JP2007255275A - ディーゼルエンジン予熱用ヒータの通電制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 通電制御装置100は、パワー制御素子141を含み、グロープラグGP1等に加える電力の制御を行う制御回路2をなす回路部品141,142と、ガラスエポキシ複合材からなる配線基板120であって、パワー制御素子141を含む回路部品を自身の両面にわたって実装してなる配線基板120と、パワー制御素子141周囲の空気を外部との間で流通を制限しつつ、パワー制御素子141を包囲する樹脂製のケース部材110と、パワー制御素子141の周囲に配置され、ケース部材110よりも熱伝導性が高く、パワー制御素子141が発する熱を一時蓄熱して、このパワー制御素子141の温度上昇を遅らせる温度上昇遅延手段(チェックピン152)を有する。
【選択図】 図3
Description
しかしながら、セラミック製の配線基板は高価である。また、配線基板に片面実装によって、制御回路を構成しているため、回路構成が複雑になるほど、大きくさらに高価な配線基板が必要となる。また、通電制御装置自身の体格が大きくなるなどのデメリットがある。
従って、通電期間に制限がないなど、長時間にわたり、この通電制御装置(パワー制御素子)で通電制御を継続して行う可能性がある場合には、その長期間にわたり、パワー制御素子の温度を上限温度以下に保てるよう、十分な放熱を行う必要がある。
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、簡易な構成でありながら、パワー制御素子による通電制御可能な期間をより長く確保できる通電制御装置を提供することを目的とする。
このため、例えば、本発明の通電制御装置を用いてグロープラグに通電し、これを発熱させた場合、パワー制御素子が発熱するが、温度上昇遅延手段により、パワー制御素子の周囲に熱を一時蓄熱してパワー制御素子の温度上昇を遅らせる。このため、この温度上昇遅延手段が無い場合に比して、パワー制御素子自身の温度が上昇しにくい。従って、通電制御装置にこの温度上昇遅延手段を備えない場合に比して、通電を開始してから、パワー制御素子の温度が上昇して、パワー制御素子が熱によって破壊してしまうまでの時間、パワー制御素子の熱による破壊を防止するために強制的に通電停止とするまでの時間、あるいはパワー制御素子自身の安全回路により強制的に通電停止するまでの時間を長くすることができる。
これにより、ケース部材あるいは樹脂充填材によって、パワー制御素子で発する熱の放熱が不十分となっていても、この温度上昇遅延手段がない場合に比して、長時間にわたり、パワー制御素子を動作させてディーゼルエンジン予熱用ヒータを作動させることができる。
また、ディーゼルエンジン予熱用ヒータとしては、グロープラグ、エアヒータ(吸気ヒータ)が挙げられる。
さらに、パワー制御素子としては、ヒータに投入する大電力を制御可能な制御素子であり、パワートランジスタ、パワーMOSFET、GTO,SCR、これらを用いたスイッチ素子などが挙げられる。
さらに、ケース部材をなす樹脂としては、絶縁性、耐熱性、耐湿性、耐候性等を考慮して適宜選定すればよいが、例えば、ナイロン、ポロプロピレン、PETが挙げられる。また、樹脂充填材も、絶縁性、耐熱性、耐湿性、耐候性等を考慮して選定すればよいが、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂を用いることができる。
しかも、本発明の通電制御装置では、配線基板上に金属塊を配置するので、配置容易である。
また、金属塊も、配線基板の他方面に密着していれば良いが、さらに好ましくは、配線基板に設けた銅箔などの金属層で金属塊配置領域を構成し、ここに金属塊をハンダ付けによって接合するのが好ましい。金属塊を配線基板に確実に密着させることができる上、パワー制御素子で発した熱を配線基板からさらに受け取り易くなるからである。
