JP3545701B2

JP3545701B2 - コモンモードチョーク

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Publication number: JP3545701B2
Application number: JP2000389830A
Authority: JP
Inventors: 正志折原; 宣典望月
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP2002190410A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型でも高い結合係数を実現可能なコモンモードチョークに係り、伝送トランス等の積層型コイル部品に応用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品が組み込まれている機器に対して小型化の要求が近年強まり、これに伴って、小型の積層電子部品の需要が急速に高まってきた。そして、伝送トランスやＥＭＣ対策として用いられるコモンモードチョークがバルン回路等に用いられているが、これら伝送トランスやコモンモードチョークを小型で高性能化する需要も増大している。
【０００３】
このコモンモードチョークの一例として特公平７−４８４１７号公報で示されるものが知られており、図１１に基づきこの公報に記載されたものを従来例として説明する。
この公報には、積層部材である２枚の磁性体シート１０２、１０３上にそれぞれ渦巻き状の導体パターンを形成して一対のコイル１１１、１１２とすることで、磁性体シート１０３を介して一対の渦巻き状のコイル１１１、１１２が相互に平行になるように配置された構造が示されている。
そして、これら一対のコイル１１１、１１２を有した磁性体シート１０２、１０３を上下より積層部材である同じく磁性体シート１０１、１０４で挟み込む形にこれらを積層し、最後に外部に図示しない端子電極を設けることでコモンモードチョークが完成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、積層部材を上記のように全て磁性体シート１０１、１０２、１０３、１０４で構成した従来のコモンモードチョークの場合には、導体間に大きな漏れ磁束であるマイナ・ループが発生することになる。さらに、この公報に示された構造では、１次コイル及び２次コイルがそれぞれ一つのコイル１１１、１１２で形成されるのに伴って、これらのコイル１１１、１１２の端部をコモンモードチョーク外にそれぞれ引き出す為の配線である引出部１１１Ａ、１１１Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂが長くなり、リーケージインダクタンスも大きくなってしまう。
【０００５】
以上より、従来の構造において１次、２次コイル間の結合係数は、０．６程度の値にしかならず、コモンモードチョークとしての特性が不十分であった。
本発明は上記事実を考慮し、小型でも高い結合係数を実現したコモンモードチョークを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１によるコモンモードチョークは、一対の磁性体層間に非磁性体層が挟まれた構造とされると共に、１次コイル及び２次コイルが渦巻き状の導体によりそれぞれ形成されたコモンモードチョークであって、
少なくとも非磁性体層を間に挟む形で、これら１次コイル及び２次コイルが相互に対向して内蔵され、
この非磁性体層が非磁性Ｎｉ−Ｚｎフェライトで形成されて厚さを１００μｍ以下とすると共に、これら１次コイルと２次コイルとの間の結合係数が０．８５以上とされ、
１次コイル及び２次コイルをそれぞれ構成する渦巻き状の導体が、磁性体層に接した渦巻き状の第１の導体及び非磁性体層中に位置する渦巻き状の第２の導体により構成されることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に係るコモンモードチョークの作用を以下に説明する。
本請求項に係るコモンモードチョークは、一対の磁性体層間に非磁性体層が挟まれた構造とされ、渦巻き状の導体によりそれぞれ形成される１次コイルと２次コイルとが、非磁性体層を間に挟む形で、相互に対向して内蔵されている。
そして、非磁性Ｎｉ−Ｚｎフェライトで非磁性体層が形成されてこの非磁性体層の厚さが１００μｍ以下とされることで、１次コイルと２次コイルとの間の結合係数が０．８５以上とされている。
【０００８】
