JP6520325B2 - 電子制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンク及びハウジングを備える電子制御装置に関する。

従来、埃や水等から基板を保護するために、ヒートシンク及びハウジングが基板を両側から挟むように配置された電子制御装置が知られている。例えば、特許文献１に開示された電子制御装置では、樹脂性のハウジングがヒートシンクにスナップフィット方式によって取り付けられている。

特開２０１０−２３８６９０号公報

通電に伴い発熱する発熱素子が基板に任意に実装されている電子制御装置では、装置の小型化に伴い、発熱素子の熱がヒートシンクを介してハウジングに伝わり易くなる。特許文献１のように、耐熱温度の低い樹脂等の材料によってハウジングが形成されていると、発熱素子から伝わる熱の影響によってハウジングが変形し、ハウジングの取り付け強度が低下する恐れがある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒートシンクに対するハウジングの取り付け強度の低下を抑制可能な電子制御装置を提供することにある。

本発明の電子制御装置は、複数の発熱素子が集中して実装された発熱領域、および、発熱領域とは一平面上で区分される非発熱領域を有する基板と、基板の一方の面に対向するように設けられているヒートシンクと、基板の他方の面を覆うように設けられているハウジングとを備えている。ヒートシンクは、基板の発熱領域に対応して配置され発熱素子が発する熱を受容する放熱部と、基板の非発熱領域に対応して配置された非発熱領域対応部と、放熱部から分離して配置され、ハウジングの外縁部が固定されている固定部とを有する。

ここで、「固定部が放熱部から分離して配置されている」とは、固定部及び放熱部が個々の部材であることを特に意味しておらず、ヒートシンクとして一体的に構成されていてもい。すなわち、固定部が放熱部とは別の部位として存在すればよい。
発熱素子には、スイッチング素子またはシャント抵抗が含まれ、複数の発熱素子の全ては、１つの領域である発熱領域内に隣り合って実装されている。基板は、非発熱領域に含まれ制御系電子部品が実装される制御領域と、発熱領域を含み複数の発熱素子を含むパワー系電子部品が実装されるパワー領域とに二分される。
固定部は、ヒートシンクの基部から立設され、間隔を空けて設けられる第１固定部、第２固定部および第３固定部を含む。第１固定部および第２固定部は、ヒートシンクの外縁部において、制御領域側にて非発熱領域対応部に隣接する位置に配置される。第３固定部は、ヒートシンクの外縁部において、パワー領域側にて非発熱領域対応部に隣接する位置に配置される。ハウジングの外縁部は、固定部の内側、かつ、放熱部の外側に配置されている。

上記構成によれば、発熱素子が発生した熱は、ヒートシンクにおいて放熱部から固定部へ向かう順に伝達される。このため、発熱素子の熱は、放熱部を伝わる間にその温度が低下し、放熱部から分離して配置されている固定部には伝わり難い。すなわち、発熱素子から固定部に伝わる熱量を低下させることが可能である。

特に、本発明の電子制御装置は、電動パワーステアリング装置用の電子制御装置など、瞬時に大電流が流れる電子制御装置として好適に利用される。瞬時に大電流が流れたとき発熱素子が生じる熱（瞬時熱）は、定常的な発熱よりも周囲への温度的影響が大きい。本発明では、発熱素子から固定部に伝わる瞬時熱の熱量を低下させることにより、固定部の温度上昇を効果的に抑制することができる。

以上の構成により、固定部に固定されるハウジングは、発熱素子が発生する熱の影響を受け難く、熱による変形が抑制される。
したがって、本発明によれば、ヒートシンクに対するハウジングの取り付け強度の低下を抑制可能な電子制御装置が提供される。

本発明の一実施形態による電子制御装置を、ハウジングを省略して示す平面図である。 本発明の一実施形態による電子制御装置を示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。 本発明の一実施形態によるヒートシンクを示す平面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線矢視断面図である。 本発明の一実施形態による電子制御装置の回路構成を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態による電子制御装置について、図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による電子制御装置は、例えば車両の電動パワーステアリング装置に適用され、運転者による操舵を補助するアシストトルクを発生するモータの駆動を制御することができる。

