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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Planarinduktor bzw. eine Planarspule. Planarinduktoren mit
einer Spiralspulenkonfiguration sind bekannt aus IEEE
Transactions on Magnetics, Vol. MAG-15, Nr. 6, November
1979, 1803-1805. Es ist bekannt, derartige Spiralspulen
auf der Oberseite eines amorphen magnetischen
Dünnfilmsubstrates zu bilden, wie dies in JP-A-58 14512
offenbart ist. Ein Paar von magnetischen Schichten kann
verwendet werden, um eine planare Spiralspule
dazwischenzulegen, wie dies in IEEE Transactions on Magnetics,
Vol. MAG-20, Nr. 5, September 1984, 1804-1806 gezeigt
ist. Eine andere bekannte planare Induktorstruktur ist
in US-A-4 494 100 offenbart.
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Eine typische bekannte Anordnung von planaren
Induktoren, bei denen zwei Spiralleiterspulen 1a und 1b
zwischen ferromagnetische Bänder 2a und 2b mit abwechselnd
zwischen diesen zwischengelegten isolierenden Schichten
3a, 3b und 3c gelegt sind, ist in Fig. 1 gezeigt. Fig.
1A ist eine Draufsicht von Fig. 1B, die jeweils
Leiterspulen 1a und 1b angeben, wobei jeweils entsprechende
Mittenlinien der in der Schnittdarstellung von Fig. 1B
dargestellten Spulen 1a und 1b eingetragen sind.
Isolierschichten 3a, 3b und 3c sind aus einem Dielektrikum
oder dergleichen gebildet. Die Spulen 1a und 1b sind
elektrisch miteinander über ein Durchgangsloch 4
verbunden,
um einen Induktor zwischen Anschlüssen 5a und
5b an deren jeweiligen Endteilen zu bilden.
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Wenn ein Strom zu den Spiralleiterspulen 1a und 1b des
Planarinduktors gespeist ist, strömen Magnetflüsse 6a
und 6b in entgegengesetzten Richtungen von der Mitte
oder einem Durchgangsloch 4, wie dies in Fig. 2 gezeigt
ist. Als ein Ergebnis bestehen Spaltteile 7a und 7b, wo
die Magnetflußdichte sehr niedrig ist, an zwei Stellen
nahe den zentralen und äußeren Randteilen jeder
Leiterspule. Demgemäß ist die Induktivität unvermeidbare
reduziert. In diesem Fall wird ein intensives Magnetfeld
an einem zentralen Spaltteil 7a durch die Leiterspulen
la und lb erzeugt, während kaum irgendein Magnetfeld an
einem Randspaltteil 7b vorliegt.. Somit ist die
Reduktion der Induktivität viel größer an dem Randteil als an
dem Zentralteil.
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Die Spiralleiterspulen 1a und 1b, die Isolierschichten
3a, 3b und 3c und die ferromagnetischen Bänder 2a und
2b, die den Planarinduktor bilden, müssen miteinander
verbunden werden. Wenn die Isolierschichten 3a, 3b und
3c aus beispielsweise einem organischen Polymer
gebildet werden, können die einzelnen Schichten durch
Druckeinwirkung bei einer Temperatur nicht niedriger als der
Erweichungspunkt des Materials verbunden werden, oder
sonst können die Kontaktteile zwischen.den Elementen
mittels eines geeigneten Bindemittels verbunden werden.
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Wenn eine Magnetostriktion der ferromagnetischen Bänder
2a und 2b jedoch wesentlich ist, wirkt eine
Kompressionsspannung oder eine andere Spannung auf die
Oberflächen der Bänder ein, während benachbarte
Isolierschichten
3a, 3b und 3c gerade miteinander verbunden werden.
Wechselwirkungen der Spannung und der Magnetostriktion
zerstören die magnetischen Eigenschaften, um so die
effektive Permeabilität zu vermindern. Wenn die
ferromagnetischen Bänder 2a und 2b einer Verformung oder
Deformation während einer Verwendung des
vervollständigten planaren Induktors unterworfen werden, ändert sich
auch die effektive Permeabilität, so daß die
Induktivität möglicherweise schwanken kann. Je höher die
Permeabilität ist, desto stärker sind diese Erscheinungen
bemerkbar.
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Wenn in einer magnetischen Schaltung dieses planaren
Induktors ferromagnetische Bänder 2a und 2b dicker
sind, dann wird der magnetische Widerstand im
allgemeinen proportional reduziert, um so die Induktivität zu
erhöhen. Jedoch ist dies nicht mit der Aufgabe
vereinbar, die allgemeine Dicke des ebenen Induktors zu
minimieren.
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Inzwischen kann der planare Induktor auf eine
ausgangsseitige Drosselspule eines Gleichstrom-Gleichstrom- (DC-
DC-)Umsetzers oder dergleichen angewandt werden. In
diesem Fall fließt ein einem Gleichstrom überlagerter
Hochfrequenzstrom durch den planaren Induktor. Daher
erfordert der Induktor eine gute
Gleichstromüberlagerungseigenschaft bzw. -kennlinie.
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Die herkömmlichen planaren Induktoren haben jedoch
nicht eine sehr gute
Gleichstromüberlagerungseigenschaft bzw. -kennlinie. Wenn diese Kennlinie des
Induktors schwach ist, verringert sich die Induktivität, so
daß die Steuerung schwierig wird. Demgemäß sinkt die
Wirksamkeit des Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzers.
Somit ist es nicht zweckmäßig, den ebenen Induktor direkt
auf den Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer oder
dergleichen anzuwenden.
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Es kann hier bemerkt werden, daß ein planarer Induktor
mit einer planaren oder reifenförmigen Spule in IEEE
Trans. Mag. MAG-20 (1984), 1804-1806 beschrieben ist.
Ein anderer Dünnfilminduktor ist in IEEE Trans. Mag
MAG-15 (1979), 1803-1805 beschrieben. Ein Stapeln von
einseitig gerichteten Planarspulen ist in US-A-
4 494 100 offenbart.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
planaren Induktor vorzusehen, bei dem verhindert wird,
daß die Induktivität sinkt, wenn dessen Komponenten
verbunden werden, so daß der Induktivitätswert je
Einheitsvolumen anwächst.
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Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen
planaren Induktor vorzusehen, der eine kleine Dicke und
einen höheren Induktorwert je Einheitsvolumen genießt.
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Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, einen
planaren Induktor mit einer guten
Gleichstromüberlagerungskennlinie vorzusehen.
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Somit liefert die vorliegende Erfindung einen planaren
Induktor mit einer Spiralleiterspuleneinrichtung, die
zwischen ferromagnetische Lagen gelegt ist, wobei
Isolierlagen dazwischengelegt sind und jede der
Isolierlagen eine Vielzahl von ferromagnetischen Schichten mit
jeweils einer Dicke von 100 um oder weniger hat.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf einen
Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer mit einem planaren Induktor,
wie dieser in dem vorangehenden Absatz definiert ist.
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Vorzugsweise sind die ferromagnetischen Lagen aus einer
amorphen magnetischen Legierung gebildet.
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Weiterhin liegt vorzugsweise die mittlere Dichte jeder
ferromagnetischen Lage zwischen 4 bis 20 um.
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Auch sollten die ferromagnetischen Lagen vorzugsweise
aus einer Band- oder Film-förmigen amorphen Legierung
hoher Permeabilität bestehen, welche in letzter Zeit
begonnen hat, öffentliche Aufmerksamkeit auf sich zu
ziehen. Insbesondere sollten die ferromagnetischen
Lagen eine Zusammensetzung haben, die gegeben ist durch:
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(Co1-a-xFeaMx)100-y(Si1-bBb)y,
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wobei M wenigstens eines der Elemente bedeutet, das
ausgewählt ist aus der Gruppe einschließlich Ti, V, Cr,
Cu, Zr, Ni, Nb, Mo, Hf, Ta, W und Platinmetalle und a,
b, x und y Werte in Bereichen sind, die jeweils gegeben
sind durch:
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0,01 ≤ a ≤ 0,10
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0,3 ≤ b ≤ 0,7,
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0 ≤ x ≤ 0,08, und
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15 ≤ y ≤ 0,35.
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In der obigen Strukturformel ist Fe ein Element zum
Einstellen der Magnetostriktion auf 0, und M ist ein
Element, das verwendet wird, um die thermische
Stabilität der Permeabilität zu verbessern. Da die thermische
Stabilität verbessert werden kann, indem der Wert b in
den Bereich von 0,3 bis 0,7 eingestellt wird, kann x
den Wert 0 haben. Der Wert x ist in den Bereich 0 ≤ x ≤
0,8 eingestellt, da die Curie-Temperatur zu niedrig
ist, um praktikabel zu sein, wenn x 0,08 überschreitet.
