WO2021010071A1

WO2021010071A1 - インダクタ

Info

Publication number: WO2021010071A1
Application number: PCT/JP2020/023264
Authority: WO
Inventors: 博也上山; 濱田　秀
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2021-01-21

Abstract

インダクタ（１）は、絶縁材料からなる筐体（２）と、筐体（２）の内部に位置して螺旋状に巻回されたコイル導体（４）からなるコニカルコイル（３）と、を備えている。コニカルコイル（３）の巻き径は、連続的に拡大している。コニカルコイル（３）の巻き軸方向に対して隣り合うコイル導体（４）の間隔寸法は、コニカルコイル（３）の巻き径が大きい方から小さい方にかけて連続的に大きくなっている。コイル導体（４）の周囲に生じる浮遊容量は、コニカルコイル（３）の巻き始めから巻き終わりにかけて連続的に変化している。

Description

インダクタ

　本開示は、コニカルコイルを備えたインダクタに関する。

　コイル状の導体を備えた各種のインダクタが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、コアに巻き線を巻くチップ型のインダクタが開示されている。特許文献１に記載されたインダクタでは、コイルの巻き始めと巻き終わりで径の異なるドッグボーン型のコアに巻き線が巻かれ、樹脂を含む外装材が天面に配置されている。さらに、このインダクタは、コア径の小さい側の巻き線の巻き密度を低く設定し、容量の調整を可能にすると共に、コイル間で発生する共振を低減させている。

特開２０１７－２１２４２０号公報

　ところで、特許文献１に記載されたインダクタでは、コア径の小さい側の巻き線の巻き密度を低く設定し、浮遊容量を変化させている。しかし、浮遊容量の変化は、２段階になっている。また、特許文献１に記載されたインダクタは、傾斜のあるコアにコイルを巻いている。このため、巻き線の巻き位置の精度が取れず、コイル間の浮遊容量を安定させることが難しい傾向がある。このため、コイルとしての電気特性を一定にすることができない可能性がある。

　本発明の一実施形態の目的は、高周波域での浮遊容量を低減し、電気特性（高周波特性）を向上できるインダクタを提供することにある。

　本発明の一実施形態は、インダクタであって、コイル導体を螺旋状に巻回したコニカルコイルを備え、前記コニカルコイルの巻き径は、連続的に拡大しており、前記コニカルコイルの巻き軸方向に対して隣り合う前記コイル導体の間隔寸法は、前記コニカルコイルの巻き径が大きい方から小さい方にかけて連続的に大きくなっており、前記コイル導体の周囲に生じる浮遊容量は、前記コニカルコイルの巻き始めから巻き終わりにかけて連続的に変化している。

　本発明の一実施形態によれば、高周波域での浮遊容量を低減し、電気特性（高周波特性）を向上できる。

本発明の実施形態によるインダクタを示す斜視図である。図１中のインダクタを示す正面図である。インダクタを図２中の矢示III－III方向からみた断面図である。コイルをＮターン巻いたときのインダクタの等価回路図である。実施形態および第１，第２の比較例について、コイル１ターン当たりのインダクタンスとコイル間の容量との関係を示す特性線図である。実施形態および第１，第２の比較例について、インピーダンスの周波数特性を示す特性線図である。インダクタをシャント実装したときの伝送特性評価に用いる等価回路図である。実施形態および第１，第２の比較例について、伝送特性評価の結果を示す特性線図である。

　以下、本発明の実施形態によるインダクタを、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

　図１ないし図４は、本発明の実施形態によるインダクタ１を示している。インダクタ１は、筐体２と、コニカルコイル３とを備えている。

　筐体２は、例えばセラミックス材料のような絶縁材料によって形成されている。筐体２の絶縁材料は、磁性材料でもよく、非磁性材料でもよい。筐体２は、例えば直方体形状に形成されている。筐体２は、互いに対面する第１主面２Ａと第２主面２Ｂとを有している。筐体２は、直方体形状に限らず、例えば円柱形状でもよい。

　コニカルコイル３は、筐体２の内部に設けられている。コニカルコイル３は、螺旋状に巻回されたコイル導体４によって形成されている。コイル導体４は、導電性材料として、例えば銅、ニッケル、銀等のような導電性金属材料によって形成されている。コイル導体４は、細長い帯状に形成されている。

