JP2005347379A - コモンモードフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】 特性インピーダンスの調整が可能で、かつ、高周波の信号を通過させることのできるコモンモードフィルタを提供する。
【解決手段】 コモンモードフィルタ１は、巻芯部２１を有する磁性体コア２と、巻芯部２１の両端にそれぞれ設けられた電極２４、２５と、巻芯部２１に巻回されると共に両端が電極２４、２５にそれぞれ接続された巻線４、５と、巻芯部２１に螺旋状に巻かれ、巻芯部２１の両端でグランドと電気的に接続された断面が四角形の平角線３を備え、巻線４、５は、平角線３上に平角線３に沿って巻かれている。
【選択図】図１

Description

本発明はコモンモードフィルタに関し、特に、特性インピーダンスの調整が可能で、かつ、高周波の信号を通過させることのできるコモンモードフィルタに関する。

コモンモードフィルタは、各種電子機器による輻射ノイズ等をフィルタリングするために使用されるコイル部品であり、コアに複数本の巻線を密着させて巻きつけた構造となっている。

図５（a）は、磁性体コア１０２に２本の巻線１０４、１０５を密着させて巻いた従来のコモンモードフィルタ１０１を示す図である。磁性体コア１０２は、円柱状の巻芯部１２１と、その両端に形成された略角柱状の鍔部１２２、１２３とを有し、鍔部１２２は、外部端子（図示せず）と接続される電極１２４、電極１２５を、鍔部１２３は、別の外部端子（図示せず）と接続される電極１２６、１２７を備えている。巻線１０４、１０５は、それぞれ絶縁物により被覆されており、互いに強く密着した状態で巻芯部１２１に螺旋状にバイファイラ巻きされている。巻線１０４の両端部は電極１２４、１２６と接続されており、巻線１０５の両端部は電極１２５、１２７と接続されている。２本の巻線１０４、１０５は、それぞれ差動の信号線として働く。

図５（ｂ）は、磁性体コア２０２に３本の巻線２０４、２０５、２０６を密着させて巻いた従来のコモンモードフィルタ２０１を示す図である。磁性体コア２０２は、円柱状の巻芯部２２１と、その両端に形成された略角柱状の鍔部２２２、２２３とを有し、鍔部２２２は、外部端子（図示せず）と接続される電極２２４、２２５、２２６を、鍔部２２３は、別の外部端子（図示せず）と接続される電極２２７、２２８、２２９を備えている。

巻線２０４、２０５、２０６は、それぞれ絶縁物により被覆されており、互いに強く密着した状態で巻芯部２２１に螺旋状にトリファイラ巻きされている。巻線２０４の両端部は電極２２４、２２７と、巻線２０５の両端部は電極２２５、２２８と、巻線２０６の両端部は電極２２６、２２９と接続されている。巻線２０４、２０５は、それぞれ差動信号線として働き、巻線２０６は、グランド線として働く（例えば、特許文献１参照）。

図５（ａ）に示したコモンモードフィルタ１０１を例にコモンモードフィルタの動作を説明する。信号は、２本の巻線１０４、１０５に互いに逆方向の信号として入力される。このように差動入力された信号によって磁性体コア１０２上に生じる磁束は互いに逆方向となり、打ち消し合う。そのため、磁界が生じず、インピーダンス（インダクタンス）を上昇させないので、信号は減衰することなく出力される。

一方、コモンモードノイズは、各巻線１０４、１０５の同方向に生じるため、磁性体コア１０２上に生じる磁束は互いに同方向の磁束となり、重畳して強め合う。そのため、磁界が発生し、インピーダンス（インダクタンス）を上昇させるので、コモンモードノイズを減衰させることができる。このようにして、コモンモードフィルタ１０１は、信号を減衰させることなくノイズのみを減衰させることができる。

