(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを直列接続してなる単相インバータ回路が、互いに複数個並列接続されて、多相インバータ回路を構成し、交流モータの端面に配置されるインバータモジュールであって、
入力直流電力を交流電力に変換して、前記交流モータのステータコイルに給電する多相インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子と、該スイッチング素子を実装して放熱するための素子冷却用金属部材と、前記多相インバータ回路を制御する制御回路と、該制御回路に接続するために、前記スイッチング素子に設けられる複数の信号端子と、前記多相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子の正極側を（＋）電源端子に接続するための正極導体と、前記多相インバータ回路の下アーム側スイッチング素子の負極側を（−）電源端子に接続するための負極導体と、前記上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との接続点に接続した各相毎の出力導体とを備え、
前記スイッチング素子は、交流モータの回転軸に対して所定間隔を隔てて周方向に配置され、前記正極導体と前記負極導体は、リング状または円弧形状を有して互いに近接して、周方向に配置された前記スイッチング素子の内周部側に配置され、前記出力導体は、周方向に配置された前記スイッチング素子の内周部側に配置され、前記スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記出力導体と相対する外周部側に配置して前記制御回路に接続されることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２】
請求項１記載のインバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材が輪板形状を有するとともに、前記素子冷却用金属部材を載置して強制冷却する中空円筒形状を有する冷却ブロックと、該冷却ブロックの中空部に配置される電流センサとを備え、前記出力導体から延設される出力ブスラインが前記電流センサを介して、前記交流モータに接続されることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項３】
上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを直列接続してなる単相インバータ回路が、互いに複数個並列接続されて、多相インバータ回路を構成し、交流モータの端面に配置されるインバータモジュールであって、
入力直流電力を交流電力に変換して、前記交流モータのステータコイルに給電する多相インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子と、該スイッチング素子を実装して放熱するための素子冷却用金属部材と、前記多相インバータ回路を制御する制御回路と、該制御回路に接続するために、前記スイッチング素子に設けられる複数の信号端子と、前記多相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子の正極側を（＋）電源端子に接続するための正極導体と、前記多相インバータ回路の下アーム側スイッチング素子の負極側を（−）電源端子に接続するための負極導体と、前記上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との接続点に接続した各相毎の出力導体とを備え、
前記スイッチング素子は、交流モータの回転軸に対して所定間隔を隔てて周方向に配置され、前記正極導体と前記負極導体は、リング状または円弧形状を有して互いに近接して、周方向に配置された前記スイッチング素子の外周部側に配置され、前記出力導体は、周方向に配置された前記スイッチング素子の外周部側に配置され、前記スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記出力導体と相対する内周部側に配置して前記制御回路に接続されることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項４】
請求項１、３のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
周方向に配置される前記スイッチング素子と、前記出力導体との間に、前記正極導体と前記負極導体を配置したことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項５】
請求項１、３のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記正極導体と前記負極導体は、ともに断面Ｌ字形状を有して、互いを近接した積層配置構造をとることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項６】
上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを直接接続してなる単相インバータ回路が、互いに複数個並列接続されて、多相インバータ回路を構成し、交流モータの端面に配置されるインバータモジュールであって、
入力直流電力を交流電力に変換して、前記交流モータのステータコイルに給電する多相インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子と、該スイッチング素子を実装して放熱するための素子冷却用金属部材と、前記多相インバータ回路を制御する制御回路と、該制御回路に接合するために、前記スイッチング素子に設けられる複数の信号端子と、前記多相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子の正極側を（＋）電源端子に接続するための正極導体と、前記多相インバータ回路の下アーム側スイッチング素子の負極側を（−）電源端子に接続するための負極導体と、前記上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との接続点に接続した各相毎の出力導体とを備え、
前記スイッチング素子は、交流モータの回転軸に対して、所定間隔を隔てて周方向に配置され、前記正極導体と前記負極導体は、リング状または円弧形状を有して互いに近接して、周方向に配置された前記スイッチング素子の内周部側に配置され、前記出力導体は、周方向に配置された前記スイッチング素子の外周部側に配置され、前記上アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記出力導体と相対する内周部側に配置して前記制御回路に接続され、前記下アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記負極導体と相対する外周部側に配置して前記制御回路に接続されることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項７】
請求項１、３、６のいずれかに記載のインバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材が輪板形状を有するとともに、前記素子冷却用金属部材を載置して強制冷却する中空円筒形状を有する冷却ブロックと、前記冷却ブロックの中空部に配置される平滑コンデンサとを備え、前記正極導体と前記負極導体を前記平滑コンデンサに接続することを特徴とするインバータモジュール。
【請求項８】
請求項３、６のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記インバータモジュールの外周部に電流センサを配置するとともに、前記出力導体から延設される出力ブスラインが前記電流センサを介して、前記交流モータに接続されることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項９】
上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを直接接続してなる単相インバータ回路が、互いに複数個並列接続されて、多相インバータ回路を構成し、交流モータの端面に配置されるインバータモジュールであって、
入力直流電力を交流電力に変換して、前記交流モータのステータコイルに給電する多相インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子と、該スイッチング素子を実装して放熱するための素子冷却用金属部材と、前記多相インバータ回路を制御する制御回路と、該制御回路に接続するために、前記スイッチング素子に設けられる複数の信号端子と、前記多相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子の正極側を（＋）電源端子に接続するための正極導体と、前記多相インバータ回路の下アーム側スイッチング素子の負極側を（−）電源端子に接続するための負極導体と、前記上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との接続点に接続した各相毎の出力導体とを備え、
前記スイッチング素子は、交流モータの回転軸に対して、所定間隔を隔てて周方向に配置され、前記正極導体と前記負極導体は、リング状または円弧形状を有して互いに近接して、周方向に配置された前記スイッチング素子の外周部側に配置され、前記出力導体は、周方向に配置された前記スイッチング素子の内周部側に配置され、前記上アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記出力導体と相対する外周部側に配置して前記制御回路に接続され、前記下アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記負極導体と相対する内周部側に配置して前記制御回路に接続されることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項１０】
請求項９記載のインバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材が輪板形状を有するとともに、前記素子冷却用金属部材を載置して強制冷却する中空円筒形状を有する冷却ブロックと、該冷却ブロックの中空部に配置される電流センサとを備え、前記出力導体から延設される出力ブスラインを前記電流センサを介して、前記交流モータに接続されることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項１１】
請求項６、９にいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記正極導体と前記負極導体は、ともに断面Ｌ字形状を有して、互いを近接した積層配置構造をとることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項１２】
上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを直接接続してなる単相インバータ回路が、互いに複数個並列接続されて、多相インバータ回路を構成して、交流モータの端面に配置されるインバータモジュールであって、
入力直流電力を交流電力に変換して、前記交流モータのステータコイルに給電する多相インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子と、該スイッチング素子を実装して放熱するための素子冷却用金属部材と、前記多相インバータ回路を制御する制御回路と、該制御回路に接続するために、前記スイッチング素子に設けられる複数の信号端子と、前記多相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子の正極側を（＋）電源端子に接続するための正極導体と、前記多相インバータ回路の下アーム側スイッチング素子の負極側を（−）電源端子に接続するための負極導体と、前記上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との接続点に接続した各相毎の出力導体とを備え、
前記スイッチング素子は、交流モータの回転軸に対して、所定間隔を隔てて周方向に配置され、前記正極導体と前記負極導体は互いを近接して、リング状または円弧形状の導体部から、略径方向に延設される複数の枝状導体部を有して、同相インバータ回路を構成する前記上アーム側スイッチング素子と前記下アーム側スイッチング素子を枝状導体部で周方向に挟んで配置され、前記出力導体は、同相インバータ回路を構成する前記上アーム側スイッチング素子と前記下アーム側スイッチング素子に挟まれる形で前記略径方向に延設され、前記上アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記出力導体と相対する前記正極導体の枝状導体部側に配置して前記制御回路に接続され、前記下アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記負極導体の枝状導体部側と相対する前記出力導体側に配置して前記制御回路に接続されることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項１３】
請求項１２記載のインバータモジュールにおいて、
前記正極導体と前記負極導体のリング状または円弧形状の導体部位が、周方向に配置された前記スイッチング素子の外周部側または内周部側に配置されたことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項１４】
請求項１２記載のインバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材が輪板形状を有するとともに、前記素子冷却用金属部材を載置して強制冷却する中空円筒形状を有する冷却ブロックと、前記冷却ブロックの中空部に配置される平滑コンデンサとを備え、前記正極導体と前記負極導体を前記平滑コンデンサに接続することを特徴とするインバータモジュール。
【請求項１５】
請求項１２記載のインバータモジュールにおいて、
前記インバータモジュールの外周部に電流センサを配置するとともに、前記出力導体から延設される出力ブスラインが前記電流センサを介して、前記交流モータに接続されることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項１６】
請求項１２記載のインバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材が輪板形状を有するとともに、前記素子冷却用金属部材を載置して強制冷却する中空円筒形状を有する冷却ブロックと、該冷却ブロックの中空部に配置される電流センサとを備えて、前記出力導体から延設される出力ブスラインが前記電流センサを介して、前記交流モータに接続されることを特徴とするインバータモジュール。
【請求項１７】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記スイッチング素子と前記素子冷却用金属部材が、絶縁性セラミックスを介して接続されたことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項１８】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材の載置面上に配置される絶縁シートと、該絶縁シートにパターンニングして配置される導体板と、該導体板に配置される熱拡散板とを備えて、前記スイッチング素子が前記熱拡散板の一主面上に配置されたことを特徴するインバータモジュール。
【請求項１９】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記冷却ブロックが、略Ｕ字形状の載置面を有したことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２０】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材が、前記スイッチング素子の実装面と相対する一主面にフィンを有することを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２１】
請求項２０記載のインバータモジュールにおいて、
