(57)【要約】  磁性体部にコイルが埋設され、磁路の一部に非磁性体部からなる磁気ギャップを備えた積層インダクタであって、前記磁性体部は、−40℃〜＋80℃の間で初透磁率の相対温度係数αμir（周波数1 MHz）が＋10 ppm/℃超かつ＋40 ppm/℃以下のNi系フェライトからなり、前記非磁性体部は、前記磁性体部より多くのZnを含有するキュリー温度Tcが−50℃以下のZn系フェライトからなり、前記非磁性体部と前記磁性体部との境界領域ではZn含有量が連続的に変化しており、もって温度に応じて前記磁気ギャップの厚さが変動することを特徴とする積層インダクタ。
2009081984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体部と、前記磁性体部に埋設されたコイルと、前記コイルの磁気ギャップを構成する非磁性体部とを有する積層インダクタであって、
前記磁性体部は、−40℃〜＋80℃の間で初透磁率の相対温度係数αμir（周波数1 MHz）が＋10 ppm/℃超かつ＋40 ppm/℃以下のNi系フェライトからなり、
前記非磁性体部は、前記磁性体部より多くのZnを含有するキュリー温度Tcが−50℃以下のZn系フェライトからなり、
前記非磁性体部と前記磁性体部との境界領域ではZn含有量が連続的に変化しており、もって温度に応じて前記磁気ギャップの厚さが変動することを特徴とする積層インダクタ。
【請求項２】
複数の磁性体層からなる磁性体部と、前記磁性体部内で積層方向に接続してなる複数の導電体層からなるコイルと、前記コイルの磁気ギャップを構成するために前記コイルの内側及び／又は外側に設けられ非磁性体部とを有する積層インダクタであって、
前記磁性体部がCoを含有するNi系フェライトからなり、
前記非磁性体部が前記磁性体部より多くのZnを含有するとともに前記積層インダクタの使用温度で非磁性であるZn系フェライトからなり、
前記磁性体部と前記非磁性体部との境界領域が前記積層インダクタの使用温度の上昇に伴って非磁性となることを特徴とする積層インダクタ。
【請求項３】
磁性体部と、前記磁性体部に埋設されたコイルと、前記コイルの磁気ギャップを構成する非磁性体部とを有する積層インダクタであって、
前記磁性体部は、−40℃〜＋80℃の間で初透磁率の相対温度係数αμir（周波数1 MHz）が＋10 ppm/℃超かつ＋40 ppm/℃以下のNi系フェライトからなり、
前記非磁性体部は、前記磁性体部より多くのZnを含有するキュリー温度Tcが−50℃以下のZn系フェライトからなり、
−40℃〜＋85℃の間でのインダクタンスの初期値（重畳電流0 A）の変化率が±7％以内であることを特徴とする積層インダクタ。
【請求項４】
請求項1〜3のいずれかに記載の積層インダクタにおいて、前記磁性体部は45〜50 mol％のFe2O3、15〜30 mol％のZnO、5〜15 mol％のCuO、0 mol％超1.2 mol％以下のCoO、残部NiOを主成分とするNi系フェライトからなることを特徴とする積層インダクタ。
【請求項５】
請求項4に記載の積層インダクタにおいて、前記磁性体部は副成分として、主成分100質量％に対して3質量％以下（SnO2換算）のSn及び／又は1質量％以下（MnO換算）のMnを含有することを特徴とする記載の積層インダクタ。
【請求項６】
請求項1〜5のいずれかに記載の積層インダクタにおいて、前記非磁性体部は43〜50 mol％のFe2O3、37〜50 mol％のZnO、及び0〜15 mol％のCuOを主成分とするZn系フェライトからなることを特徴とする積層インダクタ。
【請求項７】
請求項1〜6のいずれかに記載の積層インダクタと、スイッチング素子と、前記スイッチング素子の制御回路とを具備することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ギャップを備えた積層インダクタ及びこれを用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯型の各種電子機器（携帯電話、携帯情報端末PDA、ノート型コンピュータ、DVDプレイヤー、CDプレイヤー、MDプレイヤー、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等）の多くは電源として電池を用いており、電源電圧を所定の動作電圧に変換する電力変換装置としてDC/DCコンバータを備えている。電源は従来入力端子付近に配置されて半導体（IC）等の負荷に接続しているが、最近では半導体の低電圧化及び大電流化、配線による電圧降下、及び回路インピーダンスの上昇による電流変化に対する応答の遅れのような集中給電方式における問題が顕在化してきた。このため、負荷近くに電源を配置するPOL（Point of Load）と呼ばれる集中給電方式が使用されるようになった。例えば、入力端子付近に絶縁型のDC/DCコンバータを配置し、負荷近くに非絶縁型のDC/DCコンバータを配置する。【０００３】
図19は非絶縁型DC/DCコンバータの回路の一例を示す。このDC/DCコンバータは、入力コンデンサCin、出力コンデンサCout、インダクタ1（Lout）、及び制御回路等を含む半導体集積回路ICからなる降圧型DC/DCコンバータである。直流の入力電圧Vinは、制御回路からのコントロール信号に基づいて半導体集積回路IC内のスイッチング素子（電界効果トランジスタ）をスイッチングする。スイッチング素子をオンしている時間をTon、オフしている時間をToffとすると、入力電圧Vinに対して出力電圧VoutはVout＝Ton/(Ton＋Toff)×Vinで表されるように降圧される。入力電圧Vinが変動しても、TonとToffの比率を調整することにより安定した出力電圧Voutを得ることができる。【０００４】
