JP2007037211A - 配電部品および電気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板とバスバーとの間に発生する応力を緩和または抑制することができる配電部品およびその配電部品を備えた電気装置を提供する。
【解決手段】 バスバーハウジング３３の壁間の収容部に収容され、モータ９の配電接続部となるバスバー３１と、インバータのスイッチング素子２３と壁間の収容部に重なるように位置する接続パッド２５とを搭載した基板２１と、接続パッドとバスバーとを導通させ、かつ基板およびバスバー間に生じる応力を緩和するための板ばね７１と、を備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、配電部品およびその配電部品が用いられた電気装置に関するものである。

電気装置には電力を供給するための配電部品が用いられるが、電気装置の高出力化に伴いハイパワーの電力を用いる場合が多くなっている。電気装置のうちモータについては、化石燃料の高騰や、地球温暖化防止のためのＣＯ₂排出量の抑制などを背景に、電気自動車やハイブリッド自動車が注目を集め、とくにハイブリッド自動車はその単位燃料当りの走行距離が高いために飛躍的にその台数を増やしている。上記のような電気装置に供給される電力は、各種電力変換装置（以下、「変換装置」と記す）によって電力の形態を変換されて使用される場合が多い。このとき、電気装置には大きな電力が供給されるので、変換装置も大きな電力を扱うことになり、変換装置自体の電力損失を減らし、効率のよい電力変換を行う必要がある。このため変換装置には、オンオフを繰り返すスイッチとして動作する半導体デバイス、すなわちスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子は、オン状態で電圧ゼロ、またオフ状態で電流ゼロなので、オンオフの電圧電流のタイムラグが生じなければ消費電力はゼロである。しかし、実際はタイムラグが生じるため、スイッチング素子では、電力の消費はゼロではなく、ロスとして熱が発生する。

スイッチング素子は変換装置の重要な部分を占めるが、変換装置にはスイッチング素子のほかに、そのスイッチング素子の動作を制御する、マイコンやマイコンにモータの回転状態の情報を知らせるセンサなどを含む制御部が備えられる。電気装置には小型化が求められるが、とくに交通手段に用いられるモータなどの電気装置では、小型化の要求が厳しい。このため、スイッチング素子を含む制御部全体をモータの側部にバスバーを介在させて取り付けた、制御部一体型車両用モータ（とくにカーエアコンのコンプレッサ用モータ）が提案された（特許文献１参照）。この方式によれば、耐衝撃性を確保しながら小型化を実現することができる。また、３相の薄型ＤＣブラシレスモータのステータに配電を行うための円環状バスバーの製造歩留まりを向上させる構造について、提案がなされている（特許文献２）。上記円環状バスバーを用いることにより、配電部材は、その製造が比較的簡単となり、低コストでかつ絶縁耐圧を高めることが可能となる。
特開２００３−３２４９０３号公報 特開２００３−１３４７２８号公報

しかしながら、制御部の全体をモータと一体化する方式（特許文献１）では、制御部全体と一体化されたモータが所定サイズを超え、車両または機械装置への搭載に支障をきたすケースが多く生じる。たとえばモータやスイッチング素子で発生する熱に起因する熱応力について配慮されていない。

また、上記特許文献２に開示の配電部材によれば、その配電部材中のバスバーの製造歩留り、耐絶縁性能などを向上させることはできるが、車両もしくは機械装置またはモータの小型化などについて触れていない。

上記のように、電気装置が適用される装置に応じて、そこに配置される電気装置およびその変換装置に求められる小型化の要求内容が異なる。このような多様な小型化の要求は、一言で言えば空間利用効率の向上の要求と言い換えることができる。上記の電気装置および変換装置は、このような空間利用効率の向上を得ることが望ましい。

上記に増して、より基本的に重要なことは、上記配電部品の電気装置への搭載の容易性（搭載性）およびその搭載状態の堅固安定性を得ることである。搭載状態の堅固安定性を確保する観点から、電気装置およびスイッチング素子はともに発熱するので、自動車などにおける装置間の間隙等の利用効率を高めるために両者を近接配置した場合に生じる熱応力に対処しておく必要がある。また、熱応力に限らず、基板は剛性が高いために、バスバーなどと互いに押し合って生じる応力は、大きくなる傾向がある。このような基板とバスバーとの間に生じる応力（熱に起因する応力に限定されない）に対処する必要がある。

本発明は、基板とバスバーとの間に発生する応力を緩和または抑制することができる配電部品およびその配電部品を備えた電気装置を提供することを目的とする。

本発明の配電部品は、インバータによりスイッチングされた電力を電気装置に供給する配電部品である。この配電部品は、バスバーハウジングの壁間の収容部に収容され、電気装置の配電接続部となるバスバーと、インバータのスイッチング素子と壁間の収容部に重なるように位置する接続パッドとを搭載した基板と、接続パッドとバスバーとを導通させ、かつ基板およびバスバー間に生じる応力を緩和するための導電性応力緩和部材と、を備える。この導電性応力緩和部材を備えることにより、基板とバスバーとの間に生じる応力、とくに熱応力を緩和することができる。

