JP6895062B2 - インダクタ - Google Patents

Description

本発明は、インダクタに関し、特にコニカル構造を有する広帯域インダクタに関する。

近年、より高速で大容量の情報を伝送する光通信ネットワークを実現するために、多値伝送技術の研究が盛んに行われている。多値伝送装置は、一般に、複数の光変調器と、これらの光変調器を駆動する複数のドライバ回路とから構成され、ドライバ回路の消費電力をおさえるため、光変調器とドライバ回路との間には、インダクタとコンデンサとからなるバイアスティと呼ばれるバイアス回路が挿入される。このバイアス回路により、高周波信号はコンデンサを通じて光変調器側へ、直流分はインダクタを通じて電源側に供給される（例えば「特許文献１」参照。）。

このような多値伝送技術においては、さらなる広帯域化が求められており、光変調器とドライバ回路の間に実装されるバイアス回路のインダクタに対しても広帯域にわたって誘導性を有するものが必要とされる。広帯域（数１００ｋＨｚ〜数１０ＧＨｚ）に誘導性を有するインダクタとしては、例えば、非特許文献１に記載されているコニカルコイルがある。

図７Ａは、従来のコニカルコイルの構造の一例を示す図である。コニカルコイル１００は、絶縁被膜が形成された導電線１０１が磁性材料からなる円錐形状や角錐形状のコア１０２の外周面に巻回されて、巻線径が先端から終端に向かって徐々に大きくなる円錐形状や角錐形状のインダクタである。

図７Ｂにコニカルコイル１００の等価回路を示す。コニカルコイル１００の等価回路はインダクタンス値が異なる複数のインダクタＬ１〜Ｌｎが直列に接続された構成となる。コニカルコイル１００の円錐形状の先端側からみると、インダクタンス値の小さい順にインダクタＬ１〜Ｌｎが直列に配置されていることになる。

図８は、コニカルコイル１００の周波数特性を示す図である。コニカルコイル１００の周波数特性は、インダクタＬ１からインダクタＬｎへ向かって高周波域から低周波域へと移行し、径の小さい最初のインダクタＬ１で高周波域のカットオフ周波数が決定され、径の大きな最後のインダクタＬｎで低域のカットオフ周波数が決定される。コニカルコイル１００では、先端側でのインダクタンス値が小さく、インダクタの導電線１０１間に発生する寄生容量も小さく抑えられるため、数１０ＧＨｚ程度の高周波まで特性を確保できる。

しかし、従来のコニカルコイル１００では、磁性体のコア１０２に絶縁被膜を有する導電線１０１を巻き付けた構造をとるため、コニカルコイル１００の径やピッチが不連続になることがあった。このような場合には、インダクタンス値が不連続に変化し、帯域内の周波数特性に落ち込み（以下、「ディップ構造」という。）が生じてしまうため、インダクタの周波数特性のさらなる広帯域化を図ることが困難であった。

特許第４１５９３４６号

Ｔｈｏｍａｓ Ａ． Ｗｉｎｓｌｏｗ， "Ｃｏｎｉｃａｌ Ｉｎｄｕｃｔｏｒｓ Ｆｏｒ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ" ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｍａｇａｚｉｎｅ， ｖｏｌ． ６， ｎｏ． １， ｐｐ． ６８−７２， Ｍａｒｃｈ ２００５

本発明は、コニカル構造を有するインダクタにおけるインダクタンス値が連続的に変化するインダクタを提供し、インダクタにおける周波数特性のさらなる広帯域化を図ることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係るインダクタにおいて、第一の面とこの第一の面とは異なる第二の面と、一端が前記第一の面に開口して形成される第一の開口部と、他端が前記第一の面又は前記第二の面に開口して形成される第二の開口部とを含む貫通孔とを有する、絶縁材料からなる本体と、前記第一の開口部から挿入され、前記貫通孔を通り、前記第二の開口部から引き出されて、前記本体を貫通している導電線と、を備え、前記貫通孔は、らせん軸の第一の方向に沿って径が連続的に大きくなるらせん状に形成された第一のらせん部を有することを特徴とする。

