JP5515915B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

この発明は、マザーボード基板を用いて複数のプリント基板との電気的な接続を行う電子機器に関する。

マザーボード基板は、コネクタを介して複数のプリント基板が挿抜される。マザーボード基板の実装された電子機器の筐体は、筐体内を流れる空気の対流冷却によって発熱部品の冷却を行うことが一般的である（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平６-７７６８０号公報 特開平１０-６２０４７号公報

人工衛星に搭載される電子機器筐体は、周囲が高真空状態であるため伝熱形態が伝導及び放射の２形態に限られる。このため、電子機器筐体の衛星への取付け面（以下、筐体取付け面）への熱伝導が重要となる。

また、電子機器の筐体を組み立てる場合、マザーボード基板と、コネクタを介してマザーボード基板に接続されるモジュール基板と、各基板を固定する筐体との位置関係を調整した後、マザーボード基板の位置を最後に固定する必要がある。このため、筐体におけるマザーボード基板のＳ面側に開口部を設けて、筐体外部からマザーボード基板にアクセスすることで、マザーボード基板を固定できる構造とすることが一般的である。また、モジュール基板の両端部は、マザーボード基板に垂直に立設したリテーナーに保持され、筐体に固定される。

マザーボード基板の配置については、筐体取付け面に対して垂直に側壁に配置する場合と、水平に筐体下面に配置する場合がある。
前者の場合、モジュール基板の一端部を保持するリテーナーが筐体取付け面側に位置し、モジュール基板の排熱経路がリテーナーを経由して筐体取付け面へ放熱される１方向となるため、筐体上部において基板温度が上昇する。
後者の場合、排熱経路がモジュール基板の両端部を保持する２つのリテーナーを介して筐体取付け面へ放熱される２方向となるものの、前述した通りマザーボード基板のＳ面側に開口部を設ける都合上、筐体取付け面の面積を十分に確保できず、十分な排熱特性を得られない問題があった。
また、十分な排熱特性を得るために筐体の壁厚を厚くすると、電子機器筐体全体の質量や基板上に実装する部品の実装面積を犠牲にするという欠点もあった。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、マザーボード基板を機器取付け面の下側に備えた電子機器において、マザーボード基板に接続されるプリント基板からの熱伝導による排熱性を高めることを目的としている。

この発明による電子機器は、発熱部品の実装されたマザーボード基板と、上記マザーボード基板が取付けられるベースフレームと、上記マザーボード基板に対してコネクタにより電気的に接続されるプリント基板と、上記プリント基板が取付けられるとともに、当該コネクタ側に設けられベースフレームに当接して熱的に接続される取付け脚を有したモジュールフレームと、から成る複数のモジュールユニットと、上記モジュールユニットの側端部がそれぞれ当接して熱的に接続されるとともに、着脱可能に嵌め込まれる複数の嵌合部を有し、底面がベースフレームの底面と同じ高さに位置しベースフレームの側面から立設したサイドフレームとを備えたものである。

この発明によれば、プリント基板からサイドフレームを介して放熱する排熱パスを設けることができるので、より高い排熱性能を得ることが可能となる。

この発明に係る実施の形態１による電子機器筐体の構成を示す分解斜視図である。 この発明に係る実施の形態１によるリテーナー取付け部の概念図である。 この発明に係る実施の形態１による電子機器筐体の排熱経路示す概念図である。 この発明に係る実施の形態２によるモジュール取付け部の概念図である。 この発明に係る実施の形態３によるモジュール取付け部の概念図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による電子機器の構成を示す図である。図１において、実施の形態１の電子機器は、マザーボード基板２が取付けられた矩形板状のベースフレーム１と、プリント基板５が取付けられたモジュールフレーム４と、矩形板状のサイドフレーム７と、矩形板状のサイドカバー８と、矩形板状のトップカバー９から構成され、ベースフレーム１、モジュールフレーム４、サイドフレーム７、サイドカバー８、及びトップカバー９は電子機器の筐体を構成する。この電子機器は、例えば人工衛星の構体パネルにおける機器取り付け面に取り付けられて、所定の信号処理を行う。

