JP4626665B2 - 整流装置 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機に使用される整流装置に関する。

車両用交流発電機は、エンジンから伝えられた動力によって発電を行い、バッテリへの充電を行うとともに、エンジンの点火、照明その他の各種電装品への電源供給を行うものであり、市場競争力の維持あるいは向上のために、小型軽量化、高出力化、コストダウンとともに耐久性の向上は重要な課題である。例えば、整流装置に含まれる整流素子としての半導体装置には大電流が流れるため、半導体チップの発熱分を放熱するために、半導体装置を放熱フィンに圧入したり半田付けする構造となっている（例えば、特許文献１参照。）。整流装置に用いられる一般的な半導体装置は、ディスク部、整流素子、リードで構成されており、これらを半田付し、シリコンゴムや樹脂の封止材で封止する構造となっている。放熱フィンに圧入固定される場合には、ディスク部外周部にローレット形状を形成し、放熱フィンに圧入嵌合する方法がとられている。
特許第３７７１６３７号明細書

ところで、ディスク部外周部にローレット形状を形成し、放熱フィンに圧入嵌合する従来方式において使用されるローレット形状は、打ち込み側と反打ち込み側のローレット外径は同じになっているため、圧入時のかじり等によって、ディスク部と放熱フィンの接触面積が減少して放熱性が低下し、整流素子の熱疲労寿命が低下するおそれがあるという問題があった。また、打ち込み時に整流素子への局所的な応力が加わると、半導体チップの破損や剥離等の故障が発生するおそれがあり、整流装置の信頼性が低下するという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、放熱性を向上させ、整流素子の熱疲労寿命の低下を防止することができる整流装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、整流装置の製造時に、整流素子への局所的な応力が加わることを防止することにより、信頼性の高い整流装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の整流装置は、放熱フィンに形成された取付孔に半導体装置が圧入される整流装置であって、半導体装置は、半導体チップと、半導体チップが底面に半田付けされる凹部を有し、円筒状の外周面がローレット形状を有するディスク部とを備え、ローレット形状の大径凸部の周方向幅が、打ち込み開始側よりも反打ち込み側が広くなっている。これにより、打ち込み開始側の圧入しろを低減することができるので、打ち込み開始時にかじり等によって取付孔内周面の圧入開始側で傷が発生して進行することを防止あるいは低減することができる。これにより、ディスク部と放熱フィンの接触面積が減少して放熱性が低下したり、整流素子の熱疲労寿命が低下することを防止することができる。

また、上述したディスク部は、凹部の底面側が反打ち込み側となっている。これにより、凹部形状を有するディスク部の底面全体を均一に押圧して半導体装置の打ち込みを行うことができ、ディスク部に半田付けされた半導体チップに局所的な応力が加わることによる半導体チップの破損や剥離を防止することができる。

また、上述した取付孔の内周面とディスク部の外周面の間に熱伝導性グリースが充填されていることが望ましい。これにより、さらに整流素子からの放熱フィンへの伝熱性を高め、整流素子の熱疲労寿命を向上させることができる。

以下、本発明の整流装置を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。

〔第１の参考実施形態〕
図１は、第１の参考実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。図１に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、ブラシ装置４、整流装置５、フレーム６、リヤカバー７、プーリ８等を含んで構成されている。

固定子２は、固定子鉄心２１と、この固定子鉄心２１に形成された複数個のスロットに所定の間隔で巻き回された三相の固定子巻線２３とを備えている。回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線３１を、それぞれが複数の磁極爪部を有するポールコア３２によって、回転軸３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側のポールコア３２の端面には、冷却ファン３４が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側のポールコア３２の端面には、冷却ファン３５が溶接等によって取り付けられている。

ブラシ装置４は、整流装置５から回転子３の界磁巻線に３１に励磁電流を流すためのものであり、回転子３の回転軸３３に形成されたスリップリング３６、３７のそれぞれに押圧するブラシ４１、４２を有する。

整流装置５は、三相の固定子巻線２３の出力電圧である三相交流電圧を整流して直流の出力電力を得るためのものであり、配線用電極を内部に含む端子台５１と、所定の間隔で配置された正極側放熱フィン５２および負極側放熱フィン５３と、それぞれの放熱フィンに設けられた圧入孔に圧入することにより取り付けられた複数個の半導体装置としての整流素子５４、５５（後述する）とを含んで構成されている。

フレーム６は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３が回転軸３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３のポールコア３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム６は、固定子鉄心２１の軸方向端面から突出した固定子巻線２３に対向した部分に冷却風の吐出窓６１が、軸方向端面に冷却風の吸入窓６２がそれぞれ設けられている。リヤカバー７は、リヤ側のフレーム６の外側に取り付けられるブラシ装置４、整流装置５およびＩＣレギュレータ１２の全体を覆って、これらを保護するためのものである。