また、本発明に係るインダクタにおいて、前記らせん軸の前記第一の方向に沿って、一次関数的に大きくなるように形成されていてもよい。

また、本発明に係るインダクタは、前記貫通孔の前記第一のらせん部の径が、前記らせん軸の前記第一の方向に沿って、指数関数的に大きくなるように形成されていてもよい。

また、本発明に係るインダクタにおいて、前記貫通孔の長手方向に対して垂直な断面は、直径が１０μｍから５０μｍの概略円形状であってもよい。

また、本発明に係るインダクタにおいて、前記貫通孔の前記第一のらせん部の内側に、磁性体からなるコアをさらに備えてもよい。

また、本発明に係るインダクタは、前記貫通孔が、前記らせん軸の前記第一の方向とは逆方向である前記らせん軸の第二の方向に沿って径が連続的に大きくなるらせん状に形成された第二のらせん部を、さらに備え、前記貫通孔の前記他端は、前記第一の面に開口して前記第二の開口部が形成されている。

また、本発明に係るインダクタは、前記第一の開口部と前記第二の開口部に、前記導電線と導通するパッド電極をさらに備えていてもよい。

本発明によれば、コニカル構造のインダクタのインダクタンス値を連続的に変化させることが可能となる。それにより、インダクタの周波数特性の帯域内におけるディップ構造の発生が抑制され、インダクタにおける周波数特性のさらなる広帯域化を図ることが可能となる。

図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るインダクタの構成を示す斜視図である。 図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 図２Ａは、本発明の第２の実施の形態に係るインダクタの構成を示す斜視図である。 図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 図３Ａは、本発明の第３の実施の形態に係るインダクタの構成を示す斜視図である。 図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 図４Ａは、本発明の第４の実施の形態に係るインダクタの構成を示す斜視図である。 図４Ｂは、図４ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 図５Ａは、本発明の第５の実施の形態に係るインダクタの構成を示す斜視図である。 図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 図６Ａは、本発明の第６の実施の形態に係るインダクタの構成を示す斜視図である。 図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 図７Ａは、従来のコニカルコイルの構造の一例を示す図である。 図７Ｂは、コニカルコイルの等価回路を示す図である。 図８は、コニカルコイルの周波数特性を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１Ａから図６Ｂを参照して詳細に説明する。各図について共通する部分には、同一の符号が付されている。

＜第１の実施の形態＞
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るインダクタ１の構成を示す斜視図である。また、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、第一の実施の形態に係るインダクタ１は、底面３ａと上面３ｂとを有する絶縁材料からなる本体２を有する。インダクタ１の本体２には貫通孔５が形成され、貫通孔５の一端は底面３ａに開口して第一の開口部４ａが形成され、貫通孔５の他端は底部３ｂに開口して第二の開口部４ｂが形成される。インダクタ１は、貫通孔５を通り、本体２を貫通している導電線６を有する。貫通孔５は、らせん軸方向に沿って径が連続的に大きくなるらせん状に形成されたらせん部５ａを有する。

本体２は、底面３ａ（第一の面）と、この底面３ａと向かい合うように形成された上面３ｂ（第二の面）と、側面３ｃ、３ｃ’、３ｄ、３ｄ’とを含む直方体形状を有する。本体２は、絶縁性材料からなる。絶縁性材料としては、例えば、光硬化性樹脂等の樹脂を用いることができる。光硬化性樹脂等の樹脂を用いる場合には、本体２や後述の貫通孔５を、３Ｄプリンター等の造型機を用いてより精密に形成することができる。

本体２には貫通孔５が形成されている。貫通孔５は、図１Ｂに示すように、らせん部５ａと、直線部５ｂ、５ｃとを有し、さらに、円形状の断面５ｄを有する。らせん部５ａの両端には直線部５ｂ、５ｃが形成されており、その端部が貫通孔５の端部を構成する。貫通孔５の一端は底面３ａに開口し、導電線６の入口となる第一の開口部４ａが形成されている。また、貫通孔５の他端は上面３ｂに開口し、導電線６の出口となる第二の開口部４ｂが形成されている。

らせん部５ａは、底面３ａの第一の開口部４ａから上面３ｂに向かって垂直に延びる線をらせん軸方向（第一の方向）として、このらせん軸方向に沿って、底面３ａ側に頂点が向いた円錐形のらせん形状（コニカル構造）に形成されている。即ち、らせん部５ａの径は、らせん軸方向に沿って、一次関数的に大きくなるように形成されている。また、らせん部５ａは、上面３ｂから見て時計回りのらせんを描いている。後述するように、このらせん部５ａに導電線６を貫通させることにより、コイル部６ａが形成される。

