JP2015037135A - 車上機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱、ノイズ及び振動を抑制し得る車上機器を提案する。
【解決手段】地上機器に駆動用電力波を送信する車上機器において、車上機器はラックを備え、ラックには、ヒートシンク、基板、接続体及び振動対策部品が設置され、ヒートシンクは、基板の半田面側に接続されて、電気的にはシグナルグラウンドに接続され、基板は、半田面側がヒートシンクに接続されるとともに、部品面側は接続体に接続されて、電気的にはシグナルグラウンドに接続され、接続体は、絶縁体であって、両端には導電性の接続部品が設けられ、一端が基板の部品面側に接続され、他端は振動対策部品に接続されて、基板と振動対策部品との間を物理的に接続し、振動対策部品は、接続体に接続されるとともに、ラックに接続されて、電気的にはフレームグラウンドに接続されることを特徴とする車上機器。
【選択図】図２

Description

本発明は、車上に搭載する車上機器に関し、特に鉄道システムにおける車上機器に適用して好適なものである。

従来、車上機器と地上機器とから構成される鉄道システムにおいて、車上機器は、信号増幅装置を備え、電源を持たない地上機器に駆動電源用の電力波（駆動用電力波）を送信し、一方で地上機器から出力される情報信号（出力情報波）を受信する。

地上機器から出力される出力情報波は、駆動用電力波と比較して電力が非常に小さい。よって車上機器において駆動用電力波の送信部から発生するノイズが出力情報波の受信部に漏れ込む場合があり、このノイズの漏れ込みを最小限に抑える必要がある。

また一般に信号増幅装置は、各種基板の交換容易性を確保するために、各種基板をラックに挿入する構成（ラック挿入型）が採用される。各種基板のうち駆動用電力波を生成する基板は、駆動用電力波が高電力となって発熱することから、発熱対策としてヒートシンクが搭載される。

ヒートシンクの面積は、ヒートシンクを搭載する基板の面積に対して８０％以上を占める場合が多い。またラック挿入型の場合、リア側（基板挿入先）の固定部は、バックボードに挿入するためのコネクタしかない。そのためヒートシンクを搭載した基板は、ヒートシンクによって重量増となっており、特に部品面−半田面方向（基板面に対して垂直方向）に長時間振動を受け続けると大きな応力がかかり損傷するおそれがある。

従って車上機器においては、発熱対策のためにヒートシンクを搭載させると、振動により損傷するおそれがあり、一方で上述したようにノイズの漏れ込みを最小限に抑える必要があることから、発熱、振動及びノイズのいずれについて対策を講じる技術が望まれる。

ここで従来技術として、例えば特許文献１〜３には、制御基板をヒートシンクで冷却し、両者を締結手段により支持するとともに、制御基板から発生するノイズを抑制するためにヒートシンクの金属部分を制御基板のシグナルグラウンドに接続させる構成が開示されている。

特開平１１−３４６４７７号公報 特開２００７−２５８３８５号公報 特開２０１２−１１４１８６号公報

しかし、特許文献１〜３の技術だけでは、車上機器において発熱、振動及びノイズについて対策を講じることはできない。具体的には発熱及びノイズを抑制し得る特許文献１〜３の技術を単に車上機器に用いても、振動については依然として抑制することができない。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、発熱、ノイズ及び振動を抑制し得る車上機器を提案するものである。

かかる課題を解決するために、本発明における車上機器は、地上機器に駆動用電力波を送信する車上機器において、車上機器はラックを備え、ラックには、ヒートシンク、基板、接続体及び振動対策部品が設置され、ヒートシンクは、基板の半田面側に接続されて、電気的にはシグナルグラウンドに接続され、基板は、半田面側がヒートシンクに接続されるとともに、部品面側は接続体に接続されて、電気的にはシグナルグラウンドに接続され、接続体は、絶縁体であって、一端が基板の部品面側に接続され、他端は振動対策部品に接続されて、基板と振動対策部品との間を物理的に接続し、振動対策部品は、接続体に接続されるとともに、ラックに接続されて、電気的にはフレームグラウンドに接続されることを特徴とする。

本発明によれば、発熱、ノイズ及び振動を抑制することができる。

本実施の形態における鉄道システムの全体構成図である。 信号増幅装置の上面構成図である。 振動対策部品、送信基板及びヒートシンクの接続関係図である。 ヒートシンクの上面構成図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

図１は、本実施の形態における鉄道システム１の全体構成を示す。鉄道システム１は、移動体Ｍ１内に配置される車上機器１０と、線路Ｒ１内に配置される地上機器２０とから構成される。車上機器１０は、信号増幅装置１００を備えて構成され、この信号増幅装置１００により、地上機器２０を駆動させるための駆動用電力波Ｐ１を増幅する。そして車上機器１０は、信号増幅装置１００により増幅した駆動用電力波Ｐ１を地上機器２０に送信する。

