DE69624765T2

DE69624765T2 - Planare magnetische Vorrichtung

Info

Publication number: DE69624765T2
Application number: DE69624765T
Authority: DE
Inventors: Tetsuhiko Mizoguchi; Toshiro Sato
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1996-09-05
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2016-09-06
Also published as: EP0762443A2; EP0762443B1; KR100279544B1; JP3725599B2; JPH09134820A; DE69624765D1; EP0762443A3; US5966063A

Description

Die Erfindung betrifft eine ebene magnetische Vorrichtung (planar magnetic device) zur Verwendung bei verschiedenen Hochfrequenzbauteilen, wie etwa einer Drosselspule und einem Transformator, die in eine schaltende Leistungsversorgung aufzunehmen sind.
Wie es in dem sogenannten kürzlich begonnenen Multimedia-Zeitalter erforderlich ist, werden verschiedene tragbare elektronische Geräte kleiner, dünner, leichter und effizienter gemacht. Dies beruht viel auf der erhöhten Integrationsdichte der elektronischen Schaltungen, die durch fortgeschrittene LSI-Technik, durch Fortschritte in der Bauteil-Montage-Technik und durch Entwicklung von Hochenergie-Batteriezellen (nämlich Lithiumzellen und Nickelwasserstoffzellen) möglich geworden ist.
Der Leistungsversorgungsabschnitt eines solchen elektronischen Geräts hat eine Leistungsversorgung vom Umschalttyp (switching type power supply), die sehr stabil ist. Es wird als schwierig angesehen, die Größe und das Gewicht der Leistungsversorgung vom Umschalttyp zu verringern, ohne die hohe Leistungswandlungseffizienz der Leistungsversorgung zu beeinträchtigen. Die Größe, das Gewicht und die Herstellungskosten der Leistungsversorgung vom Umschalttyp bleiben die gleichen, während jene andere Bauteile des elektronischen Geräts erfolgreich verringert werden. Unvermeidbar wird die Leistungsversorgung vom Umschalttyp in zunehmendem Maße für die Größe, das Gewicht und die Kosten des Geräts verantwortlich.
Um die Größe und das Gewicht der Leistungsversorgung vom Umschalttyp zu verringern, kann die Umschaltfrequenz der Leistungsversorgung erhöht werden, so daß die Leistungsversorgung ein kleines Leistungsversorgungsbauteil, wie etwa ein kleines Induktionselement, einen kleinen Transformator oder einen kleinen Kondensator enthalten kann. Hier tritt ein Problem auf. Je größer die Umschaltfrequenz ist, desto größer wird der Energieverlust bei dem kleinen Leistungsversorgungsbauteil, und desto geringer die Leistungswandlungseffizienz der Leistungsversorgung vom Umschalttyp. Um es der Leistungsversorgung zu ermöglichen, Hochfrequenzleistung effizient zu wandeln, ist es absolut erforderlich, daß das kleine Leistungsversorgungsbauteil nur einen geringen Energieverlust hat. Des weiteren können magnetische Bauteile, wie etwa ein Induktionselement und ein Transformator, kaum dünner gemacht werden. Es bleibt daher schwierig, eine Leistungsversorgung vom Umschalttyp bereitzustellen, die hinreichend dünn ist.
Zum Bereitstellen einer Leistungsversorgung vom Schaltungstyp, die sehr klein und dünn ist, wurde vorgeschlagen, daß ein planares oder ebenes Induktionselement oder ein Transformator verwendet werden, der eine planare Spule und einen Weichmagneten enthält. Fig. 1A zeigt ein herkömmliches planares Induktionselement. Das planare Induktionselement hat eine planare oder ebene Spule 1, die allgemein quadratisch (square) ist, wie es in Fig. 1B gezeigt ist. Wie es in Fig. 1A zu sehen ist, liegt die Spule 1 zwischen zwei isolierenden Schichten 2, die ihrerseits zwischen zwei Weichmagnetschichten 3 liegen. Ein Beispiel einer solchen Konstruktion ist in DE-A-4117878 gezeigt.
Das ebene Induktionselement hat die in Fig. 2 gezeigte Frequenzkennlinie. Je höher die Frequenz f ansteigt, desto schneller steigt der Äquivalentreihenwiderstand R, während die Induktivität L im wesentlichen gleich bleibt. Der Qualitätsfaktor Q verbleibt kleiner als 10. Jedes induktive Element, dessen Qualitätsfaktor größer als 10 ist, wird im allgemeinen als ein gutes betrachtet. Je höher der Qualitätsfaktor desto besser. Es wird daher gefordert, daß der Qualitätsfaktor Q des planaren Induktionselements erhöht wird. Der Hochfrequenzverlust in jeder Weichmagnetschicht 3 und der Hochfrequenzverlust in der ebenen Spule 1 werden als Grund angesehen, die einen Anstieg des Qualitätsfaktors Q des planaren Induktionselements verhindern. (Der Hochfrequenzverlust der Weichmagnetschicht ist ein Eddy- Strom-Verlust oder ein Hysterese-Verlust).
Eine neue Art planaren Induktionselementes wurde erfunden, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Das Induktionselement umfaßt zwei isolierende Filme (nicht gezeigt), eine planare oder ebene Spule 4, die zwischen den zwei isolierenden Filmen zwischenliegt, und zwei Weichmagnetschichten 5, die auf den Isolierfilmen jeweils vorgesehen sind. Die ebene Spule 4 ist insgesamt abgeflacht (oblate). Die Weichmagnetschichten 5 werden aus einem uniaxialen anisotropen Material gebildet, das eine Achse der Hartmagnetisierung oder schweren Magnetisierung hat und werden im Rotationsmagnetisierungsmodus magnetisiert. Der Eddy- Stromverlust, der in den Schichten 5 auftritt, ist daher klein. Im Ergebnis kann ein Absinken des Hochfrequenzverlustes der Schichten 5 erwartet werden.
Das in Fig. 3 gezeigte planare Induktionselement hat die in Fig. 4 dargestellte Frequenzkennlinien. Wie es Fig. 4 zeigt, ist der Qualitätsfaktor Q des planaren Induktionselements meist kleiner als 10.
Die Erfinder untersuchten daher den Hochfrequenzverlust in planaren Induktionselementen, die jeweils zwei Weichmagnetschichten, zwei Isolierschichten, die zwischen den Weichmagnetschichten zwischenliegen, und eine spiralförmige ebene Spule, die zwischen den isolierenden Schichten zwischenliegt, aufweisen. Die Ergebnisse der Untersuchung sind wie folgt:
Ein in Fig. 5A gezeigtes Induktionselement enthält zwei Weichmagnetschichten 8, zwei isolierende Schichten 7, die zwischen den Schichten 8 zwischenliegen, und eine spiralförmige planare oder ebene Spule 6, die zwischen den isolierenden Schichten 7 zwischenliegt, und sie haben einen internen magnetischen Fluß. Der Fluß besteht aus einer Komponente Bi in der Ebene und einer Vertikalkomponente Bg bezüglich der Weichmagnetschichten 8. Diese Komponenten Bi und Bg sind verteilt wie es in Fig. 5B gezeigt ist.
Ein weiteres in Fig. 6A gezeigtes Induktionselement, das identisch zu dem Induktionselement aus Fig. 5A mit der Ausnahme ist, daß eine meanderförmige ebene Spule 5 die spiralförmige ersetzt, hat einen internen magnetischen Fluß. Der Fluß besteht aus einer Komponente Bi in der Ebene und einer Vertikalkomponente Bg bezüglich der Weichmagnetschichten 8. Diese Komponenten Bi und Bg sind verteilt, wie es in Fig. 6B gezeigt ist.
