JP2018032712A - ノイズフィルタ、及び当該ノイズフィルタが形成された回路基板 - Google Patents

ノイズフィルタ、及び当該ノイズフィルタが形成された回路基板 Download PDF

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Abstract

【課題】グランド線などを構成する導電パターンに重畳するノイズを除去するノイズフィルタにおいて、製造コストの上昇を招くことなく、静電気に強いノイズフィルタを提供する。
【解決手段】基板100に形成される少なくとも2つの帯状導電パターン114、116からなるノイズフィルタ124、134であって、各帯状導電パターンは、所定の幅を有し、所定の距離を隔てて互いに平行に延在する。少なくとも一つの帯状導電パターン116は、幅狭部126と、その両端に隣接した幅広部130、132と、幅狭部及び幅広部によって画定される凹部128と、を有する。帯状導電パターン116に相対向する他の帯状導電パターン114は、その一部分の幅が幅広となるように帯状導電パターン116に向けて突出する凸部127を有する。凸部の少なくとも一部は、前記凹部内に配置される。
【選択図】図1

Description

本発明は、回路基板に形成される導電パターンに重畳したノイズを除去するノイズフィルタに関するものであり、特に、プリント配線基板などの基板に形成される導電パターンにより構成されるノイズフィルタに関する。
一般に、電子装置は、装置外部から到来するノイズに影響されず、且つ装置外部にノイズを出さないという要件、いわゆる、EMC(Electro-Magnetic Compatibility:電磁環境的両立性)を満たすことが求められている。電子装置を構成する電気回路は、それ自身がノイズを放出するノイズ源となる場合が多く、効果的なノイズ対策を施さなければ、期待されるEMCを達成することが困難となっている。
電子装置を構成する電気回路のうち、特に、デジタル信号を処理するデジタル処理回路は、高速でON/OFFを繰り返すMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)などのスイッチング素子を有しており、ONとOFFとが切り替わる瞬間にスパイク状の高周波電流を含むノイズを発生する。
この高周波電流は、主に、スイッチング素子のゲート容量に蓄積される電荷の充放電によって、前記デジタル処理回路の信号線とグランド線との間を流れる電流(信号電流)と、前記デジタル処理回路の電源線から該スイッチング素子を介して前記グランド線に流れる電流(貫通電流)とから構成されており、信号電流及び貫通電流の何れもがグランド線を伝導経路としている。このため、該高周波電流は、例えば、該スイッチング素子のグランド線を共有する他の回路に流入したり、該グランド線をアンテナとして輻射ノイズとなって他の回路に伝搬することで、周囲の回路の誤動作を誘発する要因となっている
このため、スイッチング素子で発生する高周波電流は、該スイッチング素子が接続されるグランドよりも更に低インピーダンスで安定したグランド(例えば、上記デジタル信号処理回路が設けられる回路基板内のグランドプレーン)や、電子装置を構成する筐体などに速やかに逃がすことが望ましい。
例えば、グランドパターンが、電源装置のグランドに接続されたグランドプレーンと複数のグランド線とで構成される場合には、ノイズフィルタ素子(例えば、チップコンデンサなど)によって、高周波電流が重畳するグランド線と、上記グランドプレーンなどとを接続すれば、該高周波電流を、グランド線から、高周波インピーダンスの低い前記ノイズフィルタ素子を経由して、該グランドプレーンに排除することができる。このような手法によれば、デジタル信号処理回路のグランド線のノイズ耐性を向上させることができ、また、グランド線からノイズが放出することも防止できるため、期待されるEMCを達成し易くなる。
その一方で、期待されるノイズ除去効果を得るためには、多数のノイズフィルタ素子を実装する必要があり、使用個数に応じて製造コストが上昇する。また、電子装置の使用環境によっては、特許文献1のように、ノイズフィルタ素子を静電気から保護するための静電気保護部品(例えば、抵抗やツェナーダイオードなど)が別途必要となるため、さらに電子装置の製造コストの上昇を招く恐れがある。
