JP6354641B2

JP6354641B2 - 電子装置

Info

Publication number: JP6354641B2
Application number: JP2015077791A
Authority: JP
Inventors: 敏久山本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-04-06
Filing date: 2015-04-06
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2035-04-06
Also published as: DE102016205202A1; US9918387B2; JP2016197078A; US20160295681A1; DE102016205202B4; CN106061195A; CN106061195B

Description

本発明は、電子装置に関する。

従来、通電により発熱する発熱部品、温度を検出する温度センサ、及び、マイコンなど、種々の電子部品が基板に実装された電子装置が知られている。マイコンは、温度センサが検出した温度と、発熱部品に通電する電流の積分値とに基づき、発熱部品の温度が許容温度の範囲内となるように通電を制御する。
特許文献１に記載の電子装置は、基板に実装された温度センサの周囲の基板に切欠溝を設けることで、発熱部品から発せられた熱が温度センサに伝わることを抑制している。

特開２００７−２６３６３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電子装置の基板は、温度センサに接続する配線が基板に設けられた箇所を残した状態で切欠溝が設けられている。そのため、仮に、温度センサに接続する配線が、発熱部品が実装される領域に連続して延びている場合、発熱部品から発せられた熱が、その配線を通じて温度センサに直接伝わるおそれがある。

また、特許文献１に記載の電子装置は、温度センサの周囲に設けた切欠溝により、基板が大型化する。そのため、この電子装置を小型化した場合、基板に切欠溝を設けることが困難になることが懸念される。
さらに、特許文献１に記載の電子装置は、温度センサの周囲に設けた切欠溝により、基板の剛性が低下する。そのため、この電子装置を振動などが伝わる環境などで使用した場合、切欠溝を起点として基板に亀裂が生じるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、安定した温度検出を可能とする電子装置を提供することを目的とする。

本発明の電子装置は、ヒートシンク、基板、発熱部品、温度センサ、第１配線および第２配線を備える。基板は、ヒートシンクの支柱に固定される。通電により発熱する発熱部品は基板の高温領域に設けられ、温度を検出する温度センサは基板の検出領域に実装される。第１配線は、基板の高温領域に設けられ、ヒートシンクの支柱に接続する。第２配線は、第１配線から離れて基板の検出領域に設けられ、ヒートシンクの支柱及び温度センサに接続する。
これにより、第１配線の熱はヒートシンクに吸収され、第１配線から第２配線に直接伝熱する熱量が少なくなる。また、ヒートシンクに接続する第２配線は、ヒートシンクと同様に温度が安定する。したがって、電子装置は、第２配線に接続する温度センサにより、安定した温度検出をすることができる。

本発明の第１実施形態による電子装置が用いられる電動パワーステアリング装置の駆動装置の断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。図２のＩＩＩ部分の表層配線の模式図である。図２のＩＩＩ部分の内層配線の模式図である。図３及び図４のＶ−Ｖ線の断面図である。比較例の電子装置の表層配線の模式図である。図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線の断面図である。（Ａ）は第１実施形態の温度センサの検出温度を示すグラフであり、（Ｂ）は比較例の温度センサの検出温度を示すグラフである。本発明の第２実施形態による電子装置が備える基板の表層配線の模式図である。

以下、本発明の複数の実施形態による電子装置を図面に基づいて説明する。なお、１枚の図面に実質的に同一の構成が複数箇所に記載されている場合、その一部のみに符号を付すものとする。また、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１から図５に示す。本実施形態による電子装置１は、車両の電動パワーステアリング装置の操舵アシストトルクを発生する駆動装置２に用いられるものである。
図１に示すように、駆動装置２は、モータ部３、及び、そのモータ部３の駆動を制御する電子装置１を備える。
以下、モータ部３の構成、電子装置１の構成、電子装置１の特徴的構成の順に説明する。

