JP2015149794A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成を複雑化することなく、配線パターンと金属ベースを最短で電気的に接続しながらも金属基板の冷却性能を確保できるインバータ装置を提供する。【解決手段】金属ベース６上に絶縁層５を介してインバータ回路の配線パターン４を形成した金属基板３に貫通孔９を形成し、貫通孔９に固定部材１を通して金属基板３を冷却器８に固定する。貫通孔９のうち、絶縁層５及び配線パターン４の孔径を金属ベース６の孔径より大きく形成し、金属ベース６の露出表面と配線パターン４の貫通孔周囲の上面との両面に接面する接地部材２を設け、固定部材１により接地部材２を金属基板３に押圧して金属ベース６と配線パターン４とを電気的に接続しながら金属基板３を冷却器８に締結する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属基板を冷却器に固定したインバータ装置に関するものである。

従来、電動機を駆動するための制御回路とパワー回路により構成されるインバータ装置において、回路を構成する基板に金属基板を用いたインバータ装置が種々提案されている。

近年では、高速駆動する電動機や、数kWの大電力を必要とする電動機に電力供給するインバータ装置が求められるようになっている。この種のインバータ装置は、小型化が要求されるため、高周波でスイッチングするスイッチング素子が搭載された金属基板と平行して他の基板が配設されるような環境が多く、他からのノイズ影響に強いだけではなく、自らが発生源とならないよう、いわゆるＥＭＩ対策が必須となる。

しかしながら、金属基板において、配線パターンと金属ベースは絶縁層を介して積層されているため、本来電気的な接続はないが、配線パターンのうちグランドパターンが浮遊した状態にあると、金属基板がアンテナの役割を果たしてしまう結果となる。

また制御回路とパワー回路で異なる電圧を用いる場合には、各々に備えられたグランド線を配設し、筐体接地を行うと、部品点数の増加や配線が長くなり、基板上の回路パターンや外部配線あるいは構造の複雑化が懸念される。回路パターンや配線が複雑化することで、回路内に寄生するインダクタンス成分の増加や設計者が意図しない浮遊容量が発生し、電流や電圧の急激な変化によってノイズが発生してしまい、機器動作の信頼性が損なわれる。

このため従来から金属基板のグランドパターンと金属ベースを電気的に接続したり、制御系回路とパワー系回路のグランドを共通化し筐体接地したりすることで、ノイズ干渉の発生や外部への漏洩を抑制するよう対策が実施されている。

特許文献１ではパワー系回路が実装された金属基板とその上面に制御系回路が実装されたＣＰＵ基板とで構成されるインバータ装置において、グランド接続端子によりパワー系回路と制御系回路とがそれぞれ電気的にグランド接続され、ビスを介してグランド接続端子をインバータ収容部に筐体接地する構成が挙げられている。

特許文献２では、金属基板に貫通孔を形成し、貫通孔に中空のリベットを挿入し、リベットの内側から拡径して貫通孔内面にリベットを接触させ、且つ中空リベットとグランドパターンを半田付けすることによって、金属基板上のグランドパターンと金属ベースを電気的に接続している。

特許第５１０７１１４号 特許第３７００９２２号

しかしながら、特許文献１のようにグランド接続端子を用いてパワー系回路と制御系回路のグランドを共通化し、インバータ収容部の脚部にビス固定して筐体接地する構成では、配線長が長くなる懸念があり、さらには部品構造の複雑さと金属基板上のパターンレイアウトが制約されてしまう問題がある。

また金属基板におけるもう一つ別の課題として、小型化に伴う実装部品の過密化や大電力化(大電流化)により、スイッチング素子等の発熱も著しくなり、スイッチング素子が搭載されるような基板には冷却能力が要求されるが、特許文献２には、中空リベットにより金属基板上の配線グランドパターンを金属ベースに接地することが示されているが、金属基板の冷却器への接続構造については考慮されていない。

本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、構造が複雑化することなく金属ベースと配線パターンを短距離で結線して電気的な接続を可能にしながらも、金属基板の冷却性能を得ることができるインバータ装置を提供することを目的とする。

金属ベースの第１の面に絶縁層を介して積層されたインバータ回路の配線パターンが設けられた金属基板と、金属ベースの第２の面に設けられ金属基板を冷却する冷却器と、金属基板の配線パターン、絶縁層、金属ベースに形成された貫通孔に挿入され冷却器を金属基板に固定する固定部材を有したインバータ装置において、絶縁層及び配線パターンに形成された貫通孔の孔径を金属ベースの冷却器側に形成された貫通孔の孔径より大きく形成して金属ベースに露出部を設け、配線パターンに接する第１の接触面と貫通孔に挿入され金属ベースの露出部に接する第２の接触面を有し、貫通孔に挿入される固定部材で押圧されて配線パターンと金属ベースに電気的に接続される接地部材を備えたものである。