Aus der Komponente Bi in der Ebene (im folgenden in- Plane-Komponente) des Magnetflusses, die sich durch die Magnetschichten 8 erstreckt, werden Eddy-Ströme jm, p erzeugt, die in der Richtung der Dicke jeder der Weichmagnetschichten fließen, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. In ähnlicher Weise wird aus der Vertikalkomponente Bg des Magnetflusses Eddy- Ströme jm, i erzeugt, die in der Oberflächenrichtung der beiden Weichmagnetschichten 8 fließen, wie es in Fig. 8 gezeigt ist.
Bei jedem der Induktionselemente, die in den Fig. 5A und 6A gezeigt sind, erzeugt die Vertikalkomponente Bg, die sich durch den k-ten Leiter 10 der planaren Spule (6 oder 9) erstreckt, einen Eddy-Strom jc, 1, der entlang der Spulenleiterzeile 10 fließt, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. Bei der spiralförmigen planaren Spule 6 des in Fig. 5A gezeigten Induktionselements erstreckt sich die Vertikalkomponente Bg in der gleichen Richtung über die gesamte Breite des Spulenleiters 10. Somit, wie es in Fig. 10 gezeigt ist, ist die Dichte eines Hochfrequenzstroms, der durch den Spulenleiter 10 fließt, an einem Ende des Spulenleiters 10 hoch und niedrig an dessen anderem Ende. Das heißt, die Stromdichte ist ausgeprägt ungleichmäßig in dem Spulenleiter 10.
In anderen Worten, der Hochfrequenzstrom fließt nicht gleichmäßig durch den Spulenleiter 10. Stattdessen fließt er konzentriert durch ein Ende des Spulenleiters 10. Der Widerstand des Spulenleiters 10 steigt unvermeidlich sehr stark an, was einen großen Hochfrequenzverlust verursacht. Dieser Verlust wird als verantwortlich dafür angesehen, daß es schwierig ist, den Qualitätsfaktor Q des ebenen Induktionselements zu erhöhen.
Des weiteren untersuchten die Erfinder den Anstieg des Hochfrequenzwiderstandes der planaren Spule, der durch die Vertikalkomponente Bg des Magnetflusses erzeugt wurde. Wie es in Fig. 9 gezeigt ist, erstreckt sich die Vertikalkomponente Bg nach oben durch den k-ten Spulenleiter 10. Sie erstreckt sich in die gleiche Richtung über den gesamten Spulenleiter 10. (In Fig. 9 stellt Bgk(x) die Dichte der Vertikalkomponente dar, die sich durch den k-ten Spulenleiter 10 erstreckt.) Der in dem Spulenleiter 10 fließende Strom war in dem Spulenleiter 10 verteilt, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. Das heißt, die Stromdichte war hoch in dem linken Ende des Spulenleiters 10 und niedrig an seinem rechten Ende. Dies liegt daran, daß der Eddy-Strom jc, 1, der von einem sich vertikal ändernden Magnetfluß erzeugt wird, von einem Strom I überlagert wird, der von einer externen Leistungsquelle zugeführt wird. Unter der Annahme, daß die Dichte Bgk(x) der Vertikalkomponente, die sich durch den k- ten Spulenleiter 10 erstreckt, konstant gleich Bgk ist, hat der Widerstand Rc(f) des Spulenleiters 10 bei einer Frequenz f die folgende Form:
wobei Rc(0) der Gleichstromwiderstand des Spulenleiters 10, tc dessen Dicke, d dessen Breite, ρ dessen Widerstandskoeffizient und lk dessen Länge sind.
Der Widerstand Rc(f) des Spulenleiters 10, der nach Gleichung (1) berechnet wird, steigt mit der Frequenz f entlang einer in Fig. 11 gezeigten Kurve. Mit Anstieg der Kurve steigt der berechnete Widerstand Rc(f) mit der Frequenz in etwa in der gleichen Art wie der gemessene Äquivalentreichenwiderstand R des herkömmlichen planaren Induktionselements (Fig. 2), wie es in Fig. 2 gezeigt ist, und wie es durch die Kurve b in Fig. 11 angedeutet wird.
Wie es in Fig. 11 gezeigt ist, zeigt der Bereich zwischen dem berechneten Wert a und dem gemessenen Wert b den Anstieg des Widerstandes R an, der aus dem Hochfrequenzverlust resultiert, der bei den Weichmagnetschichten 8 erfolgt. Dieser Anstieg ist deutlich kleiner als der Anstieg des Widerstands der planaren Spule selbst. Das heißt, bei einer planaren magnetischen Vorrichtung mit zwei Weichmagnetschichten und einer dazwischenliegenden ebenen oder planaren Spule zwischen diesen Schichten, ist ein großer Teil des Hochfrequenzverlustes der Verlust in dem Spulenleiter. Der Hochfrequenzverlust in dem Spulenleiter kann dahingehend betrachtet werden, daß er es schwierig macht, den Qualitätsfaktor Q der planaren magnetischen Vorrichtung zu erhöhen.
Die herkömmlichen planaren Magnetvorrichtungen, die vorangehend beschrieben wurden, waren planare oder ebene Induktionselemente. Bei planaren oder ebenen Transformatoren, die bisher bekannt waren, traten die gleichen Probleme wie bei planaren Induktionselementen auf. Bei einem herkömmlichen planaren Transformator steigt der Widerstand des Spulenleiters in einem Hochfrequenzband, was zu einem Hochfrequenzverlust führt. Der Verlust verringert die Betriebseffizienz des planaren Transformators.
Angesichts des Vorangehenden sucht die Erfindung eine Möglichkeit, eine planare magnetische Vorrichtung bereitzustellen, bei der ein Hochfrequenzverlust in einem Spulenleiter verringert werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine planare magnetische Vorrichtung bereitgestellt, die umfaßt:
zumindest eine planare Spule;
zwei isolierende Schichten, zwischen denen die zumindest eine planare Spule zwischenliegt; und
zwei Weichmagnetschichten, zwischen denen die Isolierschichten zwischenliegen;
gekennzeichnet durch einen Pad-Abschnitt, der zwischen den Isolierschichten zwischenliegt und mit einer externen Schaltung verbunden ist, und durch Löcher in beiden Magnetschichten in dem Bereich des Pad-Abschnitts, wobei beide Löcher größer als der Pad-Abschnitt sind. Vorzugsweise enthält die planare Spule einen Spulenleiter, der aus einer Mehrzahl von Leiter-Zeilen (conductor lines) aufgebaut ist. Mit dieser Struktur ist es möglich, einen Anstieg des Widerstands des Spulenleiters zu unterdrücken, der in einem Hochfrequenzband auftritt. Der Hochfrequenzverlust in dem Spulenleiter kann daher verringert werden.
Bei einer planaren magnetischen Vorrichtung mit der oben genannten Struktur ist zumindest eine planare Spule zwischen zwei isolierenden Schichten zwischenliegend, die ihrerseits zwischen zwei Weichmagnetschichten liegen. Der Hochfrequenzverlust in dem Spulenleiter kann daher verringert werden. Die planare magnetische Vorrichtung kann daher als ein planares Induktionselement verwendet werden, dessen Qualitätsfaktor Q auf einen Maximalwert angehoben ist.
