JP2020136544A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い放熱効果を実現しながら、不要輻射を適切に抑制できるようにする。【解決手段】実施形態の電子機器は、回路基板と、回路基板上に設けられた電子部品と、電子部品の周囲を覆うように回路基板上に設けられた、第１の金属よりなるシールドケースと、シールドケース上に設けられた、第１の金属よりも熱伝導率の高い第２の金属よりなる放熱体と、放熱体に貼付された電波吸収シートと、を備える。放熱体は、回路基板と平行な方向の断面形状が円形である。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、電子機器に関する。

従来、回路基板上に設けられた電子部品が放射するノイズ（不要輻射）を抑制する方法として、ノイズ源となる電子部品の周囲を金属製のシールドケースで覆う方法が有効であることが知られている。この方法は、電子部品の周囲がシールドケースで遮蔽されるため、電子部品が発する熱を放熱しにくいという問題がある。そこで、電子部品とシールドケースとの間に熱伝導性部材を介在させたり（例えば、特許文献１参照）、電子部品を直接シールドケースに接触させたり（例えば、特許文献２参照）することにより、電子部品の熱をシールドケースに伝達し、シールドケースから外気に放熱させることが提案されている。

しかし、シールドケースは、シールド効果の観点から選定された金属材料を用いて構成されるため、十分な放熱性能が得られない場合が多い。このため、シールドケースの内部に熱が籠ってしまい、電子部品の寿命などに悪影響を与える虞がある。一方、シールドケースとは別部材として構成されるヒートシンク（放熱板）を用いて電子部品が発する熱を放熱する構成も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１１−５４６４０号公報 特開２０１２−８９６１５号公報 特開２００９−８１１５７号公報

しかし、金属製のヒートシンクをシールドケースに接触させると、シールドケースにより封じ込めたノイズがヒートシンクのエッジから放射しやすくなり、シールドケースによるシールド効果が低減する。特に、ヒートシンクは多数のフィンを有する複雑な形状であるため、その形状に依存して多くの周波数で不要輻射のピークが発生し、対策が困難となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高い放熱効果を実現しながら、不要輻射を適切に抑制できるようにすることを目的の１つとする。

実施形態の電子機器は、回路基板と、前記回路基板上に設けられた電子部品と、前記電子部品の周囲を覆うように前記回路基板上に設けられた金属製のシールドケースと、前記シールドケース上に設けられた金属製の放熱体と、前記放熱体に貼付された電波吸収シートと、を備える。前記放熱体は、前記回路基板と平行な方向の断面形状が円形である。

図１は、実施形態の光無線通信装置の概要を説明する図である。 図２は、光無線通信装置の投光部を拡大して示す縦断面図である。 図３は、シールドケースおよび放熱体の取付構造を示す分解斜視図である。 図４は、放熱体による放熱効果を説明する図である。 図５は、放熱体の形状を角柱とした場合における周波数ごとの不要輻射のレベルを示す図である。 図６は、放熱体の形状を円柱とした場合における周波数ごとの不要輻射のレベルを示す図である。 図７は、円柱形状の放熱体の外周面に電波吸収シートを貼付した場合における周波数ごとの不要輻射のレベルを示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について具体的に説明する。以下で示す実施形態では、本発明を適用した電子機器の一例として光無線通信装置を例示するが、本発明を適用可能な電子機器はこれに限らない。本発明は、不要輻射の抑制と放熱対策が求められるあらゆる電子機器に対して広く適用できる。

図１は、本実施形態の光無線通信装置１の概要を説明する図である。図１に示すように、一対の光無線通信装置１が正対して配置される。これらの光無線通信装置１は、各々が投光部２と受光部３とを備える。一方の光無線通信装置１が伝送すべき信号に応じてオンオフ変調した光を投光部２から出射すると、この光が空間伝送されて他方の光無線通信装置１の受光部３で受光され、元の信号に復元される。また、他方の光無線通信装置１が伝送すべき信号に応じてオンオフ変調した光を投光部２から出射すると、この光が空間伝送されて一方の光無線通信装置１の受光部３で受光され、元の信号に復元される。このように、一対の光無線通信装置１は、光を用いた双方向通信が可能である。

