JP5118450B2 - 電動圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機構を駆動する電動モータ、電動モータを制御するインバータ制御装置が圧縮機構と一体となった電動圧縮機に関するもので、さらに詳しくは、インバータ制御装置がコントロール回路基板及びパワー基板を備えている電動圧縮機に関するものである。

エンジンを搭載しない電気自動車や燃料電池車等における車載空気調和装置は、冷媒を圧縮循環させる動力源として、電動モータを内蔵した圧縮機を有する。この電動モータは、空気調和装置の主制御装置からの命令に応じて所望の回転数で回転させる必要があるから、制御装置が別途必要である。この制御装置は、電気回路や電子回路で構成される。具体的には、中央演算装置やメモリ等といった電子素子をはじめ、いわゆるインバータ回路（スイッチング回路）を構成するためのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＥＴ（Field Effect Transistor）等のスイッチング素子（パワートランジスタ素子）を備えている。そして、省スペース化の要請から、この制御装置を圧縮機構、電動モータとともに一つのハウジング内に組み込まれた電動圧縮機が検討されている。以下、この電動圧縮機を、一体型電動圧縮機ということがある。

車載される一体型電動圧縮機には、定置型の電動圧縮機に比べて、大きな振動、衝撃が加わる。この問題に対して特許文献１は、以下の提案を行っている。
すなわち、一体型電動圧縮機では、多芯の通信ケーブルによりインバータ回路と外部の電子制御装置（ＥＣＵ)とを接続する必要があり、同様にパワーケーブルによりバッテリとインバータとを接続する必要があるが、この一体型電動圧縮機の組み付け、交換、修理を容易化するために、これらパワーケーブルや通信ケーブルとインバータ回路とはコネクタ結合することが最適である。ところが、上述したように一体型電動圧縮機は、コネクタ結合部に作用する振動や衝撃が格段に大きいために、コネクタの端子の電気接触性が悪化する可能性がある。

そこで、特許文献１は、モータ側パワーコネクタ及びモータ側通信コネクタは、略垂直に立設される接続端子と、ケーブル側パワーコネクタ及びケーブル側通信コネクタを略垂直方向挿抜可能に樹脂枠部と一体に形成される樹脂体部とから構成した。このようにすれば、モータ側のコネクタの端子とケーブル側のコネクタの端子とは、略垂直方向摺動可能に略水平方向に接面するので、他の端子接続状態よりも格段に耐振性が向上すると、特許文献１は述べている。

特許第３８０２４７７号公報

ところで、インバータ回路を、高圧電源から供給される直流電流を交流電流に変換して電動モータに印加するパワー基板と、電動モータへの交流電流の印加を制御するコントロール回路基板とに分離することは、インバータ回路の平面方向の面積を低減できるため、一体型電動圧縮機の小型化に寄与する。この一体型電動圧縮機において、パワー基板とコントロール回路基板との固定を、パワー基板側に設けたピン状端子を用いて行うことが一体型電動圧縮機の小型化にとって有効である。このピン状端子は、少なくとも２種類の端子を含む。１つはパワー基板とコントロール回路基板との間の信号伝送用の端子であり、他の一つはコントロール回路基板及びパワー基板の接地用の端子である。

ところが、詳しくは後述するが、本発明者等の検討によると、パワー基板及びコントロール回路基板に振動が加わると、ピン状端子が折損するおそれがあることがわかった。
本発明は、パワー基板とコントロール回路基板との固定を、パワー基板側に設けたピン状端子を用いて行う一体型電動圧縮機において、振動によるピン状端子の折損を防止することを目的とする。

