JP2016178278A - コモンモードフィルタ - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、コモンモードフィルタに関し、より詳細には、広帯域のノイズ除去が可能なコモンモードフィルタに関する。【解決手段】本発明は、それぞれ1次コイルと2次コイルの磁気結合からなり互いに直列に連結された第1のフィルタと第2のフィルタを含み、上記第1のフィルタの共振周波数f1と上記第2のフィルタの共振周波数f2が異なるコモンモードフィルタを提供する。【選択図】図1
Description
本発明は、コモンモードフィルタに関し、より詳細には、広帯域のノイズ除去が可能なコモンモードフィルタに関する。
技術の発展に伴い、携帯電話、家電製品、PC、PDA、LCDなどの電子機器がアナログ方式からデジタル方式に変化し、処理するデータ量の増加によって高速化している。
これに伴い、高速信号送信インターフェースとしてUSB2.0、USB3.0及び高精細度マルチメディアインターフェース(high−definition multimedia interface;HDMI(登録商標))が広範囲に普及されており、現在、個人用コンピューター及びデジタル高画質テレビのような多くのデジタルデバイスに用いられている。
これらの高速インターフェースは、長い間一般に用いられていたシングルエンド(single−end)送信システムとは異なり、一対の信号ラインで位相が180度異なる信号を伝送する差動伝送システムを用いる。
このような差動伝送方式において高周波信号の位相がずれると、コモンモードノイズ成分が発生し、このノイズが放射されて周辺の通信素子などに影響を与える。このコモンモードノイズをフィルタリングするためのコイル部品としてコモンモードフィルタ(Common Mode Filter)が広く用いられている。即ち、コモンモードノイズは、差動信号ラインで発生するノイズであり、コモンモードフィルタは、既存のフィルタでは除去できないコモンモードノイズを除去する。
したがって、コモンモードフィルタでは、できる限り広帯域にわたってノイズを除去することが有利である。しかしながら、二つのコイルを用いる既存のコモンモードフィルタでは、目標値によって設計した固有周波数帯域のノイズしか除去できず、広帯域にわたってノイズを除去することはできない。
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、互いに異なる共振周波数を有する二つのフィルタを直列に連結することにより広帯域にわたってノイズの減衰が可能なコモンモードフィルタを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するためになされた本発明は、一実施形態として、それぞれ1次コイルと2次コイルの磁気結合からなり互いに直列に連結された第1のフィルタと第2のフィルタを含み、上記第1のフィルタの共振周波数f1と上記第2のフィルタの共振周波数f2が異なるコモンモードフィルタを提供する。
上記第1のフィルタと第2のフィルタは水平方向に配置され、上記第1のフィルタのインダクタンスL1と上記第2のフィルタのインダクタンスL2は異なる値を有し、これは、上記第1のフィルタの1次及び2次コイルのコイル巻数と上記第2のフィルタの1次及び2次コイルのコイル巻数を異なるように設定することによりなされる。
また、上記第1のフィルタのキャパシタンスC1と上記第2のフィルタのキャパシタンスC2は異なる値を有し、これは、上記第1のフィルタの1次コイルと上記第1のフィルタの2次コイルとの間の間隔d1を上記第2のフィルタの1次コイルと上記第2のフィルタの2次コイルとの間の間隔d2と異なるように設定することによりなされる。
上記の目的を達成するためになされた本発明は、他の実施形態として、水平方向に配置され互いに直列に連結された第1のフィルタの1次コイルと第2のフィルタの1次コイルと、水平方向に配置され互いに直列に連結され且つそれぞれ上記第1及び第2のフィルタの1次コイルと対向して配置された第1のフィルタの2次コイルと第2のフィルタの2次コイルと、を含み、上記第1及び第2のフィルタの1次及び2次コイルが複数の層で構成され、同一次数のコイルがビアを介して層間接続されるコモンモードフィルタを提供する。
