(57)【要約】【課題】安価に製造可能でありながら、発熱量が増大する用途にも有効に使用できるヒートシンクを備えたサーボアンプを提供する。【解決手段】本発明に係るサーボアンプにおいて使用されるヒートシンクは、ベース板と、ベース板の表面から延出する複数のフィンと、を有する複数の放熱要素を配列することにより形成される。そして、熱源に対して近位側の放熱要素のフィンの肉厚は、熱源に対して遠位側の放熱要素のフィンの肉厚よりも大きくなるように形成される。また、近位側の放熱要素のフィンのピッチは、遠位側の放熱要素のフィンのピッチよりも大きくなるように形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体デバイスと、該パワー半導体デバイスから発生される熱を放熱するためのヒートシンクを備えたサーボアンプであって、
前記ヒートシンクは、ベース板と、該ベース板の一方の表面から延出するように形成される複数のフィンと、を有する複数の放熱要素を備えており、該複数の放熱要素は、各放熱要素の前記ベース板が互いに平行に延在するとともに該複数のフィンの延出方向が同一方向を向くように配列されており、かつ隣接する前記放熱要素の一方の前記ベース板と他方の前記ベース板とが前記複数のフィンによって互いに接続されるように形成されるヒートシンクであって、
熱源に対して近位に配置される近位側放熱要素の複数のフィンの肉厚が、前記熱源に対して遠位に配置される遠位側放熱要素の複数のフィンの肉厚よりも大きく、かつ
前記近位側放熱要素の前記複数のフィンのピッチが、前記遠位側放熱要素の前記複数のフィンのピッチよりも大きいことを特徴とする、サーボアンプ。
【請求項２】
前記近位側放熱要素における前記複数のフィンの間隙の寸法は、前記遠位側放熱要素における前記複数のフィンの間隙の寸法以上である、請求項１に記載のサーボアンプ。
【請求項３】
前記複数の放熱要素が互いに別個の部品である、請求項１又は２に記載のサーボアンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートシンクを備えたサーボアンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力サーボアンプにおいては、サーボモータに付与される電力の供給制御を担うパワー半導体デバイスからの発熱量が増大する傾向にあり、それに応じて大型のヒートシンクが利用されている。また、制限された容積の範囲内においてヒートシンクの放熱面積を増大させることを目的として、長尺薄肉のフィンを狭いピッチで形成することが広く行われている。しかしながら、そのような長尺薄肉のフィンは断面積が小さいので熱抵抗が大きくなる。そのため、フィンの先端まで熱が伝達されにくい。それにより、フィンの先端に近づくのに従って放熱作用が低下する。その結果、フィン効率（＝フィンの実効表面積／フィンの幾何学的表面積）が低下し、放熱作用が限定的となる。また、このようなフィンのトング率（＝フィン高さ／フィン間隙）が例えば１０を超える程度まで大きくなると、比較的安価な製法である押出成形などを利用してヒートシンクを製造することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−８５５７８号公報
【特許文献２】特許第２６８５９１８号明細書
【特許文献３】特許第３４３１００４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、従来技術の種々の問題点に鑑みてなされたものであり、組立コストを含む製造コストが安価でありながら、パワー半導体デバイスを備えたサーボアンプなど、発熱量が増大する用途にも有効に使用できるヒートシンクを備えたサーボアンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願に係る１番目の発明によれば、パワー半導体デバイスと、該パワー半導体デバイスから発生される熱を放熱するためのヒートシンクを備えたサーボアンプであって、前記ヒートシンクは、ベース板と、該ベース