JP6436239B2 - コイルデバイス - Google Patents

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Description

本発明は、インダクタンス素子、インピーダンス変換回路、電圧変換回路等に用いられるコイルデバイスに関するものである。
インピーダンス変換回路や電圧変換回路などとして、各種電子回路にトランスが用いられる。回路基板に実装される小型の電子部品としてのトランスは、しばしば、複数の基材層を積層してなる多層基板にコイルを内蔵した表面実装部品として構成される(例えば特許文献1参照)。
近年、携帯電話端末に代表される携帯電子機器には、小型・薄型化が求められ、また、高機能化にともなう部品点数の増加による高密度実装化も求められる。
特許第5505582号公報
コイルを内蔵する多層基板に、例えば整合用のインダクタンス素子、共振回路用のインダクタンス素子等を付加するため、トランス用コイル(「トランスコイル」)以外に他のコイルを追加することが考えられる。
しかし、トランスコイルを内蔵した多層基板に他のコイルをさらに内蔵しようとすると、トランスコイルと他のコイルとが不要結合する場合がある。不要結合しないようにするためには、トランスコイルと他のコイルとを離して多層基板内に配置することが考えられるが、多層基板が大型化してしまうという課題がある。また、トランスコイルと他のコイルの磁束の向きが揃わないように配置したり、トランスコイルと他のコイルとの間にシールド用部材を設けたりすることも考えられるが、コイルのQ値が低下してしまうという課題がある。
上述の課題はトランスコイルと他のコイルとを備える装置に限らず、機能の異なる少なくとも2つのコイルを備えるコイルデバイスに共通の課題である。
本発明の目的は、大型化を抑え、少なくとも2つのコイルの独立性を高めて、Q値などのコイル特性の低下を抑えたコイルデバイスを提供することにある。
本発明のコイルデバイスは次のように構成される。
(1)第1端子と、第2端子と、第3端子と、トランスを構成する第1コイルと、前記トランスとは異なる第2コイルとを備え、
記第1コイルと前記第2コイルとが接続されて構成される回路が前記第1端子、前記第2端子および前記第3端子に接続され、
前記第1コイルは前記トランスの一次コイル部および二次コイル部を有し、
前記一次コイル部および前記二次コイル部は巻回軸まわりに巻回された形状を有し、
前記第2コイルは、前記巻回軸方向から視て前記第1コイルとほぼ重なるように配置され、
前記第2コイルの一端は前記一次コイル部または前記二次コイル部の一端に接続され、
前記第2コイルは前記巻回軸方向に互いに隣接する第1部位および第2部位を備え、
前記第1部位および前記第2部位は、流れる電流の方向が互いに逆方向となるように延伸し、前記第1部位と前記第2部位との間にコイル開口が生じていることを特徴とする。
上記構成により、第1コイルのコイル開口が第2コイルで遮られず、第1コイルのQ値の低下は抑えられる。また、第2コイルのコイル開口と第1コイルのコイル開口とはほぼ直交するので、第1コイルと第2コイルは独立したコイルとして用いることができる。
(2)上記(1)において、前記一次コイル部の第1端は前記第1端子に接続され、前記一次コイル部の第2端は前記第3端子に接続され、前記二次コイル部の第1端は前記第2コイルの第1端に接続され、前記二次コイル部の第2端は前記第3端子に接続され、前記第2コイルの第2端は前記第2端子に接続された構成であることが好ましい。これにより、第1コイルでトランスが構成され、トランスの二次コイル部に、トランスとは磁気的には不要結合しない独立した第2コイルが直列接続されたコイルデバイスとして用いることができる。
