JP6248591B2 - 電子制御ユニット及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子制御ユニット及びそれを備える電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置は、トルクセンサ等の各種センサの検出信号に基づいて電動モータの駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）を備える。電子制御ユニットは、パワー半導体素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）が実装された回路基板や、回路基板を収容するハウジングなどを備えるが、パワー半導体素子は通電時に高温となって発熱するため、このような発熱素子から発せられる熱をハウジングの外に放熱するような熱対策を講じる必要がある。

発熱素子が発する熱を外部に放熱する方法として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、発熱素子の熱をヒートシンクによって外部に放熱するものであり、発熱素子が実装された回路基板とヒートシンクとの間に、電気絶縁層と、その上に形成された伝熱用の金属箔層とを有する伝熱基板を介在したものである。ここでは、回路基板と伝熱基板の金属箔層とを半田によって接合している。

また、別の方法としては、例えば特許文献２に記載の技術がある。この技術は、回路基板の発熱素子実装部とは反対側と、発熱素子の回路基板とは反対側とにそれぞれヒートシンクを密着し、発熱素子の熱を、発熱素子の基板面側及びその反対側の両面から放熱するようにしたものである。

特開２０１１−１６５８６７号公報 特開２０１０−２４５１７４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術にあっては、回路基板とヒートシンクとの間に介装する伝熱基板が必要であり、構成部品の増加を招く。さらに、伝熱基板を回路基板に半田で接合するため、組立工数も多くなる。
また、上記特許文献２に記載の技術にあっては、回路基板にヒートシンクを密着させる構成であるが、回路基板が反ってしまった場合、密着力が変化して放熱性が悪化する。
そこで、本発明は、構成部品を増加することなく、効果的に発熱素子の熱を放熱させることができる電子制御ユニット、及びそれを備える電動パワーステアリング装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る電子制御ユニットの一態様は、発熱素子を含む電子部品が表面実装された回路基板と、金属製のベースと金属製のカバーとで構成され、回路基板の周縁部を厚さ方向に挟持固定して当該回路基板を収容するハウジングと、を備える。そして、ベース及びカバーの少なくとも一方は、発熱素子と直接又は回路基板を挟んで対向する位置に、熱伝導性部材と絶縁層とを介して、発熱素子に直接又は回路基板を挟んで間接的に接触する放熱部を備える。また、ベース及びカバーは、回路基板の反りを矯正するように、当該回路基板を、絶縁層を介して厚さ方向に押圧する矯正部を備え、回路基板と矯正部との間に弾性部材を備え、矯正部と弾性部材は、嵌め合い構造で組付けられている。

このように、ハウジングに放熱部を形成し、これを発熱素子や回路基板の発熱素子実装部とは反対側の面に密着させることで発熱素子の熱を放熱する。このとき、ハウジングに形成された矯正部によって回路基板の反りを矯正し、発熱素子と熱伝導性部材との密着にムラが生じるのを防止する。これにより、放熱性を安定させることができる。さらに、発熱素子及び回路基板と放熱部との間、並びに発熱素子及び回路基板と矯正部との間に絶縁層を設けるので、絶縁性を確保することができる。したがって、万が一、放熱部や矯正部が発熱素子や回路基板に接触した場合であっても、電気ショートを起こさず、安定した動作を維持することができる。

また、上記において、回路基板と矯正部との間に弾性部材を備えることで、矯正部によって適切に回路基板を押圧することができ、効果的に回路基板の反りを矯正することができる。
さらに、上記において、弾性部材は、熱伝導性材料を含んで構成されていることで、回路基板と矯正部との間の弾性部材に放熱機能を持たせることができる。

また、上記において、絶縁層は、ベース及びカバーに形成されていることが好ましい。このように、ハウジング側に表面処理により絶縁層を形成することで、絶縁層を介装させた状態での電子制御ユニットの組付けを容易に行うことができる。
さらにまた、上記において、熱伝導性部材は、絶縁性材料を含んで構成されていることが好ましい。これにより、発熱素子及び回路基板と放熱部との間の熱伝導性部材に絶縁機能を持たせることができる。

