JP7287216B2

JP7287216B2 - コイル構造体

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Publication number: JP7287216B2
Application number: JP2019173241A
Authority: JP
Inventors: 正信田渕; 健二根來
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2039-09-24
Also published as: EP3799085A1; JP2021052061A; US20210090783A1

Description

本発明は、コイル構造体に関する。

従来、コイル構造体として、特許文献１に記載されたものが知られている。このコイル構造体は、巻線軸が略平行になるように重ねて配置された第１の巻線部と第２の巻線部と、を備える。第１の巻線部と第２の巻線部とは、巻線軸方向から見て互いに重なり合う。

特開２０１８－１９８２５３号公報

ここで、第１の巻線部と第２の巻線部とが巻線軸方向から見て重なり合う領域には、寄生容量が生じる。この寄生容量が大きくなると、コイル構造体に求められる高周波においてインピーダンスが大きくなるコイルの基本特性が低下（または毀損）する可能性がある。従って、低下（または毀損）の原因となる巻線部間の寄生容量を低減することが求められる。

本発明は、巻線部間の寄生容量を低減することができるコイル構造体を提供することを目的とする。

本発明に係るコイル構造体は、巻線軸が略平行になるように重ねて配置された第１の巻線部と第２の巻線部と、を備えるコイル構造体であって、第１の巻線部と第２の巻線部とは、巻線軸方向から見て互いに重なり合う領域を有し、第２の巻線部は、当該巻線部を構成する導体中を流れる電流の方向に対して垂直な断面に、第１の巻線部から離れる方向成分を含んで延在する立ち上がり部を有する。

本発明に係るコイル構造体では、第１の巻線部と第２の巻線部とは、巻線軸方向から見て互いに重なり合う領域を有する。このような領域では、第１の巻線部と第２の巻線部との間に寄生容量が発生し得る。これに対し、第２の巻線部は、当該巻線部を構成する導体中を流れる電流の方向に対して垂直な断面に、第１の巻線部から離れる方向成分を含んで延在する立ち上がり部を有する。このような立ち上がり部は、巻線軸方向と垂直に広がる部分に比して、巻線軸方向から見たときの第１の巻線部との対向面積を少なくすることができる。従って、巻線部間の寄生容量を低減することができる。

立ち上がり部は、巻線軸方向と平行に延びてよい。この場合、巻線軸方向から見たときの立ち上がり部と第１の巻線部との対向面積は、実質的に立ち上がり部の厚み分だけとなる。従って、対向面積を少なくして、巻線部間の寄生容量を低減することができる。

コイル構造体は、２つの第２の巻線部を備え、２つの第２の巻線部の巻線軸は略平行であり、一方の第２の巻線部は、他方の第２の巻線部の内周側に配置され、内周側に配置された第２の巻線部では、立ち上がり部は、当該第２の巻線部を構成する導体の内周側の側端部に設けられ、外周側に配置された第２の巻線部では、立ち上がり部は、当該第２の巻線部を構成する導体の外周側の側端部に設けられてよい。この場合、第２の巻線部の立ち上がり部と第３の巻線部の立ち上がり部との間の離間距離を大きくすることができるため、両立ち上がり部間で生じる寄生容量を少なくすることができる。

第１の巻線部と２つの第２の巻線部は順不同で直列に接続されていてよい。

本発明によれば、巻線部間の寄生容量を低減することができるコイル構造体を提供することができる。

本発明の実施形態に係るコイル構造体を示す平面図である。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。変形例に係るコイル構造体の板金巻線部の断面形状を示す断面図である。変形例に係るコイル構造体の板金巻線部の断面形状を示す断面図である。

図１を参照して、本発明の実施形態に係るコイル構造体について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るコイル構造体１００を示す平面図である。