Bei einer bevorzugten Form der Erfindung umfaßt diese zumindest zwei planare Spulen, die übereinander angeordnet sind, Isolierschichten, die zwischen den zumindest zwei planaren Spulen liegen, zwei Isolierschichten, die die planaren Spulen sandwichartig umgeben, und zwei Weichmagnetschichten, die die zwei Isolierschichten sandwichartig umgeben. Der Hochfrequenzverlust des Leiters jeder planaren Spüle ist auf diese Art verringert. Die planare magnetische Vorrichtung kann als planarer Transformator verwendet werden, der eine erhöhte Betriebseffizienz aufweist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt diese eine planare Spule, die durch zwei spiralförmige ebene Spulen gebildet ist, die Seite an Seite in derselben Ebene angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind. Die planare magnetische Vorrichtung kann ein planares Induktionselement bereitstellen, das eine hohe Induktivität hat.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung hat die Weichmagnetschichten, hergestellt aus einem uniaxialen anisotropen Material und mit einer Achse der schweren Magnetisierung und einer Achse der leichten Magnetisierung. Ein Eddi-Stromverlust der weichmagnetischen Schicht ist gering, wodurch der Hochfrequenzverlust in den Weichmagnetschichten verringert werden kann.
Bei jeder ebenen magnetischen Vorrichtung, wie sie vorangehend beschrieben wurde, enthält die oder jede ebene Spule vorzugsweise eine abgeflachte, spiralförmige, ebene Spule, die gerade Leiter aufweist, die in der Richtung der schweren Magnetisierung der Weichmagnetschichten verlaufen, und bogenförmige Leiter, die in der Richtung der leichten Magnetisierung der Weichmagnetschichten laufen. Alternativ umfaßt die oder jede ebene Spule eine rechteckige spiralförmige ebene Spule, die sich parallel zu einer Hauptachse erstrecken und in der Richtung der schweren Magnetisierung der Weichmagnetschichten angeordnete Leiter, und sich parallel zur kleineren Achse erstrecken und in jeder Richtung der Magnetisierung der Weichmagnetschichten angeordnete Leiter enthält. Da die Leiter, die den Hauptteil der Spule bilden (abgeflacht oder rechteckig) in der Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet sind, kann die Spule ihre Funktion mit hoher Effizienz durchführen.
Des weiteren enthält jeder der bogenförmigen Leiter der abgeflachten spiralförmigen Spule vorzugsweise einen einzelnen Leiter oder ist aus einer Mehrzahl von Leiterzeilen gebildet, die elektrisch teilweise verbunden, und jeder der Leiter der rechteckigen Spiralspule, der sich parallel zu der Unterachse erstreckt, ist ein einzelner Leiter oder aus einer Mehrzahl von Leiterzeilen gebildet, die elektrisch teilweise verbunden sind. Somit wird, auch wenn einige der Spulenleiter unterbrochen werden, die "Planarspule" selbst insgesamt nicht unterbrochen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung läuft der Magnetfluß durch den Pad-Abschnitt. Dies unterdrückt die Erzeugung von Eddy-Strom in dem Pad-Abschnitt effizienter als anders. Der Leistungsverlust in dem Pad-Abschnitt ist daher kleiner.
Vorzugsweise hat der Pad-Abschnitt auch eine Mehrzahl von Aussparungen (notches), die in seinen Kanten eingeschnitten sind, wobei die Aussparungen den Pad-Abschnitt in eine Mehrzahl von Bereichen unterteilen. Die Aussparungen teilen die Schleife eines Eddy-Stroms, der in dem Pad- Abschnitt erzeugt wird, wenn ein Magnetfluß durch den Abschnitt hindurchläuft, in kleine Eddy-Ströme. Anders gesagt, die kleinen Eddy-Ströme werden in den jeweiligen Bereichen eingeengt. Der Eddy-Strom-Verlust in dem gesamten Pad-Abschnitt ist daher kleiner als anders.
Diese Erfindung kann aus der folgenden detaillierten Beschreibung vollständig verstanden werden, wenn diese im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen gesehen wird, in denen zeigt bzw. zeigen:
Fig. 1A und 1B Diagramme, die ein herkömmliches planares Induktionselement darstellen;
Fig. 2 eine Kurve, die die Frequenzkennlinie des in den Fig. 1A und 1B gezeigten planaren Induktionselements zeigt;
Fig. 3 eine Aufsicht auf ein weiteres herkömmliches planares Induktionselement;
Fig. 4 eine Kurve, die die Frequenzkennlinie des in Fig. 3 gezeigten planaren Induktionselements zeigt;
Fig. 5A und 5B Diagramme, die zeigen, wie ein Magnetfluß in einem herkömmlichen planaren Induktionselement mit einer spiralförmigen planaren Spule verteilt ist;
Fig. 6A und 6B Diagramme, die zeigen, wie ein Magnetfluß in einem herkömmlichen planaren Induktionselement mit einer meanderförmigen planaren Spule verteilt ist;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Weichmagnetschicht, die den Eddy-Strom erklärt, der von der In-Face-Magnetflußkomponente in der weichmagnetischen Schicht erzeugt wird;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer Weichmagnetschicht, die den Eddy-Strom erklärt, der von der Vertikalmagnetflußkomponente in einer Weichmagnetschicht erzeugt wird;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer Weichmagnetschicht, die den Eddy-Strom erklärt, der von der Vertikalmagnetflußkomponente in einem Spulenleiter erzeugt wird;
Fig. 10 eine Kurve, die die Verteilung der Hochfrequenzstromdichte in einem Spulenleiter erklärt;
Fig. 11 eine Kurve, die erklärt, wie ein gemessener Spulenwiderstand eines bekannten planaren Induktionselements sich mit der Frequenz ändert und auch, wie ein berechneter Spulenwiderstand des Induktionselements sich mit der Frequenz ändert;
Fig. 12a, 12b und 12c Diagramme, die die Struktur einer ersten Art eines planaren Induktionselements zeigen, das Hintergrundswissen darstellt, und das zum Verständnis einiger Aspekte der Erfindung hilfreich ist;
Fig. 13 eine Kurve, die die Frequenzkennlinie des planaren Induktionselements zeigt, das in den Fig. 12a bis 12c gezeigt wurde;
Fig. 14a, 14b und 14c Aufsichten auf drei unterschiedliche planare Spulen, die in dem in den Fig. 12a bis 12c gezeigten planaren Induktionselement enthalten sein können;
Fig. 15a und 15b Aufsichten auf unterschiedliche planare Spulen, die in dem planaren Induktionselement enthalten sein können, das in den Fig. 12a bis 12c gezeigt ist;
Fig. 16 eine Querschnittsansicht, die einen planaren Transformator zeigt, der eine zweite Art von Hintergrundwissen darstellt, das zum Verständnis der Erfindung hilfreich ist;
Fig. 17a und 17b Diagramme, die eine dritte Art eines planarem Induktionselements zeigen, das weiteres Hintergrundswissen darstellt;
Fig. 18a, 18b, 18c und 18d Diagramme, die die in den Induktionselementen aus Fig. 17 enthaltenen Spulenleiter zeigen;
Fig. 19 eine Kurve, die zeigt, wie die Permeabilität der Weichmagnetschicht, die in Fig. 17 verwendet wird, sich mit der Frequenz ändert, wenn die Schicht entlang der Achse der schweren Magnetisierung magnetisiert wird, und wenn sie entlang der Achse der leichten Magnetisierung magnetisiert wird;
