JPWO2013136936A1 - コモンモードチョークコイル - Google Patents

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Abstract

最下層（０）の底面には入出力端子（Ｐ１〜Ｐ４）の電極が形成されている。基材層（１）〜（１４）には第１線状導体（Ｌ１ａ〜Ｌ１ｎ）および第２線状導体（Ｌ２ａ〜Ｌ２ｎ）が形成されている。第１線状導体（Ｌ１ａ〜Ｌ１ｎ）とそれらを接続するビアホール導体によって一次コイルが構成されている。また、第２線状導体（Ｌ２ａ〜Ｌ２ｎ）とそれらを接続するビアホール導体によって二次コイルが構成されている。一次コイルおよび二次コイルの巻回軸方向からの平面視で、平面方向に隣接する複数の第１線状導体および第２線状導体が、第１線状導体で第２線状導体が挟まれる第１領域と、第２線状導体で第１線状導体が挟まれる第２領域とを備えている。この構造により、ノーマルモード信号の損失が少なく、コモンモードノイズの除去能の高い、小型のコモンモードチョークコイルを構成する。

Description

本発明は高周波信号の伝送線路に適用されるコモンモードチョークコイルに関する。
例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）やＨＤＭＩ（High Definition Multimedia Interface）等の高速インターフェースでは、一対の信号線路（＝平衡線路）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、これらノイズによる影響を受けにくい。しかし、現実には、特に高速インターフェース用の信号線路においては、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、このコモンモードノイズを抑制するため、コモンモードチョークコイルが用いられる。
通常、コモンモードチョークコイルは、特許文献１の図１や特許文献２の図２等に開示されているように、同方向に巻回された２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。ここで、一次コイルおよび二次コイルは、積層素体の内部にて、積層方向に並べられている。
図１８は特許文献１に示されているコモンモードチョークコイルの断面図である。このコモンモードチョークコイルは、積層素子１中に、同軸上に巻回され、軸方向に分離して配設された２つのコイル（積層型コイル）２，３を備えた構造を有し、各コイル２，３の始端部及び終端部は、積層素子１の両側の端面に引き出されて、所定の外部電極に接続されている。
特開２００３−０６８５２８号公報 特開２００８−０９８６２５号公報
しかし、一次コイルと二次コイルを積層素体の内部にて、単純に積層方向に並べただけでは、一次コイルと二次コイルの結合度を高くすることが難しい。一次コイルと二次コイルの結合度が低いと、ノーマルモード信号の通過損失が増えてしまう。他方、結合度を高くするために一次コイルと二次コイルとを近接配置すると、一次コイルと二次コイルとの間に生じる容量（浮遊容量）が増大してしまう。この容量が大きくなると、コモンモードチョークコイルの差動インピーダンスが低くなって、平衡線路のインピーダンスとマッチングできなくなる。
また、一次コイルと二次コイルを積層素体の内部にて積層方向に並べる構造では、コイルパターンの形成位置ずれやシートの積みずれがプロセス上の問題で生じる。また、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上のグランド導体との結合量が異なる等の構造上の問題により、一次コイル−グランド導体間の容量と、二次コイル−グランド導体間の容量とが不均衡になる。そのため、一次コイルと二次コイルの対称性が確保できず、コモンモードノイズがノーマルモード信号に変換されてしまう。すなわちコモンモードノイズの除去能力が低下してしまう。
また、積層素体として磁性体を用いることがあるが、磁性体は比較的大きな周波数依存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、特に高周波帯域で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ず、ノーマルモードの損失が大きくなりやすい。
本発明は上述の課題を解消するためになされたものであり、その目的は、ノーマルモード信号の損失が少なく、コモンモードノイズの除去能の高い、小型のコモンモードチョークコイルを提供することにある。
本発明のコモンモードチョークコイルは、
複数の第１線状導体が渦巻状に巻回および接続されて構成された一次コイルと、複数の第２線状導体が渦巻状に巻回および接続されて構成され、前記一次コイルに磁気的に結合される、二次コイルと、を有し、
前記一次コイルおよび前記二次コイルの巻回軸方向からの平面視で、平面方向に隣接する複数の前記第１線状導体および前記第２線状導体が、前記第１線状導体で前記第２線状導体が挟まれる第１領域と、前記第２線状導体で前記第１線状導体が挟まれる第２領域とを備えている、ことを特徴とする。
