JP2010165914A - インバータ装置及びインバータ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１枚の基板上にインバータ回路と制御回路とを配置することによるメリットは享受しつつ基板への回路搭載の簡略化を進めるとともに、さらに省スペースに基板を配置することが可能なインバータ装置及びインバータ装置の製造方法を提供する。
【解決手段】冷却装置７と、冷却装置７により冷却されるインバータ回路３と、このインバータ回路３を含む第１の実装部品２０が実装される第１の基板１と、第１の基板１と対向する位置に設けられる第２の実装部品４を実装する第２の基板２と、第１の実装部品３と第２の実装部品４とを電気的に接続するリード線５とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、インバータ装置及びインバータ装置の製造方法に関する。

例えば、空気調和機のインバータ装置では、インバータ主回路のみまたはインバータ主回路及びインバータ素子の駆動回路を一体化したＩＰＭ（インテリジェント・パワー・モジュール）を含むＤＩＰ（デュアル・インライン・パッケージ）型半導体装置が電源回路として用いられる。空気調和機を含め一般的に電気製品のインバータ電源回路は、回路規模が大きく、しかも多くの熱が放射されるためその収納には工夫が必要であった。そのため、これらの半導体素子（電源回路）は、放熱による影響を避けるために制御回路が搭載されるプリント基板から距離を離して設置される。

これら電源回路と制御回路とは物理的に離して設置するため、電源回路と制御回路とを長い距離に亘ってリード線で接続する必要が生ずる等、組立工数が増大することがあった。

そこで、以下の特許文献１では、電源回路と制御回路とを１枚のプリント基板で一体構成とした発明が開示されている。この発明によれば、電源回路の設置、および電源回路と制御回路との接続が不要になり組立工数が大幅に低減できる、という効果が期待できるとされる。

ここで、電源回路のはんだ付けによる基板への接続に当たっては、まず制御回路を接続するための基板表面へのはんだ処理が行われる。そのため基板に対するはんだ処理が行われるにあたっては、前処理として、電源回路が搭載される領域や貫通孔にはテープ等を貼付するというはんだが付着しないようにマスキング処理を行う必要がある。

そしてはんだ処理を行い基板冷却の後マスキングを剥がす。マスキング処理がされていた領域には基板表面に対して行われたはんだ処理によるはんだが付着していない。その上で、基板に電源回路を搭載する。電源回路は、端子を基板表面から裏面へと貫通させて接続する。但し、この接続に当たっては基板裏面側においてはんだ処理を行う必要がある。

特開平９−１３００６８号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示されている発明では、以下の点について考慮がされていない。

すなわち、電源回路を基板に接続するには上述したようなマスキングの前処理を行う必要が生ずる。これは電源回路と制御回路とが１枚の基板上の様々な位置に混在して搭載されるためである。

このような前処理を行うと、マスキング処理の作業時間が発生するとともにマスキング部材も余分に必要となる。また、マスキングが必要な領域を含む少し大きめの領域に対してマスキング処理が行われることになるため、どうしても基板上に部品配置を行う上でデッドスペースが生ずることにもなる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、１枚の基板上に電源回路と制御回路とを配置することによるメリットは享受しつつ基板への回路搭載の簡略化を進めるとともに、さらに省スペースに基板を配置することが可能なインバータ装置及びインバータ装置の製造方法を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、インバータ装置において、冷却装置と、冷却装置により冷却されるインバータ回路と、このインバータ回路を含む第１の実装部品が実装される第１の基板と、第１の基板と対向する位置に設けられる第２の実装部品を実装する第２の基板と、インバータ回路と第２の実装部品とを電気的に接続するリード線とを備える。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、インバータ装置の製造方法において、第１の基板表面に第１の実装部品を実装する工程と、リード線の一方の端子をインバータ回路と接続する工程と、第１の基板を反転させて冷却装置上にインバータ回路が載置するように第１の基板を固定する工程と、第１の基板の裏面とその裏面が対向する位置に第２の実装部品が実装された第２の基板を固定する工程とを備える。

