂ、４ｆ、４ｔ_１〜４ｔ_４、５ｔ_５〜５ｔ_８など）は、厚い銅箔から成る。

図３−１および図３−２に示すように、一対のスルーホール８ａ、８ｂには、導電性を高めるため、銅などの導電性を有する金属で形成された導電ピン６ｉ、６ｏがそれぞれ埋設されている。表面層Ｌ１と裏面層Ｌ４のスルーホール８ａ、８ｂの周囲には、一対の表面電極８ｉ、８ｏがそれぞれ設けられている。表面電極８ｉ、８ｏは、スルーホール８ａ、８ｂのランドでもある。導電ピン６ｉ、６ｏや表面電極８ｉ、８ｏの表面には、銅めっきが施されている。導電ピン６ｉ、６ｏの下端は、図４に示すように、絶縁シート１２と接触している。

また、図３−１および図３−２に示すように、４つのスルーホール８ｄには、熱伝導性を高めるため、銅などの導電性を有する金属で形成された放熱ピン７ａ〜７ｄがそれぞれ埋設されている。表面層Ｌ１と裏面層Ｌ４のスルーホール８ｄの周囲には、ランド８ｃがそれぞれ設けられている。放熱ピン７ａ〜７ｄやランド８ｃの表面には、銅めっきが施されている。放熱ピン７ａ〜７ｄの下端は、図６に示すように、絶縁シート１２と接触している（放熱ピン７ａ、７ｂの断面は図示省略）。

図３−１（ａ）に示すように、基板３の表面層Ｌ１には、配線パターン４ｃ、中継パターン４ｄ、矩形パターン４ｅ、放熱パターン５ｔ_１〜５ｔ_４、およびパッド８ｅ〜８ｇが形成されている。パターン４ｃ〜４ｅ、５ｔ_１〜５ｔ_４は、それぞれ別体で、絶縁されている。パターン４ｃ〜４ｅ、５ｔ_１〜５ｔ_４の表面には、絶縁加工が施されている。

配線パターン４ｃの一端は、表面電極８ｉ、スルーホール８ａ、および導電ピン６ｉと接続されている。配線パターン４ｃの他端は、パッド８ｆと接続されている。中継パターン４ｄの一端部には、スルーホール群９ａが設けられている。中継パターン４ｄの他端は、パッド８ｅと接続されている。矩形パターン４ｅには、スルーホール群９ｂが設けられている。

放熱パターン５ｔ_１は、放熱ピン７ａとこれの周囲のスルーホール８ｄおよびランド８ｃと接続され、近傍にある表面電極８ｏ、スルーホール８ｂ、および導電ピン６ｏと絶縁されている。放熱パターン５ｔ_２は、放熱ピン７ｃとこれの周囲のスルーホール８ｄおよびランド８ｃと接続されている。放熱パターン５ｔ_３は、放熱ピン７ｄとこれの周囲のスルーホール８ｄおよびランド８ｃと接続されている。放熱パターン５ｔ_４は、放熱ピン７ｂとこれの周囲のスルーホール８ｄおよびランド８ｃと接続され、近傍にある表面電極８ｉ、スルーホール８ａ、および導電ピン６ｉと絶縁されている。

パッド８ｅ〜８ｇは、それぞれ別体になっていて、基板３の中央の貫通孔３ｍの周囲に配置されている。パッド８ｅ〜８ｇの表面には、銅めっきが施されている。パッド８ｅは、中継パターン４ｄ以外のパターン４ｃ、４ｅ、５ｔ_１〜５ｔ_４に対して絶縁されている。パッド８ｆは、配線パターン４ｃ以外のパターン４ｄ、４ｅ、５ｔ_１〜５ｔ_４に対して絶縁されている。パッド８ｇは、パターン４ｃ〜４ｅ、５ｔ_１〜５ｔ_４と絶縁されている。

また、表面層Ｌ１には、外部コイル１１が表面実装されている。図８は、外部コイル１１の詳細を示した図であって、（ａ）は外部コイル１１の平面図を示し、（ｂ）は（ａ）の外部コイル１１を右側から見た側面図を示し、（ｃ）は（ａ）の外部コイル１１を下側から見た側面図を示している。図９は、外部コイル１１の製造工程の一部を示した図である。

