JPWO2020175347A1

JPWO2020175347A1 - プローブ素子およびプローブユニット

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Publication number: JPWO2020175347A1
Application number: JP2021502166A
Authority: JP
Inventors: 淳遠田; 聖人荒木
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-12-16
Anticipated expiration: 2040-02-21
Also published as: WO2020175347A1; JP7226520B2; US20210382087A1; CN113302502A

Abstract

プローブ素子（２１）は、導通ピン（２０１）、筒状のバレル（２０２）、ブッシング（２０３）を備える。バレル（２０２）は、導通ピン（２０１）の先端部（２１１）が外部に露出するように、導通ピン（２０１）を内部に収容する。ブッシング（２０３）は、先端部（２１１）が移動可能な状態で導通ピン（２０１）をバレル（２０２）の内部で保持し、所定の誘電率を有する。導通ピン（２０１）は、先端部（２１１）と、先端部（２１１）を部分的に収容する中間部（２１２）と、中間部（２１２）に接続される筒状のソケット部（２１３）と、を備える。バレル（２０２）の延在方向と直交する方向におけるソケット部（２１３）とバレル（２０２）の内壁面との距離と、中間部（２１２）とバレル（２０２）の内壁面との距離とは、異なる。

Description

この発明は、高周波信号用の端子を有するコネクタを検査するためのプローブ素子に関する。

特許文献１には、電気的接続装置として、ピン端子とホルダとを備える構成が記載されている。特許文献１に記載の電気的接続装置は、ホルダ内にピン端子を配置する。ピン端子は、ホルダ内に配置されたインシュレータによって保持されている。

特開２００１−３０７８１１号公報

このような構成の電気的接続装置において高周波信号を計測する場合、ピン端子は、例えば、同軸ケーブルに接続される。

この際、ピン端子と同軸ケーブルとのインピーダンス整合が十分でなければ、伝送損失が生じ、高周波信号を高精度に計測できない。特に、ミリ波のように波長が短い高周波信号の場合、従来の構成は、高周波信号を高精度に計測できるようなインピーダンス整合を実現できなかった。

したがって、本発明の目的は、高周波信号を高精度に計測できるプローブ素子を提供することにある。

この発明のプローブ素子は、導通ピン、筒状のバレル、ブッシングを備える。導通ピンは、被検知体に接続する一方端を有する。筒状のバレルは、導通ピンの一方端が外部に露出するように、導通ピンを内部に収容する。ブッシングは、一方端が移動可能な状態で導通ピンをバレルの内部で保持し、所定の誘電率を有する。導通ピンは、一方端を含む先端部と、一方端に対向する他方端に配置された筒状のソケット部と、先端部とソケット部とを接続する中間部と、を備える。バレルの延在方向と直交する方向におけるソケット部とバレルとの距離と、中間部とバレルとの距離とは、異なる。

この構成では、導通ピンにおけるバレルとの間にブッシングが存在する箇所と存在しない箇所とでのインピーダンスの差は、抑制可能になる。

この発明によれば、高周波信号を高精度に計測可能なプローブ素子を実現できる。

図１は、プローブユニットの概略構成を示す斜視図である。図２は、プローブ素子の構成を示す側面図である。図３は、プローブ素子の構成を示す側面断面図である。図４は、プローブ素子の伝送特性を示すグラフである。図５は、プローブ素子の派生の構成を示す側面図である。図６は、プローブ素子の派生の構成を示す側面図である。

本発明の一実施形態に係るプローブ素子について、図を参照して説明する。なお、以下の実施形態における各図において、縦横の寸法関係は適宜強調して記載しており、実寸での縦横の寸法関係と一致しているとは限らない。また、図を見やすくするため、必要に応じて一部の符号の記載を省略している。

（プローブユニットの構成）
図１は、プローブユニットの概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、プローブユニット１は、プローブ保持部材１０、支持体１００、フランジ３０、スプリング４０、同軸ケーブル５１、同軸ケーブル５２、複数の信号用ケーブル６０、同軸コネクタ５１０、同軸コネクタ５２０、および、コネクタ６００を備える。なお、プローブユニット１は、同軸ケーブル５１、同軸ケーブル５２、複数の信号用ケーブル６０の内、少なくとも、同軸ケーブル５１を備えていればよい。

