JP2007042918A - キャパシタユニット - Google Patents

Abstract

【課題】低コストなキャパシタユニットを提供することを目的とする。
【解決手段】キャパシタ１に充放電を行う充放電回路、およびキャパシタ状態検出回路を有する回路基板７にキャパシタ１を電気的に直列、または、並列、または、直並列に接続実装するとともに、回路基板７は、回路基板７に設けた基板穴２６、ワッシャ２７を介してネジ１０をケース６に設けたネジ受け部１１に締めるとともにキャパシタ１の胴部を挟持するホルダー２に設けたホルダー穴２８を介してネジ１０をネジ受け部１１に締めることでケース６に取り付けられ、基板穴２６の直径はワッシャ２７の内径より大きく、かつ、外径より小さくしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明はバッテリ等を利用した電子機器の非常用電源に関するものであり、特に、車両の制動を電気的に行う電子ブレーキシステム等に利用されるキャパシタユニットに関するものである。

近年、ハイブリッドカーや電気自動車の開発が急速に進められており、それに伴い車両の制動についても、従来の機械的な油圧制御から電気的な油圧制御への各種の提案がなされてきている。

一般に車両の油圧制御を電気的に行うためには、電源としてバッテリが用いられるが、その場合バッテリだけでは何らかの原因で電力の供給が断たれると油圧制御ができなくなり、車両の制動が不可能になる可能性がある。

そこで、バッテリとは別に非常用補助電源として大容量キャパシタ等を搭載することにより非常時の対応ができるような提案がなされている。

キャパシタはその利用方法として、例えばシステム作動時に充電を行いシステム非作動時には放電するように利用すれば長寿命化が可能であり、車両の目標寿命である１５年間の使用に耐え得るといわれている。

また、キャパシタの特性値である静電容量値や内部抵抗をモニターすることにより、その状態の変化を把握することでキャパシタの劣化判断が可能である。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００５−９４９４３号公報

従来のキャパシタユニットの例（分解斜視図）を図８に示す。

複数のキャパシタ１は、その胴部をホルダー２に挟持され、この状態で各キャパシタ１のリード線３はキャパシタ１用の配線基板４に半田付けにより実装されている。

このようにして完成したキャパシタブロック５はケース６に収納される。

一方、キャパシタ１の充放電回路やキャパシタ状態検出回路を有する回路基板７は図８に示すように縦方向にケース６に収納される。

この際、回路基板７は応力がかからないように、回路基板７に固定したヒートシンク８に設けた穴９を介して、ネジ１０をケース６に設けたネジ受け部１１に締めこむことで固定されている。

このように回路基板７をいわば片持ち梁状に固定することで、様々な温度環境における回路基板７への熱応力を逃がす構造としている。これにより回路基板７や、回路基板７に実装された回路部品とその半田接合部分への熱応力による劣化が低減され、信頼性が向上する。

なお、万一の外乱ノイズへの対策として各種ノイズ対策部品（図示せず）の使用に加え、図８では省略しているが、回路基板７は図９に示したようにシールドケース１２およびシールドケースフタ１３の内部に配される構成となっている。

このようにして組み立てられたケース６には図示しないフタを取り付けることによってキャパシタユニットが完成する。

このような構成のキャパシタユニットは確かに車両制動用の補助電源として十分な性能を有し、ハイブリッドカーや電気自動車の信頼性向上に寄与できる。

しかし、図８や図９のキャパシタユニットの構造から明らかなように、熱応力対策としてキャパシタ部分と回路部分を別体の基板にしている上に、確実な車両制動用の補助電源とするために回路基板７に耐ノイズ性を向上するシールドケースを取り付けていた。

従って、従来のキャパシタユニットは部品点数が多く製造しにくいため、極めて高コストな構造であった。

キャパシタユニットは特に最近生産台数が伸びているハイブリッドカーにとって必要不可欠のユニットであるにもかかわらず、その高コスト化は車両価格の高騰を招き、ひいては地球環境保護に貢献するハイブリッドカーの普及に大きな影響を与える。

