JP2016171138A - シールド構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】ミリ波帯以上の高周波において、通気性を確保しつつ、十分な電磁遮蔽を実現することが可能なシールド構造体を提供する。
【解決手段】シールド構造は、メッシュ状に開口する各開口部が、開口直径をｄとする円筒形状を有しており、開口直径ｄが半波長（λ／２）よりわずかに小さくなるように構成される。この場合でも、導波管におけるカットオフの現象を利用して、電磁シールドメッシュの厚さを波長程度以上にすることにより、効果的に電磁波を遮蔽する。
【選択図】図７

Description

本発明は、通気性の要求される所定の空間を仕切るためのシールド構造体に関する。

電磁波の人体への影響、電磁ノイズの電子機器への影響を回避する目的など、電磁遮蔽技術の一方式として、とりわけ、種々の理由から開口が必要とされる状況において、電磁シールドメッシュが広く用いられている。

典型的には、電子レンジドアに用いられている円形開孔の電磁シールドメッシュがあり、そこでは、十分な遮蔽性能を確保するために、波長の１／数十以下のサイズの直径の開口のものが用いられている。

また、近年、磁界を遮蔽する磁気シールドルームは、さまざまな分野で利用されている。例えば、医療施設等で用いられるＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置が設置された部屋（以降、ＭＲＩ室と記載する）の壁、天井、及び床の全面や一部に磁性材料を設けて磁気シールドルームを構築している。

特許文献１には、このような磁気シールドルームを構成する構造部材として、フレーム部材に形成された複数の貫通孔に、透磁性を有する複数の筒体が装着されている構成が開示されている。そして、フレーム部材に装着された複数の筒体の両端面によって面がそれぞれ形成されている。また、隣り合う筒体の平面状の側面同士は対向している。磁気シールド体に照射された磁界の磁束は筒体に吸収される。この筒体に吸収された磁束は隣り合う筒体に伝播し、この伝播を繰り返して磁気遮蔽効果を発揮することができる。また、フレーム部材が筒体を支持するので、筒体（磁性材料）が応力を受けて歪むことがない。よって、筒体（磁性材料）の磁気特性が劣化することがないので、効果的な磁気遮蔽性を得ることができる。

他に、特許文献２には、携帯電話機のような通信機器、パーソナルコンピュータのような電子機器、テレビジョン，洗濯機，乾燥機等の家庭電化製品から発生する電波，マイクロ波（極超短波）等の電磁波を遮断する電磁波遮断ネット、及び電磁波遮断ネットを用いた電磁波遮断材について開示がある。

特許文献２に開示の技術では、シールド部材として、トリコット編み機のような一般的な編み機で編むことが可能であって、使用する繊維の分量も少なく、大型の家庭電化製品のように電磁波を遮断する面積が広い場合でもコストが低く、また編み目の縦横の繊維が互いの動きを拘束することで目の粗さが一定に維持され、さらに編目の交差部分で絡み合った繊維同士の導電により電磁波の反射量・吸収量が大きくなり、電磁波の遮断効果が高い電磁波遮断ネットが開示されている。このような電磁波遮断ネットは、それぞれ導電性を有する糸同士複数本を縒り合わせて縒り糸とし、該縒り糸を用いて編目の粗さが１．５ｍｍ以下のメッシュ状に編んで、形成している。

一方で、クラウドサービスの進展に伴って、ネットワークを介して大量のデータを蓄積するデータセンタが増加している。データセンタにはサーバ等の多数の機器が使用されている。データセンタは、その性格上、毎日２４時間、年間３６５日、休みなく稼働している必要がある。その結果、各データセンタでは年間を通じて多大な電力が消費される。このため、データセンタ全体の低消費電力化は喫緊の課題である。サーバ自体が電力を消費する上、サーバが過熱してエラーが発生するのを防ぐためにサーバを冷却しなければならない。データセンタで消費される電力の内、サーバ等の機器による消費電力はもちろん、サーバ等を冷却するための空調電力の割合も非常に大きい。

