JP7031466B2 - コイル部品 - Google Patents

Description

本発明はコイル部品に関し、特に、スパイラル状の平面導体を有するコイル部品に関する。

各種電子機器に用いられるコイル部品としては、磁性コアにワイヤ（被覆導線）を巻回したタイプのコイル部品の他、基板の表面にスパイラル状の平面導体を複数ターンに亘って形成したタイプのコイル部品が知られている。例えば、特許文献１には、スパイラル状の平面導体を複数ターンに亘って巻回するとともに、内周側及び外周側に位置する数ターンのパターン幅を狭くしたコイル部品が開示されている。内周側及び外周側に位置するコイルパターンは磁界の影響を強く受けることから、特許文献１に記載されているように、この部分におけるパターン幅を狭くすれば、磁界の影響に起因する交流抵抗の増大を低減することが可能となる。

しかしながら、内周側及び外周側に位置する導体パターンのパターン幅を細くしすぎると、直流抵抗が増加してしまうという問題があった。この問題を解決するためには、特許文献２に記載されているように、コイルパターンの内周部分において導体をヘリカル状に巻回する方法が考えられる。

特開平１１－０４０４３８号公報 特開２００７－２２１６５２号公報

しかしながら、特許文献２に記載されたコイル部品は、基板上に導体パターンを形成したタイプのコイル部品ではなく、バルク状の磁性コアにワイヤ（被覆導線）を巻回したタイプのコイル部品である。このようなコイル部品に用いられるワイヤは断面が円形であることから、ヘリカル状に巻回した部分においても、コイルパターンの軸方向に沿った磁界の影響を受けやすいという問題があった。

したがって、本発明は、磁界の影響に起因する損失をより低減することによって、交流抵抗を改善することが可能なコイル部品を提供することを目的とする。

本発明によるコイル部品は、平板部及び平板部から突出する筒状部を有する基板と、平板部の一方の表面に形成され、筒状部を中心として複数ターンに亘ってスパイラル状に巻回された第１のコイルパターンと、筒状部の内周面及び外周面の一方に形成され、筒状部の軸を中心として複数ターンに亘ってヘリカル状に巻回された第２のコイルパターンとを備え、平板部の一方の表面に対して垂直な方向から見て、第１のコイルパターンを構成する導体パターンよりも第２のコイルパターンを構成する導体パターンの方が細いことを特徴とする。

本発明によれば、ヘリカル状に巻回された第２のコイルパターンを備えていることから、全体のターン数を確保しつつ、スパイラル状に巻回された第１のコイルパターンの内径領域を拡大することができる。しかも、第２のコイルパターンを構成する導体パターンは、平面視で第１のコイルパターンを構成する導体パターンよりも細いことから、軸方向に沿った磁界を第２のコイルパターンが受けにくくなる。これにより、磁界の影響に起因する損失が低減されることから、交流抵抗の低いコイル部品を提供することが可能となる。

本発明において、第１のコイルパターンを構成する導体パターンは、平板部の一方の表面と平行なパターン幅が、平板部の一方の表面に対して垂直なパターン厚よりも大きく、第２のコイルパターンを構成する導体パターンは、筒状部の内周面及び外周面の一方と平行なパターン幅が、筒状部の内周面及び外周面の一方に対して垂直なパターン厚よりも大きくても構わない。これによれば、磁界の影響に起因する損失を低減しつつ、十分なパターン幅を確認することが可能となる。

本発明において、第１のコイルパターンは、最も内周に位置する最内周ターンと、最も外周に位置する最外周ターンとを有し、第２のコイルパターンは、軸方向における一端に位置し、第１のコイルパターンの最内周ターンに接続された最下部ターンと、軸方向における他端に位置する最上部ターンとを有するものであっても構わない。これによれば、第１のコイルパターンと第２のコイルパターンが直列に接続されるとともに、両者の接続を基板の表面上で容易に行うことが可能となる。

本発明によるコイル部品は、平板部の他方の表面に形成され、筒状部を中心として複数ターンに亘ってスパイラル状に巻回された第３のコイルパターンと、筒状部の内周面及び外周面の他方に形成され、筒状部の軸を中心として複数ターンに亘ってヘリカル状に巻回された第４のコイルパターンとをさらに備えるものであっても構わない。これによれば、全体のターン数がより大きくなることから、より大きなインダクタンスを得ることが可能となる。

本発明において、第３のコイルパターンは、最も内周に位置する最内周ターンと、最も外周に位置する最外周ターンとを有し、第４のコイルパターンは、軸方向における一端に位置し、第３のコイルパターンの最内周ターンに接続された最下部ターンと、軸方向における他端に位置する最上部ターンとを有し、第２のコイルパターンと第４のコイルパターンが接続されていても構わない。これによれば、第１～第４のコイルパターンが直列に接続されるとともに、第３のコイルパターンと第４のコイルパターンを基板の表面上で容易に接続することが可能となる。ここで、第２のコイルパターンと第４のコイルパターンは、それぞれの最上部ターン同士が接続されていても構わない。

本発明において、最外周ターン及び最上部ターンのパターン幅は、第１及び第２のコイルパターンを構成する他のいずれかのターンのパターン幅よりも狭くても構わない。これによれば、磁界が強い部分のパターン幅が狭いことから、磁界の影響に起因する損失をより低減することが可能となる。

本発明において、第１又は第２のコイルパターンは、最外周ターン又は最上部ターンから数えたターン数が第１及び第２のコイルパターンの合計ターン数の中間である中間ターンと、第１及び第２のコイルパターンの合計線路長の中心位置とを有し、最外周ターン及び最上部ターンのパターン幅よりも、中間ターン及び中心位置におけるパターン幅の方が大きくても構わない。これによれば、磁界の影響による損失に起因する交流抵抗の増大を低減しつつ、磁界の影響が小さい部分のパターン幅が拡大されることから、直流抵抗を低減することが可能となる。

