JP2006005026A - 電子機器、プリント基板ユニット、及びスペーサ - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却ファン等の機械的ノイズ発生源と、圧電デバイス等の高感度電子部品とを電子機器の筐体内で近接配置した場合に、ノイズ発生源から発生するマイクロフォニックノイズによりプリント基板が共振して撓み変形することによって、プリント基板上に表面実装された高感度電子部品に歪みが発生して特性の変動をもたらすことを防止することができる電子機器、プリント基板ユニット、及びスペーサを提供する。
【解決手段】 機械的ノイズに対して高感度な電子部品を搭載したプリント基板１６と、機械的ノイズ発生源４と、これらの構成要素を近接配置した状態で収容、支持する筐体と、を備えた電子機器において、プリント基板上の配線パターンと該配線パターン上に搭載される高感度電子部品との間に、プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか、或いは絶縁基材よりも厚肉のスペーサ１８を介在させた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷却ファン等の機械的ノイズ発生源と、圧電デバイス等の高感度電子部品とを筐体内で近接配置した場合に、ノイズ発生源から発生するマイクロフォニックノイズが高感度電子部品に与える悪影響を効果的に解消するための技術に関する。

ＰＣ、通信機器、ＯＡ機器等の各種電子機器が比較的大型で、筐体内部の空間にも比較的余裕がある場合には、冷却ファン等の機械的ノイズを発生する部品と、機械的ノイズの影響を受ける圧電デバイス等の高感度電子部品とを十分に離間配置することが可能であったため、ノイズによる影響の問題が生じにくかった。
しかし、電子機器の小型化によって部品の収容スペースが狭くなって高密度化してくると、一つの筐体内に機械部品、電子部品が近接配置されることなる。この場合、水晶発振器のように外部からの機械的ノイズに対して感度の高い電子部品と、冷却ファン等の機械的ノイズの発生源が絶対的な空間の不足によって近接配置されると、従来では発生することがなかった干渉の問題（マイクロフォニックノイズ問題）が発生する。
図４（ａ）及び（ｂ）は従来の問題点を説明するための図であり、（ａ）に示すように、筐体１００の適所に支持された冷却ファン１０１と、メインボード１０２上に搭載された発振器ユニット１０３とが十分に離間している場合には、機械的ノイズに起因した発振器ユニットに対する干渉の問題が発生する余地が少なかった。しかし、機器の小型化により（ｂ）に示すように筐体内空間が狭くなったことによって、冷却ファン１０１と発振器ユニット１０３との距離が接近した結果、従来では問題とならなかった機械的ノイズの干渉の問題が発生している。つまり、発振器ユニット１０３は、プリント基板１０５上に発振器１０６をフリップチップ実装した構成を備えているが、（ｂ）に示すようにファン１０１から発生した機械的ノイズは、筐体、メインボード１０２を介して、或いは直接的にプリント基板１０５に伝達されてプリント基板を共振させる。プリント基板１０５上には機械的ノイズに対して感度が高い発振器１０６を表面実装しているため、従来のリード実装部品と異なり、基板に対する密着度が高く、プリント基板１０５が共振により撓み変形すると、プリント基板の撓み変形による応力が直接発振器１０６に伝達されて発振器に歪みが生じ、発振周波数に変動が起きる。

