JP4155520B2 - フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、２本の導電線上を伝搬するコモンモードノイズを抑制可能なフィルタに関するものである。

この種のフィルタとして、特許第２７８４７８３号公報に開示されたフィルタが知られている。このフィルタは、同公報中の第６図に示すように、２本の導電線のそれぞれに挿入された２つのコイルと、各コイルの巻線の中間部位とアース間に設けられた２つのキャパシタとで構成されている。

特許第２７８４７８３号公報（第６図）

ところが、このフィルタには、以下の問題点がある。すなわち、このフィルタでは、インダクタンスおよびキャパシタンスで決まる固有の共振周波数を有しているため、所望の減衰量を狭い周波数範囲でしか得ることができないという問題点がある。

また、電力輸送用の導電線に挿入されるフィルタに対しては、電力輸送用の電流が流れている状態で所望の特性が得られることと、温度上昇に対する対策とが要求される。このため、通常、電力変換回路用のフィルタにおけるインダクタンス素子では、磁芯として、ギャップ付きのフェライト磁芯が用いられている。しかしながら、このようなインダクタンス素子では、その特性が空芯のインダクタンス素子の特性に近づくため、所望の特性を実現するためには巻線の巻回数を増加させる必要が生じる。その結果、インダクタンス素子が大型化し、ひいてはフィルタ自体が大型化するという問題点がある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、広い周波数範囲においてノイズを安定して抑制でき、かつ小形化が可能なフィルタを提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく本発明に係るフィルタは、中間タップを有する第１の巻線と、中間タップを有すると共に前記第１の巻線と磁気的に結合する第２の巻線と、一端が前記第１の巻線の前記中間タップに接続された第１のキャパシタと、一端が前記第２の巻線の前記中間タップに接続された第２のキャパシタと、前記第１および第２のキャパシタの他端同士の接続点に一端が接続されたコイルとをプリント配線基板上に実装して構成されると共に、第１の導電線の中間への前記第１の巻線の挿入、第２の導電線の中間への前記第２の巻線の挿入、および前記コイルの他端の接地が可能に構成され、前記第１のキャパシタの前記一端および前記第１の巻線の前記中間タップを接続する第１のプリントパターン並びに前記第２のキャパシタの前記一端および前記第２の巻線の前記中間タップを接続する第２のプリントパターンと、前記他端同士の接続点および前記コイルの前記一端を接続する第３のプリントパターンとが前記プリント配線基板に形成され、前記プリント配線基板の一面側には、アースパターンと、アースパターンの非形成部位とが存在し、前記第１および第２のプリントパターンと前記第３のプリントパターンとの一方は、前記プリント配線基板の前記一面側における前記アースパターンの前記非形成部位に対向する当該プリント配線基板の他面側の部位に形成されている。

この場合、前記一面側における前記アースパターンの前記非形成部位に対向する前記他面側の部位に前記第１から前記第３までのプリントパターンをそれぞれ形成するのが好ましい。

本発明に係るフィルタによれば、第１および第２のキャパシタとコイルとを一対の導電線に挿入される第１の巻線および第２の巻線の中間タップに付加しただけの簡単な構成のため、フィルタを小形化しつつ、広い周波数範囲においてコモンモードノイズを効果的に抑制することができる。しかも、第１および第２のプリントパターンと第３のプリントパターンとの一方をプリント配線基板の一面側におけるアースパターンの非形成部位に対向する他面側の部位に形成したことにより、第１〜第３のプリントパターンをアースパターンと対向する他面側の部位に形成する構成と比較して、第１および第２のプリントパターンとアースパターンとの間に生じる浮遊容量、または、第３のプリントパターンとアースパターンとの間に生じる浮遊容量を簡易な構造でありながら大幅に低減することができる。このため、大きな浮遊容量に起因して第１および第２の巻線のインダクタンスとコイルのインダクタンスとの間でバランスが崩れることを有効に防止することができる。したがって、フィルタ特性の劣化を回避することができる結果、コモンモードノイズを安定して抑制することができる。

