(57)【要約】【課題】  高周波特性の優れた磁気デバイスおよびそれを用いたスイッチング電源を提供する。【解決手段】  リボン状磁性体層とその長手方向に平行に配置された導体層を有する積層体の巻回体であることを特徴とする磁気デバイス。また、前記リボン状磁性体層の磁化容易方向が概略導体層長手方向と一致させることが好ましい。また、前記巻回体の空隙を、磁性材料と樹脂の混合物で充填してもよい。なら、リボン状磁性体層にはアモルファスリボンが好ましい。このような磁気デバイスはインダクタ、ノイズフィルタ、各種トランスに好適である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リボン状磁性体層とその長手方向に平行に配置された導体層を有する積層体の巻回体であることを特徴とする磁気デバイス。
【請求項２】
前記リボン状磁性体層の磁化容易方向が概略導体層長手方向と一致したことを特徴とする請求項１記載の磁気デバイス。
【請求項３】
前記巻回体の空隙を、磁性材料と樹脂の混合物で充填したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の磁気デバイス。
【請求項４】
前記リボン状磁性体層が磁性材料と樹脂の混合物であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の磁気デバイス。
【請求項５】
前記導体層が複数本の導体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の磁気デバイス。
【請求項６】
前記リボン状磁性体層と前記導体層の間に絶縁性フィルムを介したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の磁気デバイス。
【請求項７】
前記リボン状磁性体層が、アモルファスリボンであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の磁気デバイス。
【請求項８】
前記リボン状磁性体層が接地されている構造を具備することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の磁気デバイス。
【請求項９】
前記磁気デバイスがインダクタ、ノイズフィルタ、トランスのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の磁気デバイス。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の磁気デバイスを用いたことを特徴とするスイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
インダクタ、ノイズフィルタ、各種トランスに好適な磁気デバイスおよびそれを用いたスイッチング電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源回路は高効率で大電流出力が可能で、かつ出力電圧が連続可変できるので近年の携帯機器の低消費電力化を実現する上で重要となっている。しかしながら、スイッチング電源回路はクロックでスイッチをＯＮ、ＯＦＦするため大きなスイッチングノイズが発生する。一方でＬＳＩの低消費電力化に伴う低電圧化でそのノイズは無視できないものになってきている。また、スイッチング周波数が高くなり、従来より高周波で大電流ノイズに対応できるノイズフィルタが必要となっていた。
また、スイッチング電源用インダクタにも高周波、大電流、低損失が要求されている。数ＭＨｚでは主にフェライトを用いたインダクタが使用されるが、フェライトは飽和磁束が低いため大電流では磁気飽和を起こしてしまう。また、アモルファス、センダストなどに比べ保磁力が大きい為、損失が大きくなってしまっていた。一方、アモルファスリボンを用いたインダクタは、ＭＨｚ帯になると急激に透磁率が低下しインダクタンスが劣化する問題があった。
また、携帯機器に搭載するノイズフィルタには小型化も求められるようになっている。特開平５−２９１８６５号公報（特許文献１）では、コイルを巻回したノイズフィルタが提案されている。これは表面が絶縁材で被覆された薄板状の導電線を重ね合わせ渦巻状に巻き回した構造を有し、２つのコイルがそれぞれインダクタンス成分をさらに両者が絶縁材を介して対向することでキャパシタンス成分を有することで分布定数型フィルタを形成している。しかし、自己インダクタンス、相互インダクタンスは大きな値を得られないためその小型化には限界があった。また、特開平７−１２２４６０号公報（特許文献２）では帯状導電体を誘電体シートを介して積層して巻回したＬＣノイズフィルタが提案されているが、自己インダクタンス、相互インダクタンスは大きな値を得られないためその小型化には限界があった。
