JP2020005043A - 出力ノイズ低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減するとともに実装基板の占有面積を効率に利用することで、部品コストや製造コストを低減するとともに、顧客の幅広い要望に対応可能な出力ノイズ低減装置を提供すること。【解決手段】導電バー１２と、導電バー１２が貫通する磁性体コア１０と、導電バー１２と実装基板７とを接続するリード部材１３および１４から構成される出力ノイズ低減装置において、リード部材１３および１４を導電バー１２に接続した後、モールド２０によりモールドした。【選択図】図２

Description

本願に開示の技術は、出力信号に混入するノイズを抑制する出力ノイズ低減装置に関し、特に、出力信号の信号経路に挿入されるインダクタンス素子を含むノイズ低減装置に関するものである。

従来より、導電バーが磁性体コアを貫通して構成されるチョークコイルと、コンデンサなどが実装される実装基板とで構成するノイズフィルタモジュールが、例えば、特許文献１などに開示されている。

特許文献１に開示されているノイズフィルタモジュールは、導電バーに磁性体コアが貫通されて配置し樹脂材料でモールドした汎用モジュールに、汎用モジュールの外装に沿って複数のリード部材が配置され、この複数のリード部材により、コンデンサなどが実装された実装基板が導電バーの両端部の入力端と出力端とに接続されるとともに、実装基板のＧＮＤ面を接地電位ＧＮＤに接続するようになっている。

特開２０１８−１９５１２号公報

特許文献１に記載されたノイズフィルタモジュールでは、樹脂材料でモールドした汎用モジュールに、汎用モジュールの外装に沿って複数のリード部材が配置されているため、リード部材が大気に曝されて腐食されやすいという問題があった。また、汎用モジュールの外装に沿ってリード部材を配置するため、リード部材の形状が複雑になり、部品コストが高くなるとともにリード組付け工程が困難になるため製造コストも高くなってしまうという問題があった。また、振動や衝撃により、リード部材の接続部に接続不良が生じて、ノイズフィルタモジュールとしての信頼性も低下してしまう恐れがあった。

本願に開示される技術は、上記の課題に鑑み提案されたものであって、リードの組付けを改善するとともに実装基板の占有面積を効率に利用することで、部品コストや製造コストを低減するとともに、顧客の幅広い要望に対応可能な出力ノイズ低減装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため請求項１に係る出力ノイズ低減装置は、実装基板を接続して電子機器からの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であって、導電性材料により形成され、一方の端部を電子機器に係る出力端に接続する接続端子とし、他方の端部を出力端子とする導電バーと、磁性材料により形成され、導電バーが貫通する貫通孔を有する磁性体コアと、実装基板を接続端子および出力端子に接続するための導電性部材により形成した第１のリード部材および第２のリード部材とを備え、導電バーの磁性体コアと接続端子との間に第１のリード部材を、導電バーの磁性体コアと出力端子との間に第２のリード部材を、それぞれ接続した状態で、接続端子および出力端子を除く導電バーと、実装基板に接続する端部を除く第１のリード部材および第２のリード部材と、磁性体コアが、樹脂材料により形成されるモールド部材によりモールドされることを特徴とする。

請求項２に係る出力ノイズ低減装置は、請求項１に記載の出力ノイズ低減装置において、第１のリード部材および第２のリード部材は、実装基板に向かって導電バーに対して略垂直方向に伸長するとともに、導電バーに接続する端部が略水平方向に屈曲して形成されており、第１のリード部材および第２のリード部材の屈曲した端部が磁性体コアの貫通孔内に位置して導電バーに接続されることを特徴とする。

請求項３に係る出力ノイズ低減装置は、請求項１または２に記載の出力ノイズ低減装置において、第１のリード部材および第２のリード部材は、実装基板に接続されるコネクタであることを特徴とする。

