(57)【要約】  本発明による誘導マイクロデバイスは、複数の分離された長方形の折り返し部（１４）を備え、直線的に伸びている、ソレノイド巻線（１３）を備え、折り返し部の各々は、所定の寸法を有している。折り返し部（１４）の寸法のうちの少なくとも１つは、可変であり、且つ、巻線（１３）に沿った折り返し部の位置と、巻線（１３）の所定の磁気特性（特に、均一な磁界及び／又は最適な品質ファクター）とに応じて、各折り返し部（１４）について個別に決定される。折り返し部（１４）の上記可変な寸法は、幅、長さ、厚さ（ＥＢＯＢ）、折り返し部の高さ（ＩＳＯＬ）、及び２つの隣接する折り返し部（１４）間のギャップ（ＩＮＴ）の値から選択される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の分離された長方形の折り返し部（１４）を備え、直線的に伸びている、ソレノイド巻線（１３）を備え、前記折り返し部の各々が、所定の寸法（ＬＢＯＢ、ＷＢＯＢ、ＥＢＯＢ、ＩＳＯＬ、ＩＮＴ）を有する誘導マイクロデバイスであって、
前記折り返し部（１４）の前記寸法のうちの少なくとも１つは、可変であり、且つ、前記巻線（１３）に沿った前記折り返し部の位置と、前記巻線（１３）の所定の磁気特性とに応じて、各折り返し部（１４）について個別に決定されることを特徴とする誘導マイクロデバイス。
【請求項２】
前記折り返し部（１４）の前記可変な寸法は、前記巻線（１３）の中心において、前記巻線（１３）の端部においてよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロデバイス。
【請求項３】
前記折り返し部（１４）の前記可変な寸法は、前記巻線（１３）の中心に対して対称的に変化することを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロデバイス。
【請求項４】
前記折り返し部（１４）の前記可変な寸法は、幅（ＷＢＯＢ）、長さ（ＬＢＯＢ）、厚さ（ＥＢＯＢ）、折り返し部の高さ（ＩＳＯＬ）、及び２つの折り返し部間のギャップ（ＩＮＴ）から選択されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロデバイス。
【請求項５】
前記巻線（１３）の２つの隣接する折り返し部（１４）間のギャップ（ＩＮＴ）の値は、一定であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロデバイス。
【請求項６】
前記巻線（１３）の２つの隣接する折り返し部（１４）間のギャップ（ＩＮＴ）の値は、可変であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロデバイス。
【請求項７】
前記マイクロデバイスは、前記巻線（１３）に沿って少なくとも１つの可変な所定の寸法（ＬＭＡＧ、ＷＭＡＧ、ＥＭＡＧ）を有する棒の形状の磁心（１５）を取り囲んでいることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロデバイス。
【請求項８】
前記磁心（１５）の前記可変な寸法は、前記磁心（１５）の幅（ＷＭＡＧ）、長さ（ＬＭＡＧ）、及び厚さ（ＥＭＡＧ）から選択されることを特徴とする請求項７に記載のマイクロデバイス。
【請求項９】
前記磁心（１５）の厚さ（ＥＭＡＧ）は、前記巻線（１３）に沿って一定であることを特徴とする請求項８に記載のマイクロデバイス。
【請求項１０】
前記可変な所定の寸法は、前記ソレノイド巻線（１３）に沿って徐々に変化することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のマイクロデバイス。
【請求項１１】
前記可変な所定の寸法は、幾何級数に従うことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のマイクロデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の分離された長方形の折り返し部（disjointed rectangular turns）を備え、直線的に伸びている（rectilinear）、ソレノイド巻線を備え、折り返し部の各々が、所定の寸法を有する誘導マイクロデバイスに関する。
【０００２】
本発明は特に、低損失又は非常に均一な磁束密度を必要とするインダクタ、変圧器、磁気記録ヘッド、アクチュエータ、センサ等を含むタイプの、一体化された又は一体化されていない全ての誘導システムに適用される。本発明は、より詳細には、一体化されたマイクロインダクタに適用される。
【背景技術】
【０００３】