特開2003−151794号公報
このような背景から、グランド線などを構成する導電パターンに重畳するノイズを除去するノイズフィルタにおいて、製造コストの上昇を招くことなく、静電気に強いノイズフィルタを実現することが望まれている。
本発明の一の態様は、基板に形成される少なくとも2つの帯状導電パターンからなるノイズフィルタである。本ノイズフィルタにおいて、各帯状導電パターンの各々は、所定の幅を有すると共に、所定の距離を隔てて互いに平行に延在し、少なくとも一つの帯状導電パターンは、その一部分の幅が幅狭とされた幅狭部と、該幅狭部の両端に隣接し前記幅狭部よりも幅が広い幅広部と、前記幅狭部及び幅広部によって画定される凹部と、を有し、前記一つの帯状導電パターンに相対向する他の帯状導電パターンは、その一部分の幅が幅広となるように前記一つの帯状導電パターンに向けて突出する凸部を有し、前記凸部の少なくとも一部は、前記凹部内に配置される。
本発明の他の態様によると、前記幅狭部と前記凸部との最短距離は、前記所定の距離よりも小さい。
本発明の他の態様によると、前記凹部内における前記凸部と前記幅広部との最短距離は、
前記幅狭部と前記凸部との最短距離よりも大きく、前記所定の距離よりも小さい。
本発明の他の態様によると、前記1つの帯状導電パターンは、複数の前記凹部を有し、前記他の帯状導電パターンは、複数の前記凹部と各々と相対向する位置に複数の前記凸部を有し、複数の前記凸部の各々の少なくとも一部は、各凸部と相対向する位置の前記凹部内には配置される。
本発明の他の態様によると、複数の前記凸部の各々と、複数の前記凸部の各々と相対向する幅狭部との最短距離は、各々異なる。
本発明の他の態様は、上記ノイズフィルタが形成された回路基板である。
本発明の他の態様によると、前記回路基板は、複数のグランドパターンを備え、複数のグランドパターンのうち、少なくとも2つのグランドパターンは前記一つの帯状導電パターン及び前記他の帯状導電パターンに対応する。
本発明の他の態様は、上記回路基板を備える電子装置である。
本発明の一実施形態に係るノイズフィルタを備えた回路基板の構成、ノイズフィルタの構成、及びノイズフィルタの等価回路を示す図である。 本実施形態に係るノイズフィルタの変形例の構成を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1(a)は、本発明の一実施形態に係るノイズフィルタを備えた回路基板の構成を示す図である。
本ノイズフィルタを備えた回路基板100は、車両に搭載され該車両のエンジン制御を行う電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)であり、制御回路を構成する電子部品が搭載された印刷回路基板である回路基板100と、回路基板100に配されたコネクタ102と、を有している。
回路基板100上には、駆動回路104、106と、電源回路108と、AD変換回路(アナログ・デジタル変換回路、Analog-to-Digital Converter)110と、デジタル処理回路112と、が配され、回路基板100上に形成された銅箔等の電気回路パターンにより互いに電気的に接続されて制御回路を構成している。なお、図1(a)において回路基板100上に示した各回路104〜112を結ぶ線分は、回路基板100上に形成された電気回路パターンを模式的に示したものであり、当該線分の交差部に示された黒丸は、当該交差部において電気回路パターンが互いに電気的に接続されていることを示している。また、黒丸が示されていない線分の交差部は、当該交差部を構成する電気回路パターンが電気的に接続されていないことを示しており、例えば、当該交差部では、一方の電気回路パターンが、回路基板100に設けられたビアホール等を介して回路基板100の裏面に逃げることで、電気的接続が回避される。
駆動回路104及び106は、例えばトランジスタを用いた電力増幅回路により構成され、車載発電機(不図示)などからの電源供給を受けて動作し、デジタル処理回路112から受信した制御量に基づき、エンジン制御を行う制御装置などの制御対象に与えるべき電流又は電圧値を決定して、当該決定した電流又は電圧値を持つ出力を制御対象にそれぞれに出力する。
