JP2007174863A - バスバー接続型電子回路装置及びその組み付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業性に優れ、かつ、パワー電子部品と放熱部材との間の熱抵抗増大を抑止可能なバスバー接続型電子回路装置及びその組み付け方法を提供すること。
【解決手段】共通のバスバー５の長手方向に配列された各パワー電子部品２〜４のうちの両端側の２つのパワー電子部品２、３を金属ケース（放熱部材）１及びバスバー５に取り付けた場合に、中央側のパワー電子部品４の設置位置にて金属ケース１とバスバー５との間に生じる部品設置空間の高さは、この部品設置空間に設けられる中央側のパワー電子部品４の高さよりも高く設定される。これにより、各パワー電子部品間の高さ方向の寸法ばらつきによる各パワー電子部品の放熱性の悪化を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の更に好適には多数のパワー電子部品を互いに平行なバスバー及び放熱部材に締結してなる電力用電子回路装置及びその組み付け方法の改良に関する。

従来、たとえば電気自動車用モータ制御装置や車両用DC-DCコンバータなど電力消費が大きいパワー電子部品を複数用いる電力用電子回路装置では、これらパワー電子部品の上面に設けられた端子部にバスバーを接続するとともに、各パワー電子部品の底面を金属放熱板や金属ケースの底板部に固定することによりそれらの放熱を図ることが一般的である。

したがって、この種の電力用電子回路装置（パワー電子回路装置）では、バスバーの少なくとも端子接続部分は、金属放熱板や金属ケースなどの放熱部材の上面に平行に配設されることになる。もちろん、各パワー電子部品の高さに合わせてバスバーのパワー電子部品間の部位に段差を設けたり、放熱部材の上面に段差を設けても良い。なお、この明細書で言う上下は便宜上の方向であって、装置全体を空間的に所定角度回転した状態にて組み付けることを妨げるものではない。

従来におけるこの種の電力用電子回路装置の典型的な組み付け工程を図１０〜図１２を参照して説明する。

まずたとえば金属ケース１の底面に各パワー電子部品２〜４を締結などにより固定し（図１０）、次に、各パワー電子部品２〜４の雌ねじ孔をバスバー５の貫通孔とを合わせ（図１１）、次に、これらの孔にボルト又は雄ねじを螺入して、バスバー５の固定並びにバスバー５と各パワー電子部品２〜４との電気的接続を完了する（図１２）。この種の電力用電子回路装置の一例が、本出願人により出願された下記の特許文献１に記載されている。
特開２００２−８３９１５号公報

しかしながら、上記した従来のバスバー接続型電子回路装置では、次に説明する問題が生じる場合があることがわかった。すなわち、各パワー電子部品の高さのばらつきにより、各パワー電子部品をたとえば金属放熱板の上面や金属ケースの底面に締結し、かつ、バスバーを各電子部品の端子部に締結した場合に、各パワー電子部品とたとえば金属ケースの底面との間の熱伝導性がばらつくという現象が生じた。

更に具体的に説明すると、相対的に高さが大きいパワー電子部品はバスバーの弾性変形により金属ケースの底面に強く押しつけられて良好に熱伝導を確保できるものの、相対的に高さが小さいパワー電子部品には逆に金属ケースの底面から離れる力が働き、パワー電子部品の底面と金属ケースの底面との間の熱伝導性が低下し、その結果として相対的に高さが小さい電子部品の温度が上昇して、その寿命劣化などを生じる可能性が生じた。

上記した相対的に高さが小さい電子部品の底面と金属ケースの底面との間の熱抵抗増大問題は特に、バスバーの長手方向に配列された多数のパワー電子部品のうちの両端側の２つのパワー電子部品の高さが中央側のパワー電子部品の高さより実質的に小さい場合に顕著となる。すなわち、この場合には、中央側のパワー電子部品にはその両側のパワー電子部品からそれぞれバスバーを通じて上方へ引っ張られるため金属ケースの底面から離れようとする力が倍増することになる。

また、上記した金属放熱板や金属ケースとバスバーとの組み付けられるパワー電子部品における従来の組み付け方法は、まず各パワー電子部品を金属放熱板の上面や金属ケースの底面に締結し、その後、金属放熱板に締結された各パワー電子部品の端子部にバスバーを締結していた。