板の一方の表面から延出するように形成される複数のフィンと、を有する複数の放熱要素を備えており、該複数の放熱要素は、各放熱要素の前記ベース板が互いに平行に延在するとともに該複数のフィンの延出方向が同一方向を向くように配列されており、かつ隣接する前記放熱要素の一方の前記ベース板と他方の前記ベース板とが前記複数のフィンによって互いに接続されるように形成されるヒートシンクであって、熱源に対して近位に配置される近位側放熱要素の複数のフィンの肉厚が、前記熱源に対して遠位に配置される遠位側放熱要素の複数のフィンの肉厚よりも大きく、かつ前記近位側放熱要素の前記複数のフィンのピッチが、前記遠位側放熱要素の前記複数のフィンのピッチよりも大きいことを特徴とする、サーボアンプが提供される。
【０００６】
本願に係る２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記近位側放熱要素における前記複数のフィンの間隙の寸法は、前記遠位側放熱要素における前記複数のフィンの間隙の寸法以上である、サーボアンプが提供される。
【０００７】
本願に係る３番目の発明によれば、１番目又は２番目の発明において、前記複数の放熱要素が互いに別個の部品である、サーボアンプが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
１番目の発明によれば、複数の放熱要素を組合せてヒートシンクが形成される。そのため、熱源に対して近位に配置される近位側の放熱要素と、熱源に対して遠位に配置される遠位側の放熱要素とがそれぞれ最適な肉厚及びピッチを有するように互いに独立して形成できる。具体的には、近位側の放熱要素のフィンの肉厚を遠位側の放熱要素のフィンの肉厚よりも大きくする。また、近位側の放熱要素のフィンのピッチを遠位側の放熱要素のフィンのピッチよりも大きくする。このようにすれば、ヒートシンクを形成する放熱要素が、熱源からの距離に応じてそれぞれ最適な放熱作用を奏するようになり、全体として放熱性能が向上する。
【０００９】
２番目の発明によれば、近位側の放熱要素におけるフィンの間隙が、遠位側の放熱要素におけるフィンの間隙よりも大きく形成される。そのため、空気が隣接するフィンの間の間隙を通りやすくなるので、空冷による放熱作用が向上する。
【００１０】
３番目の発明によれば、各放熱要素が別個の部品として形成される。したがって、比較的簡単な構造を有する放熱要素を互いに組付けることによって、ヒートシンクを提供できる。結果として、製造コストを低く抑えながらも高い放熱性能を有するヒートシンクを備えたサーボアンプを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るサーボアンプを示す概略斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るヒートシンクを示す概略斜視図である。
【図３】図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って見たヒートシンクの断面図である。
【図４】図３の領域ＩＶを拡大して示す部分拡大図である。
【図５】図２のヒートシンクを使用する際の態様を示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係るヒートシンクを示す断面図である。
【図７】図６の領域ＶＩＩを拡大して示す部分拡大図である。
【図８】本発明のさらに別の実施形態に係るヒートシンクを示す分解図である。
【図９】本発明のさらに別の実施形態に係るヒートシンクを示す断面図である。
