JP7082753B2

JP7082753B2 - 電子回路、及び、ノイズフィルタの設置方法

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Publication number: JP7082753B2
Application number: JP2018004738A
Authority: JP
Inventors: 正山口
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2038-01-16
Also published as: JP2019125670A

Description

本発明は、電流中のノイズを抑制するためのノイズフィルタを備えた電子回路、及びノイズフィルタの設置方法に関する。

図２に示すように電源２０１、インバータ２０２、電子機器２０３等を含む電子回路では、電源２０１側のコンバータ部から発生する高周波スイッチングノイズ、モータ等の電子機器２０３から発生する高電圧パルス性ノイズ等のノイズがあり、誤動作の原因となる。このようなノイズによる誤動作を防ぐため、電源２０１とインバータ２０２及び電子機器２０３との間にノイズフィルタ１０が挿入されている。ノイズフィルタ１０として、例えば、コモンモードチョークコイルが使用される。

コモンモードチョークコイルは、例えば、２本の電線が用いられる単相電源用のものや、３本の電線が用いられる三相電源用のものがある。図３は三相電源用のノイズフィルタ１０の一般的な構成を示す図である。このノイズフィルタ１０は、それぞれ３つの電源側の入力端子１０１ａと電子機器側の出力端子１０１ｂを有し、その間に、ノーマルモードノイズを低減する相間コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３と、コモンモードノイズを低減するコモンモードチョークコイル５と、接地コンデンサＣ３１，Ｃ３２，Ｃ３３とが配置されている。

図４はコモンモードチョークコイル５の一例を示す。このコモンモードチョークコイル５は、例えば特開２０００－３４０４３７号に記載されるように、環状磁心１と、環状磁心１に巻回された複数のコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３により構成されている。コモンモードチョークコイル５は、電源経路を流れるコモンモードノイズに対して大きなインピーダンスを示し、各コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３によるインダクタンスと接地コンデンサＣ３１，Ｃ３２，Ｃ３３により電源からのコモンモードノイズを減衰させ、入力端子の各相間に接続された相間コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３と、出力端子の各相間に接続された相間コンデンサＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３と、各コイルの漏洩インダクタンスによって、入力端子へのノーマルモードノイズを減衰させ、電源及び電子機器のノイズが相互に侵入するのを防止する。

このコモンモードチョークコイルのコアには、高い透磁率を持つナノ結晶軟磁性合金の薄帯からなるコアが用いられている。
ナノ結晶軟磁性合金として、特公平７－７４４１９号は、一般式：（Ｆｅ_１－ａＭ_ａ）_{１００－ｘ－ｙ－ｚ－α}Ｃｕ_ｘＳｉ_ｙＢ_ｚＭ’_α（ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ’はＮｂ，Ｗ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｉ及びＭｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素であり、ａ，ｘ，ｙ，ｚ及びαはそれぞれ０≦ａ≦０．５，０．１≦ｘ≦３，０≦ｙ≦３０，０≦ｚ≦２５，５≦ｙ＋ｚ≦３０及び０．１≦α≦３０を満たす。）により表される組成有し、組織の少なくとも５０％が１００ｎｍ以下の平均粒径を有する微細な結晶粒からなり、残部が実質的に非晶質であるFe基のナノ結晶軟磁性合金を開示している。
通常、ナノ結晶軟磁性合金は薄帯状に製造される。そして、この薄帯を巻き回した巻コアがコモンモードチョークコイルのコアとして用いられる。

特開２０００－３４０４３７号特公平７－７４４１９号

ノイズフィルタ用のコアに要求される特性として、インダクタンス特性がある。コアのインダクタンスが小さいと、ノイズを十分に低減させることができないという問題が起こる。
しかし、コアが要求されるインダクタンスの範囲を満たしていても、ノイズフィルタの設置状況により、そのコアを用いたノイズフィルタがノイズを十分に低減できないことがあった。

