JP3983986B2 - 電子積層アセンブリ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電子デバイスの構造および製造に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
送受信機技術は、電線、電子機械構成要素および機械加工された導波路構造の使用から、同軸および厚膜/薄膜マイクロストリップ/ストリップラインをベースとした回路の使用に至るまで数十年にわたって発展していきた。このような発展にもかかわらず、無線通信製品における近年の普及およびそれに伴う激しい競争により、従来の技術では対処するのが困難である価格/性能が送受信機に対して要求されるようになった。送受信機は、従来、保護エンクロージャ、アンテナ、「フロントエンド」フィルタ(例えば、送受切換自動スイッチ)、増幅器および他の送受信器回路、ならびにコネクタおよびケーブル接続を有する。最も高価な構成要素は、通常、アンテナ、フィルタ、および増幅器である。
【0003】
従来のアンテナおよびフィルタ製造技術は、手動または自動で組み立てられ、位置合わせされ、次にプリント回路基板に組み立てられる、様々な精密機械加工された構成要素を用いる。従来のいくつかのアンテナおよびフィルタのコストを低減させるために、大容量製造技術が用いられてきた。しかし、これらの技術では、これらの構成要素の性能は向上せず、小および中容量の構成要素のコストも改善されない。さらに、これらの技術では、アンテナとフィルタとの間のケーブル接続およびコネクタの量およびコストは低減されない。これらの構成要素は、送受信機のコストを増加させるだけでなく、その全体的な性能を低下させる。他の技術では、送受信機の他の部分を犠牲にして、特に、コストをこれらの他の部分にシフトさせることによって、アンテナおよびフィルタのコストを減少させることが求められてきた。1例としては、安価なアンテナおよびフィルタの良好でない性能を補うために、標準的なフロントエンド構成要素をさらに良好な性能を有するものに置き換えること、例えば、低ノイズ前置増幅器(LNA)をさらに低いノイズ指数およびさらに高いダイナミックレンジ(即ち、より高い1−dB圧縮またはより高い3次インターセプト(TOI))を有するものに置き換えること、または出力パワー増幅器(PA)をさらに高い出力パワーを有するものに置き換えることが挙げられる。これらのアプローチは、送受信機全体のコストを実質的に低下させずに、単にコストが送受信機の他のエリアに移されるだけであるという問題点を有する。事実、これらのアプローチでは、一般に、送受信機の複雑さおよびコストは増加する。
【0004】
送受信機技術が直面する問題点は、性能に対する期待が高まると共に、電子デバイスの価格およびコストを低下させることに対する圧力があるなど、電子産業全体が直面する問題点を示している。当該技術分野が全体として求めているのは、デバイスの性能を向上させるか、または少なくとも低下させない電子デバイスに対するより簡単かつ安価な製造技術である。
【0005】
本発明は上記の問題を解決するために成し遂げられ、その目的は、従来の設計で得られるよりも低コストおよび高性能で、従来の設計で得られるよりも製造に伴われるパーツが少なく、プロセス工程がさらに少なく、組み立てがより簡単であり、層間の別個のコネクタおよびケーブル接続が除去されている電子デバイスを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記および他の問題、欠点、および従来技術に対する要求を克服することである。一般に、本発明によると、新しい物理的設計は、電子デバイスに対して与えられる。この設計は、特に、電磁シールディングを必要とし得る回路構成要素を含む無線機などの無線周波数(RF)デバイスに対して特に有利である。一般に、この設計は、複数の導電性部分で形成される積層アセンブリである。それぞれが面を規定する平面のものもあり、それぞれが面内に閉塞壁を規定する壁部分もある。平面部分および壁部分は、軸に沿って互いに横並びに配置され、それらの面は、軸に対して実質的に垂直である。平面部分および壁部分は、互いに交互に配置され、互いに取り付けられている。