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JPH06236821A - Film type transformer - Google Patents

Film type transformer

Info

Publication number
JPH06236821A
JPH06236821A JP50A JP2397593A JPH06236821A JP H06236821 A JPH06236821 A JP H06236821A JP 50 A JP50 A JP 50A JP 2397593 A JP2397593 A JP 2397593A JP H06236821 A JPH06236821 A JP H06236821A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film type
pattern
type transformer
winding pattern
primary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP50A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshiko Saitou
斎藤兆古
Seiji Hayano
早野誠治
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Research Development Corp of Japan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Research Development Corp of Japan filed Critical Research Development Corp of Japan
Priority to JP50A priority Critical patent/JPH06236821A/en
Publication of JPH06236821A publication Critical patent/JPH06236821A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 巻線導体の表皮効果を利用して磁性材料を用
いなくても1次・2次巻線間の良好な磁気結合が得られ
るようにし、小型、薄型、軽量化を図る。 【構成】 薄膜基板上に近接して形成された1次巻線パ
ターン及び2次巻線パターンを備えたフィルム型トラン
スを複数枚積層し、各層の1次巻線パターン及び2次巻
線パターンを直列または並列に接続し、巻線導体の表皮
効果を利用して磁性材料を用いなくても1次・2次巻線
間の良好な磁気結合が得られるようにしたことを特徴と
する。
(57) [Abstract] [Purpose] Utilizing the skin effect of the winding conductor to obtain good magnetic coupling between the primary and secondary windings without using a magnetic material, and it is small, thin and lightweight. Try to change. [Structure] A plurality of film type transformers each having a primary winding pattern and a secondary winding pattern formed adjacent to each other on a thin film substrate are laminated, and a primary winding pattern and a secondary winding pattern of each layer are formed. It is characterized in that they are connected in series or in parallel so that good magnetic coupling between the primary and secondary windings can be obtained without using a magnetic material by utilizing the skin effect of the winding conductor.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は1枚のフィルム状薄膜基
板に1次コイル、2次コイルパターンを形成したフィル
ム型トランスに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a film type transformer in which a primary coil and a secondary coil pattern are formed on a film-shaped thin film substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、各種電源機器の中で、モータ駆
動用などの中容量(数kW)以上のものはそれ自体を独
立に単体品として製造する場合が多いが、数百あるいは
数十W以下のものはパーソナルコンピュータ等のよう
に、その製品システム中に組み込まれるケースが多い。
特に計算機用電源においては、信号用半導体、すなわち
メモリデバイスの小型・高密度化が飛躍的に進んでお
り、電源のプリント基板上に占める割合が近年大きくな
ってきている。このような背景から小容量電源の一層の
小型・軽量化が要求されている。
2. Description of the Related Art Generally, among various power supply devices, those having a medium capacity (several kW) or more, such as for driving a motor, are often manufactured independently as a single product, but several hundred or several tens of W The following items are often incorporated in a product system such as a personal computer.
Particularly in computer power supplies, signal semiconductors, that is, memory devices, have been dramatically reduced in size and density, and the percentage of power supplies on a printed circuit board has been increasing in recent years. Against this background, there is a demand for smaller and lighter small-capacity power supplies.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】一方、最近の電力用半
導体素子の高周波化に伴い、トランス、インダクタ、お
よびコンデンサの小型化が実現されている。しかし、こ
れらの回路部品の高周波における低損失化が重要な課題
であり、インダクタおよびトランスはフェライトまたは
アモルファス磁性材料を磁心に用いることで高周波時の
低損失化に対応している。しかしながら、これらの磁性
材料においてもいわゆる鉄損が励磁周波数と共に増加す
るため、電源機器の効率を下げる要因となっている。ま
た、磁性材料は、本質的に磁束の飽和状態をもってお
り、インダクタおよびトランスとして使用できる磁束
値、すなわち電圧・時間積に制限があり、機器設計の制
約条件となっいる。このような問題を解決するために
は、究極のトランスである空心トランスを開発すること
が必要である。
On the other hand, with the recent increase in the frequency of power semiconductor elements, miniaturization of transformers, inductors, and capacitors has been realized. However, reducing the loss of these circuit components at high frequencies is an important issue, and the use of ferrite or amorphous magnetic material for the magnetic core of the inductor and transformer corresponds to the reduction of loss at high frequencies. However, also in these magnetic materials, so-called iron loss increases with the excitation frequency, which is a factor that reduces the efficiency of the power supply device. Further, the magnetic material essentially has a saturated state of magnetic flux, and the magnetic flux value that can be used as an inductor and a transformer, that is, the product of voltage and time, is limited, which is a constraint condition for device design. In order to solve such problems, it is necessary to develop an air-core transformer, which is the ultimate transformer.

