JP2019175982A - 電子回路装置及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】放熱用のヒートシンク及びキャパシタ以外の部品の配置の自由度が低下することを抑制した電子回路装置を得ること。【解決手段】電子回路装置２００は、電子部品である半導体集積回路３が実装されたプリント基板１と、半導体集積回路３と熱的に接続され、プリント基板１の第１の配線パターン１ａと電気的に接続されたヒートシンク２と、プリント基板１の第２の配線パターン１ｂと電気的に接続され、プリント基板１及びヒートシンク２を収容する金属製部材５と、ヒートシンク２と金属製部材５との間に介在する絶縁層４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱用のヒートシンクとキャパシタとを有する電子回路装置及びモータに関する。

金属製部材に囲まれた空間に内蔵される回路基板上の半導体集積回路は、発熱により部品が定格温度を超えて故障する問題と、スイッチングノイズにより誤動作が引き起こされうるという問題とをはらんでいる。

金属製部材に囲まれた回路基板は外気から遮断されるため、発熱源となる電子部品に放熱用のヒートシンクを設置しただけでは効率的に放熱が行われない。したがって、ヒートシンクを金属製部材に接触させ、金属製部材を通じて外気へ放熱する方法がとられる。一方、スイッチングノイズは、接地端子と電源端子との間にキャパシタを設置する方法でノイズ対策が行われている。

特許文献１には、放熱用のヒートシンクとノイズ対策用のキャパシタとを有するパワー回路用配線基板が開示されている。

特開２０００−４０６３７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される発明は、半導体集積回路における発熱及びノイズ発生という二つの問題を解決するために、ヒートシンク及びキャパシタという２種類の部品を回路基板上に搭載する必要があり、これら以外の部品については、配置の自由度が低下してしまう。特に、小型直流モータのようにサイズが小さい製品に回路基板が組み込まれる場合においては、回路基板も小さくなるため、部品配置の自由度が低下する問題の影響が大きくなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、放熱用のヒートシンク及びキャパシタ以外の部品の配置の自由度が低下することを抑制した電子回路装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電子部品が実装されたプリント基板と、電子部品と熱的に接続され、プリント基板の第１の電位部と電気的に接続されたヒートシンクと、プリント基板の第２の電位部と電気的に接続され、プリント基板及びヒートシンクを収容する金属製部材とを備える。本発明は、ヒートシンクと金属製部材との間に介在する絶縁物を備える。

本発明によれば、放熱用のヒートシンク及びキャパシタ以外の部品の配置の自由度が低下することを抑制した電子回路装置を得られるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る電子回路装置の縦断面図 実施の形態１に係る電子回路装置の上面図 本発明の実施の形態２に係る電子回路装置の縦断面図 実施の形態２に係る電子回路装置の上面図 実施の形態２に係る電子回路装置の変形例を示す図 本発明の実施の形態３に係る電子回路装置の縦断面図 本発明の実施の形態１、実施の形態２又は実施の形態３に係る電子回路装置がモータドライバに適用されたモータの構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る電子回路装置及びモータを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電子回路装置の縦断面図である。図２は、実施の形態１に係る電子回路装置の上面図である。図２では、金属製部材５の天面を不図示とし、金属製部材５の内部を示している。電子回路装置２００は、金属製部材５に囲まれた空間内に回路基板２０を収容している。回路基板２０は、プリント基板１と、プリント基板１の第１の電位部である第１の配線パターン１ａに機械的かつ電気的に接続されたヒートシンク２とを備えている。ヒートシンク２の底面は、プリント基板１に接している。ヒートシンク２は、底面と天面とが平行である。したがって、ヒートシンク２の天面は、プリント基板１と平行になっている。また、ヒートシンク２は、金属製の接続端子が突き出た半導体集積回路３と熱的かつ機械的に接続されている。また、ヒートシンク２の天面には、絶縁層４が形成されている。絶縁層４は、金属製部材５の天面と接している。絶縁層４は、絶縁性接着剤を硬化させることによって形成できる。

