(57)【要約】【課題】信頼性の高い、着脱のしやすい、生産費用の低い電源装置を提供する。【解決手段】直流電力を、電子計算機に必要とされる複数の電圧に変換する電力変換装置として、電子計算機の主基板に接続するための直方体状の多極コネクタ部分と、その直方体の長軸方向に受電コネクタを備えるものを用いる。電力変換装置は、電流検出素子を備え、かつ電流検出素子、受電コネクタ、直方体の順に、直方体の長軸方向に一直線配置する。また、電流検出素子の測定値を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から受電し、電子計算機の主基板に供給する電力変換装置であって、主基板に接続するための直方体状の多極コネクタ部分を有し、その直方体の長軸方向に受電コネクタを備えることを特徴とするもの。
【請求項２】
請求項１であって、電流検出素子を有し、かつ多極コネクタの長軸方向に、多極コネクタ、受電コネクタ、電流検出素子の順に並べて配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に挙げたものであって、電流検出素子の測定値を出力する機構を有することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子計算機に用いられる電源装置の形状に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子計算機に用いられる電源装置として、コネクタを差し込むだけで電気的な接続と機械的な接続を同時に完了する製品は使い勝手が優れているため非常に多く知られている。たとえば一般的なＡＣアダプタは変圧器や整流器とプラグが一体化しているため、商用電源のコンセントに差し込むだけで電気的な接続と機械的な接続が同時に行われる。これらは、装置を保持する役目と，その装置と構造的に組合わされている相手方部品を通じて電気的接続をする役目を果たしている、特にその装置を支持するために適合した嵌合装置を備えていることに特徴がある。
【０００３】
特許文献１には、より複雑な集積回路を搭載した通信機能モジュールへの電源供給を上記の発想で扱い、機械的接続と電気的接続を兼用することで利便性を高めたシリアルアダプタが開示されている。
【０００４】
ところで近年電子回路の高度化がすすみ、電源への要求は複雑化・高度化が進んでいる。このような高度な電源モジュールの取り扱い着脱を容易にするために細部の構造を工夫することが求められている。典型的な形態としては、特許文献２に開示されているように、電源モジュールのコネクターをあらかじめヒートシンク部分と固定しておくことで、コネクターと同時に着脱できるような、コネクターと一体化した電源モジュールが挙げられる。
【０００５】
デスクトップ型の電子計算機ににおいても、電源への要求は複雑化・高度化が進んでいる分野である。
近年安価に販売されているありふれた一般的なパソコンであっても、内部の半導体回路は同時に複数の電圧の電源を要求するため、送電に必要な導体の本数は増える一方である。そのうえ、最新の高性能半導体が要求する電源は大電力かつ低圧であるため電流が大きく、同一装置内といえども長い距離の送電は難しい。そのため商用電源からいったん直流の中間電圧、たとえば１２Vを生成し、これを半導体の実装された部位の近くで必要な低圧、たとえば３Vであるとか１Vのような電圧に降圧することが一般的になってきた。
【０００６】
非特許文献１
では、電力を消費する半導体の実装された基板に受電用のコネクタを用意しておき、そこにコネクタと一体化した電圧変換回路を差し込むことで機械的接続と電気的接続を同時に完了する構造が開示されており、当時販売されていたパソコンの多くでこのような形態の製品が用いられていた。
このように低圧の電力を負荷近傍で生成する電源構成はＰＯＬ（Ｐｏｉｎｔ  Ｏｆ  Ｌｏａｄ）電源という一般名称で呼ばれている。
【０００７】
ところでデスクトップ型のパソコンでは、非特許文献２の３３頁で開示されているような、１２V以外に５V、３．３V、−１２Ｖを供給する、ＡＴＸ仕様とよばれる受電コネクタが用いられている。
【０００８】
このＡＴＸ規格とよばれる受電コネクタに装着するコネクタについて、コネクタと堅固に一体化した電圧変換回路、特に機械的に完全に固着したリジッド構造のものが市販されている。その典型的なものは特許文献３に開示されている。これによれば、電磁的な放射ノイズの少ない電源回路を構成することができる。
【０００９】
また非特許文献３には別の形状の、コネクタと堅固に一体化した電圧変換回路の市販製品が開示されている。
【００１０】
電源ではないが、コネクタ内部に抵抗器などの電子部品から構成される回路を内蔵した構造が特許文献４に開示されている。
【００１１】
また、発明者は特許文献５を出願している。
【００１２】
非特許文献４のような製品が製造販売されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】実開昭63-108173
【００１４】
【特許文献２】特開2010-003972
【００１５】
【特許文献３】米国特許7539023
【００１６】
【特許文献４】特開２００３−１２３９１９号公報
【００１７】
【特許文献５】特開２０１１−２３７９８０
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】"VRM9.0 DC-DC Converter Design Guidelines", [online] , IntelCorporation, 2001-07-18, Retrieved from theInternet:<URL:http://developer.intel.com/design/pentium4/guides/249205.htm>.