本発明の別の配電部品は、インバータによりスイッチングされた電力を電気装置に供給する配電部品である。この配電部品は、バスバーハウジングの壁間の収容部に収容され、電気装置の配電接続部を構成するバスバーと、インバータのスイッチング素子と壁間の収容部に重なるように位置する接続パッドとを搭載する基板と、バスバーハウジングの収容部に位置し、基板およびバスバー間に生じる応力を緩和するための応力緩和部材と、を備える。この構成により、接続パッドとバスバーとの間に生じる応力を、バスバーハウジングに位置する応力緩和部材によって緩和することができる。

本発明の電気装置は、インバータによりスイッチングされた電力を供給される電気装置である。この電気装置は、電気装置に外付けされたバスバーハウジングの壁間の収容部に収容され、電気装置の配電接続部を構成するバスバーと、電気装置から見て、バスバーよりも遠くに位置し、インバータのスイッチング素子と壁間の収容部に重なるように位置する接続パッドとを搭載する基板と、接続パッドとバスバーとを導通させ、かつ基板およびバスバー間に生じる応力を緩和するための導電性応力緩和部材と、を備える。

この構成により、基板とバスバーハウジングに収容されたバスバーとを近接配置した場合に、導電性応力緩和部材により、スイッチング素子とバスバーとを導通させながら、基板とバスバーとの間に生じる応力を緩和することができる。とくにスイッチング素子や電気装置に発生した熱に起因する熱応力を緩和することができる。この結果、配電部品一体型電気装置の耐久性を高めることができる。

本発明の別の電気装置は、インバータによりスイッチングされた電力を供給される電気装置である。この電気装置は、電気装置に外付けされたバスバーハウジングの壁間の収容部に収容され、電気装置の配電接続部を構成するバスバーと、電気装置から見て、バスバーよりも遠くに位置し、インバータのスイッチング素子と壁間の収容部に重なるように位置する接続パッドとを搭載する基板と、バスバーハウジングの収容部に位置し、基板およびバスバー間に生じる応力を緩和するための応力緩和部材と、を備える。

この構成により、バスバーハウジングに位置する応力緩和部材により、基板とバスバーとの間に生じる応力を緩和することができる。とくに熱応力を緩和することができる。この結果、バスバーハウジングに位置する部材により、応力を緩和して製品の耐久性を高めることができる。

（実施の形態１）
つぎに図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における、モータ用の配電部品およびその配電部品が設けられたモータ１０、を示す斜視図である。この配電部品一体型モータ１０には、回転軸１１に沿って見て、モータ本体９の端部９ａに、そのモータ本体９に重なるように、バスバー３１が取り付けられ、そのバスバー３１をモータ本体９との間に挟むように、半導体スイッチング素子２３が配置されている。バスバー３１は、３相配電の場合、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相に対応して３本設けられる。これら３本のバスバーは、絶縁性のバスバーハウジング３３の壁および底部に囲まれた溝状スペースに収容され取り付けられている。バスバー３１は銅板を打ち抜き、表面にスズめっきが施されている。バスバーハウジング３３は、たとえば耐熱性樹脂で形成される。耐熱性樹脂としては、たとえばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）などを用いることができる。強度を確保するために金属部材で強化してもよい。バスバー３１のモータ本体９への取付部としては、バスバーハウジング３３、バスバーハウジング３３のモータ本体９への取付部品（図示せず）、バスバー３１のバスバーハウジング３３内での固定部材（図示せず）等をあげることができる。

スイッチング素子２３は基板２１に搭載され、その基板２１は後で説明する回路を構成するように基板２１において配線がなされている（回路、配線について図１７〜図１９参照）。スイッチング素子２３を搭載した基板２１をパワーモジュール２０と呼ぶ。基板２１には、バスバー３１と接続するのが容易なように、接続パッド２５が設けられる。接続パッド２５は、基板裏面側に露出するタイプ（表（おもて）面側露出部はワイヤボンディン配線に必要）でもよいし、表面側にのみ露出するタイプでもよい（図６〜図７参照）。また、基板２１には、インバータ制御部４０から高圧接続端子２９へと、プラス側とマイナス側とに対応して２本の高圧ケーブル４１が接続される。高圧接続端子２９は、バスバー３１と同じ材質で形成され、基板２１へは半田付けまたはろう付けで取り付けられる。また、基板２１には、コネクタ２７が設けられ、コネクタ２７は、スイッチング素子２３のオンオフなどを制御するためにゲートに信号を伝達するインバータ制御部４０からの制御線４３と、所定の配線を実現する。コネクタ２７は、基板２１にねじ止めし、各端子を基板に半田付けまたはろう付けで接続する。なお図１ではスイッチング素子２３をバスバー３１との間で挟むように位置する放熱部は省略しているが、後で示すように、実際には放熱部は配置される。

