JP2013527615A - 分散熱負荷を有するセットトップボックス - Google Patents

Abstract

セットトップボックスを提供する。該セットトップボックスは、第１の通気口を有する第１の垂直外側壁と、第２の通気口を有する第２の垂直外側壁とを有するハウジングと、第１の熱源要素と第２の熱源要素とを有する回路基板と、第１の熱源要素と熱的接触している、回路基板の少なくとも３分の１を覆い、第１の垂直側壁に沿って延在する、起伏のあるヒートシンクと、第２の熱源要素と接触している、装置の２分の１のみにあり、第２の通気口と位置合わせされた、第２のヒートシンクとを有する。複数のヒートシンクとそれに関連する通気口が協働して熱分散を改善する。

Description

本発明は、熱分散機能を向上した静音セットトップボックスに関する。

［関連出願への相互参照］
本出願は、２０１０年５月１９日出願の米国仮出願第６１／３４６，０７３号と、２０１０年８月２日出願の米国仮出願第６１／４００，７６７号との優先権を主張するものであり、上記文献はここにその全体を参照援用する。
［背景技術］
セットトップボックスへの需要はいまだに大きく、小型化し、装置の美的アピール、性能、機能、及びロバストネス（robustness）などを向上する必要性はますます高まっている。このため、多くのセットトップボックスは、スマートカードリーダ、ハードディスクドライブ、その他の発熱要素を必要とする。

このようなセットトップボックスが直面する問題は、発熱によるダメージである。しかし、ノイズや大きな空間やフットプリントの必要性などの問題（complication）を生じない放熱手段が必要である。このため、放熱ファンは、セットトップボックスの電気的なロバストネス（robustness）を改善するが、好ましくない。ノイズが発生し、セットトップボックスのサイズが大きくなるためである。また、上部に通気口を有するセットトップボックスのデザインは、ファンを使って適切に放熱しない場合、驚くほど大きな自由空間を内部に必要とする（すなわち、外側ケースが大きくなる）。また、こうした上部通気型のシステムだと、液体をこぼした時にセットトップボックスが損傷する危険がある。

セットトップボックスに適切に放熱させ、さらに多くの電子コンポーネントを収納して、顧客の嗜好を満足させる必要性を考慮すると、放熱機能を改善した新しいセットトップボックスのデザインが必要である。

電子装置が提供される。該装置は、第１の通気口を有する第１の垂直外側壁と、第２の通気口を有する第２の垂直外側壁とを有するハウジングと、第１の熱源要素と第２の熱源要素とを有する回路基板と、第１の熱源要素と熱的接触している、回路基板の少なくとも３分の１を覆い、第１の垂直側壁に沿って延在する、起伏のあるヒートシンクと、第２の熱源要素と接触している、装置の２分の１のみにあり、第２の通気口と位置合わせされた、第２のヒートシンクとを有する。起伏のあるヒートシンクは、平坦な周辺部分と中央くぼみ部分とを有してもよい。平坦な周辺部分は中央くぼみ部分を完全に又は部分的に覆っており、中央くぼみ部分は第１の熱源要素に接触している。起伏のあるヒートシンクは、回路基板をほぼ覆い、第２のヒートシンクを完全に覆っていてもよい。第２のヒートシンクはフィン付きヒートシンクでもよい。第２のヒートシンクは、第２の平坦な周辺部分と第２の中央くぼみ部分とを有し、第２の平坦な周辺部分が少なくとも第２の中央くぼみ部分を囲み、第２の中央くぼみ部分が第２の熱源要素と接触した、起伏のあるヒートシンクであってもよい。第２のヒートシンクが起伏のあるヒートシンクであるとき、その起伏のあるヒートシンクは、回路基板の半分未満を覆い、第２のヒートシンクは、回路基板の３分の１より大きい部分を覆っていてもよい。本装置は、ベースとエンボスとを有するフレームを有し、ベースは回路基板の下にあり、エンボスは回路基板に接触し、支持するものであってもよい。フレームは、第１の垂直外側壁に沿った少なくとも第１の垂直側壁と、第２の垂直外側壁に沿った第２の垂直側壁とを有し、第１の垂直側壁は第１の通気口と位置合わせされた第１の内部通気口を有し、第２の垂直側壁は第２の通気口と位置合わせされた第２の内部通気口を有する。第２の熱源要素はスマートカードリーダであり、回路基板の下にあってもよい。回路基板は、第２の熱源要素の上に、かつ第２のヒートシンクの下に、回路基板又は熱パッドと接触する熱通過ビアホールを有してもよい。

