JP4821507B2 - 温度調節機構および温度調節方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板上に実装されるＩＣチップの温度調整機構および温度調節方法に関する。

プリント基板上に実装されるＣＰＵ等のＩＣチップは、使用時の発熱による温度上昇によって性能が低下したり、破損したりすることがある。このため、従来から、何らかの放熱機構を設けて、ＩＣチップの温度上昇を抑える技術が多数提案されている。例えば、特許文献１，２には、伝熱性材料からなる伝熱体、いわゆる、ヒートシンクを用いてＩＣチップの放熱を図ることが開示されている。伝熱性材料からなるヒートシンクをＩＣチップに接触させることで、ＩＣチップで発生した熱がヒートシンクに伝達し、ヒートシンクから外部に放出されることになる。

特開平７−１８３４３４号公報 特開平１０−３４０１３８号公報

ところで、ＩＣチップの動作保証温度は、高温側だけでなく、低温側にも制限がある。すなわち、ＩＣチップの温度が動作保証温度の下限値を下回った場合、ＩＣチップが誤動作したり、ＩＣチップそのものが機能しなかったりする場合がある。

もちろん、ＩＣチップは、駆動に伴い発熱するため、当該ＩＣチップの駆動中に動作保証温度の下限値を下回ることは殆どない。しかしながら、寒冷地において、当該ＩＣチップを搭載した電子機器に電源投入した直後においては、ＩＣチップが動作保証温度の下限値を下回り、正常に駆動しない場合があった。その結果、当該ＩＣチップを搭載した電子機器の実際の起動が遅れたり、起動直後の動作が不安定になったりする場合があった。

そこで、本発明では、ＩＣチップの動作を常に安定させることができ得るＩＣチップの温度調節機構および温度調節方法を提供することを目的とする。

本発明の温度調節機構は、プリント基板に搭載されたＩＣチップの温度調節機構であって、前記プリント基板とは別体であり、一部がＩＣチップのプリント基板と接触しない非接触面に伝熱性シートを介して接触し、他の一部が空気に接触する伝熱性を備えたヒート市シンクと、前記ＩＣチップ近傍の温度を検出する温度検出手段と、前記ヒートシンクに接触する位置に設けられ、熱を発生する発熱体と、前記温度検出手段で検出された温度に基づき、前記ＩＣチップが所定の動作保証温度に達していないと判断された場合には、前記発熱体を駆動させて前記ヒートシンクを前記ＩＣチップを加温する加温手段として機能させ、前記ＩＣチップが所定の動作保証温度に達していると判断された場合には、前記発熱体の駆動を停止させて前記ヒートシンクを前記ＩＣチップから発生する熱を放熱する放熱手段として機能させる制御回路と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記温度検出手段は、前記伝熱シートと前記ヒートシンクの間に設けられることが望ましい。

他の本発明である温度調節方法は、プリント基板に搭載されたＩＣチップの温度調節方法であって、前記プリント基板とは別体であり、一部が伝熱性シートを介してＩＣチップのプリント基板と接触しない非接触面に、他の一部が空気に接触する位置に伝熱性を備えたヒートシンクを設けるとともに、当該ヒートシンクに接触する位置に発熱体を設けておき、ＩＣチップの温度が、所定の動作保証温度範囲の下限値を下回ると判断された場合には、発熱体を駆動させて当該発熱体で発生した熱をヒートシンクを介してＩＣチップに伝達することで、ＩＣチップの加温を行い、ＩＣチップの温度が、前記下限値以上の値に設定されている所定の基準値に達していると判断された場合には、発熱体の駆動を停止するとともに、ＩＣチップで発生した熱をヒートシンクを介して空気中に放出することで、ＩＣチップの放熱を行うことを特徴とする。