また、本発明に係る電動パワーステアリング装置の一態様は、ステアリングホイールから伝達される操舵トルクを検出するトルク検出部と、前記トルク検出部で検出した操舵トルクに応じた操舵補助トルクを発生する電動モータと、前記電動モータの駆動を制御する上記の何れかの電子制御ユニットと、を備える。このように、放熱性と絶縁性とを両立した電子制御ユニットを備えるので、電動モータを安定して動作させることができ、適切な操舵補助制御を行うことができる。

本発明の電子制御ユニットでは、発熱素子が実装された回路基板を収容するハウジングに放熱部及び矯正部を形成するので、構成部品を増加することなく、回路基板の反りを矯正して効果的に発熱素子が発生する熱を放熱させることができる。また、発熱素子及び回路基板と放熱部との間、並びに回路基板と矯正部との間に絶縁層を設けるので、放熱性に加えて絶縁性も確保することができる。

本実施形態の電子制御ユニットが搭載される電動パワーステアリング装置の基本構造を示す図である。 コントローラの構成を示す図である。 電子制御ユニットの分解斜視図である。 電子制御ユニットの分解斜視図である。 電子制御ユニットの組立状態を示す図である。 電子制御ユニットの断面図を示す図である。 放熱部の断面図である。 矯正部の断面図である。 矯正部の別の例を示す断面図である。 弾性部材の別の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の電子制御ユニットが搭載される電動パワーステアリング装置の基本構造を示す図である。
図中、符号１はステアリングホイールであり、運転者からこのステアリングホイール１に作用される操舵力はステアリングシャフト２に伝達される。ステアリングホイール１に伝達された操舵力は、減速ギヤ３、ユニバーサルジョイント４Ａ及び４Ｂ、ピニオンラック機構５を介してタイロッド６に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。

ステアリングシャフト２には、ステアリングホイール１に付与されてステアリングシャフト２に伝達された操舵トルクＴｓを検出するトルクセンサ７が設けられている。また、減速ギヤ３には、操舵系に対して操舵補助力を発生する電動モータ８が連結されている。ここで、電動モータ８は３相ブラシレスモータである。
コントローラ１０には、バッテリー（図示せず）から電力が供給されるとともに、イグニションキー（図示せず）を経てイグニションキー信号ＩＧＮ（図２参照）が入力される。コントローラ１０は、トルクセンサ７で検出した操舵トルクＴｓと車速センサ９で検出した車速Ｖとに基づいて操舵補助指令値の演算を行い、演算した操舵補助指令値に基づいて電動モータ８に供給する電流を制御する。

コントローラ１０は、主としてマイクロコンピュータで構成されるが、その構成を示すと図２に示すようになる。コントローラ１０は、制御演算装置１１と、ゲート駆動回路１２と、モータ駆動部１３と、遮断装置１４とを備える。
制御演算装置１１は、操舵トルクＴｓ及び車速Ｖの他に、電流検出回路１５で検出した３相のモータ電流ｉａ〜ｉｃと、ロータ位置検出回路１７で検出した電動モータ８の回転位置θとを入力し、これらに基づいて電動モータ８の電流指令値を演算する。制御演算装置１１は、演算した電流指令値をゲート駆動回路１２に出力する。

ここで、電動モータ８には、ホールセンサ等の回転センサ１６が取り付けられており、ロータ位置検出回路１７は、回転センサ１６からの回転信号ＲＴに基づいて回転位置θを検出するようになっている。
また、イグニションキーからのイグニション信号ＩＧＮはイグニション電圧モニタ部１８及び電源回路部１９に入力され、電源回路部１９から制御演算装置１１に、電源電圧Ｖｄｄと装置停止用となるリセット信号ＲＳとが入力されるようになっている。

ゲート駆動回路１２は、入力した電流指令値等に基づいてゲート駆動信号を形成し、これをＦＥＴのブリッジ構成で成るモータ駆動部１３に出力する。モータ駆動部１３は、パワー半導体素子であるＦＥＴＴｒ１〜Ｔｒ６で構成されるインバータ回路である。このモータ駆動部１３は、非常停止用の遮断装置１４を経て電動モータ８を駆動する。ここで、遮断装置１４は、２相を遮断するリレー接点１４１及び１４２で構成されている。