従来のDC/DCコンバータ回路は、スイッチング素子と、制御回路を含む半導体集積回路（能動素子）と、インダクタ、コンデンサ等の受動素子とをプリント配線基板等に搭載したディスクリート回路であるが、電子機器の小型化に伴い回路全体がモジュール化されるようになった。また出力電圧の変動を低減するようにスイッチングの高速化が進み、最近では1 MHzから5 MHzのスイッチング周波数で動作するDC/DCコンバータも普及し、更なる高周波化も進められている。【０００５】
DC/DCコンバータは様々な環境で使用され、半導体集積回路ICや周辺回路の発熱に晒されるので、DC/DCコンバータ内のインダクタは安定した温度特性を有する必要があり、また三角波状の交流電流に重畳して直流電流が流れるため、優れた直流重畳特性を有することも必要である。【０００６】
DC/DCコンバータの電圧変換効率はスイッチング素子やインダクタで発生する損失に大きく影響されるので、インダクタに用いるフェライト磁性体はスイッチング周波数付近で低損失であることが要求される。更に、インダクタにはモールド用樹脂の硬化時等に生じる応力に対して特性変動が少なく、安定して低損失であることが求められる。【０００７】
このようなDC/DCコンバータ用インダクタの多くは、従来フェライト磁心に銅線を巻設した所謂巻線タイプであった。しかしながら、巻線タイプのインダクタが小型になるほど磁心の加工は困難となり、強度も低下する。また巻線タイプのインダクタは開磁路型で、その漏洩磁束が周辺の回路素子に影響するので、インダクタに近接して周辺の回路素子を配置することができず、実装面積の低減が困難である。【０００８】
携帯機器をはじめとする電子機器の小型化及び多機能化が進むにつれて、それに用いられる電源回路の小型化（省スペース化及び低背化）も求められる。しかし、巻線タイプのインダクタは占有面積が大きく背も高いため、高スイッチング周波数化による回路の小型化に対応しきれない。そのため、導体線路をフェライト磁性体に一体化して漏洩磁束を少なくした閉磁路型の積層インダクタが用いられるようになった。【０００９】
インダクタ用フェライト磁性体は、飽和磁束密度が高く、使用温度範囲において飽和磁束密度及び初透磁率の変化が小さいことが求められる。このようなフェライト磁性体として、特開2005-97085号は、45.5〜48.0 mol％のFe2O3、5〜10 mol％のCuO、26〜30 mol％のZnO、残部実質的にNiOの主成分100重量％に対して、副成分として酸化コバルトをCoO換算で0.005〜0.045重量％含有し、−40℃〜＋20℃における初透磁率の相対温度係数（αμir）の絶対値、及び20℃〜160℃におけるαμirの絶対値がともに3 ppm/℃以下であり、100 kHzにおける品質係数（Q値）が170以上であり、抗応力特性の絶対値が5％以下であるNi系フェライトを開示している。このNi系フェライトは温度特性が安定したインダクタンスを有するが、DC／DCコンバータ用インダクタに重要な飽和磁束密度Bsの温度特性が不十分である。【００１０】
図20はαμirの絶対値が小さいフェライト磁性体の磁化曲線を概略的に示す。一般に、フェライト磁性体の飽和磁束密度Bsは温度が高くなり（温度：T3＞T2＞T1）、キュリー温度Tcに近づくほど低下する。このため飽和磁束密度の温度変化は磁界Hが小さいときには僅かであるが、磁界Hが大きくなると急激に大きくなる。【００１１】
このような磁化特性を有するフェライト磁性体を用いたインダクタの直流重畳特性を図21に示す。重畳電流Idcが小さい場合、インダクタンスの温度変化は小さいが、重畳電流Idcが大きい場合、温度が高くなるに従いインダクタンスが著しく低下する。そのため、フィードバック電流によるDC／DCコンバータの制御が困難となり、安定した動作が得られなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って本発明の第一の目的は、温度によるインダクタンスの変化が小さく、磁気特性の温度特性に優れ、直流重畳特性にも優れた積層インダクタ及び電力変換装置を提供することである。【００１３】
本発明の第二の目的は、スイッチング周波数付近で低損失な積層インダクタ及び電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第一の積層インダクタは、磁性体部と、前記磁性体部に埋設されたコイルと、前記コイルの磁気ギャップを構成する非磁性体部とを有し、前記磁性体部は、−40℃〜＋80℃の間で初透磁率の相対温度係数αμir（周波数1 MHz）が＋10 ppm/℃超かつ＋40 ppm/℃以下のNi系フェライトからなり、前記非磁性体部は、前記磁性体部より多くのZnを含有するキュリー温度Tcが−50℃以下のZn系フェライトからなり、前記非磁性体部と前記磁性体部との境界領域ではZn含有量が連続的に変化しており、もって温度に応じて前記磁気ギャップの厚さが変動することを特徴とする。【００１５】
