(57)【要約】【課題】振動性能のばらつきを低減し得る電気機器ユニットを提供する。【解決手段】電気機器ユニットであるＰＣＵは、電気機器を収容した第一筐体２０、第二筐体３０、第三筐体を重ねて固定することで構成される。第二筐体３０の上端近傍である接合部３２には、第一筐体２０と接触する接合面３４の厚み方向の幅ｄが、筐体壁面３８の肉厚Ｄより小さくなるように、テーパーが形成されている。このテーパーは、接合部の質量が、同じ高さ範囲における筐体壁面３８の質量の７０％以下となるような形状となっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機器を収容した筐体を複数重ねて固定される電気機器ユニットであって、
前記複数の筐体は、第一筐体と、前記第一筐体と積み重ねられる第二筐体と、を含み、
前記第一筐体および第二筐体の少なくとも一方は、積み重ねた際に他方の端面と接触する接合面の厚み方向の幅が、筐体壁面の肉厚より小さい、
ことを特徴とする電気機器ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の電気機器ユニットであって、
前記第一筐体の接合面周辺である接合部の質量をｍ１、第二筐体の接合部の質量をｍ２、前記電気機器の駆動に伴い振動する前記第二筐体の接合部の加速度をａ２、前記第一筐体および第二筐体の接合面間に生じる摩擦力をＦμとした場合、
前記第一筐体および第二筐体の接合部は、（ｍ１＋ｍ２）ａ２≦Ｆμの条件を満たす形状である、
ことを特徴とする電気機器ユニット。
【請求項３】
請求項２に記載の電気機器ユニットであって、
前記電気機器の駆動に伴い筐体壁面に生じる振動の波長をλとした場合、
前記接合部の高さは、１／４λ以上である、ことを特徴とする電気機器ユニット。
【請求項４】
請求項２または３に記載の電気機器ユニットであって、
前記第一筐体および第二筐体の少なくとも一方の接合部は、その質量が、筐体壁面のうち接合部の高さと同じ高さ範囲における質量の７０％以下となる形状である、ことを特徴とする電気機器ユニット。
【請求項５】
請求項４に記載の電気機器ユニットであって、
前記第一筐体および第二筐体の少なくとも一方の接合部は、接合面の厚み方向幅をｄ、筐体壁面の肉厚をＤとした場合、ｄ≦０．４Ｄの条件を満たすようなテーパーが形成されている、ことを特徴とする電気機器ユニット。
【請求項６】
請求項４に記載の電気機器ユニットであって、
前記第一筐体および第二筐体の少なくとも一方の接合部は、その端部が肉薄となるような段差が形成されており、
前記段差は、接合面の厚み方向幅をｄ＊、筐体壁面の肉厚をＤ、接合部の高さをｈ、段差の高さをｃとした場合、ｃ（Ｄ−ｄ＊）≧０．３ｈＤの条件を満たす形状である、
ことを特徴とする電気機器ユニット。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の電気機器ユニットであって、
前記第一筐体および第二筐体は、メタルガスケットを介して積み重ねられ、固定される、ことを特徴とする電気機器ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機器を収容した筐体を複数重ねて固定される電気機器ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両内に搭載すべき電気機器が収容された筐体を複数、積み重ねてユニット化した電気機器ユニットが従来から広く知られている（例えば特許文献１，２など）。例えば、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両には、パワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ」という）と呼ばれる電気機器ユニットが搭載される。このＰＣＵは、リアクトルや昇圧ＩＰＭが収容された第一筐体、コンデンサが収容された第二筐体、コンバータが収容された第三筐体が、積み重ねられて固定されている。
