JP2019198033A - ノイズフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】電源ノイズを低減するノイズフィルタにおいて、コモンモードチョークコイルとコンデンサの磁気結合を抑制し、ノイズフィルタの減衰性能劣化を防止し対策部品、プリント配線基板の小型化、低コスト化を図る。【解決手段】配線パターンと接地パターンが設けられたプリント配線基板と、プリント配線基板に実装された、一対の巻線を有するコモンモードチョークコイル及び２個のコンデンサと、を備え、一方のコンデンサが、コモンモードチョークコイルの一方の巻線に接続された配線パターンと接地パターンとの間に接続され、他方のコンデンサが、コモンモードチョークコイルの他方の巻線に接続された配線パターンと接地パターンとの間に接続され、一方のコンデンサの少なくとも一部、又は、他方のコンデンサの少なくとも一部が、プリント配線基板と、コモンモードチョークコイルのいずれか一つの巻線とに挟まれるように配置する。【選択図】図１

Description

本願は、ノイズフィルタに関するものである。

従来のノイズフィルタとして、特許文献１に開示されている技術が知られている。特許文献１に記載のノイズフィルタは、商用電源と電力変換装置との間に接続されており、商用電源側に伝導する電力変換装置の発生ノイズを低減している。
電力変換装置の発生ノイズには、ライン間を伝搬するノーマルモードノイズと、ラインとグランド間を伝搬するコモンモードノイズが存在しており、ノイズフィルタには、各モードに対するノイズ対策部品が設けられている。

特許文献１に記載のノイズフィルタについて、コモンモードノイズ対策部品のみ抜粋したノイズフィルタの平面図、正面図をそれぞれ図１１、図１２に示す。図１１、図１２において、一対の巻線３ａ、３ｂを有したコモンモードチョークコイル３、ラインバイパスコンデンサ（ライン−アース間コンデンサ。以降、単にコンデンサと呼ぶ）４０、５０がコモンモードノイズ対策部品であり、各部品はプリント配線基板１に実装されている。ここで、プリント配線基板１に形成されている接地パターン２０、配線パターン６は、図１１、図１２のように部品配置した際に形成され得る一般的なパターンの一例として図示している。
この様なノイズフィルタにおいては、プリント配線基板１の面積を小さくして小型化、低コスト化を図るために、部品同士はプリント配線基板１上に近接配置される。すなわち、例えば図１２に示すように、コンデンサ５０のプリント配線基板１上での高さ位置は、コモンモードチョークコイル３のプリント配線基板１上での高さ位置とほぼ同じに設定されている。

特開２０１１−６０５６６号公報 特開平３−２８６５１１号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている技術を適用したノイズフィルタでは、コモンモードチョークコイル３とコンデンサ４０、５０が磁気結合するという課題がある。

ここで、コモンモードチョークコイル３の漏れ磁束は、コモンモードチョークコイルにノーマルモードノイズ電流が流れることで発生する。コモンモードチョークコイル３の漏れ磁束が発生している状態でのノイズフィルタの説明図を図１３に示す。図１３に示すように、破線で示したコモンモードチョークコイルの漏れ磁束１００ａ、１００ｂがコンデンサ４０、５０のリード線間ループ面に各々鎖交している（例えば、特許文献２参照）。これにより、コンデンサ４０、５０を含むコモンモードノイズ経路に誘導電流が発生し、ノイズフィルタの減衰性能が劣化してしまう。とりわけ、図１２に示すように、コンデンサ５０のプリント配線基板１上での高さ位置が、コモンモードチョークコイル３のプリント配線基板１上での高さ位置とほぼ同じ、若しくは、高い位置に設定されている場合は、コモンモードチョークコイル３の漏れ磁束の影響をまともに受けるという問題がある。

この様なノイズフィルタを電力変換装置に接続した場合、電力変換装置の発生ノイズレベルを公的規格で定められる限度値以下にするためには、劣化した分のノイズフィルタの減衰性能を補う必要性が生じる。そのためには、コモンモードチョークコイル、あるいはコンデンサの追加、定数アップが必須となるため、ノイズフィルタの大型化、あるいはコストアップが避けられない。

