JP2008118059A - コモンモードチョークコイル - Google Patents

Abstract

【課題】スパイラル状導体の平面的な位置にずれが生じても特性が変化しないコモンモードチョークコイルを提供する。
【解決手段】スパイラル状導体を１４１，１４２含む第１のコイル１４０と、スパイラル状導体１５１，１５２を含む第２のコイル１５０とを備える。スパイラル状導体１４１，１５１は、スパイラル状導体１５２の隙間を介して積層方向に向かい合っており、スパイラル状導体１４２，１５２は、スパイラル状導体１４１の隙間を介して積層方向に向かい合っている。さらに、スパイラル状導体１４１の内周部及び外周部とスパイラル状導体１４２の外周部及び内周部は、積層方向にそれぞれ向かい合っており、スパイラル状導体１５１の内周部及び外周部とスパイラル状導体１５２の外周部及び内周部は、積層方向にそれぞれ向かい合っている。
【選択図】図３

Description

本発明はコモンモードチョークコイルに関し、特に、コイル導体間の磁気結合が高められたコモンモードチョークコイルに関する。

近年、高速な信号伝送インターフェースとして、ＵＳＢ２．０規格やＩＥＥＥ１３９４規格が広く普及し、パーソナルコンピュータやデジタルカメラなど数多くのデジタル機器に用いられている。ＵＳＢ２．０規格やＩＥＥＥ１３９４規格などのインターフェースは、古くから一般的であったシングルエンド伝送方式とは異なり、一対の信号線を用いて差動信号を伝送する差動信号方式が採用されている。

差動伝送方式は、シングルエンド伝送方式と比べて信号線から発生する放射電磁界が少ないだけでなく、外来ノイズの影響を受けにくいという優れた特徴を有している。このため、信号の小振幅化が容易であり、小振幅化による立ち上がり時間及び立ち下がり時間の短縮によって、シングルエンド伝送方式よりも高速な信号伝送を行うことが可能となる。

図９は、一般的な差動伝送回路の回路図である。

図９に示す差動伝送回路は、一対の信号線１１，１２と、信号線１１，１２に差動信号を供給する出力バッファ１３と、信号線１１，１２からの差動信号を受ける入力バッファ１４とを備えている。かかる構成により、出力バッファ１３に与えられる入力信号ＩＮは、一対の信号線１１，１２を経由して入力バッファ１４へ伝えられ、出力信号ＯＵＴとして再生される。このような差動伝送回路は、上述の通り、信号線１１，１２から発生する放射電磁界が少ないという特徴を有しているが、信号線１１，１２に共通のノイズ（コモンモードノイズ）が重畳した場合には比較的大きな放射電磁界を発生させてしまう。コモンモードノイズによって発生する放射電磁界を低減するためには、図９に示すように、信号線１１，１２にコモンモードチョークコイル２０を挿入することが有効である。

コモンモードチョークコイル２０は、信号線１１，１２を伝わる差動成分（信号）に対するインピーダンスが低く、同相成分（コモンモードノイズ）に対するインピーダンスが高いという特性を有している。このため、信号線１１，１２にコモンモードチョークコイル２０を挿入することにより、差動信号を実質的に減衰させることなく、一対の信号線１１，１２を伝わるコモンモードノイズを遮断することができる。コモンモードチョークコイル２０としては、例えば特許文献１〜３に記載された積層型のコモンモードチョークコイルが知られている。

図１０は、一般的な積層型のコモンモードチョークコイルの構造を説明するための模式的な略断面図である。

図１０に示すように、積層型のコモンモードチョークコイルは、絶縁体３０の内部に第１の導体層３１と第２の導体層３２が埋め込まれており、これらが積層方向において向かい合っている。導体層３１にはスパイラル状導体４１からなるコイルが設けられており、導体層３２にはスパイラル状導体４２からなるコイルが設けられている。スパイラル状導体４１，４２は、積層方向に隣接しており、隣接した部分において磁気的結合が発生する。このため、磁気的結合を強めるためには、スパイラル状導体４１とスパイラル状導体４２の対向する部分の面積を増大させればよい。