図２は、本発明の実施の形態１におけるモータへの配電系統を示す模式図である。バッテリーからの電力は、その電圧をリレーおよび昇圧コンバータにより上げられ、インバータ制御部４０およびパワーモジュール２０を経てモータに供給される。インバータ制御部４０と、スイッチング素子搭載基板（パワーモジュール）２０とは別体で構成され、両者の間は２本の高圧ケーブル４１で接続される。インバータ制御部４０にパワーモジュール２０が含まれる構成の場合、高圧ケーブル４１は、３相のそれぞれに１本ずつ計３本必要であった。また、本発明の構成を有していても、プラス側に３相に共通の配線バーと、マイナス側に３相に共通の配線バーとを配置しない場合、高圧ケーブルはＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３本必要である。要するに、プラス側に３相に共通の配線バーと、マイナス側に３相に共通の配線バーとを配置して、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のスイッチング素子のプラス側端子（ソースまたはドレイン）を３相に共通のプラス側配線バーに、またマイナス側端子（ドレインまたはソース）を３相に共通のマイナス側配線バーに接続することにより、高圧ケーブルを２本にすることができる。上記のＵ，Ｖ，Ｗ相に共通の、プラス側配線バーおよびマイナス側配線バーを備えていれば、基板の有無には関係しない。図２では、ここでは図示していない上記配線バーを備えており、インバータ制御部４０と、パワーモジュール２０とを別体にして、パワーモジュール２０をバスバー３１に近接配置し、インバータ制御部４０とパワーモジュール２０とを結ぶ高圧ケーブル４１は、プラス側とマイナス側の２本としている。

図３は、モータ端部９ａ上に位置する配電部品を、軸線に沿って見た正面図である。パワーモジュール２０のスイッチング素子２３は、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相のバスバー３１に重なるように配置されている。バスバー３１は、バスバーハウジング３３の絶縁性の壁間および図示していない底部で形成される溝状スペースに収容され固定されており、基板２１の接続パッド２５と接続されている。スイッチング素子Ｑ₁，Ｑ₂はＵ相用であり、Ｑ₃，Ｑ₄はＶ相用であり、またＱ₅，Ｑ₆はＷ相用である。接続パッド２５も、Ｕ、Ｖ、Ｗ相に対応して３つあり、各相のバスバーと重なるように、バスバーの真上に、配置されている。高圧接続端子２９はプラス端子とマイナス端子の２つが、モータ端部９ａから外周側に突き出すように設けられ、図示していない高圧ケーブルと、圧着ボルト孔２９ａに挿通されるボルト、ナットにより接続される。

基板２１には、基板２１の配線各部と接続されるコネクタ２７ａが設けられる。コネクタ２７ａにコネクトされる相手側のコネクタ２７ｂには、スイッチング素子のゲートに制御信号を送る、インバータ制御部からの制御線４３が連結される。コネクタ２７ａ，２７ｂおよび制御線４３とは、制御線コネクト部４９を形成する。基板２１は、モータ９に取り付けられてもよいし、バスバーハウジング３３に取り付けられてもよい。また、接続パッドとバスバーとの接続による固定力のみで取り付け、とくに他に取付部を有しなくてもよい。

図４は、図３のＩＶ-ＩＶ線に沿った断面図である。バスバー３１は、パワーモジュール２０と重なる部分（接続部）以外の部分は、バスバーハウジング３３に収容された、弧状で帯状の金属板（とくに銅板）として構成される。そして、パワーモジュール２０と重なる接続部では、接続パッドと接続を形成するために、板ばね７１が配置される。板ばね７１は、その端部７１ａにおいてバスバー３１と接続パッド底部２５ｂとに接続され、中間部（湾曲部）７１ｂにおいて弾性変形が行われる。板ばね７１は銅で形成され、表層はスズめっき処理されている。板ばね７１は、接続パッド底部２５ｂおよびバスバー３１と半田付け、ろう付け、溶接またはねじ止めにより接続され、接続パッドとバスバーとの導通を確保している。板ばね７１は、その厚みが薄いために、基板側またはバスバー側で生じた熱に起因する応力に対して容易に変形し、基板およびバスバーにおいて熱に起因する応力を増大させない。たとえば、従来のように、剛性のある導電性接続部材で接続した場合、一方の温度上昇に起因する熱膨張はその剛性のある導電性接続部材のためにほとんどそのまま相手方への応力付加として作用し、その結果、バスバーと基板との間に大きな応力を生じていた。しかし、上記のように板ばね７１を用いることにより、熱膨張は板ばねの変形としてほとんど吸収され、相手方への応力付加になりにくい。このため熱膨張等に起因する応力発生を、板ばねによって緩和することが可能となる。

なお、上記の板ばね７１は、板ばねの長手方向がバスバー３１の幅方向に沿うように配置される。このような板ばねの向きの配置を、幅方向配置と呼ぶこととする。板ばねの中間部（湾曲部）は、バスバーハウジングの壁３３ａ，３３ｗから少し離れているが、板ばね７１の変形に支障とならなければ必ずしも離間させることは必要ない。