従って、キャパシタユニットが熱応力回避構造、耐ノイズ構造のために高コストである点が極めて大きな課題であった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱応力の影響の低減、耐ノイズ性、低コストを満足するキャパシタユニットを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のキャパシタユニットはキャパシタに充放電を行う充放電回路、およびキャパシタ状態検出回路を有する回路基板に前記キャパシタを電気的に直列、または、並列、または、直並列に接続実装するとともに、前記回路基板は、前記回路基板に設けた基板穴、ワッシャを介してネジをケースに設けたネジ受け部に締めるとともに前記キャパシタの胴部を挟持するホルダーに設けたホルダー穴を介してネジを前記ネジ受け部に締めることでケースに取り付けられ、前記基板穴の直径は前記ワッシャの内径より大きく、かつ、外径より小さくしたものである。

本構成によってキャパシタユニットは回路基板が１枚になるとともに、熱応力を基板穴とワッシャの部分で吸収できる上、シールドケースが不要となり、極めてシンプルな構造となる。その結果、前記目的を達成することができる。

本発明のキャパシタユニットによれば、全ての回路部品が１枚の回路基板に実装され、それをケースに収納するだけの構造となるため、部品点数および工数が削減でき、キャパシタユニットのコストを低減できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるキャパシタユニットの一部分解斜視図である。図２は本発明の実施の形態１におけるキャパシタユニットの回路基板へのキャパシタ接続部拡大図である。図３は本発明の実施の形態１におけるキャパシタユニットの回路基板とケースの接続部断面図であり、（ａ）はネジ受け突起部なしの断面図を、（ｂ）はネジ受け突起部ありの断面図をそれぞれ示す。図４は本発明の実施の形態１におけるキャパシタユニットの発熱部品を取り付けたヒートシンクの斜視図である。図５は本発明の実施の形態１におけるキャパシタユニットの回路基板に取り付けたヒートシンクの断面図である。

なお、各図において、従来例の図８、図９と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明する。

図１において、複数のキャパシタ１は電気二重層コンデンサからなり、これが樹脂製のホルダー２の中に挿入されている。これにより、各キャパシタ１の胴部が挟持され、一体化される。

ここで、図１ではキャパシタ１を２１個使用しているが、従来例（図８）ではキャパシタ１が２８個であり、数量が異なっている。これはキャパシタユニットの電力仕様が異なるためであって、キャパシタユニットを搭載する車両に応じて必要な数量を搭載すればよい。

この状態で回路基板７にキャパシタ１のリード線３が半田付けされる。

ここで、キャパシタ１は各々の許容電圧が２Ｖ程度と低いため、回路基板７には複数のキャパシタ１を直列に接続して電圧を稼ぎ、直列にしたことによる静電容量の低下を補うために直列接続したキャパシタ１を何組か同時に並列配線する、いわゆる直並列回路になるような配線パターンが形成されている。

これによりキャパシタ１は電気的に直並列に接続される。

なお、リード線３は図２（図１の四角形点線部分の拡大図）に示すようにクランク状の曲げ加工部２１を有しており、この先端が回路基板７に半田付けされている。これにより、リード線３に加わる熱応力を曲げ加工部２１のバネ性により吸収できる。

また、ホルダー２は回路基板７に対して直接ネジ１０でホルダーネジ受け部２０１に固定されている。

一方、回路基板７には回路部品全ての図示はしていないが、キャパシタ１に充放電を行う充放電回路、キャパシタ状態検出回路、キャパシタユニット外部との電気的接続を行うためのコネクタ２２が構成されている。

なお、回路部品のうちＦＥＴなどの発熱部品２３はヒートシンク８に取り付けた上で、ヒートシンク８とともに回路基板７に固定されている。これらの固定方法については後述する。

このようにして構成された回路基板７はケース６に挿入される。

ケース６には一体で複数のネジ受け部１１が設けられているので、回路基板７は、それに設けた基板穴２６、ワッシャ２７を介してネジ１０をネジ受け部１１に締めるとともに、ホルダー２に設けたホルダー穴２８を介してネジ１０をネジ受け部１１に締めることでケース６に取り付けられる。