前記フィンが、前記交流モータに含まれる回転軸に対して、略同心円状に配置されたことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２２】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記冷却ブロックが冷却媒体の流路を備え、前記スイッチング素子が実装された素子冷却用金属部材の一主面と相対向する裏面に接合する開口部を有し、該開口部に前記素子冷却用金属部材を嵌合させて一体化し、前記素子冷却用金属部材の面の一部を上記流路内に露出させて、冷却媒体で直接冷却することを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２３】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記各相インバータ回路の各アームを構成する単数あるいは複数並列接続されたスイッチング素子が、上アーム、下アームと交互にし、周方向に配置されたことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２４】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記単相インバータ回路の各アームを構成する単数あるいは複数並列接続されたスイッチング素子が、上アームのグループと下アームのグループに分けて、周方向に配置されたことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２５】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材の載置面と略平行に配置して前記制御回路を実装する配線基板を備え、前記配線基板の中央部に前記制御回路を駆動するための電源回路を配置し、前記制御回路が前記電源回路を中心軸として所定間隔を隔てて周方向に配置されたことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２６】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材の前記スイッチング素子配置面に、電圧変換を行うコンバータをあわせて実装したことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２７】
請求項２、１０、１６のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記電流センサのハウジングに一体成形された前記電流センサの配線導体を前記配線基板に直接挿入してはんだ付け接合したことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２８】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記素子冷却用金属部材に実装された前記スイッチング素子と、前記制御回路と、前記スイッチング素子および制御回路を囲覆して収容するハウジングとを備えて半導体モジュールとし、該半導体モジュールが前記冷却ブロック上に載置されるとともに、前記半導体モジュールの上部に平滑コンデンサを配置して一体化されたことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２９】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記インバータモジュールの直径をモータ直径と略同一にして一体化したことを特徴とするインバータ一体型モータ。
【請求項３０】
請求項１、３、６、９、１２のいずれか１項に記載のインバータモジュールにおいて、
前記半導体モジュール、平滑コンデンサおよび冷却ブロックを複数、積層して一体化したことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項３１】
請求項３０に記載のインバータモジュールをモータに一体化したことを特徴とするインバータ一体型モータ。
【請求項３２】
請求項２９記載のインバータ一体型交流モータにおいて、
前記モータを囲覆するモータハウジングに、その一端面から突出する大径筒状の外周壁と小径筒状の内周壁を有して形成した冷却媒体の流路を備え、前記スイッチング素子が実装された素子冷却用金属部材の一主面と相対向する裏面に接合する開口部を有し、該開口部に前記素子冷却用金属部材を嵌合させて一体化し、前記素子冷却用金属部材の面の一部を上記流路内に露出させて、冷却媒体で直接冷却することを特徴とするインバータ一体型交流モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に交流モータと一体化されたインバータモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流電源と交流モータの電機子巻線との間に介設されて、この電機子巻線に交流電力を給電するインバータモジュールを交流モータと一体化することにより、小形軽量化と配線損失の低減を図ったインバータ一体型交流モータが提案されている。
【０００３】
上記インバータモジュールは、制動時の回生動作により負荷の運動エネルギを直流電源側に回収することができるので、ハイブリッド電気自動車の走行モータ駆動制御に広く利用されている。このような従来のインバータモジュールについて図１を参照して説明する。
【０００４】
主バッテリ１は二次電池を複数直列接続した直流電源であり、絶縁被覆ケーブル１１、１２および（＋）ブスライン１３、（−）ブスライン１４を通じて、インバータモジュール２に接続される。インバータモジュール２の入力端子間には平滑コンデンサ４が接続されて、リプル電流を吸収して入力電圧を安定化させる。
【０００５】
インバータモジュール２において、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であって、互いに直列に接続された上アームスイッチング素子５ａおよび下アームスイッチング素子５ｂはＵ相インバータ回路５を構成し、互いに直列に接続された上アームスイッチング素子６ａおよび下アームスイッチング素子６ｂはＶ相インバータ回路６を構成し、互いに直列に接続された上アームスイッチング素子７ａおよび下アームスイッチング素子７ｂはＷ相インバータ回路７を構成する。
また、各相の接続点であるＵ相出力端子５ｅ、Ｖ相出力端子６ｅ、およびＷ相出力端子７ｅは、各相ブスライン１５〜１７および絶縁被覆ケーブル１８〜２０を通じて走行モータの各相端子に個別に接続され、制御回路８を用いて各相インバータ回路を交互にオン／オフさせて主バッテリ１の直流電力を交流電力に変換して走行モータ３に給電する。
また、フライホイールダイオード５ｃ、５ｄ、６ｃ、６ｄ、７ｃ、７ｄは、スイッチング素子５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂと個別に並列接続されて、誘導性負荷である走行モータ３に還流電流を供給する。
【０００６】
従来のインバータモジュールは、各相インバータ回路を構成する半導体モジュールを冷却ブロック、平滑コンデンサとともにインバータケースに格納して、交流モータと別の位置に配置されていた。
【０００７】
このような従来構造のインバータモジュールについて、入力端子側から見た斜視図を図２、出力端子側から見た斜視図を図３に示す。図２、３において、半導体モジュール２１は冷却ブロック２２の載置面２３上に熱伝導性グリスを介してネジ止めされる。冷却ブロック２２は、冷却液を冷液管２４ａ、２４ｂを介して循環させて、半導体モジュール２１を冷却する。
半導体モジュール２１の内部には、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相インバータ回路および配線基板が内蔵され、外部コントローラおよび電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃに対して接続端子を介して接続される。
【０００８】
図２において、半導体モジュール２１の正極導体２５、負極導体２６は、（＋）ブスライン１３、（−）ブスライン１４を介して、平滑コンデンサ４、および直流電源（図示せず）に接続される。
【０００９】
図３において、半導体モジュール２１のＵ相出力導体５ｅ、Ｖ相出力導体６ｅ、Ｗ相出力導体７ｅは、電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃの中空穴を通して、Ｕ相ブスライン１５、Ｖ相ブスライン１６、Ｗ相ブスライン１７を介して交流モータのステータコイル（図示せず）に接続される。
【００１０】
図４は、図２のインバータモジュールのＸ−Ｘ断面図を示したものであり、半導体モジュール２１の内部構造をより明確にするため、平滑コンデンサ、電流センサ、ブスラインの記載を省略している。半導体モジュール２１はスイッチング素子５ａ、５ｂを搭載した絶縁基板２７を素子冷却用金属部材２８にはんだ付けし、さらにハウジング２９を取り付けて構成される。絶縁基板２７は、例えば窒化アルミニウム等のセラミック基材の両面に、銅やアルミニウムなどの電極板を固着して構成されており、電極板上面は回路パターン３０ａ、３０ｂを形成して、スイッチング素子５ａ、５ｂをはんだ付け接合し、電極板下面は素子冷却用金属部材２８にはんだ付け接合される。
【００１１】
ワイヤ３１ａは、ハウジング２９に一体成形された正極導体２５を回路パターン３０ａと接続する。ワイヤ３１ｃは、ハウジング２９に一体成形されたＵ相出力端子５ｅを回路パターン３０ｂと接続する。絶縁基板２７の上部には、シールド板３２、配線基板３３が所定間隔を隔てて配置されている。インバータ回路には数十〜数百アンペアの大電流が流れ、電磁波ノイズを放出して制御回路に誤動作を生じるおそれがあるため、シールド板３２で配線基板３３を完全に遮蔽している。
【００１２】
図５は、図４に示す半導体モジュール２１について、シールド板３２、配線基板３３を取り除いた状態でＵ相インバータ回路をＹ方向から見た図である。
図５においては、絶縁基板２７の回路パターン３０ａ、３０ｂ上にスイッチング素子５ａ、５ｂおよびフライホイールダイオード５ｃ、５ｄが実装されている。
正極導体２５および負極導体２６は、積層配置されて絶縁基板２７の左側に配置されている。出力導体５ｅは、絶縁基板２７の右側に配置されている。ワイヤ３１ａは、正極導体２５と回路パターン３０ａとを接続する。
ワイヤ３１ｂは、スイッチング素子５ａおよびフライホイールダイオード５ｃと回路パターン３０ｂとを接続する。ワイヤ３１ｃは、回路パターン３０ｂと出力端子５ｅとを接続する。ワイヤ３１ｄはスイッチング素子５ｂおよびフライホイールダイオード５ｄと負極導体２６とを接続する。
【００１３】
これにより、スイッチング素子５ａおよびフライホイールダイオード５ｃは、正極導体２５と出力導体５ｅとの間に接続され、スイッチング素子５ｂおよびフライホイールダイオード５ｄは、出力導体５ｅと負極導体２６との間に接続されて、Ｕ相インバータ回路を構成している。Ｖ相、Ｗ相インバータ回路も同様の構成を取るため、ここでは説明を省略する。
【００１４】
ワイヤ３４ａは、スイッチング素子５ａの複数の信号端子３５ａとハウジング２９に一体成形された配線導体３６ａとを接続する。ワイヤ３４ｂは、スイッチング素子５ｂの複数の信号端子３５ｂとハウジング２９に一体成形された配線導体３６ｂとを接続する。配線導体３６ａ、３６ｂは、配線基板３３にはんだ付けされ制御回路と接続される。
【００１５】
正極導体２５および負極導体２６は、例えば厚さ１〜２ｍｍ、幅１０ｍｍ程度の配線であり、各々を近接して積層配置するために配線インダクタンスを非常に小さく設定している。それに対し、回路パターン３０ａは厚さ４００μｍ、ワイヤ３１ａ、３１ｄは直径３５０μｍであり、回路パターンは個別に配置されることから、正極導体２５および負極導体２６と比較して配線インダクタンスが大きくなる。
従って、スイッチング素子をオフする際に、配線インダクタンスによるサージ電圧が発生して、スイッチング素子を破壊するおそれがあるため、回路パターン３０ａおよびワイヤ３１ａ、３１ｄの配線長を極力短くし、配線インダクタンスを小さく設定する必要がある。
【００１６】
図６は、図５に示すスイッチング素子５ａの内部回路構成と各信号端子を示した図である。図６においては、スイッチング素子５ａはＩＧＢＴであり、内部に温度検知用ダイオード３７を内蔵している。各信号端子は、ＩＧＢＴを駆動するゲート端子、エミッタ端子、ＩＧＢＴのコレクタ電流を分流して過電流検知するセンスエミッタ端子、および温度検知用ダイオード３７のアノード端子、カソード端子である。センスエミッタ端子、アノード端子およびカソード端子は大電流用途のスイッチング素子に内蔵される例が多いが、小〜中電流用途では省略される場合もある。
【００１７】
図７は、図５に示すＵ相インバータ回路について、スイッチング素子を各々２並列にした図を示している。図７においては、絶縁基板２７の回路パターン３０ａ上にスイッチング素子５ａ、５ａ’およびフライホイールダイオード５ｃ、５ｃ’が実装されている。回路パターン３０ｂ上にスイッチング素子５ｂ、５ｂ’およびフライホイールダイオード５ｄ、５ｄ’が実装されている。
ワイヤ３１ｅは、スイッチング素子５ａ’およびフライホイールダイオード５ｃ’と回路パターン３０ｂとを接続する。ワイヤ３１ｆはスイッチング素子５ｂ’およびフライホイールダイオード５ｄ’と負極導体２６とを接続する。
ワイヤ３４ａ’は、スイッチング素子５ａ’の信号端子３５ａ’とハウジング２９に一体成形された配線端子３６ａ’とを接続する。ワイヤ３４ｂ’は、スイッチング素子５ｂ’の信号端子３５ｂ’とハウジング２９に一体成形された配線端子３６ｂ’とを接続する。配線端子３６ａ、３６ａ’、３６ｂ、３６ｂ’は、配線基板３３にはんだ付けされ制御回路と接続されている。その他のワイヤによる接続は、図５と同様の構成を取るため、ここでは説明を省略する。
【００１８】
図７において、正極導体２５からスイッチング素子５ａ、５ａ’までの配線長を比較すると、スイッチング素子５ａ’の方が回路パターン３０ａの配線長が長いため配線抵抗が僅かに大きくなる。従って、電流量が数百アンペアと大きい場合、配線抵抗による電圧降下に差が生じてしまい、配線抵抗の小さいスイッチング素子５ａのほうに電流が流れやすくなり（偏流現象）、スイッチング素子５ａと５ａ’の温度上昇に差が生じてしまう。
偏流現象はインバータ回路が短絡した際に顕著にあらわれ、配線抵抗の小さいスイッチング素子側が破壊しやすい状況になる。スイッチング素子を並列接続した際の偏流を防止するためには、スイッチング素子から正極導体あるいは負極導体までの配線長を均一とし、配線抵抗を極力合わせる必要がある。
【００１９】
これらのインバータモジュールを、直方体形状の金属または樹脂製のケースに封入してモータハウジング周壁または端壁に固定したインバータ一体型交流モータが多数報告されている。以下、インバータモジュールを周壁に固定する方法を周壁固定式、インバータモジュールを端壁に固定する方法を端壁固定式と呼ぶものとする。
【００２０】
インバータ一体型交流モータの周壁固定式の例として、インバータモジュールを構成するスイッチング素子および平滑コンデンサを交流モータの周壁に配置してバスバー内蔵プレート兼外枠部により配線、接続した構造をとるインバータ一体型交流モータが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）
【００２１】
さらに、周壁固定式の他の例として、インバータモジュールを構成するスイッチング素子を、交流モータの周壁に沿って当接する形で配置することにより、スイッチング素子の冷却能力を高めたインバータ一体型交流モータが提案されている。（例えば、特許文献２参照。）
【００２２】
インバータ一体型交流モータの端壁固定式の例として、交流モータ回転軸に略Ｕ字形状に形成したインバータモジュールを嵌合して、モータ端壁に一体化した構造が提案されている。このＵ字形状インバータモジュールは、モータ径の小形化により体積縮小の実現に有利であることのほか、交流モータの回転軸が突出する側の端壁に搭載することができ、交流モータに負荷を接続したままの状態でも脱着することが可能であるために取り扱いが好適である。（例えば、特許文献３参照。）
【００２３】
また、端壁固定式の他の例として、交流モータ回転軸のエンドフレームにインバータ冷却手段の冷媒を循環させるためのインバータ冷却室を設けて、モータ回転と同時にモータ端壁に配置されたインバータモジュールを冷却する構造のインバータ一体型交流モータが提案されている。（例えば、特許文献４参照。）
【００２４】
また、端壁固定式の他の例として、交流モータの回転軸に対して各相インバータ回路を周方向に配置するとともに、前記各相インバータ回路を構成する上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子は径方向に延伸して配置され、各相インバータ回路の間に制御回路を配置する構成をとり、配線の簡素化を図ったインバータモジュールが開示されている。（例えば、特許文献５参照。）