本発明において、最上部ターンから中間ターンまでの各ターンのパターン幅の合計値又は平均値よりも、最外周ターンから中間ターンまでの各ターンのパターン幅の合計値又は平均値の方が大きくても構わない。これによれば、磁界の影響をより強く受ける内周側における損失がより低減される。このため、コイルパターンのパターン幅を内周側と外周側で単純に対称とした場合と比べ、交流抵抗をよりいっそう低減することが可能となる。

本発明において、第１のコイルパターンを構成する各ターンは、スパイラル状のスリットによって径方向に分離された複数の導体パターンからなり、第２のコイルパターンを構成する各ターンは、ヘリカル状のスリットによって軸方向に分離された複数の導体パターンからなるものであっても構わない。これによれば、電流密度の偏りが低減されるため、直流抵抗や交流抵抗を低減することが可能となる。ここで、第１のコイルパターンの各ターンを構成する導体パターンの数と、第２のコイルパターンの各ターンを構成する導体パターンの数を同じとすれば、第１のコイルパターンの最内周ターンを構成する各導体パターンと、第２のコイルパターンの最下部ターンを構成する各導体パターンをそれぞれ接続することができるため、パターンレイアウトが容易になるとともに、より交流抵抗を低減することが可能となる。

本発明によるコイル部品は、平板部の他方の表面を覆う第１の磁性部材をさらに備えるものであっても構わないし、筒状部の内径領域に配置された第２の磁性部材をさらに備えるものであっても構わない。これによれば、よりインダクタンスを高めることが可能となる。

このように、本発明によるコイル部品は、内周部における磁界の影響を受けにくいことから、従来のコイル部品と比べて交流抵抗をより低減することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるコイル部品１の構成を説明するための略断面図である。 図２は、コイルパターン１００のパターン形状を説明するための略平面図である。 図３は、コイルパターン３００のパターン形状を説明するための略平面図である。 図４は、筒状部２０及びその表面に形成されたコイルパターン２００，４００を示す略斜視図である。 図５は、筒状部２０及びその表面に形成されたコイルパターン２００，４００を示す展開図である。 図６は、コイルパターン１００，２００，３００，４００の接続方法を説明するための模式図である。 図７は、コイル部品１の等価回路図である。 図８は、平板部１０に形成された導体パターンと筒状部２０に形成された導体パターンの形状を説明するための図である。 図９は、図２及び図３に示すＤ－Ｄ線に沿った略断面図である。 図１０は、導体パターンの径方向位置及び軸方向位置とパターン幅の関係を説明するためのグラフである。 図１１は、総ターン数が奇数である場合の中間ターンの定義を説明するための模式的な断面図である。 図１２は、総ターン数が偶数である場合の中間ターンの定義を説明するための模式的な断面図である。 図１３は、総ターン数が偶数である場合の中間ターンの定義を説明するための模式的な平面図である。 図１４は、総ターン数が奇数である場合の中間ターンの定義を説明するための模式的な平面図である。 図１５は、変形例によるコイルユニットの略断面図である。 図１６は、コイル部品１を用いたワイヤレス電力伝送システムのブロック図である。 図１７は、コイルユニットＵ１，Ｕ２を含むコイル部品２の構成を説明するための略断面図である。 図１８は、コイル部品２の等価回路図である。 図１９は、変形例によるコイル部品３の構成を説明するための略断面図である。 図２０は、コイル部品３の部分拡大図である。 図２１は、実施例のシミュレーション条件を示す表である。 図２２は、実施例のシミュレーション結果を示す表である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるコイル部品１の構成を説明するための略断面図である。

図１に示すように、本実施形態によるコイル部品１は、第１の磁性部材Ｍ１と、第２の磁性部材Ｍ２と、コイルユニットＵ１によって構成されている。磁性部材Ｍ１，Ｍ２は、フェライト、パーマロイ、複合磁性材料などの高透磁率材料からなり、コイルユニットＵ１に鎖交する磁束の磁路として機能する。

コイルユニットＵ１は、平板部１０及び筒状部２０を有する基板と、基板の表面に形成された第１～第４のコイルパターン１００，２００，３００，４００とを備えている。具体的には、平板部１０の一方の表面１１に第１のコイルパターン１００が形成され、筒状部２０の外周面２１に第２のコイルパターン２００が形成され、平板部１０の他方の表面１２に第３のコイルパターン３００が形成され、筒状部２０の内周面２２に第４のコイルパターン４００が形成されている。平板部１０及び筒状部２０からなる基板の材料については特に限定されないが、ＰＥＴ樹脂などの透明又は半透明なフレキシブル材料を用いることができる。また、平板部１０及び筒状部２０は、ガラスクロスにエポキシ系樹脂が含浸されたフレキシブル基板であっても構わない。平板部１０と筒状部２０は、互いに別部材であっても構わないし、一体的であっても構わない。

基板の平板部１０は、表面１１，１２がｘｙ平面を構成している。これに対し、基板の筒状部２０は平板部１０からｚ方向に突出している。筒状部２０の軸方向もｚ方向であり、これにより、筒状部２０の外周面２１及び内周面２２は、平板部１０の表面１１，１２に対して９０°の角度を有している。そして、第１及び第３のコイルパターン１００，３００は、筒状部２０を中心として複数ターンに亘ってスパイラル状に巻回され、第２及び第４のコイルパターン２００，４００は、筒状部の軸を中心として複数ターンに亘ってヘリカル状に巻回されている。また、第１の磁性部材Ｍ１は平板部１０の他方の表面１２を覆うように配置され、第２の磁性部材Ｍ２１は筒状部２０の内径領域に配置されている。本発明において磁性部材Ｍ１，Ｍ２を設けることは必須でないが、磁性部材Ｍ１，Ｍ２を設けることによりインダクタンスが高められる。

