WO2021049270A1

WO2021049270A1 - 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

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Publication number: WO2021049270A1
Application number: PCT/JP2020/031344
Authority: WO
Inventors: 猛宗石
Original assignee: 京セラ株式会社
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2021-03-18
Also published as: US20220301757A1; EP4030446A1; EP4030446A4; JPWO2021049270A1; JP7288065B2

Abstract

本開示の平面コイル（１０）は、第１面（１ａ）を有しており、磁性体を含む基体（１）と、第１面（１ａ）の上に位置しており、空隙（３）を有する第１金属層（２ａ）と、を備える。

Description

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

　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、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積層コイルが開示されている。

特開２００６－３３９５３号公報

　本開示の平面コイルは、第１面を有しており、磁性体を含む基体と、前記第１面の上に位置しており、空隙を有する第１金属層と、を備える。

図１は、本開示の平面コイルの一例を第１面側から視た平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ’線における断面図の一例を示す図である。図３は、図２に示すＳ部における拡大図の一例を示す図である。図４は、図２に示すＳ部における拡大図の一例を示す図である。図５は、図１のＡ－Ａ’線における断面図の一例を示す図である。図６は、本開示の平面コイルの別の一例を第１面側から視た平面図である。図７は、図６のＢ－Ｂ’線における断面図の一例を示す図である。図８は、図６のＢ－Ｂ’線における断面図の一例を示す図である。図９は、図６のＢ－Ｂ’線における断面図の一例を示す図である。図１０は、図６のＢ－Ｂ’線における断面図の一例を示す図である。図１１は、本開示の平面コイルの別の一例を第２面側から視た平面図である。図１２は、図１１のＣ－Ｃ’線における断面図の一例を示す図である。図１３Ａは、本開示の変圧器の斜視図である。図１３Ｂは、図１３ＡのＤ－Ｄ’線における断面図である。図１３Ｃは、平面コイルの第１面を視た平面図である。図１３Ｄは、平面コイルの第１面を視た平面図である。図１４Ａは、本開示の無線送電器の斜視図である。図１４Ｂは、図１４ＡのＥ－Ｅ’線における断面図である。図１４Ｃは、平面コイルの第１面を視た平面図である。図１５は、本開示の電磁石の斜視図である。

　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、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。一方で、かかる積層コイルを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。そこで、高い放熱性を有する平面コイルの実現が期待されている。

　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。

　なお、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

　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を備える。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３（図３参照）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、少なくとも磁性体を含んでいる。また、本開示の平面コイル１０における基体１は、すべての材質が磁性体であってもよい。

　例えば、磁性体とは、磁性を有するか、または、外部磁場によって磁性を有するものである。磁性体としては、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。

　磁性体を含んだ基体１としては、例えば、上記の各種磁性体を含んだセラミックスが挙げられる。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。この磁性体を含んだセラミックスの例としては、鉄を含んだ炭化ケイ素等が挙げられる。

　なお、基体１は磁心（コア）として使用してもよい。

　また、図１および図２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、蛇行状または渦状に位置していてもよい。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。

　図３に示すように、第１金属層２ａは、空隙３を有している。そのため、第１金属層２ａは、空隙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に示すように、第１金属層２ａ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、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、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、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３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、本開示の平面コイル１０は、図３および図４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６を備えていてもよい。このような構成を有するため、第１金属層２ａが基体１から剥がれにくくなる。また、接合層６が、第１金属層２ａと基体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、基体１に亀裂が生じにくくなる。したがって、本開示の平面コイル１０は長期間の使用に耐えうる。なお、接合層６の平均厚みは、１μｍ以上０．５ｍｍ以下であってもよい。

　また、本開示の平面コイル１０における接合層６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。

　また、図５は、図１のＡ－Ａ’線における断面図の一例を示す図である。図５に示すように、本開示の平面コイル１０における基体１は、内部に流路７を有してもよい。このような構成を有する場合、基体１の流路７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。

　図６は、本開示の平面コイル１０の別の一例を第１面１ａ側から視た平面図であり、図７は、図６のＢ－Ｂ’線における断面図の一例を示す図である。図６および図７に示すように、本開示の平面コイル１０における基体１は、第１面１ａから突出する突出部１ｃを有してもよい。ここで、突出部１ｃ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。

