JP2007128927A - コイル素子 - Google Patents

Abstract

【課題】直流重畳特性を改善することが可能なコイル素子を提供する。
【解決手段】スパイラルコイル１４の中間巻回領域Ｒ２におけるコイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥが、他の巻回領域（内周側巻回領域Ｒ１，外周側巻回領域Ｒ３）におけるコイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧよりも広くなっている。中間巻回領域Ｒ２において、各コイルターン１４Ａ〜１４Ｇで生じる磁界同士が強め合う現象が緩和されるため、その中間巻回領域Ｒ２におけるコイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥが他の巻回領域におけるコイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧと同等またはそれよりも狭くなっている場合と比較して、下部磁性膜および上部磁性膜において磁気的飽和が生じにくくなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、スパイラルコイルおよび磁性膜を備えたコイル素子に関する。

近年、各種用途のデバイス分野において、スパイラルコイルおよび磁性膜を備えたコイル素子が広く利用されている。このコイル素子の応用例としては、薄膜インダクタや薄膜トランスなどが挙げられる。

スパイラルコイルとしては、１本のコイル線が１つの中心（巻回中心）の周囲を巻回することにより構成されたシングルスパイラルコイルが知られている。従来のシングルスパイラルコイルでは、内周側から外周側に渡ってコイル間隔およびコイル幅が一定になっている。

このシングルスパイラルコイルを備えたコイル素子では、大電流を流す用途（例えば電源系用途）において使用された場合に、スパイラルコイルに流れる電流によって生じる磁界の磁束密度分布が内周側と外周側との間の中間において際立って突出したような分布を示す。磁性膜は、一般的に、有限の飽和磁束密度を有しており、フェライト系では０．５Ｔ（テスラ）程度、アモルファス合金系では１Ｔ〜２Ｔ程度である。この磁性膜において磁気的飽和が生じると、コイル素子の直流重畳特性（コイルに電流を流した際に、磁気的飽和現象に起因してインダクタンスが低下する特性）が悪化するため、インダクタンスが大きく低下してしまう。この直流重畳特性は、電源システム用途においてコイル素子を使用する場合に、許容電流（いわゆる定格電流）を規定する重要な特性である。

なお、スパイラルコイルとしては、１本のコイル線が２つの巻回中心の周囲を巻回することにより構成されたダブルスパイラルコイルも知られている。このダブルスパイラルコイルに関しては、電流方向を決定する２つの巻回方向を適正化することにより直流重畳特性を改善する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この他、１本のコイル線が３つ以上の巻回中心の周囲を巻回することにより構成されたマルチスパイラルコイルも知られている。
特開２０００−２６９０３５号明細書

上記したように、直流重畳特性を改善する技術は、ダブルスパイラルコイルに関しては既に提案されているが、その特性改善の程度は必ずしも十分と言えない。まして、シングルスパイラルコイルに関しては、未だ特性改善の提案すらされていない。このため、従来のスパイラルコイルでは、直流重畳特性を改善することが困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、直流重畳特性を改善することが可能なコイル素子を提供することにある。

本発明の第１のコイル素子は、スパイラルコイルと、このスパイラルコイルの少なくとも一方の面の側に設けられた磁性膜とを備え、スパイラルコイルの内周側と外周側との間の中間におけるコイル間隔が内周側および外周側におけるコイル間隔よりも広いものである。このコイル素子では、スパイラルコイルの中間において、各コイルターンで生じる磁界同士が強め合う現象が緩和される。これにより、スパイラルコイルの中間におけるコイル間隔が内周側および外周側におけるコイル間隔と同等またはそれよりも狭い場合と比較して、磁性膜において磁気的飽和が生じにくくなる。このコイル素子では、スパイラルコイルに流れる電流によって生じる磁界の磁束密度分布が中間およびその周辺に平坦化領域を有し、この平坦化領域の平均レベルがより低く、かつ幅がより広くなっているのが好ましい。

本発明の第２のコイル素子は、スパイラルコイルと、そのスパイラルコイルの少なくとも一方の面の側に設けられた磁性膜とを備え、スパイラルコイルに流れる電流によって生じる磁界の磁束密度分布が中間およびその周辺に平坦化領域を有し、この平坦化領域の平均レベルがより低く、かつ幅がより広くなるようにコイル間隔が設定されているものである。この第２のコイル素子では、スパイラルコイルの磁束密度分布における平坦化領域の平均レベルがより高く、かつ幅がより狭くなるようにコイル間隔が設定されている場合と比較して、磁性膜において磁気的飽和が生じにくくなる。

本発明のコイル素子では、内周側および外周側から中間に近づくにしたがってコイル間隔が次第に広くなっていてもよい。また、中間におけるコイル幅が内周側および外周側におけるコイル幅よりも広くなっていてもよい。この場合には、内周側および外周側から中間に近づくにしたがってコイル幅が次第に広くなっていてもよい。特に、スパイラルコイルがシングルスパイラルコイルであってもよい。

ここで、スパイラルコイルの内周側と外周側との間の中間におけるコイル間隔の数は、１つ以上の範囲において任意に設定可能である。すなわち、スパイラルコイルの中間には、内周側および外周側よりも広いコイル間隔が少なくとも１つあればよい。このことは、コイル幅についても同様である。

