JP2009188579A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高速、高信頼の信号転送を有した小型かつ高機能の制御ボードを備えた電子機器を実現する。
【解決手段】複数の制御ボードがバックボードに設けられたコネクタを介して連装設置され、前記制御ボードおよびバックボードに形成された配線パターンにより高周波デジタル信号伝達を行うように構成された電子機器において、隣接する前記制御ボードに設けられ、波形品位およびクロストークを含む信号劣化が生じる位置に配置された信号処理手段同士の信号伝達に際しては信号伝達手段として光信号を用いた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バックボードの表面に設けられた複数のコネクタに複数の制御ボードが連装設置された電子機器に関し、コネクタから離れた位置に配置された信号処理手段同士の信号の授受を光信号で行うことにより、波形品位およびクロストークを含む信号劣化の改善をはかった電子機器に関する。

工場で使用される制御装置の中には、一定の機能を有する各種の制御ボードを入出力点数（計測制御点数）等に応じて複数個組み合わせ、各制御ボード間で信号の授受を行うものがある。

図７（ａ，ｂ）はロジックテスタおよびメモリテスタの本体架や、大型のサーバーなどで見られるタワー型の電子機器である。
図７（ａ，ｂ）において、図（ａ）は電子機器の正面図、図（ｂ）は図（ａ）の右側面図であり、カード形状の複数の制御ボード２が開口部１ａの上下に設けられたスロット３のガイドレールに矢印ｃ方向にスライドさせて、実装される途中の状態を示している。

図７（ｃ）は図（ａ）の一点鎖線Ｂで囲った部分の拡大斜視図である。図７（ｃ）において、複数の制御ボード２はバックボード４に実装された複数のコネクタ５に所定の間隔を隔ててバックボード４に対して垂直に挿入されている。

バックボード４は複数枚の制御ボード２間を電気的に接続するためのもので、制御ボード２に実装されたコネクタ５と、バックボード４に実装されたコネクタ５を接続させ、バックボード４に形成された信号線パターン（図示省略）により、複数枚の制御ボード２間を電気的に接続している。
多機能な電子機器では、各制御ボード２の数も多く、そのスロット間隔は、例えば２０ｍｍ〜３０ｍｍ程度となっている。

なお、複数の制御ボード(モジュール)をラック内に実装する従来技術としては下記の特許文献が知られている。

特開平７−１３５４９９号公報 特開平９−２８４２２８号公報

ところで、上述の構成において、制御ボード２の大きさが大きくなるとコネクタ５のピンの使用量が多くなり、結果として、コネクタの使用数も多くなることから、コネクタを配置するための物理的空間が必要となり、制御ボード２をコネクタ５の配置方向に大きくする必要がある。

図８（ａ〜ｃ）は、コネクタのピン配列を示したものである。
図８（ａ）は制御ボード２の斜視図、図８（ｂ）は図８（ａ）の一点鎖線で囲ったＡ部の拡大図、図８（ｃ）は図（ｂ）の一点鎖線で囲ったＢ部の拡大図である。

図（ｃ）に示すように高周波のデジタル信号伝達では、信号ピンの周りにＧＮＤピンを配置し、インピーダンスの不整合を防ぐ工夫がなされる。
図の例では、２１ピン中、信号ピンは黒丸で示す３ピンのみとなっており、多数のデジタル信号ラインを確保するには、ピンの使用数が膨大になることが分かる。

このような構成の問題点としては、コネクタ５のピンの使用量が多くなり、結果として、コネクタの使用数も多くなることから、コネクタを配置するための物理的空間が必要となるので、制御ボード２をコネクタ５の配置方向に大きくする必要がある。

図９は複数の制御ボード２間が通信している状況を示した図である。（説明のしやすさから、各制御ボードの間隔を少し大きく開けて示している。通常、図７で示したように間隔が狭い）。
制御ボード２ａに実装された信号処理手段（ＩＣ）８ａで処理されたデジタル信号が制御ボード２ａにある配線パターン（図示省略）を通り、コネクタ５ａを介して、バックボード４に入る。

その後信号は、バックボード４にある配線パターンを通り、制御ボード２ｂに実装されたコネクタ５ｂを介して制御ボード２ｂにある配線パターンを通り、ＩＣ８ｂに入る。
つづいて、ＩＣ８ｂで処理され、バッファリングされたデジタル信号が同様に、コネクタ５ｂ→バックボード４→制御ボード２ｃに実装されたコネクタ５ｃを経てＩＣ８ｃに入力する。即ち、デイジーチェーンの接続例となっている。