【０００３】
ここで、こうした筐体では、収容した電気機器の振動により、筐体も振動することがある。こうした振動を低減するために、特許文献１では、筐体の壁面に補強リブを一体的に形成し、これにより筐体の剛性を増加させ、振動の低減を図る技術が提案されている。かかる技術によれば、ある程度、振動は低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３２３４４３号公報
【特許文献２】特開２００５−０３２８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のような構成では、筐体を積み重ねて固定する組み付けの仕方により、重なりあった筐体間の接合面の接触状態（接触面積、位置、圧力など）が変化しやすかった。そして、その結果、接合面の減衰性能が変化し、各ＰＣＵの振動性能にばらつきが生じやすいという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明では、振動性能のばらつきを低減し得る電気機器ユニット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】
本発明の電気機器ユニットは、電気機器を収容した筐体を複数重ねて固定される電気機器ユニットであって、前記複数の筐体は、第一筐体と、前記第一筐体と積み重ねられる第二筐体と、を含み、前記第一筐体および第二筐体の少なくとも一方は、積み重ねた際に他方の端面と接触する接合面の厚み方向の幅が、筐体壁面の肉厚より小さい、ことを特徴とする。
【０００８】
好適な態様では、前記第一筐体の接合面周辺である接合部の質量をｍ１、第二筐体の接合部の質量をｍ２、前記電気機器の駆動に伴い振動する前記第二筐体の接合部の加速度をａ２、前記第一筐体および第二筐体の接合面間に生じる摩擦力をＦμとした場合、前記第一筐体および第二筐体の接合部は、（ｍ１＋ｍ２）ａ２≦Ｆμの条件を満たす形状である。この場合において、前記電気機器の駆動に伴い筐体壁面に生じる振動の波長をλとした場合、前記接合部の高さは、１／４λ以上である、ことが望ましい。
【０００９】
他の好適な態様では、前記第一筐体および第二筐体の少なくとも一方の接合部は、その質量が、筐体壁面のうち接合部の高さと同じ高さ範囲における質量の７０％以下となる形状である。例えば、前記第一筐体および第二筐体の少なくとも一方の接合部は、接合面の厚み方向幅をｄ、筐体壁面の肉厚をＤとした場合、ｄ≦０．４Ｄの条件を満たすようなテーパーが形成されている、ことが望ましい。また、前記第一筐体および第二筐体の少なくとも一方の接合部は、その端部が肉薄となるような段差が形成されており、前記段差は、接合面の厚み方向幅をｄ＊、筐体壁面の肉厚をＤ、接合部の高さをｈ、段差の高さをｃとした場合、ｃ（Ｄ−ｄ＊）≧０．３ｈＤの条件を満たす形状である、ことも望ましい。
【００１０】
他の好適な態様では、前記第一筐体および第二筐体は、メタルガスケットを介して積み重ねられ、固定される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、筐体間の接触面積が低減されるため、接触状態のばらつき、ひいては、振動性能のばらつきが低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態であるＰＣＵの斜視図である。
【図２】第一筐体および第二筐体の分解斜視図である。
【図３】第一筐体および第二筐体を積み重ねた状態での断面図である。
【図４】筐体壁面の振動の様子を示すイメージ図である。
【図５】筐体の製造過程を示す図である。
【図６】本実施形態のＰＣＵと図１２に示した従来のＰＣＵとの振動性能の比較を示す図である。
【図７】他の形態のＰＣＵの分解斜視図である。
【図８】他の形態のＰＣＵにおける第一筐体および第二筐体を積み重ねた状態での断面図である。
【図９】他の形態のＰＣＵにおける第一筐体および第二筐体を積み重ねた状態での断面図である。
