JP5572608B2

JP5572608B2 - モータ駆動装置

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Publication number: JP5572608B2
Application number: JP2011200060A
Authority: JP
Inventors: 晴晃元田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: JP2013062959A

Description

本発明は、例えば自動車のパワーステアリング装置に適用され、操舵アシストトルクの発生に供するモータ駆動装置に関する。

自動車のパワーステアリング装置に適用される従来のモータ駆動装置としては、例えば、以下の特許文献１に記載されたものが知られている。

また、モータ駆動装置において、モータの同軸上先端側に電子コントローラユニット（以下、ＥＣＵと称する）を直列配置することにより、当該モータ駆動装置における径方向の小型化を図った装置が知られている。

特開２０１０−１８８９３２号公報

電動パワーステアリング装置は、車両の限られた空間に配置されることから、小型化が要求されている。

しかしながら、ＥＣＵに備えられた金属基板の裏面は、金属基板の熱をヒートシンクに伝えるためにヒートシンクに対して接触していると共に、製造上の理由により電気的な配線パターンが存在しないため、金属基板の裏面に電子部品を実装することができなかった。その結果、前記モータ駆動装置の径方向の小型化を図るためには、パワー回路を構成する半導体モジュール，電解コンデンサ，電子部品（リレー，コイル等）をバスバー（主に、銅板回路配線をインサート樹脂成形したもの），金属基板の２つに分割して実装し、軸方向に重ねて配置する必要があった。そのため、ＥＣＵにはモータの同軸上にバスバー，金属基板，制御基板の三層が配置され、モータの軸方向に大型化してしまう問題が生じていた。

本発明はかかる技術的課題に鑑みて案出されたものであり、ＥＣＵの小型化を図ったモータ駆動装置を提供するものである。

本願発明は、モータの軸方向一端側に、該モータの駆動制御に供するＥＣＵが付設されたモータ駆動装置であって、前記ＥＣＵは、一方の面にモータを駆動制御するための半導体モジュールを実装し、他方の面に一部の電子部品を実装した金属基板と、前記半導体モジュールへの制御信号を出力する制御基板と、を備え、前記他方の面に実装した一部の電子部品の端子は、前記金属基板に形成された通電用開口部を介して金属基板の一方の面に延設され、前記一方の面側に配置された接続端子と接続することにより一方の面側と電気的に接続されたことを特徴とする。

本願発明によれば、パワー回路を構成する半導体モジュールや電子部品等を複数の基板に分割することなく、金属基板の面積を小さくすることが可能となる。その結果、ＥＣＵの小型化を図ったモータ駆動装置を提供することが可能となる。

実施形態における電動パワーステアリング装置の構成図である。実施形態におけるモータ駆動装置を示す斜視図である。実施形態におけるモータ駆動装置を示す分解斜視図である。実施形態におけるモータ駆動装置の縦断面図である。実施形態におけるモータ駆動装置を示し、ＥＣＵカバー，制御基板を外した状態を示す平面図である。実施形態におけるモータ駆動装置を示し、ＥＣＵカバーを外した状態を示す斜視図である。

以下、本発明に係るモータ駆動装置の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態におけるモータ駆動装置を適用した電動パワーステアリング装置の構成図である。電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイールから操舵トルクが入力される入力軸２と、操舵トルクに対してアシストトルクを付与するモータ駆動装置３と、回転方向のトルクをピニオンを介して軸方向のトルクに変換するラック４と、ラック４の軸方向のトルクにより転舵される転舵輪（図示省略）と、を有する。

図２，３に示すように、このモータ駆動装置３は、アシストトルクを発生させる３相交流式のモータ１０と、当該モータ１０の駆動制御を行うＥＣＵ２０と、を備える。前記ＥＣＵ２０は、モータ１０の出力軸（図示省略）が突出する軸方向一端側に付設され、前記出力軸の先端外周面を包囲するように、モータ１０と同軸上に配置されている。

前記ＥＣＵ２０は、図３に示すように、一端側が開口形成され、他端側がほぼ閉塞されてモータ１０の一端部に取り付け固定されるＥＣＵハウジング２１と、該ＥＣＵハウジング２１の一端開口部を閉塞するＥＣＵカバー２２と、前記ＥＣＵハウジング２１内に収納され、半導体モジュール５１〜５３を備えたモータ１０の駆動回路が配設されている金属基板５０と、前記ＥＣＵハウジング２１内に収納され、前記金属基板５０に備えられた各半導体モジュール５１〜５３を制御する制御基板２４と、前記ＥＣＵハウジング２１に取付固定され、前記金属基板５０および制御基板２４に接続されることによってバッテリ（図示省略）からの電力供給や情報（パワーステアリング装置で言えば、操舵トルク信号や車速信号等）入力に供するコネクタ２５と、から主に構成されている。

