JP2011041066A - 磁気結合方式を用いた信号伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、外部磁界からのノイズを除去することができる磁気結合方式を用いたコンパクトな信号伝達装置を提供することを目的とする。
【解決手段】送信コイル１２と磁気結合した受信コイル１３と、受信コイルよりも巻き数の多いノイズ検出コイル１４と、受信コイル１２の出力信号と、ノイズ検出コイル１４の出力信号と、に基づいてノイズの影響が除去された信号を出力するノイズ除去回路２１と、を備えたことを特徴とする磁気結合方式を用いた信号伝達装置を提供する。さらに、ノイズ除去回路２１は、受信コイル１３の出力信号と、ノイズ検出コイル１４の出力信号と、を比較し、出力信号の大小関係に対応した信号を出力するコンパレータであることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気結合方式を用いた信号伝達装置に関する。

電気的に絶縁された回路間で信号の伝達を行う信号伝達装置として、光結合方式を用いたフォトカプラ、磁気結合方式を用いた絶縁トランスなどが、一般的に知られている。さらに、近年になって、対向させた微小コイル間の磁気結合を利用した絶縁伝送方式や、並行平板コンデンサの容量結合を利用した絶縁伝送方式を採用した新たな素子が提案されている。これらの信号伝達装置は、使用される家電製品や各種情報機器のシステム化に伴って多チャンネル化され、さらに小型化への要請が高まっている。特に、磁気結合方式を採用した信号伝達装置では、一つのパッケージ内に複数チャネルを組み込む際に、例えば、光結合方式を用いる装置に比べて部品点数が少なく、パッケージサイズの小型化と低コスト化が図れる点で期待されている。

一方、磁気結合方式の信号伝達装置では、磁気センサの小型化・高感度化にともなって、外部磁界によるノイズ信号を低減することが重要となる。例えば、特許文献１には、ノイズの影響を軽減させる手段として、ダミーコイルを用いる技術が記載されている。この技術では、信号受信コイルおよびこれと同じ巻き数のダミーコイルを、近接して配置し、それぞれの出力信号の差を取ることによりノイズ成分を相殺することができる。

しかしながら、受信コイル毎にダミーコイルを配置する必要があり、多チャネル化する際に複数のダミーコイルが必要となる。このために、サイズ・コスト面での優位性が失われるおそれがある。

特開２００５−５１０２１号公報

本発明の目的は、外部磁界からのノイズを除去することができる磁気結合方式を用いたコンパクトな信号伝達装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、送信コイルと、前記送信コイルと磁気結合した受信コイルと、前記受信コイルよりも巻き数の多いノイズ検出コイルと、前記受信コイルの出力信号と、前記ノイズ検出コイルの出力信号と、に基づいてノイズの影響が除去された信号を出力するノイズ除去回路と、を備えたことを特徴とする磁気結合方式を用いた信号伝達装置が提供される。
また、本発明の別の一態様によれば、複数の送信コイルと、前記複数の送信コイルのそれぞれと磁気結合した複数の受信コイルと、前記受信コイルよりも巻き数の多いノイズ検出コイルと、前記受信コイルの出力信号と、前記ノイズ検出コイルの出力信号と、に基づいてノイズの影響が除去された信号を出力するノイズ除去回路と、を備えたことを特徴とする磁気結合方式を用いた信号伝達装置が提供される。

本発明によれば、外部磁界からのノイズを除去することができる磁気結合方式を用いたコンパクトな信号伝達装置を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る信号伝達装置を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る受信コイルとノイズ検出コイルを示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る信号伝達装置の回路構成を示す模式図である。 第１の実施形態に係る信号伝達装置の回路構成を示す模式図である。 第１の実施形態に係る伝達信号のタイムチャートを示す説明図である。 第２の実施形態に係る信号伝達装置を示す模式図である。 第２の実施形態に係る信号伝達装置の回路構成を示す模式図である。 第３の実施形態に係る信号伝達装置を示す模式図である。 第３の実施形態の変形例に係る信号伝達装置を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る信号伝達装置を示す模式図である。本実施形態に係る信号伝達装置は、例えば、図１（ａ）に示すように、入力側リードフレーム１と、出力側リードフレーム２と、の間を金属ワイヤ３３で電気的に接続した構成とすることができる。出力側リードフレーム２には、送信コイル１２が設けられた絶縁板５と、受信コイル１３が設けられた絶縁板６が重ねて配置されている。

