JP6250997B2 - 電子制御装置 - Google Patents
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Description
このような電子制御装置は、発熱量が大きい電子部品で生じる熱を冷却する必要があり、ファン等による強制対流や配管により形成された冷却路に冷却液を循環させる方法等により冷却を行っている。
このような電子制御装置の一例として、電子部品が実装された回路基板を放熱フィンが設けられた本体に収容し、内面に凹凸が形成された蓋で本体を覆う構造が知られている(例えば、特許文献1参照)。この構造では、蓋の表面に設けられた凹凸により放熱面積を増大することができる。
[電子制御装置の全体構造]
以下、図面を参照して、本発明に係る電子制御装置の一実施の形態を説明する。
図1は、本発明の電子制御装置の一実施の形態を示す外観斜視図であり、図2は、図1におけるII−II線断面の斜視図であり、図3は図1のII−II線断面図である。
図1に図示された電子制御装置1は、例えば、自動車や鉄道等の車両のエンジン制御、モータ制御、自動変速機制御等に適用することが可能である。電子制御装置1は、ベース10と蓋20とにより構成されるケース30と、ケース30内に収納され、発熱部品41が実装された回路基板40と、外部装置との接続をするためのコネクタ60とを備えている。
回路基板40は、ベース10に設けられたボス部17(図5参照)に、不図示の締結部材により固定される。
コネクタケース61の材料としては、PBT(Polybutylenterephthalate)、PPS(Polyphenylene sulfide)などが使用される。また、コネクタピン62には、りん青銅や黄銅などの銅合金を使用する。
各コネクタピン62の一端は、不図示の電極端子群により回路基板40の配線パターンに電気的に接続されている。コネクタピンと回路基板を電気的に接続するため、はんだを用いる場合、はんだの接合強度を高めるために、コネクタピン62の表面にはニッケル(Ni)めっき、錫(Sn)めっきなどを施すことが好ましい。
各コネクタピン62の他端はケース30の外部に表出され、ワイヤハーネス等の電気的接続部材を介して外部装置に接続可能となっている。
図4は、図2における発熱部品41付近の拡大図であり、図5は、図2に図示されたベース10の斜視図であり、図6は、図5に図示されたベース10の上面図である。
ベース10の本体部11の内面側には、電極接合構造25により回路基板40に実装された発熱部品41に対向して、隆起部15が本体部11に一体成形されている。上述した如く、ベース10の本体部11の内面側には、複数のリブ構造50が形成されているが、隆起部15は、リブ構造50の高さよりも高い、均一な厚さの略平坦状に形成されている。隆起部15の高さは、側壁12の高さやボス部17の高さよりも低く形成されている。また、側壁12の高さは、ボス部17の高さ以上の高さに形成されている。
ベース10は、大きさ、又は形状が異なるリブ構造50が形成された4つの領域を有する。図6は、第一の領域R1〜第四の領域R4の配置を示す平面図である。
第一の領域R1は隆起部15の近傍に配置されている。第一の領域R1に形成された複数のリブ構造50のそれぞれは、直線状のリブ51により正六角形状の環状に、所謂、ハニカム形状に形成されており、内部に閉じた空間を有している。リブ構造50は6つの直線状のリブ51により構成されており、各直線状のリブ51は、隣接するリブ構造50のリブ51と共用されている。
第一の領域R1は、隆起部15に連結されているリブ構造50および側壁12に連結されているリブ構造50を含んでいる。隆起部15または側壁12に連結されたリブ構造50は、直線状のリブ51の一部が隆起部15または側壁12に置き換えられ、変形された略正六角形の形状を有している。本明細書においては、正六角形状および略正六角形状を含めて正六角形形状ということとする。
第一の領域R1に形成されたリブ構造50は、その閉じた空間に内接する円の面積が4つの領域の中で最も大きい。
熱伝導材45は、発熱部品41とベース10の隆起部15の両方に接触する。熱伝導材45は、塗布により隆起部15上に形成することが好ましい。熱伝導材45を塗布することで、発熱部品41から発生された熱を、効率的にベース10に伝導することで放熱する。
