JP5359927B2 - バスバーの締結構造および電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に用いられるバスバーの締結構造と、該締結構造を備える電力変換装置に関する。

電子機器に用いるバスバーの締結構造として、図１３に示すごとく、袋ナット９２を埋設した樹脂製の端子台９１を備え、この端子台９１にバスバー９４を載置して、ボルト９３を袋ナット９２に螺合することにより、バスバー９４を端子台９１に締結固定したものが知られている（下記特許文献１参照）。

ボルト９３を袋ナット９２に螺合する際に、ボルト９３の軸９３ａの表面や袋ナット９２の内面が削れて金属粉９５が発生するが、この金属粉９５は袋ナット９２の袋状空間９６内に閉じ込められ、外部に出ないようになっている。これにより、袋ナット９２の周囲に存在する電子部品が金属粉９５によって短絡することを防止している。

特開２００４−１０６４６８号公報

しかしながら、袋ナット９２は、袋部分９２ａが付いていないナットと比較して高価である。そのため、袋ナット９２を用いることにより、電子機器の製造コストが上昇するという問題が生じていた。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、製造コストを低減できるバスバーの締結構造を提供しようとするものである。

第１の発明は、電子部品に接続されたバスバーと、
該バスバーを載置する載置面と、該載置面に開口した第１凹部と、該第１凹部に連通した第２凹部とを有する樹脂製の端子台と、
上記第１凹部内に配置され両端が開口した雌螺子と、該雌螺子に螺合する雄螺子とから構成され、上記バスバーを上記端子台に締結固定する締結部材とを備え、
上記雌螺子に螺合して貫通した上記雄螺子の軸の一部が上記第２凹部内に位置しており、上記軸の先端部と上記第２凹部の底部との間に隙間が設けられ、
上記第１凹部の開口部を、上記バスバーと上記雄螺子とで封止するよう構成されており、
上記第１凹部の内面に、上記端子台と一体化した樹脂製の突起部が形成されており、上記雌螺子は、上記第１凹部の上記開口部から圧入し、上記突起部を潰しつつ該第１凹部内に配置したものであり、その潰れた上記突起部が上記雌螺子を径方向の内側に押圧することにより、該雌螺子を上記第１凹部内にて保持しており、
上記第１凹部と上記第２凹部とを上記開口部から上記第１凹部の軸線方向に見た場合に、上記第１凹部の内面の内側に上記第２凹部の内周面が位置しており、上記第１凹部の内面と上記第２凹部の内周面とを繋ぐ肩部に、上記開口部側に突出した複数個のストッパが形成されていることを特徴とするバスバーの締結構造にある（請求項１）。

第２の発明は、上記バスバーの締結構造を備え、上記電子部品はスイッチング素子を内蔵した半導体モジュールであり、該半導体モジュールが電力変換回路の一部を構成していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項４）。

第１の発明の作用効果について説明する。本発明では、樹脂製の端子台に上記第１凹部と上記第２凹部とを形成し、第１凹部に両端が開口した雌螺子を配置した。そして、雄螺子を雌螺子に螺合することにより、バスバーを端子台に締結固定した。バスバーを締結した状態において、雄螺子の軸は雌螺子を貫通し、第２凹部内に位置している。また、本発明では、雄螺子の軸の先端部と第２凹部の底部との間に隙間を設けた。そして、第１凹部の開口部を、バスバーと雄螺子とで封止した。
このようにすると、汎用品である、両端が開口した雌螺子を用いた場合でも、締結時に発生した金属粉を上記隙間に封止することができる。
上述したように、雄螺子を雌螺子に螺合すると、雄螺子の軸の表面や雌螺子の内周面が削れて金属粉が発生する。両端が開口した雌螺子を用いると、袋ナットと異なり、雌螺子の開口部から金属粉が出てしまうが、本発明では、第２凹部を設けてあるため、金属粉は第２凹部に落下する。そして、上記第２凹部の底面と雄螺子の軸の先端部との間には隙間が設けてあるため、この隙間に金属粉を配置しておくことができる。また、第１凹部の開口部をバスバーと雄螺子とで封止したため、金属粉が開口部から外部へ出ることを防止できる。これにより、バスバーや電子部品が金属粉によって短絡することを防止できる。