　コイル導体４は、筐体２の第１主面２Ａ（第１端面）および第２主面２Ｂ（第２端面）と直交する方向が巻き軸方向となるように、螺旋状に巻回されている。コイル導体４は、円錐形状に巻回されたコイル部４Ａと、コイル部４Ａの第１端部に接続された電極接続部４Ｂと、コイル部４Ａの第２端部に接続された電極接続部４Ｃと、を備えている。コイル導体４の第１端部は、コニカルコイル３の最大径側に位置して、コニカルコイル３の大径側端部になっている。コイル導体４の第１端部は、筐体２の第１主面２Ａに近い位置に配置され、電極接続部４Ｂとなっている。コイル導体４の第２端部は、コニカルコイル３の小径側に位置して、コニカルコイル３の小径側端部になっている。コイル導体４の第２端部は、筐体２の第２主面２Ｂに近い位置に配置され、電極接続部４Ｃとなっている。

　図３に示すように、コイル導体４の断面は、矩形形状となっている。コイル導体４の断面の長辺は、第１主面２Ａおよび第２主面２Ｂと平行になっている。例えば、筐体２およびコニカルコイル３を第１主面２Ａおよび第２主面２Ｂと平行な層を積層して形成する場合、コニカルコイル３の位置精度が高くなる。

　コニカルコイル３の巻き径は、第２主面２Ｂから第１主面２Ａに近付くに従って、連続的に拡大している。コニカルコイル３の巻き軸方向から見たときに、コイル導体４が重複しないように配置されている。巻き軸方向で平面視した場合、例えばコイル導体４の１巻き目の部分と２巻き目の部分とは、互いに重複せず、巻き径方向に間隔をもって離間している。この点は、２巻き目以降でも同様である。筐体２の絶縁材料は、コイル導体４の周囲に隙間なく配置されている。

　コニカルコイル３の巻き軸方向に対するコイル導体４（コイル部４Ａ）の間隔寸法（コニカルコイル３のピッチ）は、コニカルコイル３の巻き径が大きい方から小さい方にかけて連続的に大きくなっている（図１ないし図３では、９段階の変化のみ図示）。ここで、図３に示すように、例えば第２主面２Ｂ側に位置したコイル導体４の１巻き目の部分と２巻き目の部分との間隔寸法から順番に数えて、第１主面２Ａ側に位置したコイル導体４の９巻き目の部分と１０巻き目の部分との間隔寸法までを、それぞれ間隔寸法Ａ１～Ａ９とする。このとき、例えばコイル導体４の２巻き目の部分と３巻き目の部分との間隔寸法Ａ２は、コイル導体４の１巻き目の部分と２巻き目の部分との間隔寸法Ａ１よりも小さくなっている（Ａ１＞Ａ２）。この点は、２巻き目以降でも同様である（Ａ１＞Ａ２＞…＞Ａ９）。

　第１外部電極５は、筐体２に設けられコイル導体４の第１端部（電極接続部４Ｂ）に接続されている。第１外部電極５は、導電性材料として例えば導電性金属材料によって形成されている。第１外部電極５は、筐体２の第１主面２Ａに配置されている。

　第２外部電極６は、筐体２に設けられコイル導体４の第２端部（電極接続部４Ｃ）に接続されている。第２外部電極６は、導電性材料として例えば導電性金属材料によって形成されている。第２外部電極６は、筐体２の第２主面２Ｂに配置されている。第１外部電極５と第２外部電極６は、互いに離間して配置されている。

　次に、Ｎ回（Ｎターン）巻いたときのインダクタ１の等価回路を図４に示す。インダクタ１は、Ｎ段の並列共振回路（１段目の並列共振回路１１_１、２段目の並列共振回路１１_２、Ｎ－１段目の並列共振回路１１_Ｎ－１、Ｎ段目の並列共振回路１１_Ｎのみ図示）によって構成されている。例えば、１段目の並列共振回路１１_１は、直列接続されたインダクタ素子Ｌ_１および抵抗素子Ｒ_１をキャパシタ素子Ｃ_１に並列接続することで形成されている。２段目の並列共振回路１１_２は、直列接続されたインダクタ素子Ｌ_２および抵抗素子Ｒ_２をキャパシタ素子Ｃ_２に並列接続することで形成されている。Ｎ－１段目の並列共振回路１１_Ｎ－１は、直列接続されたインダクタ素子Ｌ_Ｎ－１および抵抗素子Ｒ_Ｎ－１をキャパシタ素子Ｃ_Ｎ－１に並列接続することで形成されている。Ｎ段目の並列共振回路１１_Ｎは、直列接続されたインダクタ素子Ｌ_Ｎおよび抵抗素子Ｒ_Ｎをキャパシタ素子Ｃ_Ｎに並列接続することで形成されている。３段目からＮ－２段目についても同様に構成されている。これらＮ段の並列共振回路は、順次直列接続されている。

