JP2019200948A - 電気配線板を備えた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フレームに装着された複数の部品、特に比較的大電流を流すための電気部品を、発熱を抑制して強固に電気的に接続することができ、接続作業が容易である電気配線板を備えた装置を提供する。【解決手段】装置は、フレームと、フレームに装着された複数の部品と、複数の部品間を電気的に接続する導電性の配線層を有する電気配線板とを含み、複数の部品のそれぞれは、プリント基板への実装を目的としない部品である。【選択図】図１

Description

本発明は、電気配線板を備えた装置に関する。

家電製品、自動車、電気設備等を含む電気機器においては、機器フレームに実装する電気部品は、主にワイヤーハーネスを用いてコネクタ間が電気的に接続されている。しかし、ワイヤーハーネスを使用する場合には、種々の問題がある。即ち、ワイヤーハーネスは長く柔軟であり不定形であるため設置作業時に絡まり易く取扱いが面倒であり、電気部品側のコネクタとワイヤーハーネス側のコネクタとを接続する場合、両方のコネクタは通常フリー状態にあるため、両手で作業しなければならず面倒である。また、引き回しの再現性を確保することが難しく、ワイヤーハーネスと電気部品とが干渉して発生するノイズの出方が機器により異なる。そのような干渉を防止するためにクランプ部材によって結束保持する場合には、部品点数が増加してコストが嵩む。また、ワイヤーハーネスの線径によっては、曲げ径が大きくなり、大きな設置スペースが必要となる。

下記特許文献１には、ワイヤーハーネスを使用する場合のこれらの問題を解決するための技術が開示されている。即ち、特許文献１に開示されている技術では、ワイヤーハーネスに代えて、配線用パターンが形成された絶縁性基板を用いて、電装部品のコネクタを相互に接続する。

特開昭６３−２９８９８６号公報

しかし、特許文献１には配線による発熱が考慮されておらず、比較的大きい電流を流すための電気部品（例えば、リレー、端子台、ブレーカ等）を接続する場合には、細い配線用パターンが形成された絶縁性基板を使用することは難しい。また、特許文献１では、コネクタを使用して、配線用パターンが形成された絶縁性基板と電装部品とを接続するので、強固な接続を実現することが難しい。特に、大電流を流す電気部品を接続する場合には、より安定した強固な電気的接続が要求される。

したがって、本発明は、フレームに装着された複数の電気部品、特に比較的大電流を流すための電気部品を、発熱を抑制して強固に電気的に接続することができ、接続作業が容易である電気配線板を備えた装置を提供することを目的とする。

本発明のある局面に係る装置は、フレームと、フレームに装着された複数の部品と、複数の部品間を電気的に接続する導電性の配線層を有する電気配線板とを含み、複数の部品のそれぞれは、プリント基板への実装を目的としない部品である。

本発明によれば、フレームに装着された複数の部品を、発熱を抑制して強固に電気的に接続することができ、接続作業が容易になる。

図１は、本実施の第１実施形態に係る電気配線板を用いて電気部品を接続した構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示した構成の平面図である。 図３は、図２のIII−III線での切断面を示す断面図である。 図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線での切断面を示す断面図である。 図５は、図３のＶ部分を拡大して示す断面図である。 図６は、図３のＶＩ部分を拡大して示す断面図である。 図７は、本実施の第２実施形態に係る電気配線板を用いて電気部品を接続した構成を示す平面図である。 図８は、図７のVIII−VIII線での切断面を示す断面図である。 図９、電気部品が端子台である場合の接続状態を示す断面図である。 図１０は、非対称な電気配線板を用いて電気部品間を接続した構成を示す平面図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施の形態の内容を列記して説明する。以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