ベースフレーム１は、マザーボード基板２がベースフレーム１の上部よりねじ固定されている。サイドフレーム７は、ベースフレーム１の側端面に取り付けられ、ベースフレーム１に対し垂直に立設し、ねじ固定されている。また、ベースフレーム１の一部がマザーボード基板２よりも高くなるように突起（後述する突起部３５、３６）が設けられている。

マザーボード基板２には、配線パターンが形成されるとともに、プリント基板５との電気的な接続を行うためのコネクタ３がはんだ付けされている。また、マザーボード基板２には、ベースフレーム１の突起（後述する突起部３６）が貫通する穴１５が設けられている。

プリント基板５には、配線パターンが形成されるとともに、集積回路部品、電気部品、及びマザーボード基板２への電気的な接続を行うためのコネクタ６がはんだ付けされている。集積回路部品、電気部品には発熱性部品が含まれる。プリント基板５は、モジュールフレーム４にねじ固定されている。

モジュールフレーム４は、プリント基板５を保持する保持部の形成されたフレーム中枠（梁）と矩形状のフレーム外枠から構成される。モジュールフレーム４は、相対する両側の外枠における端縁部分に、リテーナー１０がねじ固定されており、プリント基板５と合わせて１つのモジュールユニット１７を構成している。また、モジュールフレーム４におけるリテーナー１０の取り付けられた外枠は、リテーナー１０の軸の延在方向に突き出した固定部１８と、モジュールフレーム４の外枠下部中央から突き出した固定部１９が設けられている。この固定部１８、１９は、ベースフレーム１に当接して熱的に接続される取付け脚を構成する。
リテーナー１０は、例えば２つの棒の端面に、互いに斜面が突き合わさる楔が設けられ、２つの棒を貫通する雄ねじが回転することで、棒の端面の楔斜面ですべりを生じて２つの棒が横方向（軸に垂直な方向）に膨らむように構成されている。

サイドフレーム７は、下部側面がベースフレーム１の側端面に接触して取り付けられ、ねじの締結力によってベースフレーム１に密着して固定される。サイドフレーム７には、マザーボード基板２上のコネクタ３へのモジュールユニット１７の抜き差し時の案内（誘導）と、モジュールユニット１７のリテーナー１０への嵌合による保持固定と、を行うための溝３０が設けられている。この溝３０は、モジュールユニット１７の側端部がそれぞれ当接して熱的に接続されるとともに、着脱可能に嵌め込まれる嵌合部を構成する。
また、サイドフレーム７は、下端部に板面から外側に突き出した突縁部が設けられ、当該突縁部に電子機器取り付け用のインタフェース（取付けねじ穴）が形成されている。モジュールフレーム４は、サイドフレーム７に保持されることで、マザーボード基板２の基板面に対して垂直に接続される。サイドフレーム７は、底面がベースフレーム１の底面と同じ高さに位置するように、ベースフレーム１の側面から立設している。

図２は、モジュールユニット１７におけるリテーナー取付け部の概念図である。図２に示される通り、モジュールフレーム４は端部に段部２５が形成されており、段部２５にリテーナー１０が収納される構造となっている。また、プリント基板５とモジュールフレーム４は端面が概ね揃って互いに貼り合わされている。このため、プリント基板５、モジュールフレーム４及びリテーナー１０が、サイドフレーム７の溝３０によって挟持される構造となっている。

モジュールユニット１７は、リテーナー１０が膨らむことによってサイドフレーム７の溝３０に押圧力を生じ、この押圧力によってモジュールユニット１７のマザーボード基板２に対する位置が固定される。また、この押圧力により、プリント基板５がサイドフレーム７の溝３０内面に密着することとなる。

