JP2019145719A - モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 発明は、インダクタンス部品を構成するフェライト磁心を金属ケースの底壁部へ確実に接触させ、接触状態を継続して維持可能で、さらに放熱性を向上可能なモジュールを提供することを目的とする。【解決手段】矩形の底壁部と、前記底壁部の縁部に立設し、四方を囲う側壁部とを有し、前記底壁部に形成された仕切り部によって内部が第１領域と第２領域に区画された矩形の金属ケースと、前記第１領域に配置された第１インダクタンス部品と、前記第２領域に配置された第２インダクタンス部品と、前記金属ケース内に充填された熱伝導用フィラーを含む樹脂と、前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品とを前記底壁部側へ押さえる複数の突起部を備えた蓋部材を有するモジュールである。【選択図】 図１

Description

本発明は、インダクタンス部品を金属ケース内に備えたモジュールに関するものである。

近年急速に普及するＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、ＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等の電動輸送機器の一つである電気自動車には大出力の電気モータや充電器等の機器が設けられていて、それらに用いられる電源装置には高電圧・大電流に耐えるトランスやチョークコイル等のインダクタンス部品やそれを用いた電子部品が要求される。インダクタンス部品は、巻線の抵抗損失やフェライト磁心の磁気エネルギー損失によって発熱する。そのため、晒される環境最高温度よりも僅かに高い温度に安定させ、フェライト磁心が磁性を失う熱暴走を防ぐとともに、巻線自体やインダクタンス部品を構成する部材に熱的な損傷が生じないことが求められる。

インダクタンス部品の発熱の対処として、実装する基板や金属ケース等の被装着体を介して冷却器として機能するヒートシンクや熱容量の大きなフレーム等に逃がす方法が一般的である。特許文献１や特許文献２では、図１３に示すようにインダクタンス部品２００の発熱をフェライト磁心２０１に放熱性部材（被装着体）を密着させて放熱することが記載されている。放熱性部材は、例えば銅板やアルミニウム板など熱伝導率の大きな金属部材である。

特開２０１３−１３１５４０号 特開２０１５−１４１９１８号

図１３に示すように、インダクタンス部品２００はフェライト磁心１を組み合わせる構成であるので、被装着体から見て、フェライト磁心２０１、２０１間の熱経路（図中矢印で示す）に、組み合わせ面による熱伝導性を下げる熱的なギャップ２１０が形成される。そのため、被装着体からｙ軸方向に遠い部分の巻線やフェライト磁心の放熱が不足しやすい。

またインダクタンス部品２００の放熱性を向上するように伝導用フィラーを含む樹脂で埋設すると、フェライト磁心２０１、２０１と樹脂との線膨張係数の差から、インダクタンス部品２００の動作時の発熱で、インダクタンス部品２００が被装着体から浮き上がって密着が解かれて放熱性が劣化したりする場合があった。

そこで本発明は、インダクタンス部品を構成するフェライト磁心を金属ケースに確実に接触させ、接触状態を継続して維持可能で、さらに放熱性を向上可能なモジュールを提供することを目的とする。

本発明は、矩形の底壁部と、前記底壁部の縁部に立設し、四方を囲う側壁部とを有し、前記底壁部に形成された仕切り部によって内部が第１領域と第２領域に区画された矩形の金属ケースと、前記第１領域に配置された第１インダクタンス部品と、前記第２領域に配置された第２インダクタンス部品と、前記金属ケース内に充填された熱伝導用フィラーを含む樹脂と、前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品とを前記底壁部側へ押さえる複数の突起部を備えた蓋部材と、を有し、前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品とは、少なくとも一対のフェライト磁心と、前記フェライト磁心の中脚部に配置される巻線と、前記中脚部を挿入し、かつ前記巻線が巻回される胴部を有するボビンと、を備えていて、前記フェライト磁心は端面部と、前記端面部から同じ方向に突き出た前記中脚部と外脚部と、を備え、前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品は、それぞれの一対のフェライト磁心の外脚部が前記金属ケースの底壁部に接触し、かつ、前記第１インダクタンス部品の前記一対のフェライト磁心の一方のフェライト磁心は、端面部が前記金属ケースの第１側壁部と近接して対面し、前記第２インダクタンス部品の前記一対のフェライト磁心の一方のフェライト磁心は、端面部が前記金属ケースの第１側壁部と対向する第２側壁部と近接して対面し、前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品のそれぞれの前記一対のフェライト磁心の他方のフェライト磁心の端面部同士が近接して対面するモジュールである。

