JP6295403B2 - 積層インダクタ - Google Patents

Description

本発明は、特に高バイアスを必要とするＤＣ−ＤＣコンバータ用のインダクタ等として用いて好適な積層インダクタに関するものである。

近年、電源回路部品の小型化、薄型化の要請に伴い、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電源回路に使用されるトランスやチョークコイルとして、積層構造のチップインダクタが開発され実用化されている。

このような積層インダクタは、電気絶縁性の磁性層と導体パターンが交互に積層されるとともに、上記導体パターンが積層方向に順次接続されることにより、磁性体中に積層方向に重畳しながら螺旋状に周回するコイルが形成され、当該コイルの両端がそれぞれ引出導体を介して積層体チップ外表面に引き出されたものである。ここで、磁性体としてフェライトが用いられ、磁性層や導体パターンは、例えばスクリーン印刷の技法などを使用して形成されて積層されている。

一方、近年小型化を要求するモバイル市場においては、使用される電源のスイッチング周波数の上昇、およびその処理性能向上に合わせてインダクタに流す電流値が増加している。上記フェライトは、一般的に高い周波数（数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ）での損失が少ないことから、高いスイッチング周波数で動作するモバイル用電源にはフェライト材料を使用した積層チップインダクタは最適である。また、チップ形状は実装性や量産性に優れるため、モバイル市場においては積層チップインダクタが多く採用されてきた。
しかしながら、一般的に上記フェライトは、磁束飽和密度が低く、直流重畳特性が悪い傾向があるために、昨今のモバイル市場における電流増加に追従することが困難になりつつある。

これを解決するために、上記コイルのサイズを大きくして、コイル内を流れる磁束密度を低くするか、あるいは磁性材料そのものを飽和し難い金属材料にして上記積層インダクタにおいて直流重畳特性を向上させる方策が考えられるが、上記コイルサイズを大きくすると、積層インダクタ全体の大型化を招来して市場要求に反することになる。また、実装性の優れたチップ形状を維持し、かつ磁気飽和し難い金属材料を磁性体として使用したチップインダクタも登場しているが、一般的に金属材料はフェライト比較すると高い周波数での損出が大きく、コンバータ用途では変換効率が低下するという欠点がある。

ところで、上記積層インダクタに用いられている磁性体は、電源動作時にコイルを流れる電流から励磁される磁束によって飽和する。したがって、上記磁性体の飽和を抑制できれば、直流重畳特性を改善することが可能になる。

そこで、下記特許文献１、２においては、図１５に見られるような、磁性体２０内に埋設されたコイル２１の内方に永久磁石２２を配置し、コイル２１から励磁する磁束Ｘを永久磁石２２が発する逆方向のバイアス磁束Ｙによって打ち消すことにより、磁性体の飽和を抑制して直流重畳特性を改善したインダクタンス素子が提案されている。

しかしながら、同図に示すようにコイル２１内に永久磁石２２を配置した場合に、磁性体２０内に、永久磁石２２から発せられる上記コイル２１によって励磁される磁束Ｘと逆方向の磁束Ｙの他に、当該永久磁石２２の周囲にバイアス磁束として作用しない漏れ磁束Ｚが発せられてしまう。このため、永久磁石２２からのバイアス磁束Ｙが効果的に働かなくなり、期待したほどの直流重畳特性の向上が望めないという問題点があった。

