JP7086512B2 - サーボアンプ - Google Patents

Description

本発明は、サーボモータを制御するサーボアンプに関するものである。

特許文献１には、サーボアンプが記載されている。このサーボアンプは、放熱フィンを備えたヒートシンクと、ヒートシンクに組み付けられたケースカバーと、ケースカバー内に収納された主回路基板と、を有している。主回路基板の後部には、ヒートシンクに重ね合わされるパワー半導体デバイスが搭載されている。主回路基板の前部には、電解コンデンサが搭載されている。電解コンデンサは、パワー半導体デバイス及びヒートシンクの設置空間の前方に形成された基板収納空間に収納されている。パワー半導体デバイス及びヒートシンクの設置空間と基板収納空間との間は、熱遮蔽板により仕切られている。これにより、パワー半導体デバイス及びヒートシンクから放出された熱が熱遮蔽板によって遮られるため、基板収納空間の温度上昇が抑制される。

特許第６０１５４０５号公報

サーボアンプには、外力が加えられてもサーボモータの停止状態を保持するサーボロック機能が備えられている。サーボモータの連続運転後にサーボロック状態になると、サーボアンプには、連続運転中よりも大きい電流が数秒間流れる。すなわち、連続運転後にサーボロック状態になると、サーボアンプでは、一時的に発熱量が大きくなる瞬時高発熱運転が行われる。したがって、サーボアンプが備える放熱器は、連続運転中の温度上昇に加えて瞬時高発熱運転での温度上昇をも考慮して、半導体素子の温度が許容温度を満たすように設計される必要がある。

しかしながら、サーボアンプに備えられた放熱器からの放熱によって、連続運転中の温度上昇だけでなく瞬時高発熱運転での温度上昇をも抑制するためには、放熱器の放熱面積をより大きくする必要がある。したがって、従来のサーボアンプには、放熱器が大型化してしまうという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、放熱器の大型化を抑えることができるサーボアンプを提供することを目的とする。

本発明に係るサーボアンプは、回路基板と、前記回路基板の一方の面に搭載された少なくとも１つの半導体素子と、前記回路基板の他方の面に配置され、前記回路基板と平行な第１方向に沿って流れる流体に放熱する放熱器と、を備え、前記放熱器は、前記回路基板と平行に配置されたベース板と、前記ベース板から前記回路基板と交差する第２方向に沿って前記回路基板と離れる方向に延び、前記回路基板と平行でかつ前記第１方向と直交する第３方向に間隔を空けて並列する複数のフィンと、前記複数のフィンのうちの少なくとも１つのフィンに形成され、前記第２方向に沿って延伸した第１突起体と、前記複数のフィンのうちの少なくとも１つのフィンに形成され、前記第２方向に沿って延伸し、前記流体の流れにおいて前記第１突起体よりも下流側に配置された第２突起体と、を有しており、前記第３方向における前記第１突起体及び前記第２突起体のそれぞれの幅は、前記第３方向における前記複数のフィンのそれぞれの幅よりも広くなっており、前記第２方向における前記第２突起体の長さは、前記第２方向における前記第１突起体の長さよりも長い。

本発明によれば、放熱器の大型化を抑えることができるサーボアンプを実現することができる。

本発明の実施の形態１に係るサーボアンプの構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るサーボアンプの制御機器部の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るサーボアンプの制御機器部を＋ｘ方向に見た構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態１に係るサーボアンプの制御機器部を＋ｚ方向に見た構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係るサーボアンプの効果を説明するグラフである。 本発明の実施の形態２に係るサーボアンプの制御機器部を＋ｚ方向に見た構成を示す平面図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係るサーボアンプについて説明する。サーボアンプは、例えば工場の生産ラインで用いられるサーボモータを制御するように構成されている。サーボアンプには、サーボモータに電流を連続して流す連続運転機能に加えて、外力が加えられてもサーボモータの停止状態を保持するサーボロック機能が備えられている。

図１は、本実施の形態に係るサーボアンプ１００の構成を示す斜視図である。図１では、冷却媒体である空気の流れ方向、すなわち風向を太矢印で表している。図１に示すように、サーボアンプ１００は、サーボモータ（図示せず）の動きを操作する指令を出力する指令部１０と、指令部１０からの指令に基づきサーボモータに電流を流す制御機器部２０と、を有している。制御機器部２０は、回路基板２１と、回路基板２１の一方の面に搭載された複数の半導体素子３１、３２、３３と、回路基板２１の他方の面に配置されたヒートシンク４０と、を有している。サーボロック機能が実行されてサーボロック状態になると、指令部１０からの指令により、連続運転中よりも大きい電流が複数の半導体素子３１、３２、３３のそれぞれに送られる。これにより、連続運転後にサーボロック状態になると、複数の半導体素子３１、３２、３３のそれぞれでの発熱量が数秒間、連続運転中よりも多くなる。すなわち、連続運転後にサーボロック状態になると、制御機器部２０では、一時的に発熱量が大きくなる瞬時高発熱運転が行われる。

