JP7148914B2 - 密閉型パッケージ装置 - Google Patents

Description

本発明は、密閉型パッケージ装置に関するものである。

高温、多湿および塩害などの過酷な環境下で長期間にわたって高い信頼性で動作することが求められる電気機器のために、密閉型パッケージ装置が用いられることがある。密閉型パッケージは、その内部空間と外部空間とを物理的に遮りつつ、内部空間と外部空間との間での信号の伝送を可能とする。例えば、橋梁、トンネルおよび道路付帯物などのように過酷な環境下にさらされる道路関連設備の状態を監視するためのセンサを収容するために、密閉型パッケージが用いられる。センサによって検出された情報は、密閉型パッケージの外部へ送られる必要がある。特開２０１７－９７５１１号公報（特許文献１）によれば、センサで検出された情報を密閉型パッケージの外部へ送るために、密閉型パッケージ装置に、無線用の送受信回路およびアンテナが設けられる。

特開２０１７－９７５１１号公報

上記公報に記載の技術のように、情報信号の伝送に無線伝送を用いる場合、必要な回路の規模が大きくなってしまう。このため、装置のコストがかなり高くなってしまう。これを避けるために、無線伝送以外の伝送方法を用いることが考えられる。簡素な方法として、密閉型パッケージ装置のケースを貫通するビア配線を伝送経路として用いる方法が考えられる。しかしながらこの方法では、配線に沿ってケースの外部からケースの内部へ水分または塩分などの物質が侵入しやすい。侵入した物質がケースの内部構造へ悪影響を及ぼすことで、密閉型パッケージ装置の耐久性が低下する。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、パッケージの内部空間と外部空間との間での情報信号の伝送を簡素な構成によって可能としつつ、高い耐久性を確保することができる密閉型パッケージ装置を提供することである。

本発明の一の局面に従う密閉型パッケージ装置は、ケースと、第１から第４電極と、内側バランおよび外側バランの少なくともいずれかと、を有している。ケースは、少なくとも一部が絶縁体からなり、密閉空間を内側に有しており、密閉空間を外部空間から隔てている。第１および第２電極は、ケースに取り付けられており、密閉空間から電気的に接続可能である。第３および第４電極は、ケースに取り付けられており、外部空間から電気的に接続可能であり、ケースの絶縁体からなる部分を介して第１および第２電極のそれぞれに対向している。内側バランは、密閉空間に配置されており、第１および第２電極に平衡接続でつながれている。外側バランは、外部空間に配置されており、第３および第４電極に平衡接続でつながれている。ケースは、ケースの内部に埋め込まれかつ第１から第４電極のいずれかに接続された配線を有している。
本発明の他の局面に従う密閉型パッケージ装置は、ケースと、第１から第４電極と、内側バランおよび外側バランの両方と、変調器と、復調器と、を有している。ケースは、少なくとも一部が絶縁体からなり、密閉空間を内側に有しており、密閉空間を外部空間から隔てている。第１および第２電極は、ケースに取り付けられており、密閉空間から電気的に接続可能である。第３および第４電極は、ケースに取り付けられており、外部空間から電気的に接続可能であり、ケースの絶縁体からなる部分を介して第１および第２電極のそれぞれに対向している。内側バランは、密閉空間に配置されており、第１および第２電極に平衡接続でつながれている。外側バランは、外部空間に配置されており、第３および第４電極に平衡接続でつながれている。変調器は、密閉空間に配置されており、内側バランに不平衡接続でつながれている。復調器は、外部空間に配置されており、外側バランに不平衡接続でつながれている。

本発明によれば、第１および第２電極の対と第３および第４電極の対との間での平衡接続を用いた信号経路が設けられる。これにより、密閉空間である内部空間と、外部空間との間での信号伝送が、簡素な構成によって可能となる。さらに、第３および第４電極のそれぞれは、ケースの絶縁体からなる部分によって第１および第２電極から隔てられている。これにより、第３電極から第１電極へおよび第４電極から第２電極への物質の浸透を遮断することができる。よって、外部空間から密閉空間中への物質の侵入に起因しての、内部空間に配置された構成への悪影響を避けることができる。よって、密閉型パッケージ装置の耐久性を高めることができる。以上のように、本発明によれば、パッケージの内部空間と外部空間との間での情報信号の伝送を簡素な構成によって可能としつつ、高い耐久性を確保することができる。

