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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-08-06
(54)【発明の名称】平面状及び非平面状導体を備えた電磁部品
(51)【国際特許分類】
H01F 17/00 20060101AFI20240730BHJP
H01F 17/04 20060101ALI20240730BHJP
H01F 27/00 20060101ALI20240730BHJP
H01F 5/00 20060101ALI20240730BHJP
H01G 4/40 20060101ALI20240730BHJP
H01G 4/30 20060101ALI20240730BHJP
【ＦＩ】
H01F17/00 B
H01F17/04 F
H01F27/00 160
H01F27/00 S
H01F5/00 M
H01G4/40 321A
H01G4/30
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024505111
(86)(22)【出願日】2022-07-25
(85)【翻訳文提出日】2024-03-15
(86)【国際出願番号】 US2022038179
(87)【国際公開番号】W WO2023009433
(87)【国際公開日】2023-02-02
(31)【優先権主張番号】63/226,022
(32)【優先日】2021-07-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521565338
【氏名又は名称】レゾナント リンク インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＲＥＳＯＮＡＮＴ ＬＩＮＫ，ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】100207837
【弁理士】
【氏名又は名称】小松原 寿美
(74)【代理人】
【識別番号】100214640
【弁理士】
【氏名又は名称】立山 千晶
(72)【発明者】
【氏名】チョー、ピョー アウン
(72)【発明者】
【氏名】スタイン、アーロン
(72)【発明者】
【氏名】サリバン、チャールズ アール．
【テーマコード（参考）】
5E070
5E082
【Ｆターム（参考）】
5E070AA05
5E070AB03
5E070BA06
5E070CB13
5E082AB01
5E082BC14
5E082DD08
(57)【要約】
電磁部品の一例として、電磁部品の円周方向に沿って延在するトレースを有しかつ電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層を備える。幅は、トレース内の交流電流分布が、トレースと同じ半径方向の広がりを有する単一のトレース内の交流電流分布に近似するように選択されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電磁部品であって、電磁部品の円周方向に沿って延在するトレースを有し、電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層であって、幅は、トレース内の交流電流分布が、トレースと同じ半径方向の広がりを有する単一のトレース内の交流電流分布に近似するように選択されている薄導体層
を備える、電磁部品。
【請求項2】
請求項１に記載の電磁部品において、トレースは、第１の幅を有する第１のトレースと、第２の幅を有する第２のトレースと、を含み、
第１のトレースは薄導体層の最も内側のトレースであり、第２の幅は第１の幅よりも大きい、電磁部品。
【請求項3】
請求項２に記載の電磁部品において、トレースは、第２の幅よりも大きい第３の幅を有する第３のトレースを含み、
第３のトレースは、第２のトレースよりも、電磁部品の中心から半径方向にさらに遠くにある、電磁部品。
【請求項4】
請求項１～３のうちいずれか一項に記載の電磁部品は、更に、磁性コアを含み、
薄導体層は、磁性コア内に設けられている、電磁部品。
【請求項5】
請求項４に記載の電磁部品において、磁性コアは、センターポスト及びアウターリムを含み、
薄導体層は、センターポストとアウターリムとの間に設けられている、電磁部品。
【請求項6】
請求項１～５のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、トレースは、互いに直列である、電磁部品。
【請求項7】
電磁部品であって、電磁部品の円周方向に沿って延在するトレースを有し、電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層であって、トレースが第１の幅を有する第１のトレースであり、第１のトレースが薄導体層の最も内側のトレースである薄導体層、を備え、
第１の幅は、
【数1】
であり、式中のｗ１が第１の幅であり、ｒｗｉｎがトレースの内側半径であり、ｒｗｏｕｔがトレースの外側半径であり、Ｎがトレースの量であるように選択されている、電磁部品。
【請求項8】
電磁部品７に記載の電磁部品において、トレースは、更に、
第１の幅よりも大きい第２の幅を有する第２のトレースを含み、
第２のトレースは、第１のトレースに半径方向に隣接し、
第２の幅は、
【数2】
であり、式中のｗ２が第２のトレースの幅であるように選択されている、電磁部品。
【請求項9】
電磁部品８に記載の電磁部品において、トレースは、更に、
第１の幅よりも大きい第３の幅を有する第３のトレースを含み、
第３のトレースは、第２のトレースの外側で第２のトレースに半径方向に隣接し、
第３の幅は、
【数3】
であり、式中のｗ３が第３のトレースの幅であるように選択されている第３のトレースをさらに含んでもよい。
【請求項10】
電磁部品であって、電磁部品の円周方向に沿って延在するＮ個のトレースを有し、電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層であって、トレースが第１の幅ｗ１を有する第１のトレースを含み、第１のトレースが第１の層の最も内側のトレースであり、
トレースは、
【数4】
の幅を有する第２のトレース及びの第３のトレースを含み、
式中のｋは、２又は３にそれぞれ等しい第２のトレース及び第３のトレースの指数であり、第２のトレースが第１のトレースに半径方向に隣接し、第３のトレースが第２のトレースの外側で第２のトレースに半径方向に隣接している、薄導体層
を含む電磁部品。
【請求項11】
請求項１０に記載の電磁部品において、トレースは、更に、
第３のトレースの外側に少なくとも１つの追加のトレースを含み、
第３のトレースは幅ｗｋ＞２＊ｗ１を有し、
式中のｗｋが指数ｋを有するトレースの幅であり、
トレースの指数ｋは、最も内側のトレースが指数１として始まり、最も内側のトレースから半径方向に外側にカウントしながら１ずつ増分している、トレースの数である、電磁部品。
【請求項12】
請求項１０又は１１に記載の電磁部品において、【数5】
では、式中のｒｗｉｎがトレースの内側半径であり、ｒｗｏｕｔがトレースの外側半径である、電磁部品。
【請求項13】
電磁部品を設計する方法であって、電磁部品は、電磁部品の円周方向に沿って延在するトレースを有しかつ電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層を含み、
方法は、
トレースと同じ半径方向の広がりを有する単一のトレースに対して、電磁部品の半径方向位置に対する交流電流密度の分布を得ることと、
分布を半径方向位置にわたって積分又は合計して、全交流電流を求めることと、
全交流電流をトレースの数Ｎで割り算して、トレースごとの交流電流を求めることと、
Ｎ個のトレースそれぞれの幅を選択することであって、分布に基づいて、求められたトレースごとの交流電流を有するＮ個のトレースが得られる、ことと
を備える、方法。
【請求項14】
請求項１３に記載の方法において、幅の決定は、第１のトレースの交流電流が求められたトレースごとの交流電流と等しくなるところに幅が到達するまで、半径方向に沿った分布に沿って積分又は合計することによって、第１のトレースの幅を選択することを含む、方法。
【請求項15】
請求項１４に記載の方法において、第１のトレースは、第１の層の最も内側のトレース又は最も外側のトレースである、方法。
【請求項16】
電磁部品であって、巻線であって、第１の終端及び第２の終端、及び第１の終端と第２の終端との間で直列に接続された複数のターンを含む導体を含む、巻線と、
複数のターンの第１のターンに対応する直列ターンキャパシタンスと
を備える、電磁部品。
【請求項17】
請求項１６に記載の電磁部品において、直列ターンキャパシタンスは、第１のターンと直列であり、かつ第１の終端及び第２の終端とは異なる場所で第１のターンに接続されている、電磁部品。
【請求項18】
請求項１６又は１７に記載の電磁部品において、直列ターンキャパシタンスは、第１のターンの第１の部分と第２の部分との間で直列に接続されている、電磁部品。
【請求項19】
請求項１６～１８のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、複数のターンは、更に、第２のターンを含み、
直列ターンキャパシタンスは、第１の直列ターンキャパシタンスであり、
電磁部品は、更に、第２のターンに対応する第２の直列ターンキャパシタンスを含む、電磁部品。
【請求項20】