特開平４−５１７０５号公報には、表面実装型の半導体パッケージにおいて、実装基板と半導体パッケージとの間で生じる熱応力が、両者の接合部を破損させることにより、電子装置の信頼性を低下させる不具合を解消するために、プリント基板上に軟質の樹脂材（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等）からなる接続配線体を介して半導体装置を表面実装する構成が開示されている。
上記公報記載の技術は、実装基板と半導体パッケージとの間の熱膨張係数の差に起因した接合部の破損を防止することを目的としており、そのために比較的軟質の樹脂材を使用している。しかし、このような軟質樹脂からなる部材を図４に示したプリント基板１０５と発振器１０６との間に介在させて緩衝材として利用したとしても、近傍に位置する冷却ファンから発生した機械的ノイズがプリント基板を変形（振動）させ、変形したプリント基板からの応力が発振器に歪みをもたらす、という効果は期待できない。即ち、発振器１０６が受ける応力は、プリント基板が機械的ノイズによって共振を起し、撓み変形することによって生成されるため、プリント基板１０５の硬度と同等、或いはそれ以下の硬度しか有しない軟質の樹脂材を緩衝材として発振器との間に介在させたとしても、当該緩衝材はプリント基板の変形を防止する効果はなく、プリント基板と共に撓み変形を起こすため、発振器に対する応力を緩和する効果は全く期待できない。
従って、上記公報記載の熱応力による接続部の破損防止のための技術を、機械的ノイズ発生源からのマイクロフォニックノイズに起因した発振器の周波数変動防止のために適用することは不可能である。
特開平４−５１７０５号公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、冷却ファン等の機械的ノイズ発生源と、圧電デバイス等の高感度電子部品とを電子機器の筐体内で近接配置した場合に、ノイズ発生源から発生するマイクロフォニックノイズによりプリント基板が共振して撓み変形することによって、プリント基板上に表面実装された高感度電子部品に歪みが発生して特性の変動をもたらすことを防止することができる電子機器、プリント基板ユニット、及びスペーサを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明に係る電子機器は、機械的ノイズに対して高感度な電子部品を搭載したプリント基板と、機械的ノイズ発生源と、これらの構成要素を近接配置した状態で収容、支持する筐体と、を備えた電子機器において、前記プリント基板上の配線パターンと該配線パターン上に搭載される前記高感度電子部品との間に、前記プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか、或いは絶縁基材よりも厚肉のスペーサを介在させたことを特徴とする。
請求項２の発明に係る電子機器は、請求項１において、前記スペーサは、前記プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか厚肉の絶縁基材と、該絶縁基材の上下両面に設けた接続パッドと、該上下の接続パッド間を接続するために絶縁基材の内部又は外部に配線された導体と、を備えていることを特徴とする。
請求項３の発明に係る電子機器は、請求項１又は２において、前記高感度電子部品は圧電デバイスであり、前記機械的ノイズ発生源は冷却ファンであることを特徴とする。
請求項４の発明に係るプリント基板ユニットは、機械的ノイズに対して高感度な電子部品と、該高感度電子部品を搭載したプリント基板と、を備えたプリント基板ユニットにおいて、前記プリント基板上の配線パターンと該配線パターン上に搭載される前記高感度電子部品との間に、該プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか、或いは絶縁基材よりも厚肉のスペーサを介在させたことを特徴とする。
請求項５の発明に係るプリント基板ユニットは、請求項４において、前記スペーサは、前記プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか厚肉の絶縁基材と、該絶縁基材の上下両面に設けた接続パッドと、該上下の接続パッド間を接続するために絶縁基材の内部又は外部に配線された導体と、を備えていることを特徴とする。
請求項６の発明に係るスペーサは、機械的ノイズに対して高感度な電子部品と、該高感度電子部品を搭載したプリント基板と、前記プリント基板上の配線パターンと該配線パターン上に搭載される前記高感度電子部品との間に介在するスペーサと、を備えたプリント基板ユニットにおいて、前記スペーサは、前記プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか、或いは絶縁基材よりも厚肉であることを特徴とする。
請求項７の発明に係るスペーサは、請求項６において、前記プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか厚肉の絶縁基材と、該絶縁基材の上下両面に設けた接続パッドと、該上下の接続パッド間を接続するために絶縁基材の内部又は外部に配線された導体と、を備えていることを特徴とする。
請求項８の発明に係るプリント基板ユニットは、機械的ノイズに対して高感度な電子部品と、該高感度電子部品を搭載したプリント基板と、を備えたプリント基板ユニットにおいて、前記プリント基板上の配線パターンと該配線パターン上に搭載される前記高感度電子部品との間に、Ｊリードから成るスペーサを介在させたことを特徴とする。

本発明によれば、冷却ファン等の機械的ノイズ発生源と、圧電デバイス等の高感度電子部品とを電子機器の筐体内で近接配置した場合に、ノイズ発生源から発生するマイクロフォニックノイズによりプリント基板が共振して撓み変形することによって、プリント基板上に表面実装された高感度電子部品に歪み（曲げ応力）が発生して特性の変動をもたらすことを防止するために、プリント基板上に高感度電子部品を搭載する際にスペーサを介在させるようにした。
このスペーサとして、プリント基板よりも変形しにくい板材料、即ちプリント基板と同材質であるが厚肉であるために変形しにくい基材を用いるか、或いはプリント基板よりも硬度、剛性の高い材質からなる基材を用いることにより、プリント基板が撓み変形しようとした場合であってもスペーサ実装部だけはその影響を受けずに変形しないので、曲げ応力が発振器に加わることがない。
また、本発明の他の実施形態では、スペーサとしてＪリードを用いているので、プリント基板が変形したとしても、その応力をＪリードによって吸収緩和して発振器に影響が及ぼされることを防止できる。

