JP2000228319A - チョークコイルおよびノイズフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い周波数帯域で、良好なノイズ減衰効果が
得られる小型のチョークコイル、それを使用したノイズ
フィルタを提供すること。 【解決手段】 結晶粒径が５０ｎｍ以下のナノ結晶粒が
組織の体積全体の５０％以上を占めるナノ結晶軟磁性合
金でトロイダル形に形成したナノ結晶軟磁性合金磁心２
と、フェライトでトロイダル形に成形したフェライト磁
心３とを、同軸になるように組み合わさせて磁心１を構
成し、この磁心１に導線４、４’を巻き付けてチョーク
コイルとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子機器などに影
響を与えるノイズを減衰するために使用するチョークコ
イルと、このチョークコイルを使用したノイズフィルタ
に関し、特に広い周波数帯域でノイズ減衰効果を示すこ
とができるようにした技術である。

【０００２】

【従来の技術】半導体スイッチング素子の高性能化にと
もない、この半導体スイッチング素子を使用したスイッ
チング電源やインバータ装置が急速に普及している。特
に、ＩＧＢＴに代表される高周波化対応の大出力用半導
体スイッチ素子の開発により、スイッチング周波数を可
聴周波数帯の上限以上とした低騒音型インバータ装置を
始めとして、大容量インバータ装置の高周波化が急速に
図られている。

【０００３】かかるスイッチング電源と、高周波インバ
ータ装置との普及にともない、これら装置の半導体スイ
ッチング動作により発生する高周波ノイズが電源ライン
を介して、この電源ラインに接続される他の電子機器内
に入り、電子機器の誤作動を生起するなどの障害を与え
ることが問題となっている。

【０００４】このような障害に対処するために、磁心に
導線を巻き付けてなるチョークコイルを用いたノイズフ
ィルタを、上記ライン間に介在させて、ノイズ減衰を図
るようにしている。

【０００５】上記ノイズは、ライン間を往復するノーマ
ルモードノイズと、ライン−アース間に流れるコモンモ
ードノイズとに大別され、それぞれに対応したノーマル
モードチョークコイル、コモンモードチョークコイルが
開発され、これらを適宜使用してノイズフィルタが構成
されている。

【０００６】上記ノイズフィルタには、磁心にフェライ
トを使用したチョークコイルが一般的に知られている。
しかし、フェライトを磁心に使用したチョークコイルで
は、中周波数域では良好なノイズ減衰効果を発揮するも
のの、高周波域、低周波域では十分なノイズ減衰効果を
期待することができない。

【０００７】発生するノイズの周波数帯域は、ノイズ発
生源などにより高周波域から低周波域にまで広くに亙っ
ていることが多く、少しでもノイズ減衰帯域を広くする
ためには、例えば、高周波域に良好なノイズ減衰効果を
有するチョークコイルａと、低周波域に良好なノイズ減
衰効果を有するチョークコイルｂとを２個直列に接続し
てノイズフィルタを構成することが行われている（図６
参照）。

【０００８】磁心材料としては、前記フェライト以外に
もアモルファス合金など種々のものが使用されている
が、透磁率と飽和磁束密度とのいずれか一方は高いが、
他方は低いという特性を有しているため、一つの磁心材
料だけで広い周波数帯域をカバーできるチョークコイル
を構成することは難しく、上記の如く直列に複数のチョ
ークコイルを接続して対処している。

【０００９】ノイズ減衰周波数帯域の異なるチョークコ
イルを組み合わせた例としては、磁心にフェライトとア
モルファス合金とを使用した例、異なる種類のアモルフ
ァス合金同士を組合せた例、ダストコアとケイ素鋼板と
を組み合わせた例などが知られている。

【００１０】図６に、２個のチョークコイルを直列に接
続してノイズフィルタを構成した場合の回路構成を示し
た。なお、図６に示す回路構成は、実際のノイズフィル
タを構成する回路をそのまま示すものではなく、分かり
やすいようにその等価回路を示したものである。

【００１１】一方、最近は、高い透磁率と高い飽和磁束
密度とを共に満足する従来には見られない特性のナノ結
晶軟磁性合金をチョークコイルに使用した例が報告され
ている（特開平８−１１５８３０号公報）。

【００１２】かかる例では、ナノ結晶軟磁性合金として
日立金属社製のファインメット（登録商標）を使用して
トロイダル形に構成した磁心を有するコモンモードチョ
ークコイルと、フェライトを使用して外鉄型に構成した
磁心を有するコモンモードチョークコイルとを直列に接
続して、ノイズ規格のＣＩＳＰＲＰｕｂ．１１のＣｌａ
ｓｓＡ、あるいはＣｌａｓｓＡ、Ｂの両方を満足する結
果が得られることが報告されている。

