JP6264255B2 - コモンモードチョークコイル - Google Patents

Description

本発明は、コモンモードチョークコイルに関し、より特定的には、３本巻きのコモンモードチョークコイルに関する。

従来のコモンモードチョークコイルとしては、例えば、特許文献１に記載の巻線型コモンモードチョークコイルが知られている。該コモンモードチョークコイルでは、３本のワイヤがコアに巻き付けられて３つのコイル（第１のコイルないし第３のコイル）を構成している。図９は、特許文献１に記載の巻線型コモンモードチョークコイル１１０が適用された送受信システムの回路図である。

図９に示すように、コモンモードチョークコイル１１０は、送信回路１２０と受信回路１２２との間に設けられる。具体的には、第１のコイル１１２は、送信回路１２０と受信回路１２２とを接続する信号線１２３の途中に接続され、第２のコイル１１４は、送信回路１２０と受信回路１２２とを接続する信号線１２４の途中に接続され、第３のコイル１１６は、送信回路１２０と受信回路１２２とを接続するグランド線１２６の途中に接続される。

このような送受信システムでは、送信信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２がそれぞれ信号線１２３，１２４を介して送信回路１２０から受信回路１２２に伝搬される。すると、送信信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２がグランド線１２６を介して受信回路１２２から送信回路１２０に伝搬される。これにより、第１のコイル１１２が発生する磁界の向き及び第２のコイル１１４が発生する磁界の向きと、第３のコイル１１６が発生する磁界の向きと、が逆向きとなる。すなわち、第１のコイル１１２及び第２のコイル１１４が発生する磁界と第３のコイル１１６が発生する磁界とが互いに打ち消し合う。その結果、コアにおいて磁束密度が高くなり過ぎて磁気飽和が発生することが抑制される。すなわち、特許文献１に記載のコモンモードチョークコイルは、優れた直流重畳特性を有している。

しかしながら、特許文献１に記載のコモンモードチョークコイルでは、定格電流値を大きくすることが困難である。より詳細には、第３のコイル１１６には、第１のコイル１１２及び第２のコイル１１４よりも大きな電流が流れる。第１のコイル１１２、第２のコイル１１４及び第３のコイル１１６の巻き数は同じであるので、第１のコイル１１２、第２のコイル１１４及び第３のコイル１１６の抵抗値も同じである。したがって、第３のコイル１１６は、第１のコイル１１２及び第２のコイル１１４よりも発熱しやすい。そのため、第３のコイル１１６に流すことができる電流の上限値によってコモンモードチョークコイルの定格電流値が定まる。その結果、第１のコイル１１２及び第２のコイル１１４には定格電流値よりも小さな電流が流れているにも関わらず、第３のコイル１１６に定格電流値と等しい電流が流れると、第１のコイル１１２及び第２のコイル１１４にはそれ以上の電流を流すことができなくなる。すなわち、特許文献１に記載のコモンモードチョークコイルでは、定格電流値を大きくすることが困難である。

特許第３９５２９７１号

そこで、本発明の目的は、定格電流値を大きくすることができるコモンモードチョークコイルを提供することである。

本発明の一形態に係るコモンモードチョークコイルは、コアと、前記コアに巻き付けられている第１の巻線、第２の巻線及び第３の巻線と、を備えており、前記第３の巻線の巻き数は、前記第１の巻線の巻き数及び前記第２の巻線の巻き数よりも少なく、前記第１の巻線に流れる第１の送信信号と前記第２の巻線に流れる第２の送信信号とにコモンモードノイズが含まれる場合には、前記第１の巻線と前記第２の巻線とが互いに強め合う磁界を発生し、前記第３の巻線には、前記第１の巻線及び前記第２の巻線が発生する磁界を打ち消すように前記第１の送信信号及び前記第２の送信信号を合わせた電流が流れること、を特徴とする。