様々なタイプ（例えば、ソレノイドタイプ又はらせんタイプ等）の巻線を有する一体化されたマイクロインダクタが、今や長年にわたって存在している。らせん巻線では、巻線の中心に位置する折り返し部が、一般に、他の折り返し部よりも、高周波数損失に、より多く寄与する。当該損失は、一般に、折り返し部の厚さに比例すると共に、折り返し部の幅の３乗に比例する。新しいらせん形状が設計され提案されてきているが、それららせん形状のゲインは、制限されることが判明している。
【０００４】
従来のソレノイド巻線は、周期的な構造を有するという利点を示し、この周期的な構造は、当然のことながら近接効果を制限する。しかしながら、ソレノイドの端部では、近接効果は、依然として非常に高いままである。更に、ソレノイドの内部では、磁束はかなり不均一になることもあり、これは、磁性材料が存在する場合には、問題を引き起こすこともある。
【０００５】
例示のために、図１は、巻線２ａ上に配置された（例えば台形の形状の）４つの磁気エレメント２ｂを備えるらせんの形状の巻線２ａを有する一体化されたインダクタ１を示している。これは特に、B.Viala等による論文「Bidirectional ferromagnetic spiral inductors using single deposition」（IEEE Trans. Magnetics, vol.41, no 10, pp. 3544-3549, October 2005）中や、K.H. Kim等による論文「Dual spiral sandwiched magnetic thin film inductor using Fe-Hf-N soft magnetic films as a magnetic core」（Journal of Magnetism and Magnetic Materials 239, 2002, 579-581）中で説明されている。このタイプのインダクタ１、即ち、複数の磁気面を有する平面らせん巻線を有するインダクタは、一体化が特に非常に容易であることから、マイクロエレクトロニクスでは最も一般的に使用される。
【０００６】
しかしながら、巻線内の近接効果、特に、内部の折り返し部のレベルにおける近接効果は、非常に高い。当該効果は、特にB.Viala等による論文「Investigation of anomalous losses in thick Cu ferromagnetic spiral inductors」（IEEE Trans. Magnetics, vol.41, no 10, pp. 3583-3585, October 2005）中や、W.B. Kuhn等による論文「Analysis of current crowding effects in multiturn spiral inductors」（IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol.49, no 1, pp. 31-38, January 2001）中で説明されているように、高透磁率磁性材料の存在により、更にその上に増大される可能性がある。
【０００７】
上述の損失の影響を低減させるために、図２に示すように、幅が可変な折り返し部を有する平面らせん（planar spiral）４の形状のインダクタンス３が提案されている。上記の幅、特に、らせん４の内部の折り返し部の幅を低減させることは、損失に対する折り返し部の寄与を制限することをもたらす。しかしながら、これはまた、特にA-S. Royet等による論文「Investigation of Proximity Effects in Ferromagnetic Inductors with Different Topologies: modeling and solutions」（Trans. Of the Magnetic Society of Japan, vol. 5, no 4, November 2005）中で説明されているように、近似的に同じＤＣ抵抗（直流（ＤＣ））を保持するために、外側の折り返し部の幅の増大をもたらす。しかしながら、磁界は、依然として不均一のままであり、これは、インダクタの品質ファクターを制限する。
【０００８】
図３ａ及び３ｂでは、平面らせん６ａの形状を有し、誘導電流ループを制限するために、複数のブレード６ｂ（例えば図３ｂの３つのブレード６ｂ）により形成されたらせん６ａを有する、別の形状のインダクタ５が提案されている。これは特に、A-S. Royet等による論文「Investigation of Proximity Effects in Ferromagnetic Inductors with Different Topologies: modeling and solutions」（Trans. Of the Magnetic Society of Japan, vol. 5, no 4, November 2005）中で説明されている。しかしながら、巻線の伝導度が高いので、電流ループは非常にわずかしか減衰されず、品質ファクターゲインも比較的小さいものとなる。
