JP2005295102A - フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】 ノイズおよび雷サージ等を吸収し、あるいは抑圧する機能をもった、電源回路において使用できる小形のフィルタを提供する。
【解決手段】 インダクタ部１４と、その両側に絶縁層１５，１６を介して一体化したキャパシタ部１７，１８と、さらにこれらの上に設けられた絶縁保護層１９，２０とで、セラミック素子１が構成されている。インダクタ部１４は、軟磁性体材料からなるセラミック基体内に、その内部に、素子主面２，３と直交する方向に平行に配置された、２組のスパイラル状導体層１０５，１０６とからなり、キャパシタ部１７，１８は、バリスタ材料からなるセラミック基体と、その内部に素子主面２，３と平行に配置した導電体層とで構成されたバリスタ１０７〜１１１からなる。これら導電体層は電極端子６〜９，１２，１３に所定のフィルタ構成となるよう接続されている。
【選択図】 図２

Description

本発明はフィルタ、特にノイズおよびサージを阻止しあるいは吸収するための機能を備えたフィルタに関する。

情報通信ネットワークが社会基盤の重要なひとつとして整備され、さらにその高度化が進められている。これと並行して、日常生活に使用される各種機器、たとえば家庭電化製品に情報処理機能とデータ送受機能などを持たせ、それらをネットワークの端末要素として使用するための開発が進められており、その一部が実用化されている。このように、新たな使用方法を可能にした機器が実用化されるに伴って、ネットワークの端末数が飛躍的に増大するだけでなく、また使用の形態も多様化しようとしている。

これら機器の多くは商用電源から電力の供給を受けるものであることから、電源ラインからサージやノイズの侵入する可能性がきわめて高い。さらには、機器の内部で発生するサージやノイズが、その電源回路を通して電源ライン等を通して外部へ放射される可能性もある。

ネットワークの信頼性を保持するためには、それに接続される端末機器に、データ伝送ラインについてのサージ対策やノイズ対策に加えて、電源ラインについても雷サージやノイズなどの異常電圧から防護するための対策を講じておくことがきわめて重要となる。

電子機器や電気機器におけるサージやノイズについての内部対策として、インダクタやキャパシタ、抵抗などの個別部品を使用し、あるいはそのチップ部品で構成したフィルタがこれまで広く使用されてきた。さらに、これら機器において、小型化や低消費電力化等に伴って、インダクタおよびキャパシタを一体化してチップ状としたフィルタ（例えば、特許文献１参照）や、キャパシタをバリスタで構成することによってバリスタ作用をする多機能のフィルタが提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。
特開２００３−１００５２４号公報 特開平４−２５７１１１号公報 特開２０００−７７２６５号公報

チップ状のフィルタの多くはセラミック材料で構成されており、小形、軽量で信頼性の高い部品であるという特長をあるものの、これまで実用に供されてきたフィルタはその電流容量が非常に小さいということもあって、データ伝送回路用として使用されているにとどまっている。

ところが、電源回路用のフィルタには、負荷すなわち主回路要素への電流が常時流れることから、その電流容量が大きく、また、エネルギーの大半が１０ｋＨｚ以下の低い周波数範囲にある雷サージの侵入をも効果的に阻止しなければならないことから、遮断周波数の低いことが求められる。

このような大電流容量であって、低遮断周波数という要求を満たすフィルタは、これまで個別の素子で対応しなければならず、各種機器における情報処理やデータ送受のための機能部分を小形、軽量化する上で大きな制約となっていた。

本発明は、キャパシタ要素とインダクタ要素とを一体化した、ノイズおよび雷サージ等を吸収し、あるいは抑圧する機能をもった、電源回路において使用できる小形のフィルタを提供しようとするものである。

本発明にかかるフィルタは、内部に平行な複数の電極層が配置されたセラミックバリスタからなる複数のキャパシタ要素と、これらキャパシタの間に配置された、軟磁性セラミックスおよびその内部にスパイラル状に形成された導電層からなるインダクタ要素とが一体化された直方体状のセラミック素子と、この素子上に配置された、各要素を電気的に外部へ導出するための電極とを備えている。

