JP5785203B2

JP5785203B2 - ヒートシンクを含む冷却構造部を備えるサーボアンプ

Info

Publication number: JP5785203B2
Application number: JP2013035565A
Authority: JP
Inventors: 兼一奥秋
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2033-02-26
Also published as: CN104010474B; US20140240925A1; CN104010474A; US9253926B2; DE102014002415A1; DE102014002415B4; CN203896645U; JP2014165360A

Description

本発明は、ヒートシンクを含む冷却構造部を備えるサーボアンプに関する。

一般的なサーボアンプは、サーボアンプの筐体内に存在する発熱源を冷却するための冷却手段、例えばヒートシンク、ファンモータを備えている。そして、冷却作用を向上させるために、ヒートシンクの表面積又は体積を増大させること、ファンモータの回転数を増大させること、又は伝熱部材を使用して発熱源から離間した位置に設けられた冷却構造体に熱を移動させることが行われている。

特許文献１には、発熱源と、電子機器を収容する金属製のキャビネットとの間に伝熱部材を介在させることによって、電子機器を冷却する冷却方法が開示されている。

特開２００９−１１１３１０号公報

ヒートシンクの表面積又は体積を増大させるためには、発熱源の周囲に十分なスペースがあることが要求される。しかしながら、サーボアンプの筐体内のスペースは予め制限されていることが多く、ヒートシンクの設計変更による放熱効果の改善は限定的である。ファンモータの回転数を増大して放熱効果を向上させる場合、回転数が大きくなるのに従ってファンモータの寿命が短くなる傾向がある。
また、特許文献１に開示されるように、伝熱部材を利用して発熱源から離間した冷却構造部に熱を移動させる技術を、発熱量が大きいパワー半導体を含むサーボアンプ等に適用した場合、発熱源とキャビネットとの間の距離が比較的大きいので、十分な冷却効果が得られないことがある。その場合、伝熱部材をヒートパイプ等の高価な冷却手段によって形成する必要があり、サーボアンプのコスト増大につながる。
したがって、安価でありながら効率的な放熱作用を有する冷却構造部を備えるサーボアンプが望まれている。

本願に係る１番目の発明によれば、筐体と、前記筐体内に配置される発熱源と、前記筐体内に配置されていて前記発熱源に熱的に接続されるヒートシンクを含む放熱構造部と、を備えるサーボアンプであって、前記発熱源はプリント基板に設けられており、前記プリント基板は、前記筐体の内表面に設けられた突起を介して前記筐体に取付けられており、前記ヒートシンクは、前記発熱源に熱的に接続される前記ヒートシンクの第２の接続面以外の表面の少なくとも一部から延在する複数の放熱フィンを有しており、前記ヒートシンクの、前記第２の接続面とは異なる第１の接続面と、前記筐体の内表面との間が熱的に接続されており、前記複数の放熱フィンのうち、前記第１の接続面を有する放熱フィンの肉厚は、他の放熱フィンの肉厚よりも大きくなるようにした、サーボアンプが提供される。
本願に係る２番目の発明によれば、１番目の発明のサーボアンプにおいて、前記筐体に熱的に接続される前記ヒートシンクの前記第１の接続面が、前記筐体の内表面に対向する前記放熱フィンの表面によって形成されるとともに、前記発熱源に熱的に接続される前記ヒートシンクの前記第２の接続面に対して垂直に延在する。
本願に係る３番目の発明によれば、２番目の発明のサーボアンプにおいて、前記ヒートシンクの前記第１の接続面と、前記筐体の前記内表面とが互いに平行に延在する。
本願に係る４番目の発明によれば、１番目の発明のサーボアンプにおいて、前記筐体に熱的に接続される前記ヒートシンクの前記第１の接続面が、前記筐体の内表面に対向する前記放熱フィンの表面によって形成されるとともに、前記発熱源に熱的に接続される前記ヒートシンクの前記第２の接続面に対して平行に延在する。
本願に係る５番目の発明によれば、４番目の発明のサーボアンプにおいて、前記ヒートシンクが、前記第１の接続面に対して垂直に延在する第３の接続面を有しており、前記筐体が、前記ヒートシンクの前記第１の接続面及び前記第３の接続面のそれぞれに対して熱的に接続される。
本願に係る６番目の発明によれば、１番目から５番目のいずれかの発明のサーボアンプにおいて、前記ヒートシンク及び前記筐体とは別個の伝熱部材が、前記ヒートシンクと前記筐体との間に介在する。
本願に係る７番目の発明によれば、１番目から５番目のいずれかの発明のサーボアンプにおいて、前記ヒートシンクと前記筐体とが互いに直接接続される。
本願に係る８番目の発明によれば、１番目から７番目のいずれかの発明のサーボアンプにおいて、前記ヒートシンク及び前記筐体のうちの少なくとも一方が、前記ヒートシンク及び前記筐体の他方に向かって突出する突出部を有しており、該突出部を介して前記ヒートシンク及び前記筐体が熱的に接続される。