本発明の実施の形態１における密閉型パッケージ装置の構成を、図２の線Ｉ－Ｉに沿って模式的に示す断面図である。 図１の密閉型パッケージ装置のパッケージ部分を概略的に示す側面図である。 振幅変調および周波数変調の周波数スペクトルの例を模式的に示すグラフ図である。 本発明の実施の形態２における密閉型パッケージ装置の構成を模式的に示す部分断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

＜実施の形態１＞
（構成）
図１および図２を参照して、密閉型パッケージ装置９１は、ケース１１と、蓋体１７と、第１電極５１と、第２電極５２と、第３電極６１と、第４電極６２と、信号源２と、変調器３と、バラン４（内側バラン）と、バラン７（外側バラン）と、復調器８と、信号出力端子９と、太陽電池１９（エネルギー変換素子）とを有している。なおバランは、不平衡電圧を平衡電圧に、またはその逆に変換する電気回路であり、言い換えれば、平衡－不平衡変換器である。

ケース１１は、少なくとも一部が絶縁体からなり、その全部が絶縁体からなってもよい。絶縁体はセラミック絶縁体であることが好ましい。ケース１１は内側に内部空間を有している。蓋体１７がケース１１に取り付けられることによって、この内部空間は、密封空間として封止されている。よってケース１１は密閉空間を内側に有している。ケース１１は、密閉空間および外部空間のそれぞれに面する内面および外面を有しており、密閉空間を外部空間から隔てている。

蓋体１７は、本実施の形態においては透光性である。蓋体１７は、セラミックスからなることが好ましく、例えば酸化アルミニウムからなる。太陽電池１９は、蓋体１７を介して入射された光を用いて電力を発生する。発生された電力は、密閉空間内の電気回路、例えば変調器３、を動作させるために用いることができる。

信号源２はケース１１の密閉空間に配置されている。信号源２は、変調器３につながれており、変調器３へ変調信号を送る。信号源２はアナログセンサを有していてよい。その場合、センサからのアナログ信号が変調信号として用いられる。信号源２からのアナログ出力の大きさは、ピーク間の電位差（いわゆるＶ_ｐ－ｐ）として、例えば２００ｍＶ程度である。この場合、当該アナログ出力が伝送経路において受けるノイズの大きさは１ｍＶ以下に抑えられることが望まれる。後述する理由で、本実施の形態によれば、そのようなノイズ抑制が可能である。

変調器３はケース１１の密閉空間に配置されている。変調器３はバラン４に不平衡接続でつながれている。変調器３は、振幅変調（ＡＭ）方式または周波数変調（ＦＭ）方式の変調器であってよい。変調器３の搬送波の周波数は、超短波（ＶＨＦ:Very High Frequency）帯のものであることが好ましい。具体的には、変調器３の搬送波の周波数は３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下であることが好ましい。変調器３へ信号源２から供給される変調信号の周波数は、搬送波の周波数よりも低く、例えば２Ｈｚ以上１ＭＨｚ以下である。

バラン４はケース１１内の密閉空間に配置されている。バラン４は、第１電極５１および第２電極５２に平衡接続でつながれている。

第１電極５１および第２電極５２はケース１１に取り付けられており、本実施の形態においてはケース１１の内面上に配置されている。第１電極５１および第２電極５２は、密閉空間から電気的に接続可能であり、本実施の形態においては、内面上において露出されることによって直接的に接続可能である。第３電極６１および第４電極６２はケース１１に取り付けられており、本実施の形態においてはケース１１の外面上に配置されている。第３電極６１および第４電極６２は、外部空間から電気的に接続可能であり、本実施の形態においては、外面上において露出されることによって直接的に接続可能である。

第３電極６１および第４電極６２は、ケース１１の絶縁体からなる部分を介して第１電極５１および第２電極５２のそれぞれに対向している。これにより、第１電極５１と第３電極６１との間、および、第２電極５２と第４電極６２の間で、信号の電界伝送が可能である。この信号伝送は、平衡信号の伝送として行われる。その目的で、第１電極５１と第３電極６１とによって構成される容量と、第２電極５２と第４電極６２とによって構成される容量とは、同じであることが好ましい。ここで、平衡接続による信号伝送に実質的に支障がない程度のわずかな容量差は無視するものとする。