本発明は、冷媒を吸入し、かつ圧縮して吐出する圧縮機構と、圧縮機構を駆動する電動モータと、高圧電源から供給される直流電流を交流電流に変換して電動モータに印加するパワー基板及び電動モータへの交流電流の印加を制御するコントロール回路基板とを有し、かつ電動モータの駆動を制御するインバータ制御装置と、圧縮機構、電動モータ及びインバータ制御装置とを収容するハウジングと、を備え、パワー基板は、対向する一対の辺の各々に沿って、コントロール回路基板との間の信号伝送用及び接地用の複数のピン状端子が設けられ、コントロール回路基板は、複数のピン状端子と電気的に接続されるとともに、複数のピン状端子にはんだ付けで固定され、かつ、複数のピン状端子は、一対の辺の各々に沿って複数の列をなして配置され、複数の列の中で、辺に最も近い列がパワー基板の外枠上に設けられ、辺に最も近い列に属する複数のピン状端子は、各々、一部が外枠に埋め込まれ、この一部に連なる他部が外枠の上端面から突出して設けられ、コントロール基板が変形した際に、複数の列をなして配置された複数のピン状端子に、対向するモーメントが作用することを特徴とする電動圧縮機により、前記目的を達成する。
本発明者等は、ピン状端子をパワー基板に一列に配置した場合に、パワー基板及びコントロール回路基板に振動が加わると、ピン状端子が折損することを知見した。つまり、振動によりコントロール回路基板に変形が生じる結果、ピン状端子に曲げ応力が作用して、ピン状端子が折損するのである。そこで、本発明者等は、ピン状端子を一対の辺の各々に沿って複数の列をなして配置させることにより、コントロール回路基板のピン状端子近傍に生ずる変形を抑制して、ピン状端子の折損を防止しようというものである。
また、ピン状端子を二列とする場合、外枠上にピン状端子を配置すれば、パワー基板の底板の部分にはピン状端子を一列だけ配置すればよい。このようにすることで、底板の部分において電子部品を設置する面積を確保し、ひいてはパワー基板のサイズを小さくすることができる。

本発明の電動圧縮機において、パワー基板が、底板と、底板の周縁に立設する外枠と、を備えた箱状の形態をなすことが好ましい。
また、接地用のピン状端子が、前記辺に最も近い列に属し、かつ当該辺の端部に配置させれば、信号伝送用のピン状端子から接地用のピン状端子の距離を長く取れることになり、信号伝送用のピン状端子に対する絶縁性を向上できる。さらに、接地用端子と接地先のハウジング間の距離を最短とできるため、電磁ノイズ低減の観点でも有利である。

また、本発明の電動圧縮機は、パワー基板及びコントロール回路基板をモジュール化することができる。そうすることにより、電動圧縮機にインバータ装置を組み付ける作業が容易となる。

本発明によれば、パワー基板に設けたピン状端子でコントロール回路基板を固定するインバータ制御装置において、ピン状端子の折損を防止することができる。

以下、添付図面を参照しつつ実施の形態に基づいてこの発明を説明する。なお、各図において、部材、配線の省略を行っていることがある。
図１は電動圧縮機（一体型電動圧縮機）１０の構成例を示す分解斜視図であり、図２は電動圧縮機１０のコントロール回路基板１５及びパワー基板１６を抜き出して示す斜視図である。
図１に示すように、電動圧縮機１０は、ハウジング１１の下部収容室１１ａに電動モータ（図示無し）、及び冷媒を吸入し、かつ圧縮して吐出するスクロール式のコンプレッサ（図示無し）が収容され、上方に開口したハウジング１１の上部収容室１１ｂに、インバータ制御装置１２が収容され、上部収容室１１ｂの上方への開口は、カバー１７によって覆われている。

図１及び図２に示すように、インバータ制御装置１２は、インバータ制御装置１２に入力される直流電圧の平滑化を図るためのコンデンサ１３およびリアクタ１４と、電動モータへの高圧交流電流の印加を制御するためのコントロール回路基板１５（図１では省略）と、高圧電源から供給される直流電流を交流電流に変換して電動モータに印加し、電動モータを回転駆動させるパワー基板１６とを備えている。コントロール回路基板１５及びパワー基板１６は、電動圧縮機１０に組み付けられる前に一体化してモジュール化されている。

パワー基板１６には、外部の高電圧電源（図示無し）から例えば３００Ｖといった高電圧が供給されるようになっている。パワー基板１６上には、複数のＩＧＢＴによって構成されるスイッチング素子および電流、電圧それぞれの検出回路（いずれも図示無し）が設けられている。コントロール回路基板１５には、このスイッチング素子の動作を制御するためのマイクロコンピュータ（以下、マイコン）が設けられている。マイコンの制御信号がコントロール回路基板１５からパワー基板１６に伝達され、スイッチング素子に入力されると、スイッチング素子が動作する。これによって、高電圧電源から供給される高電圧が３相交流となって電動圧縮機１０の電動モータに印加され、電動モータを回転駆動させる。

