特開 2022-49181 プレーナ型変圧器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022049181

(43)【公開日】2022-03-29

(54)【発明の名称】プレーナ型変圧器

(51)【国際特許分類】

   H01F 30/10 20060101AFI20220322BHJP

   H01F 27/28 20060101ALI20220322BHJP

【ＦＩ】

H01F30/10 D

H01F30/10 A

H01F30/10 C

H01F27/28 104

H01F27/28 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020155254

(22)【出願日】2020-09-16

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】河野 真吾

【テーマコード（参考）】

5E043

【Ｆターム（参考）】

5E043AA08

(57)【要約】

【課題】二次コイルからコアや固定具への放電を効果的に抑制することができるプレーナ型変圧器を提供するものである。
【解決手段】プレーナ型変圧器は、複数の基板を絶縁層を挟んで積層して構成される多層基板と、複数の基板のうちの第１の基板に複数層に亘って形成され電力を伝送する一次コイルとして機能する巻線パターンと、複数の基板のうちの第２の基板に複数層に亘って形成され一次コイルとして機能する第２巻線パターンと、第１の基板と第２の基板との間に挟まれる第３の基板に複数層に亘って形成され１次巻線パターンと２次巻線パターンとから電力を受信する二次コイルとして機能する第３巻線パターンと、第１乃至第３巻線パターンの中心に配置されるコア材とを備える。第３巻線パターンは、多層基板に垂直な方向から見て第１巻線パターン及び第２巻線パターンに包含される大きさを有する。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の基板を絶縁層を挟んで積層して構成される多層基板と、
前記複数の基板のうちの第１の基板に複数層に亘って形成された導電層を有し、電力を伝送する一次コイルとして機能する第１巻線パターンと、
前記複数の基板のうちの第２の基板に複数層に亘って形成された導電層を有し、前記一次コイルとして機能する第２巻線パターンと、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に挟まれる第３の基板に複数層に亘って形成された導電層を有し、前記第1巻線パターンと第２巻線パターンから電力を受信する二次コイルとして機能する第３巻線パターンと、
前記第１乃至第３巻線パターンの中心に配置されるコア材と
を備え、
前記第３巻線パターンは、前記多層基板に垂直な方向から見て前記第１巻線パターン及び前記第２巻線パターンに包含される大きさを有する
ことを特徴とするプレーナ型変圧器。

【請求項2】

前記第１巻線パターン及び前記第２巻線パターンは、導電膜を分割するスリットを備え、
前記スリットの位置は、複数層の前記第１巻線パターン又は複数層の前記第２巻線パターンの間で異なっている、請求項１に記載のプレーナ型変圧器。

【請求項3】

前記第１巻線パターン、前記第２巻線パターン、及び前記第３巻線パターンは、複数層に亘り形成された前記導電層を接続するビアコンタクトを備え、
前記ビアコンタクトは、前記導電層に対しマトリクス状に配置されて接続される、請求項１に記載のプレーナ型変圧器。

【請求項4】

前記第３巻線パターンの上下に位置する前記絶縁層は、積層方向において均一の厚さを有し、誘電率が全体として一定である、請求項１又は２に記載のプレーナ型変圧器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プレーナ型変圧器に関する。

【背景技術】

【0002】

変圧器として、巻線が平面上の配線パターンにより形成されたプレーナ型変圧器が知られている。プレーナ型変圧器は、一般的な電線をコアの周りに巻いて形成するコイルを備える旧来の巻線型変圧器に比べ、小型化が可能であり、また、磁気結合が高く、発熱量も小さく、高い回路効率が得られるという利点がある。

【0003】

プレーナ型変圧器では、一次コイルと二次コイルの間の距離が近いため、高電圧での一次コイルと二次コイルの間の絶縁を確実に行う必要がある。一次コイルと二次コイルの間の樹脂モールドにボイドが生じると、そのボイドにおいてコロナ放電が生じることがある。また、コロナ放電は、二次コイル（高電圧側）から一次コイル（低電圧側）に放電するだけでなく、二次コイルからコアや固定具などの導電性物体に対しても生じることがある。