本発明の課題は、ノイズフィルタのノイズの低減効果を確保できる電子回路、および、ノイズフィルタの設置方法を提供することである。

本発明における第１の形態は、ナノ結晶軟磁性合金の薄帯からなる巻コアを用いたノイズフィルタと、磁場の発生源と、を備えた電子回路であって、
前記磁場の発生源により磁場が発生する空間に、前記ノイズフィルタが配置されており、
前記巻コアの中点における前記磁場の磁力線の方向が、前記巻コアの軸方向に平行であることを特徴とする。
前記磁場が発生する空間において、前記巻コアの中点における磁束密度は０．００５Ｔ（テスラ）以上とすることができる。
また、前記磁場の発生源がトランスまたは磁石とすることができる。
また、本発明における第２の形態は、ナノ結晶軟磁性合金の薄帯からなる巻コアを用いたノイズフィルタの設置方法であって、
前記ノイズフィルタの周囲に磁場の発生源を有し、前記磁場の発生源により生じる磁場中に前記ノイズフィルタが配置され、前記巻コアの中点における前記磁場の磁力線の方向と、前記巻コアの軸方向とが、平行になるように、前記巻コアを設置することを特徴とする。
前記磁場が発生する空間において、前記巻コアの中点における磁束密度は０．００５Ｔ（テスラ）以上とすることができる。

本発明により、ノイズフィルタのノイズの低減効果を確保することができる。

巻コアの軸方向と空間内の磁場の磁力線の方向とが平行な状態を示す図である。電子回路の模式図である。三相電源用のノイズフィルタの回路図の一例である。コモンモードチョークコイルの一例を示す図である。巻コアの軸方向と空間内の磁場の磁力線の方向とが垂直な状態を示す図である。

本発明者は、コアが要求されるインダクタンスの範囲を満たしていても、ノイズフィルタの設置状況により、そのコアを用いたノイズフィルタがノイズを十分に低減できない現象がなぜ起こるのか、その原因を調査した。その結果、ナノ結晶軟磁性合金の薄帯からなる巻コアは、置かれた環境の磁場の状態により、インダクタンスが大きく低下することを突き止めた。
また、その対策として、図１に示すように、置かれた環境の磁場の磁力線の方向が、巻コアの軸方向に平行となるようにノイズフィルタを配置した場合、巻コアのインダクタンスの低下が抑制されて、ノイズのフィルタリング能力を保持しやすいことを知見した。
つまり、置かれた環境の磁場の磁力線の方向が、巻コアの軸方向と垂直の場合はインダクタンスが低下するが、両者が平行となるようにノイズフィルタを配置した場合には、インダクタンスの低下を抑制できることを本発明者は知見した。この原因については次のように推察される。巻コアの軸方向に対して垂直方向に外部磁界が印加される（外部磁場の磁力線の方向が巻コアの軸方向に対して垂直方向）と、コアの周方向に流れる磁束が発生する。コアのインダクタンスは、コアの周方向での磁束の量に影響を受けるが、この発生した磁束によりコアが磁気飽和を起こして、インダクタンスが低下するものと考えられる。一方、巻コアの軸方向と外部磁界の磁力線の方向とが平行の場合は、コアの周方向への磁束は発生しないため、インダクタンスの増減が少ないと考えられる。

つまり、本発明は、ナノ結晶軟磁性合金の薄帯からなる巻コアを用いたノイズフィルタと、磁場の発生源と、を備えた電子回路であって、
前記磁場の発生源により磁場が発生する空間に、前記ノイズフィルタが配置されており、
前記巻コアの中点における前記磁場の磁力線の方向が、前記巻コアの軸方向に平行であることを特徴とする。
なお、本発明において、前記磁場の磁力線の方向とは、巻コアを配置しない状態での磁力線の方向を挿すものとする。
なお、インダクタンスの低下防止のために、巻コアの軸方向と磁場の磁力線の方向とが平行であることを特徴とするが、この平行とは、完全な平行のみを言うのではなく、相対的な角度の誤差が４０°以下であれば良い。なお、この角度の誤差は３０°以下であることが好ましく、更には２０°以下、１０°以下、５°以下、３°以下、１°以下の順で、好ましい。
また、巻コアの中点とは、巻コアの径方向の中心であって、巻きコアの高さ方向の中心である。

前記磁場による、巻コアの中点における磁束密度は０．００５Ｔ（テスラ）以上であることが好ましい。これにより、本発明におけるノイズの抑制効果を維持できる。
さらには、磁束密度が０．０１Ｔ以上、さらには０．０２Ｔ以上であっても、ノイズの抑制効果を維持できる。
磁束密度の上限は特に限定されないが、電子回路が安定動作できるためには空間内の磁束密度が０．３Ｔ以下にすべきであり、その観点から、０．３Ｔを上限とすることが好ましい。