プリント基板１の第２の電位部である第２の配線パターン１ｂは、ねじ７を介して金属製部材５と電気的に接続されている。駆動回路６は、金属製部材５に引き込まれたリード線８によって、金属製部材５の外の交流電源９から電力の供給を受けて動作する。駆動回路６は、交流電源９から供給される電力の電圧を交流電圧から直流電圧に変換するためのダイオードブリッジ１００と、ダイオードブリッジ１００によって変換された直流電圧を平滑化する電解コンデンサ１０１と、直流電圧を半導体集積回路３に印加するためのプリント基板１上の配線１０２ａと、配線１０２ｂを通じて半導体集積回路３にスイッチング動作を指示する信号を与えるマイクロコンピュータ１０３とを備える。駆動回路６に交流電源９から電力が供給されている状態では、プリント基板１の第１の配線パターン１ａと第２の配線パターン１ｂとの間には電位差が生じる。したがって、ヒートシンク２と金属製部材５との間にも電位差が生じる。

金属製部材５の内部の空間は、リード線８を通すための切欠き部以外では、金属製部材５の外部の空間と隔離されている。切欠き部は弾性を有する樹脂といった材料で形成されたブッシュ１０により外気及び塵埃の侵入が防がれており、金属製部材５の内部は密閉されている。

ヒートシンク２、絶縁層４及び金属製部材５は、導電体同士の間に絶縁体を挟み込んだ構造をなすため、電子回路素子であるキャパシタの機能を有する。導電体同士の間に絶縁体を挟み込んだ構造が有効となる面積、すなわちヒートシンク２と金属製部材５とが平行平板をなす面積Ｓ１は、絶縁層４の面積に等しく、絶縁層４の縦寸法をＡ１、横寸法をＢ１とするとＳ１＝Ａ１×Ｂ１で表される。ヒートシンク２と金属製部材５との間の距離ｄ１、ヒートシンク２と金属製部材５とが平行平板をなす面積Ｓ１、絶縁層４の誘電率εを用いると、ヒートシンク２、絶縁層４及び金属製部材５によるキャパシタ構造が有する静電容量Ｃ１は、Ｃ１＝Ｓ１×ε／ｄ１である。

駆動回路６の駆動中、半導体集積回路３は直流電圧のオンオフを繰り返すスイッチング動作を行う。スイッチング時に半導体集積回路３で生じる熱は、図１に示す放熱経路１０４を通る。すなわち、スイッチング時に半導体集積回路３で生じる熱は、ヒートシンク２に伝播し、絶縁層４及び金属製部材５を介して外気へ放熱される。

また、半導体集積回路３のスイッチング動作における急峻な電圧変化は、高周波数のノイズを発生させる。すなわち、半導体集積回路３は、プリント基板１に実装された電子部品であり、動作中に熱及びノイズを発生させる熱源かつノイズ源である。半導体集積回路３で発生するノイズは、プリント基板１の第１の配線パターン１ａに多く伝播するものとする。第１の配線パターン１ａは、ヒートシンク２と電気的に接続されている。上記のように、ヒートシンク２、絶縁層４及び金属製部材５の構造は、キャパシタの機能を有するため、第１の配線パターン１ａと金属製部材５との間にキャパシタを接続したのと等価である。ノイズの角周波数をωとすると、キャパシタ構造の静電容量Ｃ１を用いて、キャパシタのインピーダンスは１／（ω×Ｃ１）と表される。

空調機器のように高いスイッチング効率が要求される機器においては、スイッチング周波数が１０ｋＨｚから１００ｋＨｚであるため、発生するノイズは伝導性となり、回路内の電線を伝播する。特に、角周波数ωが大きいほどインピーダンスが小さくなるため、伝導性ノイズはキャパシタを通過して放出されやすい。金属製部材５を接地すると、ヒートシンク２、絶縁層４及び金属製部材５によるキャパシタは、ノイズ対策で一般的に用いられるバイパスコンデンサと同じ働きをすることになるため、ノイズをプリント基板１外へ放出できる。したがって、バイパスコンデンサといったノイズ対策のための部品をプリント基板１上に実装する必要はない。

