JP7627610B2

JP7627610B2 - バラントランス

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Publication number: JP7627610B2
Application number: JP2021075567A
Authority: JP
Inventors: 祐樹橋本; 敏之阿部; 武史奥村; 朋永西川; 将典鈴木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2025-02-06
Anticipated expiration: 2041-04-28
Also published as: JP2022169879A; WO2022230442A1

Description

本発明はバラントランスに関し、特に、複数のコイルパターンが同軸状に積層された構造を有するチップ型のバラントランスに関する。

通常、アンテナなどに接続される伝送線路は不平衡伝送線路である一方、半導体ＩＣなどの高周波回路に接続される伝送線路は平衡伝送線路である。このため、不平衡伝送線路と平衡伝送線路とを接続する場合、これらの間には不平衡信号及び平衡伝送線路を相互に変換するバラントランスが挿入される。ここで、不平衡信号とは固定電位（例えば接地電位）を基準としたシングルエンド型の信号を指し、平衡信号とは差動型の信号を指す。特許文献１には、複数のコイルパターンが同軸状に積層された構造を有するチップ型のバラントランスが開示されている。

特開平９－２６０１４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたバラントランスでは、１次巻線と２次巻線の磁気結合を高めることは困難であった。

したがって、本発明は、１次巻線と２次巻線の磁気結合が高められたバラントランスを提供することを目的とする。

本発明によるバラントランスは、第１乃至第４の端子電極と、第１の端子電極と第２の端子電極の間に並列に接続された第１及び第３のコイルパターンと、第３の端子電極と第４の端子電極の間に並列に接続された第２及び第４のコイルパターンとを備え、第１、第２、第３及び第４のコイルパターンがこの順に同軸状に積層されていることを特徴とする。

本発明によれば、１次巻線を構成し互いに並列に接続された第１及び第３のコイルパターンと、２次巻線を構成し互いに並列に接続された第２及び第４のコイルパターンが交互に積層されていることから、１次巻線と２次巻線の磁気結合を高めることが可能となる。

本発明によるバラントランスは、互いに並列に接続され、第１及び第３のコイルパターンに対して直列に接続された第５及び第７のコイルパターンと、互いに並列に接続され、第２及び第４のコイルパターンに対して直列に接続された第６及び第８のコイルパターンとをさらに備え、第５、第６、第７及び第８のコイルパターンがこの順に同軸状に積層されていても構わない。これによれば、より多くのターン数を確保することが可能となる。

この場合、第１及び第３のコイルパターンの外周端は第１の端子電極に共通に接続され、第２及び第４のコイルパターンの外周端は第３の端子電極に共通に接続され、第５及び第７のコイルパターンの外周端は第２の端子電極に共通に接続され、第６及び第８のコイルパターンの外周端は第４の端子電極に共通に接続され、第１及び第３のコイルパターンの内周端は第５及び第７のコイルパターンの内周端に共通に接続され、第２及び第４のコイルパターンの内周端は第６及び第８のコイルパターンの内周端に共通に接続されていても構わない。これによれば、端子電極とコイルパターンの接続が容易となる。

本発明によるバラントランスは、第１及び第３のコイルパターンに対して直列に接続された第５のコイルパターンと、第２及び第４のコイルパターンに対して直列に接続された第６のコイルパターンとをさらに備え、第１及び第３のコイルパターンの外周端は第１の端子電極に共通に接続され、第２及び第４のコイルパターンの外周端は第３の端子電極に共通に接続され、第５のコイルパターンの外周端は第２の端子電極に接続され、第６のコイルパターンの外周端は第４の端子電極に接続され、第１及び第３のコイルパターンの内周端は第５のコイルパターンの内周端に共通に接続され、第２及び第４のコイルパターンの内周端は第６のコイルパターンの内周端に共通に接続され、第５及び第６のコイルパターンのパターン幅は第１乃至第４のコイルパターンのパターン幅よりも広くても構わない。これによれば、ターン数の調整が容易であるとともに、各コイルパターンに流れる電流の電流密度の差を低減することが可能となる。