図１に示すように、コイル構造体１００は、基板１に実装された構造体である。コイル構造体１００は、基板１に形成されたパターン巻線部３（第１の巻線部）と、基板１上に配置された板金巻線部２（第２の巻線部）と、を備える。なお、基板１の表面と平行な方向にＸ軸を設定し、基板１の表面と平行でＸ軸方向と直交する方向にＹ軸を設定し、Ｘ軸及びＹ軸と直交する方向にＺ軸を設定する。なお、基板１の内部から表面へ向かう方向をＺ軸方向の正側とする。Ｚ軸方向は、板金巻線部２とパターン巻線部３の巻線軸が延在する巻線軸方向に該当する。なお、本実施形態では、コア（不図示）が挿入される中央の空間部４１を巻線中央部５として説明する。パターン巻線部３及び板金巻線部２は、巻線中央部５周りに巻かれた巻線構造を有する。巻線中央部５は、Ｘ軸方向に長手方向を有する長方形状をなしている。

パターン巻線部３は、基板１に導体パターンを形成することによって構成される。パターン巻線部３は、基板１の内部に形成されている。ただし、パターン巻線部３は、基板１の表面に形成されてもよい。パターン巻線部３は、巻線始端部２７と接合部２８との間に、辺部２１～２５を有している。辺部２１～２５は、巻線中央部５を取り囲むように配置されている。特に位置は限定されるものではないが、巻線始端部２７は、巻線中央部５に対して、Ｘ軸方向の負側及びＹ軸方向の負側へ離間した位置に形成される。接合部２８は、パターン巻線部３と板金巻線部２が接合される箇所であり、パターン巻線部３の終端であって、板金巻線部２の始端である。接合部２８は、巻線中央部５に対して、Ｙ軸方向の負側の位置に形成される。接合部２８は、巻線始端部２７よりもＸ軸方向及びＹ軸方向の正側の位置に形成される。

辺部２１は、巻線始端部２７からＸ軸方向の正側へ真っ直ぐに延びる。辺部２１は、巻線中央部５よりもＸ軸方向の正側まで延びる。辺部２２は、辺部２１のＸ軸方向の正側の端部から、Ｙ軸方向の正側へ真っ直ぐに延びる。辺部２２は、巻線中央部５よりもＹ軸方向の正側まで延びる。辺部２３は、辺部２２のＹ軸方向の正側の端部から、Ｘ軸方向の負側へ真っ直ぐ延びる。辺部２３は、巻線中央部５よりもＸ軸方向の負側まで延びる。辺部２４は、辺部２３のＸ軸方向の負側の端部から、Ｙ軸方向の負側へ真っ直ぐ延びる。辺部２４は、巻線中央部５よりもＹ軸方向の負側であって、辺部２１の手前側まで延びる。辺部２５は、辺部２４のＹ軸方向の負側の端部から、Ｘ軸方向の正側へ真っ直ぐ延びる。辺部２５は、接合部２８まで延びて、当該接合部２８に接続される。

板金巻線部２は、パターン巻線部３に対して巻線軸方向であるＺ軸方向の正側に配置された巻線部材である。このように、パターン巻線部３と板金巻線部２とは、巻線軸が略平行になるように重ねて配置される。なお、実施形態では、パターン巻線部３の巻線軸と板金巻線部２の巻線軸は略同一の位置に配置されるものとして説明を行う。従って、巻線軸ＣＬ（図１及び図２参照）が、パターン巻線部３及び板金巻線部２の共通の巻線軸となるものとする。ただし、パターン巻線部３の巻線軸と板金巻線部２の巻線軸とは、性能に影響を及ぼさない範囲で、ずれた位置に配置されてもよい。板金巻線部２は、基板１の表面からＺ軸方向の正側へ離間した位置に配置される（図２参照）。板金巻線部２は、母材としての板材を巻線の形状に切り出すと共に、後述の折り曲げ加工を行うことによって構成される。板金巻線部２とパターン巻線部３とは、Ｚ軸方向から見て互いに重なり合う領域を有する。板金巻線部２は、接合部２８と巻線終端部２９との間に、辺部１１～１５を有している。辺部１１～１５は、巻線中央部５を取り囲み、パターン巻線部３の辺部２１～２５とＺ軸方向から見て重なるように配置されている。特に位置は限定されるものではないが、巻線終端部２９は、巻線中央部５に対して、Ｘ軸方向の正側及びＹ軸方向の負側へ離間した位置に形成される。巻線終端部２９は、巻線始端部２７からＸ軸方向の正側へ離間した位置に配置される。

