JP2005333427A - 伝送線路型コモンモードノイズフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】 分布定数素子型の構造にすることにより、高速差動伝送路との特性インピーダンスの整合性を図ることができ、この結果、差動信号の波形を乱すことなくサージ対策を行うと共に小型化及び製造コストの低減化を図ることができる伝送線路型コモンモードノイズフィルタを提供する。
【解決手段】 外部電極１０−１，〜，１１−２をチップ２の外側に取り付けた構造をなす。チップ２は、１対の信号線路４−１，４−２とグランド電極３−１，３−２とを有し、信号線路４−１，４−２が断面矩形状のバリスタブロック部５で被覆され、磁性体６がグランド電極３−１，３−２間に充填された構造をなす。そして、バリスタブロック部５は、ＺｎＯ系又はＳｒＴｉＯ3系のバリスタ材料で形成され、このバリスタブロック部５の機能によりサージ対策が行われる。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）規格やＤＶＩ（Digital Visual Interface）規格などの高速差動伝送路に生じるノイズを除去するためのコモンモードノイズフィルタに関するものである。

コモンモードノイズフィルタは、磁性体とこの磁性体で被覆された1対のコイルとを有し、コモンモードノイズに対して大きなインピーダンスを発生するインダクタとして機能することで、コモンモードノイズを阻止する素子である。
しかし、最近では、このようなEMC(Electromagnetic Compatibility)対策だけでなく、サージ電圧の対策も図ったコモンモードノイズフィルタが提案されている(例えば、特許文献１)。

図１３は、特許文献１に開示されたコモンモードノイズフィルタを示す斜視図である。
このコモンモードノイズフィルタでは、インダクタ素子を１対有するインダクタブロック１０１と、バリスタ素子を有するバリスタブロック１０２，１０３とで積層体１００を構成している。そして、上記インダクタ素子の内部線路の両端に電気的に接続させるための外部電極１１１，１１２，１１３，１１４をこの積層体１００の側面に形成すると共に、上記バリスタ素子の内部電極を、上記インダクタ素子の内部線路の端部に電気的に接続した構成となっている。
かかる構成により、バリスタ素子に接続される外部電極１１１，１１２，１１３，１１４の一端をグランドに接続することで、サージ電流の流入時に、サージ電流をグランドに流し落とすことにより、コモンモードノイズフィルタ自身の保護と次段の電子回路の保護とを図っている。

ところで、コモンモードノイズフィルタには、上記のような集中定数素子として機能するフィルタの他に、分布定数素子として機能して高周波の信号に適した伝送線路型のコモンモードノイズフィルタもある（例えば、特願２００２−３４８４５４号など）。このような伝送線路型コモンモードノイズフィルタにおいては、別個のバリスタ素子を当該フィルタの前段や後段に取り付けて、サージ対策を行う。

特開平０９−２８３３３９号公報

しかしながら、図１３に示した従来のコモンモードノイズフィルタでは、フィルタ全体が集中定数素子であるので、高速差動伝送路に使用すると、インタフェースとの間で特性インピーダンスの不整合が生じ、伝送する差動信号の波形を乱すおそれがある。
一方、伝送線路型コモンモードノイズフィルタでは、サージ対策を施す場合には、別個のバリスタ素子を接続しなければならず、フィルタの小型化が困難になるとともに、製造コストが高くなるという問題がある。

この発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、バリスタ部分も含めた全体として分布定数素子型の構造にすることにより、高速差動伝送路との特性インピーダンスの整合性を図ることができ、この結果、差動信号の波形を乱すことなくサージ対策を行うことができると共に小型化及び製造コストの低減化を図ることができる伝送線路型コモンモードノイズフィルタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明に係る伝送線路型コモンモードノイズフィルタは、磁性体と、この磁性体内部に平行に近接配置された１対以上の信号線路と、磁性体の上面及び下面にそれぞれ配置されたグランド電極と、１対以上の信号線路を内包した状態で磁性体内部に配置され且つバリスタ材料で形成されたバリスタブロック部とを具備する構成とした。
かかる構成により、磁性体内部に平行に近接配置された１対以上の信号線路に互いに逆向きの差動信号が流れると、これらの差動信号によって生じた磁束がバリスタブロック部内に集中し、差動信号に対する磁性損失が低下する。また、同方向のコモンモードノイズが、１対以上の信号線路に流れると、これらのノイズによって生じた磁束が磁性体内に拡散し、ノイズに対する磁性損失が増加する。
バリスタブロック部の持つバリスタ電圧よりも大きいサージ電圧が一対以上の信号線路に印加された場合は、バリスタブロック部のバリスタ材料のインピーダンスが小さくなり、サージ電流をグランド電流に逃がす。

