(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁巻線が巻装された回転子と、電機子巻線が巻装された固定子と、前記回転子及び前記固定子を保持する熱伝導性部材で構成されたブラケットと、前記ブラケットの内部に設けられ、冷却液を流動させて前記電機子巻線の発熱を外部に伝達する為の冷却液流路とを有する車両用交流発電機に用いられ、
前記界磁巻線に流れる電流を調整して前記電機子巻線に誘起される電圧を制御する電圧制御用ＩＣレギュレータ部と、該電圧制御用ＩＣレギュレータ部に熱的に接触する金属基板とから構成され、前記ブラケットに前記金属基板が固定される車両用交流発電機の制御装置であって、
前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部は、前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御するパワー半導体部分と電圧を制御する小信号半導体部分を１つの半導体で形成した１チップ形ＩＣレギュレータであり、
前記１チップ形ＩＣレギュレータは、金属の放熱用ヒートシンクに接合されると共に樹脂封止された樹脂封止形パッケージで構成され、
前記パッケージで構成された前記１チップ形ＩＣレギュレータは、絶縁層を介して電気配線部を設けた前記金属基板に接合され、前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部の発熱を前記金属基板から前記ブラケットに放熱させるものであり、
前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部、前記金属の放熱用ヒートシンク、及び前記金属基板は、この順で前記冷却液流路が設けられた前記ブラケット上に積層されることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の車両用交流発電機の制御装置において、
前記ブラケット端面に設けられた支持柱を備え、
前記支持柱は、前記ブラケットの端面からの凸形状で構成され、
前記金属基板は、前記支持柱に接触させた状態で固定しており、
前記金属基板は、良熱伝導金属材料で構成されていることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
【請求項３】
請求項２記載の車両用交流発電機の制御装置において、
前記金属基板は、前記支持柱に固定する為の位置決め穴を有することを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
【請求項４】
請求項２記載の車両用交流発電機の制御装置において、
前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部は、外部の電源と前記界磁巻線とに接続されるＩＣケースに装着され、
前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部の中継リードは、ニッケルもしくはニッケル−鉄合金製の溶接パッドを介して前記金属基板に接続され、
前記締結部材によって前記ＩＣケースと前記金属基板を一体的に前記支持柱へ固定することを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
【請求項５】
請求項１記載の車両用交流発電機の制御装置において、
前記金属基板上には、ノイズ吸収用としての静電容量又はツエナーダイオードが接続され、
前記静電容量又は前記ツエナーダイオードは、前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部の車両の制御装置との電気信号を授受する端子とＧＮＤ間に接続されることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用交流発電機の制御装置に係り、特に、パワー半導体装置を有するものに好適な車両用交流発電機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワー系半導体部品と小信号系半導体を同一基板上に実装する手段として、図１７の回路図及び、図１８の実装例を用いて説明する。  
図１７は、従来の自動車用発電機の充電系統を示す制御回路図である。図１８は、従来の自動車用発電機の実装例の構造図である。図１８（Ａ）は平面図であり、図１８（Ｂ）は正面図である。
【０００３】
図１７において、界磁巻線１３は、エンジンの回転と同期して回転し回転磁界を発生する。界磁巻線１３に並列に接続されたフライホイール・ダイオード１４２ｂは、スイッチングノイズを吸収するために接続されている。電機子巻線１１は、界磁巻線１３のつくる回転磁界の大きさに応じて交流波形をもった電圧を出力する。該交流出力は、三相全波整流器１２を構成する整流用パワーツエナーダイオード１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６で全波整流される。
【０００４】