図５（ｂ）に示したコモンモードフィルタ２０１は、差動信号線２０４、２０５以外にグランド線として機能する巻線２０６を有している点が図５（ａ）に示したコモンモードフィルタ１０１と異なっているが、上記した動作原理に従い、同様にコモンモードノイズを減衰させることができる。
特開２００３−７７７３０号公報

ところで、近年では、ＤＶＩやＩＥＥＥ等の信号伝送方式による高速差動伝送が登場し、このような高速差動伝送でのノイズを除去するためにもコモンモードフィルタが用いられている。しかしながら、コモンモードフィルタも差動信号を全く減衰させないというわけではないため、信号に高周波成分の多い信号を伝送する場合、コモンモードフィルタの特性によっては、ノイズだけでなくその高周波成分の信号をも減衰させてしまう場合がある。

例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）とパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を結ぶ場合に用いられるＤＶＩ伝送方式では、ＬＣＤの解像度がＳＸＧＡの場合には信号伝送周波数が５６０ＭＨｚとなる。第３次、第５次高調波までも考慮すると、少なくとも２．５ＧＨｚの信号を減衰させない特性のコモンモードフィルタが必要となるが、そのような特性のコモンモードフィルタを製造するのは非常に困難である。

また、コモンモードフィルタを信号の伝送路に挿入することにより、そのインダクタンス成分や浮遊容量により伝送路の特性インピーダンスを変化させてしまう。特性インピーダンスに変化が生じると、伝送路における特性インピーダンスの不整合点で信号が反射を起こし、信号の通常帯域が狭くなるため、信号の減衰や歪みを起こすこととなる。そのため、通常は、特性インピーダンスの整合がとられるが、従来のコモンモードフィルタでは、特性インピーダンスの調整をすることができなかった。

図５（ａ）に示したコモンモードフィルタ１０１の場合、コモンモードフィルタ１０１をプリント基板上に配置した際に、巻線１０４、１０５とプリント基板のグランド層との間には浮遊容量が存在する。この浮遊容量の容量成分により、コモンモードフィルタの特性インピーダンスが変化してしまう。この特性インピーダンスが変化する要因の１つとして巻線１０４、１０５−グランド層間の距離によって浮遊容量の値に変動が生じることが挙げられる。そのため、使用する基板の厚みによって特性インピーダンスが変化してしまう。また、コモンモードフィルタ１にはグランド線が無いため、グランド線にノイズが重畳した場合に十分なノイズ減衰効果を得られない場合もある。

図５（ｂ）に示したコモンモードフィルタ２０１の場合、トリファイラ巻きの真中に位置する巻線２０６をグランド線とすると、信号線である巻線２０４と巻線２０５の間にグランド線が挟まれることにより巻線２０４−２０５間の距離が離れることととなる。信号線同士の距離が離れると磁気結合が弱くなるため、磁束の打ち消し合いが少なくなる。そのため、差動信号に対する磁界によるインダクタンスが上昇し、高周波信号を減衰させてしまうこととなる。また、インダクタンスの上昇により特性インピーダンスも上昇するため、特性インピーダンスの不整合が生じる。

本発明は、グランドラインに重畳するノイズを除去し、高周波信号を通過させ、かつ、特性インピーダンスを調整することのできるコモンモードフィルタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、巻芯部を有する磁性体コアと、 巻芯部の両端にそれぞれ設けられた複数の電極と、巻芯部に巻回されると共に両端が電極にそれぞれ接続された少なくとも２本の巻線とを備え、巻線のうち少なくとも一本は、巻芯部に螺旋状に巻かれ、巻芯部の両端で電極と電気的に接続された板状導体であり、他の巻線は、板状導体上に板状導体に沿って巻かれていることを特徴としている。

