JP3712163B2 - コイル部品の設計方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイル、トランスなどの磁性体基板材料として比透磁率の偏差の大きい材料を使用した場合に、その製品としてのコイル部品のインダクタンスを狭偏差に抑えるコイル部品の設計方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の従来のコイル部品として、特開平8−203737号公報に開示されている発明がある。この発明は、一対の磁性体基板の間に、コイルパターンの形成された非磁性層(絶縁層)を介在させて、焼成工程における磁性体であるグリーンシートの収縮による電気的特性の悪化を回避したものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来のコイル部品は、コイル部品の磁性体基板材料として比透磁率の偏差の大きい材料を使用した場合に、製品としてのコイル部品のインダクタンスが大きくばらつくという欠点がある。即ち、市販されている普通の磁性体基板材料は、その比透磁率が基準値から±30%程度ばらつく等級のものが多い。この等級の材料を用いてコイル部品を製造した場合、コイル部品のインダクタンスも同様に基準値から±30%程度ばらついていた。
【0004】
そこで、本発明は、比透磁率が±30%偏差の磁性体基板材料であって、その比透磁率が一定値以上の磁性体基板材料を使用することにより、その製品のインダクタンスの偏差を±5%以内に低減することのできるコイル部品の設計方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明では、一対の磁性体基板の間には、2層の非磁性層の間に位置してコイルを介在させ、これらの磁性体基板、非磁性層およびコイルを積層してなるコイル部品の設計方法において、前記一対の磁性体基板と前記非磁性層とからなる直列閉磁気回路における前記磁性体基板の合成磁気抵抗をR1、非磁性層の合成磁気抵抗をR2とした場合に、これらの合成磁気抵抗R1と合成磁気抵抗R2が、R2>R1となるように、前記磁性体基板材料の比透磁率を設定し、比透磁率が基準値から±30%の範囲内でばらつく偏差をもった前記磁性体基板材料を使用した場合に、その比透磁率が+30%と−30%のときの製品としてのコイル部品のインダクタンスをそれぞれL1.05とL0.95としたときに、前記磁性体基板材料の比透磁率を、前記インダクタンスの比L1.05/L0.95が1.105の値となるときの比透磁率以上の比透磁率に設定する。
【0006】
この発明によると、磁性体基板の合成磁気抵抗R1が非磁性層の合成磁気抵抗R2よりも小さくなるように、磁性体基板材料の比透磁率を設定する。即ち、磁性体基板と非磁性層とにより構成されるコイル部品の磁気抵抗回路の合性磁気抵抗Rmのうち、非磁性層の合成磁気抵抗R2を磁性体基板の合成磁気抵抗R1よりも非常に大きくする。これにより、磁性体基板材料として比透磁率μr1の偏差の大きい材料を使用しても、コイル部品の合成磁気抵抗Rmは、非磁性層の磁気抵抗R2により支配的に決定されて、磁性体基板の合成磁気抵抗R1の変動には影響を受けないので、コイル部品のインダクタンスは余り変わらないことになる。
【0008】
また、この発明によると、比透磁率が基準値から±30%の範囲内でばらつく偏差をもった前記磁性体基板材料を使用した場合に、磁性体基板材料の比透磁率を、インダクタンスの比L1.05/L0.95が1.105の値となるときの比透磁率以上の比透磁率に設定する。これにより、磁性体基板材料の比透磁率μr1が±30%の範囲内でばらつく等級の材料を使用しても、その製品であるコイル部品のインダクタンスはその平均値から最大略+5%、最小略−5%しかばらつかないことになる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の設計方法が適用されるコイル部品の一実施の形態を、図1ないし図5を参照して詳細に説明する。