請求項１に係る出力ノイズ低減装置では、第１のリード部材および第２のリード部材を導電バーに接続した状態でモールド部材によりモールドするため、例えば、第１のリード部材および第２のリード部材の上端部を除く部分までモールドして第１のリード部材および第２のリード部材の大部分が樹脂で覆うことができる。これにより、第１のリード部材および第２のリード部材は、大気に触れることを防止して、腐食を抑止することができる。また、先に第１のリード部材および第２のリード部材を導電バーに接続することにより、リード組付け工程を容易化できることから、製造コストを低減することができる。また、第１のリード部材および第２のリード部材を含めて一体成形することができることから、導電バーと第１のリード部材および第２のリード部材との接続部において振動や衝撃に対する耐性も向上し、ノイズフィルタモジュールとしての信頼性も向上することができる。

請求項２に係る出力ノイズ低減装置では、第１のリード部材および第２のリード部材は、導電バーに接続する端部が水平方向に屈曲しており、それぞれ、他方の端部が導電バーに対して略垂直方向に実装基板に接続することから、導電バーと実装基板とを接続する第１のリード部材と第２のリード部材を最短にすることができる。これにより、第１のリード部材および第２のリード部材の寄生容量や寄生インダクタンスを低く抑えることができ、ノイズフィルタモジュールとしての特性を向上させることができる。また、第１のリード部材および第２のリード部材が磁性体コア側に対向して導電バーに接続されることから、第１のリード部材および第２のリード部材に関係なく導電バーの接続端子や出力端子を設けることができる。

請求項３に係る出力ノイズ低減装置では、導電バーと実装基板とがコネクタ接続することから、容易に、実装基板の取り付けや取り外しができる。また、コネクタ接続だけで実装基板が保持可能であれば、実装基板を取り付けるためのネジ留めなどが不要となり、部品数の低減や組み付け作業の削減が可能になり、結果、製造コストを低減できる。

第１実施形態に係るノイズフィルタを用いたノイズフィルタモジュールをスイッチング電源に接続した出力ノイズ低減装置の一例の回路図である。 第１実施形態のノイズフィルタの分解斜視図である。 第１実施形態のノイズフィルタの、（ａ）組み付け方法、（ｂ）組み付けされた状態の斜視図である。 第１実施形態のノイズフィルタをモールドされた状態の斜視図である。 第１実施形態のノイズフィルタに実装基板を取り付ける手順の説明する斜視図（その１）である。 第１実施形態のノイズフィルタに実装基板を取り付ける手順の説明する斜視図（その２）である。 第２実施形態のノイズフィルタの分解斜視図である。 第２実施形態のノイズフィルタの、（ａ）組み付け状態を示す斜視図、（ｂ）モールドされた状態の斜視図である。 他の実施形態のノイズフィルタの分解斜視図である。

図１は本願に係る第１実施形態のノイズフィルタ１を用いた出力ノイズ低減装置の一例を示す回路図である。図１に示すノイズフィルタモジュールは、コンデンサなどが実装された実装基板７とノイズフィルタ１とから構成され、スイッチング電源５の出力端子ＶＸと出力端子ＶＯとの間に接続される。スイッチング電源５、ノイズフィルタモジュールは、アルミダイカスト製などの金属筐体３に収納されている。図１においては、ノイズフィルタモジュールに関する電気的な作用効果を説明する。

スイッチング電源５は、例えば、車載用の電源である。ハイブリッド車あるいは電気自動車等における駆動系の電源電圧ＶＩＮを供給するメインバッテリー（不図示）から電圧値を降圧して補機バッテリー（不図示）への電力供給を行う降圧型のスイッチング電源である。補機バッテリーは、オーディオ機器、エアコン機器、照明機器などの車内電装機器に電源電圧を供給する。

スイッチング電源５は、パワートランジスタ（不図示）を所定スイッチング周波数ｆでオンオフ制御させることで所定電圧の出力を得る。スイッチング電源５では、このスイッチング動作に応じて、内部結線によってはスイッチング周波数ｆで高電圧と低電圧との間で交互に電圧変動が生ずる。また、負荷電流に応じた電流が電源電圧ＶＩＮおよび接地電位ＧＮＤに交互に断続して流れ電流変動が生ずる。スイッチング動作による電圧変動と電流変動とがノイズ源となり出力端子へのノイズを招来する場合がある。