本発明によれば、低温時には伝熱部材を介して発熱体からの熱がＩＣチップに伝達され、ある程度、温度が上昇すれば、ＩＣチップで発生した熱が伝熱部材を介して空気中に放出される。これによりＩＣチップが過度に低温になったり、高温になったりすることが防止されるため、ＩＣチップの動作を常に安定させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるデータ記録装置１０の外観を示す斜視図である。また、図２は、データ記録装置１０を構成する各電子部品の配置関係を概略的に示す図である。このデータ記録装置１０は、図示しない情報取得手段、例えば、画像データを取得するカメラなどに接続されており、ユーザからの指示に応じて当該情報取得手段を制御するとともに当該情報取得手段で取得されたデータをハードディスクに随時、記録していく。

本実施形態のデータ記録装置１０は、通常の情報処理装置と同じく、ＣＰＵやメモリ、ハードディスクなどを備えており、それらがバスを介して接続されている。また、このデータ記録装置１０は、比較的、温度変化の大きい環境、特に、低温環境下でも使用されることを想定している。そのため、後に詳説するように、このデータ記録装置は、環境温度の変化を吸収する温度調節機構も備えている。

データ記録装置１０の筐体１２の前面には、ユーザからの各種指示を受け付ける操作ボタン１４が設けられている。この操作ボタン１４の右側には、ハードディスクドライブ（以下「ＨＤＤ」という）の着脱を可能にする挿入口１８が形成されている。ＨＤＤは、予めディスクカートリッジ１６と呼ばれる収納容器に収納されており、筐体１２の内部には、このディスクカートリッジ１６を収容するディスクホルダ２０が形成されている。ディスクホルダ２０は、ディスクカートリッジ１６を収容可能な略箱状部材であり、筐体１２の内部において弾性体を備えたフローティング機構２２によりフローティング支持されている。このディスクホルダ２０にＨＤＤを内蔵したディスクカートリッジ１６が収容されると、データ記録装置１０にＨＤＤがバス接続される。

ディスクホルダ２０と後述する主基板３６との間には、冷却ファン３０が設置されている。この冷却ファン３０は、筐体１２内部の空気を流動させることで、筐体１２内部の温度上昇を抑える。この冷却ファン３０の近傍には温度センサ（図示せず）が設けられており、冷却ファン３０は、この温度センサでの検出結果に応じて、その駆動が制御されている。

データ記録装置１０の左側には、主基板３６が配されている。主基板３６は、ＣＰＵ３８を初めとする各種電子素子が搭載されたプリント基板である。ＣＰＵ３６は、本データ記録装置１０の駆動を制御する制御手段として機能するＩＣチップである。本実施形態では、二つのＣＰＵ３８が主基板３６に搭載されている。

ここで、ＣＰＵは、周知のとおり、使用に伴い熱を発生するＩＣチップである。そして、この発熱によりＣＰＵが高温になると、ＣＰＵの性能低下や損傷等を招く。かかる熱に伴うＣＰＵの性能低下や損傷を防止するための技術が従来から多数提案されている。最も代表的な技術の一つとしてヒートシンクが挙げられる。ヒートシンクは、高伝熱性材料、例えば、アルミなどからなる伝熱部材である。このヒートシンクをＣＰＵに接触させて設けると、ＣＰＵで発生した熱は、ヒートシンクに伝達され、さらに、ヒートシンクから空気中に放出される。これにより、ＣＰＵの放熱が図られる。

ところで、ＣＰＵは、高温の場合だけでなく、低温の場合にも性能が低下することが知られている。したがって、本実施形態のように低温での使用が想定されている装置の場合、低温であることが原因でＣＰＵが適切に駆動しないという問題も出てくる。特に、データ記録装置を起動したときは、ＣＰＵは殆ど発熱していないため、ＣＰＵ周辺が所定の動作保証温度を下回り、ＣＰＵが誤動作したり、駆動しなかったりする場合があった。その結果、データ記録装置１０の起動が遅れたり、起動直後の動作が不安定になったりするという問題があった。