以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るスペーサを使用したプリント基板ユニットを装備した電子機器の概略構成図である。
なお、実施形態の説明では、機械的ノイズ発生源として冷却ファンを用いると共に、好感度電子部品として水晶発振器等の圧電デバイスを用いた例を用いて説明する。
電子機器１は、筐体２内部に電装部３を備え、電装部３の近傍の筐体壁には冷却ファン（機械的ノイズ発生源）４が配置されている。冷却ファン４と電装部３とは近接している。
電装部３は、メインボード１０と、メインボード１０上に搭載された発振器ユニット（プリント基板ユニット）１５と、その他の部品と、を備えている。
発振器ユニット１５は、ガラスエポキシから成るプリント基板１６と、表面実装型の発振器１７と、プリント基板１６上に発振器１７を電気的機械的に接続するためのスペーサ１８と、を備えている。
本発明の一つの実施形態に係る電子機器は、機械的ノイズに対して高感度な電子部品としての発振器１７を搭載したプリント基板１６と、機械的ノイズ発生源としての冷却ファン４と、これらの構成要素を近接配置した状態で収容、支持する筐体２と、を備えており、プリント基板１６上の配線パターンと該配線パターン上に搭載される発振器１７との間に、プリント基板１６を構成する絶縁基材２０よりも硬度が高いか、或いは絶縁基材よりも厚肉のスペーサ１８を介在させた構成が特徴的である。
また、本発明の一つの実施形態に係る発振器ユニット１５は、上記の如き構成を備えたスペーサ１８を用いてプリント基板１６上に発振器１７を搭載した構成が特徴的である。
更に、本発明の一つの実施形態に係るスペーサ１８は、プリント基板１６が機械的ノイズによって振動した場合に当該振動による曲げ応力を発振器に及ぼすことがないように十分な剛性、硬度を有するように構成されている点が特徴的である。

図２は発振器ユニット１５の具体的構成、及びその機能を、従来例との比較により説明する模式図である。
同図に示すスペーサ１８は、プリント基板１６を構成する絶縁材料（ガラスエポキシ）と同じ材質（同じ硬度）で、かつプリント基板よりも厚い板材か、或いはプリント基板１６よりも硬度の高い材質の板材から成る絶縁基材２０と、絶縁基材２０の上下両面に設けた接続パッド２１、２２と、上下の接続パッド間を接続するために絶縁基材２０の内部又は外部に配線された導体２３と、を備えている。
つまり、スペーサ１８を構成する絶縁基材２０としては、プリント基板１６が共振によって撓み変形を起こしたとしても、その変形による応力を発振器１７に伝達しない程度の硬度を有した材質、厚みを選定する。
図２（ａ）（ｂ）に基づいて従来例と本願発明の実施形態との比較を行う。
まず、図２（ａ）の左図に示すようにプリント基板１０５上に発振器１０６を表面実装した発振器ユニット１５は、図２（ｂ）の左図に示すように冷却ファンの駆動によって発生した機械的ノイズがメインボード、或いは筐体を伝わってプリント基板１０５に伝達されてプリント基板が共振すると、単純な振幅の振動だけではなく、プリント基板自体が撓むように振動する。プリント基板１０５が振動により変形すると、この変形による曲げ応力が発振器１０６に直接伝達されて発振器を変形させ、内蔵した水晶振動子の特性を変動させる原因となる。これに対して、図２（ａ）右図のようにプリント基板１６上にスペーサ１８を介して発振器１７を搭載した場合には、スペーサが発振器実装部分の機械的強度、剛性を高めるため、（ｂ）に示すようにプリント基板１６が大きく撓んだとしても、十分な剛性を備えたスペーサ１８が変形しないため、プリント基板の発振器実装部分も変形せず、機械的ノイズのアイソレーションが発揮されて、曲げ応力は発振器に伝達されず、発振器の特性が変動することがなくなる。
例えば、プリント基板１６を構成するガラスエポキシの厚さを１．０ｍｍとした場合に、スペーサの絶縁基材２０として１．６ｍｍ程度のガラスエポキシを使用することにより、十分な応力緩和、制振（機械的ノイズの伝達遮断）効果が期待できる。

また、スペーサの絶縁基材２０として、プリント基板と異なる材質を使用する場合には、プリント基板よりも硬質の材料を使用する。この場合もプリント基板の変形に伴って機械的ノイズを発振器に伝達することがないように肉厚を大きく設定する。
なお、スペーサ１８を介在させる分だけ、発振器ユニット１５の全体的な高さが数ｍｍ程度増大するが、本発明の適用対象となる電子機器は、小型化されているとは云え、そもそも冷却ファンを装備する程度にはサイズに余裕のある電子機器であるため、数ｍｍ程度の高さ増は無視できる筈である。
次に、本発明の発振器ユニット１５は、バッチ処理による量産が可能である。即ち、予め複数のスペーサ１８をシート状に連結した構成を備えた図示しない大面積のスペーサ母材を用意しておき、このスペーサ母材上の個片区画上に発振器１７をフリップチップ等によって実装する。そして、各個片間の境界線に沿って個片に切断することによって底部にスペーサ１８を備えた発振器１７を多数製造する。そして、各発振器１７を大面積のプリント基板母材の各個片区画上に半田等を用いて搭載してから、プリント基板母材を個片毎に切断することによって、発振器ユニット１５が製造される。