（１）本発明のある局面に係る装置は、フレームと、フレームに装着された複数の部品と、複数の部品間を電気的に接続する導電性の配線層を有する電気配線板とを含み、複数の部品のそれぞれは、プリント基板への実装を目的としない部品である。これにより、フレームに装着された複数の電気部品、特に比較的大電流を流すための電気部品を、発熱を抑制して強固に電気的に接続することができ、接続作業が容易になる。また、電気配線板を使用することにより、ワイヤーハーネス又はブスバーを使用する場合よりも製造コストを低減することができる。

（２）好ましくは、複数の部品のそれぞれの端子は、電気配線板に固定されることにより、配線層に電気的に接続される。これにより、比較的大電流を流すための電気部品を、より強固に接続することができる。

（３）より好ましくは、電気配線板は、複数の部品のうちの少なくとも１つの所定部品に配置された端子に接続される接続部を含み、電気配線板が、所定部品の一部分を通過させる開口を持つ場合には、接続部は、開口を画定する周縁部の一部を形成する。これにより、部品の端子と電気配線板とをより強固に安定して接続することができる。

（４）さらに好ましくは、複数の部品は、リレー、端子台及びブレーカのいずれかを含む。これにより、フレームに装着されたリレー、端子台及びブレーカを電気接続することができる。

（５）好ましくは、装置は、フレームと電気配線板との間に配置される放熱部材をさらに含む。これにより、電気配線板の発熱を放熱部材により放散させ、電気配線板の温度上昇を抑制することができる。

（６）より好ましくは、フレームは、電気配線板に当接する突出部を有する。これにより、電気配線板の発熱をフレームに伝えて放散させ、電気配線板の温度上昇を抑制することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下の実施の形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

（実施形態）
［第１実施形態］
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る電気配線板１００は、電気機器の機器フレーム１０２に装着された第１電気部品２００及び第２電気部品２０２を電気的に接続する。機器フレーム１０２は、剛性部材で形成されており、例えば、鉄、ステンレス、アルミ合金等の金属、樹脂、又はそれらの複合部材で形成されている。

電気配線板１００は、雄ネジ１１０及び１１２により第１電気部品２００及び第２電気部品２０２に固定されている。第１電気部品２００及び第２電気部品２０２は、はんだ付けによりプリント基板に搭載することを目的とした電気部品とは異なり、個々に機器フレーム１０２に直接搭載される、比較的大きい電流を流すことができる、数ｃｍ程度の大きさの電気部品である。第１電気部品２００及び第２電気部品２０２は、例えば、リレー、端子台、及びブレーカ等である。なお、第１電気部品２００及び第２電気部品２０２には、電装部品に限らず、産業用又は民生用の電気部品が含まれる。

リレーは、機械式リレー及び半導体リレーのいずれであってもよいが、電気配線板１００は、大電流（例えば、最大電流が約３０Ａ以上）を流す半導体リレー（例えば、直方体形状で大きさが縦約４ｃｍ、横約６ｃｍ、高さ約３ｃｍ）を接続するのに適している。なお、図１では、第１電気部品２００及び第２電気部品２０２を直方体で示しているが、実際には種々の形状のものが使用され得る。後述の図面においても、便宜上、同様に電気部品を直方体で示す。

電気配線板１００は、プリント基板のように導電性（例えば、銅）の平板状の配線（以下、配線層ともいう）を有する剛性の積層板である。配線層の端部には、第１電気部品２００及び第２電気部品２０２の端子に固定されて、電気的な接続を可能とする接続部が形成されている。電気配線板１００は、１つ又は複数の配線層を有し、複数の配線層は、配線層間に絶縁部材を挟んで積層されて一体の板状に形成されている。