Si und B sind Elemente, die wesentlich sind für
Nichtkristallisation. Der Wert y ist in dem Bereich 15 ≤ y ≤
35 eingeschränkt, da die thermische Stabilität zu
schwach ist, wenn y kleiner als 15 ist, und da die
Curie-Temperatur zu niedrig ist, um praktikabel zu sein,
wenn y 35 überschreitet. Das Mischungsverhältnis b
zwischen Si und B ist eingeschränkt innerhalb 0,3 ≤ b ≤
0,7, da die thermische Stabilität der magnetischen
Eigenschaft in diesem Fall insbesondere gut ist.
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Gemäß dem so aufgebauten planaren Induktor kann der
Pfad des Magnetflusses nur in einem Spaltteil in der
Mitte der Spiralleiterspuleneinrichtung austreten, so
daß die Induktivität je Einheitsvolumen zunehmen kann
und es kann verhindert werden, daß die Induktivität des
gesamten planaren Induktors kleiner wird.
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Durch Einstellen des Absolutwertes der Magnetostriktion
jeder ferromagnetischen Lage auf 1 x 10&supmin;&sup6; oder weniger,
kann darüber hinaus verhindert werden, daß die
Induktivität aufgrund einer Spannung oder dergleichen absinkt,
welche erzeugt werden kann, wenn die Komponenten des
planaren Induktors miteinander verbunden werden.
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Durch Beschränken der mittleren Dicke jedes
Ferromagnetikums innerhalb des Bereiches von 4 bis 20 um kann
weiterhin verhindert werden, daß der Induktivitätswert
je Einheitsvolumen (L/V) verringert wird. Wenn die
Dikke der ferromagnetischen Lage kleiner als 4 um ist,
kann die Lage nicht eine Schnittfläche ausnutzen, die
groß genug für den Durchgang des gesamten Magnetflusses
ist, der erzeugt wird, wenn die Ströme durch die
Spiralleiterspulen fließen. Somit nimmt der Leckfluß zu,
so daß die Induktivität beträchtlich absinkt, und daher
wird der Induktivitätswert L/V je Einheitsvolumen
vermindert. Wenn dagegen die Dicke der ferromagnetischen
Lage 20 um überschreitet, wird die Schnittfläche der
Lage in einem magnetischen Kreis groß genug, um den
Durchgang des gesamten Magnetflusses zu erlauben, der
in der oben erwähnten Weise erzeugt ist. Somit wird der
magnetische Widerstand vermindert, so daß der Leckfluß
abnimmt und die Induktivität anwächst. Da das Volumen
des planaren Induktors ebenfalls anwächst, wird der
Wert L/V kaum reduziert.
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In einer anderen Anordnung ist ein planarer Induktor
vorgesehen, der eine Spiralleiterspuleneinrichtung hat,
die zwischen ferromagnetische Lagen gelegt ist, wobei
dazwischen Isolierlagen vorgesehen sind und eine
ferromagnetische Substanz mit und/oder in dem Zentralteil
der Spiralleiterspuleneinrichtung und in einem den
Außenrand der Spiralleiterspuleneinrichtung umgebenden
Bereich fluchtend angeordnet ist. Vorzugsweise ist die
ferromagnetische Substanz wenigstens teilweise in
Berührung mit den ferromagnetischen Lagen.
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Vorzugsweise besteht die ferromagnetische Substanz im
wesentlichen aus einem Preßling eines
Ferromagnetpulvers oder einer Zusammensetzung, die ein
ferromagnetisches Pulver einschließt.
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Gemäß dem so aufgebauten planaren Induktor ist der
magnetische Widerstand an den zentralen und peripheren
Teilen der Spiralleiterspuleneinrichtung reduziert, so
daß die Induktivität je Einheitsvolumen zunehmen kann,
und es kann verhindert werden, daß die Induktivität des
gesamten planaren Induktors abnimmt.
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Jede Spiralleiterspuleneinrichtung des planaren
Induktors besteht im allgemeinen aus einer zweilagigen
Spiralleiterspulenanordnung, bei welcher Spiralspulen auf
jeder Seite von jeder Isolierschicht über ein
Durchgangsloch verbunden sind. Wenn nicht ein
Hinderungsgrund vorliegt, Anschlüsse zu entfernen, kann die
Spiralleiterspuleneinrichtung aus nur einer Spiralspule
zusammengesetzt sein.
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Vorzugsweise liegt die mittlere Dicke jeder
ferromagnetischen Lage zwischen 4 und 20 um. Jedoch beträgt das
Verhältnis (t/l) der Dicke (t) der ferromagnetischen
Lage zu der Seitenlänge (l) hiervon insbesondere 1 x
10&supmin;³ oder mehr.
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Im allgemeinen können Laminatplanarinduktoren in zwei
Typen klassifiziert werden. Gemäß einem Typ I ist eine
Vielzahl von planaren Induktoren, deren jeder einen
Aufbau derart hat, daß Spiralleiterspuleneinrichtungen
zwischen ferromagnetische Lagen gelegt sind, wobei
isolierende Lagen zwischen diesen vorgesehen sind, in
Lagen
gestapelt ist. Ein Typ II ist derart aufgebaut, daß
eine Vielzahl von Spiralleiterspuleneinrichtungen mit
isolierenden Lagen zwischen diesen gestapelt sind, und
daß die Laminatstruktur zwischen ferromagnetische Lagen
mit zwischen diesen vorgesehenen isolierenden Lagen
gelegt ist. In Typ I liegen zwei isolierende Lagen und
zwei ferromagnetische Lagen zwischen jeweils zwei
benachbarten Leiterspuleneinrichtungen vor. In Typ II ist
andererseits nur die isolierende Lage zwischen jeweils
zwei benachbarten Spuleneinrichtungen vorgesehen.
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Als ein Ergebnis intensiver Nachforschung durch die
vorliegenden Erfinder hat sich gezeigt, daß die
terromagnetischen Lagen, die zwischen den benachbarten
Spiralleiterspuleneinrichtungen vorhanden sind, wie in dem
Fall von Typ I kaum leitend sind, um die Induktivität
der Laminatplanarinduktoren zu erhöhen. Es hat sich
auch gezeigt, daß im wesentlichen der gleiche
Induktivitätswert für Typ I erhalten werden kann, obwohl nur
die isolierende Lage zwischen jeweils zwei benachbarten
Spiralleiterspuleneinrichtungen vorhanden ist, ohne wie
in dem Fall von Typ II durch die ferromagnetischen
Lagen begleitet zu sein. Daher ist der planare Induktor
gemäß der vorliegenden Erfindung (Typ II) im
allgemeinen dünner als der planare Induktor von Typ I und hat
im wesentlichen den gleichen allgemeinen
Induktivitätswert wie der Typ I. Somit ist der Induktivitätswert je
Einheitsvolumen größer.
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Gemäß dem planaren Induktor von diesem Typ kann darüber
hinaus eine Verringerung des Induktivitätswertes je
Einheitsvolumen (L/V) verhindert werden, indem die
mittlere Dicke jeder ferromagnetischen Lage innerhalb
des Bereiches von 4 bis 20 um eingeschränkt wird. Wenn
die Dicke der ferromagnetischen Lage kleiner als 4 um
ist, kann die Lage nicht eine Schnittfläche aufweisen,
die ausreichend groß für den Durchgang des gesamten
Magnetflusses ist, der erzeugt wird, wenn die Ströme
durch die Spiralleiterspulen fließen. Somit steigt der
Leckfluß an, so daß sich die Induktivität beträchtlich
absenkt, und der Induktivitätswert L/V je
Einheitsvolumen ist vermindert. Wenn andererseits die Dicke der
ferromagnetischen Lage 20 um überschreitet, wird die
Schnittfläche der Lage in dem magnetischen Kreis groß
genug, damit der Durchgang des gesamten, in der oben
geschilderten Weise erzeugten Magnetflusses erlaubt
ist. Damit wird der magnetische Widerstand vermindert,
so daß der Leckfluß abnimmt und die Induktivität
anwächst. Da das Volumen des planaren Induktors auch
anwächst, ist jedoch der Wert L/V beträchtlich reduziert.
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In diesem planaren Induktor ist das Verhältnis (t/l)
der Dicke (t) der ferromagnetischen Lage zu der
Seitenlänge (l) hiervon vorzugsweise auf 1 x 10&supmin;³ oder mehr
aus dem folgenden Grund eingestellt.
