(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイルが形成された多層基板を備え、
前記複数のコイルそれぞれは、前記多層基板に形成された導体パターンで構成され、かつ前記多層基板の面に配列され、
前記複数のコイルそれぞれは、電流の旋回方向が互いに逆の関係にある第１コイル部および第２コイル部を備え、
前記複数のコイルは、前記第１コイル部と前記第２コイル部とが交互に並ぶように、且つ、隣接する前記第１コイル部と前記第２コイル部での電流が同じ方向に向くように配置された、
平面アレイコイル。
【請求項２】
前記第１コイル部と前記第２コイル部は、電流が共通して流れる共通部を備え、
前記共通部では電流は共通して流れ、前記第１コイル部および前記第２コイル部の前記共通部以外の部分では電流が分岐して流れる、
請求項１に記載の平面アレイコイル。
【請求項３】
前記第１コイル部は、前記共通部と該共通部につながる第１外側導体部と、を備え、
前記第２コイル部は、前記共通部と該共通部につながる第２外側導体部と、を備え、
前記第１外側導体部と前記第２外側導体部とは、前記複数のコイルが並ぶ方向において前記共通部を挟む位置に配置される、
請求項２に記載の平面アレイコイル。
【請求項４】
前記複数のコイルのうち、前記隣接する前記第１コイル部と前記第２コイル部の同士の間隔は、当該間隔の方向での前記隣接する前記第１コイル部と前記第２コイル部の開口幅以下である、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の平面アレイコイル。
【請求項５】
前記多層基板に積層するように設けられ、前記多層基板の平面視で前記複数のコイルを覆う磁性体シートを備えた、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の平面アレイコイル。
【請求項６】
前記導体パターンは、前記多層基板が備える複数の基材層に形成されたコイル導体パターンと、当該コイル導体パターン同士を層間で接続する層間接続導体とで構成され、
前記複数の基材層に形成されたコイル導体パターンそれぞれは、直線状の中央導体パターンと、当該中央導体パターンを間に挟む両側にそれぞれ形成されたコイル状導体パターンとを含み、
電流経路として連続した、前記中央導体パターン及び前記コイル状導体パターンによって前記第１コイル部および前記第２コイル部が構成される、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の平面アレイコイル。
【請求項７】
複数のコイルが形成された多層基板を備え、
前記複数のコイルそれぞれは、前記多層基板に形成された導体パターンで構成され、かつ前記多層基板の面に配列され、
前記複数のコイルそれぞれは、電流の旋回方向が互いに逆の関係にある第１コイル部および第２コイル部を備え、
前記複数のコイルは、前記第１コイル部と前記第２コイル部とが交互に並ぶように、且つ、隣接する前記第１コイル部と前記第２コイル部での電流が同じ方向に向くように配列され、
前記複数のコイルのうち、前記隣接する前記第１コイル部と前記第２コイル部の間隔は、当該間隔の方向での前記第１コイル部および前記第２コイル部の開口幅以下であり、
前記多層基板に積層するように設けられ、前記多層基板の平面視で前記複数のコイルを覆う磁性体シートを備え、
前記導体パターンは、前記多層基板が備える複数の基材層に形成されたコイル導体パターンと、当該コイル導体パターン同士を層間で接続する層間接続導体とで構成され、
前記複数の基材層に形成されたコイル導体パターンそれぞれは、直線状の中央導体パターンと、当該中央導体パターンを間に挟む両側にそれぞれ形成されたコイル状導体パターンとを含み、
電流経路として連続した、前記中央導体パターン及び前記コイル状導体パターンによって前記第１コイル部および前記第２コイル部が構成される、
平面アレイコイル。
【請求項８】
前記コイル状導体パターンは、１ターン未満の環状導体パターンである、請求項６または請求項７に記載の平面アレイコイル。
【請求項９】
前記コイル状導体パターンは、１ターン以上の渦巻状導体パターンである、請求項６または請求項７に記載の平面アレイコイル。
【請求項１０】
前記コイル導体パターンが形成された複数の基材層のうち、最下層と表層とで挟まれる中間層に形成されるコイル導体パターンは、２種のコイル導体パターンで構成され、
前記２種のコイル導体パターンは前記多層基板の積層方向に交互に配置される、
請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の平面アレイコイル。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の平面アレイコイルと、電力変換回路と、を備え、
前記複数のコイルは、第１端が前記電力変換回路のスイッチング回路部にそれぞれ接続され、第２端が共通の出力部に接続され、
前記スイッチング回路部が、前記複数のコイルに電流をマルチフェーズで通電することで、前記隣接する前記第１コイル部と前記第２コイル部のうち並列する部分に流れる電流が同方向となる、
スイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のコイルが平面に配列された平面アレイコイルと、この平面アレイコイルを備えるスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のコイルが積み重ねて設けられた積層型のインダクタアレイが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、複数の絶縁層と導体パターンとが積層された積層体によって構成され、積層体内に、複数の導体パターンからなる第１コイルと第２コイルとが２段積みして設けられたインダクタアレイが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−７３０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のインダクタアレイのように、ヘリカル状の複数のインダクタを、それらの巻回軸が一致するように積み上げた場合、複数のインダクタ同士に不要な磁気結合が生じやすい。そのため、複数のインダクタを用いたＤＣ−ＤＣコンバータ回路を備えるスイッチング電源装置において、各コンバータ回路の電力変換動作において互いに悪影響を及ぼす場合がある。つまり、本来独立して動作すべき各コンバータ回路の電力変換動作に不具合が生じる。このような状況になると、電力変換動作が適切に行われず、スイッチング電源装置の電力変換効率が低下する虞も生じる。【０００５】
そこで、本発明の目的は、隣接するコイル間での不要な磁気結合が抑制された平面アレイコイルと、この平面アレイコイルを備えて安定した電力変換動作を行うスイッチング電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一例としてのアレイコイルは、複数のコイルが形成された多層基板を備える。そして、複数のコイルそれぞれは、多層基板に形成された導体パターンで構成され、かつ多層基板の面に配列され、複数のコイルそれぞれは、電流の旋回方向が互いに逆の関係にある２つのコイル部を備え、複数のコイルは、２つのコイル部のうち片方のコイル部同士が近接する状態で配列されている。【０００７】
上記アレイコイルによれば、多層基板の面に配列された複数のコイルのうち、互いに隣接する、異なるコイルの片方のコイル部同士は並走部分での不要な磁気結合が殆ど生じない。そのため、コイル間での不要な磁気結合が抑制される。また、その分、コイル間隔を狭くできるので小形化できる。【０００８】
また、本開示の一例としてのスイッチング電源装置は、上記平面アレイコイルと、電力変換回路と、を備え、前記複数のコイルは、第１端が前記電力変換回路のスイッチング回路部に接続され、第２端が共通の出力部に接続され、前記スイッチング回路部が、前記複数のコイルに電流をマルチフェーズで通電することで、前記隣接するコイル部のうち並列する部分に流れる電流が同方向となる。【０００９】
上記スイッチング電源装置によれば、コイル間の不要な磁気結合が少ないので、安定した電力変換動作が行われる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、隣接するコイル間での不要な磁気結合が抑制された平面アレイコイルと、この平面アレイコイルを備えて安定した電力変換動作を行うスイッチング電源装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る平面アレイコイル１０１の斜視図である。
【図２】図２は、第１の実施形態の平面アレイコイル１０１のうち、１つのコイルの構造を示す分解平面図である。
【図３】図３は、図２に示した各層の導体パターンを積層した状態を簡易的に表す斜視図である。
【図４】図４（Ａ）は図１におけるＸ０―Ｘ０部分の縦断面図であり、図４（Ｂ）は図１におけるＸ１―Ｘ１部分の縦断面図である。
【図５】図５（Ａ）は平面アレイコイル１０１に流れる電流と、生じる磁束の様子を示す斜視図であり、図５（Ｂ）はその断面図である。
【図６】図６は、比較例の平面アレイコイル１０１Ｃの斜視図である。
【図７】図７（Ａ）は平面アレイコイル１０１Ｃに流れる電流と、生じる磁束の様子を示す斜視図であり、図７（Ｂ）はその断面図である。
【図８】図８は、隣接するコイル間の間隔Ｄに対する磁気結合係数ｋの関係を示す図である。
【図９】図９は第２の実施形態に係る平面アレイコイルの１つのコイルの構造を示す分解平面図である。
【図１０】図１０は、第３の実施形態に係る平面アレイコイルの１つのコイル構造を示す分解平面図である。
【図１１】図１１は、第３の実施形態に係る別の平面アレイコイルの１つのコイル構造を示す分解平面図である。
【図１２】図１２は、第３の実施形態に係るさらに別の平面アレイコイルの１つのコイル構造を示す分解平面図である。
【図１３】図１３は、第４の実施形態に係る平面アレイコイルの１つのコイル構造を示す分解平面図である。
【図１４】図１４は、第４の実施形態に係る別の平面アレイコイルの１つのコイル構造を示す分解平面図である。
【図１５】図１５は、第４の実施形態に係るさらに別の平面アレイコイルの１つのコイル構造を示す分解平面図である。
【図１６】図１６は第５の実施形態に係る平面アレイコイルの１つのコイルの構造を示す分解平面図である。
【図１７】図１７は第６の実施形態に係る平面アレイコイル１０６の断面図である。
【図１８】図１８（Ａ）は平面アレイコイル１０６の１つのコイルについて、そのインダクタンス（リアクタンス）の周波数特性を示す図であり、図１８（Ｂ）はそのインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図１９】図１９（Ａ）は比較例の平面アレイコイルの１つのコイルについて、そのインダクタンス（リアクタンス）の周波数特性を示す図であり、図１９（Ｂ）はそのインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図２０】図２０は第７の実施形態に係るスイッチング電源装置１１１の回路図である。
【図２１】図２１は図２０に示したスイッチング電源装置の各部の電圧・電流の波形図である。
