JP5348259B2

JP5348259B2 - 絶縁回路及び通信機器

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Publication number: JP5348259B2
Application number: JP2012021201A
Authority: JP
Inventors: 聡望月; 誠竹内
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2032-02-02
Also published as: JP2013162237A; US9332630B2; CN104145368B; EP2811572B1; WO2013114678A1; US20140368291A1; CN104145368A; EP2811572A1; EP2811572A4

Description

本発明は、絶縁回路及び通信機器に関する。

従来から、プラントや工場等においては、高度な自動操業を実現すべく、分散制御システム（ＤＣＳ：Distributed Control System）が構築されている。この分散制御システムを構成するフィールド機器と呼ばれる現場機器（圧力伝送器等の測定器、操作器）は、有線の通信バスを介して通信を行うものが殆どであったが、近年においては無線通信を行うもの（無線フィールド機器）も実現されている。

このような無線フィールド機器は、可燃性のガスが用いられる場所のような危険場所に設置されることがあるため、本質安全防爆規格を満たしている必要がある。具体的には、正常な状態だけでなく、予想される事故時にも、機器の内部に設けられた電気回路（電子回路）が可燃性ガスの点火源にならないように設計されている。この他に、耐圧防爆規格を満たすために、機器内部で爆発が生じてもその爆発による火炎が外部の可燃性ガスに点火しないような耐圧防爆構造にされている必要がある。

以下の特許文献１には、危険場所で使用される耐圧防爆構造を有する全閉容器に取り付けることができる低コストのアンテナ装置が開示されている。また、このアンテナ装置は、本質安全防爆規格を満たすために、ハウジングに収納されるプリント基板の一方の面に２個の阻止コンデンサがプリントパターンを介して直列接続されて実装されており、他方の面に２個の阻止コンデンサがプリントパターンを介して直列接続されて実装されたものである。

特開２０１０−１４７７２８号公報

ところで、上述した無線フィールド機器が設置されるプラント等の現場においては、電磁的なノイズを発生するモータ等の機器も多く設置される。このため、無線フィールド機器においては、ノイズ対策が極めて重要になる。特に、リモートアンテナ（無線フィールド機器から離れた位置に設置されるアンテナ）が用いられている場合には、リモートアンテナと無線フィールド機器とを接続する接続ケーブルを介して伝送される信号にノイズが重畳する可能性が高いため、外来ノイズの影響が大きくなると考えられる。

ここで、無線フィールド機器内においてシグナルグランドとフレームグランドとが共通している場合には、外来ノイズが無線フィールド機器内に侵入することによって、フィールド機器に設けられた電子回路が故障する可能性がある。このため、無線フィールド機器では、前述した本質安全防爆規格を満たしつつ、電子回路の故障を防止するために、機器内のグランドをシグナルグランドとフレームグランドとに分離して、これらを直流的に絶縁する必要が生ずる。

上記のシグナルグランドとフレームグランドとを直流的に絶縁する主な方法としては、チップコンデンサを用いる方法と、高周波用バランを用いる方法が挙げられる。つまり、シグナルグランドとフレームグランドとの間又は信号ライン間に、チップコンデンサや高周波用バランを設けることによって、シグナルグランドとフレームグランドとを直流的に絶縁する方法である。