【図１０】図９の領域Ｘを拡大して示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態における各構成要素は、本発明の理解を助けるためにその縮尺が実用的な縮尺から変更されている場合があることに留意されたい。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係るサーボアンプ１０を示す概略斜視図である。サーボアンプ１０は、本体１２と、本体１２の熱源（図示せず）に近接して取付けられるヒートシンク１４と、ヒートシンク１４を形成するフィンの間隙を通る空気の流れを形成するファン１８と、を備えている。サーボアンプ１０は、例えばパワー半導体によってサーボモータへの電力供給を制御する高出力サーボアンプである。ヒートシンク１４は、図１において破線で示されるケーシング１６内に収容されている。ヒートシンク１４のベース板は、サーボアンプ１０の本体１２の表面に接触するように取付けられていて、本体１２の熱源と熱的に接触している。
【００１４】
ヒートシンク１４を除くサーボアンプ１０の各構成要素は周知であるため、本明細書においては詳細な説明を省略する。なお、図示されたサーボアンプ１０は概略的に示される一例にすぎない。したがって、サーボアンプ１０の構成、例えば本体１２とヒートシンク１４との間の位置関係、本体１２とヒートシンク１４との間の容積比は任意に変更可能である。
【００１５】
続いて、図２から図４を参照して、本発明の一実施形態に係るヒートシンク２０について説明する。図２はヒートシンク２０を示す概略斜視図である。図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って見たヒートシンク２０の断面図である。図４は、図３において破線で包囲される領域ＩＶを拡大して示す部分拡大図である。図２及び図３に示されるように、ヒートシンク２０は、高い伝熱性を有する任意の金属材料から形成されていて一体形成される第１の放熱要素３０及び第２の放熱要素４０を備えている。
【００１６】
第１の放熱要素３０は、ベース板３２と、ベース板３２の一方の表面３２ａから表面３２ａに対して概ね垂直に延出するように所定のピッチｐ１で形成される複数のフィン３４と、を有している。ベース板３２の他方の表面３２ｂは、図示されない熱源に対して熱的に接触する。第２の放熱要素４０は、ベース板４２と、ベース板４２の一方の表面４２ａから表面４２ａに対して概ね垂直に延出するように所定のピッチｐ２で形成される複数のフィン４４と、を有している。図２及び図３に示されるように、第１の放熱要素３０のフィン３４の延出方向と、第２の放熱要素４０のフィン４４の延出方向とは、互いに同一方向に向けられる。なお、本実施形態において、第１の放熱要素３０は、熱源に対して近位に配置される近位側放熱要素である。また、第２の放熱要素４０は、熱源に対して遠位に配置される遠位側放熱要素である。
【００１７】
第１の放熱要素３０のベース板３２と、第２の放熱要素４０のベース板４２とは、互いに概ね平行に延在している。そして、第１の放熱要素３０のベース板３２と、第２の放熱要素４０のベース板４２との間に第１の放熱要素３０の複数のフィン３４が延在している。このように、第１の放熱要素３０のベース板３２と、第２の放熱要素４０のベース板４２とは、複数のフィン３４によって互いに接続されている。
【００１８】
図５は、図２のヒートシンク２０を使用する際の態様を示す図である。ヒートシンク２０は、両端面において開口１６ａ，１６ｂが形成された概ね角筒状のハウジング１６内に収容されて使用される。ハウジング１６の周壁１６ｃによって、空気の流路として作用するダクトがハウジング１６の内部空間に形成される。ハウジング１６の一方の開口１６ａには、吸引式ファン１８が取付けられており、空気がハウジング１６の内部空間に流入するようになる。図５の矢印は空気の流れの方向を表している。ハウジング１６の内部空間を通って流れる空気は、ヒートシンク２０の表面、主として放熱要素３０，４０のフィン３４，４４との間で熱交換することによりヒートシンク２０から熱を奪う作用を奏する。
【００１９】
図４を参照して、第１の放熱要素３０の複数のフィン３４の寸法と、第２の放熱要素４０の複数のフィン４４の寸法との間の関係について説明する。第１の放熱要素３０の各フィン３４はそれぞれ肉厚ｔ１を有していて、ベース板３２の表面３２ａとベース板４２の表面４２ｂとの間に延在するようにピッチｐ１で形成されている。一方、第２の放熱要素４０の各フィン４４はそれぞれ肉厚ｔ２を有していて、ベース板４２の表面４２ａにおいて第１の放熱要素３０から離間する方向に延出するようにピッチｐ２で形成されている。
