(57)【要約】【課題】半田に加わる荷重を低減して半田の寿命低下を防止することができる車両用交流発電機の整流装置を提供すること。【解決手段】車両用交流発電機１の整流装置７は、放熱フィン７２と複数の整流素子７３と端子台７７とを備える。整流素子７３は、半導体チップ８２と、半導体チップ８２の一方の面が接合される支持体としてのマウント電極８０と、半導体チップ８２の他方の面に接合されるリード電極８４とを備える。リード電極８４は、半導体チップ８２の他方の面に対向する接合部８４Ａと、接合部８４Ａに対して垂直方向に引き出されたリード部本体８４Ｂとを有する。ターミナル７６は、端子台７７とリード部本体８４Ｂとの間にこのリード部本体８４Ｂに対して垂直な向きに配置され接続部７６Ａを有する。この接続部７６Ａは、熱膨張係数が異なる複数のターミナルプレート７６Ａ１、７６Ａ２からなる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱フィンと、前記放熱フィンに接合される複数の整流素子と、前記複数の整流素子が接続されるターミナルを有する端子台とを備える車両用交流発電機の整流装置において、
前記整流素子は、半導体チップと、前記半導体チップの一方の面が接合される支持体と、前記半導体チップの他方の面に接合されるリード電極とを備え、
前記リード電極は、前記半導体チップの他方の面に対向する接合部と、前記接合部に対して垂直方向に引き出されたリード部本体とを有し、
前記ターミナルは、前記端子台と前記リード部本体との間にこのリード部本体に対して垂直な向きに配置され接続部を有し、
前記接続部は、熱膨張係数が異なる複数のターミナルプレートからなることを特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記複数のターミナルプレートの熱膨張率は、前記接合部から遠い側が大きく、近い側が小さく設定されていることを特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記複数のターミナルプレートの少なくとも一つを銅あるいは銅合金で形成すること特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記複数のターミナルプレートの少なくとも一つを鉄あるいは鉄合金で形成すること特徴とする車両用交流発電機の整流装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機の整流装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用交流発電機の整流装置は固定子巻線によって発生する交流電流を整流するものであり、市場競争力の維持あるいは向上のために、小型軽量化、高出力化、低価格とともに耐久性の向上は重要な課題である。耐久性を決める要因の一つに、整流素子の半導体チップと電極を接続する半田の疲労寿命がある。この疲労寿命には半田に加わる荷重が影響し、その荷重には、熱膨張差による荷重、および組み付け時や車両搭載時の機械的荷重などがある。特に、半田層と垂直な向きに引張り荷重が半田に加わると寿命低下が大きくなる。このような引張り荷重を低減するものとして、整流素子のリード電極を湾曲させた応力緩和形状として機械的荷重を軽減したり、マウント電極を接続して冷却する冷却フィンを高剛性とすることで整流素子の半田に加わる荷重を軽減する構造を採用する整流装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２８２９３８号公報（第３−６頁、図１−８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に開示された従来の整流装置は、整流素子のリード電極に設けた湾曲させた応力緩和形状においては軸方向の大きな荷重に対しては湾曲部が変形して荷重を吸収するが、小さい荷重に対しては湾曲部が変形に至らず、機械的荷重が整流素子の半田に作用するため、このような小さな荷重が継続的に作用した場合には半田の寿命低下を防止することができない。また、リード電極に設けた湾曲させた応力緩和形状をらせん状等にして小さい荷重が加わらない形状にしているが、このような製造しにくい形状を採用すると製造コストが高くなる。
【０００４】
