(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー素子が実装された基板と、前記基板の前記パワー素子の実装面とは反対の面が固定されたハウジングとを備えた電動機において、
前記基板は、前記パワー素子直下に開口したスルーホールを有し、
前記ハウジングは、前記スルーホール内に差し込まれて、放熱材を介して前記パワー素子の背面に接合される凸部を有し、
前記放熱材は、前記パワー素子の背面と前記凸部との間、前記スルーホールと前記凸部との間、および前記基板の前記パワー素子の実装面とは反対の面と前記ハウジングとの間に、途切れることなく充填されていることを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記ハウジングから突出した前記凸部の高さは、前記放熱材の厚みと前記基板の厚みとを合わせた高さより高く、かつ、前記ハウジングから前記パワー素子の背面までの高さより低いことを特徴とする請求項１記載の電動機。
【請求項３】
前記基板は、前記パワー素子の実装面とは反対の面に銅パターンが設けられた樹脂基板であり、当該銅パターンは、前記放熱材に直接接触していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電動機。
【請求項４】
前記放熱材は、電気絶縁性を有することを特徴とする請求項３記載の電動機。
【請求項５】
前記ハウジングは、アルミニウム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のうちのいずれか１項記載の電動機。
【請求項６】
前記ハウジングは、放熱構造を有することを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の電動機。
【請求項７】
前記放熱構造は、前記ハウジングの外周部に設けられた放熱フィンであることを特徴とする請求項６記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流が通電されるパワー基板を搭載した電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、大電流が通電されるパワー素子を搭載したパワー基板の放熱対策として、パワー基板に設けた貫通孔を介して、パワー基板表面に実装されたパワー素子をパワー基板裏面側のヒートシンクに露出させていた（例えば、特許文献１参照）。また、パワー基板のパワー素子直下またはパワー素子周辺に小径（φ０．２ｍｍ〜φ０．８ｍｍ程度）のスルーホールを多数設けて、スルーホールを経由してヒートシンクに放熱する方法もあった。これらの方法では、放熱効率を高めるために、貫通孔を大径化したり、スルーホールの数を増やしたりする必要があった。すると、基板面積の拡大を招き、製品価値を下げることになる。
【０００３】
また、上記特許文献１では、パワー基板の放熱対策として、基板素材の高放熱化を実施していた。普及率が高く、汎用性も高く、かつ安価な基板は、樹脂基板（ガラスエポキシ基板）であるが、上記特許文献１では、パワー基板の素材をセラミックまたはアルミニウムに変更することにより、パワー素子の熱を効率的に放熱可能であった。しかしながら、基板素材の高放熱化は、基板コストの増加（同体積比で約５倍程度）を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１６７００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来の放熱対策は、放熱の効率化と引き換えに製品価値が低下したり、コストが増加したりするという課題があるため、更なる改良が望まれていた。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、パワー素子の熱を効率的に放熱することが可能な電動機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る電動機は、パワー素子が実装された基板と、基板のパワー素子実装面とは反対の面が固定されたハウジングとを備えた電動機であって、基板は、パワー素子直下に開口したスルーホールを有し、ハウジングは、スルーホール内に差し込まれて、放熱材を介してパワー素子の背面に接合される凸部を有し、放熱材は、パワー素子の背面と凸部との間、スルーホールと凸部との間、および基板のパワー素子の実装面とは反対の面とハウジングとの間に、途切れることなく充填されている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、ハウジングの凸部を、基板のスルーホール内に差し込んで放熱材を介してパワー素子の背面に接合するようにし、放熱材を、パワー素子の背面と凸部との間、スルーホールと凸部との間、および基板のパワー素子の実装面とは反対の面とハウジングとの間に、途切れることなく充填するようにしたので、パワー素子が発する熱を、放熱材およびハウジングの凸部を経由してハウジング外へ効率的に放熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電動機の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すパワー素子の周辺構造を拡大した図である。
【図３】実施の形態１に係る電動機の変形例を示す断面図であり、放熱フィンを設けた例である。
【図４】実施の形態１に係る電動機の変形例を示す断面図であり、水冷通路を設けた例である。