ヒートシンク４０は、空気への放熱によって複数の半導体素子３１、３２、３３を冷却するように構成された放熱器である。ヒートシンク４０は、回路基板２１の他方の面に沿って配置される平板状のベース板４１と、回路基板２１から離れる方向に向かってベース板４１から延びた複数のフィン４２と、を有している。複数のフィン４２のそれぞれは、長方形平板状の形状を有している。複数のフィン４２のそれぞれは、ピン状の形状を有していてもよい。複数の半導体素子３１、３２、３３で発生した熱は、ヒートシンク４０に伝達される。ヒートシンク４０に伝達された熱は、互いに隣り合う２枚のフィン４２の間に形成された風路を通過する空気に放熱される。ヒートシンク４０の材質としては、例えば、熱伝導率が高く加工性の良好なアルミニウムが用いられる。

複数の半導体素子３１、３２、３３のそれぞれは、指令部１０から送られる電流により発熱する素子である。複数の半導体素子３１、３２、３３のそれぞれでは、定常状態である連続運転中に発熱が生じることに加えて、連続運転後のサーボロック状態において瞬時高発熱が生じる。複数の半導体素子３１、３２、３３のそれぞれは、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ダイオード等のパワーモジュールである。半導体素子３１は、複数の半導体素子３１、３２、３３のうち最も風上側に配置されている。半導体素子３２は、複数の半導体素子３１、３２、３３のうち最も風下側に配置されている。半導体素子３３は、半導体素子３１よりも風下側であって半導体素子３２よりも風上側に配置されている。すなわち、回路基板２１上には、風上側から風下側に向かって、半導体素子３１、半導体素子３３及び半導体素子３２がこの順に配置されている。

ここで、本実施の形態では、以下のような座標系をとっている。ベース板４１と平行な平面内で風向に沿ってｘ軸をとり、風上側から風下側に向かう方向を＋ｘ方向とする。ベース板４１と平行な平面内でｘ軸と直交する方向に沿ってｙ軸をとる。ｘ軸及びｙ軸の双方と平行なｘｙ平面は、ベース板４１と平行になっている。ｘｙ平面と交差する方向に沿ってｚ軸をとる。ｚ軸は、例えばｘｙ平面と直交している。複数のフィン４２のそれぞれは、ｚ軸に沿って配置されている。複数のフィン４２のそれぞれの先端部４３側からベース板４１に向かう方向を＋ｚ方向とする。ｘ軸及びｚ軸の双方と平行なｘｚ平面は、複数のフィン４２のそれぞれと平行になっている。

本実施の形態の複数のフィン４２は、後述する図２～図４に示すように、ｙ軸方向に間隔を空けて並列した１０枚のフィン４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ、４２ｇ、４２ｈ、４２ｉ、４２ｊによって構成されている。図では複数のフィン４２のｙ軸方向の間隔を等間隔としたが、不等間隔としてもよい。フィン４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ、４２ｇ、４２ｈ、４２ｉ、４２ｊのそれぞれは、ｚ方向に沿って延びている。フィン４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ、４２ｇ、４２ｈ、４２ｉ、４２ｊのそれぞれのｚ軸方向の長さは同一である。本実施の形態のヒートシンク４０は、空気の自然対流を用いた自然空冷方式である。自然空冷方式では、風向が鉛直上向きとなる。このため、ヒートシンク４０及びそれを含む制御機器部２０は、－ｘ方向が鉛直下向きとなるような姿勢で設置される。

図２は、本実施の形態に係るサーボアンプ１００の制御機器部２０の構成を示す斜視図である。図２では、ｘｚ平面と平行な平面で切断された制御機器部２０の構成を示している。図３は、本実施の形態に係るサーボアンプ１００の制御機器部２０を＋ｘ方向に見た構成を示す正面図である。図４は、本実施の形態に係るサーボアンプ１００の制御機器部２０を＋ｚ方向に見た構成を示す平面図である。

図２～図４に示すように、複数の半導体素子３１、３３、３２のそれぞれは、ｚ軸方向に沿って見たとき、複数のフィン４２のうちの少なくとも１枚と重なるように配置されている。本実施の形態では、複数の半導体素子３１、３３、３２はいずれも、ｚ軸方向に沿って見たときにフィン４２ｅと重なるように配置されている。

フィン４２ｅには、複数の突起体５１、５３、５２が形成されている。フィン４２ｅに形成される突起体５１、５３、５２の個数は、ｚ軸方向に沿って見たときに当該フィン４２ｅと重なる半導体素子３１、３３、３２の個数と同数である。突起体５１、５３、５２は、ｚ軸方向に沿って見たとき、半導体素子３１、３３、３２とそれぞれ重なるように配置されている。すなわち、突起体５１、５３、５２は、風上側から風下側に向かってこの順に配置されている。ｙ軸方向における突起体５１の幅Ｗ１は、ｙ軸方向におけるフィン４２ｅの幅Ｗ０よりも大きくなっている（Ｗ１＞Ｗ０）。ｙ軸方向における突起体５３の幅、及びｙ軸方向における突起体５２の幅のそれぞれも、ｙ軸方向におけるフィン４２ｅの幅Ｗ０よりも大きくなっている。ｙ軸方向における突起体５３の幅、及びｙ軸方向における突起体５２の幅のそれぞれは、例えば、ｙ軸方向における突起体５１の幅Ｗ１と等しい。突起体５１、５３、５２のそれぞれは、フィン４２ｅと同一の材料でフィン４２ｅと一体に形成されている。突起体５１、５３、５２のそれぞれは、例えば、内部に空洞を備えない中実体である。