Fig. 20a, 20b und 20c Aufsichten des Spulenleiters, der bei dem planaren Induktionselement aus Fig. 17 verwendet wird, wobei Positionen angezeigt werden, an denen der Leiter geschnitten ist;
Fig. 21a und 21b Diagramme, die ein planares Induktionselement zeigen, das eine erste Modifikation des Induktionselements aus Fig. 17 ist und eine abgeflachte spiralförmige planare Spule enthält;
Fig. 22a und 22b Diagramme, die ein planares Induktionselement zeigen, das eine zweite Modifikation des Induktionselements aus Fig. 17 ist und eine rechteckige, spiralförmige, planare Spule enthält;
Fig. 23a und 23b Diagramme, die ein planares Induktionselements zeigen, das eine dritte Modifikation des Induktionselements aus Fig. 17 ist, das eine meanderförmige planare Spule enthält;
Fig. 24a und 24b Diagramme, die ein planares Induktionselement zeigen, das eine vierte Modifikation des Induktionselements aus Fig. 17 ist, das zwei rechteckige spiralförmige planare Spulen enthält;
Fig. 25 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen planaren Induktionselements, das hilfreich für das Verständnis der Bauweise der ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 26 ein Diagramm, das erklärt, wie ein Eddy-Strom im Pad-Abschnitt des herkömmlichen planaren Induktionselements erzeugt wird, der in Fig. 25 gezeigt ist;
Fig. 27 eine Querschnittsansicht, die ein planares Induktionselement zeigt, das eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform ist;
Fig. 28 eine Querschnittsansicht, die eine Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt; und
Fig. 29 ein Diagramm, das den Pad-Abschnitt des planaren Induktionselements entsprechend einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Anschluß unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Die Fig. 12a, 12b und 12c zeigen verschiedene Ansichten der Struktur eines planaren Induktionselements. Wie Fig. 12a zeigt, enthält das planare Induktionselement eine planare Spule 11, zwei isolierende Schichten 12 und zwei Weichmagnetschichten 13. Die Spule 11 liegt zwischen den Isolierschichten 12. Die Schichten 12 sind sandwichartig zwischen den zwei Weichmagnetschichten 13 aufgenommen.
Wie es in Fig. 12C gezeigt ist, hat die planare Spule 11 einen Spulenleiter 111, der aus drei Leiterzeilen oder - drähten 11a, 11b und 11c besteht. Der Spulenleiter 111 ist eine Spirale, wie es in Fig. 12B gezeigt ist. Jeder der Leiterzeilen ist ausgebildet durch Performing, beispielsweise durch Photolithographie auf einem leitfähigen Film, wie etwa einer Kupferfolie. Die Anzahl der Leiterzeilen, die den Spulenleiter 111 bilden, ist nicht auf drei begrenzt. Der Leiter 111 kann durch eine Leiterzeile, zwei Leiterzeilen oder vier oder mehr Leiterzeilen gebildet sein.
Die Leiterzeilen 11a, 11b und 11c, die den Spulenleiter 11 bilden, sind extrem eng. In jeder Leiterzeile ist es daher möglich, den aus einem vertikalen Wechselmagnetfluß erzeugten Eddy-Strom zu unterdrücken. Somit können die Leiterzeilen 11a, 11b und 11c die Verteilung einer Hochfrequenzstromdichte gleichmäßig lassen, die eine Kombination es Eddy-Stroms und eines Stroms I ist, der von einer externen Leistungsquelle zugeführt wird, wobei der erstere den letzten überlagert. Anders gesagt, der Hochfrequenzstrom fließt im wesentlichen gleichmäßig in jeder Leiterzeile. Ein Anstieg in dem Widerstand RcN(f) des Spulenleiters 111 wird somit unterdrückt. Dies verringert den Hochfrequenzverlust in dem Spulenleiter 111.
Der Widerstand RcN(f) wird wie folgt gegeben:
wobei Rc(0) der Gleichstromwiderstand des Spulenleiters, tc dessen Dicke, d dessen Breite, ρ dessen Widerstandskoeffizient, lk dessen Länge und N die Zahl der vorgesehenen Leiterzeilen ist. Bei dieser Ausführungsform ist N = 3.
Wie aus Gleichung (2) zu sehen ist, ist der durch den Betriebsstrom verursachte Anstieg des Spulenwiderstands RcN(f) nur 1/N² des Falles, in dem ein einzelner Leiter verwendet wird.
Wie es vorangehend angezeigt wurde, kann der von einem sich ändernden vertikalen Magnetfluß erzeugte Eddy-Strom in jeder der Leiterzeilen 11a, 11b und 11c unterdrückt werden. Somit ist der vertikale Wechselmagnetfluß stabil, da der Eddy-Strom den störenden Magnetfluß erzeugt. Aufgrund der Stabilität legt der vertikale Wechselmagnetfluß keinen nachteilhaften Einfluß auf die Induktivität L des planaren Induktionselements auf.
Ein planares Induktionselement der in Fig. 12A bis 12C gezeigten Struktur wurde hergestellt und bezüglich seiner Charakteristika getestet. Er zeigt die in Fig. 13 dargestellten Frequenzkennlinie. Wie Fig. 13 zeigt, bleibt seine Induktivität L im wesentlichen unverändert, wenn die Frequenz f (Hz) in dem MHz-Band ist. Zusätzlich wird ein Anstieg des äquivalenten Reihenwiderstandes R unterdrückt. Des weiteren wird der Hochfrequenzverlust beachtlich klein. Außerdem wurde festgestellt, daß der Qualitätsfaktor Q den Wert 12 erreicht, was deutlich über 10 liegt.
Wie es in Fig. 12C gezeigt ist, ist die planare Spule 11 eine quadratische Spiralspule, die zwischen den Isolierschichten 12 zwischenliegt, die von den Softmagnetschichten 13 sandwichartig umgeben werden. Sie kann durch eine zirkulare ersetzt werden, wie es in Fig. 14A gezeigt ist, durch eine abgeflachte, wie es in Fig. 14C gezeigt ist, eine rechteckige, wie sie in Fig. 15A gezeigt ist, oder durch eine meanderförmige, wie sie in Fig. 15B gezeigt ist. Unnötig zu sagen, daß es eine quadratische, spiralförmige, planare Spule oder ein anderer Typ sein kann, wie er in Fig. 14B gezeigt ist. Das Material der Magnetschicht 13 ist nicht begrenzt. Es kann entweder eines auf Ferritbasis oder eines auf Metallbasis sein. Unabhängig vom Material wird angenommen, daß die Spule 11 den gleichen Vorteil bietet. Ein Beispiel einer Spulenstruktur für einen planaren Transformator ist in Fig. 16 gezeigt.
Wie aus Fig. 16 zu sehen ist, enthält der planare Transformator zwei planare Spulen 15, drei Isolierschichten 16 und zwei Weichmagnetschichten 17. Die Spulen 15 liegen sandwichartig zwischen den isolierenden Schichten 16, wobei die eine oberhalb der anderen mit einer dazwischenliegenden Isolierschicht 16 angeordnet ist. Die Schicht 16 kann zwischen den Weichmagnetschichten 17 sandwichartig zwischenliegen.