一方、コモンモードチョークコイル３とコンデンサ４０、５０の磁気結合を抑制するために、コモンモードチョークコイル３を磁性部材等でシールドする方法も考えられるが、プリント配線基板１の面積が大きくなり、且つ、追加部材も必要になってしまうため、ノイズフィルタが大型化、コストアップしてしまうことから、この方法は採用し難い。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであって、コモンモードチョークコイルとコンデンサの磁気結合を抑制し、ノイズフィルタの減衰性能劣化を防止することができる小型で安価なノイズフィルタを提供することを目的とする。

本願に開示されるノイズフィルタは、
配線パターンと接地パターンが設けられたプリント配線基板と、
当該プリント配線基板に実装された、一対の巻線を有するコモンモードチョークコイルおよび２個のコンデンサ、と、
を備え、
前記２個のコンデンサのうちの一方のコンデンサが、前記コモンモードチョークコイルの一方の巻線に接続された配線パターンと、前記接地パターンとの間に接続され、
前記２個のコンデンサのうちの他方のコンデンサが、前記コモンモードチョークコイルの他方の巻線に接続された配線パターンと、前記接地パターンとの間に接続されており、
前記一方のコンデンサの少なくとも一部、または、前記他方のコンデンサの少なくとも一部が、前記プリント配線基板と、前記コモンモードチョークコイルのいずれか１つの巻線とに、挟まれて配置されていることを特徴とするものである。

本願に開示されるノイズフィルタによれば、コモンモードチョークコイルとコンデンサの磁気結合が抑制されることで、ノイズフィルタの減衰性能の劣化が抑制でき、且つ、プリント配線基板の面積を小さくすることが可能となるため、小型、安価なノイズフィルタを提供することが可能となる。

実施の形態１によるノイズフィルタの構成図である。 実施の形態１によるノイズフィルタの一例を示す平面図である。 図２のノイズフィルタの側面図（Ａ矢視図）である。 図２のノイズフィルタの正面図（Ｂ矢視図）である。 図２のコモンモードチョークコイルの漏れ磁束が発生している状態でのノイズフィルタの説明図である。 実施の形態１によるノイズフィルタおよび従来のノイズフィルタに電力変換装置を接続した場合における商用電源側に発生する雑音端子電圧波形の一例を示す図である。 実施の形態１によるノイズフィルタの他の例を示す正面図である。 実施の形態２によるノイズフィルタの一例を示す正面図である。 実施の形態３によるノイズフィルタを多段接続した場合の構成例を示す図である。 図９に係る複数のコモンモードチョークコイルに漏れ磁束が発生している状態でのノイズフィルタの説明図である。 特許文献１のノイズフィルタのコモンモードノイズ対策部品のみ抜粋したノイズフィルタの平面図である。 特許文献１のノイズフィルタのコモンモードノイズ対策部品のみ抜粋したノイズフィルタの正面図である。 図１１のコモンモードチョークコイルの漏れ磁束が発生している状態でのノイズフィルタの説明図である。 従来のノイズフィルタを多段接続した場合におけるコモンモードチョークコイルの漏れ磁束が発生している状態でのノイズフィルタの説明図である。

実施の形態１．
以下、本願の実施の形態１によるノイズフィルタについて説明する。図１は、本願の実施の形態１によるノイズフィルタの構成の一例を示す図である。また、図２はこの実施の形態１によるノイズフィルタの一例を示す平面図である。

図１、図２に示すように、実施の形態１に係るノイズフィルタは、一対の巻線３ａ、３ｂを有するコモンモードチョークコイル３とコンデンサ（ライン−アース間コンデンサ。以降、単にコンデンサと呼ぶ）４、５で構成されるＬＣ（インダクタンスと静電容量）１段構成のノイズフィルタである。ここで、コンデンサ４、５には、リードタイプ積層セラミックコンデンサ、あるいはリードタイプフィルムコンデンサが使用される。また、実施の形態１に係るノイズフィルタの側面図（図２のＡ矢視図）、正面図（図２のＢ矢視図）をそれぞれ図３、図４に示す。