前記ＥＣＵハウジング２１は、アルミニウム合金など良好な放熱性を有する金属材料によって、ほぼ有底筒体状に形成されたもので、その内周側には金属基板５０を収納するための基板収納部３０が形成されている。

また、図４（図６のＡ−Ａ断面図を示す）に示すように、前記ＥＣＵハウジング２１の底面は、ヒートシンク３１が形成されており、金属基板５０に設けられたモータ駆動を司るスイッチング回路としての各半導体モジュール５１〜５３や電解コンデンサ５４〜５６の冷却に供されることとなる。ヒートシンク３１は、半導体モジュール５１〜５３の実装部における投影面と、後述するコイル５８の実装部における投影面と、の間に段差４０が設けられている。本実施形態では、前記ヒートシンク３１に段差４０としてコイル５８を収納する逃げ部３２が形成されている。

なお、金属基板５０とヒートシンク３１との間には、熱伝達部材（例えば、熱伝達シート，熱伝達グリース，熱伝達接着剤等）が設けられ、半導体モジュール５１〜５３で生じた熱が、ヒートシンク３１に伝達されやすくなっている。

さらに、前記ヒートシンク３１には、径方向（モータ軸４１に直交する方向）に貫通する通風孔３８が形成されている。

また、前記各ヒートシンク３１の一端面（図３中における上端面）には、それぞれ制御基板２４を取付固定するためのボス部３３〜３６が突設され、これら各ボス部３３〜３６の内周には、制御基板２４を固定するビスが螺着される雌ネジ穴３３ａ〜３６ａがそれぞれ形成されている。すなわち、各ボス部３３〜３６をもって、制御基板２４がＥＣＵハウジング２１にネジ止めされるようになっている。

前記ＥＣＵハウジング２１の周壁は略筒状に形成され、その一部に平坦部３７が形成されており、その平坦部３７には径方向に開口する開口部３９が形成されている。すなわち、前記開口部３９により基板収納部３０と基板収納部３０の径方向外側とが連通しており、この開口部３９に前記コネクタ２５が取付固定されることとなる。

前記金属基板５０は、図５に示すように、そのほぼ中央部に軸挿通孔５０ａが貫通形成されたベースとなる金属材料から成る板上に絶縁層（図示省略）を介し配線パターン５０ｂが形成され、その上に、３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各相毎にそれぞれ設けられたＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子等からなる半導体モジュール５１〜５３が実装される。また、金属基板５０上にはシャント抵抗６７や、各半導体モジュール５１〜５３に対応してそれぞれ配設された電解コンデンサ５４〜５６等が実装される。

また、前記金属基板５０には、図３，４に示すように、電子部品であるリレー５７，コイル５８が実装される。前記リレー５７は、金属基板５０の表面、すなわち、金属基板５０におけるヒートシンク３１の反対側の面に配置され、前記コイル５８は金属基板５０の裏面、すなわち、金属基板５０のヒートシンク３１側の面に配置される。また、前記リレー５７とコイル５８は、投影面積的に有効に重なる位置に配置する。ここで、ヒートシンク３１には、コイル５８が設置される箇所に逃げ部３２が形成されているため、金属基板５０をＥＣＵハウジング２１に設置した際には、前記コイル５８がこの逃げ部３２に収納されることとなる。

前記コイル５８の端子は、金属基板５０に形成された通電用開口部６８を介して金属基板５０の裏面から表面に延設され、金属基板５０の表面に配置された接続端子６９により、配線パターン５０ｂ，リレー５７等と電気的に接続される。

前記中継端子６９は金属基板５０に対して、はんだ付け，もしくは溶接によって固定・接続され、コイル５８の端子と中継端子６９とは、はんだ付け、もしくは溶接によって固定・接続される。

なお、図５に示すように、前記金属基板５０には、各配線パターン５０ｂ間の接続に供する中継端子５９と、金属基板５０とコネクタ２５との接続に供する中継端子５９ａ，５９ｂと、が設けられている。

前記半導体モジュール５１〜５３は、図３および図５に示すように、その内部に一対の半導体素子等を収容する横断面ほぼ矩形状のモジュール本体６１〜６３と、該各モジュール本体６１〜６３と金属基板５０の電気的な接続に供する２本のリードフレーム６４と、前記各モジュール本体６１〜６３と制御基板２４との電気的な接続に供する５本のリード端子６５と、モータ１０の各相に係る接続端子１０ｕ〜１０ｗとの接続に供する中継端子５９ｕ〜５９ｗと、を備えている。

