JP6938138B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に関し、特に、電子機器の内部にファンを用いて風を流す強制空冷構造に関する。

撮像機能を有する電子機器では、音を記録することもあるため、電子機器自体から発生する音の静音化が必要である。そのため、電子機器がファンを用いた放熱構造を有する場合には、ファンから発生する音を小さく抑える必要があり、したがって、限られた流速や流量で効率的に放熱が可能な放熱構造が求められる。

ファンによる空冷を行う場合の放熱性能を上げる方法の１つとして、ダクトを用いた方法がある。具体的には、熱源の熱を金属材料で成形したダクトへ伝達し、そのダクト内部にファンによって風を流すことにより風の流路が安定し、ファンによる風を有効に利用することができる。このとき、ダクト内部にフィンを立設させると、空気と触れる表面積を拡大させることができるため、より効率的に空気に熱を伝えることができるようになり、放熱性能を高めることができる。

しかし、ダクト内部にフィンを設けると、流路が狭くなってしまう、つまり、流路方向と略直交する断面の断面積が小さくなってしまうため、ダクト内部に流すことが可能な空気の流量が減ってしまう。そこで、従来は、一般的に、フィン形状を風を流す方向と平行な直線状の形状にすると共に複数のフィンを流路方向と直交する方向に所定の間隔で配置することで、圧力損失を極力抑えて、必要な流量を確保している。

このようなフィン形状と配置態様に対して、圧力損失は大きくなってしまうが、フィンを千鳥に配列することにより放熱性能を高める構成も提案されている。例えば、特許文献１には、プレート状のフィンが千鳥状に配列され、そのうちの複数のフィンの上流側端又は下流側端が曲げられたヒートシンクが記載されている。特許文献１に記載されたヒートシンクでは、空気の流れを乱して空気境界層を薄くすることにより熱伝達率を大きくして、放熱効率を高めている。また、特許文献２には、形状の異なる第１のフィンと第２のフィンとが交互に配置されると共に千鳥状に配列されたヒートシンクが記載されている。ここで、第１のフィンはＴ字状の表面形状を有し、第２のフィンは四角形状の表面形状を有し、第１のフィンと第２のフィンとでは高さが異なっている。こうして上層と下層の空気の温度上昇を抑えながら下流へ空気を送ることにより、放熱性能を高めることができる。

特開平１１−１０３１８３号公報 特開２０１５−２２５９０８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたヒートシンクでは、フィンの上流側又は下流側の端を曲げて空気の流れを乱すことで空気境界層を薄くしているため、圧力損失が大きくなってしまう。そのため、限られたスペースで低速で空気を流さなくてはならない電子機器では、空気の流量が十分に確保できずに所望の放熱性能が得られない場合がある。また、上記特許文献２に記載されたヒートシンクでは、フィンの表面積が小さいため、限られたスペースで十分な放熱性能を得ることは難しい。

本発明は、集積基板上の複数の素子で発生する熱を限られたスペースで効率的に放熱することを可能とする放熱構造を有する電子機器を提供することを目的とする。

本発明に係る電子機器は、複数の素子が実装された回路基板と、前記複数の素子で発生する熱を外部に放出するための空冷ユニットと、を備える電子機器であって、前記空冷ユニットは、吸気口を有し、前記複数の素子と接触するダクトと、排気口を有し、前記吸気口から空気を取り込んで前記排気口から排気するファンと、を備え、前記ダクトの内部には、前記ダクトの内部での空気の流路方向における上流側に第１のフィン部が、また、前記流路方向における下流側に第２のフィン部がそれぞれ前記複数の素子に対応した位置に設けられ、前記第１のフィン部と前記第２のフィン部はそれぞれ、略矩形で板状の突起部からなる複数のフィンを有し、前記複数のフィンはその長手方向が前記流路方向と略平行となるように前記流路方向と略直交する方向に一定のピッチで立設され、前記第２のフィン部における前記複数のフィンが前記第１のフィン部における前記複数のフィンに対して前記流路方向と略直交する方向において前記一定のピッチの半ピッチ分だけオフセットした位置に配置され、前記ダクトにおける前記第１のフィン部が設けられた位置と前記第２のフィン部が設けられた位置にそれぞれ１つの素子が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、集積基板上の複数の素子で発生する熱を限られたスペースで効率的に放熱することができる。