このように、本発明によれば、１次巻線と２次巻線の磁気結合が高められたバラントランスを提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるバラントランス１の構造を説明するための略透視斜視図である。図２は、バラントランス１の構造を説明するための略断面図である。図３は、導体層Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ７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、導体層Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６，Ｌ８のパターン形状を説明するための略平面図である。図５は、バラントランス１の等価回路図である。図６は、周波数と結合係数の関係を示すグラフである。図７は、周波数とインサーションロスの関係を示すグラフである。図８は、本発明の第２の実施形態によるバラントランス２の構造を説明するための略透視斜視図である。図９は、バラントランス２の構造を説明するための略断面図である。図１０は、導体層Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５のパターン形状を説明するための略平面図である。図１１は、導体層Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６のパターン形状を説明するための略平面図である。図１２は、バラントランス２の等価回路図である。

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。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるバラントランス１の構造を説明するための略透視斜視図である。また、図２は、バラントランス１の構造を説明するための略断面図である。

図１及び図２に示すように、第１の実施形態によるバラントランス１は、この順に積層された８層の導体層Ｌ１～Ｌ８と、これら導体層Ｌ１～Ｌ８を埋め込む磁性素体３と、端子電極Ｅ１～Ｅ４とを備えている。導体層Ｌ１～Ｌ８は、それぞれコイルパターン１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０を有しており、絶縁樹脂層４によって覆われている。導体層Ｌ１～Ｌ８は、絶縁樹脂層４を介して磁性素体３に埋め込まれている。磁性素体３からは、４つの端子電極Ｅ１～Ｅ４が露出している。磁性素体３は、鉄（Ｆｅ）やパーマロイ系材料などからなる金属磁性体フィラーと樹脂バインダーを含む複合部材であり、コイルパターン１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０に電流を流すことによって生じる磁束の磁路を構成する。樹脂バインダーとしては、液状又は粉体のエポキシ樹脂を用いることが好ましい。

端子電極Ｅ１，Ｅ２は、例えば１次側端子（不平衡信号端子）として用いられ、端子電極Ｅ３，Ｅ４は、例えば２次側端子（平衡信号端子）として用いられる。この場合、不平衡信号端子を構成する端子電極Ｅ１，Ｅ２の一方は不平衡伝送線路に接続され、他方はグランド配線に接続される。端子電極Ｅ３，Ｅ４は、一対の平衡伝送線路に接続される。

端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ２の間には、導体層Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ７に配置されたコイルパターン１０，３０，５０，７０が接続される。端子電極Ｅ３と端子電極Ｅ４の間には、導体層Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６，Ｌ８に配置されたコイルパターン２０，４０，６０，８０が接続される。

図３は、導体層Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ７のパターン形状を説明するための略平面図である。

図３に示すように、導体層Ｌ１，Ｌ３に含まれるコイルパターン１０，３０は、それぞれの外周端１１，３１が端子電極Ｅ１に共通に接続される。また、導体層Ｌ５，Ｌ７に含まれるコイルパターン５０，７０は、それぞれの外周端５１，７１が端子電極Ｅ２に共通に接続される。そして、導体層Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ７に含まれるコイルパターン１０，３０，５０，７０の内周端１２，３２，５２，７２が短絡される。コイルパターン１０，３０は、外周端１１，３１から内周端１２，３２に向かって反時計回り（左回り）に巻回され、コイルパターン５０，７０は、外周端５１，７１から内周端５２，７２に向かって時計回り（右回り）に巻回されている。導体層Ｌ３，Ｌ５，Ｌ７に含まれる中継パターン３３，５３，７３はコイルパターン３０，５０，７０とは独立しており、後述するコイルパターン２０，４０，６０，８０の内周端２２，４２，６２，８２に接続される。導体層Ｌ１に設けられるダミーパターン１３は、上層の導体層Ｌ２～Ｌ８においてこの部分の段差を防止するために設けられている。

図４は、導体層Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６，Ｌ８のパターン形状を説明するための略平面図である。

図４に示すように、導体層Ｌ２，Ｌ４に含まれるコイルパターン２０，４０は、それぞれの外周端２１，４１が端子電極Ｅ３に共通に接続される。また、導体層Ｌ６，Ｌ８に含まれるコイルパターン６０，８０は、それぞれの外周端６１，８１が端子電極Ｅ４に共通に接続される。そして、導体層Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６，Ｌ８に含まれるコイルパターン２０，４０，６０，８０の内周端２２，４２，６２，８２が短絡される。コイルパターン２０，４０は、外周端２１，４１から内周端２２，４２に向かって時計回り（右回り）に巻回され、コイルパターン６０，８０は、外周端６１，８１から内周端６２，８２に向かって反時計回り（左回り）に巻回されている。導体層Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６に含まれる中継パターン２３，４３，６３はコイルパターン２０，４０，６０とは独立しており、コイルパターン１０，３０，５０，７０の内周端１２，３２，５２，７２に接続される。