しかしながら、以上の方法はチップコンデンサやバランというディスクリート素子によって直流的な絶縁を実現しているため、基板の表層で絶縁しなければならないという制約がある。このような制約があると、実装の集積率（実装の専有面積）が大きく高密度実装が実現困難である、基板の板厚が厚いと配線パターンが太くなって銅損による損失が増大する、使用する部品（ディスクリート素子）の選択自由度が余りない、必要な絶縁耐圧や高周波特性及び高耐圧の両方が同時に保証された適当な部品が無い、部品のコストが高くなる、等の種々の問題が生ずる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、チップコンデンサ等のディスクリート素子を用いることなく、本質安全防爆規格を満たしつつ耐ノイズ性能を向上させることができる絶縁回路及び通信機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の絶縁回路は、少なくとも第１層と第２層とを有する基板に形成される絶縁回路（１）であって、前記第１層に形成されており、高周波信号が入力される第１パターン（１１）と、前記第１パターンに並べて前記第１層に形成されており、前記第１パターンに入力された高周波信号が出力される第２パターン（１２）と、平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記第２層に形成されており、シグナルグランド（ＳＧ）に接続される第３パターン（１３）と、平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記第３パターンに並べて前記第２層に形成されており、フレームグランド（ＦＧ）に接続される第４パターン（１４）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、第１パターンに入力された高周波信号が、平面視で第１，第２パターンに重なるように形成されてシグナルグランドに接続された第３パターン及び平面視で第１，第２パターンに重なるように形成されてフレームグランドに接続された第４パターンを介して第２パターンに伝播し、第２パターンから出力される。
また、本発明の絶縁回路は、前記第３，第４パターンの各々が、平面視で前記第１パターンと重なる部分と平面視で前記第２パターンと重なる部分との間に、前記第１，第２パターンが延びる方向に沿って形成されたスリット（１３ａ、１４ａ）を有することを特徴としている。
また、本発明の絶縁回路は、前記第３パターンが、平面視で前記第２パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの開口部（１３ｂ）を有し、前記第４パターンが、平面視で前記第１パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの開口部（１４ｂ）を有することを特徴としている。
また、本発明の絶縁回路は、平面視で前記第３パターンと重なるように前記第１層に形成されており、一端が前記第１パターンに接続されるとともに他端がビア（Ｖ１）を介して前記第３パターンに接続される第５パターン（１５）と、平面視で前記第４パターンと重なるように前記第１層に形成されており、一端が前記第２パターンに接続されるとともに他端がビア（Ｖ２）を介して前記第４パターンに接続される第６パターン（１６）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の絶縁回路は、前記第３パターン及び前記第４パターンが、前記第２層内で少なくとも本質安全防爆規格で定められた距離だけ離間していることを特徴としている。
本発明の通信機器は、高周波信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う通信機器（２０）において、前記高周波信号が伝送される信号線（ＳＬ）が前記第１，２パターンに接続され、前記シグナルグランドと前記フレームグランドとを直流的に絶縁する上記の何れかに記載の絶縁回路を備えることを特徴としている。

本発明によれば、高周波信号が入力される第１パターンと高周波信号が出力される第２パターンとが基板の第１層に並べて形成されており、シグナルグランドに接続された第３パターンとフレームグランドに接続された第４パターンとが平面視で第１，第２パターンの各々と重なるように第２層に並べて形成されている。これにより、シグナルグランドとフレームグランドとが直流的に絶縁されるため、チップコンデンサ等のディスクリート素子を用いることなく、本質安全防爆規格を満たしつつ耐ノイズ性能を向上させることができるという効果がある。

本発明の一実施形態による絶縁回路の構成を示す平面透視図である。図１に示す絶縁回路の等価回路を示す回路図である。本発明の一実施形態による絶縁回路に形成される磁界分布を模式的に示す平面図である。本発明の一実施形態による絶縁回路の反射・通過特性を示す図である。本発明の一実施形態による絶縁回路をモジュール化した例を示す平面図である。本発明の一実施形態による通信機器の要部構成を示す図である。本発明の一実施形態による通信機器に設けられる通信基板を模式的に示す平面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による絶縁回路及び通信機器について詳細に説明する。