界磁巻線１３に流れる電流は、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０ｂで制御する事で、発電機出力電圧を一定電圧に制御する。この電圧制御用ＩＣレギュレータ３０ｂは、電圧制御部１４５０ｂと、界磁電流を制御する為に主に発熱するパワートランジスタ１４１ｂ及びフライホイールダイオード１４２ｂで構成される。
制御された出力は、バッテリ１６に充電される。また、同時に、三相全波整流器１２の出力は、負荷スイッチ１７を介して、ランプ等の電気負荷１８に供給される。
【０００５】
車両側の制御部であるＥＣＵ部６０は、車両の状態を検出し、最適な調整電圧指令値をＣＯＭ端子から電圧制御用ＩＣレギュレータ３０ｂに伝え、調整電圧値が変更される。電圧制御用ＩＣレギュレータ３０ｂは、パワートランジスタ１４１ｂをコントロールして、界磁巻線１３への界磁電流通流率を変更する事で、回転磁界の大きさを変更し、その結果、調整電圧値は車両側の制御部であるＥＣＵ部６０が指令した調整電圧値に制御される。
【０００６】
以上のような制御動作の中で、界磁電流を制御するパワートランジスタ１４１ｂが最も発熱する半導体部品であり、実装上、図１８に示す様な構造としている。
【０００７】
つまり、図１８に示すように、ヒートシンク１４３にてパワートランジスタ１４１ｂが生じる熱をセラミック基板１４４から接着剤５１を介して放熱プレート５０に伝え、放熱プレート５０が有する放熱フィン５３に冷却風が当たる事で熱を放出させる構造である。
【０００８】
電圧制御用ＩＣレギュレータ３０ｂは、あまり発熱しない電圧制御部１４５０ｂも同一基板上に実装し、かつ自動車のエンジンルーム内の過酷な熱ストレスに耐えるために、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０ｂはセラミック基板１４４上に半田実装する事で構成しており、線膨張係数差を少なくする事で、温度変化に伴う、熱疲労寿命を向上させている。そのため、パワートランジスタ１４１ｂの熱を分散させるヒートシンク１４３の材料としては、線膨張係数がシリコン（シリコンの線膨張係数は約３．５ｐｐｍ）やセラミック材（セラミック基板の線膨張係数は約６．５ｐｐｍ）に近い高価なモリブデン材（モリブデン材の線膨張係数は約４．９ｐｐｍ）又は高価なタングステン材（タングステン材の線膨張係数は約４．５ｐｐｍ基板）を使用する必要が有る。
【０００９】
上記構造は、自動車のエンジンルーム内の空気で放熱フィン５３から熱を放出させる事を前提とした『空冷』方式であるが、近年、エンジンルーム内部の高密度化により、エンジンルーム内部の温度は高温化し、かつ冷却風が流れづらい構造となっている。その為、空冷では冷却能力が不足する場合が生じた。この対応として、自動車用発電機をエンジン内部に循環している冷却水を利用する事で自動車用発電機自体を冷却する『水冷』方式が考案され実用に至っている。
【００１０】
この水冷方式はエンジンルーム内部が異常に高温化した場合であっても、半導体のジャンクション温度を越えない範囲で、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０ｂを安定動作させる事が可能となったが、エンジンルームに直接装着される自動車用発電機として、熱ストレスは過酷であり、熱疲労寿命に関して、従来の『空冷』方式とほぼ同等の性能が必要である。
【００１１】
ここで、従来、パワー系半導体部品と小信号系半導体を実装する方式としては、発熱部品自身の発熱量を下げるとともに、発熱部品と発熱が少ない部品との位置関係を規制して、発生する熱を分散させる事で従来必要であった高価なモリブデン材で作られたヒートシンクを廃止するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
また、パワー系半導体部品と小信号系半導体を冷却する方式としては、発熱するパワー系半導体部品を冷却するために、エンジンの冷却水を利用した水冷方式が知られている（例えば、特許文献２参照）。その為、従来エンジンルーム内部の高温化した空気で空冷させる為に、放熱フィンの表面積を増加させる為に、放熱フィンの数を増やしたり、放熱フィンを大型化する必要がないものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第３５５２２９６号公報
【特許文献２】特許第４０２３４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、従来技術の交流発電機の場合、パワー系半導体部品の熱疲労寿命向上の為にモリブデン材の様な高価なヒートシンク材を使用するか、発熱部品と発熱が少ない部品との間に、ある一定以上の距離を置いて配置する必要があり、部品点数の削減及び小型化、低コスト化への障害となる。
【００１５】
また、放熱フィンを廃止して、エンジンの冷却水を発電機のブラケット内部に循環させることにより、直接冷却する場合、セラミック基板は割れやすく、かつ加工の自由度が制限されている為、熱を放熱する為のブラケットに直接接触させる冷却方式は困難であるため、結局、放熱フィンを削除した放熱プレートが必要となる。
【００１６】
また、セラミック基板は、構造上、横方向に熱が伝わりずらく、より効率良くセラミック基板に実装されたパワー系半導体部品を冷却する為にはセラミック基板に実装されたパワー系半導体部品の直下を直接冷却する必要が有り、ブラケットに設ける支持柱の形状及び配置の自由度が制限される。