このように、本発明では、汎用品である、両端が開口した雌螺子を使用できるので、電子機器の製造コストを下げることが可能になる。また、例えば、軸が長い雄螺子を使用するよう設計変更した場合であっても、第２凹部の軸線方向における長さを長くするだけで容易に対応することができる。そのため、袋ナットを使用した場合と異なり、雌螺子の変更をする必要がなくなる。

次に、第２の発明の作用効果について説明する。本発明では、上記バスバーの締結構造を用いて、電力変換装置を構成した。そのため、電力変換装置の低コスト化を実現できる。また、電力変換装置は大電流が流れるため、電子部品等の短絡を防止する必要性が高いが、本発明におけるバスバーの締結構造では、金属粉を上記隙間に封止できるため、電子部品等の短絡を効果的に防止できる。

以上のごとく、本発明によれば、製造コストを低減できるバスバーの締結構造と、電力変換装置を提供することができる。

実施例における、バスバーの締結構造を用いた電力変換装置の斜視図。 実施例における、バスバーの締結構造を用いた電力変換装置の断面図。 実施例における、交流バスバーを取り外した状態での斜視図。 実施例における、開口部からからみた第１凹部の斜視図。 実施例における、第１凹部の平面図。 図５のＡ−Ａ断面図。 図６に続く図であって、雌螺子を仮固定した状態での、端子台の断面図。 図７に続く図であって、雌螺子を圧入した状態での、端子台の断面図。 図８に続く図であって、バスバーを締結した状態での、端子台の断面図。 実施例における、電力変換装置の回路図。 比較例における、バスバーを締結する前の、電力変換装置の断面図。 比較例における、バスバーを締結した後の、電力変換装置の断面図。 従来例における、バスバーの締結構造の断面図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記第１凹部の内面に、上記端子台と一体化した樹脂製の突起部が形成されており、上記雌螺子は、上記第１凹部の上記開口部から圧入し、上記突起部を潰しつつ該第１凹部内に配置したものであり、その潰れた上記突起部が上記雌螺子を径方向の内側に押圧することにより、該雌螺子を上記第１凹部内にて保持するよう構成されている。
そのため、突起部によって、雌螺子を適度な保持力で保持することが可能になる。これにより、以下のようなメリットが生じる。例えば、バスバーを電子部品に溶接する場合は、溶接時の熱によってバスバーが膨張し、反ってしまう場合がある（図１１参照）。反ったバスバーを端子台に締結する場合は、雌螺子を保持する力が強いと、バスバーの反りが矯正されて平板に近い状態に戻ってしまう（図１２参照）。この際、バスバーと電子部品との溶接部に応力が加わり、接続信頼性が低下する問題がある。そのため、雌螺子を保持する力は、適度に弱い方が好ましい。本発明のように、突起部を用いて雌螺子を保持すれば、雌螺子の保持力を適度に弱くすることができるため、雄螺子を螺合した場合に雌螺子が浮き上がり、バスバー側に接近するようにできる。これにより、バスバーの変形を抑制することが可能になる。そのため、バスバーと電子部品の接続信頼性を高めることができる。

また、上記第１凹部と上記第２凹部とを上記開口部から上記第１凹部の軸線方向に見た場合に、上記第１凹部の内面の内側に上記第２凹部の内周面が位置しており、上記第１凹部の内面と上記第２凹部の内周面とを繋ぐ肩部に、上記開口部側に突出した複数個のストッパが形成されている。
したがって、雌螺子を第１凹部に圧入した場合に、雌螺子の端面がストッパに当接するため、隣り合う２個のストッパの間に、雌螺子の端面と肩部とが当接しない隙間を形成できる。そのため、雌螺子の圧入時に突起部が削れて樹脂の屑ができた場合でも、この樹脂の屑を隙間に入れることができる。これにより、雌螺子の端面と肩部との間で樹脂の屑を挟まなくなり、雌螺子が傾いて保持されること等を防止して、雌螺子を第１凹部に安定して保持させることができる。

