JP4533404B2

JP4533404B2 - エンジン制御装置

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Publication number: JP4533404B2
Application number: JP2007137784A
Authority: JP
Inventors: 英人吉成; 裕二郎金子; 雅彦浅野; 円丈露野; 剛秀横塚
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2027-05-24
Also published as: US20080294324A1; EP1995439A2; US7899602B2; EP1995439B1; JP2008291730A; EP1995439A3

Description

本発明は、自動車用に用いられるエンジン制御装置に係り、特に、エンジン制御装置の放熱性を高めることにより装置の信頼性を向上させると共に装置の小型化を図ることができるエンジン制御装置に関する。

従来、ガソリンや軽油等を燃料とする自動車、オートバイ等のエンジン制御装置において、燃費や出力を向上させる目的のため、エンジンの気筒内に直接燃料を噴射するインジェクタを備えたものが用いられており、このようなインジェクタは、「気筒内直接噴射型インジェクタ」、又は、「直噴インジェクタ」、「ＤＩ（ダイレクト・インジェクション（Direct Injection））」と呼ばれている。現在、ガソリンエンジンで主流となっている空気と燃料の混合気をつくってからシリンダー内に噴射する方式と比較して、気筒内直接噴射型インジェクタを用いたエンジンでは、高圧に加圧された燃料を使用する必要があるので、インジェクタの駆動制御に高出力を必要とする。また、インジェクタの駆動制御を向上させてエンジンの高速回転に対応するためには、この高出力を短時間でインジェクタへ通電する必要がある。

このような高出力を要求されるエンジン制御装置では、インジェクタ駆動回路を構成する為に使用されるスイッチング素子（例えばMOSFET（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）やIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ））、整流素子（例えばDiode:ダイオード）や、昇圧回路を構成する昇圧コイル、蓄電用電解コンデンサが、インジェクタの駆動制御時に発熱する為、放熱性の向上を目的に前記電子部品が実装された制御基板から放熱部材を用いて筺体であるハウジングベースへ放熱する実装構造を採用している。

例えば、特許文献１には、エンジン制御装置における放熱シートを用いた実装構造が開示されている。

特開２００４−１１９５３３号公報

しかし、従来のエンジン制御装置の実装構造では、制御基板に搭載する電子部品の数が増加することによって、制御基板が大きくなり、エンジン制御装置のサイズ増大の要因となる。近年、車両サイズに対する居住スペース（車内空間）の割合は、快適さを求めるために増加する傾向にあり、エンジン制御装置の車載スペースは制限されており、エンジン制御装置の小型化は必須課題である。

また、前記のような高出力を要求されるエンジン制御装置においては、電子部品の発熱を制御基板を伝導させて基板裏面から放熱する実装構造では、樹脂基材である制御基板の熱伝導率が低いため、電子部品の発熱をハウジングへ伝えて放熱するには、放熱性能が不十分であり、加えて厳しい自動車環境において、信頼性を確保することが困難となる。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、エンジン制御装置の実装構造において、放熱性・信頼性を向上しつつ、小型化も可能なエンジン制御装置を提供することにある。

本発明のエンジン制御装置のうち代表的な一つは、自動車用エンジンを制御するために、バッテリ電源電圧を昇圧するための昇圧回路と、昇圧された高電圧を利用してインジェクタを駆動させるためのインジェクタ駆動回路と、エンジンを制御するためのマイクロコンピュータとを備えたエンジン制御装置において、昇圧回路を構成する昇圧用コイルと蓄電用電解コンデンサとが実装されたＬＣモジュールと、前記マイクロコンピュータと、エンジン制御装置外部とのインターフェースであるコネクタとが実装された制御基板とが、積層配置され、且つ、前記モジュールは、少なくとも２つ以上に分割され放熱部材を介してハウジングカバーへ接触する構造にて固定され、前記モジュールが配置されている前記ハウジングカバーの外面には放熱フィンが配置されている構造である。
本発明のエンジン制御装置のうち代表的な他の一つは、自動車用エンジンを制御するために、バッテリ電源電圧を昇圧するための昇圧回路と、昇圧された高電圧を利用してインジェクタを駆動させるためのインジェクタ駆動回路と、エンジンを制御するためのマイクロコンピュータとを備えたエンジン制御装置において、前記昇圧回路を構成する昇圧用コイルと蓄電用電解コンデンサとが実装されたＬＣモジュールと、前記昇圧回路及び前記インジェクタ駆動回路をそれぞれ構成する整流素子とスイッチング素子とが実装されたパワーモジュールと、前記マイクロコンピュータと、エンジン制御装置外部とのインターフェースであるコネクタとが実装された制御基板とが、積層配置されること、前記パワーモジュールは、少なくとも２つ以上に分割され放熱部材を介してハウジングカバーへ接触する構造にて固定され、前記パワーモジュールが配置されている前記ハウジングカバーの外面には放熱フィンが配置されていること、前記パワーモジュールは、第１主面及びその反対側の第２主面を有する放熱層と、前記放熱層の前記第１主面の上に配置された絶縁層と、前記絶縁層に設けられた電流回路配線部と、前記絶縁層の上に配置され前記電流回路配線部に電気的に接続された前記整流素子、スイッチング素子等の電子部品と、前記電流回路配線部に電気的に接続されると共に前記パワーモジュールの長手側一列に複数本配置された外部端子と、を備えること、及び前記外部端子は、前記制御基板を貫通する構造にて前記制御基板と電気的に接続する構造である。