実施の形態１に係る電子回路装置２００は、動作時に熱及びノイズを発生させる電子部品である半導体集積回路３が実装されたプリント基板１と、半導体集積回路３と熱的に接続され、プリント基板１の第１の配線パターン１ａに電気的に接続されたヒートシンク２と、ヒートシンク２とは異なる電位であるプリント基板１の第２の配線パターン１ｂと電気的に接続された金属製部材５と、ヒートシンク２と金属製部材５との間に介在する絶縁物である絶縁層４とを備えているため、ヒートシンク２、絶縁層４及び金属製部材５によりキャパシタを形成し、プリント基板１上に実装するキャパシタ数を低減することで、プリント基板１上に部品を実装する配置の自由度を高くする効果を得られる。

なお、面積Ｓ１が大きいほど半導体集積回路３で発生した熱を金属製部材５へ効率良く放熱でき、且つ静電容量Ｃ１が大きくなるため、半導体集積回路３で発生したノイズを効率的に放出できる。従って、面積Ｓ１が大きくなる形状とするのがよい。絶縁層４は、真空に対する比誘電率が高いウレタン樹脂又はシリコン樹脂で構成されるとよい。また、絶縁層４は、熱硬化性の接着剤のみならず、絶縁シートを用いて構成してもよい。すなわち、絶縁層４は、シート状であってもよい。特に、圧縮及びずれに対し強い抵抗を持つ、直方体の絶縁シートをヒートシンク２と金属製部材５との間に配置してキャパシタを構成した場合、熱硬化性の接着剤よりも絶縁物の形状が安定するため、ヒートシンク２と金属製部材５と間の距離ｄ１の値の管理が容易となり、静電容量Ｃ１の公差を小さくできる。さらに、ヒートシンク２は、高い熱伝導率及び高い電気伝導率を兼ね備える材料で構成するとよい。高い熱伝導率及び高い電気伝導率を兼ね備える材料には、アルミニウム及び銅といった金属を例示できる。

実施の形態１では、プリント基板１及び金属製部材５は上面視円形、ヒートシンク２は上面視長方形であったが、それぞれ異なる形状でもよい。特に、ヒートシンク２のキャパシタを構成する面は平坦な形状で示したが、キャパシタを構成する面に凹凸を有する形状とし、距離ｄ１を変えることで静電容量は可変となる。また、面積Ｓ１は絶縁層４の面積であるとしたが、絶縁層４の代わりに絶縁シートを用い、かつ金属製部材５と平行となるヒートシンク２の面積よりも絶縁シートの面積の方が大きくなる場合には、ヒートシンク２の面積が、ヒートシンク２と金属製部材５とが平行平板をなす面積Ｓ１となる。さらに、駆動回路６は、コイルといったノイズ対策部品、及び製品の運転モードを切替えるためにマイクロコンピュータ１０３と接続される部品といった他の電子部品が接続された構成であってもよい。また、駆動回路６がプリント基板１上の矩形領域に存在するよう図示したが、駆動回路６は、プリント基板１上の全面に配置されてもよい。

また、実施の形態１では、半導体集積回路３が熱及びノイズを発生させる電子部品であるとし、ヒートシンク２を半導体集積回路３と熱的に接続し、かつヒートシンク２を半導体集積回路３から発生したノイズが多く伝播する配線パターンと電気的に接続する構成を示したが、熱を発生する電子部品とノイズを発生する電子部品とが別である場合にも適用できる。

