JP3815528B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回路基板をスペーサを介して筐体やフレームなどの外部金属面に固定した電子機器（電気機器）、特に回路基板からの不要な電磁波ノイズの発生を防止するようにした電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種の電子機器では、図１３に示すように、回路基板３１を、その例えばコーナー４点において、それぞれ柱状（ピン状）のスペーサ３３を介し、ネジ３４によって、筐体やフレームなどの構造体自体ないしこれに設けられた金属面である外部金属面３２に固定するが、回路基板３１内のグランド電位を安定化させるためには、スペーサ３３を金属スペーサとして、回路基板３１のグランド面と外部金属面３２とを電気的に接続することが望ましい。
【０００３】
しかし、そうすると、今日のように回路基板３１上で用いる信号のスイッチング速度を速くする場合には、回路基板３１で発生した高周波ノイズがスペーサ３３を介して外部金属面３２に伝播して、スペーサ３３間の距離に対応した共振電流などが流れ、大きな放射ノイズが発生するという問題を生じる。
【０００４】
そこで、特開平７−２２５６３４号には、回路基板のグランド層と導電性の本体フレームとを複数の接続点で電気的に接続する場合に、回路基板上でグランド層を抵抗部材を介して接続パッドに接続することによって、回路基板から本体フレームに流れ込むノイズ電流を抑制する方法が示されている。
【０００５】
また、特開平９−２３０８３号には、回路基板のシグナルグランドとフレームグランドを形成する筐体とを柱状の金属スペーサによって電気的に接続する場合に、金属スペーサの周面に磁性体コアを装着し、または金属スペーサとシグナルグランドもしくは筐体との間に抵抗シートを介在させることによって、回路基板から筐体に流れ込むノイズ電流を抑制する方法が示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この特開平７−２２５６３４号または特開平９−２３０８３号に示された従来の方法は、一方で、回路基板と外部金属面とを複数の柱状スペーサによって接続することに変わりがないため、スペーサ間の距離に対応した共振放射の発生を本質的に防止することができないとともに、他方で、抵抗部材や磁性体コアによって回路グランド電位を安定化させるための電流を抑制してしまうため、回路グランド電位の不安定化による新たなノイズの発生を招いてしまう欠点がある。
【０００７】
そこで、この発明は、共振放射の発生を本質的に防止することができるとともに、回路グランド電位の安定化を実現することができ、さらには配線などからの放射も遮蔽・抑制することができるようにしたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の電子機器は、
電源層およびグランド層を有する回路基板と、
外部金属面と、
前記電源層が前記グランド層と前記外部金属面との間に配置された状態で、前記回路基板の周辺部において周辺方向に所定以上の長さに渡って前記回路基板および前記外部金属面と接触して、前記回路基板と前記外部金属面との間に介在された壁状の導電性のスペーサとを備え、
前記スペーサは、断面形状が概略Ｕ字状で、弾性変形によって、一方の鍔部が前記回路基板に接触し、他方の鍔部が前記外部金属面に接触しているとともに、ネジによって前記回路基板および前記外部金属面に固定されて、前記グランド層と前記外部金属面とを電気的に接続している、ことを特徴とする。
【０００９】
この場合、前記スペーサは、前記回路基板の全周の８０％以上の長さに渡るものとすることが望ましい。
【００１４】
また、前記スペーサに配線接続部を取り付けることができる。
【００１５】
また、前記スペーサに微小な穴を多数、設けることができる。
【００１６】
さらに、前記外部金属面は、他の回路基板に設けられた金属面とすることができる。
【００１９】
なお、壁状スペーサは、一定の損失を持たせることもできる。
【００２０】
【作用】