上述した構造を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ８にエンジン（図示せず）からの回転力が伝えられると回転子３が所定方向に回転する。この状態で回転子３の界磁巻線３１に外部から励磁電圧を印加することにより、ポールコア３２のそれぞれの爪部が励磁され、固定子巻線２３に三相交流電圧を発生させることができ、整流装置５の出力端子からは直流の出力電力が取り出される。

次に、整流装置５の詳細について説明する。図２は、整流装置５の詳細構造を示す平面図である。なお、以下では主に負極側放熱フィン５３に圧入された整流素子５５について説明するが、正極側放熱フィン５２に圧入された整流素子５４についても同様であり、詳細な説明は省略する（この点は第２の参考実施形態以降の各実施形態についても同じである）。

整流装置５は、正極側放熱フィン５２と負極側放熱フィン５３を有している。負極側放熱フィン５３には６箇所に取付孔５６が形成されており、それぞれの取付孔５６に負極側整流素子５５が打ち込まれる。圧入によって負極側整流素子５５を負極側放熱フィン５３に取り付けることにより、半田付けによって取り付けた場合に比べて作業工数およびコストの低減が可能になる。

図３は、負極側整流素５５を負極側放熱フィン５３の取付孔５６に打ち込む方向を示す図である。図４は、負極側整流素子５５の断面図である。図４に示す矢印Ａは、負極側整流素子５５を負極側放熱フィン５３に打ち込む方向を示している。

負極側整流素子５５は、ディスク部５００、半導体チップ５１０、リード５２０を含んで構成されている。ディスク部５００は、一方の端面に凹部５０４が形成された円筒形状を有している。この凹部５０４の内側底面が整流素子としての半導体チップ５１０を半田付けする接合面５０６となる。本実施形態（後述する第２の参考実施形態でも同じ）では、凹部５０４を有するディスク部５００は、凹部５０４の底面側（図４に示す例ではディスク部５００の下面側）が打ち込み時の圧入面になっており、この圧入面の全体が均一に加圧される。

負極側整流素子５５は、ディスク部５００の接合面５０６上に半導体チップ５１０が半田５１２によって半田付けされ、さらに半導体チップ５１０の上部にリード５２０が半田５１４によって半田付けされている。また、半導体チップ５１０の全体を覆うようにシリコンゴムあるいは樹脂からなる保護層５２２が形成されている。

ところで、ディスク部５００は円筒状の外周面５０２を有し、この外周面５０２はローレット形状を有している。すなわち、外周面５０２には、ローレット加工によって圧入方向のローレット溝が形成されている。また、この外周面５０２は、打ち込み開始側の外径Ｄ１が反打ち込み側の外径Ｄ２よりも小さくなるように設定されている（Ｄ１＜Ｄ２）。なお、負極側放熱フィン５３の取付孔５６の内径は、ディスク部５００の打ち込み開始側の外径Ｄ１よりも若干小さな値に設定されている。

また、負極側整流素子５５を負極側放熱フィン５３の取付孔５６に圧入した状態で、取付孔５６の内周面とディスク部５００の外周面５０２の間には熱伝導性グリースが充填されている（このためには、負極側整流素子５５を取付孔５６に打ち込む前に、ディスク部５００の外周面５０２あるいは取付孔５６の内周面の少なくとも一方に熱伝導性グリースを塗布する必要がある）。なお、負極側整流素子５５の発熱量等によっては熱伝導性グリースを充填しなくても充分な放熱性能が確保できる場合もあり、このような場合には熱伝導性グリースを省略してもよい。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１に備わった整流装置５では、負極側放熱フィン５３の取付孔５６に打ち込む半導体装置としての負極側整流素子５５のディスク部５００の形状を、打ち込み開始側の外径Ｄ１が反打ち込み側の外径Ｄ２よりも小さくなるように設定しているため、ディスク部５００の打ち込み開始時にかじり等によって取付孔５６内周面の圧入開始側で傷が発生して進行することを防止あるいは低減することができる。これにより、ディスク部５００と負極側放熱フィン５３の接触面積が減少して放熱性が低下したり、負極側整流素子５５の熱疲労寿命が低下することを防止することができる。

また、取付孔５６の内周面とディスク部５００の外周面の間に熱伝導性グリースが充填されているため、打ち込み時にかじり等が発生してディスク部５００と負極側放熱フィン５３の接触面積が減少した場合であっても放熱性の低下を防止することができ、負極側整流素子５５の熱疲労寿命が低下することを防止することができる。

また、ディスク部５００の凹部５０４の底面側が反打ち込み側（押圧側）になっており、ディスク部５００の底面全体を均一に押圧して負極側整流素子５５の打ち込みを行うことができ、ディスク部５００に半田付けされた半導体チップ５１０に局所的な応力が加わることによる半導体チップ５１０の破損や剥離を防止することができる。

