JP6235002B2 - 電力部品などの電気部品の相互接続のための電気回路 - Google Patents

Description

本発明は、フレックス回路として知られているフレキシブル電気回路を備える電気回路に関し、特に機内（または車内、船内）に搭載されることが意図される電力変換器を相互接続する際における且つ特に厳しい環境に及び１Ａから２００Ａの電流の制御に組み込まれるこの回路の適用に関する。

本発明は、特に、制動アクチュエータ、飛行制御アクチュエータなどの航空機におけるアクチュエータの制御電子回路に関する。

現在、低電力変換器は、一般に、１つの電気ネットワークから他へのエネルギの伝達の変調を確実にする電力スイッチと、エネルギの変調伝達を吸収する減結合コンデンサと、ユーザによって定義されるロジックにしたがってこれらのスイッチを制御する電子機器とによって形成されている。エネルギの伝達は、１つのネットワークが電圧源として且つ他のネットワークが電流源としてスイッチによって扱われる２つのネットワークの結合及び減結合の交互性に本質があるスイッチングと称される伝達変調によって制御される。

減結合コンデンサとの電力スイッチの一体化は、電力スイッチによって電流源を切り替えるための電流のダイナミクスが重要であることから、システムの動作におけるキーポイントである。

この電流のダイナミクスは、電力スイッチと減結合コンデンサとの間の相互接続のインダクタンスが調整されていない場合、数十又は数百ボルトの切り替えにおいて過電圧が発生することがある。これらの過電圧は、電気変換効率を低下させ、切り替えを低下させ、過度に放射することがある。

電力スイッチと減結合コンデンサとの間の寄生相互接続のインダクタンスを最小化するために、過電圧に関する問題を制限するために現在使用されている解決策は、電圧源に対して導電性がある金属素子を、特に前記導電性素子を重ね合わせることにより、位置決めするものである。

最近、低電力変換器は、「セパレート」と称される電力部品と、コンデンサ及びインダクタなどの受動素子とから製造され、リジッド多層印刷回路基板（ＰＣＢ）に組み込まれているか、又は、電気的絶縁材の層によって互いに分離された導電層によって形成されたリジッドバスバーを有する電気回路を介して相互接続された電力モジュール及び受動素子から製造される。

現在、オンボードの電子機器は、常に、特に航空用途において、より良好に組み込まれる必要があり、それにより、以下の２つの制約をともなっている：
−これらの機器の物理的構造は、利用可能な空間に適合される必要があり、それにより、電流手段を使用して製造される物理的に複雑なアセンブリをもたらし、ＰＣＢ及びバスバー機器が一般的に事実上平面の物理的構造を有することから、アセンブリは、全く物理的に適合可能でない。
−これらの機器の物理的構造はまた、限定空間において、より多くの電気エネルギを所定の効率レベルにおいて変換するものである機能の性質に関連する周囲温度の増加に抵抗する必要があり、それにより、発熱を生じさせる。

この電力部品のアセンブリのリジッド接続に関連したシステムの発熱は、それぞれが異なる熱膨張率を有する複数の材料（金属材料、高分子材料など）の一体化に関連した熱機械的制約を生じさせ、したがって、前記発熱は、接触部、特にアセンブリのはんだ接触接合部に大幅な熱機械的制約を課す可能性があり、それにより、その耐用年数や信頼性を制限する。

それゆえに、電力変換器を相互接続する従来の電気機器は、制限された動作温度を有し、したがって、発熱を受ける環境には適していない。

現在、これらの機器は、一般的に、ＰＣＢなどの「セパレート」の部品を組み立てることによって又はバスバーによって製造される。

例えばピンを有する電気モジュールなどの「セパレート」の電力部品は、一連の絶縁及び導電層によって形成されたリジッドＰＣＢ上に搭載される。電力部品の制御部は、一般的に、この基板に組み込まれる。

この実用的で費用効果があるアセンブリの解決策は、一般的に、低又は中間電力変換器を製造するために使用される。さらに、電力部品及び制御部品の相互接続が組み込まれるのを可能とする。しかしながら、部品を組み立てるためのこの解決策は、前記部品が３次元空間に又は３Ｄに物理的に組み込まれるのを可能とせず、その耐用年数や動作信頼性は、特に動作中に高い及び／又は頻繁な温度サイクルの場合には、制限されたままである。

バスバーを使用して搭載する場合には、電力部品は、一般的に、折り畳むことによって形成されることができ且つ一般的に電気的絶縁層によって分離された導電層によって形成されたリジッドベースに接続される。部品の制御部への接続は、電力モジュールにおけるコネクタを介して行われる。これらのアセンブリは、それらが一般的に中間及び高電力変換器を製造するために使用されることから高価である。それらは、部品の３Ｄ組み込みを可能にするが、これは制限されたままである。さらに、使用可能なネジ及びナット型の取り外し可能な相互接続手段は、部品の機械的組み込みを制限し、組み立てコストを増大させる。

