JP3825141B2

JP3825141B2 - インダクタンス素子

Info

Publication number: JP3825141B2
Application number: JP19156597A
Authority: JP
Inventors: 盛一山田; 光輝井上; 賢一荒井; 哲男吉田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2017-07-16
Also published as: JPH1140427A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電場の印加で磁気モーメントを発生する電気磁気素子に関し、特に軟磁性材と圧電材を組み合わせることで、外部から印加した電圧で歪みを生じさせ、インダクタンスおよびインピーダンスを可変させることができる電気磁気効果を有するインダクタンス素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器を動作させる上で、インダクター、抵抗およびコンデンサーは不可欠な部品である。これらは、通常固定された定数を持つ部品として作られている。ごく一部に、定数可変のインダクター、抵抗およびコンデンサーが使われているが、それらは全て摺動可能な構造で構成されており、かなり大きな部品になっている。そのため、比較的大きな機器にのみ使用されている。
【０００３】
近年、電子機器の小型・高性能化にともない、上記の電子部品も全て小型化が伸展している。特に、磁性材料やセラミックス材料と導電材料を一体化する技術が発達し、著しい小型化が可能になってきた。例として、積層印刷技術を使って、インダクターやコンデンサーは、その寸法を１ｍｍ×０．５ｍｍ×０．５ｍｍもの超小型形状にまで達している。抵抗についても同様に小型化が著しい状況にある。
【０００４】
これらの超小型部品は、パーソナルコンピュータ、携帯電話に代表される高性能な電子機器の小型化を可能にしている。それは、あらゆる電子部品の表面実装が可能になったことと相まって、部品の高密度実装を可能にしたことによる。
【０００５】
高性能電子機器の大量生産には、素子の電気特性が均一で、ばらつきの小さいことが不可欠である。特に、近年になって高周波回路の普及にともない、更に特性ばらつきの小さな電子部品が要求されるようになってきている。これらの要求に対し、電磁気特性を修正できるトリマブルコンデンサー、特性を測定しながら所要の特性に合わせて製造できるトリマブルインダクターなどが製品化されている。
【０００６】
しかし、トリマブルインダクターはその電磁気特性を高精度に作り込むことは出来るが、使用する場面において特性を自由に変えることはできない。
【０００７】
一方、インダクタンスが可変である材料、つまり電気磁気効果を有する材料として、ボラサイトをはじめとして多くが見出されている。しかし、これらのなかで実用的に価値のある電気磁気感受率の高い材料は、１０Ｋ以下の極低温の範囲に限られる。よって、実質的にインダクタンス可変の材料は得られていないのが現状である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来において、高精度電子回路に使用できる高精度なインダクタンス素子およびインピーダンス素子は、工業的には得られていない。高精度が要求される用途には、特性を選別することで対応しているのが現状であり、よって、コストも高いものになっている。
【０００９】
そこで、本発明の技術的課題は、上記の状況を踏まえて、回路内に実装された状態で、必要に応じて任意にそのインダクタンスを制御できるデバイスとしてのインダクタンス素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、両面に夫々電極層が形成された圧電セラミックス基板と、一面に成膜された軟磁性膜をもち、前記軟磁性膜の両端に電極を形成し、外部接続端子とし、他面が前記圧電セラミックス基板の一面に接合された基板とを備え、前記電極層に電圧を印加することによって、当該圧電セラミックス基板を湾曲させることでインダクタンスが変化する構成を有することを特徴とするインダクタンス素子が得られる。
【００１１】
また、本発明によれば、一面に導電性の軟磁性金属膜が成膜され、前記軟磁性膜の両端に電極を形成し、外部接続端子とし、他面に電極層を形成した圧電セラミックス基板を備え、前記軟磁性金属膜と前記電極層との間に電圧を印加し、前記圧電セラミックス基板を湾曲させることでインダクタンスが変化する構成を有することを特徴とするインダクタンス素子が得られる。
【００１２】
また、本発明によれば、シリコン基板上に成膜された金属からなる電極層と、前記電極層上に成膜された圧電セラミックス膜と、前記圧電セラミックス膜の上に成膜された導電性の軟磁性膜とを備え、前記軟磁性膜の両端に電極を形成し、外部接続端子とし、前記圧電セラミックス膜の両面に位置する前記電極及び前記軟磁性膜間に電圧を印加することによって前記シリコン基板を湾曲させることでインダクタンスが変化する構成を有することを特徴とするインダクタンス素子が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、前記いずれか一つのインダクタンス素子において、前記電極層が、前記圧電セラミックス基板もしくは圧電セラミックス膜の一方向の面に設けられた交差指電極からなり、前記交差指電極を用いて分極および駆動を行うことによってインダクタンスが変化する構成を有することを特徴とするインダクタンス素子が得られる。
【００１４】
【００１５】
また、本発明によれば、前記いずれか一つのインダクタンス素子において、前記軟磁性膜が、ミアンダーパターンの形状を有し、インピーダンスが変化する構成を有することを特徴とするインダクタンス素子が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記いずれか一つのインダクタンス素子において、前記軟磁性膜として、鉄系アモルファス膜を用いたことを特徴とするインダクタンス素子が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記いずれか一つのインダクタンス素子において、前記軟磁性膜は、第１の熱処理によって等方性の磁気的異方性を有することを特徴とするインダクタンス素子が得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、前記インダクタンス素子において、前記軟磁性膜は、前記第１の熱処理に続く第２の熱処理によって、一方向に異方性を有することを特徴とするインダクタンス素子が得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、前記いずれか一つのインダクタンス素子において、前記軟磁性膜の面内方向に直流磁界を印加して使用することを特徴とするインダクタンス素子が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１（ａ）及び図１（ｂ）は本発明の一実施の形態によるインダクタンス素子の構成を示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して、本発明の一実施の形態によるインダクタンス素子１０は、軟磁性膜としてアモルファス膜１を成膜したガラス基板２を、上下面にＡｇ電極３、３を形成したＰＺＴ基板４に、ガラス基板２のアモルファス膜１を成膜していない面で接着剤５を用いて接合させた構造からなっている。
【００２２】
ＰＺＴ基板４の上下面に形成したＡｇ電極３、３間に定電圧電源を接続し、電圧を印加することで、ＰＺＴ基板２は、図２に模式的に示すように、上方向もしくは下方向に湾曲する。ガラス基板が接合されていない面を基準にとり０Ｖとすると、ＰＺＴに正の電圧を印加するとＰＺＴ基板は図２の下方向に湾曲し、逆に負の電圧を印加するとＰＺＴ基板は図２の上方向に湾曲する。その結果、ガラス基板２上に成膜されたアモルファス膜１の透磁率が、正の電圧が印加された場合に上昇し、負の電圧が印加された場合に低下する。すなわち、電圧の大きさによって、軟磁性膜の透磁率が増減するので可変インダクタンス素子となる。
【００２３】
また、アモルファス膜１の長手方向の両端に外部接続電極６を形成し、外部電極６の両端に交流電圧を印加しながら外部接続電極６の間の抵抗を測定すると、透磁率の変化に対応してインピーダンスの変化が測定される。すなわち、可変インピーダンス素子となる。
【００２４】
ここで、ＰＺＴ基板２の上下面に形成したＡｇ電極３、３は、平板状だけではなく、交差指状にしてもほとんど同等の分極特性が得られる。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態によるインダクタンス素子としての圧電セラミックスと軟磁性薄膜との複合素子における、透磁率μとインピーダンスの制御の原理を説明する。
【００２６】
圧電セラミックス板の上下面に電極を形成し、その厚さ方向に電圧を印加する場合、圧電体から発生する長手方向の応力σ_ｐは、下記数１式で与えられる。
【００２７】
【数１】