上記のように構成した、この発明の電子機器では、従来のように柱状スペーサを間隔を置いて配置するのではなく、回路基板の周辺方向に所定以上の長さに渡る壁状スペーサを配置するため、従来のような柱状スペーサ間の距離に起因する共振放射の発生を本質的に防止することができる。
【００２１】
また、従来のように数本の柱状スペーサを介して回路基板のグランド面と外部金属面とを接続するのではなく、回路基板の周辺方向に所定以上の長さに渡る壁状スペーサを介して回路基板のグランド面と外部金属面とを接続するため、接続部のインピーダンスを従来より大幅に低下させることができ、回路グランド電位が安定化して、回路グランド電位の不安定化によるノイズの発生を防止することができるとともに、接続部のインピーダンスに起因する放射ノイズの発生を防止することができる。
【００２２】
しかも、特に、電源層およびグランド層を有する回路基板は、ノイズ電流が発生しやすい電源層を、グランド層と外部金属面との間に、すなわちグランド層より外部金属面に近い側に配置するため、後述のように放射遮蔽効果が増大する。
さらに、壁状の導電性のスペーサは、断面形状を概略Ｕ字状とし、弾性変形によって、一方の鍔部を回路基板に接触させ、他方の鍔部を外部金属面に接触させるとともに、ネジによって回路基板および外部金属面に固定するため、ネジの本数を増加させることなく、回路基板を外部金属面に安定に固定することができるとともに、スペーサが回路基板および外部金属面に確実に接触して、回路基板と外部金属面とを電気的に確実に接続することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の電子機器の一実施形態を示す。
【００２４】
この実施形態では、同図（ａ）に示すように、回路基板１と外部金属面２との間に介在させる壁状の導電性のスペーサ３を、回路基板１の全周を取り囲んで回路基板１および外部金属面２と接触するものとし、回路基板１のコーナー４点でネジ４によって、回路基板１をスペーサ３を介して外部金属面２に固定する。
【００２５】
また、この実施形態では、同図（ｂ）に示すように、スペーサ３を、金属によって、断面形状が概略Ｕ（ユー）字状の板バネとして形成し、スペーサ３が回路基板１および外部金属面２に固定されていない状態では、同図（ｃ）に示すように、スペーサ３の２つの鍔部３ａおよび３ｂが、互いに平行な状態に対して、それぞれ角度θだけ開いた状態にあり、ネジ４によってスペーサ３を回路基板１および外部金属面２に固定したとき、鍔部３ａおよび３ｂが、それぞれ弾性変形して、互いに平行となるようにする。
【００２６】
これによって、ネジ４の本数を増加させることなく、回路基板１を外部金属面２に安定に固定することができるとともに、鍔部３ａおよび３ｂが回路基板１および外部金属面２に確実に接触して、回路基板１と外部金属面２とを電気的に確実に接続することができる。
【００２７】
図２（ａ）（ｂ）は、回路基板１の内部構造と接続部分の一例を示す。この例では、回路基板１の下面（外部金属面と対向する面）の周辺部に、表面パッド５を所定の幅で形成して、この表面パッド５をビア６およびネジ穴を兼ねたビア６’を介して回路基板１内のグランド層７に、直流から高周波までの周波数域に渡って低インピーダンスで接続する。そして、この表面パッド５をスペーサ３と接触させることによって、グランド層７をスペーサ３に、さらには外部金属面に、低インピーダンスで電気的に接続する。ビア６のピッチは、できるだけ細かい方が良く、望ましくは５ｃｍ以下、より望ましくは２ｃｍ以下とする。
【００２８】
回路基板１の、ノイズ電流を発生しやすい電源層８や配線９は、この発明の後述する放射遮蔽効果を有効に利用するために、グランド層７より内側に、すなわちグランド層７と外部金属面との間に、配置することが望ましい。
【００２９】
この発明の電子機器の作用および効果を、従来の電子機器と比較して示す。図３（ａ）は、図１３に示した従来の電子機器、（ｂ）は、特開平７−２２５６３４号または特開平９−２３０８３号に示された従来の電子機器、（ｃ）は、この発明の上述した実施形態の電子機器を、それぞれ示す。
【００３０】
