7659379 通信モジュール

(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】2025-04-01

(45)【発行日】2025-04-09

(54)【発明の名称】通信モジュール

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20250402BHJP

   H04B 1/38 20150101ALI20250402BHJP

【ＦＩ】

H03B5/32 H

H03B5/32 A

H04B1/38

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020170996

(22)【出願日】2020-10-09

(65)【公開番号】P2022062840

(43)【公開日】2022-04-21

【審査請求日】2023-10-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村田 龍司

【審査官】白井 孝治

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００７／１１４２２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－０９８６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０３３０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１８７８７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－１６８２５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｂ ５／３０－ ５／４２

Ｈ０４Ｂ １／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンテナを介して外部装置とデータ通信を行う通信部と、
振動子と、
前記振動子による振動の周期に応じた発振周波数で電気信号を出力する発振回路と、
前記振動子の周囲の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された温度に基づいて前記発振周波数を補正する補正部と、が基板上に設けられ、
前記基板を構成する複数の層は、前記振動子と前記温度検出部の存在する位置に対応する位置を含む第１領域から前記第１領域と異なる第２領域に延びる配線が設けられた第１の層と、前記第１領域から前記第２領域に延びる配線を有さない１つ以上の第２の層とを含み、１つ以上の前記第２の層において、前記第１領域の内側に配置された第１の導体パターンが前記第１領域の外側に配置された第２の導体パターンから独立して配置されている、通信モジュール。

【請求項2】

前記第２の導体パターンは、第３の導体パターンを含み、
１つ以上の前記第２の層において、前記第１領域が前記第３の導体パターンで囲まれている、請求項１に記載の通信モジュール。

【請求項3】

前記第１領域にはベタグランドが配置されていない、請求項１または請求項２に記載の通信モジュール。

【請求項4】

前記振動子と前記温度検出部はモールド成型によって一体に構成されている、請求項１に記載の通信モジュール。

【請求項5】

前記振動子と前記温度検出部の近傍に発熱体が設けられている、請求項１に記載の通信モジュール。

【請求項6】

前記振動子は、水晶振動子である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の通信モジュール。

【請求項7】

前記温度検出部は、サーミスタである、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の通信モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、通信モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、携帯電話等の通信機器は、外部装置とデータ通信を行うための通信モジュールを備えている。通信モジュールは、水晶振動子等の所定の振動子による振動の周期に応じた発振周波数で電気信号を出力する発振回路を備えている。

【0003】

また、一般に、振動子は、振動の周期が温度によって変化するという温度特性を有している。また、そのような振動子の温度特性に基づく温度補償機能を有する発振回路が存在するが、高価であるという短所がある。

【0004】

一方、温度補償機能のない発振回路であっても、サーミスタ等の温度検出部による温度検出結果を用いることで、振動子に温度変化があっても発振回路の発振周波数を安定させることができる技術がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述の従来技術では、温度補償機能のない発振回路を用いた場合に、温度検出部による温度検出結果が振動子の温度と異なることがあるので、発振回路の発振周波数の精度の点で改善の余地がある。

【0006】

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、温度補償機能のない発振回路を用いた場合でも高精度な発振周波数を実現できる通信モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態の通信モジュールは、アンテナを介して外部装置とデータ通信を行う通信部と、振動子と、振動子による振動の周期に応じた発振周波数で電気信号を出力する発振回路と、前記振動子の周囲の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部によって検出された温度に基づいて前記発振周波数を補正する補正部と、が基板上に設けられ、前記基板を構成する複数の層のうち、１つ以上の層において、前記振動子と前記温度検出部の存在する位置に対応する位置を含む領域の導体パターンが他の導体パターンから独立して配置されている。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、温度補償機能のない発振回路を用いた場合でも高精度な発振周波数を実現できる通信モジュールを提供することができる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１実施形態の通信モジュールの構成を模式的に示す図である。

【図2】図２は、水晶振動子の温度特性を示す図である。

【図3】図３は、第１実施形態の通信モジュールにおける、水晶振動子およびサーミスタを用いて電気信号を生成する回路群の構成を示す図である。

【図4】図４は、第１実施形態の通信モジュールの実装状態を示す図である。

【図5】図５は、図４の通信モジュールの第１層を示す図である。

【図6】図６は、図４の通信モジュールの第２層を示す図である。

【図7】図７は、図４の通信モジュールの第３層を示す図である。

【図8】図８は、図４の通信モジュールの第４層を示す図である。

【図9】図９は、図４の通信モジュールの第５層を示す図である。

【図10】図１０は、図４の通信モジュールの第６層を示す図である。

【図11】図１１は、第２実施形態の通信モジュールの構成を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付図面を参照して、実施形態の通信モジュールについて説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