本発明の第１のコイル素子によれば、スパイラルコイルの内周側と外周側との間の中間におけるコイル間隔が内周側および外周側におけるコイル間隔よりも広いので、スパイラルコイルの中間におけるコイル間隔が内周側および外周側におけるコイル間隔と同等またはそれよりも狭い場合と比較して、直流重畳特性を改善することができる。

本発明の第２のコイル素子によれば、スパイラルコイルの磁束密度分布における平坦化領域の平均レベルがより低く、かつ幅がより広くなるようにコイル間隔が設定されているので、スパイラルコイルの磁束密度分布における平坦化領域の平均レベルがより高く、かつ幅がより狭くなるようにコイル間隔が設定されている場合と比較して、直流重畳特性を改善することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態に係るコイル素子の構成について説明する。図１はコイル素子の平面構成を表し、図２は図１に示したＩＩ−ＩＩ線に沿った断面構成を表し、図３は図１に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面構成を示している。

このコイル素子は、各種用途のデバイス分野において利用されるものであり、例えば、薄膜インダクタ、薄膜トランス、薄膜センサ、薄膜アクチュエータ、薄膜磁気ヘッドまたはＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）などに応用されるものである。

具体的には、コイル素子は、例えば、図１および図２に示したように、基体１１の一面に、下部磁性膜１２と、絶縁膜１３により埋設されたスパイラルコイル１４と、上部磁性膜１５とがこの順に積層された構成を有している。

基体１１は、コイル素子全体を支持するものである。この基体１１は、例えば、各種基板であってもよいし、あるいは各種基板に各種機能膜が設けられたものであってもよい。

下部磁性膜１２および上部磁性膜１５は、それぞれスパイラルコイル１４の一方の面（下面）の側および他方の面（上面）の側に設けられており、各種合金またはフェライトなどの磁性材料により構成されている。なお、下部磁性膜１２および上部磁性膜１５の平面サイズ（図１に示した外形サイズ、すなわち縦寸法×横寸法）は、スパイラルコイル１４の平面サイズに応じて任意に設定可能である。

絶縁膜１３は、スパイラルコイル１４を周辺から電気的に分離するものであり、各種酸化物などの絶縁性材料により構成されている。なお、図２では、絶縁膜１３を１パーツとして示しているが、その絶縁膜１２は複数のパーツに分かれていてもよい。

スパイラルコイル１４は、例えば、１本のコイル線が１つの巻回中心Ｃ（図２および図３参照）の周囲を巻回することにより構成されたシングルスパイラルコイルであり、各種金属などの導電性材料により構成されている。なお、図１〜図３では、スパイラルコイル１４の巻数（ターン数）＝７ターンの場合を示しているが、そのターン数は任意に設定可能である。図３では、スパイラルコイル１４のみを拡大して示している。

このスパイラルコイル１４は、図３に示したように、巻回中心Ｃから離れる方向（内周側から外周側）に向かって順に、７つのコイルターン１４Ａ〜１４Ｇを含んでいる。これらのコイルターン１４Ａ〜１４Ｇは、それぞれコイル幅ＷＡ〜ＷＧを有しており、それらのコイルターン１４Ａ〜１４Ｇの間には、それぞれコイル間隔ＳＡＢ〜ＳＦＧが設けられている。ここでは、例えば、コイル幅ＷＡ〜ＷＧが互いに等しくなっていると共に、コイルターン１４Ａ〜１４Ｇが互いに等しいコイル厚さＴを有している。なお、スパイラルコイル１４の平面サイズは、コイル幅ＷＡ〜ＷＧおよびコイル間隔ＳＡＢ〜ＳＦＧに応じて任意に設定可能である。

スパイラルコイル１４を３つの区域に区分すると、巻回中心Ｃに近い側に位置する内周側（内周側巻回領域Ｒ１）と、その巻回中心Ｃから遠い側に位置する外周側（外周側巻回領域Ｒ３）と、それらの内周側と外周側との間に位置する中間（中間巻回領域Ｒ２）とに区分される。ここでは、例えば、内周側巻回領域Ｒ１がコイルターン１４Ａ〜１４Ｃおよびコイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣを含み、中間巻回領域Ｒ２がコイルターン１４Ｄおよびコイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥを含み、外周側巻回領域Ｒ３がコイルターン１４Ｅ〜１４Ｇおよびコイル間隔ＳＥＦ，ＳＦＧを含んでいる。なお、内周側巻回領域Ｒ１、中間巻回領域Ｒ２および外周側巻回領域Ｒ３にそれぞれ含まれるコイルターンおよびコイル間隔は、必ずしも上記した分類に限定されず、任意に設定可能である。

