JPWO2013065716A1 - コモンモードチョークコイル及び高周波電子機器 - Google Patents

Abstract

コモンモードチョークコイルにおいて、ノーマルモード信号の損失を少なくし、高周波帯域におけるコモンモードノイズの除去能力を高めること。
一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とを備え、一次コイルＬ１は、コイルパターンＬ１ａと該コイルパターンＬ１ａに直列に接続されたコイルパターンＬ２ａとを含み、二次コイルＬ２は、コイルパターンＬ２ａと該コイルパターンＬ２ａに直列に接続されたコイルパターンＬ２ｂとを含むコモンモードチョークコイル。コイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａは、一の面上に平行線路として同軸でループ状に巻回されており、コイルパターンＬ１ｂ，Ｌ２ｂは、前記一の面上であって、コイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａに隣接して平行線路として同軸でループ状に巻回されている。

Description

本発明は、コモンモードチョークコイル及び該コイルを備えた高周波電子機器に関する。

従来、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）やＨＤＭＩ（High Definition Multimedia Interface）などの高速インターフェースでは、一対の信号線路にて位相が１８０°異なる信号を伝送する差動伝送方式が用いられている。差動伝送方式では、平衡線路にて放射ノイズや外来ノイズが相殺されるため、これらのノイズによる影響を受けにくい。しかし、高速インターフェース用の信号線路においては、現実には、信号線路の非対称性に基づくコモンモードのノイズ電流が発生してしまう。そこで、このようなコモンモードノイズを抑制するためのコモンモードチョークコイルが用いられている。

通常、コモンモードチョークコイルは、特許文献１，２に記載されているように、同方向に巻回された二つのコイル（一次コイル、二次コイル）を備えた小型の積層型チップ部品として構成されている。一次コイルと二次コイルは、積層素体の内部にて、積層方向に対称に並置されている。

しかし、このようなコモンモードチョークコイルにあっては、一次コイルと二次コイルとを積層方向に重ねて配置しているため、製造プロセス上の問題（コイルの位置ずれ、積みずれなど）、あるいは、構造上の問題（プリント配線板に搭載したとき、各コイルとプリント配線板のグランドとの結合量が異なる）により、対称性が崩れてしまう。一次コイルと二次コイルの対称性が崩れてしまうと、コモンモードノイズの除去能力が低下してしまう。

一方、従来のコモンモードチョークコイルでは、多くの場合、積層素体として磁性体が用いられているが、磁性体は比較的大きな周波数特性を持っているため、特に、高周波帯域におけるノーマルモード信号の損失が大きくなりやすい。また、一次コイルと二次コイルとの間で十分な結合値が得られていない場合も、ノーマルモード信号の損失が大きくなりやすい。

特開２００３−０６８５２８号公報 特開２００８−０９８６２５号公報

本発明の目的は、ノーマルモード信号の損失が少なく、高周波帯域におけるコモンモードノイズの除去能力の高いコモンモードチョークコイル及び高周波電子機器を提供することにある。

本発明の第１の形態であるコモンモードチョークコイルは、
一次コイルと二次コイルとを備えたコモンモードチョークコイルにおいて、
前記一次コイルは、第１ａコイルパターンと該第１ａコイルパターンに直列に接続された第１ｂコイルパターンとを含み、
前記二次コイルは、第２ａコイルパターンと該第２ａコイルパターンに直列に接続された第２ｂコイルパターンとを含み、
前記第１ａコイルパターン及び前記第２ａコイルパターンは、一の面上に平行線路として同軸でループ状に巻回されており、
前記第１ｂコイルパターン及び前記第２ｂコイルパターンは、前記一の面上であって、前記第１ａコイルパターン及び前記第２ａコイルパターンに隣接して平行線路として同軸でループ状に巻回されていること、
を特徴とする。

本発明の第２の形態である高周波電子機器は、前記第１の形態であるコモンモードチョークコイルを備えたこと、を特徴とする。

前記コモンモードチョークコイルにおいて、第１ａコイルパターン及び第２ａコイルパターンは、一の面上に平行線路として同軸でループ状に巻回されており、第１ｂコイルパターン及び第２ｂコイルパターンは、前記一の面上であって、第１ａコイルパターン及び第２ａコイルパターンに隣接して平行線路として同軸でループ状に巻回されているため、対称性が崩れにくい。つまり、製造プロセスでコイルパターンが位置ずれや積層ずれを生じにくく、また、プリント配線板に搭載したときの各コイルとグランドとの結合量に差異を生じ難い。また、このような構成によって、一次コイルと二次コイルの結合度が高くなり、コモンモードでは大きなインダクタンス値が得られ、インピーダンスが高くなる。他方、ノーマルモードではインダクタンス値が小さく見えるため、インピーダンスが小さく見える。従って、ノーマルモード信号の損失が少なく、高周波帯域でのコモンモードノイズの除去能力が向上する。

