特許 7513699 通信機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】通信機器

(51)【国際特許分類】

   H03H 7/09 20060101AFI20240702BHJP

   H04B 15/00 20060101ALI20240702BHJP

   H05K 9/00 20060101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

H03H7/09 A

H04B15/00

H05K9/00 K

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022508241

(86)(22)【出願日】2021-03-09

(86)【国際出願番号】 JP2021009292

(87)【国際公開番号】W WO2021187241

(87)【国際公開日】2021-09-23

【審査請求日】2022-09-06

(31)【優先権主張番号】P 2020049720

(32)【優先日】2020-03-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】310021766

【氏名又は名称】株式会社ソニー・インタラクティブエンタテインメント

(74)【代理人】

【識別番号】100122275

【弁理士】

【氏名又は名称】竹居 信利

(72)【発明者】

【氏名】野澤 鉄文

(72)【発明者】

【氏名】辻川 隆俊

【審査官】志津木 康

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－００８３５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０８５５５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３５７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１１５８２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１０１７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｈ１／００－７／１３

Ｈ０４Ｂ１／１０－１５／０６

Ｈ０４Ｌ２５／００－２５／６６

Ｈ０５Ｋ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

通信コネクタと、
前記通信コネクタを経由する通信を制御する通信制御回路と、
前記通信制御回路及び前記通信コネクタのそれぞれと接続され、前記通信を中継するコモンモードフィルタと、
を備え、
前記通信制御回路が送出する電気信号が前記コモンモードフィルタによって反射される反射波によって共振を生じさせる信号経路の電気長であって、前記通信制御回路のパッケージと前記コモンモードフィルタを接続する信号線と、前記通信制御回路のパッケージ内部の信号線と、を含む全体の信号経路の電気長が、前記通信制御回路が前記信号線を介したデータの送信のために生成して出力するクロック信号の最大のクロック周波数に対応する波長をλとして、（３／４）λより大きく（５／４）λより小さい
ことを特徴とする通信機器。

【請求項2】

請求項１に記載の通信機器において、
前記通信制御回路と前記コモンモードフィルタとを接続する信号線は、プリント基板の表面に配置され、
前記コモンモードフィルタと前記通信コネクタとを接続する信号線は、前記プリント基板の層間を移動する経路を含む
ことを特徴とする通信機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、通信コネクタとその制御回路が搭載されたプリント基板を内蔵する通信機器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＨＤＭＩ（登録商標）２．１などのように、外部の通信機器との間のデータ通信を非常に高速なクロック周波数で行う有線接続の通信規格が登場している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

上述したように高速なクロック周波数で通信を行う通信機器においては、通信に伴うノイズ（不要電磁放射）の発生が問題となる。ノイズ対策の一環として、通信信号を送受信する集積回路（通信制御回路）と通信コネクタとの間にコモンモードフィルタを配置することがある。しかしながら、コモンモードフィルタをどのように配置すべきかについてはこれまで十分検討されていなかった。

【0004】

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、通信コネクタを経由して外部の通信機器と有線接続で通信を行う場合に、効果的にノイズの発生を抑えることのできる通信機器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係る通信機器は、通信コネクタと、前記通信コネクタを経由する通信を制御する通信制御回路と、前記通信制御回路及び前記通信コネクタのそれぞれと接続され、前記通信を中継するコモンモードフィルタと、を備え、前記通信制御回路が送出する電気信号が前記コモンモードフィルタによって反射される反射波によって共振を生じさせる信号経路の電気長が、当該電気信号のクロック周波数に対応する波長をλとして、λ／２の奇数倍よりも偶数倍に近いことを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本発明の実施の形態に係る通信機器に内蔵されるプリント基板の部分平面図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る通信機器に内蔵されるプリント基板の部分断面図である。

【図3】コモンモードフィルタの位置によるノイズへの影響を示すグラフである。

【図4】コモンモードフィルタの位置と電気長との関係を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

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。

【0008】

図１は、本発明の一実施形態に係る通信機器１に内蔵されるプリント基板１０の模式的な部分平面図である。また、図２はプリント基板１０の模式的な部分断面図である。通信機器１は、例えば家庭用ゲーム機等の電子機器であって、図１に示すように、プリント基板（プリント配線板）１０と、プリント基板１０に搭載される通信制御回路１１と、通信コネクタ１２と、コモンモードフィルタ（ＣＭＦ）１３と、を含んで構成されている。また、図２に示すように、プリント基板１０の表面には通信制御回路１１を覆うようにシールド部材２０が配置されている。なお、図１においてはシールド部材２０の図示は省略されている。

