JP5722674B2

JP5722674B2 - 電動アクチュエータの駆動制御装置

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Publication number: JP5722674B2
Application number: JP2011061997A
Authority: JP
Inventors: 元田　晴晃; 晴晃元田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: JP2012200070A

Description

本発明は、例えば電動パワーステアリング装置に用いられる電動モータを駆動制御するための駆動制御装置に関する。

車両に搭載される従来の電動アクチュエータの駆動制御装置の一つとしては、以下の特許文献１に記載されたものが提供されている。

この従来技術は、電動パワーステアリング装置に用いられる電動モータの駆動を制御する駆動制御装置であって、この駆動制御装置は、ハウジング本体とカバー部材との間に収容されて、半導体スイッチ素子やコンデンサなどが実装された金属基板と、前記マイコンや駆動回路などが実装された制御基板及びコイルやモータリレーとなどが実装された大電流基板とを備えている。

前記ハウジングの外側には、パワーコネクタと、信号コネクタ及びセンサコネクタが設けられ、前記センサコネクタに設けられた貫通孔からモータ端子がハウジングの外部に突出している。

これらの構成によって、外部配線が不要になって、コストの低減化と軽量化が図れるようになっている。

特開２００５−３０４２０３号公報

しかしながら、前記従来の駆動制御装置は、制御基板や大電流基板の他に前記金属基板を別に設け、該金属基板を制御基板や大電流基板に対して重合状態に配置しなければならないことから、駆動制御装置の上下方向の大きさが必然的に大きくなってしまい、駆動制御装置の十分な小型化や軽量化を図ることができない。

本発明は、前記従来の駆動制御装置の技術的課題に鑑みて案出されたもので、装置の上下方向の高さを小さくして、装置全体の小型化を図り得る駆動制御装置を提供することを目的としている。

本発明は、側面から突出した接続端子が上方向へ折曲形成された半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子によって前記電動アクチュエータに電力を供給するパワー電子回路と、通電時の電磁ノイズを除去するフィルタ電子回路と、前記電動アクチュエータの駆動を制御する制御回路と、を備え、
前記パワー電子回路とフィルタ電子回路とを、樹脂材によってモールドされたバスバー組立体に一体に形成すると共に、該バスバー組立体に対して、前記制御回路を構成する制御基板を重合配置する一方、
前記半導体スイッチ素子の上面を、前記バスバー組立体の底面に当接させると共に、前記半導体スイッチ素子の下面を、放熱シートの上面と該上面の外周縁に形成された枠部によって被嵌状態に保持しつつ該放熱シートを介して放熱部材に当接させて、前記半導体スイッチ素子を、前記バスバー組立体の底面と放熱部材との間に挟持状態に保持したことを特徴としている。

本発明によれば、パワー電子回路とフィルタ電子回路とをバスバー組立体に一体に形成したことから、装置全体の小型化が図れる。
しかも、前記半導体スイッチ素子を、バスバー組立体の底面と、絶縁部材を介して放熱部材との間に挟持状態に保持したことから、半導体スイッチ素子を確実に固定できると共に、半導体スイッチ素子の下面と放熱シートとの接触力が大きくなって半導体スイッチ素子から放熱部材への熱の伝達効率が向上する。

本発明に係る駆動制御装置の一実施形態を示す分解斜視図である。本実施形態に供されるバスバー組立体を、半導体スイッチ素子などが取り付けられる前の底面側からみた斜視図である。同バスバー組立体の底面側からみた斜視図である。同バスバー組立体の内部の配電パターンを示す平面図である。本実施形態に供されるハウジング本体にバスバー組立体を組み付けた状態を示す平面図である。同バスバー組立体の一部を示す拡大断面図である。同バスバー組立体に制御基板を組み付けた状態を示す斜視図である。本実施形態の駆動制御装置を組み立てた状態を示す斜視図である。

