JP2016115623A - モジュール−端子台接続構造及び接続方法 - Google Patents

モジュール−端子台接続構造及び接続方法 Download PDF

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Abstract

【課題】極めて特殊な形状の端子台を使用せずとも、プリント配線基板の熱対策が容易で、製造上も好適な、モジュール−端子台接続構造／接続方法を提供する。【解決手段】モジュール−端子台接続構造としては、プリント配線基板１と、プリント配線基板１の一方の面（表面１ａ）に配置され、導電材を立体形状に形成して成り、プリント配線基板１に固定される端子台３と、プリント配線基板１の他方の面（裏面１ｂ）に配置され、電気回路及びその回路端子となるプレスフィット型のリードピン４ａを有するパワーモジュール４と、端子台３と電気的に接続され、リードピン４ａを圧入させる孔（スルーホール２ｂ）を有し、当該孔２ｂにリードピン４ａが圧入された状態でパワーモジュール４と電気的に接続される導電部２と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、所定の電気回路をパッケージ化したモジュールのリードピンと、外部の端子台との接続構造及び接続方法に関する。
例えば、空気調和機におけるインバータは、必要な周辺の電気回路がパッケージ化されたパワーモジュールとなっており、このパワーモジュールは、プリント配線基板に取り付けられる。その際、パワーモジュールから出ているリードピンは、プリント配線基板の銅パターンにはんだ付けされる。モータに供給する電流が流れる主回路のリードピンは、基板上の銅パターンを経由して端子台に接続される。この端子台には、ねじ止めにより、電線の圧着端子を接続することができる。端子台その他のデバイスは、プリント配線基板の例えば表面側に配置され、パワーモジュールは裏面側に配置される。この表裏配置は、パワーモジュールに放熱フィンを取り付ける上で都合が良い（例えば、特許文献１（図３）参照。）。
特開２００９−２８９７３４号公報
さて、インバータを大容量化すると、電流が増大するので、例えば、プリント配線基板上の銅パターンの幅を広くする必要がある。しかし、幅を広くすることは、コンパクトに構成したいプリント配線基板上で、絶縁距離や発熱を考慮したパターン設計が難しくなる。特に、３相の入出力の端子台（合計６個）を集約して一列に並べたい場合のパターン設計が困難である。一列に並べず、互いにずらすことも可能であるが、銅パターンが長くなると、その分電気抵抗が増えて、余分な熱対策も必要になる。一方、銅パターンの幅を変えずに厚さを分厚くするか又は同等の厚さの銅バーを用いることもできるが、これはコストアップになり、実用的でない。特許文献１は、極めて特殊な形状の端子台を使うことで、パワーモジュールから直接、端子台に接続することを提案している。しかしながら、この場合、汎用の安価な端子台が使えない。また、プリント配線基板を挟んで反対側にある両者を互いにはんだ付けする工程を、その他のデバイスのはんだ付けと別工程で行う必要が生じ、製造過程での不便がある。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、極めて特殊な形状の端子台を使用せずとも、プリント配線基板の熱対策が容易で、製造上も好適な、モジュール−端子台接続構造／接続方法を提供することを目的とする。
（１）本発明のモジュール−端子台接続構造は、プリント配線基板と、前記プリント配線基板の一方の面に配置され、導電材を立体形状に形成して成り、前記プリント配線基板に固定される端子台と、前記プリント配線基板の他方の面に配置され、電気回路及びその回路端子となるプレスフィット型のリードピンを有するモジュールと、前記端子台と電気的に接続され、前記リードピンを圧入させる孔を有し、当該孔に前記リードピンが圧入された状態で前記モジュールと電気的に接続される導電部と、を備えている。
このような、モジュール−端子台接続構造では、端子台及び搭載するデバイスをプリント配線基板の一方の面に実装した後で、他方の面からリードピンを圧入してモジュールと端子台とを電気的に接続することができる。従って、リードピンは、はんだ付けが不要である。また、プレスフィット型のリードピンは狭い場所でも孔さえあれば、接続することができるので、端子台の近傍で接続を実現することができ、大きな電流が流れた場合の導電部での発熱を抑制することができる。しかも、端子台は放熱に寄与する。従って、極めて特殊な形状の端子台を使用せずとも、プリント配線基板の熱対策が容易で、製造上も好適な、モジュール−端子台接続構造を提供することができる。