辺部１１は、接合部２８からＸ軸方向の正側へ真っ直ぐに延びる。辺部１１は、巻線中央部５よりもＸ軸方向の正側であって、辺部２２と重なる位置まで延びる。辺部１２は、辺部１１のＸ軸方向の正側の端部から、Ｙ軸方向の正側へ真っ直ぐに延びる。辺部１２は、辺部２２と重なった状態で、巻線中央部５よりもＹ軸方向の正側であって、辺部２３と重なる位置まで延びる。辺部１３は、辺部１２のＹ軸方向の正側の端部から、Ｘ軸方向の負側へ真っ直ぐ延びる。辺部１３は、辺部２３と重なった状態で、巻線中央部５よりもＸ軸方向の負側であって、辺部２４と重なる位置まで延びる。辺部１４は、辺部１３のＸ軸方向の負側の端部から、Ｙ軸方向の負側へ真っ直ぐ延びる。辺部１４は、辺部２４と重なった状態で、巻線中央部５よりもＹ軸方向の負側であって、辺部２１と重なる位置まで延びる。辺部１５は、辺部１４のＹ軸方向の負側の端部から、Ｘ軸方向の正側へ真っ直ぐ延びる。辺部１５は、辺部２１と重なった状態で、巻線終端部２９まで延びて、当該巻線終端部２９に接続される。

辺部１１は、辺部２５よりも幅方向の寸法が小さく、且つ、Ｘ軸方向の負側の端部付近において幅方向の全域で辺部２５と重なるように配置される。なお、「幅方向」とは、各辺部における長手方向と直交し、ＸＹ平面と平行な方向を指すものとする。辺部１２は、辺部２２よりも幅方向の寸法が小さく、且つ、全長にわたり、幅方向の全域で辺部２２と重なるように配置される。辺部１３は、辺部２３よりも幅方向の寸法が小さく、且つ、全長にわたり、幅方向の全域で辺部２３と重なるように配置される。辺部１４は、辺部２４よりも幅方向の寸法が小さく、且つ、略全長にわたり、幅方向の全域で辺部２４と重なるように配置される。ただし、辺部１４のＹ軸方向の負側の端部付近では、辺部１４ではなく、辺部２１と重なる。辺部１５は、辺部２１よりも幅方向の寸法が小さく、且つ、略全長にわたり、幅方向の全域で辺部２１と重なるように配置される。ただし、辺部１５のＸ軸方向の正側の端部付近では、辺部２１と重ならない。

図１において、破線で示す矢印は、電流の経路を示している。すなわち、巻線始端部２７からの電流は、パターン巻線部３を辺部２１，２２，２３，２４，２５の順で接合部２８へ流れる。接合部２８からの電流は、板金巻線部２を辺部１１，１２，１３，１４，１５の順で巻線終端部２９へ流れる。

なお、基板１には、巻線中央部５である空間部４１から辺部１２，２２を挟んでＸ軸方向の正側へ離間した位置に空間部４２が形成される。また、基板１には、巻線中央部５である空間部４１から辺部１４，２４を挟んでＸ軸方向の負側へ離間した位置に空間部４３が形成される。これらの空間部４２，４３には、コア（不図示）が例えばＥ形状の様に外脚を含めて三脚である場合、空間部４１に中央の脚が挿入されるのと同様、二脚の外脚が挿入される。