各部分は、別個のユニットであるか、または平面部分および壁部分は、単一ユニット(例えば、導電性材料の単一シートから形成されるもの)を形成し得る。これらの部分の少なくともいくつかは、電気構成要素を有し、それらはすべて互いに相互接続されている。これらの部分の少なくともいくつかは、電気構成要素の少なくともいくつかを封入する電磁的に絶縁された少なくとも1つのチャンバを形成する。例示的には、設計は、少なくともいくつかが電気構成要素を有する、複数の平たい容器形状の導電性ユニットまたは層の多層積層アセンブリである。ユニットはすべて同じ方向に配向され(向けられ)、互いに積層され、例えば、溶接、半田付け、接着剤、またはリベット、スクリュー、湾曲タブ、もしくはねじれタブなどの機械的取り付けによって互いに固定されている。隣接したユニットは、有利なことに、電磁的に絶縁されたチャンバを規定する。異なるユニットに設けられた電気構成要素は、互いに電気的に接続される。
【0007】
積層アセンブリは組み立てるのが容易である。複数の導電性平面部分および複数の導電性壁部分の少なくともいくつかは、電気構成要素を有し、これらの部分は、互いに交互に配置され、それらの面が軸に対して実質的に垂直になるように軸に沿って互いに横並びに配置され、電気構成要素のすべてが互いに相互接続され、これらの部分の少なくともいくつかが、電気構成要素の少なくともいくつかを封入する電磁的に絶縁された少なくとも1つのチャンバを形成するように互いに取り付けられている。例示的な実施形態では、電気構成要素は、ユニットの少なくともいくつかによって規定され(例えば、ユニットの少なくともいくつかに設けられまたは形成され)、ユニットは、すべてが同じ方向に面し、互いに取り付けられるように互いに積層され、異なるユニットに設けられた電気構成要素は、互いに電気的に接続される。好ましくは、各ユニットは、平たい容器形状を形成するような形状を有する(例えば、曲げられまたは折り曲げられた)単一部材(例えば、金属シート)で形成される。あるいは、各ユニットは、平たい容器形状の底を形成する平面部材(例えば、平坦なシート)および平たい容器形状の側部を形成する閉塞された壁部材の2つの部分で形成され、これらの2つの部分は、互いに融合される。好ましくは、ユニット内の電気構成要素(例えば、アンテナ、フィルタ)を形成するために、金属打ち抜き加工、切断、および/またはエッチングなどの低コスト製造技術が用いられる。好ましくは、積層ユニットは、半田付け、溶接、または接着剤による接着などの低コスト融合技術によって互いに取り付けられる。重要なことに、迅速かつ安価な非導電性(構造的)エポキシ樹脂を用いることによって、十分な性能およびシールディングが成し遂げられ得る。さらに好ましくは、異なるユニットによって規定される電気構成要素間の相互接続は、ユニットによって規定され、ユニット間を延在するフランジ、またはリップがない場合には壁部材の縁部によっても形成される。
【0008】
以下にさらに記載する例示的な例では、積層アセンブリは、送受信機を実現するために用いられる。送受信機は、その構成部分の積層アセンブリとして構築され、いくつかの部分は、アセンブリ内の「二重の役割」を果たし、それによって送受信機の複雑さおよびコストは低下する。例えば、送受信機のアンテナおよび「フロントエンド」フィルタは、フィルタのシールディングを形成するユニットがまたアンテナの接地面を形成するようにアセンブリに一体化され、それによって送受信機の複雑さおよびコストは低下する。送受信機回路を有する回路基板はまた、フィルタのシールディングを形成するユニットがまた回路基板のためのマウントおよび回路のためのシールドを共に形成するように構造体に一体化される。
【0009】
本発明により得られる利点としては、従来の設計で得られるよりも低コストおよび高性能のデバイスが得られること、従来の設計で得られるよりも製造に伴われるパーツが少なく、プロセス工程がさらに少ないこと、デバイスの組み立てがより簡単であること、層間の別個のコネクタおよびケーブル接続が除去されていることが挙げられる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の上記および他の特徴、ならびに利点は、図面と共に考慮した本発明の例示的な実施形態の以下の説明からさらに明白になる。
