JP2009089129A - ノイズフィルタおよびプリント基板ならびにケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】高周波帯でのフィルタを実装する際に、実装位置の制約を緩和し、十分なノイズ低減効果を得ることができるノイズフィルタを提供する。
【解決手段】フィルタモジュール１００内に、複数のフィルタ回路１１１、１１２と、フィルタ回路１１１、１１２間を接続する伝送線路１３０とを有し、フィルタ回路１１１、１１２が、伝送線路１３０に沿った距離において、該ノイズフィルタが除去対象とするノイズの周波数から算出される電磁波の波長の１／４の長さの間隔で互いに配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速信号を扱う電子機器、プリント配線基板、ケーブルに実装するノイズフィルタに関し、特に、放射ノイズ（ＥＭＩ：Electro Magnetic Interference）を抑制するフィルタのフィルタ構造に適用して有効な技術に関するものである。

高速なデジタル信号を取り扱う電子機器は、クロック信号やクロック信号に同期して変化するデータ信号によって、ノイズを放射する。この放射ノイズは、テレビ・ラジオ等に影響を与えるために、ＣＩＳＰＲ（国際無線障害特別委員会）や、ＶＣＣＩ（情報処理装置等電波障害自主規制協議会）、ＦＣＣ（米国連邦通信委員会）などの規格団体・国の規制によって、その測定方法や放射量が定められている。

この放射ノイズを抑制するために、デジタル信号に重畳する高周波成分ノイズやコモンモードのノイズを除去するノイズフィルタを信号配線やケーブルに装着する場合がある。ノイズフィルタにおいては、特開２００５−３３３４２７号公報（特許文献１）に記載されているように、フィルタを分布定数構造にすることで、高速線路の特性インピーダンスと整合させて、信号波形を乱すことなく放射ノイズを大きく低減させる構造をとっている。
特開２００５−３３３４２７号公報

しかしながら、従来技術のようなノイズフィルタを実装する場合、実装位置によってフィルタの効果に大きな差が生じる場合がある。例えば図８に示すように、コモンモードフィルタをケーブルに装着した際の装着位置とノイズ低減効果との間に関係があることが実験により明らかになっている。

実験は、図９に示す様な長さ１［ｍ］のセミリジッドケーブル（３．５φ［ｍｍ］）を信号発生器に接続し、信号（３７５［ＭＨｚ］正弦波）を印加し、シールデッドループアンテナでセミリジッドケーブルの近傍をスキャンし、アンテナに誘起される電圧をスペクトラムアナライザを用いて測定した。更に、セミリジッドケーブルの先端より０．２、０．４、０．６、０．８［ｍ］の位置にフェライトコアを通した時のアンテナに誘起される電圧を同様に測定したものである。

周波数３７５ＭＨｚの条件では、図１０に示したようにノイズの定在波の波長λは約０．８ｍとなり、腹・節は、１／４λ（０．２ｍ）毎に現れる。この実験では、図８に示すように、ノイズの腹となる１／４λ（０．２ｍ）、３／４λ（０．６ｍ）ではフィルタの効果があり、逆にノイズの節となる２／４λ（０．４ｍ）、λ（０．８ｍ）では、フィルタの効果を得られていないことがわかる。このように、フィルタを装着する際には、対象とする周波数のノイズの節付近を避けて装着しなければ十分な効果が得られない。

ところで、電子機器が高速化するとノイズの周波数も高くなる。そのため、フィルタも高周波に対応する必要がある。しかし前述したように、フィルタはノイズの節部以外に装着する必要がある。例えば、３ＧＨｚの帯域でノイズをフィルタリングする場合、比誘電率εｒを４．２とすると、波長λは約５０ｍｍとなり、腹・節までの距離１／４λは１２．５ｍｍという短い距離になる。そのため、フィルタの装着位置がわずかにずれると十分なフィルタ効果が得られない可能性があった。このためにフィルタの装着位置精度を高くする必要があり、実装上の制約も多くなるといった問題もあった。

そこで、本発明の目的は、高周波帯でのフィルタを実装する際に、実装位置の制約を緩和し、十分なノイズ低減効果を得ることができるノイズフィルタを提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明の代表的な実施の形態であるノイズフィルタは、フィルタモジュール内に、複数のフィルタ回路と、該フィルタ回路間を接続する伝送線路とを有し、前記複数のフィルタ回路のうちの少なくとも２つのフィルタ回路が、前記伝送線路に沿った距離において、該ノイズフィルタによって除去しようとするノイズの周波数から算出される電磁波の波長の１／４の長さの間隔で互いに配置されていることを特徴とするものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明の代表的な実施の形態によれば、フィルタモジュール内で、ノイズの腹と節との距離である１／４λの間隔の位置にそれぞれフィルタ回路を配置することで、ノイズの節以外の位置にフィルタ回路を配することができ、フィルタ効果を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