特開２００２−１７０７１５号公報 特開平３−１０１１０６号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、バイアス磁束を発する永久磁石によって直流重畳特性を大幅に改善することができるとともに、この結果磁性体として低損失な材料が使用可能となってコンバータ変換効率の向上も図ることが可能になる積層インダクタを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、複数の電気絶縁性の磁性層および導電パターンが積層され、各々の上記導電パターンが上記積層方向に順次接続されることにより上記磁性層内に螺旋状に周回するコイルが形成されるとともに、上記コイルの両端部が外周部に引き出される積層インダクタにおいて、上記積層インダクタの外周縁部と上記コイルの外周縁部との間に、上記コイルによって励磁される磁束の方向と逆方向の磁束を発するように着磁された環状の永久磁石層を、上記コイルの軸線方向視において、その内周部が上記導電パターンと重複することなく、かつ上記導電パターンとの間を塞ぐように配置したことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、複数の電気絶縁性の磁性層および導電パターンが積層され、各々の上記導電パターンが上記積層方向に順次接続されることにより上記磁性層内に螺旋状に周回するコイルが形成されるとともに、上記コイルの両端部が外周部に引き出される積層インダクタにおいて、上記コイルの内部の全面にわたって、上記コイルによって励磁される磁束の方向と逆方向の磁束を発するように着磁された環状の永久磁石層が、上記コイルの軸線方向視において、その外周部が上記導電パターンと重複することなく、かつ上記導電パターンとの間を塞ぐように配置され、かつ上記軸線方向視において、上記永久磁石層と上記導電パターンとの間に間隙が形成されているとともに、当該間隙が上記永久磁石層と上記導電パターンとの間に介装された環状の電気絶縁性の非磁性パターンとによって塞がれていることを特徴とするものである。

請求項１または２に記載の発明においては、永久磁石層を、軸線方向視において、コイル外方またはコイル内部の全面にわたって配置しているために、図１５に示した永久磁石のような、バイアス磁束Ｙとして作用しない逆方向の漏れ磁束Ｚを生じることがない。この結果、上記永久磁石層によって、直流重畳特性を大幅に改善することができる。また、磁性体（磁性層）として、比較的飽和し易いものの低損失な材料を用いることができるために、コンバータ変換効率の向上も図ることが可能になる。

さらに、上記磁性層、永久磁石層、非磁性パターンとして、９４０℃以下の温度で一括焼成可能な材料を用いれば、積層体を９４０℃以下の温度で低温焼結して一体化した後に、永久磁石層を着磁することにより、容易に製造することができる。

具体的には、上記磁性層としてＮｉ−Ｚｎフェライト系材料を用い、上記非磁性パターンとしてＺｎフェライト系材料を用い、上記永久磁石層としてＢａフェライト粉体またはＳｒフェライト粉体にＢｉ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２を添加した低温焼結磁石材料を用いることが好適である。

本発明の積層インダクタの第１の実施形態を示す全体の斜視図である。 図１の積層インダクタを製造するための積層体を示す分解斜視図である。 図１の積層インダクタを示すもので、（ａ）は平断面図、（ｂ）は縦断面図である。 第１の実施形態の第１の変形例を示す要部の縦断面図である。 第２の変形例を示すもので、（ａ）は平断面図、（ｂ）は縦断面図である。 第３の変形例を示すもので、（ａ）は平断面図、（ｂ）は縦断面図である。 本発明の積層インダクタの第２の実施形態を示すもので、（ａ）は平断面図、（ｂ）は縦断面図である。 第２の実施形態の第１の変形例を示すもので、（ａ）は平断面図、（ｂ）は縦断面図である。 第２の実施形態の第２の変形例を示すもので、（ａ）は平断面図、（ｂ）は縦断面図である。 第２の実施形態の第３の変形例を示すもので、（ａ）は平断面図、（ｂ）は縦断面図である。 第１の実施形態に示した積層インダクタと比較例の積層インダクタとの直流重畳特性を比較した実施例の結果を示す図である。 第２の実施形態に示した積層インダクタと比較例の積層インダクタとの直流重畳特性を比較した実施例の結果を示す図である。 第１の実施形態に示した積層インダクタと、永久磁石と内部導体とを重複させた比較例の積層インダクタとの直流重畳特性を比較した実施例の結果を示す図である。 第２の実施形態に示した積層インダクタと、永久磁石と内部導体とを重複させた比較例の積層インダクタとの直流重畳特性を比較した実施例の結果を示す図である。 従来の磁石入り積層インダクタを示す縦断面図である。

（第１の実施形態）
図１〜図３は、本発明に係る積層インダクタの第１の実施形態を示すものであり、図４〜図６は、各々その第１〜第３の変形例を示すものである。
図１〜図３に示すように、この積層インダクタは、複数の電気絶縁性の磁性層１および導電パターン２が積層され、各層の導電パターン２が積層方向に順次接続されることにより、磁性層１によって構成される磁性体内において螺旋状に周回するコイル２が形成されるとともに、コイル２の両端部が外周部に引き出されて外部電極３に接続された直方体状のもので、外部電極３が図示されない回路基板のランド部に接続されることにより、面実装されるものである。

