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(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】
(24)【登録日】2022-05-10
(45)【発行日】2022-05-18
(54)【発明の名称】ノイズ吸収減衰素子
(51)【国際特許分類】
   H05K 9/00 20060101AFI20220511BHJP
   H03H 7/01 20060101ALI20220511BHJP
   H01F 17/00 20060101ALN20220511BHJP
   H01F 27/34 20060101ALN20220511BHJP
【FI】
H05K9/00 M
H03H7/01 Z
H01F17/00 B
H01F27/34 160
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2016174063
(22)【出願日】2016-08-21
(65)【公開番号】P2018029165
(43)【公開日】2018-02-22
【審査請求日】2019-07-11
(73)【特許権者】
【識別番号】591000023
【氏名又は名称】小塚 洋司
(72)【発明者】
【氏名】小塚 洋司
【審査官】五貫 昭一
(56)【参考文献】
【文献】特開2016-192761(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H05K 9/00
H03H 7/01
H01F 17/00
H01F 27/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項3】
前記請求項1又は2に記載のノイズ吸収減衰素子において、前記ループ状導体回路からの不要再放射界を低減させるために、薄い磁性金属材料や磁性材による磁気遮蔽体を配置したことを特徴とする請求項1又は2に記載のノイズ吸収減衰素子。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
近年、多種多様な通信技術開発が進み、一般の通信線路やPCB(Printed circuit board)などから放射される不要なノイズの抑制対策が環境電磁工学的立場からも強く求められている。こうした対策として、従来、磁性材料を中心とした複合材料から成る線路近傍放射界を抑制するためのノイズ抑制素子が頻用されている。本発明は、PCBや一般の通信線路に臨機応変に対応できる広帯域、高周波帯域特性を可能とした新たな構造体によるノイズ吸収減衰素子に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、PCBなどにおけるノイズ抑制素子として、磁性材料を中心にした複合材料から成る板状のものや、また通信線路用ノイズ抑制素子として円筒状焼結フェライトなどを装荷する方法が実施されている。
しかし、これら磁性材料を主原料とする方法は、磁性材料の透磁率特性にノイズ抑制特性が強く依存するため、高周波数域では磁性材料の透磁率特性が消失し、ミリ波、テラヘルツ波の高周波数帯域では、最早十分なノイズ抑制特性が維持できないという欠点があった。また、通信線路に用いる焼結フェライトやゴムフェライトなども、上記特性を持ちあわせている上、重量的に重いという問題があった。この結果、益々小型化、軽量化、高周波化が進む最近の電子デバイス、通信デバイスをはじめ、自動車などの伝送線路関係のノイズ抑制素子として搭載する場合を考えるとき、従来型ノイズ抑制素子では、実装上も特性上も共に不都合な問題が生じている。
【0003】
本発明は、こうした問題点を解決するためのものである。
従来、遠方界と呼ばれる遠方からの電磁波を吸収するものとして電波吸収体が知られている。遠方からの電波を吸収する電波吸収体では、すでに電波吸収原理に受動素子の回路素子を使用したものが公知である(例えば、“高周波集積回路概念に基づく電波吸収体の提案,”電子情報通信学会、技術報告書、EMCJ Vol.103,No.157,pp.19-22,Jun.2003)。また、能動素子を導入した電波吸収体も公知である(例えば、特許第4581105、特許第4761246)。
