JP2014175631A - 磁気デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】大型化することなく、コイルパターンが設けられた基板を放熱させ易くすることが可能な磁気デバイスを提供する。
【解決手段】磁気デバイス１は、磁性体から成るコア２ａと、絶縁体から成り、コア２ａの凸部２ｍ、２Ｌ、２ｒが貫通する基板３と、基板３に設けられた導体とを備えている。導体には、凸部２ｍ、２Ｌ、２ｒの周囲に巻回されるコイルパターン４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅや放熱パターン５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅなどが含まれる。基板３の裏面側にヒートシンクを設け、基板３の表面層Ｌ１に設けられた導体の面積より、基板３の裏面層Ｌ３に設けられた導体の面積の方を広くする。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁性体から成るコアと、コイルパターンが形成された基板とを備えた、チョークコイルやトランスなどの磁気デバイスに関する。

たとえば、高電圧の直流をスイッチングして交流に変換した後、低電圧の直流に変換する、直流−直流変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）のようなスイッチング電源装置がある。このスイッチング電源装置には、チョークコイルやトランスなどの磁気デバイスが使用されている。

たとえば、特許文献１〜６には、コイルの巻線が基板に形成されたコイルパターンから成る、磁気デバイスが開示されている。

特許文献１〜５では、磁性体から成るコアが、基板を貫通している。基板は、絶縁体から成り、複数の層を有している。各層には、コアの周囲に巻回されるように、コイルパターンが形成されている。異なる層のコイルパターン同士は、スルーホールなどで接続されている。コイルパターンやスルーホールは、銅などの導体から成る。

特許文献６では、基板が、一対の絶縁層と、該絶縁層に挟持された磁性体層とから構成されている。磁性体層には、導体から成るコイルパターンが形成されている。コイルパターンは、基板の板面方向や厚み方向に複数回巻回されている。

コイルパターンに電流が流れると、コイルパターンから発熱し、基板の温度が上昇する。基板の放熱対策として、特許文献１では、コイルパターンを基板の各層のほぼ全域に広げている。また、特許文献３では、基板の各層のコイルパターンの一部の幅を広げて、放熱パターン部を設けている。また、特許文献６では、コイルパターンの内側に、磁性体層と下方の絶縁層とを貫通する伝熱用貫通導体を設け、基板の下面に伝熱用貫通導体と接続された放熱用導体層を設けている。

特開２００８−２０５３５０号公報 特開平７−３８２６２号公報 特開平７−８６７５５号公報 再表ＷＯ２０１０／０２６６９０号公報 特開平８−６９９３５号公報 特開２００８−１７７５１６号公報

たとえば、大電流が流れるＤＣ−ＤＣコンバータで使用される磁気デバイスでは、コイルパターンに大電流が流れて、発熱量が多くなる。この発熱により、基板の温度が高くなると、磁気デバイスの特性の変動や性能の劣化を生じるおそれがある。また、同一基板上に他のＩＣチップなどの電子部品が実装されている場合、電子部品の誤動作や破壊を生じるおそれがある。

コイルパターンの全長に渡って幅を広げて、直流抵抗を低くすると、コイルパターンからの発熱量を低減することができる。しかし、それに伴って、磁気デバイスが大型化するため、小型化の要求に反することになる。

本発明の課題は、大型化することなく、コイルパターンが設けられた基板を放熱させ易くすることができる磁気デバイスを提供することである。

本発明による磁気デバイスは、磁性体から成るコアと、絶縁体から成り、コアが貫通する基板と、コアの周囲に巻回されるコイルパターンを含む、基板に設けられた導体とを備えている。基板の裏面側に放熱器が設けられ、基板の表面層に設けられた導体の面積より、基板の裏面層に設けられた導体の面積の方が広くなっている。

これにより、コイルパターンが設けられた基板の熱が、裏面層に設けられた面積が大きな導体から放熱器に伝わり易くなるので、基板を放熱させ易くすることができる。またこの結果、発熱量が低減されるように、コイルパターンの全長に渡って幅を広げなくてもよくなり、磁気デバイスが大型化するのを回避することができる。

また、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、基板の表面層および裏面層に設けられた導体は、コイルパターンと、コイルパターンに対して一体または別体で形成された放熱パターンとを含んでいてもよい。

また、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、基板と放熱器とを、基板の表面層における導体が存在しない領域でねじにより固定してもよい。

さらに、本発明では、上記磁気デバイスにおいて、基板と放熱器との間に、伝熱性を有する絶縁シートを挟み込んでもよい。

本発明によれば、大型化することなく、コイルパターンが設けられた基板を放熱させ易くすることができる磁気デバイスを提供することが可能となる。

スイッチング電源装置の構成図である。 本発明の第１実施形態による磁気デバイスの分解斜視図である。 図２の基板の各層の平面図である。 図２の磁気デバイスの断面図である。 本発明の第２実施形態による磁気デバイスの基板の各層の平面図である。 図５の磁気デバイスの断面図である。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一符号を付してある。

図１は、スイッチング電源装置１００の構成図である。スイッチング電源装置１００は、電気自動車（またはハイブリッドカー）用のＤＣ−ＤＣコンバータであり、高電圧の直流をスイッチングして交流に変換した後、低電圧の直流に変換する。以下で詳述する。

スイッチング電源装置１００の入力端子Ｔ１、Ｔ２には、高電圧バッテリ５０が接続されている。高電圧バッテリ５０の電圧は、たとえばＤＣ２２０Ｖ〜ＤＣ４００Ｖである。入力端子Ｔ１、Ｔ２へ入力される高電圧バッテリ５０の直流電圧Ｖｉは、フィルタ回路５１でノイズが除去された後、スイッチング回路５２へ与えられる。

