JP7083400B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板を内蔵する電子機器に関する。

一般に、電子機器は各種の回路素子が搭載されたプリント基板を内蔵している。これらの回路素子の中には、他の回路素子の動作や無線通信などに影響を及ぼすノイズとなる電磁場を発生させるものがある。このようなノイズの伝搬を防止するために、金属板などによって形成されたシールド部材によって、ノイズの発生源となる回路素子を覆う対策が実施されている。

プリント基板の表面に各回路素子を接続する配線を設ける場合、その配線をシールド部材に接触させることはできないため、シールド部材でノイズの発生源となる回路素子を完全に覆うことができず、配線を通すための開口部分を設ける必要がある。しかしながら、このような開口部分は、ノイズが漏洩する経路となるおそれがある。

本発明は上記実情を考慮してなされたものであって、その目的の一つは、プリント基板上に配置された回路素子から発生するノイズを、シールド部材によって効果的に抑制することのできる電子機器を提供することにある。

本発明に係る電子機器は、プリント基板と、前記プリント基板の表面の一部のシールド領域を覆うように配置される導電性のシールド部材と、を備え、前記プリント基板の表面には、前記シールド領域の内側と外側とを結ぶ配線が配置され、前記シールド部材は、前記配線が前記シールド領域の外縁を通過する位置において、前記シールド部材の内外を連結し、前記配線の延伸方向に沿って延伸する開口部を有し、前記開口部は、前記配線を挟んで前記開口部の反対側に配置された導電体と電気的に接続され、前記開口部と前記導電体とによって前記配線を囲む導波管が形成されていることを特徴とする。

本発明の実施の形態に係る電子機器に内蔵されるプリント基板の平面図である。 シールド部材が取り付けられたプリント基板の斜視図である。 シールド部材の部分拡大図である。 開口部の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係る電子機器は、例えば家庭用ゲーム機等であって、各種の回路素子が搭載されるプリント基板（プリント配線板）１０と、プリント基板１０上で発生するノイズの伝搬を防止するためのシールド部材２０と、を含んで構成されている。なお、以下では具体例として、プリント基板１０は表面及び裏面だけでなく内部にも１以上のパターン層を有する多層基板であることとする。

図１は、シールド部材２０が取り付けられていない状態のプリント基板１０表面の様子を模式的に示す平面図である。同図に示されるように、本実施形態においてプリント基板１０の表面には、ノイズの発生源となる少なくとも一つの回路素子１１が配置されており、この回路素子１１を囲むようにシールド部材２０によるシールドの対象となるシールド領域１２が設定されている。シールド領域１２の外周部分に沿って、グランドパターンＧ１がプリント基板の表面に形成されている。グランドパターンＧ１は、電位が一定の基準電位（グランド）になるよう維持されたパターンである。

回路素子１１と、シールド領域１２の外部に配置されている他の回路素子（不図示）との間を接続するために、プリント基板１０表面には配線（表層配線）１３が形成されている。配線１３は、シールド領域１２の外周をまたいでシールド領域１２の内側と外側とを接続するように配置されている。図１では１本の配線１３だけが途中まで図示されているが、シールド領域１２の外周をまたぐ配線１３は複数本あってもよい。以下では、シールド領域１２外周と交差する箇所における配線１３の延伸方向をＹ軸方向とし、平面視においてＹ軸方向と交差する方向をＸ軸方向とする。また、プリント基板１０の厚さ方向をＺ軸方向とする。この配線１３のために、グランドパターンＧ１は、シールド領域１２の外周のうち配線１３が通過する箇所で途切れることになる。

図２は、シールド部材２０が取り付けられた状態のプリント基板１０表面の様子を示す斜視図である。同図に示されるように、シールド部材２０は、シールド領域１２内を遮蔽する本体部２１と、フランジ２２と、開口部２３と、を含んで構成されている。シールド部材２０は、金属材料などの導電材料によって形成されており、回路素子１１を含むシールド領域１２を覆うようにプリント基板１０表面に固定される。

本体部２１は、プリント基板１０側に凹状の形状を有しており、シールド領域１２と対向するように配置される。これにより、シールド部材２０の内部に、プリント基板１０表面のシールド領域１２と本体部２１の内側の面とで囲まれる空間が形成される。シールド部材２０は、この空間内で発生したノイズの外部への伝搬を防止する。なお、ここでは本体部２１は、平面視において矩形形状を有することとしているが、本体部２１の形状はこのようなものに限られず、シールド対象となる回路素子等の配置に応じて各種の形状を有してよい。

