JP6176501B2

JP6176501B2 - 回路基板、及び電力変換装置

Info

Publication number: JP6176501B2
Application number: JP2015180032A
Authority: JP
Inventors: 哲男柳本; 健太笹原
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: US20170077801A1; US10491151B2; CN106535542A; JP2017055075A; CN106535542B

Description

開示の実施形態は、回路基板、及び電力変換装置に関する。

特許文献１には、インバータ装置に搭載するＥＭＣフィルターユニットとして、リング状のフェライトコアにケーブルを通して巻き付ける作業が楽に行える組立構造のフィルターユニットが開示されている。

特開２０１１−１９２８２５号公報

一方、回路基板上に設置する各種の電子部品の小型化に伴い、実装面積に対する電子部品の高密度化が進んでいる。これに対して、上記の磁性体コアを用いたノイズフィルタは物理作用を利用する素子部品であることから小型化が困難であり、回路基板の実装面上に固定して設置する場合には大きな設置面積を占有するためそれだけ電子部品の実装数を低下させる要因となっていた。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、基板の実装面上における設置スペースを不要にでき、製品の小型化を実現できる回路基板、及び電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、基板の表面から立脚するように配設された剛性を備える配線と、内側に挿通された前記配線により支持される筒状の磁性体コアと、前記磁性体コアの内周側に設置され、前記磁性体コアを前記配線に固定する固定部材と、を有し、前記磁性体コアは、前記基板の前記表面の領域と重複しつつ所定の設置高さで離間する中空位置に支持されており、前記固定部材は弾性を有し、前記配線を嵌合して固定する回路基板が適用される。

また、本発明の別の観点によれば、外部の供給電力を電動機への駆動制御電力に変換する電力変換装置であって、上記回路基板を備える電力変換装置が適用される。

また、本発明の別の観点によれば、筒状の磁性体コアの内側に挿通されて当該磁性体コアを基板から離間させた中空位置で支持するように構成された手段を有する回路基板が適用される。

本発明によれば、基板の実装面上における設置スペースを不要にでき、製品の小型化を実現できる。

実施形態に係るノイズフィルタを備えたインバータの完成状態での外観斜視図である。インバータの分解斜視図である。電子部品を省略してノイズフィルタを装着したジャンパ線の実装状態だけを示した回路基板の斜視図である。ノイズフィルタの正面図である。ノイズフィルタの分解斜視図である。ノイズフィルタにおける各ジャンパ線の嵌合と配置を説明する正面図である。各ジャンパ線によるノイズフィルタの支持構成を説明する斜視図である。ノイズフィルタにおいて２本のジャンパ線と１つのダミーピンを嵌合させた場合の正面図である。

以下、実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、インバータについて「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」というときは、図１等の各図中に適宜示す矢印方向に各々対応する。本実施形態におけるこれらの方向の定義は、当該インバータの標準的な設置状態における各方向の向きに基づいている。ただし、当該インバータを載置する姿勢によって各方向の向きを適宜変更してもよい。

図１は、本実施形態のノイズフィルタを備えたインバータの完成状態での外観全体を斜視して表している。この図１において、インバータ１は外部から供給された３相交流電力を特に図示しないモータ等の電動機へ入力する駆動制御電力に変換する電力変換装置であり、全体が略直方体形状に形成された外郭としての筐体２を有している。この筐体２は、その前面（図中の上面）に当該インバータ１の操作部及び表示部としてのオペレータ３と、当該インバータ１の動作状態を簡略的に表示するインジケータＬＥＤ４を有している。

図２は、インバータ１の一部分解状態を斜視して表している。この図２において、インバータ１の筐体２は、その略直方体形状の厚さ方向（図中の前後方向）で着脱可能に分割でき、その内部に収納している回路基板７を取り出すことができる。この回路基板７は、その実装面７ａ上（例えば図示する前方側の表面上）に多数の電子部品等が搭載されるとともに、各種配線がジャンパ線８として露出して特定の局部間を渡すように接続している。