図２〜図４に示すように、コモンモードチョークコイル３とコンデンサ４、あるいはコンデンサ５は、プリント配線基板１に実装されており、プリント配線基板１には、コンデンサ４、あるいはコンデンサ５のリード端子を接地するための接地パターン２と、各部品同士を接続するための配線パターン６が形成されている。

また、図２〜図４に示すように、コモンモードチョークコイル３とコンデンサ４、５は、プリント配線基板１に実装されており、プリント配線基板１には、コンデンサ４、５のリード端子を接地するための接地パターン２と、各部品同士を接続するための配線パターン６が形成されている。さらに、コンデンサ４は、プリント配線基板１とコモンモードチョークコイル３の巻線３ａとの間に（少なくとも）その一部が挟まれて配置され、コンデンサ５は、プリント配線基板１とコモンモードチョークコイル３の巻線３ｂとの間に（少なくとも）その一部が挟まれて配置されている。

以上により、特許文献１に示されたプリント配線基板の場合と比較して、プリント配線基板１の面積を小さくすることが可能となる。また、接地パターン２は、コンデンサ４、５に対して各々設けられているが、このように形成することで、プリント配線基板１のパターンの引き回しが容易になってパターンの占有面積が減少するため、接地パターン２を共通の１つの接地パターンとする場合と比べて、プリント配線基板１の面積をより一層小さくすることが可能となる。

以下、上記のように構成した実施の形態１によるノイズフィルタの減衰性能劣化の抑制原理について、図を用いて説明する。コモンモードチョークコイル３の漏れ磁束が発生している状態のノイズフィルタの説明図を図５に示す。

図３に示したように、コンデンサ４が、プリント配線基板１とコモンモードチョークコイル３の巻線３ａとの間にその一部が挟まれて配置され、コンデンサ５が、プリント配線基板１とコモンモードチョークコイル３の巻線３ｂとの間にその一部が挟まれて配置されているため、図５に示したように、破線で示されたコモンモードチョークコイル３の漏れ磁束１００ａ、１００ｂは、それぞれ、コンデンサ４とプリント配線基板１との間に生じるループ面、コンデンサ５とプリント配線基板１との間に生じるループ面に鎖交しない。

これにより、コモンモードチョークコイル３とコンデンサ４、５は磁気結合を起こさず、コンデンサ４、５を含むコモンモードノイズ経路にも誘導電流は発生しないため、ノイズフィルタの減衰性能劣化を抑制することが可能となる。

次に、上記で説明したノイズフィルタのノイズ減衰性能について説明する。図６は、商用電源と、電力変換装置が接続されたノイズフィルタとの間にＣＩＳＰＲ１６−１−２で規定されるＬＩＳＮ（Ｌｉｎｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を接続した場合に、ＬＩＳＮのノイズ測定用抵抗両端で観測される雑音端子電圧を示している。ここで、電力変換装置側から商用電源側に向かって、電力変換装置が発生した１００ｋＨｚのスイッチングノイズと１０ＭＨｚのノーマルモードノイズが伝搬していると仮定している。

図６において、実線Ｐは、実施の形態１によるノイズフィルタを接続した場合の雑音端子電圧波形で、一点鎖線Ｑは、実線Ｐのピーク値の軌跡（包絡線）で、点線Ｒは、従来のノイズフィルタを接続した場合の雑音端子電圧波形のピーク値の軌跡（包絡線）で、破線Ｓは、国際規格ＩＥＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ）が規定しているＩＥＣ６１５８１−２１のノイズの限度値である。

