JP5349888B2 - 電動アクチュエータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車に搭載される電動アクチュエータの制御装置に関する。

従来、自動車のエンジンルームなどに設置される制御装置では、演算処理を実行するマイコンや各種の集積回路やアクチュエータの駆動素子であるＭＯＳＦＥＴなどが基板に実装され、それらを金属や樹脂の筐体とカバーなどで収容するように構成されている。

これら制御装置内の、特に基板上に実装された電子部品の中でも発熱しやすい素子類は、各種の放熱対策がとられている。

ここで、電子制御ユニットの外壁部に、外気導入のための吸気口と排出のための排気口を設ける技術がある（特許文献１参照）。又、電子制御装置の上側に位置する部分と下側に位置する部分とに呼吸穴として機能する溝部を設ける技術がある（特許文献２参照）。

特開平１０−２４２６７７号公報 特開２００３−２７３５５６号公報

特許文献１及び２によれば、自然対流による空気の流れを利用して素子の温度上昇値の抑制を図っているが、制御装置内の自然対流に頼った素子の温度上昇抑制手段を用いると、その実施に時間がかかることと、及び、温度差の小さい高温動作時に対流が起きにくい、という課題がある。

そこで、本発明の目的は、電動アクチュエータが駆動する際、電動アクチュエータと制御装置内の空気が強制的に流動し、確実かつ適時に制御装置外部との呼吸を行える制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。

アクチュエータのハウジングに一体となって取り付けられ、アクチュエータを制御する制御装置は、発熱する素子を実装する制御回路基板と、制御回路基板を内部に収容する筐体と、ハウジングと筐体との間に、アクチュエータと制御回路基板と電気的接続をするための開口部と、素子から所定範囲内の筐体の部分に、筐体の外部と気体が出入りする複数の呼吸穴を備え、アクチュエータが、駆動時に体積変動をすることにより、開口部と呼吸穴間で空気の流れが生じ、アクチュエータと制御装置の内部に圧力の変動を発生させる構成とする。

本発明によれば、電動アクチュエータが駆動する際、電動アクチュエータと制御装置内の空気が強制的に流動し、確実かつ適時に制御装置外部との呼吸を行える制御装置を提供することができる。

以下、本実施形態を、図面を用いて説明する。

図１は、筐体に収容される制御装置１の概略構成を、制御回路基板６の断面方向から示す図である。制御装置１は、ハウジング２に一体で組み付けられた電動アクチュエータ２７を制御する。

ここでは、電動アクチュエータ２７のアクチュエーション機構として、ＤＣブラシレスモータを駆動源とする自動車用のブレーキ倍力装置を前提として説明するが、それに限定されるものではない。電動パワーステアリング，電動ブレーキ，電動油圧ブレーキ，電動パーキングブレーキ等の各種装置における、ＤＣモータ，リニアモータ，ピエゾ素子などの電動アクチュエータ２７でもよく、外観上電動アクチュエータ２７と制御装置１とが一体構造で、制御回路基板６とアクチュエータ機構との電気的な接続部２９が、空気が通る開口部５に設けられていればよい。

本装置が自動車用のブレーキ倍力装置の場合、エンジンルーム内に搭載されるため、制御装置の筐体に設けられた呼吸穴３以外においてはシール等が施され、気体や液体などはほとんど通過できないと考えられる。又、呼吸穴３においても、気体は通すが水は通さないフィルタなどを設けている。従って、ここでは、図示しないコネクタなどを介した外部との電気的接続及び物体表面などを介した熱のやり取り以外に、外部とのやり取りを行うのは、呼吸穴３を介した気体だけであると仮定する。尚、呼吸穴３は複数存在してもよい。

アクチュエーション機構が、ハウジング２内部にある気体の体積変動を生ずるような動き２８（図では並進運動）をする場合、例えば内部の気体の体積が増加する方向（図の左向き）に電動アクチュエータ２７が動くと、生じた体積変動による負圧で、開口部５から、制御装置１内部の空気を吸気するため、必然的に制御装置１の呼吸穴３から外部の気体を吸気することになり、結果として呼吸穴３から開口部５に向けた空気の流れが生じる。

その逆で、例えばハウジング２内部の気体の体積が減少する方向（図の右向き）に電動アクチュエータ２７が動くと、生じた体積変動による正圧で、開口部５から、制御装置１内部に向かって空気が排気されるため、必然的に制御装置１の呼吸穴３から外部に向けた排気が生じることになり、結果として開口部５から呼吸穴３に向けた空気の流れが生じる。