また、モジュールフレーム４は、固定部１９がマザーボード基板２に設けられた穴１５を貫通し、固定部１９がベースフレーム１の突起部（後述する突起部３６）に直接接触する構造となっている。モジュールフレーム４の固定部１９側にねじ穴を設けることで、ベースフレーム１より、ねじの締結力によりモジュールユニット１７を引き込み固定することができる構造となっている。

サイドフレーム４には、サイドカバー８が側面よりねじ固定される。また、サイドカバー８は、サイドフレーム７の他、下面よりベースフレーム１と、上面よりトップカバー９とねじ固定できる構造となっている。トップカバー９はサイドフレーム３の上面にも固定される。
また、ベースフレーム１上でサイドフレーム７が取り付けられない、サイドカバー８側の端部は、サイドカバー８の外面位置よりも外側方向に突き出しており、当該突き出し部に電子機器取り付け用のインタフェースが形成されている。

トップカバー９は、複数の外部コネクタ挿入用開口穴６１が設けられた板であり、サイドフレーム７及びサイドカバー８の上部側端部に取り付けられてねじにより固定される。この外部コネクタ挿入用開口穴６１から挿入される外部コネクタ（図示せず）は、プリント基板５におけるコネクタ３と反対側の側端部に設けられたコネクタ６０に嵌合させることができる。

実施の形態１による電子機器は以上のように構成され、次のように組み立てられる。
まず、ベースフレーム１にマザーボード基板２を組み付ける。
モジュールフレーム４にプリント基板５及びリテーナー１０を組み付け、モジュールユニット１７を構成する。
ベースフレーム１の両側端部に、ベースフレーム１と直角（垂直）に２つのサイドフレーム７を対向配置して取付ける。

次に、少なくとも３枚のモジュールユニット１７を、間隔を空けてサイドフレーム７の溝３０に挿入し、モジュールユニット１７のプリント基板５のコネクタ６をマザーボード基板２のコネクタ３に嵌合させる。
このとき、モジュールユニット１７とマザーボード基板２のコネクタ同士が確実に嵌合するように、ベースフレーム１に対するサイドフレーム７の位置を調整してから、ベースフレーム１とサイドフレーム７の固定ねじを増し締めし、ベースフレーム１とサイドフレーム７の位置を固定する。また、モジュールユニット１７の固定部１８、１９とベースフレーム１の取付け部を、ベースフレーム１の裏面側から挿入されるねじにより固定する。

その後、ベースフレーム１と直角（垂直）に２つのサイドカバー８を対向配置して取付け、サイドフレーム７及びサイドカバー８をロの字形状に組み合わせ、サイドカバー８をねじによりベースフレーム１及びサイドフレーム７に固定する。

残りの全てのモジュールユニット１７をサイドフレーム７の溝３０に挿入し、モジュールユニット１７のプリント基板５のコネクタ６をマザーボード基板２のコネクタ３に嵌合させる。また、モジュールユニット１７の固定部１８、１９とベースフレーム１の取付け部（後述する突起部３５、３６）を、ベースフレーム１の裏面側から挿入されるねじにより固定する。更に、リテーナー１０を膨脹させてモジュールユニット１７をサイドフレーム７に保持する。
更に、サイドフレーム７及びサイドカバー８の上面から、トップカバー９をねじにより取付け固定することで、電子機器の筐体を形成する。

このように構成された電子機器においては、マザーボード基板２をベースフレーム１に固定しマザーボード基板２とベースプレート１を１体として取扱う。また、サイドカバー８の取り付け部の上下２面を、ベースフレーム１及びトップカバー９側からねじ固定する構造とすることで、ベースフレーム１の位置をずらしたとしても、サイドカバー８を後から取り付けて筐体を構成できるようになる。
これにより、プリント基板５とマザーボード基板２及びサイドフレーム７の位置調整を、ベースフレーム１ごと、サイドフレーム７の側面から行えるようになる。