請求項２の発明は、請求項１に記載の伝送線路型コモンモードノイズフィルタにおいて、１対の信号線路を構成する２本の信号線路を、グランド電極と略平行になるように横並びに配置した構成とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載の伝送線路型コモンモードノイズフィルタにおいて、１対の信号線路を構成する２本の信号線路を、グランド電極と略垂直になるように縦並びに配置した構成とする。
かかる構成により、差動信号が流れるノーマルモード時の磁束がバリスタブロック部５内に集中する割合が多くなる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の伝送線路型コモンモードノイズフィルタにおいて、バリスタブロック部のバリスタ材料は、ＺｎＯ系又はＳｒＴｉＯ3系のバリスタ材料である構成とした。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の伝送線路型コモンモードノイズフィルタにおいて、１対の信号線路の各信号線路は、ミアンダ状のコイル又はスパイラル状のコイルである構成とした。
かかる構成により、長い信号線路を狭い面積中に形成することができる。

以上詳しく説明したように、この発明の伝送線路型コモンモードフィルタによれば、コモンモード時に、ノイズに対する磁性損失を増加させて、コモンモードノイズを減衰させることにより、効果的にノイズを除去することができる。また、バリスタ電圧よりも大きいサージ電圧が印加された場合には、バリスタブロック部のバリスタ材料が分布定数素子としての微小内部抵抗として機能し、サージ電流をグランド電極側に逃がすので、効率的なサージ対策を実行することができる。
さらに、バリスタブロック部のコンデンサ成分が一定して分布した状態になり、フィルタ内の特性インピーダンスを一定にできるため、高速差動伝送路との間で特性インピーダンスの整合がとれ、波形乱れのない差動信号の伝送が可能となる。

また、請求項２の発明によれば、１対以上の信号線路を同一平面上に形成できるので、積層型のフィルタの製造コストを低減することができると共に、フィルタの薄型化も図ることができる。

また、請求項３の発明によれば、ノーマルモード時の磁束がバリスタブロック部内に集中する割合が多くなるので、より高周波の差動信号に対応することができる。

また、請求項５の発明によれば、長い信号線路を狭い面積中に形成することができるので、伝送線路型コモンモードフィルタ自体を小型化することができると共に、ノイズ抑制効果とサージ抑制効果をも高めることができる。

以下、この発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る伝送線路型コモンモードフィルタの分解斜視図であり、１対の信号線路を透視して示す。図２は、この図１の矢視Ａ−Ａ断面図である。
図１に示すように、この伝送線路型コモンモードフィルタ１は、チップ２に４つの外部電極１０−１，１０−２，１１−１，１１−２を取り付けた構造となっている。

チップ２は、伝送線路型コモンモードフィルタ１の本体をなすもので、１対のグランド電極３−１，３−２と、１対の信号線路４−１，４−２と、バリスタブロック部５と、磁性体６とを有している。

グランド電極３−１，３−２は、Ｃｕ，ＡｌやＡｇで形成された導電板であり、図２に示すように、磁性体６の外側の上面及び下面に平行に配置されている。

信号線路４−１，４−２は、Ｃｕ，ＡｕやＡｇで形成された等幅のストレートな導電線であり、磁性体６の内部略中央部に平行に近接配置されている。すなわち、信号線路４−１，４−２は、図２に示すように、グランド電極３−１，３−２と略垂直になるように縦並びに近接して配置されている。

バリスタブロック部５は、サージ対策用の部分であり、バリスタ材料で形成された非磁性の絶縁体である。具体的には、バリスタブロック部５は、ＺｎＯ系又はＳｒＴｉＯ3系のバリスタ材料で形成されており、断面矩形状の内部に信号線路４−１，４−２全体を内包している。

磁性体６は、Ｎｉ−Ｚｎフェライトなどの磁性材料で形成された所定厚さの板体であり、バリスタブロック部５を包むようにして、グランド電極３−１，３−２の間に充填されている。

外部電極１０−１，１０−２は、図１に示すように、このようなチップ２の両端に露出している信号線路４−１の両端面に接触した状態で取り付けられ、また、外部電極１１−１，１１−２は信号線路４−２の両端面に接触した状態で取り付けられている。

