JP5204468B2

JP5204468B2 - 低放射ノイズ電子機器、伝送線路接続ケーブル、および電子機器の放射ノイズ除去方法

Info

Publication number: JP5204468B2
Application number: JP2007310410A
Authority: JP
Inventors: 幸夫坂本; 充弘村田
Original assignee: 株式会社Ｍｏｄａテクノロジー
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: JP2009135760A

Description

本発明は、低放射ノイズの電子機器、伝送線路接続ケーブル、および電子機器の放射ノイズ除去方法に関する。

電子機器の放射ノイズは、自機への影響だけでなく、周辺にある他の機器にも影響を与えるため、放射ノイズ対策は電子デジタル化時代にあっては極めて重要な技術である。導体を流れる電流が変化すると導体から誘導される電界や磁界が変化し、その変化のエネルギーが空中に放射され、導体から離れた領域では電磁放射となる。従って、伝送線路はアンテナの性質を持つため、電子機器からの放射ノイズ対策は難しい課題となっている。

電子機器内でデジタル信号やインバータ信号などのディファレンシャル信号が周囲のインピーダンスの組み合わせによりコモンモードに変わり、コモンモード電圧が放射ノイズ源として働く。放射ノイズは、ノイズを放射するアンテナになる導体のインピーダンスが大きく変わるところで反射が起こり、進行波と反射波が重なり、定在波が立ち、その腹の周波数付近でアンテナ効率がよくなり、強力なノイズが放射される。

伝送線路の特性インピーダンスに比べ、より低いインピーダンスで伝送線路が終端された場合に、伝送線路に導体長さが1／4波長の偶数倍となる周波数付近で定在波の腹が発生し、ノイズが放射される。また、伝送線路が開放状態のように、伝送線路の特性インピーダンスに比べ高いインピーダンスで終端されている状態の場合には、導体の長さが1／4波長の奇数倍となる周波数付近に定在波の腹が発生し、放射ノイズが大きくなる。

こうした放射ノイズの特性をとらえ、デジタル電子機器の放射ノイズ低減策としていろいろな対策が取られており、ローパス型EMIフィルタ、フェライトリングコア、コモンモードチョークコイルが用いられている。しかし、それぞれ一長一短があり、放射ノイズが除去できても、信号の質が低下することも多く、信号の質が低下させないで放射ノイズを完全に削減することが課題になっている。

ローパス型EMIフィルタはノイズ除去能力と信号を維持する特性が裏腹の関係にあり、多くの場合、信号の質を維持するために十分に放射ノイズを除去することが出来ないケースが多い。

また、フェライトリングコアによる放射ノイズの対策では、十分なコモンモードのインピーダンスが得にくく、放射ノイズを満足のできるレベルまで低減させることが難しい。

一方、放射ノイズの低減にローパス型EMIフィルタを使う場合、グランドの取り方など特有な条件が付随する。グランドの取り方で効果が大きく変わることもあり、また、対策部品の定数が信号の質の劣化にも関係するため、経験をつんだ少数の技術者の試行錯誤に頼っている。経験のある技術者でも失敗する確率が高く、ノイズ対策の経験の少ない技術者では対策効果が出しにくい状況にある。

コモンモードチョークコイルに関しては、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）のポートに１００Ω程度のコモンモードインピーダンスを持つコモンモードチョークコイルが使われている例があるが、これは差動伝送の位相差による乱れによって生じる放射ノイズ対策である。コモンモードチョークコイルによる伝送線路からの放射ノイズの抑制は、定数の決め方がはっきりせず、有効で一般的な手段になっていない（非特許文献１参照）。
坂本幸夫著、間所新一、後藤祥正コラム執筆、『対策部品で行うEMI対策』ｐ186〜188およびコラムp191〜192、ミマツコーポレーション出版。

一方、コモンモードチョークコイルは、差動伝送路上に入り込んだコモンモードノイズを除去するためのコイルとして一般的によく知られており、１００Ω程度のインピーダンスの物が使われている。このインピーダンス１００Ω程度の値は、送受信装置の耐ノイズ向上のため、伝送線インピーダンスに合わせたものである。