【0012】
図1および図2において、1は下層の磁性体基板で、Ni−Zn系フェライトの磁性体基板材料から形成される。
【0013】
スパッタリング法およびフォトリソグラフィ法を用いて、磁性体基板1の上面には、その一方の短辺部に位置して膜厚が1〜10μmとなった帯状の外部引出電極2と、この外部引出電極2の中央部から磁性体基板1の中央部に向かって伸びる引出電極2aとを設ける。この場合、外部引出電極2と引出電極2aとは、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、金(Au)、銅(Cu)などの金属により形成される。ここで、引出電極2aの先端部2bは、バイヤホール用の接続部となっている。
【0014】
前記外部引出電極2と引出電極2aを含む磁性体基板1の上面には、膜厚が5μmの感光性ポリイミド樹脂からなる非磁性層(絶縁層)3が、例えばスピンコートにより形成される。そして、引出電極2aの先端部2bに通じるバイヤホール用の貫通孔3aは、フォトリソグラフィ法により形成される。なお、非磁性層3の材料としては、感光性ポリイミド樹脂の他に、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、環状オレフィン樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂等も使用することができる。
【0015】
前記非磁性層3の上面には、スパッタリング法およびフォトリソグラフィ法を用いて、膜厚が1〜10μmのスパイラル状のコイル4、外部引出電極5および引出電極5aが形成される。この外部引出電極5は、外部引出電極2と対向して磁性体基板1の他方の短辺部側に位置し、非磁性層3上に形成される。そして、引出電極5aは、外部引出電極5の中央部から磁性体基板1の中央部に向かって伸びている。
【0016】
また、コイル4の内側端部4aは、非磁性層3の貫通孔3aを通して、引出電極2aの先端部2bにバイヤホールにより接続される。また、コイル4の外側端部4bは、引出電極5aの先端部に接続される。
【0017】
これらのコイル4、外部引出電極5および引出電極5aを含む非磁性層3の上面には、膜厚が略30μmの粘着力を持ったポリイミド樹脂からなる非磁性層6が、例えば、スピンコート、スクリーン印刷により形成される。
【0018】
そして、非磁性層6の上面には、下層の磁性体基板1と同材質で同形状の上層の磁性体基板7がポリイミド樹脂の粘着力を利用して接着される、なお、非磁性層6の材料としては、ポリイミド樹脂の他に、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッソ樹脂などの樹脂も使用することができる。
【0019】
図2に本実施の形態によるコイル部品8の断面構造が示される。このコイル部品8は、コイル4を介在させている非磁性層3、6が、下側の磁性体基板1と上側の磁性体基板7の間に積層された構造をしている。
【0020】
本実施の形態においては、コイル部品8は、単品構造のものを示したが、量産においては、広い磁性体基板を用いてコイル部品8をマトリックス状に並べて一括して作り、これらをダイシングすることにより、複数個のコイル部品8を製造することができる。
【0021】
本実施の形態で、コイル4による磁束φ、即ちコイル部品8の磁気回路は、図3中において破線のように表わすことができる。この場合、複数巻きのコイル4は、その中心部に集中して巻かれているものとしている。そして、磁性体基板1,7と非磁性層3,6の等価磁気抵抗回路は、図4に示すようになる。即ち、磁性体基板1,7の磁気抵抗をそれぞれR1a,R1bとし、非磁性層3、6の左,右の磁気抵抗をそれぞれR2a,R2bとすると、コイル部品8の等価合成磁気抵抗Rm は、これらの直列の磁気抵抗R1a,R1b,R2a,R2bを加算したものとなる。
【0022】