突起体５１、５３、５２のそれぞれは、ベース板４１とフィン４２ｅとの接触部から－ｚ方向に延伸している。ｚ軸方向における突起体５１の長さＬ１、ｚ軸方向における突起体５３の長さＬ３、及びｚ軸方向における突起体５２の長さＬ２は、いずれもｚ軸方向におけるフィン４２ｅの長さＬ０よりも短い（Ｌ１＜Ｌ０、Ｌ３＜Ｌ０、Ｌ２＜Ｌ０）。すなわち、突起体５１、５３、５２のそれぞれにおいて、＋ｚ方向の端部はベース板４１に接続されており、－ｚ方向の端部は各フィンの先端部４３よりも＋ｚ側に位置している。

突起体５１、５３、５２のそれぞれは、ｘｙ平面と平行な断面において、楕円状の形状を有している。同断面において、突起体５１、５３、５２のそれぞれの長径方向はｘ軸と平行になっており、突起体５１、５３、５２のそれぞれの短径方向はｙ軸と平行になっている。突起体５１、５３、５２は、例えば同一の断面形状を有している。

突起体５１は、フィン４２ｅから－ｙ方向に突出した突起５１ａと、フィン４２ｅから＋ｙ方向に突出した突起５１ｂと、を有している。突起５１ａ及び突起５１ｂのそれぞれは、ｘｙ平面と平行な断面において半楕円状の形状を有している。突起体５１は、突起５１ａ又は突起５１ｂのみによって形成されていてもよい。同様に、突起体５３は、フィン４２ｅから－ｙ方向に突出した突起５３ａと、フィン４２ｅから＋ｙ方向に突出した突起５３ｂと、を有している。突起５３ａ及び突起５３ｂのそれぞれは、ｘｙ平面と平行な断面において半楕円状の形状を有している。突起体５３は、突起５３ａ又は突起５３ｂのみによって形成されていてもよい。突起体５２は、フィン４２ｅから－ｙ方向に突出した突起５２ａと、フィン４２ｅから＋ｙ方向に突出した突起５２ｂと、を有している。突起５２ａ及び突起５２ｂのそれぞれは、ｘｙ平面と平行な断面において半楕円状の形状を有している。突起体５２は、突起５２ａ又は突起５２ｂのみによって形成されていてもよい。

突起体５１、５３、５２のうち最も風上側に位置する突起体５１のｚ軸方向における長さＬ１は、突起体５１、５３、５２のうち最も風下側に位置する突起体５２のｚ軸方向における長さＬ２よりも短い（Ｌ１＜Ｌ２）。ｚ軸方向における突起体５３の長さＬ３は、ｚ軸方向における突起体５１の長さＬ１以上（Ｌ３≧Ｌ１）であり、かつｚ軸方向における突起体５２の長さＬ２以下（Ｌ３≦Ｌ２）であることが好ましい。例えば、長さＬ１、Ｌ３及びＬ２は、Ｌ１＜Ｌ３＜Ｌ２の関係を満たしている。

本実施の形態では、突起体５１、５３、５２のそれぞれが１枚のフィン４２ｅに設けられている。しかしながら、突起体５１、５３、５２のそれぞれは、複数枚のフィンに跨がって設けられていてもよい。例えば、ｚ軸方向に沿って見たときに半導体素子３１が複数枚のフィンに跨がっている場合には、突起体５１は当該複数枚のフィンに跨がって設けられていてもよい。

次に、制御機器部２０からの放熱経路について説明する。連続運転中の半導体素子３１、３３、３２では、ほぼ一定量の熱が連続的に発生し続ける。半導体素子３１、３３、３２で発生した熱は、まずベース板４１に伝達される。ベース板４１に伝達された熱は、ｘｙ平面内である程度広がり、一部の熱がベース板４１から空気に放熱される。その他の熱は、熱伝導により複数のフィン４２及び複数の突起体５１、５３、５２に伝熱し、複数のフィン４２及び複数の突起体５１、５３、５２から空気に放熱される。ベース板４１、複数のフィン４２及び複数の突起体５１、５３、５２のそれぞれの表面付近では、空気の対流が生じる。自然空冷の場合、空気の対流は、空気の密度差によって浮力が発生することにより生じる。空気は高温になるほど密度が小さくなるため、放熱によって温度が上昇した空気は、鉛直上向きすなわち＋ｘ方向に上昇する。これにより、＋ｘ方向に向かう空気の流れが生じ、半導体素子３１、３３、３２で連続的に発生する熱は、空気に放熱され続ける。連続運転中の半導体素子３１、３３、３２のそれぞれの温度は、ある温度まで上昇して飽和する。

