JP2008306014A - コモンモードチョークコイル - Google Patents

Abstract

【課題】コモンモードチョークコイルのカットオフ周波数を高める。
【解決手段】積層されたコイル導体２１，２２と、コイル導体２１側に配置された磁性基板１１Ａと、コイル導体２２側に配置された磁性基板１１Ｂとを備える。コイル導体２１の導体中心から磁性基板１１Ａの表面までの距離をＡとし、コイル導体２２の導体中心から磁性基板１１Ｂの表面までの距離をＢとし、コイル導体２１の導体中心からコイル導体２２の導体中心までの距離をＣとした場合、Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２を満たしている。これにより、磁性基板１１Ａ，１１Ｂとコイル導体２１，２２との距離の差が比較的小さくなることから、当該距離の差に起因する漏れインダクタンスが減少し、ディファレンシャルモード信号に対するカットオフ周波数が高められる。
【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、ディファレンシャルモード信号に対するカットオフ周波数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（ディファレンシャルモード信号）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６は、一般的な差動伝送回路の回路図である。

図６に示す差動伝送回路は、一対の信号線２，４と、信号線２，４にディファレンシャルモード信号を供給する出力バッファ６と、信号線２，４からのディファレンシャルモード信号を受ける入力バッファ８とを備えている。かかる構成により、出力バッファ６に与えられる入力信号ＩＮは、一対の信号線２，４を経由して入力バッファ８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２，４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２，４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６に示すように、信号線２，４にコモンモードチョークコイル１０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１０は、信号線２，４を伝わる差動成分（ディファレンシャルモード信号）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２，４にコモンモードチョークコイル１０を挿入することにより、ディファレンシャルモード信号を実質的に減衰させることなく、一対の信号線２，４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１０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。
特開平８−２０３７３７号公報 特開２００５−１２０７１号公報 特開２００５−１２０７２号公報 特開２００６−２６１５８５号公報

コモンモードチョークコイルは、ディファレンシャルモード信号を実質的に減衰させないという特性を有しているが、周波数が高くなるにつれてディファレンシャルモード信号の減衰量も徐々に増大してしまう。このため、高速インターフェースにおいて信号品質を高めるためには、ディファレンシャルモード信号に対するカットオフ周波数をより高める必要がある。

このような観点から研究を重ねた結果、本発明者らの一人は、コイル導体の幅Ｌと長さＷとの比を所定の値とすることにより、ディファレンシャルモード信号に対するカットオフ周波数が高められることを見いだした（特許文献４）。しかしながら、本発明者らがさらに研究を重ねたところ、コイル導体の幅Ｌと長さＷとの比が同じであっても、積層方向におけるコイル導体の位置、コイル導体厚、磁性基板間の距離などによってカットオフ周波数が変化することが判明した。

したがって、本発明は、積層方向におけるコイル導体の位置、コイル導体厚、磁性基板間の距離などを調整することにより、コモンモードチョークコイルのカットオフ周波数をよりいっそう高めることを目的とする。

積層方向におけるコイル導体の位置、コイル導体厚、磁性基板間の距離などとカットオフ周波数との関係について、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、一対のコイル導体と磁性基板との距離のアンバランスがカットオフ周波数を低下させる一因であることを見いだした。

本発明は、このような技術的知見に基づきなされたものであって、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のコイル導体と、第１のコイル導体側に配置された第１の磁性基板と、第２のコイル導体側に配置された第２の磁性基板とを備え、第１のコイル導体の導体中心から第１の磁性基板の表面までの距離をＡとし、第２のコイル導体の導体中心から第２の磁性基板の表面までの距離をＢとし、第１のコイル導体の導体中心から第２のコイル導体の導体中心までの距離をＣとした場合、
Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２
を満たしていることを特徴とする。

本発明によれば、Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２を満たしていることから、磁性基板と第１及び第２のコイル導体との距離の差が比較的小さくなる。その結果、当該距離の差に起因する漏れインダクタンスが減少することから、ディファレンシャルモード信号に対するカットオフ周波数を高めることが可能となる。

本発明において「コイル導体の導体中心」とは、積層方向、すなわち、厚み方向におけるコイル導体の中心を指す。

本発明においては、（Ａ＋Ｂ）／３＜Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２を満たしていることがより好ましい。これによれば、磁性基板間の距離が離れすぎないことから、コモンモードノイズに対するインピーダンスを十分に確保することが可能となる。

また、第１及び第２のコイル導体の導体厚をＥとした場合、Ｅ＜（Ｄ／３）を満たしていることが好ましい。これによれば、磁性基板間の距離を過度に大きくしたり、コイル間の距離を過度に小さくしたりすることなく、Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２の条件を容易に満たすことが可能となる。