【0009】

プリント基板１０には、本実施形態に係る通信機器の動作に必要な各種の回路素子が搭載される。本実施形態では、プリント基板１０はその表面だけでなく内側にも信号層（内層）を有する多層基板であるものとする。プリント基板１０の表面には、プリント基板１０上の電子回路の基準電位となるグラウンドパターンＧが形成されている。図１においては、グラウンドパターンＧはハッチングによって示されている。

【0010】

通信制御回路１１は、集積回路であって、通信コネクタ１２を経由して外部の通信機器との間で行われるデータ通信を制御する。具体的に通信制御回路１１は、通信コネクタ１２を経由して外部の通信機器に送出すべき電気信号を生成して出力する。通信制御回路１１は、所定の通信規格に従って所定のクロック周波数で電気信号を送信する。ここでは具体例として、通信制御回路１１はＨＤＭＩ２．０、及びＨＤＭＩ２．１の規格に従って、外部の通信機器に対して映像データや音声データ等を符号化した電気信号を送信することとする。また、通信制御回路１１は最大８ＧＨｚのクロック周波数で電気信号を送信するものとする。なお、本実施形態において通信制御回路１１は、主としてデータの送信を行うこととしているが、外部の通信機器から送信されるデータの受信を併せて実行してもよい。ただし、平均して通信制御回路１１が外部の通信機器に対して送信するデータ量は、外部から受信するデータ量よりも大きいものとする。

【0011】

通信コネクタ１２は、プリント基板１０の外縁に配置され、その通信規格に対応した通信ケーブルが接続される。この通信ケーブルを介して、通信機器１は外部の通信機器との間で有線接続され、データ通信を行う。

【0012】

コモンモードフィルタ１３は、通信制御回路１１と通信コネクタ１２との間に配置され、通信制御回路１１と通信コネクタ１２との間の通信を中継する。すなわち、通信制御回路１１と通信コネクタ１２とは直接プリント配線によって接続されておらず、それぞれ信号線を介してコモンモードフィルタ１３と接続されている。コモンモードフィルタ１３は、中継する電気信号に含まれる特定周波数のコモンモードノイズを低減する。ただし、コモンモードフィルタ１３は、通信制御回路１１が送信する全てのクロック周波数の信号を対象としてコモンモードノイズを低減する必要はなく、一部のクロック周波数の信号だけを対象としてもよい。本実施形態では、コモンモードフィルタ１３はＨＤＭＩ２．０規格による通信を対象とし、ＨＤＭＩ２．１規格による高速のクロック周波数の電気信号を対象としたノイズ除去は行わないものとする。

【0013】

通信制御回路１１とコモンモードフィルタ１３は、プリント基板１０の表面に形成された信号線１４によって接続されている。また、通信コネクタ１２とコモンモードフィルタ１３は、信号線１５によって接続されている。なお、本実施形態では４本の信号線を経由して外部の通信機器との間のデータ通信が行われることとし、信号線１４及び信号線１５はいずれも並進する４本の信号線によって構成されている。

【0014】

信号線１５は、プリント基板１０の表面に形成されてコモンモードフィルタ１３に連結されている信号線１５ａと、プリント基板１０内層に形成された信号線１５ｂと、プリント基板１０の表面に形成されて通信コネクタ１２に連結されている信号線１５ｃとを含んで構成されている。信号線１５ａと信号線１５ｂとは、プリント基板１０に形成されたビア１６ａを介して電気的に接続されている。また、信号線１５ｂと信号線１５ｃとは、プリント基板１０に形成されたビア１６ｂを介して電気的に接続されている。

【0015】

この通信制御回路１１によって通信コネクタ１２を経由して高速なクロック周波数の通信が行われると、周辺にノイズが放射される。本願発明者らは、シミュレーションや実測によって調査した結果、通信制御回路１１から送信される電気信号（進行波）がコモンモードフィルタ１３で反射することによって生じる反射波が、全体のノイズに対して大きな影響を及ぼしていることを見出した。そこで、このようなコモンモードフィルタ１３による反射波の影響を低減するようにコモンモードフィルタ１３を配置することによって、ノイズの発生を抑えることができる。

