JP2958893B2 - Planar inductor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は平面インダクタに関し、特に直流重畳特性を
改善したものである。[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial application field) The present invention relates to a planar inductor, and more particularly to an improved DC superimposition characteristic.
（従来の技術） 従来よりスパイラル状導体コイルの両面を絶縁層を介
して強磁性体層で挟んだ構造の平面インダクタが知られ
ている。第２図（Ａ）及び（Ｂ）にこのような従来の平
面インダクタの一例を示す。なお、同図（Ａ）はこの平
面インダクタの平面図であり、同図（Ｂ）は同図（Ａ）
のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。(Prior Art) Conventionally, a planar inductor having a structure in which both surfaces of a spiral conductor coil are sandwiched between ferromagnetic layers via an insulating layer is known. FIGS. 2A and 2B show an example of such a conventional planar inductor. FIG. 3A is a plan view of the planar inductor, and FIG. 3B is a plan view of the planar inductor.
FIG. 3 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG.
第２図（Ａ）及び（Ｂ）において、スパイラル状導体
コイル１は絶縁層3bの両面にスパイラルコイル2a、2bを
設け、これらスパイラルコイル2a及び2bをスルーホール
４で電気的にかつ各スパイラルコイル2a、2bに同方向の
電流が流れるように接続した構造を有している。ここ
で、第２図（Ａ）中の実線及び破線はそれぞれ絶縁層3b
の表面側及び裏面側にあるスパイラルコイル2a、2bの中
心の軌跡を表わしている。このスパイラル状導体コイル
１の両面を絶縁層3a,3cを介して強磁性薄帯又は強磁性
薄膜5a,5bで挟むことにより平面インダクタが構成され
ている。以上の各部材からなる平面インダクタの端子6
a,6b間にインダクタンスが形成される。2 (A) and 2 (B), the spiral conductor coil 1 is provided with spiral coils 2a and 2b on both sides of an insulating layer 3b, and these spiral coils 2a and 2b are electrically connected through through holes 4 to each spiral coil. It has a structure in which currents in the same direction are connected to 2a and 2b. Here, the solid line and the broken line in FIG.
Of the spiral coils 2a and 2b on the front side and the back side. A planar inductor is formed by sandwiching both sides of the spiral conductor coil 1 between ferromagnetic ribbons or ferromagnetic thin films 5a and 5b via insulating layers 3a and 3c. Terminal 6 of the planar inductor consisting of the above members
An inductance is formed between a and 6b.
（発明が解決しようとする課題） 本発明に係る平面インダクタは、例えばDC−DCコンバ
ータなどの出力側のチョークコイルに適用される。この
場合、平面インダクタには直流が重畳された高周波電流
が流れるので、良好な直流重畳特性が要求される。(Problem to be Solved by the Invention) The planar inductor according to the present invention is applied to an output-side choke coil such as a DC-DC converter. In this case, since a high-frequency current on which a direct current is superimposed flows through the planar inductor, good DC superimposition characteristics are required.
ところが、第２図図示の従来の平面インダクタは、直
流重畳特性が悪い。平面インダクタの直流重畳特性が悪
いと、インダクタンスが低下し、制御が困難になってDC
−DCコンバータの効率が低下するため、そのままではDC
−DCコンバータなどへ適用することは不適当である。However, the conventional planar inductor shown in FIG. 2 has poor direct current superposition characteristics. If the DC superposition characteristics of the planar inductor are poor, the inductance will decrease, making it difficult to control
−Because the efficiency of the DC converter decreases,
-It is inappropriate to apply to DC converters.
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので
あり、直流重畳特性の良好な平面インダクタを提供する
ことを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a planar inductor having good direct current superposition characteristics.
