JP2018190579A - 導電部材の接続構造およびそれを備える電動コンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】金属製基板に対する導電部材の接続の自由度が高められた導電部材の接続構造およびそれを備える電動コンプレッサを提供する。
【解決手段】接続構造１００において、基板１には、導電板２、絶縁層４、およびベース基板３を厚み方向に貫通する貫通孔５が形成されている。接続構造１００は、貫通孔５および孔部４１ｃに挿通された軸部１２と、軸部１２の第１端に設けられ、接続部４１上に係止された頭部１１と、軸部１２の第２端に設けられ、ベース基板３上に係止されたナット１４と、を含む締結部材１０を備える。ベース基板３は、貫通孔５を取り囲む隔離部２１と、隔離部２１を取り囲む周辺部２２とを含む。隔離部２１と周辺部２２との間には、隔離部２１を取り囲むと共に厚み方向において絶縁層４に達する樹脂部３０が設けられる。締結部材１０のナット１４は、樹脂部３０および隔離部２１の範囲内に収まっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、導電部材の接続構造およびそれを備える電動コンプレッサに関する。

特許文献１に記載されるように、アルミニウム基板上の銅パターンに端子が接続された接続構造が知られている。この接続構造では、端子は、銅パターンにはんだ付けで固定される。銅パターンには、Ｈ形状の電極パターンが形成される。この電極パターンに、端子がはんだ付けされる。

実開平５−７９９７４号公報

アルミニウム等の金属製基板は、放熱性に優れるため、大電流用のインバータやコンバータ等に採用され得る。たとえば基板の表面側に銅箔等からなる回路が形成され、基板の裏面側にベース基板が設けられる。その回路に外部回路を電気的に接続する場合、導電部材（たとえば端子）が用いられる。導電部材は、上記特許文献１に記載されるように、基板の表面にはんだ付けされる。

一般に、大電流が流れる導電部材のサイズは大きい。また放熱性の良いベース基板に対するはんだ付けには、大きな熱量が必要である。また、たとえば導電部材の近くにＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-semiconductor field-effect transistor）等の半導体素子が実装されている場合には、はんだ付けのための熱で半導体素子が損傷する虞もある。このように、はんだ付けは、いくつかの制限を伴う接続方法である。

本発明は、金属製基板に対する導電部材の接続の自由度が高められた導電部材の接続構造およびそれを備える電動コンプレッサを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、基板の第１面に設けられた回路に導電部材が電気的に接続される導電部材の接続構造であって、基板は、第１面側に配置されて回路が形成された導電板と、第１面とは反対の第２面側に配置された金属製のベース基板と、導電板とベース基板との間に配置された絶縁層と、を有し、基板には、導電板、絶縁層、およびベース基板を厚み方向に貫通する貫通孔が形成されており、導電部材には貫通孔に連通する孔部が形成されており、基板に対して導電部材を固定する固定部材であって、貫通孔および孔部に挿通され、第１面側の第１端と第２面側の第２端とを含む軸部と、軸部の第１端に設けられ、孔部よりも大きく、導電部材上に係止された第１端部と、軸部の第２端に設けられ、貫通孔よりも大きく、ベース基板上に係止された第２端部と、を含む固定部材を備え、ベース基板は、貫通孔を取り囲む隔離部と、隔離部を取り囲む周辺部とを含み、隔離部と周辺部との間には、隔離部を取り囲むと共に厚み方向において絶縁層に達する樹脂部が設けられ、固定部材の第２端部は、樹脂部および隔離部の範囲内に収まっている。