【0004】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であり、巻線導体の表皮効果を利用して磁性材料を用い
なくても1次・2次巻線間の良好な磁気結合が得られる
ようにし、小型、薄型、軽量化を図ることができるフィ
ルム型トランスを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and good magnetic coupling between primary and secondary windings can be obtained by utilizing the skin effect of a winding conductor without using a magnetic material. Thus, it is an object of the present invention to provide a film type transformer which can be made small, thin and lightweight.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】そのために本発明のフィ
ルム型トランスは、巻線導体の表皮効果を利用して磁性
材料を用いなくても1次・2次巻線間の良好な磁気結合
が得られるようにしたものであり、薄膜基板上に近接し
て形成された1次巻線パターン及び2次巻線パターンを
備えていることを特徴とする。また、本発明は、薄膜基
板上に近接して形成された1次巻線パターン及び2次巻
線パターンからなるフィルム型トランスを複数層積層
し、各層の1次巻線パターン及び2次巻線パターンを直
列または並列に接続したことを特徴とする。
Therefore, in the film type transformer of the present invention, good magnetic coupling between the primary and secondary windings can be achieved by utilizing the skin effect of the winding conductor without using a magnetic material. The present invention is characterized in that it is provided with a primary winding pattern and a secondary winding pattern that are formed close to each other on a thin film substrate. Further, the present invention is to laminate a plurality of film type transformers each having a primary winding pattern and a secondary winding pattern, which are formed close to each other on a thin film substrate, to form a primary winding pattern and a secondary winding of each layer. The feature is that the patterns are connected in series or in parallel.

【0006】[0006]

【作用】本発明のフィルム型トランスは、フィルム状薄
膜基板に変圧器の1次、2次コイルパターンを形成して
薄膜状変圧器を作成するものであり、一枚でも変圧器動
作は可能であるが、低周波特性を改善すること、インピ
ーダンスを負荷と整合させること、複数の入出力端子を
設けること、変圧比の変更等のために複数個の薄膜状変
圧器を積層してもよい。構造的にはこのように一枚の薄
膜基板上に変圧器が作成されるため、パーソナルコンピ
ュータ、ワードプロセッサー、携帯電話など小型、軽量
化が必要な電子機器の電源用、人工衛星搭載用などの用
途にも期待できるものである。
The film type transformer of the present invention forms a thin film transformer by forming primary and secondary coil patterns of the transformer on the film thin film substrate, and even one sheet can operate the transformer. However, a plurality of thin film transformers may be stacked to improve low frequency characteristics, match impedance with a load, provide a plurality of input / output terminals, change a transformation ratio, and the like. Structurally, since a transformer is created on a single thin film substrate in this way, it is used for power supplies for personal computers, word processors, mobile phones, and other electronic devices that need to be compact and lightweight, and for applications such as mounting satellites. Can be expected.

【0007】また、コスト的には印刷技術、エッチング
技術、リソグラフ技術を用いて安価に大量生産が可能で
ある。電気的特性は、高周波特性が良く、積層枚数が増
加する程低周波特性が改善され、薄膜状磁性体や磁性粉
を併用すればより低周波特性が改善され、商用周波数で
も利用可能であり、回路接続を変更することでインピー
ダンスの変更や複数個の入出力端子を設けることなく他
の電子回路も同時に作成すれば薄膜電源やカード電源の
実用化も可能である。
In terms of cost, it is possible to mass-produce inexpensively by using printing technology, etching technology and lithographic technology. As for the electrical characteristics, the high frequency characteristics are good, the low frequency characteristics are improved as the number of laminated layers is increased, and the low frequency characteristics are further improved by using a thin film magnetic material or magnetic powder together, and it can be used at commercial frequencies. A thin film power supply and a card power supply can be put into practical use by changing the circuit connection and simultaneously creating another electronic circuit without changing the impedance or providing a plurality of input / output terminals.

【0008】[0008]