スイッチング回路５２は、たとえばＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を有する公知の回路からなる。スイッチング回路５２では、ＰＷＭ駆動部５８からのＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号に基づいて、ＦＥＴをオンオフさせて、直流電圧に対してスイッチング動作を行う。これにより、直流電圧が高周波のパルス電圧に変換される。

そのパルス電圧は、トランス５３を介して、整流回路５４へ与えられる。整流回路５４は、一対のダイオードＤ１、Ｄ２によりパルス電圧を整流する。整流回路５４で整流された電圧は、平滑回路５５へ入力される。平滑回路５５は、チョークコイルＬおよびコンデンサＣのフィルタ作用により整流電圧を平滑し、低電圧の直流電圧として出力端子Ｔ３、Ｔ４へ出力する。この直流電圧により、出力端子Ｔ３、Ｔ４に接続された低圧バッテリ６０が、たとえばＤＣ１２Ｖに充電される。低圧バッテリ６０の直流電圧は、図示しない各種の車載電装品へ供給される。

また、平滑回路５５の出力電圧Ｖｏは、出力電圧検出回路５９により検出された後、ＰＷＭ駆動部５８へ出力される。ＰＷＭ駆動部５８は、出力電圧Ｖｏに基づいてＰＷＭ信号のデューティ比を演算し、該デューティ比に応じたＰＷＭ信号を生成して、スイッチング回路５２のＦＥＴのゲートへ出力する。これにより、出力電圧を一定に保つためのフィードバック制御が行なわれる。

制御部５７は、ＰＷＭ駆動部５８の動作を制御する。フィルタ回路５１の出力側には、電源５６が接続されている。電源５６は、高電圧バッテリ５０の電圧を降圧し、制御部５７に電源電圧（たとえばＤＣ１２Ｖ）を供給する。

上記のスイッチング電源装置１００において、平滑回路５５のチョークコイルＬとして、後述する磁気デバイス１、１’が用いられる。チョークコイルＬには、たとえばＤＣ１５０Ａの大電流が流れる。チョークコイルＬの両端には、電力入出力用の端子６ｉ、６ｏが設けられている。

次に、第１実施形態による磁気デバイス１の構造を、図２〜図４を参照しながら説明する。

図２は、磁気デバイス１の分解斜視図である。図３は、磁気デバイス１の基板３の各層の平面図である。図４は、磁気デバイス１の断面図であって、（ａ）に図３のＸ−Ｘ断面、（ｂ）に図３のＹ−Ｙ断面を示している。

図２に示すように、コア２ａ、２ｂは、Ｅ字形の上コア２ａとＩ字形の下コア２ｂの、２個１対で構成されている。コア２ａ、２ｂは、フェライトまたはアモルファス金属などの磁性体から成る。

上コア２ａは、下方へ突出するように、３つの凸部２ｍ、２Ｌ、２ｒを有している。中央の凸部２ｍに対して、左右の凸部２Ｌ、２ｒの方が、突出量が多くなっている。

図４（ａ）に示すように、上コア２ａの左右の凸部２Ｌ、２ｒの下端を、下コア２ｂの上面に密着させて、該コア２ａ、２ｂは組み合わされる。この状態では、直流重畳特性を高めるため、上コア２ａの凸部２ｍと下コア２ｂの上面には所定の大きさの隙間が設けられている。これにより、磁気デバイス１に大電流を流したときでも、所定のインダクタンスを実現することができる（後述の磁気デバイス１’も同様）。コア２ａ、２ｂ同士は、図示しないねじや金具などの固定手段により固定される。

下コア２ｂは、ヒートシンク１０の上側に設けられた凹部１０ｋ（図２）に嵌め込まれる。ヒートシンク１０の下側には、フィン１０ｆが設けられている。ヒートシンク１０は、金属製であり、本発明の「放熱器」の一例である。

基板３は、絶縁体から成る薄板状の基材の各層に、厚みの厚い銅箔（導体）でパターンが形成された厚銅箔基板から構成されている。本実施形態では、基板３に他の電子部品や回路が設けられていないが、実際に磁気デバイス１を図１のスイッチング電源装置１００で使用する場合、同一基板上に磁気デバイス１とスイッチング電源装置１００の他の電子部品や回路が設けられる（後述の磁気デバイス１’も同様）。

基板３の表面（図２および図４で上面）には、図３（ａ）に示すような表面層Ｌ１が設けられている。基板３の裏面（図２および図４で下面）には、図３（ｃ）に示すような裏面層Ｌ３が設けられている。図４に示すように、表面層Ｌ１と裏面層Ｌ３の間には、図３（ｂ）に示すような中間層Ｌ２が設けられている。つまり、基板３は、回路を形成可能な３つの層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を有している。

基板３には、複数の貫通孔３ｍ、３Ｌ、３ｒ、３ａが設けられている。そのうち、大径の貫通孔３ｍ、３Ｌ、３ｒには、図２〜図４に示すように、コア２ａの各凸部２ｍ、２Ｌ、２ｒがそれぞれ挿入される。つまり、コア２ａの凸部２ｍ、２Ｌ、２ｒは、基板３を貫通する。

複数の小径の貫通孔３ａには、図２に示すように、各ねじ１１が挿入される。基板３の裏面（裏面層Ｌ３）をヒートシンク１０の上面（フィン１０ｆと反対の面）と対向させる。そして、各ねじ１１を基板３の表面（表面層Ｌ１）側から各貫通孔３ａに貫通させて、ヒートシンク１０の各ねじ孔１０ａに螺合する。これにより、図４に示すように、基板３の裏面側にヒートシンク１０が近接状態で固定される。

基板３とヒートシンク１０の間には、伝熱性を有する絶縁シート１２が挟み込まれる。絶縁シート１２は可撓性を有しているため、基板３やヒートシンク１０と隙間なく密着する。

