特許 6495807 コモンモードチョークコイル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6495807

(24)【登録日】2019年3月15日

(45)【発行日】2019年4月3日

(54)【発明の名称】コモンモードチョークコイル

(51)【国際特許分類】

   H01F 17/06 20060101AFI20190325BHJP

   H01F 27/00 20060101ALI20190325BHJP

   H01F 27/28 20060101ALI20190325BHJP

   H03H 7/09 20060101ALI20190325BHJP

【ＦＩ】

   H01F17/06 A

   H01F27/00 S

   H01F27/28 K

   H03H7/09 A

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-221484(P2015-221484)

(22)【出願日】2015年11月11日

(65)【公開番号】特開2017-92284(P2017-92284A)

(43)【公開日】2017年5月25日

【審査請求日】2018年2月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 光平

(72)【発明者】

【氏名】安住 壮紀

【審査官】 鈴木 孝章

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−２７３９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１４０００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２７７２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１３０５６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ ２７／００

Ｈ０１Ｆ １７／０４−１７／０６

Ｈ０１Ｆ ２７／２８

Ｈ０３Ｈ ７／０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

環状部を有し、磁性体からなるコアと、
前記コアに巻回された複数の領域が直列接続された第１のコイルと、
前記コアに巻回された複数の領域が直列接続された第２のコイルと、
を備え、
前記第１のコイルの第１の端部と前記第２のコイルの第１の端部とは、隣接して設けられ、入力端子を構成し、
前記第１のコイルの前記第１の端部の反対側の第２の端部および前記第２のコイルの前記第１の端部の反対の側の第２の端部は、隣接して設けられ、出力端子を構成し、
前記第１のコイルのそれぞれの領域と前記第２のコイルのそれぞれの領域とは、前記コアの環状部の中心線に沿って互いに重ならないようにかつ交互に配置され、
前記第１のコイルの前記複数の領域のうちの２つは、前記環状部に囲まれた空間において接続され、
前記第２のコイルの前記複数の領域のうちの２つは、前記空間において接続され、
前記第１のコイルは、前記第１の端部となる一方の端部を有する第１領域と、前記第２の端部となる一方の端部を有する第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域とに接続された第３の領域と、を有し、
前記第２のコイルは、前記第１の端部となる一方の端部を有する第１領域と、前記第２の端部となる一方の端部を有する第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域とに接続された第３の領域と、を有し、
前記第１のコイルの前記第３領域は、前記第２のコイルの前記第１の領域と前記第２の領域との間に配置され、
前記第２のコイルの前記第３領域は、前記第１のコイルの前記第１の領域と前記第２の領域との間に配置され、
前記第１のコイルにおいて、前記第１の領域の他方の端部は前記第３の領域の２つの端部のうちの距離が遠い一方の端部に接続され、かつ前記第２の領域の他方の端部は前記第３の領域の２つの端部のうちの他方の端部に接続され、
前記第２のコイルにおいて、前記第１の領域の他方の端部は前記第３の領域の２つの端部のうちの距離が遠い一方の端部に接続され、かつ前記第２の領域の他方の端部は前記第３の領域の２つの端部のうちの他方の端部に接続され、
前記第１のコイルの前記第１の端部および前記第２のコイルの前記第１の端部において電流が同一の方向に通過するとき、前記第１のコイルに誘起された磁束と前記第２のコイルに誘起された磁束とは、前記コアの環状の中心軸に沿って同一の方向となる、コモンモードチョークコイル。

【請求項2】

前記電流は、コモンモードノイズ電流である請求項１記載のコモンモードチョークコイル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、コモンモードチョークコイルに関する。

【背景技術】

【0002】

環状コアを有するコモンモードチョークコイルは、単相であれば２本、三相であれば３本の導線が、コアに対して各々が同一方向に巻回された構造を有する。一般的に、コイルは、所定のインピーダンスを実現するために必要となる巻回数を有する。

【0003】

このとき、巻回部の線間で寄生容量が生じるため、コイルのインダクタンスとの間で共振現象が生じる。自己共振周波数よりも高い周波数ではインピーダンスが低下するため、フィルタの性能が低下する。可能な限り広い周波数帯域で１つの部品を使用するためには、コイルの寄生容量を低減することが必要となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−１６６０２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