本発明にかかるフィルタにおいて、キャパシタ要素間にインダクタ要素を配置したことにより、キャパシタ要素の電極層がインダクタ要素を磁気的にシールドし、インダクタ要素に発生する磁束がこの要素内部に実質的に閉じ込められて、外部への漏出が抑制されることから、良好なインダクタンス特性を得ることが容易となる。また、外来ノイズについてもキャパシタ要素の電極層がインダクタ要素をシールドすることから、外来ノイズに起因する内部ノイズの発生を抑制することができる。また、インダクタ要素においてスパイラル状の導体層を素子主面と直交する方向に複数並置し、それらを接続することでインダクタンス値の大きなインダクタンス要素が容易に得られる。

また、キャパシタ要素の電極層が良導体であり、素子端面や側面近傍にまで広い面積にわたって形成されていることから、インダクタ要素が通電によって発熱することがあっても、その熱を外部へ容易に放散させることができ、温度上昇による特性低下、特に磁気特性の低下の効果的に抑制することができる。特に、電源回路で使用するフィルタでは、比較的大きな電流を常時流す必要があることから、このような構成は有用となる。

以下、本発明における実施の形態の一例として、たとえば各種機器の電源回路部などに組み込まれて使用されるフィルタについて、図面を参照しながら詳述する。

図１はこのフィルタの斜視図、図２（Ａ）は図１のＸ−Ｘに沿った断面図、図２（Ｂ）は同じくＹ−Ｙ線に沿った断面図、図３はそのインダクタ部におけるスパイラル状導電体の形状の一例を示す斜視図である。図４はこのフィルタの製造方法の一例を説明するための図であり、図５（Ａ）（Ｂ）および図６（Ａ）（Ｂ）はインダクタ部を形成するために使用するシート部材の平面図、図７（Ａ）（Ｂ）、図８（Ａ）（Ｂ）および図９はバリスタ部を形成するために使用するシート部材の平面図である。図１０はこのフィルタの回路図である。

図１に示すように、このフィルタは、平行な二つの主面２，３を有する、直方体状のセラミック素子１と、これら主面２，３に直交する平行な二つの端面４，５上にそれぞれ選択的に設けられ、さらにそれぞれの両端部が主面２，３上に延設されている電極端子６，７および同８，９と、これらの面４，５や主面２，３に直交する二つの側面１０，１１の上にそれぞれ選択的に設けられ、さらにそれぞれの両端部が主面２，３上に延設されている電極端子１２，１３とを備える。電極端子６および同８、電極端子７および同９、電極端子１２および同１３はそれぞれ対向するよう配置されている。なお、電極１２，１３は一体的に形成され、互いに接続されたものであってもよい。

セラミック素子１は、インダクタ部１４と、その両側に絶縁層１５，１６をそれぞれ介在させて一体化したキャパシタ部１７，１８と、さらにこれらキャパシタ部１７，１８上に一体的に配置されて、主面２，３をそれぞれ有する絶縁保護層１９，２０とで構成されている。

さらに、インダクタ部１４は、軟磁性体材料からなるセラミック基体と、その内部に、中心軸が主面２，３と直交する方向に配置された、扁平形状の２組のスパイラル状導体層とで構成されている。これらスパイラル状導体層の一端部はそれぞれ電極端子６，８に、またそれらの他端部はそれぞれ電極端子７，９に接続されている。

キャパシタ部１７，１８は、バリスタ材料からなるセラミック基体と、その内部に主面２，３に対して平行に配置した複数の導電体層とで構成されている。これら導電体層は、その主要部が、後述するように、その周縁部分が素子１の主面２，３、側面１０，１１近傍まで達する広い面積に形成されており、その面方向が主面２，３と同方向になるよう配置されており、その端子部分が電極端子６，７，８，９，１２，１３に所定の回路構成となるよう選択的に接続されている。