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Wenn im allgemeinen der planare Induktor gemäß der
vorliegenden Erfindung auf der Ausgangsseite eines
Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzers verwendet wird, ist ein
Gleichstrom überlagert, so daß der planare Induktor
eine gute Gleichstrom-Überlagerungskennlinie benötigt.
Der überlagerte Gleichstrom wird auf 0,2 A oder mehr
geschätzt.
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In diesem planaren Induktor wird angenommen, daß der
Magnetfluß in der planaren Richtung der
ferromagnetischen
Lagen fließt. In diesem Fall beeinflußt der
Koeffizient des planaren diamagnetischen Feldes der
ferromagnetischen Lagen den planaren magnetischen
Widerstand. Das heißt, wenn der Koeffizient des
diamagnetischen Feldes größer ist, dann nimmt der magnetische
Widerstand proportional zu. Somit liefert die Zunahme des
magnetischen Widerstandes den gleichen Effekt wie ein
planarer magnetischer Spalt, um so die
GleichstromÜberlagerungskennlinie der Induktivität zu verbessern.
Vorzugsweise sollte eine amorphe Legierung hoher
Permeabilität für die ferromagnetischen Lagen verwendet
werden.
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Wenn beispielsweise in einem quadratischen planaren
Induktor das Verhältnis der Dicke jeder ferromagnetischen
Schicht zu der Seitenlänge hiervon größer ist, dann
wächst der Koeffizient des planaren diamagnetischen
Feldes der ferromagnetischen Lage proportional an. Mit
anderen Worten, je größer die Dicke der
ferromagnetischen Lage oder je kürzer die Seitenlänge ist, desto
größer ist der Koeffizient des diamagnetischen Feldes.
Wenn das Verhältnis der Dicke und der Seitenlänge 10&supmin;³
oder mehr beträgt, nimmt der magnetische Widerstand zu,
so daß die Gleichstromüberlagerungskennlinle der
Induktivität verbessert ist. Wenn die Spiralleiterspulen
oder eine Laminatstruktur hiervon und daher die
ferromagnetischen Lagen auf jeder Seite hiervon kreisförmig
in der Gestalt sind, wächst der magnetische Widerstand,
um so die Gleichstromüberlagerungskennlinie der
Induktivität zu verbessern, wenn das Verhältnis der Dicke
jeder ferromagnetischen Lage zu dem Durchmesser hiervon
10&supmin;³ oder mehr aufweist. Um die Dicke der
ferromagnetischen Lage zu erhöhen, kann eine Laminatstruktur
einschließlich
einer Vielzahl von ferromagnetischen
Bändern als die ferromagnetische Lage beispielsweise
benutzt werden. Der gleiche Effekt kann auch mit
Verwendung eines planaren Induktors erreicht werden, der
keinen Laminataufbau hat.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist ein planarer Induktor vorgesehen, der eine
Spiralleiterspuleneinrichtung oder eine Laminatstruktur
einschließlich einer Vielzahl von
Spiralleiterspuleneinrichtungen hat, die zwischen ferromagnetische Lagen
jeweils einschließlich einer Vielzahl von
ferromagnetischen Bändern, deren jedes eine Dicke von 100 um oder
weniger hat, gelegt sind.
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Vorzugsweise sind die Spiralleiterspuleneinrichtungen
elektrisch in Reihe miteinander verbunden, so daß
Ströme der gleichen Richtung durch die
Leiterspuleneinrichtungen fließen.
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In dem auf diese Weise aufgebauten planaren Induktor
fließt der Magnetfluß in der planaren Richtung der
ferromagnetischen Lagen. Wenn daher jede ferromagnetische
Lage aus einer Vielzahl von ferromagnetischen Bändern
gebildet ist, die in Lagen wie bei diesem planaren
Induktor gestapelt sind, so wird die allgemeine Dicke der
ferromagnetischen Lage größer, so daß planare
diamagnetische Felder anwachsen. Somit kann der magnetische
Widerstand erhöht werden, um so die
Gleichstromüberlagerungskennlinie der Induktivität zu verbessern.
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Die Spiralleiterspulen können in Lagen bzw. Schichten
gestapelt sein. In diesem Fall ist es jedoch ratsam,
nur die isolierenden Lagen zwischen den Leiterspulen
anzuordnen, ohne die ferromagnetischen Lagen
dazwischenzulegen. Dies beruht darauf, daß das Vorhandensein
der ferromagnetischen Lagen zwischen den Leiterspulen
kaum zu der Zunahme der Induktivität führt und statt
dessen die allgemeine Dicke des planaren Induktors
steigert, wodurch die Induktivität je Einheitsvolumen
vermindert wird.
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In dem auf diese Weise aufgebauten planaren Induktor
ist die Dicke jedes der jede ferromagnetische Lage
bildenden ferromagnetischen Bänder auf 100 um oder weniger
aus dem folgenden Grund eingestellt. Wenn im
allgemeinen der planare Induktor auf einen
Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer oder dergleichen angewandt wird, welcher
mit einer Frequenz von 10 kHz oder mehr verwendet wird,
und wenn dabei die Banddicke 100 um überschreitet, so
wird durch einen Skin-Effekt verhindert, daß der
Magnetfluß die ferromagnetische Lage durchdringt. Somit
kann die Induktivität nicht proportional zu der Zunahme
der Dicke des ferromagnetischen Bandes zunehmen, so daß
die Induktivität je Einheitsvolumen eher reduziert ist.
Vorzugsweise sollte die Dicke jedes ferromagnetischen
Bandes 4 um oder mehr betragen. Wenn die Banddicke
kleiner als 4 um ist, so kann das Band nicht eine
Schnittf läche ausnützen, die ausreichend groß für den
Durchgang des gesamten Magnetflusses ist, der erzeugt
wird, wenn die Ströme durch die Spiralleiterspulen
fließen. Somit wächst der Leckfluß an, so daß sich die
Induktivität beträchtlich vermindert, und daher ist der
Induktivitätswert je Einheitsvolumen reduziert.
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In diesem planaren Induktor wird jedoch eine Vielzahl
von ferromagnetischen Bändern verwendet, um jede
ferromagnetische Lage zu bilden, da die
Gleichstromüberlagerungskennlinie nicht mit der Verwendung lediglich eines
Bandes für jede ferromagnetische Lage wie im Falle
planarer Induktoren nach dem Stand der Technik
verbessert werden kann. Da die ferromagnetischen Bänder, die
in jeder ferromagnetischen Lage verwendet sind, in der
Anzahl zunehmen, kann die
Gleichstromüberlagerungskennlinie beträchtlich verbessert werden. Wenn die Anzahl
jedoch Zehn überschreitet, so ist der Effekt der
Verbesserung reduziert. Somit nimmt das Volumen für nichts
zu, so daß die Induktivität je Einheitsvolumen abnimmt.
Nach alledem werden vorzugsweise zwei bis zehn
ferromagnetische Bänder für den obigen Zweck verwendet.
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Für die Verbesserung der
Gleichstromüberlagerungskennlinie sollte darüber hinaus das Verhältnis der Dicke
(t) jeder ferromagnetischen Lage, die aus einer
Vielzahl von ferromagnetischen Bändern zusammengesetzt ist,
zu der Seitenlänge von 2 x 10&supmin;³ bis 1 x 10&supmin;² reichen.
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Wenn beispielsweise in einem quadratischen planaren
Induktor das Verhältnis der Dicke jeder ferromagnetischen
Lage zu deren Seitenlänge größer ist, dann nimmt der
Koeffizient des planaren diamagnetischen Feldes der
ferromagnetischen Schicht proportional zu. Mit anderen
Worten, je größer die Dicke der ferromagnetischen Lage
oder je kürzer die Seitenlänge ist, desto größer ist
der Koeffizient des diamagnetischen Feldes. Wenn das
Verhältnis der Dicke und der Seitenlänge von 2 x 10&supmin;³
bis 1 x 10&supmin;² reicht, so nimmt der magnetische
Widerstand zu, so daß die Gleichstromüberlagerungskennlinie
der Induktivität verbessert werden kann. Wenn die
Spiralleiterspulen oder eine Laminatstruktur hiervon und
daher die ferromagnetischen Lagen auf jeder Seite
hiervon kreisförmig in der Gestalt sind, so nimmt der
magnetische Widerstand zu, um so die
Gleichstromüberlagerungskennlinie der Induktivität zu verbessern, wenn das
Verhältnis der Dicke jeder ferromagnetischen Lage zu
deren Durchmesser von 2 x 10&supmin;³ bis 1 x 10&supmin;² reicht.
