JP2010182584A

JP2010182584A - コネクタの嵌合構造およびそれを用いた電気機器

Info

Publication number: JP2010182584A
Application number: JP2009026399A
Authority: JP
Inventors: Shuji Nagano; 周二永野; Masafumi Nishigaya; 雅文西ヶ谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】容易に挿入が可能なコネクタの嵌合構造を提供する。
【解決手段】コネクタの嵌合構造は、複数の孔（１０ｈ）が設けられたケース（１０）と、複数の孔（１０ｈ）の各々に嵌合するコネクタ（２１，２２，２３）とを有する雄コネクタ（２０）と、孔（１０ｈ）とコネクタ（２１，２２，２３）との間に介在するシール部材としての密封体（５１，５２，５３）とを備える。コネクタ（２１，２２，２３）の各々はテーパ面（２１ｔ，２２ｔ，２３ｔ）を有する。あるテーパ面が密封体に接触した後に他のテーパ面が密封体に接触するように各々のテーパ面（２１ｔ，２２ｔ，２３ｔ）の位置がずれている。
【選択図】図２

Description

この発明は、コネクタの嵌合構造に関し、より特定的には、電気機器に用いられるコネクタの嵌合構造に関するものである。

従来、コネクタの嵌合構造は、たとえば特開２００５−１９１８８号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２００５−１９１８８号公報

従来の技術では、シール部にコネクタを挿入する際の荷重が大きくなりやすいという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、孔に挿入する際の荷重を小さくすることが可能なコネクタの嵌合構造およびそれを用いた電気機器を提供することを目的とする。

この発明に従ったコネクタの嵌合構造は、孔が設けられたケースと、孔に嵌合する突出部を有するコネクタと、孔ととの間に介在するシール部材とを備え、突出部はテーパ状の側面を有しシール部材の内周面は円形状であり、シール部材へのコネクタの挿入工程においてコネクタの外周面におけるテーパ状の側面の非円形状が円形状の内周面と接触する。

このように構成されたコネクタの嵌合構造では、コネクタの外周面が非円形状であるため、シール部材の内周面に対して点接触し、挿入初期の荷重を小さくすることができる。その結果、大きな力を加えることなく突出部を孔に嵌合させることができる。

好ましくは、ケースには複数の孔が設けられ、コネクタは複数の突出部を有し、複数の孔の各々に複数の突出部の各々が挿入される。

この発明に従った電気機器は、上述のいずれかのコネクタの嵌合構造を有する。

この発明に従えば、孔に挿入する際の荷重を小さくすることが可能なコネクタの嵌合構造およびそれを用いた電気機器を提供することができる。

この発明の実施の形態に従ったコネクタが用いられる車両における電気回路を示す図である。図１で示す回転電機２２００とインバータとの接続部分を拡大して示す断面図である。図２中の矢印ＩＩＩで示す方向から見た、ケース１０に設けられた孔１０ｈの平面図である。図２中のＩＶで囲んだ部分を拡大して示す、密封体４１を詳細に示す断面図である。図２中のＶで囲んだ部分を拡大して示す、コネクタ３１の大径部と小径部との境界を詳細に示す側面図である。図５中の矢印ＶＩ−ＶＩ線に沿った、コネクタ３１の大径部３１ｍの断面図である。図５中のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った、コネクタ３１の大径部３１ｍと小径部３１ｓとの境界部分の断面図である。図２で示すコネクタの嵌合構造の組立手順を説明するための、コネクタ２１−２３と、密封体５１−５３との嵌合状態を示す図である。雌コネクタの挿入時におけるコネクタ３１のテーパ面３１ｔと突起４１ａとの接触状態を示す図である。図９中のＸ−Ｘ線に沿った、突起４１ａとコネクタ３１との接触部分を示す断面図である。図９で示す状態からコネクタ３１をさらに深く差し込んだ状態を示す図である。図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った、突起４１ａとコネクタ３１との接触部分を示す断面図である。この発明に従った構造における挿入ストロークと挿入荷重との関係を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。また、各実施の形態を組み合わせることも可能である。