光無線通信装置１の投光素子としては、例えば、ピーク周波数が８６０ｎｍのＬＥＤ（赤外ＬＥＤ）が用いられる。また、光無線通信装置１の受光素子としては、例えば、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）が用いられる。光無線通信装置１は、これらの投光素子および受光素子を用いて、１００Ｍｂｐｓの通信速度で１００ｍの距離での全二重双方向通信を実現している。なお、通信の規格には、例えば、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）が用いられる。

光無線通信装置１の投光部２は、投光素子であるＬＥＤと、このＬＥＤを駆動するＬＥＤドライバとを含む。ＬＥＤドライバは、例えば、動作周波数が１２５ＭＨｚのＩＣ（集積回路）チップとして構成される。このＬＥＤドライバは、主に動作周波数の整数倍の周波数をピークとするノイズを放射するため、この放射ノイズ（不要輻射）の抑制が求められる。また、ＬＥＤドライバは発熱量が多いため、放熱対策が求められる。

図２は、光無線通信装置１の投光部２を拡大して示す縦断面図である。図２に示すように、光無線通信装置１の筐体５の内部には、配線パターン６およびグランドパターン７が形成された回路基板８が配置されている。この回路基板８は、一方の端部を支持板９に突き当てた状態で筐体５の内部に固定されている。そして、この回路基板８上に、ノイズ源および熱源となるＬＥＤドライバ１０（電子部品の一例）が設けられている。ＬＥＤドライバ１０の端子は、回路基板８の配線パターン６に接続されている。

支持板９は、回路基板８に対して垂直に配置されている。そして、この支持板９に砲弾型のＬＥＤ１１が支持されている。ＬＥＤ１１は、支持板９を挟んで回路基板８とは逆側に配置され、筐体５の窓部５ａを介して筐体５の外部に光を出射できるようになっている。ＬＥＤ１１の端子は、支持板９を貫通して回路基板８側に延びるように配置され、回路基板８の配線パターン６に接続されている。ＬＥＤドライバ１０とＬＥＤ１１は、回路基板８の配線パターン６を介して電気的に接続される。

回路基板８上には、ＬＥＤドライバ１０の周囲を覆うように、不要輻射を抑制するためのシールドケース１２が設けられている。シールドケース１２は、回路基板８のグランドパターン７に接続されている。また、シールドケース１２上には、ＬＥＤドライバ１０からシールドケース１２に伝達された熱を放熱するための放熱体１３および放熱シート１７が設けられている。放熱シート１７は、放熱体１３と金属製の筐体５との間に配置されている。

シールドケース１２は、高いシールド効果が期待できる金属よりなる。また、放熱体１３は、シールドケース１２を構成する金属よりも熱伝導率の高い金属よりなる。例えば、シールドケース１２は真鍮よりなり、放熱体１３はアルミニウムよりなる。真鍮の熱伝導率が１０６Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、アルミニウムの熱伝導率は２３６Ｗ／ｍ・Ｋである。このような放熱体１３をシールドケース１２上に設けることで、ＬＥＤドライバ１０からシールドケース１２に伝達された熱を、放熱体１３から放熱シート１７を介して金属製の筐体５に効率よく伝達し、筐体５から外気に放熱することができる。

放熱体１３は、回路基板８と平行な方向の断面形状が円形である。例えば、放熱体１３は、回路基板８に対し垂直な方向を高さとする円柱形状とされている。そして、この放熱体１３の外周面を覆うように、電波吸収シート１４が貼付されている。なお、ここで円形とは、必ずしも厳密な真円である必要はなく、円形とみなせる程度の誤差があってもよい。例えば、規定の直径に対する最大径もしくは最小径の誤差が１０％程度であれば、円形とみなすことができる。

電波吸収シート１４は、例えば、ゴムなどからなるシート基材に磁性材料の粉末を練り込んだものであり、使用する磁性材料の種類などにより、吸収効果の高い周波数範囲が異なる。本実施形態では、放熱体１３の形状を円柱形状とすることにより、後述のように高レベルで放射されることが懸念されるノイズの周波数範囲が限定されるので、この周波数範囲に対して高い吸収効果を持つ電波吸収シート１４を用いる。