一般的なデータセンタでは、効率よくサーバを運用するために、各々が複数のサーバを収容する多数のサーバラックが稠密に設置される。典型的には、１台のサーバラックは４０台程度のサーバを収容する。各サーバラックは冷却装置からの冷却空気が流れるように配置されている。

しかし、このようなデータセンタでのサーバの運用には以下の様な問題がある。サーバラック内では、通信のために各サーバとスイッチとを接続する必要がある。この接続はイーサネット（登録商標）ケーブル等の通信ケーブルによって行われている。しかし、サーバが多数あると、これらケーブルが錯綜してサーバのメンテナンスが煩雑になる上、ケーブルによって冷却気流が妨げられ、冷却効率が大幅に低下するといわれている。

こうした問題を解決する１つの方法は、データサーバにおけるサーバとスイッチ間の通信を無線化することである。そうすれば、ケーブルによる冷却効率の低下の問題が改善され、データサーバの低消費電力化に大きく貢献できる。さらには、通信ケーブルの存在によって煩雑化していたメンテナンスコストも低減できる。

しかし、データセンタにおける通信を全て無線通信とすることには大きな問題がある。データセンタ内には多数のサーバラックが稠密に設置されており、使用されている通信ケーブルは膨大な数に上る。しかもデータセンタにおける通信は高速でなければならない。そのため、ケーブルによる通信をすべて無線化し、かつ高速な通信速度を保証するとなると、必要な周波数帯域が非現実的な値になって実現不可能である。したがって、サーバラックごとに通信電波を閉じ込め、同じ周波数帯域をすべてのサーバラックで共用することが現実的である。

特開２００８−１６００２７号公報 特開平１０−２９２２５２号公報

サーバラックは通常金属でできているので、電波を閉じ込めることは比較的容易である。しかし、完全に金属板で遮蔽してしまうと、十分な通気性を確保できなくなるため、上述したような電磁シールドのためのメッシュ状の構造部材を使用することが必要になる。

ただし、現在、商用周波数として広く用いられている数１００メガヘルツ帯、および、２〜３ギガヘルツ帯の波長は、数センチｍ〜数十センチｍであり、これに伴って、これらの周波数帯の電磁波を遮蔽するための電磁シールドメッシュの開口サイズは、１〜数ミリｍのものが主流となっている。

つまり、このような従来の電磁シールドメッシュは、より高周波の電波のシールドのための構成について、考慮したものではない。

したがって、近年の利用周波数帯の高周波化、とりわけ、数十ギガヘルツ帯のミリ波やそれ以上の周波数の電磁波の電磁遮蔽を行う場合、同様な原理で電磁シールドメッシュを作成すると、開口直径はミクロンサイズ、同時に、隣り合う開口孔間隔はさらにその１／１０程度となるため、その製作には非常に困難が伴い、同時に高価となってしまう。

それだけではなく、このようなメッシュ構造では、上述したサーバーラックのように通気性を要求されるような構造体に使用するのは、十分な通気性を確保することは困難である。

したがって、数十ギガヘルツ帯でも製作が容易で広く利用できる、従来とは考え方の異なる電磁シールドメッシュの構造が必要となる。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、ミリ波帯以上の高周波において、通気性を確保しつつ、十分な電磁遮蔽を実現することが可能なシールド構造体を提供することである。

この発明の１つの局面に従うと、通気性の要求される所定の空間を仕切るためのシールド構造体であって、所定の空間を仕切るための複数の壁材と、所定の空間内に配置され、互いに、ミリ波帯の電波で相互に通信する複数の電子機器と、壁材の面の少なくとも一部の領域に設けられ、複数の開口を有するメッシュ部材とを備え、メッシュ部材の開口の大きさおよび厚さは、ミリ波帯の電波を、導波管としてカットオフする寸法である。

好ましくは、ミリ波帯の電波の周波数は、１０ギガヘルツ以上であり、メッシュ部材の開口の大きさは、ミリ波帯の電波の略半波長の大きさである。

好ましくは、メッシュ部材の開口の形状は、円筒形状である。

好ましくは、シールド構造体は、サーバラックであって、複数の電子機器は、サーバラック内に格納される複数のサーバであり、サーバ間の信号伝達のための通信は、ミリ波帯の電波による無線通信である。