このスパイラルコイル１４では、スパイラルコイル１４に流れる電流によって生じる磁界の磁束密度分布が中間巻回領域Ｒ２およびその周辺に平坦化領域（磁束密度がほぼ平坦となる領域）を含み、その平坦化領域の平均レベル（磁束密度の平均値）がより低く、かつ幅がより広くなるように、コイル間隔ＳＡＢ〜ＳＦＧが設定されている。具体的には、中間巻回領域Ｒ２におけるコイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥは、他の巻回領域（内周側巻回領域Ｒ１，外周側巻回領域Ｒ３）におけるコイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧよりも広くなっている。この場合には、例えば、中間巻回領域Ｒ２における磁束密度が下部磁性膜１２および上部磁性膜１５の飽和磁束密度よりも低くなるのが好ましい。

なお、コイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧは、コイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥよりも狭くなっている限りにおいて、互いに等しくなっていてもよいし、あるいは互いに異なっていてもよい。図１〜図３では、例えば、コイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧが互いに等しくなっている場合を示している

本実施の形態に係るコイル素子では、スパイラルコイル１４の中間巻回領域Ｒ２におけるコイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥが他の巻回領域におけるコイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧよりも広くなっているので、以下の理由により、直流重畳特性を改善することができる。

図４および図５は、それぞれ本実施の形態のコイル素子に対する第１および第２の比較例のコイル素子の構成（図３に対応する断面構成）を表している。第１の比較例のコイル素子は、スパイラルコイル１４（コイルターン１４Ａ〜１４Ｇ）に代えてスパイラルコイル１１４（コイルターン１１４Ａ〜１１４Ｇ）を備え、コイル間隔ＳＡＢ〜ＳＦＧが互いに等しくなっている点を除き、本実施の形態のコイル素子と同様の構成を有している。第２の比較例のコイル素子は、スパイラルコイル１４に代えてスパイラルコイル２１４（コイルターン２１４Ａ〜２１４Ｇ）を備え、コイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥがコイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧよりも狭くなっている点を除き、本実施の形態のコイル素子と同様の構成を有している。

また、図６は、下部磁性膜１２および上部磁性膜１５における磁束密度分布の一例を表しており、横軸は巻回中心Ｃからの距離Ｄ（μｍ）を示し、縦軸は磁束密度Ｂ（Ｔ）を示している。この図６には、上記した内周側巻回領域Ｒ１、中間巻回領域Ｒ２および外周側巻回領域Ｒ３の範囲を示している。図６中に示した「６Ａ，６Ｂ，６Ｃ」は、それぞれ第１の比較例、第２の比較例および本実施の形態の磁束密度分布を表しており、「６ＡＦ，６ＢＦ，６ＣＦ」は、いずれも磁束密度分布中の平坦化領域を表している。なお、図６では、簡略化するために磁束密度分布を滑らかな曲線で示しているが、実際の磁束密度分布には、コイルターンの配列パターン等の影響によるディップ（窪み）が含まれる場合がある。

第１の比較例のコイル素子（図４参照）では、中間巻回領域Ｒ２におけるコイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥが他の巻回領域におけるコイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧに等しくなっているため、コイルターン１１４Ｄに対してコイルターン１１４Ａ〜１１４Ｃ，１１４Ｅ〜１１４Ｇがより接近している。この場合には、中間巻回領域Ｒ２において、各コイルターン１１４Ａ〜１１４Ｇで生じる磁界同士が著しく強め合うため、図６（６Ａ）に示したように、スパイラルコイル１１４に流れる電流によって生じる磁界の磁束密度分布は、中間巻回領域Ｒ２において突出しやすくなる。より具体的には、磁束密度分布における平坦化領域６ＡＦの平均レベルＬ６Ａがより高く、かつ幅Ｗ６Ａがより狭くなる。これにより、下部磁性膜１２および上部磁性膜１５において磁気的飽和が生じやすくなるため、直流重畳特性が悪化してしまう。

また、第２の比較例のコイル素子（図５参照）では、中間巻回領域Ｒ２におけるコイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥが他の巻回領域におけるコイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧよりも狭くなっているため、コイルターン２１４Ｄに対してコイルターン２１４Ａ〜２１４Ｃ，２１４Ｅ〜２１４Ｇがさらに接近している。この場合には、中間巻回領域Ｒ２において、各コイルターン２１４Ａ〜２１４Ｇで生じる磁界同士がさらに強め合うため、図６（６Ｂ）に示したように、スパイラルコイル２１４に流れる電流によって生じる磁界の磁束密度分布は、中間巻回領域Ｒ２においてさらに突出しやすくなる。より具体的には、磁束密度分布における平坦化領域６ＢＦの平均レベルＬ６Ｂがさらに高く、かつ幅Ｗ６Ｂがさらに狭くなる。これにより、直流重畳特性がさらに悪化してしまう。

これに対して、本実施の形態のコイル素子（図３参照）では、中間巻回領域Ｒ２におけるコイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥが他の巻回領域におけるコイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧよりも広くなっているため、コイルターン１４Ｄからコイルターン１４Ａ〜１４Ｃ，１４Ｅ〜１４Ｇが遠ざかっている。この場合には、中間巻回領域Ｒ２において、各コイルターン１４Ａ〜１４Ｇで生じる磁界同士が強め合う現象が緩和されるため、図６（６Ｃ）に示したように、スパイラルコイル１４に流れる電流によって生じる磁界の磁束密度分布は、第１および第２の比較例のコイル素子の磁束密度分布（６Ａ，６Ｂ）よりも中間巻回領域Ｒ２において突出しにくくなる。より具体的には、磁束密度分布における平坦化領域６ＣＦの平均レベルＬ６Ｃがより低く、かつ幅Ｗ６Ｃがより広くなる。したがって、下部磁性膜１２および上部磁性膜１５において磁気的飽和が生じにくくなるため、直流重畳特性が改善されるのである。

