JP2018019063A - プリント配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルが実装されてもそのコイルのＱなどの特性を良好な状態に維持できるプリント配線基板を提供する。【解決手段】基板は、不導体である基材と、基材の表面に形成された導体層とを有している。コイルが実装される領域に、導体層が除去された除去部が形成されている。除去部は、コイルの幅よりも狭い幅でコイルの軸方向にわたって形成されている。これにより、コイルに電流が流されても、多くの磁束が銅箔の無い導体除去部を通過するため、渦電流によるＱの低下を最小限に留めることができる。【選択図】図２

Description

この発明は、コイルが実装されるプリント配線基板に関する。

プリント配線基板は、ガラスエポキシ等の基材の片面または両面に銅箔等の導体層を形成したものである。このプリント配線基板にコイルを実装した場合、導体層がコイルの特性に影響を及ぼす場合がある。コイルに電流が流れると磁束が発生し、この電流が変化すると発生する磁束も変化する。変化する磁束が導体層を横切っている場合、導体層に渦電流が発生し、渦電流が新たな磁場をつくる。この磁場はコイルの磁場を打ち消す方向に働くため、これによってコイルの電気抵抗（直流抵抗成分）Ｒが増加し、コイルの特性を示す指標であるＱ（Ｑ＝ωＬ／Ｒ、Ｌ：コイルのインダクタンス（Ｈ）、Ｒ：コイルの電気抵抗（Ω））が低下する。また、渦電流によってコイルのインダクタンスも低下する。

特開２００８−０３４４１５号公報

上の課題を解決するために従来より特許文献１のような提案がなされている。特許文献１のプリント配線基板では、チョークコイルが実装される基板上の位置の導体パターンを複数の領域に分断することによって、大きい渦電流の発生を抑制している。

しかし、特許文献１のように導体パターンが複数の領域に分割されても、分割された各領域内で渦電流が発生するため抑制の効果は限定的である。また、導体層によるインダクタンスの変化を防止することはできない。

この発明の目的は、コイルの特性を良好な状態に維持できるプリント配線基板を提供することにある。

本発明のプリント配線基板は、不導体の基材と、基材の表面に形成された導体層と、導体層においてコイルが実装される領域と、この領域の基材および前記導体層がコイルの幅よりも狭い幅でコイルの軸方向にわたって除去された除去部と、を備えたことを特徴とする。

本発明において、コイルと除去部との間に非磁性体の不導体プレートが設けられてもよく、コイルが、導体層と平行に実装されてもよい。

また、本発明のプリント配線基板は、スピーカシステムのクロスオーバー回路に用いられるものであってもよい。

この発明のプリント配線基板では、実装されたコイルのＱなどの特性の低下を最小限に留めることができる。

この発明が適用されるプリント配線基板の平面図である。 プリント配線基板にコイルが実装される形態を示す図である。 コイルに電流が流れることによって生じる磁束を示す図である。 プリント配線基板にコイルを実装する場合の変形例を示す図である。 基板に垂直な軸を有するコイルに対して形成される導体除去部を例示した図である。

図面を参照して本発明の実施形態であるプリント配線基板（以下、基板）１について説明する。基板１は、スピーカシステムのクロスオーバー回路用の基板の例を示している。クロスオーバー回路とは、オーディオアンプからスピーカケーブルで入力されたスピーカ駆動信号を、２つのスピーカユニット（２ウェイ）または３つのスピーカユニット（３ウェイ）に分割して供給するための回路である。２ウェイのスピーカシステムでは、高音域用スピーカユニットおよび低音域用スピーカが用いられ、スピーカ駆動信号は高音域、低音域の２つの周波数帯域に分割される。３ウェイのスピーカシステムでは、高音域用スピーカ、中音域用スピーカおよび低音域用スピーカが用いられ、スピーカ駆動信号は高音域、中音域および低音域の３つの周波数帯域に分割される。この実施形態のクロスオーバー回路は、コイル、コンデンサ、抵抗などの受動部品のみで構成されており、パッシブクロスオーバー回路と呼ばれる。スピーカ駆動信号は、低周波（オーディオ周波数）、ローインピーダンスおよび比較的大電流などの特徴を有するため、クロスオーバー回路では、電気抵抗が少ない幅の広い回路パターン、低周波をフィルタできるインダクタンスの大きいコイルなどが用いられる。