本発明においては、前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品とは、それぞれトランスとチョークコイルの組み合わせであり、前記第１インダクタンス部品のトランスと前記第２インダクタンス部品のトランスとが、それぞれの巻線の巻き軸方向が同じとなるように並び、前記第１インダクタンス部品のチョークコイルと前記第２インダクタンス部品のチョークコイルとが、それぞれの巻線の巻き軸方向が同じとなるように並ぶのが好ましい。

また本発明においては、前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品は、前記トランスの一次側の巻線と前記チョークコイルの巻線とが１つの導線で構成され、前記トランスと前記チョークコイルとの間に、接続ノードを有さないのが好ましい。

本発明によれば、インダクタンス部品を構成するフェライト磁心を金属ケースに確実に接触させ、接触状態を継続して維持可能で、さらに放熱性を向上可能なモジュールを提供することが出来る。

本発明の一実施形態に係るモジュールの正面図である。 図１で示したモジュールの平面図である。 図１で示したモジュールの右側面図である。 本発明の一実施例に係るモジュールの斜視図である。 本発明の一実施例に係るモジュールを構成する金属ケースの一例を示す斜視図である。 本発明の一実施例に係るモジュールを構成するフェライト磁心の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施例に係るモジュールを構成するフェライト磁心の他の例を示す斜視図である。 本発明の一実施例に係るモジュールを構成する蓋部材の斜視図である。 本発明の一実施例に係るモジュールの内部構造を示す分解斜視図である。 本発明の一実施例に係るモジュールの内部構造を示す分解斜視図である。 本発明の一実施例に係るモジュールの内部構造を示す分解斜視図である。 本発明の一実施例に係るモジュールの回路図である。 被装着体の面上にインダクタンス部品が配置された従来のモジュールの斜視図である。

以下、本発明の一実施形態に係るモジュールについて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論可能である。また説明に使用した図面は、発明の要旨の理解が容易なように要部を主に記載し、細部については適宜省略するなどしている。同一機能を有する部分については図面全体を通して共通した番号、記号を付与している。

本発明の一実施形態に係る、モジュールの構造を図１から図４、図９から図１１に示す。また図５は図１のモジュールに用いた金属ケースの一例を示す斜視図であり、図６及び図７はモジュールに用いたフェライト磁心の一例を示す斜視図であり、図８はモジュールに用いた蓋部材の一例を示す斜視図である。

図１、図４あるいは図８に示すように、モジュール１は樹脂が充填された金属ケース５０内に複数のインダクタンス部品が納められていて、蓋部材６０で覆われた構造を有しいている。インダクタンス部品の巻線の端部は、蓋部材６０に形成された複数の孔６３、６４から引き出されている。インダクタンス部品は、例えばトランス、チョークコイル、フィルタ他、いずれかひとつ以上であれば良く、図示したモジュールは、トランスとチョークコイルの組み合わせで構成されていて、図１２に示される回路を成すようにトランスＴ１とチョークコイルＣ１とで、第１インダクタンス部品を構成し、トランスＴ２とチョークコイルＣ２とで、第２インダクタンス部品を構成している。