次に、図２を参照して、板金巻線部２の断面形状について詳細に説明する。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。なお、図２には、辺部１２，１４が示されているが、辺部１３，１５も同様の構成を有するため、説明を省略する。図２に示すように、板金巻線部２は、対向部３１と、立ち上がり部３２と、を有する。

対向部３１は、パターン巻線部３と対向する部分である。対向部３１は、パターン巻線部３と略平行となるように、すなわちＸＹ平面と略平行となるように広がった状態で、各辺部１２，１４の長手方向に延びる。対向部３１は、内周側の側端部３１ａと、外周側の側端部３１ｂと、Ｚ軸方向の負側の主面３１ｃと、Ｚ軸方向の正側の主面３１ｄと、を有する。なお、パターン巻線部３の各辺部２１～２５は、対向部３１と略平行に対向する対向部３５のみによって構成される。対向部３１の内周側の側端部３１ａは、対向部３５の内周側の側端部３５ａよりも、外周側に配置される。対向部３１の外周側の側端部３１ｂは、対向部３５の外周側の側端部３５ｂよりも、内周側に配置される。

立ち上がり部３２は、板金巻線部２を構成する導体中を流れる電流の方向に対して垂直な断面に、パターン巻線部３から離れる方向成分を含んで延在する立ち上がる部分である。ここでは、Ｚ軸方向が、パターン巻線部３から離れる方向に該当する。従って、立ち上がり部３２は、断面視において、Ｚ軸方向に沿った方向成分を含んで延びる。本実施形態では、立ち上がり部３２は、Ｚ軸方向と平行に延びる。すなわち、立ち上がり部３２は、方向成分として、Ｚ軸方向のみを有した状態で延びている。立ち上がり部３２は、対向部３１のうち、外周側の側端部３１ｂに設けられる。立ち上がり部３２は、対向部３１の側端部３１ｂからＺ軸方向の正側へ立ち上がるように設けられる。立ち上がり部３２は、上端部３２ａと、外周側の主面３２ｂと、内周側の主面３２ｃと、を有する。立ち上がり部３２は、対向部３１の長手方向における略全域にわたって設けられる（図１参照）。

立ち上がり部３２は、平板状の板金部材（切断後の部材）を対向部３１に対して垂直に屈曲するように折り曲げ加工を行う事によって、形成される。具体的には、折り曲げ加工前の板金部材では、主面３１ｃと主面３２ｂとは同一平面であり、主面３１ｄと主面３２ｃとは同一平面である。折り曲げ加工を行うことで、主面３２ｂは主面３１ｃに対して垂直となり、主面３２ｃは主面３１ｄに対して垂直となる。

このような構成により、板金巻線部２の辺部１２，１４では、対向部３１の主面３１ｃだけが、パターン巻線部３の対向部３５とＺ軸方向において対向する。従って、板金巻線部２とパターン巻線部３との間で寄生容量が生じる場合は、対向部３１の主面３１ｃとパターン巻線部３の対向部３５との間で生じ易くなる。一方、立ち上がり部３２の主面３２ｂ，３２ｃは、パターン巻線部３の対向部３５に対して垂直に広がる平面となっている。従って、立ち上がり部３２とパターン巻線部３との間には、寄生容量が略生じないものとなる。

板金巻線部２の辺部１２，１４の断面積のうち、立ち上がり部３２がどの程度の割合を占めるかは特に限定されない。図２では、辺部１２，１４の断面積のうち、立ち上がり部３２が５０％を占めているが、５０％以上であってもよく、５０％以下であってもよい。また、寄生容量を抑制する観点から、立ち上がり部３２は、辺部１２，１４の断面積のうちの３０％以上を占めている事が好ましい。