図２及び図３は、それぞれコイルパターン１００，３００のパターン形状を説明するための略平面図である。

図２に示すように、第１のコイルパターン１００は、複数ターンに亘ってスパイラル状に巻回された平面導体によって構成される。図２に示す例では、第１のコイルパターン１００がターン１１０～ターン１４０からなる４ターン構成であり、ターン１１０が最外周ターンを構成し、ターン１４０が最内周ターンを構成する。また、各ターン１１０～１４０は、スパイラル状の３本のスリットによって径方向に４分割されている。これにより、ターン１１０は導体パターン１１１～１１４に分割され、ターン１２０は導体パターン１２１～１２４に分割され、ターン１３０は導体パターン１３１～１３４に分割され、ターン１４０は導体パターン１４１～１４４に分割される。したがって、分割された導体パターン単位で見れば、導体パターン１１１が最外周ターンを構成し、導体パターン１４４が最内周ターンを構成する。

最外周に位置するターン１１０の導体パターン１１１～１１４は、径方向に延在する引き出しパターン１７１を介して、端子電極Ｅ１ａに接続される。また、引き出しパターン１７１に対して周方向に隣接する位置には、径方向に延在する引き出しパターン１７２が設けられており、その先端部は端子電極Ｅ２ｂに接続される。一方、最内周に位置するターン１４０の導体パターン１４１～１４４の内周端は、それぞれ接続ノードＮ１１～Ｎ１４を構成する。

第１のコイルパターン１００を構成する各ターン１１０～１４０は、径方向における位置が変化しない円周領域Ａ１と、径方向における位置が遷移する遷移領域Ｂ１を有しており、この遷移領域Ｂ１を境界としてターン１１０～ターン１４０からなる４ターンが定義される。図２に示すように、本実施形態においては第１のコイルパターン１００の外周端及び内周端がいずれも遷移領域Ｂ１に位置している。さらに、第１のコイルパターン１００の中心点Ｃ１から放射状に延在し、引き出しパターン１７１と引き出しパターン１７２の間を通過する仮想線Ｌ１を引いた場合、遷移領域Ｂ１は仮想線Ｌ１上に位置している。また、接続ノードＮ１１と接続ノードＮ１４は、仮想線Ｌ１を軸として互いに対称となる位置に配置され、接続ノードＮ１２と接続ノードＮ１３は、仮想線Ｌ１を軸として互いに対称となる位置に配置されている。

図３に示すように、第３のコイルパターン３００は、複数ターンに亘ってスパイラル状に巻回された平面導体によって構成される。図３に示す例では、第３のコイルパターン３００がターン３１０～ターン３４０からなる４ターン構成であり、ターン３１０が最外周ターンを構成し、ターン３４０が最内周ターンを構成する。また、各ターン３１０～３４０は、スパイラル状の３本のスリットによって径方向に４分割されている。これにより、ターン３１０は導体パターン３１１～３１４に分割され、ターン３２０は導体パターン３２１～３２４に分割され、ターン３３０は導体パターン３３１～３３４に分割され、ターン３４０は導体パターン３４１～３４４に分割される。したがって、分割された導体パターン単位で見れば、導体パターン３１１が最外周ターンを構成し、導体パターン３４４が最内周ターンを構成する。

最外周に位置するターン３１０の導体パターン３１１～３１４は、径方向に延在する引き出しパターン３７１を介して、端子電極Ｅ２ａに接続される。また、引き出しパターン３７１に対して周方向に隣接する位置には、径方向に延在する引き出しパターン３７２が設けられており、その先端部は端子電極Ｅ１ｂに接続される。一方、最内周に位置するターン３４０の導体パターン３４１～３４４の内周端は、それぞれ接続ノードＮ３４，Ｎ３３，Ｎ３２，Ｎ３１を構成する。

第３のコイルパターン３００を構成する各ターン３１０～３４０は、径方向における位置が変化しない円周領域Ａ２と、径方向における位置が遷移する遷移領域Ｂ２を有しており、この遷移領域Ｂ２を境界としてターン３１０～ターン３４０からなる４ターンが定義される。図３に示すように、本実施形態においては第３のコイルパターン３００の外周端及び内周端がいずれも遷移領域Ｂ２に位置している。さらに、第３のコイルパターン３００の中心点Ｃ２から放射状に延在し、引き出しパターン３７１と引き出しパターン３７２の間を通過する仮想線Ｌ２を引いた場合、遷移領域Ｂ２は仮想線Ｌ２上に位置している。また、接続ノードＮ３１と接続ノードＮ３４は、仮想線Ｌ２を軸として互いに対称となる位置に配置され、接続ノードＮ３２と接続ノードＮ３３は、仮想線Ｌ２を軸として互いに対称となる位置に配置されている。

このような構成を有する第１及び第３のコイルパターン１００，３００は、中心点Ｃ１，Ｃ２が重なり、且つ、仮想線Ｌ１，Ｌ２が重なるよう、それぞれ平板部１０の一方の表面１１及び他方の表面１２に形成される。これにより、端子電極Ｅ１ａ，Ｅ１ｂが重なるとともに、端子電極Ｅ２ａ，Ｅ２ｂが重なる。端子電極Ｅ１ａ，Ｅ１ｂは、引き出しパターン１７１と引き出しパターン３７２を接続するスルーホール導体Ｔ５を介して短絡され、単一の端子電極Ｅ１として用いられる。同様に、端子電極Ｅ２ａ，Ｅ２ｂは、引き出しパターン１７２と引き出しパターン３７１を接続するスルーホール導体Ｔ６を介して短絡され、単一の端子電極Ｅ２として用いられる。

図４及び図５は、それぞれ筒状部２０及びその表面に形成されたコイルパターン２００，４００を示す略斜視図及び展開図である。

図４及び図５に示すように、筒状部２０の外周面２１に形成された第２のコイルパターン２００は、複数ターンに亘ってヘリカル状に巻回された平面導体によって構成される。図４及び図５に示す例では、第２のコイルパターン２００がターン２１０からなり、スパイラル状の３本のスリットによって軸方向に４分割されている。これにより、ターン２１０は導体パターン２１１～２１４に分割される。このうち、最も下方に位置する導体パターン２１４が最下部ターンを構成し、最も上方に位置する導体パターン２１１が最上部ターンを構成する。