【特許文献１】特開２００３−３２４９０３号公報
【特許文献２】特開２００３−２６２１８７号公報
【特許文献３】特開平７−２３１６７２号公報
【特許文献４】特開平７−２９８５５２号公報
【特許文献５】特開２００４−２０１４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかし、直方体形状を有する従来のインバータモジュールを、円筒形状を有する交流モータの端壁あるいは周壁に配置する場合、インバータ周囲に余分なスペースが発生し効率よく配置することが困難であった。
特に、各相インバータ回路の出力端子から交流モータ入力端子間に配置する電流センサは、半導体モジュールの側面に突出する形で配置される例が多く、その周囲スペースが有効に活用しにくいという実状がある。
これは、従来の交流モータ引き出し線が、モータ周壁に配置される事が常であったために、電流センサをインバータモジュール側面部に配置して、インバータモジュール出力端子と交流モータ引き出し線を最短接続する手法が取られてきたことに起因している。しかし、モータ側の制約（例えば汎用モータを使用する等）でモータ周壁に交流モータ引き出し線が必然的に配置される場合を除いて、交流モータ引き出し線を自由に配置できる場合には、配置位置を最適化して小形化を図っていかなければいけないという課題があった。
また、半導体モジュールの入力端子間に接続される平滑コンデンサは、大形部品であり配置スペースを工夫しないとインバータモジュールが大形化してしまうという問題があった。
【００２６】
また、各相インバータ回路から正極導体および負極導体までの配線長が長い場合には、配線インダクタンスによるサージ電圧が発生して、スイッチング素子を破壊するという問題があった。
さらに、各相インバータ回路を構成する上アーム側および下アーム側スイッチング素子を複数並列接続して使用する場合には、正極導体また負極導体からスイッチング素子までの配線長が均一でない場合に配線抵抗が異なり、片側のスイッチング素子に電流が流れやすくなる偏流現象を発生し、スイッチング素子に温度上昇差が生じるといった問題があった。
【００２７】
本発明は上記問題を解決するものであって、交流モータの回転軸に対して各相インバータ回路を周方向に配置して、素子冷却用金属部材の略中央部に中空穴を有して電流センサあるいは平滑コンデンサを配置してさらなる小形化を実現したインバータモジュールを提供することをその目的としている。
また、各相インバータ回路のスイッチング素子と正極端子あるいは負極端子を最短配線可能なインバータ構造にして低インダクタンス化を図るとともに、複数のスイッチング素子を並列接続した際においても均等な配線長が保てる構造を有するインバータモジュールを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
第１発明のインバータモジュールは、上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを直接接続してなる単相インバータ回路が、互いに複数個並列接続されて、多相インバータ回路を構成し、交流モータの端面に配置されるインバータモジュールであって、
入力直流電力を交流電力に変換して、前記交流モータのステータコイルに給電する多相インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子と、該スイッチング素子を実装して放熱するための素子冷却用金属部材と、前記多相インバータ回路を制御する制御回路と、該制御回路に接続するために、前記スイッチング素子に設けられる複数の信号端子と、前記多相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子の正極側を（＋）電源端子に接続するための正極導体と、前記多相インバータ回路の下アーム側スイッチング素子の負極側を（−）電源端子に接続するための負極導体と、前記上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との接続点に接続した各相毎の出力導体とを備え、
前記スイッチング素子は、交流モータの回転軸に対して所定間隔を隔てて周方向に配置され、前記正極導体と前記負極導体は、リング状または円弧形状を有して互いに近接して、周方向に配置された前記スイッチング素子の内周部側に配置され、前記出力導体は、周方向に配置された前記スイッチング素子の内周部側に配置され、前記スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記出力導体と相対する外周部側に配置して前記制御回路に接続されることを特徴としている。
【００２９】
スイッチング素子を交流モータの回転軸に対して周方向に配置するとともに、正極導体および負極導体をリング状または円弧形状を有して近接してスイッチング素子の内周部側に配置し、出力導体をスイッチング素子の内周部側に配置することにより、正極導体および負極導体とスイッチング素子間、あるいは出力導体とスイッチング素子間を最短かつ均一な配線長で接続することができる。
このようにすれば、配線インダクタンスを低減してスイッチングサージを抑制する効果が得られると共に、スイッチング素子を複数並列接続する場合に、各々スイッチング素子間の配線抵抗にアンバランスが生じなくなり、片側のスイッチング素子に偏流するといった現象が生じなくなる。
さらに、正極導体、負極導体、および出力導体には数十〜数百アンペアの大電流が流れ、外部に電磁波ノイズを放出して制御回路を誤動作させるおそれがあるが、複数の信号端子をスイッチング素子の外周部に配置して制御回路と接続していることから、ノイズ発生源と制御回路との距離を確保することが可能となり、電磁波ノイズの影響を低減することができる。
【００３０】
好適な様態において、素子冷却用金属部材が輪板形状を有するとともに、前記素子冷却用金属部材を載置して強制冷却する中空円筒形状を有する冷却ブロックと、該冷却ブロックの中空部に配置される電流センサとを備え、前記出力導体から延設される出力ブスラインを前記電流センサを介して前記交流モータに接続することを特徴としている。
これにより、冷却ブロックの中空部に電流センサを配置しスペースを有効活用して小形化できるとともに、インバータモジュールと交流モータを接続する出力ブスラインの配線長を短縮することができる。
【００３１】
第２発明のインバータモジュールは、上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを直接接続してなる単相インバータ回路が、互いに複数個並列接続されて、多相インバータ回路を構成し、交流モータの端面に配置されるインバータモジュールであって、
入力直流電力を交流電力に変換して、前記交流モータのステータコイルに給電する多相インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子と、該スイッチング素子を実装して放熱するための素子冷却用金属部材と、前記多相インバータ回路を制御する制御回路と、該制御回路に接続するために、前記スイッチング素子に設けられる複数の信号端子と、前記多相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子の正極側を（＋）電源端子に接続するための正極導体と、前記多相インバータ回路の下アーム側スイッチング素子の負極側を（−）電源端子に接続するための負極導体と、前記上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との接続点に接続した各相毎の出力導体とを備え、
前記スイッチング素子は、交流モータの回転軸に対して所定間隔を隔てて周方向に配置され、前記正極導体と前記負極導体は、リング状または円弧形状を有して互いに近接して、周方向に配置された前記スイッチング素子の外周部側に配置され、前記出力導体は、周方向に配置された前記スイッチング素子の外周部側に配置され、前記スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記出力導体と相対する内周部側に配置して前記制御回路に接続されることを特徴としている。
この発明によれば、第１発明と同じ効果を奏する上、スイッチング素子の内周側に正極導体、負極導体、および出力導体を配置した場合と同様に、配線インダクタンスを低減してスイッチングサージを抑制する効果が得られると共に、スイッチング素子を複数並列接続した場合に、片側のスイッチング素子に偏流するといった現象が生じなくなる。さらに、ノイズ発生源となる正極導体、負極導体、および出力導体と制御回路が接続されるスイッチング素子上の複数の信号端子とを可能な限り離すことが可能となり、電磁波ノイズの影響を低減することができる。
【００３２】
好適な様態において、周方向に配置される前記スイッチング素子と、前記出力導体との間に、前記正極導体と前記負極導体を配置している。これにより、正極導体および負極導体とスイッチング素子との配線長を短縮する効果が顕著に現れる。
【００３３】
好適な様態において、前記正極導体と前記負極導体は、ともに断面Ｌ字形状を有して、互いを近接した積層配置構造をとる。これにより、正極導体と負極導体の小形化および配線インダクタンスの低減が可能となる。  
【００３４】
第３発明のインバータモジュールは、上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを直列接続してなる単相インバータ回路が、互いに複数個並列接続されて、多相インバータ回路を構成して、交流モータの端面に配置されるインバータモジュールであって、
入力直流電力を交流電力に変換して、前記交流モータのステータコイルに給電する多相インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子と、該スイッチング素子を実装して放熱するための素子冷却用金属部材と、前記多相インバータ回路を制御する制御回路と、該制御回路に接続するために、前記スイッチング素子に設けられる複数の信号端子と、前記多相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子の正極側を（＋）電源端子に接続するための正極導体と、前記多相インバータ回路の下アーム側スイッチング素子の負極側を（−）電源端子に接続するための負極導体と、前記上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との接続点に接続した各相毎の出力導体とを備え、
前記スイッチング素子は、交流モータの回転軸に対して、所定間隔を隔てて周方向に配置されるとともに、前記正極導体と前記負極導体は、リング状または円弧形状を有して互いに近接して、周方向に配置された前記スイッチング素子の内周部側に配置され、前記出力導体は、周方向に配置された前記スイッチング素子の外周部側に配置され、前記上アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記出力導体と相対する内周部側に配置して前記制御回路に接続され、前記下アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記負極導体と相対する外周部側に配置して前記制御回路に接続されることを特徴としている。
【００３５】
この発明によれば、第１発明と同じ効果を奏する上、正極導体と負極導体をスイッチング素子の内周側に配置し、出力導体をスイッチング素子の外周側に配置することが可能となり、内周側に平滑コンデンサ、外周側に電流センサを配置した場合に小形化が図れる。
【００３６】
好適な様態において、前記素子冷却用金属部材が輪板形状を有するとともに、前記素子冷却用金属部材を載置して強制冷却する中空円筒形状を有する冷却ブロックと、前記冷却ブロックの中空部に配置される平滑コンデンサとを備え、前記正極導体と前記負極導体を前記平滑コンデンサに接続している。これにより、平滑コンデンサを各相インバータ回路に近接配置して直流電圧の安定化が図れるとともに、スペースを有効活用してインバータモジュールの小形化が図れる。
【００３７】
好適な様態において、前記インバータモジュールの外周部に電流センサを配置するとともに、前記出力導体から延設される出力ブスラインを前記電流センサを介して、前記交流モータに接続している。これにより、インバータモジュールと交流モータを接続する出力ブスラインの配線長を短縮することができる。
【００３８】
第４発明のインバータモジュールは、上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを直接接続してなる単相インバータ回路が、互いに複数個並列接続されて、多相インバータ回路を構成し、交流モータの端面に配置されるインバータモジュールであって、
入力直流電力を交流電力に変換して、前記交流モータのステータコイルに給電する多相インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子と、該スイッチング素子を実装して放熱するための素子冷却用金属部材と、前記多相インバータ回路を制御する制御回路と、該制御回路に接合するために、前記スイッチング素子に設けられる複数の信号端子と、前記多相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子の正極側を（＋）電源端子に接続するための正極導体と、前記多相インバータ回路の下アーム側スイッチング素子の負極側を（−）電源端子に接続するための負極導体と、前記上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との接続点に接続した各相毎の出力導体とを備え、
前記スイッチング素子は、交流モータの回転軸に対して、所定間隔を隔てて周方向に配置され、前記正極導体と前記負極導体は、リング状または円弧形状を有して互いに近接して、周方向に配置された前記スイッチング素子の外周部側に配置され、前記出力導体は、周方向に配置された前記スイッチング素子の内周部側に配置され、前記上アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記出力導体と相対する外周部側に配置して前記制御回路に接続され、前記下アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記負極導体と相対する内周部側に配置して前記制御回路に接続している。
この発明によれば、第１発明と同じ効果を奏する上、出力導体をスイッチング素子の内周側に配置し、正極導体と負極導体をスイッチング素子の外周側に配置することが可能となり、内周側に電流センサを配置して小形化が図れる。
【００３９】
好適な様態において、前記素子冷却用金属部材が輪板形状を有するとともに、前記素子冷却用金属部材を載置して強制冷却する中空円筒形状を有する冷却ブロックと、該冷却ブロックの中空部に配置される電流センサとを備えて、前記出力導体から延設される出力ブスラインを前記電流センサを介して、前記交流モータに接続している。
これにより内部スペースを有効活用して小形化が図れるとともに、インバータモジュールと交流モータを接続する出力ブスラインの配線長を短縮することができる。
【００４０】
好適な様態において、前記正極導体と前記負極導体は、ともに断面Ｌ字形状を有して、互いを近接した積層配置構造をとる。これにより、正極導体と負極導体の小形化および配線インダクタンスの低減が可能となる。
【００４１】
第５発明のインバータモジュールは、上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とを直列接続してなる単相インバータ回路が、互いに複数個並列接続されて、多相インバータ回路を構成して、交流モータの端面に配置されるインバータモジュールであって、
入力直流電力を交流電力に変換して、前記交流モータのステータコイルに給電する多相インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子と、該スイッチング素子を実装して放熱するための素子冷却用金属部材と、前記多相インバータ回路を制御する制御回路と、該制御回路に接続するために、前記スイッチング素子に設けられる複数の信号端子と、前記多相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子の正極側を（＋）電源端子に接続するための正極導体と、前記多相インバータ回路の下アーム側スイッチング素子の負極側を（−）電源端子に接続するための負極導体と、前記上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子との接続点に接続した各相毎の出力導体とを備え、