このような従来の構成においては、各制御ボードのＩＣの位置がバックボード４から遠い位置にある場合、デジタル信号は各制御ボード内の配線パターンを長く通ることとなり、高周波の場合、波形品位劣化やクロストークの要因となる。また、信号到達の時間差などを考慮した信号処理も必要になる。

バックボード４に近い側に信号処理手段（ＩＣ）を配置すれば解決されるが、大規模な処理を行う制御ボードでは、多くのＩＣを実装する必要があり、この場合、物理的配置の制限から遠い位置に配置されるものも出てくる。
従って本発明は、高速、高信頼の信号転送を有した小型かつ高機能の制御ボードを備えた電子機器を実現することを目的としている。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１に記載の電子機器の発明においては、
複数の制御ボードがバックボードに設けられたコネクタを介して連装設置され、前記制御ボードおよびバックボードに形成された配線パターンにより高周波デジタル信号伝達を行うように構成された電子機器において、隣接する前記制御ボードに設けられ、波形品位およびクロストークを含む信号劣化が生じる位置に配置された信号処理手段同士の信号伝達に際しては信号伝達手段として光信号を用いたことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載の電子機器の発明において、
前記信号伝達は発光素子および受光素子を用いて行うことを特徴とする。

請求項３においては、請求項１または２に記載の電子機器の発明において、
前記制御ボードに発生する機械的振動を圧電素子を含む振動素子の信号により除去する構成としたことを特徴とする。

請求項４においては、請求項1乃至３のいずれかに記載の電子機器の発明において、
前記発光素子として拡散光発光素子を用いたことを特徴とする。

請求項５においては、請求項1乃至４のいずれかに記載の電子機器の発明において、
前記発光素子と受光素子間のクロストーク防止手段を設けたことを特徴とする。

請求項６においては、請求項１乃至５のいずれかに記載の電子機器の発明において、
前記クロストーク防止手段は遮蔽筒、ピンホール板、回折格子、カラーフィルタを含むことを特徴とする。

請求項７においては、請求項１乃至３のいずれかに記載の電子機器において、
前記信号伝達用発光素子としてレーザダイオードを用いるに際してはレーザダイオードの制御信号を温度検知手段として利用することを特徴とする。

請求項８においては、請求項１乃至７のいずれかに記載の電子機器の発明において、
前記信号伝達用発光素子と受光素子の外に位置合わせ用の発光素子、受光素子およびピエゾ素子を設けたことを特徴とする。

請求項９においては、請求項１乃至８のいずれかに記載の電子機器の発明において、
前記信号伝達用受光素子の受光強度の変化を煙探知機として用いることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電子機器。

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１，２によれば、隣接する制御ボードに設けられコネクタから離れた位置に配置された信号処理手段同士の信号伝達に際しては信号伝達手段として光信号を用いるので、高周波に対して波形品位劣化やクロストークのない電子機器を実現することができる。

また、電気デジタル信号が少なくなることから、コネクタのピンの使用量が減少する。結果として、コネクタの使用数も少なくなり、コネクタを配置するための物理的空間も減少するので、制御ボードをコネクタ配置方向に小さくすることができる。

また、信号処理手段（ＩＣ）の直近に発光素子及び受光素子を配置することから、制御ボード間の通信伝達が最短経路にて実現でき、信号伝達の信頼性が向上する。また、信号到達の時間差などを考慮した信号処理も軽減できる。
更に、放射電磁ノイズ等も軽減できる。

また、光による信号伝達はその転送スピードが高いことから、伝達する信号量が向上し、結果としてシステムの簡略や、高機能化を図ることができる。
更に、電気デジタル信号でパラレル通信を行っていたものをシリアル通信化することができ、通信インターフェイス部の数を軽減することができる。また、信号到達の時間差などを考慮する必要がなく、高速、高信頼の信号転送を有した小型かつ高機能の電子機器を実現することができる。

請求項３においては、制御ボードに発生する機械的振動を圧電素子を含む振動素子の信号により除去する構成としたのでノイズのない光信号を送信することができる。

請求項４，５，６においては発光素子として拡散光発光素子を用い発光素子と受光素子の間に遮蔽筒、ピンホール板、回折格子、カラーフィルタのいずれかを含むクロストーク防止手段を設けたのでノイズのない光信号を送信することができる。