しかしながら、コモンモードチョークコイルに対しては小型化が要求されるため、必然的にスパイラル状導体４１，４２の導体幅を狭くせざるを得ない。スパイラル状導体４１，４２の導体幅を狭くすると、スパイラル状導体４１とスパイラル状導体４２の対向する部分の面積が小さくなり、その結果、磁気結合が低下するという問題があった。

この問題を解決するためには、図１１に示すように、各コイルを２層構造とすればよい。図１１に示す例では、一方のコイルを２つのスパイラル状導体５１，５２によって構成し、他方のコイルを２つのスパイラル状導体５３，５４によって構成している。これによれば、スパイラル状導体５１〜５４の配線幅を確保しつつ、コイル全体の巻回数を増やすことができることから、小型化を実現することが可能となる。

しかしながら、このような構造を採用すると、磁気結合すべきスパイラル状導体間の対向面積が不十分となってしまう。つまり、一方のコイルを構成するスパイラル状導体５２と、他方のコイルを構成するスパイラル状導体５３については、互いに積層方向に向かい合うものの、スパイラル状導体５１やスパイラル状導体５４については、磁気結合すべき他のスパイラル状導体と直接向かい合わない。このため、十分な磁気結合が得られないという問題があった。

この問題を解決するためには、図１２に示すように、スパイラル状導体５１，５２の径方向における位置をずらすとともに、スパイラル状導体５３，５４の径方向における位置をずらせばよい（特許文献４参照）。このような構造を採用すれば、スパイラル状導体５１，５２がそれぞれスパイラル状導体５３，５４と直接向き合うことから、磁気結合を高めることが可能となる。
特開平８−２０３７３７号公報 特開２００５−１２０７１号公報 特開２００５−１２０７２号公報 特開２００５−２２３２６２号公報

しかしながら、積層型のコモンモードチョークコイルは、スパイラル状導体が形成された絶縁層を積層することにより作製されることから、スパイラル状導体間において平面方向の目ずれが不可避的に生じる。

図１３は、図１２に示したスパイラル状導体５２が左側にずれた状態を示す模式的な断面図である。図１３に示すように、スパイラル状導体５２にずれが生じると、スパイラル状導体５２とスパイラル状導体５４とが向き合う面積が減少し、これらの間の磁気結合が低下してしまう。それだけでなく、スパイラル状導体５１とスパイラル状導体５３との間に、スパイラル状導体５２の一部が介在することになり、これらの間の磁気結合も低下してしまう。このような磁気結合の低下は、目ずれが大きくなればなるほど顕著となることから、目ずれの程度によって特性が変化するという問題があった。

本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、スパイラル状導体の平面的な位置にずれが生じても特性が変化しないコモンモードチョークコイルを提供することを目的とする。

本発明によるコモンモードチョークコイルは、積層された第１及び第２のスパイラル状導体を含む第１のコイルと、積層された第３及び第４のスパイラル状導体を含む第２のコイルとを備える積層型のコモンモードチョークコイルであって、前記第１のスパイラル状導体と前記第３のスパイラル状導体は、前記第２のスパイラル状導体の隙間を介して積層方向に向かい合っており、前記第２のスパイラル状導体と前記第４のスパイラル状導体は、前記第３のスパイラル状導体の隙間を介して積層方向に向かい合っており、前記第１のスパイラル状導体の内周部及び外周部と前記第２のスパイラル状導体の外周部及び内周部は、積層方向にそれぞれ向かい合っており、前記第３のスパイラル状導体の内周部及び外周部と前記第４のスパイラル状導体の外周部及び内周部は、積層方向にそれぞれ向かい合っていることを特徴とする。

