JP2017033684A - 電線 - Google Patents

Abstract

【課題】
伝送線路の可撓性を損なわず、伝送するコモンモードノイズを低減させるため、伝送線路に等価的なコモンモードノイズフィルタを作り込む。
【解決手段】
伝送線路の各素線を囲む導体層を配設することで、伝送線路にコンデンサ成分を形成し、かつ全ての素線を囲む磁性体からなる小型の雑音抑制部材を、伝送線路の長手方向に多数分布させる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、同相雑音またはコモンモードノイズと言われる電磁気的雑音を抑制する機能を備えた、電線、ケーブル、ハーネスなどの伝送線路に関する。

近年、大容量高速通信の必要性から、電子機器の内外に使う伝送線路として、信号の品質を維持しつつ高速で伝送できる、電線やケーブルが求められている。信号の品質を保ちながら高速に伝送できる伝送線路として、差動伝送用に開発された電線やケーブル、ハーネスが用いられることがある。

また、信号の品質に影響を与えるコモンモードノイズを減衰させるため、電線やケーブル、ハーネスの経路途中の一部分に、雑音抑制部品を配設することがある。
ノイズを受け難い電線、ケーブルやハーネスとするため、ケーブル全体を導体で囲んだシールド層を施して使うことが多い。さらに、コモンモードノイズ対策として、ケーブルをクランプする大型の磁性体を配設したケーブルが使われている。

特許第３４１０７６８号公報 特開２００１−２６６６６２号公報 特開２００９−２６６７６４号公報 特開２０１２−６４７７７号公報 特開２０１３−２４７４４８号公報

本発明は、コモンモードノイズを減衰させ、かつ可撓性を損なわない、電線やケーブル、ハーネスを提供する。しかも、コモンモードノイズの抑制効果に周波数特性を持たせ、抑制効果が大きいノイズの周波数の設計を可能にする。

特許文献１のフィルタケーブルは、複数の導体に同相で伝搬するコモンモードノイズを減衰させるために、複数の導体すべてを磁性体層の内側に配設している。このケーブルの断面構造は、ケーブルの長手方向に一様な構造であるので、ノイズの減衰の程度に周波数特性は表れない。
また、特許文献１のフィルタケーブルでは、長手方向に一様な断面構造であるため、ケーブルの可撓性が損なわれるとともに、ケーブルの曲げにともない磁性体に亀裂が生じることが考えられ、耐久性、信頼性に劣る。

特許文献２のケーブルも、断面構造は長手方向に一様で可撓性に劣る。磁性を持ったテープを巻くので、テープの幅が小さいときには特許文献１のケーブルよりも可撓性が増すが、ケーブルを曲げた時、曲げの外側では引っ張り力が働き、反対に内側では圧縮力が働くことで、曲げの外側では巻いた磁性テープの剥離を起こし、内側では皺を生ずることで、本発明の電線より磁性体の耐久性と信頼性に劣る。

特許文献３のフラットケーブルは可撓性に富むが、フラットケーブルの片側に磁性体が配設されており、ケーブルの断面で磁性体がケーブルを一周する構造になっていないため、コモンモードノイズに対する減衰効果は小さい。

コモンモードノイズがケーブルに誘導される過程は、空間を伝搬する電磁界がケーブルに雑音電流を誘導して、コモンモードノイズがケーブルの左右に伝送する。
このとき、特許文献４、特許文献５に記載されているような、ケーブルの一カ所に磁性体を集中させた大型のコモンモードフィルタは、ケーブルに誘導されたコモンモードノイズの雑音電流を、コモンモードフィルタの方向に流れる雑音電流に対してのみ減衰させるので、コモンモードノイズ抑制効果は限定的である。

上記目的を達成するために、線状導体線を絶縁被覆した素線を、磁性体からなる雑音抑制部材で、すべての素線を一周して囲んだコモンモードノイズフィルタを、ケーブル全体に分布させることで解決できる。

即ち(１)、電気信号を伝送または電力を供給する電線であって、線状導体が絶縁材料で被覆された二本以上の素線と、前記素線全体を周方向に囲むように配設された磁性体からなる複数の雑音抑制部材とを備え、前記雑音抑制部材が配設された部分と配設されていない部分が、前記素線の長手方向に交互に配列しており、前記雑音抑制部材の厚さはどの素線の直径も超えることがなく、前記雑音抑制部材の幅は、どの素線の直径より大きく、かつ電線の断面の最も長い距離よりも小さく、しかも前記雑音抑制部材が配列される間隔は、前記雑音抑制部材の幅の２倍よりも大きいことを特徴とする電線にある。