以下、本発明に係る電動アクチュエータの駆動制御装置を自動車の電動パワーステアリング装置に適用した実施形態を図面に基づいて詳述する。

まず、前記電動パワーステアリング装置は、車両のステアリングホイールに対して補助トルクを出力する電動アクチュエータである図外の電動モータ及び減速機構と、この電動モータのモータケーシングの上端部に設けられて、電動モータの駆動を制御する駆動制御装置と、前記電動モータを駆動するための電流を供給する図外のバッテリーと、ステアリングホイールの操舵トルクを検出する図外のトルクセンサなどを備えている。

前記電動モータは、三相交流型のブラシレスモータであって、電機子巻き線と、回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサとを有している。

駆動制御装置は、図１に示すように、前記モータケーシングの上端開口部を閉塞するように載置固定されたハウジング１と、該ハウジング１に保持された電子制御部品２と、を備えている。

前記ハウジング１は、図１に示すように、放熱部材であるハウジング本体３と、該ハウジング本体３の上端部に組み付けられた前記電子制御部品２を上方から被嵌するカバー部材４と、を備えている。

前記ハウジング本体３は、アルミニウム合金材によって矩形状の薄板状に形成され、上面３ａの所定位置に矩形ブロック状の膨出部５が一体に設けられていると共に、両側辺の一端側外端縁から外方に突出した台形状の一対の突部６、６が形成されている。また、前記各突部６、６と前記両側辺の他端側の２つの隅部に雌ねじ孔７がそれぞれ形成されている。さらに、前記両側辺の外側縁に、矩形状のブラケット片８、８が一体に突設されており、この各ブラケット片８，８に、前記モータケーシングに固定する図外の固定ボルトが挿通されるボルト挿通孔８ａ、８ａが貫通形成されている。

また、前記膨出部５は、上面の両側がさらに長方形状に突設され、この両突起部５ａ、５ａの上面に、後述する６つの半導体スイッチ素子２１が当接する長方形状の２枚の絶縁部材である放熱シート９，９が平行に接着固定されている。この各放熱シート９は、シリコン材などによって板状に形成されて、図６に示すように、外周縁の全体に上方へ突出した細長い枠部９ａが一体に設けられている。

前記カバー部材４は、アルミニウム合金材によって、ハウジング本体３の外形に沿ったほぼ矩形ボックス状に形成され、下端辺の一端部両外縁に一対の突部１０，１０が形成されていると共に、前記各突部１０と前記下端辺の他端側隅部に４本の固定ボルト１１を挿通するボルト挿通孔１２が貫通形成されている。なお、前記カバー部材４の一側壁には、栓体４２によって閉塞される呼吸用孔４ａが穿設されている。

前記ハウジング本体３とカバー部材４との間に配置された電子制御部品２は、前記電動モータのステータに電力を供給するためのパワー電子回路とラジオ（電磁）ノイズを除去するためのフィルタ電子回路とを一体的に設けたバスバー組立体１３と、前記電動モータの駆動を制御するための制御基板１４と、を備えている。

前記バスバー組立体１３は、合成樹脂材によるモールディングによって一体にブロック板状に形成され、図１〜図３に示すように、外形が前記ハウジング本体３やカバー部材４の外周形状に沿ってほぼ矩形状に形成されていると共に、底面１３ａ側が凹状に形成されて横断面ほぼ横コ字形状に形成されている。したがって、前記ハウジング本体３の上部にバスバー組立体１３を載置した際に、ハウジング本体３の前記膨出部５を除く平坦な前記上面３ａとバスバー組立体１３の底面１３ａとの間に、図１に示すような空間部１５が形成されるようになっている。

また、バスバー組立体１３は、両側辺の前記ハウジング本体３の各突部６，６と同じ位置に、一対の突部１６、１６が一体に突設され、この各突部１６と他端側の隅部に、前記４本の固定ボルト１１が挿通する４つのボルト挿通孔１７が上下方向へ貫通形成されている。