本発明によれば、第１のスパイラル状導体の内周部及び外周部と第２のスパイラル状導体の外周部及び内周部が積層方向にそれぞれ向かい合っていることから、第１のスパイラル状導体や第２のスパイラル状導体の平面的な位置が多少ずれたとしても、第１のスパイラル状導体と第３のスパイラル状導体との対向面積は変化しない。同様に、第３のスパイラル状導体の内周部及び外周部と第４のスパイラル状導体の外周部及び内周部が積層方向にそれぞれ向かい合っていることから、第３のスパイラル状導体や第４のスパイラル状導体の平面的な位置が多少ずれたとしても、第２のスパイラル状導体と第４のスパイラル状導体との対向面積は変化しない。

これにより、各スパイラル状導体に平面方向の目ずれが生じた場合であっても、第１のコイルと第２のコイルとの磁気結合が変化しない。これにより、本発明によれば特性の安定したコモンモードチョークコイルを提供することが可能となる。

本発明において、前記第１のスパイラル状導体と前記第３のスパイラル状導体は実質的に同一形状であり、前記第２のスパイラル状導体と前記第４のスパイラル状導体は実質的に同一形状であることが好ましい。これによれば、第１のコイルと第２のコイルとの磁気結合を高めることが可能となる。

本発明によるコモンモードチョークコイルは、前記第１及び第２のコイル導体を挟んで前記積層方向の両側に設けられた一対の磁性体基板をさらに備えることが好ましい。これによれば、第１及び第２のコイル導体の磁気結合をより高めることが可能となる。また、前記第１及び第２のコイル導体は、非磁性体材料によって絶縁されていることが好ましい。これによれば、第１及び第２のコイル導体の磁気結合をより高めることが可能となる。

このように、本発明によれば、各スパイラル状導体に平面方向の目ずれが生じた場合であっても磁気結合が変化しないことから、特性の安定したコモンモードチョークコイルを提供することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい第１の実施形態によるコモンモードチョークコイル１００の構造を示す略分解斜視図であり、図２は、本実施形態によるコモンモードチョークコイル１００を組み立てた状態を示す略斜視図である。

図１に示すように、本実施形態によるコモンモードチョークコイル１００は、基板１１１，１１２と、基板１１１，１１２間に設けられた絶縁層１２１〜１２５と、所定の絶縁層に形成された導体パターンとを備えた積層型のコモンモードチョークコイルである。ここで、「積層型のコモンモードチョークコイル」とは、絶縁層を介して平面的な導体パターンが複数積層されたタイプのコモンモードチョークコイルを指し、ドラムに導線を巻回したタイプのコモンモードチョークコイルと区別される。

基板１１１，１１２の材料については特に限定されないが、透磁率の高い材料、例えばフェライトなどの磁性材料を用いることが好ましい。これは、基板１１１，１１２の材料として磁性材料を用いることにより、磁気結合が高められるからである。また、絶縁層１２１〜１２５の材料については、特に限定されないが、ポリイミドなどの非磁性体材料を用いることが好ましい。これは、絶縁層１２１〜１２５の材料として非磁性体材料を用いることにより、磁気結合が高められるからである。

絶縁層に形成された導体パターンは、各絶縁層１２１〜１２４の表面に形成された内部電極１３１〜１３４と、絶縁層１２２，１２１の表面にそれぞれ形成されたスパイラル状導体１４１，１４２と、絶縁層１２４，１２３の表面にそれぞれ形成されたスパイラル状導体１５１，１５２とを含んでいる。

スパイラル状導体１４１とスパイラル状導体１４２は、スルーホール導体（図示せず）を介して繋がっており、これにより１つのコイル１４０（第１のコイル）を構成する。同様に、スパイラル状導体１５１とスパイラル状導体１５２もスルーホール導体（図示せず）を介して繋がっており、これにより１つのコイル１５０（第２のコイル）を構成する。