請求項７においては、信号伝達用発光素子としてレーザダイオードを用いるに際してはレーザダイオードの制御信号を温度検知手段として利用したので、電子機器の異常を検知することができる。

請求項８においては、信号伝達用発光素子と受光素子の外に位置合わせ用の発光素子、受光素子およびピエゾ素子を設けたので、ノイズのない光信号を送信することができる。

請求項９においては、信号伝達用受光素子の受光強度の変化を煙探知機として用いたので電子機器の異常を検知することができる。

図１（ａ，ｂ）は本発明の電子機器の一実施例を示すもので、空間光を用いた制御ボード間の通信を表すものである。図（ａ）は要部正面、図（ｂ）は要部斜視である。なお、図９の従来例の電子機器との違いは隣り合う制御ボードとの間に光素子を設けた点である。従って、図９と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。

図１（ａ）において、隣り合う制御ボード間のそれぞれに設けられた信号処理手段（ＩＣ）８ａ，８ｂは図１（ｂ）に示すようにコネクタ５から離れた位置に設けられている。即ち、信号処理手段（ＩＣ）８ａ，８ｂは従来と同様に制御ボード２の配線→コネクタ５→バックボード４の配線を介しての通信では波形品位およびクロストークを含む信号劣化が生じる位置に配置されている。９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂは信号処理手段（ＩＣ）８ａ，８ｂの近傍に配置された発光素子および光素子である。なお、発光素子および光素子は駆動回路も含んでいるものとする。

図（ａ）において、制御ボード２ａに実装されたＩＣ８ａで処理されたデジタル信号が矢印イを経て直近に配置した発光素子９ａに入る。ここで、発光素子９ａは赤外や近赤外、可視光領域ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、もしくは近赤外や、可視光領域ＬＤ（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）で、電気デジタル信号を光デジタル信号に変換する。

発光素子９ａから出射する光デジタル信号Ｘは拡散光もしくは、必要に応じて、光デジタル信号Ｘの光軸上、かつ発光素子９ａの近くに配置したレンズ（図示省略）により、集光または、平行光、もしくは、平行に近い拡散ビーム形状とし、制御ボード２ｂに、発光素子９ａに対向した位置に配置された受光素子１０ｂに入射する。

ここで、受光素子は、発光素子の波長帯に受光感度を持つＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）やＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）で、光デジタル信号を電気デジタル信号に変換する。また、必要に応じて光デジタル信号Ｘの光軸上、かつ受光素子１０ｂの近くに配置したピンホールや、回折格子、カラーフィルタ（図示省略）により、光デジタル信号Ｘを選択受光する。

受光素子１０ｂで電気デジタル信号に変換された信号は、矢印ロを経て制御ボード２ｂに実装されたＩＣ８ｂに入り、必要な信号処理が実施される。
必要な処理が実施された信号は矢印ハを経て発光素子９ｂ’または９ｂに送られ、光デジタル信号ＹまたはＺに変換される。

光デジタル信号Ｙの場合は、制御ボード２ａ上に実装された受光素子１０ａ’に送られて電気デジタル信号に変換され、矢印二を経てＩＣ８ａにて必要な信号処理が実施される。光デジタル信号Ｚの場合は、光デジタル信号Ｘと同様、さらに左隣のボードに送られる

図１（ｂ）は複数の制御ボード間が通信している状況を示した図であり、電気デジタル信号による従来技術例の図９に対応したものである。（説明のしやすさから、各ボードの間隔を少し大きく開けて表示しているが、通常、従来例の図９のように間隔が狭い）

制御ボード２ａに実装されたＩＣ８ａで処理された電気デジタル信号が直近に配置された発光素子９ａ（制御ボードの裏側にある）に入り、ここで、光デジタル信号に変換され、制御ボード２ｂに実装された受光素子１０ｂに入射する。

そして、受光素子１０ｂで電気デジタル信号に変換され、ＩＣ８ｂにて信号処理され、バッファリングされた電気デジタル信号が同様に、発光素子９ｂ（制御ボードの裏側にある）に入り、制御ボード２ｃに実装された受光素子１０ｃに入射して、電気デジタル信号に変換された信号がＩＣ８ｃに入るデイジーチェーンの接続例となっている。