Zn含有量が連続的に変化する境界領域において、Zn含有量が増大するにつれてキュリー温度Tcが低下し初透磁率が増大するので、磁性体部側より非磁性体部側の方が高透磁率となる傾向にある。【００１６】
本発明の第二の積層インダクタは、複数の磁性体層からなる磁性体部と、前記磁性体部内で積層方向に接続してなる複数の導電体層からなるコイルと、前記コイルの磁気ギャップを構成するために前記コイルの内側及び／又は外側に設けられ非磁性体部とを有し、前記磁性体部がCoを含有するNi系フェライトからなり、前記非磁性体部が前記磁性体部より多くのZnを含有するとともに前記積層インダクタの使用温度で非磁性であるZn系フェライトからなり、前記磁性体部と前記非磁性体部との境界領域が前記積層インダクタの使用温度の上昇に伴って非磁性となることを特徴とする。【００１７】
本発明の第三の積層インダクタは、磁性体部と、前記磁性体部に埋設されたコイルと、前記コイルの磁気ギャップを構成する非磁性体部とを有し、前記磁性体部は、−40℃〜＋80℃の間で初透磁率の相対温度係数αμir（周波数1 MHz）が＋10 ppm/℃超かつ＋40 ppm/℃以下のNi系フェライトからなり、前記非磁性体部は、前記磁性体部より多くのZnを含有するキュリー温度Tcが−50℃以下のZn系フェライトからなり、−40℃〜＋85℃の間でのインダクタンスの初期値（重畳電流0 A）の変化率が±7％以内であることを特徴とする。【００１８】
第一〜第三の積層インダクタにおいて、上記磁性体部は45〜50 mol％のFe2O3、15〜30 mol％のZnO、5〜15 mol％のCuO、0 mol％超1.2 mol％以下のCoO、残部NiOを主成分とするNi系フェライトからなるのが好ましい。【００１９】
磁性体部は副成分として、主成分100質量％に対して3質量％以下（SnO2換算）のSn及び／又は1質量％以下（MnO換算）のMnを含有しても良い。【００２０】
非磁性体部は磁性体部よりZnを多く含有するZn系フェライトからなる。このようなZn系フェライトの好ましい主成分組成は、43〜50 mol％のFe2O3、37〜50 mol％のZnO、及び0〜15 mol％のCuOからなる。Zn系フェライトのキュリー温度Tcは−50℃以下が好ましい。非磁性体部を磁性体部と同じスピネルとすれば、境界で熱膨張係数の差異によるクラックが生じ難くなる。【００２１】
本発明の電力変換装置は、上記積層インダクタと、スイッチング素子と、前記スイッチング素子の制御回路とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
温度により実効的な厚さが変化する磁気ギャップを有するとともに、フェライト磁性体の初透磁率の相対温度係数αμirを所望の範囲に設定した本発明の積層インダクタは、温度変化に対して安定したインダクタンス及び優れた直流重畳特性を有するとともに、スイッチング周波数付近で低損失であり、応力による特性変動が少ない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態による積層インダクタの外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による積層インダクタを示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による積層インダクタの積層構造を示す分解斜視図である。
【図４（ａ）】本発明の焼成前の積層インダクタの非磁性体部を含む領域を示す部分断面図である。
【図４（ｂ）】本発明の焼成後の積層インダクタの非磁性体部を含む領域を示す部分断面図である。
【図５】本発明の積層インダクタの磁気ギャップを含む領域におけるZnOの拡散状態を示すグラフである。
【図６】初透磁率の相対温度係数が大きいフェライトの磁化曲線を示すグラフである。
【図７】初透磁率の相対温度係数が大きいフェライトを用いたインダクタの直流重畳特性を示すグラフである。
【図８】本発明の積層インダクタの直流重畳特性を示すグラフである。
【図９（ａ）】本発明の積層インダクタに用いる第一の複合シートを示す断面図である。
【図９（ｂ）】本発明の積層インダクタに用いる第二の複合シートを示す断面図である。
【図１０】CoO含有量と初透磁率の相対温度係数αμirとの関係を示すグラフである。
【図１１】MnO含有量と初透磁率の相対温度係数αμirとの関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の積層インダクタ（試料S3）におけるZnOの拡散状態を示すグラフである。
【図１３】焼成のピーク温度とZn含有量の分布との関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の積層インダクタ（試料S1）の直流重畳特性を示すグラフである。
【図１５】本発明の積層インダクタ（試料S2）の直流重畳特性を示すグラフである。
【図１６】本発明の積層インダクタ（試料S3）の直流重畳特性を示すグラフである。
【図１７】比較例1に用いる第三の複合シートを示す断面図である。
【図１８】比較例1の従来の積層インダクタの直流重畳特性を示すグラフである。
【図１９】DC/DCコンバータの等価回路を示す図である。
【図２０】初透磁率の相対温度係数が小さいフェライトの磁化曲線を示すグラフである。
【図２１】初透磁率の相対温度係数が小さいフェライトを用いたインダクタの直流重畳特性を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