【図２２】図２２は４つのコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が形成された平面アレイコイルと、電力変換回路２０と、を備えるスイッチング電源装置１１２の回路図である。
【図２３】図２３は、並列制御を行うスイッチング回路部の数を負荷の大きさに応じて変更した場合の、出力電流に対する出力電圧の関係を示す図である。
【図２４】図２４は多層基板１０に形成されたスイッチング電源装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
《第１の実施形態》
図１は、第１の実施形態に係る平面アレイコイル１０１の斜視図である。図２は、本実施形態の平面アレイコイル１０１のうち、１つのコイルの構造を示す分解平面図である。図３は、図２に示した各層の導体パターンを積層した状態を簡易的に表す斜視図である。図４（Ａ）は図１におけるＸ０―Ｘ０部分の縦断面図であり、図４（Ｂ）は図１におけるＸ１―Ｘ１部分の縦断面図である。図５（Ａ）はこの平面アレイコイル１０１に流れる電流と、生じる磁束の様子を示す斜視図であり、図５（Ｂ）はその断面図である。
【００１３】
本実施形態の平面アレイコイル１０１は、多層基板１０に形成された複数のコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を備える。これらコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３のそれぞれの第１端Ｐ１は、電力変換回路のスイッチング回路部に接続され、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３のそれぞれの第２端Ｐ２は共通の出力部に接続される。各コイルの詳細な構造と電力変換回路については後に示す。
【００１４】
多層基板１０は、Ｘ方向を長手方向とし、Ｙ方向を短手方向とする平板状である。この多層基板１０の長手方向に沿って複数のコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３が配置されている。これらコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、多層基板１０に形成された導体パターンで構成されている。
【００１５】
コイルＬ１は２つのコイル部Ｌ１ａ，Ｌ１ｂを備え、コイルＬ２は２つのコイル部Ｌ２ａ，Ｌ２ｂを備え、コイルＬ３は２つのコイル部Ｌ３ａ，Ｌ３ｂを備える。コイル部Ｌ１ａはコイルＬ１の中央導体パターン１とコイル状導体パターン２とで構成され、コイル部Ｌ１ｂはコイルＬ１の中央導体パターン１とコイル状導体パターン３とで構成される。同様に、コイル部Ｌ２ａはコイルＬ２の中央導体パターン１とコイル状導体パターン２とで構成され、コイル部Ｌ２ｂはコイルＬ２の中央導体パターン１とコイル状導体パターン３とで構成される。さらに、コイル部Ｌ３ａはコイルＬ３の中央導体パターン１とコイル状導体パターン２とで構成され、コイル部Ｌ３ｂはコイルＬ３の中央導体パターン１とコイル状導体パターン３とで構成される。
【００１６】
具体的には、コイルＬ１を例に挙げると、中央導体パターン１は、多層基板１０の短手方向の一端又は一端付近Ｐ１１から他端Ｐ１２に向かって延びる導体パターンで構成されている。また、コイル状導体パターン２は、中央導体パターン１の他端Ｐ１２から屈曲点Ｐ２１まで多層基板１０の長手方向に延びる第１連接部と、屈曲点Ｐ２１から屈曲点Ｐ２２まで多層基板１０の短手方向に延びる第２連接部と、屈曲点Ｐ２２から屈曲点Ｐ２３まで多層基板１０の長手方向に延びる第３連接部と、を備える導体パターンで構成されている。同様に、コイル状導体パターン３は、中央導体パターン１の他端Ｐ１２から屈曲点Ｐ３１まで多層基板１０の長手方向に延びる第１連接部と、屈曲点Ｐ３１から屈曲点Ｐ３２まで多層基板１０の短手方向に延びる第２連接部と、屈曲点Ｐ３２から屈曲点Ｐ３３まで多層基板１０の長手方向に延びる第３連接部と、を備える導体パターンで構成されている。
【００１７】
上述の構造により、コイル状導体パターン２，３はそれぞれ１ターン未満の環状導体パターンを構成する。そして、中央導体パターン１とコイル状導体パターン２の第２連接部（点Ｐ２１−Ｐ２２間）とが平行に配置され、中央導体パターン１とコイル状導体パターン３の第２連接部（点Ｐ３１−Ｐ３２間）とが平行に配置される。
【００１８】
コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３の第１端Ｐ１と第２端Ｐ２は、多層基板１０の短手方向の一方の端部側に引き出されて、多層基板１０の長手方向に沿って配置されている。また、第１端Ｐ１と第２端Ｐ２とは、多層基板１０の厚み方向に対向するように、つまり、平面視で重なるように配置されている。
【００１９】
図２に示す例は、平面アレイコイル１０１を形成するために、ビルドアップ工法で多層基板（図１に示す多層基板１０）を製造する場合の一例である。図２では、多層基板１０の各層に形成されたコイル導体パターンのみを表している。図１の各コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３のいずれも同じ構成である。
【００２０】