したがって、ベースフレーム１にマザーボード基板２の位置調整のための大きな開口部を設ける必要がなくなり、筐体取付け面の面積を大きく確保でき、高い排熱特性を有することができるようになる。
また、上記構成は、電子機器筐体を構成するための最低限の構成要素であるため、排熱特性確保のために、質量増加に繋がる特別な構成要素を追加しなくても済む。

また、マザーボード基板２に穴を設けて固定部１９を後述する突起部３６に当接させることにより、ベースフレーム１とモジュールフレーム４との接触箇所を増やすことができ、筐体取り付け面に対して効率的に排熱パスを設けることができるようになる。

次に、実施の形態１による電子機器の排熱作用について説明する。
図３はプリント基板５からの排熱経路を示した図である。
プリント基板５上の発熱性部品から発する熱を放熱する経路は、両サイドフレーム７を通じて筐体取付け面に熱を流す経路１１ａと、ベースフレーム１を通じて筐体取付け面に熱を流す経路１１ｂとが確保できるようになる。
すなわち、プリント基板５から発生した熱は、プリント基板５の表面から溝３０内面を介してサイドフレーム７に伝導され、サイドフレーム７から経路１１ａによって筐体取付け面１００に放熱される。
また、プリント基板５から発生した熱は、プリント基板５からモジュールフレーム４に伝導され、モジュールフレーム４から固定部１８、１９を通じて、ベースフレーム１の突起部３５、３６に伝導され、ベースフレーム１から経路１１ｂによって筐体取付け面１００に放熱される。

これによって、プリント基板５の３方向から排熱をすることが可能となるため、高い排熱性能を確保できるようになる。また、プリント基板５上の温度分布を低く抑えることが可能となる。

また、マザーボード基板２に穴を設けて、モジュールフレーム４の固定部１９を、ベースフレーム１の突起部３６に当接させ、モジュールユニット１７の中央部に固定点を設けることで、モジュールユニット１７の強度が増加し、モジュールフレーム４の軽量化を実施することができる。

電子機器をこのように構成する際、プリント基板５において、例えばねじ固定部のような放熱用固定点を増やす必要もないので、プリント基板５の実装面積に与える影響を最小限にすることができる。

また、モジュールユニット１７のリテーナー１０による固定部において、プリント基板５をサイドフレーム７の溝３０内面と直接接触させる構造とすることにより、モジュールフレーム４を経由する以外に、プリント基板５からサイドフレーム７に直接放熱する排熱パスを設けることができるので、より高い排熱性能を得ることが可能となる。

実施の形態１による電子機器は、発熱部品の実装されたマザーボード基板２と、マザーボード基板２が取付けられるベースフレーム１と、マザーボード基板２に対してコネクタ６により電気的に接続されるプリント基板５と、プリント基板５が取付けられるとともに、当該コネクタ側に設けられベースフレーム１に当接して熱的に接続される取付け脚（固定部１８、１９）を有したモジュールフレーム４とから成る複数のモジュールユニット１７と、モジュールユニット１７の側端部がそれぞれ当接して熱的に接続されるとともに、着脱可能に嵌め込まれる複数の嵌合部を有し、底面がベースフレーム１の底面と同じ高さに位置しベースフレーム１の側面から立設したサイドフレーム７と、を備えたことを特徴とする。これによって、プリント基板からサイドフレームを介して放熱する排熱パスを設けることができるので、より高い排熱性能を得ることが可能となる。

また、プリント基板５及びモジュールフレーム４の側端部がそれぞれ当接して熱的に接続されることによって、プリント基板５からサイドフレーム７に直接放熱する排熱パスを設けることができる。

また、取付け脚（固定部１８、１９）は、モジュールフレーム４の両側面底部と中央底部に設けられる。さらに、マザーボード基板２は、モジュールフレーム４の取付け脚（固定部１８、１９）がベースフレーム１まで通過する貫通穴１５が設けられる。これによって、プリント基板５の３方向から排熱をすることが可能となるため、高い排熱性能を確保できるようになる。

