JP2006100384A - プリント配線基板及びインタフェース制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定したインピーダンスの設定ができるプリント配線基板、安定した差動信号の伝送が行えるインタフェース制御装置を提供する。
【解決手段】 差動信号を伝送するために近接して配置された１対の信号パターンを有するプリント配線基板であって、前記１対の信号パターン１０、１１に沿ってその外側に配置される１対のＧＮＤパターン１５と、前記1対の信号パターンを接触して覆うインピーダンス調整用の誘電体２と、前記誘電体上に設けられ前記１対のＧＮＤパターンに両端が接続される接続導体１とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、差動信号用の１対の信号パターンのインピーダンスを最適に調整可能なプリント配線基板及びこのプリント配線基板を使用したインタフェース制御装置に関する。

ＵＳＢ等の差動信号を伝送させるプリント配線基板においては、差動信号を伝送するための２本の信号パターンそれぞれの特性インピーダンス及び２本の信号パターン間の差動インピーダンスを規定値内に一定に保つ必要がある。ＵＳＢ２．０の規格では、特性インピーダンスは４５Ω±１０％、差動インピーダンスは９０Ω±１０％と定められている。

しかし、このインピーダンス値を確保するためには、２層基板では基板サイズが大きくなりすぎ、他の部品の実装密度を増やすには、コストが高い４層以上の基板を使用せざるを得ない。そこで特許文献１では、２層基板でも基板面積が少ないパターン構成で所望のインピーダンス値を得る方法として、２本の信号パターン間にＧＮＤ（グランド）パターンを設ける方法が開示されている。
特開２００４−６７８９号公報

しかしながら、特許文献１で示されるＧＮＤパターンは、信号パターン間に設けるため信号パターン幅とほぼ同一となり、そのためＧＮＤパターンと周辺のグランド領域とのインピーダンスが大きくなってしまい、電位が安定しないという欠点があった。

そこで本発明は、上記の従来技術の持つ問題点を解消し、安定したインピーダンスの設定ができるプリント配線基板、及び、安定した差動信号の伝送が行えるインタフェース制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、以上の点を解決するために、次の構成を採用する。
〈構成〉
本発明は、差動信号を伝送するために近接して配置された１対の信号パターンを有するプリント配線基板であって、前記１対の信号パターンに沿ってその外側に配置される１対のＧＮＤパターンと、前記1対の信号パターンを接触して覆うインピーダンス調整用の誘電体層と、前記誘電体層上に設けられ前記１対のＧＮＤパターンに両端が接続される接続導体とを含むことを特徴とする。

信号パターンのパターン幅は０．１ｍｍ、その厚さは３３μｍ、間隔は０．１ｍｍから０．２ｍｍであり、誘電体層の比誘電率は１．９から２．６、その厚さは５５μｍから６０μｍであることを特徴とする。

プリント配線基板と、プリント配線基板の１対の信号パターンに接続されるＵＳＢコネクタとを備えたインタフェース制御装置であることを特徴とする。

本発明のプリント配線基板によれば、誘電体が１対の差動信号用の信号パターンを接触して覆い、その上面を更に覆う導体がＧＮＤパターンに広い面積で接続して設けられることにより、信号パターンのインピーダンスを最適な値に設定できるとともに、導体とＧＮＤパターンとの間のインピーダンスを低く抑えることができ、安定したインピーダンス設定を行うことができる。また、本発明のインタフェース制御装置によれば、このプリント配線基板を使用することにより、安定した差動信号の伝送を行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図を用いて詳細に説明する。

図２は、本発明の実施例１に係る２層プリント配線基板及びインタフェース制御装置を含む印刷装置の構成を示すブロック図である。

印刷装置４０は、データ転送を制御するためのインタフェース制御装置と、印刷プロセス５２と、印刷装置の各部にＤＣ電源を供給する電源部５３とを備えている。４１はホストＰＣであり、ＵＳＢケーブル４５を介して印刷装置４０に接続されている。

インタフェース制御装置は、プリント配線基板１４及びＵＳＢコネクタ２１から構成される。ホストＰＣ４１で生成された印刷データは、ＵＳＢケーブル４５を経由してインタフェース制御装置に転送され、印刷制御部５１により、印刷プロセス５２へ送信される。主制御部５０は、印刷装置４０の動作の制御を行う。