本発明によれば、定格電流値を大きくすることができる。

コモンモードチョークコイル１を下側から平面視した図である。 コモンモードチョークコイル１を上側から平面視した図である。 コモンモードチョークコイル１を前側から平面視した図である。 コモンモードチョークコイル１が適用された送受信システムの回路図である。 第１の実験に用いたコモンモードチョークコイル１のコア１２及び天板コア９０を示した図である。 実験結果を示したグラフである。 実験結果を示したグラフである。 実験結果を示したグラフである。 特許文献１に記載の巻線型コモンモードチョークコイル１１０が適用された送受信システムの回路図である。

（コモンモードチョークコイルの構成）
以下に、本発明の一実施形態に係るコモンモードチョークコイルについて図面を参照しながら説明する。図１は、コモンモードチョークコイル１を下側から平面視した図である。図２は、コモンモードチョークコイル１を上側から平面視した図である。図３は、コモンモードチョークコイル１を前側から平面視した図である。以下では、巻芯部１４の中心軸が延在している方向を左右方向と定義する。また、右側から平面視したときに、鍔部１６の長辺に沿う方向を前後方向と定義し、鍔部１６の短辺に沿う方向を上下方向と定義する。

コモンモードチョークコイル１は、図１に示すように、コア１２、巻線３２，３４，３６及び外部電極４０，４２，４４，４６，４８，５０を備えている。

コア１２は、例えばフェライト等の磁性材料やアルミナ等により構成され、巻芯部１４、鍔部１６，１８及び電極形成部２０，２２，２４，２６，２８，３０を含んでいる。

巻芯部１４は、左右方向に延在している四角柱状の部材である。ただし、巻芯部１４は、四角柱状に限らず、円柱状であってもよい。

鍔部１６は、略直方体状をなし、巻芯部１４の右端に設けられている。鍔部１８は、略直方体状をなし、巻芯部１４の左端に設けられている。鍔部１６，１８は、巻芯部１４に対して上側、前側及び後ろ側に突出している。

電極形成部２０，２２，２４は、鍔部１６の下面に設けられており、後ろ側から前側へとこの順に並んでいる。電極形成部２０，２２，２４は、鍔部１６の下面から下側に向かって突出する四角柱状の部材である。

電極形成部２６，２８，３０は、鍔部１８の下面に設けられており、後ろ側から前側へとこの順に並んでいる。電極形成部２６，２８，３０は、鍔部１８の下面から下側に向かって突出する四角柱状の部材である。

外部電極４０，４２，４４はそれぞれ、電極形成部２０，２２，２４の下面に設けられており、コモンモードチョークコイル１と外部回路との接続に用いられる端子である。外部電極４６，４８，５０はそれぞれ、電極形成部２６，２８，３０の下面に設けられており、コモンモードチョークコイル１と外部回路との接続に用いられる端子である。また、外部電極４０，４２，４４，４６，４８，５０は、下側から平面視したときに、略矩形状を成している。ただし、外部電極４２の面積は、外部電極４０，４４の面積よりも大きい。同様に、外部電極４８の面積は、外部電極４６，５０の面積よりも大きい。外部電極４０，４２，４４，４６，４８，５０は、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｕ，Ｎｉ等のＮｉ系合金やＡｇ、Ｃｕ、Ｓｎ等により作製されている。

巻線３２，３４，３６は、銅や銀といった導電性材料を主成分とする芯線がポリウレタン等の絶縁材料で被覆されることにより構成されている導線である。また、巻線３２，３４，３６は、巻芯部１４に巻き付けられている。具体的には、巻線３２，３４，３６は、右側から平面視したときに、反時計回りに周回しながら、左側から右側へと進行する螺旋状をなすように、巻芯部１４の周囲に巻き付けられている。また、巻線３２と巻線３６とは、巻芯部１４の略全長にわたって並走している。一方、巻線３４は、巻芯部１４の左半分において巻線３２，３６と並走し、巻芯部１４の右半分において巻線３２，３６と並走していない。巻線３４は、巻芯部１４の右半分において巻芯部１４の上面をその右端まで直線的に延在している。これにより、巻線３２の巻き数と巻線３６の巻き数とは、等しく７周である。また、巻線３４の巻き数は、巻線３２，３６の巻き数よりも少なく、４周である。その結果、巻線３４の抵抗値は、巻線３２，３６の抵抗値よりも低くなっている。