上記のように容量を等しくするために、例えば、第１電極５１の面積と第２電極５２の面積とが同じであり、かつ第３電極６１の面積と第４電極６２の面積とが同じであり、かつ第１電極５１と第３電極６１との間の距離と、第２電極５２と第４電極６２との間の距離とが同じであり、かつ第１電極５１と第３電極６１との間の領域の誘電率と、第２電極５２と第４電極６２との間の領域の誘電率とが同じである。なお、ここでいう「面積」は、ケース１１を介して１対の電極が対向する方向に垂直な面内（例えば図２に示された面）における大きさのことである。第１電極５１、第２電極５２、第３電極６１および第４電極６２の各々の面積は、例えば、数平方センチメートル程度である。本実施の形態においては、これらの電極はケース１１上に、例えば、印刷または貼り付けによって形成することができる。

バラン７はケース１１外の外部空間に配置されている。バラン７は、第３電極６１および第４電極６２に平衡接続でつながれている。これにより、バラン４とバラン７との間に平衡型の信号経路が設けられる。この信号経路によりケース１１を貫通しての平衡型の信号伝送が可能とされる。

復調器８はケース１１の外部空間に配置されている。復調器８はバラン７に不平衡接続でつながれている。復調器８により、元の変調信号、言い換えれば信号源２の信号、とおおよそ相似形の信号が得られる。復調器８としては、例えばダイオード検波回路を用い得る。なお、バラン７と復調器８との間に増幅器が設けられてもよい。

信号出力端子９は、密閉型パッケージ装置９１からの出力信号を外部へ供するために、ケース１１外の外部空間に配置されている。信号出力端子９に接続することによって、信号源２の信号とおおよそ同様の信号を得ることができる。

（効果）
本実施の形態１によれば、第１電極５１および第２電極５２の対と第３電極６１および第４電極６２の対との間での平衡接続を用いた信号経路が設けられる。これにより、密閉空間である内部空間と、外部空間との間での信号伝送が、簡素な構成によって可能となる。さらに、第３電極６１および第４電極６２のそれぞれは、ケース１１の絶縁体からなる部分によって第１電極５１および第２電極５２から隔てられている。これにより、第３電極６１から第１電極５１へおよび第４電極６２から第２電極５２への物質の浸透を遮断することができる。よって、外部空間から密閉空間中への物質の侵入に起因しての、内部空間に配置された構成への悪影響を避けることができる。よって、密閉型パッケージ装置９１の耐久性を高めることができる。以上のように、本実施の形態によれば、パッケージの内部空間と外部空間との間での情報信号の伝送を簡素な構成によって可能としつつ、高い耐久性を確保することができる。

第１電極５１と第２電極５２と第３電極６１と第４電極６２とによって構成される信号経路が平衡型であることにより、当該信号経路へ外部から混入した同相ノイズは、バラン７の通過時に減衰される。これにより、密閉型パッケージ装置９１から出力される信号のノイズを抑制することができる。また当該信号経路が平衡型であることにより、当該信号経路からのノイズ放射が抑制される。

第１電極５１および第２電極５２はケース１１の内面上に配置されており、第３電極６１および第４電極６２はケース１１の外面上に配置されている。これにより、第１電極５１、第２電極５２、第３電極６１および第４電極６２を、これらがケースの内部に形成される場合に比して、より容易に形成することができる。

ケース１１の絶縁体はセラミック絶縁体であることが好ましい。これにより、密閉型パッケージ装置９１の耐久性をより高めることができる。特に、過酷な環境下での耐久性を高めることができる。

変調器３および復調器８が用いられることにより、密閉空間と外部空間との間での信号伝送の周波数を、信号源２の周波数よりも高めることができる。これにより、第１電極５１と第３電極６１とによって構成される容量と、第２電極５２と第４電極６２とによって構成される容量との各々のリアクタンスが過大となることが避けられる。よって、ケース１２を貫通する信号経路における信号の伝送効率を向上させることができる。