本発明によれば、ノーマルモード信号の損失が少なく、高周波帯域におけるコモンモードノイズの除去能力の高いコモンモードチョークコイルを得ることができる。

一実施例であるコモンモードチョークコイルを示す等価回路図である。 前記コモンモードチョークコイルの積層構造を示す平面図であり、（Ａ）は最下層、（Ｂ）は下から１層目を示す。 前記コモンモードチョークコイルの積層構造を示す平面図であり、（Ａ）は下から２層目、（Ｂ）は下から３層目を示す。 前記コモンモードチョークコイルの積層構造を示す平面図であり、下から４層目（最上層）を示す。 前記コモンモードチョークコイルの製造プロセスの説明図であり、積層体の長辺方向中央部で断面としている。 前記コモンモードチョークコイルの積層構造を模式的に示す説明図である。 前記コモンモードチョークコイルで発生する線間容量を示す説明図である。 前記コモンモードチョークコイルの特性を示すグラフである。 前記コモンモードチョークコイルの特性を示すスミスチャート図である。

以下、本発明に係るコモンモードチョークコイル及び高周波電子機器の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分は同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

一実施例であるコモンモードチョークコイル１０は、等価回路として図１に示すように、互いに電磁界を介して結合した一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とを備えている。一次コイルＬ１は、コイルパターンＬ１ａと該コイルパターンＬ１ａに直列に接続されたコイルパターンＬ１ｂとを含み、二次コイルＬ２は、コイルパターンＬ２ａと該コイルパターンＬ２ａに直列に接続されたコイルパターンＬ２ｂとを含んでいる。

コイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂは、図２（Ｂ）、図３（Ａ），（Ｂ），図４に示すように、基材層１５〜１８の４層に渡ってそれぞれ設けられ、ビアホール導体によって層間接続してなる積層型コイルとして構成されている。詳しくは、コイルパターンＬ１ａ及びコイルパターンＬ２ａは、各基材層１５〜１８の面上であって領域Ｘ１に平行線路として同軸でループ状に（平面バイファイラ的に）巻回されており、コイルパターンＬ１ｂ及びコイルパターンＬ２ｂは、各基材層１５〜１８の面上であって領域Ｘ２に、コイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａに隣接して平行線路として同軸でループ状に（平面バイファイラ的に）巻回されている。つまり、コイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａの巻回軸は、積層方向に延在し、かつ、ほぼ重なっている。コイルパターンＬ１ｂ，Ｌ２ｂの巻回軸は、積層方向に延在し、かつ、ほぼ重なっている。

層間の接続は、最上層のコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａの各端部２１ａ，２２ａが第３層のコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａの各端部とビアホール導体３１ａ，３２ａを介して接続され、最上層のコイルパターンＬ１ｂ，Ｌ２ｂの各端部２１ｂ，２２ｂが第３層のコイルパターンＬ１ｂ，Ｌ２ｂの各端部とビアホール導体３１ｂ，３２ｂを介して接続されている。さらに、第３層のコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａの各端部２３ａ，２４ａが第２層のコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａの各端部とビアホール導体３３ａ，３４ａを介して接続され、第３層のコイルパターンＬ１ｂ，Ｌ２ｂの各端部２３ｂ，２４ｂが第２層のコイルパターンＬ１ｂ，Ｌ２ｂの各端部とビアホール導体３３ｂ，３４ｂを介して接続されている。

さらに、第２層のコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａの各端部２５ａ，２６ａが第１層のコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａの各端部とビアホール導体３５ａ，３６ａを介して接続され、第２層のコイルパターンＬ１ｂ，Ｌ２ｂの各端部２５ｂ，２６ｂが第１層のコイルパターンＬ１ｂ，Ｌ２ｂの各端部とビアホール導体３５ｂ，３６ｂを介して接続されている。さらに、第１層のコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａの各端部２７ａ，２８ａが最下層（基材層１５の裏面側）のハイ側入力電極Ｐ１及びロー側入力電極Ｐ２とそれぞれビアホール導体３７ａ，３８ａを介して接続され、第１層のコイルパターンＬ１ｂ，Ｌ２ｂの各端部２７ｂ，２８ｂが最下層（基材層１５の裏面側）のハイ側出力電極Ｐ３及びロー側出力電極Ｐ４とそれぞれビアホール導体３７ｂ，３８ｂを介して接続されている。電極Ｐ１，Ｐ２は平衡入力端子であり、電極Ｐ３，Ｐ４は平衡出力端子である。