導体パターン２１１～２１４の下方における端部は、それぞれ接続ノードＮ２１～Ｎ２４を構成する。接続ノードＮ２１～Ｎ２４は、第１のコイルパターン１００に含まれる接続ノードＮ１１～Ｎ１４にそれぞれ接続される。接続ノードＮ１１～Ｎ１４と接続ノードＮ２１～Ｎ２４の接続は、図６に示すように、平板部１０の表面１１及び筒状部２０の外周面２１において行うことができる。一方、導体パターン２１１～２１４の上方における端部は、それぞれ筒状部２０を貫通して設けられたスルーホール導体Ｈ１～Ｈ４に接続される。

筒状部２０の内周面２２に形成された第４のコイルパターン４００は、複数ターンに亘ってヘリカル状に巻回された平面導体によって構成される。図４及び図５に示す例では、第４のコイルパターン４００がターン４１０からなり、スパイラル状の３本のスリットによって軸方向に４分割されている。これにより、ターン４１０は導体パターン４１１～４１４に分割される。このうち、最も下方に位置する導体パターン４１１が最下部ターンを構成し、最も上方に位置する導体パターン４１４が最上部ターンを構成する。

導体パターン４１１～４１４の下方における端部は、それぞれ接続ノードＮ４１～Ｎ４４を構成する。接続ノードＮ４１～Ｎ４４は、それぞれ接続ノードＮ２１～Ｎ２４の裏面側に位置し、図４及び図５においては符号を括弧書きしている。接続ノードＮ４１～Ｎ４４は、第３のコイルパターン３００に含まれる接続ノードＮ３１～Ｎ３４にそれぞれ接続される。接続ノードＮ３１～Ｎ３４と接続ノードＮ４１～Ｎ４４の接続は、図６に示すように、平板部１０の表面１２及び筒状部２０の内周面２２において行うことができる。一方、導体パターン４１１～４１４の上方における端部は、それぞれスルーホール導体Ｈ１～Ｈ４に接続される。

これにより、スルーホール導体Ｈ１を介して導体パターン２１１，４１１が互いに短絡され、スルーホール導体Ｈ２を介して導体パターン２１２，４１２が互いに短絡され、スルーホール導体Ｈ３を介して導体パターン２１３，４１３が互いに短絡され、スルーホール導体Ｈ４を介して導体パターン２１４，４１４が互いに短絡される。

したがって、第１のコイルパターン１００のターン１４０を構成する４つの導体パターン１４１～１４４のうち、最も外周側に位置する導体パターン１４１に着目すると、まず、接続ノードＮ１１，Ｎ２１を介して第２のコイルパターン２００の導体パターン２１１に接続され、次に、スルーホール導体Ｈ１を介して第４のコイルパターン４００の導体パターン４１１に接続され、最後に、接続ノードＮ４１，Ｎ３１を介して、第３のコイルパターン３００のターン３４０を構成する４つの導体パターン３４１～３４４のうち、最も内周側に位置する導体パターン３４４に接続される。

また、第１のコイルパターン１００のターン１４０を構成する４つの導体パターン１４１～１４４のうち、最も内周側に位置する導体パターン１４４に着目すると、まず、接続ノードＮ１４，Ｎ２４を介して第２のコイルパターン２００の導体パターン２１４に接続され、次に、スルーホール導体Ｈ４を介して第４のコイルパターン４００の導体パターン４１４に接続され、最後に、接続ノードＮ４４，Ｎ３４を介して、第３のコイルパターン３００のターン３４０を構成する４つの導体パターン３４１～３４４のうち、最も外周側に位置する導体パターン３４１に接続される。

第１のコイルパターン１００のターン１４０を構成する他の導体パターン１４２，１４３についても同様であり、それぞれ導体パターン２１２，４１２及び導体パターン２１３，４１３を介して、第３のコイルパターン３００のターン３４０を構成する他の導体パターン３４３，３４２に接続される。

このように、第１のコイルパターン１００の端部が第２のコイルパターン２００の端部に接続され、第３のコイルパターン３００の端部が第４のコイルパターン４００の端部に接続されるとともに、第２のコイルパターン２００の端部と第４のコイルパターン４００の端部が互いに接続されることから、コイルパターン１００，２００，３００，４００の一部を途中で引き出すことなく、端子電極Ｅ１との端子電極Ｅ２を直列に接続することができる。つまり、コイルパターン１００，３００の外周端以外の部分に接続する引き出しパターンなどを用いる必要がないことから、引き出しパターンを用いることによる厚みの増加や、電気特性の劣化を防ぐことができる。

これにより、第１～第４のコイルパターン１００，２００，３００，４００は図７に示すように直列接続され、合計で１０ターン×４並列のスパイラルコイルが構成されることになる。ここで、各コイルパターン１００，２００，３００，４００の分割数（４分割）が互いに同じであるため、各コイルパターン１００，２００，３００，４００を構成する複数の導体パターンを再分岐又は合流させることなく、これらをそのまま接続することができる。これによりパターンレイアウトが容易となるとともに、電流密度の均一化が実現されることから、より交流抵抗を低減することが可能となる。

図８は、平板部１０に形成された導体パターンと筒状部２０に形成された導体パターンの形状を説明するための図である。

図８に示すように、第１のコイルパターン１００を構成する導体パターン（例えば導体パターン１４２）は、パターン幅Ｗａがパターン厚Ｈａよりも大きい（Ｗａ＞Ｈａ）。同様に、第２のコイルパターン２００を構成する導体パターン（例えば導体パターン２１２）は、パターン幅Ｗｂがパターン厚Ｈｂよりも大きい（Ｗｂ＞Ｈｂ）。ここで、「パターン幅」とは基板に対して平行な方向における幅を意味し、第１のコイルパターン１００を構成する導体パターンにおいてはｘｙ方向における幅を指し、第２のコイルパターン２００を構成する導体パターンにおいてはｚ方向における幅を指す。また、「パターン厚」とは基板に対して垂直な方向における厚みを意味し、第１のコイルパターン１００を構成する導体パターンにおいてはｚ方向における厚みを指し、第２のコイルパターン２００を構成する導体パターンにおいてはｘｙ方向における厚みを指す。第３及び第４のコイルパターン３００，４００についても同様である。