図１に示すように、第１のコイル１４０を構成するスパイラル状導体１４１と、第２のコイル１５０を構成するスパイラル状導体１５１は、内部電極１３１，１３２への引き出し部を除いて同一形状を有している。同様に、第１のコイル１４０を構成するスパイラル状導体１４２と、第２のコイル１５０を構成するスパイラル状導体１５２は、内部電極１３３，１３４への引き出し部を除いて同一形状を有している。

これらのスパイラル状導体は、絶縁層上に、スパッタリング法、蒸着法、メッキ法などのいわゆる薄膜プロセスによって形成することができる。これら導体パターンのうち、内部電極１３１〜１３４は、それぞれ図２に示す外部電極１０１〜１０４に接続される導体パターンである（図１では、外部電極１０１〜１０４の図示を省略してある）。

図１に示すように、スパイラル状導体１４１，１４２からなる第１のコイル１４０は、一端が内部電極１３１に接続され、他端が内部電極１３３に接続されている。また、スパイラル状導体１５１，１５２からなる第２のコイル導体１５０は、一端が内部電極１３２に接続され、他端が内部電極１３４に接続されている。

そして、図１に示す矢印Ａからみた場合、これらコイル１４０，１５０は、いずれも一端から他端に向かっていずれも左回り（反時計回り）に巻回されている。したがって、外部電極１０１，１０２を一対の入力端子とすればコイル１４０，１５０は、互いに同方向に磁気結合することになる。ここで、「互いに同方向に磁気結合」とは、同相成分に対しては互いに磁束を強め合い、差動成分に対しては互いに磁束を打ち消し合うように磁気結合していることを言う。

図３は、図１に示すＢ断面の構造を模式的に示す断面図である。また、図４はスパイラル状導体１４１とスパイラル状導体１４２の重なりを示す平面図であり、図５はスパイラル状導体１５２とスパイラル状導体１４１の重なりを示す平面図であり、図６はスパイラル状導体１５１とスパイラル状導体１５２の重なりを示す平面図である。

図３に示すように、本実施形態によるコモンモードチョークコイル１００では、各スパイラル状導体の導体幅Ｌと、同一平面上における導体間隔Ｓとの関係が
Ｌ＞Ｓ
に設定されている。そして、隣接するスパイラル状導体は、積層方向から見て一方が他方の導体間を覆うように配置されている。これにより、第１のコイル１４０を構成するスパイラル状導体１４１と、第２のコイル１５０を構成するスパイラル状導体１５１は、矢印Ｃ１に示すように、スパイラル状導体１４２の隙間を介して積層方向に向かい合うことになる。同様に、第１のコイル１４０を構成するスパイラル状導体１４２と、第２のコイル１５０を構成するスパイラル状導１５２は、矢印Ｃ２に示すように、スパイラル状導体１５１の隙間を介して積層方向に向かい合うことになる。

隣接するスパイラル状導体間の関係についてより詳細に説明すると、下記の通りとなる。

まず、スパイラル状導体１４１とスパイラル状導体１４２に着目すると、図４に示すように、スパイラル状導体１４１の導体間を覆うようにスパイラル状導体１４２が配置されるとともに、スパイラル状導体１４２の導体間を覆うようにスパイラル状導体１４１が配置されている。これにより、スパイラル状導体１４１の内周部はスパイラル状導体１４２の外周部と向かい合い、スパイラル状導体１４１の外周部はスパイラル状導体１４２の内周部と向かい合うことになる。スパイラル状導体１４１の内周部とスパイラル状導体１４２の外周部との重なりは、図３において矢印Ｄ１で示されている。また、スパイラル状導体１４１の外周部とスパイラル状導体１４２の内周部との重なりは、図３において矢印Ｄ２で示されている。

ここで、スパイラル状導体の「内周部」及び「外周部」とは、図７に示すように、１つのスパイラル状導体を導体幅方向に二分した場合、内周側に位置する部分１６１及び外周側に位置する部分１６２としてそれぞれ定義される。断面図における内周部・外周部の位置関係は、図３にも一部表記されている。

