JP7357509B2

JP7357509B2 - コイル装置

Info

Publication number: JP7357509B2
Application number: JP2019197454A
Authority: JP
Inventors: 猛宗石
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2023-10-06
Anticipated expiration: 2039-10-30
Also published as: JP2021072342A

Description

本開示は、コイル装置に関する。

絶縁性の基体上に、金属層を形成することで平面コイルが得られる。

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コイル装置が開示されている。

特開２００６－３３９５３号公報

コイルとして利用する場合、金属層に電流が流れるため、金属層が発熱しやすい。

本開示のコイル装置は、第１面を有するセラミックスである第１基体と、前記第１面の上に位置する、空隙を有する金属層と、を有し、前記第１基体は、内部に第１流路と、前記第１面と前記第１流路をつなげる第１貫通穴を有している。

本開示の平面コイルは、高い放熱性を有する。

本開示のコイル装置の一例を第１面側から視た平面図である。図１のＡ－Ａ’線における断面図の一例である。図２に示すＳ部における拡大図の一例である。図２に示すＳ部における拡大図の一例である。図１のＡ－Ａ’線における断面図の一例である。図１のＡ－Ａ’線における断面図の一例である。図１のＡ－Ａ’線における断面図の一例である。本開示のコイル装置の他の例の斜視図である。図８のＢ－Ｂ’線における断面図の一例である。図８のＢ－Ｂ’線における断面図の一例である。

本開示のコイル装置について、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。

本開示のコイル装置１０は、図１および図２に示すように、第１面１ａを有する第１基体１を有する。また、コイル装置は、第１面１ａ上に位置する金属層２を有する。また、金属層２は、複数の空隙３を有する。

ここで、本開示のコイル装置１０における第１基体１は、セラミックスである。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、フェライト質焼結体、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。特に、第１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。

また、図１に示すように、第１基体１は、板状であってもよい。また、金属層２は、第１基体１の第１面１ａ上に、蛇行状または渦状に位置していてもよい。また、金属層２は、第１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。

図３に示すように、金属層２は、空隙３を有している。そのため、金属層２は、空隙３のない金属層２に比べ表面積が大きい。したがって、コイル装置は高い放熱性を有する。

また、図２に示すように、第１基体１は、内部に第１流路１ｂと、第１面１ａと第１流路１ｂをつなげる第１貫通穴１ｃを有している。そのため、第１流路１ｂに正圧が生じた場合、第１貫通穴１ｃから気体が噴出され、噴出された気体が金属層２に接触することで冷却し、また、第１流路１ｂに負圧が生じた場合、金属層２の周囲の気体が第１貫通穴１ｃにて吸入されるが、吸入される際に気体が金属層２の空隙３に接触することで冷却する。したがって、コイル装置１０は高い放熱性を有する。なお、第１貫通穴１ｃは複数あっても良い。

また、図３に示すように、金属層２は、第１金属粒子４と、第２金属粒子５と、を有していてもよい。空隙３は、第１金属粒子４と第２金属粒子５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４および第２金属粒子５で生じた熱が空隙３に吸収されるため、コイル装置１０は高い放熱性を有する。

ここで、金属層２を構成する第１金属粒子４および第２金属粒子５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４に示すように、第１金属粒子４および第２金属粒子５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４および第２金属粒子５がウィスカ状または針状である場合は、第１金属粒子４および第２金属粒子５は屈曲していてもよい。第１金属粒子４および第２金属粒子５は角部を有していてもよい。また、第１金属粒子４および第２金属粒子５が球状または粒状である場合、第１金属粒子４および第２金属粒子５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４および第２金属粒子５がウィスカ状または針状である場合、幅は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４および第２金属粒子５が粒状である。図４においては、第１金属粒子４および第２金属粒子５がウィスカ状である。

また、金属層２の平均厚み２ａは、１μｍ以上５ｍｍ以下であり、金属層２の平均高さ２ｂは、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。

また、金属層２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、金属層２において空隙３が占める割合を表す指標となる、ここで、金属層２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、本開示のコイル装置２０は、図２に示すように、第１貫通穴１ｃの断面積は、第１面１ａに向かって小さくなってもよい。このような構成を有する場合、第１流路１ｂに正圧が生じた場合、第１貫通穴１ｃから気体が噴出され、噴出された気体がより遠くへと
飛ぶようになり、金属層２の広範囲で接触することで冷却するので、コイル装置２０の放熱性を高めることができる。

また、本開示のコイル装置２０は、図５に示すように、第１貫通穴１ｃの断面積は、第１面１ａに向かって大きくなってもよい。このような構成を有する場合、第１流路１ｂに負圧が生じた場合、第１金属層２の周囲の気体が第１貫通穴１ｃにて吸入されるが、吸入される気体が多くなるので、吸入される際に気体が金属層２の空隙３に広範囲で接触することで冷却するので、コイル装置２０は高い放熱性を高めることができる。