本発明によれば、一次コイルと二次コイルとの間の容量性結合を大きくすることなく、一次コイルと二次コイルとを高い結合度で磁界結合させることができる。よって、一次コイルと二次コイルとの結合度が高く、ノーマルモード信号の通過損失が小さいにもかかわらず、差動インピーダンスの低下が生じにくい、小型のコモンモードチョークコイルを得ることができる。
図１（Ａ）は第１の実施形態のコモンモードチョークコイル１０１の外観斜視図、図１（Ｂ）は側面図である。 図２（Ａ）、図２（Ｂ）はコモンモードチョークコイル１０１の等価回路図である。 図３は第１の実施形態のコモンモードチョークコイルの各基材層の導体パターン等を示す分解平面図である。 図４はコモンモードチョークコイル１０１の各導体パターンを平面透視した図である。 図５は第３、図４におけるＡ１−Ａ２線での断面図である。 図６は第３、図４におけるＢ１−Ｂ２線での断面図である。 図７はコモンモード電流が流れるときの電流の向きを示す図である。 図８はノーマルモード電流が流れるときの電流の向きを示す図である。 図９はコモンモードチョークコイル１０１の周波数特性を示す図である。 図１０は第２の実施形態のコモンモードチョークコイル１０２の外観斜視図である。 図１１（Ａ）はコモンモードチョークコイル１０２の断面図、図１１（Ｂ）はＥＳＤ保護素子部の断面図である。 図１２は放電電極Ｄｅ１１，Ｄｅ１２を含む部分の断面構造を表す模式図である。 図１３は第２の実施形態に係るコモンモードチョークコイル１０２の等価回路図である。 図１４は第３の実施形態に係るコモンモードチョークコイル１０３の平面図である。 図１５は第３の実施形態のコモンモードチョークコイルの各層の導体パターン等を示す分解平面図である。 図１６は第３の実施形態のコモンモードチョークコイルの２層分の導体パターンを重ねて表した平面図である。 図１７は図１４および図１５におけるＡ−Ａ線での断面図である。 図１８は特許文献１に示されているコモンモードチョークコイルの断面図である。
本発明の各実施の形態について各図を順次参照して説明する。
《第１の実施形態》
図１（Ａ）は第１の実施形態のコモンモードチョークコイル１０１の外観斜視図、図１（Ｂ）は側面図である。
図１に表れているように、積層素体１０の外面には入出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が形成されている。
基材層用の材料としては、ＨＦ帯用のコモンモードチョークコイルを形成する場合は渦電流損失が相対的に小さいので、磁気エネルギーの閉じ込め性の点で、磁性体材料（透磁率の高い誘電体材料）を用いることができる。この磁性体材料として、六方晶フェライトなどの高周波対応のフェライト磁性体を用いてもよい。一方、例えばＵＨＦ帯用のコモンモードチョークコイルを形成する場合は、高周波数領域での渦電流損失を抑えるために、電気絶縁抵抗の高い誘電体材料を用いることが好ましい。フェライトに代表される磁性体は透磁率に周波数依存性をもっているため、利用周波数帯が高くなるにつれ、損失が大きくなってしまうが、誘電体は周波数依存性が比較的小さいため、広い周波数帯で損失の小さい積層型コモンモードチョークコイルを実現できる。すなわち、広帯域、特に高周波帯域を含む高速インターフェースに用いられるコモンモードチョークコイルとしては、基材層として非磁性体層である誘電体層を用いることが好ましい。
基材層は低温焼成セラミックス（LTCC［Low Temperature Co-firedCeramics］）のような誘電体セラミック層であってもよいし、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂からなる樹脂層であってもよい。すなわち、積層素体は、セラミック積層体であってもよいし、樹脂積層体であってもよい。また、各コイルを構成する線状導体や層間接続導体、積層素体の表面に設けられる表面導体等は、銅や銀等の比抵抗の小さな金属を主成分とする金属材料を用いることが好ましい。
図２（Ａ）はコモンモードチョークコイル１０１の等価回路図である。後に詳述するように、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２はコモンモード電流が流れることにより強く磁界結合する。一次コイルＬ１と二次コイルＬ２との間には浮遊容量が生じる。図２において、この浮遊容量を集中定数回路としてキャパシタＣ１，Ｃ２で表している。また、一次コイルＬ１の線間および二次コイルＬ２の線間にも浮遊容量が生じる。図２において、この浮遊容量を集中定数回路としてキャパシタＣ３，Ｃ４で表している。
一次コイル（Ｌ１）や二次コイル（Ｌ２）に線間容量（Ｃ３やＣ４）が発生すると、通過帯域内で自己共振が生じる場合があり、したがって、各コイル内の線間容量ができるだけ小さい方が好ましい。差動インピーダンスの調整のため、一次コイル（Ｌ１）と二次コイル（Ｌ２）との間の容量（Ｃ１およびＣ２）は必要であるが、この容量が大きくなりすぎると、差動インピーダンスが下がってしまう。
