JP2019096710A - コモンモードフィルタ実装基板 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタル信号の周波数が高い場合にも、コモンモードノイズを十分に除去したコモンモードフィルタ実装基板を提供する。【解決手段】コモンモードフィルタ実装基板１は、コモンモードフィルタ２と、導電パターン３と、絶縁層４と、グランドパターン５と、を備える。導電パターン３は、第１信号線６と、コモンモードフィルタ２を介して第１信号線６と接続された第２信号線７とを含む。グランドパターン５は、第１パターン８と、第２パターン９と、を含む。絶縁層４は、導電パターン３と、グランドパターン５との間に介在し、導電パターン３とグランドパターン５とを電気的に絶縁する。第１パターン８と第２パターン９との間にはスリット１０が設けられている。【選択図】図３

Description

本開示は、コモンモードフィルタを実装した回路基板に関する。

パーソナルコンピュータやデジタル機器、携帯機器などさまざまな機器が高速伝送経路を介して接続されている。近年のデジタル通信はＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）やＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）をはじめとして、差動モードによるデータ伝送が主流である。差動モードによる伝送では等振幅で逆相の信号を２線１ペアで伝送しその差分をとるため、外来ノイズやグランドパターンの影響を受けにくい。また、２線周辺の磁界はキャンセルされるため不要放射は少なくなる。

しかし、このような差動伝送においてもノイズ重畳や２線の信号のアンバランスなどが原因でコモンモードノイズが発生する場合がある。また、グランドパターンの基板構成によってはその影響を受ける。このような場合に発生するコモンモードノイズは、差動信号の周波数帯と同じ周波数帯域に発生するため、アナログ回路で用いられていた周波数分離型のローパスフィルタではコモンモードノイズのみを分離して除去することはできない。

そこで、差動伝送においては、伝送モードの違いでコモンモードノイズを分離できるコモンモードフィルタを利用している。上記のようなコモンモードフィルタを実装した回路基板が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、近年では多くの情報を伝送するためにデジタル信号の周波数は高くなる傾向にある。

特開２００８−２６２９４３号公報

しかしながら、デジタル信号の周波数が高い場合にはコモンモードフィルタを経由する経路に限らず、コモンモードフィルタ周辺に配置されたグランドパターンを経由して電荷が信号線間を移動する虞がある。電荷がグランドパターン経由で信号線間を移動した場合には、コモンモードノイズを含む信号を伝送してしまうことになる。その結果、コモンモードノイズを十分に除去できない。

本開示のコモンモードフィルタ実装基板は、導電パターンと、コモンモードフィルタと、グランドパターンと、絶縁層とを備える。導電パターンは、一対の第１信号線と、一対の第１信号線との間に隙間を設けて配置される一対の第２信号線と、を含む。コモンモードフィルタは、一対の第１信号線と一対の第２信号線とを接続する。グランドパターンは、スリットにより第１パターンと第２パターンとに分割されている。絶縁層は、導電パターンとグランドパターンとの間に介在し、導電パターンとグランドパターンとを電気的に絶縁する。さらに、平面視において一対の第１信号線と一対の第２信号線との間の隙間が、第１パターンの一部に重なるようにグランドパターンが設けられている。

本開示は、グランドパターンがスリットにより第１パターンと第２パターンとに分割されている。そのため本開示によれば、コモンモードノイズの伝播を抑制したコモンモードフィルタ実装基板を提供することができる。

実施の形態１に係るコモンモードフィルタ実装基板の斜視図 図１に示すコモンモードフィルタ実装基板の分解斜視図 図１に示すコモンモードフィルタ実装基板の断面図 実施の形態２に係るコモンモードフィルタ実装基板の断面図 グランドパターンがスリットで分割されていない場合のコモンモードフィルタ実装基板の断面図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される構成要素、構成要素の位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
図１から図４を参照しながら本開示の実施の形態１に係るコモンモードフィルタ実装基板１（以下、基板１と称す）を説明する。図１は基板１の斜視図である。基板１はコモンモードフィルタ２と導電パターン３と絶縁層４とグランドパターン５とを有し多層構造を形成している。グランドパターン５から絶縁層４、導電パターン３、コモンモードフィルタ２の順番で積層されている。

