JP2019186465A - 磁界シールド材 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の金属板を接続して構成された磁界シールド材の磁界シールド効果を向上させること。【解決手段】金属板１の端部と金属板２の端部は重ねられており、その重なり部分で接続されている。重なり幅はＷであり、スポット溶接により２列の点列Ｌ１、２で接続されている。点列Ｌ１、２における各接続点Ｐの間隔はＤである。また、各点列Ｌ１、２は、金属板１、２の端辺１ａ、２ａの近傍に端辺１ａ、２ａに沿って配置されており、点列Ｌ１、２の間隔はほぼＷに一致している。また、図１のように、一方の点列Ｌ１の接続点Ｐは、他方の点列Ｌ２の接続点Ｐに対して列方向にＤ／２ずれて配置されており、接続点Ｐは全体として千鳥状の配列となっている。接続点Ｐでは、溶融した金属板１、２が変形しており、その溶融した金属（溶融金属部３）により金属板１と金属板２とが物理的かつ電気的に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、磁界を遮蔽する磁界シールド材に関するものであり、特に金属板同士の接合部分からの磁界漏洩が抑制された磁界シールド材に関するものである。

近年、車両の電動化が進められており、モータ、インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータなどから磁界が発生する。この磁界を車両のボディによって効果的にシールドすることが求められている。

電磁界漏洩を抑制する技術として特許文献１、２がある。特許文献１には、ステンレス板をステンレス目板によって接続した電磁シールド材が記載されている。接続は、断続シーム溶接を用いて２列の点列で接続することが記載されており、接続点の配列は矩形格子状であることが図示されている。

特許文献２には、箱体のフランジと蓋とを複数のねじで１列に固定する際に、フランジと蓋の重なり幅と、ねじのピッチ間隔とを調整することで電磁波の減衰量を調整することが記載されている。

特開２０１０−５８１３４号公報 特開２００７−６７１９５号公報

一般に、車両のボディは、複数の金属板が溶接やねじ止めなどによって接続されている。特に、生産性などの点からスポット溶接が多く用いられている。

しかし、スポット溶接の場合、金属板の間に若干の隙間が生じるため、その隙間を介して磁界の漏洩が生じてしまう。発明者らの検討によると、特許文献１、２のような接続では、十分な磁界シールド効果は得られなかった。

そこで本発明の目的は、複数の金属板を接続して構成した磁界シールド材の磁界シールド効果を向上させることである。

本発明は、複数の金属板が接続され、磁界発生源を囲って磁界漏洩を抑制する磁界シールド材において、金属板間は、一方の金属板の端部と他方の金属板の端部とが重ねられて２列以上の点列で物理的かつ電気的に接続され、隣接する２つの前記点列において、接続点が互いに列方向にずれて配置されている、ことを特徴とする磁界シールド材である。

金属板間の接続は、物理的かつ電気的に接続する方式であれば任意の方式でよく、スポット溶接、ねじ止め、レーザー溶接などの方式を用いることができる。

より磁界シールド効果を高めるため、次のようにすることが好ましい。一方の金属板の端部と他方の金属板の端部との重なり幅は、３０ｍｍ以上であることが好ましい。接続点の列方向のずれは、点列の接続点の間隔の１／２とすることが好ましい。一方の金属板の端部と他方の金属板の端部との重なり部分において、一方の金属板と他方の金属板との隙間は２ｍｍ以下であることが好ましい。

磁界発生源に近い位置では、磁界発生源から遠い位置に比べて点列における接続点の間隔を短くするとよい。効率的に磁界シールド効果を高めることができる。

本発明の磁界シールド材は、周波数５０ｋＨｚ以上の磁界漏洩を抑制する用途に好適である。

本発明の磁界シールド材は、車両のボディであってもよい。車両外部への磁界漏洩を効果的に抑制することができる。特に、車両のエンジンルームやトランクを形成する金属板を本発明の磁界シールド材とするのが有効である。

本発明の磁界シールド材は、任意の磁界発生源からの磁界シールドに利用できるる。たとえば、磁界発生源は、モータ、インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、電池、高圧ワイヤーハーネス、ワイヤレス充電システムなどである。