電源回路108は、例えばレギュレータであり、上記車載発電機から供給された電圧を所定の電圧値に変換して、AD変換回路110、デジタル処理回路112に電力を供給する。
AD変換回路110は、電源回路108からの電源供給を受けて、回路基板100の外部に設けられたセンサから出力された検知電圧信号(センサ信号)であるアナログ信号をデジタル信号に変換してデジタル処理回路112に出力する。
デジタル処理回路112は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、AND回路やOR回路等の論理回路デバイス、PLD(Programmable Logic Device)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のデジタル回路により構成され、AD変換回路110によりデジタル信号に変換された上記センサ信号に基づいて、制御対象をそれぞれ制御するための制御量を算出する。
回路基板100の外周部において、本実施形態では、図1における回路基板100の周縁部にコの字状に形成された帯状の導電パターンである電力用グランド(PG:Power Ground)114が設けられている。また、PG114に対し回路基板100の内側に設けられた帯状の導電パターンである論理回路用グランド(LG:Logic Ground)116を備えている。さらに、PG114とLG116とは、その一部がGND接続パターン118により直流的に接続されている。
ここで、PG114は、回路基板100に形成された他のグランドパターンよりもパターン面積が十分に広く、最も安定で低インピーダンスのグランドを構成している。PG114は、配線ライン119、121を介して駆動回路104、106のグランドと接続されている。なお、PG114は、コネクタ102のグランド端子を通じて駆動回路104、106の制御対象となる外部装置のグランドとも接続されている。
また、LG116は、回路基板100上に形成された配線ライン115を介してデジタル処理回路112のグランド端子に接続されており、デジタル処理回路112の内部動作及び出力信号に用いられるパルス信号の電圧レベル、すなわち当該パルス信号の論理値を規定する基準を与える。ここで、デジタル処理回路112には、多数のスイッチング素子が含まれているため、該スイッチング素子のスイッチング動作に伴う様々な周波数のスパイク状の高周波電流がLG116にノイズとして重畳する。また、当該ノイズが重畳するLG116には、AD変換動作の基準電圧を得るべく接続されたAD変換回路110のグランドや、電源回路108のグランドが、配線ライン113、117を介して接続されている。
ここで、本実施形態では、LG116に重畳した上記ノイズを除去するために、LG116及びPG114の2つの導電パターンにおいて、該導電パターンを用いて形成した2つのノイズフィルタ124、134が、GND接続パターン118を挟むように設けられている。なお、本実施形態に係るノイズフィルタは、インピーダンスが低く、電位が安定しているGND接続パターン118に隣接して設けられるのが最も効果的ではあるが、これに限らず、PG114とLG116とが相対向する部分であれば、一定のノイズ除去効果を得ることができる。また、ノイズフィルタの個数は、LG116及びPG114の相対向する部分の任意の位置に少なくも1つ設けられていればよく、必要に応じて、3つ以上のノイズフィルタを設けることもできる。
次に、本実施形態に係るノイズフィルタについて説明するが、図1(a)に示すノイズフィルタ124とノイズフィルタ134とは同一の構成を有しているので、以下、ノイズフィルタ124について、図1(a)の点線で囲む領域120の部分詳細図である図1(b)と、当該ノイズフィルタ124の等価回路を示す図1(c)とを用いて詳述する。
本実施形態に係るノイズフィルタ124は、PG114及びLG116を構成する導電パターンの一部を変形したものであって、例えば、銅箔を部分的にエッチングしてPG114及びLG116の形状に加工する際に、同時に図1(b)に示す形状にパターニングすることでノイズフィルタ124を得ることができる。このように、本実施形態に係るノイズフィルタ124は、新たな部品や追加の工程を必要とせずに、回路基板100に設けることができる。
