JP4562117B2 - 高周波ノイズ吸収体 - Google Patents

Description

本発明は、インピーダンスミスマッチにより生じるノイズ(不整合反射による不要高電圧波形)を抑制することにより、伝送品質劣化の改善は勿論のこと、ケーブル、接続機器等の絶縁劣化による寿命低下及びノイズの発生を低減化することにより、経済性、操作性、生産性及び実用性に優れた高周波ノイズ吸収体の原理に関する。

従来、ケーブルの特性インピーダンスを出力系及び負荷のインピーダンスに整合させることによりノイズ発生を吸収することが出来ることになるが、使用機器、システムにより負荷のインピーダンスは千差万別であること、更に、同一インピーダンスで整合させたつもりでも整合部品或いはケーブルのインピーダンス偏差、周波数依存性からノイズやリンギングが発生し信号品質を著しく劣化させる原因となっている。このような状況は伝送系だけでなく、駆動系でも高速化に伴い同様な問題が発生している。特に、負荷がモーターの場合は、通常の伝送系からみると掛け離れた大きなインピーダンス（５００Ω以上）になることから、モータのインピーダンスに整合させたケーブル作製は困難を極めている。現状は、図２（イ）に示すようなＣとＬによるフィルタ１４′を挿入したり、出力回路の立ち上がり時間を緩やかにすることによりノイズレベルを抑えたり、適用ケーブルの長さをノイズレベル影響が小さい範囲で使用するといった方策が採られている。

次に、出力回路の立ち上がり時間を緩やかにすることによりノイズレベルを抑えたり、我々が先に出願したような主線と補助線を分離又は統合した組み合わせ構造からなる反射型サージ抑制ケーブルを発明したように、適用ケーブルの長さをノイズレベル影響が小さい範囲で使用するといった方策が採られている。伝送波形の立ち上がりを緩やかにしたり、使用ケーブル長を限定するといった方策は、市場ニーズに合致しないという欠点があった。（例えば、特許文献１参照。）。

特願２００３−２７２７２７号公報

解決しようとする課題は、本発明は、不要ノイズによるシステムの寿命劣化を抑えることはもとより、ノイズによる放射ノイズの低減化がはかれ、経済性、操作性、生産性及び実用性に優れた高周波ノイズ吸収体の原理を提供しようとするものである。

モータ駆動用伝送路のインピーダンスと高インピーダンス負荷ユニット（モータなどの高インピーダンスユニット又は部品）間のインピーダンス不整合等によりノイズやリンギングが発生している駆動用伝送路に、従来のフィルタはフィルタ自体に駆動電流伝送のために大きな欠点となっている寸法大、発熱、電力損失、高価という問題点をなくすために、図に示す様にノイズ吸収体を、駆動電流の流れ込みが少なく、高周波のノイズ成分のみを通す様に、終端側を高インピーダンスとした。終端側を高インピーダンスにした場合、終端で反射が起き、通常はノイズ吸収を出来ないのが大きな課題となるが、駆動用伝送路と負荷間の反射係数を制御することにより低減させ、かつモータ接続点からみたノイズ吸収体のインピーダンス変化を利用し多重反射による影響を低減させることによりノイズやリンギングを抑える高周波ノイズ吸収体の原理を提供する。

現状のフィルタが駆動信号を通過させる方式と違い、ノイズのみをフィルタリング出来るため
１．駆動信号の電圧減衰がない。
２．ノイズ吸収によるＥＭＩ対策が可能。
３．高圧、高電流部品を必要としないため低価格、省スペースである。
４．波形歪みが小さいため高速展開可能である。
以上の説明から明らかな様に、本発明の高周波ノイズ吸収体使用によれば、高速で制御が必要なモーター負荷に代表される高インピーダンス負荷に適用し不要ノイズをなくすことが出来るばかりでなく、ノイズ放射の低減化がはかれ、経済性、操作性、生産性及び実用性、高スペース性に優れた製品を提供することが可能になるので、その工業的価値は大なるものがある。

以下、本発明の高周波ノイズ吸収体の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

始めに、本発明の第１実施例の高周波ノイズ吸収体としては、図１（イ）に示すように、駆動用伝送路のインピーダンスと高インピーダンス負荷ユニットのインピーダンスミスマッチによりノイズが発生する駆動用伝送路において、駆動電流の流れ込みが少なく、高周波のノイズ成分のみが流れ、高周波ノイズ吸収体の終端側を高インピーダンスになるように高周波ノイズ吸収体を、高インピーダンス負荷ユニット側に接続した高周波ノイズ吸収体である。本発明の高周波ノイズ吸収体は、駆動電流の流れ込みが少ないので、低電力構造で十分である。

