JP2020004887A - 回路基板 - Google Patents

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一樹 原田
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Abstract

【課題】制御素子とパワー素子の実装面積を確保し、実装効率を向上させた回路基板を提供する。【解決手段】回路基板22の一方面側25をモータの軸方向の一方側に対向させて配置するとともに、回路基板22の他方面側23にモータ駆動用のパワー素子FET1〜FET11および制御素子31を実装し、回路基板22上におけるモータの径方向において制御素子31がパワー素子FET1〜FET11よりも外側に配置されている。また、パワー素子ごとに回路基板22に設けた銅インレイIL1〜IL11を介して回路基板22の一方面側から他方面側へ熱伝導し、伝導された熱を外部放熱体へ放熱する。【選択図】図3

Description

本発明は回路基板に関し、特に電動パワーステアリング装置の電子制御ユニットに使用するモータ駆動用の回路基板に関する。
自動車等の車両には、運転者のステアリングハンドル操作に対して補助トルクを発生する電動モータ、その電動モータの制御装置等を備える電動パワーステアリング装置が搭載されている。電動パワーステアリング装置は、装置全体が小型化される傾向にともない、電子制御ユニットを構成する回路基板サイズの小型化、最小化が重要となる。同時に、制御装置等から発生する熱の放熱も重要となる。
特許文献1は、基板のモータ側とは反対側の面である電子部品実装面に電子部品が実装され、モータ側の面である発熱素子実装面に実装されたSW素子等は、モータの軸中心を通る直線を挟んで線対称に配置され、各相のモータ線はW相、V相、U相の順に軸中心に対して点対称に配置され、放熱ゲルを介してフレーム部材のECU側端面に放熱可能な状態で当接された駆動装置を開示している。
特許第6123848号公報
特許文献1の駆動装置を用いた電動パワーステアリング装置は、ダブルインバーター方式を採用しており、発熱素子実装面に実装された複数のSW素子を、モータの軸中心を通る直線を挟んで線対称に配置してインピーダンスを下げ、モータ線を軸中心に対して点対称に配置することで各相の配線長のばらつき、インピーダンスのばらつきを低減している。
また、特許文献1では、マイコンの実装面がSW素子を実装する面とは逆面となり、基板の実装面積を有効に活用できておらず、生産上における実装効率が低下することに加え、発熱素子で生じた熱を効率的に放熱できないという問題がある。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路基板上で制御素子とパワー素子の実装面積を確保し、これらの部品の実装効率を向上させるとともに、効率的な放熱が可能な回路基板を提供することである。
上記の目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として以下の構成を備える。すなわち、本願の例示的な第1の発明は、モータ駆動用の回路基板であって、該回路基板の一方面側をモータの軸方向の一方側に対向させて配置するとともに、該回路基板の他方面側にモータ駆動用のパワー素子および制御素子を実装し、かつ、所定方向において前記制御素子が前記パワー素子よりも外側に配置されており、前記パワー素子ごとに前記回路基板に設けた金属製貫通部材を介して該回路基板の一方面側から他方面側へ熱伝導し、該伝導された熱を外部放熱体へ放熱することを特徴とする。
本願の例示的な第2の発明は、電動モータと一体に形成される電動パワーステアリング用の電子制御ユニットであって、上記例示的な第1の発明に係る回路基板を前記電子制御ユニットの回路基板としたことを特徴とする。
本願の例示的な第3の発明は、車両等の運転者のハンドル操作を補助する電動パワーステアリング装置であって、前記ハンドル操作によるトルクを検出するトルクセンサと、上記例示的な第2の発明に係る電動パワーステアリング用の電子制御ユニットと、前記トルクセンサで検出されたトルクをもとに前記電動パワーステアリング用の電子制御ユニットにより駆動される電動モータとを備えることを特徴とする。