また、実施の形態１では、ヒートシンク２と金属製部材５とによるキャパシタをノイズ対策に用いる場合を示したが、ヒートシンク２に電気的に接続する配線パターンと、金属製部材５に接続する配線パターンとを適切に選択することにより、ヒートシンク２と金属製部材５とによるキャパシタをノイズ対策とは別の用途に用いることも可能である。例えば平滑コンデンサとして用いることも可能である。ヒートシンク２と金属製部材５とによるキャパシタのノイズ対策以外の用途には、平滑コンデンサを例示できるが、これに限定されない。

以上のように、実施の形態１に係る電子回路装置２００は、ヒートシンク２でキャパシタを構成することにより、半導体集積回路３の発熱の問題とノイズ発生の問題とを１種類の部品のみで解決できる。また、プリント基板１上のキャパシタ数を減らすことができるため、プリント基板１上に電子部品を実装する際の配置の自由度を増加させることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る電子回路装置の縦断面図である。図４は、実施の形態２に係る電子回路装置の上面図である。図４では、金属製部材５の天面を不図示とし、金属製部材５の内部を示している。なお、特に記述しない項目については実施の形態１と同様であり、同一の機能及び構成の部分については同一の符号を用い、説明は省略する。実施の形態２に係る電子回路装置２０１は、実施の形態１に係る電子回路装置２００とは、ヒートシンク２と絶縁層４との間に導電層１１及び金属板１２が存在する点で相違する。

実施の形態１で説明した式で算出される静電容量Ｃ１は理論値であり、実際にはインピーダンスに抵抗成分及びインダクタ成分が含まれるため、周波数に対して単調にインピーダンスが変化せず、設計通りにノイズ除去効果が得られないことがある。実施の形態１に係る電子回路装置２００で静電容量Ｃ１を調整する場合、ヒートシンク２とプリント基板１とが接触する部分の面積Ｓ１を調整する必要がある。静電容量Ｃ１を大きくする場合は、ヒートシンク２のサイズを大きくする必要があるが、ヒートシンク２のコスト増大をもたらす。さらに、ヒートシンク２のサイズアップに伴い、プリント基板１のサイズが大きくなり、電子回路装置２００を小型化できないという問題が生じる。また、静電容量Ｃ１を小さくする場合は、ヒートシンク２のサイズを小さくする必要があるが、ヒートシンク２のサイズが小さくなることで、半導体集積回路３から外気への放熱能力が不足する懸念がある。

実施の形態２に係る電子回路装置２０１は、ノイズ除去を目的としたキャパシタ構造が、金属板１２と金属製部材５との間に形成される。金属板１２と金属製部材５との間に形成されるキャパシタ構造の静電容量Ｃ２は、金属板１２の面積Ｓ２＝Ａ２×Ｂ２に依存し、Ｃ２＝Ｓ２×ε／ｄ１である。したがって、静電容量Ｃ２を調整する場合、実施の形態１に係る電子回路装置２００のようにヒートシンク２のサイズを変更することなく、金属板１２の面積を変えることで、キャパシタの容量を自由に変えることが可能となる。

なお、導電層１１及び金属板１２を挿入することにより熱伝導率が減少し、実施の形態１に係る電子回路装置２００よりも放熱特性が低下することが懸念されるが、静電容量Ｃ２を大きくしたい場合、絶縁層４の材料にエポキシ樹脂のように熱伝導率が高く誘電率εが小さい材料を用いることよる静電容量の減少分よりも、キャパシタを構成する面積を拡大することによる静電容量の増分の方が大きいため問題は生じない。従って、実施の形態２に係る電子回路装置２０１は、放熱特性を損なうことなく、キャパシタ容量を任意に変化させて、ヒートシンク２をノイズ対策に用いることができる。