上記のような回路構成において、パワー基板１６に対する高圧電源からの電源供給は、入出力端子を介して行われるが、図２に示すように、この入出力端子は、パワー基板１６上に実装されたピン状のＰＮ端子２０ａ、２０ｂによって構成される。これらＰＮ端子２０ａ、２０ｂに対しては、高圧電源側から例えばバスバー等の配線（図示せず）が接続されることで、電気的導通が確保される。
パワー基板１６には、スイッチング素子と電動モータとを電気的に接続するためのＵＶＷ端子２５ａ、２５ｂ、２５ｃが設けられている。ＰＮ端子２０ａ、２０ｂとＵＶＷ端子２５ａ、２５ｂ、２５ｃは、樹脂製のハウジング１６Ａによって互いに絶縁されつつ、ハウジング１６Ａに一体化されている。

パワー基板１６は、図２に示すように、底板１６ｅと、底板１６ｅの周縁から立設する外枠１６ａ、外枠１６ｂ、外枠１６ｃ及び外枠１６ｄとからなる箱状のハウジング１６Ａを有している。ハウジング１６Ａの上部は開口されており、この開口内にコントロール回路基板１５が収容される。
パワー基板１６の、外枠１６ａ、外枠１６ｂ、外枠１６ｃ及び外枠１６ｄの内側であって、底板１６ｅ上に複数のピン状の信号伝送端子２１が配置されている。信号伝送端子２１は、コントロール回路基板１５との間で信号伝送に用いられるものである。信号伝送端子２１は、対向する外枠１６ａ及び１６ｃの各々に沿って配置されている。
信号伝送端子２１は、その下端部が底板１６ｅに埋め込まれており、底板１６ｅの内部に埋め込まれているバスバー（図示せず）に電気的に接続されている。一方、信号伝送端子２１の上端部は、ハウジング１６Ａの開口上部に収容されたコントロール回路基板１５の端子挿入孔２１ｈに挿入され、コントロール回路基板１５とはんだ付けされる。

パワー基板１６の、外枠１６ａ、外枠１６ｂ、外枠１６ｃ及び外枠１６ｄの内側であって、底板１６ｅ上には、信号伝送端子２１の列の両端にピン状の接地端子２２が配置されている。接地端子２２は、コントロール回路基板１５及びパワー基板１６を、電動圧縮機１０のハウジング１１に接地するための端子である。接地端子２２は、対向する外枠１６ａ及び１６ｃの両側に配置されている。
接地端子２２は、その下端部が底板１６ｅに埋め込まれており、底板１６ｅの内部に埋め込まれているバスバー（図示せず）に電気的に接続されている。このバスバーは、ハウジング１１に電気的に接続されている。一方、接地端子２２の上端部は、ハウジング１６Ａの開口上部に収容されたコントロール回路基板１５の端子挿入孔２２ｈに挿入され、コントロール回路基板１５とはんだ付けされる。

以上のようにして、コントロール回路基板１５とパワー基板１６は、はんだ付けにより固定、一体化される。この一体化された状態をモデル化して、有限要素法（ＦＥＭ）によりコントロール回路基板１５の振動解析を行った。この解析は、単位加速度をコントロール回路基板１５の厚さ方向に加えている。図４にその結果を示すが、固定点のないコントロール基板１５の中央が、コントロール基板１５の共振周波数で振動する。その結果、コントロール基板１５の両端に固定されている信号伝送端子２１に応力が集中して、図中、円で囲った信号伝送端子２１が折損することがわかった。実際に固定されたコントロール回路基板１５とパワー基板１６を用いた振動実験においても、同じ箇所の信号伝送端子２１が折損した。なお、図４は、コントロール回路基板１５を下側に配置し、パワー基板１６の記載は省略してある。また、接地端子２２の記載も省略してある。