Jede der ebenen Spulen 15 hat einen Spulenleiter 151, der aus drei Leiterzeilen 15a, 15b und 15c besteht. Der Spulenleiter 151 ist eine Spirale. Die Zahl der Leiterzeilen, die den Leiter 151 bilden, ist nicht auf drei begrenzt. Der Leiter 151 kann aus einer Leiterzeile bestehen, aus zwei Leiterzeilen, aus vier oder mehr Leiterzeilen. Ein magnetischer Fluß erstreckt sich bezüglich der planaren Spulen 15, wie es durch die Pfeile angedeutet ist, die in Fig. 16 gezeigt sind.
Ein planarer Transformator des in Fig. 16 gezeigten Typs wurde hergestellt und bezüglich seiner Betriebseffizienz getestet. Wie bei dem planaren Induktionselement des in Fig. 12A bis 12C gezeigten Typs war der Hochfrequenzverlust in dem Spulenleiter 151 in einem Hochfrequenzband klein. Daher zeigt der planare Transformator eine Betriebseffizienz von 90%, was wesentlich höher ist als jene des herkömmlichen planaren Transformators, die in etwa 70% ist.
Fig. 17a und 17b zeigen ein Beispiel einer Spulenanordnung für ein planares Induktionselement. Wie Fig. 17a und Fig. 17B zeigen, umfaßt dieses Induktionselement eine quadratische, spiralförmige planare Spule 21, zwei isolierende Schichten 22 und zwei Weichmagnetschichten 23. Die Spule 21 liegt zwischen den Isolierschichten 22, die ihrerseits zwischen den Weichmagnetschichten 23 sandwichartig zwischenliegen. Die Weichmagnetschichten 23 sind aus einem uniaxialen anisotropen Material gebildet.
Ausgebildet aus uniaxialem anisotropen Material haben die Weichmagnetschichten 23 eine Achse der harten oder schweren Magnetisierung und eine Achse der leichten oder einfachen Magnetisierung. Die Permeabilität u jeder Weichmagnetschicht 23 verbleibt im wesentlichen unverändert in der Richtung der schweren Magnetisierung, unabhängig von der Frequenz f, wie es durch die Linie a in Fig. 19 angezeigt ist. Im Gegensatz dazu verringert sich in der Richtung der leichten Magnetisierung die Permeabilität u, wenn die Frequenz f ansteigt, wie es durch eine Kurve b in Fig. 19 gezeigt ist. Wie es bekannt ist, ist die Magnetflußdichte in dem Hochfrequenzbereich im wesentlichen die gleiche wie in einer Hohlspule (hollow coil).
Die Leiter 211 der quadratischen, spiralförmigen planaren Spule 21, die in der Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet sind, in der jede Weichmagnetschicht 23 eine konstante Permeabilität u in dem Hochfrequenzband hat, sind durch drei Leiterzeilen 211a, 211b und 211c, wie es in Fig. 18A gezeigt ist. Die Leiter 212 der Spule 21, die in der Richtung der leichten Magnetisierung angeordnet sind, sind entweder durch einen einzelnen Leiter oder durch drei Leiterzeilen 212a, 212b und 212c gebildet, die teilweise miteinander verbunden sind. Da die Leiterzeilen 211a, 211b und 211c jedes Leiters 211, der in Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet ist, elektrisch gegeneinander isoliert sind, wird ein Anstieg des Widerstands der Spule 21, der im Hochfrequenzband auftritt, verringert, wodurch der Hochfrequenzverlust in dem Spulenleiter verringert wird. Die Leiter 212 der Spule 21 sind durch einen Einzelleiter oder Leiterzeilen 212a, 212b und 212c gebildet, die teilweise miteinander verbunden sind, da sie kaum durch den Einfluß des vertikalen magnetischen Flusses beeinträchtigt werden, da sie in der Richtung der leichten Magnetisierung angeordnet sind, in der die Magnetflußdichte im wesentlichen auf die gleiche Art wie in einer Hohlspule verteilt ist.
Wie vorangehend erwähnt wurde, ist jeder Leiter 211 der planaren Spule 21, der in Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet ist, aus drei Leiterzeilen 211a, 211b und 211c gebildet, und ein Anstieg des Widerstandes der Spule 21, der im Hochfrequenzband auftritt, wird verringert, wodurch der Hochfrequenzverlust in der Spule verringert wird. Somit kann das planare Induktionselement einen Qualitätsfaktor haben, der auf einen Maximalwert erhöht ist. Wie vorangehend erwähnt wurde, sind die Leiter 212 der Spule 21, die in Richtung der leichten Magnetisierung angeordnet sind, entweder durch einen einzelnen Leiter oder durch drei Leiterzeilen 212a, 212b und 212c gebildet, die elektrisch teilweise verbunden sind. In der Richtung der leichten Magnetisierung hat jede Weichmagnetschicht 23 eine kleine Permeabilität u im Hochfrequenzband und die Magnetflußdichte ist im wesentlichen gleich wie bei einer Hohlspule verteilt. Daher werden die Leiter 212 der Spule 21 nur sehr wenig durch den vertikalen Magnetfluß beeinträchtigt. Ein Anstieg des Widerstands der Spule 21, der in dem Hochfrequenzband auftritt, wird verringert, wodurch der Hochfrequenzverlust in dem Spulenleiter verringert wird.
Unnötig zu sagen, daß die Leiterzeilen 212a, 212b und 212c enger als ein Einzelleiter sind, der zum Bilden jedes Leiters 212 der Spule 21 verwendet werden kann. Je enger die Leiter 212a, 212b und 212c sind, um so höher wird die Wahrscheinlichkeit, daß sie aufgrund von Staub unterbrochen werden, der vorhanden ist, wenn sie durch Photolithographie gebildet werden. Trotzdem wird die planare Spule 21 nicht insgesamt unterbrochen, da die Leiterzeilen 212a, 212b und 212c teilweise in der Richtung der leichten Magnetisierung miteinander verbunden sind. Insoweit kann die Spule 21 mit hoher Ausbeute und geringen Kosten hergestellt werden.
Fig. 20A, 20B und 20C sind Aufsichten der planaren Spule 21, die die Positionen A anzeigen, an denen die Leiterzeilen 211a, 211b und 211 einiger Leiter 211, die in Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet sind, an Position A unterbrochen sind. In dem in Fig. 20A gezeigten Fall, sind die Leiter 212, die in Richtung der leichten Magnetisierung angeordnet sind, nicht unterbrochen, da sie durch einen einzelnen Leiter jeweils gebildet sind. In dem in Fig. 20B und 20C gezeigten Fall sind die Leiter 212 nicht unterbrochen, da entweder jeder von ihnen durch die Leiterzeilen 212a, 212b und 212c gebildet ist, die elektrisch teilweise miteinander verbunden sind. Somit wird die planare Spule 21 nicht insgesamt in irgendeinem der Fälle unterbrochen, die in den Fig. 20A, 20B und 20C gezeigt sind.
Wie vorangehend beschrieben wurde, ist die quadratische, spiralförmige planare Spule 21 zwischen den Isolierschichten 22 sandwichartig zwischenliegend, wobei die Schichten 22 ihrerseits zwischen Weichmagnetschichten 23 sandwichartig zwischenliegen, und wobei die Schichten 23 aus einem uniaxialen, anisotropen Material gebildet sind. Die dritte Ausführungsform ist nicht auf jene in den Fig. 17A und 17B gezeigte beschränkt. Einige wenige Modifikationen werden unter Bezugnahme auf die Fig. 21A bis 24B beschrieben.
