JP7429836B2

JP7429836B2 - コモンモードノイズフィルタ

Info

Publication number: JP7429836B2
Application number: JP2019113293A
Authority: JP
Inventors: 吉晴大森
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2024-02-09
Anticipated expiration: 2039-06-19
Also published as: JP2020205562A

Description

本発明は、デジタル機器やＡＶ機器、情報通信端末等の各種電子機器に使用される小形で薄型のコモンモードノイズフィルタに関するものである。

近年、スマートフォンによる無線通信機能が向上し、差動デジタルデータラインからのコモンモードノイズを抑制し、機器内部でのノイズ干渉による無線通信機能の受信能力を劣化させないようにするために、コモンモードノイズフィルタが多く使われている。

例えば、セルラー通信で広く使われている８００ＭＨｚ帯の周波数帯や、ＧＰＳ帯で使われる１．６ＧＨｚ帯の周波数帯に重畳するような差動デジタルデータラインから発生するコモンモードノイズを抑制することがコモンモードノイズフィルタには望まれている。

今後、無線通信速度の向上を目論み５Ｇ通信サービスが始まり、３．７ＧＨｚ帯などのあらたな周波数帯での通信サービスが検討されている。空中で減衰しやすい高い周波数帯を使うため、安定的な受信性能を確保するためにスマートフォンなどに代表されるモバイル端末には、従来のセルラーよりも多いアンテナが搭載される。

スマートフォンなどのように小さな筐体の場合、レイアウト上、アンテナと差動デジタルデータラインの距離が近くなってしまい、差動デジタルデータラインからのノイズが、無線通信の受信性能に影響することが懸念されている。従来課題視されていたコモンモードノイズに加え、差動デジタルデータラインの近傍では、差動デジタル信号の漏洩ノイズが主体となる差動モード、つまりディファレンシャルモードのノイズの影響も考慮する必要がある。

従来のこの種のコモンモードノイズフィルタは、図５に示すように、積層された複数の絶縁体層１ａ～１ｇに形成された第１のコイル２と第２のコイル３とを有し、第１のコイル２は渦巻状の第１、第２のコイル導体４ａ、４ｂを接続して構成され、第２のコイル３は渦巻状の第３、第４のコイル導体５ａ、５ｂを接続して構成されていた。

さらに、第１のコイル２を構成する第１、第２のコイル導体４ａ、４ｂと、第２のコイル３を構成する第３、第４のコイル導体５ａ、５ｂとが交互に配置されていた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２０１３－１３８１４６号公報

上記した従来のコモンモードノイズフィルタにおいては、セルラー通信８００ＭＨｚ周波数帯やＧＰＳ帯周波数１．６ＧＨｚのノイズを除去するようなコモンモードノイズ減衰周波数特性を有しており、５Ｇ通信周波数帯、例えば３．７ＧＨｚのコモンモードノイズ減衰特性はあまり良くない。また、ディファレンシャルモード成分に対して損失が小さいため、ディファレンシャルモードノイズをほとんど除去できないという課題を有していた
。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、従来のセルラーやＧＰＳ無線帯の高いコモンモードノイズ減衰特性を維持し、５Ｇ通信で使用する高い周波数帯のコモンモードノイズも減衰させることができ、かつ、５Ｇ通信で使用する高い周波数帯のディファレンシャルモードノイズを除去することができるコモンモードノイズフィルタを提供することを目的とする。

第１の態様に係るコモンモードノイズフィルタは、積層体と、前記積層体の内部に第１のコイル、第２のコイル、その一端部が前記第１のコイルと電気的に接続されかつその他端部が開放されている第１のオープンコイルを備え、前記第１のコイルは積層方向に互いに配置された第１の内部導体と第２の内部導体で構成され、前記第２のコイルは積層方向に互いに配置された第３の内部導体と第４の内部導体で構成され、前記第１のコイルを形成する前記第１の内部導体と前記第２のコイルを形成する前記第３の内部導体が磁気結合して第１のコモンモードフィルタ部を形成し、前記第１のコイルを形成する前記第２の内部導体と前記第２のコイルを形成する前記第４の内部導体が磁気結合して第２のコモンモードフィルタ部を形成し、前記第１のオープンコイルは前記第２のコモンモードフィルタ部と積層方向に対向し、かつ、積層方向に接続された第１、第２のコイル状導体で構成され、さらに、少なくとも前記第１のコイル状導体の巻き数が前記第１、第２のコイルモードフィルタ部の巻き数より少なくなっている。