プローブ保持部材１０は、検査面１０Ｓを有する立体形状である。プローブ保持部材１０は、プローブ素子２１、プローブ素子２２、および、複数のプローブ素子２３を保持する。この際、プローブ素子２１の先端（一方端）、プローブ素子２２の先端（一方端）、および、複数のプローブ素子２３の先端（一方端）は、検査面１０Ｓから外方に突出している。そして、プローブ素子２１、プローブ素子２２、および、複数のプローブ素子２３は、検査面１０Ｓに直交する方向に沿って延在する。

プローブ素子２１、プローブ素子２２、および、複数のプローブ素子２３は、検査面１０Ｓ内において、所定のパターンで配置されている。具体的には、プローブ素子２１および、プローブ素子２２は、複数のプローブ素子２３を挟むように配置されている。

プローブ素子２１およびプローブ素子２２は、高周波信号の計測用のプローブ素子である。プローブ素子２１およびプローブ素子２２が、本発明の「プローブ素子」に対応する。複数のプローブ素子２３は、例えば、制御信号、低周波信号等の計測用のプローブ素子である。

支持体１００は、平板状である。支持体１００は、プローブ保持部材１０における検査面１０Ｓと反対側の面に当接している。

フランジ３０は、平板状である。フランジ３０は、支持体１００におけるプローブ保持部材１０側と反対側の面に配置されている。フランジ３０と支持体１００とは、所定の距離を空けて配置されている。スプリング４０は、支持体１００とフランジ３０との間に配置されている。

同軸ケーブル５１の一方端は、プローブ素子２１に接続し、他方端は、同軸コネクタ５１０に接続する。同軸ケーブル５２の一方端は、プローブ素子に接続し、他方端は、同軸コネクタ５２０に接続する。複数の信号用ケーブル６０の一方端は、複数のプローブ素子２３にそれぞれ接続し、他方端は、コネクタ６００に接続する。

（プローブ素子の構成）
図２は、プローブ素子の構成を示す側面図である。図２では、内部構成を分かり易くするため、バレルおよびブッシングは断面図で記載する。図３は、プローブ素子の構成を示す側面断面図である。なお、プローブ素子２１とプローブ素子２２とは、基本的に同じ形状であるので、以下では、図２、図３を用いて、プローブ素子２１の構成を説明する。

図２、図３に示すように、プローブ素子２１は、導通ピン２０１、バレル２０２、および、ブッシング２０３を備える。

導通ピン２０１は、先端部２１１、中間部２１２、および、ソケット部２１３を備える。

図３に示すように、先端部２１１は、導体であり、主体部２１１１と端部２１１２とを備える。主体部２１１１は、棒状である。主体部２１１１の一方端（先端）は、半球形状であり、他方端は、端部２１１２に接続する。端部２１１２は、円板形状であり、端部２１１２の主面が主体部２１１１の他方端に接続している。主体部２１１１と端部２１１２とは、例えば一体形成されている。

中間部２１２は、導体であり、円筒形状の筐体２１２０と、スプリング２１２２とを備える。筐体２１２０の中空部２１２１には、先端部２１１の延在方向の一部が配置されている。より具体的には、中空部２１２１には、先端部２１１の端部２１１２を含み、主体部２１１１の一部が配置されている。中空部２１２１には、さらに、スプリング２１２２が配置されている。スプリング２１２２の一方端は、端部２１１２に接触している。スプリング２１２２の他方端は、ソケット部２１３の底壁２１３２に接している。

ソケット部２１３は、導体であり、円筒形状である。より具体的には、ソケット部２１３は、円筒形の側壁２１３０と底壁２１３２とを備える。底壁２１３２は、中間部２１２の筐体２１２０に接続し、中空部２１２１の一方端を塞いでいる。ソケット部２１３の側壁２１３０と底壁２１３２によって囲まれる凹部２１３１には、同軸ケーブル５１の内導体５１１が収容されている。内導体５１１は、導電性接合材２０６によって、ソケット部２１３に接合されている。同軸ケーブル５１の絶縁体５１２および外導体５１３は、ソケット部２１３における凹部２１３１よりも外側に配置されている。