本発明の実施形態に係る撮像装置の外観を示す図である。 撮像装置の撮像装置本体と回路基板の構成を説明する図である。 撮像装置本体に設けられた空冷ユニットの構成を説明する図である。 空冷ユニットの内部構造を示す斜視図である。 空冷ユニットを構成するダクト本体の内面の正面図である。 ダクトを流れる空気の温度境界層を説明する図である。 回路基板に実装された２つの主要素子とダクト本体に設けられたフィンとの位置関係を説明する正面図である。 回路基板に実装された３つの主要素子とダクト本体に設けられたフィンの第１の位置関係を説明する正面図である。 回路基板に実装された３つの主要素子とダクト本体に設けられたフィンの第２の位置関係を説明する正面図である。 回路基板に実装された３つの主要素子とダクトに設けられたフィンの第３の位置関係を説明する正面である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明に係る電子機器の一例として、撮像時に音声録音が一般的に行われるビデオカメラを取り上げて、本発明の実施形態について説明することとする。但し、本発明は、ビデオカメラに限定されるものではなく、デジタルカメラや撮像機能を有する各種の携帯情報端末、撮像機能を有さないが静音性が求められるパーソナルコンピュータ等の電子機器にも適用が可能である。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係る撮像装置１００の外観斜視図であり、図１（ｂ）は撮像装置１００の左側面図であり、図１（ｃ）は撮像装置１００の右側面図である。撮像装置１００は、撮像装置本体１０１と、レンズ１０２を有する。撮像装置本体１０１の内部には、不図示であるが、レンズ１０２を通して被写体から撮像装置本体１０１に入射した光の像を電気信号に変換するＣＭＯＳセンサ等の撮像素子や電気信号を処理する回路基板が設けられている。

撮像装置本体１０１には、回路基板上に実装された集積回路等の電子部品で発生する熱を外部に放出するための空冷ユニットが配置されている。空冷ユニットの構成の詳細については後述するが、空冷ユニットの本体吸気口１０３と本体排気口１０４はそれぞれ、撮像装置本体１０１の左側面と右側面に設けられている。但し、本体吸気口１０３と本体排気口１０４を配設する位置は、図１（ｂ），（ｃ）に示した位置に限られず、ユーザが撮像装置本体１０１を把持したときに掌や指によって塞がれることのない位置であればよく、また、左右逆に設けられていてもよい。ファンにより本体吸気口１０３から撮像装置本体１０１の内部へ空気を送り込まれ、撮像装置本体１０１の内部で発生する熱は送り込まれた空気に伝達され、暖められた空気は本体排気口１０４から排気される。

図２（ａ）は、撮像装置本体１０１の分解斜視図である。ここで、図２（ａ）に示すように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向を規定する。撮像装置本体１０１には、レンズ１０２が着脱されるマウント部１０１ａからＺ軸方向に沿って撮像装置本体１０１の背面側に向かって、撮像素子２０１、ファン２０５、ダクト蓋２０４、ダクト本体２０３、回路基板２０２が、この順序で配置されている。ファン２０５、ダクト本体２０３及びダクト蓋２０４は、空冷ユニットの構成要素であり、ダクト本体２０３とダクト蓋２０４はダクトを構成する。また、ファン２０５はダクト蓋２０４に取り付けられている。

図２（ｂ）は、回路基板２０２の概略斜視図である。回路基板２０２には、主要素子３０１と、コネクタ３０２が実装されている。なお、図３では、説明の便宜上、回路基板２０２に実装された主要素子３０１として、第１の主要素子３０１ａと第２の主要素子３０１ｂのみを示しており、その他の電気素子の図示を省略している。例えば、第１の主要素子３０１ａは画像処理ＩＣであり、第２の主要素子３０１ｂはシステム制御ＩＣであり、本実施形態では、回路基板２０２は具体的には集積回路基板である。