また、本発明に係るフィルタによれば、第１から第３までのプリントパターンのすべてをプリント配線基板の一面側におけるアースパターンの非形成部位に対向する他面側の部位にそれぞれ形成したことにより、第１および第２のプリントパターンとアースパターンとの間に生じる浮遊容量、および、第３のプリントパターンとアースパターンとの間に生じる浮遊容量を簡易な構造でありながらさらに低減することができる。このため、大きな浮遊容量に起因して第１および第２の巻線のインダクタンスとコイルのインダクタンスとの間でバランスが崩れることを一層有効に防止することができる。したがって、フィルタ特性の劣化をより確実に回避することができる結果、コモンモードノイズを一層安定して抑制することができる。この場合、若干の浮遊容量を必要とするときには、第１〜第３のプリントパターンの任意の一部を、プリント配線基板の一面側におけるアースパターンの形成部位に対向する他面側の部位に形成することができる。

以下、本発明に係るフィルタの最良の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、フィルタ１の構成について、図面を参照して説明する。

フィルタ１は、図１に示すように、一対の端子部２ａ，２ｂ、他の一対の端子部３ａ，３ｂ、第１の巻線４、第２の巻線５、直列回路６、コイル７およびプリント配線基板（以下、「基板」ともいう）８を備えて構成されている。基板８は、図２に示すように、表面側ほぼ全面にアースパターン８ａが形成されている。また、基板８は、絶縁被膜（例えばレジスト被膜）がアースパターン８ａの表面に形成されることにより、半田付けで固定される第１の巻線４、第２の巻線５およびコイル７等の電子部品をこの表面に実装可能に構成されている。なお、各電子部品を実装するために基板８に形成するプリント配線パターンの配置については、使用する電子部品に応じて適宜規定することができる。したがって、以下、プリント配線パターンの一例を参照して説明するものとする。

第１の巻線４は、例えば、磁芯（一例としてトロイダルコア）９に線材が同じ回数だけ巻回されて構成された巻線４ａおよび巻線４ｂを備えて構成されている。同様にして、第２の巻線５も、磁芯９に線材が同じ回数（巻線４ａと同じ回数）だけ巻回されて構成された巻線５ａおよび巻線５ｂを備えて構成されている。また、磁芯９は、各巻線４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂが巻回された状態で基板８の表面に実装されている。また、巻線４ａの他端（巻線４ｂ側の端部）と巻線４ｂの一端は、図２に示すように、基板８に形成された２個の貫通孔を経由して基板８の裏面に突出しており、基板８の裏面側に形成されたプリント配線パターン１０ａ内のランド１２ａに半田付けされることにより、プリント配線パターン１０ａに接続されている。また、巻線４ａの一端は端子部２ａに接続され、巻線４ｂの他端は端子部３ａに接続されている。これにより、巻線４ａおよび巻線４ｂは互いに直列に接続された状態で、端子部２ａと端子部３ａとの間に挿入された状態となる。また、プリント配線パターン１０ａは、第１の巻線４の中間タップとして機能する。

一方、巻線５ａの他端（巻線５ｂ側の端部）と巻線５ｂの一端は、図２に示すように、基板８に形成された２個の貫通孔を経由して基板８の裏面に突出しており、基板８の裏面側に形成されたプリント配線パターン１０ｂ内のランド１２ｂに半田付けされることにより、プリント配線パターン１０ｂに接続されている。また、巻線５ａの一端は端子部２ｂに接続され、巻線５ｂの他端は端子部３ｂに接続されている。これにより、巻線５ａおよび巻線５ｂは互いに直列に接続された状態で、端子部２ｂと端子部３ｂとの間に挿入された状態となる。また、プリント配線パターン１０ｂは、第２の巻線５の中間タップとして機能する。この場合、プリント配線パターン１０ａが本発明における第１のプリントパターンに相当し、プリント配線パターン１０ｂが本発明における第２のプリントパターンに相当する。また、プリント配線パターン１０ａ，１０ｂは、同図に示すように、基板８の表面（一面）側におけるアースパターン８ａの非形成部位１３ａ，１３ｂに対向する基板８の裏面（他面）側の部位に形成されている。以上の構成により、第１の巻線４および第２の巻線５は、互いに磁気的に結合されて、磁芯９と相俟って、コモンモードノイズを抑制し、かつノーマルモード信号を通過させる一般的なコモンモードコイルを構成する。