【図１０】他の形態のＰＣＵにおける第二筐体の斜視図および断面図である。
【図１１】他の形態のＰＣＵにおける第二筐体の斜視図および断面図である。
【図１２】従来のＰＣＵの斜視図である。
【図１３】図１２におけるＦ−Ｆ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるパワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ１０」という）の概略斜視図である。また、図２は、このＰＣＵ１０のうち第一筐体２０および第二筐体３０の分解斜視図である。
【００１４】
ＰＣＵ１０は、電気自動車やハイブリッド自動車などに搭載される電気機器ユニットで、モータへの給電やバッテリへの給電（充電）時などに、バッテリやジェネレータから供給された電力を変圧したり、直流または交流変換したりする。このＰＣＵ１０は、電気機器を収容した筐体２０，３０，４０を三つ上下に積み重ねて固定することで構成されている。最も上側に設置される第一筐体２０には、リアクトル５２および昇圧ＩＰＣ５４が収容されている。第一筐体２０の下側に設置される第二筐体３０には、コンデンサ５６が収容されている。最も下側に設置される第三筐体４０には、コンバータ（図示せず）が収容されている。積み重ねられた三つの筐体２０，３０，４０は、液状ガスケット（図示せず）を介して締結ボルト５０によりボルト締結され組みつけられている。
【００１５】
三つの筐体２０，３０，４０は、いずれも、アルミニウムなどの金属からなり、四方が壁面で囲まれた箱状形状となっている。各筐体２０，３０，４０の内部には、コンデンサ等の電気機器が収容されるようになっている。筐体２０，３０，４０を積み重ねて組み付けた際には、壁面の上端面および下端面が、他の筐体の下端面または上端面に接触する接合面となる。本実施形態では、この接合面の厚み方向の幅を従来に比べて大幅に細くしているが、これについては後に詳説する。また、筐体２０，３０，４０の四隅には、締結ボルト５０が挿通または螺合される挿通穴またはボルト穴が形成された締結部３６が設けられている。
【００１６】
こうした筐体２０，３０，４０に収容された電子機器は、その駆動に伴い振動を生じることがある。電子機器から生じた振動は、筐体２０，３０，４０へと伝播し、筐体の壁面も振動する。筐体の組み付け状態（締結ボルト５０の締付トルク、接合面の接触状態など）にばらつきがあると、この筐体の振動性能にもばらつきが生じてしまい、結果として、平均的な振動性能が悪化することが知られている。
【００１７】
そこで、本実施形態では、こうした振動性能のばらつきを低減するために、筐体の形状、特に、接合面周辺の形状を特殊なものにしている。以下、これについて、第二筐体３０を例に挙げて説明する。
【００１８】
既述したように、第二筐体３０には、コンデンサ５６が収容される。このコンデンサ５６による振動は、第二筐体３０の壁面３８に伝播し、さらに、第一筐体２０および第二筐体３０との接合面３４を介して第一筐体２０にも伝播する。このとき、組み付けごとの接合面間の接触状態のばらつきを低減し、第一筐体２０および第二筐体３０が同様に（すなわち同位相で）振動するように、本実施形態では第二筐体３０の接合面３４周辺である接合部３２を筐体壁面３８に比して薄肉にしている。すなわち、図２に示すように、本実施形態では、第二筐体３０の接合部３２に、先端（接合面）に近づくにつれ幅細となるテーパーを形成している。かかるテーパーを施すことで、接合面３４の面積（ひいては第一筐体２０との接触面積）が大幅に低減される。また、接合部３２の質量が、同じ高さ範囲における筐体壁面の質量に比して大幅に低減される。
【００１９】
このように接合部３２を薄肉にした場合の効果を従来技術と比較して説明する。図１２は、従来のＰＣＵ１０の斜視図であり、図１３は、図１２におけるＦ−Ｆ断面図である。
【００２０】
