JP5881849B2 - 電子機器および電磁ノイズ対策方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電磁ノイズの影響を避ける電子機器および電磁ノイズ対策方法に関するものである。

従来、バックボードと呼ばれる基板に複数のプリント基板が並列に実装され、これらをカードバスケットに収納した電子機器が使用されている。
バックボードは、プリント基板を接続する複数のコネクタを備え、各コネクタのコネクタピンを経由して各プリント基板の回路パターン（電源、信号およびグラウンドなど）と電気的に接続される。

また、複数のプリント基板それぞれの信号ＧＮＤ（ＳＧ：信号グラウンド）は、バックボードの各コネクタのコネクタピンを経由して電気的に接続される。このため、コネクタピンのインピーダンスによって各プリント基板の信号ＧＮＤ間に電位差が発生し、各プリント基板の回路の動作が不安定になってしまう。

さらに、電子機器の外部で発生する電磁ノイズ（例えば、雷サージ）が各プリント基板の信号ＧＮＤに混入することを避けるため、各プリント基板の信号ＧＮＤとフレームＧＮＤ（ＦＧ：フレームグラウンド）として機能するカードバスケットとは絶縁される。このため、各プリント基板の信号ＧＮＤに電磁ノイズが発生した場合、この電磁ノイズを電子機器の外部へ逃がすことができず、各プリント基板の回路の動作が不安定になってしまう。

特開２００３−０６０３２５号公報 特開２００８−２５１８０７号公報 特開２００６−３２５３０１号公報

本発明は、例えば、各プリント基板の信号ＧＮＤに発生する電磁ノイズを外部へ逃がすと共に、外部で発生する電磁ノイズに対する各プリント基板の耐量を高められるようにすることを目的とする。

本発明の電子機器は、
シグナルグラウンドを有する複数の回路基板と、
前記複数の回路基板それぞれのシグナルグラウンドと導通する導通板と、
前記複数の回路基板と前記導通板とを収容すると共に、フレームグラウンドとして機能するフレーム面を有する基板収容フレームと、
前記基板収容フレームの前記フレーム面と前記導通板との間に設けられる誘電体とを備える。

本発明によれば、例えば、各プリント基板の信号ＧＮＤ（シグナルグラウンド）に発生する電磁ノイズを外部へ逃がすと共に、外部で発生する電磁ノイズに対する各プリント基板の耐量を高めることができる。

実施の形態１における電子機器１００の内部構成を示す図。 実施の形態１における電子機器１００と従来における電子機器１０９とのそれぞれの電磁ノイズ１３９の流れを示す図。 実施の形態１におけるノイズ対策コンデンサ１５９の周波数特性の一例を示すグラフ。 放送または通信で利用されている周波数範囲を示すグラフ。 実施の形態２における電子機器１００の内部構成を示す図。 実施の形態３における電子機器１００の内部構成を示す側断面図。 実施の形態４における電子機器１００の内部構成を示す側断面図。 実施の形態５における電子機器１００の内部構成を示す正面図。

実施の形態１．
プリント基板の信号ＧＮＤ（ＳＧ：シグナルグラウンド）に発生する電磁ノイズを外部へ逃がすと共に、外部で発生する電磁ノイズに対するプリント基板の耐量を高める形態について説明する。

図１は、実施の形態１における電子機器１００の内部構成を示す図である。図１の（ａ）は正面図であり、図１の（ｂ）は側断面図である。
実施の形態１における電子機器１００について、図１に基づいて説明する。

電子機器１００は、複数のプリント基板１３０を並行に並べて収容したカードバスケット１１０を備える。

カードバスケット１１０（基板収容フレームの一例）は、複数のプリント基板１３０、複数のプリント基板１３０を並列に並べて接続するバックボード１２０、複数のプリント基板１３０それぞれの信号ＧＮＤ１３１と接続する金属バー１４０および誘電体１５０を収容する入れ物である。
カードバスケット１１０は金属板から成り、または、金属面を有し、収容される複数のプリント基板１３０を保護する保護ケースとして機能する他、接地されるフレームＧＮＤ（ＦＧ：フレームグラウンド）として機能する。