コモンモードチョークコイル１０１の等価回路は図２（Ｂ）のように表すこともできる。図２（Ｂ）においては、前記浮遊容量をキャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２で表している。
図３は第１の実施形態のコモンモードチョークコイルの各基材層の導体パターン等を示す分解平面図である。（０）は最下層の底面図、（１）は最下層の上面図、（１５）は最上層の上面図である。図３に示すように、最下層（０）の底面には入出力端子Ｐ１〜Ｐ４の電極が形成されている。基材層（１）〜（１４）には第１線状導体Ｌ１ａ〜Ｌ１ｎおよび第２線状導体Ｌ２ａ〜Ｌ２ｎが形成されている。
図３中の円形のパターンはビアホール導体の接続部（パッド部）である。二重丸のパターンはビアホール導体（層間導体）である。この構造により、層方向に隣接する線状導体と線状導体とが層間で接続されている。
第１線状導体Ｌ１ａ〜Ｌ１ｎとそれらを接続するビアホール導体によって一次コイルが構成されている。また、第２線状導体Ｌ２ａ〜Ｌ２ｎとそれらを接続するビアホール導体によって二次コイルが構成されている。
図３において、第１線状導体Ｌ１ａの端部は入出力端子Ｐ１に、第１線状導体Ｌ１ｎの端部は入出力端子Ｐ２に、それぞれ接続されている。また、第２線状導体Ｌ２ａの端部は入出力端子Ｐ３に、第２線状導体Ｌ２ｎの端部は入出力端子Ｐ４に、それぞれ接続されている。
図４はコモンモードチョークコイル１０１の各導体パターンを平面透視した図である。また、図５は第３、図４におけるＡ１−Ａ２線での断面図、図６は第３、図４におけるＢ１−Ｂ２線での断面図である。
図４において、第１領域Ｚ１では、第１線状導体ＬＡ１Ｘと第１線状導体ＬＡ１Ｙとの間に第２線状導体ＬＡ２Ｘ，ＬＡ２Ｙが挟まれるように導体パターンが配置されている。第２領域Ｚ２では、第２線状導体ＬＢ２Ｘと第２線状導体ＬＢ２Ｙとの間に第１線状導体ＬＢ１Ｘ，ＬＢ１Ｙが挟まれるように導体パターンが配置されている。
図４における各線状導体ＬＡ１Ｘ，ＬＡ１Ｙ，ＬＢ１Ｘ，ＬＢ１Ｙ，ＬＡ２Ｘ，ＬＡ２Ｙ，ＬＢ２Ｘ，ＬＢ２Ｙと図３に示した各線状導体との関係は次のとおりである。
ＬＡ１Ｘ：Ｌ１ｂ，Ｌ１ｄ，Ｌ１ｆ，Ｌ１ｈ，Ｌ１ｊ，Ｌ１ｌ
ＬＡ１Ｙ：Ｌ１ａ〜Ｌ１ｎ
ＬＢ１Ｘ：Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｄ，Ｌ１ｆ，Ｌ１ｈ，Ｌ１ｊ，Ｌ１ｌ，Ｌ１ｎ
ＬＢ１Ｙ：Ｌ１ｃ，Ｌ１ｅ，Ｌ１ｇ，Ｌ１ｉ，Ｌ１ｋ，Ｌ１ｍ
ＬＡ２Ｘ（ＬＢ２Ｘ）：Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｄ，Ｌ２ｆ，Ｌ２ｈ，Ｌ２ｊ、Ｌ２ｌ、Ｌ２ｎ
ＬＡ２Ｙ：Ｌ２ｃ，Ｌ２ｅ，Ｌ２ｇ，Ｌ２ｉ，Ｌ２ｋ，Ｌ２ｍ
ＬＢ２Ｙ：Ｌ２ａ〜Ｌ２ｎ
このように、第１領域Ｚ１において第１線状導体ＬＡ１Ｘと第１線状導体ＬＡ１Ｙとの間に第２線状導体ＬＡ２Ｘ，ＬＡ２Ｙが挟まれ、第２領域Ｚ２において第２線状導体ＬＢ２Ｘと第２線状導体ＬＢ２Ｙとの間に第１線状導体ＬＢ１Ｘ，ＬＢ１Ｙが挟まれるように各導体パターンが配置されているので、すなわち、第１線状導体と第２線状導体とが層方向に重なっていないので、第１線状導体と第２線状導体との線間容量は小さい。よって、渦巻状パターンの外径（外形）寸法を最大限に大きくしつつ、一次コイルと二次コイルとの間の容量性結合を大きくせずに、一次コイルと二次コイルとを高い結合度で磁界結合させることができる。したがって、ノーマルモード信号に対しては、１次コイルと２次コイルの磁界が打ち消しあうため、コモンモードコイルのインダクタンス成分が小さくなり、インピーダンスが小さくなる。その結果、インダクタンス、容量とも小さくなるので、ノーマルモード信号の挿入損失は小さい。
なお、図５、図６に表れているように、層（４）、層（６）、層（８）、層（１０）、層（１２）の厚みを他の層（例えば２５μｍ）より厚く（例えば５０μｍ）しているので、各線状導体の層間距離を効果的に大きくでき、線間容量は小さい。例えば第１線状導体Ｌ１ｂ−Ｌ１ｄ間、Ｌ１ｄ−Ｌ１ｆ間、Ｌ１ｆ−Ｌ１ｈ間、Ｌ１ｈ−Ｌ１ｊ間、Ｌ１ｊ−Ｌ１ｌ間、Ｌ１ｃ−Ｌ１ｅ間、Ｌ１ｅ−Ｌ１ｇ間、Ｌ１ｇ−Ｌ１ｉ間、Ｌ１ｉ−Ｌ１ｋ間、Ｌ１ｋ−Ｌ１ｍ間の層間距離はそれぞれ大きい。第２線状導体についても同様である。なお、線状導体が形成されている複数の層のうち最も外側の層（入出力端子への引き回し層）である層（２）および層（１４）については厚くしていない。これらの最も外側の層は、厚み方向に隣接する線状導体が片側（上または下）だけであるので、線間容量の増大に対する影響は小さい。
基材層が比誘電率εｒ=６〜１０の誘電体セラミック（BaO-Al2O3-SiO2 ［BAS］）を主成分とした低温焼結セラミック材）である場合には、このように層間距離を稼いで線間容量を小さくすることが効果的である。基材層が比誘電率の小さな材料（例えばεｒ＝３〜５程度のポリイミドや液晶ポリマ−）である場合には、基材層の厚みは均一であってもよい。
図５と図６とを対比すれば明らかなように、層（１）と層（１４）以外（引き出し配線層以外）は、Ａ１−Ａ２断面とＢ１−Ｂ２断面は一次コイルと二次コイルが逆になっている。すなわち、一次コイルを構成する各線状導体と二次コイルを構成する各線状導体とは、図４の中心ｏを通るコイル軸に関して１８０度の回転対称である。平面形状でみると、図４の中心ｏに関して点対称である。