この発明のシールド構造体によれば、シールド構造体に囲まれた空間において、ミリ波帯以上の高周波により、通気性を確保しつつ、十分な電磁遮蔽を実現することが可能である。

第１のメッシュ構造による磁気シールドの態様を説明するための概念図である。 第２のメッシュ構造による磁気シールドの態様を説明するための概念図である。 本実施の形態のサーバラックの斜視図である。 サーバラック内に収納されるサーバ６０の構成を説明するための図である。 本実施の形態において、背面板４８並びに前面扉５０に設けられるメッシュ構造により、ミリ波帯の電磁波が遮蔽される原理を説明するための概念図である。 本実施の形態において、背面板４８並びに前面扉５０に設けられるメッシュ構造により、ミリ波帯の電磁波が遮蔽される原理を説明するための概念図である。 本実施の形態のメッシュ状のシールド構造の動作の概念を説明するための図である。 本実施の形態のメッシュ状のシールド構造を説明するための概念図である。 図８に示した構造に対するシールド効果のシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態のシールド構造体について、図に従って説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素および処理工程は、同一または相当するものであり、必要でない場合は、その説明は繰り返さない。
（メッシュ構造による磁気シールド）
以下、メッシュ構造による磁気シールドの問題点について簡単に説明する。

図１は、第１のメッシュ構造による磁気シールドの態様を説明するための概念図である。

図１に示すように、開口（図では、開口は円形であり、その開口直径をｄとする）のある導体を用いて、電磁波の遮蔽を行うに際しては、少なくとも開口サイズは半波長以下である必要がある。ただし、開口部から漏れだすエバネッセントモードにより２次的に漏れ電磁波が発生する。

図２は、第２のメッシュ構造による磁気シールドの態様を説明するための概念図である。

図１に示したように、たとえ半波長以下の開口サイズでもそこから漏れだすエバネッセントモードにより２次的に漏れ電磁波が発生するため、図２に示すように、漏れ電磁波を十分に抑えるため従来の電磁シールドメッシュでは、波長の１／数十以下のサイズの開口直径が用いられる。

図３は、本実施の形態のサーバラックの斜視図である。

図３（ａ）は、サーバラックの前方からの斜視図であり、図３（ｂ）は、サーバラックの後方からの斜視図であり、図３（ｃ）は、サーバラック及びサーバ等の配置を示す、サーバラックの後方からの斜視図である。

図３（ａ）に示すように、典型的なサーバラック３０は、高さ約２．２ｍ、幅約０．７ｍ、奥行き約１．２ｍの直方体形状になっている。この内部に多数の薄型サーバが収容される。サーバラック３０の全体は、いずれも金属製の底板４０、天板４２、２枚の側板４４及び側板４６、背面板４８並びに前面扉５０からなっている。前面扉には開口５２が設けられ、多くの場合開口５２はメッシュ状になっている。この開口５２を通して冷却気流がサーバラック３０内に供給される。

図３（ｂ）を参照して、サーバラック内部に多数のサーバを収容する場合、サーバ背面とサーバラックの背面部の内面との間にも、背面の背面板４８および側板４４及び側板４６に囲まれた空間５４が形成される。

ここでは、背面板４８にも、開口５２が設けられ、メッシュ状になっているものとする。
サーバラック内で無線通信を行う場合、電波はこの空間内に閉じ込められ、外部にはほぼ漏れ出さない状態とすることが必要である。

図３（ｃ）は、本発明の実施の形態に係るサーバラックの内部を、サーバラックの内面とサーバラック内部に収容された多数のサーバ６０の上下中央付近にとともに示す。各サーバと接続するＬ２／Ｌ３スイッチ（アクセスポイント）６２を、サーバラックの上下中央付近に設置し、サーバ６０をその上下に複数隙間なく設置する。サーバ６０は、その背面がサーバラックの背面側を向くように、かつある程度の距離が筐体背面の内側表面との間に残るように収容される。こうした配置により、サーバの背面とサーバラック後部の内面との間に空間（後半部）が形成され、この内部で無線通信が行われる。サーバラック７０の筐体は金属製であり、上述のとおり、その前面および背面には冷却気流が流れるようにメッシュ状の前扉または背面板が設けられている。また、背面の空間５４の下面８０および下面８２は、金属製の板で構成される。