この組み付け方法では、各パワー電子部品を一つ一つ金属ケースの底面の所定の位置に合わせてから締結する必要があるため、位置合わせ作業が複雑となり、そのうえ各パワー電子部品と金属ケースの底面との組み付け位置のばらつきが各パワー電子部品の端子部の位置ばらつきを増大させるため、端子部とバスバーとの締結が面倒となるという問題も生じた。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、作業性に優れ、かつ、パワー電子部品と放熱部材との間の熱抵抗増大を抑止可能なバスバー接続型電子回路装置及びその組み付け方法を提供することをその目的としている。

上記問題点を解決する第１発明のバスバー接続型電子回路装置は、複数のパワー電子部品と、前記各パワー電子部品が上面に締結された金属製の放熱部材と、前記各パワー電子部品の上面の端子部に締結されて各パワー電子部品を電気的に接続するバスバーとを備え、前記バスバーの少なくとも前記パワー電子部品との締結部は、前記放熱部材の上面のうち少なくとも前記パワー電子部品の底面に接触する部分に対して略平行に配置される電力用電子回路装置において、共通の前記バスバーの長手方向に配列された３個以上の前記パワー電子部品のうちの両端側の２つの前記パワー電子部品を前記放熱部材及び前記バスバーに取り付けた場合に、中央側の前記パワー電子部品の設置位置にて前記放熱部材と前記バスバーとの間に生じる空間である部品設置空間の高さは、この部品設置空間に設けられる中央側の前記パワー電子部品の高さよりも低く設定されていることを特徴としている。

すなわち、この発明では、たとえば一列に並んだ３つのパワー電子部品のうち両端側のパワー電子部品をバスバー及び放熱部材に締結した状態にて、中央側のパワー電子部品の位置にてバスバーと放熱部材との間に形成される空間として定義される部品設置空間は、この中央側のパワー電子部品よりも低くなるように、各パワー電子部品の高さの製造公差を設定する。

これによりバスバーが曲げ変形して、バスバーの長手方向両端側のパワー電子部品にはバスバーにより放熱部材から離れる方向の応力が掛かり、バスバーの長手方向中央側のパワー電子部品にはバスバーにより放熱部材に押しつけられる方向の応力が掛かる。

このようにすれば、長手方向中央側のパワー電子部品にはその両側から強い押しつけ力が掛かるため、パワー電子部品と放熱部材との間の熱抵抗を良好に低減することができる。その代わりとして、バスバーの長手方向両端側のパワー電子部品にはバスバーの弾性変形により放熱部材から離れる方向への力が働くことになるが、この力はバスバーの長手方向中央側に高さが小さいパワー電子部品を設ける場合に比べて小さいため、放熱性の悪化は相対的に小さくすることができる。

すなわち、バスバーの長手方向中央側に高さが小さいパワー電子部品を設ける場合にはバスバーは高さが高い二つのパワー電子部品に両端支持されて大きな弾性力を中央側のパワー電子部品に掛けるが、バスバーの長手方向両端側に高さが小さいパワー電子部品をそれぞれ設ける場合にはバスバーは中央側の高さが高い一つのパワー電子部品に一端支持されて両端側の二つのパワー電子部品にそれぞれ小さい弾性力（放熱部材から離れる向き）を掛けることになり、両端側のパワー電子部品を放熱部材に締結する力によりそれと対抗して十分良好に両端側のパワー電子部品と放熱部材との密着性を確保することができる。

好適な態様において、前記バスバーの長手方向両端側の前記パワー電子部品よりも大発熱のパワー電子部品を前記バスバーの中央側に配置する。すなわち、既述したように中央側のパワー電子部品はバスバーにより強く放熱部材に押しつけられるため、両端側のパワー電子部品よりも相対的に優れた単位面積あたりの放熱性をもつ。このため、両端側よりも相対的に大発熱部品（あるいは温度上昇が好ましくない）パワー電子部品を中央側に配置することにより、その温度上昇を抑止することができる。