(3)上記(1)において、前記一次コイル部の第1端は前記第1端子に接続され、前記一次コイル部の第2端は前記第3端子に接続され、前記二次コイル部の第1端は前記第2端子に接続され、前記二次コイル部の第2端は前記第3端子に接続され、前記第2コイルの第1端は前記第2端子に接続され、前記第2コイルの第2端は前記第1端子に接続された、構成であることが好ましい。これにより、第1端子−第3端子間に一次コイル、第2端子−第3端子間に二次コイルが接続されたトランスと、第1端子−第2端子間に接続された第2コイルとを備えるコイルデバイスとして用いることができる。
)上記(1)から()のいずれかにおいて、複数の基材層を積層してなる積層体を備え、前記第1コイルおよび前記第2コイルは前記積層体内に、前記積層の方向に重ねて配置される構成であることが好ましい。これにより、第1コイルが構成される複数の基材層と第2コイルが構成される複数の基材層とを積層するだけで、第1コイルと第2コイルが積層体に配置されるので、回路基板等へ実装する際の占有面積に小さなコイルデバイスが得られる。
本発明によれば、大型化を抑え、少なくとも2つのコイルの独立性を高めて、Q値などのコイル特性の低下を抑えたコイルデバイスが得られる。
図1は第1の実施形態に係るコイルデバイス101の斜視図である。 図2はコイルデバイス101の各基材層に形成された導体パターンを示す分解平面図である。 図3はコイルデバイス101の各基材層に形成された導体パターンの斜視図である。 図4はコイルデバイス101の回路図である。 図5は第2の実施形態に係るコイルデバイス102の各基材層に形成された導体パターンを示す分解平面図である。 図6はコイルデバイス102の回路図である。 図7(A)、図7(B)は第3の実施形態に係るコイルデバイス103A,103Bの各基材層に形成された導体パターンの斜視図である。 図8はコイルデバイス103A,103Bの回路図である。 図9は第4の実施形態に係るコイルデバイス104の各基材層に形成された導体パターンの斜視図である。 図10はコイルデバイス104の回路図である。 図11は第5の実施形態に係るコイルデバイス105の各基材層に形成された導体パターンの斜視図である。
以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能である。第2の実施形態以降では第1の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
《第1の実施形態》
第1の実施形態では、トランスを構成する第1コイルと、このトランスの二次コイルに直列接続された第2コイルとを備えるコイルデバイス101について示す。このコイルデバイス101は、例えばインダクタンス素子、インピーダンス変換回路、電圧変換回路等に用いられる。
図1は第1の実施形態に係るコイルデバイス101の斜視図である。図2は各基材層に形成された導体パターンを示す分解平面図であり、図3は各基材層に形成された導体パターンの斜視図である。但し、図3においては、導体パターンが形成されている基材層は除き、且つ積層方向に引き延ばして(誇張して)図示している。また、図3において最上層の導体パターンは図示を省略している。図4はコイルデバイス101の回路図である。
図4に示すように、第1コイルL1は、トランスTの一次コイル部L11および二次コイル部L12を構成し、一次コイル部L11の第1端E11aは第1端子P1に接続され、一次コイル部L11の第2端E11bは第3端子Pgに接続され、二次コイル部L12の第1端E12aは第2コイルL2の第1端E2aに接続され、二次コイル部L12の第2端E12bは第3端子Pgに接続される。第2コイルL2の第2端E2bは第2端子P2に接続される。
コイルデバイス101は、複数の基材層を積層してなる積層体を備え、この積層体内に第1コイルおよび第2コイルが、基材層の積層方向に重ねて配置され。直方体状の積層体の外面には、第1端子P1、第2端子P2、第3端子Pg、実装用空き端子Pnがそれぞれ形成されている。第3端子Pgは例えばグランド端子、第1端子P1および第2端子P2は入出力端子として用いられる。