直列回路６は、図１に示すように、互いに直列に接続された一対のキャパシタ（第１のキャパシタ６ａおよび第２のキャパシタ６ｂ）で構成されている。この場合、第１のキャパシタ６ａおよび第２のキャパシタ６ｂは、図２に示すように、基板８の裏面に実装されている。また、第１のキャパシタ６ａおよび第２のキャパシタ６ｂは、基板８の裏面に形成されたプリント配線パターン１１を介して互いに直列に接続されている。また、直列回路６は、その一端（第１のキャパシタ６ａの一端）がプリント配線パターン（第１の巻線４の中間タップ）１０ａに接続されると共に、その他端（第２のキャパシタ６ｂの一端）がプリント配線パターン（第２の巻線５の中間タップ）１０ｂに接続されている。コイル７は、例えば、磁芯（一例としてトロイダルコア）７ａ、および磁芯７ａに線材を巻回して形成した巻線７ｂを備えて構成されている。この場合、コイル７のインダクタンスは、各巻線４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂのインダクタンスと同等となるように設定されている。また、コイル７は、基板８の表面に実装されて、その巻線７ｂの一端および他端が基板８に形成された貫通孔を経由して基板８の裏面側に突出している。なお、巻線７ｂの一端については、例えば、図２に示すように、基板８の裏面側に形成されているプリント配線パターン１１内のランド１５に半田付けされることによってプリント配線パターン１１と接続されている。したがって、巻線７ｂの一端は、プリント配線パターン１１を介して、第１のキャパシタ６ａおよび第２のキャパシタ６ｂの他端同士の接続点に接続されている。ここで、プリント配線パターン１１が、本発明における第３のプリントパターンに相当する。また、プリント配線パターン１１は、同図に示すように、基板８の表面側におけるアースパターン８ａの非形成部位１４に対向する基板８の裏面側の部位に形成されている。また、巻線７ｂは、その他端が基板８に形成されたアースパターン（接地用端子）１６に接続されて接地可能に構成されている。なお、アースパターン１６は、基板８に形成された複数のスルーホールを介して基板８の表面に形成されたアースパターン８ａに接続されている。

次に、フィルタ１の動作について図１を参照して説明する。なお、フィルタ１は、コモンモードノイズ抑制対象の導電線２１ａ（本発明における第１の導電線）の中間に第１の巻線４が挿入され、導電線２１ｂ（本発明における第２の導電線）の中間に第２の巻線５が挿入された状態で装着されている。また、基板８のアースパターン１６は、接地されている。

この状態において、コモンモードの電圧（コモンモードノイズ）Ｖｉが端子部２ａ，２ｂ間に印加された際には、第１の巻線４の左端と接地間、および第２の巻線５の左端と接地間にそれぞれ電圧Ｖｉが発生する。この場合、第１の巻線４側に発生した電圧Ｖｉは巻線４ａとコイル７とによって分圧されて、巻線４ａの両端間とコイル７の両端間にそれぞれ１／２Ｖｉの電圧が発生する。同様にして、第２の巻線５側に発生した電圧Ｖｉは巻線５ａとコイル７とによって分圧されて、巻線５ａの両端間とコイル７の両端間にそれぞれ１／２Ｖｉの電圧が発生する。なお、同図中の矢印は、矢印方向がより高い電位であることを表している。また、巻線４ａの両端間に発生した電圧１／２Ｖｉに応じて、巻線４ｂの両端間にも電圧１／２Ｖｉが発生する。その結果、端子部３ａと接地間の電圧Ｖｏ１は、巻線４ｂの両端間の電圧１／２Ｖｉとコイル７の両端間の電圧１／２Ｖｉとが相殺されることにより、原理的にゼロボルトとなる。同様にして、端子部３ｂと接地間の電圧Ｖｏ２は、巻線５ｂの両端間の電圧１／２Ｖｉとコイル７の両端間の電圧１／２Ｖｉとが相殺されることにより、原理的にゼロボルトとなる。また、逆に、各端子部３ａ，３ｂにコモンモードの電圧が印加されたときも、上記と同様にして、端子部２ａ，２ｂに発生するコモンモードの電圧は、原理的にゼロボルトになる。