地上機器２０は、車上機器１０から駆動用電力波Ｐ１を受信すると、出力情報波Ｐ２を生成し、生成した出力情報波Ｐ２を車上機器１０に送信する。出力情報波Ｐ２には、例えば移動体Ｍ１が停止信号に接近していることを示す情報又は移動体Ｍ１が制限速度を超過していることを示す情報が含まれる。

車上機器１０は、地上機器２０から出力情報波Ｐ２を受信すると、受信した出力情報波Ｐ２に基づいて、例えば移動体Ｍ１を停止させる制御又は制限速度以下で移動させる制御を実行する。

ここで一般に、信号増幅装置１００において駆動用電力波Ｐ１を増幅して送信する基板（送信基板）は、駆動用電力波Ｐ１が高電力であることから温度が上昇して発熱する。よって送信基板には比較的大型なヒートシンクが搭載されることになる。このとき、ヒートシンクにより重量増となった送信基板が振動を受け続けると、大きな応力がかかり、送信基板が破損するおそれがある。

本実施の形態は、この送信基板の振動を抑制する振動対策部品を車上機器１０（信号増幅装置１００）に設置することで、ヒートシンクによる発熱対策を実現しつつも、振動対策を実現しようとするものである。

また本実施の形態は、振動対策部品の設置に関し、物理的にはヒートシンク及びヒートシンクを搭載した送信基板と接続するが、電気的にはフレームグラウンドに接続するように設置する。すなわち物理的な接続と、電気的な接続とが異なるように設置することで、シグナルグラウンドとフレームグラウンドとが接続されないようにして、フレームグラウンドからのノイズがシグナルグラウンドに回り込むことを防止しようとするものである。

図２は、信号増幅装置１００の上面構成を示す。信号増幅装置１００は、送信基板１０１及び車上機器１０としての機能を実現するための各種基板１０９が金属製のラック１０７に挿入されて構成される。

信号増幅装置１００において送信基板１０１は、駆動用電力波Ｐ１（図１）を増幅させるための多層プリント基板である。送信基板１０１には、この送信基板１０１に実装される発熱部品の温度上昇を抑制するため、金属製のヒートシンク１０２が接続される。

送信基板１０１とヒートシンク１０２とは、絶縁接続体１０３により接続される。絶縁接続体１０３は、内部は絶縁体で構成され、振動対策部品１０４との接続部分は導電体で構成される部材である。

送信基板１０１とヒートシンク１０２とを絶縁接続体１０３により接続する目的は、送信基板１０１の部品面（ヒートシンク１０２が接続する面とは反対の面）に部品を実装することを可能とするためである。この絶縁接続体１０３の構造の詳細については後述する（図３）。

絶縁接続体１０３の一端は上述したように送信基板１０１及びヒートシンク１０２に接続されるが、他端は導電性の振動対策部品１０４に接続される。振動対策部品１０４を実装する目的は振動対策である。

送信基板１０１及びこの送信基板１０１に実装する部品は、１５０Ｈｚ以下の共振周波数を有し、主に１５０Ｈｚ以下の振動が加振される信号増幅装置１００においては長時間振動を受け続けると、送信基板１０１が破損するおそれがある。そこで振動対策部品１０４を実装することにより、送信基板１０１の共振周波数を１５０Ｈｚ以上にして、信号増幅装置１００において加振されることが想定される周波数の長期間の振動に耐えることを可能とする。

振動対策部品１０４は、絶縁接続体１０３の他端に接続される一方で、導電性の接続部品１０８を介して導電性のフロントパネル１０５に接続される。振動対策部品１０４は、フロントパネル１０５側では幅が広く、リア側に向かって幅が狭くなる形状を有する。この形状を有する目的は、フロントパネル１０５側では接続部品１０８により強固に固定するためであり、リア側では固定点がないため幅広にする必要がなく、また軽量化を図るためである。

フロントパネル１０５は、振動対策部品１０４に接続される一方で、絶縁体である板材１０６を介してヒートシンク１０２に接続される。

フロントパネル１０５とヒートシンク１０２とを絶縁体である板材１０６を介して接続する目的は、ヒートシンク１０２と板材１０６とを物理的には接続しつつ、電気的には絶縁するためである。

フロントパネル１０５は、送信基板１０１をラック１０７に挿入することで、ラック１０７のフレームに電気的に接続される。ラック１０７のフレームは、フレームグラウンドとして最終的に移動体Ｍ１に接続される。

