特開 2022-142669 ノイズフィルタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022142669

(43)【公開日】2022-09-30

(54)【発明の名称】ノイズフィルタ

(51)【国際特許分類】

   H03H 7/09 20060101AFI20220922BHJP

   H01F 27/00 20060101ALI20220922BHJP

   H02M 1/12 20060101ALI20220922BHJP

【ＦＩ】

H03H7/09 Z

H01F27/00 S

H01F27/00 160

H02M1/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021042949

(22)【出願日】2021-03-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高橋 篤弘

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 智志

(72)【発明者】

【氏名】勝呂 知弘

【テーマコード（参考）】

5E070

5H740

5J024

【Ｆターム（参考）】

5E070AA05

5E070AB03

5E070CA07

5E070CA13

5E070CA16

5E070DB04

5H740BB07

5H740BB08

5H740MM10

5H740NN02

5H740PP03

5H740PP07

5J024AA01

5J024BA03

5J024CA02

5J024CA06

5J024DA03

5J024DA25

5J024DA32

5J024DA33

5J024DA35

5J024EA08

5J024KA01

(57)【要約】

【課題】金属筐体に取り付けられるノイズフィルタにおいて、ノイズ源と容量素子との間の寄生インダクタンスを抑制する技術を提供する。
【解決手段】ノイズフィルタは、ノイズ源が収容される金属筐体に取り付けられる取付部と、前記取付部に取り付けられており、前記金属筐体を貫通する導電部と、前記金属筐体の外側において前記取付部に取り付けられており、前記導電部と電気的に接続されているコンデンサ部と、を備える。前記導電部は、前記金属筐体から露出する出力端子と、前記電源と前記コンデンサ部とに接続されている第１導電体と、前記第１導電体と前記出力端子とに接続されている第２導電体と、を備える。前記第１導電体と前記第２導電体とは、相互インダクタンスが発生するように配置される。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ノイズフィルタであって、
ノイズ源が収容される金属筐体に取り付けられる取付部と、
前記取付部に取り付けられており、前記金属筐体を貫通する導電部と、
前記金属筐体の外側において前記取付部に取り付けられており、前記導電部と電気的に接続されているコンデンサ部と、を備え、
前記導電部は、
前記金属筐体から露出する出力端子と、
前記ノイズ源と前記コンデンサ部とに接続されている第１導電体と、
前記第１導電体と前記出力端子とに接続されている第２導電体と、を備え、
前記第１導電体と前記第２導電体とは、相互インダクタンスが発生するように配置されている、ノイズフィルタ。

【請求項2】

前記第１導電体は、導電性の平板部分を有する第１バスバーを有し、
前記第２導電体は、導電性の平板部分を有しており、前記第１バスバーと隙間を置いて対向する第２バスバーを有する、請求項１に記載のノイズフィルタ。

【請求項3】

前記コンデンサ部は、複数のチップコンデンサが並ぶ基板を有する、請求項１又は２に記載のノイズフィルタ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、ノイズフィルタに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、出力ノイズ低減装置が開示されている。出力ノイズ低減装置は、金属筐体に収納された電子機器から供給機器に出力される出力信号に混入するノイズを低減する。出力ノイズ低減装置は、電子機器に接続される導電バーと、磁性材料で形成されており、導電バーが貫通する磁性体コアと、第１実装基板と、を備える。第１実装基板は、磁性体コアと導電バーとの間に固着される第１固定部と、金属筐体に接続される第２固定部と、第１固定部と第２固定部との間を容量素子で接続する接続部と、を有する。第１実装基板は、金属筐体の外側に配置される。容量素子は、導電バーと金属筐体とに接続される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開２０１６／０３９４１４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の技術では、電子機器は金属筐体に収容される一方、容量素子が配置される第１実装基板は金属筐体の外側に配置される。このため、ノイズ源である電子機器と容量素子との距離が大きくなる。この結果、容量素子と電子機器との間に発生する寄生インダクタンスが大きくなる。これにより、ノイズフィルタのノイズ低減効果が低下する。