変調器３はＡＭ方式の変調器であってよい。この場合は、ＦＭ方式の場合に比して、簡素な回路を用いることができる。これにより、変調器３のサイズを抑制することができる。

変調器３はＦＭ方式の変調器であってよい。この場合は、ＡＭ方式の場合に比して、周波数スペクトルが拡散される。具体的には、図３を参照して、ＡＭの周波数スペクトル８１は鋭いピーク（キャリアおよびサイドバンドのピーク）を有するが、ＦＭの周波数スペクトル８３はそのようなピークを有しない。よって、上記ピークに起因したノイズ放射が防止される。これにより特に、ケース１１内の構成への、ノイズによる悪影響を抑制することができ、例えば信号源２への悪影響を抑制することができる。

密閉型パッケージ装置９１は、透光性の蓋体１７を介して入射された光を用いて電力を発生する太陽電池１９を有していてよい。これにより、ケース１１を貫通するビア配線を介しての給電と、ワイヤレス給電との、いずれもが必須ではなくなる。よって、導体ワイヤに沿っての物質の侵入に起因しての耐久性の低下を避けることができる。また、ワイヤレス給電に起因してのノイズの発生を避けることができる。

信号源２はアナログセンサを有していてよい。センサからのアナログ出力は、信号レベルが低いことなどの理由で、多くの場合、ノイズの影響を受けやすい。本実施の形態によれば、前述した理由により、当該影響を抑制することができる。よって、当該影響の抑制のためにアナログ－デジタル変換回路を用いる必要性が抑えられる。当該回路を省略することにより、密閉型パッケージ装置９１の回路を簡素化することができる。

＜実施の形態２＞
図４は、本実施の形態２における密閉型パッケージ装置９２の構成を模式的に示す部分断面図である。密閉型パッケージ装置９２は、ケース１１（図１：実施の形態１）に代わり、ケース１２を有している。ケース１２は低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：Low Temperature Co-fired Ceramics）からなる。ＬＴＣＣは、一般に、９００℃程度で焼結可能なセラミックス材料からなり、かつ、絶縁体部分と導体部分とを有しており、当該導体部分は当該絶縁体部分の内部に配置され得る。その製造においては、絶縁体部分と導体部分とが９００℃程度で同時に焼成される。導体部分の材料には、例えば、銀または銅が用いられる。

本実施の形態においては、第１電極５１、第２電極５２、第３電極６１および第４電極６２は、ケース１２の中に埋め込まれている。このような構成は、第１電極５１、第２電極５２、第３電極６１および第４電極６２をＬＴＣＣの一部として形成することによって、容易に得られる。

ケース１２は、ケース１２の内部に埋め込まれた第１配線５６、第２配線５７、第３配線７６および第４配線７７を有している。第１配線５６、第２配線５７、第３配線７６および第４配線７７のそれぞれは、第１電極５１、第２電極５２、第３電極６１および第４電極６２に接続されている。このような構成は、第１配線５６、第２配線５７、第３配線７６および第４配線７７をＬＴＣＣの一部として形成することによって容易に得られる。

第１端子４１および第２端子４２はケース１２の内面上に配置されている。第１端子４１は第１配線５６を介して第１電極５１に接続されている。第２端子４２は第２配線５７を介して第２電極５２に接続されている。よって第１電極５１および第２電極５２のそれぞれは、第１端子４１および第２端子４２を介して密閉空間から電気的に接続可能である。

第３端子７１および第４端子７２はケース１２の外面上に配置されている。第３端子７１は第３配線７６を介して第３電極６１に接続されている。第４端子７２は第４配線７７を介して第４電極６２に接続されている。よって第３電極６１および第４電極６２のそれぞれは、第３端子７１および第４端子７２を介して外部空間から電気的に接続可能である。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態２によれば、第１電極５１と第３電極６１との間の距離、および、第２電極５２と第４電極６２との間の距離を、ケース１２の厚みよりも小さくすることができる。これにより、ケース１２を貫通する信号経路における信号の伝送効率を向上させることができる。

なお、上記本実施の形態２においては、第１電極５１、第２電極５２、第３電極６１および第４電極６２のすべてがケース１２の中に埋め込まれているが、これらのうち一部のみがケースの中に埋め込まれていてもよい。具体的には、第１電極５１および第２電極５２の対と、第３電極６１および第４電極６２の対とのうち、一方の対が本実施の形態２のようにケースの中に埋め込まれ、他方の対が実施の形態１のようにケース上に配置されてもよい。この場合も本実施の形態２とほぼ同様の効果が得られる。