ここで、ｄ₃₁は圧電体の圧電定数、Ｖは印加電圧、ｔは圧電体の厚さ、Ｅｐは圧電体のヤング率である。この応力σ_pにより素子全体にたわみが発生し、軟磁性膜が歪む。この歪量を次の数２式のように表すと、Ｍａｒｕｃｕｓのモデル（Ｍ．Ｍａｒｃｕｓ，Ｆｅｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，５７（１９８０），２０３）から、軟磁性膜の透磁率μは、次の数３式で与えられる。
【００２８】
【数２】

【数３】

ここで、Ｍ_Ｓ，Ｋ_Ｕ，λ_Ｓ，Ｅ_Fは、それぞれ軟磁性膜の飽和磁化、一軸磁気異方性定数、飽和磁歪定数およびヤング率である。上記数３式から、圧電体で発生する応力σ_ｐによって軟磁性膜が上記数２式のように歪み、それによって軟磁性膜の実効的な磁気異方性が変化し、結果として透磁率が変化することになる。
【００２９】
上記数３式から、透磁率の変化は軟磁性膜の飽和磁歪定数のみならずヤング率の大きさにも左右されるため、その両者で決まる機械結合係数が大きい材料が要求される。
【００３０】
【表１】

【００３１】
よって、鉄系アモルファスが最も高い磁気機械結合係数を有することが分かる。このことから、本発明で用いる軟磁性材料としては、鉄系アモルファス膜が適している。
【００３２】
次に、インピーダンス制御について、説明する。軟磁性膜の電気抵抗率をρとすると、交流電圧を印加した場合の軟磁性膜の電気抵抗は、表皮効果で変化する。その表皮厚みをδとすると、角周波数ωの交流に対し、下記数４式で表される。
【００３３】
【数４】