添付した図面を参照して、例を挙げて本発明を説明する。
本発明の第１の実施形態による、アセンブルされたセットトップボックスを示す、セットトップボックスの前部を取り除いた断面図である。 本発明による主プリント回路基板の下側を示す斜視図である。 本発明による主プリント回路基板の上側を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態による主プリント回路基板に上部大型ヒートシンク（top broad heat sink）を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態による、アセンブルされたセットトップボックスを示す、セットトップボックスの前部を取り除いた断面図である。

本発明は、スマートカードリーダなどの熱的負荷を発生する電子アセンブリを、それが厳しい（hostile）熱的環境に置かれた時に冷却する装置に関する。厳しい熱的環境とは、例えば、小型で、フットプリントが小さいしゃれたデザインが望ましいデザイン基準であるセットトップボックスなどの、コンポーネントが密集した電子機器を適切に冷却するために換気が十分でない環境である。このようなセットトップボックスにおいて熱的負荷を分散する十分な冷却を行うことは、いかなる環境においても難しい問題である。

ここに開示する本発明の実施形態において、冷却問題が深刻になるが、それは、セットトップボックスに、ロープロファイル（low profile）のスマートカードリーダを含めることによりものである。スマートカードリーダは、自分で熱的負荷を発生し、セットトップボックス内部に配置された多層プリント回路基板（ＰＣＢ）の下側に取り付けられる。スマートカードリーダの熱的負荷の分散は、取り付け位置がセットトップボックスの底部であることにより、より一層困難となる。取り付け位置は、多層ＰＣＢの下であり、その多層ＰＣＢには他の電子コンポーネントが取り付けられており、それらが他の熱的負荷を発生する。また、セットトップボックスの上部から離れている。従来の考え方からすると、かかる位置にスマートカードリーダを配置することは、まったく直感に反したものである。しかし、かかる位置にスマートカードリーダを配置することにより、好ましくない通気口やファンを設けることなく、望ましいしゃれたデザインが実現できる。当業者には言うまでもないが、ほとんどでなくても多くの場合に、セットトップボックスにおいて通気口は避けられない。

ここで教示する発明の装置では、上記の好ましくない熱的環境において、スマートカードリーダなどの電子アセンブリを安全に配置できる。スマートカードリーダコンタクトは、スマートカードリーダの下部に配置され、プリント回路基板の下面に向けてスマートカードを押し上げる。カード面はプリント回路基板に直接接触しているので、好都合にも、スマートカードコンタクトの位置のボードには、パッチや、多数の銅メッキしたスルーホールビアが付加されている。ビアをメッキするため、他の熱伝導性の高い金属を使うことができる。好都合にも、熱伝導性パッドをビアのパッチに配置し、ヒートシンクをパッドに配置する。上部大型ヒートシンクはセットトップボックスの主集積回路を冷却する有効な方法であることが証明されているが、スマートカードリーダにより新たな熱的負荷が加わり、この熱的負荷は従来の上部大型ヒートシンクでは分散できない可能性がある。

スマートカードリーダにより生じる熱的負荷を分散する２つの実施形態を、ここで教示し、図面に示す。第１の実施形態では、好都合にも、フィン付き対流型ヒートシンク５８が、セットトップボックス１の外側カバー２８の外側サイド３４の通気口に、対流により熱を放散する。第１の実施形態を図１ないし図４を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態による、セットトップボックスの前部を取り除いた、アセンブル形体のセットトップボックス１の内部を示す図である。図１は、上部大型ヒートシンク１０を示す。これは内部コンポーネントである。上部大型ヒートシンク１０は、概して平坦な周辺部１２と、その面から及び／又はその面に延在するポケット、中央くぼみ、ノッチ、穴、マルチレベルのくぼみ、メサなどの起伏のある中央部分（central feature）とを有する、起伏のあるプレートである。中央部（central
feature）すなわち中央くぼみ１１は、平坦な周辺部から延在する側壁を有し、それと鈍角をなす。起伏のある部分は、その下の主プリント回路基板１３上の主集積回路及び／又は発熱コンポーネント１７に接触するように設計された平坦な底部を有する。