図2に示すように、基材層S1〜S11の上面にそれぞれ導体パターンが形成されている。図2において基材層S1(B)は基材層S1の裏面である。図2において層間接続導体(ビア導体)を破線で表している。基材層S1〜S4に形成される導体パターンL11a,L11b,L11c,L11dおよび複数の層間接続導体によって、約3.75ターンの一次コイル部L11が形成される。また、基材層S8〜S5に形成される導体パターンL12a,L12b,L12c,L12dおよび複数の層間接続導体によって、ほぼ3.75ターンの二次コイル部L12が形成される。一次コイル部L11の導体パターンL11a〜L11dおよび二次コイル部L12の導体パターンL12a〜L12dは1つの矩形状の経路に沿って周回し、一次コイル部L11と二次コイル部L12とは巻回軸が一致している。この一次コイル部L11はトランスのTの一次コイルとして作用し、二次コイル部L12はトランスTの二次コイルとして作用する。
基材層S9,S10には、導体パターンL2a,L2bがそれぞれ形成されている。導体パターンL2a,L2bおよび層間接続導体によって第2コイルL2が構成される。導体パターンL2aは第2コイルL2の第1部位であり、導体パターンL2bは第2コイルL2の第2部位である。
第2コイルL2は、第1コイルL1の巻回軸方向から視て第1コイルL1とほぼ重なるように配置されている(引き回されている)。したがって、第1コイルL1のコイル開口は第2コイルL2で遮られず、そのため、第1コイルのQ値の低下は抑えられる。
第1部位(L2a)および第2部位(L2b)は、流れる電流の方向が互いに逆方向となるように延伸している(折り返されている)。そのため、第1部位(L2a)と第2部位(L2b)との間に生じる隙間が第2コイルL2のコイル開口である。図3の磁束φ2は、この第2コイルL2のコイル開口を通る磁束を表している。一方、第1コイルL1のコイル開口は上記巻回軸AX方向に開いている。したがって、第1コイルL1のコイル開口を通る磁束φ1と、第2コイルL2のコイル開口を通る磁束φ2とは直交関係にあり、互いに殆ど磁界結合しない。すなわち、第1コイルL1は、第2コイルL2の開口を遮らない。そのため、第2コイルのQ値の低下も抑えられる。
また、導体パターンL12aとL2aについては磁束の向きが逆であり、導体パターンL12aとL2bについては磁束の向きが同じであるため、全体で見た時に導体パターンL12aと導体パターン(L2a,L2b)との磁界結合は弱い。
また、第1コイルの導体パターンのうち第2コイルに隣接する導体パターンL12aと、第2コイルの導体パターンのうち第1コイルに隣接する導体パターンL2aとの関係についても、流れる電流の方向が互いに逆方向になるように延伸している(折り返されている)。したがって、導体パターンL12aと導体パターンL2aとの電界結合は弱い。
以上に述べた作用により、第1コイルL1と第2コイルL2とは磁気的にも電気的にも実質的に独立したコイルとして作用する。
《第2の実施形態》
第2の実施形態では、トランスを構成する第1コイルと、このトランスの一次コイルと二次コイルとの間に接続された第2コイルと、を備えるコイルデバイスについて示す。
図5は第2の実施形態に係るコイルデバイス102の各基材層に形成された導体パターンを示す分解平面図である。外観は第1の実施形態で図1に示したものと同じである。図6はコイルデバイス102の回路図である。
図6に示すように、第1コイルL1は、トランスTの一次コイル部L11および二次コイル部L12を構成し、一次コイル部L11の第1端E11aは第1端子P1に接続され、一次コイル部L11の第2端E11bは第3端子Pgに接続され、二次コイル部L12の第1端E12aは第2コイルL2の第1端E2aに接続され、二次コイル部L12の第2端E12bは第3端子Pgに接続される。第2コイルL2の第2端E2bは第1端子P1に接続される。