なお、本開示のコイル装置３０は、図６に示すように、第１貫通穴１ｃの断面積は、段階的に第１面１ａに向かって大きくなってもよい。

また、本開示のコイル装置４０は、図７に示すように、金属層２および第１面１ａの間に位置する第１接合層６を有しても良い。このような構成を有する場合、金属層２が第１基体１から剥がれにくくなる。また、接合層が、金属層２と第１基体１との熱膨張係数の差によって発生する応力を緩和しやすい。そのため、第１基体１に亀裂が生じにくくなる。したがって、本開示のコイル装置４０は長期間の使用に耐えうる。なお、接合層の平均厚みは、１μｍ以上０．５ｍｍ以下であってもよい。

また、本開示のコイル装置４０における接合層は、樹脂またはガラスを有していてもよい。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が挙げられる。接合層が上記の材料を含む場合、金属層２と第１基体１とが強固に接合され、金属層２が第１基体１から剥がれにくくなる。

また、本開示のコイル装置４０は、図７に示すように、第１基体１は、第１面１ａに第１凹部１ｄを有し、金属層２の一方の端部が第１凹部１ｄ内に有してもよい。このような構成を有する場合、金属層２の端部が発熱した際に、膨張を抑制することができ、剥離を防ぐことができることから、信頼性を向上することができる。また、金属層２どうしの沿面距離を伸ばすことができ、電気的信頼性を向上することができる。

また、本開示のコイル装置５０は、図８および図９に示すように、第１面１ａに対向する第２面７ａを有するセラミックスである第２基体７を有し、第２基体７は、内部に第２流路７ｂを有し、金属層２は、第１基体１と第２基体７の間に位置してもよい。このような構成を有するならば、第１基体１および第２基体７の両方から金属層２を冷却することができるので、放熱性を向上することができる。

なお、第２基体７の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、フェライト質焼結体、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。

また、本開示のコイル装置５０は、第２基体７は、第２面７ａと第２流路７ｂをつなげる第２貫通穴７ｃを有しても良い。このような構成を有する場合、第２流路７ｂに正圧が生じた場合、第２貫通穴７ｃから気体が噴出され、噴出された気体が金属層２に接触することで冷却し、また、第２流路７ｂに負圧が生じた場合、金属層２の周囲の気体が第２貫通穴７ｃにて吸入されるが、吸入される際に気体が金属層２の空隙３に接触することで冷却する。したがって、コイル装置は高い放熱性を有する。なお、第２貫通穴７ｃは複数あっても良い。

また、本開示のコイル装置５０は、図９に示すように、第２貫通穴７ｃの断面積は、第２面７ａに向かって小さくなってもよい。このような構成を有する場合、第２流路７ｂに正圧が生じた場合、第２貫通穴７ｃから気体が噴出され、噴出された気体がより遠くへと飛ぶようになり、金属層２の広範囲で接触することで冷却するので、コイル装置５０の放熱性を高めることができる。

また、本開示のコイル装置６０は、図１０に示すように、第２貫通穴７ｃの断面積は、第２面７ａに向かって大きくなってもよい。このような構成を有する場合、第２流路７ｂに負圧が生じた場合、金属層２の周囲の気体が第２貫通穴７ｃにて吸入されるが、吸入される気体が多くなるので、吸入される際に気体が金属層２の空隙３に広範囲で接触することで冷却するので、コイル装置６０は高い放熱性を高めることができる。

また、本開示のコイル装置６０は、図１０に示すように、金属層２および第２面７ａの間に位置する第２接合層８を有しても良い。このような構成を有する場合、金属層２が第２基体７から剥がれにくくなる。また、第２接合層８が、金属層２と第１基体１との熱膨張係数の差によって発生する応力を緩和しやすい。そのため、第２基体７に亀裂が生じにくくなる。したがって、本開示のコイル装置６０は長期間の使用に耐えうる。なお、第２接合層８の平均厚みは、１μｍ以上０．５ｍｍ以下であってもよい。

また、本開示のコイル装置６０における第２接合層８は、樹脂またはガラスを有していてもよい。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が挙げられる。第２接合層８が上記の材料を含む場合、金属層２と第２基体７とが強固に接合され、金属層２が第２基体７から剥がれにくくなる。

また、本開示のコイル装置６０は、図１０に示すように、第２基体７は、第２面７ａに第２凹部を有し、金属層２の他方の端部が第２凹部７ｄ内に有してもよい。このような構成を有する場合、金属層２の他方の端部が発熱した際に、膨張を抑制することができ、剥離を防ぐことができることから、信頼性を向上することができる。また、金属層２どうしの沿面距離を伸ばすことができ、電気的信頼性を向上することができる。

なお、このようなコイル装置１０，２０，３０，４０，５０，６０は、金属層２に複数の導線（図示しない）の一端を接続し、その導線の他端を電源やグランドに接続することで、無線給電装置、周波数フィルタ、トランスなどに使用することができる。また、導線は、第１貫通穴１ｃおよび第１流路１ｂ、または第２貫通穴７ｃおよび第２流路７ｂに通してもよい。このような構成を有する場合、導線を外部にさらすことが無く、コイルに影響を与えることが無いので、コイル装置１０，２０，３０，４０，５０，６０の電気的信頼性を向上することができる。

