JP6873324B2 - 締結構造体および締結構造体を用いた電力変換装置 - Google Patents

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Description

本願は、被締結部材に載置された被固定部材を板状ばね部材により固定する締結構造体および締結構造体を用いた電力変換装置に関するものである。
従来の締結構造体は、例えば半導体素子が樹脂封止された半導体モジュールからなる被固定部材が、例えばヒートシンクからなる被締結部材上に載置される。半導体モジュールからなる被固定部材の中央部にはねじ貫通孔が設けられ、ヒートシンクからなる被締結部材には被固定部材のねじ貫通孔に対応した位置にねじ穴が設けられている。
ペントルーフ（ｐｅｎｔ ｒｏｏｆ）型断面形状の押え用板状ばね部材は、半導体モジュールからなる被固定部材の反被締結部材側に配置され、被固定部材のねじ貫通孔に対応した位置にねじ貫通孔が設けられている。そして、押え用板状ばね部材を補強する補強梁は、押え用板状ばね部材上に押え用板状ばね部材の長手方向に沿う中央部に設けられている。補強梁にも被固定部材のねじ貫通孔に対応した位置にねじ貫通孔が設けられている。
これらの組み立ては、ヒートシンクからなる被締結部材上に、半導体モジュールからなる被固定部材と押え用板状ばね部材と補強梁を、ねじ穴と各ねじ貫通孔を位置合わせして載置し、固定用ねじで所望の荷重に締め付けて、被固定部材を被締結部材に固定する。
このとき、固定用ねじの締め付け力が、押え用板状ばね部材のたわみによって分散され、押え用板状ばね部材が全圧縮するころには、被固定部材に所望の均一な荷重を印加することができる。これは、押え用板状ばね部材の断面形状をペントルーフ型としたことによる効果である。さらに、補強梁を用いることにより、押え用板状ばね部材の曲げ剛性を補い、押え用板状ばね部材をより均一に被固定部材に押しつけることができる。（例えば、特許文献１）
特開２００５−２３５９９２号公報
上述した従来の締結構造体においては、被固定部材の中央部にねじ貫通孔が設けられており、被固定部材が大型化するという問題があった。そして、被固定部材のねじ貫通孔に対応して、被締結部材にねじ穴を設け、押え用板状ばね部材と補強梁にそれぞれ貫通孔を設ける必要があり、しかも、ねじ穴と各ねじ貫通孔の位置合わせに多大の手間を要するという問題があつた。
すなわち、固定用ねじを補強梁の貫通孔に挿入し、次に、固定用ねじの位置を調整して押え用板状ばね部材の貫通孔に挿入し、さらに、固定用ねじの位置を調整して被固定部材の貫通孔に挿入し、さらに、固定用ねじの位置を調整して被締結部材のねじ穴に螺入していく必要があるという問題があった。
また、被固定部材を介さずにねじ締結する場合には、押え用板状ばね部材および補強梁を支えるブッシュ等の支柱部材が必要となる。または、被締結部材側からボスを立てる必要があり、部品点数の増加および支柱部材のスペースの確保が必要となるという問題があった。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、その目的は、被固定部材にねじ貫通孔を設けることなく、限られたスペース内で、部品点数を増やさずに被締結部材に被固定部材を押え用板状ばね部材により固定することができる締結構造体を提供するものである。
本願に開示される締結構造体は、一方側に被固定部材が載置される被締結部材と、前記被固定部材の反被締結部材側に配置される押え用板状ばね部材と、前記押え用板状ばね部材の長手方向中心部の端部外方に伸張するとともに貫通穴が形成された支持体と、前記支持体に設けられ、前記被締結部材側に折曲された支柱体と、前記被締結部材に設けられ、前記支持体の前記貫通穴の位置と同一軸心状に配置された固定用ねじ穴と、前記支持体の前記貫通穴に挿通され、前記固定用ねじ穴に螺着された固定用ねじとを備えたものである。
本願に開示される締結構造体によれば、被固定部材にねじ貫通孔を設けることなく、被固定部材を被締結部材に固定することができる締結構造体を得ることができる。
実施の形態１による締結構造体を示す分解斜視図である。 実施の形態１による締結構造体における押え用板状ばね部材を被固定部材側から見た正面図である。 実施の形態２による締結構造体の要部を示す要部拡大斜視図である。 実施の形態２による締結構造体を示す側面図である。 実施の形態２による締結構造体を示す斜視図である。 実施の形態３による締結構造体を示す分解斜視図である。 実施の形態３による締結構造体における押え用板状ばね部材を被固定部材側から見た正面図である。
実施の形態１．
図１は実施の形態１による締結構造体を示す分解斜視図である。図２は実施の形態１による締結構造体における押え用板状ばね部材を被固定部材側から見た正面図である。
例えばヒートシンクからなる被締結部材（以下、ヒートシンクと称す）１の一方側の面上に、例えば半導体素子が樹脂封止された半導体モジュールからなる被固定部材（以下、半導体モジュールと称す）２が載置される。半導体モジュール２はヒートシンク１により冷却される。半導体モジュール２には電源端子３と制御端子４が設けられている。
