JP2004214534A

JP2004214534A - シールドボックスおよび電子機器

Info

Publication number: JP2004214534A
Application number: JP2003002100A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Sugimoto; 聡杉本; Shinichi Nishimura; 晋一西村; Toru Otaki; 徹大滝
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】プリント配線板上のデジタル信号動作によって流れる高周波成分の電流により発生する、シールドボックス全体から空洞共振により放射される放射ノイズを抑制する。
【解決手段】シールドボックスに覆われたプリント配線板から放射される特定の周波数の電磁波を、金属性のアンテナ部材を、プリント配線板と導通のない状態で、シールドボックス内に配置する事により抑制する。金属製のアンテナ部材の長さを調整する事により、抑制したい周波数を確実に抑制することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器内に備えられたプリント配線板やケーブルから発生する、放射ノイズを抑制するシールドボックスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタル複写機や、デジタルプリンタ等の電子機器に搭載されるプリント配線板の駆動には高周波数の信号が使用され、プリント配線板自体やケーブル等から発生する不要な電磁波、所謂、放射ノイズが大きな問題となっている。そのため放射ノイズを防ぐために、プリント配線板やケーブルを金属筐体で覆い、シールドを形成する対策がとられている。これは、プリント配線板やケーブル上に流れる高周波電流から発生する電磁波を外部と遮蔽することを目的に行われ、シールドボックスを形成する導体上には、プリント配線板やケーブルの状態に応じた電流が流れる事になる。
【０００３】
一般に、周波数が高くなると、導体上を流れる電流は、表皮効果によって、導体の表面のみを流れることになる。そのため、電子機器の動作に伴う様々な電気信号の送受信を行うプリント配線板やケーブルに対してシールドを施すと、シールドボックスを形成する導体の内側表面に電流が流れ、プリント配線板やケーブルから発生する電磁波を遮蔽する。
【０００４】
しかしながら、シールドボックスで覆われたプリント配線板が単独で電子機器の機能を満たすことはほとんどなく、シールドボックスには、外部とのインターフェースとなるケーブルをシールドボックス内に引き込む開口部や、プリント配線板上のＩＣなどから発生する熱を放熱するための開口部が必要となっている。シールドボックスに開口部が形成されることによって、高周波数の電流は、シールドボックスの外側の導体表面にも流れやすくなり、その結果、電磁波ノイズとして機器外に漏れ出てしまう。その上、シールドボックスに開口部が出来ると、開口部の大きさに応じて、共振現象が発生してしまうため、特定の周波数の放射ノイズが多量に漏れ出てしまう。
【０００５】
例えば、図５に示すように直方体のシールドボックス１に、細長い四角形の開口部を設けた場合に、開口部がスロットアンテナとして作用し、特定の周波数が発生しやすくなる。開口部の長辺の長さｘに対応して、（式１）に示す周波数ｆとその整数倍の周波数で、開口部に強い電界が発生しやすくなる。また、シールドボックス導体の開口部付近は、相互に打ち消しにくい電流分布となり、結果として、シールドボックスの遮蔽効果が作用せず、放射ノイズがでやすくなる。
【０００６】
【外２】