請求項１６～１８のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、直列ターンキャパシタンスは、スタンドアロン型キャパシタ又は集積化キャパシタンスを含む、電磁部品。
【請求項21】
請求項２０に記載の電磁部品において、直列ターンキャパシタンスは、ディスクリートのキャパシタであるスタンドアロン型キャパシタを含む、電磁部品。
【請求項22】
請求項２０又は２１に記載の電磁部品において、巻線は、複数の層内に形成され、
電磁部品は、スタンドアロン型キャパシタのキャパシタパッド間にビアを含み、
ビアは、複数の層の内側層を別のキャパシタンスに接続する、電磁部品。
【請求項23】
請求項２０に記載の電磁部品において、直列ターンキャパシタンスは、誘電体によって分離された導体の第１の層と第２の層との間の重なり合いによって形成された集積化キャパシタンスを含む、電磁部品。
【請求項24】
請求項２３に記載の電磁部品において、電磁部品は、導体の第１の層と第２の層との間のそれぞれの重なり合いによって形成された複数の直列ターンキャパシタンスを含む、電磁部品。
【請求項25】
請求項２２～２４のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、導体の第１の層及び第２の層は、プリント回路基板の導体層である、電磁部品。
【請求項26】
請求項２２～２５のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、導体の第１の層及び第２の層は、多層セラミックキャパシタ（ＭＬＣＣ）プロセス又は低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）プロセスの電極層である、電磁部品。
【請求項27】
請求項２２～２６のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、交流電流は、直列ターンキャパシタンスを通って、巻線の円周方向に第１の層と第２の層との間の巻線を通って流れる、電磁部品。
【請求項28】
請求項１６～２７のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、直列ターンキャパシタンスのキャパシタンス値は、第１のターンの誘導インピーダンスの５０％～２００％の間のインピーダンスを提供するように選択される、電磁部品。
【請求項29】
請求項１６～２８のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、直列ターンキャパシタンスのキャパシタンス値は、直列ターンキャパシタンスのインピーダンスが第１のターンのインピーダンスを取り消すように選択される、電磁部品。
【請求項30】
請求項１６～２９のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、直列ターンキャパシタンスは、第１のターンに対して複数の直列ターンキャパシタンスを含む、電磁部品。
【請求項31】
電磁部品であって、円周方向に延在する少なくとも第１のターン及び第２のターンを備えたトレースを有する薄導体層を含む巻線を備え、
第１のターンが不変の半径を有する第１の部分を有し、
第２のターンが不変の半径を有する第２の部分を有し、
トレースは、更に、第１の部分と第２の部分との間に延在する遷移部分である第３の部分を含む、電磁部品。
【請求項32】
請求項３１に記載の電磁部品において、トレースは、更に、円周方向に延在する第３のターンを含み、
第３のターンは、不変の半径を有する第４の部分を有し、
トレースは、更に、第４の部分と第４の部分との間に延在する第２の遷移部分である第５の部分を含む、電磁部品。
【請求項33】
請求項３２に記載の電磁部品において、第３の部分及び第５の部分は、遷移領域内にある、電磁部品。
【請求項34】
請求項３３に記載の電磁部品において、遷移領域は、巻線の面積の４分の１未満である面積を有している、電磁部品。
【請求項35】
請求項３１～３４のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、巻線の第１の終端は、遷移領域の下方、又は遷移領域の上方に延在している、電磁部品。
【請求項36】
請求項３１～３４のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、巻線の第１の終端及び第２の終端は、磁性コアの後板を通って延在している、電磁部品。
【請求項37】
請求項３１～３６のうちいずれか一項に記載の電磁部品において、巻線の第１の終端及び第２の終端は、最も広い寸法を有する面同士を互いに向かい合わせにするように、積み重ねられている、電磁部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に記載の装置及び技術は、電磁部品に関する。
【背景技術】
【0002】
インダクタ及び変圧器などの電磁部品は、導電体で形成された１つ又は複数の巻線を含む場合がある。いくつかの電磁部品は、１つ又は複数の磁性コアを有する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
いくつかの態様は、電磁部品であって、電磁部品の円周方向に沿って延在するトレースを有し、電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層であって、幅は、トレース内の交流電流分布が、トレースと同じ半径方向の広がりを有する単一のトレース内の交流電流分布に近似するように選択されている薄導体層を含む電磁部品に関する。
【0004】
トレースは、第１の幅を有する第１のトレースと、第２の幅を有する第２のトレースと、を含んでもよい。第１のトレースは、薄導体層の最も内側のトレースとすることができ、また第２の幅は、第１の幅よりも大きい。
【0005】
トレースは、第２の幅よりも大きい第３の幅を有する第３のトレースであって、第２のトレースよりも電磁部品の中心から半径方向にさらに遠くにある第３のトレースを含んでもよい。
【0006】
電磁部品は、磁性コアをさらに含んでもよい。
薄導体層は、磁性コア内に設けてもよい。
磁性コアは、センターポスト及びアウターリムを含む場合があり、薄導体層は、センターポストとアウターリムとの間にあってもよい。
薄導体層は、磁性コア内に設けてもよい。
磁性コアは、センターポスト及びアウターリムを含む場合があり、薄導体層は、センターポストとアウターリムとの間にあってもよい。
【0007】
トレースは、互いに直列であってもよい。
いくつかの態様は、電磁部品であって、電磁部品の円周方向に沿って延在するトレースを有し、電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層を含むとともに、トレースが、第１の幅を有する第１のトレースであって、薄導体層の最も内側のトレースである第１のトレースを含み、第１の幅は、
いくつかの態様は、電磁部品であって、電磁部品の円周方向に沿って延在するトレースを有し、電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層を含むとともに、トレースが、第１の幅を有する第１のトレースであって、薄導体層の最も内側のトレースである第１のトレースを含み、第１の幅は、
【0008】
【数1】
【0009】
であり、式中のｗ１が第１の幅であり、ｒｗｉｎがトレースの内側半径であり、ｒｗｏｕｔがトレースの外側半径であり、Ｎがトレースの量であるように選択されている電磁部品に関する。
【0010】
トレースは、第１の幅よりも大きい、第２の幅を有する第２のトレースであって、第１のトレースに半径方向に隣接するとともに、第２の幅は、
【0011】
【数2】
【0012】
であり、式中のｗ２が第２のトレースの幅であるように選択されている第２のトレースをさらに含んでもよい。
トレースは、第１の幅よりも大きい、第３の幅を有する第３のトレースであって、第２のトレースの外側で第２のトレースに半径方向に隣接するとともに、第３の幅は、
トレースは、第１の幅よりも大きい、第３の幅を有する第３のトレースであって、第２のトレースの外側で第２のトレースに半径方向に隣接するとともに、第３の幅は、
【0013】
【数3】
【0014】
であり、式中のｗ３が第３のトレースの幅であるように選択されている第３のトレースをさらに含んでもよい。
いくつかの態様は、電磁部品であって、電磁部品の円周方向に沿って延在するＮ個のトレースを有し、電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層であって、トレースが、第１の幅ｗ１を有する第１のトレースであって、第１の層の最も内側のトレースである第１のトレースを含むトレースであり、且つ、第２のトレース及びの第３のトレースであって、
いくつかの態様は、電磁部品であって、電磁部品の円周方向に沿って延在するＮ個のトレースを有し、電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層であって、トレースが、第１の幅ｗ１を有する第１のトレースであって、第１の層の最も内側のトレースである第１のトレースを含むトレースであり、且つ、第２のトレース及びの第３のトレースであって、
【0015】
【数4】
【0016】
であり、式中のｋが、２又は３にそれぞれ等しい第２のトレース及び第３のトレースの指数である幅を有するとともに、第２のトレースが第１のトレースに半径方向に隣接し、第３のトレースが第２のトレースの外側で第２のトレースに半径方向に隣接している第２のトレース及びの第３のトレースを含むトレースである、薄導体層を含む電磁部品に関する。