本発明によれば、制御素子とパワー素子を回路基板の同一面に実装しても、それらの実装面積を確保でき、生産上における基板への部品の実装効率を向上できる。
図1は実施形態に係る電動パワーステアリング装置を備えるステアリングシステムの概略構成である。 図2は実施形態に係る電子制御ユニットと一体化された電動パワーステアリング装置の分解斜視図である。 図3は制御ユニットの表面側を平面視した外観図である。 図4は制御ユニットの裏面側を平面視した外観図である。 図5は電動モータの本体と、電動モータの軸方向反出力側に載置された制御ユニットとを軸方向に垂直な方向から見た様子を模式的に示す図である。
以下、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置を備えるステアリングシステムの概略構成である。ステアリングシステム1は、操舵部材であるステアリングハンドル2、ハンドル2に接続された回転軸3、ピニオンギア6、ラック軸7、電動パワーステアリング装置10等を備える。
電動パワーステアリング装置10は、電子制御ユニット(Electronic Control Unit: ECU)20、電動モータ15等で構成される。回転軸3には、ハンドル2が操作された際の操舵トルクを検出するトルクセンサ9が設けられ、検出された操舵トルクは電子制御ユニット20へ送られる。
回転軸3は、その先端に設けられたピニオンギア6に噛み合っている。ピニオンギア6により、回転軸3の回転運動がラック軸7の直線運動に変換され、ラック軸7の変位量に応じた角度に、そのラック軸7の両端に設けられた一対の車輪5a,5bが操舵される。
電子制御ユニット20は、トルクセンサ9から取得した操舵トルク、車速センサ(不図示)からの車速等の信号に基づき、ハンドル2の操舵を補助するための補助トルクを電動モータ15から出力し、減速ギア4を介して回転軸3に伝達する。すなわち、電動モータ15で発生したトルクによって回転軸3の回転がアシストされることで、運転者のハンドル操作を補助する。
図2は、本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング用電子制御ユニットが搭載され、その電子制御ユニットと一体化された電動パワーステアリング装置の分解斜視図である。図2に示す電動パワーステアリング装置10は、モータカバー14で覆われた電動モータ(ブラシレスモータ)15の軸方向(図2において一点鎖線で示す。)の上部にヒートシンク13が配置され、ヒートシンク13の上部であって、電動モータ15の軸方向反出力側に制御ユニット20が載置され、ヒートシンク13にネジ等により固定されている。
ヒートシンク13は、ベアリングホルダであるとともに、保持する制御ユニット20から発生する熱の放熱用部材であり、例えばアルミダイキャストを成形してなる。電動モータのベアリングホルダを外部放熱体として使用することで、電動パワーステアリング用の電子制御ユニットの部品点数の削減が可能となる。
制御ユニット20の上部は、金属製あるいは樹脂性のユニットカバー12で覆われる。外部コネクタ16は、電動モータ15へ供給される電源、制御ユニット20への制御信号等の接続用端子であり、コネクタケースにより覆われ、ヒートシンク13に固定されている。
図2に示す電動パワーステアリング装置10において、制御ユニット20がヒートシンク13に保持された状態にあるとき、制御ユニット20の基板表面において発熱部品が搭載された領域に対応する基板裏面の放熱エリア(放熱部)27と、ヒートシンク13の上部に平面状に設けた受熱エリア(受熱部)29とが一定間隔の空隙を介して対向する位置関係が維持される。
上記の空隙には放熱グリス等の放熱材が充填されており、それにより、制御ユニット20の発熱部品で発生した熱が放熱エリア27に配置した回路基板パターン等に伝導し、その回路基板パターン等からヒートシンク13へ放熱される。
基板上の放熱エリア27とヒートシンク上の受熱エリア29は、ほぼ同一の形状と面積を有するが、放熱効果および効率を勘案した場合、受熱エリア29を放熱エリア27よりも広い面積とすることが望ましい。また、受熱エリア29については、基板上の放熱エリア27の形状に合わせて受熱エリア29を設計することも考慮して、放熱エリア27の形状に合わせて形成してもよい。