【０００７】
シールドボックスの開口部が原因となる放射ノイズを対策する従来の方法として、開口部の開口幅を短くする事が一般に知られている。これは、放射ノイズが問題として取り扱われる周波数（例えば３０ＭＨｚ〜１ＧＨｚ）に対して、開口幅を短く設定することで、開口部がスロットアンテナとして作用する周波数を、より高周波数域に除外するものである。例えば、開口幅を１５ｍｍ以下に設定する事により、スロットアンテナとして作用する周波数を１ＧＨｚ以上にする事ができ、１ＧＨｚ以下の放射ノイズの発生を抑制する事ができる。
【０００８】
また、特開平８−３２７６２に示すように、シールドボックスに設けられたＣＣＤセンサーに画像光を走査露光するための開口から、ＣＣＤセンサーから放射されるノイズが漏れ出るのを防ぐため、シールドボックスの開口部の形状を筒状に変化させることで、共振現象を引き起こす周波数減衰させ、放射ノイズを抑制する手段が考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、近年の電気信号の高速化に伴い、高調波成分も含めて電気信号の高周波化が進み、シールドボックスから漏れ出る電磁波の量も増加している。また、ＩＣの高機能化に伴う回路規模の増大によって、プリント配線板自体の面積やケーブル配線数の増加を招いており、それを覆うシールドボックスの大きさも大きくなってきている。また、更にＩＣの高速動作に伴う発熱量も増加しており、シールドボックスに作られる放熱用の開口部も大きくせざるを得ないのが現状である。
【００１０】
前述した開口部からの放射ノイズだけでなく、空洞共振周波数によりシールドボックスから放射される放射ノイズの問題も顕在化している。空洞共振周波数は、シールドボックスの形状や材質特性などによって決まり、例えば、図６に示すような良導体で、各辺の長さがそれぞれＸ、Ｙ、Ｚの直方体を形成している場合には、式（２）に示す周波数ｆ_ｂｏｘで共振現象を引き起こすことになる。
【００１１】
【外３】

この式で、ｍ、ｎ、ｐは伝播のモードを表している。ｆ_ｂｏｘの最低周波数は、例えば（ｍ，ｎ，ｐ）＝（１，１，０）の時は式（３）で表され、その時の周波数でシールドの導体上には、定常的に打ち消されない電流分布が形成される。
【００１２】
【外４】

【００１３】
これは周波数ｆ_ｂｏｘの整数倍の周波数でも同様に形成される。そのため、周波数ｆ_ｂｏｘとその整数倍の周波数で放射ノイズが発生し、シールドボックスの遮蔽効果が作用しなくなる。
【００１４】
空洞共振周波数によりシールドボックスから放射される放射ノイズは、シールドボックス全体から放射されるため、前記特開平８−３２７６２に示された方法では、充分な対策はできない。逆に、空洞共振周波数はシールドボックスの形状により変化するため、ノイズの発生要因が複雑になり、解決が困難になってしまうという問題点もある。
【００１５】
また、発生する放射ノイズの周波数は、設計された回路の配置や形状、配線方法、シールドボックスの形状等により決まり、通常、いくつかのピークとして現れる。従って、この放射ノイズのピークとなる周波数を効率的に減衰することが、電磁波ノイズ対策には重要であり望まれている。しかしながら前記特開平８−３２７６２に示したような従来の方法は、所定範囲の周波数の放射ノイズを、所定の割合で減衰するものの、この特定のピークとなる周波数に対し、個別に対策をする事ができなかった。また、この最も対策しなければならない電磁波ノイズのピークとなる周波数は設計変更等があると大きく変化する。そのため、設計変更等に対応するためには、ローコストで簡単な構成での対策が望まれる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明では、高周波デジタル信号を伝送するプリント配線板と、該プリント配線板を取り囲み、プリント配線板から放射される電磁波放射を減衰もしくは遮断する導電性シールドボックスにおいて、該プリント配線板から放射される特定の周波数の電磁波を吸収する、少なくとも１本の金属性のアンテナ部材を、該プリント配線板と導通していない状態で、シールドボックス内に配置した事により、シールドボックスから漏れ出る放射ノイズを抑制させている。
【００１７】
また本発明では上記アンテナ部材を、減衰する周波数ｆに対して、
【外５】