図１は、この発明の実施の形態に従ったコネクタが用いられる車両における電気回路を示す図である。図１を参照して、ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）２７００は、コンバータ２７１０と、インバータ２７２０と、制御装置２７３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、出力ライン２７４０Ｕ，２７４０Ｖ，２７４０Ｗとを含む。コンバータ２７１０は、バッテリ３０００とインバータ２７２０の間に接続され、インバータ２７２０は、出力ライン２７４０Ｕ，２７４０Ｖ，２７４０Ｗを介して回転電機２２００と接続される。

コンバータ２７１０に接続されるバッテリ３０００は、たとえばニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池である。バッテリ３０００は、発生した直流電圧をコンバータ２７１０に供給し、また、コンバータ２７１０から受ける直流電圧によって充電される。

コンバータ２７１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２とダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとからなる。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間
に直列に接続され、制御装置２７３０からの制御信号をベースに受取る。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリ３０００の正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ２７１０は、リアクトルＬを用いてバッテリ３０００から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。また、コンバータ２７１０は、インバータ２７２０から受ける直流電圧を降圧してバッテリ３０００を充電する。

インバータ２７２０は、Ｕ相アーム２７５０Ｕ、Ｖ相アーム２７５０ＶおよびＷ相アーム２７５０Ｗからなる。各相アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続される。Ｕ相アーム２７５０Ｕは、直列に接続されたパワートランジスタＱ３，Ｑ４を含み、Ｖ相アーム２７５０Ｖは、直列に接続されたパワートランジスタＱ５，Ｑ６を含み、Ｗ相アーム２７５０Ｗは、直列に接続されたパワートランジスタＱ７，Ｑ８を含む。ダイオードＤ３〜Ｄ８は、それぞれパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ライン２７４０Ｕ，２７４０Ｖ，２７４０Ｗを介してモータジェネレータとしての回転電機２２００の各相コイルの半中性点側にそれぞれ接続されている。

インバータ２７２０は、制御装置２７３０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換して回転電機２２００へ出力する。また、インバータ２７２０は、回転電機２２００によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

制御装置２７３０は、モータトルク指令値、回転電機２２００の各相電流値、およびインバータ２７２０の入力電圧に基づいて回転電機２２００の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ２７２０へ出力する。

また、制御装置２７３０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ２７２０の入力電圧を最適化するためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ２７１０へ出力する。

さらに、制御装置２７３０は、回転電機２２００によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ３０００を充電するため、コンバータ２７１０およびインバータ２７２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。

ＰＣＵ２７００においては、コンバータ２７１０は、制御装置２７３０からの制御信号に基づいて、バッテリ３０００から受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２に供給する。そして、インバータ２７２０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換して回転電機２２００へ出力する。

また、インバータ２７２０は、回転電機２２００の回生動作によって発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源ラインＰＬ２へ出力する。そして、コンバータ２７１０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリ３０００を充電する。

図２は、図１で示す回転電機２２００とインバータとの接続部分を拡大して示す断面図である。図２を参照して、回転電機２２００はケース１０内に収納されている。ケース１０は中空形状であり、その内部に回転電機２２００を収納する。

ケース１０に設けられた複数の孔１０ｈは等間隔で配置されており、それらの孔の中心間の距離はＬである。なお、この例では３つの孔１０ｈを設けているが孔１０ｈの数はこれに限られず、さらに多い、または少ない孔１０ｈを設けてもよい。

円筒状の孔１０ｈの入口部分は面取りがされている。孔１０ｈに雄コネクタ２０が嵌め合わせられている。雄コネクタ２０は３つの突出部としてのコネクタ２１，２２，２３を有する。コネクタ２１，２２，２３は互いに接続されており一体化されている。

