CN1030271C - 叠合多层结构的复合电气元件 - Google Patents

Abstract

一种叠合多层结构的复合电气元件由电容器层和线圈层组成。这种线圈层包括许多嵌埋在一种磁性材料中的线圈。至少一个线圈包括许多线圈导体，该线圈由围绕着基本上相互重合的轴延伸的各自的缠绕轴线沿相反方向螺旋缠绕的线圈导体组合构成，且其相互间的连接是使两组线圈导体产生的磁场在同一方向。由此获得具有高电感量的微小尺寸的复合电气元件。

Description

本发明通常涉及一种叠合多层结构的复合电气元件，更具体地说：本发明涉及一种将线圈和电容器结合在叠合的或叠层的多层结构中的复合结构的电气元件。

在上述叠合多层结构复合电气元件的制造过程中，凭借已知的制造叠层电容器的技术，可比较容易地将电容器层制成一个整体结构。但是，通常要将线圈层制成一种整体的叠合结构却是困难的。虽然至今为止就此已经提出了几种方案，如比较典型的是由日本专利出版物No39521/1982中所公开的那种方案，但是可用于此目的的技术仍受到限制。

根据上述日本专利出版物中所公开的技术，利用一种印刷方法，将由铁氧体材料的磁性层和导电体构成的线圈交替重叠，然后在高温下烧结由此获得的叠层结构。实际上，为得到这种叠层结构，通常采用这样一种方法，该方法包括下列步骤：将一层长度大约相当于线圈半匝的导体薄膜印在一层基片上，在这层导体上覆上一层磁性薄膜，并使导体的端部露在外面;再将相当于剩下的半匝长度的导体薄膜印在磁性层上，并使其与上述第一层导体实现电连接。重复上述步骤，直至得到一种具有所需匝数的线圈为止，从而制成由磁性材料和以预定的节距在重叠方向上螺旋盘绕的绕组所组成的线圈结构。通过绕结由此获得的叠层结构，即可制成一种整体的多层线圈结构，在这种结构中是以很高的集合密度将线圈嵌埋在磁性材料中。将这种叠层线圈与用同样的方法制成的叠层结构的电容器结合在一起，最终得到一种叠 层结构的复合电气元件，这种元件集成密度高、体积小，具有很好的性能。

这种叠合多层结构的复合电气元件（下文中简称为多层复合电气元件）具有广泛的用途，如可用作陷波元件、低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、均衡器、中频变压器和类似元件。因此，电容器电容量的大小与复合多层电气元件的电感和电容器与线圈的网络结构一样必须可在一个很大的范围内进行选择。在这方面，人们注意到，通过适当地选择叠层的层数，电极或极板的数量、连接的方式和其它参数，即可在很大的范围内容易地对电容器电容量的大小和网络结构予以调整。

但是，用日本专利出版物No39521/1982中所公开的层重叠的方法制造电容器，由于在各层被重叠的方向上以相互延接的方式布置线圈导体而得到一种三维结构，因此电感值就取决于被重叠的层数。于是，要选择电感值，尤其是增加电感值，就必须相应地增加叠层的数量。其结果就是，随着电感值的增加，需要重叠的层数也相应增加，这将导致叠合线圈结构的厚度增加过多而与获得微小厚度结构的要求相矛盾。

考虑到电感值的选择要求，可以想象单独地制成许多线圈导体，将这些导体在线圈结构的外部顺序相连。然而，采用这种结构，由于一个线圈所占的截面积将增加，随之而来的是相应的尺寸增加。

