JP2022034443A - コイル部品及びこれを用いた無線通信回路 - Google Patents

Abstract

【課題】１０ＭＨｚ以上の信号を無線送受信するためのコイル部品において、隣接するコイルパターン間における寄生容量を低減する。【解決手段】コイル部品１は、コイルパターン３及びこれを覆う磁性層４を備える。コイルパターン３及び磁性層４に含まれる磁性粉４ａは、いずれも扁平形状を有している。磁性粉４ａの径の平均値は３０μｍ以上であり、コイルパターン３の幅Ｗ１はその１倍以上、１０倍以下である。これにより、隣接するコイルパターン間における寄生容量が低減する。しかも、磁性粉を介してコイルパターンの上面同士を繋ぐ電気力線Ｅ２も低減することから、１０ＭＨｚ以上の信号を供給する通信回路をコイルパターンに接続することによって無線通信回路を構成した場合に、自己共振周波数の低下を防止することが可能となる。【選択図】図８

Description

本発明はコイル部品に関し、特に、通信回路に接続することによってアンテナコイルとして機能するコイル部品及びこれを用いた無線通信回路に関する。

通信回路に接続することによってアンテナコイルとして機能するコイル部品としては、特許文献１に記載されたコイル部品が知られている。特許文献１の図８には、磁性粉を含有するペーストをコイルパターンに直接塗布することによって磁性層を形成する方法が開示されている。

特開２０１５－２２０７１９号公報 特開２０１３－１４０８８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたコイルパターンは、アスペクト比（コイルパターンの幅に対する厚みの比）が大きいことから、隣接するコイルパターン間における寄生容量が大きいという問題があった。隣接するコイルパターン間における寄生容量は、特許文献２に記載されているような無線電力伝送に使用する周波数帯域（１００ｋＨｚ程度）であれば大きな問題とならないが、コイルパターンに流れる信号の周波数が１０ＭＨｚ以上である場合、コイルパターン間における寄生容量が自己共振周波数に大きな影響を与える。

したがって、本発明は、コイルパターンが磁性層で覆われた構造を有し、１０ＭＨｚ以上の信号を無線送受信するためのコイル部品において、隣接するコイルパターン間における寄生容量を低減することを目的とする。

本発明によるコイル部品は、１０ＭＨｚ以上の信号を無線送受信するためのコイル部品であって、基板と、基板の一方の表面上に形成されたコイルパターンと、樹脂に磁性粉を分散させた複合材料からなり、コイルパターンを覆うよう基板の一方の表面上に形成された磁性層とを備え、コイルパターンは、径方向における幅よりも厚みの方が小さい扁平形状を有しており、磁性粉は、基板の一方の表面と平行な方向における径よりも、基板の一方の表面に対して垂直な方向における厚みの方が小さい扁平形状を有しており、磁性粉の径の平均値は３０μｍ以上であり、コイルパターンの幅は、磁性粉の径の平均値の１倍以上、１０倍以下であることを特徴とする。

本発明によれば、コイルパターンが扁平形状を有していることから、隣接するコイルパターン間における寄生容量が低減する。しかも、磁性粉が３０μｍ以上の平均径を有する扁平形状であり、且つ、基板の表面と平行な方向に配向されていることから、磁性層の透磁率も高められる。さらに、コイルパターンの幅が磁性粉の平均径の１倍以上、１０倍以下であることから、磁性粉を介してコイルパターンの上面同士を繋ぐ電気力線を低減することも可能となる。その結果、１０ＭＨｚ以上の信号を供給する通信回路をコイルパターンに接続することによって無線通信回路を構成した場合に、自己共振周波数の低下を防止することが可能となる。