[1] 積層インダクタ
(a) 構造
図1〜3に示す本発明の一実施形態による積層インダクタは、積層体1内部に埋設された導体パターン5a〜5eを接続してなるコイルを備えており、コイルの両端は、積層体1の表面にAg等の導体ペーストを焼き付けた外部端子20a、20bと接続している。図2に示すように、積層体1は、コイルを構成する複数の導体パターン5a〜5eを有する磁性体部2と、導体パターン5cと接する位置に設けられてコイルの磁気ギャップを形成する非磁性セラミック層（非磁性体部）15とを有する。非磁性体部15の端部は積層体1の側面に露出している。この積層インダクタはコイルの内側及び外側の両方に磁気ギャップを備えた開磁路構造を有するが、コイルの内側又は外側のみに非磁性体部15を形成しても良く、また複数の非磁性体層を設けても良い。外部端子の形成位置は積層体1の両端部に限定されない。【００２５】
磁性体部2は、周波数1 MHzで−40℃〜＋80℃の間で初透磁率の相対温度係数αμirが＋10 ppm/℃超かつ＋40 ppm/℃以下のNi系フェライトにより形成するのが好ましい。このNi系フェライトは、45〜50 mol％のFe2O3、15〜30 mol％のZnO、5〜15 mol％のCuO、0 mol％超1.2 mol％以下のCoO、残部NiOを主成分とするのが好ましい。【００２６】
Fe2O3が45 mol％未満ではコアロスが大きく、透磁率が低い。Fe2O3が50 mol％を超えると960℃以下で焼結不足となり、機械的強度が低下する。Fe2O3はより好ましくは47〜49.5 mol％である。【００２７】
ZnOは透磁率の向上に寄与する。ZnOが15 mol％未満では−40℃〜＋80℃でαμirが＋40 ppm/℃より大きく、温度によるインダクタンス変化が大きい。ZnOが30 mol％を超えるとコアロスが大きくなるとともに、高温（120℃）での飽和磁束密度が300 mT未満に低下する。ZnOはより好ましくは17〜27mol％である。【００２８】
CuOが5 mol％未満又は15 mol％超であると飽和磁束密度Bsが低い。またCuOは焼結温度の低下に寄与するが、5 mol％未満であると焼結密度が不十分になり易い。CuOはより好ましくは7〜12 mol％である。【００２９】
CoOは磁歪定数を増加させ、無応力時の初透磁率を低下させ、温度及び応力による初透磁率の変化を大きくする。またCo2＋は正の結晶磁気異方性定数を有するので、負の磁気異方性定数を有するNi系フェライトに固溶すると、Ni系フェライトの磁気異方性定数が低減され、特に1 MHz以上の高周波でのコアロスが低減する。従って、CoOの添加により初透磁率の相対温度係数αμirを調整し、高周波数でのコアロスを低減することができる。しかしCoOが1.2 mol％を超えると、磁気異方性定数が正の側に大きくなりすぎるので、コアロスが大きくなり、−40℃〜＋80℃でのαμirが＋40 ppm/℃より大きくなる。CoOはより好ましくは0.2〜1.2mol％である。【００３０】
NiOは、主成分組成からFe2O3、ZnO、CuO及びCoOの量を引いた残量である。所望の透磁率と高い飽和磁束密度を得るには、NiO/CuOのモル比を0.3〜5.8とするのが好ましい。【００３１】
Ni系フェライトは副成分として、主成分100質量％に対して3質量％以下（SnO2換算）のSn及び／又は1質量％以下（MnO換算）のMnを含有しても良い。【００３２】
Snは安定な4価イオンとして結晶粒内に固溶し、格子歪を低減させることにより飽和磁歪定数λs及び磁気異方性定数を小さくし、もって応力によるインダクタンスの変化やコアロスの増加を抑制する。3質量％以下のSnO2の添加により、使用温度において磁気異方性定数が急激に変化するのを抑制し、かつ飽和磁束密度の減少に応じて磁気異方性定数の減少を調整することができるため、初透磁率の相対温度係数αμirを調整することができる。SnO2が3質量％超であると焼結性が不足し、透磁率等の磁気特性が劣化する。SnO2はより好ましくは0.2〜2.0質量％である。【００３３】
Mnの添加により格子歪が低減し、初透磁率μiが増加し、B-Hループの非線形性が改善され、マイナーループにおける保磁力Hcが低下する。MnOが1質量％を超えると焼結性が低下し、コアロスの応力特性が悪化する傾向にある。MnOはより好ましくは0.2〜0.8質量％である。【００３４】
磁気ギャップを設けた小型の積層インダクタの場合、初透磁率が小さいと所望のインダクタンスを得るためにコイルの巻数を増加せざるを得ず、直流抵抗Rdcが増加するので、磁性体部を構成するNi系フェライトの初透磁率は70以上が好ましく、100以上がより好ましい。【００３５】
本発明の積層インダクタでは、温度に応じて磁気ギャップ長が変化する。磁気ギャップ長の変化と磁性体部の初透磁率の相対温度係数αμirとを整合させることによりインダクタンスの温度変化を小さくすることができる。温度により磁気ギャップ長が変化する本発明の構造の場合、磁性体部の初透磁率の相対温度係数αμirが＋10 ppm／℃以下又は＋40 ppm/℃超であると、インダクタンスの変化が大きい。【００３６】