前記スイッチング素子は、交流モータの回転軸に対して、所定間隔を隔てて周方向に配置されるとともに、前記正極導体と前記負極導体は互いを近接した配置構造をとり、リング状または円弧形状の導体部から、略径方向に延設される複数の枝状導体部を有して、同相インバータ回路を構成する前記上アーム側スイッチング素子と前記下アーム側スイッチング素子を枝状導体部で周方向に挟んで配置され、前記出力導体は、同相インバータ回路を構成する前記上アーム側スイッチング素子と前記下アーム側スイッチング素子に挟まれる形で前記略径方向に延設されて前記中位点に接続されるとともに、前記上アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記出力導体と相対する前記正極導体の枝状導体部側に配置して前記制御回路に接続され、前記下アーム側スイッチング素子の信号端子は、前記スイッチング素子を挟んで前記負極導体の枝状導体部側と相対する前記出力導体側に配置して前記制御回路に接続されることを特徴とする。
【００４２】
この発明によれば、第１発明と同じ効果を奏する上、正極導体と負極導体をスイッチング素子の内周側に配置し、出力導体をスイッチング素子の外周側に配置することが可能となり、内周側に平滑コンデンサ、外周側に電流センサを配置した場合に小形化が図れる。
【００４３】
好適な様態において、前記正極導体と前記負極導体のリング状または円弧形状の導体部位が、周方向に配置された前記スイッチング素子の外周部側または内周部側に配置されている。これにより、平滑コンデンサとの接続が容易となり、直流電圧の安定化が図れる。
【００４４】
好適な様態において、前記素子冷却用金属部材が輪板形状を有するとともに、前記素子冷却用金属部材を載置して強制冷却する中空円筒形状を有する冷却ブロックと、該冷却ブロックの中空部に配置される平滑コンデンサとを備え、前記正極導体と前記負極導体を前記平滑コンデンサに接続する。
これにより、平滑コンデンサを各相インバータ回路に近接配置して直流電圧の安定化が図れるとともに、スペースを有効活用してインバータモジュールの小形化が図れる。
【００４５】
好適な様態において、前記インバータモジュールの外周部に電流センサを配置するとともに、前記出力導体から延設される出力ブスラインを前記電流センサを介して、前記交流モータに接続している。
これにより、インバータモジュールと交流モータを接続する出力ブスラインの配線長を短縮することができる。
【００４６】
好適な様態において、前記素子冷却用金属部材が輪板形状を有するとともに、前記素子冷却用金属部材を載置して強制冷却する中空円筒形状を有する冷却ブロックと、該冷却ブロックの中空部に配置される電流センサとを備え、前記出力導体から延設される出力ブスラインを前記電流センサを介して前記交流モータに接続することを特徴としている。
これにより、冷却ブロックの中空部に電流センサを配置しスペースを有効活用して小形化できるとともに、インバータモジュールと交流モータを接続する出力ブスラインの配線長を短縮することができる。
【００４７】
第１発明から第５発明に共通する好適な様態について、以下に説明する。
好適な様態において、前記スイッチング素子と、前記素子冷却用金属部材が、絶縁性セラミックスを介して接続されている。絶縁性セラミックスは例えば窒化アルミニウムなどの熱抵抗の低い材料を使用できる。
これにより、高い放熱性能が要求される用途に使用できる。
【００４８】
好適な様態において、前記素子冷却用金属部材の載置面上に配置される絶縁シートと、該絶縁シートにパターンニングして配置される導体板と、該導体板に配置される熱拡散板とを備えて、前記スイッチング素子を前記熱拡散板の一主面に実装している。
これにより、スイッチング素子の発熱を熱拡散板で面方向に拡散したのち、熱伝導性のよい絶縁シートを介して素子冷却用金属部材に熱伝達して放熱している。絶縁シートは、先に記載した絶縁性セラミックスと比較して熱抵抗が大きいが、低コストで使用できる。
従って、熱拡散板をスイッチング素子と絶縁シートとの間に挿入し、熱抵抗を低下させて性能保証可能な用途に対して、安価でモジュールを提供できる。
【００４９】
好適な様態において、前記素子冷却用金属部材が、略Ｕ字形状の載置面を有している。これにより、素子冷却用金属部材の放熱面積を最小限に抑えて、空いたスペースに平滑コンデンサを配置することが可能となり、インバータモジュールの小形化に寄与できる。
【００５０】
好適な様態において、前記素子冷却用金属部材が、前記スイッチング素子の載置面と相対する一主面にフィンを有する。
これにより素子冷却用金属部材の直接冷却が可能となり、熱抵抗を大きく低減できる。
【００５１】
好適な様態において、前記フィンが前記交流モータに含まれる回転軸に対して、所定間隔を有して周方向に配置されている。
これにより、圧力低減を抑えつつ最短距離で冷却管路が構成可能となる。
【００５２】
好適な様態において、前記冷却ブロックが冷却媒体の流路を備え、前記スイッチング素子が実装された素子冷却用金属部材の一主面と相対向する裏面に接合する開口部を有し、該開口部に前記素子冷却用金属部材を嵌合させて一体化し、前記素子冷却用金属部材の面の一部を上記流路内に露出させて、冷却媒体で直接冷却する。
これにより、冷却媒体の流路液密性を確保できる。
【００５３】
好適な様態において、前記各相インバータ回路の各アームを構成する単数また複数並列接続されたスイッチング素子が、上アーム、下アームと交互にして、周方向に配置している。
これにより、各相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子および下アーム側スイッチング素子を各相出力端子と近接配置することが可能となり、インバータモジュールの小形化に寄与できる。
【００５４】
好適な様態において、前記各相インバータ回路の各アームを構成する単数あるいは複数並列接続されたスイッチング素子が、上アームのグループと下アームのグループに分けて、周方向に配置している。
これにより、制御基板のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アーム制御回路の相互の絶縁距離を考慮しなくても配置可能となり、制御基板の省スペース化が可能となる。
【００５５】
好適な様態において、配線基板中央部に電源回路を配置し、前記電源回路を中心として略同心円状に前記スイッチング素子の駆動または保護する制御回路群を配置して電源を供給する。
これにより、電源回路から各相インバータ回路の制御回路群へ、最短、かつ均等配線長で電源供給が可能となり、電源電圧を安定化できる。
【００５６】
好適な様態において、前記素子冷却用金属部材の載置面に、電圧変換を行うコンバータをあわせて配置している。
これにより、直流電源から入力される直流電圧を所望の電圧値に変換した後、インバータで交流電力に変換してモータに給電できる。とくに高出力のモータを駆動する際に、バッテリ直流電圧を昇圧することで、インバータ出力電流を低減することができ、配線の小形化が可能となる。
【００５７】
好適な様態において、前記電流センサのハウジングに一体成形された前記電流センサの配線導体を前記配線基板に直接挿入してはんだ付け接合している。
これにより、電流センサと配線基板を接続するハーネスが不要になるとともに、組立が簡素化される。
【００５８】
好適な様態において、前記半導体モジュールが前記冷却ブロック上に載置されるとともに、前記半導体モジュールの上部に平滑コンデンサを配置して一体化する。これにより、半導体モジュール部と平滑コンデンサの近接配置が可能になるとともに、インバータモジュールを小形化できる。
【００５９】
好適な様態において、前記インバータモジュールの直径をモータ直径と略同一にして交流モータに一体化する。これにより小形化されたインバータ一体型交流モータを提供できる。
【００６０】
好適な様態において、前記半導体モジュール、平滑コンデンサおよび冷却ブロックを複数、積層してインバータモジュールとし、そのインバータモジュールを交流モータと一体化する。
これにより、交流モータの定格出力に応じたインバータモジュール、またはインバータ一体型モータを提供することができる。
例えば、冷却ブロックの両面に半導体モジュールを搭載してインバータモジュール、またインバータ一体型モータを作製することにより、２倍の出力能力を持たせることができる。
このように、既存の構成ユニットを利用して、複数のバリエーションを持った、インバータモジュール、あるいはインバータ一体型モータを提供することで、各ユニットの利用効率が非常に高くなる。
【００６１】
好適な様態において、前記モータを囲覆するモータハウジングにその一端面から突出する大径筒状の外周壁と小径筒状の内周壁を有して形成した冷却媒体の流路を備える冷却ブロックを一体成形する。そして、前記スイッチング素子が実装された素子冷却用金属部材の一主面と相対する裏面に前記冷却ブロックを嵌合して一体化し、前記素子冷却用金属部材の面の一部を上記流路内に露出させて、冷却媒体で直接冷却している。
これにより、部品点数の削減と小形化が可能になるとともに、モータとインバータ冷却経路を統合することが可能になり、より冷却効率の高いインバータ一体型モータを提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００６２】
本発明により、交流モータの回転軸に対して各相インバータ回路を周方向に配置し、また、素子冷却用金属部材の略中央部の中空穴に電流センサまたは平滑コンデンサを配置してさらなる小形化を実現した。
また、各相インバータ回路のスイッチング素子と正極端子または負極端子を、最短配線可能なインバータ構造にして低インダクタンス化を図り、サージ電圧による素子の破壊を防止するとともに、複数のスイッチング素子を並列接続した際においても均等な配線長が保てる構造を有するインバータモジュールとし、配線抵抗が異なるための偏流現象の発生を防止することができた。
【００６３】
さらに、平滑コンデンサを各相インバータ回路に近接配置することにより、直流電圧の安定化が図れるとともに、電源回路から各相インバータ回路の制御回路群へ、最短、かつ均等配線長での電源供給が可能となり、電源電圧の安定化に寄与できた。
コンバータを配置してバッテリ直流電圧を昇圧することで、インバータ出力電流を低減することができ、配線の小形化が可能となり、電流センサも配線基板と一体成形することにより接続するハーネスが不要となり、組立の簡素化も実現できた。
また、素子冷却用金属部材のフィン配置により、素子冷却用金属部材の直接冷却が可能となり、熱抵抗を大きく低減でき、冷却ブロックに冷却媒体の流路を備えることにより冷却効率の高いインバータ一体型モータを提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
以下、本発明による実施例について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００６５】
図８は、この発明の一実施例によるインバータモジュールを備えるインバータ一体型モータ３８の概念図を示す。図８において、インバータモジュール２はモータ３の端壁に配置され、モータ３とインバータモジュール２の直径を略同一とすることで、非常に良いスペース効率でインバータモジュールを一体化できる。
【００６６】
図９は、図８に示すインバータ一体型モータ３８の断面図を示す。インバータモジュール２は、直流電圧を交流電圧に変換してモータに給電する半導体モジュール２１と、半導体モジュールの入力電圧側に配置されて、直流電圧を安定化する平滑コンデンサ４と、半導体モジュールを冷却する冷却ブロック２２と、インバータモジュールを囲覆するインバータケース３９とから構成される。インバータモジュール２に一体化されるモータ３は、シャフト４０と、ロータ４１と、ステータ４２と、コイル４３と、ベアリング４４ａ、４４ｂと、モータハウジング４５と、モータ引き出し線４６とを含む。
【００６７】
シャフト４０、ロータ４１、ステータ４２、およびベアリング４４ａ、４４ｂは、モータハウジング４５によって囲まれる領域に配置される。ベアリング４４ａ、４４ｂは、モータハウジング４５に取り付けられる。シャフト４０はベアリング４４ａ、４４ｂによって受けられる。ステータ４２は、コイル４３が巻回されてロータ４１の外側に配置され、モータハウジング４５に取り付けられる。ロータ４１は、シャフト４０に固定されて、シャフト４０が回転することにより、ステータ４２の内側で回転する。
【００６８】
インバータモジュール２は、モータ３の端面に配置される。中空円筒形状を有する冷却ブロック２２は、モータ回転軸に対し周方向に循環する冷却液路を構成し、冷却ブロック２２に載置された半導体モジュール２１を冷却する。平滑コンデンサ４は、例えば複数個のフィルムコンデンサエレメントをケースに格納し、モジュール化して略円筒形状としている。また、平滑コンデンサ４と半導体モジュール２１は、インバータケース３９の側面に沿って延伸して配置される（＋）ブスライン１３および、（−）ブスライン１４（図示せず）によって正極導体２５、負極導体２６（ともに図示せず）に接続している。
【００６９】
インバータモジュール２からモータ３への給電は、半導体モジュール２１の中央部に配置された出力導体を、冷却ブロック中空部に配置された電流センサ９ａ、９ｂを介してモータ引き出し線４６にて引き出し、ステータ４２に巻回されたコイル４３に接続してモータを駆動する構造を取る。図９に示すように、インバータモジュールの直径をモータの直径と略同一にして一体化させることで、給電用の高圧ケーブルをインバータモジュールあるいはモータ外部に引き出す必要が無く、さらに高圧ケーブル接続用コネクタを不要とすることができるため、コストが削減できるとともに小形化が図れる。
【００７０】
図９において冷却ブロック２２はモータハウジング４５と別体で形成されているが、図１０に示すように冷却ブロックをモータハウジング４５に一体成形して構成してもよい。図１０の例では、モータハウジング４５の一端面に、端面から突出する大径筒状の外周壁４７と小径筒状の内周壁４８を一体成形しており、素子冷却用金属部材２８のフィン形成面側を、外周壁４７と内周壁４８が形成されたモータハウジング４５の一端面に嵌合して、液密性を有した冷却液路を形成している。このように、冷却液路を形成する冷却ブロックをモータハウジングに一体成形することで、コストを低減するとともに、モータハウジングをインバータモジュールと併せて冷却することが可能となり、冷却能力の高いインバータ一体型交流モータを提供できる。
【００７１】
図１１は、図９に示すインバータモジュール２のうち、平滑コンデンサ４、インバータケース３９を省略したものであり、略円形の載置面を有する冷却ブロック２２上に略円筒形状の半導体モジュール２１を実装した斜視図である。冷却ブロック２２の内部には、アルミニウムを一体成形した放熱フィンが配置されており、冷却液循環用の冷液管２４ａ、２４ｂとともに密封して液密性を確保している。
半導体モジュール２１は、冷却ブロック２２の載置面上に熱伝導性グリスを塗布して実装され、両者の密着性を高め、熱抵抗を低減させている。半導体モジュール２１の上面側には、スイッチング素子の制御回路を実装する配線基板３３が配置され、半導体モジュール２１の外周部に配置された配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｂ、３６ｂ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｅ、３６ｅ’、３６ｆ、３６ｆ’（３６ｆ、３６ｆ’は図示せず）に接続して一体化されている。配線基板３３の略中央部には、電源回路を構成するトランス４９、コンデンサ５０が配置されるとともに、その周囲部にスイッチング素子の制御回路５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆが実装されている。
【００７２】
図１２は、図１１に示す半導体モジュール２１の上面模式図である。図１２に示すように、配線基板３３の中央部にトランス４９、コンデンサ５０等で構成される電源回路を配置し、前記電源回路を中心として略同心円状に前記スイッチング素子の制御回路５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ（図示せず）を配置して電源供給することにより、電源回路から各相インバータ回路の制御回路群へ、最短、かつ均等配線長で電源供給が可能となり、電源電圧を安定して供給することが可能となる。
【００７３】