次に、図３（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るスペーサを用いた発振器ユニットの構成図及び従来例との比較図である。
この実施形態に係るスペーサは、金属材料から成る板バネとしてのＪリード３０から構成されている。弾性を有した複数のＪ型の金属片の各基端部を発振器１７の底部適所に夫々固定すると共に、湾曲した各先端部を図示のようにプリント基板１６上に半田接続した構成が特徴的である。
このようにＪリード３０を用いてプリント基板上に高感度電子部品としての発振器を搭載したため、プリント基板１６が冷却ファンからの機械的ノイズに共振して振動し、図３（ｂ）右図のように撓み変形したとしても、曲げ応力は全てＪリード３０によって吸収緩和されるため発振器１７にまで伝達されず、発振器の特性が変動する虞がない。

本発明の一実施形態に係るスペーサを使用したプリント基板ユニットを装備した電子機器の概略構成図。 （ａ）及び（ｂ）は発振器ユニットの具体的構成、及びその機能を、従来例との比較により説明する模式図。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るスペーサを用いた発振器ユニットの構成図及び従来例との比較図。 （ａ）及び（ｂ）は従来例の説明図。

符号の説明

１ 電子機器、２ 筐体、３ 電装部、４ 冷却ファン（機械的ノイズ発生源）、１０ メインボード、１５ 発振器ユニット（プリント基板ユニット）、１６ プリント基板、１７ 発振器（高感度電子部品）、１８ スペーサ、２０ 絶縁基材、２１、２２ 接続パッド、２３ 導体。

Claims (8)

1. 機械的ノイズに対して高感度な電子部品を搭載したプリント基板と、機械的ノイズ発生源と、これらの構成要素を近接配置した状態で収容、支持する筐体と、を備えた電子機器において、
   前記プリント基板上の配線パターンと該配線パターン上に搭載される前記高感度電子部品との間に、前記プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか、或いは絶縁基材よりも厚肉のスペーサを介在させたことを特徴とする電子機器。
2. 前記スペーサは、前記プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか厚肉の絶縁基材と、該絶縁基材の上下両面に設けた接続パッドと、該上下の接続パッド間を接続するために絶縁基材の内部又は外部に配線された導体と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
3. 前記高感度電子部品は圧電デバイスであり、前記機械的ノイズ発生源は冷却ファンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子機器。
4. 機械的ノイズに対して高感度な電子部品と、該高感度電子部品を搭載したプリント基板と、を備えたプリント基板ユニットにおいて、
   前記プリント基板上の配線パターンと該配線パターン上に搭載される前記高感度電子部品との間に、該プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか、或いは絶縁基材よりも厚肉のスペーサを介在させたことを特徴とするプリント基板ユニット。
5. 前記スペーサは、前記プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか厚肉の絶縁基材と、該絶縁基材の上下両面に設けた接続パッドと、該上下の接続パッド間を接続するために絶縁基材の内部又は外部に配線された導体と、を備えていることを特徴とする請求項４に記載のプリント基板ユニット。
6. 機械的ノイズに対して高感度な電子部品と、該高感度電子部品を搭載したプリント基板と、前記プリント基板上の配線パターンと該配線パターン上に搭載される前記高感度電子部品との間に介在するスペーサと、を備えたプリント基板ユニットにおいて、
   前記スペーサは、前記プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか、或いは絶縁基材よりも厚肉であることを特徴とするプリント基板ユニットに用いるスペーサ。
7. 前記スペーサは、前記プリント基板を構成する絶縁基材よりも硬度が高いか厚肉の絶縁基材と、該絶縁基材の上下両面に設けた接続パッドと、該上下の接続パッド間を接続するために絶縁基材の内部又は外部に配線された導体と、を備えていることを特徴とする請求項６に記載のプリント基板ユニットに用いるスペーサ。
8. 機械的ノイズに対して高感度な電子部品と、該高感度電子部品を搭載したプリント基板と、を備えたプリント基板ユニットにおいて、
   前記プリント基板上の配線パターンと該配線パターン上に搭載される前記高感度電子部品との間に、Ｊリードから成るスペーサを介在させたことを特徴とするプリント基板ユニット。

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