第２の態様に係るコモンモードノイズフィルタは、第１の態様において、前記第１のコイル状導体が、前記第２のコイル状導体より前記第２のコモンモードフィルタ部に近接している。

第３の態様に係るコモンモードノイズフィルタは、第１の態様において、その一端部が前記第２のコイルと電気的に接続されかつその他端部が開放されている第２のオープンコイルをさらに備え、前記第２のオープンコイルは前記第１のコモンモードフィルタ部と積層方向に対向し、かつ、積層方向に接続された第３、第４のコイル状導体で構成され、前記第４のコイル状導体が前記第３のコイル状導体より前記第１のコモンモードフィルタ部に近接し、前記第３、第４のコイル状導体の巻き数は、前記第１のコイル状導体の巻き数より多い。

第４の態様に係るコモンモードノイズフィルタは、第２の態様において、前記第１のコイル状導体の端部が開放され、前記第２のコイル状導体の端部は前記第１のコイルと接続されかつ開放されていない。

第５の態様に係るコモンモードノイズフィルタは、第３の態様において、前記第４のコイル状導体の端部が開放され、前記第３のコイル状導体の端部は前記第１のコイルと接続されかつ開放されていない。

以上のように本発明のコモンモードノイズフィルタは、コモンモードノイズが入ってきたときに、第１のコモンモードフィルタ部と第２のコモンモードフィルタ部が磁気結合で強め合い大きなインダクタンスを発生させコモンモードノイズを除去し、また、その自己共振周波数より更に周波数が高い周波数においては、第１のオープンコイルと第２のコモンモードフィルタ部との容量結合と磁気結合により、第１のオープンコイルと第２のコモンモードフィルタ部の並列共振により高いインピーダンスが発生し、その並列共振周波数においてコモンモードノイズを減衰させることができる。

また、ディファレンシャルモードノイズが入ってきたときには、第１のコモンモードフィルタ部と第２のコモンモードフィルタ部は低いインダクタンス値になり、第１のオープンコイルと第４の内部導体との容量結合と第１のオープンコイルによる直列共振により、あるいは第２のオープンコイルと第１の内部導体との容量結合と第２のオープンコイルによる直列共振により、ディファレンシャルモードにおけるノイズ減衰特性を実現できる。

本開示の一実施の形態におけるコモンモードノイズフィルタの分解斜視図同コモンモードノイズフィルタの斜視図同コモンモードノイズフィルタの回路模式図同コモンモードノイズフィルタのコモンモード及びディファレンシャルモードにおける挿入損失の周波数特性を示す図従来のコモンモードノイズフィルタの分解斜視図

図１は本開示の一実施の形態におけるコモンモードノイズフィルタの分解斜視図、図２は同コモンモードノイズフィルタの斜視図、図３は同コモンモードノイズフィルタの回路模式図である。

本発明の一実施の形態におけるコモンモードノイズフィルタは、図１～図３に示すように、上下方向に積層された第１～第８の絶縁体層１１ａ～１１ｈおよび第９の絶縁体層（以下、図示せず）で構成された積層体１２を備え、積層体１２の内部に、積層方向に互いに対向し磁気結合する第１のコイル１３、第２のコイル１４と、その一端部１５ａが第１のコイル１３と電気的に接続されかつその他端部１５ｂが開放している第１のオープンコイル１５と、その一端部１６ａが第２のコイル１４と電気的に接続されかつその他端部１６ｂが開放している第２のオープンコイル１６とが備えられている。

