JP3863674B2 - コモンモードフィルタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平衡系通信伝送路に用いられるフィルタに係り、さらに詳しくは、平衡伝送路で発生する電磁雑音の原因となるコモンモード電流を抑圧するフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
２本の伝送線路を用いる平衡伝送系において、機器間を伝送する信号は２本の伝送線に逆方向の電流が流れ、このような電流成分をディファレンシャルモード（平衡成分）と称する。これとは別に、２本の伝送線に同一方向の電流成分が流れ、基準の接地板を帰路として電流が流れることがあり、これをコモンモード（不平衝成分）電流と称する。高周波においては、このコモンモード電流が大きな電流ループを形成し、電磁雑音の発生源となる。また、このコモンモード電流が駆動源となり、外部ケーブル等が接続された場合にアンテナとして電磁雑音を発生させることがある。
【０００３】
そのため、従来、このコモンモード電流を低減する方法として、図７で示すようなコモンモードチョークコイルが用いられてきた。コモンモードチョークコイルは、図７（Ａ）の構造図、同図（Ｂ）の等価回路図に示すようにフェライト等で作られたトロイダルコア８０に２本の伝送線８１，８２を同一方向に巻き付けたもので、信号を伝達するディファレンシァルモード電流は２本の伝送線路の電流が逆向きのため、インダクタンス成分は発生せずディファレンシャルモード電流に対するインピーダンスは小さいが、コモンモード電流では２本の伝送線路の電流が同じ向きであるため磁束が強められ、大きなインダクタンスが発生し、コモンモード電流に対して高インピーダンスになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、コモンモードチョークコイルのコアには、透磁率が高く、高周波特性の良いものが適しており、一般にフェライト磁性体が用いられる。しかし、フェライト磁性体の透磁率は周波数に対して一旦極大値に達した後は周波数に反比例してその透磁率は低下するため、数百ＭＨｚ以上の高い周波数でコモンモード電流に対して高インピーダンスを得られるコモンモードチョークコイルを作製するのは困難であった。また、ディファレンシァルモード電流においてもフェライトに伝送線路を巻き付ける構造のため磁性損が発生する問題があった。フェライトを用いたコモンモードチョークコイルの一特性を図８に示す。
【０００５】
本発明は、上述の点を鑑みて開発されたものであり、コモンモード電流に対しては低域通過フィルタ（ローパスフィルタ）として動作し、数百ＭＨｚ以上の周波数において信号阻止帯域を形成するのに対し、ディファレンシャルモード電流に対しては低損失な伝送特性が得られるコモンモードフィルタを提供することを目的とする。
【０００６】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願の請求項１の発明は、誘電体基板の表面と裏面、又は前記誘電体基板内に、一対の接地用導体層を形成し、前記誘電体基板内における前記一対の接地用導体層間に、並行して一対のライン状導体を設けた構造を備え、前記一対のライン状導体のうちの一方のライン状導体は、前記一対の接地用導体層の一方に近接かつ平行にパターンが形成された第１の導体部と、前記一対の接地用導体層の他方に近接かつ平行にパターンが形成された第２の導体部とを互いに電気的に接続した構成であり、前記一対のライン状導体のうちの他方のライン状導体は、前記一対の接地用導体層の一方に近接かつ平行にパターンが形成された第３の導体部と、前記一対の接地用導体層の他方に近接かつ平行にパターンが形成された第４の導体部とを互いに電気的に接続した構成であることを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明は、前記請求項１において、前記一対のライン状導体を構成する各導体部のパターンが同一方向に周回するスパイラル状のパターンであることを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明は、前記請求項１において、前記一対のライン状導体を構成する各導体部のパターンがミアンダ状パターンであることを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明は、前記請求項１，２又は３において、前記一対のライン状導体のうちの一方のライン状導体と、他方のライン状導体とは前記接地用導体層の垂直方向からみて相重なる配置であり、かつ前記一対のライン状導体を構成する各導体部のパターン幅が同じであることを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明は、前記請求項１，２，３又は４において、前記一対のライン状導体の端部が、前記接地用導体層から電気的に絶縁されて前記誘電体基板に設けられた電極にそれぞれ電気的に接続されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明は、前記請求項１，２，３，４又は５において、前記一対のライン状導体を構成する各導体部が前記誘電体基板側面もしくは貫通孔に設けられた接続用導体部により電気的に接続されていることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコモンモードフィルタの実施の形態を図面に従って説明する。