このような構成によると、板状導体と巻線との間の浮遊容量が大きくなるため、板状導体の幅を変更することにより、コモンモードフィルタに発生する浮遊容量が変化し、コモンモードフィルタの特性インピーダンスも変化する。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、磁性体コアは巻芯部の両端に鍔部を有し、電極は、鍔部に形成されていることを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、板状導体は巻芯部に直に形成されていることを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、巻線は複数であり、互いに絶縁されていることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、板状導体又は巻線の少なくとも一方は絶縁被膜されていることを特徴としている。

このような構成によると、板状導体と巻線は絶縁される。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、板状導体と板状導体以外の巻線との間に絶縁シートをおいたことを特徴としている。

このような構成によると、板状導体と巻線は絶縁される。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、巻線を巻芯部と協働して挟むプレートコアを備えたことを特徴としている。

このような構成によると、プレートコアにより閉磁路ができ、磁束の透磁率が上がる。

本発明の請求項１に記載のコモンモードフィルタによれば、板状導体の幅を変更することにより、コモンモードフィルタの特性インピーダンスを変化させることができ、また、巻線間のクロストークを低減させることができる。

本発明の請求項２に記載のコモンモードフィルタによれば、巻芯部の両端に鍔部を備えているため、基板等に実装する際に容易に実装することができる。

本発明の請求項３に記載のコモンモードフィルタによれば、板状導体が巻芯部に直に形成されているため、板状導体を巻芯部に巻くという作業が必要なくなり、また、コモンモードフィルタ自体のサイズも小型化にすることができる。

本発明の請求項４に記載のコモンモードフィルタによれば、差動信号を扱うことができる。

本発明の請求項５に記載のコモンモードフィルタによれば、板状導体又は巻線のいずれか一方を被覆するという簡単な構成で板状導体と巻線とを絶縁することができる。

本発明の請求項６に記載のコモンモードフィルタによれば、板状導体と巻線の間に絶縁シートを置くという簡単な構成で板状導体と巻線とを絶縁することができる。

本発明の請求項７に記載のコモンモードフィルタによれば、プレートコアを備えたことにより、コモンモードフィルタの透磁率が上がるため、コモンモードインピーダンスが上がり、コモンモードノイズを更に低下させることができる。

本発明の第１の実施の形態によるコモンモードフィルタについて図１から図３を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態によるコモンモードフィルタ１の構成を示す図である。コモンモードフィルタ１は、磁性体コア２と、板状導体３と、巻線４、５とを備えている。なお、図１は便宜上、巻線４、５が板状導体３から遊離した状態で描かれているが、実際は巻線４、５は板状導体３に密接し、磁性体コア２に堅固に巻回されている。

図２（ａ）は、磁性体コア２の斜視図、図２（ｂ）は、磁性体コア２の底面図である。磁性体コア２は、円柱状の巻芯部２１と、その両端に形成された略角柱状の鍔部２２、２３とを有し、鍔部２２は、外部端子（図示せず）と接続される電極２４、２５を、鍔部２３は、別の外部端子（図示せず）と接続される電極２６、２７を備えている。板状導体３は、銅や銀からなる帯状の薄膜導体であり、巻芯部２１に螺旋状に直に形成されている。板状導体３の両端部は、鍔部２２、２３に延在し、電極としての役割も果たす。板状導体３の形成にはトリミング技法を用い、磁性体コア２全体にメッキをし、板状導体３として必要な部分以外のメッキを除去する。

巻線４、５は、それぞれ絶縁物により被覆されており、互いに強く密着した状態で板状導体３上にバイファイラ巻きされている。巻線４の両端部は電極２４、２６と接続されており、巻線５の両端は電極２５、２７と接続されている。巻線４、５は、それぞれ差動信号線として働き、板状導体３は、グランド線として働く。

