(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器を構成する半導体スイッチ素子のスイッチング動作に伴って発生するスイッチングノイズを濾波するためのノイズフィルターであって、ＢａＴｉＯ３を主成分とし、ＢａＳｎＯ３を副成分とし、さらに添加剤としてＡｌ２Ｏ３を含有するか、またはＢａＴｉＯ３を主成分とし、ＢａＺｒＯ３およびＣａＴｉＯ３を含み、さらに添加剤としてＢａ（Ｚｎｘ、Ｎｂ１−ｘ）Ｏ３（ｘ＝０．４〜０．８）を含有する誘電体セラミックスからなり、厚さが１００μｍ〜１ｍｍで交流絶縁耐電圧が３０００Ｖ以上である誘電体シートの両面にそれぞれ導体を対向して配置し、該誘電体シートおよび導体が一体となってインダクタの機能とコンデンサの機能とを兼ね備える回路を形成し、前記２つの導体のうち一方の導体に前記電力変換器の主回路の電流を通流し、前記２つの導体のうち他方にはアース線が接続されていて前記一方の導体から前記誘電体シートを介して流れ込む前記スイッチングノイズに基づく電流をアースに導くことを特徴とするノイズフィルター。
【請求項２】
前記誘電体セラミックスが、ＢａＴｉＯ３を主成分とし、ＢａＳｎＯ３を副成分とし、さらに添加剤としてＡｌ２Ｏ３を１〜６モル％の範囲内で含有する誘電体セラミックスであることを特徴とする請求項１に記載のノイズフィルター。
【請求項３】
前記誘電体セラミックスが、ＢａＴｉＯ３を主成分とし、ＢａＺｒＯ３およびＣａＴｉＯ３を含み、さらに添加剤としてＢａ（Ｚｎｘ、Ｎｂ１−ｘ）Ｏ３（ｘ＝０．４〜０．８）を０．５〜６モル％の範囲内で含有する誘電体セラミックスであることを特徴とする請求項１に記載のノイズフィルター。
【請求項４】
前記インダクタの機能とコンデンサの機能とを兼ね備える回路が、渦巻き形状を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のノイズフィルター。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のノイズフィルターを２つ以上直列状態で接続することを特徴とするノイズフィルター。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載のノイズフィルターを２つで１セットとし、該セットを２個以上並列状態で接続することを特徴とするノイズフィルター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバーターなどの電力変換器を構成する半導体スイッチ素子のスイッチング動作に伴って発生するスイッチングノイズを濾波するノイズフィルターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバーターなどの電力変換器を構成する半導体スイッチ素子のスイッチング動作は、キャリア周波数を数ｋＨｚから十数ｋＨｚ程度にパルス幅変調（ＰＷＭ）された駆動信号に基づいて行われ、このスイッチング動作に際して、数十ｋＨｚ以上の周波数成分のスイッチングノイズがこの電力変換器から発生する。
【０００３】
近年、上記スイッチングノイズの周波数成分のうち、百ｋＨｚ以上の成分が外部機器に与える悪影響を抑制すべく、電力変換器に種々の法的規制が敷かれている。このような規制に対応するために電力変換器用のノイズフィルターを電力変換器に設置している。
【０００４】
この種の電力変換器用ノイズフィルターとしては、フェライト、非晶質合金、結晶合金などからなるコアに電線を巻回してなる単体のリアクトルと、フィルムやチップなどからなる単体のコンデンサとを、例えば逆Ｌ形に接続してノイズフィルターを構成したものが知られている。
【０００５】
半導体スイッチ素子のスイッチング動作に伴って発生するスイッチングノイズは、かかるノイズフィルターによって濾波されるが、この種のノイズフィルターとして用いられるリアクトルは一般にトロイダル形状をしており、また、コンデンサはピン挿入型で扁平状、円筒状などの形状をしているので、これらを電力変換器の内部のプリント基板上に実装する場合、個々の体積以上の実装空間を必要とするという問題があった。また、この種のノイズフィルターを個別配線により装着する場合には、接続箇所が多く、個々の部品の固定方法も複雑になるという問題があった。