上記一実施の形態に対応する電子制御装置1を実施した実施例1を、以下に示す。
発熱部品41はリード41a(図4参照)を備えるものを用い、各リード41aを、組成がSn(錫)−3.0Ag(銀)−0.5Cu(銅)(単位:wt%)である、はんだを用いて回路基板40に接合した。回路基板40として、200mm×200mm、厚さ1.6mmで、面内方向の等価熱伝導率が40W/mK、垂直方向の等価熱伝導率が0.4W/mKのFR4(プリント基板)を用いた。ベース10として、回路基板40と対向する面に、リブ構造50および隆起部15を有する、組成がADC12の鍛造品を用いた。
隆起部15上に、熱伝導材45として、熱伝導率が2.2W/mK、室温の弾性率が0.05MPaであるグリース状のシリコーン樹脂混合物を塗布した。回路基板40を、M3のステンレス製ボルトによりボス部17に固定し、熱伝導材45と発熱部品41を接するように配置した。回路基板40と、回路基板40と対向する本体部11の内面11aとの距離は5mmである。
ベース10の固定部13近傍やベース10の中央側を第二の領域R2とし、この第二の領域R2に、第一の領域R1に形成されたリブ構造50より密度が高いリブ構造を形成した。
比較例1として、図7に図示されるベース91を有する電子制御装置を作製した。
ベース91には、本体部91Aの内面に、本発明の実施例1の隆起部15と同じ構成の隆起部15が形成されている。しかし、リブ構造50は備えていない。他の構成は実施例1と同様である。
比較例2として、図8に図示されるベース92を有する電子制御装置を作製した。
ベース92には、本体部92Aの内面に、隆起部15と、微細な凹凸71が形成されている。隆起部15の構成は、本発明の実施例1の隆起部15と同じある。微細な凹凸71は、一対の固定部13の中心を結ぶ直線と平行な方向に延出された凸部と凹部とが、延出方向とは垂直な方向に波状に連続して配列された構造を有し、各凸部の断面は三角形状である。他の構成は実施例1と同様である。
比較例3として、図9に図示されるベース93を有する電子制御装置を作製した。
ベース93には、本体部93Aの内面に、隆起部15と、微細な凹凸72が形成されている。隆起部15の構成は、本発明の実施例1の隆起部15と同じである。微細な凹凸72は、一対の固定部13の中心を結ぶ直線に直交する方向に延出された凸部と凹部とが延出方向とは垂直な方向に波状に連続して配列された構造を有し、各凸部の断面は三角形状である。他の構成は実施例1と同様である。
ベース10に形成された隆起部15の上面15aと発熱部品41との距離L(図4参照)の変動量を、本発明の実施例1と比較例1〜比較例3について、温度サイクル試験を行って比較した。後述するように、ベース10の隆起部15の上面15aと発熱部品41との距離Lは、ベース10の曲げ剛性と、放熱性の経時変化と、放熱性とに関連する。
温度サイクル試験は、電子制御装置1の周囲温度を一定周期で変化させることで、寿命などを実使用時間より加速評価する試験である。温度サイクル試験の具体的な方法を以下に示す。
図10において、縦軸は、周囲温度を最低温度―40℃から最高温度120℃で変化させた場合における、隆起部15の上面15aと発熱部品41との距離Lの変動量(単位μm)(以下、「距離Lの変動量」とする。)である。
距離Lの変動量は、比較例1が最も大きく、比較例2、比較例3、実施例1の順に小さかった。リブ構造50および凹凸71、72のいずれも形成されていない比較例1の変形量が最大である。一対の固定部13を結ぶ直線に平行な方向に延出された凹凸71を備える比較例2の距離Lの変動量は、一対の固定部13を結ぶ直線に直交する方向に延出された凹凸72を備える比較例3の距離Lの変動量よりも大きかった。このことから、ベース10に作用する荷重は、一対の固定部13を結ぶ直線に直交する方向の荷重が一対の固定部13を結ぶ直線に平行な方向の荷重より大きいことが判る。
図11は、実施例1と比較例1、比較例2、比較例3のそれぞれの発熱部品41の温度(℃)示す図である。