図１（ｂ）は、絶縁板５を、絶縁板６に重ねる前の状態を示す模式図である。絶縁板６には、図１（ｂ）中に示すように、ノイズ検出コイル１４が、受信コイル１３に並列して設けられている。また、受信コイル１３の出力信号とノイズ検出コイル１４の出力信号とは、出力端子３４と出力側ＩＣ４の入力端子３５とを接続する金属ワイヤ３３を介してノイズ除去回路を有する出力側ＩＣ４に入力される構成となっている。

図１（ａ）に示すように、絶縁板５が絶縁板６に重ねられ、送信コイル１２と受信コイル１３とは、絶縁板５によって電気的に絶縁された状態で、対向する位置に配置される。絶縁板５は、例えば、絶縁性樹脂あるいは石英を材料とすることができる。

入力側リードフレーム１に配置された入力側ＩＣ３から出力される信号電流は、入力側ＩＣ３の出力端子３１と送信コイル１２の入力端子３２とをつなぐ金属ワイヤ３３を介して送信コイル１２に流れる。さらに、入力側ＩＣ３から出力された信号電流は、送信コイル１２に磁界を誘起し、受信コイル１３に磁界の変化に対応した誘導電流を発生させる。これにより、送信コイル１２と受信コイル１３との間で、磁気結合による信号伝達が行われる。

この際、外部磁界に変化があると受信コイル１３に誘導電流が発生し、送信コイル１２側から受信した信号電流に重畳されてノイズとなる。一方、ノイズ検出コイル１４は、送信コイル１２との間で磁気結合していないので、外部磁界の変化によるノイズ電流のみを誘起する。

本実施形態では、ノイズ検出コイル１４は、受信コイル１３より巻き数が多くなるように形成されている。したがって、ノイズ検出コイル１４に誘起されるノイズ電圧は、受信コイル１３に発生するノイズ電圧より大きくなる。これにより、外部磁界の変化に起因する外来ノイズをノイズ検出コイル１４で確実に検出し、出力側ＩＣ４に備えられたノイズ除去回路により、受信コイル１３で受信された信号から除去することができる。

この際、ノイズ検出コイル１４から出力されるノイズ電流は、送信コイル１２の磁界の影響を受けていないことが望ましいので、例えば、受信コイル１３とノイズ検出コイル１４の間に、磁気遮蔽板を配置しても良い。また、本実施形態では、ノイズ検出コイル１４と受信コイル１３とは、並列して配置されているが、例えば、絶縁板５の表面に、送信コイル１２と並列して配置しても良い。

図２は、受信コイル１３とノイズ検出コイル１４とを示す模式図である。各コイルは、絶縁板６の表面に形成された金属薄膜をパターニングし、線状のコイル導体１６に加工して設けられる。それぞれの形状は、図２中に示すような方形であっても良いし、円形または楕円形に形成してもよい。金属薄膜として、例えば、金薄膜または銅薄膜などを使用することができる。

コイルの巻き数は、例えば、図２中に示したＡ−Ａを横切るコイル導体１６の数とすることができる。図２に示す受信コイル１３の巻き数は３であり、ノイズ検出コイル１４の巻き数は６である。また、コイル導体１６の交差領域１７ａおよび１７ｂでは、それぞれのコイル導体１６が絶縁されている必要がある。例えば、交差領域１７ａおよび１７ｂの配線を、層構造に形成された絶縁膜に設けられた層間配線とし、交差部を層間絶縁膜で絶縁する構造とすることができる。

図３は、本実施形態に係る信号伝達装置の回路構成を示す模式図である。入力側回路１０では、トランジスタＴＲ１のゲートに印加される入力信号により制御された電流を、送信コイル１２に流す構成となっている。出力側回路２０では、送信コイル１２と磁気結合した受信コイル１３に、入力信号に対応した誘導電流が発生し、ノイズ除去回路２１に信号電流が入力される。一方、ノイズ検出コイル１４では、外部磁界の変動により誘起されるノイズ電流のみが発生し、ノイズ除去回路２１に入力される。ここで、受信コイル１３およびノイズ検出コイル１４の一方の端子は、例えば、アース電位（ＧＮＤ）に接続され、他方の端子がノイズ除去回路２１に接続される構成とすることができる。

