(57)【要約】【課題】高温時の放熱を改善できる素子拘束部材、およびそれを備える電気回路を提供する。【解決手段】素子拘束部材１０は、配線基板２に取り付けられた導電性板体３Ａ，３Ｂと、導電性板体３Ａ，３Ｂに取り付けられた発熱素子４とを拘束する。素子拘束部材１０は、導電性板体３Ａ，３Ｂと発熱素子４とが接触するように導電性板体３Ａ，３Ｂと発熱素子４を支持する第１支持部１１および第２支持部１２と、第１支持部１１と第２支持部１２とに接続され、第１支持部１１と第２支持部１２との間の距離を制限する第１接続部２１とを備える。好ましくは、第１接続部２１は、第１支持部１１の一方端と第２支持部１２の一方端とを接続する。素子拘束部材１０は、第１接続部２１に対向し、第１支持部１１の他方端と第２支持部１２の他方端とを接続する第２接続部２２をさらに備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板に取り付けられた導電性板体と、前記導電性板体に取り付けられた発熱素子とを拘束する素子拘束部材であって、
前記導電性板体と前記発熱素子とが接触するように前記導電性板体と前記発熱素子を支持する第１支持部および第２支持部と、
前記第１支持部と前記第２支持部とに接続され、前記第１支持部と前記第２支持部との間の距離を制限する第１接続部とを備える、素子拘束部材。
【請求項２】
前記第１接続部は、前記第１支持部の一方端と前記第２支持部の一方端とを接続し、
前記第１接続部に対向し、前記第１支持部の他方端と前記第２支持部の他方端とを接続する第２接続部をさらに備える、請求項１に記載の素子拘束部材。
【請求項３】
前記第１接続部は、前記第１支持部の一方端と前記第２支持部の一方端とを接続し、
前記素子拘束部材は、
前記第１支持部との間で、前記導電性板体と前記発熱素子とが接触するように前記導電性板体と前記発熱素子を支持する第３支持部と、
前記第１接続部に対向し、前記第１支持部の他方端と前記第３支持部の一方端とを接続する第２接続部をさらに備え、
前記導電性板体と前記発熱素子の周囲に、前記第２支持部、前記第１接続部、前記第１支持部、前記第２接続部、前記第３支持部が順に配置されるような断面において、前記第１支持部の長さは、前記第２支持部と前記第３支持部の各々の長さよりも長い、請求項１に記載の素子拘束部材。
【請求項４】
前記導電性板体は、前記発熱素子に接触する第１曲げ部と、前記配線基板上に形成される第１配線部と、前記第１曲げ部と前記第１配線部とを接続し前記発熱素子の熱を放熱する第１放熱部とを含み、
前記素子拘束部材は、前記第１曲げ部と前記発熱素子とを拘束することによって、前記発熱素子が前記第１曲げ部に接触する面圧を増加させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の素子拘束部材。
【請求項５】
前記導電性板体は、前記発熱素子に接触する第２曲げ部と、前記配線基板上に形成される第２配線部と、前記第２曲げ部と前記第２配線部とを接続し前記発熱素子の熱を放熱する第２放熱部とをさらに含み、
前記発熱素子は、前記第１曲げ部と前記第２曲げ部との間に挟持され、
前記素子拘束部材は、前記第１曲げ部と前記発熱素子と前記第２曲げ部とを拘束することによって、前記発熱素子が前記第１曲げ部および前記第２曲げ部に接触する面圧を増加させる、請求項４に記載の素子拘束部材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の前記素子拘束部材と、
前記配線基板と、
前記導電性板体と、
前記発熱素子とを備え、
前記素子拘束部材の線膨張係数は、前記発熱素子および前記導電性板体の線膨張係数よりも小さい、電気回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は素子拘束部材およびそれを備える電気回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平７−１２２３２３号公報（特許文献１）には、配線板等に配設するバスバーに、ポリマＰＴＣ（positive  temperature  coefficient）素子のような発熱を伴う素子を挿着するための発熱素子挿着用の回路体を開示する。この発熱素子挿着用の回路体は、放熱効果が優れているという特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１２２３２３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】福岡俊道、外２名、「異材界面における接触熱抵抗の評価」、日本機械学会論文集、日本機械学会、２０１０年３月２５日、Ａ編、７６（７６３）、ｐ３４４−３５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開平７−１２２３２３号公報（特許文献１）は、発熱を伴う素子として、ポリマＰＴＣ素子を例示したが、電流をスイッチングするトランジスタ、ＦＥＴのようなスイッチ部品も大電流が流れると発熱素子となる。また、バスバーなどの導体も大電流に対して必要断面積が確保できない場合は大きく発熱する。
