JP4881866B2 - 環境およびｅｍｉ／ｒｆｉシールドとして回路カードアセンブリを組み込んだフィールドデバイス - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、工業用プロセスを監視するために用いられる電子フィールドデバイス、たとえばプロセストランスミッタに関する。より詳細には、本発明は、高い電磁干渉（ＥＭＩ）を有する可能性がある工業用プロセス環境で用いられる電子フィールドデバイスに関する。

発明の背景
一般的に、電子フィールドデバイス（たとえばプロセストランスミッタ）を用いて、工業用プロセス、たとえば製油所、化学処理プラント、紙処理プラント、バイオテクノロジプラント、製薬プラント、飲食品プラント等の操業を監視する。工業用プロセスを監視するためのプロセストランスミッタは、圧力、流量、タンク内の流体または材料のレベル、温度、振動等を測定することができる。加えて、そのようなフィールドデバイスは、分析用電子機器、診断用電子機器、またはその他のプロセス監視電子デバイス、もしくは工業用プロセス制御のために用いられる電子的、油圧または空気圧アクチュエータデバイスまでも含む場合がある。

プロセストランスミッタは通常、液体、塵埃および湿気ならびに各種の工業汚染物質が存在し得る場所にある処理プラント内部に位置付けられる。いくつかの環境では、処理液、たとえば酸性溶液または基礎液を存在させることができる。また、液体は、プラント機器を洗浄するために用いられるホースからの噴霧を含んでもよい。液体は、プロセストランスミッタおよびその電気接続部上に、滴下するか、散布するかまたは噴霧することができる。加えて、この環境下での塵埃、湿気、および液体は、プロセストランスミッタへの、およびその内部の電気接続部を、汚染し劣化させる可能性がある。

シールされたハウジング内に配置され、外カバーにより保護された回路を含むトランスミッタは、当技術分野では既知である。また、回路のパラメータ、たとえばゼロ設定またはスパン設定を変更するための１つ以上の作動可能なスイッチを含むことは既知である。通常、１つ以上のスイッチまたはフィールド配線端子は、トランスミッタの外カバーを外した後のみにアクセス可能である。

不都合なことに、外カバーを外すとトランスミッタハウジング内部の電子機器が、汚染や、電磁無線周波数干渉に曝される。トランスミッタハウジング内部の電子機器に対するＥＭＩからの保護を維持するためのひとつの手法は、トランスミッタハウジング内部に配置された導電性の内カバーを含み、外カバーが外されると、ハウジングの導電壁と摩擦接触してＥＭＩの影響を低減させる。導電性の内カバーを有するプロセストランスミッタの一例は、Ｂｏｄｉｎらの１９９４年１０月４日に発行された米国特許第５，３５３，２００号、発明の名称“ＰＲＯＣＥＳＳ ＴＲＡＮＳＭＩＴＴＥＲ ＷＩＴＨ ＩＮＮＥＲ ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＥ ＣＯＶＥＲ ＦＯＲ ＥＭＩ ＳＨＩＥＬＤＩＮＧ”に示され、これは全体として参照することにより本明細書に組み込まれる。

当技術分野では、向上した湿気および環境汚染ロバスト性のほか、効果的なＥＭＩ／ＲＦＩフィルタリング能力を有する工業用プロセストランスミッタハウジング構成に対する継続的な要求がある。本発明の実施態様は、これらの、およびその他の問題に対する解決策を提供し、従来技術に優るその他の利点を提案する。

発明の概要
工業用フィールドデバイス（ｆｉｅｌｄ ｈａｒｄｅｎｅｄ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｄｅｖｉｃｅ）が記載されている。工業用フィールドデバイスのハウジングは、開口端を有するキャビティを取り囲む導電壁を有する。電子機器アセンブリは、キャビティ内部に嵌るよう適合される。電子機器アセンブリの一部は回路カードアセンブリであり、これはスルーホール電気接続部を有する多層プリント配線板と、ハウジングに電気的に連結され、多層プリント配線板の中に埋め込まれたグランド面とであり、電子機器アセンブリを電磁干渉からシールドし、電子機器アセンブリに環境からの保護を提供する。

１つの実施形態では、スルーホール電気接続部を有する多層プリント配線板は、デバイスハウジングのキャビティ内に嵌るようなサイズにされる。プリント配線板内部に埋め込まれたグランド面は、実質的に多層プリント配線板の範囲全体に延びる。グランド面はデバイスハウジングに電気的に連結されて、デバイスハウジング内部の電子機器を電磁干渉からシールドし、電子機器に環境からの保護を提供する。

詳細な説明
添付の図面により本発明の実施形態を説明するが、その他の実施形態もまた考慮され、そのうちのいくつかは本記載中で言及されている。すべての場合において、本開示は図示により、また限定されることなく例証された実施形態を提示する。

本発明は工業用フィールドデバイス、たとえばプロセストランスミッタに向けられ、好ましくは、トランスミッタ外カバーが外されてもＥＭＩ保護および環境からの保護を維持する単室型電気ハウジングを用いる。本明細書で用いられる語句“工業用フィールドデバイス”とは、環境的な汚染に対してシールされたハウジングを有するデバイスを意味する。好ましい実施形態では、ハウジングが環境的な汚染に対してシールされることに加え、電子機器が環境的な汚染のほか、電磁無線周波数干渉に対してさらにシールされる。好ましい実施形態では、回路カードアセンブリにより提供される環境シールは気密シールである。本明細書で用いられる用語“気密”とは、Ｈｅで略５ｘ１０^−８ｓｔｄ ｃｃ／ｓｅｃ未満（１気圧で毎秒０．０００００００５立方センチメートルのヘリウム）のリーク率を有するシールを意味する。また、本明細書で用いられる用語“ＥＭＩ”または“電磁干渉”とは、０Ｈｚ（ＤＣ）から略１０ＧＨｚの間の周波数で主として静電（電界すなわち電場）エネルギーを含有する電磁放射からの干渉を意味する。