そして(２)、線状導体が絶縁材料で被覆され、前記絶縁材料の外周面を覆うように導体層を備えている素線で、上記（１）に記載された電線のすべての素線を置き換えた電線にある。

そして(３)、上記２に記載した電線であって、各々の素線の外層に配設された導体層どうしが、電気的に接続されていることを特徴とする電線にある。

そして(４)、上記３に記載した電線であって、各々の素線の外層に配設された導体層は、所用数の導体線がそれぞれの前記素線の周囲に巻き付くとともに、導体線どうしが相互に交差してすべての前記導体の外周面を囲むように取り付けられていることを特徴とする電線にある。

そして（５）、上記１から上記４に記載の電線を用いたケーブルにある。

そして（６）、上記１から上記４に記載の電線を用いたハーネスにある。

本発明の電線は、上記のように磁性体からなる小型の雑音抑制部材が、長手方向に多数配列して構成されているので、可撓性を損なうこと無く、伝送するコモンモードノイズが低減する。また、雑音抑制部材の配列法によって、ノイズ抑制効果に周波数特性を与えることが可能になる。

本発明の電線の斜視図である。

本発明の電線の、素線外層に磁性体からなる雑音抑制部材が配設されている部分の断面図である。

本発明の電線が、外層に導体層を形成した２本の素線からなる場合の斜視図と、該電線の、磁性体からなる雑音抑制部材が配設されている部分の断面図である。

本発明の電線が２本の素線からなって、それぞれの素線の外層に編組で構成した一体化した導体層を持っている場合の断面図である。

図３および図４の本発明の電線の等価回路図である。

図３および図４の本発明の電線の導体層を接地した時の、等価回路図である。

本発明の電線が３本の素線からなる場合の実施例で、導体層を接地した時の、等価回路、断面図、斜視図である。

本発明の３本の素線からなる電線の実施例の断面図で、各々の素線の断面中心を直線上に配置した実施例である。

本発明の電線が、磁性体層で囲まれた３本の素線と、磁性体層の外側に配置されている素線とから構成されて、各々の素線の断面中心を直線上に配置した実施例である。

本発明の電線が、磁性体層で囲まれた２本の素線と、磁性体層の外側に配置されている２本の素線とから構成され、磁性体層の外側の素線が、導体層をもつ素線と導体層を持たない素線とからなり、各々の素線の断面中心を直線上に配置した実施例である。

図１の構成の電線がノイズを抑制している効果を示す測定結果である。

図３の構成の電線がノイズを抑制している効果を示す測定結果である。

図１の構成の電線がノイズを抑制する効果に周波数特性があることを示す測定結果である。

電磁界の法則によって電流は、その流れる方向に向かって、時計回りに回転する磁界を生じると同時に、磁界が作る磁束は、磁束が一周し囲んでいる電流を抑制する効果を及ぼす。
電流の強さをＩ、磁界の強さをＨとしたとき、直線状に流れる電流Ｉによる磁界Ｈは、電流からの距離ｒの位置では、数１で表される。
比透磁率μrの、円環状の磁性体が電流の流れを一周して囲んでいるとき、磁性体内部の磁束φは、磁性体の内径をｐ、外径をｑ、幅をｔとするとき、真空の比透磁率をμ0として、自然対数を使って数２で表される。
よって、この円環状の磁性体の作用によって作られる、電流の流れがもつ自己インダクタンスLは、数３で表される。
自己インダクタンスL作用により、円環状の磁性体が囲んでいる電流は妨げられ、コイルに電流が流れるのと同じ効果がえられる。この効果を利用して、磁性体による雑音抑制部材を実現している

コモンモードノイズと呼ばれるノイズによる雑音電流は、電線を構成しているすべての素線を同一方向に流れ、その各々の素線の電流がつくる磁界は強め合うので、電線を一周して囲む磁性体からなる雑音抑制部材１との相互作用によって、各々の素線の自己インダクタンスを増加させ、素線に流れる雑音電流を抑制することで、コモンモードノイズを低減させることができる。

また、本発明の雑音抑制部材１の配設方法では、雑音抑制部材１を周期的に配設することで、電磁気学におけるフロケの定理により、素線を流れる電流の波長との関係を考慮することで、コモンモードノイズ抑制効果に周波数特性を与えることができる。

図１は、２本の素線で構成された典型的な本発明の電線の斜視図で、図２はその電線の雑音抑制部材１が配設されている部分の断面図である。２本の素線をまとめて、小型の磁性体からなる雑音抑制部材１が一周して取り囲み、電線の長手方向に所用数の雑音抑制部材１が配設されることで、電線の可撓性を損なうことなく、コモンモードノイズを抑制することができる。
通常、これら電線は最外層に保護層を設けて劣化を防止する。しかし、以下の図面に示す実施例では保護層を省略して図示し説明する。