このコモンモードチョークコイルを用いたノイズ除去例としては、信号送受信回路をつなぐ伝送線路の両端で、コモンモードの信号を遮断するコモンモードチョークコイルを伝送路に挿入したものがある。これは、それぞれのコモンモードチョークコイルの入力側にコモンモード信号を通過させるチョークコイルを接続して、各チョークコイルを終端抵抗で終端させてコモンモードノイズを除去する方法である（特許文献１参照）。
特開平８−１１５８２０号公報（図8）。このようにデジタル電子機器のポートにおける一般的な放射ノイズ対策は難しいものとなっている。このため、近年、デジタル機器に於いては、クロック周波数を中心値に対して上下に少し拡散させ、ノイズの測定値を下げるという方法が使われ始めている。

クロック周波数を拡散することによりノイズの測定値を下げる方法は、ノイズ対策の経験がなくても見掛け上、数デシベル、ノイズレベルを下げることが出来るため、普及し始めている。

しかしこの方法は帯域の広い信号が使われるデジタル通信などに対しては実質的なノイズの低減対策にはなっていない。このため、無線機器のエラーレートが増加し、通信可能距離が縮小したり、通信速度が遅くなったり、受信感度が大きく低下するなど、社会問題にもなり始めている。

本発明は、電子機器から放射するノイズを実質的に低減させ、デジタル電子機器に使われるクロック周波数拡散によるノイズの測定値の低減に頼らなくても良い、電磁環境のクリーン化を実現する。

また、本発明は、ノイズ対策の経験のない技術者にでも出来る、失敗の少ない放射ノイズの低減策を提供し、ノイズ対策の効率化を図ることを目的とする。

本発明の第一の発明にかかる低放射ノイズ電子機器は、放射ノイズを、ポート部の放射インピーダンスに着眼して解決したものである。

つまり、信号発生部を有する電子機器本体と、前記電子機器本体をシールドするシールド材と、前記電子機器本体からシールド面を通過して伝送線路を導出させるポートと、前記信号発生部と前記ポートとを結ぶ伝送線路に接続されたコモンモードチョークコイルとを備え、前記コモンモードチョークコイルは、シールドされた電子機器の各ポートのシールド面の内側に、シールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置にある基板あるいはコネクタ内に実装され、前記コモンモードチョークコイルのコモンモードインピーダンスが３７７Ωと同等かそれ以上である。
また、第二の発明は、低放射ノイズ電子機器において、信号発生部を有する電子機器本体と、前記電子機器本体をシールドするシールド材と、前記電子機器本体からシールド面を通過して伝送線路を導出させるポートと、前記ポートにおける前記シールド材によるシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置に設置されるコモンモードチョークコイルとを備え、前記コモンモードチョークコイルのコモンモードインピーダンスが３７７Ωと同等かそれ以上である。

かかる構成によって、電子機器内でデジタル信号やインバータ信号などのディファレンシャル信号が周囲のインピーダンスの組み合わせによりコモンモードに変わり、放射ノイズ源となるコモンモードの電磁波が発生しても、このコモンモードの電磁波ノイズ信号を減衰させ、結果として電磁波放射を減衰させて放射ノイズを除去する。

この第一の発明において、コモンモードチョークコイルのコモンモードインピーダンスを３７７Ωと同等かそれ以上とした根拠を以下に説明する。
つまり、電子機器において、伝送線路がアンテナとして働くため、伝送線路を導出するポートが放射ノイズ源となる。ポートには、高周波数領域になると有限値の放射インピーダンスが存在し、その最大値はアンテナのように先端がどこにも接続されていない導体の場合で、放射インピーダンス（自由空間の波動インピーダンス）Ｚ _０は、遠方電磁界の高周波数領域では、
Ｚ _０＝（μ _０／ε _０） ^１／２＝１２０×π＝３７７（Ω）
と表すことができ、ポートの放射インピーダンスは最大値３７７Ωと見積もられる。
ただし、
μ _０：真空の透磁率＝４π×１０ ^−７（H/m）
ε _０：真空の誘電率＝１／（３６π×１０ ^９）（F/m）
である（非特許文献２参照）。
木下敏雄著、『EMCの基礎と実践』ｐ３６〜３８およびｐ６４〜６５、日刊工業新聞社発行。