つまり、渦巻き状の導体でそれぞれ形成される１次コイルと２次コイルとの間に非磁性Ｎｉ−Ｚｎフェライトで形成された非磁性体層を配置し、この非磁性体層の外側の部分に磁性体層を配置するだけでなく、非磁性体層の厚さを上記のようにすることにより、マイナ・ループを少なくした。
これによって、全体の厚みが１ｍｍ程度の小型のコモンモードチョークであっても０．８５以上となる高い結合係数の値を実現でき、伝送トランス等として採用可能なコモンモードチョークとなった。
【０００９】
請求項２に係るコモンモードチョークの作用を以下に説明する。
本請求項は請求項１と同様の構成を有して同様に作用するが、さらに、第１の導体及び第２の導体の内側端同士が、各層の積層方向に延びる導電材で接続されると共に、これら第１の導体及び第２の導体の他端となる一対の引出部が、第１の導体及び第２の導体の外側端に位置するという構成を有する。
【００１０】
つまり、一対の引出部が、これら導体の外側端に位置してコモンモードチョークの側面までの距離が短いことから、外部への引出の為の配線部分となる引出部が短くなる結果、リーケージインダクタンスが減少し、これによっても結合係数Ｋの値をより一層高くすることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコモンモードチョークの一実施の形態を図面を参照しつつ説明することにより、本発明を明らかにする。
図１及び図４に示すように、本実施の形態に係るコモンモードチョーク１０は、それぞれ長方形に形成された４枚の磁性体シート１Ａ、１Ｂ、１Ｆ、１Ｇ及び３枚の非磁性体シート１Ｃ、１Ｄ、１Ｅが積層された直方体構造となっている。
【００１２】
つまり、図１及び図４に示すように、表面抵抗が高く絶縁材となるＮｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト磁性体により磁性体シート１Ａ、１Ｂ、１Ｆ、１Ｇが形成されている。これら磁性体シート１Ａ、１Ｂ、１Ｆ、１Ｇの内の磁性体シート１Ａ、１Ｂがコモンモードチョーク１０の下部側に配置される下側磁性体層１１とされており、磁性体シート１Ｆ、１Ｇがコモンモードチョーク１０の上部側に配置される上側磁性体層１２とされている。
さらに、この内の磁性体シート１Ａ、１Ｆ、１Ｇには導体パターンが配置されていないものの、磁性体シート１Ｂ上には、この磁性体シート１Ｂの外部へ引き出される引出部５を外側端として有した渦巻き状の導体２Ａが印刷されて配置されている。
【００１３】
一方、図１及び図４に示すように、非磁性Ｎｉ−Ｚｎフェライトによる非磁性体で絶縁材となるシートにより形成される３枚の非磁性体シート１Ｃ、１Ｄ、１Ｅを重ね合わせて形成された非磁性体層１３が、これら下側磁性体層１１と上側磁性体層１２との間に配置されている。
従って、本実施の形態に係るコモンモードチョーク１０は、一対の磁性体層１１、１２間に非磁性体層１３が挟まれた構造とされており、一対の磁性体層１１、１２の透磁率はそれぞれ例えば１００とされている。
【００１４】
そして、これら非磁性体シート１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの内の非磁性体シート１Ｃ上には、この非磁性体シート１Ｃの外部へ引き出される引出部６を外側端として有した渦巻き状の導体２Ｂが印刷されて配置されていると共に、この導体２Ｂの内側端を前述の導体２Ａの内側端に接続するためのスルーホール４Ａが貫通して形成されている。
また、非磁性体シート１Ｄ上には、この非磁性体シート１Ｄの外部へ引き出される引出部７を外側端として有した渦巻き状の導体３Ａが印刷されて配置されている。非磁性体シート１Ｅ上には、この非磁性体シート１Ｅの外部へ引き出される引出部８を外側端として有した渦巻き状の導体３Ｂが印刷されて配置されていると共に、この導体３Ｂの内側端を上記の導体３Ａの内側端に接続するためのスルーホール４Ｂが貫通して形成されている。
【００１５】
以上より、導体２Ａの内側端と導体２Ｂの内側端との間がスルーホール４Ａによって接続されて１次コイル２１を形成しており、導体３Ａの内側端と導体３Ｂの内側端との間がスルーホール４Ｂによって接続されて２次コイル２２を形成している。すなわち、スルーホール４Ａ、４Ｂが各層の積層方向に延びる導電材とされている。
そして、本実施の形態では、磁性体シート１Ａから磁性体シート１Ｇまでの７枚のシートが順次積層されて、内部に１次コイル２１及び２次コイル２２を有した構造になっている。
【００１６】
この内の１次コイル２１を形成する第１の導体である導体２Ａが下側磁性層体層１１に接していると共に、同じく１次コイル２１を形成する第２の導体である導体２Ｂが非磁性体層１３中に位置している。また、２次コイル２２を形成する第１の導体である導体３Ｂが上側磁性体層１２に接していると共に、同じく２次コイル２２を形成する第２の導体である導体３Ａが非磁性体層１３中に位置している。