伝送線路型コモンモードフィルタ１は、図２に示すように、１対の信号線路４−１，４−２をバリスタブロック部５で被覆すると共に、磁気損失の大きな磁性体６をバリスタブロック部５の外側に充填し、磁性体６の上下面にグランド電極３−１，３−２をそれぞれ配設した構造になっており、伝送線路型コモンモードフィルタ１全体が分布定数型素子の構造をなしている。
すなわち、図３の等価回路図で示すように、伝送線路型コモンモードフィルタ１は、微小インダクタΔＬ１及び微小レジスタΔＲ１及び接地された微小バリスタΔＺと微小インダクタΔＬ２及び微小レジスタΔＲ２及び接地された微小バリスタΔＺとでなる微小フィルタ部Δｆが直列に分布した構造になっているものとして捉えることができる。

次に、この実施例の伝送線路型コモンモードフィルタ１が示す作用及び効果について説明する。
図４は、伝送線路型コモンモードフィルタ１の使用例を示す概略図であり、図５は、伝送線路型コモンモードフィルタ１のノーマルモード時に生じる磁界の状態を示す断面図であり、図６は、伝送線路型コモンモードフィルタ１のコモンモード時に生じる磁界の状態を示す断面図である。
例えば、伝送線路型コモンモードフィルタ１をパーソナルコンピュータのＵＳＢインタフェースのフィルタとして使用する場合には、図４に示すように、ＵＳＢコネクタ２００とＵＳＢコントローラ２０１との間に接続する。
具体的には、図１に示す外部電極１０−１，１０−２を、差動信号Ｄ^＋を通すデータライン２１１に接続すると共に、外部電極１１−１，１１−２を、差動信号Ｄ^＋とは逆位相の差動信号Ｄ⁻を通すデータライン２１２に接続する。なお、符号２１３，２１４は、電源Ｖdd及びグランドＧＮＤ用のフェライトビーズインダクタである。

かかる状態で、ノーマルモード時に、差動信号Ｄ＋が信号線路４−１を通り、逆向きの差動信号Ｄ−が信号線路４−２を通ると、図５に示すように、信号線路４−１を通る差動信号Ｄ＋によって生じる磁界Ｈの向きと、信号線路４−２を通る差動信号Ｄ−によって生じる磁界Ｈの向きとが逆になる。このため、磁界Ｈ，Ｈがバリスタブロック部５に集中して、バリスタブロック部５内の磁束密度が非常に大きくなり、バリスタブロック部５外の磁性体６中の磁束密度は非常に小さくなる。この結果、信号線路４−１，４−２を通る差動信号Ｄ＋，Ｄ−に対する磁性損失が小さくなり、差動信号Ｄ＋，Ｄ−がほとんど減衰することなく、信号線路４−１，４−２を伝わることとなる。
特に、この実施例では、信号線路４−１，４−２を上下に近接して並べたので、かかるノーマルモード時に、バリスタブロック部５内を通る磁束密度が非常に大きくなり、より高周波の差動信号Ｄ＋，Ｄ−に対応することができる。

一方、コモンモード時には、信号線路４−１を通るノイズと信号線路４−２を通るノイズの向きが同じになる。したがって、図６に示すように、信号線路４−１，４−２を通るノイズによって生じる磁界Ｈの向きは同じになる。このため、信号線路４−１，４−２近傍のバリスタブロック部５内の磁束密度は小さくなり、磁界Ｈの大部分がバリスタブロック部５の外側の磁性体６に存在した状態になる。この結果、信号線路４−１，４−２を通るノイズに対する磁性損失が大きくなり、ノイズは信号線路４−１，４−２を伝わる間に大部分が減衰することとなる。

さらに、この実施例の伝送線路型コモンモードフィルタ１は、データライン２１１，２１２にサージ電圧が加わった場合において、そのサージ電圧を抑制する機能も有している。
図７は、サージ電圧がバリスタ電圧より高い場合の作用を示す等価回路図である。
かかる構造において、サージ電圧が外部電極１０−１，１１−１に加わると、サージ電流Ｓが伝送線路型コモンモードフィルタ１内に流入する。