図11に示す通り、発熱部品41の温度は実施例1が最も低かった。本発明の実施例1では、ベース10における隆起部15の近傍は第一の領域R1であり、隣接するリブ構造50との間隔が広い。このため、発熱部品41から発生される熱は、回路基板40とベース10の内面間において、高温領域と低温領域が循環する自然対流の流れを起こし、この自然対流の流れにより高温の熱が発熱部品41の全方向に広がるようになる。また、発熱部品41から一定距離離れた場所に設けられたリブに、自然対流で生じた気流がぶつかり、気流の流れ方向が、ベース10側に転向する。その結果、熱交換が促進され、放熱性が向上する。本発明の実施例1における発熱部品41の温度が、比較例1〜3のいずれの発熱部品41の温度よりも低い値であったことから、上記リブ構造50の作用が裏付けられた。
(1)ベース10の隆起部15の近傍に、閉じた空間を有するリブ構造50を有する第一の領域R1を形成した。このため、ベース10の曲げ剛性を大きくすると共に、発熱部品41から生じた熱により、自然対流が発生され、自然対流によりベース10の全方向に熱が広がるので、放熱性を向上できる。
(2)第一の領域R1の外側、ベース10の中央側に、リブ構造50の閉じた空間に内接する円の直径が第一の領域R1のリブ構造50よりも大きい第二の領域R2を形成した。つまり、大きな曲げモーメントが作用する領域における断面二次モーメントを、第一の領域R1における断面二次モーメントよりも大きくした。このため、ベース10の本体部11の厚さを薄くしても、ベース10の変形量を小さくすることができる。
(5)ベース10において、ボス部17を側壁12と同じ厚さとしたので、ボス部17近傍の曲げ剛性を大きくすることができる。
(6)ベース10の固定部13を側壁12の高さと同じ厚さの、ほぼ均一な厚さの平坦状に形成したので、固定部13の断面二次モーメントが大きくなり、ベース10の曲げ剛性が向上する。
なお、ベース10に形成するリブ構造50は、種々、変形して適用することが可能であり、以下に、その一例を示す。
図12〜図14は、実施形態1の変形例1を示し、図12は、ベースに形成されるリブ構造の変形例1を示す斜視図であり、図13は、図12の上方からの平面図であり、図14は、図13のXIV−XIV線断面図である。
変形例1におけるベース10の特徴は、各リブ構造50Aにおける直線状の各リブ51aが、ベース10の本体部11の内面に向かって、漸次、幅広になるように傾斜して形成されている点である。すなわち、リブ構造50Aを構成する各リブ51aは、頂部側よりも根元側が幅広となっている。傾斜は直線状であっても、湾曲状の曲線状であってもよい。また、正六角形形状の各リブ構造50Aは、各角部が円錐状に湾曲した円滑な面とされている。変形例1において、上記以外の構成は、実施形態1と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
放熱用塗料44を成膜するうえで重要な事項の1つとして、本体部11の表面と放熱用塗料44との間、およびリブ構造50Aの表面と放熱用塗料44との間に空気層が形成されないようにすることが挙げられる。本体部11の表面と放熱用塗料44との間、およびリブ構造50Aの表面と放熱用塗料44との間に空気層が形成されると、前記空気層が断熱部となり、熱が蓄積される。また温度サイクルのように、熱負荷が繰り返される環境に設置された場合、放熱用塗料44が被成膜面から剥離し易くなる。放熱用塗料44が被成膜面から剥離した場合、放熱用塗料44の熱伝導率が低いと、放熱用塗料44を成膜しない場合に比べて、放熱性が悪化する場合もある。
実施例1の変形例1、実施例1、図8に図示された比較例2、図9に図示された比較例3について、放熱用塗料44を成膜し、空気層(以下、ボイドと記載)の有無を比較した。
放熱用塗料44は、表面抵抗値が1013Ω/sq.以上、粘度2、2000Pa・S(回転式粘度計により計測)である。放熱用塗料44をリブ構造50A(または50)の表面を含むベース10の内面に塗布し、各試験品に生じたボイドの数に基づいて、ボイド発生確率の程度を比較した。
図15に上記ボイド発生確率の試験結果を示す。
ボイドの有無は、ベース10に放熱用塗料44を塗布した際、ベース10と放熱用塗料44間に直径0.5mm以上のボイドが発生した場合をボイド有りと判断した。図15において、○はボイド発生確率が1%未満、△はボイド発生確率が1%以上10%未満、×はボイド発生確率が10%以上であることを示す。