そして、図４に示すように、最上層である基材層１８上において、コイルパターンＬ１ａとコイルパターンＬ１ｂとは直列に接続されており、コイルパターンＬ２ａとコイルパターンＬ２ｂとは直列に接続されている。また、各基材層１５〜１８上に形成されたコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂは、上下に隣接する基材層上に形成されたコイルパターンと平面視で重ならないように配置されている。

領域Ｘ１に形成されたコイルパターンＬ１ａ及びコイルパターンＬ２ａからなるループパターンと、領域Ｘ２に形成されたコイルパターンＬ１ｂ及びコイルパターンＬ２ｂからなるループパターンとは、基材層１５〜１８を長辺方向に仕切るラインａを中心としてほぼ線対称にパターニングされている。

また、第１層である基材層１５上には、複数対の放電電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂにて構成される放電ギャップＥ１〜Ｅ４を含む静電気保護回路が形成されている。放電ギャップＥ１〜Ｅ４のギャップは約５μｍである。この静電気保護回路は、図２（Ｂ）に示されているように、平面視で、コイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂを取り囲むように配置されており、かつ、ビアホール導体３９を介してグランド電極ＧＮＤ１，ＧＮＤ２（図２（Ａ）参照）に接続されている。

ここで、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２を積層型コイルとして構成する製造プロセスについて図５を参照して説明する。基材層１５〜１８は誘電体からなり、通過特性の点で誘電率εが３〜１０程度の低誘電率の材料が、コイルＬ１，Ｌ２の線間容量が小さくなる点で好ましい。なお、基材層１５〜１８は、磁性体であってもよく、この場合、低損失な材料、例えば、六方晶系のフェライトを用いることが好ましい。マンガン系フェライトを樹脂に混入したものであってもよい。

まず、シリコン基板１１上に、第４層目となるコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂを例えばＣｕを素材として薄膜プロセスによって形成する。即ち、めっき、蒸着、スパッタなどで金属膜を形成し、該金属膜をフォトリソグラフィ法によって所定の形状にパターニングする。その上に、エポキシ樹脂を塗布して基材層１８を形成する。この基材層１８にはビアホール導体３１ａ，３２ａ，３１ｂ，３２ｂを充填するためのビアホールが形成される。

さらに、基材層１８上に第３層目となるコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂをＣｕを素材として薄膜プロセスによって形成する。その上に、エポキシ樹脂を塗布して基材層１７を形成する。この基材層１７にはビアホール導体３３ａ，３４ａ，３３ｂ，３４ｂを充填するためのビアホールが形成される。さらに、基材層１７上に第２層目となるコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂをＣｕを素材として薄膜プロセスによって形成する。その上に、エポキシ樹脂を塗布して基材層１６を形成する。この基材層１６にはビアホール導体３５ａ，３６ａ，３５ｂ，３６ｂを充填するためのビアホールが形成される。

さらに、基材層１６上に第１層目となるコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂをＣｕを素材として薄膜プロセスによって形成する。同時に、基材層１６上には放電電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂを薄膜プロセスによって形成する。その上に、エポキシ樹脂を塗布して基材層１５を形成する。この基材層１５にはビアホール導体３７ａ，３８ａ，３７ｂ，３８ｂ，３９を充填するためのビアホールが形成される。さらに、基材層１５上に入力電極Ｐ１，Ｐ２、出力電極Ｐ３，Ｐ４及びグランド電極ＧＮＤ１，ＧＮＤ２を薄膜プロセスによって形成する。

エポキシ樹脂で形成される基材層１５〜１８の厚みは１０μｍであり、Ｃｕで形成されるコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ、電極Ｐ１〜Ｐ４，ＧＮＤ１，ＧＮＤ２、放電電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂの厚みは４μｍである。但し、素材の種類や厚みはこれらに限定するものではない。

前記コモンモードチョークコイル１０において、コイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａは、各基材層１５〜１８上に平行線路として同軸でループ状に巻回されており、コイルパターンＬ１ｂ，Ｌ２ｂは、各基材層１５〜１８上であって、コイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａに隣接して平行線路として同軸でループ状に巻回されているため、対称性が崩れにくい。つまり、製造プロセスでコイルパターンが位置ずれや積層ずれを生じにくく、また、プリント配線板に搭載したときの各コイルＬ１，Ｌ２とグランドとの結合量に差異を生じ難い。このような構成によって、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２の結合度が高くなり、コモンモードでは大きなインダクタンス値が得られ、インピーダンスが高くなる。他方、ノーマルモードではインダクタンス値が小さく見えるため、インピーダンスが小さく見える。従って、ノーマルモード信号の損失が少なく、高周波帯域でのコモンモードノイズの除去能力が向上する。