【0011】
図1は、送受信機100の積層アセンブリ104から112の分解正面図を示す。送受信機100は、所望の任意デバイス(例えば、無線通信システムの基地局またはユーザ端子)であり得る。ここでは、送受信機100を例として用いるが、本発明は任意の電子積層アセンブリにおいて用いられ得る。積層アセンブリ104から112は、電磁的透過性保護エンクロージャ102(例えば、従来のようなプラスチックケース)内に設けられ、すべてが同じ方向に面して配向される複数のユニットまたは層104から112を有し、軸140に沿って互いに積層され、例えば、半田付け、溶接、またはリベット締めもしくは接着剤による接着(例えば、導電性または非導電性エポキシ樹脂を用いたエポキシ樹脂接着)などの機械的接着によって互いに取り付けられる。これらの層は、アンテナ分散ネットワーク120を含むアンテナ層104、層104のアンテナ用の接地面として作用する上部反射層106、「フロントエンド」フィルタ(送受切換自動スイッチ)を含むフィルタ層108、上部反射層106と共に、フィルタ層108用の電磁的シールディングハウジングとして作用する下部反射層110、下部反射層110上に設けられ、下部反射層110によってシールドされる送受信機100(無線層とも呼ばれる)の電子部品を含む電子部品層112である。あるいは、電子部品層112は、フィルタ/アンテナ積層アセンブリ104から110とは離れて設けられ、層110は、単に、導電性材料の平坦なシートであり得る。多数の目的のために素子を再利用(例えば、アンテナ反射およびフィルタシールディング用に層106を用いるなど)することによって、設計は簡略化され、実現コストが低くなる。フィルタ層108は、フランジ(または湾曲タブ)122を有し、それによって、フィルタ層108は上部反射層106内のオリフィス126を通ってアンテナ層104の分散ネットワークおよび結合器120に接続する。フィルタ層108はさらにフランジ124を有し、それによって、下部反射層110内のオリフィス128を通って電子部品層112に接続される。フランジ122および124は、送受切換層108に放射(コネクタを用いない)相互接続を提供し得るか、または半田によって層106および110に直接取り付けられることによって導電性相互接続を提供し得る。フィルタ層108の2つの半体の間に必要とされ得る中央絶縁壁は図示されていない。各層104から110は、好ましくは、導電性材料の単一シート(例えば、金属板)から打ち抜かれるか切断されて折り曲げられ、平たい容器形状のユニットを形成する。あるいは、各層104から110の側壁130は、例えば、打ち抜き、成形、または押し出しによって、各層の平坦なシート部分132から別個に形成され得る。部分132は面を形成し、側壁130は、部分132の面に平行な面内に閉塞された壁を形成する。部分132および側壁130は、それらの面に垂直な軸140に沿って積層され、半田付け、溶接、または接着によって互いに取り付けられ、平たい容器形状のユニットを形成する。このように形成される層106を図6に示す。側壁130の高さは、電子構成要素、最適性能、またはシールディングのための間隙を提供するために必要とされるように層によって異なる。選択的に、各層104から110の側壁130は、図1に示すリップ134を有し得る。リップ134は、層104から110の互いの取り付けを容易にする。さらに、金属打ち抜きプロセスの特性のために、二重(「Z」形状の)曲げによって、単一の曲げよりも隣接層の間隔の精度がより高くなる。上述のように、層110は、単に、導電性材料の平坦なシートであり得る。層112は、例えば、電子構成要素が設けられた従来のプリント回路基板である。積層アセンブリ104から112およびその構成層は、自動(ロボット型)製造および組み立て技術と共に用いるのに適している。
【0012】
