JP4871309B2 - セラミック・コンデンサの騒音抑制構造 - Google Patents

Description

本発明はセラミック・コンデンサが実装されたプリント配線基板から発生する騒音を低減する技術に関する。

電子機器で使用されているコンデンサには、セラミック・コンデンサ、タンタル電解コンデンサ、アルミ電解コンデンサ、およびフィルムコンデンサなどがある。セラミック・コンデンサには１対の電極で構成された単層型もあるが、多くは複数の電極対を積層した構造の積層セラミック・コンデンサである。セラミック・コンデンサは誘電体の誘電率が大きいため小型に製作することができ、また、経年的な容量変化が少ないので近年の電子機器には多数使用されている。セラミック・コンデンサに使用されるセラミック材料は強誘電性を示し、その両端に電圧を加えると力学的な歪みが生ずるといういわゆる圧電現象または電歪現象が発生する。

セラミック・コンデンサには、一般にチタン酸バリウム（BaTiO3）を主原料とした高誘電率の強誘電体が使用されている。この誘電体はペロブスカイト型結晶構造をしており、焼結した状態では内部で自発分極が発生して結晶粒がランダムな方向を向いている。この状態の強誘電体に外部から電界を加えても、各結晶粒の圧電効果が相殺されてしまい、強誘電体全体としては圧電性を示さない。

しかし、この強誘電体に直流の高電圧を加えると各結晶粒が電界方向に分極し、圧電性を示すようになる。コンピュータには、ＤＣ／ＤＣコンバータが搭載されて各電子デバイスに所定の直流電圧が供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力回路には、スイッチング動作により可聴周波数域のリップル電圧が発生する。したがって通常はＤＣ／ＤＣコンバータの入出力回路や電子デバイスの電源回路にはノイズを減少させるためにディカップリング・コンデンサが接続される。

ディカップリング・コンデンサには、直流電圧にノイズとなる交流電圧が重畳された電圧が印加されるため、電界の交流成分に応じた逆圧電効果が発生してコンデンサのボディがその固有振動数で共振して振動する。そしてプリント配線基板（ＰＣＢ：printed circuit board）にセラミック・コンデンサが実装されるとＰＣＢに振動が伝達されて騒音が発生する。

特許文献１は、電気回路基板に取り付けられたセラミック・コンデンサの電歪現象により発生する振動音を抑制する技術を開示する。電気回路基板は、セラミック・コンデンサの端子電極を結ぶ線の延長上で、かつできるだけコンデンサに近い位置でフレームにビス止めされている。特許文献２は、オーディオ・アンプの回路基板上に実装された電機部品に対する振動を抑制する技術を開示する。回路基板の裏面の全体は、剛性の高い放熱ブロックに密着して固定されている。

特許文献３は、充放電に基づくリップル成分により発生する第１と第２のセラミック・コンデンサの振動が回路基板に伝達され、回路基板が励振されることにより発生する振動音を低減する技術を開示する。第１と第２のセラミック・コンデンサは、回路基板の一面側に並ぶようにして配置され、回路基板に伝達される振動波の振幅動作が回路基板の一面側においてほぼ逆相等振幅関係となっている。

特許文献４は、回路基板への振動の伝達を抑止する構造を備えるセラミック・コンデンサを開示する。セラミック・コンデンサ素子は、誘電体基体と、一対の端子電極と、複数の内部電極とを有する。一対の端子電極は、誘電体基体の相対する両側端部に設けられており、複数の内部電極のそれぞれは一端が端子電極に接続され他端が開放端になっている。一対の金属端子はそれぞれ基板取付部を有し対応する端子電極に接続されている。基板取付部は、１つの取付面上にあり取付面は内部電極の電極面とほぼ垂直に交わる。このような構成によりセラミック・コンデンサ素子が電歪現象により振動したとしても金属端子を通じて基板に伝わる振動を低減することができる。
特開２００２−２２３０８２号公報 特開平１１−１４５７３８号公報 特開２００２−２３２１１０号公報 特開２００４−２７３９３５号公報

上記文献では、セラミック・コンデンサの配置や取り付け方法を工夫したり、回路基板の固定位置を定めたり、あるいは回路基板に放熱ブロックを取り付けたりして振動の抑制を図っているが、効果が低かったり制約条件が大きすぎたりして必ずしも満足のいく結果が得られていない。そこで本発明の目的は、効果的かつ少ない制約条件で騒音の低減を図ることが可能なセラミック・コンデンサの騒音抑制構造を提供することにある。さらに本発明の目的は、そのような騒音抑制構造を採用して騒音を低減した電子機器を提供することにある。