これらに対し、近傍電磁界を抑制するために能動素子を導入し、電気的に制御し、かつ回路の共振特性を導入した近傍界ノイズ抑制素子も公知である(例えば、特願2007-224826、および、自律制御を目指した能動素子装荷型近傍界ノイズ抑制素子の基本特性、電子情報通信学会論文誌B、vol.J96-B,No.4,pp.410-416,Apr.2013)。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来型のノイズ抑制素子は、主として磁性材料を中心した薄板状の構成や円筒状のチップフェライトなどから構成されている。このため、特定の周波数におけるノイズ抑制素子を設計するには、材料の配合割合などを勘案せねばならず設計が一義的にできないという問題があった。さらに、周波数特性が磁性材料の透磁率特性などに支配されて、ミリ波などの高周波帯域では使用できないという問題があった。また、通信ケーブル用には、焼結フェライトが使用されており、重量的にも重いという課題があった。本発明は、このような問題を解決課題としている。
【0005】
本発明は、上記の従来型のノイズ抑制素子の課題に対して、多重化、多層化した電気回路概念を導入し、従来の磁性材料に頼らず、広帯域域に渡り、また、高周波領域でも利用できる特性と機能性を持つノイズ吸収減衰素子を実現するという課題を解決するものである(以下、本素子と略称する場合がある)。
なお、本願では、従来のように「ノイズ抑制素子」と表現せず、「ノイズ吸収減衰素子」と称しているが、これは単にノイズを抑制させるだけでなく、抵抗素子成分を導入して本案を実施すれば、減衰器として大きな透過減衰量(約-20dB程度特)特性を持ち合わせている点からの命名である。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の課題を解決する手段につき、以下請求項の順に従って詳述する。
なお、本願における、電気回路とは、電子回路や高周波回路一般を意味している。請求項1は、ノイズ吸収減衰素子の構成原理と構成方法を総括的に記している。
本ノイズ吸収減衰素子の広帯域化は、その第1の手段として本来急峻な共 振特性を有する共振回路に対して低抵抗回路素子を付加したり、ループ状導体素子の線路長を変化させて、インダクタンス値を変更する手段などによって解決している。なお、電気回路素子とは、通常の抵抗、インダクタ、キャパシタなどの受動素子の他、ダイオード、可変容量素子などの能動素子一般を意味している。
次に、第2の広帯域化手段として、基板上にループ状の電気回路パターンを構成に際し、これに電気回路素子を装荷したものを「多重化」したり「多層化」したりする手段を導入している。ここで記した「多重化」とは、本ノイズ吸収減衰素子特性の広帯域化を実現する手段であって、基板面上に垂直に入射する磁界吸収対策として、大小の寸法からなるループ状導体平面回路を複数個同心状に構成し、種々の周波数を吸収減衰できるようにして広帯域化を達成した形態を意味している。また、「多層化」とは、基板両面に対して巻きつけるようにして一つのループ型導体閉回路を構成して、この大小の複数個のループ型閉回路を一体化、つまり多層化してノイズ吸収減衰素子を構成することを意味している。
この場合は、吸収減衰させる不要電磁波の磁界が、ループ面、つまり基板の断面に直交するように構成している。この手段で不要電磁波の磁界成分を広帯域に渡り効率よく吸収できるノイズ吸収減衰素子が構成できる。
本発明では、電気回路素子として能動素子を使用する場合、各素子への給電線を簡単化することも解決課題である。この課題は、給電線を+、-の電源端子間において給電、受電側端子をそれぞれ共有化する方法を取り入れている。また、各回素子への給電方法をさらに簡単化して1本で給電できるようにしている。
さらに、本素子の構成では、広帯域化を図る観点から、平板型や円筒形基板の両端を遮断した構成を実現するために、可塑性や切断性を持つ基板材料を導入している。
【0007】
