特許 6265595 可変コイル素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6265595

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】可変コイル素子

(51)【国際特許分類】

   H01F 21/06 20060101AFI20180115BHJP

   H01F 21/00 20060101ALI20180115BHJP

【ＦＩ】

   H01F21/06 E

   H01F21/00

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-281696(P2012-281696)

(22)【出願日】2012年12月25日

(65)【公開番号】特開2014-127528(P2014-127528A)

(43)【公開日】2014年7月7日

【審査請求日】2015年12月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000107804

【氏名又は名称】スミダコーポレーション株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】899000057

【氏名又は名称】学校法人日本大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000121

【氏名又は名称】アイアット国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】内木場 文男

(72)【発明者】

【氏名】大塚 努

(72)【発明者】

【氏名】川原井 貢

(72)【発明者】

【氏名】増田 健太郎

【審査官】 右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−２０４１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１１１４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１４１７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３０４１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０６４２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３０３１２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ ２１／０６

Ｈ０１Ｆ ２１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

導電性を有する第１線部材がループ状に構成されているコイル部材と、隣り合う前記第１線部材の間に入り込みつつ前記コイル部材を覆うと共に磁性材料を含んで形成される第１磁性体層とを有する第１積層体と、
非磁性材料であるシリコン層のエッチングによって形成された複数の第２線部材から構成される非磁性部材と、隣り合う前記第２線部材の間に入り込みつつ前記非磁性部材を覆うと共に磁性材料を含んで形成される第２磁性体層とを有し、前記第１積層体と対向する一方の面に前記非磁性部材が露出する状態で対向し、前記第１積層体に対して移動可能な第２積層体と、
前記第１積層体と前記第２積層体とを相対的に移動させる駆動力を与える駆動部と、
を備え、
前記第２線部材は、ループ状には形成されておらずそれぞれ直線状に形成されていると共に、隙間を隔てて複数配置されている、
ことを特徴とする可変コイル素子。

【請求項2】

請求項１記載の可変コイル素子であって、
前記コイル部材は、同一平面内で渦巻き状に巻回されている平面コイルである、
ことを特徴とする可変コイル素子。

【請求項3】

請求項１または２記載の可変コイル素子であって、
前記コイル部材において前記第１線部材が並ぶピッチと、前記非磁性部材において前記第２線部材が並ぶピッチとは、同程度に設けられている、
ことを特徴とする可変コイル素子。

【請求項4】

請求項３記載の可変コイル素子であって、
前記駆動部は、前記第２積層体に連結されて当該第２積層体を移動させるための駆動力を与えると共に、
前記第２積層体の移動におけるストローク量は、前記非磁性部材が前記コイル部材と対向する駆動前の状態から前記非磁性部材が前記第１線部材の間の前記第１磁性体層と対向する駆動後の状態まで移動する程度に設定されている、
ことを特徴とする可変コイル素子。

【請求項5】

請求項４記載の可変コイル素子であって、
前記第１積層体は、弾性支持部の一端側に連結されていると共に、前記弾性支持部の他端側は前記第２積層体と一体的に設けられている固定部位に連結されていて、
前記弾性支持部は、前記第２積層体が釣り合い位置から移動した際に、当該釣り合い位置に復帰させるための付勢力を蓄える、
ことを特徴とする可変コイル素子。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の可変コイル素子であって、
前記駆動部は、複数のリニアアクチュエータを備えている、
ことを特徴とする可変コイル素子。

【請求項7】

請求項６記載の可変コイル素子であって、
前記リニアアクチュエータは、櫛歯型静電アクチュエータである、
ことを特徴とする可変コイル素子。

【請求項8】

請求項７記載の可変コイル素子であって、
複数の前記リニアアクチュエータは、前記駆動部から離間する方向に並ぶように配置されて、それぞれの前記リニアアクチュエータの静電気力が加算される、
ことを特徴とする可変コイル素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、可変コイル素子に関する。

【背景技術】

【0002】

電子回路に実装される電子部品の中には、コイル素子（インダクタ）があるが、そのインダクタの中には、インダクタンスを可変として、電子回路の特性を変更しよう、という試みがある。かかる試みを示す文献としては、たとえば特許文献１および特許文献２に示すものがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−１５２２５４号公報

【特許文献2】特許第４２８８３５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、複数層の配線（第１インダクタ１０、第２インダクタ２０）があり、その中で第１インダクタ１０に入力する電流振幅および／または位相を制御することで、第２インダクタ２０を貫通する磁束を変化させる技術内容が開示されている。特許文献２では、複数のコイルのうちの１つをアクチュエータにより移動させる構成が開示されている。

【0005】

しかしながら、これら特許文献１および特許文献２では、自己インダクタンスを変化させるものではなく、相互インダクタンスを変化させて、コイル素子全体のインダクタンスを変化させている。そのため、複数のコイルが必要とされる分だけ、そのコイルが形成された配線層が余分に必要となっている。また、電子回路に電気的に接続されるコイル以外のものは、電源制御回路等を始めとする回路に接続する必要がある。