（モータ部の構成）
モータ部３は、ステータ４及びロータ５を備えている。ステータ４は、円筒状に形成され、軸方向の一端がフレームエンド６に固定され、他端がヒートシンク２０に固定されている。ステータ４のスロットにはコイル７が巻かれている。
ロータ５は、ステータ４の径方向内側に円筒状に形成され、ステータ４に対し相対回転可能に設けられている。ロータ５の中心に固定されたシャフト８は、出力端９側がフレームエンド６に設けられた軸受１０に回転可能に支持され、他端がヒートシンク２０に設けられた軸受１１に回転可能に支持されている。
モータ部３は、電子装置１からコイル７に通電されると、ステータ４が回転磁界を発生し、ロータ５とシャフト８が軸周りに回転する。

（電子装置１の構成）
図１及び図２に示すように、電子装置１は、ヒートシンク２０、基板３０、及びその基板３０に実装された電子部品等を備えている。基板３０と電子部品は、カバー５０によって覆われている。
ヒートシンク２０は、ヒートシンク本体２１、及びヒートシンク本体２１から基板３０側へ延びる複数の支柱２２を一体に有する。ヒートシンク２０は、例えばアルミニウム等から鋳造又は切削等により形成され、電子部品が通電時に発生する熱を吸収するものである。また、ヒートシンク２０は、図示していない車両のバッテリの負極に電気的に接続されている。

基板３０は、多層基板であり、ヒートシンク２０の複数の支柱２２に形成されたねじ穴２３にそれぞれ螺合する複数のねじ２４により、ヒートシンク２０に固定されている（図５参照）。
基板３０のヒートシンク２０側には、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子３１、シャント抵抗３２、位置センサ３３、温度センサ３４及びマイコン３５等の電子部品が実装されている。また、基板３０には、モータ部３のコイル７から延びるモータ線７１が接続されている。
本実施形態のスイッチング素子３１およびシャント抵抗３２など、通電により熱を発生する電子部品はいずれも、特許請求の範囲に記載の「発熱部品」の一例に相当するものである。
なお、図２に示すように、本実施形態では、基板３０の所定の箇所に、複数個のスイッチング素子３１などが纏めて配置される高温領域Ｈが形成されている。

基板３０に実装された複数個のスイッチング素子３１は、モータ部３に電力を供給するための三相インバータ回路を構成するものと、コネクタ３６からその三相インバータ回路に供給される電力を遮断可能なスイッチとして機能するものとが実装されている。シャント抵抗３２は、三相インバータ回路を構成するスイッチング素子３１に流れる電流の計測に用いられる。
位置センサ３３は、モータ部３のシャフト８の端部に設けられた磁石１２の磁界を検出することで、ロータ５の位置を検出する。マイコン３５は、位置センサ３３により検出されたロータ５の位置、及び、操舵アシストトルクに必要な電流量に応じてスイッチング素子３１をオン、オフし、インバータ回路からコイル７への通電を制御する。
温度センサ３４は、基板３０の温度を検出し、その信号をマイコン３５へ伝送する。マイコン３５は、温度センサ３４により検出された温度と、スイッチング素子３１等の電子部品に通電する電流の積分値とに基づき、それらの電子部品の温度が許容温度の範囲内となるように通電量を制御する。

（電子装置１の特徴的構成）
続いて、本実施形態の電子装置１の特徴的構成を図３から図５を参照して説明する。
図３は、図２のＩＩＩ部分の基板３０の外層を模式的に示したものであり、図４は、図２のＩＩＩ部分の基板３０の内層の一つを模式的に示したものである。図５は、図３及び図４のＶ−Ｖ線の断面を模式的に示したものである。なお、図３及び図４では、ヒートシンク２０の支柱２２の位置を破線で示している。

上述したように、基板３０には、スイッチング素子３１などが纏めて実装された高温領域Ｈが形成されている。本実施形態では、この高温領域Ｈに設けられた複数の配線を総称して第１配線４１と称する。第１配線４１は、多層基板３０の外層及び内層に設けられ、スルーホール４１１等を通じて電気的に接続している。基板３０のヒートシンク２０側の外層に設けられた第１配線４１は、ヒートシンク２０の複数の支柱２２、及びねじ２４の頭部に当接している。そのため、基板３０の外層及び内層に設けられた第１配線４１は、ヒートシンク２０に電気的に接続している。
また、スイッチング素子３１などが発する熱は、第１配線４１からヒートシンク２０の複数の支柱２２を経由し、ヒートシンク本体２１へ吸熱される。この場合でも、ヒートシンク２０は、十分な熱容量を有しているので、温度の変化が小さく、温度が安定している。