本発明によって取り組まれる課題は、特に厳しい環境に組み込まれ且つ１Ａよりも大きくて２００Ａ未満の電流の管理を確実にするオンボードの電気回路アセンブリ上に電力部品の相互接続部を製造するものである。

請求項１に記載の電気回路が提案される。

「同質電流密度（Ｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）」は、接触面におけるいかなる地点においても略一定の電流密度を意味する。

前記電流密度は、有利には、４．５から５．５Ａ／ｍｍ^２であり、望ましくは、４．８から５．２Ａ／ｍｍ^２であり、特に５Ａ／ｍｍ^２に等しい。

それゆえに、この種の電気回路は、電力部品が電気的フレックス回路に接続されるのを可能とし、比較的フレキシブルであり、したがって、接点における電流密度を制限することによって利用可能な空間に３Ｄで適合させることができ、それにより、接触部における電流送電中に発熱と接触部における機械的制約との双方を低減させる。

したがって、電流がフレックス回路に対する部品の接触部を通過する際の密度を制御することは、前記回路が従来のアセンブリのものよりも大きな電流に耐えるのを可能とし、したがって、１から２００Ａの電流、特に３０から８０Ａの電流においてこのように備えられたフレックス回路に対して電力部品が接続されるのを可能とする。

前記導電部は、有利には、比較的大きく且つ固体である接触部を備える金属部品であり、望ましくは、銅、真鍮又はアルミニウム部品であり、それにより、電流の通過密度が接触領域において制御されるのを可能とし、この接触領域における機械的応力の局所的集中が吸収されるのを可能とする。

導電部は、平坦リングが設けられた円筒状スリーブの形状であるか又は円筒状スリーブの一部とすることができ、第１の接触部は、スリーブ又はスリーブ部分の円筒状内面によって形成され、第２の接触部は、リングの面によって形成される。

前記第２の接触部の幅は、特にフレックス回路の幅に相当することができる。それゆえに、第２の接触部の長さ（幅に対して横断方向）は、２０Ａ／ｍｍ^２未満の前記電流密度を伝達するのに適した接触面を与えるように調整される。

さらにまた、前記導電部は、有利には、接触部がフレックス回路及び部品に接合されるのを可能とするように成形されており、そのような接合は、例えば、はんだ付け若しくはろう付け、電気的若しくはレーザ溶接又は焼結など、指定された接合方法で行われることができる。

第１の接触部は、例えば部品の接触ピン又はタブなどの部品の接触要素に相補的であり、部品の接触要素、特に部品の前記接触ピン又は前記接触タブと接触するように成形された表面を有することができる。

第２の接触部は、フレックス回路の前記導電層と平面接触するように成形されている平坦面を有することができる。

導電性又は電流拡散部は、有利には、その端部の一方において又はその周囲にわたって平坦リングが設けられた円筒状スリーブの形状であり、スリーブの円筒状内面上で部品のピンに接触し且つリングの外面上でフレックス回路の導電層に接触するように成形されている。

それゆえに、第１の接触部は、スリーブの円筒状内面のうちの少なくとも一部によって形成されている。

それゆえに、第２の接触部は、リングの前記外面によって形成されている。

第１の接触部はまた、円筒の一部の形状とすることができ、接触ピンの断面の一部にわたって電気部品の接触ピンの端部に接触することができ、第２の接触部は、フレックス回路の下部導電層の表面に対してその外面によって適用される平坦リングである。

接触ピンは、さらに、例えば、フレックス回路のめっきスルーホール又はビアを介して部分的に又は完全にフレックス回路を貫通するように搭載されることができる。

誘電絶縁材の層によって互いに絶縁された銅層によって形成されたフレックス回路は、有利には、例えば組み込まれた環境における利用可能な空間に適合したときにフレックス回路が曲がり且つねじれ、それが接続される電気部品の少なくとも１軸の自由度を維持するのを可能とする約３０マイクロメートル未満の厚さを有する。

フレックス回路は、有利には、誘電絶縁材からなる中間層によって互いに絶縁された２層の銅によって形成されている。

前記電力部品に加えて、フレックス回路は、例えば、１つ以上の受動素子、有利には回路制御部品などの他の電気部品を備えることができる。

前記誘電絶縁材は、有利には、２００℃よりも高い温度に耐性があるポリイミド樹脂であり、それにより、高温でのはんだ付けアセンブリに加えて、限定環境における発熱に対して耐性があるアセンブリを製造することが可能となり、それにより、アセンブリの信頼性及び耐用年数を増加させる。