上記構成を採用するサーボアンプによれば、発熱源から発生される熱が、発熱源の近傍に設けられるフィンを備えるヒートシンクによって散逸されるとともに、ヒートシンクを介してサーボアンプの筐体に伝達され、該筐体の表面からも散逸されるようになる。それにより、安価で効率的な放熱作用を有する冷却構造部を備えるサーボアンプが提供される。

本発明に係るサーボアンプの基本構成を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態に係るサーボアンプを示す斜視図である。図２Ａに示されるサーボアンプを示す正面図である。図２Ａに示されるサーボアンプを示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係るサーボアンプを示す斜視図である。図３Ａに示されるサーボアンプを示す正面図である。図３Ａに示されるサーボアンプを示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係るサーボアンプを示す断面図である。本発明の第４の実施形態に係るサーボアンプを示す斜視図である。図５Ａに示されるサーボアンプを示す正面図である。図５Ａに示されるサーボアンプを示す断面図である。本発明の第５の実施形態に係るサーボアンプを示す斜視図である。図６Ａに示されるサーボアンプを示す正面図である。図６Ａに示されるサーボアンプを示す底面図である。本発明に係るサーボアンプを実装した強電盤を示す斜視図である。図７Ａに示される強電盤を示す側面図である。本発明に係るサーボアンプの変形例を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素は、本発明の理解を助けるためにそれらの縮尺が実用的な形態から適宜変更されている。

図１は、本発明に係るサーボアンプ１０の基本構成を示す斜視図である。サーボアンプ１０は、第１の筐体部品１２及び第２の筐体部品１４から形成される筐体と、該筐体内に収容される図示されない発熱源、例えばパワー半導体と、を備えている。第１の筐体部品１２は中空の直方体形状を有しており、第２の筐体部品１４に対向する表面において開口している。第２の筐体部品１４は板状部材であり、第１の筐体部品１２の開口部を被覆するように第１の筐体部品１２に取付けられる。第２の筐体部品１４は、第１の筐体部品１２の開口部よりも大きく形成されていて、サーボアンプ１０を支持構造体（図示せず）に取付ける際にねじ留め用の取付面としても利用される。しかしながら、筐体の形状及び構造は本明細書に開示される具体例に限定されない。例えばサーボアンプの筐体が第１の筐体部品１２及び第２の筐体部品１４から形成される実施形態を例として以下に説明するものの、一体的に形成される筐体を使用してもよい。

サーボアンプ１０は、発熱源から発生される熱を散逸させる放熱機構部を有している。放熱機構部は、ヒートシンク２０と、ヒートシンク２０と第２の筐体部品１４との間に介在する伝熱手段１６と、を備えている。図１では省略されているものの、ヒートシンク２０は、発熱源に接続される接続面以外の表面の少なくとも一部から延在する放熱フィンをさらに有している。サーボアンプ１０の放熱機構部によれば、発熱源から発生される熱は、ヒートシンク２０によって散逸されるとともに、ヒートシンク２０及び伝熱手段１６を介してサーボアンプ１０の筐体（第２の筐体部品１４）に伝達される。それにより、発熱源近傍においてはヒートシンク２０による冷却作用が得られると同時に、発熱源から離間した位置にある筐体による冷却作用が得られるようになっている。

図２Ａは、本発明の第１の実施形態に係るサーボアンプ１０を示す斜視図である。図２Ｂは、図２Ａに示されるサーボアンプ１０を示す正面図である。図２Ｃは、図２Ａに示されるサーボアンプ１０を示す断面図である。図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃにおいては、第１の筐体部品１２の一部が切除されており、サーボアンプ１０の内部構成を視認できるようになっている。

第１の筐体部品１２の内表面にはプリント基板１８が取付けられている。筐体には、プリント基板１８を取付けるための突起２２が設けられている。また、プリント基板１８には、パワー半導体２４が実装されている（図２Ｃ）。