実施の形態２に係る電子回路装置２０１は、ヒートシンク２と絶縁層４との間に、ヒートシンク２とプリント基板１との接触面積とは異なる金属板１２を挟んだ構造であるため、ヒートシンク２は、必要な放熱性能を満たす大きさとし、金属板１２は、必要な耐ノイズ性能を満たす大きさとすることが可能となる。すなわち、ヒートシンク２と金属板１２とを独立して設計するが可能となる。これにより、放熱とノイズ除去との両方の効果を過不足なく得ながら、ヒートシンク２の容量アップに伴う、ヒートシンク２のコスト増大、プリント基板１の大型化、及び電子回路装置２０１の大型化を抑制することが可能となる。

なお、導電層１１は、導電率及び熱伝導率が高い銀の導電性フィラーを含む樹脂で構成することができる。また、金属板１２は、導電層１１との接合性が良い材料、例えばアルミニウム又は銅で構成されるとよい。金属板１２の厚さは静電容量Ｃ２に影響を与えないが、自重によりプリント基板１に応力を生じさせず、且つ金属板１２の僅かな形状変化に伴い容量が変化しない程度の剛性を有する厚さであるとよい。

図５は、実施の形態２に係る電子回路装置の変形例を示す図である。図３に示した実施の形態２に係る電子回路装置２０１は、金属板１２が平板であるが、図５に示すように金属製部材５に沿った形状であってもよい。金属板１２を金属製部材５に沿った形状とすることにより、金属製部材５の天面よりも大面積のキャパシタを構成することが可能となる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る電子回路装置の縦断面図である。なお、特に記述しない項目については実施の形態１と同様であり、同一の機能及び構成の部分については同一の符号を用い、説明は省略する。実施の形態１に係る電子回路装置２００との相違点は、ヒートシンク１３と絶縁層４とが接触する部分の面積Ｓ３と、ヒートシンク１３とプリント基板１とが接触する部分の面積Ｓ４とが異なる点にある。すなわち、実施の形態３に係る電子回路装置２０２において、ヒートシンク１３は、底面の面積と天面の面積とが異なっている。

実施の形態３に係る電子回路装置２０２は、実施の形態１に係る電子回路装置２００と同様に、ノイズ対策を目的としたキャパシタ構造が、ヒートシンク１３と金属製部材５との間に形成される。静電容量Ｃ３は面積Ｓ３に依存し、Ｓ３×ε／ｄ１に比例する。一方、ヒートシンク１３とプリント基板１とが接触する部分の面積Ｓ４は静電容量Ｃ３に影響しないため、任意の大きさで良い。したがって、静電容量Ｃ３を調整する場合、実施の形態１に係る電子回路装置２００のようにヒートシンク２の全体のサイズを変更することなく、ヒートシンク１３の絶縁層４との接触面の面積を変えることで、キャパシタの容量を自由に変えることが可能となる。

なお、実施の形態２に係る電子回路装置２０１と比較すると、導電層１１及び金属板１２を備えない構造であるため、半導体集積回路３から外気に至るまでの熱抵抗が小さくなり、絶縁層４の材料に熱伝導率が高く、誘電率εが小さい材料を用いる必要がない。さらに、導電層１１及び金属板１２を電子回路装置２０２に接続する作業が不要となるため、実施の形態１に係る電子回路装置２００と比較して作業性を損なうことがない。さらに、ヒートシンク１３から金属製部材５への放熱に寄与するヒートシンク１３と絶縁層４とが接触する部分の面積Ｓ３は、ヒートシンク１３とプリント基板１とが接触する部分の面積Ｓ４に依存しないため、ヒートシンク１３とプリント基板１とが接触する部分の面積Ｓ４を小さくしても良い。ヒートシンク１３とプリント基板１とが接触する部分の面積Ｓ４を小さくすることで、プリント基板１に電子部品を実装する際の配置の自由度が増加し、プリント基板１の小型化を図ることが可能となる。