【0017】
トレースは、第３のトレースの外側に少なくとも１つの追加のトレースであって、幅ｗｋ＞２＊ｗ１を有し、式中のｗｋが指数ｋを有するトレースの幅であるとともに、トレースの指数ｋが、最も内側のトレースを指数１として始まり、最も内側のトレースから半径方向に外側にカウントしながら１ずつ増分しているトレースの数である、少なくとも１つの追加のトレースをさらに含んでもよい。
【0018】
いくつかの態様では、
【0019】
【数5】
【0020】
であり、式中のｒｗｉｎがトレースの内側半径であり、ｒｗｏｕｔがトレースの外側半径である。
いくつかの態様は、電磁部品の円周方向に沿って延在するトレースを有し、電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層を含む電磁部品を設計する方法であって、トレースと同じ半径方向の広がりを有する単一のトレースの場合の、電磁部品の半径方向位置に対する交流電流密度の分布を得ることと、分布を半径方向位置にわたって積分又は合計して全交流電流を求めることと、全交流電流をトレースの数Ｎで割り算してトレースごとの交流電流を求めることと、分布に基づいて、Ｎ個のトレースそれぞれの幅を選択し、Ｎ個のトレースが求められたトレースごとの交流電流を有するようにすることと、を含む方法に関する。
いくつかの態様は、電磁部品の円周方向に沿って延在するトレースを有し、電磁部品の半径方向に沿って延在する幅を有する薄導体層を含む電磁部品を設計する方法であって、トレースと同じ半径方向の広がりを有する単一のトレースの場合の、電磁部品の半径方向位置に対する交流電流密度の分布を得ることと、分布を半径方向位置にわたって積分又は合計して全交流電流を求めることと、全交流電流をトレースの数Ｎで割り算してトレースごとの交流電流を求めることと、分布に基づいて、Ｎ個のトレースそれぞれの幅を選択し、Ｎ個のトレースが求められたトレースごとの交流電流を有するようにすることと、を含む方法に関する。
【0021】
幅の決定は、第１のトレースの交流電流が求められたトレースごとの交流電流に等しくなるところに幅が到達するまで、半径方向に沿った分布に沿って積分又は合計することによって、第１のトレースの幅を選択することを含んでもよい。
【0022】
第１のトレースは、第１の層の最も内側のトレース又は最も外側のトレースであってもよい。
いくつかの態様は、電磁部品であって、巻線であって、第１の終端及び第２の終端、及び第１の終端と第２の終端との間で直列に接続された複数のターンを含む導体を含む巻線と、複数のターンの第１のターンに対応する直列ターンキャパシタンスと、を含む電磁部品に関する。
いくつかの態様は、電磁部品であって、巻線であって、第１の終端及び第２の終端、及び第１の終端と第２の終端との間で直列に接続された複数のターンを含む導体を含む巻線と、複数のターンの第１のターンに対応する直列ターンキャパシタンスと、を含む電磁部品に関する。
【0023】
直列ターンキャパシタンスは、第１のターンと直列であってもよく、また、第１の終端及び第２の終端とは異なる場所で第１のターンに接続してもよい。
直列ターンキャパシタンスは、第１のターンの第１の部分と第２の部分との間で直列に接続してもよい。
直列ターンキャパシタンスは、第１のターンの第１の部分と第２の部分との間で直列に接続してもよい。
【0024】
複数のターンは、第２のターンをさらに含んでもよく、直列ターンキャパシタンスは、第１の直列ターンキャパシタンスであり、電磁部品は、第２のターンに対応する第２の直列ターンキャパシタンスをさらに含んでもよい。
【0025】
直列ターンキャパシタンスは、スタンドアロン型キャパシタ又は集積化キャパシタンスを含んでもよい。
直列ターンキャパシタンスは、ディスクリートのキャパシタであるスタンドアロン型キャパシタを含んでもよい。
直列ターンキャパシタンスは、ディスクリートのキャパシタであるスタンドアロン型キャパシタを含んでもよい。
【0026】
巻線は、複数の層内に形成してもよく、また電磁部品は、スタンドアロン型キャパシタのキャパシタパッドの間に、ビアであって、複数の層の内側層を別のキャパシタンスに接続するビアを含んでもよい。
【0027】
直列ターンキャパシタンスは、誘電体によって分離された導体の第１の層と第２の層との間の重なり合いによって形成された、集積化キャパシタンスを含んでもよい。
電磁部品は、導体の第１の層と第２の層との間のそれぞれの重なり合いによって形成された、複数の直列ターンキャパシタンスを含んでもよい。
電磁部品は、導体の第１の層と第２の層との間のそれぞれの重なり合いによって形成された、複数の直列ターンキャパシタンスを含んでもよい。
【0028】
導体の第１の層及び第２の層は、プリント回路基板の導体層であってもよい。
導体の第１の層及び第２の層は、多層セラミックキャパシタ（ＭＬＣＣ：ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｃｅｒａｍｉｃ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）プロセス又は低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ：ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏ－ｆｉｒｅｄ ｃｅｒａｍｉｃ）プロセスの電極層であってもよい。
導体の第１の層及び第２の層は、多層セラミックキャパシタ（ＭＬＣＣ：ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｃｅｒａｍｉｃ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）プロセス又は低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ：ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏ－ｆｉｒｅｄ ｃｅｒａｍｉｃ）プロセスの電極層であってもよい。
【0029】
交流電流は、直列ターンキャパシタンスを通って、巻線の円周方向に第１の層と第２の層との間の巻線を通って流れてもよい。
直列ターンキャパシタンスのキャパシタンス値は、第１のターンの誘導インピーダンスの５０％～２００％の間のインピーダンスを提供するように選択してもよい。
直列ターンキャパシタンスのキャパシタンス値は、第１のターンの誘導インピーダンスの５０％～２００％の間のインピーダンスを提供するように選択してもよい。
【0030】
直列ターンキャパシタンスのキャパシタンス値は、直列ターンキャパシタンスのインピーダンスが第１のターンのインピーダンスを取り消すように選択してもよい。
直列ターンキャパシタンスは、第１のターンに対して複数の直列ターンキャパシタンスを含んでもよい。
直列ターンキャパシタンスは、第１のターンに対して複数の直列ターンキャパシタンスを含んでもよい。
【0031】
いくつかの態様は、電磁部品であって、円周方向に延在する少なくとも第１のターン及び第２のターンを有するトレースを有する薄導体層を含む巻線を含み、第１のターンが不変の半径を有する第１の部分を有し、第２のターンが不変の半径を有する第２の部分を有するとともに、トレースが、第１の部分と第２の部分との間に延在する遷移部分である第３の部分をさらに含む電磁部品に関する。
【0032】
トレースは、円周方向に延在する第３のターンであって、不変の半径を有する第４の部分を有する第３のターンをさらに有してもよく、トレースは、第４の部分と第４の部分との間に延在する第２の遷移部分である第５の部分をさらに含む。
【0033】
第３の部分及び第５の部分は、遷移領域内にあってもよい。
遷移領域は、巻線の面積の４分の１未満である面積を有してもよい。
巻線の第１の終端は、遷移領域の下方、又は遷移領域の上方に延在してもよい。
遷移領域は、巻線の面積の４分の１未満である面積を有してもよい。
巻線の第１の終端は、遷移領域の下方、又は遷移領域の上方に延在してもよい。
【0034】
巻線の第１の終端及び第２の終端は、磁性コアの後板を通って延在してもよい。
巻線の第１の終端及び第２の終端は、最も広い寸法を有する面同士を互いに向かい合わせにするように、積み重ねてもよい。
巻線の第１の終端及び第２の終端は、最も広い寸法を有する面同士を互いに向かい合わせにするように、積み重ねてもよい。
【0035】
上記の概要は、説明を目的とするものであり、限定を意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1A】それぞれ１ターン及び３ターンを有する薄層導体を有する電磁部品の例を示す。
【図1B】それぞれ１ターン及び３ターンを有する薄層導体を有する電磁部品の例を示す。
【図3】幅がまちまちである薄層導体を有する電磁部品を示す。
【図4】３つの異なる設計の、半径方向位置に対する電流密度のプロットを示す。
【図5A】スタンドアロン型キャパシタによって形成された直列ターンキャパシタンスを含む巻線の例を示す。
【図5B】スタンドアロン型キャパシタによって形成された直列ターンキャパシタンスを含む巻線の例を示す。
【図6A】キャパシタパッド間のビア配置を図示する。
【図6B】キャパシタパッド間のビア配置を図示する。
【図6C】キャパシタパッド間のビア配置を図示する。
【図6D】キャパシタパッド間のビア配置を図示する。
【図7】薄層導体の２つの層の間の集積化直列ターンキャパシタンスを含む構造の断面図を示す。
