JP5399857B2

JP5399857B2 - 車載用回路基板ケース

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Publication number: JP5399857B2
Application number: JP2009244153A
Authority: JP
Inventors: 伸介伊藤; 和隆江口
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-10-23
Also published as: JP2011091233A

Description

本発明は、回路基板を収容して車両等の取付対象体に取り付けられる車載用回路基板ケースに関するものである。

従来、自動車には、グロープラグやガスセンサ等が設けられており、これらを制御するための回路基板を収容した回路基板ケースが自動車の車体に固定されている。例えば、グロープラグへの通電の制御を行う回路基板には、各種の電子部品が半田付けされているが、電界効果トランジスタ（以下、「ＦＥＴ」という）を代表とするスイッチング用の半導体素子は、自身を流れる電流が大きいため、発熱も大きい。そのため、発熱するこの半導体素子（パワー素子とも言う）は、特許文献１に記載のように、回路基板上に設けた放熱器に直に固定するか、または、回路基板ケースとして金属筐体を用いて、その金属筐体の一部に形成した凸部に固定することも考えられる。

特開２００７−３２４０１６号公報

しかしながら、金属筐体は比較的高価であるとともに、金属筐体を用いることは回路基板ケースの筐体を合成樹脂化する技術の流れに反するものである。また、特許文献１に記載のように、回路基板上に放熱器を固定したものでは、十分な放熱効果を得るためには、放熱器であるヒートシンクを大きくする必要があるがヒートシンクの慣性が大きくなる。この場合に、パソコン等の設置型の機器では、振動等が無いので問題が生じないが、車載用の機器の場合には、ヒートシンクの慣性が大きいと、振動でヒートシンクが回路基板に対して移動して、発熱素子の半田付け部分に亀裂が入ったり、発熱素子がヒートシンクから外れてしまうという問題点があった。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、振動が加わっても放熱器が回路基板に対して移動することなく、発熱素子からの放熱を有効に行うことのできる回路基板ケースを提供することを目的とする。

本発明の実施態様の回路基板ケースは、外面にコネクタが設けられたベース部材と、前記コネクタの端子と電気的に接続される回路基板と、前記ベース部材と前記回路基板とを接続し支持する支持部と、前記回路基板に接続され発熱する半導体素子が固定される放熱器と、前記ベース部材と嵌合して、当該ベース部材と共に、前記回路基板及び前記放熱器を収容する箱形状をなすカバー部材とを備え、前記支持部は前記ベース部材の中心部側に設けられ、前記回路基板の中心部側を支持するとともに、前記支持部と前記回路基板とは固定され、前記放熱器は、前記ベース部材と前記回路基板との間において、前記ベース部材及び前記回路基板の各々に固定されていることを特徴とする。

本実施態様に係る回路基板ケースでは、支持部はベース部材の中心部側に設けられ、回路基板の中心部側を支持するとともに、支持部と回路基板とは固定され、放熱器が、ベース部材と、当該ベース部材が支持部によって支持する回路基板との間において、ベース部材及び回路基板の各々に固定されている。このため、回路基板ケースの取り付けられた取付対象体の振動を受けて、回路基板に対して放熱器のみが移動してしまうことを抑制し、耐振動性、耐衝撃性が向上する。

また、前記放熱器は、前記コネクタの端子とは電気的に切り離されていてもよい。この場合には、放熱器がコネクタの端子から切り離されて独立しているため、放熱器が電気の通り道でなくなり、放熱器に起因する接点不良等が防止できる。

また、前記放熱器は、前記コネクタの端子とは異なる材質の材料で形成されていてもよい。この場合には、放熱器の材質よりも振動の減衰率の高い材質を用いることもでき、耐振動性をより向上させることができる。一般的に、導電性や加工性等の性能・製造面やコストや入手性も加味して端子は真鍮（黄銅）を使用することが多いが、放熱器の材質としてこれよりも振動の減衰率の高いものとすることができる。

また、前記放熱器は、前記支持部の周囲を取り囲んでいてもよい。この場合には、回路基板を支持部とその周囲に設けられた放熱器で支えるので、回路基板の耐振動性、耐衝撃性がより一層向上する。

また、前記カバー部材の内面の底部が前記回路基板に当接してもよい。この場合には、カバー部材によって回路基板を押さえることができるので、カバー部材と回路基板と放熱器が一体となり、外部からの衝撃により、回路基板と放熱器とが剥離して破損することを防止できる。