本発明は回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）を組み込み、ＣＣＡはデバイスエレクトロニクスからフィールド配線へ、およびデバイスのフィールド配線側のローカルオペレータインターフェイス（ＬＯＩ）またはＬＣＤディスプレイへの電気接続部として機能する。さらに、ＣＣＡには、導電性のデバイスハウジングに電気的に接続され、多層プリント配線板の中に埋め込まれたグランド面が備えられ、ＥＭＩシールディングを提供する。ＣＣＡのグランド面は、デバイスハウジングを２個の“ファラデーケージ（Ｆａｒａｄａｙ Ｃａｇｅ）”に効率的に分割し、環境シールドおよびＥＭＩバリアの両方として機能する。

一般的に、ファラデーケージは、電磁波の通過を防止するよう設計された導電性材料から形成される筐体であり、電磁波をその内部に封じ込めるかまたはその内側から排除する。通常、プロセストランスミッタは導電性金属から形成され、それら自体がファラデーケージである。効率的なことに、トランスミッタハウジングの外側表面は、すべての個所で本質的に同じ電位を有する等電位面として機能する。ファラデーケージの原理は、帯電した導体上の電荷が、その外側表面上のみにあるというものである。構造体内部に電荷が存在しない場合、構造体が外界に露出したとしても、ガウスの法則および発散定理により等電位面の内部には静電界は存在しない。

プロセス産業内では、このような導電性構造体を利用して構造体内の電界を取り除き、好ましくない電磁信号から電子機器を保護するようになされている。理想的には、電界および無線周波数はファラデーケージを貫通できず、電子機器に影響することがない。当然のことながら、本発明のファラデーケージは、ハウジングの材料が（導電性ではあるが）完全な導体ではなく、また筐体には配線をハウジングに入れるための開口部が備えられるため、完全ではない。水分およびその他の汚染物質に加え、無線周波数干渉（ＲＦＩ）および電磁干渉（ＥＭＩ）は、ワイヤを介してハウジング内部の電子機器に連結（誘導）させることができる。それでもやはり、本明細書で用いられる用語“ファラデーケージ”とは、外部の電磁干渉および無線周波数干渉から密閉された容積をシールドするために十分なファラデーケージの特性を有する導電性構造体を意味する。

図１は、本発明の一つの実施形態のプロセストランスミッタシステム１００の概略図を図示する。パイプセクション１０４内部に入れられた流体に関連するパラメータまたはプロセス変数を測定するために、プロセストランスミッタ１０２がプロセスパイプセグメント１０４に連結される。トランスミッタ１０２は、フィールド配線１０８を介して制御センター１０６に連結される。一般的にフィールド配線は、電源／グランドケーブルおよび通信リンクの両方を含む。フィールド配線１０８は２本以上のワイヤを含むことができる。代替的な実施形態では、フィールド配線１０８は電源およびグランド接続部を備えるが、トランスミッタ１０２と制御センター１０６との間の通信はワイヤレス通信リンク（図示せず）を介して行われる。

一般的に、トランスミッタ１０２はカバー１１２を有するハウジング１１０を含む。ハウジング１１０は、シールされたベース１１４を介してパイプセグメント１０４に連結され、これには連結フランジまたは特定の設置のために顧客により備えられるその他の取付機構を含むことができる。ハウジング本体１１０上には配線管路１１６が備えられ、フィールド配線１０８をハウジング１１０に入れるためのアクセス開口部を提供し、制御センター１０６にトランスミッタハウジング１１０内部の電子機器を接続するようになされている。

図２に示され以下に説明されている回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）２７０は、トランスミッタハウジング２０２内部に配置され、ＣＣＡの中に埋め込まれたグランド面（以下「埋め込みグランド面」という）が備えられ、トランスミッタハウジングと数箇所で接触してグランド接続を完成させる。トランスミッタカバー２０８が外された場合、ＣＣＡはトランスミッタハウジング２０２内のＣＣＡの下に配置された電子機器を、電磁干渉および環境的な汚染物質から隔離する。

図２は、本発明の一つの実施形態の単室型トランスミッタハウジングの断面図である。この例では、トランスミッタ２００は、工業用プロセスのパイプまたは容器内の流体圧力を測定するための圧力トランスミッタ２００である。しかし、トランスミッタ２００はあらゆるタイプの工業用センサを含むことができる。

トランスミッタ２００は、開口部を有する筐体２０６を画定するベース部２０４に連結されたトランスミッタハウジング２０２を含む。着脱可能なカバー２０８は、開口部を覆って嵌るサイズにされ、筐体２０６を環境からシールする。ハウジング２０２は上部２１０および下部２１２を含む。上部２１０には外表面上に、カバー２０８の内表面上のスレッド２１６と一致するサイズにされたスレッド２１４が備えられる。加えて、好ましくは、上部２０８の外表面には、Ｏリングシール２２０を収容するようなサイズにされた凹部２１８が備えられる。カバー２０８の突出部２２２は、Ｏリングシール２２０を加圧して、筐体２０６を環境から隔離する。