図７はコモンモード電流が流れるときの電流の向きを示す図である。また、図８はノーマルモード電流が流れるときの電流の向きを示す図である。これらの図において、実線の矢印は一次コイルに流れる電流、破線の矢印は二次コイルに流れる電流の方向をそれぞれ表している。図７に示すように、コモンモード電流が流れると、一次コイルの磁束と二次コイルの磁束が強め合うため、大きなインダクタとして作用する。そのため、入出力端子Ｐ１，Ｐ３からコモンモードチョークコイル１０１を見たインピーダンスは高く、コモンモード電流（コモンモードノイズ）は抑制される。
図８に示すように、ノーマルモード電流が流れると、一次コイルの磁束と二次コイルの磁束が打ち消されるため、実質的にインダクタとしては作用しない。したがって、ノーマルモード信号は低損失で伝送される。
本発明によれば、基材層にフェライトのような磁性体を用いなくとも一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とを強く結合させることができるので、基材層に誘電体を用いることにより、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らない。
また、第１線状導体Ｌ１ａ〜Ｌ１ｎおよび第２線状導体Ｌ２ａ〜Ｌ２ｎは、複数の基材層の積層方向からの平面視で、一次コイルおよび二次コイルの中心軸に関して実質的に点対称であるので、入出力端子Ｐ１−Ｐ３と入出力端子Ｐ２−Ｐ４との間での、浮遊成分を含めた回路の対称性が高い。そのため、コモンモードノイズからノーマルモード信号（ノイズ）への変換が抑制される。
図９は、前記積層体の平面サイズを１．２５ｍｍ×１．０ｍｍ、厚みを０．７ｍｍ、各層の間隔を２５μｍおよび５０μｍとし、線状導体の線幅を４０μｍ、線間を４０μｍとしたときのコモンモードチョークコイル１０１の実測による周波数特性を示す図である。ここで各特性曲線の意味は次のとおりである。
Sdd11 ノーマルモードの反射特性
Sdd21 ノーマルモードの通過特性
Scc21 コモンモードの通過特性
Scd21 コモンモードからノーマルモードへの変換成分の通過特性
図９のSdd11（ノーマルモード信号の反射特性）から明らかなように、数ＭＨｚ〜５ＧＨｚの範囲でノーマルモード信号について低反射特性が得られている。また、Scc21（コモンモードノイズの通過特性）から明らかなように、数１００ＭＨｚ以上の周波数でコモンモード信号について大きな減衰特性が得られている。この特性で１．３ＧＨｚ付近に極ができているのはコモンモードで発生するインダクタンスの自己共振による。また、Scd21（コモンモードからノーマルモードへの変換成分の通過量）から明らかなように、全周波数帯域で−２５ｄＢ以下であり、充分に抑制されている。なお、Sdd21は２．２７ＧＨｚ付近にノッチができているが、これは一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とのインダクタンスの違い（線長の違い）により生じる共振点である。この共振周波数を適宜設定すれば、ノーマル信号を所定の周波数を減衰させるフィルタ機能を持たせることもできる。そのため、コモンモードチョークコイル以外に例えばバランス型ローパスフィルタを別途設ける必要がなく、部品点数が削減され低コスト化が図れる。
本発明によれば、第１線状導体と第２線状導体とが実質的に層方向に隣接しないので、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２との間に生じる浮遊容量は小さい。すなわち、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２との磁界結合を高めるために、一次コイルを構成する第１線状導体と二次コイルを構成する第２線状導体との層間距離を小さくしても、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２との間に生じる浮遊容量は小さい。そのため、コモンモードチョークコイルの差動インピーダンスは適正に確保でき、平衡線路のインピーダンスとマッチングできる。特に、一次コイルおよび二次コイルの巻回軸方向からの平面視で、第１領域の第２線状導体は互いに重なっていなく、第２領域の第１線状導体は互いに重なっていないので、浮遊容量はさらに小さくなり、コモンモードチョークコイルの差動インピーダンスはより適正に確保でき、平衡線路のインピーダンスとのマッチングがさらに容易となる。
また、本発明によれば、第１線状導体の線間容量および第２線状導体の線間容量は共に小さい。ゆえに、この線間容量と一次コイルおよび二次コイルのインダクタンスとによる自己共振周波数（カットオフ周波数）を高周波側にシフトさせることができ、広い周波数帯域にて優れた通過特性を確保できる。