なお、上述したローレット形状は、打ち込み方向と垂直な横断面をみると、複数の大径凸部とその間の小径凹部とが周方向に並んでいるが、これら大径凸部の径方向高さは、打ち込み開始側よりも反打ち込み側の方が低いことが望ましい。これにより、打ち込み時に大径凸部が変形しつつ放熱フィンになじみよく打ち込まれるので、上記効果を高めることができる。

〔第２の参考実施形態〕
次に、第２の参考実施形態の整流装置について説明する。上述した第１の参考実施形態の整流装置５では、負極側整流素子５５（正極側整流素子５４も同様）のディスク部５００の外周面５０２の形状を、打ち込み開始側の外径Ｄ１が反打ち込み側の外径Ｄ２よりも小さいテーパ形状としたが、ディスク部５００の外周面５０２をテーパ形状とする代わりに負極側放熱フィン５３の取付孔５６の内周面をテーパ形状にしてもよい。

図５は、第２の参考実施形態の整流装置の部分的な構造を示す図であり、図３に対応する内容が示されている。なお、整流装置５やこれを用いた車両用交流発電機１の全体構造については第１の実施形態と同じであり、以下では、相違点に着目して説明を行うものとする。

図５に示すように、本実施形態の半導体装置としての負極側整流素子５５は、ディスク部５００の外周面の打ち込み開始側の外径は反打ち込み側の外径と同じに設定されている。一方、この負極側整流素子５５が打ち込まれる負極側放熱フィン５３の取付孔５６は、ディスク部５００の圧入開始側の内径ｄ２が反圧入開始側の内径ｄ１よりも大きくなるように設定されている（ｄ２＞ｄ１）。なお、取付孔５６の反圧入開始側の内径ｄ１は、ディスク部５００の外径よりも若干大きく設定されている。なお、取付孔５６の形状とディスク部５００の外周面５０２の形状以外については第１の参考実施形態と同じであり、第２の実施形態の構造が正極側整流素子５４についても適用される点も第１の実施形態と同じである。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１に備わった整流装置５では、負極側整流素子５５のディスク部５００を打ち込む負極側放熱フィン５３の取付孔５６の形状を、ディスク部５００の圧入開始側の内径ｄ２が反圧入開始側の内径ｄ１よりも大きくなるように設定しているため、ディスク部５００の打ち込み開始時にかじり等によって取付孔５６内周面の圧入開始側で傷が発生して進行することを防止あるいは低減することができる。これにより、ディスク部５００と負極側放熱フィン５３の接触面積が減少して放熱性が低下したり、負極側整流素子５５の熱疲労寿命が低下することを防止することができる。

〔第１の実施形態〕
次に、第１の実施形態の整流装置について説明する。上述した第１および第２の参考実施形態の整流装置５では、ディスク部５００の外周面５０２あるいは負極側放熱フィン５３（正極側放熱フィン５２）の取付孔５６の内周面をテーパ形状にしたが、これらのテーパ形状を廃止し、ローレット形状を工夫して同様の効果を得るようにしてもよい。

図６は、第１の実施形態の整流装置の部分的な構造を示す図であり、図３や図５に対応する内容が示されている。なお、整流装置５やこれを用いた車両用交流発電機１の全体構造については第１および第２の参考実施形態と同じであり、以下では、相違点に着目して説明を行うものとする。

図６に示すように、本実施形態の半導体装置としての負極側整流素子５５は、ディスク部５００の外周面の打ち込み開始側の外径は反打ち込み側の外径と同じに設定されている。また、この負極側整流素子５５が打ち込まれる負極側放熱フィン５３の取付孔５６も、ディスク部５００の圧入開始側の内径は反圧入開始側の内径と同じに設定されている。

ところで、本実施形態では、ディスク部５００の外周面５０２のローレット形状は、大径凸部５０２０の周方向幅が、打ち込み開始側よりも反打ち込み側が広く設定されている。これにより、打ち込み開始側の圧入しろを低減することができるので、打ち込み開始時にかじり等によって取付孔５６の内周面の圧入開始側で傷が発生して進行することを防止あるいは低減することができる。よって、上述した第１の参考実施形態や第２の参考実施形態と同様に、ディスク部５００と放熱フィン５３（あるいは５２）の接触面積が減少して放熱性が低下したり、整流素子５５（あるいは５４）の熱疲労寿命が低下することを防止することができる。

〔第３の参考実施形態〕
次に、第３の参考実施形態の整流装置について説明する。図７は、第３の参考実施形態の整流装置の部分的な構造を示す図であり、図３や図５に対応する内容が示されている。なお、整流装置５やこれを用いた車両用交流発電機１の全体構造については第１および第２の参考実施形態や第１の実施形態と同じであり、以下では、相違点に着目して説明を行うものとする。