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Diese Erfindung kann vollständiger aus der
anschließenden Detailbeschreibung in Zusammenhang mit den
begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in welchen:
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Fig. 1A eine Draufsicht eines planaren
Induktors nach dem Stand der Technik ist,
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Fig. 1B eine Schnittdarstellung des planaren
Induktors gemäß dem Stand der Technik
längs einer Linie A-A von Fig. 1A ist,
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Fig. 2 ein Diagramm zum Erläutern von
Flußpfaden des planaren Induktors gemäß dem
Stand der Technik ist,
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Fig. 3A eine Draufsicht eines planaren
Induktors ist,
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Fig. 3B eine Schnittdarstellung des planaren
Induktors längs einer Linie A-A von
Fig. 3A ist,
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Fig. 4 ein Diagramm zum Erläutern eines
Flußpfades des planaren Induktors der Fig.
3A und 3B ist,
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Fig. 5 Kennlinienkurven zeigt, die die
Beziehungen zwischen der Induktivität und
der Frequenz des planaren Induktors
anzeigen,
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Fig. 6 Kennlinienkurven zeigt, die eine
Beziehung zwischen der Induktivität des in
den Fig. 3A und 3B gezeigten planaren
Induktors und der mittleren Dicke eines
ferromagnetischen Bandes sowie eine
Beziehung zwischen der Induktivität je
Einheitsvolumen (L/V) und der mittleren
Banddicke anzeigen,
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Fig. 7A eine ebene Darstellung einer Draufsicht
eines anderen Induktors ist,
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Fig. 7B eine Schnittdarstellung des planaren
Induktors des anderen Induktors längs
einer Linie A-A von Fig. 7A ist)
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Fig. 8 ein Diagramm zum Erläutern von
Flußpfaden des planaren Induktors der Fig. 7A
und 7B ist,
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Fig. 9, 11 und 14 Kennlinienkurven zeigen, die
Beziehungen zwischen der Induktivität
und der Frequenz des planaren Induktors
der Fig. 7A und 7B anzeigen,
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Fig. 10A, 12a und 15A Draufsichten von jeweiligen
weiteren planaren Induktoren sind,
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Fig. 10B, 12B und 15B Schnittdarstellungen der
planaren Induktoren längs Linie A-A von
Fig. 10A, 12A bzw. 15A sind,
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Fig. 13 ein Diagramm zum Erläutern von
Flußpfaden des planaren Induktors der Fig. 12
ist,
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Fig. 16A eine ebene Darstellung noch eines
weiteren planaren Induktors ist,
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Fig. 16B eine Schnittdarstellung des planaren
Induktors längs einer Linie A-A von
Fig. 16A ist,
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Fig. 17 Kennlinienkurven zeigt, die Beziehungen
zwischen den jeweiligen Induktivitäten
des planaren Induktors der Fig. 16A und
16B und eines planaren Induktors eines
Vergleichsbeispiels 7 und der mittleren
Banddicke anzeigen,
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Fig. 18 Kennlinienkurven zeigt, die Beziehungen
zwischen den Induktivitäten je
Einheitsvolumen (L/V) der planaren
Induktoren von Fig. 16A und 16B und einem
Vergleichsbeispiel 7 und der mittleren
Banddicke zeigen,
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Fig. 19 eine Schnittdarstellung eines planaren
Induktors gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erf
indung ist,
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Fig. 20 eine Schnittdarstellung eines planaren
Induktors ist, der als ein
Vergleichsbei spiel für das erste
Ausführungsbeispiel vorbereitet ist,
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Fig. 21 Kennlinienkurven zeigt, die die
Frequenzkennlinien von Induktivitäten L
der planaren Induktoren des ersten
Ausführungsbeispiels und des
Vergleichsbeispiels anzeigen,
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Fig. 22 Kennlinienkurven zeigt, die die
Frequenzkennlinien der jeweiligen
Induktivitäten je Einheitsvolumen (L/V) der
planaren Induktoren des ersten
Ausführungsbeispiels und des
Vergleichsbeispiels angeben,
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Fig. 23 Kennlinienkurven zeigt, die die
Beziehungen zwischen dem über lagerten
Gleichstrom und der Induktivität des
planaren Induktors des ersten
Ausführungsbeispiels, erhalten unter
Verwendung der Anzahl amorpher
Legierungsbänder als Parameter, angeben,
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Fig. 24 Kennlinienkurven zeigt, die Beziehungen
zwischen dem überlagerten Gleichstrom
und dem Verhältnis der Induktivität,
die erzeugt ist, wenn die überlagerte
Gleichspannung angelegt ist, zu der
Induktivität, die erzeugt ist, wenn die
überlagerte Gleichspannung nicht
angelegt ist, bezüglich des planaren
Induktors des ersten Ausführungsbeispiels,
erhalten mit der Anzahl von amorphen
Legierungsbändern als Parameter,
angeben,
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Fig. 25 eine Kennlinienkurve zeigt, die eine
Beziehung zwischen dem Verhältnis der
Dicke des amorphen Legierungsbandes zu
der Seitenlänge hiervon und das
Verhältnis der Induktivität, die erzeugt
ist, wenn ein überlagerter Gleichstrom
von 0,2 A anliegt, zu der Induktivität,
die erzeugt ist, wenn der überlagerte
Gleichstrom nicht anliegt, bezüglich
des planaren Induktors des ersten
Ausführungsbeispiels angibt,
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Fig. 26A eine Draufsicht eines planaren
Induktors nach einem zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist,
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Fig. 26B eine Schnittdarstellung längs einer
Linie A-A' von Fig. 26A ist,
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Fig. 27 Kennlinienkurven zeigt, die Beziehungen
zwischen dem überlagerten Gleichstrom
und der Induktivität des planaren
Induktors des zweiten
Ausführungsbeispiels, erhalten mit Verwendung der
Anzahl von ferromagnetischen Bändern als
Parameter, angeben, und
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Fig. 28 eine Kennlinienkurve zeigt, die eine
Beziehung zwischen dem Verhältnis der
Dicke des Laminats der
ferromagnetischen Lagen zu der Seitenlänge hiervon
und dem Verhältnis der Induktivität,
die erzeugt ist, wenn ein überlagerter
Gleichstrom von 0,2 A anliegt, zu der
Induktivität, die erzeugt ist, wenn der
überlagerte Gleichstrom nicht anliegt,
bezüglich des planaren Induktors des
zweiten Ausführungsbeispiels angibt.
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Fig. 3A ist eine Draufsicht eines planaren Induktors,
und Fig. 3B ist eine Schnittdarstellung des planaren
Induktors längs einer Linie A-A von Fig. 3A. In diesen
Zeichnungen werden ähnliche Bezugszeichen verwendet, um
die gleichen Teile wie bei dem in Fig. 1 gezeigten
planaren Induktor nach dem Stand der Technik anzugeben.
Dieser planare Induktor ist so aufgebaut, daß zwei
Paare von Spiralleiterspulen 1a, 1b, 1a' und 1b' der
gleichen Gestalt, die jeweils in zwei Lagen angeordnet
sind, fluchtend miteinander und nahe beieinander
gelegen sind, wobei Isolierlagen 3a, 3b und 3c abwechselnd
zwischen den Lagen vorgesehen sind. Ferromagnetische
Bänder 2a und 2b die eine Fläche haben, die weiter ist
als die durch die Leiterspulen bedeckte Fläche, sind
einzeln auf entgegensetzten Seiten der Spulenanordnung
aufgezogen oder geklebt, wobei Isolierlagen 3a und 3c
zwischen ihnen sind. Die Leiterspulen 1a, 1b, 1a' und
1b' sind elektrisch miteinander verbunden, so daß
Ströme von entgegengesetzten Richtungen durch jeweils zwei
benachbarte Spulen fließen.
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Spiralleiterspulen 1a, 1b, 1a' und 1b' sind jeweils aus
einer zweilagigen Spule gebildet, die, erhalten durch
Ätzen einer Kupferfolie mit einer Dicke von
beispielsweise 20 um, eine Breite von 1 mm, eine Spulenteilung
von 1 mm und 10 Windungen hat.
-
Die Isolierlagen 3a, 3b und 3c sind jeweils aus einer
Polycarbonatschicht einer Dicke von beispielsweise
20 um gebildet.