バックボード１２０は、複数のプリント基板１３０を並行に並べて接続するプリント基板である。バックボード１２０はバックプレーン、メイン基板などとも呼ばれる。例えば、コンピュータのマザーボードはバックボード１２０の一例である。
バックボード１２０は、並行に並べて配置された複数のコネクタ１２１を備える。
複数のプリント基板１３０は、各コネクタ１２１に一枚ずつ嵌め込んで接続されることにより、並行に並べて配置される。

プリント基板１３０（回路基板の一例）は、電子回路を構成する回路パターン（配線パターンともいう）を有する基板である。回路パターンについては図示を省略する（以下同様）。
プリント基板１３０は、電子回路の基準電位を定める信号ＧＮＤ１３１を有する。
信号ＧＮＤ１３１は、回路パターンのうち電子回路の基準電位を定める部分である。
また、信号ＧＮＤ１３１には、金属バー１４０を接続するためのねじ穴が設けられている。

金属バー１４０（導通板の一例）は、複数のプリント基板１３０それぞれの信号ＧＮＤ１３１と電気的に接続する板状の部材である。
金属バー１４０は、複数のプリント基板１３０それぞれの信号ＧＮＤ１３１と接続するための複数の接続部１４１を備える。また、各接続部１４１はねじ１４２を入れるねじ穴を有する。
金属バー１４０は、各接続部１４１が各プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１にねじ止めされることによって、複数のプリント基板１３０に固定されると共に、各プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１と導通する。
但し、金属バー１４０に複数の切り込みを設け、各切り込みにプリント基板１３０を嵌め込むことによって、金属バー１４０と複数のプリント基板１３０とを接続しても構わない。また、その他の方法で金属バー１４０と複数のプリント基板１３０とを接続しても構わない。

誘電体１５０は、誘電性が比較的高い板状の固体である。誘電体１５０は絶縁体ともいう。例えば、エポキシ、アクリル、シリコン、プラスチックまたはガラスなどは誘電体１５０の一例である。
誘電体１５０は、金属バー１４０とカードバスケット１１０（の金属製の底面）と共に、特定の周波数特性を有するコンデンサを構成する。

以下、金属バー１４０と誘電体１５０とカードバスケット１１０（の金属製の底面）とが構成するコンデンサを「ノイズ対策コンデンサ１５９」という。
ノイズ対策コンデンサ１５９は、電子機器１００を構成する際の妨げにならなければ、プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１の位置に応じてカードバスケット１１０の底面側以外の部分（例えば、カードバスケット１１０の金属製の天面側）に設けても構わない。

図２は、実施の形態１における電子機器１００と従来における電子機器１０９とのそれぞれの電磁ノイズ１３９の流れを示す図である。
図２の（ａ）は実施の形態１における電子機器１００の電磁ノイズ１３９の流れを示し、図２の（ｂ）は従来における電子機器１０９の電磁ノイズ１３９の流れを示している。

図２の（ｂ）において、従来の電子機器１０９はプリント基板１３０とカードバスケット１１０とが絶縁されており、プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１に発生する電磁ノイズ１３９（電子回路で発生する電磁ノイズ１３９と同じ。以下同様）をカードバスケット１１０へ逃がすことができない。このため、プリント基板１３０の電子回路を流れる電磁ノイズ１３９が増大し、プリント基板１３０の電子回路が正しく動作しない可能性がある。

一方、図２の（ａ）に示す実施の形態１の電子機器１００は、金属バー１４０と誘電体１５０とカードバスケット１１０とを備えてノイズ対策コンデンサ１５９を構成するため、プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１に発生する電磁ノイズ１３９をノイズ対策コンデンサ１５９へ逃がし、またはノイズ対策コンデンサ１５９を介してカードバスケット１１０の外部（例えば、アース）へ逃がすことができる。このため、プリント基板１３０の電子回路は安定して動作する。