また、コイルのインダクタンス値は巻き線半径の二乗、及び巻き線数の二乗に比例することから、らせん部５ａにおけるらせんの半径やピッチを調整することで、らせん部５ａを貫通するコイル部６ａのインダクタンス値が連続的に変化するように、らせん部５ａのらせん形状における径が連続的に変化する貫通孔５が形成される。

貫通孔５の長手方向に対して垂直な断面５ｄの直径としては、例えば、１０μｍ〜５０μｍを採用することができるが、導電線６が貫通孔５を貫通することが可能な直径を有すればよく、これに限られない。また、本実施の形態において、貫通孔５の軸線に垂直な断面５ｄは、円形状としたが、使用される導電線６の断面形状に合わせた断面形状としてもよい。

導電線６は、金、銅、アルミ等導電性材料からなる。導電線６は、インダクタ１における、コイルとして機能するコイル部６ａと、第一及び第二の開口部４ａ、４ｂから本体２の外側に出たリード線部６ｂ、６ｃとを有する。この導電線６は、本体２の第一の開口部４ａから挿入され、貫通孔５に沿って曲げられ、第二の開口部４ｂから本体２の外部に引き出される。なお、導電線６は第二の開口部４ｂから挿入され、第一の開口部ａから本体２の外部に引き出されてもよい。これにより、コイル部６ａをらせん部５ａの形状に合わせて形成することができる。

このように、貫通孔５に導電線６を挿入してコイル部６ａを形成することによって、導電線６は、コイルの径が連続的に変化するコニカル構造のコイル部６ａを有することができる。これにより、インダクタンス値が小さいものから大きいものまで連続的に変化するコニカル構造を有するインダクタ１を得ることができる。

なお、導電線６を貫通孔５に導入する際に、グリス等の潤滑剤を用いて導電線６と貫通孔５との摩擦を低減するようにしてもよい。これにより、貫通孔５として、導電線６の太さに近い径の貫通孔５を用いることができ、インダクタ１におけるコニカル構造のコイル部６ａにおける径を、より精密に調整して連続的に変化させることが可能となる。

また、本実施の形態では、貫通孔５のらせん部５ａは、底面３ａと上面３ｂとを貫くらせん軸の方向に沿って形成される場合について説明したが、らせん部５ａが本体２において形成される向きはこれに限られない。らせん部５ａは、側面３ｃ、３ｃ’を貫くらせん軸や、側面３ｄ、３ｄ’を貫くらせん軸の方向に沿って形成されていてもよい。

また、本実施の形態では、直方体形状の本体２を使用する場合について説明したが、本体２の形状はこれに限られない。本体２は、内部にコニカル構造の貫通孔５を形成できればよく、円柱、円錐台等の形状でもよい。なお、本体２は、平坦な面を一つ有することで、インダクタ１をプリント基板などの基板に実装する際に、この平坦面を、基板に対する実装面とすることができ、インダクタ１の実装性をより向上させることができる。

以上説明したように第１の実施の形態によれば、本体２には、らせん形状の径が連続的に変化する貫通孔５が形成され、この貫通孔５のらせん部５ａ形状に沿って導電線６を本体２に貫通させることにより、コイルの径における大きさが連続的に変化するコイル部６ａを有するコニカル構造のインダクタ１を得ることができる。これにより、インダクタンス値の変化が連続となるインダクタ１が得られ、インダクタ１の周波数特性における帯域内のディップ構造の発生が抑制され、インダクタ１における周波数特性のさらなる広帯域化を図ることが可能となる。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２Ａは、第２の実施の形態に係るインダクタ１の構成を示す斜視図である。また、図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。なお、以下の説明では、上述した第１の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１の実施の形態では、貫通孔５の一端と他端は、本体２の異なる面である底面３ａと上面３ｂとに開口し、それぞれ第一の開口部４ａと第二の開口部４ｂが形成され、導電線６は、第一の開口部４ａから第二の開口部４ｂまで貫通孔５を通って本体２を貫通する構成とした。これに対し、第２の実施の形態では、第一の開口部４ａと第二の開口部４ｂとが本体２における同一面に形成される。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、貫通孔５の一端と他端である直線部５ｂの一端と直線部５ｃの一端は、底面３ａに開口しており、第一の開口部４ａと第二の開口部４ｂはともに底面３ａに形成されている。貫通孔５の直線部５ｃは、らせん部５ａの上面３ｂ側から底面３ａに向かう垂直な直線に沿って延びて底面３ａに開口している。そして、貫通孔５を貫通する導電線６の両端（リード線部６ｂ、６ｃ）は、ともに底面３ａから本体２の外部に延出されている。