実施の形態３に係る電子回路装置２０２は、ヒートシンク１３とプリント基板１とが接触する部分の面積Ｓ４とヒートシンク１３と絶縁層４とが接触する部分の面積Ｓ３とが異なる。このため、ヒートシンク１３とプリント基板１とが接触する部分の面積Ｓ４は、必要となる放熱性能を満たす大きさとなり、ヒートシンク１３と絶縁層４とが接触する部分の面積Ｓ３は、必要となる耐ノイズ性能を満たす大きさとなるように、ヒートシンク１３の形状を決めることができる。これにより、放熱とノイズ除去の両方の効果を過不足なく得ながら、ヒートシンク１３の容量アップに伴う、ヒートシンク１３のコスト増大、プリント基板１の大型化、及び電子回路装置２０２の大型化を抑制することが可能となる。

なお、ヒートシンク１３は、熱伝導率及び電気伝導率が損なわれないのであれば、面積の異なる部分を別々に作製し、プレス加工等により接合してもよい。また、ヒートシンク１３のうち絶縁層４と接触する面積Ｓ３の部分の距離ｄ１と平行な方向の寸法は、静電容量Ｃ３に影響を与えないが、自重によりプリント基板１に応力を生じさせず、且つヒートシンク１３の僅かな形状変化に伴い容量が変化しない程度の寸法であるとよい。

図６に示した実施の形態３に係る電子回路装置２０２は、ヒートシンク１３のキャパシタを構成する部分が平行平板であるが、実施の形態２に係る電子回路装置２０１の変形例と同様に、金属製部材５に沿った形状であっても良い。また、ヒートシンク１３と絶縁層４とが接触する部分の面積Ｓ３を面積Ｓ１よりも小さくし、小さな静電容量を得る構成であってもよい。

図７は、本発明の実施の形態１、実施の形態２又は実施の形態３に係る電子回路装置がモータドライバに適用されたモータの構成を示す図である。モータ３００は、モータドライバである電子回路装置２００，２０１，２０２と、回転子及び固定子を備えたモータ本体３０１とが一体に構成されている。モータドライバである電子回路装置２００，２０１，２０２は、シャフト３０２の回転方向及び回転角を制御する。電子回路装置２００，２０１，２０２を小型化することにより、モータ３００全体を小型化することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ プリント基板、１ａ 第１の配線パターン、１ｂ 第２の配線パターン、２，１３ ヒートシンク、３ 半導体集積回路、３ａ 端子、４ 絶縁層、５ 金属製部材、６ 駆動回路、７ ねじ、８ リード線、９ 交流電源、１０ ブッシュ、１１ 導電層、１２ 金属板、２０ 回路基板、１００ ダイオードブリッジ、１０１ 電解コンデンサ、１０２ａ，１０２ｂ 配線、１０３ マイクロコンピュータ、１０４ 放熱経路、２００，２０１，２０２ 電子回路装置、３００ モータ、３０１ モータ本体、３０２ シャフト。

Claims (6)

1. 電子部品が実装されたプリント基板と、
   前記電子部品と熱的に接続され、前記プリント基板の第１の電位部と電気的に接続されたヒートシンクと、
   前記プリント基板の第２の電位部と電気的に接続され、前記プリント基板及び前記ヒートシンクを収容する金属製部材と、
   前記ヒートシンクと前記金属製部材との間に介在する絶縁物とを備えることを特徴とする電子回路装置。
2. 前記絶縁物は、シート状であることを特徴とする請求項１に記載の電子回路装置。
3. 前記ヒートシンクと前記プリント基板との接触面積は、前記金属製部材と前記絶縁物との接触面積とは異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子回路装置。
4. 前記ヒートシンクと前記絶縁物との間に、前記ヒートシンクと前記プリント基板との接触面積とは異なる面積の金属板を備えることを特徴とする請求項３に記載の電子回路装置。
5. 前記ヒートシンクは、前記プリント基板との接触面積と前記絶縁物との接触面積とが異なることを特徴とする請求項３に記載の電子回路装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の電子回路装置がモータドライバに用いられたことを特徴とするモータ。

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