【００１７】
また、ブラケットに設ける支持柱の形状及び配置の自由度を得る為には、放熱プレートを必要以上に厚くする事で、横方向の熱伝播を改善する必要が有り、この場合、組み立て構造の制約及び、材料費のコストアップを招くという問題を生じる。
【００１８】
本発明の目的は、部品点数の削減と小型化を図り、水冷却用ブラケットに接続が可能となる車両用交流発電機の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、界磁巻線が巻装された回転子と、電機子巻線が巻装された固定子と、前記回転子及び前記固定子を保持する熱伝導性部材で構成されたブラケットと、前記ブラケットの内部に設けられ、冷却液を流動させて前記電機子巻線の発熱を外部に伝達する為の冷却液流路とを有する車両用交流発電機に用いられ、前記界磁巻線に流れる電流を調整して前記電機子巻線に誘起される電圧を制御する電圧制御用ＩＣレギュレータ部と、該電圧制御用ＩＣレギュレータ部に熱的に接触する金属基板とから構成され、前記ブラケットに前記金属基板が固定される車両用交流発電機の制御装置であって、前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部は、前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御するパワー半導体部分と電圧を制御する小信号半導体部分を１つの半導体で形成した１チップ形ＩＣレギュレータであり、前記１チップ形ＩＣレギュレータは、金属の放熱用ヒートシンクに接合されると共に樹脂封止された樹脂封止形パッケージで構成され、前記パッケージで構成された前記１チップ形ＩＣレギュレータは、絶縁層を介して電気配線部を設けた前記金属基板に接合され、前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部の発熱を前記金属基板から前記ブラケットに放熱させるものであり、前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部、前記金属の放熱用ヒートシンク、及び前記金属基板は、この順で前記冷却液流路が設けられた前記ブラケット上に積層されるようにしたものである。  
かかる構成により、部品点数の削減と小型化を図り、水冷却用ブラケットに接続が可能となるものである。
【００２０】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記ブラケット端面に設けられた支持柱を備え、前記支持柱は、前記ブラケットの端面からの凸形状で構成され、前記金属基板は、前記支持柱に接触させた状態で固定しており、前記金属基板は、良熱伝導金属材料で構成されているものである。
【００２１】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記金属基板は、前記支持柱に固定する為の位置決め穴を有するものである。
【００２２】
（４）上記（２）において、好ましくは、前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部は、外部の電源と前記界磁巻線とに接続されるＩＣケースに装着され、前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部の中継リードは、ニッケルもしくはニッケル−鉄合金製の溶接パッドを介して前記金属基板に接続され、前記締結部材によって前記ＩＣケースと前記金属基板を一体的に前記支持柱へ固定するようにしたものである。
【００２３】
（５）上記（１）において、好ましくは、前記金属基板上には、ノイズ吸収用としての静電容量又はツエナーダイオードが接続され、前記静電容量又は前記ツエナーダイオードは、前記電圧制御用ＩＣレギュレータ部の車両の制御装置との電気信号を授受する端子とＧＮＤ間に接続されるようにしたものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、部品点数の削減と小型化を図り、水冷却用ブラケットに直接もしくは支持柱を介した接続が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による車両用交流発電機における充電系統の制御回路図である。
【図２】本発明の一実施形態による車両用交流発電機における充電系統の制御回路図である。
【図３】本発明の一実施形態による車両用交流発電機の縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による車両用交流発電機のリア側のカバーを外した状態での構造図である。
【図５】本発明の一実施形態による車両用交流発電機の冷却水の流れ方向の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いる電圧制御用ＩＣレギュレータの実装構造を示す平面図である。
【図７】図６のＶ−Ｖ断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いる電圧制御用ＩＣレギュレータの実装構造を示す斜視図である。