【０００６】
この問題を解決するため、渦巻き形状またはフープ形状に加工した金属線からなるノイズフィルターが提案された。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明においては十分な交流絶縁耐電圧（Break Down Voltage）（以下、「ＢＤＶ（ＡＣ）」と表す）を確保する必要がある。具体的には、ＢＤＶ（ＡＣ）がＡＣ３０００Ｖを確保する必要があるが、提案されたノイズフィルターでは、かかる要求を満足させることができなかった。特に、高い誘電率を有し、かつ厚さが薄く小型の誘電体シートを用いたノイズフィルターであって、しかもＢＤＶ（ＡＣ）がＡＣ３０００Ｖを満たすものは存在しなかった。また、従来の製造方法は複雑であり、実用的ではなく、またコストの面においても問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決すべくなされたものであり、本発明の目的は、高い誘電率および高いＢＤＶ（ＡＣ）を有し、かつ小型で薄型のノイズフィルターを提供することにある。また、本発明の他の目的は、製造コストの安いノイズフィルターを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のノイズフィルターは、電力変換器を構成する半導体スイッチ素子のスイッチング動作に伴って発生するスイッチングノイズを濾波するためのノイズフィルターであって、ＢａＴｉＯ３を主成分とし、ＢａＳｎＯ３を副成分とし、さらに添加剤としてＡｌ２Ｏ３を含有するか、またはＢａＴｉＯ３を主成分とし、ＢａＺｒＯ３およびＣａＴｉＯ３を含み、さらに添加剤としてＢａ（Ｚｎｘ、Ｎｂ１−ｘ）Ｏ３（ｘ＝０．４〜０．８）を含有する誘電体セラミックスからなり、厚さが１００μｍ〜１ｍｍで交流絶縁耐電圧が３０００Ｖ以上である誘電体シートの両面にそれぞれ導体を対向して配置し、該誘電体シートおよび導体が一体となってインダクタの機能とコンデンサの機能とを兼ね備える回路を形成し、前記２つの導体のうち一方の導体に前記電力変換器の主回路の電流を通流し、前記２つの導体のうち他方にはアース線が接続されていて前記一方の導体から前記誘電体シートを介して流れ込む前記スイッチングノイズに基づく電流をアースに導くことを特徴とする。
【００１０】
ここで、誘電体セラミックスは、ＢａＴｉＯ3 を主成分とし、ＢａＳｎＯ3 を副成分とし、さらに添加剤としてＡｌ2 Ｏ3 を１〜６モル％の範囲内で含有する誘電体セラミックスであることができる。
【００１１】
また、誘電体セラミックスは、ＢａＴｉＯ3 を主成分とし、ＢａＺｒＯ3 およびＣａＴｉＯ3 を含み、さらに添加剤としてＢａ（Ｚｎx 、Ｎｂ1-x ）Ｏ3 （ｘ＝０．４〜０．８）を０．５〜６モル％の範囲内で含有する誘電体セラミックスであることができる。
【００１２】
ここで、インダクタの機能とコンデンサの機能とを兼ね備える回路は、渦巻き形状を有することができる。
【００１３】
また、ノイズフィルターを２つ以上直列状態で接続してもよい。
【００１４】
また、ノイズフィルターを２つで１セットとし、このセットを２個以上並列状態で接続してもよい。
【００１５】
本発明によれば、誘電体シートに用いられてきた従来の誘電率の高いＢａＴｉＯ3 系セラミックスの組成を改良することにより、ＢＤＶ（ＡＣ）を向上させることができる。かかる効果は、ＢａＴｉＯ3 の粒子と粒子との間の粒界を、誘電率は低いがＢＤＶ（ＡＣ）が高い添加物で満たすことにより、セラミックス全体のＢＤＶ（ＡＣ）を向上させることによるものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、各図において、同一機能を有する部材は同一符号を付して表した。
【００１７】
図１（ａ）はノイズフィルターの外観を、図１（ｂ）はノイズフィルターを図１（ａ）の線ＡＡで切ったときの断面図を示す。