また、前記凹状の底面１３ａには、後述する６つの半導体スイッチ素子２１を保持する矩形状の６つの嵌合溝１３ｂが形成されていると共に、底面１３ａの隅部には、後述する３つのアルミ電解コンデンサ２２の上端部を保持する三つ葉状の筒状部１３ｃが一体に形成されている。また、前記筒状部１３ｃに隣接して形成されたノーマルコイル保持部４３とコモンコイル保持部４４がそれぞれ形成されている。

また、バスバー組立体１３の前端部には、バッテリーと接続される電源コネクタ１８と、前記電動モータに電力を供給するモータコネクタ１９と、前記トルクセンサやレゾルバ、ＣＡＮ通信、Ｉ／Ｏなどの各種信号の伝達経路となる信号コネクタ２０が一体に設けられている。

また、バスバー組立体１３の凹状底面１３ａには、図３に示すように、前記パワー電子回路の構成部品である６つの半導体スイッチ素子２１（ＭＯＳ−ＦＥＴ）や、フィルタ電子回路の構成部品である３つのアルミ電解コンデンサ２２及びノーマルコイル２３、コモンコイル２４、複数のセラミックコンデンサ２５、さらには電源電流検出用のシャント抵抗２６、モータ駆動電流の検出Ｕ相、Ｖ相を検出するシャント抵抗２７がそれぞれ設けられている。また、同じく底面１３ａ側には、内部車両のイグニッションスイッチのオン、オフによってオン、オフされるモータリレー２８や電源用リレー２９が設けられており、前記モータリレー２８は、モータの異常時にＦＳ対応でオフすることが可能である。一方、前記電源用リレー２９は、制御回路が異常時にＦＳ対応でオフすることが可能である。

また、バスバー組立体１３の上面には、図４，図５に示すように、前記電源コネクタ１８に接続された電源負極側バスバー３０や、電源正極側バスバー３１などの配電パターンが形成されている。また、バスバー組立体１３の内部には、モータへの出力用バスバー３２電源正極側バスバー３３などの多くの配電パターンが埋設状態に形成されている。

さらには、前記電源コネクタ１８やモータコネクタ１９及び信号コネクタ２０に接続された複数の直流端子、直流電力から作られた交流電力を出力するための複数の交流端子などからなる複数の接続端子３４，３５などの複数の接続端子がバスバー組立体１３の上面から突出している。

前記６つの半導体スイッチ素子２１は、図３及び図６に示すように、バスバー組立体１３の外面側である底面１３ａに形成された前記各嵌合溝１３ｂ内に嵌合保持されていると共に、それぞれ側面から突出した接続端子２１ａが上方へ折曲形成されて、バスバー組立体１３に貫通形成された端子接続孔１３ｄを貫通して上方へ延出している。また、各半導体スイッチ素子２１は、上面２１ｂ側の上端部が前記各嵌合溝１３ｂに嵌合され一方、前記上面２１ｂよりも表面積の大きな下面２１ｃ（電極面）側が前記各放熱シート９，９の上面と枠部９ａの内面に当接しつつ被嵌状態に保持されるようになっている。したがって、単に下面２１ｃと放熱シート９の上面との接触ではなく、半導体スイッチ素子２１の下面２１ｃ側で放熱シート９を押圧していることから、半導体スイッチ素子２１と放熱シート９の密着性を高めて放熱性を向上させている。

また、前記バスバー組立体１３の前記各嵌合溝１３ｂの周囲には、該バスバー組立体１３を前記ハウジング本体３に結合固定する７本のビス３６が上下方向から挿通される円筒状のブッシュ３７が貫通固定されている。

さらに、前記バスバー組立体１３の両側辺の上面には、前記制御基板１４を支持する４本のスナップフィット構造の係止片３８が互いに所定間隔をもって立設されている。この各係止片３８は、バスバー組立体１３と同じ樹脂材によって細長い板状に形成されて、上端部の内側には制御基板１４の両側縁を弾性的に係止する係止爪３８ａがそれぞれ形成されている。

前記制御基板１４は、合成樹脂材によってほぼ正方形状の薄板状に形成され、両側縁が前記各係止爪３８ａで弾性的に係止固定された際に、前記バスバー組立体１３の上面との間にそれぞれの電子部品が干渉しない程度の僅かな隙間を有するようになっている。