図１２，１３から明らかなように、従来のＰＣＵ１０では、接合部３２の肉厚を、筐体壁面の肉厚と同じにしている。そのため、接合面３４の面積、ひいては、第一筐体２０および第二筐体３０との接触面積や、第二筐体３０の接合部３２の質量が大きくなりがちであった。
【００２１】
接合面３４の面積（接触面積）が大きい場合、接触面内の平面度や平面粗さが大きくなりがちであった。この場合、組み付け状態（締結ボルト５０の締め付け量など）によって、筐体間の接触状態（接触面積、面圧、位置など）が異なりやすく、結果として、減衰効果が異なりやすかった。かかる減衰効果の異なりは、組み付けによる振動性能のばらつきを招き、ひいては、平均的な振動性能の悪化を招いていた。
【００２２】
また、接合部３２の質量が大きい場合には、振動部位の有効質量に対する摩擦力が小さくなりがちで、結果として、図１３に示すように、第一筐体２０と第二筐体３０とが異なる位相で振動しやすかった。ここで、接合面３４の面圧は、締結ボルト５０のトルクにより決まるが、接触面内の平面度や平面粗さが大きい場合には、接触状態の局所的な違いが生じてしまい、結果として、局所的に摩擦力が小さい部分が生じやすかった。かかる摩擦力が小さい部分では、既述したように、振動部位の有効質量に対する摩擦力がより小さくなりがちで、第一筐体２０と第二筐体３０とが異なる位相で振動しやすかった。
【００２３】
本実施形態では、こうした問題を低減するために、既述したとおり、接合部３２を筐体壁面に比して肉薄としている。換言すれば、第一筐体２０および第二筐体３０が、線接触に近い状態になるようにしている。この場合、接合面３４の面積を低減できるため、接合面内の平面度や平面粗さを小さくできる。その結果、組み付け状態の違いによる、筐体間の接触状態のばらつきを低減でき、摩擦力の小さい部分が局所的に生じることを防止できる。
【００２４】
また、接合部３２を肉薄とすることで、摩擦力に対する振動部位の有効質量を小さくすることができる。その結果、第一筐体２０および第二筐体３０が同位相で振動しやすくなる。これについて、図３を参照して説明する。図３は、第一筐体２０および第二筐体３０を積み重ねた状態での断面図である。
【００２５】
はじめに第二筐体３０に振動に作用する力を考える。第二筐体３０の接合部３２の振動加速度をａ２、第二筐体３０の接合部３２の質量をｍ２、コンデンサ５６による加振力をＦｃ、第一筐体２０および第二筐体３０の接合面に作用する摩擦力をＦμとする。この場合、第二筐体３０の接合部３２の振動の運動エネルギーは、振動加速度ａ２に質量ｍ２を乗じた値であると同時に、加振力Ｆｃから摩擦力Ｆμを引いた値である。つまり、次の式１が成立することになる。
ｍ２・ａ２＝Ｆｃ−Ｆμ  ・・・式１
【００２６】
次に、第一筐体２０の振動に作用する力を考える。第一筐体２０の接合部２２の振動加速度をａ１、第一筐体２０の接合部２２の質量をｍ１とする。この場合、第二筐体３０の接合部２２の振動の運動エネルギーは、振動加速度ａ１に質量ｍ１を乗じた値（ｍ１・ａ１）となる。ここで、第一筐体２０の接合部２２が、第二筐体３０の接合部３２と同位相で振動するためには、第二筐体３０の接合部３２の振動の運動エネルギーが、摩擦力Ｆμ以下である必要がある。つまり、次の式２が成立する必要がある。
ｍ１・ａ１≦Ｆμ  ・・・式２
【００２７】
また、二つの接合部２２，３２が同位相である場合、二つの接合部２２，３２の振動加速度ａ１，ａ２は等しいことになり、ａ１＝ａ２が成立することになる。この式を式１に当てはめると、ｍ２・ａ１＝Ｆｃ−Ｆμとなり、次の式３が求まる。
Ｆμ＝Ｆｃ−ｍ２・ａ１  ・・・式３
この式３を式２に当てはめると、次の式４が求まる。
ｍ１・ａ１≦Ｆｃ−ｍ２・ａ１
（ｍ１＋ｍ２）ａ１≦Ｆｃ  ・・・式４
【００２８】
つまり、この式４が成立している場合、第一筐体２０の接合部２２および第二筐体３０の接合部３２は、同位相で振動することができる。この式４を成立させるためには、接合部２２，３２の質量ｍ１，ｍ２をできるだけ小さくすることが望ましいといえる。ただし、ｍ１，ｍ２が過度に小さすぎると、十分な強度が保てない可能性がある。