ソケット部２１３と中間部２１２とは、一体形成されていてもよく、個別の部材からなり接合されていてもよい。

一体形成の場合、例えば、次のように、形成すればよい。中間部２１２の筐体２１２０と、ソケット部２１３の底壁２１３２における筐体２１２０よりも直径の広い部分とを一体で形成する。次に、導通ピン２０１とスプリング２１２２とを中間部２１２に挿入する。次に、円板形状の部材等によって、ソケット部２１３の底壁２１３２の孔を塞ぐ。

個別の部材から構成する場合、例えば、次のように形成すればよい。導通ピン２０１とスプリング２１２２とを中間部の筐体２１２０内に挿入する。筐体２１２０の他方端（導通ピン２０１が突出していない側の端部）に、ソケット部２１３を接合する。これにより、中間部２１２の中空部２１２１の他方端は、ソケット部２１３の底壁２１３２によって塞がれる。

バレル２０２は、導体であり、円筒形である。バレル２０２の内径は、バレル２０２の延在方向の位置によらず一定である。ただし、ここでの一定とは、製造誤差や形状の測定誤差の範囲を含むものである。なお、本明細書等において、内径とは、内周部分の長さを指し、内周部分の形状は円形状に限られず、楕円形状や矩形状を含む。

バレル２０２は、延在方向（軸方向に平行な方向）における一方端に、壁２２０を有する。この壁２２０は、バレル２０２の内部空間２２１と外部とを連通する孔２２２を有する。孔２２２の直径は、先端部２１１が挿通する大きさであり、可能な限り必要最小限の大きさであることが好ましい。バレルの軸方向における他方端は、外部に連通する開口２２３を有する。また、バレル２０２は、軸方向（バレル２０２の延在方向）における開口２２３側の位置に、貫通孔２２４を有する。貫通孔２２４は、バレル２０２の延在方向に直交する方向にバレル２０２の壁を貫通する。

導通ピン２０１は、バレル２０２の内部空間２２１に配置される。この際、導通ピン２０１における先端部２１１、中間部２１２、および、ソケット部２１３の並ぶ方向は、バレル２０２の延在方向と平行である。

導通ピン２０１の先端部２１１は、孔２２２を挿通している。そして、導通ピン２０１の先端部２１１の一部は、バレル２０２の一方端面２０２Ｓから外部に突出している。

ブッシング２０３は、絶縁性を有し、所定の誘電率を有する。ブッシング２０３の誘電率は、空気の誘電率よりも高い。この場合、ブッシング２０３が本発明の第１誘電体となり、空気が本発明の第２誘電体となって、本発明における第１誘電体の誘電率は、本発明における第２誘電体の誘電率よりも高い。ブッシング２０３は、バレル２０２の内部空間２２１に、導通ピン２０１を固定する。より具体的には、ブッシング２０３は、バレル２０２の延在方向において、導通ピン２０１における中間部２１２とバレル２０２の内壁との間に当接して配置されている。また、ブッシング２０３は、バレル２０２の壁２２０の内面に当接している。これにより、導通ピン２０１は、バレル２０２に対して固定される。

また、ブッシング２０３は、バレル２０２の延在方向において、導通ピン２０１のソケット部２１３とバレル２０２の内壁との間には配置されていない。すなわち、バレル２０２の延在方向において、導通ピン２０１のソケット部２１３とバレル２０２の内壁との間は、中空２０４を有する。

また、ブッシング２０３は、導通ピン２０１における先端部２１１とバレル２０２の内壁との間に配置されている。この際、ブッシング２０３は、先端部２１１が軸方向に移動可能な状態で配置されている。

同軸ケーブル５１は、バレル２０２における開口２２３から挿入されている。同軸ケーブル５１の絶縁体５１２の先端は、ソケット部２１３に当接または近接している。同軸ケーブル５１の外導体５１３は、導電性接合材２０５によってバレル２０２に接合されている。