以上のように、信号伝送端子２１を一列に配置した場合には、信号伝送端子２１が折損するおそれがある。そこで、この折損を防止するために、本発明者等は、いくつかの改善を行った。それを図８〜図１０に示す。
図８は、コントロール回路基板１５の幅方向の中央であって、コントロール回路基板１５の周縁近傍に、各々信号伝送端子２１を設けている。図９は、コントロール回路基板１５の中心に信号伝送端子２１を設けている。図１０は、設ける信号伝送端子２１の本数を、図８、図９の例の２倍にしている。

図８〜図１０に示す形態についても、ＦＥＭ解析を行った。図４に示す形態で信号伝送端子２１に加わる応力の最大値を１００として、図８〜図１０に示す形態で信号伝送端子２１に加わる応力の最大値を指数で表すと以下の通りであり、折損を防止するには信号伝送端子２１に加わる応力の低減が不十分であることが確認された。
図４：１００
図８：１０１
図９：９６
図１０：７４

そこで、本発明者等は、端子に加わる応力を低減するべく、図３に示すコントロール回路基板１５０及びパワー基板１６０を検討した。以下、その構成を説明する。
パワー基板１６０は、図３に示すように、底板１６０ｅと、底板１６０ｅの周縁から立設する外枠１６０ａ、外枠１６０ｂ、外枠１６０ｃ及び外枠１６０ｄとからなる箱状のハウジング１６０Ａを有している。ハウジング１６０Ａの上部は開口されている。また、ハウジング１６０Ａは、樹脂から構成されている。
パワー基板１６０の対向する外枠１６０ａ、外枠１６０ｃに、複数の信号伝送端子２１０ａが配置されている。この信号伝送端子２１０ａは、その上端が外枠１６０ａ、外枠１６０ｃの上面から突出しており、その上端に連なる部分は外枠１６０ａ、外枠１６０ｃの内部に埋め込まれている。同様に、パワー基板１６０の対向する外枠１６０ａ、外枠１６０ｃの両端部には、接地端子２２０ａが配置されている。接地端子２２０ａは、その上端が外枠１６０ａ、外枠１６０ｃの上面から突出しており、その上端に連なる部分は外枠１６０ａ、外枠１６０ｃの内部に埋め込まれている。信号伝送端子２１０ａの上端部は、外枠１６０ａ、外枠１６０ｂ、外枠１６０ｃ及び外枠１６０ｄの上面に載るコントロール回路基板１５０の端子挿入孔２１０ｈに挿入され、コントロール回路基板１５０とはんだ付けされる。接地端子２２０ａは、その一部がハウジング１６０Ａの四隅に固定された座金２３０に電気的に接続されている。後述する接地端子２２０ｂも同様である。この座金２３０にボルトを貫通させてパワー基板１６０をハウジング１６０Ａに固定させることにより、コントロール回路基板１５０及びパワー基板１６０を、ハウジング１６０Ａに接地させる。一方、接地端子２２０ｂの上端部は、外枠１６０ａ、外枠１６０ｂ、外枠１６０ｃ及び外枠１６０ｄの上面に載るコントロール回路基板１５０の端子挿入孔２２０ｈに挿入され、コントロール回路基板１５０とはんだ付けされる。
以上の通りであり、外枠１６０ａ、外枠１６０ｃには、各々、複数の信号伝送端子２１０ａ及び接地端子２２０ａが一列に並んでいる。