雑音抑制部材１を作っている磁性体の厚さ９は、どの素線の直径よりも小さい必要がある。しかも、雑音抑制部材１の幅７は、どの素線の直径よりも大きい必要がある。かつ、雑音抑制部材１の幅７は、電線の雑音抑制部材１が配設されていない部分の、断面図における最も長い距離６よりも小さくなければならない。また、雑音抑制部材１が配列される間隔８は、雑音抑制部材１の幅７の２倍よりも大きくなければならない。

雑音抑制部材１の大きさと配置間隔との関係を、上記のように設定することで、電線の柔軟性を損なうことがなく、かつ素線を流れる電流が作る磁界と磁性体からなる雑音抑制部材１との相互作用による、コモンモード雑音抑制効果の高い電線となる。

素線の外層に導体層を配設した素線で、図１の素線を置き換えると、図３の断面をもつ電線となる。図３では、素線の中心に位置する線状導体２と導体層４との間にコンデンサを形成し、容量成分が生じる。このコンデンサと、磁性体からなる雑音抑制部材１が配設されていることによる、素線がもつ自己インダクタンスとが、ノイズフィルタ回路を形成することで、コモンモードノイズの抑制効果がより高まる。

図３のように、素線の中心導体２が絶縁層３を隔てて導体層４と向かい合うことで、中心導体と導体層はコンデンサ11を形成することになり、中心導体の直径をa、絶縁材料の直径をb、絶縁材料の誘電率をεとしたとき、その素線の長さ１ｍあたりのコンデンサの容量Cは数４で表される。

一般のコモンモードノイズ用のノイズフィルタ回路では、コンデンサの一端を接地して用いる。これは本発明の電線で、導体層を接地することに対応し、電線に形成されたコモンモードノイズフィルタ回路を効果的に作用させ、接地しない場合よりもコモンモードノイズの抑制効果が高まる。

素線外層の導体層を接地する必要があるときには、電線の両端または一端で接地することになる。導体層を持つ素線を束ねて、素線外層の導体層が接しているだけの場合、電線の一端だけでの接地では、ケーブル全体に分布するコンデンサに対して、十分な接地を確保することは困難である。
この対策として、複数の導体線で編組を施し、それぞれの導体線が各々の素線を取り囲みながら、導体線どうしが相互に交差しあい、一体化した編組で各々の素線外層に導体層を配設することが効果的である。
図４のように、導体層を一体化することで、各々の素線の導体層を引き出す必要がなくなり、接地する作業性も向上する。

図４のように一体化した編組による導体層５を持つ電線に対して、図３のような外層に導体層４を持つ素線を束ねただけの電線は、導体層４が接触して電気的な導通を維持しているだけなので、電線の曲げにより電気的接触状態が変化することによる、曲げに伴うノイズの発生が避けられない。よって、一体化した導体層５をもつ電線は、可動ケーブルや可動ハーネスのノイズ抑制効果に優れている。

図３または図４のように、２本の素線をまとめて磁性体からなる雑音抑制部材１を配設したとき、コモンモードノイズによる雑音電流が流れるときの等価回路は、図５のようになる。各々の素線の中心導体と導体層との間に形成されるコンデンサ11と、コモンモードノイズによる雑音電流が作る磁界と磁性体からなる雑音抑制部材１との相互作用により、数３で表されるコイル10を形成する。

図５の等価回路は、一般にノイズフィルタとして市販されている部品と同じ回路構成をしており、本発明の電線は、ノイズフィルタの役割の一部を担うことが可能である。
素線中心の線状導体２と導体層の作るコンデンサ11の大きさは、数４で表されるので、中心導体と絶縁材料の径、及び絶縁材料の誘電率を適切に調整することで、本発明の電線の等価回路におけるコンデンサを制御することが可能である。
また、磁性体からなる雑音抑制部材１により作られるコイル10は、数３で表されるので、磁性体からなる雑音抑制部材１の寸法と配列間隔を適切に調整することで、本発明の電線の等価回路におけるコイルを制御することが可能である。

よって、コイル10とコンデンサ11との大きさを適切に調整することで、コモンモードノイズを低減するフィルタ機能を持った電線を実現することができる。

図６は、本発明の電線の導体層を接地したときの等価回路であり、図３および図４で導体層を接地することで、コモンモードノイズ抑制効果が増す。

図７のように、本発明の電線が３本の素線からなっている場合も、図３や図４と同じことが成り立ちノイズフィルタ回路を形成して、導体層を接地することはコンデンサ21の中点を接地したことになりコモンモードノイズを有効に低減できる。