【００１８】
図１（ａ）および図１（ｂ）において、２は誘電体シートであり、本発明においては、ＢａＴｉＯ3 系セラミックスからなる。なお、ＢａＴｉＯ3 系セラミックスについては後述する。
【００１９】
誘電体シート２の厚さは、１００μｍ〜１ｍｍ位の範囲内であることが好ましく、特に０．５〜０．９ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００２０】
誘電体シート２の一方の面（表面）には、インダクタ兼コンデンサの機能をもつ渦巻き形状のパターンのインダクタ用導体１が形成されている。インダクタ用導体１は、主回路（例えば、電力変換器の回路）の電流を通流させる機能を有する。なお、インダクタ用導体１は、渦巻き状のコイルパターンと、このコイルパターンと同形状の打ち抜き状コイルとが半田付けされた二層構造でもよく、この構造では打ち抜きコイルが電流を通流させる機能を有する。
【００２１】
誘電体シート２の他方の面（裏面）には、インダクタ用導体１と対向した位置にアース用導体３が形成されている。アース用導体３は、両末端がリード線と接合されていて、ノイズ成分の電流を通流させる機能を有する。ここでいう「ノイズ成分の電流」とは、インダクタ用導体１における主回路パターンに流れる電流が誘電体シート２を介してアース用導体３に流れ込むノイズ成分による電流をいう。
【００２２】
なお、誘電体シート２には、複数枚のノイズフィルターを積層する際、ノイズフィルター相互の位置決めをしたり固定するために利用される貫通孔（図示せず）が予め形成されていてもよい。
【００２３】
このノイズフィルター１０を複数枚積層して用いる場合には、各ノイズフィルターのインダクタ用導体の端部同士を直列状態で接続し、接続されない２つの端部を電気的な入出力端子として利用することができる。同様に、アース用導体も直列状態で接続して用いることができる。ただし、複数枚のノイズフィルターを積層する場合には、各ノイズフィルター間に絶縁シートが挟持されている。
【００２４】
図２（ａ）〜（ｃ）は、４枚のノイズフィルターを積層して用いる電力変換器用ノイズフィルターの構成を概念的に示す斜視図であり、図２（ａ）および（ｃ）は磁性体分割コアの外観を示す斜視図であり、（ｂ）はノイズフィルターを４個積層した状態を示す斜視図である。
【００２５】
図２（ｂ）に示すようにノイズフィルター１０には中央部分にそれぞれ貫通孔１１が予め形成されていて、ノイズフィルターを積層する際の相互固定に利用される。この積層したノイズフィルターを上下方向から図２（ａ）に示す磁性体分割コア４ａおよび図２（ｃ）に示す磁性体分割コア４ｂを用いて挟み込み、高分子樹脂材料等で封止する。これにより、４個のノイズフィルター１０が一筺体内に収められることになる。なお、磁性体分割コア４ａ，４ｂ内の中央部には、位置決めおよび固定用の突起部１１ａ，１１ｂがそれぞれ形成されている。また、磁性体分割コア４ａ，４ｂは、入出力端子のリード線を外部に取り出すために、一辺に開口部１２ａ，１２ｂが形成された構造となっている。磁性体分割コア４ａ，４ｂの材料としては、例えばフェライトコアを用いることができる。
【００２６】
本発明においては４個のノイズフィルターは２個を直列状態で接続したものを１セットとし、この１セットを２個並列状態で用いてもよい。図２（ｂ）に示すように、１セットの一方のノイズフィルター１０の渦巻き形状のパターンを逆巻きパターンとすることにより、貫通孔１１を通して導体の端部を容易に接続することができる。この場合には、各セットの一端を入力導体に、他方の一端を電力変換器等にそれぞれ接続して用いる。かかる２セットのノイズフィルターを用いる場合の製造方法は、特願平９−２３３０８０号明細書第１０〜１４頁に開示されている。
【００２７】
ノイズフィルターを複数枚接続することにより、コイルのターン数を増やし、インダクタを向上させることができる。
【００２８】