Fig. 21A und 21B zeigen ein planares Induktionselement, das eine erste Modifikation des Induktionselements aus Fig. 17 ist. Wie aus Fig. 21A und 21B zu sehen ist, umfaßt diese Modifikation eine abgeflachte, spiralförmige planare Spule 31, zwei Isolierschichten 32, die die Spule 31 sandwichartig umgeben, und zwei Weichmagnetschichten 33, die die Isolierschichten 32 sandwichartig umgeben. Die Weichmagnetschichten 33 sind aus einem uniaxialen anisotropen Magnetmaterial gebildet.
Die Fig. 22A und 22B zeigen eine zweite Modifikation des Induktionselements aus Fig. 17. Die zweite Modifikation umfaßt eine rechteckige, spiralförmige planare Spule 41, zwei Isolierschichten 42, die die Spule 41 sandwichartig umgeben, und zwei Weichmagnetschichten 43, die die Isolierschichten 42 sandwichartig umgeben. Die Weichmagnetschichten 43 sind aus einem uniaxialen, anisotropen Magnetmaterial gebildet.
Die Fig. 23A und 23B zeigen eine dritte Modifikation des Induktionselements aus Fig. 17. Die dritte Modifikation umfaßt eine meanderförmige, rechteckige, planare Spule 51, zwei Isolierschichten 52, die die Spule 51 sandwichartig umgeben, und zwei Weichmagnetschichten 53, die die Isolierschichten 52 sandwichartig umgeben. Die Weichmagnetschichten 53 sind aus einem uniaxialen, anisotropen Magnetmaterial gebildet.
Bei der ersten Modifikation (Fig. 21A und 21B) ist die abgeflachte spiralförmige planare Spule 31 aus Leitern 311 gebildet, die sich im wesentlichen parallel zu der Hauptachse erstrecken, und aus Leitern 312, die sich im wesentlichen parallel zu der kürzeren Achse erstrecken. Die Leiter 311 sind in einer Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet, wobei jeder von ihnen aus einer Mehrzahl von Leiterzeilen (nicht gezeigt) gebildet ist. Die Leiter 312 sind in einer Richtung der leichten Magnetisierung angeordnet, wobei jeder von ihnen durch einen einzelnen Leiter oder durch eine Mehrzahl von Leiterzeilen (nicht gezeigt) gebildet ist, die teilweise elektrisch miteinander verbunden sind. Da die Leiter 311, die den größeren Teil der abgeflachten Spule 31 bilden, in Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet sind, kann die Spule 31 ihre Funktion mit hoher Effizienz ausführen.
Bei der zweiten Modifikation (Fig. 22A und 22B) ist die rechteckige spiralförmige planare Spule 41 aus Leitern 411 gebildet, die sich in Längsrichtung erstrecken, und aus Leitern 412, die sich in Breitenrichtung erstrecken. Die Leiter 411 sind in der Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet, wobei sie jeweils durch eine Mehrzahl von Leiterzeilen (nicht gezeigt) gebildet sind. Die Leiter 412 sind in Richtung der leichten Magnetisierung angeordnet, wobei sie jeweils durch einen einzelnen Leiter oder durch eine Mehrzahl von Leiterzeilen (nicht gezeigt) gebildet sind, die elektrisch teilweise miteinander verbunden sind. Da die Leiter 411, die den größeren Teil der rechteckigen Spule 41 bilden, in Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet sind, kann die Spule 41 mit hoher Effizienz arbeiten.
Bei der dritten Modifikation (Fig. 23A und 23B) ist die meanderförmige rechteckige spiralförmige planare Spule 51 aus geraden Leitern 511 und bogenförmigen Leitern 512 gebildet. Die geraden Leiter 51 sind in einer Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet, wobei sie jeweils aus einer Mehrzahl von Leiterzeilen (nicht gezeigt) gebildet sind. Die bogenförmigen Leiter 512 sind in einer Richtung einer leichten Magnetisierung angeordnet, wobei sie jeweils aus einem einzelnen Leiter oder aus einer Mehrzahl von Leiterzeilen (nicht gezeigt) gebildet sind, die teilweise elektrisch miteinander verbunden sind. Da die Leiter 512, die den größeren Teil der rechteckigen Spule 51 bilden, in Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet sind, kann die Spule 51 mit hoher Effizienz arbeiten.
Fig. 24A und 24B zeigen ein planares Induktionselement, das eine vierte Modifikation des Induktionselements aus Fig. 17 ist. Die vierte Modifikation unterscheidet sich von den ersten, zweiten und dritten Modifikationen dahingehend, daß zwei rechteckige, spiralförmige, planare Spulen 61 und 62 verwendet werden, anstelle von einer planaren Spule. Wie es in den Fig. 24A und 24B gezeigt ist, umfaßt die vierte Modifikation des weiteren zwei Isolierschichten 63 und zwei Weichmagnetschichten 64. Die Spulen 61 und 62 liegen zwischen den Isolierschichten 63, wobei sie Seite an Seite in der gleichen Ebene angeordnet sind und elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Weichmagnetschichten 64 sind aus einem uniaxialen, anisotropen Knetmaterial gebildet. Die erste rechteckige, spiralförmige, planare Spule 61 ist durch Leiter 611 gebildet, die sich in Längsrichtung erstrecken und in einer Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet sind, und durch Leiter 612, die sich in Breitenrichtung erstrecken, und in einer Richtung der leichten Magnetisierung angeordnet sind. Jeder der Leiter 611 ist durch eine Mehrzahl von Leiterzeilen (nicht gezeigt) gebildet, wohingegen jeder der Leiter 612 durch einen einzelnen Leiter oder eine Mehrzahl von Leiterzeilen (nicht gezeigt) gebildet ist, die elektrisch miteinander teilweise verbunden sind. Die zweite rechteckige, spiralförmige, planare Spule 62 ist durch Leiter 621, die sich in Längsrichtung erstrecken und in der Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet sind, und durch Leiter 622, die sich in Breitenrichtung erstrecken und in der Richtung der leichten Magnetisierung angeordnet sind, gebildet. Jeder der Leiter 621 ist aus einer Mehrzahl von Leiterzeilen (nicht gezeigt) gebildet, wohingegen jeder der Leiter 622 aus einem einzelnen Leiter oder einer Mehrzahl von Leiterzeilen (nicht gezeigt) gebildet ist, die elektrisch teilweise miteinander verbunden sind. Da die Leiter 611, die den größeren Teil der Spule 61 bilden, und die Leiter 621, die den größeren Teil der zweiten Spule 62 bilden, in der Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet sind, können beide Spulen 61 und 62 effizient arbeiten. Durch die Ausbildung mit zwei rechteckigen Spulen 61 und 62 kann das planare Induktionselement eine Induktivität haben, die höher als jene der ersten bis dritten Modifikation (Fig. 21A bis 23B) ist.
Wie vorangehend beschrieben wurde, können verschiedene Arten von planaren Spulen aufgebaut werden, einschließlich solcher mit zumindest einer spiralförmiger planaren Spule, die abgeflacht oder rechteckig ist, und mit zwei Weichmagnetschichten, die aus einem uniaxialen anisotropen Magnetmaterial gebildet sind. Nicht desto weniger kann die spiralförmige, planare Spule durch eine kreisförmige ersetzt werden, wobei in diesem Fall die Weichmagnetschichten vorzugsweise aus einem magnetisch isotropen Material gebildet werden.