本実施形態に係るノイズフィルタ124は、LG116の一部を構成する幅狭部126(図示点線間の領域)と、PG114の一部を構成する凸部127(図示点線より上方の部分)と、前記幅狭部126と凸部127との間に位置する凹部128とから構成されている。なお、幅狭部126は、L116の幅(図1(b)に示すL116の図示上下方向の長さ)の一部を、他の部分の幅よりも幅狭に形成した領域である。また、凹部128は、LG116において、該幅狭部126と、該幅狭部126の両端を挟むように配置される幅広部130、132との幅の差によって画定される凹状の切欠部であって、LG116を構成する導電体の一部を凹状に除去することで形成することができる。また、凸部127は、PG114を構成する導電体の一部を幅広に加工した突出部であって、前記幅狭部126と相対向する位置に形成されている。
ここで、PG114とLG116とは、ノイズフィルタ124を除く領域において、所定の距離Aをもって平行に相対向しているが、ノイズフィルタ124が形成されている領域において、PG114の凸部127とPG116の幅狭部126との最短距離Bが前記所定の距離Aよりも小さい距離で近接するように配置されている。さらに、PG114の凸部127の一部分は、PG116の凹部128内に位置している。この構成によって、ノイズフィルタ124では、該ノイズフィルタが形成されていない他の部分よりも低インピーダンスでPG114とLG116とを接続し得る容量結合が生じる。そして、ノイズフィルタ124は、LG116に重畳する高周波電流からなるノイズを、外部電源装置のグランドに対して低インピーダンスであってより安定なグランドであるPG114へと排除するバイパスコンデンサとして機能する。
ここで、ノイズフィルタ124の上記バイパスコンデンサを構成する容量は、前記凸部127の図示上部付近と幅狭部126とが最短距離Bをもって近接することにより生じる容量C1と、前記凸部127の図示左側の側面とLG116の幅広部130とが最短距離Xをもって近接することにより生じる容量C2と、前記凸部127の図示右側の側面とLG116の幅広部132とが最短距離Yをもって近接することにより生じる容量C3とから構成される。このように、ノイズフィルタ124は、PG114とLG116とが近接する3箇所において所定の容量C1、C2、C3で容量結合するバイパスコンデンサから構成されている。
そして、LG116の幅広部130の方向からノイズフィルタ124に到来したノイズについては、ノイズフィルタ124を構成する容量であるC1及びまたはC2が主に機能して、LG116とPG114とを低インピーダンスで接続し、LG116に重畳するノイズをPG114に排除する。また、上述した場合とは逆方向から到来するノイズ(すなわち、幅広部132の方向から到来するノイズ)であっても、ノイズフィルタ124を構成する3つの容量のうちC1及びまたはC3が主に機能して、LG116とPG114とを低インピーダンス接続し、LG116に重畳するノイズをPG114に排除することができる。このように、本ノイズフィルタ124は、凸部127を中心として図示左右対称なパターンで構成されているため、ノイズフィルタ124に何れの方向からノイズが到来しても、略同一のノイズ除去効果を得ることができる。
また、ノイズフィルタ124は、本実施形態では、各容量C1、C2、C3の各々がなすLG116とPG114との最短距離B、X、Yの全てが等しくなるように構成されている(B=X=Y)。さらに、幅狭部126と凸部127とがオーバーラップする部分の長さZと、前記凸部127の図示左側面及び右側面と幅広部130及び幅広部132とがオーバーラップする部分の長さCとが等しくなるように形成されている(Z=C)。この結果、ノイズフィルタ124を構成する容量C1、C2、C3の全てが略同一の容量となる。その結果、意図しない静電気などに由来するサージ電流が、例えばPG114からノイズフィルタ124に到来した場合においても、略同一のインピーダンスを有する電流経路となる容量C1、C2、C3が、到来した該サージ電流を3つの該電流経路に概ね等しく分流し、容量1つあたりに流入するサージ電流を低減することができる。このようにして、ノイズフィルタ124を過剰なサージ電流の流入による破壊から保護することができる。