〔絶縁回路〕
図１は、本発明の一実施形態による絶縁回路の構成を示す平面透視図である。図１に示す通り、本実施形態の絶縁回路１は、少なくとも２つの層を有する基板（図示省略）に形成された４つのパターン１１（第１パターン）、パターン１２（第２パターン）、パターン１３（第３パターン）、及びパターン１４（第４パターン）と、２つの補助パターン１５（第５パターン）及び補助パターン１６（第６パターン）とから構成される。かかる構成の絶縁回路１は、シグナルグランドＳＧ及びフレームグランドＦＧ（何れも図１では図示省略、図２参照）を直流的に絶縁しつつ所要の高周波信号を伝送する。

尚、以下では、説明を簡単にするために、パターン１１〜１４及び補助パターン１５，１６が形成される基板は、表面（第１層）と裏面（第２層）とにパターンが形成される両面基板であるとする。尚、これらパターン１１〜１４及び補助パターン１５，１６が形成される基板は、両面基板に限定される訳ではなく、表面と裏面との間にパターンが形成されている層が１つ以上設けられている多層基板であっても良い。この基板としては、例えばガラスエポキシ基板、セラミックス基板、テフロン（登録商標）基板等を用いることができる。

パターン１１，１２及び補助パターン１５，１６は、例えば銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の電気的抵抗が小さな金属を用いて基板の表面に形成されたパターンである。これに対し、パターン１３，１４は、パターン１１，１２及び補助パターン１５，１６と同様の金属を用いて基板の裏面に形成されたパターンである。つまり、図１では、平面視でパターン１１，１２及び補助パターン１５，１６とパターン１３，１４とが重ね合った状態を図示しているが、実際にはパターン１１，１２及び補助パターン１５，１６とパターン１３，１４との間には所定の厚みを有する基板が介在している。尚、以下では、パターン１１，１２が延びる方向に沿う方向を長手方向Ｄ１といい、この長手方向Ｄ１に交差して基板の表面に平行な方向を交差方向Ｄ２という。

パターン１１は、長手方向Ｄ１に延びる直線状のパターンであって、伝送すべき高周波信号が入力されるパターンである。このパターン１１には、インピーダンスを整合させるための複数のパッド（以下、インピーダンスマッチングパッドという）１１ａ〜１１ｇが形成されており、その一端Ｔ１に伝送すべき高周波信号が入力される。図１に示す例では、パターン１１の一端Ｔ１に最近接して形成されたインピーダンスマッチングパッド１１ａ及び他端Ｔ２に形成されたインピーダンスマッチングパッド１１ｇが、他のインピーダンスマッチングパッド１１ｂ〜１１ｆよりも大きさが大に形成されている。

このパターン１１は、その一端Ｔ１が予め規定された特性インピーダンス（例えば、５０Ω）を有し、その他端Ｔ２がオープン端となるように設計されている。つまり、パターン１１は、一端Ｔ１から入力される高周波信号が他端Ｔ２から放射されやすいように設計されている。尚、パターン１１に形成されるインピーダンスマッチングパッド１１ａ〜１１ｇの数や大きさは、必要とされる電力伝送効率に応じて任意に設定することが可能である。

パターン１２は、交差方向Ｄ２に所定の間隔をもってパターン１１に並べて形成された長手方向Ｄ１に延びる直線状のパターンであって、パターン１１に入力された高周波信号が出力されるパターンである。このパターン１２には、パターン１１と同様に、インピーダンスを整合させるための複数のインピーダンスマッチングパッド１２ａ〜１２ｆが形成されており、その一端Ｔ４から高周波信号が出力される。図１に示す例では、これらインピーダンスマッチングパッド１２ａ〜１２ｆが、ほぼ同じ大きさに形成されている。

このパターン１２は、パターン１１と同様に、その一端Ｔ４が上述した特性インピーダンスを有し、その他端Ｔ３がオープン端となるように設計されている。尚、パターン１２に形成されるインピーダンスマッチングパッド１２ａ〜１２ｆの数や大きさは、パターン１１に形成されるインピーダンスマッチングパッド１１ａ〜１１ｇと同様に、必要とされる電力伝送効率に応じて任意に設定することが可能である。