一方、瞬時高発熱運転時の半導体素子３１、３３、３２では、連続運転中よりも大きい熱量が数秒間、発生する。瞬時高発熱運転時の半導体素子３１、３３、３２で発生した熱は、ベース板４１を介して、複数のフィン４２及び複数の突起体５１、５３、５２に伝達される。本実施の形態のヒートシンク４０は、突起体５１、５３、５２の分だけ熱容量が大きくなっている。また、突起体５１、５３、５２は、ベース板４１及び複数のフィン４２と比較すると、表面積当たりの質量が大きくなっている。したがって、ヒートシンク４０のうち特に突起体５１、５３、５２は、伝達された熱を蓄熱する蓄熱部として機能する。例えば、突起体５１は主に半導体素子３１で発生した熱を蓄熱し、突起体５３は主に半導体素子３３で発生した熱を蓄熱し、突起体５２は主に半導体素子３２で発生した熱を蓄熱する。蓄熱部は、時間当たりの発熱量と放熱量との差を埋めるバッファとなる。蓄熱部に蓄熱された熱は、徐々に空気に放熱される。

瞬時高発熱運転時の発熱は一時的なものであるため、連続運転中の連続的な発熱とは異なり、空気の対流による放熱が生じにくい。つまり、瞬時高発熱運転時の半導体素子３１、３３、３２で発生した熱が空気に到達して飽和状態となるまでの間に、瞬時高発熱運転は終了する。このため、瞬時高発熱運転時の半導体素子３１、３３、３２の温度上昇を抑制するためには、蓄熱効果を有する、熱容量の大きいヒートシンク４０が有効である。熱容量は比熱と質量との積で表される。このため、ヒートシンク４０の比熱及び質量の一方又は両方の値を大きくすることにより、ヒートシンク４０の熱容量を大きくすることができる。ヒートシンク４０の熱容量を大きくすることによって、瞬時高発熱運転時の半導体素子３１、３３、３２の温度上昇を抑えることができる。

比熱とは、質量１ｋｇの物質の温度を１Ｋ上昇させるために必要な熱量のことである。比熱の単位は［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］である。比熱は、物質の温まりにくさを表すものである。つまり、比熱が大きいほど、短時間での温度上昇が生じにくい。比熱の値は、物質によって異なる。例えば、ヒートシンク４０の材質よりも大きい比熱を有する蓄熱材が、ヒートシンク４０の周囲又は半導体素子３１、３３、３２の周囲に設けられる。これにより、蓄熱材の分だけ熱容量が増加するため、瞬時高発熱運転時の半導体素子３１、３３、３２の温度上昇を抑えることができる。

ヒートシンク４０の質量を増加させることによっても、ヒートシンク４０の熱容量を大きくすることができる。例えば、本実施の形態の突起体５１、５３、５２のように、ヒートシンク４０の材質を変えずに形状のみを変更し、ヒートシンク４０の質量を部分的に増加させる。これにより、製造コストの増加を抑えつつ、ヒートシンク４０の熱容量を大きくすることができる。

熱容量を増加させる上記のいずれの手法によっても、ヒートシンク４０の放熱面積の減少、又は、空気が通過する流路断面積の減少が生じ得る。このため、連続運転中の放熱のみを考慮したヒートシンクと比較すると、熱容量を増加させたヒートシンク４０では、連続運転中の放熱性能が低下する場合がある。しかしながら、連続運転後に瞬時高発熱運転が行われるサーボアンプ１００では、連続運転中の温度上昇を抑制できるだけでなく、連続運転中の温度上昇幅と、その後の瞬時高発熱運転時の温度上昇幅と、の総和を低減できる設計が求められる。

従来のサーボアンプが備えるヒートシンクでは、放熱性能を高めるために放熱面積が大きく確保されている。しかしながら、ヒートシンクからの放熱によって、連続運転中の温度上昇だけでなく瞬時高発熱運転での温度上昇をも抑制するためには、ヒートシンクの放熱面積をより大きくする必要がある。したがって、半導体素子の温度が許容温度を満たすようにするためには、ヒートシンクをより大型化するか、あるいは、入力電流量を制限する必要があるという課題があった。

これに対し、本実施の形態のヒートシンク４０は、連続運転中の温度上昇だけでなく瞬時高発熱運転での温度上昇をも抑制できるように構成されている。このため、本実施の形態のヒートシンク４０では、連続運転中の温度上昇幅と、その後の瞬時高発熱運転時の温度上昇幅と、の総和を低減することができる。したがって、本実施の形態によれば、ヒートシンク４０の大型化を抑制することができる。また、本実施の形態では、入力電流量の制限を必ずしも必要としない。

本実施の形態のヒートシンク４０では、突起体５１、５３、５２のそれぞれがベース板４１とフィン４２ｅとの接触部から－ｚ方向に延伸している。突起体５１の長さＬ１、突起体５３の長さＬ３及び突起体５２の長さＬ２は、いずれもフィン４２ｅの長さＬ０よりも短くなっている。この構成により、連続運転中には、半導体素子３１、３３、３２で発生した熱がフィン４２ｅの先端部４３側まで伝達されやすくなることに加え、フィン４２ｅの先端部４３側ではフィン４２ｄ及びフィン４２ｆのそれぞれとの間隔が広く確保される。このため、半導体素子３１、３３、３２を効率良く冷却することができる。一方、瞬時高発熱運転時には、突起体５１、５３、５２の分だけヒートシンク４０の熱容量が増大するため、半導体素子３１、３３、３２の温度上昇を抑制することができる。