一般的に、上部２１０は、溶接継手２２４またはその他の伝導手段を介して下部２１２に連結される。下部２１２は、溶接継手２２６またはその他の伝導手段を介してベース部２０４に連結される。

フィールドワイヤ２２８はワイヤ開口部２３０を通してハウジング２０２の上部２１０内に延びる。管路接続部２３２は、本体部２３４および連結部２３６および２３８を有する。本体部２３４は、ワイヤ開口部２３０に近接した上部２１０の外側表面に備えられた、対応する凹部２４０と嵌合するようなサイズにされている。連結部２３６には、筐体２０６内部の連結ナット２４２と嵌合するように適合されたスレッドが備えられている。ガスケット２４４は、連結ナット２４２と上部２１０の内表面との間で、連結部２０６の上に配置されて、開口部２３０を取り囲んで筐体２０６をシールする。代替的に、管路またはエントリスパッドもしくは予め形成されたレセプタクルを、ハウジングに直接溶接するかまたは永久的に取り付けることができる。

フィールドワイヤ２２８はワイヤコネクタ２４６内部に位置付けられ、コネクタナット２４８は連結部２３８に螺合して取り付けられてフィールドワイヤ２２８を適所に固定する。特に、コネクタナット２４８が連結部２３８に締め付けられると、ワイヤコネクタ２４６のフランジ部２５０は連結部２３８の内表面に対して押し付けられ、ワイヤコネクタ２４６にフィールドワイヤ２２８を適所にクランプさせる。

筐体２０６の内部で、フィールドワイヤ２２８は、グランドラグ２５４に連結されたグランドリード線２５２と、連結ボード２７０上に備えられたばね押し電気接点２８０に連結された電源リード線２５６および信号リード線２５８とを含む個別のリード線に分けられる。連結ボード２７０は、カバー２０８を外すことで、現場のオペレータは容易にアクセス可能である。ローカルオペレータインターフェイス（ＬＯＩ）ボード２６２は連結ボード２７０に接続し、トランスミッタ２００をリセットするためのスパン設定用押しボタン２６４およびゼロ設定用押しボタン２６６に加え、アラームスイッチ２６０およびライトプロテクトスイッチ２６１を含む、アクセスする必要があるフィールドデバイスエレメントへの容易なアクセスを提供する。

本実施形態では、ＬＯＩボード２６２は、ねじ２６８を介してトランスミッタハウジング２０２の上部２１０内に固定され、スタンドオフ２７２により、およびクランピングリング２７４により、回路カードアセンブリすなわち連結ボード２７０から離される。クランピングリング２７４は連結ボード２７０と合わさり、次に連結ボードはシール２９０と合わさる。ねじ山付き留め具２８８は、クランピングリング２７４および連結ボード２７０を通り、およびシール２９０を通りハウジング２０２の下部２１２内へ延び、連結ボード２７０を所定の位置に固定する。一般的に、留め具２８８は、ボルト、ねじ、またはその他のねじ山付き留め具エレメントを含むことができる。代替的に、留め具２８８は、ねじ山をつけられる必要はなく、ピン、打込みねじ等の留め具を含むことができる。

連結ボード２７０上に位置する無線周波数干渉フィルタ（ＲＦＩフィルタ）２７８は、フィールド配線コネクタ２８０のピンを、グランド面３５０に、つまりトランスミッタハウジング２０２に容量的に連結する。ＲＦＩフィルタ２７８は無線周波数干渉を取り除くように適合され、これはフィールド配線２２８に連結することができ、通常は電子機器アセンブリを電線路の伝導干渉から保護する。

そして、回路カードアセンブリ（ＣＣＡすなわち連結ボード）２７０は好ましくは、外周縁上を導電層２８２でめっきされた多層プリント配線板（ＰＷＢ）からなる。一般的に、ＰＷＢは絶縁材料、たとえばセラミック、プラスチック等から形成され、その上にワイヤトレースおよび電気的相互接続を形成することができる。

以下にさらに詳細に述べるように、連結ボード２７０は埋め込みグランド面３５０を含み、グランド面は実質的に連結ボード２７０の全直径に延びて導電層２８２に連結する。埋め込みグランド面３５０は、ＣＣＡ２７０内部に配置され、実質的にＣＣＡ２７０の全直径に延びている平面層である。埋め込みグランド面３５０は導電性材料（たとえば銅）から形成され、トランスミッタハウジング２０２の導電壁と電気的に接続して電子機器アセンブリをＥＭＩからシールドすることを目的としている。一般的に、グランド面３５０とハウジング２０２との間の電気的接続は、導電層２８２を通し、留め具２８８を介し、導電縁層２８２を通し、またはその他の手段により完成することができる。一つの実施形態では、シール２９０は導電性であり、シール２９０を通してグランド経路が確立される。

ハウジング２０２にグランド面を電気的に連結することにより、ＣＣＡ２７０はハウジング２０２を２個のファラデーケージ（ＣＣＡ２７０の上のファラデーケージ２８４およびＣＣＡ２７０の下のファラデーケージ２８６）に効率的に分割する。

本実施形態では、ハウジング２０２の下部２１２内部で、ＣＣＡ２７０は、フレキシブル回路２９４を介してトランスミッタ回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）２９２に連結される。コネクタ２９６はフレキシブル回路２９４をＣＣＡ２７０に連結させる。コネクタ２９７はフレキシブル回路２９４のもう一方の端をトランスミッタＣＣＡ２９２に連結させる。好ましくは、ヒートシンク２９５はＣＣＡ２７０とフレキシブル回路２９４との間に固定され、フレキシブル回路２９４上に位置するあらゆる発熱部品のための伝熱経路を提供する。