図１〜図４に示すように、電子制御装置１は、種々の電子部品が実装された基板１０、ヒートシンク７０、及び、ハウジング８０等を備える。なお、図１では、ハウジング８０の図示を省略している。

まず、電子制御装置１の回路構成について、図７に基づいて説明する。
本実施形態の電子制御装置１は、例えばＤＣブラシモータであるモータ１０１の駆動を制御するものであり、基板１０に実装される電子部品として、スイッチング素子２１〜２４、シャント抵抗２５、電源リレー４１、モータリレー４２、コンデンサ５１〜５３、コイル５５、及び、制御部６０を備える。

スイッチング素子２１〜２４は、Ｈブリッジ回路を構成しており、制御部６０からの制御信号に基づいてオンオフ作動が制御される。本実施形態では、スイッチング素子２１〜２４は、いずれもＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）であるが、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の他の半導体素子であってもよい。

高電位側に接続されるスイッチング素子２１、２２の接続点は、電源リレー４１及びコイル５５を経由して、バッテリ１０２の正極と接続される。低電位側に接続されるスイッチング素子２３、２４の接続点は、シャント抵抗２５を経由してバッテリ１０２の負極と接続される。スイッチング素子２１、２３の接続点と、スイッチング素子２２、２４の接続点の間には、モータリレー４２、及び、モータ１０１が接続される。

シャント抵抗２５は、モータ１０１に通電される電流を検出する。
コンデンサ５１〜５３は、例えばアルミ電解コンデンサであり、バッテリ１０２と並列に接続され、電荷を蓄えることにより、スイッチング素子２１〜２４への電力供給を補助したり、サージ電圧などのノイズ成分を抑制したりする。
コイル５５は、例えばチョークコイルであり、バッテリ１０２と電源リレー４１との間に接続され、ノイズを低減する。

制御部６０は、マイコン６１及びカスタムＩＣ６２を有する。制御部６０は、モータ１０１の要求出力トルクやフィードバック電流に基づいて、スイッチング素子２１〜２４の作動を制御することにより、モータ１０１の回転駆動を制御する。

次に、電子制御装置１の構成について、図１〜６に基づいて説明する。
基板１０は、絶縁性材料で形成されたプリント配線板であり、略矩形に形成されている。また、基板１０には、電子制御装置１の外部と電力や制御信号を入出力するためのハーネス等が接続されるコネクタ１５が設けられている。

本実施形態において、電子制御装置１を構成する上述の電子部品は、１枚の基板１０の両面に実装されている。これにより、複数の基板により電子制御装置を構成する場合と比較し、部品点数を低減可能であるとともに、小型化が可能である。
基板１０の一方の面を表実装面１１と称し、他方の面を裏実装面１２と称する。

また、本実施形態において、基板１０は、パワー系電子部品が実装されたパワー領域Ｒｐと、制御系電子部品が実装された制御領域Ｒｃとに一平面上で区分されている。なお、図１において、パワー領域Ｒｐと制御領域Ｒｃとの境界は２点鎖線Ｌｂによって示されている。

パワー領域Ｒｐに実装されたパワー系電子部品は、スイッチング素子２１〜２４、シャント抵抗２５、電源リレー４１、モータリレー４２、コンデンサ５１〜５３、及び、コイル５５である。このうち、スイッチング素子２１〜２４及びシャント抵抗２５以外の比較的体格の大きい電子部品は表実装面１１に実装されており、スイッチング素子２１〜２４及びシャント抵抗２５は裏実装面１２に実装されている。
一方、制御領域Ｒｃに実装された制御系電子部品は、マイコン６１及びカスタムＩＣ６２である。マイコン６１は表実装面１１に実装されており、カスタムＩＣ６２は裏実装面１２に実装されている。

パワー領域Ｒｐと制御領域Ｒｃとの間には、ランドパターン（不図示）が形成されており、パワー系電子部品のグランドと制御系電子部品のグランドとは、当該ランドパターンによって隔てられている。これにより、制御系電子部品では、パワー系電子部品に大電流が通電されることによるノイズの影響が低減される。