また、第１のオープンコイル１５は第２のコイル１４と積層方向に対向し、第２のオープンコイル１６は第１のコイル１３と積層方向に対向し、第１のオープンコイル１５は、積層方向に接続された第１、第２のコイル状導体１７ａ、１７ｂで構成し、第２のオープンコイル１６は、積層方向に接続された第３、第４のコイル状導体１８ａ、１８ｂで構成している。

そして、第２、第３のコイル状導体１７ｂ、１８ａの巻方向を第１、第４のコイル状導体１７ａ、１８ｂ、第１、第２のコイル１３、１４の巻方向と積層方向から見て逆方向になるようにしている。

また、第１のオープンコイル１５を構成する第１のコイル状導体１７ａは、第２、第３、第４のコイル状導体１７ｂ、１８ａ、１８ｂ、第１、第２のコイル１３、１４の巻き数と異なっている。

上記構成において、第１～第８の絶縁体層１１ａ～１１ｈ、第９の絶縁体層は、下から順に積層され、磁性体ではない材料、例えばＣｕ－Ｚｎフェライト、ガラスセラミック等の絶縁性の非磁性材料によりシート状に構成されている。第９の絶縁体層は第８の絶縁体層１１ｈの上方に位置している。

なお、第１～第８の絶縁体層１１ａ～１１ｈのそれぞれの枚数は、図１に示した枚数に限定されない。さらに、第１の絶縁体層１１ａの下方、第９の絶縁体層の上方には、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｎフェライト等の絶縁性の磁性材料によりシート状に構成された磁性体層（図
示せず）を配置してもよい。

この積層された第１～第８の絶縁体層１１ａ～１１ｈ、第９の絶縁体層によって積層体１２が設けられる。また、この積層体１２の表面には、第１～第４の外部電極１９ａ～１９ｄが設けられている。

前記第１のコイル１３は、積層体１２の内部に配置され、渦巻状の第１の内部導体２１および渦巻状の第２の内部導体２２で構成され、前記第２のコイル１４は、積層体１２の内部に配置され、渦巻状の第３の内部導体２３および渦巻状の第４の内部導体２４で構成されている。

第１の内部導体２１と渦巻状の第２の内部導体２２とは第１ビア電極２５ａを介して接続され、第３の内部導体２３と第４の内部導体２４とは第２ビア電極２５ｂを介して接続されている。

そして、前記第１～第４の内部導体２１～２４は、それぞれ銀等の導電材料を渦巻状にめっきまたは印刷することにより形成されている。

このとき、第１の内部導体２１は第３の絶縁体層１１ｃの上面、第２の内部導体２２は第５の絶縁体層１１ｅの上面、第３の内部導体２３は第４の絶縁体層１１ｄの上面、第４の内部導体２４は第６の絶縁体層１１ｆの上面にそれぞれ形成されている。

すなわち、第１のコイル１３を構成する第１、第２の内部導体２１、２２と第２のコイル１４を構成する第３、第４の内部導体２３、２４とを交互に配置するように積層している。

さらに、第１のコイル１３は、その両端部、すなわち第１の内部導体２１の一端部、第２の内部導体２２の一端部がそれぞれ第１、第２の外部電極１９ａ、１９ｂと接続されている。第２のコイル１４は、その両端部、すなわち第３の内部導体２３の一端部、第４の内部導体２４の一端部がそれぞれ第３、第４の外部電極１９ｃ、１９ｄと接続されている。

ここで、上面視にて第１の内部導体２１と第３の内部導体２３の一部を略同じ位置に配置し、巻き方向も同一方向とすることによって磁気結合させ第１のコモンモードフィルタ部２６が構成され、同様に、上面視にて第２の内部導体２２と第４の内部導体２４の一部を略同じ位置に配置し、巻き方向も同一方向とすることによって磁気結合させ第２のコモンモードフィルタ部２７が構成され、これにより、第１のコイル１３と第２のコイル１４とを積層方向に対向させて、互いに磁気結合させている。