【実施例】まず、本発明の基本原理について説明する。
図7(a)に磁性材料を磁心に用いた従来型のトランス
の原理図を示す。主磁束φm は1次および2次巻線に共
通に鎖交し、一方、漏れ磁束φ11およびφ12は各巻線の
近傍でその磁束を生じさせる電流の流れている巻線と同
じ巻線のみ鎖交している。これらの漏れ磁束は1次・2
次巻線間の幾何学的距離が離れているために生ずるもの
であり、図7(b)に示すように両巻線間の距離を接近
させることで低減できる。さらに励磁周波数を増加させ
ると、表皮効果により導体内部の電流が導体表面に集中
して分布するようになり、これにより各導体の漏れ磁束
となる各導体内部磁束が減少し、1次・2次巻線の結合
係数が向上する。これが本発明のトランスの基本動作原
理であり、導体断面の直径が数100μmのとき励磁周
波数が数10kHz以上になると、磁心がない状態、す
なわち空気中(透磁率μ0 =4π×10-7(H/m))
においても結合係数が70%以上となることが確認され
ている。
First, the basic principle of the present invention will be described.
FIG. 7A shows a principle diagram of a conventional transformer using a magnetic material for the magnetic core. The main magnetic flux φ m is commonly linked to the primary and secondary windings, while the leakage fluxes φ 11 and φ 12 are the same windings as the current-carrying windings that cause the magnetic flux near each winding. Only crossed. These leakage fluxes are
This occurs because the geometrical distance between the subsequent windings is large, and can be reduced by reducing the distance between both windings as shown in FIG. 7B. When the excitation frequency is further increased, the current inside the conductor is concentrated and distributed on the conductor surface due to the skin effect, and the magnetic flux inside each conductor, which is the leakage flux of each conductor, is reduced, and the primary and secondary The coupling coefficient of the winding is improved. This is the basic operation principle of the transformer of the present invention, and when the excitation frequency becomes several tens of kHz or more when the diameter of the conductor cross section is several hundreds μm, there is no magnetic core, that is, in air (permeability μ 0 = 4π × 10 −7 ( H / m))
It has been confirmed that the coupling coefficient is 70% or more.

【0009】次に、簡単のために円形断面の表皮効果に
ついて説明すると、図8に示すような半径a、長さl1
の導体に電流iが流れている時、導体断面上の電流密度
Jに関する支配方程式は、 (l/r)∂(r・(∂J/∂r))/∂r=(μ0 /ρ)∂J/∂t…(1) となる。ただし、r、tおよびρはそれぞれ半径方向の
座標時間および導体の抵抗率を表している。円形境界の
場合のこの種の支配方程式の解はベッセル関数によって
表され、 J(r) =(k1 I/2πa){(I0 (k1 r)/I0 ´(k1 a)}exp(jωt) ……(2) として与えられる。ただし、I0 (k1 r)は0階第1
種の変形ベッセル関数であり、ωを電流の角周波数とし
て k1 =a(ωμ0 π/2ρ)1/2 ……(3) とした。また、I0 ´はI0 の半径方向に対する微分関
数を表し、(1)式右辺の時間微分∂/∂tはjωとし
て解を求めた。
Next, for the sake of simplicity, the skin effect of a circular cross section will be described. As shown in FIG. 8, a radius a and a length l 1
When the current i is flowing in the conductor of, the governing equation for the current density J on the conductor cross section is (l / r) ∂ (r · (∂J / ∂r)) / ∂r = (μ 0 / ρ) ∂J / ∂t ... (1) However, r, t, and ρ represent the coordinate time in the radial direction and the resistivity of the conductor, respectively. The solution of this type of governing equation for a circular boundary is represented by the Bessel function: J (r) = (k 1 I / 2πa) {(I 0 (k 1 r) / I 0 ′ (k 1 a)} exp (jωt) ... (2) where I 0 (k 1 r) is the 0th floor first
It is a modified Bessel function of a kind, and k 1 = a (ωμ 0 π / 2ρ) 1/2 (3) where ω is the angular frequency of the current. Further, I 0 ′ represents the differential function of I 0 in the radial direction, and the time derivative ∂ / ∂t on the right side of the equation (1) was determined as jω.

【0010】まず、図8の導体として内部磁束のみ考慮
すると導体表面の両端電位差Vは導体表面電流が内部磁
束と鎖交していることから、 V=ρI1 J(a) =ρl1 (k1 I/2πa){(I0 (k1 a)/I0 ´(k1 a)} ……(4) として与えられる。一方、図8の導体を集中定数として
みた交流抵抗および内部インダクタンスをRA1およびL
itとすると、 V=(RA1+jωLit)I ……(5) となる。ここで、 I=∫0 a J・2πr・dr ……(6) である。(2)式および(5)式より (1/RD1)(RA1+jωLit) =(k1 a/2){I0 (k1 a)/I0 , (k1 a)} ……(7) を得る。ここで、RD1は導体の直流抵抗で、 RD1=ρl1 /(πa2 ) ……(8) である。
First, considering only the internal magnetic flux as the conductor of FIG. 8, the potential difference V across the conductor surface is V = ρI 1 J (a) = ρl 1 (k because the conductor surface current is interlinked with the internal magnetic flux. 1 I / 2πa) {(I 0 (k 1 a) / I 0 ′ (k 1 a)} ... (4) On the other hand, the AC resistance and internal inductance of the conductor of FIG. R A1 and L
When it, V = (R A1 + jωL it) I ...... it is (5). Here, I = ∫ 0 a J · 2πr · dr (6) From the expressions (2) and (5), (1 / R D1 ) (R A1 + jωL it ) = (k 1 a / 2) {I 0 (k 1 a) / I 0 , (k 1 a)} ...... (7) is obtained. Here, R D1 is the direct current resistance of the conductor, and R D1 = ρl 1 / (πa 2 ) ... (8).