インダクタ部１４を構成する軟磁性体材料としては、ＮｉおよびＺｎを含むフェライト材料、たとえばＦｅ₂（Ｎｉ，Ｚｎ）Ｏ₄からなる焼結体を使用することができる。

また、キャパシタ部１７，１８を形成するためのバリスタ材料としては、ＺｎＯを主成分とし、Ｂｉ₂Ｏ₃，Ｓｂ₂Ｏ₃，Ｃｏ₂Ｏ₃，ＭｎＯ₂およびＮｉＯなどを添加した含有させたものが、比較的低い温度で焼成できることから、実際的である。内部導体層を形成するための材料として、Ａｇまたはその合金が、導電性に優れ、かつ比較的安価であることから推奨される。ところが、Ａｇの融点は９６３℃とかなり低く、これより低い温度でキャパシタ部１７，１８を構成するためには、上述のようなＺｎＯを主成分とし、Ｂｉ₂Ｏ₃をはじめとする成分を含む材料が実際的である。さらにその静電容量を増大させるには、バリスタ層の薄いこと、その一方で希望する導通電圧を実現する必要性があることから、成分たとえばＳｂ₂Ｏ₃の組成比率によって、あるいはさらに他の成分たとえば希土類酸化物、ＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅などを添加含有することによって、このような相反する要請を実現する上で、この種ＺｎＯ材料が推奨される。

上述の構造のフィルタの製造方法について、図４を用いて説明する。

まず、片面にスクリーン印刷法でＡｇペースト層が所定のパターンで形成された、インダクタ部形成のためのグリーンシート１４ａ〜１４ｄと、キャパシタ部形成のためのグリーンシート１７ａ〜１７ｆおよび同１８ａ〜１８ｆとを準備するとともに、絶縁保護層形成のためのグリーンシート１９ａ，２０ａと、上述のインダクタ部５とその両側に設けられるキャパシタ部１７，１８との間に介在する絶縁層形成のためのグリーンシート１５ａ，１６ａとを準備する。

次に、インダクタ部５を形成するためのグリーンシート１４ａ〜１４ｄについて述べる。

グリーンシート１４ａには、図５（Ａ）に示すように、その一方の主面の、周縁に沿った所定の幅の部分を除いた領域上に、シート短辺にほぼ平行にスクリーン印刷法によってＡｇペーストを幅狭の帯状パターンで選択的に塗布して、希望するコイルターン数と等しい数のＡｇペースト帯状体１４１ａが平行に形成されている。さらに、これら帯状体１４１ａの両端部分にはランド部１４２ａがそれぞれ設けられており、各ランド部１４２ａにはシート１４ａを貫通するヴィアホール１４３ａが形成されている。そして、ヴィアホール１４３ａ内にはＡｇペーストが充填されて、帯状体１４１ａの各両端の一部分がシート１４ａの他方の主面側にまで延長された構造とされている。

またグリーンシート１４ｂには、図５（Ｂ）に示すように、その一方の主面の、同図（Ａ）に示したグリーンシート１４ａの各帯状体１４１ａのランド部と対応した位置にそれぞれランド部１４２ｂを有し、シート１４ａと重ね合わせたときに帯状体１４１ａと接続されて、連続した一方のスパイラル状導体層を形成するよう、Ａｇペースト帯状体１４１ｂがスクリーン印刷法で平行に塗布形成されている。そして、シート１４ａにおける一方の短辺側のランド部１４２ａと接続された端子用パターン部１４４ａ、ならびにシート１４ｂにおける他方の短辺側のランド部１４２ｂと接続された端子用パターン部１４４ｂがそれぞれ設けられている。

さらに、グリーンシート１４ｃ，１４ｄについても、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、パターンがそれらの一方の主面に沿ったシート長辺と平行な中心軸に関してグリーンシート１４ａ，１４ｂのそれぞれの長辺と平行な中心軸に関して対称な、Ａｇペーストからなる帯状体１４１ｃ，１４１ｄ、それらの両端部分に設けたランド部１４２ｃ，１４２ｄ、および端子用パターン部１４４ｃ，１４４ｄがスクリーン印刷法で形成されている。帯状体１４１ｃの両端部のランド部１４２ｃそれぞれにはあらかじめヴィアホール１４３ｃが穿設され、その内部をＡｇペーストで充填されており、グリーンシート１４ｄ上にグリーンシート１４ｃを位置合わせして重ねたときに、対応するランド部１４２ｃ，１４２ｄ同士が接続されて、他方のスパイラル状導体層が形成される。