このことから、放熱用塗料44を成膜してベース10の放熱性を向上するうえで、実施形態1に示すリブ構造50は、比較例2および比較例3よりボイドの発生確率を小さくすることができ、実施形態1の変形例1のリブ構造50Aとすることにより、さらに、ボイドの発生確率を低減可能であることが確認された。
図16は、実施形態1のリブ構造に関する別の変形例を示し、ベースの上方からみた平面図である。
図16に図示されたベース10は、3つの領域R1、R2、R4を備えている。
第一の領域R1は隆起部15の近傍に配置されている。第一の領域R1に形成された複数のリブ構造50Bのそれぞれは、直線状のリブ52により四角形状の環状に形成されている。リブ構造50Bを構成する1つの直線状の各リブ52は、隣接するリブ構造50Bのリブ52と共用されている。リブ52には、長さ方向の一部に切欠き53が形成されている。換言すると、リブ構造50Bは、隣接するリブ構造50Bに連通する複数の切欠き53を有している。
つまり、実施形態1のリブ構造50およびその変形例1のリブ構造50Aが、外部に対し完全に閉じた空間を有しているのに対し、変形例2のリブ構造50Bにおける内側は、一部が、外部に対して解放された空間とされている。しかし、変形例2におけるリブ構造50Bも、切欠き53による開放部分は周側部全体からみて小さく、内部空間はほぼ閉じた空間となっている。本明細書では、外部に対し完全に閉じた空間を有するリブ構造50、50Aおよび一部において開放されているリブ構造50Bを含めて、閉じた形状のリブ構造という。
上記以外の構成は、実施形態1と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
従って、上記変形例2においても、上記実施形態1と同様な効果を奏する。
図17は、実施形態1の変形例3を示し、発熱部品近傍の拡大断面図である。
変形例3における特徴は、実施形態1に対し、熱伝導材45を、発熱部品41が実装された回路基板40の裏面に接する構造とされている点である。
図17において、発熱部品41は、回路基板40におけるベース10の本体部11とは反対面側、換言すれば、蓋20側の一面に、リード41aを電極接合構造25で回路基板40の不図示の配線パターンに接合されて実装されている。
ベース10の隆起部15上に塗布された熱伝導材45は、発熱部品41が実装された領域に対応する回路基板400の裏面に接するように配置されている。
隆起部15の面積の中心は、発熱部品41の中心とほぼ一致した位置に配置されている。
変形例3に図示された構造では、発熱部品41から発生される熱を、回路基板40を介して熱伝導材45に伝導することができる。
他の構成は、実施形態1と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
変形例3においても、実施形態1と同様の効果を奏する。
図18は、本発明の実施形態2に係るベースの斜視図であり、図19は、図18に図示されベースのXIX−XIX線断面図である。
実施形態2に係る電子制御装置1Aは、実施形態1と同様に、図1および図2に図示されるような、ベース10Aと蓋20とにより構成されるケース30と、ケース30内に収納され、発熱部品41が実装された回路基板40と、外部装置との接続をするためのコネクタ60とを備えている。ここで、実施形態2が実施形態1と相違する点は、ベース10Aが実施形態1のベース10とは異なる構造を有している点である。
以下、この相違点を主として実施形態2を説明することとし、実施形態1と共通する構成については、対応する部材に同一の符号を付してその説明を省略する。
第一の領域R1は隆起部15の近傍に配置されている。第一の領域R1に形成された複数のリブ構造50Cのそれぞれは、直線状の6つのリブ55により正六角形状の環状に、所謂、ハニカム形状に形成されており、内部に閉じた空間を有している。リブ構造50Cを構成する各直線状のリブ55は、隣接するリブ構造50Cのリブ55と共用されている。第一の領域R1は、隆起部15に連結されているリブ構造50Cおよび側壁12に連結されているリブ構造50Cを含んでいる。隆起部15または側壁12に連結されたリブ構造50Cは、実施形態1のリブ構造50と同様に、直線状のリブ55の一部が隆起部15または側壁12に置き換えられ、変形された略正六角形の形状を有している。