図２、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に表れているように、表層である第１層Ｓ１には中央導体パターン１ａと２つのコイル状導体パターン２ａ，３ａが形成されている。同様に、第２層Ｓ２には中央導体パターン１ｂと２つのコイル状導体パターン２ｂ，３ｂが形成されていて、第３層Ｓ３には中央導体パターン１ｃと２つのコイル状導体パターン２ｃ，３ｃが形成されていて、第４層Ｓ４には中央導体パターン１ｄと２つのコイル状導体パターン２ｄ，３ｄが形成されていて、第５層Ｓ５には中央導体パターン１ｅと２つのコイル状導体パターン２ｅ，３ｅが形成されている。そして、最下層である第６層Ｓ６には中央導体パターン１ｆと２つのコイル状導体パターン２ｆ，３ｆが形成されている。中央導体パターン１ａ〜１ｆはいずれも直線状（線分状）であり、コイル状導体パターン２ａ〜２ｆ，３ａ〜３ｆはいずれも単体では１ターン未満の導体パターンである。
【００２１】
第１層Ｓ１のコイル状導体パターン２ａ，３ａの端部と第２層Ｓ２の中央導体パターン１ｂの端部は第１層Ｓ１のビアＶを介して接続されている。また、第２層Ｓ２のコイル状導体パターン２ｂ，３ｂの端部と第３層Ｓ３の中央導体パターン１ｃの端部は第２層Ｓ２のビアＶを介して接続されている。同様に、第３層Ｓ３のコイル状導体パターン２ｃ，３ｃの端部と第４層Ｓ４の中央導体パターン１ｄの端部は第３層Ｓ３のビアＶを介して接続されていて、第４層Ｓ４のコイル状導体パターン２ｄ，３ｄの端部と第５層Ｓ５の中央導体パターン１ｅの端部は第４層Ｓ４のビアＶを介して接続されている。そして、第５層Ｓ５のコイル状導体パターン２ｅ，３ｅの端部と第６層Ｓ６の中央導体パターン１ｆの端部は第５層Ｓ５のビアＶを介して接続されている。
【００２２】
コイル導体パターンが形成された複数の基材層のうち、最下層と表層とで挟まれる中間層（第２層Ｓ２から第５層Ｓ５）のコイル導体パターンは、２種のコイル導体パターンで構成され、この２種のコイル導体パターンが多層基板の積層方向に交互に配置されている。図２、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示す例では、第２層Ｓ２と第４層Ｓ４に第１種のコイル導体パターンが形成されていて、第３層Ｓ３と第５層Ｓ５に第２種のコイル導体パターンが形成されている。
【００２３】
第１層Ｓ１の中央導体パターン１ａの端部は第１端Ｐ１として引き出されていて、第６層Ｓ６のコイル状導体パターン２ｆ，３ｆの端部は接続されて第２端Ｐ２として引き出されている。
【００２４】
図３、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に表れているように、各層の中央導体パターン１ａ〜１ｆの大部分は平面視で重なる。また、各層の一方のコイル状導体パターン２ａ〜２ｆの大部分は平面視で重なり、各層の他方のコイル状導体パターン３ａ〜３ｆの大部分は平面視で重なる。さらに、この例では既に述べたとおり、第１端Ｐ１と第２端Ｐ２も平面視で重なる。
【００２５】
なお、図１、図２等に示した例では、全体の概形が角丸の矩形の環状導体パターンを含むコイルの例を示したが、全体の概形が矩形状、長円形状、楕円形状、円形状などであってもよい。
【００２６】
図２、図３に示した導体パターンでコイルが構成されていることにより、第１端Ｐ１−第２端Ｐ２間に電圧が印加されることで、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示した方向に電流が流れ、磁束が生じる。
【００２７】
図５（Ａ）中の直線の矢印は或る位相（タイミング）における各コイル部に流れる電流の方向を示している。図５（Ｂ）中の破線のループは、或る位相（タイミング）における各コイル部に生じる磁束を示している。この図５（Ｂ）は図４（Ａ）に磁束を記入したものである。つまり、コイルＬ１の２つのコイル部Ｌ１ａ，Ｌ１ｂには、旋回方向が互いに逆の電流が流れる。同様に、コイルＬ２の２つのコイル部Ｌ２ａ，Ｌ２ｂには、旋回方向が互いに逆の電流が流れ、コイルＬ３の２つのコイル部Ｌ３ａ，Ｌ３ｂには、旋回方向が互いに逆の電流が流れる。
【００２８】
また、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、上記２つのコイル部のうち片方のコイル部同士が隣接する状態で配列されている。具体的には、コイルＬ１の片方のコイル部Ｌ１ｂとコイルＬ２の片方のコイル部Ｌ２ａとが隣接していて、コイルＬ２の片方のコイル部Ｌ２ｂとコイルＬ３の片方のコイル部Ｌ３ａとが隣接している。
【００２９】
そして、スイッチング回路の動作により、隣接するコイル部のうち並走する部分に流れる電流が同方向になるように、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３が互いに接続されている。図５（Ａ）に矢印で示す例では、隣接するコイル部のうちＹ軸方向に並走する部分に同方向の電流が流れる。
【００３０】
図６は、比較例の平面アレイコイル１０１Ｃの斜視図である。図７（Ａ）はこの平面アレイコイル１０１Ｃに流れる電流と、生じる磁束の様子を示す斜視図であり、図７（Ｂ）はその断面図である。
【００３１】
図６、図７（Ａ）に示す比較例の平面アレイコイル１０１Ｃは、多層基板１０に形成された複数のコイルＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３を備える。これらコイルＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３のそれぞれの第１端Ｐ１は、電力変換回路のスイッチング回路部に接続され、第２端Ｐ２は共通の出力部に接続される。コイルＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３は、多層基板１０に形成された導体パターン４ａ〜４ｆで構成され、かつ多層基板１０の面に沿って配列されている。コイルＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３はそれぞれ１つのコイル開口を有する。