本実施形態では、通電によって発生する発熱量が比較的大きく、放熱の必要性が高いスイッチング素子２１〜２４及びシャント抵抗２５が「発熱素子」に相当する。以下適宜、スイッチング素子２１〜２４及びシャント抵抗２５を、発熱素子２１〜２５と称する。

発熱素子２１〜２５は、基板１０の一領域に集中して実装されている。以下、発熱素子２１〜２５が実装される基板１０の一領域を発熱領域Ｒ１と称する。
また、基板１０の発熱領域Ｒ１以外の領域を非発熱領域Ｒ２と称する。本実施形態において、非発熱領域Ｒ２は、制御領域Ｒｃとパワー領域Ｒｐの一部とを含んでいる。制御系電子部品は、非発熱領域Ｒ２に実装されていると言い換えることが可能である。

ヒートシンク７０は、アルミ等の熱伝導性のよい材料によって、全体として略板状に形成されており、基板１０の裏実装面１２に対向するように配置されている。ヒートシンク７０は、基板１０の発熱領域Ｒ１に対応する放熱部７１、並びに、基板１０の非発熱領域Ｒ２に対応する非発熱領域対応部７２を有している。

放熱部７１は、非発熱領域対応部７２よりも基板１０側に向かって突出した形状を有している。これにより、基板１０に垂直な方向において、放熱部７１の厚みＴ１は、非発熱領域対応部７２の厚みＴ２よりも大きい（図６参照）。これによって、放熱部７１の質量を確保することができる。

放熱部７１には、発熱素子２１〜２５が収容される凹部７１１〜７１５が形成されており、放熱部７１は、発熱素子２１〜２５の背面に対向している。発熱素子２１〜２５と放熱部７１との間には放熱ゲルなどの熱伝導性絶縁部材７９が介在している。すなわち、放熱部７１は、熱伝導性絶縁部材７９を介して発熱素子２１〜２５に接触している。

また、ヒートシンク７０は、基板１０を支持する支持部７３、７４を有している。基板１０は、ビス等の固定部材１３によって、ヒートシンク７０の支持部７３、７４に固定されている。支持部７３は放熱部７１に複数設けられ、支持部７４は非発熱領域対応部７２に複数設けられている。

さらに、ヒートシンク７０は、放熱部７１から分離して配置され、ハウジング８０の外縁部８２が固定されている固定部７５を有している。本実施形態において、固定部７５は、ヒートシンク７０の外縁部７７において非発熱領域対応部７２に隣接する位置に間隔を空けて複数設けられている。また、固定部７５は、非発熱領域対応部７２よりも基板１０側に向かって突出した形状を有しており、その側面には凹部７５１が形成されている。

ハウジング８０は、例えば樹脂によって略箱状に形成されており、基板１０の表実装面１１側を覆っている。このようにハウジング８０及びヒートシンク７０が基板１０を両側から挟むように配置されていることにより、基板１０の表実装面１１及び裏実装面１２に実装されている種々の電子部品を外部からの衝撃、水及び埃等から保護することができる。

ハウジング８０の外縁部８２は、ヒートシンク７０の固定部７５によって固定されている。本実施形態における固定方法は、スナップフィット方式である。具体的には、ハウジング８０の外縁部８２は、ヒートシンク７０の固定部７５に対応して設けられた複数の係合部８２３を有している。係合部８２３は、外縁部８２から側方に向かって突出している。

ハウジング８０をヒートシンク７０に取り付ける際、係合部８２３は、ハウジング８０自身の弾性力によって、固定部７５の凹部７５１に嵌め込まれる。これにより、係合部８２３は、固定部７５に弾性的に係合する。

（効果）
（１）本実施形態の電子制御装置１は、上述したように、複数の発熱素子２１〜２５が集中して実装された発熱領域Ｒ１を有する基板１０と、基板１０の一方の面である裏実装面１２に対向するように設けられているヒートシンク７０と、基板１０の他方の面である表実装面１１を覆うように設けられているハウジング８０とを備える。
また、ヒートシンク７０は、基板１０の発熱領域Ｒ１に対応して配置され発熱素子２１〜２５が発する熱を受容する放熱部７１と、放熱部７１から分離して配置され、ハウジング８０の外縁部８２が固定されている固定部７５とを有する。