上記のように、本ノイズ吸収減衰素子は、ノイズ対策箇所の状態によって、円筒型にしたり、円筒の両端を斜断したり出来る基板構成とし、対策対象によって現場で事前に即応できる形態を実現することも解決課題である。このために、本ループ回路などを構成している基板材料は、一般に使用されているプリント基板のような、硬質材料を使用せず、可塑性や切断性のある材料から成る基板材を導入する手段で解決している。また、各回路は必ずしもプリントしなくてもよく、通常の導体線を用いる回路構成手段でもよい。この結果、本ノイズ吸収減衰素子は、構造的には、次のように分類される。(1)基板片面上にループ状平面回路をプリントして構成した場合を1次元的なノイズ吸収減衰素子、(2)基板両面をループ回路として利用する場合を2次元的ノイズ吸収減衰素子、(3)任意方向からの不要磁界成分を吸収減衰させるために、それぞれ独立したループ回路を複数構成する場合を3次元的ノイズ吸収減衰素子,として分類している。したがって、各ループ回路は基板にプリントするだけでなく、金属線に回路素子を装荷してループ状に基板に巻き付ける手段も採用できる。
なお、この場合、用途によっては、常にイズ吸収減衰素子に可塑性持たせる必要がないことは勿論である。
以上の構成概念を総括的に記したのが請求項1である。このように、本発明のノイズ吸収減衰素子は、ノイズ吸収減衰作用を回路素子そのものと構成回路の共振現象におけるエネルギの停留性を微調節して達成するという手段を導入しているため、従来の磁性材料に依存する透磁率の周波数分散特性に支配されず、一旦回路設計法が定まれば、波長短縮の原理に基づいて、ミリ波やテラヘルツ波に至る高周波域まで使用できる性能を持たせることが可能となる。
【0008】
前記請求項1の構成において、イズ吸収減衰素子を対策対象伝送線路に施す場合、この素子による伝送線路入射波を乱さぬよう整合を取る必要がある。
請求項2は、この対策として、前記請求項1のノイズ吸収減衰素子において、不要電磁波入射側の基板に可塑性や切断性を持つ基板材料を用いて、対策対象に対して事前に複数の空孔を設ける手段、または、基板形状を菱形形状に構成する手段を導入したノイズ吸収減衰素子に関する。これらの手段によって、対策対象の伝送線路から入射してくる本来必要な入射波の整合特性を広帯域に渡り改善している。
【0009】
請求項3は、請求項1、2記載のノイズ吸収減衰素子において、ノイズ吸収減衰素子を対策対象伝送線路に施し吸収減衰させた結果、さらに一部の不要磁界が再放射する場合の対策に関する。この場合のノイズ吸収減衰素子からの再放射界を低減させるために、薄い金属材料や磁性材による磁気遮蔽体をノイズ吸収減衰素子の近傍に配置する手段で解決している。これは、ノイズ吸収減衰素子に関わる磁界が近傍界であり、準静磁界であることに着目した発明である。
【実施例
【0010】
図1は、本発明の請求項1および請求項2に関する一実施例である。本実施例は、多重化したループ回路構成によって、複数の共振周波数を実現して、ノイズ吸収減衰周波数を広帯域化および高周波化した場合を図示している
可塑性のある高周波回路基板(1)の上側の面に多重化したループ状の導体回路パターン(2)を作成し、これらの各ループ回路に電気回路素子(3)を装荷してある。この実施例のノイズ吸収減衰素子と対策対象伝送線路との相互の位置関係は、伝送線路としては平行二線線路を想定した場合を図示しており、この平行二線線路は高周波回路基板(1)の上側の面に位置している。伝送線路の電波は左側の電波入射端(6)から右側の出力端(7)へ向かっている。また、図1において、この2本の導体から成る伝送線路では、各線路の電流の向きは互いに逆方向をむいており、モード表現からは、いわゆる奇モード電流の場合の実施例である。この図1の実施例では、伝送線路に内在しているノイズ源である除去すべき不要電磁波の高周波磁界成分(23)は、(23)の矢印で示すように高周波回路基板(1)を上から見下ろす方向を向いている。勿論、伝送線路の電流の向きが反転すれば、この不要電磁波の高周波磁界成分(23)は、基板表面に対して上向きとなるが、ノイズ吸収減衰素子の動作機能は変化しない。