【0004】

二次コイルからコアや固定具への放電が生じると、電力損失が大きくなると共に、絶縁膜の劣化が生じたり、又はコアにおける発熱量が大きくなったりするなどの不利益が生じる。このため、このような二次コイルからコアへの放電を効果的に抑制することが出来るプレーナ型変圧器が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１６－４９２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、二次コイルからコアや固定具への放電を効果的に抑制することができるプレーナ型変圧器を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するため、本発明に係るプレーナ型変圧器は、複数の基板を絶縁層を挟んで積層して構成される多層基板と、前記複数の基板のうちの第１の基板に複数層に亘って形成された導電層を有し、電力を伝送する一次コイルとして機能する第１巻線パターンと、前記複数の基板のうちの第２の基板に複数層に亘って形成された導電層を有し、前記一次コイルとして機能する第２巻線パターンと、前記第１の基板と前記第２の基板との間に挟まれる第３の基板に複数層に亘って形成された導電層を有し、前記１次巻線パターンと２次巻線パターンから電力を受信する二次コイルとして機能する第３巻線パターンと、前記第１乃至第３巻線パターンの中心に配置されるコア材とを備える。前記第３巻線パターンは、多層基板に垂直な方向から見て前記第１巻線パターン及び前記第２巻線パターンに包含される大きさを有する。

【0008】

この発明によれば、二次コイルとしての第３巻線パターンが、上下層において一次コイルとしての第１巻線パターン及び第２巻線パターンにより挟まれるように配置されると共に、第３巻線パターンが、多層基板に垂直な方向から見て第１巻線パターン及び前記第２巻線パターンに包含される大きさを有する。このため、二次コイルとしての第３巻線パターンからの放電は、コア材よりも一次コイルとしての第１及び第２巻線パターンに向かう傾向とすることができ、これにより、電力損失を抑制し、絶縁膜の劣化を防止し、発熱量を低減することができる。

【0009】

好適には、このプレーナ型変圧器において、第１巻線パターン及び前記第２巻線パターンの導電膜を分割するスリットを備え、当該スリットの位置は、複数層の１次巻線パターン又は複数層の２次巻線パターンの間で異なるようにすることができる。スリットの位置を互いに異ならせることにより、二次コイルとしての第３巻線パターンからコア材や固定具への放電が生じる虞を更に低減することができる。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、二次コイルからコアや固定具への放電を効果的に抑制することのできるプレーナ型変圧器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施の形態に係るプレーナ型変圧器の構成を説明する概略断面図である。

【図2】第１の実施の形態に係るプレーナ型変圧器の構造及び製造工程の概略を説明する斜視図である。

【図3】第１の実施の形態のプレーナ型変圧器の多層基板１０の断面構造を説明する断面図である。

【図4】導電層ＣＬ１～３の平面レイアウトの一例を説明する平面図である。

【図5】導電層ＣＬ１０～１２の平面レイアウトの一例を説明する平面図である。

【図6】導電層ＣＬ４～９の平面レイアウトの一例を説明する平面図である。

【図7】導電層ＣＬ１～１２の平面レイアウトの一例を説明する平面図である。

【図8】第１の実施の形態の効果を説明する温度分布図である。

【図9】第２の実施の形態に係るプレーナ型変圧器の構成を説明する平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

【0013】

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

【0014】

[第１の実施の形態]
（全体構成）
図１を参照して、第１の実施の形態に係るプレーナ型変圧器の構成を説明する。このプレーナ型変圧器は、多層基板１０と、第１コア材２０と、第２コア材３０と、モールド材４０とを備えている。なお、図２は、プレーナ型変圧器の製造工程の概略を示している。

【0015】

多層基板１０は、後述するように、それぞれ複数の導電層を含む複数の基板を、それらの間に層間絶縁層を挟んで構成される。複数の層に亘り形成された導電層は、後述するようにループ状に形成されて一次コイル及び二次コイルを構成する。多層基板１０の表面には、一次コイル及び二次コイルに接続される端子Ｔ１及びＴ２が形成されている。一次コイルと二次コイルの中心を通るように、前述のコア材が配置される。