このように、本発明によれば、コイルパターンが磁性層で覆われた構造を有し、１０ＭＨｚ以上の信号を無線送受信するためのコイル部品において、隣接するコイルパターン間における寄生容量を低減することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態によるコイル部品１の構造を説明するための略分解斜視図である。 図２は、コイル部品１の略平面図である。 図３は、コイル部品１と通信回路１１からなる無線通信回路１０の模式図である。 図４は、図２に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。 図５は磁性層４に含まれる磁性粉４ａの形状を説明するための模式図であり、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ－Ｂ線に沿った略断面図である。 図６は、平面形状が楕円形である磁性粉４ａの模式図である。 図７は磁性層４中における磁性粉４ａの配向について説明するための模式図であり、（ａ）は磁場配向を行う前の状態、（ｂ）は磁場配向を行った後の状態を示している。 図８は隣接するコイルパターン３間における寄生容量について説明するための模式図であり、（ａ）はアスペクト比が１以上である場合、（ｂ）はアスペクト比が１未満である場合を示している。

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

図１は、本発明の一実施形態によるコイル部品１の構造を説明するための略分解斜視図である。また、図２は、コイル部品１の略平面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態によるコイル部品１は、ＰＥＴ樹脂などの絶縁性樹脂材料からなる基板２と、基板２の一方の表面２ａ上に形成された銅（Ｃｕ）などからなる平面スパイラル状のコイルパターン３と、コイルパターン３を覆うよう基板２の表面２ａ上に形成された磁性層４とを備えている。図１及び図２に示す例では、コイルパターン３のターン数が６ターンであるが、コイルパターン３のターン数については特に限定されず、１ターンであっても構わない。コイルパターン３の外周端及び内周端は、基板２に設けられたビアホール２ｃ，２ｄを介して、基板２の他方の表面２ｂに形成された端子電極５，６にそれぞれ接続されている。コイルパターン３は、メッキによって形成することができる。

磁性層４は、コイルパターン３によって生じる磁界の磁路として機能するため、高い透磁率が求められる。本実施形態において用いる磁性層４は、樹脂に磁性粉を分散させた複合材料からなり、基板２の表面２ａにコイルパターン３を形成した後、コイルパターン３を覆うよう、基板２の表面２ａに複合材料を直接塗布することによって形成されている。このため、コイルパターン３と磁性層４の間には、磁性層４を構成する樹脂以外の非磁性材料、例えばフィルムなどは介在せず、且つ、隣接するコイルパターン３間にも磁性層４の一部が充填される。これにより、フィルムなどを介してコイルパターン３上に磁性層４を形成する場合と比べ、より高い磁気特性を得ることができる。磁性層４が基板２の表面２ａに直接塗布されたものであるか否かは、コイルパターン３と磁性層４の間にフィルムなどの別部材が介在するか否か、並びに、基板２の表面２ａを基準としたコイルパターン３の高さ範囲内に磁性層４の一部が充填されているか否かによって判定可能である。磁性層４が直接塗布されると、コイルパターン３と磁性粉の距離は非常に近くなり、部分的に両者が接触する箇所も存在する。

かかる構成を有するコイル部品１は、図３に示すように、通信回路１１に接続されることによって無線通信回路１０を構成する。通信回路１１に設けられた一対の端子電極は、コイル部品１の端子電極５，６にそれぞれ接続される。通信回路１１は、コイルパターン３に１０ＭＨｚ以上の信号を供給することにより、コイルパターン３を無線通信回路１０のアンテナコイルとして機能させる。一例として、コイルパターン３に１３．５６ＭＨｚの信号を供給すれば、近距離無線通信（ＮＦＣ）用のアンテナコイルとして用いることができる。

図４は、図２に示すＡ－Ａ線に沿った略断面図である。

図４に示すように、コイルパターン３の径方向に沿った断面は、幅Ｗ１よりも厚みＨの方が小さい扁平形状を有している。幅Ｗ１は、基板２の表面２ａと接する部分における幅である。図４に示すように、コイルパターン３の径方向における断面は、基板２の表面２ａを基準とした高さ位置が高くなるほど幅が小さくなるよう、上側の角部が面取り形状を有している。このため、コイルパターン３の上面の平坦部分における幅Ｗ２は、基板２の表面２ａと接する部分における幅Ｗ１よりも小さい。面取り形状部分の径方向における幅ａは、（Ｗ１－Ｗ２）／２である。具体的なサイズとしては、特に限定されるものではないが、コイルパターン３の幅Ｗ１は０．１５～２ｍｍ程度、厚みＨは１０～７０μｍ程度、面取り形状部分の幅ａは２０～７０μｍ程度、径方向に隣接するコイルパターン３間のスペースＳは０．１～０．２５ｍｍ程度である。面取り形状部分の幅ａについては、コイルパターン３を形成する際のメッキ条件によって制御することが可能である。