本発明の一実施の形態であるノイズフィルタは、フィルタモジュール内に２つ以上のフィルタ回路を有し、そのうちの少なくとも２つのフィルタ回路が、除去対象とするノイズの周波数から算出される波長の１／４の長さの間隔で互いに配置されているものである。なお、フィルタ回路とは、ノイズに対してフィルタ効果を発揮する回路素子の集合単位を指す。

＜実施の形態１＞
以下に本発明の実施の形態１のノイズフィルタとして、周波数３ＧＨｚでフィルタ効果が得られるコモンモードフィルタに本発明を適用した例について、図１〜図４を用いて説明する。

図１は、本実施の形態におけるフィルタモジュールの構成を示した概略図である。図１において、フィルタモジュール１００は、入力ポート１２１と、出力ポート１２２で合計４つの端子を持つ。フィルタモジュール１００のこれらの各ポートは、本実施の形態におけるフィルタ回路であるコモンモードチョークコイル１１１および１１２と、それらを結合する伝送線路１３０で、図示するように２系統で接合されている。また、フィルタモジュール１００の内部は、比誘電率εｒが１０程度のアルミナなどのセラミック材料である高誘電体材料１４０が充填されている。

ノイズの周波数ｆに対して、フィルタモジュール１００内での波長λおよび伝播速度Ｖｐは以下の式で求めることができる。

ここで、Ｃ０は真空中の光速度でＣ０＝２９９，７９２，４５８ｍ／ｓである。また、εｒ、μｒは、それぞれフィルタモジュール１００内部の充填材料の比誘電率、比透磁率である。このモジュールでのフィルタ効果が得られる３ＧＨｚ帯の場合、数１より、波長λは２２．４ｍｍとなり、１／４λは５．６ｍｍとなる。また、ノイズが距離１／４λを進むのに要する伝播時間は、ノイズの１／４周期で約８３ピコ秒となる。

本実施の形態におけるフィルタモジュール１００では、２つのフィルタ回路であるコモンモードチョークコイル１１１の中心と、コモンモードチョークコイル１１２の中心との間の距離を、１／４λと等しい長さ５．６ｍｍとしている。また、図２に示すフィルタモジュール１００の概観のように、フィルタモジュール１００の外形寸法は幅２．０ｍｍ、長さは１／４λよりも長い６．０ｍｍとしている。

従って、本実施の形態において、２つのフィルタ回路間（コモンモードチョークコイル１１１の中心とコモンモードチョークコイル１１２の中心との間）のノイズの伝播時間は１／４周期の約８３ピコ秒となる。なお、フィルタモジュール１００の入力ポート１２１と出力ポート１２２との間の伝播時間は、伝送線路１３０に沿った入力ポート１２１と出力ポート１２２との距離（本実施の形態ではフィルタモジュール１００の長さ６．０ｍｍとなる）と、前記伝播速度Ｖｐとから求めることができる。

図３に、フィルタの配置条件と波長λとの関係のいくつかのパターンを示す。パターン１では、ポート１２１端に定在波の節の部分、ポート１２２端に腹の部分がある場合である。この場合には、コモンモードチョークコイル１１１側でのフィルタ効果はほとんど得られないが、コモンモードチョークコイル１１２側では大きなフィルタ効果を得ることができる。

パターン２の場合には、定在波の腹の部分がフィルタモジュール１００の内部にあり、節の部分がフィルタモジュール１００の外部にある場合である。この場合には、コモンモードチョークコイル１１１および１１２ともに一定のフィルタ効果を得ることができ、全体として大きなフィルタ効果を得ることができる。

パターン３の場合には、逆に定在波の腹の部分がフィルタモジュール１００の外部にあり、節の部分がフィルタモジュール１００の内部にある場合である。この場合にも、パターン２と同様にコモンモードチョークコイル１１１および１１２ともに一定のフィルタ効果を得ることができ、全体として大きなフィルタ効果を得ることができる。

以上のように、１／４λの間隔で２つのコモンモードチョークコイル１１１および１１２をそれぞれ配置することで、例えば図４に示すように、プリント基板４１０上で送信用のＬＳＩ４００との位置関係を考慮することなくフィルタモジュール１００を配置し、ノイズ低減効果を得ることができる。これによって、プリント配線上の実装制約を低減することができ、設計を容易にすることが可能となる。

