JP2007188938A - トランス - Google Patents

Abstract

【課題】一次側と二次側のコイル間の十分な電磁的結合が得られ、高周波のＩＣ上に形成するにも十分に適合する小型で高効率のトランスを具現する。
【解決手段】一次側の両電極部１０１，１０２間に、回旋状薄板導体の第１パターン部１１１を含む一次側導体１１０と、二次側の両電極部２０１，２０２間に、回旋状薄板導体の第２パターン部２１１を含む二次側導体２１０とを備え、二次側導体２１０の第２パターン部２１１は一次側導体１１０の第１パターン部１１１に沿って当該部分１１１をその表裏両面から挟むように第１導体部２１１ａと第２導体部２１１ｂとを有するサンドイッチ構造をなすように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次側導体と二次側導体とが少なくとも部分的に相互に沿うように配設されたトランスに関し、特に、集積回路（以下ＩＣという）部品等の配線層において導体パターンによって形成される高周波回路電子部品としての高周波信号のインピーダンス変換素子として具現化するにも良く適合するトランスに関する。
尚、本願発明の説明に関して用いている「トランス」の語は、変圧器、変成器、および、所謂トランス結合によって一次側と二次側とを結合する結合器（方向性結合器等をも含む）等々を含む広義の概念を表すものであり、本発明思想は、このように広汎な概念である「トランス」を特許請求の範囲に記載の如くに限定したところに特徴を有する。

ＩＣ部品等で高周波回路を構成する際、周波数のインピーダンス変換等はコンデンサ及びコイル等の受動部品を用いて行われるが、トランス等は良好な構造が提案されていないため殆ど用いられることはなかった。一方、トランスは容易に高周波信号の電圧変換や位相の変換、更に直流阻止ができる等の良好な機能を有している。
しかしながら、トランスは磁性体をコアにした立体構造で構成されるため、ＩＣ等に内蔵するためには先ず平面構造にする必要がある。このような平面構造のトランスも従来より種々提案されている。

例えば、一次コイルを構成する平板状導体の長手方向に沿って平行なスリットを形成して一次コイルの１ターン分の電流路をその幅方向に３分割して表皮効果を低減するようにした平面構造のトランスが開示されている（特許文献１参照）。
また、フェライトの積層シート上に形成された一次側と二次側との各コイルの部分に相応する各半周のコイルパターンを、該当する積層シート上のコイルパターンを適宜に導体で接続することによって所望のインダクタンス値を有する中間周波トランスを構成するといった形の平面構造トランスも提案されている（特許文献２参照）。

更にまた、平面投影形状が長方形の回旋状の平面コイルを絶縁体中に埋設するように配し、このコイル（そのコイルが埋設されている絶縁体の直方体状のブロック）の上下両面をＣｏＺｒＮｂ系などの磁性薄膜で挟むようにして平面インダクタを構成し、磁束が同相で影響し合うようにして、相互インダクタンスの効果でコイルの大きさに比して大きなインダクタンスが得られるようにした技術も提案されている（特許文献３参照）。

また、平面磁気素子の外表面に、平面コイルのコイル電極部と導通した外部電極以外にも複数の外部電極を予め形成しておき、これらの予め形成された外部電極を介して、平面磁気素子上に他の素子を搭載・接続できるよう配線パターンを設けて、結果的にこの素子の占有面積や高さの増大を最小限にしようとする技術も提案されている（特許文献４参照）。

更にまた、ＩＣカードとこのＩＣカードへの給電およびデータの授受を非接触で行うドライブユニットとの電磁結合を強固にするために、ＩＣカード側に適用するコイルに並列に共振用コンデンサを接続して共振タンク回路を構成するといった技術も提案されている（特許文献５参照）。
また一方、回旋状の部分を有する相似形の導体箔が上面に形成された複数の誘電体層を中間誘電体層を挟んで重畳させた部分を含んで複数の誘電体のグリーンシートを積層して焼成することにより積層型方向性結合器を構成し、高いアイソレーション特性を有しながら小型で薄く且つ製造も容易な積層型方向性結合器を実現しようとする提案もなされている（特許文献６参照）。