よって、制御回路基板６上に実装された発熱素子７がこの空気の流れの中に位置し、特に開口部５や呼吸穴３付近であればなおのこと、空気の流れによる冷却の効果を得ることが出来る。

加えて、このような制御装置一体型アクチュエータの場合、アクチュエータ機構の動きを制御回路基板６で司る場合がほとんどであり、これらの発熱素子７が発熱するタイミングは、ほぼアクチュエータの動作時、即ち、空気流動時であるといえる。

そのため、特別な制御や仕組みを必要とすることなく、ちょうど素子が発熱する時期に合わせて、空気の流れを作り出して冷却することが出来る。これにより、素子と周囲筐体との間に熱伝導部品を組み付けたり、放熱フィン形状を設けたりといった措置を軽減できる効果があるだけでなく、呼吸穴を複数設けて自然対流に頼った装置に比べて、素子の発熱タイミングに対する時間的なずれ量も少なく、更には最終的に外部への呼吸穴は１つでも呼吸が可能であるため、フィルタ用部品のコスト削減にもなる。

又、自然対流ではないため、外部への呼吸穴の設置場所に制約はなく、例えば自動車など、様々な機器類が密集して搭載性に余裕が無い場合でも、設計自由度は大きいといえる。尚、機構部の一部、例えば特に回転する機構を並進（直動運動）するアクチュエータに変換するような場合、回転機構部に気体を攪拌するための羽根状の形状を有していると、効果はより大きい。

さて、例えば電動アクチュエータ２７は動くものの、ハウジング２内部の体積変動は伴わないような場合でも、通電することにより発熱するようなアクチュエータであれば、ハウジング２内部の空気が膨張し、生じた正圧で、開口部５から、制御装置１内部に向かって空気が排気されるため、必然的に制御装置１の呼吸穴３から外部に向けた排気が生じることになり、結果として開口部５から呼吸穴３に向けた空気の流れが生じる。

よって、制御回路基板６上に実装された発熱素子７がこの空気の流れの中に位置し、特に開口部５や呼吸穴３付近であればなおのこと、空気の流れによる冷却の効果を得ることが出来るし、当然、アクチュエータ機構の動きを制御回路基板６で司る場合であれば、これらの発熱素子７が発熱するタイミングは、ほぼアクチュエータの動作（発熱）時、即ち、空気流動時であるといえる。

そのため、特別な制御や仕組みを必要とすることなく、ちょうど素子が発熱する時期に合わせて、空気の流れを作り出して冷却することが出来る。

この一連の空気の流れに対する素子の配置について、図３に、制御装置１の概略構成を、制御回路基板平面の法線方向から示す。

制御回路基板６上の発熱素子７を、外側への呼吸穴３から所定範囲内（近傍）に位置させれば、空気の流動による冷却効果が大きい。一方、開口部５の近傍であっても、呼吸穴近傍と同程度の空気の流れが期待できる。いずれにも配置が困難である場合は、呼吸穴３と開口部５との略直線上に位置させてもよい。この場合、制御回路基板６の両面及び制御装置１内部の形状などを再現した上での流体解析を実施すれば、流量が大きく効果的に冷却できる箇所を見つけることが出来る。

図５は、電動アクチュエータ２７を駆動するための大電流が流れるパワー系基板６−１と、当該電流を制御するための信号系基板６−２とに分割されている場合の制御装置を示す図である。この場合は、信号系基板６−２の発熱素子７−２としてはマイコンや電源ＩＣなどがあり、パワー系基板６−１の発熱素子７−１としては、トランジスタなどの駆動素子がある。これも、図１の基板が２枚になった以外に、空気の流れの中に置くことで発熱素子７−１及び７−２の冷却をすることや、空気の流れるタイミングなどの本質はほとんど変わらない。

図２は、制御装置１の概略構成を、制御回路基板６の断面方向から示す図である。図１と異なるのは、制御装置１のハウジング２に対する組み付け場所であり、並進する電動アクチュエータ２７の並進方向は制御回路基板６の法線方向となっている。

この実施例の場合は、電動アクチュエータ２７のアクチュエータ機構として、ＤＣブラシレスモータを駆動源とする自動車用の電動ブレーキキャリパを前提として説明を進めるが、それに限定されるものではない。