前記第１のオープンコイル１５は、積層方向に接続された渦巻き状の第１、第２のコイル状導体１７ａ、１７ｂで構成されている。第１のコイル状導体１７ａと第２のコイル状導体１７ｂとは第３ビア電極２５ｃを介して接続されている。

第１のコイル状導体１７ａは第７の絶縁体層１１ｇの上面、第２のコイル状導体１７ｂは第８の絶縁体層１１ｈの上面に形成されている。

すなわち、第１のオープンコイル１５は第２のコモンモードフィルタ部２７と積層方向に対向し、第１のコイル状導体１７ａが、第２のコイル状導体１７ｂより第２のコモンモードフィルタ部２７に近接している。

また、第１のオープンコイル１５の一端部１５ａ、すなわち第１のコイル状導体１７ａの端部が、第２の外部電極１９ｂを共通端子として第１のコイル１３を構成する第２の内部導体２２と電気的に接続され、さらに、第１のオープンコイル１５の他端部１５ｂ、すなわち第２のコイル状導体１７ｂされている（他の部分と電気的に接続されていない）。

そして、第２のコイル状導体１７ｂの巻方向を第１のコイル状導体１７ａ、第１、第２のコイル１３、１４の巻方向と積層方向から見て逆方向になっている。また、第１のコイル状導体１７ａは、他の第２のコイル状導体１７ｂ、第１、第２のコイル１３、１４と巻き数（ターン数）が異なっている（少なくなっている）。

第１のオープンコイル１５の一部であり巻き数が他より少ない第１のコイル状導体１７ａが、第２のコイル１４（第４の内部導体２４）と積層方向に隣接して対向している。

前記第２のオープンコイル１６は、積層方向に接続された渦巻き状の第３、第４のコイル状導体１８ａ、１８ｂで構成されている。第３のコイル状導体１８ａと第４のコイル状導体１８ｂとは第４ビア電極２５ｄを介して接続されている。

第３のコイル状導体１８ａは第１の絶縁体層１１ａの上面、第４のコイル状導体１８ｂは第２の絶縁体層１１ｂの上面に形成されている。すなわち、第２のオープンコイル１６の一部である第４のコイル状導体１８ｂは、第１のコイル１３（第１の内部導体２２）と積層方向に隣接して対向している。

すなわち、第２のオープンコイル１６は第１のコモンモードフィルタ部２６と積層方向に対向し、第４のコイル状導体１８ｂが、第３のコイル状導体１８ａより第１のコモンモードフィルタ部２６に近接している。

第３、第４のコイル状導体１８ａ、１８ｂの巻き数は、第１のコイル状導体１７ａの巻き数より多い。

また、第２のオープンコイル１６の一端部１６ａ、すなわち第４のコイル状導体１８ｂの端部が、第３の外部電極１９ｃを共通端子として第２のコイル１４を構成する第３の内部導体２３と電気的に接続され、さらに、第２のオープンコイル１６の他端部１６ｂ、すなわち第３のコイル状導体１８ａの端部が開放されている（電気的に接続されていない）。

そして、第２のコイル状導体１７ｂの巻方向を第１、第４のコイル状導体１７ａ、１８ｂ、第１、第２のコイル１３、１４の巻方向と積層方向から見て逆方向になっている。

第３のコイル状導体１８ａの巻方向を第１、第４のコイル状導体１７ａ、１８ｂ、第１、第２のコイル１３、１４の巻方向と積層方向から見て逆方向になっている。

また、第１のコイル状導体１７ａは、他の第２、第３、第４のコイル状導体１７ｂ、１８ａ、１８ｂ、第１、第２のコイル１３、１４と巻き数（ターン数）が異なっている（少なくなっている）。

第１～第４のコイル状導体１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂはそれぞれ複数層で構成してもよい。