【0006】

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成でありながら自己インダクタンスを変化させることが可能な可変コイル素子を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明の可変コイル素子の一側面は、導電性を有する第１線部材がループ状に構成されているコイル部材と、隣り合う第１線部材の間に入り込みつつコイル部材を覆うと共に磁性材料を含んで形成される第１磁性体層とを有する第１積層体と、非磁性材料であるシリコン層のエッチングによって形成された複数の第２線部材から構成される非磁性部材と、隣り合う第２線部材の間に入り込みつつ非磁性部材を覆うと共に磁性材料を含んで形成される第２磁性体層とを有し、第１積層体と対向する一方の面に非磁性部材が露出する状態で対向し、第１積層体に対して移動可能な第２積層体と、第１積層体と第２積層体とを相対的に移動させる駆動力を与える駆動部と、を備え、第２線部材は、ループ状には形成されておらずそれぞれ直線状に形成されていると共に、隙間を隔てて複数配置されている、ことを特徴としている。

【0008】

また、本発明の可変コイル素子の他の側面は、上述の発明に加えて更に、コイル部材は、同一平面内で渦巻き状に巻回されている平面コイルである、ことが好ましい。

【0009】

さらに、本発明の可変コイル素子の他の側面は、上述の発明に加えて更に、コイル部材において第１線部材が並ぶピッチと、非磁性部材において第２線部材が並ぶピッチとは、同程度に設けられている、ことが好ましい。

【0010】

また、本発明の可変コイル素子の他の側面は、上述の発明に加えて更に、駆動部は、第２積層体に連結されて当該第２積層体を移動させるための駆動力を与えると共に、第２積層体の移動におけるストローク量は、非磁性部材がコイル部材と対向する駆動前の状態から非磁性部材が第１線部材の間の第１磁性体層と対向する駆動後の状態まで移動する程度に設定されている、ことが好ましい。

【0011】

さらに、本発明の可変コイル素子の他の側面は、上述の発明に加えて更に、第１積層体は、弾性支持部の一端側に連結されていると共に、弾性支持部の他端側は第２積層体と一体的に設けられている固定部位に連結されていて、弾性支持部は、第２積層体が釣り合い位置から移動した際に、当該釣り合い位置に復帰させるための付勢力を蓄える、ことが好ましい。

【0012】

また、本発明の可変コイル素子の他の側面は、上述の発明に加えて更に、駆動部は、複数のリニアアクチュエータを備えている、ことが好ましい。

【0013】

さらに、本発明の可変コイル素子の他の側面は、上述の発明に加えて更に、リニアアクチュエータは、櫛歯型静電アクチュエータである、ことが好ましい。

【0014】

また、本発明の可変コイル素子の他の側面は、上述の発明に加えて更に、複数のリニアアクチュエータは、駆動部から離間する方向に並ぶように配置されて、それぞれのリニアアクチュエータの静電気力が加算される、ことが好ましい。

【発明の効果】

【0015】

本発明によると、簡易な構成でありながら自己インダクタンスを変化させることが可能な可変コイル素子とすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施の形態に係る可変コイル素子の構成を示す斜視図である。

【図2】図１の可変コイル素子の要部の構成を示す断面図であり、（Ａ）は断面全体を示し、（Ｂ）はパターン線部の断面を示す図である。

【図3】図１の可変コイル素子において可動部が固定部に対して移動するイメージを示す図であり、（Ａ）は電圧印加をしていない移動前の状態を示し、（Ｂ）は電圧印加による移動後の状態を示している。

【図4】図１の可変コイル素子においてコイルパターンと可動パターンとを透過的に見たときの形状を示す平面図である。

【図5】アクチュエータ部の構成を部分的に示す平面図である。

【図6】アクチュエータ部を部分的に拡大して示す斜視図である。

【図7】アクチュエータ部の変形例に関する構成を部分的に示す平面図である。

【図8】可変コイル素子の製造方法を説明する図であり、（Ａ）はＳＯＩウエハを示し、（Ｂ）はＳＯＩウエハに対してエッチングを行った状態を示し、（Ｃ）はコイルパターンに導電外表部を形成した状態を示し、（Ｄ）は導電外表部に絶縁層を形成した状態を示し、（Ｅ）は磁性体層を形成した状態を示し、（Ｆ）は引き出し電極のパターニングを行った状態を示している。

【図9】本実施の形態の可変コイル素子において有限要素法でのシミュレーションにおけるモデルを示す図であり、（Ａ）は電圧印加をしていない移動前の状態を示し、（Ｂ）は電圧印加による移動後の状態を示している。

【図10】本発明の変形例に係り、可変コイル素子においてコイルパターンと可動パターンとを透過的に見たときの形状の変形例を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の一実施の形態に係る、可変コイル素子１０について、図面に基づいて説明する。

【0018】

図１は、可変コイル素子１０の構成を示す斜視図である。この図１に示すように、可変コイル素子１０は、可変インダクタ部２０と、アクチュエータ部３０と、弾性支持部４０とを有している。アクチュエータ部３０は、可変インダクタ部２０における可動部２２（図２等参照）を移動させる部分である。