ここで、本実施の形態のコイル素子の技術的意義について補足しておく。直流重畳特性は、コイル幅ＷＡ〜ＷＧに差異を設ける（中間巻回領域Ｒ２におけるコイル幅ＷＤを他の巻回領域におけるコイル幅ＷＡ〜ＷＣ，ＷＥ〜ＷＧよりも広げる）ことによっても改善される。しかしながら、直流重畳特性を改善するためには、以下の３つの理由により、コイル幅ＷＡ〜ＷＧに差異を設けるよりも、コイル間隔ＳＡＢ〜ＳＦＧに差異を設けるのが好ましい。

第１に、コイル幅ＷＤを広げた場合には、基体１１、下部磁性膜１２および上部磁性膜１５に対するコイルターン１４Ｄの対向面積が大きくなるため、コイルターン１４Ｄと基体１１との間に生じる対地容量が大きくなると共に、コイルターン１４Ｄと下部磁性膜１２または上部磁性膜１５との間に生じる寄生容量が大きくなる。これにより、共振周波数が低下するため、直流重畳特性が改善される一方でコイル素子の動作可能周波数が低下してしまう。これに対して、コイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥを広げた場合には、上記したコイルターン１４Ｄの対向面積が大きくならないため、コイル素子の動作可能周波数を低下させずに直流重畳特性を改善することができる。

第２に、コイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥを広げた場合には、互いに隣り合うコイルターン間の浮遊容量が低減するため、直流重畳特性を改善することに加えて、Ｑ値を向上させることができる。この「Ｑ値」とは、コイルの性能の良さを定量的に表す数値であり、一般に、Ｑ＝ωＬ／Ｒ（ω：角速度，Ｌ：インダクタンス，Ｒ：抵抗）という定義式で表される。

第３に、コイル幅ＷＤを広げた場合には、図６に示した磁束密度分布の分布傾向が大きく変化するため、インダクタンスの変化量が大きくなってしまう。これに対して、コイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥを広げた場合には、ディップの深さが深くなるだけで、磁束密度分布の分布傾向が大きく変化しないため、インダクタンスの変化量が小さくなる。これにより、インダクタンスの安定性の観点からコイル素子の設計自由度が大きくなる。

なお、本実施の形態では、図３に示したように、コイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧが互いに等しくなるようにしたが、必ずしもこれに限られるものではない。一例を挙げれば、図３に対応する図７に示したように、コイル間隔ＳＡＢ〜ＳＦＧが内周側巻回領域Ｒ１または外周側巻回領域Ｒ３から中間巻回領域Ｒ２に近づくにしたがって次第に広くなるようにしてもよい。すなわち、コイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＣＤがこの順に広くなると共に、コイル間隔ＳＦＧ，ＳＥＦ，ＳＤＥがこの順に広くなってもよい。この場合には、図３に示した場合と比較して、コイルターン１４Ｂ，１４Ｆがそれぞれコイルターン１４Ｃ，１４Ｅから遠ざかっているため、中間巻回領域Ｒ２に加えて内周側巻回領域Ｒ１および外周側巻回領域Ｒ３においても磁界が強め合う現象が緩和される。したがって、直流重畳特性をより改善することができる。なお、図７に示したスパイラルコイル１４に関する上記以外の構成は、図３に示した場合と同様である。

また、本実施の形態では、図１および図２に示したように、下部磁性膜１２および上部磁性膜１５の双方を備えるようにしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、下部磁性膜１２または上部磁性膜１５のいずれか一方のみを備えるようにしてもよい。具体的な一例を挙げれば、基体１１が高抵抗のフェライト基板である場合には、上部磁性膜１５のみを備え、下部磁性膜１２を備えないようしてもよい。この場合においても、直流重畳特性を改善することができる。

また、本実施の形態では、図１および図２に示したように、絶縁膜１３を備えるようにしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、上部磁性膜１５がフェライトなどの高抵抗材料により構成された場合には、絶縁膜１３を備えないようにしてもよい。この場合においても、Ｑ値を改善することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

図８は、第２の実施の形態に係るコイル素子の構成を表しており、図３に対応する断面構成を示している。なお、図８では、上記第１の実施の形態において図３を参照して説明した符号（Ｒ１〜Ｒ３，ＷＡ〜ＷＧ，ＳＡＢ〜ＳＦＧ）をそのまま付している。