また、パワー基板１６０の外枠１６０ａ、外枠１６０ｂ、外枠１６０ｃ及び外枠１６０ｄの内側であって、底板１６０ｅ上に複数の信号伝送端子２１０ｂが配置されている。信号伝送端子２１０ｂは、外枠１６０ａ及び外枠１６０ｃに沿って配置されている。
信号伝送端子２１０ｂは、その下端部が底板１６０ｅに埋め込まれており、底板１６０ｅの内部に埋め込まれているバスバー（図示せず）に電気的に接続されている。一方、信号伝送端子２１０ｂの上端部は、外枠１６０ａ、外枠１６０ｂ、外枠１６０ｃ及び外枠１６０ｄの上面に載るコントロール回路基板１５０の端子挿入孔２１０ｈに挿入され、コントロール回路基板１５０とはんだ付けされる。
パワー基板１６０の、外枠１６０ａ、外枠１６０ｂ、外枠１６０ｃ及び外枠１６０ｄの内側であって、底板１６０ｅ上には、信号伝送端子２１０ｂの列の両端に接地端子２２０ｂが設けられている。接地端子２２０ｂは、対向する外枠１６０ａ及び外枠１６０ｃに配置されている。
接地端子２２０ｂは、その下端部が底板１６０ｅに埋め込まれており、底板１６０ｅの内部に埋め込まれているバスバー（図示せず）に電気的に接続されている。このバスバーは、ハウジング１６０Ａに電気的に接続されている。一方、接地端子２２０ｂの上端部は、外枠１６０ａ、外枠１６０ｂ、外枠１６０ｃ及び外枠１６０ｄの上面に載るコントロール回路基板１５０の端子挿入孔２２０ｈに挿入され、コントロール回路基板１５０とはんだ付けされる。
以上の通りであり、外枠１６０ａ、外枠１６０ｃに沿って、各々、信号伝送端子２１０ｂ及び接地端子２２０ｂが一列に並んでいる。結局、外枠１６０ａ（又は外枠１６０ｃ）に沿って、信号伝送端子２１０ａ及び接地端子２２０ａ、信号伝送端子２１０ｂ及び接地端子２２０ｂ端子が、二列に配置されている。
なお、これら端子は、コントロール回路基板１５０の、部品配置領域以外の領域に配置される。部品配置領域とは、マイコン等の電子部品が設けられる領域であり、図３の矩形で囲まれる領域Ｓを言う。部品配置領域Ｓ内に端子が配置されると、電子部品の配置位置を制約することになるので、それを避けるために、端子は部品配置領域Ｓ以外の領域に配置される。

図３に示す形態についても、ＦＥＭ解析を行った。図４に示す形態で信号伝送端子２１に加わる応力の最大値を１００として、図３に示す形態で信号伝送端子２１０ａ、２１０ｂ、接地端子２２０ａｂ、２２０ｂに加わる応力の最大値を指数で表すと１である。このように、信号伝送端子２１０ａ及び接地端子２２０ａ、信号伝送端子２１０ｂ及び接地端子２２０ｂを、二列に配置することにより、これら端子の折損を十分に防止できることがわかった。以下、その理由について図５〜図６を参照しつつ説明する。

図５は、信号伝送端子２１が一列に配置されているコントロール回路基板１５及びパワー基板１６（１６ｅ）について、振動が生じてコントロール回路基板１５に図４に示した変形が生じた状態を示す部分断面図である。図５に示すようにコントロール回路基板１５が変形すると、信号伝送端子２１に曲げモーメントＭ１が生じて実線のように撓む。図５の場合、コントロール回路基板１５の信号伝送端子２１よりも先端（図中、左側）が機械的に拘束されていないため、信号伝送端子２１は、容易に撓むことができる。コントロール回路基板１５は、下に凸となるようにも変形し、その場合には、曲げモーメントＭ１と逆向きの曲げモーメントが信号伝送端子２１に生じて、信号伝送端子２１は、図５と逆方向に撓む。振動が続くことによりこの撓みが繰り返され、信号伝送端子２１が折損に至る。

図６は、信号伝送端子２１０ａと信号伝送端子２１０ｂが二列に配置されている例を示している。
信号伝送端子２１０ａと信号伝送端子２１０ｂが二列に配置されている場合には、コントロール回路基板１５０が変形して、内側の信号伝送端子２１０ｂには曲げモーメントＭ２が作用する。しかし、コントロール回路基板１５０の信号伝送端子２１０ｂよりも先（図中、左側）で、信号伝送端子２１０ａが固定されているため、曲げモーメントＭ２に対向するモーメントＭ３が生じて、変形しにくい。そのために、信号伝送端子２１０ａ及び信号伝送端子２１０ｂは、撓みにくくなり、折損が防止される。

