JP6838787B2

JP6838787B2 - 電子制御装置

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Publication number: JP6838787B2
Application number: JP2018557620A
Authority: JP
Inventors: 裕二朗金子; 河合　義夫; 義夫河合
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2021-03-03
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: US20200344900A1; US10986741B2; CN110087851B; WO2018116710A1; CN110087851A; JPWO2018116710A1

Description

本発明は、自動車に用いられるエンジンコントロールユニットや自動変速機コントロールユニットなどの電子制御装置に関わり、特に、電子制御装置の構造に関する。

環境問題やエネルギー問題を背景に自動車の電装化が加速しており、電子制御装置の搭載数が大幅に拡大している。これにより、電子制御装置の搭載場所が限られ、自動車の中でも環境が厳しいエンジンルームへの搭載が余儀なくされている。一方で、自動車の快適性向上に向けた、キャビンスペースの拡大に伴い、エンジンルームが小型化されてきている。

このように、小型化されるエンジンルームに多数の電子制御装置やそれらのワイヤーハーネスが配置されるため、レイアウト難や重量増加、コスト増加が問題となっている。このため、電子制御装置には、小型化、軽量化、低コスト化が求められている。

そのなかで、電子制御装置の軽量化は自動車の燃費、環境問題に影響する重要な検討事項である。軽量化の対応策として、例えば、近年、金属筐体の樹脂化が進められている。筐体材料として樹脂を用いることで、筐体形状はそのままに維持しつつ、電子制御装置の軽量化を図ることができる。

しかしながら、電子制御装置の放熱性を考慮すると、樹脂の熱伝導率は金属の熱伝導率よりも低いため、樹脂筐体で放熱性能が不足する場合は、局所的に金属を使用する必要がある。よって、電子制御装置の筐体は、樹脂と金属を組み合わせた構成となる。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「リブ部又はボス部を有する電子機器筐体を、金属と樹脂との一体成形により製造する方法であって、金属上に接着剤を塗布し、この接着剤を乾燥させた後、接着剤層上に、リブ部又はボス部を構成する部位より樹脂を射出して複合成形する電子機器筐体の製造方法」が開示されている。

特開平７−１２４９９５号公報

上述したように、車載用の電子制御装置では、小型化・軽量化、低コスト化の要求に応えつつ、放熱性などの電子制御装置の信頼性に関わる性能向上も求められている。

上記特許文献１は、パーソナルコンピュータ等の電子機器筐体に関するものであるが、例えば自動車のエンジンルームに搭載する場合、高熱・高振動である等、より過酷な環境であるため、線膨張係数の違いによる金属と樹脂の剥離の問題等が懸念される。

従って、車載用の電子制御装置では、より高信頼化が求められる。また、低コスト化のため電子制御装置の生産プロセスを簡易化する必要がある。

そこで、本発明の目的は、小型化・軽量化が可能であり、かつ過酷な環境下でも高い信頼性を維持可能な電子制御装置を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、電子制御装置の信頼性を維持しつつ、低コストで簡易な電子制御装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、制御基板と、一端が前記制御基板に接続され、他端が外部端子に接続されるコネクタと、前記制御基板、および前記コネクタの少なくとも前記制御基板との接続部を覆う筐体と、を備える電子制御装置であって、前記筐体は、樹脂および前記樹脂の射出成形により外周部が前記樹脂に埋め込まれて一体成形された金属板から成り、前記金属板は、前記外周部に曲げ部を有し、前記曲げ部が前記樹脂で覆われており、前記金属板の表面に、前記金属板と前記樹脂の密着力を向上させる粗化処理または表面処理が施されており、前記曲げ部は、前記金属板の外周に沿って、前記電子制御装置の外側および内側の両方向に交互に設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、（ａ）金型の上型と下型の間に前記電子制御装置の筐体の一部となる金属板を配置する工程、（ｂ）前記金属板の外周部に設けられた曲げ部を覆うように前記金型のキャビティに樹脂材料を注入し、前記電子制御装置の筐体の一部となる樹脂を成形する工程、を含む電子制御装置の製造方法である。