【図8A】集積化直列ターンキャパシタンスを含む巻線の様々な図を示す。
【図8B】集積化直列ターンキャパシタンスを含む巻線の様々な図を示す。
【図8C】集積化直列ターンキャパシタンスを含む巻線の様々な図を示す。
【図8D】集積化直列ターンキャパシタンスを含む巻線の様々な図を示す。
【図9】ターン間に遷移領域を有する巻線を示す。
【図10A】遷移領域のエッジに集中している電流を図示するシミュレーション結果を示す。
【図10B】遷移領域のエッジに集中している電流を図示するシミュレーション結果を示す。
【図11A】遷移領域におけるトレースの半径方向成分に起因する磁場が遷移領域の上方、又は下方に戻りトレースを位置決めすることによって補正可能であることを示す。
【図11B】遷移領域におけるトレースの半径方向成分に起因する磁場が遷移領域の上方、又は下方に戻りトレースを位置決めすることによって補正可能であることを示す。
【図12】補正を図示するシミュレーション結果を示す。
【図13A】性能の向上が２つの平面状導体を積み重ねることによって可能であることを図示している。
【図13B】性能の向上が２つの平面状導体を積み重ねることによって可能であることを図示している。
【図14】積み重ねられたリード線設計を図示している。
【図15】巻線リード線が磁性コアの後板の開口を通って延在し得ることを図示している。
【発明を実施するための形態】
【0037】
図面においては、異なる図における同一又は略同一の構成要素には同様の符号が付されている。図示を明瞭にするため、図面において全ての構成要素に符号が付されているわけではない。図面は必ずしも寸法比率が等しいものではなく、本明細書に記載される手法及び装置の様々な態様を示すことに重点が置かれている。
【0038】
本発明者らは、電磁部品に対するいくつかの改良形態を開発した。
いくつかの電磁部品は、薄層導体（本明細書では薄導体層とも呼ばれる）を含む。薄層導体は、低背型であり、例えば、マグネット線又はリッツ線巻線などの代替的選択肢と比較して、製造が低コストであるという長所を有する場合がある。薄層導体は、種々様々なプロセスで形成することができ、一例では、プリント回路基板から形成することができる（ＰＣＢトレース）。
いくつかの電磁部品は、薄層導体（本明細書では薄導体層とも呼ばれる）を含む。薄層導体は、低背型であり、例えば、マグネット線又はリッツ線巻線などの代替的選択肢と比較して、製造が低コストであるという長所を有する場合がある。薄層導体は、種々様々なプロセスで形成することができ、一例では、プリント回路基板から形成することができる（ＰＣＢトレース）。
【0039】
図１Ａは、単一のターンを有する薄層導体２を含む巻線（コイルとも呼ばれる）を有する電磁部品の一例を示す。さらに図１Ａに図示されているのは、巻線のリード線３、及び磁性コア４である。例における磁性コア４は、センターポスト４ａ及びアウターリム４ｂを有するつぼ形コアである。任意に、磁性コア４は、後板（図１Ａに示されていない）を有することができる。さらに図１Ａに図示されているのは、極座標系で使用されるような、上から見たときに電磁部品の外郭線に近似する架空の円の中心から半径方向に延在する半径方向、電磁部品のまわりのそれぞれの円周方向位置における半径方向に垂直な円周方向、及び半径方向及び円周方向に垂直に延在する垂直（厚さ）方向を含む電磁部品に対する方向である。
【0040】
図１Ｂは、複数のターン、具体的には、例では３つのターンを有する薄層導体２を含む巻線を有する電磁部品の一例を示す。各ターンは、巻線の中心のまわりの巻線の一回転に相当する。図１Ｂの巻線は、リード線３ａから中心に向かって徐々に螺旋状になり、そのあと、戻りリード線３ｂとして巻線のターンの真下に戻っている。さらに図１Ｂに見えるのは、磁性コア４の後板４ｃである。巻線のターン及び戻りリード線３ｂは、誘電材料（図示せず）によって互いに電気的に絶縁されている。
【0041】
【0042】
薄層巻線は、１つ又は複数の薄層導体からなる巻線である。薄層導体は、巻線の厚さがその幅よりもはるかに小さい（例えば、少なくとも１０分の１）導電体である。例えば、図１Ａに示されている薄層巻線は、その（半径方向における）幅よりもはるかに小さい（垂直方向における）厚さを有する導体箔で形成することができる。複数のターンを有する薄層巻線の場合、薄層巻線は、薄層巻線のすべてのターンの幅（半径方向の広がり）よりもはるかに小さい（例えば、少なくとも１０分の１）厚さを有する。例えば、図１Ｂでは、薄層巻線の幅は、３つのトレースすべてを横断する巻線の半径方向の広がりであり、３つのトレースはこの場合、直列に接続された３つのターンである。薄層導体又はそれらの用途のいくつかの例は、限定されるものではないが、平坦な電流ループ（例えば、Ｃ字形、円弧形、矩形、又は任意の多角形の導体）を形成する箔層、エッジ巻きの導体、プリント回路基板、多層自己共振構造（米国特許第１０，１０９，４１３号明細書及び同第１０，７０７，０１１号明細書、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１７／０４３３７７号明細書、米国特許出願第１６／９９４，４４８号明細書）、誘導結合電流ループ（国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０２１／１５２６０号明細書）、集積化キャパシタンスを有する多層導体（国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０２１／０４１３８７号明細書）、及び低周波共振構造（国際仮特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０２１／０４１３８７号明細書）、並びに、前述した、導体がパターン化された箔導体のうちのいずれか、を含むことができる。
【0043】
薄層導体（本明細書では、導電体又は単に導体とも呼ばれる）は、限定されるものではないが、銀、銅、アルミニウム、金及びチタンなどの１つ又は複数の金属、並びにグラファイトなどの非金属材料を含む任意の導電性材料、又は材料の組み合わせで作ることができる。導電性材料は、１ＭＳ／ｍよりも高い電気伝導率、任意に、２００ｋＳ／ｍよりも高い電気伝導率を有することができる。薄層導体は、限定されるものではないが、固体材料、箔、基板上に積層された導体、プリント回路基板トレース、多層セラミックキャパシタ（ＭＬＣＣ）プロセスの電極層、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）プロセスの電極層、集積回路トレース、又はそれらの任意の組み合わせを含む任意の物理的形状を有することができる。
【0044】
薄層導体の層、又は異なるトレース（例えば、ターン）の薄層導体は、限定されるものではないが、空気、ＦＲ４、ＰＬＡ、ＡＢＳ、ポリイミド、ＰＴＦＥ、ポリプロピレン、ロジャーズ基板（Ｒｏｇｅｒｓ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、プラスチック、ガラス、アルミナ、セラミック、多層セラミックキャパシタ（ＭＬＣＣ）プロセスの誘電体若しくはセラミック層、又は低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）プロセスの誘電体若しくはセラミック層、のうちの１つ又は複数を含む任意の非導電性材料（誘電材料）、若しくは材料の組み合わせによって、分離することができる。
【0045】
図１Ａ及び図１Ｂに図示されているように、薄層導体は、磁性コアの巻線領域内のセンターポストとアウターリムとの間に位置決めすることができる。しかしながら、本明細書に記載の技法及び装置は、いくつかの磁性コアでは、センターポスト及び／又はアウターリムがない場合があり、場合によっては、磁性コアが省略されている場合があるので、特定のタイプの磁性コアに限定されない。
【0046】
磁性コアが存在する場合、磁性コアの全体、又は一部分は、比透磁率が１よりも大きい、任意に、１０よりも大きい１つ又は複数の強磁性材料で作ることができる。磁性コア材料は、限定されるものではないが、鉄、種々の鋼合金、コバルト、マンガン－亜鉛（ＭｎＺｎ）及び／又はニッケル－亜鉛（ＮｉＺｎ）フェライトを含むフェライト、Ｃｏ－Ｚｒ－Ｏなどのナノ粒状材料、及び有機又は無機結合剤と混合された強磁性材料の粉末からなる粉末コア材料のうちの１つ又は複数を含むことができる。しかしながら、本明細書に記載の技法及びデバイスは、特定の材料の磁性コアに関して限定されない。磁性コアの形状は、例として、つぼ形コア、シート（Ｉコア）、センターポスト付きシート、アウターリム付きシート、ＲＭコア、Ｐコア、ＰＨコア、ＰＭコア、ＰＱコア、Ｅコア、ＥＰコア、又はＥＱコアとすることができる。しかしながら、本明細書に記載の技法及びデバイスは、特定の磁性コアの形状に限定されない。電磁部品は、磁束路にエアギャップを有する磁性コア、又はエアギャップのない磁性コアのうちの１つ又は複数を含むことができる。いくつかの実施形態では、例えば、ワイヤレス電力伝送に広く使用されている表面開放型のつぼ形コアの場合、磁束路内のエアギャップが重要な場合がある。
【0047】
ＡＣ電流分布に基づいて可変のトレース幅
薄層導体を有する電磁部品は、巻線が単一ターンの薄層導体－中心マンドレル（例えば、図１Ａの磁性コアにおけるセンターポスト）に１回巻き付けられている薄層導体－からなる場合、又は巻線が、動作周波数における導体の表皮深さよりも小さい幅を半径方向にそれぞれが有する複数のターンからなる場合、高性能（すなわち、低損失又は高い品質係数）を有することが可能である。