これら特許文献１および特許文献２のノイズフィルタは、いずれも非磁性の金属材料を用いていたため、自己インダクタンスおよび相互インダクタンスが共に大きな値が得られなかったのである。このような問題に対応するために、特開２００４−３５８８４７号公報（特許文献３）では、非晶質磁性薄帯と樹脂フィルムを交互に積層した磁気コア材料が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９１８６５号公報
【特許文献２】特開平７−１２２４６０号公報
【特許文献３】特開２００４−３５８８４７号公報
【特許文献４】特開平８−５５７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献３の磁気コア材料は非晶質磁性薄帯を用いていることから１０ＭＨｚ以下の領域ではインダクタンス値は大きくなったもの、それ以上の高周波域では周波数特性は満足いくものではなかった。つまり、更なる高周波域で使用するとインダクタンス値が急激に低下すると言った現象が起きていたのである。
このような状況に鑑み本発明者は鋭意研究の結果、リボン状磁性体層と導体層の巻回方法を工夫することにより、高周波特性の優れた磁気デバイスを提供できることを見出したのである。
また、従来の磁気デバイスはトランスはトランス専用、ノイズフィルタはノイズフィルタ専用に設計されており、磁気デバイス間での互換性はなかった。そのため、近年のスイッチング電源のように複雑な回路構成を有するものでは、それぞれに部品（磁気デバイス）を用意しなければならないことから組立て性が良いとは言えなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の磁気デバイスは、リボン状磁性体層とその長手方向に平行に配置された導体層を有する積層体の巻回体であることを特徴とするものである。また、前記リボン状磁性体層の磁化容易方向が概略導体層長手方向と一致したものが好ましい。また、前記巻回体の空隙を、磁性材料と樹脂の混合物で充填することが好ましい。また、前記リボン状磁性体層が磁性材料と樹脂の混合物であることが好ましい。また、前記導体層が複数本の導体からなることが好ましい。また、前記リボン状磁性体層と前記導体層の間に絶縁性フィルムを介することが好ましい。また、前記リボン状磁性体層が、アモルファスリボンであることが好ましい。
また、本発明の前記磁気デバイスはインダクタ、ノイズフィルタ、トランスなどの様々な分野に適用可能である。特に、同一形状でインダクタ、ノイズフィルタ等の各種磁気デバイスに適用できることから磁気デバイス間の互換性が成り立つので汎用性が高い。また、前記リボン状磁性体層が接地される構造を具備していることが好ましい。このような磁気デバイスはスイッチング電源に好適である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の磁気デバイスは高周波特性、特に１ＭＨｚ以上の高周波特性に優れ、かつ、磁気飽和し難い。そのため、大電流デバイスに適している。また、それを用いたスイッチング電源は高周波特性の良いものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の磁気デバイスは、リボン状磁性体層とその長手方向に平行に配置された導体層を有する積層体の巻回体であることを特徴とするものである。
まず、リボン状磁性体層は、フェライト、センダスト、アモルファス（非晶質）、微細結晶を有する磁性材料などの磁性粉末を樹脂で固めたもの、急冷凝固法等によって得られた薄帯、絶縁フィルム上にスパッタや蒸着等の気相成長またはメッキにより成膜した磁性膜を用いてもよい。
また、アモルファスは、Ｃｏ系アモルファス、Ｆｅ系アモルファスが挙げられ、微細結晶を有する磁性材料は３００オングストローム（０．０３μｍ）以下の微細結晶を有するＦｅ系磁性材料が挙げられる（特許文献４参照）。また、気相成長またはメッキによる磁性膜としては、ＣｏＺｒＮｂ系、ＣｏＺｒＮｂＴａ系、ＦｅＢＮ系、ＣｏＦｅＢ−ＳｉＯ系、ＣｏＦｅＡｌＯ系、ＣｏＡｌＰｄＯ系、ＣｏＦｅＭｎ系、ＣｏＦｅＮ系、ＦｅＮｉ系等の軟磁性膜が挙げられる。