また、前記カバー部材の内面の底部側に前記回路基板を係止して固定する係止部が設けられていてもよい。この場合には、カバー部材の内面の底部側に設けられたに係止部よって回路基板を押さえることができるので、カバー部材と回路基板と放熱器が一体となり、外部からの衝撃により、回路基板と放熱器とが剥離して破損することを防止できる。

また、前記半導体素子は、前記放熱器に螺子止めされる背板を備え、前記放熱器のヤング率は、前記背板のヤング率よりも大きくてもよい。この場合には、放熱器のヤング率が大きいので撓みにくく、放熱器の撓みで半導体素子の背板が撓み半導体素子のケースが割れることを防止できる。

回路基板ケース１の正面図である。回路基板ケース１の底面図である。回路基板ケース１のカバーを取り去った状態の正面図である。回路基板ケース１のカバーを取り去った状態の分解斜視図である。図１に示す回路基板ケース１のＩ−Ｉ線で矢印方向に切断した断面図である。回路基板ケース１の第一変形例を示す図１のＩ−Ｉ線で矢印方向に切断した断面図である。回路基板ケース１の第二変形例を示す図１のＩ−Ｉ線で矢印方向に切断した断面図である。回路基板ケース１の第三変形例を示す図１のＩ−Ｉ線で矢印方向に切断した断面図である。回路基板ケース１の第四変形例を示す図１のＩ−Ｉ線で矢印方向に切断した断面図である。回路基板ケース１の第五変形例を示す図１のＩ−Ｉ線で矢印方向に切断した断面図である。金属の対数減衰率を示す参考図である。

以下、本発明を具体化した回路基板ケース１の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、回路基板ケース１を例に、その構造について図１〜図５を参照して説明する。図１に示す回路基板ケース１は、一例として、自動車等のディーゼルエンジンのグロープラグへの通電の制御を行う制御基板を内蔵したコントローラボックスとして機能するものである。

図１及び図２に示すように、回路基板ケース１は、平面視角が丸くなった長方形状のベース部材２に、箱形状のカバー部材３が嵌合して形成される。ベース部材２とカバー部材３とは一例として、レーザ溶着され、内部に水が進入しないように密着されている。また、図１に示すように、カバー部材３には、自動車の車体に回路基板ケース１を固定するための平面視台形状の取付板４が設けられている。取付板４の中央部には、螺子孔５が形成されている。また、カバー部材３のベース部材２当接する端部には、外側に鍔状に突出した鍔部６が形成されている。尚、ベース部材２及びカバー部材３は、合成樹脂の射出成形により形成される。

次に、ベース部材２のコネクタ７及びコネクタ８の構造について説明する。図２に示すように、ベース部材２の底面には、コネクタ７及びコネクタ８が設けられている。コネクタ７は、断面略長方形の筒状に形成されており、内部に、グロープラグ（図示外）に通電するための金属製の通電端子７１，７２，７３，７４が設けられている。また、図１に示すように、コネクタ７の外側面には、グロープラグからの接続用のプラグ（図示外）を係止する係止部７５が設けられている。また、図２に示すように、コネクタ８は、断面略長方形の筒状に形成されており、内部中央に、電源（図示外）からの電力が入力される金属製の電源端子８１、その右上にアースに接続される接地端子８２が設けられ、電源端子８１の右下に、自動車の電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」という。）（図示外）への故障診断の信号を出力する出力端子８３が設けられている。また、電源端子８１の左下にＥＣＵからの通電情報が入力される入力端子８４が設けられ、電源端子８１の左上にＥＣＵからのキーＯＮの信号が入力される入力端子８５が設けられている。また、図１に示すように、コネクタ８の外側面には、ＥＣＵからの接続用のプラグ（図示外）を係止する係止部８６が設けられている。尚、通電端子７１〜７４、電源端子８１、接地端子８２、出力端子８３、入力端子８４、入力端子８５は、真鍮等の金属で構成され、一例としては、真鍮に錫鍍金をしたものをベース部材２に圧入接合している。尚、インサート成型により、これらの端子とベース部材２とを一体成型してもよい。

次に、回路基板ケース１の内部構造について説明する。図３及び図４に示すように、回路基板ケース１の内部の最上部には、グロープラグの通電を制御する制御回路基板１０が設けられている。制御回路基板１０の中央部には、螺子１３が挿入される螺子孔１１が形成されている。また、ベース部材２の中央部には、円柱状の支持部１２が立設され、この支持部１２により制御回路基板１０は支持される。この支持部１２の上端部には、螺子１３がねじ込まれる螺子孔１４が形成されている。尚、本実施の形態では、制御回路基板１０は、下側の面（図３及び図４における）に電子部品が配置された片面基板である。