半導体モジュール２の反ヒートシンク側には押え用板状ばね部材５が配置され、この押え用板状ばね部材５は上述した従来のものと同様にペントルーフ型断面形状となっている。押え用板状ばね部材５の長手方向中心部の端部５ａ，５ｂの外方に伸張するとともに貫通穴７が形成された支持体６が設けられ、支持体６と押え用板状ばね部材５とは一体構造体で構成されている。そして、押え用板状ばね部材５の長手方向と直交する側部５ｃ，５ｄは押え用板状ばね部材５の長手方向中心部より半導体モジュール２側に傾斜されており、この傾斜構造により押え用板状ばね部材５にばね力が発生することになる。
押え用板状ばね部材５に一体的に設けられた支持体６には、ヒートシンク１側に折曲された支柱体８が設けられている。支柱体８は支持体６の貫通穴７の周囲、すなわち、後述する固定用ねじの外方に配置され、支柱体８の折曲された先端部はヒートシンク１の面上に当接されるようになっている。また、支柱体８を設けたことにより、固定用ねじの締め付け時の軸力によって固定用ねじが外側に倒れるのを防止することができる。
ヒートシンク１には、支持体６の貫通穴７の位置と同一軸心状に固定用ねじ穴９が配置されている。固定用ねじ１０は、支持体６の貫通穴７に挿通され、ヒートシンク１の固定用ねじ穴９に螺着され、半導体モジュール２はヒートシンク１に押え用板状ばね部材５のばね力により固定される。
押え用板状ばね部材５には、押え用板状ばね部材５の反半導体モジュール側に押え用板状ばね部材５の長手方向中心部の端部５ａと端部５ｂと間に凸形状のリブ１１が設けられている。この凸形状のリブ１１は、例えば押え用板状ばね部材５の長手方向中心部の半導体モジュール側を凹形状に加工することにより、押え用板状ばね部材５の長手方向中心部の反半導体モジュール側に凸形状が形成されるものである。
このように、押え用板状ばね部材５と一体構造体として構成されたリブ１１により、押え用板状ばね部材５による押さえ力をねじ締結方向に対して均一化されるとともに、半導体モジュール２とは反対向きに凸形状となるようにリブ１１を設けることで、固定用ねじ１０の締め付け時において、押え用板状ばね部材５の圧縮時の高さ方向のクリアランス管理が容易となる。
ヒートシンク１上に半導体モジュール２を載置し、半導体モジュール２上に押え用板状ばね部材５を載置する。固定用ねじ１０の締め付け前においては、押え用板状ばね部材５の側部５ｃ，５ｄが半導体モジュール２に当接し、押え用板状ばね部材５の長手方向中心部は半導体モジュール２面から少し離間した状態である。押え用板状ばね部材５に一体的に設けられた支持体６も半導体モジュール２面から少し離間した状態である。
このような状態において、固定用ねじ１０を支持体６の貫通穴７に挿通し、固定用ねじ１０をヒートシンク１の固定用ねじ穴９に螺入していくことにより、押え用板状ばね部材５の長手方向中心部および支持体６が半導体モジュール２面に当接する。
このとき、固定用ねじ１０の締め付け力が、押え用板状ばね部材５のたわみによって分散され、押え用板状ばね部材５が全圧縮するころには、半導体モジュール２に所望の均一な荷重を印加することができる。これは、押え用板状ばね部材５の断面形状をペントルーフ型としたことによる効果である。さらに、押え用板状ばね部材５と一体構造体として構成されたリブ１１により、押え用板状ばね部材５の曲げ剛性を補い、押え用板状ばね部材５をより均一に半導体モジュール２に押しつけることができる。
以上のように、本願の実施の形態１によれば、半導体モジュール２、押え用板状ばね部材５、リブ１１には貫通穴を設けておらず、押え用板状ばね部材５とリブ１１は一体構造体であり、上述した従来のもののように、押え用板状ばね部材とは別の構造体である補強梁を設ける必要が無く、部品点数を減らすことができ、かつ加工作業もへらすことができ、経済性に優れた締結構造体を得ることができる。
また、押え用板状ばね部材５の長手方向中心部の端部５ａ，５ｂの外方に伸張する支持体６に貫通穴７を設け、この貫通穴７に対応した位置のヒートシンク１に固定用ねじ穴９を設けているので、固定用ねじ１０を目視により容易に貫通穴７に挿通してヒートシンク１の固定用ねじ穴９に螺入することができるので、半導体モジュール２をヒートシンク１に押え用板状ばね部材５により簡単に固定することができ、固定作業の効率化を図ることができる。
実施の形態２．
図３は実施の形態２による締結構造体の要部を示す要部拡大斜視図である。図４は実施の形態２による締結構造体を示す側面図である。図５は実施の形態２による締結構造体を示す斜視図である
この実施の形態２においては、押え用板状ばね部材５に一体的に設けられた支持体６に、ヒートシンク１側に折曲され、ヒートシンク１との位置決めを行う位置決め用突起体１２が設けられている。位置決め用突起体１２は、ヒートシンク１に設けられた係合穴１３に係合される。
このように、この実施の形態２によれば、上述した実施の形態１の効果に加え、押え用板状ばね部材５の支持体６に設けた位置決め用突起体１２をヒートシンク１に設けられた係合穴１３に係合させることにより、部品相互の位置決めおよび回り止めを確実に行うことができるという効果を奏する。