一方、金属塊配置領域に密着する部分の面積を、パワー制御素子の金属放熱部1つ分よりも小さくし、金属塊配置領域に多数の金属塊を密着配置させることもできる。このように、小さな金属塊を複数用いることで、異形の金属塊配置領域にも容易に金属塊を配置することができる。金属塊配置領域の形状変更にも容易に対応できるなどの利点がある。このような金属塊として、チップマウンタなどの機器で自動実装可能で、リフロー装置により配線基板の金属塊配置領域に固着可能な形態、構成を有する金属塊を用いるのが好ましい。搭載やハンダ付けによる固着を、配線基板に搭載する他の電子部品と同様に自動で行うことができるので、他のチップ型の電子部品と同様に扱うことができ、容易に配置固着ができるからである。このような金属塊として、例えば、自動実装及びリフロー可能なチェックピンを用いることができる。
また、配線基板に設けた金属層で素子実装逆面領域を構成するが好ましい。パワー制御素子で発生した熱を、この素子実装逆面領域の金属層及びこれを経由して離間蓄熱部材の結合部に、さらに伝えやすくなるからである。
また、離間蓄熱部材の結合部は、配線基板の一方面の素子実装領域または他方面の素子実装逆面領域の周囲の結合領域で、配線基板に結合していればよい。さらには、配線基板に設けた銅箔などの金属層で結合領域を構成し、ここに離間蓄熱部材の結合部をハンダ付けによって結合させるのが好ましい。パワー制御素子で発生した熱を、この結合領域の金属層及びこれを経由して離間蓄熱部材の結合部に、さらに伝えやすくなるからである。
なお、離間部と配線基板の一方面または他方面との間に、パワー制御素子以外の回路部品を配置することもできるが、パワー制御素子を配置するのが好ましい。発熱したパワー制御素子の熱を、配線基板を経由せず、パワー制御素子と離間部との間が空間となっている場合には、パワー制御素子からの赤外線の放射により、パワー制御素子と離間部との間が樹脂充填材が充填されている場合には、この充填された樹脂充填材を経由した電熱により、さらに多く離間部に伝えることができる。このため、パワー制御素子の温度上昇を遅らせることができるからである。
離間蓄熱部材を兼ねる外部接続端子には、ヒータに流れる電流を入力または出力するための外部接続端子、例えば、バッテリ電圧端子や接地電圧端子を用いるのが好ましい。ヒータに流す大電流を入出力するためのこれらの端子は、低抵抗とするため、信号を入出力するための外部接続端子よりも、例えば、電流の流れる部分における厚さや幅を大きくして、その断面積を大きくする場合が多い。このような断面積の大きい外部接続端子を離間蓄熱部材に兼用すると、多くの熱を蓄熱でき、また放熱の点でも外部に熱を放出しやすくなるからである。
あるいは、上述のディーゼルエンジン予熱用ヒータの通電制御装置であって、前記離間蓄熱部材は、上記通電制御装置で用いる外部接続端子のうち、電流の流れる部分の断面積が最も大きい外部接続端子を兼ねるディーゼルエンジン予熱用ヒータの通電制御装置とするのが好ましい。
本発明の第1の実施の形態を、図1〜図6を参照して説明する。
まず、本実施形態1にかかる通電制御装置100を用いたディーゼルエンジン用のグロープラグの通電制御システム1について説明する。この通電制御システム1は、通電制御装置100のほか、エンジン制御ユニット3(Engine Control Unit:以下、ECUとも言う。)、キースイッチKSW、バッテリBT、オルタネータ4、及び制御対象であるグロープラグGP1〜GP4を含んでいる。
なお、パワー制御素子141は、自身に安全回路を内蔵しており、MOSFETのジャンクション温度が規定の値(例えば165℃)を超えた場合には、MOSFETを強制的にターンオフさせ、MOSFETが熱破壊することを防止することができるようにされている。
なお、配線基板120には、バッテリ電圧端子131のほか、他の外部接続端132として、前述したECU通信端子135A,135B、グロープラグGP1等との接続するためのグロープラグ接続端子133G1,133G4、接地端子134、電源端子136が含まれている。