本発明の第２実施例の高周波ノイズ吸収体としては、図１（ロ）に示すように第１実施例の高周波ノイズ吸収体は、高周波のノイズ成分のように高い周波数のものだけを吸収し、前記ノイズ成分がモータ側に行かないように高い周波数ではインピーダンスが低く、周波数が低い部分はインピーダンスが高くなるように高周波ノイズ吸収体の性能を設定し、吸収する高周波ノイズ吸収体である。これはケーブル特性の低い周波数では集中定数としての特性を、高い周波数では分布定数としての特性を適用することで解決することが出来る。即ち、ケーブル特性からノイズの様に高い周波数成分に対しては抑制体は特性インピーダンスとしてみられるのでモータからみると非常に小さいインピーダンスのためノイズは吸収体に吸収される。駆動波形の様に周波数の低いものについては高インピーダンスとしてみられるため、駆動電流の流れ込みが少ない。

一般的に、ケーブルの微少区間の等価回路を表１に示す。

ここで、ケーブルの低周波での特性インピーダンスＺ_0Lは、下記の数式で示される。

この式からみられるように、一般的には、周波数の低い部分でのインピーダンスの傾きは抑制体の抵抗成分で決まり、周波数の高い部分では下記の式で示されるように、抑制体のＣ、Ｌ成分で特性インピーダンスは決定される。

本発明の第３実施例の高周波ノイズ吸収体としては、図１（ロ）に示すように第１実施例の高周波ノイズ吸収体は、高周波のノイズ成分を外部に放出しないように、前記ノイズ成分が、概ね熱に変わるようにパラメーターの設定をし、高周波ノイズ吸収体自体が、吸収した前記ノイズ成分を減衰する高周波ノイズ吸収体である。高周波ノイズ吸収体により吸収された高周波のノイズ成分は吸収体内を伝送していく中で概ねＲ成分で熱に変えられる。熱で変換しきれない高周波成分は一部容量成分でアースに流されたり、誘電損失分で減衰される。高周波成分のエネルギーは、吸収体内で概ね熱に替えられるため、使用条件によっては吸収体自体が発熱を発生する場合がある。しかしながら、駆動電流側とはエネルギーレベルが桁違いに小さいので簡単な発熱対策でクリア出来ると考えられる。
吸収体にケーブル使用時の適正値を具体的に示すと、駆動ケーブルが４０ｍまでの長さを条件とした場合、吸収体ケーブル長はサージ抑制効果と発熱効果の兼ね合いから５０ｍで、単位長さ当たりのパラメータはＲ＝０．１〜５Ω／ｍ、Ｌ＝０．１〜１．０μＨ／ｍ、Ｃ＝２０〜３５０ｐＦ／ｍ、Ｚ＝２０〜１５０Ωが挙げられる。

本発明の第４実施例の高周波ノイズ吸収体としては、図１（ロ）に示すように第１実施例の高周波ノイズ吸収体のインピーダンスは、高周波のノイズ成分が高周波ノイズ吸収体の終端に行くにつれて徐々に上がるように設定することにより、終端での反射、多重反射の影響を低減し、収束する高周波ノイズ吸収体である。この対応はモータ側からみたインピーダンスは、単位当たりの抵抗値とＬ値、Ｃ値及び吸収体全長で決まる。吸収体のインピーダンスと周波数の関係を周波数分を遅延時間に置き換えることにより明白である。即ち、遅延時間が短ければ繰り返し成分でみた場合の周波数成分は高くなる。遅延時間が遅ければその逆である。それ故グラフはインピーダンスの周波数特性のＸ軸を左右反転したものである。

本発明の第５実施例の高周波ノイズ吸収体としては、第１実施例から第４実施例のそれぞれにおいて、高周波ノイズ吸収体の所定長は、第３実施例の高周波のノイズ成分を減衰するのに必要な長さ或いは第４実施例の高周波ノイズ吸収体の終端での反射、多重反射の影響を低減するのに十分なインピーダンスを上げるだけの長さの何れか長い方を採用した高周波ノイズ吸収体である。
以上の原理を使用すれば、基本的にはケーブル構造を問わないが、代表的な例として本発明の高周波ノイズ吸収体１に適用可能なケーブル構造例を図１（ハ）に示す。ケーブルは信号線とＧＮＤ或いはＴＰ（ツイストペア）線の片側をＧＮＤとする構成。単心型は１心の絶縁心線だけでは特性を満足出来ないが、単心をユニットに巻き付けて、その上からシールドテープで巻き込むことから同様な効果が保証出来る。ここで、高誘電率と高誘電体損失の絶縁材料を併せもったものの代表例としては弗化ビニリデンや信号導体のめっきとしては、Ｎｉを使用した場合に特に良好な結果が得られた。又、シースとしては、代表的なＰＶＣを使用した。ここではケーブルを対象としたが、他の伝送媒体、例えばＦＰＣやラミネートテープ電線のストリップラインやマイクロストリップライン、コプレナーガイド、スロットラインでも同様な効果が得られる。