そして、本実施形態によるバラントランス１は、上記の構造を有するコイルパターン１０，３０，５０，７０とコイルパターン２０，４０，６０，８０が同軸状に交互に積層されている。このため、等価回路図である図５に示すように、端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ２の間には、並列接続されたコイルパターン１０，３０と、並列接続されたコイルパターン５０，７０が直列に接続され、端子電極Ｅ３と端子電極Ｅ４の間には、並列接続されたコイルパターン２０，４０と、並列接続されたコイルパターン６０，８０が直列に接続されることになる。ここで、各コイルパターン１０，３０，５０，７０のターン数は、４．５ターンであることから、合計で９ターンのコイルが端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ２の間に接続されることになる。同様に、各コイルパターン２０，４０，６０，８０のターン数は、４．５ターンであることから、合計で９ターンのコイルが端子電極Ｅ３と端子電極Ｅ４の間に接続されることになる。

図６は周波数と結合係数の関係を示すグラフ、図７は周波数とインサーションロスの関係を示すグラフであり、いずれも符号Ａは本実施形態によるバラントランス１の特性を示し、符号Ｂは一般的なバラントランスの特性を示している。一般的なバラントランスとは、コイルパターン１０，３０，５０，７０を全て直列に接続し、コイルパターン２０，４０，６０，７０を全て直列に接続したものであり、インダクタンス値を本実施形態によるバラントランス１と合わせるため、コイルパターンの総ターン数が９ターンに調整したものである。

図６及び図７に示すように、本実施形態によるバラントランス１は、一般的なバラントランスと比べて、結合係数が高く、且つ、特に高周波領域におけるインサーションロスが低いことが分かる。

このように、本実施形態によるバラントランス１は、並列接続されたコイルパターン１０，３０と並列接続されたコイルパターン２０，４０がこの順に同軸状に積層され、並列接続されたコイルパターン５０，７０と並列接続されたコイルパターン６０，８０がこの順に同軸状に積層されていることから、１次巻線を構成するコイルパターン１０，３０，５０，７０と、２次巻線を構成するコイルパターン２０，４０，６０，７０の磁気結合を高めることが可能となる。

しかも、端子電極Ｅ１～Ｅ４は、いずれも対応するコイルパターンの外周端に接続されていることから、コイルパターンと端子電極Ｅ１～Ｅ４の接続も容易である。

＜第２の実施形態＞
図８は、本発明の第２の実施形態によるバラントランス２の構造を説明するための略透視斜視図である。また、図９は、バラントランス２の構造を説明するための略断面図である。

図８及び図９に示すように、第２の実施形態によるバラントランス２は、この順に積層された６層の導体層Ｌ１～Ｌ６と、これら導体層Ｌ１～Ｌ６を埋め込む磁性素体３と、端子電極Ｅ１～Ｅ４とを備えている。導体層Ｌ１～Ｌ４の構成は第１の実施形態によるバラントランス１と同じであり、導体層Ｌ５，Ｌ６の構成が第１の実施形態によるバラントランス１と相違している。端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ２の間には、導体層Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５に配置されたコイルパターン１０，３０，５０が接続される。端子電極Ｅ３と端子電極Ｅ４の間には、導体層Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６に配置されたコイルパターン２０，４０，６０が接続される。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるバラントランス１と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１０は、導体層Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５のパターン形状を説明するための略平面図である。

図１０に示すように、導体層Ｌ１，Ｌ３に含まれるコイルパターン１０，３０のパターン形状は、第１の実施形態によるバラントランス１と同じである。導体層Ｌ５に含まれるコイルパターン５０は、外周端５１が端子電極Ｅ２に接続され、内周端５２がコイルパターン１０，３０の内周端１２，３２に共通に接続される。

図１１は、導体層Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６のパターン形状を説明するための略平面図である。