本発明において、誘電体シート２はＢａＴｉＯ3 系セラミックスからなる。かかるＢａＴｉＯ3 系セラミックスは２成分系でも３成分系でもよいが、これらに限定されるものではない。例えば２成分系としては、ＢａＴｉＯ3 −ＢａＳｎＯ3 を主成分としＡｌ2 Ｏ3 を１〜６モル％含有する誘電体セラミックスであることが好ましい。かかる誘電体セラミックスでは、ＢａＴｉＯ3 系セラミックス粒界にＡｌ2 Ｏ3 を析出させることによって、誘電率を低下させることなくＢＤＶ（ＡＣ）特性を向上させることができる。ここで、Ｓｎはキュリー温度を低温側にシフトさせるためのシフターである。ＢａＴｉＯ3 とＢａＳｎＯ3 の割合は適宜選択することができるが、本発明においては、ＢａＴｉＯ3 ：ＢａＳｎＯ3 ＝０．９５：０．０５〜０．７０：０．３であることが好ましく、さらにはＢａＴｉＯ3 ：ＢａＳｎＯ3 ＝０．７５：０．２５であることが特に好ましい。
【００２９】
ＢａＴｉＯ3 系セラミックスの比誘電率は、キュリー温度付近（約１２０℃）では６０００〜７０００であるが、何も添加しないＢａＴｉＯ3 およびＢａＳｎＯ3 のみからなる誘電体セラミックスを用いるとＢＤＶ（ＡＣ）特性は非常に低くなり、電力変換用ノイズフィルターに要求される交流（ＡＣ）で３０００Ｖ以上のＢＤＶ（ＡＣ）を満たすことができない。誘電体シートの厚さを厚くすれば３０００Ｖ以上のＢＤＶ（ＡＣ）を達成することはできるが、コンデンサとしての容量が低下してしまう。また、ノイズフィルターの小型化のためにはその厚さはできるだけ薄いほうがよい。
【００３０】
また３成分系としては、ＢａＴｉＯ3 を主成分とし、ＢａＺｒＯ3 を副成分とし、かつＣａＴｉＯ3 を含み、さらに添加剤としてＢａ（Ｚｎx ，Ｎｂ1-x ）Ｏ3 を０．５〜６モル％含有する誘電体セラミックスであることが好ましい。ただし、ｘ＝０．４〜０．８であり、ｘ＝０．５であることが特に好ましい。ここでＺｒはシフターであり、Ｃａはキュリー温度付近での誘電率の温度特性を平坦化するためのデプレッサーである。Ｂａ（Ｚｎx ，Ｎｂ1-x ）Ｏ3 は常誘電性であり、これを添加することによりＢＤＶ（ＡＣ）特性を向上させることができる。３成分を構成するＢａＴｉＯ3 とＢａＺｒＯ3 とＣａＴｉＯ3 の割合は適宜選択することができるが、本発明においては、ＢａＴｉＯ3 ：ＢａＺｒＯ3 ：ＣａＴｉＯ3 ＝０．７〜０．９：０．１５〜０．２５：０．０１〜０．１であることが好ましく、さらにはＢａＴｉＯ3 ：ＢａＺｒＯ3 ：ＣａＴｉＯ3 ＝０．７５：０．２０：０．０５であることが特に好ましい。
【００３１】
【実施例】
以下に実施例を用いて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３２】
実施例１
誘電体シートが２成分系のＢａＴｉＯ3 系セラミックスである場合について検討する。図３に、誘電体セラミックスとして０．７５ＢａＴｉＯ3 −０．２５ＢａＳｎＯ3 にＡｌ2 Ｏ3 を添加した場合の、その添加量とＢＤＶ（ＡＣ）との関係およびその添加量と比誘電率との関係を示す。Ａｌ2 Ｏ3 の添加量に対するＢＤＶ（ＡＣ）の値は左縦軸から、Ａｌ2 Ｏ3 の添加量に対する比誘電率（εr ）の値は右縦軸から読みとる。ただし、誘電体セラミックスの焼成温度は１３５０℃である。
【００３３】
電力変換用ノイズフィルターの誘電体シートに用いられる誘電体セラミックスの仕様は、比誘電率が約３０００、ＢＤＶ（ＡＣ）が実行値で３０００Ｖ以上を満足することが必要である。したがって、誘電体シートの厚さが０．７ｍｍである場合にはＢＤＶ（ＡＣ）４３００Ｖ／ｍｍの電界強度が必要であり、また比誘電率は３０００以上が必要である。これらの値を満足するＡｌ2 Ｏ3 の添加量は、図３のグラフから３〜６モル％であればよいことが分かる。また、誘電体シートの厚さが１ｍｍならば、ＢＤＶ（ＡＣ）３０００Ｖ／ｍｍ以上の電界強度が必要であり、かつ比誘電率が３０００以上を満たさなければならないので、図３のグラフからＡｌ2 Ｏ3 の添加量は１〜６モル％であることが分かる。誘電体シートの厚さは適宜選択されるものであり、その厚さに従って、０．７５ＢａＴｉＯ3 −０．２５ＢａＳｎＯ3 を主成分とするセラミックスではＡｌ2 Ｏ3 は１〜６モル％の範囲内の量で添加されるとよいことが分かった。