広い周波数帯域が可能なコモンモードチョークコイルを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態のコモンモードチョークコイルは、コアと、第１のコイルと、第２のコイルと、を有する。前記コアは、環状部を有し、磁性体からなる。前記第１のコイルは、前記コアに巻回された複数の領域が直列接続される。前記第２のコイルは、前記コアに巻回された複数の領域が直列接続される。前記第１のコイルの第１の端部と前記第２のコイルの第１の端部とは隣接して設けられ、入力端子を構成する。前記第１のコイルの前記第１の端部の反対側の第２の端部および前記第２のコイルの前記第１の端部の反対の側の第２の端部は隣接して設けられ、出力端子を構成する。前記第１のコイルのそれぞれの領域と前記第２のコイルのそれぞれの領域とは、前記コアの環状部の中心線に沿って互いに重ならないようにかつ交互に配置される。前記第１のコイルの前記複数の領域のうちの２つは、前記環状部に囲まれた空間において接続される。前記第２のコイルの前記複数の領域のうちの２つは、前記空間において接続される。前記第１のコイルは、前記第１の端部となる一方の端部を有する第１領域と、前記第２の端部となる一方の端部を有する第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域とに接続された第３の領域と、を有する。前記第２のコイルは、前記第１の端部となる一方の端部を有する第１領域と、前記第２の端部となる一方の端部を有する第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域とに接続された第３の領域と、を有する。前記第１のコイルの前記第３領域は、前記第２のコイルの前記第１の領域と前記第２の領域との間に配置される。前記第２のコイルの前記第３領域は、前記第１のコイルの前記第１の領域と前記第２の領域との間に配置される。前記第１のコイルにおいて、前記第１の領域の他方の端部は前記第３の領域の２つの端部のうちの距離が遠い一方の端部に接続され、かつ前記第２の領域の他方の端部は前記第３の領域の２つの端部のうちの他方の端部に接続される。前記第２のコイルにおいて、前記第１の領域の他方の端部は前記第３の領域の２つの端部のうちの距離が遠い一方の端部に接続され、かつ前記第２の領域の他方の端部は前記第３の領域の２つの端部のうちの他方の端部に接続される。前記第１のコイルの前記第１の端部および前記第２のコイルの前記第１の端部において電流が同一の方向に通過するとき、前記第１のコイルに誘起された磁束と前記第２のコイルに誘起された磁束とは前記コアの環状の中心軸に沿って同一の方向となる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１（ａ）は第１の実施形態にかかるコモンモードチョークコイルの模式平面図、図１（ｂ）はその側面図、である。

【図2】第２の実施形態にかかるコモンモードチョークコイルの模式平面図である。

【図3】図３（ａ）は第２の実施形態にかかるコモンモードチョークコイルの模式斜視図、図３（ｂ）はその等価回路図、である。

【図4】図４（ａ）はコモンモードチョークコイルの作用を説明する回路図、図４（ｂ）はコモンモードチョークコイルの記号、である。

【図5】図５（ａ）は比較例にかかるコモンモードチョークコイルの模式斜視図、図５（ｂ）はコモンモードノイズ電流の伝搬を説明する図、図５（ｃ）は第１のコイルの等価回路図、である。

【図6】図６（ａ）はコモンモードチョークコイルのインピーダンスの周波数特性を表すグラフ図、図６（ｂ）はその測定方法を説明する回路図、である。

【図7】第３の実施形態にかかるコモンモードチョークコイルの模式平面図である。

【図8】第４の実施形態にかかるコモンモードチョークコイルの模式平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかるコモンモードチョークコイルの模式平面図、図１（ｂ）はその側面図、である。
コモンモードチョークコイル１０は、コア２０と、第１のコイル３０と、第２のコイル４０と、を有する。

【0009】

コア２０は、環状部を有し、磁性体からなる。磁性体は、たとえば、フェライト、圧粉、珪素鋼、パーマロイ、センダストなどとすることができる。

【0010】

第１のコイル３０は、コア２０に巻回された複数の領域が直列接続される。第２のコイル４０は、コア２０に巻回された複数の領域が直列接続される。図１において、第１のコイル３０は、第１の領域３１と、第２の領域３２と、を有する。また、第２のコイル４０は、第１の領域４１と、第２の領域４２と、を有する。

【0011】

第１のコイル３０の第１の端部（第１の領域３１の一方の端部３１ａと一致する）５１および第２のコイル４０の第１の端部（第１の領域４１の一方の端部４１ａと一致する）５２は隣接して設けられ、入力端子５０を構成する。また、第１のコイル３０の第１の端部５１の反対側の第２の端部（第２の領域３２の一方の端部３２ａ）６１および第２のコイル４０の第１の端部５２の反対の側の第２の端部（第２の領域４２の一方の端部４２ａと一致する）６２は隣接して設けられ、出力端子６０を構成する。

【0012】

第１のコイル３０の第１の領域３１および第２の領域３２と、第２のコイル４０の第２の領域４２および第１の領域４１とは、コア２０の環状部の中心線２０ａに沿って互いに重ならないようにかつ交互に配置される。