このようにサーバ及びＬ２／Ｌ３スイッチ６２をサーバラック内部に収容することにより、サーバラックの内部空間は、開口側の前半部と、背面側の後半部とに分離される。後半部の空間は、サーバラックの底板、天板、２枚の側板及び背面板により画定される。

後述するように、サーバ６０及びＬ２／Ｌ３スイッチ６２の背面には、無線通信を行う通信モジュールの装着端子が設けられる。

図４は、サーバラック内に収納されるサーバ６０の構成を説明するための図である。

図４を参照して、通信モジュール９４は、たとえば、ＵＳＢインターフェイスを持つ。サーバ６０の背面９０にはＵＳＢ端子９２が設けられ、通信モジュール９４が装着される。Ｌ２／Ｌ３スイッチ６２の背面にも同様のＵＳＢ端子が設けられる。サーバ６０の各々及びＬ２／Ｌ３スイッチ６２のＵＳＢ端子にそれぞれ通信モジュール９４が装着される。

図５および図６は、本実施の形態において、背面板４８並びに前面扉５０に設けられるメッシュ構造により、ミリ波帯の電磁波が遮蔽される原理を説明するための概念図である。

本実施の形態では、背面板４８並びに前面扉５０に設けられるメッシュ状の構造は、たとえば、円筒形の構造を有する。そして、このような円筒形が、電磁波の導波管として動作するものとして、電磁遮蔽構造を構成する。

図５に示すように、電磁波の波長λが、導波管直径ａよりも小さい（λ＜ａ）である場合は、導波管内を電磁波が伝搬できる。

これに対して、図６に示すように、電磁波の半波長λ/2が、導波管直径ａよりも大きい（λ/2＞ａ）である場合は、導波管内を電磁波は、伝搬することができず、電磁波は、導波管によりカットオフされる。

図７は、本実施の形態のメッシュ状のシールド構造の動作の概念を説明するための図である。

本実施の形態のシールド構造では、図６で説明した導波管におけるカットオフの現象を利用し、開口直径が半波長よりわずかに小さい場合でも、電磁シールドメッシュの厚さを波長程度以上にすることにより、効果的に電磁波を遮蔽することができる。。

導波管におけるカットオフ現象自体はよく知られた特性であり、この現象を利用した電磁遮蔽は、電波暗室における配管の部分の電磁遮蔽などに利用されることはある。しかし、このような構造は、それらはあくまで、数１００メガヘルツ帯、数ギガヘルツ帯を前提としている。このため、電磁シールドメッシュモデルにおける板厚さｔは、数センチｍから数十センチｍになるような構造に用いられるのみである。

図８は、本実施の形態のメッシュ状のシールド構造を説明するための概念図であり、図９は、図８に示した構造に対するシールド効果のシミュレーション結果を示す図である。

図８に示すように、本実施の形態では、シールド構造を構成するメッシュの開口部は、円筒構造であって、円筒の開口部の直径をｄ、円筒の厚さ（シールド構造の厚さ）がｔであるものとする。

また、メッシュ状の構造において、円筒形の開口は、その各々の中心軸が、表面から見て、蜂の巣の中心と一致するように配列されている。

ただし、開口率は、たとえば、６０％であって、円筒形の開口と開口との間には、所定の間隔が空いている。この間隔部分の部材が、複数の円筒形の開口形状を構造的に支持する。なお、開口率は、要求される通気性に応じて、６０％よりも多くても、あるいは、少なくてもよい。

本実施の形態のように、数十ギガヘルツ帯の電磁波を対象とする場合、厚さｔのサイズは高々１〜数ミリｍであるので、従来の電磁シールドメッシュのように、開口サイズを波長に比して小さくするよりもこの導波管のカットオフ現象を利用した電磁遮蔽の方法が有効である。