【０００６】
上記のような挟み込み構造でスイッチ部品を保持した場合、高温時の発熱素子の膨張による発熱素子挿着用の回路体の開き、または発熱素子と発熱素子挿着用の回路体の膨張のばらつき等により発熱素子と回路体の間で十分な接触圧力が確保できなくなる可能性がある。このような場合、接触熱抵抗が大きくなり発熱素子の熱が回路体の放熱部に伝えられなくなる。さらに、接触部の電気抵抗が部品、配線に次ぐ第３の発熱源となり合計の発熱量が大きくなり、より広い放熱面が必要となる。このため、このような構造の部品を搭載する制御装置は大型化してしまう。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためのものであって、その目的は、高温時の放熱を改善できる素子拘束部材、およびそれを備える電気回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、配線基板に取り付けられた導電性板体と、導電性板体に取り付けられた発熱素子とを拘束する素子拘束部材に関する。素子拘束部材は、導電性板体と発熱素子とが接触するように導電性板体と発熱素子を支持する第１支持部および第２支持部と、第１支持部と第２支持部とに接続され、第１支持部と第２支持部との間の距離を制限する第１接続部とを備える。
【０００９】
好ましくは、第１接続部は、第１支持部の一方端と第２支持部の一方端とを接続する。素子拘束部材は、第１接続部に対向し、第１支持部の他方端と第２支持部の他方端とを接続する第２接続部をさらに備える。
【００１０】
好ましくは、第１接続部は、第１支持部の一方端と第２支持部の一方端とを接続する。素子拘束部材は、第１支持部との間で、導電性板体と発熱素子とが接触するように導電性板体と発熱素子を支持する第３支持部と、第１接続部に対向し、第１支持部の他方端と第３支持部の一方端とを接続する第２接続部をさらに備える。導電性板体と発熱素子の周囲に、第２支持部、第１接続部、第１支持部、第２接続部、第３支持部が順に配置されるような断面において、第１支持部の長さは、第２支持部と第３支持部の各々の長さよりも長い。
【００１１】
好ましくは、導電性板体は、発熱素子に接触する第１曲げ部と、配線基板上に形成される第１配線部と、第１曲げ部と第１配線部とを接続し発熱素子の熱を放熱する第１放熱部とを含む。素子拘束部材は、第１曲げ部と発熱素子とを拘束することによって、発熱素子が第１曲げ部に接触する面圧を増加させる。
【００１２】
より好ましくは、導電性板体は、発熱素子に接触する第２曲げ部と、配線基板上に形成される第２配線部と、第２曲げ部と第２配線部とを接続し発熱素子の熱を放熱する第２放熱部とをさらに含む。発熱素子は、第１曲げ部と第２曲げ部との間に挟持される。素子拘束部材は、第１曲げ部と発熱素子と第２曲げ部とを拘束することによって、発熱素子が第１曲げ部および第２曲げ部に接触する面圧を増加させる。
【００１３】
本開示は、他の局面では、上記いずれかの素子拘束部材と、配線基板と、導電性板体と、発熱素子とを備える電気回路に関する。電気回路において、素子拘束部材の線膨張係数は、発熱素子および導電性板体の線膨張係数よりも小さい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高温時の放熱が改善されるので、電気回路およびそれを搭載する制御装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１に係る素子拘束部材１０および電気回路１の構成を示す図である。
【図２】素子拘束部材１０のＹ方向から見た形状を示す断面図である。
【図３】素子拘束部材１０のＺ方向から見た形状を示す断面図である。
【図４】実施の形態２に係る素子拘束部材１１０および電気回路１０１の構成を示す図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ方向から、素子拘束部材１１０が発熱素子を拘束した状態の断面を示す図である。
【図６】実施の形態３に係る素子拘束部材２１０および電気回路２０１の構成を示す図である。
【図７】素子拘束部材２１０のＺ方向から見た形状を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１７】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る素子拘束部材１０および電気回路１の構成を示す図である。図２は、素子拘束部材１０のＹ方向から見た形状を示す断面図である。図３は、素子拘束部材１０のＺ方向から見た形状を示す断面図である。