サージ電圧がバリスタブロック部５の持つバリスタ電圧よりも大きい場合には、図７に示すように、各微小バリスタΔＺのインピーダンスがほとんど０となり、直流のサージ電流Ｓをグランド電極３−１，３−２側に逃がす。すなわち、伝送線路型コモンモードフィルタ１の外部電極１０−１，１０−２間及び外部電極１１−１，１１−２間に分布的形成された微小バリスタΔＺ群により、大きなサージ電流Ｓが順次グランド電極３−１，３−２側に逃がされて、サージ対策が実行される。

このように、この実施例の伝送線路型コモンモードフィルタ１によれば、バリスタブロック部５も含めた全体が分布定数素子型の構造になっているので、コモンモードノイズ対策をとることができるだけでなく、ＵＳＢコネクタ２００やＵＳＢコントローラ２０１などの高速差動伝送路との特性インピーダンスの整合性を図ることができ、この結果、差動信号Ｄ＋，Ｄ−の波形を乱すことなくサージ対策を行うことができると共に、伝送線路型コモンモードフィルタ１の小型化及び製造コストの低減化を図ることができる。

次に、この発明の第２実施例について説明する。
図８は、第２実施例に係る伝送線路型コモンモードフィルタの構造及びノーマルモード時に生じる磁界の状態を示す断面図であり、図９は、第２実施例に係る伝送線路型コモンモードフィルタのコモンモード時に生じる磁界の状態を示す断面図である。
図８に示すように、この実施例の伝送線路型コモンモードフィルタは、１対の信号線路４−１，４−２をグランド電極３−１，３−２と略平行になるように横並びに配置した点が、上記第１実施例と異なる。
すなわち、信号線路４−１，４−２をグランド電極３−１，３−２と平行な平面上に横並びに平行に近接配置し、その外側にバリスタブロック部５を形成した。

かかる構成により、ノーマルモード時に、差動信号Ｄ＋，Ｄ−が信号線路４−１，４−２を通ると、図８に示すように、互いに逆向きの差動信号Ｄ＋，Ｄ−によって生じる磁界Ｈ，Ｈがバリスタブロック部５に集中して、差動信号Ｄ＋，Ｄ−に対する磁性損失が小さくなり、差動信号Ｄ＋，Ｄ−がほとんど減衰することなく、信号線路４−１，４−２を伝わることとなる。
また、コモンモード時には、同方向のノイズが信号線路４−１，４−２を通ると、図９に示すように、信号線路４−１，４−２を通るノイズによって生じる磁界Ｈの大部分がバリスタブロック部５の外側の磁性体６に存在した状態になり、ノイズに対する磁性損失が大きくなって、信号線路４−１，４−２を伝わる間に大部分が減衰することとなる。

このように、この実施例では、１対の信号線路４−１，４−２を同一平面上に形成する構成としたので、グランド電極３−１，３−２と磁性体６とバリスタブロック部５と信号線路４−１，４−２とを積層して製造する伝送線路型コモンモードフィルタにおいて、製造コストを抑えることができると共に、伝送線路型コモンモードフィルタ自体の薄型化が可能である。
その他の構成、作用及び効果は上記第１実施例と同様であるので、その記載は省略する。

次に、この発明の第３実施例について説明する。
図１０は、第３実施例に係る伝送線路型コモンモードフィルタの要部である信号線路を示す斜視図である。
図１０に示すように、この実施例の伝送線路型コモンモードフィルタでは、ミアンダ状コイル７−１，７−２を縦並びに近接配置することで、１対の信号線路を構成し、これらミアンダ状コイル７−１，７−２をバリスタブロック部５で被覆した。
かかる構成により、第１及び第２実施例の信号線路４−１，４−２のようなストレートな線路に比べて、信号線路の長さを長くすることができるので、伝送線路型コモンモードフィルタ自体のサイズを小型化することができると共に、コモンモードノイズ抑制効果とサージ抑制効果を高めることができる。
その他の構成、作用及び効果は上記第１実施例と同様であるので、その記載は省略する。

次に、この発明の第４実施例について説明する。
図１１は、第４実施例に係る伝送線路型コモンモードフィルタの要部である信号線路を示す斜視図である。
図１１に示すように、この実施例の伝送線路型コモンモードフィルタでは、スパイラル状コイル８−１，８−２を縦並びに近接配置することで、１対の信号線路を構成し、これらスパイラル状コイル８−１，８−２をバリスタブロック部５で被覆した。好ましくは、スパイラル状コイル８−１，８−２の端子部８１，８２を、ビアホール８１ａ，８２ａを用いてスパイラル状コイル８−１，８−２の本体の下側に位置させる。そして、スパイラル状コイル８−１の端子部８１をスパイラル状コイル８−２の端子部８２と本体との間隙Ｂに挿入する。
その他の構成、作用及び効果は上記第１及び第３実施例と同様であるので、その記載は省略する。