パターン１３は、平面視でパターン１１，１２の各々と重なるように形成された略矩形形状のパターンであり、上述したシグナルグランドＳＧに接続される。このパターン１３には、伝送すべき高周波信号の帯域内及び帯域外における伝送特性を調整するためのスリット（以下、インピーダンスマッチングスリットという）１３ａ及び複数の開口パターン１３ｂ（開口部）が形成されている。

インピーダンスマッチングスリット１３ａは、長手方向Ｄ１に延びる矩形形状のスリットであり、パターン１３の図中の右端部において、平面視でパターン１１，１３が重なる部分と平面視でパターン１２，１３が重なる部分との間に形成されている。また、開口パターン１３ｂは、平面視形状が略矩形形状の開口であり、パターン１２，１３が重なる部分の両方側に沿って複数形成されている。尚、インピーダンスマッチングスリット１３ａ及び開口パターン１３ｂの形状及び大きさ、並びに開口パターン１３ｂの数は必要とされる伝送特性に応じて任意に設定可能である。また、開口パターン１３ｂは、パターン１２，１３が重なる部分の両方側に沿って形成されている必要は必ずしもなく、一方側に沿ってのみ形成されていても良い。

パターン１４は、平面視でパターン１１，１２の各々と重なるようにパターン１３に並べて形成され略矩形形状のパターンであり、上述したフレームグランドＦＧに接続される。このパターン１４には、パターン１３と同様に、伝送すべき高周波信号の帯域内及び帯域外における伝送特性を調整するためのインピーダンスマッチングスリット１４ａ及び複数の開口パターン１４ｂ（開口部）が形成されている。

インピーダンスマッチングスリット１４ａは、長手方向Ｄ１に延びる矩形形状のスリットであり、パターン１４の図中の左端部において、平面視でパターン１１，１４が重なる部分と平面視でパターン１２，１４が重なる部分との間に形成されている。また、開口パターン１４ｂは、平面視形状が略矩形形状の開口であり、パターン１１，１４が重なる部分の両方側に沿って複数形成されている。尚、インピーダンスマッチングスリット１４ａ及び開口パターン１４ｂの形状及び大きさ、並びに開口パターン１４ｂの数は必要とされる伝送特性に応じて任意に設定可能である。また、開口パターン１４ｂは、パターン１１と重なる部分の両方側に沿って形成されている必要は必ずしもなく、一方側に沿ってのみ形成されていても良い。

ここで、平面視でパターン１１，１２とパターン１３，１４とが重なっている部分は、マイクロストリップラインと同様の構造であるため、基板の表面に形成されたパターン１１，１２と基板の裏面に形成されたパターン１３，１４とは、基板を介して電磁的に結合する。パターン１１，１４が重なる部分の長手方向Ｄ１における長さは、パターン１１，１４の電磁的結合を強め合う長さに設定され、パターン１２，１３が重なる部分の長手方向Ｄ１における長さは、パターン１２，１３の電磁的結合を強め合う長さに設定される。また、シグナルグランドＳＧに接続されるパターン１３及びフレームグランドＦＧに接続されるパターン１４は、少なくとも本質安全防爆規格で定められた距離Ｌ１（例えば、０．５ｍｍ以上）だけ離間している。

補助パターン１５は、平面視でパターン１３と重なるように基板の表面に形成されたパターンであり、一端がパターン１１に接続されるとともに他端がビアＶ１を介してパターン１３に接続されたパターンである。この補助パターン１５は、パターン１１に対するショートスタブをなしており、伝送すべき高周波信号の帯域外における伝送特性を調整するために設けられる。

補助パターン１６は、平面視でパターン１４と重なるように基板の表面に形成されたパターンであり、一端がパターン１２に接続されるとともに他端がビアＶ２を介してパターン１４に接続されたパターンである。この補助パターン１６は、パターン１２に対するショートスタブをなしており、伝送すべき高周波信号の帯域外における伝送特性を調整するために設けられる。