フランジ２２は、本体部２１の外周に沿って、本体部２１の外周からさらに外側に突出するように形成されており、そのプリント基板１０に対向する面は平坦になっている。シールド部材２０をプリント基板１０に固定する際に、フランジ２２はシールド領域１２の外周に沿って形成されたグランドパターンＧ１に接触して、電気的に接続される。これにより、シールド部材２０が接地され、回路素子１１を含むシールド領域１２を遮蔽し、その内部で発生したノイズが外部に伝搬しないようにすることができる。なお、シールド部材２０によるノイズの遮蔽効果を高めるためには、フランジ２２のグランドパターンＧ１に対する接触圧を高め、接触抵抗を低くすることが望ましい。そこで本実施形態では、プリント基板１０及びフランジ２２に設けられたねじ穴にねじ２４を通し、このねじ２４の締結によってシールド部材２０をプリント基板１０に密着させることとしている。

しかしながら、配線１３が通過する箇所では、フランジ２２をプリント基板１０に接触させることはできないため、配線１３と対向する箇所ではシールド部材２０に開口を設ける必要がある。そのため、シールド領域１２の外周をまたぐ配線１３をプリント基板１０表面に配置する場合、シールド領域１２内をシールド部材２０によって完全に密閉することはできず、この開口部分からノイズが外部に漏れるおそれがある。

そこで本実施形態では、シールド部材２０外縁の配線１３が通過する位置に、筒状の形状を有する開口部２３を設けている。この開口部２３によって、シールド部材２０の内側の空間とシールド部材２０の外部とが連結されており、配線１３はこの開口部２３内を通ってシールド領域１２の内外を接続する。開口部２３は、本体部２１やフランジ２２と同様に導電部材により形成されており、後に詳しく説明するように、特定周波数の電磁波のみを通過させる導波管として機能する。これにより、配線１３を通過させるための開口部２３を設けているにもかかわらず、ノイズ対策が必要な周波数の電磁波がシールド部材２０の外部に伝搬しないようにすることができる。

開口部２３は、本体部２１と一体に形成された部材であってよい。この場合、例えば１枚の金属板を加工することによってシールド部材２０の全体を形成することができる。あるいは開口部２３は、本体部２１と別体のパーツとして形成され、本体部２１に結合された部材であってもよい。

以下、開口部２３の具体的な形状について説明する。図３は、図２に示したシールド部材２０の開口部２３周辺の部分拡大図である。図４は、開口部２３の断面形状を模式的に示す部分断面図であって、シールド部材２０が配置されたプリント基板１０をＹ軸方向と交差する切断面で切断した様子を示している。開口部２３は、配線１３の延伸方向に沿って延びる細長い筒状の形状を有しており、配線１３を覆うように配置される。

これらの図に示されるように、開口部２３は、配線１３の延伸方向から見て、下に開くＵ字形状の断面を有している。より具体的に、開口部２３は、プリント基板１０に略平行に配置された上面部２３ａと、上面部２３ａに連結される二つの側面部２３ｂ及び２３ｃを含んで構成されている。上面部２３ａは、配線１３がシールド領域１２の外縁を通過する位置において、配線１３と対向するように配置されている。側面部２３ｂ及び２３ｃは、上面部２３ａの外周のうちＹ軸方向（配線１３の延伸方向）に沿って延伸する二つの端部（すなわち、平面視において配線１３を挟む二つの端部）に連結されており、連結箇所からプリント基板１０に向けて延伸している。すなわち、側面部２３ｂ及び２３ｃは、配線１３を挟んで互いに略平行に、かつプリント基板１０の表面に対して略垂直に配置されている。そして、二つの側面部２３ｂ及び２３ｃのそれぞれの上面部２３ａ側と逆側の端部が、プリント基板１０上においてシールド領域１２外周に沿って形成されたグランドパターンＧ１の端部と接触する。これにより配線１３は、シールド領域１２の外周を通過する箇所において、開口部２３によって覆われることになる。

しかしながら、開口部２３は、その内部に配線１３を通すために、下に開く断面形状を有しており、完全な筒形状とはなっていない。そのため、そのままでは開口部２３を導波管として機能させることができない。そこで本実施形態では、図４に示すように、プリント基板１０内部に形成されたグランド層Ｇ２を導波管の一部として利用する。前述したように本実施形態におけるプリント基板１０は多層基板であって、その内部にグランド層Ｇ２が形成されているものとする。このグランド層Ｇ２は、グランドパターンＧ１と同様に基準電位を維持するようになっている。そして、平面視において開口部２３と対向する位置にも形成されている。そのため、開口部２３をグランド層Ｇ２と電気的に接続させることによって、図４に示すように、開口部２３とグランド層Ｇ２とが全体として配線１３を取り囲む筒状の導波管を形成する。なお、ここでは開口部２３とグランド層Ｇ２によって形成される導波管の断面形状は略矩形であることとしているが、開口部２３の形状はこのような形状に限られず、例えば円弧状など、その他の形状であってもよい。