本装置が自動車用の電動ブレーキキャリパであれば、自動車のばね下、ホイール近傍に搭載されるため、制御装置の筐体に設けられた呼吸穴３以外においてはシール等が施され、気体や液体などはほとんど通過できないようにしなければならない。又、呼吸穴３においても、気体は通すが水は通さないフィルタなどを、なるべく周囲にゴミ等が堆積しないような、例えば周囲を庇形状で囲うような形とすべきである。ここでは、図示しないコネクタなどを介した外部との電気的接続および物体表面などを介した熱のやり取り以外に、外部とのやり取りを行うのは、呼吸穴３を介した気体だけであると仮定する。

そのため、制動力を発生させてロータにパッドを押し当てる場合などのように、電動アクチュエータ２７が、ハウジング２内部にある気体の体積変動を生ずるような動き（並進運動）をする場合、内部の気体の体積が増加する方向（図の左向き）にアクチュエータ装置が動くと、実施例１と同様に、生じた体積変動による負圧で、開口部５から、制御装置１内部の空気を吸気するため、必然的に制御装置１の呼吸穴３から外部の気体を吸気することになり、結果として呼吸穴３から開口部５に向けた空気の流れが生じる。その逆の排気の際においても実施例１と同様である。

よって、制御回路基板６上に実装された発熱素子７がこの空気の流れの中に位置するようにしておけば、特に開口部５や呼吸穴３付近であればなおのこと、空気の流れによる冷却の効果を得ることが出来る。

又、アクチュエータ機構の動きを制御回路基板６で司る場合は、これらの発熱素子７が発熱するタイミングが、ほぼアクチュエータの動作時、即ち、空気流動時であるといえるため、特別な制御や仕組みを必要とすることなく、ちょうど素子が発熱する時期に合わせて、空気の流れを作り出して冷却することが出来る。

本実施例ではアクチュエータによる強制呼吸なので、たとえブレーキキャリパで想定される一局面として装置が水没する場合であっても、内部を正圧側とする場合においては排気可能である特徴を持ち、特に呼吸穴を、車両ばね上から配索される接続ハーネスに設けてしまえば、ほぼ常時給排気元を確保できるようにもなる。

図４は、図１の電動アクチュエータ２７が、ブレーキの倍力装置であった場合の、制御装置１を含むシステムを示す図である。尚、走行のための駆動機構の説明と、制動装置付近までの図は省略する。

又、本図では模式的にシステム構成を示すため、リザーバタンクなどの本実施例の説明に不要な詳細部品構成は省略している。更に、アクチュエータ機構と制御装置１との位置関係を、ブレーキロッド１８の軸方向とは平行に位置しているが、これは搭載性その他の要件によって図２やその他の位置関係とすることも可能であり、本実施例のように、外観上アクチュエータ機構と制御装置１とが一体構造で、制御回路基板６とアクチュエータとの接続部を設けていればよいことを示している。

まず入力機構としてのブレーキペダル２１は、自動車の種類によってはハンドルやレバー等、運転者の入力操作が可能なペダルの代わりになるものであればペダルに限定されない。又、出力機構として油路２３，２４でつながれている油圧制動装置は、車両の挙動を制御するための出力機構であれば制動装置に限定されない。

本実施例の電動アクチュエータは、ブレーキロッド１８で、マスタシリンダ２２等を介して油路２３，２４と接続しており、油路２３，２４は油圧装置を経由して各車輪の出力機構までの配管に油路２３，２４の油圧を分配し、発生した油圧はそれぞれ、制動装置のピストン推力となり、制動装置にある摩擦材を車輪と接続しているロータに押し付けて車両に制動力を発生させる。

これにより電動アクチュエータは、出力機構に制動力を、ブレーキペダル２１に反力を発生させることができる。ここでは、代表的な動作のみ説明する。

まず運転者がブレーキペダル２１を踏み込むと、ブレーキロッド１８が押し込まれ、マスタシリンダ２２に液圧が発生する。

一方でそのブレーキ力を増幅するために、ストロークセンサ２０で踏み込み量をセンシングし、その値に応じてモータの回転角を信号系基板６−２で計算し、回転角検知センサ１９でモータの回転角をモニタしながら、パワー系基板６−１からステータ１３に電流を流す。これによりロータ１４が回転し、それが例えばボールねじなどの回転直動変換機構１５でモータの回転運動を直線運動に変え、それによって移動するピストン１６により、マスタシリンダ２２にて増幅された液圧を発生させている。

従って、ハウジング２の内部において、ピストン１６の移動により、内部に存在する気体の体積は変動し、例えば液圧を増幅する方向（図の左向き）にピストン１６が移動する場合、内部は体積が増加するため気圧が低まる。