なお、電動パワーステアリング装置は、常時動作しており、ステアリングの操舵時における電動パワーステアリング装置の制御部からの発熱を効率的に放熱できない場合、過熱保護がかかることになる。そのため、ハンドルの操舵を補助するという電動パワーステアリング装置の本来の目的が達成されないという不具合を回避するため、制御ユニットにおいて回路基板上のパワー素子等の発熱部品からの放熱が重要となる。
次に、本実施形態に係る電動パワーステアリング用の電子制御ユニットにおける回路基板上の部品配置と放熱構成について詳細に説明する。
図3は、制御ユニット20の表面(ユニットカバー12側)を平面視した外観図であり、図4は、制御ユニット20の裏面(電動モータ15側)を平面視した外観図である。ここでは、制御ユニット20の表面領域と裏面領域との対応を分かりやすくするため、図4は、表面側(図3)から透視して裏面を見たときの図である。
図3に示す制御ユニット20の回路基板22の表面23には、電動パワーステアリング装置を制御する制御素子(マイクロプロセッサ)31、FET1〜FET6からなるFETブリッジ回路、モータへの駆動電流を通電するスイッチングFET(FET9〜FET11)、モータ駆動電流用の電解コンデンサC1〜C3、制御用電源素子(電源IC)35、制御電源用コンデンサC11〜C13、電流センサ等の各種センサ等(不図示)が実装されている。
制御ユニット20は、その回路基板22の表面23において、電動パワーステアリング装置を制御する信号処理用部品、電流センサ等の各種センサといった制御系デバイスを実装する領域(制御部領域23aともいう。)と、FET1〜FET6からなるFETブリッジ回路、モータへの駆動電流を通電するスイッチングFET(FET9〜FET11)、電解コンデンサC1〜C3等が実装された領域(パワー部領域23bともいう。)とにほぼ2分されている。
制御部領域23aとパワー部領域23bとに分けたことで、制御ユニット20の制御系デバイスは、基板表面23の制御部領域23aのみならず、図4に示すように基板の裏面25の制御部領域25aにモータ駆動FET制御用の素子(IC)であるプリドライバ素子33等が搭載されている。その結果、一枚の回路基板の制御系に関する部品を基板の裏表両面に実装できるので、領域の限られた基板において設計の自由度を向上できる。
制御ユニット20の電源入力側には、電動モータ15等の駆動電源の正極電位と負極電位の入力端子である外部コネクタ端子26、並列接続された3つの電解コンデンサC1〜C3とコイル56とで構成されるノイズフィルタが配置されている。ノイズフィルタは、制御ユニット20に供給された電源に含まれるノイズ等を吸収し、電源電圧を平滑する。コイル56は、例えば2つのコイル等からなるコモンモードコイルである。
制御ユニット20はさらに、バッテリからの電源電圧に異常が生じたとき等において電力を遮断可能な半導体リレーとして機能するFET7,8、電動モータ15に駆動電流(3相交流電流)を通電する6個のFET1〜FET6からなる3相インバータ回路(FETブリッジ回路)等を備える。
FETブリッジ回路を構成する6個のFET1〜FET6は、例えば、マイクロコンピュータ、プリドライバ等で構成される制御回路(不図示)からの信号により、そのゲートが駆動され、オンまたはオフされる。このオンまたはオフ制御で生成されたU,V,Wの各相電流は、3つの端子U,V,Wからなる出力端子部57を介して電動モータ15に供給される駆動電流である。
FET1とFET2は、正極の電源ラインと負極電位ライン(GND)間に接続され、電動モータ15のU巻線を流れるU相電流を生成する。FET9は、U相電流を遮断可能な半導体リレーとして機能する。また、FET3とFET4は、正極の電源ラインと負極電位(GND)ライン間に接続され、電動モータ15のV巻線を流れるV相電流を生成し、FET10は、V相電流を遮断する半導体リレーである。
同様にFET5とFET6は、正極の電源ラインと負極電位(GND)ラインとの間に接続され、電動モータ15のW巻線を流れるW相電流を生成し、FET11は、W相電流を遮断可能な半導体リレーである。
なお、図示を省略するが、回路基板22の表面23には、トルクインターフェース回路、車両の各種情報を授受するCAN回路等が配置されている。また、回路基板22は、両面基板、多層基板のいずれでもよい。
