JP2014138442A - 放熱器を備えたモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各構成要素を安定的に固定でき、かつ小型化が図られたモータ駆動装置の提供。
【解決手段】モータ駆動装置１０は、モータ１２を駆動するための回路を有する複数の基板１４及び１６と、基板１４及び１６にそれぞれ実装された半導体素子１８及び２０と、基板１４及び１６の少なくとも一方に実装された少なくとも１つの平滑コンデンサ２２と、半導体素子１８及び２０に隣接して配置された伝熱面を備えた放熱器２４とを有する。平滑コンデンサ２２は、ベース面２８に近接して略平行に設けた第１のプリント基板１４を、反正面方向に掃引して形成される掃引空間３４内に収まるように配置され、かつ、第１のプリント基板１４から離隔して配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板に実装された半導体素子からの放熱を行うための放熱器を備えたモータ駆動装置に関する。

一般に、放熱器を備えたモータ駆動装置の回路設計を１枚のプリント基板で行う場合、該プリント基板をモータ駆動装置に取り付けた状態では、正面方向（該プリント基板に垂直な方向）にみたときの該モータ駆動装置の面積は、プリント基板の面積と概ね等しくなり、プリント基板の面積によってはモータ駆動装置（放熱器）が大型化する。そこで、例えば特許文献１には、全体の占有体積を小さくする目的で、互いに直交する２枚の回路基板を取り付けたヒートシンクが記載されている。

また放熱器の小型化を図った他の例として、特許文献２には、コンデンサを実装したコンデンサ基板と、半導体素子を実装したプリント板とを熱的に分離するため、放熱器の異なる平面にコンデンサ基板と半導体素子を実装したプリント板を配置したインバータ装置が記載されている。

特開２００２−２４６７７９号公報 特開２０１０−１８７５０４号公報

特許文献１に記載の装置では、回路基板の固定箇所が１箇所であるか回路基板が片持ち構造であるため、回路基板の固定が不安定となる虞がある。また、各回路基板は独立しているため、設計する回路に応じて取り付け正面の基板面積が大きくなり、その取り付け正面の横幅が大きくなる可能性もある。

また特許文献２では、コンデンサ基板を放熱器の側面に設置しているが、平滑コンデンサはある程度の容量が必要であることから一定の高さを有しており、コンデンサ基板を放熱器の側面に配置しても、取り付け正面の横幅の（大幅な）小型化には寄与しない。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、各構成要素を安定的に固定でき、かつ小型化が図られたモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明は、モータを駆動するための回路が分割されて形成された第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板及び第２の基板を、互いに交差するように接続する接続部と、前記第１の基板及び第２の基板の各々に実装された半導体素子と、前記第１の基板に実装された半導体素子に隣接する第１の伝熱面を備えた放熱器と、前記第１の基板を前記第１の伝熱面に垂直な方向に掃引した掃引空間内に配置されるとともに、前記第１の基板から離隔して配置されたコンデンサと、を有するモータ駆動装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記コンデンサが、前記第１の基板から延びる第１の導電性アーム部材にネジにより締結されるネジ締結式のコンデンサである、モータ駆動装置を提供する。

第３の発明は、第１の発明において、前記コンデンサが、前記第１の基板から延びる第２の導電性アーム部材に取り付けられたコンデンサ基板に実装されている、モータ駆動装置提供する。

第４の発明は、第１の発明において、前記コンデンサが、前記第２の基板を前記第１の基板に垂直な方向に延長して形成された延長部分に実装されている、モータ駆動装置提供する。

第５の発明は、第１の発明において、前記放熱器の一部が、前記第１の伝熱面に垂直な方向に延びるように形成された突出部分を有し、前記突出部分に半導体素子が取り付けられる、モータ駆動装置を提供する。

第６の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記放熱器の、面方向が異なる少なくとも２つの伝熱面に半導体素子が隣接配置されている、モータ駆動装置を提供する。

第７の発明は、第６の発明において、前記放熱器が、前記第１の伝熱面に対し傾斜した角度で互いに平行に延びる複数の放熱フィンを有する、モータ駆動装置を提供する。

第８の発明は、第６の発明において、前記放熱器が、前記少なくとも２つの伝熱面の各々に対し垂直方向に延びる複数の放熱フィンを有する、モータ駆動装置を提供する。

本発明によれば、モータ駆動用の回路が複数の基板に分割されるので、１枚であれば比較的大きな回路であっても、正面からみた放熱器のベース面の面積（縦横寸法）を増やさずに放熱器に取り付けることができる。また、比較的大型の電子部品であるコンデンサも所定の空間内に収めることができるため、モータ駆動装置の小型化が図られる。さらに、各基板は半導体素子及び接続部によって２箇所以上で、放熱器の伝熱面と平行に固定可能となるので、従来よりも基板の固定が安定する。