-
Die ferromagnetischen Bänder 2a und 2b sind jeweils aus
einer Schicht von 25 mm mal 55 mm zusammengesetzt, die
erhalten ist durch Abschneiden eines amorphen
Legierungsbandes auf Co-Basis (mit einer effektiven
Permeabilität von etwa 1,2 x 10&sup4; bei kHz und Null oder nahezu
Null Magnetostriktion mit einer Dicke von etwa 16 um
und einer Breite von 25 mm. Das Legierungsband kann
beispielsweise durch ein einziges Rollen gebildet sein.
-
Die Komponenten einschließlich der Spiralleiterspulen
1a, 1b, 1a' und 1b' werden zusammengebaut, indem sie
beispielsweise bei einer Temperatur von 170ºC und einem
Druck von 5 kg/cm² für etwa 10 Minuten gehalten werden.
-
Der Pfad des Magnetflusses des auf diese Weise
aufgebauten planaren Induktors (Fig. 3A, 3B) ist durch eine
Pfeillinie in Fig. 4 angezeigt. Die Frequenzkennlinie
dieses planaren Induktors wurde tatsächlich untersucht.
-
Eine Kennlinienkurve I von Fig. 5 stellt das Ergebnis
der Untersuchung dar.
-
Zum Vergleich wurden zwei planare Induktoren, deren
jeder aus den gleichen Spiralleiterspulen,
Isolierschichten und ferromagnetischen Bändern zusammengesetzt ist,
wie diese in dem vorhergehenden Induktor verwendet
sind, einfach elektrisch in Reihe miteinander verbunden
(Vergleichsbeispiel 1). Die Frequenzkennlinie dieses
Vergleichsbeispiels wurde ebenfalls untersucht. Eine
Kurve II von Fig. 5 stellt das Untersuchungsergebnis
dar. Unter den Induktoren des Vergleichsbeispiels 1
mißt jedes ferromagnetische Band 25 mm mal 25 mm.
-
Wie aus den in Fig. 5 gezeigten Ergebnissen zu ersehen
ist, hat der planare Induktor von Fig. 3A, 3B im
Vergleich mit den beiden in Reihe verbundenen planaren
Induktoren des Vergleichsbeispiels 1 einen größeren
Induktivitätswert über dem Frequenzband und daher einen
verbesserten Induktivitätswert je Einheitsvolumen, um
so sich einer sehr hohen Wirksamkeit zu erfreuen.
-
Alternative planare Induktoren wurden zum Vergleich
(Vergleichsbeispiel 2) vorbereitet. Diese Induktoren
haben den gleichen Aufbau wie diejenigen des zuvor
erwähnten Induktors, mit der Ausnahme, daß die
ferromagnetischen Bänder aus einer amorphen Legierung auf Fe-
Basis mit einer Magnetostriktion mit etwa 8 x 10&supmin;&sup6;
gebildet sind. Die Induktivität der Induktoren des
Vergleichsbeispiels 2 war im wesentlichen halbiert, wenn
sie leicht gebogen sind. Im Gegensatz hierzu wies der
planare Induktor von Fig. 3A, 3B kaum irgendeine
Änderung auf, obwohl er in der gleichen Weise gebogen
wurde.
Somit hat sich gezeigt, daß der Induktivitätswert
des planaren Induktors von Fig. 3A, 3B stabil ist,
obwohl der Induktor einer Spannung, die erzeugt wird,
während die Komponenten miteinander verbunden werden,
oder einem Biegemoment während des Gebrauchs
unterworfen ist.
-
Danach wurde der Einfluß der Dicke der
ferromagnetischen Bänder auf den planaren Induktor von Fig. 3A, 3B
untersucht. In diesem Fall haben Spiralleiterspulen 1a,
1b, 1a' und 1b', die durch Ätzen einer dicken
Kupferfolie einer Dicke von 35 um gebildet sind, eine Breite
von 0,25 mm, eine Spulenteilung von 0,25 mm, 40
Windungen und eine externe Abmessung von 20 mm mal 20 mm.
Diese Spulen sind in zwei Lagen so angeordnet, daß eine
isolierende Lage 3b, die aus einem Polyimidfilm einer
Dicke von 25 um gebildet ist, zwischen zwei Lagen
gelegen ist, und sie sind miteinander über ein
Durchgangsloch in der Mitte verbunden. Ein Polyimidfilm einer
Dicke von 12 um wird für die isolierenden Lagen 3a und
3c verwendet.
-
Die ferromagnetischen Bänder 2a und 2b, die eine
externe Abmessung von jeweils 25 mm mal 55 mm haben, sind
erhalten durch Zerschneiden von vier amorphen
Legierungsbändern auf Co-Basis mit verschiedenen mittleren
Dicken, die von 5 bis 25 um reichen, wobei die Legie-.
rungsbänder durch einfaches Rollen gebildet sind und
eine Zusammensetzung wie folgt aufweisen:
-
(Co0,88Fe0,06Ni0,04Nb0,02)&sub7;&sub5;Si&sub1;&sub0;B&sub1;&sub5;.
-
Die effektive Permeabilität dieser amorphen Legierung
auf Co-Basis beträgt 2 x 10&sup4; (1 kHz) oder 1 x 10&sup4; (100
khz).
-
Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Induktivität (L) von
der Dicke der ferromagnetischen Bänder 2a und 2b und
die Abhängigkeit des Induktivitätswertes je
Einheitsvolumen (L/V) von der Banddicke bezüglich der oben
beschriebenen planaren Induktoren.
-
Wie aus der Fig. 6 zu ersehen ist, neigt die
Induktivität L zu einer Zunahme, wenn die mittlere Dicke der
ferromagnetischen Bänder 2a und 2b anwächst, während
der wert L/V ein Maximum hat, wenn die mittlere
Banddicke von etwa 10 bis 15 um reicht. Somit sollte die
Banddicke von 4 bis 20 um, vorzugsweise von 10 bis
15 um reichen.
-
Fig. 7A ist eine Draufsicht eines anderen planaren
Induktors, und Fig. 7B ist eine Schnittdarstellung des
Induktors längs einer Linie A-A von Fig. 7A. Dieser
planare Induktor ist so aufgebaut, daß zwei Paare vdn
Spiralleiterspulen la und lb der gleichen Gestalt in
zwei Lagen angeordnet sind, wobei isolierende Lagen 3a;
3b und 3c abwechselnd zwischen den Lagen vorgesehen
sind. Ferromagnetische Bänder 2a und 2b, die eine
Fläche haben, die weiter ist als die durch die
Leiterspulen bedeckte Fläche, sind einzeln auf den
entgegengesetzten Seiten der Spulenanordnung aufgezogen bzw.
verklebt, wobei isolierende Lagen 3a und 3c zwischen
diesen vorgesehen sind. Eine ferromagnetische Substanz 10
ist in der Mitte der Spulenanordnung vorgesehen, um in
Berührung mit den ferromagnetischen Bändern 2a und 2b
zu sein.
-
Die Spiralleiterspulen 1a und 1b sind jeweils aus einer
zweilagigen Spule gebildet, die, erhalten
beispielsweise durch Ätzen einer Kupferfolie einer Dicke von 20 um,
eine Breite von 1 mm, eine Spulenteilung von 1 mm und
10 Windungen hat.
-
Die isolierenden Lagen 3a, 3b und 3c sind jeweils aus
einer Polycarbonatschicht einer Dicke von
beispielsweise 20 um gebildet.
-
Die ferromagnetischen Bänder 2a und 2b sind jeweils aus
einer Schicht von 25 mm mal 25 mm zusammengesetzt, die
erhalten ist durch Zerschneiden eines amorphen
Legierungsbandes auf Co-Basis (mit einer effektiven
Permeabilität von etwa 1,2 x 10&sup4; bei 1 kHz und Null oder
nahezu Null Magnetostriktion) mit einer Dicke von etwa
16 um und einer Breite von 25 mm. Das Legierungsband
kann beispielsweise durch ein einziges Rollen gebildet
sein.
-
Die ferromagnetische Substanz 10 ist zusammengesetzt
aus vier oder fünf Stücken von 2 mm mal 2 mm, die
erhalten sind durch Zerschneiden beispielsweise eines
amorphen Legierungsbandes auf Co-Basis.
-
Die Komponenten einschließlich der Spiralleiterspulen
1a und 1b werden zusammengebaut, während sie
beispielsweise bei einer Temperatur von 170ºC und einem Druck
von 5 kg/cm² für etwa 10 Minuten gehalten sind.