磁束φを遮る磁気ギャップを形成する非磁性体部15は、磁性体部2よりZnを多く含有し、キュリー温度Tcが−50℃以下のZn系フェライトにより形成するのが好ましい。このようなZn系フェライトの好ましい主成分組成は、43〜50 mol％のFe2O3、37〜50 mol％のZnO、及び0〜15 mol％のCuOからなる。Zn系フェライトのより好ましい主成分組成は、47〜49.5 mol％のFe2O3、40〜50 mol％のZnO、及び7〜12 mol％のCuOからなる。非磁性体部を磁性体部と同じスピネルとすれば、境界で熱膨張係数の差異によるクラックが生じ難くなる。更に磁性体部2から拡散するＣｏを含み得る。【００３７】
直流重畳特性を改善するために積層インダクタに非磁性Zn系フェライトからなる磁気ギャップを設けることは従来から行なわれているが、本発明のような構造によりインダクタの温度特性を改善した例はなかった。【００３８】
磁性体部と非磁性体部との境界領域は、インダクタの非磁性体部となる非磁性材料に含まれるZnの一部が焼成時に磁性体部に拡散することにより形成される。非磁性体部と磁性体部との境界では、Zn含有量が非磁性体部から磁性体部へ連続的に変化（減少）するので、キュリー温度Tcも連続的に変化し、もって磁気回路中の磁気ギャップ長も温度により変化する。【００３９】
図4(a) 及び図4(b) は本発明の積層インダクタに用いる焼成前後の積層体の断面を示す。非磁性体部Aを磁性体部Cで挟む図4(a) に示す積層体を焼成すると、非磁性体部Aから磁性体部CへZnが拡散し、非磁性体部AのZn含有量が減少し、磁性体部CのZn含有量が増加する。その結果、非磁性体部Aと磁性体部Cとの境界では、Zn含有量が連続的に変化する境界領域Bが形成される［図4(b)］。【００４０】
図5は磁気ギャップを含む領域におけるZn含有量の分布を示す。Zn含有量は、非磁性体部Aと磁性体部Cとの境界領域Bでは、相対的に高濃度の非磁性体部Aから低濃度の磁性体部Cに向けて緩やかに減少する。図中実線で示す試料S1と破線で示す試料S2は、非磁性体部AにおけるZn含有量が異なる。非磁性体部Aとフェライト磁性体部CとのZn含有量の差を大きくすれば、境界領域BでのZn含有量の傾斜が大きくなるため、キュリー温度Tcの変化は急峻となる。試料S2の場合、非磁性体部A近傍ではZnが多いため、低温での磁気キャップは試料S1より厚くなる。【００４１】
図6は、磁性体部Cに用いるαμirの絶対値が大きいフェライト磁性体の磁化曲線を概略的に示す。このようなフェライト磁性体の飽和磁束密度は、低印加磁界では高温であるほど大きく、高印加磁界では低温であるほど大きくなる傾向を示す。【００４２】
このような磁化特性を有するフェライト磁性体を用いたインダクタの直流重畳特性を図7に示す。重畳電流Idcが大きくなりかつ温度が高くなるに従って、インダクタンスは低下する。αμirが大きいため、重畳電流Idcが小さい場合でもインダクタンスの温度変化は大きく、安定した特性が得られない。しかし、非磁性体部Aと磁性体部Cとの境界においてキュリー温度Tcが連続的に変化する構造とし、非磁性体部Aと境界領域BにおけるZn含有量による磁気ギャップの厚さの温度変化と、磁性体部Cに用いるフェライト磁性体の初透磁率の相対温度係数αμirとを適宜整合させることにより、図8に示すように、低〜高重畳電流においてインダクタンスの温度変化が小さいインダクタとすることができる。また温度とともに磁気ギャップの実効的な厚さが変化するので、上記境界領域Bがない磁気ギャップを有するインダクタと比較して、高温及び／又は大電流時でのインダクタンスの低下を防ぐことができる。【００４３】
本実施形態による積層インダクタは、図3に示すように、主に導体ペーストで帯状の導体パターンを形成した第一及び第二の複合シート50a、50bからなる層L2〜L6と、磁性体シート10からなる層L1，L7とにより構成されている。例えば層L2を構成する第一の複合シート50aは、図9(a) に示すように、キャリアフィルム（図示せず）上に形成した磁性体シート10aに導体パターン5aを印刷し、導体パターン5aが形成されていない磁性体シート10aの全面に磁性体ペーストを印刷して導体パターン5aと同じ厚さの磁性体層10bを形成することにより形成される。第一の複合シート50aからなる他の層L3，L5及びL6は、導体パターン5b，5d，5eの形状が異なる点、及び各導体パターン5b，5d，5eの末端部に磁性体シート10aを貫通するビアホール6b，6d，6eを設けた点以外、層L2と同じである。【００４４】
層L4を構成する第二の複合シート50bは、図9(b) に示すように、キャリアフィルム（図示せず）上に形成した非磁性体シート15に導体パターン5cを印刷し、導体パターン5cが形成されていない非磁性体シート15の全面に磁性体ペーストを印刷して導体パターン5cと同じ厚さの磁性体層10bを形成することにより形成される。なお、第一及び第二の複合シート50a、50bにおいて、導体パターン5a〜5eと磁性体層10bの印刷順序を逆にしても良い。【００４５】
(b) 製造方法
(1) 磁性体シート層10（L7）の形成
キャリアフィルム（図示せず）上に形成した磁性体シート10aをキャリアフィルムとともに所定の形状に切断し、プレート（図示せず）上に配置し、キャリアフィルム側を吸引保持する。同様に形成したキャリアフィルム付き磁性体シート10aをキャリアフィルムを上にしてプレート上の磁性体シート10aに重ねて圧着した後、キャリアフィルムを剥離する。この操作を複数回数繰り返して、所定の厚さの磁性体シート層10（L7）を形成する。【００４６】