【図９】本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いる電圧制御用ＩＣレギュレータの実装構造を示す斜視図である。
【図１０】本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置における熱抵抗測定結果について説明図である。
【図１１】本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置の変形例を示す回路図である。
【図１２】本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置の変形例を示す回路図である。
【図１３】本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置の実装構造の変形例を示す斜視図である。
【図１４】本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置の実装構造の変形例を示す斜視図である。
【図１５】本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置のパッケージの変形例を示す斜視図である。
【図１６】本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置のパッケージの変形例を示す斜視図である。
【図１７】従来の自動車用発電機の充電系統を示す制御回路図である。
【図１８】従来の自動車用発電機の実装例の構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図１〜図１６を用いて、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置の構成について説明する。  
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による車両用交流発電機における充電系統の制御回路の構成について説明する。  
図１及び図２は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機における充電系統の制御回路図である。
【００２８】
図１にて、３相の電機子巻線１１は、デルタ結線されている。電機子巻線１１は、全波整流用ダイオード１２に接続される。全波整流用ダイオード１２は、図示のように接続された６個のパワーツエナーダイオード１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６で構成される。電機子巻線１１に発生する発電電力は、全波整流用ダイオード１２により全波整流される。
【００２９】
整流された発電電力は、バッテリ１６に蓄電される。バッテリ１６の電圧は、負荷スイッチ１７を経て、車両側の電気負荷１８に供給される。
【００３０】
電圧制御用ＩＣレギュレータ３０は、１チップＩＣレギュレータ１４を有する。１チップＩＣレギュレータ１４は、図２に示すように、パワーＭＯＳトランジスタ１４１と、フライフォイールダイオード１４２と、電圧制御部１４５０とから構成されている。なお、１チップＩＣレギュレータ１４は、誘電体分離型半導体で構成されているため、パワー素子部と制御部を１つの半導体基板上に実装している。電圧制御用ＩＣレギュレータ３０は、界磁巻線１３に流す電流を制御する。界磁巻線１３に流す電流を制御することで、電機子巻線１１に発生する発電電力を可変できる。電圧制御用ＩＣレギュレータ３０は、車両側の制御装置（ＥＣＵ部）６０からの制御指令に応じて、界磁巻線１３に流す電流を制御する。
【００３１】
なお、１チップＩＣレギュレータ１４としては、誘電体分離型半導体の他に、バイポーラ＋Ｃ−ＭＯＳ＋Ｄ−ＭＯＳ一体形集積回路を用いることもできる。
【００３２】
なお、図１において、符号１９は、雑音防止用フィルムコンデンサーである。
【００３３】
次に、図３〜図５を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の構成について説明する。  
図３は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の縦断面図である。図４は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機のリア側のカバーを外した状態での構造図である。図５は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の冷却水の流れ方向の説明図である。
【００３４】
図３に示すように、シャフトＳＦには、回転子鉄心１３ａが固定されている。回転子鉄心１３ａは、１対の爪形磁極から構成される。各爪部は互いに対向し、かつ、互い違いに配列されるように配置されている。回転子鉄心１３ａの内部には、界磁巻線１３が巻回されている。回転子鉄心１３ａと界磁巻線１３とにより回転子が構成される。回転子は、ベアリングにより、センターブラケット７２と、フロントブラケット７４とにより回転可能に支持されている。センターブラケット７２と、フロントブラケット７４とは、アルミダイキャストにより製造される。