この導電部材の接続構造によれば、基板には、導電板、絶縁層、およびベース基板を厚み方向に貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔および導電部材の孔部に、固定部材の軸部が挿通される。軸部の両端に設けられた第１端部および第２端部が導電部材上およびベース基板上に（より詳細には隔離部上に）係止されることにより、導電部材が基板に対して固定される。固定部材の第２端部はベース基板の隔離部に接触するが、隔離部は、絶縁層に達する樹脂部によって、周辺部に対して絶縁されている。固定部材の第２端部は、樹脂部および隔離部の範囲内に収まっており、周辺部に接触することはない。したがって、周辺部は、導電部材、導電板、固定部材および隔離部から絶縁されており、導電板の回路とベース基板の周辺部との短絡は生じない。このように貫通孔と、軸部を含む固定部材とを用いて導電部材が接続されるため、上記した従来技術（たとえばはんだ付け接続構造）に伴う制限は軽減されている。よって、金属製基板に対する導電部材の接続の自由度が高められている。

いくつかの態様において、固定部材は、軸部と第１端部および第２端部のいずれか一方とを含むボルトと、第１端部および第２端部のいずれか他方であるナットと、を有し、ナットに対してボルトの軸部がねじ込まれることにより基板に対して導電部材を固定する。この場合、ボルトおよびナットにより、基板に対して導電部材を容易に締結固定できる。

いくつかの態様において、隔離部は、厚み方向に直交する方向における基板の端縁部に設けられ、樹脂部は基板の端縁部に達する。基板の端縁部とは、たとえば、基板の辺部や角部である。樹脂部は基板の端縁部に達するように設けられるので、樹脂部、および、樹脂部に取り囲まれた隔離部を容易に形成することができる。

いくつかの態様において、隔離部は矩形形状をなす。矩形形状の隔離部は、隔離部が円形である場合に比して、その面積が大きい。よって、第２端部の座面に適している。樹脂部も矩形形状となるので、樹脂部を形成しやすい。第２端部が矩形形状である場合は、隔離部は、第２端部の形状に適合するので、その面積を最小限とすることができる。その結果として、たとえば周辺部による冷却性能を十分に確保することができる。

本発明の別の態様に係る電動コンプレッサは、基板を有し、上記のいずれかの導電部材の接続構造によって基板に導電部材が電気的に接続されたモータと、モータに連結されたコンプレッサと、を備える。この場合、大電流が流され得る電動コンプレッサに対しても、導電部材の接続の自由度が高められる。

本発明のいくつかの態様によれば、金属製基板に対する導電部材の接続の自由度が高められる。

本発明の一実施形態に係る接続構造を示す断面図である。 図１の接続構造を示す底面図である。 図１の接続構造が電動コンプレッサに適用された例を示す模式図である。 比較例に係る接続構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１および図２を参照して、本実施形態の接続構造１００について説明する。接続構造１００は、金属製基板である基板１に端子（導電部材）４０を電気的に接続するための構造である。基板１は、たとえば、大電流が流されるパワー基板である。基板１に接続される端子４０は、大電流を流すための端子である。端子４０は、たとえばバスバ等であってもよい。

端子４０は、基板１に接続される平板状の接続部４１と、接続部４１に連続して設けられた引出部４２とを有する。端子４０は、たとえばＬ字状の部品であるが、端子４０の形状はＬ字状に限られない。端子４０の引出部４２は、たとえば電源に接続される。

基板１には、複数の端子４０が接続されてもよい。１つまたは複数の接続構造１００は、基板１の辺部１ｃ（図２参照）に設けられる。接続構造１００は、基板１の角部に設けられてもよい。全体として矩形形状の基板１は、辺部１ｃや角部等の端縁部を有する。接続構造１００は、これらの端縁部に設けられる。端縁部とは、基板１の厚み方向に直交する方向における端縁部を意味する。なお、接続構造１００が、基板１の端縁部以外の部分、たとえば中央部に設けられてもよい。

基板１は、端子４０が接続される面である第１面１ａと、第１面１ａとは反対の第２面１ｂとを含む。基板１は、第２面１ｂ側に金属製のベース基板３を有する。これにより、基板１の放熱性が高められている。基板１の第２面１ｂは、後述の隔離部２１を除く領域において、図示しない冷却手段に接続されてもよい。