このような構成において、中間部２１２の直径Φ２１２は、ソケット部２１３の直径Φ２１３よりも小さい。言い換えれば、バレル２０２の延在方向に直交する方向における中間部２１２の外径は、ソケット部２１３の外径よりも小さい。なお、本明細書等において、外径とは、外周部分の長さを指し、外周部分の形状は円形状に限られず、楕円形状や矩形状を含む。

この構成によって、バレル２０２の延在方向に直交する方向における中間部２１２とバレル２０２との距離Ｄ２１２は、ソケット部２１３とバレル２０２との距離Ｄ２１３よりも長くなる。なお、ここで示す距離Ｄ２１２および距離Ｄ２１３は、例えば、中間部２１２、ソケット部２１３、およびバレル２０２の延在方向における複数点で測定した距離の平均値である。

ブッシング２０３は、空気よりも誘電率が高いので、距離Ｄ２１２が距離Ｄ２１３よりも長いことによって、中間部２１２とバレル２０２との間のキャパシタンスとソケット部２１３とバレル２０２との間のキャパシタンスとの差は、小さくできる。このように、プローブ素子２１は、導通ピン２０１をバレル２０２に固定するものとともに、導通ピン２０１の延在方向でのインピーダンスの整合に、ブッシング２０３を用いている。

これにより、中間部２１２を含む伝送線路部とソケット部２１３を含む伝送線路部とのインピーダンスの差を小さくでき、インピーダンス整合が可能になる。この結果、プローブ素子２１は、高周波信号を低損失で伝送でき、このプローブ素子２１を備えるプローブユニット１は、高周波信号を高精度に計測できる。

特に、ミリ波等の周波数がより高い高周波信号では、導通ピンの延在方向における形状の変化、構成部材の変化によって、導通ピン内においてインピーダンスの不整合が生じてしまう。しかしながら、プローブ素子２１のように、同軸ケーブル５１に接続する部分であるソケット部２１３、先端部２１１を保持する部分である中間部２１２の形状を適宜異ならせることによって、インピーダンス整合は可能になる。

図４は、プローブ素子の伝送特性を示すグラフである。図４に示すように、本願発明の構成を備えることによって、８０［ＧＨｚ］までの略全周波数帯域にわたって、反射損失を低減できる。特に、本願発明の構成を備えることで、約２５［ＧＨｚ］よりも高い周波数において、反射損失は、一定のレベル（ここでは、−１５［ｄＢ］）未満に抑えられる。

さらに、本実施形態の構成では、ソケット部２１３の凹部２１３１の直径は、中間部２１２の中空部２１２１の直径よりも大きくなる。これにより、同軸ケーブル５１の内導体５１１の直径は、大きくでき、同軸ケーブル５１での抵抗損失は、小さくできる。したがって、プローブユニット１としての計測感度は、向上する。

また、この構成では、中間部２１２とバレル２０２との間にブッシング２０３が配置されている。この場合、導通ピン２０１がバレル２０２から抜けてしまうことを、より抑制できる。また、導通ピン２０１の先端がバレル２０２の延在方向に対して垂直な方向に動くことを抑制できる。

（プローブ素子の派生例）
図５は、プローブ素子の派生の構成を示す側面図である。図５に示すように、プローブ素子２１Ａは、プローブ素子２１に対して、ソケット部２１３Ａとバレル２０２との間にブッシング２０３Ａが配置されている点で異なる。プローブ素子２１Ａの基本的な構成は、プローブ素子２１と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

導通ピン２０１Ａは、先端部２１１、中間部２１２Ａ、および、ソケット部２１３Ａを備える。

プローブ素子２１Ａでは、ブッシング２０３Ａは、ソケット部２１３Ａとバレル２０２との間に配置されている。ブッシング２０３Ａは、中間部２１２Ａとバレル２０２との間には配置されていない。すなわち、中間部２１２Ａとバレル２０２との間は、中空２０４Ａとなる。この場合、空気が本発明の第１誘電体となり、ブッシング２０３が本発明の第２誘電体となって、本発明における第１誘電体の誘電率は、本発明における第２誘電体の誘電率よりも低い。