本実施の形態に係るコモンモードフィルタ実装基板１の構成要素について図２を参照して説明する。図２は基板１を分解して示した斜視図である。コモンモードフィルタ２は、信号線を流れる電流のうちコモンモードのノイズ電流だけを選択的に除去する。コモンモードフィルタ２はコモンモードチョークコイルを含んで構成されている。コモンモードチョークコイルは、フェライトのコアに巻き方向が互いに反対方向である２本の銅線を巻いた構成を有する。コモンモードチョークコイルにコモンモードの電流が流れると、それぞれのコイルにおける電磁誘導現象によって磁束が発生し、発生した磁束の向きが同じ方向となり磁束が強め合うことでコイルがインダクタとして働く。

なお、コモンモードフィルタ２は積層構造であってもよい。また、ここでは安価で透磁率の高いフェライトをコア材料として用いているが、コア材料はフェライトに限定されない。

導電パターン３は、入力側の一対の第１信号線６と、一対の第１信号線との間に隙間を設けて配置される一対の第２信号線７、を含む。ノイズを含む信号は第１信号線６から入力されコモンモードフィルタ２を通り第２信号線７へ出力される。第１信号線６と第２信号線７とはコモンモードフィルタ２を介して電気的に接続されているため、第２信号線７にはコモンモードノイズが低減された信号が出力される。

絶縁層４は、導電パターン３とグランドパターン５とを絶縁するように両者の間に配されている。なお、絶縁層４の材料は白色ガラスエポキシプリプレグに限定されない。

図３は基板１の断面図である。グランドパターン５は第１パターン８と第２パターン９とを含み、第１パターン８と第２パターン９との間にスリット１０が設けられている。図３のようにスリット１０はコモンモードフィルタ２の下側に配置される。

グランドパターン５は、例えば、基板１外部から基板１内部への電磁波ノイズ（外乱ノイズ）や基板内部から基板外部への電磁波ノイズを低減するために設けられている。グランドパターン５は、スリット１０により第１パターン８と、第２パターン９とに分割されている。

本実施の形態に係る基板１は、一対の第１信号線６と一対の第２信号線７との間に設けられた隙間がスリット１０の少なくとも一部に重なるようにグランドパターンが設けられている。ここで、Ｘ軸の正方向、負方向をそれぞれ右方向、左方向と便宜上定義する。また、図２のように一対の信号線の幅Ｗおよび一対の信号線間の距離Ｓを定義する。

この定義に基づいて第１領域および第２領域を規定する。第１領域は、横の長さが、第１信号線６の右端から第２信号線７の左端までの距離、縦の長さが、一対の信号線の幅Ｗで定義される二次元領域である。また、第２領域は、横の長さが、第１信号線６の右端から第２信号線７の左端までの距離、縦の長さが、一対の信号線間の距離Ｓで定義される二次元領域である。

本開示における一対の第１信号線６と一対の第２信号線７との間に設けた隙間とは、例えば、第１領域であるとしてもよい。ただし、隙間の領域は第１領域には限らない。例えば、前述の第１領域から第２領域を除いた領域を一対の第１信号線６と一対の第２信号線７との間に設けた隙間であるとしてもよい。

なお、スリット１０の形状、幅などは、図３の形状幅等に限定されず、基板設計に合わせて適宜変更可能である。第１信号線６と第２信号線７との間の隙間幅とスリット１０の幅との位置関係は変形例で詳述する。