【０００８】
また、リボン状磁性体層の厚みは１００μｍ以下が好ましい。磁気特性と言う点では１００μｍを超えても問題はないが、巻回することを考慮すると磁性体層の厚みは１００μｍ以下が好ましく、さらには５０μｍ以下である。また、リボン状磁性体層の厚みの下限値は０．１μｍ以上が好ましい。０．１μｍ未満では磁性層が薄く充分な磁気特性が得られない恐れがある。また、薄い磁性層を均一に作製するのは製造上の管理が煩雑になることから０．１μｍ以上が好ましい。このような磁性層の厚みを考慮すると、急冷凝固法により薄帯（リボン）を得ることのできるアモルファスが好ましい材料となる。特にＣｏ系アモルファスであれば磁気特性も良好である。また、リボン状磁性体層は、長手方向に材料の磁気異方性（結晶磁気異方性、誘導磁気異方性など）を重畳させてもよい。
次に、リボン状磁性体層の長手方向に平行に配置された導体層を有するものである。導体層は、Ｃｕ、Ａｌ等の金属材料が好ましい。導体層の形態は、リボン状（薄帯状）でもよいし、気相成長やメッキ等の薄膜であってもよい。導体層の厚みはリボン状磁性体層同様に１００μｍ以下が好ましい。従来のように巻線を施すタイプではないことから磁気デバイスの体積を小さくすることができ小型化を可能とする。
また、リボン状磁性体層と導体層は平行に配置されている。この「平行に配置」とは略平行で良く、両者のなす角が２０°以内の低角であることが望ましい。つまり、リボン状磁性体層の長手方向（磁化容易軸）と導体層の長手方向が略平行であることが重要なのである。また、リボン状磁性体層と導体層のなす角度が２０°以内のことをリボン状磁性体層の磁化容易方向が概略導体層長手方向と一致と称するものとする。
このようなリボン状磁性体層と導体層を長手方向に平行に配置した積層体を形成し、さらに巻回することにより磁気デバイスが形成される。巻回回数は任意である。また、巻回後の形状は円形、楕円、長方形など特に限定されるものではない。
【０００９】
また、リボン状磁性体層が、フェライト、アモルファス等の磁性材料の粉末を樹脂で固めたもの、つまりはリボン状磁性体層が絶縁性を具備している場合は、直接その上に導体層を設けてもよい。一方、アモルファス等のようにリボン状磁性体層が導電性を有している場合は、磁性体層と導体層の間に絶縁層を設ける必要がある。絶縁層は、絶縁性樹脂フィルム、酸化物等の無機絶縁層などが挙げられる。薄帯状の磁性体層および導体層を用いる場合は、絶縁層は樹脂フィルムであることが好ましい。薄帯状の磁性体層、薄帯状の導体層および樹脂フィルムであれば３層ともフィルム状となりロールによる巻取り方式により作製できるので、量産性が向上する。
薄帯状の磁性体層、薄帯状の導体層および樹脂フィルムを用いた磁気デバイスの一例を図１に示す。図中、１は磁気デバイス、２はリボン状磁性体層、３は導体層、４は樹脂フィルム、５は端子である。図中、樹脂フィルム４は磁性層２の両面に設けているが、少なくとも導体層３と磁性層２の間に１層設けてあれば良い。また、樹脂フィルム４を磁性層２の両面に設けておけば、巻回後の最外層の磁性層２が剥き出しにならずに済み、最外層の樹脂フィルムが保護層の役割を果たす。また、導体層３の両端には端子５が設けられている。この端子５は、導体層３を折り曲げて形成してもよいし、別途端子部材を取り付けたものであってもよい。また、樹脂フィルム４には磁性粉末を混合した磁性シートを用いてもよい。
【００１０】
また、導体層は複数本であっても良い（図７参照）。複数本設ける場合であっても、それぞれの導体層はリボン状磁性体層の長手方向に平行に配置するものとする。また、複数の導体層同士は重なり合う部分があっても良いものとする。また、図７のように導体層を複数本とすることにより、複数系のトランスを実現することができる。
また、リボン状磁性体層、絶縁層、導体層はそれぞれ単層であってもよいし、複数層を積層した後、巻回体としてもよい。前述では絶縁層（樹脂フィルム）によりリボン状磁性体層を挟んだ形態について説明したが、例えば、リボン状磁性体層／絶縁層／導体層／絶縁層／リボン状磁性体層／絶縁層…のように各層を複数層設けた積層体を構成した後、巻回体としてもよい（図８参照）。
また、巻回体において、各層の空隙（隙間）に磁性粉末と樹脂の混合物を充填することが好ましい。充填する際の混合物はペースト状であると空隙に詰めやすい。このような混合物を充填するとインダクタンス値を向上させることができる。磁性粉末は、前述に記載のリボン状磁性体層に用いる材料が好ましい。特に、リボン状磁性体層に用いるものと同じであることが好ましい。また、樹脂はシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などが好ましい。