作为叠层线圈的另一个例子，已推荐了这样的一种线圈结构，其中将许多在同一方向上以一定的节距缠绕而成的单独的螺旋线圈导体沿相互并列的轴线嵌埋在一个磁性材料体中。但对于这种线圈结构，诸多线圈导体中各线圈的首端与尾端被置于同一方向上。例如，假设 各线圈的首端在一层磁性层的下面时，则其尾端即置于该磁性层的上面。因此，为了将多线圈导体相连以形成同一方向的磁场，就必须将位于磁性层上面的线圈导体的尾端引出，并将其与位于该磁性层下面的另一个线圈导体的首端相连接。但是在磁性材料的内部实现这种电连接是不可能的，因此必须将上部和下部线圈导体的首端尾端引到磁性材料的外面，并用外部端子或类似物将其相互连接。从线圈特性方面来看，虽不能说是不必要的，但是，将各单独的线圈连接起来需要很复杂的工序，其中还包括制造步骤的增加。

作为叠层线圈的现有技术，还有日本专利公报特开平3-34407中记载的线圈结构。该叠层电感器由多组的线圈导体层和绝缘磁性层交叠而成，相邻的线圈导体按彼此相反的方向共轴地螺旋缠绕，并在其首端或尾端相互连接，各线圈产生的磁场为同向。但相邻两组线圈只是简单叠合，这种叠合方式使得每一单层绝缘层中仅有盘绕于单层平面上的线圈布图，这会加大电容耦合，致使电感特性下降。

因此，本发明的目的在于消除上述现有技术线圈所存在的问题，并提供一种具有高集合密度和高性能的多层复合电气元件，该元件中的线圈可以用增加匝数的方式由许多在一种磁性材料中连续制成的线圈导体构成，因此，这种线圈在不必产生任何明显的体积增加的前提下即可提供增大的电感值。

针对上述的及其它的将由下面的描述而变得明显的目的，根据本发明的一个方面，提供了一种由电容器层和线圈层组成的叠合多层结构的复合电气元件，其中的线圈层由一个或多个嵌在磁性材料中的线圈组成，其中至少有一个线圈包括许多线圈导体，这个线圈由两组线圈导体组合而成，而这两组线圈导体围绕各自的彼此基本上同轴延伸的缠绕轴分别按相反的方向螺旋缠绕，且将这两组线圈导体相互连接，使所述的两组线圈导体所产生的磁场在同一方向上，其中按彼此相反的方向螺旋缠绕的两组线圈导体在相同的轴向位置上相互套叠。

对于上述这种结构的线圈，由于其中构成线圈的大量的线圈导体被相互连接成由各线圈导体所产生的磁场在同一方向上，因此整个线圈的匝数便相当于由大量线圈导体所形成的匝数的总和。通常，线圈的电感量由下式给出：

L＝4πue·（A/l）·N²×10^-9

式中：

A表示由线圈导体所形成的一圈或一匝的横断面积（m²）;

l表示磁路长度（m）;

ue表示有效磁导率（W_o/A·m）;

N表示匝数。

由此可知，根据本发明的技术既可获得最大的电感量L，这是因为整个线圈的匝数相当于由大量线圈导体所形成的匝数的总和。

这些单独的线圈导体绕着各自的基本上是同轴延伸的轴线按相反方向螺旋缠绕，其结果是获得一种集成的结构，在这种结构中，各单独的线圈导体在基本相同的位置相互叠合。其次，由线圈导体及由此而来的线圈本身所占的空间明显减小。用这种方法可以获得一种叠合多层结构的复合电气元件，虽然这种叠合多层结构电气元件因厚度变薄而体积减小，但其中的线圈却具有高的电感量。

另外还应指出，由于大量的线圈导体包括从共用缠绕轴的方向各沿彼此相反的方向缠绕而成的每两组线圈导体的总和，因此将一组线圈导体的尾端与另一组线圈导体的首端相连即可使通过线圈的电流方向一致。还由于把一组线圈导体的尾端与另一组线圈导体的首端按排成相同方向，因此最终可以很容易地在磁性材料中实现两组线圈导体的连续连接。