なお、ここでは、遮断装置１４を、接点式のリレーを用いた構成としているが、これに代えて半導体式のリレーを用いることもできる。この場合、電動モータ８の各相に半導体リレーを介挿する。
図３及び図４は、コントローラ１０を構成する電子制御ユニット（ＥＣＵ）の分解斜視図である。

電子制御ユニット２０は、モータ駆動部１３を構成するＦＥＴＴｒ１〜Ｔｒ６等が実装されている回路基板３０と、回路基板３０を収容するＥＣＵハウジング（ＥＣＵベース４０とプレート（カバー）５０）とを備える。
回路基板３０はＦＲ−４等を基材とした樹脂製であり、回路基板３０の表面には、発熱素子であるＦＥＴ３１が、半田によって実装されている。ここで、ＦＥＴ３１は、モータ駆動用のＦＥＴＴｒ１〜Ｔｒ６や、遮断装置１４として半導体リレーを用いたときのリレー用のＦＥＴなどである。

また、この回路基板３０のＦＥＴ３１が実装されていない箇所には、ボンドや両面テープ等の接着部材により弾性部材３２が固定されている。弾性部材３２は、回路基板３０の両面に、回路基板３０を挟んで対向する位置に固定されている。さらに、回路基板３０の周縁部には、回路基板３０をＥＣＵベース４０に取り付けるための取付ねじ６０（図５参照）がねじ込まれる複数の貫通孔３３が形成されている。

ＥＣＵベース４０は、開口部を有する箱型状の部材であり、その開口部に回路基板３０を取り付け可能となっている。ＥＣＵベース４０は、例えばアルミダイカストで形成されている。
ＥＣＵベース４０の底部には、回路基板３０を取り付けた状態でＦＥＴ３１と直接または回路基板３０を介して対向する位置に、開口部側に突出する放熱部４１が形成されている。放熱部４１は、回路基板３０側の端部に、回路基板３０と平行の平面である放熱面４１ａを備える。

また、ＥＣＵベース４０の底部には、回路基板３０を取り付けた状態で弾性部材３２と対向する位置に、開口部側に突出する矯正部４２が形成されている。この矯正部４２は、回路基板３０側の端部に、回路基板３０と平行の平面である矯正面４２ａを備える。
これら放熱面４１ａ及び矯正面４２ａには、それぞれ絶縁層が形成されている。その絶縁層は、アルマイト処理やフッ素コーティングにより形成する。

さらに、ＥＣＵベース４０の周縁部には、回路基板３０の貫通孔３３に対応する位置に、取付ねじ６０がねじ込まれるねじ孔４３が形成されている。
プレート５０は、ＥＣＵベース４０の開口部を塞ぐようにＥＣＵベース４０に固定される板状の金属性の部材である。プレート５０には、回路基板３０を取り付けたＥＣＵベース４０に固定された状態で、ＦＥＴ３１と直接または回路基板３０を介して対向する位置に、回路基板３０側に突出する放熱部５１が形成されている。放熱部５１は、回路基板３０側の端部に、回路基板３０と平行の平面である放熱面５１ａを備える。

また、プレート５０には、回路基板３０を取り付けたＥＣＵベース４０に固定された状態で、弾性部材３２と対向する位置に、回路基板３０側に突出する矯正部５２が形成されている。この矯正部５２は、回路基板３０側の端部に、回路基板３０と平行の平面である矯正面５２ａを備える。
これら放熱面５１ａ及び矯正面５２ａには、それぞれ絶縁層が形成されている。その絶縁層は、アルマイト処理やフッ素コーティングにより形成する。

さらに、プレート５０の周縁部には、ＥＣＵベース４０のねじ孔に対応する位置に、取付ねじ６０がねじ込まれる貫通孔５３が形成されている。
そして、回路基板３０を取り付けたＥＣＵベース４０に対し、回路基板３０の上からプレート５０を取り付け、図５に示すように取付ねじ６０によって固定することで電子制御ユニット２０が完成する。