特開２０００−１８２８５０号公報（段落００３１〜段落００３５、図３、図４） 特開平３−２７８５９４号公報（第３頁右上欄〜第４頁左下欄、図１、図３） 特開平７−２１７９１号公報（段落００１２、段落００２２、図６） 特開２００２−３５３０３０号公報（段落００３４〜段落００３９、図２） 特開平１０−６９５３３号公報（段落００３６〜段落００４８、図１、図２） ＷＯ９５／３２５２７号公報（第５頁第２４行〜第５頁第２７行、第７頁第２９行〜第９頁第１７行、ＦＩＧ．１、ＦＩＧ．３）

多くの従来のＫＨｚ帯の低周波用途の平面化したトランスでは磁性体をコア（磁芯）として構成され、このように磁性体を用いることによって磁性体内を磁束が通るようにして低損失で一次側と二次側とを結合することができた。
しかしながら、１００ＭＨｚを超える高周波の周波数帯では高周波磁界の損失を少なくして信号の伝達が可能な適当な磁性材料がないため、一般に、磁性材料を用いず、上掲の特許文献の幾つかの例にあるように、誘電体をコアとした空芯構造のコイル（空芯コイル）を一次側および二次側のコイルとして用いる。

一方、ＩＣ上にトランスを形成することは極めて稀であり、回路技術的にはトランスを用いない構成を採るのが一般的である。
仮に、高周波回路でＩＣ上にトランスを形成すると想定した場合には、そのトランスの一次側と二次側のコイルをスパイラル構造に形成して配線層の上下に重畳するような構成を採ることが考えられる。

しかしながら、単純に上述のような重畳する構成を採用しても、一次側と二次側のコイル間の十分な電磁的結合を得ることは困難である。上掲の何れの既定案の技術もこのような問題に十分応え得るものではなかった。
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、一次側と二次側のコイル間の十分な電磁的結合が得られ、高周波のＩＣ上に形成するにも十分に適合するトランスを具現するための新規且つ具体的な技術を提供することを目的としている。

上記課題を解決するべく、本願では次に列記するような技術を提案する。
（１）平面投影形状が回旋状に形成された薄板導体の第１パターン部を含む一次側導体と、平面投影形状が回旋状に形成された薄板導体の第２パターン部を含む二次側導体とを有するトランスであって、前記二次側導体の少なくとも第２パターン部の一部を含む部分は前記一次側導体の少なくとも第１パターン部の部分に沿って当該部分をその表裏両面から挟むように各配設された第１導体部と第２導体部とを有することを特徴とするトランス。

上記（１）のトランスでは、一次側導体の第１パターン部の部分に沿って当該部分をその表裏両面から挟むように二次側導体の少なくとも第２パターン部の一部が配設される関係にあるため、一次側と二次側のコイル間の十分な電磁的結合が得られ、高周波域で用いられるＩＣ上に形成するにも十分に適合するトランスを実現することができる。

（２）前記一次側導体および前記二次側導体は、何れも非磁性基板上に形成され、且つ、前記一次側導体の第１パターン部および前記二次側導体の第２パターン部は非磁性誘電体材料によって支持されていることを特徴とする（１）に記載のトランス。
上記（２）のトランスでは、（１）のトランスによる作用において特に、一次側導体の第１パターン部および二次側導体の第２パターン部は非磁性誘電体材料によって支持されているため、例えば１００ＭＨｚを超えるような高周波の帯域で用いる場合でも、高周波磁界による損失が少ない。

（３）前記一次側導体および前記二次側導体は、前記二次側導体の前記一次側導体の少なくとも第１パターン部の部分に沿って当該部分をその表裏両面から挟むように各配設された第１導体部と第２導体部に関して、該第１導体部と前記一次側導体との対向面間の距離、および、該第２導体部と前記一次側導体との対向面間の距離が何れも１００μｍ以下となるように配置されていることを特徴とする（１）〜（２）の何れか一に記載のトランス。