そこで、本実施形態では、ＣＰＵ３８の近傍に、当該ＣＰＵ３８の加温および放熱を行う温度調節機構４０を設けている。図３は、この温度調節機構４０の構成を示す分解斜視図である。また、図４は、温度調節機構４０の断面図である。

既述したとおり、二つのＣＰＵ３８は、いずれも、主基板３６に所定の間隔をあけて配置されている。このＣＰＵ３８の上側には、伝熱シート４４を介してヒートシンク４２が設けられている。伝熱シート４４は、伝熱性と弾性とを備えた材料、例えば、アクリルやシリコンなどからなるシート状部材である。かかる伝熱シート４４が、ヒートシンク４２とＣＰＵ３８との間に介在することにより、両者の間に介在する空気を低減できる。そして、伝熱性の低い空気を低減できることにより、ＣＰＵ３８とヒートシンク４２との熱伝達効率を向上させることができる。

ヒートシンク４２は、高伝熱性材料、例えば、アルミなどからなる伝熱部材である。本実施形態のヒートシンク４２は、略矩形の板材の四辺を上方向に折り曲げた略箱形状となっている。そして、箱の底面に相当する平坦面５２を既述の伝熱シートに密着させることで、ＣＰＵ３８からの効率的な伝熱を可能としている。上方向に折り曲げられた四辺のうち、互いに対向する二辺は、略Ｌ字状に折り曲げられている。そして、このＬ字状に折り曲げられることにより形成された水平面５４には、後述する発熱体５０が載置される。

ヒートシンク４２の四隅には、下方向に略Ｌ字状に折り曲げられた足部５６が形成されている。この足部５６には、当該ヒートシンク４２を主基板３６に螺合するための貫通孔が形成されている。

ヒートシンク４２の上面には、四本のオフセット柱５８が設けられている。各オフセット柱５８は、上方向に延び、その上端高さは等しくなっている。また、オフセット柱５８の上に、後述する制御回路４８が螺合接続される。その結果、ヒートシンク４２は、制御回路４８との間に所定間隔を開けて配されることになり、ヒートシンクの上面は空気中に露出した状態となる。

以上の説明で明らかなように、ヒートシンク４２の底面は、伝熱シート４４を介してＣＰＵ３８に接続されており、その他の部位、上面や、上方向に折り曲げられた四辺などは、空気中に露出している。そのため、ＣＰＵ３８が発熱した場合、当該熱は、伝熱シート４４を介してヒートシンク４２に伝達され、さらに、ヒートシンク４２から空気中に放出される。すなわち、ヒートシンク４２は、ＣＰＵ３８からの熱を空気中に放出する放出手段として機能する。

発熱体５０は、後述する制御回路による制御に基づいて、熱を発生する。この発熱体５０は、所定の熱量を発生でき得るものであれば、特にその種類は限定されない。本実施形態では、安価であり、また、制御が容易であるなどの理由から、トランジスタを発熱体５０として用いている。発熱体５０であるトランジスタは、ヒートシンク４２に螺合により固着されている。この発熱体５０で発生した熱は、伝熱性の高いヒートシンク４２および伝熱シート４４を介してＣＰＵ３８に伝達される。そして、この伝達された熱によりＣＰＵ３８の温度上昇が図られる。すなわち、発熱体５０が発熱している場合には、ヒートシンク４２および伝熱シート４４は、ＣＰＵ３８を加温する加温手段として機能することになる。

ここで、発熱体５０をヒートシンク４２に取り付けるのは、ＣＰＵ３８を均等に加温するためである。すなわち、通常、熱は、伝熱性の高い物質に優先的に伝達される。したがって、発熱体５０からの熱は、まず、伝熱性の高いヒートシンク４２および伝熱シート４４に伝達される。そして、ヒートシンク４２および伝熱シート４４の全面が十分に加熱された後、これらの伝熱部材から、伝熱性の小さいＣＰＵ３８への熱伝達が行われる。このとき、ＣＰＵ３８は、その上面を覆う伝熱シート４４により全体的に、かつ、均等に加温されることになる。