第２のオープンコイル１６の一部で巻方向が他と異なる第４のコイル状導体１８ｂが、第１のコイル１３（第１の内部導体２１）と積層方向に隣接して対向している。

第１、第２のオープンコイル１５、１６は、第１、第２のコイル１３、１４に対して積層方向で外側に位置している。

さらに、積層方向から見て、第１ビア電極２５ａと第３ビア電極２５ｃとが離れ、第２ビア電極２５ｂと第４ビア電極２５ｄとが離れて配置されているため、積層時の応力を緩和できる。

第１のオープンコイル１５は、第２のオープンコイル１６より巻き数が少ないため第２のコモンモードフィルタ部２７と弱く容量結合及び磁気結合をしている一方、第２のオープンコイル１６は、第２のオープンコイル１６は巻き数が多く第１のコモンモードフィルタ部２６と強く容量結合及び磁気結合をしている。

図４は、本開示のコモンモードノイズフィルタのコモンモード及びディファレンシャルモードにおける挿入損失の周波数特性を示す図である。

上記したように本開示の一実施の形態におけるコモンモードノイズフィルタにおいては、コモンモードにおける挿入損失の周波数依存としては、第１のオープンコイル１５の第１のコイル状導体１７ａと第２のコモンモードフィルタ部２７との容量結合と磁気結合が弱いことにより、第１のコモンモードフィルタ部２６と第２のコモンモードフィルタ部２７が主体となり磁気結合で強め合い大きなインダクタンスを発生させコモンモードノイズを除去する。

とりわけ、インダクタンスが大きくなり第１のコモンモードフィルタ部２６と第２のコモンモードフィルタ部２７の周辺浮遊容量と強く容量結合している第２のオープンコイル１６により自己共振が発生する周波数においては、コモンモードノイズの挿入損失量は最大になる。

また、前述の自己共振周波数より更に周波数が高い周波数においては、第１のオープンコイル１５の第１のコイル状導体１７ａと第２のコモンモードフィルタ部２７との容量結合と磁気結合を介して、第１のオープンコイル１５のインダクタンスとその浮遊容量と、自己共振周波数を越えた周波数帯で容量性になっている第２のコモンモードフィルタ部２７との並列共振が発生し高いインピーダンスが発生する。

その並列共振周波数においては、コモンモードインピーダンスが最大となり、コモンモードノイズを減衰させることができる。

上記図４のコモンモードの挿入損失特性において、第１のコモンモードフィルタ部２６と第２のコモンモードフィルタ部２７の自己共振周波数は１．６ＧＨｚ金近傍にあり、第１のオープンコイル１５と第２のコモンモードフィルタ部２７で発生する並列共振周波数は３．７ＧＨｚ近傍となっており、コモンモードノイズの減衰極を２つ形成することができている。

また、ディファレンシャルモードノイズが入ってきたときには、第１のコモンモードフィルタ部２６と第２のコモンモードフィルタ部２７は低いインダクタンス値になり、第１のオープンコイル１５と第４の内部導体２４との容量結合と第１のオープンコイル１５による直列共振、および第２のオープンコイル１６と第１の内部導体２１との容量結合と第２のオープンコイル１６による直列共振によって、差動データラインの２線間が低インピーダンスになり、ディファレンシャルモードにおけるノイズ減衰特性を実現できる。

第１のコイル状導体１７ａは、他の第２、第３、第４のコイル状導体１７ｂ、１８ａ、１８ｂより巻き数が少ないため、第１のオープンコイル１５と第２のオープンコイル１６とは長さが異なる。

これにより、第１のオープンコイル１５と第４の内部導体２４との容量結合と第１のオープンコイル１５による直列共振による衰極特性と、第２のオープンコイル１６と第１の内部導体２１との容量結合と第２のオープンコイル１６による直列共振による減衰特性が異なるため、ディファレンシャルモードで異なる減衰極を作ることができる。