ノイズ除去回路２１は、例えば、出力側ＩＣ４に備えられ、受信コイル１３の出力信号からノイズ検出コイル１４の出力信号を差し引く処理を行って良いし、両方の信号レベルを比較してノイズ信号を特定する処理を行っても良い。これにより、ノイズ除去回路２１は、受信コイル１３の出力信号と、ノイズ検出コイル１４の出力信号と、に基づいて、ノイズの影響を除いた信号を出力する。

（第１の実施形態）
図４は、第１の実施形態に係る信号伝達装置の回路構成を示す模式図である。本実施形態では、図３中に示すノイズ除去回路２１としてコンパレータ２３を採用している。
外部磁界の変動により磁気ノイズが発生した場合、受信コイル１３とノイズ検出コイル１４との両者にノイズ信号が誘起される。この際、コンパレータ２３に入力される信号の大きさを比較し、ノイズ信号の除去を行う。以下、本実施形態に係る信号処理について説明する。

図５は、本実施形態に係る伝達信号のタイムチャートを示す説明図である。図５（ａ）は、入力側ＩＣに入力される信号波形Ｓ_ｉｎ（ｔ）を示している。図５（ｂ）は、受信コイル１３から出力される信号波形を示している。また、図５（ｃ）は、ノイズ検出コイル１４から出力されるノイズ信号波形を示し、図５（ｄ）は、コンパレータ２３の出力波形Ｓ_ｏｕｔ（ｔ）を示している。

図５（ｂ）および（ｃ）に示すように、ノイズ成分Ｎ_０〜Ｎ_３は、受信コイル１３の出力波形およびノイズ検出コイル１４の出力波形の双方に含まれている。ただし、受信コイル１３の巻き数よりノイズ検出コイル１４の巻き数の方が大きいため、受信コイル１３に含まれるノイズ成分Ｎ_０、Ｎ_１に比べて、ノイズ検出コイル１４から出力されるノイズ成分Ｎ_２、Ｎ_３の方が大きい。

コンパレータ２３は、受信コイル１３からの入力およびノイズ検出コイル１４からの入力を比較し、その大きさに対応した信号を出力する。例えば、ノイズ検出コイル１４からの入力が大きい場合は、Ｌｏｗレベルを出力し、受信コイル１３からの入力が大きい場合は、Ｈｉｇｈレベルを出力する。

図５（ｂ）、（ｃ）中に示すように、入力信号Ｓ_ｉｎ（ｔ）がＬｏｗレベルの時に、ノイズＮ_０とＮ_２とが発生した場合、ノイズ成分Ｎ_２の方がＮ_０より大きいので、コンパレータ２３は、Ｌｏｗレベルを出力する。一方、入力信号Ｓ_ｉｎ（ｔ）がＨｉｇｈレベルの時に、ノイズ成分Ｎ_１が重畳された場合は、受信コイル１３からの出力（Ｓ＋Ｎ_１）の方が、ノイズ検出コイル１４からの出力Ｎ_３より大きくなり、コンパレータ２３は、Ｈｉｇｈレベルを出力する。これにより、受信コイル１３の出力波形からノイズＮ_０、Ｎ_１が除去され、コンパレータ２３は、入力側ＩＣに入力される信号波形Ｓ_ｉｎ（ｔ）と同じ信号波形Ｓ_ｏｕｔ（ｔ）を出力し、外部磁界の変更に起因するノイズが除去される。

ただし、上記の信号処理が誤りを含まないのは、受信コイル１３から出力される信号波形のピーク値Ｓにノイズ信号Ｎ_１が重畳された出力が、ノイズ検出コイル１４のノイズ出力より大きいと常に想定できる場合である。すなわち、次式（１）に示す関係が満足されている場合であることに留意する必要がある。
Ｓ＋Ｎ_ｍａｘ＞（ｎ_２／ｎ_１）×Ｎ_ｍａｘ ・・・（１）
ここで、Ｓは、図５（ｂ）中に示すように、受信コイル１３で受信される信号波形のピーク値であり、Ｎ_ｍａｘは、ノイズ検出コイル１４で検出されるノイズ波形の最大値である。また、ｎ_１は、受信コイル１３の巻き数であり、ｎ_２は、ノイズ検出コイル１４の巻き数である。