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

２ 信号源
３ 変調器
４ バラン（内側バラン）
７ バラン（外側バラン）
８ 復調器
９ 信号出力端子
１１，１２ ケース
１７ 蓋体
１９ 太陽電池（エネルギー変換素子）
４１ 第１端子
４２ 第２端子
５１ 第１電極
５２ 第２電極
５６ 第１配線
５７ 第２配線
６１ 第３電極
６２ 第４電極
７１ 第３端子
７２ 第４端子
７６ 第３配線
７７ 第４配線
９１，９２ 密閉型パッケージ装置

Claims (11)

1. 少なくとも一部が絶縁体からなり、密閉空間を内側に有し、前記密閉空間を外部空間から隔てるケースと、
   前記ケースに取り付けられ、前記密閉空間から電気的に接続可能である第１および第２電極と、
   前記ケースに取り付けられ、前記外部空間から電気的に接続可能であり、前記ケースの前記絶縁体からなる部分を介して前記第１および第２電極のそれぞれに対向する第３および第４電極と、
   前記密閉空間に配置され前記第１および第２電極に平衡接続でつながれた内側バラン、および、前記外部空間に配置され前記第３および第４電極に平衡接続でつながれた外側バラン、の少なくともいずれかと、
   を備え、
   前記ケースは、前記ケースの内部に埋め込まれかつ前記第１から第４電極のいずれかに接続された配線を有する、密閉型パッケージ装置。
2. 前記密閉型パッケージ装置は前記内側バランおよび前記外側バランの両方を備え、
   前記密閉空間に配置され、前記内側バランに不平衡接続でつながれた変調器と、
   前記外部空間に配置され、前記外側バランに不平衡接続でつながれた復調器と、
   をさらに備える、請求項１に記載の密閉型パッケージ装置。
3. 少なくとも一部が絶縁体からなり、密閉空間を内側に有し、前記密閉空間を外部空間から隔てるケースと、
   前記ケースに取り付けられ、前記密閉空間から電気的に接続可能である第１および第２電極と、
   前記ケースに取り付けられ、前記外部空間から電気的に接続可能であり、前記ケースの前記絶縁体からなる部分を介して前記第１および第２電極のそれぞれに対向する第３および第４電極と、
   前記密閉空間に配置され前記第１および第２電極に平衡接続でつながれた内側バラン、および、前記外部空間に配置され前記第３および第４電極に平衡接続でつながれた外側バラン、の両方と、
   前記密閉空間に配置され、前記内側バランに不平衡接続でつながれた変調器と、
   前記外部空間に配置され、前記外側バランに不平衡接続でつながれた復調器と、
   を備える、密閉型パッケージ装置。
4. 前記変調器は振幅変調方式の変調器である、請求項２または３に記載の密閉型パッケージ装置。
5. 前記変調器は周波数変調方式の変調器である、請求項２または３に記載の密閉型パッケージ装置。
6. 前記密閉空間に配置され前記変調器につながれた信号源をさらに備え、前記信号源はアナログセンサを有する、請求項２から５のいずれか１項に記載の密閉型パッケージ装置。
7. 前記ケースは、前記ケースの内部に埋め込まれかつ前記第１から第４電極のいずれかに接続された配線を有する、請求項３から６のいずれか１項に記載の密閉型パッケージ装置。
8. 前記ケースは低温同時焼成セラミックスからなる、請求項１から７のいずれか１項に記載の密閉型パッケージ装置。
9. 前記ケースは、前記密閉空間および前記外部空間のそれぞれに面する内面および外面を有しており、前記第１および第２電極は前記ケースの内面上に配置されており、前記第３および第４電極は前記ケースの外面上に配置されている、請求項３に記載の密閉型パッケージ装置。
10. 前記ケースの前記絶縁体はセラミック絶縁体である、請求項１から９のいずれか１項に記載の密閉型パッケージ装置。
11. 前記ケースに取り付けられることによって前記密閉空間を封止する透光性の蓋体と、
    前記蓋体を介して入射された光を用いて電力を発生するエネルギー変換素子と、
    をさらに備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載の密閉型パッケージ装置。

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