図３に示すように、基板３には、スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ〜９ｄ、パッド８ｂ、８ｃ、端子６ｉ、６ｏ、パターン４ａ〜４ｆ、５ａ〜５ｅ、およびピン７ａ〜７ｆといった導体が設けられている。

スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ〜９ｄは、異なる層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３にあるパターン４ａ〜４ｆ、５ｃ〜５ｅ同士を接続する。詳しくは、複数のスルーホール８ａは、上層Ｌ１のパターン４ａ、４ｂと他の層Ｌ２、Ｌ３を接続する。各スルーホール８ｄは、上層Ｌ１と他の層Ｌ２、Ｌ３を接続したり、上層Ｌ１のパターン４ａ、４ｂと下層Ｌ３のパターン５ｅを接続したり、中間層Ｌ２のパターン４ｃ、４ｄと下層Ｌ３のパターン５ｃ、５ｄを接続したりする。スルーホール９ａ、９ｄは上層Ｌ１のパターン４ａ、４ｂと中間層Ｌ２のパターン４ｃ、４ｄを接続する。スルーホール９ｂ、９ｃは中間層Ｌ２のパターン４ｃ、４ｄと下層Ｌ３のパターン４ｅを接続する。

一対の大径のスルーホール８ａのうち、一方のスルーホール８ａには、電力入力用の端子６ｉが埋設されている。他方のスルーホール８ａには、電力出力用の端子６ｏが埋設されている。端子６ｉ、６ｏは、銅ピンから成る。表面層Ｌ１と裏面層Ｌ３の端子６ｉ、６ｏの周囲には、銅箔から成るパッド８ｂが設けられている。端子６ｉ、６ｏやパッド８ｂの表面には、銅めっきが施されている。端子６ｉ、６ｏの下端は、絶縁シート１２と接触している（図示省略）。

複数の大径のスルーホール８ｄには、放熱ピン７ａ〜７ｆがそれぞれ埋め込まれている。放熱ピン７ａ〜７ｆは、銅ピンから成る。表面層Ｌ１と裏面層Ｌ３の放熱ピン７ａ〜７ｆの周囲には、銅箔から成るパッド８ｃが設けられている。放熱ピン７ａ〜７ｆやパッド８ｃの表面には、銅めっきが施されている。放熱ピン７ａ〜７ｆの下端は、絶縁シート１２と接触している（図４（ａ）参照）。

基板３の各層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３には、コイルパターン４ａ〜４ｅと放熱パターン５ａ〜５ｅが設けられている。各パターン４ａ〜４ｅ、５ａ〜５ｅは、銅箔から成る。表面層Ｌ１の各パターン４ａ〜４ｅ、５ａ〜５ｅの表面には、絶縁加工が施されている。コイルパターン４ａ〜４ｅの幅や、厚みや、断面積は、所定の大電流（たとえばＤＣ１５０Ａ）を流しても、コイルパターン４ａ〜４ｅからの発熱量をある程度に抑えて、しかもコイルパターン４ａ〜４ｅの表面から放熱できるように設定されている。

図３（ａ）に示すように、表面層Ｌ１において、コイルパターン４ａは、凸部２Ｌの周囲４方向に１回巻回されている。コイルパターン４ｂは、凸部２ｒの周囲４方向に１回巻回されている。

図３（ｂ）に示すように、中間層Ｌ２において、コイルパターン４ｃは、凸部２Ｌの周囲４方向に１回巻回されている。コイルパターン４ｄは、凸部２ｒの周囲４方向に１回巻回されている。

図３（ｃ）に示すように、裏面層Ｌ３において、コイルパターン４ｅは、凸部２Ｌの周囲４方向に１回巻回されてから、凸部２ｍの周囲３方向に１回巻回され、さらに凸部２ｒの周囲４方向に１回巻回されている。

コイルパターン４ａの一端とコイルパターン４ｃの一端とは、スルーホール９ａにより接続されている。コイルパターン４ｃの他端とコイルパターン４ｅの一端とは、スルーホール９ｃにより接続されている。コイルパターン４ｅの他端とコイルパターン４ｄの一端とは、スルーホール９ｂにより接続されている。コイルパターン４ｄの他端とコイルパターン４ｂの一端とは、スルーホール９ｄにより接続されている。

表面層Ｌ１のスルーホール９ｂ、９ｃの周辺と、裏面層Ｌ３のスルーホール９ａ、９ｄの周辺には、スルーホール９ａ〜９ｄを形成し易くするため、小パターン４ｆがそれぞれ設けられている。それぞれのスルーホール９ａ〜９ｄと小パターン４ｆは接続されている。小パターン４ｆは、銅箔から成る。表面層Ｌ１の小パターン４ｆの表面には、絶縁加工が施されている。各スルーホール９ａ〜９ｄの表面には、銅めっきが施されている。各スルーホール９ａ〜９ｄの内側は、銅などで埋められていてもよい。

コイルパターン４ａの他端は、パッド８ｂを介して端子６ｉと接続されている。コイルパターン４ｂの他端は、パッド８ｂを介して端子６ｏと接続されている。

上記により、基板３のコイルパターン４ａ〜４ｅは、表面層Ｌ１で、起点である端子６ｉから、凸部２Ｌの周囲に１回目が巻かれた後、スルーホール９ａを経由して、中間層Ｌ２に接続される。次に、中間層Ｌ２で、凸部２Ｌの周囲に２回目が巻かれた後、スルーホール９ｃを経由して、裏面層Ｌ３に接続される。