コネクタ２１，２２，２３には、シール部材としての密封体５１，５２，５３がそれぞれ接続されている。

密封体５１は円筒形状であり、ケース１０とコネクタ２１との間に介在する。密封体５２は円筒形状であり、ケース１０とコネクタ２２との間に介在する。密封体５３は円筒形状であり、ケース１０とコネクタ２３との間に介在する。密封体５１，５２，５３の先端部が突起５１ａ，５２ａ，５３ａとなっており、コネクタ２１，２２，２３の外周面に当接している。

密封体５１，５２，５３は内部に金属のフレームが設けられており、そのフレームをゴムで取囲むように形成されている。

コネクタ２１の先端部の外径はＤ２１ａであり、中央部の外径はＤ２１ｂである。
外径Ｄ２１ｂは外径Ｄ２１ａよりも大きい。

コネクタ２１の外周面にはテーパ面２１ｔが設けられている。
コネクタ２２にはテーパ面２２ｔが設けられている。コネクタ２３の外周面にはテーパ面２３ｔが設けられている。

テーパ面２２ｔを基準として、テーパ面２３ｔの位置は距離Ｌｄ、テーパ面２１ｔの位置は距離Ｌｃだけずれている。

コネクタ２１，２２，２３には、それぞれ雌コネクタ３０を構成するコネクタ３１，３２，３３が嵌まり合っている。コネクタ３１の先端部の外径はＤ３１ａであり、根元部の外径はＤ３１ｂである。外径Ｄ３１ｂは外径Ｄ３１ａよりも大きい。

コネクタ３１，３２，３３は一体とされ、雌コネクタ３０を構成している。コネクタ３１には出力ライン２７４０Ｕが接続され、コネクタ３２には出力ライン２７４０Ｖが接続され、コネクタ３３には出力ライン２７４０Ｗが接続されている。

密封体４１がケース１０とコネクタ３１との間に介在している。密封体４２がケース１０とコネクタ３２との間に介在している。密封体４３がケース１０とコネクタ３３との間に介在している。密封体４１，４２，４３はそれぞれ内周側に突起４１ａ，４２ａ，４３ａを有する。コネクタ３１の外周面にはテーパ面３１ｔが設けられている。コネクタ３２の外周面にはテーパ面３２ｔが設けられている。コネクタ３３の外周面にはテーパ面３３ｔが設けられている。中心に位置するコネクタ３２のテーパ面３２ｔの位置に対して、テーパ面３１ｔおよびテーパ面３３ｔはそれぞれ距離ＬａおよびＬｂだけずれた位置に配置されている。

図３は、図２中の矢印ＩＩＩで示す方向から見た、ケース１０に設けられた孔１０ｈの平面図である。図３を参照して孔１０ｈはケース１０に開口しており、コネクタを挿入する部分である。この部分にコネクタが挿入されて外部との電気的な接続が図られる。図３では、直列的に孔１０ｈが３つ配置されている。

図４は、図２中のＩＶで囲んだ部分を拡大して示す、密封体４１を詳細に示す断面図である。図４を参照して、コネクタのシールを行なう密封体４１は中央部分に金属プレートを有しており、この金属プレートを囲むようにゴム体が設けられている。内周面側に突起４１ａが設けられており、突起４１ａによってシールがなされる。

図５は、図２中のＶで囲んだ部分を拡大して示す、コネクタ３１の大径部と小径部との境界を詳細に示す側面図である。図５を参照して、コネクタ３１の小径部３１ｓは楕円柱形状であるの対し、コネクタ３１の大径部３１ｍは円柱形状である。またテーパ面３１ｔは楕円垂体の外周面であり、その外径には長径と短径がある。