配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｂ、３６ｂ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｅ、３６ｅ’、３６ｆ、３６ｆ’は、制御回路５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ（図示せず）の外周部側に配置して各制御回路と接続し、各相インバータ回路の各アームを構成するＩＧＢＴに制御信号を入力する、あるいはＩＧＢＴの電流量、温度信号を各配線導体から制御回路に伝達して、各相インバータ回路を駆動または保護する構成をとっている。
【００７４】
図１３は、図１１に示す半導体モジュール２１から配線基板３３を取り除いた構造を示す斜視図である。低背円筒形を有する半導体モジュールの中心軸は、交流モータに含まれる回転軸と略一致している。半導体モジュール２１において、スイッチング素子を搭載した絶縁基板２７は、半導体モジュール中心軸に対して所定間隔を隔てて周方向に配置され、素子冷却用金属部材２８にはんだ付けしたのち、スイッチング素子および配線基板を取り囲むハウジング２９を取り付けて構成される。
【００７５】
正極導体２５、負極導体２６、および各相インバータ回路の出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅは、スイッチング素子を実装して周方向に配置された絶縁基板２７の内周部側に配置され、制御信号端子３６ａ、３６ａ’、３６ｂ、３６ｂ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｅ、３６ｅ’、３６ｆ、３６ｆ’（３６ｅ’、３６ｆ、３６ｆ’は図示せず）は、絶縁基板２７を挟んで出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅと相対する外周部側に配置している。さらに、各相インバータ回路の出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅはＬ字形状に折り曲げて、電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃの中空穴を通してインバータモジュールの下方に取り出し、モータ引き出し線（図示せず）に接続している。電流センサの配線端子はコネクタ接続してハーネス（図示せず）により配線基板に接続するか、配線端子を直接配線基板に差し込んで接続している。
【００７６】
図１４は、図１１に示す配線基板３３を取り除いた半導体モジュール２１の平面図である。各相インバータ回路の各アームは、スイッチング素子であるＩＧＢＴにフライホイールダイオードを逆並列接続したものを２並列接続している。ＩＧＢＴやフライホイールダイオードなどのスイッチング素子は、面積サイズが大きいほど指数的にコストが増大するため、３００Ａ以上の大電流素子を構成する場合は、スイッチング素子を複数並列して構成するケースが多い。
図１５は、図１４のＺ−Ｚ断面から見た部分斜視図である。例えば、Ｕ相インバータ回路上アームは、スイッチング素子５ａにフライホイールダイオード５ｃを逆並列接続して実装した絶縁基板２７ａと、スイッチング素子５ａ’にフライホイールダイオード５ｃ’を逆並列接続して実装した絶縁基板２７ａ’とを周方向に並列実装している。
【００７７】
ワイヤ３１ａは、正極導体２５と絶縁基板２７ａの回路パターンとを接続する。ワイヤ３１ａ’は、正極導体２５と絶縁基板２７ａ’の回路パターンとを接続する。ワイヤ３１ｂは、スイッチング素子５ａのエミッタ端子とフライホイールダイオード５ｃのアノード端子とを出力導体５ｅに接続する。ワイヤ３１ｂ’は、スイッチング素子５ａ’のエミッタ端子とフライホイールダイオード５ｃ’のアノード端子とを出力導体５ｅに接続する。ワイヤ３４ａは、配線導体３６ａとスイッチング素子５ａの信号端子３５ａとを接続する。ワイヤ３４ａ’は、配線導体３６ａ’とスイッチング素子５ａ’の信号端子３５ａ’とを接続する。
【００７８】
Ｕ相インバータ回路下アームは、スイッチング素子５ｂにフライホイールダイオード５ｄを逆並列接続して実装した絶縁基板２７ｂと、上アームと同様に２並列接続とした絶縁基板とを周方向に並列実装している。図１５では下アームの２並列素子の１素子分を示す。
ワイヤ３１ｃは、出力端子５ｅと絶縁基板２７ｂの回路パターンとを接続する。ワイヤ３１ｄは、スイッチング素子５ｂのエミッタ端子とフライホイールダイオード５ｄのアノード端子とを負極導体２６に接続する。ワイヤ３４ｂは、配線導体３６ｂとスイッチング素子５ｂの信号端子３５ｂとを接続する。Ｖ相、Ｗ相の各インバータ回路についても同様の構成をとるため、ここでは説明を省略する。
【００７９】
図１４に示すとおり、スイッチング素子を搭載した絶縁基板２７が、半導体モジュール中心軸に対して所定間隔を隔てて周方向に配置することで、素子冷却用金属部材２８の円形載置面を有効活用でき、モジュールの小形化に寄与できる。
また、正極導体および負極導体をリング状または円弧形状を有して近接してスイッチング素子の内周部側に配置し、併せて出力導体をスイッチング素子の内周部側に配置することにより、正極導体および負極導体とスイッチング素子間、あるいは出力導体とスイッチング素子間を最短かつ均一な配線長で接続可能となり、配線インダクタンスを低減してスイッチングサージを抑制できる。
さらに、スイッチング素子と各相インバータ回路の出力導体との間に正極導体および負極導体を配置することにより、スイッチング素子と正極導体および負極導体の配線長を短縮する効果が顕著に現れる。
【００８０】
また、スイッチング素子を複数並列接続して各アームを構成する場合には、半導体モジュール中心軸に対して周方向にスイッチング素子と正極導体、負極導体および出力導体が対称配置されていることから、同アーム内でのスイッチング素子間の配線抵抗を均一に設定することができ、片側のスイッチング素子に電流がかたよる偏流現象を生じにくい。
【００８１】
さらに、スイッチング素子の信号端子を外周部側に配置して配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｂ、３６ｂ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｅ、３６ｅ’、３６ｆ、３６ｆ’と接続することから、ノイズ発生源となる正極導体、負極導体、および出力導体と制御信号ラインとの距離を離すことが可能となり、制御回路への電磁波ノイズの影響を低減することができる。
【００８２】
図１６は、図１４に示す半導体モジュール２１のワイヤを取り除いた平面図である。図１６に見られるように、左下から時計回りに、Ｕ相上アーム５２ａ、Ｕ相下アーム５２ｂ、Ｖ相上アーム５２ｃ、Ｖ相下アーム５２ｄ、Ｗ相上アーム５２ｅ、Ｗ相下アーム５２ｆと各相の上下アームを交互にして、周方向に配置することで、各相インバータ回路の上アーム側スイッチング素子および下アーム側スイッチング素子を各相出力端子と近接配置することが可能となり、インバータモジュールの小形化に寄与できる。一部の上下アームを入れ替えて、例えば、Ｕ相上アーム、Ｕ相下アーム、Ｖ相下アーム、Ｖ相上アーム、Ｗ相上アーム、Ｗ相下アームといった配置でも差支えない。
【００８３】
また、図１７のように、左下から時計回りで、Ｕ相上アーム５２ａ、Ｖ相上アーム５２ｃ、Ｗ相上アーム５２ｅ、Ｕ相下アーム５２ｂ、Ｖ相下アーム５２ｄ、Ｗ相下アーム５２ｆといったように、上アームのグループ、下アームのグループに分けて周方向に配置した場合、配線基板３３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アーム制御回路の相互の絶縁距離を考慮しなくても配置可能となり、配線基板の省スペース化が可能となる。インバータ出力端子５ｅ、６ｅ、７ｅは、図１８に示すように、各々断面Ｌ字形状をとり、各端子間に絶縁層（図示せず）を有して積層配置し、素子冷却用金属部材２８および冷却ブロック２２中空部の内周部に密着配置している。
【００８４】
図１９は、図１４のＺ−Ｚ断面から見た部分斜視図である。スイッチング素子が搭載された絶縁基板２７は、素子冷却用金属部材２８にはんだ付け実装されており、絶縁基板２７を構成する絶縁性セラミックスにより、素子冷却用金属部材２８とスイッチング素子間の絶縁性が確保されている。
【００８５】
図２０に示すように、正極導体２５、負極導体２６はともに断面Ｌ字形状をとり、両端子間に絶縁層を有して積層配置し、素子冷却用金属部材２８および冷却ブロック２２中空部の内周部に密着配置している。
これにより、正極導体と負極導体を小形化して配線インダクタンスを低減している。なお、絶縁層として、樹脂等の絶縁物を用いてもよい。
また、正極導体２５と負極導体２６は、スイッチング素子および絶縁基板２７との接続に必要な面積部分のみ上面に露出し、残りの導体部を折り曲げてＬ字形状にすることで、半導体モジュール上面から見た際の正極導体２５および負極導体２６の占有スペースを極小にすることができる。
【００８６】
また、図１９に示す例では、インバータ回路の出力導体５ｅを、電流センサ９ａの中空穴を通してインバータモジュールの下方に取り出し、モータ引き出し線と結線する構造を取っている。このような出力導体５ｅのモータへの接続構造としては、図２１に示すように電流センサ中空穴を通して、ボルト５３でインバータ出力端子５ｅと接続端子５４をネジ締め固定することも可能であるし、また、図２２に示すように、モータ引き出し線４６を電流センサ中空穴を通してインバータ出力端子５ｅにネジ締め固定する構造も可能である。
出力導体とモータ引き出し線との結線は、モータ端壁の中央部を通して最短配線で結線してもよいし、モータ周壁側に配線を取り出してそこで結線してもよい。
【００８７】
また、図２３に示す例では、半導体モジュール２１の側面部付近に電流センサ９ａを配置し、中央部に配置されたインバータ出力端子５ｅと接続ケーブル５５をボルト５３でネジ締め固定し、接続ケーブル５５を側面部まで延伸して、電流センサ中空穴を通して側面に取り出している。
図２２と比較して、インバータモジュール直下で出力端子をモータ引き出し線と結線する最短配線は取れないが、モータ周壁側にモータ引き出し線が配置されている場合に、インバータモジュールとモータの接続が容易な構造となる。
【００８８】
図２４は、本発明によるインバータのうち冷却ブロック２２の載置面２３上に熱伝導性グリスを介して素子冷却用金属部材２８が配置される構造図を示している。（半導体モジュールを構成するハウジング、スイッチング素子等の部材は省略している。）
図２４の破線で示されるように、冷却ブロック２２に内蔵される放熱フィン５６は同心円状に配置し、冷却液を循環させてスイッチング素子が実装された絶縁基板の直下を冷却している。
図２４の例では、放熱フィン５６にストレートフィンを用いているが、オフセットフィン、あるいはピンフィン、波状フィンなども用いることができる。
【００８９】
図２５の放熱構造例では、素子冷却用金属部材２８と放熱フィン５６とを一体化したものを使用し、冷却媒体の流路を備えて開口部を有する冷却ブロック２２に嵌合し、液密性を確保した冷却構造体を使用している。素子冷却用金属部材２８と冷却ブロック２２の液密性確保のために、Ｏリング５７を間に嵌合して密閉性を保っている。
Ｏリングによる液密性の確保は、図２５に示す様に２本のＯリング５７を冷却媒体の流路の内周側と外周側にそれぞれ一本ずつ配置してもよいし、図２６に示すように１本のＯリング５７を凹状に配置して冷却媒体の流路の内周側と外周側の液密性を同時に確保することも可能である。
【００９０】
図２７、図２８、図３０は、冷却ブロック２２と半導体モジュール２１、および平滑コンデンサ４を組み合わせて構成したインバータモジュールの概念図を示している。
図２７は、平滑コンデンサ４、半導体モジュール２１、冷却ブロック２２の順に組み合わせて一体化した例であり、半導体モジュール２１の外周部に正極導体と負極導体を配置して平滑コンデンサ４と接続してもよいし、平滑コンデンサ４の略中央部直下に接続用のブスラインを引き出し、半導体モジュール２１に接続してもよい。
図２８は、冷却ブロック２２の上部に半導体モジュール２１、下部に平滑コンデンサ４を配置して一体化した例であり、半導体モジュール２１から正極導体、負極導体を下方向に引き出し、冷却ブロック２２の中空口を介して平滑コンデンサ４に最短配線で接続することが可能となる。
図２９は、図２８で記載したインバータモジュール２をモータ３と一体化したものの断面図を示す。冷却ブロック２２の上面側には半導体モジュール２１が配置され、冷却ブロック２２の下面側には平滑コンデンサ４が配置されて一体化している。インバータモジュール２からモータ３への給電は、半導体モジュール２１の中央部に配置された出力導体を、冷却ブロック中空部に配置された電流センサ９ａ、９ｃを介してモータ引き出し線４６にて引き出し、ステータ４２に巻回されたコイル４３に接続してモータを駆動する構造を取る。
平滑コンデンサ４は、例えば複数個のフィルムコンデンサエレメントをケースに格納し、モジュール化して略リング形状としている。また、平滑コンデンサ４と半導体モジュール２１は、冷却ブロック中空口の内壁に沿って延伸して配置される（＋）ブスライン１３および、（−）ブスライン１４（図示せず）によって正極導体２５、負極導体２６（ともに図示せず）に接続している。
図３０は、平滑コンデンサ４を半導体モジュール２１の外周部に配置し、素子冷却用金属部材２２に載置して一体化した例である。図２７、図２８の例では、平滑コンデンサを低背円筒形状としたが、直方体形状等でも構わない。
【実施例２】
【００９１】
図３１は、図１３、１４に示す半導体モジュール２１について、各相インバータ回路の各アームを、ＩＧＢＴとフライホイールダイオードを１並列して構成した例である。ＩＧＢＴやフライホイールダイオードなどのスイッチング素子は、面積サイズが大きいほど指数的にコストが増大する。従って、３００Ａ以上の電流素子を構成する場合は、スイッチング素子を複数並列して構成するケースが多いが、３００Ａ未満で電流素子を構成する場合には、素子を１並列して使用することが通例である。
例えば、Ｕ相インバータ回路上アームは、スイッチング素子５ａにフライホイールダイオード５ｃを逆並列接続して実装した絶縁基板２７aであり、Ｕ相インバータ回路下アームは、スイッチング素子５ｂにフライホイールダイオード５ｄを逆並列接続して実装した絶縁基板２７ｂであり、これら上アーム、下アームを周方向に交互に実装している。
【００９２】
ワイヤ３１ａは、正極導体２５と絶縁基板２７ａ上の回路パターン（図示せず）とを接続する。ワイヤ３１ｂは、スイッチング素子５ａのエミッタ端子とフライホイールダイオード５ｃのアノード端子とを出力導体５ｅに接続する。ワイヤ３４ａは、配線導体３６ａとスイッチング素子５ａの信号端子３５ａとを接続する。ワイヤ３１ｃは、出力端子５ｅと絶縁基板２７ｂの回路パターンとを接続する。ワイヤ３１ｄは、スイッチング素子５ｂのエミッタ端子とフライホイールダイオード５ｄのアノード端子とを負極導体２６に接続する。ワイヤ３４ｂは、配線導体３６ｂとスイッチング素子５ｂの信号端子３５ｂとを接続する。Ｖ相、Ｗ相各インバータ回路についても同様の構成を取るため、ここでは説明を省略する。
【００９３】
また、素子冷却用金属部材２８および冷却ブロック２２の略中央部に中空穴を有して電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃを配置し、インバータ回路の出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅから電流センサを通してインバータモジュールの下方に取り出し、モータ引き出し線に接続している。
図３１の例は、図１３、１４と比較して、三相インバータ回路を構成するスイッチング素子を一並列で構成しており、使用するスイッチング素子数が半分で済むため、半導体モジュール２１を約半分の面積で構成することが可能である。
【００９４】
図３２は、図３１に示す冷却ブロック２２と扇形形状の半導体モジュール２１に配線基板３３および平滑コンデンサ４を実装した斜視図である。配線基板３３の中央部には、トランス４９およびコンデンサ５０等で構成される電源回路が配置され、図１１と同様、前記スイッチング素子の駆動または保護する制御回路を同心円状に配置して電源を供給している。
平滑コンデンサ４は、冷却ブロック２２上に載置され、半導体モジュール２１と組み合わせることで、略円形になるように扇形形状を有している。平滑コンデンサ４は、例えば複数個のフィルムコンデンサエレメントをケースに格納し、モジュール化して略半円形状としている。
このように、平滑コンデンサ４と半導体モジュール２１を組み合わせた形状を、冷却ブロック２２の載置面と略同一形状とし、かつ高さ寸法を合わせることで、デッドスペースを発生することなく小形のインバータモジュールを製作することができる。また、図２７、図２８、図３０と同様に、半導体モジュール２１の上側、もしくは下側あるいは周囲部に、平滑コンデンサ４を配置することも可能である。