Erste Ausführungsform

Jede der oben beschriebenen planaren Magnetvorrichtungen hatte eine planare Spule, die zwischen zwei Weichmagnetschichten zwischenlag. Der Magnetfluß, der zwischen den oberen und unteren Weichmagnetschichten kreuzte, erhöht nicht nur den Wechselstromwiderstand des planaren Spulenleiters, sondern führt auch zu einem Leistungsverlust auch bei einem Pad-Abschnitt, der zum Verbinden der Vorrichtung mit einer externen Schaltung vorgesehen ist.
Fig. 25 zeigt ein herkömmliches planares Induktionselement mit einem solchen Pad-Abschnitt. Genauer gesagt, dieses planare Induktionselements umfaßt eine planare Spule 71, zwei isolierende Schichten 72, einen Pad-Abschnitt 74, eine obere Weichmagnetschicht 731 und eine untere Weichmagnetschicht 732. Die Spule 71 und der Pad-Abschnitt 74 liegen zwischen den Isolierschichten 72. Die Schichten 72 liegen sandwichartig zwischen den Weichmagnetschichten 731 und 732. Die obere Weichmagnetschicht 731 hat ein Loch 731a. Der Pad-Abschnitt 74 ist genau unter dem Loch 731a angeordnet, so daß ein Bonding von Drähten durch das Loch 731a ausgeführt werden kann, um diese durch den Abschnitt 74 mit einer externen Schaltung zu verbinden.
Bei dem in Fig. 25 gezeigten planaren Induktionselement erzeugt die planare Spule 71 einen Magnetfluß Φ, der sich in der Richtung des Pfeils erstreckt, wie es in Fig. 25 gezeigt ist. Da die untere Weichmagnetschicht 732 kein Loch hat, absorbiert jener Teil, der unter dem Pad-Abschnitt 74 angeordnet ist, den Magnetfluß ΦA. Der Magnetfluß ΦA verläuft unvermeidlich durch den gesamten Pad-Abschnitt 74, während er sich hin zu der oberen Weichmagnetschicht 731 erstreckt. Ein Eddy-Strom i wird von dem Fluß ΦA erzeugt, der durch den Pad- Abschnitt 74 läuft, wie es in Fig. 26 gezeigt ist. Der Eddy- Strom i führt zu einem Leistungsverlust in dem Pad-Abschnitt, was den Wechselstromwiderstand des planaren Spulenleiters erhöht.
Fig. 27 zeigt ein planares Induktionselement entsprechend der ersten Ausführungsform, wobei die Erzeugung eines Eddy-Stroms in dem Pad-Abschnitt unterdrückt ist, wodurch ein Anstieg des Wechselstromwiderstands des Induktionselements minimiert ist. In Fig. 27 sind jene Bauteile, die ähnlich oder identisch zu denen in Fig. 25 sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Wie es in Fig. 27 gezeigt ist, umfaßt die erste Ausführungsform eine planare Spule 71, zwei isolierende Schichten 72, die die Spule 71 sandwichartig umgeben, einen Pad-Abschnitt 74, der zwischen den Schichten 72 zwischenliegt, zwei Weichmagnetschichten 731 und 732, die die Isolierschichten 72 sandwichartig umgeben. Die obere Weichmagnetschicht 731 hat ein Loch 731a, das genau oberhalb des Pad-Abschnitts 74 angeordnet ist, und die untere Weichmagnetschicht 732 hat ein Loch 732a, das genau unterhalb des Pad-Abschnitts 74 angeordnet ist. Beide Löcher 731a und 732a sind größer als der Pad-Abschnitt 74.
Die Löcher 731a und 732a der Weichmagnetschichten 731 und 732 sind oberhalb und unterhalb des Pad-Abschnitts 74 angeordnet und wesentlich größer als der Pad-Abschnitt 74. Das bedeutet, daß die Weichmagnetschicht 731 und 732 keine Schichten haben, zwischen denen ein Magnetfluß sich ausdehnen kann, um durch den Pad-Abschnitt 74 zu verlaufen. Virtuell läuft kein Abschnitt des Magnetfluß ΦA durch den Pad- Abschnitt 74, und virtuell wird kein Eddy-Strom in den Pad- Abschnitt 74 erzeugt. Der Leistungsverlust in dem Pad- Abschnitt 74 ist daher gering, wodurch der Wechselstromwiderstand des planaren Induktionselements minimiert wird. Somit kann das planare Induktionselement mit hoher Effizienz arbeiten.
Fig. 28 zeigt eine Modifikation der ersten Ausführungsform. Die Modifikation des planaren Induktionselements unterscheidet sich von dem planaren Induktionselement, das in Fig. 27 gezeigt ist, dahingehend, daß ein hohler Magnetbypass 733 zwischen den Isolierschichten 72 angeordnet ist. Der Bypass 733 hat eine Größe gleich der Größe der Löcher 731a und 732a und verbindet die Weichmagnetschichten 731 und 732.
Bei dem in Fig. 28 gezeigten modifizierten planaren Induktionselement erstreckt sich der gesamte Magnetfluß Φ von der unteren Weichmagnetschicht 732 hin zu der oberen Weichmagnetschicht 731, wobei er durch den Bypass 733 läuft. Kein Magnetfluß durchläuft den Pad-Abschnitt 74. Dies unterdrückt die Erzeugung von Eddy-Strom in dem Pad-Abschnitt 74 zuverlässiger als bei der ersten Ausführungsform (Fig. 27). Der Leistungsverlust in dem Pad-Abschnitt 74 wird daher kleiner. Das modifizierte planare Induktionselement hat einen Wechselstromwiderstand, der kleiner als jener des Induktionselements ist, das in Fig. 27 gezeigt ist, und kann mit einer höheren Effizienz arbeiten.