外部コイル１１は、図示しないプレス機などにより、図９に示すような、銅製などの金属条材１３からコイル用金属板１１’を打ち抜いて、該コイル用金属板１１’を折り曲げ加工することで、図８に示すように筒状に形成されている（図２−１も参照）。つまり、外部コイル１１の円周部１１ａ（図８）の径方向と板厚方向が平行になっている。外部コイル１１の板厚ｔや板幅Ｗ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、外部コイル１１からの発熱量をある程度に抑制して、しかも外部コイル１１の表面から放熱できるように設定されている。

外部コイル１１の両端部には、電力を入出力するための入出力脚部１１ｅ、１１ｆが形成されている。外部コイル１１の円周部１１ａには、基板３に対する取り付けを補強するための補強脚部１１ｇが複数形成されている。各脚部１１ｅ〜１１ｇは、外部コイル１１の下面から下方へ一旦延びた後、外側方へ延びるように、Ｌ字形に形成されている。

図３−１（ａ）に示すように、外部コイル１１の脚部１１ｅ〜１１ｇを基板３の表面層Ｌ１のパッド８ｅ〜８ｇ上にそれぞれ配置して、脚部１１ｅ〜１１ｇとパッド８ｅ〜８ｇをはんだ付けすることにより、外部コイル１１が基板３に表面実装される（図２−２（ａ）も参照）。コア２ａの中央の凸部２ｍは、基板３の表面側から外部コイル１１の円周部１１ａの内側を通って貫通孔３ｍに挿入されるため（図２−２（ｂ）も参照）、外部コイル１１は、コア２ａの凸部２ｍの周囲に巻回された状態となる。各脚部１１ｅ〜１１ｇには、はんだによる接合面積を増やすため、切欠き１１ｋ（図８）が形成されている。

複数の脚部１１ｅ〜１１ｆを形成するため、図９に示すように、折り曲げ加工前のコイル用金属板１１’は櫛状になっている。そして、その櫛状部分を交差させるようにして、２個１対のコイル用金属板１１’が金属条材１３の長さ方向の同一領域から打ち抜かれる。これにより、金属条材１３の無駄を少なくすることができる。

図４〜図７で、基板３の表面層Ｌ１側に近い方の内層Ｌ２には、図３−１（ｂ）に示すように、コイルパターン４ａと放熱パターン５ｔ_５、５ｔ_６が形成されている。また、コイルパターン４ａには、該パターン４ａの一部を幅方向に拡張することにより、拡張領域４ｔ_１、４ｔ_２が形成されている。コイルパターン４ａと拡張領域４ｔ_１、４ｔ_２は、一体になっているが、コイルパターン４ａと拡張領域４ｔ_１、４ｔ_２に対して、放熱パターン５ｔ_５、５ｔ_６はそれぞれ別体になっていて、絶縁されている。

コイルパターン４ａは、基板３の板面方向と平行な帯状に形成されていて、コア２ａの凸部２ｍの周囲に巻回されている。したがって、コイルパターン４ａと外部コイル１１とは、共通のコア２ａに巻回されている。コイルパターン４ａの一端にはスルーホール群９ａが設けられ、他端にはスルーホール群９ｂが設けられている。

コイルパターン４ａの拡張領域４ｔ_１は、放熱ピン７ｂとこれの周囲のスルーホール８ｄに接続され、スルーホール８ａおよび導電ピン６ｉと絶縁されている。拡張領域４ｔ_２は、放熱ピン７ｄとこれの周囲のスルーホール８ｄに接続されている。放熱パターン５ｔ_５は、放熱ピン７ａとこれの周囲のスルーホール８ｄに接続され、スルーホール８ｂおよび導電ピン６ｏと絶縁されている。放熱パターン５ｔ_６は、放熱ピン７ｃとこれの周囲のスルーホール８ｄに接続されている。