-
Der Pfad des Magnetflusses 6 des auf diese Weise
aufgebauten planaren Induktors der Fig. 7A, 7B ist durch
eine Pfeillinie in Fig. 8 angezeigt. Die
Frequenzkennlinie dieses planaren Induktors wurde tatsächlich
untersucht. Eine Kennlinienkurve I von Fig. 9 stellt das
Ergebnis der Untersuchung dar.
-
Zum Vergleich wurde ein planarer Induktor,
zusammengesetzt aus den gleichen Spiralleiterspulen, isolierenden
Lagen und ferromagnetischen Bändern, wie in den Fig.
7A, 7B verwendet, mit einem Spaltteil ohne eine
ferromagnetische Substanz in der Mitte der Spulenanordnung
gebildet (Vergleichsbeispiel 3). Die Frequenzkennlinie
dieses Vergleichsbeispiels wurde ebenfalls untersucht.
Eine Kurve II von Fig. 9 stellt das Vergleichsergebnis
dar.
-
Wie aus den in Fig. 9 gezeigten Ergebnissen-zu ersehen
ist, hat der planare Induktor der Fig. 7A, 7B, bei dem
der Spaltteil in der Mitte der Spulenanordnung mittels
einer darin eingesetzten ferromagnetischen Substanz 10
kurzgeschlossen ist, einen größeren Induktivitätswert
über dem Frequenzband und daher einen verbesserten
Induktivitätswert je Einheitsvolumen im Vergleich mit dem
Vergleichsbeispiel 3, um so sich einer so hohen
Wirksamkeit zu erfreuen.
-
Ein alternativer planarer Induktor wurde zum Vergleich
vorbereitet (Vergleichsbeispiel 4). Dieser Induktor hat
den gleichen Aufbau wie derjenige des
Vergleichsbeispiels 3 mit der Ausnahme, daß die ferromagnetischen
Bänder aus einer amorphen Legierung auf Fe-Basis mit
einer Magnetostriktion von etwa 8 x 10&supmin;&sup6; gebildet sind.
-
Die Induktivität des Induktors des Vergleichsbeispiels
4 war im wesentlichen verschlechtert, wenn eine
geringfügige Biegung vorgenommen wurde. Im Gegensatz hierzu
wies der planare Induktor der Fig. 7A, 7B kaum
irgendeine Änderung auf, obwohl er in der gleichen Weise
gebogen wurde. Somit zeigte sich, daß der
Induktivitätswert des planaren Induktors von Fig. 7A, 7B stabil ist,
selbst wenn der Induktor einer Spannung, die erzeugt
wurde, während die Komponenten zusammen verbunden
wurden, oder einem Biegemoment während des Gebrauchs
unterworfen war.
-
Ein planarer Induktor wurde hergestellt, wie dies in
den Fig. 10A, 10B gezeigt ist. Zwei planare Induktoren
entsprechend denjenigen, die in den Fig. 7A, 7B gezeigt
sind, sind so angeordnet, daß zwei Paare von
Spiralleiterspulen 1a, 1b, 1a' und 1b' fluchtend miteinander und
nahe beieinander vorgesehen sind. Ferromagnetische
Bänder 2a und 2b, die eine Fläche haben, die weiter ist
als die durch die Leiterspulen bedeckte Fläche, sind
einzeln auf den entgegengesetzten Seiten der
Spulenanordnung aufgezogen oder verklebt, wobei die
isolierenden Lagen 3a und 3c zwischen diesen vorgesehen sind.
Die Leiterspulen 1a, 1b, 1a' und 1b' sind elektrisch
miteinander verbunden, so daß Ströme entgegengesetzter
Richtungen durch jeweils zwei benachbarte Spulen
fiießen. Die Frequenzkennlinie dieses planaren Induktors
wurde tatsächlich untersucht. Eine Kennlinienkurve I'
von Fig. 11 zeigt das Untersuchungsergebnis.
-
Zum Vergleich wurde ein planarer Induktor,
zusammengesetzt aus den gleichen Spiralleiterspulen, isolierenden
Lagen und ferromagnetischen Bändern, wie diese in dem
Induktor der Fig. 10A, lob verwendet sind, mit einem
Spaltteil ohne eine ferromagnetische Substanz in der
Mitte der Spulenanordnung gebildet (Vergleichsbeispiel
5). Die Frequenzkennlinie dieses Vergleichsbeispiels
wurde ebenfalls untersucht. Eine Kurve II' von Fig. 11
stellt das Untersuchungsergebnis dar.
-
Wie aus den in der Fig. 11 gezeigten Ergebnissen zu
ersehen ist, hat der planare Induktor der Fig. 10A, 10B
im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel 5 einen
größeren Induktivitätswert über dem Frequenzband und daher
einen verbesserten Induktivitätswert je
Einheitsvolumen.
-
Ein weiterer planarer Induktor wurde hergestellt, wie
dies in den Fig. 12A, 12B gezeigt ist. Dieser Induktor
hat den gleichen Aufbau wie derjenige des
Vergleichsbeispiels 5, mit der Ausnahme, daß eine
ferromagnetische Substanz 10" fluchtend mit den Spiralleiterspulen
1a und 1b so vorgesehen ist, daß er den Außenrand der
Spulenanordnung umgibt.
-
Der Pfad des Magnetflusses 6 des auf diese Weise
aufgebauten planaren Induktors ist durch eine Pfeillinie in
Fig. 13 angedeutet. Die Frequenzkennlinie dieses
planaren Induktors wurde tatsächlich untersucht. Eine
Kennlinienkurve I" von Fig. 14 stellt das
Untersuchungsergebnis dar.
-
Zum Vergleich wurde ein planarer Induktor,
zusammengesetzt aus den gleichen Spiralleiterspulen, isolierenden
Lagen und ferromagnetischen Bändern, wie diese in dem
Induktor der Fig. 12A, 12B verwendet sind, mit einem
Spaltteil ohne eine den Außenrand der Spulenanordnung
umgebende ferromagnetische Substanz gebildet
(Vergleichsbeispiel 6). Die Frequenzkennlinie dieses
Vergleichsbeispiels wurde ebenfalls untersucht. Eine Kurve
II" von Fig. 14 stellt das Untersuchungsergebnis dar.
-
Wie aus den in Fig. 14 gezeigten Ergebnissen zu ersehen
ist, hat der planare Induktor von Fig. 12a, 12b im
Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel 6 einen größeren
Induktivitätswert über dem Frequenzband und daher einen
verbesserten Induktivitätswert je Einheitsvolumen.
-
Ein noch weiterer planarer Induktor wurde hergestellt,
wie dieser in den Fig. 15A, 15B gezeigt ist. In diesem
Induktor bedeckt eine ferromagnetische Substanz 10"'
diejenigen Bereiche, in welchen die isolierenden Lagen
3a und 3c, jeweils gerade innerhalb der
ferromagnetischen Bänder 2a und 2b, entfernt sind. Dieser planare
Induktor hat im Vergleich mit demjenigen der Fig. 12A,
12B einen größeren Induktivitätswert über dem
Frequenzband und daher einen verbesserten Induktivitätswert je
Einheitsvolumen.
-
Der Einfluß der Dicke der ferromagnetischen Bänder
wurde für den planaren Induktor mit der in den Fig. 16A,
16B gezeigten Konfiguration untersucht. In diesem
planaren Induktor ist eine ferromagnetische Substanz 10
in der Mitte einer Anordnung von Spiralleiterspulen 1a
und 1b vorgesehen, während eine ferromagnetische
Substanz 10"' in dem Bereich liegt, der den Außenrand der
Spulenanordnung umgibt. In diesem Fall haben die
Leiterspulen 1a und 1b, die durch Ätzen einer dicken
Kupferfolie mit einer Dicke von 35 um erhalten sind, eine
Breite von 0,25 mm, eine Spulenteilung von 0,25 mm,
40 Windungen und eine externe Abmessung von 20 mm mal
20 mm. Diese Spulen sind in zwei Lagen angeordnet, so
daß eine isolierende Lage 3b, die aus einem
Polyimidfilm einer Dicke von 25 um besteht, zwischen den Lagen
vorgesehen ist, und sie sind miteinander über ein
Durchgangsloch in der Mitte verbunden. Ein Polyimidfilm
einer Dicke von 12 um wird für die isolierenden Lagen
3a und 3c verwendet.