図5に示すように、基材層S1〜S12の上面にそれぞれ導体パターンが形成されている。図5において基材層S1(B)は基材層S1の裏面である。図5において層間接続導体(ビア導体)を破線で表している。基材層S1〜S4に形成される導体パターンL11a,L11b,L11c,L11dおよび複数の層間接続導体によって、約3.75ターンの一次コイル部L11が形成される。また、基材層S8〜S5に形成される導体パターンL12a,L12b,L12c,L12dおよび複数の層間接続導体によって、ほぼ3.75ターンの二次コイル部L12が形成される。一次コイル部L11の導体パターンL11a〜L11dおよび二次コイル部L12の導体パターンL12a〜L12dは1つの矩形状の経路に沿って周回し、一次コイル部L11と二次コイル部L12とは巻回軸が一致している。この一次コイル部L11はトランスのTの一次コイルとして作用し、二次コイル部L12はトランスTの二次コイルとして作用する。
基材層S9,S10,S11には、導体パターンL2a,L2b,L2cがそれぞれ形成されている。導体パターンL2a,L2b,L2cおよび層間接続導体によって第2コイルL2が構成される。導体パターンL2a,L2cは第2コイルL2の第1部位であり、導体パターンL2bは第2コイルL2の第2部位である。
第1の実施形態のコイルデバイス101と同様に、第1コイルL1と第2コイルL2とが近接しているにも拘わらず、第1コイルL1および第2コイルL2のQ値の低下は抑えられる。また、第1の実施形態のコイルデバイス101と同様に、第1コイルL1と第2コイルL2とは磁気的にも電気的にも実質的に独立したコイルとして作用する。
本実施形態によれば、相対的に高い周波数帯の信号は、図6に示したトランスTでインピーダンス変換され、相対的に低い周波数帯の信号は第2コイルL2をバイパスして通過する。
なお、第2コイルL2と第1コイルL1との結合係数を極力小さくするためには、第2コイルL2を構成する導体パターンの数(導体パターン形成層数)が偶数であることが好ましいが、本実施形態の図5に示したように、奇数(導体パターンL2a,L2b,L2cの3つ)であってもよい。
《第3の実施形態》
第3の実施形態では、第1端子P1および第2端子P2を備え、この第1端子P1と第2端子P2との間に、第1コイルL1と第2コイルL2との直列接続回路が設けられたコイルデバイスについて示す。
図7(A)、図7(B)は第3の実施形態に係るコイルデバイス103A,103Bの各基材層に形成された導体パターンの斜視図である。但し、図7(A)、図7(B)においては、導体パターンが形成されている基材層は除いて図示している。また、図7(A)、図7(B)においては、各導体パターンの線幅を細く表している。図8はコイルデバイス103A,103Bの回路図である。
図8に示すように、第2コイルL2の第1端E2aは第1コイルL1の第2端E1bに接続され、第1コイルL1の第1端E1aは第1端子P1に接続され、第2コイルL2の第2端E2bは第2端子P2に接続される。
コイルデバイス103A,103Bは、複数の基材層を積層してなる積層体を備え、この積層体内に第1コイルL1および第2コイルL2が、基材層の積層方向に重ねて配置され、積層体の外面に第1端子P1、第2端子P2がそれぞれ形成されている。
導体パターンL11a〜L11hおよびそれらを接続する複数の層間接続導体によって、約7.5ターンの第1コイルL1が形成される。また、導体パターンL2a,L2bおよびそれらを接続する層間接続導体によって第2コイルL2が構成される。導体パターンL2aは第2コイルL2の第1部位であり、導体パターンL2bは第2コイルL2の第2部位である。
コイルデバイス103Aとコイルデバイス103Bとは、第2コイルL2の平面視でのパターンが異なる。コイルデバイス103Aでは、第2コイルL2の第1部位L2aおよび第2部位L2bに、X方向に延伸する2辺、Y方向に延伸する2辺をそれぞれ有する。これに対し、コイルデバイス103Bでは、第2コイルL2の第1部位L2aおよび第2部位L2bに、X方向に延伸する1辺、Y方向に延伸する2辺をそれぞれ有する。
図7(A)に示すように、第2コイルL2のコイル開口を通る磁束φ2y1,φ2y2の方向は互いに逆であるので、磁束φ2y1,φ2y2はある程度相殺される。そのため、第2コイルの第1部位L2aおよび第2部位L2bの全経路長が長い割には高いインダクタンスを得にくい。