このコイル素子は、スパイラルコイル１４（コイルターン１４Ａ〜１４Ｇ）に代えてスパイラルコイル２４（コイルターン２４Ａ〜２４Ｇ）を備える点を除き、上記第１の実施の形態のコイル素子と同様の構成を有している（図１〜図３参照）。このスパイラルコイル２４は、コイル幅ＷＡ〜ＷＧに差異が設けられずにコイル間隔ＳＡＢ〜ＳＦＧに差異が設けられていたスパイラルコイル１４とは異なり、コイル幅ＷＡ〜ＷＧおよびコイル間隔ＳＡＢ〜ＳＦＧの双方に差異が設けられたものである。

スパイラルコイル２４に流れる電流によって生じる磁界の磁束密度分布では、スパイラルコイル１４（図６参照）と同様に、平坦化領域の平均レベルがより低く、かつ幅がより広くなっている。このスパイラルコイル２４では、中間巻回領域Ｒ２におけるコイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥが他の巻回領域（内周側巻回領域Ｒ１，外周側巻回領域Ｒ３）におけるコイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＦＧよりも広くなっていると共に、中間巻回領域Ｒ２におけるコイル幅ＷＤが他の巻回領域におけるコイル幅ＷＡ〜ＷＣ，ＷＥ〜ＷＧよりも広くなっている。

なお、コイル幅ＷＡ〜ＷＣ，ＷＥ〜ＷＧは、コイル幅ＷＤよりも狭くなっている限りにおいて、互いに等しくなっていてもよいし、あるいは互いに異なっていてもよい。図８では、例えば、コイル間ＷＡ〜ＷＣ，ＷＥ〜ＷＧが互いに等しくなっている場合を示している。スパイラルコイル２４に関する上記以外の構成は、スパイラルコイル１４と同様である。

本実施の形態に係るコイル素子では、スパイラルコイル２４の中間巻回領域Ｒ２におけるコイル間隔ＳＣＤ，ＳＤＥが他の巻回領域におけるコイル間隔ＳＡＢ，ＳＢＣ，ＳＥＦ，ＳＥＧよりも広くなっているので、上記第１の実施の形態と同様の作用により、中間巻回領域Ｒ２において、各コイルターン２４Ａ〜２４で生じる磁界同士が強め合う現象が緩和される。しかも、中間巻回領域Ｒ２におけるコイル幅ＷＤが他の巻回領域におけるコイル幅ＷＡ〜ＷＣ，ＷＥ〜ＷＧよりも広くなっているので、この観点においても中間巻回領域Ｒ２において磁界が強め合う現象が緩和される。したがって、第１の実施の形態のコイル素子よりも直流重畳特性を改善することができる。

なお、本実施の形態では、図８に示したように、コイル幅ＷＡ〜ＷＣ，ＷＥ〜ＷＧが互いに等しくなるようにしたが、必ずしもこれに限られるものではない。一例を挙げれば、図８に対応する図９示したように、コイル幅ＷＡ〜ＷＧが内周側巻回領域Ｒ１または外周側巻回領域Ｒ３から中間巻回領域Ｒ２に近づくにしたがって次第に広くなるようにしてもよい。すなわち、コイル幅ＷＡ，ＷＢ，ＷＣ，ＷＤがこの順に広くなると共に、コイル幅ＷＧ，ＷＦ，ＷＥ，ＷＤがこの順に広くなってもよい。この場合には、図８に示した場合と比較して、中間巻回領域Ｒ２に加えて内周側巻回領域Ｒ１および外周側巻回領域Ｒ３においても磁界が強め合う現象が緩和される。したがって、直流重畳特性をより改善することができる。なお、図９に示したスパイラルコイル２４に関する上記以外の構成は、図８に示した場合と同様である。

また、本実施の形態では、図８および図９に示したスパイラルコイル２４の構成に、上記第１の実施の形態において説明した変形例（図７参照）を適用することが可能である。具体的には、例えば、図８に対応する図１０に示したように、中間巻回領域Ｒ２におけるコイル幅ＷＤが他の巻回領域におけるコイル幅ＷＡ〜ＷＣ，ＷＥ〜ＷＧよりも広くなっている場合に、コイル間隔ＳＡＢ〜ＳＦＧが内周側巻回領域Ｒ１または外周側巻回領域Ｒ３から中間巻回領域Ｒ２に近づくにしたがって次第に広くなるようにしてもよい。また、例えば、図９に対応する図１１に示したように、コイル幅ＷＡ〜ＷＧが内周側巻回領域Ｒ１または外周側巻回領域Ｒ３から中間巻回領域Ｒ２に近づくにしたがって次第に広くなっている場合に、コイル間隔ＳＡＢ〜ＳＦＧが内周側巻回領域Ｒ１または外周側巻回領域Ｒ３から中間巻回領域Ｒ２に近づくにしたがって次第に広くなるようにしてもよい。これらの場合には、直流重畳特性をより改善することができる。なお、図１０および図１１に示したスパイラルコイル２４に関する上記以外の構成は、それぞれ図８および図９に示した場合と同様である。

本実施の形態のコイル素子に関する上記以外の構成、作用および他の変形は、上記第１の実施の形態と同様である。

次に、本発明のコイル素子の応用例について説明する。図１２はコイル素子を応用した薄膜インダクタの平面構成を表し、図１３は図１２に示したＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面構成を表している。なお、以下の説明では、薄膜インダクタの構成を説明する際に、上記したコイル素子（図１〜図３および図７〜図１１参照）の構成要素を随時引用する。