本実施形態においては、筒状部２０の外周面２１及び内周面２２が平板部１０の表面１１，１２に対して垂直であることから、平板部１０の表面１１，１２に対して垂直な方向（ｚ方向）から見ると、パターン幅Ｗａを定義する方向と、パターン厚Ｈｂを定義する方向は同じであり、且つ、Ｗａ＞Ｈｂである。つまり、第１のコイルパターン１００を構成する導体パターンのｚ方向から見た視認幅よりも、第２のコイルパターン２００を構成する導体パターンのｚ方向から見た視認幅の方が細い。

ここで、コイル部品１に流れる電流によって磁束φが発生すると（或いは、他のコイル部品によって生じる磁束φがコイル部品１と鎖交すると）、磁束φの主な方向成分は、平板部１０の近傍においては平面方向（ｘｙ方向）となり、筒状部２０の近傍においては垂直方向（ｚ方向）となる。このため、スパイラル状の導体パターンを用いた一般的なコイル部品においては、磁束φのｚ方向成分が増す内周部分において、磁束φと導体パターンの干渉が強くなり、渦電流による発熱によって大きな損失が発生する。これに対し、本実施形態においては、コイル部品１の内周に位置する数ターンが筒状部２０に形成され、これにより、ｚ方向から見た導体パターンのサイズ（Ｈｂ）が縮小されていることから、内周部における磁束φと導体パターンの干渉を大幅に低減することが可能となるため、渦電流損による交流抵抗の増加を防止することができる。しかも、パターン幅Ｗｂについては十分に確保されていることから、直流抵抗についても十分に低減することが可能である。

このように、本実施形態によるコイル部品１は、スパイラル状の導体パターンからなる第１及び第３のコイルパターン１００，３００の内周部に筒状部２０を配置し、その表面にヘリカル状の導体パターンからなる第２及び第４のコイルパターン２００，４００を形成していることから、磁束密度が高く且つ磁束のｚ方向成分が大きい内周部において、磁束φと導体パターンの干渉を大幅に低減することが可能となる。これにより、渦電流の発生が抑制されることから、渦電流による交流抵抗の増大を効果的に防止することが可能となる。しかも、全ての導体パターンをスパイラル状とした場合と比べ、第１及び第３のコイルパターン１００，３００の内径が拡大されることから、インダクタンスを増大させることも可能となる。

ここで、第１～第４のコイルパターン１００，２００，３００，４００のパターン幅については、一定であっても構わないが、図２及び図３に示すＤ－Ｄ線に沿った略断面図である図９に示すように、第１～第４のコイルパターン１００，２００，３００，４００のパターン幅を一定ではなく、内周側及び外周側においてパターン幅を狭く、中心側においてパターン幅を広くしても構わない。

より具体的に説明すると、最上部ターンを構成する導体パターン２１１，４１４のパターン幅をＷ１、最外周ターンを構成する導体パターン１１１，３１１のパターン幅をＷ２、最上部ターン又は最外周ターンから数えて、ターン数が第１及び第２のコイルパターン１００，２００の合計ターン数（又は第３及び第４のコイルパターン３００，４００の合計ターン数）の中間である中間ターンを構成する導体パターン１３３，３３３（又は１３２，３３２）のパターン幅をＷ３，導体パターンに沿った第１及び第２のコイルパターン１００，２００の合計線路長（又は第３及び第４のコイルパターン３００，４００の合計線路長）の中心位置となる導体パターン１２４，３２４のパターン幅をＷ４とした場合、
Ｗ１，Ｗ２＜Ｗ３，Ｗ４
を満たしている。

最上部ターン及び最外周ターンのパターン幅Ｗ１，Ｗ２を縮小しているのは、この部分における磁界が強く、渦電流による発熱によって大きな損失が発生するからである。つまり、最上部ターン及び最外周ターンのパターン幅Ｗ１，Ｗ２を縮小することにより、最上部ターン及び最外周ターンと干渉する磁束が減少することから、発生する渦電流を低減することができる。最上部ターンのパターン幅Ｗ１は、パターン厚よりも大きいことが好ましい。これによれば、コイルパターン２００，４００に流れる渦電流が導体パターンの軸方向における両側に集中することから、コイルパターン２００，４００のパターン幅を狭くすることによる損失の低減効果を顕著に得ることが可能となる。

さらに、導体パターンのパターン厚は、最外周ターンよりも最内周ターンの方が薄くても構わない。特に、最外周ターンから最内周ターンに向かって、パターン厚が徐々に又は段階的に薄くなる構成とすることが好ましい。これによれば、渦電流の影響をより強く受ける内周側において、パターン幅を狭くすることによる損失の低減効果が顕著となる。

図１０は、導体パターンの径方向位置及び軸方向位置とパターン幅の関係を説明するためのグラフである。図１０において、実線は径方向位置及び軸方向位置に応じてパターン幅を変化させた例を示し、破線はパターン幅を一定とした例を示している。

図１０の実線で示す例では、最上部ターンのパターン幅Ｗ１が最も小さく、最上部ターンから線路長の中心位置に向かってパターン幅が徐々にまたは段階的に拡大し、線路長の中心位置におけるパターン幅Ｗ４が最大となる。そして、線路長の中心位置から最外周ターンに向かってパターン幅が徐々にまたは段階的に縮小し、最外周ターンにおいてパターン幅がＷ２となる。図１０の実線で示す例では、最上部ターンのパターン幅Ｗ１が最外周ターンのパターン幅Ｗ２よりも小さい。これは、最上部ターンの方が最外周ターンよりも磁界が強いためであり、これをパターン幅に反映させたものである。これにより、図１０の実線で示す例では、
Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３＜Ｗ４
を満たしている。これに対し、破線で示す例では全てのターンにおいて導体パターンのパターン幅がＷ０である。