上記構成によれば、発熱素子２１〜２５が発生した熱は、ヒートシンク７０において放熱部７１から固定部７５へ向かう順に伝達される。このため、発熱素子２１〜２５の熱は、放熱部７１を伝わる間にその温度が低下し、放熱部７１から分離して配置されている固定部７５には伝わり難い。すなわち、発熱素子２１〜２５から固定部７５に伝わる熱を抑制することが可能である。

特に、本実施形態の電子制御装置１は、電動パワーステアリング装置用の電子制御装置など、瞬時に大電流が流れる電子制御装置として好適に利用される。瞬時に大電流が流れたとき発熱素子２１〜２５が生じる熱（瞬時熱）は、定常的な発熱よりも周囲への温度的影響が大きい。本実施形態では、発熱素子２１〜２５から固定部７５に伝わる瞬時熱の熱量を低下させることにより、固定部７５の温度上昇を効果的に抑制することができる。

以上の構成により、固定部７５に固定されるハウジング８０は、発熱素子２１〜２５が発生する熱の影響を受け難く、熱よる変形が抑制される。
したがって、本実施形態の電子制御装置１は、ヒートシンク７０に対するハウジング８０の取り付け強度の低下を抑制可能である。

（２）本実施形態において、基板１０は、発熱領域Ｒ１とは一平面上で区分される非発熱領域Ｒ２をさらに有しており、ヒートシンク７０は、基板１０の非発熱領域Ｒ２に対応して配置された非発熱領域対応部７２をさらに有する。また、基板１０に対して垂直な方向において、放熱部７１の厚みＴ１は、非発熱領域対応部７２の厚みＴ２よりも大きい。

上記構成によれば、放熱部７１の質量を確保することができる。これにより、発熱素子２１〜２５の放熱性を向上させることができる。また、発熱素子２１〜２５から固定部７５に伝わる瞬時熱の熱量が低下するため、ハウジング８０に対する発熱素子２１〜２５の熱の影響をより低下させることができる。一方、発熱素子２１〜２５の放熱への寄与が少ない非発熱領域対応部７２の厚みを小さくすることにより、ヒートシンク７０を軽量化することができる。

（３）本実施形態において、固定部７５は、ヒートシンク７０の外縁部７７において非発熱領域対応部７２に隣接する位置に配置されている。
上記構成によれば、固定部７５が放熱部７１から確実に離れて配置されるため、ハウジング８０に対する発熱素子２１〜２５の熱の影響をより低下させることができる。

（４）本実施形態において、ハウジング８０は、樹脂材料から形成されており、ハウジング８０の外縁部８２は、ヒートシンク７０の固定部７５に対して弾性的に係合している係合部８２３を有する。

上記構成によれば、いわゆるスナップフィット方式によって、ハウジング８０をヒートシンク７０に簡単に固定することができる。また、ハウジング８０の係合部８２３は、その形成材料である樹脂材料の許容温度が低くてもクリープ変形することが抑制されるため、確実に固定部７５に係合される。

（５）本実施形態において、発熱素子２１〜２５は、基板１０の裏実装面１２に実装されており、放熱部７１は、放熱部７１に対向する発熱素子２１〜２５の背面から熱を受容する。
上記構成によれば、発熱素子の外部端子から基板側にのみ放熱する従来技術の構成に比べ、発熱素子２１〜２５の放熱性を向上させることができる。

（他の実施形態）
（ア）発熱素子
他の実施形態では、発熱素子は、スイッチング素子またはシャント抵抗以外の基板に実装される電子部品であってもよい。
また、他の実施形態では、発熱素子は、基板の表実装面に実装されてもよい。

（イ）基板
本発明の基板における発熱領域及び非発熱領域の配置等は、上記実施形態に限られず、発熱領域及び非発熱領域とが一平面上で区分されていればよい。

（ウ）放熱部
上記実施形態では、放熱部７１は、放熱ゲル等の熱伝導性絶縁部材７９を介して、発熱素子２１〜２５に接触しているが、本発明はこれに限られない。本発明において、放熱部の「発熱素子が発する熱を受容する」構成とは、上記実施形態の他、以下の形態等が挙げられる。
例えば、発熱素子が絶縁性材料によって背面を被覆されているモジュールである場合、放熱部は、熱伝導性絶縁部材を介さず、当該モジュールに直接接触していてもよい。
また、発熱素子が基板の表実装面側の放熱領域に実装されている場合、放熱部は、熱伝導性絶縁部材を介して基板の放熱領域に接触していてもよい。