また、本実施形態では、グロープラグGP1〜GP4への通電電流の大きさを、その他の回路部品142で取得した例を示したが、これを取得しないで、バッテリ電圧Vbに基づきデューティ制御(PWM制御)を行っても良い。
また、本実施形態で用いたパワー制御素子141として、安全回路を内蔵したものを示したが、安全回路を備えないパワー制御素子を用いることもできる。
さらに、この配線基板120には、中央がくびれてH字状(エ字状)の形態とされた金属製のチェックピンも多数搭載されている。
また、コネクタ部112は、バッテリ電圧端子131の径方向周囲を包囲するコネクタ部112A、及び、その他の外部接続端子132の径方向周囲を包囲するコネクタ部112Bからなる。フランジ部113は、基板包囲部111とコネクタ部112との間に位置して径方向に突出する鍔状の形態を有している。さらに、2箇所設けられた取り付け部114は、ケース部材110(通電制御装置100)を他部材に取り付けるための脚部をなし、ネジを挿通可能としてなる。
この配線基板120は、ガラス繊維の織布にエポキシ樹脂を含浸させた多層のガラスエポキシ複合材からなり、その上面、下面及び内部には、エッチングやメッキ等によって形成された図示しない回路配線層が形成されている。
従って、グロープラグGP1等への通電により、パワー制御素子141が発熱すると、その金属放熱部141M、及び下面素子実装金属層123の素子実装領域121を通じて、配線基板120の厚み方向に、熱を伝えることができる。
また、本実施形態1では、金属層の腐食や傷の防止、ハンダ付着防止のため、配線基板120の下面120Rは、下面素子実装金属層123内の素子実装領域121、バッテリ電圧端子挿通孔128Hの周縁部、外部接続端子接続領域129R、及び、図示しない回路部品142を実装するためのパッド部分を除き、ソルダレジスト(図示しない)で被覆されている。
金属塊配置領域126には、図4(a)及び図3を参照すると理解できるように、チェックピン152がハンダ付けによって多数実装されている。なお、チェックピン152をハンダ付けすることで、チェックピン152を金属塊配置領域126に確実に密着させることができる。その上、パワー制御素子で発した熱を配線基板からさらに受け取り易くなる。なお、このチェックピン152は、ケース部材110をなす樹脂よりも熱伝導率が高い黄銅からなり、ニッケル下地金メッキが全体に施されている。
かくして、本実施形態1のように、金属塊配置領域126に多数のチェックピン152を配置すると、グロープラグGP1等への通電制御によりパワー制御素子141が発熱しても、通電制御を開始してから、このパワー制御素子141のジャンクション温度が安全回路の作動温度(例えば165℃)を超えるまでの時間を長くすることができ、通電制御装置をより長い時間作動させることができる。また、この時間よりも短時間で通電制御を終えるようにすれば、チェックピン152による蓄熱を行うことで、パワー制御素子141における安全回路の作動を防止することができる。
また同様に、素子実装逆面領域125を含む金属塊配置領域126をハンダ付け可能な金属層で形成し、チェックピン152をハンダ付けしているため、チェックピン152を配線基板120に確実に密着させることができる上、パワー制御素子141で発した熱を配線基板120からさらに受け取り易くなっている。
さらに、本実施形態1で用いたチェックピン152は、チップマウンタなどの機器で配線基板120の上面120S上に自動実装可能である。また、チェックピン152は、金属塊配置領域126に予めハンダペーストを塗布しておき、その後チェックピン152を配置し、リフロー装置を通すことにより、配線基板120の金属塊配置領域126に固着可能である。従って、搭載やハンダ付けによる固着を、配線基板120に搭載する他の電子部品141,142と同様に自動で行うことができ、他のチップ型の電子部品と同様に扱うことができ、容易に配置固着ができる。