この薄膜インダクタは、基板１０１の一面に、下部磁性膜１０２と、絶縁膜１１０により埋設されたスパイラルコイル１０６と、上部磁性膜１０７とがこの順に積層されたものである。

基板１０１は、基体１１に対応するものであり、例えば、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、フェライト、酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ；いわゆるアルミナ）、セラミックス、半導体または樹脂などにより構成されている。

下部磁性膜１０２および上部磁性膜１０７は、それぞれ下部磁性膜１２および上部磁性膜１５に対応するものであり、ここではインダクタンスを高めるために使用されている。これらの下部磁性膜１０２および上部磁性膜１０７は、例えば、コバルト（Ｃｏ）系のアモルファス金属などの磁性材料により構成されている。この種の磁性材料としては、例えば、（ＣｏＦｅ）ＳｉＢなどのコバルト鉄系合金や、コバルトジルコニウムニオブ合金（ＣｏＺｒＮｂ）や、コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ）などが挙げられる。なお、下部磁性膜１０２および上部磁性膜１０７の構成材料は、透磁率が高いものであれば特に限定されず、例えば、フェライトであってもよい。

絶縁膜１１０は、絶縁膜１３に対応するものであり、例えば、基板１０１とスパイラルコイル１０６との間に設けられた下部絶縁膜１０３と、スパイラルコイル１０６のコイルターン間およびその周囲に設けられた中間絶縁膜１０４、スパイラルコイル１０６と上部絶縁膜１０７との間に設けられた上部絶縁膜１０５とを含んでいる。下部絶縁膜１０３および上部絶縁膜１０５は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）またはアルミナなどの無機絶縁性材料により構成されている。中間絶縁膜１０４は、例えば、ポリイミド、フェノール樹脂、エポキシ樹脂またはフォトレジストなどの有機絶縁性材料により構成されている。

スパイラルコイル１０６は、スパイラルコイル１４に対応するものであり、インダクタンスを発生させるものである。このスパイラルコイル１０６は、例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）または銀（Ａｇ）などの金属に代表される導電性材料により構成されている。ここでは、スパイラルコイル１０６は、例えば、図３に示したスパイラルコイル１４と同様の構成を有している。

この薄膜インダクタでは、スパイラルコイル１４に対応するスパイラルコイル１０６を備えているので、上記したコイル素子と同様の作用により、下部磁性膜１０２および上部磁性膜１０７において磁気的飽和が生じにくくなる。したがって、直流重畳特性を改善することができる。

なお、図１２および図１３に示した薄膜インダクタでは、図３に示したスパイラルコイル１４と同様の構成を有するようにスパイラルコイル１０６を構成したが、必ずしもこれに限られるものではない。具体的には、図３に代えて、図７に示したスパイラルコイル１４または図８〜図１１に示したスパイラルコイル２４と同様の構成を有するようにスパイラルコイル１０６を構成してもよい。この場合においても、直流重畳特性を改善することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。

コイル素子の性能を調べるために、以下の一連のコイル素子をシミュレーション上において設計した。

（実施例１）
上記各実施の形態において説明した一連のコイル素子を代表して、第１の実施の形態において図３に示したスパイラルコイルを備えたコイル素子を設計した。この場合には、スパイラルコイルの構成として、図３に対応する図１４に示したように、ターン数を７ターンから５ターンに変更したと共に、材質＝銅、コイル厚さＴ＝１０μｍ、コイル幅ＷＡ〜ＷＥ＝４００μｍ、コイル間隔ＳＡＢ，ＳＤＥ＝２０μｍ，ＳＢＣ，ＳＣＤ＝３０μｍとした。また、下部磁性膜および上部磁性膜の構成として、材質＝コバルトジルコニウムタンタル合金、平面サイズ＝６．５ｍｍ×６．５ｍｍ、厚さ＝５μｍ、抵抗率＝１００μΩｃｍ、比透磁率＝６００、飽和磁束密度Ｂｓ＝１．２Ｔ、ギャップ（下部磁性膜と上部磁性膜との間の距離）＝３μｍとした。

（実施例２）
コイル間隔ＳＢＣ，ＳＣＤ＝５０μｍとした点を除き、実施例１と同様の構成となるようにコイル素子を設計した。

（比較例１）
図４に示したスパイラルコイルを備えたコイル素子を設計した。この場合には、スパイラルコイル１１４の構成として、図４に対応する図１５に示したように、ターン数を７ターンから５ターンに変更したと共に、平面サイズ＝６ｍｍ×６ｍｍ角、コイル幅ＷＡ〜ＷＥ＝４００μｍ、コイル間隔ＳＡＢ〜ＳＤＥ＝２０μｍ、抵抗率＝１．８μΩｃｍとした。なお、スパイラルコイルに関する上記以外の構成、ならびに下部磁性膜および上部磁性膜の構成は、実施例１と同様である。