【００２０】
本実施形態においては、第１の放熱要素３０のフィン３４の肉厚ｔ1が、第２の放熱要素４０のフィン４４の肉厚ｔ２よりも大きく形成される（すなわち、ｔ１＞ｔ２である。）。また、第1の放熱要素３０のフィン３４のピッチｐ１は、第２の放熱要素４０のフィン４４のピッチｐ２よりも大きく形成される（すなわち、ｐ１＞ｐ２である。）。
【００２１】
熱源に対して近位に配置される第１の放熱要素３０においては、フィン３４を通る熱量が多いため、温度勾配が大きくなる傾向がある。したがって、第１の放熱要素３０のフィン３４は第２の放熱要素４０のフィン４４よりも大きい肉厚を有するように形成される。それにより、第１の放熱要素３０のフィン３４の熱抵抗が低下する。したがって、より多くの熱が第１の放熱要素３０を通って伝達されるようになる。そして、第１の放熱要素３０のフィン３４の先端部に接続された第２の放熱要素４０まで熱が十分に伝達されるようになる。一方、このように各フィン３４の肉厚ｔ１を単純に大きくすると、隣接するフィン３４の間の間隙が小さくなって空気の流れが阻害される。そこで、本実施形態に係るヒートシンク２０においては、第１の放熱要素３０のフィン３４のピッチｐ１が第２の放熱要素４０のフィン４４のピッチｐ２よりも大きくなっている。それにより、フィン３４が比較的大きな肉厚ｔ１を有する場合であっても、十分な大きさの間隙がフィン３４の間に形成される。したがって、フィン３４の間隙を通って流れる空気による冷却作用を維持できる。
【００２２】
一方、熱源に対して遠位に配置される第２の放熱要素４０を通る熱量は比較的少ないため、第２の放熱要素４０のフィン４４の肉厚ｔ２は比較的小さくてもよい。むしろ各フィン４４の肉厚ｔ２が小さいので、より多くのフィン４４を同じ寸法のベース板４２に形成できる。それにより、第２の放熱要素４０全体としての放熱作用が向上する。
【００２３】
このように、本実施形態に係るヒートシンク２０によれば、第１の放熱要素３０のフィン３４及び第２の放熱要素４０のフィン４４が、互いに独立してそれぞれにとって最適な形状になるように形成される。したがって、フィン効率が向上し、ヒートシンク２０としての放熱性能が向上する。なお、このようなヒートシンク２０においては、第１の放熱要素３０及び第２の放熱要素４０による段階的な放熱作用を利用するので、第１の放熱要素３０のフィン３４の高さと、第２の放熱要素４０のフィン４４の高さとは、概ね同程度になるようにフィン３４，４４の形状を決定してもよい。
【００２４】
続いて、本発明の別の実施形態について説明する。以下の説明において、前述した実施形態に関連して既に説明したことと重複する事項は適宜省略される。
【００２５】
図６は、本発明の別の実施形態に係るヒートシンク２２を示す断面図である。図７は、図６において破線で包囲される領域ＶＩＩを拡大して示す部分拡大図である。本実施形態に係るヒートシンク２２も、前述した実施形態に係るヒートシンク２０と同様に第１の放熱要素３０及び第２の放熱要素４０を備えている。
【００２６】
本実施形態に係るヒートシンク２２において、第１の放熱要素３０の隣接するフィン３４，３４の間の間隙ｇ１の寸法は、第２の放熱要素４０の隣接するフィン４４，４４の間の間隙ｇ２の寸法以上になるように形成される（すなわち、ｇ１≧ｇ２である。）。なお、フィン３４，４４の間の間隙ｇ１，ｇ２は、フィン３４，４４のピッチｐ１，ｐ２からフィン３４，４４の肉厚ｔ１，ｔ２を減算することにより得られる。第１の放熱要素３０のフィン３４の肉厚ｔ１と、第２の放熱要素４０のフィン４４の肉厚ｔ２との間には、前述した実施形態に係るヒートシンク２０の場合と同様に、ｔ１＞ｔ２の関係が成立する。また、第１の放熱要素３０のフィン３４のピッチｐ１と、第２の放熱要素４０のフィン４４のピッチｐ２との間には、前述した実施形態に係るヒートシンク２０の場合と同様に、ｐ１＞ｐ２の関係が成立する。
【００２７】