そして、上記の図４のように、コモンモード、ディファレンシャルモードのいずれも、複数の周波数で減衰極を作ることができる。

したがって、例えば、コモンモードノイズ、ディファレンシャルモードノイズの両方において、３．７ＧＨｚと４．５ＧＨｚの２つの周波数で減衰極を作ることができる。

なお、第２の外部電極１９ｂを共通端子として第２の内部導体２２と直接接続されるのを、第２のコイル状導体１７ｂとし、第１のコイル状導体１７ａの端部を開放してもよい。このとき、第１のコイル状導体１７ａと第２のコイル状導体１７ｂとの巻き方向が、上述した方向と逆になる。

また、第３の外部電極１９ｃを共通端子として第３の内部導体２３と直接接続されるのを、第３のコイル状導体１８ａとし、第４のコイル状導体１８ｂの端部を開放してもよい。このとき、第３のコイル状導体１８ａと第４のコイル状導体１８ｂとの巻き方向が、上述した方向と逆になる。

このような構成にすると、第２のコモンモードフィルタ部２７と第１のオープンコイル１５との結合度合い、第１のコモンモードフィルタ部２６と第２のオープンコイル１６との結合度合いが変わるため、減衰極となる周波数の調整をすることができる。

さらに、第１、第２のオープンコイル１５、１６を第２、第３の外部電極１９ｂ、１９ｃに接続するだけで、より高い周波数帯に新たなコモンモードノイズ減衰極を形成し、ディファレンシャルモードノイズ減衰も得られるため、積層体１２の内部に積層方向の導体を繋ぐビアを追加することなく構成され、これにより、内部構造が簡素化され、コモンモードノイズフィルタの小型化が容易になる。

そしてさらに、積層方向に互いに対向する第１のコイル１３、第２のコイル１４に対して積層方向に、第１のオープンコイル１５、第２のオープンコイル１６を配置しているため、省スペース化を実現できる。

なお、上記では、第１、第２のコイル１３、１４、第１、第２のオープンコイル１５、１６をそれぞれ１つ設けたものについて説明したが、それぞれ複数設けたアレイタイプとしてもよい。

本発明に係るコモンモードノイズフィルタは、ディファレンシャルモードノイズを除去することができるという効果を有するものであり、特にデジタル機器やＡＶ機器、情報通信端末等の各種電子機器のノイズ対策として使用される小形で薄型のコモンモードノイズフィルタ等において有用となる。

１１ａ～１１ｈ第１～第８の絶縁体層
１２積層体
１３第１のコイル
１４第２のコイル
１５第１のオープンコイル
１６第２のオープンコイル
１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ第１～第４のコイル状導体
２６第１のコモンモードフィルタ部
２７第２のコモンモードフィルタ部

Claims

積層体と、前記積層体の内部に第１のコイル、第２のコイル、その一端部が前記第１のコイルと電気的に接続されかつその他端部が開放されている第１のオープンコイルと、その一端部が前記第２のコイルと電気的に接続されかつその他端部が開放されている第２のオープンコイルとをさらに備え、前記第１のコイルは積層方向に互いに配置された第１の内部導体と第２の内部導体で構成され、前記第２のコイルは積層方向に互いに配置された第３の内部導体と第４の内部導体で構成され、前記第１のコイルを形成する前記第１の内部導体と前記第２のコイルを形成する前記第３の内部導体が磁気結合して第１のコモンモードフィルタ部を形成し、前記第１のコイルを形成する前記第２の内部導体と前記第２のコイルを形成する前記第４の内部導体が磁気結合して第２のコモンモードフィルタ部を形成し、前記第１のオープンコイルは前記第２のコモンモードフィルタ部と積層方向に対向し、かつ、積層方向に接続された第１、第２のコイル状導体で構成され、
さらに、少なくとも前記第１のコイル状導体の巻き数が前記第１、第２のコモンモードフィルタ部の巻き数より少なくなっているとともに、前記第２のオープンコイルは前記第１のコモンモードフィルタ部と積層方向に対向し、かつ、積層方向に接続された第３、第４のコイル状導体で構成され、前記第３、第４のコイル状導体の巻き数は、前記第１のコイル状導体の巻き数より多いコモンモードノイズフィルタ。