また、基板３０に温度センサ３４が実装される検出領域Ｓには第２配線４２が設けられている。温度センサ３４の一方の端子３４１は第２配線４２に電気的に接続し、他方の端子３４２はマイコン３５へ延びる配線３５１に電気的に接続している。
第２配線４２も、多層基板３０の外層及び内層に設けられ、スルーホール４３１等を通じて電気的に接続している。基板３０のヒートシンク２０側の外層に設けられた第２配線４２は、ヒートシンク２０の所定の支柱２２、及びねじ２４の頭部に当接している。そのため、基板３０の外層及び内層に設けられた第２配線４２は、ヒートシンク２０に電気的に接続している。

基板３０の全ての層において、第１配線４１と第２配線４２とはいずれも離れて設けられている。即ち、基板３０の全ての層において、第１配線４１と第２配線４２との間には、基板３０を形成する樹脂が介在するスリット４０が形成されている。このスリット４０により、第１配線４１と第２配線４２との間の熱抵抗が大きくなり、高温領域Ｈに設けられる第１配線４１から第２配線４２へ熱が伝わり難いものとなる。
また、第２配線４２は、ヒートシンク２０の所定の支柱２２に当接しているので、ヒートシンク２０と同様に、温度の変化が小さく、温度が安定したものとなっている。
なお、第１配線４１と第２配線４２とはいずれも、ヒートシンク２０の所定の支柱２２に接続している。即ち、第１配線４１と第２配線４２とは、基板３０においてスリット４０を挟んで離れて設けられ、ヒートシンク２０を介して接続している。

図４及び図５に示すように、基板３０の所定の内層には、第３配線４３が設けられている。第３配線４３は、一端がスルーホール４３１を通じて温度センサ３４の端子３４１に接続され、他端が第１配線４１に接続している。第３配線４３は、基板３０の内層を蛇行して設けられている。これにより、仮に、基板３０とヒートシンク２０とを固定するねじ２４に緩みが生じ、第２配線４２とヒートシンク２０の支柱２２とが電気的に接続されなくなった場合でも、第３配線４３により温度センサ３４の通電が維持される。また、第３配線４３は基板３０の内層を蛇行しているので、第１配線４１から第３配線４３を伝わる熱は、基板３０を形成する樹脂に放熱される。そのため、第１配線４１から温度センサ３４へ伝わる熱量は小さいものとなる。

続いて、高温領域Ｈに実装されたスイッチング素子３１などが発する熱の伝わる経路について、図５を参照して説明する。
上述した第１配線４１と第２配線４２との間に介在するスリット４０の熱抵抗をＲ１、支柱２２およびねじ２４と第１配線４１との間の接触による熱抵抗をＲ２とすると、Ｒ１＞Ｒ２である。したがって、図５の矢印Ａに示すように、高温領域Ｈの熱は、第１配線４１からヒートシンク２０の支柱２２およびねじ２４を経由し、ヒートシンク本体２１へ吸熱される。また、図５の矢印Ｂに示すように、ヒートシンク２０の温度変化は第２配線４２を通じて温度センサ３４に伝わる。一方、第１配線４１からスリット４０を介して第２配線４２へ伝熱する熱量は小さいものとなる。
ここで、ヒートシンク２０は、十分な熱容量を有しているので、温度の変化が小さい。したがって、温度センサ３４の検出する温度は、変化が小さく、安定したものとなる。

ここで、比較例の電子装置１００について説明する。
図６及び図７に示すように、比較例では、高温領域Ｈに設けられた配線４００と、温度センサ３４が実装される検出領域Ｓに設けられた配線４００とが一体に形成されている。なお、多層基板３０の全ての層において、高温領域Ｈの配線４００と検出領域Ｓの配線４００とは連続したものとなっている。