図３及び図４に示すように、ベース部材２と制御回路基板１０との間には、金属製の長方形の板材を２箇所折り曲げて形成した第一放熱器２０と、同様に形成された第二放熱器３０とが設けられている。この第一放熱器２０及び第二放熱器３０は、熱伝導性のよい金属の板材を打ち抜き加工等により切り抜き、また捻子孔や切り欠き等を設け、折り曲げ加工を経て形成する。第一放熱器２０及び第二放熱器３０の板材の材質としては、一例として、亜鉛鍍金鋼板を用いる。第一放熱器２０は、正面視、横長の略長方形の側板２１及び側板２２が対向して設けられ、側板２１及び側板２２の後端側（図４に於ける左端側）は後壁２３により接続されている。尚、第一放熱器２０の下部の四隅には、ベース部材２に設けられた４つの嵌合孔２８に各々嵌合する脚部２４が４箇所設けられている。また、第一放熱器２０の上部の四隅には、制御回路基板１０を貫通して半田付けされる腕部２５が設けられている。

第二放熱器３０は、正面視、縦長の略長方形の側板３１及び側板３２が対向して設けられ、側板３１及び側板３２の後端側（図４に於ける左端側）は後壁３３により接続されている。尚、第二放熱器３０の下部にも、ベース部材２に設けられた一対の嵌合孔２９に各々嵌合する脚部３４が２箇所設けられている。また、第二放熱器３０の上部には、制御回路基板１０を貫通して半田付けされる一対の腕部３５が設けられている。

また、第一放熱器２０の側板２１及び側板２２には、グロープラグに流れる電流をＯＮ・ＯＦＦする半導体素子であり、発熱素子であるＦＥＴ４０を各２個ずつ固定するための螺子孔２６が各々設けられている。尚、ＦＥＴ４０には、固定用の放熱板（背板）４１及びソース・ドレイン・ゲートの３本の足４３が設けられている。従って、第一放熱器２０には、４個のＦＥＴ４０が螺子４２により各々固定される。また、第二放熱器３０の側板３１には、ＦＥＴ５０を固定するための螺子孔３６が設けられ、ＦＥＴ５０には、固定用の放熱板（背板）５１及びソース・ドレイン・ゲートの３本の足５３が設けられている。従って、第二放熱器３０には、ＦＥＴ５０が螺子５２により固定される。

図４に示すように、ベース部材２には、通電端子７１，７２，７３，７４の下端側が各々圧入接合される挿入口６１，６２，６３，６４が設けられている。また、ベース部材２には、電源端子８１、接地端子８２、出力端子８３、入力端子８４、入力端子８５の下端側がベース部材２を貫通するとともに各々ベース部材２に圧入接合される挿入口６５，６６，６７，６８，６９が設けられている。尚、通電端子７１，７２，７３，７４及び電源端子８１、接地端子８２、出力端子８３、入力端子８４、入力端子８５の上端部は、制御回路基板１０を貫通して半田付けされる。

次に、回路基板ケース１の組み立て方法について説明する。初めに、ベース部材２を合成樹脂の射出成形により形成する。次いで、ベース部材２に、通電端子７１，７２，７３，７４及び電源端子８１、接地端子８２、出力端子８３、入力端子８４、入力端子８５を圧入接合する。尚、ベース部材２と各端子は、インサート成型法により一体成形してもよい。次いで、第一放熱器２０及び第二放熱器３０をベース部材２に圧入接合する。尚、第一放熱器２０及び第二放熱器３０と、ベース部材２とは、インサート成型法により一体成形してもよい。次いで、第一放熱器２０にＦＥＴ４０の放熱板（背板）４１を螺子４２で固定する。同様に、第二放熱器３０にＦＥＴ５０の放熱板（背板）５１を螺子５２で固定する。

