JP2002025824A

JP2002025824A - 平面型磁気素子及びその装置

Info

Publication number: JP2002025824A
Application number: JP2000210099A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Takada; 健一高田; Masao Midera; 正雄三寺
Original assignee: Japan Science and Technology Corp; Miyagi Prefectural Government.
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Miyagi Prefectural Government.
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2002-01-25

Abstract

(57)【要約】【課題】高周波損失が小さく、性能指数Ｑが大きい平
面型磁気素子及びその装置を提供する。【解決手段】平面型磁気素子において、長方形スパイ
ラル状導体２１と、この長方形スパイラル状導体２１の
長辺の導体ライン上下に絶縁体２２を介して配置した磁
性体２３とを有し、前記導体ライン長辺の上下の磁性体
２３と、前記導体ラインに対向する他の長辺の上下の磁
性体２３とが互いに電気的に絶縁されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平面型に作製され
る磁気素子、特に、平面型（薄膜）インダクタおよび平
面型（薄膜）トランスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング電源用の電気回路素子とし
て使用される磁気素子、特にインダクタ、トランスの小
型化、薄型化への要求が高まっており、これを実現する
有効な方策の一つに平面型の磁気素子が挙げられる。

【０００３】この平面型磁気素子の一般的な構造を平面
型インダクタを例にとって説明すると、図１８及び図１
９に示すように、スパイラル状平面型磁気素子（インダ
クタ）１０は、電流１１が供給される平面型スパイラル
コイル１２の上下に絶縁体１３を介して磁性体１４を積
層したものが知られている（例えば、特開平４−３６３
００６号公報）。

【０００４】また、スイッチング電源の小型化、薄型化
の動向に関しては、「日経エレクトロニクス１９９８．
１２．１４（ｎｏ．７３２）」ｐｐ１３３〜１４４に詳
細に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、平面
型スパイラルインダクタは、上下磁性体を磁束が通るこ
とにより、閉磁路的な効率よい励磁が可能であるため小
型化に適するが、ＭＨｚ以上の高周波領域では高周波損
失が大きいために、抵抗成分が大きく、エネルギーロス
を小さくすることが難しい。この高周波損失を低減する
ことが、平面型スパイラル型インダクタをＭＨｚ以上の
高周波領域で実用化する必要条件である。この高周波損
失の発生の主因として、磁性体に発生する渦電流による
損失、および、コイル導体を垂直に鎖交する上下磁性体
の渡り磁束により、コイル導体に発生する渦電流による
損失が挙げられる。

【０００６】上記の磁性体に渦電流が発生する原因は、
電気学会マグネティクス研究会資料ＭＡＧ−９６−２
（ｐｐ９〜１７）に示されるように、磁性体をｚ方向に
通過する磁束の時間変化により発生する磁性体面内の渦
電流であり、電力損失の小さい平面型スパイラルインダ
クタおよびトランスの実現には、磁性体面内の渦電流の
低減が必須、かつ、有効である。

【０００７】磁性体面内の渦電流を低減する方策には、
特開平３−２６８４１０号公報、特開平３−２７６６０
４号公報、特開平２−２７５６０６号公報、東北大学電
気通信研究所共同プロジェクト研究会「Ｈ１１−Ｂ０１
マイクロ磁気システムの研究」工学研究会スピニクス研
究会合同研究会資料（００−１−９、ＭＳ−６−９）、
及び上記した電気学会マグネティクス研究会資料ＭＡＧ
−９６−２（ｐｐ９〜１７）に示されるように、磁性体
を分割する方法が提示されているが、その分割方法につ
いては必ずしも明確ではなく、効果的とは言いがたい。

【０００８】そこで、本発明においては、スパイラル状
の平面型コイルの上下に磁性体が配置された磁気素子、
特に平面型（薄膜）インダクタおよび平面型（薄膜）ト
ランスに関して、その磁性体に発生する渦電流を効果的
に低減する磁性体の分割方法を提供し、高周波損失の小
さい磁気素子、特に、平面型（薄膜）インダクタおよび
平面型（薄膜）トランスを提供することを第１の目的と
している。

【０００９】次に、コイル導体に高周波損失が発生する
原因は、特開平１１−４０４３８号公報に示されるよう
に、コイル導体を垂直に鎖交する上下磁性体の渡り磁束
により発生するコイル内の渦電流である。この損失を低
減する方法には、特開平１１−４０４３８号公報に示さ
れるように、コイル導体の幅を鎖交する渡り磁束に応じ
て変える方法あるいは、特開平９−１３４８２０号公報
に示されるような、コイル導体を複数の導体ラインに分
割する方法がある。

【００１０】しかし、コイル導体の幅を鎖交する渡り磁
束に応じて変える方法では、コイル全体の直流抵抗が大
きくなるという問題がある。また、コイル導体を複数の
導体ラインに分割する方法では、コイルの有効断面積が
小さくなるため、コイルの直流抵抗が大きくなるという
問題がある。