また、本実施形態1では、金属層の腐食や傷の防止、ハンダ付着防止のため、配線基板120の上面120Sは、金属塊配置領域126、バッテリ電圧端子挿通孔128Hの周縁部、外部接続端子接続領域129S、及び、図示しない回路部品142を実装するためのパッド部分を除き、ソルダレジスト(図示しない)で被覆されている。
バッテリ電圧端子挿通孔128H、外部接続端子挿通孔129H、取付孔120Hを穿孔すると共に、所定の配線パターンを形成した配線基板120を公知の手法で作製する。ついで、配線基板120の上面120S及び下面120Rの、金属塊配置領域126、素子実装領域121、及び図示しないその他の回路部品142の接続パッド等にハンダペーストを塗布する。さらに、チップマウンタ(図示しない)を用いて、チェックピン152、パワー制御素子141、及びその他の回路部品142を、配線基板120上に搭載する。さらに、配線基板120をリフロー装置(図示しない)内を通過させてパンダペーストを溶融させ、チェックピン152を金属塊配置領域126に、パワー制御素子141の金属放熱部141Mを素子実装領域121に、その他の回路部品142をそれぞれの接続パッドに、ハンダ付けする。
ついで、本発明の第2の実施形態について、図7〜図9を参照して説明する。
上述の実施形態1に係る通電制御装置100では、配線基板120において、その上面120Sの金属塊配置領域126に多数のチェックピン152を配置した。これに対し、本実施形態2に係る通電制御装置200では、チェックピン152を用いず、配線基板220において、その下面220R側にコ字形金属板部材253を設けた点で異なり、他は実施形態1と同様である。従って、異なる部分を中心に説明し、同様な部分は説明を省略または簡略化する。
このコ字形金属板部材253は、ケース部材110をなす樹脂よりも熱伝導率が高い金属板(黄銅板)をプレス成形により、打ち抜き及び屈曲させて、コ字状に成形したものであり、錫メッキが施されている。
また同様に、結合領域224をハンダ付け可能な金属層(下面素子実装金属層223)で形成し、コ字形金属板部材253の結合部253A1,253A2をハンダ付けしたため、パワー制御素子141で発生した熱を、この結合領域224の金属層及びこれを経由してコ字形金属板部材253の結合部253A1,253A2に、さらに伝えやすくなっている。
さらに、本実施形態2では、配線基板220の下面220Rの素子実装領域221及びその周囲に位置する結合領域224を共通した金属層である下面素子実装金属層223で構成している。このため、パワー制御素子141で発生した熱を、素子実装領域221及び結合領域224を含む下面素子実装金属層223を経由して、コ字形金属板部材253の結合部253A1,253A2に、さらに伝えやすくなっている。
また、本実施形態2でも、金属層の腐食や傷の防止、ハンダ付着防止のため、配線基板220の下面220R及び上面220Sは、下面素子実装金属層223内の素子実装領域221、結合領域224,227(結合部挿通孔224Hの周縁部)、バッテリ電圧端子挿通孔228Hの周縁部、外部接続端子接続領域229R,229S、及び、図示しない回路部品142を実装するためのパッド部分を除き、ソルダレジスト(図示しない)で被覆されている。
ついで、本発明の第3の実施形態について、図10〜図12を参照して説明する。
上述の実施形態2に係る通電制御装置200では、配線基板220において、その下面220R側に離間蓄熱部材であるコ字形金属板部材253を設けたが、これとは別に、実施形態1と同様のバッテリ電圧端子131を設けていた。
これに対し、本実施形態3の通電制御装置300では、離間蓄熱部材である金属板部材353を、バッテリ電圧端子331と兼用して1部材とした点で異なり、他は実施形態2と同様である。従って、実施形態1,2と異なる部分を中心に説明し、同様な部分は説明を省略または簡略化する。