(2) 第一の複合シート50aからなる層L6，L5の積層
層L7に、キャリアフィルム上に形成した第一の複合シート50aを重ねて圧着し、キャリアフィルムを剥離することにより、第一の複合シート50aからなる層L6を積層し、同様にして層L5を積層する。【００４７】
(3) 第二の複合シート50bからなる層L4の積層
層L5に、キャリアフィルム上に形成した第二の複合シート50bを重ねて圧着し、キャリアフィルムを剥離することにより、第二の複合シート50bからなる層L4を積層する。【００４８】
(4) 第一の複合シート50aからなる層L3，L2の積層
層L4に、キャリアフィルム上に形成した第一の複合シート50aを重ねて圧着し、キャリアフィルムを剥離する工程を繰り返すことにより、第一の複合シート50aからなる層L3，L2を積層する。これにより、ビアホール6b〜6eを介して導体パターン5a〜5eが接続され、導体パターン5b，5c間に非磁性体層15による磁気ギャップが形成されたコイルが形成される。
(5) 磁性体シート層10（L1）の積層
層L2に、工程(1) と同様にして複数の磁性体シート10aを圧着し、所定の厚さの磁性体シート層10（L1）を形成する。【００４９】
キャリアフィルムは約50〜250μmの厚さで、表面に剥離材としてシリコーン樹脂をコーティングしたポリエステルフィルムが好ましい。キャリアフィルム上に、ドクターブレード法、ダイコータ法、ロールコータ法等により形成する磁性体シート10a又は非磁性体シート15を形成する。磁性体シート10aの厚さは10〜300μmが好ましく、非磁性体シート15の厚さは所望の磁気ギャップが得られるように5〜200μmが好ましい。【００５０】
工業的には多数の積層インダクタが連結した積層体を形成し、個々の積層インダクタに切断し、850〜950℃で1〜6時間焼結した後、バレル研磨し、コイルの両端が現れた各積層インダクタの両側面にAgペーストを塗布及び焼き付けて外部端子20a、20bを形成するのが好ましい。【００５１】
磁性体部Cに用いるNi系フェライトの初透磁率の相対温度係数αμir及び飽和磁束密度の温度特性に応じて、焼成条件（ピーク温度、保持時間等の温度プロファイル）を適宜調整することにより、境界領域BにおけるZnの拡散状態を制御する。【００５２】
焼成雰囲気は導体パターンの金属材料に応じて決める。金属材料の酸化が問題となる場合、焼成雰囲気を酸素分圧が８％以下の低酸素雰囲気、又はN2，Ar等の不活性ガス雰囲気とするのが好ましい。【００５３】
導体パターンや外部端子を構成する低抵抗率の金属材料はAg、Pt，Pd，Au，Cu，Ni、又はこれらの合金が好ましい。また磁性体シート10a及び磁性体層10bは上記Ni系フェライトにより形成し、非磁性体シート15は上記Zn系フェライトにより形成する。【００５４】
導体パターン5a〜5eが形成されたコイル部における磁性体シート10a及び磁性体層10bと、コイル部の上下に位置する磁性体シート層10，10は、実質的に同じNi系フェライトにより形成するのが好ましい。「実質的に同じ」とは、主成分が同じという意味で、副成分が異なっていても結晶粒径が異なっていても良い。必要に応じて異なるフェライトを用いてもよい。例えば磁性体シート層10，10をNi系フェライトより高飽和磁束密度のMn系フェライトとすると、局部的な磁気飽和を低減することができる。【００５５】
磁気ギャップとして機能する非磁性体層15は、セラミックグリーンシートにより構成するので厚さ精度が良く、コイルのインダクタンスのばらつきを小さく抑制することができる。また複数の第二の複合シート50bを用いることにより、複数の磁気ギャップを分散して設けても良い。【００５６】
[2] 電力変換装置
本発明の電力変換装置は、上記積層インダクタと、スイッチング素子と、前記スイッチング素子の制御回路とを具備する。インダクタ、スイッチング素子等は回路基板に実装しても良いし、樹脂基板上に実装してモジュール化しても良い。またインダクタ上にスイッチング素子等を実装してモジュール化しても良い。【００５７】
図19は、積層インダクタと半導体集積回路ICとを組み合わせた電力変換装置としての降圧型DC/DCコンバータの等価回路を示す。積層インダクタの上面に設けられた実装用電極にスイッチング素子及び制御回路を含む半導体集積回路ICが実装され、積層インダクタの裏面に出力電圧制御用端子Vcon、出力のON/OFF制御用端子Ven、スイッチング素子のON/OFF制御用端子Vdd、入力端子Vin、出力端子Vout、及びグランド端子GND等の外部端子が設けられている。外部端子は、積層インダクタの側面及び内部に形成された接続電極により、半導体集積回路IC及び内蔵コイルと接続している。本発明の積層インダクタを具備するDC/DCコンバータは、高温及び高直流重畳電流でも優れた変換効率で安定動作することができる。【００５８】
本発明を以下実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。ただし、積層体の各層の厚さは特に断りがない限り焼成後の厚さをいう。【００５９】
実施例1
[1] 磁性体部を構成するNi系フェライト
(a) 製造