以上のような構成で、単純には従来の２枚基板を１枚化できる上、シールドケースを取り除いた簡単な構成とすることができる。

しかし、上記のようなキャパシタユニットに対して発明者らが様々な特性検討を行った結果、次にような課題が発見され、単純には前記の簡単な構成にはできないことがわかった。

まず、図１の構造ではシールドケースを取り付けられなくなり、耐ノイズ性が損なわれる課題が想定される。

しかし、シールドケースのない図１の構成のキャパシタユニットで様々なノイズ試験を実施したところ、特にノイズによる誤動作が認められず、シールドケースがなくても十分な耐ノイズ性が確保されていることを確認した。

従って、回路基板７に設けた各種ノイズ対策部品（図示せず）があれば十分であり、シールドケースは必ずしも必要でなくなった。その結果、基板を１枚化しても問題がなくなった。

このようにノイズの観点のみからではシールドケースを廃し、回路基板７を１枚化することで低コスト化が図れることがわかった。

しかし、このような構造とすることで次に課題となったのが熱応力の問題であった。

従来の構成では前記した通り、回路基板７への熱応力の影響を避けるために回路基板７を片持ち梁状にケース６へ固定して熱応力の問題を回避していた。

一方、本実施の形態１では回路基板７が大きくなり、従来のように片持ち梁状には固定できないため、図１に示したように６本のネジ１０で固定している。

この状態で熱衝撃試験によりキャパシタユニットに熱応力を与えると、回路基板７が６ヶ所で（内４ヶ所は回路基板７に図示しないネジで固定されたホルダー２を介して）ケース６に固定されているので回路基板７への応力は避けられず、回路基板７そのものや実装した回路部品、半田付け部分等が劣化し、信頼性が損なわれることがわかった。

そこで、回路基板７への熱応力を避けるために、図３（ａ）（図１の縦長楕円形点線部分の拡大断面図）に示すように基板穴２６の直径がワッシャ２７の内径より大きく、かつ、外径より小さい構造とした。

これにより、ネジ１０と基板穴２６には図３（ａ）に示したように必ず隙間が形成され、また、ワッシャ２７を介しているのでネジ１０が直接回路基板７に当接して固定されることがなくなる。

一方で、ホルダー２はケース６に対して直接ネジ１０で固定されている。しかもホルダー２で挟持されたキャパシタ１という重量物を回路基板７の一辺側に実装しているので、ホルダー２はケース６に対して強固に固定されることになる。

従って、熱応力が回路基板７に加わると、ホルダー２側の固定部分は動かず、キャパシタ１から最も遠い回路基板７の一辺の両端近傍に設けた基板穴２６には図３（ａ）で示した隙間が形成されているので、この部分で熱による膨張収縮を吸収する。これは回路基板７が直接ネジ１０で固定されていないので、ワッシャ２７と回路基板７の接触面、および回路基板７とネジ受け部１１の接触面で図３（ａ）の水平方向に回路基板７がずれ動くことができるためと想定される。

実際に上記構造のキャパシタユニットを熱衝撃試験にかけたところ、回路基板７や実装した回路部品、半田付け部分等の劣化は発生せず、信頼性が高いことを確認した。

このようにネジ１０の固定方法をホルダー穴２８の部分と基板穴２６の部分で違える構造とすることにより、従来の片持ち梁構造と同様に熱応力の影響を低減することができる。

なお、ネジ受け部１１の構造は図３（ｂ）に示したように、その先端にネジ受け突起部２９を設けてもよい。

これにより図３（ａ）に比べ基板穴２６の隙間部分は減るものの、キャパシタユニット製造時に回路基板７をケース６に挿入した時にネジ受け突起部２９により位置決めがしやすくなる効果がある。

もちろん、この場合、図３（ｂ）に示すように熱応力を吸収するのに十分な隙間が形成されるように、ネジ受け突起部２９はネジ山の外径より僅かに大きく、かつ、回路基板７の厚さより僅かに低い必要最低限の寸法としている。