本発明のノイズフィルタを備えた電子回路は、特に、１０ＭＨｚ以下のノイズの低減効果を確保しやすい。稼動する周波数が、５ＭＨｚ以下である場合にさらにノイズの低減効果を確保しやすく、１ＭＨｚ以下、５００ｋＨｚ以下、１００ｋＨｚ以下、５０ｋＨｚ以下の順で、さらに低減効果を確保しやすい。

また、本発明は、ナノ結晶軟磁性合金の薄帯からなる巻コアを用いたノイズフィルタの設置方法であって、
前記ノイズフィルタの周囲に磁場の発生源を有し、前記磁場の発生源により生じる磁場中に前記ノイズフィルタが配置され、前記巻コアの中点における前記磁場の磁力線の方向と、前記巻コアの軸方向とが、平行になるように、前記巻コアを設置することを特徴とする。
磁場の磁力線の方向と巻コアの軸方向との相対的な角度の誤差、磁場の磁束密度、巻コアの形態、電子回路が稼動する周波数等との関係は、上記と同様である。

以下に、さらに詳細に本発明を説明する
先ず、本発明で用いられるナノ結晶軟磁性合金について説明する。
ナノ結晶軟磁性合金は、ナノ結晶化が可能な非晶質合金を熱処理することで得られる。ナノ結晶化が可能な非晶質合金としては、例えば、一般式：（Ｆｅ1-aＭa）100-x-y-z-α-β-γＣｕxＳｉyＢzＭ’αＭ”βＸγ（原子％）（ただし、ＭはＣｏ及び／又はＮｉであり、Ｍ’はＮｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ及びＷからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、Ｍ”はＡｌ，白金族元素，Ｓｃ，希土類元素，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｒｅからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、ＸはＣ、Ｇｅ、Ｐ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｂｅ、Ａｓからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素、ａ，ｘ，ｙ，ｚ，α，β及びγはそれぞれ０≦ａ≦０．５，０．１≦ｘ≦３，０≦ｙ≦３０，０≦ｚ≦２５，５≦ｙ＋ｚ≦３０、０≦α≦２０，０≦β≦２０及び０≦γ≦２０を満たす。）により表される組成の合金を使用することができる。好ましくは、上記一般式において、ａ，ｘ，ｙ，ｚ，α，β及びγは、それぞれ０≦ａ≦０．１，０．７≦ｘ≦１．３，１２≦ｙ≦１７，５≦ｚ≦１０，０．１≦α≦５，０≦β≦１及び０≦γ≦１を満たす範囲である。さらに好ましくは、ａ＝０，０．８≦ｘ≦１．２，１３≦ｙ≦１６．５，６≦ｚ≦９，１．０≦α≦４，β＝０及びγ＝０を満たす組成である。これらの組成の合金は、高い透磁率と低い保磁力を兼ね備えた巻磁心を得やすい。
前記組成の合金を、融点以上に溶融し、単ロール法等により、急冷凝固することで、長尺状の非晶質合金薄帯を得ることができる。この非晶質合金薄帯を、巻き回して巻コア材とする。その後、結晶化開始温度以上の温度で熱処理することで巻コア材はナノ結晶化され、その結果、ナノ結晶軟磁性合金の薄帯からなる巻コアが得られる。

非晶質合金薄帯を巻きまわす際、積み重ねられる薄帯の間は、僅かな隙間や他の物質が存在してもよい。巻コア材に占める非晶質合金薄帯の占積率は、例えば７０％～９０％程度である。占積率は、内径、外径、高さから算出される巻コアの体積、巻コアの重量と、非晶質合金薄帯の比重から計算でき、巻コアの重量を、巻コアの体積と非晶質合金薄帯の比重の積で割った値のパーセンテージの数値として算出される数値である。

ナノ結晶化の熱処理は、磁場を印加しながら熱処理してもよいし、磁場を印加しない状態で熱処理してもよく、既知の熱処理方法を適用できる。
ナノ結晶化された合金薄帯は、少なくとも５０体積％、さらには少なくとも８０体積％が、最大寸法で測定した粒径の平均が１００ｎｍ以下の微細な結晶粒で占められる。合金の微細結晶粒以外の部分は主に非晶質である。微細結晶粒の割合は実質的に１００体積％であってもよい。