また、フィルタ１は、上記したように、一方の端子部２ａ，２ｂ（または端子部３ａ，３ｂ）にコモンモードの電圧Ｖｉが印加されたときに、他方の端子部３ａ，３ｂ（または端子部２ａ，２ｂ）に生じるコモンモードの電圧を原理的にはゼロボルトにするように作動するが、発明者が鋭利研究することで、以下のことが判明した。つまり、プリント配線パターン１０ａ（つまり巻線４の中間タップ）および接地の間に生じる浮遊容量Ｃｆ１（図１参照）と、プリント配線パターン１０ｂ（つまり巻線５の中間タップ）および接地の間に生じる浮遊容量Ｃｆ２（同図参照）とが大きいとき、または、プリント配線パターン１１（つまり、第１のキャパシタ６ａと第２のキャパシタ６ｂとの接続点（本発明における「他端同士の接続点」に相当する。以下、「直列回路６の中点」ともいう））および接地の間に生じる浮遊容量Ｃｆ３（同図参照）が大きいときには、巻線４ａ，４ｂとコイル７との間でのバランス、および巻線５ａ，５ｂとコイル７との間でのバランスが崩れることに起因して原理通りに作動しなくなり、その結果、他方の端子部３ａ，３ｂ（または端子部２ａ，２ｂ）に生じるコモンモードの電圧をゼロボルトにすることが困難となる。したがって、浮遊容量Ｃｆ１〜Ｃｆ３をある程度小容量に抑えるのが好ましい。この点に関して、このフィルタ１では、巻線４の中間タップとして機能するプリント配線パターン１０ａ、巻線５の中間タップとして機能するプリント配線パターン１０ｂ、および直列回路６の中点としてのプリント配線パターン１１を、基板８におけるアースパターン８ａの非形成部位１３ａ，１３ｂ，１４に対向する裏面側の部位に形成することにより、プリント配線パターン１０ａ，１０ｂ，１１をアースパターン８ａに対向する裏面側の部位に形成する構成と比較して、浮遊容量Ｃｆ１〜Ｃｆ３を低減（小容量化）している。このため、このフィルタ１では、上記の原理通りにほぼ作動して、他方の端子部３ａ，３ｂ（または端子部２ａ，２ｂ）に生じるコモンモードの電圧がほぼゼロボルトに抑えられている。

このように、このフィルタ１によれば、第１および第２のキャパシタ６ａ，６ｂで構成される直列回路６とコイル７とを一対の導電線２１ａ，２１ｂにそれぞれ挿入される第１の巻線４および第２の巻線５の中間タップに付加しただけの簡単な構成のため、フィルタ１を小形化しつつ、広い周波数範囲においてコモンモードノイズを効果的に抑制することができる。しかも、アースパターン８ａの非形成部位１３ａ，１３ｂ，１４に対向する裏面側の部位にプリント配線パターン１０ａ，１０ｂ，１１を形成することにより、プリント配線パターン１０ａ，１０ｂ，１１をアースパターン８ａに対向する裏面側の部位に形成する構成と比較して、簡易な構造でありながら浮遊容量Ｃｆ１〜Ｃｆ３を大幅に低減することができる。このため、大きな値の浮遊容量Ｃｆ１〜Ｃｆ３に起因して第１および第２の巻線４，５のインダクタンスとコイル７のインダクタンスとの間でのバランスが崩れることを有効に防止することができる。したがって、フィルタ特性の劣化を回避することができる結果、コモンモードノイズを安定してほぼゼロボルトに抑制することができる。

具体的に、実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。

図２に示すように、プリント配線パターン１０ａ，１０ｂ，１１と対向する部位を除いた表面全面にアースパターン８ａを形成した基板８を使用して、上記のフィルタ１と同じ構成のサンプルを作製して実施例とした。また、プリント配線パターン１０ａ，１０ｂ，１１と対向する部位を含む基板８の表面全面にアースパターン８ａを形成した基板８を使用したサンプルを作製して比較例とした。また、実施例および比較例に係るフィルタでは、３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさで、厚みが１．６ｍｍのガラスエポキシ樹脂製基板（誘電率：約４．０）を基板８として使用した。また、比較例に係るフィルタについてのプリント配線パターン１０ａおよびアースパターン８ａの間の浮遊容量Ｃｆ１、並びにプリント配線パターン１０ｂおよびアースパターン８ａの間の浮遊容量Ｃｆ２はそれぞれ約０．４ｐＦであり、プリント配線パターン１１およびアースパターン８ａの間の浮遊容量Ｃｆ３は約１．６ｐＦであった。一方、実施例に係るフィルタについてのプリント配線パターン１０ａおよびアースパターン８ａの間の浮遊容量Ｃｆ１、プリント配線パターン１０ｂおよびアースパターン８ａの間の浮遊容量Ｃｆ２、並びにプリント配線パターン１１およびアースパターン８ａの間の浮遊容量Ｃｆ３は上記の容量値を十分に下回る値であった。