上記（３）のトランスでは、（１）〜（２）の何れか一のトランスによる作用において特に、一次側導体の少なくとも第１パターン部の部分に沿って当該部分をその表裏両面から挟むように各配設された二次側導体の第１導体部と第２導体部とは夫々一次側導体との各対向面間の距離が何れも１００μｍ以下となるように配置されているため、一次側と二次側のコイル間の十分な電磁的結合が得られ、損失が少ない。

（４）前記一次側導体および前記二次側導体は非磁性基板である半導体基板上に構成される配線層に形成されることを特徴とする（１）〜（３）の何れか一に記載のトランス。
上記（４）のトランスでは、（１）〜（３）の何れか一のトランスによる作用において特に、一次側導体および二次側導体は、半導体基板上に構成される配線層に形成されているため、損失が少なく、且つ、全体として小型化が図られる。

（５）前記二次側導体の第２パターン部は、前記一次側導体の第１パターン部の平面投影形状が回旋状に形成された部分が尽きた領域に及んで延長された回旋状の部分を有することを特徴とする（１）〜（４）の何れか一に記載のトランス。
上記（５）のトランスでは、（１）〜（４）の何れか一のトランスによる作用において特に、二次側導体の第２パターン部は、一次側導体の第１パターン部の平面投影形状が回旋状に形成された部分が尽きた領域に及んで延長された回旋状の部分を有するため、二次側の巻き線数が一次側の巻き線数より多いことによる所定の巻き線数比を有するトランスが実現され、このようなトランスを用いて一次側と二次側でのインピーダンス変換が可能となる。

（６）前記二次側導体の第２パターン部は、前記一次側導体の第１パターン部のうちの限定的部分に沿って当該部分をその表裏両面から挟むように各配設された第１導体部と第２導体部とを有することを特徴とする（１）〜（４）の何れか一に記載のトランス。
上記（６）のトランスでは、（１）〜（４）の何れか一のトランスによる作用において特に、二次側導体の第２パターン部は、一次側導体の第１パターン部のうちの限定的部分に沿って当該部分をその表裏両面から挟むように各配設された第１導体部と第２導体部と
を有するため、二次側の巻き線数が一次側の巻き線数より少ないことによる所定の巻き線数比を有するトランスが実現され、このようなトランスを用いて一次側と二次側でのインピーダンス変換が可能となる。

（７）一次側導体と二次側導体とが少なくとも部分的に相互に沿うように配設されたトランスであって、前記二次側導体は前記一次側導体に沿う部分で前記一次側導体を挟むように位置する第１導体部と第２導体部とを有することを特徴とするトランス。

上記（７）のトランスでは、二次側導体はその第１導体部と第２導体部とが、一次側導体に沿う部分でこの一次側導体を挟むように位置する関係にあるため、一次側と二次側のコイル間の十分な電磁的結合が得られ、高周波域で用いられるＩＣ上に形成するにも十分に適合するトランスを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。尚、以下に参照する図においては、便宜上、説明の主題となる要部は適宜誇張し、要部以外については適宜簡略化し乃至省略されている。
図１は、本発明のトランスの基本構造を表す概念図である。図１（Ａ）は、該トランスの平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のトランスのＸ１−Ｘ１線断面図である。図において、全体として参照符号１０で示されたトランスは、一次側の両電極部１０１，１０２間に、平面投影形状が回旋状に形成された薄板導体の第１パターン部１１１を含む一次側導体１１０と、二次側の両電極部２０１，２０２間に、平面投影形状が回旋状に形成された薄板導体の第２パターン部２１１を含む二次側導体２１０とを有する。