ここで、撮像装置１００の高機能化や高性能化に伴って、回路基板２０２に実装されている主要素子３０１では消費電力が増大しており、発熱量が多くなってきている。主要素子３０１は、その温度が保証温度を超えると正常に動作することが困難になって性能低下や故障が生じやすくなるため、空冷ユニットを用いて主要素子３０１を強制的に空冷することにより主要素子３０１の温度上昇を抑制している。

図３（ａ）は、空冷ユニットの外観斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）中の矢視Ａ−Ａの断面図である。図４は、空冷ユニットの内部構造（ダクト蓋２０４を取り外した状態）を示す斜視図である。ダクト本体２０３は、熱伝達率の高い金属部材（例えば、アルミニウムやアルミニウム合金等）からなる。ダクト本体２０３がダクト蓋２０４により閉塞され、これによりＸ軸方向の一端が開口した直方体形状を有するダクトが形成される。ダクトの長手方向であるＸ軸方向の一端に形成された開口端は、ダクト吸気口２０３ａとなっている。ダクト吸気口２０３ａのＸ軸方向反対側において、ダクト蓋２０４には開口部が設けられており、この開口部が設けられた位置にファン２０５が取り付けられている。ファン２０５を駆動したときにダクト吸気口２０３ａからダクト内に空気が取り込まれ、ファン２０５に設けられたファン排気口２０５ａから排気される。

回路基板２０２に実装されている主要素子３０１は、ダクト本体２０３の回路基板２０２側の面と接するようにＸ軸方向に並べて配置されており、これにより主要素子３０１で発生する熱はダクト本体２０３へ効率よく伝達される。ここで、主要素子３０１とダクト本体２０３の間に放熱ゴム等を設ける等して、主要素子３０１とダクト本体２０３の間に隙間が生じないようにすることで、主要素子３０１からダクト本体２０３への熱伝達効率を向上させる工夫を施してもよい。なお、第１の主要素子３０１ａと第２の主要素子３０１ｂのＺ軸方向での高さが異なる場合には、放熱ゴムによる高さ調節を行うことが望ましい。

ダクト本体２０３の回路基板２０２側の面（ダクトの厚み方向（Ｚ軸方向）の一方の面）の内面側において第１の主要素子３０１ａ及び第２の主要素子３０１ｂと背中合わせとなる位置（後述の図７等参照）には、フィン部５０１が設けられている。なお、ダクト蓋２０４は、フィン部５０１と対向するようにダクト本体２０３に取り付けられて、ダクトの厚み方向の他方の面を形成している。本実施形態では、フィン部５０１は、ダクト本体２０３と一体成形されることによって形成されているが、フィン部５０１は溶接等によりダクト本体２０３に接合されていても構わない。フィン部５０１をダクト本体２０３の内部に立設することにより、ダクト本体２０３の内部の表面積を増大させる、つまり、ダクト本体２０３の内部を流れる空気とダクト本体２０３との接触面積を増大させることができる。これにより、ダクト本体２０３から空気への熱伝達をより効率的に行うことができることで、放熱性能を向上させることができる。

図４に破線矢印で示すように、撮像装置本体１０１の本体吸気口１０３から吸い込まれた空気は、ダクト吸気口２０３ａからダクト本体２０３の内部へ流れ込む。ダクト本体２０３の内部を流れる空気は、ダクト本体２０３の内部表面からの熱伝達により暖められて、ファン排気口２０５ａを通り、撮像装置本体１０１の本体排気口１０４から排気される。このとき、ダクト本体２０３及びダクト蓋２０４により空気の流路方向（Ｘ軸方向）を限定していることにより、ダクト本体２０３内で空気を効率的に流すことができることで、放熱効果を高めることができる。