同様に、スパイラル状導体１５２とスパイラル状導体１４１に着目すると、図５に示すように、スパイラル状導体１５２の導体間を覆うようにスパイラル状導体１４１が配置されるとともに、スパイラル状導体１４１の導体間を覆うようにスパイラル状導体１５２が配置されている。これにより、スパイラル状導体１５２の内周部はスパイラル状導体１４１の外周部と向かい合い、スパイラル状導体１５２の外周部はスパイラル状導体１４１の内周部と向かい合うことになる。スパイラル状導体１５２の内周部とスパイラル状導体１４１の外周部との重なりは、図３において矢印Ｄ３で示されている。また、スパイラル状導体１５２の外周部とスパイラル状導体１４１の内周部との重なりは、図３において矢印Ｄ４で示されている。

さらに同様に、スパイラル状導体１５１とスパイラル状導体１５２に着目すると、図６に示すように、スパイラル状導体１５１の導体間を覆うようにスパイラル状導体１５２が配置されるとともに、スパイラル状導体１５２の導体間を覆うようにスパイラル状導体１５１が配置されている。これにより、スパイラル状導体１５１の内周部はスパイラル状導体１５２の外周部と向かい合い、スパイラル状導体１５１の外周部はスパイラル状導体１５２の内周部と向かい合うことになる。スパイラル状導体１５１の内周部とスパイラル状導体１５２の外周部との重なりは、図３において矢印Ｄ５で示されている。また、スパイラル状導体１５１の外周部とスパイラル状導体１５２の内周部との重なりは、図３において矢印Ｄ６で示されている。

尚、隣接する２つのスパイラル状導体は、一方が内周から外周に向かって左回りであるのに対し、他方は外周から内周に向かって左回りである。このため、一方が他方の導体間を完全に覆うように配置することはできず、図４〜図６に示す領域Ｅ１〜Ｅ３において一部の導体間を覆うことができなくなる。

このような隣接するスパイラル状導体間の重なりは、内周部及び外周部の和（例えばＤ１＋Ｄ２）が
Ｌ−Ｓ
で定義される。したがって、一方のスパイラル状導体の線幅方向における中心と、他方のスパイラル状導体間の線幅方向における中心とが一致している場合、内周部における重なり及び外周部における重なりは、いずれも
（Ｌ−Ｓ）／２
となる。

以上が本実施形態によるコモンモードチョークコイル１００の構成である。

このような構成を有するコモンモードチョークコイル１００は、各スパイラル状導体に平面方向の目ずれが生じた場合であっても、目ずれによる特性の変化がほとんど生じない。図８はこれを説明するための図であり、スパイラル状導体１４１が左側にずれた状態を模式的に示している。

図８に示すように、スパイラル状導体１４１が左側にずれると、コモンモードチョークコイル１００の左側のエリアＦ１では、重なりＤ１，Ｄ４が減少し、Ｄ２，Ｄ３が増加する。逆に、コモンモードチョークコイル１００の右側のエリアＦ２では、重なりＤ１，Ｄ４が増加し、Ｄ２，Ｄ３が減少する。しかしながら、スパイラル状導体１４１，１５１の重なりＣ１や、スパイラル状導体１４２，１５２の重なりＣ２については、どのエリアにおいても変化しない。このため、第１のコイル１４０と第２のコイル１５０との間の磁気結合も実質的に変化しない。

また、隣接するスパイラル状導体間の重なりについても、全体的に見ればＤ１〜Ｄ４とも変化しないため、両者間の浮遊容量についても実質的に変化しない。

目ずれの許容範囲は、スパイラル状導体の導体幅Ｌと導体間隔Ｓとの関係によって決まる。上述の通り、一方のスパイラル状導体の線幅方向における中心と、他方のスパイラル状導体間の線幅方向における中心とが一致するように設計した場合、内周部における重なり及び外周部における重なりは、いずれも
（Ｌ−Ｓ）／２
となることから、この値が目ずれの許容範囲となる。したがって、想定される目ずれの最大値よりも上記の値を大きく設定すればよい。一例として、スパイラル状導体の導体幅Ｌを１０μｍ、導体間隔Ｓを６μｍとすれば、
（Ｌ−Ｓ）／２＝２μｍ
となり、２μｍの目ずれを吸収できることになる。