［発明の構成］ （課題を解決するための手段と作用） 本発明の平面インダクタは、スパイラル状導体コイル
又はこれらの積層体と、その両面にそれぞれ互いに離間
して設けられた絶縁層と、これらの絶縁層の外面にそれ
ぞれ互いに離間して設けられた強磁性体層とを有し、上
記強磁性体層が厚さ100μｍ以下の強磁性薄帯を複数層
積層してなり、上記強磁性体層の厚さ（ｔ）と１辺の長
さ（ｌ）との比（t/l）が２×10-3〜１×10-2であるこ
とを特徴とするものである。[Structure of the Invention] (Means and Action for Solving the Problems) The planar inductor of the present invention comprises a spiral conductor coil or a laminated body thereof, an insulating layer provided on both surfaces of the coil, and A ferromagnetic layer which is provided on the outer surface of the insulating layer separately from each other, wherein the ferromagnetic layer is formed by laminating a plurality of ferromagnetic ribbons having a thickness of 100 μm or less, The ratio (t / l) of the thickness (t) of the layer to the length (l) of one side is 2 × 10 −3 to 1 × 10 −2 .
本発明のDC−DCコンバータは、スパイラル状導体コイ
ル又はこれらの積層体と、その両面にそれぞれ互いに離
間して設けられた絶縁層と、これらの絶縁層の外面にそ
れぞれ互いに離間して設けられた強磁性体層とを有し、
上記強磁性体層が厚さ100μｍ以下の強磁性薄帯を複数
層積層してなり、上記強磁性体層の厚さ（ｔ）と１辺の
長さ（ｌ）との比（t/l）が２×10-3〜１×10-2である
平面インダクタを具備したことを特徴とするものであ
る。The DC-DC converter of the present invention is provided with a spiral conductor coil or a laminate thereof, an insulating layer provided on both surfaces thereof at a distance from each other, and provided on an outer surface of the insulating layer at a distance from each other. And a ferromagnetic layer,
The ferromagnetic layer is formed by laminating a plurality of ferromagnetic ribbons having a thickness of 100 μm or less, and the ratio (t / l) of the thickness (t) of the ferromagnetic layer to the length (1) of one side. ) Has a planar inductor of 2 × 10 −3 to 1 × 10 −2 .
本発明に係る平面インダクタにおいては、磁束は両面
の強磁性体層の面内方向を流れる。したがって、本発明
のように強磁性体層を複数層の強磁性薄帯を積層した構
成にすれば、強磁性体層全体の厚さが増して面内方向の
反磁界が増加し、磁気抵抗が増加してインダクタンスの
直流重畳特性を改善することができる。In the planar inductor according to the present invention, the magnetic flux flows in the in-plane direction of the ferromagnetic layers on both surfaces. Therefore, when the ferromagnetic layer is formed by laminating a plurality of ferromagnetic ribbons as in the present invention, the thickness of the entire ferromagnetic layer increases, the in-plane demagnetizing field increases, and the magnetoresistance increases. And the DC superposition characteristics of the inductance can be improved.
本発明の平面インダクタにおけるスパイラル状導体コ
イルとは、通常、例えば第２図に示されるように絶縁層
の表面及び裏面にスパイラルコイルを設けて各スパイラ
ルコイルをスルーホールで接続した構造のスパイラル状
２層導体コイルを指す。なお、端子の取出しに支障が生
じなければ、スパイラル状導体コイルとしてはスパイラ
ルコイルが１層だけのものでもよい。また、スパイラル
状導体コイルは積層してもよいが、この場合スパイラル
状導体コイル間には絶縁層のみを介在させ、強磁性体層
を介在させないことが望ましい。これは、スパイラル状
導体コイル間に強磁性体層を介在させてもインダクタン
スの増大にはほとんど寄与せず、かえって平面インダク
タ全体の厚さを増大させて単位体積当りのインダクタン
スを低下させるためである。The spiral-shaped conductor coil in the planar inductor of the present invention is usually a spiral-shaped conductor coil having a structure in which spiral coils are provided on the front and back surfaces of an insulating layer and each spiral coil is connected by through holes as shown in FIG. Refers to a layer conductor coil. If there is no problem in taking out the terminal, the spiral conductor coil may be one having only one spiral coil. Spiral conductor coils may be laminated, but in this case, it is desirable that only an insulating layer be interposed between the spiral conductor coils and no ferromagnetic layer be interposed. This is because even if a ferromagnetic layer is interposed between the spiral conductor coils, it hardly contributes to an increase in inductance, but rather increases the thickness of the entire planar inductor and lowers the inductance per unit volume. .