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施の形態によるコモンモードフィルタ部分の斜視図（透視図）であり、積層回路基板内部に組み込まれた状態でのコモンモードフィルタ機能部分を表したものである。同図において、１，２，３，４，５は誘電体基板であり、積層されて積層回路基板を構成するものである。６，１１は積層された誘電体基板の上下面を全面的に導体で覆った接地用導体層（接地されるべきグランド層）である。７，８，９，１０は一対の伝送線路としてのライン状導体を構成するスパイラル状パターンの導体部をそれぞれ配置する層である。ここでは、誘電体基板１，５同士を同一厚さ、誘電体基板２，４同士を同一厚さとした。
【００１５】
このコモンモードフィルタは、上下一対の接地用導体層６，１１間に並行して（相互に平行に対向させて）一対のライン状導体２１，２２を設けた構造を備えている。一方のライン状導体２１は、誘電体基板１，２間の層７に形成された導体部７ａと、誘電体基板３，４間の層９に形成された導体部９ａとを同一方向に周回するスパイラル状パターンとなる如く層間接続用導体部１２で電気的に接続したものである。他方のライン状導体２２は、誘電体基板２，３間の層８に形成された導体部８ａと、誘電体基板４，５間の層１０に形成された導体部１０ａとを同一方向に周回するスパイラル状パターンとなる如く層間接続用導体部１３で電気的に接続したものである。導体部７ａ，８ａは接地用導体層６に近接かつ平行にパターンが形成されており、導体部９ａ，１０ａは接地用導体層１１に近接かつ平行にパターンが形成されている。ここでは、接地用導体層６，１１が積層誘電体基板の表裏面（上下面）に形成されて平行であるから、接地用導体層６，１１と各導体部７ａ，８ａ，９ａ，１０ａとは相互に平行な関係を保っている。そして、接地用導体層６，１１の垂直方向からみた各導体部は相重なる配置で、そのパターン幅が同じである。換言すれば、接地用導体層６，１１に垂直な軸方向に相重なる様に２本の伝送線路としてのライン状導体２１，２２を同幅で形成している。
【００１６】
なお、層間接続用導体部１２，１３は誘電体基板２，３，４に貫通孔、もしくは切り欠きを設けることにより形成する。
【００１７】
この第１の実施の形態で、一対の伝送線路つまり一対のライン状導体２１，２２に同一方向の電流が流れるコモンモードの場合、ライン状導体２１，２２間に磁気壁が形成されるため、ライン状導体２１，２２間のキャパシタ成分（容量成分）は発生せず、１本の伝送線路として見なせる。このとき、下部スパイラル状パターンの導体部７ａ，８ａと下側接地用導体層６間、上部スパイラル状パターンの導体部９ａ，１０ａと上側接地用導体層１１間、及び、上下導体部間に分布定数的なキャパシタ成分が発生し、これらと各導体部のスパイラル状パターンにより発生するインダクタンス成分を組み合わせると図２の等価回路に示すπ型の低域通過フィルタが形成され、あらかじめ設定された高周波側のコモンモード電流成分を減衰させることが可能である。
【００１８】
また、この構造でディファレンシャルモード電流が流れた場合、一対のライン状導体２１，２２間に電気壁が形成され、ライン状導体２１，２２間にキャパシタ成分が発生し、先の接地用導体層６，１１間とのキャパシタ成分の影響は小さくなり、ディファレンシャルモード電流の減衰には影響しない。
【００１９】
本実施の形態の一特性を図３に示す。図３（Ａ）は横軸の周波数をリニア表示としたコモンモード電流成分の減衰量の周波数特性、同図（Ｂ）は横軸の周波数を対数表示としたコモンモード電流成分の減衰量の周波数特性である。
【００２０】
この第１の実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。
【００２１】
(1) 積層誘電体基板内において、一対の接地用導体層６，１１間に、並行して一対のライン状導体２１，２２を設け、さらに、一対のライン状導体２１，２２は接地用導体層６に近接かつ平行にパターンが形成された導体部７ａ，８ａと、接地用導体層１１に近接かつ平行にパターンが形成された導体部９ａ，１０ａとを互いに電気的に接続した構成であり、コモンモード電流に対して図２のπ型低域通過フィルタを構成でき、数百ＭＨｚ以上の高い周波数領域でコモンモード電流に対して高インピーダンスを呈する。
【００２２】
(2) 一対のライン状導体２１，２２を構成する各導体部７ａ，８ａ，９ａ，１０ａのパターンが同一方向に周回するスパイラル状のパターンであり、製品形状の小型化に適する。
【００２３】