図６に示すように、電力変換装置からは１００ｋＨｚのスイッチングノイズが伝搬しているため、ノイズスペクトルは、１００ｋＨｚを基本波として、１００ｋＨｚ間隔で高調波が発生している。また、電力変換装置からは１０ＭＨｚのノーマルモードノイズが伝搬しているため、１０ＭＨｚで共振ノイズが発生している。

ここで、１０ＭＨｚの共振ノイズに着目すると、点線Ｒに対して一点鎖線Ｑの方が、ノイズレベルが低くなっていることが確認できる。これは、従来のノイズフィルタに対して、実施の形態１によるノイズフィルタの方が、減衰性能が優れているためである。

従来のノイズフィルタの場合、１０ＭＨｚのノーマルモードノイズ電流が伝搬すると、コモンモードチョークコイルとコンデンサが磁気結合を起こし、コンデンサ４、５を含むコモンモード経路に１０ＭＨｚのコモンモード電流が流れて商用電源側に伝搬してしまう。

一方、実施の形態１によるノイズフィルタの場合、コモンモードチョークコイルとコンデンサの磁気結合が抑制されるため、コンデンサ４、５を含むコモンモード経路に１０ＭＨｚのコモンモード電流が流れることは無い。

また、実施の形態１では、プリント配線基板１の厚み方向において、コンデンサ４、５が、プリント配線基板１と、コモンモードチョークコイルの巻線３ａ、あるいは巻線３ｂとに、それぞれ挟まれた部分を含む構成で説明した（図２〜図４参照）が、これに限ることなく、例えば図７に示すように、コンデンサ４、５のうち、一方のコンデンサ４のみが、プリント配線基板１とコモンモードチョークコイルの巻線との間に（少なくとも）その一部が挟まれて配置されている場合も、同様の効果が得られる。

以上の説明において、コンデンサ４、５は、上述のノイズフィルタの構成に示したように、各１個のコンデンサによって構成されている場合に限ることなく、複数のコンデンサを並列接続して構成してもよい。コンデンサは、一般的に、容量の大きさに比例して部品体積も大きくなる。比較的容量の小さなコンデンサを並列接続して構成することで、コモンモードチョークコイル３の漏れ磁束がより少ないコモンモードチョークコイル３の巻線幅内に、コンデンサを配置することが可能となるため、より一層、コモンモードチョークコイル３とコンデンサ４、５の磁気結合が抑制されたノイズフィルタを構成することが可能となる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係るノイズフィルタについて、以下図８を用いて説明する。
実施の形態２のノイズフィルタは、プリント配線基板１の厚み方向において、コンデンサ４ａ、５ａが、プリント配線基板１とコモンモードチョークコイル３の巻線３ａ、３ｂとによって挟まれて、それぞれ配置されている点では、実施の形態１のノイズフィルタのコンデンサ４、５と同じであるが、その幅方向（図で左右の方向）のサイズが実施の形態１のコンデンサ４、５より小さく、プリント配線基板１とコモンモードチョークコイル３の巻線３ａ、３ｂとに、それぞれ、（その一部ではなく）全体が挟まれる形態で配置されている点で、実施の形態１のノイズフィルタとは異なる。言い換えると、コンデンサ４ａ、５ａの横幅(のサイズ)は、コモンモードチョークコイル３の巻線３ａ、３ｂが占める横方向のサイズに規定されて（あるいは、コモンモードチョークコイル３のドーナツ形状を規定する内側と外側の２つの同心円の輪郭線で規定されて）配置されている点で、実施の形態１のノイズフィルタとは異なる。

なお、実施の形態２のノイズフィルタにおいても、実施の形態１のノイズフィルタの場合と同様、コンデンサ４ａ、５ａは、図８に示した各１個のコンデンサによって構成されている場合に限ることなく、複数のコンデンサを並列接続して構成してもよい。