第１の実施形態によれば、実装先のプリント配線板に形成されているグランド導体と第１線状導体Ｌ１ａ〜Ｌ１ｎとの間に生じる容量は前記グランド導体と第２線状導体Ｌ２ａ〜Ｌ２ｎとの間に生じる容量と殆ど等しいので、一次コイルと二次コイルとの対称性は確保される。すなわち、図２（Ｂ）に示したキャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２の値は、Ｃ１１≒Ｃ１２、Ｃ２１≒Ｃ２２の関係である。そのため、このキャパシタンスの不平衡によるコモンモードノイズからノーマルモード信号（ノイズ）への変換は殆どない。
《第２の実施形態》
第２の実施形態では、ＥＳＤ保護素子を含むコモンモードチョークコイルについて示す。図１０は第２の実施形態のコモンモードチョークコイル１０２の外観斜視図である。図１１（Ａ）はコモンモードチョークコイル１０２の断面図、図１１（Ｂ）はＥＳＤ（Electrostatic Discharge）保護素子部の断面図である。
このコモンモードチョークコイル１０２は、図１１（Ａ）において積層部ＬＬ２に第１の実施形態で示したコモンモードチョークコイルと同様の導体パターンが形成されている。そして、積層部ＬＬ１にＥＳＤ保護素子Ｄｇ１，Ｄｇ２が形成されている。
図１１（Ｂ）はＥＳＤ保護素子Ｄｇ１部分の断面図である。この例では、シールド層Ｓｈ１１、放電補助電極Ｓｅ１、放電電極Ｄｅ１１，Ｄｅ１２、空洞層Ａｈ１、シールド層Ｓｈ２１が形成されている。
図１２は放電電極Ｄｅ１１，Ｄｅ１２を含む部分の断面構造を表す模式図である。シールド層Ｓｈ１１は絶縁性セラミック層であり、基材となるLTCCグリーンシートの一体焼成の際に基材からガラス成分が放電補助電極Ｓｅ１部分へ滲出するのを防止するために設けられている。
放電補助電極Ｓｅ１は放電補助材３９Ａ，３９Ｂを含む。放電補助材３９Ａは、粒子状の金属材料３９Ａ１と、この金属材料３９Ａ１の表面に設けられる絶縁性被膜３９Ａ２とを備える。また、放電補助電極Ｓｅ１は、粒子状の半導体材料３９Ｂ１と、この半導体材料３９Ｂ１の表面に設けられる絶縁性被膜３９Ｂ２とを備える。ここでは、金属材料３９Ａ１はCu粒子であり、半導体材料３９Ｂ１はSiC粒子である。また、絶縁性被膜３９Ａ２はアルミナ被膜であり、絶縁性被膜３９Ｂ２は半導体材料３９Ｂ１が酸化されてなるSiO2被膜である。
また、放電補助電極Ｓｅ１には、放電補助材３９Ａ，３９Ｂを囲むようにガラス様物質４０が形成されている。ガラス様物質４０は作為的に形成したものではなく、空洞Ａｈ１を形成するために用いる犠牲層の周辺部材由来の構成材料などの酸化等の反応によって形成されるものである。
図１２に示した構造により、放電電極Ｄｅ１１−Ｄｅ１２間に高電圧が掛かると、(1) 放電補助電極Ｓｅ１の沿面放電、(2) 放電電極Ｄｅ１１−Ｄｅ１２間の気中放電、(3) 放電補助材３９Ａ，３９Ｂを飛び石のように伝搬する放電、が生じる。これらの放電により静電気が放電される。
図１０、図１１に示したコモンモードチョークコイル１０２は以降に述べるような材料および工程で製造する。
前記積層部ＬＬ１部分のシールド層Ｓｈ１１，Ｓｈ２１は、例えば、アルミナ粉を主成分とするアルミナペーストを用いる。また、放電電極を形成するための電極ペーストは、Cu粉とエチルセルロース等からなるバインダー樹脂に溶剤を添加し、撹拌、混合することで得る。
空洞Ａｈ１を形成する起点となる樹脂ペーストも同様の方法にて作製する。この樹脂ペーストは樹脂と溶剤のみからなる。樹脂材料には焼成時に分解、消失する樹脂を用いる。例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、アクリル樹脂などである。
放電補助電極Ｓｅ１を形成するための混合ペーストは、導電性材料としてCu粉と、セラミック材料としてBAS粉を所定の割合で調合し、バインダー樹脂と溶剤を添加し撹拌、混合することで得る。
前記シールド層Ｓｈ１１，Ｓｈ２１用のペーストは下地のグリーンシートに塗布し、その後、放電電極用の電極ペーストを塗布し、空洞Ａｈ１形成用の樹脂ペーストを塗布し、さらにシールド層Ｓｈ２１用のペーストを塗布する。
図１１に示した積層部ＬＬ２は、通常のセラミック多層基板と同様に、セラミックグリーンシートを積層し、圧着することにより構成する。
接合圧着された積層体は、ＬＣフィルタのようなチップタイプの電子部品と同様にマイクロカッタでカットして、各素体に分離する。その後、各素体の端面に、焼成後に各種外部端子となる電極ペーストを塗布する。
次いで、通常のセラミック多層基板と同様に、N2雰囲気中で焼成する。また、ＥＳＤに対する応答電圧を下げるため空洞部にAr,Ne等の希ガスを導入する場合には、セラミック材料の収縮、焼結が行われる温度領域をAr,Neなどの希ガス雰囲気で焼成すればよい。放電電極Ｄｅ１１，Ｄｅ１２および外部電極が酸化しない電極材料である場合には、大気雰囲気で焼成してもよい。
その後、ＬＣフィルタのようなチップタイプの電子部品と同様に、外部電極の表面に電解Ni-SnめっきによりNi-Snめっき膜を形成する。
ところで、一般に、フェライト中のFeを酸化状態とし、電極材料のCuを酸化させない状態で焼成することは極めて困難であるので、積層素体にフェライトを用いる場合には、電極材料にはAgを用いることが必要となる。しかし、前記放電電極Ｄｅ１１，Ｄｅ１２をAgで形成すると、マイグレーションが顕著に顕れ、スパークギャップが経時変化する。これに対し、本発明によれば、積層素体にLTCCを用いることで、電極材料にCuを用いることができる。前記放電電極Ｄｅ１１，Ｄｅ１２をCuで形成すると、放電時のエネルギーで電極表面Cuの酸化膜が形成されるが、この膜は放電電極材としては作用しないので、放電を繰り返しても放電ギャップは実質上一定に保たれる。