コンデンサの具体的な取り付け形態としては、第１の基板から延びるアーム部材に対するネジ止め、アーム部材に取り付けたコンデンサ基板への実装、或いは第２の基板を第１の基板に垂直な方向に延長して形成された延長部分への実装が可能であり、いずれも複雑な構造を必要としない。

放熱器の２つの伝熱面に半導体素子を隣接配置した場合、第１の伝熱面に対し傾斜した角度で互いに平行に延びる複数の放熱フィン、又は２つの伝熱面の各々に対し垂直方向に延びる複数の放熱フィンを放熱器に設けることにより、各伝熱面から効率的に放熱を行うことができる。

（ａ）本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置の概略構造を示す斜視図であり、（ｂ）（ａ）とは異なる方向からみた斜視図であり、（ｃ）上方からみた図である。 本発明の第２の実施形態に係るモータ駆動装置の概略構造を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係るモータ駆動装置の概略構造を示す斜視図である。 （ａ）本発明の第４の実施形態に係るモータ駆動装置の概略構造を示す斜視図であり、（ｂ）（ａ）とは異なる方向からみた斜視図であり、（ｃ）上方からみた図である。 モータ駆動装置の放熱器の構成例を示す図である。 モータ駆動装置の放熱器の他の構成例を示す図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置１０の基本構造を示す図である。モータ駆動装置１０は、図１（ａ）に概略図示したモータ１２を駆動するための回路を有する複数（図示例では２つ）の基板１４及び１６と、基板１４及び１６にそれぞれ実装された半導体素子１８及び２０と、基板１４及び１６の少なくとも一方に実装された少なくとも１つ（図示例では３つ）の平滑コンデンサ２２と、半導体素子１８及び２０に隣接して配置された伝熱面を備えた放熱器２４とを有する。なお本願発明における「半導体素子」には、トランジスタ、パワー素子、ダイオード、集積回路（ＩＣ）及び抵抗等が含まれるが、上述の平滑コンデンサ２２等のコンデンサは含まれないものとする。

第１の実施形態では、基板１４及び１６はプリント基板であり、モータ１２を駆動するために必要な回路が分割されて、各基板に銅箔の印刷等により形成されている。またプリント基板１４及び１６は互いに平行ではなく、互いに交差（図示例では直交）するように、接続部２６によって互いに接続されている。なお接続部２６は、両プリント基板の位置関係（図示例では直交関係）を固定しかつ両プリント基板を電気的に接続するものであればどのようなものでもよく、周知の基板コネクタや端子台等が使用可能である。

半導体素子１８及び２０はそれぞれ、プリント基板１４及び１６と放熱器２４との間に少なくとも１つ配置されており、図示例では第１のプリント基板１４と放熱器２４の第１の伝熱面２８との間に２つの第１の半導体素子１８が配置され、第２のプリント基板１６と放熱器２４の第２の伝熱面３０との間に３つの第２の半導体素子２０が配置され、第１の伝熱面２８と第２の伝熱面３０とは面方向が異なり、つまり互いに平行でない（図示例では直交）。各半導体素子は放熱器２４の第１の伝熱面２８又は第２の伝熱面３０に当接しており、これによりモータ駆動時における各半導体素子から生じる熱が放熱器２４に放熱される。なお第１の実施形態では、図１（ｃ）に示すように各半導体素子が放熱器２４にネジ止め等により固定されており、その結果プリント基板１４及び１６と放熱器２４との位置関係が固定されているが、プリント基板１４又は１６を放熱器２４にネジ止め等により直接固定してもよい。

図示例では放熱器２４は略直方体形状を有し、内部に放熱フィン（後述する図５及び図６を参照）を備えたヒートシンク構造を有する。またプリント基板１４及び１６はそれぞれ、放熱器２４の伝熱面２８及び３０に略平行に配置される。なお本願発明では、半導体素子に当接する伝熱面の１つ（図示例では第１の伝熱面２８）を「ベース面」とも称し、ベース面２８に向かいかつ該ベース面に垂直な方向（矢印３２で図示）を「正面方向」と称する。

図１（ｃ）に示すように、平滑コンデンサ２２は、ベース面２８に近接して略平行に設けた第１のプリント基板１４を、反正面方向（ベース面２８に垂直かつ反放熱器側）に掃引して形成される掃引空間（前方投影空間）３４内に収まるように配置され、かつ、第１のプリント基板１４には直接取り付けられず、モータ駆動装置における第１のプリント基板１４以外の部分に取り付けられ、第１のプリント基板１４から離隔して配置される。第１の実施形態では、平滑コンデンサ２２は、第１のプリント基板１４に直交する第２のプリント基板１６を、反正面方向に延長した延長部分３６に実装される。