また、基板背面側(4)には、共振電流による再放射磁界を制御するために、点線で囲まれたグレー色で示す金属を含む磁気遮蔽材(5)を配置し、この再放射磁界を抑制する手段をとっている。さらに、伝送線路進行波(22)の電波の入射端(6)側と出力端(7)側は、本ノイズ吸収減衰素子による線路上の不整合を避ける対策として、請求項2における菱形のテーパ形状(8)としている。
【0011】
図は、請求項1および請求項2に関する他の実施例である。これは、前記電気回路素子(3)として、能動素子を用いる場合の給電線の配線(9)方法を示す一実施例である。能動素子としてPINダイオード(10a)を装荷し、各ダイオードへの直流バイアス電圧を電源端子(11)から印加し能動素子への給電する場合の一実施例である。
本案では、能動素子の他、ループ回路にキャパシタ(10b)を装荷してループ回路上の給電電流の流れを制御している。このため、各ダイオードへの給電源(11)を統一して給電しても、多重化したループ構成の導体回路パターン(2)を個別に共振させることは可能である。また、本図2は、伝送線路対策に本素子を適用する場合において、高周波回路基板(1)の電気定数に依存する対策対象の伝送線路入射波の不整合、つまり反射波を低減させるために、この基板に微小な空孔(12)を設け、基板の材料定数を低減している実施例である。
【0012】
図3は、請求項1および請求項2に関する能動素子への給電方法を示す別の実施例である。同図のように、一本の給電線(13)によって、能動素子であるPINダイオード(10(a))だけにキャパシタ(10(b))の作用によって、給電することを可能とした構成例である。このように一本の給電線へ同一電圧を印加しても、ループサイズの違いから各ループ回路のもつインダクタンスは異なっており、異なった共振周波数が得られることになる。
【0013】
図4は、請求項1および請求項3に関する一実施例である。この回路構成法は、まず、高周波回路基板を少し厚めに構成した基板に対して、ある周波数域で共振する一つの回路を基板の表裏に渡り巻き付けるように構成する。同様に、同一寸法の基板の表裏にループ長が異なる回路を巻き付けたもの構成する。このように、同一寸法の複数個の基板断面に構成された共振周波数が異なる回路を一体化した回路群で、種々の共振周波数に対応できるノイズ吸収減衰素子を構成した実施例である。この構成法が、請求項1記載のループ回路を多層化した構成法である。
これは、不要電磁波の高周波磁界成分(23)が図中の矢印で示す水平方向を向く場合の不要電磁波を吸収減衰するための一実施例である。本実施例は、ループ回路に回路素子1個が記載されているが、勿論、複数個の回路素子を直列または並列にして構成してもよい。各ループ回路が、不要電磁波の周波数に応じて共振し、エネルギを停留させ、かつ回路素子が有する抵抗成分などを利用して通信線路や伝送線路に生じる不要電磁波を吸収減衰させている。なお、この実施例では、再放射界を抑制するための金属を含む磁気遮蔽材(5)は、同図の基板平面上の丸印で示したように比較的小さな材料で配置している。このような小さな材料を使っても、再放射界は十分制御、抑制することができる。
【0014】
図5は、シリコン樹脂などの可塑性のある高周波回路基板(1)としての平板回路を円筒状に丸めた構造(15)で、対策対象の通信線路や伝送線路に巻き付けるようにして構成する請求項1および請求項3に関する別の一実施例である。この場合は、ループ回路(16)の長さが同一であることから、装荷する能動素子(17)に対して異なる回路素子(18)をそれぞれのループ回路に装荷して、異なった周波数の不要電磁波に共振できるよう構成している。なお、能動素子を用いず抵抗素子だけでも減衰器として機能し、ノイズ吸収減衰素子が実現できる。この観点から、本発明をノイズ吸収減衰素子と称している。
【0015】
さらに、前記円筒状ノイズ吸収減衰素子を図6に示すテーパー状(19)や微小空孔を設ける手段で構成することによって、対策対象としている伝送線路信号波(22)に対する反射波を低減させる整合機能を付与している。
【0016】