次に、コイルパターンは、裏面層Ｌ３で、凸部２Ｌの周囲に３回目が巻かれ、凸部２ｍの周囲を経由して、凸部２ｒの周囲に４回目が巻かれた後、スルーホール９ｂを経由して、中間層Ｌ２に接続される。次に、コイルパターンは、中間層Ｌ２で、凸部２ｒの周囲に５回目が巻かれた後、スルーホール９ｄを経由して、表面層Ｌ１に接続される。そして、コイルパターンは、表面層Ｌ１で、凸部２ｒの周囲に６回目が巻かれた後、終点である端子６ｏに接続される。

磁気デバイス１に流れる電流も、上記のように、端子６ｉ、コイルパターン４ａ、スルーホール９ａ、コイルパターン４ｃ、スルーホール９ｃ、コイルパターン４ｅ、スルーホール９ｂ、コイルパターン４ｄ、スルーホール９ｄ、コイルパターン４ｂ、および端子６ｏの順番で流れる。

放熱パターン５ａ〜５ｅは、各層Ｌ１〜Ｌ３のコイルパターン４ａ〜４ｅや小パターン４ｆの周辺にある空き領域に、該パターン４ａ〜４ｅ、４ｆと別体で形成されている。

放熱パターン５ａ〜５ｅに対して、パッド８ｂ、端子６ｉ、６ｏ、貫通孔３ａ、およびねじ１１は絶縁されている。図３に示すように、中間層Ｌ２や裏面層Ｌ３の貫通孔３ａと放熱パターン５ｂ〜５ｅの最短絶縁間隔Ｓ２より、表面層Ｌ１の貫通孔３ａと放熱パターン５ａの最短絶縁間隔Ｓ１の方が大きくなっている。

これは、ねじ１１の軸部１１ｂより径の大きな頭部１１ａが基板３の表面側に配置されるので、頭部１１ａと放熱パターン５ａとを絶縁するためである。つまり、基板３の各層Ｌ１〜Ｌ３における導体が存在しない領域Ｒ１、Ｒ２で、ねじ１１により基板３とヒートシンク１０が固定されている。

図３（ａ）に示すように、表面層Ｌ１では、コイルパターン４ａに対して、放熱ピン７ａとこの周囲のパッド８ｃが接続されている。また、コイルパターン４ｂに対して、放熱ピン７ｂとこの周囲のパッド８ｃが接続されている。放熱パターン５ａに対して、放熱ピン７ｃ〜７ｆとこの周囲のパッド８ｃは絶縁されている。また、放熱パターン５ａに対して、コイルパターン４ａ、４ｂや小パターン４ｆは絶縁されている。

図３（ｂ）に示すように、中間層Ｌ２では、コイルパターン４ｃに対して、放熱ピン７ｃ、７ｅが接続されている。また、コイルパターン４ｄに対して、放熱ピン７ｄ、７ｆが接続されている。放熱パターン５ｂに対して、放熱ピン７ａは絶縁されている。また、放熱パターン５ｂに対して、コイルパターン４ｃ、４ｄは絶縁されている。

図３（ｃ）に示すように、裏面層Ｌ３では、放熱パターン５ｃ〜５ｅに対して、放熱ピン７ａ〜７ｆとこの周囲のパッド８ｃが接続されている。また、放熱パターン５ｃ〜５ｅに対して、コイルパターン４ｅや小パターン４ｆは絶縁されている。

つまり、放熱ピン７ａ、７ｂにより、表面層Ｌ１のコイルパターン４ａ、４ｂと、裏面層Ｌ３の左右の放熱パターン５ｅがそれぞれ接続されている。また、放熱ピン７ｃ〜７ｆにより、中間層Ｌ２のコイルパターン４ｃ、４ｄと、裏面層Ｌ３の左右の放熱パターン５ｃ、５ｄがそれぞれ接続されている。

図３に示すように、表面層Ｌ１と裏面層Ｌ３では、導体であるスルーホール８ａ、８ｄ、９ａ〜９ｄ、パッド８ｂ、８ｃ、端子６ｉ、６ｏ、小パターン４ｆ、およびピン７ａ〜７ｆの表面積は同一である。また、裏面層Ｌ３のコイルパターン４ｅの表面積より、表面層Ｌ１のコイルパターン４ａ、４ｂの合計表面積の方が広くなっている。

一方、表面層Ｌ１の放熱パターン５ａの表面積より、裏面層Ｌ３の放熱パターン５ｃ〜５ｅの合計表面積の方が広くなっている。これは、ねじ１１の周囲の領域Ｒ１、Ｒ２に注目すれば明らかである。表面層Ｌ１と裏面層Ｌ３の放熱パターン５ａ、５ｃ〜５ｅの表面積の差は、コイルパターン４ａ、４ｂ、４ｅの表面積の差より大きくなっている。

このため、表面層Ｌ１に設けられた導体の面積（スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ〜９ｄ、パッド８ｂ、８ｃ、端子６ｉ、６ｏ、パターン４ａ、４ｂ、４ｆ、５ａ、およびピン７ａ〜７ｆの合計表面積）より、裏面層Ｌ３に設けられた導体の面積（スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ〜９ｄ、パッド８ｂ、８ｃ、端子６ｉ、６ｏ、パターン４ｅ、４ｆ、５ｃ〜５ｅ、およびピン７ａ〜７ｆの合計表面積）の方が広くなっている。

表面層Ｌ１と中間層Ｌ２では、導体であるスルーホール８ａ、８ｄ、９ａ〜９ｄ、端子６ｉ、６ｏ、およびピン７ａ〜７ｆの表面積は同一である。また、表面層Ｌ１と中間層Ｌ２のパターン４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｆの表面積には、ほとんど差がない。また、表面層Ｌ１にあるパッド８ｂ、８ｃは、中間層Ｌ２にはない。