【００３５】
センターブラケット７２の内周側には、固定子鉄心１１ａが固定されている。固定子鉄心１１ａには、電機子巻線１１が巻回されている。固定子鉄心１１ａの内周側は、僅かな空隙を経て、回転子の外周側に対向している。
【００３６】
センターブラケット７２の内部には、通路（ポケット）７２ａが形成されている。通路７２ａの端部は、リアブラケット７１によって密閉されており、冷却水の通路を形成する。図５は、センターブラケット７２の内部をリアブラケットで密閉された冷却水が流れる経路を示している。
【００３７】
ＩＣケース５２の中には、ブラシが保持されている。また、図９を用いて後述するように、ＩＣケース５２には、図１に示した電圧制御用ＩＣレギュレータ３０が取付固定されている。この電圧制御用ＩＣレギュレータの基板は、支持柱７０を介して、リアブラケット７１に接続されている。リアブラケット７１はアルミダイキャスト製であり、熱伝導性部材で構成される。支持柱７０は、リアブラケット７１と一体的にアルミダイキャストにより成形される。支持柱７０は、電圧制御用ＩＣレギュレータの基板を支持するとともに、電圧制御用ＩＣレギュレータの発熱を、支持柱７０，リアブラケット７１を介して、センターブラケット７２の内部を流れる冷却水に放熱する。ＩＣケース５２の外側は、リアカバー７５により覆われている。リアカバー７５は、リアブラケット７１に取り付けられている。リアカバー７５とリアブラケット７１の間の空間には、ブラシの他に、図１に示した全波整流用ダイオード１２も配置されているため、リアカバー７５によりこれらの素子に水滴等が付着しないように防水している。
【００３８】
図４に示すように、センターブラケット７２にはリアブラケット７１が取り付けられている。リアブラケット７１には、ＩＣケース５２が取り付けられている。また、リアブラケット７１には、図１に示した全波整流用ダイオード１２も取り付けられている。
【００３９】
センタブラケット７２には、冷却水の入口及び出口となるパイプが設けられている。そして、図５に示すように、入口パイプから冷却水がセンターブラケット７２の内側に流入し、出口パイプから流出する。
【００４０】
次に、図１〜図５にて説明した本実施形態の車両用交流発電機及び車両用交流発電機の制御装置の動作について説明する。
【００４１】
図３に示したように、界磁巻線１３は、回転子１３ａに装着され、エンジンの回転と同期して回転し回転磁界を発生する。図２に示したフライホイール・ダイオード１４２は、界磁巻線１３に並列に接続され、スイッチングノイズを吸収するために接続されている。
【００４２】
図３に示した、回転子と空隙を持って対向する固定鉄心１１ａに巻装された電機子巻線１１は、界磁巻線１３のつくる回転磁界の大きさに応じて交流波形をもった電圧を出力する。この交流出力は、三相全波整流器１２を構成する整流用パワーツエナーダイオード１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６で全波整流される。
【００４３】
界磁巻線１３に流れる電流は、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０で制御する事で、発電機出力電圧を一定電圧に制御する。電圧制御用ＩＣレギュレータ３０は１チップＩＣレギュレータ１４を有する。１チップＩＣレギュレータ１４は、図２に示したような構成を有し、１チップＩＣレギュレータ１４の電圧制御部１４５０は、電圧制御を行うパワーＭＯＳトランジスタ１４１をコントロールする。
【００４４】
電圧制御用ＩＣレギュレータ３０によって電圧制御された出力は、バッテリ１６が充電される。また、同時に、三相全波整流器１２の出力は、負荷スイッチ１７を介して、ランプ等の電気負荷１８に供給される。
【００４５】
車両側の制御部であるＥＣＵ部６０は車両の状態を検出し、最適な調整電圧指令値を１チップＩＣレギュレータ１４に伝え、調整電圧値が変更される。１チップＩＣレギュレータ１４は、パワーＭＯＳトランジスタ１４１をコントロールして、界磁巻線１３への界磁電流通流率を変更する事で、回転磁界の大きさを変更し、その結果、調整電圧値は車両側の制御部であるＥＣＵ部６０が指令した調整電圧値に制御される。
【００４６】
次に、図６〜図９を用いて、本実施形態による車両用交流発電機に用いる電圧制御用ＩＣレギュレータの実装構造について説明する。  
図６は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いる電圧制御用ＩＣレギュレータの実装構造を示す平面図である。図７は、図６のＶ−Ｖ断面図である。図８及び図９は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機に用いる電圧制御用ＩＣレギュレータの実装構造を示す斜視図である。
【００４７】
図６に示した１チップＩＣレギュレータ１４は、パワー素子部と小信号系である制御部を誘電体分離型半導体で１つの半導体基板上に実装したものである。１チップＩＣレギュレータ１４は、図７に示すように、安価な材質である銅を使用したヒートシンク１４６に高温半田１６０で固着されている。なお、高温半田の代わりに、銀ペースト等の電気伝導性接着剤を用いることもできる。
【００４８】