次に基板１の構造による作用及び効果について説明する。図５はグランドパターン２５がスリットで分割されていない場合のコモンモードフィルタ実装基板２１の断面図である。コモンモードフィルタ実装基板２１のグランドパターン２５は平面板状を有する。この構成において入力された信号がどのような経路で出力されるのかを図面を参照しながら説明する。

第１信号線２６にコモンモードノイズを含む信号が流れる場合、信号はコモンモードフィルタ２２を通り第２信号線２７へ出力される。このときコモンモードフィルタ２２の効果によりコモンモードノイズは低減され所望の信号（ディファレンシャルモード信号）を出力することができる。しかしながら、信号の周波数が上がるにつれて電荷の持つエネルギーが大きくなり第１信号線２６からグランドパターン２５へ電荷が流れ出る現象が起きやすくなる。このとき、電荷はグランドパターン２５を経由して出力側へ移動する。そして、出力側においても電荷の持つエネルギーが高いためにグランドパターン２５から第２信号線２７へ電荷が流れ出る現象が起きる。

このように第１信号線２６から入力された信号はグランドパターン２５を経由して第２信号線２７へ出力される。その結果、コモンモードフィルタ２を設けた効果が小さくなってしまう。

基板１はこのような問題を解決する。

図３の第１信号線６にコモンモードノイズを含む信号が流れる場合、信号はコモンモードフィルタ２を通り第２信号線７へ出力される。このときコモンモードフィルタ２の効果によりコモンモードノイズが低減された所望の信号を出力することができる。

信号の周波数が上がるにつれて、電荷の持つエネルギーが大きくなり第１信号線６からグランドパターン５へ電荷が流れ出る現象が起きやすくなる。このとき、電荷はグランドパターン５を経由して出力側へ移動しようとする。

しかしながら、本実施の形態に係る基板１では、グランドパターン５がスリット１０により第１パターン８と第２パターン９とに分割されている。スリット１０が、電荷は第１パターン８から第２パターン９へ電荷が移動することを抑制する。第１パターン８と第２パターン９との間隔（すなわちスリット１０の幅）を大きくすることで信号の周波数を上げた場合にもコモンモードノイズの伝播を抑制する。

導電パターン３とグランドパターン５との間隔は、差動ラインのインピータンスコントロール設計や基板１の厚みの制約を受けるため間隔を大きくすることができない。一方、スリット１０の幅は、自由に設計可能である。

したがって、スリット１０の幅を十分に大きく設計することでコモンモードノイズの伝播を抑制した基板１を提供することができる。

なお、スリット１０の位置および幅は本実施形態には限定されない。コモンモードフィルタ２を実装した領域における第１信号線６と第２信号線７との間の隙間とスリット１０との位置関係については、変形例１から３のような位置関係であってもよい。変形例１から３では、上面視で第１信号線６と第２信号線７との間の隙間と同じ領域のスリット１０の領域について、当該隙間とスリット１０との位置関係を規定している。

（変形例１）
変形例１では、平面視したときに第１信号線６と第２信号線７との間の隙間が第１パターン８の一部に重なるようにグランドパターン５を設ける場合を説明する。

ずなわち、第１信号線６と第２パターン９、あるいは、第２信号線７と第１パターン８とが平面視で重ならないようにスリット１０を設ける場合である。

上記構成により、デジタル信号の周波数が高い場合にも、第１信号線６から第２パターン９を経由して第２信号線７へ電荷が移動することや、第１信号線６から第１パターン８を経由して第２信号線７へ電荷が移動することを抑制できる。

なお、第１信号線６と第２信号線７との間の隙間幅とスリット１０の幅とは同一でなくてもよい。すなわち第１信号線６と第２信号線７との間の隙間幅がスリット１０の幅よりも大きくてもよいし、その逆であってもよい。

（変形例２）
変形例２では、平面視したときに第１信号線６と第２信号線７との間の隙間が、第１パターン８の一部と第２パターン９の一部の両方に重なるようにスリット１０を設ける場合を説明する。すなわち第１信号線６と第２信号線７との間の隙間はスリット１０の幅よりも大きい。変形例２は変形例１と同様に、第１信号線６と第２パターン９、あるいは、第２信号線７と第１パターン８とが平面視で重ならないようにスリット１０を設けている。