また、開口部２３は、平面視において本体部２１から突出する矩形形状を有している。ここでは、本体部２１に連結する根元の部分から先端の開口部分まで開口部２３の幅は一定であることとしているが、根元の部分よりも先端の開口部分の方がより狭い幅となる先細りの形状であってもよい。一方、先端に向かうにつれて広くなる形状とすることは好ましくない。すなわち、平面視における開口部２３の先端部分の幅は、シールド領域１２側の幅以下とすることが好ましい。これにより、ノイズが開口部２３内を経由して外部に伝搬しにくくなる。

開口部２３とグランド層Ｇ２とで導波管を形成するために、開口部２３は、Ｙ軸方向に沿って並んで配置される複数のビア２５によってプリント基板１０内部のグランド層Ｇ２に電気的に接続される。複数のビア２５によって開口部２３がグランド層Ｇ２に接続される場合、ビア２５はＹ軸方向に沿って互いに間隔をおいて配置されるため、断面視において開口部２３がグランド層Ｇ２と接続されていない隙間の箇所も生じ得る。しかしながら、このような隙間が開口部２３によって遮断しようとするノイズの波長と比較して短い間隔であれば、開口部２３とグランド層Ｇ２は全体として導波管として機能する。

開口部２３をプリント基板１０に設けられたビア２５に電気的に接続させるためには、フランジ２２同様、開口部２３の下端もプリント基板１０に密着させる必要がある。そのため、図３に示すように、フランジ２２をねじ２４によってプリント基板１０にねじ止めする際には、できる限り開口部２３の近傍の箇所をねじ止めすることが望ましい。また、ここではビア２５によって開口部２３とグランド層Ｇ２が電気的に接続されることとしたが、これに限らず開口部２３とグランド層Ｇ２はその他の方法で電気的に接続されてもよい。

以下、開口部２３によって遮断することのできる電磁波の周波数について、説明する。ここでは、開口部２３とグランド層Ｇ２によって形成される導波管の断面が、幅ａ、高さｂ（ａ＞ｂ）の矩形形状であるとする。このような方形導波管の遮断波長（伝送される電磁波の限界波長）λｃは、以下の計算式によって計算される。

ここでｍ及びｎは、導波管内を伝搬する電磁波の伝送モードを規定する整数値である。遮断波長λｃが最も長くなる（すなわち、周波数が最も低くなる）のは、ｍ＝１、ｎ＝０の場合であって、その場合、
λｃ＝２ａ
となる。このとき、対応する遮断周波数ｆｃは
ｆｃ＝Ｖｃ／２ａ
で計算される。ここでＶｃは光速度（＝３×１０^１０ｃｍ／ｓ）である。

上述した計算式によってａの値から計算される遮断周波数ｆｃよりも低周波数の電磁波は、導波管を通過しないこととなる。そのため、例えば開口部２３の幅ａを１０ｍｍとすると、約１５ＧＨｚより低周波数のノイズを遮蔽することができる。回路素子１１から発生するノイズの周波数や、シールド部材２０により遮断したいノイズの周波数（例えばシールド部材２０外で無線通信等により使用する周波数）を考慮して開口部２３の幅ａを決定することで、目的とする周波数のノイズを効果的に遮蔽することができる。特に無線ＬＡＮ通信では、２．４ＧＨｚと５ＧＨｚ近傍の周波数帯が使用される。そこで、シールド領域１２外部にこれらの周波数帯の無線ＬＡＮ通信を行うためのアンテナ等が配置される場合、シールド部材２０によって周波数５ＧＨｚ以下のノイズを遮蔽することが望まれる。この場合、開口部２３の幅ａ及び高さｂを３０ｍｍより小さな値とすることが望ましい。

また、開口部２３のＹ軸方向に沿った長さＬは、直接的に開口部２３を通過する電磁波の周波数には影響しないが、長さＬが長いほどその内部を通過する過程で電磁波が減衰するため、遮蔽効果が高くなる。そのため、回路設計上許容される範囲で開口部２３のＹ軸方向の長さを長くすることで、より目的とする周波数のノイズが外部に伝搬しにくくすることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る電子機器によれば、シールド部材２０に開口を設けることによって、多層基板の内部の層に配線を通すことが困難な場合などであっても、プリント基板１０の表面に配線１３を配置することができる。また、シールド部材２０内部の回路素子等により発生する熱を効率的に放熱することもできる。そして、この開口部分に、特定周波数帯の電磁波のみを通過させる導波管として機能する開口部２３を設けることにより、目的とする周波数帯のノイズがこの開口部分から外部に漏れにくくなるようにすることができる。