ここで、上記積層方向に隣接する導電パターン２間には、導電パターン２の形状に対応した形状を有する電気絶縁性の非磁性パターン４が配置され、さらに積層方向の中間位置に、非磁性パターン４に換えて磁気ギャップとなる電気絶縁性の非磁性層５が全面にわたって１層配設されている。

そして、この実施形態およびその第１〜第３の変形例に係る積層インダクタにおいては、コイル２の軸線方向視において、この積層インダクタの外周縁部（すなわち磁性層１の外周縁部）とコイル２の外周縁部との間に全面にわたって、上記コイル２によって励磁される磁束の方向と逆方向の磁束を発するように着磁された永久磁石層６が配置されている。

すなわち、本実施形態の積層インダクタにおいては、図３に示すように、積層方向の両端に位置する導電パターン２の上側および下側に隣接して、それぞれ環状の永久磁石層６が配置されている。また、永久磁石層６は、上記軸線方向視においてコイル２と重複しないように、その内法寸法が導電パターン２の外法寸法と同じになるように形成されている。

上記構成からなる積層インダクタ１を製造するには、図２および図３に示すように、先ずスクリーン印刷法などにより電気絶縁材のＮｉ−Ｚｎ系フェライト材ペーストを印刷することにより磁性層１を形成し、この磁性層１上に、Ｂａフェライト粉体またはＳｒフェライト粉体にＢｉ₂Ｏ₃またはＳｉＯ₂を添加した低温焼結磁石材料ペーストを印刷して永久磁石層６を形成するとともに、この永久磁石層６を除いた部分に磁性層１を印刷する。なお、図２は、一平面に４個の積層インダクタを同時に製造する場合を示すものである。

次いで、この永久磁石層６を形成した層の上に、導電パターン２を印刷し、同様に当該導電パターン２を除いた部分に磁性層１を印刷した後に、導電パターン２上に、当該導電パターン２の形状に対応した形状に電気絶縁性のＺｎフェライト材を印刷して非磁性パターン４を形成し、これを除いた部分に磁性層２を形成する。

このようにして、図３（ｂ）に示すように、磁性層１中に導電パターン２と非磁性パターン４とを交互に積層し、その積層方向両端部に永久磁石層６を配置するとともに、積層方向の中間位置においては、非磁性パターン４と同じ電気絶縁性のＺｎフェライト材ペースを全面にわたって印刷して非磁性層５を形成する。これと併行して、上下の導体パターン２間を、ビア穴などを利用して電気的に接続する。

次いで、得られた積層体を、９４０℃以下の温度、具体的には約９００℃で一括焼成して一体化した後に、永久磁石層６をコイル２によって励磁される磁束の方向と逆方向の磁束を発するように着磁することにより、図１に示す積層インダクタを製造することができる。なお、図２に示す場合には、各々積層インダクタを構成する４つの積層体に切断した後に、各積層体を焼結する。

また、図４は、本実施形態の第１の変形例を示すもので、この積層インダクタが図１〜図３に示したものと異なる点は、積層方向における永久磁石層６と導電パターン２との間に、導電パターン２間に形成した非磁性パターン４と同様のＺｎフェライト材からなる非磁性パターン７を形成したことにある。この非磁性パターン７は、同図に示すように永久磁石層６の内法寸法が導電パターン２の外法寸法と同じ場合、あるいは上記軸線方向視において永久磁石層６と導電パターン２との間に間隙が形成されている場合に、当該間隙を塞ぐ寸法に形成されている。

さらに、図５は、本実施形態の第２の変形例を示すもので、この積層インダクタは、第１の実施形態において、導電パターン２間に配設されて絶縁層として用いられた非磁性パターン４に換えて、磁性体の透磁率の１／４以下の透磁率を有する磁性層８を、上記導電パターン２間において全面にわたって配置したものである。