また、線路長の中心位置は中間ターンよりも外周側に位置し、実線で示す例では、この部分においてパターン幅Ｗ４が最大となる。これは、線路長の中心の方が中間ターンよりも磁界が弱いためであり、これをパターン幅に反映させたものである。実線で示す例では、線路長の中心位置が最大のパターン幅Ｗ４を有しており、ここから離れるにしたがってパターン幅が減少することから、中間ターンを中心に考えると、中間ターンから見て内周側に位置する各ターンのパターン幅の合計値又は平均値よりも、中間ターンから見て外周側に位置する各ターンのパターン幅の合計値又は平均値の方が大きくなる。つまり、図１０に示すグラフの領域Ｆ１よりも領域Ｆ２の方が大きい。このように、図１０の実線で示す例では、中間ターンを中心に考えると、パターン幅が内周側と外周側で対称ではない。

ここで、中間ターンとは、図１１に示すようにコイルパターンＴのターン数が奇数（例えば１１ターン）である場合は、最上部ターンＴｉから数えたターン数と最外周ターンＴｏから数えたターン数が一致するターンＴ１（例えば第６ターン）が該当する。

また、図１２に示すようにコイルパターンＴのターン数が偶数（例えば１０ターン）である場合は、最上部ターンＴｉから数えたターン数が総ターン数の半分に相当するターンＴ２（例えば内周端から数えて第５ターン）、或いは、最外周ターンＴｏから数えたターン数が総ターン数の半分に相当するターンＴ３（例えば外周端から数えて第５ターン）が該当する。コイルパターンＴのターン数が偶数である場合、ターンＴ２とターンＴ３の両方を中間ターンと見なしても構わないし、いずれか一方を中間ターンと見なしても構わない。また、ターンＴ２のパターン幅とターンＴ３のパターン幅の平均値を中間ターンのパターン幅Ｗ３と見なしても構わない。

さらには、図１３に示すように、ターン数の中心位置における導体パターンのパターン幅を中間ターンのパターン幅Ｗ３と見なしても構わない。図１３に示す例では、コイルパターンＴの総ターン数が４ターンであることから、内周端又は外周端から数えてちょうど２ターン目となる位置Ｔ４のパターン幅を中間ターンのパターン幅Ｗ３と見なしても構わない。この点は、総ターン数が奇数である場合も同様であり、図１４に示すように、コイルパターンＴの総ターン数が５ターンであれば、内周端又は外周端から数えてちょうど２．５ターン目となる位置Ｔ５のパターン幅を中間ターンのパターン幅Ｗ３と見なしても構わない。

一方、本実施形態のように、各ターンがスパイラル状のスリットによって径方向に分割されている場合には、各導体パターンを１ターンと見なして中間ターンを特定すれば良い。つまり、１ターンが複数の導体パターンに分割されているか否かにかかわらず、断面に現れる導体パターンの数（図９に示す例では２０個）に基づいて中間ターンを特定すれば良い。

線路長の中心位置については、各ターンがスパイラル状のスリットによって径方向に分割されていない場合、つまり、コイルパターンが単純なスパイラルパターンである場合には、コイルパターンに沿ったコイル長のちょうど中間位置がこれに該当する。一方、本実施形態のように、各ターンがスパイラル状のスリットによって径方向に分割されている場合には、全導体パターンが内周端から外周端に向かって一筆書き可能な単純なスパイラルパターンであると仮定した場合における、コイルパターンに沿ったコイル長のちょうど中間位置が線路長の中心位置に該当する。つまり、図９に示す例では、導体パターン１１１～１１４，１２１～１２４，１３１～１３４，１４１～１４４，２１１～２１４からなる計２０個の導体パターンがスパイラル状又はヘリカル状に接続され、これによりコイルパターン１００，２００の合計ターン数が２０ターンであると仮定した場合における線路長の中心位置がこれに該当する。

このように、磁界の強度に応じてコイルパターンのパターン幅を設計すれば、パターン幅を一定とした場合と比べ、交流抵抗をより低減することが可能となる。

しかも、本実施形態によるコイル部品は、各ターンがスパイラル状又はヘリカル状のスリットによって径方向に４分割されていることから、このようなスリットを設けない場合と比べて、電流密度の偏りが低減される。その結果、直流抵抗や交流抵抗を低減することができる。しかも、第１のコイルパターン１００と第３のコイルパターン３００との間で導体部分の径方向位置が完全に入れ替えられていることから、内外周差が相殺される。これにより、電流密度分布が均一化されることから、直流抵抗や交流抵抗をよりいっそう低減することが可能となる。

また、図９に示す例では、径方向又は軸方向に隣接するターン間のスペースＳが一定幅とされている。これにより、パターン幅の狭い内周端近傍または外周端近傍において無駄なスペースが生じないことから、パターン幅を十分に確保することができ、直流抵抗が低減される。但し、本発明においてこの点は必須でなく、図１５に示す変形例のように、パターン幅に応じてスペースＳを変化させても構わない。図１５に示す例では、各導体パターンの径方向又は軸方向におけるピッチＰが一定であり、これにより、パターン幅が狭いほどスペースＳが大きく、パターン幅が広いほどスペースＳが小さくなるよう設計されている。これによれば、パターン幅を一定とした場合と同じインダクタンスを得ることが可能となる。