いずれか一つの同一層に配置された上記第1のフィルタの1次コイルと上記第2のフィルタの1次コイルはそれぞれの外側端部から伸びる第1の接続パターンによって互いに直列に連結され、いずれか一つの同一層に配置された上記第1のフィルタの2次コイルと上記第2のフィルタの2次コイルはそれぞれの外側端部から伸びる第2の接続パターンによって互いに直列に連結されることができる。
本発明のコモンモードフィルタによれば、互いに異なる二つの共振周波数帯域で減衰特性を有し、その結果、広い周波数帯域のコモンモードノイズを除去することができる。
以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。
以下、添付の図面を参照して本発明の構成及び作用効果をより詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態によるコモンモードフィルタの外観斜視図であり、図2は図1の透視斜視図であり、図3は図2の平面図であり、図4は図3のI−I'線に沿う断面図である。
図1〜図4を参照すると、本発明の一実施形態によるコモンモードフィルタ100は、互いに直列に連結された第1のフィルタ110と第2のフィルタ120を含む。
第1のフィルタ110と第2のフィルタ120は、特定周波数帯域のコモンモードノイズを除去するノイズフィルタであり、それぞれ磁気結合する1次コイル111、121と2次コイル112、122からなる。即ち、第1のフィルタ110は、磁気結合する1次コイル111と2次コイル112で構成され、第2のフィルタ120も、磁気結合する1次コイル121と2次コイル122で構成される。
各フィルタの1次及び2次コイル111、121、112、122は平面上に螺旋状に形成された金属配線であり、対称性のために、第1のフィルタ110の1次及び2次コイル111、112は同じコイル巻数で形成され、第2のフィルタ120の1次及び2次コイル121、122も同じコイル巻数で形成されている。
各フィルタの1次コイル111、121と2次コイル112、122は、所定の間隔をおいて上下に対向して配置される。これにより、本実施形態は、コイル巻数に比例するインダクタンス(L)と浮遊容量によって発生するキャパシタンス(C)が並列共振してコモンモードノイズを減衰させるコモンモードフィルタ(Common Mode Filter)として動作する。
ここで、第1のフィルタ110の1次コイル111と第2のフィルタ120の1次コイル121は、物理的な接続手段によって互いに直列に連結され、第1のフィルタ110の2次コイル112と第2のフィルタ120の2次コイル122も、物理的な接続手段によって互いに直列に連結される。したがって、図5に示されている本実施形態の等価回路及び図6に示されている本実施形態のLC共振回路のように、第1のフィルタ110と第2のフィルタ120は、電気的に直列に連結された構造を有する。
各フィルタの1次及び2次コイル111、121、112、122の連結構造をより具体的に説明すると、第1のフィルタ110の1次コイル111と第2のフィルタ120の1次コイル121は、同一層、例えば、第1層に水平方向に並んで形成され、第1のフィルタ110の2次コイル112と第2のフィルタ120の2次コイル122も、同一層、例えば、第2層に水平方向に並んで形成される。ここで、第1のフィルタ110の2次コイル112は、第1のフィルタ110の1次コイル111と対向して配置され、第2のフィルタ120の2次コイル122は、第2のフィルタ120の1次コイル121と対向して配置される。
また、第1のフィルタ110の1次コイル111と第2のフィルタ120の1次コイル121との電気的接続は、別の層、例えば、第3層に形成された第1の接続導体131を介してなされる。即ち、第1の接続導体131の両端はそれぞれビア131a、131bを介して第1のフィルタ110の1次コイル111及び第2のフィルタ120の1次コイル121に接続される。
ここで、第1のフィルタ110の1次コイル111と第2のフィルタ120の1次コイル121は、それぞれの内側端部111a、121aにビア131a、131bが接続され、1次コイル111、121のそれぞれの外側端部111b、121bは、信号入・出力端子として機能する外部端子と連結される。例えば、1次コイル111の外側端部111bは第1の入力端子161aと連結され、1次コイル121の外側端部121bは第1の出力端子161bと連結される。