第三の発明は、請求項１または２に記載の低放射ノイズ電子機器において、前記コモンモードチョークコイルは、コモンモードチョークコイルアレイを構成する。
第四の発明は、伝送線路接続ケーブルにおいて、シールド材でシールドされる電子機器の伝送線路導出用のポートに接続するプラグと、前記プラグ内の伝送線路に接続されるコモンモードチョークコイルとを備え、前記コモンモードチョークコイルは、前記プラグが前記ポートに接続時に前記ポートにおけるシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置に設置され、そのコモンモードインピーダンスが３７７Ωと同等かそれ以上である。
第五の発明は、伝送線路接続ケーブルにおいて、シールド材でシールドされる電子機器の伝送線路導出用のポートに接続する伝送線路接続ケーブルにおいて、アダプタと、前記アダプタ内の伝送線路に接続されるコモンモードチョークコイルとを備え、前記コモンモードチョークコイルは、前記伝送線路接続ケーブルが前記ポートに接続時に前記ポートにおけるシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置に設置され、そのコモンモードインピーダンスが３７７Ωと同等かそれ以上である。

第六の発明は、電子機器の放射ノイズ除去方法において、(a)シールド材によりシールド面を形成することにより信号発生部を有する電子機器をシールドする工程と、(b)ポートにより前記電子機器から前記シールド面を通過して伝送線路を導出させる工程と、(c)前記ポートにおけるシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置にコモンモードチョークコイルを設置する工程と、(d)前記コモンモードチョークコイルのコモンモードインピーダンスを前記ポートに存在する放射インピーダンスの値と同等かそれ以上とする工程とを有する。

かかる構成によって、電子機器内でデジタル信号やインバータ信号などのディファレンシャル信号が周囲のインピーダンスの組み合わせによりコモンモードに変わり、放射ノイズ源となるコモンモードの電磁波が発生しても、このコモンモードの電磁波ノイズ信号を減衰させ、結果として電磁波放射を減衰させて放射ノイズを除去する方法である。

第七の発明は、電子機器の放射ノイズ除去方法において、(a)シールド材によりシールド面を形成することにより信号発生部を有する電子機器をシールドする工程と、(b)ポートにより前記電子機器から前記シールド面を通過して伝送線路を導出させる工程と、(c)前記ポートにおけるシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置にコモンモードチョークコイルを設置する工程と、(d)前記コモンモードチョークコイルのコモンモードインピーダンスを３７７Ωと同等かそれ以上とする工程とを有する。

本発明により、放射ノイズ源となるコモンモード電磁波ノイズ信号を減衰させることができ、信号の質を落とさずに、実質的な効果のある放射ノイズの低減策を施したデジタル電子機器が提供でき、電磁環境の向上に貢献できる。

また、ノイズ対策の経験のない技術者であっても、デジタル信号を使う電子機器等から放射されるノイズを簡単に再現性よく低減でき、無駄な試行錯誤を解消でき、本発明により設計効率の大幅な改善やノイズ対策の効率化がはかれる。

また、ポート部に高インピーダンスのコモンモードチョークコイルが実装されることから、放射ノイズの低減効果だけでなく、他の機器からの放射電磁波も受け難くなり、電子機器のノイズ耐力も向上する。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の実施例を特徴的に示す概要図である。