二次側導体２１０の少なくとも第２パターン部２１１の一部を含む部分は一次側導体１１０の少なくとも第１パターン部１１１の部分に沿って当該部分１１１をその表裏両面から挟むように各配設された第１導体部２１１ａと第２導体部２１１ｂとを有する。
図１（Ａ）では、一次側導体１１０（その第１パターン部１１１）が二次側導体２１０（その第２パターン部２１１）によってその第１導体部２１１ａと第２導体部２１１ｂとによって挟まれている状態を、全延長部を実線図示した二次側導体２１０の該当部分の内側に沿わせるようにして破線図示してある。

既述の通り、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のトランスのＸ１−Ｘ１線断面図であるが、二次側導体２１０（その第２パターン部２１１）の第１導体部２１１ａと第２導体部２１１ｂとの間隔およびこれら第１導体部２１１ａ、第２導体部２１１ｂと一次側導体１１０（その第１パターン部１１１）との間隔は誇張して示されており、実際には、これらの間隔は公知の絶縁材料による絶縁層を介して極めて近接している。

図２は、図１のトランスの一次側の導体パターンと二次側の導体パターンの磁気結合の状況を従来例と比較して説明するための図である。図２（Ａ）は、図１のトランスに関する磁気結合の状況を表わし、図２（Ｂ）は、従来例のトランスに関する磁気結合の状況を表わしている。
図示のように、一次側の導体パターン（図１のトランスでは、一次側導体１１０の第１パターン部１１１）にはその周囲を周回する高周波磁界が形成される。

本発明においては、特に、一次側の導体パターン（同、一次側導体１１０の第１パターン部１１１）の上下に形成される高周波磁界に対し、二次側の導体パターン（図１のトランスでは、二次側導体２１０の第２パターン部２１１における第１導体部２１１ａと第２導体部２１１ｂ）によって一次側導体１１０（その第１パターン部１１１）を挟む位置関係をもって一次側および二次側の導体パターンを配置している。

このような構成により、効率的に二次側に誘導電流が生じるため、図２（Ｂ）のように二次側導体パターン２１１が一次側導体パターン１１１に対して一方のみ（上側又は下側のみ）に配置された場合に比べ、一次側と二次側の結合度を相対的に高くすることができる。
尚、一次側の高周波磁界が二次側導体パターンの外側まで達しているのに対し、一次側導体パターンと二次側導体パターンの間に高周波磁界が生じない（極めて小さい）のは、一次側導体パターンと二次側導体パターンが形成するそれぞれの高周波磁界のベクトルが相反する方向になって相殺し合うためである。

この現象については、以下に、更に詳述する。
図３は、図１のトランスの一次側の導体パターンと二次側の導体パターンとの磁気結合の度合いを従来例と比較して説明するための図である。図３において横軸は周波数を表わし、縦軸は順伝達係数Ｓ２１、即ち、トランスの一次側から二次側に伝達されるエネルギーの伝達効率に相応する相対値を表わしている。

図中、太線で描かれた曲線Ａが本発明（図１）のトランスにおける特性を表わし、細線で描かれた曲線Ｂが従来例のトランスにおける特性を表わしている。この特性図から理解されるとおり、広い帯域で、本発明のトランスの効率は従来例のそれを凌駕している。
図３のトランスにおける一次側と二次側の導体間の磁気結合は、一次側導体パターンのライン方向に電流が流れた際、一次側導体周囲に生じる磁場に対し、この磁場を打ち消す方向に磁場が生じるように二次側導体パターンのライン方向に電流が流れる現象により行われる。

従来の構成である既述の図２（Ｂ）では一次側及び二次側導体とが単に上下に配置されているため、各導体周囲に生じる相互に打ち消し合う磁場の対称性が崩れやすい。即ち、導体を中心として同心円状に形成される磁場に対して、例えば図２（Ｂ）の導体１１１により下側に形成される磁場は、それを打ち消すために磁場を発生させる導体２１１から見ると距離が相対的に遠くなり、導体１１１により上側に形成される磁場は、それを打ち消すために磁場を発生させる導体２１１から見ると距離が相対的に近くなる。