また、本実施形態に係るノイズフィルタ124は、幅狭部126が構成する抵抗成分R1、R2と、凸部127が構成する抵抗成分R3と、を有しており、各抵抗成分R1〜R3が容量C1、C2、C3への上記サージ電流の流れ込みを制限すると共に、流入したサージ電流については速やかに熱に変換する制限抵抗として機能するため、ノイズフィルタ124が備える各容量C1、C2、C3の静電破壊防止効果を更に高めることができる。
なお、各容量C1、C2、C3におけるLG116とPG114との最短距離B、X、Yは、必ずしも全てを等しくする必要はなく、それぞれ任意の関係とすることができる。例えば、ノイズフィルタ124は、C1のみが機能していれば、LG116からPG114へとノイズが排除でき、また、抵抗成分R1〜R3によって、所定の静電破壊防止効果も得られるため、例えば、X及びYの両方が、A及びBの両方よりも大きくなるように各最短距離を設定して、C2及びC3が実質的に機能しない構成とすることもできる。
また、X及びYの両方を、Bよりも大きく、且つAよりも小さくすれば、容量C2、C3を低インピーダンスのノイズ排除経路として機能させることができる。この場合、ノイズフィルタ124に到来したサージ電流の大部分は、容量C1を通過するため、容量C2、C3では、サージ電流によって被るダメージを最小限に抑えることができる。そして、仮に、容量C1がサージ電流により破壊した場合においても、容量C2、C3については、ノイズを排除するための経路として機能するため、LG116に重畳するノイズを除去する機能が損なわれることはない。
なお、このような構成において、容量C2、C3の最短距離X、Yの関係を、X=Yとすれば、ノイズフィルタ124に到来したサージ電流を幅広部130、132に等しく分流することができるため、サージ電流によるダメージが一方の容量に偏ることを防止できる。
このように、本実施形態に係るノイズフィルタ124では、LG116とPG114とを構成する導電パターンの一部が、ノイズを除去する機能を備えると共に、該ノイズフィルタ124を静電気などに由来するサージ電流から保護する機能を備えているため、製造コストの上昇を招くことなく、静電気保護機能を備えたノイズフィルタを回路基板100に形成することができる。
図2は、本実施形態における変形例であり、ノイズフィルタ124に代えて用いることのできる、ノイズフィルタ204、214、224の構成を示す図である。ここで、ノイズフィルタ204、214、224は、LG266とPG264において、直列に接続された三段構成のノイズフィルタであって、ノイズフィルタ204、214、224の各々の構成は同一である。このような構成によれば、例えば、LG266に重畳するノイズの強度が高く、単独のノイズフィルタのみではノイズの大部分をPG264へと排除できない場合においても、一段目のノイズフィルタ204を透過したノイズを、二段目、三段目のノイズフィルタ214、224を用いてPG264へと排除することができる。この結果、LG266に重畳するノイズを出来うる限り除去して、LG266内にノイズが滞留することを防止できる。なお、ノイズフィルタの個数は3個に限らず、LG266に重畳するノイズの強度に応じて適宜増減することができる。また、本変形例では、ノイズフィルタ204、214、224の各々の構成を同一としたが、これに限らず、各ノイズフィルタを構成するパラメータ(図1(c)の距離A〜C、X〜Z)の各々が異なるように構成してもよい。
なお、本実施形態及び変形例に係るノイズフィルタでは、ノイズフィルタを構成する凸部及び凹部の形状を矩形状としたが、例えば、凸部及び凹部の形状を三角形状などとしても同様の効果得ることができる。また、本実施形態及び変形例に係るノイズフィルタは、特定のグランド線(LG116、266)に重畳したノイズを、別のグランド線(PG114、264)に排除するものであるが、これに限らず、例えば、信号線に重畳するノイズを、グランド線に排除するような場合においても、当該信号線及びグランド線の導電パターンを用いて本実施形態及び変形例に係るノイズフィルタを形成しても、同様の効果を得ることができる。