なお、本発明の実施の形態は、以上説明したものに限られない。例えば既に述べたように、シールド部材２０や開口部２３の形状は以上説明したものに限られず、同様の作用効果を奏する各種の形状であってよい。また、以上の説明ではシールド部材２０には一つの開口部２３だけを設けることとしたが、異なる位置に複数の開口部２３を設けてもよい。また、以上の説明では配線１３及び開口部２３の延伸方向は、シールド領域１２の外周に対して直交する方向であることとしたが、これに限らず斜めに交差する向きに配線１３及び開口部２３を配置してもよい。

また、以上の説明では、開口部２３が配置されるプリント基板１０表面から数えて１番目の層に形成されるグランド層Ｇ２が、開口部２３とともに導波管を構成することとした。しかしながらこれに限らず、開口部２３と電気的に接続され、配線１３を挟んで開口部２３の反対側に配置された導電体であれば、開口部２３とともに導波管を構成し、配線１３が通る開口からのノイズ伝搬を防止することができる。具体的に、導波管を構成する導電体は、プリント基板１０表面から数えて２番目以降の内部層に形成されたグランド層であってもよい。また、プリント基板１０の開口部２３が配置される側と逆側の表面（裏面）に形成されたグランドパターンであってもよい。この場合、プリント基板１０は多層基板でなくともよい。

また、以上の説明では開口部２３はシールド部材２０の一部であることとしたが、開口部２３はシールド部材２０と別体の部品で構成されてもよい。この場合、例えばはんだ付け等によって筒状の開口部２３を先にプリント基板１０に固定し、その上からさらに開口部２３の形状に応じた形状の開口を設けたシールド部材２０を固定してもよい。こうすれば、シールド部材２０の内外を連結する開口部を筒状に形成することができる。この場合、シールド部材２０が開口部２３と密着するように、ねじ止め等でシールド部材２０を固定することとすればよい。

１０ プリント基板、１１ 回路素子、１２ シールド領域、１３ 配線、２０ シールド部材、２１ 本体部、２２ フランジ、２３ 開口部、２４ ねじ、２５ ビア。

Claims (7)

1. プリント基板と、
   前記プリント基板の表面の一部のシールド領域を覆うように配置され、前記シールド領域を覆う内側の空間内で発生するノイズの外部への伝搬を遮蔽する導電性のシールド部材と、
   を備え、
   前記プリント基板の表面には、前記シールド領域の内側と外側とを結ぶ配線が配置され、
   前記シールド部材は、前記配線が前記シールド領域の外縁を通過する位置において、前記シールド部材の前記内側の空間と外側の空間とを連結し、前記配線の延伸方向に沿って延伸する開口部を有し、
   前記開口部は、前記配線を挟んで前記開口部の反対側に配置された導電体と電気的に接続されており、前記開口部と前記導電体とによって、前記配線を囲み、前記開口部を経由する所定周波数より低周波数の電磁波の外部への伝搬を遮断する導波管が形成されている
   ことを特徴とする電子機器。
2. 請求項１に記載の電子機器において、
   前記開口部は、前記配線に対向する上面部と、平面視において前記配線を挟む前記上面部の端部から前記プリント基板に向けて延伸し、前記上面部と逆側の端部が前記プリント基板に接触する二つの側面部と、を含んで構成されている
   ことを特徴とする電子機器。
3. 請求項１または２に記載の電子機器において、
   前記プリント基板は多層基板であって、
   前記導電体は、前記プリント基板内部に形成されたグランド層である
   ことを特徴とする電子機器。
4. 請求項３に記載の電子機器において、
   前記開口部は、前記配線の延伸方向に沿って前記プリント基板に設けられた複数のビアによって、前記グランド層と電気的に接続されている
   ことを特徴とする電子機器。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電子機器において、
   前記導波管は、略矩形形状の断面を有する
   ことを特徴とする電子機器。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電子機器において、
   前記開口部の平面視における幅は、３０ｍｍ以下である
   ことを特徴とする電子機器。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の電子機器において、
   前記開口部の平面視における前記シールド領域側の幅は、先端の幅以上である
   ことを特徴とする電子機器。
   

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