図６は、電子制御ユニット２０の組付け状態を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。
電子制御ユニット２０の組付け状態では、図６（ｂ）に示すように、回路基板３０に実装されたＦＥＴ３１は、ＥＣＵベース４０に形成された放熱面４１ａとプレート５０に形成された放熱面５１ａとによって、回路基板３０の厚さ方向両側から挟まれた状態となっている。このとき、ＦＥＴ３１と放熱部４１との間、及びＦＥＴ３１と放熱部５１との間に、それぞれグリース状またはシート状の熱伝導性材料（ＴＩＭ）を介在させる。

すなわち、図７に図６（ｂ）のα部の拡大図を示すように、回路基板３０の上面（ＥＣＵベース４０側の面）にＦＥＴ３１が実装されている場合、ＦＥＴ３１の上面に、絶縁層４１ｂが形成された放熱面４１ａを、ＴＩＭ３４を介して密着させる。また、回路基板３０のＦＥＴ３１とは反対側の面には、絶縁層５１ｂが形成された放熱面５１ａを、ＴＩＭ３４を介して密着させる。

また、図６（ｃ）に示すように、回路基板３０においてＦＥＴ３１が実装されていない箇所は、ＥＣＵベース４０に形成された矯正面４２ａとプレート５０に形成された矯正面５２ａとによって、弾性部材３２を介して回路基板３０の厚さ方向両側から挟まれた状態となっている。
すなわち、図８に図６（ｃ）のβ部の拡大図を示すように、回路基板３０の上面（ＥＣＵベース４０側の面）には接着部材３２ａによって弾性部材３２が固定されており、回路基板３０は、この弾性部材３２を介して絶縁層４２ｂが形成された矯正面４２ａによって下方向（プレート５０側）に押圧される。

また、同様に、回路基板３０の下面（プレート５０側の面）には、回路基板３０の上面に固定された弾性部材３２と回路基板３０を挟んで対向する位置に、接着部材３２ａによって弾性部材３２が固定されており、回路基板３０は、この弾性部材３２を介して絶縁層５２ｂが形成された矯正面５２ａによって上方向（ＥＣＵベース４０側）に押圧される。
ここで、矯正部４２，５２の回路基板３０に対する押圧力は、回路基板３０の反りが矯正される程度に設定する。

以上のように、ＥＣＵハウジングを構成するＥＣＵベース４０とプレート５０とで、回路基板３０の周縁部の一部を厚さ方向に挟持し、取付ねじ６０で固定する。このとき、ＥＣＵベース４０の放熱部４１とプレート５０の放熱部５１とによって、ＴＩＭ３４を介してＦＥＴ３１及び回路基板３０を挟みこみ、回路基板３０の両面からＦＥＴ３１の熱を放熱するようにする。

すなわち、例えば図７に示すように、回路基板３０の上面（ＥＣＵベース４０側の面）にＦＥＴ３１が実装されている場合には、ＦＥＴ３１の上面に、ＥＣＵベース４０に形成された放熱部４１の放熱面４１ａを、ＴＩＭ３４を介して密着させる。これにより、ＦＥＴ３１の熱をＦＥＴ３１の上面からＴＩＭ３４を介してＥＣＵベース４０へ逃がすことができる。

また、同時に、ＦＥＴ３１の下面（回路基板３０のＦＥＴ３１実装部とは反対側の面）には、プレート５０に形成された放熱部５１の放熱面５１ａを、ＴＩＭ３４を介して密着させる。これにより、ＦＥＴ３１の上面からの放熱と同時に、回路基板３０の下面からもＴＩＭ３４を介してプレート５０にＦＥＴ３１の熱を逃がすことができる。
このように、ＦＥＴ３１の両面からＦＥＴ３１の熱を効率的に放熱することができる。