本発明はまた、特に機内に搭載されるように意図され且つ特に厳しい環境に組み込まれるように意図される電力変換器を相互接続するための上述したような電気回路の新規用途に関する。

本発明の実施形態は、ここで、以下の添付図面を参照して説明される。

図１は、本発明の実施形態にかかる電気回路の概略立面図である。 図２は、図１と同様の変形例の図である。

図面で使用される同一の参照符号は、同一又は技術的に等価な要素に関する。

用語「上」、「中間」及び「下」は、使用又はアセンブリの標準モードにおける相対位置を指す。

用語「長手」及び「横」は、それぞれ、所定方向且つこの方向に対して直角な面内に延在する要素を指定する。

図１を参照すると、示された電気回路は、例えば銅からなる２つの印刷平面導電層３を備える両面フレックス回路であるフレックス回路１を備える。これらの導電層３は、例えばポリイミドタイプからなる高い耐熱性を有する平面中間誘電樹脂層５によって互いに重ね合わされて絶縁されている。この場合、導電層３及び絶縁層５の厚さは、約１０マイクロメートルに等しい。したがって、フレックス回路の厚さは、約３０マイクロメートルであり、それにより、前記回路に曲がり及びねじれる能力を与える。回路の幅は、３〜５センチメートルに等しく、それにより、回路が１０Ａ／ｍｍ^２未満のフレックス回路を通過する電流密度について５０〜７０Ａの電流を伝達するのを可能とする。後述するように、この種の電流は、実際には、電気部品、例えば低から中間電力部品（図示しない）のものとすることができる。

フレックス回路１は、フレックス回路と電力部品との間の接触界面を形成する２つの部分７を備える。これらの接触部７は、以下では電流拡散素子と称される。

部品は、ピンの形状において２つの円筒状接触ピン９（１つのみが示される）を含むことができる。これらのピン９は、２つの導電部又は電流拡散素子７によってフレックス回路１に対して電気的に接続されている。

これらの電流拡散素子７は、フレックス回路の各導電層３に対して電気部品のピン９のそれぞれを実際に接続する。これらのピン９は、それぞれ、前記回路の表面に対して直角にフレックス回路に形成されためっきスルーホール又はビア１１内に配置されている。それゆえに、フレックス回路における下側ビア１１は、（図の左側における）左側ピン９のために形成されており、フレックス回路における上側ビア１１は、右側ピンのために形成されている。

電流拡散部７は、同一であり、良好な導電体、望ましくは銅である金属部品からそれぞれ構成されており、電気部品の一方のピン９及びフレックス回路の導電層３とそれぞれ電気的に接触するようにそれぞれ構成された２つの接触部１３、１５を備える。

この場合、電流拡散部７は、その一端に平坦リング１９が設けられた円筒状スリーブ１７の形状であり、スリーブの円筒状内面２１上で部品のピン９と接触し、リングの外面２３上でフレックス回路の導電層３と接触するように成形されている。

それゆえに、第１の接触部１３は、スリーブの円筒状内面２１によって形成されている。

それゆえに、第２の接触部１５は、リングの前記外面２３によって形成されている。

部品のピン９及びフレックス回路の導電層３のそれぞれに対する２つの接触部１３、１５との間の接触接合は、部品を接合するようにはんだ付けすることによって得られる。このはんだ付けは、対向する接点部間における導電性中間はんだ層２５を構築し、前記部分１３は、部品のピン９に対応し、前記部分１５は、フレックス回路の導電層３に対応し、この導電性中間接合層２５は、各接触部１３、１５の外側とわずかに重複している。

電流拡散部７が、その固体の外観とフレックス回路と接触している（部分１５の）その表面の量に起因して、電流密度が接触領域において低減するのを可能にしていることを図にみることができ、密度は、部品及びフレックスとそれぞれ接触している接触部１３、１５の面積に対して２０Ａ／ｍｍ^２未満、望ましくは４．５から５，５Ａ／ｍｍ^２の間の値に調整される。この特徴は、接触接続部の発熱を低減し、接続アセンブリを高信頼性とする。

さらに、電流拡散部７の固体の性質は、フレックス回路と部品との間の機械的接続の可能な点を形成するようにそれらについて十分な堅さを有する前記拡散部を提供し、例えば、フレックス回路が、部品の位置決めに適合するために変形することができることから、フレックス回路が搭載される電気部品に機械的に接続されるのを可能とする。逆に、フレックス回路の可能な曲がり及びねじれ変形は、特に一体化されたアセンブリの関連において利用可能な空間に適合させるために、フレックス回路上で部品に位置決めの自由度がある程度与えられるのを可能とする。