電子機器を示す図１に於いて、１は低放射ノイズ電子機器を示し、信号発生部４を有する電子機器本体は、シールドケース２でシールドされ、内部に放射ノイズ防止用のコモンモードチョークコイル３、信号をシールドケース２の外部に取り出すポート５，６をシールドケース面に備えた構成とする。コモンモードチョークコイル３は、信号発生部４とポート５，６とを結ぶ伝送線路に接続される。ポート５，６は出力信号線、端子等の導体を意味し、ノイズもこの導体から放出、導入される。ポート５，６につながる伝送線路は、コネクタ７やプラグ８を通してケーブルで外部機器９に接続される。外部接続装置である外部機器９としては外部記憶装置、サーバー、プリンター、プロジェクター、外部表示装置、コピー機、ファクシミリ、インバータシステムなど多くの機器がある。

次に、この実施例の回路構成が示す作用および効果について説明する。

ポート５，６には、高周波数領域になると有限値の放射インピーダンスが存在している。アンテナのように先端がどこにも接続されていない導体が有する放射インピーダンス（自由空間の波動インピーダンス）Ｚ _０は遠方電磁界の高周波数領域では、
Ｚ _０＝（μ _０／ε _０） ^１／２＝１２０×π＝３７７（Ω）
として算出でき、ポート５，６の放射インピーダンスは最大値３７７Ωと見積もられる。
ただし、
μ _０：真空の透磁率＝４π×１０ ^−７（H/m）
ε _０：真空の誘電率＝１／（３６π×１０ ^９）（F/m）
である。
この実施例では、この放射インピーダンスに注目し、ポート５，６の放射インピーダンスを３７７Ωに設定した。本実施例の構成の測定等価回路が図２である。コモンモードチョークコイル３のインピーダンスＺ _Ａを変えてノイズ発生源となるコモンモードの電磁波信号の減衰量を評価した。

結果を図３に示す。コモンモード信号源とアンテナになる導体の間に挿入するコモンモードチョークコイル３のインピーダンス値Z_Ａを変えると、ノイズ発生源となるコモンモードの電磁波信号V_０は図３に示すように減衰することがわかった。コモンモードインピーダンス値Z_Ａが小さい時の減衰量は小さく、変化も小さいが、ノイズが半減する減衰量６dBのカットオフポイントのコモンモードインピーダンス値Z_Ａは３７７Ωになり、この付近から大きな減衰が得られることが判る。従って、３７７Ωと同等かそれ以上のインピーダンス値を持つコモンモードチョークコイル３を装着すれば、大きく放射ノイズを減衰させることが可能となる。

現実の電子機器では、アンテナになる導体とグランド間に、空間の波動インピーダンスと並列に新たな浮遊容量によるインピーダンスが加わったりする。この放射インピーダンスは最大値である３７７Ω以下の値になることも考えられるが、最大値である３７７Ωのコモンモードチョークコイルを信号発生部とポートを結ぶ伝送線路に接続すれば、たとえアンテナになる導体とグランド間に、空間の波動インピーダンスと並列に新たなインピーダンスが加わり、ポートに存在する放射インピーダンスが小さくなっても、３７７Ωと同等かそれ以上のコモンモードチョークコイルの挿入で、コモンモードチョークコイルのインピーダンスをポートに存在する放射インピーダンスと同等かそれ以上にする条件が満足され、電子機器からの放射ノイズを汎用的に減衰させることができる。

そしてまた、コモンモードチョークは原則ディファレンシャルインピーダンスが無いので、必要以上に大きいコモンモードインピーダンスのコモンモードチョークが使われても有効信号に悪い影響を与えることもない。本発明は電子機器からの放射ノイズを汎用的に減衰させる簡単な方法が提供できる。

コモンモードチョーク３を設置する位置を信号の１／４波長以上シールド面から外側に離すと、コモンモードチョークで伝送導体のインピーダンスが急に高くなるので、ノイズが除去されるまでに共振してノイズが放射され、ノイズ対策にならない。