一方、表面層Ｌ１の放熱パターン５ａの表面積より、中間層Ｌ２の放熱パターン５ｂの表面積の方が広くなっている。これは、ねじ１１の周囲の領域Ｒ１、Ｒ２に注目すれば明らかである。表面層Ｌ１と中間層Ｌ２の放熱パターン５ａ、５ｂの表面積の差は、パッド８ｂ、８ｃの表面積より大きくなっている。

このため、表面層Ｌ１に設けられた導体の面積（スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ〜９ｄ、パッド８ｂ、８ｃ、端子６ｉ、６ｏ、パターン４ａ、４ｂ、４ｆ、５ａ、およびピン７ａ〜７ｆの合計表面積）より、中間層Ｌ２に設けられた導体の面積（スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ〜９ｄ、端子６ｉ、６ｏ、パターン４ｃ、４ｄ、５ｂ、およびピン７ａ〜７ｆの合計表面積）の方が広くなっている。

コイルパターン４ａ〜４ｅには大電流が流れるため、コイルパターン４ａ〜４ｅが発熱源となって、基板３の温度が上昇する。

表面層Ｌ１では、基板３の熱は、放熱パターン５ａなどの導体に拡散され、該導体の表面で放熱される。また、基板３の熱は、放熱ピン７ａ、７ｆやスルーホール８ｄ、８ａ、９ａ〜９ｄなどの基板３を貫通する導体を伝って、絶縁シート１２を介してヒートシンク１０で放熱される。

特に、表面層Ｌ１のコイルパターン４ａ、４ｂの発熱は、放熱ピン７ａ、７ｂ、端子６ｉ、６ｏ、スルーホール８ｄ、８ａ、９ａ、９ｄ、および裏面層Ｌ３の放熱パターン５ｅを伝って、絶縁シート１２を介してヒートシンク１０で放熱される。スルーホール９ａ〜９ｄは、サーマルビアとしても機能する。

中間層Ｌ２では、基板３の熱は、放熱パターン５ｂなどの導体に拡散される。また、基板３の熱は、放熱ピン７ｃ〜７ｆやスルーホール８ｄ、９ａ〜９ｄなどの基板３を貫通する導体を伝って、絶縁シート１２を介してヒートシンク１０で放熱される。

特に、中間層Ｌ２のコイルパターン４ｃ、４ｄの発熱は、放熱ピン７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、スルーホール８ｄ、９ａ〜９ｄ、裏面層Ｌ３の放熱パターン５ｃ、５ｄを伝って、絶縁シート１２を介してヒートシンク１０で放熱される。

裏面層Ｌ３では、基板３の熱は、放熱パターン５ｃ〜５ｅや放熱ピン７ａ〜７ｆなどの導体に拡散される。これらの導体に拡散された熱は、絶縁シート１２を伝って、ヒートシンク１０で放熱される。特に、コイルパターン４ｅの発熱は、コイルパターン４ｅの表面から絶縁シート１２を伝って、ヒートシンク１０で放熱される。

上記第１実施形態によると、コイルパターン４ａ〜４ｅが設けられた基板３の熱が、裏面層Ｌ３に設けられた面積の大きな導体から、ヒートシンク１０に伝わり易くなるので、基板３を放熱させ易くすることができる。これにより、コイルパターン４ａ〜４ｅの発熱が許容される。またこの結果、発熱量が低減されるように、コイルパターン４ａ〜４ｅの全長に渡って幅を広げなくてもよくなり、磁気デバイス１が大型化するのを回避することができる。

また、基板３の各層Ｌ１〜Ｌ３にコイルパターン４ａ〜４ｅと放熱パターン５ａ〜５ｅを設けているので、基板３の熱を基板３の表面側や裏面側から放熱させることができる。

特に、裏面層Ｌ３では、コイルパターン４ｅと放熱パターン５ｃ〜５ｅの表面から、熱をヒートシンク１０に効率良く伝えて、放熱させることができる。また、表面層Ｌ１では、コイルパターン４ａ、４ｂと放熱パターン５ａの表面から、熱を放熱させることができる。

また、基板３とヒートシンク１０とを基板３の導体が存在しない領域Ｒ１、Ｒ２でねじ１１により固定することで、ねじ１１に絶縁加工を施さなくても、ねじ１１と基板３の導体とを確実に絶縁させることができる。

また、ねじ１１の頭部１１ａを基板３の表面層Ｌ１側に配置して、頭部１１ａの周囲に導体の存在しない領域Ｒ１を設けることで、表面層Ｌ１の導体の面積より、裏面層Ｌ３の導体の面積の方を容易に広くすることができる。

さらに、基板３とヒートシンク１０との間に、伝熱性を有する絶縁シート１２を挟み込むことで、基板３の裏面層Ｌ３に絶縁加工を施さなくても、基板３とヒートシンク１０とを絶縁しつつ、基板３の熱をヒートシンク１０に伝えることができる。

上記第１実施形態では、基板３の各層Ｌ１〜Ｌ３にコイルパターン４ａ〜４ｅと別体で放熱パターン５ａ〜５ｅを設けた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。下記の第２実施形態のように、コイルパターンと一体の放熱パターンを設けてもよい。

図５は、第２実施形態による磁気デバイス１’の基板３’の各層の平面図である。図６は、磁気デバイス１’の断面図であって、図５のＺ−Ｚ断面を示している。

図６に示すように、磁性体から成るコア２ａ’、２ｂ’は、断面がＥ字形の上コア２ａ’と、Ｉ字形の下コア２ｂ’の、２個１対で構成されている。上コア２ａ’の下方へ突出する凸部２ｍ’、２Ｌ’、２ｒ’のうち、左右の凸部２Ｌ’、２ｒ’の下端を、下コア２ｂ’の上面に密着させて、該コア２ａ’、２ｂ’は組み合わされる。上コア２ａ’の突起２ｍ’と下コア２ｂ’の上面には所定の大きさの隙間が設けられている。コア２ａ’、２ｂ’同士は、図示しないねじや金具などの固定手段により固定される。下コア２ｂ’は、ヒートシンク１０の上側に設けられた凹部１０ｋに嵌め込まれる。