金属ケース５０は図１、図５あるいは図１０に示すように、平面視形状が矩形（長方形または正方形））に形成され、矩形の底壁部５４と、底壁部５４の縁部に立設し、四方を囲う側壁部５１、５２とを有し、側壁部５１、５２は対向する長手方向の側壁部５１と、対向する短手方向の側壁部５２を備えていて、上面側が開口するように形成されている。金属ケース５０はアルミニウム又はその合金、マグネシウム又はその合金、銅又はその合金等のような熱伝導率に優れた非磁性金属を用いることができる。

底壁部５４は仕切り部５３を備え、その仕切り部５３によって金属ケース５０の内部の空間を第１領域と第２領域に区画する。仕切り部５３は側壁部５１、５２と同じ程度の高さに形成しても良いし、低くても良い。図示した例では長手方向の側壁部５１と略平行に形成されていて短手方向の側壁部５２を繋ぐように、かつ側壁部５１、５２よりも低く形成されている。

図示した例では、４つの側壁部のうちの一対の第１側壁部５１、５１が互いに平行に対向し、一対の第２側壁部５２、５２が互いに平行な状態で対向している。また、一対の第２側壁部５２、５２の上端には、外面に突き出た突出部５５を有し、各突出部５５には金属ケースの底壁部５４に向かってタップが切られている。このタップを利用し、金属ケース５０の開口する側から蓋部材６０が装着され、固定される。また一対の第１側壁部５１、５１の下端にも外面に突き出た突出部５７を有し、各突出部５７には金属ケースの底壁部５４に向かって貫通孔が設けられている。この構成により、モジュール１をフレームやヒートシンク、あるいは他の熱伝導に優れる構造体にねじ止めして装着される。

金属ケース５０内に収容されるインダクタンス部品は、図１３に示したインダクタンス部品と同様に、一対のフェライト磁心と、後述するフェライト磁心の中脚部に装着された巻線と、前記中脚部を挿入し、かつ巻線が巻回される胴部を有するボビンを備えている。フェライト磁心は、一例として図６、図７に示すように、端面部２４、３４と、端面部２４、３４から同じ方向に突き出た中脚部２３、３３と外脚部２１、２２、３１、３２を備えている。

図６に示したフェライト磁心３０は、端面部３４の端からほぼ直角に延出する一対の外脚部３１、３２と、一対の外脚部３１、３２の間から同じ方向に延出する中脚部３３を有して全体としてＥ型形状に構成されている。一対の外脚部３１、３２の形状が異なり、中脚部３３の中心に対して非対称形（円柱状の中脚部の中心軸の回転非対称形）となっていて、第１外脚部３２の幅（円柱状の中脚部の中心軸に対し直交し、かつ一対の外脚部が対向する方向に直交する方向の幅）が第２外脚部３１の幅よりも大きく、第１外脚部３２の厚み（一対の外脚部が対向する方向の厚さ）を第２外脚部３１の厚みよりも薄く形成されている。

また図７に示したフェライト磁心２０も基本構成は図６に示したフェライト磁心３０と同じで、一対の外脚部２１、２２と、一対の外脚部２１、２２の間から同じに方向に延出する中脚部２３を有して全体としてＥ型形状に構成されている。外脚部２１、２２は厚み（一対の外脚部が対向する方向の厚さ）がフェライト磁心２０の長手方向の一方の辺側で薄く、他方の辺側で厚く形成されている。図６、図７で示したフェライト磁心では中脚部２３、３３が円柱で形成されているが、角柱体や、楕円柱体であってもよい。

一対のフェライト磁心は、各中脚部がボビンの巻線が施された胴部を通すように組み合わされ、図６のフェライト磁心３０では外脚部３１、３１同士、外脚部３２、３２同士、中脚部３３、３３同士が、その端面で密着するように構成されている。図７のフェライト磁心２０でも同様に、外脚部２１、２１同士、外脚部２２、２２同士、中脚部２３、２３同士が、その端面で密着するように構成されていて、組み合わせたフェライト磁心の外周にテープ（図示せず）を貼り付けて、あるいは接着により固定してインダクタンス部品（トランス、チョークコイル、フィルタ等）とする。なお、中脚部および外脚部の端面間に磁気ギャップを設ける場合もある。