通常、プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１には、高周波の電磁ノイズ１３９（高周波ノイズまたは電磁放射ノイズともいう）が発生しやすい。
一方、コンデンサ（ノイズ対策コンデンサ１５９を含む）は、低周波の交流電流が流れにくく、高周波の交流電流が流れやすい、という周波数特性を有する。
そのため、ノイズ対策コンデンサ１５９は、プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１に発生する高周波（例えば、３０ＭＨｚ以上）の電磁ノイズをカードバスケット１１０の外部へ流すことができる（図２の（ａ）参照）。

また、外部で発生する雷サージなどの電磁ノイズは低周波（例えば、１ＭＨｚ以下）である場合が多い。
この場合、ノイズ対策コンデンサ１５９は、外部で発生する低周波の電磁ノイズ（低周波ノイズまたは外来ノイズともいう）を遮断し、この電磁ノイズがプリント基板１３０の電子回路へ流れないようにすることができる。
外部で高周波の電磁ノイズが発生し、この電磁ノイズが外部からカードバスケット１１０へ流れた場合、この電磁ノイズはノイズ対策コンデンサ１５９を介してプリント基板１３０の電子回路へ混入する可能性がある。しかし、ノイズ対策コンデンサ１５９は高周波の電磁ノイズを外部へ逃がすため、外部から混入した高周波の電磁ノイズはプリント基板１３０の電子回路に滞留しない。

以上のように、ノイズ対策コンデンサ１５９は、プリント基板１３０の電子回路内の電磁ノイズ１３９を低減させると共に、外来ノイズに対するプリント基板１３０の耐量を向上させることができる。

ノイズ対策コンデンサ１５９の容量は、金属バー１４０の平面（誘電体１５０が配置される平面）の大きさ、つまり、金属バー１４０の長さ、幅または面積を変えることによって調整することができる。
また、ノイズ対策コンデンサ１５９の容量は、金属バー１４０とカードバスケット１１０との間隔（つまり、誘電体１５０の厚さ）、または誘電体１５０の材質などを変えることによって、調整することもできる。
ノイズ対策コンデンサ１５９の周波数特性は、例えば、ノイズ対策コンデンサ１５９の容量を変えることによって調整することができる。

例えば、金属バー１４０の大きさが３００ｍｍ×１０ｍｍ（ｍｍ：ミリメートル）であり、金属バー１４０とカードバスケット１１０との間隔が１ｍｍであり、誘電体１５０が比誘電率「４．０」を有するエポキシである場合、ノイズ対策コンデンサ１５９の容量はおよそ１００ｐＦ（ピコファラッド）である。

図３は、実施の形態１におけるノイズ対策コンデンサ１５９の周波数特性の一例を示すグラフである。図３において、縦軸はインピーダンスを表し、横軸は周波数を表している。

例えば、１００ｐＦのノイズ対策コンデンサ１５９は、図３に示すような周波数特性を有する。
つまり、このノイズ対策コンデンサ１５９は、電磁ノイズ（交流電流）の周波数が低ければインピーダンスが大きく、電磁ノイズの周波数が高くなるに従ってインピーダンスが低下する。但し、電磁ノイズの周波数が約１０００Ｈｚを超えると、ノイズ対策コンデンサ１５９のインピーダンスは電磁ノイズの周波数が高くなるに従って高くなる。
このような周波数特性を有するノイズ対策コンデンサ１５９は、周波数が高い特定の周波数帯（例えば、３０ＭＨｚから１０００Ｈｚ程度）の電磁ノイズを逃がしやすく、低周波（例えば、１０ＭＨｚ以下）の電磁ノイズを遮断しやすい。