【0016】

多層基板１０は、その中央付近に円形の貫通穴Ｈを有している（図２（ａ））。この貫通穴Ｈに、第２コア材３０の突起部を通過させた後（図２（ｂ））、第１コア材２０により、多層基板１０と第２コア材３０の上方を覆う（図２（ｃ））。第１コア材２０と第２コア材３０とによりコア材が形成される。その後、多層基板１０、第１コア材２０、及び第２コア材３０は、モールド材４０により封止される（図２（ｄ））。第１コア材２０及び第２コア材３０は、一次コイルと二次コイルとの間で電力伝送が行われる場合において、一次コイルに流れる電流により発生した磁束の磁路となる。第１コア材２０及び第２コア材３０は、例えばマンガン亜鉛系フェライトなどの材料により構成され得る。

【0017】

（多層基板１０の構成）
図３を参照して、第１の実施の形態のプレーナ型変圧器の多層基板１０の断面構造を説明する。この多層基板１０は、前述のように、複数の基板１１、１２、１３と、それらの間に挟まれた層間絶縁層１４、１５を備えている。基板の数は、ここでは３枚であるが、この数は一例であって、この数に限定されるものではない。層間絶縁層１４及び１５は、例えばポリイミド等を材料として形成され得る。

【0018】

層間絶縁層１４及び１５は、少なくとも導電層ＣＬが形成されている領域の近傍において、平坦な界面を有し、積層方向において均一な厚さを有しているのが好適である。層間絶縁層１４及び１５の界面に凹凸があり、厚さが不均一であると、その凹凸の位置や不均一な厚さの部分において電界の集中が生じ、放電による熱の集中が生じ易い。また、層間絶縁層１４及び１５は、全体として誘電率が一定であるよう形成されるのが好適である。一部において誘電率が異なる誘電体が形成されていると、その部分において電界の集中が生じ易い。

【0019】

基板１１～１３の各々は、その内部に、複数の導電層ＣＬを、絶縁層ＩＬを挟んで積層させて構成される。導電層ＣＬの各々は、絶縁層ＩＬの上に数百μｍ程度の膜厚に堆積された銅（Ｃｕ）の薄膜（導電膜）を、略ループ状にパターニングして形成される。基板１１及び１３には、一次コイルとして機能する導電層ＣＬ１～３、ＣＬ１０～ＣＬ１２が形成され、基板１１及び１３に挟まれる基板１２には、二次コイルとして機能する導電層ＣＬ４～９が形成される。導電層ＣＬ１～３により、一次コイルとして機能する第１巻線パターンが形成される。また、導電層ＣＬ１０～１２により、同様に一次コイルとして機能する第２巻線パターンが形成される。

【0020】

また、導電層ＣＬ４～９により、一次コイル（第１巻線パターン、第２巻線パターン）から電力を受信する二次コイルとして機能する第３巻線パターンが形成される。すなわち、このプレーナ型変圧器では、２つの一次コイル（第１巻線パターン及び第２巻線パターン）が、上下から二次コイル（第３巻線パターン）を挟むような形で形成される。なお、基板１１～１３に形成される導電層ＣＬの数は、図示の例ではそれぞれ３（一次コイル）、６（二次コイル）、３（一次コイル）であるが、これは一例であり、特定の数には限定されない。

【0021】

これらの導電層ＣＬ１～ＣＬ１２は、基板１１～１３及び層間絶縁層１４、１５を貫通して形成されるビアコンタクトＢＣに接続されている。ビアコンタクトＢＣは、例えば導電層ＣＬ１～ＣＬ１２に接触するように配設され、これにより隣接する導電層ＣＬを接続して一次コイル又は二次コイルを形成する。ビアコンタクトＢＣの材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）等を使用することができるが、これらには限定されるものではない。また、基板１１～１３の各々に含まれる導電層ＣＬの数は、上記のものには限定されない。なお、直径の大きな単一又は少数のビアコンタクトＢＣを導電層ＣＬに接続する代わりに、図４～図６に示すように、多数のビアコンタクトＢＣを格子状（マトリクス状）に、広域に配置することが好ましい。ここで格子状、又はマトリクス状とは、正方格子に限られず、縦方向にも横方向にも、複数配列されているものを広く含む意味で使用される。このようにするのは、直径の大きな単一又は少数のビアコンタクトＢＣを導電層ＣＬに接続すると、その部分において電界が集中しやすいためである。