【0005】

本明細書では、金属筐体に取り付けられるノイズフィルタにおいて、ノイズ源と容量素子との間の寄生インダクタンスを抑制する技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書に開示されるノイズフィルタは、ノイズ源が収容される金属筐体に取り付けられる取付部と、前記取付部に取り付けられており、前記金属筐体を貫通する導電部と、前記金属筐体の外側において前記取付部に取り付けられており、前記導電部と電気的に接続されているコンデンサ部と、を備える。前記導電部は、前記金属筐体から露出する出力端子と、前記電源と前記コンデンサ部とに接続されている第１導電体と、前記第１導電体と前記出力端子とに接続されている第２導電体と、を備える。前記第１導電体と前記第２導電体とは、相互インダクタンスが発生するように配置される。

【0007】

この構成では、第１導電体と第２導電体とのそれぞれが、ノイズフィルタのインダクタとして機能する。この構成によると、第１導電体と第２導電体とによって、ノイズフィルタのインダクタである第１導電体と第２導電体との間に相互インダクタンスを発生させることができる。この結果、相互インダクタンスによって、寄生インダクタンスを低減することができる。

【0008】

第１導電体は、導電性の平板部分を有する第１バスバーを有し、第２導電体は、導電性の平板部分を有しており、前記第１バスバーと隙間を置いて対向する第２バスバーを有していてもよい。

【0009】

この構成によると、第１バスバーと第２バスバーとの間隔を調整することによって、相互インダクタンスを調整することができる。

【0010】

前記コンデンサ部は、複数のチップコンデンサが並ぶ基板を有していてもよい。

【0011】

この構成によると、複数のチップコンデンサが配置されている基板を金属筐体の外壁に沿って配置することによって、金属筐体から突出するノイズフィルタの寸法を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施例のノイズフィルタが金属筐体に取り付けられている状態の斜視図。

【図2】実施例の導電部の斜視図。

【図3】実施例の導電部の上部バスバーの斜視図。

【図4】実施例の導電部の下部バスバーの斜視図。

【図5】実施例の導電部における上部バスバーと下部バスバーの縦断面図。

【図6】実施例のノイズフィルタの樹脂部を取り除いた状態の斜視図。

【図7】実施例のノイズフィルタの斜視図。

【図8】実施例のノイズフィルタの回路図。

【図9】実施例のノイズフィルタの等価回路図。

【図10】実施例のノイズフィルタのフィルタ性能を表すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して本願明細書が開示する複数の実施形態に係るノイズフィルタ１０について説明する。

【0014】

図１に示すように、ノイズフィルタ１０は、ノイズ源となるコンバータ、インバータ等の電力変換器４（図８参照）に接続されており、電力変換器４から発生するノイズを抑制する。ノイズフィルタ１０は、電力変換器４が収容される金属筐体２の側壁に取り付けられる。ノイズフィルタ１０は、金属筐体２の側壁を貫通する貫通孔に挿入された状態で、金属筐体２に固定される。ノイズフィルタ１０は、導電部１２と、コンデンサ部１４と、樹脂部１６と、一対のグランド接続部１８、１９と、を備える。

【0015】

図２に示すように、導電部１２は、上部バスバー４０と、下部バスバー４２と、出力端子４４と、を備える。図３に示すように、上部バスバー４０は、導電性材料の平板を折り曲げて作製されている。図３には、ノイズフィルタ１０に通電した場合に電流の向きが矢印で示されている。上部バスバー４０は、一対の接続部分４０ａ、４０ｃと、対向部分４０ｂと、端子取付部４０ｄと、を備える。対向部分４０ｂは、金属筐体２の貫通孔に挿入されている。対向部分４０ｂは、金属筐体２の貫通孔の軸方向に沿って配置される平板形状を有する。

【0016】

一対の接続部分４０ａ、４０ｃのそれぞれは、対向部分４０ｂの端縁から上方に湾曲して配置されている。一対の接続部分４０ａ、４０ｃは、互いに対向して配置されている。一対の接続部分４０ａ、４０ｃのそれぞれは、対向部分４０ｂの上方において、対向部分４０ｂに対して垂直な平板形状を有する。