-
Ferromagnetische Bänder 2a und 2b, die eine externe
Abmessung von jeweils 25 mm mal 25 mm haben, sind durch
Zerschneiden von fünf amorphen Legierungsbändern auf
Co-Basis mit verschiedenen mittleren Dicken, die von 5
bis 25 um reichen, erhalten, wobei die Legierungsbänder
durch ein einfaches Rollen gebildet sind und eine im
folgenden angegebene Zusammensetzung haben:
-
(Co0,88Fe0,06Ni0,04nb0,02)&sub7;&sub5;Si&sub1;&sub0;B&sub1;&sub5;.
-
Die effektive Permeabilität dieser amorphen Legierung
auf Co-Basis beträgt 2 x 10&sup4; (1 kHz) oder 1 x 10&sup4; (100
khz).
-
Die ferromagnetische Substanz 10, die in der Mitte der
Spulenanordnung vorgesehen ist, ist aus sechs Bändern
in Lagen gebildet, die mit einer externen Abmessung von
2 mm mal 2 mm erhalten sind durch Zerschneiden einer
amorphen Legierung auf Co-Basis mit der oben erwähnten
Zusammensetzung und einer mittleren Dicke von 20 um.
Die ferromagnetische Substanz 10"', die außerhalb des
äußeren Randes der Spiralleiterspulen 1a und 1b
angeordnet ist, ist gebildet aus sechs rahmenförmigen
Bändern
in Lagen, die mit einer internen Abmessung
(angezeigt durch X in Fig. 16A) von 21 mm und einer
externen Abmessung (angezeigt durch Y) von 25 mm erhalten
sind durch Zerschneiden einer amorphen Legierung auf
Co-Basis mit der obigen Zusammensetzung und einer
mittleren Dicke von 20 um.
-
Zum Vergleich wurden fünf planare Induktoren
(Vergleichsbeispiel 7) vorbereitet. Diese Induktoren, deren
ferromagnetische Bänder 2a und 2b eine verschiedene
mittlere Dicke haben, weisen den gleichen Aufbau wie
oben mit der Ausnahme auf, daß weder ferromagnetische
Substanzen in der Mitte von oder außerhalb des äußeren
Randes der Spulenanordnung vorgesehen sind.
-
Fig. 17 zeigt die Abhängigkeit der Induktivität L von
der Dicke der ferromagnetischen Bänder 2a und 2b, und
Fig. 18 zeigt die Abhängigkeit des Induktivitätswertes
je Einheitsvolumen (L/V) von der Banddicke, bezüglich
der planaren Induktoren der verschiedenen
Konfigurationen, die in der obigen Weise vorbereitet sind. In den
Fig. 17 und 18 stellen Vollinien- und
Strichlinien-Kurven Ergebnisse der planaren Induktoren der Fig. 16A,
16B bzw. des Vergleichsbeispiels 7 dar.
-
Wie aus den Fig. 17 und 18 zu ersehen ist, neigt die
Induktivität L zu einer Zunahme, wenn die mittlere
Dikke der ferromagnetischen Bänder 2a und 2b anwächst,
während der Wert L/V ein Maximum hat, wenn die mittlere
Banddicke von etwa 10 bis 15 um reicht, ohne
Berücksichtigung der Anwesenheit der ferromagnetischen
Substanzen 10 und 10"' . Wenn die ferromagnetischen
Substanzen 10 und 10"' in der Mitte und außerhalb des
äußeren Randes der Spulenanordnung vorgesehen sind, sind
L und L/V viel größer als wenn die ferromagnetischen
Substanzen überhaupt nicht verwendet werden. Somit
sollte die Banddicke von 4 bis 20 um, vorzugsweise von
10 bis 15 um reichen.
-
Es wurde bestätigt, daß die gleichen Ergebnisse wie
diejenigen, die in den Fig. 17 und 18 gezeigt sind, mit
dem planaren Induktor der Fig. 10A, 10B erhalten werden
können, bei welchem die beiden Spiralleiterspulen
fluchtend zueinander und elektrisch verbunden
angeordnet sind, so daß Ströme von entgegengesetzten
Richtungen durch die Spulen fließen.
-
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr in Einzelheiten
anhand der folgenden Beschreibung von zwei bevorzugten
Ausführungsbeispielen hiervon erläutert.
-
Fig. 19 ist eine Schnittdarstellung eines planaren
Induktors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, und Fig. 20 ist eine
Schnittdarstellung eines planaren Induktors, der für einen
Vergleich hiermit als ein Vergleichsbeispiel vorbereitet
wurde. In jedem Fall gleicht die Draufsicht des
Induktors Fig. 1a und ist daher weggelassen. In den Fig. 19
und 20 ist jede Spiralleiterspulenanordnung 1 aus
Spiralspulen 5a und 5b mit einer externen Abmessung von
20 mm mal 20 mm, einer Breite von 250 um, einer
Spulenteilung von 500 um und 40 Windungen (20 Windungen auf
jeder Seite) gebildet. Die Spulen 5a und 5b sind
erhalten durch Bilden einer beidseitigen PPC-Platte, die
einen Polyimidfilm (Isolierlage 3b) einer Dicke von 25 um
und Cu-Folien einer Dicke von 35 um umfaßt, die auf
jeder
Seite hiervon gebildet und miteinander über ein
Durchgangsloch 4 verbunden sind, und durch
anschließendes Ätzen der Cu-Folien.
-
Beim Herstellen des Planarinduktors des ersten
Ausführungsbeispiels, werden, wie in Fig. 19 gezeigt ist,
drei Leiterspulenanordnungen 1 mit der oben erwähnten
Konfiguration in Lagen geschichtet, wobei Polyimidfilme
(isolierende Lagen 3d) einer Dicke von 7 um zwischen
diesen vorgesehen sind. Die sich ergebende
Laminatstruktur wurde zwischen zwei quadratische Bänder
(ferromagnetische Lagen 2a und 2b) geschichtet, wobei
Polyimidfilme (isolierende Lagen 3e und 3f) von 7 um
zwischen der Laminatstruktur und deren entsprechenden
Bändern vorgesehen sind. Jedes quadratische Band,
dessen Seite 25 mm lang ist, wurde aus einem amorphen
Legierungsband auf Co-Basis hoher Permeabilität
ausgeschnitten, das mit einer Dicke von 18 um und einer
Breite von 25 mm durch einfaches Rollen gebildet wurde.
Ein momentanes Bindemittel wurde auf die Seitenflächen
des sich ergebenden planaren Induktors mit der
Laminatstruktur aufgetragen, um die einzelnen Schichten
miteinander zu verbinden.
-
Zum Vergleich wurden drei planare Induktoren
(Vergleichsbeispiel 8) in Lagen gestapelt, wie dies in
Fig. 20 gezeigt ist.
-
Jeder dieser Induktoren umfaßt eine
Spiralleiterspulenanordnung 2, die zwischen zwei 25 mm quadratische
Bänder (ferromagnetische Lagen 2a und 2b) mit einer Dicke
von 18 um geschichtet ist, wobei Polyimidfilme
(isolierende Lagen 3a und 3c) von 7 um zwischen der
Spulenanordnung
und deren entsprechenden Bändern vorgesehen
sind. Die Spulenanordnung 1 besteht aus Spiralspulen 5a
und 5b mit einer externen Abmessung von 20 mm mal
20 mm, einer Breite von 250 um, einer Spulenteilung von
500 um und 40 Windungen (20 Windungen auf jeder Seite),
wobei ein Polyimidfilm (isolierende Lage 3b) einer
Dikke von 25 um zwischen die Spulen geschichtet ist. Ein
momentanes Bindemittel wurde auf die Seitenflächen des
sich ergebenden planaren Induktors mit dem
Laminataufbau aufgetragen. In jedem der planaren Induktoren des
ersten Ausführungsbeispiels und des Vergleichsbeispiels
8 wurden drei Spiralleiterspulenanordnungen 1
miteinander verbunden, so daß Ströme der gleichen Phase durch
diese fließen.
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Die Dicken der planaren Induktoren des ersten
Ausführungsbeispiels und des Vergleichsbeispiels 8 betragen
jeweils 510 um bzw. 605 um.
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Fig. 21 zeigt die Frequenzkennlinie der Induktivität L
jedes planaren Induktors, und Fig. 22 zeigt die
Induktivität L/V je Einheitsvolumen.
-
Wie aus der Fig. 21 zu ersehen ist, sind die Werte der
Induktivität L der planaren Induktoren des ersten
Ausführungsbeispiels und des Vergleichsbeispiels 8 im
wesentlichen gleich. Auf der Hochfrequenzseite ist jedoch
der Induktor des ersten Ausführungsbeispiels, der
dünner ist, eher größer in der Induktivität.