まず、この発明では、従来のように柱状のスペーサ３３を間隔を置いて配置するのではなく、回路基板１の周辺方向に所定以上の長さに渡る壁状のスペーサ３を配置するため、従来のようなスペーサ３３間の距離に起因する共振放射（共振電流１２、放射ノイズ１３）の発生を本質的に防止することができる。以下、これを基本効果と称する。
【００３１】
次に、この発明では、従来のように数本の柱状のスペーサ３３を介して回路基板３１のグランド層１１と外部金属面３２とを接続するのではなく、回路基板１の周辺方向に所定以上の長さに渡る壁状のスペーサ３を介して回路基板１のグランド層７と外部金属面２とを接続するため、接続部のインピーダンスを従来より大幅に低下させることができ、回路グランド電位が安定化して、回路グランド電位の不安定化によるノイズの発生を防止することができるとともに、接続部のインピーダンス（１７）に起因する放射ノイズ（１８）の発生を防止することができる。以下、これをグランド電位安定化効果と称する。
【００３２】
さらに、この発明の上述した実施形態では、回路基板１と外部金属面２との間が回路基板１の全周に渡ってスペーサ３で覆われているため、回路基板１のグランド層７、スペーサ３および外部金属面２によって、ほぼ完全に密閉されたシールドケースが形成されることになり、シールドケースの内部に位置する電源層や配線（１４）から発生する放射ノイズ（電流１５、放射１６）を遮蔽することができる。以下、これを放射遮蔽効果と称する。
【００３３】
壁状のスペーサ３は、回路基板１の全周に渡るものが望ましいが、必ずしも回路基板１の全周に渡るものでなくてもよい。図４は、壁状スペーサを回路基板の全周に渡るものとしない場合の例を示す。
【００３４】
同図（ａ）は、回路基板１の一辺のみに渡って壁状のスペーサ３Ａを配置し、対向する辺の両コーナーに柱状のスペーサ３３を配置する場合であり、同図（ｂ）は、回路基板１の一辺をスペーサのない開口部とし、他の三辺に渡って壁状のスペーサ３Ｂを配置する場合であり、同図（ｃ）は、４分割した壁状のスペーサ３Ｃを、回路基板１のそれぞれのコーナーを含む周辺部に配置して、回路基板１のそれぞれの辺の一部を開口部とする場合であり、同図（ｄ）は、回路基板１の一辺の両コーナーに柱状のスペーサ３３を配置し、対向する辺側に、その辺側の基板部分を取り囲むように壁状のスペーサ３Ｄを配置する場合である。ただし、これらを組み合わせ、または変形した形態も可能である。
【００３５】
図４の各例のように、回路基板１の全周に渡る壁状スペーサを設けず、回路基板１の周辺の一部に開口部が存在すると、上記の放射遮蔽効果は低下するが、基本効果およびグランド電位安定化効果は発揮される。
【００３６】
図５は、この開口部の影響を調べた結果を示し、Ａ４サイズの回路基板の全周の長さに対する、非開口部、すなわち壁状スペーサが位置する部分の長さの割合を、被覆率として、その被覆率に対する放射強度の変化を測定し、プロットしたものである。
【００３７】
図５から明らかなように、被覆率が４０％未満であると、放射遮蔽効果を期待できないが、被覆率を４０％以上にすると、被覆率を大きくするほど放射が低減し、基板全周の８０％以上の範囲に壁状スペーサを設けて被覆率を８０％以上にすれば、基板全周に壁状スペーサを設けて被覆率を１００％にした場合と同程度の放射遮蔽効果を得ることができる。ただし、この測定は主として放射遮蔽効果を観測したもので、被覆率が４０％未満でも、他の基本効果およびグランド電位安定化効果は発揮される。
【００３８】
また、壁状スペーサは全体が導電体であることが望ましいが、通気や後述するケーブル挿入などのために、壁状スペーサの図１（ｃ）に示すような壁面部３ｃに穴や開口を設けてもよい。特に、壁面部３ｃに多数の微小な穴を設ける場合には、穴に起因する新たな放射の発生や放射遮蔽効果の低下を防止しつつ、十分な通気性を確保することができる。
【００３９】
さらに、この発明の効果をシミュレーションによって確認した。図６は、その結果を示し、１７０ｍｍ×１１０ｍｍの回路基板上に８０ｍｍのマイクロストリップラインが形成されているときの放射スペクトルの、モーメント法による計算結果である。
【００４０】