【0022】

［導電層ＣＬの構造］
図４～図６を参照して、導電層ＣＬ１～１２の平面レイアウトの一例を説明する。図４に示すように、最上層の基板１１に形成される導電層ＣＬ１～ＣＬ３は、ループ状の配線パターンを有し、その一部にコンタクトＢＣが接し、プレーナ型変圧器の一次コイルを形成する。基板１１に存在する導電層ＣＬ１～ＣＬ３のループ配線部分（端子Ｔ１との接続のための引き出し部分を除いた部分）は、いずれもＸ方向の幅Ｄ１、Ｙ方向の幅Ｈ１を有し、その中心に貫通穴Ｈに対応する開口ＡＰ１を有している。また、導電層ＣＬ１～ＣＬ３のループ配線部分は、配線幅Ｗ１以上で形成されている。

【0023】

また、導電層ＣＬ１～ＣＬ３は、ループ状の配線パターンを分割するスリットＳＬ１～ＳＬ３を備えている。このスリットＳＬ１～ＳＬ３は、いずれも平面方向の異なる位置に形成されている。ここで、「異なる位置に形成」との表現は、上下方向で隣接するスリットＳＬ１～ＳＬ３が交差するのみで、スリットＳＬ１～ＳＬ３が、その幅方向よりも十分に長い距離に亘って平面方向で一致することが無い、という意味において使用される。

【0024】

また、図５に示すように、最下層の基板１３に形成される導電層ＣＬ１０～ＣＬ１２は、同様にループ状の配線パターンを有し、その一部にコンタクトＢＣが接し、変圧器の一次コイルを形成する。基板１３に存在する導電層ＣＬ１０～ＣＬ１２のループ配線部分（端子Ｔ１との接続のための引き出し部分を除いた部分）は、いずれもＸ方向の幅Ｄ２、Ｙ方向の幅Ｈ２を有し、その中心に貫通穴Ｈに対応する開口ＡＰ２を有している。また、導電層ＣＬ１～３と同様に、導電層ＣＬ１０～ＣＬ１２は、ループ状の配線パターンを分断するスリットＳＬ１０～ＳＬ１２を備えている。このスリットＳＬ１０～ＳＬ１２は、いずれも平面方向の異なる位置に形成されている。また、導電層ＣＬ１０～ＣＬ１２のループ配線部分は、配線幅Ｗ２以上で形成されている。

【0025】

図６に示すように、中間の基板１２に形成される導電層ＣＬ４～ＣＬ９は、ループ状の配線パターンをその一部にコンタクトＢＣが接し、変圧器の二次コイルを形成する。基板１２に存在する導電層ＣＬ４～ＣＬ９のパターンは、ループ配線部分（引き出し線ＤＬ６、ＤＬ７は除く）において、Ｘ方向の幅Ｄ３、Ｙ方向の幅Ｈ３を有している。また、導電層ＣＬ４～９のパターンは、その中心に貫通穴Ｈに対応する開口ＡＰ３を有している。

【0026】

幅Ｄ３は、導電層ＣＬ１～ＣＬ３の幅Ｄ１、及び導電層ＣＬ１０～ＣＬ１２の幅Ｄ２よりも小さい（Ｄ１＞Ｄ３、Ｄ２＞Ｄ３）。また、幅Ｈ３も、導電層ＣＬ１～ＣＬ３の幅Ｈ１、及び導電層ＣＬ１０～ＣＬ１２の幅Ｈ２よりも小さい（Ｈ１＞Ｈ３、Ｈ２＞Ｈ３）。すなわち、図７に示すように、導電層ＣＬ４～ＣＬ９は、多層基板１０の主平面に垂直な方向から見て、導電層ＣＬ１～ＣＬ３、及び導電層ＣＬ１０～ＣＬ１２に包含されるように配置されている（導電層ＣＬ６、ＣＬ７の引き出し線パターンＤＬ６、ＤＬ７（図７では図示を省略）の部分を除く）。また、導電層ＣＬ４～ＣＬ９のループ配線部分は、配線幅Ｗ３以下で形成されている。この配線幅Ｗ３は、前述の配線幅Ｗ１及びＷ２よりも小さい値である（Ｗ１＞Ｗ３、Ｗ２＞Ｗ３）。