这种由线圈层构成的线圈不仅可以用作一种电感器，还可以作为变压器的部件。

结合仅以例子的形式在附图中给出的实施例，看下面的详细描述，则本发明将变的更清楚。其中：

图1是按照本发明实施例的叠合多层结构的复合电气元件的平面图;

图2是同一种叠合多层结构的剖面图;

图3是按照本发明的另一个实施例的叠合多层结构的复合电气元件的剖面图;

图4是按照本发明的进一步的实施例的构成复合电气元件的线圈的透视图;

图5是按照本发明线圈的另一个实施例的透视图;

图6和图7分别表示按照本发明的进一步的实施例的线圈组件的透视图;

图8至22仅以例子的形式表示按照本发明实施例的叠合多层结构的电气元件的制造方法。

下面将参照附图，结合优选的或典型的实施例详细描述本发明。

例如，图1表示根据本发明实施例的叠合多层结构的复合电气元件的平面图，而图2则是表示该叠合多层结构的剖面图。在这些图中，标号1通常表示电容器层，标号2表示线圈层，标号301至312分别表示终端电极。

电容器层1由这样一种结构组成，其中的电容器网格11至13完全嵌埋在一种不导电的陶瓷材料10中。将单独的电容器元件按所要求的电路结构相连接，得到各电容网格11至13，其中各单独的电容器元件均配置彼此相对设置的两个电极，电极之间置入不导电的陶瓷。电容网格11至13的电路结构可根据其应用任意地予以选择。为了向外引出端头，将这些电容网格11至13连接到终端电极301至312的指定电极上。

用合适的方法，例如热压或粘接的方法将线圈层2整体地叠覆于电容器层1上。在图2所示的典型实施例的结构中，线圈层2叠覆于电容器层1的一个表面的上面，但也应看到，如图3所示的那样，也可将一对线圈层2叠覆于电容器层1的两个表面的上面。另外，虽没有绘图表示，但当然也可以是将一对电容器层1叠覆于线圈层2的两个表面上。线圈层2也可以是这样一种结构，其中将线圈21至24嵌埋在诸如铁氧体或类似的磁性材料20中。线圈21和24的数量以及其匝数可以根据要构成的电路结构任意选择。

图4和5是一种以模型形式表示一种结构的示意图，这种结构至少可以用于线圈21至24中的一个。在图4所示的典型结构中，线圈21至24中的任一个至少包括两组电的线圈导体201和202，在图4中，标号203表示连接部份，线圈导体201和202通过此部分彼此相连，而标号204和205则分别表示端头。

线圈导体201和202的各匝分别绕缠绕轴线O螺旋缠绕，轴线O对于两组线圈而言基本上是相互一致的（即线圈导体201的缠绕轴线穿过由线圈导体202的各圈所围绕的空间，反之亦然）。因此图中只表示了一根共用缠绕轴线O。

还应进一步注意到，线圈导体201的缠绕方向a₁与线圈导体202的缠绕方向b₁相对共用缠绕轴线O的延伸方向来说是相反的。换句话说就是，线圈导体201的缠绕方向a₁相对于共用缠绕轴线O的方向逆时针方向，而线圈导体202的缠绕方向b₁则是顺时针方向。

线圈导体201和202由连接部分203相互连接，从而使得当有电流流过这些线圈导体时，通过电流的作用线圈导体201和 202产生方向一致的磁场。作为这种连接方式的具体实例，可以将线圈导体201的尾端与线圈导体202的首端通过连接部分203相互连接。由于沿共用缠绕轴线O的方向看线圈导体201的缠绕方向a₁与线圈导体202的缠绕方向b₁相反，所以可以用线圈导体201和202构成一种线圈结构，且在线圈导体201和202中，通过将前者的尾端与后者的首端在连接部分203处相互连接，即可使电流沿同一方向流动。分别将端部204和205与如图1和2所示的终端电极301至312中指定的电极相连接。