本発明によれば、放熱性・信頼性を向上しつつ、小型化も可能なエンジン制御装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１〜図６は、本発明の一実施例として、エンジン制御装置の好適な構造を示すものである。図１は、本実施形態に係るエンジン制御装置１の全体斜視図、図２は、インジェクタを駆動制御するエンジン制御装置の回路図、図３は、図１に示すエンジン制御装置１の分解斜視図、図４は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図、図５は、図３の断面の要部拡大図、図６は、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図１〜６に示すように、本発明のエンジン制御装置１は、自動車用エンジンを制御するために、バッテリ電源１００の電圧を昇圧するための昇圧回路１０２と、昇圧された高電圧を利用してインジェクタ１０４を駆動させるためのインジェクタ駆動回路１０３と、エンジンを制御するためのマイクロコンピュータ１４とを備えており、昇圧回路１０２の一部を構成する昇圧用コイル１３と、蓄電用電解コンデンサ１２とが実装されたＬＣモジュール６と、昇圧回路１０２及びインジェクタ駆動回路１０３を構成する整流素子１１と、スイッチング素子１０と、が実装されたパワーモジュール５ａ（５ｂ）と、マイクロコンピュータ１４と、エンジン制御装置外部とのインターフェースであるコネクタ８とが実装された制御基板４とが、積層配置され、且つ、ハウジングカバー２の中央にＬＣモジュール６を、２つに分割したパワーモジュール５ａは、ＬＣモジュール６の一方の側面、パワーモジュール５ｂは、ＬＣモジュール６の他方の側面に配置して、さらに、パワーモジュール５ａ（５ｂ）は、熱伝導性が高いグリース２０を介してハウジングカバー２へ接触する構造にて固定され、また、パワーモジュール５ａ（５ｂ）が配置されているハウジングカバー２の外面には放熱フィン７が配置されている。そして、エンジン制御装置を閉塞するために、ハウジングベース３にてハウジングカバー２の開口を覆った構造となっている。

このようにＬＣモジュール６と、パワーモジュール５ａ（５ｂ）と、制御基板４と、をエンジン制御装置内部で積層した配置とすることで、従来、制御基板４上に実装していた電子部品をＬＣモジュールと、パワーモジュール５ａ（５ｂ）に分載して、制御基板４の面積を低減し、エンジン制御装置全体の横方向のサイズを小さくすることができ、さらに、ＬＣモジュール６及びパワーモジュール５ａ、パワーモジュール５ｂにモジュール化し、ＬＣモジュール６を中央に、パワーモジュール５aとパワーモジュール５ｂを距離を離してハウジングカバー２へ配置し固定することで、電子部品からの発熱をエンジン制御装置１内部で一様に分散することができ、かつ、発熱量の高い電子部品である整流素子１１とスイッチング素子１０とが実装されたパワーモジュール５ａ（５ｂ）の最短距離に放熱フィン７を配置することで、熱伝導性の高いグリース２０を介して非常に効率良くエンジン制御装置１外部へ放熱させることが可能となる。

図４及び図５に示すように、パワーモジュール５ａ（５ｂ）は、自動車用エンジンを制御する昇圧回路１０２及びインジェクタ駆動回路１０３を構成する複数の整流素子１１と、スイッチング素子１０が実装された電流回路配線部３２と、絶縁材料からなる絶縁層３３と、整流素子１１及びスイッチング素子１０の発熱を拡散して放熱する放熱層３０とが積層された構造をしている。