トランスミッタＣＣＡ２９２はカップ２９８内部に据えられ、カップは下部２１２内に備えられた凹部３０２と一致するよう適合されたフック３００を有する。フック３００はカップ２９８を下部２１２内部の適所に安定させる。コネクタ３０４はフレキシブル回路３０６を低い位置にあるトランスミッタＣＣＡ２９２に連結し、次に接触ピン３１０を介して圧力センサ３０８に接続する。

図示された実施形態では、圧力センサ３０８は電気接触ピン３１０のためのガラス製フィードスルー３１２を含む。ガラス製フィードスルー３１２は、センサ３０８内部の油で充填されたキャビティ３１６に隣接した、環境的にシールされた検出用ダイヤフラム３１４まで延びる。油で充填されたチューブ３１８はセンサ３０８を、プロセスに連結されている隔離ダイヤフラム３２２に隣接したキャビティ３２０に接続させる。

充填チューブ３２４がセンサ３０８上に備えられ、油で充填されたキャビティ３１６、チューブ３１８およびキャビティ３２０を所望のレベルまで充填する。空気で充填されたチューブ３２６はセンサ３０８を通気口３２８に接続させ、これによりトランスミッタがゲージ圧力を測定することが可能になる。

そして、ベース３３０は好ましくは、特定の実施に合わせるために顧客により備えられるクランプ３３２およびフランジ３３４によりプロセスに連結される。ベース３３０に備えられた凹部３３６および３３８、およびフランジ３３４はガスケット３４０を収容するようなサイズにされ、ベース３３０をフランジ３３４にシールさせる。

一般的に、当業者においては、本発明とともに、示されたゲージ圧力センサだけでなく、あらゆるタイプの検出エレメントを用いることができることが理解されるべきである。特に、本発明のＣＣＡ２７０は、あらゆるプロセストランスミッタとともに用いられることができるが、ただしＣＣＡ２７０内部に埋め込まれたグランド面の表皮厚さが、外カバー２０８が外されたときにフィールド配線２２８上に連結される可能性があるかまたは動作環境から取り込まれる可能性があるＥＭＩから、電子機器を効率的に隔離するために十分な厚さであることを条件とする。加えて、本発明とともに、遠隔計器、ワイヤレスゲートウェイ、遠隔監視ユニット、工業用プロセストランスミッタ等を含むあらゆる工業用フィールドデバイスを用いることができる。

図３は、ＣＣＡ２７０および、ハウジング２０２の上部２１０および下部２１２が溶接継手２２４により溶接されたアセンブリの一部の拡大断面図を図示する。先に述べたとおり、ＣＣＡ２７０の縁は導電層２８２でめっきされる。一般的に、ＣＣＡ２７０は多層基板であり、上層３５２と下層３５４との間に挟まれた埋め込みグランド面３５０を含む。一般的に、上層３５２および下層３５４、ならびにグランド面３５０は多層プリント配線板（ＰＷＢ）の一部である。一般的に、露出した平面３６０および３６２は耐水性である。しかし、加工プロセス中に、ドリルで孔が開けられ、基板の縁が切削されてＰＷＢ２７０が形成される。これらの露出した縁は露出した繊維を有し、これはウィックとして機能して水分を基板層３６０および３６２内に引き込む可能性がある。これを防止するために、ＰＷＢ２７０の縁は導電層、たとえば銅またはスズでめっきされ、これが湿気および汚染物質に対する拡散バリアとして機能する。加えて、それぞれのバイアすなわちホールがめっきされる。

先に述べたとおり、ねじ山付き留め具２８８は、クランピングリング２７４を通り、ＣＣＡ２７０を通り、ガスケット２９０を通り、下部２１２内に延びる。ねじ山付き留め具２８８を受け入れるＣＣＡ２７０を通る開口部もまた、導電層３５６によりめっきされて開口部を通して水分がボードに入ることを防止する。特定の実施に依存して、グランド面３５０をホールのめっき層３５６からエッチング除去して、ねじ山付き留め具を介したグランドへの短絡を防止することができる。代替的に、特定の実施に依存して、めっき層３５６はグランド面３５０のためのグランドへの経路を備えてもよい。

先に述べたとおり、ねじ山付き留め具２８８は導電性の下部２１２（および／またはハウジング２０２の上部２１０およびＰＷＢ導電層３６４と擦られるよう合わさり、導電層３５６または導電層２８２を介してグランド面３５０と電気的に接続してセンサ電子機器（たとえば図２のセンサ３０８）をＥＭＩからシールドする。

一つの実施形態では、シール２９０は電気絶縁体であり、これによりＣＣＡ２７０がハウジング２０２と擦られるよう合わさることを防止する。クランピングリング２７４はＣＣＡ２７０の外表面上の導電性トレースと擦られるよう合わさる一方で、ねじ山付き留め具２８８は根本的にはハウジング２０２へのグランド経路を備える。シール２９０が導電性である（たとえば市販されているＥＭＩガスケットによる）場合、グランド経路は、ねじ山付き留め具２８８を通す代わりにシール２９０を通して作成することができる。

図４Ａは、その上に複数のＰＷＢ４０２が形成された基板４００の平面図である。一般的に、多層基板４００が製作され、その後個々のＰＷＢ４０２が経路決めされ、孔を開けられ、エッチングされ、めっきされて完全な回路カードが製造される。特に、ＰＷＢ４０２の外郭線はボードを通して、たとえばルートチャネル４０４のように切り取られる。ルートチャネル４０４は連続的ではない。小さなタブ部４０６を除いてＰＷＢ４０２が切り抜かれ、このタブはＰＷＢ４０２を基板４００の平面に安定させる。

