JP7210610B2 - 平面コイルおよびこれを備える変圧器、無線送電器、電磁石 - Google Patents
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Description
本開示は、平面コイルおよびこれを備える変圧器、無線送電器、電磁石に関する。
絶縁性の基体上に、渦巻状の金属層を形成した平面コイルを複数枚用意し、これらを積層することで、積層コイルが得られる。
例えば、特許文献１には、絶縁基板上に電鋳メッキによってコイルパターンを形成した積層コイルが開示されている。
本開示の平面コイルは、セラミックスからなり、第１面を有する基体と、前記第１面上に位置する、空隙を有する第１金属層と、を有している。
本開示の平面コイルおよびこれを備える変圧器、無線送電器、電磁石について、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。
本開示の平面コイル１０は、図１および図２に示すように、第１面１ａを有する基体１を有する。また、平面コイル１０は、第１面１ａ上に位置する第１金属層２ａを備える。また、第１金属層２ａは、複数の空隙９を有する。
ここで、本開示の平面コイル１０における基体１は、セラミックスからなる。セラミックスとしては、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス、炭化珪素質セラミックス、コージェライト質セラミックス、窒化珪素質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスまたはムライト質セラミックス等が挙げられる。ここで、基体１が酸化アルミニウム質セラミックスからなるならば、加工性に優れ、かつ安価である。
ここで、例えば、酸化アルミニウム質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、酸化アルミニウムを７０質量％以上含有するものである。そして、本開示の平面コイル１０における基体１の材質は、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて、基体１を測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値よりＪＣＰＤＳカードを用いて同定を行なう。次に、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）を用いて、含有成分の定量分析を行なう。そして、例えば、上記同定により酸化アルミニウムの存在が確認され、ＸＲＦで測定したアルミニウム（Ａｌ）の含有量から酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）に換算した含有量が７０質量％以上であれば、酸化アルミニウム質セラミックスである。なお、他のセラミックスに関しても、同じ方法で確認できる。
また、セラミックスの熱膨張係数は、一般的に、酸化アルミニウム質セラミックスが７．２ｐｐｍ程度、炭化珪素質セラミックスが３．７ｐｐｍ程度、コージェライト質セラミックスが１．５ｐｐｍ程度、窒化珪素質セラミックスが２．８ｐｐｍ程度、窒化アルミニウム質セラミックスが４．６ｐｐｍ程度、ムライト質セラミックスが５．０ｐｐｍ程度である。
また、図１に示すように、基体１は、板状であってもよい。基体１は、第１面１ａと、第１面１ａの反対側に位置する第２面１ｂと、を有していてもよい。また、第１金属層２ａは、基体１の第１面１ａ上に、どのような配置で位置していてもよい。また、図１では、基体１が、第１面１ａ側から第２面１ｂ側にかけて貫通する貫通穴３を有しているが、貫通穴３は必須の構成ではない。なお、この貫通穴３は、磁性材料を挿入するための穴である。
図３および図１０に示すように、第１金属層２ａは、空隙９を有している。そのため、第１金属層２ａは、空隙９のない金属層に比べ表面積が大きい。したがって、平面コイル１０は高い放熱性を有する。
また、図３及び図１０に示すように、第１金属層２ａは、第１金属粒子４ａと、第２金属粒子４ｂと、を有していてもよい。空隙９は、第１金属粒子４ａと第２金属粒子４ｂとの間に位置していてもよい。このような構成を有する場合、第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂで生じた熱が空隙９に吸収されるため、平面コイル１０は高い放熱性を有する。
ここで、第１金属層２ａを構成する第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂの材質は、例えば、ステンレスまたは銅であってもよい。