本発明にかかるＰＣＢの騒音抑制構造は、ＰＣＢの表面に実装されたセラミック・コンデンサと、セラミック・コンデンサの周囲に配置されＰＣＢの表面に固定された伸縮抑制部材とで構成される。セラミック・コンデンサの振動がＰＣＢに伝達されたときに、振動抑制部材がＰＣＢの表面の伸縮運動を抑制し、ＰＣＢの振動と騒音を抑制する。また、ＰＣＢの振動を抑制することでセラミック・コンデンサの歪みを抑制して圧電効果を低減することも期待できる。

セラミック・コンデンサから離れた位置ではＰＣＢの振動が減衰するので、伸縮抑制部材はセラミック・コンデンサに対してセラミック・コンデンサの長さより短い距離の範囲に配置することが望ましい。伸縮抑制部材は、金属またはセラミックスのような剛体に近い材料で形成すれば、ＰＣＢの圧縮方向および引っ張り方向の運動を抑制することができるので、ＰＣＢの一方の面にだけ配置することができる。セラミック・コンデンサの振動はその長手方向または短手方向に強く発生することが多いので、伸縮抑制部材をセラミック・コンデンサの長手方向および短手方向またはいずれか一方に沿って配置することで効果的に騒音を抑制することができる。

伸縮抑制部材はセラミック・コンデンサの周囲を囲むように配置してもよい。また、伸縮抑制部材は、ＰＣＢのセラミック・コンデンサの実装面と反対の面に配置してもよい。このとき伸縮抑制部材をセラミック・コンデンサのプリント配線基板に対する投影を含んだ位置に配置することで一層効果的に振動の抑制を図ることができる。セラミック・コンデンサが複数配列される場合には、伸縮抑制部材が各セラミック・コンデンサを囲うように配置してもよい。伸縮抑制部材は、ＰＣＢの表面と裏面に配置してもよい。

本発明により、効果的かつ少ない制約条件で騒音の低減を図ることが可能なセラミック・コンデンサの騒音抑制構造を提供することができた。さらに本発明により、そのような騒音抑制構造を採用して騒音を低減した電子機器を提供することができた。

図１は、ノートブック型パーソナル・コンピュータ（以下、ノートＰＣという。）に搭載されるＤＣ−ＤＣコンバータとディカップリング・コンデンサの接続状態を説明する図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、たとえばＡＣアダプタから供給されるＤＣ２０Ｖの電圧をＤＣ５Ｖに変換するためにスイッチング動作をする。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の２次側からは、直接または他のＤＣ−ＤＣコンバータを経由してプロセッサ、ＬＣＤ、およびマザー・ボードに搭載された各種電子デバイスなどに電力が供給される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の１次側には複数の積層セラミック・コンデンサ（以後、単にセラミック・コンデンサという。）で構成されたディカップリング・コンデンサ群１１が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５とディカップリング・コンデンサ群１１はプリント配線基板に表面実装される。ディカップリング・コンデンサはバイパス・コンデンサともいわれ、高周波電圧に対する線路のインピーダンスを低下させて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５のスイッチング動作に伴う線路の電荷の移動を局部的な範囲に制限する役割を果たす。同様にＤＣ−ＤＣコンバータ１５の２次側にも複数のセラミック・コンデンサで構成されたディカップリング・コンデンサ群１３が接続されている。

一例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５からは１ＫＨｚに相当する周期で発生したリップル電圧がベース電圧である直流の２０Ｖまたは５Ｖに重畳されている。したがって、ディカップリング・コンデンサ群１１、１３には１ＫＨｚのリップル電流が流れ、マイクロフォンを使用するとディカップリング・コンデンサ群１１、１３の周囲から１ＫＨｚの騒音が観測される。そして１次側のディカップリング・コンデンサ群１１およびその近辺から発生する騒音の方が、２次側のディカップリング・コンデンサ群１３およびその近辺から発生する騒音よりも大きい。この騒音の差は、ベース電圧としてディカップリング・コンデンサ群１１、１３に印加される直流電圧の大きさの差に起因している。