本発明によれば、１枚の基板上に電源回路と制御回路とを配置することによるメリットは享受しつつ基板への回路搭載の簡略化を進めるとともに、さらに省スペースに基板を配置することが可能なインバータ装置及びインバータ装置の製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るインバータ装置の概略回路図である。 本発明の第１の実施の形態に係るインバータ装置に搭載される基板シートの全体を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るインバータ装置の筐体に第１の実装部品が搭載された第１の基板と第２の実装部品が搭載された第２の基板とを取り付けた状態を表わした図面である。 本発明の第２の実施の形態に係るインバータ装置に搭載される基板シートの全体を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るインバータ装置の筐体に第１の実装部品が搭載された第１の基板と第２の実装部品が搭載された第２の基板とを取り付けた状態を表わした図面である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るインバータ装置Ｉの回路図である。インバータ装置Ｉは商用交流電源ＡＣを整流・平滑する整流・平滑回路Ｂとインバータ回路(電源回路)３とこのインバータ回路３の出力周波数や電圧を制御する制御回路Ｄ１から構成される。インバータ回路３の出力はモータＭに供給され、モータＭを可変速駆動する。インバータ回路３は複数のインバータ主回路素子Ｃ１及びこの主回路素子Ｃ１をＯＮ／ＯＦＦ駆動する駆動回路Ｃ２によって構成される。図１に示す三相インバータの場合、主回路素子Ｃ１が６個用いられる。制御回路Ｄ１は、各主回路素子Ｃ１を駆動するための制御（ＯＮ／ＯＦＦ）指令信号を駆動回路Ｃ２に出力し、この信号に基づき駆動回路Ｃ２は各インバータ主回路素子Ｃ１を駆動するためのＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。制御回路Ｄ１と駆動回路Ｃ２間は、リード線Ｃ３によって接続される。

後述するように、インバータ回路３は、第１の基板１に搭載され、制御回路Ｄ１は、第２の基板２に搭載される。なお、本実施の形態においては、主回路素子Ｃ１と駆動回路Ｃ２は一体のＤＩＰ（デュアル・インライン・パッケージ）型半導体素子に組み込まれているため、以下、この半導体素子についても符号としてはインバータ回路３と同じ符号を用いて説明する。整流・平滑回路Ｂからインバータ回路３へは直流電圧が供給されており、この直流電圧を供給する２本のリード線５は制御回路Ｄ１が載置されている第２の基板２を経由して第１の基板１上のインバータ回路３へ入力される。同じように、インバータ回路３の三相出力は３本のリード線５を用いて第２の基板２を経由してモータＭに供給される。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係るインバータ装置Ｉに搭載される基板シートＳの全体を示す平面図である。１枚の基板シートＳ上には、インバータ装置Ｉのインバータ回路３とインバータ装置Ｉを制御するための制御回路Ｄ１等が搭載されている。また、インバータ回路３と制御回路Ｄ１とは基板シートＳ上にその位置を混在させて搭載されているのではなく、基板シートＳ上でインバータ回路３、制御回路Ｄ１のそれぞれの機能ごとにまとめて搭載されている。本発明の実施の形態においては、基板シートＳ上、インバータ回路３が搭載される領域を第１の基板１とし、制御回路Ｄ１が搭載される領域を第２の基板２とする。従って、基板シートＳは、第１の基板１と第２の基板２とから構成される。

１枚の基板シートＳを構成する第１の基板１と第２の基板２は基板シートＳに形成された基板分離部Ｆを折ることで容易に分離させることが可能とされている。基板分離部Ｆは、基板シートＳを第１の基板１と第２の基板２との境界に形成される。基板分離部Ｆは、例えば、基板シートＳをＶ字に切り込みを入れたり、或いは基板シートＳの表面から裏面にかけてスリット状にカットすることによって容易に折り曲げ、分離することができるように形成される。