次に、本実施形態に係るコイル構造体１００の作用・効果について説明する。

コイル構造体１００では、パターン巻線部３と板金巻線部２とは、Ｚ軸方向（巻線軸方向）から見て互いに重なり合う領域を有する。このような領域では、パターン巻線部３と板金巻線部２との間に寄生容量が発生し得る。これに対し、板金巻線部２は、当該板金巻線部２を構成する導体中を流れる電流の方向に対して垂直な断面に、パターン巻線部３から離れる方向成分を含んで延在する立ち上がり部３２を有する。このような立ち上がり部３２は、Ｚ軸方向と垂直に広がる対向部３１に比して、Ｚ軸方向から見たときのパターン巻線部３との対向面積を少なくすることができる。具体的には、図２に示すように、辺部１４における板金巻線部２とパターン巻線部３との対向面積は、対向部３１の側端部３１ａと側端部３１ｂによって規定される対向領域Ｅの箇所における面積となる。立ち上がり部３２は、対向領域Ｅの内部に収まっているため、対向面積の増加に寄与していない。それに対し、板金巻線部２の辺部１４における断面積は、対向部３１に対して立ち上がり部３２の断面積を加算したものとなる。このように、対向部３１のみの場合よりも断面積を大きくして大電流を流すことを可能としつつも、対向面積を対向部３１の範囲に収めることができる。従って、流すことができる電流の大きさに比して、巻線部２，３間の寄生容量を低減することができる。

立ち上がり部３２は、Ｚ軸方向と平行に延びる。この場合、Ｚ軸方向から見たときの立ち上がり部３２とパターン巻線部３との対向面積は、実質的に立ち上がり部３２の厚み分だけとなる。本実施形態では、Ｚ軸方向から見た時の立ち上がり部３２は、対向部３１の範囲内に収まるため、立ち上がり部３２は対向面積の増加に実質的に寄与しなくなる。従って、対向面積を少なくして、巻線部２，３間の寄生容量を低減することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態では、板金の折り曲げ加工によって立ち上がり部３２が形成されていた。しかし、製造方法は特に限定されず、対向部３１と立ち上がり部３２を別体の板状部材で構成し、対向部３１に対して立ち上がり部３２を固定することによって構成されてもよい。

また、各辺部１１～１５では、長手方向における略全域に立ち上がり部３２が形成されていたが、長手方向において部分的に立ち上がり部３２が形成されてもよい。ただし、立ち上がり部３２は、辺部の全長の５０％以上の領域に形成されていることが好ましい。また、立ち上がり部３２は、対向部３１の内周側の側端部３１ａに設けられてもよい。また、一部の辺部において、立ち上がり部３２が設けられなくともよい。

板金巻線部２の断面形状は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であらゆる断面形状を採用可能である。

例えば、図３（ａ）に示すように、対向部３１の幅方向の両側に立ち上がり部３２が形成されてもよい。このとき、両側の立ち上がり部３２は、互いに高さが異なってよい。

上述の実施形態では、立ち上がり部３２は、Ｚ軸方向に平行に延びていた。しかし、Ｚ軸方向以外の方向成分を含む立ち上がり部が採用されてもよい。図３（ｂ）に示すように、Ｚ軸方向と直交する方向成分（ここではＸ軸方向の方向成分）を含むことで、Ｚ軸方向に対して傾斜するような立ち上がり部１３２が採用されてよい。また、板金巻線部２は、立ち上がり部１３２のみで構成されることで、Ｖ字状の断面形状を有してもよい。この場合、一方の立ち上がり部１３２の上端部と、他方の立ち上がり部１３２の上端部とによって対向領域Ｅが規定される。

図３（ｃ）に示すように、湾曲するような立ち上がり部２３２を採用してもよい。このような構成では、立ち上がり部２３２は、下端部２３２ａからＺ軸方向の方向成分よりもＸ軸方向の方向成分の方が大きい態様で延び、徐々にＺ軸方向の方向成分が大きくなり、上端部２３２ｂ付近では、Ｚ軸方向の方向成分の方がＸ軸方向の方向成分よりも大きい態様で延びる。この場合、下端部２３２ａと上端部２３２ｂとによって対向領域Ｅが規定される。