また、上記第１凹部は、上記開口側に位置する開口側部分と、該開口側部分よりも上記第２凹部側に位置する奥側部分とを備え、上記奥側部分は、上記雄螺子の軸線方向から見たときの外径が上記開口側部分の内側に収まっており、上記雌螺子を圧入して上記突起部を潰す際に、該雌螺子の外周面と上記奥側部分の内面とが接触することにより、該雌螺子を上記第１凹部内にて仮固定できるよう構成されていることが好ましい（請求項２）。
このようにすると、雌螺子を圧入する直前に仮固定できるため、その仮固定した状態で、雌螺子の傾きを調整することが可能になる。これにより、雌螺子を第１凹部に対して真っ直ぐに圧入することができる。

また、上記突起部の上記開口部側の端面には、上記第１凹部の内面から該第１凹部の中心軸へ向かうほど上記第２凹部に接近する形状のテーパ面が形成されていることが好ましい（請求項３）。
このようにすると、雌螺子を第１凹部に圧入する際に、テーパ面によって、雌螺子の傾きを安定させることができる。そのため、雌螺子を第１凹部に真っ直ぐに圧入することができる。

本発明の実施例にかかるバスバーの締結構造および電力変換装置につき、図１〜図１０を用いて説明する。
図１に示すごとく、本例のバスバーの締結構造１は、電子部品１０に接続されたバスバー２と、樹脂製の端子台３と、締結部材４とを備える。
図９に示すごとく、端子台３は、バスバー２を載置する載置面３０と、該載置面３０に開口した第１凹部３１と、該第１凹部３１に連通した第２凹部３２とを有する。
締結部材４は、第１凹部３１内に配置され両端が開口した雌螺子４０と、該雌螺子４０に螺合する雄螺子４１とから構成されている。締結部材４は、バスバー２を端子台３に締結固定している。

図９に示すごとく、雌螺子４０に螺合して貫通した雄螺子４１の軸４２の一部が第２凹部３２内に位置している。また、軸４２の先端部４３と第２凹部３２の底部３４との間に隙間ｄが設けられている。
そして、第１凹部３１の開口部３３を、バスバー２と雄螺子４１とで封止するよう構成されている。
以下、詳説する。

本例では、図２に示すごとく、バスバーの締結構造１を用いて電力変換装置７を構成している。すなわち、第１電子部品１０は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールであり、該半導体モジュールのパワー端子１２にバスバー２を溶接している。また、電力変換装置７の収納ケース１１にコンデンサ７２が取り付けられている。このコンデンサ７２に接続されたコンデンサ用バスバー７３とバスバー２とを、締結部材４を用いて端子台３に締結固定している。これら半導体モジュール１０とコンデンサ７２とは電力変換回路の一部を構成している。

図２に示すごとく、本例では、複数個の電子部品１０（半導体モジュール）と、該電子部品１０を冷却する冷却チューブ１５とを積層して積層体１７を形成している。また、収納ケース１１内には、ばね部材１６が収納されている。このばね部材１６の付勢力によって、積層体１７を収納ケース１１の内壁面１１０に押し当てて固定している。

図１に示すごとく、バスバー２には、直流電源の正電極に接続される正極バスバー２ａと、直流電源の負電極に接続される負極バスバー２ｂとがある。また、電力変換装置７は、交流負荷に接続される３本の交流バスバー１３を備える。この交流バスバー１３は、図３に示すごとく、外部機器に接続するための外部接続部分１３１と、パワー端子１２に溶接するための溶接部分１３２とを有する。交流バスバー１３は、端子台３と一体成型されている。すなわち、金属製の交流バスバー１３の、外部接続部分１３１と溶接部分１３２とを露出した状態で、中央部分１３３を樹脂製の端子台３の一部で封止している。
また、端子台３は、複数個の締結孔３６を有する。この締結孔３６にボルトを挿入して、端子台３を収納ケース１１に固定している（図１参照）。

図３に示すごとく、電子部品１０は、それぞれ２個のパワー端子１２を備える。パワー端子１２には、上述した正極バスバー２ａに溶接される正極端子１２ａと、負極バスバー２ｂに溶接される負極端子１２ｂと、交流バスバー１３に溶接される交流端子１２ｃとがある。
また、電子部品１０の制御端子１４には、図示しない制御回路基板が接続される。この制御回路基板によって、電子部品１０内のスイッチング素子の動作を制御する。これにより、直流電力を交流電力に変換し、交流バスバー１３から出力している。