移動体Ｍ１には信号増幅装置１００以外にも他の様々な装置が接続されることが想定され、他の様々な装置から発生したノイズがフレームグラウンドに回り込む可能性がある。本実施の形態においてヒートシンク１０２と板材１０６とは電気的に接続されていないため、シグナルグラウンドに接続されている送信基板１０１がフレームグラウンドから回り込んだノイズにより誤動作することを防ぐことが可能となる。

図３は、振動対策部品１０４、送信基板１０１及びヒートシンク１０２の接続関係の詳細を示す。ねじ止め部２０１は、金属で構成されたスルーホール状のねじ止め部であり、送信基板１０１内の内層のシグナルグランド２０３と電気的に接続される。

ヒートシンク１０２の上面は、金属面露出部２０４が露出して構成されている。絶縁接続体１０３を使用して、送信基板１０１とヒートシンク１０２とを接続することにより、送信基板１０１のシグナルグランドと、ヒートシンク１０２とが電気的に接続される。

ヒートシンク１０２をシグナルグランドに接続することにより、送信基板１０１のシグナルグランド部の発熱を効率的にヒートシンク１０２に伝えて放熱することが可能となる。またヒートシンク１０２が電磁シールド効果を有し、信号増幅装置１００から出力されるノイズを低減することを可能にする。

振動対策部品１０４は、フロントパネル１０５及び接続部品１０８と接続しているため、振動対策部品１０４とフロントパネル１０５とは電気的に接続されている。フロントパネル１０５は、フレームグランドと接続しているため、振動対策部品１０４及びフロントパネル１０５の電位レベルはフレームグランドに等しくなる。

ここで、振動対策部品１０４の電位はフレームグランドに等しく、ヒートシンク１０２の電位はシグナルグランドに等しい。よって仮にヒートシンク１０２と、振動対策部品１０４とを電気的に接続すると、上述したようにフレームグラウンドに接続した他の装置からノイズが信号増幅装置１００内に回りこみ、信号増幅装置１００を誤動作させる可能性がある。

このノイズの回り込みを防ぐため、絶縁接続体１０３のボディは絶縁体により構成され、絶縁接続体１０３と振動対策部品１０４とを高い剛性の接続体２０２により接続するようにしても、ヒートシンク１０２と絶縁接続体１０３とが電気的に接続されることはない。また絶縁接続体１０３及び板材１０６を使用することにより、フレームグラウンドとシグナルグラウンドとが電気的に接続されることを防いでいる。

図４は、ヒートシンク１０２の上面構成を示す。また合わせてＡ１−Ａ２間の断面構成を示す。本実施の形態における信号増幅装置１００は、１００ｍｍ×１６０ｍｍの面積である送信基板１０１により実現することを想定している。信号増幅装置１００の機能実現のために、送信基板１０１の部品面の実装面積が小さいため、送信基板１０１の半田面にも部品を実装する必要がある。よって本実施の形態におけるヒートシンク１０２は、他よりも高さが高い金属面露出部２０４以外に送信基板１０１との接続部を持たないように構成される。

半田面部品実装箇所３０１は、送信基板１０１の部品面に穴を開け、発熱部品の放熱部を半田面部品実装箇所３０１に接することが可能となるように、他の部分よりも送信基板１０１との間隔を狭めている部分である。半田面側に実装された発熱部品１０１１を、絶縁体により構成されたサーマルインタフェースＳＩを介して接続することが可能となる高さになっている。

半田面部品実装箇所３０１を設けることにより、１００ｍｍ×１６０ｍｍと限られた面積である送信基板１０１において、発熱部品１０１１を送信基板１０１の半田面にも実装することを可能とし、発熱部品１０１１の実装位置を分散させることが可能となる。よってヒートシンク１０２により効果的に送信基板１０１に実装された発熱部品１０１１の発熱を放熱し、信号増幅装置１００の温度上昇を抑制することが可能となる。

以上のように本実施の形態では、発熱による温度上昇を抑制するため、部品の熱を拡散させる効果のある金属製のヒートシンク１０２を設置する。ヒートシンク１０２を設置すると、発熱を抑制することはできるものの、送信基板１０１の重量が増加して、車上機器１０が振動を受けやすい低周波の振動によって特に固定されていないリア側が影響を受けやすくなるという問題が生じる。

そこで本実施の形態では、リア側の固定点を増やすと同時に、送信基板１０１全体の剛性を向上させるため、フロントパネル１０５と接続部品１０８によりネジどめされ、かつ、送信基板１０１及びヒートシンク１０２と多点でネジどめされる金属製の振動対策部品１０４を設置する。なお使用するネジは、送信基板１０１の部品面に部品が搭載できる高さを持つものとする。