なお、磁性体基板1の磁気抵抗R1aと磁性体基板7の磁気抵抗R1bとは、略R1a=R1bと見做すことができる。また、非磁性層3、6の左,右の磁気抵抗R2a,R2bも、略R2a=R2bと見做すことができる。そこで、磁性体基板1,7の磁気抵抗R1a,R1bを一括して呼称する場合には、これらを代表させてR1ab と表記し、また非磁性層3、6の各磁気抵抗R2a,R2bを一括して呼称する場合には、これらを代表させてR2ab と表記することにする。
【0023】
本実施の形態においては、磁性体基板1,7の磁気抵抗R1a,R1bとを加算した合成磁気抵抗R1 と、非磁性層3、6の左,右の磁気抵抗R2a,R2bとを加算した合成磁気抵抗R2 とは、以下に示す数1の式のようになる。
【0024】
【数1】
R1 =R1a+R1b
R2 =R2a+R2b
【0025】
そして、前記合成磁気抵抗R1 ,R2 を、以下に示す数2の関係に設定するものである。
【0026】
【数2】
R2 >R1
【0027】
即ち、非磁性層3,6の合成磁気抵抗R2 を磁性体基板1,7の合成磁気抵抗R1 よりも大きくする。これにより、磁性体基板1,7の比透磁率μr1の変動によるコイル部品8のインダクタンスLのばらつきを小さく抑えることができる。
【0028】
ここに、磁性体基板1,7の磁気抵抗R1ab 、非磁性層3、6の磁気抵抗R2ab およびコイル部品8のインダクタンスLは、以下に示す数3の式により与えられる。
【0029】
【数3】
なお、d :磁路長
t :非磁性層の厚み
μr1:磁性体基板の比透磁率
μr2:非磁性層の比透磁率
μo:真空の透磁率
S :磁路の断面積
N :コイルの巻回数
Rm :磁性体基板の磁気抵抗R1a、R1bと非磁性層の磁気抵抗R2a、R2bを加算したもの(Rm =R1 +R2 )
【0030】
これらの式より、磁性体基板1,7の材料の磁気抵抗R1ab は、磁路長dに比例し、比透磁率μr1と磁路の断面積Sに反比例することになる。また、非磁性層3、6の磁気抵抗R2ab は、磁路における非磁性層の厚みtに比例し、比透磁率μr2と磁路の断面積Sに反比例することになる。
【0031】
さらに、コイル部品8のインダクタンスLは、コイルの巻回数Nの2乗に比例し、等価合成磁気抵抗Rm に反比例している。そして、この等価合成磁気抵抗Rm を構成する直列磁気抵抗R1a,R1b,R2a,R2bのうち、磁性体基板1,7の材料の比透磁率μr1を大きくして、その合成磁気抵抗R1 =(R1a+R1b)を小さくすると、等価合成磁気抵抗Rm は、非磁性層3、6の合成磁気抵抗R2 =(R2a+R2b)により支配的に決定されることになる。したがって、磁性体基板1,7の材料の比透磁率μr1がばらついても、コイル部品8のインダクタンスLは余りばらつかず略一定の値に維持されることになる。
【0032】
つぎに、上記実施の形態において、磁性体基板1,7の材料の比透磁率μr1に対する、コイル部品8のインダクタンスLの特性を、図5により示す。
【0033】
この特性線図は、磁性体基板1,7の比透磁率μr1が大きくなるとコイル部品8のインダクタンスLは急激に立上がり中途で飽和する曲線を示している。
【0034】
ここで、磁性体基板1,7の材料の比透磁率μr1が、その基準値の中心比透磁率μroに対し±30%の範囲内でばらついているものとする。そして、LoをL1.05とL0.95の平均のインダクタンスとすると、磁性体基板1,7の比透磁率μr1が−30%のときのインダクタンスLを0.95Lo[nH](L0.95)とし、また比透磁率μr1が+30%のときのインダクタンスLを1.05Lo[nH](L1.05)とする。
【0035】
そして、本発明は、磁性体基板1,7の材料の比透磁率μr1をこれらのインダクタンスLの比(L1.05/L0.95)=1.05Lo[nH]/0.95Lo[nH]が1.105になるときの磁性体基板1,7の材料の比透磁率μro以上に設定するものである。
【0036】