図２（Ａ）はセラミック・コンデンサのＰＣＢ２００に対する取り付け状態を示す図で、図２（Ｂ）は、セラミック・コンデンサをＰＣＢ２００に表面実装したときの振動の様子を示す図である。セラミック・コンデンサ１００は、１対の外部端子１０１ａ、１０１ｂと各外部端子に接続された複数の電極１０３ａ、１０３ｂとチタン酸バリウム（BaTiO3）からなる誘電体１０５で構成されている。図２（Ｂ）は、ＰＣＢ２００に表面実装したセラミック・コンデンサ１００が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に接続されて振動するときの様子を示している。

セラミック・コンデンサ１００は、ＰＣＢ２００の表面に形成された配線パターンの一部であるランド１０９ａ、１０９ｂに、鉛フリー・ハンダを使ったこてハンダ付けやリフロー・ハンダ付けなどの方法により形成されたハンダ・フィレット１０７ａ、１０７ｂで外部端子１０１ａ、１０１ｂが直接結合されている。したがって、セラミック・コンデンサ１００に生じた振動は、外部端子１０１ａ、１０１ｂ、ハンダ・フィレット１０７ａ、１０７ｂ、ランド１０９ａ、１０９ｂを通じてＰＣＢ２００に伝達される。

ＰＣＢ２００は、複数の導電層が積層されたリジッド・タイプの多層基板である。ＰＣＢ２００は通常複数の位置でノートＰＣのハウジングまたは金属フレームに固定されるが、固定点以外は矢印２０５で示すようにＰＣＢ２００の面に垂直な方向に振動できる構造になっている。図２（Ｂ）のようにＰＣＢが可聴周波数で振動することで騒音が発生するが、このときＰＣＢ２００の表面２０１と裏面２０３は一方が延びて他方が縮むいわゆる伸縮運動をする。なお、本明細書においては、ＰＣＢ２００に対してセラミック・コンデンサ１００が実装される面を表面といい、実装されない面を裏面ということにする。

本発明では、振動時のＰＣＢ２００の表面および裏面の伸縮運動に着目し、この伸縮運動を抑制することでＰＣＢ２００の振動および騒音を抑制する。また、セラミック・コンデンサ１００とＰＣＢ２００はハンダ・フィレット１０７ａ、１０７ｂで固定されているため、ＰＣＢ２００の振動を抑制することで、セラミック・コンデンサ１００の直流電圧による歪みを抑制して分極を低減することで、交流電圧による圧電効果が低減することも期待できる。

図３は、セラミック・コンデンサに起因した騒音を抑制する構造を説明する図である。本発明の騒音抑制構造は、ＰＣＢ２００に固定した伸縮抑制部材で実現する。ＰＣＢ２００が振動するときには表面および裏面で伸縮運動が同時に発生するが、伸縮抑制部材は、ＰＣＢ２００の表面および裏面またはいずれか一方の伸縮運動を抑制する目的で取り付ける。ＰＣＢ２００の表面が伸縮運動をするときには、その表面に固定された伸縮抑制部材には、引っ張り、圧縮、および曲げ応力が発生する。したがって、伸縮抑制部材はこれらの応力に対する剛性が高いものである必要がある。

伸縮抑制部材は理想的には剛体であるが、金属やセラミックスなどの圧縮、引っ張りおよび曲げに対する剛性が高い固体材料で形成する。伸縮抑制部材が剛体であれば、ＰＣＢ２００の表面または裏面の少なくともいずれか一方の面に固定するだけで伸縮運動を抑制することができる。伸縮抑制部材は、ＰＣＢ２００の表面と裏面に対で固定する場合には、圧縮または引っ張りのいずれか一方の応力に対する剛性の高い部材で構成することができる。伸縮抑制部材は、剛性が機能するため質量は問わないが、質量が大きいほど振動の抑制効果は高まる。

伸縮抑制部材は、ＰＣＢ２００に生じた振動の波を抑制するために、波の伝搬方向に所定の長さが必要である。ＰＣＢ２００には、チップ、抵抗素子、コンデンサ、および配線パターンなどのさまざまな機能部品が配置されるため、伸縮抑制部材に提供できるスペースには限りがある。したがって、伸縮抑制部材の形状は、細長い形状の直方体が望ましい。さらに、伸縮抑制部材は、ＰＣＢ２００に固定されたときに発生する曲げ応力に対する剛性を強化するために、ＰＣＢ２００に垂直な面の高さ方向の寸法を大きくした平板状に構成することができる。