第１の基板１上には、ＤＩＰ型半導体素子３及びコネクタや周辺回路部品からなる第１の実装部品２０が実装される。

第２の基板２上には、インバータ装置Ｉの駆動を制御するマイコン装置等からなる制御回路Ｄ１、端子台６、コネクタや各種周辺回路からなる第２の実装部品４が実装される。

第１の基板上のインバータ回路３と第２の基板２上に搭載される第２の実装部品４である端子台６とはリード線５によって接続される。リード線５の両端には端子が設けられており、一方の端子が第１の実装部品２０の内のＤＩＰ型半導体素子３の端子と接触し、また、他方の端子が第２の実装部品４中の端子台６と接触する。第１の実施の形態においては、ＤＩＰ型半導体素子３の端子と接続されるリード線５の一方の端子は、いわゆるボードイン端子が採用されている。他方の端子は、第２の基板２上に設けられた端子台６にネジ止めすることによって接続する丸型端子とされている。

図３に示すように、ＤＩＰ型半導体素子３の端子が第１の基板１に形成された貫通孔に差し込まれた際に、このボードイン端子５ａをこの同じ貫通孔に併せて差し込まむことによってリード線５がＤＩＰ型半導体素子３と接続される。ボードイン端子５ａには係止部が設けられており、一旦貫通孔に差し込まれ係止部が貫通孔の淵に引っかかるとこの係止部を外さない限り貫通孔からボードイン端子５ａが外れることはない。

図２の基板シートＳでは、ＤＩＰ型半導体素子３が第１の基板１上に実装されるとともに、ＤＩＰ型半導体素子３の端子が嵌め込まれた貫通孔と同一の貫通孔に一方端子をボードイン端子５ａとするリード線５が接続された状態が示されている。一方、リード線５の他方端子である丸型端子５ｂは、第２の基板２上に設けられた端子台６に接続されていない状態である。

図２に示す基板シートＳの状態で基板の裏面にはんだ処理を行う。本発明の実施の形態においては、基板シートＳ上でインバータ回路３と制御回路Ｄ１とは同じ表面に実装され、それぞれ第１の基板１と第２の基板２とに明確に分離して配置されている。しかも、第１の基板１と第２の基板２との間には基板分離部Ｆが形成されている。従って、従来のようにインバータ回路３他の第１の実装部品２０が搭載される領域にマスキング処理を行う必要はなく、マスキング部材も不要である。また、併せて第１の基板１の裏面に対してもはんだ処理を行うことで、インバータ回路３とリード線５の一方端子５ａの接続部を１つ１つはんだ処理しなくとも一括してはんだ付けすることができる。

図３は、インバータ装置Ｉの筐体Ｐに第１の実装部品２０が搭載された第１の基板１と第２の実装部品４が搭載された第２の基板２とを取り付けた状態を表わした図面である。なお、理解及び説明の都合上、筐体Ｐを最も下に示し、その上に第１の基板１と第２の基板２とを配置するように示している。以下、この図３を用いてインバータ装置Ｉの製造方法について述べる。

図３に示すように、筐体Ｐと面一となるように冷却装置７が嵌め込まれている。この冷却装置７は、一般にアルミ材からなるヒートシンクで、非常に熱を放出するインバータ回路３を冷却するとともに筐体Ｐの外部へとその熱を逃がす。冷却装置７が筐体Ｐと面一となるような位置に固定されているのは、筐体Ｐの内部に設置するよりも効果的にインバータ回路３からの熱を外部へ放熱できるからである。但し、インバータ回路３からの放熱量によっては、冷却装置７を筐体Ｐの外部に突出させて、さらに放熱性を良くするようにしても良い。