破線が、回路基板のコーナー４点で、柱状の金属スペーサを介して、回路基板のグランド面と外部金属面とを接続した従来の電子機器の放射スペクトル、実線が、この発明の一実施形態の、回路基板の全周に渡る壁状スペーサを介して、回路基板のグランド面と外部金属面とを接続した電子機器の放射スペクトルである。
【００４１】
図６から明らかなように、この発明では、全ての周波数域で放射強度Ｅが大きく減少するとともに、従来機器において観測された７００ＭＨｚ付近の放射ピークが消失した。７００ＭＨｚ付近の放射ピークは、従来機器において柱状スペーサ間のループによって新たに発生する共振モードであり、この発明によれば、この新たな共振放射の発生を防止できることが確認できた。全周波数帯における大きな放射低減は、この発明の上述したグランド電位安定化効果と放射遮蔽効果によるものと考えられる。
【００４２】
壁状スペーサの断面形状は、図１に示したような概略Ｕ字状に限らず、概略Ｓ（エス）字状、概略Ｉ（アイ）字状、中空のまたは中空でない円形状ないし楕円形状、中空のまたは中空でない四角形状などでもよい。
【００４３】
図７は、壁状スペーサの断面形状を概略Ｓ字状にした場合で、同図（ａ）は、回路基板１の下面（外部金属面２と対向する面）にグランド面が形成されている場合であり、同図（ｂ）は、回路基板１の上面にグランド面が形成されている場合である。また、（ａ）（ｂ）は、それぞれ、壁状のスペーサ３を別個のネジ４ａおよび４ｂによって回路基板１および外部金属面２に固定する場合であるが、同図（ｃ）に示すように、スペーサ３を共通のネジ４によって回路基板１および外部金属面２に固定することもできる。
【００４４】
この発明では、通常は、図２（ａ）に示したように、回路基板１のグランド面（表面パッド５）とスペーサ３とを直結するが、目的によっては、回路基板のグランド面と壁状スペーサとを適当な回路素子を介して接続してもよい。
【００４５】
図８は、その場合の一例を示す。この例では、回路基板１の表面に、ビア２５によって内部のグランド層に接続された表面グランドパッド２２と、壁状スペーサと直結されるスペーサパッド２３とを形成し、表面グランドパッド２２とスペーサパッド２３とを、両者にまたがるように回路基板１に取り付けた回路素子２４を介して接続する。回路素子２４としては、抵抗素子、インダクタンス、コンデンサなどを用いることができる。この接続部分のインピーダンスが増加すると、上記のグランド電位安定化効果が抑制されるが、他の基本効果および放射遮蔽効果は発揮される。ネジ穴２６は、図１などに示したネジ４を挿入するものである。
【００４６】
壁状スペーサは、通常は低インピーダンスの金属によって形成するが、壁状スペーサに、数オーム程度以下の直流抵抗の損失を持たせてもよい。この場合も、損失の増加によってグランド電位安定化効果が抑制されるが、他の基本効果および放射遮蔽効果は発揮される。
【００４７】
回路基板を外部に接続する方法としては、図９、図１０または図１１に示すような方法をとることができる。
【００４８】
図９は、回路基板１の上面にレセプタクル４２を取り付けて、回路基板１上の配線と接続し、レセプタクル４２にプラグ４３を装着して、ケーブル４４を外部金属面２上に引き出す場合であり、図１０は、回路基板１の下面にレセプタクル４２を取り付けて、回路基板１上の配線と接続し、壁状のスペーサ３の内側において、レセプタクル４２にプラグ４３を装着して、ケーブル４４をスペーサ３に形成した開口４５に通して外部金属面２上に引き出す場合である。
【００４９】
さらに、図１１（ａ）（ｂ）は、壁状のスペーサ３に形成した開口にレセプタクル４２を取り付けて、内部配線４６によって回路基板１上の配線と接続し、スペーサ３の外側において、レセプタクル４２にプラグ４３を装着する場合である。
【００５０】
特に、図１１のようにスペーサ３にコネクタ４１を取り付ける方法は、（１）ケーブル４４と外部金属面２との距離が近くなるため、相互インピーダンスが小さくなり、コモンモードノイズの発生を防止することができる、（２）コネクタ４１によってスペーサ３の開口が塞がれ、放射遮蔽効果に優れる、（３）回路基板１上にコネクタを設けないため、回路基板１上のスペースを有効に利用することができる、などの利点がある。