図7(B)のコイルデバイス103Bでは、長手方向であるX方向に延伸する辺は1辺であるので、上記相殺は無い。なお、第2コイルL2のコイル開口を通る磁束φ2x1,φ2x2の方向は互いに逆であるが、Y方向に延伸する2つの辺は比較的離れているので、磁束φ2x1,φ2x2の相殺は少ない。したがって、コイルデバイス103Bにおいては、第1部位L2aおよび第2部位L2bの全経路長が短い割には高いインダクタンスが得られる。
本実施形態によれば、第1の実施形態のコイルデバイス101と同様に、第1コイルL1と第2コイルL2とが近接しているにも拘わらず、第1コイルL1および第2コイルL2のQ値の低下は抑えられる。また、第1の実施形態のコイルデバイス101と同様に、第1コイルL1と第2コイルL2とは磁気的にも電気的にも実質的に独立したコイルとして作用する。
本実施形態のコイルデバイス103A,103Bは、第1コイルL1による磁束φ1の方向と第2コイルL2による磁束φ2(φ2x1,φ2x2,φ2y1,φ2y2)の方向とが異なる(直交している)ので、2方向の指向性を有するアンテナとして用いることができる。例えば、NFC(Near Field Communication)用のHF帯アンテナとして用いることができる。
《第4の実施形態》
第4の実施形態では、第1端子P1、第2端子P2および第4端子Pcを備え、第1端子P1と第4端子Pcとの間に、第1コイルL1が設けられ、第2端子P2と第4端子Pcとの間に、第2コイルL2が設けられたコイルデバイスについて示す。
図9は第4の実施形態に係るコイルデバイス104の各基材層に形成された導体パターンの斜視図である。但し、図9においては、導体パターンが形成されている基材層は除いて図示している。また、図9においては、各導体パターンの線幅を細く表している。図10はコイルデバイス104の回路図である。
図10に示すように、第2コイルL2の第1端E2aは第1コイルL1の第2端E1bに接続され、第1コイルL1の第1端E1aは第1端子P1に接続され、第2コイルL2の第2端E2bは第2端子P2に接続される。また、第1コイルL1の第2端E1bは第4端子Pcに接続される。
コイルデバイス104は、複数の基材層を積層してなる積層体を備え、この積層体内に第1コイルL1および第2コイルL2が、基材層の積層方向に重ねて配置され、積層体の外面に第1端子P1、第2端子P2、第4端子Pcがそれぞれ形成されている。
導体パターンL11a〜L11hおよびそれらを接続する複数の層間接続導体によって、約7.5ターンの第1コイルL1が形成される。また、導体パターンL2a,L2bおよびそれらを接続する層間接続導体によって第2コイルL2が構成される。導体パターンL2aは第2コイルL2の第1部位であり、導体パターンL2bは第2コイルL2の第2部位である。第3の実施形態のコイルデバイス103Aとは、第4端子Pcを備える点で異なる。
本実施形態によれば、電気的、磁気的に独立した第1コイルL1および第2コイルL2を、例えば第4端子Pcを共通端子として用いることができる。
《第5の実施形態》
第5の実施形態では、第2コイルを構成する導体パターンの層数が3層以上である例について示す。
図11は第5の実施形態に係るコイルデバイス105の各基材層に形成された導体パターンの斜視図である。但し、図11においては、導体パターンが形成されている基材層は除いて図示している。また、図11においては、各導体パターンの線幅を細く表している。
コイルデバイス105は、複数の基材層を積層してなる積層体を備え、この積層体内に第1コイルL1および第2コイルL2が、基材層の積層方向に重ねて配置され、積層体の外面に第1端子P1および第2端子P2が形成されている。