図２は、図１に示す絶縁回路の等価回路を示す回路図である。図２に示す通り、パターン１１の一端Ｔ１には、高周波信号が供給される信号線ＳＬが接続されており、その一端Ｔ１に対向するパターン１３の一端Ｔ６にはシグナルグランドＳＧが接続されている。また、高周波信号が出力されるパターン１２の一端Ｔ４に対向するパターン１４の一端Ｔ７にはフレームグランドＦＧが接続されている。

図２において、パターン１１の抵抗成分はＲ_１，Ｒ_２で表されており、インダクタンス成分はＬ_１，Ｌ_２で表されている。パターン１２の抵抗成分はＲ_５，Ｒ_６で表されており、インダクタンス成分はＬ_５，Ｌ_６で表されている。また、パターン１３の抵抗成分はＲ_３，Ｒ_４で表されており、インダクタンス成分はＬ_３，Ｌ_４で表されている。パターン１４の抵抗成分はＲ_７，Ｒ_８で表されており、インダクタンス成分はＬ_７，Ｌ_８で表されている。

図２において、パターン１５はインダクタンス成分Ｌ_ｉｎとして表されており、パターン１６はインダクタンス成分Ｌ_ｏｕｔとして表されている。また、図２において、パターン１１，１３間の容量成分はＣ_１，Ｃ_２で表されており、パターン１１，１４間の容量成分はＣ_３，Ｃ_４で表されている。パターン１２，１３間の容量成分はＣ_５，Ｃ_６で表されており、パターン１２，１４間の容量成分はＣ_７，Ｃ_８で表されている。

次に、上記構成における絶縁回路１の動作について説明する。図３は、本発明の一実施形態による絶縁回路に形成される磁界分布を模式的に示す平面図である。尚、図３では、基板の表面に形成されているパターン１１，１２及び補助パターン１５，１６に生ずる磁界分布を白抜きの矢印で表しており、基板の裏面に形成されているパターン１３，１４に生ずる磁界分布を通常の矢印で図示している。

図２に示す信号線ＳＬから高周波信号が絶縁回路１のパターン１１の一端Ｔ１に入力されると、図３に示す通り、パターン１１には長手方向Ｄ１に沿う左向きの磁界分布が生じ、高周波信号はパターン１１を左向きに伝播してインピーダンスマッチングパッド１１ａ〜１１ｇを順に通過する。また、パターン１１の一端Ｔ１に入力された高周波信号は、パターン１５及びビアＶ１を順に介してパターン１３に至り、長手方向Ｄ１に沿う右向きにパターン１３を伝播してパターン１１の一端Ｔ１の直下にリターンとして戻る。

パターン１１は、平面視でパターン１３，１４と重なるように形成されておりパターン１３，１４の各々と電磁的に結合するため、パターン１１を左向きに伝播する高周波信号の一部がパターン１３に伝播し、残りがパターン１４に伝播する。パターン１３に伝播した高周波信号は、長手方向Ｄ１に沿う右向きにパターン１３を伝播してパターン１１の一端Ｔ１の直下にリターンとして戻る。

これに対し、パターン１４に伝播した高周波信号は、パターン１４に形成された開口パターン１４ｂの隙間を介してインピーダンスマッチングスリット１４ａを避けるようにパターン１４を伝播し、平面視でパターン１２が重なる部分及びパターン１２の一端Ｔ４の直下に至る。パターン１４は、平面視でパターン１２と重なるように形成されておりパターン１２と電磁的に結合するため、平面視でパターン１２が重なる部分に至った高周波信号はパターン１２に伝播する。