【０００９】
図４では、直線的に伸びており、互いに並行に配置されている複数のソレノイド巻線８を有する別のタイプのインダクタ７が示されている。これは特に、Chong H. Ahn等による論文「A Fully Integrated Planar Toroidal Inductor with a Micromachined Nickel-Iron Magnetic Bar」（IEEE Trans. Components, Packaging and Manufacturing Technology - part A, vol. 17, no 3, September 1994）中で説明されている。この種のもともと周期的な幾何学形状においては、近接効果はより小さくなる。なぜならば、ソレノイド８の中心にある折り返し部９では、隣接する折り返し部により生成される磁界は、大部分が打ち消されるからである。
【００１０】
しかしながら、ソレノイド８の端部にある折り返し部９では、この打ち消しは存在しない。更に、折り返し部９の内部では、近接効果は、当該折り返し部の底部と上部との間に存在しており、これらの効果は、磁性材料が存在する場合には更に増大される可能性がある。磁界は、ソレノイド８の内部では更に不均一であり、これは、磁心（magnetic core）が使用される際の電流強度に関して問題を引き起こすこともある。
【００１１】
磁心の領域が、他の領域よりも強い磁界を受ける場合、磁心の領域は、実際、容易に飽和させられることになり、インダクタ７は、巻線８を通して流れる電流のレベルに対し非常に敏感に反応することになる。また、非常に弱い磁界を受ける磁心の部分は、ほとんど応答しないことになり、インダクタンスに小さな程度しか関与しないことになる。その結果、インダクタンスと電流強度との間のトレードオフは、最適からほど遠いものとなる。
【００１２】
オープンに直線的に伸びているソレノイド巻線１０をそれぞれ縦断面図（longitudinal cross-section）、平面図（top view）、及び横断面図（transverse cross-section）の形で示す図５ａから５ｃに示すように、一般に、ソレノイド巻線１０は、複数の分離された長方形の折り返し部１１（図５ｃ）、即ち、図５ａにて破線で示すように、互いに隣接していないが１つの同じコイルを形成している複数の折り返し部１１を備えている。折り返し部１１の各々は、次の幾何学的パラメータにより規定される。即ち、幅ＷＢＯＢ（図５ｂ）、長さＬＢＯＢ（図５ｂ）、厚さＥＢＯＢ（図５ａ）、及び折り返し部の高さ（height of turn）ＩＳＯＬ（図５ｃ）である。折り返し部の高さは、それが特に、巻線の絶縁を規定する巻線の上部と底部との間の距離に対応するので、ＩＳＯＬと呼ばれる。
【００１３】
巻線１０はまた、２つの隣接する折り返し部１１間のギャップＩＮＴ（図５ａ）により規定されると共に、巻線１０の折り返し部の数Ｎにより規定される。巻線１０が磁心１２に関連づけられる場合には、次の幾何学的パラメータも考慮する必要がある。即ち、磁心１２の厚さＥＭＡＧ（図５ａ）、長さＬＭＡＧ、及び幅ＷＭＡＧ（図５ｂ）である。
【００１４】
しかしながら、直線的に伸びるソレノイド巻線１０のこの一般的な構成は、実施することは容易であるものの、磁界は不均一のままとなる。
【発明の概要】
【００１５】
本発明の目的は、上述の全ての欠点を改善することであり、実施することが容易で、任意のタイプの応用に使用することが可能で、近接効果を低減すること、高周波数損失を低減すること、及び均一な磁束がソレノイド巻線に沿って全ての部分で得られることを可能にするソレノイドタイプの巻線を有する誘導マイクロデバイスを提供することである。
【００１６】
本発明によれば、この目的は、添付の特許請求の範囲により達成され、より詳細には、折り返し部の寸法のうちの１つが、可変であり、且つ、巻線に沿った折り返し部の位置と、巻線の所定の磁気特性とに応じて、各折り返し部について個別に決定されることにより達成される。
【００１７】
その他の利点及び特徴は、専ら非限定的な例示のために与えられ、且つ、添付の図面に示されている、本発明の個々の実施形態についての以下の説明から、より明確に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】先行技術による、平面らせん巻線を有し、複数の磁気面を有するインダクタの特定の実施形態を概略的に表す図である。
【図２】先行技術による、平面らせん巻線を有するその他のタイプのインダクタを概略的に表す図である。
【図３ａ】先行技術による、平面らせん巻線を有するその他のタイプのインダクタを概略的に表す図である。