図１には、さらに、主プリント回路基板１３などが示されている。主プリント回路基板１３は概して平坦である。主プリント回路基板１３は、中央領域に主集積回路１７などを有し、フレームパン１８に取り付ける及び／又は固定する穴を有する。主集積回路とその他の発熱又は高温コンポーネント１７は、上部大型ヒートシンクの中央くぼみ１１の平坦な底部その他の部分に接触する。上部大型ヒートシンクは、パッドなどの熱的ジョイント２７により、他の発熱又は高温コンポーネントと熱的に接触していてもよい。主プリント回路基板１３は、それの穴またはコンタクトポイントにより、ネジ、ボルト、又はハンダパッドジョイント４３を用いて、フレームパン１８のエンボス部２０に、取り付け及び／又は固定されている。このコンタクトは、熱的コンタクトであってもよい。

図２は、主プリント回路基板１３などの下側を示す斜視図である。主プリント回路基板１３は、中央領域に、主プリント回路基板１３をフレームパン１８に取り付け及び／又は固定するための穴とそれに関連するピン１６を有する。主プリント回路基板のその他の部分を図に示したが、これには一端のジャックパネルコネクタ１５と、他端のボタンクラスタ１４とを含む。これらの端部は対向する端部であってもよい。図２には、スマートカードリーダ６１を主プリント回路基板１３にどう配置するかを示した。

図３は、フレーム１８と接触した主プリント回路基板１３などの上側を示す他の斜視図である。図３は、主プリント回路基板１３は、中央領域に主集積回路１７その他の発熱コンポーネント１７を有し、主プリント回路基板１３をフレームパン１８に取り付ける及び／又は固定する穴およびそれに関連するピン１６を有する。また、フィン付き対流型ヒートシンク５８を示す。

図３に示した例では、フィン付き対流型ヒートシンク５８は、２４個のフィンからなり、平坦部分がｘ軸（すなわち、セットトップボックスの全面に並行な長軸）方向に沿って４列の平坦な等間隔のフィンがあり、ｙ軸（すなわち、セットトップボックスの側面に並行な短軸）方向に沿って６行の等間隔のフィンがある。フィン付き対流型ヒートシンク５８は、ｘ軸方向の長さが１７．７８ｍｍであり、ｙ軸方向の長さが１０．１８ｍｍであり、高さが１０．１１ｍｍである。寸法を、上記の寸法の２０％内外にできると効果的である。フィン間のギャップはＵ字状またはＶ字状であり、ギャップの深さはフィン付き対流型ヒートシンク５８の高さの半分より大きい。

図４は、主プリント回路基板１３上の上部大型ヒートシンク１０を示す斜視図である。ここで、上部大型ヒートシンク１０は主プリント回路基板１３をほぼ覆っていることがわかる。

スマートカードリーダ６１について、図１はさらに、スマートカードリーダ６１が主プリント回路基板１３及びその直下といかに接触するかを示す。スマートカードリーダ６１は、図によると、外側サイド３４の１つのスマートカード入口ポート６３を通してスマートカードリーダ６１に挿入されたスマートカードを有する。スマートカードリーダ６１は、図示によると、少なくとも１つの熱パッドジョイント６２と接触している。熱パッドジョイント６２は、スマートカードリーダ６１により生じた熱を、フィン付き対流型ヒートシンク５８に伝導する。フィン付き対流型ヒートシンク５８は、主プリント回路基板１３と接触しており、そのすぐ上に配置されている。ここで、熱ビアホール６５は、図示によると、主プリント回路基板１３にあり、スマートカードリーダ６１からの熱をフィン付き対流型ヒートシンク５８に伝導させる。熱ビアホール６５は銅メッキでもよく、熱ビアホールは、スマートカードリーダ６１の周辺に沿って、及びその上にあり、スマートカードリーダ６１上に一様に分布して、スマートカードリーダ６１からの熱伝導を最適化している。ビアホールの全平面図面積が、フィン付き対流型ヒートシンク５８または第２のヒートシンクが、回路基板または熱パッドジョイントに接触するビアホール領域の平面図面積を、その半分だけ越えていると都合がよい。ビアは、垂直壁を有し、アスペクト比、すなわちビアホールの幅または直径の高さに対する比が０．５ないし１０であってもよい。