図４において、３本のバスバー３１は、バスバーハウジング３３の隔壁３３ｗ，外壁３３ａ、底部３３ｂで囲まれた各相収容部に収容されている。バスバー３１は基板２１に設けた接続パッド底部２５ｂと接続される部分以外は絶縁される。ここに示すタイプの接続パッドは、上記裏面側と、ワイヤボンディングされる表面側とに、露出部を有する。基板２１やその他の部材、たとえば図示しないパワーモジュール部カバーで囲まれた収容部の空間には、絶縁樹脂が充填されることが望ましい。

基板２１の上には基板全体を覆うように放熱部（図示せず）が配置され、モータ９、スイッチング素子２３などから生じる熱を放散する。熱は、主に、モータ９およびスイッチング素子２３から生じる。上記のようにモータ端部９ａにバスバーとスイッチング素子とが近接して配置される場合、スイッチング素子２３からの熱がバスバー底辺部３１ｂを伝ってモータ本体表面から放散されることにより、スイッチング素子２３の温度上昇を抑制する場合もある。しかし、このような経路の放熱は多くは期待できず、このため、放熱部の役割は重要である。放熱部については、図１６において詳しく説明する。

図５は、一つの相におけるバスバー３１と板ばね７１とを示す模式図である。基板やバスバーハウジングは省略されている。板ばね７１は、上述のように、その長手方向がバスバーの幅方向と平行になるように配置される。各相のバスバーが円弧状に形成される場合、板ばね７１の円弧状の位置は、短絡や放電を防ぐ意味から、円弧上の対応位置から相互にずらして、相互間の距離を大きくすることが望ましい。

上記の構成により、モータ本体９とスイッチング素子２３とは、バスバー３１を介在させて回転軸１１に沿って見て重なるように、すなわちモータ端部９ａにおいて一体化することができる。このため、モータ９と、バスバー３１、スイッチング素子２３および基板２１等を含む配電部品と、の一体化を、モータ側面外形を複雑な形状にすることなく、またモータ側面からはみ出す部分を抑制した上で、実現できる。モータ本体９は、回転体を含み、特有の円筒面状の側面形状を有する。本発明の配電部品におけるバスバー３１は、上記円筒面状の形状を有する側面にではなく、側面に交差するモータ端面（端部）９ａに取り付けられる。モータ端部９ａは、凹凸や段差はあるかもしれないが、十分な広さの平坦部があるため、バスバーハウジングなどを取り付けやすい。このため、相対する互いの面形状を相補的に適合するように工数をかけることなく、自然に空間利用効率を高めることができる。また、バスバー３１、スイッチング素子２３および基板２１等を備える配電部品と、モータとの接続構造が簡単なので、モータへの配電部品の搭載を搭載性よくでき、かつ接続を堅固に耐久性に優れるように形成することができる。

しかし、本発明の配電部品は、モータ端部９ａだけでなく、モータ側面９ｂ（図１参照）に取り付けられてもよい。すなわち、搭載性等を考慮するとモータ端部９ａにバスバーハウジング３３を取り付けることが好ましいが、装置全体の構造から、モータ端部９ａへの取り付けが困難な場合、モータ側面９ｂに取り付けてもよい。それは、パワーモジュールをモータに取り付けた場合、モータ端部に取り付けるほうが熱の発生は大きな問題となるが、モータ側面に取り付けても、熱の発生は問題であり、その熱に起因する応力を緩和する点で、本発明の構成は、どちらの場合でも、十分な効果を有するからである。

図６は、板ばねの変形例を示す図である（図４と同じ断面の部分）。バスバー３１の接続部の断面をＬ字状とし、バスバーの先端部に板ばね７１を接続している。バスバー３１および板ばね７１は銅で形成され、その表層はスズめっきされている。板ばねの端部７１ａは、半田６３により接続パッド底部２５ｂに接続されている。接続は、半田付けに限定されず、ろう付け、溶接またはねじ止めでもよい。上記の接続構造の場合、接続パッド２５は基板２１の裏面側に露出する部分２５ｂを有することが必須となる。表面側はワイヤボンディングによる接続箇所となる。基板２１に貼り付けられる放熱部は省略されている。

また、図７は、板ばねの他の変形例を示す図である（図４と同じ断面の部分）。板ばねはＬ字状のバスバー接続部の先端に取り付けられ、その端部７１ａは、基板２１と接続パッド２５に設けられた孔部を挿通され、接続パッド２５を越えた側で半田６３により接続パッドと接続される。放熱部５０は、接続パッド２５を空隙をあけて取り囲むように基板２１に貼り付けられている。この構成により、基板裏面側での半田付け等が難しい場合、基板表面側において接続パッドとバスバーとを接続することができる。図７のような接続構造の場合、接続パッド２５は基板２１の裏面側に露出する部分を持つ必要はなく、短絡等を考慮するとないほうが望ましい。上述のように、上記バスバー接続部以外の部分は、図示していない取付固定部などを除いて、バスバー接続部の底辺部がそのまま弧状に延びた部分から構成される。