特性のデータは図８及び図９に示すとおりである。図８において、曲線Ａはノーマルモード信号の通過特性を示し、その通過特性は３ＧＨｚに至るまで（及びそれ以上の５ＧＨｚ辺りまで）減衰することなく延びている。曲線Ｂはノーマルモード信号の反射特性を示し、曲線Ｃはコモンモードノイズの通過（減衰）特性を示し、曲線Ｄはノーマルモード信号に重畳したコモンモードノイズの通過特性を示す。これらの特性データから明らかなように、コモンモードチョークコイル１０は、１００ＭＨｚから３ＧＨｚの高周波帯域において良好な特性を示している。

また、コモンモード信号のインピーダンス特性は図９の曲線Ａに示すとおりであり、ノーマルモード信号のインピーダンス特性は図９の曲線Ｂに示すとおりであり、コモンモードノイズのインピーダンス特性は図９の曲線Ｃに示すとおりである。曲線Ｂ，Ｃはほとんど重なっている。図９から明らかなように、広い高周波帯域にて、ノーマルモード信号の入力インピーダンスと出力インピーダンスとが一定になり、かつ、伝送ラインの特性インピーダンスと整合させることができる。

積層型コイルにあっては、各層でのコイルパターンの間に生じる浮遊容量によって並列共振回路が形成され、通過特性に悪影響を与えることがある。即ち、図８に示すノーマルモード信号の通過特性（曲線Ａ）が高周波帯域でカットされてしまう。本実施例では、図７に示すように、上下に隣接する基材層上に形成されたコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂが平面視で重ならないように配置されている。それゆえ、コイルパターン間に生じる浮遊容量が小さくなり、通過帯域に共振点が生じるのを回避できる。また、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２との間に分布的に容量が形成されるため、ノーマルモード信号の挿入損失特性（図８の曲線Ａ参照）でのカットオフ周波数を高周波側に大きくシフトさせることができる。

ちなみに、図７において、コイルパターンの厚みは４μｍ、線幅は１０μｍ、線間ギャップは２０μｍ、上下層のギャップ（基材層の厚み）は１０μｍである。

また、放電電極４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂがコイルパターンＬ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂを取り囲むように配置されているため、コモンモードチョークコイル１０の周囲に他の電子部品が配置されていたとしても、各コイルＬ１，Ｌ２のコイル値が変動しにくくなる。

前記コモンモードチョークコイル１０は、差動伝送方式における平行線路に適用される。特に、ＵＳＢやＨＤＭＩのような高速インターフェース用平衡線路（高速差動伝送ライン）を備える高周波電子機器において、コモンモードノイズを抑制するためのフィルタとして利用される。

（他の実施例）
なお、本発明に係るコモンモードチョークコイル及び高周波電子機器は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

特に、一次コイルや二次コイルを構成するコイルパターンの細部や上下層間での接続形態などは任意である。

以上のように、本発明は、コモンモードチョークコイル及び高周波電子機器に有用であり、特に、ノーマルモード信号の損失が少なく、高周波帯域におけるコモンモードノイズの除去能力が高い点で優れている。

１０…コモンモードチョークコイル
１５〜１８…基材層
４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ…放電電極
Ｌ１…一次コイル
Ｌ２…二次コイル
Ｌ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ…コイルパターン

本発明の第１の形態であるコモンモードチョークコイルは、
一次コイルと二次コイルとを備えたコモンモードチョークコイルにおいて、
前記一次コイルは、第１ａコイルパターンと該第１ａコイルパターンに直列に接続された第１ｂコイルパターンとを含み、
前記二次コイルは、第２ａコイルパターンと該第２ａコイルパターンに直列に接続された第２ｂコイルパターンとを含み、
前記第１ａコイルパターン及び前記第２ａコイルパターンは、一の面上に平行線路として同軸でループ状に巻回されており、
前記第１ｂコイルパターン及び前記第２ｂコイルパターンは、前記一の面上であって、前記第１ａコイルパターン及び前記第２ａコイルパターンに隣接して平行線路として同軸でループ状に巻回されており、
前記一次コイルは、該一次コイルに電流が流れた際、第１ａコイルパターンから発生する磁界の向きと第１ｂコイルパターンから発生する磁界の向きが同じ方向となるように、かつ、前記二次コイルは該二次コイルに電流が流れた際、第２ａコイルパターンから発生する磁界の向きと第２ｂコイルパターンから発生する磁界の向きが同じ方向となるように配置されていること、
を特徴とする。