なお、この例では、小径部３１ｓを楕円柱としたが、小径部３１ｓは必ずしも楕円柱である必要はなく円柱であってもよい。テーパ面３１ｔが楕円錐の外周面であればよい。

図６は、図５中の矢印ＶＩ−ＶＩ線に沿った、コネクタ３１の大径部３１ｍの断面図である。図６を参照して、大径部３１ｍの外径はＤ３１ｂであり、円柱形状となっている。

図７は、図５中のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った、コネクタ３１の大径部３１ｍと小径部３１ｓとの境界部分の断面図である。図７を参照して、テーパ面３１ｔは楕円形状となっており、短径Ｄ３１ｃと外径（長径）Ｄ３１ｂが異なる。外径Ｄ３１ｂは短径Ｄ３１ｃよりも長い。なお、図７では、縦長の偏平形状の楕円とされているが、テーパ面３１ｔの断面図は横長の偏平な楕円であってもよい。

次に、図２で示すコネクタの嵌合構造の組立手順について説明する。
まず、図８は、図２で示すコネクタの嵌合構造の組立手順を説明するための、コネクタ２１−２３と、密封体５１−５３との嵌合状態を示す図である。図８で示すように、コネクタ２１，２２，２３を孔内の密封体５１，５２，５３に挿入する。このとき、各々のテーパ面２１ｔ，２２ｔ，２３ｔの位置がずれているため、テーパ面２１ｔが最初に密封体５１の突起５１ａに接触する。他の密封体５２，５３では、突起５２ａ，５３ａがテーパ面２２ｔ，２３ｔに接触していない。

そして図８で示す状態からさらに深くコネクタ２２，２３を挿入すると、突起５３ａがテーパ面２３ｔに接触する。このとき、突起５２ａはテーパ面２２ｔに接触していない。さらに深く挿入すると、テーパ面２２ｔに突起５２ａが接触し、挿入が完了する。

以上のように、テーパ面２１ｔ，２２ｔ，２３ｔと、突起５１ａ，５２ａ，５３ａが接触するときに最も挿入抵抗が大きくなり大きな力が発生する。突起５１ａ，５２ａ，５３ａと、テーパ面２１ｔ，２２ｔ，２３ｔとが接触する時期が異なるようにテーパ面２１ｔ，２２ｔ，２３ｔの位置を配置しているために、挿入に必要な力を小さくすることができる。

図９は、雌コネクタの挿入時におけるコネクタ３１のテーパ面３１ｔと突起４１ａとの接触状態を示す図である。図９を参照して、雌コネクタを構成するコネクタ３１も密封体４１内に挿入される。図９で示す状態では、テーパ面３１ｔに密封体４１の突起４１ａが接触している。

図１０は、図９中のＸ−Ｘ線に沿った、突起４１ａとコネクタ３１との接触部分を示す断面図である。図１０を参照して、テーパ面３１ｔが楕円形状であるため、円形状の密封体４１の内周面を構成する突起４１ａとコネクタ３１の外周面とは２つの接触点３１ｃで接触する。すなわち、突出部としてのコネクタ３１はテーパ状の側面としてのテーパ面３１ｔを有しシール部材としての密封体４１の内周面は円形状であり、密封体４１へのコネクタ３１の挿入工程においてコネクタ３１の外周面におけるテーパ面３１ｔの側面の非円形状（楕円形状）が円形状の密封体突起４１ａと接触する。

図１１は、図９で示す状態からコネクタ３１をさらに深く差し込んだ状態を示す図である。図１１で示すように、さらに深く密封体４１にコネクタ３１を挿入する。その結果、コネクタ３１の円柱部分と突起４１ａとが接触する。

図１２は、図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った、突起４１ａとコネクタ３１との接触部分を示す断面図である。コネクタ３１の外周面が円形状であり、密封体４１の内周面を構成する突起４１ａも円形状であるため、複数の接点全周でこれらが接する。

図９から図１２で示すように、初期段階では、密封体４１とコネクタ３１とが２点で接触しており、その接触面積が徐々に大きくなり、最後には、図１２で示すように、コネクタ３１の外周全体と、密封体４１の外周全面が接触する。これにより、当初からコネクタ３１の外周面全面と密封体４１の内周面とが広い面積で接触している場合に比べて接触面積（突起の変形）を小さくすることができ、挿入に必要な荷重を低減することができる。