図８および図９は、図６〜図７と同様の図である。図８では、板ばね７１はＳ字状の断面を有し、また図９では板ばね７１はＭ字状の断面を有する。これら板ばね７１は、湾曲部の数を多く有するため、上述の変形が容易であり、熱に起因する応力をより一層抑制することができる。

（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２における配電部品を示す部分断面図である。図１０において、板ばねは、実施の形態１における板ばねの向きと異なる向きに配置されている。すなわち、板ばね７１の長手方向がバスバー３１の長手方向に沿うように配置されている。また、図１１は、一つの相におけるバスバー３１と板ばね７１とを示す模式図である。基板やバスバーハウジングは省略されている。板ばね７１は、上述のように、その長手方向がバスバーの長手方向と平行になるように配置される。図１０および図１１に示す板ばねの向きの配置を、実施の形態１における板ばねの幅方向配置に対比させて、長手方向配置と呼ぶことにする。幅方向配置の変形例を示す図６〜図９に示す板ばねの変形例は、長手方向配置においても用いられることはいうまでもない。

長手方向配置の板ばね７１では、板ばね７１が変形してもバスバーハウジングの壁に接触して変形が制限される状態にならない。このため、たとえば接続パッド底部２５ｂとバスバー３１との距離が大きい場合などに、湾曲部の張り出しを大きくとることができ、熱に起因する応力をより敏感に抑制するのに望ましい。また、壁間の距離が小さい場合にも、板ばね７１の変形許容範囲に制限がないほど大きくできる。壁間の距離が小さい場合には、板ばねの幅もそれに応じて小さくなり（狭くなり）、したがってばね定数は小さくなるが、変形許容範囲に制限がないため問題がなく、むしろ感度がよくなり好ましい。また、ばね定数を大きくするためには厚みを厚くすることで対応可能である。各相のバスバーが円弧状に形成される場合、各相の板ばね７１の円弧状の位置は、短絡や放電を防ぐ意味から、円弧上で対応する位置から相互にずらして、相互間の距離を大きくすることが望ましい。他の部分の構成は、実施の形態１における構成と同じである。

（実施の形態３）
図１２は、本発明の実施の形態３における配電部品の、一つの相のバスバーと接続パッドとの接続部を示す模式図である。接続パッドを除いた基板やバスバーハウジングは省略されている。本実施の形態では、バスバー３１と接続パッド２５とは線材７３で接続されている。図１２には、帯状の線材を例示しているが、帯状に限定されず、断面が円状の細径〜太径の線材、または線を編んだ編み線、もしくはケーブルなどを用いることができる。線材７３は、１本以上が用いられ、接続パッド２５およびバスバー３１と半田６３により接続され、導通状態とされる。接続は、半田付けに限定されず、ろう付け、溶接、ねじ止めなどを用いることができる。線材は、図１２に示すように直結状に、または「たるませた状態（非直結状）」に配置されることが望ましいが、必ずしも非直結状でなくてもよい。接合パッドおよびバスバーともに温度が上昇するので、製作当初に直結状であっても使用中に温度が上がり、通常たるんだ状態（非直結状）になるからである。

線材は、一般に、可塑性、可撓性、または完全な可塑性もしくは可撓性はなくても変形可能性を有する。このため、基板またはバスバーもしくはモータにおける応力は、線材７３を通って伝達されることがない。このため、たとえば基板のスイッチング素子やモータで発生する熱に起因する応力は、線材７３によってほとんど遮断される。このため、熱応力を緩和でき、信頼性を高めることが可能となる。他の部分の構成は、実施の形態１における構成と同じである。

（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４における配電部品を示す断面図である。また、図１４は、図１３の配電部品の一つの相におけるバスバー３１の底辺部の裏面側に配置される弾性部材７５を示す模式図である。図１５はその弾性部材７５の断面図である。基板やバスバーハウジングは省略されている。本実施の形態においては、バスバーハウジングの壁３３ａ，３３ｗの間で、その底部３３ｂの上に、弾性部材７５が配置されており、バスバー３１を支持している点に特徴がある。

バスバー３１は、その接続部において底辺部３１ｂと壁部３１ｗとトップ部３１ｔとを有し、そのトップ部３１ｔにおいて接続パッド底部２５ｂと接続されている。弾性部材７５は、バスバー３１の接続部に限定されず、バスバー３１の長手方向にわたって配置される。この弾性部材７５はバスバー３１の全長にわたって連続して配置される必要はなく、間隔をあけて配置されてもよいし、部分的にのみ配置されてもよい。弾性部材７５は、弾性復元力を有し、基板、バスバー、またはモータ等の熱膨張に対応して変形しながらバスバーを支持して、バスバーと接続パッドとの接続を維持することができる。すなわち、弾性部材はクッションとして機能する。この弾性部材のクッション作用により、バスバーと接続パッドとの接続は維持されながら、基板やバスバー等に生じた応力は、弾性部材（クッション）７５の変形により緩和される。他の部分の構成は、実施の形態１における構成と同じである。