また、回路基板３０を収容するＥＣＵハウジング（ＥＣＵベース４０及びプレート５０）に放熱部４１，５１を形成するので、新たに放熱部品を追加する必要がなく、電子制御ユニット２０の構成部品の増加を防止することができる。さらに、放熱機構を実現する際に半田接合等を必要としないため、組立工数が少なくてすむ。
また、ＥＣＵベース４０の放熱部４１及びプレート５０の放熱部５１の回路基板３０側表面には、それぞれ絶縁層４１ｂ，５１ｂを形成する。そのため、万が一、放熱部４１，５１がＦＥＴ３１や回路基板３０に接触した場合であっても、電気ショートを起こさず、動作を維持することができる。

ところで、本実施形態のように、ＦＥＴ３１やＦＥＴ３１が実装された回路基板３０に、ＴＩＭ３４を介して放熱面４１ａ，５１ａを密着させて放熱する構造である場合、回路基板３０に反りが発生すると、ＦＥＴ３１及び回路基板３０と放熱面４１ａ，５１ａとの間の間隔にばらつきが生じ、ＦＥＴ３１及び回路基板３０と放熱部４１，５１との密着力が変化してしまう。

ＦＥＴ３１とＥＣＵベース４０との間、及びＦＥＴ３１とプレート５０との間にそれぞれ介装されているＴＩＭ３４は、その厚さが厚すぎると伝熱効果が発揮できず、放熱性が悪化してしまう。また、逆にＴＩＭ３４の厚さが薄すぎると、絶縁性が悪化してしまう。そのため、ＦＥＴ３１とＥＣＵベース４０との間、及びＦＥＴ３１とプレート５０との間の間隔を、それぞれ適切な範囲に管理する必要がある。

そこで、本実施形態では、ＥＣＵベース４０とプレート５０とに、回路基板３０を挟んで対向する矯正部４２，５２を設け、矯正部４２及び５２によって回路基板３０のＦＥＴ３１が実装されていない箇所を厚さ方向両側から押圧することで、回路基板３０の反りを矯正する。これにより、ＴＩＭ３４の厚さを所定の厚さに管理することができ、ＦＥＴ３１及び回路基板３０とＴＩＭ３４との密着にムラが生じるのを防止することができ、安定した放熱性を実現することができる。このとき、矯正部４２及び５２を、回路基板３０を挟んで対向配置するので、適切に回路基板３０の反りを矯正することができる。

また、ＥＣＵベース４０の矯正部４２及びプレート５０の矯正部５２の回路基板３０側表面にも、それぞれ絶縁層４２ｂ，５２ｂを形成する。そのため、万が一、矯正部４２，５２がＦＥＴ３１や回路基板３０に接触した場合であっても、電気ショートを起こさず、動作を維持することができる。
以上のように、本実施形態では、回路基板３０の反りを矯正する矯正機構を持たせることで、ＦＥＴ３１と回路基板３０とをＥＣＵベース４０とプレート５０とで挟み込み、ＦＥＴ３１の両面から放熱を行う構造において、ＦＥＴ３１の熱を効率良く、安定的に逃がすことができる。また、ＥＣＵベース４０及びプレート５０の回路基板３０に対向する側に絶縁層を形成するため、放熱性と絶縁性とを両立させることができる。

（変形例）
上記実施形態においては、回路基板３０の反りを矯正する矯正機構として、ＥＣＵベース４０（矯正部４２）とプレート５０（矯正部５２）とで、弾性部材３２を介して回路基板３０を挟み込む場合について説明したが、図９に示すように、ＥＣＵベース４０（矯正部４２）とプレート５０（矯正部５２）とによって、回路基板３０を直接挟み込むようにしてもよい。これにより、弾性部材３２を追加することなく、回路基板３０の矯正機構を実現することができる。