図１３は、この発明に従った構造における挿入ストロークと挿入荷重との関係を示すグラフである。図１３中の曲線２１ｆはコネクタ２１の挿入ストロークと挿入荷重を示している。曲線２３ｆは、コネクタ２３の挿入ストロークと挿入荷重とを示している。曲線２２ｆはコネクタ２２の挿入ストロークと挿入荷重との関係を示している。これらの曲線２１ｆ，２２ｆ，２３ｆの挿入荷重を合計した曲線が曲線２１ｆ＋２ｆ＋２３ｆであり、それぞれの曲線の挿入荷重を足した大きさとされる。これに対し、曲線２１ｆ×３は、各々のテーパ面２１ｔ，２２ｔ，２３ｔにずれがない場合の挿入荷重であり、曲線２１ｆの値を３倍したものとなる。この場合、挿入荷重がいちどきに急激に大きくなるため、挿入が困難となるおそれがある。

曲線３２ｆは、コネクタ２１のテーパ面２１ｔを楕円垂体とした場合の曲線である。この場合、コネクタ３１の挿入の例で示したように挿入荷重のピークをさらに低下させることができる。その結果、合成荷重もさらに低減される。

この実施の形態では、円筒形状のコネクタ２１，２２，２３を弾性体である密封体５１，５２，５３に挿入し、緊迫力によって複数の箇所を密封する密封構造において、円筒軸を弾性体に挿入する際の作業性向上（挿入荷重低減）のために、挿入するコネクタ２１，２２，２３の最大径と成る位置（一様な面取り終了位置）を挿入方向で位置を各々ずらしている。

また，コネクタ３１，３２，３３を密封体４１，４２，４３に挿入する際の作業性向上（挿入荷重低減）のために、挿入する軸の外周形状を挿入初期段階において非真円形状とするとともに、真円となる位置を挿入方向で各々ずらしている。雄コネクタ２０は、図示しない雄端子を内径側に備え、雌コネクタは図示しない雌端子を有し、雌端子に雄端子が挿入されて電流が供給される。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はさまざまに変形することが可能である。

まず、図８で示す構造に、図９から図１２で示す楕円の構造を組み合わせることも可能である。密封体５１，５２，５３の内周面は円形状であり、テーパ面２１ｔ，２２ｔ，２３ｔは楕円錐形状となる。この場合、曲線３２ｆで示すような挿入荷重を実現できるため、挿入荷重のピークを小さくすることができ、スムーズな挿入を実現することができる。

また、図８では、中央のテーパ面２２ｔが他のテーパ面２１ｔ，２３ｔと比べて最も遅く突起５２ａと接触する構成を示したが、これに限られるものではなく、テーパ面２２ｔが最も早く、またはテーパ面２２ｔが２番目に早く、突起５２ａと接触する構造を採用してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ケース、１０ｈ孔、２０雄コネクタ、２１，２２，２３，３１，３２，３３コネクタ、２１ｔ，２２ｔ，２３ｔ，３１ｔ，３２ｔ，３３ｔテーパ面、３０雌コネクタ、４１，４２，４３，５１，５２，５３密封体、４１ａ，４２ａ，４３ａ，５１ａ，５２ａ，５３ａ突起、２２００回転電機、２７１０コンバータ、２７２０インバータ、２７３０制御装置。

Claims

孔が設けられたケースと、
前記孔に嵌合する突出部を有するコネクタと、
前記孔と前記突出部との間に介在するシール部材とを備え、
前記突出部はテーパ状の側面を有し
前記シール部材の内周面は円形状であり、前記シール部材への前記コネクタの挿入工程において前記コネクタの外周面におけるテーパ状の側面の非円形状が円形状の前記内周面と接触する、コネクタの嵌合構造。
前記ケースには複数の前記孔が設けられ、前記コネクタは複数の前記突出部を有し、
複数の前記孔の各々に複数の前記突出部の各々が挿入される、請求項１に記載のコネクタの嵌合構造。
請求の範囲１または２に記載のコネクタの嵌合構造を備えた、電気機器。