伸縮抑制部材は、ＰＣＢ２００の振動による応力を確実に受け止める必要があるので、ＰＣＢ２００に対する接触面の全体を接着剤で固定することが望ましい。ただし、複数の位置を溶接やハンダなどで固定してもよい。伸縮抑制部材は、ノートＰＣの筐体に固定してもよいが、固定しないでも騒音の抑制に対して機能する。ＰＣＢ２００の筐体に対する固定位置は自由に決めることができないので、筐体に対する固定が必要のない伸縮抑制部材はＰＣＢ２００の設計自由度を高める意味でも有利である。

ＰＣＢ２００に発生する振動は、セラミック・コンデンサ１００の近辺ほど振幅が大きく表面の伸縮運動も激しい。したがって、伸縮抑制部材は、できるだけセラミック・コンデンサ１００の近辺に配置することが望ましい。セラミック・コンデンサ１００の長手方向の長さをＬとしたときに伸縮抑制部材とセラミック・コンデンサとの間隔ＸはＬより小さくなるように伸縮抑制部材を配置することが一層望ましい。

現実のプリント配線基板には、セラミック・コンデンサの近辺にセラミック抵抗や半導体チップが配置される。これらの素子も振動抑制部材として機能する場合もあり得る。しかし、これらの機能部品は、ＰＣＢ２００の設計上の理由で偶然セラミック・コンデンサの近辺に配置されただけであり、騒音の抑制を意図したものではないので、本発明の振動抑制部材にはこれらの機能部品を含まない。

図３（Ａ）は、セラミック・コンデンサ１００の長手方向の両側面の近辺に伸縮抑制部材２０９ａ、２０９ｂを配置した状態を示す平面図でＰＣＢ２００は省略している。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の側面図でＰＣＢ２００も示している。図３（Ｃ）は、セラミック・コンデンサ１００の短手方向の両側面の近辺に伸縮抑制部材２１１ａ、２１１ｂを配置した状態を示す平面図である。

ＰＣＢ２００にセラミック・コンデンサ１００を実装したときには、セラミック・コンデンサ１００の長手方向または短手方向のいずれかに強い振動の波が伝搬するが、それを効果的に抑制するように図３（Ａ）または図３（Ｃ）の配置を選定することができる。図３（Ａ）では、セラミック・コンデンサ１００の長手方向の振動を抑制し、図３（Ｃ）ではセラミック・コンデンサ１００の短手方向の振動を抑制する。

いずれの方向に強い振動の波が伝搬するかあらかじめ予測することが困難な場合は、図３（Ｄ）のようにセラミック・コンデンサ１００の周囲を伸縮抑制部材２１３で囲う方法がある。図３（Ａ）、図３（Ｃ）の場合は、伸縮抑制部材を金属で形成してもセラミック・コンデンサ１００の外部端子１０１ａ、１０１ｂに接続されるＰＣＢ２００の表面の配線パターンが分断されないようにすることができる。図３（Ｄ）の配置で、伸縮抑制部材２１３を金属で形成する場合は、セラミック・コンデンサ１００の外部端子１０１ａ、１０１ｂに接続されるＰＣＢ２００の表面の配線パターンが分断されないように、スルーホール・ビアを利用してＰＣＢ２００の内部の導電層で接続する。

図３（Ｅ）は、ＰＣＢ２００の裏面だけに伸縮抑制部材２１５ａ、２１５ｂを取り付けた状態を示す側面図である。伸縮抑制部材２１５ａ、２１５ｂは、図３（Ｂ）の振動抑制部材２０９ａ、２０９ｂとＰＣＢ２００に対して面対称となっている。この場合は、裏面に配線パターンがない場合に、金属で形成された伸縮抑制部材の実装を容易にする。また、機能素子のために必要なスペースに影響を与えることもない。また、伸縮抑制部材２１５ａ、２１５ｂを、セラミック・コンデンサ１００のＰＣＢ２００に対する投影の範囲に入るように配置すれば、図２（Ｂ）に示したようにＰＣＢ２００の最も振幅の大きい位置での伸縮運動を抑制できるので効果的である。