（２）また、（１）のモジュール−端子台接続構造において、前記プリント配線基板（１）を平面視した場合に、前記端子台の領域内に前記リードピンが存在することが好ましい。
この場合、要するに、端子台の裏側からリードピンを差し、ピン先が端子台のいわば股下に出ることになるので、リードピンから端子台までの距離が短くなり、端子台への熱伝導促進と、端子台からの熱の放散とを促進することができる。また、距離が短くなることで、電気抵抗が小さくなり、電圧降下を抑制することができる。
（３）また、（１）若しくは（２）のモジュール−端子台接続構造において、前記導電部は、前記プリント配線基板の両面に設けられた銅パターンであり、前記孔はスルーホールであってもよい。
この場合、両面の銅パターンを用いて通電し、また、熱を分散して逃がすことができる。
（４）また、（２）のモジュール−端子台接続構造において、前記端子台は、前記外部配線を取り付ける天板部と、一対の側部と、当該側部の先端にある脚部と、当該一対の側部間に架け渡すように設けられた底部とを有し、当該底部が前記導電部でもある、という構成であってもよい。
この場合、リードピンを直接、端子台に繋ぐことができるので、電路全体の電気抵抗がさらに小さくなり、電路全体での発熱を抑制することができる。また、モジュールの熱が、リードピンから直接、プリント配線基板に伝導することを抑制することができる。
また、（１）〜（４）のいずれかのモジュール−端子台接続構造において、前記モジュールは、モータに供給する電流をスイッチングにより制御するパワーモジュールであってもよい。
パワーモジュールには、制御回路に比べて大きな電流が流れ、スイッチング損失等による発熱があるので、一般に放熱フィン等が取り付けられる。当該モジュール−端子台接続構造によれば、端子台からも放熱を促すことができるので、パワーモジュールの放熱効果に優れている。
（６）一方、本発明は、電気回路のモジュールにおける回路端子に相当するリードピンを、外部配線と接続するための端子台に電気的に繋ぐモジュール−端子台接続方法であって、（ｉ）プリント配線基板に、端子台、及び、当該端子台と電気的に接続され前記リードピンを圧入させる孔を有する導電部を実装し、（ｉｉ）前記プリント配線基板に対して前記端子台とは反対側に前記モジュールを配置し、前記孔にプレスフィット型の前記リードピンを圧入することによって前記モジュールを前記端子台と電気的に接続するものである。
このような、モジュール−端子台接続方法によれば、端子台及び搭載するデバイスをプリント配線基板の一方の面に実装した後で、他方の面からリードピンを圧入してモジュールと端子台とを電気的に接続することができる。従って、リードピンは、はんだ付けが不要である。また、プレスフィット型のリードピンは狭い場所でも孔さえあれば、接続することができるので、端子台の近傍で接続を実現することができ、大きな電流が流れた場合の導電部での発熱を抑制することができる。しかも、端子台は放熱に寄与する。従って、極めて特殊な形状の端子台を使用せずとも、プリント配線基板の熱対策が容易で、製造上も好適な、モジュール−端子台接続方法を提供することができる。
本発明によれば、極めて特殊な形状の端子台を使用せずとも、プリント配線基板の熱対策が容易で、製造上も好適な、モジュール−端子台接続構造及び接続方法を提供することができる。
例えば空気調和機に搭載されるプリント配線基板ユニットの概略を示す斜視図である。 図１における任意の１つの端子台に着目して第１実施形態のモジュール−端子台接続構造（同接続方法でもある。）を拡大した斜視図である。 図２の要領で組み立てたモジュール−端子台接続構造に、さらに、電線を接続した状態を示す図である。 端子台の「股下」ではなく近傍にリードピンを配置したモジュール−端子台接続構造の斜視図である。 パワーモジュールの主回路の概要（制御回路は省略）を示す図である。 第３実施形態に係るモジュール−端子台接続構造（同接続方法でもある。）を拡大した斜視図である。 絶縁部材の仕切りがある端子台を示す斜視図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、例えば空気調和機に搭載されるプリント配線基板ユニット１００の概略を示す斜視図である。例えば、プリント配線基板１の表面１ａ側には、電源回路１１、ＣＰＵ１２、コンデンサ１３その他の回路部品及び、端子台３、コネクタ（図示せず）等の接続部材が搭載されている。端子台３は、コネクタでの接続が困難な大電流を流す主回路に使用される。主回路とは、空気調和機においては例えば、圧縮機を駆動するモータ（図示せず）に電流を供給する回路である。各端子台３は、相互に、必要な絶縁距離を確保して取り付けられている。