上記問題点を解決する第２発明のバスバー接続型電子回路装置は、多数のパワー電子部品と、前記各パワー電子部品が上面に締結された金属製の放熱部材と、前記各パワー電子部品の上面の端子部に締結されて各パワー電子部品を電気的に接続するバスバーとを備え、前記バスバーの少なくとも前記パワー電子部品との締結部は、前記放熱部材の上面のうち少なくとも前記パワー電子部品の底面に接触する部分に対して略平行に配置される電力用電子回路装置において、前記バスバーは、前記複数の前記パワー電子部品と前記放熱部材との締結部の上方に設定された空間である放熱部材締結用空間を避けて前記パワー電子部品に締結されていることを特徴としている。

すなわち、この発明では、バスバーに各パワー電子部品を予め締結してなる部品アセンブリの各パワー電子部品をバスバーに邪魔されることなく、放熱部材に締結することができる。更に具体的に言うと、各パワー電子部品は、バスバーの側方に確保された放熱部材締結用空間を通じて上下方向に挿入される締結用工具により締結される。

このため、各パワー電子部品を個々に放熱部材に締結する工程を省略することができる。すなわち、各パワー電子部品をバスバーに接続することにより、各パワー電子部品間の相対空間位置が確定するため、バスバーと放熱部材とを位置合わせするだけで、各パワー電子部品と放熱部材との位置を確定することができるわけである。また、各パワー電子部品を放熱部材に締結する工程を、一括して行うことができ、締結作業を簡素化することができる。

好適な態様において、前記各パワー電子部品に前記バスバーを締結してサブアセンブリを構成する第１工程と、その後、このサブアセンブリを前記放熱部材の上方の所定位置にセットする第２工程と、その後、前記サブアセンブリの前記各パワー電子部品を前記放熱部材に締結する第３工程とを有する。

すなわち、この組み付け方法によれば、既述したように、バスバー接続された各パワー電子部品の放熱部材への位置合わせ作業を簡素化することができ、組み付けコスト及び組み付け時間を減らすことができる。

好適な態様において、前記各パワー電子部品間の相対位置に前記バスバーへの締結前の前記各パワー電子部品をセットする部品位置決定用の治具を準備し、前記第１工程は、前記各パワー電子部品を前記治具にセットして前記各パワー電子部品間の相対位置をあらかじめ確定した後、前記バスバーを前記パワー電子部品に締結する。

すなわち、この態様によれば、各パワー電子部品をバスバーに締結する前に行う各パワー電子部品間の相対位置の設定を、放熱部材の主面と平行な面内に各パワー電子部品が嵌め込み可能な孔をもつ枠材により構成された部品位置決定用の治具を用いて行うため、極めて容易に各パワー電子部品間の相対位置合わせ作業を行うことができる。更に、各パワー電子部品をこの枠材にセットした状態にてバスバーを各パワー電子部品に締結すれば、この締結作業時における各パワー電子部品の保持を行うことができるため、更に組み付け作業の簡素化を実現することができる。

結局、この発明は、バスバー接続型電子回路装置では、締結後のバスバーが各パワー電子部品間の相対位置を保持することを利用して、各パワー電子部品への放熱部材の締結作業を簡素化することである。

本発明のバスバー接続型電子回路装置の好適な態様を以下の実施形態を参照して説明する。なお、本発明が下記の実施形態に限定されるものでなく、本発明を他の公知技術等の組み合わせにより実施してもよいことは当然である。また、下記の説明にて、上下方向は便宜的に設定したものに過ぎないことに留意されたい。

（実施形態１）
実施形態１のバスバー接続型電子回路装置をその縦断面である図１を参照して以下に説明する。

１は金属ケース、２〜４はパワー電子部品、５はバスバー、６〜９は部品締結用のボルト、１０〜１３はバスバー締結用のボルトである。金属ケース１は、たとえばアルミ合金厚板をプレスなどにより成形してなり、上端が開口している。金属ケース１の底面１Ａには、パワー電子部品２〜４がボルト６〜９により締結されている。パワー電子部品２〜４は、パワー半導体スイッチング素子モジュール、トランス、電力コンデンサ、リアクトルなど電力消費が大きい電子部品により構成されている。バスバー５は、樹脂コートされた銅板を所定形状に切断加工してなり、パワー電子部品２〜４の上面に設けられた雌螺子孔をもつ端子部（図示せず）にボルト１０〜１３により締結されている。この実施形態では、組み付け前において、バスバー５は平坦な金属ケース１の底面１Ａと平行な長尺板とされている。パワー電子部品２〜４はバスバー５の長手方向に配列されており、左端側のパワー電子部品２の高さはＬ２、中央側のパワー電子部品４の高さはＬ１、右端側のパワー電子部品３の高さはＬ３とされている。