【図３ｂ】先行技術による、平面らせん巻線を有するその他のタイプのインダクタを概略的に表す図である。
【図４】先行技術による、直線的に伸びたソレノイド巻線を有するインダクタの特定の実施形態を概略的に表す図である。
【図５ａ】先行技術による、長方形の横断面を有し、直線的に伸びているソレノイド巻線の特定の実施形態の縦断面正面図である。
【図５ｂ】先行技術による、長方形の横断面を有し、直線的に伸びているソレノイド巻線の特定の実施形態の平面図である。
【図５ｃ】先行技術による、長方形の横断面を有し、直線的に伸びているソレノイド巻線の特定の実施形態の横断面側面図である。
【図６ａ】本発明による、長方形の横断面を有し、直線的に伸びているソレノイド巻線の特定の実施形態の縦断面正面図である。
【図６ｂ】本発明による、長方形の横断面を有し、直線的に伸びているソレノイド巻線の特定の実施形態の平面図である。
【図７ａ】図６ａ及び図６ｂのソレノイド巻線の代替実施形態を非常に概略的に表す図である。
【図７ｂ】図６ａ及び図６ｂのソレノイド巻線の代替実施形態を非常に概略的に表す図である。
【図７ｃ】図６ａ及び図６ｂのソレノイド巻線の代替実施形態を非常に概略的に表す図である。
【図８】折り返し部の幅が幾何級数に応じて変化するソレノイド巻線の縦軸（longitudial axis）に沿った磁界の標準偏差を、この幾何級数の比に応じて与えたグラフである。
【図９ａ】図８のグラフのあるポイントの巻線の形状を示す平面図である。
【図９ｂ】図８のグラフのあるポイントの巻線の形状を示す平面図である。
【図１０】折り返し部の幅と折り返し部の長さとが共にＱＷとＱＬのそれぞれの比の幾何級数に応じて変化する巻線の標準化された品質ファクターを、ＱＬの様々な値についてＱＷに応じて表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図６ａから図１０を参照するに、誘導マイクロデバイスは、ソレノイド巻線、より正確には、ソレノイドマイクロ巻線（solenoid micro-winding）を備えている。本発明による、長方形の横断面を有し、直線的に伸びているソレノイド巻線１３（図６ａ）は、好ましくは、複数の分離された長方形の折り返し部１４を備える。巻線１３の折り返し部１４は、長方形である。即ち、各折り返し部は、側面から見て、２つの上部水平ブランチ及び底部水平ブランチと、これら上部ブランチと底部ブランチとをつなぎ合わせる２つの側面ブランチとを定めるほぼ長方形の形状を示している（図５ｃ）。２つの連続する折り返し部１４は、隣接してはおらず、巻線１３の全ての折り返し部１４は、図６ａにて破線で示されているように、１つの同じコイルを形成している。各折り返し部１４は、より詳細には、長方形の横断面（図６ａ）を示しており、巻線１３の各折り返し部１４は、この場合、所定の寸法、即ち、幅ＷＢＯＢ、長さＬＢＯＢ、厚さＥＢＯＢ、及び折り返し部の高さＩＳＯＬにより、上記のように規定される。
【００２０】
本発明の一般的な原理は、図６ａ及び図６ｂに示されている。図６ａ及び図６ｂにおいて、直線的に伸びるソレノイド巻線１３は、５つの長方形の分離された折り返し部１４を備えており、これらの折り返し部１４はそれぞれ、幅ＷＢＯＢ１からＷＢＯＢ５（図６ｂ）と、長さＬＢＯＢ１からＬＢＯＢ５（図６ｂ）と、厚さＥＢＯＢ１からＥＢＯＢ５（図６ａ）と、折り返し部の高さＩＳＯＬ１からＩＳＯＬ５（図６ａ）とを有しており、全てが異なる値となっている。巻線１３はまた、２つの隣接する折り返し部１４間のギャップＩＮＴについても、連続する折り返し部１４において様々なギャップを示す（即ち、ＩＮＴ１からＩＮＴ４）。巻線１３は、ソレノイド巻線１３の各折り返し部１４に関連づけられた、様々な断面を有する棒（bar）の形状の磁心１５に関連づけられている。
【００２１】
図６ａ及び図６ｂにおいて、各折り返し部１４の寸法は、ソレノイド巻線１３に沿った折り返し部１４の位置に応じて変化する。また、各折り返し部１４の寸法は、例えば、均一な磁界が必要とされる場合、又は最適な品質ファクターを得る必要がある場合には、特に巻線１３の所定の磁気特性に応じて、各折り返し部１４について個別に決定される。
【００２２】
図６ａ及び図６ｂにおいて、幅ＷＢＯＢ１からＷＢＯＢ５は、全て互いに異なっており、第５の折り返し部の幅ＷＢＯＢ５が、第１の折り返し部の幅ＷＢＯＢ１よりも大きく、第１の折り返し部の幅ＷＢＯＢ１が、第３の折り返し部の幅ＷＢＯＢ３よりも大きく、第３の折り返し部の幅ＷＢＯＢ３が、第２の折り返し部の幅ＷＢＯＢ２よりも大きく、第２の折り返し部の幅ＷＢＯＢ２が、第４の折り返し部の幅ＷＢＯＢ４よりも大きくなっている。長さも、互いに異なっており、ＬＢＯＢ３がＬＢＯＢ４よりも大きく、ＬＢＯＢ４がＬＢＯＢ１よりも大きく、ＬＢＯＢ１がＬＢＯＢ２よりも大きく、ＬＢＯＢ２がＬＢＯＢ５よりも大きくなっている。厚さも、互いに異なっており、ＥＢＯＢ５がＥＢＯＢ２よりも大きく、ＥＢＯＢ２がＥＢＯＢ３よりも大きく、ＥＢＯＢ３がＥＢＯＢ１よりも大きく、ＥＢＯＢ１がＥＢＯＢ４よりも大きくなっている。最後に、折り返し部の高さも、折り返し部ごとに異なっており、ＩＳＯＬ３がＩＳＯＬ１よりも大きく、ＩＳＯＬ１がＩＳＯＬ２よりも大きく、ＩＳＯＬ２がＩＳＯＬ４よりも大きく、ＩＳＯＬ４がＩＳＯＬ５よりも大きくなっている。