モータ駆動装置１０は、全体としてコンパクトに形成することが望まれるが、その設置位置等の観点から、掃引空間３４については空間的な制約が少ないことを前提としている。従って掃引空間３４内に比較的大型の平滑コンデンサ２２を配置しても問題はない。また本願発明では少なくとも２つのプリント基板を使用して放熱器２４の伝熱面に近接配置することにより、各プリント基板の大きさを小さくでき、それに伴って放熱器２４のベース面２８も小さくすることができる。さらに、平滑コンデンサは第１のプリント基板１４から離隔して配置されるので、正面方向にみたときの平滑コンデンサ２２の後方投影空間内に半導体素子１８を配置することが可能であり、これも装置の小型化に寄与する。また各プリント基板は、半導体素子を介して放熱器に固定されるだけでなく接続部によって互いに結合されるので、各プリント基板の固定が安定する。

図２は、本発明の第２の実施形態に係るモータ駆動装置１０ａの基本構造を示す図である。第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は平滑コンデンサの取り付け形態であり、故に第１の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

図２に示すように、平滑コンデンサ２２ａは、図１に示したような基板に実装されるものではなく、ネジ締結式のコンデンサである。詳細には、第１のプリント基板１４に端子台４０を実装し、端子台４０から（反正面方向に）延びる導電性（例えば金属製）の第１のアーム部材４２に、平滑コンデンサ２２がネジ４４によって締結される。このような構造により、平滑コンデンサ２２ａは図１（ｃ）に示した掃引空間３４と同様の掃引空間内に配置でき、第１のプリント基板１４から離隔して配置されるので、正面方向にみたときの平滑コンデンサ２２ａの後方投影空間内に半導体素子１８を配置することもできる。なおこの場合、第２のプリント基板１６ａには、第１の実施形態における第２のプリント基板１６のように延長部分３６を設けなくてもよい。

図３は、本発明の第３の実施形態に係るモータ駆動装置１０ｂの基本構造を示す図である。第３の実施形態が第１の実施形態と異なる点は平滑コンデンサの取り付け形態であり、故に第１の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

図３に示すように、平滑コンデンサ２２ｂは、図１に示したような基板に実装されるものではなく、別途設けたコンデンサ基板４６に実装される。詳細には、第１のプリント基板１４から（反正面方向に）延びる導電性（例えば金属製）の第２のアーム部材４８にコンデンサ基板４６を取り付け、コンデンサ基板４６に少なくとも１つ（図示例では８つ）の平滑コンデンサ２２ｂが直接取り付けられ（実装され）る。このような構造によっても、平滑コンデンサ２２ｂは図１（ｃ）に示した掃引空間３４と同様の掃引空間内に配置でき、第１のプリント基板１４から離隔して配置されるので、正面方向にみたときの平滑コンデンサ２２ｂの後方投影空間内に半導体素子１８を配置することもできる。なおこの場合も、第２のプリント基板１６ｂには、第１の実施形態における第２のプリント基板１６のように延長部分３６を設けなくてもよい。

なお図１〜図３の例では、放熱器２４のベース面２８とこれに直交する第２の面３０を伝熱面として利用しているが、第２の面３０の反対側の面３１や、放熱器の上面３３（図１（ｂ）参照）をさらに伝熱面として利用することも可能である。この場合、面３１や３３に隣接する半導体素子が実装されたプリント基板（図示せず）がさらに設けられ、それらのプリント基板と第１又は第２の基板とが接続部２６のような手段によって接続される。

図４は、本発明の第４の実施形態に係るモータ駆動装置１０ｃの基本構造を示す図である。第４の実施形態が第１の実施形態と異なる点は放熱器と第２のプリント基板に関する構造であり、故に第１の実施形態と同様の構成要素については同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

図４（ａ）に示すように、放熱器２４ｃの一部（図示例では側壁３０ｃ）が、ベース面２８に略垂直な方向（反正面方向）に突出するように形成された突出部分５０ｃを有し、突出部分５０ｃと第２のプリント基板１６ｃとの間に半導体素子２０が配置される。第２のプリント基板１６ｃに平滑コンデンサ２２が実装される点は第１の実施形態と同様であるが、第２のプリント基板１６ｃは正面方向３２についてみたときに放熱器２４ｃのベース面２８の前方投影空間内に収まっているので、第１の実施形態よりも幅方向（図４（ｃ）において左右方向）に関してよりコンパクトなモータ駆動装置を構築できる。