【0027】

このように、本実施の形態では、二次コイルを構成する導電層ＣＬ４～ＣＬ９が、一次コイルを構成する導電層ＣＬ１～ＣＬ３、ＣＬ１０～ＣＬ１２により上下方向から挟まれている。更に、導電層ＣＬ４～ＣＬ９が、多層基板１０に垂直な方向から見て、導電層ＣＬ１～ＣＬ３、ＣＬ１０～ＣＬに包含されるような大きさを与えられている。これにより、二次コイルの高電圧に基づくコロナ放電は、コアや他の固定材には向かわず、一次コイルに主に到達させることができる。更に、導電層ＣＬ１～ＣＬ３に形成されているスリットＳＬ１～３は、平面方向の異なる位置に配置されており、このため、二次コイルからの放電が一次コイルを通過してコア材や他の固定部材に到達することが防止される。また、導電層ＣＬ１０～ＣＬ１２に形成されているスリットＳＬ１０～１２は、平面方向の異なる位置に配置されており、このため、二次コイルからの放電が一次コイルを通過してコア材や他の固定部材に到達することが防止される。

【0028】

図８は、第１の実施の形態の効果を説明するための温度分布図である。図８は、多層基板１０の温度分布を示す温度分布図（ヒートマップ）である。図８（ａ）及び図８（ｃ）は、それぞれ第１比較例、第２比較例に係るプレーナ型変圧器での温度分布を示しており、図８（ｂ）が第１の実施の形態のプレーナ型変圧器における温度分布を示している。図８（ａ）の第１比較例は、第１の実施の形態と同様に、二次コイルが上下において一次コイルに挟まれる構造を有しているが、二次コイルの大きさが一次コイルと略同一である。図８（ｃ）の第２比較例は、一次コイルと二次コイルがそれぞれ１枚の基板に配置されており、二次コイルは一次コイルによって挟まれていない。

【0029】

図８（ｂ）から明らかなように、第１の実施の形態の構造では、高熱が発生するのは一次コイル又は二次コイルを構成する導電層と、その極近傍に限られる。コア材や、その他の固定材では、高熱は殆ど発生していない。一方、図８（ａ）、図８（ｃ）から、第１比較例、及び第２比較例では、導電層とその近傍以外の領域（例えばコア材や、その他の固定材）でも高熱が発生していることが分かる。特に、第２比較例（図８（ｃ））では、その傾向が顕著である。このような高熱の発生は、絶縁膜の劣化や、回路効率の低下などの原因となり得る。

【0030】

［効果］
以上説明したように、本実施の形態によれば、多層基板の複数の基板において、複数の導電層からなる二次コイルが、その上下において、複数の導電層からなる一次コイルには挟まれると共に、その大きさが一次コイルよりも小さくされている。このため、高電圧を与えられた二次コイルからの放電の多くは一次コイルに向かい、コア材や他の固定部材には向かわない。これにより、二次コイルからコアや固定具への放電を効果的に抑制し、電力損失が小さく、絶縁膜の劣化や、発熱量の増大を抑制することができるプレーナ型変圧器を提供することができる。

【0031】

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係るプレーナ型変圧器を、図９を参照して説明する。第２の実施の形態のプレーナ型変圧器の全体構成は、第１の実施の形態（図１及び図２）と同様でよい。また、多層基板１０の断面構造も、第１の実施の形態と同様でよい。この第２の実施の形態では、各基板１１～１３に形成される導電層ＣＬが、第１の実施の形態とは異なり、円形ではなく、Ｙ軸方向に長い略矩形形状を有している点で、第1の実施の形態と異なっている。この構造によっても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0032】

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0033】

１０…多層基板
１１～１３…基板
１４、１５…層間絶縁層
２０…第１コア材
３０…第２コア材
４０…モールド材
ＡＰ１～３…開口
ＢＣ…ビアコンタクト
ＣＬ１～ＣＬ１２…導電層、
ＳＬ１～３、ＳＬ１０～１２…スリット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】