【0019】

なお、後に記載するように、可変コイル素子１０は、薄い酸化層（ＳｉＯ_２ ；絶縁層Ｗ１とする）を挟んだ一対のシリコン層Ｗ２，Ｗ３からなるＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハＷ（図７（Ａ）参照）が、各種の製造プロセスを経ることにより形成される。

【0020】

＜可変インダクタ部２０について＞
図２は、本発明の要部である可変インダクタ部２０の構成を示す断面図であり、（Ａ）は断面全体を示し、（Ｂ）は後述するパターン線部２１２の断面を示す図である。可変インダクタ部２０は、固定部２１と、可動部２２とを備えている。固定部２１は、絶縁層Ｗ１の一方側（図２の下側）に位置している。固定部２１の縁部の一部は、アクチュエータ部３０のベースになるシリコン層Ｗ２と接続されている。その一方で、可動部２２の縁部の一部は、アクチュエータ部３０の連結電極部３３３（後述）と接続されている。固定部２１は可動部２２と対向している配置となっている。

【0021】

固定部２１にはコイルパターン２１１が設けられている。コイルパターン２１１は、パターン線部２１２が同一平面内で渦巻き状に巻回されている平面コイルであり、パターン線部２１２に電流を導通させることを可能としている。図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、コイルパターン２１１を構成する各パターン線部２１２は、シリコン層Ｗ２（図８（Ａ）参照）のエッチングによるパターン部２１２ａを有し、このパターン部２１２ａが導電性を有する導電外表部２１２ｂで覆われている。

【0022】

導電外表部２１２ｂは、電着等で形成されるが、スパッタリング等のような真空蒸着によって形成しても良い。また、導電外表部２１２ｂを形成する前に、電着または真空蒸着によって、導電部分を形成し、その導電部分を導電外表部２１２ｂが覆う構成としても良い。また、コイルパターン２１１は、その全部が導電性を有する部材から形成されていても良い。

【0023】

なお、コイルパターン２１１のうち、中央に位置する一端側と外側に位置する他端側は、それぞれ外部へ引き出される引き出し電極２１３に接続される。また、固定部２１は第１積層体層に対応し、コイルパターン２１１はコイル部材に対応し、パターン線部２１２は第１線部材に対応する。

【0024】

コイルパターン２１１の導電外表部２１２ｂは、絶縁層２１２ｃによって覆われている。絶縁層２１２ｃは、コイルパターン２１１を流れる電流が磁性体層２１４に流れるのを防止する部分である。絶縁層２１２ｃとしては、絶縁性を有する様々な材質を用いても良いが、たとえばＳｉＯ_２ のような酸化層から構成されていても良い。ＳｉＯ_２ の薄膜を絶縁層２１２ｃとする場合、たとえばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって形成しても良い。

【0025】

コイルパターン２１１は、磁性材料から構成される磁性体層２１４で覆われている。磁性体層２１４は第１磁性体層に対応する。磁性体層２１４を構成する磁性材料としては、パーマロイ、センダスト、アモルファス等の金属磁性体または酸化物磁性体があるが、これらの各種磁性体の混合物であっても良く、あるいはこれらの各種磁性体の複合材料であっても良い。

【0026】

磁性体層２１４は、コイルパターン２１１の一方側（図２（Ａ）におけるコイルパターン２１１の下側）を完全に覆うような層状に設けられているが、可動部２２と対向するコイルパターン２１１の他方側（図２（Ａ）においてコイルパターン２１１の上側）は覆っていない。また、磁性体層２１４は、コイルパターン２１１の隣接するパターン線部２１２の間にも入り込んでいる。以下の説明では、隣接するパターン線部２１２の間に入り込んでいる磁性体層２１４を線間部２１４ａとする。なお、コイルパターン２１１の一端側および／または他端側を引き出し電極２１３に接続するために、磁性体層２１４に孔部を設けるようにしても良い。

【0027】

続いて、可変インダクタ部２０の可動部２２について説明する。図３は、可動部２２が固定部２１に対して移動するイメージを示す図であり、（Ａ）は電圧印加をしていない移動前の状態を示し、（Ｂ）は電圧印加による移動後の状態を示している。図３（Ａ）、（Ｂ）から分かるように、可動部２２は、固定部２１に対して移動可能な状態で対向している。そのために、可動部２２は、固定部２１に対して固定されておらず、非接触となっている。

【0028】

なお、図１に示されるように、可動部２２及び固定部２１が弾性支持体４０によ支持され、両者の間にＳＯＩ基板の薄い酸化層Ｗ１の厚み相当の隙間が存在している。この構造により、可動部２２が固定部２１に対して移動することができる。なお、たとえ、可動部２２の磁性体層２２３と固定部２１の磁性体層２１４が周縁部で一体化になっても、コイルパターン２１１と後述の可動パターン２２１との間に、上述の隙間が存在する構成、即ち中空の構造さえ保てば、この発明の本旨から脱逸しない。

【0029】

可動部２２には、可動パターン２２１が設けられている。可動パターン２２１は、複数のパターン線部２２２から構成されるが、各パターン線部２２２は、シリコン層Ｗ３（図８（Ａ）参照）のエッチングにより形成されている。可動パターン２２１の非磁性パターン線部２２２のピッチと、コイルパターン２１１のパターン線部２１２のピッチとは、同程度に設けられている。さらに、可動パターン２２１の非磁性パターン線部２２２の幅が、コイルパターン２１１のパターン線部２１２の間の隙間部分（線間部２１４ａ）と同程度であることが好ましい。このようにすると、後述するような磁路を遮断する効果が最も現れやすくなっている。