留め具開口部４０８、電気接続バイア４１０、および部品スルーホール４１６がＰＷＢ４０２に形成される。ボードの縁（チャネル４０４）および開口部４０８、バイア４１０、および部品スルーホール４１６は導電層４１２で被覆される。オペレータがＰＷＢ４０２を用いての設置を完成することを支援するために、参照番号４１４で示すように、ＰＷＢ４０２上にコネクタの外郭線および文字を印刷してもよい。

図４Ｂは、図４Ａに示されたようなＰＷＢ４０２の拡大平面図を図示する。そして、ＰＷＢ４０２に部品を組み付けた後、ＰＷＢは回路カードアセンブリまたはＣＣＡ４０２と呼ばれる。部品の組み付け後、ＣＣＡ４０２は、基板４００から取り外されるが、タブ部４０６は残され、タブ部はその先端を導電層４１２で被覆されない。導電層４１２と電子デバイスまたはトランスミッタハウジング（たとえば図２のトランスミッタハウジング２０２）との間の電気的接続は、ハウジング内の電子機器のための十分なＥＭＩシールディングを提供する。さらに、導電層４１２により被覆された周縁領域に比べ、タブ部４０６の露出した小領域は、水分を著しく“ウィッキングする”問題を提示することなく、エポキシ等で容易に被覆して耐水性をさらに向上させることができる。

水分を“ウィッキングする”問題に対して完全な保護をするために、タブ４０６を通してＰＷＢパネル内のチャネル４０４を部分的な深さで経路決めすることができ、グランド面層３５０および下部導体層３６６が、いかなる破損または隙間もなくＰＷＢ４０２の周縁全体の周囲に完全に露出されるようになされている。ＰＷＢ４０２上に導電層２８２がめっきされている場合、導電層２８２は、層３５０と層３６６との間のＰＷＢ４０２の全縁を覆う。これにより完全な拡散バリアが提供され、ＰＷＢの縁を通して水分がハウジングの下部に入ることを防止する。切り抜きタブ４０６の領域で、ＰＷＢ４０２の依然として露出している縁から入る水分は、ＰＷＢ４０２の層３５２のみに入ることに留意することは重要である。ＰＷＢ４０２の層３５４内に、およびそこからハウジングの下部に水分が入ることは、導電層２８２、３５０、３５６および３６６により、およびシール２９０により防止される。

ＣＣＡ４０２は開口部４０８およびバイア４１０に加えて、回路エレメント（図示せず）との電気的接続を確立するための接触パッド４２０を含む。内在する電気的トレース線４１８は、ボードの内層上にトレースさせることができ、仮想線で図示されている。つまり、ヒートフィン４２２が備えられ、ＣＣＡ４０２に実装されるかまたはＣＣＡ４０２に熱的に結合された電気部品から、ヒートシンク２９５を介して熱を逃がすための支援をする。

つまり、グランド面（図２、３、５Ａ、５Ｂ、６Ａおよび６Ｂ参照）は、実質的にＰＷＢ４０２の全直径（Ｄ）に延びることが理解されるべきである。所定の領域では、グランド面をエッチング除去して、各種の電気トレース、電気部品ピン、および／またはバイアのグランドへの好ましくない短絡を防止する。一般的に、エッチングされた領域は、グランド面を通したＥＭＩの好ましくない漏れおよび／または水分拡散を防ぐために、可能な限り小さなサイズにされる。

当業者においては、ＰＷＢ４０２はあらゆる所望の形状で形成できることが理解されるべきである。実質的に円形として図示されているが、ＰＷＢは正方形、楕円形、三角形、またはその他のあらゆる所望の形状にすることができる。いずれの場合も、グランド面は実質的にＰＷＢの範囲全体に延びる。

図５Ａは、本発明の一つの実施形態のＰＷＢ４０２の一部分の拡大断面図を示す。ＰＷＢ４０２にはグランド面４３０が備えられ、これによりＰＷＢ４０２の縁上の導電層４１２と電気的に連結される。第１のバイア４３８は上ボード４３４のフィールド配線露出面４２８からエッチングされた領域４３６に延び、ここではグランド面４３０が外されている。第２のバイア４４０は、第１のバイア４３８からずらされており、エッチングされた領域４３６から下ボード４３２のセンサ露出面４２６に延びる。第１のバイア４３８は、導電層４４２で内側が覆われ、第２のバイア４４０は導電層４４４で内側が覆われる。トレース線４４６は、第１のバイア４３８および第２のバイア４４０の間の電気回路を完成させる。このように、回路エレメント４４８は、電気的に連結されたバイア４３８および４４０を通して回路エレメント４５２と電気的に連結することができ、汚染物質のための直接経路を備えてフィールド配線側からＰＷＢ４０２を通して、センサ４５６およびフレキシブル回路４５８に通過させることを必要としない。この特定の機構はブラインドバイアまたはスタガードバイアと呼ばれることがある。