半導体素子３２は、空気の流れで半導体素子３１及び半導体素子３３よりも下流側に位置している。このため、半導体素子３２は、半導体素子３１及び半導体素子３３から熱を奪ったことによって既に温度が上昇した空気によって冷却される。したがって、連続運転中には、半導体素子３２の温度は、半導体素子３１の温度及び半導体素子３３の温度よりも高くなる。このように、連続運転中には、下流側に位置する半導体素子ほど温度が高くなる。これに対し、本実施の形態では、空気の流れにおいて下流側に位置する突起体ほど、ｚ軸方向の長さが長くなっている。これにより、空気の流れにおいて上流側では、突起体により通風が阻害されるのを抑えることができる。また、下流側に位置する突起体ほど熱容量が大きくなっていることから、下流側に位置する半導体素子ほど、瞬時高発熱運転時の温度上昇を抑えることができる。したがって、本実施の形態によれば、連続運転中の温度上昇幅と、その後の瞬時高発熱運転時の温度上昇幅と、の総和を低減することができる。

図５は、本実施の形態に係るサーボアンプ１００の効果を説明するグラフである。グラフの縦軸は温度を表している。グラフ中の（１）、（２）及び（３）は、本実施の形態のサーボアンプ１００における３つの半導体素子のそれぞれの温度を表している。（１）は最も上流側の半導体素子３１の温度を表しており、（２）はそれより下流側の半導体素子３３の温度を表しており、（３）は最も下流側の半導体素子３２の温度を表している。グラフ中の（４）、（５）及び（６）は、比較例のサーボアンプにおける３つの半導体素子のそれぞれの温度を表している。比較例のサーボアンプは、突起体５１、５３、５２が設けられていないことを除き、本実施の形態と同様の構成を有している。（４）は最も上流側の半導体素子の温度を表しており、（５）はそれより下流側の半導体素子の温度を表しており、（６）は最も下流側の半導体素子の温度を表している。また、グラフ中の各棒において、下側のドットを付した部分は、連続運転中の温度上昇幅を表しており、上側の白抜きの部分は、瞬時高発熱運転時の温度上昇幅を表している。ドットを付した部分の上端で表される温度は、連続運転中の温度飽和状態での温度である。この温度は、瞬時高発熱運転が開始される時点での温度に相当する。

図５に示すように、本実施の形態及び比較例のいずれにおいても、連続運転中の温度は、下流側の半導体素子ほど高くなっている。これは、既に述べたように、下流側の半導体素子は、上流側の半導体素子から熱を奪って温度が上昇した空気によって冷却されるためである。

連続運転中における各位置の半導体素子の温度を本実施の形態と比較例とで比較すると、いずれも本実施の形態の方が高くなっている。つまり、（１）の連続運転中の温度は（４）の連続運転中の温度よりも高く、（２）の連続運転中の温度は（５）の連続運転中の温度よりも高く、（３）の連続運転中の温度は（６）の連続運転中の温度よりも高い。これは、突起体５１、５３、５２によるヒートシンク４０の放熱面積の減少と、空気の流路断面積の減少による通風抵抗の上昇と、の少なくとも一方に起因するものと考えられる。したがって、連続運転中の半導体素子の温度のみを比較した場合、比較例の方が本実施の形態よりも好ましい結果となっている。

比較例の各半導体素子における瞬時高発熱運転時の温度上昇幅を比較すると、各半導体素子の温度上昇幅は、配置位置に関わらずほぼ等しいことが分かる。つまり、（４）、（５）及び（６）の瞬時高発熱運転時の温度上昇幅はほぼ等しい。これは、比較例の構成では、各半導体素子の周囲の熱容量が等しいためである。一方、本実施の形態の各半導体素子における瞬時高発熱運転時の温度上昇幅を比較すると、下流側に配置された半導体素子ほど温度上昇幅が小さいことが分かる。つまり、（２）の瞬時高発熱運転時の温度上昇幅は（１）の瞬時高発熱運転時の温度上昇幅よりも小さく、（３）の瞬時高発熱運転時の温度上昇幅は（２）の瞬時高発熱運転時の温度上昇幅よりもさらに小さい。これは、本実施の形態の構成では、下流側の突起体ほど蓄熱量が大きくなっているためである。

各位置の半導体素子における連続運転中の温度上昇幅と瞬時高発熱運転時の温度上昇幅との総和を、本実施の形態と比較例とで比較すると、いずれも本実施の形態の方が小さくなっている。つまり、（１）の温度上昇幅の総和は（４）の温度上昇幅の総和よりも小さく、（２）の温度上昇幅の総和は（５）の温度上昇幅の総和よりも小さく、（３）の温度上昇幅の総和は（６）の温度上昇幅の総和よりも小さい。また、温度上昇幅の総和の最大値同士を本実施の形態と比較例とで比較しても、本実施の形態の方が小さくなっている。つまり、（６）の温度上昇幅の総和は（２）の温度上昇幅の総和よりも小さい。さらに、本実施の形態では、半導体素子の位置による温度上昇幅の総和のばらつきが小さくなっている。