図２〜図４を参照して、電気配線板１００、機器フレーム１０２、第１電気部品２００及び第２電気部品２０２の構成及びそれらの接続に関してより具体的に説明する。

図２を参照して、電気配線板１００は、開口部１４０及び１４２を有し、開口部１４０の周縁部には４つの接続部１３０を有し、開口部１４２の周縁部には４つの接続部１３２を有している。後述するように、第１電気部品２００は４つの端子部を有し、各端子部には接合用凹部（例えば、雌ネジが形成された穴）が形成されている。ここでは、第２電気部品２０２は第１電気部品２００と同じ製品であるとする。第１電気部品２００は、４つの雄ネジ１１０により、開口部１４０の周縁部に位置する４つの接続部１３０に固定され、第２電気部品２０２は４つの雄ネジ１１２により、開口部１４２の周縁部に位置する４つの接続部１３２に固定されている。

図３を参照して、第１電気部品２００は、導電性の端子部２０４に接合用凹部２０６が形成されている。雄ネジ１１０は、挿入部材１２０と、電気配線板１００の接続部１３０に形成された貫通孔とを介して、接合用凹部２０６の雌ネジに装着され、締付け固定されている。挿入部材１２０は、例えば座金（ワッシャ）である。これにより、第１電気部品２００の端子部２０４と、電気配線板１００の配線層の端部である接続部１３０とが固定されている。同様に、第２電気部品２０２は、導電性の端子部２０８に接合用凹部２１０が形成されている。雄ネジ１１２は、挿入部材１２２と、電気配線板１００の接続部１３２に形成された貫通孔とを介して、接合用凹部２１０の雌ネジに装着され、締付け固定されている。挿入部材１２２は、例えば座金である。これにより、第２電気部品２０２の端子部２０８と、電気配線板１００の配線層の端部である接続部１３２とが固定されている。

第１電気部品２００の端子部２０４と電気配線板１００の接続部１３０との接続、及び、第２電気部品２０２の端子部２０８と電気配線板１００の接続部１３２との接続に、ネジを使用し、回転させて締付け固定する機構を採用することにより、十分に締付ければ機械的に強固に固定することができる。挿入部材１２０及び挿入部材１２２に、ばねワッシャを使用すれば、第１電気部品２００の端子部２０４と電気配線板１００の接続部１３０との接続、及び、第２電気部品２０２の端子部２０８と電気配線板１００の接続部１３２との接続をより一層強固且つ安定にすることができる。

図４を参照して、第１電気部品２００及び第２電気部品２０２はそれぞれ、雄ネジ１１４及び雄ネジ１１６により機器フレーム１０２に締付け固定されている。開口部１４０は、第１電気部品２００の幅よりも大きく形成されており、後述するように、第１電気部品２００の形状によっては、第１電気部品２００の一部は電気配線板１００の上面から突出し得る。開口部１４２に関しても同様に、第２電気部品２０２の形状によっては、第２電気部品２０２の一部が電気配線板１００の上面から突出し得るように、第２電気部品２０２の幅よりも大きく形成されている。

図５及び図６を参照して、電気配線板１００が２つの配線層（第１配線層１５０及び第２配線層１５２）を有する場合の電気配線板１００と第１電気部品２００及び第２電気部品２０２との接続に関して説明する。電気配線板１００の接続部１３０及び１３２に形成された、雄ネジ１１０及び１１２を通す円筒状の貫通口の壁面には、円筒状の導電性のビアが形成されている。図５を参照して、第１配線層１５０はビア１５４に接続されている。第１配線層１５０の上には絶縁部材を挟んで、第２配線層１５２がある。上記したように、雄ネジ１１０が接合用凹部２０６の雌ネジに装着され、十分に締付け固定されることによって、端子部２０４の上面とビア１５４の下端とが当接する。これにより、第１電気部品２００の端子部２０４と第１配線層１５０とが接続される。なお、第１配線層１５０の別の端部は、上記と同様に、電気配線板１００の別の接続部に形成されたビアに接続されており、例えば、図２に示した第２電気部品２０２のいずれかの端子部（ここでは、図６に示した端子部２０８を除く）に接続されている。