以上、説明したように、本実施形態及びその変形例に係るノイズフィルタは、基板に形成される少なくとも2つの帯状導電パターンからなるノイズフィルタであって、各帯状導電パターンの各々は、所定の幅を有すると共に、所定の距離を隔てて互いに平行に延在し、少なくとも一つの帯状導電パターンは、その一部分の幅が幅狭とされた幅狭部と、該幅狭部の両端に隣接し前記幅狭部よりも幅が広い幅広部と、前記幅狭部及び幅広部によって画定される凹部と、を有し、前記一つの帯状導電パターンに相対向する他の帯状導電パターンは、その一部分の幅が幅広となるように前記一つの帯状導電パターンに向けて突出する凸部を有し、前記凸部の少なくとも一部は、前記凹部内に配置される。
これにより、本ノイズフィルタは、少なくとも2つの帯状導電パターンにより、一つの帯状導電パターンに重畳するノイズを、他の帯状導電パターンに排除するバイパスコンデンサを構成すると同時に、静電破壊防止素子として構成することができる。
その結果、帯状導電パターンの一部が、ノイズを除去する機能を備えると共に、該ノイズフィルタを静電気などに由来するサージ電流から保護する機能も備えているため、製造コストの上昇を招くことなく、静電気保護機能を備えたノイズフィルタを回路基板に作り込むことができる。
100・・・回路基板、102・・・コネクタ、104、106・・・駆動回路、108・・・電源回路、110・・・AD変換回路、112・・・デジタル処理回路、114、264・・・電力用グランド(PG)、116、266・・・論理回路用グランド(LG)、118・・・GND接続パターン、113、115、117、119、121・・・配線ライン、124、134、204、214、224・・・ノイズフィルタ、126、206、216、226・・・幅狭部、127、207、217、227・・・凸部、128、208、218、228・・・凹部、130、132・・・幅広部。

Claims (8)

  1. 基板に形成される少なくとも2つの帯状導電パターンからなるノイズフィルタであって、
    各帯状導電パターンの各々は、所定の幅を有すると共に、所定の距離を隔てて互いに平行に延在し、
    少なくとも一つの帯状導電パターンは、その一部分の幅が幅狭とされた幅狭部と、該幅狭部の両端に隣接し前記幅狭部よりも幅が広い幅広部と、前記幅狭部及び幅広部によって画定される凹部と、を有し、
    前記一つの帯状導電パターンに相対向する他の帯状導電パターンは、その一部分の幅が幅広となるように前記一つの帯状導電パターンに向けて突出する凸部を有し、
    前記凸部の少なくとも一部は、前記凹部内に配置される、
    ノイズフィルタ。
  2. 請求項1に記載されたノイズフィルタにおいて、
    前記幅狭部と前記凸部との最短距離は、前記所定の距離よりも小さい、
    ノイズフィルタ。
  3. 請求項2に記載されたノイズフィルタにおいて、
    前記凹部内における前記凸部と前記幅広部との最短距離は、
    前記幅狭部と前記凸部との最短距離よりも大きく、前記所定の距離よりも小さい、
    ノイズフィルタ。
  4. 請求項1ないし3のいずれか一項に記載されたノイズフィルタにおいて、
    前記一つの帯状導電パターンは、複数の前記凹部を有し、
    前記他の帯状導電パターンは、複数の前記凹部の各々と相対向する位置に複数の前記凸部を有し、
    複数の前記凸部の各々の少なくとも一部は、各凸部と相対向する位置の前記凹部内に配置される、
    ノイズフィルタ。
  5. 請求項4に記載されたノイズフィルタにおいて、
    複数の前記凸部の各々と、複数の前記凸部の各々と相対向する前記幅狭部との最短距離は、各々異なる、
    ノイズフィルタ。
  6. 請求項1ないし5のいずれか一項に記載されたノイズフィルタが形成された回路基板。
  7. 請求項6に記載された回路基板において、
    前記回路基板は、複数のグランドパターンを備え、
    前記複数のグランドパターンのうち、少なくとも2つのグランドパターンは前記一つの帯状導電パターン及び前記他の帯状導電パターンである、
    回路基板。
  8. 請求項6または7に記載された回路基板を備える電子装置。
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