以上のように、瞬時高発熱運転時の半導体素子の温度を比較すると、本実施の形態の方が比較例よりも半導体素子の温度上昇を抑制できることが分かる。瞬時高発熱運転時の半導体素子の温度は連続運転中よりも高いため、本実施の形態の方が比較例よりも、半導体素子が到達する最高温度を低下させることができる。

既に述べたように、本実施の形態のヒートシンク４０には突起体５１、５３、５２が設けられるため、突起体が設けられていない比較例と比較すると、空気の流路断面積が減少する。このため、図５に示したように、本実施の形態では、連続運転中の半導体素子の温度が比較例よりも上昇する。本実施の形態の突起体５１、５３、５２のそれぞれは、ｘｙ平面と平行な断面において、楕円状の形状を有している。また、同断面において、突起体５１、５３、５２のそれぞれの長径方向は、ｘ軸と平行になっている。この構成によると、突起体５１、５３、５２のそれぞれのｙｚ断面の断面形状及び断面積は、空気の流れ方向に対して滑らかに変化する。これにより、ヒートシンク４０に突起体５１、５３、５２が設けられることによる空気抵抗の増加を抑えることができるため、連続運転中の半導体素子の温度上昇を抑制することができる。

本実施の形態では、突起体５１、５３、５２は、ｚ軸方向に沿って見たときに半導体素子３１、３３、３２とそれぞれ重なるように配置されている。しかしながら、突起体５１、５３、５２は、ｚ軸方向に沿って見たときに、必ずしも半導体素子３１、３３、３２とそれぞれ重なっていなくてもよい。また、本実施の形態では、半導体素子３１、３３、３２の個数と同数の突起体５１、５３、５２が設けられているが、半導体素子の個数と突起体の個数とが異なっていてもよい。

以上説明したように、本実施の形態に係るサーボアンプ１００は、回路基板２１と、少なくとも１つの半導体素子３１、３２と、ヒートシンク４０と、を備える。半導体素子３１、３２は、回路基板２１の一方の面に搭載されている。ヒートシンク４０は、回路基板２１の他方の面に配置され、回路基板２１と平行なｘ軸方向に沿って流れる空気に放熱するように構成されている。ヒートシンク４０は、ベース板４１と、複数のフィン４２と、突起体５１と、突起体５２と、を有している。ベース板４１は、回路基板２１と平行に配置されている。複数のフィン４２のそれぞれは、ベース板４１から回路基板２１と交差するｚ軸方向に沿って回路基板２１と離れる方向に延び、回路基板２１と平行でかつｘ軸方向と直交するｙ軸方向に間隔を空けて並列している。突起体５１は、複数のフィン４２のうちの少なくとも１つのフィン４２ｅに形成され、ｚ軸方向に沿って延伸している。突起体５２は、複数のフィン４２のうちの少なくとも１つのフィン４２ｅに形成され、ｚ軸方向に沿って延伸し、空気の流れにおいて突起体５１よりも下流側に配置されている。ｙ軸方向における突起体５１及び突起体５２のそれぞれの幅Ｗ１は、ｙ軸方向における複数のフィン４２のそれぞれの幅Ｗ０よりも広くなっている。ｚ軸方向における突起体５２の長さＬ２は、ｚ軸方向における突起体５１の長さＬ１よりも長い。ここで、ｘ軸方向は、第１方向の一例である。ｚ軸方向は、第２方向の一例である。空気は、流体の一例である。ヒートシンク４０は、放熱器の一例である。突起体５１は、第１突起体の一例である。突起体５２は、第２突起体の一例である。ｙ軸方向は、第３方向の一例である。

サーボアンプ１００において、半導体素子３１、３２の温度上昇を抑えるためには、連続運転中の温度上昇幅と、その後の瞬時高発熱運転時の温度上昇幅と、の総和を減少させる必要がある。連続運転中の温度上昇幅は、主にヒートシンク４０の放熱性能に依存する。通常、ヒートシンク４０の放熱性能は、空気の流れで下流側ほど低くなる。このため、連続運転中における半導体素子３１、３２及び回路基板２１の温度上昇幅は、より下流側で大きくなりやすい。本実施の形態の上記構成では、突起体５１の長さＬ１が突起体５２の長さＬ２よりも短くなっていることから、突起体５２よりも上流側に配置される突起体５１による通風抵抗の増加を抑制することができる。これにより、ヒートシンク４０の下流側部分での放熱性能の低下を抑えることができる。

一方、瞬時高発熱運転時の温度上昇幅は、ヒートシンク４０の放熱性能だけでなく、ヒートシンク４０の蓄熱性能にも依存する。上記構成では、突起体５２の長さＬ２が突起体５１の長さＬ１よりも長くなっていることから、ヒートシンク４０の下流側部分の熱容量がそれより上流側の部分と比較して相対的に大きくなる。このため、ヒートシンク４０の下流側部分の蓄熱性能は、それより上流側の部分と比較して相対的に高くなる。これにより、瞬時高発熱運転時における半導体素子３１、３２及び回路基板２１の温度上昇幅を、特に下流側で減少させることができる。