このように、第２の実施の形態によれば、導電線６の第一の開口部４ａと第二の開口部４ｂをインダクタ１の本体２の同一の面に形成することにより、導電線６のリード線部６ｂ、６ｃを有する底面３ａを、基板に対する実装面として用いて、インダクタ１をプリント基板等の基板に実装する場合の実装性をより向上させることができる。

＜第３の実施の形態＞
図３Ａは、本発明の第３の実施の形態に係るインダクタ１の構成を示す斜視図である。また、図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図３Ａ及び図３Ｂでは、インダクタ１をプリント基板等の基板に実装する場合に導電線６の両端（リード線部６ｂ、６ｃ）を切断し、第一の開口部４ａ及び第二の開口部４ｂに、導電線６と導通する金属パッド７を設けている。金属パッド７は、第一及び第二の開口部４ａ、４ｂの大きさに対応する大きさにしてもよい。

このように、導電線６の第一及び第二の開口部４ａ、４ｂに金属パッド７を有するインダクタ１を基板に実装することにより、基板への実装性をより向上させることができる。

また、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、金属パッド７と同じ厚みを有する支持体８を、底面３ａの四隅に配設してもよい。この支持体８は金属等の導電性材料又は樹脂などの絶縁性材料用いて形成することができる。

このように、金属パッド７に加えて、支持体８を本体２の底面３ａに配設することにより、インダクタ１を実装する際の安定性をより向上させることができる。

＜第４の実施の形態＞
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図４Ａは、第４の実施の形態に係るインダクタ１の構成を示す斜視図である。また、図４Ｂは、図４ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。なお、以下の説明では、上述した第１から第３の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第３の実施の形態のインダクタ１は、第１から第３の実施の形態とは異なり、絶縁性材料からなる本体２において、らせん部５ａ内側の円錐形状のスペースに、コア９を配設している。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第４の実施の形態のインダクタ１では、らせん部５ａの円錐形状に対応する形状のコア９が、本体２に配設されている。コア９は、らせん部５ａに対して一定の距離をもって配設されており、コア９の底面は、本体２の上面３ｂから露出している。例えば、らせん部５ａ内側にコア９を配設するための座繰り構造を設けて、コア９を配設することができる。なお、コア９の材料には、フェライト等の磁性材料を用いてもよい。また、第２の実施の形態で述べたように、底面３ａの第一の開口部４ａ及び第二の開口部４ｂに、導電線６と導通する金属パッド７を設け、底面３ａの四隅に支持体８を設けてもよい。

このように、らせん部５ａの形状に対応した磁性材料のコア９がコイル部６ａの内側に配設されることで、コニカル構造を有するインダクタ１のインダクタンス値をより増大させることができる。

＜第５の実施の形態＞
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図５Ａは、第５の実施の形態に係るインダクタ１の構成を示す斜視図である。また、図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。なお、以下の説明では、上述した第１から第４の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１から第４の実施の形態では、本体２に形成されている貫通孔５は、らせん部５ａを有し、このらせん部５ａのらせん形状の径は、円錐形状の母線に沿って大きくなる（一次関数的に大きくなる）構成とした。第５の実施の形態では、らせん部５ａのらせん形状の径が、らせん軸方向に沿って、指数関数的に大きくなる構成としている。

図５Ｂの破線で示すように、貫通孔５のらせん部５ａは、本体２の底面３ａ側から上面３ｂ側に向けて、らせん軸方向に沿って、らせん形状の径が指数関数的に大きくなるように形成されている。これにより、特に、らせん形状の径が小さい底面３ａ側におけるらせん部５ａの径の変化を、円錐形状の場合と比較してより緩やかにすることができる。また、底面３ａから本体２の外部に延出する導電線６の端部（リード線部６ｂ）を切断し、第２の実施の形態で述べたように、少なくとも底面３ａの第一の開口部４ａに、導電線６と導通する金属パッド７を配設してもよい。

このような構成により、コニカル構造を有するコイル部６ａの巻き線径が小さい先端側において、径の変化に伴うインダクタンス値の変化をより緩やかにすることができ、インダクタ１の周波数特性における帯域内の高周波域でのディップ構造の発生をより抑制することができるため、インダクタ１における周波数特性のさらなる広帯域化を図ることが可能となる。