図６を参照して、第２配線層１５２はビア１５６に接続されている。第２配線層１５２の下には絶縁部材を挟んで、第１配線層１５０がある。上記したように、雄ネジ１１２が接合用凹部２１０の雌ネジに装着され、十分に締付け固定されることによって、端子部２０８の上面とビア１５６の下端とが当接する。これにより、第２電気部品２０２の端子部２０８と第２配線層１５２とが接続される。なお、第２配線層１５２の別の端部は、上記と同様に、電気配線板１００の別の接続部に形成されたビアに接続されており、例えば、図２に示した第１電気部品２００のいずれかの端子部（ここでは、図５に示した端子部２０４を除く）に接続されている。

電気配線板１００の領域１４４に形成されている配線層（例えば、図５の第１配線層１５０及び第２配線層１５２）の両端、即ち接続部１３０及び接続部１３２（より具体的には、図５のビア１５４及び１５６）はそれぞれ、第１電気部品２００の端子部２０４及び第２電気部品２０２の端子部２０８に接続をされており、例えば第１電気部品２００及び第２電気部品２０２から出力される電流を別の電気部品まで流す役割をする。第１電気部品２００及び第２電気部品２０２に大電流が流れる場合、図２の領域１４４の配線層にも大電流が流れる。したがって、領域１４４の配線層から発熱し、領域１４４に配置されている電気配線板１００が高温になる。

これを回避するために、電気配線板１００に形成される配線層の幅を広く、厚さを厚くすることが好ましい。さらに、放熱部材を配置することが好ましい。例えば、図３に示す空間１４６に、電気配線板１００及び機器フレーム１０２に当接するように、熱伝導性の高い放熱部材を配置する。そのようにすれば、電気配線板１００で発生した熱を機器フレーム１０２に伝えることができ、機器フレーム１０２から効率的に熱を放散させることができ、電気配線板１００の温度上昇を抑制することができる。放熱部材には、熱伝導性の高い金属等の部材、公知の放熱シート（ゲル状の放熱シート等）、熱電導シート（シリコーン系熱伝導シート等）等を使用すればよい。

［第２実施形態］
上記の第１実施形態では、電気配線板１００及び機器フレーム１０２の間の空間に放熱部材を配置する場合を説明したが、第２実施形態では、放熱効果をより高めるための機構を備えている。

図７及び図８を参照して、本実施形態において、電気配線板１００、第１電気部品２００及び第２電気部品２０２は、第１実施形態（図１〜図６）で示したものと同様の形状及び構成であり、同様に接続されている。したがって、それらに関しては重複説明を繰返さない。異なる点は機器フレーム１６０の形状と放熱機構とである。以下では、主として異なる点に関して説明する。

機器フレーム１６０は、第１電気部品２００及び第２電気部品２０２の間に、電気配線板１００の側に突出し電気配線板１００に当接する突出部１６２を有している。突出部１６２により形成される凹部１６４には、放熱機構１６６が配置されている。放熱機構１６６は、例えば、熱伝導性の高いアルミニウム、鉄、銅等で形成された放熱フィンである。電気配線板１００と突出部１６２とが当接する部分には、熱伝導性部材（熱伝導性シート、熱伝導性ペースト等）を配置することが好ましい。なお、電気配線板１００の表面が絶縁されておらず、機器フレーム１６０が導電性部材で形成されている場合には、絶縁性の熱伝導性部材を電気配線板１００と突出部１６２とが当接する部分に配置することが好ましい。

これにより、第１電気部品２００及び第２電気部品２０２に大電流が流れる場合に領域１４４の配線層に大電流が流れることにより発生する熱を、機器フレーム１６０の突出部１６２に効率よく伝えることができ、さらに突出部１６２から放熱機構１６６に伝えることができる。したがって、機器フレーム１６０及び放熱機構１６６により効率的に放熱することができ、電気配線板１００の温度上昇を効果的に抑制することができる。