（実施の形態５）
モータおよびスイッチング素子には、上記のように熱対策が必要である。たとえば車両の場合、エンジンには、放熱のために、通常、水冷路が設けられ、放熱を行うが、車両に用いられるモータについても水冷式の放熱を行うのが普通である。また、車両用モータに対する変換装置の場合、スイッチング素子では、上述のように熱が発生するので、放熱部を設ける。とくに、上記のモータでは、モータ端部に、バスバーとスイッチング素子とが重なるように配置されるので、放熱は重要である。図１６（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態５における配電部品およびそれを備えるモータを示す図である。放熱部の配置以外の構成は、実施の形態１〜４のいずれでもよい。図１６（ａ）は、パワーモジュール２０をバスバー３１との間で挟むように配置された放熱部５０を示す図である。放熱部５０の放熱容量は、パワーモジュールの発熱量、スイッチング素子の耐熱温度などに応じて設定し、その際、自然空冷、強制空冷または水冷を選択する。空冷の場合には空冷用フィンを設け、強制空冷の場合には空気の強制流を、空気流路構造、ファン配置などにより形成する。材質は、基板やスイッチング素子の熱膨張率に合うようにし、熱伝導率の高いもの、たとえばＡｌＮを用いる。水冷の場合には、図１６（ｂ）に示すように、内部に冷却水を流す経路を持った放熱部５０をパワーモジュール２０の基板に接触するように搭載する。放熱部５０と基板とは接着剤で貼り合わせ、放熱部とバスバーハウジングとは嵌め込みやねじ止め等、この種のものの固定手段として既知の任意の手段で固定することができる。

モータの許容上限温度（大略２００℃程度）と、スイッチング素子の許容上限温度（シリコン系素子では大略１２０℃程度）とでは、スイッチング素子のほうが相当低いので、モータ用水冷路とスイッチング素子用水冷路とは、別系統とされるのが普通である。一つはモータ用水冷路、他の一つは制御部におけるスイッチング素子用水冷路である。インバータ制御部にスイッチング素子が配置される場合（従来例）、エンジンやモータが集中配置される箇所と、そこから離れたインバータ制御部が位置する箇所とに、水冷路を別個にひくことは部品使用量の増大やスペースの有効活用の阻害要因となりやすい。上記本発明の場合には、スイッチング素子とモータとは一体化されるので、たとえ水冷路が別系統であっても、別系統の水冷路を空間利用効率が高くなるように配置することができる。さらに、シリコンより耐熱性に優れた半導体、たとえばＳｉＣをスイッチング素子に用いた場合、スイッチング素子の許容上限温度はモータの許容上限温度に近づく。この場合、モータ用水冷路とスイッチング用水冷路とを連続化することが可能となる。図１６（ｃ）はモータ用水冷路とスイッチング用水冷路とを連続化した水冷路を示す図である。図１６（ｃ）において、パワーモジュール２０に搭載された放熱部５０を通る水冷路は、モータ冷却水導入部５６と連結され、パワーモジュールの冷却水とモータの冷却水とを連続使用とされている。上記のような冷却水の連続化により、冷却水路の短縮化、部品使用量の減少、軽量化、小型化をはかることが可能となる。上記のような冷却水の連続化は、シリコン素子でも可能な場合もあるが、ＳｉＣ素子などシリコンよりも耐熱性に優れた半導体素子を用いることにより容易に実現することができる。モータ用水冷路とエンジン用水冷路とは連続とされる場合が多く、そのような場合、スイッチング素子水冷路と、エンジン用水冷路またはモータ用水冷路と連続とされる。

（パワーモジュール回路について）
次に、図１７〜図１９を参照して、本発明の配電部品およびそれを備えるモータのパワーモジュール回路の一例について説明する。図１７は、バスバーおよび基板２１上のスイッチング素子の配置を示す図である。また図１８はスイッチング素子を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。また、図１９は、図１７に示す配線形態の回路図である。スイッチング素子２３は、シリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）など大電力を制御できる素子を用いる。図１７および図１８では、スイッチング素子として縦型ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いた場合を示しているが、配線パターンを変更することにより横型デバイスを用いてもよい。また、サイリスタ、ＧＴＯ(Gate Turn-Off Thyristor)、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ(Insulated
Gate Bipolar Transistor)など任意のスイッチング素子を用いることができる。縦型ＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、裏面がドレイン（Ｄ）になり、図１７に示す配線形態となる。基板２１の固定ねじ孔２１ａは、基板のモータへの固定、または放熱部の固定等に用いてもよい。