図７に示すように、１チップＩＣレギュレータ１４及びヒートシンク１４６は、樹脂封止パッケージ１４７により封止されている。なお、ヒートシンク１４６は、樹脂封止パッケージ１４７の底面において、突出して露出した構造としている。
【００４９】
樹脂封止パッケージ１４７は、デュアルインライン方式（反対の２方向にリードフレーム１５４が配列された面実装構造）の半導体装置である。すなわち、樹脂封止パッケージ１４７の対向する両面から、複数のリードフレーム（リード端子）１５４がモールディングして突設されている。リードフレーム１５４は、樹脂封止パッケージ１４７の内部でボンデイングワイヤ１５２によって、１チップＩＣレギュレータ１４に接続されている。リードフレーム１５４は銅材により形成されており、はんだ付け性を考慮して、リードフレーム１５４表面にメッキ処理が施されており、メッキ処理の材質はＳｎメッキもしくは、Ｓｎメッキ合金（Ｂｉ等を含む）又は、はんだメッキが用いられている。リードフレーム１５４はその全部または一部に対して、１チップＩＣレギュレータ１４の端子ＣＯＭ、Ｆ，Ｂ，Ｐ（図１）に対応している。
【００５０】
ヒートシンク１４６及びリードフレーム１５４は、低温半田１６２によって、アルミ材を基材とした、金属基板１４８の表面に固着されている。また、図６に示すように、金属基板１４８には、あらかじめ、位置決めと固定を兼ねた、固定用穴１４８Ａ，１４８Ｂが２箇所、プレス加工により設けられている。
【００５１】
なお、ヒートシンク１４６及びリードフレーム１５４の金属基板１４８への接合を低温はんだ１６２によって行うことにより、その接合工程における熱によって、より融点の高い高温半田１６０が悪影響を受けることはないものである。
【００５２】
金属基板１４８は、基材のアルミ板（板厚は１ｍｍから５ｍｍ）１７０の表面に絶縁層１７２として、エポキシ系樹脂もしくはポリイミド系樹脂を貼着し、絶縁層１７２の表面に回路を形成する為の銅箔１７４が貼着されている。１チップＩＣレギュレータ１４から発生した熱は、ヒートシンク１４６を経て、金属基板１４８に伝導される。ここで、金属基板１４８は、前述のように、アルミ板１７０，絶縁層１７２，銅箔１７４が積層された構成となっているが、絶縁層１７２は薄いため、ヒートシンク１４６からの熱は、銅箔１７４及び絶縁層１７２を経て、アルミ板１７０に伝導される。
【００５３】
樹脂封止パッケージ１４７の各リードフレーム１５４は、銅箔１７４のパターンにおける所定位置に低温半田１６２によって接合される。
【００５４】
なお、本実施形態では、基材としてアルミ材を使用しているが、銅材でも鉄材でも本構造に適用可能である。
【００５５】
以上の様に、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０は、樹脂で封止された１チップＩＣレギュレータ１４を金属基板に接合した構成である。
【００５６】
図６に示すように、金属基板１４８の表面には、複数の溶接パッド１４９が低温半田１６２によって固着されている。そして、図８に示すように、各溶接パッド１４９は複数のフォーミングされたニッケル線５４に溶接によって接続される。各ニッケル線５４は、ＩＣケース５２と電気的に接続される。なお、ＩＣケース５２には、図１に示した雑音防止用フィルムコンデンサー１９が保持され、ブラシＢＳを保持するブラシホルダＢＨが一体的に形成されている。また、ＩＣケース５２には、外部と電気的に接続するためのコネクタＣＴも設けられている。
【００５７】
また、図９に示すように、各ニッケル線５４にてＩＣケース５２と電圧制御用ＩＣレギュレータ３０が組合され、リアブラケット７１に一体に設けられた支持柱７０に締結部材７３によって固定される。締結部材７３は、例えばボルトであり、支持柱７０の内部には雌ネジが形成されている。リアブラケット７１とセンターブラケット７２の間に冷却水が循環することで、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０が発する熱を支持柱７０経由で冷却水へ発散させる。
【００５８】
また、図６に示すように、金属基板１４８の表面には、図１１にて説明するＥＳＤノイズ除去用コンデンサー２０若しくは、図１２にて説明するツエナーダイオード２２が実装されている。
【００５９】
水冷方式の交流発電機は、エンジンルーム内部の高密度化により高温化したエンジンルーム内部にて、冷却風による冷却が限界値を超えた状況であっても、冷却水による冷却で交流発電機自体を冷却する。しかし、冷却水の温度は通常９０℃前後であるが、ラジエータ内部の圧力が上昇した場合、１１０〜１２０℃になる可能性があり、半導体の動作保証最高温度であるジャンクション温度１５０℃以下に対して余裕度がある状況ではない、そのため、実装構造の改良で熱抵抗Ｒｔｈを下げる必要がある。
【００６０】
次に、図１０を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の制御装置における熱抵抗測定結果について説明する。  
図１０は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置における熱抵抗測定結果について説明図である。
【００６１】