この実施例の特徴は、中央側のパワー電子部品４の高さＬ１を両端側のパワー電子部品２、３の高さＬ２、Ｌ３よりも製造公差を含んで等しいかあるいは所定量α未満だけ高く設定した点にある。所定量αは、バスバー５の弾性変形力に対応して決定されるが、好適には、０．５〜５ｍｍとされることが好適である。これにより、中央側のパワー電子部品４の位置にて、バスバー５の下面と金属ケース１の底面との間には略（Ｌ２＋Ｌ３）／２の高さの空間（本発明で言う部品設置空間）Ｌxが形成される。

このようにすると、次の効果が得られる。図１に示すようにパワー電子部品２，３と金属ケース１の底面との間にはボルト１０〜１４を締結する前に隙間が生じるが、この隙間は、ボルト１０〜１４の締結によりバスバー５が金属ケース１の底面１Ａ側に変形して解消される。このバスバー５の変形のうちの弾性変形分は、中央側のパワー電子部品４を金属ケース１の底面１Ａ側に押しつけ、中央側のパワー電子部品４と金属ケース１の底面１Ａとの間の熱抵抗を低減させる。逆に、両端側のパワー電子部品２、３の底面は、このバスバー５の弾性変形分だけ金属ケース１の底面１Ａから離れようとするが、その力は、二つのパワー電子部品２、３に分散されて一つのパワー電子部品に掛かる力は小さくなるため、ボルト６〜９として大型のものを用いなくても、ボルト６〜９はこの力に対抗して両端側のパワー電子部品２、３を良好に金属ケース１の底面１Ａに締結することができる。また、各ボルト６〜９の締結のための回転トルクも小さくて良い。

このことは、両端側のパワー電子部品２、３をバスバー５と金属ケース１とに組み付けた時に中央側のパワー電子部品の位置で生じる空間（本発明で言う部品設置空間）の高さ略（Ｌ２＋Ｌ３）／２は、この部品設置空間に設置される中央側のパワー電子部品４の高さＬ１が両端側のパワー電子部品２、３の高さＬ２、Ｌ３以上とされているため、中央側のパワー電子部品４の高さＬ１よりも小さくなる。逆に言えば、中央側のパワー電子部品４の高さＬ１は部品設置空間略（Ｌ２＋Ｌ３）／２よりも高くなる。このため、パワー電子部品２〜４を金属ケース１の底面に組み付けた時、バスバー５の両端部は、それぞれ高さの差（Ｌ１―（Ｌ２＋Ｌ３）／２）だけ変形する。通常に老いて、この変形には塑性変形と弾性変形とが存在すると考えられるが、この弾性変形による剥離方向への力は、両端側のパワー電子部品２、３に分散して掛かるために、その悪影響が軽減されるわけである。なお、上記説明では、金属ケース１の底板部の曲げ変形は考慮していない。

また、この実施形態では、中央側のパワー電子部品４として、両端側のパワー電子部品２、３の消費電力より大きいパワー電子部品又は許容温度がより低いパワー電子部品を採用している。これにより、中央側のパワー電子部品４に要請される相対的な強力な冷却効果を簡単に実現することができる。

なお、パワー電子部品２〜４と金属ケース１の底面１Ａとの間に電気絶縁シートなどの介在部材を配置してもよく、この場合には、パワー電子部品２〜４の高さはこれら介在部材を含んで算出されるべきである。

（変形態様）
図２のバスバー接続型電子回路装置は、図１の装置において、金属ケース１の底面１Ａのうち、中央側のパワー電子部品４の載置面を両端側のパワー電子部品２、３の載置面よりもＬ４だけ高くする段差を金属ケース１の底面１Ａに設けたものである。この場合には、パワー電子部品４の高さとしてこの段差高さＬ４を含ませれば、実施形態１と同じ関係が成り立つことは明白である。