【0011】(7)式の実部および虚部がそれぞれ等し
いことからk1 <lのとき、 RA1≒RD1{l+(1/3)k1 4 } ……(9) Li1≒(μ0 1 /2){l−(1/6)k1 4 } ……(10) また、k1 ≧1のとき、 RA1≒RD1{(1/4)+k1 +(l/64)(l/k1 3 )} ……(11) Li1≒(μ0 1 /2){(l/k1 )−((l/64)(l/k1 3 )} ……(12) として交流抵抗RA1および内部自己インダクタンスLi1
が与えられる。これらをトランスの1次巻線の値とする
と、同様にして半径b、長さl2 の2次巻線の交流抵抗
A2および内部自己インダクタンスLi2も求めることが
できる。
Since the real part and the imaginary part of the equation (7) are equal to each other, when k 1 <l, R A1 ≈R D1 {l + (1/3) k 1 4 } ... (9) L i1 ≈ ( μ 0 l 1/2) { l- (1/6) k 1 4} ...... (10) in addition, when k 1 ≧ 1, R A1 ≒ R D1 {(1/4) + k 1 + (l / 64) (l / k 1 3 )} ...... (11) L i1 ≒ (μ 0 l 1/2) {(l / k 1) - ((l / 64) (l / k 1 3)} ...... (12) as AC resistance R A1 and internal self-inductance L i1
Is given. If these are taken as the values of the primary winding of the transformer, the AC resistance R A2 and the internal self-inductance L i2 of the secondary winding having the radius b and the length l 2 can be similarly obtained.

【0012】したがって、1次および2次巻線の自己イ
ンダクタンスL1 およびL2 は、求めた内部自己インダ
クタンスLi1およびLi2に、各導体の外部に生ずる磁束
とその電流との鎖交によるインダクタンスをそれぞれ加
えることが得られ、 L1 =Li1+{μ0 /(2π)}l1 {log (2l1 /a)−l}……(13) L2 =Li2+{μ0 /(2π)}l2 {log (2l2 /b)−l}……(14) となる。
Therefore, the self-inductances L 1 and L 2 of the primary and secondary windings are the inductances due to the interlinkage of the magnetic flux generated outside each conductor and its current in addition to the obtained internal self-inductances L i1 and L i2. And L 1 = L i1 + {μ 0 / (2π)} l 1 {log (2l 1 / a) -l} (13) L 2 = L i2 + {μ 0 / (2π)} l 2 {log (2l 2 / b) -l} (14)

【0013】次に、このような表皮効果による結合係数
の向上について説明する。1次および2次巻線の有効長
をl1eおよびl2eとすると、相互インダクタンスMはl
1e≦l2eのとき、 M={μ0 /(2π)}l2e〔log {2l1e/(a+b)}−l〕……(15) また、l1e>l2eのとき、 M={μ0 /(2π)}l1e〔log {2l2e/(a+b)}−l〕……(16) となる。(15)式および(16)式の相互インダクタ
ンスMは(13)式および(14)式の右辺第2項と同
様導体断面の電流分布が原点対称であればその分布、す
なわち表皮効果の影響を受けない。
Next, the improvement of the coupling coefficient due to the skin effect will be described. If the effective lengths of the primary and secondary windings are l 1e and l 2e , the mutual inductance M is l
When 1e ≦ l 2e , M = {μ 0 / (2π)} l 2e [log {2l 1e / (a + b)}-l] (15) When l 1e > l 2e , M = { μ 0 / (2π)} l 1e [log {2l 2e / (a + b)}-l] (16). The mutual inductance M of the equations (15) and (16) has the same effect as the second term on the right side of the equations (13) and (14) if the current distribution in the conductor cross section is symmetrical with respect to the origin, that is, the influence of the skin effect. I do not receive it.

【0014】一般にトランスの結合係数kは次式によっ
て表される。
Generally, the coupling coefficient k of a transformer is represented by the following equation.

【0015】 k=M/(L1 2 1/2 ……(17) 高効率のトランスを実現するために高い結合係数が望ま
れる。図7(b)の如く接近した長さ3m、断面円の半
径が0.2mmの2つの銅導体の交流抵抗RA(RA1
A2)、自己インダクタンスL(L1 =L2 )および結
合係数kの周波数特性理論値を図9に示す。励磁周波数
が増加すると、表皮効果によって交流抵抗は増加する
が、内部自己インダクタンスが減少するため、高周波領
域において高い結合係数が得られることがわかる。
K = M / (L 1 L 2 ) 1/2 (17) A high coupling coefficient is desired to realize a highly efficient transformer. The AC resistance R A (R A1 = R A1 = R A1 =
FIG. 9 shows theoretical values of frequency characteristics of R A2 ), self-inductance L (L 1 = L 2 ), and coupling coefficient k. It can be seen that when the excitation frequency increases, the AC resistance increases due to the skin effect, but the internal self-inductance decreases, so that a high coupling coefficient can be obtained in the high frequency region.