本発明のインバータ装置によれば、金属基板のパターン層及び絶縁層と、金属ベースに孔径の異なる貫通孔を形成し、配線パターン面と金属ベース面の両面に接面するように接地部材を貫通孔に配設し、固定部材により接地部材を金属基板に押圧しながら金属基板を冷却器に締結することで、装置構成を複雑化することなく、配線パターン層と金属ベースを短距離で電気的に接続しながらも金属基板の冷却性能を得ることが可能となる。

本発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなる。

本発明の実施の形態１に係るインバータ装置における金属基板の要部構造を示した概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係るインバータ装置における接地部材の構造を示した外形斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るインバータ装置における接地部材の他の形状及び構成例を示した金属基板の概略断面図である。 本発明の実施の形態１に係るインバータ装置における別の金属基板の固定兼接地部材の形状及び構成例を示した概略断面図である。 本発明の実施の形態２に係るインバータ装置の構成例を示した概略分解斜視図である。 本発明の実施の形態２に係るインバータ装置における固定兼接地部材の形状例を示した外形斜視図である。 本発明の実施の形態２に係るインバータ装置の構成例を示した概略断面図である。 本発明の実施の形態３に係るインバータ装置の構成例を示した概略断面図である。 本発明の実施の形態４に係るインバータ装置を備えたインバータ装置一体型電動機の構成例を示した概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳述する。なお、各図中、同一符号は、同一又は相当部分を示すものとする。
また、実施の形態に記載されている構成部品の材質、形状、その配置などは特に特定的な記載が無い限り、本発明をそれのみに限定するものではない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るインバータ装置における金属基板に接地部材を配設し固定部材で冷却器に締結する構造を示す概略断面図であり、図２は接地部材の外形図である。図１及び図２において、３は金属基板であって、金属ベース６上に絶縁層５を介してインバータ回路の配線パターン４を形成している。さらにこの金属基板３は、配線パターン４及び絶縁層５の孔径が金属ベースの孔径より拡径した、２段階の孔径を有する貫通孔９が形成されており、配線パターン４および絶縁層５に形成されている貫通孔には絶縁層５および配線パターン４が積層される金属ベース６の第１の面である表面の一部を露出させて、露出部（露出面）が形成されている。この貫通孔９に凸形状で中空円盤状の接地部材２を配設し、ボルト状の固定部材１により接地部材２を配線パターン４と金属ベース６の各表面を押圧しながら金属基板３を金属ベース６の第２の面である裏面に冷却器８を接触させて締結している。この様に締結された状態では、接地部材２は、配線パターン４の表面及び貫通孔９に露出した金属ベース６の表面に接触している。

図２に示す接地部材２において、配線パターン接触面２ａが配線パターン４の表面（上面）と接面しており、また金属ベース接触面２ｂが配線パターン４及び絶縁層５の孔径を拡径することによって形成された金属ベース６の露出部である露出面に接面している。接地部材２が配線パターン４と金属ベース６に面接触していることで、配線パターン４と金属ベース６が接地部材２を介して電気的に接続され、配線パターン４及び金属ベース６間を短距離で結線することができる。

放熱グリース７は、金属基板３と冷却器８との密着性を高め、空隙を極力なくすことで熱抵抗を低減させ、冷却性を高めている。これにより金属基板３に実装される、例えばスイッチング素子等の電子部品から発生する熱を冷却器８によって効果的に放熱する。

図３では接地部材２あるいはそれに準じた貫通孔の別形態を示す。図３（a）においては接地部材２の配線パターン接触面２ａ部が、面外方向に湾曲した円弧状の面を形成しており、固定部材１により押圧されることで湾曲面が潰され、配線パターンに接面するように変形するとともに、金属ベース面との接面においても、通常の凸形状の接地部材と比較してより強く押圧することが可能となる。図３（ａ）に示す接地部材２の構成は、後述する図３（ｂ）、図３（ｃ）に示す接地部材２においても用いることができる。