基板３’は、表面層Ｌ１’、中間層Ｌ２’、および裏面層Ｌ３’を有する厚銅箔基板から構成されている。図５に示すように、基板３’の貫通孔３ｍ’には、コア２ａ’、２ｂ’の中央の凸部２ｍ’が貫通している。左右の切欠き３ｋには、コア２ａ’、２ｂ’の左右の凸部２Ｌ’、２ｒ’が入り込んでいる。

基板３’の裏面をヒートシンク１０の上面と対向させ、図６に示すように、ねじ１１を基板３’の表面側から貫通孔３ａに貫通させて、ヒートシンク１０のねじ孔１０ａに螺合する。これにより、基板３’の裏面側にヒートシンク１０が近接状態で固定される。基板３’とヒートシンク１０の間には、絶縁シート１２が挟み込まれる。

図５に示すように、基板３’には、スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ’、９ｂ’、パッド８ｂ、８ｃ、端子６ｉ、６ｏ、パターン４ａ’、４ｂ’、４ｃ’、４ｆ’、５ｔ_０〜５ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９、およびピン７ｇ_０〜７ｇ_３といった導体が設けられている。スルーホール８ａには、端子６ｉ、６ｏがそれぞれ埋設されている。表面層Ｌ１’と裏面層Ｌ３’の端子６ｉ、６ｏの周囲には、パッド８ｂが設けられている。

スルーホール８ｄには、放熱ピン７ｇ_０〜７ｇ_３がそれぞれ埋め込まれている。放熱ピン７ｇ_０〜７ｇ_３は、銅ピンから成り、表面に銅めっきが施されている。表面層Ｌ１’と裏面層Ｌ３’の放熱ピン７ｇ_０〜７ｇ_３の周囲には、パッド８ｃが設けられている。放熱ピン７ｇ_０〜７ｇ_３の下端は、絶縁シート１２と接触している。

各層Ｌ１’〜Ｌ３ ’には、コイルパターン４ａ’〜４ｃ’と放熱パターン５ｔ_０〜５ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９が設けられている。各パターン４ａ’〜４ｃ’、５ｔ_０〜５ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９は、銅箔から成る。表面層Ｌ１’の各パターン４ａ’〜４ｃ’、５ｔ_０〜５ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９の表面には、絶縁加工が施されている。コイルパターン４ａ’〜４ｃ’の幅や、厚みや、断面積は、所定の大電流（たとえばＤＣ１５０Ａ）を流しても、コイルパターン４ａ’〜４ｃ’からの発熱量をある程度に抑えて、しかもコイルパターン４ａ’〜４ｃ’の表面から放熱できるように設定されている。

各層Ｌ１’〜Ｌ３ ’において、コイルパターン４ａ’
〜４ｃ’は、中央の凸部２ｍ’の周囲に２回巻回されている。コイルパターン４ａ’の一端とコイルパターン４ｂ’の一端とは、スルーホール９ａ’により接続されている。コイルパターン４ｂ’の他端とコイルパターン４ｃ’の一端とは、スルーホール９ｂ’により接続されている。コイルパターン４ａ’の他端は、表面層Ｌ１’でパッド８ｂを介して端子６ｏと接続されている。コイルパターン４ｃ’の他端は、裏面層Ｌ３’でパッド８ｂを介して端子６ｉと接続されている。

表面層Ｌ１’のスルーホール９ｂ’の周辺と、裏面層Ｌ３’のスルーホール９ａ’の周辺には、銅箔から成る小パターン４ｆ’が設けられている。それぞれのスルーホール９ａ’、９ｂ’と小パターン４ｆ’は接続されている。表面層Ｌ１’の小パターン４ｆ’の表面には、絶縁加工が施されている。各スルーホール９ａ’、９ｂ’の表面には、銅めっきが施されている。

上記により、基板３’のコイルパターン４ａ’〜４ｃ ’は、裏面層Ｌ３’で、起点である端子６ｉから、凸部２ｍ’の周囲に１回目と２回目が巻かれた後、スルーホール９ｂ’を経由して、中間層Ｌ２’に接続される。次に、コイルパターンは、中間層Ｌ２’で、凸部２ｍ’の周囲に３回目と４回目が巻かれた後、スルーホール９ａ’を経由して、表面層Ｌ１’
に接続される。そして、コイルパターンは、表面層Ｌ１’で、凸部２ｍ’の周囲に５回目と６回目が巻かれた後、終点である端子６ｏに接続される。磁気デバイス１’に流れる電流も、上記の順路で流れる。

放熱パターン５ｔ_０〜５ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９は、各層Ｌ１’〜Ｌ３
’のコイルパターン４ａ’〜４ｃ ’や小パターン４ｆ’の周辺にある空き領域に形成されている。そのうち、放熱パターン５ｔ_０〜５ｔ_６は、コイルパターン４ａ’〜４ｃ
’を延長することにより、コイルパターン４ａ’〜４ｃ ’と一体で形成されている。放熱パターン５ｓ_０〜５ｓ_９は、コイルパターン４ａ’〜４ｃ
’、小パターン４ｆ’、および放熱パターン５ｔ_０〜５ｔ_６と別体で形成されている。

図５（ａ）に示すように、表面層Ｌ１’では、放熱パターン５ｓ_０〜５ｓ_２同士は絶縁され、さらに放熱パターン５ｔ_０〜５ｔ_２やコイルパターン４ａ’とも絶縁されている。放熱ピン７ｇ_０、７ｇ_１とこの周囲のパッド８ｃは、放熱パターン５ｔ_０、５ｔ_１内にそれぞれ設けられていて、放熱パターン５ｔ_０〜５ｔ_２とコイルパターン４ａ’に接続されている。