実施の形態２のノイズフィルタによれば、コモンモードチョークコイル３の漏れ磁束がより小さな、コモンモードチョークコイル３の巻線幅内に、コンデンサを配置することが可能となるため、より一層、コモンモードチョークコイル３とコンデンサ４、５の磁気結合が抑制されたノイズフィルタを構成することが可能となる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３に係るノイズフィルタについて、以下、図を用いて説明する。
上述の実施の形態１では、一対の巻線３ａ、３ｂを有したコモンモードチョークコイル３とコンデンサ４、５の両方の組み合わせ、あるいは、コモンモードチョークコイル３とコンデンサ４、５のうち、いずれか１つの組み合わせ、で構成されるＬＣが１段の構成で説明したが、実施の形態３では、ＬＣが２段の構成、例えば、一対の巻線３ａ、３ｂを有したコモンモードチョークコイル３とコンデンサ４、５の両方の組み合わせを１段としてこの組み合わせを２段とした場合である。この実施の形態３に係るノイズフィルタについて、図９、図１０を用いて、以下、説明する。これらの図の構成によるノイズフィルタによれば、より一層、ノイズフィルタの減衰性能の抑制効果が得られる。

図９は、実施の形態３によるノイズフィルタを多段接続し、ＬＣ２段構成とした場合の構成を示す図である。また、この図９の構成とした実施の形態３のノイズフィルタのコモンモードチョークコイル３に、漏れ磁束が発生している状態でのノイズフィルタの説明図を図１０に示す。

図１０に示すように、本実施の形態においては、２個のコモンモードチョークコイル３、１３の巻線３ａ、１３ａおよび３ｂ、１３ｂが、上下２列で示した配線パターン６をそれぞれ共有する形態で搭載されている。すなわち、前記２個のコモンモードチョークコイル３、１３のうち、一方のコモンモードチョークコイル、例えばコモンモードチョークコイル３の一方の巻線３ａに接続された配線パターンと、コモンモードチョークコイル３の他方の巻線３ｂに接続された配線パターンに、他方のコモンモードチョークコイル１３が直列接続されている。

本実施の形態では、コンデンサ４が、プリント配線基板１とコモンモードチョークコイル３の巻線３ａとにその一部が挟まれた空間に配置され、コンデンサ５が、プリント配線基板１とコモンモードチョークコイル３の巻線３ｂとにその一部が挟まれた空間に配置され、コンデンサ１４が、プリント配線基板１とコモンモードチョークコイル１３の巻線１３ａとにその一部が挟まれた空間に配置され、コンデンサ１５が、プリント配線基板１とコモンモードチョークコイル１３の巻線１３ｂとにその一部が挟まれた空間に配置されているため、図１０に示したように、破線で示されたコモンモードチョークコイル３の漏れ磁束１００ａ、１００ｂは、それぞれ、コンデンサ４とプリント配線基板１との間に生じるループ面、コンデンサ５とプリント配線基板１との間に生じるループ面に鎖交せず、また、コモンモードチョークコイル１３の漏れ磁束２００ａ、２００ｂは、それぞれ、コンデンサ１４とプリント配線基板１との間に生じるループ面、コンデンサ１５とプリント配線基板１との間に生じるループ面に鎖交しない。

これにより、コモンモードチョークコイル３とコンデンサ４、５は磁気結合を起こさず、コモンモードチョークコイル１３とコンデンサ１４、１５は磁気結合を起こさず、コンデンサ４、５を含むコモンモードノイズ経路、およびコンデンサ１４、１５を含むコモンモードノイズ経路に誘導電流は発生しないため、ノイズフィルタの減衰性能劣化を抑制することが可能となる。

ＬＣ１段構成とした実施の形態１の場合と同様、ＬＣ２段構成とした実施の形態３の場合においても、コモンモードチョークコイル３とコンデンサ４、５の磁気結合、および、コモンモードチョークコイル１３と、コンデンサ１４、１５の磁気結合は抑制される。