上述したように、接触拡散部７は、他の形状（図２を参照）とすることができる。拡散部７は、図の左側において、常にスリーブ１７の形状であるが、フレックス回路に形成された貫通ビア１１を介してフレックス回路を貫通するように搭載されることから、前記の場合よりも長い。この拡散部は、さらに、実質的にスリーブの上部において、その周囲にわたって接触リング１９を備え、このリングは、フレックス回路の上側導電層３の表面とその下面において接触している。

拡散部７は、図の右側において、その断面（半分）の部分にわたってピン９の端部と接触する例えば半円筒などの円筒の一部２７の形状である第１の接触部を備え、第２の接触部は、フレックス回路の下側導電層３に対してその外面によって適用される平坦リング２９である。この変形例によれば、接触ピン９は、フレックス回路１の外部であって前記回路の下方にある。

本発明は、説明されて示された実施形態に限定されるものではない。例えば、搭載される電気部品の接触要素の（相補的な）形状に適合される電流拡散部の接触部についての他の形状を提供することが可能である。

Claims (11)

1. 電力部品などの少なくとも１つの電気部品と、フレックス絶縁層に設けられたフレックス導電層を有する電気的フレックス回路（１）とを備える電気回路であって、前記電気的フレックス回路に対して前記電気部品を接続する少なくとも１つの導電部（７）を備え、前記導電部（７）が、それと接触するように前記電気電力部品の接触要素（９）を受ける少なくとも１つの第１の接触部（１３）と、それと接触するように前記電気的フレックス回路の前記フレックス導電層（３）に固定された第２の接触部（１５）とを設けており、第２の接触部（１５）の幅が、電気的フレックス回路（１）の幅に相当し、長さが、４．５から５．５Ａ／ｍｍ^２の間の電流密度を伝達し且つ電気回路が前記電力部品に適した電流、すなわち３０から８０Ａの間の電流を維持するのを可能とするのに適した接触面を与えるよう調整されることを特徴とする、電気回路。
2. 前記第１及び第２の接触部（１３、１５）が、部品及び電気的フレックス回路と接触する接触部（１３、１５）の表面間において５Ａ／ｍｍ^２に等しい電流密度を伝達するように成形されている、ことを特徴とする、請求項１に記載の電気回路。
3. 前記導電部（７）が、比較的大きく且つ固体である接触部（１３、１５）を備える金属部品である、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の電気回路。
4. 導電部（７）が、平坦リング（１９、２９）が設けられた円筒状スリーブ（１７）の形状であるか又は円筒状スリーブ（２７）の一部であり、第１の接触部（１３）が、スリーブ又はスリーブ部分の円筒状内面（２１）によって形成され、第２の接触部（１５）が、リング（１９、２９）の面によって形成される、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電気回路。
5. 前記導電部（７）が、例えば、はんだ付け若しくはろう付け、電気的若しくはレーザ溶接又は焼結など、指定された接合方法で接触部（１３、１５）が電気的フレックス回路（１）及び部品に接合されるのを可能とするように成形されている、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電気回路。
6. 第１の接触部（１３）が、例えば部品の接触ピン又はタブなどの部品の接触要素（９）に相補的であり、部品の接触要素（９）と接触するように成形された表面を有し、第２の接触部（１５）が、電気的フレックス回路の導電層（３）と平面接触するように成形されている平坦面を有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電気回路。
7. 電気的導電部（７）が電流拡散部であり、電流拡散部がその端部の一方において又はその周囲にわたって平坦リング（１９）が設けられた円筒状スリーブ（１７）の形状であり、スリーブの円筒状内面（２１）上で部品のピン（９）に接触し且つリングの外面（２３）上で電気的フレックス回路の導電層（３）に接触するように成形されており、第１の接触部（１３）が、スリーブ（１７）の円筒状内面のうちの少なくとも一部によって形成されており、第２の接触部（１５）が、リングの前記外面（２３）によって形成されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電気回路。
8. 第１の接触部が、円筒の一部（２７）の形状であり、接触ピンの断面の一部にわたって電気部品の接触ピン（３）の端部に接触し、第２の接触部が、電気的フレックス回路の下部導電層（３）の表面に対してその外面によって適用される平坦リング（２９）である、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の電気回路。
9. 誘電絶縁材（５）の層によって互いに絶縁された銅層（３）によって形成された電気的フレックス回路（１）が、約３０マイクロメートル未満の断面厚さを有する、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の電気回路。
10. 前記誘電絶縁材（５）が、ポリイミド樹脂である、請求項９に記載の電気回路。
11. 機内に搭載される電力変換器を備える環境であって、電力変換器が、少なくとも１つの請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の電気回路によって相互接続されている、環境。

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