図１に関連して述べたように、ヒートシンク２０は複数の冷却フィン２６を有している。冷却フィン２６は、図２Ｃに示されるように、パワー半導体２４に接続されるヒートシンク２０の接続面２０ａに対して垂直に延在している。これら冷却フィン２６のうち、図２Ｃの最も右側、すなわち第２の筐体部品１４に対向するように設けられる冷却フィン２６ａの側面には、伝熱部材３０が接続されている。ヒートシンク２０は、熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウム、銅又はそれらの合金から形成され得る。なお、第２の筐体部品１４に対向して設けられる冷却フィン２６ａは、他の冷却フィン２６よりも大きい肉厚を有していてもよい。この場合、パワー半導体２４からヒートシンク２０を通って第２の筐体部品１４に伝達され得る熱量が増大するので、サーボアンプ１０の筐体による放熱作用が向上する。

パワー半導体２４からの伝熱経路として作用するヒートシンク２０の接続面２０ａは、サーボアンプ１０の筐体の幅狭の表面に対して垂直に形成されるのが好ましい。図示された実施形態の場合、ヒートシンク２０の接続面２０ａは、第２の筐体部品１４の壁面１４ａに対して垂直に形成されている。換言すると、接続面２０ａは、第１の筐体部品１２の表面に対して平行に延在している。このようにすれば、ヒートシンク２０の表面からの十分な放熱作用が得られるように、ヒートシンク２０の接続面２０ａの寸法及び冷却フィン２６の厚みを適切に決定できる。他方、接続面２０ａが筐体の幅狭の表面（すなわち第２の筐体部品１４の壁面１４ａ）に対して平行に配置される場合、ヒートシンク２０とパワー半導体２４との間の接触面積が小さくなるので、フィンの長さを延長するなどの処置が必要になる。そして、フィンの長さは、適切な長さを超えると先端まで熱が伝達されないことがあり、その場合、放熱効率が低下する。

伝熱部材３０は、冷却フィン２６ａと第２の筐体部品１４との間に設けられている。それにより、伝熱部材３０を介して、ヒートシンク２０と第２の筐体部品１４とは互いに熱的に接続されている。伝熱部材３０は、熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウム、銅又はそれらの合金から形成され得る。伝熱部材３０と、ヒートシンク２０及び第２の筐体部品１４とは、任意の公知の手段、例えばねじ留めによって接続され得る。各部品間に隙間が形成されないように、伝熱性グリース等を部品間に付与してもよい。

前述したような構成を有するサーボアンプによれば、発熱源近傍に設けられるヒートシンクの表面からの第１の放熱作用が得られるとともに、ヒートシンク及び伝熱部材を介して筐体に熱が伝達し、筐体表面からの第２の放熱作用が得られる。したがって、サーボアンプの筐体内のスペースが制限される場合であっても、信頼性が高い効率的な放熱効果が得られる。また、ヒートパイプ等の高価な冷却手段を必要としないので、安価なサーボアンプが提供される。

特に第１の実施形態においては、プリント基板の配置及び発熱源の配置に制限があるなどの要因により、ヒートシンクを筐体の壁面近傍に設置できない場合であっても、ヒートシンク及び筐体とは別個の伝熱部材を介して、ヒートシンクと筐体との間において熱が伝達される。このような別個の伝熱部材は、周囲の部品に合わせて形状を変更するのが容易であり、安価に製造され得る。また、ヒートシンク及び筐体にそれぞれ接続する工程が容易になるように伝熱部材の形状を容易に変更することができる。

続いて、前述した実施形態とは異なる本発明の他の実施形態について説明する。以下の説明において、既に述べた内容と重複する事項については説明を適宜省略する。また、同一又は対応する構成要素には同一の参照符号が使用される。

図３Ａは、本発明の第２の実施形態に係るサーボアンプ５０を示す斜視図である。図３Ｂは、図３Ａに示されるサーボアンプ５０を示す正面図である。図３Ｃは、図３Ａに示されるサーボアンプ５０を示す断面図である。本実施形態においては、サーボアンプ５０のヒートシンク２０は、第２の筐体部品１４の壁面１４ａに直接接続されている。したがって、第２の筐体部品１４に対向するように延在する冷却フィン２６ａの側面が、ヒートシンク２０の第２の筐体部品１４との接続面２０ｂとして作用する。このような構成によれば、第１の実施形態における別個の伝熱部材を省略できるので、伝熱部材を組付けるのに必要な工程が省略され、製造コストを削減できる。