また、図３および図１０に示すように、第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂの形状は、例えば、球状、粒状、ウィスカ状または針状であってもよい。第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂがウィスカ状または針状である場合は、第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂは屈曲していてもよい。第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂは角部を有していてもよい。また、第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂが球状または粒状である場合、第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂの長手方向の長さは０．５μｍ以上２００μｍ以下であってもよい。第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂがウィスカ状または針状である場合、直径は１μｍ以上１００μｍ以下であってもよく、長さが１００μｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。
図３においては、第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂが粒状である。図１０においては、第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂがウィスカ状である。また、第１金属層２ａの平均厚みは、１μｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。
また、第１金属層２ａの気孔率は、例えば、１０％以上９０％以下であってもよい。気孔率は、第１金属層２ａにおいて空隙９が占める割合を表す指標となる。ここで、第１金属層２ａの気孔率は、例えば、アルキメデス法を用いて測定することで算出すればよい。
また、図３および図１０に示すように、第１金属層２ａは、第３金属粒子４ｃを有していてもよい。第１金属層２ａは、第１金属粒子４ａと、第３金属粒子４ｃとの間に溶着部を有していてもよい。第１金属粒子４ａと第３金属粒子４ｃとが単に接するのではなく、溶着しているため、第１金属粒子４ａと第３金属粒子４ｃとの間で熱が伝わりやすい。そのため、第１金属層２ａ全体として高い熱伝導効率を有する。したがって平面コイル１０は、高い信頼性を有する。
また、本開示の平面コイル１０における第１金属層２ａは、第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂの間に樹脂を有していてもよい。このような構成を満足するならば、第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂが膨張する際の応力を樹脂により吸収することができる。
ここで、樹脂の材質は、例えば、シリコーン樹脂であってもよい。樹脂がシリコーン樹脂であるならば、他の樹脂（エポキシ樹脂等）に比べて弾力性があり、第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂが膨張する際の応力を効果的に吸収することができ、長期間に亘って使用しても、基体１に亀裂が生じにくくなる。
また、本開示の平面コイル１０は、図３に示すように、第１金属層２ａおよび第１面１ａの間に位置する接合層５を備えていてもよい。このような構成を満足するならば、第１金属層２ａが基体１から剥がれにくくなるとともに、熱膨張差に起因して発生する応力を接合層５が緩和し、基体１に亀裂が生じにくくなる。よって、より長期間に亘って使用することが可能となる。なお、接合層５の平均厚みは、例えば、１μｍ以上０．５ｍｍ以下であってもよい。
また、本開示の平面コイル１０における接合層５は、樹脂、金属およびガラスから選択される一つからなってもよい。ここで、樹脂としては、例えば、シリコーンまたはイミドアミド等が挙げられる。金属としては、例えば、ニッケル、白金または銅等が挙げられる。ガラスとしては、例えば、ホウ硅酸系ガラスまたは珪酸系ガラス等が挙げられる。接合層６が上記の材料を含む場合、第１金属層２ａと基体１とが強固に接合され、第１金属層２ａが基体１から剥がれにくくなる。
ここで、接合層５がガラスからなるならば、ガラスの熱膨張係数は、金属とセラミックスとの中間であるため、第１金属層２ａと基体１との熱膨張差に起因する応力が接合層５で効果的に緩和され、基体１に亀裂が生じにくくなる。さらに、接合層５を構成するガラスの比誘電率が２以上１０以下であるならば、電界集中を緩和することもできる。