【0017】

端子取付部４０ｄは、対向部分４０ｂの先端から上方に湾曲して配置されている。端子取付部４０ｄは、対向部分４０ｂの上方において、対向部分４０ｂに対して垂直な平板形状を有する。端子取付部４０ｄは、金属筐体２の外側に配置される。端子取付部４０ｄを貫通する取付孔には、出力端子４４が取り付けられている。出力端子４４は、金属筐体２の外側に突出している。

【0018】

図２に示すように、上部バスバー４０の下方には、下部バスバー４２が配置されている。図４に示すように、下部バスバー４２は、導電性材料の平板を折り曲げて作製されている。図４には、ノイズフィルタ１０に通電した場合に電流の向きが矢印で示されている。下部バスバー４２は、一対の接続部分４２ａ、４２ｃと、対向部分４２ｂと、を備える。対向部分４２ｂは、対向部分４０ｂの下面に隙間を置いて配置される。対向部分４２ｂは、対向部分４０ｂに平行に配置される平板形状を有する。対向部分４２ｂの端部には、電力変換器４に接続するための接続孔が配置されている。

【0019】

一対の接続部分４２ａ、４２ｃのそれぞれは、対向部分４２ｂの端縁から上方に湾曲して配置されている。一対の接続部分４２ａ、４２ｃは、互いに対向して配置されている。一対の接続部分４２ａ、４２ｃは、対向部分４２ｂの上方において、対向部分４２ｂに対して垂直な平板形状を有する。図２に示すように、一対の接続部分４２ａ、４２ｃのそれぞれは、一対の接続部分４０ａ、４０ｃのそれぞれの外側に配置されており、一対の接続部分４０ａ、４０ｃのそれぞれの外面に溶接によって固定されている。

【0020】

図５に示すように、対向部分４０ｂと対向部分４２ｂとは、隙間Ｃ１を置いて配置されている。隙間Ｃ１には、薄い絶縁紙（例えば厚さ０．１ｍｍ）が配置され、隙間Ｃ１の距離が管理される。

【0021】

図６に示すように、導電部１２には、コンデンサ部１４が取り付けられている。コンデンサ部１４は、金属筐体２の外側に配置される。コンデンサ部１４は、複数のチップコンデンサ２０と、基板２４と、を備える。基板２４は、平板形状を有しており、金属筐体２の側壁に沿って配置されている。基板２４の金属筐体２と反対側の面には、配線パターン２２が配置されている。複数のチップコンデンサ２０は、配線パターン２２に従って、並んで配置されている。

【0022】

基板２４は、中央部分に開口２４ａを有している。基板２４は、開口２４ａが金属筐体２の貫通孔に重ねるように配置される。開口２４ａには、上部バスバー４０が挿入される。上部バスバー４０の端子取付部４０ｄは、基板２４よりも金属筐体２の外側に配置されている。下部バスバー４２の一対の接続部分４２ａ、４２ｃのそれぞれは、開口２４ａ付近において、基板２４を貫通している。一対の接続部分４２ａ、４２ｃのそれぞれは、基板２４を貫通している部分で、配線パターン２２に電気的に接続されている。これにより、下部バスバー４２は、複数のチップコンデンサ２０に電気的に接続される。

【0023】

コンデンサ部１４は、一対のグランド接続部１８、１９に取り付けられている。グランド接続部１８、１９は、導電性材料で作製されている。グランド接続部１８は、固定部分１８ａと、連結部分１８ｂと、を備える。固定部分１８ａは、ボルト等の締結部材を介して、金属筐体２に取り付けられる。これにより、固定部分１８ａは、金属筐体２に電気的に接続される。グランド接続部１８は、金属筐体２に電気的に接続されることによって、金属筐体２と同一の電位である基準電位に設定される。

【0024】

連結部分１８ｂは、固定部分１８ａから基板２４に向けて延びている。連結部分１８ｂは、基板２４の端縁部において、基板２４を貫通している。連結部分１８ｂは、基板２４を貫通している部分で、配線パターン２２に電気的に接続されている。これにより、グランド接続部１８は、複数のチップコンデンサ２０に電気的に接続される。グランド接続部１９は、グランド接続部１８と同様の構成を有する。