巻線３２の右端は、外部電極４０に接続されており、巻線３２の左端は、外部電極４６に接続されている。巻線３４の右端は、外部電極４２に接続されており、巻線３４の左端は、外部電極４８に接続されている。巻線３６の右端は、外部電極４４に接続されており、巻線３６の左端は、外部電極５０に接続されている。

以上のように構成されたコモンモードチョークコイル１の動作について説明する。巻線３２に送信信号Ｓｉｇ１が流れ、巻線３６に送信信号Ｓｉｇ２が流れる。そして、送信信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２にコモンモード信号が含まれている場合には、コモンモード信号により巻線３２と巻線３６とが同じ方向に磁界を発生する。すなわち、コモンモード信号により巻線３２が発生した磁界とコモンモード信号により巻線３６が発生した磁界とが強め合う。これにより、巻線３２，３６内にはコモンモード信号により強い磁界が発生し、巻線３２，３６は、電磁誘導により該磁界の変化を抑制しようとする。その結果、コモンモード信号が巻線３２，３６を通過することが妨げられる。

一方、送信信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２にノーマルモード信号が含まれている場合には、ノーマルモード信号により巻線３２と巻線３６とが逆方向に磁界を発生する。すなわち、ノーマルモード信号により巻線３２が発生した磁界とノーマルモード信号により巻線３６が発生した磁界とが弱め合う。これにより、ノーマルモード信号により巻線３２，３６内には強い磁界が発生しなくなり、巻線３２，３６では電磁誘導が殆ど発生しない。よって、ノーマルモード信号が巻線３２，３６を通過することができる。

以上のように構成されたコモンモードチョークコイル１は、以下に説明するように用いられる。以下に、図面を参照しながら説明する。図４は、コモンモードチョークコイル１が適用された送受信システムの回路図である。

図４に示すように、コモンモードチョークコイル１は、送信回路６０と受信回路６２との間に設けられる。具体的には、送信回路６０には、信号線７０，７４及びグランド線７２が接続されている。受信回路６２には、信号線７６，８０及びグランド線７８が接続されている。

外部電極４０は信号線７０に接続され、外部電極４６は信号線７６に接続されている。これにより、巻線３２は、信号線７０と信号線７６との間に接続されている。

外部電極４２はグランド線７２に接続され、外部電極４８はグランド線７８に接続されている。これにより、巻線３４は、グランド線７２とグランド線７８との間に接続されている。

外部電極４４は信号線７４に接続され、外部電極５０は信号線８０に接続されている。これにより、巻線３６は、信号線７４と信号線８０との間に接続されている。

このような送受信システムでは、送信信号Ｓｉｇ１１が信号線７０，７６及び巻線３２を介して送信回路６０から受信回路６２に伝搬される。また、送信信号Ｓｉｇ１２が信号線７４，８０及び巻線３６を介して送信回路６０から受信回路６２に伝搬される。すると、送信信号Ｓｉｇ１１，Ｓｉｇ１２がグランド線７２，７８及び巻線３４を介して受信回路６２から送信回路６０に伝搬される。これにより、巻線３２が発生する磁界の向き及び巻線３６が発生する磁界の向きと巻線３４が発生する磁界の向きとが逆向きとなる。すなわち、巻線３２，３４，３６が発生する磁界が互いに打ち消し合う。その結果、コア１２において磁束密度が高くなり過ぎて磁気飽和が発生することが抑制される。すなわち、コモンモードチョークコイル１は、優れた直流重畳特性を有している。