また、図４（ａ）（ｂ）に示すように、板金巻線部２の断面形状は、曲がっていなくともよい。図４（ａ）に示すように、板金巻線部２の断面形状が、Ｚ軸方向に対して真っ直ぐ傾斜した状態の立ち上がり部３３２のみによって構成されてよい。この場合、下端部３３２ａと上端部３３２ｂとによって対向領域Ｅが規定される。図４（ｂ）に示すように、板金巻線部２の断面形状が、Ｚ軸方向に対して真っ直ぐ延びる状態の立ち上がり部４３２のみによって構成されてよい。この場合、立ち上がり部４３２の厚みによって対向領域Ｅが規定される。

また、図４（ｃ）に示すように、コイル構造体は、パターン巻線部３に対して２つの板金巻線部２、及び板金巻線部５０（第２の巻線部）を備えてよい。２つの板金巻線部２，５０の巻線軸は略平行である。この場合、板金巻線部５０は、周方向（ここではＸ軸方向）において板金巻線部２と並ぶように配置される。パターン巻線部３と２つの板金巻線部２，５０は順不同で直列に接続されていてよい。板金巻線部５０は、パターン巻線部３と対向する対向部５１と、立ち上がり部５２と、を有する。板金巻線部２では、立ち上がり部３２は、対向部３１のうち、板金巻線部５０とは反対側における側端部３１ａに設けられ、板金巻線部５０では、立ち上がり部５２は、対向部５１のうち、板金巻線部２とは反対側における側端部５１ｂに設けられる。この場合、板金巻線部２の立ち上がり部３２と板金巻線部５０の立ち上がり部５２との間の離間距離を大きくすることができるため、両立ち上がり部３２，５２間で生じる寄生容量を少なくすることができる。

２…板金巻線部（第２の巻線部）、３…パターン巻線部（第１の巻線部）、５０…板金巻線部（第２の巻線部）、３１，５１…対向部、３２，５２，１３２，２３２，３３２，４３２…立ち上がり部、１００…コイル構造体。

Claims

巻線軸が略平行になるように重ねて配置された第１の巻線部と第２の巻線部と、を備えるコイル構造体であって、
前記第１の巻線部と前記第２の巻線部とは、巻線軸方向から見て互いに重なり合う領域を有し、
前記第２の巻線部は、当該巻線部を構成する導体中を流れる電流の方向に対して垂直な断面に、前記第１の巻線部から離れる方向成分を含んで延在する立ち上がり部を有し、
前記第１の巻線部は、前記第２の巻線部と対向するとともに、前記断面において、前記巻線軸方向における前記第１の巻線部の寸法よりも、前記巻線軸方向と直交する方向の幅が大きくなるように延びる対向部を有する、コイル構造体。
前記立ち上がり部は、前記巻線軸方向と平行に延びる、請求項１に記載されたコイル構造体。
巻線軸が略平行になるように重ねて配置された第１の巻線部と第２の巻線部と、を備えるコイル構造体であって、
前記第１の巻線部と前記第２の巻線部とは、巻線軸方向から見て互いに重なり合う領域を有し、
前記第２の巻線部は、当該巻線部を構成する導体中を流れる電流の方向に対して垂直な断面に、前記第１の巻線部から離れる方向成分を含んで延在する立ち上がり部を有し、
２つの前記第２の巻線部を備え、
２つの前記第２の巻線部の巻線軸は略平行であり、
一方の前記第２の巻線部は、他方の前記第２の巻線部の内周側に配置され、
内周側に配置された前記第２の巻線部では、前記立ち上がり部は、当該第２の巻線部を構成する導体の内周側の側端部に設けられ、
外周側に配置された前記第２の巻線部では、前記立ち上がり部は、当該第２の巻線部を構成する導体の外周側の側端部に設けられる、コイル構造体。
前記第１の巻線部と２つの前記第２の巻線部は順不同で直列に接続されている、請求項１～３の何れか一項に記載のコイル構造体。