こうしたノイズ源は、信号経路や接地配線を介して回り込む伝導ノイズとして出力端子に伝搬する他、容量結合や誘導結合などの電磁的結合により放射される放射ノイズとして出力端子に伝搬するおそれがある。ここで、放射ノイズとしては、例えば、内部結線の電圧変動に伴って生ずる場合がある。回路要素間や配線間等に介在する寄生の容量成分による容量結合に応じて結合先の回路要素に対して不測の電圧変動を招来する場合である。また、電源電圧ＶＩＮや接地電位ＧＮＤの電流変動に伴って生ずる場合がある。配線される電源電圧ＶＩＮや接地電位ＧＮＤの配線経路に介在する寄生の誘導成分による逆起電力に応じて電源電圧ＶＩＮや接地電位ＧＮＤに不測の電圧変動を招来する場合である。

スイッチング電源５の出力端子ＶＸにはノイズフィルタモジュールが接続されている。ノイズフィルタモジュールは、スイッチング電源５の出力端子ＶＸと出力端子ＶＯとを結ぶ出力電圧経路にチョークコイルＬ１が設けられ、スイッチング電源５の出力端子ＶＸと接地電位ＧＮＤとの間にコンデンサＣ１が、出力端子ＶＯと接地電位ＧＮＤとの間にコンデンサＣ２が接続される構造を有している。いわゆるＣＬＣ型（π型）フィルタの構成である。コンデンサＣ１およびコンデンサＣ２は実装基板７の部品面に実装される。実装基板７の部品面の反対面は、例えば、グランド面となっており、接地電位ＧＮＤに接続されている。コンデンサＣ１およびコンデンサＣ２の各々の一端はグランド面に接続されて接地電位ＧＮＤに接続される。ノイズフィルタモジュールにより、伝導ノイズのうち信号経路を伝搬するスイッチング周波数ｆやその高調波周波数のノイズは抑制することができる。ここで、スイッチング電源５におけるスイッチング周波数ｆは、出力される電力定格や各構成素子の仕様や定格などに応じて定められる。例えば、車載用のスイッチング電源では数１００ｋＨｚで動作することが考えられる。このため、スイッチング周波数ｆやその高調波周波数が、車載ＡＭラジオの周波数帯域に重なる場合があり、ノイズフィルタモジュールを備えることにより、これらの帯域で信号経路を伝搬する伝導ノイズを抑制することができる。

また、スイッチング電源５およびノイズフィルタモジュールは、アルミダイカスト製などの金属筐体３に収納されている。これにより、金属筐体３が電磁的なシールドの効果を奏するため、金属筐体３内でのスイッチング動作により発生する放射ノイズが出力端子ＶＯに伝搬することが抑制される。

さらに、実装基板７のグランド面が接地電位ＧＮＤに接続されていることから、グランド面が電磁的なシールドの効果を奏するため、金属筐体３内でのスイッチング動作により発生する放射ノイズが部品面に実装されたコンデンサＣ１およびコンデンサＣ２に伝搬することが抑制される。これにより、ノイズフィルタモジュールのフィルタとしての性能が十分発揮することができるのである。

次に、本願に係る第１実施形態のノイズフィルタ１の形状・構造に関して説明する。図２はノイズフィルタ１の分解斜視図である。図３（ａ）はノイズフィルタ１の組み付け方法、図３（ｂ）はノイズフィルタ１の組み付けされた状態の斜視図である。そして、図４はノイズフィルタ１がモールドされた状態の斜視図である。

図２に示すように、ノイズフィルタ１は、導電バー１２、磁性体コア上部１０ａと磁性体コア下部１０ｂとからなる磁性体コア１０、リード部材１３およびリード部材１４から構成されている。