（効果）
以上のように構成されたコモンモードチョークコイル１によれば、定格電流値を大きくすることが可能である。より詳細には、特許文献１に記載のコモンモードチョークコイルでは、第３のコイル１１６には、第１のコイル１１２及び第２のコイル１１４よりも大きな電流が流れる。第１のコイル１１２、第２のコイル１１４及び第３のコイル１１６の巻き数は同じであるので、第１のコイル１１２、第２のコイル１１４及び第３のコイル１１６の抵抗値も同じである。したがって、第３のコイル１１６は、第１のコイル１１２及び第２のコイル１１４よりも発熱しやすい。そのため、第３のコイル１１６に流すことができる電流の上限値によってコモンモードチョークコイルの定格電流値が定まる。その結果、第１のコイル１１２及び第２のコイル１１４には定格電流値よりも小さな電流が流れているにも関わらず、第３のコイル１１６に定格電流値と等しい電流が流れると、第１のコイル１１２及び第２のコイル１１４にはそれ以上の電流を流すことができなくなる。すなわち、特許文献１に記載のコモンモードチョークコイルでは、定格電流値を大きくすることが困難である。

そこで、コモンモードチョークコイル１では、巻線３４の巻き数は、巻線３２，３６の巻き数よりも少ない。これにより、相対的に発熱しやすい巻線３４の抵抗値は、相対的に発熱しにくい巻線３２，３６の抵抗値よりも低い。よって、巻線３４の発熱が抑制され、巻線３４に流すことができる電流の上限値が大きくなる。その結果、コモンモードチョークコイル１では、定格電流値を大きくすることが可能となる。

ここで、本願発明者は、コモンモードチョークコイル１において、巻線３４の好ましい巻き数を求めるために以下に説明する第１の実験を行った。図５は、第１の実験に用いたコモンモードチョークコイル１のコア１２及び天板コア９０を示した図である。

本願発明者は、巻線３２，３６の巻き数を７周とした状態で巻線３４の巻き数を１周から７周の間で変化させて、コモンモードチョークコイル１の直流重畳特性及びコモンモードチョークコイル１の温度上昇を調べた。コモンモードチョークコイルの直流重畳特性の実験では、コモンモードチョークコイル１のコモンモードインピーダンス値が初期値（送信信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の電流値が略０Ａ時のコモンモードインピーダンス値）から３０％低下する時の送信信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の電流値を調べた。コモンモードチョークコイルの温度上昇の実験では、コモンモードチョークコイル１のコモンモードインピーダンス値が初期値（室温）から３０℃上昇した時の送信信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の電流値を調べた。

また、その他の条件を以下に示す。なお、第１の実験では、図５に示すように、鍔部１６及び鍔部１８の上に板状の天板コア９０を配置した。

コア１２：左右長さ３.２ｍｍ 前後幅２.５ｍｍ 上下高さ１.５ｍｍ
天板コア９０：左右長さ３.２ｍｍ 前後幅２.５ｍｍ 上下高さ１.５ｍｍ
コア１２及び天板コア９０の材料の比透磁率：１０００（Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト）
実行飽和磁束密度：３５０ｍＴ（１ｋＨｚ時）
鍔部１６，１８と天板コア９０とのギャップ：２μｍ以上５μｍ以下
巻線３２，３４，３６の直径：５０μｍ

図６は、実験結果を示したグラフである。縦軸は、電流値を示し、横軸は、巻き数を示す。図６において、四角がコモンモードチョークコイル１の温度上昇の実験結果を示し、丸がコモンモードチョークコイル１の直流重畳特性の実験結果を示している。

図６において、直流重畳特性の実験における電流値と温度上昇の実験における電流値とのいずれか小さい方が定格電流値となる。よって、図６において、太線で示された部分が定格電流値を意味している。