Fe2O3、ZnO、CuO、CoO及びNiOからなる主成分粉末と、SnO2及びMnOからなる副成分粉末とを湿式混合し、乾燥し、800℃で2時間仮焼した。仮焼粉をイオン交換水とともにボールミルに投入し、BET比表面積が6.5m2/gとなるまで約20時間粉砕した。この仮焼粉砕粉にポリビニルアルコールを加えてスプレードライヤー法で顆粒化した後成形し、大気中900℃で2時間焼成し、表1に示す組成を有し、外径8 mm、内径4 mm、厚さ2 mmのトロイダル磁心状試料を作製した。主成分及び副成分の含有量の測定は蛍光X線分析法及びICP発光分光分析法により行った。まず蛍光X線分析により含有元素を同定し、標準サンプルとの比較による検量線法により定量した。【００６０】
(b) 磁気特性の測定
各試料の初透磁率μi、飽和磁束密度Bs、残留磁束密度Br、保磁力Hc及びコアロスを下記の方法により測定した。
(1) 初透磁率μi
各トロイダル磁心試料に銅線を7ターン巻いてインダクタとし、LCRメータを用いて周波数1 MHz及び電流1 mAでインダクタンスを測定し、下記式により初透磁率μiを算出した。
初透磁率μi＝(le×L)/(μ0×Ae×N2)
（le：磁路長、L：試料のインダクタンス、μ0：真空の透磁率＝4π×10-7 H/m、Ae：試料の断面積、N：コイルの巻数）【００６１】
次にトロイダルコア磁心試料のインダクタンスを−40℃〜＋80℃の範囲で測定し、初透磁率の相対温度係数αμirを下記式により算出した。
初透磁率の相対温度係数αμir＝[(μi2−μi1)/μi12]/(T2−T1)【００６２】
−40℃〜＋20℃の範囲では、T1は20℃、T2は−40℃、μi1は−40℃における初透磁率、μi2は＋20℃における初透磁率である。また＋20℃〜＋80℃の範囲では、T1は＋20℃、T2は＋80℃、μi1は20℃における初透磁率、μi2は80℃における初透磁率である。測定温度範囲を2つに分けたのは、αμirの符号が温度範囲に応じて逆転することがあるためである。【００６３】
(2) 飽和磁束密度Bs、残留磁束密度Br及び保磁力Hc
B-Hアナライザを用いて、4 KA/mの磁場中10 kHzの周波数で各試料の飽和磁束密度Bs、残留磁束密度Br及び保磁力Hcを測定した。【００６４】
(3) コアロスPcv
トロイダル磁心試料に1次側2次側ともに5ターンの銅線を巻き、室温（25℃）で5 MHz及び30 mTの条件、及び10 MHz及び30 mTの条件でコアロスPcvを測定した。【００６５】
表1に各試料の組成、初透磁率μi、及びαμirを示し、表2にコアロスPcv、飽和磁束密度Bs、残留磁束密度Br及び保磁力Hcを示す。なお、*を付した試料は本発明の範囲外である。【００６６】
【表１】
2009081984.tif 000003
【００６７】
【表２】
2009081984.tif 000004
【００６８】
図10は、試料8〜16におけるCoO量とαμirとの関係を示す。Co量が増大するとαμirも正側に増大する関係を利用して、αμirを所望の値に制御することができる。−40℃〜＋20℃におけるαμirはCoOが1.0 mol％以上になると急に大きくなり、＋20℃〜＋80℃におけるαμirはCoOが1.5 mol％以上になると急に大きくなる。【００６９】
図11は、試料11及び19〜22におけるMnO量とαμirとの関係を示す。Coが少ない場合、Mn量が増大するとαμirが低減するので、コア損失を抑制しながらαμirを所望の値に調整することができることが分かる。【００７０】
[2] 非磁性体部を構成するZn系フェライト
48.5 mol％のFe2O3粉末、42.7 mol％のZnO粉末、及び8.8 mol％のCuO粉末を湿式混合し、乾燥し、800℃で2時間仮焼した。仮焼粉をイオン交換水とともにボールミルに投入し、BET比表面積が4.5 m2/gとなるまで約20時間粉砕した。仮焼粉砕粉にポリビニルアルコールを加えてスプレードライヤー法で顆粒化した後成形し、大気中900℃で2時間焼成して、外径8 mm、内径4 mm、厚さ2 mmのZn系フェライトのトロイダル磁心状試料を得た。主成分の含有量の測定は磁性体部を構成するNi系フェライトと同様に行った。各試料のキュリー温度Tcは−60℃以下であり、初透磁率μiは実質的に1であった。【００７１】
[3] インダクタ
試料6のNi系フェライトの組成となるように、原料粉末を混合、仮焼及び粉砕し、仮焼粉末にポリビニルブチラールとエタノール溶媒を加えてボールミル中で混練してスラリーとした。粘度を調整した後、スラリーをPETフィルム上にドクターブレード法で塗布し、乾燥して厚さ30μmの磁性体シート10aを作製した。同様に上記Zn系フェライトからなる厚さ10μm、20μm及び30μmの非磁性体シート10bを作製した。これらの磁性体シート10a及び非磁性体シート10bに、図3に示すように、Agペーストにより厚さ30μmの導体パターン5a〜5eを形成した後、導体パターン5a〜5eと同じ厚さの磁性体層10bを形成し、両側に磁性体シート層10を設けて、積層圧着した。得られた積層集合体を2.5 mm×2.0 mm×1.0 mmの寸法に切断し、500℃で脱バインダーした後、大気中で900℃に3時間保持して焼成した。焼成積層体に外部端子20a，20bを形成した後焼き付け、4.5ターンのコイルを備えた積層インダクタを作製した。このようにして得られた積層インダクタ（試料S1〜S3）を表3に示す。【００７２】
【表３】
2009081984.tif 000005
【００７３】