本発明の第１の形態であるコモンモードチョークコイルは、
一次コイルと二次コイルとを備えたコモンモードチョークコイルにおいて、
前記一次コイルは、第１ａコイルパターンと該第１ａコイルパターンに直列に接続された第１ｂコイルパターンとを含み、
前記二次コイルは、第２ａコイルパターンと該第２ａコイルパターンに直列に接続された第２ｂコイルパターンとを含み、
前記第１ａコイルパターン及び前記第２ａコイルパターンは、一の面上に平行線路として同軸でループ状に巻回されており、
前記第１ｂコイルパターン及び前記第２ｂコイルパターンは、前記一の面上であって、前記第１ａコイルパターン及び前記第２ａコイルパターンに隣接して平行線路として同軸でループ状に巻回されており、
前記第１ａコイルパターン、前記第１ｂコイルパターン、前記第２ａコイルパターン及び前記第２ｂコイルパターンは、複数の基材層にそれぞれ設けられたコイルパターンを層間接続してなる積層型コイルとして構成されており、
前記第１ａコイルパターンと前記第１ｂコイルパターンとは、前記基材層の最上層で直列に接続されており、前記第２ａコイルパターンと前記第２ｂコイルパターンとは、前記基材層の最上層で直列に接続されており、
前記一次コイル及び前記二次コイルのそれぞれの端部は前記基材層の最下層である実装面にのみ配置された入出力電極に接続されていること、
を特徴とする。

Claims (12)

1. 一次コイルと二次コイルとを備えたコモンモードチョークコイルにおいて、
   前記一次コイルは、第１ａコイルパターンと該第１ａコイルパターンに直列に接続された第１ｂコイルパターンとを含み、
   前記二次コイルは、第２ａコイルパターンと該第２ａコイルパターンに直列に接続された第２ｂコイルパターンとを含み、
   前記第１ａコイルパターン及び前記第２ａコイルパターンは、一の面上に平行線路として同軸でループ状に巻回されており、
   前記第１ｂコイルパターン及び前記第２ｂコイルパターンは、前記一の面上であって、前記第１ａコイルパターン及び前記第２ａコイルパターンに隣接して平行線路として同軸でループ状に巻回されていること、
   を特徴とするコモンモードチョークコイル。
2. 前記第１ａコイルパターン及び前記第２ａコイルパターンからなる第１ループパターンと、前記第１ｂコイルパターン及び前記第２ｂコイルパターンからなる第２ループパターンとは、ほぼ線対称にパターニングされていること、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１ａコイルパターン、前記第１ｂコイルパターン、前記第２ａコイルパターン及び前記第２ｂコイルパターンは、複数の基材層にそれぞれ設けられたコイルパターンを層間接続してなる積層型コイルとして構成されていること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコモンモードチョークコイル。
4. 前記基材層は誘電体からなること、を特徴とする請求項３に記載のコモンモードチョークコイル。
5. 前記基材層は誘電率εが３〜１０の誘電体からなること、を特徴とする請求項３に記載のコモンモードチョークコイル。
6. 前記第１ａコイルパターンと前記第１ｂコイルパターンとは、前記基材層の最上層で直列に接続されており、前記第２ａコイルパターンと前記第２ｂコイルパターンとは、前記基材層の最上層で直列に接続されていること、を特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれかに記載のコモンモードチョークコイル。
7. 前記積層型コイルパターンの各基材層上に形成されたコイルパターンは、上下に隣接する基材層上に形成されたコイルパターンと平面視で重ならないように配置されていること、を特徴とする請求項３ないし請求項６のいずれかに記載のコモンモードチョークコイル。
8. さらに、一対の放電電極を含む静電気保護回路を備えたこと、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のコモンモードチョークコイル。
9. 前記静電気保護回路は、平面視で、前記一次コイル及び前記二次コイルを取り囲むように配置されていること、を特徴とする請求項８に記載のコモンモードチョークコイル。
10. 前記静電気保護回路が薄膜プロセスによって形成されていること、を特徴とする請求項８又は請求項９に記載のコモンモードチョークコイル。
11. 前記一次コイル及び前記二次コイルが薄膜プロセスによって形成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のコモンモードチョークコイル。
12. 請求項１ないし請求項１１に記載のコモンモードチョークコイルを備えたこと、を特徴とする高周波電子機器。
    

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