図５（ａ）は、ダクト本体２０３の内面の正面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）中の領域Ｂの拡大図である。フィン部５０１は、流路方向であるＸ軸方向の上流側に設けられた第１のフィン部５０１ａと、下流側に設けられた第２のフィン部５０１ｂとを有する。本実施形態では、フィン部５０１を２列の構成としているが、これに限られず、流路方向において３列以上の複数の列からなるように構成されていてもよい。第１のフィン部５０１ａと第２のフィン部５０１ｂはそれぞれ、複数のフィン（略矩形で板状の突起部（立壁））を有しており、それぞれのフィンは長手方向が流路方向（Ｘ軸）と略平行となるようにダクト本体２０３に設けられている。これにより、ダクト本体２０３の内部を流れる空気の圧力損失を極力抑え、放熱に必要な流量を確保することができる。また、第１のフィン部５０１ａと第２のフィン部５０１ｂは、流路方向と略直交するＹ軸方向に一定の間隔（ピッチ）で、複数のフィンが立設した構造となっており、第１のフィン部５０１ａのピッチと第２のフィン部５０１ｂのピッチとを同じとしている。ここで、本実施形態では、第２のフィン部５０１ｂを第１のフィン部５０１ａに対してＹ軸方向に半ピッチだけオフセットした位置に設けている。

図６は、フィン部５０１の間を流れる空気の温度境界層を模式的に示す図である。ダクト本体２０３内部のフィン部５０１の間をＸ軸方向に空気が流れると、まず、第１のフィン部５０１ａの間を空気が流れる際に、第１のフィン部５０１ａから空気へと熱が伝えられる。こうして暖められた空気の層は、領域ａのように下流側に向かって徐々に厚く（広く）なるように形成されてゆく。一方、第１のフィン部５０１ａでの各フィンの間の領域ｂには、比較的暖められていない空気が流れる。

第２のフィン部５０１ｂの各フィンは、第１のフィン部５０１ａの各フィンに対して半ピッチ分だけＹ軸方向にオフセットした位置に設けられている。よって、第１のフィン部５０１ａの領域ｂを流れる空気は第２のフィン部５０１ｂのフィンに当たり、これにより、第２のフィン部５０１ｂの上流側で空気の流れが乱流化する。乱流は層流よりも熱伝達率が高いため、第２のフィン部５０１ｂから空気への熱伝達効率が高められる。したがって、フィン部５０１によれば、第１のフィン部５０１ａの領域を抜けた冷気（比較的暖められていない空気）の利用と空気の乱流化とによって、下流側の第２のフィン部５０１ｂでの放熱量を増大させ、結果として系全体の放熱性能を向上させることができる。なお、第２のフィン部５０１ｂでも、第１のフィン部５０１ａと同様に、各フィンからの熱伝達によって暖められた空気の層が領域ａ´のように下流側に向かって徐々に厚くなるように形成される。そして、領域ａ´の間には、領域ａ´を流れる空気よりは温度の低い空気が流れる領域ｂ´が形成される。

図７は、主要素子３０１とフィン部５０１の位置関係を説明する正面図である。図２を参照して説明した通り、主要素子３０１はＺ軸方向（図７の紙面と直交する方向）から見たときにダクト本体２０３と重なる位置でダクト本体２０３に接触するように配置されている。更に図７に示すように、Ｚ軸方向から見たときに、第１の主要素子３０１ａは第１のフィン部５０１ａと重なる位置に配置され、第２の主要素子３０１ｂは第２のフィン部５０１ｂと重なる位置に配置されている。つまり、ダクト本体２０３のＸＹ面の板状部を挟んで、第１の主要素子３０１ａと第１のフィン部５０１ａは背中合わせの位置関係にあり、第２の主要素子３０１ｂと第２のフィン部５０１ｂは背中合わせの位置関係にある。また、第１のフィン部５０１ａと第２のフィン部５０１ｂとの境界を示す分割線８０１は、第１の主要素子３０１ａと第２の主要素子３０１ｂの間に位置している。このような構成とすることで、主要素子３０１で発生する熱を効率的にフィン部５０１へ伝達しながら、フィン部５０１から空気へ効率的に放熱を行うことができることで、主要素子３０１の温度上昇を抑制することができる。