但し、配線基板320には、実施形態1,2と異なり、バッテリ電圧端子接続領域128R,228Rを設けず、金属板部材353の接続端子部353C、離間部353B、及び結合部353A1,353A2,353A3を通じて、下面素子実装金属層323の結合領域324に、バッテリ電圧Vbを印加している。
また同様に、結合領域324をハンダ付け可能な金属層(下面素子実装金属層323)で形成し、金属板部材353の結合部353A1,353A2,353A3をハンダ付けしたため、パワー制御素子141で発生した熱を、この結合領域224の金属層及びこれを経由して金属板部材353の結合部353A1,353A2,353A3に、さらに伝えやすくなっている。
さらに、配線基板320の下面320Rの素子実装領域321及びその周囲に位置する結合領域324を共通した金属層である下面素子実装金属層323で構成している。このため、パワー制御素子141で発生した熱を、素子実装領域321及び結合領域324を含む下面素子実装金属層323を経由して、金属板部材353の結合部353A1,353A2,353A3に、さらに伝えやすくなっている。
このように、金属板部材353を、外部接続端子331,132の中でもバッテリ電圧端子331を兼ねさせることで、多くの熱を蓄熱でき、また外部に熱を放出しやすくなっている。
また、本実施形態3でも、金属層の腐食や傷の防止、ハンダ付着防止のため、配線基板320の下面320R及び上面320Sは、下面素子実装金属層323内の素子実装領域321、結合領域324,327(結合部挿通孔324Hの周縁部)、外部接続端子接続領域329R,329S、及び、図示しない回路部品142を実装するためのパッド部分を除き、ソルダレジスト(図示しない)で被覆されている。
ついで、上述の実施形態3の変形形態について、図13を参照して説明する。
上述の実施形態3に係る通電制御装置300では、ケース部材110の基板包囲部111内には、配線基板320が配置されているだけで、他は空間(空気)であった(図10参照)。
これに対し、本変形形態1の通電制御装置400では、ケース部材110の基板包囲部111内に、配線基板320を配置し、さらに、樹脂充填材461を充填してなる点で異なり、他は実施形態3と同様である。従って、この実施形態3と異なる部分を中心に説明し、同様な部分は説明を省略または簡略化する。
このため、この通電制御装置400では、パワー制御素子141やその他の回路部品142が、樹脂充填材461に包囲され、封止されているので、ケース部材110内に水分が侵入しても、これらの回路部品141,142や配線基板320内の金属層等に、マイグレーションや絶縁不良、短絡、腐食等の不具合を生じることが防止されている。
例えば、実施形態1の通電制御装置100では、金属塊配置領域126に密着する部分の面積が、パワー制御素子141の金属放熱部141Mよりも小さな、しかも、くびれ形状のチェックピン152を多数用いた例を示した。
しかし、金属塊配置領域に配置する金属塊としては、チェックピン152に限らず、例えば、このチェックピン152に代えて、これと金属塊配置領域126に密着する部分の面積は同程度であるが、直方体形状の金属塊を用いることもできる。この金属塊とすることにより、金属塊の熱容量が増加するので、さらにパワー制御素子141の温度上昇を遅らせることができる。
あるいは、金属塊配置領域126に密着する部分の面積を、パワー制御素子141の金属放熱部141Mと同程度の大きさ、あるいは、複数個分の大きさとした金属塊を用いることもできる。
また、変形形態1においては、ケース部材110の基板包囲部111内全体に樹脂充填材461を充填した例を示したが、パワー制御素子141nを包囲するなど、適宜の部分にのみ樹脂充填材を配置することもできる。
さらに、実施形態1,2にかかる通電制御装置100,200について、ケース部材110の基板包囲部111内に樹脂充填材を充填するようにしても良い。