図３は、上記回路基板７を拡大し、ノイズフィルタ１００を装着したジャンパ線８の実装状態を図示している。ここで近年では、インバータ１などの高周波電力機器の設計においては、電磁的な不干渉性及び耐性を規定するＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＭａｇｎｅｔｉｃＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）への要求が高まっており、その具体的なノイズ対策の一手段として磁性体コア１０１を用いたノイズフィルタ１００の利用がある。このノイズフィルタ１００は、図示するように円環状の磁性体コア１０１の中心穴にジャンパ線８を挿通させることで、これら磁性体コア１０１とジャンパ線８がコイル（インダクタ）を構成し、当該ジャンパ線８に流れる高周波成分に対して高いインピーダンスを発揮してノイズを除去できる。

一方、回路基板７上に設置する各種の電子部品の小型化に伴い、実装面積に対する電子部品の高密度化が進んでいる。これに対して、上記の磁性体コア１０１を用いたノイズフィルタ１００は上述した物理作用を利用する素子部品であることから小型化が困難であり、回路基板７の実装面７ａ上に固定して設置する場合には大きな設置面積を占有するためそれだけ電子部品の実装数を低下させる要因となっていた。

これに対し本実施形態のインバータ１では、ジャンパ線８を回路基板７の実装面７ａから立脚するよう配設し、このジャンパ線８をノイズフィルタ１００の磁性体コア１０１に挿通させて当該ノイズフィルタ１００を回路基板７の実装面７ａから離間させた中空位置で支持している。これにより回路基板７の実装面７ａにおいてノイズフィルタ１００の設置スペースが不要となり、それだけ電子部品の実装数を増加することで、小型化、機能向上を実現できる。

図４はノイズフィルタ１００を正面から見た図を表しており、図５はそのノイズフィルタ１００の分解状態を斜視した図を表している。これら図４、図５において、ノイズフィルタ１００は円環状の磁性体コア１０１と、その内周面に嵌合された固定部材１０２を有している。

磁性体コア１０１は、例えばフェライトなどの磁性体材料からなり、軸方向に所定の長さと径方向に所定の厚みがある円筒形状、すなわち全体が円環状の一体物（一体成形物）として成形されている。

固定部材１０２は、磁性体コア１０１をジャンパ線８に固定する部材であり、当該固定部材１０２自体があらかじめ磁性体コア１０１の内周面（内周側）に固定的に嵌合して設置される。この固定部材１０２は、全体が例えば弾性を有した樹脂材料からなる一体成形物であり、図示する例では３本のジャンパ線８を固定することを考慮した略三叉形状に成形されている。すなわち、磁性体コア１０１の軸中心Ｐから径方向に延びた３つの当接脚部１０２ａが周方向に均等な間隔で設けられており、それら当接脚部１０２ａのそれぞれ軸中心Ｐ近傍にジャンパ線８を嵌合する嵌合部１０２ｂが設けられている。各嵌合部１０２ｂは、軸中心Ｐ周りの略周方向に開口した略円筒形状で形成されており、図示する例ではいずれも同じ周方向の向き（図４中における左回りの向き）に開口している。

固定部材１０２の全体が磁性体コア１０１の内径に嵌入した際には、３つの当接脚部１０２ａのそれぞれ外周側先端部分が磁性体コア１０１の内周面に当接する。すなわち固定部材１０２は、磁性体コア１０１の内周面に対して均等に配置した複数箇所に当接して当該磁性体コア１０１を支持する。この状態で磁性体コア１０１の内径側の空間は、略三叉形状の固定部材１０２により周方向に均等な３つの領域に区画される。

以上の構成のノイズフィルタ１００をジャンパ線８に装着する際には、まず上記固定部材１０２で区画された３つの領域にそれぞれジャンパ線８を挿通し、その後に上記図４に対応する図６に示すように各ジャンパ線８をそれぞれ対応する嵌合部１０２ｂに嵌合する。各嵌合部１０２ｂの内径はジャンパ線８の外径とほぼ同じであり、開口部分は１８０°より狭い内周角に対応して開口している。これにより、嵌合部１０２ｂの開口部に対してジャンパ線８を周方向に圧入することで、固定部材１０２が弾性的に変形してジャンパ線８を嵌合部１０２ｂの内部に嵌合することができ、その後に形状が戻った嵌合部１０２ｂはジャンパ線８に密着して確実に把持する。