ここで重要な事項は、制御ボード２に搭載された電気デジタル信号の通信をすべて否定するものではないことである。もちろん、信号以外に制御ボード２に電源を供給する意味もある。

図１ｂでは、バックボード４に近い側のＩＣ８ｄ〜ｆについては、コネクタ５ａを用いた従来技術の９と同様の電気デジタル信号の通信を行っている。この場合、信号線路長が短いため、波形品位劣化やクロストークの要因リスクが少ないので、空間光を利用した通信は行わない。

その理由は、図８で示したコネクタは何百ものピンを有するコネクタであり、制御ボード側とバックボード側のコネクタの勘合では、高い実装精度が要求され、勘合後も、バックボードに対する制御ボードの実装位置精度が高い状態で保持される。
この高い位置精度や、また、図８で説明したとおり、比較的各制御ボードのスロット間隔が狭いことも利用し、空間光を用いた光デジタル通信の併用を行うものである。

図２（ａ，ｂ）は他の実施例を示すもので、制御ボードに機械的振動がある場合の対策である。
図２（ａ）において、制御ボード２に実装された発熱部品(図示省略)等をファン１１にて冷却する場合など、制御ボード２に機械的振動が発生する場合がある。その場合、空間光を利用した通信では、その振動成分が信号に重畳されることがある。

機械的振動成分は、信号成分に比べ、低周波であり、電気フィルタ回路等で除去できる場合もあるが、本発明では圧電センサ（圧電素子）などを用いた振動センサ１２を制御ボード２に実装する。

図２（ｂ）において、アンプ１３のプラス端子に機械的振動成分が重畳した信号（ヘ）、マイナス端子に振動センサ１２で感知した機械的振動（ホ）を適度なゲインにて調整した信号を入力することで、機械的振動成分が除かれた信号（ト）を得ることができる。

図３（ａ〜ｅ）は同じ波長帯の発光素子９を近接して複数個配置し、空間光による光通信を行った例である。
図３（ａ）に示すように、発光素子９から出た光は、対向して配置した受光素子１０により、光デジタル信号を受信した場合、隣の発光素子の光デジタル信号を受信し、クロストークが発生する場合がある。

図３（ｂ）はこのようなクロストークを防止するための一例を示すもので、レンズ１４をその焦点位置に発光素子が来る位置に配置することで、発光素子から出た光を平行光または、クロストークが起こらない範囲の拡散光にすることで、クロストークの防止をはかっている。

しかし、レンズは高価であること、発光素子がＬＤの場合、戻り光の影響や、レンズとの共振による光強度の変化が発生する場合があり、空間光を用いた光通信では拡散光を用いた方が望ましい。拡散光は光軸がずれていても、受光することができ高精度の実装が必要ないという利点がある。

図３（ｃ）は複数の受光素子１０のそれぞれの周りに黒色に着色した筒形の遮蔽筒１５を配置した例である。隣の発光素子から出る光デジタル信号は遮蔽筒１５により阻まれるのでクロストークを防ぐことができる。各制御ボードの間隔は図７に示したように狭く、その隙間への自然光や蛍光灯の光の入射は少ないが、遮蔽筒１５を置くことで、それらの影響も防ぐことができる。

図３（ｄ）は受光素子１０の上に遮蔽板１６を置き、この板にピンホール１７を開け、黒色に着色したものである。隣の発光素子９から出る光デジタル信号はピンホール１７を通過することができないため、クロストークを防ぐことができる。

図３（ｅ）は異なる波長帯の発光素子９を近接して配置したもので、受光素子１０の上に回折格子やカラーフルタ１８を配置し、波長を選択してクロストークを防ぐものである。受光素子自体にも感度のある波長帯があるものの、発光素子に比べ、受光面が格段に広いことから、回折格子やカラーフルタ１８の配置が有効である。

図４はレンズ１４を透過した平行光やピンホール１７からの光（図３ｂ，ｄ参照）を用いて、光軸センサとして利用した場合を示すものである。
図に示すように、制御ボード２（ａ〜ｃ）の隅に発光素子９ｃ（矢印で示した部分のボード裏側にある）を配置し、それに対向した位置に受光素子１０ｃを配置する、さらに発光素子９ｃ（矢印で示した部分のボード裏側にある）に対向した位置に受光素子１０ｃを配置する。