図１３はコモンモードチョークコイル１０２の等価回路図である。以上に示した構成により、第１端が入出力端子Ｐ１、第２端が入出力端子Ｐ２である一次コイルＬ１と、第１端が入出力端子Ｐ３、第２端が入出力端子Ｐ４である二次コイルＬ２とが構成される。
入出力端子Ｐ１と入出力端子Ｐ３との間には例えば給電回路が接続される。入出力端子Ｐ２と入出力端子Ｐ４との間には例えばデジタル信号処理回路が接続される。図１３中のキャパシタＣ１，Ｃ２は一次コイルＬ１と二次コイルＬ２間の浮遊容量を等価的に表したものである。
入出力端子Ｐ１に、保護すべき電圧を超える静電気が印加されると、前記放電電極および放電補助電極による放電素子Ｄｇ１が放電（導通）して低インピーダンスとなる。このことにより、入出力端子Ｐ１に印加された静電気は放電素子Ｄｇ１を介してグランドへシャントされる。同様に、入出力端子Ｐ３に、保護すべき電圧を超える静電気が印加されると、放電素子Ｄｇ３が導通して低インピーダンスとなる。このことにより、入出力端子Ｐ３に印加された静電気は放電素子Ｄｇ３を介してグランドへシャントされる。
放電素子Ｄｇ１，Ｄｇ３は図１３に示すように、静電気が入ってくる側に設けられていることが好ましい。特に、入出力端子Ｐ２，Ｐ４に接続される回路の入力インピーダンスが低い場合でも、一次コイルＬ１および二次コイルＬ２によるコモンモードチョークコイルはＥＳＤのような高周波成分のサージに対して高インピーダンスであるので、サージがコモンモードチョークコイルで反射し、放電素子Ｄｇ１，Ｄｇ３に高電圧が掛かり、放電素子Ｄｇ１，Ｄｇ３は速やかに放電電圧に達し、放電を開始する。そのため、入出力端子Ｐ２，Ｐ４に接続される回路へのサージの流入がより確実に防止される。
このようにして、第２の実施形態のコモンモードチョークコイル１０２では、基材層が非磁性体層であるため、積層素体の表面または内層に、ＥＳＤ保護素子を容易に取り込む（一体的に構成する）ことができる。
なお、ＥＳＤ保護素子として、バリスタ等の非直線性抵抗素子を用いることもできるが、このような電圧可変抵抗方式を利用したＥＳＤ保護素子は、応答性があまり良くないため、一次コイルや二次コイルの前段に配置しておくと、突入電流により、この素子自体が壊れてしまうことがある。したがって、ＥＳＤ保護素子としては、積層素体の内部に形成された空洞部と、空洞部内に設けられた一対の放電電極とをそれぞれ含む、いわゆる電極間放電方式（スパークギャップ方式）のＥＳＤ保護素子を構成することが好ましい。
なお、図１０、図１１に示した例では二つのグランド端子を設けたが、共通の一つのグランド端子を設けてもよい。また、目的によっては、入出力端子Ｐ２とグランドとの間にのみ、または入出力端子Ｐ４とグランドとの間にのみＥＳＤ保護素子を設けてもよい。
なお、以上に示した各実施形態において、積層体の構成図で示したコイルのターン数および一次コイルと二次コイルの交差回数は当然ながら例示であり、各線状導体のタ−ン数および交差回数はこれらの図に示したものに限られるものではない。所望の特性に応じて定めればよい。一次コイルおよび二次コイルのターン数はノーマルモードでのインピーダンスを定めることに寄与する。また、一次コイルと二次コイルとの交差回数は一次コイルと二次コイルとの結合度に寄与する。
特に、一層あたりの線状導体のターン数が１ターン以上であると、基材層の積みずれによるインダクタンスおよび結合度のばらつきは小さくなる。また、一層あたりの線状導体のターン数が３ターン以上であると、層間で隣接する第１線状導体と第２線状導体との間の層間容量が増大する傾向がある。したがって、一層あたりの線状導体のターン数は１ターン以上３ターン以下であることが好ましい。
以上の実施形態では、基材層の面方向に第１・第２の線状導体の主要部が延びるようにした例を示したが、基材層の積層方向に第１・第２の線状導体の主要部が延びるように第１・第２の線状導体を形成してもよい。すなわち、一次コイルおよび二次コイルの巻回軸が基材層の面方向に向くように第１・第２の線状導体を形成してもよい。
《第３の実施形態》
図１４は第３の実施形態に係るコモンモードチョークコイル１０３の平面図である。コモンモードチョークコイル１０３の表面には入出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が形成されている。
図１５は第３の実施形態のコモンモードチョークコイルの各基材層の導体パターン等を示す分解平面図である。（１）は第１層（最下層）の平面図、（２）は第２層の平面図、（３）は第３層の平面図、（４）は最上層の平面図である。
図１６は上記４つの層のうち、層方向で隣接する２つの層の組について、各導体の接続関係を示す図である。
図１７は図１４および図１５におけるＡ−Ａ線での断面図である。図１７に表れているように、コモンモードチョークコイル１０３は、基板２０と、この基板２０上に層間絶縁膜２１を介して積層された複数の線状導体とを備えている。