前記各モジュール本体６１〜６３には、その一部または全部が金属材料により構成された比較的大きな面積を有する放熱面６１ａ〜６３ａが形成され、前記放熱面６１ａ〜６３ａ以外は樹脂モールドによって形成されている。

前記半導体モジュール５１〜５３は、放熱面６１ａ〜６３ａが金属基板５０に接触するように設置されるため、放熱面６１ａ〜６３ａは、金属基板５０を介してヒートシンク３１に対向することとなる。そのため、前記半導体モジュール５１〜５３で生じた熱は、金属基板５０を介してヒートシンク３１に伝導または吸収されることとなる。

前記電解コンデンサ５４〜５６は、図外のバッテリから供給される電流を平滑し、前記各半導体モジュール５１〜５３にエネルギーを供給する平滑コンデンサである。

前記制御基板２４は、プリント回路基板（ＰＣＢ）上にＣＰＵ等（図示省略）が実装されることによって構成され、コネクタ２５を介して外部から入力される情報（パワーステアリング装置でいえば操舵トルクや車速信号等）や、モータ１０内に配設されたレゾルバ６６により検出されたモータ１０の回転位置に基づいて、前記各半導体モジュール５１〜５３を制御する。

前記コネクタ２５は、図３，図５に示すように、樹脂製のコネクタ本体２５ａに、前記金属基板５０の各中継端子５９ａと電気的に接続する一対の平板端子２５ｂと、制御基板２４との電気的接続に供する多数の丸型端子２５ｃと、金属基板５０の中継端子５９ｂと制御基板２４との接続に供する接続端子２５ｄと、が保持固定されることによって構成されている。

前記コネクタ本体２５ａはＥＣＵハウジング２１の開口部３９に取付固定されると共に、開口部３９を介してＥＣＵハウジング２１内に導入された前記各端子２５ｂ，２５ｃ，２５ｄがそれぞれ前記各端子５９ａ，５９ｂおよび制御基板２４に溶接，はんだ付け等により接続されている。

以下、前記モータ駆動装置の組立手順を説明する。

まず、第１工程として、前記モータ１０が取り付けられたＥＣＵハウジング２１の逃げ部３２にコイル５８をセットする。

次に、第２工程として、図５に示すように、前記ＥＣＵハウジング２１に、前記半導体モジュール５１〜５３，電解コンデンサ５４〜５６，電子部品（リレー５７等）等が実装された金属基板５０をＥＣＵハウジング２１の一端開口部から基板収容部３０内にセットすると共に、金属基板５０をＥＣＵハウジング２１に熱伝達部材（図示省略）を介して固定する。そして、コイル５８の端子と金属基板５０の表面に配置された接続端子６９と、をはんだ付けや溶接等により接続する。また、金属基板５０の裏側から基板収容部３０内へ臨むように延設されたモータ１０の各相に係る接続端子１０ｕ〜１０ｗを、金属基板５０に既に接続された中継端子５９ｕ〜５９ｗに溶接，はんだ付け等により接続する。

次に、第３工程として、図５に示すように、前記ＥＣＵハウジング２１にコネクタ２５をセットし、該コネクタ２５と金属基板５０とを接続する。すなわち、コネクタ本体２５ａをＥＣＵハウジング２１の開口部３９に取付固定すると共に、前記平型端子２５ｂ，丸型端子２５ｃ，接続端子２５ｄを、開口部３０を通じて基板収容部３０内へと挿入し、平型端子２５ｂを中継端子５９ａ，接続端子２５ｄを接続端子５９ｄにはんだ付け等により接続する。

続いて、第４工程として、図６に示すように、予め電子部品等が実装された制御基板２４を前記ＥＣＵハウジング２１の一端開口部からボス部３３〜３６上に載置するようにセットし、ボス部３３〜３６に穿設されたネジ穴３３ａ〜３６ａにビス（図示省略）を螺着することにより、制御基板２４をＥＣＵハウジング２１に固定する。ここで、半導体モジュール５１〜５３のリード端子６５，コネクタ２５ａの丸型端子２５ｃ，中継端子２５ｄをそれぞれ制御基板２４にはんだ付け等によって接続する。