（ｃは光速）の長さを持つ金属部材で構成する事により、シールドボックスの開口部から漏れ出る放射ノイズを抑制させている。
【００１８】
また本発明では、前記減衰する周波数はシールドボックスの空洞共振周波数である事により、シールドボックスからの放射ノイズを抑制させている。
【００１９】
また本発明では、前記アンテナ部材と、導電性のシールドボックスとは、特定のインピーダンスを有する素子で接続する事により、シールドボックスからの放射ノイズを抑制させている。
【００２０】
また本発明では、前記インピーダンスを有する素子は、抵抗性を有することを特徴とする事により、シールドボックスからの放射ノイズを抑制させている。
【００２１】
また本発明では、前記シールドボックスを備えた事を特徴とするシールドボックスを備えた電子機器を提供している。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について説明する。
【００２３】
本発明は、アンテナ部材が特定の周波数の電磁波を放射すると同時に、特定の周波数の電磁波を吸収する特性を利用し、シールドボックスから放射されるノイズを低減するものである。プリント配線板やケーブルなどを覆うシールドボックスの構成において、導体で形成されるシールドボックスの内部にプリント配線板やケーブルなどから発生する電磁波を、吸収するための金属製のアンテナ部材を形成し搭載する。
【００２４】
まず、アンテナ部材を搭載することにより、シールドボックスから漏れ出る電磁波の総量を減らす原理について説明する。このアンテナ部材は、その長さを、式（４）に示す長さＬに概略設定する事で、周波数ｆの電磁波を吸収する事が知られている。
【外６】

【００２５】
従って、電子機器から発生する放射ノイズの周波数ｆに対応して、Ｌを設定する事で、プリント配線板などから発生する電磁波に対して、アンテナの相反性を利用して、搭載部材に電磁波を吸収する作用を持たせている。
【００２６】
図６に示すシールドボックスの場合、問題となる周波数ｆ_ｏｐｅｎは式（５）で示される。
【外７】

【００２７】
このｆ_ｏｐｅｎに対してアンテナ部材の長さＬは式（６）で示される。
【外８】

【００２８】
また、開口幅が広く、アンテナ部材の長さＬが長くなり、取り扱いに問題がある場合は、問題となる周波数ｆ_ｏｐｅｎを、半波長に相当する周波数と、その倍数の周波数に設定することで、同等の効果が得られる。つまり吸収アンテナの長さを、ｘ／２とする事により、シールドボックスから漏れ出る電磁波の量を緩和させ、機器外への放射ノイズを抑制させるものである。
【００２９】
次に、シールドボックスの空洞共振周波数により問題となる周波数に関して説明する。図６に示すシールドボックスの場合、空洞共振周波数ｆ_ｂｏｘは、式（７）に示す様に表せる。
【外９】

【００３０】
このとき、ｆ_ｂｏｘに対して、アンテナ部材の長さＬは式（８）で示される。
【外１０】

【００３１】
シールドボックスの空洞共振周波数に対して、吸収アンテナがλ／２のアンテナとして作用するので、空洞共振周波数における放射ノイズのレベルを抑制することが出来る。
【００３２】
次に、アンテナ部材がシールドボックス導体に、電気的導通がある接続を施す際には、アンテナ部材とシールドボックス導体との距離△∫を考慮する必要がある。これは、アンテナ部材とシールドボックスとをつなぐ導体部もアンテナ部材の一部として作用するためである。
【００３３】
アンテナ部材の両端がシールドボックス導体に電気的導通がある接続を施す場合は、抑制する放射ノイズの周波数ｆに対して、式（９）に示す長さＬに吸収アンテナの長さを設定する。この時はアンテナ部材の両側が接続することになるので、ほぼ１／２波長に対応する長さに設定する。
【外１１】

【００３４】
アンテナ部材の一端がシールドボックス導体に電気的導通がある接続を施す場合は、抑制する放射ノイズの周波数ｆに対して、式（１０）に示す長さＬに吸収アンテナの長さを設定する。この時はアンテナ部材の片側が接続することになるので、ほぼ１／４波長に対応する長さに設定する。
【外１２】

【００３５】
また、シールドボックス内に搭載されるプリント配線板上に、電気信号の動作に必要な配線導体とは別に、直流的に接続されていない配線導体を設ける事もできる。この場合には、プリント配線板等による配線導体の周囲の実効誘電率εと実効透磁率μを考慮する必要がある。
配線導体の長さＬは放射ノイズの周波数ｆに対応して、式（１１）に示す様に設定する。
【外１３】