図１０では、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０が発する熱を支持柱７０経由で冷却水に発散させた場合の熱抵抗測定結果を、従来構造と比較して示している。測定条件として、従来構造では、図１８に示した、セラミック基板１４４に放熱フィン５３を除去した放熱プレートを使用し、各々に消費電力６．５Ｗ消費させた場合の熱抵抗の飽和点を測定している。
【００６２】
ここで、熱抵抗Ｒｔｈとは発熱体である、パワーＭＯＳトランジスタ１４１にある一定の電力を消費させた場合の消費電力と温度の関数であり、通常、下記の式（１）で表される。  
ジャンクション温度Ｔｊ＝Ｔａ（℃）＋Ｒｔｈ（℃／Ｗ）×Ｐ（Ｗ）  …（１）
ここで、Ｔａ：周囲温度、Ｒｔｈ：熱抵抗、Ｐ：消費電力である。
【００６３】
通常、半導体の動作許容温度は１５０℃以下での使用する必要がある。それに対して、図１０に示す測定結果では、従来構造の熱抵抗が４．６℃／Ｗに対して、本実施形態の場合２．５℃／Ｗとなり、熱抵抗を約４５％も低下させる事ができた。
【００６４】
これは、電圧制御用ＩＣレギュレータ３０が５Ｗ消費したと仮定した場合に、従来構造に対して、２．１×５＝１０．５℃も半導体のジャンクション温度の最大温度を低く抑えられる事を意味し、本実施形態の構造とする事で、半導体の発熱をより効率良く発散する事が可能となる。
【００６５】
この理由として、本実施形態では、熱伝導性の良い銅材が安価である為、ヒートシンク１４６としてより広い面積に使用する事が可能となり、且つ、ヒートシンク１４６の熱を熱伝導性の優れた、金属基板１４８に放熱させる為、結果的に従来品に対して熱抵抗を約半減する事が可能となった。
【００６６】
本実施形態では、温度変化に対する信頼性を確保する為に、各部品の線膨張係数は以下となる。つまり、１チップＩＣレギュレータ１４の材料としてのシリコンの線膨張係数は約３．５ｐｐｍに対し、ヒートシンク１４６の材料である銅材の線膨張係数は１７ｐｐｍで有るため、この線膨張係数差を押さえ込む為に、線膨張係数が約１１ｐｐｍ前後の樹脂で封止する、樹脂封止パッケージ１４７を採用している。
【００６７】
この樹脂封止パッケージ１４７はデュアルインライン方式のパッケージであり、電気的接続用端子の材質は銅材であるため、金属基板１４８のベース基材であるアルミ材の線膨張係数２３ｐｐｍと線膨張差が少ない事により、本実施形態の構造であれば、ヒートシンク１４６の材料として銅材を使用しながら、温度変化の激しい環境であるエンジンルーム内での実装に耐える構造とする事ができる。
【００６８】
次に、図１１及び図１２を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の制御装置の変形例について説明する。  
図１１及び図１２は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置の変形例を示す回路図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。
【００６９】
本実施形態では金属基板１４８を使用する事で、１チップＩＣレギュレータ１４に実装する事が容易ではない、ＥＭＩ対策用の静電容量又はサ−ジ吸収用ツエナーダイオード等を金属基板に実装する事が可能となる。
【００７０】
図１１は、車両側の制御部であるＥＣＵ部６０との信号を授受するＣｏｍ端子とＧＮＤ間に静電気等によるＥＳＤノイズ除去用コンデンサー２０を実装した例である。
【００７１】
図１２は、同様に、Ｃｏｍ端子部を外部からの正サージもしくはマイナスサージから端子を保護する為に、ツエナーダイオード２２を実装した例である。
【００７２】
この様に、本来、１チップＩＣレギュレータの特徴である、１つの半導体でパワー系及び小信号系半導体を一体にして、部品点数の削減及び小型化に対応する製品に対して、どうしても、より環境の厳しい車両で使用したい場合等、多様な顧客ニーズに対応できる利点を有する。
【００７３】
次に、図１３及び図１４を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の制御装置の実装構造の変形例について説明する。  
図１３及び図１４は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置の実装構造の変形例を示す斜視図である。なお、図８や図９と同一符号は同一部分を示している。
【００７４】
本実施形態では、従来のＩＣケース５２を流用する事が可能な実装構造である。その理由を以下に説明する。
【００７５】
まず、図１３及び図１４により、従来品のＩＣケース５２との組み立て方法について説明する。従来の構造での水冷方式交流発電機の場合、図１８の構造の放熱フィン５３を削除した構造となる。つまり、図１４に示す様な、ＩＣレギュレータ３０ｂとＩＣケース５２と放熱プレート５０とを組合せ、リアブラケット７１に設けられた支持柱７０に固定させ、この支持柱７０から放熱させる構成である。
【００７６】