一般的に、バイアがグランドへ短絡することなく電気的接続を確立させるために、グランド面４３０は、バイア４３８および４４０ならびにトレース線４４６にきわめて近接してエッチング除去される。フィールド配線露出面４２８上には導電性実装パッド４６６が備えられ、トレース４７２により、およびバイアパッド４３７によりバイア４３８の導電層４４２と連結される。回路エレメント４４８は、半田接合４７０により実装パッド４６６に固定される。同様に、センサ露出面４２６上には、半田接合４７４を介して電気部品４５２を実装するための導電性実装パッド４６８が備えられる。導電性実装パッド４６８は、トレース４７６を介して、およびバイアパッド４４３を介してバイア４４０の導電層４４４に連結される。エッチングされた領域４３６がファラデーケージ内に他の欠陥を取り込んでも、エッチングされた領域４３６をバイアおよびトレース線のすぐ近くに限定することにより、エッチングされた領域４３６はＥＭＩの漏れを無視することが可能になる。

図５Ｂは、ＰＷＢ４０２の部分４６０を通して、グランド面４３０のエッチングされた領域４３６を図示している。導電層４４２で内側を覆われた第１のバイア４３８は、ボード内部に向かってエッチングされた領域４３６まで延びる。ここではグランド面４３０が外されている。トレース線４４６は、第１のバイア４３８の導電層４４２に電気的に連結されたバイアパッド４３９を、第２のバイア４４０の導電層４４４に電気的に連結されたバイアパッド４４１に連結する。第１のバイア４３８および第２のバイア４４０は互いにずらされ、水分および汚染物質がボードを通過する直通経路となることを防止する。

一般的に、エッチングされた領域４３６は可能な限り小さなサイズにされ、好ましくは、トレース線４４６および２つのバイア４３８および４４０を受容し、かつエレメントがグランドへの短絡をしないために過不足なく広いサイズにされる。好ましくは、エッチングされた領域は、およそ１０ミリメートル以下の最大直線範囲を有し、エッチングされた領域４３６を通して拡散する可能性があるＥＭＩおよび水分の量を制限する。

このように、グランド面４３０は、ＥＭＩバリアおよび湿気シールドの両方として、すなわち環境拡散バリアとして機能する。より具体的には、グランド面はＥＭＩ用のハウジングへの経路を備え、トランスミッタハウジングはＥＭＩ用のグランドへの経路を備え、ハウジング内部のプリント配線板２７０の下にある電子機器をＥＭＩからシールドする。さらに、ボードの縁をめっきしている導電層は、水分がプリント配線板内部にウィッキングすることを防止し、グランド面は水分に対する拡散バリアを提供し、水分が何らかの形で導電層をバイパスして連結ボードの上層に入ったとしても、グランド面により阻止され、連結ＣＣＡ２７０を通してその下に収納された電子機器まで全体にわたり通過することを防止する。

図６Ａは、本発明の好ましい実施形態による、ＰＷＢ４０２の一部分の拡大断面図を示し、ここでバイア４８２はＰＷＢ４０２を通りまっすぐに延びる。ＰＷＢ４０２にはグランド面４３０が備えられ、グランド面はＰＷＢ４０２の縁の導電層４１２に電気的に連結されている。バイア４８２は、上ボード４３４のフィールド配線露出面４２８から、ここではグランド面４３０が外されている、エッチングされた領域４３６を通り、下ボード４３２のセンサ露出面４２６へと延びる。バイア４８２は、表面４２８上の第１のバイアパッド４３７と、表面４２６上の第２のバイアパッド４４３とを含み、バイアホール内を導電層４４２で内側を覆われている。導電層４４２は、バイアパッド４３７をバイアパッド４４３に電気的に接続する。半田４８０はバイア４８２内部に延びて、環境的保護のためにバイアを塞ぐ。

一般的に、バイア４８２がグランドへ短絡することなく電気的接続を確立させるために、グランド面４３０は、バイア４８２にきわめて近接してエッチング除去される。フィールド配線露出面４２８上には導電性実装パッド４６６が備えられ、トレース４７２により、およびバイアパッド４３７により導電層４４２と連結される。回路エレメント４４８は、半田接合４７０により実装パッド４６６に固定される。同様に、センサ露出面４２６上には、半田接合４７４を介して電気部品４５２を実装するための導電性実装パッド４６８が備えられる。導電性実装パッド４６８は、トレース４７６により、バイアパッド４４３を介して導電層４４２に連結される。エッチングされた領域４３６がファラデーケージ内に他の欠陥を取り込んでも、エッチングされた領域４３６をバイア４８２のすぐ近くに限定することにより、エッチングされた領域４３６は、ＰＷＢ４０２を通したＥＭＩの漏れを無視することが可能になる。

図６Ｂは、ＰＷＢ４０２の部分４６０を通して、グランド面４３０のエッチングされた領域４３６を図示している。導電層４４２で内側を覆われたバイア４８２は、ボードを通り、およびエッチングされた領域４３６を通り全体に延びる。ここではグランド面４３０が外されている。エッチングされた領域４３６は可能な限り小さなサイズにされ、好ましくは、バイア４８２を受容し、かつ導電層４４２がグランドへの短絡をしないために過不足なく広いサイズにされる。バイアパッド４３７および４４３はバイア４３８のボードの露出面４２６および４２８上に形成されているため、バイアパッド４４３は仮想線で示されている。バイアが図５Ｂに示されるようにずらされている場合、バイアパッドは、グランド面４３０のエッチングされた領域４３６にも、露出面４２６および４２８にも備えられることができる。一般的に、バイアパッド４３７および４４３はバイア４８２よりもほんのわずかに大きく、かつ同心円である（そして、バイアパッド４３９および４４１は、図５Ｂのバイア４４０よりもほんのわずかに大きく、かつ同心円である）。