スイッチング素子２３のドレインＤは、基板２１上の配線パターンまたは基板に貼り付けた配線バー６１に半田付けまたはろう付けで取り付けられる。図１７では、プラス側に全相に共通の配線バー６１と、マイナス側に全相に共通の配線バー６１とを配置して、図１または２などに示すように、高圧ケーブルの本数を２本としている。スイッチング素子２３のゲートＧは、基板に設けられたコネクタ２７ａにワイヤボンディングされたワイヤ５５で接続されている。図１７では、１本のワイヤ５５で各部分間を接続する場合を示すが、電流の大きさに応じてワイヤ本数を増やしてもよい。すなわち同じ部分間を２本以上のワイヤで接続してもよい。図１７および図１９では、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相のハイサイド（スイッチング素子Ｑ₁，Ｑ₃，Ｑ₅）とローサイド（スイッチング素子Ｑ₂，Ｑ₄，Ｑ₆）とに各１つのスイッチング素子を配置した場合を示すが、電流の大きさによっては両サイドとも各２つ以上のスイッチング素子を配置してもよい。

上記のワイヤボンディングされたワイヤ５５、スイッチング素子２３、バスバー３１は、各部分間の電気的な絶縁をはかるために、絶縁物たとえばシリコンゲルで覆ってもよい。パワーモジュール部分は外部からの影響（水、油、塵芥）を受けて劣化しないように、またはパワーモジュール内部で放電しないように、絶縁充填剤で封止して保護してもよい。また、パワーモジュール部には、外部からの影響を受けにくくするために、図示しないパワーモジュール部カバーを設ける。パワーモジュール部カバーは、バスバーハウジング３３に嵌め込みするか、接着またはねじ止めにより固定する。

上記のように本発明の実施の形態例について説明したが、その他の変形例については、より一般的に述べるとつぎの態様がある。

本発明の配電部品が用いられる電気装置は、モータに限定されず、他の電気装置、たとえば電気めっき装置、各種電気化学反応装置、各種発電機、変電機器、などに使用することができる。また、本発明が使用されるモータは、自動車に限定されず、電車、エレベータ、圧延機など、産業分野と市民生活分野とを問わず、対象となる。

本発明の導電性応力緩和部材は、基板の接続パッドとバスバーとを導通させ、基板およびバスバー間に生じる応力を緩和する部材であれば、板ばね、線材に限定されない。銅板と線材とを組み合わせた部材であってもよいし、可塑性、可撓性、または完全な可塑性もしくは可撓性を有さないで、外部の応力に応じて変形可能な導電性部材であってもよい。板ばねの配置方向は、任意の向きに配置でき、たとえば幅方向配置または長手方向配置とすることができる。線材については、とくにたるませた状態（非直結状）に配置しなくてよいし、また、非直結状に配置してもよい。

また、本発明の応力緩和部材は、バスバーハウジングの収容部に位置して、基板およびバスバー間に生じる応力を緩和する部材であれば、弾性部材に限定されない。たとえば、弾性部材と剛性の高い部材との組み合わせであってもよい。また、弾性部材の形状はバスバーの底辺部裏面に位置する層状の断面を有するものに限定されない。バスバーハウジングの、バスバーに接する部分が、底部および壁部によらず、クッション作用を有するようにしてもよい。したがって、底部に限定されず壁部においても、バスバーハウジングのバスバー接触面をクッション作用を有する層として、その内層を剛性の高い層で構成してもよい。要は、基板およびバスバーのいずれかで熱膨張等が生じて、相手側に応力が加わる事態になったとき、上記応力緩和部材が、両者の接続を維持させながら変形することにより応力を緩和できればよい。

上記の導電性応力緩和部材および応力緩和部材は、熱に起因して生じる応力に限定されず、基板とバスバーとが接続されていることに起因して生じる応力も緩和することができる。たとえば想定外の衝撃がバスバーに加わったとき、その衝撃応力は上記の導電性応力緩和部材または応力緩和部材により緩和され、基板への衝撃応力は緩和される。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の配電部品および電気装置では、基板とバスバーとの間に導電性応力緩和部材、またはバスバーハウジングの収容部に応力緩和部材を配置するので、基板とバスバーとで生じる応力を緩和でき、これらの耐久性を高めることができる。

本発明の実施の形態における配電部品およびそれを用いたモータを示す斜視図である。 本発明の実施の形態１におけるモータへの配電系統を示す模式図である。 モータ端部に位置する配電部品を、軸線に沿って見た正面図である。 図３のＩＶ-ＩＶ線に沿う断面図である。 図４の一つの相におけるバスバーと板ばねとを示す模式図である。 板ばねの変形例を示す図である。 板ばねの他の変形例を示す図である。 Ｓ字状の断面を有する板ばねの変形例を示す図である。 Ｍ字状の断面を有する板ばねの変形例を示す図である。 本発明の実施の形態２における配電部品を示す部分断面図である。 図１０の一つの相におけるバスバーと板ばねとを示す模式図である。 本発明の実施の形態３における配電部品の、一つの相のバスバーと接続パッドとの接続部を示す模式図である。 本発明の実施の形態４における配電部品を示す断面図である。 図１３の配電部品の一つの相におけるバスバーの底辺部の裏面側に配置される弾性部材を示す模式図である。 図１４の弾性部材の断面図である。 （ａ）は一般的な放熱部の配置を示す図、（ｂ）は放熱部が水冷方式である場合を示す図、また（ｃ）は放熱部がモータ水冷路と連続とした水冷路を有する場合を示す図である。 バスバーと基板上のスイッチング素子との位置関係を示す図である。 （ａ）はスイッチング素子の縦型ＭＯＳＦＥＴの平面図であり、（ｂ）はその断面図である。 パワーモジュールの回路図である。