ボビンは、優れた絶縁性、耐熱性及び成形性を有する樹脂により形成するのが好ましく、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等が好ましく、それらを射出成形法等の公知の方法で成形したものを用いることができる。

巻線に用いる導線は、銅やアルミニウム、その合金といった導電性材料からなる導体に絶縁被覆を備える被覆線が用いられる。一般的には導線にポリアミドイミドで絶縁被覆したエナメル線が用いられ、複数のエナメル線を縒って作成したリッツ線を用いるのが好ましい。巻線１２０の巻数は、要求されるインダクタンスに基づいて適宜設定し、また線径も通電される電流により適宜選択することが出来る。

図示したモジュールは、第１及び第２のインダクタンス部品をトランスとチョークコイルの組み合わせで構成している。トランスとチョークコイルとは、それぞれフェライト磁心と巻線等で構成し、巻線の端部同士を図１２に示した回路となるように接続して構成してもよいが、それによる接続ノードが形成される。接続ノードは絶縁処理が必要であるとともに、それを金属ケース内に収めるには比較的大きなスペースが必要となる。モジュールの小型化の観点では好ましくないため、トランスの一次側の巻線とチョークコイルの巻線が１つの導線で構成して、トランスとチョークコイルとの間に接続ノードを形成しない構成とするのが好ましい。

次にモジュールの内部構成について図９から図１１をもとに説明する。なお図示した例では、インダクタンス部品からの導線の引き出しやトランスとチョークコイルとの接続形態等を省略している。金属ケース５０の仕切り部５３によって区画された第１領域と第２領域の内部空間に第１と第２のインダクタンス部品が配置される。図示した例では、トランスに図７で示したフェライト磁心を使用し、チョークコイルに図６で示したフェライト磁心を使用している。

図９に金属ケース５０内の第１領域に第１インダクタンス部品が収納された状態を示す。金属ケース５０内に収納された第１インダクタンス部品において、トランスを構成するフェライト磁心２０の外脚部２１、２２の幅広側の端面２５を金属ケース５０の底壁部５４と接触させ、チョークコイルを構成するフェライト磁心３０の外脚部３１、３２の幅広側の端面３５を金属ケース５０の底壁部５４と接触させる。またトランスを構成するフェライト磁心２０の一方の端面部２４と、チョークコイルを構成するフェライト磁心３０の一方の端面部３４とは、金属ケース５０の第１側壁部５１と近接して対面している。トランスとチョークコイルとは、トランスの巻線４０の巻軸とチョークコイルの巻線（図示せず）の巻軸とが同じ方向となるように間隔をもって並んで配置される。トランスとチョークコイルとの間には接続ノードを有さず、トランスとチョークコイルとの間の隙間を通して導線が引き回されている。

また図１０は第１領域に第１インダクタンス部品を第２領域に第２インダクタンス部品が収納された状態を示す。金属ケース５０内の第２領域に、第１インダクタンス部品と同様に構成された第２インダクタンス部品を収納する。第２インダクタンス部品においても、トランスを構成するフェライト磁心２０の外脚部２１、２２の幅広側の端面２５を金属ケース５０の底壁部５４と接触させ、チョークコイルを構成するフェライト磁心３０の外脚部３１、３２の幅広側の端面３５を金属ケース５０の底壁部５４と接触させる。そしてトランスを構成するフェライト磁心２０の一方の端面部２４と、チョークコイルを構成するフェライト磁心３０の一方の端面部３４は、金属ケース５０の他方の第１側壁部５１と近接して対面する。