【００１１】そこで、本発明においては、スパイラル状
の平面型コイルの上下に磁性体が配置された磁気素子、
特に平面型（薄膜）インダクタおよび平面型（薄膜）ト
ランスに関して、その直流抵抗を増加することなく、導
体ラインに発生する高周波損失を効果的に低減する素子
を提供し、高周波損失の小さい磁気素子、特に、平面型
（薄膜）インダクタおよび平面型（薄膜）トランスを提
供することを第２の目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、〔１〕平面型磁気素子において、長方形スパイラル状導
体と、この長方形スパイラル状導体の長辺の導体ライン
上下に絶縁体を介して配置した磁性体とを有し、前記導
体ライン長辺の上下の磁性体と、前記導体ラインに対向
する他の長辺の上下の磁性体とが互いに電気的に絶縁さ
れていることを特徴とする。

【００１３】〔２〕上記〔１〕記載の平面型磁気素子に
おいて、前記互いに絶縁して配置された１以上の磁性体
が前記長方形スパイラル状導体の長手方向に２以上の部
分に分割され、かつ前記２以上の部分に分割された隣り
合う磁性体の長さの和が式（１）を満たし、かつ、前記
２以上の部分に分割された磁性体が電気的に互いに絶縁
されていることを特徴とする。

【００１４】 Σ_iｌ_i≧ｌ₀／２ …（１）この式（１）において、ｌ_iは長手方向に分割された磁
性体の長さ、Σ_iｌ_iはその和、１₀は長手方向に分割
していないときの磁性体の長さを表す。

【００１５】〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の平面型
磁気素子において、前記長方形スパイラル状導体の上下
に絶縁体を介して配置した磁性体が、前記導体の長手方
向に垂直な幅方向の内辺部および外辺部で接続されてい
ることを特徴とする。

【００１６】〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載
の特徴を有する平面型インダクタ。

【００１７】〔５〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載
の特徴を有する平面型トランス。

【００１８】〔６〕上記〔１〕記載の平面型磁気素子、
上記〔４〕又は〔５〕記載の平面型インダクタもしくは
平面型トランスと、半導体回路と、半導体パワー素子と
からなることを特徴とするスイッチング電源装置。

【００１９】〔７〕上記〔１〕記載の平面型磁気素子、
上記〔４〕又は〔５〕記載の平面型インダクタもしくは
平面型トランスと、半導体回路と、半導体パワー素子
と、コンデンサとからなることを特徴とするスイッチン
グ電源装置。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００２１】本発明の具体的構成を示す前に、本発明に
至るまでの解析について説明する。

【００２２】図１８は従来の技術で述べたこの解析に用
いたスパイラル状平面型磁気素子（インダクタ）の斜視
図、図１９はそのスパイラル状平面型磁気素子における
磁束の流れを示す断面図、図２０はその面内磁束成分に
より発生する渦電流概念図、図２１はその垂直磁束成分
により発生する渦電流概念図である。

【００２３】図１９に示すように、スパイラル状平面型
磁気素子（インダクタ）のコイル１２に通電することに
より磁性体１４には磁束１５が発生し、磁性体１４に発
生する渦電流は、この磁束密度分布の時間変化に由来す
るものである。さらに、この渦電流の発生原因は、図２
０に示すように磁束の磁性体面内成分１６による渦電流
と、図２１に示すように磁束の垂直成分１７に起因する
渦電流との２つに分けることができることがわかってい
るが、その主因は必ずしも明らかでない。

【００２４】磁性体の渦電流を低減するには、その原因
を特定することが重要と思われる。そこで、磁性体に発
生する渦電流の方向を把握するため、有限要素法を用い
た電磁場解析を行った。計算に使用したモデルは、図２
２に示す平面型磁気素子（インダクタ）１０である。電
磁場解析に使用したパラメータは、表１の通りである。

【００２５】

【表１】

【００２６】電磁場解析の結果、磁性体に発生する渦電
流は、図２２に示すように、磁性体面内に発生している
ことが明らかとなった。すなわち、スパイラル状平面型
磁気素子（インダクタ）１０においては、図２１に示す
ような磁束の垂直成分１７が支配的であることが明らか
となった。

【００２７】この現象を、詳細にかつ一般的に把握する
ために、電磁場の基本方程式であるマクスウェル（Ｍａ
ｘｗｅｌｌ）の方程式に基づく計算を行うと以下のよう
になる。

【００２８】Ｍａｘｗｅｌｌの方程式ｒｏｔＥ＋∂Ｂ／∂ｔ＝０ …（２）（ＥおよびＢは、電場および磁束密度を表し、空間およ
び時間を変数とする空間ベクトル量である）磁性体に発生する渦電流は、磁性体をｚ方向に貫く磁束
の時間変化に由来するので、その磁束分布を基に計算を
行うことが肝要である。そこで、磁性体をｚ方向に貫く
磁束の分布を、有限要索法を用いた電磁場解析により求
めた。計算に使用したモデルは、図２２に示す平面型磁
気素子（インダクタ）である。電磁場解析に使用したパ
ラメータは表１の通りである。