プリント配線基板１の裏面１ｂ側には、パワーモジュール４が設けられる。スイッチング損失等による発熱があるパワーモジュール４には、放熱フィン１４が取り付けられる。パワーモジュール４は、インバータを含むモータ駆動回路が樹脂でパッケージ化されたもので、外部との接続に必要なリードピン４ａが導出されている。リードピン４ａは主回路用及び制御用があり、実際にはもっと多数であるが、ここでは簡略化して例えば主回路用の入力端子（３相：Ｒ，Ｓ，Ｔ）及び出力端子（３相：ｕ、ｖ、ｗ）となる６個のリードピン４ａのみを表示している。
プリント配線基板１の表面１ａ側に装着する各部品は、電極や取付脚の先端が裏面１ｂ側へ少し出るようになっており、裏面１ｂに例えばフロー方式で、はんだ槽を用いて、はんだ付けを施すことにより、プリント配線基板１に確実に装着される。また、端子台３の内側下方には、リードピン４ａを入れる孔（詳細後述）があり、この孔にリードピン４ａを圧入して、端子台３とリードピン４ａとを互いに電気的に、かつ、機械的にも、接続することができる。端子台３には、雄ねじ３ｆとの間に、例えば電線の先端の圧着端子を取り付けることができる。
《第１実施形態》
図２は、図１における任意の１つの端子台３に着目して第１実施形態のモジュール−端子台接続構造（同接続方法でもある。）を拡大した斜視図である。図において、端子台３は、導電材を図示のような立体形状に形成したものである。端子台３は、図の上面の天板部３ａと、一対の側部３ｂと、各側部３ｂの先端に形成された脚部３ｃとを備えている。天板部３ａには、例えばバーリング加工により、雌ねじ３ｄが形成されている。なお、端子台３の雄ねじ等は、図２では図示を省略している。また、実際には、天板部３ａから側部３ｂへの折り曲げ部に、丸み（曲率）があるが、ここでは単純化して表現している。
プリント配線基板１の表面１ａの所定の場所には、「導電部」としての銅パターン２が形成されている。裏面１ｂ側にも同様の銅パターン２が形成されており、表裏の銅パターン２は、スルーホール２ａ，２ｂにより繋がっている。４つのスルーホール２ａは、端子台３の脚部３ｃに対応した位置にあって、脚部３ｃを通すことができる。脚部３ｃは、はんだ付けにより、プリント配線基板１に固定される。これにより、端子台３は、銅パターン２と電気的に接続され、かつ、機械的にも固定される。
パワーモジュール４から図の上方へ突出しているリードピン４ａは、プレスフィット型のピンである。プレスフィット型ピンは各種のタイプがあるが、ここでは、例えば、図示のようなＵ字状のものが一箇所につき一対ある（但し、一箇所に１個でも可能である。）とする。このリードピン４ａは、高さ方向の途中に外側へ少し膨らんだ圧入部４ｂを有している。この圧入部４ｂをスルーホール２ｂに押し込んで圧縮変形させることにより、リードピン４ａをプリント配線基板１に圧入することができる。これにより、リードピン４ａは、銅パターン２と電気的に接続される。
図２の要領で組み立てたモジュール−端子台接続構造では、端子台３の真上から端子台３を平面視した場合、リードピン４ａは、端子台３の領域内にある。言い換えれば、リードピン４ａは、天板部３ａの下方であって一対の側部３ｂ間の空間、いわば、端子台３の股下の空間に存在する。
図３は、図２の要領で組み立てたモジュール−端子台接続構造に、さらに、電線を接続した状態を示す図である。端子台３には、先端に圧着端子５を付けた電線６が接続されている。圧着端子５は、ワッシャ３ｅを介して雄ねじ３ｆを螺着することにより、端子台３に固定されている。
スルーホール２ｂに圧挿されているリードピン４ａは、プリント配線基板１の両面の銅パターン２を介して端子台３と電気的に接続されている。