本発明においては、Ａ＜Ｂ／３を満たしていることもまた好ましい。これによれば、第１の磁性基板側から順次積層した場合において、十分な平坦性を保つことが可能となる。

本発明においては、第１及び第２のコイル導体の平面形状が曲線的なスパイラルパターンであることが好ましい。これによれば、直線的なスパイラルパターンに比べて導体長が短くなることから、カットオフ周波数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、コモンモードチョークコイルのカットオフ周波数を高め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の構成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、薄膜タイプのコモンモードチョークコイルであって、第１及び第２の磁性基板（磁性体層）１１Ａ、１１Bと、第１の磁性基板１１Ａと第２の磁性基板１１Ｂに挟まれた層構造体１２とを備えている。第１の磁性基板１１Ａ、層構造体１２、第２の磁性基板１１Ｂからなる積層体の外周面には、端子電極１４ａ〜１４ｄが形成されている。

第１及び第２の磁性基板１１Ａ、１１Ｂは、層構造体１２を物理的に保護すると共に、コモンモードチョークコイルの閉磁路としての役割を果たすものである。第１及び第２の磁性基板１１Ａ、１１Ｂの材料としては、焼結フェライト、複合フェライト（粉状のフェライトを含有した樹脂）等を用いることができる。

図２は、層構造体１２の略分解斜視図である。

図２に示すように、層構造体１２は、複数の層が薄膜成形技術により積層形成されたものであり、第１〜第５の絶縁層１５Ａ〜１５Ｅと、実際のコモンモードチョークコイルとして機能する第１及び第２のコイル導体２１，２２と、第１〜第４の引き出し導体３１〜３４とを備えている。本実施形態の層構造体１２は、第１乃至第５の絶縁層１５Ａ〜１５Ｅの間に設けられた４層構造の導電層を有している。

第１〜第５の絶縁層１５Ａ〜１５Ｅは、各導体パターン間、或いは導体パターンと磁性基板とを絶縁すると共に、導体パターンが形成される平面の平坦性を確保する役割を果たす。特に、第１及び第５の絶縁層１５Ａ，１５Ｅは第１及び第２の磁性基板１１Ａ、１１Ｂの表面の凹凸を緩和し、導体パターンの密着性を高める役割を果たす。絶縁層１５Ａ〜１５Ｅとしては、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等、電気的及び磁気的な絶縁性に優れ、加工性のよい樹脂材料を用いることが好ましい。特に限定されるものではないが、

第１及び第２のコイル導体２１，２２の内側の中央領域には、第１〜第５の絶縁層１５Ａ〜１５Ｅを貫通する開口２５が設けられている。この開口２５の内部には、第１の磁性基板１１Ａと第２の磁性基板１１Ｂとの間に閉磁路を形成するための磁性体２６が設けられている。磁性体２６としては、複合フェライト等の磁性材料を用いることができる。

第１のコイル導体２１は、第２の絶縁層１５Ｂ上に設けられている。第１のコイル導体２１はＣｕ等の金属材料からなり、スパイラル形状を有している。第１のコイル導体２１の外周側端部は、第１の引き出し導体３１を介して端子電極１４ａに接続されている。一方、第１のコイル導体２１の内周側端部は、第２の絶縁層１５Ｂを貫通するコンタクトホール２４ａ及び第３の引き出し導体３３を介して、端子電極１４ｃに接続されている。

第２のコイル導体２２は、第３の絶縁層１５Ｃ上に設けられている。第２のコイル導体２２もまたＣｕ等の金属材料からなり、第１のコイル導体２１と同一のスパイラル形状を有している。第２のコイル導体２２は、第１のコイル導体２１と平面視で同じ位置に設けられており、第１のコイル導体２１と完全に重なり合っているので、第１のコイル導体２１と第２のコイル導体２２との間には強い磁気結合が生じている。第２のコイル導体２２の外周側端部は、第２の引き出し導体３２を介して端子電極１４ｂに接続されている。一方、第２のコイル導体２２の内周側端部は、第４の絶縁層１５Ｄを貫通するコンタクトホール２４ｂ及び第４の引き出し導体３４を介して、端子電極１４ｄに接続されている。

第１のコイル導体２１の厚さと、第２のコイル導体２２の厚さは実質的に同じである。後述するように、コイル導体厚はカットオフ周波数に影響を与える重要なパラメータである。