パターン１２に伝播した高周波信号は、パターン１２を長手方向Ｄ１に沿う右向きに伝播してインピーダンスマッチングパッド１２ａ〜１２ｆを順に通過する。パターン１２は、平面視でパターン１３と重なるように形成されておりパターン１３と電磁的に結合するため、パターン１２を右向きに伝播する高周波信号はパターン１３に伝播する。パターン１３に伝播した高周波信号は、パターン１３に形成された開口パターン１３ｂの隙間を介してインピーダンスマッチングスリット１３ａを避けるようにパターン１３を伝播してパターン１１の一端Ｔ１の直下に至る。以上の動作が行われることによって、パターン１１の一端Ｔ１から入力した高周波信号がパターン１２の一端Ｔ４から出力される。

図４は、本発明の一実施形態による絶縁回路の反射・通過特性を示す図であって、（ａ）は通過特性を示す図であり、（ｂ）は入力側における反射特性を示す図であり、（ｃ）は出力側における反射特性を示す図である。図４（ａ）において、符号Ｔ１１を付した曲線は絶縁回路１の通過特性の実測値を示しており、符号Ｔ１２を付した曲線は絶縁回路１の通過特性のシミュレーション結果を示している。また、図４（ｂ），（ｃ）において、符号Ｒ１１，Ｒ２１を付した曲線は絶縁回路１の反射特性の実測値を示しており、符号Ｒ１２，Ｒ２２を付した曲線は絶縁回路１の反射特性のシミュレーション結果を示している。

尚、正確には、図４（ａ）〜（ｃ）に示す曲線Ｔ１１，Ｔ１２、曲線Ｒ１１，Ｒ１２、及び曲線Ｒ２１，Ｒ２２は、以下の特性を示している。つまり、曲線Ｔ１１，Ｔ１２は、絶縁回路１を四端子回路としてみた場合の散乱パラメータ（Ｓパラメータ）Ｓ２１の周波数特性を示している。また、曲線Ｒ１１，Ｒ１２は散乱パラメータＳ１１の周波数特性を示しており、曲線Ｒ２１，Ｒ２２は散乱パラメータＳ２２の周波数特性を示している。

図４（ａ）〜（ｃ）を参照すると、まず絶縁回路１の通過特性及び反射特性の実測値は、絶縁回路１の通過特性及び反射特性のシミュレーション結果とそれぞれほぼ一致していることが分かる。次に、図４（ａ）を参照すると、１〜５ＧＨｚ程度の周波数帯域に亘って良好な通過特性が得られていることが分かる。特に、２．５ＧＨｚ付近においては、入力される高周波信号の殆どが絶縁回路１を通過していることが分かる、また、図４（ｂ），（ｃ）を参照すると、２．５ＧＨｚ付近と３．７ＧＨｚ付近において反射量が極小となることが分かる。このように、図４に示す結果から、絶縁回路１は、シグナルグランドＳＧとフレームグランドＦＧとが直流的に絶縁されていても、２．５ＧＨｚ付近の周波数を有する高周波信号を殆ど反射することなく伝送する特性であることが分かる。

以上の通り、図１に示す絶縁回路１は、高周波信号が入力されるパターン１１と高周波信号が出力されるパターン１２とを基板表面に形成し、平面視でパターン１１，１２の各々と重なるように、シグナルグランドＳＧに接続されるパターン１３とフレームグランドＦＧに接続されるパターン１４とを基板裏面に形成した構成である。このため、チップコンデンサ等のディスクリート素子を用いることなく、シグナルグランドＳＧとフレームグランドＦＧとを直流的に絶縁することができる。これにより、本質安全防爆規格を満たしつつ耐ノイズ性能を向上させることができる。

このように、図１に示す絶縁回路１は、チップコンデンサ等のディスクリート素子を用いる必要が無い。このため、実装の集積率（実装の専有面積）が大きく高密度実装が実現困難である、基板の板厚が厚いと配線パターンが太くなって銅損による損失が増大する、使用する部品（ディスクリート素子）の選択自由度が余りない、必要な絶縁耐圧や高周波特性及び高耐圧の両方が同時に保証された適当な部品が無い、部品のコストが高くなる、等の種々の問題が生ずることもない。