【００３２】
そして、スイッチング回路の動作により、コイルＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３には同方向に旋回する電流が流れる。そのため、隣接するコイルのうち並走する部分に互いに逆方向に電流が流れる。
【００３３】
図７（Ａ）に示す比較例の平面アレイコイル１０１Ｃでは、隣接するコイルを共に鎖交する磁束φｍが生じると、その磁束φｍによって、上記隣接する２つのコイルに流れる電流が互いに相殺される。つまり、隣接する２つのコイル同士が磁界を介して不要結合する。このような不要結合を抑制するためには、隣接するコイル同士の間隔を大きくする必要があり、小形化できない。
【００３４】
これに対し、図１、図５（Ａ）に示した本実施形態の平面アレイコイル１０１では、隣接するコイル部を共に鎖交する磁束φｍが生じても、その磁束φｍによって、上記隣接する２つのコイル部に流れる電流は相殺されない。つまり、隣接する２つのコイル部同士が磁束を介して磁気結合をしても悪影響を及ぼさない。そのため、隣接するコイル同士の間隔を小さくでき、そのことでアレイコイルを小形化できる。図１に示した例では、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３のうち、片方のコイル部同士の間隔Ｄは、当該間隔Ｄの方向でのコイル部の開口幅Ｗより小さい。ここで、「間隔Ｄ」とは、互いに隣接するコイルのうち隣接する片方のコイル部同士の、コイル隣接方向（図１に示した例では多層基板１０の長手方向）の間隔である。例えば、コイルＬ１のコイル部Ｌ１ｂとコイルＬ２のコイル部Ｌ２ａとの間隔である。また、上記「開口幅Ｗ」とは、互いに隣接するコイルのうち隣接する片方のコイル部同士の、コイル隣接方向（図１に示した例では多層基板１０の長手方向）の開口幅である。上記コイル隣接方向での各コイル部のコイル開口幅が、中央導体パターン１の延びる方向における位置に応じて異なる場合は、つまり、コイル開口幅が一定でない場合は、その最大値をコイル開口幅Ｗの代表値とする。
【００３５】
なお、図１に示した例では、一方の導体パターンの縁から他方の導体パターンの縁までの間隔を「間隔Ｄ」や「開口幅Ｗ」として定義したが、一方の導体パターンの線幅の中央から他方の導体パターンの線幅の中央までの間隔を「間隔Ｄ」や「開口幅Ｗ」として定義してもよい。
【００３６】
上述の構造により、隣接するコイルのコイル状導体パターン同士が隣接配置されるので、両者の間には他の導体が設けられず、コイル状導体パターン同士は面方向に誘電体を介して対向配置される。
【００３７】
図１、図６に示す各部の寸法の一例を次に示す。
【００３８】
コイル全体の幅AW：34mm
コイルの幅ＣＷ：10mm
コイル部の長さCL：10 mm
開口幅Ｗ：3.3mm
コイル部同士の間隔Ｄ：2mm
中央導体パターン１の線幅：1.8mm
コイル状導体パターン２，３の線幅：0.8mm
このように、本実施形態においては、中央導体パターン１の延びる方向の長さ（コイル部の長さCL）はコイル部の開口幅Ｗよりも大きい。また、中央導体パターン１の電流は、コイル状導体パターン２に流れる電流とコイル状導体パターン３に流れる電流との和、すなわちコイル状導体パターン２に流れる電流の２倍の電流が流れる。このため中央導体パターン１の電流密度は、コイル状導体パターン２，３の電流密度と等しくなるように、又はほぼ等しくなるように設定している。各導体パターンの厚みが同じ場合、中央導体パターン１の線幅はコイル状導体パターン２，３の線幅の２倍程度である。中央導体パターン１に流れる電流をコイル状導体パターン２とコイル状導体パターン３とに均等に分流させる構造により、導体パターンの有するインピーダンスが各部で均一になって、全体のインピーダンスが小さくなり、コイルの面積を最小化できる。すなわち、導体パターンが有するインピーダンスとコイル面積との間でのトレードオフの関係を最適化することができ、高効率かつ小型軽量なコイルを構成できる。
【００３９】
図８は、隣接するコイル間の間隔Ｄに対する磁気結合係数ｋの関係を示す図である。図８において、特性ラインＣＬ１は本実施形態の平面アレイコイル１０１の特性であり、特性ラインＣＬ２は比較例の平面アレイコイル１０１Ｃの特性を表している。このように、同じコイル間の間隔Ｄで比較すると、本実施形態の平面アレイコイル１０１は比較例の平面アレイコイル１０１Ｃに対して磁気結合係数ｋは小さい。
【００４０】
ここで、例えば磁気結合係数ｋの目標値を最大０．０４とすれば、比較例の平面アレイコイル１０１Ｃではコイル間の間隔Ｄを４ｍｍ以上にする必要がある。これに対し、本実施形態の平面アレイコイル１０１では、コイル間の間隔Ｄを２ｍｍまで近接させることができる。
【００４１】
《第２の実施形態》
第２の実施形態では、複数のコイルを構成する導体パターンの形状が第１の実施形態で示したものと異なる、幾つかのコイルについて示す。
【００４２】
図９は第２の実施形態に係る平面アレイコイルの１つのコイルの構造を示す分解平面図である。図２に示した例と同様に、図９も多層基板１０の各層に形成されたコイル導体パターンのみを表している。この図９に示すコイルは、図２に示した第４層及び第５層が無い。つまり、図２の第２層及び第４層に形成された第１種のコイル導体パターンと、図２の第３層及び第５層に形成された第２種のコイル導体パターンとをそれぞれ１層ずつ備えている。
【００４３】
このように、導体パターンの積層数は適宜定められる。
【００４４】