【0011】

まず、実施形態の通信モジュールの理解を容易にするために、従来技術についてあらためて説明する。現在、ＩｏＴ（Internet of Things）向けの無線通信技術として、ＬＴＥ（Long Term Evolution） Ｃａｔ－Ｍ１、Ｃａｔ－ＮＢ１等の開発が進められている。つまり、既存の携帯電話のＬＴＥインフラを活用したＩｏＴへの応用が進められている。

【0012】

例えば、ガスメータ、水道メータ等の検針については、従来、人による検針作業であったものを、自動検針し、検針データを通信によって通知する、いわゆるスマート化が進められている。

【0013】

このような、ガスメータや水道メータのスマート化が進む中、これまで、人による検針であった経緯などから、装置に電気配線がなされておらず、スマート化を進める上での障害となっており、電気配線不要なバッテリーによる長期運用の実現が求められる。

【0014】

したがって、上述のＬＴＥ Ｃａｔ－Ｍ１やＣａｔ－ＮＢ１の規格では、その待ち受け動作を従来の携帯電話の１．２８秒から長期化するｅ－ＤＲＸが３ＧＰＰ（Generation Partnership Project）によって規格化されている。そして、現状、４３分までの長期待ち受けが、仕様上可能となっている。

【0015】

しかしながら、その長期待ち受けを実現する場合、待ち受け中は、端末装置が独立でタイマー動作するため、その精度が着信待ち受けの精度と直結する。したがって、タイマー動作の精度が悪い場合、待ち受け動作を基地局と同期するためには、待ち受け動作を長期化する必要があり、消費電力の増加につながってしまう。

【0016】

つまり、端末装置の消費電力を低減させるための要因の１つとして、タイマー動作の精度向上が重要となる。そして、タイマー動作の精度向上のためには、発振回路による高精度な発振周波数が必要となる。

【0017】

また、上述のように、温度補償機能を有する発振回路は高価であるので、温度補償機能のない発振回路を用いるニーズが大きい。そのために、端末装置の通信モジュールにおいて、温度補償機能のない発振回路を用いた場合でも高精度な発振周波数を実現することが求められている。以下、そのような通信モジュールについて説明する。

【0018】

（第１実施形態）
まず、第１実施形態の通信モジュール１について説明する。図１は、第１実施形態の通信モジュール１の構成を模式的に示す図である。通信モジュール１は、携帯電話等の通信機器に備えられ、外部装置とデータ通信を行う。

【0019】

通信モジュール１は、主な構成として、メモリＩＣ（Integrated Circuit）２と、通信用ＩＣ３と、ＲＦ（Radio Frequency）回路４と、電源用チップ部品群５と、高周波発振回路６と、水晶振動子７と、サーミスタ８と、モジュール基板１０と、を備える。メモリＩＣ２と、通信用ＩＣ３と、ＲＦ回路４と、電源用チップ部品群５と、高周波発振回路６と、水晶振動子７と、サーミスタ８と、はモジュール基板１０上に実装されている。

【0020】

メモリＩＣ２は、データ記憶用のＩＣであり、各種データを記憶する。メモリＩＣ２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）を用いて実現される。

【0021】

通信用ＩＣ３は、外部装置との通信用の処理を行うためのＩＣであり、計時用のタイマー回路３１を備える。通信用ＩＣ３は、高周波発振回路６から出力される電気信号に基づいてＲＦ回路４を制御することで、外部装置との通信を行う。

【0022】

ＲＦ回路４は、通信用ＩＣ３からの指令に基づき、アンテナ１００を介して外部装置との通信を行う。ＲＦ回路４は、１以上のＩＣを含んでいてもよいし、ＩＣを含んでいなくてもよい。なお、通信用ＩＣ３およびＲＦ回路４は、アンテナ１００を介して外部装置とデータ通信を行う通信部の一例である。

【0023】

高周波発振回路６は、高周波の発振周波数で電気信号を出力する回路である。高周波発振回路６は、例えば、ＴＣＸＯ（Temperature Compensated Crystal Oscillator）によって実現される。ＴＣＸＯは、水晶振動子の持つ温度特性と正反対の特性を持つ温度補償回路を内蔵し、広い温度範囲にわたって良好な温度特性が得られる水晶発振器である。