一方、制動液圧を抜く場合、図の右向きにピストン１６が移動するため、内部は体積が減少し、気圧が高まる方向になる。

このような体積変動による内部圧力の増減によって、開口部５を通じて、制御装置の筐体１に設けた呼吸穴３において、フィルタ４を介して周囲の空気の取り込み、及び周囲への内部空気の排出といった呼吸動作を実施できる。

これは体積変動による呼吸動作が行われる時はアクチュエータの動作時であって、基板上の駆動素子をはじめとした発熱素子７−１及び７−２も動作し、発熱していることを示す。つまり素子の発熱のタイミングにあわせて呼吸動作をするため、素子温度を下げるべき時に素子の周囲の空気流れを適時に作り出すことで、効率よく熱を奪うことが出来るのである。自然対流では、素子周辺の雰囲気温度が上昇した後に空気が動き出すため、温度上昇から空気の動き出しまでのタイミングに差が生じてしまう。

図６は、図１の制御装置１で、複数の呼吸穴におけるそれぞれの圧力が等しい時の単位空気流量が異なるように、それぞれの呼吸穴の穴径又はそれぞれの呼吸穴に流れ込む気体の流路をそれぞれ異なるようにした制御装置の概略構成を、制御回路基板６平面の法線方向から示す図である。

このように複数の呼吸穴３を設け、それぞれの穴における流速を変えることで、制御回路基板６上の空気の流れを乱すことができ、より大きい冷却効果を期待することが出来る。もしくは、複数の呼吸穴３の開口部５からの距離を極端に変えることで、やはり同様に制御回路基板６上の空気の流れを乱すことが出来る場合は、複数の穴径は同じものとでき、この場合は呼吸穴用フィルタの種類を統一することで、コスト低減を図ることが出来る。

いずれにせよ、開口部５に対して、呼吸のための穴を設けることに変わりは無く、呼吸穴３と開口部５との間の空気の流れの中に、制御回路基板６上の発熱素子７を置くことで、発熱素子７の冷却をすることや、空気の流れるタイミングなどの本質は、図１の場合とほとんど変わらない。

制御装置の概略構成を、制御回路基板の断面方向から示す図。 制御装置の概略構成を、制御回路基板の断面方向から示す他の図。 制御装置の概略構成を、制御回路基板平面の法線方向から示す図。 ブレーキ倍力装置の制御装置を含むシステムを示す図。 パワー系基板と信号系基板を含む制御装置を示す図。 制御装置の概略構成を、制御回路基板平面の法線方向から示す他の図。

符号の説明

１ 制御装置
２ ハウジング
３ 呼吸穴
４ フィルタ
５ 開口部
６ 制御回路基板
７ 発熱素子
１９ 回転角検知センサ
２１ ブレーキペダル
２７ 電動アクチュエータ
２８ アクチュエータの動き
２９ 制御回路とアクチュエータとの接続部

Claims (5)

1. アクチュエータのハウジングに一体となって取り付けられ、前記アクチュエータを制御する制御装置において、
   発熱する素子を実装する制御回路基板と、
   前記制御回路基板を内部に収容する筐体と、
   前記ハウジングと前記筐体との間に、前記アクチュエータと前記制御回路基板と電気的接続をするための開口部と、
   前記素子から所定範囲内の前記筐体の部分に、前記筐体の外部と気体が出入りする複数の呼吸穴を備え、
   前記アクチュエータが、駆動時に体積変動をすることにより、前記開口部と前記呼吸穴間で空気の流れが生じ、前記アクチュエータと前記制御装置の内部に圧力の変動を発生させる制御装置。
2. 前記アクチュエータが、駆動時に温度上昇をすることにより、前記アクチュエータと前記制御装置の内部に圧力の変動を発生させる、請求項１記載の制御装置。
3. 前記制御回路基板は、前記アクチュエータを駆動するための電流が流れるパワー系基板と、当該電流を制御するための信号系基板とに分割される、請求項１乃至４何れか一に記載の制御装置。
4. 前記素子は、前記呼吸穴と前記開口部とを略直線上に結んだ領域内に配置される、請求項１乃至５何れか一に記載の制御装置。
5. 前記複数の呼吸穴におけるそれぞれの圧力が等しい時の単位空気流量が異なるように、それぞれの呼吸穴の穴径又はそれぞれの呼吸穴に流れ込む気体の流路をそれぞれ異ならせる、請求項１記載の制御装置。

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