また図３（ｂ）では、金属基板３に形成された２段の孔径を有する貫通孔９において、配線パターン及び絶縁層の孔と同径の孔を、金属ベース露出面から金属ベースの内部に達するよう穿孔している。接地部材２においては、凸面高さを穿孔深さに応じた高さに形成している。金属基板に積層される配線パターンあるいは絶縁層は、一般的にはそれぞれ数十マイクロメートルから数百マイクロメートルで形成されるので、接地部材の凸面高さ部分を製作するためには少なくとも数百マイクロメートルオーダの加工精度が必要となってくるが、図３（ｂ）に示すように接地部材２の凸面高さが確保できるような貫通孔を形成することで、接地部材２の製作を容易にできる。

さらに図３（ｃ）では金属基板３の貫通孔９を、中心軸に対して、絶縁層側ほど孔径が大きく、冷却器側ほど孔径が小さくなるよう円錐状にテーパーを成し、接地部材２の凸面部もそのテーパーに応じた形状を形成しており、テーパー形成面において、接地部材２と金属ベース６が接面する。接地部材２のテーパー角度を、中心軸に対して貫通孔のテーパー角度より鋭角にすることや、円錐の径を貫通孔に対して幅広にすることが好ましく、固定部材１で押圧されたときに、金属ベース接触面２ｂがより確実に金属ベースに接面することを可能とする。

また図４では、固定部材１と接地部材２を一体形成し単一部材とした固定兼接地部材の好適な形態を示す。図４（ａ）では固定部材１に座金状に配線パターン接触面１０ａを形成し、前記配線パターンの接触面から、金属ベース６の露出面と接面する金属ベース接触面１０ｂを有した柱状部を形成し、金属ベース接触面１０ｂの同一面から、雄ねじ加工された軸を形成している。固定部材１と接地部材２が一体化されることで、装置構成及び組立性がより簡易になる。

図４（ｂ）は、図４（ａ）の金属ベース接触面１０ｂとなる柱状部にテーパーを形成した固定兼接地部材であり、テーパー形成面において固定兼接地部材１０と金属ベース６とが接面する。図３（ｃ）同様、柱状部のテーパー角度を、中心軸に対して貫通孔のテーパー角度より鋭角にすることや、柱状部を貫通孔に対して幅広にすることが好ましく、締結時により強く金属ベース面に接触させることができる。

本実施の形態１において、配線パターンと金属ベースを電気的に接続させるためには、接地部材と配線パターン及び金属ベースに確実に接触させる必要があり、接地部材２及び固定兼接地部材１０においては、アルミニウムのような押圧することで形状が潰されるような柔らかめの導電性素材が好ましい。

一方で、接地部材２及び固定兼接地部材１０と金属ベース６と配線パターン４は、面接触することから、それぞれ異種金属の場合、イオン化傾向の違いが要因となり異種金属接触腐食を起こすことがあり、金属表面が酸化することによって導電性や接触性に大きく影響する恐れある。したがって、それぞれの部材で同金属を用いることが好ましく、金属ベース、配線パターンに使用されやすい銅やアルミニウムが好適である。異種金属の場合においても、金属表面に導電性に影響が少ないメッキ処理を施すなど、必要に応じて腐食対策を実施する必要がある。

また、電気的に接続する配線パターンはグランドに接続されるグランドパターンが好ましく、金属ベースごとグランド電位にすることで、パターンを浮遊させず金属基板がアンテナとなることを防ぎ、ノイズ対策として効果を得ることができる上、金属基板に設計される回路では、所望の位置にグランドを配置することが可能となり、回路レイアウトの自由度が向上する。

実施の形態２.
図５は本発明の実施の形態２を示す概略図である。実施の形態１にかかるインバータ装置において、制御系回路とパワー系回路を有したインバータ装置であり、その他構成、作用、効果は実施の形態１と同様である。スイッチング素子１３が実装され、且つパワー系回路が形成された金属基板３上において、グランド配線する箇所に貫通孔９を形成し、金属ベース面と配線パターン面が電気的に接続されるように固定兼接地部材１０を配設し、金属基板３を冷却器（ヒートシンク）８に締結する。さらに、制御系回路が形成された制御基板１１が固定兼接地部材１０を介して金属基板３の上面側に配置され、固定部材１で締結することにより、冷却器８を含めてインバータ装置を一体化する。

図６に実施の形態２に係る固定兼接地部材形状の概略図を示す。図６（ａ）は固定兼接地部材１０の形状において、冷却器に締結する側の端面とその対面側に雄ねじ加工された軸を双方向に延出させており、制御基板１１の挟装には固定部材としてナット類を用いる。一方、図６（ｂ）は冷却器８に締結する側の端面に雄ねじ加工された軸を延出させ、その対面側に雌ねじ加工した孔を設けており、制御基板１１の挟装には固定部材としてボルト類を用いる形態であり、装置構成や組立性等を考慮して必要に応じて使い分ける。