【0016】

具体的に、通信制御回路１１とコモンモードフィルタ１３の間の距離を、ノイズを発生させるクロック周波数の大きさに応じて決まる距離とすることで、ノイズの発生を抑えることができる。逆に、コモンモードフィルタ１３から通信コネクタ１２までの距離は、ノイズの発生に与える影響が相対的に小さく、回路設計上の都合などを考慮して比較的自由に決定することができる。

【0017】

特に、コモンモードフィルタ１３による反射波が共振を生じさせる電気長Ｌｅを、ノイズ対策が必要なクロック周波数に対応する波長λの整数倍（すなわち、λ／２の偶数倍）とすることで、進行波と反射波が互いに打ち消し合うような共振を発生させ、外部へのノイズ放射を抑えることができる。ここで電気長Ｌｅは、反射波の共振に寄与する物理的な信号経路の距離をＤとし、プリント基板１０を構成する誘電体の比誘電率をεとした場合に、√ε・Ｄで表される。そのため、距離Ｄが
Ｄ＝（１／√ε）ｎ・λ
に近い値となる場合に、放射ノイズを抑えることができる。ここでｎは１以上の整数である。

【0018】

図３は、通信制御回路１１からコモンモードフィルタ１３までの信号線１４の長さＬ１を変化させた場合のシミュレーション結果を示している。この図のグラフは、クロック周波数が６ＧＨｚの場合、及び８ＧＨｚの場合のシミュレーション結果を示しており、横軸が通信制御回路１１とコモンモードフィルタ１３との間の信号線１４の長さＬ１、縦軸が遠方界における電界強度の大きさを示している。電界強度が大きいほど、通信制御回路１１の通信によって生じるノイズの大きさが大きいことになる。この図に示されるように、長さＬ１の変化に応じてノイズの大きさは周期関数的に変化しており、その周期はそれぞれのクロック周波数の波長λに対応している。より具体的に、電気長がλ／２の奇数倍に対応する位置においてノイズのピークが現れている。

【0019】

図３のシミュレーション結果を示すグラフでは、長さＬ１が０に近い位置で遠方界電界強度が極小値を取ることが示されている。しかしながら本願発明者らは、実機ではシミュレーション結果と異なり、ノイズの大きさが小さくなる位置は長さＬ１が０になる位置ではなく、より離れた位置であることを確認した。これは、通信制御回路１１とコモンモードフィルタ１３との間の共振には、通信制御回路１１外部のコモンモードフィルタ１３までの信号線１４だけでなく、上述のシミュレーションでは考慮されていない通信制御回路１１のパッケージ内部の構造も寄与すると想定されるためである。

【0020】

通信制御回路１１内部のダイは、ワイヤーボンディング等の配線（ワイヤー）により通信制御回路１１外側の接続端子と接続されている。このダイ、及びワイヤーが進行波と反射波の共振に寄与すると考えられる。しかし、通信制御回路１１内部のダイの大きさや配線の長さを特定することは困難である。そのため、通信制御回路１１の物理的なサイズに基づいて想定される通信制御回路１１内の配線の長さを考慮して、コモンモードフィルタ１３の位置を決定することとする。

【0021】

具体的に、コモンモードフィルタ１３からの反射波が共振を生じさせる距離Ｄは、信号線１４の長さＬ１と通信制御回路１１内部の信号経路の長さＬ２の和になり、電気長Ｌｅはその√ε倍になる。
Ｌｅ＝√ε（Ｌ１＋Ｌ２）
この電気長Ｌｅが、λ／２の奇数倍の長さよりも波長λ／２の偶数倍の長さに近い場合に、ノイズの発生を抑えることができる。すなわち、ｎを１以上の整数として、以下の関係式を満たす場合に、それ以外の場合よりも放射されるノイズが小さくなる。
ｎ・λ－λ／４＜√ε（Ｌ１＋Ｌ２）＜ｎ・λ＋λ／４
この関係式は、電気長Ｌｅとλ／２の偶数倍の長さとの間の差がλ／４未満であることを表している。

【0022】

より好ましくは、以下の関係式を満たすことで放射されるノイズが小さくなる。
ｎ・λ－λ／８＜√ε（Ｌ１＋Ｌ２）＜ｎ・λ＋λ／８
この関係式は、電気長Ｌｅとλ／２の偶数倍の長さとの間の差がλ／８未満であることを表している。