次いで、通電端子７１，７２，７３，７４及び電源端子８１、接地端子８２、出力端子８３、入力端子８４、入力端子８５の上端部、ＦＥＴ４０及びＦＥＴ５０の脚（ソース、ドレイン、ゲート）、第一放熱器２０の腕部２５及び第二放熱器３０の腕部３５を制御回路基板１０の図示外の孔に貫通させ、制御回路基板１０を支持部１２に螺子１３で固定する。次いで、通電端子７１，７２，７３，７４及び電源端子８１、接地端子８２、出力端子８３、入力端子８４、入力端子８５の上端部、ＦＥＴ４０及びＦＥＴ５０の脚（ソース、ドレイン、ゲート）、第一放熱器２０の腕部２５及び第二放熱器３０の腕部３５を制御回路基板１０のランド（図示外）に半田付けする。従って、通電端子７１，７２，７３，７４及び電源端子８１、接地端子８２、出力端子８３、入力端子８４、入力端子８５は、電気的に制御回路基板１０に接続される。尚、半田付け以外に、プレスフィット方式、レーザ溶接、抵抗溶接等の方式を選択してもよい。

次に、合成樹脂を箱形に射出成形したカバー部材３をベース部材２に嵌めて、ベース部材２とカバー部材３との嵌合部をレーザ溶着により封止する。尚、カバー部材３の鍔部６とベース部材２との間に、ゴムパッキンを挟み込む方式としてもよい。また、ベース部材２とカバー部材３とを接着剤で接着してもよい。

次に、回路基板ケース１の外部からの振動による制御回路基板１０の移動を防止する構造について図５乃至図１０を参照して説明する。図５に示すように、制御回路基板１０の上面がカバー部材３の内側の内面に当接するようにして、制御回路基板１０を上面側から押さえるようにしてもよい。このようにすることにより、支持部１２、第一放熱器２０及び第二放熱器３０のみによる制御回路基板１０の固定よりも、制御回路基板１０、第一放熱器２０及び第二放熱器３０の振動を抑制することができる。

また、図６に示す第一変形例のように、カバー部材３の内面の上端側に近い側面に、上方に湾曲した係止部１０１を左右一対設け、この係止部１０１で制御回路基板１０の端部を保持するようにしてもよい。この例では、係止部１０１により、制御回路基板１０、第一放熱器２０及び第二放熱器３０の振動を抑制することができる。

また、図７に示す第二変形例のように、カバー部材３の内面の上端側に近い側面に、上方に屈曲した係止部１０２を左右一対設け、この係止部１０２の屈曲部で、制御回路基板１０の端部を係止するようにしてもよい。この例では、係止部１０２により、制御回路基板１０、第一放熱器２０及び第二放熱器３０の振動を抑制することができる。

また、図８に示す第三変形例のように、カバー部材３の内面の上端側から下方に向けて延設した係止部１０３を左右一対設け、この係止部１０３で制御回路基板１０の端部を係止するようにしてもよい。この例では、係止部１０３により、制御回路基板１０、第一放熱器２０及び第二放熱器３０の振動を抑制することができる。

また、図９に示す第四変形例のように、カバー部材３の内面の上端側から下方に向けて凸設した突起形状の係止部１０４を左右一対設け、この係止部１０４で制御回路基板１０の上端面を押圧するようにしてもよい。この例では、係止部１０４の押圧により、制御回路基板１０、第一放熱器２０及び第二放熱器３０の振動を抑制することができる。

また、図１０に示す第五変形例のように、カバー部材３の内面の上端側から下方に向けて延設した係止部１０５を左右一対設け、この係止部１０５を制御回路基板１０に貫通させて制御回路基板１０を係止するようにしてもよい。この例では、係止部１０５により、制御回路基板１０、第一放熱器２０及び第二放熱器３０の振動を抑制することができる。尚、上記の第一変形例〜第五変形例の何れにおいても、係止部１０１〜係止部１０５は、カバー部材３の内面の全周囲に必ずしも設ける必要はない。

以上説明したように、本実施態様に係る回路基板ケース１では、第一放熱器２０及び第二放熱器３０は、ベース部材２と制御回路基板１０との間に設けられているので、振動により第一放熱器２０及び第二放熱器が移動しにくくなり耐振動性、耐衝撃性が向上する。また、支持部１２で制御回路基板１０の中心部を支持しているので、一つの螺子で確実に制御回路基板１０を固定でき、制御回路基板１０の振動を防止できる。

また、第一放熱器２０及び第二放熱器３０は、コネクタ７の端子７１〜７４，コネクタ８の端子８１〜８５とは電気的に切り離されているため、第一放熱器２０及び第二放熱器３０が電気の通り道でなくなり、第一放熱器２０及び第二放熱器３０に起因する接点不良等が防止できる。