このような構成によれば、第１の放熱要素３０のフィン３４の間の間隙ｇ１が第２の放熱要素４０のフィン４４の間の間隙ｇ２と同等以上の寸法を有するようになる。したがって、熱源に対して近位に配置されていて高温になりやすい第１の放熱要素３０は、比較的肉厚のフィン３４を有しながらも、それらフィン３４の間を通る空気の流れが、第２の放熱要素４０のフィン４４の間を通る空気の流れと同等以上の流量を有するようになる。したがって、第１の放熱要素３０の温度上昇を抑制できる。
【００２８】
図８は、本発明のさらに別の実施形態に係るヒートシンク２４を示す分解図である。本実施形態に係るヒートシンク２４においては、第１の放熱要素３０及び第２の放熱要素４０が互いに別個の部品であって、これら放熱要素３０，４０を互いに接合することによってヒートシンク２４が形成される。或いは、放熱要素３０，４０を他の方法で結合してもよい。例えば図示されるように、第２の放熱要素４０のベース板４２の、第１の放熱要素４０に対向する面４２ｂに形成される嵌合溝４６を利用してもよい。この場合、第１の放熱要素３０のフィン３４の先端を嵌合溝４６に嵌合させることにより、第１の放熱要素３０と第２の放熱要素４０とが相対的に位置決めされる。この状態から、ロウ付け、はんだ付け又は接着その他の公知の手段を利用して放熱要素３０，４０を互いに結合することができる。また、フィン３４を嵌合溝４６に嵌合させることにより、第１の放熱要素３０のフィン３４と、第２の放熱要素４０のベース板４２との間の結合面積が増加するので、これら部品間の結合状態の機械的強度が増大するとともに、これら部品間の接触熱抵抗が低下する利点がある。
【００２９】
本実施形態によれば、各放熱要素３０，４０を個別に製造できる。そして、各放熱要素３０，４０のトング率は比較的小さいので、例えば押出成形などの安価な方法で放熱要素３０，４０を形成できる。トング率の大きい部品を押出成形で形成するのは困難であるため、従来はフィンをベース板にロウ付け又はかしめにより固定することによってヒートシンクを形成するのが一般的であった。本実施形態に係るヒートシンク２４は、このような従来のタイプのヒートシンクに比べて特に有利である。トング率と製造し易さとの間には相関関係があるため、各放熱要素３０，４０のフィン３４，４４のトング率が同程度になるようにフィン３４，４４の形状を決定してもよい。
【００３０】
また、本実施形態においては、第１の放熱要素３０及び第２の放熱要素４０が互いに別個の材料から形成されてもよい。例えば、第１の放熱要素３０を良好な熱伝導性を有する銅又は銅合金で形成するとともに、第２の放熱要素４０を軽量のアルミニウム合金で形成することが考えられる。このように、伝熱性、価格及び重量など種々の要因を考慮しながら最適な材料の組合せが選定される。
【００３１】
図９は、本発明のさらに別の実施形態に係るヒートシンク２６を示す断面図である。図１０は、図９において破線で包囲される領域Ｘを拡大して示す部分拡大図である。本実施形態に係るヒートシンク２６は、前述した実施形態に係るヒートシンク２０において、第３の放熱要素５０をさらに追加したものである。すなわち、ヒートシンク２６は、第１の放熱要素３０、第２の放熱要素４０及び第３の放熱要素５０を備えている。第２の放熱要素４０と概ね同一の形態を有する第３の放熱要素５０は、ベース板５２と、ベース板５２の一方の表面５２ａにおいて第２の放熱要素４０から離間する方向に表面５２ａに対して概ね垂直に延出するように所定のピッチｐ３で形成される複数のフィン５４と、を有している。
【００３２】
第３の放熱要素５０のフィン５４の肉厚ｔ３は、第２の放熱要素４０のフィン４４の肉厚ｔ２よりも小さく形成される（すなわち、ｔ３＜ｔ２である。）。また、第３の放熱要素５０のフィン５４のピッチｐ３は、第２の放熱要素４０のフィン４４のピッチｐ２よりも小さく形成される（すなわち、ｐ３＜ｐ２である。）。
【００３３】
