JP2015511396A - 動的実装システム - Google Patents

Abstract

【構成】第１物体を第２物体に結合する動的実装システムであり、ねじを刻設した部材を第２物体のねじを刻設した受け取り部材に所定の深さで取り付け、偏奇状態にある圧縮部材によって所定の締め付け力を発生し、第１物体を第２物体に保持する。第１物体は、回路基板などの第２物体に実装されたプロセッサなどの熱を発生する構成成分と連絡するヒートシンクであればよい。ねじを刻設した部材のねじ山が受け取り部材のねじ山を越えるまでこのねじを刻設した部材を進めると、所定の深さに達する。ねじを刻設した部材の所定の深さが圧縮部材に偏奇作用を与えて、所定の温度範囲において第１物体と第２物体との間に締め付け力を維持する。【選択図】図１

Description

関連出願に関する相互参照

本特許出願は、２０１２年１月２０日に出願され、“動的実装システム”を発明の名称とする仮特許出願第６１/５８８，７１６号の非仮出願の優先権を主張する出願である。

本発明は、締め付け力を予測可能にする動的実装システムに関する。具体的には、本発明はヒートシンクを回路基板に実装するシステムに関する。

ある物体を他の物体に実装する場合、これら物体間の寸法変化（dimensional changes）または寸法移動を許容するという意味において動的ないし調整可能であること（dynamic）であることが必要なことが多い。これら変化については、ばね等の偏奇部材（biasing member）によって対処することが多い。動的実装システムが必要な一つの具体的な用途は、熱および振動に対処しなければならない電子機器分野である。電子機器分野内では、取り付け対象の素子のコストが高いため、ヒートシンク、電子構成成分および回路基板の実装が特に重要である。

取り付けねじ（ｃａｐｔｉｖｅ ｓｃｒｅｗ）を使用して、マイクロチップなどの電子構成成分をヒートシンクと回路基板との間に保持した状態で、ヒートシンクを回路基板に実装することは公知である。マイクロチップなどの電子構成成分の性質の理由から、マイクロチップが発生する熱は、電子構成成分およびヒートシンクが膨張するほど高温になる傾向がある。電子機器の分野においてヒートシンクを対象として動的実装システムを実現するために提案されている解決策には、偏奇作用をかけた状態で回路基板に取り付けることによってほぼ一定の締め付け荷重をマイクロチップに加える動的実装システムがある。このような解決策は、例えば“浮動式取り付けねじ”を発明の名称とするＵＳ特許公開第２００８/００５６８４４号公報において提案されている。この公報には、回路基板のナットにねじ係合する偏奇作用を加えた取り付けねじ部材のねじ込み深さを制限することが開示されている。このねじ込み深さは、ねじのナット上面への接触時に、ねじに当接するフランジによって制御し、ねじがさらにねじ込まれることを確実に止める。この構成の大きな問題は、ねじがナットに確実に係合するため、ねじの過剰な締め付けによってコストの高い電子構成成分が損傷する恐れがあることである。

従って、ねじなどの取り付け要素の過剰な締め付けがなく、コストのかかる損傷がないヒートシンクの回路基板への動的実装システムが必要とされている。さらに、コンパクトかつ製造コストの低いこのような実装システムが必要とされている。

ＵＳ特許公開第２００８/００５６８４４号公報 ＵＳＰ５，２５６，０１９

上記の必要性を満足するために、本発明の装置および対応する方法は、第１物体を第２物体に動的に実装するねじ込み深さ設定システムであって、このために、ねじを刻設（threaded）した部材を第２物体のねじを刻設した受け取り部材に所定の深さまで結合して、偏奇作用をかけた（biased）圧縮部材が所定の締め付け力を作用させ、第１物体を第２物体に保持するシステムを提供するものである。例示的な実施例では、この第１物体は、第２物体（例えば回路基板など）の熱を発生する構成成分（例えばプロセッサなど）と熱的に連絡するヒートシンクであればよい。上記所定のねじ込み深さは、ねじを刻設した部材（threaded member）のねじが上記受け取り部材に刻設したねじを超えるまでねじを刻設した部材をねじ込むことによって得ることができる。ねじを刻設した部材の所定のねじ込み深さによって、圧縮部材が所定の温度範囲にわたって所望の範囲内において第１物体と第２物体との間の締め付け力を維持する。