【００５１】
図示した例は、いずれも回路基板１より外部金属面２の方が大きい場合であるが、回路基板と外部金属面が同じ大きさでも、また外部金属面より回路基板の方が大きくても、この発明を適用することができる。外部金属面より回路基板の方が大きい場合には、壁状スペーサを回路基板の最外周部より内側の周辺部に設ければよい。
【００５２】
また、外部金属面は、金属板の構造体自体、ないし金属以外の構造体に設けられた金属面（金属層）のほかに、他の回路基板に設けられた金属面（金属層）であってもよい。後者の場合には、複数の回路基板が積層されて、それら回路基板が壁状スペーサを介して結合されることになり、その結合された複数の回路基板につき、上記の効果が実現される。
【００５３】
なお、図示した例は、回路基板１と外部金属面２とを壁状のスペーサ３を介して、ネジ４によって固定する場合であるが、ネジ以外の固定具または導電性接着剤などによって固定してもよい。
【００５４】
この発明は、回路基板を着脱できる、または複数の回路基板を収納するラック構造の回路基板支持装置にも適用することができ、その場合でも、上述した基本効果、グランド電位安定化効果および放射遮蔽効果を得ることができる。図１２は、この場合の一実施形態を示す。
【００５５】
この実施形態では、同図（ａ）に示すように、回路基板１は、表裏両面の全周に渡って、内部のグランド層と直接または間接的に接続された表面パッド５２を有し、一辺に端子部５３を設け、対向する辺に、装置ケースの表面カバーを構成し、または外部との接続用コネクタを取り付けるパネル５４を設けたものとする。
【００５６】
同図（ｂ）に示すように、壁状のスペーサ３は、回路基板１の全周に渡って表面パッド５２と接触する枠状のものにするとともに、図１（ｃ）に示したような弾性変形部（鍔部）３ａ，３ｂを有するものとする。ただし、この場合には、スペーサ３を回路基板１に固定しないので、ネジ穴は不要である。
【００５７】
そして、図１２（ｃ）に示すように、上記のスペーサ３を複数、所定間隔で配置して、それぞれの弾性変形部３ａ，３ｂ間の壁面部を、装置ケース５９に固定し、装置ケース５９のバックボード５８には、それぞれ回路基板１の端子部５３が差し込まれるソケット５７を取り付け、バックボード５８を介して信号が伝送されるようにする。
【００５８】
隣接する２つのスペーサの間に回路基板１を挿入しないときには、その２つのスペーサのうちの一つの片側の弾性変形部３ａと、もう一つの片側の弾性変形部３ｂとが、それぞれ外側に開いた状態で互いに接触するようにする。
【００５９】
隣接する２つのスペーサの間に回路基板１を挿入すると、挿入された回路基板１に押されて、上記の弾性変形部３ａおよび３ｂが、それぞれ内側に弾性変形し、挿入された回路基板１の表裏の表面パッド５２と弾性的に接触して、表面パッド５２とこれを挟持する２つのスペーサとの間で良好な電気伝導性が得られる。
【００６０】
隣接する２つのスペーサの間に回路基板１を挿入しないとき、その２つのスペーサの間に隙間が形成されるようにしてもよいが、上記のように２つのスペーサが互いに接触して、その間に隙間が生じないようにすれば、放射遮蔽効果が高まるという利点がある。
【００６１】
また、弾性変形部３ａ，３ｂは、上記のようにスペーサ３を金属板バネとすることによって形成するほか、スペーサ３を導電ゴム、その他の導電性を有する弾性材料により形成することによって得ることもできる。
【００６２】
この実施形態によれば、スペーサ３を介して複数の回路基板のグランド面を接続することができるので、新たな共振放射などを生じることなく、回路グランド電位を安定化することができるとともに、スペーサ３による遮蔽作用によって、放射ノイズを大幅に減少させることができる。
【００６３】
なお、上記の例は、スペーサ３の位置を固定し、弾性変形部３ａ，３ｂの弾性変形によって回路基板１とスペーサ３の接触を保持する場合であるが、スペーサ３をその配列方向に移動できるようにし、回路基板１の挿入後、機械的圧力を加える適当な手段によってスペーサ３を一方向に押すことによって、回路基板１が一定の圧力で支持され、回路基板１とスペーサ３の接触が保持されるようにしてもよい。