バリスタ部１７を形成するためのグリーンシート１７ａ〜１７ｆについて述べる。

グリーンシート１７ａ，１７ｃには、図７(Ａ)に示すように、それぞれの一方の主面上の、シート周縁に沿った所定の幅の部分を除く残余の領域における電極パターン部と、一方のシート短辺の一端側にまで延びる端子用パターン部１７２ａ，１７２ｃを備えた、Ａｇペースト層１７１ａ，１７１ｃをスクリーン印刷法で形成する。そして、グリーンシート１７ｂ，１７ｅには、図７(ｂ)に示すように、同様の方法で一方のシート短辺の他端側にまで延びる端子用パターン部１７２ｂ，１７２ｅを備えたＡｇペースト層１７１ｂ，１７１ｅを形成する。このパターンは、シート長辺と平行な中心軸に関して、Ａｇペースト層１７１ａ，１７１ｃのパターンと対称としている。

さらに、グリーンシート１７ｄ，１７ｆには、図９に示すように、同様の方法でそれぞれの一方の主面上の、周縁に沿う所定の幅の部分を除いた残余の領域全域における電極パターン部と、両シート長辺中央部分にまで延びる端子用パターン部１７２ｄ，１７２ｆを備えたＡｇペースト層１７１ｄ，１７１ｆを形成する。

バリスタ部１８を形成するためのグリーンシート１８ａ〜１８ｆについて述べる。

グリーンシート１８ｂ，１８ｅ、および同１８ｄ，１８ｆには、図８（Ａ）（Ｂ）に示すように、それらの一方の主面上に同様の方法で端子用パターン部１８２ｂ，１８２ｅを有するＡｇペースト層１８１ｂ，１８１ｅ、および端子用パターン部１８２ｄ，１８２ｆを有するＡｇペースト層１８１ｄ，１８１ｆを形成する。これらのパターンは、それぞれグリーンシート１７ａ，１７ｃおよび同１７１ｂ，１７１ｅにおけるＡｇペースト層パターンと短辺に平行な中心軸に関して対称としている。

さらに、グリーンシート１８ａ，１８ｃには、グリーンシート１７ｄ，１７ｆにおけるＡｇペースト層１７１ｄ，１７１ｆと同じ、図９に示すパターンのＡｇペースト層１８１ａ，１８１ｃを形成する。これらＡｇペースト層１８１ａ，１８１ｃには、シート両長辺にまで延びる端子用パターン部１８２ａ，１８２ｃがそれぞれ設けられている。

絶縁保護層を形成するためのグリーンシート１９ａ、バリスタ要素形成のためのグリーンシート１７ａ〜１７ｆ、絶縁層形成のためのグリーンシート１５ａ、インダクタ要素形成のためのグリーンシート１４ａ〜１４ｄ、絶縁層形成のためのグリーンシート１６ａ、バリスタ要素形成のためのグリーンシート１８ａ〜１８ｆ、および、絶縁保護層形成のためのグリーンシート２０ａを、図４に示すように、層間から空気が排出されるようにして重ね合わせて、所定の圧力で一体化してから、脱バインダー処理をし、さらに焼成して、セラミック素子１を得る。

このセラミック素子１において、インダクタ部１４およびキャパシタ部１７，１８の、端面４，５および側面１０，１１上に、そこに表出している導電体部分を覆うよう、電極端子６，７、同８，９および同１２，１３をそれぞれ選択的に形成する。これらは、グリーンシートを積層し一体化してから、所定の領域にＡｇペーストを選択的に印刷し、素子１と同時焼成することによって形成する。あるいは、まずグリーンシートの積層体を焼成したのち、電極材料を選択的に印刷し、焼付けて形成してもよい。