(3) 一対のライン状導体２１，２２を構成する各導体部７ａ，８ａ，９ａ，１０ａのパターンが接地用導体層６，１１に平行で当該接地用導体層の垂直方向からみた各導体部が相重なりそのパターン幅が同じであるため、図２のπ型低域通過フィルタとしてみたときの入出力インピーダンスを揃えることができ、各導体部７ａ，８ａ，９ａ，１０ａと接地用導体層６，１１との間のキャパシタを大きくすることができる。
【００２４】
図４及び図５は本発明の第２の実施の形態によるコモンモードフィルタの内部構造を透視して示す斜視図（透視図）及び外観の斜視図であり、回路基板上の任意の位置へ設置する対策部品、平衡伝送ケーブルへの対策部品として使用するのに適するものである。
【００２５】
この場合のコモンモードフィルタは、積層回路基板に組み込まれる第１の実施の形態の上下の接地用導体層６，１１に挟まれた部分を独立した部品として形成したものであり、図５に示した上下の接地用導体層６，１１間の積層誘電体２４内に図４のライン状導体２１，２２が配設され、一方のライン状導体２１は、導体部７ａと導体部９ａとを同一方向に周回するスパイラル状パターンとなる如く層間接続用導体部としての導電性貫通孔１２ａで電気的に接続したものであり、他方のライン状導体２２は、導体部８ａと導体部１０ａとを同一方向に周回するスパイラル状パターンとなる如く層間接続用導体部としての導電性貫通孔１３ａで電気的に接続したものである。
【００２６】
一対のライン状導体２１，２２の端部はそれぞれ導電性貫通孔２５，２６，２７，２８及び延長導体２９，３０，３１，３２を経て電極３３，３４，３５，３６と電気的に接続している。電極３３，３４，３５，３６は貫通孔の側壁に導体層を形成したもの２分割した構造である。但し、コモンモードフィルタの上下面を形成する接地用導体層６，１１と電気的に絶縁していればその構造に制約はない。ここで、各電極の特性インピーダンスを同じにするため、延長導体２９，３０，３１，３２はグランドに接地される接地用導体層６，１１を形成する面から同じ距離を成すように位置を決めるのが望ましい。図５に示す如く、上下面を形成する接地用導体層６，１１は積層誘電体２４の側壁に設けられた接続導電体３９，４０によって電気的に接続してもよい。
【００２７】
なお、その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様であり、この第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同一又は相当部分に同一符号を付してある。
【００２８】
この第２の実施の形態によれば、回路基板上の任意の位置へ設置する対策部品あるいは平衡伝送ケーブルへの対策部品としてのチップ形状のコモンモードフィルタを実現できる。その他の作用効果は前述の第１の実施の形態と同様である。
【００２９】
図６は本発明の第３の実施の形態によるコモンモードフィルタの内部構造を透視して示す斜視図（透視図）であり、積層回路基板内部に組み込まれた状態でのコモンモードフィルタ機能部分を表したものである。同図において、１，２，３，４，５は誘電体基板であり、積層されて積層回路基板を構成するものである。６，１１は積層された誘電体基板の上下面を全面的に導体で覆った接地用導体層（接地されるべきグランド層）である。７，８，９，１０は一対の伝送線路としてのライン状導体を構成するミアンダ状パターンの導体部をそれぞれ配置する層である。ここでは、誘電体基板１，５同士を同一厚さ、誘電体基板２，４同士を同一厚さとした。
【００３０】
このコモンモードフィルタは、上下一対の接地用導体層６，１１間に並行して（相互に平行に対向させて）一対のライン状導体５１，５２を設けた構造を備えている。一方のライン状導体５１は、誘電体基板１，２間の層７に形成されたミアンダ状パターンの導体部７ｂと、誘電体基板３，４間の層９に形成されたミアンダ状パターンの導体部９ｂとを層間接続用導体部（導電性貫通孔）６２で電気的に接続したものである。他方のライン状導体５２は、誘電体基板２，３間の層８に形成されたミアンダ状パターンの導体部８ｂと、誘電体基板４，５間の層１０に形成されたミアンダ状パターンの導体部１０ｂとを層間接続用導体部（導電性貫通孔）６３で電気的に接続したものである。導体部７ｂ，８ｂは接地用導体層６に近接かつ平行にパターンが形成されており、導体部９ｂ，１０ｂは接地用導体層１１に近接かつ平行にパターンが形成されている。ここでは、接地用導体層６，１１が積層誘電体基板の上下面に形成されて平行であるから、接地用導体層６，１１と各導体部７ｂ，８ｂ，９ｂ，１０ｂとは相互に平行な関係を保っている。そして、接地用導体層６，１１の垂直方向からみた各導体部のパターン幅が同じで、導体部７ｂ，８ｂは相重なった配置、導体部９ｂ，１０ｂも同様である。換言すれば、接地用導体層６，１１に垂直な軸方向に相重なる様に２本の伝送線路としてのライン状導体５１，５２を同幅で形成している。
【００３１】
なお、層間接続用導体部６２，６３として誘電体基板２，３，４に貫通孔を設ける代わりに、切り欠きを設けることにより導体部を形成するようにしてもよい。
【００３２】