（変形態様）
図３のバスバー接続型電子回路装置は、図１の装置において、金属ケース１の底面１Ａのうち、中央側のパワー電子部品４の載置面を両端側のパワー電子部品２、３の載置面よりもＬ４だけ低くする溝を金属ケース１の底面１Ａに設けたものである。この場合には、パワー電子部品４の高さとしてこの段差高さＬ４を差し引けば、実施形態１と同じ関係が成り立つことは明白である。

（変形態様）
図４のバスバー接続型電子回路装置は、図２の装置において更に、金属ケース１の底面１Ａのうち、右端側のパワー電子部品３の載置面を両端側のパワー電子部品２、３の載置面よりもＬ５だけ高くする段差を金属ケース１の底面１Ａに設けたものである。この場合にも、パワー電子部品５の高さとしてこの段差高さＬ５を含ませれば、実施形態１と同じ関係が成り立つことは明白である。

（変形態様）
図５のバスバー接続型電子回路装置は、図２の装置において更に、金属ケース１の底面１Ａのうち、右端側のパワー電子部品３の載置面を両端側のパワー電子部品２、３の載置面よりもＬ５だけ低くする溝を金属ケース１の底面１Ａに設けたものである。この場合にも、パワー電子部品５の高さとしてこの段差高さＬ５を差し引けば、実施形態１と同じ関係が成り立つことは明白である。

（変形態様）
図６のバスバー接続型電子回路装置は、図１の装置において更に、バスバー５のうち、中央側のパワー電子部品４との接続部の高さを両端側のパワー電子部品２、３のバスバー５との接続部の高さよりもΔＬ（図示せず）だけ高くしたものである。この場合には、パワー電子部品４の高さＬ１からこのバスバー段差ΔＬを差し引けば、実施形態１と同じ関係が成り立つことは明白である。

（組み付け工程の説明）
次に、この装置の組み付け工程を図７〜図９を参照して説明する。

図７は、各パワー電子部品２〜４にバスバー５を組み付ける工程を示す。

１４は、各パワー電子部品２〜４間の相対位置を決定し、かつ、各パワー電子部品２〜４をこの相対位置を確保しつつ保持する部品位置決定用の治具である。この治具１４には、穴あき金属板を用いることが好適である。すなわち、治具１４には、各パワー電子部品２〜４の底面が密着する平坦な上面１５〜１７と、各パワー電子部品２〜４の側面に密着する側面１８〜２２とをもつ部品保持溝部２３〜２５を有している。なお、部品保持溝部２３〜２５への各パワー電子部品２〜４のセット（降下）を容易とするために、部品保持溝部２３〜２５の上端周縁にはテーパが形成されている。

この実施形態では、図７に示すように、治具１４にはボルト６〜９の先端部を囲む貫通孔（溝でもよい）が設けられている。これにより、ボルト６〜９を予め各パワー電子部品２〜４にセットした状態にて、各パワー電子部品２〜４を治具１４の各部品保持溝部２３〜２５に個別にセットすることができる。

各パワー電子部品２〜４を治具１４の各部品保持溝部２３〜２５に降下させ、セットした後、治具１４の上方空間にバスバー５を移動させ、その後、このバスバー５を治具１４に対して水平方向所定位置にセットする。これにより、各パワー電子部品２〜４の端子部の雌螺子孔２６〜２９とバスバー５の貫通孔３０〜３３とを位置合わせすることができるため、ボルト締結工具を用いて、ボルト１０〜１４を締結することによりバスバー５と各パワー電子部品２〜４との締結が完了する。

次に、治具１４を各パワー電子部品２〜４から引き離し、各パワー電子部品２〜４とバスバー５とからなるアセンブリ３４を図８に示す金属ケース１の上方に移動し、このアセンブリ３４と金属ケース１との水平方向の位置合わせを行い、その後、ボルト６〜９を締結すればよい。

ここで重要なことは、バスバー５の側方において、ボルト６〜９を締結するためのボルト締結工具が上方からボルト６〜９を締結する位置まで降下し、締結完了後、再度上昇するための作業空間（放熱部材締結用空間）が確保されていることである。つまり、この実施形態では、バスバー５をこの放熱部材締結用空間に配置することが禁止される。これにより、上記した多数のパワー電子部品をバスバー及び金属ケースに極めて簡単に組み付けることが可能となる。バスバーの平面形状を図９に図示する。