【図５】実施の形態１に係る電動機の変形例を示す断面図であり、熱伝達経路をカバー側に構成した例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１に示す電動機１は、電動機本体１０と、電動機本体１０の駆動を制御する制御部２０と、これら電動機本体１０と制御部２０とを収容するハウジング３０と、制御部２０を被覆するカバー４０とを備える。
【００１１】
ハウジング３０は金属製とし、特に、熱伝導率の高いアルミニウムを採用して構成することが望ましい。円筒状のハウジング３０の内部には、仕切り壁３１が形成されており、仕切り壁３１で仕切られた一方側に電動機本体１０が収容され、もう一方側に制御部２０が収容される。また、仕切り壁３１の制御部２０を収容する側の面には、パワー基板２１のスルーホール２１ａに差し込まれる凸部３２が形成されている。
他方のカバー４０は、例えば高放熱樹脂を採用して構成すればよい。
【００１２】
制御部２０は、パワー素子２２（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）などが実装されたパワー基板２１と、回転センサ２４などが実装された制御基板２３とを備えている。パワー基板２１および制御基板２３は、ガラスエポキシ基板などの安価な樹脂基板を採用して構成され、ハウジング３０の仕切り壁３１に設置されている。
なお、図１の例では、パワー基板２１と制御基板２３を別々の基板にして、結線２６により電気的に接続したが、パワー基板２１と制御基板２３を１枚の基板にしてもよい。
【００１３】
図２は、パワー素子２２の周辺構造を拡大した図である。
パワー基板２１は、発熱素子であるパワー素子２２の直下に開口したスルーホール２１ａを有し、仕切り壁３１の凸部３２がスルーホール２１ａ内に差し込まれて、放熱材３３を介してパワー素子２２の背面に接合している。放熱材３３としては、熱伝導率の高い素材から成るシート状の部材またはグリスを用いる。パワー素子２２が発する熱は、放熱材３３、ハウジング３０の凸部３２および仕切り壁３１を経由して、ハウジング３０の円筒部から外部へ放熱される（図１に示す熱伝達経路Ｈ）。
【００１４】
ここで、パワー素子２２の周辺構造の寸法関係を説明する。
図２では、仕切り壁３１とパワー基板２１との間に充填された放熱材３３の厚みＡ１、凸部３２とパワー素子２２背面との間に充填された放熱材３３の厚みＡ２、パワー基板２１の厚みＢ、仕切り壁３１から突出した凸部３２の高さＣ、仕切り壁３１からパワー素子２２背面までの高さＤとする。
仕切り壁３１から突出した凸部３２の高さＣは、パワー基板２１のスルーホール２１ａから飛び出す程度の高さ、即ち、下式（１）の寸法関係とする。
Ａ１＋Ｂ＜Ｃ      （１）
また、放熱材３３がパワー素子２２の背面に確実に接触し、かつ、凸部３２はパワー素子２２背面に接触しない寸法関係、即ち、下式（２）の寸法関係とする。
Ｄ＜Ｃ＋Ａ２、かつ、Ｃ＜Ｄ      （２）
【００１５】
パワー素子２２の周辺構造を式（１）および式（２）の寸法関係に設定することにより、パワー素子２２と放熱材３３を確実に接触させて熱伝達経路Ｈ（図１）を確保する。また、ハウジング３０の凸部３２が熱伝達経路Ｈを構成するので、放熱効率が向上する。
【００１６】
さらに放熱効率を向上させるために、放熱材３３が、凸部３２とパワー素子２２の隙間、凸部３２とスルーホール２１ａの隙間、および、仕切り壁３１とパワー基板２１の隙間それぞれに、途切れることなく連続的に充填されていることが望ましい。
【００１７】
さらに放熱効率を向上させるために、パワー基板２１の仕切り壁３１側の面に、銅パターン２１ｂを剥き出しに形成して、この銅パターン２１ｂを直接放熱材３３と接触させることが望ましい。ただし、銅パターン２１ｂと放熱材３３が直接接触することにより、ハウジング３０に通電される可能性があるので、放熱材３３として電気絶縁性を有する素材を使用する必要がある。
【００１８】
制御部２０において、制御基板２３には、例えば、シャフト１１の回転位置を検出する回転センサ２４が実装されている。シャフト１１の先端にはセンサターゲット２５が固定されており、シャフト１１とセンサターゲット２５とが一体に回転する。
回転センサ２４は、例えば、磁性体のセンサターゲット２５を通る磁界を発生させるセンサマグネット（不図示）と、センサターゲット２５の回転位置に応じて変化するセンサマグネットの磁束を検出するホール素子または磁気抵抗素子などのセンサ素子（不図示）とを備えている。あるいは、センサターゲット２５をマグネットで構成し、回転センサ２４は、センサターゲット２５の回転位置に応じて変化する磁束を検出するセンサ素子（不図示）を備える構成にしてもよい。
【００１９】
次に、電動機本体１０を説明する。以下の電動機本体１０は一例であって、この構成に限定されるものではない。
電動機本体１０は、ハウジング３０の内部に収容されたシャフト１１と、シャフト１１を回転自在に支持する軸受１２と、シャフト１１と一体に回転する回転子１３と、コイル（不図示）が巻回され通電によって回転磁界を発生する固定子１４，１５と、固定子１４，１５の間に設置されて回転子１３を磁化する界磁マグネット１６と、固定子１４，１５に巻回されたコイルに通電するバスバー１７とを備えている。
【００２０】