　このような構成を有する場合、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に、突出部１ｃが積み重ねられた他の平面コイルの基体１と接触することとなる。そのため、第１金属層２ａを損傷させることなく、複数の平面コイル１０を積み重ねることができる。なお、基体１は、第２面１ｂ上に第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１ｃ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１ｃは、図６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６では、基体１が、平面視で枠形状の突出部１ｃ１と、平面視で矩形状の突出部１ｃ２とを有し、第１金属層２ａが、この突出部１ｃ１および突出部１ｃ２に囲まれた領域内に位置している例を示している。

　このような構成を有する場合、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、図７に示すように、本開示の平面コイル１０は、第１金属層２ａおよび第１面１ａの間に位置する絶縁層８を備えていてもよい。このような構成を有する場合、基体１が鉄などの導電性を有する材質で構成されている場合でも、第１金属層２ａが基体１によって別の箇所の第１金属層２ａと短絡することなく、第１金属層２ａが第１面１ａ上でコイルとして機能することができる。

　また、本開示の平面コイル１０における絶縁層８は、ガラス、樹脂またはセラミックスを有していてもよい。ここで、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。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。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。

　なお、本開示では、絶縁性を有する接合層６が絶縁層８として用いられてもよい。また、本開示では、基体１が絶縁性である場合、絶縁層８は配置されなくともよい。

　また、図８は、図６のＢ－Ｂ’線における断面図の一例を示す図である。図８に示すように、本開示の平面コイル１０における第１金属層２ａは、突出部１ｃの側面と絶縁層８を介して接触していてもよい。

　このような構成を有する場合、平面コイル１０の第１金属層２ａで発した熱を突出部１ｃに効率よく伝えることができることから、第１金属層２ａで発した熱を効率よく放熱することができる。したがって、平面コイル１０はさらに高い放熱性を有する。

　また、図９は、図６のＢ－Ｂ’線における断面図の一例を示す図である。図９に示すように、本開示の平面コイル１０における突出部１ｃは、かかる突出部１ｃの厚み方向（図９では横方向）に貫通する貫通孔１ｄを有していてもよい。

　このような構成を有する場合、かかる貫通孔１ｄから冷却用の気体を第１金属層２ａに向けて流すことができるので、第１金属層２ａを効率よく冷却することができる。したがって、平面コイル１０はさらに高い放熱性を有する。

　また、図１０は、図６のＢ－Ｂ’線における断面図の一例を示す図である。図１０に示すように、本開示の平面コイル１０における貫通孔１ｄは、第１金属層２ａ側の内壁面に絶縁層８を有していてもよい。

　このような構成を有する場合、かかる貫通孔１ｄから冷却用の気体を第１金属層２ａに向けて流す場合に、絶縁層８によって内径が小さくなった部位で気体を加速させることができるので、第１金属層２ａの全体に気体を行き渡らせることができる。したがって、平面コイル１０はさらに高い放熱性を有する。

　図１１は、本開示の平面コイル１０の別の一例を第２面１ｂ側から視た平面図であり、図１２は、図１１のＣ－Ｃ’線における断面図の一例を示す図である。図１２に示すように、本開示の平面コイル１０は、第１面１ａ上に位置する第１金属層２ａと、第２面１ｂ上に位置する第２金属層２ｂとを備えていてもよい。

　図１１に示すように、第２金属層２ｂは、基体１の第２面１ｂ上に蛇行状または渦状に位置していてもよい。第２金属層２ｂは、基体１の第２面１ｂ上に、どのような配置で位置していてもよい。第２金属層２ｂは、第１金属層２ａと同じ材質で構成されていてもよい。すなわち、第２金属層２ｂは、複数の空隙３（図３参照）を有していてもよく、第１金属粒子４（図３参照）および第２金属粒子５（図３参照）で構成されていてもよい。

　このような構成を有する場合、第１面１ａ上に位置するコイルと、第２面１ｂ上に位置するコイルとの間に磁性体を含んだ基体１が位置するので、互いのコイルが干渉することを抑制できる。

　また、図１２に示すように、本開示の平面コイル１０は、第１面１ａ上に位置する第１金属層２ａと、第２面１ｂ上に位置する第２金属層２ｂとの間を電気的に接続するビア９を備えていてもよい。ビア９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４および第２金属粒子５と同じ材質であってもよい。

　このような構成を有する場合、第１金属層２ａ、ビア９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。

　また、図１２に示すように、本開示の平面コイル１０は、第１金属層２ａおよび第１面１ａの間に位置する絶縁層８と、第２金属層２ｂおよび第２面１ｂの間に位置する絶縁層８と、ビア９および基体１の間に位置する絶縁層８とを備えていてもよい。