特に限定されるものではないが、図９及び図１５に示すように、第１のコイルパターン１００の円周領域Ａ１に位置する各導体パターンと、第３のコイルパターン３００の円周領域Ａ２に位置する各導体パターンは、平面方向における位置が完全に一致している。これにより、平面視で基板の平板部１０が導体パターンで覆われる部分の面積が小さくなることから、渦電流損を低減することが可能となる。しかも、円周領域Ａ１に位置する各導体パターンと円周領域Ａ２に位置する各導体パターンが重なることにより、第１のコイルパターン１００と第３のコイルパターン３００の視覚的な干渉を最小限に抑えることができる。つまり、基板の平板部１０が透明又は半透明であっても、第１のコイルパターン１００を外観検査する際に第３のコイルパターン３００が視覚的な障害とならず、逆に、第３のコイルパターン３００を外観検査する際に第１のコイルパターン１００が視覚的な障害とならない。これにより、検査装置を用いた外観検査を正しく実行することが可能となる。

本実施形態によるコイル部品１は、図１６に示すワイヤレス電力伝送システムに応用することが可能である。図１６に示すワイヤレス電力伝送システムは、ワイヤレス送電装置ＴＸとワイヤレス受電装置ＲＸからなるシステムであり、空間４０を介して、ワイヤレス送電装置ＴＸに含まれる送電コイル５１とワイヤレス受電装置ＲＸに含まれる受電コイル６１を対向させることにより、ワイヤレスで電力伝送を行うことができる。送電コイル５１は、電源回路、インバータ回路、共振回路などを含む送電回路５２に接続され、送電回路５２から交流の電流が供給される。受電コイル６１は、共振回路、整流回路、平滑回路などを含む受電回路６２に接続される。そして、送電コイル５１と受電コイル６１を向かい合わせることにより両者を磁気結合させれば、ワイヤレス送電装置ＴＸからワイヤレス受電装置ＲＸへ空間４０を介してワイヤレスに電力を伝送することができる。

このような構成を有するワイヤレス電力伝送システムにおいて、送電コイル５１や受電コイル６１として本実施形態によるコイル部品１を利用することができる。この場合、送電コイル５１から見て空間４０の反対側に配置された磁性部材５３や、受電コイル６１から見て空間４０の反対側に配置された磁性部材６３は、図１に示す磁性部材Ｍ１，Ｍ２に対応する。磁性部材５３，６３（磁性部材Ｍ１，Ｍ２）を配置すれば、送電コイル５１及び受電コイル６１のインダクタンスが高められ、より効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

また、第１～第４のコイルパターン１００，２００，３００，４００ではコイルの許容電流値が不足する場合は、図１７に示すコイル部品２のように、複数（図１７に示す例では２個）のコイルユニットＵ１，Ｕ２を同軸に重ね、これらを図１８に示すように並列に接続することにより、コイル抵抗値をさらに低減してコイルの許容電流値を拡大することができる。この場合、コイルユニットＵ１を構成する筒状部２０の径とコイルユニットＵ２を構成する筒状部２０の径に差を設けることにより、一方の筒状部２０を他方の筒状部２０に挿入することができる。

また、磁性部材Ｍ１とコイルユニットＵ２の距離は、磁性部材Ｍ１とコイルユニットＵ１の距離よりも遠いため、コイルユニットＵ１，Ｕ２のターン数が互いに同一であっても、インダクタンスはコイルユニットＵ２の方が小さくなり、その結果、コイルユニットＵ１，Ｕ２のインピーダンスに差が生じる。コイルユニットＵ１，Ｕ２にインピーダンス差が存在すると、インピーダンス差に起因する電流の偏りによって損失が大きくなってしまう。この点を考慮すれば、インピーダンスの小さいコイルユニットＵ２の線路長をコイルユニットＵ１の線路長よりも長くすることによってインダクタンスを大きくすることが好ましい。これによれば、２つのコイルユニットＵ１，Ｕ２のインダクタンス差が縮小することから、インピーダンス差に起因する電流の偏りが低減され、理想的には一致する。その結果、図１８に示す回路全体の損失を低減することが可能となる。

一方、必要なインダクタンスが不足する場合は、図１７に示すコイル部品２のように、複数（図１７に示す例では２個）のコイルユニットＵ１，Ｕ２を同軸に重ねるとともに、これらを直列に接続しても構わない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記各実施形態においては、平板部１０に対して筒状部２０が垂直に設けられているが、本発明においてこの点は必須でない。したがって、図１９に示す変形例によるコイル部品３のように、平板部１０と筒状部２０がなす角度θが９０°未満であっても構わない。この場合であっても、図２０に示すように、第１のコイルパターン１００のｚ方向から見た視認幅Ｗａよりも、第２のコイルパターン２００のｚ方向から見た視認幅Ｖの方が細ければ、第２のコイルパターン２００と磁束φの干渉を低減することが可能となる。第２のコイルパターン２００のｚ方向から見た視認幅Ｖはより細い方が好ましく、この観点からは、角度θが９０に近いほど好ましい。実際には、角度θが４５°以上であることが好ましく、６０°以上であることがより好ましい。

また、上記各実施形態においては、コイルパターンを構成する各ターンをスパイラル状のスリットによって４つの導体パターンに分離しているが、本発明において、コイルパターンを構成する各ターンを複数の導体パターンに分離することは必須でない。また、複数の導体パターンに分離する場合であっても、その数は４つに限定されるものではない。

上記実施形態によるコイル部品１と同様の構造を有する２つのコイル部品（実施例１及び２）を想定し、シミュレーションによって周波数が１００ｋＨｚである場合の交流抵抗及びインダクタンスを算出した。また、筒状部２０を用いることなく、全ての導体パターンをスパイラル状に巻回した他は、実施例１と同じ構成を有する比較例についても想定し、シミュレーションによって周波数が１００ｋＨｚである場合の交流抵抗及びインダクタンスを算出した。導体パターンの材料はいずれも銅（Ｃｕ）であり、各サンプルにおけるパターン幅、パターン厚、スペースについては図２１に示す通りとした。図２１において、Ｔｕｒｎ１は最外周ターンであり、Ｔｕｒｎ２０は最上部ターンである。また、実施例１及び２においては、筒状部２０の径を２２ｍｍとした。また、比較例においては、実施例１及び２と概ね同等のインダクタンス値となるよう、コイル内径及び外径を調整した。