第１インダクタンス部品と第２インダクタンス部品のトランス同士とチョークコイル同士が、同じ巻軸方向となるように並んで配置される。第１インダクタンス部品のトランスとチョークコイルのフェライト磁心２０、３０の端面部２４、３４と、第２インダクタンス部品のトランスとチョークコイルのフェライト磁心２０、３０の端面部２４、３４とが、互いに同様の端面部同士が近接して対面する。第１インダクタンス部品と第２インダクタンス部品は金属ケース５０の上方を除く少なくとも三方向が、それぞれ底壁部５４、第１側壁部５１、第２側壁部５２と近接している。なお、図１０で示した状態（金属ケースにインダクタンス部品が配置された状態）では第１インダクタンス部品と第２インダクタンス部品は金属ケース５０に固定されていない。

図８は金属ケースを覆う蓋部材の金属ケース側から見た斜視図を示す。蓋部材６０は平面視で金属ケース５０の形状とほぼ同じに形成された天井部６９と、天井部６９から立設する側壁を四方に備えていて、天井部６９には巻線の端部を引き出す複数の導出孔６３、６４と、後述する熱伝導用フィラーを含む樹脂を金属ケース５０内に充填するための充填孔６５と、金属ケース５０とのねじ締結による固定のための貫通孔６２を形成している。またインダクタンス部品を押圧するための複数の突起部６７、６８が形成されている。

図４に示すように、箱体の金属ケース５０を開口側から蓋部材６０で覆う。金属ケース５０の側壁部の上端側を蓋部材６０の側壁内に入り込ませ、金属ケース５０の突出部５５に形成されたタップと蓋部材６０の貫通孔６２とを重ね、ねじ締結部７０で固定し、開口する金属ケース５０の上側を閉じる。蓋部材６０の突起部６７、６８は、第１インダクタンス部品と第２インダクタンス部品のトランス及びチョークコイルを構成するフェライト磁心２０、３０のぞれぞれと対応する位置と高さで形成されていて、蓋部材６０を金属ケース５０にねじ締結した状態で、フェライト磁心２０、３０と当接し、底壁部に押圧する機能を備えている。

蓋部材６０もボビンと同様に、優れた絶縁性、耐熱性及び成形性を有する樹脂により形成するのが好ましく、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等が好ましく、それらを射出成形法等の公知の方法で成形したものを用いることができる。樹脂により突起部６７、６８を蓋部材６０に一体で形成することで、フェライト磁心２０、３０に突起部６７、６８の先端が接触した状態で金属ケース５０と蓋部材６０とを固定するとき、天板部６９が弾性変形し、それによりフェライト磁心２０、３０を底壁部５４側へ押圧する力が突起部６７、６８に付勢される。

図１から図３に示すように、モジュール１において第１インダクタンス部品と第２インダクタンス部品の巻線の端部は、蓋部材６０の天井部６９に形成された導出孔６３、６４から引き出され、図示した例では先端に圧着端子が取り付けられている。尚、圧着端子は巻線の端部を引き出した後、装着すればよい。

蓋部材６０で閉じられた金属ケース５０内に溶融状態の樹脂を流し入れる。蓋部材６０の天井部６９に形成された充填孔６５から金属ケース５０内に、シリンジ充填機により加圧容器内にセットされた樹脂を注入し、減圧チャンバー内で脱泡し、さらに塗布と脱泡を繰り返して、金属ケース５０の外壁部の上端近傍まで、樹脂を充填し、樹脂を硬化させてモジュールの組み立てが完了する。

図１１に樹脂を充填したモジュールの内部状態について蓋部材を省略して示す。図示するように、第１インダクタンス部品と第２インダクタンス部品のほぼ全体が樹脂で埋まり、樹脂８０が、フェライト磁心２０、３０と金属ケース５０の側壁部５１、５２との間、トランスとチョークコイルを構成するフェライト磁心２０、３０の間、第１インダクタンス部品と第２インダクタンス部品のフェライト磁心２０、３０の間、トランスとチョークコイルの巻線や、巻線とフェライト磁心２０、３０の間の隙間に進入している。