なお、この実施例では、各パワー電子部品２〜４の放熱部材として金属ケース１を採用したが、たとえば平板状の金属放熱板としてもよいことは明白である。

実施例１の電子回路装置を示す縦断面図である。 変形態様の電子回路装置を示す縦断面図である。 変形態様の電子回路装置を示す縦断面図である。 変形態様の電子回路装置を示す縦断面図である。 変形態様の電子回路装置を示す縦断面図である。 変形態様の電子回路装置を示す縦断面図である。 図１の電子回路装置の組み付け工程を示す縦断面図である。 図１の電子回路装置の組み付け工程を示す縦断面図である。 図１の電子回路装置の要部平面図である。 従来の電子回路装置の組み付け工程を示す縦断面図である。 従来の電子回路装置の組み付け工程を示す縦断面図である。 従来の電子回路装置の組み付け工程を示す縦断面図である。

符号の説明

１は金属ケース、２〜４はパワー電子部品、５はバスバー、６〜９は部品締結用のボルト、１０〜１３はバスバー締結用のボルト、１４は部品位置決定用の治具、２３〜２５は部品保持溝部２３〜２５である。

Claims (5)

1. 複数のパワー電子部品と、
   前記各パワー電子部品が上面に締結された金属製の放熱部材と、
   前記各パワー電子部品の上面の端子部に締結されて各パワー電子部品を電気的に接続するバスバーと、
   を備え、
   前記バスバーの少なくとも前記パワー電子部品との締結部は、前記放熱部材の上面のうち少なくとも前記パワー電子部品の底面に接触する部分に対して略平行に配置されるバスバー接続型電子回路装置において、
   共通の前記バスバーの長手方向に配列された３個以上の前記パワー電子部品のうちの両端側の２つの前記パワー電子部品を前記放熱部材及び前記バスバーに取り付けた場合に、中央側の前記パワー電子部品の設置位置にて前記放熱部材と前記バスバーとの間に生じる空間である部品設置空間の高さは、この部品設置空間に設けられる中央側の前記パワー電子部品の高さよりも低く設定されていることを特徴とするバスバー接続型電子回路装置。
2. 請求項１記載のバスバー接続型電子回路装置において、
   前記バスバーの長手方向両端側の前記パワー電子部品よりも発熱が大きいパワー電子部品を前記バスバーの中央側に配置するバスバー接続型電子回路装置。
3. 複数のパワー電子部品と、
   前記各パワー電子部品が上面に締結された金属製の放熱部材と、
   前記各パワー電子部品の上面の端子部に締結されて各パワー電子部品を電気的に接続するバスバーと、
   を備え、
   前記バスバーの少なくとも前記パワー電子部品との締結部は、前記放熱部材の上面のうち少なくとも前記パワー電子部品の底面に接触する部分に対して略平行に配置されるバスバー接続型電子回路装置において、
   前記バスバーは、前記複数の前記パワー電子部品と前記放熱部材との締結部の上方に設定された空間である熱部材締結用空間を避けて前記パワー電子部品に締結されていることを特徴とするバスバー接続型電子回路装置。
4. 請求項３記載のバスバー接続型電子回路装置の組み付け方法において、
   前記各パワー電子部品に前記バスバーを締結してサブアセンブリを構成する第１工程と、
   その後、このサブアセンブリを前記放熱部材の上方の所定位置にセットする第２工程と、
   その後、前記サブアセンブリの前記各パワー電子部品を前記放熱部材に締結する第３工程と、
   を有することを特徴とするバスバー接続型電子回路装置の組み付け方法。
5. 請求項４記載のバスバー接続型電子回路装置の組み付け方法において、
   前記各パワー電子部品間の相対位置に前記バスバーへの締結前の前記各パワー電子部品をセットする部品位置決定用の治具を準備し、
   前記第１工程は、
   前記各パワー電子部品を前記治具にセットして前記各パワー電子部品間の相対位置をあらかじめ確定した後、前記バスバーを前記パワー電子部品に締結することを特徴とするバスバー接続型電子回路装置の組み付け方法。

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