本発明によれば、低コストと生産性を両立した高信頼性の電子制御装置を提供することができる。

また、小型化・軽量化が可能であり、かつ過酷な環境下でも高い信頼性を維持可能な電子制御装置を実現することができる。

また、電子制御装置の信頼性を維持しつつ、低コストで簡易な電子制御装置の製造方法を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る電子制御装置の外観斜視図である。図１のＡ−Ａ’断面図である。本発明の一実施形態に係る電子制御装置の製造工程の一部を示す図である。（ハウジングベースの構成と組立て手順）図３における樹脂流動部の断面拡大図である。（従来の電子制御装置）図３における樹脂流動部の断面拡大図である。（本発明の電子制御装置）図４Ｂの変形例を示す図である。図４Ｂの変形例を示す図である。本発明の一実施形態に係る電子制御装置の金属板の外観斜視図である。図６の変形例を示す図である。図６の変形例を示す図である。本発明の一実施形態に係る電子制御装置の製造工程の一部を示す図である。（電子制御装置の構成と組立て手順）本発明の一実施形態に係る電子制御装置の断面図である。（図２の変形例）

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、電子制御装置の構成と組立て手順を添付図面に基づいて説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

先ず、図１および図２を参照して、本実施例の電子制御装置について説明する。図１は、電子制御装置３０の全体概要を示す外観斜視図である。図２は、図１に示す電子制御装置３０のＡ−Ａ’断面図である。図１，図２に示すように、本発明の電子制御装置３０はマイクロコンピュータ等の電子部品１を実装した制御基板２と、コネクタ４と、車両固定部９を有する樹脂製のハウジングケース３と、樹脂製のハウジングベース５から構成される。ハウジングケース３とハウジングベース５を金属ではなく樹脂で形成するのは、電子制御装置３０の軽量化のためである。

コネクタ４はその端部（一端）が制御基板２に接続されており、反対側の端部（他端）は、図示しない外部の接続端子（外部端子）に接続される。また、ハウジングケース３とハウジングベース５は電子制御装置３０の筐体を構成し、制御基板２、およびコネクタ４と制御基板２との接続部を覆い外部環境から保護する。なお、ハウジングケース３、コネクタ４、ハウジングベース５の各々の間にはシール材１０が設けられており、電子制御装置３０の筐体内への水分や塵埃（異物）の浸入を防いでいる。

ハウジングベース５には、外周部がハウジングベース５に埋め込まれる形で金属板６が一体で成形されている。なお、ハウジングベース５に埋め込まれている金属板６の外周部には、曲げ部が設けられている。言い換えると、金属板６の外周部には曲げ部が形成されており、その曲げ部をハウジングベース５の樹脂が覆うように形成されている。制御基板２に実装される電子部品１の多くは、通電時に発熱を伴う発熱部品であり、金属板６は放熱板として機能し、樹脂化された筐体の放熱を補う。

次に、図３を参照して、金属板６が一体成形されるハウジングベース５の製造工程について説明する。図３の（ａ）から（ｄ）は、ハウジングベース５の構成と組立て手順である。ハウジングベース５は、図３に示すように、金属板６の外周部を樹脂２１にて覆った構成で、射出成形にて一体成形する。

金属板６の材料は、高い熱伝導性を有する金属材料であることが好ましく、放熱性、軽量化、量産性、コストの観点から、アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いるのが望ましいが、放熱性、量産性、コストの観点から鉄または鉄合金を用いてもよい。また、金属板６と樹脂２１との密着性を向上させるため、予め金属板６を粗化処理、または表面処理するとよい。これにより、金属板６と樹脂２１の密着力が向上し、環境温度変化や、振動等により発生する応力に対して樹脂２１が金属板６から剥がれ難くなり、密着信頼性が向上する。

樹脂２１の材料は、ＰＢＴ（Ｐｏｌｙ−Ｂｕｔｙｌｅｎｅ−Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）やＰＡ（Ｐｏｌｙ−Ａｍｉｄｅ）６６、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ−Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ−Ｓｕｌｆｉｄｅ）等の軽量で耐熱性に優れる樹脂を用いるとよい。

図３（ａ）に示すように、樹脂成形用の金型１７は下型１９と上型１８から構成され、金属板６を下型１９と上型１８の間に配置する。樹脂２１の流動性を確保し、金型１７内の細部にわたり樹脂２１を充填させるため、金型１７、金属板６、樹脂２１を予熱しておくとよい。予熱完了後、図３（ｂ）に示すように、上型１８のゲート２０から樹脂２１を射出し、金型１７の空洞内（キャビティ）に流し込む。

続いて、図３（ｃ）に示すように、金型１７内への樹脂充填完了後、金型１７内で樹脂２１を冷却することにより硬化させ、硬化後、金型１７を開き、樹脂成形品を取り出し、図３（ｄ）に示すように、金属板６を一体としたハウジングベース５を成形する。