＜第６の実施の形態＞
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図６Ａは、第６の実施の形態に係るインダクタ１の構成を示す斜視図である。また、図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ’線に沿った断面図である。なお、以下の説明では、上述した第１から第５の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１から第５の実施の形態では、らせん部５ａのらせん形状の径が、底面３ａから上面３ｂに向けて、大きくなる構成とした。第６の実施の形態では、底面３ａから上面３ｂに向かってらせん形状の径が大きくなる第一のらせん部５ａに加えて上面３ｂから底面３ａ側に向かって、らせん形状の径が大きくなる第二のらせん部５ｅが形成されている。

図６Ｂに示すように、第二のらせん部５ｅは、第一のらせん部５ａと共通するらせん軸に沿って形成されており、第一のらせん部５ａが形成されているらせん軸の方向とは逆方向のらせん軸方向（第二の方向）に沿って形成されている。また、第二のらせん部５ｅについても、第一のらせん部５ａと同様に、円錐形状に沿って本体２の上面３ｂ側から底面３ａ側にかけて徐々にらせん形状の径が大きくなっている。貫通孔５の直線部５ｃは、底面３ａに開口し、第二の開口部４ｂが形成されている。

また、第２の実施の形態で述べたように、底面３ａの第一の開口部４ａ及び第二の開口部４ｂに、導電線６と導通する金属パッド７を設けてもよい。また、第４の実施の形態で述べたように、第一のらせん部５ａ及び第二のらせん部５ｅは、らせん軸方向に沿って、らせん形状の径が指数関数的に大きくなるように形成されていてもよい。

このように、第６の実施の形態によれば、本体２において、第一のらせん部５ａに加えて第二のらせん部５ｅがさらに形成されることで、本体２の限られたスペースにおいて、小さい径からより大きい径までを含むコニカル構造のコイル部６ａを備えたインダクタ１を得ることが可能となる。これにより、インダクタ１の周波数特性における低域側のカットオフ周波数をより低域側に設けることができ、インダクタ１における周波数特性のさらなる広帯域化を図ることが可能となる。

以上、本発明のインダクタ１における実施形態について説明したが、本発明は説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

１…インダクタ、２…本体、３ａ…底面、３ｂ…上面、３ｃ、３ｃ’、３ｄ、３ｄ’…側面、４ａ…第一の開口部、４ｂ…第二の開口部、５…貫通孔、５ａ、５ｅ…らせん部、５ｂ、５ｃ…直線部、５ｄ…断面、６…導電線、６ａ…コイル部、６ｂ、６ｃ…リード線部、７…金属パッド、８…支持体、９…コア、１００…コニカルコイル、１０１…導電線、１０２…コア。

Claims (6)

1. 第一の面とこの第一の面とは異なる第二の面と、一端が前記第一の面に開口して形成される第一の開口部と、他端が前記第一の面又は前記第二の面に開口して形成される第二の開口部とを含む貫通孔とを有する、絶縁材料からなる本体と、
   前記第一の開口部から挿入され、前記貫通孔を通り、前記第二の開口部から引き出されて前記本体を貫通している導電線と、
   を備え、
   前記貫通孔は、らせん軸の第一の方向に沿って径が連続的に大きくなるらせん状に形成された第一のらせん部を有し、
   前記貫通孔は、前記らせん軸の前記第一の方向とは逆方向である前記らせん軸の第二の方向に沿って径が連続的に大きくなるらせん状に形成された第二のらせん部を、さらに備え、前記貫通孔の前記他端は、前記第一の面に開口して前記第二の開口部が形成されていることを特徴とするインダクタ。
2. 前記貫通孔の前記第一のらせん部の径は、前記らせん軸の前記第一の方向に沿って、一次関数的に大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインダクタ。
3. 前記貫通孔の前記第一のらせん部の径は、前記らせん軸の前記第一の方向に沿って、指数関数的に大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインダクタ。
4. 前記貫通孔の長手方向に対して垂直な断面は、直径が１０μｍから５０μｍの概略円形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のインダクタ。
5. 前記貫通孔の前記第一のらせん部の内側に、磁性体からなるコアをさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のインダクタ。
6. 前記第一の開口部と前記第二の開口部に、前記導電線と導通するパッド電極をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のインダクタ。

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