JP7036000B2

JP7036000B2 - 電子装置

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Publication number: JP7036000B2
Application number: JP2018245845A
Authority: JP
Inventors: 亮人土屋; 正佳小林; 達哉後藤; 和次山▲崎▼
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: US20220061193A1; WO2020137834A1; US11889668B2; EP3905864A4; EP3905864A1; JP2020107755A; EP3905864B1

Description

本発明は、電子装置に関する。

ケースを備える電子装置では、冷却媒体でケースを冷却することでケース内の発熱体の冷却が行われる。電子装置は、冷却媒体の温度を監視するための温度センサを備える。温度センサは、ケースの温度を測定する。ケースの温度と冷却媒体の温度は相間関係があるため、ケースの温度を測定することで間欠的に冷却媒体の温度を監視することができる。温度センサとして、基板に表面実装される温度センサを用いる場合、基板の温度や、ケースと温度センサとの間の雰囲気の温度による干渉によってケースの温度の測定精度が低下するおそれがある。

特許文献１には、温度センサが表面実装される基板に、ケースからの熱が伝わるランドパターンを設けた電子装置が記載されている。ランドパターンは、温度センサの近傍まで延びている。

特開２００８－１９６９３６号公報

ところで、ケースの温度の測定精度を更に向上させることが望まれている。
本発明の目的は、温度センサによるケースの温度の測定精度を向上させることができる電子装置を提供することにある。

上記課題を解決する電子装置は、冷却媒体によって冷却されるケースと、前記ケースに搭載され、前記ケースに接触するランドパターンを有する基板と、前記基板に表面実装され、前記ケースの温度を測定する温度センサと、を備える電子装置であって、前記ケースは、底壁と、側壁と、前記底壁に設けられており、前記基板を支持するボスと、前記側壁と前記ボスとを連結するとともに、前記底壁から前記基板に向かって突出した連結部と、を備え、前記ボスは、前記基板を支持する支持面を有し、前記連結部は、前記底壁から前記支持面までの高さより低い位置で前記温度センサと向かい合う対向面を有する。

ケースの一部である対向面に向かい合って温度センサを配置することで、温度センサと底壁とが向かい合っている場合に比べて温度センサからケースまでの距離が短くなる。温度センサの周囲の雰囲気温度をケースの温度に近付けることができる。従って、温度センサによるケースの温度の測定精度を向上させることができる。

上記電子装置について、前記連結部は、前記温度センサを避けた位置で前記対向面の周囲から前記基板に向かって突出した周壁部位を備え、前記周壁部位は、前記底壁から前記支持面までの高さより低く、かつ前記底壁から前記対向面までの高さより高い位置で前記基板と向かい合う端面を有していてもよい。

対向面を周壁部位の端面と同じ高さにする場合に比べて、対向面を温度センサから離すことができる。温度センサを大きさの異なる温度センサに変更しても、温度センサと連結部とが接触しにくい。従って、用途に合わせて複数種類の温度センサを用いることができる。

上記電子装置について、前記ランドパターンは、前記温度センサに沿って延びる第１伝熱部と、前記第１伝熱部から延びており、前記温度センサを間に挟んで設けられた２つの第２伝熱部と、を備え、前記第２伝熱部同士の間は開口していてもよい。

温度センサに沿って第１伝熱部及び第２伝熱部を設けることで、温度センサの周囲の雰囲気温度をケースの温度に近付けることができる。従って、温度センサによるケースの温度の測定精度を更に向上させることができる。

上記電子装置について、前記第２伝熱部は、前記第１伝熱部から前記ケースの側壁のうち最も近い側壁に向けて延びていてもよい。
第２伝熱部同士の間は、最も近い側壁に向けて開口する。従って、ケース内の部材からの熱による温度センサの影響を低減できる。

上記電子装置について、前記第２伝熱部は、前記第１伝熱部からグランドパターンに向けて延びていてもよい。
第２伝熱部同士の間は、グランドパターンに向けて開口する。グランドパターンがシールドとして機能することで、外来ノイズが温度センサに到来することを抑制できる。

本発明によれば、温度センサによるケースの温度の測定精度を向上させることができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータの一部を破断して示す断面図。ケースの一部を破断して示す斜視図。基板の一部を破断して示す平面図。