図１１に示すように、導体層Ｌ２，Ｌ４に含まれるコイルパターン２０，４０のパターン形状は、第１の実施形態によるバラントランス１と同じである。導体層Ｌ６に含まれるコイルパターン６０は、外周端６１が端子電極Ｅ４に接続され、内周端６２がコイルパターン２０，４０の内周端２２，４２に共通に接続される。

そして、本実施形態によるバラントランス２は、上記の構造を有するコイルパターン１０，３０，５０とコイルパターン２０，４０，６０が同軸状に交互に積層されている。このため、等価回路図である図１２に示すように、端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ２の間には、並列接続されたコイルパターン１０，３０と、コイルパターン５０が直列に接続され、端子電極Ｅ３と端子電極Ｅ４の間には、並列接続されたコイルパターン２０，４０と、コイルパターン６０が直列に接続されることになる。ここで、各コイルパターン１０，３０のターン数は４．５ターンであり、コイルパターン５０のターン数は２．５ターンであることから、合計で７ターンのコイルが端子電極Ｅ１と端子電極Ｅ２の間に接続されることになる。同様に、各コイルパターン２０，４０のターン数は４．５ターンであり、コイルパターン６０のターン数は２．５ターンであることから、合計で７ターンのコイルが端子電極Ｅ３と端子電極Ｅ４の間に接続されることになる。

本実施形態が例示するように、本発明によるバラントランスは、並列接続されるコイルパターンと並列接続されないコイルパターンが混在していても構わない。これによれば、全体の層数を削減することができるとともに、合計ターン数の調整が容易となる。しかも、本実施形態においては、コイルパターン５０，６０の径方向におけるパターン幅がコイルパターン１０，２０，３０，４０の径方向におけるパターン幅よりも広く、約２倍のパターン幅を有している。このため、各コイルパターンに流れる電流の電流密度の差を低減することが可能となる。さらに、本実施形態のように、１次巻線を構成するコイルパターン及び２次巻線を構成するコイルパターンをそれぞれ３層構造とした場合、一般的なバラントランスでは、１次巻線及び２次巻線のそれぞれの総ターン数を奇数とすることは困難であるが、本実施形態においては、１次巻線及び２次巻線のそれぞれの総ターン数を任意とすることが可能となる。

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、第１の実施形態によるバラントランス１においては、異なる導体層に位置する２つのコイルパターンを並列に接続しているが、異なる導体層に位置する３以上のコイルパターンを並列に接続しても構わない。

また、第１及び第２の実施形態によるバラントランス１，２においては、１次巻線と２次巻線のターン数が互いに等しいが、本発明においてこの点は必須でない。

１，２バラントランス
３磁性素体
４絶縁樹脂層
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０コイルパターン
１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１外周端
１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２，８２内周端
１３ダミーパターン
２３，３３，４３，５３，６３，７３中継パターン
Ｅ１～Ｅ４端子電極
Ｌ１～Ｌ８導体層

Claims

第１乃至第４の端子電極と、
並列に接続された第１及び第３のコイルパターンと、
並列に接続された第２及び第４のコイルパターンと、
並列に接続された第５及び第７のコイルパターンと、
並列に接続された第６及び第８のコイルパターンと、を備え、
前記第１及び第３のコイルパターンと前記第５及び第７のコイルパターンは、前記第１の端子電極と前記第２の端子電極の間に直列に接続され、
前記第２及び第４のコイルパターンと前記第６及び第８のコイルパターンは、前記第３の端子電極と前記第４の端子電極の間に直列に接続され、
前記第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７及び第８のコイルパターンがこの順に同軸状に積層されていることを特徴とするバラントランス。
前記第１及び第３のコイルパターンの外周端は、前記第１の端子電極に共通に接続され、
前記第２及び第４のコイルパターンの外周端は、前記第３の端子電極に共通に接続され、
前記第５及び第７のコイルパターンの外周端は、前記第２の端子電極に共通に接続され、
前記第６及び第８のコイルパターンの外周端は、前記第４の端子電極に共通に接続され、
前記第１及び第３のコイルパターンの内周端は、前記第５及び第７のコイルパターンの内周端に共通に接続され、
前記第２及び第４のコイルパターンの内周端は、前記第６及び第８のコイルパターンの内周端に共通に接続されることを特徴とする請求項１に記載のバラントランス。