図3に示すように、制御ユニット20の回路基板22は、その板端を部分的に切り欠いて形成した貫通孔H1、および板端の近傍部位を打ち抜いて形成した貫通孔H2,H3がモータ中心軸Pに対して対称となる位置に配置されている。これらの貫通孔H1〜H3は、制御ユニット20を電動モータ15上に載置する際の位置決めとして使用され、制御ユニット20を電動モータ15に固定する際の位置決めが容易になる。
次に、制御ユニット20における部品の配置構成を説明する。
電動パワーステアリング装置10において、電動モータ15の軸方向反出力側に制御ユニット20を載置したとき、図2の一点鎖線(モータ中心軸)と、制御ユニット20の回路基板22との交点を、図3および図4において符号Pで示している。ここでは、便宜上、この交点をモータ中心軸Pと呼ぶ。
ここでは、図3に示すように制御ユニット20において、モータ中心軸Pを中心としてモータの径方向に拡がる同心円状の2つの領域A,Bを想定する。領域Aは点線41,42で囲まれる領域であり、領域Bは点線42,43で囲まれる領域である。
領域Aは、領域Bよりも径方向内側に位置しており、パワー部23bにおける領域Aには、発熱量の多いFETブリッジ回路、スイッチングFETが配置されている。また、領域Bは、領域Aよりも径方向外側に位置しており、制御部23aにおける領域Bには、電動パワーステアリング装置の制御素子31が配置されている。
さらにパワー部23b側の領域Bには、図3に示すように電動モータ15に供給されるU,V,Wの各相電流の出力端子部57が配置されている。また、図4に示すように、基板裏面25のうち、基板表面23の制御部23a側の領域Bに対応する領域には、プリドライバ素子33が配置されている。
このように制御ユニット20では、制御素子31を基板22の外側(径方向外側)であって、発熱量の多いFET(パワー素子ともいう。)から離れた位置に配置する。また、制御素子31は、大電流であるU,V,Wの各相電流の出力端子部57からも離れた位置に配置されている。
換言すれば、制御素子31は、図3のy方向においてモータ中心軸Pを挟んで、パワー素子および出力端子部57と対称となる位置であって、それらパワー素子等と離間した位置に配置されている。よって、モータの径方向の外側から順に制御素子31、パワー素子、および他の素子(コンデンサ等)が配置され、制御素子31は、同一の回路基板上において、パワー素子等で発生した熱が伝わりにくい位置に配置されている。
さらに制御素子31は、図3に示すように、その角部を回路基板22の外縁側に位置させながら、パワー素子等の他の部品とは異なる角度で配置されている。
より具体的には、回路基板22を平面視したとき、パワー素子等は、その一方辺部と他方辺部それぞれがx方向とy方向に沿って配置されているのに対して、制御素子31は、回路基板22のうち曲率を有する縁部の近傍において、x方向(あるいはy方向)と所定角度θ(例えば45°)、回転して配置されている。
また、図4に示すように制御ユニット20の基板裏面25において、プリドライバ素子33も、制御素子31と同様にx方向(あるいはy方向)と所定角度θ(例えば45°)、回転して配置されている。
このように、回路基板22の曲率を有する部位において制御素子31とプリドライバ素子33を所定角度、回転して配置することで、例えば、図3において破線45で示すように無回転の状態(x方向とy方向に沿った状態)に比べて、制御素子31とプリドライバ素子33をより基板の端部に接近させて配置できる。また、素子周辺領域におけるデッドスペースを最小にして、基板上における実装面積を有効に活用できる。この場合、デッドスペースを最小にしたことで生じる基板表面の空き領域にプリドライバ素子33を実装してもよい。
制御ユニット20の回路基板22における放熱の観点から、例えば、特に発熱量の多いFETブリッジ回路、スイッチングFETの実装位置に合わせて、回路基板22を貫通する伝熱部材(熱伝導部材)であって、所定径のコイン形状を有する銅インレイが埋め込まれている。具体的には、図4に示すように、FET1〜FET11それぞれの直下に銅インレイIL1〜IL11を配置されている。これらの銅インレイを介して、FET1〜FET11で発生した熱を回路基板22の裏面25側へ放熱する。
上述した例では、回路基板22上において、モータ中心軸Pからモータの径方向に拡がる方向の最外部側に制御素子31を配置しているが、モータの中心軸方向における制御素子31の配置を規定してもよい。
