JP2005039187A - 積層コイル部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 電流重畳時のインピーダンス低下が小さい積層コイル部品を提供する。
【解決手段】 積層コイル１は、複数のコイル用導体パターン９と引出し導体パターン１１と層間接続用ビアホール７とを設けた磁性体セラミックグリーンシート１３と、層間接続用ビアホール７を設けた磁性体セラミックグリーンシート１５と、複数のコイル用導体パターン１０を設けた磁性体セラミックグリーンシート１４と、外層用の磁性体セラミックグリーンシート１６などで構成されている。そして、コイル用導体パターン９とコイル用導体パターン１０が交互に電気的に直列に接続して螺旋状コイルＬ１を形成する。螺旋状コイルＬ１のコイルピッチＰは６０μｍ以上に設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は積層コイル部品、特に、積層インダクタや積層インピーダンス素子などの積層コイル部品に関する。

従来の積層コイル部品として、例えば図１３に示すような構造を有するものがある。この積層コイル１０１は、コイル用導体パターン１０５を表面に設けた磁性体セラミックグリーンシート１０６と、引出し用ビアホール１０７を設けた磁性体セラミックグリーンシート１０９とで構成されている。これらシート１０６，１０９を積み重ねて圧着して積層体１１０（図１４参照）を形成した後、焼成し、入出力用外部電極１１１，１１２を形成している。

複数のコイル用導体パターン１０５は層間接続用ビアホール１０４を介して電気的に直列に接続され、螺旋状コイルＬ１０を積層体１１０内部に形成している。この積層コイル１０１は、螺旋状コイルＬ１０のコイル軸が積層体１１０の積み重ね方向に平行であり、かつ、積層体１１０の両端部に、螺旋状コイルＬ１０の両端部に電気的に接続された入出力用外部電極１１１，１１２が設けられている、いわゆる「縦積層縦巻型」のコイルである。

なお、螺旋状コイルのコイル軸が積層体の積み重ね方向と直交し、かつ、積層体の両端面に、螺旋状コイルの両端部に電気的に接続された入出力用外部電極が設けられている、いわゆる「縦積層横巻型」のコイルとしては、特許文献１に記載のものがある。

ところで、従来の積層コイル１０１は、小さいサイズで高インピーダンスを得るために、コイルピッチＰを小さくして螺旋状コイルＬ１０の巻回数を多くとるようにしていた。コイルピッチＰを小さくするには、シート１０６の厚みを薄くしてコイル用導体パターン１０５の間隔を狭くするとよい。具体的には、シート１０６の厚みは１０〜５０μｍであった。

しかしながら、螺旋状コイルＬ１０の巻回数を多くすると、螺旋状コイルＬ１０の直流抵抗が大きくなり、挿入損失が大きくなるという問題がある。

また、この積層コイル１０１は、例えば大容量映像記録装置（ＤＶＤプレイヤ）やデジタルカメラ、ビデオなどの電子機器の電源ラインのノイズカットのために、電源ラインに繋ぎ込まれて使用されている。電子機器の電源ラインでノイズカット用にコイルを使用した場合、０．１Ａ程度の直流電流が電源ラインに流れる。

しかし、一般に知られているように積層コイルは電流重畳によってインピーダンスが低下する。例えば、現在多く普及している積層コイル（サイズ：１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．８ｍｍ）は、電流重畳がなければ、規格値６００Ω（１００ＭＨｚ）のインピーダンスを有しているが、０．１Ａの電流重畳によってインピーダンスが規格値の４０％以下に低下してしまう。所望のノイズ除去効果を得るためには、実際の使用状況（電流重畳している状況）で規格値の約５０％以上のインピーダンスが必要である。そのため、所望のノイズ除去効果が得られないという問題があった。
特開２００２−２５２１１７号公報

そこで、本発明の目的は、電流重畳時のインピーダンス低下が小さい積層コイル部品を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る積層コイル部品は、
（ａ）複数の磁性体層と複数のコイル用導体とを積み重ねて構成した積層体と、
（ｂ）コイル用導体を電気的に接続して積層体内部に形成された螺旋状コイルとを備え、
（ｃ）螺旋状コイルのコイルピッチＰが６０μｍ以上であること、
を特徴とする。