【0013】

第１のコイル３０において、第１の領域３１および第２の領域３２は、環状部に囲まれた空間２０ｂにおいて接続される。第２のコイル４０において、第１の領域４１および第２の領域４２は、環状部に囲まれた空間２０ｂにおいて接続される。

【0014】

第１のコイル３０の第１の端部５１および第２のコイル４０の第１の端部５２において電流が同一の方向（図１において右向き）に通過するとき、第１のコイル３０に誘起された磁束φ１１、φ１２の向きと、第２のコイル４０に誘起された磁束φ２１、φ２２の向きとは中心軸２０ａに沿って同一の方向となる（図１において反時計回り）。

【0015】

次に、第１および第２のコイル３０、４０の巻回の方法について詳細に説明する。なお、図１において、コア２０は閉磁路の円形コアを示したが、ギャップが形成されていたり、多角形でもよい。第１の領域３１と第２の領域３２とは、それぞれに向い合って配置される。第１のコイル３０において、第１の領域３１の他方の端部３１ｂは第２の領域３２の他方の端部３２ｂと、接続領域３５により連結される。第２のコイル４０において、第１の領域４１の他方の端部４１ｂは第２の領域４２の他方の端部４２ｂと、接続領域４５により連結される。

【0016】

第１の端部５１に外部から電流ｉ_ｎ１が注入される場合を考える。第１の領域３１においてコア２０の中心を通りコア２０の上面に垂直な断面Ａ１から時計回りの方向（矢印で表す）に向かって見た導線を流れる電流の向きと、第２の領域３２においてコア２０の中心を通りコア２０の上面に垂直な断面Ａ３から時計回り方向に向かって見た導線を流れる電流の向きと、が同一となるように第１のコイル３０に導線を巻回する方向を決める。

【0017】

次に、第１の端部５２に外部から電流ｉ_ｎ２が、電流ｉ_ｎ１と同一の方向（図１では右側）に注入される場合を考える。第１の領域４１においてコア２０の中心を通りコア２０の上面に垂直な断面Ａ４から時計回りの方向に向かって見た導線の電流の向きと、第２の領域４２においてコア２０の中心を通りコア２０の上面に垂直な断面Ａ２から時計回り方向に向かって見た導線の電流の向きと、が同一となるように第２のコイル４０に導線を巻回する方向を決める。

【0018】

このように、断面Ａ１〜Ａ４において時計回り方向（矢印で表す）を見たとき、導線に流れる電流の向きをすべて同一とすると、磁束φ１１、φ２２、φ１２、φ２１の向きは、すべて反時計回り方向となるので、磁束が互いに強め合う。このようにして、コモンモードチョークコイル１０の機能を備えることができる。

【0019】

図１（ａ）、（ｂ）に表すように、コイルのそれぞれの領域は互いに重ならないようする。また、コイルの１つの領域内でも、導線が重ならないよう、離間して巻回することが好ましい。この効果については後に詳細に説明する。

【0020】

図２は、第２の実施形態にかかるコモンモードチョークコイルの模式平面図である。
コモンモードチョークコイル１０は、コア２０と、第１のコイル３０と、第２のコイル４０と、を有する。第１のコイル３０は、第１の領域３１と第２の領域３２とに接続された第３の領域３３をさらに有する。第２のコイル４０は、第１の領域４１と第２の領域４２とに接続された第３の領域４３をさらに有する。

【0021】

第１のコイル３０の第３領域３３は、第２のコイル４０の第１の領域４１と第２の領域４２との間に配置される。第２のコイル４０の第３領域４３は、第１のコイル３０の第１の領域３１と第２の領域３２との間に配置される。

【0022】

第１のコイル３０において、第１の領域３１の他方の端部３１ｂは第３の領域３３の２つの端部のうちの距離が遠い方の一方の端部３３ａに接続され、かつ第２の領域３２の他方の端部３２ｂは第３の領域３３の２つの端部のうちの他方の端部３３ｂに接続される。

【0023】

第２のコイル４０において、第１の領域４１の他方の端部４１ｂは第３の領域４３の２つの端部のうちの距離が遠い方の一方の端部４３ａに接続され、かつ第２の領域４２の他方の端部４２ｂは第３の領域４３の２つの端部のうちの他方の端部４３ｂに接続される。