本発明において、強磁性体層を構成する各層の強磁性
薄帯の厚さを100μｍ以下としたのは以下のような理由
による。すなわち、一般に平面インダクタをDC−DCコン
バータなどに適用し10kHz以上の周波数帯で使用するこ
とを前提とした場合、強磁性薄帯の厚さが100μｍを超
えると表皮効果によって磁束は内部まで入らなくなり、
強磁性薄帯の厚さが増加した割にはインダクタンスは増
加せず、単位体積当りのインダクタンスはかえって低下
するためである。なお、強磁性薄帯の厚さは４μｍ以上
であることが望ましい。これは、強磁性薄帯の厚さが４
μｍ未満であると、スパイラル状導体コイルに電流が流
れることによって生じる磁束がすべて通るのに必要な断
面積が得られないために漏れ磁束が多くなってインダク
タンスが著しく低下し、単位体積当りのインダクタンス
値が低下するためである。In the present invention, the thickness of the ferromagnetic ribbon of each layer constituting the ferromagnetic layer is set to 100 μm or less for the following reason. In other words, in general, when it is assumed that a planar inductor is applied to a DC-DC converter and used in a frequency band of 10 kHz or more, if the thickness of the ferromagnetic ribbon exceeds 100 μm, the magnetic flux does not enter the interior due to the skin effect. ,
This is because the inductance does not increase even though the thickness of the ferromagnetic ribbon increases, and the inductance per unit volume decreases instead. It is desirable that the thickness of the ferromagnetic ribbon is 4 μm or more. This is because the thickness of the ferromagnetic ribbon is 4
If it is less than μm, the cross-sectional area necessary for passing all the magnetic flux generated by the current flowing through the spiral conductor coil cannot be obtained, so the leakage flux will increase and the inductance will decrease significantly, and the inductance per unit volume will decrease. This is because the value decreases.
本発明において、強磁性体層を構成する強磁性薄帯の
積層数を複数層としたのは、１層だけ（従来の平面イン
ダクタ）であると直流重畳特性を改善する効果がないた
めである。なお、積層数を増加させるにつれて直流重畳
特性は著しく改善するが、10層を超えて積層してもその
効果は少なくなり、かえって体積が増えるだけで単位体
積当りのインダクタンスが低下するため、２〜10層であ
ることが好ましい。In the present invention, the reason why the number of stacked ferromagnetic ribbons constituting the ferromagnetic layer is set to a plurality of layers is that if only one layer (conventional planar inductor) is used, there is no effect of improving the DC superposition characteristics. . Note that, as the number of layers is increased, the DC superimposition characteristics are significantly improved.However, the effect is reduced even when the number of layers exceeds 10 layers, and the inductance per unit volume is reduced only by increasing the volume. Preferably, there are 10 layers.
なお、複数層の強磁性薄帯からなる強磁性体層の厚さ
（ｔ）と１辺の長さ（ｌ）との比（t/l）は、直流重畳
特性の改善という観点から、２×10-3〜１×10-2である
こと望ましい。The ratio (t / l) between the thickness (t) of the ferromagnetic layer composed of a plurality of ferromagnetic ribbons and the length (1) of one side is 2 from the viewpoint of improving the DC superimposition characteristics. It is desirable that it is × 10 −3 to 1 × 10 −2 .