グランドパターン５は、基板１外部から基板１内部への電磁波ノイズ（外乱ノイズ）を低減するために設けられている。このため、スリット１０の幅が基板１の設計により予め制限されている場合に、スリット１０の幅を一定にしたまま、第１信号線６と第２信号線７との間の隙間の大きさを調整することができる。

スリット１０の幅を一定にしたまま、変形例２の構成にすることで、第１信号線６から第２パターン９までの間隔あるいは第２信号線７から第１パターン８までの間隔が、実施形態１（変形前）と比較して大きくなる。

したがって、第１信号線６から第２パターン９を経由して第２信号線７へ電荷が移動することや、第１信号線６から第１パターン８を経由して第２信号線７へ電荷が移動することをさらに抑制できる。

（変形例３）
変形例３では、平面視において、前記隙間の全部が前記スリット１０の一部に重なるようにグランドパターン５を設ける場合を説明する。

すなわち、スリット１０の幅は第１信号線６と第２信号線７との間の隙間よりも大きい。変形例３は変形例１、２と同様に、第１信号線６と第２パターン９、あるいは、第２信号線７と第１パターン８とが平面視で重ならないようにスリット１０を設けている。

コモンモードフィルタ２は、予めその大きさが決められている場合がある。コモンモードフィルタの大きさが決まると、第１信号線６と第２信号線７との間の隙間幅が制限される。このような場合に、第１信号線６と第２信号線７との間の隙間幅を一定にしたまま、スリット１０の幅の大きさを調整することができる。

第１信号線６と第２パターン９との間の隙間幅を一定にしたまま変形例３の構成にすることで、第１信号線６から第２パターン９までの間隔あるいは第２信号線７から第１パターン８までの間隔が、実施形態１（変形前）と比較して大きくなる。

したがって、第１信号線６から第２パターン９を経由して第２信号線７へ電荷が移動することや、第１信号線６から第１パターン８を経由して第２信号線７へ電荷が移動することをさらに抑制できる。

実施形態１の基板１におけるスリット１０の形状は矩形状であっても曲線形状であってよい。第１パターン８と第２パターン９とを電気的に絶縁する構成であればその形状は限定されない。また、スリット１０の幅についても限定されない。スリット１０の幅が第１信号線６から第２信号線７までの距離よりも大きくても問題ない。

基板１ではグランドパターン５の第１パターン８と第２パターン９との間にスリット１０が設けられている。そのため、グランドパターン５経由で第１信号線６から第２信号線７へコモンモードノイズが伝播することを抑制することができる。

（実施の形態２）
以下、図４を参照しながら基板１Ａについて説明する。但し、実施の形態１と重複する説明は省略し、同一の要素については同一の符号を付する。本実施の形態では、入力側の第１パターン８と出力側の第２パターン９とを接続する必要がある場合について説明する。

図４はコモンモードフィルタ実装基板１Ａの断面図である。本実施の形態では、第２パターン９（出力側）に電源供給コネクタが実装され、第１パターン８へ電流を通す（グランド接続する）必要がある場合を説明する。なお、本開示の第１パターンと第２パターンとは区別されるものではないため、入力側を第２パターン、出力側を第１パターンとしてもよい。

実施の形態１のように第１パターン８と第２パターン９との間にスリット１０を入れる構成では、コモンモードノイズの伝播を抑制できるが、第２パターン９から第１パターン８へ電流を流すことはできない。そこで、本実施の形態では、第１パターン８と第２パターン９との間にスリット１０を設けるだけではなく、パターン８とパターン９とをノッチフィルタ１１で接続する。ノッチフィルタ１１はＱ値が高いバンドストップフィルタである。