したがって、上記構成によれば、連続運転中の温度上昇幅が大きくなりやすい半導体素子３１、３２及び回路基板２１の下流側部分においても、連続運転中の温度上昇幅と、その後の瞬時高発熱運転時の温度上昇幅と、の総和を減少させることができる。このため、ヒートシンク４０の放熱面積の拡大を抑えつつ、半導体素子３１、３２及び回路基板２１の温度上昇を抑えることができる。よって、上記構成によれば、ヒートシンク４０の大型化を抑えることができる。

また、本実施の形態に係るサーボアンプ１００において、突起体５１及び突起体５２のそれぞれは、ｘ軸方向及びｙ軸方向の双方と平行な断面において、楕円状の形状を有している。この構成によれば、突起体５１及び突起体５２が設けられていることによる通風抵抗の増加を抑えることができる。したがって、特に連続運転中における半導体素子３１、３２の温度上昇を抑えることができる。

また、本実施の形態に係るサーボアンプ１００において、回路基板２１には、半導体素子３１及び半導体素子３２が搭載されている。ｚ軸方向に沿って見たとき、半導体素子３１及び半導体素子３２は、それぞれ突起体５１及び突起体５２と重なって配置されている。ここで、半導体素子３１は、第１半導体素子の一例である。半導体素子３２は、第２半導体素子の一例である。この構成によれば、瞬時高発熱運転時において、半導体素子３１で発生した熱は主に突起体５１に蓄熱され、半導体素子３２で発生した熱は主に、突起体５１よりも熱容量の大きい突起体５２に蓄熱される。このため、瞬時高発熱運転時において、半導体素子３２の温度上昇幅を半導体素子３１の温度上昇幅よりも小さくすることができる。したがって、連続運転中の温度上昇幅が大きくなりやすい半導体素子３２においても、連続運転中の温度上昇幅と、その後の瞬時高発熱運転時の温度上昇幅と、の総和を減少させることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係るサーボアンプについて説明する。図６は、本実施の形態に係るサーボアンプ１００の制御機器部２０を＋ｚ方向に見た構成を示す平面図である。本実施の形態に係るサーボアンプ１００は、突起体５１、５３、５２が互いに異なるフィンに設けられている点で、実施の形態１と異なっている。

図６に示すように、突起体５２は、ｙ軸方向でヒートシンク４０のほぼ中央部に位置するフィン４２ｅに設けられている。突起体５１は、フィン４２ｇに設けられている。フィン４２ｇは、フィン４２ｆを挟んでフィン４２ｅの＋ｙ側に位置している。突起体５３は、フィン４２ｃに設けられている。フィン４２ｃは、フィン４２ｄを挟んでフィン４２ｅの－ｙ側に位置している。

半導体素子３１、３３、３２は、ｚ軸方向に沿って見たとき、突起体５１、５３、５２とそれぞれ重なるように配置されている。半導体素子３１及び突起体５１は、主に、フィン４２ｆ及びフィン４２ｇの間の風路を流通する空気と、フィン４２ｇ及びフィン４２ｈの間の風路を流通する空気と、によって冷却される。半導体素子３３及び突起体５３は、主に、フィン４２ｂ及びフィン４２ｃ間の風路を流通する空気と、フィン４２ｃ及びフィン４２ｄの間の風路を流通する空気と、によって冷却される。半導体素子３２及び突起体５２は、主に、フィン４２ｄ及びフィン４２ｅの間の風路を流通する空気と、フィン４２ｅ及びフィン４２ｆの間の風路を流通する空気と、によって冷却される。

半導体素子３１、３３、３２はいずれも、空気の流れにおいて回路基板２１の上流端に位置する第１端部２１ａと、空気の流れにおいて回路基板２１の下流端に位置する第２端部２１ｂと、の間に配置されている。半導体素子３２は、ｙ軸方向に沿って見たとき、半導体素子３１と第２端部２１ｂとの間に配置されている。半導体素子３３は、ｙ軸方向に沿って見たとき、半導体素子３１と半導体素子３２との間に配置されている。一方、ｘ軸方向に沿って見ると、半導体素子３２は、半導体素子３１と半導体素子３３との間に配置されている。

以上説明したように、本実施の形態に係るサーボアンプ１００において、突起体５１及び突起体５２は、複数のフィン４２のうち互いに異なるフィンに形成されている。ここで、ｚ軸方向に沿って見たとき、半導体素子３１及び半導体素子３２は、それぞれ突起体５１及び突起体５２と重なって配置されているものとする。この構成によれば、複数のフィン４２の１枚当たりの受熱量が減少するため、連続運転中及び瞬時高発熱運転時のいずれにおいても、ヒートシンク４０の冷却性能を高めることができる。また、上記構成によれば、半導体素子３１からの放熱量の小さい低温の空気によって半導体素子３２を冷却できるため、半導体素子３１よりも下流側に位置する半導体素子３２を効率良く冷却することができる。したがって、連続運転中及び瞬時高発熱運転時のいずれにおいても、ヒートシンク４０の冷却性能を高めることができる。