【００３４】
かかる誘電体セラミックスを用いて図１に示すようなノイズフィルターを作製した。これを４枚用いて２枚ずつの２セットとし、これを図２に示すような磁性体分割コアに実装した。磁性体分割コアの開口部からは、１セットめのノイズフィルターの入出力端子と、２セットめのノイズフィルターの入出力端子とがリード線で引き出された形となる。これらの突出したリード端子をプリント配線基板のソケット等にピン挿入された形で表面実装の形で半田接合し、基板と一体化された１つの実装部品を作製した。
【００３５】
実施例２
誘電体シートが３成分系のＢａＴｉＯ3 系セラミックスである場合について検討する。図４に、誘電体セラミックスとして０．７５ＢａＴｉＯ3 −０．２０ＢａＺｒＯ3 −０．０５ＣａＴｉＯ3 にＢａ（Ｚｎ0.5 ，Ｎｂ0.5 ）Ｏ3 を添加した場合における、ＢＤＶ（ＡＣ）または比誘電率に及ぼす影響を示す。Ｂａ（Ｚｎ0.5 ，Ｎｂ0.5 ）Ｏ3 の添加量に対するＢＤＶ（ＡＣ）の値は左縦軸から、Ｂａ（Ｚｎ0.5 ，Ｎｂ0.5 ）Ｏ3 の添加量に対する比誘電率（εr ）の値は右縦軸から読みとる。ただし、焼成温度は１２００℃である。
【００３６】
電力変換用ノイズフィルターの誘電シートに用いられる誘電セラミックスの仕様は、上述のとおり、比誘電率が約３０００、ＢＤＶ（ＡＣ）が実行値で３０００Ｖ以上を満足することが必要である。したがって、誘電体シートの厚さが０．５ｍｍである場合にはＢＤＶ（ＡＣ）６０００Ｖ／ｍｍの電界強度が必要であり、また比誘電率は３０００以上が必要である。これらの値を満足するＢａ（Ｚｎ0.5 ，Ｎｂ0.5 ）Ｏ3 の添加量は、図４のグラフから１．８〜６モル％であり、２モル％の添加でＡＣ３０００Ｖ以上のＢＤＶ（ＡＣ）を達成することができることが分かる。また、誘電体シートの厚さが１ｍｍならば、ＢＤＶ（ＡＣ）３０００Ｖ／ｍｍ以上の電界強度が必要であり、かつ比誘電率が３０００以上を満たさなければならないので、図４のグラフからＢａ（Ｚｎ0.5 ，Ｎｂ0.5 ）Ｏ3 の添加量は０．５〜６モル％であることが分かる。よって誘電体シートの厚さにしたがって、０．７５ＢａＴｉＯ3 −０．２０ＢａＺｒＯ3 −０．０５ＣａＴｉＯ3 を主成分とするセラミックスではＢａ（Ｚｎ0.5 ，Ｎｂ0.5 ）Ｏ3 を０．５〜６モル％の範囲内で添加すればよいことが分かった。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、高い誘電率と高いＢＤＶを有し、かつ小型で厚さが薄いノイズフィルターを得ることができた。また、本発明によれば、簡単な製造工程により作製されるので実装が容易で、安価なノイズフィルターを得ることができた。さらに本発明においては、薄い誘電体シートを使用するので、大きな静電容量を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はノイズフィルターの模式的斜視図であり、（ｂ）は（ａ）における線ＡＡで切った時の断面図である。
【図２】（ａ）は磁性体分割コアの斜視図を示し、（ｂ）はノイズフィルターの斜視図を示し、（ｃ）は磁性体分割コアの斜視図を示す。
【図３】ＢａＴｉＯ3 −ＢａＳｎＯ3 系セラミックスのＢＤＶ（ＡＣ）または比誘電率とＡｌ2 Ｏ3 の添加量との関係を示すグラフである。
【図４】ＢａＴｉＯ3 −ＢａＺｒＯ3 −ＣａＴｉＯ3 系セラミックスのＢＤＶ（ＡＣ）または比誘電率のＢａ（Ｚｎ0.5 ，Ｎｂ0.5 ）Ｏ3 の添加量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  インダクタ用導体
２  誘電体シート
３  アース用導体
４ａ，４ｂ  磁性体分割コア
１０  電力変換用ノイズフィルター
１１  貫通孔
１１ａ，１１ｂ  突起部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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