【００３６】
以上の様にして、アンテナ部材を搭載することにより、シールドボックスから漏れ出る電磁波の総量を減らす事ができる。
【００３７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明による第１の実施の形態を示すものであり、電子機器内のプリント配線板などに対して用いられるシールドボックスの部分を示したものである。図中１は概略直方体構造の導電性のシールドボックスである。直方体の各辺の長さは、Ｘ＝３００ｍｍ、Ｙ＝３００ｍｍ、Ｚ＝３００ｍｍである。シールドボックス１内には、ネジ止め部２において固定されたプリント配線板３が収納されている。プリント配線板３は、画像処理や、レーザに関するＩＣが実装されおり、基板上の配線には高周波電流が流れている。シールドボックス１には、長辺の長さｘ＝１００ｍｍ、短辺の長さｙ＝５ｍｍの開口部４が設けられている。プリント配線板３に接続するケーブル配線等は、開口部４を通って外部の基板や部品につなげられる。シールドボックス１の底面７には、アンテナ部材となる金属部材５が固定されている。金属部材５の材質は電気亜鉛メッキ鋼板である。
【００３８】
図２は金属部材５のシールドボックス１の底面７への接続状態を示した図である。金属部材５は、不導体のネジ６でシールドボックス導体の底面７に不導体のスペーサー８を介して、接続固定されている。金属部材５の固定位置は、開口部４の近辺で、金属部材５の長さ方向と開口部の長辺とが平行になる様に設定されている。
【００３９】
本実施形態では、この空洞共振周波数の放射ノイズを抑制する事を目的としている。このときシールドボックス１の空洞共振周波数は前述の式（６）より求められる。
【００４０】
【外１４】

【００４１】
この周波数の放射ノイズを抑制するために、金属部材５の長さＬは、式（７）より求められる。
【００４２】
【外１５】

金属部材５を使う事により、７００ＭＨｚの周波数が大幅に減衰される。
【００４３】
このように、前記に示された長さの金属部材５をシールドボックス１内に搭載することで、プリント配線板３上のデジタル信号動作によって流れる高周波成分の電流と、シールドボックス１との関係により発生し、高い放射ノイズレベルを引き起こす可能性がある、空洞共振周波数に概略相当する周波数と、その整数倍の周波数成分の電流が発生させる電磁波を吸収し、シールドボックスの外側に漏れ出る放射ノイズを抑制することができる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明による第２の実施の形態を示すものであり、第１の実施の形態と同様のシールドボックス内に収納されるプリント配線板３の詳細部分を示したものである。プリント配線板３には、信号配線領域１３が設けられておりＩＣ１０ａ、１０ｂや外部との通信を行うコネクタ１１などの電子部品、及びこれらの部品間に電気信号を伝送するための配線１２があり実装されている。プリント配線板３上の信号配線領域１３と電気的導通のない外側の部分には、長さＬを持つ吸収アンテナ用配線１４ａを別途設けられている。プリント配線板３の実効誘電率は３、実効透磁率は１である。
【００４５】
この時の吸収アンテナ用配線１４ａの長さＬは、プリント配線板上におけるクロック信号などのデジタル信号によるノイズ周波数ｆに対して、式（１０）より求める事ができる。空洞共振周波数のノイズｆ_ｂｏｘ７００ＭＨｚを抑制する場合の金属部材１４ａの長さＬ１は
【外１６】