この比較例の電子装置１００において、高温領域Ｈに実装されたスイッチング素子３１などが発する熱の伝わる経路について、図７を参照して説明する。
上述した配線４００の熱抵抗をＲ３とし、支柱２２およびねじ２４と第１配線４１との間の接触による熱抵抗をＲ２とする。このとき、上述した配線４００は連続したものであるので接触による熱抵抗は無い。これに対し、第１配線４１と支柱２２およびねじ２４との間には接触による熱抵抗が存在する。そのため、Ｒ３＜Ｒ２である。したがって、図７の矢印Ｃに示すように、高温領域Ｈの熱は、配線４００を通じて温度センサ３４が実装される検出領域Ｓに直接伝わる。温度センサ３４は、その検出領域Ｓの配線の温度を検出する。

なお、図７の矢印Ｄに示すように、配線を伝わる熱の一部は、ヒートシンク２０の複数の支柱２２およびねじ２４を経由し、ヒートシンク本体２１へ吸熱される。しかし、配線とヒートシンク２０の支柱２２との接触面の熱抵抗Ｒ２は、配線４００の熱抵抗Ｒ３より大きいので、比較例では、高温領域Ｈから配線４００を通じて温度センサ３４に直接伝わる熱量が大きいものとなる。したがって、温度センサ３４の検出する温度は、変化が大きいものとなる。

次に、本実施形態の温度センサ３４と比較例の温度センサ３４の検出温度について説明する。
図８（Ａ）は、本実施形態の電子装置１が備えるスイッチング素子３１の通電のＯＮ，ＯＦＦと温度センサ３４が検出する温度との関係を示したものである。一方、図８（Ｂ）は、比較例の電子装置１が備えるスイッチング素子３１の通電のＯＮ，ＯＦＦと温度センサ３４が検出する温度との関係を示したものである。
図８（Ａ）に示すように、本実施形態の電子装置１において、スイッチング素子３１への通電を、時刻ｔ１からｔ２の間にＯＮし、時刻ｔ２からｔ３の間にＯＦＦし、時刻ｔ３からｔ４の間にＯＮし、時刻ｔ４以降にＯＦＦした。このとき、温度センサ３４の検出温度は、時刻ｔ１からｔ２の間に緩やかに上昇し、時刻ｔ２からｔ３の間に緩やかに下降し、時刻ｔ３からｔ４の間に緩やかに上昇し、時刻ｔ４以降緩やかに下降した。ここで、本実施形態の温度センサ３４が検出した温度の高低差をαとする。

一方、図８（Ｂ）に示すように、比較例の電子装置１００において、スイッチング素子３１への通電を、時刻ｔ１１からｔ１２の間にＯＮし、時刻ｔ１２からｔ１３の間にＯＦＦし、時刻ｔ１３からｔ１４の間にＯＮし、時刻ｔ１４以降にＯＦＦした。このとき、温度センサ３４の検出温度は、時刻ｔ１１からｔ１２の間に急激に上昇し、時刻ｔ１２からｔ１３の間に急激に下降し、時刻ｔ１３からｔ１４の間に急激に上昇し、時刻ｔ４以降急激に下降した。ここで、比較例の温度センサ３４が検出した温度の高低差をβとする。
図８の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本実施形態の温度センサ３４が検出した温度の高低差αは、比較例の温度センサ３４が検出した温度の高低差βよりも小さいものである。したがって、本実施形態の温度センサ３４は、比較例の温度センサ３４に比べ、高温領域Ｈの温度変化による影響が小さく、安定した温度検出をすることが可能である。