ここで重要なことは、本実施例のように金属板６の外周部を折り曲げていることである。金属板６の外周部を折り曲げていない場合、つまり従来の電子制御装置での樹脂流動部の断面拡大図を図４Ａに、金属板６の外周部を折り曲げた場合、つまり本実施例の電子制御装置での樹脂流動部の断面拡大図を図４Ｂに示す。なお、図４Ａ，図４Ｂにおいて、白抜きの矢印は樹脂材料２１の流動方向を示している。

両者の金属板６と樹脂２１の接合距離を比較すると、金属板６の外周部を折り曲げていない場合よりも、金属板６の外周部を折り曲げた場合の方が、金属板６と樹脂２１の接合距離が長い。よって、仮に機械的衝撃、振動、温度サイクル、塩水噴霧等の影響により、金属板６と樹脂２１の接合部に剥がれが発生し、時間の経過と共に剥がれが進展していく場合、接合距離が長いほど、接合寿命は長くなる。

また、金属板６の外周部を折り曲げることにより、接合面積が向上することに加え、金属板６の形状効果により、電子制御装置３０に振動や熱が加わった際に発生する金属と樹脂の接合部への応力集中を緩和でき、発生応力低減による金属板６と樹脂２１の接合信頼性向上も期待される。よって、金属板６の外周部の曲げ高さ（図２のｔ_Ｂ）は高いほうが良く、金属板６の板厚（図２のｔ_Ａ）以上であるとよい。つまり、曲げ部の高さｔ_Ｂと金属板６の板厚ｔ_Ａの関係が、ｔ_Ｂ≧ｔ_Ａとなるように、曲げ部を設けるのが好ましい。

樹脂２１の形状としては、金属板６を覆っていない領域の樹脂厚み（図４Ｂのｔ_Ｃ）を、金属板６の外周部の曲げ部を覆う領域の樹脂厚み（図４Ｂのｔ_Ｄ）よりも小さくするとよい。これにより、樹脂２１の使用量を削減でき、その分、電子制御装置を軽量化、低コスト化できる。

また、図５Ａに示すように、金属板６の外周部の曲げ部に、貫通孔１５を設けてもよい。これにより、金型１７のキャビティへの樹脂材料２１の注入時に樹脂材料２１が貫通孔１５を貫通して流動し、金属板６の外周部の曲げ部を全方位から囲い込むことができるため、金属板６とより強固に密着させることができ、金属板６と樹脂２１の接合信頼性の更なる向上が期待できる。

金属板６の外周部を折り曲げる形状としては、図４Ｂや図５Ａのように金属板６に対し略鉛直に設けるだけでなく、例えば、図５Ｂのように金属板６に対して傾斜して設けてもよい。また、図６のように金属板６の外周部の全周に渡って曲げ部を設けてもよく、図７のように金属板６の外周に沿って断続的に設けたり、図８のように上下に交互に折り曲げてもよい。いずれの形状においても、金属板６の外周部を折り曲げていない場合よりも、金属板６と樹脂２１の接合距離を長くとることができ、且つ接合部の発生応力も低減でき、金属板６と樹脂２１の接合信頼性の向上が期待できる。

一方、樹脂２１の材料に着目すると、樹脂２１の耐熱性、及び強度を向上させるためガラス繊維を含有させるとよい。本実施例において、ガラス繊維を含有した樹脂２１を用いた場合について説明する。金属板６の外周部を折り曲げていない場合、図４Ａに示すように、樹脂流動は白抜きの矢印方向であり、ガラス繊維の向きは樹脂２１の流動方向に依存し、一方向に揃う。

このため樹脂の線膨張係数が異方性を持ち、ハウジングベース５の平面方向ではガラス繊維の向きと平行となるため、線膨張係数は小さくなり、金属製の金属板６の線膨張係数と近くなるが、ハウジングベース５の垂直方向ではガラス繊維の向きと垂直となるため、平面方向と比較して、金属板６との線膨張係数差が大きくなる。これにより、温度サイクル環境下で、金属板６と樹脂２１の接合部に、線膨張係数差に起因する応力が発生し、金属板６と樹脂２１が剥離する懸念がある。