図４は、本発明の第３の実施形態に係るサーボアンプ６０を示す断面図である。本実施形態のサーボアンプ６０の斜視図及び正面図は、それぞれ図２Ａ及び図２Ｂと同様であるので省略する。本実施形態においては、第２の筐体部品１４の壁面１４ａからヒートシンク２０に向かって突出する突出部６２が形成されている。そして、この突出部６２とヒートシンク２０の接続面２０ｂとが互いに接続されている。ヒートシンク２０と突出部６２との間の接続は、例えばねじ留めによって行われる。このような構成によれば、第１の実施形態における伝熱部材などの追加の部材を使用しなくても、パワー半導体２４から発生される熱を、ヒートシンク２０を通って第２の筐体部品１４まで伝達できる。したがって、伝熱部材を組付ける工程が不要になり、製造コストが削減される。

図５Ａは、本発明の第４の実施形態に係るサーボアンプ７０を示す斜視図である。図５Ｂは、図５Ａに示されるサーボアンプ７０を示す正面図である。図５Ｃは、図５Ａに示されるサーボアンプ７０を示す断面図である。本実施形態においては、ヒートシンク２０が、第２の筐体部品１４に対向する冷却フィン２６ａの側面の一部から第２の筐体部品１４に向かって突出する突出部７２を有している。そして、突出部７２の、第２の筐体部品１４に対向する面が、ヒートシンク２０と第２の筐体部品１４とを接続する接続面２０ｂとして作用する。このような構成によっても、第１の実施形態における伝熱部材が必要ないので、組立工程が簡略化され、製造コストが削減される。

図６Ａは、本発明の第５の実施形態に係るサーボアンプ８０を示す斜視図である。図６Ｂは、図６Ａに示されるサーボアンプ８０を示す正面図である。図６Ｃは、図６Ａに示されるサーボアンプ８０を示す底面図である。本実施形態においては、ヒートシンク２０と、第２の筐体部品１４とが、ヒートパイプ８２によって熱的に接続されている。より詳細には第２の筐体部品１４の壁面１４ａには、受熱ブロック８４を介してヒートパイプ８２が取付けられていて、それにより、パワー半導体２４から発生される熱が、ヒートパイプ８２を通って第２の筐体部品１４まで伝達されるようになっている。

このように、筐体による放熱効果を向上させる必要がある場合、ヒートシンクと筐体とを熱的に接続する伝熱部材としてヒートパイプを使用してもよい。また、ヒートパイプの代わりに銅よりも熱伝導率の高い炭素繊維製の伝熱部材を使用してもよい。

図７Ａは、本発明に係るサーボアンプ１０を実装した強電盤１００を示す斜視図である。図７Ｂは、図７Ａに示される強電盤１００を示す側面図である。図７Ａにおいて破線で示されるサーボアンプ１０は、強電盤１００の筐体１０２内に収容されている。サーボアンプ１０の第２の筐体部品１４は、強電盤１００の筐体１０２の内壁面にねじ留めされている。このような構成によれば、発熱源から発生される熱は、ヒートシンク２０、伝熱手段１６及び第２の筐体部品１４を介して、強電盤１００の筐体１０２に伝達される。それにより、強電盤１００の筐体１０２の表面からも熱が散逸されるようになる。

図４及び図５Ａ〜図５Ｃに関連して第２の筐体部品及びヒートシンクの一方から他方に向かって突出する突出部を形成する例を説明したが、これら第２の筐体部品及びヒートシンクの両方が他方に向かって突出する突出部を有するようにしてもよい。図８は、この変形例に係るサーボアンプ９０を示す断面図である。この場合、第２の筐体部品１４から突出する突出部６２’と、ヒートシンク２０から突出する突出部７２’とが、ねじ９２等の任意の公知の固定手段を介して互いに接続されている。それにより、ヒートシンク２０と第２の筐体部品１４とが熱的に接続されるようになっている。具体的には、ヒートシンク２０の突出部７２’は、パワー半導体２４との接続面２０ａに対して平行に延在する第１の表面９４において、第２の筐体部品１４の突出部６２’の第２の表面９６に対して接続される。さらに、ヒートシンク２０の突出部７２’は、第１の表面９４に対して垂直に延在する第３の表面９５において、第２の筐体部品１４の突出部６２’の第４の表面９８に対して接続されている。このような構成によれば、ヒートシンク２０から第２の筐体部品１４に伝達される熱は、第１の表面９４と第２の表面９６との間の第１の経路と、第３の表面９５と第４の表面９８との間の第２の経路と、の両方を通ることになり、伝熱作用を向上させられる。なお、第３の表面９５と第４の表面９８との間に間隙が形成されていて、第２の経路が形成されないようにしてもよい。さらに、代替的な変形例において、前述した２つの突出部６２’，７２’の間に別個の伝熱部材を介在させてもよい。