本発明によれば、接続点を通る渦電流の経路が増えるため磁界シールド効果を向上させることができ、機械的な強度を維持しつつ磁界シールド効果を高めることができる。

実施例１の磁界シールド材の構成を示した図。 磁界シールド効果が高くなる理由を説明する図。 シミュレーションモデルを示した図。 周波数と磁界シールド効果の関係を示したグラフ。 重なり幅Ｗと磁界シールド効果の関係を示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の磁界シールド材の構成を示した図である。図１（ａ）は上方から見た平面図であり、図１（ｂ）は断面図である。実施例１の磁界シールド材は、図１のように、２枚の金属板１、２によって構成されている。

図１のように、金属板１、２は矩形の板状であり、金属板１の端部と金属板２の端部は重ねられており、その重なり部分で接続されている。重なり幅はＷであり、スポット溶接により２列の点列Ｌ１、２で接続されている。点列Ｌ１、２における各接続点Ｐの間隔はＤである。また、各点列Ｌ１、２は、金属板１、２の端辺１ａ、２ａの近傍に端辺１ａ、２ａに沿って配置されており、点列Ｌ１、２の間隔はほぼＷに一致している。また、図１のように、一方の点列Ｌ１の接続点Ｐは、他方の点列Ｌ２の接続点Ｐに対して列方向にＤ／２ずれて配置されており、接続点Ｐは全体として千鳥状（三角格子状）の配列となっている。言い換えれば点列Ｌ１は点列Ｌ２に対して逆相となっている。接続点Ｐでは、溶融した金属板１、２が変形しており、その溶融した金属（溶融金属部３）により金属板１と金属板２とが物理的かつ電気的に接続されている。また、溶融金属部３が金属板１と金属板２の間に生じていることで、金属板１と金属板２との間に隙間Ｈが生じている。

なお、金属板１と金属板２の接続は物理的かつ電気的な接続であれば任意であり、スポット溶接に限られない。たとえば、金属のねじによりねじ止めされていてもよいし、レーザー溶接により接続されていてもよい。また、導電性の接着剤によって接続されていてもよい。

また、実施例１では点列は２列としたが、３列以上であってもよい。しかし、列の数が多くなると接続に時間がかかり、磁界シールド効果も飽和していくと考えられるので、３列以下とすることが好ましく、２列とするのが最も好ましい。

重なり幅Ｗは、３０ｍｍ以上とすることが好ましい。Ｗが３０ｍｍ以上においてＷが増加するにつれて磁界シールド効果も上昇していくためである。これは、仮想的に金属板の厚い領域が増加するためと考えられる。ただし、６０ｍｍを超えると磁界シールド効果は飽和する傾向にある。よって、Ｗは６０ｍｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは４０〜６０ｍｍ、さらに好ましくは５０〜６０ｍｍである。

点列Ｌ１と点列Ｌ２の間隔は、隣接する接続点Ｐが重ならない範囲であれば任意に設定してよく、金属板１、２の物理的な接合強度に応じて設定してよい。物理的な接合強度を十分とする点からは、実施例１のように、金属板１の端辺１ａ近傍に点列Ｌ１を配置し、金属板２の端辺２ａ近傍に点列Ｌ２を配置して、点列Ｌ１と点列Ｌ２の間隔をおよそ重なり幅Ｗと一致させることが好ましい。

点列における接続点Ｐの間隔Ｄは、隣接する接続点Ｐが重ならない範囲であれば任意に設定してよく、金属板１、２の物理的な接合強度に応じて設定してよい。ただし、間隔Ｄが短いほど磁界シールド効果が高くなる傾向があるため、可能な範囲でなるべく間隔Ｄを短くすることが好ましい。たとえば間隔Ｄは２００ｍｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは１００ｍｍ以下、さらに好ましくは５０ｍｍ以下である。また、間隔Ｄは一定である必要はなく、磁界発生源からの位置に応じて可変としてもよい。たとえば、磁界発生源から近い位置では間隔Ｄを短くし、遠い位置では間隔Ｄを広くしてもよい。

また、実施例１では、一方の点列Ｌ１の接続点Ｐは、他方の点列Ｌ２の接続点Ｐに対して列方向にＤ／２ずれて配置されている（つまり列方向に垂直な方向から見てＬ２の接続点ＰはＬ１の接続点Ｐ間の中点位置に配置されている）が、ずれていれば任意のずれ量でかまわない。ただし、ずれ量が大きいほど磁界シールド効果が高くなるので、実施例１のように最大のずれ量であるＤ／２のずれが最も好ましい。