図２、図９において、第２層と第３層は積層方向への繰り返し周期の最小単位である。第２層と第３層の繰り返し回数が「０回」であれば、つまり、表層と最下層の２層でコイルが構成される。第２層と第３層の繰り返し回数が「１回」であれば、図９に示した４層でコイルが構成され、第２層と第３層の繰り返し回数が「２回」であれば、図２に示したように６層でコイルが構成される。第２層と第３層の繰り返し回数は「３回」以上であってもよい。
【００４５】
《第３の実施形態》
第３の実施形態では、複数のコイルを構成する導体パターンの形状が第１の実施形態及び第２の実施形態で示したものと異なる、幾つかのコイルについて示す。
【００４６】
図１０、図１１、図１２は、第３の実施形態に係る平面アレイコイルの１つのコイル構造を示す分解平面図である。図２、図９に示した例と同様に、多層基板の各層に形成されたコイル導体パターンのみを表している。本実施形態に係る平面アレイコイルのコイルを構成する導体パターンは、図２，図９等に示した例とは異なり、屈曲部がラウンド形状ではなく、直角状に屈折している。
【００４７】
図１０に示すコイルは、図９に示した第２層及び第３層が無い構造に相当する。つまり、図９の第１層（表層）に形成されたコイル導体パターンと、第２層（最下層）に形成されたコイル導体パターンとをそれぞれ１層ずつ備えている。
【００４８】
図１１に示すコイルは、図９に示したコイルと類似しているが、図１１に示す例では、第２層のコイル導体パターンにおいて、コイル状導体パターン２ｂとコイル状導体パターン３ｂとが連続している。図１１において、第２層に形成されたビアＶは第３層の中央導体パターン１ｃの端部に導通する。
【００４９】
図１２に示すコイルは、図２に示したコイルと類似しているが、図１２に示す例では、第２層のコイル導体パターンにおいて、コイル状導体パターン２ｂとコイル状導体パターン３ｂとが連続している。また、第４層のコイル導体パターンにおいて、コイル状導体パターン２ｄとコイル状導体パターン３ｄとが連続している。
【００５０】
《第４の実施形態》
第４の実施形態では、複数のコイルを構成する導体パターンの形状が、これまでに示した実施形態とは異なる、幾つかのコイルについて示す。
【００５１】
図１３、図１４、図１５は、第４の実施形態に係る平面アレイコイルの１つのコイル構造を示す分解平面図である。図２等に示した例と同様に、多層基板の各層に形成されたコイル導体パターンのみを表している。
【００５２】
図１３に示すコイルは、表層である第１層に中央導体パターン１ａと２つのコイル状導体パターン２ａ，３ａが形成されている。第２層には中央導体パターン１ｆと２つのコイル状導体パターン２ｆ，３ｆが形成されている。第１層のコイル状導体パターン２ａ，３ａの端部と第２層の中央導体パターン１ｆの端部とはビアＶを介して接続されている。
【００５３】
図１４に示すコイルは、表層である第１層に中央導体パターン１ａと２つのコイル状導体パターン２ａ，３ａが形成されている。第２層には中央導体パターン１ｂと２つのコイル状導体パターン２ｂ，３ｂが形成されている。第３層には中央導体パターン１ｃと２つのコイル状導体パターン２ｃ，３ｃが形成されている。最下層である第４層には中央導体パターン１ｆと２つのコイル状導体パターン２ｆ，３ｆが形成されている。積層方向に隣接する導体パターン同士はビアＶを介してそれぞれ接続されている。
【００５４】
図１５に示すコイルは、６層に亘る導体パターンを備える。第１層から第３層までの構成は、図１４に示したコイルの第１層から第３層までの構成と同じである。第４層には中央導体パターン１ｄと２つのコイル状導体パターン２ｄ，３ｄが形成されていて、第５層には中央導体パターン１ｅと２つのコイル状導体パターン２ｅ，３ｅが形成されている。最下層である第６層には中央導体パターン１ｆと２つのコイル状導体パターン２ｆ，３ｆが形成されている。積層方向に隣接する導体パターン同士はビアＶを介してそれぞれ接続されている。
【００５５】
図１５において、第４層の導体パターンは第２層の導体パターンと同じであり、第３層の導体パターンは第５層の導体パターンと同じである。言い換えると、図１４に示したコイルは、第２層に形成された第１種のコイル導体パターンと第３層に形成された第２種のコイル導体パターンの組の繰り返し回数が１回のコイルであり、図１５に示したコイルは、上記第１種のコイル導体パターンと上記第２種のコイル導体パターンとの組の繰り返し回数が２回のコイルである。図１３に示したコイルは、上記繰り返し回数が０回のコイルと言える。
【００５６】
上述の構造により、コイル状導体パターン２，３はそれぞれ１ターン以上の渦巻状導体パターンを構成する。このように、ターン数が１ターン以上の導体パターンを含んでいてもよい。
【００５７】
なお、図１３〜図１５に示した例では、全体の概形が矩形の渦巻状導体パターンと、全体の概形が矩形の環状導体パターンとを含むコイルの例を示したが、全体の概形が角丸の矩形状、長円形状、楕円形状、円形状などであってもよい。
【００５８】
《第５の実施形態》
図１６は、第５の実施形態の別の平面アレイコイルの１つのコイル構造を示す分解平面図である。これは貫通ビア工法で多層基板を製造する場合の１例である。これまでに示した実施形態の例と同様に、多層基板の各層に形成されたコイル導体パターンのみを表している。
【００５９】
図１６に表れているように、表層である第１層には中央導体パターン１ａと２つのコイル状導体パターン２ａ，３ａが形成されている。同様に、第２層には中央導体パターン１ｂと２つのコイル状導体パターン２ｂ，３ｂが形成されていて、第３層には中央導体パターン１ｃと２つのコイル状導体パターン２ｃ，３ｃが形成されていて、第４層には中央導体パターン１ｄと２つのコイル状導体パターン２ｄ，３ｄが形成されていて、第５層には中央導体パターン１ｅと２つのコイル状導体パターン２ｅ，３ｅが形成されている。そして、最下層である第６層には中央導体パターン１ｆと２つのコイル状導体パターン２ｆ，３ｆが形成されている。