図４〜図７で、基板３の裏面層Ｌ４側に近い方の内層Ｌ３には、図３−１（ｃ）に示すように、コイルパターン４ｂ、矩形パターン４ｆ、および放熱パターン５ｔ_７、５ｔ_８が形成されている。また、コイルパターン４ｂには、該パターン４ｂの一部を幅方向に拡張することにより、拡張領域４ｔ_３、４ｔ_４が形成されている。コイルパターン４ｂと拡張領域４ｔ_３、４ｔ_４は、一体になっている。コイルパターン４ｂと拡張領域４ｔ_３、４ｔ_４に対して、矩形パターン４ｆと放熱パターン５ｔ_７、５ｔ_８はそれぞれ別体になっていて、絶縁されている。

コイルパターン４ｂは、基板３の板面方向と平行な帯状に形成されていて、コア２ａの凸部２ｍの周囲に巻回されている。したがって、コイルパターン４ｂと外部コイル１１とは、共通のコア２ａに巻回されている。コイルパターン４ｂの一端にはスルーホール群９ｂが設けられ、他端はスルーホール８ｂおよび導電ピン６ｏと接続されている。矩形パターン４ｆには、スルーホール群９ａが設けられている。

コイルパターン４ｂの拡張領域４ｔ_３は、放熱ピン７ａとこれの周囲のスルーホール８ｄ、並びに導電ピン６ｏとこれの周囲のスルーホール８ｂに接続されている。拡張領域４ｔ_４は、放熱ピン７ｃとこれの周囲のスルーホール８ｄに接続されている。放熱パターン５ｔ_７は、放熱ピン７ｂとこれの周囲のスルーホール８ｄに接続され、スルーホール８ａおよび導電ピン６ｉと絶縁されている。放熱パターン５ｔ_８は、放熱ピン７ｄとこれの周囲のスルーホール８ｄに接続されている。

コイルパターン４ａ、４ｂ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、４ｂ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、４ｂの表面から放熱できるように設定されている。

図３−２に示すように、基板３の裏面層Ｌ４には、２つの矩形パターン４ｇ、４ｈが形成されている。矩形パターン４ｇ、４ｈは、別体になっていて、絶縁されている。また、矩形パターン４ｇ、４ｈは、導電ピン６ｉ、６ｏとこれらの周囲のスルーホール８ａ、８ｂおよび表面電極８ｉ、８ｏ、ならびに放熱ピン７ａ〜７ｄとこれらの周囲のスルーホール８ｄおよびランド８ｃと絶縁されている。一方の矩形パターン４ｇには、スルーホール群９ａが設けられ、他方の矩形パターン４ｈには、スルーホール群９ｂが設けられている。

スルーホール群９ａ、９ｂは、スルーホール８ａ、８ｂ、８ｄより小径で、図７に示すように、基板３を貫通する複数のスルーホールが、所定の間隔で集まって構成されている。このスルーホール群９ａ、９ｂを構成する小径の各スルーホールの表面には、銅めっきが施され、該スルーホールの内側は、銅などで埋められている。スルーホール群９ａは、貫通している異なる層Ｌ１〜Ｌ４のパターン４ｄ、４ａ、４ｆ、４ｇ同士を電気的に接続する。スルーホール群９ｂも、貫通している異なる層Ｌ１〜Ｌ４のパターン４ｅ、４ａ、４ｂ、４ｈ同士を電気的に接続する。

スルーホール８ｂと導電ピン６ｏは、貫通している異なる層Ｌ１、Ｌ３、Ｌ４の表面電極８ｏとコイルパターン４ｂとを電気的に接続する。スルーホール８ａと導電ピン６ｉは、貫通している異なる層Ｌ１、Ｌ４の表面電極８ｉ同士を電気的に接続する。

上記により、表面層Ｌ１にある表面電極８ｉと外部コイル１１の入出力脚部１１ｆとは、配線パターン４ｃとパッド８ｆとはんだにより電気的に接続されている。また、表面層Ｌ１にある外部コイル１１の入出力脚部１１ｅと、内層Ｌ２にあるコイルパターン４ａの一端とは、はんだと中継パターン４ｄとスルーホール群９ａにより電気的に接続されている。また、コイルパターン４ａの他端と、内層Ｌ３にあるコイルパターン４ｂの一端とは、スルーホール群９ｂにより電気的に接続されている。さらに、コイルパターン４ｂの他端と、表面層Ｌ１にある表面電極８ｏとは、スルーホール８ｂと導電ピン６ｏにより電気的に接続されている。