図１５、図１７に示すように、最下層（１）には第１線状導体Ｌ１ｄ、第２線状導体Ｌ２ｄおよび端子電極Ｐ２ｕ，Ｐ４ｕが形成されている。第１線状導体Ｌ１ｄの第１端は端子電極Ｐ２ｕに、第２線状導体Ｌ２ｄの第１端は端子電極Ｐ４ｕに、それぞれ接続されている。
第２層（２）には第１線状導体Ｌ１ｃおよび第２線状導体Ｌ２ｃが形成されている。第３層（３）には第１線状導体Ｌ１ｂおよび第２線状導体Ｌ２ｂが形成されている。そして、最上層（４）には第１線状導体Ｌ１ａ、第２線状導体Ｌ２ａおよび入出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が形成されている。第１線状導体Ｌ１ａの第１端は入出力端子Ｐ１に、第２線状導体Ｌ２ａの第１端は入出力端子Ｐ３に、それぞれ接続されている。入出力端子Ｐ２，Ｐ４と最下層（１）の端子電極Ｐ２ｕ，Ｐ４ｕとは層間接続導体を介してそれぞれ接続されている。
最下層（１）の導体Ｌ１ｄ，Ｌ２ｄの第２端は第２層（２）の導体Ｌ１ｃ，Ｌ２ｃの第２端にそれぞれ層間接続導体を介して接続されている。第２層（２）の導体Ｌ１ｃ，Ｌ２ｃの第１端は第３層（３）の導体Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂの第１端にそれぞれ層間接続導体を介して接続されている。同様に、第３層（３）の導体Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂの第２端は最上層（４）の導体Ｌ１ａ，Ｌ２ａの第２端にそれぞれ層間接続導体を介して接続されている。
図１５、図１６から明らかなように、第１線状導体Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄによって一次コイルが構成されていて、第２線状導体Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄによって二次コイルが構成されている。そして、入出力端子Ｐ１とＰ２との間に一次コイル（Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄ）が構成されていて、入出力端子Ｐ３とＰ４との間に二次コイル（Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄ）が構成されている。
図１７において、１次コイルを構成する第１線状導体Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄは実線の楕円で囲んでいる。また、２次コイルを構成する第２線状導体Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄは破線の楕円で囲んでいる。ここで、破線の矩形で囲んだ第１領域Ｚ１を平面視すると、この第１領域Ｚ１では、第１線状導体Ｌ１ａとＬ１ｂとの間に第２線状導体Ｌ２ａ，Ｌ２ｂが挟まれるようにこれらの導体パターンが配置されている。また、破線の矩形で囲んだ第２領域Ｚ２を平面視すると、この第２領域Ｚ２では、第２線状導体Ｌ２ａとＬ２ｂとの間に第１線状導体Ｌ１ａ，Ｌ１ｂが挟まれるようにこれらの導体パターンが配置されている。
図１７においては、最小部分の第１領域Ｚ１および第２領域Ｚ２を例示したが、層方向に隣接する２層について、他の部分にも第１領域Ｚ１および第２領域Ｚ２が同様に存在する。
本発明のコモンモードチョークコイルはＵＳＢやＨＤＭＩ等の高速インターフェースに用いることができる。また、スイッチング周波数の高い（たとえば１ＭＨｚ以上）電源回路や、高速（たとえば転送レート６００Mbit/sec）のＢＵＳライン等のフィルタとして有用である。さらには、３ＧＨｚ、５ＧＨｚ、７．５ＧＨｚ等のＧＨｚ帯における高速インターフェースにも適用できる。
Ａｈ１…空洞
Ｄｅ１１，Ｄｅ１２…放電電極
Ｄｇ１，Ｄｇ３…放電素子
Ｌ１…一次コイル
Ｌ１ａ〜Ｌ１ｎ…第１線状導体
ＬＡ１Ｘ，ＬＡ１Ｙ…第１線状導体
ＬＢ１Ｘ，ＬＢ１Ｙ…第１線状導体
Ｌ２…二次コイル
Ｌ２ａ〜Ｌ２ｎ…第２線状導体
ＬＡ２Ｘ，ＬＡ２Ｙ…第２線状導体
ＬＢ２Ｘ，ＬＢ２Ｙ…第２線状導体
ＬＬ１，ＬＬ２…積層部
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…入出力端子
Ｓｅ１…放電補助電極
Ｓｈ１１，Ｓｈ２１…シールド層
Ｚ１…第１領域
Ｚ２…第２領域
１０…積層素体
２０…基板
２１…層間絶縁膜
１０１，１０２，１０３…コモンモードチョークコイル
本発明のコモンモードチョークコイルは、
複数の第１線状導体が渦巻状に巻回および接続されて構成された一次コイルと、複数の第２線状導体が渦巻状に巻回および接続されて構成され、前記一次コイルに磁気的に結合される、二次コイルと、を有し、
前記一次コイルおよび前記二次コイルの巻回軸方向からの平面視で、前記第１線状導体で前記第２線状導体が挟まれる第１領域と、前記第２線状導体で前記第１線状導体が挟まれる第２領域とを備え、
前記第１領域および前記第２領域では、前記一次コイルおよび前記二次コイルの巻回軸方向からの平面視で、前記第１線状導体と前記第２線状導体とが重なっていない、ことを特徴とする。