後述するように、板状導体３−巻線４、５間には浮遊容量が存在しており、本実施の形態では、この浮遊容量を大きくする。この板状導体３−巻線４、５間の浮遊容量を大きくするために、板状導体３の幅を大きくとり、巻線４、５を板状導体３上に配置するようにする。具体的には、板状導体３の幅は、少なくとも巻線４及び巻線５の半径の合計値よりも広くする。一方、板状導体３の幅が広すぎると、隣り合うターンの板状導体３と交わってしまう。この場合、巻芯部２１の全体が薄膜導体となってしまうが、巻線４、５に流れる電流により、薄膜導体となった巻芯部２１にも相互誘導により電流が流れ、巻線４、５に流れる電流を妨げる磁界を生じさせてしまう。従って、板状導体３の幅は、隣り合うターンの板状導体３と交わることのない幅でなければならない。

次に、図１に示したコモンモードフィルタ１の動作について説明する。信号は、２本の巻線４、５に互いに逆方向の信号として入力される。このように差動入力された信号によって磁性体コア２上に生じる磁束は互いに逆方向となり、打ち消し合う。そのため、磁界が生じず、インピーダンス（インダクタンス）を上昇させないので、信号は減衰することなく出力される。

一方、コモンモードノイズは、各巻線３、４、５の同方向に生じるため、磁性体コア２上に生じる磁束は互いに同方向の磁束となり、重畳して強め合う。そのため、磁界が発生し、インピーダンス（インダクタンス）を上昇させるので、コモンモードノイズを減衰させることができる。このようにして、コモンモードフィルタ１は、信号を減衰させることなくノイズのみを減衰させることができる。

図３は、コモンモードフィルタ１をプリント基板６上に配置した様子を示す縦断面図である。プリント基板６は、積層構造となっており、中間の層にグランド層６１を有している。グランド層６１は、コモンモードフィルタ１上の鍔部２２、２３上の電極としての板状導体３と電気的に接続されている（図示せず）。

コモンモードフィルタ１には、巻線４、５のペア（以下、ペアライン７と称す。）−板状導体３間、ペアライン７−グランド層６１間、隣り合うペアライン７間に、それぞれ浮遊容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３が存在する。この浮遊容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の合計値により、伝送路の特性インピーダンスは変化する。

ここで、容量Ｃは、
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ（εは定数）
で表される。これは、容量Ｃは、容量成分を発生させる物質の断面積Ｓに比例し、距離ｄに反比例することを意味する。

本実施の形態によるコモンモードフィルタ１では、グランド線である板状導体３の面積Ｓが広く、ペアライン７−板状導体３間の距離ｄが短いため、浮遊容量Ｃ１は大きくなる。一方、ペアライン７−板状導体３間の距離と比べると、ペアライン７−グランド層６１間の距離は、はるかに長いため、浮遊容量Ｃ２は、浮遊容量Ｃ１よりもはるかに小さくなる。そのため、浮遊容量Ｃ１が支配的となり、浮遊容量Ｃ２は無視できることとなる。

また、隣り合うペアライン７間にも浮遊容量Ｃ３が存在するが、この場合にも同様の理由で浮遊容量Ｃ３は、浮遊容量Ｃ１と比べてはるかに小さくなるので、浮遊容量Ｃ１が支配的となる。

このようにして、コモンモードフィルタ１に発生する浮遊容量は、コモンモードフィルタ１が搭載されるプリント基板６によらず、ペアライン７−板状導体３間の浮遊容量Ｃ１と実質的に同一であるとみなすことができるので、特性インピーダンスもプリント基板６によらず一定となる。一方、板状導体３の面積を変える、即ち板状導体３の幅を変更することにより、コモンモードフィルタ１に発生する浮遊容量を変化させることができる。従って、板状導体３の幅を変更するだけで、プリント基板６に配置した際の特性インピーダンスを予め調整することができる。

また、浮遊容量Ｃ３は、各ペアライン７間にクロストークを引き起こす原因となる。しかしながら、この場合にも、浮遊容量Ｃ３は浮遊容量Ｃ１と比べてはるかに小さいので、浮遊容量Ｃ１が支配的となる。つまり、ペアライン７−板状導体３の結合の方が各ペアライン７間の結合より強くなるため、隣り合うペアライン間には電力が漏れにくくなる。このようにして、各ペアライン７間のクロストークを軽減させることができる。