また、表面層Ｌ１’では、端子６ｏとこの周囲のパッド８ｂは、放熱パターン５ｔ_２内に設けられていて、放熱パターン５ｔ_０〜５ｔ_２やコイルパターン４ａ’に接続され、放熱パターン５ｓ_０〜５ｓ_２と絶縁されている。端子６ｉとこの周囲のパッド８ｂは、コイルパターン４ａ’と放熱パターン５ｔ_０〜５ｔ_２に対して絶縁されている。放熱ピン７ｇ_２、７ｇ_３とこの周囲のパッド８ｃは、放熱パターン５ｓ_１、５ｓ_２内にそれぞれ設けられていて、放熱パターン５ｓ_１、５ｓ_２と接続され、放熱パターン５ｓ_０、５ｔ_０〜５ｔ_２やコイルパターン４ａ’と絶縁されている。

図５（ｂ）に示すように、中間層Ｌ２’では、放熱パターン５ｓ_３、５ｓ_４同士は絶縁され、さらに放熱パターン５ｔ_３、５ｔ_４やコイルパターン４ｂ’とも絶縁されている。

また、中間層Ｌ２’では、放熱ピン７ｇ_２、７ｇ_３とこの周囲のスルーホール８ｄは、放熱パターン５ｔ_３、５ｔ_４内にそれぞれ設けられていて、放熱パターン５ｔ_３、５ｔ_４とコイルパターン４ｂ’に接続されている。放熱ピン７ｇ_０、７ｇ_１とこの周囲のスルーホール８ｄは、放熱パターン５ｓ_３、５ｓ_４内にそれぞれ設けられていて、放熱パターン５ｓ_３、５ｓ_４と接続され、放熱パターン５ｔ_３、５ｔ_４やコイルパターン４ｂ’と絶縁されている。

図５（ｃ）に示すように、裏面層Ｌ３’では、放熱パターン５ｓ_５〜５ｓ_９同士は絶縁され、さらに放熱パターン５ｔ_５、５ｔ_６やコイルパターン４ｃ’とも絶縁されている。放熱ピン７ｇ_０〜７ｇ_３とこの周囲のパッド８ｃは、放熱パターン５ｓ_５〜５ｓ_８内にそれぞれ設けられていて、放熱パターン５ｓ_５〜５ｓ_８と接続され、放熱パターン５ｓ_９、５ｔ_５、５ｔ_６やコイルパターン４ｃ’と絶縁されている。

また、裏面層Ｌ３’では、端子６ｏとこの周囲のパッド８ｂは、放熱パターン５ｓ_９内に設けられていて、放熱パターン５ｓ_９に接続され、放熱パターン５ｓ_５〜５ｓ_８、５ｔ_５、５ｔ_６、やコイルパターン４ｃ’と絶縁されている。端子６ｉとこの周囲のパッド８ｂは、放熱パターン５ｔ_５内に設けられていて、放熱パターン５ｔ_５、５ｔ_６、やコイルパターン４ｃ’に接続され、放熱パターン５ｓ_５〜５ｓ_９と絶縁されている。

つまり、放熱ピン７ｇ_０、７ｇ_１と端子６ｏにより、表面層Ｌ１’のコイルパターン４ａ’、放熱パターン５ｔ_０〜５ｔ_２、中間層Ｌ２’の放熱パターン５ｓ_３〜５ｓ_４、および裏面層Ｌ３’の放熱パターン５ｓ_５、５ｔ_６、５ｔ_９が接続されている。

また、放熱ピン７ｇ_２、７ｇ_３により、表面層Ｌ１’の放熱パターン５ｓ_１、５ｓ_２、中間層Ｌ２’のコイルパターン４ｂ’
、放熱パターン５ｔ_３、５ｔ_４、および裏面層Ｌ３’の放熱パターン５ｓ_７、５ｓ_８が接続されている。

図５に示すように、各層Ｌ１’〜Ｌ３’で、パターン４ａ’〜４ｃ’、４ｆ’、５ｔ_０〜５ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９に対して、貫通孔３ａとねじ１１が絶縁されている。中間層Ｌ２’や裏面層Ｌ３’のパターン４ｂ’、
４ｃ’、４ｆ’、５ｔ_３〜５ｔ_６、５ｓ_３〜５ｓ_９と貫通孔３ａの最短絶縁間隔Ｓ２より、表面層Ｌ１’のパターン４ａ’、４ｆ’、５ｔ_０〜５ｔ_２、５ｓ_０〜５ｓ_２と貫通孔３ａの最短絶縁間隔Ｓ１の方が大きくなっている（図６も参照）。基板３’とヒートシンク１０は、基板３’の導体が存在しない領域Ｒ１、Ｒ２で、ねじ１１により固定されている。

表面層Ｌ１’と裏面層Ｌ３’では、導体であるスルーホール８ａ、８ｄ、９ａ’、９ｂ’、パッド８ｂ、８ｃ、端子６ｉ、６ｏ、小パターン４ｆ’、およびピン７ｇ_０〜７ｇ_３の表面積は同一である。一方、表面層Ｌ１’のパターン４ａ’、５ｔ_０〜５ｔ_２、５ｓ_０〜５ｓ_２の合計表面積より、裏面層Ｌ３’のパターン４ｃ’、５ｔ_５、５ｔ_６、５ｓ_５〜５ｓ_９の合計表面積の方が広くなっている。これは、ねじ１１の周囲の領域Ｒ１、Ｒ２に注目すれば明らかである。