このときの軟磁性膜のインピーダンスＺは、次の数５式の関係を用いて、下記数６式で与えられる。
【００３４】
【数５】

【数６】

よって、上記数６式から、透磁率の変化が軟磁性膜のインピーダンスの変化として現れることになる。
【００３５】
このようにして、圧電体と軟磁性膜の複合構造の素子において、外部から電圧を印加することで、そのインダクタンスとインピーダンスを制御できるわけである。
【００３６】
次に、本発明の実施の形態によるインダクタンス素子の具体例について説明する。
【００３７】
（例１）
図１に示すように、外形寸法が長さ２６ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍのソフトガラスからなるガラス基板２上に、高周波マグネトロン・スパッタ装置を用いて、アモルファス膜１として原子％で７０．２％Ｆｅ、７．８％Ｃｏ、１２％Ｓｉ、１０％Ｂの組成のアモルファス薄膜を成膜した。成膜条件は、アルゴンガス圧が２５×１０^-3ｔｏｒｒ、出力が１００Ｗ、ターゲットが原子％で７２％Ｆｅ、１４％Ｓｉ、１４％Ｂの合金とＣｏペレットを用い、基板面を水冷しながら作製した。膜の厚さは、０．５μｍである。
【００３８】
アモルファス膜１を成膜したガラス基板２を、そのままの状態で、その磁性膜のない面に光硬化接着剤を厚み８μｍ±１μｍで塗布し、外形寸法が長さ２６ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＰＺＴ（トーキン製、NEPEC-21）基板４に接着した。このＰＺＴ基板４は、予め４００Ｖの電圧を印加し、分極処理を施してある。
【００３９】
ＰＺＴ基板４の上下面の電極の図１の下の面を基準に取り、−２００Ｖと＋２００Ｖの直流電圧を印加しながら、素子全体を８の字コイルに挿入し透磁率を測定した。
【００４０】
その結果、−２００Ｖ印加で透磁率が２４０、＋２００Ｖ印加で透磁率が２１となった。これにより、±２００Ｖの電圧差で透磁率を１１４０％変化させることができる。
【００４１】
ここで、本発明の原理である、ＰＺＴ基板４のたわみ量を光てこ法で測定し、磁性膜の歪み量に換算した。その結果を図３に示す。±２００Ｖの電圧差で、アモルファス膜に最大で４×１０^−４の歪みが加わっている。これが、インダクタンス制御の駆動力になっている。
【００４２】
（例２）
上記例１の条件で作製した、アモルファス膜１を３５０℃の炉内に入れ、かつ膜面内方向に５００Ｏｅの磁界を印加し、その状態で試料全体を面内で６０ｒｐｍの回転速度で回転させることで、約１時間の間回転磁界中アニールを施した。この膜の異方性が等方性になったか否かを確認するため、試料の長手方向と幅方向の透磁率を測定した。その結果、両者ともに透磁率は１０００であった。つまり、等方性の膜になっていることが確認できた。
【００４３】
その後、例１と同様にＰＺＴ基板４に光硬化接着剤を用いて接着した。この様にして作製した試料について、ＰＺＴ基板４の上下面に直流電圧を印加し、透磁率を測定した。その結果、−２００Ｖ印加で透磁率が１６００、＋２００Ｖ印加で透磁率が９０となった。これにより、±２００Ｖの電圧差で透磁率を１７８０％変化させることができた。
【００４４】
（例３）
上記例１と同条件で作製したアモルファス膜１に、上記例２の条件で回転磁界中アニールを施し、次いで、膜の幅方向に直流磁界５００Ｏｅを印加しながら３５０℃で約１時間アニールを行った。その後、例１と同様にＰＺＴ基板４に光硬化接着剤を用いて接着した。この様にして作製した試料について、ＰＺＴ基板４の上下面に直流電圧を印加し、試料の長手方向の透磁率を測定した。その結果、−２００Ｖ印加で透磁率が２７００、＋２００Ｖ印加で透磁率が１５０となった。これにより、±２００Ｖの電圧差で透磁率を１８００％変化させることができた。
【００４５】
また、試料の幅方向の透磁率は、電圧印加しない状態で５０であった。よって、この磁性膜は一軸異方性を持つ膜であることが分かる。
【００４６】
（例４）
図４に示す、外形寸法が長さ２６ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＰＺＴ基板からなる圧電セラミックス矩形板１１の一面に幅が０．４ｍｍで長さが１８ｍｍの交差指電極１２を交互に組み合うように形成した。この交差指電極１２は後述するように、分極および屈曲駆動用に使用した。次に、圧電セラミックス矩形板１１の交差指電極１２を形成していない面に、上記例１で作製したソフトガラス上に成膜したアモルファス膜１を、そのアモルファス膜が成膜されていない面で、光硬化接着剤を使って接合した。次に、交差指電極１２を使い、ＰＺＴ基板を分極処理した。同様に、交差指電極１２を使い、屈曲駆動しこの時の透磁率の変化を測定した。その結果、−２００Ｖ印加で透磁率が２５００、＋２００Ｖ印加で１１０であった。これにより、±２００Ｖの電圧差で透磁率を２２７０％変化させることができた。
【００４７】
（例５）