また、整流素子のリード電極は整流装置のブリッジ回路を形成するように金属タ−ミナルに接続されるが、その場合には半田付けや溶接等の熱により接続を行うことになるため、高温状態で接続されることになる。したがって、熱膨張した状態で接続されたリード電極が常温状態になると熱収縮力が発生し、この収縮力は出力端子と冷却フィン間にある整流素子の半田に引張り荷重として作用するため、半田の寿命低下を招くことになる。特に、実車使用時においては、接続時より温度の低い状態で使用されることより、常時半田に引張り荷重が作用する。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、半田に加わる荷重を低減して半田の寿命低下を防止することができる車両用交流発電機の整流装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機の整流装置は、放熱フィンと、放熱フィンに接合される複数の整流素子と、複数の整流素子が接続されるターミナルを有する端子台とを備えている。整流素子は、半導体チップと、半導体チップの一方の面が接合される支持体と、半導体チップの他方の面に接合されるリード電極とを備える。リード電極は、半導体チップの他方の面に対向する接合部と、接合部に対して垂直方向に引き出されたリード部本体とを有する。ターミナルは、端子台とリード部本体との間にこのリード部本体に対して垂直な向きに配置され接続部を有する。接続部は、熱膨張係数が異なる複数のターミナルプレートからなる。具体的には、上述した複数のターミナルプレートの熱膨張率は、接合部から遠い側が大きく、近い側が小さく設定されていることが望ましい。
【０００７】
これにより、温度変化が生じた場合にターミナルの接続部からリード部本体を介して半田層に作用する荷重を低減することが可能になり、半田の寿命低下を防止することができる。特に、リード部本体とターミナルの接続部とを接続する際に高温になってリード部本体が熱膨張し、その後冷却とともにリード部本体の膨張が収まった場合であっても、この膨張の程度に連動するように接続部の先端を変位させることが可能になり、半導体チップの接合に用いられる半田層に常時荷重がかかることを防止することができる。
【０００８】
また、上述した複数のターミナルプレートの少なくとも一つを銅あるいは銅合金で形成することが望ましい。これにより、接続部全体の導電性を向上させて通電時の発熱量を抑えることができる。
【０００９】
また、上述した複数のターミナルプレートの少なくとも一つを鉄あるいは鉄合金で形成することが望ましい。これにより、接続部全体の剛性を高めるとともにコストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、フロント側フレーム４、リア側フレーム５、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８、プーリ９等を含んで構成されている。
【００１１】
回転子２は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線２１を、それぞれが６個の爪部を有する界磁鉄心２２、２３によって、回転軸２４を通して両側から挟み込んだ構造を有している。また、フロント側（プーリ９側）の界磁鉄心２２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すための冷却ファン２５が溶接等によって取り付け固定されている。同様に、リア側の界磁鉄心２３の端面には、リア側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すための冷却ファン２６が溶接等によって取り付け固定されている。固定子３は、固定子鉄心３１と、三相の固定子巻線３２とを備えている。
【００１２】
整流装置７は、固定子３の三相の固定子巻線３２の出力電圧である三相交流を整流して直流出力を得るためのものであり、所定の間隔で固定される正極側放熱フィン７２および負極側放熱フィン７４と、それぞれの放熱板に半田付け等によって取り付けられた複数個の整流素子とを含んで構成されている。整流装置７の詳細については後述する。
【００１３】
フロント側フレーム４およびリア側フレーム５は、上述した回転子２および固定子３を収納しており、回転子２が回転軸２４を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子２の界磁鉄心２２、２３の外側に所定の隙間を介して配置された固定子３が固定されている。
【００１４】
電圧調整器８は、界磁巻線２１に流す励磁電流を制御することにより車両用交流発電機１の出力電圧を調整するためのものであり、電気負荷と発電量とに応じて変化する出力電圧をほぼ一定に維持する。プーリ９は、エンジン（図示せず）の回転を車両用交流発電機１内の回転子２に伝えるためのものであり、回転軸２４の一方端（スリップリング等と反対側）にナット９１によって締め付け固定されている。また、ブラシ装置６、整流装置７、電圧調整器８を覆うように、これらを保護するリアカバー１０が取り付けられている。このリアカバー１０は、ナット１１によってリア側フレーム５から延びるボルト５１に、整流装置７を挟み込んだ状態で締め付け固定されている。