に設定する。
【００４６】
以上のようにプリント配線板上に、アンテナ部材１４ａを配線することで、基板を配置後に別工程でアンテナ部材を組み立てる必要がなく、また基板成形時に同時にアンテナ部材１４ａを配線する事ができるため、製造タクトを短くする事ができ、製造コストおよび部品コストを安価にする事ができる。
【００４７】
尚、本実施形態では、一本のアンテナ部材１４ａを用いたが、異なる周波数に対応するために、長さの異なる複数の吸収用配線を用いてもよい。また、配線の幅は、任意であってもよいし、配線周囲の誘電体や磁性体の特性は、プリント配線板３上の信号配線領域１３と異なってもよい。
【００４８】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明による第３の実施の形態を示すものであり、第２の実施形態と同様のシールドボックス内に収納されるプリント配線板３の詳細部分を示したものであり、第２の実施形態と同じものは同じ符号を付してある。さらに、アンテナ部材１４ｂの一端が、シールドボックスの導体と任意のインピーダンス特性を有した電気的接続が行えるように、ビスの接続穴１５を設け、インピーダンス素子１６が搭載されている。インピーダンス素子１６を半田付けなどの方法で取付けられている。
【００４９】
以上のような構成にする事で、アンテナ部材１４ｂの長さを、プリント配線板上に十分な確保できない場合でも、インピーダンス素子でアンテナ部材１４ｂの対応する長さを調整可能となり、所望の周波数に対応する事ができる。
【００５０】
尚、本実施形態では、吸収用の配線１４ｂの一端をインピーダンス素子でシールドボックス導体との接続を行ったが、両端や複数箇所に接続部を設けてもよい。また、複数のインピーダンス素子である一端を接続しても良い。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば高周波デジタル信号を取り扱う電子機器において、シールドボックス内に金属性のアンテナ部材を備えるという簡単で安価な手段により、プリント配線板上のデジタル信号動作によって流れる高周波成分の電流により発生し、シールドボックス全体から空洞共振により放射される放射ノイズに対して、空洞共振周波数に概略相当する周波数と、その整数倍の周波数成分の電流が発生させる電磁波を吸収し、シールドボックスの外側に漏れ出る放射ノイズの量を抑制することができる。
【００５２】
また、プリント配線板において、最も対策しなければならないノイズのピーク周波数を効率的に減衰する事である。また、安価で、製品設計上問題となるスペースを必要とせず、交換可能に取付ける事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す透過斜視図。
【図２】第１の実施の形態を説明する、シールドボックス内に配置する金属部材付近の拡大図。
【図３】第２の実施の形態を示す図。
【図４】第３の実施の形態を示す図。
【図５】従来の技術の示す図。
【図６】従来例の示す透過斜視図。
【符号の説明】
１シールドボックス
２ネジ止め部
３プリント配線板
４シールドボックス開口部
５吸収用の金属性部材
６不導体のネジ
７シールドボックス導体の底面
８不導体のスペーサー
１０ａ、１０ｂＩＣ
１１コネクタ
１２配線
１３信号配線領域
１４ａ、１４ｂ吸収用の配線
１５接続穴
１６インピーダンス素子

Claims

高周波デジタル信号を伝送するプリント配線板と、該プリント配線板を取り囲み、プリント配線板から放射される電磁波放射を減衰もしくは遮断する導電性のシールドボックスにおいて、該プリント配線板から放射される特定の周波数の電磁波を吸収する、少なくとも１本の金属性のアンテナ部材を、該プリント配線板と導通していない状態で、シールドボックス内に配置した事を特徴とするシールドボックス。
前記アンテナ部材は、減衰する周波数ｆに対して、
【外１】

（ｃは光速）の長さを持つ金属部材で構成されることを特徴とする請求項１に記載のシールドボックス。
前記減衰する周波数はシールドボックスの空洞共振周波数である事を特徴とする請求項２に記載のシールドボックス。
前記アンテナ部材と、前記導電性のシールドボックスとは、特定のインピーダンスを有する素子で接続されていることを特徴とする請求項１に記載のシールドボックス。
前記インピーダンスを有する素子は、抵抗性を有することを特徴とする請求項４に記載のシールドボックス。
前記請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のシールドボックスを備えた事を特徴とする電子機器。