このように、筐体Ｐに冷却装置７を嵌め込むことのできる切り欠きを形成し、その後冷却装置７を冷却装置７の放熱面が筐体Ｐと面一となるように嵌め込み固定する。

その上で第１の実装部品２０のうちの少なくともインバータ回路３を冷却装置７に接触させて載置する。このように冷却装置７に直接インバータ回路３を接触させることで効率の良い放熱効果を得ることができる。インバータ回路３をこのような向きに冷却装置へ接触させるために、インバータ回路３が搭載された第１の基板１を反転させて筐体Ｐにスペーサ８ａを用いて固定している。

すなわち、基板シートＳ上に形成された基板分離部Ｄを図１に示す方向に折り曲げると基板シートＳは、基板分離部Ｆで第１の基板１と第２の基板２の２つに割れ、第１の基板１は反転し、その状態のまま筐体Ｐに固定することで第１の基板１の表面（第１の実装部品３が搭載されている面）が冷却装置７と対向する。この状態でインバータ回路３を冷却装置７に接触するように第１の基板１をスペーサ８を用いて固定する。

第１の基板１を固定するスペーサ８ａの高さ（長さ）は、筐体Ｐから第１の基板１までの高さ（長さ）であり、スペーサ８ａは、筐体Ｐに例えば、ネジ止めされることで固定される。

さらに、分離された第２の基板２を第１の基板１上に積層する。この状態では、図３に示すように第１の基板１の裏面と第２の基板２の裏面とが対向する向きにある。つまり、基板シートＳに形成された基板分離部Ｆを折り曲げて第１の基板１と第２の基板２とに分離し、第２の基板２については、そのままの向きで筐体Ｐに固定する。

その上で、インバータ回路３と接続されていたリード線５の他方の端子５ｂを第２の基板２上に設けられた端子台６にネジ止めする。リード線５の他方の端子５ｂは、丸型端子を採用しているので、端子台６に確実に止めることができる。

なお、図３には、第２の基板２上の端子台６に別のリード線９がネジ止めされているが、このリード線９は、例えば、図１に示すように直流電源ラインと圧縮機への出力ラインの接続配線である。この実施の形態においては、大電流用のインバータ装置であるため、第２の基板２上を直流電源やインバータ出力の電流が流れないように構成しているが、家庭用空気調和機に程度であれば、第２の基板２上のパターンを経由させて直流電源や圧縮機に接続するようにしても良い。

さらに、第１の基板１上の第１の実装部品２０のコネクタと第２の基板２上の制御回路Ｄ１の出力と繋がっているコネクタとをリード線Ｃ３で接続することで配線作業は完了する。

第２の基板２は、筐体Ｐにスペーサ８ｂを介して固定されている。スペーサ８ｂの高さ（長さ）は、第２の基板２と筐体Ｐとの間に第１の基板１を固定する必要があることから、この点を考慮した高さ（長さ）を持つ。なお、図３に示すように、第１の基板１を筐体Ｐに固定するために用いたスペーサ８ａの一方は、第２の基板２を固定するためのスペーサ８ｂと兼用されていても良い。

以上説明した基板シート（第１の基板及び第２の基板）を用いることによって、１枚の基板の同一面上にインバータ回路と制御回路とを配置することによるメリットは享受しつつ基板への回路搭載の簡略化を進めるとともに、さらに省スペースに基板を配置することが可能なインバータ装置及びインバータ装置の製造方法を提供することができる。

特に、第１の基板と第２の基板とを基板分離部において分離し、両基板を筐体Ｐに積層して固定することによって、筐体Ｐ内部における省スペース化を図ることが可能となる。また、筐体Ｐと面一となるように冷却装置を配置し、その冷却装置に発熱量の多いインバータ回路を直接載置することで、インバータ回路のより効果的な冷却を行うことができるとともに、第２の基板に搭載されている第２の実装部品に対する熱の影響を最小限に押さえることができる。