図６によれば、巻線３２，３４，３６の巻き数を７周とした場合（すなわち、コモンモードチョークコイル１１０と同等の構成）には、定格電流値は約３００ｍＡである。一方、巻線３４の巻き数を巻線３２，３６の巻き数よりも少なくすると、定格電流値は増加していく。特に、巻線３４の巻き数が２周以上４周以下である場合には、定格電流値は、４００ｍＡ以上となり、コモンモードチョークコイル１１０の定格電流値（３００ｍＡ）に対して３０％以上増加する。したがって、巻線３４の巻き数は、巻線３２，３６の巻き数を７周とした場合には、２周以上４周以下であることが好ましい。

ここで、本願発明者は、巻線３２，３６の巻き数に対する巻線３４の巻き数の比の値（巻き数比）の好ましい範囲を求めるために以下の第２の実験を行った。具体的には、本願発明者は、巻線３２，３６の巻き数を７周とした状態で巻線３４の巻き数を０周から２０周の間で変化させて、コモンモードチョークコイル１の直流重畳特性及びコモンモードチョークコイル１の温度上昇を調べた。コモンモードチョークコイルの直流重畳特性の実験では、コモンモードチョークコイル１のコモンモードインピーダンスが初期値（送信信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の電流値が０Ａ時のコモンモードインピーダンス値）から３０％低下する時の送信信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の電流値を調べた。コモンモードチョークコイルの温度上昇の実験では、コモンモードチョークコイル１のコモンモードインピーダンスが初期値（室温）から３０℃上昇した時の送信信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２の電流値を調べた。第２の実験におけるコモンモードチョークコイル１の条件は、第１の実験と同じであるので説明を省略する。

図７は、実験結果を示したグラフである。縦軸は、定格電流値の比を示し、横軸は、巻き数比を示す。定格電流値の比は、定格電流値を巻線３４の巻き数が０（つまり、巻線３２,３６のみのとき）の定格電流値で割った値である。また、巻き数比は、巻線３２又は巻線３６の巻き数に対する巻線３４の巻き数の比の値である。図７において、細線がコモンモードチョークコイル１の温度上昇の実験結果を示し、太線がコモンモードチョークコイル１の直流重畳特性の実験結果を示している。

図７によれば、巻き数比が２０％以上６０％以下の範囲において、定格電流値がコモンモードチョークコイル１１０の定格電流値に比べて３０％以上向上することがわかる。したがって、実験によれば、巻き数比は、２０％以上６０％以下であることが好ましい。これにより、定格電流値の増大を図ることができる。

なお、図７において、直流重畳特性の実験における電流値と温度上昇の実験における電流値とのいずれか小さい方が定格電流値となる。

また、コモンモードチョークコイル１によれば、コモンモード信号の挿入損失（Ｓｃｃ２１）を大きくすることができる。より詳細には、コモンモードチョークコイル１では、巻線３４の巻き数が巻線３２，３６の巻き数よりも少ない場合、巻線３４と巻線３２，３６との間に形成される浮遊容量が小さくなる。これにより、コモンモード信号の挿入損失を大きくすることができる。すなわち、コモンモードチョークコイル１によれば、コモンモード信号が効果的に除去される。

ここで、本願発明者は、コモンモードチョークコイル１においてコモンモード信号の挿入損失（Ｓｃｃ２１）がコモンモードチョークコイル１１０の挿入損失（Ｓｃｃ２１）より大きくなることを確認するために、以下に説明する第３の実験を行った。具体的には、巻線３２，３４，３６の巻き数を７周としたコモンモードチョークコイル（以下、第１のサンプル）及び巻線３２，３６の巻き数を７周とし巻線３４の巻き数を４周としたコモンモードチョークコイル（以下、第２のサンプル）を作製した。そして、第１のサンプル及び第２のサンプルにおいて挿入損失（Ｓｃｃ２１）を測定した。図８は、実験結果を示したグラフである。縦軸は、挿入損失を示し、横軸は、周波数を示す。挿入損失Ｓｃｃ２１は、巻線３４の両端に接続された外部電極４２，４８をオープンとし、巻線３４に接続された外部電極４０から入力されるコモンモード信号に対する巻線３４に接続された外部電極４６から出力されるコモンモード信号の比の値である。