　１段目の並列共振回路１１_１は、最小径側のコイル導体４に対応している。Ｎ段目（図３では１０段目）の並列共振回路１１_Ｎは、最大径側のコイル導体４に対応している。このとき、コイル導体４の１巻き目の部分よりも、２巻き目の部分の方が、径寸法が大きくなっている。このため、１段目の並列共振回路１１_１のインダクタ素子Ｌ_１のインダクタンス値よりも、２段目の並列共振回路１１_２のインダクタ素子Ｌ_２のインダクタンス値の方が大きくなっている。この点は、３段目以降についても同様である。

　また、１段目の並列共振回路１１_１の抵抗素子Ｒ_１の抵抗値よりも、２段目の並列共振回路１１_２の抵抗素子Ｒ_２の抵抗値の方が大きくなっている。この点は、３段目以降についても同様である。

　さらに、１段目の並列共振回路１１_１のキャパシタ素子Ｃ_１のキャパシタンス値よりも、２段目の並列共振回路１１_２のキャパシタ素子Ｃ_２のキャパシタンス値の方が大きくなっている。この点は、３段目以降についても同様である。但し、コイル導体４（コイル部４Ａ）の間隔寸法は、コニカルコイル３の巻き径が大きい方から小さい方にかけて連続的に大きくなっている。このため、キャパシタ素子Ｃ_１とキャパシタ素子Ｃ_２との間のキャパシタンス値の増加分は、キャパシタ素子Ｃ_２とキャパシタ素子Ｃ_３との間のキャパシタンス値の増加分よりも小さくなっている。この点は、３段目以降についても同様である。

　本発明の実施形態によるインダクタ１は、以上のような構成を有している。インダクタ１は、以下の３工程を含む製造方法を用いて製造される。

　第１工程では、セラミック粒子と有機バインダと溶剤からなる絶縁体インクと、金属粒子と有機バインダと溶剤からなる導体インクとをインクジェット方式により吐出し、各インク中の溶媒の揮発乾燥を繰り返す。このとき、例えば巻き軸方向に沿って、セラミック粒子および金属粒子からなる層を１層ずつ積層する。これにより、セラミック粒子と金属粒子と有機成分からなる成形体を形成する。なお、成形体は、コニカルコイル３の巻き軸方向に沿って積層する必要はなく、コニカルコイル３の径方向に沿って積層してもよい。

　第２工程（脱脂工程）では、第１工程で形成された成形体の有機成分を除去する。第３工程（焼成工程）では、第２工程で有機成分が除去された成形体を加熱し、絶縁体および導体を同時に焼結させる。これにより、コニカルコイル３が内蔵された筐体２が形成される。

　その後、筐体２に第１外部電極５および第２外部電極６を取り付ける。これにより、インダクタ１が完成する。このとき、第１外部電極５は、筐体２の第１主面２Ａに位置して、コニカルコイル３の第１端部（電極接続部４Ｂ）に電気的に接続される。第２外部電極６は、筐体２の第２主面２Ｂに位置して、コニカルコイル３の第２端部（電極接続部４Ｃ）に電気的に接続される。

　次に、本実施形態によるインダクタ１（および第１，第２の比較例によるインダクタ）を用いたときの電気特性（高周波特性）について、図５ないし図８を参照しつつ説明する。なお、本実施形態によるインダクタ１を用いたときの特性を実線で示し、第１の比較例によるインダクタを用いたときの特性を二点鎖線で示し、第２の比較例によるインダクタを用いたときの特性を破線で示す。ここで、第１の比較例によるインダクタは、特許文献１に示すように、コイルの間隔寸法（コイル間距離）が２段階に変化するように形成されている。また、第２の比較例によるインダクタは、コイルの間隔寸法（コイル間距離）を一定にして形成されている。

　１ターン当たりのインダクタンス（Ｌ）とコイル間の容量（Ｃ）との関係の一例を、図５に示す。図５に破線で示すように、第２の比較例では、コイルの間隔寸法が一定であるため、１ターン当たりのインダクタンスが増加するのに比例して、容量が増加している。