例えば、正方形の平面インダクタンスにおいては、両
面の強磁性体層の面内方向の反磁界係数はその厚さと１
辺の長さとの比が大きいほど、すなわち厚さが厚く、１
辺の長さが短いほど反磁界係数は大きくなる。そして、
強磁性体層の厚さと１辺の長さとの比を２×10-3〜１×
10-2とすれば、磁気抵抗は増加し、インダクタンスの直
流重畳特性を改善できる。また、スパイラル状導体コイ
ル又はその積層体の形状が円形をなし、その両面を絶縁
層を介して挟む強磁性体層の形状が円形をなす場合に
は、強磁性体層の厚さと直径との比を２×10-3〜１×10
-2とすれば、磁気抵抗は増加し、インダクタンスの直流
重畳特性を改善できる。For example, in the case of a square planar inductance, the in-plane demagnetizing coefficient of the ferromagnetic layers on both sides is equal to its thickness by 1
The larger the ratio to the length of the side, that is, the thicker,
The demagnetizing field coefficient increases as the length of the side decreases. And
The ratio of the thickness of the ferromagnetic layer to the length of one side is 2 × 10 −3 to 1 ×
If it is set to 10 -2 , the magnetic resistance increases, and the DC superposition characteristic of the inductance can be improved. In the case where the shape of the spiral conductor coil or the laminate thereof is circular and the shape of the ferromagnetic layer sandwiching both sides with the insulating layer therebetween is circular, the thickness and diameter of the ferromagnetic layer are The ratio is 2 × 10 -3 to 1 × 10
With -2 , the magnetic resistance increases, and the DC superposition characteristics of the inductance can be improved.
（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図（Ａ）は本発明の実施例における平面インダク
タの平面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ′線に沿
う断面図である。第１図（Ａ）及び（Ｂ）において、ス
パイラル状導体コイル１は、25μｍのポリイミドフィル
ム（絶縁層3b）の両面に35μｍ厚のCu箔を両張りして中
央部のスルーホール４を通して接続した両面FPC板（フ
レキシブルプリント回路板）を用い、両面のCu箔をエッ
チングして外形寸法20mm×20mm、コイル線幅250μｍ、
コイルピッチ500μｍ、コイル巻線数40回（各面20回）
のスパイラルコイル2a、2bに加工したものである。こう
した構造のスパイラル状導体コイル１の両面を７μｍ厚
のポリイミドフィルム（絶縁層3a、3c）を介して、単ロ
ール法により作製した平均厚さ16μｍ、幅25mmのCo系高
透磁率非晶質合金リボンより切り出した１辺の長さが25
mmの正方形薄帯（強磁性薄帯5a、5b）を複数層積層した
強磁性体層で挟むことにより、本発明に係る平面インダ
クタが構成されている。以上の各部材からなる平面イン
ダクタの端子6a,6b間にインダクタンスが形成される。FIG. 1A is a plan view of a planar inductor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA 'in FIG. In FIGS. 1 (A) and 1 (B), a spiral conductor coil 1 was connected to both sides of a 25 μm polyimide film (insulating layer 3 b) with a 35 μm thick Cu foil and through a central through hole 4. Using a double-sided FPC board (flexible printed circuit board), the Cu foil on both sides is etched and the external dimensions are 20mm x 20mm, coil wire width is 250μm,
Coil pitch 500μm, coil winding number 40 times (20 times on each side)
Are processed into spiral coils 2a and 2b. A Co-based high magnetic permeability amorphous alloy having an average thickness of 16 μm and a width of 25 mm produced by a single roll method on both sides of a spiral conductive coil 1 having such a structure through a 7 μm-thick polyimide film (insulating layers 3 a and 3 c). The length of one side cut out from the ribbon is 25
A planar inductor according to the present invention is configured by sandwiching a plurality of square thin ribbons (ferromagnetic ribbons 5a and 5b) having a thickness of 2 mm between ferromagnetic layers. An inductance is formed between the terminals 6a and 6b of the planar inductor made of the above members.