例えば、図２に示すように、受信コイル１３の巻き数ｎ_１が３で、ノイズ検出コイル１４の巻き数ｎ_２が６の場合は、ｎ_２をｎ_１で除した巻き数比（ｎ_２／ｎ_１）が２となり、信号波形のピーク値Ｓが、予想されるノイズ波形の最大値Ｎ_ｍａｘより大きいことが条件となる。通常、外部磁界の変動に起因するノイズ信号に比べて、送信コイル１２と受信コイル１３との間で伝達される信号波形を大きくすることは容易であり、本実施形態に係る信号処理は、信号伝達装置のノイズ除去において有効に機能する。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る信号伝達装置を示す模式図である。図６（ａ）に示す出力側リードフレーム２には、２つの送信コイル１２ａが設けられた絶縁板５ａと、絶縁板６ａが重ねて配置されている。図６（ｂ）に示すように、絶縁板６ａの表面には、２つの受信コイル１３ａとノイズ検出コイル１４とが設けられている。絶縁板５ａと絶縁板６ａとは、２つの送信コイル１２ａと２つの受信コイル１３ａが、それぞれ対向して磁気結合するように重ねられている。

図６（ａ）に示すように、２つの送信コイル１２ａは、入力端子３２と入力側ＩＣ３ａの出力端子３１とを接続する金属ワイヤ３３を介して、入力側ＩＣ３ａに接続されている。また、図６（ｂ）に示すように、２つの受信コイル１３ａおよびノイズ検出コイル１４は、出力側ＩＣ４ａに接続されている。すなわち、入力側ＩＣ３ａに２つの信号が入力され、出力側ＩＣ４ａから、２つの信号が出力される２チャンネルの信号伝達装置が構成されている。

一方、絶縁板６ａ上に設けられているノイズ検出コイル１４は１つであるが、２つの受信コイル１３ａの出力信号に対して、ノイズ除去処理を実施することが可能である。送信コイル１２ａと受信コイル１３ａとのペアを並列に増やしてチャネル数を増加させることができるが、その場合においてもノイズ検出コイル１４の数を、一つとすることができる。

図７は、本実施形態に係る信号伝達装置の回路構成を示す模式図である。入力側回路１０には、２つの送信コイル１２ａが配置され、それぞれ独立して図示しない入力回路に接続されている（図３参照）。また、出力側回路２０では、２つの受信コイル１３ａが配置され、それぞれの出力が、ノイズ除去回路であるコンパレータ２３ａおよび２３ｂの入力に接続されている。コンパレータ２３ａおよび２３ｂは、出力側ＩＣ４ａに備えられている（図６参照）。一方、ノイズ検出コイル１４の出力は、分岐されてコンパレータ２３ａおよび２３ｂの入力に接続されている。これにより、コンパレータ２３ａおよび２３ｂにおいて、各チャンネルのノイズ除去を行うことができる。

送信コイル１２ａと受信コイル１３ａとのペアを並列に増やしてチャネル数を増加させた場合、ノイズ検出コイル１４の出力の分岐数が多くなり、各出力に対応するコンパレータへの入力信号レベルが低下することが考えられる。そのような場合は、ノイズ検出コイル１４の巻き数を増して出力レベルを上昇させ、ノイズ除去が可能なレベルの信号を各コンパレータへ出力できるように調整することが可能である。

すなわち、本実施形態によれば、複数のチャネルを有する信号伝達装置を構成する場合に、ノイズ検出コイル１４の巻き数を受信コイル１３ａの巻き数より多くすることにより、ノイズ検出コイル１４の配置数を少なく抑えることが可能となる。また、ノイズ除去回路としてコンパレータ２３を使用することにより、出力側ＩＣ４ａの回路構成を簡略化して小型化することができる。これにより、コンパクトなパッケージサイズの信号伝達装置を実現することが可能となる。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係る信号伝達装置を示す模式図である。本実施形態では、入力側リードフレーム１に、入力側ＩＣ３と送信コイル１２が設けられている。一方、出力側リードフレーム２には、受信コイル１３と、ノイズ検出コイル１４と、出力側ＩＣ４が設けられている。

入力側リードフレーム１の基板９は、例えば、ポリイミド樹脂などの絶縁性樹脂を基材とした、所謂フレキシブル基板を用いることができる。フレキシブル基板の表面には、金属薄膜をパターニングして送信コイル１２を形成することができる。出力側リードフレーム２に関しても同様である。