薄層導体を有する電磁部品は、巻線が単一ターンの薄層導体－中心マンドレル（例えば、図１Ａの磁性コアにおけるセンターポスト）に１回巻き付けられている薄層導体－からなる場合、又は巻線が、動作周波数における導体の表皮深さよりも小さい幅を半径方向にそれぞれが有する複数のターンからなる場合、高性能（すなわち、低損失又は高い品質係数）を有することが可能である。
【0048】
図２は、図１Ａ及び図１Ｂに示されているような、固定巻線領域の単一の層に、ターン数が異なる巻線を有する平面状電磁部品の例の品質係数を示す。
図２では、「等しいトレース幅」という標題が示されている曲線は、図１Ａ及び図１Ｂの電磁部品の例の品質係数をターン数（又は各ターンの幅）の関数として示したものであり、各ターンの（すなわち、図１Ｂの半径方向における）幅は同じである。品質係数は、電磁部品の性能を表しており、品質係数が高くなるほど、電磁部品の性能が向上し、損失が低減される。単一ターンの巻線（図１Ａの例のような）は、９００を上回る品質係数Ｑを有するが、第２のターン又はトレースを巻線に加えると、品質係数が約２５０まで低下（Ｑが７３．４％低下）することがわかる。性能、又は品質係数は、７～１０のターンのあたりで最も低く（Ｑが８５％低下）なり、ターン数が１０を超えて増加すると上昇する。図２にプロットされている、ターン数に対する品質係数は、平面状電磁部品設計の一例に基づいており、特定の値の品質係数及びターン数は電磁部品の設計によって決まるが、本明細書に記載のターン数の関数としての品質係数の傾向は、異なる設計に対してもやはり同様である。図２の残りの曲線について以下で論じる。
図２では、「等しいトレース幅」という標題が示されている曲線は、図１Ａ及び図１Ｂの電磁部品の例の品質係数をターン数（又は各ターンの幅）の関数として示したものであり、各ターンの（すなわち、図１Ｂの半径方向における）幅は同じである。品質係数は、電磁部品の性能を表しており、品質係数が高くなるほど、電磁部品の性能が向上し、損失が低減される。単一ターンの巻線（図１Ａの例のような）は、９００を上回る品質係数Ｑを有するが、第２のターン又はトレースを巻線に加えると、品質係数が約２５０まで低下（Ｑが７３．４％低下）することがわかる。性能、又は品質係数は、７～１０のターンのあたりで最も低く（Ｑが８５％低下）なり、ターン数が１０を超えて増加すると上昇する。図２にプロットされている、ターン数に対する品質係数は、平面状電磁部品設計の一例に基づいており、特定の値の品質係数及びターン数は電磁部品の設計によって決まるが、本明細書に記載のターン数の関数としての品質係数の傾向は、異なる設計に対してもやはり同様である。図２の残りの曲線について以下で論じる。
【0049】
電磁部品（例えば、インダクタ、変圧器、ワイヤレス充電コイル）の用途の多くは、ターン数が少な過ぎず（例えば、５未満）、また多過ぎない（例えば、２０を超える数）ことを指定している場合がある。いくつかの用途における特定のターン数に対する指定は、薄層導体を有する電磁部品の品質係数が、最小であるターン数（例えば、図２では７ターン）、又は低いＱとなる別のターン数と一致する場合があり、その結果、薄層導体が不適切になったり、所望されるほど効果的でなくなったりする可能性がある。
【0050】
本発明者らは、ターン数とは無関係に良好な品質係数を有する薄層導体を有する電磁部品を設計するための技法を開発した。このような技法は、各トレースの半径方向幅を変えることを伴っている。すなわち、同じ層又は平面内の異なるトレースが、異なる半径方向幅を有することができる。トレースの半径方向幅は、中心点からの半径方向距離の関数とすることができる。特に、各トレースの半径方向幅は、巻線のトレースと同じ半径方向の広がりを有する単一のトレース内の交流電流分布に近似させるように選択することができる。本明細書に記載の装置及び技法は、２以上の任意の数のトレース又はターンを有する巻線に適用可能である。
【0051】
このような技法に従って選択されたトレース幅を有する電磁部品は、高い品質係数を実現することができる。例えば、図２に示されているように、このような技法により、品質係数はターン数とは無関係に９００前後になる可能性がある（「等しいＡＣ電流」）。この技法は、薄層導体を有する電磁部品の設計の際に自由度を導入することによって、様々な用途において有用な場合がある。
【0052】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の技法を（例えば、最適に）使用して各ターンの半径方向幅が選ばれる場合、強度のオーダーを可能な限り、又はより大きくすることによって、平面状電磁部品の性能を向上させること、又はその巻線の損失を低減することができる。１つの層内に３つのトレースを有するこのような電磁部品の一例が、図３に示されている。図３は、内側のトレースを外側のトレースよりも小さい幅で形成して、巻線のトレースと同じ半径方向の広がりを有する単一のトレース内の半径方向の交流電流分布に近似させることが可能であることを図示している。内側のトレースの幅が小さくなっている理由は、単一ターンの巻線では、電流は内側エッジの近くに集中する傾向があることを示している図４から、理解することができる。
【0053】
従来、複数ターンの平面状コイルの各ターンの半径方向幅は、各ターンの直流電流（ＤＣ）抵抗を等しくすることによって選択することができ、半径方向に外側のターンは、平均ターン長さが長くなっているが、それらは通常、比例して幅が大きくなるように選択されている。戦略（図２の「等しいＤＣ ＥＳＲ」）は、たとえすべてのトレースの半径方向幅が等しい設計（図２の「等しいトレース幅」）よりも優れた性能をもたらし得るとは言え、結果として得られたこのような複数ターンの巻線の性能は、単一ターンの巻線の３７％という低さである（Ｑが６３％低下）。
【0054】
上述したように、本発明者らは、ターン数とは無関係にコイルが良好な品質係数を有する結果となるように、複数ターンの平面状コイルの各ターンの半径方向幅を選択するための技法を開発した。図２に示されているように、単一ターンの巻線を有する平面状コイルは、複数ターンの巻線を有する平面状コイルと比較して、大幅に優れた品質係数を提供する。単一ターンの巻線は、平面状コイルの巻線の導電性材料に半径方向の切れ目がなく、巻線内の半径方向のＡＣ電流分布は、当然、生成された磁力線の大半が、平面状巻線に平行であるように調節され、これにより、巻線の損失が低減されている。対照的に、複数ターンの巻線は、各ターンの幅が、等しくなるように選択されているのか、等しいＤＣ等価直列抵抗（ＥＳＲ：ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を提供するように選択されているのかを問わず、巻線の導電性材料に半径方向の切れ目があり、これにより電流分布の自然な調節が中断され、その結果、各ターンのエッジに電流が集中し、著しい巻線の損失につながる。電流集中の問題はまた、各ターンの電流－等しい幅又は等しい直流電流（ＤＣ）ＥＳＲを有する－により、交流電流（ＡＣ）の電流分布が巻線に平行でない磁力線をもたらすため、深刻になる。上述したように、品質係数の高い複数ターンの平面状コイルを実現するための効果的な戦略は、複数ターンのコイル内の相対的なＡＣ電流分布が単一ターンのコイルのＡＣ電流分布を模倣するように、各ターンの幅を選択することである。言いかえれば、Ｎ個のターンを有する複数ターンの巻線（Ｎターンの巻線）の各ターンの幅は、同様の内側半径及び外側半径を有する単一ターンの巻線のＡＣ電流分布をシミュレーション又は計算し、幅が異なるＮ個の部分環であって、シミュレーション又は計算された単一ターンのＡＣ電流分布に基づくそれぞれの全ＡＣ電流が等しい部分環へと、単一ターンの巻線を割り算することによって、選ぶことができる。
【0055】
以下のステップを使用して、内側半径ｒｗｉｎ及び外側半径ｒｗｏｕｔを有するＮターンの巻線の各ターンで等しい交流電流を有するトレース幅を選択することができる。なお、ｒｗｉｎは最も内側のターンの内側半径であり、ｒｗｏｕｔは最も外側のターンの外側半径である。この例では、巻線は、半径ｒｗｉｎの円と、半径ｒｗｏｕｔの円との間の区域によって画定された環状領域（巻線領域）に位置している。
【0056】
（１）内側半径ｒｗｉｎ及び外側半径ｒｗｏｕｔを有する単一のトレースの場合の電流密度と半径方向位置との間の関係を得ることができる。いくつかの実施形態では、このような関係（例えば、曲線）はシミュレーション又は計算によって得ることができる。このようなシミュレーションされた関係の一例が、２０．２５ｍｍの内側半径及び４１．７５ｍｍの外側半径に関して図４に実線により示されている。
【0057】
（２）所望のターン／トレースの数Ｎを選択する。ステップ２は、電磁部品の設計プロセスの間に実行することができ、ステップ１の前か、又はステップ１の後に実行することができる。ターン／トレースの数Ｎは、通常、特定の用途によって定められ、電磁部品の設計のための所与のパラメータとすることができる。Ｎは、通常、電磁部品が使用される、より大きなシステムの設計の際に選択される。例えば、所望の電流リップルを得るための電力変換装置であれば、特定のインダクタンスが必要になり、こうしたインダクタンスを実現するために、特定のターン数Ｎが選択されることになる。トレースは、直列又は並列といったような、任意の構成で接続されるように設計することができる。
【0058】
（３）ステップ１から、位置に対する電流密度の関係における全ＡＣ電流は、電磁部品の半径方向の広がりを横断する半径方向位置にわたって、ステップ１で求められた関係を積分又は合計することによって求めることができる。このステップはステップ２の前か、又はステップ２の後に実行することができる。