この第３の実施の形態の作用効果は前述した第１の実施の形態と実質的に同じである。すなわち、一対のライン状導体５１，５２に同一方向の電流が流れるコモンモードの場合、ライン状導体５１，５２間に磁気壁が形成されるため、ライン状導体５１，５２間のキャパシタ成分（容量成分）は発生せず、１本の伝送線路として見なせる。このとき、下部ミアンダ状パターンの導体部７ｂ，８ｂと下側接地用導体層６間、上部ミアンダ状パターンの導体部９ｂ，１０ｂと上側接地用導体層１１間、及び、上下導体部間に分布定数的なキャパシタ成分が発生し、これらと各導体部のミアンダ状パターンにより発生するインダクタンス成分を組み合わせると図２に示すπ型の低域通過フィルタが形成され、あらかじめ設定された高周波側のコモンモード電流成分を減衰させることが可能である。
【００３３】
また、この構造でディファレンシャルモード電流が流れた場合、一対のライン状導体５１，５２間に電気壁が形成され、ライン状導体５１，５２間にキャパシタ成分が発生し、先の接地用導体層６，１１間とのキャパシタ成分の影響は小さくなり、ディファレンシャルモード電流の減衰には影響しない。
【００３４】
なお、図４の如く積層誘電体基板の側壁に電極を設け、ライン状導体５１，５２の端部を電気的に接続してチップ状のコモンモードフィルタを構成するようにもできる。
【００３５】
また、各実施の形態において、誘電体基板としてセラミック、樹脂系誘電体の他に、Ｓｉ等の単結晶半導体、ＧａＡｓ等の化合物半導体等、電気的に絶縁される誘電体を用いて差し支えない。
【００３６】
さらに、誘電体基板の表裏面に接地用導体膜を形成する代わりに、誘電体基板内に上下一対の接地用導体層を形成し、該上下一対の接地用導体層間に、並行して一対のライン状導体を設ける構造としてもよい。
【００３７】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るコモンモードフィルタによれば、電磁雑音源となるコモンモード電流を任意の周波数帯域で減衰させることができ、なおかつディファレンシャルモード電流の損失を最小に抑えることができる。
【００３９】
また、フェライト磁性体等のようにその特性が周波数に大きく依存する材料を用いる必要がないため、従来のコモンモード電流対策部品に比べ、より高周波の帯域で効果的に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るコモンモードフィルタの第１の実施の形態であって、内部構造を透視して示す斜視図である。
【図２】 本発明の第１の実施の形態の場合の等価回路図である。
【図３】 第１の実施の形態の場合のコモンモード電流成分の減衰量の周波数特性図である。
【図４】 本発明の第２の実施の形態であって、内部構造を透視して示す斜視図である。
【図５】 同じく外観を示す斜視図である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態であって、内部構造を透視して示す斜視図である。
【図７】 従来のコモンモードチョークコイルの一例を示す説明図である。
【図８】 従来のコモンモードチョークコイルの特性の一例であってインピーダンスの周波数特性図である。

Claims (6)

1. 誘電体基板の表面と裏面、又は前記誘電体基板内に、一対の接地用導体層を形成し、前記誘電体基板内における前記一対の接地用導体層間に、並行して一対のライン状導体を設けた構造を備え、前記一対のライン状導体のうちの一方のライン状導体は、前記一対の接地用導体層の一方に近接かつ平行にパターンが形成された第１の導体部と、前記一対の接地用導体層の他方に近接かつ平行にパターンが形成された第２の導体部とを互いに電気的に接続した構成であり、前記一対のライン状導体のうちの他方のライン状導体は、前記一対の接地用導体層の一方に近接かつ平行にパターンが形成された第３の導体部と、前記一対の接地用導体層の他方に近接かつ平行にパターンが形成された第４の導体部とを互いに電気的に接続した構成であることを特徴とするコモンモードフィルタ。
2. 前記一対のライン状導体を構成する各導体部のパターンが同一方向に周回するスパイラル状のパターンである請求項１記載のコモンモードフィルタ。
3. 前記一対のライン状導体を構成する各導体部のパターンがミアンダ状パターンである請求項１記載のコモンモードフィルタ。
4. 前記一対のライン状導体のうちの一方のライン状導体と、他方のライン状導体とは前記接地用導体層の垂直方向からみて相重なる配置であり、かつ前記一対のライン状導体を構成する各導体部のパターン幅が同じである請求項１，２又は３記載のコモンモードフィルタ。
5. 前記一対のライン状導体の端部は、前記接地用導体層から電気的に絶縁されて前記誘電体基板に設けられた電極にそれぞれ電気的に接続されている請求項１，２，３又は４記載のコモンモードフィルタ。
6. 前記一対のライン状導体を構成する各導体部が前記誘電体基板側面もしくは貫通孔に設けられた接続用導体部により電気的に接続されている請求項１，２，３，４又は５記載のコモンモードフィルタ。

Images