本発明については、各種の実施態様が可能であり、いずれも一つかそれ以上の作用効果を発揮する。例えば、一部の実施態様は、ヒートシンクを備えた回路基板に取り付けられたマイクロプロセッサを冷却する効果を示す。また別な一部の実施態様は、所定の締め付け力で第２物体に第１物体を接触保持した状態で、第２物体に対して第１物体が熱膨張/熱収縮することを可能にする。組み立て作業性を改善するために、一部の実施態様では、ねじ/バネをヒートシンクに取り付け、構成成分が失われたり位置がずれたりすることを防止することによって組み立て作業時間を短縮することができる。また、一部の実施態様では、第２物体に加えられた過剰な実装圧力を理由として半田接合、構成成分あるいは第１物体の割れを抑制あるいは実質的に防止することができる。他の実施態様では、偏奇作用のバネによって落下試験などの機械的試験時の許容度を確保し、回路基板および構成成分の損傷を防止することができる。さらに別な実施態様では、ヒートシンクが実質的に安定な（例えば、所定範囲内の）締め付け力を回路基板要素に加えるため、回路基板要素の過熱がなく、また早期の故障もない。

一部の実施態様では、第１物体を第２物体に実装するさいに、例えばある種のツールをねじ部材に使用することができる。なお、このツールはトルク制御を実質的に行わないため、第１物体と第２物体との間に発生する締め付け力を設定することができる。他の実施態様では、偏奇作用をかけた圧縮バネと共に軸全体にねじ刻設したねじ部材および/又はナットは、締め付け力を設定することができる。他の実施態様では、物体組み立て作業時にねじ部材の過剰締め付け、あるいは過小締め付けを原因として発生する誤差を抑制、あるいは実質的になくすことができる。さらに別な実施態様では、２つの物体間にバラツキのない締め付け力を加える取り付けバネは、両物体の接続後所定の作業範囲内で圧縮/膨張の両者が可能になる。

本発明の実施態様を添付図面に即して詳細に説明する。他の特徴および作用効果については、以下の説明および添付図面から明らかになるはずである。図面中の同じ符号は同じ要素を示す。

本発明に係る非接続状態にある例示的な実装システムを示す部分断面正面図である。 接続状態にある図１の例示的な実装システムを示す図１と同様な図である。 例示的なねじを示す側面図である。 例示的なねじヘッドを示す上面図である。 例示的な貫通孔ナットを示す上部左斜視面である。 例示的な貫通孔ナットを示す側面図である。 例示的な貫通孔ナットを示す横断面図である。

理解を容易にするため、本明細書を以下のように構成する。まず、図１および図２に例示的なヒートシンク実装システムを使用するための例示的な組み立てプロセスおよび貫通孔を形成したナット（貫通孔ナット）を使用して完成した構成を示す。次に、図３および図４に例示的なねじを示す。そして最後に、図５〜図７に例示的な貫通孔ナットを示す。

まず図３および図４に触れると、図示のものは例示的なねじである。図３において、ねじはヘッド部１５、ショルダー部１７、カラー部１９、およびねじ山部分２３およびねじ山のない部分２２を有する長いシャンク部２１を有する。ねじ山部分およびシャンク部の長さは、図示のように、相互に対して可変構成にすることができる。偏奇作用部材（例えばバネ）の目的の保持構造に応じて、そしてナットおよび回路基板に取り付ける前にねじおよびバネをヒートシンクに取り付けることが望ましいかどうかに応じて、ショルダー部および/またはカラー部を省略することは可能であり、あるいは相対的な大きさを加減することも可能である。また、ショルダー部の直径をテーパー加工し、バネの内径に干渉するようにすると、取り扱い時およびヒートシンクへの取り付け前の保持に役立つ。ヘッド直径については、バネを保持するために、バネの直径よりも大きく設定する。図４は、ヘッド１５およびツールを受け取る部分１６を備えたバネ１３の例示的なバネヘッドを示す上面図である。既述のように、ヘッド１５の形状およびツールを受け取る部分のタイプには各種のものがある。

ここで図１について説明すると、本発明はねじをヒートシンクに直接軸方向に取り付けるため、スリーブを利用する必要がなく、組み立て作業に必要な部品数を減らすことができる。ヒートシンク１１およびねじ１３の取り付けの詳細については、Ｐｅｎｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｒｐ．に譲渡され、“ウオッシャーの必要ない自己取り付けねじ”を発明の名称とするＵＳＰ５，２５６，０１９に説明があり、この公報の記載全体を本明細書に援用する。この方法によれば、ねじを強制的にヒートシンクに作用させている間、ヒートシンクの材料が変形し、ねじのシャンク部の周りに置いて内向きにプレスされる。なお、ねじをヒートシンクに取り付けるために、従来公知なスリーブまたは保持部材を使用できることはいうまでもない。