【００１３】上記報告では、種々の磁心の組合せが検証
されているが、ファインメット、フェライトの両材料を
使用した磁心をトロイダル形に構成して、直列に接続し
た場合には、上記ノイズ規格のＣｌａｓｓＡ、Ｂのいず
れをも満足させる結果は得られないことも報告されてい
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く従来は、異
なるノイズ減衰周波数帯域を有するチョークコイルを直
列に接続して、少しでも広い周波数帯域でノイズ減衰効
果が得られるようにした構成が提案されているが、しか
し、未だ十分なものとは言えず、さらに広い帯域で良好
なノイズ減衰効果を有するチョークコイルの開発が求め
られている。

【００１５】また、近年の電子機器等のダウンサイズ化
に合わせて、ノイズフィルタ自体の小型化も強く求めら
れている。しかし、複数のチョークコイルを直列に接続
している限りは、どうしても部品点数が多くなり、その
分嵩張って小型化の要請には十分に応えられない。

【００１６】さらに、部品点数が多い分、組立作業にも
手間がかかり、生産コストの面からも従来構成の改善が
強く求められている。

【００１７】一方前述の如く、磁気特性の観点からは、
透磁率、飽和磁束密度などの点でファインメットなどの
ナノ結晶軟磁性合金を使用することが望ましいが、しか
しナノ結晶軟磁性合金は高価なため潤沢に使用すること
は難しい。

【００１８】そこで、本発明者は、他の磁性材料と、適
量のナノ結晶軟磁性合金とを使用した複合磁心の形態と
することにより、材料価格を許容範囲に抑えながら、且
つ広い周波数帯域でノイズ減衰効果を示す製品の開発が
必要と考えた。

【００１９】本発明の目的は、広い周波数帯域で良好な
ノイズ減衰効果が得られるナノ結晶軟磁性合金を使用し
た複合磁心の小型チョークコイルを提供することにあ
る。

【００２０】本発明の目的は、広い周波数帯域で良好な
ノイズ減衰効果が得られるナノ結晶軟磁性合金を使用し
た複合磁心の小型チョークコイルを使用したノイズフィ
ルタを提供することにある。

【００２１】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、トロイダル形
の磁心に導線を巻いて形成されるチョークコイルであっ
て、前記トロイダル形の磁心には、結晶粒径が５０ｎｍ
以下のナノ結晶粒が組織の体積全体の５０％以上を占め
るナノ結晶軟磁性合金と、フェライトとが磁心材料とし
て使用されていることを特徴とする。

【００２３】前記トロイダル形の磁心は、前記ナノ結晶
軟磁性合金で形成されたトロイダル形のナノ結晶軟磁性
合金磁心と、前記フェライトで形成されたトロイダル形
のフェライト磁心とが、同軸になるように組み合わされ
てなることを特徴とする。

【００２４】前記トロイダル形の磁心は、前記ナノ結晶
軟磁性合金の薄帯が、前記フェライトで形成されたトロ
イダル形のフェライト磁心の周囲に巻き付けられてなる
ことを特徴とする。

【００２５】本発明のノイズフィルタは、上記いずれか
の構成のチョークコイルを使用して構成されていること
を特徴とする。

【００２６】チョークコイルの磁心を、ファインメット
などのナノ結晶軟磁性合金と、フェライトとを使用した
複合磁心とすることにより、高透磁率、高飽和磁束密度
のファインメットを、性能、材料コストとの両面でバラ
ンスがとれる範囲の使用量に抑え、従来より広い周波数
帯域で良好なノイズ減衰効果を有するチョークコイルを
製造することができる。

【００２７】複合磁心に使用するナノ結晶軟磁性合金と
フェライトとの割合を適宜変えることにより、周波数特
性を任意の特性に設定して、広い周波数帯域でも特に所
望周波数帯域でのノイズ減衰量を大きくしたチョークコ
イルとすることもできる。

【００２８】磁心に、上記の如く、高い透磁率、高い飽
和磁束密度のナノ結晶軟磁性合金を使用しているので、
これより低い透磁率、低い飽和磁束密度を有する磁性材
料を使用する場合に比べて、同じノイズ減衰能を確保す
るためでも、その断面積を小さくすることができ、より
チョークコイルの小型化を促進することができる。