【００１５】
次に、整流装置７の詳細に説明する。図２は、整流装置７の裏面図であり、リア側フレーム５側から見た形状が示されている。整流装置７は、絶縁部材を挟んで軸方向に離間して対向するように積層された正極側放熱フィン７２および負極側放熱フィン７４と、正極側放熱フィン７２に半田付けによって取り付けられた正極側整流素子７３と、負極側放熱フィン７４に半田付け等によって取り付けられた負極側整流素子７５と、これら正極側整流素子７３および負極側整流素子７５と固定子巻線３２との間の電気的接続を行うターミナル７６を内蔵した端子台７７と、正極側放熱フィン７２の端部に取り付けられた出力取り出し用の出力端子７８とを備えている。なお、図２では、正極側整流素子７３および負極側整流素子７５のそれぞれとターミナル７６とを接近させて図示したが、図３に示すように本実施形態ではこれらの間を離間している。
【００１６】
図３は、正極側整流素子７３の取り付け状態を示す断面図であり、正極側整流素子７３が取り付けられる正極側放熱フィン７２とターミナル７６および端子台７７の一部に着目して断面が示されている。なお、負極側整流素子７５についても基本的には同じであり、以下では、正極側整流素子７３のみについて説明し、負極側整流素子７５についての説明は省略する。
【００１７】
図３に示すように、正極側整流素子７３は、ディスク部としてのマウント電極８０、ろう付け層としての半田層８１、半導体チップ８２、ろう付け層としての半田層８３、リード電極８４、封止樹脂８５を含んで構成されている。
【００１８】
マウント電極８０は、半導体チップ８２の一方の面に配置された一方の電極であり、カップ形状を有する支持体であって、カップ形状の底面が半導体チップ８２を接合する半田付け面となる。例えば、マウント電極８０は銅材料によって形成されている。本実施形態では、正極側整流素子７３の凹部にマウント電極８０が半田付けによって取り付けられている。
【００１９】
リード電極８４は、半導体チップ８２の他方の面に対向するように配置された他方の電極であって、半導体チップ８２とほぼ同じ形状の接合部８４Ａと、この接合部８４Ａに対して垂直方向に引き出されたリード部本体８４Ｂと、このリード部本体８４Ｂの一部を薄くしてリード部本体８４Ｂの延在方向と垂直な向きに折り曲げた緩衝部８４Ｃとを有している。例えば、半導体チップ８２と接合部８４Ａは、ともに円板形状に形成されている。
【００２０】
本実施形態では、リード部本体８４Ｂと端子台７７とが離間して配置されており、これらの離間した隙間にターミナル７６の接続部７６Ａが配置されている。この接続部７６Ａは、一方端側が端子台７７に埋め込まれた状態で、かつ、リード部本体８４Ｂとほぼ垂直な向きに配置されており、他方端側に設けられた貫通穴にリード部本体８４Ｂの先端部を通した状態で半田付けされている。なお、リード部本体８４Ｂと接続部７６Ａの接合は、溶接やかしめ等の半田付け以外の方法で行うようにしてもよい。
【００２１】
また、この接続部７６Ａは、熱膨張係数が異なるターミナルプレート７６Ａ１、７６Ａ２を貼り合わせることにより形成されている。接合部８４Ａから遠い側の一方のターミナルプレート７６Ａ１の熱膨張率が、接合部８４Ａに近い側の他方のターミナルプレート７６Ａ２の熱膨張率よりも大きくなるようにそれぞれの材質が選定されている。これにより、温度が変化したときに、ターミナルプレート７６Ａ１、７６Ａ２のそれぞれの熱膨張率の差に応じて接続部７６Ａの端部（端子台７７と反対側）がリード部本体８４Ｂの延在方向に変位する。
【００２２】
なお、これら２種類のターミナルプレート７６Ａ１、７６Ａ２の少なくとも一方を銅あるいは銅合金で形成することにより、接続部７６Ａ全体の導電性を向上させて通電時の発熱量を抑えることができる。また、これら２種類のターミナルプレート７６Ａ１、７６Ａ２の少なくとも一方を鉄あるいは鉄合金で形成することにより、接続部７６Ａ全体の剛性を高めるとともにコストダウンを図ることができる。例えば、これらの利点を享受するために、２種類のターミナルプレート７６Ａ１、７６Ａ２の一方を銅あるいは銅合金で形成し、他方が鉄あるいは鉄合金で形成することが考えられる。また、２種類のターミナルプレート７６Ａ１、７６Ａ２はともに金属材料で形成されるが、一方をセラミックス等の非金属材料で形成するようにしてもよい。