本例では、電力変換装置７を製造する際に、図２に示すごとく、先ず電子部品１０と冷却管１５とを積層し、収納ケース１１内に固定する。そして、バスバー２ａ，２ｂを電子部品１０のパワー端子１２ａ，１２ｂに溶接する。バスバー２は、金属板の一片を切り曲げ加工することにより、複数のバスバー端子２０を形成してなる。このバスバー端子２０のそれぞれを、各電子部品１０のパワー端子１２に溶接する。その後、バスバー２とコンデンサ用バスバー７３とを、締結部材４を使って端子台３に締結固定する。

図４〜図６に示すごとく、第１凹部３１の内面３１０に、端子台３と一体化した樹脂製の突起部５が形成されている。また、図７、図８に示すごとく、雌螺子４０は、第１凹部３１の開口部３３から圧入し、突起部５を潰しつつ第１凹部３１内に配置したものである。この潰れた突起部５が雌螺子４０を径方向の内側に押圧することにより、雌螺子４０を第１凹部３１内にて保持するよう構成されている。

また、図５に示すごとく、第１凹部３１と第２凹部３２とを開口部３３から第１凹部３１の軸線方向に見た場合に、第１凹部３１の内面３１０の内側に第２凹部３２の内周面３２０が位置している。そして、図４〜図６に示すごとく、第１凹部３１の内面３１０と第２凹部３２の内周面３２０とを繋ぐ肩部３５に、開口部３３側に突出した複数個のストッパ６が形成されている。

また、図６に示すごとく、第１凹部３１は、開口側に位置する開口側部分３１ａと、該開口側部分３１ａよりも第２凹部３２側に位置する奥側部分３１ｂとを備える。図５に示すごとく、奥側部分３１ｂは、雄螺子の軸線方向から見たときの外径が開口側部分３１ａの内側に収まっている。そして、図７に示すごとく、雌螺子４０を圧入して突起部５を潰す際に、雌螺子４０の外周面４００と奥側部分３１ｂの内面３１０ａとが接触することにより、雌螺子４０を第１凹部３１内にて仮固定できるよう構成されている。

また、図６に示すごとく、突起部５の開口部３３側の端面５０には、第１凹部３１の内面３１０から該第１凹部３１の中心軸へ向かうほど第２凹部３２に接近する形状のテーパ面が形成されている。

また、図８に示すごとく、雌螺子４０を圧入した状態において、雌螺子４０の開口側端面４６は、端子台３の載置面３０よりも第２凹部３２側に位置しており、これら開口側端面４６と載置面３０との間に隙間Ｄが存在している。
図９に示すごとく、バスバー２を端子台３に締結固定する際に、雄螺子４１を雌螺子４０に螺合するに伴って、雌螺子４０がバスバー２に接近する。そして、雌螺子４０の開口側端面４６がバスバー２の主面２１に接触する。

次に、本例の電力変換装置７の回路図の説明をする。図１０に示すごとく、電力変換装置７は複数個の半導体モジュール１０（電子部品）と、コンデンサ７２とから構成されている。個々の半導体モジュール１０は、スイッチング素子１８（ＩＧＢＴ素子）と、フリーホイールダイオード１９とを備える。上アーム側の半導体モジュール１０には正極バスバー２ａが接続されており、下アーム側の半導体モジュール１０には負極バスバー２ｂが接続されている。本例の電力変換装置７は、ハイブリッドカーや電気自動車等の車両に搭載される。直流電源７０の直流電力を電力変換装置７で交流電力に変換し、得られた交流電力で三相交流モータ７１を駆動して、車両を走行させている。