ＩＣケース５２との電気的接続は、図１３に示す様に、溶接接合用の溶接パッドをセラミック基板上の両サイドに配置し、溶接パッドはセラミック基板と半田接合で固定され、この溶接パッドとフォーミングしたニッケル線５４を溶接し、次にこのニッケル線５４の、もう一端をＩＣケース５２上の各端子部にセットしＩＣケース５２の各端子とニッケル線５４を各々溶接接合する事で構成される。この溶接パッドの材質はセラミック基板１４４の線膨張係数（約６．５ｐｐｍ）に近づける為に、鉄−ニッケルの合金である４２アロイ材を使用していた（４２アロイの線膨張係数は約５ｐｐｍ）。
【００７７】
なお、従来品の組立て構造の場合、放熱プレート５０とＩＣレギュレータ３０ｂとＩＣケース５２は熱伝導性接着剤（図示せず）で固定され、ＩＣレギュレータ３０ｂから発する熱を放熱プレート５０から支持柱７０経由でセンターブラケット７２の内部に循環する冷却水へ伝える構成である為、熱伝導性接着剤を塗布する作業及び加熱硬化する工程が必要であった。
【００７８】
次に、本実施形態の場合について説明する。本実施形態の場合、セラミック基板１４４の代わりに、金属基板１４８を使用し、且つ金属基板１４８の絶縁層上に形成されるパターンは銅箔であるため、図４の溶接パッド１４９の材質はニッケル材（線膨張係数が約１３ｐｐｍ）もしくは、ニッケルと鉄の合金であるキプロニッケル材（線膨張係数が約１３ｐｐｍ）を使用する事で銅箔との線膨張係数差を減らし熱サイクル性を向上させる事で、従来構造の様なセラミック基板１４４を使用する必要がない。
【００７９】
また、図８に示す様に、金属基板１４８が放熱プレート５０の機能を有する為、熱導電性接着剤が不要なばかりか熱抵抗を低減する事ができき、さらに金属基板１４８にプレス加工で位置決め用の穴を２箇所設ける事により、ＩＣケース５２との位置決めが容易となる。位置決め作業が容易となる為、フォーミングされたニッケル線５４を各溶接パッド１４９に溶接した後、各ニッケル線５４のもう一端をＩＣケース５２上の各端子部溶接する場合の位置精度を向上させる事ができる為、作業性が良好となる。
【００８０】
なお、図９に示す様にＩＣケース５２と金属基板１４８に取り付け穴を設けた電圧制御用ＩＣレギュレータ３０を各締結部材７３で支持柱７０に固定する事により、１チップＩＣレギュレータ１４の発熱を金属基板１４８経由で支持柱７０からリアブラケット７１を経て冷却水に効率よく放熱する事ができる。
【００８１】
次に、図１５及び図１６を用いて、本実施形態による車両用交流発電機の制御装置のパッケージの変形例について説明する。  
図１５及び図１６は、本発明の一実施形態による車両用交流発電機の制御装置のパッケージの変形例を示す斜視図である。なお、図６と同一符号は同一部分を示している。
【００８２】
本実施形態では、樹脂封止パッケージ１４７としてデュアルインライン方式のパッケージを使用した例を説明したが、図１３に示したデュアルインライン方式だけでなく、シングルインライン方式の樹脂封止形パッケージでも同様の効果を得る事ができる。
【００８３】
図１５は、シングルインライン方式の８ピン仕様の電圧制御用ＩＣレギュレータ３０Ａの場合の実装例であり、図１６はシングルインライン方式の５ピン仕様の電圧制御用ＩＣレギュレータ３０Ｂの場合の実装例で、金属基板１４８の電気的配線のレイアウトを変更するだけで適用が可能である。
【００８４】
以上説明したように、本実施形態では簡単な構成でありながら、パワー系と小信号系半導体を１チップの半導体構成とし、汎用性の高い、樹脂封止形パワーパッケ−ジに実装して金属基板に半田接合する事で、各部材間の熱膨張差を緩和し、水冷却用ブラケットに支持柱を介して固定する構造とする事で、１チップＩＣレギュレータの発熱を効率よく冷却できる為、車両用交流発電機として車両のエンジンルーム内の温度変化に強い信頼性の高い製品を少ない部品点数で、安価に構成する事が可能となる。また、金属基板はプレス加工によって、自由に外観の形状を決定する事が可能であり、位置決め形状も簡単で安価に製作が可能である。その為、車両用交流発電機として車両のエンジンルーム内の温度変化に強い信頼性の高い製品を安価に構成する事が可能となる。
【００８５】
また、金属基板実装とする事で、１チップＩＣの内部に実装することが適切ではないと考えられる電子部品である、ＥＭＩ対策用の静電容量又はインダクタ又はサ−ジ吸収用ツエナーダイオード等を金属基板に実装する事が可能となる。
【００８６】
また、現行ＩＣケースを流用可能である為、新規にＩＣケースを制作する為の型代が不要となるばかりか、現行品と同じ取り付けが可能である為、量産効果を得やすく車両用交流発電機として安全性、信頼性を向上させつつ、安価に構成する事が可能となる。
【符号の説明】
【００８７】
１１…電機子巻線
１２…整流器
１３…界磁巻線
１４…１チップＩＣレギュレータ
１６…メインバッテリ
３０…電圧制御用ＩＣレギュレータ
５０…放熱プレート
５２…ＩＣケース
５３…放熱フィン
５４…ニッケル線
７０…支持柱
７１…リアブラケット
７２…センターブラケット
７３…締結部材
７４…フロントブラケット
１４１…パワーＭＯＳトランジスタ
１４６…ヒートシンク
１４７…樹脂封止パッケージ
１４８…金属基板
１４９…溶接パッド
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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