一方ノイズ出力低減のためには、金属物に電磁シールド効果を持たせる必要がある。従って振動対策部品１０４及びヒートシンク１０２には、導電体である金属を使用する。そして振動対策部品１０４はフロントパネル１０５及びラック１０７を経由してフレームグランドに接地し、ヒートシンク１０２は送信基板１０１のシグナルグランドに接地する。

フレームグランドは移動体Ｍ１のグラウンドに接続されることになるが、移動体Ｍ１のグラウンドには他に様々な装置が接地されることが想定され、他の様々な装置からグラウンドにノイズが出力される可能性がある。フロントパネル１０５とヒートシンク１０２とを接続すると、ノイズが信号増幅装置１００の回路に伝達され、回路が誤動作する可能性がある。

そこで本実施の形態では、フロントパネル１０５及び振動対策部品１０４と、送信基板１０１のシグナルグランド及びヒートシンク１０２との間は、絶縁接続体１０３を介して接続するようにした。

以上のような構成を採用することにより、車上機器１０において発熱、ノイズ及び振動を抑制することができる。

１０１ 多層プリント基板
１０２ 金属製のヒートシンク
１０３ ボディが絶縁体により構成され、接続部は導電体で構成された絶縁接続体
１０４ 導電性の振動対策構部品
１０５ 導電性のフロントパネル
１０６ 絶縁体により構成された板材
１０７ フレームグラウンドに接続された金属製のラック
１０８ 振動対策部品とフロントパネルとを接続する導電性の接続部品
１０９ 車上通信装置としての各種機能を実現するための基板
２０１ 金属製のスルーホール状のネジどめ部
２０２ 絶縁接続体と振動対策部品とを接続するための金属の接続体
２０３ 送信基板内の内層のシグナルグラウンド
２０４ ヒートシンク上面の金属面露出部
３０１ 半田面部品実装箇所

Claims (4)

1. 地上機器に駆動用電力波を送信する車上機器において、
   前記車上機器はラックを備え、
   前記ラックには、ヒートシンク、基板、接続体及び振動対策部品が設置され、
   前記ヒートシンクは、前記基板の半田面側に接続されて、電気的にはシグナルグラウンドに接続され、
   前記基板は、前記半田面側が前記ヒートシンクに接続されるとともに、部品面側は前記接続体に接続されて、電気的にはシグナルグラウンドに接続され、
   前記接続体は、絶縁体であって、両端には導電性の接続部品が設けられ、一端が前記基板の部品面側に接続され、他端は前記振動対策部品に接続されて、前記基板と前記振動対策部品との間を物理的に接続し、
   前記振動対策部品は、前記接続体の前記他端に接続されるとともに、前記ラックに接続されて、電気的にはフレームグラウンドに接続される
   ことを特徴とする車上機器。
2. 前記振動対策部品は、
   前記ラックとの接続において一端が前記ラックのフロントパネル側に接続され、他端は前記ラックのリア側に接続され、前記フロントパネル側との接続部分において複数の接続部品により前記一端が前記フロントパネルに固定され、前記一端と前記フロントパネル側との接続面積の方が、前記他端と前記リア側との接続面積よりも広い
   ことを特徴とする請求項１に記載の車上機器。
3. 前記ラックには、板材が設置され、
   前記板材は、絶縁体であって、一方が前記ラックに接続され、他方が前記ヒートシンクに接続されることにより、前記ラックと前記ヒートシンクとの間を電気的には接続せずに物理的に接続し、
   前記ヒートシンクは、前記ラック内において前記板材により支持される
   ことを特徴とする請求項１に記載の車上機器。
4. 前記ヒートシンクは、
   前記基板と対向する面において、金属面が露出した金属面露出部が設けられ、前記金属面露出部が前記基板の半田面方向に突出して形成されていることにより、前記半田面側に接続され、
   前記基板は、
   多層プリント基板であって、前記多層プリント基板にはシグナルグラウンドに接続される内層パターン及びスルーホール状のねじ止め部が設けられ、前記ねじ止め部は、前記シグナルグラウンドの内層パターンと電気的に接続されることにより、シグナルグラウンドに接続され、前記ねじ止め部が前記金属面露出部に接続されることにより、前記半田面側が前記ヒートシンクに接続され、
   前記接続体は、
   前記一端に設けられた導電性の接続部品が前記スルーホール状のねじ止め部及び前記金属面露出部と接触して接続されることにより、前記一端が前記基板の部品面側に接続され、前記他端に設けられた導電性の接続部品は前記振動対策部品に接続されることにより、シグナルグラウンドに接続される前記ヒートシンク及び前記基板と、フレームグラウンドに接続される前記振動対策部品とを電気的に接続せずに物理的に接続する
   ことを特徴とする請求項１に記載の車上機器。

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