図８によれば、第２のサンプルの方が、第１のサンプルよりも、約１ＧＨｚ以上の周波数において損失が大きくなっていることが分かる。よって、コモンモードチョークコイル１はコモンモード信号の挿入損失（Ｓｃｃ２１）を大きくすることができる。

また、コモンモードチョークコイル１では、温度上昇を抑制できる。より詳細には、巻線３４に流れる電流は、巻線３２，３６のそれぞれに流れる電流よりも大きい。したがって、巻線３４に接続されている外部電極４２に流れる電流は、巻線３２，３６に接続されている外部電極４０，４４のそれぞれに流れる電流よりも大きい。すなわち、外部電極４２の面積と外部電極４０，４４の面積とが等しい場合には、外部電極４２における発熱量が外部電極４０，４４における発熱量よりも大きくなる。

そこで、巻線３４に接続されている外部電極４２の面積は、巻線３２，３６のそれぞれに接続されている外部電極４０，４４の面積よりも大きい。これにより、外部電極４２の抵抗値が外部電極４０，４４の抵抗値よりも小さくなる。その結果、外部電極４２における発熱量が小さくなり、コモンモードチョークコイル１の温度上昇が抑制される。なお、同じ理由により、外部電極４８の面積は、外部電極４６，５０の面積よりも大きい。

（その他の実施形態）
本発明に係るコモンモードチョークコイルは、コモンモードチョークコイル１に限らずその要旨の範囲内において変更可能である。

なお、巻線３２の巻き数と巻線３６の巻き数とは等しくなくてもよい。

また、外部電極４２の面積は、外部電極４０，４４の面積よりも大きくなくてもよい。同様に、外部電極４８の面積は、外部電極４６，５０の面積よりも大きくなくてもよい。

以上のように、本発明は、コモンモードチョークコイルに有用であり、特に、定格電流値を大きくすることができる点において優れている。

１：コモンモードチョークコイル
１２：コア
１４：巻芯部
１６，１８：鍔部
２０，２２，２４，２６，２８，３０：電極形成部
３２，３４，３６：巻線
４０，４２，４４，４６，４８，５０：外部電極
９０：天板コア

Claims (3)

1. コアと、
   前記コアに巻き付けられている第１の巻線、第２の巻線及び第３の巻線と、
   を備えており、
   前記第３の巻線の巻き数は、前記第１の巻線の巻き数及び前記第２の巻線の巻き数よりも少なく、
   前記第１の巻線に流れる第１の送信信号と前記第２の巻線に流れる第２の送信信号とにコモンモードノイズが含まれる場合には、前記第１の巻線と前記第２の巻線とが互いに強め合う磁界を発生し、
   前記第３の巻線には、前記第１の巻線及び前記第２の巻線が発生する磁界を打ち消すように前記第１の送信信号及び前記第２の送信信号を合わせた電流が流れること、
   を特徴とするコモンモードチョークコイル。
2. 前記第１の巻線の巻き数と前記第２の巻線の巻き数とは等しいこと、
   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の巻線の両端のそれぞれに接続されている第１の外部電極及び第２の外部電極と、
   前記第２の巻線の両端のそれぞれに接続されている第３の外部電極及び第４の外部電極と、
   前記第３の巻線の両端のそれぞれに接続されている第５の外部電極及び第６の外部電極と、
   を更に備えており、
   前記第５の外部電極の面積は、前記第１の外部電極の面積及び前記第３の外部電極の面積よりも大きいこと、
   を特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のコモンモードチョークコイル。

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