上述のようにして作製したフィルタにおいて、Ａｇペースト帯状体１４１ａ，１４１ｂおよびヴィアホール１４３ａ内に充填されたＡｇペーストが焼成されて図３に示すスパイラル状の一方の導体層１０５が形成される。また、Ａｇペースト帯状体１４１ｃ，１４１ｄおよびヴィアホール１４３ｃ内に充填されたＡｇペーストが焼成されることによって、形状が図３に示した導体層１０５とそのコイル軸に関して対称な、他方のスパイラル状の導体層１０６が形成される。これら導体層１０５，１０６は素子主面２，３に対して直交する方向に配置される。これら導体層１０５，１０６とそれらを囲む軟磁性体材料からなるセラミック基体とによって、図１および図２に示すインダクタ部５が形成される。

また、Ａｇペースト層１７１ａ，１７１ｂ、同１７１ｃ，１７１ｄ、および同１７１ｅ，１７１ｆが焼成されて得られる電極層とそれらの間のバリスタ材料からなるセラミック層とによって、図２に示すバリスタ１０７，１０９，１１１からなる一方のキャパシタ部１７が構成される。さらに、Ａｇペースト層１８１ａ，１８１ｂ、同１８１ｃ，１８１ｄ、および同１８１ｅ，１８１ｆが焼成されて得られる電極層とそれらの間のバリスタ材料からなるセラミック層とによって、図２に示すバリスタ１１０，１１２，１０８からなる他方のキャパシタ部１７が構成される。

このフィルタの回路構成は、図１０に示すように、電極端子６，７が商用電源等の外部電源または機器本体部などの負荷のいずれか一方に接続され、電極端子８，９がその他方に接続される。そして、電極端子１２，１３はアース端子として接地される。スパイラル状の導体層１０５，１０６はそれぞれ電極端子６，８間、電極端子７，９間に配置されて、コモンモードコイルを構成する。また、バリスタ１０７，１０８は端子６，７間、端子８,９間に配置され、線間バリスタを構成する。また、バリスタ１０９〜１１２は、それぞれ電極端子６，８，７，９と電極端子１２，１３との間に配置され、対地バリスタを構成する。

このように線間バリスタ１０７，１０８を、各ラインとアースとの間にバリスタ１０９〜１１２をそれぞれ設けたことにより、外部雷や内部雷といったサージや各種ノイズを効果的に除去することできる。すなわち、バリスタ１０７〜１１２の導通電圧を超える電圧のサージやノイズに対して、バリスタ１０７，１０９，１１１またはバリスタ１０８，１１０，１１２が導通して、機器の損傷や誤動作を防止し、あるいは機器外への放射を阻止して他の機器に悪影響を及ぼすことを未然に防止する。バリスタ１０７〜１１２の導通電圧に達しない電圧の各種ノイズに対しては、それがコモンモードであるときには、コイル１０５，１０６の作用によってバリスタ１０９，１１１またはバリスタ１１０，１１２が、また、ノーマルモードであるときには、バリスタ１０７，１０８がキャパシタとして働き、機器の誤動作等を防止する。

そして、コイル１０５，１０６に関してバリスタ１０７〜１２を対称の関係に配置したことにより、フィルタをチップ部品としたとき、プリント配線基板上に実装する上で、その取付けの方向性に自由度を持たせることができる。

なお、図１１に示すように、上述の図４に示した例におけるグリーンシート１７aに代えてグリーンシート１７ｆを配置し、グリーンシート１８ｆに代えてグリーンシート１８ａを配置することによって、グリーンシート１７ａ，１７ｅ、およびグリーンシート１７ｂ，１８ｆを必要とすることなく、同じ回路構成を実現することができ、フィルタの薄型化、コストの低減を可能とする。

また、上述の例では、インダクタ部１４におけるスパイラル状導体層を素子主面に対してその軸方向が平行になるよう構成したが、スパイラル状導体層を渦巻状のパターンとし、素子主面に対して直角方向となるよう構成してもよい。