なお、この発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
例えば、上記実施例では、信号線路４−１，４−２を内包するバリスタブロック部５の外側に同一の磁性体６を設けたが、図１２に示すように、グランド電極３−１，３−２の間に同一の磁性体６，６を積層して、これら磁性体６，６の間に、バリスタブロック部５の両側を挟んだ樹脂９−１，９−２を介挿し、樹脂９−１，９−２を磁性体入りの樹脂で形成しても、上記実施例と同様の作用効果を奏することは勿論である。かかる構造にすることで、伝送線路型コモンモードフィルタの製作性の向上を図ることができる。

また、上記実施例では、１対の信号線路４−１，４−２（７−１，７−２、８−１，８−２）をバリスタブロック部５で被覆した構造としたが、複数対の信号線路４−１，４−２（７−１，７−２、８−１，８−２）をバリスタブロック部５で被覆した構造にして、ＤＶＩ規格等、複数対のデータラインを有した高速差動伝送路に対応させることもできる。

この発明の第１実施例に係る伝送線路型コモンモードフィルタの分解斜視図である。 この図１の矢視Ａ−Ａ断面図である。 伝送線路型コモンモードフィルタの等価回路図である。 伝送線路型コモンモードフィルタの使用例を示す概略図である。 伝送線路型コモンモードフィルタのノーマルモード時に生じる磁界の状態を示す断面図である。 伝送線路型コモンモードフィルタのコモンモード時に生じる磁界の状態を示す断面図である。 サージ電圧がバリスタ電圧より低い場合の作用を示す等価回路図である。 第２実施例に係る伝送線路型コモンモードフィルタの構造及びノーマルモード時に生じる磁界の状態を示す断面図である。 第２実施例に係る伝送線路型コモンモードフィルタのコモンモード時に生じる磁界の状態を示す断面図である。 第３実施例に係る伝送線路型コモンモードフィルタの要部である信号線路を示す斜視図である。 第４実施例に係る伝送線路型コモンモードフィルタの要部である信号線路を示す斜視図である。 実施例の一変形例を示す断面図である。 サージ電圧対策技術を備えた従来のコモンモードノイズフィルタの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１…伝送線路型コモンモードフィルタ、 ２…チップ、 ３−１，３−２…グランド電極、 ４−１，４−２，７−１，７−２，８−１，８−２…信号線路、 ５…バリスタブロック部、 ６…磁性体、 １０−１，１０−２，１１−１，１１−２…外部電極、 Ｈ…磁界、 Ｓ…サージ電流。

Claims (5)

1. 磁性体と、
   この磁性体内部に平行に近接配置された１対以上の信号線路と、
   上記磁性体の上面及び下面にそれぞれ配置されたグランド電極と、
   上記１対以上の信号線路を内包した状態で上記磁性体内部に配置され且つバリスタ材料で形成されたバリスタブロック部と
   を具備することを特徴とする伝送線路型コモンモードノイズフィルタ。
2. 請求項１に記載の伝送線路型コモンモードノイズフィルタにおいて、
   上記１対の信号線路を構成する２本の信号線路を、上記グランド電極と略平行になるように横並びに配置した、
   ことを特徴とする伝送線路型コモンモードノイズフィルタ。
3. 請求項１に記載の伝送線路型コモンモードノイズフィルタにおいて、
   上記１対の信号線路を構成する２本の信号線路を、上記グランド電極と略垂直になるように縦並びに配置した、
   ことを特徴とする伝送線路型コモンモードノイズフィルタ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の伝送線路型コモンモードノイズフィルタにおいて、
   上記バリスタブロック部のバリスタ材料は、ＺｎＯ系又はＳｒＴｉＯ3系のバリスタ材料である、
   ことを特徴とする伝送線路型コモンモードノイズフィルタ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の伝送線路型コモンモードノイズフィルタにおいて、
   上記１対の信号線路の各信号線路は、ミアンダ状のコイル又はスパイラル状のコイルである、
   ことを特徴とする伝送線路型コモンモードノイズフィルタ。

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