図2は、図1の積層アセンブリ104から112(フランジ134を有さない)の斜視図であり、アンテナ層104の詳細を示す。アンテナ層104は、フレーム204およびフレーム204内のパッチアレイを有する。パッチアレイは、それぞれが支持部212によってフレーム204に接続され、フィードネットワーク120によって平行に相互接続された複数の放射素子208を有する。支持部212の長さは、好ましくは、放射素子208の電気的性能をかき乱さないように、送受信機100の主な動作周波数の4分の1波長である。有利なことに、フィードネットワーク120は、「T」形状の結合器121を有し、結合器121は、従来の構造では、送受切換自動スイッチ(層108)の一部を形成する。アンテナおよび送受切換自動スイッチはここでは、単一の構造に一体化されるため、そのための結合器121または他の任意の素子は、結合器121が最良にはめ込まれる(即ち、その場所がある)任意の層に配置され得る。フレーム204および放射素子208のアレイは、好ましくは、単一の金属シートから切断、打ち抜き、エッチング、または他の方法で製造される単一の構造である。アンテナ層104は、例えば、本願と同じ日に提出され、同じ譲受人に譲渡された、“Sheet−Metal Antenna”という名称のR.Barnettらによる出願第09/521、727号に開示されているアンテナである。
【0013】
フィルタ層108のフランジ122は、パッチアレイのフィードネットワーク120の結合器121に結合される。結合は、導電性(例えば、半田接合)または容量性であり得る。フレーム204は、パッチアレイを、上部反射層106によって形成されるアンテナ接地面から間隔を置いて配置する。接地面とパッチアレイとの間の空気は、アンテナの誘電体層を形成する。フィードネットワーク120および結合器121は、好ましくは、放射素子208よりもアンテナ接地面に近接して配置される。これによって、放射素子208とネットワーク120との間に垂直方向の間隔を形成し、それらの間に正味の間隔を維持しながら、水平方向の間隔をあまり必要としない。フレーム204は、溶接、エポキシ樹脂接着、半田付け、または他の方法で、上部反射層106に取り付けられる。上部反射層106は、同様にフィルタ層108に取り付けられる。上部反射層106は、好ましくは、単にフィルタ層108のフランジ122に対するオリフィス126を有する金属の「平たい容器」である。
【0014】
図3は、フィルタ層108の詳細を示す。フィルタ層108は、フレーム310およびフレーム310内の一対の共振器アレイを有する。各共振器アレイは、フィルタを形成し、それぞれが一対の支持部316によってフレーム310に接続される複数の共振器314を有する。フィルタ層108の一端にある各アレイの最も外側の共振器314は、フランジ122を規定する。フィルタ層108の他端にある各アレイの最も外側の共振器314はフランジ124を規定する。フレーム310およびフランジ122および124を有する共振アレイは、好ましくは、単一構造であり、単一の金属シートから打ち抜かれるかまたは他の方法で製造される。フィルタへの相互接続(フランジ122および124)は、このようにして、さらなるコストなしにフィルタの通常の製造中に成し遂げられる。フィルタ層108は、例えば、本願と同じ日に提出され、同じ譲受人に譲渡された、“Sheet−Metal Filter”という名称のR.Barnettらによる出願第09/521、556号に開示されているフィルタ素子である。
【0015】
フレーム310は、共振器アレイを下部反射層110から間隔を置いて配置する。フレーム310は、下部反射層110に溶接、エポキシ樹脂接着、半田付け、またはその他の方法で取り付けられる。層106および110、ならびにフレーム310は共に層108の共振器アレイによって形成されるフィルタ用の電磁的絶縁エンクロージャを形成する。このエンクロージャはまた、層112の送受信機回路のためのヒートシンクとしても作用し得る。エンクロージャ内の空気は、フィルタの誘電体層を形成する。
【0016】
図4は、下部反射層110の下側の詳細を示す。層110は、好ましくは、単にフィルタ層108のフランジ124のためのオリフィス128を有する金属の「平たい容器」である。層110の下側は、電子部品層112を層110に設けるために搭載されたスタンドオフ(スペーサ)400を有する。オリフィス128を通って突出するフィルタ層108のフランジ124は、電子部品層112のパッド138(図1を参照)と物理的または容量性接触をなす。層110はまた、電磁シールドとして、および選択的に電子部品層112のヒートシンクとして作用する。