本実施形態の電子装置１は、次の作用効果を奏する。
（１）本実施形態では、基板３０の高温領域Ｈに設けられる第１配線４１は、ヒートシンク２０の支柱２２に接続する。また、基板３０の検出領域Ｓに設けられる第２配線４２は、第１配線４１から離れて設けられ、ヒートシンク２０の支柱２２及び温度センサ３４に接続する。
これにより、通電により発熱したスイッチング素子３１等の熱は、第１配線４１を経由してヒートシンク２０に放熱され、第１配線４１から第２配線４２に直接伝熱する熱量が少なくなる。ヒートシンク２０は、十分な熱容量を有するので、温度変化が小さい。そのため、そのヒートシンク２０に接続される第２配線４２は、ヒートシンク２０と同様に温度変化が小さく、温度が安定する。したがって、電子装置１は、温度センサ３４により安定した温度を検出することが可能である。その結果、電子装置１のマイコン３５は、基板３０に実装された電子部品の温度が許容温度の範囲内となるように、通電を制御することができる。

また、本実施形態の電子装置１は、先行技術文献として示した特許文献１に記載の電子装置のように温度センサの周囲に切欠溝を設けていない。そのため、本実施形態の電子装置１は、特許文献１に記載の電子装置のように基板の剛性が低下することなく、また、基板が大型化することもない。したがって、本実施形態の電子装置１は、基板３０の剛性を維持しつつ、基板３０を小型化することが可能である。

（２）本実施形態では、基板３０の高温領域Ｈに設けられる第１配線４１と、基板３０の検出領域Ｓに設けられる第２配線４２とは、基板３０の表層および内層において離れている。
これにより、第１配線４１から第２配線４２へ直接伝わる熱量を少なくすることが可能である。

（３）本実施形態では、第１配線４１と第２配線４２とは、ヒートシンク２０の支柱２２を経由して電気的に接続している。
これにより、スイッチング素子３１等の電子部品とヒートシンク２０との導通、及び、温度センサ３４とヒートシンク２０との導通を維持することが可能である。

（４）本実施形態では、第１配線４１と第２配線４２との間に形成されるスリット４０は、ヒートシンク２０の支柱２２に対応する位置に設けられる。
これにより、第１配線４１とヒートシンク２０との導通、及び、第１配線４２とヒートシンク２０との導通を維持することが可能である。

（５）本実施形態では、ヒートシンク２０の支柱２２と第１配線４１とが接続し、且つ、ヒートシンク２０の支柱２２と第２配線４２とが接続する箇所で、ヒートシンク２０の支柱２２と基板３０とを固定するねじ２４を備える。
これにより、第１配線４１とヒートシンク２０と第２配線４２とを、電気的及び機械的に接続することが可能である。

（６）本実施形態では、第３配線４３は、基板３０の内層を蛇行して設けられ、温度センサ３４の端子３４１と第１配線４１とを電気的に接続する。
これにより、温度センサ３４の端子３４１は、第３配線４３から第１配線４１を経由して、スリット４０が位置する支柱２２とは別の場所のヒートシンク２０の支柱２２に電気的に接続する。そのため、仮に、基板３０とヒートシンク２０とを固定するねじ２４に緩みが生じ、第２配線４２とヒートシンク２０とが電気的に接続されなくなった場合でも、ヒートシンク２０と温度センサ３４との導通を維持し、温度センサ３４による温度検出を行うことが可能である。
また、第３配線４３は、基板３０の内層を蛇行して設けられているので、第３配線４３を伝わる熱は、基板３０を形成する樹脂に放熱される。そのため、第１配線４１から温度センサ３４へ伝わる熱量を少なくすることが可能である。

（７）本実施形態では、第１配線４１は、第２配線４２が接続するヒートシンク２０の支柱２２と同じ支柱２２に接続すると共に、その支柱２２とは異なる場所の支柱２２にも接続している。
これにより、仮に、基板３０とヒートシンク２０の支柱２２とを固定するねじ２４に緩みが生じ、第２配線４２とヒートシンク２０とが電気的に接続されなくなった場合でも、第２配線４２は、第３配線４３と第１配線４１を経由し、別の場所の支柱２２からヒートシンク２０と電気的に接続を維持することが可能である。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図９に示す。第２実施形態では、基板３０の表層に第３配線４３が設けられている。第３配線４３は、一端が第２配線４２に接続され、他端が第１配線４１に接続している。第３配線４３は、基板３０の表層を蛇行して設けられている。
基板３０の表層に第３配線を設ける場合、第３配線４３は、基板３０の表層にヒートシンク２０の支柱２２が当接する領域から離して配置することが好ましい。また、第３配線４３は、基板３０の表層にねじ２４の頭部が当接する領域から離して配置することが好ましい。これにより、ねじ２４の軸力によって第３配線４３が切れることを防ぐことができる。