【００２９】上磁性体の中心位置〔すなわち、図２３
（ａ）に示すｘｚ面（ｙ＝０）の断面図の点線位置（磁
性体厚み方向中心）でのｚ方向の磁束密度分布を計算し
た結果、ｚ方向の磁束密度は図２３（ｂ）に示す振る舞
いを示す結果を得た（ここで、ｙ＝０での分布のみを示
したが、磁性体のｙ方向端部以外でも同様な振る舞いを
示すのは明らかである）。

【００３０】以下のＭａｘｗｅｌｌの方程式に基づく計
算においては、コイル強制電流の周波数をｆとし、ｚ方
向の磁束密度分布を図２３（ｃ）に示すようにＢ_Z（ｘ）＝Ｂ_z0・（１−４｜ｘ｜／ｗ）・ｃｏｓ（ωｔ） …（３）とする近似の元で計算した（ここで、ω＝２πｆ、ｗは
磁性体幅、Ｂ_z0はｘ＝０での磁束密度ｚ成分）。

【００３１】また、図２４に示す積分ルートＣは、ｙ＝
０近傍（ｙ方向端の影響を無視できる領域）にとること
により（すなわち、ｙ＝０近傍では、磁性体が感ずる磁
場ベクトルの方向はｘｚ面内のみのため、これにより発
生する電場はｙ方向成分のみ存在すると考えてよい）、
電場のｘ方向成分Ｅｘがゼロおよび電場のｙ方向成分Ｅ
ｙがｘのみの関数とすることができる。

【００３２】さて、式（２）をルートＣで積分すると、

【００３３】

【数１】

【００３４】（Ｓは積分ルートＣが囲む面）となり、式
（２）の磁束密度分布をもとに計算すると、Ｅｙ（ｘ）＝Ｂ_z0・（ｘ−２ｘ²／ｗ）・ω・ｓｉｎ（ωｔ）（ｘ＞０）Ｂ_z0・（−ｘ−２ｘ²／ｗ）・ω・ｓｉｎ（ωｔ）（ｘ＜０） …（４）が得られる。式（３）の電場分布を、計算モデルとした
インダクタ上に表すと、図２５に示すようになることが
分かる。この電場分布をみると、ｘ＜０の領域とｘ＞０
の領域で電場ベクトルの方向が逆であり、これらの電場
により発生する電流が磁性体ｙ方向端部でループを構成
することができるために、図２２に示すように渦電流が
発生していることが明らかとなった。

【００３５】上記した解析を踏まえ、磁性体に発生する
渦電流を低減し、デバイスの電力損失を少なくするに
は、ｘ＜０の領域とｘ＞０の領域とでそれぞれ発生する
電流がループを構成しないようにすることが効果的な方
法であることが分かった。

【００３６】図１はかかる本発明の実施例を示す平面型
磁気素子（インダクタ）の斜視図である。

【００３７】磁性体のｘ＞０とｘ＜０の領域を電気的に
絶縁した構成の磁気素子、すなわち、図１に示すよう
に、長方形スパイラル状導体２１と、この長方形スパイ
ラル状導体２１の長辺の導体ライン上下に絶縁体２２を
介して配置した磁性体２３とを有し、前記導体ライン長
辺の上下に配置した磁性体２３と、その導体ラインに対
向する他の長辺の上下の磁性体とが互いに電気的に絶縁
されているように構成することが有効であることを見出
した（請求項１に係る発明に対応）。

【００３８】また、式（３）から、磁性体に発生する電
場強度は電流周波数が大きいほど大きくなることが分か
り、本発明の平面型磁気素子は周波数が高い領域（例え
ば、１ＭＨｚ以上）で特に有効な効果を発揮する。

【００３９】上記した磁性体のｘ＞０とｘ＜０の領域を
電気的に絶縁したデバイスにおいて、さらに渦電流を低
減する方法および磁気素子について説明する。

【００４０】磁性体のｘ＞０とｘ＜０の領域を電気的に
絶縁したデバイスにおいて、有限要素法を用いた電磁場
解析を行い、渦電流の方向を解析した。その結果、発生
する渦電流は、図１に示すように流れていることが明ら
かになった。

【００４１】この結果を踏まえ、この渦電流の低減には
渦電流のループを小さくすることが有効であることが分
かる。そのためには、さらに、ｙ方向の磁性体の分割
（言い換えれば、ｘｚ面での磁性体の分割）を施した平
面型磁気素子が損失低減に効果的であることを見出し
た。