電流重畳によってインピーダンスが低下するのは、磁性体が磁気飽和することが原因である。そこで、螺旋状コイルのコイルピッチＰを６０μｍ以上に設定する。これにより、コイル用導体間の磁性体量が多くなり、積層体内に分布する磁束の密度が減るので、磁気飽和が起きにくくなる。

さらに、本発明に係る積層コイル部品は、螺旋状コイルのコイルピッチＰに対して、コイル軸方向に隣接するコイル用導体間ギャップＧの比率が４５％以下であることを特徴とする。

螺旋状コイルのコイルピッチＰを大きくすると、隣接するコイル用導体間のギャップＧが大きくなり、ギャップＧからの磁束の漏れが増加する。つまり、コイルピッチＰを大きくすると、磁束がギャップＧから漏れるため、螺旋状コイル全体を周回するのではなく、個々のコイル用導体の周辺で局所的に周回してしまう。従って、局所的に磁束密度が大きくなって磁気飽和が起き易くなる。そこで、螺旋状コイルのコイルピッチＰに対する隣接コイル用導体間ギャップＧの比率を４５％以下にして、コイルピッチＰが大きくなっても、ギャップＧが大きくならないようにする。これにより、ギャップＧからの磁束の漏れが抑えられ、局所的な磁気飽和が起きにくくなる。

また、本発明に係る積層コイル部品は、螺旋状コイルのコイル軸が積層体の積み重ね方向と直交し、かつ、積層体の両端面に、螺旋状コイルの端部に電気的に接続された入出力用外部電極が設けられていることを特徴とする。

以上の構成により、積層コイル部品は、いわゆる縦積層横巻型構造となる。そして、螺旋状コイルのコイルピッチＰや隣接コイル用導体間ギャップＧは、磁性体層上に形成された複数のコイル用導体の配置によって任意に確実かつ容易に決めることができる。

また、本発明に係る積層コイル部品は、螺旋状コイルのコイル軸が積層体の積み重ね方向と直交し、かつ、積層体の積み重ね方向の上面に、螺旋状コイルの端部に電気的に接続された入出力用外部電極が設けられており、該入出力用外部電極は積層体に接着された薄板状もしくは箔状の金属からなることを特徴とする。

本発明によれば、螺旋状コイルのコイルピッチＰを６０μｍ以上にしているので、コイル用導体間の磁性体量が多くなり、積層体内に分布する磁束密度が減るので、磁気飽和が起きにくくなる。この結果、電流重畳時のインピーダンス低下が小さい積層コイル部品を提供することができる。

さらに、螺旋状コイルのコイルピッチＰに対して、コイル軸方向に隣接するコイル用導体間ギャップＧの比率を４５％以下にすることにより、コイルピッチＰが大きくなっても、ギャップＧは小さくなる。従って、ギャップＧからの磁束の漏れを抑えることができ、局所的な磁気飽和が起きにくく、電流重畳時のインピーダンス低下をより一層抑えることができる。

以下、本発明に係る積層コイル部品の実施例について添付の図面を参照して説明する。

図１に示すように、積層コイル１は、複数のコイル用導体パターン９と引出し導体パターン１１と層間接続用ビアホール７とを設けた磁性体セラミックグリーンシート１３と、層間接続用ビアホール７を設けた磁性体セラミックグリーンシート１５と、複数のコイル用導体パターン１０を設けた磁性体セラミックグリーンシート１４と、外層用の磁性体セラミックグリーンシート１６などで構成されている。

磁性体セラミックグリーンシートは、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｕ系のフェライト粉末を結合剤などと一緒に混練したものを、ドクターブレード法などの方法でシート状にしたものである。コイル用導体パターン９，１０や引出し導体パターン１１は、Ａｇ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ａｕやこれらの合金などからなり、スクリーン印刷などの方法により形成される。また、コイル用導体である層間接続用ビアホール７は、レーザビームなどを用いてビアホールの孔を明け、この孔にＡｇ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ａｕやこれらの合金などの導電性ペーストを充填することによって形成される。