なお、図３に示した例は、図７に示すように、外側に位置する信号伝送端子２１０ａの上端を除く部分は、外枠１６０ａ（又は外枠１６０ｃ）に埋め込まれている。このように、外枠１６０ａ（又は外枠１６０ｃ）上に信号伝送端子２１０ａを配置すれば、底板１６０ｅの部分には信号伝送端子２１０ｂを一列だけ配置すればよい。したがって、底板１６０ｅに電子部品を設置する領域Ｓを確保し、ひいてはパワー基板１６０のサイズを小さくすることができる。

以上では、端子を二列にした例について説明したが、三列、あるいはそれ以上にしても本発明の効果が得られることは明らかである。ただし、三列以上に配置すると、端子を設けるスペースが大きくなり、電動圧縮機１０の小型化の要請に反することになるので、二列とすることが好ましい。
また、以上では、外枠１６０ａ、外枠１６０ｃに一列、底板１６０ｅに一列配置した例を示したが、底板１６０ｅに二列以上配置することができる。この場合でも、図６を用いて説明したように、本発明による折損防止効果を享受することができる。
さらに、コントロール回路基板１５０の一部の機能をもう一枚の基板に持たせた場合であっても、パワー基板１６０に対して端子をはんだ付けする構造が存在する限り、本発明の範疇に属することは言うまでもない。

電動圧縮機の全体構成を示す図である。 ピン状端子が一列に配置されたパワー基板とコントロール回路基板を示す斜視図である。 本発明に従って配置されたピン状端子を備えたパワー基板とコントロール回路基板を示す斜視図である。 コントロール回路基板の変形状態を示す図である。 ピン状端子が一列に配置された場合の、ピン状端子の変形の様子を示す図である。 ピン状端子が二列に配置された場合の、ピン状端子の変形の様子を示す図である。 本発明に従ったピン状端子の配置の例を示す図である。 ピン状端子の配置を変えた例を示す図である。 ピン状端子の配置を変えた他の例を示す図である。 ピン状端子の数を増やした例を示す図である。

符号の説明

１０…電動圧縮機、１１…ハウジング、１２…インバータ制御装置、１５、１５０…コントロール回路基板、１６、１６０…パワー基板、１６Ａ、１６０Ａ…ハウジング、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄ…外枠、１６ｅ、１６０ｅ…底板、２１，２１０ａ，２１０ｂ…信号伝送端子、２２，２２０ａ，２２０ｂ…接地端子

Claims (4)

1. 冷媒を吸入し、かつ圧縮して吐出する圧縮機構と、
   前記圧縮機構を駆動する電動モータと、
   高圧電源から供給される直流電流を交流電流に変換して前記電動モータに印加するパワー基板及び前記電動モータへの前記交流電流の印加を制御するコントロール回路基板とを有し、かつ前記電動モータの駆動を制御するインバータ制御装置と、
   前記圧縮機構、前記電動モータ及び前記インバータ制御装置とを収容するハウジングと、を備え、
   前記パワー基板は、対向する一対の辺の各々に沿って、前記コントロール回路基板との間の信号伝送用及び接地用の複数のピン状端子が設けられ、
   前記コントロール回路基板は、複数の前記ピン状端子と電気的に接続されるとともに、複数の前記ピン状端子にはんだ付けで固定され、かつ、
   複数の前記ピン状端子は、前記一対の辺の各々に沿って複数の列をなして配置され、
   複数の前記列の中で、前記辺に最も近い列が前記パワー基板の外枠上に設けられ、
   前記辺に最も近い列に属する複数の前記ピン状端子は、各々、一部が前記外枠に埋め込まれ、前記一部に連なる他部が前記外枠の上端面から突出して設けられ、
   前記コントロール基板が変形した際に、前記複数の列をなして配置された複数の前記ピン状端子に、対向するモーメントが作用することを特徴とする電動圧縮機。
2. 前記パワー基板は、底板と、前記底板の周縁に立設する前記外枠と、を備えた箱状の形態をなすことを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機。
3. 接地用の前記ピン状端子は、前記辺に最も近い列に属し、かつ当該辺の端部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機。
4. 前記パワー基板及び前記コントロール回路基板は、モジュール化されたものであることを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機。

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