または、本開示の平面コイル１０における接合層５は、多孔質セラミックスからなってもよい。ここで、多孔質セラミックスとしては、例えば、基体１を構成するセラミックスと同じ成分のものであればよい。このような構成を満足するならば、多孔質である接合層５の内部に第１金属層２ａを構成する第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂが入り込むことで、第１金属層２ａと接合層５とが強固に接合されるとともに、基体１と接合層５とはどちらもセラミックスであることから、基体１と接合層５とが強固に接合される。よって、第１金属層２ａが基体１から剥がれにくくなる。
また、図１１は、図１のＡ－Ａ’線における断面図の一例である。本開示の平面コイル１０における基体１は、内部に流路１１を有してもよい。このような構成を満足するならば、基板１の流路１１に流体を流すことで、第１金属層２ａの温度調整が可能となる。
また、本開示の平面コイル１０は、図４～図６に示すように、さらに第２金属層２ｂおよび接続導体６を備え、第２金属層２ｂは第２面１ｂ上に位置し、第１金属層２ａおよび第２金属層２ｂは、接続導体６を介して電気的に接続されていてもよい。このような構成を満足するならば、第１金属層２ａ、接続導体６および第２金属層２ｂで１つの金属層となり、限られた基体１の表面上において、金属層の長さを延伸することができる。
ここで、第２金属層２ｂは、第１金属層２ａと同じように、複数の空隙９を有していてもよい。また、第１金属層２ａは、第１金属粒子４ａと、第２金属粒子４ｂと、を有していてもよい。空隙９は、第１金属粒子４ａと第２金属粒子４ｂとの間に位置していてもよい。また、第２金属層２ｂおよび第２面１ｂの間には、上述した接合層５が位置していてもよい。
また、接続導体６を構成する材質は、金属であればよいが、第１金属層２ａおよび第２金属層２ｂを構成する第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂと同じ金属であってもよい。また、接続導体６は、第１金属層２ａおよび第２金属層２ｂと同じように、複数の空隙９を有していてもよい。また、第１金属層２ａは、第１金属粒子４ａと、第２金属粒子４ｂと、を有していてもよい。空隙９は、第１金属粒子４ａと第２金属粒子４ｂとの間に位置していてもよい。
なお、接続導体６は、どのような形状であっても構わないが、円柱状であるならば、その直径は、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下であってもよい。また、接続導体６の本数は１本以上であればよいが、使用する電流の大きさに応じて、接続導体６の本数を増やしても構わない。
また、図５では、接続導体６が基体１の内部に位置している例を示しているが、このような構成であれば、複数の平面コイル１０を積み重ねて積層コイルとする場合、接続導体６が損傷するおそれがない。
また、本開示の平面コイル１０における基体１は、図７、図８に示すように、第１面１ａから突出した突出部７を有していてもよい。ここで、突出部７の高さは、図７に示すように、第１金属層２ａの高さよりも高いものである。このような構成を満足するならば、複数の平面コイル１０を積み重ねて積層コイルとする場合、突出部７が積み重ねた他の平面コイル１０の基体１と接触することとなり、第１金属層２ａを損傷させることなく、積み重ねることができる。
なお、基体１は、第２金属層２ｂが存在する場合、第２面１ｂから突出した突出部７を有していてもよい。
また、本開示の平面コイル１０における突出部７は、図７に示すように、第１面１ａ上に位置する第１金属層２ａの周囲に位置していてもよい。ここで、図７では、基体１が、平面視で枠形状の突出部７ａおよび突出部７ｂを有し、第１金属層２ａが、この突出部７ａおよび突出部７ｂに囲まれた領域内に位置している例を示している。このような構成を満足するならば、第１金属層２ａを損傷させることなく、安定して、複数の平面コイル１０を積み重ねることができる。
また、本開示の平面コイル１０における突出部７は、図９に示すように、突出部７の厚み方向に貫通する穴８を有していてもよい。このような構成を満足するならば、突出部７の穴から気体を流し込むことができるので、第１金属層２ａを容易に冷却することができる。
また、図１２に示すように、本開示の平面コイル１０は、変圧器１００に備えられていてもよい。変圧器１００が、１個以上の平面コイル１０を電力供給側または電力需給側に備えており、第１金属層２ａに電流が流れることで、電圧を変換する変圧器１００とすることができる。図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、変圧器１００は、電力供給側に平面コイル１０を備えていてもよい。また、変圧器１００は、電力需給側に平面コイル２０を備えていてもよい。外部電源を平面コイル１０に接続し、第１金属層２ａに電流を流すことで電磁誘導が生じる。そのため、平面コイル２０の第１金属層２ａに電流が流れる。図１２（ｃ）および図１２（ｄ）に示すように、平面コイル１０における第１金属層２ａの巻き数は、平面コイル２０における第１金属層２ａの巻き数と異なっていてもよい。平面コイル１０および平面コイル２０における巻き数を調整することで、電圧を変化させることができる。