図８は、素線３本からなる実施例で、素線の断面中心を直線上に配しており、電線の薄型化に有利である。図７の等価回路と等しく、導体層を接地して用いる。

図９および図１０は、素線４本からなる実施例で、コモンモードノイズを抑制したい素線とそれ以外の素線をまとめた例で、いずれもハーネスの薄型化に有利である。
図９は、３本の素線でコモンモードノイズフィルタを形成し、１本の導体層４をもつ素線と併せてハーネスを構成した例である。
図１０は、２本の素線でコモンモードノイズフィルタを形成し、１本の導体層４をもつ素線と１本の導体層を持たない素線とを併せてハーネスを構成した例である。

＜実施例１＞
図１１は、図１の構成を持つ電線のコモンモードノイズ抑制効果をネットワークアナライザで測定した結果であり、磁性体からなる雑音抑制部材を配設していない比較のための電線を基準として、雑音抑制部材を配設した電線を伝送するコモンモードノイズが減衰した割合を、周波数とともに示した図である。

＜実施例２＞
図１２は、図４の構成を持つ電線のコモンモードノイズ抑制効果をネットワークアナライザ測定した結果であり、図４の電線から磁性体からなる雑音抑制部材を除いた、比較のための電線を基準として、雑音抑制部材を配設した電線を伝送するコモンモードノイズが減衰した割合を、周波数とともに示した図である。

＜実施例３＞
図１３は、図１の構成を持ち、雑音抑制部材１を15mm間隔で配設した、長さ500mmの電線を、周波数20MHzの水晶発振器に接続し、放射されるノイズを、雑音抑制部材１を配設しない比較のための電線と比較して、ノイズが減衰した割合を周波数とともに示した図である。ノイズの抑制効果に周波数特性が得られていることがわかる。

インバータやコンバータなどの電力変換機器は、強力なコモンモードノイズを発生させている。これら電力変換機器は、主にモータを駆動するために使われ、家電品や自動車、工場設備等幅広い分野で使われている。
これら電力変換機器から機器に電力を供給する電線に、本発明の電線を使用した場合、電線だけでコモンモードノイズが小さくなるため、機器側でのノイズ対策が容易になる。

また、電力変換機器と共に使われる機器に制御信号を送るハーネスなどに使用した場合は、ハーネスが雑音抑制機能を持ちノイズに強いシステムとなるため、ノイズによる誤動作が無くなることで信頼性が増す。

本発明の電線は、ノイズ源となる機器に接続されるケーブルと、ノイズを受けやすい制御信号が伝送されるケーブルとの双方に使うことで、ノイズを出しにくくなると同時に、ノイズを受けにくくなり、システム全体の信頼性を高め安全性を確保する上で有効である。

１ 磁性体からなる雑音抑制部材
２ 素線の中心導体
３ 絶縁材料
４ 導体層
５ 一体化した導体層
６ 電線断面の最も長い距離
７ 雑音抑制部材の幅
８ 雑音抑制部材を配設する間隔
９ 雑音抑制部材の厚さ
10、10’ 雑音抑制部材により生成されるコイル
11、11’ 素線の中心導体と導体層により生成されるコンデンサ
20、20’、20” 雑音抑制部材により生成されるコイル
20、20’、20” 素線の中心導体と導体層により生成されるコンデンサ

Claims (6)

1. 電気信号を伝送または電力を供給する電線であって、線状導体が絶縁材料で被覆された二本以上の素線と、前記素線全体を周方向に囲むように配設された磁性体からなる複数の雑音抑制部材とを備え、前記雑音抑制部材が配設された部分と配設されていない部分が、前記素線の長手方向に交互に配列しており、前記雑音抑制部材の厚さはどの素線の直径も超えることがなく、前記雑音抑制部材の幅は、どの素線の直径より大きく、かつ電線の断面の最も長い距離よりも小さく、しかも前記雑音抑制部材が配列される間隔は、前記雑音抑制部材の幅の２倍よりも大きいことを特徴とする電線。
2. 線状導体が絶縁材料で被覆され、前記絶縁材料の外周面を覆うように導体層を備えている素線で、請求項１に記載された電線のすべての素線を置き換えた電線。
3. 請求項２に記載した電線であって、各々の素線の外層に配設された導体層どうしが、電気的に接続されていることを特徴とする電線。
4. 請求項３に記載した電線であって、各々の素線の外層に配設された導体層は、所用数の導体線がそれぞれの前記素線の周囲に巻き付くとともに、導体線どうしが相互に交差してすべての前記導体の外周面を囲むように取り付けられていることを特徴とする電線。
5. 請求項１から請求項４に記載の電線を用いたケーブル。
6. 請求項１から請求項４に記載の電線を用いたハーネス。