上記例１で作製したデバイスを、ソレノイドコイル内に挿入し、最大１０Ｏｅの直流磁界を印加しながら透磁率を測定した。この時の透磁率の印加電圧依存性を図５に示す。図５に示すように、外部直流磁界の強さが３Ｏｅのとき、印加電圧が０Ｖ近傍で大きな透磁率の変化が得られた。よって、直流磁界をバイアスする構造にすることで、０Ｖ近傍で更に敏感に透磁率が変化する素子を得ることがてきる。
【００４８】
（例６）
図６に示すように、外形寸法が長さ２６ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＰＺＴ基板（トーキン製、NEPEC-21）４の上下面にＡｕを０．２μｍの厚みにスパッタして電極層１３を形成し、次いでその上面に、高周波マグネトロン・スパッタ装置を用いて、原子％で７０．２％Ｆｅ、７．８％Ｃｏ、１２％Ｓｉ、１０％Ｂの組成のアモルファス膜１４を成膜した。成膜条件は、例１と同じである。この軟磁性膜であるアモルファス膜１４の膜厚は０．５μｍである。アモルファス膜１４の成膜後、歪み取りのため、３５０℃で約１時間の間、例２と同じ条件で回転磁界中アニールを施し、次いで、例３と同じ条件で直流磁界中でアニールを施した。３５０℃のアニールで、ＰＺＴ基板４の分極が消滅しているので、改めて３００Ｖの電圧を印加して分極させた。
【００４９】
この様にして、ＰＺＴ基板４上に直に、軟磁性膜としてアモルファス膜１４を成膜した素子を作製した。この素子に直流電圧を印加しながら透磁率を測定した。その結果、透磁率は、−２００Ｖ印加で３９５０、＋２００Ｖ印加で１９０であった。これにより、±２００Ｖの電圧差で透磁率を２０８０％変化させることができた。
【００５０】
（例７）
図７に示すように、幅４ｍｍ、長さ２６ｍｍに切断した厚み０．５ｍｍのＳｉ基板２１上に、約１μｍの膜厚のＳｉＯ_２膜２２を成膜し、そのＳｉＯ_２膜２２の上に、Ａｕを０．２μｍの厚みでスパッタして電極層２３を形成した。次にゾル・ゲル法を用いて、電極層２３上にＰＺＴ薄膜２４を成膜した。膜厚は、１００μｍであった。ＰＺＴ膜２４の上に、例１の同じ条件でスパッタを施し、例１と同様のアモルファス膜２５を成膜した。膜厚は０．５μｍであった。成膜後、例２及び３で述べたものと同じ条件で、回転磁界中アニールと直流磁界中アニールを施した。その後、ＰＺＴ膜２４に分極処理を施して素子とした。
【００５１】
この素子に直流電圧を印加しながら透磁率を測定した。その結果、透磁率は、−２００Ｖ印加で５４０、＋２００Ｖ印加で３１であった。これにより、±２００Ｖの電圧差で透磁率を１７００％変化させることができた。
【００５２】
（例８）
上記例３で作製した素子のアモルファス膜１をイオンミリングによるドライエッチングで、長さ１０ｍｍ幅４００μｍ厚さ２μｍの２ターン・ミアンダーライン状に加工し、その両端部にリード線を接続し、ネットワークアナライザー（ＨＰ８７５２Ａ）を用いてインピーダンスの測定を行った。その結果を図８に示す。図８に示すように、５００ＭＨｚで最大１４％のインピーダンス変化が得られた。
【００５３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のインダクタンス素子では、磁気機械結合係数の大きな軟磁性膜と圧電セラミックス板を複合することで、従来は得られなかった大きな電気磁気素子を構成することができ、要求に応じて微細化も可能で、回路中に実装されて必要なインダクタンスに高精度に調整することができ、かつこの素子を複数個接続することで広帯域の磁気センサーやインダクターを構成することが可能な、機能的デバイスである。したがって、産業上きわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施の形態によるインダクタンス素子の斜視図であり、
（ｂ）は本発明の一実施の形態によるインダクタンス素子の断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態によるインダクタンス素子の動作原理を説明する模式図である。
【図３】本発明の例１おける印加電圧と歪み量の関係を示す図である。
【図４】本発明の例２における圧電セラミックス裏面の交差指電極パターンを示す図である。
【図５】本発明の例３における直流バイアス磁界強度と素子の透磁率の関係を示す図である。
【図６】本発明の例６におけるインダクタンス素子の斜視図である。
【図７】本発明の例７におけるインダクタンス素子の部分断面図である。
【図８】本発明の例８ににおけるインダクタンス素子のインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
１アモルファス膜
２ガラス基板
３Ａｇ電極
４ＰＺＴ基板
５接着剤
６外部接続電極
１０インダクタンス素子
１１圧電セラミックス矩形板
１２交差指電極
１３電極層
１４アモルファス膜
２０インダクタンス素子
２１Ｓｉ基板
２２ＳｉＯ₂
２３電極層
２４ＰＺＴ薄膜
２５アモルファス膜