以下、電子装置の一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、電力変換装置ＰＣは、電子装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１０と、インバータ５０と、を備える。電力変換装置ＰＣは、例えば、車両に搭載され、電源電圧の変圧をし、直流電力から交流電力への変換を行い、モータに電力を供給するパワーコントロールユニットである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、金属製のケース１１と、ケース１１に収容された電力変換部２１と、基板３１と、基板３１に表面実装された温度センサ３２と、基板３１をケース１１に固定するためのネジ４１と、を備える。電力変換部２１は、例えば、スイッチング素子やトランスが実装されたパワー基板である。

ケース１１は、底壁１３と、底壁１３から延びる側壁１４と、ボス１６と、連結部１７と、を備える。底壁１３は、冷却路Ｒを区画するために設けられた区画部１５を備える。区画部１５は、ケース１１の外部からケース１１の内部に向けて凹んでいる。区画部１５は、ケース１１の外部に開口している。ケース１１の底壁１３には、インバータ５０が固定されている。詳細にいえば、インバータ５０は、インバータケース５１を備え、インバータケース５１が区画部１５を閉塞するように固定されている。インバータケース５１によって区画部１５が閉塞されることで、ケース１１とインバータケース５１との間に冷却路Ｒが区画されている。なお、インバータケース５１は、区画部１５と向かい合う位置に、区画部１５とともに冷却路Ｒを区画する区画部５２を備えていてもよいし、区画部５２を備えていなくてもよい。

冷却路Ｒは、冷却媒体Ｌが通る循環路である。冷却媒体Ｌとしては、不凍液などの液体状の冷媒が用いられる。冷却媒体Ｌは、ポンプなど冷却媒体Ｌを吐出できる部材によって冷却路Ｒを循環する。冷却路Ｒを冷却媒体Ｌが循環することで、ケース１１は冷却される。これにより、ケース１１内に収容された電力変換部２１などの発熱体が冷却される。

側壁１４は、底壁１３の周縁に設けられている。ケース１１は、複数の側壁１４を備える。
ボス１６は、底壁１３からケース１１内に向けて延びる柱状の部材である。ボス１６は、基板３１を支持する支持面Ａ１を備える。基板３１を挿通したネジ４１がボス１６に締結されることで、基板３１はケース１１に固定されている。

連結部１７は、側壁１４とボス１６とを連結している。連結部１７は、底壁１３から基板３１に向かって突出している。連結部１７は、底壁１３からボス１６及び側壁１４に沿って延びている。底壁１３からケース１１内に向けた突出量を比較すると、連結部１７はボス１６よりも若干突出量が少ない。従って、連結部１７は、ボス１６に支持された基板３１と接触しないように設けられているといえる。

連結部１７は、底壁１３から突出する基部１７Ａと、基部１７Ａから基板３１に向けて突出する周壁部位１７Ｂと、を備える。周壁部位１７Ｂは、筒状の部位である。連結部１７は、対向面Ａ２を備える。対向面Ａ２は、基部１７Ａにおいて、底壁１３側の端部とは反対側の端面である。対向面Ａ２は、周壁部位１７Ｂに囲まれた面である。周壁部位１７Ｂは、対向面Ａ２の周囲から基板３１に向かって突出しているといえる。周壁部位１７Ｂに囲まれる領域には、対向面Ａ２を底とする凹部１８が区画されている。

周壁部位１７Ｂは、基板３１と向かい合う端面Ａ３を備える。端面Ａ３は、周壁部位１７Ｂにおいて、基部１７Ａ側の端部とは反対側の端面である。
底壁１３から支持面Ａ１までの高さｈ１は、底壁１３から対向面Ａ２までの高さｈ２よりも高い。底壁１３から端面Ａ３までの高さｈ３は、底壁１３から支持面Ａ１までの高さｈ１より低く、かつ底壁１３から対向面Ａ２までの高さｈ２より高い。端面Ａ３は、底壁１３から支持面Ａ１までの高さｈ１より低く、かつ底壁１３から対向面Ａ２までの高さｈ２より高い位置で基板３１に向かい合う。

基板３１は、例えば、ガラスエポキシ基板などのプリント基板である。基板３１は、電力変換部２１のスイッチング素子などＤＣ／ＤＣコンバータ１０の制御を行うための制御基板である。基板３１には、温度センサ３２が表面実装されている。温度センサ３２としては、サーミスタや、熱電対など、どのような温度センサが用いられてもよい。温度センサ３２は、ケース１１の温度を測定する。