【００２３】
従って、磁心１５も同様に、各断面が巻線１３の折り返し部１４に関連づけられた５つの異なる断面を備えている。これらの断面は、これらの幅ＷＭＡＧと、これらの長さＬＭＡＧと、これらの厚さＥＭＡＧにより規定される。これらの断面は、例えばほぼ平坦であり、且つ、これらの断面は、例えばほぼ台形の断面遷移ゾーン（section transition zones）によりつなぎ合わされている。図６ａ及び図６ｂにおいて、磁心１５の断面の寸法は、巻線１３に沿って変化し、例えば、第３の断面の厚さＥＭＡＧ３が、第４の断面の厚さＥＭＡＧ４よりも大きく、第４の断面の厚さＥＭＡＧ４が、第５の断面の厚さＥＭＡＧ５よりも大きく、第５の断面の厚さＥＭＡＧ５が、第２の断面の厚さＥＭＡＧ２よりも大きく、第２の断面の厚さＥＭＡＧ２が、第１の断面の厚さＥＭＡＧ１よりも大きくなっている（図６ａ）。同様に（図６ｂ）、第３の断面の幅ＷＭＡＧ３は、第４の断面の幅ＷＭＡＧ４よりも大きく、第４の断面の幅ＷＭＡＧ４は、第１の断面の幅ＷＭＡＧ１よりも大きく、第１の断面の幅ＷＭＡＧ１は、第２の断面の幅ＷＭＡＧ２よりも大きく、第２の断面の幅ＷＭＡＧ２は、第５の断面の幅ＷＭＡＧ５よりも大きくなっている。
【００２４】
ソレノイド巻線１３に関連する磁心１５の寸法の変化は、関連する折り返し部１４の寸法に応じて、又はソレノイド巻線１３に沿った磁心１５の断面の位置に応じて独立に、且つソレノイド巻線１３について必要とされる磁気特性に応じて決定される。
【００２５】
従って、巻線１３の各折り返し部１４の寸法と、関連する磁心１５の各断面の寸法の最適化は、ソレノイド巻線１３自体の動作を改善するだけでなく、そのようなソレノイド巻線１３を組み込んでいる種々の誘導システムの性能をも改善するという目的を有する。
【００２６】
これにより、本発明のソレノイド巻線１３では、（特に近接効果の低減により、）最大品質ファクター又はほぼ均一な磁界を得ることが可能となり、これにより、磁心を有する又は有しない任意のタイプの誘導コンポーネントについて、包括的な設計ソリューションが提供される。
【００２７】
図７ａから図７ｃに示す代替実施形態では、ソレノイド巻線は、非常に概略的に表されている。ソレノイド巻線１３は、例えば徐々に変化する寸法を有し、好ましくは、巻線１３に沿って対称的な５つの分離された長方形の折り返し部１４を備えている。図７ａから図７ｃにおいて、折り返し部は、巻線１３の縦方向基準軸ＡＡに対して垂直に方向づけられており、折り返し部１４の寸法は、巻線１３の中央の折り返し部に対して対称的に変化する。そのような構成は特に、磁界が、巻線１３の端部のレベルにおいてより均一であることを可能にする。
【００２８】
図７ａに示す特定の実施形態では、ソレノイド巻線１３は、特に関連する技術的制約条件を考慮して、同じ長さＬＢＯＢ、好ましくは更に同じ厚さＥＢＯＢを有する５つの折り返し部１４を備えている。従って、基準軸ＡＡに沿うソレノイド巻線１３に沿って変化するのは、折り返し部１４の幅ＷＢＯＢであり、中央の折り返し部１４の幅ＷＢＯＢ３は、他の折り返し部１４の幅よりも大きく、幅ＷＢＯＢは特に、折り返し部１４の位置に応じて、且つソレノイド巻線１３について必要とされる磁気特性に応じて変化する。
【００２９】
図７ｂにおいては、ソレノイド巻線１３の代替実施形態は、折り返し部１４の可変な所定の寸法だけ、図７ａに示すソレノイド巻線１３と異なっている。図７ｂにおいて、可変で、好ましくは対称的であるのは、折り返し部１４の厚さＥＢＯＢであり、中央の折り返し部１４の厚さＥＢＯＢ３は、他の折り返し部１４の厚さよりも大きく、厚さＥＢＯＢは特に、折り返し部１４の位置に対し、且つ巻線１３について必要とされる磁気特性に対し可変となり、好ましくは更に対称的となる。折り返し部１４の長さＬＢＯＢ及び幅ＷＢＯＢは、その場合、巻線１３の全ての折り返し部１４について同一であることが好ましい。
【００３０】
図７ｃにおいては、ソレノイド巻線１３の代替実施形態は、巻線に沿って変化する所定の寸法だけ、図７ａ及び図７ｂに示すソレノイド巻線１３と異なっている。図７ｃにおいて、変化し、好ましくは対称的であるのは、折り返し部１４の長さＬＢＯＢであり、中央の折り返し部１４の長さＬＢＯＢ３は、他の折り返し部１４の長さよりも大きく、長さＬＢＯＢは特に、折り返し部１４の位置と、巻線１３について必要とされる磁気特性とに応じて変化し、好ましくは更に、これら位置と磁気特性とに対し対称的となる。折り返し部１４の幅ＷＢＯＢ及び厚さＥＢＯＢは、その場合、巻線１３の全ての折り返し部１４について同一であることが好ましい。