次いで、実施例および比較例に係るフィルタについて、コモンモードノイズ（コモンモード信号）の減衰量の周波数特性を測定した。この測定結果を図３に示す。なお、同図では、ゲインが小さいほど、コモンモード信号の減衰量が大きいことを表している。また、同図中の符号Ａで示す線は、ＣＩＳＰＲ２２のクラスＢ（ノイズに対する規格）で規定されるリミットを表している。

図３によれば、比較例のフィルタでは、約８ＭＨｚ以上３０ＭＨｚ以下の周波数帯域において、ＣＩＳＰＲ２２のクラスＢのリミットを満足する減衰量を確保できないのに対して、実施例のフィルタでは、ＣＩＳＰＲ２２のクラスＢで規定される１５０ｋＨｚ以上３０ＭＨｚ以下の周波数帯域の全域に亘ってリミット以下となる高い減衰量を確保できる性能を有することが確認された。

なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、プリント配線パターン１０ａ，１０ｂ，１１のすべてをアースパターン８ａの非形成部位１３ａ，１３ｂ，１４に対向する裏面側の部位に形成することによって浮遊容量Ｃｆ１〜Ｃｆ３を低減させる例について上記したが、プリント配線パターン１０ａ，１０ｂおよびプリント配線パターン１１のいずれか一方をアースパターン８ａの非形成部位１３ａ，１３ｂまたは非形成部位１４に対向する裏面側の部位に形成することによって浮遊容量Ｃｆ１，Ｃｆ２または浮遊容量Ｃｆ３を低減させる構成を採用することもできる。この構成によれば、フィルタ１と比較してフィルタ特性を改善する度合いが若干低くなる可能性があるものの、プリント配線パターン１０ａ，１０ｂ，１１に対向するすべての部位にアースパターン８ａを形成する構成と比較して、大きな値の浮遊容量Ｃｆ１，Ｃｆ２，Ｃｆ３に起因して第１および第２の巻線４，５のインダクタンスとコイル７のインダクタンスとの間でのバランスが崩れることを有効に防止することができる。したがって、フィルタ特性の劣化を回避することができる結果、コモンモードノイズを安定してゼロボルト近くに抑制することができる。

フィルタ１の回路図である。 フィルタ１の巻線４，５、キャパシタ６ａ，６ｂおよびコイル７の接続状態の一例を示す基板８の表面側から見た平面図である。 実施例および比較例についてのコモンモード信号の減衰量の周波数特性図である。

符号の説明

１ フィルタ
４ 第１の巻線
５ 第２の巻線
６ａ，６ｂ キャパシタ
７ コイル
８ 基板
１０ａ，１０ｂ，１１ プリント配線パターン
１３ａ，１３ｂ，１４ アースパターンの非形成部位
２１ａ，２１ｂ 導電線

Claims (2)

1. 中間タップを有する第１の巻線と、
   中間タップを有すると共に前記第１の巻線と磁気的に結合する第２の巻線と、
   一端が前記第１の巻線の前記中間タップに接続された第１のキャパシタと、
   一端が前記第２の巻線の前記中間タップに接続された第２のキャパシタと、
   前記第１および第２のキャパシタの他端同士の接続点に一端が接続されたコイルとをプリント配線基板上に実装して構成されると共に、第１の導電線の中間への前記第１の巻線の挿入、第２の導電線の中間への前記第２の巻線の挿入、および前記コイルの他端の接地が可能に構成され、
   前記第１のキャパシタの前記一端および前記第１の巻線の前記中間タップを接続する第１のプリントパターン並びに前記第２のキャパシタの前記一端および前記第２の巻線の前記中間タップを接続する第２のプリントパターンと、前記他端同士の接続点および前記コイルの前記一端を接続する第３のプリントパターンとが前記プリント配線基板に形成され、
   前記プリント配線基板の一面側には、アースパターンと、アースパターンの非形成部位とが存在し、
   前記第１および第２のプリントパターンと前記第３のプリントパターンとの一方は、前記プリント配線基板の前記一面側における前記アースパターンの前記非形成部位に対向する当該プリント配線基板の他面側の部位に形成されているフィルタ。
2. 前記第１から前記第３までのプリントパターンは、前記一面側における前記アースパターンの前記非形成部位に対向する前記他面側の部位にそれぞれ形成されている請求項１記載のフィルタ。

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