ソケット部２１３Ａの直径Φ２１３は、中間部２１２Ａの直径Φ２１２Ａよりも小さい。このような関係にすることで、プローブ素子２１Ａは、プローブ素子２１と同様に、インピーダンス整合を実現できる。

また、この構成では、ソケット部２１３Ａとバレル２０２との間にブッシング２０３Ａが配置されている。この場合、導通ピン２０１の弾性力を強めることができ、プローブ素子２１の接触圧を高めることができる。

なお、上述の各実施形態に対して、プローブ素子は、ソケット部と同軸ケーブルとの接合部に当接または近接させて、インピーダンス整合部材を配置すると、よりよい。これにより、導通ピンと同軸ケーブルとのインピーダンスは、より確実に整合される。

また、図６に示すような構成を用いてもよい。図６は、プローブ素子の派生の構成を示す側面図である。図６に示すように、プローブ素子２１Ｂは、プローブ素子２１に対して、インピーダンス調整部材７０をさらに備える点で異なる。プローブ素子２１Ｂの他の構成は、プローブ素子２１と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。

インピーダンス調整部材７０は、誘電体または導体からなる。インピーダンス調整部材７０は、ソケット部２１３と同軸ケーブル５１の境界に当接または近接させて配置される。インピーダンス調整部材７０は、例えば、ソケット部２１３の周面の少なくとも一部を取り囲むようなリング形状である。

インピーダンス調整部材７０が導体の場合、ソケット部２１３とインピーダンス調整部材７０とを１つの導体部材として、導体部材におけるインピーダンス調整部材７０が配置されていない第１部分の外径と、導体部材におけるインピーダンス調整部材７０が配置されている第２部分の外径とを異ならせることができ、導通ピン２０１の延在方向（延びる方向）におけるインピーダンスの急激な変化を抑制できる。

また、インピーダンス調整部材７０が誘電体の場合、導通ピン２０１の延在方向（延びる方向）における誘電率の急激な変化を抑制でき、これにより、導通ピン２０１の延在方向（延びる方向）インピーダンスの急激な変化を抑制できる。

なお、このようなインピーダンス調整部材７０は、中間部２１２とソケット部２１３との境界に当接または近接させて配置してもよい。

また、上述の各実施形態では、バレル２０２の内壁面の直径は、延在方向のどの位置においても同じである。しかしながら、バレル２０２の内壁面の直径を調整することによって、中間部とバレルの内壁面までの距離と、ソケット部とバレルの内壁面までの距離とは、調整可能である。このような構成でも、プローブ素子は、導通ピンの延在方向のインピーダンス整合を実現できる。

また、プローブ素子は、中間部とソケット部との直径の調整と、バレルの内壁面の直径の調整とを行ってもよい。

１：プローブユニット
１０：プローブ保持部材
１０Ｓ：検査面
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２２、２３：プローブ素子
３０：フランジ
４０：スプリング
５１、５２：同軸ケーブル
６０：信号用ケーブル
７０：インピーダンス調整部材
１００：支持体
２０１：導通ピン
２０１Ａ：導通ピン
２０２：バレル
２０２Ｓ：一方端面
２０３、２０３Ａ：ブッシング
２０４、２０４Ａ：中空
２０５、２０６：導電性接合材
２１１：先端部
２１２：中間部
２１２Ａ：中間部
２１３、２１３Ａ：ソケット部
２２０：壁
２２１：内部空間
２２２：孔
２２３：開口
２２４：貫通孔
５１０、５２０：同軸コネクタ
５１１：内導体
５１２：絶縁体
５１３：外導体
６００：コネクタ
２１１１：主体部
２１１２：端部
２１２０：筐体
２１２１：中空部
２１２２：スプリング
２１３０：側壁
２１３１：凹部
２１３２：底壁