この場合、エネルギー的に低い側で一次側と二次側の磁気結合が行われるため、二次側導体の上側での打ち消し磁界に相当する電流が二次側導体に流れることになるため、結果として結合度が低下する。
これに対し、図２（Ａ）に示すトランスでは、その導体断面が一次側と二次側とは上下方向に関して対称配置となっているため、従来の配置に関わる問題が生じることはなく、効率的に一次側と二次側の磁気結合を行うことが可能となる。

図４は、本発明のトランスの導体パターン周辺に形成される高周波磁界の分布を例示する図である。図４に表されたとおり、パターンよりある一定の距離だけ離れたところで急激に磁界のエネルギーが減衰することから、二次側導体２１０（第２パターン部２１１における第１導体部２１１ａ、第２導体部２１１ｂ）と一次側導体１１１（その第１パターン部１１１）との上下方向の間隔は上記一定の距離以下であることが望ましいことが理解される。これについては、後に図７を参照して更に具体的に詳述する。

尚、上述の本発明のトランスにおいて、一次側及び二次側の導体パターンは任意のコイルパターンとしているが、高周波帯においてはコイルパターンの長さに依存してコイルに並列に接続された容量と等価な作用が発現する現象を呈することから、コイルパターンを特定の長さ（例えば波長に関する長さ）に選択することにより特定の周波数帯で一次側又は二次側のパターンにおいて共振機能を持たせることも可能である。

図５は、図１の基本構造を有しシミュレーションによる評価に供したトランスを表す図である。図５（Ａ）は、該トランスの導体パターンの平面図、図５（Ｂ）は、該トランスの一次側導体と二次側導体との配置の関係を表す概念図である。
図５において図１との対応部は同一の参照符号を附して示し、それらの部位の説明は省略するが、図５（Ｂ）において、一次側導体１１０は破線にて図示され、この一次側導体１１０（その第１パターン部１１１）に対し上下両面から沿って挟むように配設された既述の二次側導体２１０（その第２パターン部２１１）の第１導体部２１１ａと第２導体部２１１ｂとは破線に並行して一本の実線で図示されている。

即ち、破線と実線とが並行に沿うように描かれた部分は、それらの断面において、図１（Ｂ）を参照して既述のように、一次側導体１１０の少なくとも第１パターン部１１１の該当部分に沿って該部分１１１をその表裏両面から挟むようにして二次側導体２１０（その第２パターン部２１１）の第１導体部２１１ａと第２導体部２１１ｂとが配設されるサンドイッチ構造をなす関係にある。

図５の構成におけるシミュレーションの条件としては、導体パターンを形成する基板はＳｉ基板（２００×２００μｍ）であり、このＳｉ基板上にＳｉＯ２を形成して絶縁体中に、各ストリップ導体（導体パターン）は形成されているものとする。また、各ストリップ導体はアルミからなり幅が３μｍで厚みは１μｍで形成されているものとする。また、積層される導体間は層間１μｍのＳｉＯ２で絶縁されているものとする。

図６は、図５のトランスにおける一次側から信号を入力した際の二次側の出力の状況を従来例との比較において説明するための図である。図６において、縦軸は一次側の入力に対する二次側での減衰量を示した値である。太線の特性曲線が二次側を既述のサンドイッチ構造のストリップ導体で構成した図２（Ａ）のような構成に係る場合の特性であり、細線の特性曲線が図２（Ｂ）のような（サンドイッチ構造を有さず、一次側と二次側とが各一層で沿うような構造の）場合の特性である。
この図６より、図５の本発明の場合では従来例の場合に比べ、信号の伝達係数が高いことが明らかである。即ち、本発明では従来例に比し高周波域に亘って従来例のものを凌駕する効率の高いトランスが実現される。

図７は、本発明のトランスに適用するストリップ導体に関する磁場エネルギーの分布の状況についてモデルを作ってシミュレーションした結果を説明するための図である。図７（Ａ）は、モデルの構成を表わし、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のモデルに関する磁場エネルギーの分布の状況を表わしている。