コイルパターン３の厚みＨについては、厚ければ厚いほど直流抵抗が低下する。しかしながら、コイルパターン３に流れる信号の周波数が１０ＭＨｚ以上であれば、表皮効果によってコイルパターン３の表層にしか電流が流れないため、１０～７０μｍ程度に設定すれば十分である。特に、コイルパターン３に流れる信号の周波数が１３．５６ＭＨｚであれば、厚みＨは２０μｍ程度あれば十分であり、製造ばらつきなどを考慮すれば、厚みＨを３０μｍ程度に設計することが最適である。

図５は磁性層４に含まれる磁性粉４ａの形状を説明するための模式図であり、（ａ）は略平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ－Ｂ線に沿った略断面図である。

図５に示すように、磁性層４に含まれる磁性粉４ａは円盤状であり、扁平形状を有している。磁性層４には多数の磁性粉４ａが含まれているため、磁性粉４ａのサイズ及び形状にはばらつきが存在するが、その平均的な径Ｒは２０～７０μｍ程度であり、平均的な厚みＴは０．５～２μｍ程度である。平均的な径Ｒ及び平均的な厚みＴを特定するためには、サンプルの断面をＳＥＭによって観察し、所定領域に存在する磁性粉４ａの厚みおよび径を測定して平均値とすれば良い。平均値は、厚みまたは径の頻度の累積が５０％となる厚さ又は径であっても構わない。また、図６に示すように、磁性粉４ａの平面形状は楕円形であっても構わない。この場合、長径Ｒ１は２０～７０μｍ程度、短径Ｒ２に対する長径Ｒ１の比（Ｒ１／Ｒ２）は１～１．５程度である。

図７は磁性層４中における磁性粉４ａの配向について説明するための模式図であり、（ａ）は磁場配向を行う前の状態、（ｂ）は磁場配向を行った後の状態を示している。

磁性層４は、バインダーである樹脂４ｂに磁性粉４ａを分散させた複合材料であり、図７（ａ）に示すように、磁場配向を行う前の状態においては磁性粉４ａの向きはランダムに近い状態である。この状態で強い外部磁場φ１を与えると、磁性粉４ａは外部磁場φ１に沿った方向に配向する。このため、基板２の表面２ａに沿った方向の外部磁場φ１を印加すれば、図７（ｂ）に示すように、ほとんどの磁性粉４ａは水平状態、つまり、厚み方向がｚ方向となるよう配向する。これにより磁性層４は、厚み方向（ｚ方向）における透磁率よりも、水平方向（ｘｙ平面方向）における透磁率の方が高くなり、透磁率に異方性が与えられる。ここで、磁性層４の水平方向における透磁率を十分に高めるためには、磁性粉４ａの平均的な径Ｒを３０μｍ以上とすることが好ましい。

一方、コイルパターン３と磁性粉４ａが干渉する領域においては、磁性粉４ａが水平にはならず、面取り形状に沿って斜め方向に配向される。しかしながら、この領域においては、コイルパターン３によって生じる磁界φ２も斜め方向に進むことから、結果的に実効的な透磁率が向上する。つまり、コイルパターン３の上部のように磁界φ２が水平方向に進む領域においては磁性粉４ａがほぼ水平方向に配向され、コイルパターン３の角部近傍のように磁界φ２が斜め方向に進む領域においては磁性粉４ａも斜め方向に配向されていることから、磁界φ２の大部分が磁性粉４ａを通過し、樹脂４ｂを通過する磁界成分が少なくなる。ここで、コイルパターン３の角部近傍に位置する磁性粉４ａの向きを磁界φ２の向きにより近づけるためには、磁性粉４ａの平均的な径Ｒ（又はＲ１）を面取り形状部分の径方向における幅ａの１／５以上、１０倍以下とすることが好ましい。