第3の実施形態で図7(A)に示したコイルデバイス103Aとは異なり、導体パターンL2a,L2b,L2c,L2dが順に積層配置されている。これら導体パターンL2a,L2b,L2c,L2dおよびそれらを接続する層間接続導体によって第2コイルL2が構成される。導体パターンL2a,L2cは第2コイルL2の第1部位であり、導体パターンL2b,L2dは第2コイルL2の第2部位である。
本実施形態のように、複数の第1部位および複数の第2部位を有する第2コイルL2を設けても、第1コイルL1および第2コイルL2のQ値の低下は抑えられる。また、第1コイルL1と第2コイルL2とは磁気的にも電気的にも実質的に独立したコイルとして作用する。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。例えば、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。例えば、図2等に示した実施形態では、異なる基材層に形成された導体パターンを、基材層を貫通する層間接続導体によって接続する例を示したが、層間接続導体は、積層体の端面に形成されてもよい。
E11a…一次コイル部の第1端
E11b…一次コイル部の第2端
E12a…二次コイル部の第1端
E12b…二次コイル部の第2端
E1a…第1コイルの第1端
E1b…第1コイルの第2端
E2a…第2コイルの第1端
E2b…第2コイルの第2端
L1…第1コイル
L11…一次コイル部
L11a,L11b,L11c,L11d…導体パターン
L12…二次コイル部
L12a,L12b,L12c,L12d…導体パターン
L2…第2コイル
L2a,L2c…第1部位の導体パターン
L2b,L2d…第2部位の導体パターン
P1…第1端子
P2…第2端子
Pg…第3端子
Pc…第4端子
Pn…空き端子
S1〜S12…基材層
T…トランス
101,102…コイルデバイス
103A,103B…コイルデバイス
104,105…コイルデバイス

Claims (4)

  1. 第1端子と、第2端子と、第3端子と、トランスを構成する第1コイルと、前記トランスとは異なる第2コイルとを備え、
    記第1コイルと前記第2コイルとが接続されて構成される回路が前記第1端子、前記第2端子および前記第3端子に接続され、
    前記第1コイルは前記トランスの一次コイル部および二次コイル部を有し、
    前記一次コイル部および前記二次コイル部は巻回軸まわりに巻回された形状を有し、
    前記第2コイルは、前記巻回軸方向から視て前記第1コイルとほぼ重なるように配置され、
    前記第2コイルの一端は前記一次コイル部または前記二次コイル部の一端に接続され、
    前記第2コイルは前記巻回軸方向に互いに隣接する第1部位および第2部位を備え、
    前記第1部位および前記第2部位は、流れる電流の方向が互いに逆方向となるように延伸し、前記第1部位と前記第2部位との間にコイル開口が生じていることを特徴とする、コイルデバイス。
  2. 前記一次コイル部の第1端は前記第1端子に接続され、
    前記一次コイル部の第2端は前記第3端子に接続され、
    前記二次コイル部の第1端は前記第2コイルの第1端に接続され、
    前記二次コイル部の第2端は前記第3端子に接続され、
    前記第2コイルの第2端は前記第2端子に接続された、
    請求項1に記載のコイルデバイス。
  3. 前記一次コイル部の第1端は前記第1端子に接続され、
    前記一次コイル部の第2端は前記第3端子に接続され、
    前記二次コイル部の第1端は前記第2端子に接続され、
    前記二次コイル部の第2端は前記第3端子に接続され、
    前記第2コイルの第1端は前記第2端子に接続され、
    前記第2コイルの第2端は前記第1端子に接続された、
    請求項1に記載のコイルデバイス。
  4. 複数の基材層を積層してなる積層体を備え、
    前記第1コイルおよび前記第2コイルは前記積層体内に、前記積層の方向に重ねて配置される、請求項1から3のいずれかに記載のコイルデバイス。
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