以上のような本発明の磁気デバイスは、電流方向と磁化容易方向が一致する為、磁性体は磁化困難軸方向に磁化されることになり、磁化回転モードで磁化反転が行なわれる。このため周波数特性が大幅に改善され数ＭＨｚで安定したインダクタンスとが得られる。
また、本発明の磁気デバイスは、リボン状磁性体層が接地される構造を具備していても良い。接地される構造とは、例えば図１０に示したように端子５とは別に接地電極６を設ける際に、リボン状磁性体層と接地電極６が導通している状態を示す。この接地電極６は少なくとも１本以上あればよい。また、接地される構造を為し得る際は、リボン状磁性体層の幅＞絶縁層の幅の関係とすることにより、接地電極６とリボン状磁性体層２の導通を取り易くする。また、剥き出しになったリボン状磁性体層には導電性粉末と樹脂の混合物（導電ペースト）を充填し、リボン状磁性体層間が同電位になるように（位相差が生じないように）導電性を具備させることが好ましい。なお、導電性粉末は、銅、銀等の金属粉末が挙げられる。また、導電ペーストを充填する際は、導体層３と導電ペーストが導通しないようにするものとする。
このように、本発明の磁気デバイスは、高周波特性に優れているのでインダクタ、ノイズフィルタ、トランス等の様々な磁気デバイスに好適である。また、従来の磁気デバイスのようにトロイダルコアに巻線を施す必要がないので体積を小さくすることができる。
このような磁気デバイスは、スイッチング電源に有効であり、１ＭＨｚ以上の高周波領域で使用されるスイッチング電源に好適である。
【実施例】
【００１１】
（実施例１）
幅１０ｍｍ×長さ６００ｍｍ×厚さ２５μｍのＣｏ７４Ｆｅ４Ｓｉ８Ｂ１４（ａｔ％）アモルファス合金の溶湯急冷リボンを磁性体層として用いた。導体層は幅２ｍｍ×長さ６００ｍｍ（＋端子部）×厚さ３０μｍの銅箔のスリット材を用い、幅１０ｍｍ×長さ６００ｍｍ×厚さ２５μｍ厚のポリイミドフィルムを絶縁層に用いた。これらを図４のように重ね合わせ巻回体を作製する（アモルファスリボンとその長手方向に平行に導体を配置し絶縁層を介して巻回）ことにより、直径１２ｍｍの図１に示したインダクタを作製した。このとき、磁性体層の長手方向が磁化容易方向と一致する様にした。
このような実施例１に係るインダクタに関して周波数特性を調べた。その結果を図２に示す。図２から明らかなように１ＭＨｚ以上の高周波領域において、インダクタンス値の低下が見られず優れた高周波特性を有していることが分かる。
また、１００ｋＨｚ、励磁交流電圧０．１Ｖに固定し直流重畳電流値（Ａ）を変えた場合のインダクタンス値の変化を調べた。その結果を図３に示す。図３から分かる通り、大電流でも高インダクタンスを維持できる。
このように、電流方向と磁化容易方向が一致する為、磁性体は磁化困難軸方向に磁化される事になり、磁化回転モードで磁化反転が行なわれる。また、磁化容易軸は形状磁気異方性により長手方向につきやすくなっておりその方向に材料の磁気異方性（結晶磁気異方性、誘導磁気異方性など）を重畳してもよい。
【００１２】
（比較例１）
実施例１と同様の材料を用い、アモルファスリボンの長手方向に対し垂直になるように導体層を巻回して直径１２ｍｍの比較例１に係るインダクタを作製した。比較例１に係るインダクタに関してインダクタンスの周波数特性を図５に示す。図５から周波数の増大とともに急激にインダクタンスが小さくなっている。これは磁化反転が磁壁移動により行われるためと考えられる。
（実施例２）
実施例１と同様の材料を用い、アモルファスリボンの長手方向に対し、導体層の角度を変えた場合のインダクタンス値を調べた。その結果を図６に示す。図６から分かる通り、アモルファスリボンの長手方向と導体層の角度が２０°を超えて大きくなると高周波帯域でのインダクタンス値の低下が確認された。従って、アモルファスリボンの長手方向と導体層のなす角度は２０°以下が好ましい範囲である。言い換えれば、磁化容易方向と導体長手方向は、磁化反転が主に磁化回転により実現すれば良いので完全に一致する必要は無く概略一致する様にすれば良いのである。
（実施例３〜５）
次に実施例１のインダクタを用いて、その空隙に磁性粉末と樹脂の混合物（磁性ペースト）を充填したものを実施例３、絶縁層として磁性粉末と樹脂の混合物シート（磁性シート）を用いたものを実施例４、実施例３と実施例４の両方の構成を具備したものを実施例５とした。各実施例に係るインダクタの１００ｋＨｚにおけるインダクタンス値を調べた。その結果を表１に示す。