なお、基板を省スペースに配置する点に重点を置いて第１の基板と第２の基板とを積層化する際に、冷却装置を第１の基板と第２の基板との間に配置することも可能であるが、上述したように第２の基板に搭載されている第２の実装部品に対する第１の実装部品からの放熱の影響を考えると、本発明の実施の形態において説明したレイアウトが最も適していると言える。

また、本実施の形態によれば、第１の基板１と第２の基板２を折り曲げ分割した後、筐体Ｐに固定した後でインバータ回路３と接続されていたリード線５の他方の端子５ｂを第２の基板２上に設けられた端子台６にネジ止めした。

しかしながら、予めリード線５を基板１，２の筐体Ｐへの組み込み可能な長さに設定しておけば、基板シートＳの状態の時点でリード線５によって第１の基板１と第２の基板２間を接続しておき、その後、基板シートＳを折り曲げ、第１の基板１と第２の基板２に分割し、それぞれの基板１、２を筐体Ｐに固定してもよい。この場合、リード線５の長さを若干長めに設定しておく必要があるが、リード線５の第２の基板２へのねじ止め作業が基板シートＳの状態で実施できるため、作業効率が良く、さらに基板シートＳの第１の基板１と第２の基板２を折り曲げ分割の際に、それぞれの基板がばらばらにならず、その後の部品保管、搬送管理が容易となる。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態において、上述の第１の実施形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の構成要素の説明は重複するので省略する。

上述した第１の実施の形態において、第１の基板１と第２の基板２とを積層して省スペース化を図っているが、第２の実施の形態におけるインバータ装置Ｉであればさらに筐体Ｐからの高さ（長さ）を低く（短く）することが可能であり、一層の省スペース化を図ることが可能である。

図４は、第２の実施の形態における基板シートＳの平面を示す図である。第１の実施の形態と相違する点は、第１の基板１に搭載されたインバータ回路３とリード線の接続方法である。

すなわち、上述した第１の実施の形態では、リード線５がその一方端子にボードイン端子５ａを採用したことによって、インバータ回路３の端子が嵌め込まれる第１の基板１に設けられた貫通孔にこのボードイン端子５ａも併せて嵌め込むようにした。第１の実施の形態ではこのようにしてインバータ回路３とリード線５との接続を図っている。

一方、第２の実施の形態におけるインバータ回路３とリード線との接続は次のように行われる。インバータ回路３の端子が嵌め込まれる第１の基板１の貫通孔には、導電性部材で形成された中間部材１１が嵌め込まれる。この中間部材１１は、図５に反転して示されているように、第１の基板１に設けられた複数の貫通孔にそれぞれの端部がはめ込めるように形成されている。そこで、中間部材１１の一方端部をインバータ回路３の端子が嵌め込まれる第１の基板１の貫通孔にはめ込み、他方端部を別の貫通孔に嵌め込む。

この中間部材１１の他方端部が嵌め込まれた別の貫通孔には、第１の実装部品２０の内の１つである端子台１２の一方端部が嵌め込まれる。端子台１２は、こちらも第１の実装部品２０の内の１つである導電性の中間部材１１を介してインバータ回路３との導通を図るとともにリード線１３を固定する台であり、リード線１３の丸型端子をネジ止めによって固定する。

この様子はインバータ装置Ｉの筐体Ｐに第１の実装部品２０が搭載された第１の基板１と第２の実装部品４が搭載された第２の基板２とを取り付けた状態を表わした図５に明らかである。すなわち、第２の基板２上に設けられた端子台にその両端に丸型端子を採用したリード線１３の他方の端子を固定し、さらに第１の基板１に設けられた端子台１２にリード線１３の一方の端子を固定する。端子台１２とインバータ回路３の端子との間には導電性部材で形成される中間部材１１が嵌め込まれており、この中間部材１１を介してインバータ回路３と第２の実装部品４との電気的な接続が行われる。

このように、インバータ回路３と第２の実装部品４とをリード線１３を用いて接続する際に両端の端子をいずれも丸型端子とすることによって、リード線１３の接続部分の高さ（長さ）を低く（短く）することができる。このことはすなわち、筐体Ｐからの高さ（長さ）を低く（短く）することにつながる。