放熱機構１６６は、熱伝導性が良好な部材を用いて、空気に接する表面積が広い形状に形成されていればよく、放熱フィンに限定されない。放熱機構１６６には、一般にヒートシンクと呼ばれる種々の機構を用いることができる。放熱機構１６６は、例えば多孔性の部材であってもよい。

［効果］
配線層を有する電気配線板により、電気機器のフレームに直接装着される複数の電気部品を相互に安定して接続することができる。電気配線板の接続部と、電気部品の端子とをネジで接続することで、機械的に強固な接続を実現することができる。したがって、電気抵抗を低減することができる。

また、接続作業は、機器フレームに電気部品を取り付けた後、電気配線板を電気部品に当接させて、ネジで固定すればよいので、極めて容易である。

複数の配線層が積層されて一体に形成された電気配線板を使用することにより、接続作業は、ワイヤーハーネス、又は大容量の電流を導電するための導体であるブスバーを使用する場合よりも容易になり、より安定した強固な接続を実現することができる。また、電気配線板を使用することにより、ワイヤーハーネス又はブスバーを使用する場合よりも製造コストを低減することができる。

また、電気配線板の配線層を、通常のプリント配線における配線幅よりも幅広く形成することにより配線層に流れる電流による発熱を抑制することができる。また、電気配線板に配線層が多層に形成される場合、電気部品に大電流が流れて電気配線板の配線層による発熱が大きくなる場合にも、放熱機構を設けることにより、発生した熱を効率的に放散させることができ、電気配線板の温度上昇を抑制することができる。

（変形例）
上記では、第１電気部品２００と第２電気部品２０２とが同じ製品である場合を説明したが、第１電気部品２００と第２電気部品２０２とが異なる製品であってもよい。例えば、第１電気部品２００が半導体リレーであり、第２電気部品２０２が端子台であってもよい。

機器フレーム１０２は一体に形成されていても、複数の部品が結合されて形成されていてもよい。即ち、第１電気部品２００が装着された機器フレームと、第２電気部品２０２が装着された機器フレームとが別のものであってもよい。

上記では、電気配線板の接続部が電気部品の端子にネジ（雄ネジ及び雌ネジによる固定機構）で固定される場合を説明したが、これに限定されない。ネジ以外の固定機構を用いて固定してもよい。例えば、溶接（はんだ付け、ろう付け、スポット溶接等）により接続されてもよい。

上記では、第１電気部品２００及び第２電気部品２０２が直方体の形状であり、その最も高い平面に端子が形成されている場合を説明したが、これに限定されない。同じ機能の部品でも種々の形状のものがあり、端子が窪んだ位置に配置されているものもある。例えば、図９に示す、隣接する端子を離隔する隔壁を有する公知の端子台２３０では、金属部材２３２の両端部である２つの端子部２４０及び２４２は、窪んだ位置に形成されている。即ち、ベース部２３４の高さは壁部２３６の高さよりも低く、端子部２４０及び２４２の位置も壁部２３６の高さよりも低くなっている。このような場合、電気配線板１０４に、端子台２３０の壁部２３６を通過させ、端子部２４０及び端子部２４２の上に接続部が位置するような形状に開口部を形成すれば、図９に示したように、電気配線板１０４の接続部を端子部２４０及び２４２に、図３と同様にネジにより固定することができる。これにより、電気配線板１０４の接続部と端子部２４０及び２４２とをより強固且つ安定に固定することができる。

上記では、第１電気部品２００及び第２電気部品２０２が機器フレーム１０２にネジで固定される場合（図４参照）を説明したが、これに限定されない。第１電気部品２００及び第２電気部品２０２は、機器フレーム１０２に対して容易に可動しない程度に固定されていればよく、ＤＩＮレール又はＩＥＣレール等のレール機構により、機器フレーム１０２に装着されてもよい。

上記では、電気配線板による電気部品間の接続に関して説明したが、電気配線板はプリント基板との接続部を有していてもよい。即ち、プリント基板と電気部品とを接続するために電気配線板が使用されてもよい。また、電気配線板には、抵抗、コンデンサ等の電子部品が配置されていてもよい。