図３は、シールドケース１２および放熱体１３の取付構造を示す分解斜視図である。図３に示すように、シールドケース１２は、回路基板８側と支持板９側の２面が開放された箱状に形成される。シールドケース１２の天板部１２ａには、ネジ部材１５が挿通される貫通孔１６が形成されている。円柱形状の放熱体１３は、円柱の外周面に巻き付けるようにして電波吸収シート１４が貼付され、シールドケース１２の天板部１２ａの内面側からシールドケース１２の天板部１２ａを貫通して挿通されたネジ部材１５により、シールドケース１２に固定される。このように、放熱体１３をネジ部材１５の締め付けによってシールドケース１２固定することにより、放熱体１３をシールドケース１２に強固に接触させることができ、シールドケース１２の熱を放熱体１３へ適切に伝達できる。

放熱体１３が固定されたシールドケース１２は、支持板９側の開放された面を支持板９に突き当て、回路基板８側の開放された面を回路基板８に突き当てるようにして、回路基板８上に配置され、回路基板８のグランドパターン７に接続される。これにより、回路基板８上のＬＥＤドライバ１０の周囲が、シールドケース１２により覆われる。このように回路基板８上にシールドケース１２が設けられることで、ＬＥＤドライバ１０から放射されるノイズだけでなく、ＬＥＤドライバ１０の周辺の回路基板８から放射される様々な周波数のノイズが外部に漏洩することを抑制できる。

ここで、放熱体１３による放熱効果について説明する。本実施形態の光無線通信装置１では、回路基板８上のＬＥＤドライバ１０の周囲がシールドケース１２により覆われているため、ＬＥＤドライバ１０の動作に伴い発生する熱がシールドケース１２に伝達される。シールドケース１２は、高いシールド効果が期待できる真鍮などの金属を用いて箱状に形成されているため、十分な放熱性能が得られない。このため、シールドケース１２の内部に熱が籠ってしまい、ＬＥＤドライバ１０の寿命などに悪影響を与える虞がある。

そこで、本実施形態の光無線通信装置１では、上述のように、シールドケース１２よりも熱伝導率が高いアルミニウムなどの金属よりなる放熱体１３をシールドケース１２上に固定することにより、ＬＥＤドライバ１０からシールドケース１２に伝達された熱を放熱体１３から放熱シート１７を介して金属製の筐体５に効率よく伝達し、筐体５から外気に放熱できるようにしている。

図４は、放熱体１３による放熱効果を説明する図である。図４では、放熱体１３を取り付けたシールドケース１２の温度を測定した結果を、放熱体１３を取り付けない場合の温度測定結果とともに示している。放熱体１３は、回路基板８と平行な方向の断面形状が１５ｍｍ×１５ｍｍの正方形である角柱形状のもの、回路基板８と平行な方向の断面形状が直径１５ｍｍの円形である円柱形状のもの、回路基板８と平行な方向の断面形状が直径１３ｍｍの円形である円柱形状のもの、回路基板８と平行な方向の断面形状が直径１１ｍｍの円形である円柱形状のもの、回路基板８と平行な方向の断面形状が直径７ｍｍの円形である円柱形状の放熱体１３のものをそれぞれ用意し、これらの形状の違いによる温度変化についても考察している。なお、放熱体１３を構成する金属材料としてはアルミニウムを用い、回路基板８に対し垂直な方向の高さは、すべての形状で１３ｍｍとした。また、シールドケース１２の温度は、ＬＥＤドライバ１０の動作時の温度を温度計により測定した。

図４に示す温度測定結果から、シールドケース１２に放熱体１３を取り付けることにより、ＬＥＤドライバ１０からシールドケース１２に伝達された熱を効率よく放熱できることが分かる。なお、放熱体１３は、１５ｍｍ×１５ｍｍの角柱形状のものと直径１５ｍｍ〜１１ｍｍの円柱形状のものでは放熱性能に殆ど変化はなく、十分な放熱性能が得られているが、直径７ｍｍの円柱形状のものでは放熱性能が低下していることが分かる。これは、放熱体１３の回路基板８と平行な方向の寸法が小さすぎると熱経路が狭くなり、シールドケース１２から放熱体１３への伝熱が不十分になるためと考えられる。