図１に接続されていない状態の例示的な実装システムを示し、そして図２に接続されている状態の例示的な実装システムを示す。図１において、このシステムはヘッド部１５、ショルダー部１７、カラー部１９、シャンク部２１およびねじ山部２３を形成した図３のねじ１３を有する。ヘッド部１５の直径はショルダー部、カラー部またはシャンク部よりも大きい。ショルダー部１７はバネ２５を受け取るために内向き径方向にテーパー加工しているため、バネ２５がショルダー部１７に容易に受け取られ、かつ固定され、従ってバネ２５はねじ１３に対する横方向の動きについては制限されるが、軸方向には動くことができる。バネ２５としては、圧縮バネが好ましい。図示のヒートシンク１１は、例えば放熱のためのフィンを備え、また回路基板２７は放熱に必要な回路要素２９を有する。回路基板２７には、ねじ１３に整合して、上部開口３３、下部開口３５、および上部開口または下部開口の少なくとも一つから延在する雌ねじ３７を有する貫通孔ナット３１を取り付ける。図１において、ナット３７の雌ねじは上部開口３３からナット３１を通って延在する。この場合、軸孔は座抉り的に拡大するため、ねじ山部２３が上部開口から延在する雌ねじにねじ込まれた後は、ねじのねじ山部２３が下部開口３５を自由に通過することができる。この実施態様では、ブローチタイプの固定具構造体を使用して貫通孔ナット３１を回路基板２７に取り付ける。

図２に、ねじ体を図１に示すヒートシンクに強制的に取り付けた結果を示す。なお、この場合、ねじのカラー部が受け取り孔を中心にしてヒートシンクの材料を変形させるため、一部の材料がねじのシャンク部の狭い、ねじ山のない部分を中心にして内向きの力を作用させる。このため、ねじ/バネ体がヒートシンクに滑り作用によって取り付けられる。ねじが回転し、ねじのねじ山部分２３がナット３７の雌ねじにねじ込まれ、これを通りすぎて座抉り部分内に達すると、ナットの雌ねじの最後に軸方向に当接するねじ山部分の上部によってねじ１３の上向きの動きが制限される。ねじの下向きの動きも、バネ２５によってねじのヘッド部にかかる上向き偏奇力（ｂｉａｓ ｆｏｒｃｅｓ）によって制限される。従って、ナット内の雌ねじの軸方向長さおよび/またはねじのシャンク部にそって存在するねじ山部分の軸方向位置によってナットおよび回路基板に対するねじの深さを制御することが可能になる。

図２に示すように、ねじ１３は回転して下向きに進み、ナットの雌ねじにねじ込まれ、これを通り過ぎるため、ねじ山部分２３が雌ねじから抜け出ると、バネ２５は完全に圧縮されていないため、動的に膨張/収縮でき、従って回路要素２９の熱サイクル時に各構成成分が安全に収縮/膨張することが可能になる。さらに、ナットの雌ねじの軸方向位置および長さ、およびねじのねじ山部分の軸方向位置および長さを設定することによって、ねじの過剰締め付きが生じない点で、ばねおよび締め付け荷重の結果として生じる圧縮にバラツキが出ることはない。これは、ねじの過剰回転の結果、ねじが自由に回転する場合に大きな作用効果を発揮し、過剰なトルクの作用によってねじまたは上記ツールが損傷する恐れがなくなる。

動作時、回路要素２９がヒートシンクに放熱する間、ヒートシンク１１および回路要素が膨張することがある。ヒートシンクが膨張すると、バネ２５が強制的に同じ量収縮するため、ヒートシンクによって回路要素にかかる力および圧力が実質的に一定になる傾向がある。同様に、ヒートシンクが冷却によって収縮すると、バネ２５が強制的に膨張するため、ヒートシンク１１によって回路要素２９にかかる力および圧力が実質的に一定になる傾向がある一方で、ヒートシンクと回路基板との間の間隙が変動する傾向が出てくる。