また、この構成では、ソケット部２１３Ａとバレル２０２との間にブッシング２０３Ａが配置されている。この場合、導通ピン２０１の弾性力を強めることができ、プローブ素子２１Ａの接触圧を高めることができる。

Claims

被検知体に接続する一方端を有する導通ピンと、
前記一方端が外部に露出するように、前記導通ピンを内部に収容する筒状のバレルと、
前記一方端が移動可能な状態で前記導通ピンを前記バレルの内部で保持し、所定の誘電率を有するブッシングと、
を備え、
前記導通ピンは、前記一方端を含む先端部と、
前記一方端に対向する他方端に配置された筒状のソケット部と、
前記先端部と前記ソケット部とを接続する中間部と、
を備え、
前記バレルの延在方向と直交する方向における前記ソケット部と前記バレルとの距離と、前記中間部と前記バレルとの距離とは、異なる、
プローブ素子。
前記バレルは、延在方向において内径が一定であり、
前記バレルの延在方向と直交する方向における前記ソケット部の外径と前記中間部の外径とは、異なる、
請求項１に記載のプローブ素子。
前記ブッシングは、前記中間部と前記バレルとの間に配置され、前記ソケット部と前記バレルとの間には配置されておらず、
前記ソケット部の外径は、前記中間部の外径よりも大きい、
請求項２に記載のプローブ素子。
前記中間部と前記ソケット部とは、一体形成されている、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のプローブ素子。
前記ソケット部における前記中間部と反対側に隣接するインピーダンス整合部材を備える、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のプローブ素子。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のプローブ素子と、
前記プローブ素子の前記ソケット部に接続する同軸ケーブルと、
前記プローブ素子を保持するプローブ保持部材と、
を備える、プローブユニット。
被検知体に接続する一方端を有する導通ピンと、
前記一方端が外部に露出するように、前記導通ピンを内部に収容する筒状のバレルと、
前記導通ピンは、前記一方端を含む先端部と、前記一方端に対向する他方端に配置された筒状のソケット部と、前記先端部と前記ソケット部とを接続する中間部と、を有し、
前記バレルの延在方向と直交する方向において、前記バレルと前記ソケット部との間に位置する第１誘電体と、前記バレルと前記中間部との間に位置する第２誘電体とを備え、
前記第１誘電体の誘電率と前記第２誘電体の誘電率とは異なる、
プローブ素子。
前記第１誘電体の誘電率の方が、前記第２誘電体の誘電率よりも大きく、前記バレルの延在方向と直交する方向における前記ソケット部と前記バレルとの距離の方が、前記中間部と前記バレルとの距離よりも大きい、
請求項７に記載のプローブ素子。
前記バレルは、延在方向において内径が一定であり、
前記バレルの延在方向と直交する方向における前記ソケット部の外径は前記中間部の外径よりも小さい、
請求項８に記載のプローブ素子。
前記第２誘電体は、空気である、
請求項７乃至請求項９のいずれかに記載のプローブ素子。
前記第１誘電体の誘電率の方が、前記第２誘電体の誘電率よりも小さく、前記バレルの延在方向と直交する方向における前記ソケット部と前記バレルとの距離の方が、前記中間部と前記バレルとの距離よりも小さい、
求項７に記載のプローブ素子。
前記バレルは、延在方向において内径が一定であり、
前記バレルの延在方向と直交する方向における前記ソケット部の外径は前記中間部の外径よりも大きい、
請求項１１に記載のプローブ素子。
前記第１誘電体は、空気である、
請求項７、請求項１１、および、請求項１２のいずれかに記載のプローブ素子。
前記中間部と前記ソケット部とは、一体形成されている、
請求項７乃至請求項１３のいずれかに記載のプローブ素子。
前記ソケット部における前記中間部と反対側に隣接するインピーダンス整合部材を備える、
請求項７乃至請求項１４のいずれかに記載のプローブ素子。
請求項７乃至請求項１５のいずれかに記載のプローブ素子と、
前記プローブ素子の前記ソケット部に接続する同軸ケーブルと、
前記プローブ素子を保持するプローブ保持部材と、
を備える、プローブユニット。