次に、放熱体１３の形状と不要輻射との関係について説明する。本実施形態の光無線通信装置１は、回路基板８上のＬＥＤドライバ１０の周囲をシールドケース１２により覆うことで不要輻射を抑制する構成であるが、金属製の放熱体１３をシールドケース１２に取り付けたことにより、シールドケース１２により封じ込めたノイズが放熱体１３から放射される。特に、シールドケース１２は回路基板８のグランドパターン７に接続されるが、グランドが弱い（グランドのインピーダンスが高い）場合、ＥＭＣ規格（例えば、ＣＩＳＰＲ３２ ＣｌａｓｓＢ）により定められた上限レベルを超えるレベルのノイズが放熱体１３から放射される懸念がある。

不要輻射となるノイズは、特に放熱体１３のエッジから放射しやすい。放熱体１３から放射される高レベルのノイズは、放熱体１３のエッジとエッジを結ぶ直線に沿って放熱体１３の内部で反射を繰り返すことにより増幅され、放熱体１３のエッジから放射される。この高レベルの放射ノイズの周波数は、放熱体１３の内部で反射を繰り返すエッジ間の経路の長さに依存する。つまり、放熱体１３の形状が、ノイズの反射が繰り返される経路となるエッジ間の距離の長さが多岐に亘るような形状であれば、広い周波数範囲で高レベルのノイズが放熱体１３から放射されることになり、対策が困難になる。

そこで、本実施形態の光無線通信装置１では、円柱形状の放熱体１３をシールドケース１２に取り付けるようにしている。円柱形状の放熱体１３は、回路基板８と平行な方向の断面形状が円形であるため、ノイズの反射が繰り返される経路となるエッジ間の長さが限定される。これにより、高レベルのノイズが放射される周波数範囲を限定することができ、その周波数範囲に対して高い吸収効果を持つ電波吸収シート１４を放熱体１３の外周面に貼付することで、放熱体１３から放射されるノイズ（不要輻射）のレベルを、ＥＭＣ規格ＣＩＳＰＲ３２ ＣｌａｓｓＢにより定められた上限レベル未満に抑えることができる。

図５は、放熱体１３の形状を角柱とした場合における周波数ごとの不要輻射のレベルを示す図であり、ＬＥＤドライバ１０の動作時に角柱形状の放熱体１３から放射されるノイズ（不要輻射）を測定した結果を示している。角柱形状の放熱体１３は、回路基板８と平行な方向の断面形状が１５ｍｍ×１５ｍｍの正方形であり、回路基板８に対し垂直な方向の高さは１３ｍｍである。図５の横軸は周波数、縦軸は不要輻射のレベルを示し、実線のグラフは水平偏波の不要輻射、点線のグラフは垂直偏波の不要輻射をそれぞれ示している。なお、図中の一点鎖線は、ＥＭＣ規格ＣＩＳＰＲ３２ ＣｌａｓｓＢにより定められた不要輻射の上限レベルを示している。

図５に示す不要輻射の測定結果から、放熱体１３の形状を角柱とした場合、比較的広い周波数範囲で不要輻射のピークが発生していることが分かる。これは、角柱形状の放熱体１３は、回路基板８と平行な方向の断面形状が４つの辺を持つ矩形であるため、内部でノイズが反射を繰り返す経路となるエッジ間の距離の長さが多岐に亘り、広い周波数範囲で高レベルのノイズが放射されるためと考えられる。

図６は、放熱体１３の形状を円柱とした場合における周波数ごとの不要輻射のレベルを示す図であり、ＬＥＤドライバ１０の動作時に円柱形状の放熱体１３から放射されるノイズ（不要輻射）を測定した結果を示している。円柱形状の放熱体１３は、回路基板８と平行な方向の断面形状が直径１３ｍｍの円形であり、回路基板８に対し垂直な方向の高さは１３ｍｍである。図５と同様、図６の横軸は周波数、縦軸は不要輻射のレベルを示し、実線のグラフは水平偏波の不要輻射、点線のグラフは垂直偏波の不要輻射をそれぞれ示している。また、図中の一点鎖線は、ＥＭＣ規格ＣＩＳＰＲ３２ ＣｌａｓｓＢにより定められた不要輻射の上限レベルを示している。

図６に示す不要輻射の測定結果から、放熱体１３の形状を円柱とすることにより、角柱形状の放熱体１３を用いた場合（図５参照）と比較して、不要輻射のピークが発生する周波数範囲を限定できることが分かる。図６に示す例では、不要輻射のピークが発生する周波数範囲が、ＬＥＤドライバ１０の動作周波数（１２５ＭＨｚ）の２倍から４倍の周波数範囲に限定されている。したがって、この周波数範囲に対して高い吸収効果を持つ電波吸収シート１４を放熱体１３の外周面に貼付することで、不要輻射を適切に抑制することができる。