第４の実施形態では、第１の実施形態と同様に、平滑コンデンサ２２は、ベース面２８に略平行に設けた第１のプリント基板１４ｃを、反正面方向（ベース面２８に垂直かつ反放熱器側）に掃引して形成される掃引空間（前方投影空間）３４ｃ内に収まるように配置され、かつ、第１のプリント基板１４ｃに直接取り付けられず、第１のプリント基板１４ｃから離隔して配置される。また平滑コンデンサ２２の後方投影空間内に半導体素子１８を配置することが可能である点も、第１の実施形態と同様である。

図５及び図６は、図１〜図３にそれぞれ示した第１〜第３の実施形態のように放熱器２４の２つの面２８及び３０を伝熱面として利用する場合に、放熱器内部に形成する放熱フィンの好適な形状について説明する図である。なお図５及び図６では、平滑コンデンサは図示を省略している。

先ず図５に示す例では、放熱器２４の２つの伝熱面２８及び３０の各々について、伝熱面に対して垂直かつ反半導体素子側に延びる複数のフィンが設けられる。具体的には放熱器２４は、第１の伝熱面２８の裏面から第１の伝熱面２８に垂直かつ半導体素子１８が設けられている側とは反対側に延びる複数の第１の放熱フィン５２と、第２の伝熱面３０の裏面から第２の伝熱面３０に垂直かつ半導体素子２０が設けられている側とは反対側に延びる複数の第２の放熱フィン５４とを有する。

図５の例では、各半導体素子からの放熱を効率的に行うことができる。また上述のように面方向が異なる３つ以上の伝熱面を使用する場合も、各伝熱面から垂直に延びる放熱フィンを設けることができる。

次に図６に示す例では、放熱器２４の２つの伝熱面２８及び３０の双方に対して傾斜した角度でかつ反半導体素子側に延びる複数のフィンが設けられる。具体的には放熱器２４は、第１の伝熱面２８の裏面から第１の伝熱面２８に対して０度より大きくかつ９０度未満の角度（好ましくは３０度〜６０度、より好ましくは４０度〜５０度）で、半導体素子１８が設けられている側とは反対側に延びる複数の第１の放熱フィン５６と、第２の伝熱面３０の裏面から第２の伝熱面３０に対して０度より大きくかつ９０度未満の角度（好ましくは６０度〜３０度、より好ましくは５０度〜４０度）で、半導体素子２０が設けられている側とは反対側に延びる複数の第２の放熱フィン５８とを有する。さらに図６に示すように、第１の放熱フィン５６が延びる角度と第２の放熱フィン５８が延びる角度は同一（つまり各放熱フィンは互いに平行）である。

図６の例では、放熱フィンの全てが同一角度で延びるので、一定の放熱効果が得られることに加え、図５の例より放熱器の構成が簡易であり、低コストで放熱器を作製することができる。

１０ モータ駆動装置
１２ モータ
１４、１６ プリント基板
１８、２０ 半導体素子
２２ 平滑コンデンサ
２４ 放熱器
２６ 接続部
２８、３０ 伝熱面
３４ 掃引空間
４２、４８ アーム部材
４４ ネジ
４６ コンデンサ基板
５２、５４、５６、５８ 放熱フィン

Claims (8)

1. モータを駆動するための回路が分割されて形成された第１の基板及び第２の基板と、
   前記第１の基板及び第２の基板を、互いに交差するように接続する接続部と、
   前記第１の基板及び第２の基板の各々に実装された半導体素子と、
   前記第１の基板に実装された半導体素子に隣接する第１の伝熱面を備えた放熱器と、
   前記第１の基板を前記第１の伝熱面に垂直な方向に掃引した掃引空間内に配置されるとともに、前記第１の基板から離隔して配置されたコンデンサと、
   を有するモータ駆動装置。
2. 前記コンデンサが、前記第１の基板から延びる第１の導電性アーム部材にネジにより締結されるネジ締結式のコンデンサである、請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記コンデンサが、前記第１の基板から延びる第２の導電性アーム部材に取り付けられたコンデンサ基板に実装されている、請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記コンデンサが、前記第２の基板を前記第１の基板に垂直な方向に延長して形成された延長部分に実装されている、請求項１に記載のモータ駆動装置。
5. 前記放熱器の一部が、前記第１の伝熱面に垂直な方向に延びるように形成された突出部分を有し、前記突出部分に半導体素子が取り付けられる、請求項１に記載のモータ駆動装置。
6. 前記放熱器の、面方向が異なる少なくとも２つの伝熱面に半導体素子が隣接配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
7. 前記放熱器が、前記第１の伝熱面に対し傾斜した角度で互いに平行に延びる複数の放熱フィンを有する、請求項６に記載のモータ駆動装置。
8. 前記放熱器が、前記少なくとも２つの伝熱面の各々に対し垂直方向に延びる複数の放熱フィンを有する、請求項６に記載のモータ駆動装置。

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