図３（Ｆ）は、ＰＣＢ２００のコーナーの近辺に配置されたセラミック・コンデンサ１００に対する伸縮抑制部材２１７ａ、２１７ｂの配置状態を示す平面図である。ＰＣＢ２００の端部は通常ノートＰＣのハウジングに固定されているため、セラミック・コンデンサ１００の長手方向と短手方向の片側面にそれぞれ配置した伸縮抑制部材２１７ａ、２１７ｂでも振動を抑制することができる。この場合、伸縮抑制部材２１７ａ、２１７ｂの長さを長くして、コーナーにあるＰＣＢ２００の２つの片と伸縮抑制部材２１７ａ、２１７ｂとでセラミック・コンデンサ１００を囲うようにしてもよい。

図３（Ｇ）は、複数のセラミック・コンデンサ１００が整列して配置されたコンデンサ群に対する騒音抑制構造を示す平面図である。伸縮抑制部材２１９は、コンデンサ群の全体を囲うとともに、個々のセラミック・コンデンサ１００間にも配置されている。図３（Ｈ）は、伸縮抑制部材２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄがＰＣＢ２００の表面と裏面に固定されている状態を示す側面図である。図３（Ａ）〜図３（Ｇ）では、伸縮抑制部材がＰＣＢ２００のいずれか一方の面にだけ固定されていたので、ＰＣＢ２００の振動を抑制するには伸縮抑制部材は剛体に近いものである必要があった。

ＰＣＢ２００が振動するときは表面とそれに対応する裏面の位置では伸びの運動と縮みの運動が同時に発生しているので、いずれか一方の運動を抑制することでＰＣＢの振動を抑制し、さらに騒音を抑制することができる。図３（Ｈ）のように、ＰＣＢ２００に対して面対称となるように表面と裏面に伸縮抑制部材２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ、２２１ｄを固定すれば、圧縮または引っ張りのいずれかだけに強い剛性を示す材料で伸縮抑制部材を形成することができる。

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。

セラミック・コンデンサを実装したプリント配線基板に使用できる。

ノート型コンピュータに搭載されるＤＣ−ＤＣコンバータとディカップリング・コンデンサの接続状態を説明する図である。 セラミック・コンデンサの取り付け状況とセラミック・コンデンサをＰＣＢに表面実装したときの振動の様子を示す図である。 セラミック・コンデンサに起因した騒音を抑制する構造を説明する図である。

符号の説明

１００…積層セラミック・コンデンサ
２００…プリント配線基板
２０９、２１１、２１３、２１５、２１７、２１９、２２１…伸縮抑制部材

Claims (9)

1. プリント配線基板の騒音抑制構造であって、
   前記プリント配線基板の表面に実装されたセラミック・コンデンサと、
   金属またはセラミックスで細長く形成され、前記セラミック・コンデンサの周囲に配置され、前記プリント配線基板の表面に固定された伸縮抑制部材と
   を有する騒音抑制構造。
2. 前記伸縮抑制部材は、前記セラミック・コンデンサに対して前記セラミック・コンデンサの長さより短い距離の範囲に配置されている請求項１に記載の騒音抑制構造。
3. 前記伸縮抑制部材は、前記プリント配線基板の一方の面にだけ配置されている請求項１または請求項２に記載の騒音抑制構造。
4. 前記伸縮抑制部材は前記セラミック・コンデンサの長手方向および短手方向またはいずれか一方に沿って配置されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の騒音抑制構造。
5. 前記伸縮抑制部材は前記セラミック・コンデンサの周囲を囲むように配置されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の騒音抑制構造。
6. 前記伸縮抑制部材は、前記プリント配線基板の前記セラミック・コンデンサの実装面と反対の面に配置されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の騒音抑制構造。
7. 前記伸縮抑制部材は、前記セラミック・コンデンサの前記プリント配線基板に対する投影を含んだ位置に配置されている請求項６に記載の騒音抑制構造。
8. 前記セラミック・コンデンサが複数配列され、前記伸縮抑制部材は各セラミック・コンデンサを囲うように配置されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の騒音抑制構造。
9. プリント配線基板と、
   前記プリント配線基板の表面に実装されたセラミック・コンデンサと、
   金属またはセラミックスで細長く形成され、前記セラミック・コンデンサの周囲に配置され、前記プリント配線基板の表面に固定された伸縮抑制部材と
   を有する電子機器。

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