【００２９】ナノ結晶軟磁性合金を使用してフェライト
との複合磁心を形成するには、ナノ結晶軟磁性合金を使
用して形成したナノ結晶軟磁性合金磁心と、フェライト
を使用して形成したフェライト磁心との両者を、例えば
同一径のトロイダル形状に形成して、これらを軸方向に
重ね合わせて構成すればよい。

【００３０】ナノ結晶軟磁性合金は現在薄膜状の所謂薄
帯として製造されているので薄帯を巻回しするか、また
は、トロイダル形状に打ち抜き、打ち抜いた薄帯を積層
して形成したナノ結晶軟磁性合金磁心と、フェライト磁
心とを接着剤で貼り合わせるようにして重ね合わせれば
よい。さらには、重ね合わせに際しては、複数のフェラ
イト磁心と、複数のナノ結晶軟磁性合金磁心とを交互に
重ね合わせるようにしてもよい。

【００３１】磁心同士の一体化に際しては、例えば、接
着剤を使用して互いに貼り合わせる代わりに、磁心に巻
く導線の巻付け力を利用することもできる。

【００３２】フェライトおよびナノ結晶軟磁性合金とを
使用したそれぞれの磁心を上記の如く一体化して一つの
トロイダル形の磁心にし、この磁心に導線を巻き回して
チョークコイルを形成しているので、異なるチョークコ
イルを直列に接続する従来構成の場合に比べて、部品点
数を少なくし、その分小型化の促進が図れ、且つ作業の
手間もかからない。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００３４】図１（ａ）は、本発明のチョークコイルの
トロイダル形の磁心の構成を示す斜視図である。図１
（ｂ）は、図（ａ）の磁心にコイルを巻いてチョークコ
イルを形成した様子を示す平面図である。図２は、図１
の構成のチョークコイルを使用したノイズフィルタの回
路構成を示す回路図である。

【００３５】チョークコイルの磁心１は、図１（ａ）に
示すように、ナノ結晶軟磁性合金でトロイダル形に形成
されたナノ結晶軟磁性合金磁心２と、フェライト粉末を
トロイダル形に固めて成形したフェライト磁心３とを、
上下に積層して構成されている。ナノ結晶軟磁性合金磁
心２とフェライト磁心３とは、接着剤を介して貼り合わ
せるようにして積層すればよい。

【００３６】このようにして形成されたトロイダル形の
磁心１には、図１（ｂ）に示すように、導線４、４’が
バイファイラ巻きして巻き付けられ、チョークコイルが
形成されている。

【００３７】チョークコイルの磁心１は、図１に示す場
合には、ナノ結晶軟磁性合金磁心２、フェライト磁心３
のそれぞれを、外径をφ３７ｍｍに、内径φ１９ｍｍ、
厚さを１１ｍｍのトロイダル形に形成して、両者が積層
されて構成されている。なお、磁心１の大きさは、かか
る寸法に限定する必要はなく、使用状況に応じて適宜設
定すればよい。

【００３８】本発明のチョークコイルを使用したノイズ
フィルタの回路構成では、磁心１に巻かれた導線４、
４’は、コンデンサ５を介して接続され、さらに各々
は、入力端子６、６’出力端子７、７’を有し、アース
８、８’がとられている。かかる構成を図２に回路図で
示した。

【００３９】図２に示すように、本発明のチョークコイ
ルを使用したノイズフィルタ回路の構成は、従来の異な
る周波数帯域のチョークコイルを直列に接続して構成し
たノイズフィルタ（図６参照）と比べて、磁心が複合磁
心に構成されているため、回路構成が簡単になってい
る。その分、小型化が図れることとなる。

【００４０】上記構成のチョークコイルの磁心１を構成
するナノ結晶軟磁性合金磁心２に使用するナノ結晶軟磁
性合金は、次のような構成を有する。

【００４１】ナノ結晶軟磁性合金は、鉄（Ｆｅ）を主体
とし、これにケイ素（Ｓｉ）、ホウ素（Ｂ）、銅（Ｃ
ｕ）、ニオブ（Ｎｂ）を合金成分として有し、合金組織
の体積全体の５０％以上が微細なナノ結晶粒で占められ
ている。上記微細なナノ結晶粒は、その平均粒径が１０
００Å以下のものである。

【００４２】より詳しくは、ナノ結晶軟磁性合金は、例
えば、ケイ素１３原子％、ホウ素９原子％、銅１原子
％、ニオブ５原子％、残部が鉄を合金成分とする合金溶
湯を、回転ロール上に吹き付けで巻き取る単ロール法な
どの超急冷法で薄帯状に形成されている。かかるナノ結
晶軟磁性合金としては、日立金属株式会社からファイン
メットとの名称で市販されている。