図５に、図１および図２において使用した例示的な貫通孔ナットの上部斜視図を示す。また、図６および図７に、この例示的な貫通孔ナットの側面図および横断面図を示す。貫通孔ナット３１は上部と下部をもつ。この上部は雌ねじ３７を有し、そして下部は外部にブローチタイプの固定具要素３２を有し、内部に座抉り部３４を有する。上部を介して雌ねじ３７に達する上部開口３３は、下から座抉り部に達する下部開口３５よりも直径が小さい。また、座抉り部は全体として雌ねじよりも直径が大きく、ねじのねじ山部分が上部の雌ねじ３７にねじ込まれ、これを通りすぎると、ねじのねじ山部分が座抉り部に自由に着座することになる。ナットのフランジ３８の下面３６が下部に張り出すため、この上部がフランジ３８の上面および下面両者への表面実装に好適なものになる。貫通孔ナットを図示したが、上述のように適正に構成したブラインドナットも使用可能である。

添付図面を参照していくつかの実態態様を説明してきたが、他の実施態様も可能である。例えば、一部の実施態様では保持スリーブを使用して、ねじをヒートシンクに対して軸方向にねじ込むことが可能である。他の実施態様では、ねじとヒートシンクとは、回路基板から離間しこれに向かうねじの長手軸線に対して平行な方向に一つの構成成分として移動するようにしてもよい。いずれの場合も、バネがねじおよびヒートシンクに力を作用させて、ヒートシンクの回路基板要素との接触を確保維持し、回路基板要素を冷却し、過熱を防止する。このバネによってねじおよびヒートシンクが移動し、回路基板要素からヒートシンクへの放熱時に生じる熱サイクルによってヒートシンクが膨張/収縮することが可能になる。

ねじはバラツキのない方法でナットに取り付けることができる。ナットおよび/またはねじが、貫通孔ナット内のボアの深さの設定だけでなく、貫通孔ナット内のねじのねじ山の位置および数の設定を含む深さ設定作用を発揮するからである。また、ねじは、ねじに作用するトルク量に関係なく、バラツキのない深さに取り付けることができる。これは、ねじが雌ねじの利用できる個数を使い尽くす前に、一定の深さにナットに係合するからである。

また、ナットは各種の方法で回路基板に取り付けることができる。一つの実施例では、例えば接着剤層または半田層を設層することなどによってナットを回路基板の上面に取り付けると、ナットを回路基板に固定することができる。別な実施例では、例えば回路基板の底面を受け取るナットの上面にそって接着剤層を設層することなどによってナットを回路基板の底面に取り付けることができる。底面に取り付けるさいには、ナットの雌ねじが、ねじのねじ山部分を受け取る回路基板に延在する孔に整合しているのが重要である。さらに別な実施例では、例えばねじ、ボルト、クリップまたは半田などの一つかそれ以上の固定具によって上面または底面にナットを取り付けることができる。

ブローチタイプの固定具の代わりに、ナットおよび/またはねじの外周を取り囲むか、あるいは形成する雄ねじまたはその他のタイプの固定具要素を使用することも可能である。回路基板内でナットを上部側または底部側からブローチ加工することも可能である。回路基板および/またはヒートシンク内の孔をミル加工すると、孔の表面を平滑化/均一化でき、あるいは孔にねじ山または凸部を形成することができる。

一部の実施例では、偏奇作用部材としてねじ部材のヘッドと第１物体との間に結合したバネを使用することができる。このバネの場合、ヒートシンクに偏奇作用を与えてこれをねじから離間することが可能になる。別な実施例では、ゴムやエラスティック（elastic）などの弾性化合物を使用して、ねじがヒートシンクに対して偏奇作用を与えるようにする。バネの締め付け強度または圧縮強度は、回路基板要素に過剰な力を作用させることなく、また各種の構成成分の選択によって回路基板要素との接触を失うことなくヒートシンクが膨張/収縮できるように設定すればよい。バネが与える圧縮または力の度合いについても必要に応じて調整することができる。

ヒートシンクおよび取り付けられたねじも回路基板以外の各種素子に取り付けることが可能であり、例えばモータなどの他の素子からの放熱に使用することができる。別な実施例では、ヒートシンクおよび取り付けられたねじはナットに取り付けることができるか、あるいはナットを介して抵抗加熱素子、あるいは摩擦によって熱が発生する素子に接続することができる。なお、この場合、ヒートシンクを介して放熱を行う必要がある。ヒートシンクは、例えばアルミや他の金属などの各種材料から構成することが可能である。