【００４２】すなわち、前記互いに絶縁して配置された
１以上の磁性体が長方形スパイラル状導体の長手方向に
２以上の部分に分割され、かつ、前記２以上の部分に分
割された磁性体が電気的に互いに絶縁されていることを
特徴とする（請求項２に係る発明に対応）が、渦電流の
低減に効果的であることを見出した。但し、この分割は
磁化の方向と平行なため、磁性体の磁化過程に悪影響が
なくインダクタンスへの悪影響が小さいが、分割数が多
くなれば磁性体間隔部分の占める体積が大きくなり、磁
性体の体積が小さくなるためインダクタンスの減少が発
生する。

【００４３】このインダクタンスの減少の影響を見積も
ると、導体長手方向に磁性体分割をしない場合は、イン
ダクタンスＬ（分割なし）＝ｌ₀・Ｌ₀である（ここ
で、ｌ ₀は分割がないときの磁性体の長手方向の長さを
表し、Ｌ₀はｙ方向単位長さあたりのインダクタンスを
表す）。磁性体を導体長手方向に分割した際は、インダ
クタンスＬ（分割）＝Σ_iｌ_i・Ｌ₀である（ここで、
ｌ₀は分割がないときの磁性体の長手方向の長さを表
し、Ｌ₀はｙ方向単位長さあたりのインダクタンスを表
し、ｌ_iは長手方向に分割された磁性体の長さ、Σ_iｌ
_iはその和を表す）。

【００４４】以上より、磁性体を長手方向に分割した際
にも、分割しない際に較べて１／２以上のインダクタン
スを維持するためには、上記（１）が必要である。よっ
て、以上をまとめると、「前記互いに絶縁して配置され
た１以上の磁性体が長方形スパイラル状導体の長手方向
に２以上の部分に分割され、かつ、前記２以上の部分に
分割された隣り合う磁性体の長さの和が式（１）を満た
し、かつ、前記２以上の部分に分割された磁性体が電気
的に互いに絶縁されていることを特徴とすることになる
（請求項２に係る発明に対応）。

【００４５】上記式（１）において、ｌ_iは長手方向に
分割された磁性体の長さ、Σ_iｌ_iはその和、１₀は長
手方向に分割していないときの磁性体の長さを表す、に
より効果的な渦電流の低減が可能であることを見出し
た。ここで、磁性体の長手方向の分割方法は上下の磁性
体が対称である方が好ましいが、対称でなくても損失の
低減には効果的である。さらに、分割幅は均一であって
も不均一であっても同様に効果的である。

【００４６】また、請求項１に係る発明の導体長辺上下
の磁性体のすべての磁性体が分割されている方が好まし
いが、少なくとも一つの磁性体が長手方向に分割されて
いれば損失の低減に効果的である。

【００４７】上記発明のみでも、高周波損失の低減には
非常に有効であるが、コイルに発生する高周波損失を低
減し、さらに損失を低減するために以下の発明に到達し
た。前述したように、コイル導体に発生する高周波損失
はコイル導体を垂直に鎖交する上下磁性体間の渡り磁束
により発生するコイル内の電流が原因である。

【００４８】すなわち、図１９に示す磁束の垂直成分が
コイル導体を貫くことによりコイル導体に渦電流が発生
し電力損失が発生する。この原因を考慮した上で、本発
明の、「平面に形成されたスパイラル状導体と、前記ス
パイラル状導体の上下に絶縁体を介して配置した磁性体
とを有し、スパイラル状導体の上に配置した磁性体と下
に配置した磁性体とを前記スパイラル状導体の外周部お
よび内周部で磁気的に接続した構成を有することを特徴
とする平面型磁気素子」を提供することで前記課題を解
決する。

【００４９】ここで、導体の外周部および内周部での上
下磁性体間距離が導体部分の上下磁性体間距離より小さ
ければ磁気的な接続に効果があり、特性にも効果があ
る。導体の外周部および内周部での上下磁性体間距離が
導体部分の上下磁性体間距離の半分以下であればより効
果的であり、さらに好ましくは上下の磁性体は導体の外
周部および内周部で物理的に密着していることが好まし
い。

【００５０】以下、実施例に基づき本発明を説明する。

【００５１】図１に示すような積層型スパイラル型イン
ダクタについて、有限要素法による電磁場解析を行った
結果を示す。以下の実施例で共通して解析に用いたパラ
メータを表２に示す。

【００５２】

【表２】

【００５３】〔実施例１〕電磁場解析を３次元モデルで
行った。図２（ａ）から図２（ｅ）に、解析に用いた平
面型インダクタモデルの平面図を示す。これら図２
（ａ）から図２（ｅ）の５種類の違いは、上下の磁性体
の分割状態が異なることのみである。すなわち、平面型
スパイラルコイル３１上には絶縁体３２を介して図２
（ａ）では、２分割された磁性体３３、図２（ｂ）で
は、４分割された磁性体３４、図２（ｃ）では、８分割
された磁性体３５、図２（ｄ）では、２０分割された磁
性体３６を備えている。なお、図２（ｅ）には比較のた
め分割されていない磁性体３７を有している。