よって、表面層Ｌ１’に設けられた導体の面積（スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ’、９ｂ’、パッド８ｂ、８ｃ、端子６ｉ、６ｏ、パターン４ａ’、４ｆ’、５ｔ_０〜５ｔ_２、５ｓ_０〜５ｓ_２、およびピン７ｇ_０〜７ｇ_３の合計表面積）より、裏面層Ｌ３’に設けられた導体の面積（スルーホール８ａ、８ｄ、９ａ’、９ｂ’、パッド８ｂ、８ｃ、端子６ｉ、６ｏ、パターン４ｃ’、４ｆ’、５ｔ_５、５ｔ_６、５ｓ_５〜５ｓ_９、およびピン７ｇ_０〜７ｇ_３の合計表面積）の方が広くなっている。

これにより、コイルパターン４ａ’〜４ｃ
’に大電流を流したときの発熱は、基板３’の裏面層Ｌ３’に設けられた面積の大きな導体から、ヒートシンク１０に伝わり易くなるので、基板３’を放熱させ易くすることができる。また、基板３’の各層Ｌ１’〜Ｌ３
’にコイルパターン４ａ’〜４ｃ ’と放熱パターン５ｔ_０〜５ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９を設けているので、基板３’の熱を分散させて、基板３’の表面側や裏面側から放熱させることができる。さらにこの結果、発熱量が低減されるように、コイルパターン４ａ’〜４ｃ
’の全長に渡って幅を広げなくてもよくなり、磁気デバイス１’が大型化するのを回避することができる。

本発明では、以上述べた以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、以上の実施形態では、基板３、３’の全ての層Ｌ１〜Ｌ３、Ｌ１’〜Ｌ３
’にコイルパターン４ａ〜４ｅ、４ａ’〜４ｃ ’を形成した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。複数の層を有する基板の少なくとも１層にコイルパターンを形成してもよい。また、コイルパターンは、コアの少なくとも１つの凸部に巻回されていればよい。

また、以上の実施形態では、基板３、３’の裏面層Ｌ３、Ｌ３’に絶縁加工を施さず、基板３、３’とヒートシンク１０との間に絶縁シート１２を挟み込んだ例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、裏面層Ｌ３、Ｌ３’に絶縁加工を施して、絶縁シート１２を省略してもよい。この場合、基板３、３’とヒートシンク１０との間に伝熱体を挟み込むと良い。

また、以上の実施形態では、放熱器として、ヒートシンク１０を用いた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、これ以外の、空冷式や水冷式の放熱器、または冷媒を用いた放熱器などを用いてもよい。

また、以上の実施形態では、厚銅箔基板を用いた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、一般的な樹脂製のプリント基板や金属製の基板などのような、他の基板を用いてもよい。金属製の基板の場合は、基材とコイルパターンとの間に絶縁体を設ければよい。

また、以上の実施形態では、ある層から他の層へ熱を伝えるために、放熱ピンを使用した例を示したが、本発明はこれのみに限定されるものではない。放熱ピンの替わりにスルーホールを使用して、ある層から他の層へ熱を伝えてもよい。逆に、スルーホールの替わりに放熱ピンを使用してもよい。

また、以上の実施形態では、Ｅ字形の上コア２ａ、２ａ’にＩ字形の下コア２ｂ、２ｂ’を組み合わせた例を示したが、本発明は、Ｅ字形コアのみを備えた磁気デバイスにも適用することができる。

さらに、以上の実施形態では、車両用のスイッチング電源装置１００における、平滑回路５５のチョークコイルＬとして使用される磁気デバイス１に本発明を適用した例を挙げたが、トランス５３（図１）として使用される磁気デバイスに対しても、本発明を適用することは可能である。また、車両以外の、たとえば電子機器用のスイッチング電源装置で使用される磁気デバイスにも本発明を適用することは可能である。

１、１’ 磁気デバイス
２ａ、２ａ’ 上コア
２ｂ、２ｂ’ 下コア
３、３’ 基板
４ａ〜４ｅ、４ａ’〜４ｃ’ コイルパターン
４ｆ、４ｆ’ 小パターン
５ａ〜５ｅ、５ｔ_０〜５ｔ_６、５ｓ_０〜５ｓ_９ 放熱パターン
６ｉ、６ｏ 端子
７ａ〜７ｆ、７ｇ_０〜７ｇ_３ 放熱ピン
８ａ、８ｄ スルーホール
８ｂ、８ｃ パッド
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ａ’、９ｂ’ スルーホール
１０ ヒートシンク
１１ ねじ
１２ 絶縁シート
Ｌ１、Ｌ１’ 表面層
Ｌ２、Ｌ２’ 中間層
Ｌ３、Ｌ３’ 裏面層
Ｒ１、Ｒ２ 導体が存在しない領域

Claims (4)

1. 磁性体から成るコアと、
   絶縁体から成り、前記コアが貫通する基板と、
   前記コアの周囲に巻回されるコイルパターンを含む、前記基板に設けられた導体と、を備えた磁気デバイスにおいて、
   前記基板の裏面側に放熱器を設け、
   前記基板の表面層に設けられた前記導体の面積より、前記基板の裏面層に設けられた前記導体の面積の方が広い、ことを特徴とする磁気デバイス。
2. 請求項１に記載の磁気デバイスにおいて、
   前記基板の前記表面層および前記裏面層に設けられた前記導体は、
   前記コイルパターンと、
   前記コイルパターンに対して一体または別体で形成された放熱パターンと、を含む、ことを特徴とする磁気デバイス。
3. 請求項１または請求項２に記載の磁気デバイスにおいて、
   前記基板と前記放熱器とを、前記基板の前記表面層における前記導体が存在しない領域でねじにより固定した、ことを特徴とする磁気デバイス。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の磁気デバイスにおいて、
   前記基板と前記放熱器との間に、伝熱性を有する絶縁シートを挟み込んだ、ことを特徴とする磁気デバイス。

Images