以上のように、金属バー１４０の長さ、金属バー１４０の幅または誘電体１５０の材質などを変えることにより、信号ＧＮＤ１３１からフレームＧＮＤ（カードバスケット１１０）へ逃がしたい電磁ノイズの周波数に応じて、ノイズ対策コンデンサ１５９を構成することができる。

実施の形態１において、例えば、以下のような電子機器１００および電磁ノイズ対策方法について説明した。
複数のプリント基板１３０は並行に並べてカードバスケット１１０内に実装され、各プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１は金属バー１４０を介して導通される。
金属バー１４０とカードバスケット１１０との間には誘電体１５０が挟みこまれ、金属バー１４０と誘電体１５０とカードバスケット１１０とがノイズ対策コンデンサ１５９を構成する。
ノイズ対策コンデンサ１５９は、各プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１に発生する高周波の電磁ノイズおよび外部から混入する高周波の電磁ノイズをカードバスケット１１０からアースへ逃がし、外部で発生する低周波の電磁ノイズを遮断する。
これにより、プリント基板１３０の電子回路内の電磁ノイズが低減されると共に外来ノイズに対するプリント基板１３０の耐量が向上し、プリント基板１３０の電子回路が安定して動作しやすくなる。

また、サイズが小さくてインピーダンスが大きいコネクタピン（コネクタ１２１の電気的な接続部）ではなく、コネクタピンよりもサイズが大きくてインピーダンスが小さい金属バー１４０を介して、各プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１を接続することにより、各信号ＧＮＤ１３１のインピーダンスが低下する。そして、信号ＧＮＤ１３１間の電位差が低減し、プリント基板１３０の電子回路が安定して動作しやすくなる。

さらに、従来は適合させることが困難であった国際規格ＣＩＲＰＲ ｐｕｂｌ．１１（放射電磁界）、国際規格ＩＥＣ ６１０００−４−２（静電気イミュニティ）、および、その他のノイズイミュニティ規格に電子機器１００を適合させることが容易になる。
図４は、放送または通信で利用されている周波数範囲を示すグラフである。
国際規格ＣＩＲＰＲ ｐｕｂｌ．１１（放射電磁界）は、電子機器の動作中に電子機器から空中を伝播してテレビまたは通信機器などに影響を与える電磁波（例えば、図４に示す周波数帯の電磁波）の強度を規制するための規格である。この電磁波の強度は妨害波電界強度とも呼ばれる。
国際規格ＩＥＣ ６１０００−４−２（静電気イミュニティ）は、人体に帯電した静電気が放電するときに発生する電圧に対する電子機器の耐量についての規格である。

実施の形態２．
実施の形態１の効果を高める形態について説明する。
以下、実施の形態１と異なる事項について主に説明する。説明を省略する事項については実施の形態１と同様である。

図５は、実施の形態２における電子機器１００の内部構成を示す図である。図５の（ａ）は正面図であり、図５の（ｂ）は側断面図である。
実施の形態２における電子機器１００について、図５に基づいて説明する。

電子機器１００は、金属バー１４０および誘電体１５０をカードバスケット１１０の底面側（プリント基板１３０の下側）だけでなく、カードバスケット１１０の天面側（プリント基板１３０の上側）にも備える。
つまり、電子機器１００は、金属バー１４０と誘電体１５０とカードバスケット１１０（の金属面）とで構成するノイズ対策コンデンサ１５９を複数有する。言い換えると、電子機器１００は、並列に接続した複数のノイズ対策コンデンサ１５９を有する。

ノイズ対策コンデンサ１５９は、電子機器１００を構成する際の妨げにならなければ、プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１の位置に応じてプリント基板１３０の上下以外の部分に設けても構わない。また、ノイズ対策コンデンサ１５９の数は３つ以上であっても構わない。