【0017】
図5は、フランジ122によって成し遂げられる層104および108の相互結合をさらに詳細に示す積層アセンブリ104から110の切り欠き側部斜視図を示す。結合構造は、導電的または放射的にかなり広いギャップをつなぎ得る。放射結合では、結合コンデンサ(例えば、近接しているが、互いに接触しないように配置されるフランジ122および結合器121の先端によって形成される)は、相互接続フランジ122(湾曲した上部/下部ストリップ)と共に、直列の誘導−容量共振器回路(または、さらに複雑であるが直列の共振器タイプの回路)を形成し、共振器周波数付近で非常に低い損失の接続を提供する。このことは、本願と同じ日に提出され、同じ譲受人に譲渡された、“Resonant Capacitive Coupler”という名称のR.Barnettらによる出願第09/521、724号に詳細に記載されている。従って、コンデンサは、結合を提供するだけでなく、事実、相互接続フランジ122のインダクタンスを補償する。この設計におけるコンデンサは、2つの50Ωのセクションを接続するために従来から用いられていた結合コンデンサよりもはるかに(場合によっては1桁)小さくなり、実現するのがさらに簡単になる。このタイプの接続は、同軸、2電線、かつ同一平面の導波路タイプの相互接続構造に適用され得る。コンデンサ自体は誘電体をもっていてもいなくてもよく、即ち、誘電体は空気であり得る。誘電体は、機械的強固さを提供するセラミックから両面接着テープに至るまで何でもよい。
【0018】
図5は、層104から110間に用いられ、層間の適切な間隔を確保し得る選択的なスペーサ500をさらに示す。一般に、1つのスペーサ500は、図4において層110上にスタンドオフ400が配置されているのと同様に、層104から108の4つの角のそれぞれ1つに用いられる。スペーサ500は、打ち抜かれるかまたは成形されたプラスチックスタンドオフ、またはスペーサとして用いられるボールベアリングもしくは電子構成要素などの他の低コスト精密部であり得る。
【0019】
言うまでもなく、上記の例示的な実施形態に対する様々な変更および改変は、当業者に明白である。例えば、層は、隣接した層とかみ合う、突出したピンまたはタブを用いることによって位置合わせされ得る。層間の適切な間隔は、組み立て中に精密ジグを用いて、半田付けまたは溶接中の距離を正しく保持することによって成し遂げられ得る。積層アセンブリの原理は、アンテナのみもしくはフィルタのみ、または他の任意の電子アセンブリの構築に適用される。下部反射層110はまた、電子部品層の回路基板にさらなる機械的剛性を提供するためにも用いられ得る。または、すべての層を平たい容器状に形成し、すべてを同じ方向に向けさせる代わりに、いくつかの層は、間に間隔を置く平坦な層を横断して互いに面する隣接した平たい容器形状の層間に挿入された導電性材料の平坦なシートで合ってもよい。この場合、アセンブリはまた、互いに面せず、背面と背面(平たい容器の底部と底部)とが互いに取り付けられた、隣接した平たい容器形状の層を含み得る。このような変更および改変は、本発明の範囲内で、かつそれに伴う利点を損なわずに行われ得る。従って、このような変更および改変は、従来技術によって限定される以外は、以下の請求の範囲によって網羅されているものとする。
【0020】
【発明の効果】
上記のように、本発明によると、従来の設計で得られるよりも低コストおよび高性能で、従来の設計で得られるよりも製造に伴われるパーツが少なく、プロセス工程がさらに少なく、組み立てがより簡単であり、層間の別個のコネクタおよびケーブル接続が除去されている電子デバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の例示的な実施形態を含む送受信機積層センブリの分解側面図である。
【図2】図1の送受信機積層アセンブリおよびそのアンテナ層の斜視図である。