【００５４】コイルはターン数６の平面型スパイラル、
その外寸は４．５ｍｍ×１４．４ｍｍ、ライン幅／ライ
ン間幅＝３１６／２０μｍ、コイル厚＝３０μｍであ
り、上下磁性体の外寸は５ｍｍ×１０ｍｍである。磁性
体の分割部分の間隔は２０μｍである。内辺部および外
辺部での上下の磁性体の接続は行っておらず、上下磁性
体は平面の構造である。

【００５５】解析結果を、表３に示す。

【００５６】

【表３】

【００５７】表３に示すように、ｘ＜０の領域の磁性体
とｘ＞０の磁性体が分割されていない平面型インダクタ
図２（ｅ）に比較して、ｘ＜０の領域の磁性体とｘ＞０
の磁性体が分割されている図２（ａ）の平面型インダク
タにおける磁性体の渦電流損失がかなり低いことが分か
る。さらに、ｙ方向に分割した図２（ｂ）、図２
（ｃ）、図２（ｄ）の平面型インダクタにおいては、さ
らに磁性体の渦電流損失の低減効果が顕著である。ま
た、本発明に係る磁性体の分割によって、インダクタン
スに悪影響はなく、むしろ渦電流の低減によってインダ
クタンスが大きくなる効果も得られる。

【００５８】〔実施例２〕電磁場解析は３次元モデルで
行った。図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に、解析
に用いた平面型インダクタモデルの平面図を示す。つま
り、平面型スパイラルコイル４１上には絶縁体４２を介
して図３（ａ）では、２分割された磁性体４３、図３
（ｂ）では、４分割された磁性体４４を備えている。な
お、図３（ｃ）には比較のため分割されていない磁性体
４５を有している。

【００５９】これら３種類の違いは、上下磁性体の分割
状態が異なることのみである。

【００６０】コイルはターン数８の平面型スパイラル、
その外寸は１．８ｍｍ×６．６ｍｍ、ライン幅／ライン
間幅＝８２／２０μｍ、コイル厚＝３０μｍであり、上
下磁性体の外寸は２ｍｍ×４．９ｍｍである。

【００６１】解析結果を表４に示す。

【００６２】

【表４】

【００６３】表４に示すように、ｘ＜０の領域の磁性体
とｘ＞０の磁性体が分割されていない平面型インダクタ
図３（ｃ）に比較して、ｘ＜０の領域の磁性体とｘ＞０
の磁性体が分割されている図３（ｂ）の平面型インダク
タにおける磁性体の渦電流損失がかなり低いことが分か
る。ｙ方向に分割した図３（ｂ）の平面型インダクタに
おいては、さらに磁性体の渦電流損失の低減効果が顕著
である。また、本発明に係る磁性体の分割によって、イ
ンダクタンスに悪影響はなく、むしろ渦電流の低減によ
ってインダクタンスが大きくなる効果も得られる。

【００６４】〔実施例３〕図４（ａ）にスパイラル状イ
ンダクタの断面図を示す。この断面をモデルとして有限
要素法による電磁場シミュレーションを行い、磁束の分
布を計算すると、図５の点線のグラフようになる（磁束
の分布は左右対称であるから、ここでは左半分の分布の
み図に示した）。図４（ａ）において、５１はスパイラ
ル状インダクタ、５２は絶縁体、５３は閉じられた磁性
体、図４（ｂ）において、６１はスパイラル状インダク
タ、６２は絶縁体、６３は閉じられた磁性体である。ま
た、図４（ｃ）において、５４は開放された磁性体、図
４（ｄ）において、６４は開放された磁性体である。

【００６５】つまり、請求項３に係る発明のスパイラル
状インダクタの断面図を図４（ａ）および図４（ｂ）に
示し、その磁束の分布を計算すると図５の実線のように
なる。さらに、インダクタ厚み方向中心部での上下磁性
体を渡る磁束密度Ｂｚを図４（ｃ）、図４（ｄ）に示す
構造および図４（ａ）および図４（ｂ）に示す構造のイ
ンダクタについて計算した結果を図５に示す。

【００６６】これらの結果からわかるように、図４
（ａ）および図４（ｂ）に示すような磁性体が閉じられ
た構造を有する請求項３に係る発明のインダクタにおい
ては、導体ライン部分で鎖交する磁束をかなり小さくす
ることが可能で、そのために当該インダクタにおいて高
周波損失を低減することが可能である。また、当該発明
の磁気素子は、周波数が大きいほど顕著な損失低減効果
があり、本発明の磁気素子は周波数が高い領域（例えば
１ＭＨｚ以上）において特に効果が大きい。

【００６７】図４（ａ）および図４（ｃ）に示すような
スパイラル型インダクタの断面形状をモデルとした有限
要素法による２次元電磁場解析を行った。解析に用いた
パラメータを表５に表す。なお、解析結果に示す値は、
磁性体の奥行き方向（すなわち、図４（ｃ）および図４
（ａ）のモデルの紙面に垂直方向）が１０ｍｍとした値
を示す。