このように、本実施形態によるコモンモードチョークコイル１００によれば、各スパイラル状導体に平面方向の目ずれが生じた場合であっても、目ずれによる特性の変化はほとんど生じなくなる。

しかも、本実施形態では、スパイラル状導体１４１，１５１が実質的に同一形状を有しており、スパイラル状導体１４２，１５２が実質的に同一形状を有していることから、高い磁気結合を得ることができるとともに、第１のコイル１４０と第２のコイル１５０の特性を一致させることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記各実施形態では、一対のコイル導体の両側に基板が設けられているが、これら基板の一方又は両方を省略しても構わない。

本発明の好ましい第１の実施形態によるコモンモードチョークコイル１００の構造を示す略分解斜視図である。 コモンモードチョークコイル１００を組み立てた状態を示す略斜視図である。 図１に示すＢ断面の構造を模式的に示す断面図である。 スパイラル状導体１４１とスパイラル状導体１４２の重なりを示す平面図である。 スパイラル状導体１５２とスパイラル状導体１４１の重なりを示す平面図である。 スパイラル状導体１５１とスパイラル状導体１５２の重なりを示す平面図である。 スパイラル状導体の内周部及び外周部の定義を説明するための模式図である。 コモンモードチョークコイル１００のスパイラル状導体１４１が左側にずれた状態を示す模式的な断面図である。 一般的な差動伝送回路の回路図である。 一般的な積層型のコモンモードチョークコイルの構造を説明するための模式的な略断面図である。 コイルを２層構造としたコモンモードチョークコイルの構造を説明するための模式的な略断面図である。 コイルを２層構造としたコモンモードチョークコイルの変形例の構造を説明するための模式的な略断面図である。 図１２に示したスパイラル状導体５２が左側にずれた状態を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１１，１２ 信号線
１３ 出力バッファ
１４ 入力バッファ
２０ コモンモードチョークコイル
３０ 絶縁体
３２，３２ 導体層
４１，４２，５１〜５４ スパイラル状導体
１００ コモンモードチョークコイル
１０１〜１０４ 外部電極
１１１，１１２ 基板
１２１〜１２５ 絶縁層
１３１〜１３４ 内部電極
１４０ 第１のコイル
１５０ 第２のコイル
１４１，１４２，１５１，１５２ スパイラル状導体
１６１ 内周部分
１６２ 外周部分

Claims (3)

1. 積層された第１及び第２のスパイラル状導体を含む第１のコイルと、積層された第３及び第４のスパイラル状導体を含む第２のコイルとを備える積層型のコモンモードチョークコイルであって、
   前記第１のスパイラル状導体と前記第３のスパイラル状導体は、前記第２のスパイラル状導体の隙間を介して積層方向に向かい合っており、
   前記第２のスパイラル状導体と前記第４のスパイラル状導体は、前記第３のスパイラル状導体の隙間を介して積層方向に向かい合っており、
   前記第１のスパイラル状導体の内周部及び外周部と前記第２のスパイラル状導体の外周部及び内周部は、積層方向にそれぞれ向かい合っており、
   前記第３のスパイラル状導体の内周部及び外周部と前記第４のスパイラル状導体の外周部及び内周部は、積層方向にそれぞれ向かい合っている
   ことを特徴とするコモンモードチョークコイル。
2. 前記第１のスパイラル状導体と前記第３のスパイラル状導体は実質的に同一形状であり、前記第２のスパイラル状導体と前記第４のスパイラル状導体は実質的に同一形状であることを特徴とする請求項１に記載のコモンモードチョークコイル。
3. 前記第１及び第２のコイルを挟んで前記積層方向の両側に設けられた磁性体基板をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のコモンモードチョークコイル。

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