また、図１３に示すように、本開示の平面コイル１０は、無線送電器２００に備えられていてもよい。無線送電器２００が、１個以上の平面コイル１０を電力供給側または電力需給側に備えていてもよい。この場合、第１金属層２ａに電流が流れることで、電力を送電することができる。そのため、本開示の平面コイル１０および平面コイル２０は、無線送電器２００として使用することができる。図１３（ａ）および図１３（ｂ）の無線送電器２００は、電力供給側に平面コイル２０を、電力需給側に平面コイル２０を備えていてもよい。外部電源を平面コイル２０に接続し、第１金属層２ａに電流を流すことで、電磁誘導が生じる。そのため、平面コイル２０の第１金属層２ａに電流が流れる。このようにして、本開示の平面コイル２０は、電力の受け渡しを行う無線送電器２００として使用できる。
また、図１４に示すように、本開示の平面コイル１０は、電磁石３００に備えられてもよい。電磁石３００は、貫通穴３を有していてもよい。電磁石３００は、貫通穴３に磁心１３を有していてもよい。電磁石３００が、１個以上の平面コイル１０を備えており、第１金属層２ａに電気を流すことで、磁心１３に磁力が発生する。そのため、本開示の平面コイル１０は、電磁石として使用することができる。なお、磁心の材質は、磁性材料であればよく、例えば、例えば、フェライト、鉄、ケイ素鉄、鉄－ニッケル系合金および鉄－コバルト系合金が挙げられる。鉄－ニッケル系合金の例としてはパーマロイが挙げられる。また、鉄－コバルト系合金の例としてはパーメンデユールが挙げられる。
次に、本開示の平面コイルの製造方法の一例について説明する。
まず、主成分となる原料（酸化アルミニウム、窒化珪素等）の粉末に、焼結助剤、バインダおよび溶媒等を添加して適宜混合して、スラリーを作製する。次に、このスラリーを用いて、ドクターブレード法によりグリーンシートを形成し、金型による打ち抜きやレーザー加工を施し、所望形状のグリーンシートとする。または、このスラリーを噴霧乾燥して、造粒された顆粒を得る。その後、この顆粒を圧延することでグリーンシートを形成し、金型による打ち抜きやレーザー加工を施し、所望形状のグリーンシートとする。
ここで、金型による打ち抜きやレーザー加工を施す際には、流路となる孔等をグリーンシートに形成しておいてもよい。
次に、複数枚のグリーンシートを積層することで、成形体を得る。ここで、流路を形成してもよく、突出部となる箇所を形成してもよい。また、成形体に接続導体となる金属ペーストを埋め込んでおいてもよい。
次に、この成形体を焼成することによって、セラミックスからなり、第１面を有する基体を得る。
次に、基体の第１面に第１金属層を形成する。まず、第１面に多孔質の樹脂からなる所望形状のマスクを形成する。次に、例えば、ステンレスまたは銅からなる第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂを含む複数の金属粒子を水等の液体に混合した混合液を用意し、このマスクによって形成された空間に流し込む。次に、混合液を乾燥させることで液体を蒸発させる。その後、焼失または溶剤の使用によりマスクを除去し、所定の圧力で加圧した後、基体を加熱するか、超音波振動を与える。これにより、第１金属粒子４ａおよび第２金属粒子４ｂを溶着させることができる。これにより、空隙を有する第１金属層を得る。また、第１金属粒子および第３金属粒子との間に溶着部を形成することができる。
なお、基体の第１面に第１金属層を直接形成するのではなく、まず、第１面に接合層を形成した後、この接合層上に第１金属層を形成してもよい。ここで、接合層は、樹脂、金属、ガラスまたは多孔質セラミックスである。接合層が金属である場合、上記マスク形成後にスパッタ法を用いて形成するか、無電解めっき法やメタライズ法で形成すればよい。一方、接合層が、樹脂、ガラスまたは多孔質セラミックスである場合、上記マスク形成前に接合層を形成すればよい。この場合、樹脂、ガラス、多孔質セラミックスは、それぞれを主成分としたペーストを第１面に塗布し、熱処理することで形成すればよい。また、樹脂、ガラス、多孔質セラミックスは絶縁性であるため、基体の第１面全てを覆うように形成しても構わない。なお、多孔質セラミックスは、基体を構成するセラミックスと同じ成分のものであれば、容易に基体と接合される。
そして、接合層上に第１金属層を形成した後、基体を加熱することによって、接合層が、樹脂、金属またはガラスならば、第１金属層に対して接合層が濡れることで接合される。また、接合層が多孔質セラミックスならば、第１金属層を構成する金属粒子が多孔質セラミックス内に入り込むことで接合される。なお、接合層が金属ならば、接合層および第１金属層に電気を流すことで、接合層の金属と第１金属層を構成する金属粒子とを接合し、接合層と第１金属層とを接合させることもできる。