当将电流加到由上述方法缠绕和连接的线圈导体201和202所组成的线圈结构上时，电流便绕共用缠绕轴线0沿同一方向流动，最终产生同一方向的磁场。因此，当假设线圈导体201和202的匝数n₁和n₂基本相等时，这种线圈结构或组件的电感量L（H）大约是单个线圈导体所构成的线圈结构的四倍。

利用这种以同样的节距绕基本相同的缠绕轴线（即对于线圈导体201和202来说轴线基本处于同一位置）螺旋缠绕的线圈导体201和202所具有的优点，即可制成一种尺寸减小很多的线圈结构，这种线圈只要求很小的安装空间。

如上所述，线圈结构201和202的缠绕方向a₁和b₁沿缠绕轴线方向看是相反的。因此，线圈导体201的尾端和线圈导体202的首端即在同一高度上相互处于同一平面中，也就是说可以通过连接部分203在该位置直接将其相互连接。其结果就是线圈导体201和202可以直接在磁性材料20内部完成连接，而不必为完成这种连接而将这些线圈导体201和202引到外面。这将意味着用于线圈201和202导体的这种连接结构可以使连接工序得以简 化，最终使这种工序变的容易。

通过减少位于线圈导体201和202各匝之间的磁性层的厚度，在不必明显增加线圈结构的整体厚度的情况下即可获得一种具有高电感值的叠层线圈结构。

参见图5，其中表示了根据本发明另一种实施例的线圈结构，这种线圈结构由三组线圈导体200、201、202构成，各线圈导体分别围绕基本上重合的缠绕轴线螺旋缠绕。因此图5中只表示了一根共同的缠绕轴线O。

在这种实施例中，沿共同缠绕轴线O的方向看，线圈导体200的缠绕方向a₀与线圈导体201的缠绕方向b₁相反，而线圈导体202的缠绕方向a₁则与线圈导体201的缠绕方向b₁相反。

将这些线圈导体200、201、202相互连接，使得当有电流通过由这些线圈导体200、201、202所构成的线圈时，各线圈导体的磁场方向是相同的。为此，线圈导体200的尾端应通过连接部分203与线圈导体201的首端相连接，而线圈导体201的尾端应通过连接部分203与线圈导体202的首端相连。

由于由此制成的线圈结构的电感值L（H）与线圈导体200、201和202的匝数n₀、n₁和n₂之和的平方成正比，因此根据本实施例的线圈可以具有比图4所示线圈结构更高的电感值。

还是在这个实施例的情况下，如上述图4中所示的实施例所述的那样，线圈导体201和202螺旋缠绕，其中线圈导体201和202各自的缠绕轴线基本上相互重合。尽管减小了尺寸，但却可以获得一种叠合多层结构的复合电气元件，这种元件包括一个可具有高电感值的线圈。

再进一步，由于沿轴线O方向看，线圈导体200的缠绕方向a₀与线圈导体201的缠绕方向b₁相反，而b₁又与线圈导体202的缠绕方向a₁相反，因此线圈导体200的尾端和线圈导体201的首端便在同一高度上相互处于同一平面内。线圈导体201的尾端和线圈导体202的首端也一样。因此，当将线圈导体200、201、202相互连接以使它们所产生的磁场方向相同时，用于将上述各线圈导体相互连接在一起的连接部分203可以置于磁性材料中。

由于根据上面的描述，对于本技术领域的普通技术人员来说，制造包含许多线圈导体的线圈组合体或结构是显而易见的，因此对于这些结构的改变的进一步描述是不必要的。

下面参见图6，对表明本发明典型实施例的制造方法予以描述。图6所示实施例的线圈组件由许多线圈组成，其中各线圈的结构与参照图4在上面作过描述的一致。更确切地说，线圈21至24分别包含数对线圈导体211，212……，241，242。例如，就线圈导体211和212来说，它们是在缠绕轴线方向O₂₁上，分别绕基本上相互重合的轴线螺旋缠绕。另外，从缠绕轴线方向O₂₁看，线圈导体211的缠绕方向a₁与线圈导体212的缠绕方向b₁相反。