このようにして固定部材１０２の各嵌合部１０２ｂに把持された３つのジャンパ線８は、それぞれ磁性体コア１０１の内周面から離間しつつ、磁性体コア１０１の軸中心Ｐ周りに均等に配置されるよう結束された状態となる。このように各ジャンパ線８が磁性体コア１０１の内周面から離間した位置で保持され、かつ、磁性体コア１０１の軸中心Ｐ周りに均等に配置されることで、当該ノイズフィルタ１００は各ジャンパ線８に対して高いノイズ除去効果を発揮できる。

上述したように本実施形態では、各ジャンパ線８が回路基板７から立脚してノイズフィルタ１００を中空位置に支持する。ここでジャンパ線８の立脚とは、回路基板７の実装平面７ａから略垂直、又は相当に大きい立体角をなして離間する方向に延びるよう配設されることである。またノイズフィルタ１００を装着した各ジャンパ線８は、上記固定部材１０２の構成上の都合から、図７に示すようにノイズフィルタ１００の近傍ではお互いに平行な配置関係となるが、それ以外ではそれぞれ所定の箇所で屈曲して特定の２局部間を渡すように配設される。

全てのジャンパ線８が互いに近接して平行な配置関係となる領域Ｌが短いほど、そこに装着されるフィルタノイズ１００の軸方向の可動領域が狭くなり、すなわちノイズフィルタ１００の支持が安定する。また、ノイズフィルタ１００と回路基板７上に搭載される他の電子部品との干渉接触を回避するためにも、回路基板７の実装面７ａと磁性体コア１０１との間の離間距離、つまりノイズフィルタ１００の設置高さＨを適宜大きく設定することが望ましい。そして各ジャンパ線８は、それぞれ各所の屈曲部を経た配設形状の維持や、ノイズフィルタ１００の中空位置での支持を考慮して、配線自体に適宜の剛性を有することが望ましい。なお、ジャンパ線８が、各請求項に記載の円環状の磁性体コアの内側に挿通されて当該磁性体コアを基板から離間させた中空位置で支持するように構成された手段に相当する。

＜本実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態のインバータ１が備えるノイズフィルタ１００によれば、筒状の磁性体コア１０１の内周側に、当該磁性体コア１０１をジャンパ線８に固定する固定部材１０２を有している。これにより、例えば回路基板７から立脚した剛性を有するジャンパ線８の途中位置に上記固定部材１０２を介して磁性体コア１０１を固定させることで、当該ノイズフィルタ１００を回路基板７の実装面７ａ上に固定的に設置するのではなく、回路基板７の実装面７ａから離間した中空位置に配置して支持固定できる。この結果、本実施形態のノイズフィルタ１００は、回路基板７の実装面７ａ上における設置スペースが不要となり、それだけ電子部品の実装数を増加できることで、小型化、機能向上を実現できる。

また、本実施形態では特に、磁性体コア１０１が円環状に成形されていることにより、その中心穴に挿通させたジャンパ線８の周囲の磁力線を最も好適に収束して適切なインダクタンスを発生させ、ノイズの除去性能を向上できる。なお、適宜のノイズの除去性能を確保できるのであれば、磁性体コア１０１を例えば八角筒形状などの他の筒状形状で成形してもよい。

また、本実施形態では特に、固定部材１０２は弾性を有し、ジャンパ線８を嵌合して固定する。これにより、固定部材１０２は弾性的に変形してジャンパ線８を嵌合して固定できるため、磁性体コア１０１を半田付けやネジ止めなどで固定する手間が不要となり、少ない工数でジャンパ線８へ容易に装着できる。

また、本実施形態では特に、固定部材１０２の嵌合部１０２ｂは、磁性体コア１０１の軸中心Ｐ周りの略周方向に開口した形状に成形されている。これにより、先に単独の固定部材１０２にジャンパ線８を嵌合してからその全体に磁性体コア１０１を装着するのではなく、予め磁性体コア１０１と固定部材１０２が一体化した状態でその内周にジャンパ線８を挿通してから嵌合固定することが容易となる。なお、各嵌合部１０２ｂは、磁性体コア１０１の軸中心Ｐから径方向外周に向けて開口してもよい。

また、本実施形態では特に、固定部材１０２は複数のジャンパ線８を結束するように固定する。これにより、ノイズフィルタ１００を支持するジャンパ数８を増加できるため、当該ノイズフィルタ１００の支持強度を向上できる。