【0025】

基板２４の金属筐体２側の面には、Ｏリング５０が配置されている。図７に示すように、ノイズフィルタ１０では、導電部１２、コンデンサ部１４、及び、グランド接続部１８、１９の一部を覆う樹脂部１６を備える。樹脂部１６は、樹脂で作製されている。樹脂部１６は、導電部１２の一部、即ち、導電部１２のうち、外部への露出が不要な部分を覆う被覆部１６ａと、コンデンサ部１４及びグランド接続部１８、１９のうち、外部への露出が不要な部分を覆う被覆部１６ｂを備える。なお、被覆部１６ｂは、基板２４を、金属筐体２と反対側から覆っていてもよい。

【0026】

ノイズフィルタ１０は、下部バスバー４２が電力変換器４に接続され、出力端子４４が電子機器等に接続されて使用される。図４の矢印で示すように、電力変換器４から出力端子４４に向けて電力が供給されると、下部バスバー４２の対向部分４２ｂから一対の接続部分４２ａ、４２ｃのそれぞれに電流が流れる。電流は、一対の接続部分４２ａ、４２ｃのそれぞれから、上部バスバー４０とコンデンサ部１４とのそれぞれに向かって流れる。図３の矢印で示すように、上部バスバー４０では、一対の接続部分４０ａ、４０ｃのそれぞれから、対向部分４０ｂを通って、出力端子４４に電流が流れる。この結果、対向部分４０ｂ、４２ｂでは、電流の向きが一致する。

【0027】

ノイズフィルタ１０は、図８に示すような回路図で表わされる。図８では、電流の流れる方向が矢印で示されている。ノイズフィルタ１０では、下部バスバー４２及び上部バスバー４０がインダクタとして機能する。ノイズフィルタ１０は、下部バスバー４２及び上部バスバー４０のインダクタンスと、コンデンサ部１４の複数のチップコンデンサ２０と、によって構成される。導電部１２では、下部バスバー４２と上部バスバー４０とが微小な隙間を置いて配置されているために、電流が流れると、下部バスバー４２と上部バスバー４０とで相互インダクタンスが発生する。下部バスバー４２と上部バスバー４０とは、電流が同一の向きに流れているために、相互インダクタンスが正となる。

【0028】

図９には、ノイズフィルタ１０の等価回路が示される。ノイズフィルタ１０は、直列接続されている２個のインダクタである上部バスバー４０及び下部バスバー４２と、２個のインダクタの間から基準電位であるグランド接続部１８、１９に接続されているコンデンサ部１４と、で構成される。下部バスバー４２のインダクタンスがＬ_１であり、上部バスバー４０のインダクタンスがＬ_２である。コンデンサ部１４の容量がＣである。インダクタＬ３は、コンデンサ部１４の等価直列インダクタンス（ESL：Equivalent Series Inductance）とコンデンサ部１４の配線の寄生インダクタンスの和であり、インダクタンスがＬ_３である。Ｚ_１は、ノイズ源（即ち電力変換器４）の内部インピーダンスであり、Ｚ_２は負荷回路（即ち電子機器６）のインピーダンスである。このノイズフィルタ１０では、上部バスバー４０と下部バスバー４２とが磁気結合しており、上部バスバー４０と下部バスバー４２とを流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２が図中の向きに流れるとすると、上部バスバー４０と下部バスバー４２との間に正の相互インダクタンスＭが生じている。ノイズ電圧をＶ_noiseとすると、負荷回路に加わるノイズ電圧Ｖ_Ｌは、以下の式で表される。

【0029】

【数1】

【0030】

Ｚ_Ｌ１：下部バスバー４２のインピーダンス（jω(L₁＋M)）
Ｚ_Ｌ２：上部バスバー４０のインピーダンス（jω(L₂＋M)）
Ｚ_Ｌ３：コンデンサ部１４の等価直列インダクタとコンデンサＣが接続される配線の寄生インダクタの和からなるインピーダンス（jω(L₃－M)）
Ｚ_Ｃ：コンデンサ部１４のインピーダンス（1/jωC）
ω：角周波数（２πｆ）