すなわち、第１の実施の形態において使用したリード線５の一方端子はボードイン端子であったため、インバータ回路であるＤＩＰ型半導体素子３の端子と同一の貫通孔に嵌め込むために端子の先端が強固に直線が維持されるように構成しなければならず、その分端子の長さや、高さを必要とする。一方、第２の実施の形態におけるリード線１３の一方端子は丸型端子であるので、第１の基板１上への端子台１２の配置は必要になるものの、端子の側面からリード線が引き出せるため、筐体Ｐからの高さ（長さ）を低く（短く）することが可能である。

なお、この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に予めリード線１６を基板１，２の筐体Ｐへの組み込み可能な長さに設定しておけば、基板シートＳの状態の時点でリード線１６によって第１の基板１と第２の基板２間を接続しておき、その後、基板シートＳを折り曲げ、第１の基板１と第２の基板２に分割し、それぞれの基板１、２を筐体Ｐに固定してもよい
以上説明したように、１枚の基板上に電源回路と制御回路とを配置することによるメリットは享受しつつ基板への回路搭載の簡略化を進めるとともに、さらに省スペースに基板を配置することが可能なインバータ装置及びインバータ装置の製造方法を提供することができる。

また、第１、第２の実施の形態においては、インバータ回路３として複数の主回路素子Ｃ１と駆動回路Ｃ２が一体に組み込まれたＤＩＰ型半導体素子を用いて説明したが、駆動回路Ｃ２は低電圧・低消費電力部品からなるため、インバータ回路３を複数の主回路素子Ｃ１のみとし、駆動回路Ｃ２を分離して第１の基板上に周辺回路として別置きにしてもよいし、さらには、駆動回路Ｃ２を第２の基板２側に設けることも可能である。

なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…第１の基板、２…第２の基板、３…インバータ回路、４…第２の実装部品、５…リード線、５ａ…ボードイン端子、５ｂ…丸型端子、６…端子台、７…冷却装置、８…スペーサ、９…他のリード線、１１…中間部材、１２…端子台、１３…リード線、２０…第１の実装部品、Ｄ…基板分離部、Ｓ…基板シート

Claims (6)

1. 冷却装置と、
   前記冷却装置により冷却されるインバータ回路と、
   前記インバータ回路を含む第１の実装部品が実装される第１の基板と、
   前記第１の基板と対向する位置に設けられる第２の実装部品を実装する第２の基板と、
   前記第１の実装部品と前記第２の実装部品とを電気的に接続するリード線と、
   を備えることを特徴とするインバータ装置。
2. 前記第１の基板と前記第２の基板とは基板シートに形成された基板分離部において分離された基板であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記リード線は、前記第１の実装部品と接続される一方端子がボードイン端子であり、前記第２の実装部品とを接続される他方端子が丸型端子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記リード線は、前記第１の実装部品と接続される一方端子及び前記第２の実装部品とを接続される他方端子のいずれもが丸型端子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
5. 両端の端子が丸型端子である前記リード線を用いて前記第１の実装部品と前記第２の実装部品とを接続する場合、前記第１の実装部品と前記リード線の前記丸型端子を固定する端子台との間に前記第１の実装部品と前記端子台と電気的に接続される中間部材を備えることを特徴とする請求項４に記載のインバータ装置。
6. 第１の基板表面にインバータ回路を含む第１の実装部品を実装する工程と、
   リード線の一方の端子を前記第１の実装部品と接続する工程と、
   前記第１の基板を反転させて冷却装置上に前記インバータ回路が載置するように前記第１の基板を固定する工程と、
   前記第１の基板の裏面とその裏面が対向する位置に第２の実装部品が実装された第２の基板を固定する工程と、
   を備えることを特徴とするインバータ装置の製造方法。

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