【００４３】一方、フェライト磁心３には、本実施の形
態では、Ｍｎ−Ｚｎフェライトを使用した。Ｍｎ、Ｚｎ
などのフェライト成分をトロイダル形に成形すればよ
い。ナノ結晶軟磁性合金磁心２と組み合わせるフェライ
ト磁心３のフェライトとしては、Ｍｎ−Ｚｎフェライト
に限定したものではない。

【００４４】上記構成のチョークコイルを、図３に示す
測定回路に入れて、ノイズ減衰効果を確認した。磁心１
に巻いた導線４、４’の一端側は交流電源９に接続され
ている。導線４の他端側は、スペクトラムアナライザ１
０に接続され、さらにアースされている。導線４’の他
端側は、抵抗１１を介してアースされている。

【００４５】なお、抵抗１１は、交流電源９、スペクト
ラムアナライザ１０のそれぞれの内部抵抗と等しくさ
れ、図３に示す場合には、５０Ωに設定されている。

【００４６】上記測定回路を使用して、図４に示すよう
に、前記本発明のチョークコイルのノイズ減衰効果（図
中、Ａで表示）を確認した。図４では、比較例として、
トロイダル形状に構成したフェライト磁心３を、図１に
示すと同様に２個積層させた構成のチョークコイルを構
成し、このチョークコイルを図３に示す測定回路に入れ
て、そのノイズ減衰効果（図４中、Ｂで表示）を確認し
た。

【００４７】図４からは、１００ＫＨｚ〜１００ＭＨｚ
の広い周波数帯域においては、本発明の上記構成のチョ
ークコイルを使用した場合のノイズ減衰曲線Ａの方が、
比較例として上記フェライト磁心３のみから構成された
チョークコイルを使用した場合のノイズ減衰曲線Ｂより
も、ノイズ減衰量が大きいことがわかる。

【００４８】特に、１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚの周波数帯
域では、１００ＫＨｚに近づく程ノイズ減衰曲線Ａの方
が、ノイズ減衰曲線Ｂよりノイズ減衰効果が大きくなる
ことが分かる。因みに、１００ｋＨｚでは、本発明のチ
ョークコイルを使用した場合の方が、比較例の場合より
も約９ｄＢ程度ノイズ減衰量が大きい。

【００４９】また、図４からは、ノイズ減衰曲線Ａ、Ｂ
は、共に１ＭＨｚより少し低い周波数域でノイズ減衰量
が最大となることも分かる。

【００５０】一方、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数帯
域では、比較例のノイズ減衰量（図中、ノイズ減衰曲線
Ｂ参照）は、ほぼ直線的に減少するのに対して、本発明
のチョークコイルを使用した場合の方（図中、ノイズ減
衰曲線Ａ参照）は、１０ＭＨｚ付近まではほぼ横這い
で、その後徐々に減衰量が減少して行くことが分かる。

【００５１】因みに、１０ＭＨｚでは、比較例に比して
本発明のチョークコイルを使用した場合の方が、約６ｄ
Ｂ程度ノイズ減衰量が大きい。

【００５２】上記結果から、本発明のチョークコイルが
広い周波数帯域で、大きなノイズ減衰効果を有してお
り、例えば、電源ラインからノイズを除いて、この電源
ラインに接続される他の電子機器内での誤作動を防止す
るためのノイズフィルタなどに有効に使用することがで
きることがわかる。

【００５３】本発明は上記実施の形態に限定されるもの
ではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更するこ
とができる。

【００５４】上記構成では、ナノ結晶軟磁性合金磁心２
とフェライト磁心３とを、それぞれ同形のトロイダル形
磁心に形成しておき、両者を積層させて構成していた
が、例えば、成形し易いＭｎ−Ｚｎフェライトを小円筒
状に成形し、その周囲に前記要領で薄帯状に形成された
ナノ結晶軟磁性合金を所定回数巻付け、図５（ａ）に示
すように、全体がトロイダル形になるように磁心１を構
成してもよい。

【００５５】あるいは、中空状にナノ結晶軟磁性合金薄
帯を、その外径がフェライト磁心３の内径に合うように
巻いてナノ結晶軟磁性合金磁心２を形成し、このナノ結
晶軟磁性合金磁心２をトロイダル形状に形成したフェラ
イト磁心３の中空内に嵌め込むようにして構成してもよ
い。