（エ）固定部
本発明の固定部は、放熱部から分離して配置されていれば、上記実施形態の形状及び配置に限定されない。例えば、固定部は、ヒートシンクの外縁部において放熱部に隣接する位置に配置されてもよいし、後述のハウジングの固定方法に合わせて様々な形状を取ってもよい。

（オ）ハウジング
本発明において、ハウジングをヒートシンクに固定する方法は、上記実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、固定部７５に凹部７５１が形成され、ハウジング８０の外縁部８２に凸状の係合部８２３が形成されているが、この凹凸関係は逆であってもよい。また、スナップフィット方式に限定されず、固定箇所に接着剤等を用いてもよい。

（カ）電子制御装置
本発明の電子制御装置は、電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータを駆動する装置に限らず、その他の用途の発熱素子を含むあらゆる装置に適用可能である。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、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可能である。

１・・・電子制御装置
１０・・・基板
２１〜２４・・・スイッチング素子（発熱素子）
２５・・・シャント抵抗（発熱素子）
７０・・・ヒートシンク
７１・・・放熱部
７５・・・固定部
８０・・・ハウジング
８２・・・外縁部

Claims (6)

1. 複数の発熱素子（２１〜２５）が集中して実装された発熱領域（Ｒ１）、および、前記発熱領域とは一平面上で区分される非発熱領域（Ｒ２）を有する基板（１０）と、
   前記基板の一方の面（１２）に対向するように設けられているヒートシンク（７０）と、
   前記基板の他方の面（１１）を覆うように設けられているハウジング（８０）と、
   を備え、
   前記ヒートシンクは、
   前記基板の前記発熱領域に対応して配置され、前記発熱素子が発する熱を受容する放熱部（７１）と、
   前記基板の前記非発熱領域に対応して配置された非発熱領域対応部（７２）と、
   前記放熱部とは分離して配置され、前記ハウジングの外縁部（８２）が固定されている固定部（７５）と、を有し、
   前記発熱素子には、スイッチング素子またはシャント抵抗が含まれ、複数の前記発熱素子の全ては、１つの領域である前記発熱領域内に隣り合って実装されており、
   前記基板は、前記非発熱領域に含まれ制御系電子部品が実装される制御領域（Ｒｃ）と、前記発熱領域を含み複数の前記発熱素子を含むパワー系電子部品が実装されるパワー領域（Ｒｂ）とに二分され、
   前記固定部は、前記ヒートシンクの基部から立設され、間隔を空けて設けられる第１固定部、第２固定部および第３固定部を含み、
   前記第１固定部および前記第２固定部は、前記ヒートシンクの外縁部において、前記制御領域側にて前記非発熱領域対応部に隣接する位置に配置され、
   前記第３固定部は、前記ヒートシンクの外縁部において、前記パワー領域側にて前記非発熱領域対応部に隣接する位置に配置され、
   前記ハウジングの外縁部（８２）は、前記固定部の内側、かつ、前記放熱部の外側に配置されていることを特徴とする電子制御装置。
2. 前記基板に対して垂直な方向において、前記放熱部の厚み（Ｔ１）は、前記非発熱領域対応部の厚み（Ｔ２）よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の電子制御装置。
3. 前記ハウジングは、樹脂材料から形成されており、
   前記ハウジングの前記外縁部は、前記ヒートシンクの前記固定部に対して弾性的に係合している係合部（８２３）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電子制御装置。
4. 前記発熱素子は、前記基板の前記一方の面に実装されており、
   前記放熱部は、前記放熱部に対向する前記発熱素子の面から熱を受容することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子制御装置。
5. 前記固定部の高さは、前記放熱部の高さより高い請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子制御装置。
6. 前記固定部が形成されていない箇所において、前記ハウジングの前記外縁部は、先端側が露出した状態になっている請求項１〜５のいずれか一項に記載の電子制御装置。

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