また図７で示すように、制御基板１１を締結する際に、制御系回路側のグランドに接続されたグランドパターンを制御基板上に露出させ、貫通孔を形成し、固定部材１あるいは固定兼接地部材１０を制御系のグランドパターン１１ａに接面するよう貫通孔箇所に配設し、制御系回路のグランドとパワー系回路のグランドを電気的に接続させた上、制御基板を挟装することが好ましい。

制御系回路とパワー系回路がそれぞれ異なる電源を用いる場合に、グランドの共通化を実施することで、それぞれに独立したグランド配線をとることなく、配線の簡素化ができる。

また異なる電圧を用いた二電源系の回路において、制御系の電源及びグランドとパワー系の電源及びグランドが共有する電子部品や回路を形成する、すなわち回路系に複数のグランドが存在すると、グランドを各々に配線した場合、グランド間で電位差が生じてしまい、ノイズ電流の発生や所望の電圧が得られず、機器の誤動作を招く恐れある。固定兼接地部材１０を用いることで、制御系回路とパワー系回路のグランドを短距離で結線することができ、共通化することでグランド間電位差の影響を低減させることができる。

以上の構成により、制御系回路とパワー系回路のグランドパターンを短距離で配線してグランド共通化することができ、さらに固定兼接地部材により冷却器を含めてインバータ装置構成を一体化することでパワー系回路のスイッチング素子等の発熱を効果的に放熱できる上、小型で簡易構成のインバータ装置を提供することができる。

実施の形態３.
図８に本発明の実施の形態３である、金属基板３を冷却器としたインバータ装置の概略図を示す。制御系回路とパワー系回路を有したインバータ装置において、パワー系回路が実装された金属基板３の金属ベース６に冷却用フィン１４を形設して金属ベース６自体を冷却器とし、配線パターン４と金属ベース６を結線する箇所に形成された２段階の孔径を有する貫通孔９のうち、金属ベース側の孔に雌ねじ加工して、固定部材１及び接地部材２あるいは固定兼接地部材１０を金属ベース６に締結する。固定部材１及び接地部材２あるいは固定兼接地部材により配線パターン４と金属ベース６は電気的に接続されている。

金属ベース６に冷却用フィン１４を形設することで、放熱グリース７を用いる必要がなく、塗布加減によって生じる放熱ムラもなくなり、別途にヒートシンクを用いるより熱抵抗を低減させることができる。したがって、パワー系回路に搭載されるスイッチング等の発熱素子の放熱性を高めることができ、装置構成もより簡易化できる。

但し、金属基板にあらかじめフィンを設けてしまうと、熱容量が大きくなってしまうため、電子部品実装時に半田が溶けにくくなり実装工程に時間がかかる懸念がある。したがって実装後の金属ベースにかしめフィン等を利用してフィンを後付することが有効である。

以上の構成により、インバータ装置の小型化が可能となり、金属基板上に実装される部品の放熱性を高めることができる。

実施の形態４.
図９は本発明の実施の形態４として、実施の形態２に係るインバータ装置を電動機１６と一体化したインバータ装置一体型電動機を示す概略図であり、電動機１６の軸方向に前記インバータ装置を配設する。インバータ装置は、ボルト類等の固定部材を使用して冷却器８かあるいはインバータケース１２を介して、電動機１６のフレーム部に設けられたインバータ固定支柱１７に締結する。インバータ装置のインバータケース１２はカバー１５によって覆われる。

また車載の都合上、電動機のフレームに接地したい場合においては、固定兼接地部材１０でパワー系回路または制御系回路のグランドを冷却器と電気的に接続しつつ、導電性のある固定部材でインバータ固定支柱１７に締結するか、あるいは固定兼接地部材１０を締結している冷却器８のねじ穴を貫通孔にし、固定兼接地部材１０で金属基板３及び冷却器８を介して、インバータ固定支柱１７に直接固定することで、フレーム接地の状態を得ることができる。