【００２９】
そこで、本実施形態では、十分な強度を維持しつつ、摩擦力に対する接合部２２，３２の質量を十分に小さくするために、第二筐体３０の接合部３２にテーパーを形成している。このテーパーの形状は、図２に示すように、筐体壁面３８（テーパーを施していない他の部位）の肉厚をＤ、接合面３４の肉厚（接合面の厚み方向幅）をｄ、接合部３２の高さをｈ、第二筐体３０の筐体壁面３８に生じる振動の波長をλとした場合、「１ｍｍ≦ｄ≦０．４・Ｄ、ｈ≧λ／４」となるようにしている。
【００３０】
ここで、接合面３４の肉厚ｄを１ｍｍ以上としたのは、筐体としての強度を維持するためである。なお、本実施形態では、アルミニウム製の筐体を用いているため１ｍｍとしているが、筐体としての強度が維持されるのであれば、筐体の材質やサイズなどに応じて、この接合面３４の肉厚ｄの最小値は適宜、変更されてよい。また、接合面３４の肉厚ｄを筐体壁面３８の肉厚Ｄの４割以下としたのは、高さ方向ｈの範囲での有効質量を、筐体壁面３８における高さ方向ｈの範囲の有効質量の７割以下とするためである。この「７割以下」という数値は、実験により有効な効果が得られると認められた数値である。
【００３１】
また、テーパーを施す高さｈを、波長λの１／４以上としたのは、図４に示すように、筐体壁面３８の振動の振幅は、接合面から１／４波長で節となり、この範囲での質量を低減する必要があるためである。本実施形態において、筐体壁面３８の振動は１０Ｋｚで波長は５０ｍｍとなるため、高さｈ＝１／４λ＝１２．５ｍｍとなる。
【００３２】
こうした接合部３４にテーパーが形成された筐体３０は、図５に示すように、鋳造にて予めテーパーを備える形状を作成した後に、必要な平面加工を施すことで製造される。かかる工程で製造することにより、図１２に示すような従来のＰＣＵ１０と大差ないコストで製造することができる。
【００３３】
図６は、本実施形態のＰＣＵ１０と図１２に示した従来のＰＣＵ１０との振動性能の比較を示す図である。上段は本実施形態のＰＣＵ１０の振動性能を示すグラフであり、下段は従来のＰＣＵ１０の振動性能を示すグラフである。より具体的には、これらのグラフは、同一筐体を用いてｎ増し試験（試験回数ｎ＝５回）の結果である。グラフ中における五本の折れ線は、各試験において測定された伝達関数を示している。また、グラフの縦軸は伝達関数を、横軸は、第二筐体３０の接合部３２に作用する加振力と筐体壁面上に存在するブラケット接続部振動の周波数を示している。
【００３４】
この図６の下段から明らかな通り、接合部３２の肉厚を筐体壁面３８の肉厚と同じにしている従来のＰＣＵ１０では、試験ごとの伝達関数のばらつきが大きく、振動特性が安定していない。一方、接合部３２の質量および接合面３４の面積を大幅に低減した本実施形態のＰＣＵ１０によれば、いずれの試験においても、伝達関数の値は類似しており、安定した振動特性が得られていることがわかる。つまり、本実施形態によれば、振動特性のばらつきを効果的に低減できていることが分かる。
【００３５】
なお、本実施形態では、液状ガスケットを介してのボルト締結としているが、図７に示すように、液状ガスケットの代わりにメタルガスケット６０を用いてもよい。かかるメタルガスケット６０を用いることにより、気密性の保持性がより向上される。
【００３６】
また、本実施形態では、第二筐体３０の接合部３２にテーパーを形成しているが、別の形態として、図８に示すように、第一筐体２０の接合部２２にのみテーパーを形成してもよい。この場合において、テーパーの形状は、上述した実施形態と同様に、「１ｍｍ≦ｄ≦０．４・Ｄ、ｈ≧λ／４」の条件を満たすようにすればよい。
【００３７】
また、別の形態として、図９に示すように、第一筐体２０および第二筐体３０の双方にテーパーを形成してもよい。この場合においても、上述した実施形態と同様に、テーパーの形状は、「１ｍｍ≦ｄ≦０．４・Ｄ、ｈ≧λ／４」の条件を満たすようにする。
【００３８】
