JP2022034443A - コイル部品及びこれを用いた無線通信回路 - Google Patents
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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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020138228A JP2022034443A (ja) | 2020-08-18 | 2020-08-18 | コイル部品及びこれを用いた無線通信回路 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2020138228A JP2022034443A (ja) | 2020-08-18 | 2020-08-18 | コイル部品及びこれを用いた無線通信回路 |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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JP2020138228A Pending JP2022034443A (ja) | 2020-08-18 | 2020-08-18 | コイル部品及びこれを用いた無線通信回路 |
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2020
- 2020-08-18 JP JP2020138228A patent/JP2022034443A/ja active Pending
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