また、本実施形態では特に、固定部材１０２は、各ジャンパ線８を磁性体コア１０１の内周面から離間させつつ磁性体コア１０１の軸中心Ｐ周りに均等に配置するように固定する。これにより、複数のジャンパ線８が磁性体コア１０１と直接接触せず、かつ電磁的な偏りを低減できるため、ノイズ除去性能を向上できる。

また、本実施形態では特に、固定部材１０２の各当接脚部１０２ａは、磁性体コア１０１の内周面に対して均等に配置した複数箇所に当接して支持す。これにより、当該ノイズフィルタ１００の組立において磁性体コア１０１の内周側への固定部材１０２の嵌入が容易となる。なお、特に図示しないが、固定部材１０２自体がその外周に円環状の嵌入部材を一体的に有してもよく、この場合には磁性体コア１０１の内周に対する嵌入固定がより確実となる。

また、本実施形態では特に、外部の供給電力をモータ等の電動機への駆動制御電力に変換するインバータ１が、上記構成のノイズフィルタ１００を備えている。このように、特にＥＭＣ対策が要求されるインバータ１においてノイズフィルタ１００を好適に適用できる。

なお、当該インバータ１が出力する駆動制御電力に関係した３相交流の配線においては特に大きなノイズが生じるため、これら３相交流の各相に対応する３本の配線を上記ジャンパ線８としてノイズフィルタ１００の磁性体コア１０１に挿通させることは有用である。なお、ノイズフィルタ１００の磁性体コア１０１に直流配線などの２本のジャンパ線８だけを挿通し固定してもよい。このとき、略三叉形状の固定部材１０２をそのまま流用して２本のジャンパ線８を固定する場合には、図８に示すように残りの嵌合部１０２ｂにダミーピン１０３を嵌合させて全体の結束保持力を維持させるとよい。また、磁性体コアの内径が十分に大きい場合には、ノイズフィルタの固定部材は４本以上のジャンパ線８を結束固定する構造としてもよい（特に図示せず）。特にジャンパ線８に流れる電流が大きい場合には、４本、６本、又は９本のジャンパ線８を挿通して結束固定する可能性もある。

また、本実施形態では特に、インバータ１が備える回路基板７が、当該回路基板７の実装面７ａから立脚するように配設された剛性を備えるジャンパ線８と、内側に挿通されたジャンパ線８により支持される円環状の磁性体コア１０１と、を有している。これにより、回路基板７の実装面７ａ上においてノイズフィルタ１００の設置スペースが不要となり、それだけ電子部品の実装数を増加できることで、小型化、機能向上を実現できる。

なお、以上の説明における「略」とは、その後に続く形容について厳密な解釈を排して幅を持たせる意味を持つ。例えば、「略周方向」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に周方向」という意味である。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１インバータ
２筐体
３オペレータ
４インジケータＬＥＤ
５配線導入口
６冷却風導入口
７回路基板（基板）
７ａ実装面
８ジャンパ線（配線）
１００ノイズフィルタ
１０１磁性体コア
１０２固定部材
１０２ａ当接脚部
１０２ｂ嵌合部
１０３ダミーピン

Claims

基板の表面から立脚するように配設された剛性を備える配線と、
内側に挿通された前記配線により支持される筒状の磁性体コアと、
前記磁性体コアの内周側に設置され、前記磁性体コアを前記配線に固定する固定部材と、
を有し、
前記磁性体コアは、
前記基板の前記表面の領域と重複しつつ所定の設置高さで離間する中空位置に支持されており、
前記固定部材は弾性を有し、前記配線を嵌合して固定する
ことを特徴とする回路基板。
前記磁性体コアは、円環状に成形されている
ことを特徴とする請求項１記載の回路基板。
前記固定部材は、前記磁性体コアの中心軸周り略周方向に開口した形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回路基板。
前記固定部材は複数の前記配線を結束するように固定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板。
前記固定部材は、複数の前記配線を前記磁性体コアの内周面から離間させつつ前記磁性体コアの中心軸周りに均等に配置するように固定することを特徴とする請求項４記載の回路基板。
前記固定部材は、前記磁性体コアの内周面に対して均等に配置した複数箇所に当接して支持することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回路基板。
外部の供給電力を電動機への駆動制御電力に変換する電力変換装置であって、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回路基板を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記磁性体コアの内側に挿通される前記配線は、３相交流に対応する配線もしくは直流に対応する配線である
ことを特徴とする請求項７記載の電力変換装置。