導電バー１２は、図１に示すスイッチング電源５の出力端子ＶＸと出力端子ＶＯとをつなぐ出力電圧経路として用いられる。導電バー１２は、概ね平板状で、スイッチング電源５の出力端子ＶＸと出力端子ＶＯの方向に伸長する横長形状を有し、例えば銅や炭素鋼等の金属材料で形成されている。中央部１２ｃを挟んで伸長方向の外側の両端部にボルト部１２ａ、１２ｂが形成されている。一方のボルト部１２ａには、スイッチング電源５の出力端子ＶＸに接続するためのボルト穴１２ｄが、他方のボルト部１２ｂには、出力端子ＶＯに接続するためのボルト穴１２ｅが設けられている。すなわち、ボルト穴１２ｄを用いてボルト部１２ａはスイッチング電源５の出力端子ＶＸに接続される。また、ボルト部１２ｂは出力端子ＶＯであり、ボルト穴１２ｅを用いて後段の電子機器等に接続される。ボルト部１２ａ、１２ｂおよび中央部１２ｃは同一直線状に配置されており、導電バー１２は単一の金属部材で形成されている。中央部１２ｃはボルト部１２ａ、１２ｂより幅方向にやや狭くなっており、中央部１２ｃの中心には磁性体コア上部１０ａと磁性体コア下部１０ｂとから構成される磁性体コア１０が導電バー１２により貫通されて配置されている。

磁性体コア１０は、かまぼこ形状で下面中央部にコの字状溝１０ｃを設けた磁性体コア上部１０ａと略長方体状の磁性体コア下部１０ｂとから構成され、例えばフェライト等の磁性材料で形成されている。磁性体コア上部１０ａと磁性体コア下部１０ｂとが図３（ｂ）に示すように合わせることにより、磁性体コア上部１０ａのコの字状溝１０ｃが中空部を形成し、形成された中空部に導電バー１２が貫通し、中空部の内側面と導電バー１２の中央部１２ｃとを対向させて配置することにより、チョークコイルＬ１が構成される。尚、磁性体コア上部１０ａと磁性体コア下部１０ｂとが当接する導電バー１２に対して左右の面の内、一方については当接せず隙間（スリットと言う）を設けてもよい。これにより、導電バー１２の中央部１２ｃに対して周方向に周回する経路の一部が不連続となる、いわゆるコアギャップを形成し、磁性体コア上部１０ａと磁性体コア下部１０ｂとからなる磁性体コア１０における磁気抵抗を調整して磁気飽和の発生を防止することができる。スリットの幅を調整することにより、磁気抵抗を調整して磁気飽和を抑制し、ノイズ成分の除去に必要なチョークコイルＬ１のインダクタンスを確保することができる。

ここで、導電バー１２の伸長方向は、磁性体コアを貫通する貫通方向に相当する。

リード部材１３および１４は、図１にした実装基板７を接続するためのものであり、例えば銅、ニッケル、あるいは鉄等の導電性の金属材料で形成されている。リード部材１３および１４は、図２に示すように、板状であり、実装基板７に向かって導電バー１２に対して略垂直方向に伸びる１３ｂおよび１４ｂと略水平方向に屈曲した１３ａおよび１４ａとから形成されている。そして、リード部材１３および１４の１３ａおよび１４ａは、導電バー１２の中央部１２ｃの幅と略同一かまたはやや狭い幅になっており、リード部材１３および１４が導電バー１２に接続した状態で磁性体コア上部１０ａと磁性体コア下部１０ｂとが合わさって形成される磁性体コア１０の中空部（コの字状溝１０ｃ）を干渉することなく貫通させて組み付けることができる。また、リード部材１３および１４の１３ｂおよび１４ｂの上部には、後述する実装基板７を接続するためのボルト穴１３ｃおよび１４ｃが設けられている。

第１実施形態のノイズフィルタ１では、最初に、図２の矢印Ａに示すように、リード部材１３および１４の１３ａおよび１４ａを導電バー１２に接続する。接続方法としては、溶接して接続してもよいし、半田付けにて接続してもよい。また、図示しないネジを用いて接続してもよい。そして、図３（ａ）の矢印Ｂに示すように、リード部材１３および１４を接続した導電バー１２を磁性体コア上部１０ａと磁性体コア下部１０ｂとで挟んで、図３（ｂ）に示すように、ノイズフィルタ１が組み付けられる。