図７（Ａ）のモデルは、ストリップ導体１１００をＳｉ基板１０００上に形成した構造であって、Ｓｉ基板１０００の平面形状は２００×２００（μｍ）の方形であり、ストリップ導体１１００は、長さ１６０μｍ幅３μｍ厚み１μｍであり、Ｓｉ基板１０００の上に６μｍのＳｉＯ２層間絶縁体１２００を設け、このＳｉＯ２層間絶縁体１２００上にストリップ導体１１００は形成されているものとする。

ＳｉＯ２層間絶縁体１２００はストリップ導体１１００の上側にも５μｍの厚みで形成されている。Ｓｉ基板１０００の厚みを１００μｍとし、このＳｉ基板１０００の裏面にはＧＮＤ電極１３００を形成して、ストリップ導体１１００はマイクロストリップ線路の構成をとっている。
図７（Ａ）のモデルについて、磁場エネルギーの分布は図７（Ｂ）のような状況を呈する。図７（Ａ）に細線の矢線でｘ，ｙ，ｚとして示されたように座標軸を設定すると、図７（Ｂ）は、ストリップ導体１１００の長手方向（ｘ方向）に対して垂直な面ｚ方向（上面方向）における磁場エネルギーの分布を表わしている。図７（Ｂ）では、縦軸は磁場エネルギーの減衰量を対数（ｄＢ）表わしている。因みに、既述の図４では、縦軸は線形表示されている。

導体パターン周辺に形成される高周波磁界の分布では細い導体ほど電流を流すことができないため数ミクロンの幅・厚みの導体（ＩＣ設計レベル）では１０ミクロン程度が有効な高周波磁界の分布の領域と考えられる。
しかし、導体の厚み又は幅が数十又は数百ミクロン程度の例えばプリント基板やセラミック基板（ＬＴＣＣ等）の導体では上記の数十から数百倍の高周波電流を流すことが可能となるため、高周波磁界エネルギーの絶対値の大きさから有効となる高周波磁界の分布の領域も数十倍程度となる。

上述の考察から、図１および図２を参照して説明した本発明の基本的構成において、高周波領域で用いるに適合するトランスとしては、その一例としての好適な実施例では、二次側導体２１０（第２パターン部２１１における第１導体部２１１ａ、第２導体部２１１ｂ）と一次側導体１１１（その第１パターン部１１１）との上下方向の間隔については、上述のような有効な高周波磁界の分布領域の考え方から１００μｍ以下が好ましいと考えられる。

以上説明した図５のようなトランスは一次側と二次側の導体の長さが同一、即ちトランスとしては一次側と二次側の導体の巻き数比が１：１の時に相当するが、一次側と二次側の導体の長さが異なる場合の例について次に説明する。
既述の実施の形態では、一次側は１本のストリップ導体（図１、図２（Ａ）では、一次側導体１１１（その第１パターン部１１１））、二次側は一次側の導体をサンドイッチした２本のストリップ導体（図１、図２（Ａ）では、第２パターン部２１１における第１導体部２１１ａ、第２導体部２１１ｂ）として構成しているが、一次側と二次側を入れ替えても（一次側を２本線、二次側を１本線）それぞれの電源又は負荷までの配線パターンが大きく相違しない限り、対象となる周波数帯では基本的に同一の特性となる。

本発明の実施の形態で、一次側は１本のストリップ導体、二次側は一次側の導体をサンドイッチした２本のストリップ導体として、
（１）二次側の導体の長さに対して一次側の導体の長さを半分にした場合
（２）一次側の導体の長さに対して二次側の導体の長さを半分にした場合
の夫々の場合について検討を行った。

上記（１）、（２）はそれぞれトランスとしては１：２及び２：１の一次側と二次側の導体の巻き数比となる。通常、このように所定の巻き数比を選択することによって、トランスの一次側と二次側でのインピーダンス変換が可能となる。
上述のような各構成の本発明の実施の形態について、図８および図９を参照して以下に説明する。