図１において、基板１は、ガラスエポキシ等の不導体からなる基材４の表裏それぞれに導体層である銅箔２，３が形成された両面基板である。基板１には複数の（図面上は４つの）実装領域１０、２０、３０、４０が形成されている。この実装領域１０、２０、３０、４０にフィルタ用のコイルが実装される。実装領域１０、２０、３０、４０には、基板１に並行な軸を有するコイルが実装される。なお、基板１には、他の部品も実装されるが、また、基板１の銅箔２，３には回路パターンが形成されているが、説明の簡略化のためこれらの図示は省略している。

基板１に実装されるコイルの例を図２に示す。図示のコイル５０は、例えば、実装領域１０に実装されるコイルである。コイル５０は、両端にフランジ５３、５４を有するボビン５２に銅線５１が巻きつけられたものである。ボビン５２の内部には鉄芯５５が設けられ、少ない巻き線で高いインダクタンスが得られるようにしている。銅線５１の両端は、リード線として基板１に形成された接続穴（ビアホール）６０に挿入されてハンダ付け固定される。また、実装領域１０の両側には貫通穴である結束穴６１が２つずつ形成されている。コイル５０が実装領域１０上に載置されたのち、結束穴６１に通されたインシュロック（登録商標）などの結束バンド６２でコイル５０を縛ることにより、基板１とコイル５０が結束される

ここでは、実装領域１０に実装されるコイル５０について説明したが、他の実装領域に実装されるコイル、および、その実装形態もほぼ同様である。ただし、実装領域３０に実装されるコイルは鉄芯を有さない中空コイルである。

図３は、コイル５０に電流が流されることによって形成される磁束を示す図である。コイル５０は基板１上に実装される。基板１の表裏には銅箔２，３が形成されている。コイル５０に電流が流されると、コイル５０の内部を軸方向に貫通して、その周囲を周回する磁束７０が生じる。磁束７０は、コイル５０内部（鉄芯５５）では高い磁束密度でＳ極（図示ではフランジ５３側）からＮ極（図示ではフランジ５４側）にほぼ平行に形成され、コイル外ではＮ極端部からコイルの周囲を周回してＳ極端部に戻る。基板側を周回する磁束はＮ極付近で基板を表から裏へ貫通し、Ｓ極付近で裏から表へ貫通する。

通常の基板では、コイル５０の下部にも銅箔２，３が形成されている。スピーカ駆動信号はオーディオ信号（交番電流）であるため、銅箔２，３を横切る磁束が変化する。銅箔２，３を横切る磁束が変化すると、銅箔２，３に渦電流が発生する。この渦電流によってコイル５０の磁束とは逆方向の磁束が生じる。この逆方向の磁束による相互誘導によりコイル５０の電流値が低下する。これにより、コイル５０の抵抗値Ｒが増加し、コイルの性能を示す値であるＱ（Ｑ＝ωＬ／Ｒ）が低下する。また、渦電流による相互誘導の影響でコイル５０のインダクタンスＬも低下する。

そこでこの実施形態では、図１、図２に示すように、実装領域１０の一部または全部の銅箔２，３を除去し、導体除去部１１，１２を形成した。これにより、コイル５０の磁束７０が高い密度で通過する領域に導体が無くなり、渦電流による相互誘導によるＱの低下や、インダクタンスの変化を防止することができた。導体除去部１１，１２は、エッチングまたは剥離で銅箔２，３を基材４から除去して形成してもよい。また、導体除去部１１，１２として基板１の開口部を形成してもよい。すなわち、基材４を銅箔２，３とともに切り取って導体除去部１１，１２としてもよい。

導体除去部は、実装領域４０の導体除去部４１のように、コイルの軸方向全体にわたって形成してもよい。一方、実装領域１０の導体除去部１１，１２のように、コイルの軸方向の前後両端部に形成し、コイルの中央部に対応する位置に形成しないようにしてもよい。図３に示したように、コイルの中央部の対応する位置では、基板１を横切る磁束が少ないため、銅箔２，３を残してもコイルのＱに及ぼす悪影響が少ないためである。