将线圈导体211和212通过连接部分213相互连接，使得通过这种连接所产生的各磁场的方向相同。图6中标号214和215表示终端，这些终端与图1和2中所示的终端电极301至312中的指定的电极相接。但应当看到，终端元件214和215可以连接在一起，其中通过连接部分312相连接的部分也可以不连接在一起 或分开，以形成这些终端元件。此外，连接部分213也可以用作叠覆于其上的其它线圈导体的首端。

在本实施例中，其他线圈22至24的构造基本上与线圈21相同，并分别由线圈导体211、222……、241、242的组合构成，各线圈导体的缠绕方向a₂、b₂、b₃、a₃和a₄、b₄分别彼此相反，各自的缠绕轴线基本上相互重合，其中线圈22至24中的各线圈导体分别相连使得所产生的磁场在同一方向上。虽然线圈23和24共用同一个端头25，但作为图6所示实施例的变型，也可如图7所示的分别使用各自的端头。还应指出的是，线圈21至24中的某些个也可同样地由单一线圈导体组成。

现在仅考虑线圈21。从图中可以看出组成线圈21的线圈导体211和212被连接成使其所产生的磁场在同一方向上。因此，线圈21的匝数N等于两个线圈导体211和212的匝数n₁和n₂之和（n₁+n₂），如上所述，线圈21的电感量与两个匝数n的和的平方成正比，因此能够得到最大的电感量L。

此外，如上所述，由于两个线圈导体211和212是绕着各自的基本上相互重合的轴线螺旋缠绕，两个线圈导体由螺旋圈组成，而各螺旋圈在同一方向上具有予定的节距。由于这种结构的优点，线圈所占的空间和面积可以减到最小，因而可以获得一种小而薄的叠合多层电感元件。

沿共用缠绕轴线O₂₁看，就缠绕方向a₁和b₁来说，线圈导体211和212是相互反向的，线圈导体211的尾端和线圈导体212的首端在同一高度上彼此处于一个平面中，因而可以很容易地用连接部分213实现相互连接。因此线圈导体211和212可以 在磁性材料20内相互连接，这也就意味着可以采用大大简化的生产过程实现这种连接。

可以采用与上述相同的方法制成另外的线圈22至24。在此应进一步指出，在不脱离本发明原则和范围的前提下，可以很容易地用单独的线圈构成图6所示的线圈组件，每个线圈都包含许多在上述图5中所示的线圈导体。

现在参照图8至22对根据本发明的叠合多层复合电气元件的线圈层的生产方法进行描述。虽然下面的描述所涉及的制造方法是基于一种已有的（如日本专利出版物No    39512/1982所公开的）叠层产品的制造方法，但应看到该法亦同样适用于其它薄膜制成技术，如已知的作为光刻法，喷涂法、气相沉积、电镀或类似的方法。当采用这些方法时，可以将线圈组件制成一种多层结构，这种线圈组件包含许多高清晰度图形的线圈导体。

下面参照图8将磁性层501和502隔一段距离印在基片4的一个面上。更具体地说，可以采用网板印刷方法，将用磨碎的铁氧体、粘接剂和溶剂制成的磁性软膏涂覆成预定的形状，形成磁性层501和502。

另外，组成线圈导体的电导体212、222、231和241也可如图9所示形成在磁性层501和502上，这一步可借助网板印刷导电软膏来实现。

接着可按图10所示，以同样的方法将磁性层503至505涂覆在磁性层501和502之间的间隔部位，导体端部212、222、231和241向外伸出。

下面参照图11，再将也是用于构成线圈导体的其它电导体212、 222、231和241接着导体212、222、231和241的外露端印在磁性层504上，而将导体211和222印在磁性层503上，磁性层505上印有导体25。