これと比較するために、上記と同一の材料を用い、第
２図に示す構造、すなわち強磁性薄帯5a、5bが１層だけ
の従来の平面インダクタを作製した。For comparison, a conventional planar inductor having the structure shown in FIG. 2, that is, a single ferromagnetic ribbon 5a, 5b, was manufactured using the same material as described above.
これらの各平面インダクタについて、直流重畳電流と
インダクタンスとの関係を強磁性薄帯の積層数をパラメ
ータとして第３図に示す。なお、インダクタンス値は50
kHzで測定した。FIG. 3 shows the relationship between the DC superimposed current and the inductance for each of these planar inductors, using the number of laminated ferromagnetic ribbons as a parameter. The inductance value is 50
Measured at kHz.
第３図に示されるように、積層数ｎが多くなるほど直
流重畳電流の増加に伴うインダクタンスの減少度合は小
さくなり、直流重畳特性が改善されることがわかる。た
だし、積層数ｎ＝15の場合には、積層数ｎ＝10の場合と
ほぼ同じ傾向を示し、強磁性薄帯を10層を超えて積層し
ても直流重畳特性の改善効果はほとんど変わらないこと
がわかる。As shown in FIG. 3, it can be seen that as the number n of stacked layers increases, the degree of decrease in inductance with an increase in DC superimposed current decreases, and the DC superposition characteristics are improved. However, when the number of layers n = 15, the tendency is almost the same as that when the number of layers n = 10, and even when the ferromagnetic ribbons are stacked in more than 10 layers, the effect of improving the DC superimposition characteristics hardly changes. You can see that.
次に、各平面インダクタについて、強磁性体層（強磁
性薄帯の積層帯）の（厚さ）／（１辺の長さ）の比と、
（0.2Aの直流重畳電流を流したときのインダクタンス）
L0.2／（直流重畳電流を流さないときのインダクタン
ス）L0の比との関係を第４図に示す。Next, for each planar inductor, the ratio of (thickness) / (length of one side) of the ferromagnetic layer (the laminated band of the ferromagnetic ribbon) and
(Inductance when a DC superimposed current of 0.2A flows)
FIG. 4 shows the relationship with the ratio of L 0.2 / (inductance when no DC superimposed current is passed) L 0 .
第４図に示されるように、t/lが２×10-3より小さい
とL0.2／L0は0.5よりも小さくなり直流重畳特性は悪い
が、t/lが３×10-3以上ではL0.2／L0は0.85以上とな
り、直流重畳特性は大幅に改善されることがわかる。As shown in FIG. 4, when t / l is smaller than 2 × 10 −3 , L 0.2 / L 0 is smaller than 0.5 and the DC superposition characteristic is poor, but when t / l is 3 × 10 −3 or more, L 0.2 / L 0 is 0.85 or more, which indicates that the DC bias characteristics are greatly improved.
更に、本発明の平面インダクタを5V、2W級のDC−DCコ
ンバータに適用し、入力電圧15V、出力電流0.2Aの条件
における効率を調べたところ、ｎ＝１では効率ηは60％
程度であったが、ｎ＝５では効率ηは71％に向上した。Furthermore, when the planar inductor of the present invention was applied to a 5V, 2W class DC-DC converter and the efficiency under the conditions of an input voltage of 15V and an output current of 0.2A was examined, the efficiency η was 60% at n = 1.
However, when n = 5, the efficiency η improved to 71%.
［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、直流重畳特性が
改善され、DC−DCコンバータなどに適用可能な平面イン
ダクタを提供することができ、その工業的価値は大き
い。[Effects of the Invention] As described above in detail, according to the present invention, a DC inductor is improved, and a planar inductor applicable to a DC-DC converter or the like can be provided, and its industrial value is great.
