JP5788754B2 - 小型センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、小型センサ装置に関する。

従来から、熱センサ及びＣＰＵを備えるセンサ装置が一般的に存在する。例えば、特許文献１においては、ＣＰＵと赤外線センサ、光学系、センサアンプ部、Ａ／Ｄ変換部、温度変換テーブルなどからなる赤外線熱画像装置が開示されている。また、特許文献２においては、ＣＰＵと、焦電型赤外線センサ、インピーダンス変換器、Ａ／Ｄ変換器などからなる熱放射物体検知装置が開示されている。これらの装置は、Ａ／Ｄ変換されたセンサデータをＣＰＵにて処理して温度データを算出したり、熱放射物体が検知対象であるか否か判断したりするものである。

一方、ＣＰＵは処理演算などを行う際に熱を発生させるため、ＣＰＵを搭載する装置の内部に冷却システムを設けることが行われている。例えば、特許文献３においては、画像形成装置内の熱源であるＣＰＵをファンにより冷却するＣＰＵ冷却装置が開示されている。また、特許文献４においては、高性能なＣＰＵを搭載できる冷却構造を備えたブレードサーバが開示されている。

特開平１０−９６６６７ 特開平７−２２５２８１ 特開２００８−２１６３８２ 特開２０１０−７９４０６

しかしながら、従来の冷却装置などはＣＰＵを搭載する装置がある程度の大きさを有することを前提としているため、小型の熱センサ装置に適用することが難しい。また、小型の熱センサ装置を目指す際に、ＣＰＵから放出される熱が熱センサの素子に影響を与え、熱センサのデータの精度が下がってしまうという問題があった。そこで、小型の熱センサ装置において、熱センサに対するＣＰＵの熱の影響を抑制するための手段が求められていた。

以上の課題を解決するために、ＣＰＵを配置したＣＰＵ基板と、熱センサを配置した熱センサ基板と、前記ＣＰＵ基板と前記熱センサ基板とを収納する筺体と、からなり、前記ＣＰＵ基板は、前記熱センサ基板面上に空間を隔てて配置されることを特徴とする小型センサ装置を提案する。

以上のような構成をとる本発明によって、ＣＰＵから放出される熱が熱センサに与える影響を抑制し、かつ、ＣＰＵ基板が熱センサ基板面上に配置されているため、センサ装置の大きさを小型化することが可能になる。

実施形態１の小型センサ装置の構成の一例を示す正断面図 実施形態１の小型センサ装置の構成の一例を示す平断面図 実施形態１の小型センサ装置の構成の一例を示す背面図 実施形態１の小型センサ装置の構成の他の例を示す正断面図 実施形態１の小型センサ装置の構成の他の例を示す平断面図 実施形態２の小型センサ装置の構成の一例を示す正断面図 実施形態２の小型センサ装置の構成の一例を示す側断面図 実施形態２の小型センサ装置の構成の一例を示す正断面図 実施形態２の小型センサ装置の構成の一例を示す側断面図 実施形態３の小型センサ装置の構成の一例を示す正断面図 実施形態３の小型センサ装置の構成の一例を示す側断面図 実施形態３の小型センサ装置の構成の他の例（１）を示す正断面図 実施形態３の小型センサ装置の構成の他の例（１）を示す側断面図 実施形態３の小型センサ装置の構成の他の例（２）を示す正断面図

以下、本発明の実施形態を説明する。実施形態と請求項の相互の関係は、以下のとおりである。実施形態１は主に請求項１、４、５、７などに関し、実施形態２は主に請求項２〜７などに関し、実施形態３は主に請求項１、３〜７などに関する。なお、本発明はこれら実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、様々な態様で実施しうる。

＜＜実施形態１＞＞

＜概要＞
図１、２、３は、本実施形態の「小型センサ装置」の構成の一例を示す正断面図、平断面図、背面図である。本実施形態の「小型センサ」１は、「ＣＰＵ基板」２が「熱センサ基板」３の上に空間を隔てて配置されることを特徴とする。これにより、ＣＰＵから放出される熱が熱センサに与える影響を抑制し、かつ、ＣＰＵ基板が熱センサ基板面上に配置されているため、ＣＰＵ基板と熱センサ基板を収納する「筐体」４の大きさを小さくでき、結果として装置を小型化することが可能になる。