図３に示すように、基板３１は、ランドパターン３６と、基板３１の外周に沿って設けられたグランドパターン３７と、温度センサ３２とグランドパターン３７とを繋ぐパターン３８と、温度センサ３２と図示しない制御部とを繋ぐ信号パターン３９と、を備える。ランドパターン３６、グランドパターン３７、パターン３８及び信号パターン３９は基板３１の同一の面Ｓ１に設けられている。

ランドパターン３６は、ケース１１に接触するパターンであり、ケース１１の熱が伝わるパターンである。ランドパターン３６は、円環状の接触部３３と、接触部３３と温度センサ３２との間に設けられた第１伝熱部３４と、第１伝熱部３４から延びる２つの第２伝熱部３５と、を備える。接触部３３は、ボス１６に接触する。接触部３３には、ボス１６を介してケース１１の熱が伝わる。

第１伝熱部３４は、温度センサ３２に沿って延びている。２つの第２伝熱部３５は、第１伝熱部３４から同一方向に延びている。２つの第２伝熱部３５は、第１伝熱部３４からグランドパターン３７に向けて延びている。２つの第２伝熱部３５は、温度センサ３２を間に挟んで設けられている。即ち、第１伝熱部３４及び２つの第２伝熱部３５は、それぞれ、温度センサ３２に沿って設けられている。２つの第２伝熱部３５同士の間は、基板３１の面Ｓ１に沿う方向に開口している。本実施形態では、２つの第２伝熱部３５同士の間は、グランドパターン３７に向けて開口している。即ち、基板３１の面Ｓ１上において、第２伝熱部３５同士の間を除いた部分は、ランドパターン３６によって囲まれている。第１伝熱部３４及び第２伝熱部３５には、接触部３３からケース１１の熱が伝わる。

信号パターン３９は、一方の第２伝熱部３５と、グランドパターン３７との間を通って制御部に接続されている。制御部は、信号パターン３９から送られた信号から温度センサ３２の測定値を認識する。

図１に示すように、基板３１は、面Ｓ１と底壁１３とが向かい合うようにボス１６に支持されている。温度センサ３２は、対向面Ａ２に向かい合うように配置される。対向面Ａ２は、底壁１３から支持面Ａ１までの高さｈ１よりも低い位置で温度センサ３２と向かい合う。また、周壁部位１７Ｂは、温度センサ３２を避けた位置で対向面Ａ２の周囲から基板３１に向かって突出しているといえる。凹部１８は、温度センサ３２から離れるように凹んでいるといえる。

図１及び図３に示すように、第２伝熱部３５は、第１伝熱部３４からケース１１の側壁１４のうち最も近い側壁１４を向けて延びるように配置されている。即ち、第２伝熱部３５同士の間は、第１伝熱部３４から最も近い側壁１４を向くように開口する。ボス１６及びネジ４１は、温度センサ３２よりもケース１１の内側に位置する。ボス１６及びネジ４１は、温度センサ３２と電力変換部２１との間に位置することになる。

本実施形態の作用について説明する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０が使用される際には、電力変換部２１が発熱するため、冷却路Ｒに冷却媒体Ｌが循環される。これによって電力変換部２１の冷却が行われる。ケース１１との熱交換により、冷却媒体Ｌの温度は上昇する。

冷却媒体Ｌの温度とケース１１の温度とは相間関係がある。制御部は、温度センサ３２によって測定されたケース１１の温度から冷却媒体Ｌの温度を間接的に監視する。温度センサ３２は、対向面Ａ２に向かい合って配置されているため、連結部１７からの熱が伝わりやすい。詳細にいえば、温度センサ３２と底壁１３が向かい合っている場合に比べて、温度センサ３２からケース１１までの距離が短くなるため、温度センサ３２の周囲の雰囲気温度をケース１１の温度に近付けることができる。

また、周壁部位１７Ｂを、温度センサ３２を避けるように設けることで、対向面Ａ２を端面Ａ３よりも基板３１から離している。温度センサ３２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の性能や、温度センサ３２に要求される測定精度に応じて異なる種類のものが用いられる。温度センサ３２の種類が変化すると、温度センサ３２の大きさが変化し得る。