なお、磁性粉末としてはセンダスト粉（平均粒径１０μｍ以下）、樹脂はシリコーン樹脂を用いた。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
表１から分かる通り、磁性ペーストまたはおよび磁性シートを用いると、磁気効率が向上し、インダクタンス値が向上する。また、導体内部の磁束密度が低減し導体内部での渦電流損失が低減、よってデバイス損失が抑制できる。
（実施例６〜８）
次にノイズフィルタとして用いた例を示す。まず、実施例１と同形状の巻回体を用いたものを実施例６とした。
また、図７に示すように２本の導体を並列に置いたものを実施例７とする。
幅１０ｍｍ×長さ６００ｍｍ×厚さ２５μｍのＣｏ７４Ｆｅ４Ｓｉ８Ｂ１４（ａｔ％）アモルファス合金の溶湯急冷リボンを磁性体層として用いた。導体層は幅９．５ｍｍの片面にＣｕ箔（厚さ１８μｍ）を貼り付けたポリイミドフィルム（厚さ２５μｍ）を、導体幅２ｍｍ、導体間隔１ｍｍ、各テープ端から導体までの距離が２、２．５mmとなる様にエッチング加工したものを、９．５ｍｍ×長さ６００ｍｍ×厚さ２５μｍ厚のポリイミドフィルムを絶縁層に用いた。内部端子部を図９に示すように内径６ｍｍ外径８ｍｍのビニール管を用いて取り出し、図１のように巻回し、直径１５ｍｍの図９に示したインダクタを作製した。このとき、磁性体層の長手方向が磁化容易方向と一致する様にした。また、図１０に示したようにアモルファスリボン間に導体ペーストを埋め込み、アモルファスリボンを接地電極６とした。接地電極６とは端子５のように外部回路に接続するための端子ではなく、あくまで接地用の電極として機能するものである。
実施例６、７に係るノイズフィルタに関して減衰率の周波数特性を調べた。その結果を実施例６は図１１、実施例７は図１２に示した。
各図から分かる通り、各フィルタは、電流方向と磁化容易方向が一致する為、磁性体は磁化困難軸方向に磁化される事になり、磁化回転モードで磁化反転が行なわれる。このため周波数特性が大幅に改善される。このように本実施例にかかる磁気デバイスはインダクタやノイズフィルタなど様々な分野に適用できることから汎用性が高い。
図１１に示す様に透過信号の減衰率は高周波帯域で大きくなり、効果的なlow pass filterが形成される。
また、図１２には差動モード信号の透過信号の減衰率(ＳＣＣ２１)およびコモンモード信号の透過信号の減衰率(ＳＤＤ２１)を示す。１０Ｍ〜数ＧＨｚの広い領域において、コモンモード信号に対する大きな減衰率を示し減衰率を示している。これは、実施例７（図１２）が図８に示すように、２本の導体を絶縁層を介して対向させ、前記２つの導体を磁性体層で挟み込むことで大きな自己インダクタンス、相互インダクタンスおよびキャパシタ成分を得ることができるためである。
また、実施例８として図８に示したように（絶縁層／磁性体層／絶縁層／導体層／絶縁層／導体層）の積層体を巻回し２つの導体を絶縁層を介して対向させたものについて実験を行ったところ実施例７とほぼ同様の結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の磁気デバイスの一例を示す模式図
【図２】実施例（インダクタ）のインダクタンス値の周波数特性の一例を示す図
【図３】実施例（インダクタ）の直流重畳特性の一例を示す図
【図４】本発明の各層の積層形態の一例を示す模式図
【図５】比較例（従来インダクタ）のインダクタンスの周波数特性を示す図
【図６】磁化容易方向とリボン長手方向のなす角度とインダクタンスの周波数特性の関係の一例を示す図
【図７】複数の導体層を配置するときの積層形態の一例を示す模式図
【図８】複数の導体層を配置するときの積層形態の他の一例を示す模式図
【図９】電極の取り出し方の一例を示す図
【図１０】接地電極を設けた一例を示す図
【図１１】実施例６の減衰率の周波数特性を示す図
【図１２】実施例７の減衰率の周波数特性を示す図
【符号の説明】
【００１６】
１…磁気デバイス
２…リボン状磁性体層
３…導体層
４…絶縁層
５…端子部
６…接地電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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