以上の構成であるので、本発明は、駆動電流を流さないでノイズ抑制が出来ることから６９０Ｖ ３０Ａ用として従来品と比較すると体積は約１／３以下に縮小することが可能になった。

この６９０Ｖ ３０Ａ ３相モータ用に取りつけた高周波ノイズ吸収体としてケーブルを適用した実施例を以下を示す。

次に、ケーブル４０ｍにおける本発明の高周波ノイズ吸収体と従来ケーブルのノイズ波形比較結果を以下の表２に示す。

このことから、従来のケーブルは、負荷により大きな反射影響が発生しているのに対し、本発明の高周波ノイズ吸収体は、負荷による影響が高周波ノイズ吸収体の効果により大きなノイズ吸収効果がある。

これまで、モーターを例に全て説明したが、モータに限らず、高インピーダンス負荷品を対象としている。また、本原理は高速で波形歪みが小さくノイズが取れることから、反射による高周波ノイズも抑制出来る可能性もあることから高速伝送ラインへの適用（例えば整合抵抗なしでのマッチング等）等々応用範囲は広い。省スペースでノイズを抑制出来ることは、高密度実装でのノイズ抑制等、省スペース化の効果も大きい。更に、本発明の高周波ノイズ吸収体を数種類作成してつなぎ合わせたり、部品と組み合わせたりする等各種の変形を含むものであることはいうまでもない。また、本部品の応用範囲としては、照明の高圧電灯、電源等の切り替えにより発生するノイズ抑制や高速伝送ラインへの適用も可能になり、応用範囲は広い。

（イ）は、本発明の第１実施例による高周波ノイズ吸収体１の接続構成の説明図である。（ロ）は、本発明の高周波ノイズ吸収体１の動作原理の説明図である。（ハ）は、本発明の高周波ノイズ吸収体１に適用可能なケーブル構造例の説明図である。 （イ）は、従来のフィルタ１４′を挿入した説明図である。（ロ）は、従来のモータ駆動用伝送路のインピーダンスＺ１′とモータ等の高負荷インピーダンス（ハイインピーダンス）Ｚ２′間のインピーダンスミスマッチ等によりノイズやリンギングが発生している状態を示す説明図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ 本発明の高周波ノイズ吸収体
４Ａ、４Ｂ 導体
５Ｂ 高誘電率絶縁体及び又は高誘電体損失絶縁体
６Ａ 絶縁体
７Ｂ シールド
８Ｂ シース
９ 駆動用伝送路
１０ 駆動回路
１１ 高インピーダンス負荷ユニット（適用例モータ）
Ｚ インピーダンス
９′ 駆動用伝送路
１０′ 駆動回路
１１′ 高インピーダンス負荷ユニット（適用例モータ適用例）
１４′ 従来のフィルタ
Ｚ１′、Ｚ２′インピーダンス

Claims (3)

1. 伝送路のインピーダンスとモータに代表される高インピーダンス負荷ユニットとのインピーダンスミスマッチングでノイズが発生する駆動用伝送路（主ライン）において、主ラインから枝わかれした従属ラインに高周波のノイズ成分を減衰させるのに十分必要な所定長の伝送路を適用し、駆動電流の流れ込みが少なく、高周波のノイズ成分のみが流れる様に高周波ノイズ吸収体の終端側を高インピーダンスにした高周波ノイズ吸収体をモータに代表される高インピーダンス負荷ユニットに接続したことを特徴とする伝送路のみで構成された高周波ノイズ吸収体ユニット。
2. 請求項１の高周波ノイズ吸収体は、高周波のノイズ成分のように高い周波数のものだけを吸収し、前記ノイズ成分がモータ側に行かないように高い周波数ではインピーダンスが低く、周波数が低い部分はインピーダンスが高くなるように高周波ノイズ吸収体の性能を設定し、吸収することを特徴とする伝送路のみで構成された高周波ノイズ吸収体ユニット。
3. 請求項１の高周波ノイズ吸収体は、高周波のノイズ成分を外部に放出しないように、前記ノイズ成分が、概ね熱に変わるようにパラメーターの設定をし、高周波ノイズ吸収体自体が、吸収した前記ノイズ成分を減衰することを特徴とする伝送路のみで構成された高周波ノイズ吸収体ユニット。

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