【００３１】
更に、図７ａから図７ｃに示す代替実施形態では、巻線１３の２つの隣接した折り返し部１４間のギャップＩＮＴの値は一定であり（図７ａ）、折り返し部の高さＩＳＯＬもまた、巻線１３の全ての折り返し部１４について一定である（図７ｂ）。図６ａ及び図６ｂに示す代替実施形態では、ギャップＩＮＴの値と、折り返し部の高さＩＳＯＬの値は、折り返し部１４の位置と、巻線１３について必要とされる磁気特性とに応じて、ソレノイド巻線１３に沿って独立に変化することが可能である。
【００３２】
更に、図７ａから図７ｃに示す代替実施形態では、巻線１３は、場合によっては、上述のように（望ましくは対称的に）変化することも可能な所定の寸法を有する磁心（図示せず）に関連づけることが可能である。
【００３３】
巻線の各折り返し部の寸法設定（dimensioning）と、それらの寸法の計算については、図８から図１０を参照して更に詳細に説明する。一般的な方法では、計算において考慮に入れるべき幾何学的パラメータの数は、非常に大きい。ｉで示されるＮ個の折り返し部の各々について、更には関連する磁心について、ＷＢＯＢｉ、ＬＢＯＢｉ、ＥＢＯＢｉ、ＩＳＯＬｉ、ＥＭＡＧｉ、及びＷＭＡＧｉを考慮に入れる必要があり、これらに対し、折り返し部間のＮ−１個のギャップＩＮＴと、磁心の長さＬＭＡＧとを追加する必要があり、これらは、合計して全部で６Ｎ＋（Ｎ−１）＋２＝７Ｎ＋１個のパラメータになる（図６ａ及び図６ｂ）。
【００３４】
一般的な方法では、計算を簡単にするために、ＥＭＡＧ、ＷＭＡＧ（巻線が磁心に関連づけられている場合）、ＩＳＯＬ、ＩＮＴ、及びＥＢＯＢは、一定と考えられる。折り返し部の形状を決定するための最適なトレードオフは、複雑な現象に依存し、特に、誘導電流や、容量効果や、適用可能な場合には磁心を形成する磁性材料の非線形性及び不均一性や、ターゲットとされる作業周波数に依存する。従って、場合によっては、解析的設計モデル又は数値設計モデルと結合された最適化アルゴリズムを用いることが必要である。
【００３５】
本発明によるソレノイド巻線の２次元寸法設定の第１の例では、特にインダクタンスと飽和電流との間のトレードオフを最適化するために、５つの折り返し部を有し、磁心がなく、プレーナ技術を使用して製造される対称的なソレノイド巻線を仮定し、以下の幾何学的パラメータを考慮に入れる。
【００３６】
−  ｉ＝｛１，２，３｝のＷＢＯＢｉ、対称性によりＷＢＯＢ１＝ＷＢＯＢ５及びＷＢＯＢ２＝ＷＢＯＢ４となっている。
【００３７】
−  ＩＮＴ、ＥＢＯＢ、及びＩＳＯＬは、技術的制約条件により、例えば、それぞれ１０μｍ、５μｍ、及び４０μｍに固定される。
【００３８】
−  折り返し部の長さＬＢＯＢは、２次元寸法設定において、どのような役割も果たしていない。
【００３９】
従って、全部で３つの独立な幾何学的パラメータ、即ち、ＷＢＯＢ１、ＷＢＯＢ２、及びＷＢＯＢ３が存在する。これらの幾何学的パラメータは更に、巻線の寸法に関連づけられた制約条件の影響を受ける。この第１の特定の計算例では、幅ＷＢＯＢｉが、中央の折り返し部の幅と比（ratio）Ｑとに対応する第１項の幾何級数ＷＢＯＢ３に従うこと（即ち、ＷＢＯＢ２＝Ｑ×ＷＢＯＢ３、及びＷＢＯＢ１＝Ｑ２×ＷＢＯＢ３）を考慮すると、ＷＢＯＢ３は、巻線の予め規定された最大の長さＬＭＡＸ＝１００μｍに応じて決定されるので、Ｑだけが、次の式を用いて決定すべきものとして残る。
【数１】
2010511301.tif 000003
【００４０】
高さＥＭＡＧ＝５μｍ、長さＬＭＡＸの空間（磁心が存在する場合には、磁心により占有された空間に相当する）内部のソレノイドの中心における磁界の標準偏差σは、例えば、ビオサバールの法則（Biot and Savart's law）から、以下の式により計算される。
【数２】
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【００４１】
この場合、上記計算により、磁束の均一性に対する比Ｑの影響を強調することが可能となる。ソレノイド巻線の軸に沿った磁界成分の平均標準偏差σを、比Ｑに対して示した図８のグラフに示すように、磁界は、Ｑ＝０．６（図９ｂに概略的に示す巻線１３により示されており、折り返し部１４の可変幅を有している）では、Ｑ＝１（図９ａに概略的に示す巻線１３により示されており、巻線１３に沿って全て同一の折り返し部１４を有している）の場合に比べて、２倍均一であることが明らかである。曲線プロットは実際、約０．２６の標準偏差値を有するＱ＝０．６においてその最小値に到達しているのに対し、Ｑ＝１では、標準偏差σは、約０．５２である。図８のグラフからは、可変幅を有する巻線（図９ａ及び９ｂ）を使用することが有利であること、より詳細には、対称的で直線的に伸びており、折り返し部の幅が直線的に伸びる巻線の端部から中心に向かって増大しており、例えば比０．６の幾何級数を有している巻線を使用することが有利であることが結論付けられる。