また、図１のセットトップボックスは、外側カバー２８を有し、その外側カバー２８は上部壁３１、下部壁３２、及び複数の外側サイド３４を含む。下部壁３２の外側にはラバーフィート３３が含まれる。これは少なくとも高さが６ｍｍであり、セットトップボックスの下に適切な空気の流入を確保し、熱管理を改善する。

図１は、外側サイド３４の１つの少なくとも１つの隣接通気口５９を示している。これはフィン付き対流型ヒートシンク５８の近くに配置されている。隣接通気口５９が、垂直な外側サイド３４の１つのフィン付き対流型ヒートシンク５８に最も近いところに配置されることが好ましい。少なくとも１つの一般通気口（general vent）６０が示されているが、これは他の外側サイド３４にあってもよい。一般通気口６０は、熱の分散をさらに支援する。また、フレームパン１８は側壁２３を有し、側壁２３には補間通気口６６がある。補間通気口６６は外側サイド３４の通気口と位置合わせされている。外側サイドの通気口を、上部大型ヒートシンク１０とフィン付き対流型ヒートシンク５８と組み合わせることにより、上部壁３１に通気口を設ける必要性が無くなる、又は無くすことができる。

図１はさらに、次のものが示されている：フレームパン１８の側壁２３と外側カバー２８の外側サイド３４との間の外側ギャップ４１；上部大型ヒートシンク１２の平坦な周辺部１２の端とフレームパン１８の側壁２３との間の内側ギャップ４０；外側カバー２８の外側壁３２とフレームパン１８のベース２２との間の下部ギャップ４２；外側カバー２８の上部壁３１と上部大型ヒートシンク１０の平坦な周辺部１２との間の上部ギャップ４４。底部ギャップ４２と上部ギャップ４４は、外側カバー２８が過熱するのを防ぐ。

カード面はプリント回路基板に直接接触しているので、好都合にも、スマートカードコンタクトの位置のボードには、パッチや、多数の銅メッキしたスルーホールビアが付加されている。好都合にも、熱伝導性パッドをビア６２のパッチに配置し、ヒートシンクをパッドに配置する。上部大型ヒートシンクはセットトップボックスの主集積回路を冷却する有効な方法であることが証明されているが、スマートカードリーダにより新たな熱的負荷が加わり、この熱的負荷は従来の上部大型ヒートシンクでは分散できない。しかし、フィン付き対流型ヒートシンクと隣接通気口によりセットトップボックスの熱管理が改善される。

第２の実施形態では、上部大型放射型ヒートシンクが、前の実施形態では一体のヒートシンクとして実施されていたが、好都合にも、２つの部分又は２つの別々のヒートシンクに分離または分割されている。２つの部分の一方は、セットトップボックスの主集積回路と熱的に接触している。２つの部分の他方は、ビアのパッチ又はエリアによりスマートカードと熱的に接触している。第２の実施形態は図５を参照すれば分かるであろう。

図５は、第２の実施形態による、セットトップボックスの前部を取り除いた、アセンブル形体のセットトップボックス１の内部を示す図である。図５は、第１の上部大型ヒートシンク１０ａを示す。これは内部コンポーネントである。上部大型ヒートシンク１０ａは、概して平坦な周辺部１２ａと、その面から及び／又はその面に延在するポケット、中央くぼみ、ノッチ、穴、マルチレベルのくぼみ、メサなどの起伏のある中央部分（central feature）とを有する、起伏のあるプレートである。平坦な周辺部１２ａは、好ましくは中央くぼみ１１ａの一部のみを囲んでいる。ここで、平坦な周辺部１２ａは、中央くぼみ１１ａの三方を囲んでいる。中央部（central feature）すなわち中央くぼみ１１ａは、平坦な周辺部から延在する側壁を有し、それと鈍角をなす。起伏のある部分は、その下の主プリント回路基板１３上の主集積回路及び／又は発熱コンポーネント１７に接触するように設計された平坦な底部を有する。