【実施例３】
【００９５】
図３３は、略Ｕ字形状の載置面を有する冷却ブロック２２と扇形形状を有する半導体モジュール２１、および平滑コンデンサ４を組み合わせて構成したインバータモジュールの概念図を示している。半導体モジュール２１は、図３１と同様のものを使用している。冷却ブロック２２の載置面は、半導体モジュール２１の底面と略同一形状とすることで、スペースを有効に活用している。冷却ブロック２２は、図１４と同様に、中央部に空きスペースを有して電流センサを配置している。（図３３の例では、電流センサを図示していない。）
そして、冷却ブロック２２と半導体モジュール２１を組み合わせた扇形ユニットに嵌合する形で、扇形形状の平滑コンデンサ４を組み合わせて、略円筒形のインバータモジュールを構成することで、略円形を有するモータ端壁にインバータモジュールを配置して、スペース効率良くインバータモジュールをモータに一体化できる。
【実施例４】
【００９６】
図３４は実施例４による半導体モジュールの斜視図である。電流センサ９は、９ａ、９ｂ、９ｃを一体化したものであり、インバータモジュールへの電流センサの組み込みを容易にするとともに、電流センサの配線導体を集約して、配線基板への接続を容易化している。そして、電流センサ９のハウジングは外部接続用の配線導体３６ｇが一体成形されており、スイッチング素子の信号端子と接続する配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｂ、３６ｂ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｅ、３６ｅ’、３６ｆ、３６ｆ’（３６ｅ’、３６ｆ、３６ｆ’は図示せず）とともに配線基板３３（図示せず）に挿入され、はんだ付け接合される。よって、電流センサと配線基板を接続するハーネスが不要になり組立が簡素化できる。
【００９７】
また、例えば三相インバータの場合は、各相出力電流が１２０°の位相を有して流れることから、三相のうち二相分の出力電流を検出して、残り一相分を演算して求めることが可能となり、電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃのうち、一相分の電流センサを削減可能となる。従って、図１３、１４に記載の電流センサは、Ｕ、Ｖ、Ｗ全相の出力電流をモニタしているが、電流センサを１個減らして二相分を一体化した形にしても良い。
【実施例５】
【００９８】
図３５は昇圧コンバータを一体化した半導体モジュールの斜視図である。半導体モジュール２１は絶縁基板５８ａ、５８ｂ、スイッチング素子５９ａ、５９ｂ、フライホイールダイオード５９ｃ、５９ｄ、リアクトル６０およびワイヤ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅ、６１ｆから構成される昇圧コンバータ回路を追加したものであり、その他は、実施例４の半導体モジュールと同じである。
【００９９】
スイッチング素子５９ａにフライホイールダイオード５９ｃを逆並列接続して実装した絶縁基板５８ａと、スイッチング素子５９ｂにフライホイールダイオード５９ｄを逆並列接続して実装した絶縁基板５８ｂとを素子冷却用金属部材の載置面にて周方向に実装している。
【０１００】
ワイヤ６１ａは、直流電源の（＋）電源端子２５’とリアクトル６０とを接続する。ワイヤ６１ｂは、リアクトル６０とリアクトル接続導体６２とを接続する。ワイヤ６１ｃは、正極導体２５と絶縁基板５８ａの回路パターンとを接続する。ワイヤ６１ｄは、スイッチング素子５９ａのエミッタ端子とフライホイールダイオード５９ｃのアノード端子とをリアクトル接続導体６２に接続する。ワイヤ６１eは、リアクトル接続導体６２と絶縁基板５８ｂの回路パターンとを接続する。ワイヤ６１ｆは、スイッチング素子５９ｂのエミッタ端子とフライホイールダイオード５９ｄのアノード端子とを負極導体２６に接続する。ワイヤ６３ａは、配線導体３６ｈとスイッチング素子５９ａの信号端子とを接続する。ワイヤ６３ｂは、配線導体３６ｉとスイッチング素子５９ｂの信号端子とを接続する。
【０１０１】
図３６は、図３５に示すコンバータを一体化したインバータモジュール２が構成する電気回路図を示す。図３６は、図１にスイッチング素子５９ａ、５９ｂ、フライホイールダイオード５９ｃ、５９ｄ、リアクトル６０を追加したものであり、その他は図１と同じである。スイッチング素子５９ａ、５９ｂ、フライホイールダイオード５９ｃ、５９ｄ、リアクトル６０はコンバータを構成し、その他のスイッチング素子はインバータを構成する。
スイッチング素子５９ａ、５９ｂは、フライホイールダイオード５９ｃ、５９ｄを各々逆並列接続されて、電源ラインとＧＮＤライン間にブリッジ接続される。リアクトル６０の一方の端子は、スイッチング素子５９ａとスイッチング素子５９ｂとの中間点に接続される。なおリアクトル６０の他方の端子は、直流電源１の（＋）電源端子に接続される。
【０１０２】
コンバータは、直流電源からの直流電圧をスイッチング素子５９ａ、５９ｂがオンされた期間に応じて昇圧し、その昇圧された直流電圧をインバータに供給する。また、コンバータは、インバータから供給された電圧をスイッチング素子がオンされた期間に応じて降圧して直流電源へ供給する。
このようにコンバータは直流電源とインバータとの間で直流電圧を任意のレベルに変換する。
したがって、半導体モジュールは、直流電源とインバータとの間で直流電圧を変換するコンバータとコンバータによって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動するインバータとを含む。
【実施例６】
【０１０３】
図３７は実施例６による半導体モジュールの斜視図であり、図１４のＺ―Ｚ断面に相当する部分を示している。半導体モジュールは、絶縁セラミックス基板を絶縁シートに置き換えて構成したものであり、素子冷却用金属部材２８の載置面上に絶縁シート６４を配置し、さらに絶縁シート６４上に導体板６５ａ、６５ｂを配置している。導体板６５ａ、６５ｂは、絶縁シート６４に銅板を接合したのち、エッチング処理して必要な導体パターン部以外を除去することで形成している。また、導体板６５ａ、６５ｂと素子冷却用金属部材は、その間に配置される絶縁シートとパターンニングされた沿面距離により絶縁性能を確保している。
【０１０４】
各アームは、スイッチング素子であるＩＧＢＴにフライホイールダイオードを逆並列したものを二並列接続している。例えば、Ｕ相インバータ回路上アームは、スイッチング素子５ａにフライホイールダイオード５ｃとを逆並列接続して実装した熱拡散板６６ａと、スイッチング素子５ａ’にフライホイールダイオード５ｃ’を逆並列接続して実装した熱拡散板６６ａ’とを導体板６５ａにはんだ付け接続している。
【０１０５】
ワイヤ３１ａは、正極導体２５と熱拡散板６６ａとを接続する。ワイヤ３１ａ’は、正極導体２５と熱拡散板６６ａ’とを接続する。ワイヤ３１ｂは、スイッチング素子５ａのエミッタ端子とフライホイールダイオード５ｃのアノード端子とを出力導体５ｅに接続する。ワイヤ３１ｂ’は、スイッチング素子５ａ’のエミッタ端子とフライホイールダイオード５ｃ’のアノード端子とを出力導体５ｅに接続する。ワイヤ３４ａは、配線導体３６ａとスイッチング素子５ａの信号端子３５ａとを接続する。ワイヤ３４ａ’は、配線導体３６ａ’とスイッチング素子５ａ’の信号端子３５ａ’とを接続する。
Ｕ相インバータ回路下アーム、Ｖ相、Ｗ相インバータ回路についても同様の構成を取るため、ここでは説明を省略する。
【０１０６】
熱拡散板６６ａ、６６ａ’は、熱伝導率と熱容量がともに大きい銅板を使用する例が多く、スイッチング素子の発熱を面方向に急速に拡散して、下面方向に放熱することが可能となり、スイッチング素子の温度上昇を低減するとともに、スイッチング素子の急激な発熱に対する過渡温度上昇を抑制することが可能となる。また、ヒートサイクル性能などの耐環境性を向上したい場合は、熱膨張係数の小さい銅−モリブデン複合材料などを使用すればよい。また、熱拡散板の実装面積は、スイッチング素子面積＜熱拡散板面積＜導体板面積の範囲で設定すればよい。スイッチング素子の発熱量が大きくない場合は、熱拡散板を使用せずスイッチング素子を直接、導体板に接合してもよい。
【実施例７】
【０１０７】
図３８は実施例７による半導体モジュールの斜視図であり、図１４のＺ−Ｚ断面に相当する部分を示している。インバータモジュール中空口に配置される電流センサに変えてシャント抵抗により出力電流を検出したものであり、その他は実施例６と同じである。
図３８において、素子冷却用金属部材２８の載置面上に絶縁シート６４と導体板６５ａ、６５ｂを配置し、スイッチング素子が実装された熱拡散板６６ａ、６６ａ’をはんだ付け接続している。
出力導体は、スイッチング素子とワイヤで接合される導体部６７ａと半導体モジュール中空部に取り出してＬ字形状に折り曲げ、モータ引き出し線に接続される導体部６７ｂに分割されており、導体６７ａと６７ｂをシャント抵抗６８ａで接続している。
シャント抵抗６８ａの接続方法は、はんだ付け、溶接、あるいはシャント抵抗両端に丸端子をあらかじめ構成しておき、ネジ止め接続することもできる。また、シャント抵抗６８ａで検出された信号は、導体６７ａと６７ｂに接続されたハーネス（図示せず）によって配線基板３３に接続され、配線基板上の信号処理回路に入力される。
【０１０８】
シャント抵抗６８ａは、Ｕ相インバータ回路の出力電流を検出して電圧信号に変換し、その情報をコントローラ側に伝達してモータ制御に使用している。Ｖ相、Ｗ相インバータ回路の各相出力についても同様に、シャント抵抗６８ｂ、６８ｃ（いずれも図示せず）を配置して電流検出している。シャント抵抗は、低い抵抗値を有してその両端における電圧降下を検出するため、電流値が大きい用途では極端に発熱して使用できないが、電流値の小さい用途では低コストで電流検出できるという効果がある。
また、図示していないが、シャント抵抗を配線導体に置き換え、配線導体の直上にホール素子を配置して電流検出する方法も適用できる。
【実施例８】
【０１０９】
図３９は実施例８による半導体モジュールの斜視図であり、図１４のＺ−Ｚ断面に相当する部分を示している。図３９は、スイッチング素子と正極導体、負極導体、出力導体の接続をワイヤに変えて、接続導体板としたものであり、その他は実施例６と同じである。接続導体板は、銅あるいは銅−モリブデン複合材料等、熱伝導率の高い金属平板を凸形状に加工し、応力吸収が容易な構造で使用している。
【０１１０】
接続導体板６９ａは、凸形状を有して正極導体２５と導体板６５ａとを接続する。接続導体板６９ｂは、スイッチング素子５ａのエミッタ端子とフライホイールダイオード５ｃのアノード端子とを出力導体５ｅに接続する。接続導体板６９ｂ’は、スイッチング素子５ａ’のエミッタ端子とフライホイールダイオード５ｃ’のアノード端子とを出力導体５ｅに接続する。
配線導体とスイッチング素子であるＩＧＢＴの信号端子は、実施例６と同様にワイヤで接続する。ワイヤ３４ａは、配線導体３６ａとスイッチング素子５ａの信号端子３５ａとを接続する。ワイヤ３４ａ’は、配線導体３６ａ’とスイッチング素子５ａ’の信号端子３５ａ’とを接続する。Ｕ相インバータ回路下アーム、Ｖ相およびＷ相インバータ回路についても同様の構成を取るため、ここでは説明を省略する。
スイッチング素子と正極導体、負極導体、出力導体との接続をワイヤに変えて接続導体板とした場合、スイッチング素子上面から接続導体を通じての放熱効果が期待できるため、スイッチング素子下面からの放熱との相乗効果で温度上昇の低減が期待できる。併せて、接続導体板とスイッチング素子との接合面積はワイヤを用いた場合と比較して大きくなるため、接合部の温度上昇を低減でき、信頼性を向上できる。
【実施例９】
【０１１１】
図４０は実施例９による半導体モジュールの斜視図である。インバータモジュールの中空口に平滑コンデンサを配置して小形化を図ったものであり、その他は実施例１と同じである。
【０１１２】
インバータモジュール中空部には、低背円筒形の平滑コンデンサ４が配置されており、内周部側に配置された正極導体２５、負極導体２６に接続して、インバータモジュール入力電圧を平滑している。正極導体２５、負極導体２６を内周部に引き出し、平滑コンデンサ４の接続端子４ａ、４ｂと最短配線することで、配線インダクタンスを低減しスイッチングサージを大きく低減できる。
さらに、インバータモジュール中空部に平滑コンデンサを配置することで、インバータモジュール上部もしくは下部のスペースに実装する必要がなくなり、インバータモジュールの小形化が可能となる。
平滑コンデンサの役割には、バスライン電圧の安定化とリプル電流吸収の二つがある。バスライン電圧の安定化は静電容量、リプル電流吸収はリプル電流容量のパラメータで各々表される。電気自動車用途のモータ制御にはベクトル制御方式が用いられるため、バスライン電圧の変動が多少大きくともモータ制御に破綻を及ぼすことはない。従って、平滑コンデンサの静電容量は小さくとも問題はない。
一方、交流モータにはその極対数に応じた周波数の脈流成分が発生するため、これを平滑コンデンサで吸収する必要があり、比較的大きなリプル電流容量が求められる。平滑コンデンサとして利用されるものの代表例としてアルミニウム電解コンデンサとフィルムコンデンサの２種類があり、アルミニウム電解コンデンサは静電容量が大きくとれるが、内部損失（ｔａｎδ）が大きいことからリプル電流容量は小さくなる。
フィルムコンデンサは静電容量こそ小さいが内部損失（ｔａｎδ）が小さいことからリプル電流容量は大きくなる。またコストはアルミニウム電解コンデンサのほうが若干安く設定できる。
図４０の実施例では直径約２５ｃｍの小径モータ（約４０ｋＷ出力未満）を記載したためインバータモジュール中空部のスペースはわずかしか確保できていない（実施例では直径約７ｃｍ）。このような場合には、コストが若干高くとも小形で大きなリプル電流容量を確保できるフィルムコンデンサユニットを使用した方が小形化のメリットがでてくる。
一方、直径３０ｃｍ以上の大径モータ（約５０kＷ出力以上）を使用した場合、半導体スイッチング素子の配置スペースは、直径が大きくなるほど略周方向に充分なスペース確保できるためインバータモジュール中空部のスペースが確保しやすい（図示しないが直径１０ｃｍ以上確保可能となる）。
従って、小径モータで図４０のインバータモジュールを実現する場合には、平滑コンデンサにフィルムコンデンサユニットを使用し、大径モータを使用する場合には、フィルムコンデンサユニットあるいはアルミニウム電解コンデンサを使用してこれを実現する。
【実施例１０】
【０１１３】
図４１は、実施例１０におけるインバータ一体型モータ３８の断面図を示す。モータ３の構造は実施例１と同様であり、ここでは説明を省略する。インバータモジュール２は、モータ３の端面に配置される。中空円筒形状を有する冷却ブロック２２は、モータ回転軸に対し周方向に循環する冷却液路を構成し、冷却ブロック２２に載置された半導体モジュール２１を冷却する。平滑コンデンサ４は、例えば複数個のフィルムコンデンサエレメントをケースに格納し、モジュール化して略円筒形状としている。また、平滑コンデンサ４と半導体モジュール２１は、インバータケース３９の側面に沿って延伸して配置される（＋）ブスライン１３および、（−）ブスライン１４（図示せず）によって正極導体２５、負極導体２６（ともに図示せず）に接続している。
【０１１４】
インバータモジュール２からモータ３への給電は、半導体モジュール２１の外周部に配置された出力導体から、電流センサ９ａ、９ｃを介して外部に取り出し、モータ引き出し線４６を通じて、ステータ４２に巻回されたコイル４３に接続してモータを駆動する構造を取る。
【０１１５】
図４２は実施例１０における半導体モジュールの上面模式図である。正極導体と負極導体を近接配置して周方向に配置されたスイッチング素子の外周部側に配置し、出力導体をスイッチング素子の外周部側に配置して各相インバータ回路の中位点に接続するとともに、スイッチング素子の複数の信号端子をスイッチング素子の内周部側に配置して、配線基板の制御回路に結合したものであり、その他は実施例１と同様である。
【０１１６】
図４２に示すように、配線基板３３の中央部にトランス４９、コンデンサ５０等で構成される電源回路を配置し、電源回路の外周部側にスイッチング素子を駆動または保護する制御回路を配置して電源を供給することにより、電源回路から各相インバータ回路の制御回路へ、均等配線長で安定した電源供給が可能となる。
【０１１７】
配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｂ、３６ｂ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｅ、３６ｅ’、３６ｆ、３６ｆ’は、制御回路５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ（図示せず）の内周部側に配置して各制御回路と接続し、各相インバータ回路の各アームを構成するスイッチング素子であるＩＧＢＴに制御信号を入力する、あるいはＩＧＢＴの電流量、温度信号を各配線導体から制御回路に伝達して、各相インバータ回路を駆動または保護する構成をとっている。