さらに、巻線４、５間の距離が短くなることによって巻線４、５間の磁気結合が強くなるため、磁束がより効率よく打ち消し合うこととなる。従って、磁界によるインダクタンスの上昇がなく、高周波の信号を通過させることができる。

本発明の第２の実施の形態によるコモンモードフィルタについて図４を参照しながら説明する。図４は、第１の実施の形態によるコモンモードフィルタ１にプレートコア８を取り付ける様子を示す図である。プレートコア８は、フェライトや誘電体等の板状のコアで、コモンモードフィルタの上面に取り付けられる。コモンモードフィルタ１にプレートコア８を取り付けることにより、磁性体コア２とプレートコア８とで閉磁路を形成することができる。この閉磁路により磁束の透磁率が上がるので、コモンモードノイズに対するインピーダンスのみを上昇させ、コモンモードノイズをさらに低減することができる。

本発明によるコモンモードフィルタ１は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、巻線４、５を被覆する代わりに板状導体３を被膜しても良いし、巻線４、５と板状導体３の双方を被覆しても良い。また、巻線４、５と板状導体３との間に絶縁シートを置いても良い。また、板状導体３は、平角線であっても良いし、メッキ法、スパッタ法、蒸着法等で形成される金属膜であっても良い。更に、板状導体３は巻芯部２１に直に形成されていなくても良い。また、巻線は１本でも良く、また、２本以上でも良い。板状導体３はグランドに接続されなくてもよい。

本発明の第１の実施形態によるコモンモードフィルタ１の構成を示した傾視図である。 （ａ）は、磁性体コア２の斜視図、（ｂ）は、磁性体コア２の底面図である。 コモンモードフィルタ１をプリント基板６上に配置した様子を示した縦断面図である。 は、コモンモードフィルタ１にプレートコア８を取り付ける様子を示した図である。 （a）は、フェライトもしくは誘電体のドラムコアに２本の巻線を密着させて巻いたコモンモードフィルタを示した傾視図であり、（ｂ）は、フェライトもしくは誘電体のドラムコアに３本の巻線を密着させて巻いたコモンモードフィルタを示した傾視図である。

符号の説明

１ コモンモードフィルタ
２ 磁性体コア
３ 板状導体
４、５ 巻線
７ ペアライン
８ プレートコア
２１ 巻芯部
２２、２３ 鍔部
２４、２５ 電極

Claims (7)

1. 巻芯部を有する磁性体コアと、
   前記巻芯部の両端にそれぞれ設けられた複数の電極と、
   前記巻芯部に巻回されると共に両端が前記電極にそれぞれ接続された少なくとも２本の巻線と、
   を備えたコモンモードフィルタであって、
   前記巻線のうち少なくとも一本は、前記巻芯部に螺旋状に巻かれ、前記巻芯部の両端で前記電極と電気的に接続された板状導体であり、
   前記板状導体以外の前記巻線は、前記板状導体上に前記板状導体に沿って巻かれていることを特徴とするコモンモードフィルタ。
2. 前記磁性体コアは前記巻芯部の両端に鍔部を有し、前記電極は、前記両端の鍔部にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコモンモードフィルタ。
3. 前記板状導体は前記巻芯部に直に形成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載のコモンモードフィルタ。
4. 前記巻線は複数であり、互いに絶縁されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のコモンモードフィルタ。
5. 前記板状導体又は前記巻線の少なくとも一方は絶縁被膜されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のコモンモードフィルタ。
6. 前記板状導体と前記板状導体以外の前記巻線との間に絶縁シートをおいたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のコモンモードフィルタ。
7. 前記巻線を前記巻芯部と協働して挟むプレートコアを備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のコモンモードフィルタ。

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