図３は、本実施形態によるコモンモードチョークコイル１００の部分断面図である。

図３に示すように、第１のコイル導体２１の導体中心から第１の磁性基板１１Ａの表面までの距離をＡとし、第２のコイル導体２２の導体中心から第２の磁性基板１１Ｂの表面までの距離をＢとし、第１のコイル導体２１の導体中心から第２のコイル導体２２の導体中心までの距離をＣとした場合、本実施形態によるコモンモードチョークコイル１００は、
Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２
を満たしている。距離Ａは、図２に示した第１及び第２の絶縁層１５Ａ，１５Ｂの合計厚さ（＝Ａ'）と、コイル導体厚の半分（＝Ｅ／２）との和に相当する。また、距離Ｂは、第４及び第５の絶縁層１５Ｄ，１５Ｅの合計厚さ（＝Ｂ'）と、コイル導体厚の半分（＝Ｅ／２）との和に相当する。さらに、距離Ｃは、第３の絶縁層１５Ｃの厚さ（＝Ｄ）と、コイル導体厚（＝Ｅ）との和に相当する。

上記の関係式を満たすことは、第１の磁性基板１１Ａと第１及び第２のコイル導体２１，２２との距離の差、並びに、第２の磁性基板１１Ｂと第１及び第２のコイル導体２１，２２との距離の差が小さいことを意味する。これにより、当該距離の差に起因する漏れインダクタンスが減少し、ディファレンシャルモード信号に対するカットオフ周波数を高めることができる。

ここで、磁性基板と第１及び第２のコイル導体２１，２２との距離の差についてより詳細に説明する。図３に示すように、第１のコイル導体２１と第２のコイル導体２２は積層されていることから、一方の磁性基板から見た第１及び第２のコイル導体２１，２２への距離は、必ず相違する。つまり、第１の磁性基板１１Ａから見た場合、第１のコイル導体２１への距離はＡであるのに対し、第２のコイル導体２２への距離はＡ＋Ｃとなり、第２のコイル導体２２の方が必ず遠くなる。逆に、第２の磁性基板１１Ｂから見た場合、第２のコイル導体２２への距離はＢであるのに対し、第１のコイル導体２１への距離はＢ＋Ｃとなり、第１のコイル導体２１の方が必ず遠くなる。

このように不可避的に生じるアンバランスは、漏れインダクタンスを増大させることから、カットオフ周波数を低下させる原因となる。そこで、本発明では、距離Ａ，Ｂを大きく、距離Ｃを小さく設定することによって、Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２を満足させている。これにより、上記のアンバランスが低減することから、漏れインダクタンスを減少させることが可能となる。

但し、距離Ａ，Ｂを過度に大きく設定すると、磁性基板１１Ａ，１１Ｂ間の距離が離れすぎる結果、コモンモードノイズに対するインピーダンスが低下してしまう。この点を考慮すれば、
（Ａ＋Ｂ）／３＜Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２
を満たしていることがより好ましい。これによれば、磁性基板１１Ａ，１１Ｂ間の距離が離れすぎないことから、コモンモードノイズに対するインピーダンスを十分に確保することが可能となる。磁性基板１１Ａ，１１Ｂ間の許容距離は、要求されるカットオフ周波数に依存する。

一方、距離Ｃを小さくするためにコイル間距離（第１のコイル導体２１の表面から第２のコイル導体２２の表面までの距離）Ｄを過度に狭くすると、特性インピーダンスが大きく変化し、所望の特性を得ることができなくなる。

また、コイル間距離Ｄは、要求される特性によってほぼ固定されてしまうため、実際にこれを調整できる余地は非常に少ない。したがって、距離Ｄを変化させることなく距離Ｃを小さくするためには、距離Ｄを固定しながら、コイル導体厚Ｅを薄く設定すればよい。具体的には、Ｅ＜（Ｄ／３）を満たしていることが好ましい。これによれば、磁性基板間の距離を過度に大きくしたり、コイル間距離Ｄを過度に小さくしたりすることなく、Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２の条件を容易に満たすことが可能となる。

距離Ａと距離Ｂとの関係については特に限定されないが、作製時において第１の磁性基板１１Ａ側から順次積層する場合には、
Ａ＜Ｂ／３
を満たしていることが好ましい。これは、第１の磁性基板１１Ａ側から積層する場合に距離Ａを大きくしようとすると、図２に示した第１及び第２の絶縁層１５Ａ，１５Ｂを厚く設定する必要が生じる。その結果、積層時において平坦性が低下し、特性が悪化してしまうからである。これに対し、Ａ＜Ｂ／３に設定すれば、積層開始側である第１及び第２の絶縁層１５Ａ，１５Ｂの厚さを十分に薄く設定できることから、十分な平坦性を保つことが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によるコモンモードチョークコイルは、Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２を満たしていることから、磁性基板と第１及び第２のコイル導体２１，２２との距離のアンバランスが小さい。これにより、漏れインダクタンスが減少することから、ディファレンシャルモード信号に対するカットオフ周波数を高めることが可能となる。