図８（ａ）に示すように、送信コイル１２が設けられた入力側リードフレーム１の領域の裏面を、受信コイル１３が設けられた出力側リードフレーム２の領域に重ねることにより、絶縁体である基板９を介して送信コイル１２と受信コイル１３とを対向させることができる。

また、図８（ｂ）に示すように、出力側リードフレーム２の表面には、受信コイル１３とノイズ検出コイル１４とが、並列して配置されている。受信コイル１３とノイズ検出コイル１４の出力は、金属ワイヤ３３を介して出力側ＩＣ４の入力端子３５に接続されている。

図９は、第３の実施形態の変形例に係る信号伝達装置を示す模式図である。本実施形態では、図９（ａ）に示すように、入力側リードフレーム１に設けられる送信コイル１２が、基板９の裏面に設けられている。入力側ＩＣ３と送信コイル１２の接続は、スルーホール３６を介して送信コイル１２に接続された入力端子３２と、入力側ＩＣ３の出力端子３１と、の間を金属ワイヤ３３で接続することによって得られている。

送信コイル１２と、出力側リードフレーム２に設けられた受信コイル１３は、絶縁体８を介して対向する位置に配置されることにより磁気結合されている。絶縁体８の材料としては、絶縁性樹脂または石英板などを用いることができる。

また、図９（ｂ）に示すように、出力側リードフレーム２の表面には、受信コイル１３と、ノイズ検出コイル１４と、出力側ＩＣ４が配置されている。

以上、本発明に係る第１ないし第３の実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的思想に基づいて、当業者が実施可能な設計変更や材料等の変更を含む実施態様も、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

１ 入力側リードフレーム
２ 出力側リードフレーム
８ 絶縁体
１０ 入力側回路
１２ 送信コイル
１３ 受信コイル
１４ ノイズ検出コイル
２０ 出力側回路
２１ ノイズ除去回路
２３ コンパレータ

Claims (6)

1. 送信コイルと、
   前記送信コイルと磁気結合した受信コイルと、
   前記受信コイルよりも巻き数の多いノイズ検出コイルと、
   前記受信コイルの出力信号と、前記ノイズ検出コイルの出力信号と、に基づいてノイズの影響が除去された信号を出力するノイズ除去回路と、
   を備えたことを特徴とする磁気結合方式を用いた信号伝達装置。
2. 複数の送信コイルと、
   前記複数の送信コイルのそれぞれと磁気結合した複数の受信コイルと、
   前記受信コイルよりも巻き数の多いノイズ検出コイルと、
   前記受信コイルの出力信号と、前記ノイズ検出コイルの出力信号と、に基づいてノイズの影響が除去された信号を出力するノイズ除去回路と、
   を備えたことを特徴とする磁気結合方式を用いた信号伝達装置。
3. 前記ノイズ除去回路は、前記受信コイルの出力信号と、前記ノイズ検出コイルの出力信号と、を比較し、前記出力信号の大小関係に対応した信号を出力するコンパレータであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気結合方式を用いた信号伝達装置。
4. 前記コンパレータは、ＨｉｇｈレベルおよびＬｏｗレベルの信号を出力し、
   前記受信コイルの出力信号が前記ノイズ検出コイルの出力信号より大きい場合に、前記Ｈｉｇｈレベル信号を出力し、
   前記受信コイルの出力信号が前記ノイズ検出コイルの出力信号より小さい場合に、前記Ｌｏｗレベル信号を出力することを特徴とする請求項３記載の磁気結合方式を用いた信号伝達装置。
5. 前記受信コイルの巻き数ｎ_１と、前記ノイズ検出コイルの巻き数ｎ_２と、が次式を満足することを特徴とする請求項３または４に記載の磁気結合方式を用いた信号伝達装置。
   Ｓ＋Ｎ_ｍａｘ＞（ｎ_２／ｎ_１）×Ｎ_ｍａｘ
   ここで、Ｓは前記受信コイルで受信される信号電圧のピーク値であり、Ｎ_ｍａｘは、前記ノイズ検出コイルで検出されるノイズ電圧の最大値である。
6. 前記送信コイルが設けられた入力側リードフレームと、
   前記受信コイルが設けられた出力側リードフレームと、
   前記送信コイルと前記受信コイルとの間を絶縁する絶縁体と、
   をさらに備え、
   前記送信コイルと前記受信コイルとは、前記絶縁体を介して対向することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気結合方式を用いた信号伝達装置。

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