図7は、本発明を3次元構成で実現したノイズ吸収減衰素子に関する請求項1および請求項3に関する別の実施例である。これは低誘電率の媒質(20)を球形に構成し、電気回路素子(3)を装荷した導体線を巻いたコイル(21)群から成っている。この場合は、低誘電率媒質は、必ずしも可塑性や切断性を持つ材料でなくてもよい。各コイル(21)の向きを種々の向きに多層化して巻くことにより、種々の到来方向からの不要ノイズ波に共振し吸収減衰させるタイプのノイズ吸収減衰素子を構成した実施例である。この球状媒質の中心部には、再放射磁界抑制用の金属を含む磁性材料(5)を装荷してある。この実施例は全方位型ノイズ抑制減衰素子としての性質を具えており、比較的大きな筐体を有する場合の不要放射電磁波対策に有効であるが、微小サイズ構成によって狭い空間にも適用できる。なお、コイルに装荷するキャパシタ、能動素子などの電気回路素子(3)の図は、同図中の一コイルだけに描き他は省略している。また、本発明の構成形態において、再放射界抑制のために磁性材料を装荷しても共振が阻害されず十分な共振特性が実現出来るか否かは、コイル(21)に強い交番磁界を印加した場合の共振による発熱特性、つまり温度上昇の観点からも実証している。
【産業上の利用可能性】
【0017】
一般の電波伝送線路や集積回路基板からのノイズ抑制対策、空間伝播時の電磁波干渉など様々なEMC問題に関して、従来多くの場合フェライト材に代表される磁性系材料が使われてきた。しかし、これらの材料は、所定の特性を実現するために種々の材料の混合割合、焼成温度、圧力、材料成分の調節など、多くの手間がかかる調整過程を必要としてきた。この結果、生産コストも高価となりがちであった。また、フェライト材は一般に重く、最近の微小化、軽量化が要求される電子デバイスには、不都合な面を持ち合わせている。
本発明は、こうした現状の各種電子デバイスにおけるフェライト応用領域において、脱フェライト化を提案する一つの新規な発明である。すなわち、デバイスの軽量化を図る共に、一旦ある周波数で設計指針が定まれば、波長短縮原理に準じて回路の設計が任意周波数で可能となり、量産可能な電気回路概念で従来のノイズ抑制技術を改善する発明である。実用性に加えて、従来技術の発想の転換を図る意味でも、本発明は工業上、産業上の応用価値が広い。
【図面の簡単な説明】
【0018】
図1
【0019】
多重化したループ回路構成によりよる広帯域化したノイズ吸収減衰素子。
図2
【0020】
多重化したループ回路構成において、ノイズ吸収減衰素子に能動素子を用いる場合の給電線の配線方法を示す図。
図3
【0021】
多重化したループ回路構成において、ノイズ吸収減衰素子に能動素子を用いる場合の給電線の別の配線方法を示す図。
図4
【0022】
多層化されたループ回路構成において、不要電磁波の高周波磁界成分の水平方向成分が基板面に対して水平となる場合のノイズ吸収減衰素子の構成法を示す一実施例の図。
図5
【0023】
可塑性の高周波回路基板としての平板回路を円筒状に丸めて利用する場合のノイズ吸収減衰素子の構成法を示す一実施例の図。
図6
【0024】
平板回路基板を円筒状に丸めて利用する場合のノイズ吸収減衰素子において円筒をテーパ形状とした場合の形態を示す図。
図7
【0025】
3次元の球体状に構成したノイズ吸収減衰素子の一実施例
【符号の説明】
【0026】
1――高周波回路基板、
2――ループ状の導体回路パターン、
3――電気回路素子、
4――基板背面側、
5――金属を含む磁性材料、
6――電波の入射端、
7--出力端、
8――テ―パ形状、
9――給電線の配線、
10(a)――PINダイオード、
10(b)――キャパシタ、
11‥‥電源端子、
12‥‥微小な空孔、
13‥…一本の給電線、
14‥…長さ異なるループ回路、
15‥…平板回路を円筒状に丸めた構造、
16‥…ループ回路、
17‥…能動素子、
18‥…異なる回路素子、
19……テーパ状、
20……低誘電率の媒質,
21……コイル,
22……伝送線路進行波,
23‥‥―不要電磁波の高周波磁界成分
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7