本例の作用効果について説明する。
本例では、図９に示すごとく、樹脂製の端子台３に第１凹部３１と第２凹部３２とを形成し、第１凹部３１に両端が開口した雌螺子４０を配置した。そして、雄螺子４１を雌螺子４０に螺合することにより、バスバー２を端子台３に締結固定した。バスバー２を締結した状態において、雄螺子４１の軸４２は雌螺子４０を貫通し、第２凹部３２内に位置している。また、本例では、雄螺子４１の軸４２の先端部４３と第２凹部３２の底部３４との間に隙間ｄを設けた。そして、第１凹部３１の開口部３３を、バスバー２と雄螺子４１とで封止した。
このようにすると、汎用品である、両端が開口した雌螺子４０を用いた場合でも、締結時に発生した金属粉４４を隙間ｄに封止することができる。
上述したように、雄螺子４１を雌螺子４０に螺合すると、雄螺子４１の軸４２の表面や雌螺子４０の内周面が削れて金属粉が発生する。両端が開口した雌螺子４０を用いると、袋ナットと異なり、雌螺子４０の開口部から金属粉４４が出てしまうが、本例では、第２凹部３２を設けてあるため、金属粉４４は第２凹部３２に落下する。そして、第２凹部３２の底面３４と雄螺子４１の軸４２の先端部４３との間には隙間ｄが設けてあるため、この隙間ｄに金属粉を配置しておくことができる。また、第１凹部３１ａの開口部３３をバスバー２と雄螺子４１とで封止したため、金属粉４４が開口部３３から外部へ出ることを防止できる。これにより、バスバー２や電子部品１０が金属粉４４によって短絡することを防止できる。

このように、本例では、汎用品である、両端が開口した雌螺子４０を使用できるので、電力返還装置７の製造コストを下げることが可能になる。また、例えば、軸４２が長い雄螺子４１を使用するよう設計変更した場合であっても、第２凹部３２の軸線方向における長さを長くするだけで容易に対応することができる。そのため、袋ナットを使用した場合と異なり、雌螺子４０の変更をする必要がなくなる。

また、本例では、バスバーの締結構造１を用いて、電力変換装置７を構成した。そのため、電力変換装置７の低コスト化を実現できる。また、電力変換装置７は大電流が流れるため、電子部品等の短絡を防止する必要性が高いが、本例におけるバスバーの締結構造１では、金属粉４４を隙間ｄに封止できるため、電子部品等の短絡を効果的に防止できる。

また、図４、図６に示すごとく、第１凹部３１の内面３１０に、端子台３と一体化した樹脂製の突起部５が形成されている。図８に示すごとく、雌螺子４０を圧入すると、突起部５が潰れる。この潰れた突起部５が雌螺子４０を径方向の内側に押圧することにより、雌螺子４０を第１凹部３１内にて保持している。
このようにすると、突起部５によって、雌螺子４０を適度な保持力で保持することが可能になる。これにより、以下のようなメリットが生じる。例えば、図１１の比較例に示すごとく、バスバー８１を電子部品８２に溶接する場合は、溶接時の熱によってバスバー８１が膨張し、反ってしまう場合がある。反ったバスバー８１を端子台８５に締結する場合は、雌螺子８４を保持する力が強いと、図１２に示すごとく、バスバー８１の反りが矯正されて平板に近い状態に戻ってしまう。この際、バスバー８１と電子部品８２との溶接部８６に応力が加わり、接続信頼性が低下する問題がある。そのため、雌螺子８４を保持する力は、適度に弱い方が好ましい。本例のように、突起部５を用いて雌螺子４０を保持すれば、雌螺子４０の保持力を適度に弱くすることができるため、図９に示すごとく、雄螺子４１を螺合した場合に雌螺子４０が浮き上がり、バスバー２側に接近するようにできる。これにより、バスバー２の変形を抑制することが可能になる。そのため、バスバー２と電子部品１０の接続信頼性を高めることができる。

また、図４、図６に示すごとく、本例では、第１凹部３１の肩部３５に、開口部３３側に突出した複数個のストッパ６が形成されている。
このようにすると、雌螺子４０を第１凹部３１に圧入した場合に、雌螺子４０の端面４７がストッパ６に当接するため、隣り合う２個のストッパ６の間に、雌螺子４０の端面と肩部３５とが当接しない隙間３００（図４、図８参照）を形成できる。そのため、雌螺子４０の圧入時に突起部５が削れて樹脂の屑ができた場合でも、この樹脂の屑を隙間３００に入れることができる。これにより、雌螺子４０の端面４７と肩部３５との間で樹脂の屑を挟まなくなり、雌螺子４０が傾いて保持されること等を防止して、雌螺子４０を第１凹部３１に安定して保持させることができる。