基板１は、第１面１ａ側に配置された導電板２と、第２面１ｂ側に配置された金属製のベース基板３と、導電板２とベース基板３との間に配置された絶縁層４とを有する。ベース基板３、絶縁層４および導電板２は、この順に積層され、互いに接合されている。導電板２は、第１面１ａに相当する表面２ａと、導電板２とは反対の裏面２ｂとを含む。ベース基板３は、第２面１ｂに相当する裏面３ｂと、裏面３ｂとは反対の表面３ａとを含む。絶縁層４は、導電板２の裏面２ｂに対面する表面４ａと、表面４ａとは反対でベース基板３の表面３ａに対面する裏面４ｂとを含む。導電板２の裏面２ｂと絶縁層４の表面４ａとは平面状に接触している。ベース基板３の表面３ａと絶縁層４の裏面４ｂとは平面状に接触している。

導電板２は、たとえば金属箔である。導電板２は、たとえば銅箔等であってもよい。導電板２には、端子４０が電気的に接続される回路が形成されている。

ベース基板３は、たとえばアルミニウム製の基板である。ベース基板３は、たとえば、接続構造１００が適用される機器に取り付けられる。ベース基板３は、インバータやコンバータ等で発生する熱を放散させる冷却部である。ベース基板３は、図示しない冷却手段に接続されてもよい。ベース基板３は、鉄または銅などからなってもよい。

絶縁層４は、たとえば熱硬化性樹脂からなる。絶縁層４は、たとえばエポキシ樹脂からなってもよい。絶縁層４は、導電板２に対してベース基板３を絶縁する。絶縁層４を構成する材料としては、他の公知の絶縁材料が用いられてもよい。

接続構造１００は、基板１に対して端子４０を固定するための締結部材（固定部材）１０を備える。本実施形態では、締結部材１０として、ボルト１３およびナット（第２端部）１４が用いられる。以下、締結部材１０を用いた固定構造について詳細に説明する。

図１に示されるように、基板１には、その厚み方向に貫通する貫通孔５が形成されている。貫通孔５は、導電板２、絶縁層４、およびベース基板３を厚み方向に貫通するスルーホールである。より詳細には、導電板２には、たとえば円筒状の孔部２ｃが形成されている。絶縁層４には、たとえば円筒状の孔部４ｃが形成されている。ベース基板３には、たとえば円筒状の孔部３ｃが形成されている。これらの孔部２ｃ、孔部４ｃ、および孔部３ｃは、互いに連通している。孔部２ｃ、孔部４ｃ、および孔部３ｃが合わさって、基板１の貫通孔５が形成されている。

これらの孔部２ｃ、孔部４ｃ、および孔部３ｃの各軸線は一致してもよい。すなわち、孔部２ｃ、孔部４ｃ、および孔部３ｃが１本の軸線に対して同心状に形成されてもよい。孔部２ｃ、孔部４ｃ、および孔部３ｃの各直径は等しくてもよい。

一方、端子４０の接続部４１には、たとえば円筒状の孔部４１ｃが形成されている。接続部４１は導電板２の表面２ａに重ねられており、上記した回路に接触している。孔部４１ｃは貫通孔５に連通している。

締結部材１０のボルト１３の軸部１２は、端子４０の孔部４１ｃおよび基板１の貫通孔５に挿通されている。軸部１２は、孔部４１ｃに配置される第１端と、貫通孔５の第２面１ｂ側から突出する第２端とを含む。ボルト１３は、軸部１２の第１端に設けられた頭部（第１端部）１１を含む。頭部１１の直径（軸部１２の軸線に垂直な方向の幅）は、孔部４１ｃの直径よりも大きく、たとえば貫通孔５の直径よりも大きい。頭部１１は、接続部４１上に係止されている。頭部１１は、回転工具が嵌合可能な六角形状をなしてもよい。頭部１１に所定の回転工具が嵌合可能であればよい。頭部１１の形状は限定されない。たとえば頭部１１の形状は皿状であってもよい。

ナット１４は、軸部１２の第２端に設けられている。ナット１４の直径（軸部１２の軸線に垂直な方向の幅）は、貫通孔５の直径よりも大きく、たとえば孔部４１ｃの直径よりも大きい。ナット１４は、ベース基板３の裏面３ｂ上に係止されている。