GP1,GP4 グロープラグ(ディーゼルエンジン予熱用ヒータ)
BT バッテリ
2 制御回路
100,200,300,400 通電制御装置(ディーゼルエンジン予熱用ヒータの通電制御装置)
110 ケース部材
120,220,320 配線基板
120S,220S,320S 上面(他方面)
120R,220R,320R 下面(一方面)
121,221,321 素子実装領域
123,223,323 下面素子実装金属層
224,324 (下面側の)結合領域
125,225 素子実装逆面領域
126 金属塊配置領域
128R,228R (下面側の)バッテリ電圧端子接続領域
129R,229R,329R (下面側の)外部接続端子接続領域
131,331 バッテリ電圧端子(外部接続端子)
132 他の外部接続端子
133G1,133G4 グロープラグ接続端子(外部接続端子)
134 接地端子(外部接続端子)
135A,135B ECU通信端子(外部接続端子)
136 電源端子(外部接続端子)
141 パワー制御素子
141M 金属放熱部
142 その他の回路部品
152 チェックピン(温度上昇遅延手段、金属塊)
253 コ字形金属板部材(温度上昇遅延手段、離間蓄熱部材)
253A1,253A2 結合部
253B 離間部
353 金属板部材(温度上昇遅延手段、離間蓄熱部材)
353A1,353A2,353A3 結合部
353B 離間部
353C 接続端子部
461 樹脂充填材
Claims (4)
- パワー制御素子を含み、ディーゼルエンジン予熱用ヒータに加える電力の制御を行う制御回路の少なくとも一部をなす回路部品と、
樹脂または樹脂を含む複合材からなる配線基板であって、
上記パワー制御素子を含む上記回路部品を自身の両面にわたって実装してなる
配線基板と、
上記パワー制御素子周囲の空気を外部との間で流通を制限しつつ、少なくとも上記パワー制御素子を包囲する樹脂製のケース部材、または、少なくとも上記パワー制御素子の周囲に充填されてこのパワー制御素子を包囲する樹脂充填材の少なくともいずれかと、
上記パワー制御素子の周囲に配置され、上記ケース部材及び上記樹脂充填材よりも熱伝導性が高く、上記パワー制御素子が発する熱を一時蓄熱して、このパワー制御素子の温度上昇を遅らせる温度上昇遅延手段と、を有する
ディーゼルエンジン予熱用ヒータの通電制御装置。 - 請求項1に記載のディーゼルエンジン予熱用ヒータの通電制御装置であって、
前記パワー制御素子は、
金属からなり、自身に発生した熱を外部に逃がすための金属放熱部を有し、
上記金属放熱部を前記配線基板の一方面のうち素子実装領域に密着させて実装されてなり、
前記温度上昇遅延手段は、
上記配線基板の上記一方面とは逆の他方面のうち、上記素子実装領域に対向する素子実装逆面領域を含む金属塊配置領域に密着して配置された一又は複数の金属塊である
ディーゼルエンジン予熱用ヒータの通電制御装置。 - 請求項1または請求項2に記載のディーゼルエンジン予熱用ヒータの通電制御装置であって、
前記パワー制御素子は、
金属からなり、自身に発生した熱を外部に逃がすための金属放熱部を有し、
上記金属放熱部を前記配線基板の一方面のうち素子実装領域に密着させて実装されてなり、
前記温度上昇遅延手段は、
金属からなる離間蓄熱部材であって、
上記配線基板の上記一方面またはこれとは逆の他方面から離間して配置された離間部と、
上記離間部に接続すると共に、上記素子実装領域の周囲の、または、上記他方面のうち上記素子実装領域に対向する素子実装逆面領域の周囲の結合領域で、上記配線基板に結合する結合部と、を有する
離間蓄熱部材である
ディーゼルエンジン予熱用ヒータの通電制御装置。 - 請求項3に記載のディーゼルエンジン予熱用ヒータの通電制御装置であって、
前記離間蓄熱部材は、
外部接続端子を兼ねる
ディーゼルエンジン予熱用ヒータの通電制御装置。
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