図12は、試料S3の磁気ギャップ（非磁性体部）を含む領域でのZn含有量の分布を示す。磁性体部C、非磁性体部A及び境界領域BにおけるZnO，Fe2O3，CuO，NiO及びCoOの含有量は、EPMA（Electron Probe X-ray Microanalysis）及びSEM-EDX（走査型電子顕微鏡エネルギー分散型X線分析）により測定した。非磁性体部Aと磁性体部Cとの境界は明確ではなく、Zn含有量は連続的に変化している。またCoが非磁性体部Aに拡散している。【００７４】
境界領域Bは非磁性体部AからのZnの拡散により形成されるので、非磁性体部Aを形成する非磁性体シート15の厚さは重要なパラメータである。非磁性体シート15の厚さが10μmの試料S1の場合、Zn含有量は最大でも33 mol％（ZnO換算）しかなく、非磁性体部Aを形成することができなかった。また焼成のピーク温度とZn含有量の分布との関係を示す図13から明らかなように、ピーク温度が890℃から920℃まで上昇するにつれてZnの拡散が進み、境界領域Bが広る。このように非磁性体部A及び境界領域Bの厚さは非磁性体シート15の厚さ及びZn含有量、並びに焼成条件により変化するので、それらを適宜設定する必要がある。例えば試料S1の場合でも、非磁性体シート15のZn含有量及び焼成条件を適宜設定することにより非磁性体部Aを形成することができる。【００７５】
図14〜16は、試料S1〜S3の直流重畳特性を示す。図14に示すように非磁性体シート15の厚さが10μmの試料S1では、磁気ギャップ効果が得られず、低重畳電流時（0〜700 mA）に温度に対して安定したインダクタンスが得られない。図15及び図16に示すように、非磁性体シート15の厚さが20μmの試料S2及び30μmの試料S3では、広い重畳電流範囲において温度に対して安定したインダクタンスが得られた。試料S2では500 mA以上の重畳電流で試料S1より大きなインダクタンスが得られ、試料S3では700 mA以上の重畳電流で試料S1より大きなインダクタンスが得られた。【００７６】
表4は試料S1の直流重畳特性を示し、表5は試料S2の直流重畳特性を示し、表6は試料S3の直流重畳特性を示す。−40℃〜＋85℃におけるインダクタンスの変化率は下記式により算出した。
インダクタンスの変化率＝(L2−L1)/L1
（ただし、−40℃〜＋25℃の温度範囲では、L1は＋25℃におけるインダクタンスであり、L2は−40℃におけるインダクタンスである。また＋25℃〜＋85℃の温度範囲では、L1は＋25℃におけるインダクタンスであり、L2は＋85℃におけるインダクタンスである。）【００７７】
【表４】
2009081984.tif 000006
【００７８】
【表５】
2009081984.tif 000007
【００７９】
【表６】
2009081984.tif 000008
【００８０】
インダクタに1つの非磁性体部（磁気ギャップ）を設ける代りに、複数の非磁性体シート15を用いて磁気ギャップを積層方向に分散して設けても良い。この場合、一部の磁気ギャップにZrO2等の非磁性セラミックスを用いても良い。【００８１】
比較例1
図17に示すように、実施例1と同じ厚さ30μmの磁性体シート10aに厚さ10μmの導体パターン5fを形成し、導体パターン5fの外側に、導体パターン5fと同じ厚さの磁性体ペーストを印刷するとともに、導体パターン5fの内側に導体パターン5fと同じ厚さのZrO2ペーストを印刷し、第三の複合シート50cを形成した。第三の複合シート50cを3枚重ねて用いることにより、合計30μmの3つの磁気ギャップ（ZrO2）を有する積層インダクタ（試料S4）を作製した。【００８２】
実施例1と同様にEPMAによりZnを定量した結果、比較例1ではZrO2からなる非磁性体部Aに磁性体部CのZnが拡散し、境界領域Bでは本発明と逆に磁性体部側でZn含有量が少ないことが分った。試料S4の直流重畳特性を図18及び表7に示す。500〜1000 mAの直流重畳電流の範囲以外では、温度に対するインダクタンスの変化が大きかった。【００８３】
【表７】
2009081984.tif 000009
【図１】
2009081984.tif 000010
【図２】
2009081984.tif 000011
【図３】
2009081984.tif 000012
【図４（ａ）】
2009081984.tif 000013
【図４（ｂ）】
2009081984.tif 000014
【図５】
2009081984.tif 000015
【図６】
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【図７】
2009081984.tif 000017
【図８】
2009081984.tif 000018
【図９（ａ）】
2009081984.tif 000019
【図９（ｂ）】
2009081984.tif 000020
【図１０】
2009081984.tif 000021
【図１１】
2009081984.tif 000022
【図１２】
2009081984.tif 000023
【図１３】
2009081984.tif 000024
【図１４】
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【図１５】
2009081984.tif 000026
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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