図７に示すように、本実施形態の半導体装置としての負極側整流素子５５は、ディスク部５００の外周面の打ち込み開始側の外径は反打ち込み側の外径と同じに設定されている。また、この負極側整流素子５５が打ち込まれる負極側放熱フィン５３の取付孔５６も、ディスク部５００の圧入開始側の内径は反圧入開始側の内径と同じに設定されている。

ところで、本実施形態では、ディスク部５００の外周面５０２のローレット形状は、大径凸部５０２０の本数が、打ち込み開始側よりも反打ち込み側が多くなっている。これにより、打ち込み開始側の圧入しろを低減することができるので、打ち込み開始時にかじり等が生ずることを防止し、上述と同様の効果を得ることができる。

特に、凹部の底面側が反打ち込み側であるディスク部５００において、ローレット形状の大径凸部５０２０の本数が多い部分の打ち込み方向長さＬ１が、ディスク部５００の底面の打ち込み方向長さ（図４にＬｄで示されている）以上であることが望ましい。これにより、整流素子５５（あるいは５４）からの伝熱性を高め、整流素子５５（あるいは５４）の熱疲労寿命を向上させることができる。

〔第４の参考実施形態〕
次に、第４の参考実施形態の整流装置について説明する。図８は、第４の参考実施形態の整流装置の部分的な構造を示す図であり、図３や図５に対応する内容が示されている。なお、整流装置５やこれを用いた車両用交流発電機１の全体構造については第１〜第３の参考実施形態や第１の実施形態と同じであり、以下では、相違点に着目して説明を行うものとする。

図８に示すように、本実施形態の半導体装置としての負極側整流素子５５は、ディスク部５００の外周面の打ち込み開始側の外径は反打ち込み側の外径と同じに設定されている。また、この負極側整流素子５５が打ち込まれる負極側放熱フィン５３の取付孔５６も、ディスク部５００の圧入開始側の内径は反圧入開始側の内径と同じに設定されている。

ところで、本実施形態では、ディスク部５００の外周面５０２のローレット形状の外周硬度は、打ち込み開始側よりも反打ち込み側が高くなっている。これにより、打ち込み開始側の圧入しろを低減することができるので、打ち込み開始時にかじり等が生ずることを防止し、上述と同様の効果を得ることができる。

例えば、ローレット形状の打ち込み開始側の一定長さＬ２の外周面にめっき処理がなされており、めっき処理がされためっき部５０２１の硬度をめっき処理がされていない部分の硬度よりも高くすることができる。

また、めっき部５０２１の打ち込み方向長さＬ２が、ディスク部５００の底面の打ち込み方向長さ（図４にＬｄで示されている）以上であることが望ましい。これにより、整流素子５５（あるいは５４）からの放熱フィンへの伝熱性を高め、整流素子５５（あるいは５４）の熱疲労寿命を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、車両用交流発電機１に備わった整流装置５について説明したが、車両用交流発電機１以外の用途に用いられる整流装置についても本発明を適用することができる。

第１の参考実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。 整流装置の詳細構造を示す平面図である。 負極側整流素子を負極側放熱フィンの取付孔に打ち込む方向を示す図である。 負極側整流素子の断面図である。 第２の参考実施形態の整流装置の部分的な構造を示す図である。 第１の実施形態の整流装置の部分的な構造を示す図である。 第３の参考実施形態の整流装置の部分的な構造を示す図である。 第４の参考実施形態の整流装置の部分的な構造を示す図である。

符号の説明

５ 整流装置
５２ 正極側放熱フィン
５３ 負極側放熱フィン
５４ 正極側整流素子
５５ 負極側整流素子
５６ 取付孔
５００ ディスク部
５０２ 外周面
５０２０ ローレット大径凸部
５０２１ めっき部
５０４ 凹部
５０６ 接合面
５１０ 半導体チップ
５１２、５１４ 半田
５２０ リード
５２２ 保護層

Claims (2)

1. 放熱フィンに形成された取付孔に半導体装置が圧入される整流装置であって、
   前記半導体装置は、
   半導体チップと、
   前記半導体チップが底面に半田付けされる凹部を有し、円筒状の外周面に複数の大径凸部によって形成されたローレット形状を有し、前記凹部の底面側が反打ち込み側であるディスク部と、
   を備え、前記大径凸部の周方向幅が、打ち込み開始側よりも反打ち込み側が広いことを特徴とする整流装置。
2. 請求項１において、
   前記取付孔の内周面と前記ディスク部の外周面の間に熱伝導性グリースが充填されていることを特徴とする整流装置。

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