コイル用導体パターン９およびコイル用導体パターン１０はそれぞれ、シート１３，１４上に平行に配置されている。層間接続用ビアホール７は、軸心がシート１３〜１６の積み重ね方向に配設されており、連接されている。そして、コイル用導体パターン９の端部が、層間接続用ビアホール７を介してコイル用導体パターン１０の端部に電気的に接続することにより、コイル用導体パターン９とコイル用導体パターン１０が交互に電気的に直列に接続して螺旋状コイルＬ１を形成する。

螺旋状コイルＬ１の両端部は引出し導体パターン１１に電気的に接続されている。引出し導体パターン１１はシート１３の左右の辺にそれぞれ露出している。

各シート１３〜１６は積み重ねられて圧着された後、一体的に焼成されて図２に示すような直方体形状を有する積層体２１とされる。積層体２１の左右の端面には、入出力用外部電極２２，２３が形成されている。外部電極２２，２３は、塗布焼付、スパッタリング、あるいは蒸着などの方法により形成される。外部電極２２，２３には、引出し導体パターン１１がそれぞれ接続されている。

以上の構成からなる積層コイル１は、積層体２１の内部に、コイル軸が積層体の積み重ね方向と直交する螺旋状コイルＬ１が配設されている。そして、積層コイル１の左右の両端面に、螺旋状コイルＬ１の両端部に電気的に接続された入出力用外部電極２２，２３が配設されている。従って、積層コイル１は、いわゆる「縦積層横巻型」のコイルとなっている。縦積層横巻型のコイル１は、螺旋状コイルＬ１のコイルピッチＰや隣接コイル用導体間ギャップＧを任意に確実かつ容易に決めることができるという特長を有している。

すなわち、図１３に示した「縦積層縦巻型」のコイルの場合には、コイルピッチＰや隣接コイル用導体間ギャップＧが磁性体セラミックグリーンシートの厚みによって決まる。しかし、磁性体セラミックグリーンシートの厚みは、セラミックグリーンシートの成形や圧着の際の加工条件により制約があり、任意に厚く設定できないことがある。

一方、「縦積層横巻型」のコイル１の場合には、コイルピッチＰや隣接コイル用導体間ギャップＧが、シート１３，１４の表面に形成されたコイル用導体パターン９，１０の間隔やシート１５に形成されたビアホール７の間隔によって決まる。コイル用導体パターン９，１０の間隔やビアホール７の間隔には加工条件の制約はなく、任意に広く設定できる。

ここで、螺旋状コイルＬ１のコイルピッチＰと、コイル軸方向に隣接するコイル用導体間ギャップＧとを種々に変更した積層コイル１を試作した。

積層コイル１のサイズは１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．８ｍｍである。そして、図３に示すように、コイル用導体パターン９，１０の配設ピッチＰを変えることにより、螺旋状コイルＬ１のコイルピッチＰが２０μｍ、４０μｍ、６０μｍ、８０μｍ、１２５μｍ、２５０μｍの６種のものを試作した。また、コイル用導体パターン９，１０の導体幅を変えることにより、コイル用導体間ギャップＧが１５μｍ、３０μｍ、４５μｍの３種のものを試作した。

こうして試作した積層コイル１の各々に対して、０．１Ａの直流電流を重畳させながら、測定周波数１００ＭＨｚでのインピーダンス残存率を測定した。測定結果を図４のグラフに示す。グラフから、コイルピッチＰを大きくすることにより、インピーダンス残存率が大きくなることがわかる。コイルピッチＰが大きくなると、積層体２１内に分布する磁束密度が減るので、その分だけ磁気飽和を起こしにくくなるからである。

そして、実用上必要とされるインピーダンス残存率５０％を確保するには、コイルピッチＰが６０μｍ以上あればよいことがわかる（コイル用導体間ギャップＧが１５μｍの場合のグラフを参照）。これにより、電子機器の電源ラインに、この積層コイル１をノイズフィルタとして組み込んで使用することができる。つまり、０．１Ａ程度の直流電流が電源ラインに流れても、積層コイル１のインピーダンスは低下しにくく、所望のノイズ除去効果が維持される。