例えば、図１に示すように、本実施形態の温度センサ３２よりも基板３１の厚み方向、及び、基板３１の面に沿う方向への寸法が大きい温度センサ３２Ａを用いる場合がある。この場合であっても、周壁部位１７Ｂは温度センサ３２を避けて設けられているため、温度センサ３２Ａと連結部１７との接触を抑制することができる。底壁１３から対向面Ａ２までの高さや、周壁部位１７Ｂの開口面積は、例えば、基板３１に表面実装され得る温度センサ３２の大きさによって定められ、最も大きい温度センサ３２と連結部１７とが接触しないように定められている。

なお、周壁部位１７Ｂを設けないことも考えられる。しかしながら、この場合には連結部１７の全体が温度センサ３２から離れることになる。周壁部位１７Ｂを設けることで、温度センサ３２と連結部１７との接触を抑制しつつ、連結部１７の一部を温度センサ３２に近付けることができる。これにより、温度センサ３２と連結部１７の干渉を抑制しつつ、温度センサ３２の周囲の雰囲気温度をケース１１の温度に近付けることが可能になる。

また、温度センサ３２の周囲には、各伝熱部３４，３５が設けられており、各伝熱部３４，３５にはケース１１からの熱が伝わる。温度センサ３２の周囲の雰囲気温度は、各伝熱部３４，３５から伝わる熱によってケース１１の温度に近付く。

第２伝熱部３５同士の間は、第１伝熱部３４から最も近い側壁１４に向けて開口しており、ケース１１の内側、即ち、発熱体となる電力変換部２１に向けて開口していない。第２伝熱部３５同士の間の開口が電力変換部２１を向いていると、温度センサ３２が電力変換部２１からの熱の影響を受けやすいため、第２伝熱部３５同士の間の開口が側壁１４を向くようにすることで、ケース１１内からの熱による温度センサ３２への影響を低減できる。

温度センサ３２により測定されたケース１１の温度は、制御部に出力される。制御部は、ケース１１の温度が過剰に上昇すると、冷却媒体Ｌの温度も過剰に上昇していると判断し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力に制限を課す、あるいは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を停止させる。

なお、温度センサ３２を基板３１に表面実装することなく、ケース１１に設けられた専用のボスに温度センサを配置することも考えられる。この場合、ケース１１に専用のボスが必要になること、温度センサとして、リードを用いて基板３１との接続を行うものを用いる必要があることを原因として、温度センサ３２を設けるために必要となる面積の増大や、製造コストの増加を招く。これに対して、基板３１に温度センサ３２を表面実装し、この温度センサ３２を用いてケース１１の温度を測定することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の小型化、製造コストの低減を図ることができる。

本実施形態の効果について説明する。
（１）対向面Ａ２は、基板３１に表面実装された温度センサ３２に向かい合うため、温度センサ３２の周囲の雰囲気温度がケース１１の温度に近付く。従って、温度センサ３２によるケース１１の温度の測定精度を向上させることができる。

（２）周壁部位１７Ｂは、温度センサ３２を避けて設けられている。従って、温度センサ３２と連結部１７との接触を抑制することで、用途に合わせて複数種類の温度センサ３２を用いることができる。

（３）温度センサ３２に沿って各伝熱部３４，３５を設けることで、温度センサ３２の周囲の雰囲気温度がケース１１の温度に近付く。従って、温度センサ３２によるケース１１の温度の測定精度を更に向上させることができる。

（４）第２伝熱部３５同士の間は、第１伝熱部３４に最も近い側壁１４を向いて開口している。仮に、第２伝熱部３５同士の間がケース１１内を向いて開口していると、電力変換部２１の発した熱が温度センサ３２に伝わりやすく、ケース１１の温度の測定精度が低下するおそれがある。第２伝熱部３５同士の間を第１伝熱部３４から最も近い側壁１４に向けて開口させることで、ケース１１内に配置される部材である電力変換部２１の発する熱の温度センサ３２への影響を抑制できる。

また、温度センサ３２と電力変換部２１との間に第１伝熱部３４が介在することになる。第１伝熱部３４がシールドとして機能することで、電力変換部２１からのノイズが温度センサ３２に到来することを抑制できる。

（５）第２伝熱部３５同士の間は、グランドパターン３７を向いて開口している。グランドパターン３７がシールドとして機能し、外来ノイズが温度センサ３２に到来することを抑制することができる。