その後、ＥＣＵハウジング２１の一端開口部をＥＣＵカバー２２によって閉塞することにより、モータ駆動装置３の組立が完了する。

本実施形態に基づく金属基板５０とヒートシンク３１とのレイアウト設計の考え方は次の通りである。

自己発熱し、その発熱量が多い半導体（ＭＯＳＦＥＴ等）を有する半導体モジュール５１〜５３の実装部における金属基板５０の裏面（すなわち、図４に示すＢ領域）は、その半導体モジュール５１〜５３の発生熱をヒートシンク３１に伝導，放熱させるように、ヒートシンク３１に熱伝達部材を介して対向、もしくは、金属基板５０の裏面を直接ヒートシンク３１に接触させる。

自己発熱はするが、その発熱量が比較的少ないパワー回路のリレー５７は、半導体モジュール５１〜５３と比較して放熱要求が高くない。従って、リレー５７の発生熱は、図４の矢印Ｃに示すように、金属基板５０を介してヒートシンク３１もしくはＥＣＵハウジング２１に伝導させることによって十分放熱される。したがって、リレー５７の金属基板５０の裏面に対応するヒートシンク３１（ＥＣＵハウジング２１）に逃げ部３２を形成させることができる。

また、金属基板５０のリレー５７のＯＮ／ＯＦＦに基づくノイズ除去用のフィルターは、リレー５７の近傍に配置することが好ましい。したがって、リレー５７の実装部における金属基板５０の裏面には、コイル５８やコンデンサを配置することが望ましい。

本実施形態におけるモータ駆動装置３によれば、金属基板５０の一方の面に半導体モジュール５１〜５３と、電子部品（リレー５７）を実装し、他方の面に電子部品（コイル５８）を実装し、リレー５７とコイル５８とを有効に重なる位置に配置することにより、２つの部品（リレー５７，コイル５８）をほぼ１つの部品の面積で実装することができる。その結果、パワー回路を構成する半導体モジュール５１〜５３や電子部品（リレー５７，コイル５８）等を複数の基板に分割することなく、金属基板５０の面積を小さくすることができるため、ＥＣＵ２０の小型化を図ることが可能となる。すなわち、パワー回路を一枚の基板（金属基板５０）で構成し、バスバーを省略することができるため、ＥＣＵ２０は、金属基板５０，制御基板２４の２層構造となり、モータ駆動装置３の軸方向の小型化を図ることが可能となる。

また、小型化が要求される電動パワーステアリング装置１のモータ駆動装置３にも本実施形態におけるモータ駆動装置３を適用することが可能となる。

ここで、金属基板５０の表面と裏面とで重ねて配置する部品を、放熱の必要性の低い、チップ部品（シャント抵抗６７，ダイオード等）や、コイル５８，リレー５７等を対象とすることにより、放熱性の低下を抑制することが可能となる。

さらに、通常、金属基板５０の裏側は、熱伝達部材を介してヒートシンク３１が配置されるため、配線パターン５０ｂを設けることができず、金属基板５０の裏側に電子部品を配置することができなかった。一方、本実施形態のように、金属基板５０の裏面に設置されたコイル５８の端子を通電開口部６８を介して金属基板５０の表面に延設し、金属基板５０の表面に配置された中継端子５９と接続することにより、コイル５８は金属基板５０の配線パターン５０ｂと電気的に接続される。そのため、金属基板５０への裏面にコイル５８を設置することが可能となる。

また、半導体モジュール５１〜５３の実装部の裏面側（図４に示すＢ領域）に電子部品（リレー５７やコイル５８）を実装しないことにより、半導体モジュール５１〜５３の放熱性の悪化を抑制することが可能となる。さらに、半導体モジュール５１〜５３の実装部における金属基板５０の裏面のＢ領域は、熱伝達部材を介してヒートシンク３１に隙間なく当接、もしくは金属基板５０の裏面が直接ヒートシンク３１に当接しており、半導体モジュール５１〜５３の放熱面６１ａ〜６３ａが金属基板５０に接触するため、放熱性の低下を抑制することが可能となる。

すなわち、前記半導体モジュール５１〜５３は、放熱面６１ａ〜６３ａが金属基板５０に接触するように設置されており、半導体モジュール５１〜５３の実装部における金属基板５０の裏面のＢ領域は、熱伝達部材を介してヒートシンク３１に隙間なく当接、もしくは金属基板５０の裏面が直接ヒートシンク３１に接触するため、放熱面６１ａ〜６３ａは金属基板５０を介してヒートシンク３１に対向することとなる。そのため、前記半導体モジュール５１〜５３で生じた熱は、金属基板５０を介してヒートシンク３１に吸収される。