図３は、プリント配線基板１４上のパターンの配置を示す図である。ＵＳＢ制御素子２０は、差動＋信号用のリード３０と差動−信号用のリード３１とを有し、ＵＳＢコネクタ２１は、差動＋信号用の端子３２と差動−信号用の端子３３とを有している。差動＋信号用パターン１０はリード３０と端子３２とを、差動−信号用パターン１１はリード３１と端子３３とを、それぞれ接続している。これらの信号パターン１０、１１は一定のパターン幅ｗを有し、かつ、一定の間隔ｓを保って平行に配置されている。その外側に１対のＧＮＤパターン１５が平行に配置されている。

次に、インピーダンス調整用の誘電体２と導体１との配置について、図１を用いて説明する。図１は、実施例１のプリント配線基板１４の断面図を示している。１７は基材であり、エポキシ系の絶縁性を有する材料により構成される。基材１７の下面にはＧＮＤパターン１６が設けられ、上面のＧＮＤパターン１５と、図示されていないビアホールにより接続されている。

信号パターン１０、１１は一定の厚さｔに形成され、平行に配置されている。その外側のＧＮＤパターン１５は信号パターン１０、１１と同一の厚さｔに形成され、これらパターン１０、１１に対し平行に配置されている。

インピーダンス調整用の誘電体２は、信号パターン１０、１１の上面から一定の高さｈで均一になるように信号パターン１０、１１を長さ方向に沿って覆って形成されている。本実施例では、誘電体２はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂である。誘電体２の比誘電率はε_ｒである。

誘電体２は導体１により覆われている。この導体１のＧＮＤパターン１５に沿った両端はＧＮＤパターン１５と広い面積で接触するように固着されている。本実施例では、導体１は銅などの導電性ペーストにより構成されている。

図１に示すような差動＋信号パターン１０及び差動−信号パターン１１それぞれの特性インピーダンスＺ_０は式１で表され、２本の信号パターン１０、１１間の差動インピーダンス２Ｚ_ｄは式２で表される。

ここで、ｗは差動信号パターン１０、１１のパターン幅、ｔはその厚さ、ｓはその間隔であり、ε_ｒは誘電体２の比誘電率、ｈはその厚さである。

式２で、差動インピーダンス２Ｚ_ｄは２本の信号パターン１０、１１の間隔ｓをパラメータとしているが、２本の信号パターン１０、１１は密結合にしないと差動信号伝送の意味がなくなってしまう。すなわち、差動信号伝送では、大きさが等しく向きが反対の信号が流れているので、同軸磁界ラインが相殺され、電界が結合する性質が得られるようになっている。このため、電磁界放射が小さくなるとともに、コモンモードのノイズに対しても強いという性質が得られるようになっている。つまり、２本の信号パターン１０、１１の間隔ｓを大きくしてしまうことは、これらの差動信号伝送の長所を生かせなくなってしまうことを意味する。よって、極力接近して配置する必要がある。

現在広く使われているプリント配線基板において、一般的な信号パターンの間隔は０．１ｍｍである。そこで、０．１ｍｍからどれだけパターン間隔を広げられるかを、式２により求める。ＵＳＢ２．０の規格では、差動インピーダンス２Ｚ_ｄは９０Ω±１０％と規定されているので、その範囲で計算すると、図４のようになる。図４は、特性インピーダンスＺ_０＝４５Ωのとき、差動インピーダンス２Ｚ_ｄが９０Ω±１０％の範囲に納まる２本の信号パターン１０、１１の間隔ｓ及び誘電体２の厚さｈの範囲を斜線で示している。図４から、２本の信号パターン１０、１１の間隔ｓは、まず差動インピーダンス２Ｚ_ｄの規格により制限を受けることがわかる。

次に、式１により２本の信号パターン１０、１１それぞれの特性インピーダンスＺ_０が４５Ω±１０％の範囲に納まる誘電体２の比誘電率ε_ｒ及び厚さｈの範囲を計算してみる。一般的なプリント配線基板のパターン幅ｗ＝０．１ｍｍ及びパターンの銅箔の厚みｔ＝３３μｍで計算すると、図５に示される斜線の範囲が得られる。図４及び図５において、２つのグラフの重なり部分は一点破線で囲まれる範囲で表される。すなわち、誘電体２の比誘電率ε_ｒは１．９から２．６、厚さｈは５５μｍから６０μｍ、２本の信号パターン１０、１１の間隔ｓは０．１ｍｍから０．２ｍｍの間であれば、ＵＳＢ２．０規格の特性インピーダンスＺ_０及び差動インピーダンス２Ｚ_ｄを満たすことが分かる。