図5は、電動モータ15の本体と、その電動モータ15の軸方向反出力側に載置された制御ユニット20とを、軸方向に垂直な方向から見た様子を模式的に示している。
ここでは、電動モータ15の重心をGとしたとき、重心Gから制御ユニット20上の点p1(制御素子31が配置された位置)までの距離L1と、重心Gから点p2(例えば、一点鎖線で示すモータ中心軸の近傍であって、パワー素子が配置された位置)までの距離L2とを対比すると、制御素子31がより基板の端部に接近させて配置されていることから、L1>L2の関係がある。
このように、電動モータ15の重心Gから最も離れた位置に制御素子31を配置する、すなわち、電動モータ15の中心軸方向において、電動モータ15の重心Gからの離間距離をパワー素子よりも長くなるように制御素子31を配置することで、制御素子31においてパワー素子からの発熱の影響を回避できる。このことは、図5では図示を省略した、基板裏面に配置したプリドライバ素子にもあてはまる。
本実施形態に係る電動パワーステアリング装置では、図4等に示すように、電動モータ15に供給されるU,V,Wの各相電流の出力端子部57を、パワー部25b側に配置している。こうすることで、3相インバータ回路等から電動モータ15までの配線距離を短くすることができ、電源経路のパターン長が短いことによる低抵抗値化にともなう電力損失の低減を図ることができる。
なお、図3、図4等に示す回路基板における発熱部品(FET等)、銅インレイ、電源パターン、およびグランド(GND)パターンの配置個数、配置位置、面積等は一例であり、電動パワーステアリング装置の仕様に応じて適宜、変更が可能である。
以上説明したように本実施の形態に係る電動パワーステアリング用の電子制御ユニットでは、基板領域を制御部領域とパワー部領域とに二分するとともに、制御素子をパワー素子等よりも、モータ中心軸からモータの径方向外側に配置している。
こうすることで、FET等のパワー素子(高発熱部品)と制御素子等の非発熱部品(低発熱部品)を基板上で分離でき、パワー素子等と制御素子とを回路基板の同一面に実装する際、各素子の電気的な特性に応じた実装面積を確保しつつ、生産上における部品の実装効率の向上を図ることができる。また、制御素子自身からの発熱を電動モータの軸方向上部に配置したヒートシンクに効率的に放熱できる。
さらに、回路基板の曲率を有する部位において制御素子とプリドライバ素子を所定角度、回転して配置することで、基板上に生じるデッドスペースを排除しながら制御素子そのものの実装面積を確保して、生産上の実装効率を向上できる。
また、同一の回路基板上で制御系に係る部品を基板の両面に実装できるので、サイズの小型化により領域の限られた回路基板において設計の自由度を向上できる。
さらには、モータの径方向におけるモータ中心軸からの離間距離、および軸方向におけるモータの重心からの離間距離を、パワー素子よりも長くなるように制御素子を配置することで、制御素子がパワー素子等からの発熱の影響を受けるのを回避できる。
また、金属製貫通部材としての銅インレイによって、回路基板の一方面側から他方面側への熱伝導経路を確保でき、効果的な伝熱、放熱が可能となる。加えて、電動モータの筐体を外部放熱体として使用することで、電動パワーステアリング用の電子制御ユニットの部品点数の削減が可能となる。
上記の構成により、電動モータと一体に形成した電動パワーステアリング用の電子制御ユニットにおいて効果的な放熱ができることから、電動モータを含めた熱容量設計が容易になる。また、車両の操舵時、特に走行時よりもパワーステアリングによるアシスト力が必要となるハンドルの据え切り時において、放熱を効果的に行えるので、電動パワーステアリング装置における過熱による電気モータの動作中止を回避して、必要なアシストを継続することができる。
1 ステアリングシステム
2 ステアリングハンドル
3 回転軸
4 減速ギア
6 ピニオンギア
7 ラック軸
10 電動パワーステアリング装置
12 ユニットカバー
13 ヒートシンク
14 モータカバー
15 電動モータ
16 外部コネクタ
20 電子制御ユニット
22 回路基板
23 基板表面
23a,25a 制御部領域
23b,25b パワー部領域
25 基板裏面
26 外部コネクタ端子
27 放熱エリア(放熱部)
29 受熱エリア(受熱部)
31 制御素子(マイクロプロセッサ)
33 プリドライバ素子
35 制御用電源素子(電源IC)
56 コイル