つまり、基板３に一体化されたコイルは、表面層Ｌ１で、起点である表面電極８ｉから配線パターン４ｃとパッド８ｆを経由して、外部コイル１１によりコア２ａの凸部２ｍの周囲に１回目が巻かれた後、パッド８ｅと中継パターン４ｄとスルーホール群９ａを経由して、内層Ｌ２に接続される。次に、コイルは、内層Ｌ２で、コイルパターン４ａにより凸部２ｍの周囲に２回目が巻かれた後、スルーホール群９ｂを経由して、内層Ｌ３に接続される。そして、コイルは、内層Ｌ３で、コイルパターン４ｂにより凸部２ｍの周囲に３回目が巻かれた後、スルーホール８ｂおよび導電ピン６ｏを経由して、終点である表面層Ｌ１の表面電極８ｏに接続される。

このように、表面電極８ｉ、配線パターン４ｃ、パッド８ｆ、外部コイル１１、パッド８ｅ、中継パターン４ｄ、スルーホール群９ａ、コイルパターン４ａ、スルーホール群９ｂ、コイルパターン４ｂ、導電ピン６ｏ付きスルーホール８ｂ、および表面電極８ｏの順で直列に接続された、一連のコイルの電流経路が形成されている。また、配線パターン４ｃ、パッド８ｆ、８ｅ、中継パターン４ｄ、スルーホール群９ａ、９ｂ、およびスルーホール８ｂは、基板３の板面においてそれぞれ重ならないように配置されている。また、外部コイル１１は、基板３の板面において表面電極８ｏと導電ピン６ｏとスルーホール８ｂとに重ならないように、表面実装されている。

配線パターン４ｃとパッド８ｆとはんだは、本発明の「第１接続手段」の一例である。パッド８ｅと中継パターン４ｄとはんだとスルーホール群９ａは、本発明の「第２接続手段」の一例である。導電ピン６ｏとスルーホール８ｂは、本発明の「第３接続手段」の一例である。スルーホール群９ｂは、本発明の「第４接続手段」の一例である。

放熱ピン７ｂ、７ｄとこれらの周囲のスルーホール８ｄとランド８ｃは、内層Ｌ２のコイルパターン４ａの拡張領域４ｔ_１、４ｔ_２と、表面層Ｌ１および内層Ｌ３の放熱パターン５ｔ_４、５ｔ_３、５ｔ_７、５ｔ_８と、裏面層Ｌ４とを熱的に接続する。放熱ピン７ａ、７ｃとこれらの周囲のスルーホール８ｄとランド８ｃは、内層Ｌ３のコイルパターン４ｂの拡張領域４ｔ_３、４ｔ_４と、表面層Ｌ１および内層Ｌ２の放熱パターン５ｔ_１、５ｔ_２、５ｔ_５、５ｔ_６と、裏面層Ｌ４とを熱的に接続する。導電ピン６ｉとこの周囲のスルーホール８ａと表面電極８ｉは、表面層Ｌ１の配線パターン４ｃと裏面層Ｌ４とを熱的に接続する。

このため、前述した電流経路でコイルに大電流が流れたときに、表面層Ｌ１にある配線パターン４ｃなどからの発熱が、表面層Ｌ１の周囲に放熱されるとともに、表面電極８ｉ、スルーホール８ａ、および導電ピン６ｉを伝って、裏面層Ｌ４側にある絶縁シート１２を介してヒートシンク１０で放熱される。また、外部コイル１１からの発熱が、外部コイル１１自身の表面から放熱される。

内層Ｌ２、Ｌ３にあるコイルパターン４ａ、４ｂからの発熱は、放熱ピン７ａ〜７ｄ、スルーホール８ｄ、ランド８ｃ、スルーホール群９ａ、９ｂ、および矩形パターン４ｅ、４ｇ、４ｈを伝って、表面層Ｌ１と裏面層Ｌ４へ導かれる。そして、該熱は、表面層Ｌ１にある放熱パターン５ｔ_１〜５ｔ_４の表面から放熱されるとともに、裏面層Ｌ４側にある絶縁シート１２を介してヒートシンク１０で放熱される。スルーホール群９ａ、９ｂは、サーマルビアとしても機能する。