整流素子１１は、半導体ダイオード（Semiconductor-Diode）であり、スイッチング素子１０は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワー半導体素子である。

これら複数の整流素子１１及びスイッチング素子１０は、熱伝導率が高くて環境性に優れた鉛フリーはんだにより、電流回路配線部３２に実装されるため、整流素子１１及びスイッチング素子１０の発熱を効率良くパワーモジュール５ａ（５ｂ）の放熱層３０へ拡散して放熱させることが可能となる。

また、電流回路配線部３２は、銅合金等の熱伝導性が高くて電気抵抗の低い材料からなり、電流回路配線部３２の配線厚さは、１００μｍ以上、好ましくは１００μｍ〜１７５μｍとする。この理由は、本発明のエンジン制御装置のインジェクタを駆動するためには、数十アンペア以上の大電流が必要とされ、その経路の配線の抵抗を低くすることが必要とされるので、１００μｍ以上の厚銅配線を用いることが望ましいからであり、他方、一般的な金属基板において、安価に製造できる厚さの最大値が１７５μｍ程度であるからである。

このような構成とすることにより、整流素子１１及びスイッチング素子１０の発熱を効率よくパワーモジュール５ａ（５ｂ）の放熱層３０へ拡散して放熱させることが可能となる。また、大電流が通電させる際の電流回路配線部３２自体の発熱も抑制することが可能となる。

絶縁層３３としては、熱伝導性及び電気絶縁性の良い材料を用いる。例えば、熱伝導性の高い酸化アルミニウム紛を混入したエポキシ樹脂材、または、酸化アルミニウム材、窒化ケイ素材、窒化アルミニウム材等が用いられる。このように、熱伝導性及び電気絶縁性の良い材料を用いることにより、電流回路配線部３２と放熱層３０との電気絶縁性を確保しつつ、整流素子１１及びスイッチング素子１０の発熱を効率良くパワーモジュール５ａ（５ｂ）の放熱層３０へ拡散して放熱させることが可能となる。

放熱層３０としては、例えば、他の金属材料に比べ、熱伝導性が高く比重の小さいアルミニウム合金や、熱伝導性がアルミニウム合金よりも高い材料である銅合金を用いることが好ましい。他にも、極低熱膨張率である銅−モリブデン合金材料、銅−タングステン合金材料、または、アルミシリコンカーバイト材料を用いることもできる。このような熱伝導性の高い材料を採用することで、整流素子１１及びスイッチング素子１０の発熱をより効率良くパワーモジュール５ａ（５ｂ）の放熱層３０へ拡散して放熱することが可能となる。

パワーモジュール５ａ（５ｂ）の電流回路配線部３２の上には、複数の整流素子１１及びスイッチング素子１０の他に、パワーモジュール５ａ（５ｂ）の長手側一列に配置し接続された複数本の外部端子３１を備えており、パワーモジュール５ａ（５ｂ）は、これら外部端子３１を用いて、制御基板４を貫通する構造にて制御基板４と電気的に接続している。このような外部端子３１の配置とすることで、パワーモジュール５ａ（５ｂ）の電流回路配線部３２に外部端子３１を接続する際に一方向側から端子接続することが可能となり、端子接続の作業性が向上し、さらに、パワーモジュール５ａ（５ｂ）と、制御基板４とを最短距離で接続させ、配線抵抗の低減が可能な構造とすることができる。

また、これらの外部端子３１として、インジェクタを駆動するための大電流通電用の第１端子３１ａと、制御信号を伝達するための第２端子３１ｂが設けられている。すなわち、大電流通電用の第１端子３１ａには、インジェクタを駆動するための大電流が通電されるため、その端子幅が、信号通電用の第２端子３１ｂの幅よりも大きいものが用いられる。ただし、通電する電流の大きさを考慮して、第１端子３１ａ及び第２端子３１ｂを同じ大きさ形状を有する物を用いることも可能である。

また、これらの外部端子３１は、銅合金等の電気抵抗の低い材料が好ましい。さらに、これら外部端子３１の断面形状は、電流回路配線部３２との接続部付近に段差部３４が設けられており、エンジン制御装置１が、環境温度に応じて膨張収縮し、制御基板４とパワーモジュール５ａ（５ｂ）間の距離が増減しても、この段差部３４により柔軟に追従し、制御基板４との接続部３５及び電流回路配線部３２との接続部３６に発生する応力を緩和する構造を有している。段差部３４は、上記のように、バネのように機能して、電流回路配線部と外部端子との接続部に過大な応力が発生しないような応力緩和構造を提供している。