【００６０】
図１６中の複数の丸いパターンはそれぞれ貫通ビアである。第１層の中央導体パターン１ａの端部と第２層のコイル状導体パターン２ｂ，３ｂの端部は貫通ビアを介して接続されている。また、第２層の中央導体パターン１ｂの端部と第３層のコイル状導体パターン２ｃ，３ｃの端部は貫通ビアを介して接続されている。同様に、第３層の中央導体パターン１ｃの端部と第４層のコイル状導体パターン２ｄ，３ｄの端部は貫通ビアを介して接続されていて、第４層の中央導体パターン１ｄの端部と第５層のコイル状導体パターン２ｅ，３ｅの端部は貫通ビアを介して接続されている。そして、第５層の中央導体パターン１ｅの端部と第６層のコイル状導体パターン２ｆ，３ｆの端部は貫通ビアを介して接続されている。
【００６１】
第１層のコイル状導体パターン２ａ，３ａは接続されて第１端Ｐ１として引き出されていて、第６層の中央導体パターン１ｆの端部は第２端Ｐ２として引き出されている。
【００６２】
《第６の実施形態》
第６の実施形態では磁性体シートを備える平面アレイコイルの例を示す。
【００６３】
図１７は第６の実施形態に係る平面アレイコイル１０６の断面図である。図１７に示す多層基板１０の構造は図１等に示したとおりであり、複数のコイルが配列されている。この多層基板１０の両面に磁性体シート１１，１２が重ねられている。磁性体シート１１，１２の平面形状は多層基板１０と同形状であり、磁性体シート１１，１２は多層基板１０の全面を覆う。
【００６４】
磁性体シート１１，１２は例えば、複数の磁性体フェライトの薄板がベースフィルムに貼付されたもの、又は磁性体フェライト粉が混練されたシリコーンゴムやその他のゴムがシート状に成形されたものである。この磁性体シート１１，１２はコイル開口を抜ける磁束の磁路として作用する。また、磁気シールド層として作用する。
【００６５】
なお、既に述べたとおり、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３のうち、片方のコイル部同士の間隔Ｄは、当該間隔Ｄの方向でのコイル部の開口幅Ｗより小さい（図１参照）という条件の下で、磁性体シート１１，１２を備えることにより、隣接するコイル間の磁気結合による相互インダクタンスが増大する。そのため、コイル単独でのインダクタンスを減少させることなくコイルを密接して配置することができる。十分なインダクタンスを得ながら、アレイコイルの面積を小さくできる、という作用効果を奏する。
【００６６】
図１８（Ａ）は本実施形態の平面アレイコイル１０６の１つのコイルについて、そのインダクタンス（リアクタンス）の周波数特性を示す図であり、図１８（Ｂ）はそのインピーダンスの周波数特性を示す図である。図１９（Ａ）は比較例の平面アレイコイルの１つのコイルについて、そのインダクタンス（リアクタンス）の周波数特性を示す図であり、図１９（Ｂ）はそのインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【００６７】
図１８（Ａ）と図１９（Ａ）より明らかなように、10kHzから100MHzの周波数帯に亘ってインダクタンスは大きくなっている。このように、磁性体シート１１，１２は空気などよりも高い透磁率を有するため磁路として作用し、コイルの自己インダクタンスが大きくなる。
【００６８】
また、図１８（Ｂ）と１９（Ｂ）より、コイルのインピーダンスは、100MHzを超える自己共振周波数までは周波数と共に増加しており、周波数に応じて交流抵抗が増加する特性が確認できる。
【００６９】
《第７の実施形態》
第７の実施形態では、以上に示した平面アレイコイルを備えるスイッチング電源装置の例を示す。
【００７０】
図２０は第７の実施形態に係るスイッチング電源装置１１１の回路図である。このスイッチング電源装置１１１は、コイルＬ１，Ｌ２が形成された平面アレイコイルと、電力変換回路２０と、を備える。電力変換回路２０のスイッチング回路部２１ａ，２１ｂは、それぞれハイサイドのMOS-FETとローサイドのMOS-FETとで構成されている。コイルＬ１の第１端はスイッチング回路部２１ａの出力部に接続されていて、第２端は共通の出力部Ｐｏに接続されている。コイルＬ２の第１端はスイッチング回路部２１ｂの出力部に接続されていて、第２端は共通の出力部Ｐｏに接続されている出力部Ｐｏには平滑コンデンサＣｏが接続されている。
【００７１】
前記スイッチング回路部２１ａのＭＯＳ−ＦＥＴのゲート・ソース間には駆動回路２２ａが接続されていて、前記スイッチング回路部２１ｂのＭＯＳ−ＦＥＴのゲート・ソース間には駆動回路２２ｂが接続されている。
【００７２】
駆動回路２２ａ，２２ｂにはスイッチング制御回路２３が接続されている。このスイッチング制御回路２３は駆動回路２２ａ，２２ｂに対して、位相差１８０度の２相の駆動信号を出力する。
【００７３】
図２１は図２０に示したスイッチング電源装置の各部の電圧・電流の波形図である。図２１において、電流ｉ１はスイッチング回路部２１ａに流れる入力電流であり、電流ｉ２はスイッチング回路部２１ｂに流れる入力電流である。また、電流ｉＬ１はコイルＬ１に流れる電流であり、電流ｉＬ２はコイルＬ２に流れる電流である。電圧Voutは出力部Ｐｏの出力電圧である。
【００７４】
入力電流ｉ１，ｉ２の電流波形の位相差は１８０度であり、コイルＬ１，Ｌ２に流れる電流の波形の位相差も１８０度である。図２０、図２１に示した例では、２つのコイルを用いた２相のスイッチング電源装置であるので、１スイッチング周期に２組のスイッチング動作が行われ、２回のコイル電流における励磁電流の波形が確認できる。
【００７５】