【0016】次に、以上のような原理に基づく本発明の
フィルム型トランスについて説明する。図1は本発明一
実施例を示す図であり、円形の同心軸形で1:1の変圧
比を構成する場合のコイル配置例を示している。図中、
1,1´は基板、2,2´は1次巻線パターン、3,3
´は2次巻線パターン、2a、2a´は1次端子、3
a、3a´は2次端子である。
Next, the film type transformer of the present invention based on the above principle will be described. FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention, showing an example of coil arrangement in the case of forming a transformation ratio of 1: 1 with a circular concentric shaft type. In the figure,
1, 1'is a substrate, 2, 2'is a primary winding pattern, 3, 3
'Is a secondary winding pattern, 2a, 2a' is a primary terminal, 3
Reference characters a and 3a 'are secondary terminals.

【0017】図1において、1次及び2次巻線パターン
はリソグラフィ技術、エッチング技術、印刷技術等によ
りフィルム状薄膜絶縁基板1に2本のパターンを、近接
させて円形同心軸状に形成したものである。例えば、図
1(a)に示すように2本のパターンを1次巻線、2次
巻線とすると、これによってフィルム型薄膜トランスが
形成され、この一枚のフィルムでも変圧器動作は可能で
ある。しかし、2枚以上のフィルムトランスを積層した
方が低周波特性の改善、変圧比の変更等都合がよい。
In FIG. 1, the primary and secondary winding patterns are formed by arranging two patterns close to each other on a film-shaped thin film insulating substrate 1 by a lithographic technique, an etching technique, a printing technique or the like so as to form a circular concentric axis. Is. For example, as shown in FIG. 1 (a), if two patterns are used as a primary winding and a secondary winding, a film type thin film transformer is formed by this, and a transformer operation is possible even with this one film. is there. However, it is convenient to stack two or more film transformers to improve the low-frequency characteristics and change the transformation ratio.

【0018】いま、パターンの中心を始点として円形同
心軸状に形成したとすると、図1(a)のパターンは時
計方向に、図1(b)のパターンは反時計方向に巻回さ
れていることになる。そして、ピッチ、巻回数が等しい
とすると、図1(a)、図1(b)において各ターン毎
に常に外側に位置する巻線の方が、内側に位置する巻線
よりも長くなる。そこで、図1(a)の各ターン毎に常
に外側に位置する巻線を1次巻線2、内側に位置する巻
線を2次巻線3としたとき、図1(b)では、逆に各タ
ーン毎に常に外側に位置する巻線を2次巻線3´、内側
に位置する巻線を1次巻線2´とし、図1(a)と図1
(b)の基板を積層し、端子2bを端子2b´に、端子
3bを端子3b´に接続し、2a、2a´を1次端子、
3a、3a´を2次端子とすれば、図1(a)と図1
(b)の巻線パターンによる磁束が加わり、かつ1次巻
線と2次巻線の長さを等しくすることができる。このよ
うに2枚を積層したものを単位として複数積層し、互い
に直列或いは並列接続してフィルム型トランスを形成す
る。直列接続すると抵抗値が大きくなり、並列接続する
と抵抗値が小さくなるので、接続する負荷とのインピー
ダンス整合がとれるように接続を選択する。
Now, assuming that the pattern is formed in a circular concentric axis shape starting from the center, the pattern of FIG. 1A is wound clockwise and the pattern of FIG. 1B is wound counterclockwise. It will be. Then, assuming that the pitch and the number of turns are the same, in each of the turns shown in FIG. 1A and FIG. 1B, the winding located outside is always longer than the winding located inside. Therefore, for each turn in FIG. 1 (a), when the winding that is always located outside is the primary winding 2 and the winding that is located inside is the secondary winding 3, in FIG. For each turn, the winding that is always located on the outside is the secondary winding 3 ′, and the winding that is located on the inside is the primary winding 2 ′.
The substrates of (b) are laminated, the terminal 2b is connected to the terminal 2b ', the terminal 3b is connected to the terminal 3b', 2a and 2a 'are primary terminals,
If 3a and 3a 'are used as the secondary terminals, they are shown in FIG.
Magnetic flux is added by the winding pattern of (b), and the lengths of the primary winding and the secondary winding can be made equal. In this way, a plurality of layers, each of which is a laminate of two sheets, are laminated and connected in series or in parallel to each other to form a film type transformer. When connected in series, the resistance value becomes large, and when connected in parallel, the resistance value becomes small. Therefore, the connection is selected so that impedance matching with the load to be connected can be obtained.