【００１８】
図１に示した構成では、電気回路１は、発熱素子４と、発熱素子４を挟持する一対の導電性板体３Ａ，３Ｂを含む。導電性板体３Ａは、配線バスバー部５Ａと、曲げ部６Ａと、放熱部７Ａとを含む。導電性板体３Ｂは、配線バスバー部５Ｂと、曲げ部６Ｂと、放熱部７Ａとを含む。配線バスバー部５Ａ，５Ｂは、配線板の端子などの他のノードと放熱部７Ａ，７Ｂとを接続する。曲げ部６Ａと曲げ部６Ｂとは、発熱素子４を挟持するクリップ部６を構成する。
【００１９】
素子拘束部材１０は、配線基板２に取り付けられた導電性板体３Ａ，３Ｂと、導電性板体３Ａ，３Ｂに取り付けられた発熱素子４とを拘束する。素子拘束部材１０は、導電性板体３Ａ，３Ｂと発熱素子４とが接触するように導電性板体３Ａ，３Ｂと発熱素子４を支持する第１支持部１１および第２支持部１２と、第１支持部１１と第２支持部１２とに接続され、第１支持部１１と第２支持部１２との間の距離を制限する第１接続部２１とを備える。
【００２０】
実施の形態１では、素子拘束部材１０はＺ方向から見ると環状の形状を有する。第１接続部２１は、第１支持部１１の一方端と第２支持部１２の一方端とを接続する。素子拘束部材１０は、第２接続部２２をさらに備える。第２接続部２２は、第１接続部２１に対向し、第１支持部１１の他方端と第２支持部１２の他方端とを接続する。
【００２１】
素子拘束部材１０は、発熱素子４が導電性板体３Ａ，３Ｂに接触する面圧を増加させる。なお、導電性板体３Ａ，３Ｂは、必ずしも一対の導電性板体である必要はなく、放熱板が形成された一つの導電性板体が配線基板２に取り付けられており、パワー半導体素子などの発熱素子に一体化された放熱板がその導電性板体と素子拘束部材１０で拘束されていても良い。
【００２２】
実施の形態１では、発熱素子４を導電性板体３Ａ，３Ｂからなる回路体で挟みこんだ状態で、素子拘束部材１０のような環状の枠をはめ込む。枠の内径は常温で回路体にはめ込める寸法で作成する。枠の断面は図２に示すように円形になっており高温膨張時に発生した応力を円の接点でとらえた後、応力集中しないように曲面形状で分散して受けるため、少ない材料で枠を構成できる。
【００２３】
なお、図１に示すように導電性板体３Ａと導電性板体３Ｂとが異なる電極であり、異なる電圧が印加される場合には、絶縁性を確保するために、素子拘束部材１０を非導電性の材料で形成するか、または、導電性材料の少なくとも内周面に絶縁性の塗装または被覆をしたものを用いることが好ましい。
【００２４】
実施の形態１では、一対のバスバーの端部を折り返したクリップ部６に発熱素子４をはさみ、そのクリップ部６近くに幅広の放熱部７Ａ，７Ｂを設けて効率的に放熱を行なう構成において、発熱素子４と導電性板体３Ａ，３Ｂからなる回路体とに、開きを抑制する枠として素子拘束部材１０をはめる。これにより、確実な接触圧力に熱伝導性を向上させ発熱素子４から放熱部７Ａ，７Ｂへの放熱性を確保することができる。
【００２５】
図１に示すような導電性板体３Ａ，３Ｂのクリップ部６に発熱素子４を挟み込んだ状態での接触面圧が仮に１ＭＰａより低いとする。この場合、素子拘束部材１０等による拘束により仮に１０ＭＰａ程度の接触面圧が確保できると、導電性板体３Ａ，３Ｂ材質によるが、熱伝達率が２〜３倍程度高くなると推定できる（非特許文献１の実験データより推定）。
【００２６】
したがって、熱伝達率が２〜３倍高いとして配線基板２やバスバーなどを設計することが可能となる。すなわち、発生した熱を確実に放熱部に伝えることができ、例えばオン抵抗が高いが安価なスイッチング素子をより高い温度まで使用できてコストダウンが可能となったり、放熱部の大型化を抑制する事で制御装置の大型化を防いだりすることができる。
【００２７】
［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１の素子拘束部材１０が導電性板体３Ａ，３Ｂに接触する面積を広げ、伝熱性を高めた変形例を示す。
【００２８】
図４は、実施の形態２に係る素子拘束部材１１０および電気回路１０１の構成を示す図である。図５は、図４のＶ−Ｖ方向から、素子拘束部材１１０が発熱素子４を拘束した状態の断面を示す図である。
【００２９】
図２では、素子拘束部材１０の断面は略円形であり、導電性板体３Ａ，３Ｂとは断面図上で１点で接することとなる。これと比べて、図５では、素子拘束部材１１０の断面は長円であり、導電性板体３Ａ，３Ｂとの接触面積が増加している。そのために、発熱素子４で生じた熱が導電性板体３Ａ，３Ｂを通じて素子拘束部材１１０にも伝達しやすくなり、素子拘束部材１１０の表面において空気などの周囲の雰囲気への放熱が促進される。
【００３０】
［実施の形態３］
図６は、実施の形態３に係る素子拘束部材２１０および電気回路２０１の構成を示す図である。図７は、素子拘束部材２１０のＺ方向から見た形状を示す断面図である。