【0024】

次に、第１および第２のコイル３０、４０の巻回の方法について詳細に説明する。
第１のコイル３０は、第１の端部５１から、たとえば、コア２０の中心軸２０ａに沿って時計回り方向に巻回が開始される。第１のコイル３０の全巻数の約３分の１を巻回すると第１の領域３１となる（端部３１ｂ）。第３の領域３３の一方の端部３３ａのコア２０近傍上の位置は、第１の領域３１の他方の端部３１ｂに対して略対向する位置を開始点とし、中心線２０ａに沿って時計回りの方向に向かって巻回される。

【0025】

第１の領域３１の他方の端部３１ｂと第３の領域３３の一方の端部３３ａとは、接続領域３６で連結される。第１の領域３１の他方の端部３１ｂと第３の領域３３の一方の端部３３ａとの距離は、第１の領域３１の他方の端部３１ｂと第３の領域３３の他方の端部３３ｂとの距離よりも長い。このため、２つの領域の間の寄生容量を低減できる。この場合、第２の領域３２と第３の領域３３との間の距離も遠くなるので寄生容量はさらに低減できる。第２のコイル４０においても効果は同じである。

【0026】

第１のコイル３０の全巻数の約３分の１を巻回すると第３の領域３３となる（端部３３ｂ）。第２の領域３２の他方の端部３２ｂのコア２０近傍上の位置は、第３の領域３３の他方の端部３３ｂに対して略対向する位置を開始点とし、中心２０ａ線に沿って時計回りに巻回する。第３の領域３３の他方の端部３３ｂと第２の領域３２の他方の端部３２ｂとは、接続領域３７で連結される。このため、２つの領域の間の寄生容量を低減できる。また、第１の領域３１の他方の端部３１ｂと第３の領域３３の他方の端部３３ｂとの距離は、第１の領域３１の他方の端部３１ｂと第３の領域３３の一方の端部３３ａとの距離よりも短いので、寄生容量は図２の場合よりも高くなる。但し、寄生容量は、コイルの領域を分割しない場合よりも低減することができる。なお、３つの領域における導線の巻数比は、１：１：１には限定されない。

【0027】

図３（ａ）は第２の実施形態にかかるコモンモードチョークコイルの模式斜視図、図３（ｂ）はその等価回路図、である。
第１のコイル３０は、第１の領域３１、第２の領域３２、第３の領域３３に分割される。
第２のコイル４０は、第１の領域４１、第２の領域４２、第３の領域４３に分割される。
２つのコイルの６つの領域は、環状のコア２０に沿って交互に配置される。また、それぞれの領域の間の接続距離が遠くなるように連結される。このため、寄生容量Ｃ_３１、Ｃ_３２、Ｃ_３３に分割され、直列接続をとるため、コイル全体の寄生容量が低減される。なお、それぞれのコイルの領域において、導線を密着させずに離間して巻回するとさらに寄生容量を低減できる。

【0028】

図４（ａ）はコモンモードチョークコイルの作用を説明する回路図、図４（ｂ）はコモンモードチョークコイルの記号、である。
コモンモードチョークコイル１０は、４端子回路である。その入力端子５１、５２は、交流電源（またはパルス電源）８０に接続される。出力端子６１、６２は、負荷９０に接続される。接地をリターン回路とするコモンモードノイズ電流ｉ_ｎ１、ｉ_ｎ２は、ノイズ源８２から、コモンモードチョークコイル１０の入力端子５１、５２に同一の向きに入力される。

【0029】

同一方向に入力されたコモンモードノイズ電流ｉ_ｎ１、ｉ_ｎ２によりコアに誘起された磁束は互いに強め合う。この結果、インピーダンスが高くなり、ノイズ電流が負荷９０側に伝搬することが抑制される。すなわち、コモンモードチョークコイル１０は、コモンモードノイズに対してフィルタとして作用する。他方、信号電流は、交流電源８０からコモンモードチョークコイル１０を通過し負荷９０に供給されて交流電源８０に戻る。すなわち、信号電流はディファレンシャルモードとなり、誘起された磁束は互いに打ち消し合うのでインダクタとしての作用が弱くなる。

【0030】

図５（ａ）は比較例にかかるコモンモードチョークコイルの模式斜視図、図５（ｂ）はコモンモードノイズ電流の伝搬について説明する図、図５（ｃ）は第１のコイルの等価回路図、である。
図５（ａ）に表すように、比較例のコモンモードチョークコイル１１０は、コア１２０と、第１のコイル１３０と、第２のコイル１４０と、を有する。第１のコイル１３０はコア１２０の一方の側に導線が近接して設けられる。第２のコイル１４０はコア１２０の他方の側に導線が近接して設けられる。第１のコイル１３０と第２のコイル１４０との間のコア１２０は、導線が巻回されずに表面が露出している。比較例のコモンモードチョークコイル１１０は、導線が近接しているので線間寄生容量が高くなる。