【0030】

可動パターン２２１は、図３（Ａ）から図３（Ｂ）に示すように移動した際に磁路の遮断を目的とするものであり、その移動によって小さなループ状の閉磁路（マイナーループＭ１と称呼する）が遮断される。その遮断の結果として、遮断後には、図３に示すような理想的な磁路（図３中の大きな磁路Ｍ２）を流れる磁束が増加する。その結果、Ｌ（インダクタンス）を大きくすることが可能となり、コイルパターン２１１の巻数ｎが大きくなるのと同等の効果を得ることが可能となっている。

【0031】

なお、可動部２２は、第２積層体に対応し、可動パターン２２１は非磁性部材に対応し、非磁性パターン線部２２２は第２線部材に対応する。

【0032】

図４は、コイルパターン２１１と可動パターン２２１とを透過的に見たときの形状を示す平面図である。この図４に示すように、コイルパターン２１１は、パターン線部２１２が矩形のループを描くように構成されている。このとき、矩形ループを描くパターン線部２１２には、可動部２２の移動方向に対して平行に延伸しているものと、移動方向に対して垂直に延伸しているものとが存在する。

【0033】

一方、可動パターン２２１は、ループ状には形成されておらず、それぞれの非磁性パターン線部２２２が直線状に形成されている。しかも、可動パターン２２１の非磁性パターン線部２２２は、可動部２２の移動方向に対して垂直に延伸している。また、図４に示す構成では、可動パターン２２１は、２つ設けられている。また、可動パターン２２１の非磁性パターン線部２２２は、移動前のときにはコイルパターン２１１のそれぞれのパターン線部２１２と対向する位置に存在しているが、移動後には、磁性体層２１４（線間部２１４ａ）と対向する。

【0034】

なお、可動パターン２２１の非磁性パターン線部２２２には、可動部２２の移動に際して線間部２１４ａと対向しないものが存在しても、しなくても良い。

【0035】

図２、図３に示すように、可動パターン２２１は、磁性材料から構成される磁性体層２２３で覆われている。磁性体層２２３は第２磁性体層に対応する。磁性体層２２３を構成する磁性材料としては、上述の磁性体層２１４と同様に、パーマロイ、センダスト、アモルファス等の金属磁性体または酸化物磁性体があるが、これらの各種磁性体の混合物であっても良く、あるいはこれらの各種磁性体の複合材料であっても良い。

【0036】

磁性体層２２３は、可動パターン２２１の他方側（図２（Ａ）における可動パターン２２１の上側）を完全に覆うような層状に設けられているが、固定部２１と対向する可動パターン２２１の一方側（図２（Ａ）において可動パターン２２１の下側）は覆っていない。また、磁性体層２２３は、可動パターン２２１の隣接する非磁性パターン線部２２２の間にも入り込んでいる。以下の説明では、隣接する非磁性パターン線部２２２の間に入り込んでいる磁性体層２２３を線間部２２３ａとする。

【0037】

＜アクチュエータ部３０について＞
図５は、アクチュエータ部３０の構成を部分的に示す平面図であり、図６は、アクチュエータ部３０を部分的に拡大して示す斜視図である。アクチュエータ部３０は、本実施の形態では、シリコンをベースとしたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）アクチュエータである。なお、アクチュエータ部３０は、駆動部に対応する。アクチュエータ部３０には、静電容量方式のリニアアクチュエータ３１が複数設けられている。リニアアクチュエータ３１は、固定側電極体３２と、可動側電極体３３を備えている。

【0038】

また、図６に示されるように、固定側電極体３２と可動側電極体３３が可動部２２と同じ側にあるシリコン層Ｗ３と酸化層Ｗ１を利用して櫛歯形状のパターンに形成され、さらに、シリコン層Ｗ３の表面に金属電極パターン（導電外表部２１２ｂ）が設けられている。このリニアアクチュエータ３１を駆動するためには、別途の周辺回路が必要となっている。なお、固定側電極体３２と可動側電極体３３が固定部２１と同じ側のシリコン層Ｗ２による共通ベースを有している。

【0039】

なお、上述のように、可変コイル素子１０は、薄い絶縁層Ｗ１（ＳｉＯ_２ ）を挟んだ一対のシリコン層Ｗ２，Ｗ３からなるＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハＷ（図８（Ａ）参照）が、各種の製造プロセスを経ることにより形成される。そして、可動側電極体３３では絶縁層Ｗ１は除去されて、その両端が梁部材により支持された懸架部材となり、固定側電極体３２に対して可動可能となっている。しかしながら、固定側電極体３２では絶縁層Ｗ１は除去されないために絶縁層Ｗ１に対して固定されている。図２（Ａ）に示すように、絶縁層Ｗ１は、アクチュエータ部３０の基体部に固定的に設けられていて、この基体部は固定部２１に固定的に設けられている。そのため、固定側電極体３２は、固定部２１に対して固定的に設けられている。