【0031】

上記数式１に示されるように、ノイズ電圧Ｖ_Ｌを低減するためには、分子のＺ_Ｌ３＋Ｚ_Ｃを低減することが重要である。Ｚ_Ｌ３＋Ｚ_Ｃを低減するためには、相互インダクタンスＭを、コンデンサ部１４の等価直列インダクタンスとコンデンサ部１４の配線の寄生インダクタンスの和であるインダクタンスＬ_３に同一又は近似するように調整する。これにより、高周波帯域のノイズに対するフィルタ性能を向上させることができる。

【0032】

図１０は、ノイズフィルタ１０のフィルタ性能を確認するためのシミュレーションの結果を示す。なお、フィルタ性能は、２０×ｌｏｇ_１０（Ｖ_L／Ｖ_noise）（ｄＢ）によって計算した。図１０に示されるように、上部バスバー４０と下部バスバー４２との間に相互インダクタンスが発生しないように構成されている比較例のノイズフィルタのフィルタ性能１０４は、高周波帯域のノイズに対するフィルタ性能が劣化している。一方、本実施形態のノイズフィルタ１０のフィルタ性能１０２は、高周波帯域のノイズに対するフィルタ性能が大幅に向上している。

【0033】

ノイズフィルタ１０では、上部バスバー４０と下部バスバー４２とのそれぞれが、ノイズフィルタ１０のインダクタとして機能する。この構成によると、上部バスバー４０と下部バスバー４２とに相互インダクタンスを発生させることができる。この結果、上部バスバー４０と下部バスバー４２との相互インダクタンスを調整することによって、寄生インダクタンスを低減することができる。

【0034】

上部バスバー４０と下部バスバー４２との間の相互インダクタンスは、対向部分４０ｂ、４２ｂの隙間を調整することによって、調整することができる。これにより、上部バスバー４０と下部バスバー４２との相互インダクタンスを容易に調整することができる。また、ノイズフィルタ１０では、フィルタ性能を向上させることができるために、磁性体を配置せずとも、十分なフィルタ性能を発揮することができる。これにより、ノイズフィルタ１０の体格及びコストを低減することができる。

【0035】

コンデンサ部１４では、複数のチップコンデンサ２０が基板２４に配置されている。これにより、基板２４を金属筐体２の側壁に沿って配置することによって、ノイズフィルタ１０が、金属筐体２から大きく突出することを防止することができる。

【0036】

なお、例えば、導電部１２の上部バスバー４０と下部バスバー４２との少なくとも一方は、バスバーでなくてもよく、導線等、インダクタとして機能する導電性部材であってもよい。この場合、２個のインダクタにおいて相互インダクタンスが発生するように配置されていてもよい。

【0037】

また、ノイズフィルタ１０の構造は、ＬＣＬ型、ＬＣＬＣＬ型等、インダクタ及びキャパシタの個数に制限は無い。最下流のキャパシタの寄生インダクタンスを低減することによって、ノイズフィルタ１０のフィルタ性能を向上させることができる。なお、ノイズフィルタ１０のフィルタ性能を向上させることができるため、インダクタ及びキャパシタの個数を増加させなくても、フィルタ性能を確保することができる。これにより、ノイズフィルタ１０の体格及びコストを低減することができる。

【0038】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0039】

２ ：金属筐体
４ ：電力変換器
６ ：電子機器
１０ ：ノイズフィルタ
１２ ：導電部
１４ ：コンデンサ部
１６ ：樹脂部
１８、１９ ：グランド接続部
２０ ：チップコンデンサ
２４ ：基板
４０ ：上部バスバー
４０ａ、４０ｃ ：接続部分
４０ｂ ：対向部分
４０ｄ ：端子取付部
４２ ：下部バスバー
４２ａ、４２ｃ ：接続部分
４２ｂ ：対向部分
４４ ：出力端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】