図８は、主要素子３０１として３つの素子（第１の主要素子３０１ａ、第２の主要素子３０１ｂ及び第３の主要素子３０１ｃ）が実装された回路基板とダクト本体２０３との第１の位置関係を示す正面図である。第２の主要素子３０１ｂと第３の主要素子３０１ｃは、Ｘ軸方向で同じ位置に、且つ、Ｙ軸方向に並べて配置されている。この場合には、フィン部５０１は、図７の構成と同じ構成とすることができる。つまり、分割線８０１を、第１の主要素子３０１ａと第２の主要素子３０１ｂ及び第３の主要素子３０１ｃとを分断する位置にＹ軸と略平行に設けて、第１のフィン部５０１ａと第２のフィン部５０１ｂを設ければよい。これにより、第１の主要素子３０１ａ、第２の主要素子３０１ｂ及び第３の主要素子３０１ｃのそれぞれからの放熱を効率的に行い、各素子の温度上昇を抑制することができる。

図９は、主要素子３０１として３つの素子（第１の主要素子３０１ａ、第２の主要素子３０１ｂ及び第３の主要素子３０１ｃ）が実装された回路基板とダクト本体２０３との第２の位置関係を示す正面図である。第２の主要素子３０１ｂと第３の主要素子３０１ｃは、Ｘ軸方向の位置をずらして、Ｙ軸方向に並べて配置されている。この場合には、分割線８０１を、図９に示すようにＸ軸方向とＹ軸方向とで折り曲げることで、図７及び図８と同じ効果を得ることができる。つまり、分割線８０１を、第１の主要素子３０１ａと第２の主要素子３０１ｂ及び第３の主要素子３０１ｃとを分断するように折り曲げて、第１のフィン部５０１ａと第２のフィン部５０１ｂの各領域を設定すればよい。そして、第１のフィン部５０１ａに含まれるフィンと第２のフィン部５０１ｂに含まれるフィンのＸ軸方向の長さを折り曲げた分割線８０１に合わせて変える。これにより、第１の主要素子３０１ａ、第２の主要素子３０１ｂ及び第３の主要素子３０１ｃのそれぞれからの放熱を効率的に行い、各素子の温度上昇を抑制することができる。

図１０は、主要素子３０１として３つの素子（第１の主要素子３０１ａ、第２の主要素子３０１ｂ及び第３の主要素子３０１ｃ）が実装された回路基板２０２とダクト本体２０３との第３の位置関係を示す正面図である。第１の主要素子３０１ａ、第２の主要素子３０１ｂ及び第３の主要素子３０１ｃは、流路方向と平行に直線的に並べて配置されている。この場合には、分割線８０１として上流側の第１の分割線８０１ａと下流側の第２の分割線８０１ｂを設け、これに応じて第２のフィン部５０１ｂの下流側に第３列のフィン部５０１ｃを設ける。つまり、第１の分割線８０１ａは第１の主要素子３０１ａと第２の主要素子３０１ｂの間に設けられ、第２の分割線８０１ｂは第２の主要素子３０１ｂと第３の主要素子３０１ｃの間に設けられる。第１のフィン部５０１ａと第３列のフィン部５０１ｃのそれぞれのフィンは、Ｙ軸方向において略同一位置に配置される。そして、第２のフィン部５０１ｂのフィンは、第１のフィン部５０１ａ（第３列のフィン部５０１ｃ）に対してＹ軸方向において半ピッチ分だけオフセットした位置に配列される。これにより、第１の主要素子３０１ａ、第２の主要素子３０１ｂ及び第３の主要素子３０１ｃが流路方向に沿って直線的に配置されている場合であっても、各素子からの放熱を効率的に行って、各素子の温度上昇を抑制することができる。

以上の説明の通り本発明によれば、回路基板に実装された発熱性の素子からの放熱を行う空冷ユニットにおいて、発熱性の素子の位置に応じて空気が流れる方向において複数の領域に分けて、ダクトの内部にフィンが設けられる。これにより、騒音を抑えるためにファンを低回転で回転させる必要があるために流速が遅くなるビデオカメラ等の電子機器であっても、任意の位置にある複数の発熱性の素子からの放熱を効率的に行うことができる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。上述の実施形態の一部を適宜組み合わせてもよい。例えば、上記実施形態では、発熱性の素子としてＺ軸方向から見たときの投影面積（Ｚ軸投影面積）がほぼ同じものを例示したが、各素子のＺ軸投影面積が異なる場合も多々ある。その場合も、複数のフィン部を設ける位置、分割線の位置と形状、複数のフィン部のそれぞれにおけるフィンの長さ等は、素子形状に応じて、適宜、設定すればよい。