【0040】

固定側電極体３２と可動側電極体３３は、図５に示すように、それぞれ、共通電極となるベース電極部３２１，３３１を備え、そのベース電極部３２１，３３１から多数の櫛歯部３２２，３３２がそれぞれ延伸している。図５に示す構成では、複数の固定側電極体３２のベース電極部３２１は、後述のように電気的に接続されている。また、複数の可動側電極体３３のベース電極部３３１も、後述のように電気的に接続されている。

【0041】

固定側電極体３２のベース電極部３２１は、その一端側が連結電極部３４に連続されていて、各櫛歯部３２２に同時に電圧を印加可能としている。可動側電極体３３のベース電極部３３１は、その一端側が、連結電極部３３３に連結されている。なお、別途の周辺給電回路から枠体電極部３４および連結電極部３３３に異なる電圧をかければ、懸架部材である可動側電極体３３が静電吸引力により固定側電極体３２に対して移動（スライド）する。そして、アクチュエータ３０と繋がる可動部２２も移動する。

【0042】

固定側電極体３２の櫛歯部３２２と可動側電極体３３の櫛歯部３３２とは、互い違いに配置されていて、互いに所定のスペースを有するように配置されている。このような櫛歯部３２２，３３２の配置を採用することにより、櫛歯部３２２と櫛歯部３３２の間に静電気力を作用させることができ、その静電気力の作用によって可動側電極体３３の櫛歯部３３２が固定側電極体３２の櫛歯部３２２と対向面積を増やす方向（図６の矢示Ａ方向）に移動する。ただし、その静電気力がなくなると、弾性支持部４０の弾性体の作用により対向面積が減少する方向に引き戻される。対向する櫛歯部３２２，３３２間に同極に帯電した場合にも、弾性支持部４０の弾性体の作用と共に互いに反発する静電気力の作用により、対向面積が減少する方向に引き戻される。

【0043】

なお、櫛歯部３２２と櫛歯部３３２の間の隙間が狭く、櫛歯部３２２，３３２の長さが長いことが好ましい。櫛歯部３２２と櫛歯部３３２の間の隙間が狭いと静電気力が大きくなるからであり、櫛歯部３２２，３３２の長さが長いと後述する可動部２２の変位量を大きくすることが可能となるからである。また櫛歯部３２２，３３２の厚みが大きいと静電気力が大きくなるので好ましいが、あまり厚みが大きくなると可変コイル素子１０の薄型化が困難になる。

【0044】

好ましい寸法としては、後述する可動部２２のピッチが２０μｍである場合に、櫛歯部３２２，３３２の幅Ｐ１，Ｐ２は、それぞれ５−７μｍであることが好ましく、櫛歯部３２２と櫛歯部３３２の間の隙間Ｐ３が５−７μｍであることが好ましく、櫛歯部３２２，３３２の長さＰ４，Ｐ５がそれぞれ８０μｍ以上であることが好ましい。また、櫛歯部３２２，３３２の厚みＰ６は１０−１００μｍの範囲にあることが好ましい。

【0045】

以上のような構成のリニアアクチュエータ３１は、図１に示す構成では、中心線Ｌ１と中心線Ｌ２とで区切られたそれぞれの象限に、４つずつ設けられ、合計１６個設けられている。しかしながら、リニアアクチュエータ３１は、十分な変位を得られる範囲においては、幾つ設けられていても良い。なお、可変コイル素子１０のそれぞれの片側には、２つ以上のリニアアクチュエータ３１を直列に設置すると、リニアアクチュエータ３１の互いの変位を足し合わされるため、好ましい。その場合には後に示す弾性支持層を適宜組み合わせる。

【0046】

なお、アクチュエータ部３０の構成は、図５に示すものには限られない。その変形例を図７に示す。図７は、アクチュエータ部３０の変形例に関する構成を部分的に示す平面図である。図７に示す構成では、図５に示す構成と比較して、幅の狭い連結電極部３３３が存在する構成が示されている。また、図７には、それぞれのバネ部材４２に薄肉部分４２１が２つ存在する構成が示されている（図５では、それぞれのバネ部材４２に薄肉部分４２１が４つ存在する構成が示さている）。

【0047】

＜弾性支持部４０について＞
次に、弾性支持部４０について説明する。図１に示すように、弾性支持部４０は、可動部２２を弾性支持する部分であり、可動部２２が静電気力によって移動した場合に、元の位置（釣り合い位置）に復帰するための付勢力を蓄える。それにより、静電気力がなくなると、弾性支持部４０により与えられる付勢力によって、可動部２２は元の位置に復帰する。このような復帰するための付勢力を与えるべく、弾性支持部４０の一端側は可動部２２に連結されていると共に、その他端側は固定部２１と一体的な部位（固定部位に対応）に連結されている。なお、弾性支持部４０には、支持部４１とバネ部材４２とが存在しているが、支持部４１Ａは、可動部２２によって弾性支持部４０の一端側を支持する部分であり、支持部４１Ｂは、固定部２１によって弾性支持部４０の他端側を支持する部分である。また、バネ部材４２は、可動部２２を元の位置に戻すための付勢力を与える機能を有している。