＜構成＞
「ＣＰＵ基板」は、ＣＰＵを配置した基板である。ＣＰＵ基板としては、金属ベース基板やセラミック基板、フレキシブル配線基板、多層配線基板など種々なるものが考えられ、特に限定されるものではない。ただし、絶縁性を有し、かつ放熱性の高い、セラミック基板を用いることが好ましい。また、ＣＰＵ基板の形状・大きさは、特に限定されるものではないが、熱センサ基板や熱センサの形状・大きさを考慮して選択する。具体的には、図１、２に示すように、ＣＰＵ基板と熱センサを隣に並べた際の大きさが熱センサ基板よりも小さくなるようにする。これにより、ＣＰＵ基板や熱センサをコンパクトに筐体に収納することが可能になる。なお、図１、２の例ではＣＰＵ基板の大きさは、縦×横が２．５ｃｍ×２．５ｃｍ程度となっている。

ＣＰＵ基板に配置されるＣＰＵには、一般的なＣＰＵの他に、ＭＰＵやＤＳＰなどの他の処理演算装置も含まれるものである。ＣＰＵ基板に配置されるＣＰＵは、Ａ／Ｄ変換された熱センサからのデータを処理したり、小型センサ装置に含まれる他の部位を制御したりするものである。ただし、ＣＰＵの処理内容に関しては特に限定されるものではない。また、ＣＰＵ基板にはＣＰＵと異なる他の回路を合わせて配置してもよい。

「熱センサ基板」は、熱センサを配置する基板である。熱センサ基板は、ＣＰＵセンサ基板と同様に、一般的な金属ベース基板やセラミック基板、フレキシブル配線基板、多層配線基板など種々なるものが考えられる。また、熱センサ基板には、熱センサの他に、信号増幅回路、Ａ／Ｄ変換回路などが含まれていてもよい。熱センサからの信号は、信号増幅回路に伝送され、増幅される。また、信号増幅回路にて増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換回路に伝送され、デジタル信号に変換される。熱センサ基板の大きさ・形状は特に限定されるものではないが、可能な限りコンパクトにすることが好ましい。図１、２の例では、熱センサ基板の大きさは、縦×横が２．５ｃｍ×５．０ｃｍ程度となっている。

「筐体」は、ＣＰＵ基板と熱センサ基板とを収納する。筐体の材料としては、プラスチックや金属などの他、木材や型紙などであってもよく、特に限定されるものではない。ただし、ＣＰＵ基板からの熱を筐体全体に短時間で分散させることが可能なように銅やアルミなどの熱伝導性の良い金属材料を用いることが好ましい。なお、筐体内面の全部又は一部を、金属メッキなどを施して、良熱伝導材料で覆う構成も可能である。筐体の色は、特に限定されるものではないが、黒色とすることにより、外部から筐体に入ってくる熱ノイズを吸収しやすくすることができる。また、筐体の一部をメッシュ形状としたり、メッシュ素材を用いたりすることにより、通気性を良くすることも可能である。

筐体の形状・大きさは、センサ装置全体をコンパクトにする観点から、ＣＰＵ基板や熱センサ基板、熱センサなどの形状・大きさに沿う形で選択する。例えば、図１、２に示すように、ＣＰＵ基板、熱センサ基板が長方形である場合は、筐体は直方体となるようにする。図１、２の例では、筐体の大きさは、縦×横×高さが２．５ｃｍ×５．０ｃｍ×２．０ｃｍ程度となっている。また、図２に示すように、必要に応じて筐体には測定対象からの放射を受け付ける「入射窓」６を設ける。また、図３に示すように、筐体には、ＣＰＵと外部機器との接続を可能とするコネクターやケーブルなどを通すための「接続窓」７を設けてもよい。

「ＣＰＵ基板」は、熱センサ基板面上に空間を隔てて配置される。つまり、ＣＰＵ基板面は、熱センサ基板面に対して略平行に配置される。図１に示すように、「ＣＰＵ基板」２と「熱センサ基板」は「コネクター」１３を介して接続されている。ＣＰＵ基板は、当該コネクターのみによって固定されていてもよいし、筐体壁の凸部などによって固定されていてもよく、固定方法は特に限定されるものではない。