ノイズ対策コンデンサ１５９を複数設けることにより、プリント基板１３０の電子回路で発生した電磁ノイズ１３９を各ノイズ対策コンデンサ１５９を介して外部へ逃がしやすくなる。したがって、プリント基板１３０の電子回路内の電磁ノイズ１３９を低減させると共に、外来ノイズに対するプリント基板１３０の耐量を向上させる、という効果を高めることができる。
また、複数のノイズ対策コンデンサ１５９を設けることにより、複数のノイズ対策コンデンサ１５９の全体の容量を大きくすることが容易になる。このため、複数のノイズ対策コンデンサ１５９の全体で、所望の周波数特性を有するノイズ対策用のコンデンサを構成することが容易になる。

実施の形態３．
信号ＧＮＤ１３１と金属バー１４０とを簡単な工作で導通させる形態について説明する。
以下、実施の形態１と異なる事項について主に説明する。説明を省略する事項については実施の形態１と同様である。

図６は、実施の形態３における電子機器１００の内部構成を示す側断面図である。
実施の形態３における電子機器１００について、図６に基づいて説明する。

プリント基板１３０は、信号ＧＮＤ１３１と金属バー１４０とを電気的に接続するＪ字形のバネ金属１３２を備える。例えば、バネ金属１３２は板ばねである。
但し、バネ金属１３２はＪ字形以外の形状（例えば、Ｕ字形、Ｌ字形）であってもよいし、板ばね以外のばね（例えば、コイルばね）であってもよい。

バネ金属１３２は、ばねの弾性力によって金属バー１４０に押し当てられるように接し、信号ＧＮＤ１３１と金属バー１４０とを導通させる。

バネ金属１３２を用いることにより、実施の形態１（図１参照）のようにプリント基板１３０と金属バー１４０とをねじ止めするよりも簡単な工作で、プリント基板１３０の信号ＧＮＤ１３１と金属バー１４０とを導通させることができる。

実施の形態４．
所望の周波数特性を有するノイズ対策用のコンデンサを構成することを容易にする形態について説明する。
以下、実施の形態１と異なる事項について主に説明する。説明を省略する事項については実施の形態１と同様である。

図７は、実施の形態４における電子機器１００の内部構成を示す側断面図である。
実施の形態４における電子機器１００について、図７に基づいて説明する。

プリント基板１３０は、信号ＧＮＤ１３１を２つに分割する絶縁部１３３と、絶縁部１３３によって分割された２つの信号ＧＮＤ１３１ａ・ｂに跨って接続される補助コンデンサ１３４を備える。金属バー１４０が接続する方の信号ＧＮＤ１３１の部分を「信号ＧＮＤ１３１ａ」とし、他方の信号ＧＮＤ１３１の部分を「信号ＧＮＤ１３１ｂ」とする。
つまり、補助コンデンサ１３４の一方の電極部は一方の信号ＧＮＤ１３１ａに接続し、補助コンデンサ１３４の他方の電極部は他方の信号ＧＮＤ１３１ｂに接続する。したがって、補助コンデンサ１３４とノイズ対策コンデンサ１５９とは直列に接続する。
例えば、補助コンデンサ１３４は、チップ形のコンデンサである。但し、補助コンデンサ１３４は、チップ形以外のコンデンサ（例えば、リード形のコンデンサ）であっても構わない。

補助コンデンサ１３４は、ノイズ対策コンデンサ１５９の周波数特性を調整するために用いる。
つまり、ノイズ対策コンデンサ１５９および補助コンデンサ１３４は、特定の周波数特性を有する一つのノイズ対策用のコンデンサを構成する。

ノイズ対策コンデンサ１５９の容量を調整するには、金属バー１４０の大きさ、誘電体１５０の厚さまたは材質などを調整する必要がある。
このため、所望の周波数特性を得るために必要な容量を有するノイズ対策コンデンサ１５９を構成することが困難な場合がある。