なお、内層Ｌ２、Ｌ３のコイルパターン４ａ、４ｂに対応させて、裏面層Ｌ４に放熱パターンを形成し、該コイルパターン４ａ、４ｂと放熱パターンとを放熱ピン７ａ〜７ｄとスルーホール８ｄとランド８ｃにより熱的に接続してもよい。これにより、コイルパターン４ａ、４ｂからの発熱を、放熱ピン７ａ〜７ｄなどを介して裏面層Ｌ４の放熱パターンに広く拡散させて、該放熱パターンの表面から絶縁シート１２を介してヒートシンク１０へ効率良く伝えて、一層放熱させることができる。

上記実施形態によると、基板３に形成されたコイルパターン４ａ、４ｂと、基板３上に表面実装された外部コイル１１とから、磁気デバイス１および基板３の一連のコイルが構成されている。このため、基板３の限られた領域（コア２ａの凸部２ｍの周囲）で、コイルパターン４ａ、４ｂの幅を太くするなどの理由で、巻き数を多く確保することが難しくても、外部コイル１１をコイルパターン４ａ、４ｂと接続することで、コイルの巻き数を容易に増やすことができる。また、基板３に外部コイル１１を、表面実装により容易に取り付けることができる。よって、コイルの巻き数を増やしても、基板３を容易に製造することが可能となる。

また、基板３に外部コイル１１を表面実装しているので、基板３の表面層Ｌ１では、導体の厚みを厚くしなくても、外部コイル１１の断面積を大きくすることにより、大電流を正常に流すことができる。また、表面層Ｌ１の導体の厚みを薄くすることで、スイッチング電源装置１００の他の電子部品や電気回路を高密度で実装することができる。よって、表面層Ｌ１の各部で導体の厚みを同一にして、表面層Ｌ１の製造工程を少なくし、基板３の製造を容易にすることができる。

また、コイルに大電流が流れたときに、外部コイル１１からの発熱を周囲に放熱させることができる。また、コイルパターン４ａ、４ｂからの発熱を放熱ピン７ａ〜７ｄなどにより表面層Ｌ１や裏面層Ｌ４に伝えて、周囲に放熱させることができる。よって、磁気デバイス１および基板３のコイルからの発熱による基板３の温度上昇を抑制することが可能となる。

また、上記実施形態では、基板３の内層Ｌ２、Ｌ３の導体の厚みを厚くして、該内層Ｌ２、Ｌ３にコイルパターン４ａ、４ｂを形成している。このため、コイルパターン４ａ、４ｂの厚みを厚くし、断面積をある程度の大きさに確保して、大電流を正常に流すことができる。

また、上記実施形態では、基板３において、表面電極８ｉ、配線パターン４ｃ、パッド８ｆ、外部コイル１１、パッド８ｅ、中継パターン４ｄ、スルーホール群９ａ、コイルパターン４ａ、スルーホール群９ｂ、コイルパターン４ｂ、導電ピン６ｏ付きスルーホール８ｏ、および表面電極８ｏを、この順で直列に接続している。また、パターン４ｃ、４ｄ、パッド８ｆ、８ｅ、スルーホール群９ａ、９ｂ、およびスルーホール８ｂは、基板３の板面においてそれぞれ重ならないように配置されている。また、外部コイル１１は、基板３の板面において表面電極８ｏ、導電ピン６ｏ、スルーホール８ｂ、およびスルーホール群９ｂと重ならないように、表面実装されている。このため、一連のコイルの電流経路が確実に形成され、大電流を一方の表面電極８ｉから、外部コイル１１とコイパターン４ａ、４ｂを通して他方の表面電極８ｏへ正常に流すことができる。

また、上記実施形態では、異なる層Ｌ１〜Ｌ３にある外部コイル１１とコイルパターン４ａ、４ｂと表面電極８ｏとを、基板３を貫通するスルーホール群９ａ、９ｂや導電ピン６ｏ付きスルーホール８ｏにより接続しているので、電気的接続の信頼性を高めることができる。また、これら基板３を貫通する接続手段の方が、基板３を貫通しない接続手段より、基板３に設け易いので、基板３の製造をより容易にすることができる。