【００４２】
本発明によるソレノイド巻線の寸法設定の第２の特定の例では、品質ファクターの最適化のための３次元寸法設定を行うことが可能である。依然、５つの折り返し部を有し、磁心がなく、プレーナ技術を使用して作製され、所定のサイズＬＭＡＸ＝２００μｍの正方形に適合する必要のある対称的なソレノイド巻線を考慮すると、次の幾何学的パラメータが考慮に入れられる。
【００４３】
−  ｉ＝｛１，２，３｝のＷＢＯＢｉ、対称性によりＷＢＯＢ１＝ＷＢＯＢ５及びＷＢＯＢ２＝ＷＢＯＢ４となっている。
【００４４】
−  幅ＷＢＯＢｉは、比ＱＷ及び第１項ＷＢＯＢ３の幾何級数に従う（上述の例のように計算することが好ましい）。
【００４５】
−  ｉ＝｛１，２，３｝のＬＢＯＢｉ、対称性によりＬＢＯＢ１＝ＬＢＯＢ５及びＬＢＯＢ２＝ＬＢＯＢ４となっている。
【００４６】
−  長さＬＢＯＢｉは、比ＱＬ及び第１項ＬＢＯＢ３＝ＬＭＡＸの幾何級数に従う。
【００４７】
−  ＩＮＴは、１０μｍに固定される。
【００４８】
−  ＥＢＯＢは、表皮効果を制限するために５μｍに固定される。
【００４９】
−  ＩＳＯＬは、４０μｍに固定される。
【００５０】
従って、２つのパラメータ（即ちＱＷ及びＱＬ）の組合せは、この場合、最適化する必要がある。好ましくは、品質ファクターを計算するための迅速な方法を使用する。特にカーンの方法（Kuhn's method）は、W. B. Kuhn等による論文「Analysis of current crowding effects in multiturn spiral inductors」（IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 49, no 1, pp. 31-38, January 2001）中で説明されているように、近接効果による損失を計算することを可能にする。誘導フィールドは、ビオサバールの法則により計算することが可能である。表皮効果による損失は、プレスの２次元アプローチ（Press's two-dimensional approach）を使用して、特に彼の論文「Resistance and reactance of massed rectangular conductor」（Phys. Review, vol. VIII, no 4, p. 417, 1916）中で説明されているようにして計算することが可能であり、容量効果は無視され、インダクタンスは、磁束の数値計算により計算される。
【００５１】
この場合には、品質ファクターの近似値を計算することが可能であり、この近似値は、その後、巻線折り返し部の最適化された寸法を決定するのに使用することが可能である。標準化された品質ファクターを、比ＱＷに対して示した図１０のグラフに示すように、４つの異なる比の値ＱＬ、即ち、ＱＬ＝１（長いダッシュ記号を有する線）、ＱＬ＝０．９（連続した点を有する線）、ＱＬ＝０．８（短いダッシュ記号を有する線）、及びＱＬ＝０．７（切れ目のない線）については、かなりのゲインが、ＱＷ＝１及びＱＬ＝１の初期構造（即ち、ソレノイドに沿って全ての部分で同じサイズの折り返し部を有し、巻線１３を構成する電気めっきされた銅に相当する２μΩ．ｃｍの典型的な抵抗の巻線）と比べて観察される。
【００５２】
実際、図１０を読み取ると、最良の品質ファクター（別言すると、１に対して最も近いもの）が、比の値ＱＬが０．７について、且つ比の値ＱＷが０．６について得られる。即ち、最良の品質ファクターが、比０．６の幾何級数に応じた幅で、且つ比０．７の幾何級数に応じた長さで、端部から中心に向かって進む折り返し部を有する対称的で直線的に伸びたソレノイド巻線に相当するものとして得られる。
【００５３】
本発明によるソレノイド巻線１３の寸法設定の別の例では、等差級数（arithmetic progression）が、折り返し部の寸法の変化を特徴づけるために使用されてもよい。
【００５４】
従って、上記計算により最適化された形状及び寸法を有する折り返し部を備えるソレノイド巻線では、必要とされる結果に応じて巻線の各断面を個別に最適化することで、可能な磁束分布の中で最良の磁束分布を得ることが可能となる。そのようなソレノイド巻線はまた、最大品質ファクター及び／又は均一な磁界を得ることを可能にし、且つ、当該ソレノイド巻線を使用した誘導システムの性能を、著しく改善することを可能にする。
【００５５】