さらに、本実施の形態において、図１に示すようにフィルタモジュール１００の内部に高誘電体材料１４０を用いることで、ノイズの波長を短縮することができ、フィルタモジュール１００の小型化を図ることが可能となる。

＜実施の形態２＞
以下に本発明の実施の形態２のノイズフィルタとして、実施の形態１と同様に３ＧＨｚでフィルタ効果が得られるコモンモードフィルタに本発明を適用した例について、図５を用いて説明する。

図５は、本実施の形態におけるフィルタモジュールの構成を示した概略図である。図５において、フィルタモジュール５００は、入力ポート５２１と、出力ポート５２２で合計４つの端子を持つ。フィルタモジュール５００のこれらの各ポートは、３つのコモンモードチョークコイル５１１、５１２および５１３と、それらを結合する伝送線路５３１および５３２で、図示するように２系統で接合されている。また、フィルタモジュール５００の内部は、比誘電率εｒが１０程度のアルミナなどのセラミックによる高誘電体材料５４０が充填されている。

このフィルタモジュール５００の外形寸法は１／２λの長さより長くしており、１１．２ｍｍとしている。コモンモードチョークコイル５１１の中心と、コモンモードチョークコイル５１３の中心と、コモンモードチョークコイル５１２の中心との間の距離はそれぞれ、１／４λと等しい長さ５．６ｍｍとしている。

以上のように、１／４λの間隔でさらに多くのコモンモードチョークコイル５１１、５１２および５１３を配置することで、ノイズの定在波の節以外の位置に多くのフィルタ回路を配置することができ、全体として大きなノイズ低減効果を得ることができる。

＜実施の形態３＞
以下に本発明の実施の形態３のノイズフィルタとして、実施の形態１と同様に３ＧＨｚでフィルタ効果が得られるコモンモードフィルタに本発明を適用した例について、図６を用いて説明する。

図６は、本実施の形態におけるフィルタモジュールの構成を示した概略図である。各構成要素は、実施の形態２の図５の構成と同様であるのでここでの再度の説明は省略する。

本実施の形態では、フィルタモジュール６００の外形寸法は１／４λの長さより長くしており、６．０ｍｍとしている。コモンモードチョークコイル６１１の中心と、コモンモードチョークコイル６１２の中心との間の距離は１／４λと等しい長さ５．６ｍｍとしている。

以上のように、少なくとも２つのフィルタ回路が１／４λの長さの間隔で配置されていれば、その間にさらにフィルタ回路を配置してもよく、これにより、全体としてノイズ低減効果をさらに高めることができる。

＜実施の形態４＞
以下に本発明の実施の形態４のノイズフィルタとして、実施の形態１と同様に３ＧＨｚでフィルタ効果が得られるコモンモードフィルタに本発明を適用した例について、図７を用いて説明する。

図７は、本実施の形態におけるフィルタモジュールの構成を示した概略図である。図７において、フィルタモジュール７００は、入力ポート７２１と、出力ポート７２２で合計４つの端子を持つ。フィルタモジュール７００のこれらの各ポートは、２つのコモンモードチョークコイル７１１および７１２と、それらを結合する伝送線路７３１、７３２および７３３で、図示するように２系統で接合されている。

これら伝送線路７３１、７３２および７３３は、図示するように折り返すような形状で配置してあり、コモンモードチョークコイル７１１の中心と、コモンモードチョークコイル７１２の中心とのこの伝送線路に沿った距離が１／４λとなるようにしてある。また、フィルタモジュール７００の内部は、比誘電率εｒが１０程度のアルミナなどのセラミックによる高誘電体材料７４０が充填されている。

以上のように、フィルタ回路間の伝送線路は直線状でなくてもよく、本実施の形態のような折り返した形状や、積層した形状などとすることができる。この場合、フィルタ回路間の距離は、伝送線路に沿った距離で特定することになる。このような構造とすることで、フィルタモジュール７００をさらに小型化することができる。