なお、コイルピッチＰが２５０μｍに達すると、いずれの積層コイル１もインピーダンス残存率が７０％程度となる。磁性体セラミック内に直線状の導体を設けた積層コイル（フェライトビーズ）を作成し、０．１Ａの直流電流を重畳した時のインピーダンス残存率を測定したところ、７０％程度であった。このフェライトビーズはコイルピッチＰが無限大であるとみることができるから、コイルピッチＰを２５０μｍ以上にしても、それ以上のインピーダンス残存率向上は殆ど期待できないことがわかる。

さらに、グラフから、コイル用導体間ギャップＧを小さくすることにより、インピーダンス残存率が大きくなることがわかる。コイル用導体間ギャップＧが小さくなると、ギャップＧからの磁束の漏れが少なくなり、磁束が螺旋状コイルＬ１全体を周回するようになり、磁気飽和が起きにくくなるからである。つまり、コイルピッチＰは大きく、かつ、コイル用導体間ギャップＧは小さく設計することが好ましい。これにより、積層コイル１のインピーダンス残存率をさらに大きくすることができる。

さらに、コイル用導体間ギャップＧを小さくすると、積層コイル１に直流電流を流したときのインダクタンス残存率も大きくすることができる。そこで、次に、螺旋状コイルＬ１のコイル軸方向に隣接するコイル用導体間ギャップＧを種々変更した積層コイル１を試作した。

螺旋状コイルＬ１のコイルピッチＰは２９０μｍ、巻回数は９．５ターンとし、コイル用導体間ギャップＧが０μｍ、６５μｍ（コイルピッチＰに対するギャップＧの比率：２２．４％）、１０５μｍ（比率：３６．２％）、１２５μｍ（比率：４３．１％）、１４０μｍ（比率：４８．３％）、２２５μｍ（比率：７７．６％）の６種類のものを試作した。

ここで、コイル用導体間ギャップＧの設定において、コイル用導体パターン９同士およびコイル用導体パターン１０同士のギャップＧ１と、層間接続用ビアホール７同士のギャップＧ２とは基本的に等しくなるようにした。ビアホール７の横断面形状は、楕円でも円でも構わない。ただし、楕円にした方が、螺旋状コイルＬ１の内径を大きくすることができ、積層コイル１のインダクタンスを大きくできる。

また、コイル用導体間ギャップＧが０μｍの積層コイル１は、図５および図６に示すように、水平方向に隣接するコイル用導体パターン９，１０を段違いに形成し、平面視したときの見掛け上のギャップＧ１を０μｍにしたものである。この場合、層間接続用ビアホール７同士のギャップＧ２は６５μｍとした。こうして試作した積層コイル１の各々に対して直流電流を流してインダクタンス残存率を測定した。測定結果を図７の実線３１にて表示する。図７のグラフは、横軸がコイルピッチＰに対するギャップＧの比率であり、縦軸がインダクタンス残存率が７０％になる電流値（＝定格電流）である。

グラフから、ギャップＧの比率が４５％以下のときには、定格電流が高く、インダクタンス残存率が高いことがわかる。ギャップＧを小さくすることで、ギャップＧからの磁束の漏れが抑えられ、螺旋状コイルＬ１内の磁束密度が均一化される。これにより、積層コイル１が磁気飽和しにくくなり、インダクタンスが低下しにくくなるからである。

さらに、コイル用導体パターン９，１０同士のギャップＧ１を固定し、層間接続用ビアホール７同士のギャップＧ２を変えた場合に定格電流がどう変わるかを調べた。コイル用導体パターン９，１０は段違い構造でギャップＧ１を０μｍにした。そして、層間接続用ビアホール７の横断面形状を楕円にして長手方向の長さを変え、ギャップＧ２が６５μｍ（比率２２．４％）、１０５μｍ（比率：３６．２％）、１２５μｍ（比率：４３．１％）、１４０μｍ（比率：４８．３％）、２２５μｍ（比率：７７．６％）の５種類の積層コイル１を試作した。