また、外部端子３１と制御基板４との接続部３５は、鉛フリーはんだを用いて接続されている。鉛フリーはんだとしては、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉはんだ等が用いられるが、特にこれらに限らず、プレスフィット接続等のはんだを用いず、接触のみで電気的に接続させる無はんだ接続でもよい。

さらに、外部端子３１と電流回路配線部３２との接続部３６は、超音波を用いた接合手段にて電気的に接続されている。超音波を用いた接合により、通常のはんだを用いた接続と比較して、接合強度が高く、耐久性に優れた接続を実現させている。

図４及び図６に示すように、ＬＣモジュール６は、厚銅板を原材料としてプレス加工により製作したバスバー配線４０を耐熱性樹脂にてインサート成形した樹脂ケース４２を備えており、自動車用エンジンを制御する昇圧回路１０２の一部を構成する昇圧コイル１３と、電解コンデンサ１２とがバスバー配線４０の上に実装された構造を有している。さらに、バスバー配線４０はバスバー外部端子４４を備えており、ＬＣモジュール６は、バスバー外部端子４４を用いて、制御基板４を貫通する構造にて制御基板４と電気的に接続している。このように、バスバー配線４０を用いることで、制御基板４の回路配線に比べて非常に低配線抵抗で昇圧回路１０２を構成することが可能となり、また、モジュール化することでエンジン制御装置への組付け性を向上させることが可能となる。さらに、バスバー配線４０と、制御基板４とをバスバー外部端子４４にて最短距離で接続させることで、より電気抵抗の低減が可能な構造とすることが可能となる。

さらに、ＬＣモジュール６は、ハウジングカバー２に熱伝導性の良い放熱シート２１を介して固定されており、昇圧コイル１３及び電解コンデンサ１２の発熱を効率良くエンジン制御装置１外部へ放熱することが可能となる。放熱シート２１は、高い熱伝導性を有した柔軟な材料であることが好ましく、昇圧コイル１３及び電解コンデンサ１２の表面の凹凸に対しても柔軟に対応が可能となる。また、他に、高い熱伝導性材料の粉末を混合した接着剤等であってもよい。

また、バスバー配線４０の上に実装される昇圧コイル１３及び電解コンデンサ１２のリード４３と、バスバー配線４０とは、接続部４１において、鉛フリーはんだを用いて接続されている。さらに、昇圧コイル１３及び電解コンデンサ１２は、樹脂ケース４２に接着剤にて固着されており、耐振動性を向上させることが可能となる。

尚、ハウジングカバー２は、他の金属材料に比べ高い熱伝導性を有した金属材料であることが好ましく、さらに好ましい金属材料は、量産性、軽量化、放熱性の向上の点から、アルミニウム合金材料であり、例えば、アルミニウムダイカストにより、製造された鋳造品である。また、他に、切削加工によるハウジングカバー２であってもよい。

また、ハウジングベース３は、例えば、量産性、軽量化の向上の点から、プレス加工によるめっき鋼板製ハウジングベースや、アルミ合金製ハウジングベース等の金属材料を用いているが、他に軽量で耐熱性に優れた点から、耐熱性樹脂でＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）樹脂、ＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）樹脂、ＰＢＴ（Polybutylene Terephthalate）樹脂製ハウジングベースであってもよい。

以上、本発明に係るエンジン制御装置の一実施形態について詳述したが、本発明は、前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。

本発明の実施例に係るエンジン制御装置の全体斜視図。本発明の実施例に係るエンジン制御装置の回路図。図１に示すエンジン制御装置の分解斜視図。図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。図４のパワーモジュールの断面の要部拡大図。図１のＢ−Ｂ線に沿ったＬＣモジュールの断面図。

符号の説明

１・・・エンジン制御装置、２・・・ハウジングカバー、３・・・ハウジングベース、
４・・・制御基板、５ａ、５ｂ・・・パワーモジュール、６・・・ＬＣモジュール、
７・・・放熱フィン、８・・・コネクタ、１０・・・スイッチング素子、
１１・・・整流素子、１２・・・電解コンデンサ、１３・・・昇圧用コイル、
１４・・・マイクロコンピュータ、２０・・・グリース、２１・・・放熱シート、
３０・・・放熱層、３１・・・外部端子、３１ａ・・・第１端子、３１ｂ・・・第２端子、
３２・・・電流回路配線部、３３・・・絶縁層、３４・・・段差部（外部端子）、
３５、３６・・・接続部（外部端子）、４０・・・バスバー配線、
４１・・・接続部（バスバー配線）、４２・・・樹脂ケース、４３・・・リード、
４４・・・バスバー外部端子、１００・・・バッテリ電源、１０１・・・昇圧制御回路、
１０２・・・昇圧回路、１０３・・・インジェクタ駆動回路、
１０４・・・インジェクタ、１０５・・・電源グランド