【0019】図2は角形の同心軸形で1:1の変圧比を
構成する場合のコイル配置例を示しており、パターンが
角形である点を除けば図1の場合と同様である。図1の
場合と同様に2枚を積層して中心部で接続してこれを単
位とし、複数枚積層して直列或いは並列接続すればよ
い。
FIG. 2 shows an example of coil arrangement in the case of forming a transformation ratio of 1: 1 with a square concentric shaft type, and is the same as the case of FIG. 1 except that the pattern is square. As in the case of FIG. 1, two sheets may be stacked and connected at the central portion to form a unit, and a plurality of sheets may be stacked and connected in series or in parallel.

【0020】図3はL形の同心軸形で1:1の変圧比を
構成する場合のコイル配置例を示しており、図1、図2
の場合と同様に2枚を積層して中心部で接続してこれを
単位とし、複数枚積層して直列或いは並列接続すればよ
い。本実施例の場合には、コイルが形成されていない領
域に電子回路等を配置することができる。もちろん、L
形に限らず、C形、E形等基板の一部にコイルが形成さ
れない領域があるように任意形状にパターン形成しても
よい。
FIG. 3 shows an example of coil arrangement in the case of constructing an L-shaped concentric shaft type with a transformation ratio of 1: 1.
In the same manner as in the above case, two sheets may be laminated and connected at the central portion to form a unit, and a plurality of sheets may be laminated and connected in series or in parallel. In the case of this embodiment, an electronic circuit or the like can be arranged in a region where the coil is not formed. Of course, L
Not limited to the shape, the pattern may be formed in an arbitrary shape such that there is a region where the coil is not formed in a part of the substrate such as C-shape and E-shape.

【0021】図4は円形の同心軸形で1:2の変圧比を
得る場合のコイル配置例を示している。図4(a)には
3本の巻線10、11、12がパターン形成されてお
り、一番外側の巻線10で1次巻線、その内側の2つの
巻線11、12で2次巻線を形成する。このとき2次巻
線11の中心部端子11bと2次巻線12の外側端子1
2aとを接続して巻線11、12に流れる電流の向きを
同じにするとともに、1次巻線10に対して長さが2倍
になるようにする。但し、一枚のみでは厳密には長さの
比は1:2とはならない。そこで、図4(b)に示すよ
うに、外側の2本の巻線11´、12´を2次巻線、一
番内側の巻線10´を1次巻線とし、巻線12´の中心
側端子12b´と巻線11´の外側端子11a´とを接
続し、図1の場合と同様に図4(a)のものと図4
(b)のものとを積層して中心部分で接続する。こうし
て変圧比1:2を得ることができる。この他にも、巻線
11、12、巻線11´、12´はそれぞれ並列に接続
して積層した後直列に接続し、巻線10、10´を積層
して並列に接続しても変圧比1:2を得ることは可能で
ある。なお、本実施例では変圧比1:2としたが、1次
巻線パターンと2次巻線パターンの本数を適宜異ならせ
て磁束の向きが同じになるように接続すれば任意の変圧
比のものを得ることが可能である。
FIG. 4 shows an example of coil arrangement for obtaining a transformation ratio of 1: 2 with a circular concentric shaft shape. In FIG. 4A, three windings 10, 11 and 12 are patterned, and the outermost winding 10 is a primary winding and the two inner windings 11 and 12 are secondary. Form the winding. At this time, the central terminal 11b of the secondary winding 11 and the outer terminal 1 of the secondary winding 12
2a is connected so that the currents flowing through the windings 11 and 12 have the same direction, and the length is twice that of the primary winding 10. However, strictly speaking, the length ratio does not become 1: 2 with only one sheet. Therefore, as shown in FIG. 4 (b), the two outer windings 11 'and 12' are secondary windings, and the innermost winding 10 'is a primary winding. The center side terminal 12b 'and the outer side terminal 11a' of the winding 11 'are connected to each other, as in the case of FIG.
(B) is laminated and connected at the central portion. In this way, a transformation ratio of 1: 2 can be obtained. In addition, the windings 11 and 12 and the windings 11 ′ and 12 ′ are connected in parallel and stacked, and then connected in series, and the windings 10 and 10 ′ are stacked and connected in parallel, and It is possible to obtain a ratio of 1: 2. In this embodiment, the transformation ratio is 1: 2, but if the number of primary winding patterns and the number of secondary winding patterns are appropriately changed and they are connected so that the directions of magnetic flux are the same, an arbitrary transformation ratio can be obtained. It is possible to get things.