【0024】

電源用チップ部品群５は、入力電力から必要とされる出力電力を生成するチップ部品の群である。

【0025】

水晶振動子７は、水晶の圧電効果によって所定周期で振動する振動子である。水晶振動子７は、高周波発振回路６と比較して、発振周波数の低いものが選択される。水晶振動子７の発振周波数は、例えば、３２．７６８ｋＨｚである。なお、水晶振動子７は、振動子の一例である。

【0026】

ここで、図２は、水晶振動子７の温度特性を示す図である。図２では、発振周波数が３２．７６８ｋＨｚの音叉型の水晶振動子７の温度特性を示している。図２において、横軸は水晶振動子７の温度で、縦軸は周波数偏差（２０℃における周波数を基準としたときの周波数の変化の度合い）を示す。図２に示す例によれば、水晶振動子７の発振周波数は、水晶振動子７の温度が２０℃から低くなるほど小さくなり、水晶振動子７の温度が２０℃から高くなるほど小さくなることが読み取れる。なお、図２に示された水晶振動子７の温度特性は一例である。水晶振動子７の温度特性は、図２に示す例に限定されない。

【0027】

サーミスタ８は、水晶振動子７の近傍に配置され、水晶振動子７の周囲の温度に応じた検出信号を出力する。なお、サーミスタ８は振動子の周囲の温度を検出する温度検出部の一例である。

【0028】

水晶振動子７およびサーミスタ８を用いて電気信号を生成する回路群は、水晶振動子７およびサーミスタ８の配置位置から離間した位置に設けられている。ここでは一例として、水晶振動子７およびサーミスタ８を用いて電気信号を生成する回路群は、ＲＦ回路４に含まれていることとする。図３は、第１実施形態の通信モジュール１における、水晶振動子７およびサーミスタ８を用いて電気信号を生成する回路群の構成の一例を示す図である。図３に示すように、ＲＦ回路４は、温度検出回路４１と、記憶素子４２と、補償信号発生回路４３と、発振回路４４と、可変容量ダイオード４５と、キャパシタ４６と、を備える。

【0029】

発振回路４４は、水晶振動子７による発振周波数に応じた周波数の電気信号を発生させる。発振回路４４が発生させた電気信号は、キャパシタ４６を介して出力端子Ｐから出力される。

【0030】

可変容量ダイオード４５の２つの端子のうちの１つ、より正確にはカソード端子は、発振回路４４に電気的に接続されている。可変容量ダイオード４５の容量が変化すると、発振回路４４の共振周波数が変化し、これによって発振回路４４が出力する電気信号の周波数が調整される。補償信号発生回路４３は、発振回路４４が出力する電気信号の周波数が一定になるように、サーミスタ８、温度検出回路４１、および記憶素子４２を用いて、可変容量ダイオード４５の容量を制御する。

【0031】

より具体的には、温度検出回路４１は、サーミスタ８からの検出信号に基づいて温度を検出し、温度信号を出力する。記憶素子４２は、例えばＰＲＯＭ（Programmable Read Only Memory）から構成され、温度補償情報を記憶する。記憶素子４２は、温度検出回路４１から入力した温度信号と、記憶している温度補償情報に基づいて、温度に応じた信号を出力する。補償信号発生回路４３は、記憶素子４２から入力された信号に応じた電圧を補償信号として発生させ、発生させた電圧を可変容量ダイオード４５の２つの端子間に印加する。ここで、温度補償情報は、可変容量ダイオード４５の容量を図２に例示したような水晶振動子７の周波数偏差の補償に要する容量に維持するための電圧値を示す。よって、補償信号発生回路４３は、発振回路４４が出力する電気信号の周波数が温度によらず一定になるように、可変容量ダイオード４５の容量を制御することができる。なお、補償信号発生回路４３は、温度検出回路４１によって検出された温度に基づいて発振周波数を補正する補正部の一例である。

【0032】

出力端子Ｐから出力された電気信号は、例えば、通信用ＩＣ３におけるタイマー回路３１で用いられる。これにより、通信用ＩＣ３におけるタイマー回路３１において、高周波発振回路６に基づく電気信号を使う場合と比較して、低周波の水晶振動子７に基づく電気信号を使うことで、省エネルギーを実現できる。