この制御基板１４には、マイクロコンピュータを含む制御回路が取り付けられており、電動モータの駆動回路であるインバータ（半導体スイッチ素子２１）の駆動を制御するための制御信号がこの制御基板１４で作られる。この制御基板１４の一側部や他側部にそれぞれ形成された複数の接続端子孔１４ａには、バスバー組立体１３の前記各接続端子２１ａ、３４，３５…が半田付けによって接続されている。

なお、前記バスバー組立体１３の外周部の上下面には、それぞれハウジング本体３とカバー部材４との当接位置をシール２つの第１，第２シール部材３９、４０を嵌着固定するシール嵌着溝４１が円周方向に沿って連続して形成されている。

〔組付手順〕
以下、駆動制御装置の組付手順について説明する。まず、予め前記パワー電子回路とフィルタ電子回路の各構成部品や配電パターンをモジュール化してバスバー組立体１３を一体的に形成すると共に、前記制御基板１４の制御回路を形成しておく。

次に、図３に示すように、前記バスバー組立体１３に対して前記コモンコイル２４などをＴＩＧ溶接などの溶接手法によって固定すると共に、各アルミ電解コンデンサ２２を、接着剤を介して前記筒状部１３ｃに嵌合固定し、さらに各半導体スイッチ素子２１を嵌合溝１３ｂ内に嵌合保持させる。

その後、前記バスバー組立体１３を、ハウジング本体３の上部に第１シール部材４０を介して配置する。このとき、バスバー組立体１３の各半導体スイッチ素子２１側を前記各放熱シート９に位置決めしつつ嵌合当接させると共に、前記各アルミ電解コンデンサ２２や電源用リレー２９などをハウジング本体３の膨出部５以外の前記空間部１５を利用して平坦な上面３ａに所定隙間をもって対向配置させる。これによって、バスバー組立体１３の位置決めが行われる。

その後、図５に示すように、７本の固定用ビス３６によってバスバー組立体１３をハウジング本体３に固定する。これによって、第１シール部材３９を介してハウジング本体３にバスバー組立体１３を液密的に組み付けることができる。また、前記各半導体スイッチ素子２１を、バスバー組立体１３の嵌合溝１３ｂの底面と放熱シート９との間で保持することができるので、半導体スイッチ素子２の発熱を、放熱シート９を介して膨出部５に放熱させることができる。

次に、前記制御基板１４をバスバー組立体１３の上方から前記各係止片３８に位置決めしながらこれに沿って下方へ押し込む。これによって、各係止片３８が、外方へ弾性変形しつつ制御基板１４の両側縁が各係止爪３８ａに係止した時点で原状位置に弾性復帰してそれぞれに係止すると共に、バスバー組立体１３に対して重合状態に配置される。

このとき、前記バスバー組立体１３の各接続端子３４，３５…は、制御基板１４の各端子接続孔１４ａに挿通されている。その後、前記各端子接続孔１４ａから突出した各接続端子２１ａ、３４，３５…を半田付けによって前記各端子接続孔１４ａに接続する。

続いて、前記バスバー組立体１３の外周部上面にカバー部材４を位置決めしつつ第２シール部材４０を介して被せると共に、前記４本の固定ボルト１１をカバー部材４の各ボルト挿通孔１２とバスバー組立体１３の各ボルト挿通孔１７にそれぞれ挿通しつつハウジング本体３の各雌ねじ孔７を介して共締め固定する。

これによって、図８に示すように、ハウジング本体３とカバー部材４との間に、前記制御基板１４を内部に収容しながらバスバー組立体１３が挟持状態に固定されて、駆動制御装置のユニット体の組み付けが完了する。

次に、前記駆動制御装置のユニット体を、ハウジング本体３の両ブラケット片８の各ボルト挿通孔８ａを介して図外の２本のボルトによってモータケーシングの上端部に組み付け固定すれば、全体の組み付け作業が終了する。