　また、図５に二点鎖線で示すように、第１の比較例では、コイルの間隔寸法が２段階で変化する。具体的には、コイルの巻き径が小さい部分では、コイルの間隔寸法が大きい。コイルの巻き径が大きい部分では、コイルの間隔寸法が小さい。このため、コイルの巻き径が小さい部分では、１ターン当たりのインダクタンスの増加に対して、容量の増加は小さい。コイルの巻き径が大きい部分では、１ターン当たりのインダクタンスの増加に対して、容量の増加は大きい。このとき、１ターン当たりのインダクタンスの増加に対する容量の増加の比率は、２段階で変化している。

　これに対し、本実施形態によるインダクタ１では、コイル導体４の間隔寸法は、コニカルコイル３の巻き径が大きい方から小さい方にかけて連続的に大きくなっている。このため、図５に実線で示すように、コニカルコイル３の巻き径が小さい部分では、１ターン当たりのインダクタンスの増加に対して、容量の増加は小さい。コニカルコイル３の巻き径が大きい部分では、１ターン当たりのインダクタンスの増加に対して、容量の増加は大きい。このような１ターン当たりのインダクタンスの増加に対する容量の増加の比率は、連続的に大きくなっている。このとき、インダクタ１の浮遊容量は、巻き軸方向に対して隣り合うコイル導体４間の容量であり、コニカルコイル３の巻き始めから巻き終わりにかけて連続的に変化している。

　具体的には、本実施形態によるインダクタ１を用いたとき、コイル間の容量（即ち、インダクタ１の浮遊容量）は、インダクタンスが約５ｎＨ以下のとき、第２の比較例と比べて、小さくなっている。言い換えれば、インダクタ１の浮遊容量は、コニカルコイル３の巻き径が小さい方（即ち、コイル導体４の間隔寸法が大きい方）で、第２の比較例と比べて、小さくなっている。一方、コイル間の容量は、インダクタンスが約５ｎＨ以上のとき、第１，第２の比較例と比べて、大きくなっている。言い換えれば、インダクタ１の浮遊容量は、コニカルコイル３の巻き径が大きい方（即ち、コイル導体４の間隔寸法が小さい方）で、第１，第２の比較例と比べて、大きくなっている。

　次に、本実施形態および第１，第２の比較例によるインダクタを図５に示すインダクタンスと容量の比率で形成した場合について、インダクタのインピーダンスの周波数特性（インピーダンスカーブ）を求めた。その結果を、図６に示す。本実施形態によるインダクタ１を用いたとき、インピーダンスは、周波数の増加に伴って、低下する傾向（容量性領域）を示している。この点については、第１，第２の比較例でも同様である。

　しかし、第１，第２の比較例と比較して、本実施形態によるインダクタ１を用いたとき、例えば２０ＧＨｚ以上の高周波域でのインピーダンスの低下量が小さくなっている。これは、第１，第２の比較例と比べて、高周波域での浮遊容量（インピーダンスの容量成分）が少なくなっていることを示している。具体的には、高周波域では、コニカルコイル３のうち巻き径が小さい部分が、主としてインピーダンスに寄与する。このとき、本実施形態によるインダクタ１では、コニカルコイル３の巻き径が小さい部分で、コイル導体４の間隔寸法が大きく、浮遊容量が小さくなっている。この結果、高周波域でのインピーダンスは、第１，第２の比較例と比べて、高くなっている。従って、高周波域でのノイズの減衰量を向上することができる。また、第１の比較例によるインダクタを用いたとき、周波数が３～６ＧＨｚ付近で、特性が低下する傾向（即ち、電気特性が不安定な範囲）が見られる。即ち、本実施形態によるインダクタ１を用いたときの方が、電気特性がより安定している。

　次に、本実施形態によるインダクタ１（および第１，第２の比較例）をシャント実装した場合について、伝送特性をシミュレーションによって求めた。シミュレーションに用いた等価回路を、図７に示す。そして、図７の等価回路で求めた結果の一例を、図８に示す。即ち、図８は、透過係数（ＳパラメータのＳ２１）の周波数特性（即ち、伝送特性）の一例を示している。