組み付けられたノイズフィルタ１は、図４に示すように、樹脂材料により形成されるモールド２０でモールドされる。図４に示すように、モールド２０により、リード部材１３および１４の上端部を除く部分までモールドすることにより、リード部材１３および１４の大部分が樹脂で覆われる。そのため、大気に触れることを防止して、リード部材１３および１４の腐食を抑止することができる。

次に、モールドされたノイズフィルタ１に実装基板７を接続する方法を説明する。図５および図６は、ノイズフィルタ１に実装基板７を取り付ける手順の説明する斜視図である。

図５（ａ）に示すように、モールド２０の上面には凹部２０ａおよび２０ｂが設けられている。凹部２０ａおよび２０ｂは、その中にナットネジ２１、２１が収められて凹部２０ａおよび２０ｂ内でナットネジ２１、２１が移動不可の程度の幅および深さになっている。そして、図５（ａ）の矢印Ｃ、Ｃに示すように、ナットネジ２１、２１がモールド２０の凹部２０ａおよび２０ｂ内に挿入した後、リード部材１３および１４の上端部を矢印Ｄ、Ｄに示す方向に折り曲げる。この時、リード部材１３および１４のボルト穴１３ｃおよび１４ｃが、凹部２０ａおよび２０ｂに挿入されたナットネジ２１、２１のネジ穴に一致するように、予め、凹部２０ａおよび２０ｂの位置が設定されている。図５（ｂ）には、リード部材１３および１４の上端部が折り曲げられた状態を示す。

図６（ａ）に示すように、実装基板７に設けられた２つの取り付け穴７ａ、7ａに取り付けネジ２２、２２を挿入後、リード部材１３および１４のボルト穴１３ｃおよび１４ｃに挿入して、モールド２０の凹部２０ａおよび２０ｂ内のナットネジ２１、２１と嵌合させて、図６（ｂ）に示すように、実装基板７をネジ２２、２２によりネジ留めしてノイズフィルタ１に取り付ける。尚、実装基板７を取り付けた際に、リード部材１３および１４に接する実装基板７の取り付け穴７ａ、7ａの周囲は実装基板７に実装されるコンデンサなどを接続するパターンが形成されており、実装基板７をノイズフィルタ１に取り付けることにより、例えば、図１に示すように、実装基板７に実装されたコンデンサＣ１やＣ２に接続され、上記のようなノイズフィルタモジュールとして機能する。

上述のノイズフィルタ１によれば、導電バー１２と実装基板７とを最短のリード部材１３および１４で接続することができるため、リード部材１３および１４の寄生容量や寄生インダクタンスを低く抑えることができる。これにより、ノイズフィルタモジュールとしての特性を向上させることができる。また、先にリード部材１３および１４を導電バー１２に接続することにより、リード組付け工程を容易化することができる。そのため、部品コストや製造コストを低減することができる。また、モールド２０を比較的単純な形状にすることができることから、実装基板７の大きさや形状が制約されにくくなり、顧客の要望に応じたコンデンサを実装することが可能になり、顧客の要望に対して柔軟に対応可能なノイズフィルタモジュールを提供することができる。また、リード部材１３および１４を含めて一体成形することができることから、導電バー１２とリード部材１３および１４との接続部において振動や衝撃に対する耐性も向上し、ノイズフィルタモジュールとしての信頼性も向上することができる。

次に、本願に係る第２実施形態のノイズフィルタ２について説明する。図７は、第２実施形態のノイズフィルタ２の分解斜視図である。図８（ａ）は、ノイズフィルタ２の組み付け状態を示す斜視図であり、図８（ｂ）は、ノイズフィルタ２をモールドした状態の斜視図である。