第１図（Ａ）は本発明の実施例における平面インダクタ
の平面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ′線に沿う
断面図、第２図（Ａ）は従来の平面インダクタの平面
図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ′線に沿う断面
図、第３図は本発明に係る平面インダクタについて直流
重畳電流とインダクタンスとの関係を強磁性薄帯の積層
数をパラメータとして示す特性図、第４図は本発明に係
る平面インダクタについて強磁性体層の（厚さ）／（１
辺の長さ）の比と（0.2Aの直流重畳電流を流したときの
インダクタンス）／（直流重畳電流を流さないときのイ
ンダクタンス）の比との関係を示す特性図である。 １……スパイラル状導体コイル、2a,2b……スパイラル
コイル、3a,3b,3c……絶縁層、４……スルーホール、5
a,5b……強磁性薄帯、6a,6b……端子。1A is a plan view of a planar inductor according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA 'of FIG. 1A, and FIG. FIG. 3B is a plan view of the planar inductor, FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 3A, and FIG. 3 is a ferromagnetic relationship between the DC superimposed current and the inductance of the planar inductor according to the present invention. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the number of laminations as parameters as parameters, and FIG. 4 shows (thickness) / (1) of the ferromagnetic layer for the planar inductor according to the present invention.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a ratio of (side length) and a ratio of (inductance when a DC superimposed current of 0.2 A flows) / (inductance when a DC superimposed current is not passed). 1 ... spiral conductor coil, 2a, 2b ... spiral coil, 3a, 3b, 3c ... insulating layer, 4 ... through hole, 5
a, 5b: Ferromagnetic ribbon, 6a, 6b: Terminal.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01F 17/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01F 17/00
Claims (2)
体と、その両面にそれぞれ互いに離間して設けられた絶
縁層と、これらの絶縁層の外面にそれぞれ互いに離間し
て設けられた強磁性体層とを有し、上記強磁性体層が厚
さ100μｍ以下の強磁性薄帯を複数層積層してなり、上
記強磁性体層の厚さ（ｔ）と１辺の長さ（ｌ）との比
（t/l）が２×10-3〜１×10-2であることを特徴とする
平面インダクタ。1. A spiral conductor coil or a laminate thereof, an insulating layer provided on both surfaces of the coil, and a ferromagnetic layer provided on an outer surface of the insulating layer. Wherein the ferromagnetic layer is formed by laminating a plurality of ferromagnetic ribbons having a thickness of 100 μm or less, and the thickness (t) of the ferromagnetic layer and the length (1) of one side are A planar inductor having a ratio (t / l) of 2 × 10 −3 to 1 × 10 −2 .
体と、その両面にそれぞれ互いに離間して設けられた絶
縁層と、これらの絶縁層の外面にそれぞれ互いに離間し
て設けられた強磁性体層とを有し、上記強磁性体層が厚
さ100μｍ以下の強磁性薄帯を複数層積層してなり、上
記強磁性体層の厚さ（ｔ）と１辺の長さ（ｌ）との比
（t/l）が２×10-3〜１×10-2である平面インダクタを
具備したことを特徴とするDC−DCコンバータ。2. A spiral conductor coil or a laminate thereof, an insulating layer provided on both surfaces of each of the insulating coils separately from each other, and a ferromagnetic material layer provided on the outer surface of each of these insulating layers, respectively. Wherein the ferromagnetic layer is formed by laminating a plurality of ferromagnetic ribbons having a thickness of 100 μm or less, and the thickness (t) of the ferromagnetic layer and the length (1) of one side are A DC-DC converter comprising a planar inductor having a ratio (t / l) of 2 × 10 −3 to 1 × 10 −2 .
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| JPH0746660B2 (en) * | 1985-09-30 | 1995-05-17 | 株式会社東芝 | Thin transformer |
-
1988
- 1988-06-20 JP JP63151779A patent/JP2958893B2/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01318212A (en) | 1989-12-22 |
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