第二の領域R2Aに形成されたリブ構造50Dの閉じた空間に内接する円の面積は、第一の領域R1に形成されたリブ構造50Cの閉じた空間に内接する円の面積と同一である。しかし、第二の領域R2Aに形成されたリブ構造50Dは、第一の領域R1に形成されたリブ構造50Cよりも、ベース10Aの本体部11の内面からの高さが高く形成されている。
リブ構造50D0および50D1は、リブ構造50Cより高く形成されているので、その断面二次モーメントはリブ構造50Cより大きい。すなわち、曲げ剛性が大きい。このため、ベース10Aの厚さを薄くした場合でも、大きな曲げ応力が発生するベース10Aの変形量を小さくすることができる。
よって、上記実施形態2によれば、実施形態1における効果(1)〜(6)と同様な効果を奏する。
図20および図21は、本発明の実施形態2の変形例1を示し、図20はベースの斜視図であり、図21は、図20に図示されベースを矢印XXI方向からみた拡大斜視図である。
実施形態2の変形例1が実施形態2と相違する点は、リブ構造50Dを構成する直線状のリブ56の中間部に、リブ56の厚さ方向に突出する補強部81を設けた点である。
リブ構造50Dを構成する直線状のリブ56は、リブ構造50Cを構成するリブ55よりも高さが高く、その分損傷の可能性が大きい。補強部81によりリブ56の強度を大きくすることができる。
他の構成は、実施形態2と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
図22、図23は、本発明の実施形態2の変形例2を示し、図22は、ベースの斜視図であり、図23は、図22に図示されベースを矢印XXIII方向からみた拡大斜視図である。
実施形態2の変形例2が、実施形態2の変形例1と相違する点は、実施形態2の変形例1に対し、リブ構造50Dを構成する直線状のリブ56および補強部81の根元部に傾斜部を設けた点である。
図23に図示されるように、リブ構造50Dを構成する直線状のリブ56Aは、ベース10Aの本体部11に連結される根元部に湾曲状の幅広部85を有している。また、補強部81Aは、ベース10Aの本体部11に連結される根元部に湾曲状の幅広部82を有している。幅広部85、82は、直線状の傾斜部であってもよい。
リブ56Aおよび補強部81Aは、鍛造、鋳造、モールド成形等により、ベース10Aと一体成形される。
実施形態2の変形例2の他の構成は、実施形態2の変形例1と同様であり、対応する部材に同一の符号を付し、説明を省略する。
10、10A ベース
11 本体部
12 側壁
13 固定部
15 隆起部
40 回路基板
41 発熱部品
44 放熱用塗料
45 熱伝導材
50、50A〜50D リブ構造
51、52、55、56、56a、56A リブ
81、81A 補強部
R1〜R4、R2A 第一〜第四の領域
Claims (20)
- 回路基板と、
前記回路基板に実装された発熱部品と、
本体部、および前記本体部の一面における、前記発熱部品が実装された前記回路基板の領域に対応して形成された隆起部を有し、前記回路基板を支持する支持部材と、
前記支持部材の隆起部と、前記発熱部品が実装された前記回路基板の領域との間、又は前記支持部材の隆起部と前記発熱部品との間に介装された熱伝導材とを備え、
前記支持部材は、前記本体部の前記一面に形成された、それぞれ、複数の閉じた形状のリブ構造から構成される第一の領域、および第二の領域を備え、前記第一の領域における前記リブ構造の高さは、前記第二の領域における前記リブ構造の高さより低く、前記第一の領域は、前記隆起部の近傍に配置され、前記第二の領域は、前記第一の領域の外側に配置されている、電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記第二の領域におけるリブ構造は、前記第一の領域におけるリブ構造との接続部において、前記第一の領域に向けて漸次高さが低下する傾斜部を有し、前記第一の領域における前記リブ構造に、高さ方向においてなだらかに連接している、電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記第一の領域および前記第二の領域に形成された前記リブ構造は、複数のリブが連接して構成され、前記第二の領域に形成された前記リブ構造の少なくとも1つの前記リブの中間部に、前記リブより幅広く形成された補強部が形成されている、電子制御装置。 - 請求項3に記載の電子制御装置において、