また信号の１／４波長以上シールド面から内側に離すと、ノイズ成分が除去されたシールド内の伝送線路が共振し、ノイズを再び拾いノイズ対策にならない。

したがって、コモンモードチョークの配置場所はシールド面の近くが好ましく、シールド面から使われる信号の波長の１／４未満の位置に設置するのが好ましい。

実施例２は実施例１と基本構成が同じであるが、複数の信号発生部１４を有する電子機器本体と、複数の伝送線路にコモンモードチョークコイルアレイを実装した点に特徴がある実施例であり、その構成を図４に示す。

図４において、１１は低放射ノイズ電子機器を示し、信号発生部１４を有する電子機器本体は、シールドケース１２でシールドされ、内部に放射ノイズ防止用のコモンモードチョークコイルアレイ１３、信号をシールドケース１２の外部に取り出すポート１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂをシールドケース面に備えた構成とする。コモンモードチョークコイルアレイ１３は、信号発生部１４とポート１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂとを結ぶ伝送線路に接続される。ポート１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂは出力信号線、端子等の導体を意味し、ノイズもこの導体から放出、導入される。ポート１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂにつながる伝送線路は、コネクタ１７やプラグ１８を通してケーブルで外部機器１９ａ，１９ｂに接続される。

この構成の作用、効果は、実施例１と同じであり、３７７Ωと同等かそれ以上のインピーダンス値を持つコモンモードチョークコイルアレイ１３を装着すれば、大きく放射ノイズを減衰させることが可能となる。

図５は本発明の実施例３を示す構成概略図である。図５において、コモンモードチョークコイル３をプラグ２８内に設置し、コモンモードチョークコイル３が、シールドされた電子機器のポート５，６のシールド面の外側のシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置に設置されるようプラグをポート５，６に接続した。その他の構成は実施例１と同じであり、同じ符号を付して説明を省略する。コモンモードチョークコイル３のインピーダンスを変えノイズ減衰量を評価したところ、図３と同様の結果が得られた。

この構成の作用、効果は、実施例１と同じであり、３７７Ωと同等かそれ以上のインピーダンス値を持つコモンモードチョークコイルアレイを装着すれば、大きく放射ノイズを減衰させることが可能となる。

図６は本発明の実施例４を示す構成概略図である。図６において、外部取り付けアダプタ３８を用いている。このアダプタ３８にコモンモードチョークコイル３を内蔵したものである。この構成においても、コモンモードチョークコイル３が、シールドされた電子機器のポート５，６のシールド面の外側のシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置に設置されるようアダプタをポート５，６に接続した。その他の構成は実施例１と同じであり、同じ符号を付して説明を省略する。

コモンモードチョークコイルは原則、信号の質には全く影響せず、かつ電子機器の放射ノイズの除去能力に優れている。放射インピーダンスの上限である３７７Ω以上にコモンモードチョークコイル３のインピーダンスを設定することにより、経験の浅い技術者でも簡単に電子機器のノイズ対策ができるようになり、本発明は設計効率の大幅な改善にも寄与できる。

なお、この発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内において種々の変形や変更が可能である。

例えば、３７７Ωと同等かそれ以上のインピーダンス値になるよう複数のコモンモードチョークコイルを実装することができる。

伝送線路に装着されるコモンモードチョークコイルは、巻き線タイプやチップタイプのものでもよく、複数の伝送線路がある場合には、コモンモードチョークコイルアレイだけでなく複数の接続でも良い。

本発明は、クリーンな電磁環境の確保に貢献できるため、特にデジタル信号やインバータ信号を使う電子機器にとって重要なノイズ対策技術となる。今後、携帯電話、パソコン、ネットワークデジタルTV、LANモジュール、車載LANシステム、インバータシステム等電子機器の発展普及が予想され、本発明はこれら機器を含む電子機器に広く適応でき、産業上有用である。

デジタル電子機器のノイズ対策として使われだしているクロック周波数の拡散による放射ノイズの測定値の低下は１０dB程度であり、この程度の放射ノイズの低減は本発明のコモンモードチョークコイルの挿入で簡単に得られ、産業上利用範囲は広い。