一方、従来のノイズフィルタをＬＣ２段構成とした場合の、複数のコモンモードチョークコイルに漏れ磁束が発生している状態でのノイズフィルタの説明図を図１４に示す。図１４に示すように、コンデンサ４０、５０においては、コモンモードチョークコイル３の漏れ磁束１００ａ、１００ｂに加えて、コモンモードチョークコイル１３の漏れ磁束２００ａ、２００ｂとも磁気結合するため、ＬＣ一段構成の場合と比べて、より一層、従来のノイズフィルタの減衰性能の劣化が顕著になる。

なお、本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。具体的には、例えば、実施の形態３において、コンデンサの配置は、図７に示したコンデンサの配置を２組持つようにしてもよく、図２と図７のコンデンサの配置を、それぞれ１組ずつ持つようにしてもよく、さらには、図２と図１１をそれぞれ１組ずつ持つようにしてもよい。いずれの場合も、従来のノイズフィルタに比べて、ノイズフィルタの減衰性能は良くなる。

１ プリント配線基板、２ 接地パターン、３、１３ コモンモードチョークコイル、３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ 巻線、４、４ａ、５、５ａ、１４、１５ コンデンサ、６ 配線パターン、１００ａ、１００ｂ、２００ａ、２００ｂ 漏れ磁束

本願に開示されるノイズフィルタは、
配線パターンと接地パターンが設けられたプリント配線基板と、
当該プリント配線基板に実装された、一対の巻線を有するコモンモードチョークコイルおよび２個のコンデンサと、
を備え、
前記２個のコンデンサのうちの一方のコンデンサが、前記コモンモードチョークコイルの一方の巻線に接続された配線パターンと、前記接地パターンとの間に接続され、
前記２個のコンデンサのうちの他方のコンデンサが、前記コモンモードチョークコイルの他方の巻線に接続された配線パターンと、前記接地パターンとの間に接続されており、
前記一方のコンデンサの少なくとも一部、または、前記他方のコンデンサの少なくとも一部が、前記プリント配線基板と、前記コモンモードチョークコイルのいずれか１つの巻線とに、挟まれて配置されていることにより、前記コモンモードチョークコイルの漏れ磁束が、前記一方のコンデンサと前記プリント配線基板との間に生ずるループ面、及び、前記他方のコンデンサと前記プリント配線基板との間に生ずるループ面のうち、少なくとも何れか一方のループ面に鎖交しない構成とされていることを特徴とするものである。

Claims (4)

1. 配線パターンと接地パターンが設けられたプリント配線基板と、
   当該プリント配線基板に実装された、一対の巻線を有するコモンモードチョークコイルおよび２個のコンデンサ、と、
   を備え、
   前記２個のコンデンサのうちの一方のコンデンサが、前記コモンモードチョークコイルの一方の巻線に接続された配線パターンと、前記接地パターンとの間に接続され、
   前記２個のコンデンサのうちの他方のコンデンサが、前記コモンモードチョークコイルの他方の巻線に接続された配線パターンと、前記接地パターンとの間に接続されており、
   前記一方のコンデンサの少なくとも一部、または、前記他方のコンデンサの少なくとも一部が、前記プリント配線基板と、前記コモンモードチョークコイルのいずれか１つの巻線とに、挟まれて配置されていることを特徴とするノイズフィルタ。
2. 前記一方のコンデンサの少なくとも一部が、前記プリント配線基板と前記コモンモードチョークコイルの一方の巻線とに挟まれて配置されるとともに、
   前記他方のコンデンサの少なくとも一部が、前記プリント配線基板と前記コモンモードチョークコイルの他方の巻線とに挟まれて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のノイズフィルタ。
3. 前記コモンモードチョークコイルを２個有し、
   このうちの一方のコモンモードチョークコイルの一方の巻線に接続された配線パターンと、前記一方のコモンモードチョークコイルの他方の巻線に接続された配線パターンに、
   前記２個のコモンモードチョークコイルのうちの他方のコモンモードチョークコイルが直列接続されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のノイズフィルタ。
4. 前記接地パターンは、前記一方のコンデンサと前記他方のコンデンサに各々設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のノイズフィルタ。

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