つまり、これら１次コイル２１及び２次コイル２２が、少なくとも非磁性体層１３を間に挟む形で相互に対向してコモンモードチョーク１０に内蔵された形になっており、また、これら１次コイル２１と２次コイル２２との間の巻き数比が１：１となっている。
【００１７】
一方、図４の斜線部分で示すように、１次コイル２１の一対の引出部５、６はコモンモードチョーク１０の同一の側面に引き出され、２次コイル２２の一対の引出部７、８は引出部５、６が引き出される側面と対向する側面にそれぞれ引き出されている。
【００１８】
また、図２に示すように、この引出部５が、コモンモードチョーク１０の外側の側面１０Ａに配置された端子電極１５に接続され、端子電極１５と同一の側面１０Ａに配置された端子電極１６に引出部６が接続されている。これら端子電極１５、１６が配置された側面１０Ａと対向する側面１０Ｂには、引出部７に接続された端子電極１７及び引出部８に接続された端子電極１８がそれぞれ配置されている。
【００１９】
そして、図３に示すように、本実施の形態では、これら非磁性体層１３の厚さＤ₁が１００μｍ以下とされ、一対の磁性体層１１、１２の厚さＤ₂の内の薄い側が１００μｍ〜１０００μｍの範囲とされ、コモンモードチョーク１０の全厚Ｄが例えば１．０〜１．１ｍｍ程度とされ、また、これら１次コイル２１と２次コイル２２との間の結合係数Ｋが０．８５以上とされている。
つまり、例えば厚さＤ₁を４０μｍとすれば、厚さＤ₂の内の薄い側が２００μｍ〜１０００μｍの範囲とされ、また、厚さＤ₁を１００μｍとすれば、厚さＤ₂の内の薄い側が５００μｍ〜１０００μｍの範囲とすることが考えられる。
【００２０】
他方、本実施の形態のコモンモードチョーク１０は、図３に示すように各コイル２１、２２を形成する導体間の間隔Ｂと導体間の絶縁材である非磁性体シート１Ｃ、１Ｄ、１Ｅのそれぞれの厚みＡとの関係がＡ＜Ｂとされた構造のコモンモード・チョークとされている。そして、本実施の形態に係るコモンモードチョーク１０では、例えば厚みＡが１５μｍとされ、間隔Ｂが３０μｍとされ、また、導体の幅Ｃが３０μｍとされている。
【００２１】
次に、グリーンシート積層工法を用いた場合の本実施の形態に係るコモンモードチョーク１０の製造を、図１、図２、図４及び図５を用いて説明する。
このコモンモードチョーク１０の製造に際して、まず、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライト磁性体のグリーンシートにより磁性体シート１Ａ、１Ｂ、１Ｆ、１Ｇを形成し、また、非磁性Ｎｉ−Ｚｎフェライトによる非磁性体のグリーンシートにより非磁性体シート１Ｃ、１Ｄ、１Ｅを形成する。
【００２２】
次に、銀、銀−パラジウム等の導体ペーストを磁性体シート１Ｂ及び非磁性体シート１Ｃ、１Ｄ、１Ｅに印刷することで、図４に示すそれぞれ渦巻き状の導体２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂとなる導体パターンが形成される。そして、これら導体２Ｂ、３Ｂの印刷時に、非磁性体シート１Ｃ、１Ｅ内に同じく導体ペーストを充填することで、これら非磁性体シート１Ｃ、１Ｅをそれぞれ貫通する導電材であるスルーホール４Ａ、４Ｂが形成される。
【００２３】
尚、実際にコモンモードチョーク１０を製造する際には、図１及び図４に示す導体パターンが多数個配列された図５に示すような状態のグリーンシート１及び導体パターンが配置されていないグリーンシートを順次積層した後、ダイサーによる切断等によって個片に分割して磁性体層１１、１２及び非磁性体層１３を同時に焼成する。そして最後に、引出部５、６、７、８に接続されるように図２に示すような端子電極１５、１６、１７、１８をメッキ等により設置して、コモンモードチョーク１０が完成される。
【００２４】
次に、本実施の形態に係るコモンモードチョーク１０の作用を説明する。
本実施の形態に係るコモンモードチョーク１０は、一対の磁性体層１１、１２間に非磁性体層１３が挟まれた構造とされ、一対の渦巻き状の導体によりそれぞれ形成される１次コイル２１と２次コイル２２とが、非磁性体層１３を間に挟む形で、相互に対向してこのコモンモードチョーク１０に内蔵されている。
【００２５】
そして、図３に示す非磁性体層１３の厚さＤ₁が１００μｍ以下とされ、一対の磁性体層１１、１２の内の薄い方の磁性体層の厚さＤ₂が１００μｍ〜１０００μｍの範囲とされることで、１次コイル２１と２次コイル２２との間の結合係数Ｋが０．８５以上とされている。