一方、図４Ｂおよび図６に示す本実施例のように、金属板６の外周部を折り曲げ、且つ金属板６を覆っていない領域の樹脂厚み（図４Ｂのｔ_Ｃ）を、金属板６を覆った領域の樹脂厚み（図４Ｂのｔ_Ｄ）よりも小さくした場合、樹脂２１の流れが折り曲げ部に達する際に、図４Ｂの白抜きの矢印で示したように樹脂２１の流れ、及びガラス繊維の向きを乱すことができ、線膨張係数の異方性を抑制できる。つまり、金属板６を覆った領域の樹脂厚みｔ_Ｄと金属板６を覆っていない領域の樹脂厚みｔ_Ｃの関係が、ｔ_Ｄ≧ｔ_Ｃとなるように、金型１７の樹脂材料注入領域（キャビティ）を設けるのが好ましい。

これにより、図４Ａに示す金属板６の外周部を折り曲げていない場合よりも、金属板６と樹脂２１との線膨張係数差を低減でき、振動や温度サイクル環境下で金属板６と樹脂２１の接合部に発生する応力を低減でき、金属板６と樹脂２１の接合信頼性を向上できる。

なお、上述したように、金属板６の外周部の曲げ高さ（図２のｔ_Ｂ）は、金属板の板厚（図２のｔ_Ａ）以上であるとよい。これにより、樹脂２１の流れ、及びガラス繊維の向きを乱し、線膨張係数の異方性を低減でき、金属板６と樹脂２１の接合部に発生する応力を低減できる。且つ、金属板６と樹脂２１の接合距離が長くなるため、接合信頼性を向上できる。

また、曲げ部に、図５Ａに示すように貫通孔１５を設けるとよい。これにより、樹脂２１の流れ、及びガラス繊維の向きを矢印で示すように、より乱すことができ、線膨張係数の異方性を抑制できる。

また、金属板６の外周部を折り曲げる形状としては、図５Ｂのように金属板６に対して傾斜して設けてもよく、図７のように断続的に設けてもよく、図８のように上下に交互に折り曲げてもよい。いずれの形状においても、樹脂成形時の樹脂２１の流れ、及びガラス繊維の向きを乱し、線膨張係数の異方性を低減でき、金属板６と樹脂２１の接合部に発生する応力を低減できる。

次に、図９を参照して、電子制御装置３０の組立て手順を説明する。図９（ａ），（ｂ）に示すように、マイクロコンピュータ等の電子部品１を制御基板２に実装する。制御基板２は、ガラスエポキシ樹脂等をベースとした樹脂配線板を用い、制御基板２に電子部品１を接続する際は、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉはんだ等の鉛フリーはんだを用いて接続する。

続いて、図９（ｃ）に示すように、コネクタ４を制御基板２に実装する。コネクタ４は、制御基板２と車両側ハーネスとを接続するためのコネクタ端子１３と、端子１３を規定のピッチに整列させ、且つ保持するためのコネクタハウジング１４から成る。

コネクタ端子１３の材料は、導電性、小型化、コストの観点から銅、または銅合金であるとよい。また、コネクタハウジング１４の材料は、ＰＢＴ（Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ−Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＡ（Ｐｏｌｙ−Ａｍｉｄｅ）６６、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ−Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ−Ｓｕｌｆｉｄｅ）等の軽量で耐熱性に優れる樹脂を用いるとよい。コネクタ４のコネクタ端子１３と制御基板２との接続は、コネクタ端子１３が挿入された制御基板２のスルーホール部１２を、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉはんだ等の鉛フリーはんだを用いて接続する。尚、コネクタ４のタイプは、面実装タイプ、プレスフィットタイプであってもよい。

続いて、図９（ｄ）に示すように、ハウジングケース３のコネクタ４搭載部に予め接着性を有するシール材１０を塗布しておき、そこへ、図９（ｅ）に示すように、図９（ｃ）の基板組み１１を搭載する。

続いて、図９（ｆ）に示すように、ハウジングケース３、及びコネクタ４のハウジングベース５搭載部に接着性を有するシール材１０を塗布する。

最後に、図９（ｇ）に示すように、金属板６が一体成形されたハウジングベース５を搭載し、接着固定する。シール材１０の硬化タイプは、熱硬化または湿度硬化どちらでもよい。これにより、電子制御装置３０の内部への塵埃（異物）や水等の浸入を防ぐことができる。

なお、金属板６は、図１０に示すようにハウジングケース３と一体成形してもよい。電子制御装置３０内の金属板６の位置は、自動車のエンジンルーム内の電子制御装置３０の設置位置などに合せて、金属板６による電子制御装置３０の放熱効果が最大限になるように設けるのが望ましい。