接続構造１００では、ナット１４に対してボルト１３がねじ込まれることにより、基板１に対して端子４０の接続部４１が固定されている。基板１の第２面１ｂ側に配置されるナット１４は、たとえばベース基板３の裏面３ｂに固定されていてもよい。ナット１４は、基板１とは別体の部材の凹部に収容されていてもよい。この場合、ナット１４はフローティングナットであってもよい。ナット１４は六角形状に限られず、四角形であってもよい。ナット１４を工具等で把持する必要のない構成を採用すれば、たとえば基板１の第２面１ｂ側のスペースが限られている場合でも、締付けの作業性は確保される。

締結部材１０の締結力により、ボルト１３の頭部１１は接続部４１に圧着（接触）しており、ナット１４はベース基板３に圧着（接触）している。基板１および接続部４１は、頭部１１およびナット１４によって挟まれ、固定されている。

ここで、図１および図２に示されるように、ベース基板３は、貫通孔５を取り囲む隔離部２１と、隔離部２１を更に取り囲む周辺部２２とを含む。隔離部２１および周辺部２２は、たとえば、同じ材料からなり、同じ厚みを有する。隔離部２１は、たとえば、矩形形状をなす（図２参照）。周辺部２２は、図示しない冷却手段に接続されてもよい。

隔離部２１と周辺部２２との間には、樹脂部３０が設けられている。樹脂部３０は、たとえば熱硬化性樹脂からなる。樹脂部３０は、隔離部２１と周辺部２２との間に、たとえば隙間なく充填されてもよい。樹脂部３０は、たとえばエポキシ樹脂からなってもよい。なお、樹脂部３０を構成する材料はエポキシ樹脂に限られない。樹脂部３０は、他の熱硬化性樹脂からなってもよい。

図２に示されるように、樹脂部３０は、隔離部２１を取り囲んでいる。基板１の辺部１ｃに設けられた接続構造１００において、Ｕ字状（またはＣ字状）をなす樹脂部３０の２つの端面３０ｃ，３０ｃは、辺部１ｃに達している。また、図１に示されるように、樹脂部３０は、厚み方向において絶縁層４に達している。すなわち、樹脂部３０は、その全長にわたって、絶縁層４の裏面４ｂに接触している。樹脂部３０は、周辺部２２に対して隔離部２１を電気的に絶縁する。

締結部材１０のナット１４は、隔離部２１の範囲内に収まっている。ナット１４は、樹脂部３０および隔離部２１の範囲内に収まっていればよい。すなわち、ナット１４は、周辺部２２に接触しないように、ナット１４の大きさと隔離部２１および樹脂部３０の大きさとが設定されている。言い換えれば、ナット１４の外接円（各頂点を通る円）が樹脂部３０および隔離部２１の範囲内に収まっていればよい。ナット１４の外接円が樹脂部３０よりはみ出なければよい。ナット１４の外接円は、樹脂部３０の内縁部３０ｂより内側に位置するか、または内縁部３０ｂに交差してもよいが、樹脂部３０の外縁部３０ａには交差しない。

続いて、接続構造１００の製造方法について説明する。まず、ベース基板３にＵ字状（またはＣ字状）の孔部（ざぐり）が形成される（スリット加工）。これにより、樹脂部３０に相当する領域が形成される。この孔部の両端部を切断するように、ベース基板３が切断される。これにより、端面３０ｃに相当する部分が形成される。ベース基板３の表面３ａ上に、絶縁層４が形成される。続いて、孔部に樹脂部３０が形成される。このとき、樹脂部３０は、絶縁層４に達するように形成される。さらに絶縁層４上に回路が形成される。そして、樹脂部３０に囲まれた中央の領域に、厚み方向に貫通する貫通孔５が形成される。基板１の第１面１ａに端子４０の接続部４１をあてがい、孔部４１ｃおよび貫通孔５にボルト１３を通して、第２面１ｂ側に配置したナット１４に対してねじ込むことにより、端子４０が基板１に固定される。