　図８に示すように、本実施形態によるインダクタ１を用いたとき、インダクタ１の透過係数が－３ｄＢになるカットオフ周波数が、４０ＧＨｚ以上となっている。このとき、第１，第２の比較例に比べて、透過係数の低下量が高周波域で小さくなっており、高周波域での透過係数が高くなっている。即ち、本実施形態によるインダクタ１では、高周波域での伝送特性を向上させることができる。従って、本実施形態によるインダクタ１は、高周波域でのノイズの減衰量を向上することができる。

　かくして、本実施形態によるインダクタ１では、コニカルコイル３の巻き軸方向に対して隣り合うコイル導体４の間隔寸法は、コニカルコイル３の巻き径が大きい方から小さい方にかけて連続的に大きくなっている。コイル導体４の周囲に生じる浮遊容量は、コニカルコイル３の巻き始めから巻き終わりにかけて連続的に変化している。

　このため、従来と比較して、高周波域で寄与する浮遊容量を低減することができる。これにより、高周波域でのインピーダンスを高くすることができる。また、従来と比較して、インダクタ１をシャント実装したとき、カットオフ周波数を高めて、高周波域での伝送特性を向上させることができる。以上により、インダクタ１の電気特性（高周波特性）を向上させることができる。加えて、コアに巻き線を巻く従来のコイルと比較して、コイル間距離（コイル導体４の間隔寸法）を精度よく制御でき、インダクタ１の電気特性を安定化させることができる。

　なお、前記実施形態では、コイル導体４の１巻き目の部分を第２主面２Ｂ側とし、コイル導体４の１０巻き目の部分を第１主面２Ａ側とした。本発明はこれに限らず、コイル導体４の１巻き目の部分を第１主面２Ａ側とし、コイル導体４の１０巻き目の部分を第２主面２Ｂ側としてもよい。

　前記実施形態では、互いに重複する部分がなく、巻き径方向に間隔をもって離間したコイル導体４によって形成されたコニカルコイル３を用いている。本発明はこれに限らず、コイル導体４のうち隣り合う部分は、その一部が互いに重複するように配置してもよい。

　前記実施形態では、筐体２は全体に亘って均質な材料によって形成するものとした。本発明はこれに限らず、筐体の内部には、例えばコニカルコイル３の径方向内側部分に位置して、他の部分よりも透磁率の大きな材料を充填し、コアを形成してもよい。

　前記実施形態では、筐体２の内部にコニカルコイル３を埋設するものとした。本発明はこれに限らず、筐体を省き、コア部材にコイル導体を巻回してコニカルコイルを形成してもよい。

　前記実施形態で記載した具体的な数値は、一例を示したものであり、例示した値に限らない。

　次に、上記実施形態に含まれるインダクタとして、例えば、以下に述べる態様のものが考えられる。

　第１の態様としては、インダクタであって、コイル導体を螺旋状に巻回したコニカルコイルを備え、前記コニカルコイルの巻き径は、連続的に拡大しており、前記コニカルコイルの巻き軸方向に対して隣り合う前記コイル導体の間隔寸法は、前記コニカルコイルの巻き径が大きい方から小さい方にかけて連続的に大きくなっており、前記コイル導体の周囲に生じる浮遊容量は、前記コニカルコイルの巻き始めから巻き終わりにかけて連続的に変化している。

　このため、従来と比較して、高周波域で寄与する浮遊容量を低減することができる。これにより、高周波域でのインピーダンスを高くすることができる。また、従来と比較して、インダクタをシャント実装したとき、カットオフ周波数を高めて、高周波域での伝送特性を向上させることができる。以上により、インダクタの電気特性（高周波特性）を向上させることができる。加えて、コアに巻き線を巻く従来のコイルと比較して、コイル間距離（コイル導体の間隔寸法）を精度よく制御でき、インダクタの電気特性を安定化させることができる。

　１　インダクタ
　３　コニカルコイル
　４　コイル導体
　Ａ１，Ａ２，…，Ａ９　間隔寸法

Claims

　インダクタであって、
　コイル導体を螺旋状に巻回したコニカルコイルを備え、
　前記コニカルコイルの巻き径は、連続的に拡大しており、
　前記コニカルコイルの巻き軸方向に対して隣り合う前記コイル導体の間隔寸法は、前記コニカルコイルの巻き径が大きい方から小さい方にかけて連続的に大きくなっており、
　前記コイル導体に生じる浮遊容量は、前記コニカルコイルの巻き始めから巻き終わりにかけて連続的に変化しているインダクタ。