金属板１と金属板２との隙間Ｈは、なるべく小さい方が好ましい。隙間Ｈを介した磁界漏洩がより抑制されるためである。最も好ましいのは隙間Ｈを０として金属板１と金属板２とを密着させることであるが、実際上そのように物理的かつ電気的に接続することは難しいため、接続方式において可能な限り隙間Ｈを小さくすることが好ましい。たとえば、隙間Ｈは２ｍｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは１ｍｍ以下、さらに好ましくは０．５ｍｍ以下である。

接続点Ｐは、スポット溶接では円となるが、長方形、正方形、三角形、六角形などの多角形や、楕円など他の形状であってもよい。ただし、接続点Ｐの面積が大きいほど磁界シールド効果は高くなり、接続強度も高くなるため、接続点Ｐの直径は０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。より好ましくは１ｍｍ以上、さらに好ましくは２ｍｍ以上である。また、接続点Ｐの面積が大きすぎると接続に時間がかかるなどの問題があるため、接続点Ｐの直径は１０ｍｍ以下とすることが好ましい。

金属板１、２は、任意の金属材料でよく、たとえば鉄、アルミニウム、マグネシウム、銅、ステンレスなどである。金属板１と金属板２とで異なる材料としてもよい。また、金属板１、２を矩形の平板としたが、矩形に限らない。また、実施例１は２枚の金属板１、２を接続するものであるが、３枚以上の金属板を接続する場合にも本発明は適用することができる。また、金属板１、２の厚さは任意でよい。ただし、金属板１、２が厚いほど磁界シールド効果も高くなる。そのため、金属板１、２の厚さは０．１ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ以上、さらに好ましくは１ｍｍ以上である。厚さの上限は特にないが、形状加工の容易さなどの点から５ｍｍ以下とすることが好ましい。

実施例１の磁界シールド材によってシールド可能な磁界は、間隔Ｄに比べて十分に波長が長い任意の周波数の磁界である。たとえば、実施例１の磁界シールド材は、周波数５０ｋＨｚ以上の磁界を効果的にシールドすることができる。

次に、実施例１の磁界シールド材の磁界シールド効果が高い理由を図２を参照に説明する。磁界シールド材が磁界に晒されると、その磁界を妨げるように磁界シールド材に渦電流が発生し、これにより磁界がシールドされる。金属板１と金属板２は電気的に接続されているため、その接続部を介して金属板１と金属板２との間で渦電流の経路が形成され、磁界がシールドされる。

ここで、まず、図２（ａ）のように、２列の点列で電気的に接続され、その接続点Ｐが列方向にずれていない場合（列に垂直な方向において接続点Ｐが並んでいる場合）を考える。この場合において、接続部分を中心として円形に渦電流が発生することを想定すると、接続点Ｐを通る円形の渦電流の経路と、接続点Ｐを通らない円形の渦電流の経路とが生じる。このうち、接続点Ｐを通らない経路は、渦電流が流れにくい。その結果、磁界シールド効果が弱く、金属板１、２の隙間Ｈを介して磁界が漏洩しやすくなっている。

次に、図２（ｂ）のように、２列の点列で電気的に接続され、その接続点Ｐが列方向にずれて配置されている場合（実施例１の場合）を考える。この場合において、接続部分を中心として円形に渦電流が発生することを想定すると、図２（ａ）の場合に比べて接続点Ｐを通る円形の渦電流の経路が増加し、接続点Ｐを通らない円形の渦電流の経路は減少する。その結果、図２（ｂ）のように接続点Ｐを列方向にずらすと、図２（ａ）のように接続点Ｐをずらさない場合に比べて渦電流が流れやすくなり、磁界シールド効果が高くなる。

次に、実施例１の磁界シールド材の磁界シールド効果の検証結果を説明する。検証は電磁界シミュレーションにより行い、図３のようなモデルとした。磁界シールド材全体として１ｍ×１ｍの広さとし、磁界シールド材の金属板１、２の厚さを１ｍｍとし、金属板１と金属板２との隙間は２ｍｍとした。また、スポット溶接の接続点Ｐの直径は５ｍｍとし、金属板１と金属板２の重なり幅Ｗは１５ｍｍとし、点列の接続点の間隔Ｄは１００ｍｍとした。１０ｃｍ隔てて送信コイルと受電コイルを配置し、送電コイルと受電コイルの中間に磁界シールド材を配置した。コイルの直径は１０ｃｍで巻き数は１０とし、送電コイルには交流電源を接続し、受電コイルには５０Ωの負荷を接続した。交流電源の周波数は５０〜１０００ｋＨｚとした。そして、送電コイルと受電コイル間の結合量を求め、また磁界シールド材が存在しない場合の結合量を求め、その差によって磁界シールド効果を評価した。