また、位置決め用突起体１２は、押え用板状ばね部材５の対角位置に設けることにより、押え用板状ばね部材５の方向問わずに組み付けが可能となり、組み付け性の向上を図ることができる。
実施の形態３．
図６は実施の形態３による締結構造体の要部を示す要部拡大側面図である。図７は実施の形態３による締結構造体の要部を下方向から見た図である。
この実施の形態３においては、半導体モジュール２をヒートシンク１の長手方向に直列に複数配置した場合を示し、例えば３つの半導体モジュール２が長手方向に直列に配置されている。
押え用板状ばね部材５も同様に、長手方向に直列に複数配置し、押え用板状ばね部材５の支持体６の中間部の相互間は一体的に共用化した構造とし、共用化した支持体６のピッチ中央に貫通穴７を設け、共用化した支持体６のピッチ中央に支柱体８を設けたので、ピッチ間の縮小を図ることができる。
また、ピッチ中央の貫通穴７に対応したヒートシンク１の位置にねじ穴９を設けた構成としているので、半導体モジュール２の数量に対して押え用板状ばね部材５あるいは固定用ねじ１０の部品点数を削減することができる。
この実施の形態３においては、３つの押え用板状ばね部材と半導体モジュールを配置した場合について述べたが、３つに限定されるものではなく、２つあるいは４つ以上の半導体モジュールが直列に配置され、押え用板状ばね部材も２つあるいは４つ以上配置される構成であってもよく、同様の効果を奏する。
ところで、各実施の形態における押え用板状ばね部材の材料はステンレス（ＳＵＳ）材を使用することにより、被固定部材が半導体モジュールの時、ノイズ抑制用のノイズ遮蔽板としてのシールド効果を得ることができる。
なお、各実施の形態においては、被固定部材を半導体モジュールとした場合について述べたが、被固定部材は自己発熱があり、冷却を必要とするリアクトルなどの被固定部材としてもよい。
上述した各実施の形態のいずれか一つを電力変換装置に用いることにより、各実施の形態と同様の効果を奏することができる。
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
本願は、被固定部材にねじ貫通孔を設けることなく、被固定部材を被締結部材に押え用板状ばね部材により固定することができる締結構造体の実現に好適である。
１ 被締結部材、２ 被固定部材、５ 押え用板状ばね部材、６ 支持体、７ 貫通穴、８ 支柱体、９ 貫通穴、１０ 固定用ねじ、１１ リブ、１２ 位置決め用突起体、１３ 係合穴

Claims (10)

  1. 一方側に被固定部材が載置される被締結部材と、前記被固定部材の反被締結部材側に配置される押え用板状ばね部材と、前記押え用板状ばね部材の長手方向中心部の端部外方に伸張するとともに貫通穴が形成された支持体と、前記支持体に設けられ、前記被締結部材側に折曲された支柱体と、前記被締結部材に設けられ、前記支持体の前記貫通穴の位置と同一軸心状に配置された固定用ねじ穴と、前記支持体の前記貫通穴に挿通され、前記固定用ねじ穴に螺着された固定用ねじとを備えたことを特徴とする締結構造体。
  2. 前記支柱体は、前記支持体の前記貫通穴の周囲に配置され、折曲された先端部は前記被締結部材に当接されることを特徴とする請求項１に記載の締結構造体。
  3. 前記押え用板状ばね部材の前記支持体は、前記被締結部材との位置決めを行う位置決め用突起体が設けられ、前記被締結部材に前記位置決め用突起体が係合する係合穴が設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の締結構造体。
  4. 前記押え用板状ばね部材は、前記押え用板状ばね部材の反被固定部材側に前記押え用板状ばね部材の長手方向中心部の端部間に凸形状のリブが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の締結構造体。
  5. 前記押え用板状ばね部材は、ステンレス材で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の締結構造体。
  6. 前記被固定部材は、長手方向に直列に複数配置され、前記押え用板状ばね部材と前記支持体は、長手方向に直列に複数配置されることを特徴とする請求項１に記載の締結構造体。
  7. 前記押え用板状ばね部材および前記支持体は長手方向に直列に一体化されていることを特徴とする請求項６に記載の締結構造体。
  8. 前記被固定部材は、半導体素子が樹脂封止された半導体モジュールであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の締結構造体。
  9. 前記被締結部材は、ヒートシンクであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の締結構造体。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の締結構造体を用いることを特徴とする電力変換装置。
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