図２２は４つのコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が形成された平面アレイコイルと、電力変換回路２０と、を備えるスイッチング電源装置１１２の回路図である。電力変換回路２０のスイッチング回路部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは、それぞれハイサイドのMOS-FETとローサイドのMOS-FETとで構成されている。コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４のそれぞれの第１端はスイッチング回路部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出力部にそれぞれ接続されていて、第２端は共通の出力部Ｐｏに接続されている。
【００７６】
スイッチング回路部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄには図外の駆動回路がそれぞれ接続されていて、各駆動回路にスイッチング制御回路２３の駆動回路に出力部（PWM1，PWM2，PWM3，PWM4）が接続されている。このスイッチング制御回路２３は駆動回路に対して、位相差９０度の４相の駆動信号を出力部（PWM1，PWM2，PWM3，PWM4）から出力する。
【００７７】
このように４相のスイッチング電源装置であれば、スイッチング回路部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに流れる入力電流波形の位相差は９０度であり、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に流れる電流の波形の位相差も９０度である。したがって、１スイッチング周期に４組のスイッチング動作が行われる。
【００７８】
図２２に示したスイッチング制御回路２３は、マルチフェーズのＰＷＭコントローラであり、負荷の軽重に応じて、複数のスイッチング回路部２１ａ〜２１ｄのうち、用いるスイッチング回路部の数を制御することもできる。つまり、最軽負荷時には単相で動作し、最重負荷時には４相で動作し、その中程度の負荷時には２相又は３相で動作する。
【００７９】
図２３は、並列制御を行うスイッチング回路部の数を負荷の大きさに応じて変更した場合の、出力電流に対する出力電圧の関係を示す図である。この例では、最も軽負荷時の並列数は単一（単相制御）であり、最も重負荷時の並列数は２０（２０相制御）である。
【００８０】
図２３の例では、出力電圧Voutが1.8Vを下回らない範囲で並列数を最小数としている。ここで、オンデューティ比をD、入力電圧をVin、並列数をN、スイッチング回路部及びコイルの抵抗成分をr 、出力電流をI で表すと、
Vout＝D・Vin−( r / N ) I
の関係が成り立つ。したがって、負荷の軽重に応じて並列数Nを制御することで、ほぼ一定の出力電圧Voutが得られる。
【００８１】
次に、本実施形態のスイッチング電源装置の回路基板上の構成の例について示す。図２４は多層基板１０に形成されたスイッチング電源装置の平面図である。多層基板１０にはコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６が形成されている。これらコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３で１つの平面アレイコイルが構成されていて、コイルＬ４，Ｌ５，Ｌ６でもう１つの平面アレイコイルが構成されている。これらコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６の導体パターンは簡略化して図示している。これら複数のコイルを備える平面アレイコイルの構成は図１等に示したとおりである。２つの平面アレイコイルの間にはスイッチング回路部２１及び駆動回路２２が設けられている。スイッチング回路部２１の構成は、図２０、図２２に示したスイッチング回路部２１ａ〜２１ｄに示したとおりである。駆動回路２２の構成は図２０に示した駆動回路２２ａ，２２ｂに示したとおりである。スイッチング回路部２１及び駆動回路２２の近傍にはスイッチング制御回路２３が設けられている。
【００８２】
このように、隣接するコイル間の間隔を小さくして、多層基板上の限られたスペースに複数のコイルが配列された平面アレイコイルを備えるスイッチング電源装置を構成できる。
【００８３】
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
【符号の説明】
【００８４】
Ｃｏ…平滑コンデンサ
Ｌ１〜Ｌ６…コイル
Ｌ１１〜Ｌ１３…コイル
Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ…コイル部
Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ…コイル部
Ｌ３ａ，Ｌ３ｂ…コイル部
Ｐ１…第１端
Ｐ２…第２端
Ｐｏ…出力部
Ｖ…ビア
１，１ａ〜１ｆ…中央導体パターン
２，２ａ〜２ｆ…コイル状導体パターン
３，３ａ〜３ｆ…コイル状導体パターン
４ａ〜４ｆ…導体パターン
１０…多層基板
１１，１２…磁性体シート
２０…電力変換回路
２１，２１ａ〜２１ｄ…スイッチング回路部
２２，２２ａ，２２ｂ…駆動回路
２３…スイッチング制御回路
１０１，１０６…平面アレイコイル
１０１Ｃ…比較例の平面アレイコイル
１１１，１１２…スイッチング電源装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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