DE3854177T2 - Planarspule. - Google Patents

Planarspule.

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DE3854177T2
DE3854177T2 DE3854177T DE3854177T DE3854177T2 DE 3854177 T2 DE3854177 T2 DE 3854177T2 DE 3854177 T DE3854177 T DE 3854177T DE 3854177 T DE3854177 T DE 3854177T DE 3854177 T2 DE3854177 T2 DE 3854177T2
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    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006Printed inductances
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen planaren Induktor vorzusehen, der eine kleine Dicke und einen höheren Induktorwert je Einheitsvolumen genießt.
  • Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, einen planaren Induktor mit einer guten Gleichstromüberlagerungskennlinie vorzusehen.
  • 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.
  • Die Erfindung erstreckt sich auch auf einen Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer mit einem planaren Induktor, wie dieser in dem vorangehenden Absatz definiert ist.
  • Vorzugsweise sind die ferromagnetischen Lagen aus einer amorphen magnetischen Legierung gebildet.
  • Weiterhin liegt vorzugsweise die mittlere Dichte jeder ferromagnetischen Lage zwischen 4 bis 20 um.
  • 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:
  • (Co1-a-xFeaMx)100-y(Si1-bBb)y,
  • 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:
  • 0,01 ≤ a ≤ 0,10
  • 0,3 ≤ b ≤ 0,7,
  • 0 ≤ x ≤ 0,08, und
  • 15 ≤ y ≤ 0,35.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise besteht die ferromagnetische Substanz im wesentlichen aus einem Preßling eines Ferromagnetpulvers oder einer Zusammensetzung, die ein ferromagnetisches Pulver einschließt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise sind die Spiralleiterspuleneinrichtungen elektrisch in Reihe miteinander verbunden, so daß Ströme der gleichen Richtung durch die Leiterspuleneinrichtungen fließen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Erfindung kann vollständiger aus der anschließenden Detailbeschreibung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in welchen:
  • Fig. 1A eine Draufsicht eines planaren Induktors nach dem Stand der Technik ist,
  • Fig. 1B eine Schnittdarstellung des planaren Induktors gemäß dem Stand der Technik längs einer Linie A-A von Fig. 1A ist,
  • Fig. 2 ein Diagramm zum Erläutern von Flußpfaden des planaren Induktors gemäß dem Stand der Technik ist,
  • Fig. 3A eine Draufsicht eines planaren Induktors ist,
  • Fig. 3B eine Schnittdarstellung des planaren Induktors längs einer Linie A-A von Fig. 3A ist,
  • Fig. 4 ein Diagramm zum Erläutern eines Flußpfades des planaren Induktors der Fig. 3A und 3B ist,
  • Fig. 5 Kennlinienkurven zeigt, die die Beziehungen zwischen der Induktivität und der Frequenz des planaren Induktors anzeigen,
  • 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,
  • Fig. 7A eine ebene Darstellung einer Draufsicht eines anderen Induktors ist,
  • Fig. 7B eine Schnittdarstellung des planaren Induktors des anderen Induktors längs einer Linie A-A von Fig. 7A ist)
  • Fig. 8 ein Diagramm zum Erläutern von Flußpfaden des planaren Induktors der Fig. 7A und 7B ist,
  • Fig. 9, 11 und 14 Kennlinienkurven zeigen, die Beziehungen zwischen der Induktivität und der Frequenz des planaren Induktors der Fig. 7A und 7B anzeigen,
  • Fig. 10A, 12a und 15A Draufsichten von jeweiligen weiteren planaren Induktoren sind,
  • Fig. 10B, 12B und 15B Schnittdarstellungen der planaren Induktoren längs Linie A-A von Fig. 10A, 12A bzw. 15A sind,
  • Fig. 13 ein Diagramm zum Erläutern von Flußpfaden des planaren Induktors der Fig. 12 ist,
  • Fig. 16A eine ebene Darstellung noch eines weiteren planaren Induktors ist,
  • Fig. 16B eine Schnittdarstellung des planaren Induktors längs einer Linie A-A von Fig. 16A ist,
  • 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,
  • 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,
  • Fig. 19 eine Schnittdarstellung eines planaren Induktors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erf indung ist,
  • Fig. 20 eine Schnittdarstellung eines planaren Induktors ist, der als ein Vergleichsbei spiel für das erste Ausführungsbeispiel vorbereitet ist,
  • Fig. 21 Kennlinienkurven zeigt, die die Frequenzkennlinien von Induktivitäten L der planaren Induktoren des ersten Ausführungsbeispiels und des Vergleichsbeispiels anzeigen,
  • Fig. 22 Kennlinienkurven zeigt, die die Frequenzkennlinien der jeweiligen Induktivitäten je Einheitsvolumen (L/V) der planaren Induktoren des ersten Ausführungsbeispiels und des Vergleichsbeispiels angeben,
  • 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,
  • 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,
  • 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,
  • Fig. 26A eine Draufsicht eines planaren Induktors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist,
  • Fig. 26B eine Schnittdarstellung längs einer Linie A-A' von Fig. 26A ist,
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Dicken der planaren Induktoren des ersten Ausführungsbeispiels und des Vergleichsbeispiels 8 betragen jeweils 510 um bzw. 605 um.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

1. Planarer Induktor mit einer Spiralleiterspuleneinrichtung (5a, 5b), die zwischen ferromagnetischen Lagen (2a, 2b) geschichtet ist, wobei isolierende Lagen dazwischen gelegen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede ferromagnetische Lage eine Vielzahl von ferromagnetischen Schichten mit jeweils einer Dicke von 100 um oder weniger umfaßt.
2. Planarer Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor eine Vielzahl von Spiralleiterspuleneinrichtungen (5a, 5b) umfaßt, die aufeinander geschichtet und elektrisch in Reihe miteinander verbunden sind, so daß Ströme der gleichen Richtung durch diese Leiterspuleneinrichtungen fließen.
3. Planarer Induktor nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwert der Magnetostriktion jeder ferromagnetischen Schicht 1 x 10&supmin;&sup6; oder weniger beträgt.
4. Planarer Induktor nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Schichten (2a, 2b) aus einer amorphen magnetischen Legierung gebildet sind.
5. Planarer Induktor nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Dicke jeder der ferromagnetischen Schichten von 4 bis 20 um reicht.
6. Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer, gekennzeichnet durch einen planaren Induktor mit einer Spiralleiterspuleneinrichtung (5a, 5b), die zwischen ferromagnetische Lagen (2a, 2b) geschichtet ist, wobei isolierende Lagen dazwischen vorgesehen sind, wobei jede ferromagnetische Lage eine Vielzahl von ferromagnetischen Schichten mit jeweils einer Dicke von 100 um oder weniger umfaßt.
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