また、図６は、本実施形態の第３の変形例を示すものである。
この積層インダクタにおいては、積層インダクタの外周縁部（すなわち磁性層１の外周縁部）とコイル２の外周縁部との間の全面に、２層にわたって永久磁石層６が配置されている。ここで、永久磁石層６は、非磁性パターン４が形成されている層と、その下方に隣接して導電パターン２が形成されている層とに配置されている。

そして、永久磁石層６は、非磁性パターン４が形成されている層においては、その内周縁が非磁性パターン４の外周縁と接するように形成され、かつ導電パターン２が形成されている層においては、その内周縁が導電パターン２の外周縁と接するように形成されている。

（第２の実施形態）
図７は、本発明に係る積層インダクタの第２の実施形態を示すものであり、図８〜図１０は、その第１〜第３の変形例を示すものである。なお、以下、図１〜図６に示したものと同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
これらの積層インダクタにおいては、コイル２の軸線方向視において、コイル２の内部の全面にわたって、コイル２によって励磁される磁束の方向と逆方向の磁束を発するように着磁された永久磁石層６が配置されている。

すなわち、第２の実施形態の積層インダクタにおいては、図７に示すように、積層方向の図中最上部の導電パターン２の上側の層に、導電パターン２間に形成した非磁性パターン４と同様のＺｎフェライト材からなる環状の非磁性パターン７がコイル２内に延出するように形成されるとともに、この非磁性パターン７の上層に、四角形状の永久磁石層６が配置されている。ここで、永久磁石層６は、上記軸線方向視においてコイル２と重複しないように、その外法寸法が導電パターン２の内法寸法と同じになるように形成されている。

図８は、上記構成からなる積層インダクタの第１の変形例を示すもので、この積層インダクタにおいては、上記永久磁石６に加えて、さらに積層方向の図中最下部の導電パターン２の下側の層に、同様の環状の非磁性パターン７がコイル２内に延出するように形成されるとともに、この非磁性パターン７の下層に、四角形状の永久磁石層６が配置されている。この永久磁石層６も、上記軸線方向視においてコイル２と重複しないように、その外法寸法が導電パターン２の内法寸法と同じになるように形成されている。

次いで、図９は、第２の変形例を示すもので、この積層インダクタは、積層方向の図中最上部の導電パターン２の内部に、四角形状の永久磁石層６が配置されている。この永久磁石層６は、上記導電パターン２と同じ層に形成されたもので、上記軸線方向視においてコイル２と重複しないように、かつ隙間を形成しないように、その外法寸法が導電パターン２の内法寸法と同じになるように形成されている。

また、図１０に示す第３の変形例に係る積層インダクタおいては、図９に示した永久磁石層６の外法寸法が、導電パターン２の内法寸法よりも小さい四角形状に形成されるとともに、導電パターン２と永久磁石層６との間に、コイル２の軸線方向視において両者間を塞ぐ環状の非磁性パターン７が形成されている。

以上の構成からなる第１および第２の実施形態並びにこれらの変形例に示した積層インダクタによれば、永久磁石層６を、軸線方向視において、コイル２の外方またはコイル２内部を塞ぐように配置しているために、図１５に示した永久磁石のような、バイアス磁束Ｙとして作用しない逆方向の漏れ磁束Ｚを生じることがない。この結果、永久磁石層６によって、直流重畳特性を大幅に改善することができる。換言すれば、磁性体（磁性層）１として、比較的飽和し易いものの低損失な材料を用いることができるために、コンバータ変換効率の向上も図ることが可能になる。

さらに、磁性層１としてＮｉ−Ｚｎフェライト系材料を用い、非磁性パターン４、７としてＺｎフェライト系材料を用い、永久磁石層６としてＢａフェライト粉体またはＳｒフェライト粉体にＢｉ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂を添加した低温焼結磁石材料を用いているために、製造時に約９００℃の温度で一括焼成した後に、永久磁石層６を着磁することにより、容易に製造することができる。