【0023】

これらの関係式におけるλは、通信制御回路１１が送出する電気信号のクロック周波数のうち、ノイズの抑制が必要となるクロック周波数に対応する波長である。特にこのλは、通信制御回路１１が送出する電気信号の最大のクロック周波数（本実施形態では８ＧＨｚ）に対応する波長であってよい。また、これより低いクロック周波数（例えば６ＧＨｚ）についてもノイズ対策が必要な場合、そのクロック周波数に対応する第２の波長についても上述の関係式を満たすようにコモンモードフィルタ１３の位置を決定することで、どちらのクロック周波数で通信を行う場合にもノイズを抑制することができる。

【0024】

ここでＬ２は、通信制御回路１１内部の信号経路の長さであるが、通信制御回路１１の内部構造が不明な場合、近似的に以下のような長さをＬ２とみなしてもよい。具体的に、通信制御回路１１の中心位置から信号線１４が接続される辺までの距離Ｌ２ａと、中心位置から信号線１４と逆側で最も遠い接続端子までの距離Ｌ２ｂとの合計値を長さＬ２とみなして、電気長Ｌｅを算出する。図４は、この場合における長さＬ２、及び共振を生じさせる距離Ｄを説明する図である。

【0025】

シールド部材２０は、金属板等の導電性を有する板状の部材によって形成されており、プリント基板１０と対向し、プリント基板１０表面に配置される回路素子を覆うように配置されている。シールド部材２０の外縁は、プリント基板１０表面に形成されたグラウンドパターンＧと電気的に接続される。これによりシールド部材２０は、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。

【0026】

これまで説明したように、通信制御回路１１とコモンモードフィルタ１３とは信号線１４によって接続されており、この信号線１４はプリント基板１０表面に配置されている。そのため、通信制御回路１１とコモンモードフィルタ１３との間ではプリント基板１０の層間を移動する信号線路は存在しないことになる。

【0027】

一方、コモンモードフィルタ１３と通信コネクタ１２との間の信号線１５は、その途中にプリント基板１０内層に形成された信号線１５ｂを含んでいる。そのため、信号線１５は、信号線１５ｂの両端においてプリント基板１０に形成されたビアを介して層間を接続している。このような層間を接続する信号経路が存在する場合、その部分からノイズが漏洩しやすいことを本願発明者らは見出した。そのため、ノイズの主要な放射源であるコモンモードフィルタ１３と通信制御回路１１との間の通信経路内では層間を接続する箇所を設けず、コモンモードフィルタ１３と通信コネクタ１２との間の通信経路内にこのような層間を接続する箇所を設けることとしている。

【0028】

シールド部材２０の外縁は、平面視においてこの内層を通過する信号線１５ｂと交差している。これにより、通信制御回路１１と通信コネクタ１２との間の信号経路によってプリント基板１０表面のグラウンドパターンＧを途切れさせることなく、シールド部材２０の外縁をグラウンドパターンＧと接触させることができる。これにより、シールド部材２０は通信制御回路１１，コモンモードフィルタ１３、及びこれらを結ぶ信号線１４をその内側に収容し、これらの素子から放射されるノイズが外部に伝搬しないようにすることができる。

【0029】

以上説明したように、本実施形態に係る通信機器１によれば、通信制御回路１１からコモンモードフィルタ１３に向けて送出される電気信号の反射波によって生じるノイズを効果的に抑制し、通信制御回路１１が高速クロックで通信を行う場合に大きなノイズが放射されないようにすることができる。

【0030】

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。例えば以上の説明では、通信制御回路１１はＨＤＭＩ規格に従って通信を行うこととしたが、これに限らず各種の通信規格に従って通信を行う回路であってよい。また、以上の説明では通信制御回路１１と通信コネクタ１２との間で送受信される信号の最大クロック周波数は８ＧＨｚであることとしたが、これに限らず、通信制御回路１１は各種のクロック周波数で通信を行うこととしてもよい。この場合、ノイズ対策が必要なクロック周波数（特に、その通信制御回路１１が信号の送受信に使用する最大のクロック周波数）に対応する波長λの整数倍に近い電気長を持つように、コモンモードフィルタ１３の位置を決定すればよい。

【0031】

また、以上の説明では、通信機器１は家庭用ゲーム機であることとしたが、本発明の実施の形態に係る通信機器１はこれに限らず、例えばパーソナルコンピュータや携帯型ゲーム機、スマートフォンなど、有線で通信を行うための通信制御回路１１、及び通信コネクタ１２を備える各種の機器であってよい。

【符号の説明】

【0032】

１ 通信機器、１０ プリント基板、１１ 通信制御回路、１２ 通信コネクタ、１３ コモンモードフィルタ、１４，１５ 信号線、１６ ビア、２０ シールド部材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】