このような連結構造により、第1の入力端子161aから入力された信号は、第1のフィルタ110の1次コイル111−ビア131a−第1の接続導体131−ビア131b−第2のフィルタ120の1次コイル121につながる電気的経路を経て第1の出力端子161bに出力される。
第1のフィルタ110の2次コイル112と第2のフィルタ120の2次コイル122との直列連結も、上記のような方式でなされる。例えば、第3層に形成された第2の接続導体132の両端はそれぞれビア132a、132bを介して2次コイル112の内側端部112a及び2次コイル122の内側端部122aと連結され、2次コイル112の外側端部112bは第2の入力端子162aと連結され、2次コイル122の外側端部122bは第2の出力端子162bと連結される。
このような連結構造により、第2の入力端子162aから入力された信号は、第1のフィルタ110の2次コイル112−ビア132a−第2の接続導体132−ビア132b−第2のフィルタ120の2次コイル122につながる電気的経路を経て第2の出力端子162bに出力される。
本実施形態によるコモンモードフィルタ100は、各フィルタの同一次数のコイルが水平に配置されることにより、電流印加の際に第1のフィルタ110の周りに発生する磁束m1(図4)と第2のフィルタ120の周りに発生する磁束m2とが重ならず、その結果、第1のフィルタ110の共振周波数f1と第2のフィルタ120の共振周波数f2が分離されて現れる。
図7は第1のフィルタ110の減衰特性グラフであり、図8は第2のフィルタ120の減衰特性グラフであり、図9は第1のフィルタ110と第2のフィルタ120との直列連結による減衰特性グラフである。
第1のフィルタ110の共振周波数f1と第2のフィルタ120の共振周波数f2が分離されるとは、図7の減衰特性と図8の減衰特性が合わされて現れることを意味する。本実施形態では、図9に示されているように、第1のフィルタ110のノッチ帯域(notch band)と第2のフィルタ120のノッチ帯域が全て現れる。したがって、第1のフィルタ110と第2のフィルタ120の共振周波数、即ち、減衰比が最大となる周波数を異なるように設定する場合、広帯域にわたるノイズの減衰が可能である。
第1のフィルタ110の共振周波数f1と上記第2のフィルタ120の共振周波数f2を異なるように設定することは、図6に示されている第1のフィルタ110のインダクタンスL1と第2のフィルタ120のインダクタンスL2を異ならせるか、又は第1のフィルタ110のキャパシタンスC1と第2のフィルタ120のキャパシタンスC2を異ならせることにより達成されることができる。
第1のフィルタ110の共振周波数f1は下記数式1によって決定され、第2のフィルタ120の共振周波数f2は下記数式2によって決定されるため、L1≠L2とC1≠C2の条件の全てを満たすかいずれか一つのみを満たしても第1のフィルタ110と第2のフィルタ120の共振周波数を異なるように設定することができる。
各フィルタのインダクタンスは、各フィルタに含まれた1次及び2次コイル111、121、112、122のコイル巻数を可変することにより調整されることができる。例えば、図3に示されているように、第1のフィルタ110の1次及び2次コイル111、112のコイル巻数が5、第2のフィルタ120の1次及び2次コイル121、122のコイル巻数が3の場合、第1のフィルタ110のインダクタンスL1と第2のフィルタ120のインダクタンスL2は異なる値を有し、その結果、第1のフィルタ110の共振周波数f1と第2のフィルタ120の共振周波数f2は異なるように設定される。
また、各フィルタのキャパシタンスは、各フィルタに含まれた1次コイル111、121と2次コイル112、122との間の間隔を可変とすることにより調整されることができる。浮遊容量は二つの金属間の距離に反比例するため、例えば、図4に示されているように第1のフィルタ110の1次コイル111と2次コイル112との間の間隔d1と、第2のフィルタ120の1次コイル121と2次コイル122との間の間隔d2が異なる場合、第1のフィルタ110のキャパシタンスC1と第2のフィルタ120のキャパシタンスC2は異なる値を有し、その結果、第1のフィルタ110の共振周波数f1と第2のフィルタ120の共振周波数f2は異なるように設定される。