【００５６】また、磁心１を構成するナノ結晶軟磁性合
金磁心２とフェライト磁心３との割合を調整することに
より、特に大きなノイズ減衰効果を所望するノイズ減衰
周波数帯域を任意に選定することができる。

【００５７】前記実施の形態では、ナノ結晶軟磁性合金
磁心２と、フェライト磁心３とを接着剤を介して貼り合
わせる構成について説明したが、接着剤で貼り合わせる
ことなく、磁心１に巻き付ける導線４、４’でナノ結晶
軟磁性合金磁心２とフェライト磁心３とを同時に縛るよ
うにして、ナノ結晶軟磁性合金磁心２とフェライト磁心
３とを固定するようにしてもよい。

【００５８】また前記実施の形態のチョークコイルの構
成は、コモンモードチョークコイル、ノーマルモードチ
ョークコイルのいずれにも適用できる。

【００５９】

【発明の効果】本発明では、広い周波数帯域でのノイズ
減衰効果が得られる。

【００６０】ナノ結晶軟磁性合金磁心とフェライト磁心
とを一体化したトロイダル形磁心を使用しているので、
チョークコイルを直列に接続する場合に比べて、ノイズ
フィルタ回路の構成を簡単にすることができる。

【００６１】ノイズフィルタの回路構成を簡単にするこ
とができる分、小型化をより一層進めることができる。

【００６２】併せて、直列にチョークコイルを接続する
構成より、部品点数を少なくすることができるので、製
造作業の手間がかからない低コストの小型ノイズフィル
タを提供することができる。

【００６３】本発明のノイズフィルタでは、従来構成と
は異なり、使用されるチョークコイルが直列に接続され
ていないため、より小型化されている。特に、使用され
るチョークコイルの磁心には、ナノ結晶軟磁性合金とフ
ェライトとが使用されているため、従来構成のノイズフ
ィルタに比べて、広い周波数帯域でのノイズ減衰効果が
大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の一実施の形態のチョークコ
イルの磁心を示す斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に導
線を巻いた様子を示す平面図である。

【図２】本発明のチョークコイルを使用したノイズフィ
ルタの構成を示す回路図である。

【図３】ノイズ減衰効果を調べるための測定回路を示す
回路図である。

【図４】本発明のチョークコイルのノイズ減衰効果を示
すグラフである。

【図５】（ａ）は、ナノ結晶軟磁性合金磁心をフェライ
ト磁心の外側に設けたトロイダル形磁心を示す平断面図
である。（ｂ）は、ナノ結晶軟磁性合金磁心の外側にフ
ェライト磁心を設けたトロイダル形磁心を示す平断面図
である。

【図６】チョークコイルを直列に接続した従来構成のノ
イズフィルタの回路構成を示す回路図である。

【符号の説明】

１ 磁心 ２ ナノ結晶軟磁性合金磁心 ３ フェライト磁心 ４ 導線 ４’ 導線 ５ コンデンサ ５’ コンデンサ ６ 入力端子 ６’ 入力端子 ７ 出力端子 ７’ 出力端子 ８ アース ８’ アース ９ 交流電源 １０ スペクトラムアナライザ １１ 抵抗 Ａ ノイズ減衰曲線 Ｂ ノイズ減衰曲線 ａ チョークコイル ｂ チョークコイル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トロイダル形の磁心に導線を巻いて形成
   されるチョークコイルであって、 前記トロイダル形の磁心には、結晶粒径が５０ｎｍ以下
   のナノ結晶粒が組織の体積全体の５０％以上を占めるナ
   ノ結晶軟磁性合金と、フェライトとが磁心材料として使
   用されていることを特徴とするチョークコイル。
2. 【請求項２】 請求項１記載のチョークコイルにおい
   て、 前記トロイダル形の磁心は、前記ナノ結晶軟磁性合金で
   形成されたトロイダル形のナノ結晶軟磁性合金磁心と、
   前記フェライトで形成されたトロイダル形のフェライト
   磁心とが、同軸になるように組み合わされてなることを
   特徴とするチョークコイル。
3. 【請求項３】 請求項１記載のチョークコイルにおい
   て、 前記トロイダル形の磁心は、前記ナノ結晶軟磁性合金の
   薄帯が、前記フェライトで形成されたトロイダル形のフ
   ェライト磁心の周囲に巻き付けられてなることを特徴と
   するチョークコイル。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１項に記載
   のチョークコイルを使用して構成されていることを特徴
   とするノイズフィルタ。