以上のように、本実施形態では、パワー電子回路とフィルタ電子回路とを、従来のような上下別体に形成して隙間を介して上下に配置するのではなく、両者を一体的にモジュール化して、薄型のバスバー組立体１３として構成した。

より詳しくは、外面側である底面１３ａ側が凹状に形成されて、横断面がほぼコ字形状にバスバー組立体１３をモールディングによって形成され、また、前記底面１３ａ側に半導体スイッチ素子２１を保持する嵌合溝１３ｂ及びフィルタ電子回路の構成部品であるアルミ電解コンデンサ２２の上端部を保持する筒状部１３ｃやノーマルモードコイル２３を保持するノーマルモードコイル保持部４３と、コモンコイル２４を保持するコモンコイル保持部４４を形成した。

したがって、パワー電子回路の構成部品である半導体スイッチ素子２１及びフィルタ電子回路の構成部品であるアルミ電解コンデンサ２２やノーマルモードコンデンサ２３をバスバー組立体に実装することによって、パワー電子回路とフィルタ電子回路をモジュール化して一体化した。

このため、駆動制御装置の上下方向の高さを従来技術に比較して十分に小さくすることが可能になり、装置全体の小型化（薄型化）が図れると共に、軽量化も図れる。また、装置の小型化に伴ってエンジンルーム内でのレイアウトの自由度が向上すると共に、他の機器や配管との干渉を回避できる。

すなわち、前記電動モータとこれを制御する駆動制御装置が搭載配置されるエンジンルーム内には、搭載位置の周辺に他の作動装置や各種配管などが配設されていることから、これらとの干渉を回避するために、前記駆動制御装置の搭載スペースが制限されてしまう。

そこで、本実施形態の駆動制御装置では、前述のように、装置全体の小型化（薄型化）が図れることから、エンジンルーム内でのレイアウトの自由度の向上などが図れる。

また、軸方向に長いアルミ電解コンデンサ２２などをバスバー組立体１３の底面１３ａ側に配置して、前記ハウジング本体３の膨出部５を介して形成された空間部１５内に収容したことから、前記装置の薄型化を一層促進することができる。

しかも、パワー電子回路とフィルタ電子回路とを、前記バスバー組立体１３によって一体的にモジュール化したことによって、これらを別々に製造する場合に比べて製造コストの低減化が図れると共に、前述した組み立て作業能率の向上が図れる。

また、前記各半導体スイッチ素子２１は、挟持されることによって各放熱シート９に密着することから、発生した熱を、各放熱シート９を介してハウジング本体３側へ効果的に伝達させることが可能になる。特に、各半導体スイッチ素子２１は、各放熱シート９及び枠部９ａに被嵌状態に保持されて接触面積が大きくなることから、伝熱性が良好になって放熱効果が大きくなる。

また、前記各コネクタ１８〜２０は、バスバー組立体１３に一体的に形成されていることから、別体に形成した場合に比較してこれらの製造作業が容易になると共に、これらの組付作業が不要になるので、組付コストも低減できる。

また、バスバー組立体１３や制御基板１４の形状が単純な矩形状であり、ハウジング本体３やカバー部材４も比較的単純な形状であるから、少数の固定ボルト１１による固定工数も少なくて済み、該固定作業も容易になる。

前記制御基板１４を、バスバー組立体１３に対して各係止片３８を介してワンタッチで係止させることができるので、この組み付け作業も容易である。

また、本実施形態では、ハウジング本体３の膨出部５の上面に放熱グリスを充填することなく、放熱シート９を用いたため、これらの接着作業が容易である。

また、パワー電子回路とフィルタ電子回路を一体的にモジュール化したことによって、半導体スイッチ素子２１とフィルタ電子回路の構成部品であるアルミ電解コンデンサ２２やノーマルモードコイル２３、コモンコイル２４とを、より近接配置できるため、半導体スイッチ素子２１の作動によって発生するラジオノイズをフィルタ電子回路で抑制し、カバー部材４の外部にノイズが漏れでるのを抑制することができる。