【0059】
（４）ステップ３で求められた全ＡＣ電流は、所望のトレースの数Ｎで割り算される。これにより、ステップ１における電流分布に従ったトレースごとのＡＣ電流が得られる。
（５）各トレースの幅は、ステップ１からの関係を幅にわたって積分又は合計した各トレースのＡＣ電流が、ステップ４で求められたトレースごとのＡＣ電流に等しくなるように求めることができる。例えば、第１のトレース（例えば、最も内側又は最も外側のトレースから始まっている）の幅を最初に計算することができる。幅は、トレースのＡＣ電流がステップ４で求められたＡＣ電流に等しくなるまで、ステップ１で求められた関係又は曲線に沿って積分又は合計することによって計算することができる。残りのトレースの幅は同様に計算することができる。これらの幅は、内側半径から外側半径に、外側半径からに内側半径に、といったように、様々な順序で計算することができる。
（５）各トレースの幅は、ステップ１からの関係を幅にわたって積分又は合計した各トレースのＡＣ電流が、ステップ４で求められたトレースごとのＡＣ電流に等しくなるように求めることができる。例えば、第１のトレース（例えば、最も内側又は最も外側のトレースから始まっている）の幅を最初に計算することができる。幅は、トレースのＡＣ電流がステップ４で求められたＡＣ電流に等しくなるまで、ステップ１で求められた関係又は曲線に沿って積分又は合計することによって計算することができる。残りのトレースの幅は同様に計算することができる。これらの幅は、内側半径から外側半径に、外側半径からに内側半径に、といったように、様々な順序で計算することができる。
【0060】
２０．２５ｍｍの内側半径、及び４１．７５ｍｍの外側半径を有する巻線内の半径方向位置の関数としてのＡＣ電流分布が、１）単一ターンのコイル、２）各ターンのトレース幅が等しい複数ターンのコイル、及び３）単一ターンのコイルのＡＣ電流分布を模倣している複数ターンのコイルの場合について、図４に比較されている。単一のターンのコイルは、巻線の内側エッジ及び外側エッジで電流密度が高くなっている連続的なＡＣ電流分布を有する。各ターンのトレース幅が等しい複数ターンのコイルでは、ＡＣ電流分布は、単一ターンの巻線のＡＣ電流分布とは大幅に異なるものとなっている。すなわち、電流密度は、各ターンの内側エッジで外側エッジよりも大幅に高くなっており、巻線の損失が大幅に大きくなっている。記載されている技法は、単一ターンの巻線のＡＣ電流分布に基づき各ターンの全ＡＣ電流を等しくしたものだが、この技法により、複数ターンのコイルは、各ターンのエッジで電流密度がわずかに高くなっているが、単一ターンの巻線のＡＣ電流分布をほぼ辿るＡＣ電流分布を有するようになっている。各ターンのエッジで電流密度がわずかに高くなったことにより、単一ターンのコイルと比較して、損失が増加しているとは言え、損失の増加は最小限であり、品質係数は、単一ターンの巻線の品質係数とほぼ同等になっている。
【0061】
本明細書に記載の技法の有効性は図２に見ることができ、同図では、ＡＣ電流を等しくした複数ターンのコイルの品質係数（「等しいＡＣ電流」）が、１～５０ターンまでの間ほぼ一定に保たれ、最大１００ターンまでの間で初めて、わずかに減少する。一方、幅又はＤＣ ＥＳＲを等しくした複数ターンのコイルの品質係数は、同様の単一ターンのコイルの品質係数よりも大幅に低くなっている。
【0062】
隣接するターン間の半径方向隙間は、製作プロセスによって決まる場合がある。いくつかの実施形態では、半径方向隙間を可能な限り小さくすることができる。これは、間隔は最終的に各ターン／トレースの幅である必要があり、銅の面積が少なくとも２分の１に減少するので性能を低下させると述べている文献とは対照的である。トレース間で可能な限り小さい半径方向隙間を使用すると、銅の面積が大きくなり、巻線領域をより有効に活用することが可能になる。隙間は無限小にすることはできないので、各ターンの幅を減少させることになる。したがって、いくつかの実施形態では、隣接するターン／トレース間の半径方向隙間は、ターン／トレースの幅よりも小さく、０よりも大きい。隙間の微小切り込みに関する正確な位置は、隙間が微小切り込みを取り囲んでいる限り、それほど重要ではない。
【0063】
最終的なコイル設計の特徴付け
以下の説明は、単一の層内にＮ個の異なるターン／トレースを有するコイルに当てはまる。これらのＮ個の異なるトレースは並列若しくは直列に、又は直列及び並列の何らかの組み合わせで接続することができ、異なる層内のトレースは並列若しくは直列に、又は直列及び並列の何らかの組み合わせで接続することができる。直列に接続されたＮ個のトレースが、Ｎターンのコイルになる。
以下の説明は、単一の層内にＮ個の異なるターン／トレースを有するコイルに当てはまる。これらのＮ個の異なるトレースは並列若しくは直列に、又は直列及び並列の何らかの組み合わせで接続することができ、異なる層内のトレースは並列若しくは直列に、又は直列及び並列の何らかの組み合わせで接続することができる。直列に接続されたＮ個のトレースが、Ｎターンのコイルになる。
【0064】
Ｎ個のトレースを有する層ごとに、トレースは、ｋ＝１～Ｎとして符号が付され、この場合、ｋ＝１は最も内側のターンを表し、ｋ＝Ｎは最も外側のターンを表す。平面状コイルの内側半径はｒｗｉｎによって表示され、外側半径はｒｗｏｕｔによって表示される。
【0065】
上述した方法に従って設計された平面状コイルは、以下のように特徴付けすることができる。層内にＮ個のトレースを有するコイルについて、表１は、本明細書に記載の技法に従って巻線を設計するための、ｋ番目のトレースの幅ｗｋ（この場合、ｋ＝１～Ｎ－１）を説明している。最も外側のトレースの幅ｗＮは、利用可能な全幅、及び他のＮ－１個のターンの幅によって求められる。
【0066】
【表1】
【0067】
巻線の中にキャパシタンスを加える。
従来のコイルは、２つの端部（終端）を有する誘導電流ループに巻き付けられた１つ又は複数のターンの導電性材料から構築されている。コイルを任意に磁性コアに配置することができる。従来のコイルでは、１つ又は複数のキャパシタを巻線の２つの終端に接続させることができる。巻線の２つの終端に接続された１つ又は複数のキャパシタは、共振キャパシタンスを提供することができる。
従来のコイルは、２つの端部（終端）を有する誘導電流ループに巻き付けられた１つ又は複数のターンの導電性材料から構築されている。コイルを任意に磁性コアに配置することができる。従来のコイルでは、１つ又は複数のキャパシタを巻線の２つの終端に接続させることができる。巻線の２つの終端に接続された１つ又は複数のキャパシタは、共振キャパシタンスを提供することができる。
【0068】
いくつかの実施形態では、共振キャパシタンスは、コイルのそれぞれのターンと直列に接続された複数のキャパシタンスに分布させることができる。コイルのターンと直列に接続されたキャパシタンスは、本明細書では直列ターンキャパシタンスとも呼ばれる。直列ターンキャパシタンスのキャパシタンス値は、キャパシタが直列に接続されているターンの誘導インピーダンスを取り消すか、ほぼ取り消すように選択することができる。しかしながら、本明細書に記載の技法及び装置は、厳密な取り消しに限定されない。部分的な取り消し、又は追加の取り消しが有用な場合がある（例えば、容量性リアクタンスがターンの誘導リアクタンスの５０％～２００％である）。ワイヤレス電力伝送、又は他の共振電力変換の用途では、直列ターンキャパシタンス値は、ターンのインダクタンスと共振し、それがワイヤレス電力伝送又は電力変換に使用される共振をもたらすように選ぶことができる。
【0069】
共振キャパシタンスの一部又はすべてを複数のキャパシタンスの中に直列共振コイルのターンと直列に分布させると、回路、巻線、及びリード線の損失を低減させる場合がある。共振キャパシタンスを１つ又は複数のターンの中に直列ターンキャパシタンスとして分布させることにより、各ターン間、又はターンと戻り電流経路との間の電圧（電位差）が減少するため、寄生容量の励起が低減又は除去される。いくつかの実施形態では、コイル全体に単一の共振キャパシタンスを提供することとは対照的に、電圧定格がより低い容量性デバイスを各ターンと直列であるキャパシタンスに使用することができる。直列ターンキャパシタンスは、コイル内の熱生成の分布をより均一にすることによって、電力動作の向上を可能にし得る。
【0070】
実験結果は、直列ターンキャパシタンスを使用すると、Ｑが増加することを示している。キャパシタがリード線で接続された（従来の設計）１８ｃｍの４ターンのコイルは、品質係数１５０という測定結果を得ている。各ターンで直列ターンキャパシタを加えると、その品質係数は８５０に増加する。
【0071】
いくつかの実施形態では、コイルのどのターンにも直列ターンキャパシタンスを含めることができ、優れた性能を提供することができる。しかしながら、コイルの任意の１つ又は複数のターンに対応して直列ターンキャパシタンスを提供することができるので、本明細書に記載の装置及び技法は、この点に関して限定されない。
【0072】
１つ又は複数の直列ターンキャパシタンスを含めることは、限定されるものではないが、リッツ線、ＰＣＢトレース、箔、マグネットワイヤ、基板層上に積層された導体、誘導結合電流ループ、多層自己共振構造、多層セラミックキャパシタ（ＭＬＣＣ）プロセスの電極層、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）プロセスの電極層、集積回路トレース、などを含む、いずれかのタイプの導体を用いて構築された共振コイルに適用することができる。導体は、平面状であってもよいし、非平面状であってもよい。非平面状コイルの例には、ソレノイド及びバレル巻線コイルが含まれる。コイル又は巻線は、磁性コアに配置することができるが、それらを磁性コアに配置するかどうかは任意である。