以上、説明の便宜のために内部構造についてのみ説明したが、第1及び第2のフィルタ110、120の1次及び2次コイル111、121、112、122と第1及び第2の接続導体131、132は、配線間の絶縁性の確保及び湿気や熱などの外部要素からの保護のために、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂などの高分子物質からなる絶縁層140に覆われる形で備えられることができる。
より具体的には、基底層となる第1の絶縁層が底面にコーティングされると、その上に第1のフィルタ110の1次コイル111と第2のフィルタ120の1次コイル121が水平方向に並んで形成され、これをカバーするように第2の絶縁層がコーティングされる。次に、第2の絶縁層上に第1のフィルタ110の2次コイル112と第2のフィルタ120の2次コイル122がそれぞれ第1のフィルタ110の1次コイル111と第2のフィルタ120の1次コイル121に対向して形成される。次に、2次コイル112、122をカバーするように第3の絶縁層がコーティングされると、その上に第1及び第2の接続導体131、132が適切な位置に形成され、このように積層された各層の絶縁層を所定の条件下で圧着・焼成すると、1次及び2次コイル111、121、112、122と第1及び第2の接続導体131、132を含む絶縁層140が完成される。
また、高い透磁率を確保するために、上記絶縁層140の上・下部に、磁束の移動通路となる磁性部材150をさらに備えることができる。これにより、電流印加の際に第1及び第2のフィルタ110、120の周りに発生する磁束が上・下部の磁性部材150を経由して閉磁路を形成し、その結果、高い透磁率を実現することができる。
磁性部材150の構成材料としては、所定のインダクタンスが得られる任意の磁性材料、例えば、Ni系、Ni−Zn系、Ni−Zn−Cu系フェライトなどを用いることができる。ここで、透磁率及び機械的強度を高くするために上記材料の磁性粉末を一定の条件で焼結させるか又は磁性粉末に流動性の樹脂を含浸させることにより、耐衝撃性に優れた磁性−樹脂複合体の形で磁性部材150を形成することもできる。
このように、本実施形態によるコモンモードフィルタ100は、絶縁層140と絶縁層140の上・下部に積層された磁性部材150が基本構成となる積層体として実現され、第1及び第2の入・出力端子161a、161b、162a、162bは、積層体の側面に露出した各コイルの外側端部111b、121b、112b、122bと接続されるように設置される。
以下、本発明の他の実施形態によるコモンモードフィルタを説明する。
図10は本発明の他の実施形態によるコモンモードフィルタの透視斜視図であり、図11は図10のII−II'線に沿う断面斜視図である。
図10及び図11を参照すると、本実施形態では、各フィルタに含まれた1次及び2次コイルが複数の層で構成される。即ち、第1のフィルタ110において、1次コイルは、第1層に位置する1次コイル111と第3層に位置する1次コイル113で構成され、2次コイルは、第2層に位置する2次コイル112と第4層に位置する2次コイル114で構成される。これと同様に、第2のフィルタ120において、1次コイルは、第1層に位置する1次コイル121と第3層に位置する1次コイル123で構成され、2次コイルは、第2層に位置する2次コイル122と第4層に位置する2次コイル124で構成される。
このように、本実施形態において各フィルタを構成する1次及び2次コイル111、113、121、123、112、114、122、124は複数の層で構成され且つ各層の1次コイル111、113、121、123と2次コイル112、114、122、124は交互に配置され、同一次数のコイル同士はビアを介して層間接続される。
より明確な理解のために、各層のコイルを層別に示した図12〜図17を参照して説明する。
まず、第1層に第1のフィルタ110の1次コイル111と第2のフィルタ120の1次コイル121が水平方向に並んで形成され(図12)、第2層に第1のフィルタ110の2次コイル112と第2のフィルタ120の2次コイル122が1次コイル111、121に対向して形成される(図13)。
その後、層間接続のためのビア133a、133bが、1次コイル111、121のそれぞれの内側端部に対応する位置に形成され(図14)、第2層を貫通して第3層に形成される各フィルタの1次コイル113、123と連結される(図15)。即ち、第1層に形成された第1のフィルタ110の1次コイル111は、ビア133aを介して第3層に形成された第1のフィルタ110の1次コイル113と連結され、第1層に形成された第2のフィルタ120の1次コイル121は、ビア133bを介して第3層に形成された第2のフィルタ120の1次コイル123と連結される。