図８は二次側の導体の長さに対して一次側の導体の長さを半分にした場合の本発明のトランスの実施の形態を表す図である。図８（Ａ）は、該実施の形態の導体パターンの平面図、図８（Ｂ）は、該実施の形態の一次側導体と二次側導体との配置の関係を表す概念図である。

図９は一次側の導体の長さに対して二次側の導体の長さを半分にした場合の本発明のトランスの実施の形態を表す図である。図９（Ａ）は、該実施の形態の導体パターンの平面図、図９（Ｂ）は、該実施の形態の一次側導体と二次側導体との配置の関係を表す概念図である。

図８および図９において、図１との対応部は同一の参照符号を附して示し、それらの部位の説明は省略するが、図８（Ｂ）および図９（Ｂ）において、一次側導体１１０は破線にて図示され、この一次側導体１１０（その第１パターン部１１１）に対し上下両面から沿って挟むように配設された二次側導体２１０（その第２パターン部２１１）の第１導体部２１１ａと第２導体部２１１ｂとは破線に並行して一本の実線で図示されている点は図５における表記方法と同様である。

図８のトランスは、図より明らかな通り、二次側導体２１０の第２パターン部２１１は、一次側導体１１０の第１パターン部１１１の平面投影形状が回旋状に形成された部分が尽きた領域に及んで延長された回旋状の部分を有する。このため、二次側の巻き線数が一次側の巻き線数より多いことによる所定の巻き線数比を有するトランスが実現され、このようなトランスを用いて一次側と二次側でのインピーダンス変換が可能となる。

また、図９のトランスは、図より明らかな通り、二次側導体２１０の第２パターン部２１１は、一次側導体１１０の第１パターン部１１１のうちの限定的部分に沿って当該部分をその表裏両面から挟むように各配設された第１導体部２１１ａと第２導体部２１１ｂとを有する。このため、二次側の巻き線数が一次側の巻き線数より少ないことによる所定の巻き線数比を有するトランスが実現され、このようなトランスを用いて一次側と二次側でのインピーダンス変換が可能となる。

図８および図９のトランスについて、一次側および二次側におけるインピーダンスを代表的な周波数毎に求めた結果は次の表の通りである。

本来、トランスの一次側、二次側におけるインピーダンスは複素インピーダンスとなるが上記の表では絶対値で示している。また比率については一次側に対する二次側のインピーダンスの倍率を示しており、仮に一次側と二次側における電流が等しい場合は二次側の電圧が表記の比率倍高くなることを示す。

高周波帯においては電極の形状による容量効果を受けるため一次側と二次側とでは変換比率に周波数特性を持つが、図８のトランスおよび図９のトランスの夫々の傾向から一次側と二次側のストリップ導体の長さの比を選択することによりインピーダンス変換の設計が可能であり、このようなトランスとしての機能を確認することができた。
尚、トランスの構成としては一次側と二次側のストリップライン（導体パターン）の対向位置はスパイラル形（回旋状）の結合構造ではより外側の部分で対向させた方が、一次側と二次側における変換比率がとれ、また伝達係数も良好になる傾向がある。

また、特定周波数における共振現象（導体パターンが有する誘導成分と浮遊容量成分による）を利用して一次側及び二次側のストリップ導体を設計することも可能である。
図５、図８、および、図９の本発明のトランスは、何れも、それらの導体パターンに関して図７のモデルの如く、一次側導体１１０および二次側導体２１０は、何れも非磁性基板上に形成され、且つ、前記一次側導体の第１パターン部および前記二次側導体の第２パターン部は非磁性誘電体材料によって支持されている。このため、例えば１００ＭＨｚを超えるような高周波の帯域で用いる場合でも、高周波磁界による損失が少ない。