【００１９】
【非特許文献２】"PowerSupply Design Guide for Desktop Platform Form Factors Revision1.2,",[online],Intel Corporation, 2007, Retrieved from theInternet:<URL:http://www.formfactors.org/developer%5Cspecs%5CPSU_DG_rev_1_1.pdf>
【００２０】
【非特許文献３】"PW-200-M,PW-200-V Series 12V, 200 Watts ATX Power Supply Quick InstallationGuide", [online], mini-box.com, 2009-06-08, Retrieved from theInternet:<URL:http://resources.mini-box.com/online/PWR-PW-200-M/PWR-PW-200-M-manual.pdf>
【００２１】
【非特許文献４】"製品紹介",[online], 合同会社新技術つくば,2012-08-20, Retrieved from theInternet:<URL:http://8086.co.jp/u-PUNIT100_spec.htm>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
特許文献５で触れたように、電子計算機の主基板、特にＡＴＸ仕様で定められたコネクタによって、電気的接続と機械的接続を兼用する電力変換装置は、力学的・形状的に信頼感のあるデザインが要求される一方、電気的な機能性・信頼性を確保する必要があるという課題をかかえている。
【００２３】
たとえば非特許文献３に開示されている製品は、全長６１ｍｍに及ぶ基板が、その端に装着されたコネクタのみによって支持されている。そのうえ受電コネクタなどが逆側に存在するため、作業中に引っかかるなど理由で受電側の電線に加わった力は、全長６１ｍｍに及ぶ梃子によって増幅されてコネクタ部分に伝達されてしまう。大きい基板は放熱や雑音対策に有利であるため電気的な機能性・信頼性を保てるが、力学的・形状的に課題を抱えているのである。
【００２４】
また、非特許文献３と同一グループは、特許文献３において同様に剛性の高い金属性の結合部位を半田で溶接することによって、通常の力によって変形しない、堅固に一体化された構造として信頼感のあるデザインを実現しているが、その反面、柔軟性のない基板に接点を堅固に固定してしまうため、半田付け時の実装ずれ、熱膨張、基板の吸湿といった要因で発生したストレスによって、電気的な信頼性を損なう可能性を内在しているる。また、非特許文献３の製品と比較して形状が小さく、放熱に不利である。
【００２５】
このため、長期的な信頼性を確保するために電流容量をおさえなければならないという課題があった。
【００２６】
また、ＡＴＸ仕様の電源接続コネクタは２０から２４個のピンが両側からバネで強く挟まれるような形で並んでいるため、引き抜いたり挿入するさいにはかなりの力が必要であるうえ、取り外し時には外れ止めのレバーを指で押しながら引き抜く必要がある。一般的なＡＴＸ規格電源のように電線が接続されていれば、親指でレバーを押しながら残りの指で２０から２４本もある電線の太い束を握って、コネクタの長手方向に揺すりながら引き出せば容易に引き出すことができた。しかしながらＰＯＬ電源ではそのような太い電線の束が不要になったため存在せず、また基板自体が小さいため、バネの力が強い大電流用の高信頼性接点を使用すると引き抜きが不便になるという課題があった。
【００２７】
一方、既存のＰＯＬ電源製品は、直流電源から受電した電力を変圧して出力する端子については電力変換回路に内蔵された過電流保護機能を備えることが一般的であったが、直流電源の電圧をそのまま出力する端子は、過電流保護素子として何も用いないか、ヒューズを用いることが一般的であった。
【００２８】
その背景として、この種の電力変換装置では、外形的・力学的な安定感・信頼感を確保するために、小型化することが重要であり、小型であるがゆえに放熱設計が厳しいことが多いことが挙げられる。ヒューズは原理的に内部抵抗による発熱を伴うが、どんな熱源であれ回路全体の信頼性に影響するのである。
【００２９】
一般的にヒューズの発熱が好ましくない場合、保護回路の電流検出機能を、電子的な電流検出素子に置き換えることで回避する。たとえばシャント抵抗と高精度増幅器の組み合わせや、磁界検出素子を用いることがある。
【００３０】