第２実施形態においても、仮に、基板３０とヒートシンク２０とを固定するねじ２４に緩みが生じ、第２配線４２とヒートシンク２０の支柱２２とが電気的に接続されなくなった場合でも、第３配線４３により温度センサ３４の通電が維持される。また、第３配線４３は基板３０の表層を蛇行しているので、第１配線４１から第３配線４３を伝わる熱は、基板３０を形成する樹脂に放熱される。そのため、第１配線４１から温度センサ３４へ伝わる熱量を少なくすることが可能である。

（他の実施形態）
上述した実施形態では、電動パワーステアリング装置の駆動装置２に用いられる電子装置１について説明した。これに対し、他の実施形態では、電子装置１は、電動パワーステアリング装置の駆動装置２に限らず、種々の装置の制御に用いることが可能である。

上述した実施形態では、モータ部３と一体に構成される電子装置１について説明した。これに対し、他の実施形態では、電子部品は、モータ部３とは別部材として構成されるものでもよく、又は、モータ以外の種々の装置を制御するものであってもよい。

上述した実施形態では、通電により熱を発生する発熱部品として、スイッチング素子３１およびシャント抵抗３２などを例にして説明した。これに対し、他の実施形態では、発熱部品は、チョークコイル、コンデンサ、リレー等、通電により熱を放出する種々の電子部品が相当する。

上述した実施形態では、４層の多層基板３０を例にして説明した。これに対し、他の実施形態では、基板は単層基板でもよく、又は、４層以外の多層基板であってもよい。
このように、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、上述した複数の実施形態を組み合わせることに加え、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１・・・電子装置
２０・・・ヒートシンク
２２・・・支柱
３０・・・基板
３１・・・スイッチング素子（発熱部品）
３２・・・シャント抵抗（発熱部品）
３４・・・温度センサ
４１・・・第１配線
４２・・・第２配線
Ｈ・・・高温領域
Ｓ・・・検出領域

Claims

ヒートシンク（２０）と、
前記ヒートシンクが有する支柱（２２）に固定される基板（３０）と、
前記基板に実装され、通電により発熱する発熱部品（３１，３２）と、
前記基板に実装され、温度を検出する温度センサ（３４）と、
前記基板に前記発熱部品が実装される高温領域（Ｈ）に設けられ、前記ヒートシンクの前記支柱に接続する第１配線（４１）と、
前記基板に前記温度センサが実装される検出領域（Ｓ）に前記第１配線から離れて設けられ、前記ヒートシンクの前記支柱および前記温度センサに接続する第２配線（４２）と、を備えることを特徴とする電子装置。
前記第１配線と前記第２配線との間には、前記基板を形成する樹脂が介在するスリット（４０）が形成され、
前記スリットは、前記ヒートシンクの前記支柱に対応する位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
前記基板は、多層基板であり、
前記第１配線と前記第２配線とは、前記基板の表層および内層において離れていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子装置。
前記第１配線は前記発熱部品に電気的に接続し、
前記第２配線は前記温度センサに電気的に接続し、
前記第１配線と前記第２配線とは、前記ヒートシンクの前記支柱を経由して電気的に接続していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電子装置。
前記ヒートシンクの前記支柱と前記基板とを固定するねじ（２４）を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電子装置。
前記基板の表層または内層を蛇行して設けられ、前記温度センサの端子（３４１）と前記第１配線とを電気的に接続する第３配線（４３）を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電子装置。
前記第１配線は、前記第２配線が接続する前記ヒートシンクの前記支柱と同じ前記支柱に接続すると共に、その支柱とは異なる場所の支柱にも接続していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電子装置。