一部の実施例では、ねじおよびバネはヒートシンク以外の物体に取り付けることが可能である。他の実施例では、ねじおよびばねは予測可能で、しかもバラツキのない締め付け力で第１物体を第２物体に取り付けるために使用することが可能である。なお、この場合、第１物体はヒートシンク以外の物体であり、および/または第２物体は回路基板以外の物体である。また、他の実施例では、ねじおよびバネは第１物体を第２物体に取り付ける前に、第１物体またはヒートシンクに取り付けることはできない。

本発明の動的実装システムを使用すれば、上記以外の物体を取り付けることができる。例えば、回路基板に金属シールドを実装すると、この動的実装システムにより所望範囲の締め付け力を確保でき、金属シールドを回路基板に確実に取り付けることができる。このシールドは、電磁シールド作用などを確保するものである。別な実施例では、動的な実装システムは所望範囲の締め付け力を維持し、サイズの大きい構成成分（例えばインダクタ、トランス、キャパシターなど）を所定範囲の衝撃、そして振動および/または熱サイクルにわたって回路基板に固定することができる。

いくつかの実施態様を記載してきたが、これらは各種の変更を加えることができる。例えば、説明してきたステップの順序を変えても、あるいは説明してきたシステムの構成成分を異なる形で組み合わせても、あるいはこれら構成成分に他の成分を追加しても、同様な作用効果を実現することができる。従って、このような実施態様も本発明に包含されるものである。

以上、前記の説明は本発明の原理を例示するものに過ぎない。また、当業者ならば数多くの変更、修正を実施することが可能な以上、本発明は図示し、以上説明してきた正確な構成および操作に制限されるものではなく、好ましい変更、等価構成はいずれも本発明の範囲に包含されるものである。

１１：ヒートシンク
１３：ねじ
１５：ヘッド部
１７：ショルダー部
１９：カラー部
２１：シャンク部
２２：ねじ山のない部分
２３：ねじ山
２５：バネ
２７：回路基板
２９：回路要素
３１：貫通孔ナット
３３：上部開口
３５：下部開口
３７：雌ねじ

Claims (12)

1. 一つの物体を他の物体に取り付ける動的実装システムにおいて、
   第１物体および第２物体；
   上端にヘッド部を有し、そしてこのヘッド部から下向きに延在するねじ山のない部分および底部に前記のねじ山のない部分よりも直径が大きいねじ山部分を有する回転可能なねじ；
   前記第２物体に強く固定される雌ねじ；および
   前記ねじと前記第１物体との間に作用する偏奇作用圧縮部材からなり、
   前記ねじが、ねじ係合により回転可能に移動でき、かつ所定の最大深さまで移動できるナットによって受け取られ、前記の最大深さにおいて前記ねじのねじ山が前記ナットのねじ山を越えて延在し、これとの係合から外れることを特徴とする動的実装システム。
   
2. 前記第１物体と第２物体との間に設けられた構成成分に所定の締め付け荷重が作用するように前記要素を選択する請求項１に記載の動的実装システム。
   
3. 前記第１物体がヒートシンクである請求項２に記載の動的実装システム。
   
4. 前記第２物体が回路基板である請求項２に記載の動的実装システム。
   
5. 前記圧縮偏奇作用部材が前記ねじのシャンク部を取り囲み、かつ前記ねじのヘッド部に作用するコイルバネである請求項１に記載の動的実装システム。
   
6. 前記バネの一端が前記ヒートシンクに直接かかる請求項５に記載の動的実装システム。
   
7. 前記ねじが前記ヘッド部に隣接するショルダー部、およびこのショルダー部の直下に設けられるカラー部を有する請求項１に記載の動的実装システム。
   
8. 前記ねじを前記ヒートシンクに強制的に取り付けている間、前記カラー部による前記ヒートシンクの変形によって前記ねじを軸方向において前記ヒートシンクに直接取り付ける請求項７に記載の動的実装システム。
   
9. 前記ナットが貫通孔ナットである請求項１に記載の動的実装システム。
   
10. 前記ナットの底部が、直径が前記ねじ山よりも大きい座抉り部を有する請求項１に記載の動的実装システム。
    
11. 前記ナットがブラインドナットである請求項１に記載の動的実装システム。
    
12. 前記ねじが前記第１物体および第２物体の整合した開口を通る請求項１に記載の動的実装システム。

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