コモンモードノイズは信号のうち交流成分に多く含まれ、ノッチフィルタ１１を用いることで電流の交流成分を多く含む特定の帯域だけを非常に低いレベルに減衰させることができる。また、Ｑ値が高いため、他の周波数にはあまり影響を与えない。そのため電流の直流成分についてはあまり減衰させずに通すことができる。

また、ノッチフィルタ１１の代わりにローパスフィルタを用いても良い。ローパスフィルタは、遮断周波数より低い周波数の成分についてはほとんど減衰させず、遮断周波数より高い周波数の成分を低減させる。コモンモードノイズは高周波数帯域に多く含まれるのでローパスフィルタを用いてもよい。

また、ノッチフィルタ１１としてフェライトビーズを設けてもよい。フェライトビーズは、フェライトでできたビーズの中にリード線を通したインダクタである。リード線に電流が流れるとフェライトビーズの中に磁束が発生する。フェライトは高周波数での電流のエネルギー損失が大きな材料であるためノイズを効果的に吸収することができる。なお、ビーズの材料はフェライトには限定されない。高周波数で電流のエネルギー損失が大きい材料であればよい。

また、図４にしめすように第２パターン９は電源に接続するための端子部１２を備えていてもよいが、端子部１２は基板１Ａにおける必須の構成ではない。

基板１Ａでは第１パターン８と第２パターン９とがノッチフィルタまたはローパスフィルタにより接続されている。この構成により、第２パターン９から第１パターン８へ直流電流を流すとともに信号に含まれるコモンモードノイズを低減できる。したがって、第１パターン９から第１パターン８へ電力を供給する場合でも、ノッチフィルタまたはローパスフィルタがグランドパターン５経由で伝送される信号に含まれるノイズを除去することができる。

以上、本開示に係るコモンモードフィルタ実装基板について説明したが、上記の構成に限らず、本実施の技術的思想を逸脱しない範囲で変更することが可能である。例えば、ビーズの位置はコモンモードフィルタ２の直下に設けられなくてもよい。また、コモンモードフィルタ実装基板１、１Ａはコモンモードフィルタ２以外にも部品やチップを実装していてもよい。

＜本開示のまとめ＞
本開示のコモンモードフィルタ実装基板は、導電パターンと、コモンモードフィルタと、グランドパターンと、絶縁層とを備える。導電パターンは、一対の第１信号線と、一対の第１信号線との間に隙間を設けて配置される一対の第２信号線と、を含む。コモンモードフィルタは、一対の第１信号線と一対の第２信号線とを接続する。グランドパターンは、スリットにより第１パターンと第２パターンとに分割されている。絶縁層は、導電パターンとグランドパターンとの間に介在し、導電パターンとグランドパターンとを電気的に絶縁する。さらに、平面視において一対の第１信号線と一対の第２信号線との間の隙間が、第１パターンの一部に重なるようにグランドパターンが設けられている。

これによれば、グランドパターンがスリットにより第１パターンと第２パターンとに分割されているため、グランドパターン経由で第１信号線から第２信号線へコモンモードノイズを含む信号が伝送してもコモンモードノイズを低減することができる。

なお、平面視において、一対の第１信号線と一対の第２信号線との間に設けられた隙間が、第１パターンの一部に重なるようにグランドパターンを設けるようにしてもよい。

この構成によれば、第１信号線と第２パターン、あるいは、第２信号線と第１パターンとが平面視で重なることはなく、第１信号線と第２パターン、あるいは、第２信号線と第１パターン８は一定の間隔を有する。したがって、デジタル信号の周波数が高い場合にも、第１信号線から第２パターン経由して第２信号線へ電荷が移動することや、第１信号線から第１パターンを経由して第２信号線へ電荷が移動することを抑制できる。

また、平面視において、一対の第１信号線と一対の第２信号線との間に設けられた隙間が、第１パターンの一部と第２パターンの一部の両方に重なるようにスリットを設けてもよい。