【0073】
直列ターンキャパシタンスは、例えば、スタンドアロン型キャパシタ又は集積化キャパシタなど、種々様々な容量性デバイスによって提供することができる。スタンドアロン型キャパシタは、種々様々なデバイスのいずれかによって形成することができる。スタンドアロン型キャパシタは、所望の動作周波数において支配的な容量性（負の反応性）インピーダンスを有するデバイスであり、それらは、動作周波数における容量性インピーダンスよりも小さい誘導性（正の反応性）インピーダンスを有することができ、任意に、動作周波数における容量性インピーダンスの２０％よりも小さいインピーダンスを有することができる。いくつかの実施形態では、１つ又は複数のスタンドアロン型キャパシタは、ディスクリートのキャパシタである。スタンドアロン型キャパシタは、導電体に（例えば、はんだ付けによって）ガルバニック接続することが可能な個々のパッケージングを有することができる。スタンドアロン型キャパシタは、限定されるものではないが、セラミックキャパシタ、多層セラミックキャパシタ（ＭＬＣＣ）、フィルムキャパシタ、雲母キャパシタ、ＰＴＦＥキャパシタ、タンタルキャパシタ、タンタル－ポリマーキャパシタ、薄膜キャパシタ、電気二重層キャパシタ、ポリマーキャパシタ、電解キャパシタ、酸化ニオブキャパシタ、シリコンキャパシタ、可変キャパシタ、及びデバイスの任意の組み合わせ、ネットワーク又はアレイのうちの１つ又は複数を含むことができる。
【0074】
スタンドアロン型キャパシタによって形成された直列ターンキャパシタンスを含むコイルの例が、図５Ａ及び図５Ｂに示されている。図５Ａは、薄導体層で形成された３ターンの巻線を示し、各ターンは、１つ又は複数のスタンドアロン型キャパシタによって形成された直列ターンキャパシタンス５１を含む。この例では、単一の直列ターンキャパシタンス５１は、各ターンが通っている通路の５０％の場所に位置し、２つの終端３から１８０度離れている。しかしながら、直列ターンキャパシタンス５１は、この位置に位置する必要はなく、１ターンに対し１つだけの直列ターンキャパシタンスに限定する必要はない。
【0075】
いくつかの実施形態では、１ターンに対し２つ以上の直列ターンキャパシタンスを提供すると、熱の分布を向上させる場合がある。１ターンに対し２つ以上の直列ターンキャパシタンスが含まれている場合、１つ又は複数の直列キャパシタンスは、導体の一部分によって分離させることができる。図５Ｂは、各ターンが、互いに１８０度離れて位置する２つの直列ターンキャパシタンス５１を含む一例を示す。しかしながら、任意の数の直列ターンキャパシタンスを含むことができるので、１ターンに対する直列ターンキャパシタンスの数は、２つに限定されない。直列ターンキャパシタンスは、互いに１８０度離れている必要はなく、ターン内のどこにあってもよい。
【0076】
スタンドアロン型キャパシタの接続及び配置
多層構造では、スタンドアロン型キャパシタ（例えば、ディスクリートのキャパシタ）である直列ターンキャパシタンスを内側層のターンに接続することに課題が生じる。ビアを使用して内側層に接続すると、他の層内の導体領域を犠牲にすることになる場合がある。本発明者らは、空間を有効に使用するやり方は、スタンドアロン型キャパシタがはんだ付けされているキャパシタパッド間の隙間の中間にビアを位置決めすることであると認識した。
多層構造では、スタンドアロン型キャパシタ（例えば、ディスクリートのキャパシタ）である直列ターンキャパシタンスを内側層のターンに接続することに課題が生じる。ビアを使用して内側層に接続すると、他の層内の導体領域を犠牲にすることになる場合がある。本発明者らは、空間を有効に使用するやり方は、スタンドアロン型キャパシタがはんだ付けされているキャパシタパッド間の隙間の中間にビアを位置決めすることであると認識した。
【0077】
図６Ａ～図６Ｄは、層１及び層２に４ターンのコイルを有する４層のＰＣＢを示す。層の番号付けは、最上層＝１、内側上部層＝２、内側下部層＝３、下端層＝４である。特に、図６Ａは、最上層の上面図を示し、図６Ｂは、図６Ａの部分を拡大して示したものであり、キャパシタパッド６１のまわり、及びそれらの間の区域を示しており、図６Ｃは、下端層の底面図を示し、図６Ｄは、図６Ｃの部分を拡大して示したものであり、キャパシタパッド６１のまわり、及びそれらの間の区域を示している。この例では、層１及び層２は、４ターンの銅巻線であり、層４は、戻りトレース用である。層２がスタンドアロン型キャパシタへの接続にアクセスできるように、層１のキャパシタパッド６１は、パッド間に大きな隙間を有するように作られている。これらのパッドの中間は、層２に接続された貫通ビア６２であり、キャパシタパッド６１は、下端層（層４）に配置され、そこではビア６２はキャパシタパッドに短絡されている。これにより、貫通ビアプロセスを使用して内側層にアクセスするやり方が提供され、このやり方は、ブラインドビアプロセス又は入れ子式ビアプロセスほど高価ではない可能性がある。有益なこととして、ビア６２は、伝導区域を最上層（層１）から切断しない。この例では、層３はブランク層とすることができる。しかしながら、他の実施形態では、層３はコイル層を含むことができる。
【0078】
集積化直列ターンキャパシタンス
いくつかの実施形態では、直列ターンキャパシタンスは集積化させて形成することができる。薄層導体を有する多層構造では、１つ又は複数の直列ターンキャパシタンスは、誘電体によって分離された多層構造の薄層導体からなる２つの層によって形成することができる。図７は、２つの層の間に集積化直列ターンキャパシタンスを含む構造を図示する。見てわかるように、層１の導体Ａは、層２の導体Ｂと（垂直方向に）部分的に重なり合って、それらの間にキャパシタンスを形成している。導体Ｂは、層１の導体Ｃと部分的に重なり合って、それらの間にキャパシタンスを形成している。導体Ｃは、層２の導体Ｄと部分的に重なり合って、それらの間にキャパシタンスを形成している。交流電流（ＡＣ）は、図７に示されている矢印の方向に沿って、導体Ａ～Ｄ及びそれらの集積化直列ターンキャパシタンスを通って流れる。すなわち、交流電流は、集積化キャパシタンスを通って層１及び層２の導体間を行き来して流れる。キャパシタンスは、異なる層の導体間の重なり合いの面積に比例する。したがって、キャパシタンスは、重なり合い面積を変えることによって選択することができる。
いくつかの実施形態では、直列ターンキャパシタンスは集積化させて形成することができる。薄層導体を有する多層構造では、１つ又は複数の直列ターンキャパシタンスは、誘電体によって分離された多層構造の薄層導体からなる２つの層によって形成することができる。図７は、２つの層の間に集積化直列ターンキャパシタンスを含む構造を図示する。見てわかるように、層１の導体Ａは、層２の導体Ｂと（垂直方向に）部分的に重なり合って、それらの間にキャパシタンスを形成している。導体Ｂは、層１の導体Ｃと部分的に重なり合って、それらの間にキャパシタンスを形成している。導体Ｃは、層２の導体Ｄと部分的に重なり合って、それらの間にキャパシタンスを形成している。交流電流（ＡＣ）は、図７に示されている矢印の方向に沿って、導体Ａ～Ｄ及びそれらの集積化直列ターンキャパシタンスを通って流れる。すなわち、交流電流は、集積化キャパシタンスを通って層１及び層２の導体間を行き来して流れる。キャパシタンスは、異なる層の導体間の重なり合いの面積に比例する。したがって、キャパシタンスは、重なり合い面積を変えることによって選択することができる。
【0079】
図８Ａ～図８Ｄは、図７に図示されているような集積化直列ターンキャパシタンスを有するコイルの一例の斜視図（図８Ａ）、上面図（図８Ｂ）、下端層（層２）の上面図（図８Ｃ）、及び最上層（層１）の上面図（図８Ｄ）を示す。層１及び層２内の導体は、同じ層の隣接する導体同士（例えば、Ａ、Ｃ）を分離する隙間を有して円周方向に延在し、異なる層の導体が互いに部分的に重なり合って、直列ターンキャパシタンスを形成している。この設計を用いると、交流電流は、コイルの周りを一回りするときに２つの層の間を行き来して流れるので、「ターン」は両方の層の導体を利用する。この例では、コイルは、互いに電気的に隔離された２つのターンを有して示されている。しかしながら、これは一例であり、集積化直列ターンキャパシタンスを有するコイルは、任意の１つ又は複数の数のターンで形成することができる。さらに、ある例は、２つの層を有して示されているが、他の例では、集積化直列ターンキャパシタンスを有するコイルを３つ以上の層に形成することができる。例えば、３層構造では、キャパシタンスを層１と層２との間に形成し、次に層２と層３との間に、次に層３と層２との間に、次に層２と層１との間に形成し、コイルの周りを一回りさせることができる。さらに、内側のターンに８つの直列ターンキャパシタンスを有し、外側のターンに１２個の直列ターンキャパシタンスを有する一例が図８Ａ～図８Ｄに示されているが、本明細書に記載の装置及び技法は、１ターンの直列ターンキャパシタンスの数はゼロ以上とすることができるので、この点に関して限定されず、また、直列ターンキャパシタンスの数は、異なるターンに対して同じである場合もあれば、異なる場合もある。さらに、いくつかの実施形態では、電磁部品は異なるタイプの直列ターンキャパシタンスを有する場合がある。例えば、１つ又は複数の直列ターンキャパシタンスを集積化直列ターンキャパシタンスによって形成することができ、また、１つ又は複数の直列ターンキャパシタンスをスタンドアロン型キャパシタによって形成することができる。