こうして試作した積層コイル１の各々に対して直流電流を流してインダクタンス残存率を測定した。測定結果を図７の実線３２にて表示する。コイルピッチＰに対するギャップＧ２の比率が４５％以下のときには定格電流が高く、インダクタンス残存率が高いことがわかる。

また、層間接続用ビアホール７同士のギャップＧ２を固定し、コイル用導体パターン９，１０同士のギャップＧ１を変えた場合に定格電流がどう変わるかを調べた。層間接続用ビアホール７同士のギャップＧ２は２２５μｍにした。そして、コイル用導体パターン９同士およびコイル用導体パターン１０同士のギャップＧ１が０μｍ、６５μｍ（比率２２．４％）、１０５μｍ（比率：３６．２％）、１２５μｍ（比率：４３．１％）、１４０μｍ（比率：４８．３％）、２２５μｍ（比率：７７．６％）の６種類の積層コイル１を試作した。

こうして試作した積層コイル１の各々に対して直流電流を流してインダクタンス残存率を測定した。測定結果を図７の実線３３にて表示する。コイルピッチＰに対するギャップＧ１の比率が４５％以下のときには定格電流が高く、インダクタンス残存率が高いことがわかる。

さらに、図８に示すように、層間接続用ビアホール７を千鳥状に配置することで、コイル用導体パターン９同士およびコイル用導体パターン１０同士のギャップＧ１と、層間接続用ビアホール７同士のギャップＧ２とをそれぞれ見掛け上０μｍにできる。この場合、積層コイル１の定格電流は３９０ｍＡとなり、最も高くなった。

また、図９に示すように、引出し導体パターン１１を設ける代わりに、引出し用ビアホール４２を外層用シート１６に設け、螺旋状コイルＬ１の両端部が引出し用ビアホール４２を介して積層体２１の一面に引き出されるようにしてもよい。

各シート１３〜１６は積み重ねられて圧着された後、一体的に焼成されて図１０に示すような直方体形状を有する積層体２１とされる。積層体２１の一面の左右には、入出力用外部電極４５，４６が形成されている。外部電極４５，４６は導電性接着剤などを用いて積層体２１の一面に接着され、引出し用ビアホール４２がそれぞれ接続されている。

積層コイル１は、図１１に示すように、導体ランド５２，５３を設けた回路基板５１にワイヤボンディングにて実装される。すなわち、積層コイル１は、外部電極４５，４６を上にして回路基板５１に載置され、ボンディングワイヤ５４にて外部電極４５，４６と導体ランド５２，５３が電気的に接続される。この場合、外部電極４５，４６は、薄いＣｕ（ＡｇやＡｕでもよい）板もしくはＣｕ箔（例えば厚さが２０μｍ程度のもの）にＡｕめっきを施したもの、または、薄いＣｕ板もしくはＣｕ箔にＮｉ−Ａｕめっきを施したものからなる。

あるいは、積層コイル１は、図１２に示すように、導体ランド６２，６３を設けた回路基板６１に、はんだや導電性接着剤にて実装される。すなわち、積層コイル１は、外部電極４５，４６を下にして回路基板６１に載置され、はんだや導電性接着剤６４にて外部電極４５，４６と導体ランド６２，６３が電気的に接続される。この場合、外部電極４５，４６は、薄いＣｕ板もしくはＣｕ箔にＮｉ−Ｓｎめっきを施したもの、または、薄いＣｕ板もしくはＣｕ箔にＮｉ−Ａｕめっきを施したものからなる。

以上の構成からなる積層コイル１は、ワイヤボンディング用外部電極４５，４６を安価なＣｕ板もしくはＣｕ箔にＡｕめっきを施したものにて形成できる。さらに、Ｃｕ板を用いた場合には、Ｃｕ板が積層体２１の表面の凸凹を抑えるので、ワイヤボンディングの接続性が向上する。また、外部電極４５，４６は積層体２１の片面だけに形成されるので、積層コイル１の高さを低くできる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。積層コイル部品としては、積層インダクタの他に、例えば積層インピーダンス素子、積層ＬＣフィルタ、積層トランスなどがある。