また、本実施の形態に係るサーボアンプ１００において、回路基板２１には、半導体素子３１、半導体素子３２及び半導体素子３３が搭載されている。空気の流れ方向は、回路基板２１の第１端部２１ａから第２端部２１ｂに向かう方向である。ｙ軸方向に沿って見たとき、半導体素子３２は、半導体素子３１と第２端部２１ｂとの間に配置されている。ｙ軸方向に沿って見たとき、半導体素子３３は、半導体素子３１と半導体素子３２との間に配置されている。ｘ軸方向に沿って見たとき、半導体素子３２は、半導体素子３１と半導体素子３３との間に配置されている。ここで、半導体素子３１は、第１半導体素子の一例である。半導体素子３２は、第２半導体素子の一例である。半導体素子３３は、第３半導体素子の一例である。この構成によれば、最も高温になりやすい半導体素子３２を、ｙ軸方向でヒートシンク４０の中心付近に配置することができる。これにより、半導体素子３２で発生した熱のヒートシンク４０内での平均伝熱距離を減少させることができるため、ヒートシンク４０内での熱抵抗を小さくすることができる。したがって、連続運転中及び瞬時高発熱運転時のいずれにおいても、ヒートシンク４０の冷却性能を高めることができる。

本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、自然空冷方式のヒートシンク４０を例に挙げたが、ヒートシンク４０は、ファンを備えた強制空冷方式であってもよい。

また、上記実施の形態では、冷却媒体となる流体として空気を例に挙げたが、冷却媒体となる流体としては、水、ブラインなどの他の流体を用いることもできる。

また、複数のフィン４２の長さ、形状、厚みは必ずしも同じとしなくてもよい。例えば、突起体５１、５２、５３を形成したフィン４２のｚ軸方向の長さは、突起体５１、５２、５３の長さよりも長い同じ長さとし、その長さと突起体５１、５２、５３を設けないいずれかのフィンの長さとが異なるようにしてもよい。

１０ 指令部、２０ 制御機器部、２１ 回路基板、２１ａ 第１端部、２１ｂ 第２端部、３１、３２、３３ 半導体素子、４０ ヒートシンク、４１ ベース板、４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ、４２ｇ、４２ｈ、４２ｉ、４２ｊ フィン、４３ 先端部、５１、５２、５３ 突起体、５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ 突起、１００ サーボアンプ。

Claims (5)

1. 回路基板と、
   前記回路基板の一方の面に搭載された少なくとも１つの半導体素子と、
   前記回路基板の他方の面に配置され、前記回路基板と平行な第１方向に沿って流れる流体に放熱する放熱器と、
   を備え、
   前記放熱器は、
   前記回路基板と平行に配置されたベース板と、
   前記ベース板から前記回路基板と交差する第２方向に沿って前記回路基板と離れる方向に延び、前記回路基板と平行でかつ前記第１方向と直交する第３方向に間隔を空けて並列する複数のフィンと、
   前記複数のフィンのうちの少なくとも１つのフィンに形成され、前記第２方向に沿って延伸した第１突起体と、
   前記複数のフィンのうちの少なくとも１つのフィンに形成され、前記第２方向に沿って延伸し、前記流体の流れにおいて前記第１突起体よりも下流側に配置された第２突起体と、を有しており、
   前記第３方向における前記第１突起体及び前記第２突起体のそれぞれの幅は、前記第３方向における前記複数のフィンのそれぞれの幅よりも広くなっており、
   前記第２方向における前記第２突起体の長さは、前記第２方向における前記第１突起体の長さよりも長いサーボアンプ。
2. 前記第１突起体及び前記第２突起体のそれぞれは、前記第１方向及び前記第３方向の双方と平行な断面において、楕円状の形状を有している請求項１に記載のサーボアンプ。
3. 前記回路基板には、前記少なくとも１つの半導体素子として、第１半導体素子及び第２半導体素子が搭載されており、
   前記第２方向に沿って見たとき、前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子は、それぞれ前記第１突起体及び前記第２突起体と重なって配置されている請求項１又は請求項２に記載のサーボアンプ。
4. 前記第１突起体及び前記第２突起体は、前記複数のフィンのうち互いに異なるフィンに形成されている請求項３に記載のサーボアンプ。
5. 前記回路基板には、前記少なくとも１つの半導体素子として、第１半導体素子、第２半導体素子及び第３半導体素子が搭載されており、
   前記流体の流れ方向は、前記回路基板の第１端部から第２端部に向かう方向であり、
   前記第３方向に沿って見たとき、前記第２半導体素子は、前記第１半導体素子と前記第２端部との間に配置されており、
   前記第３方向に沿って見たとき、前記第３半導体素子は、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子との間に配置されており、
   前記第１方向に沿って見たとき、前記第２半導体素子は、前記第１半導体素子と前記第３半導体素子との間に配置されている請求項１又は請求項２に記載のサーボアンプ。

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