本発明に係る積層インダクタの効果を検証するために、シミュレーションによって本発明の積層インダクタと比較例の積層インダクタにおける直流重畳特性を求めて比較した。
なお、本発明の積層インダクタおよび比較例の積層インダクタ共に、チップサイズは２．５×２．０×１．０ｍｍ、内部導体の巻数は５ターン、内部導体の膜厚は１２０μｍ、内部導体間の絶縁層厚さは１５μｍとした。

先ず、図１１は、第１の実施形態および第１の変形例に示した構成を有する積層インダクタ（１）、（２）と、永久磁石層と内部導体との間に５０μｍの隙間を形成した比較例の積層インダクタ（３）との直流重畳特性を比較したものである。図１１から明らかなように、上記比較例の積層インダクタ（３）に対して、軸線方向視において永久磁石層と内部導体とが接するように配置した積層インダクタ（１）の方が直流重畳特性に優れる。

また、永久磁石層と内部導体との間に隙間を形成した場合においても、当該隙間を非磁性パターンによって塞いだ積層インダクタ（２）によれば、上記積層インダクタ（１）と同等の直流重畳特性が得られる。

次いで、図１２は、第２の実施形態の第２の変形例および第３の変形例に示した構成を有する積層インダクタ（４）、（５）と、内部導体とその内部に配置した永久磁石との間に５０μｍの隙間を形成した比較例の積層インダクタ（６）との直流重畳特性を比較したものである。図１２に見られる直流重畳特性のシミュレーション結果においても、本発明に係る積層インダクタ（４）、（５）は、比較例の積層インダクタ（６）よりも特性に優れる。

次に、図１３は、上記積層インダクタ（１）と、永久磁石層と内部導体とをコイルの軸線方向視において１５０μｍ重複させた比較例の積層インダクタ（７）との直流重畳特性を比較したものである。同図から、本発明に係る積層インダクタ（１）に対して、永久磁石層と内部導体とを重複させた比較例の積層インダクタ（７）は、直流重畳特性が顕著に劣化することが判る。

また、図１４は、上記積層インダクタ（４）と、内部導体内に配置した永久磁石層と内部導体とをコイルの軸線方向視において１５０μｍ重複させた比較例の積層インダクタ（７）との直流重畳特性を比較したものである。同図から、本発明に係る積層インダクタ（４）に対して、永久磁石層と内部導体とを重複させた比較例の積層インダクタ（８）は、特に初期値の低下が大きく、よって図１３に示した結果と同様に、上記軸線方向視において永久磁石層を内部導体に重ねる構造が好ましくないことが判る。

１ 磁性層
２ 導電パターン（コイル）
３ 外部電極
４、５、７、８ 非磁性パターン
６ 永久磁石層

Claims (2)

1. 複数の電気絶縁性の磁性層および導電パターンが積層され、各々の上記導電パターンが上記積層方向に順次接続されることにより上記磁性層内に螺旋状に周回するコイルが形成されるとともに、上記コイルの両端部が外周部に引き出される積層インダクタにおいて、
   上記積層インダクタの外周縁部と上記コイルの外周縁部との間に、上記コイルによって励磁される磁束の方向と逆方向の磁束を発するように着磁された環状の永久磁石層を、上記コイルの軸線方向視において、その内周部が上記導電パターンと重複することなく、かつ上記導電パターンとの間を塞ぐように配置したことを特徴とする積層インダクタ。
2. 複数の電気絶縁性の磁性層および導電パターンが積層され、各々の上記導電パターンが上記積層方向に順次接続されることにより上記磁性層内に螺旋状に周回するコイルが形成されるとともに、上記コイルの両端部が外周部に引き出される積層インダクタにおいて、 上記コイルの内部の全面にわたって、上記コイルによって励磁される磁束の方向と逆方向の磁束を発するように着磁された環状の永久磁石層が、上記コイルの軸線方向視において、その外周部が上記導電パターンと重複することなく、かつ上記導電パターンとの間を塞ぐように配置され、かつ上記軸線方向視において、上記永久磁石層と上記導電パターンとの間に間隙が形成されているとともに、当該間隙が上記永久磁石層と上記導電パターンとの間に介装された環状の電気絶縁性の非磁性パターンとによって塞がれていることを特徴とする積層インダクタ。

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