【００３１】
図６、図７を参照して、素子拘束部材２１０は、配線基板２に取り付けられた導電性板体３Ａ，３Ｂと、導電性板体３Ａ，３Ｂに取り付けられた発熱素子４とを拘束する。素子拘束部材２１０は、導電性板体３Ａ，３Ｂと発熱素子４とが接触するように導電性板体３Ａ，３Ｂと発熱素子４を支持する第１支持部２１１および第２支持部２１２と、第１支持部２１１と第２支持部２１２とに接続され、第１支持部２１１と第２支持部２１２との間の距離を制限する第１接続部２２１とを備える。
【００３２】
第１接続部２２１は、第１支持部２１１の一方端と第２支持部２１２の一方端とを接続する。
【００３３】
素子拘束部材２１０は、第３支持部２１３と、第２接続部２２２をさらに備える。第３支持部２１３は、第１支持部２１１との間で、放熱部３と発熱素子４とが接触するように導電性板体３Ａ，３Ｂと発熱素子５を支持する。第２接続部２２２は、第１接続部２２１に対向し、第１支持部２１１の他方端と第３支持部２１３の一方端とを接続する。
【００３４】
図７に示すように、導電性板体３Ａ，３Ｂと発熱素子４の周囲に、第２支持部２１２、第１接続部２２１、第１支持部２１１、第２接続部２２２、第３支持部２１３が順に配置されるような断面において、第１支持部２１１の長さＬ１１は、第２支持部２１２の長さＬ１２よりも長く、第３支持部２１３の長さＬ１３よりも長い。
【００３５】
図６、図７に示すような、環状の枠の一部が欠けた形状（Ｃ型形状）の枠である素子拘束部材２１０を使用することにより、組付け性と締め付け応力の関係を最適化できる。例えば、組付性を重視する場合には、実施の形態３のように枠の一部を開放し、その開き加減で組付け性と締め付け応力を調整することも可能である。
【００３６】
［実施の形態４］
実施の形態４は、実施の形態１〜３のいずれかの素子拘束部材１０，１１０，２１０と、配線基板２と、導電性板体３Ａ，３Ｂと、発熱素子４とを備える電気回路１，１０１，２０１に関する。実施の形態４では、電気回路１，１０１，２０１において、素子拘束部材１０，１１０，２１０の線膨張係数は、発熱素子４および導電性板体３Ａ，３Ｂの線膨張係数よりも小さくなるように、素子拘束部材１０，１１０，２１０の材料を選択する。
【００３７】
実施の形態４では、発熱素子４および回路体（バスバー）よりも低い線膨張係数の材料素子で拘束部材を形成する。これにより、クリップ部６を拘束することによって、常温での組付け易さと高温発熱時の密着性を上げを両立させる。
【００３８】
例えば、実施の形態１、２、３で示した素子拘束部材１０，１１０，２１０を、回路体より低線膨張係数材料かつ高熱伝導材（例えば銅または真鍮のモリブデン合金やクロム合金）で構成すると、さらなる効果がある。素子拘束部材１０，１１０，２１０の内径は常温で回路体に容易にはめ込める寸法で作成する。放熱が必要な高温で大電流が流れ、発熱素子４が発熱する状態では、発熱素子４を挟み込んだ回路体は膨張するが、膨張の少ない素子拘束部材が回路体の膨張を抑え込んでいるため回路体と発熱素子４間に大きな接触面圧が発生する。これにより、接触熱抵抗が低下し発熱面への確実な熱伝導ができるようになる。
【００３９】
素子拘束部材の線膨張係数は、発熱素子および導電性板体の線膨張係数よりも小さければ、温度が上昇するほど面圧が高くなるという効果が得られる。線膨張係数は必ずしも正の値でなくともよく、素子拘束部材を負の線膨張係数を有する材料を使用して作成しても良い。
【００４０】
実施の形態４で説明したように、低い線膨張係数の枠でクリップ部を拘束する事で、常温ではクリップ部との接触が少なく、組付け性が良く、大電流かつ高温では、クリップ部と密着することで、発熱素子４の熱が積極的に放熱され、昇温をさらに抑制することが可能となる。
【００４１】
以上説明したように、実施の形態１〜４に記載の素子拘束部材を用いることによって、導通抵抗の低いスイッチング素子および幅広のバスバーのような高価な部品の使用を抑えることができるとともに、組付け性が向上し、装置の大型化を抑制できる。
【００４２】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４３】
１，１０１，２０１  電気回路、２  配線基板、３Ａ，３Ｂ  導電性板体、４，５  発熱素子、５Ａ，５Ｂ  配線バスバー部、６  クリップ部、６Ａ，６Ｂ  曲げ部、７Ａ，７Ｂ  放熱部、１０，１１０，２１０  素子拘束部材、１１，１１１，２１１  第１支持部、１２，１１２，２１２  第２支持部、２１，１２１，２２１  第１接続部、２２，１２２，２２２  第２接続部、２１３  第３支持部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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