図４は、本発明の好ましい第２の実施形態によるコモンモードチョークコイル２００に含まれる層構造体１２の略分解斜視図である。

図４に示すように、本実施形態においては、第１及び第２のコイル導体２１，２２の平面形状が曲線的なスパイラルパターンを有している。つまり、第１の実施形態では、第１及び第２のコイル導体２１，２２の平面形状が略四角形であり、直線的なスパイラルパターンを有しているのに対し、本実施形態では、第１及び第２のコイル導体２１，２２の平面形状が略円形である。

このような平面形状により、第１の実施形態に比べて第１及び第２のコイル導体２１，２２の導体長をより短くすることができる。その結果、ディファレンシャルモード信号に対するカットオフ周波数をより高め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。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。

まず、図１〜図３に示したコモンモードチョークコイル１００と同じ構成を有する実施例サンプル及び比較例サンプルを用意した。各サンプルとも、第１の磁性基板１１Ａの表面から第１のコイル導体２１の表面までの距離Ａ'を１０μｍ、第２の磁性基板１１Ｂの表面から第２のコイル導体２２の表面までの距離Ｂ'を３８μｍ、コイル間距離Ｄを２０μｍに固定し、実施例サンプルについてはコイル導体厚Ｅを５μｍに設定する一方、比較例サンプルについてはコイル導体厚Ｅを１８μｍに設定した。つまり、実施例サンプルと比較例サンプルは、コイル導体厚Ｅのみが異なっている。

これにより、図３に示す距離Ａ〜Ｃについては表１の通りとなる。

表１に示すように、実施例サンプルにおいては、
Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２
が満たされている一方、比較例サンプルは、
Ｃ≧（Ａ＋Ｂ）／２
である。

次に、実施例サンプル及び比較例サンプルのコモンモードチョークコイルを測定器に接続し、各サンプルのディファレンシャルモード信号に対する周波数特性を測定した。測定の結果を図５に示す。

図５に示すように、カットオフ周波数ｆｃ（３ｄＢ減衰する周波数）は、比較例サンプルでは６．３ＧＨｚであったのに対し、実施例サンプルでは７．１ＧＨｚであった。すなわち、Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２を満たしている実施例サンプルの方が、カットオフ周波数ｆｃが０．８ＧＨｚ程度高いことが確認された。

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の構成を示す略斜視図である。 層構造体１２の略分解斜視図である。 コモンモードチョークコイル１００の部分断面図である。 本発明の好ましい第２の実施形態によるコモンモードチョークコイル２００に含まれる層構造体１２の略分解斜視図である。 ディファレンシャルモード信号に対する周波数特性を示すグラフである。 一般的な差動伝送回路の回路図である。

符号の説明

１１Ａ 第１の磁性基板
１１Ｂ 第２の磁性基板
１２ 層構造体
１４ａ〜１４ｄ 端子電極
１５Ａ〜１５Ｅ 絶縁層
２１ 第１のコイル導体
２２ 第２のコイル導体
２４ａ，２４ｂ コンタクトホール
２５ 開口
２６ 磁性体
３１〜３４ 引き出し導体
１００，２００ コモンモードチョークコイル

Claims (5)

1. 積層された第１及び第２のコイル導体と、前記第１のコイル導体側に配置された第１の磁性基板と、前記第２のコイル導体側に配置された第２の磁性基板とを備えるコモンモードチョークコイルであって、
   前記第１のコイル導体の導体中心から前記第１の磁性基板の表面までの距離をＡとし、前記第２のコイル導体の導体中心から前記第２の磁性基板の表面までの距離をＢとし、前記第１のコイル導体の導体中心から前記第２のコイル導体の導体中心までの距離をＣとした場合、Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２を満たし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. （Ａ＋Ｂ）／３＜Ｃ＜（Ａ＋Ｂ）／２を満たしてい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のコイル導体の導体厚をＥとした場合、Ｅ＜（Ｄ／３）を満たしてい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。
4. Ａ＜Ｂ／３を満たしていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のコモンモードチョークコイル。
5. 前記第１及び第２のコイル導体の平面形状が曲線的なスパイラルパターンであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のコモンモードチョークコイル。

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