なお、図５、図６に表れているように、層（４）、層（６）、層（８）、層（１０）、層（１２）の厚みを他の層（例えば２５μｍ）より厚く（例えば５０μｍ）しているので、各線状導体の層間距離を効果的に大きくでき、線間容量は小さい。例えば第１線状導体Ｌ１ｂ−Ｌ１ｄ間、Ｌ１ｄ−Ｌ１ｆ間、Ｌ１ｆ−Ｌ１ｈ間、Ｌ１ｈ−Ｌ１ｊ間、Ｌ１ｊ−Ｌ１ｌ間、Ｌ１ｃ−Ｌ１ｅ間、Ｌ１ｅ−Ｌ１ｇ間、Ｌ１ｇ−Ｌ１ｉ間、Ｌ１ｉ−Ｌ１ｋ間、Ｌ１ｋ−Ｌ１ｍ間の層間距離はそれぞれ大きい。第２線状導体についても同様である。なお、線状導体が形成されている複数の層のうち層（２）および層（１４）については厚くしていない。これらの層は、厚み方向に隣接する線状導体が片側だけであるので、線間容量の増大に対する影響は小さい。
Sdd11 ノーマルモードの反射特性
Sdd21 ノーマルモードの通過特性
Scc21 コモンモードの通過特性
Scd21 コモンモードからノーマルモードへの変換成分の通過特性
図９のSdd11（ノーマルモード信号の反射特性）から明らかなように、広帯域でノーマルモード信号について低反射特性が得られている。また、Scc21（コモンモードノイズの通過特性）から明らかなように、数１００ＭＨｚ以上の周波数でコモンモード信号について大きな減衰特性が得られている。この特性で１．３ＧＨｚ付近に極ができているのはコモンモードで発生するインダクタンスの自己共振による。また、Scd21（コモンモードからノーマルモードへの変換成分の通過量）から明らかなように、全周波数帯域で−２５ｄＢ以下であり、充分に抑制されている。なお、Sdd21は２．２７ＧＨｚ付近にノッチができているが、これは一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とのインダクタンスの違い（線長の違い）により生じる共振点である。この共振周波数を適宜設定すれば、ノーマル信号を所定の周波数を減衰させるフィルタ機能を持たせることもできる。そのため、コモンモードチョークコイル以外に例えばバランス型ローパスフィルタを別途設ける必要がなく、部品点数が削減され低コスト化が図れる。
本発明のコモンモードチョークコイルは、
複数の第１線状導体が渦巻状に巻回および接続されて構成された一次コイルと、複数の第２線状導体が渦巻状に巻回および接続されて構成され、前記一次コイルに磁気的に結合される、二次コイルと、を有し、
前記コモンモードチョークコイルは、前記一次コイルおよび前記二次コイルの巻回軸方向からの平面視で、前記第１線状導体で複数の前記第２線状導体が挟まれる第１領域と、前記第２線状導体で複数の前記第１線状導体が挟まれる第２領域とを備え、
前記第１領域および前記第２領域では、前記一次コイルおよび前記二次コイルの巻回軸方向からの平面視で、前記第１線状導体と前記第２線状導体とが重なっていない、ことを特徴とする。

Claims (7)

  1. 複数の第１線状導体が渦巻状に巻回および接続されて構成された一次コイルと、複数の第２線状導体が渦巻状に巻回および接続されて構成され、前記一次コイルに磁気的に結合される、二次コイルと、を有し、
    前記一次コイルおよび前記二次コイルの巻回軸方向からの平面視で、平面方向に隣接する複数の前記第１線状導体および前記第２線状導体が、前記第１線状導体で前記第２線状導体が挟まれる第１領域と、前記第２線状導体で前記第１線状導体が挟まれる第２領域とを備えている、ことを特徴とするコモンモードチョークコイル。
  2. 前記一次コイルおよび前記二次コイルの巻回軸方向からの平面視で、前記第１領域の前記第２線状導体は互いに重なっておらず、前記第２領域の前記第１線状導体は互いに重なっていない、請求項１に記載のコモンモードチョークコイル。
  3. 複数の基材層を積層してなる積層体を素体とし、前記一次コイルは、前記複数の基材層の表面にそれぞれ設けられた前記複数の第１線状導体と、前記複数の第１線状導体を層間にて接続する層間導体とを含み、前記二次コイルは、前記複数の基材層の表面にそれぞれ設けられた前記複数の第２線状導体と、前記複数の第２線状導体を層間にて接続する層間導体とを含む、請求項１または２に記載のコモンモードチョークコイル。
  4. 前記第１線状導体および前記第２線状導体は、前記複数の基材層の積層方向からの平面視で、前記一次コイルおよび前記二次コイルの中心軸に関して実質的に点対称である、請求項３に記載のコモンモードチョークコイル。
  5. 前記複数の基材層は非磁性体層である、請求項３または４に記載のコモンモードチョークコイル。
  6. 前記積層体の表面または内層に、前記一次コイルに接続された第１のＥＳＤ保護素子、および、前記二次コイルに接続された第２のＥＳＤ保護素子が設けられている、請求項５に記載のコモンモードチョークコイル。
  7. 前記第１のＥＳＤ保護素子および前記第２のＥＳＤ保護素子は、前記積層体の内部に形成された空洞部と、前記空洞部内に設けられた一対の放電電極とをそれぞれ含む、請求項６に記載のコモンモードチョークコイル。
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