【0022】図5は2層構造と4層構造にした場合の変
圧比−周波数特性を並列接続(図5(a))と、直列接
続(図5(b))について示したもので、図中、4p、
4sはそれぞれ4層並列、4層直列を示している。変圧
比は無負荷の場合のものであり、直列、並列何れの場合
にも積層枚数の増加により低周波数特性が改善され、ま
た、無負荷の特性であるため高周波領域では変圧比と1
次、2次の結合係数が等しく、100%近くの結合が高
周波領域で達成されていることが分かる。
FIG. 5 shows the transformation ratio-frequency characteristics of the two-layer structure and the four-layer structure for the parallel connection (FIG. 5 (a)) and the series connection (FIG. 5 (b)). Medium 4p,
4s shows 4 layers in parallel and 4 layers in series, respectively. The transformer ratio is for no load. In both series and parallel, the low frequency characteristics are improved by increasing the number of laminated layers. Moreover, because of the no load characteristics, the transformer ratio is 1% in the high frequency region.
It can be seen that the second- and second-order coupling coefficients are equal and nearly 100% coupling is achieved in the high frequency region.

【0023】図6は4層構造の薄膜変圧器の効率−負荷
−周波数特性を示し、図6(a)は並列接続、図6
(b)は直列接続の場合であり、図中、1.4、21.
9、50.8は純抵抗負荷(単位オーム)を示してい
る。なお、効率は2次出力の1次入力に対する比であ
る。
FIG. 6 shows the efficiency-load-frequency characteristics of a four-layer thin film transformer. FIG.
(B) is a case of series connection, and in the figure, 1.4, 21.
Reference numerals 9 and 50.8 represent pure resistance loads (unit: ohm). The efficiency is the ratio of the secondary output to the primary input.

【0024】比較的高抵抗負荷で高周波領域で良好な効
率が得られており、周波数が高いほど巻線電流の表皮効
果が顕著となり、効率が良くなっていることが分かる。
なお、50.8オーム負荷のときにある周波数で効率が
ピークを示しているのは、この点でインピーダンス整合
がとれていることを示している。また、1MHz以上で
並列接続の場合95%以上、直列接続で90%以上の高
効率が得られており、このため動作周波数がより高周波
化されているスイッチング電源には最適な変圧器という
ことができる。
It can be seen that good efficiency is obtained in a high frequency region with a relatively high resistance load, and the skin effect of the winding current becomes more remarkable as the frequency becomes higher, and the efficiency becomes higher.
The peak efficiency at a certain frequency when the load is 50.8 ohms indicates that impedance matching is achieved at this point. In addition, high efficiency of 95% or more is obtained in parallel connection at 1MHz or more and 90% or more in series connection. Therefore, it is said that it is an optimal transformer for switching power supply with higher operating frequency. it can.

【0025】なお、上記実施例では全く磁性材料を使用
しない例について説明したが、本発明はこれに限定され
るものではなく、薄膜状磁性体、磁性粉等を併用し、特
に低周波特性を改善するようにしてもよいことは言うま
でもない。
In the above embodiment, an example in which no magnetic material is used has been described, but the present invention is not limited to this, and a thin film magnetic material, magnetic powder, etc. are used in combination, and particularly low frequency characteristics are obtained. It goes without saying that improvements may be made.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、一枚の薄
膜基板上に変圧器が作成されるため、パーソナルコンピ
ュータ、ワードプロセッサー、携帯電話など小型、軽量
化が必要な電子機器の電源用として最適であり、人工衛
星への搭載も期待できる。また、コスト的には印刷技
術、エッチング技術、リソグラフ技術を用いて安価で大
量生産が可能となる。また、電気的特性は、高周波特性
が良く、積層枚数が増加する程低周特性が改善され、薄
膜状磁性体や磁性粉を併用すればより低周波特性が改善
され、商用周波数でも利用可能となり、回路接続を変更
することでインピーダンスの変更や複数個の入出力端子
を設けることなく他の電子回路も同時に作成すれば薄膜
電源やカード電源の実用化も可能である。
As described above, according to the present invention, since a transformer is formed on a single thin film substrate, it is used for a power source of an electronic device such as a personal computer, a word processor, a mobile phone and the like, which needs to be small and lightweight. It is most suitable as, and it can be expected to be mounted on an artificial satellite. In terms of cost, printing technology, etching technology, and lithographic technology are used to enable inexpensive mass production. In addition, the electrical characteristics are high-frequency characteristics, and the low-frequency characteristics are improved as the number of laminated layers increases, and the low-frequency characteristics are further improved by using thin film magnetic materials and magnetic powders together, and it can be used at commercial frequencies. The thin film power supply and the card power supply can be put into practical use by changing the circuit connection and simultaneously creating other electronic circuits without changing the impedance or providing a plurality of input / output terminals.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 円形の同心軸形で1:1の変圧比を構成する
場合の一実施例を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a case where a transformation ratio of 1: 1 is configured with a circular concentric shaft shape.