【0080】
同心ターン
薄層巻線を有する電磁部品は、図１Ｂに示されているような、巻線の半径が連続的に変わる螺旋状の構成をした巻線ターンで作られる場合が多い。本発明者らは、異なる半径のターンの間に遷移領域を有する同心ターンを使用することによって、薄層巻線の性能を高めることが可能であることを認識し、評価した。３ターンの巻線について図９に示されているように、ターンは円形とすることができ、遷移領域の外側に不変の半径を有することができる。遷移領域９１内では、隣接するターン同士を接続するトレースは、第１のターンに対応する１つの半径方向位置から第２のターンに対応する第２の半径方向位置まで延在している。遷移領域９１内では、トレースは、ある半径から別の半径に遷移する半径方向成分を有する方向に延在している。いくつかの実施形態では、遷移領域９１は、ある半径から別の半径に遷移するトレースを有する巻線の区域（上面図において）であるが、それは、（最も内側のターンの内側半径から最も外側のターンの外側半径までの間の区域である）巻線の合計面積の４分の１未満である。
薄層巻線を有する電磁部品は、図１Ｂに示されているような、巻線の半径が連続的に変わる螺旋状の構成をした巻線ターンで作られる場合が多い。本発明者らは、異なる半径のターンの間に遷移領域を有する同心ターンを使用することによって、薄層巻線の性能を高めることが可能であることを認識し、評価した。３ターンの巻線について図９に示されているように、ターンは円形とすることができ、遷移領域の外側に不変の半径を有することができる。遷移領域９１内では、隣接するターン同士を接続するトレースは、第１のターンに対応する１つの半径方向位置から第２のターンに対応する第２の半径方向位置まで延在している。遷移領域９１内では、トレースは、ある半径から別の半径に遷移する半径方向成分を有する方向に延在している。いくつかの実施形態では、遷移領域９１は、ある半径から別の半径に遷移するトレースを有する巻線の区域（上面図において）であるが、それは、（最も内側のターンの内側半径から最も外側のターンの外側半径までの間の区域である）巻線の合計面積の４分の１未満である。
【0081】
このような設定には多くの利点がある。利用可能な巻線空間のより効果的な使用が可能になることで、導通損失が低減される。また、図９に示されるように、平面状巻線の内側エッジが、磁性コアのセンターポストをほぼ辿るようになり、これにより、複数ターンの巻線の平面にほぼ平行な磁力線が提供され、このことがひいては、巻線に誘導される渦電流を低減させ、巻線内に放散される損失をさらに低減させる。加えて、螺旋状巻線では、電流の流れは、すべての円周方向位置において少量の半径方向成分を有し、一方、同心ターンを有する巻線では、電流の流れは、巻線ターンの遷移領域の内側にのみ半径方向成分を有する。さらに以下で論じるように、半径方向の電流の流れが小さい領域に集中していることにより、このような半径方向の電流の影響を取り消すこともまた可能になり、さらなる性能向上につながる。
【0082】
遷移領域における電流
単一ターンのコイルは、１次元の電流の流れ（円周方向）を有する。複数ターンのコイルは、あるターンから別のターンへの遷移領域を有することができ、これにより、第２の次元（半径方向）の電流の流れが生じる。図１０Ａ及び図１０Ｂで上面図及び底面図に図示されているシミュレーション結果に示されるように、第２の次元のこの電流の流れの結果、電流は遷移領域で導体のエッジに集中している。
単一ターンのコイルは、１次元の電流の流れ（円周方向）を有する。複数ターンのコイルは、あるターンから別のターンへの遷移領域を有することができ、これにより、第２の次元（半径方向）の電流の流れが生じる。図１０Ａ及び図１０Ｂで上面図及び底面図に図示されているシミュレーション結果に示されるように、第２の次元のこの電流の流れの結果、電流は遷移領域で導体のエッジに集中している。
【0083】
いくつかの実施形態では、図１１Ａ（斜視図）及び図１１Ｂ（上面図）に示されるように、遷移領域のトレースの半径方向成分に起因する磁場は、遷移領域の上方、又は遷移領域の下方に戻りトレースを位置決めすることによって補正することができる。図１２は、図１０Ａ及び図１０Ｂと比較して電流密度が減少していることを図示しているシミュレーション結果を示す。
【0084】
完全に覆うことで、電流分布は良くなるが、寄生容量が大きくなる。動作周波数における電力損失は、各ターンが対応するターンのインダクタンスと共振するようにキャパシタンスを加えることによって、制御することができる。しかしながら、寄生容量は、高調波電流の増加につながる場合があり、回路性能に影響を与える場合がある。部分的に覆うことにより、より小さい寄生容量、又は制御可能な寄生容量で、性能の点においては完全に覆うことに近づけることができる。より高調波で高インピーダンスを提供するように寄生容量を制御して、高調波電流を減少させることができる。
【0085】
反対の電流を有する２つのトレース
電磁部品の性能は、平面状導体を互いに注意深く配置することによって向上させることができる。２つの平面状導体が反対方向に流れる電流を有する領域では、図１３Ａに示されているようにそれらを横に並べて配置するのではなく、図１３Ｂに示されているように、（寸法が大きい方の面同士を互いに隣接させて）２つの平面状導体を積み重ねることによって、より優れた性能を実現することができる。図１３Ｂに示されているように、反対の電流を有する平面状導体を積み重ねることで、それらを横に並べて配置することに比べて電流分布が良くなる。２つの導体を積み重ねる場合（図１３Ｂ）、２つの導体は必ずしも同じ幅を有する必要はない。一方の導体の幅がもう一方の幅よりも狭ければ、幅が広い方の導体の電流は主として重なり合っている領域に流れることになる。
電磁部品の性能は、平面状導体を互いに注意深く配置することによって向上させることができる。２つの平面状導体が反対方向に流れる電流を有する領域では、図１３Ａに示されているようにそれらを横に並べて配置するのではなく、図１３Ｂに示されているように、（寸法が大きい方の面同士を互いに隣接させて）２つの平面状導体を積み重ねることによって、より優れた性能を実現することができる。図１３Ｂに示されているように、反対の電流を有する平面状導体を積み重ねることで、それらを横に並べて配置することに比べて電流分布が良くなる。２つの導体を積み重ねる場合（図１３Ｂ）、２つの導体は必ずしも同じ幅を有する必要はない。一方の導体の幅がもう一方の幅よりも狭ければ、幅が広い方の導体の電流は主として重なり合っている領域に流れることになる。
【0086】
これは、コイルをパワーエレクトロニクス回路に接続するやり方を設計する際に有用である。例えば、図９のリード線の設計は、反対方向に流れる電流を有する２つの巻線リード線が横に並んでいるので、追加の損失につながる場合がある。したがって、リード線の電流は、それらの２つのリード線の内側エッジに集中することになる。
【0087】
図１４のリード線の設計は、２つのリード線３は、（先の例の、最も狭い寸法とは対照的に、最も広い寸法を互いに向かい合わせにして）それらが互いに重なり合うように積み重ねられているので、損失が低減される。これにより、リード線の電流はリード線の幅全体を利用することが可能になる。
【0088】
他の実施形態では、図１５に示されるように、巻線リード線３は、磁性コアの後板の開口を通って延在する場合がある。代替的に、後板の開口を通って延在する各リード線は、１つ又は複数のピン若しくはワイヤの列と置き換えることができる。
【0089】
本明細書に記載された装置及び手法の様々な態様は、単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよいし、前述した実施形態の説明においては記載されていない様々な構成にて用いてもよく、上記の説明又は図面に示された構成要素の詳細及び構成への適用に限定されない。例えば、１つの実施形態で説明した態様を、他の実施形態で説明した態様と任意の方法で組み合わせてもよい。
【0090】
請求要素を修飾するために特許請求の範囲において使用されている「第１」、「第２」、「第３」等の序数表現は、１つの請求要素に対する別の要素の優先、先行又は順序や、ある方法の動作が実行される時間的な順序をそれ自体が暗示するものではなく、ある名称を有している請求要素を、同一の名称（序数表現以外は同一）を有している別の請求要素と区別してこれらの請求要素を区別するための表示を目的としてのみ使用される。
【0091】
「実質的に」、「およそ」、「約」等の用語は、パラメータが記載された値の１０％以内、場合によっては５％未満であることを指す。
また、本明細書で使用される表現及び用語は説明を目的とするものであり、限定的ではない。本明細書における「含む」、「備える」、「有する」、「持つ」、「用いる」及びこれらの変形は、その後に記載される項目及びその同等物、ならびに追加の項目を包含することを意味する。
また、本明細書で使用される表現及び用語は説明を目的とするものであり、限定的ではない。本明細書における「含む」、「備える」、「有する」、「持つ」、「用いる」及びこれらの変形は、その後に記載される項目及びその同等物、ならびに追加の項目を包含することを意味する。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15】
【国際調査報告】