以上説明した絶縁回路１は、基板上に他の電気回路又は電子回路と共に形成することが可能であり、また、図５に示す通り、絶縁機能を有する単体の絶縁モジュールとして実現することも可能である。図５は、本発明の一実施形態による絶縁回路をモジュール化した例を示す平面図である。図５に示す絶縁モジュールＩＭは、表面にパターン１１，１２が形成されるとともに裏面にパターン１３，１４が形成された基板ＳＢと、パターン１１，に接続された入力端子ＴＭ１と、パターン１２に接続された出力端子ＴＭ２とを備える。尚、入力端子ＴＭ１は、基板ＳＢの右端部に取り付けられており、出力端子ＴＭ２は、基板ＳＢの左端部に取り付けられている。

以上の絶縁モジュールＩＭは、高周波部品として用いることができ、例えば高周波回路において直流的な絶縁が必要な部分に介挿するといった使い方が可能になる。また、絶縁回路１は、周波数帯域、周波数特性、群遅延特性、大きさ、形、基板の種類、基板の層構成等の制限を受けないため、その機能を集積すること以外に、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics：低温同時焼成セラミックス）やセラミックス等を用いて積層チップとして実現することも可能である。また、図５において、基板ＳＢをカバー（図示しない）で覆ったものを絶縁モジュールＩＭとしてもよい。

〔通信機器〕
図６は、本発明の一実施形態による通信機器の要部構成を示す図である。図６に示す通り、本実施形態の通信機器２０は、筐体２１、電源部２２、通信基板２３、及びリモートアンテナ２４を備えており、リモートアンテナ２４から他の機器（図示省略）に向けて高周波信号を送信するとともに、他の機器から送信されてきた高周波信号をリモートアンテナ２４で受信することにより、他の機器との間で通信を行う。

図６に示す通信機器２０は、例えば国際計測制御学会（ＩＳＡ：International Society of Automation）で策定されたインダストリアル・オートメーション用無線通信規格であるＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信が可能なフィールド機器（無線フィールド機器）である。尚、通信機器２０は、高周波信号の送信のみが可能な機器であっても良く、高周波信号の受信のみが可能な機器であっても良い。

筐体２１は、例えば高剛性アルミニウム等の剛性の高い金属によって形成された中空の箱部材であり、接地されることによりフレームグランドＦＧとされている。この筐体２１は、その内部に電源部２２及び通信基板２３を収容し、耐圧防爆規格を満たすべく密閉構造とされている。また、筐体２１には、リモートアンテナ２４等のアンテナが接続される耐圧防爆コネクタ２１ａが設けられている。電源部２２は、外部電源ＰＳから供給される電源を用いて通信機器２０の内部で必要となる電源（例えば、直流電源）ＩＰを生成する。

通信基板２３は、送信すべき高周波信号をリモートアンテナ２４に向けて出力するとともに、リモートアンテナ２４で受信された高周波信号が入力されるプリント基板である。この通信基板２３には、筐体２１の耐圧防爆コネクタ２１ａに接続されているコネクタＣ１２が取り付けられるコネクタＣ１１が設けられている。尚、通信基板２３には、電源部２２で生成された電源ＩＰが供給されている。

図７は、本発明の一実施形態による通信機器に設けられる通信基板を模式的に示す平面図である。図７に示す通り、通信基板２３には、上述した絶縁回路１及び上記のコネクタＣ１１に加えて信号処理回路３１が設けられている。尚、この通信基板２３の裏面には、シグナルグランドＳＧに接続されるグランドパターンＰ１と、フレームグランドＦＧに接続されるグランドパターンＰ２とが形成されており、これらグランドパターンＰ１，Ｐ２によって絶縁回路１に設けられたパターン１３，１４（図１参照）が形成されている。