本発明の一実施例における電子機器の構成を示す概要図同構成の評価のための測定等価回路の説明図コモンモードチョークのインピーダンスとノイズ減衰量の関係を示すグラフ本発明の他の実施例における複数の伝送線路を有する電子機器の構成を示す概要図本発明のさらに他の実施例における電子機器のプラグの構成を示し、コモンモードチョークコイルがプラグに内蔵された概要図本発明の別な実施例における電子機器のアダプタの構成を示し、コモンモードチョークコイルがアダプタに内蔵された概要図

符号の説明

１、１１低放射ノイズ電子機器
２、１２シールドケース
３コモンモードチョークコイル
１３コモンモードチョークコイルアレイ
４、１４信号発生部
５、６、１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂポート
７、１７コネクタ
８、１８、２８プラグ
９、１９ａ、１９ｂ外部機器
３８アダプタ

Claims

信号発生部を有する電子機器本体と、
前記電子機器本体をシールドするシールド材と、
前記電子機器本体からシールド面を通過して伝送線路を導出させるポートと、
前記信号発生部と前記ポートとを結ぶ伝送線路に接続されたコモンモードチョークコイルと、
を備え、
前記コモンモードチョークコイルは、シールドされた電子機器の各ポートのシールド面の内側に、シールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置にある基板あるいはコネクタ内に実装され、前記コモンモードチョークコイルのコモンモードインピーダンスが３７７Ωと同等かそれ以上である低放射ノイズ電子機器。
信号発生部を有する電子機器本体と、
前記電子機器本体をシールドするシールド材と、
前記電子機器本体からシールド面を通過して伝送線路を導出させるポートと、
前記ポートにおける前記シールド材によるシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置に設置されるコモンモードチョークコイルと、
を備え、
前記コモンモードチョークコイルのコモンモードインピーダンスが３７７Ωと同等かそれ以上である低放射ノイズ電子機器。
請求項１または２に記載の低放射ノイズ電子機器において、
前記コモンモードチョークコイルは、コモンモードチョークコイルアレイを構成する低放射ノイズ電子機器。
シールド材でシールドされる電子機器の伝送線路導出用のポートに接続するプラグと、
前記プラグ内の伝送線路に接続されるコモンモードチョークコイルと、
を備え、
前記コモンモードチョークコイルは、
前記プラグが前記ポートに接続時に前記ポートにおけるシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置に設置され、そのコモンモードインピーダンスが３７７Ωと同等かそれ以上である伝送線路接続ケーブル。
シールド材でシールドされる電子機器の伝送線路導出用のポートに接続する伝送線路接続ケーブルにおいて、
アダプタと、
前記アダプタ内の伝送線路に接続されるコモンモードチョークコイルと、
を備え、
前記コモンモードチョークコイルは、
前記伝送線路接続ケーブルが前記ポートに接続時に前記ポートにおけるシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置に設置され、そのコモンモードインピーダンスが３７７Ωと同等かそれ以上である伝送線路接続ケーブル。
(a) シールド材によりシールド面を形成することにより信号発生部を有する電子機器をシールドする工程と、
(b) ポートにより前記電子機器から前記シールド面を通過して伝送線路を導出させる工程と、
(c) 前記ポートにおけるシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置にコモンモードチョークコイルを設置する工程と、
(d) 前記コモンモードチョークコイルのコモンモードインピーダンスを前記ポートに存在する放射インピーダンスの値と同等かそれ以上とする工程と、
を有する電子機器の放射ノイズ除去方法。
(a) シールド材によりシールド面を形成することにより信号発生部を有する電子機器をシールドする工程と、
(b) ポートにより前記電子機器から前記シールド面を通過して伝送線路を導出させる工程と、
(c) 前記ポートにおけるシールド面から信号周波数の波長の１／４未満の位置にコモンモードチョークコイルを設置する工程と、
(d) 前記コモンモードチョークコイルのコモンモードインピーダンスを３７７Ωと同等かそれ以上とする工程と、
を有する電子機器の放射ノイズ除去方法。