【０１１８】
図４３は、図４２に示す半導体モジュール２１から配線基板３３を取り除いた構造を示す斜視図である。低背円筒形を有する半導体モジュールの中心軸は、交流モータに含まれる回転軸と略一致している。半導体モジュール２１において、スイッチング素子を搭載した絶縁基板２７ａ、２７ｂは、半導体モジュール中心軸に対して所定間隔を隔てて周方向に配置され、素子冷却用金属部材２８にはんだ付けしたのち、スイッチング素子および配線基板を取り囲むハウジング２９を取り付けて構成される。
【０１１９】
正極導体２５、負極導体２６、および各相インバータ回路の出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅは、スイッチング素子を実装して周方向に配置された絶縁基板２７ａ、２７ｂの外周部側に配置され、配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｂ、３６ｂ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｅ、３６ｅ’、３６ｆ、３６ｆ’は、スイッチング素子を挟んで出力導体と相対する内周部側に配置している。
半導体スイッチング素子の信号端子（例えばＵ相スイッチング素子でいえば３５ａ、３５ａ’、３５ｂ、３５ｂ’）は、出力導体と相対する内周部側に配置されて、配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｂ、３６ｂ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｅ、３６ｅ’、３６ｆ、３６ｆ’と接続される。各相インバータ回路の出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅは、インバータモジュール外周部に配置された電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃの中空穴を通して、モータ引き出し線（図示せず）に接続している。
【０１２０】
図４３に示すとおり、周方向に配置されたスイッチング素子の内周部側に配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｂ、３６ｂ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｅ、３６ｅ’、３６ｆ、３６ｆ’を配置することで、配線基板の中央部に位置する電源回路の略外周部付近で制御信号端子との接続が可能となる。
また、スイッチング素子の外周部側に出力導体を配置することで、インバータモジュール外周部に配置した電流センサ中空穴を通してモータと接続することが可能となる。従って、モータ周壁側にモータ引き出し線が必然的に配置されるモータを使用しなければならない場合図４３の配置例は好適となる。
図４３の実施例には記載していないが、図４０の実施例と同様、インバータモジュール中空部に、低背円筒形の平滑コンデンサ４を配置し、正極導体２５、負極導体２６に接続して、インバータモジュール入力電圧を平滑している。
また、実施例１〜９で記載した内容のうち、図２０記載の正極端子２５、負極端子２６の積層配置構造、図２４〜２６記載の冷却ブロック構造、図２７、図２８、図３０記載のインバータ構造、図３１に記載のスイッチング素子１並列仕様、図３５、図３６記載の昇圧コンバータ一体化構造、図３７記載の絶縁シート構造、図３８記載のシャント抵抗による電流検出構造、および図３９記載の接続導体板によるダイレクト接合方法などの各構造を取ることができるが、同様の構造となるため、ここでは説明を省略する。
【実施例１１】
【０１２１】
図４４は実施例１１における半導体モジュールの上面模式図である。図４４において、正極導体と負極導体を近接配置して周方向に配置されたスイッチング素子の内周部側に配置し、出力導体をスイッチング素子の外周部側に配置して各相インバータ回路の中位点に接続するとともに、上アーム側スイッチング素子の複数の信号端子は、スイッチング素子を挟んで出力導体と相対する内周部側に配置し、下アーム側スイッチング素子の複数の信号端子は、スイッチング素子を挟んで負極導体と相対する外周部側に配置したものであり、その他は実施例１と同様である。
【０１２２】
図４４に示すように、配線基板３３の中央部に電源回路を配置し、電源回路の外周側にスイッチング素子を駆動または保護する制御回路を配置して電源を供給している。上アームスイッチング素子の配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｃ、３６ｃ ’、３６ｅ、３６ｅ’は、制御回路の内周側、下アームスイッチング素子の配線導体３６ｂ、３６ｂ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｆ、３６ｆ’は、制御回路の外周側に配置して、各相インバータ回路の各アームを構成するスイッチング素子であるＩＧＢＴに制御信号を入力する、あるいはＩＧＢＴの電流量、温度信号を各配線導体から制御回路に伝達して、各相インバータ回路を駆動または保護する構成をとっている。
【０１２３】
図４５は、図４４で記載したインバータモジュール２をモータ３と一体化したものの断面図を示す。冷却ブロック２２の上面側には半導体モジュール２１が配置され、冷却ブロック２２の中空部には平滑コンデンサ４が配置されて一体化している。モータ３の構造は実施例１と同様でありここでは説明を省略する。
インバータモジュール２は、モータ３の端面に配置される。中空円筒形状を有する冷却ブロック２２は、モータ回転軸に対し周方向に循環する冷却液路を構成し、冷却ブロック２２に載置された半導体モジュール２１を冷却する。
平滑コンデンサ４は、例えば複数個のフィルムコンデンサエレメントをケースに格納し、モジュール化して略円筒形状としている。また、平滑コンデンサ４と半導体モジュール２１は、冷却ブロック２２の内周壁に沿って延伸して配置される（＋）ブスライン１３および、（−）ブスライン１４（図示せず）によって正極導体２５、負極導体２６（ともに図示せず）に接続している。
【０１２４】
インバータモジュール２からモータ３への給電は、半導体モジュール２１の外周部に配置された出力導体から、電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃを介して外部に取り出し、モータ引き出し線４６を通じて、ステータ４２に巻回されたコイル４３に接続してモータを駆動する構造をとる。
【０１２５】
図４６は、図４４に示す半導体モジュール２１から配線基板３３を取り除いた構造を示す斜視図である。半導体モジュール２１において、スイッチング素子を搭載した絶縁基板２７は、半導体モジュール中心軸に対して所定間隔を隔てて周方向に配置され、素子冷却用金属部材２８にはんだ付けしたのち、スイッチング素子および配線基板を取り囲むハウジング２９を取り付けて構成される。
【０１２６】
正極導体２５と負極導体２６は近接した状態で、周方向に配置された絶縁基板２７の内周部側に配置され、出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅは、絶縁基板２７の外周部側に配置される。
上アームスイッチング素子の配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｃ、３６ｃ ’、３６ｅ、３６ｅ’は、絶縁基板を挟んで出力導体と相対する内周部側に配置している。上アーム側スイッチング素子の信号端子（例えばＵ相スイッチング素子でいえば３５ａ、３５ａ’）は、スイッチング素子を挟んで出力導体と相対する内周部側に配置されて、配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｅ、３６ｅ’と接続される。
下アームスイッチング素子の配線導体３６ｂ、３６ｂ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｆ、３６ｆ’は、絶縁基板を挟んで負極導体２６と相対する外周部側に配置している。
下アーム側スイッチング素子の信号端子（例えばＵ相スイッチング素子でいえば３５ｂ、３５ｂ’）は、スイッチング素子を挟んで負極導体と相対する外周部側に配置されて、配線導体３６ｂ、３６ｂ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｆ、３６ｆ’と接続される。
【０１２７】
図４６において、インバータモジュールの中空部には、低背円筒形の平滑コンデンサ４が配置されており、内周部側に配置された正極導体２５、負極導体２６に接続して、インバータモジュール入力電圧を平滑している。インバータモジュール外周部には電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃが配置され、出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅから電流センサ中空穴を通して接続導体が引き出され、モータ引き出し線（図示せず）に接続している。
このように、正極導体と負極導体をスイッチング素子の内周部側に配置し、出力導体をスイッチング素子の外周部側に配置することが可能となり、中空部に平滑コンデンサ、外周部に電流センサを配置した場合に、さらなる小形化が図れる。
【実施例１２】
【０１２８】
図４７は実施例１２における半導体モジュールの斜視図である。図４７において、正極導体と負極導体を近接配置して周方向に配置されたスイッチング素子の外周部側に配置し、出力導体をスイッチング素子の内周部側に配置して各相インバータ回路の中位点に接続するとともに、上アーム側スイッチング素子の複数の信号端子は、スイッチング素子を挟んで出力導体と相対する外周部側に配置し、下アーム側スイッチング素子の複数の信号端子は、スイッチング素子を挟んで負極導体と相対する内周部側に配置したものであり、その他は実施例１と同様である。
【０１２９】
図４７に示すように、正極導体２５と負極導体２６は近接した状態で、周方向に配置された絶縁基板２７の外周部側に配置され、出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅは、絶縁基板２７の内周部側に配置される。
上アームスイッチング素子の配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｅ、３６ｅ’は、絶縁基板を挟んで出力導体と相対する外周部側に配置している。上アーム側スイッチング素子の信号端子（例えばＵ相スイッチング素子でいえば３５ａ、３５ａ’）は、スイッチング素子を挟んで出力導体と相対する外周部側に配置されて、配線導体３６ａ、３６ａ’、３６ｃ、３６ｃ’、３６ｅ、３６ｅ’と接続される。
下アームスイッチング素子の配線導体３６ｂ、３６ｂ’、３６ｄ、３６ｄ’、３６ｆ、３６ｆ’は、絶縁基板を挟んで負極導体２６と相対する内周部側に配置している。
下アーム側スイッチング素子の信号端子（例えばＵ相スイッチング素子でいえば３５ｂ、３５ｂ’）は、スイッチング素子を挟んで負極導体と相対する内周部側に配置されて、配線導体３６ｂ、３６ｂ’、３６d、３６ｄ’、３６ｆ、３６ｆ’と接続される。
その他、各スイッチング素子と各導体、および各スイッチング素子の信号端子と各配線導体は、先の実施例と同様のため、その説明を省略する。
【０１３０】
図４７において、インバータモジュールの中空部には、電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃが配置されており、出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅから各電流センサ中空穴を通して接続導体が引き出され、モータ引き出し線（図示せず）に接続している。このように、出力導体をスイッチング素子の内周部側に配置して、インバータモジュールの中空部に配置した電流センサを介してモータに接続することで小形化が図れる。
また、実施例１〜９で記載した内容のうち、図２０記載の正極端子２５、負極端子２６の積層配置構造、図２４〜２５記載の冷却ブロック構造、図２７、図２８、図３０記載のインバータ構造、図３１に記載のスイッチング素子１並列仕様、図３５、図３６記載の昇圧コンバータ一体化構造、図３７記載の絶縁シート構造、図３８記載のシャント抵抗による電流検出構造、および図３９記載の接続導体板によるダイレクト接合方法などの各構造を取ることができるが、同様の構造となるため、ここでは説明を省略する。
【実施例１３】
【０１３１】
図４８は実施例１３における半導体モジュールの平面図である。図４８において、正極導体と負極導体はリング状または円弧形状の導体部と、略径方向に延設される複数の枝状導体部とを有して、同相インバータ回路を構成する上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子を枝状導体部で周方向に挟んで配置し、出力導体は同相インバータ回路を構成する上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子に挟まれる形で略径方向に延設して中位点に接続されるとともに、上アーム側スイッチング素子の複数の信号端子は、スイッチング素子を挟んで出力導体と相対する正極導体の枝状導体部側に配置し、下アーム側スイッチング素子の複数の信号端子は、スイッチング素子を挟んで負極導体の枝状導体部側と相対する出力導体側に配置したものであり、その他は実施例１と同じである。
【０１３２】
図４８に示すように配線基板３３の中央部に電源回路を配置し、電源回路の外周側にスイッチング素子を駆動または保護する制御回路を配置して電源を供給している。配線導体３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ、３６ｆは、各アームの制御回路を挟む形で径方向に延伸して配置し、配線基板３３に接続されている。
【０１３３】
図４９は、図４８の半導体モジュール２１から配線基板３３を取り除いた構造を示す斜視図である。スイッチング素子を搭載した絶縁基板２７は、スイッチング素子の信号端子が半導体モジュール２１の中心軸に対して周方向に向く形で配置され、素子冷却用金属部材２８にはんだ付けしたのち、スイッチング素子および配線基板を取り囲むハウジング２９を取り付けて構成される。
【０１３４】
正極導体２５と負極導体２６は円弧状導体部と、径方向に延設される複数の枝状導体部とを有し、近接して配置されている。正極導体２５と負極導体２６の円弧状導体部は、スイッチング素子の内周部側に配置され、枝状導体部は、各相インバータ回路を構成する上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子のグループを枝状導体部で周方向に挟んで配置している。出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅは各相インバータ回路を構成する上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子に挟まれる形で略径方向に延設して配置されている。
【０１３５】
配線導体３６ａは、正極導体２５と負極導体２６の枝状導体部上に樹脂層を介して並行配置されている。上アーム側スイッチング素子の信号端子３５ａ、３５ｃ、３５ｅは、スイッチング素子を挟んで出力導体と相対する正極導体側に配置されて、配線導体３６ａ、３６ｃ、３６ｅに接続している。配線導体３６ｂは、出力導体５ｅ上に樹脂層を介して並行配置されている。下アーム側スイッチング素子の信号端子３５ｂ、３５ｄ、３５ｆは、スイッチング素子を挟んで負極導体と相対する出力導体側に配置されて、配線導体３６ｂ、３６ｄ、３６ｆに接続している。
【０１３６】
図４９において、インバータモジュールの中空部には、低背円筒形の平滑コンデンサ４が配置されており、内周部側に配置された正極導体２５、負極導体２６に接続して、インバータモジュール入力電圧を平滑している。インバータモジュール外周部には電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃが配置され、出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅから各電流センサ中空穴を通して接続導体が引き出され、モータ引き出し線（図示せず）に接続している。このように、中空部に平滑コンデンサ、外周側に電流センサを配置して小形化を図っている。