【0033】

なお、従来の通常の設計では、サーミスタと水晶振動子の温度差を極力無くすために、水晶振動子の極力近傍にサーミスタを配置する手段が用いられる。また、サーミスタでの温度検出結果に対し、図２に示す水晶振動子の温度特性を踏まえて補償信号発生回路で逆関数となる周波数補正を行うことで発振周波数の安定化を図っている。

【0034】

また、従来の通常の設計では、通信モジュールのモジュール基板について、表層及び内層の設計のときに、信号干渉等を考慮し、他の信号配線とのシールド性を考慮した配線及びＧＮＤ（グランド）パターンの配置等はなされる。しかしながら、サーミスタと水晶振動子の温度差を極力無くすために、水晶振動子とサーミスタを含む領域を熱的に独立させたり、そのような領域に熱容量を意図的に持たせたりするように、モジュール基板上の導体パターンを配置するような設計は、なされていない。

【0035】

そこで、第１実施形態の通信モジュール１では、水晶振動子７とサーミスタ８を含む領域を熱的に独立させて、水晶振動子７とサーミスタ８の温度差が発生しにくいように、モジュール基板１０を構成する複数の層のうち、１つ以上の層において、水晶振動子７とサーミスタ８の存在する位置に対応する位置を含む領域の導体パターンが他の導体パターンから独立しているようにする。以下、この点について、図４～図１０を用いて詳述する。

【0036】

図４は、第１実施形態の通信モジュール１の実装状態を示す図である。図５～図１０は、図４の通信モジュール１の第１層～第６層を示す図である。なお、図５～図９では、領域ＡＲは、水晶振動子７とサーミスタ８とが配置される領域を示している。換言すると、領域ＡＲは、水晶振動子７とサーミスタ８の存在する位置に対応する位置を含む領域を示している。

【0037】

図４に示すように、水晶振動子７とサーミスタ８とは互いに近接した位置に配置される。さらに、図６～図９に示すように、領域ＡＲの導体パターンが他の導体パターンから独立するように、モジュール基板１０上の導体パターンが配置されている。他の導体パターンとは、例えば、メモリＩＣ２に関する導体パターン、通信用ＩＣ３に関する導体パターン、ＲＦ回路４に関する導体パターン、電源用チップ部品群５に関する導体パターン、および高周波発振回路６に関する導体パターンなどである。

【0038】

例えば、図５に示すように、モジュール基板第１層１０－１の領域ＡＲには、水晶振動子実装端子７１およびサーミスタ実装端子８１が配置されている。メモリＩＣ２、通信用ＩＣ３、ＲＦ回路４、電源用チップ部品群５、および高周波発振回路６は、モジュール基板第１層１０－１の領域ＡＲを除く領域に配置される。メモリＩＣ２、通信用ＩＣ３、ＲＦ回路４、電源用チップ部品群５、および高周波発振回路６が配置される領域を、他回路領域２０と表記する。他回路領域２０には、メモリＩＣ２、通信用ＩＣ３、ＲＦ回路４、電源用チップ部品群５、および高周波発振回路６が実装される端子が適宜、配置される。

【0039】

図６に示すモジュール基板第２層１０－２には、領域ＡＲには、領域ＡＲの導体パターンとして、水晶振動子配線７２とサーミスタ配線８２とが設けられている。そして、メモリＩＣ２に関する導体パターン、通信用ＩＣ３に関する導体パターン、ＲＦ回路４に関する導体パターン、電源用チップ部品群５に関する導体パターン、および高周波発振回路６に関する導体パターンは、他回路領域２０内に配置される。領域ＡＲには、メモリＩＣ２に関する導体パターン、通信用ＩＣ３に関する導体パターン、ＲＦ回路４に関する導体パターン、電源用チップ部品群５に関する導体パターン、および高周波発振回路６に関する導体パターンのいずれも配置されない。つまり、モジュール基板第２層１０－２では、領域ＡＲの導体パターンが他の導体パターンから独立するように配置されている。図７に示すモジュール基板第３層１０－３、図８に示すモジュール基板第４層１０－４、および図９に示すモジュール基板第５層１０－５においても同様に、領域ＡＲの導体パターンが他の導体パターンから独立するように配置されている。

【0040】

なお、図９に示すモジュール基板第６層１０－６には、通信モジュール１を他の装置に接続するための端子である１以上の外部接続端子３０が複数、配置されている。図９に示す例では、５行×６列の合計３０個の外部接続端子３０が配置されている。