【0048】

本実施の形態では、弾性支持部４０は、シリコン層Ｗ３をエッチングすることにより形成されている。特に、図１に示すように、バネ部材４２は薄い板バネ状の薄肉部分４２１が九十九折状に折り曲げられた形状に設けられている。図１に示す構成では、１つの弾性支持部４０につき薄肉部分４２１が２つ以上存在していても良い。１つの薄肉部分４２１の撓み変形量が十分な場合には、１つの弾性支持部４０につき１つのみの薄肉部分４２１が設けられる構成としても良い。

【0049】

＜製造方法について＞
以上のような構成を有する可変コイル素子１０の製造方法について、以下に説明する。かかる可変コイル素子１０を製造する場合、図８（Ａ）に示すようなＳＯＩウエハＷが用いられる。ＳＯＩウエハＷは、図８（Ａ）に示すように、一方側のシリコン層（図８（Ａ）の下面側のシリコン層Ｗ２）と他方側のシリコン層（図８（Ａ）の上面側のシリコン層Ｗ３）との間に薄い絶縁層Ｗ１（ＳｉＯ_２ ）が設けられている。本実施の形態では、たとえば下面側のシリコン層Ｗ２の厚みは２００μｍであり、上面側のシリコン層Ｗ３の厚みは４０μｍとなっている。また、絶縁層Ｗ１の厚みは５μｍとなっている。ただし、シリコン層Ｗ２、シリコン層Ｗ３および絶縁層Ｗ１の厚みは、これ以外の数値であっても良いことは勿論である。

【0050】

かかるＳＯＩウエハＷに対して、図８（Ｂ）に示すようにエッチングを行うが、この場合、たとえば下面側のシリコン層Ｗ２に対してエッチングを行い、凹形状の部分Ｗ４を形成する。それにより、後に形成されるコイルパターン２１１の厚みが定まる。次に、凹形状の部分に対して、フォトレジスト膜の形成、露光、現像等を経た後に、エッチングを施し、コイルパターン２１１を形成する。なお、このときのコイルパターン２１１は、下面側のシリコン層Ｗ２のエッチングによるパターン部２１２ａのみとなっている。

【0051】

次に、上面側のシリコン層Ｗ３に対して、上述の下面側のシリコン層Ｗ２と同様にエッチングを施し、可動パターン２２１と、アクチュエータ部３０のパターンを形成する。それによって、ベース電極部３２１，３３１、櫛歯部３２２，３３２および連結電極部３３３（図５参照）の形状が形成される。ただし、この段階では、可動側電極体３３のベース電極部３３１、櫛歯部３３２および連結連極部３３３は、絶縁層Ｗ１に固定されている。

【0052】

次に、図８（Ｃ）に示すように、形成されたコイルパターン２１１（パターン部２１２ａ）に対して、電着等によって導電外表部２１２ｂを形成する。なお、この導電外表部２１２ｂを形成するのに先立って、電着または真空蒸着によって、導電部分を形成するようにしても良い。

【0053】

続いて、図８（Ｄ）に示すように、導電外表部２１２ｂの外面に絶縁層２１２ｃを形成する。絶縁層２１２ｃは、たとえばＳｉＯ_２ の薄膜であり、たとえばＣＶＤを行うことにより形成される。

【0054】

続いて、図８（Ｅ）に示すように、上面側の可動パターン２２１と、下面側のコイルパターン２１１を覆うように、磁性体層２１４，２２３を形成する。磁性体層２１４，２２３の形成は、たとえば電着法によって形成されるが、その他の印刷、塗布、スパッタリング他の手法を用いて形成しても良い。

【0055】

次に、図８（Ｆ）に示すように、引き出し電極２１３のパターニングを行う。この場合、パターニングに先立って、レジスト塗布や露光等を経たフォトリソグラフィを行って絶縁パターンを形成し、その後に導電材料のパターニングを行う。パターニングは、電着法、金属インクの塗布、ＰＶＤ、ＣＶＤや、その他の手法を用いて形成しても良い。

【0056】

なお、かかる引き出し電極２１３のパターニングに前後して、絶縁層Ｗ１の除去を行う。この除去は、たとえばフッ酸処理等のような処理にて行われる。

【0057】

＜シミュレーション結果について＞
続いて、上記のような構成における、可変コイル素子１０において、インダクタンスがどの程度変化したのかについてのシミュレーション結果を示す。なお、このシミュレーション結果は、有限要素法によるものであるが、そのモデルは図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように簡略化したもので行っている。この図８（Ａ）、（Ｂ）では、パターン線部２１２は、銅を材質とする導体のみの構成としている。

【0058】

このシミュレーションでは、磁性体層２１４，２２３の材質としてパーマロイを用いている。また、電流を１［Ａ］、周波数を１０００００［Ｈｚ］、空気の比透磁率を１、パーマロイの比透磁率を１０００００、シリコンの比透磁率を１、銅線の比透磁率を１、銅線の電気抵抗を１．７０×１０^−８［Ω］としている。また、固定部２１と可動部２２の隙間を３μｍ、パターン線部２１２を１０μｍの正方形、非磁性パターン線部２２２を１０μｍの正方形とし、パターン線部２１２と非磁性パターン線部２２２を１０μｍ厚の磁性体層２１４，２２３がそれぞれ覆っているものとなっている。