また、第一放熱器２０及び第二放熱器３０は、コネクタ７の通電端子７１，７２，７３，７４及び、コネクタ８の電源端子８１、接地端子８２、出力端子８３、入力端子８４及び入力端子８５の材質と異なる材質（一例として、Ｆｅ−Ａｌ合金やパーマロイ）を用いることもでき、この場合には、耐振動性をより向上させることができる。一般的に端子の材質は真鍮であり、その振動の減衰率（対数減衰率）は０．００１程度である。端子の材質と放熱器の材質を異ならせることで耐振動性を向上させることができるが、その目安としては、対数減衰率が０．００３以上のものとすることができ、より望ましくは、鉄（対数減衰率：０．００５）よりも大きいものとすることが望ましい。図１１に対数減衰率の比較表を示す。

また、第一放熱器２０は、支持部１２の周囲を取り囲んでいるので、制御回路基板１０を支持部１２とその周囲に設けられた第一放熱器２０とで支えるので、制御回路基板１０の耐振動性、耐衝撃性が向上する。尚、制御回路基板１０はその下側に電子部品を実装した片面実装であるので、電子部品が第一放熱器２０により保護されて、破損等が防止できる。

尚、本発明は、上記実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。例えば、第一放熱器２０及び第二放熱器３０のヤング率をＦＥＴ４０及びＦＥＴ５０の放熱板（背板）４１，５１のヤング率よりも大きいヤング率としてもよい。この場合には、ＦＥＴ４０及びＦＥＴ５０の螺子止め時に第一放熱器２０及び第二放熱器３０が撓むことを防止して、ＦＥＴ４０及びＦＥＴ５０のケースが割れることを防止できる。

第一放熱器２０及び第二放熱器３０を、ヤング率の異なる材質を貼り合わせたものとしてもよい。例えば、鉄（Ｆｅ）と銅（Ｃｕ）とを貼り合わせた板材を用いてもよい。この場合には、ＦＥＴ４０及びＦＥＴ５０が当接する面にヤング率の低い材質（銅）を配置することで、螺子の緩みを防止できる。

尚、上記実施の形態では、第一放熱器２０及び第二放熱器３０は、２箇所折り曲げて形成しているが、１箇所を折り曲げた平面視Ｌ字形状のものを用いてもよい。また、上記実施の形態では、第一放熱器２０にＦＥＴ４０を４個固定し、第二放熱器３０にＦＥＴ５０を１個固定しているが、ＦＥＴの数は、必ずしもこの数に限られない。また、制御回路基板１０は片面実装の基板を用いたが、両面実装の基板でもよい。

１回路基板ケース
２ベース部材
３カバー部材
７コネクタ
８コネクタ
１０制御回路基板
１２支持部
２０第一放熱器
３０第二放熱器
７１〜７４通電端子
８１電源端子
８２接地端子
８３出力端子
８４入力端子
８５入力端子
１０１〜１０５係止部

Claims

外面にコネクタが設けられたベース部材と、
前記コネクタの端子と電気的に接続される回路基板と、
前記ベース部材と前記回路基板とを接続し支持する支持部と、
前記回路基板に接続され発熱する半導体素子が固定される放熱器と、
前記ベース部材と嵌合して、当該ベース部材と共に、前記回路基板及び前記放熱器を収容する箱形状をなすカバー部材と
を備え、
前記支持部は前記ベース部材の中心部側に設けられ、前記回路基板の中心部側を支持するとともに、前記支持部と前記回路基板とは固定され、
前記放熱器は、前記ベース部材と前記回路基板との間において、前記ベース部材及び前記回路基板の各々に固定されていることを特徴とする車載用回路基板ケース。
前記放熱器は、前記コネクタの端子とは電気的に切り離されていることを特徴とする請求項１に記載の車載用回路基板ケース。
前記放熱器は、前記コネクタの端子とは異なる材質の材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の車載用回路基板ケース。
前記放熱器は、前記支持部の周囲を取り囲んでいることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の車載用回路基板ケース。
前記カバー部材の内面の底部が前記回路基板に当接することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の車載用回路基板ケース。
前記カバー部材の内面の底部側に前記回路基板を係止して固定する係止部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の車載用回路基板ケース。
前記半導体素子は、前記放熱器に螺子止めされる背板を備え、
前記放熱器のヤング率は、前記背板のヤング率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の車載用回路基板ケース。