そのような場合、ノイズ対策コンデンサ１５９と補助コンデンサ１３４とを組み合わせることによって、必要な容量を有するノイズ対策用のコンデンサを構成することができる。
言い換えると、ノイズ対策コンデンサ１５９と補助コンデンサ１３４とを組み合わせることによって、所望の周波数特性を有するノイズ対策用のコンデンサを構成することができる。
これにより、特定の周波数帯の電磁ノイズだけを通過させることができる。

実施の形態５．
プリント基板１３０間の電磁干渉を抑止する形態について説明する。
以下、実施の形態１と異なる事項について主に説明する。説明を省略する事項については実施の形態１と同様である。

図８は、実施の形態５における電子機器１００の内部構成を示す正面図である。
図８に示すようにプリント基板１３０ａとプリント基板１３０ｄとを電磁干渉抑止距離Ｌだけ離して配置することにより、プリント基板１３０ａとプリント基板１３０ｄとの間で発生する電磁干渉を抑止することができる。
電磁干渉抑止距離Ｌは、隣り合うプリント基板１３０ａ・ｄの電磁干渉を抑止するために予め決められた設計値である。

プリント基板１３０ａ・ｄ間だけでなく、全てのプリント基板１３０ａ−ｇ間に電磁干渉抑止距離Ｌを設けても構わない。また、コネクタ１２１ｂ・ｃは無くても構わない。

各実施の形態は、矛盾が生じない範囲で一部または全部を適宜に組み合わせても構わない。

１００ 電子機器、１０９ 電子機器、１１０ カードバスケット、１２０ バックボード、１２１ コネクタ、１３０ プリント基板、１３１ 信号ＧＮＤ、１３２ バネ金属、１３３ 絶縁部、１３４ 補助コンデンサ、１３９ 電磁ノイズ、１４０ 金属バー、１４１ 接続部、１４２ ねじ、１５０ 誘電体、１５９ ノイズ対策コンデンサ。

Claims (5)

1. シグナルグラウンドを有する複数の回路基板と、
   前記複数の回路基板それぞれのシグナルグラウンドと導通する導通板と、
   前記複数の回路基板と前記導通板とを収容すると共に、フレームグラウンドとして機能するフレーム面を有する基板収容フレームと、
   前記基板収容フレームの前記フレーム面と前記導通板との間に設けられる誘電体とを備え、
   前記回路基板は、前記シグナルグラウンドとして第一のシグナルグラウンドを有し、さらに、第二のシグナルグラウンドと、前記第一のシグナルグラウンドと前記第二のシグナルグラウンドとに跨って接続されるコンデンサ部品とを有する
   ことを特徴とする電子機器。
2. 前記導通板と前記誘電体と前記フレーム面とが特定の周波数特性を有するコンデンサを構成し、前記コンデンサが前記複数の回路基板それぞれのシグナルグラウンドに発生する電磁ノイズを前記基板収容フレームの外部へ逃がすと共に、前記コンデンサが前記基板収容フレームの外部で発生する外来ノイズであって前記電磁ノイズより周波数が低い外来ノイズを遮断することを特徴とする請求項１記載の電子機器。
3. 前記複数の回路基板それぞれのシグナルグラウンドと前記導通板とを導通させる複数の金属ばねを備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電子機器。
4. 前記複数の回路基板は、電磁干渉を抑止するために予め定められた電磁干渉抑止距離以上離して配置されることを特徴とする請求項１から請求項３いずれかに記載の電子機器。
5. 複数の回路基板それぞれに、第一のシグナルグラウンドと、第二のシグナルグラウンドと、前記第一のシグナルグラウンドと前記第二のシグナルグラウンドとに跨って接続されるコンデンサ部品とを設けて、
   前記複数の回路基板それぞれの前記第一のシグナルグラウンドに導通板を接続し、
   フレームグラウンドとして機能するフレーム面を有する基板収容フレームに、前記複数の回路基板と前記導通板とを収容し、
   前記フレーム面と前記導通板との間に誘電体を設ける
   ことを特徴とする電磁ノイズ対策方法。

Images