図９は、図８に示したような円形開口のシールドメッシュに、６０ギガヘルツ（半波長２．５ｍｍ）のミリ波が入射したときに透過する（漏れる）電磁波の透過率を、シールドメッシュがない場合の電磁場強度との比として定義し、その透過率を数値シミュレーションにより評価した結果である。

図９（ａ）は、板厚さｔを１ミリｍとし、開口率６０％を維持したままで開口直径ｄを小さくした場合の透過率を示し、また、図９（ｂ）は、開口直径ｄを２．４ミリｍとし、板厚さｔを大きくしていった場合の透過率を示す図である。

たとえば、透過率５〜１０％を達成するためには、板厚さ１ミリｍでは開口直径を１．８ミリｍ程度まで小さくする必要があるのに対し、板厚さを３ミリｍ程度とれば、開口直径が半波長よりわずか小さい２．４ミリｍでも、同等以上の遮蔽性能が達成できることがわかる。

図８に示すような板厚さを用いる電磁シールドメッシュを実際に製作するにあたっては、典型的には、比較的容易に製作が可能な１ミリｍ厚さの電磁シールドメッシュを数枚重ねて実現する方法などが考えられる。ただし、すべての導体を用いず、プラスチック等で製作した後に表面のみを導電性の材質でメッキ加工することとすれば、より軽量化、低価格化を実現することが可能である。

現在、通信や加熱応用で主流のマイクロ波帯に対し、近い将来に訪れるミリ波帯の本格的な商用利用に際して、例えば、ミリ波無線通信環境で無線データの秘匿性が要求される場合など、このような電磁遮蔽板は、さまざまな場面で必ず必要となる技術、および、製品であり、社会インフラとして広く利用される可能性があるものと考える。

本実施の形態のシールド構造体では、電磁シールドメッシュ表面が導電性の材料であればそれ以外には制約はないため、たとえば、開口孔は完全に空いていて、空気などが通過することが可能であり、電磁波を通さず、空気を通す必要のある場面への応用に適している。

なお、以上の説明では、本実施の形態のシールド構造体を、サーバラックの筐体の壁材の一部（前面扉、背面板）に使用する構成について説明した。ただし、このようなシールド構造体は、必ずしもサーバラックに限られず、たとえば、ミリ波帯で通信する電子機器に対する実験を行う空間のシールド材として使用することや、他の用途へ応用されるものであってよい。

今回開示された実施の形態は、本発明を具体的に実施するための構成の例示であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。本発明の技術的範囲は、実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の文言上の範囲および均等の意味の範囲内での変更が含まれることが意図される。

３０ サーバラック、４０ 底板、４２ 天板、４４，４６ 側板、４８ 背面板、５０ 前面扉、５２ 開口、６０ サーバ、６２ Ｌ２／Ｌ３スイッチ、９２ ＵＳＢ端子、９４ 通信モジュール。

Claims (4)

1. 通気性の要求される所定の空間を仕切るためのシールド構造体であって、
   前記所定の空間を仕切るための複数の壁材と、
   前記所定の空間内に配置され、互いに、ミリ波帯の電波で相互に通信する複数の電子機器と、
   前記壁材の面の少なくとも一部の領域に設けられ、複数の開口を有するメッシュ部材とを備え、
   前記メッシュ部材の開口の大きさおよび厚さは、前記ミリ波帯の電波を、導波管としてカットオフする寸法である、シールド構造体。
2. 前記ミリ波帯の電波の周波数は、１０ギガヘルツ以上であり、
   前記メッシュ部材の開口の大きさは、前記ミリ波帯の電波の略半波長の大きさである、請求項１記載のシールド構造体。
3. 前記メッシュ部材の開口の形状は、円筒形状である、請求項１または２記載のシールド構造体。
4. 前記シールド構造体は、サーバラックであって、
   前記複数の電子機器は、前記サーバラック内に格納される複数のサーバであり、
   前記サーバ間の信号伝達のための通信は、前記ミリ波帯の電波による無線通信である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシールド構造体。