このように、本発明によれば、発熱源近傍のスペースにヒートシンクを設けることによって、ヒートシンク表面からの第１の放熱作用が得られるとともに、ヒートシンクと筐体とを熱的に接続することによって、サーボアンプの筐体の表面からの第２の放熱作用が得られる。さらに、必要に応じてサーボアンプを支持する支持構造体、例えば前述した強電盤の筐体表面からの第３の放熱作用が得られる。したがって、筐体内のスペースが限られていても信頼性が高く効率の高い放熱作用が得られる。また、ヒートパイプ等の高価な冷却手段を省略できるようになるので、コストを削減できる。

本発明においてはファンモータを使用する必要はないものの、仮にファンモータを使用する場合であっても、ファンモータの回転数を低く抑えられる利点がある。したがって、回転数の増大に起因してファンモータの寿命が短くなるのを防止でき、信頼性が向上する。また、発熱源から離間した位置に冷却構造体を設ける必要がなくなるので、サーボアンプを小型化できる。仮に冷却構造体を別個設ける場合であっても、安価な伝熱部材を使用できるので、コストが削減される。

以上、本発明の種々の実施形態及び変形例を説明したが、他の実施形態及び変形例によっても本発明の意図される作用効果を奏することができることは当業者に自明である。特に、本発明の範囲を逸脱することなく前述した実施形態及び変形例の構成要素を削除ないし置換することが可能であるし、公知の手段をさらに付加することが可能である。また、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。

１０サーボアンプ
１２第１の筐体部品
１４第２の筐体部品
１６伝熱手段
１８プリント基板
２０ヒートシンク
２０ａ（パワー半導体側）接続面
２０ｂ（筐体側）接続面
２４パワー半導体
２６冷却フィン
３０伝熱部材
５０サーボアンプ
６０サーボアンプ
６２突出部
６２’ 突出部
７０サーボアンプ
７２突出部
７２’ 突出部
８０サーボアンプ
８２ヒートパイプ
９０サーボアンプ
１００強電盤

Claims

筐体と、
前記筐体内に配置される発熱源と、
前記筐体内に配置されていて前記発熱源に熱的に接続されるヒートシンクを含む放熱構造部と、
を備えるサーボアンプであって、
前記発熱源はプリント基板に設けられており、前記プリント基板は、前記筐体の内表面に設けられた突起を介して前記筐体に取付けられており、
前記ヒートシンクは、前記発熱源に熱的に接続される前記ヒートシンクの第２の接続面以外の表面の少なくとも一部から延在する複数の放熱フィンを有しており、
前記ヒートシンクの、前記第２の接続面とは異なる第１の接続面と、前記筐体の内表面との間が熱的に接続されており、
前記複数の放熱フィンのうち、前記第１の接続面を有する放熱フィンの肉厚は、他の放熱フィンの肉厚よりも大きくなるようにした、サーボアンプ。
前記筐体に熱的に接続される前記ヒートシンクの前記第１の接続面が、前記筐体の内表面に対向する前記放熱フィンの表面によって形成されるとともに、前記発熱源に熱的に接続される前記ヒートシンクの前記第２の接続面に対して垂直に延在する、請求項１に記載のサーボアンプ。
前記ヒートシンクの前記第１の接続面と、前記筐体の前記内表面とが互いに平行に延在する、請求項２に記載のサーボアンプ。
前記筐体に熱的に接続される前記ヒートシンクの前記第１の接続面が、前記筐体の内表面に対向する前記放熱フィンの表面によって形成されるとともに、前記発熱源に熱的に接続される前記ヒートシンクの前記第２の接続面に対して平行に延在する、請求項１に記載のサーボアンプ。
前記ヒートシンクが、前記第１の接続面に対して垂直に延在する第３の接続面を有しており、
前記筐体が、前記ヒートシンクの前記第１の接続面及び前記第３の接続面のそれぞれに対して熱的に接続される、請求項４に記載のサーボアンプ。
前記ヒートシンク及び前記筐体とは別個の伝熱部材が、前記ヒートシンクと前記筐体との間に介在する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のサーボアンプ。
前記ヒートシンクと前記筐体とが互いに直接接続されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のサーボアンプ。
前記ヒートシンク及び前記筐体のうちの少なくとも一方が、前記ヒートシンク及び前記筐体の他方に向かって突出する突出部を有しており、該突出部を介して前記ヒートシンク及び前記筐体が熱的に接続される、請求項１〜７のいずれか１項に記載のサーボアンプ。