【0041】

また、図６～図９に示すように、モジュール基板第２層１０－２～モジュール基板第５層１０－５において、領域ＡＲは、導体パターンＤで囲まれている。これによって、領域ＡＲの熱容量が増加しており、その結果として、水晶振動子７とサーミスタ８の温度差の発生を回避することが可能になっている。なお、図９に示すように、モジュール基板第５層１０－５では、導体パターンＤは、水晶振動子配線７２およびサーミスタ配線８２が設けられた位置においては、水晶振動子配線７２およびサーミスタ配線８２の外周に沿って形成されている。これによって、導体パターンＤが水晶振動子配線７２およびサーミスタ配線８２の何れともクロスしないように形成されている。また、図５および図１０に示すように、モジュール基板第１層１０－１およびモジュール基板第６層１０－６においては、導体パターンＤは設けられていない。

【0042】

また、水晶振動子７は、低周波の振動子なので、グランド接続が不要で、グランド端子が無い。したがって、図５～図９に示すように、領域ＡＲにベタグランドを配置する必要がなく配置されていない。これによって、領域ＡＲがさらに熱的に独立となる。

【0043】

また、図９に示すように、水晶振動子配線７２とサーミスタ配線８２とを下層であるモジュール基板第５層１０－５に配置したことで、領域ＡＲがさらに熱的に独立となる。

【0044】

このように、第１実施形態の通信モジュール１によれば、水晶振動子７とサーミスタ８とを含む領域ＡＲが熱的に独立するようにモジュール基板１０上の導体パターンを配置したことで、水晶振動子７とサーミスタ８の温度差の発生を回避し、温度補償機能のない発振回路４４を用いた場合でも高精度な発振周波数を実現することができる。

【0045】

したがって、温度補償機能のある発振回路を用いる場合に比べて、通信モジュール１の製作コストを低減することができる。

【0046】

また、領域ＡＲを導体パターンＤで囲って熱容量を増加させることで、水晶振動子７とサーミスタ８の温度差の発生をさらに回避できる。

【0047】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の通信モジュール１について説明する。第１実施形態と同様の事項については、説明を適宜省略する。図１１は、第２実施形態の通信モジュール１の構成を模式的に示す図である。

【0048】

第２実施形態では、水晶振動子７とサーミスタ８は樹脂でのモールド成型によってモールド部材４０として一体に構成されている。

【0049】

このように、第２実施形態の通信モジュール１によれば、水晶振動子７とサーミスタ８を樹脂でのモールド成型によってモールド部材４０として一体に構成したことで、第１実施形態の場合と比べて、さらに、水晶振動子７とサーミスタ８を熱的に周囲から独立させるとともに、領域ＡＲの熱容量を増加させることができる。

【0050】

したがって、モジュール基板１０上の各部材の発熱に起因する温度変化だけでなく、外気の温度変化があったときでも、水晶振動子７とサーミスタ８の温度差の発生をより回避することができる。

【0051】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態の通信モジュール１について説明する。第１実施形態と同様の事項については、説明を適宜省略する。第３実施形態では、水晶振動子７とサーミスタ８の近傍にヒーター等の発熱体を設ける。

【0052】

そして、通信モジュール１の使用環境における温度の上限よりも高い温度に水晶振動子７とサーミスタ８の温度を保つようにする。

【0053】

このように、第３実施形態の通信モジュール１によれば、水晶振動子７とサーミスタ８の近傍に発熱体を設けることで、水晶振動子７とサーミスタ８の温度差の発生をより回避することができる。

【0054】

その場合、例えば、温度制御にサーミスタ８による検出結果を使用してもよい。

【0055】

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0056】

例えば、上述の各実施形態では、発振周波数を安定させる対象として、水晶振動子７の場合について説明したが、これに限定されず、温度補償機能がない場合の高周波発振回路６に対して本発明を適用してもよい。

【符号の説明】

【0057】

１…通信モジュール、２…メモリＩＣ、３…通信用ＩＣ、４…ＲＦ回路、５…電源用チップ部品群、６…高周波発振回路、７…水晶振動子、８…サーミスタ、１０…モジュール基板、２０…他回路領域、３０…外部接続端子、３１…タイマー回路、４０…モールド部材、４１…温度検出回路、４２…記憶素子、４３…補償信号発生回路、４４…発振回路、４５…可変容量ダイオード、４６…キャパシタ、７１…水晶振動子実装端子、７２…水晶振動子配線、８１…サーミスタ実装端子、８２…サーミスタ配線、１００…アンテナ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】