【図2】 角形の同心軸形で1:1の変圧比を構成する
場合のコイル配置例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of coil arrangement in the case of forming a transformation ratio of 1: 1 with a rectangular concentric shaft type.

【図3】 L形の同心軸形で1:1の変圧比を構成する
場合のコイル配置例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of coil arrangement in the case where an L-shaped concentric shaft type and a transformation ratio of 1: 1 are configured.

【図4】 円形の同心軸形で1:2の変圧比を得る場合
のコイル配置例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an example of coil arrangement for obtaining a transformation ratio of 1: 2 with a circular concentric shaft shape.

【図5】 2層と4層にした場合の変圧比−周波数特性
を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a transformation ratio-frequency characteristic when two layers and four layers are formed.

【図6】 4層構造の薄膜変圧器の効率−負荷−周波数
特性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing efficiency-load-frequency characteristics of a thin film transformer having a four-layer structure.

【図7】 従来型のトランスの原理図である。FIG. 7 is a principle diagram of a conventional transformer.

【図8】 円形断面の表皮効果について説明する図であ
る。
FIG. 8 is a diagram illustrating a skin effect of a circular cross section.

【図9】 結合係数kの周波数特性理論値を説明する図
である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a theoretical frequency characteristic value of a coupling coefficient k.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,1´…基板、2,2´…1次巻線パターン、3,3
´…2次巻線パターン、2a、2a´…1次端子、3
a、3a´…2次端子。
1, 1 '... substrate, 2, 2' ... primary winding pattern, 3, 3
'... secondary winding pattern, 2a, 2a' ... primary terminal, 3
a, 3a '... Secondary terminal.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 薄膜基板上に近接して形成された1次巻
線パターン及び2次巻線パターンを備えたフィルム型ト
ランス。
1. A film type transformer having a primary winding pattern and a secondary winding pattern which are formed close to each other on a thin film substrate.
【請求項2】 薄膜基板上に近接して形成された1次巻
線パターン及び2次巻線パターンを備えたフィルム型ト
ランスを複数層積層し、各層の1次巻線パターン及び2
次巻線パターンを直列または並列に接続したことを特徴
とするフィルム型トランス。
2. A plurality of film type transformers, each having a primary winding pattern and a secondary winding pattern formed adjacent to each other on a thin film substrate, are laminated to form a primary winding pattern and a secondary winding pattern for each layer.
A film type transformer characterized in that the following winding patterns are connected in series or in parallel.
【請求項3】 請求項1または2記載のフィルム型トラ
ンスにおいて、1次巻線パターン及び2次巻線パターン
は同心軸形に形成されていることを特徴とするフィルム
型トランス。
3. The film type transformer according to claim 1, wherein the primary winding pattern and the secondary winding pattern are concentric.
【請求項4】 請求項3記載のフィルム型トランスにお
いて、同心軸形に形成されているパターンは、円形また
は角形であることを特徴とするフィルム型トランス。
4. The film type transformer according to claim 3, wherein the pattern formed concentrically has a circular shape or a square shape.
【請求項5】 請求項3記載のフィルム型トランスにお
いて、同心軸形に形成されているパターンは、基板の一
部領域を回避して形成されていることを特徴とするフィ
ルム型トランス。
5. The film type transformer according to claim 3, wherein the concentric pattern is formed while avoiding a partial region of the substrate.
【請求項6】 請求項3記載のフィルム型トランスにお
いて、中心部から外側に向けて時計方向に巻回された同
心軸形パターンを有するフィルム型トランスと、中心部
から外側に向けて反時計方向に巻回された同心軸形パタ
ーンを有するフィルム型トランスとを積層し、各トラン
スの1次巻線パターンと2次巻線パターンの位置関係が
逆になるように直列接続したことを特徴とするフィルム
型トランス。
6. The film type transformer according to claim 3, wherein the film type transformer has a concentric shaft-shaped pattern wound clockwise from the center to the outside, and a counterclockwise direction from the center to the outside. And a film type transformer having a concentric shaft type pattern wound around each other, and connected in series so that the positional relationship between the primary winding pattern and the secondary winding pattern of each transformer is reversed. Film type transformer.
【請求項7】 請求項3記載のフィルム型トランスを単
位として複数層積層し、直列または並列接続したことを
特徴とするフィルム型トランス。
7. A film type transformer comprising a plurality of film type transformers according to claim 3 as a unit, which are connected in series or in parallel.
【請求項8】 請求項3記載のフィルム型トランスにお
いて、同心軸形に形成される1次巻線パターンと2次巻
線パターンの本数を異ならせたことを特徴とするフィル
ム型トランス。
8. The film type transformer according to claim 3, wherein the number of the primary winding patterns and the number of the secondary winding patterns formed in the concentric shaft shape are different.
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