なお、実施の形態１〜４で説明したフィルタモジュールの構成は、それぞれを任意に組み合わせて用いることができることは当然である。また、実施の形態１〜４では、フィルタ回路としてコモンモードチョークコイルを用いたコモンモードフィルタについて説明しているが、フィルタ回路の種類はこれに限定されるものではない。また、実施の形態１〜４では、フィルタ回路と伝送線路の組を２系統で１つのフィルタモジュールとしているが、１系統だけの構成や３系統以上の構成、さらには、例えば伝送線路は１系統でフィルタ回路の部分のみ分岐して２系統になっているような構成など、様々な組合せによって構成することが可能である。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明のノイズフィルタは、サーバ、ストレージ装置や、パソコンなどの高速信号を扱う電子機器のプリント基板もしくはケーブルに取り付けるノイズフィルタに利用可能である。

本発明の実施の形態１におけるフィルタモジュールの構成を示した概略図である。 本発明の実施の形態１におけるフィルタモジュールの概観を示した図である。 本発明の実施の形態１におけるフィルタの配置条件と波長λとの関係を示した図である。 本発明の実施の形態１においてプリント基板上でフィルタモジュールを配置した例を表した図である。 本発明の実施の形態２におけるフィルタモジュールの構成を示した概略図である。 本発明の実施の形態３におけるフィルタモジュールの構成を示した概略図である。 本発明の実施の形態４におけるフィルタモジュールの構成を示した概略図である。 実験により得られたコモンモードフィルタをケーブルに装着した際の装着位置とノイズ低減効果との間の関係を示した図である。 実験で使用したセミリジッドケーブルを示した図である。 実験により得られた波長λと、腹・節の位置を示した図である。

符号の説明

１００…フィルタモジュール、１１１…コモンモードチョークコイル、１１２…コモンモードチョークコイル、１２１…入力ポート、１２２…出力ポート、１３０…伝送線路、１４０…高誘電体材料、
４００…ＬＳＩ、４１０…プリント基板、
５００…フィルタモジュール、５１１…コモンモードチョークコイル、５１２…コモンモードチョークコイル、５１３…コモンモードチョークコイル、５２１…入力ポート、５２２…出力ポート、５３１…伝送線路、５３２…伝送線路、５４０…高誘電体材料、
６００…フィルタモジュール、６１１…コモンモードチョークコイル、６１２…コモンモードチョークコイル、６１３…コモンモードチョークコイル、６２１…入力ポート、６２２…出力ポート、６３１…伝送線路、６３２…伝送線路、６４０…高誘電体材料、
７００…フィルタモジュール、７１１…コモンモードチョークコイル、７１２…コモンモードチョークコイル、７２１…入力ポート、７２２…出力ポート、７３１…伝送線路、７３２…伝送線路、７３３…伝送線路、７４０…高誘電体材料。

Claims (7)

1. フィルタモジュール内に、複数のフィルタ回路と、該フィルタ回路間を接続する伝送線路とを有し、該フィルタ回路によってノイズを除去するノイズフィルタであって、
   前記複数のフィルタ回路のうちの少なくとも２つのフィルタ回路が、前記伝送線路に沿った距離において、該ノイズフィルタが除去対象とするノイズの周波数から算出される電磁波の波長の１／４の長さの間隔で互いに配置されていることを特徴とするノイズフィルタ。
2. 請求項１記載のノイズフィルタにおいて、
   前記伝送線路に沿った距離において、該ノイズフィルタが除去対象とするノイズの周波数から算出される電磁波の波長の１／４の長さの間隔で互いに配置されている前記フィルタ回路の間に、さらに別の前記フィルタ回路が配置されていることを特徴とするノイズフィルタ。
3. フィルタモジュール内に、複数のフィルタ回路と、該フィルタ回路間を接続する伝送線路とを有し、該フィルタ回路によってノイズを除去するノイズフィルタであって、
   前記複数のフィルタ回路のうちの少なくとも２つの前記フィルタ回路が、該ノイズフィルタが除去対象とするノイズの該フィルタ回路間での伝播時間において、該ノイズの周波数から算出される電磁波の周期の１／４の時間となるような間隔で互いに配置されていることを特徴とするノイズフィルタ。
4. 請求項３記載のノイズフィルタにおいて、
   該ノイズフィルタが除去対象とするノイズの前記フィルタ回路間での伝播時間において、該ノイズの周波数から算出される電磁波の周期の１／４の時間となるような間隔で互いに配置されている該フィルタ回路の間に、さらに別の前記フィルタ回路が配置されていることを特徴とするノイズフィルタ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載のノイズフィルタにおいて、
   前記フィルタモジュールの内部に高誘電体材料が充填してあることを特徴とするノイズフィルタ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載のノイズフィルタが実装されていることを特徴とするプリント基板。
7. 請求項１〜５のいずれか１項記載のノイズフィルタが実装されていることを特徴とするケーブル。

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