接続構造１００は、あらゆる電気機器に用いられ得る。たとえば、図３に示されるように、接続構造１００は、大電流が流される電動コンプレッサ５０に適用されてもよい。電動コンプレッサ５０は、空気を圧縮し、圧縮した空気をエンジン等に供給する。電動コンプレッサ５０は、インバータ５４と、モータ５２と、回転軸５３を介してモータ５２に連結されたコンプレッサ５１と、を含む。インバータ５４は、電源７０から供給された直流の電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ５２に供給する。モータ５２は、インバータ５４から交流電力を供給されることにより駆動する。モータ５２の回転軸５３に取り付けられたコンプレッサ５１は、モータ５２が駆動することで回転する。コンプレッサ５１の回転により、空気が圧縮される。接続構造１００は、たとえばインバータ５４に設けられる。なお、接続構造１００は、電源７０とインバータ５４との間に設けられて、これらを電気的に接続するための構造であってもよい（図３中の仮想線参照）。

端子４０の接続構造１００によれば、基板１には、導電板２、絶縁層４、およびベース基板３を厚み方向に貫通する貫通孔５が形成されている。この貫通孔５および端子４０の孔部４１ｃに、締結部材１０の軸部１２が挿通される。軸部１２の両端に設けられた頭部１１およびナット１４が端子４０上およびベース基板３上に（より詳細には隔離部２１上に）係止されることにより、端子４０が基板１に対して固定される。締結部材１０のナット１４はベース基板３の隔離部２１に接触するが、隔離部２１は、絶縁層４に達する樹脂部３０によって、周辺部２２に対して絶縁されている。締結部材１０のナット１４は、樹脂部３０および隔離部２１の範囲内に収まっており、周辺部２２に接触することはない。したがって、周辺部２２は、端子４０、導電板２、締結部材１０および隔離部２１から絶縁されており、導電板２の回路とベース基板３の周辺部２２との短絡は生じない。このように貫通孔５と、軸部１２を含む締結部材１０とを用いて端子４０が接続されるため、上記した従来技術（たとえばはんだ付け接続構造）に伴う制限は軽減されている。よって、金属製基板に対する端子４０の接続の自由度が高められている。

たとえば、締結部材１０のスペースが確保されればよいので、はんだ部２１０が設けられる場合に比して、省スペースが実現される。また、導電部材の近くにＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子が実装されている場合でも、はんだ付けのための熱で半導体素子が損傷する又は破壊されるといった事態が回避される。また、図４に示される接続構造２００のように、はんだ部２１０においてはんだ付けされた第１接続部材２０１に対して、外部回路の端子である第２接続部材２０２を別途締結部材２０３によって締結あるいは溶接する手間が必要である。上記実施形態では、簡易な構成で端子４０を接続することができる。端子４０をはんだ付けする必要がなくなり、基板１の実装工程で過度な熱量が不要となり、他の実装部品への熱ストレスが軽減される。基板１へのバスバ等の端子４０の接続が容易になり、基板１および端子４０の形状設計自由度が広がる。さらに、周辺部２２は基板１の放熱性を高める。周辺部２２が外部の冷却手段に接続され、冷却されることで、基板１の放熱性は更に高められる。

締結部材１０のボルト１３およびナット１４により、基板１に対して端子４０を容易に締結固定できる。ボルト１３およびナット１４によって端子４０を基板１に直接締結できる。

樹脂部３０は基板１の辺部１ｃに達するように設けられるので、樹脂部３０、および、樹脂部３０に取り囲まれた隔離部２１を容易に形成することができる。

矩形形状の隔離部２１は、隔離部２１が円形である場合に比して、その面積が大きい。よって、ナット１４の座面に適している。樹脂部３０も矩形形状となるので、樹脂部３０を形成しやすい。ナット１４が矩形形状である場合は、隔離部２１は、ナット１４の形状に適合するので、その面積を最小限とすることができる。その結果として、たとえば周辺部２２による冷却性能を十分に確保することができる。