Claims

自動車用エンジンを制御するために、バッテリ電源電圧を昇圧するための昇圧回路と、昇圧された高電圧を利用してインジェクタを駆動させるためのインジェクタ駆動回路と、エンジンを制御するためのマイクロコンピュータとを備えたエンジン制御装置において、
前記昇圧回路を構成する昇圧用コイルと蓄電用電解コンデンサとが実装されたＬＣモジュールと、前記マイクロコンピュータと、エンジン制御装置外部とのインターフェースであるコネクタとが実装された制御基板とが、積層配置され、前記ＬＣモジュールは、放熱部材を介してハウジングカバーへ接触する構造にて固定されていることを特徴とするエンジン制御装置。
自動車用エンジンを制御するために、バッテリ電源電圧を昇圧するための昇圧回路と、昇圧された高電圧を利用してインジェクタを駆動させるためのインジェクタ駆動回路と、エンジンを制御するためのマイクロコンピュータとを備えたエンジン制御装置において、
前記昇圧回路を構成する昇圧用コイルと蓄電用電解コンデンサとが実装されたＬＣモジュールと、前記昇圧回路及び前記インジェクタ駆動回路をそれぞれ構成する整流素子とスイッチング素子とが実装されたパワーモジュールと、前記マイクロコンピュータと、エンジン制御装置外部とのインターフェースであるコネクタとが実装された制御基板とが、積層配置されること、
前記パワーモジュールは、少なくとも２つ以上に分割され放熱部材を介してハウジングカバーへ接触する構造にて固定され、前記パワーモジュールが配置されている前記ハウジングカバーの外面には放熱フィンが配置されていること、
前記パワーモジュールは、第１主面及びその反対側の第２主面を有する放熱層と、前記放熱層の前記第１主面の上に配置された絶縁層と、前記絶縁層に設けられた電流回路配線部と、前記絶縁層の上に配置され前記電流回路配線部に電気的に接続された前記整流素子、スイッチング素子等の電子部品と、前記電流回路配線部に電気的に接続されると共に前記パワーモジュールの長手側一列に複数本配置された外部端子と、を備えること、及び
前記外部端子は、前記制御基板を貫通する構造にて前記制御基板と電気的に接続することを特徴とするエンジン制御装置。
請求項１に記載されたエンジン制御装置において、
前記ＬＣモジュールはバスバー配線が内蔵された樹脂ケースを備え、該樹脂ケースは、前記バスバー配線に電気的に接続する構造にて前記昇圧用コイル及び前記電解コンデンサを実装し、前記バスバー配線と一体化されたバスバー外部端子は前記制御基板を貫通する構造にて前記制御基板に電気的に接続すると共に、前記昇圧用コイルと前記電解コンデンサの各表面は放熱部材を介してハウジングカバーへ接触する構造にて固定されていることを特徴とするエンジン制御装置。
請求項２に記載されたエンジン制御装置において、
前記ハウジングカバーの中央に前記ＬＣモジュールが配置されると共に、前記ＬＣモジュールの一方の側面と他方の側面にそれぞれ少なくとも１つの前記パワーモジュールが配置されていることを特徴とするエンジン制御装置。
請求項２に記載されたエンジン制御装置において、
前記放熱層は、高熱伝導性の金属材料又はアルミ合金もしくは銅合金材料からなることを特徴とするエンジン制御装置。
請求項２に記載されたエンジン制御装置において、
前記絶縁層は、高熱伝導性の絶縁樹脂材料からなることを特徴とするエンジン制御装置。
請求項２に記載されたエンジン制御装置において、前記電流回路配線部は、銅合金材料からなる配線厚さ１００μｍ以上の厚さを有する配線であることを特徴とするエンジン制御装置。
請求項２に記載されたエンジン制御装置において、前記外部端子は、前記電流回路配線部との接続部において、段差部を有することを特徴とするエンジン制御装置。
請求項２に記載されたエンジン制御装置において、前記外部端子は、インジェクタを駆動するための電流が流れる第１端子と、制御信号を伝達するための第２端子とを含み、前記第１端子の幅は、前記第２端子の幅より大きいことを特徴とするエンジン制御装置。