【００２６】
つまり、一対の渦巻き状の導体でそれぞれ形成される１次コイル２１と２次コイル２２との間に非磁性体層１３を配置すると共に、この非磁性体層１３の外側の部分に磁性体層１１、１２を配置し、非磁性体層１３の厚さＤ₁を上記のようにすることにより、マイナ・ループを少なくした。
尚ここで、一対の磁性体層１１、１２の内の薄い方の磁性体層の厚さを１０００μｍ以下としたのはこれを越えると、コモンモードチョーク１０が厚くなりすぎて実使用に適さないためである。
【００２７】
以上より、例えば縦寸法が２．０ｍｍで横寸法が１．２５ｍｍで厚み寸法が１．０ｍｍ程度と小型のコモンモードチョーク１０等の積層型コイル部品であっても、０．８５以上となる高い結合係数Ｋの値を実現でき、伝送トランス等として採用可能なコモンモードチョークとなった。
【００２８】
他方、本実施の形態では、１次コイル２１をそれぞれ構成する磁性体層１１に接した渦巻き状の導体２Ａ及び、非磁性体層１３中に位置する渦巻き状の導体２Ｂが、その内側端同士でスルーホール４Ａを介して接続されると共に、これら導体２Ａ及び導体２Ｂの他端となる一対の引出部５、６が、導体２Ａ及び導体２Ｂの外側端に位置している。
また、２次コイル２２をそれぞれ構成する非磁性体層１３中に位置する渦巻き状の導体３Ａ及び、磁性体層１２に接した渦巻き状の導体３Ｂが、その内側端同士でスルーホール４Ｂを介して接続されると共に、これら導体３Ａ及び導体３Ｂの他端となる一対の引出部７、８が、導体３Ａ及び導体３Ｂの外側端に位置している。
【００２９】
つまり、図４に示すように、４つの引出部５、６、７、８が、導体２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂの外側端に位置して、コモンモードチョーク１０の側面１０Ａ、１０Ｂまでの距離が短いことから、外部への引出の為の配線部分となるコイル２１、２２の引出部５、６、７、８の長さが、図１１で示す従来例の引出部１１１Ａ、１１１Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂの長さよりも短いことになる。そして、引出部５、６、７、８が短くなった結果として、リーケージインダクタンスが減少し、これによっても結合係数Ｋの値をより一層高くすることが可能となる。
【００３０】
さらに、本実施の形態に係るコモンモードチョーク１０は、図３に示すように非磁性体層１３の厚さＤ₁を１００μｍ以下とするだけでなく、各コイル２１、２２を形成する導体間の間隔Ｂと導体間の非磁性体シート１Ｃ、１Ｄ、１Ｅのそれぞれの厚みＡとの関係がＡ＜Ｂとされた構造とされている。
【００３１】
この場合における図６に示す本実施の形態の構造によるインピーダンスの周波数特性は、図７に示す従来例の構造によるインピーダンスの周波数特性より、ディファレンシャルモード・インピーダンスが低くなって、コモンモード・インピーダンスとディファレンシャルモード・インピーダンスとの間の差が大きくなる。この結果、従来の例の構造における結合係数Ｋが０．６に対して、本実施の形態の構造における結合係数Ｋが０．９となり、０．８５以上の結合係数Ｋをより確実に達成することができるようになる。尚ここで、これらの内のコモンモード・インピーダンスは図の特性曲線Ａで示し、ディファレンシャルモード・インピーダンスは図の特性曲線Ｂで示す。
【００３２】
次に、具体的にデータに基づき上記実施の形態の特性を説明する。
一対の磁性体層１１、１２間に非磁性体層１３が挟まれた構造おいて、磁性体層１１、１２の透磁率μの値が３、１００、３００の場合で比較しつつ、非磁性体層１３の厚みＤ₁と結合係数Ｋとの関係を、図８に示すグラフに表す。
このグラフより透磁率μの値が高くなる程、１次コイル２１と２次コイル２２との間の結合係数Ｋが高くなる傾向が理解できるだけでなく、透磁率μを１００以上とすれば、非磁性体層１３の厚さＤ₁が１００μｍ以下で、１次コイル２１と２次コイル２２との間の結合係数Ｋの値が０．８５以上となることが理解できる。
尚、必要な結合係数Ｋの値を確保することとの関係で、透磁率μの値が高いほど磁性体層１１、１２を薄くでき、また透磁率μの値が低いほど磁性体層１１、１２を厚くできる傾向を有している。
【００３３】
一方、コモンモードチョーク１０の全ての層を磁性体とした構造の場合と、本実施の形態のように一対の磁性体層１１、１２間に非磁性体層１３が挟まれたサンドイッチ構造とした場合とを、比較したグラフを図９に示す。このグラフより実使用領域においてサンドイッチ構造とした場合の方が、１次コイル２１と２次コイル２２との間の結合係数Ｋが高くなる傾向が理解できる。