【００６８】

【表５】

【００６９】図４（ａ）および図４（ｂ）に相当する請
求項３に係る発明の平面型インダクタの断面２次元形状
をモデルとした有限要素法による電磁場シミュレーショ
ンによる解析結果を示す。

【００７０】

【表６】

【００７１】上記実施例の比較例〔図４（ｃ）および図
４（ｄ）の断面構造を有する平面型インダクタに相当）
を以下に示す。

【００７２】

【表７】

【００７３】上記比較例の（ロ−ａ）および（ロ−
ｂ）、（ロ−ｃ）、（ロ−ｄ）は、上記図４（ａ）およ
び図４（ｂ）で示した（イ−ａ）および（イ−ｂ）、
（イ−ｃ）、（イ−ｄ）と内外周部の磁性体の形状が異
なるのみで、他のパラメータはそれぞれ同じである。

【００７４】実施例に示す本発明のインダクタにおいて
は、どの構成においても、比較例に示す磁性体構成と比
較して、コイル高周波抵抗の低減が明らかに見られ、本
発明の有用性を確認できる。また、本発明のインダクタ
においては、比較例に示す磁性体構成のものに比べて磁
路長が短くなるためにインダクタンスを大きくすること
ができるという効果も併せ持つことが実施例および比較
例により確認できる。

【００７５】〔実施例４〕図６（ａ）に解析に用いた平
面型インダクタモデルの平面図、図６（ｂ）および図６
（ｃ）にその断面図の２種類を示す。これらの違いは、
上下の磁性体の接続状態が異なることのみである。コイ
ルはターン数６の平面型スパイラル、その外寸は４．５
ｍｍ×１４．４ｍｍ、ライン幅／ライン間幅＝３１６／
２０μｍ、コイル厚＝３０μｍであり、上下磁性体の外
寸は５ｍｍ×１０ｍｍである。磁性体の分割部分の間隔
は２０μｍである。ここで、図６（ａ）及び図６（ｂ）
において、７１は平面型インダクタ、７２は絶縁体、７
３は閉じられた磁性体、図６（ｃ）において、７４は開
放された磁性体である。

【００７６】解析結果をまとめたものを、表８に示す。

【００７７】

【表８】

【００７８】表８に示すように、内周部および外周部で
磁性体が接続されていない平面型インダクタ〔図６
（ｃ）〕に比べ、内周部および外周部で磁性体が接続さ
れている平面型インダクタ〔図６（ｂ）〕はコイル高周
波損失が小さく好ましいことが分かる。また、平面型イ
ンダクタ図６（ｂ）は図６（ｃ）に比べ、インダクタン
スを大きくすることができるという効果も併せ持つこと
が確認できる。

【００７９】〔実施例５〕電磁場解析は３次元モデルで
行った。

【００８０】図７（ａ）、図７（ｂ）および図８
（ａ）、図８（ｂ）に、解析に用いた平面型インダクタ
モデルの平面図と断面図を示す。図７（本発明に係る形
状を有する平面型インダクタ）と図８（従来構造の平面
型インダクタ）との違いは、上下の磁性体の分割状態お
よび内辺部と外辺部での上下磁性体の結合が異なること
のみである。コイルはターン数４の平面型スパイラル、
その外寸は２．６ｍｍ×１３．３ｍｍ、ライン幅／ライ
ン間幅＝１７５／３０μｍ、コイル厚＝３０μｍであ
り、上下磁性体の外寸は２．８ｍｍ×１０ｍｍである。
図７の磁性体は長手方向に２０分割され、磁性体の分割
部分の間隔は３０μｍである。ここで、図７において、
８１は平面型インダクタ、８２は絶縁体、８３は閉じら
れた磁性体、図８において、８４は開放された従来の磁
性体である。

【００８１】解析結果を、表９に示す。

【００８２】

【表９】

【００８３】表９に示すように、従来構造の平面型イン
ダクタに比較して、本発明に係る平面型インダクタは磁
性体の渦電流損失およびコイル高周波損失がかなり低
く、さらにインダクタンスが大きいことが分かり、本発
明に係る平面型インダクタの有効性が確認できる。

【００８４】なお、本発明は、磁性体の形態が本発明の
技術思想に沿ったものであれば、上記実施例に限定され
ることはない。具体的には、磁性体はスパッタリング等
により成膜される磁性薄膜であっても良いし、平面型の
フェライトであってもよいし、その他の方法で作製され
るものであってもよい。また、実施例では、スパイラル
コイルの相対する直線部のみの上下に磁性体を配置する
構成をとったが、図９〜図１２に示すように、磁性体が
略コイル全体を覆う構成であっても本発明は当然有効で
ある。なお、これらの図９〜図１２は上側の磁性体を除
いた状態を示している。