信号処理回路３１は、入出力される高周波信号の処理を行う回路である。具体的には、リモートアンテナ２４に向けて出力する高周波信号を生成し、リモートアンテナ２４で受信された高周波信号の検波や復調等を行う。絶縁回路１は、同軸ケーブル３２によって信号処理回路３１に接続されており、シグナルグランドＳＧとフレームグランドＦＧとを直流的に絶縁する。尚、絶縁回路１の反射・通過特性は、通信機器２０で通信に用いられる周波数に合わせて設計されている。

リモートアンテナ２４は、ポールＰＬに取り付けられており、同軸ケーブルＣＢを介して筐体２１の耐圧防爆コネクタ２１ａに接続される。尚、図６に示す例では、同軸ケーブルＣＢと筐体２１の耐圧防爆コネクタ２１ａとの間にアレスタ（避雷器）ＡＲが取り付けられている。アレスタＡＲは必ずしも必要はないが、雷サージのような異常な過電圧による通信基板２３等の破壊を防止することができるため、図６に示す通り、アレスタＡＲを取り付けることが望ましい。

このように、本実施形態の通信機器２０は、通信基板２３に設けられた絶縁回路１によってシグナルグランドＳＧとフレームグランドＦＧとを直流的に絶縁している。このため、リモートアンテナ２４が接続される同軸ケーブルＣＢを介して伝送される高周波信号にノイズが重畳しやすい状況であっても、耐ノイズ性能を向上させることができる。

尚、以上では、通信機器２０の一例として、無線通信が可能な無線フィールド機器を挙げたが、本発明の通信機器は、無線通信が可能な機器に限られる訳ではなく、有線通信が可能な機器であってもよい。つまり、本発明は、高周波信号の送信及び受信の少なくとも一方を有線によって行う機器にも適用可能である。

１絶縁回路
１１〜１４パターン
１３ａ，１４ａインピーダンスマッチングスリット
１３ｂ，１４ｂ開口パターン
１５，１６補助パターン
２０通信機器
ＦＧフレームグランド
ＳＧシグナルグランド
ＳＬ信号線
Ｖ１，Ｖ２ビア

Claims

少なくとも第１層と第２層とを有する基板に形成される絶縁回路であって、
前記第１層に形成されており、高周波信号が入力される第１パターンと、
前記第１パターンに並べて前記第１層に形成されており、前記第１パターンに入力された高周波信号が出力される第２パターンと、
平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記第２層に形成されており、シグナルグランドに接続される第３パターンと、
平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記第３パターンに並べて前記第２層に形成されており、フレームグランドに接続される第４パターンと
を備えることを特徴とする絶縁回路。
前記第３，第４パターンの各々には、平面視で前記第１パターンと重なる部分と平面視で前記第２パターンと重なる部分との間に、前記第１，第２パターンが延びる方向に延びるスリットが形成されていることを特徴とする請求項１記載の絶縁回路。
前記第３パターンは、平面視で前記第２パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの開口部を有し、
前記第４パターンは、平面視で前記第１パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの開口部を有する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の絶縁回路。
平面視で前記第３パターンと重なるように前記第１層に形成されており、一端が前記第１パターンに接続されるとともに他端がビアを介して前記第３パターンに接続される第５パターンと、
平面視で前記第４パターンと重なるように前記第１層に形成されており、一端が前記第２パターンに接続されるとともに他端がビアを介して前記第４パターンに接続される第６パターンと
を備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の絶縁回路。
前記第３パターン及び前記第４パターンは、前記第２層内で少なくとも本質安全防爆規格で定められた距離だけ離間していることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の絶縁回路。
高周波信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う通信機器において、
前記高周波信号が伝送される信号線が前記第１，２パターンに接続され、前記シグナルグランドと前記フレームグランドとを直流的に絶縁する請求項１から請求項５の何れか一項に記載の絶縁回路を備えることを特徴とする通信機器。