また、上記実施形態においては、図３及び図４に示すように、弾性部材３２の断面形状を円形とする場合について説明したが、図１０（ａ）に示すように、四角形であってもよいし、中心部に孔を有する形状であってもよい。また、弾性部材３２とＥＣＵベース４０又はプレート５０とは、図１０（ｂ）に示すように嵌め合い構造であってもよい。さらに、弾性部材３２は、金属性または金属＋樹脂性の部材とし、回路基板３０に表面実装により固定するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態においては、矯正部４２，５２に矯正面４２ａ，５２ａを形成し、面接触により回路基板３０の反りを矯正する場合について説明したが、点接触や線接触であってもよい。
また、上記実施形態においては、弾性部材３２を、熱伝導性材料を含む弾性部材（弾性ＴＩＭ）とし、放熱機能を持たせることもできる。

さらにまた、上記実施形態においては、ＥＣＵベース４０及びプレート５０の絶縁層は、放熱面４１ａ，５１ａ及び矯正面４２ａ，５２ａのみに形成する場合について説明したが、ＥＣＵベース４０及びプレート５０の全体に形成してもよい。
また、上記実施形態においては、回路基板３０と放熱部４１との間、及び回路基板３０と放熱部５１との間に介装する熱伝導性材料としてのＴＩＭ３４に、絶縁補助材を添加するようにしてもよい。これにより、放熱性と絶縁性とをより効果的に実現することができる。

さらに、上記実施形態においては、ＥＣＵベース４０の矯正部４２とプレート５０の矯正部５２とを、回路基板３０を挟んで対向配置する場合について説明したが、回路基板３０の反りを矯正できれば対向配置でなくてもよい。
また、上記実施形態においては、ＥＣＵベース４０とプレート５０の両方に放熱部４１，５１を形成する場合について説明したが、何れか一方のみでもよい。

１…ステアリングホイール、２…ステアリングシャフト、３…減速ギヤ、４Ａ，４Ｂ…ユニバーサルジョイント、５…ピニオンラック機構、６…タイトロッド、７…トルクセンサ、８…電動モータ、９…車速センサ、１０…コントローラ、１１…制御演算装置、１２…ゲート駆動回路、１３…モータ駆動部、１４…遮断装置、１５…電流検出回路、１６…回転センサ、１７…ロータ位置検出回路、１８…ＩＧＮ電圧モニタ部、１９…電源回路部、２０…電子制御ユニット、３０…回路基板、３１…ＦＥＴ、３２…弾性部材、３３…貫通孔、３４…ＴＩＭ、４０…ＥＣＵベース、４１…放熱部、４１ａ…放熱面、４１ｂ…絶縁層、４２…矯正部、４２ａ…矯正面、４２ｂ…絶縁層、４３…ねじ孔、５０…プレート、５１…放熱部、５１ａ…放熱面、５１ｂ…絶縁層、５２…矯正部、５２ａ…矯正面、５２ｂ…絶縁層、５３…貫通孔、６０…取付ねじ

Claims (5)

1. 発熱素子を含む電子部品が表面実装された回路基板と、
   金属製のベースと金属製のカバーとで構成され、前記回路基板の周縁部を厚さ方向に挟持固定して当該回路基板を収容するハウジングと、を備え、
   前記ベース及びカバーの少なくとも一方は、前記発熱素子と直接又は前記回路基板を挟んで対向する位置に、熱伝導性部材と絶縁層とを介して、前記発熱素子に直接又は前記回路基板を挟んで間接的に接触する放熱部を備え、
   前記ベース及びカバーは、前記回路基板の反りを矯正するように、当該回路基板を、絶縁層を介して厚さ方向に押圧する矯正部を備え、
   前記回路基板と前記矯正部との間に弾性部材を備え、
   前記矯正部と前記弾性部材は、嵌め合い構造で組付けられていることを特徴とする電子制御ユニット。
2. 前記弾性部材は、熱伝導性材料を含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子制御ユニット。
3. 前記絶縁層は、前記ベース及びカバーに形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子制御ユニット。
4. 前記熱伝導性部材は、絶縁性材料を含んで構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電子制御ユニット。
5. ステアリングホイールから伝達される操舵トルクを検出するトルク検出部と、
   前記トルク検出部で検出した操舵トルクに応じた操舵補助トルクを発生する電動モータと、
   前記電動モータの駆動を制御する前記請求項１〜４の何れか１項に記載の電子制御ユニットと、を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

Images