　このような構成を有する場合、基体１が鉄などの導電性を有する材質で構成されている場合でも、第１金属層２ａと第２金属層２ｂとが基体１によって互いに短絡することなく、第１金属層２ａおよび第２金属層２ｂがコイルとして機能することができる。

　また、図１３Ａ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１３Ａおよび図１３Ｂ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１３Ｃおよび図１３Ｄ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１４Ａに示すように、本開示の平面コイル２０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２０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２０は、無線送電器２００として使用することができる。図１４Ａおよび図１４Ｂ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１５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。

　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、軟磁性体の基体１を用意する。なお、軟磁性体の基体１の内部に流路７を備えてもよい。また、基体１は突出部１ｃや貫通孔１ｄを備えても良い。

　次に、基体の第１面１ａに第１金属層２ａを形成する。まず、第１面１ａに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４および第２金属粒子５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する。さらに、所定の圧力で加圧した後、基体１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４および第２金属粒子５が接合され、空隙３を有する第１金属層２ａを得る。

　なお、基体１の第１面１ａに第１金属層２ａを直接形成するのではなく、まず、第１面１ａに接合層６を形成した後、この接合層６上に第１金属層２ａを形成してもよい。ここで、接合層６は、樹脂またはガラスである。一方、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、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、接合層６上に第１金属層２ａを形成した後、基体１を加熱することによって、接合層６が、樹脂またはガラスならば、第１金属層２ａに対して接合層６が濡れることで接合される。

　なお、第１金属層２ａを別途準備し、第１面１ａ上に予め形成しておいた接合層６上に第１金属層２ａを載置するか、第１金属層２ａに接合層６となるペーストを塗布した後に第１面１ａ上に載置し、基体を加熱することで第１金属層２ａを有する基体１を得てもよい。この場合、第１金属層２ａ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２ａの形状をした型に流し込む。次に、混合液を蒸発させる。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４および第２金属粒子５が接合される。そして、型から取り出せば、第１金属粒子４および第２金属粒子５が接合され、空隙３を有する第１金属層２ａを得る。また、貫通孔１ｄに絶縁層８が入り込むことによって、第１金属層２ａ側の内壁面に絶縁層８を形成することができる。

　なお、第１金属層２ａは、以下の方法で作製してもよい。まず、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、メカプレス法により成型体を作製する。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、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４および第２金属粒子５が接合され、空隙３を有する第１金属層２ａを得る。

　なお、第１金属層２ａおよび第２金属層２ｂの間を電気的に接続するビア９を備える場合は、次のように行う。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ペーストを準備し、基体１にあらかじめ形成した穴に埋め込む。このとき、あらかじめ穴の壁面にガラスや樹脂で覆っていても良い。そして、第１金属層２ａや第２金属層２ｂを形成後または形成前に熱処理することでバインダを蒸発させることで、ビア９を形成することができる。

　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。また、本開示では、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

　１：基体
　１ａ：第１面
　１ｂ：第２面
　１ｃ：突出部
　１ｄ：貫通孔
　２ａ：第１金属層
　２ｂ：第２金属層
　３：空隙
　４：第１金属粒子
　５：第２金属粒子
　６：接合層
　７：流路
　８：絶縁層
　９：ビア
　１０、２０：平面コイル
　１００：変圧器
　２００：無線送電器
　３００：電磁石

Claims

　第１面を有しており、磁性体を含む基体と、
　前記第１面の上に位置しており、空隙を有する第１金属層と、
　を備える、平面コイル。
　前記基体は、磁性体である、請求項１に記載の平面コイル。
　前記第１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備える、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の平面コイル。
　前記接合層は、樹脂またはガラスを有する、請求項４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５のいずれか１つ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ており、前記突出部の高さは、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１つに記載の平面コイル。
　前記突出部は、前記第１面の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、前記突出部の厚み方向に貫通する貫通孔を有する、請求項７または請求項８に記載の平面コイル。
　前記第１金属層および前記第１面の間に位置する絶縁層を備える、請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載の平面コイル。
　前記基体において前記第１面に対向する第２面の上に位置しており、空隙を有する第２金属層を備える、請求項１乃至請求項１０のいずれか１つに記載の平面コイル。
　前記第１金属層および前記第２金属層の間を電気的に接続するビアを備える、請求項１１に記載の平面コイル。
　請求項１乃至請求項１２のいずれか１つ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１２のいずれか１つ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１２のいずれか１つに記載の平面コイルを備える、電磁石。