バイアは通常、トレース線および接触パッドを用いて電子部品に連結されていることが理解されるべきである。電気部品の電気リード線またはピンを収容するサイズにされた開口部およびホールをより大きくしてもよく、またはさまざまなサイズにしてもよい。しかし、プリント配線板のすべてのサイズの開口部が導電層でめっきされ、プリント配線板の層へのウィッキングを防止し、またボードを通した電気エレメントの相互接続のための電気経路を提供する。バイアに関して上述したとおり、特定の実施および／または接続のタイプに依存して、ホールおよび開口部はボードを通して互い違いの（“ブラインド”）または一直線の経路を使用することができる。

本明細書で用いられる用語“スルーホール電気接続部”とは、ボードを通して形成される電気接続部または経路を意味する。好ましくは、スルーホール電気接続部は、ボードのチャネルまたはバイアを通した導電性を許可する一方で、好ましくない水分およびその他の汚染物質がボードを通過することを防止するよう適合される。スルーホール電気接続部は、たとえば図５Ｂに示すような“ブラインドバイア”構成、またはたとえば図６Ｂに示すようなまっすぐなまたは一直線のバイア構成を用いて製作できる。

電気信号は、フィールド配線上のアセンブリ内に伝達されてＣＣＡ２７０を通して送信されると、ＥＭＩが埋め込みグランド面４３０により取り除かれる間、および環境汚染物質がＣＣＡ２７０により止められている間、ＣＣＡ２７０を通過してシールドされた電子機器に向かうことを許可される。このように、グランド面４３０は、ＥＭＩバリアおよび湿気シールドの両方として、すなわち環境拡散バリアとして機能する。より具体的には、グランド面はＥＭＩ用のハウジングへの経路を備え、電子デバイスハウジングはＥＭＩ用のグランドへの経路を備え、ハウジング内部のプリント配線板の下にある電子機器をＥＭＩからシールドする。さらに、ボードの縁をめっきしている導電層は、水分がプリント配線板内部にウィッキングすることを防止し、グランド面は水分に対する拡散バリアを提供し、水分が何らかの形で導電層をバイパスして連結ボードの上層に入ったとしても、グランド面により阻止されて連結ＣＣＡを通してその下に収納された電子機器まで全体にわたり通過することが防止される。

当業者においては、標準的なＰＷＢ製作プロセスを用いて本発明のＣＣＡを加工できることが理解されるべきである。また、本発明のＣＣＡ内部に埋め込まれたグランド面は、センサ電子機器を電磁干渉からシールドするために十分な厚さでなければならないことが理解されるべきである。干渉の周波数に依存して、所望の表皮効果を達成するためにグランド面の厚さを調整する必要があるかもしれない。“表皮効果”とは、導体の表面付近の電流密度がその中心よりも高くなるようにするため、高周波電流が自らを固体導体内部に分散させるという傾向を意味する。ファラデーケージの原理を利用するために、グランド面は、高周波ＥＭＩを拡散させてハウジングに接地させ、その結果、センサ電子機器およびその他の回路を好ましくない電磁無線周波数干渉から隔離するために十分な厚さでなければならない。

ボードの切削された縁および開口部を導電性材料で被覆し、グランド面の被覆をボードのきわめて小さな割合を除いて最大限にすることにより、本発明のＣＣＡは、ＥＭＩバリアおよび環境シールドの両方として機能する。このことが、単一の開口部を有する電子デバイス構造を用いることを可能にし、この開口部がただひとつのカバーを有し、フィールド配線端末と、ローカルオペレータインターフェイス（ＬＯＩ）または液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）端末との両方にアクセスし、一方でハウジング内部のデリケートな電子回路を保護することを可能にする。加えて、ただひとつのカバーを有することにより、電子デバイスはより小型の“インライン”形状因子を有する。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者においては、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形状および詳細に変更を加えることができることが理解されよう。

本発明の一つの実施形態のフィールドデバイスの簡略化されたブロック図である。 本発明の一つの実施形態の回路カードアセンブリを含むフィールドデバイスの断面図である。 本発明の一つの実施形態の回路カードアセンブリの一部分の拡大断面図である。 本発明の一つの実施形態の複数の回路カードアセンブリを含むプリント回路基板の簡略化された平面図である。 図４Ａの回路カードアセンブリの拡大平面図である。 本発明の一つの実施形態の回路カードアセンブリを通した、ブラインドバイアの拡大断面図である。 本発明の一つの実施形態の、図５Ａの点線４６０に沿った、グランド面およびバイア相互接続層の平面図の簡略化されたブロック図である。 本発明の一つの実施形態の回路カードアセンブリを通した、バイアの拡大断面図である。 本発明の一つの実施形態の、図６Ａの点線４６０に沿った、グランド面およびバイア相互接続層の平面図の簡略化されたブロック図である。

Claims (21)