ところが、電力変換装置の多くは大電力のＰＷＭスイッチング回路から成る。このため、スイッチング回路からの干渉が避けられず、シャント抵抗の微小電圧を、高精度増幅器で検出するような構成ではなくヒューズを用いてきたという背景もあった。
【００３１】
そのため、原理上発熱が避けられないヒューズに代わる保護方式が求められていた。
【００３２】
また、より柔軟な保護回路の動作や、動作状態の出力という点でも、ヒューズより高度な電流検出機能の採用が課題であった。
【００３３】
以上のように、「装置を保持する役目を果たすための力学的強度」対「コネクタ接点の信頼性確保に必要な柔軟性」や「衝撃力への対応」、「基板の小型化」対「引き抜きの容易さ」や「熱的な信頼性」といった多くの矛盾する課題を、電気的な制約の中で同時に満足する形状が求められており、本発明はこれらの課題をバランスよく解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記の目的を達成するため、発明者は矛盾する課題を生じたそもそもの原因について電圧変換回路の部品点数、出力容量、基板実装の方法、電子部品のパッケージ、脱着作業時や使用時の力学的条件について製造コストから信頼性に至るまで徹底的な検討を行った結果、特定の組み合わせにおいて信頼性が高くかつ使いやすい優れた製品となることを見いだした。
【００３５】
本発明における電源装置にあっては、第一の手段として、直流電源から受電した電力を、電子計算機に必要とされる複数の電圧に変換を行い、その電力を電子計算機の主基板に供給する電力変換装置であって、電子計算機の主基板に接続するための直方体状の多極コネクタ部分と、その直方体の長軸方向に受電コネクタを備えるものである。
【００３６】
直方体状の多極コネクタ部分と、その直方体の長軸方向の受電コネクタは、いずれも同一の回路基板に実装されていることが好ましいが、これに限定されない。
【００３７】
回路基板の大きさは、長軸方向の長さ５ｃｍから１５ｃｍ、幅１ｃｍから４ｃｍ程度が好適であるがこれに限定されない。
【００３８】
受電する電圧は、１２Ｖや２４Ｖ、４８Ｖ、変換後の電圧は、たとえば常時通電されている５Ｖ以外に、制御信号によって通電が開始される３．３Ｖ、５Ｖ、１２Ｖ、−１２Ｖや、電圧が安定している期間のみ供給される５Ｖなどを生成することが好ましいがこれに限定されない。
【００３９】
第二の手段として、第一の手段に加え、電流検出素子を備え、かつ電流検出素子、受電コネクタ、直方体状の多極コネクタの順に、直方体状の多極コネクタの長軸方向に一直線となるように配置してもよい。
【００４０】
電流検出素子は、公知のものを用いることができるが、代表的なものはシャント抵抗あるいはホール素子である。
【００４１】
シャント抵抗としては、公知のもの例えば回路基板の表面に実装されるＳＭＤ抵抗や、回路基板の導体抵抗であってもよく、これらを回路基板の受電コネクタ側あるいは受電コネクタの反対側に実装して用いることができるが、これに限定されない。
【００４２】
また電流検出素子と接して、検出電圧を増幅するための高精度増幅器を配置することが好ましいが、これに限定されない。
さらに、検出した電流値に応じて、過負荷の恐れを警報したり、あるいは過電流によって損傷する前に電流を遮断する保護機能を配置してもよい。
【００４３】
第三の手段として、第一または第二の手段に加えて、電流検出素子の測定値を出力する機構を有していてもよい。
【００４４】
出力する機構としては、ＬＥＤなどの発光素子によって電流の大小や保護回路の動作状態を視認できるようにしてもよいが、電気信号として出力してもよい。とくに、電流の最大値や最小値や平均値を記録するための制御回路を搭載し、外部機器の求めに応じて数値を出力するような通信機能を有するものが好適であるが、これに限定されない。
【００４５】
これらに加えて、電気信号出力を用いて、電子計算機の冷却装置を制御してもよい。
【００４６】
受電コネクタは、直流電源からの電力を受けるためのコネクタである。電子計算機の中に、直方体状の多極コネクタ部分から直接電力供給を受ける主基板以外の負荷がある場合、受電コネクタの中に送電機能を配置すると着脱が便利である。たとえば補助記憶装置へ給電するための送電線を、受電コネクタの一部を利用して接続していてもよいことは自明である。
【００４７】
また、受電コネクタの隣に周辺機器たとえば補助記憶装置へ給電するための送電コネクタを有していてもよいことは自明であり、また、受電コネクタと送電コネクタを入れ替えてもよい。
【００４８】
直方体状の多極コネクタと、電子計算機の主基板の間に、一対のソケットやレセプタクルを挟んでもよい。
【００４９】