【００６４】
この場合の圧力印加手段は、装置ケース５９の内外の、いずれに設けてもよい。また、必要に応じて、回路基板１の移動に伴ってソケット５７がバックボード５８上で移動するように構成することができる。
【００６５】
このように圧力印加手段によって回路基板１とスペーサ３の接触を保持する場合でも、隣接する２つのスペーサの間に回路基板１を挿入しないとき、その２つのスペーサが互いに接触するようにすれば、回路基板非収納部の放射遮蔽効果が高まる。
【００６６】
また、図１２の例は、スペーサ３を四辺が閉じた構成とする場合であるが、例えば、スペーサ３を装置ケース５９のパネル５４側の辺部のない形状にしてパネル５４と接触させるなど、壁状スペーサは一辺部などに開口部を有するものでもよい。この場合、放射遮蔽効果は幾分低下するが、他の基本効果およびグランド電位安定化効果は十分に発揮される。
【００６７】
【発明の効果】
上述したように、この発明によれば、共振放射の発生を本質的に防止することができるとともに、回路グランド電位の安定化を実現することができ、さらには配線などからの放射も遮蔽・抑制することができる。しかも、構造的に、回路基板を外部金属面に安定に固定することができるとともに、回路基板と外部金属面とを電気的に確実に接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の電子機器の一実施形態を示す図である。
【図２】回路基板の内部構造と接続部分の一例を示す図である。
【図３】この発明の電子機器の作用を従来の電子機器と比較して示す図である。
【図４】壁状スペーサを回路基板の全周に渡るものとしない場合の例を示す図である。
【図５】この発明の電子機器におけるスペーサ被覆率と放射強度との関係の測定結果を示す図である。
【図６】この発明の効果をシミュレーションによって確認した結果を示す図である。
【図７】壁状スペーサの断面形状を概略Ｓ字状にした場合の例を示す図である。
【図８】回路基板のグランド面と壁状スペーサとを回路素子を介して接続する場合の例を示す図である。
【図９】回路基板を外部に接続する方法の一例を示す図である。
【図１０】回路基板を外部に接続する方法の他の例を示す図である。
【図１１】回路基板を外部に接続する方法のさらに他の例を示す図である。
【図１２】この発明の回路基板支持装置の一実施形態を示す図である。
【図１３】従来の電子機器の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 回路基板
２ 外部金属面
３ スペーサ（壁状スペーサ）
３ａ，３ｂ 弾性変形部（鍔部）
５ 表面パッド
６ ビア
７ グランド層
８ 電源層
９ 配線
４１ コネクタ
４４ ケーブル

Claims (4)

1. 電源層およびグランド層を有する回路基板と、
   外部金属面と、
   前記電源層が前記グランド層と前記外部金属面との間に配置された状態で、前記回路基板の周辺部において周辺方向に所定以上の長さに渡って前記回路基板および前記外部金属面と接触して、前記回路基板と前記外部金属面との間に介在された壁状の導電性のスペーサとを備え、
   前記スペーサは、断面形状が概略Ｕ字状で、弾性変形によって、一方の鍔部が前記回路基板に接触し、他方の鍔部が前記外部金属面に接触しているとともに、ネジによって前記回路基板および前記外部金属面に固定されて、前記グランド層と前記外部金属面とを電気的に接続している、ことを特徴とする電子機器。
2. 請求項１の電子機器において、
   前記スペーサに配線接続部が取り付けられていることを特徴とする電子機器。
3. 請求項１の電子機器において、
   前記スペーサに微小な穴が多数、設けられていることを特徴とする電子機器。
4. 請求項１の電子機器において、
   前記外部金属面が、他の回路基板に設けられた金属面であることを特徴とする電子機器。

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