図５は、また、第２の上部大型ヒートシンク１０ｂを示す。これは内部コンポーネントである。上部大型ヒートシンク１０ｂは、概して平坦な周辺部１２ｂと、その面から及び／又はその面に延在するポケット、中央くぼみ、ノッチ、穴、マルチレベルのくぼみ、メサなどの起伏のある中央部分（central feature）とを有する、起伏のあるプレートである。平坦な周辺部１２ｂは、好ましくは中央くぼみ１１ｂの一部のみを囲んでいる。この実施形態では、平坦な周辺部１２ｂは中央くぼみ１１ｂの三方を囲んでいる。中央部（central feature）すなわち中央くぼみ１１ｂは、平坦な周辺部から延在する側壁を有し、それと鈍角をなす。起伏のある部分には、スマートカードリーダ６１が配置される領域で、主プリント回路基板１３と接触するようにデザインされた平坦な底部がある。スマートカードリーダ６１は、図示によると、少なくとも１つの熱パッドジョイント６２と接触している。熱パッドジョイント６２は、スマートカードリーダ６１により生じた熱を、第２の上部大型ヒートシンク１０ｂに伝導する。第２の上部大型ヒートシンク１０ｂは、主プリント回路基板１３と接触しており、そのすぐ上に配置されている。ここで、熱透過型ビアホール６５は、主プリント回路基板１３にあり、スマートカードリーダ６１からの熱を第２の上部大型ヒートシンク１０ｂに伝導させる。熱ビアホール６５は銅メッキでもよく、熱ビアホールは、スマートカードリーダ６１の周辺に沿って、及びその上にあり、スマートカードリーダ６１上に一様に分布して、スマートカードリーダ６１からの熱伝導を最適化している。この実施形態では、ビアの特性および寸法は、第１の実施形態と同じであってもよい。

第２の実施形態では、主プリント回路基板１３、フレームパン１８、及び外側カバー２８は、概して本発明の第１の実施形態と同じである。フレームパン１８は補完的通気口６６を有し、これは外側サイド３４の通気口６０と位置合わせされる。平坦な周辺部１２ａ、１２ｂの端は、外側サイド３４に沿っている。

言うまでもなく、特許請求に係わる発明の実施例では、具体的にセットトップボックスと回路基板を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明は、発熱コンポーネントを有するコンピュータその他の電子装置に適用できる。さらに、本発明は、回路基板以外の発熱する電子部品にも適用できる。

本発明は、図示した構成や手段に限定されない。このように、本発明は、例えばハードディスクドライブ、スマートカードリーダ、集積回路、及び発光ボタンに使える光源などの熱源要素に適用することを意図したものである。さらに、ヒートシンクが熱源要素に接触していると言うとき、これは直接的接触による場合と、ビアホール及び／又は熱的パッドや熱的ジョイントなどの中間コンポーネントを通して接触していることを意味する。また、「通気口」とは、１つの通気用開口部又は複数の局在化された通気用開口部を意味する；「ほぼ覆っている」とは、ある構造物の表面を完全に覆っている、又はその９０％を覆っていることを意味する；「平坦な周辺部分」とは、その部分が完全に平坦であるか、又は概して平坦な部分を含むが、高くなっている部分やグルーブがあってもよいことを意味する。これは、構造的完全性を加えるために必要となり、又はセットトップボックスにコンポーネントを収容するために必要となる。

Claims (15)