【0059】

かかる状態でシミュレーションを行ったところ、図９（Ａ）に示す状態（パターン線部２１２と非磁性パターン線部２２２とが対向する状態）では、自己インダクタンスは６．９１×１０^−９［Ｈ］、インピーダンスは５．９３×１０^−４［Ω］となっている。これに対し、図９（Ｂ）に示す状態（非磁性パターン線部２２２が線間部２１４ａと対向する状態）では、自己インダクタンスは７．７１×１０^−９［Ｈ］、インピーダンスは７．４７×１０^−４［Ω］となっている。このため、自己インダクタンスの変化率は１１．４［％］となり、インピーダンスの変化率は２５．９［％］となり、いずれも増加している。

【0060】

また、図９（Ａ）、（Ｂ）に示す構成において、寸法を変更して実験を行ったものを、次に示す。この場合、固定部２１と可動部２２の隙間は３μｍのままとするが、パターン線部２１２を２０μｍの正方形、非磁性パターン線部２２２を２０μｍの正方形とし、パターン線部２１２と非磁性パターン線部２２２をそれぞれ２０μｍ厚の磁性体層２１４，２２３が覆っているものしている。

【0061】

かかる状態でシミュレーションを行ったところ、図９（Ａ）に示す状態（パターン線部２１２と非磁性パターン線部２２２とが対向する状態）では、自己インダクタンスは４．９１×１０^−９［Ｈ］、インピーダンスは２．８２×１０^−４［Ω］となっている。これに対し、図９（Ｂ）に示す状態（非磁性パターン線部２２２が線間部２１４ａと対向する状態）では、自己インダクタンスは５．５９×１０^−９［Ｈ］、インピーダンスは３．７６×１０^−４［Ω］となっている。このため、自己インダクタンスの変化率は１３．８［％］となり、インピーダンスの変化率は３３．４［％］となり、いずれも増加している。

【0062】

なお、上述のシミュレーション結果は、一対のパターン線部２１２と非磁性パターン線部２２２についてのものとなっている。しかしながら、実際の可変コイル素子１０では、既に説明したように、多くのパターン線部２１２および非磁性パターン線部２２２が配置されている。この場合、インダクタンスは、マイナーループＭ１が存在しない場合には巻線の数の２乗に比例する。このため、実際の可変コイル素子１０では、自己インダクタンスはより大きくなり、２０［％］以上の変化率は、無理なく実現可能となっている。

【0063】

＜効果＞
以上のような構成の可変コイル素子１０によると、簡易な構成でありながら自己インダクタンスを変化させることが可能となる。

【0064】

すなわち、本実施の形態の可変コイル素子１０では、コイルパターン２１１を備える固定部２１と、可動パターン２２１を備える可動部２２とを備え、隣り合うパターン線部２１２の間に線間部２１４ａ（磁性体層２１４）が存在し、隣り合う非磁性パターン線部２２２の間に線間部２２３ａ（磁性体層２２３）が存在している。このため、可動部２２と固定部２１とを相対的に移動させることにより、図３（Ａ）に示すようなマイナーループＭ１が遮断され、遮断後には、図３（Ｂ）に示すような理想的な磁路Ｍ２を流れる磁束が増加する。その結果、Ｌ（インダクタンス）を大きくすることが可能となり、コイルパターン２１１の巻数ｎが大きくなるのと同等の効果を得ることが可能となっている。

【0065】

また、本実施の形態では、固定部２１に設けられているコイルパターン２１１は、同一平面内で渦巻き状に巻回されている。このため、コイルパターン２１１が可動部２２側と対向する面積を増加させることが可能となり、インダクタンスの変化を大きくすることが可能となる。

【0066】

さらに、本実施の形態では、コイルパターン２１１のパターン線部２１２のピッチと、可動パターン２２１の非磁性パターン線部２２２のピッチとは、同程度に設けられている。このため、可動部２２の移動の前後におけるインダクタンスの変化を大きくすることが可能となる。それにより、可動部２２を移動させた後には、インダクタンスを大きくすることが可能となる。

【0067】

また、本実施の形態では、アクチュエータ部３０のストローク量は、可動パターン２２１がコイルパターン２１１と対向している移動前の状態から、可動パターン２２１が隣り合うパターン線部２１２の間の磁性体層２１４と対向する移動後の状態まで移動する程度に設定されている。そのため、マイナーループＭ１を良好に遮断することが可能となり、可動部２２を移動させた後には、インダクタンスを大きくすることが可能となる。

【0068】

さらに、本実施の形態では、可変コイル素子１０には弾性支持部４０が設けられていて、この弾性支持部４０は、可動部２２が釣り合い位置から移動した際に、当該釣り合い位置に復帰させるための付勢力を蓄える。このため、弾性支持部４０での付勢力の作用により、アクチュエータ部３０で静電気力が生じていない場合には、元の釣り合い位置へと移動させることが可能となる。