上記のようなモジュール−端子台接続構造（接続方法）によれば、端子台３及び搭載するデバイスをプリント配線基板１の一方の面（表面１ａ）に実装した後で、他方の面（裏面１ｂ）からリードピン４ａを圧入してパワーモジュール４と端子台３とを電気的に接続することができる。従って、リードピン４ａは、はんだ付けが不要である。また、プレスフィット型のリードピン４ａは狭い場所でも孔さえあれば、接続することができるので、端子台３の近傍で接続を実現することができ、大きな電流が流れた場合の銅パターン２（導電部）での発熱を抑制することができる。しかも、端子台３は放熱に寄与する。従って、極めて特殊な形状の端子台を使用せずとも、プリント配線基板１の熱対策が容易で、製造上も好適な、モジュール−端子台接続構造を提供することができる。
また、プリント配線基板１を平面視した場合に、端子台３の領域内にリードピン４ａが存在する接続続構造は、端子台３の裏側からリードピン４ａを差し、ピン先が端子台３の股下の空間に出ることになるので、リードピン４ａから端子台３までの距離が短くなり、銅パターン２を経由した端子台３への熱伝導促進と、端子台３からの熱の放散とを促進することができる。しかも、距離が短くなることで、電気抵抗が小さくなり、電圧降下を抑制することができる。また、ここで、スルーホール２ａ，２ｂを介して、プリント配線基板１の両面（１ａ，１ｂ）に設けられた銅パターン２が互いに繋がっているので、両面の銅パターン２を用いて通電し、また、熱を両面に分散して逃がすことができる。
また、このようなモジュール−端子台接続構造によれば、端子台３からも放熱を促すことができるので、パワーモジュール４の放熱効果に優れている。
《第２実施形態》
なお、リードピン４ａの位置は、平面視した端子台３の領域内にあれば好ましいが、必ずしも領域内でなくても、端子台３の近傍にあれば銅パターン２が長くなることを抑制できるので、銅パターン２での発熱を抑え、端子台３から熱の放散を促すことができる。
例えば図４は、端子台３の「股下」ではなく近傍にリードピン４ａを配置したモジュール−端子台接続構造の斜視図である。図２との違いは、スルーホール２ｂが、端子台３を平面視した場合の、外側の近傍に配置された点であり、その他の構成は同様である。この場合も、銅パターン２が長くなることを抑制できる点は図２と大差が無いので、銅パターン２での発熱を抑え、端子台３から熱の放散を促すことができる。なお、リードピン４ａ及びスルーホール２ｂの向きは、一例に過ぎない。
図５は、パワーモジュール４の主回路の概要（制御回路は省略）を示す図である。パワーモジュール４は前段の整流回路４１と、後段のインバータ回路４２と備えている。端子台３が使用されるとすれば、整流回路４１への入力端子と、モータ１５からの出力端子とである。また、リアクトル１６は、一般に、パワーモジュール４とは別に外置きされるので、リアクトル１６とパワーモジュール４との接続にも端子台３を使用することができる。そして、端子台３とセットになって、プレスフィットピン型のリードピン４ａを用いることができる。
《第３実施形態》
図６は、第３実施形態に係るモジュール−端子台接続構造（同接続方法でもある。）を拡大した斜視図である。図において、端子台３は、導電材を図示のような立体形状に形成したものである。端子台３は、図の上面の天板部３ａと、一対の側部３ｂと、各側部３ｂの先端に形成された脚部３ｃとを備え、さらに、一対の側部３ｂ間に架け渡すように固着して設けられた底部３ｇを備えている。底部３ｇの他は、第１実施形態と同様である。底部３ｇには、リードピン４ａを圧入させるための孔３ｈが形成されている。底部３ｇは、端子台３の一部であるとともに、パワーモジュール４のリードピン４ａと電気的に接続される導電部でもある。
プリント配線基板１には、端子台３の脚部３ｃに対応する所定の場所にスルーホール２ａが形成され、それらを取り囲むように銅パターン２が形成されている。銅パターン２は、プリント配線基板１の両面に形成されている。また、一対の銅パターン２の間のプリント配線基板１には、リードピン４ａを貫通させる孔２ｃが形成されている。孔２ｃは単なる貫通孔であって、スルーホールではない。端子台３の脚部３ｃは、はんだ付けにより、プリント配線基板１に固定される。
パワーモジュール４から図の上方へ突出しているリードピン４ａは、プレスフィット型のピンである。プレスフィット型ピンは各種あるが、ここでは、第１実施形態と同様の図示のような形状のものとする。このリードピン４ａの圧入部４ｂを端子台３の底部３ｇの孔３ｈに押し込んで圧縮変形させることにより、リードピン４ａは、銅パターン２と電気的に接続される。