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、ハウジング１やバスバー組立体１３の形状や構造を任意に変更することも可能である。また、電動パワーステアリング装置以外の駆動機器類の駆動制御装置に適用することも可能である。

前記実施形態から把握される前記請求項以外の発明の技術的思想について以下に説明する。
〔請求項ａ〕
前記バスバー組立体と制御基板を、アルミニウム合金材のハウジング本体とカバー部材との間に重合状態で収容配置すると共に、前記ハウジング本体を前記放熱部材として構成したことを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータの駆動制御装置。

この発明によれば、重合状態としてことにより装置の小型化を一層促進することが可能になると共に、ハウジング本体自体を放熱部材とすることにより、放熱機構を特別に設ける必要がないので、製造コストの低減化が図れる。
〔請求項ｂ〕
前記ハウジング本体の上面に、前記半導体スイッチ素子が放熱シートを介して当接する凸状の膨出部を形成すると共に、該膨出部の上面と前記バスバー組立体の底面とによって前記半導体スイッチ素子を挟持状態に保持したことを特徴とする請求項２に記載の電動アクチュエータの駆動制御装置。

この発明によれば、半導体スイッチ素子を挟持状態に保持することによって、各半導体スイッチ素子の確実に固定できると共に、放熱シートとの接触力が大きくなって半導体スイッチ素子からハウジング本体への熱の伝達効率が向上する。
〔請求項ｃ〕
前記放熱シートの外周縁に枠部を立設すると共に、該放熱シートの上面と前記枠部との間に前記半導体スイッチ素子の外面を被嵌状態に保持したことを特徴とする請求項２に記載の電動アクチュエータの駆動制御装置。

この発明によれば、半導体スイッチ素子と放熱シートとの接触面積が大きくなるので、放熱効果が大きくなる。
〔請求項ｄ〕
前記ハウジング本体の膨出部以外の上面とバスバー組立体の底面との間に空間部を形成し、該空間部を介してバスバー組立体の下面に組み付けられた電子部品を収容することを特徴とする請求項ｂに記載の電動アクチュエータの駆動制御装置。

ハウジング本体とバスバー組立体との間の空間部を利用して例えばアルミ電解コンデンサなどの比較的大きな電子部品を収容できるので、装置全体の薄型化をさらに促進できる。

１…ハウジング
２…電子回路
３…ハウジング本体
３ａ…上面
４…カバー部材
５…膨出部
９…放熱シート（絶縁部材）
１１…固定ボルト
１３…バスバー組立体
１３ａ…底面
１３ｂ…嵌合溝
１４…制御基板（制御回路）
１５…空間部
１８…電源コネクタ
１９…モータコネクタ
２０…信号コネクタ
２１…半導体スイッチ素子
２２…アルミ電解コンデンサ

Claims

電動アクチュエータを駆動制御する駆動制御装置であって、
側面から突出した接続端子が上方向へ折曲形成された半導体スイッチ素子と、
前記半導体スイッチ素子によって前記電動アクチュエータに電力を供給するパワー電子回路と、
通電時の電磁ノイズを除去するフィルタ電子回路と、
前記電動アクチュエータの駆動を制御する制御回路と、を備え、
前記パワー電子回路とフィルタ電子回路とを、樹脂材によってモールドされたバスバー組立体に一体に形成すると共に、該バスバー組立体に対して、前記制御回路を構成する制御基板を重合配置する一方、
前記半導体スイッチ素子の上面を、前記バスバー組立体の底面に当接させると共に、前記半導体スイッチ素子の下面を、放熱シートの上面と該上面の外周縁に形成された枠部によって被嵌状態に保持しつつ該放熱シートを介して放熱部材に当接させて、前記半導体スイッチ素子を、前記バスバー組立体の底面と放熱部材との間に挟持状態に保持したことを特徴とする電動アクチュエータの駆動制御装置。
前記各半導体スイッチ素子に突設された前記接続端子の先端を、前記バスバー組立体を貫通して該バスバー組立体の端子接続孔に接続したことを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータの駆動制御装置。