このように、第一筐体２０および第二筐体３０の双方にテーパーを形成することで、式４の条件をより確実に満たすことができる。そして、その結果として、より確実に、第一筐体２０および第二筐体３０の振動の位相差を低減でき、結果として、振動性能の悪化を防止できる。
【００３９】
また、上述した実施形態では、接合部２２，３２にテーパーを形成しているが、テーパーに代えて、図１０に示すように、接合部３２に段差を形成して薄肉部分を形成するようにしてもよい。この場合においても、接合部３２（接合面３４から１／４λの範囲）の質量が、筐体壁面３８における高さｈ範囲での質量の７０％以下にすることが望ましい。
【００４０】
具体的には、薄肉部分の高さをｃ、薄肉部分の肉厚をｄ＊、筐体壁面３８の肉厚をＤとした場合、ｃ（Ｄ−ｄ＊）≧０．３ｈＤの条件を満たすような形状にすることが望ましい。すなわち、接合面からｈ＝１／４λの範囲の質量ｍ２は、ｍ２＝（ｈＤ−（Ｄ−ｄ＊）ｃ）となる。一方、筐体壁面３８における高さｈ範囲での質量Ｍ＝ｈＤである。そして、接合部３２の質量ｍ２を筐体壁面３８の同じ高さ範囲の７０％以下にするための式は、次のようになる。
ｍ２≦０．７・Ｍ
ｈＤ−Ｄｃ＋ｄ＊ｃ≦０．７ｈＤ
ｃ（Ｄ−ｄ＊）≧０．３ｈＤ  ・・・式５
【００４１】
ここで、既述したとおり、本実施形態では、筐体壁面３８の振動の振幅を５０ｍｍ、接合部３２の高さｈを１／４λ＝１２．５ｍｍ以上と想定している。このｈ≧１２．５ｍｍを式５に代入すると、ｃ（Ｄ−ｄ＊）≧３．７５Ｄとなるため、本実施形態では、薄肉部分を、この式を満たすような形状にしている。
【００４２】
なお、図１０では、第二筐体３０にのみ薄肉部分を形成しているが、当然ながら、第二筐体３０および第一筐体２０の両方、あるいは、第一筐体２０にのみ薄肉部分を形成してもよい。いずれにしても、接合部の質量および接合面の面積を低減することで、振動性能のばらつきを効果的に低減でき、ひいては、ＰＣＵ１０全体としての振動性能を向上できる。
【００４３】
また、別の形態として、図１１に示すように、筐体の四隅に形成された締結部３６以外での接触を排除でき得る形状にしてもよい。すなわち、図１１に示すように、締結部３６以外の上端面が、締結部３６の上端面より、わずかに低くなるような段差を形成してもよい。この段差の高さｅは、筐体のサイズなどに応じて変更してよい。かかる構成の場合、第二筐体３０に第一筐体２０を重ねて組み付けた際、面圧の高い締結部３６の上面のみが第二筐体３０の底面に接触することになる。換言すれば、かかる構成によれば、従来に比べて、接触面積を大幅に低減できる。そして、その結果、接触状態のばらつきが低減でき、ひいては、振動特性のばらつきを低減できる。なお、この場合、締結部３６だけでなく、締結部３６以外の上端面にも液状ガスケットを塗布して筐体の組み付けを行うことが望ましい。
【００４４】
なお、これまでの説明では、第二筐体３０の上面と第一筐体２０の底面との接合関係のみを例に挙げて説明しているが、当然、第二筐体３０の底面および第三筐体４０の上面との接合部についても、テーパーや薄肉部分を形成してもよい。かかる構成とすることで、振動性能のばらつきをより効果的に低減できる。また、上述の説明では、三つの筐体を積み重ねたＰＣＵを例に挙げて説明しているが、複数の筐体を重ねて車両内に固定される電気機器ユニットであれば、他のユニットであってもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１０  ＰＣＵ、２０  第一筐体、２２，３２  接合部、３０  第二筐体、３４  接合面、３６  締結部、３８  筐体壁面、４０  第三筐体、５０  締結ボルト、５２  リアクトル、５６  コンデンサ、６０  メタルガスケット。
【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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