また、本実施の形態は、以下に示す数4の式から算出される、非磁性層3,6の合成磁気抵抗R2 に対する磁性体基板1,7の合成磁気抵抗R1 の比R1 /R2 を、0.182以下の値に設定するものである。
【0037】
【数4】
【0038】
以上のように、コイル4を介在させている非磁性層3,6が、一対の磁性体基板1,7の間に積層された構造のコイル部品8において、磁性体基板1,7の材料の比透磁率μr1を、その製品であるコイル部品8のインダクタンスLの偏差が±5%になるとき、即ちインダクタンスLのばらつきの最大最小の偏差値の比が1.105になるときの比透磁率μro以上に設定する。
【0039】
また、非磁性層3,6に対する磁性体基板1,7の合成磁気抵抗の比R1 /R2 を、一定値(0.182)以下に設定する。これにより、図5に示す比透磁率μr1に対するインダクタンスLの飽和特性から、比透磁率μr1が±30%の範囲内でばらつく等級の磁性体基板材料であっても、その製品であるコイル部品のインダクタンスLのばらつき偏差を±5%に抑えることができる。
【0040】
なお、上記のコイル部品8には、コイルの他に、トランス、バルン、バラン、コモンモードチョークコイル、ノイズ用インダクタなどが含まれる。
【0041】
【発明の効果】
本発明によれば、磁性体基板の合成磁気抵抗が非磁性層の合成磁気抵抗よりも小さくなるように、磁性体基板材料の比透磁率を設定する。これにより、磁性体基板材料がその比透磁率が大きくばらつく等級の材料であっても、製品であるコイル部品のインダクタンスは非磁性層により支配的に決定されるので、コイル部品のインダクタンスを略一定値に保つことができる。
【0042】
また、本発明によれば、比透磁率が基準値から±30%の範囲内でばらつく偏差をもった前記磁性体基板材料を使用した場合に、磁性体基板材料の比透磁率を、インダクタンスの比L1.05/L0.95が1.105の値となるときの比透磁率以上の比透磁率に設定する。これにより、磁性体基板材料としてその比透磁率が±30%の範囲内でばらつく等級の材料を用いても、その製品としてインダクタンスが最大略+5%、最小略−5%しかばらつかない偏差のコイル部品を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態によるコイル部品を分解して示す分解斜視図である。
【図2】実施の形態によるコイル部品を図1中のII−II線に沿って示す断面図である。
【図3】実施の形態によるコイル部品の等価磁気回路図である。
【図4】実施の形態によるコイル部品の等価合成磁気抵抗図である。
【図5】磁性体基板の比透磁率に対するコイル部品のインダクタンスの特性線図である。
【符号の説明】
1,7 磁性体基板
2,5 外部引出電極
2a,5a 引出電極
2b 先端部
3,6 非磁性層
3a 貫通孔
4 コイル
4a 内側端部
4b 外側端部
8 コイル部品
R1a,R1b 磁性体基板の磁気抵抗
R2a,R2b 非磁性層の磁気抵抗
Claims (1)
- 一対の磁性体基板の間には、2層の非磁性層の間に位置してコイルを介在させ、これらの磁性体基板、非磁性層およびコイルを積層してなるコイル部品の設計方法において、
前記一対の磁性体基板と前記非磁性層とからなる直列閉磁気回路における前記磁性体基板の合成磁気抵抗をR1、非磁性層の合成磁気抵抗をR2とした場合に、これらの合成磁気抵抗R1と合成磁気抵抗R2が、R2>R1となるように、前記磁性体基板材料の比透磁率を設定し、
比透磁率が基準値から±30%の範囲内でばらつく偏差をもった前記磁性体基板材料を使用した場合に、その比透磁率が+30%と−30%のときの製品としてのコイル部品のインダクタンスをそれぞれL1.05とL0.95としたときに、前記磁性体基板材料の比透磁率を、前記インダクタンスの比L1.05/L0.95が1.105の値となるときの比透磁率以上の比透磁率に設定するコイル部品の設計方法。
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