符号の説明

９ モータ本体、９ａ モータ端部、９ｂ モータ側面、１０ スイッチング素子一体型モータ（モータ）、１１ 回転軸、２０ スイッチング素子搭載基板（パワーモジュール）、２１ 基板、２１ａ 固定用ねじ孔、２３ スイッチング素子、２５，２５ｂ 接続パッド、２７，２７ａ，２７ｂ コネクタ、２９ 高圧接続端子、２９ａ 圧着ボルト孔、３１，３１ｂ，３１ｗ，３１ｔ バスバー、３３，３３ａ，３３ｂ、３３ｗ バスバーハウジング、４０ インバータ制御部、４１ 高圧ケーブル、４３ 制御線、４９ 制御線コネクト部、５０ 放熱部、５５ ワイヤー、５６ モータ冷却水導入部、６１ 配線バー、６３ 半田、７１，７１ａ，７１ｂ 板ばね（導電性応力緩和部材）、７３ 線材（導電性応力緩和部材）、７５ 弾性部材（応力緩和部材）。

Claims (14)

1. インバータによりスイッチングされた電力を電気装置に供給する配電部品であって、
   バスバーハウジングの壁間の収容部に収容され、前記電気装置の配電接続部となるバスバーと、
   前記インバータのスイッチング素子と前記壁間の収容部に重なるように位置する接続パッドとを搭載した基板と、
   前記接続パッドと前記バスバーとを導通させ、かつ前記基板および前記バスバー間に生じる応力を緩和するための導電性応力緩和部材とを備える、配電部品。
2. 前記導電性応力緩和部材が、板ばねである、請求項１に記載の配電部品。
3. 前記導電性応力緩和部材が、線材である、請求項１に記載の配電部品。
4. インバータによりスイッチングされた電力を電気装置に供給する配電部品であって、
   バスバーハウジングの壁間の収容部に収容され、前記電気装置の配電接続部を構成するバスバーと、
   前記インバータのスイッチング素子と前記壁間の収容部に重なるように位置する接続パッドとを搭載する基板と、
   前記バスバーハウジングの収容部に位置し、前記基板および前記バスバー間に生じる応力を緩和するための応力緩和部材とを備える、配電部品。
5. 前記応力緩和部材が弾性部材である、請求項４記載の配電部品。
6. 前記電気装置がモータであり、前記バスバーハウジングがそのモータの端部に適合する形状の底部裏面を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の配電部品。
7. 前記バスバーとの間に前記パワーモジュールを挟むように放熱部を備える、請求項１〜６のいずれかに記載の配電部品。
8. インバータによりスイッチングされた電力を供給される電気装置であって、
   前記電気装置に外付けされたバスバーハウジングの壁間の収容部に収容され、前記電気装置の配電接続部を構成するバスバーと、
   前記電気装置から見て、前記バスバーよりも遠くに位置し、前記インバータのスイッチング素子と前記壁間の収容部に重なるように位置する接続パッドとを搭載する基板と、
   前記接続パッドと前記バスバーとを導通させ、かつ前記基板および前記バスバー間に生じる応力を緩和するための導電性応力緩和部材とを備える、電気装置。
9. 前記導電性応力緩和部材が、板ばねである、請求項８に記載の電気装置。
10. 前記導電性応力緩和部材が、線材である、請求項８に記載の電気装置。
11. インバータによりスイッチングされた電力を供給される電気装置であって、
    前記電気装置に外付けされたバスバーハウジングの壁間の収容部に収容され、前記電気装置の配電接続部を構成するバスバーと、
    前記電気装置から見て、前記バスバーよりも遠くに位置し、前記インバータのスイッチング素子と前記壁間の収容部に重なるように位置する接続パッドとを搭載する基板と、
    前記バスバーハウジングの収容部に位置し、前記基板および前記バスバー間に生じる応力を緩和するための応力緩和部材とを備える、電気装置。
12. 前記応力緩和部材が弾性部材である、請求項１１に記載の電気装置。
13. 前記電気装置がモータであり、前記バスバーハウジングが前記モータの端部に外付けされている、請求項８〜１２のいずれかに記載の、電気装置。
14. 前記バスバーとの間に前記基板を挟むように放熱部を備える、請求項８〜１３のいずれかに記載の電気装置。

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