なお、第１金属層を別途準備し、第１面上に予め形成しておいた接合層上に第１金属層を載置するか、第１金属層に接合層となるペーストを塗布した後に第１面上に載置し、基体を加熱することで第１金属層を有する基体を得てもよい。この場合、第１金属層は、以下の方法で予め作製しておく。まず、例えば、ステンレスまたは銅からなる複数の金属粒子を水等の液体に混合した混合液を用意し、第１金属層の形状をした型に流し込む。次に、これを乾燥ささることで、液体を蒸発させる。次に、所定の圧力で加圧し、加熱するか、超音波振動を与えることにより、第１金属粒子および第２金属粒子を接合させる。そして、型から取り出せば、第１金属粒子および第２金属粒子を含む複数の金属粒子が接合され、空隙をする第１金属層を得る。
なお、第１金属層は、以下の方法で作製してもよい。まず、第１金属粒子および第２金属粒子を含む複数の金属粒子とバインダとを混ぜ合わせた後に、メカプレス法により成型体を作製する。次に、この成形体を乾燥させることでバインダを蒸発させる。その後、加熱するか、超音波振動を与える。これにより、第１金属粒子および第２金属粒子を含む複数の金属粒子同士を溶着させることができる。これにより、第１金属粒子および第３金属粒子との間に溶着部を形成することができる。これにより、空隙をする第１金属層を得る。
また、上述した第１金属層と同じ方法で、基体の第２面上に第２金属層を形成しても構わない。
なお、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
１：基体
１ａ：第１面
１ｂ：第２面
２ａ：第１金属層
２ｂ：第２金属層
３：貫通穴
４ａ：第１金属粒子
４ｂ：第２金属粒子
４ｃ：第３金属粒子
５：接合層
６：接続導体
７：突出部
８：穴
９：空隙
１０：平面コイル
１１：流路
１２：溶着部
１３：磁心
１ａ：第１面
１ｂ：第２面
２ａ：第１金属層
２ｂ：第２金属層
３：貫通穴
４ａ：第１金属粒子
４ｂ：第２金属粒子
４ｃ：第３金属粒子
５：接合層
６：接続導体
７：突出部
８：穴
９：空隙
１０：平面コイル
１１：流路
１２：溶着部
１３：磁心
Claims (13)
- セラミックスからなり、第１面を有する基体と、
前記第１面の上に位置し、２５％を超え、９０％以下の空隙を有する第１金属層と、を有し、
前記第１金属層は、直径が１μｍ以上１００μｍ以下であり、長さが１００μｍ以上５ｍｍ以下の金属粒子を含有する、平面コイル。 - 前記第１金属層および前記第１面の間に位置する接合層を有する、請求項１に記載の平面コイル。
- 前記接合層は、樹脂、金属およびガラスから選択される一つからなる、請求項２に記載の平面コイル。
- 前記接合層は、多孔質セラミックスからなる、請求項２に記載の平面コイル。
- 前記基体は、内部に流路を有する、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の平面コイル。
- さらに第２金属層および接続導体を備え、
前記基体は、前記第１面に対向する第２面を有し、
前記第２金属層は、前記第２面上に位置し、
前記第１金属層および前記第２金属層は、前記接続導体を介して電気的に接続されている、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の平面コイル。 - 前記基体は、前記第１面から突出した突出部を有し、該突出部の高さは、前記第１金属層の高さよりも高い、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の平面コイル。
- 前記突出部は、前記第１面上に位置する前記第１金属層の周囲に位置する、請求項７に記載の平面コイル。
- 前記突出部は、該突出部の厚み方向に貫通する穴を有する、請求項７または請求項８に記載の平面コイル。
- 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の平面コイルを備える、変圧器。
- 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の平面コイルを備える、無線送電器。
- 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の平面コイルを備える、電磁石。
- セラミックスからなり、第１面を有する基体と、
前記第１面の上に位置する、空隙を有する第１金属層と、を有し、
前記基体は、前記第１面から突出した突出部を有し、該突出部の高さは、前記第１金属層の高さよりも高く、
前記突出部は、該突出部の厚み方向に貫通する穴を有する、平面コイル。
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-
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