また、上記実施形態では、箱状のダクト本体２０３にフィン部５０１を設け、ダクト本体２０３にダクト蓋２０４を取り付け、ダクト蓋２０４にファン２０５を取り付けることにより空冷ユニットを形成した。これに限られず、フィン部が設けられたダクト蓋とファンが取り付けられたダクト本体とを接合することによっても、上述の空冷ユニットを実現することができる。つまり、上述の空冷ユニットを実現することができる限りにおいて、部品の数や各部品の形状は制限されない。

１００ 撮像装置
１０１ 撮像装置本体
２０２ 回路基板
２０３ ダクト本体
２０３ａ ダクト吸気口
２０４ ダクト蓋
２０５ ファン
２０５ａ ファン排気口
３０１ 主要素子
５０１ フィン部
８０１ 分割線

Claims (4)

1. 複数の素子が実装された回路基板と、
   前記複数の素子で発生する熱を外部に放出するための空冷ユニットと、を備える電子機器であって、
   前記空冷ユニットは、
   吸気口を有し、前記複数の素子と接触するダクトと、
   排気口を有し、前記吸気口から空気を取り込んで前記排気口から排気するファンと、を備え、
   前記ダクトの内部には、前記ダクトの内部での空気の流路方向における上流側に第１のフィン部が、また、前記流路方向における下流側に第２のフィン部がそれぞれ前記複数の素子に対応した位置に設けられ、
   前記第１のフィン部と前記第２のフィン部はそれぞれ、略矩形で板状の突起部からなる複数のフィンを有し、
   前記複数のフィンはその長手方向が前記流路方向と略平行となるように前記流路方向と略直交する方向に一定のピッチで立設され、
   前記第２のフィン部における前記複数のフィンが前記第１のフィン部における前記複数のフィンに対して前記流路方向と略直交する方向において前記一定のピッチの半ピッチ分だけオフセットした位置に配置され、
   前記ダクトにおける前記第１のフィン部が設けられた位置と前記第２のフィン部が設けられた位置にそれぞれ１つの素子が配置されていることを特徴とする電子機器。
2. 複数の素子が実装された回路基板と、
   前記複数の素子で発生する熱を外部に放出するための空冷ユニットと、を備える電子機器であって、
   前記空冷ユニットは、
   吸気口を有し、前記複数の素子と接触するダクトと、
   排気口を有し、前記吸気口から空気を取り込んで前記排気口から排気するファンと、を備え、
   前記ダクトの内部には、前記ダクトの内部での空気の流路方向における上流側に第１のフィン部と前記流路方向における下流側に第２のフィン部がそれぞれ前記複数の素子に対応した位置に設けられ、
   前記第１のフィン部と前記第２のフィン部はそれぞれ、略矩形で板状の突起部からなる複数のフィンを有し、
   前記複数のフィンはその長手方向が前記流路方向と略平行となるように前記流路方向と略直交する方向に一定のピッチで立設され、
   前記第２のフィン部における前記複数のフィンが前記第１のフィン部における前記複数のフィンに対して前記流路方向と略直交する方向において前記一定のピッチの半ピッチ分だけオフセットした位置に配置され、
   前記ダクトにおける前記第１のフィン部が設けられた位置に１つの素子が配置され、前記ダクトにおける前記第２のフィン部が設けられた位置に２つ以上の素子が前記流路方向と略直交する方向に配置されていることを特徴とする電子機器。
3. 前記２つ以上の素子は前記流路方向においてずれた位置に配置されており、
   前記第２のフィン部と前記第１のフィン部との境界は前記２つ以上の素子の位置に応じて前記流路方向および前記流路方向と略直交する方向とで折り曲げられていることを特徴とする請求項２に記載の電子機器。
4. 前記複数の素子は放熱ゴムを介して前記ダクトと接触していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子機器。

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