また、積層コイル部品は、図１３および図１４に示すように、螺旋状コイルＬ１０のコイル軸が積層体１１０の積み重ね方向に平行であり、かつ、積層体１１０の両端面に、前記螺旋状コイルＬ１０の両端部に電気的に接続された入出力用外部電極１１１，１１２が設けられている、いわゆる「縦積層縦巻型」のものであってもよい。あるいは、図１３に示す構造の積層体１１０の上下面に入出力用外部電極１１１，１１２を設けた後、横に倒して使用する、いわゆる「横積層横巻型」のものであってもよい。

また、前記実施形態は個産品の例で説明したが、量産の場合には、複数の積層コイル部品を含んだマザー積層ブロックの状態で製造してもよいことは言うまでもない。さらに、前記実施形態は部品サイズが１．６ｍｍ×０．８ｍｍ×０．８ｍｍの積層コイルを例にして説明したが、その他の部品サイズのコイル部品に対しても同様の効果が得られる。

また、積層コイル部品を製造する場合、コイル用導体パターンやビアホールを設けた磁性体セラミックシートを積み重ねた後、一体的に焼成する工法に必ずしも限定されない。磁性体セラミックシートは予め焼成されたものを用いてもよい。また、以下に説明する工法によって積層コイル部品を製造してもよい。すなわち、印刷などの手法によりペースト状の磁性体セラミック材料を塗布して磁性体層を形成した後、その磁性体層の上からペースト状の導電性材料を塗布してコイル用導体パターンやビアホールを形成する。さらにペースト状の磁性体セラミック材料を上から塗布して磁性体層とする。こうして順に重ね塗りをすることにより、積層構造を有するコイル部品が得られる。

本発明に係る積層コイル部品の一実施例を示す分解斜視図。 図１に示した積層コイル部品の外観斜視図。 積層コイル部品の平面透視図。 積層コイル部品のインピーダンス残存率を示すグラフ。 積層コイル部品の変形例を示す分解斜視図。 図５に示した積層コイル部品の断面図。 積層コイル部品のインダクタンス残存率が７０％になる定格電流を示すグラフ。 積層コイル部品の別の変形例を示す分解斜視図。 積層コイル部品のさらに別の変形例を示す分解斜視図。 図９に示した積層コイル部品の外観斜視図。 図１０に示した積層コイル部品を回路基板に実装した状態を示す正面図。 図１０に示した積層コイル部品を別の回路基板に実装した状態を示す正面図。 従来の積層コイル部品を示す分解斜視図。 図１３に示した積層コイル部品の外観斜視図。

符号の説明

１…積層コイル
７…層間接続用ビアホール
９，１０…コイル用導体パターン
１３〜１６…磁性体セラミックグリーンシート
２１…積層体
２２，２３，４５，４６…入出力用外部電極
４２…引出し用ビアホール
Ｌ１…螺旋状コイル
Ｐ…コイルピッチ
Ｇ…コイル用導体間ギャップ

Claims (4)

1. 複数の磁性体層と複数のコイル用導体とを積み重ねて構成した積層体と、
   前記コイル用導体を電気的に接続して前記積層体内部に形成された螺旋状コイルとを備え、
   前記螺旋状コイルのコイルピッチＰが６０μｍ以上であること、
   を特徴とする積層コイル部品。
2. 前記螺旋状コイルのコイルピッチＰに対して、コイル軸方向に隣接するコイル用導体間ギャップＧの比率が４５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の積層コイル部品。
3. 前記螺旋状コイルのコイル軸が前記積層体の積み重ね方向と直交し、かつ、前記積層体の両端面に、前記螺旋状コイルの端部に電気的に接続された入出力用外部電極が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層コイル部品。
4. 前記螺旋状コイルのコイル軸が前記積層体の積み重ね方向と直交し、かつ、前記積層体の積み重ね方向の上面に、前記螺旋状コイルの端部に電気的に接続された入出力用外部電極が設けられており、該入出力用外部電極は前記積層体に接着された薄板状もしくは箔状の金属からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層コイル部品。

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