また、本例では、図７に示すごとく、雌螺子４０を圧入して突起部５を潰す際に、雌螺子４０の外周面４００と奥側部分３１ｂの内周面３１０ａとが接触することにより、雌螺子４０を第１凹部３１内にて仮固定できるよう構成されている。
このようにすると、雌螺子４０を圧入する直前に仮固定できるため、その仮固定した状態で、雌螺子４０の向きを調整することが可能になる。これにより、雌螺子４０を第１凹部３１に対して真っ直ぐに圧入することができる。

また、図６に示すごとく、突起部５の開口部３３側の端面５０には、第１凹部３１の内面３１０から第１凹部３１の中心軸へ向かうほど第２凹部３２に接近する形状のテーパ面が形成されている。
このようにすると、雌螺子４０を第１凹部３１に圧入する際に、テーパ面５０によって、雌螺子４０の傾きを安定させることができる。そのため、雌螺子４０を第１凹部３１に真っ直ぐに圧入することができる。

以上のごとく、本例によれば、製造コストを低減できるバスバーの締結構造１と、電力変換装置７を提供することができる。

１ バスバーの締結構造
２ バスバー
３ 端子台
３１ 第１凹部
３２ 第２凹部
３３ （第１凹部の）開口部
３４ （第２凹部の）底部
４ 締結部材
４０ 雌螺子
４１ 雄螺子
４２ （雄螺子の）軸
４３ （軸の）先端部

Claims (4)

1. 電子部品に接続されたバスバーと、
   該バスバーを載置する載置面と、該載置面に開口した第１凹部と、該第１凹部に連通した第２凹部とを有する樹脂製の端子台と、
   上記第１凹部内に配置され両端が開口した雌螺子と、該雌螺子に螺合する雄螺子とから構成され、上記バスバーを上記端子台に締結固定する締結部材とを備え、
   上記雌螺子に螺合して貫通した上記雄螺子の軸の一部が上記第２凹部内に位置しており、上記軸の先端部と上記第２凹部の底部との間に隙間が設けられ、
   上記第１凹部の開口部を、上記バスバーと上記雄螺子とで封止するよう構成されており、
   上記第１凹部の内面に、上記端子台と一体化した樹脂製の突起部が形成されており、上記雌螺子は、上記第１凹部の上記開口部から圧入し、上記突起部を潰しつつ該第１凹部内に配置したものであり、その潰れた上記突起部が上記雌螺子を径方向の内側に押圧することにより、該雌螺子を上記第１凹部内にて保持しており、
   上記第１凹部と上記第２凹部とを上記開口部から上記第１凹部の軸線方向に見た場合に、上記第１凹部の内面の内側に上記第２凹部の内周面が位置しており、上記第１凹部の内面と上記第２凹部の内周面とを繋ぐ肩部に、上記開口部側に突出した複数個のストッパが形成されていることを特徴とするバスバーの締結構造。
2. 請求項１において、上記第１凹部は、上記開口側に位置する開口側部分と、該開口側部分よりも上記第２凹部側に位置する奥側部分とを備え、上記奥側部分は、上記雄螺子の軸線方向から見たときの外径が上記開口側部分の内側に収まっており、上記雌螺子を圧入して上記突起部を潰す際に、該雌螺子の外周面と上記奥側部分の内面とが接触することにより、該雌螺子を上記第１凹部内にて仮固定できるよう構成されていることを特徴とするバスバーの締結構造。
3. 請求項１又は請求項２において、上記突起部の上記開口部側の端面には、上記第１凹部の内面から該第１凹部の中心軸へ向かうほど上記第２凹部に接近する形状のテーパ面が形成されていることを特徴とするバスバーの締結構造。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のバスバーの締結構造を備え、上記電子部品はスイッチング素子を内蔵した半導体モジュールであり、該半導体モジュールが電力変換回路の一部を構成していることを特徴とする電力変換装置。

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