（６）基板３１をケース１１に固定するためのネジ４１は、温度センサ３２と電力変換部２１との間に位置している。ネジ４１により、電力変換部２１の熱が温度センサ３２に伝わることを抑制することができる。

実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○第２伝熱部３５同士の間は、グランドパターン３７以外を向いて開口していてもよい。例えば、第２伝熱部３５同士の間は、電力変換部２１を向いて開口していてもよい。

○第２伝熱部３５同士の間は、第１伝熱部３４から最も近い側壁１４とは異なる側壁１４を向いて開口していてもよい。
○ランドパターン３６の形状は、適宜変更してもよい。例えば、ランドパターン３６は、接触部３３のみで構成されていてもよいし、第１伝熱部３４及び第２伝熱部３５のうちの一方を省略した構成であってもよい。即ち、ランドパターン３６は、ケース１１に接触しており、かつ、温度センサ３２の近傍に設けられることで、温度センサ３２の雰囲気温度をケース１１の温度に近付けることができれば、どのような形状であってもよい。

○連結部１７は、周壁部位１７Ｂを備えていなくてもよい。
○ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、温度センサ３２を囲む収容体を備えていてもよい。収容体は、例えば、基板３１に固定されるアルミニウム製のセンサ用ケースである。温度センサ３２を収容体で囲むことで、収容体の内部に収容体の外部の温度が影響することを抑制できる。即ち、収容体の内部の温度は、ランドパターン３６から伝わる熱によってケース１１の温度に近付く。これにより、ケース１１の温度の測定精度を向上させることができる。なお、収容体を設ける場合、温度センサ３２は連結部１７に向かい合っていなくてもよい。即ち、基板３１上の任意の位置に温度センサ３２を配置することができるため、温度センサ３２の配置位置の制約を少なくすることができる。

○電子装置としては、ケース１１を冷却媒体Ｌで冷却するものであれば、どのようなものであってもよい。
○ランドパターン３６は、ケース１１のボス１６以外に接触していてもよい。例えば、ランドパターン３６は、ケース１１の側壁１４に接触していてもよい。

○実施形態では、区画部１５を電子装置とは異なる部材で閉塞することで冷却路Ｒとしたが、冷却路Ｒはケース１１のみで構成されてもよい。即ち、凹部１８に代えて、孔を設けることで冷却路Ｒとしてもよい。また、冷却路Ｒは、ケース１１の外部に別部材によって設けられてもよい。

Ａ１…支持面、Ａ２…対向面、Ａ３…端面、Ｌ…冷却媒体、１０…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電子装置）、１１…ケース、１３…底壁、１４…側壁、１６…ボス、１７…連結部、１７Ｂ…周壁部位、３１…基板、３２…温度センサ、３４…第１伝熱部、３５…第２伝熱部、３６…ランドパターン、３７…グランドパターン。

Claims

冷却媒体によって冷却されるケースと、
前記ケースに搭載され、前記ケースに接触するランドパターンを有する基板と、
前記基板に表面実装され、前記ケースの温度を測定する温度センサと、を備える電子装置であって、
前記ケースは、
底壁と、
側壁と、
前記底壁に設けられており、前記基板を支持するボスと、
前記側壁と前記ボスとを連結するとともに、前記底壁から前記基板に向かって突出した連結部と、を備え、
前記ボスは、前記基板を支持する支持面を有し、
前記連結部は、前記底壁から前記支持面までの高さより低い位置で前記温度センサと向かい合う対向面を有する電子装置。
前記連結部は、前記温度センサを避けた位置で前記対向面の周囲から前記基板に向かって突出した周壁部位を備え、
前記周壁部位は、前記底壁から前記支持面までの高さより低く、かつ前記底壁から前記対向面までの高さより高い位置で前記基板と向かい合う端面を有する請求項１に記載の電子装置。
前記ランドパターンは、
前記温度センサに沿って延びる第１伝熱部と、
前記第１伝熱部から延びており、前記温度センサを間に挟んで設けられた２つの第２伝熱部と、を備え、
前記第２伝熱部同士の間は開口している請求項１又は請求項２に記載の電子装置。
前記第２伝熱部は、前記第１伝熱部から前記ケースの側壁のうち最も近い側壁に向けて延びている請求項３に記載の電子装置。
前記第２伝熱部は、前記第１伝熱部からグランドパターンに向けて延びている請求項３又は請求項４に記載の電子装置。