【0069】

また、本実施の形態では、アクチュエータ部３０は、複数のリニアアクチュエータ３１を備えている。このため、可動部２２の移動方向を直線状とすることが可能となり、可動部２２の移動に対するインダクタンスの変化を大きく取ることが可能となる。

【0070】

さらに、本実施の形態では、リニアアクチュエータ３１は、櫛歯部３２２，３３２を多数備えた櫛歯型静電アクチュエータとなっている。このため、可変コイル素子１０の小型化を図ることが可能となる。また、リニアアクチュエータ３１を半導体プロセスによって形成することが可能となり、可動部２２側の櫛歯部３３２と固定部２１側の櫛歯部３２２との位置精度を向上させることが可能となる。

【0071】

また、本実施の形態では、複数のリニアアクチュエータ３１は、可動部２２から離間する方向に並ぶように配置されて、それぞれのリニアアクチュエータ３１の静電気力が加算されている。このため、アクチュエータ部３０でのストローク量を大きくすることが可能となる。また、可変コイル素子１０を小型化する場合でも、可動部２２のストローク量を十分に確保することが可能となる。

【0072】

＜変形例＞
以上、本発明の一実施の形態に係る可変コイル素子１０について説明したが、本発明はこれ以外にも種々変形可能となっている。以下、それについて述べる。

【0073】

上述の実施の形態では、アクチュエータ部３０は、可動部２２のみを移動させ、固定部２１は移動させない構成となっている。しかしながら、可動部２２のみならず、固定部２１も移動させる構成としても良い。このように構成しても、図３（Ａ）に示すようなマイナーループＭ１が遮断可能となり、遮断後には、図３（Ｂ）に示すような理想的な磁路Ｍ２を流れる磁束が増加可能となる。それにより、Ｌ（インダクタンス）を大きくすることが可能となり、コイルパターン２１１の巻数ｎが大きくなるのと同等の効果を得ることが可能となっている。

【0074】

また、上述の実施の形態においては、アクチュエータ部３０は、櫛歯部３２２，３３２を多数備えた櫛歯型静電アクチュエータとなっている。しかしながら、アクチュエータ部３０は、このようなアクチュエータに限られるものではない。たとえば、圧電素子を利用したアクチュエータ、バイメタルを用いたアクチュエータ、形状記憶合金を用いたアクチュエータ等、各種のアクチュエータを用いても良い。

【0075】

また、上述の実施の形態では、コイルパターン２１１のパターン線部２１２は、矩形のループ形状に設けられ、渦巻き形状をなすように設けられている。しかしながら、パターン線部２１２は、矩形のループ形状以外の渦巻き形状をなしていても良い。そのようなループ形状としては、たとえば、矩形以外の多角形のループ形状、円形のループ形状、楕円形のループ形状、その他種々の規則的または不規則的な形状のループ形状が挙げられる。

【0076】

また、上述の実施の形態では、可動パターン２２１は２つ設けられている。しかしながら、可動パターン２２１は２つに限られるものではない。その例を、図１０に示す。図１０では、可動パターン２２１は４つ設けられていて、可動部２２が移動すると、全ての可動パターン２２１が線間部２１４ａと対向しない状態から、対向する状態へと移動し、マイナーループＭ１を遮断してインダクタンスを大きくすることが可能となっている。

【0077】

なお、図１０に示す構成において、可動パターン２２１を３つ設ける構成としても良い。また、図４および図１０に示す構成においては、可動パターン２２１を１つのみ設ける構成を採用しても良い。また、コイルパターン２１１が矩形よりも辺数の多い多角形状を採用する場合やコイルパターン２１１が曲線形状に設けられる場合等においては、より多数の可動パターン２２１を設ける構成を採用しても良い。また、可動パターン２２１を細切れにする等によって、多数設ける構成を採用しても良い。

【産業上の利用可能性】

【0078】

本発明の可変コイル素子は、電気機器の分野において利用することができる。

【符号の説明】

【0079】

１０…可変コイル素子
２０…可変インダクタ部
２１…固定部（第１積層体に対応）
２２…可動部（第２積層体に対応）
３０…アクチュエータ部（駆動部に対応）
３１…リニアアクチュエータ
３２…固定側電極体
３３…可動側電極体
３４…連結電極部
４０…弾性支持部
４１，４１Ａ，４１Ｂ…支持部
４２…バネ部材
２１１…コイルパターン（コイル部材に対応）
２１２…パターン線部（第１線部材に対応）
２１２ａ…パターン部
２１２ｂ…導電外表部
２１２ｃ…絶縁層
２１３…電極
２１４…磁性体層（第１磁性体層に対応）
２１４ａ…線間部
２２１…可動パターン（非磁性部材に対応）
２２２…非磁性パターン線部（第２線部材に対応）
２２３…磁性体層（第２磁性体層に対応）
３２１，３３１…ベース電極部
３２２，３３２…櫛歯部
３３３…連結電極部
４２１…薄肉部分
Ｍ１…マイナーループ
Ｍ２…磁路
Ｐ３…隙間
Ｗ …ＳＯＩウエハ
Ｗ１…絶縁層
Ｗ２…シリコン層
Ｗ３…シリコン層
Ｗ４…凹形状の部分

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】