本発明において、磁場の発生源とは、例えば、０．００５Ｔ以上の磁場を発生させる、発電所における変圧器のトランスや、大型モータや類似の機械を使用する環境で使われている磁石（永久磁石、電磁石）が該当する。

本発明において、巻コアのインダクタンスの測定は以下の方法で行った。
磁界中でのインダクタンスの測定は、磁場中熱処理炉の磁場発生装置を用いて、均一磁界が印加される空間をつくり、その空間に巻コアを配置して測定した。
磁場測定：Lake Shore 410 Gaussmeter
AL値測定：HEWLETT PACKARD 4284A
測定条件：Im=4.1mA 、周波数10kHz、100kHz、1MHz
磁場強度：0.03T、0.06T
インダクタンス（実効自己インダクタンス）は、LCRメータ（Agilent Technologies, Inc.製4284A）で測定した。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこの実施形態に縛られるものではない。
（実施例１）
原子％で、Ｃｕ：１％、Ｎｂ：３％、Ｓｉ：１５％、Ｂ：７％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる合金溶湯を単ロ－ル法により急冷し、幅５０ｍｍ、厚さ１４μｍと１８μｍのＦｅ基非晶合金薄帯を得た。示差走査熱量計（ＤＳＣ）での測定により、この合金の結晶化開始温度は５００℃であった。このＦｅ基非晶合金薄帯を、それぞれ、幅１５ｍｍにスリット（裁断）した後、外径３１ｍｍ、内径２１ｍｍに巻回し（高さ１５ｍｍ）、巻コア材を作製した。
作製した巻コア材に対して、熱処理を行い、ナノ結晶軟磁性合金の薄帯が巻かれた巻コアを得た。厚さ１８μｍのＦｅ基非晶合金薄帯を用いた巻コア材は、次のパターン１とパターン３の磁場印加と温度のパターンで熱処理した。厚さ１４μｍのＦｅ基非晶合金薄帯を用いた巻コア材は、次のパターン２の磁場印加と温度のパターンで熱処理した。

[パターン１]：６０分で４５０℃まで昇温し、２４０分かけて最高温度５７０℃まで昇温した。その後、この最高温度で６０分保持した後、２４０分かけて１００℃まで降温し、その後、加熱せず炉内に保持したまま室温まで放冷した。この間、磁場は印加していない。
[パターン２]：２８０分で５００℃まで昇温し、磁束密度が０．１Ｔとなるよう巻コアの軸方向に磁場を印加し、３０分かけて最高温度５７０℃まで昇温した。その後、この最高温度で３０分保持した後、磁場を切り６０分かけて３００℃まで降温し、その後、加熱せず炉内に保持したまま室温まで放冷した。
[パターン３]：磁束密度が０．２Ｔとなるよう巻コアの軸方向に磁場を印加し、その状態から１２０分で４５０℃まで昇温し、９０分保持し、１２０分かけて５３０℃まで上昇し、更に４０分かけて最高温度５７０℃まで昇温した。その後、この最高温度で５０分保持した後、磁場を切り６０分かけて３００℃まで降温し、その後、加熱せず炉内に保持したまま室温まで放冷した。

パターン１～３により得られた巻コアのインダクタンスを測定した。
先ず、磁場を意図的に印加しない空間内で、インダクタンスを測定した。
次に、磁束密度が０．０３Ｔと０．０６Ｔとなるように磁場を印加した空間内で、巻コアのインダクタンスを測定した。その際、空間内への巻コアの設置は、巻コア１の軸方向が空間内の磁場の磁力線の方向２に対して平行にした場合（図１）と垂直にした場合（図５）との、２つのパターンで行った。（巻コアの中点でも同様）
インダクタンスを測定する周波数は、１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、１ＭＨｚとした。この周波数は、ノイズフィルタにおけるノイズの周波数に相当する。
測定結果を表１に示す。また、表１に、磁束密度が０Ｔから０．０３Ｔに変化した場合の変化率δ_０．０３と、磁束密度が０Ｔから０．０６Ｔに変化した場合の変化率δ_０．０６の算出結果を記載する。

巻コアのインダクタンスは、変化率δ_０．０６が、変化率δ_０．０３に対して、パターン１の１ＭＨｚで測定した場合を除いて、大きい。つまり、空間の磁束密度が大きくなるほど、巻コアのインダクタンスの変化は大きくなる傾向がある。