特にＡＴＸ仕様のコネクタは、本来電線対基板用として設計されているため、電力変換装置の基板から直接電子計算機の主基板に接続せず、電力変換装置の基板上の直方体状の多極コネクタから、ソケット・電線・ソケットを経て主基板に接続すると、すべての接点が電線対基板となるため、電線対基板用として設計どおりの高い信頼性を期待できる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば信頼性の高い、着脱のしやすい、生産費用の低い電源装置を提供することができる。
【００５１】
上記の構成によれば、受電コネクタに加わった力は、直方体状の多極コネクタの長軸方向で受け止められるため、てこの原理によって減少される。
【００５２】
このように本発明によれば、電気接点にかかる応力による電気的な信頼性の懸念がないため、電流容量を抑える必要がない。
【００５３】
また、電力変換装置の基板形状から明らかなように、直方体状の多極コネクタを長手方向に揺すりながら引き抜きやすく、保守作業が容易である。
【００５４】
また、本発明の構成によれば、スイッチング回路からの干渉などが避けられるため、電流検出素子を利用しやすくなる。
【００５５】
電流検出素子を利用することで、ヒューズよりも低発熱、あるいは柔軟な回路保護が実現できる。
さらに出力機能を備えることにより、動作監視や冷却システムの制御などの利便性が向上する。
【００５６】
装置を保持する役目を果たすための力学的強度」対「コネクタ接点の信頼性確保に必要な柔軟性」や「衝撃力への対応」、「基板の小型化」対「引き抜きの容易さ」や「熱的な信頼性」といった多くの矛盾する課題を、電気的な制約の中で同時に満足する形状が求められており、本発明はこれらの課題をバランスよく解決できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】電源装置の実施方法を示した説明図である。（発明を実施するための形態）
【図２】電源装置の実施方法を示した説明図である。（発明を実施するための形態）
【発明を実施するための形態】
【００５８】
本発明を実施するための最良の形態を図１および図２（側面図）に示す。電力は受電コネクタ１０３に供給される。この電圧は限定されないが、直流１２Ｖや４８Ｖが一般的である。たとえば１２０Ｗの電力を１２Ｖで受電すると１０Ａになる。受電コネクタは、図示されていない電線によって直流電源と接続されており、１０ＡであればＵＬ１００７規格のＡＷＧ１８の一対か二対で十分である。いっぽう、たとえば２００Ｗを受電する必要がある場合は、４８Ｖで受電することによって電流値を小さくして、細い電線を用いることができる。２０ＷであればＡＷＧ２４であっても一対で十分である。この電線は受電コネクタで電力変換基板１０４に接続される。受電コネクタ１０３を半田接合とする変更は、本発明の効果を損なわない。
【００５９】
このコネクタ１０３を、図１にあるように、電子計算機の主基板に接続するための直方体状の多極コネクタ１０５の長軸方向１０１の方向に配置することが重要である。このような構成を取ると、何らかの理由によって受電コネクタ１０３が引っ張られた際に、電力変換基板１０４や多極コネクタ１０５が受ける応力が小さくなるため好ましい。
【００６０】
電子部品１０７はコイル、コンデンサ、ダイオード、ＭＯＳトランジスタ、集積回路、抵抗などである。
大容量のコイルやコンデンサは依然としてリード部品と呼ばれる、穴に差し込んで半田付けを行うような形状のものが用いられているが、近年は表面に配置した後でフローまたはリフロー半田で固定する表面実装部品が登場しており、特に好ましく用いることができる。
【００６１】
受電した電力は基板１０４上の電子部品１０７によって制御され、あるものはそのままの電圧で、あるものは降圧され、あるいは負電圧に変換され、コネクタ１０４に送られる。コネクタ１０４に送られる電力は、典型的には１２Ｖ，５Ｖ，３．３Ｖ，−１２Ｖであり、その他に制御信号が含まれる場合もある。
【００６２】
電子部品１０７によって降圧する方法としては、ＰＷＭ制御によるスイッチングレギュレータが一般的であるが、これに限定されない。
【００６３】
ＰＷＭ制御によるスイッチングレギュレータは、通常コイルとＭＯＳトランジスタを伴い、時に１０Ｖ以上の雑音電圧源となる。
【００６４】
電流検出素子１０２は、受電コネクタ１０３や、多極コネクタ１０５に流れる電流を検出する素子である。典型的には、受電コネクタ１０３の端子と接続されたシャント抵抗であるが、これに限定されず、ホール素子などを別の端子に接続して用いることもできる。
【００６５】