上記では、図８を参照して、機器フレーム１６０により形成される凹部１６４に放熱機構１６６を配置する場合を説明したが、これに限定されない。領域１４４における電気配線板１００の上面（電気配線板１００の、突出部１６２に当接する面の裏側の面）に、放熱機構（例えば、放熱フィン）を配置してもよい。そのようにすれば、領域１４４の配線層による発熱をより効率的に放散させることができる。

上記では、電気配線板が開口部（図２の開口部１４０及び１４２）を有する場合を説明したが、これに限定されない。電気配線板に開口部を設けなくてもよい。

上記では、電気配線板１００の２つの開口部の周縁部に形成される接続部が線対称な位置に配置されている場合を説明したが、非対称な位置に配置されていてもよい。例えば、図１０に示すように、４つの電気部品が左右非対称に、電気配線板１０６に接続されてもよい。機器フレームに固定された４つの電気部品に電気配線板１０６を取り付ける場合、電気配線板１０６が正しく取り付けられ得る状態から、電気配線板１０６を表裏反対した場合、４つの電気部品に電気配線板１０６を取り付けることはできない。また、電気配線板１０６が正しく取り付けられ得る状態から、電気配線板１０６をその平面内で任意角度（例えば９０度、１８０度等）回転させても、４つの電気部品に電気配線板１０６を取り付けることはできない。即ち、電気配線板１０６が正しく取り付けられる場合は１つに限られるので、電気部品に電気配線板１０６が誤装着されることを防止することができる。なお、電気部品の数は４つに限定されない。複数の電気部品の端子に固定される、電気配線板に形成された複数の接続部の位置が、線対称でも回転対称でもなければよい。

上記した電気配線板１００の接続部１３０及び１３２に形成された、ネジが挿入される貫通孔の口径は、第１電気部品２００及び第２電気部品２０２の端子部２０４及び２０８に形成された接合用凹部２０６及び接合用凹部２１０の製品公差分大きく形成されることが好ましい。そのようにすれば、接続作業がより容易になる。

以上、実施の形態を説明することにより本発明を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本発明は上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。

１００、１０４、１０６ 電気配線板
１０２、１６０ 機器フレーム
１１０、１１２、１１４、１１６ 雄ネジ
１２０、１２２ 挿入部材
１３０、１３２ 接続部
１４０、１４２ 開口部
１４４ 領域
１４６ 空間
１５０ 第１配線層
１５２ 第２配線層
１５４、１５６ ビア
１６２ 突出部
１６４ 凹部
１６６ 放熱機構
２００ 第１電気部品
２０２ 第２電気部品
２０４、２０８、２４０、２４２ 端子部
２０６、２１０ 接合用凹部
２３０ 端子台
２３２ 金属部材
２３４ ベース部
２３６ 壁部

Claims (6)

1. フレームと、
   前記フレームに装着された複数の部品と、
   前記複数の部品間を電気的に接続する導電性の配線層を有する電気配線板とを含み、
   前記複数の部品のそれぞれは、プリント基板への実装を目的としない部品である、装置。
2. 前記複数の部品のそれぞれの端子は、前記電気配線板に固定されることにより、前記配線層に電気的に接続される、請求項１に記載の装置。
3. 前記電気配線板は、前記複数の部品のうちの少なくとも１つの所定部品に配置された端子に接続される接続部を含み、
   前記電気配線板が、前記所定部品の一部分を通過させる開口を持つ場合には、前記接続部は、前記開口を画定する周縁部の一部を形成する、請求項１又は２記載の装置。
4. 前記複数の部品は、リレー、端子台及びブレーカのいずれかを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記フレームと前記電気配線板との間に配置される放熱部材をさらに含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記フレームは、前記電気配線板に当接する突出部を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。

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