また、一次側導体１１０および二次側導体２１０を、何れも非磁性基板である半導体基板上に構成される配線層に形成することも推奨できる。この場合も、トランスの損失が少なく、且つ、全体として小型化が図られる。
以上説明した本発明では、結合度の高い薄膜技術による高周波向けのトランスを構成することが可能となり、また、ＩＣ内に高周波用のトランスを構成することができ、この結果、回路構成のバリエーションが増える。更にまた、パッシブ回路のバリエーションが増すことから、低消費電力の高周波回路を実現することができる。

本発明のトランスの基本構造を表す概念図である。 図１のトランスの一次側の導体パターンと二次側の導体パターンの磁気結合の状況を従来例と比較して説明するための図である。 図１のトランスの一次側の導体パターンと二次側の導体パターンとの磁気結合の度合いを従来例と比較して説明するための図である。 本発明のトランスの導体パターン周辺に形成される高周波磁界の分布を例示する図である。 図１の基本構造を有しシミュレーションによる評価に供したトランスを表す図である。 図５のトランスにおける一次側から信号を入力した際の二次側への出力の状況を従来例との比較において説明するための図である。 本発明のトランスに適用するストリップ導体に関する磁場エネルギーの分布の状況についてモデルを作ってシミュレーションした結果を説明するための図である。 二次側の導体の長さに対して一次側の導体の長さを半分にした場合の本発明のトランスの実施の形態を表す図である。 一次側の導体の長さに対して二次側の導体の長さを半分にした場合の本発明のトランスの実施の形態を表す図である。

符号の説明

１０…トランス １０１…電極部 １０２…電極部 １１０…一次側導体 １１１…第１パターン部 ２０１…電極部 ２０２…電極部 ２１０…二次側導体 ２１１…第２パターン部 ２１１ａ…第１導体部 ２１１ｂ…第２導体部 １０００…Ｓｉ基板 １１００…ストリップ導体 １２００…ＳｉＯ２層間絶縁体 １３００…ＧＮＤ電極

Claims (7)

1. 平面投影形状が回旋状に形成された薄板導体の第１パターン部を含む一次側導体と、平面投影形状が回旋状に形成された薄板導体の第２パターン部を含む二次側導体とを有するトランスであって、前記二次側導体の少なくとも第２パターン部の一部を含む部分は前記一次側導体の少なくとも第１パターン部の部分に沿って当該部分をその表裏両面から挟むように各配設された第１導体部と第２導体部とを有することを特徴とするトランス。
2. 前記一次側導体および前記二次側導体は、何れも非磁性基板上に形成され、且つ、前記一次側導体の第１パターン部および前記二次側導体の第２パターン部は非磁性誘電体材料によって支持されていることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
3. 前記一次側導体および前記二次側導体は、前記二次側導体の前記一次側導体の少なくとも第１パターン部の部分に沿って当該部分をその表裏両面から挟むように各配設された第１導体部と第２導体部に関して、該第１導体部と前記一次側導体との対向面間の距離、および、該第２導体部と前記一次側導体との対向面間の距離が何れも１００μｍ以下となるように配置されていることを特徴とする請求項１〜２の何れか一項に記載のトランス。
4. 前記一次側導体および前記二次側導体は非磁性基板である半導体基板上に構成される配線層に形成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のトランス。
5. 前記二次側導体の第２パターン部は、前記一次側導体の第１パターン部の平面投影形状が回旋状に形成された部分が尽きた領域に及んで延長された回旋状の部分を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のトランス。
6. 前記二次側導体の第２パターン部は、前記一次側導体の第１パターン部のうちの限定的部分に沿って当該部分をその表裏両面から挟むように各配設された第１導体部と第２導体部とを有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のトランス。
7. 一次側導体と二次側導体とが少なくとも部分的に相互に沿うように配設されたトランスであって、前記二次側導体は前記一次側導体に沿う部分で前記一次側導体を挟むように位置する第１導体部と第２導体部とを有することを特徴とするトランス。

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