【図3】図1の送受信機積層アセンブリのフィルタ層の斜視図である。
【図4】図1の送受信機積層アセンブリの底面斜視図である。
【図5】図1の送受信機積層アセンブリの切り欠き側面斜視図である。
【図6】図1の送受信機積層アセンブリの層の他の実施形態の分解斜視図である。
【符号の説明】
100 送受信機
102 電磁的透過性保護エンクロージャ
104 積層アセンブリ
106 上部反射層
108 フィルタ層
110 下部反射層
112 積層アセンブリ
120 アンテナ分散ネットワーク
122 フランジ
124 フランジ
126 オリフィス
128 オリフィス
130 側壁
134 リップ
Claims (8)
- 無線周波数(RF)デバイスで使用する積層アセンブリであって、
複数の平たい容器形状の導電性ユニットを有し、
前記ユニットの各々が単一の金属シートから形成され、電気構成要素が前記ユニット自身によって物理的に規定されるように、前記ユニットの少なくともいくつかが、前記ユニットの内部に、打ち抜き加工、切断、およびエッチングされるいずれか1つの加工法によって形成された前記電気構成要素を有し、
隣接した前記ユニットが、電気的に絶縁された複数のチャンバを規定するようにすべてが同じ方向に面し、互いに積層され、
異なる前記ユニットに設けられた前記電気構成要素が互いに電気的に接続されていることを特徴とする積層アセンブリ。 - 前記複数のユニットは、
それぞれが面を規定し、平面部分の少なくともいくつかが、前記ユニット内で形成されている前記電気構成要素を有する複数の導電性平面部分と、
それぞれが面内に閉塞された壁を規定する複数の導電性壁部分とを有し、
前記平面部分および前記壁部分は、軸に沿って互いに横並びに配置され、前記面は前記軸に実質的に垂直であり、前記平面部分および前記壁部分は、互いに交互に配置され、互いに固定されている請求項1に記載の積層アセンブリ。 - 少なくとも1つの前記ユニットは、
(a)前記平たい容器形状の底を形成する平坦面を実質的に規定し、前記ユニット内で形成されている前記電気構成要素を有する平面部材、および縁部を規定し、前記縁部に沿って前記平坦面に取り付けられ、前記平たい容器形状の側部を形成する閉塞壁部材、または
(b)導電性材料の単一シートから前記平たい容器形状の底および側部に形成され、前記ユニット内で形成されている前記電気構成要素を有する単一の部材
のいずれかを有する請求項1に記載の積層アセンブリ。 - 前記ユニットは、溶接、半田付け、機械的締付け、および非導電性接着剤のいずれか1つによって互いに融合される請求項1に記載の積層アセンブリ。
- 少なくとも1つの前記ユニットは、その周囲に沿ってリップを規定し、前記リップによって前記ユニットは隣接した前記ユニットに取り付けられる請求項1に記載の積層アセンブリ。
- 一対の隣接した前記ユニットの間を延在し、前記一対の隣接したユニットの前記平たい容器形状の底の間に所定の分離距離を維持する複数のスペーサをさらに含む請求項1に記載の積層アセンブリ。
- 少なくとも第1の前記ユニットは、前記第1のユニットから、前記第1のユニットと前記第2のユニットとの間に配置された前記第3のユニットによって規定される開口部を通って前記第2のユニットまで延在し、前記第2のユニットとの回路接続を行うフランジをさらに規定する請求項1に記載の積層アセンブリ。
- 無線周波数(RF)デバイスで使用する積層アセンブリを形成する方法であって、
導電性ユニットの各々が単一の金属シートから形成され、電気構成要素が前記ユニット自身によって物理的に規定されるように、複数の平たい容器形状の前記ユニットの少なくともいくつかの内部に、打ち抜き加工、切断、およびエッチングのいずれか1つの加工法によって形成された前記電気構成要素を形成する工程と、
前記ユニットがすべて同じ方向に面するように、前記ユニットを互いに積層する工程と、
隣接した前記ユニットが電磁的に絶縁された複数のチャンバを規定し、異なる前記ユニットに設けられた前記電気構成要素が互いに電気的に接続されるように、前記ユニットを互いに取り付ける工程とを含む方法。
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