（比較例２）
図５に示したスパイラルコイルを備えたコイル素子を設計した。この場合には、スパイラルコイルの構成として、図５に対応する図１６に示したように、ターン数を７ターンから５ターンに変更したと共に、コイル幅ＷＡ〜ＷＥ＝４００μｍ、コイル間隔ＳＡＢ，ＳＤＥ＝２０μｍ，ＳＢＣ，ＳＣＤ＝１０μｍとした。なお、スパイラルコイルに関する上記以外の構成、ならびに下部磁性膜および上部磁性膜の構成は、実施例１と同様である。

なお、表１は、上記した実施例１，２および比較例１，２のコイル素子の主要な構成条件（コイル厚さＴ，コイル幅ＷＡ〜ＷＥ，コイル間隔ＳＡＢ〜ＳＤＥ）の一覧を示している。

まず、磁束密度分布に対するコイル間隔の影響を調べたところ、図１７に示した結果が得られた。図１７は、磁束密度分布のコイル間隔依存性を表しており、図６に対応する磁束密度分布を示している。この場合には、有限要素法を利用した電磁界解析を使用したと共に、印加電流（直流重畳電流）＝２５０ｍＡとした。図１７中に示した「１７Ａ（破線），１７Ｂ（一点鎖線），１７Ｃ（二点鎖線），１７Ｄ（実線）」は、それぞれ比較例２、比較例１、実施例１および実施例２の磁束密度分布を表しており、「１７ＡＦ，１７ＢＦ，１７ＣＦ，１７ＤＦ」は、いずれも平坦化領域を表している。なお、実施例１，２および比較例１，２のいずれにおいても、スパイラルコイル（５つのコイルターン）の配設範囲は距離Ｄ＝約１１００μｍ〜３０００μｍの範囲である。特に、内周側巻回領域Ｒ１，中間巻回領域Ｒ２および外周側巻回領域Ｒ３は、それぞれ距離Ｄ＝約１１００μｍ〜１９００μｍの範囲、約１９００μｍ〜２４００μｍおよび約２４００μｍ〜３０００μｍの範囲である。

図１７に示した結果から判るように、磁束密度Ｂは、比較例２（１７Ａ）、比較例１（１７Ｂ）、実施例１（１７Ｃ）および実施例２（１７Ｄ）のいずれにおいても、上向き凸型の曲線を描くように分布した。この曲線中には、５つのコイルターンの配列パターン等の影響によるディップが見られた。

しかしながら、一連の磁束密度分布は、コイル間隔ＳＢＣ，ＳＣＤが広くなるにしたがって中間巻回領域Ｒ２において突出しにくくなった。すなわち、平坦化領域１７ＡＦ〜１７ＤＦの平均レベルＬ１７Ａ〜Ｌ１７Ｄはその順に低くなり、かつ幅Ｗ１７Ａ〜Ｗ１７Ｄはその順に狭くなった。この傾向は、コイル間隔ＳＢＣ，ＳＣＤが広くなるにしたがって、中間巻回領域Ｒ２において磁界が強め合う現象が緩和されることを表している。このことから、本発明のコイル素子では、中間巻回領域Ｒ２におけるコイル間隔ＳＢＣ，ＳＣＤを他の巻回領域におけるコイル間隔ＳＡＢ，ＳＤＥよりも広げることにより、磁束密度分布における平坦化領域の平均レベルがより低く、かつ幅がより狭くなることが確認された。

続いて、直流重畳特性を調べたところ、図１８に示した結果が得られた。図１８は直流重畳特性を表しており、横軸は直流重畳電流Ｃ（ｍＡ）を示し、縦軸はインダクタンスＬ（μＨ）を示している。この場合には、直流重畳電流Ｃ＝０ｍＡ〜５００ｍＡとした。図１８中に示した「●，▲，■」は、それぞれ比較例１、実施例１および実施例２の直流重畳特性を表している。

図１８に示した結果から判るように、インダクタンスＬは、比較例１（●）、実施例１（▲）および実施例２（■）のいずれにおいても、直流重畳電流Ｃ＝約２００ｍＡから低下し始めた。このインダクタンスＬの低下が下部磁性膜および上部磁性膜の磁気的飽和に起因して生じていることは明らかである。ここで、インダクタンスＬの変化率、すなわちインダクタンスＬが初期値（直流重畳電流Ｃ＝０ｍＡのときの値）から２０％低下したときの直流重畳電流Ｃの値を「定格電流値」として定義することにより、その定格電流値に基づいて直流重畳特性を比較評価した。

定格電流値は、比較例１において４０５ｍＡ（インダクタンスＬの初期値＝０．５９７μＨ，２０％低下値＝０．４７８μＨ）、実施例１において４１７ｍＡ（インダクタンスＬの初期値＝０．５８７μＨ，２０％低下値＝０．４６９μＨ）、実施例２において４２５ｍＡ（インダクタンスＬの初期値＝０．５６９μＨ，２０％低下値＝０．４５５μＨ）であり、比較例１よりも実施例１，２において向上した。この定格電流値の向上は、コイル間隔ＳＢＣ，ＳＣＤが広くなるにしたがって、下部磁性膜および上部磁性膜において磁気的飽和が生じにくくなったため、インダクタンスＬが低下しにくくなった効果である。このことから、本発明のコイル素子では、中間巻回領域Ｒ２におけるコイル間隔ＳＢＣ，ＳＣＤを他の巻回領域におけるコイル間隔ＳＡＢ，ＳＤＥよりも広げることにより、直流重畳特性が改善されることが確認された。特に、直流重畳特性の改善効果を具体的に説明すると、その直流重畳特性は、比較例１（定格電流値＝４０５ｍＡ）よりも実施例２（定格電流値＝４２５ｍＡ）において約５％改善された。