ＣＰＵ基板に配置されるＣＰＵは、上述のとおり熱を多く発生させる。このため、ＣＰＵと熱センサを近隣の位置に配置すると、熱センサがＣＰＵからの熱ノイズを受けやすくなり、熱センサの冷接点の温度が変動したり、熱センサ素子の一部に温度が偏ってしまったりする。一方、ＣＰＵ基板を熱センサ基板と空間を隔てて配置するだけでは、ＣＰＵ基板と熱センサ基板を収納する筐体のサイズが大きくなってしまい、小型化が図れない。そこで、ＣＰＵ基板を、熱センサ基板の面上に空間を隔てて配置する。当該構成とすることにより、平面方向のサイズはＣＰＵ基板又は熱センサ基板を基準とすることができ、熱の影響を抑制すると同時に筐体の小型化が図れる。

具体的には、図１、図２に示すように、「熱センサ基板」３に配置された「熱センサ」５と隣り合う位置関係となるように「ＣＰＵ基板」２を配置する。この図の例では、「ＣＰＵ基板」２は、「熱センサ」５の上端よりも低い位置にあり、かつ、「ＣＰＵ基板」２と「熱センサ」５を合わせた平面方向の大きさが「熱センサ基板」３の平面方向の大きさよりも小さいため、筐体の大きさをコンパクトにできる。図１、２の例では、「ＣＰＵ基板」２と「熱センサ基板」３は、１．０ｃｍ程度離れて配置されている。

また、図４、５に示すように、「ＣＰＵ基板」２と「筺体」４とによって挟持される「熱伝導ゲル材」８をさらに設ける構成も可能である。熱伝導ゲル材としては、シリコン、セラミック、アクリル樹脂を原料とするものなど種々のものが考えられる。なお、熱伝導ゲル材は、シート状であってもよいし、グリス状のものであってもよい。このように、ＣＰＵと筐体の間に熱伝導ゲル材を設けることにより、ＣＰＵの熱を熱伝導ゲル材が直接吸収し、熱伝導ゲル材から筐体に熱を分散させやすくなる。

本実施形態の小型センサ装置は、装置全体がコンパクトであるため、他の装置に組み込んで利用しやすい。例えば、空調装置の内部に組み込んで温度センサとして用いることも可能であるし、車体などに搭載して人感センサとして用いることも可能である。

＜効果＞
本実施形態の小型センサ装置は、ＣＰＵから放出される熱が熱センサに与える影響を抑制し、かつ、ＣＰＵ基板が熱センサ基板面上に配置されているため、装置の大きさを小型化することが可能になる。

＜＜実施形態２＞＞

＜概要＞
図６、７は、本実施形態の小型センサ装置の構成の一例を示す正断面図、側断面図（正断面図のＡ−Ａ'）である。本実施形態の小型センサ装置は、基本的に実施形態１と同様であるが、「ＣＰＵ基板」２と「熱センサ」５を収納した「ケース」９とが隣り合う位置関係となっており、かつ「ＣＰＵ基板」２と「ケース」９との間の空間には「第一仕切板」１０が設けられている。当該構成とすることにより、ＣＰＵの熱が熱センサに対して与える影響がさらに抑えられ、より精度の高いデータを得ることが可能になる。

＜構成＞
「ケース」は、熱センサ基板上の熱センサを収納し、ＣＰＵ基板と隣り合う位置関係となっている。熱センサをケースに収納することによって、ＣＰＵからの熱の影響を抑制することが可能である。ここで、ケースの材質としては、金属素材やプラスチックなど種々なるものが可能である。ただし、吸収した熱を筐体に短時間で分散させることが可能な熱伝導性の優れた銅やアルミなどの金属素材を用いることが好ましい。同時に、金属素材とすることで、外部からの電磁波を反射することができ、熱センサに対するノイズを抑制することができる。