以上の構造を採用することによって初めて、回路基板７の１枚化を行っても熱応力の影響を受けないキャパシタユニットが構成でき、その結果、本構成を基本として低コスト化が図れることがわかった。

なお、車両メーカーの設計によってキャパシタユニットが設置される場所が異なる可能性があり、場合によってはキャパシタユニットがさらされる温度変化幅がさらに広がり、熱応力が厳しくなることが想定される。

その場合、上記基本構成では熱応力を十分回避できない可能性がある。

そこで、さらに厳しい条件にも対応するため、図１に示したように、回路基板７にキャパシタ１の実装部と、その他の回路部品実装部の間に一列に並んだ複数の穴、特に細長穴７０１を設けた。

このように構成することで、熱による膨張収縮が回路基板７に加わっても、細長穴７０１の幅が拡大縮小することで吸収され、前記した基板穴２６の効果も加え二重に吸収される。

従って、上記構成とすることで、さらに厳しい条件下でも１枚基板のキャパシタユニットを使用することができる。

なお、本実施の形態１では細長穴７０１を設けたが、この形状は細長に限らず丸形状などでもよい。

また、細長穴７０１は本実施の形態１では一列としたが、これは複数列設けてもよい。この場合、特に細長穴７０１の位置を各列でずらすように配置すると、一列の場合隣り合う細長穴７０１の間部分（穴の無い部分）では吸収できなかった回路基板７の熱による膨張収縮を別の列の細長穴７０１が吸収するので、回路基板７の列方向に渡って均等に吸収することができ、回路基板７の熱応力による信頼性をさらに向上させることができる。

次に、上記以外の低コスト化の構造としてヒートシンク８の構造について説明する。

図８に示した従来のヒートシンク８は回路基板７に対しネジ固定されているが、そのために回路基板７に設けたヒートシンク８の取り付け穴（図示せず）に対応してヒートシンク８にネジ穴（図示せず）を設けていた。

同様に、ヒートシンク８に発熱部品を取り付ける部分にも発熱部品の固定ネジ用のネジ穴（図示せず）を設けていた。

これら多くのネジ穴はいずれも切削によりヒートシンク８の１つ１つに加工して形成していたため、加工費用が高価になっていた。

そこで、本実施の形態１ではヒートシンク８のネジ穴に代わって図４に示すように複数（本実施の形態１では２本）の溝３０ａ、３０ｂを設けた点が特徴である。

ヒートシンク８に発熱素子２３を取り付ける際には発熱素子２３の取り付け穴と溝３０ａの位置を合わせてタップネジ３１を締めこむ。溝３０ａの幅はタップネジ３１のネジ山より小さくしてあるので、タップネジ３１を締めこむことにより溝３０ａがタップネジ３１により削られながら締めこまれていく。

このような構成とすることで、従来のようにネジ穴を設けることなく発熱素子２３をヒートシンク８に固定することができる。

このようにして発熱素子２３を固定したヒートシンク８は図５（図４の点線部断面図）に示すように回路基板７に設けたヒートシンク８の取り付け穴７０２と溝３０ｂの位置を合わせてタップネジ３１を締めこむ。これにより上記したようにタップネジ３１が溝３０ｂを削りながら締めこまれて両者が固定される。

ヒートシンク８に設けた溝３０ａ、３０ｂは切削で形成すると加工費が高価であることに変わりないため、本実施の形態１では押し出し成型により形成した。これにより、高コストの切削加工は一切不要となった。

なお、押し出し加工がしやすいヒートシンク用金属として本実施の形態１ではアルミニウムを用いた。

よって、アルミニウムを複数の溝付きの型に押し込むことにより所定の外形、溝本数、溝寸法が同時に加工形成されたヒートシンク８の原形（長尺物）ができる。後はヒートシンク８に必要な長さ毎に切断されば極めて安価にヒートシンク８を形成することができる。

また、溝３０ａ、３０ｂを設けたことにより、溝３０ａ、３０ｂが存在する位置であれば、回路基板７に設けるヒートシンク８の取り付け穴７０２の間隔や発熱素子２３の取り付け位置を自由に変更できるので、配線パターンの設計変更等に対して容易に安価に対応することができるという効果も有する。