図７は、図６の例と同じ円柱形状の放熱体１３の外周面に電波吸収シート１４を貼付した場合における周波数ごとの不要輻射のレベルを示す図であり、ＬＥＤドライバ１０の動作時に、外周面に電波吸収シートが貼付された円柱形状の放熱体１３から放射されるノイズ（不要輻射）を測定した結果を示している。図５や図６と同様、図７の横軸は周波数、縦軸は不要輻射のレベルを示し、実線のグラフは水平偏波の不要輻射、点線のグラフは垂直偏波の不要輻射をそれぞれ示している。また、図中の一点鎖線は、ＥＭＣ規格ＣＩＳＰＲ３２ ＣｌａｓｓＢにより定められた不要輻射の上限レベルを示している。なお、電波吸収シート１４としては、竹内工業株式会社製のミューシートＳＵ０３（商品名）を使用した。

図７に示す不要輻射の測定結果から分かるように、放熱体１３の形状を円柱として不要輻射のピークが発生する周波数範囲を限定し、その周波数範囲に対して高い吸収効果を持つ電波吸収シート１４を円柱形状の放熱体１３の外周面に貼付することで、放熱体１３から放射されるノイズ（不要輻射）のレベルを、ＥＭＣ規格ＣＩＳＰＲ３２ ＣｌａｓｓＢにより定められた上限レベル未満に抑えることができる。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の光無線通信装置１は、ノイズ源および熱源となる回路基板８上のＬＥＤドライバ１０の周囲をシールドケース１２により覆い、シールドケース１２に円柱形状の放熱体１３を取り付けた構造としている。そして、円柱形状の放熱体１３の外周面には電波吸収シート１４が貼付されている。したがって、ＬＥＤドライバ１０の動作時にシールドケース１２に伝達された熱を効率よく放熱できるとともに、放熱体１３から高レベルのノイズが放射されることを有効に抑制できる。このように、本実施形態の光無線通信装置１は、高い放熱効果を実現しながら、不要輻射を適切に抑制することができる。

なお、以上の説明では、シールドケース１２に取り付ける放熱体１３の形状を円柱としたが、放熱体１３は回路基板８と平行な方向の断面形状が円形となる形状であれば同様の効果が得られる。例えば、半球形状の放熱体１３をシールドケース１２に取り付けて、その外周面に電波吸収シート１４を貼付する構成としてもよい。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明の一適用例を示したものである。本発明は、上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を加えて具体化することができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 光無線通信装置（電子機器の一例）
８ 回路基板
１０ ＬＥＤドライバ（電子部品の一例）
１１ ＬＥＤ
１２ シールドケース
１３ 放熱体
１４ 電波吸収シート
１５ ネジ部材

Claims (7)

1. 回路基板と、
   前記回路基板上に設けられた電子部品と、
   前記電子部品の周囲を覆うように前記回路基板上に設けられた金属製のシールドケースと、
   前記シールドケース上に設けられた金属製の放熱体と、
   前記放熱体に貼付された電波吸収シートと、を備え、
   前記放熱体は、前記回路基板と平行な方向の断面形状が円形であることを特徴とする電子機器。
2. 前記シールドケースは、第１の金属よりなり、
   前記放熱体は、前記第１の金属よりも熱伝導率の高い第２の金属よりなることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
3. 前記第１の金属は真鍮であり、前記第２の金属はアルミニウムであることを特徴とする請求項２に記載の電子機器。
4. 前記放熱体は、前記回路基板に対し垂直な方向を高さとする円柱形状であり、
   前記電波吸収シートは、円柱の外周面を覆うように前記放熱体に貼付されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子機器。
5. 前記放熱体は、前記シールドケースの前記回路基板と対向する内面側から前記シールドケースを貫通して挿通されたネジ部材により、前記シールドケースに固定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子機器。
6. 前記電波吸収シートは、少なくとも前記電子部品の動作周波数の２倍から４倍の周波数範囲の放射ノイズを抑制することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電子機器。
7. 前記電子部品は、光無線通信用のＬＥＤを駆動するＬＥＤドライバであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電子機器。

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