前記リブ構造を構成するリブは、前記本体部の前記一面に接続される根元部の少なくとも一部が、前記本体部側に向かって、漸次、幅広くなるように傾斜または湾曲されている、電子制御装置。 - 請求項3に記載の電子制御装置において、
前記第一の領域に形成された前記補強部は、前記本体部の前記一面に接続される根元部側が前記本体部に向かって、漸次、幅広くなるように傾斜または湾曲されている、電子制御装置。 - 請求項5に記載の電子制御装置において、
前記本体部の前記一面および少なくとも前記第一の領域における前記リブ構造の表面に、前記本体部の材料および前記リブ構造の材料よりも放射率が高い放熱用塗料が設けられている、電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記第一の領域における前記リブ構造に内接する円または楕円の面積は、前記第二の領域における前記リブ構造に内接する円または楕円の面積より大きい、電子制御装置。 - 請求項7に記載の電子制御装置において、
前記支持部材は、さらに、前記第一の領域および前記第二の領域との間に介在された第三の領域を備え、前記第三の領域には、前記第一の領域および前記第二の領域に形成された前記リブ構造とは異なる形状を有するか、または前記第一の領域および前記第二の領域に形成された前記リブ構造の面積とは異なる面積を有する少なくとも1つのリブ構造が形成されている、電子制御装置。 - 請求項8に記載の電子制御装置において、
前記支持部材は、前記第一の領域および前記第二の領域を囲み、前記リブ構造よりも高い側壁を備えると共に、前記側壁と前記第二の領域との間に介在された第四の領域を備え、前記第四の領域には、前記第二の領域に形成された前記リブ構造とは異なる形状を有するか、または前記第二の領域に形成された前記リブ構造の面積とは異なる面積を有する少なくとも1つのリブ構造が形成されている、電子制御装置。 - 請求項9に記載の電子制御装置において、
前記第一の領域の一部は、直接、前記側壁に連結されている、電子制御装置。 - 請求項7に記載の電子制御装置において、
前記第二の領域における断面二次モーメントは、前記第一の領域における断面二次モーメントより大きい、電子制御装置。 - 請求項7に記載の電子制御装置において、
前記リブ構造は少なくとも1つのリブを有し、前記リブは、前記本体部に接続される根元部側が前記本体部に向かって、漸次、幅広くなるように傾斜または湾曲されている、電子制御装置。 - 請求項12に記載の電子制御装置において、
前記本体部の一面および前記リブ構造の表面に、前記本体部の材料および前記リブ構造の材料よりも放射率が高い放熱用塗料が設けられている、電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記第一の領域および前記第二の領域に形成された前記リブ構造は、内部空間が閉じた円、楕円または多角形形状のいずれかである、電子制御装置。 - 請求項14に記載の電子制御装置において、
前記第一の領域および前記第二の領域に形成された前記リブ構造は、内部空間が閉じた正六角形形状を有する、電子制御装置。 - 請求項9に記載の電子制御装置において、
前記支持部材は、前記側壁に一体成形され、全体が均一な厚さの固定部を有し、前記固定部の厚さは、前記リブ構造の高さより大きい、電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、前記隆起部はほぼ均一な厚さに形成され、前記隆起部の厚さは前記リブ構造の高さよりも大きい、電子制御装置。
- 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記熱伝導材は、前記発熱部品と前記隆起部との間に介装されている、電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記熱伝導材は、前記発熱部品が実装された前記回路基板と前記隆起部との間に介装されている、電子制御装置。 - 請求項1に記載の電子制御装置において、
前記熱伝導材は、熱伝導率が0.2W/mK以上、室温での弾性率が1KPa以上1MPa以下の樹脂と熱伝導性フィラとの混合物である、電子制御装置。
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