57 出力端子部
C1〜C3 電解コンデンサ
C11〜C13 制御電源用コンデンサ
H1〜H3 貫通孔
IL1〜IL11 銅インレイ

Claims (14)

  1. モータ駆動用の回路基板であって、
    該回路基板の一方面側をモータの軸方向の一方側に対向させて配置するとともに、該回路基板の他方面側にモータ駆動用のパワー素子および制御素子を実装し、かつ、所定方向において前記制御素子が前記パワー素子よりも外側に配置されており、
    前記パワー素子ごとに前記回路基板に設けた金属製貫通部材を介して該回路基板の一方面側から他方面側へ熱伝導し、該伝導された熱を外部放熱体へ放熱することを特徴とする回路基板。
  2. 前記回路基板上におけるモータの径方向を前記所定方向とし、前記制御素子が前記パワー素子よりも前記径方向において、前記回路基板とモータの中心軸との交点からの離間距離が長いことを特徴とする請求項1に記載の回路基板。
  3. モータの軸方向を前記所定方向とし、前記制御素子が前記パワー素子よりも前記軸方向において、モータの重心からの離間距離が長いことを特徴とする請求項1に記載の回路基板。
  4. モータの径方向の外側から順に前記制御素子、前記パワー素子、および他の素子を配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の回路基板。
  5. 前記回路基板は平面視曲率部分を持つ形状を有し、該曲率部分の近傍に配置した前記制御素子の実装方向が、前記パワー素子および前記他の素子の実装方向と異なることを特徴とする請求項4に記載の回路基板。
  6. 前記回路基板の他方面側を前記パワー素子の実装領域と前記制御素子の実装領域とに分けたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の回路基板。
  7. 前記回路基板の他方面側にマイクロプロセッサおよび電源回路を配置し、該回路基板の一方面側あるいは他方面側にプリドライバ回路を配置したことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の回路基板。
  8. 前記回路基板の一方面側における前記プリドライバ回路の配置位置に対応する該回路基板の他方面側に前記マイクロプロセッサが配置されていることを特徴とする請求項7に記載の回路基板。
  9. 前記回路基板の一方面側の外部接続用コネクタの近傍にトルクインターフェース回路およびCAN回路を配置し、該一方面側に前記プリドライバ回路を配置したことを特徴とする請求項7に記載の回路基板。
  10. 前記回路基板の板端を部分的に切り欠いて形成した貫通孔および該板端近傍を打ち抜いて形成した貫通孔を前記交点に対称に配置し、該貫通孔を前記回路基板のモータに対する位置決めとして使用することを特徴とする請求項2〜9のいずれか1項に記載の回路基板。
  11. 電動モータと一体に形成される電動パワーステアリング用の電子制御ユニットであって、
    請求項1〜10のいずれかに記載の回路基板を前記電子制御ユニットの回路基板としたことを特徴とする電動パワーステアリング用の電子制御ユニット。
  12. 前記電動モータの筐体を前記外部放熱体として使用し、該外部放熱体の一部に形成した受熱面に、前記パワー素子から発生した熱を伝導して放熱することを特徴とする請求項11に記載の電動パワーステアリング用の電子制御ユニット。
  13. 前記回路基板の板端と前記パワー素子間の領域内に、前記電動モータの駆動用交流電源を生成する三相ブリッジ回路の出力端子を配置したことを特徴とする請求項11に記載の電動パワーステアリング用の電子制御ユニット。
  14. 車両等の運転者のハンドル操作を補助する電動パワーステアリング装置であって、
    前記ハンドル操作によるトルクを検出するトルクセンサと、
    請求項11〜13のいずれか1項に記載の電動パワーステアリング用の電子制御ユニットと、
    前記トルクセンサで検出されたトルクをもとに前記電動パワーステアリング用の電子制御ユニットにより駆動される電動モータと、
    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。
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