電子部品１０７のうち、コイルを多極コネクタ１０５と受電コネクタ１０３の側に配置し、受電コネクタ１０３の逆側に電流検出素子１０２を配置することが重要である。
【００６６】
シャント抵抗の例としては、１ｍΩから１Ωの表面実装抵抗が一般的であり、電力損失の関係で精度の許す限りなるべく低い値が用いられる。たとえば５ｍΩのばあい１Ａにつき５ｍＶの電圧となるため、１０ｍΩよりも注意深い設計が必要である。
【００６７】
高精度増幅器を、シャント抵抗の隣に配置して、たとえば１００倍に増幅することで、１０Ａにつき５Ｖの検出電圧を得ることができるため、これを利用して過電流保護回路を作動させることでヒューズよりも正確で高速な遮断をおこなうことができる。
【００６８】
電流検出素子１０２を、多極コネクタ１０５の反対側に配置する、本発明の配置によれば、５ｍΩのシャント抵抗で動作点１２Ａとした場合でも十分に正確な動作が得られた。
【００６９】
５ｍΩのシャント抵抗であれば、１２Ａにつき０．７Ｗの発熱であり、内部抵抗１０ｍΩ程度となる定格１２Ａの表面実装型ヒューズの１．４Ｗと比較して電力損失・発熱ともに半減する計算になる。定格１２Ａではなく、実際に１２Ａで短時間に溶断が保証できるヒューズの内部抵抗はもっと高いため、実質的に数倍の差となる。
【００７０】
なお基板１０４の幅は特に限定されないが、最初の試作品では約８ｃｍであり、後の試作品の基板では４ｃｍであった。これを３ｃｍとして再設計した。片面にのみ部品を実装するという前提において３ｃｍまで短縮することは容易ではなかったが、将来的には技術の進歩によって１ｃｍ程度まで短縮できる可能性がある。
【００７１】
基板１０４の材質や構造は公知のものを用いることができる。一般的な基板としては、銅箔が片面のみに存在するもの、表面と裏面にある両面基板、さらに内層に複数存在しているものがあり、特に限定されないが、なかでもＦＲ４と呼ばれる材質よりなる両面基板が特に好適である。
【００７２】
基板１０４の裏面、すなわち多極コネクタ側の面に、接地の銅箔パターンを形成しても良い。放射ノイズなどの電気的特性が改善する。また、取り外し時に指をかけることがある場合、爪や指輪などによって基板表面に損傷を受けるおそれがあるが、そのような場合も悪影響を受けることが少なくなる。
【００７３】
コネクタ１０５には外れ止めの爪があってもよい。ＡＴＸ規格で用いられるこの種のコネクタでは外れ止めが存在するため、本発明の構成が取り外し時の容易さという観点で特に効果を発揮する。
【００７４】
たとえば外れ止めの爪を人差し指の側面で押しながら、中指の根本付近で電子部品１０７の実装されていない側の面を押し上げれば、力をかけやすい上、外す際に指や手のひらが電子部品１０７に触れることを避けられる。
【００７５】
コネクタ１０５以外を通して電力を送出する必要がある場合は、コネクタ１０３の一部を用いてもよいが、これとは別に隣接する別の送電コネクタを配置してもよい。このような方法で、たとえば補助記憶装置や、画像処理装置、そのほか演算処理装置などへの電力供給として、５Ｖや１２Ｖを供給することができる。
【００７６】
この、追加した送電コネクタと、受電コネクタ１０３の位置を入れ替えてもよい。
【００７７】
また、出力１０６を任意の数備えてもよい。出力１０６の典型的な例は、電流検出素子が過電流を検出した際に点滅する赤色ＬＥＤであるが、電気信号を出力するコネクタとして、外部の表示装置に通知することもできる。
【００７８】
出力１０６を電気信号を出力するコネクタとした場合、その位置は多極コネクタの長軸方向１０１上の、受電コネクタ１０３と反対側が最良であるが、これに限定されない。
【００７９】
電流検出素子と出力の間にはデジタル演算回路を備えても良い。試作の結果、たとえば過電流保護の設定値に達しなかったとしても、一定時間にわたって大電流の検出が続いた際に特定のパターンでＬＥＤを点滅させる機能が便利であると判明している。
【００８０】
さらに出力１０６を、業界標準の汎用シリアルバスとして、電子計算機の標準的な接続端子に直結させたところ、数秒ごとに通算最大電流値と平均電流値、さらに電圧値を読み取る機能を追加することができた。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
安価に、取り外しの容易な電源装置が提供できる。
【符号の説明】
【００８２】
１０１  多極コネクタの長軸方向を示す補助線
１０２  電流検出素子
１０３  受電コネクタ
１０４  基板
１０５  多極コネクタ
１０６  出力
１０７  電子部品
【図１】
2014048913.tif 000003
【図２】
2014048913.tif 000004