以下に、プリント配線基板にコイルを実装した場合のインダクタンスＬおよびＱの変化を測定した実験例を示す。あるケイ素鋼板入りのコイル（Ｌ＝３０．１８ｍＨを空中に保持し、このコイルに１ｋＨｚ，１Ｖの信号を入力したところ、Ｑは２９．５であった。すなわち、電気抵抗Ｒは約６．４Ωであった。このコイルを通常の基板（実装領域にも銅箔が残されている基板）に実装したところ、インダクタンスＬは２９．７４ｍＨに低下し、上と同様の１ｋＨｚ，１Ｖの信号を入力したところ、Ｑは１５．３に極度に低下した。すなわち電気抵抗Ｒがほぼ倍（１２．２１Ω）になった。一方、このコイルを基板１の実装領域１０に実装したところ、インダクタンスＬは３０．１２ｍＨと殆ど変化なく、上と同様の１ｋＨｚ，１Ｖの信号を入力したところ、Ｑは２６．８とわずかな低下に抑えることができた。このときの電気抵抗Ｒは７．０６Ωであった。

以上説明したように、本実施形態の基板１では、実装されたコイルのＱの低下およびインダクタンスＬの変化を最小限に留めることができる。

なお、図１において、実装領域１０では、実装領域１０の範囲内で導体除去部１１，１２が形成されている。さらに、実装領域２０の導体除去部２１，２２のように、実装領域２０からはみ出して形成されてもよい。導体除去部２１，２２は、コイルの軸方向（長手方向）に実装領域２０を越えて形成されている。図３に示したように、コイルの軸方向は実装領域を越えて高い密度の磁束が通過する場合があるため、実装領域２０を軸方向に越えた位置の銅箔２，３を除去することは、コイルのＱの改善に有効である。

また、図１において、実装領域３０には導体除去部が形成されていない。上述したように、実装領域３０には中空コイルが実装される。中空コイルは、一般的に鉄芯入りコイルよりもインダクタンスＬが小さい（生じる磁束が少ない）ため、渦電流の影響が小さいと考えられるためである。また、中空コイルは、鉄芯入りコイルよりもＱが高いため、渦電流で性能が多少低下しても回路全体に及ぼす影響が少ないと考えられる。

図４は、Ｑの低下をさらに抑制した変形例を示す図である。実装領域１０に導体除去部１１，１２を形成したうえに、さらに、図４に示すように、コイル５０と基板１との間にプレート８０を挟んで実装してもよい。プレート８０は、不導体で非磁性体（好ましくは空気の透磁率に近いもの）が好適である。プレート８０として、たとえば、カラスエポキシ、木材、ガラス、樹脂、セラミックスなどが適用可能である。これにより、銅箔２，３とコイル５０との距離が長くなるため、実装されたコイル５０のＱの低下およびインダクタンスＬの変化をより小さく留めることができる。また、上述したように、導体除去部１１、１２を基板１を切除して形成した場合には、プレート８０が基板１の補強にもなる。

なお、上の実施形態では、基板に水平の軸を有するコイル５０を実装する場合について説明したが、それ以外の角度でもよい。たとえば、図５に示すように、基板１に垂直の軸を有するコイル５７を実装した場合にも本発明を適用可能である。この場合でもコイル５７が実装される位置およびその周縁部に導体除去部５８を形成することが好ましい。

なお、この実施形態では、コイルの実装領域を基準とし、その範囲内、または、コイルの軸方向に実装領域を越える部分に導体除去部を形成した。他の方式として、実装されるコイルの磁束を観察して基板を通過する磁束密度が所定値以上のエリアを求め、このエリアに導体除去部を形成してもよい。

また、上記の実施形態では、表の銅箔２および裏の銅箔３に対して同形状の導体除去部を形成することを想定しているが、銅箔２，３にこれぞれ異なる形状の導体除去部を形成してもよい。また、本発明は片面基板にも適用可能である。

１ プリント配線基板（基板）
２，３ 銅箔（導体層）
４ 基材
１０，２０，３０，４０ 実装領域
１１，１２，２１，２２，４１ 導体除去部
５０ コイル
５１ 銅線
５３，５４ フランジ
５５ 鉄芯
６０ 接続穴
６１ 結束穴

Claims (4)

1. 不導体の基材と、
   該基材の表面に形成された導体層と、
   該導体層においてコイルが実装される領域と、
   該領域の前記基材および前記導体層が、前記コイルの幅よりも狭い幅で、前記コイルの軸方向にわたって除去された除去部と、
   を備えたプリント配線基板。
2. 前記コイルは、前記導体層と平行に実装される請求項１に記載のプリント配線基板。
3. 前記コイルと前記除去部との間に、非磁性体の不導体プレートが設けられる請求項１または請求項２に記載のプリント配線基板。
4. スピーカシステムのクロスオーバー回路用の基板である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のプリント配線基板。

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