【００８５】図９〜図１２において、９１，９４は平面
型スパイラルコイル、９２，９５は２分割された磁性
体、９３，９６は４分割された磁性体である。

【００８６】また、本発明は、インダクタに限らず、ト
ランス等の平面型磁気素子にも当然適用可能である。

【００８７】図１３は本発明の実施例を示す平面型トラ
ンスの平面図である。

【００８８】この図において、１０１は１次巻線、１０
２は２次巻線、１０３は絶縁体、１０４は磁性体であ
る。

【００８９】また、磁性体および導体ラインに発生する
電場は強制電流の周波数ｆ（ω＝２πｆ）に比例するた
め、本発明は、高い周波数（例えば１ＭＨｚ以上）の周
波数で使用する磁気素子に対して非常に有効である。

【００９０】図１４は本発明の実施例を示す平面型磁気
素子、平面型インダクタもしくは平面型トランスと半導
体回路と半導体パワー素子とコンデンサとからなるスイ
ッチング電源装置（その１）の模式図、図１５はそのス
イッチング電源装置の回路図である。

【００９１】図１４において、２００は回路基板、２０
１は平面型磁気素子搭載部、２０２はコントロールＩＣ
からなる半導体回路搭載部、２０３はＦＥＴおよびダイ
オードの半導体パワー素子搭載部であり、図１５におい
て、２１１は平面型磁気素子、２１２はＦＥＴ、２１３
はダイオード、２１４はコントロールＩＣからなる半導
体回路、２１５は電源、２１６はコンデンサ、２１７は
負荷である。

【００９２】このように、上記した平面型磁気素子（平
面型インダクタもしくは平面型トランス）２１１とコン
トロールＩＣからなる半導体回路２１４と半導体パワー
素子としてのＦＥＴ２１２，ダイオード２１３からなる
半導体パワー素子とからなるスイッチング電源用装置と
して用いることができ、その電源用装置の小型化を図る
ことができる。

【００９３】図１６は本発明の実施例を示す平面型磁気
素子、平面型インダクタもしくは平面型トランスと半導
体回路と半導体パワー素子とコンデンサとからなるスイ
ッチング電源装置（その２）の模式図、図１７はそのス
イッチング電源装置の回路図である。

【００９４】図１６において、３００は回路基板、３０
１は平面型磁気素子搭載部、３０２はコントロールＩＣ
からなる半導体回路搭載部、３０３はＦＥＴおよびダイ
オードの半導体パワー素子搭載部、３０４はコンデンサ
搭載部であり、図１７において、３１１は平面型磁気素
子、３１２はＦＥＴ、３１３はダイオード、３１４はコ
ントロールＩＣからなる半導体回路、３１５は電源、３
１６はコンデンサ、３１７は負荷である。

【００９５】このように、上記した平面型磁気素子（平
面型インダクタもしくは平面型トランス）３１１とコン
トロールＩＣからなる半導体回路３１４と半導体パワー
素子としてのＦＥＴ３１２，ダイオード３１３からなる
半導体パワー素子とからなるスイッチング電源用装置と
して用いることができ、その電源用装置の小型化を図る
ことができる。

【００９６】上記した装置は例に過ぎず、各種の変形が
可能である。

【００９７】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００９８】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、以下のような効果を奏することができる。

【００９９】ＭＨｚ以上の周波数領域においても電力損
失の少ない平面型磁気デバイス（特に、平面型インダク
タ、平面型トランス）を提供することができ、携帯機器
の更なる小型化のために、必須の高周波数化に対応でき
る小型磁気デバイスの実現に道を開くものである。例え
ば、ＭＨｚ周波数領域で動作するスイッチング電源にお
いて、本発明の平面型磁気デバイスを使用することによ
り、従来にないスイッチング電源の小型化、薄型化およ
び低損失化が実現でき、さらには、本発明の平面型磁気
デバイスを半導体素子と一体化することによって、更な
る小型化、薄型化および低損失化を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すスパイラル状平面型磁気
素子（インダクタ）の斜視図である。

【図２】本発明の実施例を示すスパイラル状平面型磁気
素子（インダクタ）の平面図（その１）である。

【図３】本発明の実施例を示すスパイラル状平面型磁気
素子（インダクタ）の平面図（その２）である。

【図４】本発明の実施例を示すスパイラル状平面型磁気
素子（インダクタ）の断面図である。

【図５】図４のスパイラル状平面型磁気素子（インダク
タ）の解析結果を示す図である。

【図６】本発明の実施例を示すスパイラル状平面型磁気
素子（インダクタ）の構成図（その１）である。

【図７】本発明の実施例を示すスパイラル状平面型磁気
素子（インダクタ）の構成図（その２）である。

【図８】従来のスパイラル状平面型磁気素子（インダク
タ）の構成図である。

【図９】本発明の他の実施例を示すスパイラル状平面型
磁気素子（インダクタ）の構成図（その１）である。

【図１０】本発明の他の実施例を示すスパイラル状平面
型磁気素子（インダクタ）の構成図（その２）である。

【図１１】本発明の他の実施例を示すスパイラル状平面
型磁気素子（インダクタ）の構成図（その３）である。

【図１２】本発明の他の実施例を示すスパイラル状平面
型磁気素子（インダクタ）の構成図（その４）である。

【図１３】本発明の実施例を示すスパイラル状平面型ト
ランスの構成図である。

【図１４】本発明の実施例を示す平面型磁気素子、平面
型インダクタもしくは平面型トランスと半導体回路と半
導体パワー素子とコンデンサとからなるスイッチング電
源装置（その１）の模式図である。