また、たとえば図１１に示すように、金属条材１９の板面方向と円周部１８ａの径方向が平行になるように、金属条材１９から環状の外部コイル１８を形成する場合、金属条材１９の長さ方向の同一領域から複数の外部コイル１８を打ち抜くのは難しい。また、図１１のように打ち抜いた場合、金属条材１９の無駄が多くなる。

然るに、上記実施形態では、コイル用金属板１１’を折り曲げて、外部コイル１１を筒状に形成している。このため、金属条材１３の長さ方向の同一領域から複数のコイル用金属板１１’を打ち抜いて、各コイル用金属板１１’を折り曲げ加工することで、外部コイル１１を複数形成することができる。よって、金属条材１３の無駄を少なくして、外部コイル１１を効率良く製造することが可能となる。

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、基板３の表面層Ｌ１に１巻きの外部コイル１１を表面実装し、内層Ｌ２、Ｌ３に１巻きのコイルパターン４ａ、４ｂをそれぞれ形成した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。外部コイルやコイルパターンの巻き数は、１巻きでも２巻き以上でもよい。また、外部コイルと各層のコイルパターンとで、巻き数を異ならせてもよい。また、コイルパターンは、基板の少なくとも１層に形成すればよい。

また、基板の裏面層にも、外部コイルを表面実装したり、コイルパターンを形成したりしてもよい。さらに、基板の表面層または裏面層に、外部コイルとコイルパターンを両方とも設けてもよい。この場合、たとえば、表面層または裏面層の導体の厚みを薄くして、厚みの薄いコイルパターンを形成するとともに、所定の断面積を有する外部コイルをコイルパターンと並列に接続されるように、表面実装するとよい。これにより、基板の製造を容易にしつつ、外部コイルとコイルパターンに所定の大電流を正常に流すことができる。また、他の電子部品や電気回路を導体の厚みが薄い表面層または裏面層に、高い密度で実装することができる。

また、以上の実施形態では、基板３の表面層Ｌ１にある一方の表面電極８ｉをコイルの電流経路の起点とし、他方の表面電極８ｏをコイルの電流経路の終点とした例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。表面層Ｌ１と裏面層Ｌ４にある表面電極８ｉのうち、いずれか１つをコイルの電流経路の起点または終点とし、また表面層Ｌ１と裏面層Ｌ４にある表面電極８ｏのうち、いずれか１つをコイルの電流経路の終点または起点とすればよい。

また、表面電極８ｉと導電ピン６ｉと配線パターン４ｃを省略し、表面層Ｌ１にあるパッド８ｆを入力用の表面電極としてもよい。この場合、パッド（表面電極）８ｆから図１のダイオードＤ１、Ｄ２に繋がるように、適宜配線を設ければよい。また、中継パターン４ｄを省略し、外部コイル１１とコイルパターン４ａを接続するスルーホール群をパッド８ｅに設けてもよい。

また、以上の実施形態では、スルーホール群９ａ、９ｂにより異なる層Ｌ１〜Ｌ３にあるパターン４ｄ〜４ｆ、４ａ、４ｂ同士を電気的に接続した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、単一のスルーホールやピンや端子などの他の接続手段により、異なる層のパターン同士を接続してもよい。

また、以上の実施形態では、内層Ｌ３のコイルパターン４ｂと表面層Ｌ１の表面電極８ｏとを、スルーホール８ｂと導電ピン６ｏにより電気的に接続した例を示したが、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、導電ピンを省略して、単一または複数のスルーホールにより、内層のコイルパターンと出力用の表面電極とを電気的に接続してもよい。

また、以上の実施形態では、図８（ｃ）に示したように、円周部１１ａの上面（基板と反対側の面）が平坦な外部コイル１１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い。これ以外に、たとえば、図１０に示すように、円周部の上面に凹凸が設けられた外部コイル１４を用いてもよい。これにより、外部コイル１４の表面積が広くなるので、外部コイル１４からの発熱をより放熱させ易くすることができる。また、他の例として、円周部の下面（基板側の面）に凹凸を設けたり、円周部の下面と上面の両方に凹凸を設けたりしてもよい。さらに、外部コイルの電流経路から外れるように、円周部の円周面に凹凸を設けてもよい。