電動コンプレッサ５０に接続構造１００が適用された場合、大電流が流され得る電動コンプレッサ５０に対しても、端子４０の接続の自由度が高められる。たとえば、電動コンプレッサ５０のインバータ５４に採用され得るパワー基板（金属製基板）に対しても端子４０を容易に接続できる。周辺部２２は基板１の放熱性を高める。周辺部２２が外部の冷却手段に接続され、冷却されることで、基板１の放熱性は更に高められる。

本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、隔離部の形状は他のいかなる形状であってもよい。隔離部は、基板１の端部に設けられなくてもよい。

固定部材の構成は適宜、変更され得る。たとえば、軸部と第２端部が一体になっており、ボルトが基板１の第２面１ｂ側から挿入され、端子４０の接続部４１側にナットが設けられてもよい。スタッドボルトに対して、第１端部に相当するナットと、第２端部に相当するナットとがねじ込まれてもよい。締結部材以外が採用されてもよい。たとえば、リベット構造やソケット構造が採用されてもよい。かしめ構造が採用されてもよい。

接続構造１００は、非接触給電システム等に適用されてもよい。

１ 基板
１ａ 第１面
１ｂ 第２面
１ｃ 辺部（端縁部）
２ 導電板
３ ベース基板
４ 絶縁層
５ 貫通孔
１０ 締結部材（固定部材）
１１ 頭部（第１端部）
１２ 軸部
１３ ボルト
１４ ナット（第２端部）
２１ 隔離部
２２ 周辺部
３０ 樹脂部
４０ 端子（導電部材）
４１ｃ 孔部
５０ 電動コンプレッサ
５１ コンプレッサ
５２ モータ
１００ 接続構造

Claims (5)

1. 基板の第１面に設けられた回路に導電部材が電気的に接続される導電部材の接続構造であって、
   前記基板は、
   前記第１面側に配置されて前記回路が形成された導電板と、
   前記第１面とは反対の第２面側に配置された金属製のベース基板と、
   前記導電板と前記ベース基板との間に配置された絶縁層と、を有し、
   前記基板には、前記導電板、前記絶縁層、および前記ベース基板を厚み方向に貫通する貫通孔が形成されており、前記導電部材には前記貫通孔に連通する孔部が形成されており、
   前記基板に対して前記導電部材を固定する固定部材であって、前記貫通孔および前記孔部に挿通され、前記第１面側の第１端と前記第２面側の第２端とを含む軸部と、前記軸部の前記第１端に設けられ、前記孔部よりも大きく、前記導電部材上に係止された第１端部と、前記軸部の前記第２端に設けられ、前記貫通孔よりも大きく、前記ベース基板上に係止された第２端部と、を含む前記固定部材を備え、
   前記ベース基板は、前記貫通孔を取り囲む隔離部と、前記隔離部を取り囲む周辺部とを含み、
   前記隔離部と前記周辺部との間には、前記隔離部を取り囲むと共に前記厚み方向において前記絶縁層に達する樹脂部が設けられ、
   前記固定部材の前記第２端部は、前記樹脂部および前記隔離部の範囲内に収まっている、導電部材の接続構造。
2. 前記固定部材は、
   前記軸部と前記第１端部および前記第２端部のいずれか一方とを含むボルトと、
   前記第１端部および前記第２端部のいずれか他方であるナットと、を有し、
   前記ナットに対して前記ボルトの前記軸部がねじ込まれることにより前記基板に対して前記導電部材を固定する、請求項１に記載の導電部材の接続構造。
3. 前記隔離部は、前記厚み方向に直交する方向における前記基板の端縁部に設けられ、前記樹脂部は前記基板の前記端縁部に達する、請求項１または２に記載の導電部材の接続構造。
4. 前記隔離部は矩形形状をなす、請求項１〜３のいずれか一項に記載の導電部材の接続構造。
5. 前記基板を有し、請求項１〜４のいずれか一項に記載の導電部材の接続構造によって前記基板に前記導電部材が電気的に接続されたモータと、
   前記モータに連結されたコンプレッサと、を備える電動コンプレッサ。

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