以上の構成により、パワー系回路及び制御系回路のグランドパターンが金属ベースに短距離で電気的に接続されており、さらに必要に応じてフレームにグランドを取ることが可能なので、接地効果によって基板自体がアンテナとなることを防ぎ、両基板間で発生する電磁ノイズや、車両側へのノイズ漏洩を抑制することができる。また固定兼接地部材を用いることで制御系回路とパワー系回路のグランドを電気的に接続しながらも良好なノイズ特性を得ることができ、構造が複雑化することなく制御基板、金属基板及び冷却器を一体化した小型なインバータ装置を提供できる。更に、固定兼接地部材１０により、グランド接続構造やフレーム締結構造を簡素化できるので、インバータ装置一体型電動機においても小型化を図ることができる。以上の利点より、自動車のような小さなスペースにおいても幅広く適用可能で、車体アースのような共通接地を行う環境においても配線や構成を簡易化できるので、車両用のインバータ装置一体型電動機として好適に使用できる。

実施の形態２〜実施の形態４の構成は、実施の形態１においても同様に採用することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 固定部材、２ 接地部材、２ａ 配線パターン接触面、２ｂ 金属ベース接触面、３ 金属基板、４ 配線パターン、５ 絶縁層、６ 金属ベース、８ 冷却器、９ 貫通孔、１０ 固定兼接地部材、１０ａ 配線パターン接触面、１０ｂ 金属ベース接触面、１１ 制御基板、１１ａ グランドパターン（制御系）、１２ インバータケース、１４ 冷却用フィン、１６ 電動機。

Claims (14)

1. 金属ベースの第１の面に絶縁層を介して積層されインバータ回路の配線パターンが設けられた金属基板と、前記金属ベースの第２の面に設けられ前記金属基板を冷却する冷却器と、前記金属基板の配線パターン、絶縁層、金属ベースに形成された貫通孔に挿入され前記冷却器を前記金属基板に固定する固定部材を有したインバータ装置において、
   前記絶縁層及び前記配線パターンに形成された貫通孔の孔径を前記金属ベースの冷却器側に形成された貫通孔の孔径より大きく形成して前記金属ベースに露出部を設け、前記配線パターンに接する第１の接触面と前記貫通孔に挿入され前記金属ベースの露出部に接する第２の接触面を有し、前記貫通孔に挿入される前記固定部材で押圧されて前記配線パターンと前記金属ベースに電気的に接続される接地部材を備えたことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記接地部材の第２の接触面は前記絶縁層及び前記配線パターンの貫通孔に露出した前記金属ベースの第１の面に接触していることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
3. 前記金属ベースの貫通孔の径が、前記絶縁層の側が大きく、前記冷却器の側が小さいことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
4. 前記金属ベースには前記冷却器側に形成された貫通孔に連通し、前記絶縁層及び前記配線パターンに形成された貫通孔と同径の連通孔が形成され、前記接地部材には前記連通孔に接する第２の接触面が設けられていることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
5. 前記金属基板に設けられた貫通孔は、前記配線パターンから前記金属ベースに至るにつれて小径になるテーパー形状面に形成されており、前記接地部材には前記テーパー形状面に接するテーパー形状の第２の接触面が設けられていることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
6. 前記接地部材の第１の接触面は接面外方に湾曲し、円弧状の面を形成していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のインバータ装置。
7. 前記固定部材と前記接地部材は、軸方向に一体に形成された固定兼接地部材であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のインバータ装置。
8. 前記金属基板に対向して配置され制御系回路要素が搭載された制御基板を前記固定兼接地部材で固定したことを特徴とする請求項７記載のインバータ装置。
9. 前記固定兼接地部材の金属ベース側及び反金属ベース側に雄ねじ加工された第１の柱状部及び第２の柱状部が形成され、前記第１の柱状部は冷却器に締結され、前記第２の柱状部は制御基板に締結されたことを特徴とする請求項８記載のインバータ装置。
10. 前記固定兼接地部材の金属ベース側に雄ねじ加工された第１の柱状部及び反金属ベース側に雌ねじ加工された第２の柱状部が形成され、前記第１の柱状部は冷却器に締結され、前記第２の柱状部は制御基板に締結されたことを特徴とする請求項８記載のインバータ装置。
11. 前記配線パターンが前記金属基板のグランドに接続されるグランドパターンであることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のインバータ装置。
12. 前記固定兼接地部材の軸方向一端が制御基板のグランドパターンに接し、前記固定兼接地部材の軸方向他端が金属基板のグランドパターンに接し、両基板のグランドが電気的に接続されていることを特徴とする請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載のインバータ装置。
13. 前記金属ベースに冷却器を構成する冷却用フィンを形成したことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のインバータ装置。
14. 電動機のハウジング内に収納され、前記電動機の軸方向端部に設けられた請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のインバータ装置。