以上の構成により、シールドケースを取り除いて１枚化した回路基板を用い、さらに、簡単な製法、構造のヒートシンクを採用することにより、従来に比べノイズ特性や熱応力による信頼性への影響を受けずに、明らかに低コストなキャパシタユニットを実現することができた。

なお、本実施の形態１ではキャパシタ１を直並列に接続したが、これは使用するシステムに要求される電力仕様に応じて直列のみ、または並列のみに接続してもよい。

（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２におけるキャパシタユニットの一部分解斜視図である。図７は本発明の実施の形態２におけるキャパシタユニットのホルダーの回路基板への取り付け部分の一部断面図である。

なお、各図において、実施の形態１と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明を省略する。

また、本実施の形態２は１２個のキャパシタ１を直並列接続した例を示す。

本実施の形態２の特徴は、図６において回路基板７に設けたスナップフィット穴３２に、ホルダー２に設けたスナップフィット突起部３３を挿入することにより両者を固定し、かつ、ホルダー２の回路基板７側には複数の突起３４（本実施の形態２では２個）を設けた点である。

なお、スナップフィットとは図７（図６の点線部分の一部断面拡大図）に示すように、先端をテーパー加工し、前記テーパーの根元に段差を設けた構成からなる突起部を、それより大きい対向穴に挿入することで、突起部のバネ性により段差が対向穴に当接し機械的に接続される手法であり、以下、先端をテーパー加工しその根元に段差を設けた突起部をスナップフィット突起部３３、対向穴をスナップフィット穴３２という。

このように固定することで、スナップフィット突起部３３と突起３４により回路基板７を挟み込む構成となる。

この構成により、スナップフィット突起部３３と突起３４はホルダー２と一体成型されているので、ホルダー２を回路基板７に固定する際に実施の形態１で使用したネジが不要となる上、挿入するだけで固定できるので、ネジを締める工程が不要となり、部品削減、工数削減の両面から低コスト効果が得られる。

また、このような構成とすることで、実施の形態１に対しさらに熱応力に対する回路基板７への影響が改善される。これは以下の理由による。

図６に示すように、ホルダー２はケース６に対してはホルダー穴２８を介してネジ１０で直接固定されているが、回路基板７に対してはスナップフィット突起部３３のバネ性によって固定されているのみなので、実施の形態１のようにホルダー２が回路基板７にネジで強固に固定されていない。

従って、熱応力が印加されると、ケース６からホルダー２へは直接応力が印加されるものの、ホルダー２から回路基板７へは、スナップフィット突起部３３とスナップフィット穴３２に嵌合時の隙間が存在するので、この隙間で熱応力を吸収することができる。なお、突起３４は回路基板７に２ヶ所で接しているのみなので、突起３４が回路基板７全体に直接熱応力を伝えることはない。

さらにホルダー２には複数のキャパシタ１が挿入されているが、そのリード線３は図７に示すようにクランク状の曲げ加工部２１が形成されているため、実施の形態１と同様に曲げ加工部２１のバネ性により熱応力を吸収することができる。

これらのことから、回路基板７をケース６にネジ１０で固定する際に、基板穴２６を介してケース６に固定する２ヶ所のネジ止め部分と、ホルダー穴２８を介してケース６に固定する２ヶ所のネジ止め部分の間にはスナップフィット突起部３３とスナップフィット穴３２の隙間、およびキャパシタ１の曲げ加工部２１が、いわばクッションの役割を果たして効果的に熱応力を吸収している。

以上の構成により、実施の形態１で述べた基板穴２６や細長穴７０１による熱応力の吸収に加え、上記した熱応力吸収構造を適用することで十分な熱応力低減効果を確保しつつ、スナップフィット構造によるさらなる低コスト化が可能なキャパシタユニットを実現することができた。