次に、第2層に形成された2次コイル112、122のそれぞれの内側端部に接続されるビア134a、134bが第3層を貫通するように形成される(図16)。これにより、第4層に形成された第1のフィルタ110の2次コイル114は、ビア134aを介して第2層に形成された第1のフィルタ110の2次コイル112と連結され、第4層に形成された第2のフィルタ120の2次コイル124は、ビア134bを介して第2層に形成された第2のフィルタ120の2次コイル122と連結される(図17)。
本実施形態において、第1のフィルタ110と第2のフィルタ120との直列連結は、いずれか一つの同一層に形成された同一次数のコイル間の物理的連結によってなされる。例えば、第3層に形成された第1のフィルタ110の1次コイル113と第2のフィルタ120の1次コイル123とが連結され、第4層に形成された第1のフィルタ110の2次コイル114と第2のフィルタ120の2次コイル124とが連結される。
ここで、同一次数のコイル間の物理的連結は、各コイルの外側端部が伸びることによりなされる。例えば、第1のフィルタ110の1次コイル113と第2のフィルタ120の1次コイル123との連結は、各コイルの外側端部から伸びる第1の接続パターン133(図15)を介してなされる。これと同様に、第1のフィルタ110の2次コイル114と第2のフィルタ120の2次コイル124との連結は、各コイルの外側端部から伸びる第2の接続パターン134(図17)を介してなされる。
図18は、第1層、第3層に形成された1次コイル111、113、121、123のみを示す図である。これを参照すると、1次コイルに対して入力された信号は、第1のフィルタ110の1次コイル111−ビア133a−第1のフィルタ110の1次コイル113−第1の接続パターン133−第2のフィルタ120の1次コイル123−ビア133b−第2のフィルタ120の1次コイル121につながる電気的経路を経て外部に出力される。
図19は、第2層及び第4層に形成された2次コイル112、114、122、124のみを示す図である。これを参照すると、2次コイルに対して入力された信号は、第1のフィルタ110の2次コイル112−ビア134a−第1のフィルタ110の2次コイル114−第2の接続パターン134−第2のフィルタ120の2次コイル124−ビア134b−第2のフィルタ120の2次コイル122につながる電気的経路を経て外部に出力される。
このように、本実施形態では、各フィルタの1次及び2次コイル111、113、121、123、112、114、122、124が複数の層で構成されることにより、コイル巻数による共振周波数の可変範囲がより広くなり、その結果、より広帯域のノイズの減衰が可能である。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者には明らかである。
100 コモンモードフィルタ
110 第1のフィルタ
120 第2のフィルタ
111、113、121、123 1次コイル
112、114、122、124 2次コイル
131 第1の接続導体
132 第2の接続導体
133 第1の接続パターン
134 第2の接続パターン
140 絶縁層
150 磁性部材
161a 第1の入力端子
161b 第1の出力端子
162a 第2の入力端子
162b 第2の出力端子
110 第1のフィルタ
120 第2のフィルタ
111、113、121、123 1次コイル
112、114、122、124 2次コイル
131 第1の接続導体
132 第2の接続導体
133 第1の接続パターン
134 第2の接続パターン
140 絶縁層
150 磁性部材
161a 第1の入力端子
161b 第1の出力端子
162a 第2の入力端子
162b 第2の出力端子
Claims (14)
- 互いに直列に連結された第1のフィルタと第2のフィルタを含み、前記第1のフィルタ及び前記第2のフィルタはそれぞれ1次コイルと2次コイルの磁気結合からなり、前記第1のフィルタの共振周波数f1と前記第2のフィルタの共振周波数f2は異なる、コモンモードフィルタ。
- 前記第1のフィルタと前記第2のフィルタは水平方向に配置される、請求項1に記載のコモンモードフィルタ。