この構成によれば、第１信号線と第２パターン、あるいは、第２信号線と第１パターンとが平面視で重なることはなく、第１信号線と第２パターン、あるいは、第２信号線と第１パターン８は一定の間隔を有する。

したがって、第１信号線から第２パターン経由して第２信号線へ電荷が移動することや、第１信号線から第１パターンを経由して第２信号線へ電荷が移動することをさらに抑制できる。

また、平面視において、一対の第１信号線と一対の第２信号線との間に設けられた隙間の全部がスリットの一部に重なるようにグランドパターンを設けてもよい。

この構成によれば、第１信号線と第２パターン、あるいは、第２信号線と第１パターンとが平面視で重なることはなく、第１信号線と第２パターン、あるいは、第２信号線と第１パターン８は一定の間隔を有する。

また、ノッチフィルタとローパスフィルタのいずれか一方をさらに備えていてもよい。ノッチフィルタまたはローパスフィルタは、電源から送られる信号波形のうち直流成分を通し交流成分を低減する。

この構成によれば、第１パターンに電源を接続する構成にしたときにも、ノッチフィルタまたはローパスフィルタがグランドパターン経由で伝送される信号に含まれるノイズを除去することができる。

また、ノッチフィルタはビーズである。この構成によれば、ビーズ内部にあるリード線に電流が流れると、ビーズがインダクタとして働くため、グランドパターン経由で伝送される信号に含まれるノイズを除去できる。

また、第１パターンまたは第２パターンは、電源に接続される端子部を含んでもよい。この構成によれば、グランドパターンの第１パターンまたは第２パターンを電源に接続することができる。

本開示によるコモンモードフィルタ実装基板は、差動モードによるデータ伝送を用いるパーソナルコンピュータ、デジタル機器、携帯機器などさまざまな機器に好適である。

１ コモンモードフィルタ実装基板
２ コモンモードフィルタ
３ 導電パターン
４ 絶縁層
５ グランドパターン
６ 第１信号線
７ 第２信号線
８ 第１パターン
９ 第２パターン
１０ スリット
１１ ノッチフィルタ
１２ 端子部

Claims (7)

1. 一対の第１信号線と、前記一対の第１信号線との間に隙間を設けて配置される一対の第２信号線とを含む導電パターンと、
   前記一対の第１信号線と前記一対の第２信号線とを接続するコモンモードフィルタと、
   スリットにより第１パターンと第２パターンとに分割されているグランドパターンと、
   前記導電パターンと、前記グランドパターンとの間に介在して、前記導電パターンと、前記グランドパターンとを電気的に絶縁する絶縁層と、を備え、
   平面視において前記隙間が前記スリットの少なくとも一部に重なるように前記グランドパターンが設けられた、
   コモンモードフィルタ実装基板。
2. 平面視において、前記隙間が、前記第１パターンの一部に重なるように前記グランドパターンが設けられた、
   請求項１に記載のコモンモードフィルタ実装基板。
3. 平面視において、前記隙間が、前記第１パターンの一部と前記第２パターンの一部の両方に重なるように前記スリットが設けられた、
   請求項１に記載のコモンモードフィルタ実装基板。
4. 平面視において、前記隙間の全部が前記スリットの一部に重なるように前記グランドパターンが設けられた、
   請求項１に記載のコモンモードフィルタ実装基板。
5. 電源から送られる信号波形のうち直流成分を通し交流成分を低減するように、前記第１パターンと前記第２パターンとを接続する、ノッチフィルタとローパスフィルタのいずれか一方をさらに備えた、
   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実装基板。
6. 前記ノッチフィルタはビーズである、
   請求項５に記載のコモンモードフィルタ実装基板。
7. 前記第１パターンまたは前記第２パターンは、前記電源に接続される端子部を含む、
   請求項５または６に記載のコモンモードフィルタ実装基板。

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