本発明にかかるキャパシタユニットは、全ての回路部品が１枚の回路基板に実装され、それをケースに収納するだけの構造とすることが可能になるので低コスト化が図れ、特に車両の制動を電気的に行う電子ブレーキシステム等に利用される非常用電源等として有用である。

本発明の実施の形態１におけるキャパシタユニットの一部分解斜視図 本発明の実施の形態１におけるキャパシタユニットの回路基板へのキャパシタ接続部拡大図 本発明の実施の形態１におけるキャパシタユニットの回路基板とケースの接続部断面図であり、（ａ）ネジ受け突起部なしの断面図、（ｂ）ネジ受け突起部ありの断面図 本発明の実施の形態１におけるキャパシタユニットの発熱部品を取り付けたヒートシンクの斜視図 本発明の実施の形態１におけるキャパシタユニットの回路基板に取り付けたヒートシンクの断面図 本発明の実施の形態２におけるキャパシタユニットの一部分解斜視図 本発明の実施の形態２におけるキャパシタユニットのホルダーの回路基板への取り付け部分の一部断面図 従来のキャパシタユニットの一部分解斜視図 従来のキャパシタユニットのシールドケースの分解斜視図

符号の説明

１ キャパシタ
２ ホルダー
３ リード線
６ ケース
７ 回路基板
８ ヒートシンク
１０ ネジ
１１ ネジ受け部
２１ 曲げ加工部
２３ 発熱部品
２６ 基板穴
２７ ワッシャ
２８ ホルダー穴
２９ ネジ受け突起部
３０ａ、３０ｂ 溝
３１ タップネジ
３２ スナップフィット穴
３３ スナップフィット突起部
３４ 突起
７０１ 細長穴

Claims (9)

1. 複数のキャパシタと、
   前記キャパシタの胴部を挟持するホルダーと、
   同一基板上に、前記キャパシタに充放電を行う充放電回路、および前記キャパシタの状態を検出するためのキャパシタ状態検出回路を設けるとともに、前記キャパシタを電気的に直列、または、並列、または、直並列に接続実装する回路基板と、
   前記回路基板を収納するケースからなり、
   前記回路基板は、前記回路基板に設けた基板穴、ワッシャを介してネジを前記ケースに設けたネジ受け部に締めるとともに前記ホルダーに設けたホルダー穴を介してネジを前記ネジ受け部に締めることで前記ケースに取り付けられ、
   前記基板穴の直径は前記ワッシャの内径より大きく、かつ、外径より小さくしたキャパシタユニット。
2. ネジ受け部にはネジ山の外径より僅かに大きく、かつ、前記回路基板の厚さより僅かに低いネジ受け突起部を設けた請求項１に記載のキャパシタユニット。
3. ホルダーで挟持されたキャパシタを回路基板の一辺側に実装し、前記キャパシタから最も遠い前記回路基板の一辺の両端近傍に基板穴を設けた請求項１に記載のキャパシタユニット。
4. キャパシタのリード線は曲げ加工部を有し、
   前記曲げ加工部の先端が回路基板と電気的に接続された請求項１に記載のキャパシタユニット。
5. ホルダーにスナップフィット突起部を設け、
   前記スナップフィット突起部に対応する位置の回路基板にスナップフィット穴を設け、
   前記スナップフィット突起部を前記スナップフィット穴に挿入することによって、前記ホルダーが前記回路基板に固定される請求項４に記載のキャパシタユニット。
6. ホルダーの回路基板側には複数の突起を設けた請求項５に記載のキャパシタユニット。
7. 回路基板のキャパシタ実装部と、その他の回路部品実装部の間に少なくとも一列に並んだ複数の穴を設けた請求項１に記載のキャパシタユニット。
8. 回路基板は回路部品のうち発熱部品を取り付けるヒートシンクを有し、
   前記ヒートシンクには複数の溝が設けられ、
   前記溝にタップネジを締めることで前記回路基板および前記発熱部品をそれぞれ取り付ける請求項１に記載のキャパシタユニット。
9. ヒートシンクはアルミニウムからなり、前記ヒートシンクには押し出し成型により複数の溝が同時に形成される請求項８に記載のキャパシタユニット。

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