Zweite Ausführungsform

Fig. 29 zeigt den Pad-Abschnitt eines planaren Induktionselements, das eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist. Die zweite Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Pad-Abschnitt eine Anzahl von Nuten hat, um den Einfluß eines Eddy-Stroms zu verringern, wodurch ein Eddy-Strom in dem Pad-Abschnitt 74 für die gleiche Aufgabe wie bei der ersten Ausführungsform unterdrückt wird.
Genauer gesagt, wie es in Fig. 29 gezeigt ist, sind acht Nuten oder Aussparungen (notches) 82 in den vier Ecken und vier Seiten eines quadratischen Pad-Abschnitts 81 eingeschnitten, die sich alle hin zu dem mittleren Teil erstrecken. Die Aussparungen 82, die so eingeschnitten sind, teilen den Pad-Abschnitt 81 in acht Bereiche 811. Die Bereiche 811 sind elektrisch am mittleren Teil des Pad- Abschnitts 81 verbunden. Wie es in Fig. 29 gezeigt ist, hat die obere Weichmagnetschicht 83 ein Loch 831 genau in der gleichen Art wie bei der ersten Ausführungsform, die in Fig. 27 gezeigt ist.
Angenommen sei, daß ein Magnetfluß ΦA durch den mittleren Teil des Pad-Abschnitts 81 läuft, wodurch ein Eddy- Strom in dem Abschnitt 81 erzeugt wird. Dann teilen die Aussparungen 82 die Schleife des Eddy-Stroms in kleine Eddy- Ströme iAa auf, die in den jeweiligen Bereichen 811 eingegrenzt sind (confined). Der Leistungsverlust im gesamten Pad-Abschnitt 81, der aus den kleinen Eddy-Strömen iAa resultiert, ist kleiner als in dem Fall, in dem der Abschnitt 81 keine Aussparungen insgesamt hat. Das planare Induktionselement hat daher einen relativ niedrigen Wechselstromwiderstand und kann mit einer höheren Effizienz arbeiten.
Wie es vorangehend beschrieben wurde, kann ein Anstieg im Widerstand des planaren Spulenleiters, der in einem Hochfrequenzband auftritt, bei jeder Ausführungsform der Erfindung verringert werden. Der Hochfrequenzverlust kann daher in der planaren magnetischen Vorrichtung der Erfindung verringert werden. Somit kann die Vorrichtung ihren Qualitätsfaktor Q auf einen Maximalwert erhöht haben. Sie kann effizient entweder als planares Induktionselement oder als ein planarer Transformator arbeiten.
Die erfindungsgemäße planare magnetische Vorrichtung kann zwei spiralförmige planare Spulen haben, die Seite an Seite in der gleichen Ebene angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind. In diesem Fall kann die Vorrichtung als ein planares Induktionselement verwendet werden, das eine hohe Induktivität hat.
Der Eddy-Strom, der in den Weichmagnetschichten, die in der planaren magnetischen Vorrichtung der Erfindung enthalten sind, erzeugt wird, ist klein, da die Schichten aus uniaxialem anisotropen Material gebildet sind. Somit ist der Hochfrequenzverlust in den Weichmagnetschichten proportional klein. Des weiteren führt oder führen die planare Spule oder Spulen, die in der planaren Vorrichtung vorgesehen sind, ihre Funktion mit hoher Effizienz durch, da ein großer Teil der Spule oder Spulen in einer Richtung der schweren Magnetisierung angeordnet sind. Zusätzlich wird die planare Spule 21 nicht insgesamt unterbrochen, auch wenn einige der Spulenleiter unterbrochen sind. Die planare Spule kann daher mit einer hohen Ausbeute und niedrigen Kosten hergestellt werden.
Darüber hinaus kann die Erfindung eine planare Magnetvorrichtung mit zwei Weichmagnetschichten, einer zwischen den Schichten liegenden planaren Spule mit einer Öffnung in ihrer Mitte, und mit einem Pad-Abschnitt, der zwischen den Schichten zwischenliegt und in der Öffnung der Spule angeordnet ist, bereitstellen. Die Weichmagnetschichten haben jeweils ein Loch, das größer als der Pad-Abschnitt ist und konzentrisch mit dem Pad-Abschnitt ist. Somit läuft kein Teil des Magnetflusses, der sich von einer Weichmagnetschicht zu der anderen Weichmagnetschicht erstreckt, durch den Pad- Abschnitt. Dies unterdrückt die Erzeugung eines Eddy-Stroms in dem Pad-Abschnitt. Der Leistungsverlust in dem Pad- Abschnitt ist daher klein. Die planare Magnetvorrichtung hat einen relativ niedrigen Wechselstromwiderstand und kann mit hoher Effizienz arbeiten.
Darüber hinaus kann die Erfindung eine planare Magnetvorrichtung bereitstellen, bei der eine Anzahl von Aussparungen in den Pad-Abschnitt geschnitten sind, wodurch der Abschnitt in eine Mehrzahl von Bereichen unterteilt ist. Die Aussparungen teilen die Schleife eines Eddy-Stroms, der in dem Pad-Abschnitt erzeugt wird, wenn ein Magnetfluß durch den Abschnitt hindurchläuft, in kleine Eddy-Ströme auf. Anders gesagt, die kleinen Ströme sind in den jeweiligen Bereichen eingegrenzt. Der Leistungsverlust im gesamten Pad- Abschnitt, der aus den kleinen Eddy-Strömen resultiert, ist kleiner als anders. Die planare Magnetvorrichtung hat daher einen relativ niedrigen Wechselstromwiderstand und kann mit einer hohen Effizienz arbeiten. Zusätzliche Vorteile und Modifikationen werden sich für den Fachmann leicht von selbst ergeben. Daher ist die Erfindung in ihren breitesten Aspekten nicht auf die spezifischen Details und die repräsentativen Vorrichtungen begrenzt, die hier gezeigt und beschrieben wurden. Dementsprechend können verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der beiliegenden Ansprüche vorgenommen werden.

Claims

1. Flächen-Magnetvorrichtung mit:

mindestens einer Flächen-Spule (71);

zwei Isolationsschichten (72), wobei mindestens eine Flächen-Spule (71) zwischen diesen liegt; und

zwei Weichmagnetschichten (731, 732), wobei die Isolationsschichten (72) zwischen diesen liegen;

gekennzeichnet durch einen Pad-Abschnitt (74, 81), der zwischen den Isolationsschichten (72) angeordnet und mit einer externen Schaltung verbunden ist, und durch Löcher (731a, 732a) in beiden Magnetschichten in der Region des Pad- Abschnitts (74, 81), wobei beide Löcher (731a, 732a) größer als der Pad-Abschnitt (74, 81) sind.

2. Flächen-Magnetvorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (11, 15, 21, 31, 41, 51, 61, 62, 71) aus einem Spulenleiter gebildet wird, der aus einer Mehrzahl von Leitungen besteht (111, 151, 211, 311, 411, 511, 611, 621).

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (11, 15, 21, 31, 41, 51, 61, 62, 71) durch Bilden einer leitenden Schicht auf einer der Isolierungsschichten (12, 22, 32, 42, 52, 63, 72) und Entfernen eines Teils der leitenden Schicht gebildet wird.

4. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens zwei Flächen-Spulen (15), wobei diese zwischen den isolierenden Schichten liegend und eine über der anderen angeordnet sind, und Isolierungsschichten, die zwischen den mindestens zwei Flächen-Spulen (15) angeordnet sind.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (61, 62) von zwei spiralförmigen Flächen-Spulen (61, 62) gebildet ist, die Seite an Seite in der gleichen Ebene angeordnet und miteinander elektrisch verbunden sind.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Weichmagnetschichten (23, 33, 43, 53, 64) aus uniaxialem anisotropen Material hergestellt sind und eine Achse der schweren Magnetisierung und eine Achse der leichten Magnetisierung aufweisen.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Flächen-Spule (31) eine abgeplattete spiralförmige Flächen-Spule (31) ist, die aus geraden Leitern (311), die in der schweren Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht (33) angeordnet sind, und bogenförmigen Leitern (312), die in der leichten Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht (33) angeordnet sind, aufgebaut ist, oder eine rechtwinklige spiralförmige Flächen-Spule (41, 61, 62) ist, die aus Leitern (411, 611, 621), die sich parallel zu einer großen Achse erstrecken und in der schweren Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schichten (43, 64) angeordnet sind, und Leitern (412, 612, 622), die sich parallel zu einer kleinen Achse erstrecken und in der leichten Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schichten (43, 64) angeordnet sind, aufgebaut ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bogenförmigen Leiter (312) der abgeplatteten spiralförmigen Spule (31) ein einzelner Leiter ist oder teilweise elektrisch verbunden sind, und jeder der Leiter (412, 612, 622) der rechtwinkligen spiralförmigen Spule (41, 61, 62), die sich parallel zu der kleinen Achse erstrecken, ein einziger Leiter ist oder durch eine Mehrzahl von teilweise elektrisch verbundenen Leitungen aufgebaut wird.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet ferner durch Umfassen eines Magnet-Bypass (733), weichmagnetische Schichten (731, 732) und Verbinden der weichmagnetischen Schichten (731, 732).

10. Flächen-Magnetvorrichtung gemäß Anspruch 1, und dadurch gekennzeichnet, dass der Pad-Abschnitt (81) eine Mehrzahl von Kerben aufweist, die in seinen Rändern geschnitten sind, wobei die Kerben den Pad-Abschnitt in eine Mehrzahl von Regionen (811) aufteilen.