ケースの形状・大きさは、熱センサの形状・大きさに合わせたものとする。また、熱センサのケースの上部には適当な径の入射窓を設け、赤外線を熱センサ素子に適切に導光する。具体的には、図６に示すように、ケースの形状を熱センサを囲むような筒型形状とし、筒の上面に赤外線放射の「入射窓」６を設ける。

前記ＣＰＵ基板と前記熱センサを収納したケースとは、隣り合う位置関係となる。熱センサ基板上において、熱センサを収納したケースの隣にＣＰＵ基板を配置することによって、余分なスペースをなくすことができ、筐体をコンパクトにすることが可能になる。

「第一仕切板」は、前記ＣＰＵ基板と、前記ケースとの間の空間に設けられている。第一仕切板の材料としては、金属素材やプラスチックなど種々なるものが可能である。ただし、吸収した熱を筐体に短時間で分散させることが可能な熱伝導性の優れる銅やアルミなどの金属素材を用いることが好ましい。また、第一仕切板の大きさは、ＣＰＵ基板と、ケースとの間の空間の大きさを考慮して選択する。具体的には、図６、７に示すように、熱センサのケースから見てＣＰＵ基板が隠れるような形状・大きさとすることが好ましい。なお、ＣＰＵ基板の全てが隠れるようにする必要はなく、ＣＰＵ基板に配置されたＣＰＵの大部分が熱センサのケースから見て隠れる程度であってもよい。

また、第一仕切板を筺体に直接的に接続し、筺体と同じ材料で構成することが好ましい。当該構成とすることにより、第一仕切板に吸収されたＣＰＵ基板からの熱は、筐体に短時間で分散しやすくなる。なお、実施形態１で述べたように、筐体は良熱伝導性材料とする構成や、筐体内面の全部又は一部を良熱伝導性材料で覆う構成とすることが好ましい。

図８、９は、本実施形態の小型センサ装置の構成の他の例を示す正断面図、側断面図（正断面図のＢ−Ｂ'）である。図８、９に示すように、「第一仕切板」１０の上端と、「筺体」４の筺体壁に設けられた「凸部」１１との間に「ＣＰＵ基板」２を挟持させる構成も可能である。当該構成とすることにより、第一仕切板の上端と筐体の凸部によってＣＰＵ基板を固定できると同時に、第一仕切板及び筐体とＣＰＵ基板との熱のやり取りが効率的に行いやすくなり、短時間でＣＰＵの熱を筐体全体に放散させることが可能になる。

＜効果＞
本実施形態の小型センサ装置は、熱センサを収納するケースと、ケースとＣＰＵ基板との間の空間に設けられる第一仕切板によって、熱センサに対するＣＰＵの熱の影響がさらに抑制される。また、ＣＰＵ基板を熱センサのケースの隣に配置する構成としているため、装置の筐体が大きくなることはなく、コンパクトにすることができる。

＜＜実施形態３＞＞

＜概要＞
図１０、１１は、本実施形態の小型センサ装置の構成の一例を示す正断面図、側断面図（正断面図のＣ−Ｃ'）である。本実施形態の「小型センサ装置」１は、基本的に実施形態１、２と同様であるが、「熱センサ基板」３と「ＣＰＵ基板」２の間の空間には「第二仕切板」１２が設けられていることを特徴とする。当該構成とすることにより、ＣＰＵからの熱が熱センサに与える影響を抑制することができ、熱センサで得られるデータの精度を高めることが可能になる。

＜構成＞
「第二仕切板」は、熱センサ基板とＣＰＵ基板の間の空間に設けられている。第二仕切板は、ＣＰＵ基板からの熱が熱センサ基板に与える影響を抑制する。第二仕切板の材料としては、金属素材やプラスチックなど種々なるものが可能である。ただし、吸収した熱を筐体に短時間で分散可能な熱伝導性の優れる銅やアルミなどの金属素材を用いることが好ましい。また、第二仕切板の形状・大きさは、熱センサ基板に対するＣＰＵ基板からの熱の影響を抑制する観点から、ＣＰＵ基板と同程度の大きさ・形状とすることが好ましい。