1. 導電壁を有し、この導電壁が、開口端を有するキャビティを取り囲むハウジングと、
   キャビティ内部に嵌る電子機器アセンブリと、
   電子機器アセンブリに電気的に接続される回路カードアセンブリであって、電子機器アセンブリを電磁干渉からシールドし、電子機器アセンブリに環境からの保護を提供するために、スルーホール電気接続部を有する多層プリント配線板と、ハウジングに電気的に接続され、多層プリント配線板の中に埋め込まれたグランド面とを含む回路カードアセンブリと、
   を含む工業用フィールドデバイス。
2. 回路カードアセンブリが、この回路カードアセンブリの縁に配置され、多層プリント配線板の縁から水分が侵入することを防止するための導電層をさらに含む、請求項１記載の工業用フィールドデバイス。
3. 導電層が、埋め込まれたグランド面に電気的に連結され、
   回路カードアセンブリが、その縁をハウジングの導電壁に接触させるサイズにされて、埋め込まれたグランド面をハウジングに電気的に連結する、請求項２記載の工業用フィールドデバイス。
4. 回路カードアセンブリに連結されて、電線路の導電干渉から電子機器アセンブリを保護する無線周波数干渉フィルタをさらに含む、請求項１記載の工業用フィールドデバイス。
5. 回路カードアセンブリが、
   ２つ以上のプリント配線板と、
   ２つ以上のプリント配線板の間に埋め込まれたグランド面と、
   ２つ以上のプリント配線板の縁、および埋め込まれたグランド面の上に配置された導電縁層と、
   を含み、
   ２つ以上のプリント配線板が、絶縁材料から形成され、電気的相互接続を提供するためのバイアおよび金属導体を有する、請求項１記載の工業用フィールドデバイス。
6. 回路カードアセンブリが円形であり、
   埋め込まれたグランド面が、回路カードアセンブリの直径全体に及ぶ導電層を含む、請求項１記載の工業用フィールドデバイス。
7. 工業用フィールドデバイスが、回路カードアセンブリと、ハウジングの導電壁との間に配置されたシールをさらに含み、
   シールが、回路カードアセンブリをハウジングから電気的に隔離する電気絶縁シールを含む、請求項１記載の工業用フィールドデバイス。
8. シールが、埋め込まれたグランド面をハウジングに電気的に接続する導電シールを含む、請求項７記載の工業用フィールドデバイス。
9. シールおよび回路カードアセンブリが、ハウジングと、ハーメチックシールとを形成して、電子機器アセンブリに環境からの保護を提供する、請求項７記載の工業用フィールドデバイス。
10. 開口端を覆うように、ハウジングに着脱可能に固定された外カバーをさらに含み、
    外カバーが導電性であり、
    埋め込まれたグランド面がハウジングを、ハウジング内部の電子機器を電磁干渉から隔離する２つのファラデーケージに分割する、請求項１記載の工業用フィールドデバイス。
11. ハウジングの一部分で、工業用プロセス制御システムまたはモニタにデバイスを連結するための配線を収容するサイズのワイヤ開口部をさらに含み、
    配線が回路カードアセンブリに電気的に接続される、請求項１記載の工業用フィールドデバイス。
12. 電子機器アセンブリが、
    工業プロセスを監視するプロセスセンサと、
    プロセスセンサに連結された回路と、
    を含む、請求項１記載の工業用フィールドデバイス。
13. 工業用プロセス環境に配置された工業用フィールドデバイスのための回路カードアセンブリであって、
    工業用フィールドデバイスのハウジングのキャビティ内に嵌るサイズにされたスルーホール電気接続部を有する多層プリント配線板と、
    プリント配線板内部に埋め込まれ、多層プリント配線板の範囲全体に及ぶグランド面であって、ハウジング内部の電子機器を電磁干渉からシールドし、電子機器に環境からの保護を提供するために、ハウジングに電気的に連結されたグランド面と、
    を含む回路カードアセンブリ。
14. 多層プリント配線板の縁に配置され、多層プリント配線板の縁から水分が侵入することを防止するための導電層をさらに含み、
    導電層が、埋め込まれたグランド面およびハウジングに電気的に連結される、請求項１３記載の回路カードアセンブリ。
15. 多層プリント配線板に形成され、少なくとも１つの層を貫通して多層プリント配線板内に延び、導電層により被覆された壁を有する開口部を形成するバイアをさらに含み、
    バイアが耐湿材料で塞がれる、請求項１３記載の回路カードアセンブリ。
16. 埋め込まれたグランド面が、ハウジングを通じて電気的にグランド接続される導電層を含む、請求項１３記載の回路カードアセンブリ。
17. 導電壁を有し、この導電壁が、開口端を有するキャビティを取り囲むハウジングと、
    キャビティ内部に嵌る電子機器アセンブリと、
    電子機器アセンブリに電気的に接続される回路カードアセンブリであって、電子機器アセンブリを電磁干渉からシールドし、電子機器アセンブリに環境からの保護を提供するために、スルーホール電気接続部を有する多層プリント配線板と、ハウジングに電気的に接続され、多層プリント基板の中に埋め込まれたグランド面とを含む回路カードアセンブリと、
    を含む、工業用プロセスにおける使用のためのトランスミッタ。
18. 開口端を覆うように、ハウジングに着脱可能に固定された外カバーをさらに含む、請求項１７記載のトランスミッタ。
19. 回路カードアセンブリに連結されて、電子機器アセンブリを電線路の導電干渉から保護する無線周波数干渉（ＲＦＩ）フィルタをさらに含む、請求項１７記載のトランスミッタ。
20. 多層プリント配線板が、
    ２つ以上のプリント配線板と、
    ２つ以上のプリント配線板の間に埋め込まれたグランド面と、
    ２つ以上のプリント配線板の縁、および埋め込まれたグランド面の上に配置された導電縁層と、
    を含み、
    ２つ以上のプリント配線板が、絶縁材料から形成され、電気的相互接続を提供するためのバイアおよび金属導体を有する絶縁材料から形成されて電気的相互接続を提供する、請求項１７記載のトランスミッタ。
21. 埋め込まれたグランド面が、回路カードアセンブリの全面に及ぶ導電層を含む、請求項１７記載のトランスミッタ。

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