接着再如图12所示，将磁性层506和507印在磁性层503至505之间的间隔部位上。

然后如图13所示，再在磁性层503和506上分别接着已形成的电导体211和221形成导体211和221，而在磁性层504和506上接着已形成的导体212和222再继续形成导体212和222。另外，在磁性层504和507上接着导体231和241继续形成导体231和241，原来的导体231和241已在磁性层504上形成。然后在磁性层505和507上接着导体25继续形成导体232和242。应看到各对导体211和212、221和222、211和232、241和242都是沿彼此相反的方向设置的。

然后如图14至21所示的那样，将上述的构成线圈导体的导体211、212至241、242相连接的印刷方法和形成磁性层的印刷方法重复数次，直至达到所需的匝数，图中的标号508至517分别表示各磁性层。

最后如图22所示分别通过连接部分213、223、233和243将具有所需匝数的线圈导体（211、212），（221;222），（231;232）和（241;242）在它们的首、尾端连接在一起。由此制成如图6所示的电感器结构。

根据上面的描述即可获得本发明的下述积极效果。

（a）.由于构成线圈的许多线圈导体被连接成使各自所产生的 磁场在同一方向上，所以整个线圈的匝数相当于各单个线圈导体匝数的总和，因而可以获得具有极高电感量的叠层线圈结构。

（b）.由于大量的线圈导体均围绕着基本上是相互重合的缠绕轴线螺旋缠绕，因而可以制成一种叠层线圈结构和由此而形成的具有节省空间的线圈的复合电气元件，其厚度小，电感值高。

（c）.由于各线圈导体均由两组线圈导体组合而成，且这两组线圈导体沿共同缠绕轴线方向各是按彼此相反的方向缠绕，在同一层磁性层中一组线圈导体的尾端与另一组线圈导体的首端又处于同一平面中，因此可以很容易地将这两组线圈导体在这层磁性层中连接在一起，以使这两组线圈导体所产生的磁场方向相同。由于这些特性，因此可以提供一种线圈性能得到明显改善的多层叠合结构的复合电气元件。

本发明的许多特征和优点均可由详细的描述中得出。因此属于本发明的原则和范围之内的权利要求包含了所有这些特征和优点。此外，由于本领域的普通技术人员可对本发明作出众多变形和变化，因此本发明并不局限于图示的和所描述的现有结构和操作。因此所有可能做出的适宜的变形和等同物均落入本发明范围之内。

Claims (3)

1、一种复合缠绕型叠层电感器，具有通过把用于形成多组以上的线圈的多组以上的导电条与许多电绝缘带交替地叠合形成的叠合结构，在所说的各组线圈中的导电条均经由所说的电绝缘带的边缘与相邻的导电条相连，以便构成一个线圈，如此构成的多个线圈至少沿一根共用轴线缠绕，所说的多组导电条中至少有两组被沿彼此相反的方向沿螺旋路线叠成几层，由所说的至少两组导电条所构成的这些线圈至少在所述的线圈的首端部分，中间部分和尾端部分之一相互连接，其特征在于，按彼此相反的方向螺旋缠绕的两组线圈导电条在相同的轴向位置上相互套叠。

2、一种由电容层和线圈层构成的叠合多层结构的复合电气元件，所说的线圈层包括：

至少一个嵌埋在一种磁性材料中的线圈，其中所说的至少一个线圈包括至少两组绕圈导体的至少一种组合，所说的两组线圈导体分别绕各自的基本上相互重合的轴沿伸的缠绕轴沿相反的方向螺旋缠绕，且以使所说的线圈导体产生同一方向的磁场的方式将其相互连接，

其特征在于，按彼此相反的方向螺旋缠绕的两组线圈导体在相同的轴向位置上相互套叠。

3、如权利要求2所述的叠合多层复合电气元件，其特征在于，所说的线圈导体之一的首端与另一个线圈导体的尾端在一个平面中处于同一高度。

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