本実施形態においては、磁性粉４ａが扁平形状を有していることから、コイルパターン３のアスペクト比が高いと、隣接するコイルパターン３間に磁性粉４ａが入り込みにくくなる。しかしながら、本実施形態においては、コイルパターン３自体が扁平形状であり、これによりアスペクト比が１未満、好ましくは０．２～０．０５の範囲とされていることから、扁平形状を有する磁性粉４ａをコイルパターン３間に容易に入り込ませることが可能となる。言い換えれば、基板２の表面２ａを基準としたコイルパターン３の高さ範囲内に磁性粉４ａの一部を確実に配置することが可能となる。

また、コイルパターン３に流れる信号の周波数が１０ＭＨｚ以上である場合、コイルパターン３間における寄生容量が自己共振周波数に大きな影響を与えるため、コイルパターン３間における寄生容量をできるだけ低減する必要がある。この点に関しても、本実施形態においては、コイルパターン３が扁平形状を有していることから、寄生容量を低減することが可能となる。つまり、図８（ａ）に示すように、コイルパターン３のアスペクト比が１以上である場合、隣接するコイルパターン３間に水平方向の電気力線Ｅ１が生じるため、この部分において大きな寄生容量が生じる。しかしながら、図８（ｂ）に示すように、コイルパターン３のアスペクト比を１未満に低下させれば、径方向に隣接するコイルパターン３の対向面積が低減するため、電気力線Ｅ１が減少する。これにより、コイルパターン３間のスペースＳが比較的狭い場合であっても、コイルパターン３間における寄生容量を低減することが可能となる。

隣接するコイルパターン３間における寄生容量をより低減するためには、コイルパターン３のアスペクト比を１未満に設定することに加え、コイルパターン３の幅Ｗ１を細くすることが好ましい。本実施形態においては、磁性層４を構成する磁性粉４ａが水平方向に配向しているため、コイルパターン３の幅Ｗ１が大きいと、磁性粉４ａを介してコイルパターン３の上面同士を繋ぐ電気力線Ｅ２が無視できなくなるからである。上述の通り、磁性層４の透磁率を十分に確保するためには磁性粉４ａの平均的な径Ｒは３０μｍ以上とすることが好ましく、この点を考慮すれば、コイルパターン３の幅Ｗ１は、磁性粉４ａの径Ｒの１倍以上、１０倍以下であることが好ましい。例えば、磁性粉４ａの平均的な径Ｒ（又はＲ１）が３０μｍであれば、コイルパターン３の幅Ｗ１を３００μｍ以下とすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態によれば、１０ＭＨｚ以上の信号を送受信するためのアンテナコイルに適したコイル部品を提供す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。

１ コイル部品
２ 基板
２ａ 基板の一方の表面
２ｂ 基板の他方の表面
２ｃ，２ｄ ビアホール
３ コイルパターン
４ 磁性層
４ａ 磁性粉
４ｂ 樹脂
５，６ 端子電極
１０ 無線通信回路
１１ 通信回路
Ｅ１，Ｅ２ 電気力線
φ１，φ２ 磁界

Claims (2)

1. １０ＭＨｚ以上の信号を無線送受信するためのコイル部品であって、
   基板と、
   前記基板の一方の表面上に形成されたコイルパターンと、
   樹脂に磁性粉を分散させた複合材料からなり、前記コイルパターンを覆うよう前記基板の前記一方の表面上に形成された磁性層と、を備え、
   前記コイルパターンは、径方向における幅よりも厚みの方が小さい扁平形状を有しており、
   前記磁性粉は、前記基板の前記一方の表面と平行な方向における径よりも、前記基板の前記一方の表面に対して垂直な方向における厚みの方が小さい扁平形状を有しており、
   前記磁性粉の前記径の平均値は３０μｍ以上であり、
   前記コイルパターンの前記幅は、前記磁性粉の前記径の平均値の１倍以上、１０倍以下であることを特徴とするコイル部品。
2. 請求項１に記載のコイル部品と、前記コイルパターンに１０ＭＨｚ以上の信号を供給する通信回路とを備えることを特徴とする無線通信回路。

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