また、第二仕切板は筺体に直接的に接続され、筺体と同じ材料で構成することが好ましい。当該構成とすることにより、第二仕切板に吸収されたＣＰＵ基板からの熱は、筐体に短時間で分散しやすくなる。また、第二仕切板の上に、ＣＰＵ基板を配置して、ＣＰＵ基板からの熱を直接的に吸収し、ＣＰＵ基板の熱を筐体により分散させやすくすることも可能である。

図１２、１３は、本実施形態の小型センサ装置の構成の他の例を示す正断面図、側断面図（正断面図のＤ−Ｄ'）である。これらの図の例においては、「ＣＰＵ基板」２と「第二仕切板」１２とによって挟持される「熱伝導ゲル材」８をさらに設けている。熱伝導ゲル材としては、シリコン、セラミック、アクリル樹脂を原料とするものなど種々のものが考えられる。なお、熱伝導ゲル材は、シート状であってもよいし、グリス状のものであってもよい。このように、ＣＰＵ基板と第二仕切板との間に熱伝導ゲル材を設けることにより、ＣＰＵの熱を熱伝導ゲル材が直接吸収し、熱伝導ゲル材から筐体に熱を分散させやすくなる。

また、実施形態１で述べたように、ＣＰＵ基板からの熱を吸収する筐体を、熱伝導性の良い材料を用いることによって、筐体外部に対して熱を放散しやすくなる。ただし、筐体の全部が良熱伝導性の材料からなる必要はなく、筐体内面の全部又は一部が良熱伝導性材料で覆う構成であってもよい。

図１４は、本実施形態の小型センサ装置の構成の他の例を示す正断面図である。この図に示すように、「第二仕切板」１２の上端と、筐体の筐体壁の「凸部」１１との間に「ＣＰＵ基板」２を配置する構成も可能である。当該構成とすることにより、第二仕切板と筐体壁の凸部によってＣＰＵ基板を固定すると同時に、ＣＰＵからの熱が熱センサ基板に与える影響を抑制することが可能になる。

＜効果＞
本実施形態の小型センサ装置は、第二仕切板をＣＰＵ基板と熱センサ基板との間の空間に設けることによって、ＣＰＵからの熱が熱センサに対して与える影響をさらに抑制することができ、熱センサから得られるデータの精度をより高くすることが可能になる。

１…「小型センサ装置」、２…「ＣＰＵ基板」、３…「熱センサ基板」、４…筐体、５…熱センサ、６…「入射窓」、７…「接続窓」、８…「熱伝導ゲル材」、９…「ケース」、１０…「第一仕切板」、１１…「筐体壁の凸部」、１２…「第二仕切板」、１３…「コネクター」

Claims (7)

1. ＣＰＵを配置したＣＰＵ基板と、
   熱センサを配置した熱センサ基板と、
   前記ＣＰＵ基板と前記熱センサ基板とを収納する筺体と、
   からなり、
   前記ＣＰＵ基板は、前記熱センサ基板面上に空間を隔てて配置され、
   前記熱センサ基板と前記ＣＰＵ基板の間の空間には第二仕切板が設けられており、
   前記ＣＰＵ基板と前記第二仕切板とによって挟持される熱伝導ゲル材を有することを特徴とする小型センサ装置。
2. 前記熱センサ基板上の熱センサはケースに収納されており、
   前記ＣＰＵ基板と前記熱センサを収納したケースとは、
   隣り合う位置関係となるとともに、
   前記ＣＰＵ基板と前記ケースとの間の空間には第一仕切板が設けられている請求項１に記載の小型センサ装置。
3. 前記ＣＰＵ基板は、前記第一仕切板の上端と、筺体の筺体壁に設けられた凸部との間に挟持されている請求項２に記載の小型センサ装置。
4. 前記ＣＰＵ基板上に配置されたＣＰＵと筺体とによって挟持される熱伝導ゲル材を有する請求項１から３のいずれか一に記載の小型センサ装置。
5. 前記筺体は良熱伝導材料からなる請求項１から４のいずれか一に記載の小型センサ装置。
6. 前記第一仕切板又は／及び前記第二仕切板は筺体に直接的に接続され、筺体と同じ材料で構成される請求項５に記載の小型センサ装置。
7. 筐体内面の全部又は一部は、良熱伝導材料で覆われている請求項１から４のいずれか一に記載の小型センサ装置。

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