ノイズフィルタ２では、上述のリード部材１３および１４の代わりにコネクタ３０および３１を採用する。図７の矢印Ｅ、Ｅに示すように、コネクタ３０およびコネクタ３１の接続ピン３０ａおよび３１ａを導電バー１２に半田付けなどにより接続した後、図８（ｂ）に示すように、樹脂材料により形成されるモールド４０でモールドされる。モールド４０の上面には、（図示しない）実装基板を取り付けるための円形の凹部４０ａが４箇所設けてある。本実施形態では、凹部４０ａは４箇所設けてあるが、２箇所以上であればよいのであって、その数は限定するものではない。そして、実装基板の下面側には、コネクタ３０およびコネクタ３１とは反対極のコネクタが実装されており、実装基板をコネクタ３０およびコネクタ３１とコネクタ接続してモールド４０にネジ留めなどにより取り付ける。コネクタ接続だけで実装基板が保持可能であれば、ネジ留めなどは必要がない。この場合、実装基板の取り付けや取り外しが容易になり、組み付け作業が容易になる。

ここで、スイッチング電源５は電子機器の一例であり、ノイズフィルタ１および２は出力ノイズ低減装置の一例であり、導電バー１２は導電バーの一例であり、磁性体コア１０は磁性体コアの一例であり、実装基板７は実装基板の一例であり、リード部材１３、１４およびコネクタ３０、３１はリード部材の一例であり、モールド２０、４０はモールド部材の一例である。

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明はかかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものでなく、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることが、理解されるべきである。

例えば、上記実施形態ではノイズフィルタモジュールはＣＬＣ型（π型）のノイズフィルタとしたが、信号経路を伝搬する伝導ノイズによっては、ＬＣ型（Ｌ型）のノイズフィルタを採用してもよい。

上記第１実施形態では、ナットネジ２１、２１で実装基板７を取り付けたが、リード部材１３および１４のボルト穴１３ｃおよび１４ｃをネジ２２の雄ネジに嵌合する雌ネジに加工することにより、ナットネジ２１、２１を不要にすることができる。

また、リード部材は上記実施形態に限定されるものではなく、図９に示すように、導電バー１２に導電性材料で形成した棒状のリードピン５０を採用してもよい。この場合、実装基板にリードピン５０を貫通する穴を設け、直接半田付けなどで実装基板と導電バー１２とを接続すれば、部品コストがさらに低減することができる。

１、２・・ノイズフィルタ
３・・金属筐体
５・・スイッチング電源
７・・実装基板
１０・・磁性体コア
１２・・導電バー
１３、１４・・リード部材
２０、４０・・モールド
３０、３１・・コネクタ

Claims (3)

1. 実装基板を接続して電子機器からの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であって、
   導電性材料により形成され、一方の端部を前記電子機器に係る出力端に接続する接続端子とし、他方の端部を出力端子とする導電バーと、
   磁性材料により形成され、前記導電バーが貫通する貫通孔を有する磁性体コアと、
   前記実装基板を前記接続端子および前記出力端子に接続するための導電性部材により形成した第１のリード部材および第２のリード部材とを備え、
   前記導電バーの前記磁性体コアと前記接続端子との間に前記第１のリード部材を、前記導電バーの前記磁性体コアと前記出力端子との間に前記第２のリード部材を、それぞれ接続した状態で、前記接続端子および前記出力端子を除く導電バーと、前記実装基板に接続する端部を除く第１のリード部材および第２のリード部材と、前記磁性体コアとが、樹脂材料により形成されるモールド部材によりモールドされることを特徴とする出力ノイズ低減装置。
2. 前記第１のリード部材および前記第２のリード部材は、前記実装基板に向かって前記導電バーに対して略垂直方向に伸長するとともに、前記導電バーに接続する端部が略水平方向に屈曲して形成されており、前記第１のリード部材および前記第２のリード部材の前記屈曲した端部が前記磁性体コアの前記貫通孔内に位置して前記導電バーに接続されることを特徴とする請求項１に記載の出力ノイズ低減装置。
3. 前記第１のリード部材および前記第２のリード部材は、前記実装基板に接続されるコネクタであることを特徴とする請求項１または２に記載の出力ノイズ低減装置。

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