上述の例のフィルタによれば、キャパシタ部１７，１８間にインダクタ部１４を配置したことにより、キャパシタ部１７，１８の電極層がインダクタ部１４を磁気的にシールドし、負荷電流によって発生する磁束をインダクタ部１４内に実質的に閉じ込み、外部への漏出を効果的に抑制できることから、インダクタンス特性を得ることが容易となる。また、外来ノイズについてもキャパシタ１７，１８の電極層がインダクタ部１４をシールドすることから、それに起因する内部ノイズの発生を抑制することができる。

さらにキャパシタ部１７，１８の電極層が良導体であり、またその面積が広いことから、負荷電流が流れることによってインダクタ部１４に発生する熱を外部へ容易に放散することができ、温度上昇による磁気特性の低下を効果的に抑制することができる。

本発明にかかるフィルタの実施形態の一例の斜視図である。 （Ａ）は図１のＸ−Ｘに沿った断面図、（Ｂ）は同じくＹ−Ｙ線に沿った断面図である。 この実施の形態におけるインダクタ部のスパイラル状導電体の形状の一例を示す斜視図である。 この実施形態のフィルタの製造方法を説明するためのグリーンシートの配置関係を示す斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）はこの実施形態におけるインダクタ部を形成するためのグリーンシートの平面図である。 （Ａ）（Ｂ）はこの実施形態におけるインダクタ部を形成するためのグリーンシートの平面図である。 （Ａ）（Ｂ）はこの実施形態におけるキャパシタ部を形成するためのグリーンシートの平面図である。 （Ａ）（Ｂ）はこの実施形態におけるキャパシタ部を形成するためのグリーンシートの平面図である。 この実施形態におけるキャパシタ部を形成するためのグリーンシートの平面図である。 この実施形態の回路図である。 本発明における他の実施形態のフィルタの製造方法を説明するためのグリーンシートの配置関係を示す斜視図である。

符号の説明

１ セラミック素子
２，３ 主面
４，５ 端面
６〜９ 電極端子
１０，１１ 側面
１２，１３ 電極端子
１４ インダクタ部
１４ａ〜１４ｄ インダクタ部形成のためのグリーンシート
１５，１６ 絶縁層
１５ａ，１６ａ 絶縁層形成のためのグリーンシート
１７，１８ キャパシタ部
１７ａ〜１７ｆ，１８ａ〜１８ｆ キャパシタ部形成のためのグリーンシート
１９，２０ 絶縁保護層
１９ａ，２０ａ 絶縁保護層形成のためのグリーンシート
１０５，１０６ スパイラル状の導体層
１０７〜１１２ バリスタ
１４１ａ〜１４１ｄ Ａｇペーストからなる帯状体
１４２ａ〜１４２ｄ ランド部
１４３ａ，１４３ｃ ヴィアホール
１４４ａ〜１４４ｄ 端子用パターン部
１７１ａ〜１７１ｆ Ａｇペースト層
１７２ａ〜１７２ｆ 端子用パターン部
１８１ａ，１８１ｂ，１８１ｃ，１８１ｅ Ａｇペースト層
１８２ａ〜１８２ｆ 端子用パターン部

Claims (6)

1. 内部に平行な複数の電極層が配置されたセラミックバリスタからなる複数のキャパシタ要素と、前記キャパシタの間に配置された、軟磁性セラミックスおよびその内部にスパイラル状に形成された導電層からなるインダクタ要素とが一体化された直方体状のセラミック素子と、前記セラミック素子上に配置された、各要素を電気的に外部へ導出するための電極とを備えていることを特徴とするフィルタ。
2. 前記インダクタ要素はスパイラル状導電層を複数有し、前記導電層が前記セラミック素子の主面と平行であって、かつ互いに前記主面に対して直行する方向に並置されていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
3. 前記キャパシタ要素内の電極と、前記インダクタ要素内の導体層とが同種の導電体材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
4. 前記導電体材料がＡｇまたはＡｇ合金であることを特徴とする請求項３に記載のフィルタ。
5. 前記キャパシタ要素と前記インダクタ要素との間に絶縁層を介在させたことを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
6. 前記絶縁層がセラミック磁性体からなることを特徴とする請求項５に記載のフィルタ。