また、ＥＣＵハウジング２１の半導体モジュール５１〜５３の実装部における投影面と、コイル５８の実装部における投影面との間に段差４０を設けることにより、金属基板５０の裏面側に電子部品を実装しても、金属基板５０における半導体モジュール５１〜５３の実装部の裏面側をＥＣＵハウジング２１に接触させると共に、金属基板５０の裏面側にコイル５８を実装することが可能となる。なお、実施形態ではＥＣＵハウジング２１に段差４０として逃げ部３２が形成されていたが、半導体モジュール５１〜５３の実装部における投影面に凸部を形成しても良い。

以上示したように、特に放熱が必要となる半導体モジュール５１〜５３，電解コンデンサ５４〜５６等の部品の放熱性は犠牲にせず、モータ駆動装置３の小型化を図ることが可能となる。これにより、ヒートシンク３１の冷却効果が上昇し、金属基板５０上の回路部品が熱破壊してしまうことを防止することが可能となる。

また、ヒートシンク３１はモータ１０に付設されており、モータ１０は熱が発生しやすい。従来のモータ駆動装置の場合、このモータ１０で発生した熱がヒートシンク３１を介して金属基板５０に伝達し、金属基板５０上の回路部品が熱破壊してしまう懸念があった。しかしながら、本実施形態のようにヒートシンク３１に通風孔３８を形成することにより、モータ１０と金属基板５０間のヒートシンク３１を介した熱伝導は抑制され、モータ１０で生じた熱に起因して、金属基板５０上の回路部品が熱破壊してしまうことを防止することが可能となる。

本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば、ＥＣＵハウジング２１や前記金属基板５０，制御基板２４の形状，並びに金属基板５０の実装部品の構成については、その適用対象（例えば、パワーステアリング装置）の仕様等に応じて自由に変更することができる。

例えば、実施形態では、金属基板５０の表面にリレー５７を設置し、その裏面にコイル５８を設置したが、その他の電子部品をそれぞれ設置することも可能である。

前記各実施形態から把握される特許請求の範囲に記載した発明以外の技術的思想について、以下に説明する。

（ａ）請求項１〜３のうち何れか１項に記載のモータ駆動装置において、
前記ＥＣＵハウジングに、モータの軸方向に直交する方向に通風孔を形成したことを特徴とするモータ駆動装置。

かかる構成とすることにより、ヒートシンクの冷却効果が上昇し、金属基板上の回路部品が熱破壊してしまうことを抑制することが可能となる。

また、ヒートシンクはモータに付設されており、モータは熱が発生しやすい。従来のＥＣＵの場合、このモータで発生した熱がヒートシンクを介して金属基板に伝達し、金属基板上の回路部品が熱破壊してしまう懸念があった。しかしながら、本実施形態のようにヒートシンクに通風孔を形成することにより、モータと金属基板間のヒートシンクを介した熱伝導は抑制され、モータで生じた熱に起因して、金属基板上の回路部品が熱破壊してしまうことを抑制することが可能となる

１…電動パワーステアリング装置
３…モータ駆動装置
１０…モータ
２０…ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
２１…ＥＣＵハウジング
２２…ＥＣＵカバー
２４…制御基板
２５…コネクタ
３０…基板収納部
３１…ヒートシンク
３２…段差（逃げ部）
３７…平坦部
３８…通風孔
３９…開口部
５０…金属基板
５１〜５３…半導体モジュール
５４〜５６…電解コンデンサ
５７…リレー
５８…コイル
６８…通電開口部

Claims

モータの軸方向一端側に、該モータの駆動制御に供するＥＣＵが付設されたモータ駆動装置であって、
一方の面にモータを駆動制御するための半導体モジュールを実装し、他方の面に一部の電子部品を実装した金属基板と、
金属基板における半導体モジュールの実装部の裏面と熱的に接触するヒートシンクと、
該ヒートシンクと段差状に形成された収納部と、を備え、
前記他方の面に実装した一部の電子部品が前記収容部に収容され、該電子部品の端子が前記金属基板に形成された通電用開口部を介して金属基板の一方の面に延設され、前記一方の面側に配置された接続端子と接続することにより一方の面側と電気的に接続されることを特徴とするモータ駆動装置。
前記他方の面に実装された一部の電子部品は、前記半導体モジュールの実装部の裏面以外に実装されることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。
前記金属基板には、半導体モジュールの実装面側に第２電子部品が実装され、
前記他方の面となる前記半導体モジュールの実装部の裏面が、ヒートシンクと接触し、
前記第２電子部品の裏面に、前記電子部品が実装されることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。