また、比較のため、各列の接続点の配列をＤ／２ずらした千鳥状の配置ではなく、ずれのない矩形格子状に配列した磁界シールド材（比較例１）と、２列ではなく１列のスポット溶接とし、点列の接続点の間隔Ｄを実施例１や比較例１の半分の５０ｍｍとした磁界シールド材（比較例２）についても、同様に磁界シールド効果を評価した。

図４は、評価結果を示したグラフである。図４のように、周波数５０〜１０００ｋＨｚの全領域において、実施例１の磁界シールド材は、比較例１の磁界シールド材に比べて約１０ｄＢ磁界シールド効果が高いことがわかった。これは、接続点の配列を矩形格子状から三角格子状とした効果である。また、図４のように、周波数５０〜１０００ｋＨｚの全領域において、実施例１の磁界シールド材は、比較例２の磁界シールド材と同等の磁界シールド効果であった。つまり、実施例１の磁界シールド材は、１列のスポット溶接として接続点の間隔を１／２にした場合と同等のシールド効果であった。なお、解析は１０００ｋＨｚまでであるが、１０００ｋＨｚより高い周波数でも同様の結果となることが推察される。

次に、周波数を１００ｋＨｚとし、金属板１と金属板２の重なり幅Ｗを変化させたときの実施例１の磁界シールド材の磁界シールド効果を評価した。

図５は、その評価結果を示したグラフである。図５のように、Ｗが２５ｍｍまでは磁界シールド効果が一定であるが、Ｗが３０ｍｍ以上になるとＷが増加するにつれて磁界シールド効果も増大していった。また、Ｗが６０ｍｍを超えると磁界シールド効果は再び一定となった。また、Ｗ＝６０ｍｍでの磁界シールド効果は、比較例２の磁界シールド効果に比べて約１０ｄＢ高かった。この結果、Ｗを３０ｍｍ以上とすることで磁界シールド効果をより高めることができるとわかった。

なお、実施例１の磁界シールド材は板状であるが、磁界発生源を囲うように任意の形状に変形してよい。またその形状に合わせて点列Ｌ１、Ｌ２も直線に限らず曲線としてもよい。たとえば、車両のボディを実施例１の磁界シールド材とすることができる。これにより、車両に搭載されたモータ、インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、電池、高圧ワイヤーハーネス、ワイヤレス充電システムなどからの磁界が車両外部に漏れないようにシールドすることができる。特に、車両のエンジンルームやトランクを形成する金属板を実施例１の磁界シールドとするのが有効である。

本発明の磁界シールド材は、車両のボディなどに適用することができる。

１、２：金属板
３：溶融金属部

Claims (9)

1. 複数の金属板が接続され、磁界発生源を囲って磁界漏洩を抑制する磁界シールド材において、
   前記金属板間は、一方の前記金属板の端部と他方の前記金属板の端部とが重ねられて２列以上の点列で物理的かつ電気的に接続され、隣接する２つの前記点列において、接続点が互いに列方向にずれて配置されている、
   ことを特徴とする磁界シールド材。
2. 前記金属板間は、スポット溶接、ねじ止め、またはレーザー溶接によって物理的かつ電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載の磁界シールド材。
3. 一方の前記金属板の端部と他方の前記金属板の端部との重なり幅は、３０ｍｍ以上である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁界シールド材。
4. 接続点の列方向のずれは、前記点列の接続点の間隔の１／２である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の磁界シールド材。
5. 一方の前記金属板の端部と他方の前記金属板の端部との重なり部分において、一方の前記金属板と他方の前記金属板との隙間は２ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の磁界シールド材。
6. 前記磁界発生源に近い位置では、前記磁界発生源から遠い位置に比べて前記点列における接続点の間隔を短くする、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の磁界シールド材。
7. 車両のボディであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の磁界シールド材。
8. 周波数５０ｋＨｚ以上の磁界漏洩を抑制することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の磁界シールド材。
9. 前記磁界発生源は、モータ、インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、電池、高圧ワイヤーハーネス、またはワイヤレス充電システムである、ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の磁界シールド材。

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