【図１５】図１４におけるスイッチング電源装置の回路
図である。

【図１６】本発明の実施例を示す平面型磁気素子、平面
型インダクタもしくは平面型トランスと半導体回路と半
導体パワー素子とコンデンサとからなるスイッチング電
源装置（その２）の模式図である。

【図１７】図１６におけるスイッチング電源装置の回路
図である。

【図１８】従来のスパイラル状平面型磁気素子（インダ
クタ）の斜視図である。

【図１９】従来のスパイラル状平面型磁気素子（インダ
クタ）の断面図である。

【図２０】スパイラル状平面型磁気素子（インダクタ）
の面内磁束成分により発生する渦電流概念図である。

【図２１】スパイラル型平面磁気素子（インダクタ）の
垂直磁束成分により発生する渦電流概念図である。

【図２２】解析を行った従来のスパイラル状平面型磁気
素子（インダクタ）の斜視図である。

【図２３】従来のスパイラル状平面型磁気素子（インダ
クタ）の解析を示す図である。

【図２４】従来のスパイラル状平面型磁気素子（インダ
クタ）の磁性体の積分ルートを示す図である。

【図２５】従来のスパイラル状平面型磁気素子（インダ
クタ）の磁性体の磁場ベクトル分布を示す図である。

【符号の説明】

２１長方形スパイラル状導体２２，３２，４２，５２，６２，７２，８２，１０３
絶縁体２３，１０４磁性体３１，４１，９１，９４平面型スパイラルコイル３３，４３，９２，９５２分割された磁性体３４，４４，９３，９６４分割された磁性体３５８分割された磁性体３６２０分割された磁性体５１，６１スパイラル状インダクタ５３，６３，７３，８３閉じられた磁性体５４，６４，７４開放された磁性体７１，８１平面型インダクタ１０１１次巻線１０２２次巻線２００，３００回路基板２０１，３０１平面型磁気素子搭載部２０２，３０２コントロールＩＣからなる半導体回
路搭載部２０３，３０３ＦＥＴおよびダイオードの半導体パ
ワー素子搭載部２１１，３１１平面型磁気素子２１２，３１２ＦＥＴ２１３，３１３ダイオード２１４，３１４コントロールＩＣからなる半導体回
路２１５，３１５電源２１６，３１６コンデンサ２１７，３１７負荷３０４コンデンサ搭載部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｆ 31/00 ＤＦターム(参考） 5E070 AA01 AA05 AA11 AB06 AB07 BA11 CB02 CB11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長方形スパイラル状導体と、該長方形ス
パイラル状導体の長辺の導体ライン上下に絶縁体を介し
て配置した磁性体とを有し、前記導体ライン長辺の上下
の磁性体と、前記導体ラインに対向する他の長辺の上下
の磁性体とが互いに電気的に絶縁されていることを特徴
とする平面型磁気素子。
【請求項２】請求項１記載の平面型磁気素子におい
て、前記互いに絶縁して配置された１以上の磁性体が前
記長方形スパイラル状導体の長手方向に２以上の部分に
分割され、かつ、前記２以上の部分に分割された隣り合
う磁性体の長さの和が式（１）を満たし、かつ、前記２
以上の部分に分割された磁性体が電気的に互いに絶縁さ
れていることを特徴とする平面型磁気素子。 Σ_iｌ_i≧ｌ₀／２ …（１）式（１）において、ｌ_iは長手方向に分割された磁性体
の長さ、Σ_iｌ_iはその和、１₀は長手方向に分割して
いないときの磁性体の長さを表す。
【請求項３】請求項１又は２記載の平面型磁気素子に
おいて、前記長方形スパイラル状導体の上下に絶縁体を
介して配置した磁性体が、前記導体の長手方向に垂直な
幅方向の内辺部および外辺部で接続されていることを特
徴とする平面型磁気素子。
【請求項４】請求項１、２又は３記載の特徴を具備す
る平面型インダクタ。
【請求項５】請求項１、２又は３記載の特徴を具備す
る平面型トランス。
【請求項６】請求項１記載の平面型磁気素子、請求項
４又は５記載の平面型インダクタもしくは平面型トラン
スと、半導体回路と、半導体パワー素子とからなること
を特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項７】請求項１記載の平面型磁気素子、請求項
４または５記載の平面型インダクタもしくは平面型トラ
ンスと、半導体回路と、半導体パワー素子と、コンデン
サとからなることを特徴とするスイッチング電源装置。