磁性体の固定子１４，１５は、周方向内側に突出する複数のティースが形成され、回転軸方向Ｘに不図示のコイルが巻回されている。また、固定子１４，１５の間には、界磁マグネット１６が設置されている。磁性体の回転子１３は、径方向外側に突出する突部を１８０度間隔に２箇所形成し、回転軸方向Ｘの途中で突部を９０度ずらした状態にする（突部１３ａ，１３ｂ）。これら突部１３ａ，１３ｂは、界磁マグネット１６の界磁磁気力の作用により着磁される。
【００２１】
外部電源（不図示）から制御部２０へ電源が供給されると、制御基板２３が、回転センサ２４によって検出するシャフト１１の回転位置に基づいてパワー素子２２のスイッチング動作を制御する制御信号を出力する。この制御信号が結線２６を通じてパワー基板２１へ入力され、パワー素子２２が制御信号に従ってスイッチング動作して、外部電源を例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電流に変換し、バスバー１７にモールドされた三相のコイル１７ａへ供給する。そして、コイル１７ａに流れた電流の向きに応じて固定子１４，１５のティースが着磁され、界磁マグネット１６の界磁磁気力が作用している回転子１３の周囲に回転磁界が生じて、回転子１３が回転駆動される。
【００２２】
この回転子１３にシャフト１１を固着して、回転子１３と一体にシャフト１１を回転させることにより、回転子１３に発生した回転力を外部出力する。電動機１を自動車用ターボチャージャおよび電動コンプレッサ等に適用する場合、シャフト１１をタービン（いわゆるインペラ）の回転軸に連結して、電動機１によりタービンを回転駆動する。
【００２３】
以上より、実施の形態１によれば、パワー素子２２が実装されたパワー基板２１と、パワー基板２１のパワー素子２２実装面とは反対の面が固定されたハウジング３０とを備えた電動機１において、パワー基板２１は、パワー素子２２直下に開口したスルーホール２１ａを有し、ハウジング３０は、スルーホール２１ａ内に差し込まれて、放熱材３３を介してパワー素子２２の背面に接合される凸部３２を有する構成にしたので、パワー素子２２の熱を、放熱材３３および凸部３２を介してハウジング３０の外へ効率的に放熱することができる。これにより、従来のように基板の貫通孔を大径化したり、スルーホールの数を増やしたりする必要がなくなり、基板面積の拡大、ひいては製品価値の低下を防止できる。また、パワー基板の素材として高放熱性のセラミックまたはアルミニウムなどを使用する必要がなく、安価な樹脂基板を使用できる。
【００２４】
また、実施の形態１によれば、放熱材３３を、パワー素子２２の背面と凸部３２との間、スルーホール２１ａと凸部３２との間、およびパワー基板２１のパワー素子２２実装面とは反対の面とハウジング３０（仕切り壁３１）との間に、途切れることなく充填した。このため、効率的に放熱することができる。
【００２５】
また、実施の形態１によれば、ハウジング３０（仕切り壁３１）から突出した凸部３２の高さＣは、放熱材３３の厚みＡ１またはＡ２とパワー基板２１の厚みＢとを合わせた高さより高く、かつ、ハウジング３０（仕切り壁３１）からパワー素子２２背面までの高さＤより低くした。このため、パワー素子２２の背面が放熱材３３に確実に接触し、効率的に放熱することができる。
【００２６】
また、実施の形態１によれば、パワー基板２１として、パワー素子２２実装面とは反対の面に銅パターン２１ｂが設けられた樹脂基板を使用し、当該銅パターン２１ｂが、放熱材３３に直接接触するようにした。このため、効率的に放熱することができる。
【００２７】
また、実施の形態１によれば、ハウジング３０を、熱伝導率の高いアルミニウムで構成するようにしたので、効率的に放熱することができる。
【００２８】
さらに、ハウジング３０に放熱構造を設けて、放熱効率を向上させることも可能である。
例えば、図３の例では、ハウジング３０の外周部に放熱フィン５０を設けて、パワー素子２２の熱を、ハウジング３０から放熱フィン５０を介して外部へ、効率的に放熱させる。
また例えば、図４の例では、ハウジング３０と仕切り壁３１とに水冷通路５１を設けて、ニップル５２を介して水冷通路５１に冷却水を流す。パワー素子２２の熱を、放熱材３３および凸部３２を介して水冷通路５１へ効率的に伝熱し、冷却水に吸熱させる。
【００２９】
なお、図１〜図４の例では、ハウジング３０の仕切り壁３１にパワー基板２１を固定したが、例えば図５に示すように、カバー４０にパワー基板２１を固定してもよい。この場合、熱伝導率の高いアルミニウムを用いてカバー４０を構成し、このカバー４０に、パワー基板２１のスルーホール２１ａ内に差し込むための凸部４１を突設する。これにより、パワー素子２２が発する熱は、放熱材３３および凸部４１を経由して、カバー４０から外部へ効率的に放熱される（図５に示す熱伝達経路Ｈ）。
【００３０】
上記以外にも、本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１  電動機、１０  電動機本体、１１  シャフト、１２  軸受、１３  回転子、１４，１５  固定子、１６  界磁マグネット、１７  バスバー、１７ａ  コイル、２０  制御部、２１  パワー基板、２１ａ  スルーホール、２１ｂ  銅パターン、２２  パワー素子、２３  制御基板、２４  回転センサ、２５  センサターゲット、２６  結線、３０  ハウジング、３１  仕切り壁、３２，４１  凸部、３３  放熱材、４０  カバー、５０  放熱フィン、５１  水冷通路、５２  ニップル。
【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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