Claims

両面に夫々電極層が形成された圧電セラミックス基板と、一面に成膜された軟磁性膜をもち、前記軟磁性膜の両端に電極を形成し、外部接続端子とし、他面が前記圧電セラミックス基板の一面に接合された基板とを備え、前記電極層に電圧を印加することによって、当該圧電セラミックス基板を湾曲させることでインダクタンスが変化する構成を有することを特徴とするインダクタンス素子。
一面に導電性の軟磁性金属膜が成膜され、前記軟磁性膜の両端に電極を形成し、外部接続端子とし、他面に電極層を形成した圧電セラミックス基板を備え、前記軟磁性金属膜と前記電極層との間に電圧を印加し、前記圧電セラミックス基板を湾曲させることでインダクタンスが変化する構成を有することを特徴とするインダクタンス素子。
シリコン基板上に成膜された金属からなる電極層と、前記電極層上に成膜された圧電セラミックス膜と、前記圧電セラミックス膜の上に成膜された導電性の軟磁性膜とを備え、前記軟磁性膜の両端に電極を形成し、外部接続端子とし、前記圧電セラミックス膜の両面に位置する前記電極及び前記軟磁性膜間に電圧を印加することによって前記シリコン基板を湾曲させることでインダクタンスが変化する構成を有することを特徴とするインダクタンス素子。
請求項１乃至３の内のいずれか１項に記載のインダクタンス素子において、前記電極層が、前記圧電セラミックス基板もしくは圧電セラミックス膜の一方向の面に設けられた交差指電極からなり、前記交差指電極を用いて分極および駆動を行うことによってインダクタンスが変化する構成を有することを特徴とするインダクタンス素子。
請求項１乃至４の内のいずれか１項に記載インダクタンス素子において、前記軟磁性膜が、ミアンダーパターンの形状を有し、インピーダンスが変化する構成を有することを特徴とするインダクタンス素子。
請求項１乃至５の内のいずれか１項に記載のインダクタンス素子において、前記軟磁性膜として、鉄系アモルファス膜を用いたことを特徴とするインダクタンス素子。
請求項１乃至５の内のいずれか１項に記載のインダクタンス素子において、前記軟磁性膜は、第１の熱処理によって等方性の磁気的異方性を有することを特徴とするインダクタンス素子。
請求項７記載のインダクタンス素子において、前記軟磁性膜は、前記第１の熱処理に続く第２の熱処理によって、一方向に異方性を有することを特徴とするインダクタンス素子。
請求項１乃至５の内のいずれか１項に記載のインダクタンス素子において、前記軟磁性膜の面内方向に直流磁界を印加して使用することを特徴とするインダクタンス素子。