第１の放熱要素３０のフィン３４の肉厚ｔ１と、第２の放熱要素４０のフィン４４の肉厚ｔ２との間には、前述した実施形態に係るヒートシンク２０の場合と同様に、ｔ１＞ｔ２の関係が成立する。したがって、各放熱要素３０，４０，５０のフィン３４，４４，５４の肉厚ｔ１，ｔ２，ｔ３の間には、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３の関係が成立する。また、第１の放熱要素３０のフィン３４のピッチｐ１と、第２の放熱要素４０のフィン４４のピッチｐ２との間には、前述した実施形態に係るヒートシンク２０の場合と同様に、ｐ１＞ｐ２の関係が成立する。したがって、各放熱要素３０，４０，５０のフィン３４，４４，５４のピッチｐ１，ｐ２，ｐ３の間には、ｐ１＞ｐ２＞ｐ３の関係が成立する。
【００３４】
このように本実施形態によれば、３つの放熱要素からなるヒートシンク２６において、フィンの肉厚は熱源に対して近位側に配置される放熱要素のものほどより肉厚になる。これにより近位側のフィンの熱抵抗が低下するので、遠位側のフィンまでより効率良く熱を伝達できる。したがって、遠位側のフィンの温度が過度に低下して放熱作用が損なわれるのを防止できる。本実施形態に係るヒートシンク２６においては、前述した２つの放熱要素からなるヒートシンク２２，２４よりもさらに細分化されているため、より緻密なフィン形状の最適設計が可能となる。
【００３５】
また、フィンのピッチは熱源に対して近位側に配置される放熱要素のものほどより大きくなる。これにより、フィンが比較的厚肉でありながらも、十分に大きな冷却用空気の流路が形成される。結果として、近位側の放熱要素を通る空気の流量が増大し、温度上昇しやすい近位側の放熱要素をより効果的に空冷できる。
【００３６】
以上、本発明に係る複数の実施形態を説明したものの、本発明はこれら図示される特定の実施形態に限定されないことを理解されたい。各実施形態に関連して個別に説明された事項は、技術的に矛盾する場合を除き、それらを任意に組合せることにより、本発明を実施できる。また、図示された実施形態に係るヒートシンクは２つ又は３つの放熱要素を組合せることにより形成されるものの、４つ以上の放熱要素を組合せてヒートシンクを形成してもよい。このようにより多数の放熱要素が組合わされたヒートシンクにおいては、熱源からの距離に応じて細分化することにより各放熱要素にとって最適なフィン形状を採用できるようになる。したがって、フィン効率をより一層向上させられる。
【００３７】
また、前述したような本願発明に係る複数のヒートシンクを空気の流れ方向に所定の距離だけ離間して配列したものをサーボアンプの冷却手段として採用してもよい。この場合、それらヒートシンクの間の間隙において、熱源に対して近位側の放熱要素（例えば第１の放熱要素３０）から流出する高温の空気と、熱源に対して遠位側の放熱要素（例えば第２の放熱要素４０）から流出する低温の空気との間で熱交換が行われるようになる。その結果、空気が局所的に高温化するのを防止でき、空気の温度上昇に伴う冷却作用の低下を抑制できるようになる。
【符号の説明】
【００３８】
１０    サーボアンプ
１４    ヒートシンク
２０    ヒートシンク
２２    ヒートシンク
２４    ヒートシンク
２６    ヒートシンク
３０    第１の放熱要素
３２    ベース板
３４    フィン
４０    第２の放熱要素
４２    ベース板
４４    フィン
５０    第３の放熱要素
５２    ベース板
５４    フィン
ｔ１    肉厚
ｔ２    肉厚
ｔ３    肉厚
ｐ１    ピッチ
ｐ２    ピッチ
ｐ３    ピッチ
ｇ１    間隙
ｇ２    間隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013229461.tif 000005
【図４】
2013229461.tif 000006
【図５】
2013229461.tif 000007
【図６】
2013229461.tif 000008
【図７】
2013229461.tif 000009
【図８】
2013229461.tif 000010
【図９】
2013229461.tif 000011
【図１０】
2013229461.tif 000012