-
Wie darüber hinaus aus Fig. 22 zu ersehen ist, ist der
Wert der Induktivität L/V je Einheitsvolumen des
planaren Induktors des ersten Ausführungsbeispiels um etwa
20 % größer als diejenige des planaren Induktors des
Vergleichsbeispiels 7.
-
Die Gleichstromüberlagerungskennlinie wurde bei
planaren Induktoren geprüft, die die gleiche
Grundkonfiguration wie die in Fig. 19 gezeigte haben und bei denen
eins bis zehn quadratische amorphe Legierungsbänder auf
Co-Basis einer hohen Permeabilität mit einer Dicke von
18 um und einer Seitenlänge von 25 um als
ferromagnetische Lagen 2a und 2b verwendet sind. Die Fig. 23 bis 25
zeigen Ergebnisse dieser Prüfung.
-
Fig. 23 zeigt Kennlinienkurven, die Beziehungen
zwlschen dem überlagerten Gleichstrom und der Induktivität
anzeigen, die mittels der Anzahl von amorphen
Legierungsbändern als ein Parameter erhalten sind. Fig. 24
zeigt Kennlinienkurven, die die Beziehungen zwischen
dem überlagerten Gleichstrom und dem Verhältnis der
Induktivität anzeigen, die erzeugt ist, wenn der
überlagerte Gleichstrom anliegt, zu der Induktivität, die
erzeugt ist, wenn der überlagerte Gleichstrom nicht
anliegt, und die erhalten ist mittels der Anzahl von
amorphen Legierungsbändern als Parameter. Fig. 25 zeigt
eine Kennlinienkurve, die die Beziehung zwischen dem
Verhältnis der Dicke des Laminats der amorphen
Legierungsbänder zu der Seitenlänge hiervon und dem
Verhältnis der Induktivität, die erhalten ist, wenn ein
überlagerter Gleichstrom von 0,2 A anliegt, zu der
Induktivität, die erzeugt ist, wenn der überlagerte
Gleichstrom nicht anliegt, angibt. Alle Induktivitätswerte
wurden bei 50 kHz gemessen.
-
Selbst wenn die Anzahl (n) der Bänder zunimmt, kann die
Induktivität L&sub0;, die erzeugt wird, wenn der überlagerte
Gleichstrom nicht anliegt, nur einen Wert erreichen,
der viel kleiner ist als das n-fache des Wertes, der
erhalten ist, wenn n gleich 1 ist, wie dies aus Fig. 23
zu ersehen ist. Wenn jedoch, wie aus den Fig. 23 und 24
zu ersehen ist, die Anzahl n größer wird, dann wird die
Verringerungsrate der Induktivität mit der Steigerung
des überlagerten Gleichstromes proportional vermindert,
so daß die Gleichstromüberlagerungskennlinie verbessert
wird.
-
Wenn darüber hinaus, wie aus der Fig. 25 zu ersehen
ist, das Verhältnis (t/l) der Dicke des Bandlaminates
zu der Seitenlänge hiervon kleiner als 10&supmin;³ ist, ist
das Verhältnis (L0,2/L&sub0;) der Induktivität, die erzeugt
ist, wenn der überlagerte Gleichstrom von 0,2 A
anliegt, zu der Induktivität, die erzeugt wird, wenn der
überlagerte Gleichstrom nicht anliegt, 0,3 oder
kleiner, um so eine schwache
Gleichstromüberlagerungskennlinie anzuzeigen. Wenn andererseits t/l 10&supmin;³ oder mehr
beträgt, so ist L0,2/L&sub0; größer als 0,3, das heißt, groß
genug für einen praktischen Gebrauch. Wenn t/l 3,5 x
10&supmin;³ darüber hinaus überschreitet, wird L0,2/L&sub0; 0,8 oder
mehr, so daß die Gleichstromüberlagerungskennlinie
beträchtlich verbessert ist.
-
Fig. 26A ist eine Draufsicht eines planaren Induktors
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, und Fig. 26B zeigt eine
Schnittdarstellung längs einer Linie A-A' von Fig. 26A. In Fig. 26
ist eine Spiralleiterspulenanordnung 1 aus Spiralspulen
5a und 5b mit einer externen Abmessung von 20 mm mal
20 mm, einer Breite von 250 um, einer Spulenteilung von
500 um und 40 Windungen (20 Windungen auf jeder Seite)
gebildet. Die Spulen 5a und 5b sind erhalten, indem
eine beidseitige FPC-Platte (flexible gedruckte Platte)
gebildet wird, die einen Polyimidfilm (isolierende Lage
3b) einer Dicke von 25 um und Cu-Folien einer Dicke von
35 um umfaßt, die auf jeder Seite hiervon gebildet und
miteinander durch ein mittleres Durchgangsloch 4
verbunden sind, und in dem dann die Cu-Folien geätzt
werden. Der planare Induktor des zweiten
Ausführungsbeispiels ist derart aufgebaut, daß die
Leiterspulenanordnung mit der obigen Konfiguration zwischen zwei Folgen
von ferromagnetischen Lagen geschichtet ist, deren jede
eine Vielzahl von quadratischen Bändern
(ferromagnetische Bänder 2a und 2b) mit Polyimidfilmen (isolierende
Lagen 3a und 3c) von 7 um zwischen der Spulenanordnung
und deren entsprechenden Sätzen von Lagen hat. Jedes
quadratische Band, dessen Seite 25 mm lang ist, wird
aus einem amorphen Legierungsband hoher Permeabilität
auf Co-Basis ausgeschnitten, das mit einer mittleren
Dicke von 16 um und einer Breite von 25 mm durch
einfaches Rollen gebildet ist. Eine Induktivität ist
zwischen Anschlüssen 6a und 6b des aus diesen Gliedern
zusammengesetzten planaren Induktors gebildet.
-
Zum Vergleich wurde ein herkömmlicher planarer Induktor
(Vergleichsbeispiel 9), der lediglich ein
ferromagnetisches Band auf jeder Seite der Spulenanordnung hat,
mittels der gleichen Materialien, wie oben angegeben,
vorbereitet.
-
Fig. 27 zeigt Beziehungen zwischen dem überlagerten
Gleichstrom und der Induktivität dieser planaren
Induktoren,
die mittels der Anzahl von ferromagnetischen
Bändern als ein Parameter erhalten sind. Die
Induktivitätswerte wurden bei 50 kHz gemessen.
-
Wenn, wie aus der Fig. 27 zu ersehen ist, die Anzahl n
größer wird, dann wird die Reduktionsrate der
Induktivität mit dem Ansteigen des überlagerten Gleichstromes
proportional abgesenkt, so daß die
Gleichstromüberlagerungskennlinie verbessert ist. Wenn jedoch n 15
beträgt, wird im wesentlichen das gleiche Ergebnis wie in
dem Fall erhalten, wenn n 10 ist. Somit ist angezeigt,
daß der Verbesserungseffekt der
Gleichstromüberlagerungskennlinie kaum irgendeine Änderung erfährt, wenn
die verwendeten ferromagnetischen Bänder in der Anzahl
10 überschreiten.
-
Fig. 28 zeigt eine Beziehung zwischen dem Verhältnis
der Dicke des Laminats der ferromagnetischen Lage zu
der Seitenlänge hiervon und das Verhältnis der
Induktivität (L0,2), die erzeugt ist, wenn ein überlagerter
Gleichstrom von 0,2 A anliegt, zu der Induktivität L&sub0;,
die erzeugt ist, wenn der überlagerte Gleichstrom nicht
anliegt, bezüglich der oben erwähnten planaren
Induktoren.
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Wenn, wie aus der Fig. 28 zu ersehen ist, das
Verhältnis t/l kleiner ist als 10&supmin;³, ist das Verhältnis L0,2/L&sub0;
kleiner als 0,5, um so eine schwache
Gleichstromüberlagerungskennlinie anzuzeigen. Wenn t/l andererseits 3 x
10&supmin;³ oder mehr beträgt, ist L0,2/L&sub0; durch 0,85 oder mehr
gegeben, so daß die Gleichstromüberlagerungskennlinie
beträchtlich verbessert ist.
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Weiterhin wurde ein planarer Induktor gemäß der
vorliegenden Erfindung auf einen
Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer eines 5 V/2 W-Typs angewandt, und seine
Wirksamkeit wurde mittels einer Eingangsspannung von 15 V und
einem Ausgangsstrom von 0,2 A geprüft. Danach wurde ein
Wirkungsgrad η von etwa 60 % gefunden, wenn n 1
beträgt, während er auf 71 % ansteigt, wenn n auf 5
erhöht ist.