尚、この際のサンドイッチ構造における非磁性体層１３の厚みＤ₁として、４０μｍの場合と１００μｍの場合を表した。
【００３４】
次に、結合係数Ｋの測定方法について図１０の回路図に基づき説明する。
図１０に示すように、上記実施の形態の端子電極１５に対応して端子３１を配置し、端子電極１６に対応して端子３２を配置し、端子電極１７に対応して端子３３を配置し、端子電極１８に対応して端子３４を配置する。
そして、端子３１と端子３２との間のラインのインダクタンスをＬ₁とし、端子３３と端子３４との間のラインのインダクタンスをＬ₂とし、コモンモードのインダクタンスをＬ_Pとした。つまり、このＬ_Pは、端子３１と端子３３を接続すると共に端子３２と端子３４を接続した時の端子３１と端子３２との間のインダクタンスである。
【００３５】
そして、各インダクタンスの値を基にして下記の式により、結合係数Ｋが求められる。
Ｋ＝｛２・Ｌ_P−（Ｌ₁＋Ｌ₂）／２｝／√（Ｌ₁・Ｌ₂）
ここで、インダクタンスを測定する際の測定周波数は１０ＭＨｚであり、使用測定器は４２９１Ｂ（ヒューレットパッカード社製）、４２８５Ａ（ヒューレットパッカード社製）であった。
【００３６】
尚、上記実施の形態では、グリーンシート積層工法によりコモンモードチョークを製造する場合について説明したが、工法はこれに限定されるものでなく、絶縁材となる磁性体シート及び非磁性体シートを印刷積層工法によって順次積層して製造しても、同様の結果を得ることができる。
また、上記実施の形態では、１次コイル及び２次コイルがそれぞれ２層の導体により形成される構造にされているが、これら１次コイル及び２次コイルを３層以上の渦巻きパターンをスルーホールにより接続することで形成しても良く、この場合には最も外側に位置する導体が磁性体層に接する構造とする。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のコモンモードチョークによれば、小型でも高い結合係数が得られるという優れた効果を奏するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るコモンモードチョークの積層構造を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るコモンモードチョークを示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るコモンモードチョークの断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るコモンモードチョークの導体が配置された各層を示す平面図であって、（Ａ）から（Ｄ）までの各図に下側から順の各層を示す。
【図５】本発明の一実施の形態に係るコモンモードチョークの製造時の導体パターン配列の一例を示すグリーンシートの平面図である。
【図６】本発明の実施の形態によるインピーダンスの周波数特性を表すグラフを示す図である。
【図７】従来例によるインピーダンスの周波数特性を表すグラフを示す図である。
【図８】非磁性体層の厚みと結合係数との関係を表すグラフを示す。
【図９】透磁率と結合係数との関係を表すグラフを示す。
【図１０】結合係数の測定方法を説明するための回路図である。
【図１１】従来例に係るコモンモードチョークの各層を示す平面図であって、（Ａ）から（Ｄ）までの各図に下側から順の各層を示す。
【符号の説明】
１０コモンモードチョーク
１１下側磁性体層
１２上側磁性体層
１３非磁性体層
２１１次コイル
２２２次コイル
２Ａ導体（第１の導体）
２Ｂ導体（第２の導体）
３Ａ導体（第２の導体）
３Ｂ導体（第１の導体）
５、６引出部
７、８引出部

Claims

一対の磁性体層間に非磁性体層が挟まれた構造とされると共に、１次コイル及び２次コイルが渦巻き状の導体によりそれぞれ形成されたコモンモードチョークであって、
少なくとも非磁性体層を間に挟む形で、これら１次コイル及び２次コイルが相互に対向して内蔵され、
この非磁性体層が非磁性Ｎｉ−Ｚｎフェライトで形成されて厚さを１００μｍ以下とすると共に、これら１次コイルと２次コイルとの間の結合係数が０．８５以上とされ、
１次コイル及び２次コイルをそれぞれ構成する渦巻き状の導体が、磁性体層に接した渦巻き状の第１の導体及び非磁性体層中に位置する渦巻き状の第２の導体により構成されることを特徴とするコモンモードチョーク。
第１の導体及び第２の導体の内側端同士が、各層の積層方向に延びる導電材で接続されると共に、これら第１の導体及び第２の導体の他端となる一対の引出部が、第１の導体及び第２の導体の外側端に位置することを特徴とする請求項１記載のコモンモードチョーク。