1. セットトップボックスであって、
   第１の通気口を有する第１の垂直外側壁と、第２の通気口を有する第２の垂直外側壁とを有するハウジングと、
   第１の熱源要素と第２の熱源要素とを有する回路基板と、
   前記第１の熱源要素と熱的に係合している、前記回路基板の少なくとも３分の１を覆い、前記第１の垂直側壁に沿って延在する、起伏のあるヒートシンクと、
   前記第２の熱源要素と接触している、前記セットトップボックスの２分の１のみにあり、前記第２の通気口と位置合わせされた、第２のヒートシンクとを有する、セットトップボックス。
2. 前記起伏のあるヒートシンクは、平坦な周辺部分と中央くぼみ部分とを有し、
   前記平坦な周辺部分は前記中央くぼみ部分の少なくとも一部を囲み、
   前記中央くぼみ部分は前記第１の熱源要素に接触している、
   請求項１に記載のセットトップボックス。
3. ベースとエンボスとを有するフレームを有し、前記ベースは前記回路基板の下にあり、前記エンボスは前記回路基板に接触し、支持する、
   請求項１に記載のセットトップボックス。
4. 前記フレームは、前記第１の垂直外側壁に沿った少なくとも第１の垂直側壁と、前記第２の垂直外側壁に沿った第２の垂直側壁とを有し、
   前記第１の垂直側壁は前記第１の通気口と位置合わせされた第１の内部通気口を有し、前記第２の垂直側壁は前記第２の通気口と位置合わせされた第２の内部通気口を有する、
   請求項３に記載のセットトップボックス。
5. 前記起伏のあるヒートシンクは、前記中央くぼみ部分を完全に囲んでいる平坦な周辺部分を有し、
   前記起伏のあるヒートシンクは、前記回路基板をほぼ覆い、前記第２のヒートシンクを完全に覆っている、
   請求項２に記載のセットトップボックス。
6. 前記第２のヒートシンクはフィン付きヒートシンクである、
   請求項５に記載のセットトップボックス。
7. 前記起伏のあるヒートシンクは、前記回路基板をほぼ覆い、前記第２のヒートシンクを完全に覆っている、
   請求項４に記載のセットトップボックス。
8. 前記第２のヒートシンクはフィン付きヒートシンクである、
   請求項７に記載のセットトップボックス。
9. 前記起伏のあるヒートシンクは、中央くぼみ部分を完全に覆っている平坦な周辺部分を有し、
   前記起伏のあるヒートシンクは、前記回路基板をほぼ覆い、前記第２のヒートシンクを完全に覆い、
   前記中央くぼみ部分は前記第１の熱源要素に接触している、
   請求項４に記載のセットトップボックス。
10. 前記第２のヒートシンクはフィン付きヒートシンクである、
    請求項９に記載のセットトップボックス。
11. 前記第２のヒートシンクは、第２の平坦な周辺部分と第２の中央くぼみ部分とを有し、
    前記第２の平坦な周辺部分は前記第２の中央くぼみ部分の少なくとも一部を囲み、
    前記第２の中央くぼみ部分は前記第２の熱源要素に接触している、
    請求項２に記載のセットトップボックス。
12. 前記起伏のあるヒートシンクは、前記回路基板の半分未満を覆い、前記第２のヒートシンクは、前記回路基板の３分の１より大きい部分を覆っている、
    請求項１１に記載のセットトップボックス。
13. ベースとエンボスとを有するフレームを有し、
    前記ベースは前記回路基板の下にあり、前記エンボスは前記回路基板に接触し、支持し、
    前記フレームは、前記第１の垂直外側壁に沿った少なくとも第１の垂直側壁と、前記第２の垂直外側壁に沿った第２の垂直側壁とを有し、
    前記第１の垂直側壁は前記第１の通気口と位置合わせされた第１の内部通気口を有し、前記第２の垂直側壁は前記第２の通気口と位置合わせされた第２の内部通気口を有する、
    請求項１２に記載のセットトップボックス。
14. 前記第２の熱源要素は前記回路基板の下にあり、前記回路基板は前記第２の熱源要素の上に、かつ前記第２の中央くぼみ部分の下に熱通過ビアホールを有し、それにより前記第２の熱源要素により発生された熱が前記熱通過ビアホールを通して前記第２のヒートシンクに伝達される、
    請求項１３に記載のセットトップボックス。
15. 前記第２の熱源要素は前記回路基板の下にあり、前記回路基板は前記第２の熱源要素の上に、かつ前記第２の中央くぼみ部分の下に熱通過ビアホールを有し、それにより前記第２の熱源要素により発生された熱が前記熱通過ビアホールを通して前記第２のヒートシンクに伝達される、
    請求項１０に記載のセットトップボックス。

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