【実施例１４】
【０１３７】
図５０は実施例１４における半導体モジュールの斜視図である。図４９を参照して、正極導体２５と負極導体２６は円弧状導体部と、径方向に延設される複数の枝状導体部とを有して近接して配置されている。正極導体２５と負極導体２６の円弧状導体部は、スイッチング素子の外周部側に配置され、枝状導体部は、各相インバータ回路を構成する上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子のグループを枝状導体部で周方向に挟んで配置している。出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅは各相インバータ回路を構成する上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子に挟まれる形で略径方向に延設して配置されている。その他は実施例１３と同じである。
【０１３８】
配線導体３６ａは、正極導体２５と負極導体２６の枝状導体部上に樹脂層を介して並行配置されている。上アーム側スイッチング素子の信号端子３５ａ、３５ｃ、３５ｅは、スイッチング素子を挟んで出力導体と相対する正極導体側に配置されて、配線導体３６ａ、３６ｃ、３６ｅに接続している。配線導体３６ｂは、出力導体５ｅ上に樹脂層を介して並行配置されている。下アーム側スイッチング素子の信号端子３５ｂ、３５ｄ、３５ｆは、スイッチング素子を挟んで負極導体と相対する出力導体側に配置されて、配線導体３６ｂ、３６ｄ、３６ｆに接続している。
【０１３９】
図５０において、インバータモジュールの中空部には、電流センサ９が配置されており、出力導体５ｅ、６ｅ、７ｅから各電流センサ中空穴を通して接続導体が引き出され、モータ引き出し線（図示せず）に接続している。また、実施例１〜９で記載した内容のうち、図２４〜２６記載の冷却ブロック構造、図２７、図２８、図３０記載のインバータ構造、図３５、図３６記載の昇圧コンバータ一体化構造、図３７記載の絶縁シート構造、図３８記載のシャント抵抗による電流検出構造、および図３９記載の接続導体板によるダイレクト接合方法などの各構造を取ることができるが、同様の構造となるため、ここでは説明を省略する。
【実施例１５】
【０１４０】
図５１は、この発明によるインバータモジュールを備えるインバータ一体型モータの概念図を示す。
インバータモジュール２は、直流電圧を交流電圧に変換してモータに給電する半導体モジュール２１と、半導体モジュール２１の入力電圧側に配置されて、直流電圧を平滑する平滑コンデンサユニット４と、半導体モジュールを冷却する冷却ブロック２２を単数、あるいは複数、積層配置してモータ３と一体化されている。
半導体モジュール単体からの供給可能な交流電力が制約されていても、複数配置することで、モータ出力容量に応じた交流電力をインバータモジュールから供給することが可能となる。
さらに、高出力容量のインバータモジュールを新規設計する必要がなく、出力容量のバリエーションを持たせて、小形のインバータ一体型モータを製作することができる。冷却ブロックは、単一の半導体モジュールを冷却するのに使用されても良いし、図５１の冷却ブロック２２に示される様に、複数の半導体モジュールを冷却ブロック両面に載置して両面から冷却する能力を持たせても良い。
【０１４１】
実施例１〜１５においては、例えば冷却媒体にエチレングリコール５０％水溶液を用いて液冷方式としたが、吸気口から取り込んだ空気を冷却管路に循環させて空冷方式を採用してもよい。
【０１４２】
実施例１〜１５において、上アーム側スイッチング素子および下アーム側スイッチング素子は、Ｓｉ（シリコン）あるいはＳｉＣ（シリコンカーバイド）を構成要素とするＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどである。通常、ＩＧＢＴはフライホイールダイオードを逆並列接続して使用されるが、ＭＯＳＦＥＴは逆並列接続ダイオードを内蔵するため、フライホイールダイオードを逆並列接続せず単独で使用してもよい。
【０１４３】
実施例１〜１５において、制御回路が実装された配線基板をスイッチング素子が配置された素子冷却用金属部材の上部側に配置していたが、素子冷却用金属部材の同一面内に制御回路を配置して構成し、制御回路からスイッチング素子の信号端子に接合してもよい。素子冷却用金属部材上にスイッチング素子と制御回路を併せて実装することができ、より実装密度の高いモジュールを提供することができる。
【０１４４】
実施例１〜１５において、平滑コンデンサはシート状の素材を巻回して作成するフィルムコンデンサやアルミニウム電解コンデンサが使用できる。フィルムコンデンサやアルミニウム電解コンデンサは円筒形状のものでも良いし、圧縮した扁平形状としてもよい。また、インバータモジュールの中空部に配置された平滑コンデンサは円筒の一体形状としているが、分割されたコンデンサを複数個、中空部に配置して使用してもよい。
【０１４５】
実施例１〜１５において、電流センサあるいはシャント抵抗を使って各相出力電流を検出しているが、センサレス制御方式を使ってモータ駆動する場合には、電流センサあるいはシャント抵抗による各相出力電流の検出を省略して制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１４６】
【図１】インバータ装置を搭載するハイブリット電気自動車の走行モータ制御装置の一実施例を示す回路図である。
【図２】従来のインバータモジュールの入力電源端子側から見た斜視図である。
【図３】従来のインバータモジュールの出力導体側から見た斜視図である。
【図４】図２のインバータモジュールのＸ−Ｘ断面図である。
【図５】図４のインバータモジュールをＹ方向から見た平面図であり、アームを構成するスイッチング素子を一並列したものである。
【図６】スイッチング素子の内部回路構成と各信号端子を示した図である。
【図７】図４のインバータモジュールをＹ方向から見た平面図であり、アームを構成するスイッチング素子を二並列したものである。
【図８】インバータ一体型モータの概念図である。
【図９】図８のインバータ一体型モータの断面図である。
【図１０】図８の他の実施例であり、モータハウジングの一端面に冷却ブロックを構成した図である。
【図１１】本発明の実施例による、インバータモジュールの斜視図である。
【図１２】図１１のインバータモジュールの上面模式図である。
【図１３】図１１のインバータモジュールの配線基板を取り除いた斜視図である。
【図１４】図１３の平面図である。
【図１５】図１４のＺ−Ｚ断面から見た部分斜視図である。
【図１６】図１３の平面図からワイヤを取り除いた平面図である。
【図１７】図１６の他の実施例であり、上アームのグループと下アームグループに分けて配置した構成を示す図である。
【図１８】出力端子の斜視図である。
【図１９】図１４の半導体モジュールにおけるＹ−Ｙ断面の部分斜視図である。
【図２０】図１９の実施例による、正極導体と負極導体の積層配置構成を示す図である。
【図２１】図１９の他の実施例であり、出力導体と接続端子をボルトでネジ締め固定した図である。
【図２２】図１９の他の実施例であり、出力導体とモータ引き出し線をボルトでネジ締め固定した図である。
【図２３】図１９の他の実施例であり、インバータ側面に電流センサを配置しモータ引き出し線を取り出した図である。
【図２４】本発明の実施例による、素子冷却用金属部材と冷却ブロックの配置構成図である。
【図２５】図２４の他の実施例であり、フィン一体型の素子冷却用金属部材と冷却ブロックの配置構成図である。
【図２６】図２５の他の実施例であり、液密性を確保するＯリングを凹型に一体成形したものを使用した例である。
【図２７】本発明の実施例による、インバータモジュールの概念図であり、冷却ブロック、半導体モジュール、平滑コンデンサの順に配置した図である。
【図２８】本発明の実施例による、インバータモジュールの概念図であり、冷却ブロックの上面側に半導体モジュール、下面側に平滑コンデンサを配置した図である。
【図２９】図２８のインバータモジュールとモータを一体化した断面図である。
【図３０】本発明の実施例による、インバータモジュールの概念図であり、冷却ブロックの上面側に半導体モジュールを配置し、半導体モジュールの周囲を取り囲む形で平滑コンデンサを配置した図である。
【図３１】本発明の実施例による、半導体モジュールの上面図であり、各アームを構成するスイッチング素子を一並列して、冷却ブロック上面の約半分に半導体モジュールを配置した図である。
【図３２】本発明の実施例による、インバータモジュールの斜視図であり、冷却ブロック上面の約半分に半導体モジュール、残り半分に平滑コンデンサを配置した図である。
【図３３】本発明の実施例による、インバータモジュールの組立構成図であり、Ｕ字形状の冷却ブロックの上面に扇形状の半導体モジュールを配置し、該冷却ブロックと半導体モジュールに嵌合する形で平滑コンデンサを配置した図である。
【図３４】本発明の実施例による、インバータモジュールの斜視図であり、インバータモジュール中空部に各相の電流センサを一体化して配置した図である。
【図３５】本発明の実施例による、インバータモジュールの斜視図であり、コンバータを一体化したインバータモジュールを示す図である。
【図３６】図１の走行モータ制御装置の一実施例を示す回路図にコンバータを追加した回路図である。
【図３７】図１４の半導体モジュールにおけるＺ−Ｚ断面の斜視図であり、素子冷却用金属部材の上面に絶縁シート、導体板、スイッチング素子の順で各部材を配置した図である。
【図３８】図３７の他の実施例であり、電流センサに変えてシャント抵抗を配置した斜視図である。
【図３９】図３７の他の実施例であり、ワイヤに変えて接続導体板を使用した斜視図である。
【図４０】本発明の実施例による、インバータモジュールの斜視図であり、インバータモジュール中空部に平滑コンデンサを配置して一体化した図である。
【図４１】インバータ一体型モータの断面図である。
【図４２】本発明の他の実施例によるインバータモジュールの上面模試図であり、配線基板中央部に電源回路を配置し、該電源回路を中心として、略同心円状に制御信号端子、スイッチング素子の制御回路の順に配置した図である。
【図４３】図４２のインバータモジュールの配線基板を取り除いた斜視図であり、インバータモジュールの外周部に電流センサを併せて配置した図である。
【図４４】本発明の他の実施例によるインバータモジュールの上面模式図であり、配線基板中央部に電源回路を配置し、該電源回路を中心として略同心円状にスイッチング素子の制御回路を配置し、制御回路の内周部側に上アームスイッチング素子と接続する配線端子を配置し、制御回路の外周部側に下アームスイッチング素子と接続する配線端子を配置した図である。
【図４５】図４４のインバータ一体型モータの断面図である。
【図４６】図４４のインバータモジュールの配線基板を取り除いた斜視図であり、インバータモジュールの外周部に電流センサを併せて配置した図である。
【図４７】図４４の他の実施例であり、周方向に配置したスイッチング素子の内周部側に下アームスイッチング素子と接続する配線端子を配置し、スイッチング素子の外周部側に上アームスイッチング素子と接続する配線端子を配置した斜視図である。
【図４８】本発明の他の実施例によるインバータモジュールの平面図であり、配線基板中央部に電源回路を配置し、該電源回路を中心として、略同心円状に制御回路を配置するとともに、略径方向に制御信号端子を配置した図である。
【図４９】図４８のインバータモジュールの配線基板を取り除いた斜視図である。
【図５０】本発明の他の実施例であり、周方向に配置したスイッチング素子の外周部側に円弧状導体部を有する正極導体と負極導体を配置した斜視図である。
【図５１】本発明の他の実施例によるインバータ一体型モータの概念図であり、インバータ装置を冷却ブロックの上下に複数の半導体モジュールおよび平滑コンデンサユニットを配置した図である。
【符号の説明】
【０１４７】
１    直流電源（主バッテリ）
２    インバータモジュール
３    走行モータ
４    平滑コンデンサ
５    Ｕ相インバータ回路
５ａ、５ｂ    Ｕ相スイッチング素子
５ｅ、６ｅ、７ｅ    出力端子
６    Ｖ相インバータ回路
６ａ、６ｂ    Ｖ相スイッチング素子
７    Ｗ相インバータ回路
７ａ、７ｂ    Ｗ相スイッチング素子
８    制御ユニット回路
９、９ａ、９ｂ、９ｃ    電流センサ
１０ａ、１０ｂ    外部コントローラ信号
１１    絶縁被覆ケーブル
１２    絶縁被覆ケーブル
１３    （＋）ブスライン（接続導体）
１４    （−）ブスライン（接続導体）
１５    Ｕ相ブスライン
１６    Ｖ相ブスライン
１７    Ｗ相ブスライン
１８    絶縁被覆ケーブル
１９    絶縁被覆ケーブル
２０    絶縁被覆ケーブル
２１    半導体モジュール
２２    冷却ブロック
２３    冷却ブロック載置面
２４ａ、２４ｂ    冷液管
２５    正極導体
２６    負極導体
２７    絶縁基板
２７ａ、２７ｂ    Ｕ相絶縁基板
２８    素子冷却用金属部材
２９    ハウジング
３０ａ、３０ｂ    回路パターン
３１ａ〜３１ｆ    ワイヤ（太線）
３２    シールド板
３３    配線基板
３４ａ〜３４ｄ    ワイヤ（細線）
３５ａ〜３５ｄ    信号端子
３６ａ〜３６ｆ    配線導体
３７    温度検知ダイオード
３８    インバータ一体型モータ
３９    インバータケース
４０    シャフト
４１    ロータ
４２    ステータ
４３    ステータコイル
４４ａ、４４ｂ    ベアリング
４５    モータハウジング
４６    モータ引き出し線
４７    外周壁
４８    内周壁
４９    トランス
５０    コンデンサ
５１ａ〜５１ｆ    制御回路
５２ａ〜５２ｆ    各相アーム
５３    ボルト
５４    接続端子
５５    接続ケーブル
５６    放熱フィン
５７    Ｏリング
５８    絶縁基板
５９    昇圧コンバータ回路
６０    リアクトル
６１ａ〜６１ｆ    ワイヤ（太線）
６２    リアクトル接続導体
６３ａ〜６３ｄ    ワイヤ（細線）
６４    絶縁シート
６５    導体板
６６    熱拡散板
６７ａ、６７ｂ    出力導体
６８ａ〜６８ｃ    シャント抵抗
６９    接続導体
【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】
0004708951.tif 000006
【図６】
0004708951.tif 000007
【図７】
0004708951.tif 000008
【図８】
0004708951.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004708951.tif 000011
【図１１】
0004708951.tif 000012
【図１２】
0004708951.tif 000013
【図１３】
0004708951.tif 000014
【図１４】
0004708951.tif 000015
【図１５】
0004708951.tif 000016
【図１６】
0004708951.tif 000017
【図１７】
0004708951.tif 000018
【図１８】
0004708951.tif 000019
【図１９】
0004708951.tif 000020
【図２０】
0004708951.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
0004708951.tif 000027
【図２７】
0004708951.tif 000028
【図２８】
0004708951.tif 000029
【図２９】
0004708951.tif 000030
【図３０】
0004708951.tif 000031
【図３１】
0004708951.tif 000032
【図３２】
0004708951.tif 000033
【図３３】
0004708951.tif 000034
【図３４】
0004708951.tif 000035
【図３５】
0004708951.tif 000036
【図３６】
0004708951.tif 000037
【図３７】
0004708951.tif 000038
【図３８】
0004708951.tif 000039
【図３９】
0004708951.tif 000040
【図４０】
0004708951.tif 000041
【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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