実施の形態２．
図４は、この発明に係る実施の形態２によるモジュールフレーム４の固定部の概念を示す図である。モジュールフレーム４の端面は、ねじ１２によりサイドフレーム７の溝３０の内面に固定される。また、プリント基板５とサイドフレーム７の溝３０の間に、放熱シートを挟むことにより、プリント基板５からサイドフレーム７への熱伝導を促進するようにしても良い。

実施の形態１では、リテーナー１０を用いてモジュールフレーム４の固定を行っているが、この実施の形態２では、リテーナー１０の代わりにねじによる締結方法を用いる。これによって、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
なお、プリント基板５からの熱は、モジュールフレーム４を介してサイドフレーム７に排熱されることとなるが、前述の通り、放熱シートを介してプリント基板５からサイドフレーム７へ熱伝導するようにしても良い。

実施の形態３．
図５は、この発明に係る実施の形態３の電子機器における、モジュールフレーム４の固定部を示す概念図である。上記の実施の形態１によるモジュールフレーム４の固定において、ベースフレーム１の突起部３５、３６と、モジュールフレーム４の固定部１８、１９が接触するよりも、電気的接続のためのコネクタ３とコネクタ６が先に接触すると、ベースフレーム１とモジュールフレーム４が接触しなくなり、排熱パスを確保できなくなる可能性がある。

このため、実施の形態３では、コネクタの位置を細かくコントロールする必要がある。この場合、ベースフレーム１とモジュールフレーム４との間に接着剤のような間接熱伝導剤を用いることで、排熱パスを確保することができる。
なお、接着剤の変わりに熱伝導性のシートを挟みこむ形態でも、同様な効果を得ることができる。

以上説明した実施の形態１乃至３による電子機器は、コネクタを用いてプリント基板とマザーボード基板を接続する構造を有した電子機器の内、真空中での使用、特に衛星搭載を目的とした電子機器筐体の排熱方法に利用することができる。

なお、実施の形態１乃至３による上記説明では、熱伝導のみを考慮して、サイドフレーム７及びベースフレーム１から筐体取付け面へ排熱する場合について述べた。しかし、筐体外壁からの熱放射（輻射）、及び対流を持たせることができる場合についても、この発明を利用することができ、同様の効果を有することは言うまでもない。

また、ベースフレーム１へのモジュールフレーム４の固定点を増加させることができるので、耐震性を要する電子機器筐体にも用いることができることもいうまでもない。

１ ベースフレーム、２ マザーボード基板、３ コネクタ、４ モジュールフレーム、５ プリント基板、６ コネクタ、７ サイドフレーム、８ サイドカバー、９ トップカバー、１０ リテーナー、１７ モジュールユニット、１８ 固定部（取付け脚）、１９固定部（取付け脚）、３０ 溝（嵌合部）、３５ 突起部、３６ 突起部。

Claims (3)

1. マザーボード基板と、
   上記マザーボード基板が取付けられるベースフレームと、
   コネクタを有し上記マザーボード基板に対してコネクタにより電気的に接続されるプリント基板と、当該プリント基板が取付けられるとともに、当該コネクタ側で両側端部の底部と中央底部にそれぞれ設けられベースフレームに当接して熱的に接続される取付け脚を有したモジュールフレームと、から成る複数のモジュールユニットと、
   上記モジュールユニットを構成するプリント基板及びモジュールフレームの側端部がそれぞれ当接して熱的に接続されるとともに、着脱可能に嵌め込まれる複数の嵌合部を有し、ベースフレームの側面から立設したサイドフレームと、
   を備えた電子機器。
2. 上記マザーボード基板は、上記モジュールフレームの取付け脚が上記ベースフレームまで通過する貫通穴が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
3. 上記嵌合部は溝から構成され、
   上記モジュールユニットのモジュールフレーム側端部にリテーナーが設けられて、当該リテーナーの膨張によりプリント基板及びモジュールフレームがそれぞれ当該溝に接触することを特徴とする請求項１に記載の電子機器。

Images