ヒートシンク４２と伝熱シート４４との間には、温度センサ４６が設けられている。この温度センサ４６は、二つのＣＰＵ３８の中間近傍に設けられている。この温度センサ４６で検出された温度は、後述する制御回路４８に出力される。

制御回路４８は、温度センサ４６の検出結果に基づいて発熱体５０の駆動を制御する回路基板である。具体的には、制御回路４８は、温度センサ４６で検出された温度が、所定の第一基準温度より低い場合には、発熱体５０を駆動して、ＣＰＵ３８の加温を実行させる。また、温度センサ４６で検出された温度が、所定の第二基準温度に達した場合には、発熱体５０の駆動を停止して、ＣＰＵ３８の加温を中止させる。ここで、第一基準温度は、ＣＰＵ３８の動作保証温度範囲に基づいて決定される値であり、ＣＰＵ３８の温度が動作保証温度範囲の下限値付近と判断できる温度である。また、第二基準温度は、ＣＰＵ３８が動作を開始、換言すれば、自ら発熱を開始したと推測される温度である。例えば、ＣＰＵ３８の動作保証温度が−２．５℃以上であった場合には、第一基準温度は０℃、第二基準温度は５℃程度に設定される。

次に、この構成によるＣＰＵ３８の温度調節動作について説明する。低温環境下において、データ記録装置１０を起動した際には、まず、制御回路４８および温度センサ４６に電源が供給される。ついで、主基板３６にも電源供給され、ＣＰＵ３８の駆動等が行われる。ただし、起動時においては、ＣＰＵ３８の温度が所定の動作保証温度を下回っており、ＣＰＵ３８が正常に駆動しないなどの問題が発生する場合がある。

一方、温度センサ４６は、電源供給されると、ＣＰＵ３８周辺の温度を測定し、その測定結果を制御回路４８に出力する。制御回路４８は、温度センサ４６で検出された温度が、所定の第一基準温度、すなわち、ＣＰＵ３８の温度が動作保証温度範囲の下限値付近と判断できる温度に達しているか否かを判断する。検出温度が第一基準温度以上である場合は、ＣＰＵ３８は正常に動作できると判断できるため、発熱体５０であるトランジスタを駆動させずに処理を終了する。

一方、温度センサ４６で検出された温度が所定の第一基準温度に達していない場合、制御回路４８は、発熱体５０であるトランジスタを駆動させる。発熱体５０から発生した熱は、伝熱性の高いヒートシンク４２および伝熱シート４４を介してＣＰＵ３８へと伝達される。この熱伝導によりＣＰＵ３８は、加温され、迅速に動作保証された温度へと至る。その結果、データ記録装置１０の起動時間が短縮されるため、データ記録装置１０は、起動を開始してから短い時間で安定した動作を行うことが可能となる。

発熱体５０による加温が開始された後も温度センサ４６は、温度測定を続け、その測定結果を制御回路４８に出力する。制御回路４８は、温度センサ４６で検出された温度が所定の第二基準温度、すなわち、ＣＰＵ３８が自ら発熱を開始したと判断できる温度に達すれば、発熱体５０の駆動を停止する。発熱体５０の駆動が停止されることにより、ＣＰＵへの熱伝達が中止される。

その後、ＣＰＵ３８が駆動を続け、ＣＰＵ３８の温度が、空気中の温度より高温になると、伝熱シート４４およびヒートシンク４２は、放熱手段として機能することになる。すなわち、ＣＰＵ３８が空気中温度より高温になれば、当該ＣＰＵ３８から伝達された熱は伝熱シート４４およびヒートシンク４２を介して空気中に放出される。この放熱により、ＣＰＵ３８の過度な温度上昇が防止される。