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と、スイッチング電源装置１００の各部が実装される基板３に本発明を適用した例を挙げた。然るに、たとえば、トランス５３（図１）として使用される磁気デバイスや、スイッチング電源装置１００の一部が実装される基板に対しても、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や、該磁気デバイス用の基板にも本発明を適用することは可能である。

１ 磁気デバイス
２ａ 上コア
２ｂ 下コア
３ コイル一体型プリント基板
４ａ、４ｂ コイルパターン
４ｃ 配線パターン
４ｄ 中継パターン
６ｏ 導電ピン
８ｂ スルーホール
８ｅ、８ｆ パッド
８ｉ、８ｏ 表面電極
９ａ、９ｂ スルーホール群
１１、１４ 外部コイル
Ｌ１ 表面層
Ｌ２、Ｌ３ 内層
Ｌ４ 裏面層

Claims (7)

1. １層以上にコイルパターンが印刷により形成されたコイル一体型プリント基板において、
   当該コイル一体型プリント基板上に表面実装された外部コイルを備え、
   前記外部コイルは、金属板を折り曲げることにより、筒状に形成されており、
   前記コイルパターンと前記外部コイルは、当該コイル一体型プリント基板を貫通する共通のコアに巻回され、
   前記コイルパターンの一端と前記外部コイルの一端とは、電気的に接続されている、ことを特徴とするコイル一体型プリント基板。
2. 請求項１に記載のコイル一体型プリント基板において、
   電力を入出力するための一対の表面電極を、さらに備え、
   前記一対の表面電極のうち、一方の表面電極を前記外部コイルの他端と電気的に接続し、他方の表面電極を前記コイルパターンの他端と電気的に接続した、ことを特徴とするコイル一体型プリント基板。
3. 請求項２に記載のコイル一体型プリント基板において、
   前記コイルパターンは、外部に露出しない内層に形成され、
   前記外部コイルと前記一対の表面電極は、同一の表面層に設けられ、
   前記一方の表面電極と前記外部コイルの他端とを電気的に接続する第１接続手段と、
   当該コイル一体型プリント基板を貫通し、前記外部コイルの一端と前記コイルパターンの一端とを電気的に接続する第２接続手段と、
   当該コイル一体型プリント基板を貫通し、前記他方の表面電極と前記コイルパターンの他端とを電気的に接続する第３接続手段と、を備え、
   前記各接続手段は、当該コイル一体型プリント基板の板面においてそれぞれ重ならないように配置されている、ことを特徴とするコイル一体型プリント基板。
4. 請求項３に記載のコイル一体型プリント基板において、
   前記外部コイルは、当該コイル一体型プリント基板の板面において前記他方の表面電極と前記第３接続手段とに重ならないように、表面実装されている、ことを特徴とするコイル一体型プリント基板。
5. 請求項３または請求項４に記載のコイル一体型プリント基板において、
   前記コイルパターンは、複数の層に形成され、
   当該コイル一体型プリント基板を貫通し、異なる層にある前記コイルパターン同士を電気的に接続する第４接続手段を、さらに備え、
   前記第４接続手段は、当該コイル一体型プリント基板の板面において前記第１接続手段、前記第２接続手段、および前記第３接続手段と重ならないように配置されている、ことを特徴とするコイル一体型プリント基板。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のコイル一体型プリント基板において、
   前記外部コイルは、径方向と板厚方向が平行な円周部を有し、
   前記円周部における、前記コイル一体型プリント基板と反対側の上面、または前記コイル一体型プリント基板側の下面、または円周面に凹凸を設けた、ことを特徴とするコイル一体型プリント基板。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のコイル一体型プリント基板と、
   磁性体から成り、前記コイル一体型プリント基板を貫通するコアと、を備え、
   前記コアの周囲に巻回されるように、前記コイル一体型プリント基板に前記コイルパターンが形成され、かつ前記外部コイルが表面実装されている、ことを特徴とする磁気デバイス。

Images