次に、本開示のコイル装置１０，２０，３０，４０，５０，６０の製造方法の一例について説明する。

まず、セラミックスからなる第１基体１を用意する。なお、第１基体１の内部には第１流路１ｂを備え、第１貫通穴１ｃを形成する。また、第１面１ａに凹部を形成しても良い。このように、流路、第１貫通穴１ｃ、第１凹部１ｄは押出法、積層法などの公知の成形方法を用いた際に形成すればよく、その成形方法で得られた成形体を焼成することで第１基体１を得ることができる。なお、第２基体７も第１基体１と同様の方法で得ることができる。

次に、第１金属粒子４および第２金属粒子５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、ロール法、押出法により成形体を作製する。次に、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、所望形状に加工することで、金属層２を得ることができる。なお、加熱するか、超音波振動を与えるか、通電することにより、第１金属粒子４および第２金属粒子５が溶着され、溶着部を有することができる。

そして、金属層２を所望の形態に第１基体１に載置することで、本開示のコイル装置１０，２０，３０を得ることができる。ここで、第１基体１に凹部を有するならば、金属層２の一方の端部を第１凹部１ｄにはまるように載置することで、本開示のコイル装置４０を得ることができる。

なお、基体の第１面１ａに金属層２を直接形成するのではなく、まず、第１面１ａに第１接合層６を形成した後、この第１接合層６上に金属層２を形成することで、本開示のコイル装置４０を得ることができる。ここで、接合層は、樹脂またはガラスである。一方、第１接合層６が、樹脂またはガラスである場合、上記マスク形成前に第１接合層６を形成すればよい。この場合、樹脂またはガラスは、それぞれを主成分としたペーストを第１面１ａに塗布し、熱処理することで形成すればよい。また、樹脂またはガラスは、第１基体１の第１面１ａ全てを覆うように形成しても構わない。

そして、第１接合層６上に金属層２を形成した後、第１基体１を加熱することによって、第１接合層６が、樹脂またはガラスならば、金属層２に対して第１接合層６が濡れることで接合される。

なお、第１基体１に金属層２を形成した後または同時に、第２基体７と金属層２を接触または接合することで、第２基体７を有するコイル装置５０，６０とすることができる。

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：第１基体
１ａ：第１面
１ｂ：第１流路
１ｃ：第１貫通穴
１ｄ：第１凹部
２：金属層
３：空隙
４：第１金属粒子
５：第２金属粒子
６：第１接合層
７：第２基体
７ａ：第２面
７ｂ：第２流路
７ｃ：第２貫通穴
７ｄ：第２凹部
８：第２接合層
１０、２０、３０、４０、５０、６０：コイル装置

Claims

第１面を有するセラミックスである第１基体と、
前記第１面の上に位置する、空隙を有する金属層と、を有し、
前記第１基体は、内部に第１流路と、前記第１面と前記第１流路をつなげる複数の第１貫通穴を有し、
前記金属層は、前記第１面の平面視で蛇行状または渦状に延伸するコイルであり、
該コイルは、前記第１面に交差する方向の長さである高さが、前記平面視で前記コイルの延伸方向に交差する方向の幅である厚みよりも大きく、
前記第１貫通穴は、前記平面視において隣り合う前記金属層の間に少なくとも一つが位置する、コイル装置。
前記金属層の平均厚みは、１μｍ以上５ｍｍ以下であり、前記金属層の平均高さは、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項１に記載のコイル装置。
前記金属層は、第１金属粒子と、第２金属粒子と、を有しており、
前記空隙は、前記第１金属粒子と前記第２金属粒子との間に位置する、請求項１または請求項２に記載のコイル装置。
前記第１貫通穴の断面積は、前記第１面に向かって小さくなる、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のコイル装置。
前記第１貫通穴の断面積は、前記第１面に向かって大きくなる、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のコイル装置。
前記金属層および前記第１面の間に位置する第１接合層を有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載のコイル装置。
前記第１接合層は、樹脂またはガラスを有する、請求項６に記載のコイル装置。
前記第１基体は、前記第１面に第１凹部を有し、前記金属層の一方の端部が前記第１凹部内に有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載のコイル装置。
前記第１面に対向する第２面を有するセラミックスである第２基体を有し、前記第２基体は、内部に第２流路を有し、前記金属層は、前記第１基体と前記第２基体の間に位置する、請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載のコイル装置。
前記第２基体は、前記第２面と前記第２流路をつなげる第２貫通穴を有する、請求項９に記載のコイル装置。
前記第２貫通穴の断面積は、前記第２面に向かって小さくなる、請求項１０に記載のコイル装置。
前記第２貫通穴の断面積は、前記第２流路に向かって大きくなる、請求項１０に記載のコイル装置。
前記金属層および前記第２面の間に位置する第２接合層を有する、請求項１２に記載のコイル装置。
前記第２接合層は、樹脂またはガラスを有する、請求項１３に記載のコイル装置。
前記第２基体は、前記第２面に第２凹部を有し、前記金属層の他方の端部が前記第２凹部内に有する、請求項９乃至請求項１４のいずれか１つに記載のコイル装置。