- 前記第1のフィルタのインダクタンスL1と前記第2のフィルタのインダクタンスL2は異なる、請求項1または2に記載のコモンモードフィルタ。
- 前記第1のフィルタのキャパシタンスC1と前記第2のフィルタのキャパシタンスC2は異なる、請求項1から3のいずれか1項に記載のコモンモードフィルタ。
- 前記第1のフィルタのインダクタンスL1と前記第2のフィルタのインダクタンスL2は異なり、前記第1のフィルタのキャパシタンスC1と前記第2のフィルタのキャパシタンスC2は異なる、請求項1から4のいずれか1項に記載のコモンモードフィルタ。
- 水平方向に配置され互いに直列に連結された第1のフィルタの1次コイルと第2のフィルタの1次コイルと、
水平方向に配置され互いに直列に連結され且つそれぞれ前記第1のフィルタの1次コイル及び前記第2のフィルタの1次コイルと対向して配置された第1のフィルタの2次コイルと第2のフィルタの2次コイルと、
を含み、
下記条件1と条件2のうち少なくとも一つを満たす、コモンモードフィルタ。
条件1:L1≠L2
条件2:C1≠C2
(L1は前記第1のフィルタのインダクタンス、L2は前記第2のフィルタのインダクタンス、C1は前記第1のフィルタのキャパシタンス、C2は前記第2のフィルタのキャパシタンス) - 前記第1のフィルタの1次コイル及び2次コイルのコイル巻数と前記第2のフィルタの1次コイル及び2次コイルのコイル巻数は異なる、請求項6に記載のコモンモードフィルタ。
- 前記第1のフィルタの1次コイルと前記第1のフィルタの2次コイルとの間の間隔d1は前記第2のフィルタの1次コイルと前記第2のフィルタの2次コイルとの間の間隔d2と異なる、請求項6または7に記載のコモンモードフィルタ。
- 前記第1のフィルタの1次コイル及び2次コイルのコイル巻数と前記第2のフィルタの1次コイル及び2次コイルのコイル巻数は異なり、前記第1のフィルタの1次コイルと前記第1のフィルタの2次コイルとの間の間隔d1は前記第2のフィルタの1次コイルと前記第2のフィルタの2次コイルとの間の間隔d2と異なる、請求項6から8のいずれか1項に記載のコモンモードフィルタ。
- 前記第1のフィルタの1次コイルの外側端部と連結された第1の入力端子と、前記第2のフィルタの1次コイルの外側端部と連結された第1の出力端子と、
前記第1のフィルタの2次コイルの外側端部と連結された第2の入力端子と、前記第2のフィルタの2次コイルの外側端部と連結された第2の出力端子と、
をさらに含む、請求項6から9のいずれか1項に記載のコモンモードフィルタ。 - 前記第1のフィルタの1次コイル及び前記第2のフィルタの1次コイルと異なる層に形成され、一端部がビアを介して前記第1のフィルタの1次コイルの内側端部と連結され、他端部が前記第2のフィルタの1次コイルの内側端部と連結される第1の接続導体と、
前記第1のフィルタの2次コイル及び前記第2のフィルタの2次コイルと異なる層に形成され、一端部がビアを介して前記第1のフィルタの2次コイルの内側端部と連結され、他端部が前記第2のフィルタの2次コイルの内側端部と連結される第2の接続導体と、
をさらに含む、請求項6から10のいずれか1項に記載のコモンモードフィルタ。 - 前記第1のフィルタの1次コイル及び2次コイル並びに前記第2のフィルタの1次コイル及び2次コイルと前記第1の接続導体及び前記第2の接続導体を覆う絶縁層と、
前記絶縁層の上・下部に備えられた磁性部材と、
をさらに含む、請求項11に記載のコモンモードフィルタ。 - 前記第1のフィルタの1次コイル、前記第1のフィルタの2次コイル、前記第2のフィルタの1次コイル及び前記第2のフィルタの2次コイルのそれぞれは複数の層に形成され、且つビアを介して層間接続されるコイルを含み、前記第1のフィルタ及び前記第2のフィルタの前記1次コイルと2次コイルは交互に配置される、請求項6から12のいずれか1項に記載のコモンモードフィルタ。
- いずれか一つの同一層に配置された前記第1のフィルタの1次コイルと前記第2のフィルタの1次コイルはそれぞれの外側端部から伸びる第1の接続パターンによって互いに直列に連結され、
いずれか一つの同一層に配置された前記第1のフィルタの2次コイルと前記第2のフィルタの2次コイルはそれぞれの外側端部から伸びる第2の接続パターンによって互いに直列に連結される、請求項13に記載のコモンモードフィルタ。
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