【0031】

図６（ａ）はコモンモードチョークコイルのインピーダンスの周波数特性を表すグラフ図、図６（ｂ）はその測定方法を説明する回路図、である。
縦軸はインピーダンスＺ_ＩＮ （Ω）、横軸は周波数（ＭＨｚ）、である。また、実線は第２の実施形態、破線は比較例を表す。

【0032】

図６（ｂ）に表すように、第１のコイル３０と第２のコイル４０とは並列接続される。入力端子５０は信号源１００に接続され、出力端子６０には負荷Ｚ_Ｌが接続される。インピーダンスＺ_ＩＮは、入力端子５０から測定した負荷インピーダンスを表す。コイルのインダクタンスと、寄生容量と、による自己共振周波数近傍においてインピーダンスＺ_ＩＮが最大となる。

【0033】

第２の実施形態の自己共振周波数は、約４３０ｋＨｚである。図６（ａ）において、インピーダンスが２０００Ω以上となる帯域を比較する。比較例では、帯域が約２９０ｋＨｚ以上、１．５ＭＨｚである。これに対して、第２の実施形態では、帯域は、２９０ｋＨｚ以上、３ＭＨｚ以下と比較例の約２倍と広い。すなわち、第２の実施形態では、コイルの寄生容量を低減することにより、広い周波数帯域でコモンモードノイズを低減できる。このため、コモンモードチョークコイルを広い周波数帯域で共通化できる。

【0034】

図７は、第３の実施形態にかかるコモンモードチョークコイルの模式平面図である。
第１のコイル３０において、第１の領域３１の他方の端部３１ｂと第２の領域３２の他方の端部３２ｂとが間に回路素子を挟んで接続される。第２のコイル４０についても、同様の構成としている。それぞれの２つの端部の間には、たとえば、ケーブル、バスバー、基板に形成したパターンなどを設けることができる。また図７のように、接続領域３５、４５と接地との間にキャパシタＣ７、Ｃ８を設けることができる。

【0035】

図８は、第４の実施形態にかかるコモンモードチョークコイルの模式平面図である。
第４の実施形態にかかるコモンモードチョークコイル１０は、三相交流回路に用いられる。コモンモードチョークコイル１０は、第１のコイルの第１の領域３１、第１のコイルの第２の領域３２と、第２のコイルの第１の領域４１と、第２のコイルの第２の領域４２と、第３のコイルの第１の領域７１と、第３のコイルの第２の領域７２と、を有する。

【0036】

第１のコイルの第１の端部５１（３１ａに一致）と、第２のコイルの第１の端部５２（４１ａに一致）と、第３のコイルの第１の端部５３（７１ａに一致）と、には三相電圧が供給される。第１のコイルの第２の端部６１（３２ｂに一致）と、第２のコイルの第２の端部６２（４２ｂに一致）と、第３のコイルの第２の端部６３（７２ｂに一致）と、は負荷に接続される。

【0037】

第１のコイルの第１の端部５１、第２のコイルの第１の端部５２、および第３のコイルの第１の端部５３において電流ｉ_ｎ１、ｉ_ｎ２、ｉ_ｎ３が同一の方向（図８では外部から流れ込む方向）に通過するとき、第１のコイルに誘起された磁束と第２のコイルに誘起された磁束と第３のコイルに誘起された磁束のそれぞれの向きは、は中心軸２０ａに沿って同一の方向を向く。
第４の実施形態にかかるコモンモードチョークコイル１０は、三相交流回路に生じたコモンモードノイズに対して抑制効果を有する。

【0038】

第１〜第４の実施形態によれば、広い周波数帯域においてコモンモードノイズを抑制可能なチョークフィルタが提供される。これらのコモンモードチョークコイルは、スイッチング電源などに広く用いることができる。

【0039】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0040】

１０ コモンモードチョークコイル、２０ コア、２０ａ 中心線、２０ｂ 空間、３０ 第１のコイル、３１ 第１の領域、３２ 第２の領域、３３ 第３の領域、４０ 第２のコイル、４１ 第１の領域、４２ 第２の領域、４３ 第３の領域、５０ 入力端子、５１ （第１のコイルの）第１の端部、５２ （第２のコイルの）第１の端部、５３ 第３のコイルの第１の端部、６０ 出力端子、６１ （第１のコイルの）第２の端子、６２ （第２のコイルの）第２の端子、６３ 第３のコイルの第２の端部、７１、７２ 第３のコイル、φ１〜φ４ 磁束、ｉ_ｎ１、ｉ_ｎ２、ｉ_ｎ３ （コモンモードノイズ）電流

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】