図６の要領で組み立てたモジュール−端子台接続構造においても、端子台３の真上から端子台３を平面視した場合、リードピン４ａは、端子台３の領域内に存在する。
図６のモジュール−端子台接続構造の場合、リードピン４ａを直接、端子台３に繋ぐことができるので、電路全体の電気抵抗が、第１，第２実施形態と比べてもさらに小さくなり、電路全体での発熱を抑制することができる。また、パワーモジュール４の熱が、リードピン４ａから直接、プリント配線基板１に伝導することを抑制することができる。
《その他》
なお、例えば、図１において横並びの端子台３の相互間の絶縁距離が確保しにくい場合は、図７に示すような絶縁部材の仕切りがある端子台３０を使用することができる。
なお、上記各実施形態においては、パワーモジュール４と端子台３との接続構造（接続方法）について説明したが、パワーモジュールに限らず、プリント配線基板上に設けられた端子台に接続する必要のある他のモジュール（回路をパッケージ化してリードピンを備えているもの）についても、同様の接続構造を適用することができる。
１ プリント配線基板
１ａ 表面
１ｂ 裏面
２ 銅パターン
２ａ，２ｂ スルーホール
２ｃ 孔
３ 端子台
３ａ 天板部
３ｂ 側部
３ｃ 脚部
３ｄ 雌ねじ
３ｅ ワッシャ
３ｆ 雄ねじ
３ｇ 底部
３ｈ 孔
４ パワーモジュール
４ａ リードピン
４ｂ 圧入部
５ 圧着端子
６ 電線
１１ 電源回路
１２ ＣＰＵ
１３ コンデンサ
１４ 放熱フィン
１５ モータ
１６ リアクトル
３０ 端子台
４１ 整流回路
４２ インバータ回路
１００ プリント配線基板ユニット

Claims (6)

  1. プリント配線基板（１）と、
    前記プリント配線基板（１）の一方の面（１ａ）に配置され、導電材を立体形状に形成して成り、前記プリント配線基板（１）に固定される端子台（３）と、
    前記プリント配線基板（１）の他方の面（１ｂ）に配置され、電気回路及びその回路端子となるプレスフィット型のリードピン（４ａ）を有するモジュール（４）と、
    前記端子台（３）と電気的に接続され、前記リードピン（４ａ）を圧入させる孔（２ｂ，３ｈ）を有し、当該孔（２ｂ，３ｈ）に前記リードピン（４ａ）が圧入された状態で前記モジュール４と電気的に接続される導電部（２，３ｇ）と、
    を備えているモジュール−端子台接続構造。
  2. 前記プリント配線基板（１）を平面視した場合に、前記端子台（３）の領域内に前記リードピン（４ａ）が存在する請求項１に記載のモジュール−端子台接続構造。
  3. 前記導電部（２）は、前記プリント配線基板（１）の両面（１ａ，１ｂ）に設けられた銅パターンであり、前記孔（２ｂ）はスルーホールである請求項１又は請求項２に記載のモジュール−端子台接続構造。
  4. 前記端子台（３）は、前記外部配線を取り付ける天板部（３ａ）と、一対の側部（３ｂ）と、当該側部（３ｂ）の先端にある脚部（３ｃ）と、当該一対の側部間に架け渡すように設けられた底部（３ｃ）とを有し、当該底部（３ｃ）が前記導電部でもある請求項２に記載のモジュール−端子台接続構造。
  5. 前記モジュールは、モータに供給する電流をスイッチングにより制御するパワーモジュールである請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のモジュール−端子台接続構造。
  6. 電気回路のモジュール（４）における回路端子に相当するリードピン（４ａ）を、外部配線と接続するための端子台（３）に電気的に繋ぐモジュール−端子台接続方法であって、
    プリント配線基板（１）に、端子台（３）、及び、当該端子台と電気的に接続され前記リードピン（４ａ）を圧入させる孔（２ｂ，３ｈ）を有する導電部（２，３ｇ）を実装し、
    前記プリント配線基板（１）に対して前記端子台（３）とは反対側に前記モジュール（４）を配置し、前記孔（２ｂ，３ｈ）にプレスフィット型の前記リードピン（４ａ）を圧入することによって前記モジュール（４）を前記端子台（３）と電気的に接続する、
    モジュール−端子台接続方法。
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