平行光や、ピンホールを透過した光は、光の強度がガウシアン分布している特長を利用し、光強度が最大になる所に制御ボードの位置を調整することで、制御ボード２（ａ〜ｃ）上で、空間光による光通信を行っている経路の光軸も合わせることができる。

調整方法としては、バックボード４と制御ボード２の間にピエゾアクチュエータ（ピエゾ素子）１８を配置し、光強度の信号により動作させる。
即ち、図２で述べたように、制御ボード２に機械的振動がある場合、振動により、光強度も変動することから、この信号を振動を除去する方向にピエゾアクチュエータ１８を動作させ、安定した空間光による光通信を行うことができる。

図５は、空間光を用いた発光・受光素子による光通信を行うなかで、煙探知機として併用した場合の実施例である。電子機器がなんらかの異常状態となり、発火による発煙１８が生じた場合、その煙１８が空間光を用いた光通信の光軸１９を横切る場合がある。この時、光強度が大幅に減少することからその光強度の減少を煙探知機として利用する。

図６は、空間光を用いた光通信を行うなかで、発光素子９を温度検知手段として併用した場合の実施例である。
信号処理装置（ＩＣ）８の直近にＬＤ（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）等の光源２０を配置することで、ＩＣ８がなんらかの異常状態となり、高い発熱状態に陥った場合、ＬＤ２０を温度検知器として利用する。
一般的にＬＤ（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）などの発光素子は、周囲温度変化により、その光強度が変化することから、ＬＤ内部にあるＰＤ （Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を利用して、ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）を行っている。その制御量を利用して、異常な温度を検知する。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の電子機器に適用する制御ボードの実施形態の一例を示す正面図および斜視図である。 制御ボードが振動した場合の対処例を示す図である。 波形品位およびクロストークを含む信号劣化防止の対処例を示す図である。 ピエゾ素子を光軸センサとして利用した場合を示す図である。 発光・受光素子を煙探知機として利用した場合を示す図である ＬＤを温度センサとして利用した場合を示す図である。 ロジックテスタおよびメモリテスタの本体架や、大型のサーバーなどで見られるタワー型の電子機器の説明図である。 制御ボードの斜視図、および一点鎖線で囲ったＡ、Ｂ部の拡大図である。 複数の制御ボード間が通信している状況を示した図である。

符号の説明

１ 電子機器
２ 制御ボード
３ スロット
４ バックボード
５ コネクタ
６ 信号ピン
７ ピン配列
８ 信号処理手段
９ 発光素子
１０ 受光素子
１１ ファン
１２ 振動センサ（圧電素子）
１３ アンプ
１４ レンズ
１５ 遮蔽筒
１６ 遮蔽板
１７ ピンホール
１８ 煙
１９ 光軸
２０ ＬＤ

Claims (9)

1. 複数の制御ボードがバックボードに設けられたコネクタを介して連装設置され、前記制御ボードおよびバックボードに形成された配線パターンにより高周波デジタル信号伝達を行うように構成された電子機器において、隣接する前記制御ボードに設けられ、波形品位およびクロストークを含む信号劣化が生じる位置に配置された信号処理手段同士の信号伝達に際しては信号伝達手段として光信号を用いたことを特徴とする電子機器。
2. 前記信号伝達は発光素子および受光素子を用いて行うことを特徴とする請求項1に記載の電子機器。
3. 前記制御ボードに発生する機械的振動を圧電素子を含む振動素子の信号により除去する構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の電子機器。
4. 前記発光素子として拡散光発光素子を用いたことを特徴とする請求項1乃至３のいずれかに記載の電子機器。
5. 前記発光素子と受光素子間のクロストーク防止手段を設けたことを特徴とする請求項1乃至４のいずれかに記載の電子機器。
6. 前記クロストーク防止手段は遮蔽筒、ピンホール板、回折格子、カラーフィルタのいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子機器。
7. 前記信号伝達用発光素子としてレーザダイオードを用いるに際してはレーザダイオードの制御信号を温度検知手段として利用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電子機器。
8. 前記信号伝達用発光素子と受光素子の外に位置合わせ用の発光素子、受光素子およびピエゾ素子を設けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電子機器。
9. 前記信号伝達用受光素子の受光強度の変化を煙探知機として用いることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電子機器。