以上、本発明に係る電子制御装置の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

つまり、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

なお、本発明は以下の特徴も有している。

（付記１）
以下の工程を含む電子制御装置の製造方法；
（ａ）金型の上型と下型の間に前記電子制御装置の筐体の一部となる金属板を配置する工程、
（ｂ）前記金属板の外周部に設けられた曲げ部を覆うように前記金型のキャビティに樹脂材料を注入し、前記電子制御装置の筐体の一部となる樹脂を成形する工程。

（付記２）
付記１に記載の電子制御装置の製造方法であって、
前記曲げ部は、前記金属板の外周に沿って、断続的に設けられていることを特徴とする電子制御装置の製造方法。

（付記３）
付記１に記載の電子制御装置の製造方法であって、
前記曲げ部は、前記金属板の外周に沿って、前記金属板の上側および下側の両方向に交互に設けられていることを特徴とする電子制御装置の製造方法。

（付記４）
付記１から３のいずれかに記載の電子制御装置の製造方法であって、
前記曲げ部は、貫通孔を有することを特徴とする電子制御装置の製造方法。

（付記５）
付記１から４のいずれかに記載の電子制御装置の製造方法であって、
前記曲げ部は、前記金属板に対して傾斜して設けられていることを特徴とする電子制御装置の製造方法。

（付記６）
付記１から５のいずれかに記載の電子制御装置の製造方法であって、
前記曲げ部の高さは、前記金属板の板厚以上であることを特徴とする電子制御装置の製造方法。

（付記７）
付記１から６のいずれかに記載の電子制御装置の製造方法であって、
前記樹脂材料は、ガラス繊維を含むことを特徴とする電子制御装置の製造方法。

１…電子部品、２…制御基板、３…ハウジングケース、４…コネクタ、５…ハウジングベース、６…金属板、９…車両固定部、１０…シール材、１１…基板組み、１２…スルーホール部、１３…コネクタ端子、１４…コネクタハウジング、１５…貫通孔、１７…金型、１８…上型、１９…下型、２０…ゲート、２１…樹脂（材料）、３０…電子制御装置。

Claims

制御基板と、
一端が前記制御基板に接続され、他端が外部端子に接続されるコネクタと、
前記制御基板、および前記コネクタの少なくとも前記制御基板との接続部を覆う筐体と、を備える電子制御装置であって、
前記筐体は、樹脂および前記樹脂の射出成形により外周部が前記樹脂に埋め込まれて一体成形された金属板から成り、
前記金属板は、前記外周部に曲げ部を有し、
前記曲げ部が前記樹脂で覆われており、
前記金属板の表面に、前記金属板と前記樹脂の密着力を向上させる粗化処理または表面処理が施されており、
前記曲げ部は、前記金属板の外周に沿って、前記電子制御装置の外側および内側の両方向に交互に設けられていることを特徴とする電子制御装置。
請求項１に記載の電子制御装置であって、
前記曲げ部は、前記金属板の外周に沿って、断続的に設けられていることを特徴とする電子制御装置。
請求項１または２に記載の電子制御装置であって、
前記曲げ部は、貫通孔を有することを特徴とする電子制御装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の電子制御装置であって、
前記曲げ部は、前記金属板に対して傾斜して設けられていることを特徴とする電子制御装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の電子制御装置であって、
前記曲げ部の高さは、前記金属板の板厚以上であることを特徴とする電子制御装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の電子制御装置であって、
前記金属板を覆っていない領域の樹脂厚みは、前記金属板を覆う領域の樹脂厚みよりも小さいことを特徴とする電子制御装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載の電子制御装置であって、
前記金属板の材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、または鉄合金のいずれかであることを特徴とする電子制御装置。
請求項１から７のいずれか１項に記載の電子制御装置であって、
前記樹脂は、ガラス繊維を含むことを特徴とする電子制御装置。
請求項１から８のいずれか１項に記載の電子制御装置であって、
前記樹脂の線膨張係数の異方性は、前記金属板を覆う領域の方が、前記金属板を覆っていない領域よりも小さいことを特徴とする電子制御装置。
請求項１から９のいずれか１項に記載の電子制御装置であって、
前記制御基板は、発熱部品を含む電子部品が実装されていることを特徴とする電子制御装置。
請求項１から１０のいずれか１項に記載の電子制御装置であって、
前記金属板は、前記筐体を構成するハウジングケースおよびハウジングベースの少なくともいずれか一方に配置されていることを特徴とする電子制御装置。