金属ケース内に注入する樹脂は熱伝導用フィラーを含むシリコーン樹脂が好ましく、熱伝導用フィラーは、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＭｇＯ等の熱伝導性に優れたセラミックから選択するのが好ましい。シリコーン樹脂に対するセラミックフィラーの混合量は、所望の放熱性、変形能、強度が得られるように調整するのが望ましい。

得られたモジュール１は、蓋部材６０からの押圧力が金属ケース５０内に収納されているフェライト磁心に継続して加えられ、さらに樹脂８０により略全体が封止された状態となっていて、これにより、フェライト磁心２０、３０を金属ケース５０の底壁部５４に密着させた状態を維持することが出来る。この構成により、巻線やフェライト磁心の発熱を、熱伝導用フィラーを含む樹脂やフェライト磁心自身を介して金属ケースに放熱し、そして金属ケース５０を介してヒートシンク等の冷却器に効率よく放熱させることが可能となる。

またフェライト磁心２０、３０の外脚部の幅広側を底壁部５４との接触面とすることで、接触面積を増やすことができることから、熱をさらに効率よく放熱させることが可能である。

１ モジュール
２０ フェライト磁心
２１、２２ 外脚部
２３ 中脚部
２４ 端面部
３０ フェライト磁心
３１、３２ 外脚部
３３ 中脚部
３４ 端面部
４０ 巻線
５０ 金属ケース
５１ 第１側壁部
５２ 第２側壁部
５３ 仕切り部
５４ 底壁部
６０ 蓋部材
６３、６４ 導出孔
６５ 充填孔
６７、６８ 突起部
６９ 天井部
８０ 樹脂

Claims (3)

1. 矩形の底壁部と、前記底壁部の縁部に立設し、四方を囲う側壁部とを有し、前記底壁部に形成された仕切り部によって内部が第１領域と第２領域に区画された矩形の金属ケースと、
   前記第１領域に配置された第１インダクタンス部品と、
   前記第２領域に配置された第２インダクタンス部品と、
   前記金属ケース内に充填された熱伝導用フィラーを含む樹脂と、
   前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品とを前記底壁部側へ押さえる複数の突起部を備えた蓋部材と、を有し、
   前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品とは、少なくとも一対のフェライト磁心と、前記フェライト磁心の中脚部に配置される巻線と、前記中脚部を挿入し、かつ前記巻線が巻回される胴部を有するボビンと、を備えていて、
   前記フェライト磁心は端面部と、前記端面部から同じ方向に突き出た前記中脚部と外脚部と、を備え、
   前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品は、それぞれの一対のフェライト磁心の外脚部が前記金属ケースの底壁部に接触し、かつ、
   前記第１インダクタンス部品の前記一対のフェライト磁心の一方のフェライト磁心は、端面部が前記金属ケースの第１側壁部と近接して対面し、
   前記第２インダクタンス部品の前記一対のフェライト磁心の一方のフェライト磁心は、端面部が前記金属ケースの第１側壁部と対向する第２側壁部と近接して対面し、
   前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品のそれぞれの前記一対のフェライト磁心の他方のフェライト磁心の端面部同士が近接して対面するモジュール。
2. 請求項１に記載のモジュールであって、
   前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品とは、それぞれトランスとチョークコイルの組み合わせであり、
   前記第１インダクタンス部品のトランスと前記第２インダクタンス部品のトランスとが、それぞれの巻線の巻き軸方向が同じとなるように並び、前記第１インダクタンス部品のチョークコイルと前記第２インダクタンス部品のチョークコイルとが、それぞれの巻線の巻き軸方向が同じとなるように並ぶモジュール。
3. 請求項２に記載のモジュールであって、
   前記第１インダクタンス部品と前記第２インダクタンス部品は、前記トランスの一次側の巻線と前記チョークコイルの巻線とが１つの導線で構成され、前記トランスと前記チョークコイルとの間に、接続ノードを有さないモジュール。