以上の説明から明らかなように、本実施形態では、放熱だけでなく加温も行う温度調節機構を設けている。その結果、起動後、ＣＰＵを、迅速に動作保証温度にすることができ、結果として、迅速な装置駆動が可能となる。また、発熱体からの熱を放熱機構として用いられているヒートシンクを介してＣＰＵに伝達しているため、効率的、かつ、均等な加温が可能である。また、従来から用いられているヒートシンク等を加温手段の一部として用いることにより、コストや設置スペースを低減できる。

なお、上記説明は、データ記録装置を例に説明しているが、本実施形態の温度調節機構は、ＩＣチップが搭載される他の電子機器に適用されてもよい。また、温度調節機構を構成するヒートシンクや伝熱シート、発熱体などの構成は、適宜、変更可能である。例えば、本実施形態では、ヒートシンクを箱状としているが、当然、他の形状、例えば、剣山状などにしてもよい。また、伝熱シートは省略されてもよい。さらに、本実施形態では、発熱体を駆動させるか否かの判断の基準温度である第一基準温度と、発熱体の駆動を停止するか否かの判断の基準温度である第二基準温度とを異なる値に設定している。しかし、第一基準温度、すなわち、ＣＰＵが動作保証温度に達したと判断できる温度に達した時点で、発熱体の駆動を停止させるようにしてもよい。

本発明の実施形態であるデータ記録装置の外観の斜視図である。 各電子部品の配置関係を概略的に示す図である。 温度調節機構の構成を示す分解斜視図である。 温度調節機構の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ データ記録装置、１２ 筐体、１４ 操作ボタン、１６ ディスクカートリッジ、２０ ディスクホルダ、３０ 冷却ファン、３６ 主基板、３８ ＣＰＵ、４０ 温度調節機構、４２ ヒートシンク、４４ 伝熱シート、４６ 温度センサ、４８ 制御回路、５０ 発熱体。

Claims (3)

1. プリント基板に搭載されたＩＣチップの温度調節機構であって、
   前記プリント基板とは別体であり、一部がＩＣチップのプリント基板と接触しない非接触面に伝熱性シートを介して接触し、他の一部が空気に接触する伝熱性を備えたヒートシンクと、
   前記ＩＣチップ近傍の温度を検出する温度検出手段と、
   前記ヒートシンクに接触する位置に設けられ、熱を発生する発熱体と、
   前記温度検出手段で検出された温度に基づき、前記ＩＣチップが所定の動作保証温度に達していないと判断された場合には、前記発熱体を駆動させて前記ヒートシンクを前記ＩＣチップを加温する加温手段として機能させ、前記ＩＣチップが所定の動作保証温度に達していると判断された場合には、前記発熱体の駆動を停止させて前記ヒートシンクを前記ＩＣチップから発生する熱を放熱する放熱手段として機能させる制御回路と、
   を備えることを特徴とする温度調節機構。
2. 請求項１に記載の温度調節機構であって、
   前記温度検出手段は、前記伝熱性シートと前記ヒートシンクの間に設けられることを特徴とする温度調節機構。
3. プリント基板に搭載されたＩＣチップの温度調節方法であって、
   前記プリント基板とは別体であり、一部が伝熱性シートを介してＩＣチップのプリント基板と接触しない非接触面に、他の一部が空気に接触する位置に伝熱性を備えたヒートシンクを設けるとともに、当該ヒートシンクに接触する位置に発熱体を設けておき、
   ＩＣチップの温度が、所定の動作保証温度範囲の下限値を下回ると判断された場合には、発熱体を駆動させて当該発熱体で発生した熱をヒートシンクを介してＩＣチップに伝達することで、ＩＣチップの加温を行い、
   ＩＣチップの温度が、前記下限値以上の値に設定されている所定の基準値に達していると判断された場合には、発熱体の駆動を停止するとともに、ＩＣチップで発生した熱をヒートシンクを介して空気中に放出することで、ＩＣチップの放熱を行う
   ことを特徴とする温度調節方法。

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