最後に、インダクタンスに対するコイル間隔の影響を調べたところ、図１９に示した結果が得られた。図１９は、インダクタンスのコイル間隔依存性を表しており、横軸はコイル間隔ＳＢＣ，ＳＣＤ（μｍ）を示し、縦軸はインダクタンスＬ（μＨ）を示している。この場合には、コイル間隔ＳＢＣ，ＳＣＤ＝１０μｍ（比較例２），２０μｍ（比較例１），３０μｍ（実施例１），５０μｍ（実施例２）とすると共に、印加電流（直流電流）＝５００ｍＡとした。

図１９に示した結果から判るように、インダクタンスＬは、比較例１，２および実施例１，２の間においてほぼ一定であった。

以上、いくつかの実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記した各実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。具体的には、上記各実施の形態および実施例では、スパイラルコイルがシングルスパイラルコイルである場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、スパイラルコイルがダブルスパイラルコイルまたはマルチスパイラルコイルなどの他のスパイラルコイルであってもよい。これらの場合においても、上記各実施の形態および実施例と同様の効果を得ることができる。

本発明に係るコイル素子は、薄膜インダクタなどに応用することが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係るコイル素子の平面構成を表す平面図である。 図１に示したコイル素子のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面構成を表す断面図である。 図１に示したコイル素子のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面構成を表す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るコイル素子に対する第１の比較例のコイル素子の断面構成を表す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るコイル素子に対する第２の比較例のコイル素子の断面構成を表す断面図である。 下部磁性膜および上部磁性膜における磁束密度分布の一例を表す図である。 図３に示したスパイラルコイルの構成に関する変形例を表す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るコイル素子の断面構成を表す断面図である。 図８に示したスパイラルコイルの構成に関する変形例を表す断面図である。 図８に示したスパイラルコイルの構成に関する他の変形例を表す断面図である。 図９に示したスパイラルコイルの構成に関する変形例を表す断面図である。 本発明のコイル素子を応用した薄膜インダクタの平面構成を表す平面図である。 図１２に示した薄膜インダクタのＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面構成を表す断面図である。 実施例１，２のコイル素子の構成を説明するための断面図である。 比較例１のコイル素子の構成を説明するための断面図である。 比較例２のコイル素子の構成を説明するための断面図である。 磁束密度分布のコイル間隔依存性を表す図である。 直流重畳特性を表す図である。 インダクタンスのコイル間隔依存性を表す図である。

符号の説明

１１…基体、１２，１０２…下部磁性膜、１３，１１０…絶縁膜、１４，２４，１０６…スパイラルコイル、１４Ａ〜１４Ｇ，２４Ａ〜２４Ｇ…コイルターン、１５，１０７…上部絶縁膜、１０１…基板、１０３…下部絶縁膜、１０４…中間絶縁膜、１０５…上部絶縁膜、Ｃ…巻回中心、Ｒ１…内周側巻回領域、Ｒ２…中間巻回領域、Ｒ３…外周側巻回領域、ＳＡＢ〜ＳＦＧ…コイル間隔、Ｔ…コイル厚さ、ＷＡ〜ＷＧ…コイル幅。

Claims (7)

1. スパイラルコイルと、
   このスパイラルコイルの少なくとも一方の面の側に設けられた磁性膜と
   を備え、
   前記スパイラルコイルの内周側と外周側との間の中間におけるコイル間隔が、前記内周側および外周側におけるコイル間隔よりも広い
   ことを特徴とするコイル素子。
2. 前記内周側および外周側から前記中間に近づくにしたがってコイル間隔が次第に広くなっている
   ことを特徴とする請求項１記載のコイル素子。
3. 前記中間におけるコイル幅が、前記内周側および外周側におけるコイル幅よりも広い
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコイル素子。
4. 前記内周側および外周側から前記中間に近づくにしたがってコイル幅が次第に広くなっている
   ことを特徴とする請求項３記載のコイル素子。
5. 前記スパイラルコイルが、シングルスパイラルコイルである
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のコイル素子。
6. 前記スパイラルコイルに流れる電流によって生じる磁界の磁束密度分布が前記中間およびその周辺に平坦化領域を有し、
   この平坦化領域の平均レベルがより低く、かつ幅がより広くなっている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のコイル素子。
7. スパイラルコイルと、
   このスパイラルコイルの少なくとも一方の面の側に設けられた磁性膜と
   を備え、
   前記スパイラルコイルに流れる電流によって生じる磁界の磁束密度分布が前記中間およびその周辺に平坦化領域を有し、この平坦化領域の平均レベルがより低く、かつ幅がより広くなるようにコイル間隔が設定されている
   ことを特徴とするコイル素子。

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