シミュレーションの結果を図２２に示す。図２２に示すように、実施例１及び２のサンプルは比較例のサンプルと比べて交流抵抗値が低かった。特に、実施例２のサンプルにおける交流抵抗値は、比較例のサンプルと比べて大幅に改善されることが確認された。

１～３ コイル部品
１０ 平板部
１１，１２ 平板部の表面
２０ 筒状部
２１ 筒状部の外周面
２２ 筒状部の内周面
４０ 空間
５１ 送電コイル
５２ 送電回路
５３ 磁性部材
６１ 受電コイル
６２ 受電回路
６３ 磁性部材
１００ 第１のコイルパターン
２００ 第２のコイルパターン
３００ 第３のコイルパターン
４００ 第４のコイルパターン
１１０～１４０，２１０，３１０～３４０，４１０ ターン
１１１～１１４，１２１～１２４，１３１～１３４，１４１～１４４，２１１～２１４，３１１～３１４，３２１～３２４，３３１～３３４，３４１～３４４，４１１～４１４ 導体パターン
１７１，１７２，３７１，３７２ 引き出しパターン
Ａ１，Ａ２ 円周領域
Ｂ１，Ｂ２ 遷移領域
Ｃ１，Ｃ２ 中心点
Ｅ１，Ｅ１ａ，Ｅ１ｂ，Ｅ２，Ｅ２ａ，Ｅ２ｂ 端子電極
Ｆ１，Ｆ２ 領域
Ｈ１～Ｈ４ スルーホール導体
Ｌ１，Ｌ２ 仮想線
Ｍ１，Ｍ２ 磁性部材
Ｎ１１～Ｎ１４，Ｎ２１～Ｎ２４，Ｎ３１～Ｎ３４，Ｎ４１～Ｎ４４ 接続ノード
Ｐ ピッチ
ＲＸ ワイヤレス受電装置
Ｓ スペース
Ｔ コイルパターン
ＴＸ ワイヤレス送電装置
Ｔｉ 最内周ターン
Ｔｏ 最外周ターン
Ｕ１，Ｕ２ コイルユニット
Ｗ１～Ｗ４ パターン幅
θ 角度
φ 磁束

Claims (11)

1. 平板部及び前記平板部から突出する筒状部を有する基板と、
   前記平板部の一方の表面に形成され、前記筒状部を中心として複数ターンに亘ってスパイラル状に巻回された第１のコイルパターンと、
   前記筒状部の内周面及び外周面の一方に形成され、前記筒状部の軸を中心として複数ターンに亘ってヘリカル状に巻回された第２のコイルパターンと、を備え、
   前記平板部の前記一方の表面に対して垂直な方向から見て、前記第１のコイルパターンを構成する導体パターンよりも前記第２のコイルパターンを構成する導体パターンの方が細いことを特徴とするコイル部品。
2. 前記第１のコイルパターンを構成する導体パターンは、前記平板部の前記一方の表面と平行なパターン幅が、前記平板部の前記一方の表面に対して垂直なパターン厚よりも大きく、
   前記第２のコイルパターンを構成する導体パターンは、前記筒状部の前記内周面及び前記外周面の前記一方と平行なパターン幅が、前記筒状部の前記内周面及び前記外周面の前記一方に対して垂直なパターン厚よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のコイル部品。
3. 前記第１のコイルパターンは、最も内周に位置する最内周ターンと、最も外周に位置する最外周ターンとを有し、
   前記第２のコイルパターンは、軸方向における一端に位置し、前記第１のコイルパターンの前記最内周ターンに接続された最下部ターンと、前記軸方向における他端に位置する最上部ターンとを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のコイル部品。
4. 前記平板部の他方の表面に形成され、前記筒状部を中心として複数ターンに亘ってスパイラル状に巻回された第３のコイルパターンと、
   前記筒状部の前記内周面及び前記外周面の他方に形成され、前記筒状部の軸を中心として複数ターンに亘ってヘリカル状に巻回された第４のコイルパターンと、をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のコイル部品。
5. 前記第３のコイルパターンは、最も内周に位置する最内周ターンと、最も外周に位置する最外周ターンとを有し、
   前記第４のコイルパターンは、軸方向における前記一端に位置し、前記第３のコイルパターンの前記最内周ターンに接続された最下部ターンと、前記軸方向における前記他端に位置する最上部ターンとを有し、
   前記第２のコイルパターンと前記第４のコイルパターンが接続されていることを特徴とする請求項４に記載のコイル部品。
6. 前記最外周ターン及び前記最上部ターンのパターン幅は、前記第１及び第２のコイルパターンを構成する他のいずれかのターンのパターン幅よりも狭いことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のコイル部品。
7. 前記第１又は第２のコイルパターンは、前記最外周ターン又は前記最上部ターンから数えたターン数が前記第１及び第２のコイルパターンの合計ターン数の中間である中間ターンと、前記第１及び第２のコイルパターンの合計線路長の中心位置とを有し、
   前記最外周ターン及び前記最上部ターンのパターン幅よりも、前記中間ターン及び前記中心位置におけるパターン幅の方が大きいことを特徴とする請求項６に記載のコイル部品。
8. 前記最上部ターンから前記中間ターンまでの各ターンのパターン幅の合計値又は平均値よりも、前記最外周ターンから前記中間ターンまでの各ターンのパターン幅の合計値又は平均値の方が大きいことを特徴とする請求項７に記載のコイル部品。
9. 前記第１のコイルパターンを構成する各ターンは、スパイラル状のスリットによって径方向に分離された複数の導体パターンからなり、
   前記第２のコイルパターンを構成する各ターンは、ヘリカル状のスリットによって軸方向に分離された複数の導体パターンからなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のコイル部品。
10. 前記平板部の他方の表面を覆う第１の磁性部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のコイル部品。
11. 前記筒状部の内径領域に配置された第２の磁性部材をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のコイル部品。

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