【００２３】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１の整流装置７では、温度変化が生じた場合にターミナル７６の接続部７６Ａからリード部本体８４Ｂを介して半田層に作用する荷重を低減することが可能になり、半田の寿命低下を防止することができる。特に、リード部本体８４Ｂとターミナル７６の接続部７６Ａとを接続する際に高温になってリード部本体８４Ｂが熱膨張し、その後冷却とともにリード部本体８４Ｂの膨張が収まった場合であっても、この膨張の程度に連動するように接続部７６Ａの先端を変位させることが可能になり、半導体チップ８２の接合に用いられる半田層に常時、引張り荷重がかかることを防止することができる。
【００２４】
図４は、ターミナル７６の接続部７６Ａの変形例を示す図である。図４に示す接続部７６Ａは、図３に示した構造に対して、一方のターミナルプレート７６Ａ２をターミナルプレート７６Ａ３に置き換えた点が異なっている。このターミナルプレート７６Ａ３は、他方のターミナルプレート７６Ａ１よりも先端側が短くなっている。このため、接続部７６Ａとリード部本体８４Ｂとの接合は、ターミナルプレート７６Ａ１のみを用いて行われる。
【００２５】
図５は、ターミナル７６の接続部７６Ａの他の変形例を示す図である。図５に示す接続部７６Ａは、図３に示した構造に対して、一方のターミナルプレート７６Ａ２をターミナルプレート７６Ａ４に置き換えた点が異なっている。このターミナルプレート７６Ａ４は、他方のターミナルプレート７６Ａ１よりも両端部が短くなっている。このため、接続部７６Ａとリード部本体８４Ｂとの接合は、ターミナルプレート７６Ａ１のみを用いて行われる。また、一方のターミナルプレート７６Ａ１の端部のみが端子台７７に埋め込まれ、他方のターミナルプレート７６Ａ４は、端子台７７の外部に完全に露出した状態になっている。
【００２６】
このように、一方のターミナルプレート７６Ａ１に対して、他方のターミナルプレート７６Ａ２（図３）、７６Ａ３（図４）、７６Ａ４（図５）の長さを可変することにより、接続部７６Ａの端部の変位の程度を調整することが可能となる。これにより、リード部本体８４Ｂの延在方向の温度変化に伴う伸縮の程度と接続部７６Ａの変位の程度とを一致させることが容易となり、半田層に加わる引張り荷重を低減して半田の寿命低下を確実に防止することができる。さらには、上記の端部の変位の程度を調整することにより、半田層に圧縮加重が常時、かかるように設定することも可能であり、これによって、半田の寿命のさらなる向上に寄与することも可能である。
【００２７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。図４あるいは図５に示した例では接合部８４Ａに近い側のターミナルプレートの長さを変更したが、反対に接合部８４Ａから遠い側のターミナルプレートの長さを変更するようにしてもよい。
【００２８】
また、上述した実施形態では、正極側放熱フィン７２の凹部に正極側整流素子７３を半田付けしたが（負極側放熱フィン７４についても同様）、正極側放熱フィン７２に設けた貫通穴に正極側整流素子７３のマウント電極８０を圧入するようにしてもよい。また、上述した実施形態では、２枚のターミナルプレートによって接続部７６Ａを構成したが、それ以上の数のターミナルプレートを組み合わせるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す断面図である。
【図２】整流装置の裏面図である。
【図３】正極側整流素子の取り付け状態を示す断面図である。
【図４】ターミナルの接続部の変形例を示す図である。
【図５】ターミナルの接続部の他の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  車両用交流発電機
２  回転子
３  固定子
４  フロント側フレーム
５  リア側フレーム
６  ブラシ装置
７  整流装置
８  電圧調整器
７２  正極側放熱フィン
７３  正極側整流素子
７４  負極側放熱フィン
７５  負極側整流素子
７６  ターミナル
７６Ａ  接続部
７６Ａ１、７６Ａ２  ターミナルプレート
７７  端子台
７８  出力端子
８０  マウント電極
８１、８３  半田層
８２  半導体チップ
８４  リード電極
８４Ａ  接合部
８４Ｂ  リード部本体
８４Ｃ  緩衝部
【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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