本発明によるソレノイド巻線は、より詳細には、磁心を有する又は有しないソレノイド巻線が装備された全ての誘導システムに対し、周波数制限又はパワー制限なしに適用される。それは即ち、次の通りである。
【００５６】
−  インダクタ及び変圧器、
−  データストレージ用の磁気記録ヘッド、
−  「フラックスゲート」や「透磁率計」等の誘導センサ、
−  誘導モータ及びアクチュエータ、
−  フィールドを生成するコイル。
【００５７】
例えば、透磁率計を製造するのに、上記のようなソレノイド巻線は、より均一なフィールドを生成し、且つ、近接効果に対してより影響を受けないようにするという、２重の利点を示す。従って、上記のような巻線では、外乱法（disturbance method）による周波数及び磁界により、磁性材料の応答をより高精度に測定することが可能となる。
【００５８】
折り返し部の厚さＥＢＯＢと、折り返し部の高さＩＳＯＬが、巻線に沿って一定である場合には、上記のようなソレノイド巻線を実現するのに、マイクロシステム製造用に使用される技術を使用することが可能である。例えば、一体化された磁気記録ヘッドを製造するための技術に基づいた数多くの製造方法が、使用可能である。厚さＥＢＯＢと、折り返し部の高さＩＳＯＬが、可変である場合には、いささかより複雑な技術を実施してもよい。
【００５９】
「マイクロシステム」技術を使用してソレノイド巻線を製造する方法の一例は、以下のステップを含み得る。導電材料の第１の堆積が、例えば、ダマシン電気分解の方法により行われ、巻線の底部が形成される。次に、第１の絶縁材料が堆積される。
【００６０】
次に、１回以上の磁性材料の堆積（薄層化された磁心を製造する場合には、１回以上の磁性材料及び非磁性材料の堆積）が、磁心の形成のために行われる。次に、１回以上の磁心のリソグラフィ及びエッチングステップが行われる。
【００６１】
次に、絶縁材料の第２の堆積が行われ、更に、２層の絶縁層におけるビアのリソグラフィ及びエッチングステップが、巻線折り返し部に近付けることが可能なように行われる。最後に、導電材料の第２の堆積が行われ、巻線の上部が形成される。
【００６２】
このような「マイクロシステム」タイプの製造方法は特に、ソレノイド巻線を、折り返し部の寸法（特に、長さＬＢＯＢ、幅ＷＢＯＢ、及び折り返し部間の間隔ＩＮＴ）の選択に関し大きな自由度を伴って迅速且つ簡単に得ることを可能にする。これは、マイクロメカニクスの方法、即ち、ワイヤを巻きつけることに基づいた方法によって実現するのは、よりずっと難しい。
【００６３】
本発明は、上述の種々の実施形態のみに限定されるものではない。本発明によるソレノイド巻線は、折り返し部が、巻線に沿った折り返し部の位置と、巻線について必要とされる磁性制約条件とに応じて、巻線に沿った少なくとも１つの可変な寸法を提供すると仮定すると、任意の数の折り返し部を備えることが可能である。
【００６４】
一般的な方法では、折り返し部の寸法の変化がどのようなものであったとしても、最大の寸法を有する折り返し部は、有利には、巻線の中心に配置されるべきである。
【００６５】
ソレノイド巻線の最適な形状の寸法設定及び計算のその他の例では、追加の製造制約条件を考慮に入れることが可能である。ソレノイド巻線の底部は例えば、ソレノイド巻線の上部と同じ厚さを有しない可能性があり、ソレノイド巻線は例えば、対称的でない可能性がある。これらの場合には、考慮に入れるべきパラメータの数が、多数になる。ソレノイドの芯部（heart）にある磁心がソレノイドに対し中心にないことについても、同じことが成り立つことになる。
【００６６】
第１の寸法設定の例（図８、９ａ、９ｂ）に関し、一方の折り返し部から他方の折り返し部へのＤＣ抵抗（直流（ＤＣ））の変化は、例えば、最大抵抗が超過されないよう最大抵抗を固定することにより、又は、標準偏差と直流（低周波数）との積を最小にすることで構造を最適化することにより、考慮に入れてもよい。
【００６７】
他の寸法設定の例（図示せず）では、最適化は、より少ない一定の予め設定された寸法を用いて行ってもよい。そして、遺伝的アルゴリズム等のより複雑な最適化アルゴリズムが、例えば、Ｍａｔｌａｂ（登録商標）又はＯｐｔｉｍｅｔｒｉｃｓ（登録商標）といったモデリング及びシミュレーションソフトウェアを利用して使用されてもよく、これらのアルゴリズムは、制約のある又は制約のない広範囲な最適化方法を提供する。
【００６８】
より一般的な場合には、より正確に最適化すべきパラメータを計算するために、例えば、有限要素法を使用した数値計算ソフトウェアを使用することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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