以上説明したように、実施例１の２層プリント配線基板１４によれば、適当な比誘電率の誘電体２が１対の差動信号用の信号パターン１０、１１を接触して適当な厚さで覆うことにより、信号パターン１０、１１のインピーダンスを最適な値に設定できるとともに、その上面に導体１をＧＮＤパターン１５に広い面積で接続させて設けることにより、導体１とＧＮＤパターン１５との間のインピーダンスを低く抑えることができ、安定したインピーダンス設定を行うことができる。これにより、２層基板を使用してもＵＳＢ２．０の規格を満足するプリント配線基板を実現することができ、安定した差動信号の伝送が行えるインタフェース制御装置を実現できるとともに、大幅なコスト低減となる。

図６は、本発明の実施例２に係る２層プリント配線基板１４の斜視図である。本実施例では、誘電体と導体とによりインピーダンス調整部材を別体として形成する構成が、実施例１とは異なる。このインピーダンス調整部材の形成方法及びプリント配線基板への実装方法について、以下に説明する。

まず、平面状の導体板を凹状に加工して導体１を形成し、その内部に誘電体２を充填して導電性接着剤で接合する。ここで、導体１は本実施例では銅などを材料としており、誘電体２はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂である。このようにして形成されたインピーダンス調整部材を、ＧＮＤパターン１５にハンダ付け等で接合する。これにより、実施例１と同様に、２本の信号パターン１０、１１の特性インピーダンス及び差動インピーダンスを所望の値に設定できるとともに、導体１とＧＮＤパターン１５との間のインピーダンスを低く抑えることができる。

以上説明したように、実施例２のプリント配線基板１４によれば、誘電体２と導体１とから成るインピーダンス調整部材を別体として形成するので、プリント配線基板１４の２本の信号パターン１０、１１のインピーダンス値をＴＤＲ法等により測定し、インピーダンス調整が必要と判断された場合には、プリント配線基板１４は変更せずに、対応するインピーダンス調整部材を作成、又は、選択すれば良い。

本発明による実施例１のプリント配線基板の断面図。 実施例１のプリント配線基板を含む印刷装置の構成を示すブロック図。 実施例１のプリント配線基板上のパターンの配置を示す図。 実施例１のプリント配線基板において、信号パターン間隔及び誘電体の厚さが最適な範囲を示すグラフ。 実施例１のプリント配線基板において、誘電体の厚さ及び比誘電率が最適な範囲を示すグラフ。 実施例２のプリント配線基板の斜視図。

符号の説明

１ 導体
２ 誘電体
１０ 差動＋信号用パターン
１１ 差動−信号用パターン
１４ プリント配線基板
１５、１６ ＧＮＤパターン
１７ 基材
２０ ＵＳＢ制御素子
２１ ＵＳＢコネクタ
３０、３１ リード
３２、３３ 端子
４０ 印刷装置
４１ ホストＰＣ
４５ ＵＳＢケーブル
５０ 主制御部
５１ 印刷制御部
５２ 印刷プロセス
５３ 電源部

Claims (3)

1. 差動信号を伝送するために近接して配置された１対の信号パターンを有するプリント配線基板であって、
   前記１対の信号パターンに沿ってその外側に配置される１対のグランドパターンと、前記1対の信号パターンを接触して覆うインピーダンス調整用の誘電体層と、
   前記誘電体層上に設けられ前記１対のグランドパターンに両端が接続される接続導体とを含むことを特徴とするプリント配線基板。
2. 前記1対の信号パターンのパターン幅は０．１ｍｍ、その厚さは３３μｍ、間隔は０．１ｍｍから０．２ｍｍであり、前記誘電体層の比誘電率は１．９から２．６、その厚さは５５μｍから６０μｍであることを特徴とする請求項１記載のプリント配線基板。
3. 請求項１記載のプリント配線基板と、前記プリント配線基板の１対の信号パターンに接続されるＵＳＢコネクタとを備えるインタフェース制御装置。