巻コアの軸方向を磁場の磁力線の方向に対して平行にして測定したインダクタンスの変化率δ_０．０３及びδ_０．０６は、垂直にして測定したインダクタンスの変化率δ_０．０３及びδ_０．０６よりも格段に小さい。つまり、巻コアの軸方向を空間内の磁場の磁力線の方向に対して平行にして設置したノイズフィルタは、使用環境において磁場が印加される状態に変わったとしても、インダクタンスの変化が少ないので、電子回路のノイズの低減効果を維持できる。また、使用環境での印加される磁場の磁束密度が異なっていても、巻コアが同程度のインダクタンス特性を持つので、ノイズのフィルタ性能を十分確保できる。

周波数別に見ると、巻コアの軸方向を磁場の磁力線の方向に対して垂直にして測定したインダクタンスの変化率δ_０．０３及びδ_０．０６は、周波数が大きいほど、大きくなる傾向がある。
対して、巻コアの軸方向を磁場の磁力線の方向に対して平行にして測定したインダクタンスの変化率δ_０．０３及びδ_０．０６は、熱処理のパターンにより異なる。無磁場中で熱処理したパターン１の巻コアは、１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚで測定したインダクタンスはさほど変化率δ_０．０３及びδ_０．０６とも大きくないが（絶対値で１０％以下）、１ＭＨｚで測定したインダクタンスは、２５％を超える値となる。一方、磁場中で熱処理した、パターン２及び３の巻コアは、１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、１ＭＨｚで測定した全てのインダクタンスで変化率δ_０．０３及びδ_０．０６が小さい（絶対値で１０％以下）。つまり、巻コアの軸方向を磁場の磁力線の方向に対して平行になるようノイズフィルタを設置する場合、無磁場中で熱処理した巻コアの方が、広い周波数帯においてノイズを除去する効果を確保しやすい。

なお、Ｆｅ基非晶合金薄帯の厚さが１８μｍのものを用いた熱処理パターン１および３でのインピーダンスに対し、１４μｍのものを用いた熱処理パターン２のインピーダンスは、１００ｋＨｚ以下において、インピーダンスの変化率δ_０．０３及びδ_０．０６が大きくなる傾向にある。つまり、インダクタンスの最適化にはＦｅ基非晶合金薄帯の厚さも考慮する必要がある。

１：巻コア、２：磁場の磁力線の方向、５：コア、１０：ノイズフィルタ、１０１ａ：入力端子、１０１ｂ：出力端子、Ｃ：コンデンサ、Ｌ：コイル、２０１：電源、２０２：インバータ、２０３：電子機器

Claims

ナノ結晶軟磁性合金の薄帯からなる巻コアを用いたノイズフィルタと、磁場の発生源と、を備えた電子回路であって、
前記巻コアは巻回されたコイルを備え、前記コイルにより前記巻コアの周方向に磁束が生じる構成であり、
前記磁場の発生源により磁場が発生する空間に、前記ノイズフィルタが配置されており、
前記巻コアの中点における前記磁場の磁力線の方向が、前記巻コアの軸方向に平行であることを特徴とする電子回路。
前記磁場が発生する空間において、前記巻コアの中点における磁束密度は０．００５Ｔ（テスラ）以上であることを特徴とする請求項１に記載の電子回路。
前記磁場の発生源がトランスまたは磁石であることを特徴とする請求項１または２に記載の電子回路。
ナノ結晶軟磁性合金の薄帯からなる巻コアを用いたノイズフィルタの設置方法であって、
前記巻コアは巻回されたコイルを備え、前記コイルにより前記巻コアの周方向に磁束が生じる構成であり、
前記ノイズフィルタの周囲に磁場の発生源を有し、前記磁場の発生源により生じる磁場中に前記ノイズフィルタが配置され、前記巻コアの中点における前記磁場の磁力線の方向と、前記巻コアの軸方向とが、平行になるように、前記巻コアを設置することを特徴とするノイズフィルタの設置方法。
前記磁場による、前記巻コアの中点における磁束密度が０．００５Ｔ（テスラ）以上であることを特徴とする請求項４に記載のノイズフィルタの設置方法。
前記磁場の発生源がトランスまたは磁石であることを特徴とする請求項４または５に記載のノイズフィルタの設置方法。